Neue Ultraschall-Technologie erkennt Mittelohrentzündungen
Muss es wirklich die chemische Keule sein? Bislang haben sich Kinderärzte schwer getan, zu entscheiden, welche kleinen Patienten Arzneimittel benötigen. Ingenieure schließen die Lücke mit einem innovativen Ultraschallwandler.
Diagnose von Mittelohrentzündungen bei Kleinkindern mit einer neuen Sensortechnologie.
Foto: Fraunhofer IPMS
Statistisch gesehen erkranken 50% aller Kinder in ihrem ersten Lebensjahr an einer Mittelohrentzündung. Bis zum siebten Lebensjahr ist nahezu jedes Kind davon betroffen. Starke, pulsierende Schmerzen, Fieber und ein allgemeines Krankheitsgefühl setzen den kleinen Patienten arg zu.
Handelt es sich um eine unkomplizierte Infektion, bringen die Arzneimittel wenig. Denn es kommt in 95% aller Fälle zur Spontanheilung innerhalb weniger Tage, wie es in den medizinischen Leitlinien heißt. Kinderärzten fehlen jedoch geeignete Geräte zur Diagnostik, um schwere Fälle zu erkennen. Und so verordnen sie oft Antibiotika – in Deutschland bei jeder zweiten Mittelohrentzündung, in den USA sogar bei 95% aller pädiatrischen Patienten. Hier setzen Forscher des Fraunhofer-Instituts für Photonische Mikrosysteme IPMS an. Zusammen mit einem industriellen Partner haben sie ein Otoskop (deutsch „Ohrenspiegel“) inklusive Ultraschallwandler entwickelt, um Ärzten therapeutische Entscheidungen zu erleichtern.
Schweregrade per Echosignal erkennen
„Das klassische Otoskop ist ein optisches System, das seit Jahrzehnten nicht weiterentwickelt wurde“, kritisiert Sandro Koch, Wissenschaftler am Fraunhofer IPMS in Dresden. „Mit unserem integrierten Ultraschallwandler, der zugleich Sender und Empfänger ist, erhält das Gerät eine erweiterte Funktionalität.“
Ein integrierter Wandler sendet Ultraschallimpulse aus und erfasst das Echo, das vom Trommelfell reflektiert wird. Der Arzt bekommt daraufhin ein Messergebnis, das ihm 2 zentrale Informationen liefert: Handelt es sich überhaupt um eine Mittelohrentzündung und – falls ja – wie ist der Schweregrad zu beurteilen? Anhand dieser Daten kann er schwere, komplikationsträchtige Formen erkennen – und Antibiotika gezielt verordnen, wo die Wirkstoffe Sinn machen.
Ein luftgefüllter Kondensator als Grundstruktur
Wie sieht die Konstruktion aus? Im Inneren des neuen Otoskops befinden sich 2 übereinander angeordnete Elektroden. Sie bilden einen Kondensator, ihr Zwischenraum ist mit Luft gefüllt. Eine Elektrode wurde flexibel angebracht. „Diese nutzen wir als schwingendes Element, um die Ultraschallwellen zu senden“, erläutert Koch. „Das Echo trifft wiederum auf die flexible Membran, deren angeregte Vibration in detektierbare elektrische Signale umgewandelt wird.“
Neben diesem elektrotechnischen Messverfahren entwickelte der Kooperationspartner OtoNexus Medical Technologies eine spezielle Software, um Signale zu detektieren und zu interpretieren. So lässt sich feststellen, ob das Mittelohr Luft oder Flüssigkeit enthält. Diese kann charakterisiert werden – Kinderärzte sind infolgedessen in der Lage, zwischen verschiedenen Erkrankungsstadien zu unterscheiden und gezielter als bisher zu therapieren.
Prototyp mit Serientauglichkeit
Bei der Entwicklung ihres neuen Otoskops achteten die Ingenieure darauf, dass sich alle Komponenten später für die Serienfertigung eignen. Momentan liegt ein Prototyp vor, um alle Funktionalitäten unter realistischen Bedingungen zu testen.
Sie verbauten einen sogenannten kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschallwandler (capacitive micromachined ultrasonic transducer, CMUT). Hier arbeiteten Experten mit der bereits am Fraunhofer IPMS etablierten MEMS-Technologie auf der Basis von Siliziumwafern. MEMS steht für microelectromechanical systems. Das Prinzip bietet 2 zentrale Vorteile: die Kostenersparnis durch einen geringeren Materialverbrauch und die Effizienz durch weniger Stromaufnahme. „Im Gegensatz zu herkömmlichen Piezo-Ultraschallwandlern kann unser MEMS-Wandler auch sehr klein gebaut werden“, erklärt Koch. „Der CMUT lässt sich dadurch besonders vorteilhaft in das Otoskop integrieren.“
Trend zum Ultraschall in der Medizin
Mit ihrem neuen diagnostischen Tool greifen die Fraunhofer-Ingenieure einen allgemeinen Trend auf: Ultraschall hat zwar schon seit den 1940er-Jahren in die Medizin Einzug gehalten, doch die Potenziale werden erst jetzt vollständig ausgeschöpft. Zu den neuen Verfahren gehört etwa der 3D-Ultraschall. Dabei werden räumliche Standbilder erzeugt. Und beim 4D-Ultraschall entstehen dreidimensionale Darstellungen in Echtzeit.
Solche Verfahren könnten etwa bei Untersuchungen mit dem Herzkatheter Röntgenquellen ersetzen: derzeit eine Gefahrenquelle für Patienten, aber noch viel mehr für Ärzte, die ständig einer Exposition ausgesetzt sind. Auch zur Planung komplizierter Eingriffe in der Herzchirurgie eignen sich mehrdimensionale Ultraschallverfahren. Der Operateur erhält vorab am Computer eine räumliche Darstellung, um sich die Lage von Gefäßen anzusehen und das optimale Herangehen zu planen – etwa bei angeborenen Herzfehlern im Kleinkind-Alter.
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