In der intensivmedizinischen Pflege von Frühchen ist die künstliche Beatmung aufgrund unterentwickelter Lungen in einigen Fällen notwendig. Dabei können verschiedene Komplikationen auftreten: Ein Volutrauma entsteht, wenn das Beatmungsgerät zu viel Luft in die kleine Lunge presst. Zu einem Barotrauma kommt es, wenn der Apparat Luft mit zu hohem Druck eineleitet, besonders wenn das Frühchen eigentlich gerade ausatmen möchte. Um beides zu vermeiden, haben sich Ärzte bisher mit einer Röhre durch Mund oder Nase beholfen, durch die beatmet wird. Sie lässt Platz in der Luftröhre, damit überschüssige Luft entweichen kann. Leider ist das nicht immer besonders schonend und auf die sich schnell ändernden Bedürfnisse der kleinen Patienten können Ärzte nur manuell reagieren. Ein automatisch regelbares Beatmungssystem wäre wünschenswert.

Jan Ringkamp und seine Kollegen von der PAMB arbeiten deshalb an einem sanfteren Verfahren. Thorax-Monitoring heißt der kleine Apparat, den die Forscher entwickelt haben. »Im Prinzip ist das ein Messgerät, das erkennt, ob ein künstlich beatmeter Patient gerade ein- oder ausatmen möchte«, erklärt Ringkamp. »Damit ist ein Beatmungsgerät in der Lage, sich ohne Verzögerung an die Wünsche des Patienten anzupassen.« Keine Volu- oder
Barotraumata mehr – so die Vision.

Thorax-Monitoring erkennt den Wunsch des Patienten

Das Thorax-Monitoring verwendet zwei Antennen, die auf dem Brustkorb des Patienten
angebracht sind. Die eine sendet eine elektromagnetische Welle aus, die andere empfängt sie. Dabei machen es sich die Wissenschaftler zunutze, dass Muskeln, Fett und Gewebe andere dielektrische Eigenschaften besitzen als die Atemluft in der Lunge. Klingt kompliziert, ist aber eigentlich ganz einfach: Beim Einatmen füllen sich die Lungenflügel mit Luft und dehnen sich aus. Der veränderte Luftanteil im Thorax führt dazu, dass die elektromagnetische Welle schnell vorankommt. Beim Ausatmen ist es umgekehrt: Die Lungenflügel fallen in sich zusammen, die elektromagnetische Welle kommt im Gewebe
langsamer vorwärts.

Es gibt also einen deutlich messbaren Unterschied zwischen Ein- und Ausatmen, den
das Thorax-Monitoring registriert. Das funktioniert auch bei Frühchen und anderen
Patienten, die nicht selbst atmen können, dies aber versuchen. »Selbst wenn sich die
Lunge nur minimal ausdehnt oder zusammenzieht, hat das Auswirkungen auf den
Signalverlauf. An Mäusen mit einem Lungenvolumen unter einem Milliliter haben wir
bereits sehr gute Ergebnisse erzielt«, erklärt Ringkamp. »Thorax-Monitoring erkennt
also sozusagen den Wunsch des Patienten und kann das Beatmungsgerät anweisen
ihn dabei zu unterstützen.«

Thorax-Monitoring auf der Sensor+Test

Einen frühen Prototyp haben die Wissenschaftler bereits gebaut und an sich selbst getestet. Ende Juni stellen sie ihn auf der Sensor+Test dem Fachpublikum vor: Halle 5, Stand 248. Zu sehen ist auf dem Messestand eine kleine Puppe, die an ein Beatmungsgerät angeschlossen ist. Ihr Körper ist mit Wasser gefüllt, ihre künstliche Lunge verdrängt das Wasser im Körper, auf ihrem Brustkorb sind die beiden Antennen angebracht. Ein Bildschirm zeigt das verarbeitete Signal des Thorax-Monitoring.

Ringkamp und seine Kollegen entwickeln das Thorax-Monitoring ständig weiter. So
sollen künftig die beiden Antennen nicht mehr direkt auf dem Brustkorb angebracht
werden, sondern kontaktlos funktionieren. »Die Haut von Frühchen ist unterentwickelt«,
sagt Ringkamp. »Es besteht die Gefahr, dass sie verletzt wird, wenn Ärzte oder Pfleger
die Antennen abziehen.« Thorax-Monitoring veranschaulicht auch ohne Körperkontakt
den Wunsch des Patienten.

Über die Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB

Die Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB des
Fraunhofer IPA an der Medizinischen Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg
wurde vom Land Baden-Württemberg und der Fraunhofer-Gesellschaft eingerichtet,
um Automatisierungspotenziale in der Medizin und Biotechnologie zu erschließen.
Mit fünf interdisziplinären Gruppen arbeitet sie im Spannungsfeld von Diagnose und
Therapie bis hin zu Labor und Produktion. Sie ist die erste bekannte Einrichtung mit
diesem Schwerpunkt. Die Projektgruppe befindet sich im CUBEX41 inmitten des
Universitätsklinikums Mannheim.

wissenschaftliche Ansprechpartner:
M.Sc. Jan Ringkamp | Telefon +49 62117207 130 | jan.ringkamp@ipa.fraunhofer.de | Fraunhofer-Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB

Dr.-Ing. Jens Langejürgen | Telefon +49 621 17207187 | jens.langejuergen@ipa.fraunhofer.de | Fraunhofer-Projektgruppe für Automatisierung
in der Medizin und Biotechnologie PAMB

idw 2019/05