Nominierungen für den AMA-Preis Medizinelektronik ganz groß

Nominierungen in der medizinelektronischen Anwendungen, die eine wichtige und leistungsfähgie Sparte ist.
Nominierungen in der medizinelektronischen Anwendungen, die eine wichtige und leistungsfähige Sparte ist.

War das fachliche Spektrum beim AMA-Preis in den vergangenen ­Jahren meistens breit gestreut, so standen bei den diesjährigen Nominierungen für den begehrten Preis medizinelektronische Anwendungen im Vordergrund.

Diesmal waren es 40 Entwicklerteams aus aller Welt, die sich mit außergewöhnlichen Neuentwicklungen aus Sensorik und Messtechnik beworben hatten. Das Niveau war wie immer sehr hoch, die Jury aus Vertretern von Forschung und Industrie (Leitung: Prof. Dr. Andreas Schütze, Universität des Saarlandes) stand vor keiner leichten Entscheidung. Die Beurteilungskriterien waren Innovationshöhe, Originalität, Marktrelevanz und zeitnahe Umsetzung in Produkte. Hier sind die fünf Spitzenkandidaten vorgestellt.

4D-Mikroskopkamera „d‘Biomager“

Übliche Mikroskope liefern nur zweidimensionale Bilder, in vielen Fällen wäre aber eine dreidimensionale Abbildung des untersuchten Objekts wesentlich aussagekräftiger – vor allem in Medizin und Biologie, wo das Verhalten von lebenden Zellen und Geweben analysiert werden soll. Dabei will man auch den zeitlichen Verlauf mit hoher Auflösung erfassen, weil sich derartige Objekte mehr oder weniger schnell verändern, speziell unter dem Einfluss von zugegebenen Medikamenten.

Eine Lösung dafür hat Dr. Rachel Wang Ruiqi von der Firma d‘Optron [1] in Singapur gefunden, in enger Kooperation mit der dortigen Nanyang-Universität. Es handelt sich um einen Aufsatz, der auf vorhandene Mikroskope aufmontiert werden kann und zusätzlich zur horizontalen Information auch die Tiefeninformation registriert (Baugröße 205 × 80 × 40 mm³, Bild 1). Dank kurzer Aufnahmezeit im ms-Bereich ist damit auch eine schnelle Bewegtbildaufnahme möglich, somit also eine 4D-Aufzeichnung.

Zur Gewinnung der Tiefeninformation existieren bereits verschiedene Verfahren, die jedoch alle noch nicht optimal sind. Entweder arbeiten sie zu langsam, sodass eine ausreichend schnelle Bewegtbildaufnahme nicht möglich ist, oder aber sie erreichen – wenn schnell genug – nur eine unzureichende Auflösung. Das in Singapur entwickelte Verfahren, das auf Forschungsarbeiten von Prof. Dr. Anand Asundi an der genannten Universität basiert, ist eine nicht interferometrische, schnelle, quantitative Phasenmikroskopie-Technik, die ohne einen Referenzstrahl auskommt. Ein wesentliches Element ist darin eine in ihrer Brennweite veränderbare Linse. Es werden die Intensitäten auf unterschiedlichen Ebenen in verschiedenen Tiefen gemessen; daraus werden die Phasen ermittelt. Theoretische Grundlage ist die sogenannte Intensitätstransport-Gleichung („Transport of Intensity Equation“ TIE), eine partielle Differenzialgleichung zweiter Ordnung, die die quantitative Beziehung zwischen der Phase von transportiertem Licht und longitudinaler Intensitätsvariation beschreibt. Die rechnerische Lösung dieser Gleichung ermöglicht es, Z-Achsen-Dickenmessungen durchzuführen und auf diese Weise aussagekräftige Echtzeit-Filme von 3D-Morphologien von biologischen Proben zu erhalten – mit Auflösungen im nm-Bereich.

Die Firma d‘Optron hat als junges Unternehmen bereits vorab einen kostenlosen Messestand gewonnen.

Gassensor-Kapsel als neuartiges Diagnose-Tool

Um Krankheiten des menschlichen Darms möglichst frühzeitig erkennen zu können, ist es erforderlich, die hier ablaufenden biochemischen Vorgänge zu analysieren. Die zahllosen hier vertretenen Mikroorganismen stehen in enger Wechselwirkung mit der aufgenommenen Nahrung. Aufschlussreich ist vor allem die Bildung von Gasen, insbesondere CO2, H2, CH4 und H2S. Deren Konzentration kann je nach Gesundheitszustand und Ernährung äußerst unterschiedlich sein. Die Kenntnis des aktuellen Zustands würde wertvolle Aufschlüsse liefern. Eine Analyse der ausgeatmeten Luft ist hierfür jedoch völlig unzureichend, da ein großer Teil dieser Gase bereits von den Darmwänden wieder absorbiert wird. Eine Gasmessung direkt im Darm würde sehr viel präzisere Informationen liefern.

Eine solche Messung, die bisher als undenkbar galt, ermöglicht die Gruppe um Prof. Dr. Kourosh Kalantar-Zadeh von der Universität Melbourne, Australien: Der Patient schluckt eine Kunststoffkapsel (Bild 2), in der sich mehrere Gassensoren, ein Mikroprozessor, eine Batterie und ein Funksender befinden. Über den Sensoren sitzt eine für Gase durchlässige, aber für Flüssigkeiten undurchlässige Membran. Die aufgenommenen Messwerte werden nach außen gesendet und gelangen zu einem geeigneten Empfänger, zum Beispiel einem Smart­phone. So erhält der Arzt detaillierte Informationen über die Darmfunktion, die bisher unzugänglich waren. Auf dieser Basis kann er dann die optimale Medikamentierung und Ernährung des Patienten ermitteln. Die Batterie in der Kapsel hält sechs bis sieben Tage durch, was auch bei hartnäckiger Verstopfung ausreicht.

Die ersten Tests wurden an Schweinen durchgeführt; dabei wurden die Gase unter vielen verschiedenen Fütterungs- und Haltungsbedingungen analysiert. Nach positiven Erfahrungen folgten dann Tests an Menschen; die ersten Ergebnisse sind ebenfalls vielversprechend. Im Moment läuft eine Pilotproduktion von etwa zwölf Kapseln pro Tag. Die Serienproduktion soll Ende 2016 anlaufen. Es bestehen bereits Kontakte zu verschiedenen Kooperationspartnern in mehreren Ländern.

Haptisches Assistenzsystem zur ­Koronarangiografie

Für diagnostische und therapeutische Zwecke am Herzen – insbesondere Behandlung von Arteriosklerose – werden Herzkatheter durch die Venen bis zu der zu behandelnden Stelle in die Herzkranzgefäße eingeschoben. Die Navigation des Drahtes erfolgt dabei durch Drehen am äußeren Draht­ende, wodurch die gebogene Spitze innerhalb des Gefäßsystems in verschiedene Aderabzweigungen geführt werden kann.

Die Position des Drahtes wird durch zweidimensionale Röntgenbildgebung überwacht. Damit die Gefäße dabei nicht verletzt werden, muss die gebogene Spitze des Drahtes eine hohe Nachgiebigkeit haben. Die Herausforderung besteht hier darin, die Tastkräfte an dieser Stelle zu messen. Diese von außen her bei der Bewegung des Drahtes zu fühlen ist für den Arzt wegen der Reibung des Drahtes an der Gefäßwand nicht möglich. Somit erhält er keinen haptischen Eindruck der Kräfte an der Führungsdrahtspitze und ist ausschließlich auf das Röntgenbild für die Navigation des Drahtes angewiesen. Ein einfaches, intuitives Navigieren durch Wahrnehmung der auftretenden Interaktionskräfte zwischen Führungsdrahtspitze und Gefäßwand, also ein Tasten durch die Gefäße, ist somit nicht machbar. Bei kompliziertem Gefäßverlauf kann die Führung überaus schwierig werden.

Was der Arzt braucht, ist eine haptische Darstellung der Kräfte an der Führungsdrahtspitze. Ein Verfahren dafür wurde im Rahmen des durch die DFG geförderten Projektes „HapCath“ an der TU Darmstadt im Institut EMK von Nataliya Stefanova entwickelt. Zur Messung der Interaktionskräfte zwischen der Führungsdrahtspitze und der Aderwand sitzt an der Drahtspitze ein integrierter Mikrokraftsensor – ein Verformungskörper aus Silizium mit piezoresistiven Dehnmessstreifen in Vollbrücke. Bei axialer Belastung entstehen mechanische Spannungen in den dotierten Bereichen, wodurch sich deren Widerstände verändern. Der elektrische Anschluss verläuft über vier isolierte, um den Führungsdraht herumgelegte Kupferdrähte (25 µm). Die gemessenen Kräfte werden extrakorporal mittels Aktoren verstärkt auf den Draht rückgekoppelt. So erhält der Kardiologe einen haptischen Eindruck der Interaktionskräfte im Gefäßsystem, wodurch die Navigation des Drahtes vereinfacht, das Komplikationsrisiko gesenkt und die Behandlungszeiten verkürzt werden.

Je transparenter ein solches System ist, desto geringer ist der Fehler zwischen der dargestellten mechanischen Impedanz des Systems und der tatsächlichen des manipulierten Objekts. Bei vollkommener Transparenz ist der Einfluss nicht spürbar; die vom haptischen System dargestellte Impedanz entspricht der des abgetasteten Objekts. Mit dem in Bild 3 gezeigten Demon­strator ist eine haptische Rückmeldung aus modellhaften Gefäßverläufen möglich.