Elektrochemische und MOS-Sensoren Sensor-Armband misst über 40 schädliche Substanzen

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

ROHM Semiconductor GmbH

Mithilfe eines Sensor-Armbandes wollen Forscher die Umwelteinflüsse messen und anhand der gewonnenen Daten über KI-Algorithmen Modelle konzipieren, um Therapien zu entwickeln. Die verschiedenen Sensoren messen über 40 einzelne schädliche Substanzen auch in schwacher Konzentration.

Die EU-Kommission will die Grenzwerte für die Feinstaub-Belastung bis 2030 um mehr als die Hälfte senken. Die Belastung durch Feinstaub mit einer Partikelgröße von bis zu 2,5 µm soll demnach von 25 auf 10 µg pro Kubikmeter reduziert werden. Der Jahresgrenzwert für Stickstoffdioxid (NO₂) soll ab 2030 nur noch bei 20 µg pro Kubikmeter Luft liegen, statt wie bisher bei 40.

Die Ursachen für Atemwegserkrankungen sind verschieden. Unabhängig davon, ob sie erblich bedingt oder durch den Lebensstil ausgelöst werden, spielt auch das Exposom eine ausschlaggebende Rolle. Es handelt sich dabei um eine kombinierte Größe interner und externer Einflüsse, wie etwa die Umgebungsluft, Sonneneinstrahlung, Schadstoffe oder auch die Ernährung.

Atemwegserkrankungen nicht unterschätzen

Bekannt ist lediglich, dass die Wirkung dieser Variable für den Krankheitsverlauf von Atemwegserkrankungen nicht zu unterschätzen ist. Daher hat das multidisziplinäre Konsortium im europäischen Projekt REMEDIA es sich zum Ziel gesetzt, den Pool aus Umweltparametern und Biomarkern zu untersuchen und die konkrete Relevanz für Atemwegskrankheiten zu bestimmen.

Im Fokus stehen zwei Erkrankungen: Die Mukoviszidose (kurz: CF für cystische Fibrose) und die chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD). Obwohl CF und COPD ähnliche Krankheitsverläufe aufweisen, variieren die Ursachen des Ausbruchs, was eine parallele Betrachtung für die Forschung interessant macht.

Sensoren messen ausgeatmete Atemluft und Umwelteinflüsse

Für die technische Realisierung der Messungen entwickelt das Konsortium zwei neuartige Geräte:

• ein Sensor misst über die ausgeatmete Luft die im Körper vorhandene Biomarker und

• einen weiteren Sensor für die Ermittlung der vielfältigen Umwelteinflüsse, die auf Menschen einwirken.

Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM ist für die Entwicklung und den Aufbau des umweltbezogenen Toolkits verantwortlich. Das Forschungsteam um die Gruppenleiterin Christine Kallmayer wird von der Vision geleitet, ein hochminiaturisiertes und damit tragbares Design mit höchster Messgenauigkeit zu verbinden:

„Die Konzentration der relevanten Gase in der Luft ist extrem niedrig, weswegen die Sensoren hochgradig sensibel konzipiert sein müssen. Gleichzeitig muss das Gesamtgerät klein und portabel bleiben, weil die Patienten es dauerhaft tragen sollen. Als Kompromiss haben wir ein elektronisch integriertes Armband entworfen, auf dem die schmale Toolbox angebracht ist.“ Damit soll eine Messung nicht nur in der Einheit „Parts per Million“, sondern auch in ppb, also einem Milliardstel einer bestimmten Menge (Parts per Billion), realisiert werden.

Hohe Ansprüche an Sensoren und Elektronik

Noch vor dem Aufbau widmeten sich die Forscher zunächst einer ausgiebigen Testphase: Aus der Vielzahl handelsüblicher Sensoren galt es solche zu finden, die den hohen Anforderungen von Genauigkeit und kleiner Baugröße entsprechen. Sobald sich die beste Option herauskristallisiert hatte, entwickelten sie die energieeffiziente Schaltung, welche die Messdaten aus dem Sensor live in die Außenwelt überträgt, und integrierten die Sensoren in das dehnbare Armband.

Weitere Sensorik, Controller, ein GPS-Modul, eine Antenne, eine SD-Karte und der Akku wurden in einer Box verbaut, die am Armband befestigt wird. Für ein kompaktes Designt zu halten, mussten die Forscher Bauelemente kleiner konstruieren und entschieden sich bei den Schaltungen für den Aufbau eines System-in-Package, in dem mehrere integrierte Schaltungen in einer Chip-Verkapselung gestapelt sind.

Gase mit einem MOS-Sensor messen

Im ersten Projektjahr eruierte das Konsortium Anforderungen an die Messsysteme und erstellte einen Katalog mit rund 40 relevanten Größen, die Gase wie CO, O₃, NO₂, CO₂, SO₂, VOC, die Luftfeuchtigkeit, den Luftdruck, die Staubpartikelbelastung, den Indikator für Luftqualität, aber auch Lichtverhältnisse, die Temperatur sowie den Lärmpegel einschließen.

Die einzelnen Werte müssen aufgrund ihrer unterschiedlichen Partikelgrößen üblicherweise mittels verschiedener Technologien gemessen werden. Die Entscheidung fiel auf elektrochemische und MOS-Sensoren (Metaloxidation Semiconductor), die zusätzlich mit dynamischem Laserscattering kombiniert wurden. Hinzu kommt eine algorithmische Auswertung. Damit gelöst wurde das Problem der sogenannten querempfindlichen Sensoren, die fälschlicherweise auf mehrere Substanzen reagieren.

Abgleich der experimentellen Daten mit realen Messwerten

In den nächsten Projektstufen wird der Messprozess in der Realität erprobt: Die Probanden tragen das Armband unter den individuellen Bedingungen ihres Alltags und in ihrer lokalen Umgebung. Die Informationen über die Umwelt der sollen anschließend auf der integrierten SD-Karte zusammenlaufen und durch die am Fraunhofer IZM entwickelte Software auf einem Endgerät sichtbar werden.

Nach Abschluss der Datensicherung werden die Projektpartner die Exposome der untersuchten Personen in atmosphärischen Simulationskammern replizieren, so dass ein Abgleich der experimentellen Daten mit den realen Messwerten durchgeführt werden kann. Des Weiteren werden mithilfe von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen prognostische Modelle konzipiert. Damit lassen sich präventive Therapien je nach Einzelfall zusammenstellen.

Das europäische Netzwerk für menschliche Exposomen ist das weltweit größte Netzwerk von Projekten, in denen die Auswirkung der Umweltexposition auf die menschliche Gesundheit erforscht wird. Es verbindet neun Forschungsprojekte, die im Rahmen von Horizont 2020, dem Rahmenprogramm der EU für Forschung und Innovation, mit über 100 Mio. Euro gefördert werden. Durch neue Erkenntnisse zu besseren Präventionsmaßnahmen werden die Ergebnisse aus diesem Netzwerk nicht nur dazu beitragen, das Ziel des europäischen »Green Deal« voranzutreiben, sondern auch die Gesundheit und das Wohlbefinden der Bevölkerung vor Umweltverschmutzung und -zerstörung zu schützen.

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