Forschung -

Ein Medizinlabor am Handgelenk

Eine Blutanalyse ist ein aufwendiger Prozess: geschultes Personal nimmt Blut ab, schickt es in ein Labor, wo große, teure Maschinen die Analyse vornehmen. Dann erst können die Werte eingesehen und daraus Schlüsse gezogen werden. Nun haben Forscher diesen Vorgang vereinfacht und ein Armband entwickelt, das Blutwerte direkt misst und die Werte an ein Smartphone schickt.

Die Durchflusszytometrie bestimmt die Anzahl von Zellen, Biomarkern oder Partikeln im Blut und gibt damit wichtige Einsichten in den Gesundheitszustand von Patienten. Die Instrumente für die gängige optische Analyse sind teuer und sperrig. Alternativ können medizinische Geräte Impedanzveränderungen in den Zellen messen. Die hochsensiblen Signale im Nanovoltbereich sind allerdings schwer störungsfrei aufzunehmen.

Einige Projekte haben gezeigt, dass die Miniaturisierung in diesem Fall aber möglich ist. Forscher der Rutgers State University of New Jersey haben die Technologie in ein Armband mit Smartphone-Anbindung integriert. Sie benutzten Lock-in-Verstärker, um das schwache elektrische Signal per Phasendemodulation zu verstärken und das Rauschen zu filtern. Das tragbare Messgerät ist eine flexible Leiterplatte mit Polydimethylsiloxan-Biosensor (PDMS), Verstärker, Mikrocontroller und Bluetooth-Modul. Der Patient gibt einen Bluttropfen auf den Eingang des mikrofluiden Kanals, um die Erythrozytenzählung vorzunehmen. Das medizinische Fachpersonal kann die Auswertung remote auf einem Smartphone einsehen, oder ein Algorithmus gibt eine Warnung aus, wenn die Werte auf eine Krankheit hinweisen.

Wenn das Armband mit einem Katheter verbunden wird, kann es, ähnlich der der Pulsoxymetrie, die Blutzellenanzahl auf Abruf messen. Ein Arzt muss die Probe nicht erst in ein Labor geben und ständig neue Proben nehmen. Ein kleiner Bluttropfen reicht außerdem aus, um hinreichend genaue Werte zu erhalten. Auch bei Einsätzen außerhalb des Krankenhauses könnten Ärzte das Armband selbst tragen und damit von einem Patienten zum nächsten gehen.

Der Prototyp misst die Anzahl der Erythrozyten. Wird der verwendete Biosensor aber durch einen anderen ersetzt, ist das Armband in der Lage, auch andere biologische Daten zu erfassen, beispielsweise die Anzahl der Neutrophile oder der Thrombozyten. „Es gibt eine ganze Reihe von Krankheiten, bei denen die Anzahl der Blutkörperchen eine Rolle spielen“, sagt der Assistenzprofessor für Electrical and Computer Engineering an der Rutgers University, Mehdi Javanmard. „Abnormal hohe oder niedrige Werte sind Indikatoren für bestimmte Krebsarten wie Leukämie.“

Zwei Elektroden erzeugen ein elektrisches Feld im Mikrokanal des Biosensors. Mit dem Partikelfluss durch das Feld variiert die Impedanz. Daraus erzeugt ein Transimpedanzverstärker eine Ausgangsspannung, die wiederum mit der Referenzspannung moduliert wird. Ein Tiefpassfilter isoliert die niedrigfrequenten Anteile und man erhält ein rauscharmes Signal proportional zur Referenzamplitude der Kanalimpedanz. In der neuartigen Architektur subtrahiert eine DC-Sperrstufe den verbleibenden DC-Offset, damit danach eine hohe Verstärkung folgen kann, ohne zu übersteuern. So erreicht die Sensoreinheit eine hohe Empfindlichkeit bei einer kompakten Baugröße. Dank der Signalverstärkung genügt ein Low-End-ADC, um das Signal abzutasten. Eine Bluetooth-Low-Energy-Verbindung überträgt die Daten an ein Smartphone für die graphische Darstellung in einer Android-App.

In Zukunft wollen die Forscher das Armband auf Robustheit beim realen Einsatz testen. Das Design soll daraufhin optimiert werden, Störungen durch die Bewegung des Handgelenks oder äußere Einflüsse zu verringern.

A. Furniturewalla et al.: Fully Integrated Wearable Impedance Cytometry Platform on Flexible Circuit Board with Online Smartphone Readout; Nature: Microsystems & Engineering 4 (20), 2018

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