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Medizintechnik Sensorsystem für magnetische Messungen

Redakteur: Rebecca Vogt

Wissenschaftler haben ein Sensorsystem entwickelt, das magnetische Signale sowohl erkennen als auch verarbeiten kann. In der Zukunft könnte es in der Medizintechnik zum Einsatz kommen und dort elektrische Messmethoden ersetzen.

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19 mm lang und 4 mm breit sind die silbern glänzenden Magnetfeldsensoren, die Forscher an der CAU entwickelt haben. Für eine medizinische Anwendung müssten sie jedoch noch weitaus kleiner und empfindlicher werden.
19 mm lang und 4 mm breit sind die silbern glänzenden Magnetfeldsensoren, die Forscher an der CAU entwickelt haben. Für eine medizinische Anwendung müssten sie jedoch noch weitaus kleiner und empfindlicher werden.
(Bild: Siekmann/CAU)

Sensoren spielen in der Industrie eine zunehmend wichtige Rolle. So auch in der Medizintechnik. Hier könnten hochempfindliche Sensoren in Zukunft etwa magnetische Signale des Körpers registrieren, um daraus Rückschlüsse auf Herz- oder Hirnströme zu ziehen. Anders als etablierte, elektrische Messverfahren wären die Sensorsysteme in der Lage, die Signale ohne direkten Hautkontakt zu messen. Noch sind solche Messungen mit erheblichem Aufwand verbunden. Die Sensoren müssen beispielsweise stark gekühlt oder gegen andere Magnetfelder abgeschirmt werden.

Einsatz im medizinischen Alltag angestrebt

Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) konnten mit ihrer Forschungsarbeit nun eine wichtige Grundlage für eine solche zukünftige biomagnetische Diagnostik schaffen, wie es nach eigenen Angaben heißt. Im Sonderforschungsbereich 1261 „Magnetoelectric Sensors: From Composite Materials to Biomagnetic Diagnostics“ forsche man an der Entwicklung von Magnetfeldsensoren, die sich langfristig mit einer besseren Ortsauflösung und ohne größeren Aufwand im medizinischen Alltag einsetzen lassen sollen. Das interdisziplinäre Forschungsteam hat hierzu nun ein erstes Sensorsystem entwickelt, welches ein magnetisches Signal nicht nur erkennen, sondern auch verarbeiten kann.

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Sensoren, die biomagnetische Signale des Körpers messen können, gibt es schon heute. Sie funktionieren jedoch nur mit supraleitenden Materialien. Für ihren Einsatz muss die Umgebungstemperatur auf -197 °C gekühlt werden. Das erfordert spezielle Geräte und verursacht hohe Kosten. An der CAU arbeitet man daher an der Herstellung von Magnetfeldsensoren, die bei Raumtemperatur eingesetzt werden können. Wichtige Grundlagen haben die Forscher laut CAU mit der Entwicklung eines Oberflächenwellensensors – auch SAW-Sensor – geschaffen. Gleichzeitig beschrieben die Wissenschaftler ein elektronisches Messsystem, in das der Sensor integriert ist.

Sensormaterial reagiert auf Magnetfelder

Das Kernstück des SAW-Sensors bildet ein spezielles magnetisches Material. Es ist magnetostriktiv. Das heißt, es reagiert auf Magnetfelder, indem es seine elastischen Eigenschaften ändert und weicher wird. „Wir lassen Schallwellen über die Oberfläche des Sensors laufen. Tritt ein Magnetfeld auf, wird die Welle im magnetischen Material langsamer“, erklärt Anne Kittmann, Doktorandin an der CAU. Über die Änderung der Geschwindigkeit lasse sich ablesen, wie stark das Magnetfeld ist.

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung der Sensoren sind Störungen durch andere Magnetfelder. „Biomagnetische Signale sind extrem schwach. Bereits das Magnetfeld der Erde beeinflusst ihre Messung“, sagt Kittmann. Bisher setzt man die Sensoren daher in Messkammern ein, die äußere Magnetfelder abschirmen. Das sei weder praxistauglich noch schütze es vor Störungen innerhalb der Kammern. „Denn jede elektrische Komponente des Messsystems überlagert das magnetische Signal mit zusätzlichem Rauschen, also eigenen Störgeräuschen“, erklärt Phillip Durdaut, ebenfalls Doktorand an der CAU.

Nach eigenen Angaben gelang es den Forschern, das Zusammenspiel der einzelnen elektronischen Bauteile so zu verbessern, dass ihr Rauschen vernachlässigbar wird. Für den Einsatz in der medizinischen Praxis bedarf es weiterer Forschungsarbeit. Die Erkenntnisse seien auch für die Übertragung auf andere Bereiche der Magnetfeldsensorik vielversprechend, heißt es. Zum Beispiel auf Stromsensoren in der Elektromobilität.

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