In der Medizin und Biotechnologie sind Sensoren Hilfsmittel, die bestimmte biologische, chemische oder physikalische Prozesse erkennen und diese Daten dann weiterleiten oder melden. Einige Sensoren arbeiten außerhalb des Körpers, während andere für die Implantation in den Körper bestimmt sind.
Einige Überwachungsgeräte bestehen aus mehreren Sensoren, die eine Reihe von physikalischen oder biologischen Parametern messen. Andere Geräte können multifunktional sein, d. h. sie enthalten Sensoren und geben auf der Grundlage der erhaltenen Sensordaten ein Medikament oder einen Eingriff ab. Sensoren können auch Bestandteile von Systemen sein, die klinische Proben verarbeiten, wie z. B. die immer häufiger verwendeten „Lab-on-a-Chip“-Geräte.
Sensoren helfen Gesundheitsdienstleistern und Patienten bei der Überwachung des Gesundheitszustands und stellen sicher, dass sie fundierte Entscheidungen über die Behandlung treffen können. Sensoren werden auch häufig zur Überwachung der Sicherheit von Medikamenten, Lebensmitteln, Umweltbedingungen und anderen Stoffen eingesetzt, mit denen wir in Kontakt kommen.
Wie werden Sensoren in der heutigen medizinischen Praxis eingesetzt?
Viele verschiedene Arten von Sensoren werden bereits in der Gesundheitsfürsorge, einschließlich der Selbstversorgung zu Hause, eingesetzt. Thermometer wandeln die Ausdehnung einer Flüssigkeit oder die Biegung eines Metallstreifens bei Wärmeeinwirkung in eine Zahl um, die der Körpertemperatur entspricht.
Papierbasierte Schwangerschaftstests für zu Hause enthalten eine Substanz, die bei Vorhandensein von Hormonen, die eine Schwangerschaft anzeigen, ihre Farbe ändert. In Krankenhäusern und anderen Einrichtungen finden Sie komplexere Sensoren wie Pulsoximeter (auch bekannt als Blutsauerstoffmonitore), die Veränderungen in der Absorption spezieller Lichtarten durch den Körper messen, um Informationen über die Herzfrequenz des Patienten und die Sauerstoffmenge im Blut zu liefern.
Wie könnten neuartige Sensoren die medizinische Versorgung oder die biomedizinische Forschung verbessern?
Fortschritte in den Bereichen Technologie, Ingenieurwesen und Materialwissenschaft haben den Einsatz von immer ausgefeilteren Sensoren in der medizinischen Forschung möglich gemacht. Eine Gruppe von NIBIB-finanzierten Forschern hat einen kompakten, drahtlosen, implantierbaren Gehirnsensor entwickelt, der Hirnaktivitätsdaten aufzeichnen und übertragen kann.
Aufbauend auf früher entwickelten Gehirn-Computer-Schnittstellen, die kabelgebundene Verbindungen nutzen, könnte dieser neue Sensor eines Tages zu unauffälligen, gedankengesteuerten Prothesen und anderen Hilfsmitteln für Menschen mit amputierten Gliedmaßen, Lähmungen oder anderen Bewegungseinschränkungen führen.
Die Forscher an der NIBIB wollen die vorhandenen Sensoren auf verschiedene Weise verbessern, z. B. indem sie fluoreszierende Sonden besser sichtbar machen und die Leistungsfähigkeit und Effizienz einzelner Sensoren erhöhen.
Einige Wissenschaftler erforschen biologische Sensoren, die sich auf körpereigene Substanzen oder künstliche Verbindungen stützen, die natürliche Substanzen nachahmen, um Moleküle einzufangen, die für die Messung im Körper wichtig sind. Biosensoren können Einblicke in Krankheitsprozesse geben, die sich nur schwer direkt nachweisen lassen, wie z. B. Störungen der Gehirnchemie, von denen man annimmt, dass sie bei vielen psychischen Störungen eine Rolle spielen.
Eine Methode zur Untersuchung chemischer Prozesse in Echtzeit verwendet beispielsweise künstlich hergestellte Zellen, die mit Rezeptoren „programmiert“ werden können, die sich an bestimmte Gehirnchemikalien binden. Die sich daraus ergebende Aktivitätskette bewirkt, dass ein Protein in der Zelle seine Farbe ändert, was die Forscher mit einem bestimmten Lasermikroskop erkennen können.
Die Biosensoren bleiben mehrere Tage lang im Gehirn aktiv und ermöglichen es den Wissenschaftlern, Veränderungen in der Gehirnchemie im Laufe der Zeit zu untersuchen, was bei der Verbesserung der medikamentösen Behandlung psychischer Störungen hilfreich sein kann.
Viele der fortschrittlichen Sensoren sind zwar für die medizinische Routineversorgung ungeeignet, ermöglichen es den Forschern aber, die Grundlagen von Krankheiten detaillierter als bisher zu untersuchen und neue Technologien zu entwickeln, die die Lebensqualität von Menschen mit schweren Behinderungen erheblich verbessern könnten.
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