Sensoren für die Überwachung von Pulswellen, die dünner als Papier sind
Herz-Kreislauf-Erkrankungen sind weltweit nach wie vor eine der häufigsten Todesursachen. Die genaue und frühzeitige Erkennung von Unregelmäßigkeiten im Herz-Kreislauf-System ist entscheidend, um schwerwiegende Folgen wie Herzinfarkte und Schlaganfälle zu verhindern. Einer der wichtigsten Indikatoren für die Herz-Kreislauf-Gesundheit ist der Blutdruck. Die kontinuierliche, nicht-invasive Überwachung der arteriellen Pulswellen kann wichtige Erkenntnisse über die Gefäßgesundheit einer Person bieten. Herkömmliche Methoden zur Blutdruckmessung können allerdings umständlich und unbequem sein und eignen sich nicht für eine kontinuierliche Überwachung.
Ultradünner Handgelenksensor
Das über die Marie-Skłodowska-Curie Maßnahmen unterstützte Projekt UNOPIEZO hat einen innovativen ultradünnen Sensor entwickelt, der die kontinuierliche Überwachung des Herz-Kreislauf-Systems zu revolutionieren verspricht. „Die Idee, den Sensor ultradünn zu gestalten, erlaubt es ihm, sich während der arteriellen Pulsation maximal zu biegen und so eine möglichst hohe Empfindlichkeit zu erreichen“, erklärt der Forschungsstipendiat Mika-Matti Laurila. Der Sensor erfasst arterielle Pulswellen durch den piezoelektrischen Effekt, der die mechanische Verformung, die durch die pulsierende Arterie unter der Haut verursacht wird, in ein elektrisches Signal umwandelt. Wenn der Sensor auf der Haut angebracht ist, verformt er sich bei jedem arteriellen Puls und erzeugt ein elektrisches Signal, das dem Blutdruckimpuls der Arterie entspricht. Durch die Flexibilität des Sensors kann er sich bei jedem Impuls effizienter verbiegen, wodurch die mechanische Verformung maximiert und ein klareres, präziseres elektrisches Signal erzeugt wird. Daraus ergeben sich nicht nur genaue Pulswellenmessungen, sondern auch eine Verringerung der für die Produktion benötigten Materialmenge, wodurch der Sensor sowohl kostengünstig als auch umweltverträglich ist. Der Sensor wird über eine weiche, elastomerbasierte Datenübertragungseinheit an der Haut befestigt, die für eine drahtlose Datenübertragung sorgt. Die beiden Geräte werden am Handgelenk platziert, wobei der Sensor direkt über der Arterie positioniert wird. Das für die Datenübertragungseinheit gewählte weiche Elastomermaterial unterstützt nicht nur die Biegung des Sensors während der arteriellen Pulsation, sondern sorgt auch für einen hohen Tragekomfort des Geräts.
Sensorprüfung und -leistung
Der UNOPIEZO-Sensor wurde strengen Tests unterzogen, um Genauigkeit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Eines der wichtigsten Ergebnisse ist die bemerkenswerte Empfindlichkeit des Sensors, die im Biegemodus etwa 50-mal höher ist als wenn nur Druckkräfte auftreten. Anhand eines künstlichen Herzens, das eine simulierte Pulswelle erzeugte, konnten die Forschenden nachweisen, dass der Sensor in der Lage war, eine Pulswelle zu erfassen, die der simulierten Version sehr ähnlich war. Zudem wurde das System am Menschen getestet, wo es erfolgreich die arterielle Pulswelle am Handgelenk gemessen hat. Die resultierende Pulswellenform stimmte mit typischen arteriellen Pulswellenformen überein, womit das Potenzial des Systems für reale Anwendungen verdeutlicht wurde.
Die wichtigsten Vorteile
Einer der wichtigsten Vorteile des UNOPIEZO-Sensors ist sein geringer Stromverbrauch. Anders als viele andere Systeme, die eine konstante externe Stromquelle benötigen, ist der piezoelektrische Sensor selbstversorgend und wandelt die mechanische Energie des Pulses in elektrische Energie um. Laurila kommentiert dazu: „Der Herstellungsprozess des Sensors ist ein weiterer entscheidender Vorteil, da er mit Rolle-zu-Rolle-kompatiblen Herstellungsverfahren arbeitet, ähnlich dem Druck auf Papier.“ Mit dieser Methode werden nicht nur die Kosten gesenkt, sondern auch eine Massenproduktion gefördert, wodurch die Technologie skalierbar und für eine breite Anwendung im Gesundheitswesen zugänglich wird. Die laufenden Bemühungen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit des Systems in Bezug auf Design, Herstellung und klinische Wirksamkeit sollen die Überwachung der Herz-Kreislauf-Gesundheit verändern und sie barrierefreier, effizienter und umweltfreundlicher gestalten.
Schlüsselbegriffe
UNOPIEZO, Herz-Kreislauf-Gesundheit, Blutdruck, piezoelektrischer Sensor
