Atmungsüberwachung leicht gemacht

In Papierstreifen integrierter elektronischer Sensor zeigt die Atemzüge pro Minute an

19.04.2016 - USA

Ein einfacher, aber effektiver Sensor zur Überwachung der Atemzüge von Personen ist an der Harvard University in Cambridge (USA) entwickelt worden: Dass Papier Feuchtigkeit aufnehmen und auch wieder abgeben kann haben die Wissenschaftler dort ausgenutzt, um einen elektronischen Sensor herzustellen, der die Änderung der Luftfeuchte beim Atmen nachweisen kann. Wie sie in der Zeitschrift Angewandte Chemie berichten, werden die Atmungsdaten auf ein mobiles Endgerät wie Smartphone oder Tablet übertragen und dort gespeichert, verarbeitet oder weitergeleitet. Eine einfache Atemmaske mit integriertem Sensorsystem und Smartphone könnte auf der Krankenstation somit Leben retten.

Die Atmung kann empfindlich anzeigen, in welchem Gesundheitszustand sich ein Patient befindet und wie fit jemand ist. Atemunterbrechungen während des Schlafs sind durch das Schlafapnoe-Syndrom charakterisiert, während eine zu schnelle Atmung im Ruhezustand auf einen bevorstehenden Herzstillstand hinweisen kann. Und für viele Sportler zeigt der Verlauf der Atmung während Übungseinheiten ihre Fitness an. Wie kann man die Atemfrequenz für all diese Fälle effektiv überwachen? Bislang gibt es außer der simplen Beobachtung der Bruskorbbewegung kaum preisgünstige, bedienungsfreundliche und effektiv einsetzbare Methoden, um die Atmung zu kontrollieren. George M. Whitesides an der Harvard University und sein Team von Chemikern und Biotechnologen haben ein preisgünstiges Überwachungssystem auf Basis von Papier entworfen: Auf ein etwa briefmarkengroßes Stück Filterpapier druckten sie digital Graphitelektroden auf, die die Leitfähigkeitsänderungen an den Papierfasern durch die feuchte Atemluft registrieren. Der Sensor wird in einfache OP-Gesichtsmasken integriert.

Die Wissenschaftler ließen gesunde Personen die Funktionsmasken tragen und Übungen unter unterschiedlicher physischer Belastung durchführen. Sie untersuchten, inwieweit der Sensor verlässliche Daten zur Atemfrequenz produziert. Für den Ruhezustand erkundeten sie die normale Atmung, Atempausen und eine beliebige Abfolge von schneller, langsamer, flacher und tiefer Atmung. Hinter dem Sensor steht die Idee, dass die zusätzliche Atemfeuchtigkeit beim Ausatmen die Wasserschicht um die Cellulosefasern schwellen lässt; das Umgekehrte passiert beim Einatmen. "Im Wesentlichen verwandelt der Papiersensor das variierende Feuchtigkeitsniveau in der direkten Umgebung in ein elektrisches Signal", erläutern die Autoren.

Die Informationen werden von einem batteriebetriebenen Kollektor aufgenommen, verstärkt und verarbeitet, und dann an ein Smartphone oder einen Tabletcomputer drahtlos verschickt. Eine einfach zu bedienende Android-App wertet die Atmungsdaten aus. "Das System ist nicht invasiv und ermöglicht daher praktischen Ärzten, nach einfachen IRB-Freigaben [IRB, Institutional Review Board] zu physiologisch relevanten Körperdaten zu kommen", sagen die Autoren. Weil es so einfach zu handhaben ist und dazu sehr preisgünstig und aussagekräftig, könnten sich interessante Anwendungen im Gesundheitsbereich abzeichnen.