Sensor zum verschlucken Sensor funkt aus dem Körper die Temperatur

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Die präzise Körpertemperatur ist ein wichtiger Parameter, um Infektionen, Entzündungen oder Hitzebelastungen zu messen. Doch während Wearables auf der Haut durch die Umgebung beeinflusst werden können, wäre ein Sensor im Körper wesentlich präziser.

Die Idee, Diagnostik in eine verschluckbare Kapsel zu verpacken, entstand vor über 20 Jahren mit der Kapselendoskopie. Diese Kamera-Pillen untersuchten den Dünndarm, indem sie hochauflösende Bilder aus Bereichen lieferten, die für die klassische Endoskopie schwer zugänglich waren. Doch bisherige Systeme waren oft klobig und energiehungrig.

Die Neuentwicklung des MIT beeindruckt nun durch eine drastisch reduzierte Baugröße und ein cleveres Energiekonzept. Während herkömmliche Diagnostik-Kapseln oft recht groß sind, konnten die Forscher den Formfaktor so weit senken, dass das Schlucken so unbedenklich ist wie ein Schluck Wasser.

Sensorik benötigt 10 Nanowatt

Das Herzstück des Systems ist ein kundenspezifischer Silizium-Chip mit einer Fläche von nur ca. 1 mm², der konsequent auf minimalen Eigenverbrauch optimiert wurde. Die gesamte Sensorik benötigt im Betrieb lediglich etwa 10 Nanowatt. Um diesen Bedarf zu decken, integrierten die Forscher eine handelsübliche 1,55-V-Knopfzelle. Obwohl diese Batterie den Großteil des Volumens der nur 6 mm x 4 mm kleinen Kapsel einnimmt, ermöglicht sie durch den extrem geringen Verbrauch des Chips eine kontinuierliche Überwachung über sehr lange Zeiträume.

Der eigentliche technologische Clou liegt jedoch in der Kommunikationstechnik. Anstatt ein eigenes, energieintensives Funksignal wie Bluetooth oder WLAN aufzubauen, nutzt die Pille das Prinzip des RF-Backscattering – ein Verfahren, das ähnlich wie bei der passiven RFID-Technik funktioniert: Ein externes Lesegerät nah am Körper sendet ein Hochfrequenz-Signal aus. Die winzige Antenne in der verschluckten Kapsel nimmt dieses Signal auf, moduliert es mit den Temperaturdaten und reflektiert es zurück. Da der Sensor das Signal nur modifiziert und spiegelt, anstatt es selbst aktiv zu generieren, sinkt der Energiebedarf für die Funkstrecke nahezu auf Null.

Mehrstufig verkapselter Sensor

Die Hardware muss dabei extremen Bedingungen standhalten. Die Magensäure stellt eine hochkorrosive Umgebung dar, die herkömmliche Materialien innerhalb kürzester Zeit angreifen würde. Die Antwort der Entwickler ist eine mehrstufige Verkapselung aus biokompatiblen Polymeren. Diese ist einerseits chemisch resistent, beeinträchtigt aber andererseits die thermische Leitfähigkeit nicht. So wird sichergestellt, dass die Reaktionszeit des Sensors nicht unter der Schutzhülle leidet.

Von der Klinik bis zum Extremsport

Diese Entwicklung eröffnet der Medizinelektronik einen Wachstumsmarkt jenseits der stationären Diagnostik. Neben dem klinischen Monitoring von Patienten nach Operationen bietet die Technologie enormes Potenzial im Arbeitsschutz und im Leistungssport. Feuerwehrleute im Einsatz oder Profisportler in heißen Klimazonen könnten durch den schluckbaren Sensor in Echtzeit vor einem drohenden Hitzeschlag gewarnt werden. Externe Sensoren sind in solchen Extrem-Szenarien oft ungenau, da sie durch Schweißbildung und Umgebungshitze beeinflusst werden.

Die digitale Schnittstelle ermöglicht zudem eine nahtlose Integration in moderne Healthcare-Ökosysteme. Die Daten können über einen Smartphone-Hub direkt in die Cloud oder an ein medizinisches Dashboard übertragen werden.

Die Arbeit der MIT-Forscher macht deutlich, dass sich die Medizinelektronik von klobigen externen Geräten hin zu „unsichtbaren“ internen Systemen entwickelt. Für Systemdesigner und Hardwareentwickler bedeutet dies, dass Kompetenzen in den Bereichen energieeffiziente Funktechnik und Power-Management sowie spezialisiertes Packaging zunehmend an Bedeutung gewinnen. Der neue Sensor ist ein Beispiel dafür, wie die Halbleitertechnik die Grenze zwischen digitaler Diagnose und biologischem Organismus weiter verschiebt. (heh)

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