Intelligentes Pflaster für schonendere Atemunterstützung von Frühgeborenen

Neonatologie der Universitätsmedizin Göttingen und die TU Braunschweig sind an Entwicklung eines hochelastischen Sensorpflasters beteiligt.

(umg) Bei frühgeborenen Kindern, deren Lungen sich noch in der Entwicklung befinden, ist die lebensnotwendige Atemunterstützung eine besondere Herausforderung. Studien haben gezeigt, dass eine Atemunterstützung, die sich an die Eigenatmung der Frühgeborenen anpasst, zu besseren Langzeitergebnissen führt. Das Verbundprojekt smartNIV (d.h. schonende Nicht-Invasive Beatmung) hat daher zum Ziel, ein neuartiges Sensorsystem zu entwickeln. Es soll dabei helfen, Beatmungsgeräte besser und zuverlässiger als bisherige Systeme zu steuern. Die Neonatologie der Universitätsmedizin Göttingen (UMG) leitet die klinischen Studien zur Entwicklung und Erprobung dieses neuen Sensorsystems. Beteiligt sind weiterhin das Institut für Mikrotechnik (IMT) der Technischen Universität Braunschweig sowie drei industrielle Entwicklungspartner. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit über 1,2 Millionen Euro für zweieinhalb Jahre gefördert.

Damit sich Beatmungsgeräte optimal an die Eigenatmung von Frühgeborenen anpassen können, müssen die einzelnen Phasen der Atmung millisekundengenau erfasst werden. Im Verbund smartNIV arbeiten die Projektpartner deshalb an einem nichtinvasiven Beatmungssystem, das die Atembewegungen bei Früh- und Neugeborenen über ein hochelastisches, intelligentes Pflaster aufnimmt und an das Beatmungsgerät weitergibt. Die Neonatologie der UMG hat zusammen mit dem Institut für Mikrotechnik der TU Braunschweig in einem vorherigen Projekt erste Versionen von intelligenten Pflastern entwickelt, mit denen sich die Verformung des Brustkorbs Neugeborener prinzipiell darstellen lässt. Auf diesen Erkenntnissen baut das Projekt smartNIV auf.

Hochelastisches Sensor-Pflaster erfasst Atembewegungen
Durch den Einsatz hochelastischer Materialien soll sich das neue Sensorpflaster optimal an die Atmung von Frühgeborenen anpassen. Das Pflaster enthält ein dünnes Netzwerk von Sensoren. Aufgebracht wird es auf die Haut der Neugeborenen zwischen Brust und Bauch. „Dort soll es die mechanischen Verformungen des Brustkorbs, die durch die Eigenatmung der Neugeborenen verursacht werden, mithilfe der integrierten Sensoren messen. Ein System künstlicher Intelligenz wird die Sensordaten auswerten und ein adaptives, also ein sich anpassendes, Steuersignal an das Beatmungsgerät senden. Eine derart schonende Beatmung, die über ein dünnes und kostengünstiges Sensorpflaster ohne Bewegungseinschränkung gesteuert wird, gibt es bisher noch nicht“, sagt Prof. Dr. Andreas Dietzel, Leiter des Institut für Mikrotechnik.

Mit solch einem innovativen Beatmungssystem würde die gesamte Beatmungskurve, von Beginn der Einatmung bis zum Ende der Ausatmung sowie die Intensität der Atemanstrengungen dazwischen, aufgezeichnet. „Erstmals könnte es möglich sein, die Atemanstrengungen von Neugeborenen auch bei nicht-invasiver Beatmung millisekundengenau zu unterstützen. Bisher ist dies nur bei invasiver Beatmung möglich“, sagt Dr. Helmut Küster, Leiter der Neonatologie der Klinik für Kinder- und Jugendmedizin – Pädiatrische Kardiologie, Intensivmedizin und Pneumologie an der UMG.

Mehrere Sensoren haben viele Vorteile
Im Sensor-Pflaster sollen parallel gleich mehrere Sensoren Daten liefern. Dadurch lassen sich die Bewegungen eines Neugeborenen sicherer von seinen Atembewegungen unterschieden und es kann ein zuverlässiges Signal übermittelt werden. Das Multisensorkonzept hat noch einen weiteren Vorteil: Das gesamte System würde auch dann noch funktionieren, wenn einige Sensoren ausfallen.

Eine Besonderheit des neuen Beatmungssystems ist die geplante Steuerung mithilfe künstlicher Intelligenz. „Zurzeit gibt es kein vergleichbares System, das sich automatisch an die Beatmungssituation anpassen kann. Herkömmliche Systeme sind fest programmiert und daher sehr störanfällig, wenn unerwartete Bewegungen auftreten“, sagt Dr. Eugen Koch vom Institut für Mikrotechnik der TU Braunschweig.

Zum Projekt
Das Projektkonsortium besteht aus fünf Partnern. Neben der Universitätsmedizin Göttingen und dem Institut für Mikrotechnik der TU Braunschweig sind das Softwareunternehmen msg DAVID, der Medizinprodukthersteller Löwenstein und als Verbundkoordinator das Auftragsunternehmen für Medizintechnik Activoris beteiligt.

Das Projekt hat am 1. Juli 2020 begonnen und wird im Rahmen der Fördermaßnahme „Kleine Patienten, großer Bedarf – Medizintechnische Lösungen für eine kindgerechte Gesundheitsversorgung“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert. Projektträger ist das VDI Technologiezentrum.