Medical Imaging
Biomagnetische Diagnostik – in klein
Seit Erfindung des Röntgen folgten viele Technologien und Verfahren für die medizinische Bildgebung und Diagnostik. Biomagnetische Sensoren sollen jetzt für eine Alternative zur SQUID-Technik und eine Miniaturisierung von Diagnosegeräten sorgen.
Die physiologische Funktion menschlicher Organe, insbesondere des Herzens, wurde im Laufe der Zeit mit verschiedenen Techniken untersucht. Ein Elektrokardiogramm (EKG) ist ein Standardtest, der bei Gesundheitschecks durchgeführt wird. Am Körper angebrachte Elektroden, die eine elektrische Wellenform des Herzschlags anzeigen, zeichnen die Aktivität des Herzmuskels und etwaige Anomalien des Herzschlags auf.
Ein Magnetokardiogramm (MKG) nutzt Technik, die den leichten Biomagnetismus erkennt, den das Herz aussendet. So lassen sich detailliertere elektrophysiologische Informationen über das Herz erhalten. Da die biomagnetischen Felder jedoch so schwach sind, dass sie nur ein Zehnmillionstel der Stärke des Erdmagnetfeldes betragen, sind hochempfindliche Magnetsensoren erforderlich, um sie genau zu erfassen.
Die um 1970 entwickelte SQUID-Technik (supraleitende Quanteninterferenz) war ein bedeutender Fortschritt bei der Messung des Biomagnetismus. Es handelt sich um einen Magnetsensor, der mithilfe von Supraleitern ein hochempfindliches Magnetflussmessgerät zur Überwachung des Biomagnetismus bereitstellt. Das System muss jedoch in einem abgeschirmten Raum untergebracht werden, um äußere magnetische Einflüsse auszuschließen. Zudem müssen die supraleitenden Spulen mit flüssigem Helium gekühlt werden, was die Apparate groß und teuer macht.
Zur Früherkennung und Behandlung von Krankheiten haben Medizingerätehersteller Scanner für die Computertomografie (CT) und später die Magnetresonanztomografie (MRT) entwickelt. CT-Scanner erstellen genaue 3D-Scans des Körpers, indem sie mithilfe von Röntgenstrahlen eine Folge von Schnittbildern aufnehmen, die dann von einem Computer kombiniert werden. MRT-Scanner sind ähnliche Geräte, die mithilfe starker Magnetfelder und Radiowellen präzise Bilder liefern. Die Zahl der Gesundheitseinrichtungen, die sie unterbringen können, ist jedoch dadurch begrenzt, dass es sich um sehr teure und massive Geräte handelt.
Die Visualisierung des Zustands im Körperinneren gewinnt mit dem technologischen Fortschritt, der Digitalisierung und dem Trend zur P4-Medizin (Präventivmedizin) weiter an Bedeutung – und generiert einen großen Bedarf an kleineren und sichereren Technologien und die Entwicklung miniaturisierter medizinischer Geräte.
Hochempfindliche MR-Sensoren
Der elektrische Widerstand eines Festkörpers ändert sich infolge eines Magnetfelds, was als magnetoresistiver (MR) Effekt bekannt ist. MR-Sensoren erkennen Magnetfeldänderungen oder das Vorhandensein bzw. Fehlen von magnetischem Material als Spannungsänderung und bieten daher eine mögliche Alternative zur SQUID-Technik.
Die xMR-Sensoren Nivio von TDK verwenden ein MR-Element, das auf modernster Spintronik basiert, die das Unternehmen im Laufe der Jahre durch seine Erfahrung in der Fertigung von Festplattenköpfen (HDD) weiterentwickelt hat. Die geringe Größe und die hohe Empfindlichkeit wurden durch die präzise Steuerung der Eigenschaften des MR-Elements und die Feinabstimmung des strukturellen Designs erreicht (Bild 1).
Da diese Sensoren bei Raumtemperatur hochempfindlich bleiben, benötigen sie im Gegensatz zu SQUID-Sensoren kein großes Kühlsystem. Außerdem wird ihr großer dynamischer Bereich nicht durch geomagnetische Felder gestört, was den Einsatz in nicht abgeschirmten Räumen ermöglicht. Aufgrund dieser beiden Vorteile wird prognostiziert, dass durch MR-Sensoren kleinere und erschwinglichere Geräte zur Bewertung des Biomagnetismus entwickelt werden können.
| Die TDK-XMR-Sensoren Nivio |
|---|
| Nivio xMR-Sensoren von TDK sind Dünnschichtkomponenten mit einer Mehrschichtstruktur, die in einem ähnlichen Verfahren wie bei Halbleiterbauelementen hergestellt werden. Der Nivio-xMR-Sensor besteht aus einer Brückenschaltung mit vier Sensorelementen mit einheitlichen Eigenschaften. Durch die gründliche Eliminierung des von den Sensorelementen und der Signalverarbeitungsschaltung ausgehenden Rauschens wird eine erhebliche Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses sowie eine extrem hohe biomagnetische Auflösung und ein extrem niedriges Rauschverhalten erreicht. Der xMR kann die Verteilung schwacher kardialer Magnetfelder im Picotesla-Bereich (pT=10-12T) in Echtzeit erfassen und misst nur 12 x 12 x 74 mm3 |
3D-Visualisierung der Herztätigkeit
Das Herz ist einer der wichtigsten Indikatoren für die Gesundheit, da Herzkrankheiten laut der WHO weltweit die häufigste Todesursache sind. Mit den biomagnetischen xMR-Sensoren Nivio (Bild 2) kann eine fortschrittliche Magnetokardiogramm-Diagnostik kostengünstig und leichter zugänglich gemacht werden.
Ein solches biomagnetische Messsystem verwendet ein mehrkanaliges Sensorarray, das die weltweit erste Messung und Visualisierung der Herzmagnetfelder mithilfe von MR-Sensoren möglich macht.
Es befinden sich bereits Prototypen in der Entwicklung, die Magnetokardiogrammdaten in 2D darstellen können, indem eine mit 36 MR-Sensoren bestückte Einheit in der Nähe des Herzens eines Patienten platziert wird. Durch die Anordnung der Sensoren in zwei Ebenen (oben und seitlich) können die Magnetokardiogrammdaten aus zwei Richtungen erfasst und mit MRT- und CT-Bildern kombiniert werden, um die Herztätigkeit als 3D-Bild darzustellen. (Bild 3).
Magnetsensoren für den medizinischen Fortschritt
Digitale Technologien treiben den Fortschritt in der Medizintechnik voran. Mit der Entwicklung eines hochempfindlichen Magnetsensors, der schwache biomagnetische Felder aufspürt, können kleinere, erschwinglichere medizintechnische Geräte entwickelt werden. Die hochempfindliche magnetische Erkennung wird nicht nur in der Medizin und in Geräten für die Gesundheitsfürsorge, sondern auch in einer Vielzahl anderer Bereiche wie der industriellen Inspektion für fortschrittliche Anwendungen sorgen. (uh)
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Kongress-Messe für gedruckte Elektronik
Schlüssel- und Querschnittstechnologie zugleich
Kraftmesszellen und Drehmomentsensoren
Hände frei dank selbstbalancierendem Exoskelett
Erstes nicht-invasives Glukosemonitoring
Endlich: Blutzucker ohne Pieks messen
Biokative Gläser im Wundschutz
Chronische Wunden mit Glas heilen
Katalin Karikó und Drew Weissman
Der lange Weg zum mRNA-Nobelpreis
Die ersten Preisträger stehen fest
mRNA-Forschende gewinnen Medizin-Nobelpreis 2023
Nobelpreis für Medizin
Die Preisträger der letzten 10 Jahre
Medizinische Kunst- und Werkstoffe
Implantatschrauben wandeln sich zu Knochen
