Miniaturisierung im Trend Schrumpfende Medizingeräte

Jetzt erfasst der Miniaturisierungstrend auch die Medizintechnik: Alles schrumpft, vom Laborgerät über bildgebende Systeme bis hin zu Patientenüberwachungsgeräten. Zwar treiben Forscherteams weiterhin die technische Leistungsfähigkeit der großen Systeme voran, gleichzeitig entwickeln die Hersteller aber mit großem Engagement tragbare Gerätemodelle – auch und vor allem für den Privatanwender.

Bei den klassischen medizinischen Laborgeräten sind Kriterien wie hohe Genauigkeit und Testgeschwindigkeit wesentlich. Um diese Anforderungen zu erfüllen, bedarf es erfahrener Techniker, welche die sperrige und hoch spezialisierte Ausrüstung bedienen können. Und dies wird auch in Zukunft so bleiben. Gleichzeitig legen viele Hersteller jedoch ihren Fokus auf die Entwicklung spezialisierter, miniaturisierter Versionen für Kliniken und den Massenmarkt. Der stärkste Schub kommt dabei von der Endverbraucherseite und geht in Richtung Kostensenkung, höheren Komfort und schnellere sowie genauere Ergebnisse.

Wann immer ein Patient einen ärztlich verordneten Test zu Hause selbst durchführen kann und sich nicht zu einer medizinischen Einrichtung begeben muss, profitieren alle Parteien. Tragbare Blutzuckermessgeräte sind ein gutes Beispiel hierfür, jährlich werden davon über 40 Mio. Stück verkauft. Zusätzlich macht die Industrie mit den Teststreifen einen Umsatz von 10 Mrd. US-Dollar. Ein weiterer Treiber der mobilen Lösungen ist die Probenintegrität. Labor-Equipment liefert zwar Ergebnisse mit hoher Genauigkeit, doch deren Korrektheit hängt stark davon ab, wie eine Probe gewonnen wird.

So müssen beispielsweise Patienten, die gerinnungshemmende Mittel einnehmen, die Blutgerinnung regelmäßig testen. Normalerweise müssen sie dafür einen Arzt oder eine Klink aufsuchen und dort eine Blutprobe abgeben. Unmittelbar nach der Entnahme beginnt Blut jedoch zu gerinnen und seine biologischen und chemischen Eigenschaften zu verändern. Um dies zu verhindern, muss der Blutprobe ein Gerinnungshemmer zugegeben werden - eine notwendige, aber nicht wünschenswerte Maßnahme.

Auf dem Weg in ein Testlabor und im Labor selbst kann die Blutprobe anschließend stark schwankenden Temperaturen, unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit und mechanischen Belastungen ausgesetzt sein, die ihre Integrität beeinträchtigen. Tragbare Testgeräte können diese Einflüsse vermeiden. Blutgerinnungstests sind inzwischen zu einfachen, vom Patienten zu Hause durchführbaren Tests geworden. Ermöglicht wird dies durch eine neue Generation tragbarer Systeme wie das »Hemosense INRatio«. Indem man einen einzigen Tropfen Blut entnimmt und auf den temperaturgeregelten Teststreifen aufbringt, führt das Gerät den Test automatisch durch und liefert sofort das Ergebnis.

Wie war es möglich, dass die Abmessungen von Geräten derart schrumpfen konnten? Sicherlich spielten Kostenreduzierungen bei der Elektronik durch das Moore’sche Gesetz und Massenmärkte wie Mobiltelefone eine wichtige Rolle - Bauteile wie Displays, Prozessoren, Speicher, Wandler und Verstärker sind allesamt preiswerter geworden. Und auch in der Biologie und Chemie sind wichtige Durchbrüche zu verzeichnen, durch das deutlich bessere Verständnis der Proben-Chemie sowie der zugehörigen Vorbereitung, Separation und Flussdynamik wurden Diagnosen erheblich einfacher.

Miniaturisierung bringt neue Herausforderungen

Doch der Trend zur Miniaturisierung bei gleichzeitiger Verbesserung des Komforts, der Qualität und des Zugangs zum Gesundheitswesen bringt eine Reihe anderer Herausforderungen bei der Entwicklung mit sich. So spielt beispielsweise der Ausbildungsgrad der Personen, welche die Tests durchführen, eine wichtige Rolle. Die Diagnostik muss so aufgebaut sein, dass sie sehr einfach zu beherrschen und so auch von älteren Menschen mit Sehschwächen und geringer Geschicklichkeit bedienbar ist.

In den USA müssen die Geräte also praktisch die »CLIA«-Standards (Clinical Laboratory Improvement Amendments) erfüllen, damit auch nicht technisch veranlagte Menschen in Privathaushalten die Diagnostik einsetzen können. Ein wichtiges Entwicklungsziel bei tragbaren Systemen ist zum Beispiel, eine vom Nutzer durchzuführende Kalibrierung zu vermeiden.

Denn wenn der Nutzer den Kalibrierungsschritt vergisst oder diesen nicht richtig ausführt, resultieren daraus falsche Ergebnisse mit möglicherweise ernsthaften Konsequenzen. Miniaturisierung ist nicht nur bei Labor-Equipment ein Thema, auch Ultraschallgeräte - bisher meist stationäre Systeme neben Behandlungsliegen oder Patientenbetten - werden immer kleiner. So bietet das handtellergroße Ultraschallgerät »Signos« von Signostics (Bild 1) eine qualitativ hochwertige Auflösung auf einem berührungsempfindlichen Display, erreicht eine Startzeit von weniger als einer Sekunde aus dem Ruhezustand und kann bis zu 10 000 Bilder speichern.

Mit seinem Gewicht von rund 250 g und den kompakten Abmessungen lässt sich das Produkt rein äußerlich mit einem Smartphone vergleichen, der Anwender kann das Gerät in der Hosentasche mitführen oder wie ein Stethoskop um den Hals tragen. Dies erhöht den Komfort beim Einsatz von Ultraschall für Diagnosen vor Ort. Möglich wurde dieser Durchbruch durch eine neuartige Sensor- und Lageerfassungstechnik. Kamen bisher mehrere Ultraschallwandler und komplexe »Beamforming«-Schaltungen zum Einsatz, so nutzt das Signos nur einen einzigen Wandler. Weil der Anwender das Bild durch Handbewegungen erzeugt, können kostspielige und sperrige Sensorarrays und »Beamforming«-Techniken mit hohem Stromverbrauch entfallen.

Auch bei Pulsoxymetern sind hinsichtlich der Miniaturisierung große Fortschritte zu verzeichnen. Diese Geräte sind in der klinischen Diag-nose weit verbreitet und messen den prozentualen Anteil des mit Sauerstoff angereicherten Hämoglobins, indem sie Licht mit zwei Wellenlängen durch einen Finger schicken. Durch Überwachung der relativen Absorption dieser Wellenlängen berechnen sie den gesättigten prozentualen Anteil des Sauerstoffs (SpO2). Vor allem die Verfügbarkeit von LEDs mit den erforderlichen Wellenlängen ermöglichte hier die Miniaturisierung der Geräte, aber auch der Analog-Mikrocontroller »ADuC7024« von Analog Devices, der alle erforderlichen Steuerungsfunktionen und Messungen auf einem Chip vornimmt, konnte für einige Geräte einen wesentlichen Beitrag leisten.

Untersuchungsergebnisse und Krankenberichte speichern

Weil sich im Zuge der Miniaturisierung der Einsatz der Geräte in den Privathaushalt verlagert, spielt die Aufzeichnung der Ergebnisse eine zunehmend wichtigere Rolle. Bei Labortests erfolgt diese sehr einfach über Standardnetzwerke, welche die Ergebnisse zu einem »EHR-Framework« (Electronic Health Record) übertragen. Bei Diagnosen zuhause sind jedoch wesentlich größere Herausforderungen zu bewältigen. Viele Tests und Prozeduren, wie etwa ein EKG, liefern komplexe Daten. Für einfache Analysen und Diagnosen sollten solche Daten komplett und in genau einem nutzbaren Format zur Verfügung stehen.

Ideal hier ist eine »End-to-End«-Verbindung über einen PC, der mit dem Computer der Klinik vernetzt ist. Möglich wird dies durch Chips wie den USB-Isolator »ADuM4160« (Bild 2) von Analog Devices. Das Bauteil schützt den Anwender und stellt eine komplette USB-Verbindung zur Verfügung. Um den vielfältigen Herausforderungen zu begegnen, gründete eine Reihe von Unternehmen die »Continua Health Alliance«, die Standards für verschiedene Diagnosen in Privathaushalten definieren soll.

Equipment wie Blutzucker-, Blutdruckmessgeräte oder Waagen sollen mit einem »Application Hosting Device« (AHD) interagieren. Das AHD wiederum (zum Beispiel ein Mobiltelefon, eine Set-Top-Box oder ein PC) soll als Hub die Ergebnisse zum softwaremäßig vorhandenen Krankenbericht des Benutzers weiterleiten.