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Mikrosysteme erobern Medizintechnik

Vom miniaturisierten Messlabor bis zur biomechanisch gesteuerten Beinprothese – die Hersteller von integrierten Mikrosystemen haben längst das Feld der medizinischen Geräte und Applikationen entdeckt. Europaweit ist die Jagd auf vielversprechende Lösungen bereits voll im Gang.

Den Stein ins Rollen brachten die vielen elektronischen Helfer, die im Windschatten der Mikroelektronik seit den 80er Jahren des vorigen Jahrhunderts entstanden sind. Während sich die Halbleiterelektronik mit der Miniaturisierung von elektrischen Schaltungen und Komponenten wie Transistoren oder Speicherelementen für informationstechnische Anwendungen befasst, zielen die Mikrosysteme auf die Integration mechanischer, biologischer und optischer Funktionen auf einem Trägerchip oder -substrat, meist in Kombination mit einer elektronischen Signalverarbeitung „on board“. Eine wichtige Voraussetzung, um im weiten Umfeld medizinischer Gerätetechnik einen festen Platz einzunehmen. Was einst in industriefernen Universitätslabors unter der Bezeichnung Mikromechanik und Mikrostrukturtechnik begann, hat sich rasch zu einem beachtlichen Innovationsmotor mit veritablen Wachstumsaussichten für industrielle Anwender entwickelt. Mikrosysteme sind als digitale Assistenten in chemischen und pharmazeutischen Labors nicht mehr wegzudenken. Als so genannte Lab-on-a-chip-Systeme schrumpfen schrankgroße Analysegeräte auf die Größe einer Streichholzschachtel. Im Bereich der medizinischen Diagnostik und der In-vivo Funktionsüberwachung messen intelligente Mikrosensoren den Blasen-, Hirn- oder Blutdruck, während Retina-Implantate das Sehvermögen erkrankter Patienten wieder herstellen. In modernen Dialysatoren für die Blutwäsche stecken mehr als 10 000 Kapillarmembranen mit einer aktiven Oberfläche von rund 1,5 Quadratmetern. So genannte Polysulfon-Membranen verfügen über multifunktionale Oberflächen, die sich mit zusätzlichen diagnostischen und therapeutischen Mikrosensoren koppeln lassen.

Vitalparameter immer im Blick

Große Hoffnungen setzen Mediziner in neuere Entwicklungsaktivitäten rund um die Überwachung von Vitalparametern wie Körpertemperatur, Herzfunktionen oder Atemfrequenz. Das indirekte Messen von Sauerstoff im Blut mittels chipbasiertem Fingerpulsoximeter gilt bereits als schnelle, kostengünstige und vor allem nicht-invasive Technik der Patientenüberwachung. Professor Kerstin Wessig von der Evangelischen FH Darmstadt, sieht im sensor- und computergestützten Patienten-Monitoring den Durchbruch für eine mobile Gesundheitsassistenz, die durch eine drahtlose Vernetzung von Patient und Arzt schnelle und kostengünstige Versorgungspfade öffnet: „Die Patientenklingel im stationären Umfeld ist ein Auslaufmodell, ebenso erlauben Sensorchips am Körper oder in der Kleidung die Fernüberwachung von Gesundheitsparametern rund um die Uhr“, sagt Prof. Wessig auf einem Kongress des Fachverbands Biomedizinische Technik (fbmt) in Würzburg.

Ambient Assisted Living (AAL) heißt das aktuelle Forschungs- und Anwendungsgebiet, in dessen Mittelpunkt das Therapiemanagement und die altersgerechte Versorgung vor allem chronisch kranker oder hilfsbedürftiger  Patienten steht. Der Fraunhofer-Wissenschaftler Peter Georgieff sieht in den nächsten vier Jahren ein wachsendes Marktpotenzial für AAL-Systeme: „Die Entwicklung von altersgerechten Assistenzsystemen für die Gesundheit spielt eine Schlüsselrolle in einem leistungsfähigen Gesundheitswesen“, unterstreicht Georgieff.

Mehrere Forschungs- und Entwicklungsinstitute arbeiten an mobilen Assistenzsystemen oder AAL-Anwendungen, die in naher Zukunft die Lebensqualität von Senioren sichern und verbessern sollen. Initiativen wie das Medizintechnische Test- und Anwendungszentrum (Metean) des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen bewerten medizinische Sensorentwicklungen hinsichtlich ihrer Einsatzreife im Alltag. Der Bewegungssensor „Actisens“, der am Handgelenk getragen wird und Bewegungsaktivitäten klassifiziert sowie aufzeichnet, gehört zu den neuen Überwachungsgeräten, die auch Stürze oder andere Notlagen erkennen. Die Daten lassen sich aus dem integrierten Flash-Speicher über eine schnurlose Bluetooth-Verbindung auslesen.

Die AAL-Szenarien und die medizinische Fernbetreuung basieren zu einem Großteil auf Mikrosystemtechniken. Ähnliches gilt für Messungen am so genannten Point of Care. Bei den gegenwärtigen Entwicklungen zur Miniaturisierung in der vorklinischen Analytik werden gern Parallelen zu den Erfolgen in der Mikroelektronik gezogen. Durch die Miniaturisierung elektronischer Bauteile konnten ganze Rechenzentren zu kleinen Computern schrumpfen und heutzutage kann sich kaum noch jemand vorstellen, wie das Leben ohne die vielen elektronischen Helfer aussehen würde. Fachleute sind sich einig, dass dieser Erfolg durch die Miniaturisierung immer komplexerer Komponenten und Systeme zustande kam. Der Siegeszug der Miniaturisierung erfasst ganze Chemie- und Analysen-Laboratorien. Viele Geräte schrumpfen auf Westentaschen-Format und sind für den mobilen Einsatz geeignet. Der gesamte Analysevorgang wird vereinfacht und ist weniger kostspielig, denn es werden nur noch winzige Mengen an Substanzen benötigt, um Messergebnisse zu erhalten. Deshalb verspricht man sich auch in der Diagnostik viel von solchen geschrumpften Analysenlaboren, weil damit selbst komplexe Analysen direkt vor Ort gemacht werden können. Das lange Warten auf die Laborwerte könnte bald der Vergangenheit angehören, denn der Patient erhält das Ergebnis sofort in der Arztpraxis von einem scheckkartengroßen Gerät.

Ein anderes Beispiel ist Smart Health. Die von der TU Berlin in Zusammenarbeit mit der Shanghai Jiao Tong University im Rahmen eines neu gegründeten Gemeinschaftsinstituts ins Leben gerufene Smart-Health-Plattform steht im Mittelpunkt einer ubiquitären Gesundheitsunterstützung, die medizinische Dienste sowie zusätzliche Krankheitserkennungs- und eine Wellness-Applikationen anbieten soll. Sie besteht aus einer modularen Sensorplattform, die vom Benutzer am Körper getragen wird und in ein Shirt, Schuhe oder Armbänder integriert ist. Die Sensorplattform misst verschiedene Parameter wie Puls, Blutsauerstoff, Beschleunigungsdaten, EKG- sowie EEG- Daten und Blutdruck. Die Daten werden mittels Nahverkehrsfunk gebündelt und über eine Weitverkehrsfunkverbindung in ein so genanntes System Level Gateway (SLG) eines Medical Service Center übertragen.

Das Smart Health Framework unterstützt TU-Ingenieure auch bei der Entwicklung eines Multi-Modul-Biodiagnosebaukastens, der europäische Unternehmen dabei unterstützt spezifische Lab-on-Chip-Systeme für die Analyse biologischer Proben zusammenzustellen. Ein erster Demonstrator besteht aus einem Einweg-Lab-on-Chip in Kombination mit einem Auslesegerät, das mit einem Krankenhausinformationssystem kommunizieren kann. Zukünftige Produktversionen sollen zu einem tragbaren und am Point of Care einsatzbereiten System schrumpfen, mit dem sich Nukleinsäuren und Proteine detektieren lassen. Neben dem Aufbereiten von biologischen Probentypen bringen die Entwickler dem Hightech-Gerät auch die Schnellanalyse biologischer Informationen bei. Daraus, so die Hoffnungen der Entwickler, entstehen neue Ansätze für die Krebsdiagnostik.

Die Mikrosystemtechnik ist zudem Wegbereiter für Analysesysteme im Bereich der minimalinvasiven Laserchirurgie. Damit die schonende Schnitteigenschaft des Lasers voll zum Tragen kommt und bei mikroskopisch schmalen Schnitten ausschließlich das gewünschte Gewebe durchtrennt wird, soll ein Festkörper-UV-Laser-Mikrosystem das Geschehen am Operationsort beobachten und analysieren. Ein Mikrosystem erfasst dabei die Fluoreszenzanregung des Gewebes durch das Laserlicht und analysiert dessen Spektrum mit einem Mikrospektrometer. Daraus ergeben sich Rückschlüsse auf den Gewebetyp, so dass der Laserschnitt sich exakt ausführen lässt.

Andreas Beuthner