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Funksignale aus dem Herzen

01.10.2010
Steigt der Druck im Herz, ist das ein Alarmzeichen: Der Anstieg kann die Folge einer Herzmuskelschwäche sein.

Wie es um den Druck bestellt ist, könnte künftig ein winziger Sensor übermitteln, der ins Herz implantiert wird. Ohne Batterie funkt er, wann immer der behandelnde Arzt Messwerte braucht.

Im Herz herrscht Arbeitsteilung: Die rechte Hälfte hält den Lungenkreislauf in Gang. Die linke pumpt dann das mit Sauerstoff angereicherte Blut in den Körper. Erhöht sich der Druck in der linken Herzkammer, kann das eine Herzinsuffizienz beziehungsweise Herzmuskelschwäche anzeigen.

Bislang wird der Druck während einer Koronarangiographie gemessen: Dabei punktiert der Arzt eine Arterie in der Leistengegend und führt dort den Katheter ein. Ein injiziertes Kontrastmittel ermöglicht es ihm, den Weg des Katheters zum Herz am Röntgenschirm zu verfolgen und die Herztätigkeit zu überwachen. Bei dieser Untersuchung liegt der Patient ruhig im Bett, er bewegt sich nicht. Der Druck in der Herzkammer kann nur über die Dauer der Untersuchung gemessen werden. Aufschlussreicher wären Langzeitmessungen unter verschiedenen Belastungssituationen, wie es ein neuartiges Drucksensorsystem ermöglicht: Das Duisburger Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS stellt es vom 9. bis 12. November auf der Messe Electronica in München vor (Halle A5, Stand 139). Der Drucksensor liefert bis zu 200 Messwerte pro Sekunde.

Zum Vergleich: Das Herz eines normal trainierten Erwachsenen schlägt bei extremer Belastung drei bis vier Mal pro Sekunde. »Es lassen sich auch kleinste Herzfehlfunktionen sichtbar machen, die vor allem zu Beginn einer Erkrankung nur sporadisch auftreten«, berichtet Dr. Gerd vom Bögel, Gruppenleiter am IMS.

Der stäbchenförmige, 2 x 10 Millimeter große Sensor wird mit Hilfe eines Katheters an der Herzwand befestigt. Während der Katheter anschließend gezogen wird, verbleibt der Sensor im Herz. Er liefert – wenn erforderlich – über einen Zeitraum von mehreren Monaten Daten über die Druckverhältnisse. Das allerdings nur auf Anfrage: Wie ein passiver RFID-Transponder arbeitet der Sensor lediglich dann, wenn ihn das zugehörige Lesegerät mit Energie versorgt – induktiv via Antenne. Er benötigt weder Akku noch Batterie. Eine Leistung von 90 Mikrowatt reicht aus, um den Druck zu messen und die Werte bis zu 40 Zentimeter weit zu senden. Da sich der Sensor mit seiner integrierten Antenne im Herz nur längs ausrichten lässt, muss er seitlich am Brustkorb ausgelesen werden. Um die Dämpfung des Signals durch Knochen, Körpergewebe und -flüssigkeiten so gering wie möglich zu halten, funkt das System im 10-MHz-Bereich. Es steckt in einer biokompatiblen Polymer-Hülle, die – im Gegensatz zu Metall – Funkwellen nicht abschirmt, sondern passieren lässt.

Außerdem haben die Duisburger Forscher ein neues Übertragungsverfahren entwickelt, das verlustarm arbeitet: »Die für passive RFID-Transponder genutzte Lastmodulation vernichtet gezielt einen Teil der übertragenen Energie, um die Sendeinformation zu kodieren. Wir nutzen diesen Energieanteil, der üblicherweise verloren geht, als Sendeenergie und erzielen dadurch wesentlich höhere Reichweiten«, erklärt vom Bögel.

Die neue Form der Frequenz-Konversion kann auch die Leistungsfähigkeit anderer RFID-Systeme verbessern, die im 10-MHz-Bereich arbeiten – beispielsweise in der Logistik, zur automatisierten Erkennung und Verfolgung von Gasflaschen oder Behältern mit gefährlichen Flüssigkeiten. »Wir konzentrieren uns im Moment jedoch auf medizinische Anwendungen«, verrät Gerd vom Bögel. Um den Herzdruck-Sensor noch effizienter arbeiten zu lassen, wollen die IMS-Forscher als nächstes das Design des Chips optimieren, in dem sowohl Sensor als auch Funk-Einheit integriert sind.

Dr. Gerd Bögel | Fraunhofer Mediendienst
Weitere Informationen:
http://www.fraunhofer.de/presse/presseinformationen/2010/10/herz-druck-sensor.jsp

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