Sensorik

Sensoren als smarte Datenquellen

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Auf das, was Sensoren messen, muss man sich in der Medizin verlassen können. Darüber hinaus sind nicht mehr allein die Messwerte gefragt: am besten übernimmt ein Sensor auch gleich die Auswertung Bild: sapsan777/Fotolia
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Sensoren werden – wie viele andere Bauteile – immer intelligenter. Dadurch verwischt sich zunehmend die Grenze vom reinen Sensor zum Messgerät. Für Hersteller von Medizingeräten öffnet das aber auch den Weg zu Sensoren, die nicht nur Daten liefern, sondern Antworten für bestimmte Fragestellungen bieten.

Tobias Meyer
Fachjournalist in Zirndorf

Wer, wenn nicht der Sensorhersteller, kann am besten identifizieren, was nur Rauschen oder eine völlig uninteressante Größe ist und welchen Signalteil der Kunde wirklich benötigt?“, fragt Daniel Röser, Sales Manager bei der NCTE AG. Die Sensoren des Oberhachinger Herstellers übernehmen die Signalbereinigung inzwischen selbst: Im Alltag überwachen sie beispielsweise an verstellbaren OP-Tischen die Neigungsbelastung sowie auftretende Kräfte.

Um dabei möglichst präzise messen zu können, wird ein Sensor im Sensor verbaut: „Denn hier muss auch die Temperatur berücksichtigt werden. Also erfassen wir diese mit und kompensieren sie gleich in den an die Steuerung gesendeten Werten“, sagt Röser. Die Sensoren selbst basieren auf dem Prinzip der elastischen Magnetostriktion: Durch sie wird quasi jeder ferromagnetische Werkstoff zum „Sender“ für die zu messenden Werte. Der eigentliche Sensor empfängt diese dann berührungslos. Daher können die Bauteile in der Konstruktion sehr frei platziert werden.

Bestehende Geräte müssen, um Sensoren dieses Typs zu verwenden, zudem im Design nicht angepasst werden, da etwa ein Gelenk, dessen Scherkraft gemessen werden soll, lediglich magnetisiert wird. Im Betrieb sind die Sensoren verschleiß- und wartungsfrei. Weder erhöhte Temperaturen oder Vibrationen noch Chemikalien, Desinfektion oder Alterung können dem Magnetfeld etwas anhaben.

Magnetostriktive Sensoren kommen im OP zum Einsatz

Neben den Anwendungen in den eher passiven Tischen kommt die NCTE-Sensorik aber auch dann im OP zum Einsatz, wenn dort ein Roboter als Werkzeug betrieben wird. Abgesehen von Kameras und Laserscannern als Sehorgan braucht dieser ebenso einen feinfühligen, präzisen Tastsinn, den er durch Drehmoment- und Kraftsensoren erhält.

Ärzte am Boston Children‘s Hospital etwa haben einen autonomen Roboterkatheter entwickelt und in Tierexperimenten getestet. Das System arbeitet mit Druck- und Berührungssensoren. Die Software zur Steuerung wurde mit 2000 Aufnahmen vom Inneren des Herzens gefüttert, per KI-Tool gelang ihr so die robotergeführte Navigation des Katheters bis zur Aortenklappe.

Stefan Zimmermann, Leiter des Fachgebietes Sensorik und Messtechnik an der Leibniz-Universität Hannover, sieht für smarte Sensoren großes Potenzial auch für Point-of-Care-Technik, etwa um dem Arzt in der Praxis oder am Krankenbett schnell eine Antwort zu liefern. „Das wird aber nicht die Fachkompetenz des Arztes an die Maschine delegieren, sondern lediglich den umständlichen Weg über das Labor einsparen“, sagt Zimmermann. Denn die Analyse erledigt ohnehin der Sensor, dank moderner Sensorik entfielen aber die umständliche Probenvorbereitung und der Weg zu den Laborexperten. „Point-of-Care ist in der Sensorik ein sehr großes Thema und wird intensiv beforscht, sowohl mit Blick auf die Rezeptoren zur Bindung eines Target-Moleküls als auch auf die Transducer, die daraus dann ein Signal machen.“

Ein konkretes Beispiel ist im Forschungsprojekt MR-Cyte entstanden, an dem unter anderem der Lahnauer Sensorhersteller Sensitec GmbH, Siemens und die Unikliniken Mainz und Erlangen beteiligt waren. Das Verfahren ermöglicht beispielsweise den Nachweis von im Körper verstreuten Tumorzellen über das Blut. Damit lässt sich Krebs frühzeitig erkennen – patientennah mit einem Tischgerät in einer Viertelstunde. „Das Blut wird mit Nanopartikeln aus Eisenoxid oder ähnlichen Materialien zusammengebracht, die sich durch eine spezielle Vorbereitung nur an bestimmte Zellen anhängen. Ein inhomogenes Magnetfeld und magnetische Führungsstrukturen mit Fischgrätmuster, die direkt auf dem Sensorchip aufgebracht werden, reihen ausschließlich die magnetisch markierten Zellen auf. Diese rollen dann eine nach der anderen über den eigentlichen Sensor“, erklärt Rolf Slatter, Geschäftsführer bei Sensitec.

Nur sehr gute Sensoren liefern
belastbare Daten für eine KI

Neben der lokalen Anwendung wird die Sensorik auch ein unerlässlicher Datenlieferant für die KI-basierte Medizin. Diese zeigt dem Arzt im besten Fall Zusammenhänge innerhalb der Patientendaten auf, die bisher nicht bekannt waren. „Dafür benötige ich aber saubere, belastbare Daten, also eine sehr gute, verlässliche Sensorik“, verdeutlicht Stefan Zimmermann.

Daher denken auch Sensorhersteller immer öfter über den Tellerrand hinaus: „Früher haben uns die von unserer Technik erfassten Werte kaum interessiert“, sagt Veit Riebel, Geschäftsführer bei der All Sensors GmbH in Gröbenzell. „Zunehmend sehen wir aber, dass die Daten an sich das eigentlich Spannende sind.“ Die Kunden wollen keine rohen Signale geliefert bekommen, sondern direkt die Antwort auf eine Frage. Dafür müssen bestimmte Daten möglichst fehlerfrei erfasst und auf einem hohen Level aufbereitet werden.

All Sensors sammelt daher Rohdaten auf eigenen Servern und wertet sie für den Kunden aus. Dem Nutzer muss hierbei natürlich bewusst sein, dass er dadurch ein Stück weit die eigene Datenhoheit aufgibt. „In industriellen Projekten ist das aktuell kein Hemmnis, da hier lediglich unpersönliche Werte wie Temperaturen oder Drücke erfasst werden, was ohne den entsprechenden Kontext quasi wertlos ist“, erklärt Riebel. In der Medizin habe diese Frage hinsichtlich Patientendaten natürlich eine andere Qualität.

Auch der VDI sieht in der Medizin die Notwendigkeit für mehr Quellen und eine globalere Nutzung derselben. Der Datenschutz müsse aber gewahrt werden. Bisher generieren Ärzte bei Diagnostik und Therapie viele Daten, oft bleibe es jedoch bei lokalen Auswertungen. Schon Kollegen anderer Fachrichtungen hätten keinen Zugriff. Um wirklich einen Mehrwert zu bieten, sind laut VDI elektronische Patientenakten als zentrale Ablage dringend erforderlich. Auch Wissenschaftler sollten pseudonymisierte Aufzeichnungen nutzen können. Dann könnten Patienten im besten Fall von den neuen Möglichkeiten profitieren, falls es methodisch hochwertige „Big Data“ gibt.


Aktuelles auf der Messe Sensor+Test

Die Sensor+Test, das Forum für Sensorik, Mess- und Prüftechnik, findet vom 25. bis 27. Juni 2019 im Messezentrum Nürnberg statt, parallel zur 20. GMA/ITG-Fachtagung Sensoren und Messsysteme. Bei der Fachtagung stehen wissenschaftliche Grundlagen und Ausblicke in die Zukunft der Branche im Vordergrund. Zur Messe erwartet der Veranstalter, die Ama Service GmbH in Wunstorf, etwa 530 Aussteller aus dem In- und Ausland. Unternehmen und Institute aus 30 Ländern haben im Vorfeld eine Vielzahl von Innovationen angekündigt. Das Forum zum diesjährigen Sonderthema der Messe – Sensorik und Messtechnik für die Prozessautomation – war bereits Monate vor Messestart so gut wie ausgebucht.

www.sensor-test.de

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