Hirnströme indirekt messen

Bild eines Magnetoenzephalografie-Geräts
Magnetoenzephalografie (MEG)
© National Institute of Mental Health, National Institutes of Health, Department of Health and Human Services

Im Fall von Epilepsie wäre es für eine höhere Lebensqualität hilfreich, riskante Anfälle im Vorfeld zu erkennen, um schnell und effektiv mit elektronischen Impulsen oder medikamentöser Behandlung gegensteuern zu können. Ständig in der Nähe des Kopfes platzierte Sensoren, die entsprechende elektrische Hirnströme indirekt über die damit verbundenen Magnetfelder detektieren, könnten hier vorwarnen. Aber auch bei diagnostischen Langzeitmessungen von Hirn- und Herzströmen wären solche Sensoren eine große Hilfe.

Im Vergleich zu Elektroenzephalografie (EEG) oder dem Elektrokardiogramm (EKG) hat die Messung mittels Magnetfeldsensoren viele Vorteile. Denn die Regionen des menschlichen Körpers sind bezüglich ihrer elektrischen Leitfähigkeit sehr unterschiedlich, was die klare Zuordnung der gemessenen Signale zu den Quellen im Körperinneren erschwert. Magnetische Felder hingegen breiten sich deutlich homogener und ungestörter im Körper aus und ermöglichen so eine wesentlich höhere Ortsauflösung.

„Ein weiterer Vorteil ist, dass Magnetfeldsensoren nicht mittels Elektroden direkt auf den Körper aufgebracht werden müssen“, betont Eckhard Quandt, der am Institut für Materialwissenschaft der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) den Lehrstuhl für Anorganische Funktionsmaterialien innehat. Dies mache Langzeitmessungen von Hirn- und Herzaktivitäten nicht nur angenehmer, sondern teils auch erst möglich – wie beispielsweise bei Patientinnen und Patienten mit Herzschrittmacher, bei denen elektrische Impulse tödlich sein könnten. Oder bei Föten im Mutterleib, bei denen naturgemäß kein Kontakt zum Körper hergestellt werden kann. „Magnetisch hingegen kann man die hochfrequenten Herzsignale der Ungeborenen von denen der Mutter sehr gut unterscheiden“, erklärt Quandt.

Superleitende Magnetfeldsensoren – sogenannte SQUIDs – gibt es schon länger. Diese müssen aber von störenden Impulsen aus der Umgebung streng abgeschirmt werden. Und sie brauchen eine ebenso aufwendige wie kostenintensive Kühlung mit flüssigem Helium, weshalb sie nicht für die medizinische Diagnostik, sondern nur vereinzelt zu Forschungszwecken herangezogen werden.

„Uns geht es darum, Magnetfeldsensoren zu entwickeln, die bei Raumtemperatur für Messungen im Kopf- und Brustbereich empfindlich genug sind“, erläutert Quandt. Die Lösung des Problems verspricht eine Kombination aus einem magnetostriktiven und einem piezoelektrischen Element: Abhängig von der Stärke des Magnetfelds verformt sich die magnetostriktive Komponente und überträgt diese Verformung auf den piezoelektrischen Teil, der dadurch seinerseits ein messbares elektrisches Feld erzeugt. „Eigentlich ein sehr einfaches Prinzip“, so Quandt, „aber erstaunlich wirkungsvoll.“

Zu diesem Zweck arbeitet Quandt seit 2016 zusammen mit anderen Materialwissenschaftlern, aber auch mit Forscherinnen und Forschern aus Medizin, Physik, Informatik und Elektrotechnik im DFG-Sonderforschungsbereich „Magnetoelektrische Sensoren: von Kompositmaterialien zu biomagnetischer Diagnose“. 26 neue Stellen sind dadurch entstanden, die wissenschaftliche Zusammenarbeit in der Region wurde durch die Kooperation der CAU mit dem Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie (ISIT) in Itzehoe deutlich erhöht.

Im vorbereitenden Sonderforschungsbereich „Magnetoelektrische Verbundwerkstoffe“ und einem darauf aufbauenden Paketantrag hat Quandt mit seinen Kolleginnen und Kollegen in den letzten sechs Jahren bereits einen verbundwerkstoffbasierten Magnetfeldsensor entwickelt, der zur „Tiefen Hirnstimulation“ von Patienten mit Parkinson oder Tremor in der Neurologie des Universitätsklinikums Schleswig-Holstein (UKSH) in Kiel bereits getestet wird. Der Sensor ist aber nicht empfindlich genug, um im ambulanten Umfeld biomagnetische Felder mit guter Auflösung zur Diagnose zu messen – oder gar für Epileptiker nutzbar zu sein.

Im Kontext der umgebenden Störfelder sind die von Herz und Hirn ausgehenden Signale nämlich verschwindend gering. „Im übertragenen Sinn muss der Sensor die berühmte Nadel im Heuhaufen finden“, sagt Quandt. „Hier geht es uns jetzt darum, an der Grenze des Messbaren das Äußerste im Signal-Rausch-Verhältnis herauszuholen.“ Wenn es gelänge, entsprechende Sensoren zu entwickeln, die ungekühlt ohne Raumabschirmung und mit angemessener Qualität funktionieren, bedeutete dies für den flächendeckenden, günstigeren und weniger risikoreichen Einsatz für Magnetokardiogramme (MKG) vom Herzen oder für die Magnetoenzephalografie (MEG) des Gehirns die größtmögliche Autonomie für Kliniken oder kleinere Arztpraxen.

Im DFG-Sonderforschungsbereich zu „Magnetoelektrischen Sensoren“ wollen sich die Forscherinnen und Forscher zunächst auf den medizinischen Bereich beschränken. Trotzdem könnte ein darin entwickeltes Produkt am Ende auch in Handys, Datenspeichern oder Automobilen zum Einsatz kommen. „Auch diese Bereiche basieren ja maßgeblich auf Sensortechnik“, erläutert Quandt. „Wenn wir da zu alternativen Lösungen kommen könnten, wäre das natürlich toll.“

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