COMPAMED Innovationsforum 2023: Darum ist die Hightech-Sensorik im Gesundheitswesen unverzichtbar

International führende Plattform für den Zulieferbereich der Medizintechnik-Industrie - die COMPAMED in Düsseldorf (© Constanze Tillmann) / The leading international platform for suppliers to the medical technology industry - COMPAMED in Düsseldorf (© Constanze Tillmann)

Sensor-Applikation zur kontinuierlichen Überwachung der Körperkerntemperatur von TCor (© Constanze Tillmann)

Weltweit steigen die Gesundheitsausgaben, in fast allen OECD-Mitgliedsnationen sogar schneller als ihre jeweilige Leistungsfähigkeit. Immerhin können moderne Technologien einen Beitrag zur Dämpfung dieser Entwicklung bei gleichzeitiger Sicherung der Versorgungsqualität und Entlastung des Personals (Stichwort: „Fachkräftemangel“) leisten. Das gilt besonders für Sensoren, die in der Medizintechnik eine immer wichtigere Rolle spielen, um medizinische Geräte noch leistungsfähiger und sicherer zu machen sowie ihre Bedienung zu vereinfachen. Wie das gelingen und Hightech-Sensorik auch einen Beitrag für innovative Prävention und personalisierte Therapie leisten kann, darüber informierte das COMPAMED Innovationsforum 2023 am 12. Juni. Das digitale, von der Messe Düsseldorf und dem IVAM Fachverband für Mikrotechnik gemeinsam organisierte Forum, findet jährlich statt und soll laut Dr. Thomas R. Dietrich, Geschäftsführer des IVAM, „eine Plattform für Forschung und Unternehmertum sein, um Partnerschaften zu schließen und Innovationen voranzutreiben".

Die Bedeutung des diesjährigen Themas illustrieren allein schon Zahlen: Nach Angaben des Marktforschungsunternehmens Mordor Intelligence wurde der weltweite Markt für medizinische Sensoren 2021 auf 6,02 Mrd. US-Dollar geschätzt und soll bis 2027 10,28 Mrd. USD erreichen, was einer jährlichen Wachstumsrate von fast 10 Prozent im Zeitraum von 2022 bis 2027 entspricht. Die Entwicklung neuer Geräte, die eine schnellere Analyse gewährleisten, mögliche Kosteneinsparungen sowie Benutzerfreundlichkeit tragen zu diesem Wachstum medizinischer Sensoren wesentlich bei.

Chronische Erkrankungen wie Diabetes, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Asthma können mittels moderner Sensoren effektiv überwacht werden, so dass Abweichungen schnell erkannt und die Therapie zielgerichtet angepasst werden kann. Führende internationale Fachleute zeigten in ihren Beiträgen beim COMPAMED Innovationsforum konkrete Beispiele auf für die Integration von moderner Sensorik in medizinische Hilfsmittel, Diagnose- oder Behandlungsgeräte.

Multifunktionelle Sensorknoten sollen nosokomiale Infektionen verringern

Krankenhäuser und Pflegeeinrichtungen sind nicht nur Orte von Heilung und Gesunderhaltung, sondern immer wieder auch selbst Quelle für Erkrankungen. In Gesundheitseinrichtungen während der Behandlung erworbene Infektionen, so genannte nosokomiale Infektionen, kommen in allen ambulanten und stationären Versorgungsbereichen vor. Nach Schätzungen des Centers for Disease Control (CDC) zufolge sind 1,7 Millionen Menschen allein in amerikanischen Kliniken jedes Jahr von derartigen Infektionen betroffen, die für nahezu damit verbundene 100.000 Todesfälle verantwortlich sind. In Europa sieht es nicht besser aus: Das European Centre for Disease Prevention and Control (ECDC) schätzte die jährliche Gesamtzahl der nosokomialen Infektionen (NI) in Europa schon 2018 auf 8,9 Millionen, davon 4,5 Millionen in Kliniken und 4,4 Millionen in Langzeitpflegeeinrichtungen. Jedes Jahr sterben in den EU-Ländern mehr als 90.000 Menschen an den sechs häufigsten nosokomialen Infektionen im Gesundheitswesen, dazu zählen insbesondere Harnwegsinfektionen (32 Prozent), Infektionen der Operationsstelle (22 Prozent), Lungenentzündungen (15 Prozent) sowie Blutkreislaufinfektionen (14 Prozent).

Das griechische Unternehmen ES Systems hat deshalb ein Sensorknotensystem für den Einsatz in medizinischen Einrichtungen entwickelt, das Daten in Echtzeit sammelt und potenziell mikrobiologische Kontaminationen identifiziert. Das System basiert auf Sensorknoten, einem Gateway sowie einer Cloud. Die Sensoren sind über eine „LoRaWAN“-Kommunikation („Long Range Wide Area Network“) mit dem lokalen Gateway verbunden, die Verbindung zur Cloud ist über einen einfachen QR-Code-Scan gewährleistet. Die Installation ist sehr einfach, abhängig von der Datenrate ist ein autonomer Betrieb bis zu einem Jahr möglich. Die Sensorknoten messen Umgebungsparameter wie Temperatur, Druck, Feuchtigkeit und Lichtstärke, aber auch Kohlendioxidkonzentration, VOC (flüchtige organische Verbindungen), Partikel und Anwesenheit von Personen. In einer Pilotanwendung in einem griechischen Krankenhaus wurden drei Operationssäle, drei Rezeptionen, zwei Patientenräume sowie eine Schwesternstation mit den Sensorknoten ausgestattet. Durch die intelligente Auswertung der großen Datenmengen lassen sich gute Rückschlüsse auf die Belastungssituation erhalten. Teilweise wurden schon Verbesserungen durch den Austausch von Luftzirkulationsgeräten und Filtern im Bereich der Operationssäle erreicht: „Die überwachten Partikel konnten reduziert und damit das Infektionsrisiko für Patienten verringert werden“, berichtete in seinem Forum-Beitrag Nikolas Valantassis, Business Development Manager bei ES System. Der Pilotversuch zeigt, dass der Einsatz von ausgefeilter Sensorik das Risiko für nosokomiale Infektionen durchaus verbessern könnte.

Piezotechnologie für Ultraschallsensoren

Fast seit 30 Jahren beschäftigt sich die PI Ceramic mit der Piezotechnologie, die dank ihrer besonderen Eigenschaften besonders wichtige Beiträge in der medizintechnischen Sensorik leistet. Stichworte hier sind Präzision mit einer Auflösung bis in den Picometerbereich, Dynamik mit einer Reaktionszeit in Mikrosekunden, Energieeffizienz, die auch batteriegetriebene Anwendungen ermöglichen, kompakte Bauform mit Dimensionen in Millimetern sowie ein bi-direktionaler Einsatz als Sensoren und Aktuatoren. Schon heute erfüllen piezotechnologische Bauteile wichtige Funktionen in der diagnostischen Bildgebung, in minimalinvasiven Geräten (z. B. Needle-Tip-Tracking), als Strömungssensoren (etwa zur Luftblasen- und Geschwindigkeitserkennung), zur Füllstandsdetektion, als Drucksensoren und in der Überwachung von Gerätezuständen, in Mikroskopie oder Haltungsveränderungen u. a. beim Einsatz in Wearables.

In verschiedenen Situationen ist die automatische Überwachung von medizinischen Prozessen lebenswichtig. Mit Geräten zum Patientenmonitoring lassen sich Vitalwerte kontinuierlich überprüfen und auswerten, um die richtige Diagnose zu stellen und bei möglichen Auffälligkeiten sofort eingreifen zu können. Dabei ist eine kontaktlose und schonende Überwachung bedeutsam. Ultraschallsensoren auf Basis von Piezokomponenten, die auf den Schläuchen der Überwachungsgeräte angebracht werden können, sind dafür ideal – Ultraschallwellen dringen von außen in den Schlauch ein und gewähren eine kontaktlose Überwachung. Mithilfe der Ultraschallsensoren können darüber hinaus auch verschiedene Medien überwacht werden, beispielsweise kann die Gasdurchflutung von Beatmungsgeräten kontaktlos und kontaminationsfrei gemessen oder lebensgefährliche Luftblasen in Schläuchen wie Herz-Lungen-Maschinen oder Dialysemaschinen erkannt werden. In die Ultraschallsensoren werden Piezokomponenten integriert, die für die Erzeugung des Ultraschalls zuständig sind. PI Ceramic stellt diese Piezoelemente her – speziell auf die Wünsche der Kunden abgestimmt. „Dabei verfügen wir über vielfältige Möglichkeiten der Formgebung, je nach Einsatzzweck“, konstatiert Sandra Niederschuh, Produktmanagerin bei PI Ceramic.

Elektronische Nase soll die medizinische Diagnostik revolutionären

Dank Hightech-Kameras und –mikrofonen können Maschinen heute bereits sehen und hören. Nicht weniger als die Digitalisierung eines weiteren Sinnes haben sich die Partner SmartNanotubes Technologies und duotec auf die Fahne geschrieben – den des Geruchs. „Unsere elektronische Nase ist eine tatsächlich disruptive Technologie, die vielen Anwendungen von der Prozessüberwachung bis zur medizinischen Diagnostik revolutionieren wird“, freut sich Dr. Viktor Bezugly, CEO von Smart NanoTubes. Im Vergleich mit herkömmlichen Gassensoren sind die Smart NanoTubes-Sensoren hoch-sensitiv, energie-effizient, kompakt und leichtgewichtig sowie kostengünstig. Ihre Verwendung erlaubt eine komplexe Mustererkennung, wie sie für Gerüche typisch ist. Mehrere Sensoren erstellen ein „Geruchs-Muster“, eine selbstlernende Software vergleicht diese Muster mit einer Bibliothek und unterscheidet so Gase von Gerüchen. Die cloudbasierte Datenbank wächst permanent weiter, inzwischen füttern sie mehr als 1.000 Benutzer. „Unser Ziel ist z. B. die Früherkennung von Inkontinenz innerhalb von nur fünf Minuten, was Kosteneinsparungen durch reduzierten Reinigungsaufwand von bis zu 100 Euro pro Vorfall generieren kann“, so Bezugly in seinem Forum-Beitrag. Die Entwicklung ist inzwischen so weit fortgeschritten, dass ein Markteintritt mit ersten Produkten schon 2024 möglich werden könnte.

Photonische Biosensoren zur Krebserkennung

In den letzten zehn Jahren sind Biosensortechnologien entstanden, die eine empfindliche und quantitative Detektion von Biomarkern (Indikatormoleküle, z.B. spezielle Proteine oder DNA) für Erkrankungen wie Krebs, Herz-Kreislauf- und Infektionskrankheiten ermöglichen. Das niederländische Unternehmen Surfix arbeitet auf diesem Gebiet mit dem photonischen Biosensor. Diese hochempfindliche, schnelle und markierungsfreie Technologie bietet die Möglichkeit, mehrere Biomarker gleichzeitig nachzuweisen. „Diese Funktion wird zusammen mit niedrigen Stückkosten und der Option, die Produktion einfach zu skalieren, die Welt der medizinischen Diagnostik revolutionieren, indem sie die Point-of-Care-Diagnose und die Behandlungsüberwachung einer Vielzahl von Erkrankungen zulässt“, betont Hans Dijk, Business Development Manager bei Surfix. Der photonische Biosensor von Surfix kombiniert den photonischen Biochip und die mikrofluidische Kartusche mit intelligenten Technologien für die Fluid- und optische Schnittstelle in einem optimierten Prozessablauf. Sowohl der photonische Biochip als auch das mikrofluidische Cartridge profitieren von einzigartigen Nanobeschichtungen, die die Empfindlichkeit des Sensors und den Fluss der Probe verbessern und die unerwünschte Bindung von Biomolekülen reduzieren. Das Auslesen des Signals des photonischen Biosensors erfolgt mit einem Desktop-Reader.

Photonische Biochips nutzen Licht anstelle von Elektrizität, um das Vorhandensein von Biomarkern zu erkennen. Das Licht wandert durch eine spiralförmige Struktur auf dem Chip, vergleichbar mit einer Miniatur-Lichtleitfaser. Rezeptormoleküle, die auf die Oberfläche des photonischen Biochips aufgetragen werden, können basierend auf der Bioerkennung selektiv bestimmte Biomarker in einer Probe einfangen und binden. Die Interaktion zwischen den Rezeptormolekülen und den Biomarkern führt zu einer Veränderung der Eigenschaften des Lichts, die erkannt und in ein nützliches diagnostisches Ergebnis übersetzt wird, z. B. Informationen über das Vorhandensein oder die Konzentration eines bestimmten Biomarkers in der Probe. Surfix konzentriert sich auf die Entwicklung von Diagnostika für verschiedene Krebsarten und den Nachweis onkologischer Biomarker in der Flüssigbiopsie. „Potenziell kann aber jedes Biomolekül mit Hilfe der photonischen Diagnoseplattform von Surfix erkannt werden“, so Dijk.

Zielsetzung im APFEL-Projekt: das intelligente elektronische Pflaster

Die Heilung von Wunden ist ein Problem, das bis heute noch nicht komplett verstanden und gelöst ist. Bei akuten Wunden findet eine Heilung innerhalb von wenigen Tagen bis Wochen statt, je nach Größe der Verletzung. Die Eigenschaft eines elektrischen Gradienten, Zellen in regenerativem Gewebe zu gerichtetem Wandern und Polarisation zu veranlassen, ist der Angriffspunkt für die im BMBF-Projekt „APFEL“ entwickelten Therapieformen: Dabei soll über ein „intelligentes elektronisches Pflaster“ eine beschleunigte und verbesserte Wundheilung herbeigeführt werden. In Zusammenarbeit mit Partnern erforscht das Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme (ENAS) in diesem Vorhaben additive Verfahren für die Herstellung mehrlagiger flexibler elektronischer Systeme. Inzwischen wurde ein Technologiedemonstrator für ein elektrisch aktives Wundpflaster mit gedruckten Elektroden auf flexiblen Substraten erstellt. In einem Scratch-assay wurde in einen Zellrasen eine Lücke eingebracht und das beschleunigte Schließen dieser „Wunde“ nachgewiesen. „Wir haben dazu Siebdruckverfahren für die Herstellung von leitfähigen und isolierenden Multilagenschichten auf flexiblen Substraten angepasst“, berichtete beim COMPAMED Innovationsforum Valeri Fitz, Wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung System Packaging am ENAS. Zudem wurden elektrische Durchkontaktierungsvarianten für dünne Foliensubstrate und Aufbau- und Verbindungstechnologien für die hybride Integration von herkömmlichen elektronischen Bauelementen und entsprechende Steuerelektroniken für den Test der Demonstratoren entwickelt. Im Ergebnis steht fest, dass Additive Fertigung zur Entwicklung flexibler medizinischer Pads genutzt werden kann, die sowohl in der Wundtherapie als auch in der Diagnostik Anwendung finden.

Laserdioden zum Messen des Blutzuckergehaltes – kostengünstig und schmerzfrei

Trumpf Photonic Components verfügt bereits über mehr als 20 Jahre Erfahrung mit Miniatur-Laserdioden, so genannten „VCSEL“, was für „Vertical Cavity Surface Emitting Laser“ steht. Schon heute werden sie für Smartphones und -watches, die digitale Datenübertragung und für das autonome Fahren eingesetzt. Trumpf als Weltmarktführer für VCSEL will mit ihnen nun auch Diabetiker beim Messen ihres Blutzuckerspiegels entlasten. Ziel ist ein bahnbrechender, nichtinvasiver und tragbarer Sensor, der kostengünstig und völlig schmerzfrei den Glukosegehalt im Blut überwacht. Das Grundprinzip mit photonischen Komponenten von TRUMPF ist eine monochromatische, polarisierte Lichtquelle, die eine inelastische Lichtstreuung im Nahinfrarotbereich zwischen 785 und 1.066 Nanometern aufweist. „Während heutige Lösungen auf Neodym-YAG-Laser mit 1.060 Nanometern Wellenlänge setzen, sehen wir große Vorteile bei der Raman-Spektroskopie. Bei rund 800 Nanometern ist ihre Wellenlänge ideal für die Glukosemessung, weil hier die störende Fluoreszenz gering, die Streuung ausreichend und die Laserleistung nur moderat sind“, erklärt Dr. Cynthia Klett, Product Manager bei TRUMPF Photonic Components.

Nach Angaben der International Diabetes Federation leben bereits weltweit etwa 540 Millionen Menschen mit der Stoffwechselkrankheit Diabetes. Bis 2030 dürfte die Zahl auf 643, bis 2045 auf 783 Millionen steigen. Bis dato hat Diabetes global Gesundheitskosten in Höhe von nahezu 966 Milliarden Dollar verursacht. VCSEL-Laser machen den Weg frei für einen Glukosesensor am Handgelenk, der das Leben der Betroffenen deutlich erleichtert.

Eindrucksvoller Ausblick auf Themen der COMPAMED 2023

„Sensortechnologie für Prävention und personalisierte Therapie“ – so lautete die Headline des diesjährigen COMPAMED Innovationsforums. Die aufgezeigten Beispiele aus der Veranstaltung gewährten einen ausgiebigen inhaltlichen „Vorgeschmack“ auf die COMPAMED 2023 in Düsseldorf und zeigten eindrucksvoll die Breite der Technologien und Anwendungen, die für die Fachmesse COMPAMED seit Jahren so charakteristisch ist.

"Die Bedeutung von Sensorik für die Medizintechnik ist von unschätzbarem Wert, da sie die Grundlage für präzise Diagnosen, effektive Behandlungen und eine verbesserte Patientenversorgung bildet. Die künftige Entwicklung der Sensorik in der Medizintechnik verspricht eine immer größer werdende Bandbreite an Anwendungen, von implantierbaren Sensoren zur Überwachung chronischer Krankheiten bis hin zu kompakten und tragbaren Wearables, die die Gesundheit der Menschen zuverlässig und kosteneffektiv kontinuierlich überwachen können“, fasst Dr. Thomas Dietrich, CEO des IVAM, das COMPAMED Innovationsforum 2023 zusammen.

Wer sich über den Bereich der Sensorik hinaus von der Leistungsfähigkeit des Zulieferbereichs der Medizintechnik-Industrie überzeugen will, ist bei der COMPAMED 2023 (Laufzeit: 13. – 16. November) in den Düsseldorfer Messehallen 8a und 8b genau richtig. In fünf Erlebniswelten präsentieren sich hier die mehr als 700 ausstellenden Unternehmen mit einer Fülle an Hightech- und Servicelösungen. Die fünf Erlebniswelten sind: Manufacturing & Devices (u. a. Komponenten, Bauteile, Fertigungsverfahren), Services & Advice (z. B. Forschung, Entwicklung, Dienstleistungen), Materials (u. a. Kunststoffe, Glas, Keramik, Metalle, Verbundwerkstoffe, Klebstoffe, Verpackungen), Micro Tech (wie Mikrokomponenten, Mikrofluidik) sowie IT in Tech (Software-Entwicklung und Wartung für die Medizintechnik).

Die COMPAMED 2023 findet einer festen Parallelität folgend wieder zeitgleich zur international führenden Medizinmesse MEDICA 2023 statt, zu der in diesem Jahr erneut mehr als 5.000 anbietende Unternehmen von Medizinprodukten und -technik erwartet werden.