Für neue Diagnoseverfahren

Messrekord für extrem schwache magnetische Signale

Herzsignale oder Hirnströme berührungsfrei messen: Physiker der Universität des Saarlandes stellen mit Magnetfeldsensoren einen Empfindlichkeitsrekord auf, der neue Messverfahren ermöglicht.

Magnetfeldsensor für die Messe

Melvin Chelli (l.) und Fabian Laurent (r.), wissenschaftliche Hilfskräfte im Team von Uwe Hartmann, bereiten den Magnetfeldsensor für die Messe vor. | Oliver Dietze

In normaler Umgebung – ohne Vakuum, tiefe Temperaturen oder Abschirmung – spüren Professor Uwe Hartmann und sein Team sehr schwache magnetische Signale auf, und das trotz Störquellen auch über größere Distanzen: Es genügt eine Signalstärke von weit weniger als einem Milliardstel Tesla, etwa eine Million Mal kleiner als das Erdmagnetfeld. Damit lassen sich biomagnetische Signale des menschlichen Körpers ebenso messen wie geophysikalische Phänomene.

Suche nach Partnern

Die Physiker suchen auf der Hannover Messe vom 1. bis 5. April Partner, um die Messmethoden weiterzuentwickeln: in Halle 2 am Forschungsstand B46. Wollen Ärzte heute das Herz ihres Patienten darauf untersuchen, ob es stolpert oder flimmert, müssen sie erst Elektroden auf Brust, Handgelenke und Fußknöchel kleben. Gleiches gilt für die elektrische Aktivität des Gehirns: Erst muss verkabelt werden, dann lassen sich die Hirnströme messen. Wenn es schnell gehen muss, verlieren Helfer dadurch wertvolle Zeit. Einfacher wären Geräte, die ähnlich wie ein Metallsucher über Körper oder Kopf gehalten werden und trotzdem zuverlässige Werte liefern. Bislang scheitern derart berührungsfreie medizinische Diagnoseverfahren daran, dass sie wenig alltagsstauglich sind. Hinreichend empfindliche Messsensoren, die biomagnetische Körpersignale messen können, brauchen heute extreme Bedingungen: Sie müssen gegen Störungen von außen stark abgeschirmt, bei unpraktischen Temperaturen von unter 200 Minus-Graden gekühlt oder im Vakuum betrieben werden.

Oberflächenwellensensoren

Hochempfindliche Sensoren könnten in Zukunft magnetische Signale des Körpers detektieren, um daraus Rückschlüsse auf Herz- oder Hirnströme zu ziehen. Im Vergleich zu den etablierten elektrischen Messverfahren wären sie in der Lage, kontaktlos zu messen.

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„Auffinden eines Sandkorns im Gebirge“

Jetzt haben der Experimentalphysiker Professor Uwe Hartmann und sein Forscherteam an der Universität des Saarlandes ihre Magnetfeldsensoren so weiterentwickelt, dass sie ohne solche Weltraumbedingungen in normaler Umgebung sehr schwache Signale erfassen können – wie etwa die vielfältigen Körperfunktionen, die sich durch Magnetfelder äußern. „Verglichen mit bekannten Maßstäben entspricht unsere Messung dem Auffinden eines Sandkorns im Gebirge: Wir können über verhältnismäßig große Distanzen Magnetfelder messen, die annähernd eine Million Mal kleiner sind als das Erdmagnetfeld – etwa einige Picotesla, 10 hoch -12“, erklärt Uwe Hartmann. Bislang erfassen Sensoren unter normalen Bedingungen nur Magnetfelder, die etwa tausend Mal kleiner sind als das Erdmagnetfeld.

Störsignale ausblenden

Die eigentliche Herausforderung lag weniger im kaum messbar kleinen Signal selbst. „Das Hauptproblem ist, diese Signale in einer gewöhnlichen Umgebung aus einer Vielzahl von Störsignalen sauber herauszulesen“, sagt Hartmann. Denn alles Mögliche verrauscht, überlagert und verfälscht das Messsignal, das eigentlich interessiert – angefangen vom Erdmagnetfeld über Elektrogeräte, vorbeifahrende Autos bis hin zu Signalen anderer Organe oder gar Sonnenstürme. Hartmanns Arbeitsgruppe forscht seit Jahren an den Magnetfeldsensoren und entwickelt diese für verschiedenste Anwendungen beständig weiter. „Wir haben unsere Sensoren in den vergangenen Jahren kontinuierlich sensibler und selektiver gemacht. Durch diese fortwährende Weiterentwicklung der Sensoren, ihres Materials und vor allem auch der Software zur Datenverarbeitung wurde die jetzt erreichte Empfindlichkeit möglich“, erläutert er.

Die Datenmuster mathematisch modelliert

Hartmann und sein Team haben in verschiedenen Projekten daran gearbeitet, aus Messsignalen Störungen herauszufiltern. So haben die Forscher ein Sensor-Kabel entwickelt, in dem Magnetfeldsensoren miteinander verbunden und vernetzt sind. Verschiedene solcher Systeme sind bereits als Verkehrsleitsysteme zum Beispiel an Flughäfen testweise im Einsatz. Um das Sensorsystem auch zur Überwachung an Zaunanlagen einsetzen zu können, haben die Forscher in vielen Versuchsreihen etliche Arten von Änderungen des Magnetfeldes simuliert und den jeweiligen Ursachen zugeordnet – etwa von Erschütterungen an Zäunen. Je nach Art der Störung unterscheiden sich die Signalmuster, die die Sensoren messen. Die Physiker haben die Datenmuster mathematisch modelliert, in Algorithmen übersetzt und die Auswerteeinheit immer detailreicher programmiert und verfeinert. „Mit diesen Informationen haben wir das System angelernt und immer weiter ausgebaut. Es erkennt typische Muster, ordnet sie selbstständig Störungen zu. Wir können Messwerte und Signalmuster inzwischen sehr genau ihren Ursachen zuordnen“, erläutert Hartmann.

Noch ist es Grundlagenforschung

Noch handelt es sich um ein Ergebnis der Grundlagenforschung. Die möglichen Anwendungsfelder der hoch empfindlichen Magnetfeldsensoren sind jedoch vielfältig: Sie können in der Medizin Einsatz finden und in Kardiologie oder Neurologie Ergänzung zu EKG (Elektrokardiographie) oder EEG (Elektroenzephalographie) sein. Auf der Hannover Messe suchen die Forscher Partner aus der Wirtschaft vor allem auch aus der Medizintechnik, um ihre Ergebnisse für den praktischen Einsatz weiterzuentwickeln.

Am Forschungsstand in Halle 2 (B46) demonstrieren sie die Empfindlichkeit ihrer Sensoren: Unter anderem detektieren die Forscher unerwartet magnetische Objekte aus der Umwelt. Die Forschung wurde unter anderem von der Europäischen Union, der Deutschen Forschungsgemeinschaft und dem Bundesforschungsministerium gefördert.

Quelle: idw/Universität des Saarlandes