Sensoren Was die nächste Generation Wearables leisten kann

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Wearables sollen zukünftig neben Vitalfunktionen auch biochemische Daten aus Körperflüssigkeiten messen können. ETH-Forscher und internationale Experten beleuchten, welche Technologien möglich sind und welche Herausforderungen bei der Entwicklung dieser Sensoren bestehen.

Mit der Smartwatch den Puls messen, mit einer Smartphone-App den Blutdruck überwachen: Schon jetzt messen tragbare Sensoren ziemlich zuverlässig einige Vitalfunktionen des Körpers und können zum Teil auch bereits in der klinischen Diagnostik angewendet werden. Für Diagnosen, die auf biochemischen Daten beruhen, sind aber nach wie vor u. a. Blut- oder Urinproben nötig, die im Labor analysiert werden müssen. Das ist schmerzhaft, aufwändig, zeitintensiv und oft kostspielig.

Die nächste Generation von tragbaren Sensoren soll auch biochemische Analysen liefern. In Zukunft sollen Körperflüssigkeiten wie Schweiß, Atem, Speichel, Tränenflüssigkeit oder Urin wertvolle Hinweise auf den Gesundheitszustand der Träger solcher Sensoren liefern. Vieles davon ist zwar noch nicht marktreif, aber durchaus machbar. Dr. med. Noé Brasier, Early-Career Fellow am Collegium Helveticum und ETH-Professor Jörg Goldhahn haben deshalb zusammen mit führenden Forschern auf dem Gebiet der tragbaren Sensoren eine umfassende Bestandsaufnahme vorgenommen. Die Übersichtsarbeit wurde in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht.

Vom Säugling bis zu älteren Menschen

Die Vorteile von tragbaren Sensoren liegen auf der Hand. So erlauben sie eine kontinuierliche Kontrolle von Werten, ohne dass die Patienten dafür eine Arztpraxis oder eine Apotheke aufsuchen müssen. „Für ältere Menschen, die unter Hitzestress leiden, wäre es eine große Erleichterung, wenn sie durch ein tragbares Gerät rechtzeitig daran erinnert werden, genügend zu trinken oder wenn ein Sensor Alarm schlägt, wenn ihre Elektrolytwerte kritisch werden“, erklärt Brasier, selbst Mediziner und Erstautor der Arbeit.

Zudem sind solche Sensoren nicht- oder nur minimal-invasiv. Brasier gibt ein Beispiel: „Säuglingen und Kleinkindern Blut abzunehmen oder gar einen Katheter zu legen, ist nicht immer erfolgreich. Es kann zu relevanten Verzögerungen kommen und stresst oft die kleinen Patienten und ihre Eltern. Ein Sensor auf der Haut oder in den Windeln, der die Labor- und/oder Urinanalyse übernimmt, wäre viel einfacher und bequemer“. Auch die Atemmaske, die gleichzeitig Viren wie SARS-CoV-2 ohne unangenehmen Nasenabstrich nachweisen könnte, wäre bei der letzten Pandemie willkommen gewesen.

Vieles ist möglich – aber ist es auch sinnvoll?

Die Kreativität der Forscher und die Vielfalt der möglichen Messgeräte ist beeindruckend – sei es der Schnuller, der misst, ob Kleinkinder dehydriert sind, Tätowierungen, die den Zuckerspiegel anzeigen oder Kontaktlinsen, die Daten aus der Tränenflüssigkeit liefern. „Als wir vor einem Jahr mit Ingenieuren, Medizinern und Kollegen aus anderen Fachgebieten die Möglichkeiten besprachen, haben wir realisiert, dass wir darüber nachdenken müssen, was sinnvoll ist und welche Punkte es bei der Entwicklung solcher Geräte besonders zu berücksichtigen gilt“, sagt Jörg Goldhahn, der Letztautor der Arbeit.

Der zentrale Punkt liegt auf der Hand: Patienten müssen die so genannten Wearables auch tragen wollen. „Wir empfehlen deshalb, die Sensoren immer zusammen mit den Menschen zu entwickeln, die sie später brauchen sollen“, erklärt Brasier. Aber auch den medizinischen Nutzen solcher Geräte gilt es zu hinterfragen. Nicht alles, was gemessen werden kann, hat einen klinischen Mehrwert. „Es geht ja nicht darum, irgendeinen Wert zu messen. Es geht um die Frage, was dieser im entsprechenden Kontext bedeutet und was die klinische Konsequenz ist“, sagt der Mediziner.

So ist CRP ein Marker für Entzündungen im Körper und wird in Milligramm pro Liter gemessen. Bei gesunden Erwachsenen liegt der CRP-Spiegel normalerweise physiologisch bei unter 5 mg/l. „Wenn ein Patient einen CRP-Spiegel von 150 mg/l im Blut hat, so sagt das nur bedingt viel aus. Entscheidend für die klinische Einschätzung ist, ob der Wert am Vortag normal war oder bei 300 mg/l lag. Je nachdem hat sich der Gesundheitszustand verschlechtert oder verbessert.“

Die Bildergalerie zeigt bereits entwickelte Wearables:

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Das Gemessene auch gut darstellen

Hinzukommen die technischen Hürden: Wie lange kann ein Sensor messen? Wie kann er gelagert und gereinigt werden? Wie viel Strom aus welcher Quelle verbraucht er und v. a.: Wie gut und zuverlässig sind die Daten, die er liefert? „Die sorgfältige Validierung der Messdaten wird entscheidend dafür sein, ob sich ein Gerät durchsetzt oder nicht“, sagt Jörg Goldhahn. „Denn niemand verlässt sich auf unsichere Messwerte.“

In einem weiteren Schritt müssen die Signale der Wearables verarbeitet, interpretiert und für die Nutzer – seien dies die Patienten selber oder medizinisches Fachpersonal – verständlich dargestellt werden. Dazu wird in Zukunft vermehrt künstliche Intelligenz eingesetzt werden, was die Entwicklung von Wearables weiter beschleunigen wird.

Vom Schweiß fasziniert

Erstautor Brasier ist über das Thema Schweiß auf die Wearables gestoßen. Während viele beim Gedanken an diese Körperflüssigkeit die Nase rümpfen, kommt Brasier ins Schwärmen: „Wir schwitzen in verschiedenen Situationen und an unterschiedlichen Körperstellen immer wieder anders. Unser Schweiß enthält nicht nur deshalb unglaublich viele Informationen.“ Diese können einfach und unkompliziert genutzt werden, um auf den Gesundheitszustand von Menschen zu schließen. „Die Hautoberfläche ist mein klarer Favorit, aber die Wahl des Sensors hängt natürlich von der medizinischen Anwendung ab. Bei einer Lungenentzündung analysiert man aber wahrscheinlich besser den Atem“, betont der Mediziner.

Doch nicht zuletzt wegen der neuen Übersichtsarbeit ist er sich durchaus bewusst, dass es noch einiges an Forschung und Entwicklung benötigt– v. a. auch, was die klinischen Konzepte anbelangt. Nur so werden die neuen Wearables schließlich von den Behörden zugelassen und haben auch einen Mehrwert für alle Beteiligten insbesondere für die Patienten.

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