Diagnose und Sensorik

Die tiefe Venenthrombose (TVT) und ihre schwerwiegende Komplikation, die Lungenembolie, betreffen weltweit Millionen Menschen und sind eine der Hauptursachen für akute Krankenhausaufenthalte. Eine TVT entsteht durch die Bildung eines Blutgerinnsels in den tiefen Venen, meist in den Beinen, das den Blutfluss behindert. Bei etwa 50 % der Betroffenen löst sich das Gerinnsel von der Venenwand und wandert in die Lunge, wo es eine lebensbedrohliche Lungenembolie auslösen kann. Rund 25 % der Menschen mit Lungenembolie sterben daran – sie ist somit nach Schlaganfall und Herzinfarkt die dritthäufigste kardiovaskuläre Todesursache weltweit.

Früherkennung rettet Leben

Die klinische Diagnose einer TVT ist oft schwierig, da bis zu zwei Drittel der Fälle keine typischen Symptome zeigen. Selbst bei bereits bestehender Lungenembolie bleiben viele Patienten zunächst symptomfrei.

Eine frühzeitige und zuverlässige Erkennung der TVT ist entscheidend, um lebensbedrohliche Komplikationen zu vermeiden. Sie hilft, das Risiko für langfristige Folgen wie das postthrombotische Syndrom oder wiederkehrende TVT zu minimieren, verbessert Behandlungsergebnisse und reduziert Kosten im Gesundheitswesen.

Fraunhofer IPMS: Ultraschall der nächsten Generation

Im Projekt ThrombUS+ arbeitet ein interdisziplinäres Expertenteam aus Industrie, Technologie, Sozialwissenschaften und klinischer Forschung zusammen, um ein tragbares, kontinuierliches und benutzerunabhängiges Überwachungsgerät für Patienten mit hohem Thromboserisiko zu entwickeln.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt gemeinsam mit VERMON ein innovatives Ultraschallwandler-Array für die mobile, kontinuierliche Überwachung von tiefen Venenthrombosen direkt am Einsatzort.

Im Fokus stehen dabei unsere CMUTs (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers) – hochmoderne, MEMS-basierte Ultraschallsensoren der nächsten Generation.

Die Vorteile von CMUT-Technologie:

• kostengünstige Großserienfertigung
• Miniaturisierung mit hoher Kanalzahl
• große Bandbreite bei hoher Empfindlichkeit

Diese Eigenschaften ermöglichen die Entwicklung eines völlig neuen, effizienten Überwachungssystems für die Frühdiagnose und Therapieunterstützung bei TVT.

Markierungsfreie Nachweismethoden, die ohne zusätzliche Reagenzien molekulare Charakterisierungen ermöglichen, bieten großes Entwicklungspotenzial. Sie erlauben die Nutzung einfacher, schneller Diagnosewerkzeuge, die außerhalb von Laboren eingesetzt werden können – und somit auch für nicht spezialisierte Anwender zugänglich sind.

Markierungsfreie Nachweismethoden – Innovativer Ansatz für einfache und präzise Diagnostik

Das Fraunhofer IPMS entwickelt hierfür hochmoderne photonische Biosensoren auf Basis von Siliziumnitrid-Mikroringresonatoren in Siliziumtechnologie. Diese Sensoren ermöglichen den selektiven Nachweis von Biomarkern und mikrobiellen Substanzen und sind ideal geeignet für die Früherkennung von Krankheiten.

Gemeinsam mit dem Fraunhofer IZI arbeitet das IPMS an einer hochempfindlichen integrierten photonischen Biosensor-Plattform, die neue Maßstäbe in der Diagnostik setzen wird.

Mittelohrentzündungen werden häufig mit Antibiotika behandelt, insbesondere bei Babys und Kleinkindern. Die derzeitigen medizinischen Diagnosegeräte für diese Erkrankung stammen jedoch oft aus veralteten Generationen, was zu subjektiven und unzuverlässigen Befunden führt. Die diagnostische Fehlerrate liegt im Durchschnitt bei etwa 50 %, vor allem bei der Differenzierung zwischen bakteriellen und viralen Infektionen. Dies führt dazu, dass viele Kinder unnötigerweise Antibiotika erhalten, was langfristig das globale Problem der Antibiotikaresistenz verschärft.

Innovativer Ultraschallwandler des Fraunhofer IPMS

Das Fraunhofer IPMS entwickelt einen neuartigen Ultraschallwandler, der dieses Problem adressiert: Die luftgekoppelte Ultraschalltechnologie ermöglicht eine präzise und schnelle Diagnose von Mittelohrinfektionen. Mit einem Otoskop können Ärzte innerhalb von Sekunden den Bereich hinter dem Trommelfell analysieren und feststellen, ob sich Luft oder Flüssigkeit im Mittelohr befindet. Die Beschaffenheit der Flüssigkeit wird charakterisiert, wodurch eine eindeutige Unterscheidung verschiedener Krankheitsstadien möglich ist und eine gezielte Behandlung gewährleistet wird.

Vorteile der CMUT-Technologie

Der Ultraschallwandler basiert auf der innovativen CMUT-Technologie (capacitive micromachined ultrasonic transducer), die auf spezialisierten MEMS-Prozessen am Fraunhofer IPMS auf Siliziumwafern gefertigt wird. Die wichtigsten Vorteile sind:

• Niedriger Stromverbrauch
• Kosteneffiziente Großserienfertigung
• Miniaturisierung, die eine besonders kompakte Bauweise erlaubt
• Im Vergleich zu herkömmlichen Piezo-Ultraschallwandlern sind CMUTs deutlich kleiner und lassen sich deshalb optimal in Otoskope integrieren.

Diese Kombination aus Präzision, Effizienz und Miniaturisierung macht den CMUT-Ultraschallwandler zu einer vielversprechenden Lösung für die moderne Mittelohrdiagnostik.

Die Analyse der Atemluft bietet großes Potenzial für die frühe Erkennung von Krankheiten im medizinischen Bereich. Spuren bestimmter Gase in der Ausatemluft, insbesondere flüchtige organische Verbindungen (VOCs), können als Biomarker für verschiedene Erkrankungen wie Krebs dienen. Eine präzise spektroskopische Analyse der Atemluft ermöglicht es, diese Gase zuverlässig zu detektieren und so eine frühzeitige Diagnose sowie rechtzeitige Therapien zu unterstützen.

Fortschrittliche Atemluftanalyse für die medizinische Diagnostik mit MEMS-Ionenmobilitätsspektrometern

Das Fraunhofer IPMS entwickelt hierfür innovative, modulare Sensorlösungen, die speziell auf medizinische Anwendungen zugeschnitten sind. Im Zentrum steht ein MEMS-Ionenmobilitätsspektrometer (IMS), das auf einem Siliziumchip basiert und einen integrierten Ionenfilter sowie Ionendetektor umfasst. Dieses System kann ionisierbare Substanzen in geringsten Konzentrationen direkt in der Atemluft nachweisen – ohne aufwendige Probenvorbereitung.

Vorteile der MEMS-Technologie des Fraunhofer IPMS

Die Kombination aus modernster FAIMS-Filtertechnik (Field Asymmetric Ion Mobility Spectrometry) und mikrotechnologischer Miniaturisierung ermöglicht:

• Kostengünstige Serienproduktion von Ionenmobilitätsspektrometer-Chips
• Miniaturisierung und kompakte Bauweise für mobile und handhabbare Geräte
• Schnelle und präzise Messungen direkt vor Ort (point-of-care) z.B. in Kliniken oder Praxen
• Reduziert den Bedarf an aufwendiger Probenvorbereitung und Laborausstattung
• Unterstützt die Entwicklung von nicht-invasiven, benutzerfreundlichen Diagnoseverfahren
• Ermöglicht den Zugang zu hochvolumigen Anwendungen durch hohe Skalierbarkeit

So wird eine nicht-invasive, benutzerfreundliche und präzise Atemluftdiagnostik realisierbar, die frühzeitige Interventionen bei Erkrankungen unterstützt und die Behandlungserfolge verbessert.

Lab-on-Chip (LOC)-Diagnostik ist heute ein moderner Standard bei verschiedenen labordiagnostischen Verfahren. Sie ermöglicht die automatisierte und präzise Verarbeitung sowie Auswertung medizinischer Proben. Diagnostische Ergebnisse können dadurch kostengünstiger, schneller und früher als bei herkömmlichen Laboranalysen bereitgestellt werden. Für manche Anwendungsbereiche gibt es jedoch noch keine passenden Lab-on-Chip-Systeme. Deshalb entwickelt das Fraunhofer IPMS gemeinsam mit Partnern innovative Komponenten und Module speziell für die LOC-Diagnostik des Zytokin-Freisetzungssyndroms (CRS).

Zytokin-Freisetzungssyndrom (CRS): Ursache, Symptome und Risiken

Das Zytokin-Freisetzungssyndrom (cytokine release syndrome, CRS) tritt bei zahlreichen Erkrankungen und Therapien auf, wie z. B. Immuntherapie, Sepsis oder Infektionskrankheiten wie Covid-19. Während dieser immunologischen Reaktion produziert der Körper vermehrt Zytokine, die weitere Immunzellen aktivieren und zu einer überschießenden Immunantwort führen. Im Gegensatz zu normalen Reaktionen verstärkt sich dieser Prozess stetig und kann lebensbedrohlich werden. Eine schnelle Diagnose und Behandlung von CRS sind daher entscheidend für die Patientenversorgung.

Biomarker-Nachweis für CRS: Hochsensitive Diagnostik mit mikrofluidischen Chips

Eine effektive CRS-Diagnostik erfordert die schnelle und hochsensitive Detektion verschiedener Biomarker im Blut, die typische Entzündungsreaktionen anzeigen. Dies wird durch fluoreszenz- oder lumineszenzbasierte Assays auf mikrofluidischen Lab-on-Chip-Systemen realisiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen, invasiven Bluttests kann so eine präzise, schnelle und frühzeitige Diagnose ermöglicht werden. Besonders wünschenswert ist eine kontinuierliche Online-Überwachung zur sofortigen Erkennung des CRS.

Das Verbundprojekt KODIAK entwickelt fortschrittliche biologische Assays, gekoppelt mit elektronischen, optischen und fluidischen Komponenten, um ein vollintegriertes Lab-on-Chip-System für die CRS-Diagnostik zu schaffen. Das Fraunhofer IPMS steuert das Optik-Design für die hochsensible optische Detektion bei. Ziel ist es, die Früherkennung schwerer Krankheitsverläufe zu verbessern, klinische Ressourcen effizienter zu nutzen und die medizinische Versorgung von Patientinnen und Patienten nachhaltig zu optimieren.

Zellbasierte Therapien sind meist individuell auf die Bedürfnisse der Patientinnen und Patienten zugeschnitten. Aufgrund komplexer und aufwendiger Herstellungsprozesse sind diese Therapien oft mit hohen Kosten verbunden. Für Patientinnen und Patienten in kritischen Krankheitsstadien ist zudem eine schnelle und termingerechte Produktion lebenswichtig.

Moderne Qualitätssicherung mit Ionenmobilitätsspektrometrie 

Im Projekt MIC-PreCell werden deshalb moderne Methoden der integrierten Qualitätssicherung in der Zelltherapie entwickelt, um die Herstellungsprozesse zu beschleunigen und Produktionsfehler frühzeitig zu erkennen. Ziel ist es, die Effizienz und Sicherheit bei der Produktion von zellbasierten Therapeutika signifikant zu erhöhen.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt im Rahmen des Projekts ein hochmodernes Ionenmobilitätsspektrometer (IMS), das speziell zur Analyse von flüchtigen organischen Verbindungen (VOCs) eingesetzt wird. Dieses Gerät ermöglicht die präzise und frühzeitige Überwachung der Zellkulturumgebung, indem es die von Zellkulturen abgegebenen VOCs direkt und sensitiv detektiert.

Zusätzlich setzt das Forschungsteam auf innovative Verfahren wie die optomechanische Profilerstellung, mit der mechanische Eigenschaften von Zellen markierungsfrei und sofort bestimmt werden können. Spezialisierte Geräte zur Mikromanipulation von Zellen, Zell-Clustern und Organoiden erlauben eine detaillierte Echtzeit-Überwachung des Zellzustands, um therapeutische Zellprodukte optimal zu kontrollieren und zu verbessern.

Durch die Kombination dieser innovativen Technologien ermöglicht das Projekt MIC-PreCell eine deutlich schnellere, präzisere und zuverlässigere Qualitätssicherung bei der Herstellung von zellbasierten Therapien.

Datenbrillen bieten enormes Potenzial für die Medizintechnik, insbesondere in der minimalinvasiven Chirurgie oder bei komplexen Eingriffen. Ärztinnen und Ärzte könnten sich während der Behandlung Röntgenbilder, CT-Scans oder Echtzeitaufnahmen aus Endoskopen direkt im Sichtfeld anzeigen lassen – ganz ohne den Blick vom Patienten abzuwenden. So bleiben die Hände frei, während alle entscheidenden Informationen verfügbar sind – ein großer Fortschritt in der chirurgischen Effizienz und Patientensicherheit.

Technologische Anforderungen an medizinische Smart Glasses

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, benötigen medizinische Datenbrillen:

• ultrahochauflösende Mikrodisplays
• flexible Substrate für leichte, ergonomische Bauformen
• gute Ablesbarkeit bei Sonnenlicht
• hohen Kontrast und Farbtreue
• intuitive Gesten- oder Augensteuerung
• kratzfeste und desinfektionsfeste Oberflächen

Das Fraunhofer IPMS entwickelt genau diese Art von Mikrodisplays, die für medizinische Wearables optimiert sind.

Miniaturisierte Lösungen für mobile Medizingeräte

Neben der reinen Bildanzeige rückt auch die Interaktion mit den Inhalten in den Fokus. Das Fraunhofer IPMS arbeitet an bidirektionalen Mikrodisplays, bei denen Display und Bildsensor auf einem Chip vereint sind. So kann die Brille nicht nur anzeigen, sondern auch Augenbewegungen erfassen und Inhalte intelligent steuern – ein wichtiger Schritt hin zu intelligenten Assistenzsystemen im OP.

Mit besonders stromsparenden Komponenten ermöglicht das Fraunhofer IPMS zudem den Einsatz solcher Systeme in kompakten, tragbaren Geräten, die direkt in der Klinik oder im Notfallbereich genutzt werden können.

Eine präzise und vielseitige Messung der Sauerstoffkonzentration in Gasen ist in zahlreichen Branchen entscheidend – von der Medizintechnik über die Umweltüberwachung bis zur industriellen Prozesssteuerung. Das Fraunhofer IPMS hat eine optische Sensorplattform entwickelt, die OLED-basierte Anregung mit in CMOS integrierten Photodioden kombiniert.

Funktionsweise des Sensors

Der Sensor bestimmt den Sauerstoffgehalt mithilfe einer speziell entwickelten Sensorschicht oder kommerziell verfügbarer Sensor-Spots. Eine blaue OLED regt ein phosphoreszierendes Farbstoffsystem an, dessen Rückstrahlung durch integrierte Photodioden detektiert wird. Über eine Kalibrierkurve wird die Sauerstoffkonzentration aus der Abklingzeit des Signals berechnet.

Integrierte Sensorplattform mit CMOS-Technologie

Das Fraunhofer IPMS kombiniert seine langjährige Expertise in organischer Elektronik, CMOS-Design und Sensorintegration, um eine Plattform für vielseitige Messanwendungen zu schaffen.

Technische Merkmale:

• Zwei OLEDs mit steuerbarer Emissionswellenlänge
• Integrierte Photodioden mit Ausleseelektronik
• Farbanpassbare Filter für spezifische Sensorschichten
• Kompatibilität mit kommerziellen Sensormaterialien

Durch die Anpassung von OLED-Emission und Farbfiltereigenschaften an die spektralen Anforderungen der Farbstoffe kann die Sensorplattform flexibel für verschiedene Parameter wie Sauerstoff oder pH-Wert eingesetzt werden.

Anwendungsgebiete

• Sauerstoffmessung in Gasen
• pH-Wert-Bestimmung durch fluoreszierende Farbstoffe
• Zeitaufgelöste Messung periodischer Lichtsignale
• Integration in portable oder eingebettete Systeme

Vorteile für Forschung und Industrie

• Modulares Design für verschiedene Sensoranforderungen
• Hohe Präzision bei kompakter Bauform
• Breite Materialkompatibilität
• CMOS-basierte, kosteneffiziente Fertigung

Die optische Sensorplattform des Fraunhofer IPMS bietet eine flexible Lösung für moderne Messaufgaben – von der medizinischen Diagnostik bis zur smarten Umweltüberwachung.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt hochpräzise MEMS-basierte Mikroscanner für verschiedene medizinische Bildgebungs- und Diagnosesysteme. Diese kompakten Komponenten ermöglichen neue Anwendungsfelder durch eine Kombination aus Miniaturisierung und hoher optischer Auflösung. Daher sind sie ideal für Anwendungen in der Medizintechnik.

Einsatzbereiche in der Medizintechnik

Die Mikroscanner werden unter anderem in folgenden Bereichen eingesetzt:

• Bildaufnahme in medizinischen Endoskopen
• Konfokale und Fluoreszenzmikroskopie
• Spektroskopie in den Lebenswissenschaften
• Diagnostik und Therapie in der Augenheilkunde

Ein Beispiel für die Anwendung ist die Entwicklung eines doppelt-resonanten MEMS-Scanners, der als zentrale Komponente in einem kompakten Röntgenfilmscanner für die digitale Zahnmedizin dient.

Industrielle Kooperationen

In Zusammenarbeit mit dem dänischen Medizintechnikunternehmen Norlase wurde ein Laserscanner für die Augenheilkunde entwickelt, der zur Behandlung von Netzhauterkrankungen und Grünem Star eingesetzt wird. Der Einsatz der MEMS-Scanner des Fraunhofer IPMS ermöglicht eine bisher unerreichte Miniaturisierung sowie eine höhere Auflösung.

Für das Start-up Envision Diagnostics entwickelt das Institut Mikroscanner für ein standardisiertes, schnelles und zuverlässiges Augendiagnosesystem. Dieses erfasst, analysiert und visualisiert alle relevanten Sehparameter, um Ärztinnen und Ärzten eine fundierte und umfassende Entscheidungsgrundlage zu bieten.

Vorteile der Technologie

• Kompakte Bauweise für portable oder integrierte Systeme 
• Hohe Auflösung bei minimalem Platzbedarf 
• Flexibel einsetzbar in verschiedenen optischen Verfahren 
• Skalierbar für klinische und industrielle Anwendungen

Das Eurostars-Projekt UltraLASE entwickelt das LYNX Ophthalmokop – ein tragbares, musterbasiertes Lasersystem zur Behandlung von Netzhauterkrankungen wie diabetischer Retinopathie. Im Vergleich zu herkömmlichen Einzelpunkt-Lasern bietet das System mehrere Vorteile:

• Geringere Belastung für Patientinnen und Patienten
• Kürzere Behandlungszeiten
• Höhere Behandlungsfrequenz

Die Entwicklung ist besonders relevant angesichts der steigenden Nachfrage in der Augenheilkunde, bedingt durch eine alternde Gesellschaft und zunehmende Diabetesfälle weltweit.

Fortschritte für die Augenheilkunde

Das LYNX-System wird von der dänischen Firma Norlase entwickelt und stellt eine völlig neue Gerätekategorie dar. Es ermöglicht erstmals eine effektive Laserbehandlung für bislang schwer erreichbare Patientengruppen wie:

• Bettlägerige Personen
• Frühgeborene und Neugeborene
• Patientinnen und Patienten in mobilen Einsätzen oder unterversorgten Regionen

Derzeit existiert kein vergleichbares System am Markt.

MEMS-Scanner für höchste Integration

Herzstück des LYNX-Systems ist ein ultra-miniaturisiertes Scanmodul auf Basis eines zweidimensionalen MEMS-Spiegels. Die wichtigsten technischen Eckdaten sind:

• Scanbereich: 8° x 8°
• Laserwellenlänge: 519 nm
• Durchschnittliche Laserleistung: 1,5 W
• Zielvolumen des Moduls: unter 4 cm³
• Max. Positionierzeit: 3 Millisekunden

Dieses kompakte Modul wird als zentrale Komponente in das LYNX-Lasersystem integriert und ermöglicht präzise, mehrpunktbasierte Netzhautbehandlungen auch außerhalb klassischer Klinikstrukturen.

Die Kombination aus MEMS-Scanning, tragbarem Design und anwenderorientierter Entwicklung macht LYNX zu einer zukunftsweisenden Technologie in der Augenheilkunde. Sie eröffnet neue Möglichkeiten für flächendeckende und patientennahe Laserbehandlungen.