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4-2015

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Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

Aus Forschung und

Aus Forschung und Technik Bild 6: Dreikammer-Fluidiksystem in der Intelligenten Multiwellplatte: Der Pipettierroboter saugt das frische Nährmedium von der linken Seitenkammer über die Gewebeprobe an der Basis der mittleren, zylindrischen Reaktionskammer zur rechten Seitenkammer. den, kann der vollautomatische Pipettierroboter in einem einzigen Arbeitsschritt in die 24 Reaktionskammern 24 unterschiedliche Wirkstoffe oder 24 unterschiedlich hohe Konzentrationen eines Wirkstoffs einfüllen. Mit Hilfe der Sensoren wird die Reaktion der Gewebeproben gemessen, das Prozessmikroskop des IMR kann morphologische Veränderungen der Zellen erfassen. Ein integrierter Prozessor ermittelt sehr schnell, mit welchem Chemotherapeutikum in welcher Dosierung bzw. mit welchem Wirkstoffmix die Tumorzellen einer bestimmten Person am effektivsten zerstört werden können. Auf diese Weise könnte eine auf den jeweiligen Patienten exakt abgestimmte Therapie festgelegt werden – wirkungsvoller und dennoch schonender als herkömmliche Krebstherapien. Das System befindet sich derzeit in der klinischen Erprobung. Biokompatible Sensoren Da die erwähnten Sensoren logischerweise biokompatibel sein müssen, können sie auch in die Oberfläche von Implantaten integriert und mit ihnen in den Körper eines Patienten implantiert werden – etwa in die Umgebung eines nicht operierbaren Tumors. Das kann beispielweise ein Sauerstoffsensor (in Dünnschichttechnologie aus Platin auf Silizium oder Keramik gefertigt) sein, der den Sauerstoffgehalt des Tumorgewebes messen kann (Bild 7). Durch eine bidirektionale Funkeinheit, die sich neben der miniaturisierten Elektronik und einer Batterie zur Stromversorgung innerhalb des Implantats befindet, können die Daten dann an den Arzt gesendet werden. Mit Hilfe dieses „Intelligenten Implantats“, ebenfalls am Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik entwickelt, kann der Tumor also überwacht werden – sollte er wachsen, kann der Arzt reagieren. Es ist aber auch denkbar, dass in so Bild 7: Links: Intelligentes Implantat mit Sauerstoffsensor an der Außenseite. Rechts: Geöffnetes Implantat mit Mikroelektronik. einem Fall automatisch aus einem Wirkstoffreservoir im Implantat ein Chemotherapeutikum oder aus einer O 2 -Erzeugungseinheit molekularer Sauerstoff direkt in den Tumor verabreicht wird. Damit wäre also ein Regelkreis aus automatischer Messung und Diagnose sowie gesteuerter Therapie entstanden – Experten sprechen von einem „Closed-Loop- System“ (Bild 8). Mit einem solchen System, das selbständig innerhalb des menschlichen Körpers arbeitet, hätte die Personalisierung der Medizin bereits einen extrem hohen Grad erreicht. Auf diese Weise könnten nicht nur die Effizienz der Therapie gesteigert und damit Kosten gespart werden – auch der Patient würde enorm profitieren, weil seine Lebensqualität während der Therapie deutlich höher liegen würde als bei herkömmlichen Therapien. Bild 8: Funktionsprinzip des Tumor-Implantats als Closed-Loop-System Telemedizinisches All-In-One-Gerät Das gilt auch für telematische Systeme, die dem Patienten häufige Arztbesuche ersparen können (Bild 9). Auch in diesem Bereich haben die Münchner Forscher ihre umfangreiche Erfahrung auf dem Gebiet der Sensorik genutzt. Sie haben eine zylindrische Fingermanschette mit integrierten Sensoren entwickelt, die in ein telemedizinisches All-In-One-Gerät eingebaut werden kann. Sie enthält Sensoren zur optischen und oszillometrischen Blutdruckmessung, zur optischen Messung der Sauerstoffsättigung des Bluts, zur Temperaturmessung und zur Leitfähigkeitsmessung der Haut mittels Gold-Elektrodenstrukturen, um die Hydratisierung zu ermitteln. Für die Blutzuckermessung ist ein Bluttropfen notwendig, die Messung erfolgt mittels amperometrischer Methode auf einem Messstreifen, der an der Seite des Geräts in einen Sensorschlitz eingeführt wird. Eine Waage wird drahtlos über eine Bluetooth- Schnittstelle angebunden. Das All-In-One-Gerät ist ungefähr so groß wie ein Smartphone und als „Gerät für die Jacken- 8 meditronic-journal 4/2015

Aus Forschung und Technik Bild 9: Telemedizinisches All-In-One-Gerät, wie es vom Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik in Kooperation mit der Fachgruppe Produktentstehung, Heinz Nixdorf Institut, Universität Paderborn, entwickelt wurde. Design: Abteilung für Industrial Design der Kunstuniversität Linz von Prof. Axel Thallemer. Rechts: Sensormanschette im Detail sors and Bioelectronics (2013), 50, 111-117 Demmel F, Brischwein M, Wolf P, Huber F, Pfister C, Wolf B: “Nutrient depletion and metabolic profiles in breast carcinoma cell lines measured with a label-free platform”. Physiological Measurement (2015), 36, 1367-1381 Wolf, B: Patent: Einrichtung zur Früherkennung von kritischen Gesundheitszuständen, insbesondere bei Risikopatienten (DE100 06 598) Kontaktadressen: tasche“ konzipiert. Herz-Kreislauf- Patienten können damit überall, auch auf Reisen oder während der Arbeit, ihre Vitalwerte selbst messen und mit Hilfe der autonomen Telemedizin-Plattform COMES automatisch per Mobilfunk an eine Datenbank übermitteln lassen (Bild 10). Dadurch hat der behandelnde Arzt jederzeit Zugriff auf die Daten seiner Patienten – bei auffälligen Werten wird er automatisch alarmiert und kann eingreifen. In ersten Studien haben Patienten positiv reagiert, sie fühlen sich durch die regelmäßige sensorische Begleitung sicherer und trotzdem unabhängiger. Ihnen beschert die Personalisierung der Medizin mittels Sensorik offenbar ein gutes Gefühl. cal Engineering and Computing, (2012) 50, 117–126 Clauss J, Becker S, Sattler M, Wolf B, „In vivo Diagnostik mit intelligenten Implantaten“, In: Wolf B (Hg.): Bioelektronische Diagnose- und Therapiesysteme. m3: microelectronic meets medicine. 1. Aufl. 2012, Aachen: Shaker Verlag, S. 237–246. Wolf B, Spittler T, Herzog K, Clauss J, Friedrich P, Scholz A: „COMES® – Cognitive Medizinische Systeme für Diagnose und Therapie“. Duesberg, F. (ed): e-Health 2014 Informations- und Kommunikationstechnologien im Gesundheitswesen. Solingen/ Mittweida, medical future verlag, 2013, 254-262. Wolf P, Brischwein M, Kleinhans R, Demmel F, Schwarzenberger T, Pfister C, Wolf B: “Automated platform for sensor-based monitoring and controlled assays of living cells and tissues”. Biosen- Technische Universität München Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik http://www.lme.ei.tum.de/ Prof. Dr. rer. nat. Bernhard Wolf Tel: 089/28922948 wolf@tum.de Dipl.-Biol. Christian Scholze Tel.: 089/28922967 christian.scholze@tum.de Literatur Wolf B, Brischwein M, Grothe H, Stepper C, Ressler J, Weyh T: „Lab-on-a-chip systems for cellular assays.” In: G. Urban (ed.) BioMEMS Series: Microsystems (2006), 16, pp. 269–308. Springer Verlag, Dordrecht (NL), 2006. ISBN-10:0-387-28731-0, ISBN- 13:978-0-387-28731-7. Kleinhans R, Brischwein M, Wang P, Becker B, Demmel F, Schwarzenberger T, Zottmann M, Niendorf A, Wolf B: „Sensor- Based Cell and Tissue Screening for Personalized Cancer Chemotherapy“. Medical and Biologi- Bild 10: Das COMES-Gesamtkonzept – Cognitive Medizinische Systeme als intelligente Assistenzsysteme begleiten den Nutzer in allen Lebenslagen und zu jedem Ort meditronic-journal 4/2015 9

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