Auswahl der Sensoren für medizinische Anwendungen

Angesichts der wachsenden und alternden Bevölkerung wird immer mehr auf Selbstüberwachungssysteme für Patienten zurückgegriffen. Die Vorteile dieser Systeme liegen in den konsistenten und wiederholbaren Ergebnissen und in den niedrigen Kosten. Mit Sensoren ausgestattete Überwachungsinstrumente dieser Kategorie punkten außerdem durch ihre Vielseitigkeit, da sie sowohl zuhause als auch im Krankenhaus eingesetzt werden können. Die Auswahl eines Sensors kann einfach sein, wenn die Anwendung und die zu überwachenden Parameter wirklich verstanden werden. Die kompliziertesten Sensoren sind die implantierbaren, gefolgt von Sensoren für Katheter (durch Inzision), Sensoren, die in Körperhöhlen eingesetzt werden, Sensoren, die äußerlich eingesetzt werden, jedoch mit Körperflüssigkeiten in Kontakt kommen, sowie Sensoren für äußerliche Anwendungen.

Implantierbare Sensoren müssen klein und leicht sein, also in einem verträglichen Verhältnis zur Körpermasse stehen, sowie sehr wenig Energie verbrauchen. Noch wichtiger ist, dass sie sich nicht mit der Zeit zersetzen dürfen. Da es sich hier um medizinische Geräte der Klasse III handelt, erfordern sie automatisch eine FDA-Zulassung. Implantierbare Sensoren erfordern üblicherweise zwei bis vier Jahre Zeit für die Entwicklung und Implementierung, bevor sie in die Produktion gehen. Sie sind im Allgemeinen kostenaufwändiger und erfordern einen Spezialisten, der sie chirurgisch implantiert. Der Energiebedarf ist eine der größten Herausforderungen bei implantierbaren Sensoren. Sensoren, die ohne Stromversorgung funktionieren, sind ideal, jedoch bisher noch sehr rar auf dem Markt. Piezoelektrische Polymersensoren eignen sich gut für die Vibrationserkennung, da sie klein, zuverlässig und haltbar sind und keine Energie benötigen. Solche Sensoren können in Schrittmachern eingesetzt werden, die die Aktivitäten des Patienten überwachen.

Dieser Piezo-Sensor weist die Form einer kleinen Auslegerschnittstelle auf, wobei an einem Ende ein Gewicht angebracht ist, das mit der Körperbewegung schwingt. Bei jeder Bewegung des Patienten generiert der Sensor ein Signal. Im Beispiel des Schrittmachers empfängt dieser dann das generierte Signal und führt den Herzschlag in der gewünschten Rate aus. Der Sensor kann dabei zwischen unterschiedlichen Aktivitäten wie Gehen, Rennen und anderen körperlichen Tätigkeiten unterscheiden. Wenn der Patient beispielsweise ruht, ist das Signal null, und der Schrittmacher führt den Herzschlag mit der minimalen Rate aus. Auf diese Weise verhält sich das Sensorsignal proportional zum Grad der Aktivität. Ein Piezo-Folienvibrationssensor in Miniaturausführung misst in der Länge – den ihn aufnehmenden Schrittmacher eingeschlossen – 15/100 Zoll. Implantierte Sensoren können auch durch externe Quellen gespeist werden. Beispielsweise kann ein Sensor im Körper mit einem Hochfrequenz-Energiestab aufgeladen werden, der in die Nähe des Sensors gehalten wird. Der Sensor zeichnet dann Patientenmessungen auf, überträgt die Daten über eine Hochfrequenzverbindung zurück an den Stab und wechselt dann wieder in den Ruhezustand. Ein weiteres Beispiel für die Verwendung eines implantierten Sensors auf diese Weise ist die Nachbehandlung eines Bauchaortenaneurysmas. Hier kann der implantierte Sensor die Druckentweichungen an der operierten Stelle überwachen.

Die Anforderungen für Sensoren, die durch eine Inzision eingeführt werden können – üblicherweise an der Spitze eines Katheters – sind weniger strikt als die für implantierbare Sensoren. Aber auch sie erfordern eine FDA-Zulassung. Je nach chirurgischer Behandlung müssen diese Sensoren von wenigen Minuten bis zu mehreren Stunden funktionieren und können über externe Quellen gespeist werden. Ein Paar aufeinander abgestimmter Thermistoren an der Spitze des Katheters können an verschiedene Orte des Herzes geführt werden, um den Blutfluss zu messen. Sie können entweder durch die Spirale erwärmt oder mit kalter Flüssigkeit gespült werden, um die Blutflussraten zu messen. Beim Spülen mit kalter Flüssigkeit wird der erste Sensor stärker als der zweite gekühlt, da der Blutfluss die Flüssigkeit erwärmt, die den zweiten Sensor erreicht. Da zwischen diesen beiden Temperatursensoren ein bekannter Abstand besteht, bei dem die Temperatur und das Volumen der Flüssigkeit kontrolliert werden, kann der Blutfluss anhand der Differenz der Widerstandswerte der beiden Sensoren berechnet werden. Diese Thermistoren erfordern keine externe Stromquelle.

Es gibt verschiedene Einwegsensoren, bei denen der Sensor äußerlich am Körper positioniert wird und trotzdem mit Körperflüssigkeiten in Kontakt kommt.  Ein Beispiel dafür ist der Einweg-Blutdrucksensor (DPS). Diese Sensoren werden bei chirurgischen Eingriffen und auf der Intensivstation eingesetzt, um den Blutdruck des Patienten kontinuierlich zu überwachen. Sie stellen eine zuverlässige Methode zum Messen des Blutdrucks bei Operationen oder auf der Intensivstation dar. Danach wird das Informationsprofil des Patienten protokolliert, indem der Einweg-Blutdrucksensor an einen Monitor angeschlossen wird. Diese Sensoren müssen alle 24 Stunden ausgetauscht werden, um eine Kontaminierung zu verhindern. Ein weiterer Sensor mit Kontakt zu Medikamenten und Körperflüssigkeiten ist der Sensor, der beim Aufpumpen von Angioplastie-Ballons eingesetzt wird. An der Spitze der Pumpe befindet sich ein Drucksensor, der mit der Salzlösung in Kontakt kommt, die als Medium zum Aufpumpen und Entleeren des Ballons verwendet wird. Bei dieser Anwendung überwacht der Drucksensor den angewendeten Druck, mit dem der Ballon aufgepumpt/entleert wird. Dabei muss er mehr als 200 psi standhalten. Bei zu viel Druck könnte der Ballon platzen und zu schwerwiegenden Komplikationen beim Patienten führen.