CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH aus Erfurt auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf -- MEDICA Messe
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CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH

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02.11.2017

Blutfluss im Gewebe berührungslos messen

Der Mikro-Laser-Doppler Sensor (MiLD) zielt auf die Geschwindigkeitsmessung von lichtstreuenden Objekten und kann für die in-vivo-Bewertung der Strömungsgeschwindigkeit von Blut in der Haut genutzt werden. Zahlreiche Krankheitssymptome und Heilungsprozesse können überwacht werden. Derzeitig verfügbare Systeme verwenden optische Fasern, die aber bewegungsempfindlich sind und damit kaum für mobile Anwendungen genutzt werden können. Zudem ist die Aussagekraft bei der Verwendung von nur einer Lichtwellenlänge auf relative und probandenspezifische Analyseergebnisse beschränkt.

Um Abhilfe zu schaffen, verfügt der MiLD-Sensor über mehrere, direkt integrierte Laserquellen (VCSEL). Das Sensorprinzip basiert auf dem Doppler-Effekt, durch den eine Frequenzverschiebung des eingestrahlten Laserlichts an den beweglichen Streuzentren erfolgt, wodurch das rückgestreute Licht effektiv eine Frequenzverbreiterung erfährt. Diese Verbreiterung im Frequenzspektrum einiger 10 kHz kann sehr gut mit einem exponentiellen Abklingen beschrieben werden. Dabei zeigt  der Exponent einen linearen Zusammenhang mit der Strömungsgeschwindigkeit.

Anwendungsgebiete und Innovationen
·         Berührungslose Geschwindigkeitsmessung von Feststoffen und Flüssigkeiten
·         Medizinische Anwendung zur Bewertung der Durchblutungssituation
·         Erhöhter Informationsgehalt durch Verwendung mehrerer  Wellenlängen (3 Lichtquellen je Sensor)
·         Mobile Anwendungen und Monitoring durch:
o   Kompakte Bauform
o   Auf die Anwendung angepasste Lichtquellen (LEDs, VCSEL, Laser)
o   Vermeidung von optischen Fasern
→ reduzierte Bewegungsartefakte

Technische Parameter Chip:
·         Sensorgröße:                                     3,5 x 5,5 x 0,8 mm³
·         Abgestrahlte Laser-Leistung:             < 5 mW
·         Verfügbare Wellenlängen:                 670, 780, 850 und 980 nm
andere auf Anfrage

·         Leistungsaufnahme:                          < 10 mW
·         Ausgangssignale:                              µA bis mA

Gesamtsystem:
Eine im Haus entwickelte Ansteuerung und analoge, zweistufige Vorverstärkung (rauscharm, 100 Hz bis 50 kHz Bandbreite) kann genutzt werden. Für die Datenerfassung wird ein 24 bit, 102,4 kHz A/D-Wandler oder besser empfohlen. Auswertung der Daten erfolgt am Rechner, Evaluierungssoftware auf Anfrage.

Teile der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (FKZ: VF140011).

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02.11.2017

Neue Sensortechnologien zur Verfolgung von Blutdruckänderungen

Die kontinuierliche Aufzeichnung von sogenannten peripheren Photoplethysmogrammen soll in Zukunft weitere wertvolle Aussagen zur Gesundheit des Menschen liefern. Dazu zählen neben dem Puls und der arteriellen Sauerstoffsättigung, die Herzratenvariabilität, die Atemfrequenz sowie Informationen zur Gefäßsteifigkeit und Anzeichen von steigenden oder fallenden Blutdruck.
Weltweit arbeiten Forschung und Industrie an so genannten Health Wearables, mobilen und kaum sichtbaren Systemen, die mit hohem Komfort und unter Alltagsbedingungen Vitalparameter aufnehmen, analysieren und Medizinern zur Bewertung zur Verfügung stellen können.  
Ein erhöhter Blutdruck ist heute wichtigster Risikofaktor für Herz-Kreislauf-Erkrankungen.
Laut Deutscher Hochdruckliga leiden in Deutschland etwa 35 Millionen Menschen an der Volkskrankheit. Oft ohne Beschwerden wird die Erkrankung zu spät bemerkt. Die Folgen sind Schlaganfall, Herzerkrankungen, Nierenversagen, Demenz, um nur die Bekannten zu nennen.
Die kontinuierliche Verfolgung dieses wichtigen Vitalparameters mit Hilfe eines langzeitig tragbaren und patientenfreundlichen Sensors ohne Verwendung der allseits bekannten Manschette war das Ziel Erfurter Wissenschaftler um Projektleiter Dr. Hans-Georg Ortlepp, der auch das Patent für das ausgeklügelte Auswerteverfahren entwickelte. „Die notwendigen Rohdaten werden aus der Form der Pulswelle und deren zeitlichen Verhalten entnommen. Eine hohe Qualität der Sensorsignale und geeignete mathematische Algorithmen in der Datenanalyse sind für medizinisch-relevante Anwendungen zwingend“, erklärt Ortlepp.
Die CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH entwickelt bereits seit gut einem Jahrzehnt miniaturisierte, in Silizium integrierte, multispektrale Photoplethysmographie-Sensoren und erhielt hierfür bereits 2010 den Innovationspreis des AMA Fachverbands für Sensorik e.V. Die winzigen Sensoren werden im äußeren Gehörgang platziert und sind individuell auf den Patienten abgestimmt. Ein angenehmer Tragekomfort ist für die Hightech-Kompontenen enorm wichtig, entscheidet dieser doch über die Akzeptanz beim Nutzer.
Der Sensor kann technisch mit bis zu 4 LEDs verschiedener Wellenlängen ausgestattet werden, um neben dem Blutdruck weitere Vitalparameter und zusätzliche Messwerte aus verschiedenen Gewebetiefen aufnehmen zu können und um Bewegungsartefakte in den Signalen zu eliminieren.
Gelungen ist dem CiS Forschungsinstitut dieser Erfolg durch einen ganzheitlichen Entwicklungsansatz. Dieser umfaßt alle technologischen Schritte vom Sensordesign bis zur Sensorfertigung im eigenen Hause, aber auch auch das notwendige Systemwissen, speziell zur optischen Simulation des Hautmodells und zur elektronischen Signalerfassung, deren Verarbeitung und Optimierung.
Technologische Besonderheiten der mikrosensorischen Lösung liegen in der Verwendung von 3D-strukturierten Siliziumwafern, auf denen bereits die Photodetektoren integriert sind. Anzahl und Wellenlängen der Lichtquellen werden nach exakter Spezifikation mit hoher Präzision als Nacktchips in die vorgegebene Kavitäten des Siliziumwafers montiert.
Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten wurden in Teilergebnisen gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (FKZ: VP2020410KJ2 und VF120024).

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02.11.2017

Europäisches Konsortium entwickelt neuartiges Point-of-Care-Testsystem zur Bestimmung von Allergenen in Lebensmitteln

Biologische und chemische Analysen an kleinsten Volumina ermöglichen einen ressourcenschonenden und deutlich schnelleren Zugang zu neuen Erkenntnissen in den Lebenswissenschaften. Durch die einhergehende Miniaturisierung werden solche Anwendungen mit automatisierten biologischen Protokollen in mobilen Kleingeräten mit Disposables (POCT) umsetzbar (Abbildung 1). Dies eröffnet zahlreiche neue Möglichkeiten für die Qualitäts- und Sicherheitsüberwachung in z.B. medizinischen, pharmazeutischen Anwendungen oder entlang der Lebensmittelproduktionskette.
Einen Mehrkanal-Messkopf für Untersuchungen an Probenvolumina im Nanoliter-Bereich hat das CiS Forschungsinstitut im Rahmen des Europäischen Forschungsprojektes „SMARTER-SI“ (GA-Nr. 644596) gemeinsam mit internationalen Partnern entwickelt. Das Prinzip beruht auf der Fluoreszenz- und Absorptionsmessung an einem Array aus verschiedenen Enzym-Pixeln. Die nur wenige 100 µm durchmessenden chemisch sensitiven Pixel werden durch ein schaltbares Feld aus parallelen Strahlen analysiert, welches durch die Kombination von LED-Chips, mikrooptischen Linsenarrays und optischen Filtern erzeugt wird. Anhand der in Sekundenbruchteilen gemessenen Farbantwort der Enzym-Pixel sind der Nachweis und die Konzentrationsbestimmung verschiedener Substanzen möglich. Im konkreten Fall werden damit verschiedene Allergene (Ei, Milch, Gluten)  sowie Toxine, wie Schimmelpilze in Lebens- und Futtermitteln analysiert.
Das technisch offen angelegte  Konzept kann jedoch auch auf andere Anwendungen im Bereich der immunoassay-basierten Bioanalyse übertragen werden.   
Über die CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH
Die CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH ist ein führender F&E-Anbieter in den Bereichen optische, mikromechanische, piezoresistive und kapazitive Sensoren sowie Siliziumdetektoren. Sie beschäftigt 120 Mitarbeiter und  unterstützt Unternehmen bei der Entwicklung kundenspezifischer Lösungen im Bereichen Sensorik und Mikrosystemtechnik und fertigt diese in Kleinserien. Basis ist die Siliziumtechnologie mit den Spezialitäten: 3D-Strukturierung, Stapeltechnologien und beidseitige Wafer-Prozessierung.
Über SMARTER-SI - Smarter Access to Manufacturing for Systems Integration
In SMARTER-SI bietet ein Verbund Europäischer Forschungseinrichtungen eine neuartige Fertigungsplattform an, um modernste Mikrosysteme für KMU und Mittelständler in kleinen Stückzahlen möglichst preiswert und ohne langwierigen Entwicklungsaufwand zu fertigen.

Die EU-Komission hat Smarter-SI als eines von vier Referenzprojekten für die Initiative "Smart Anything Everywhere"-Initiative ausgewählt.
SMARTER-SI ist eine Innovation-Aktion und wird gefördert durch die Europäische Kommission  im Programm Horizon 2020 (FKZ 644596) sowie durch das Schweizer Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation (FKZ 15.0085).

Kooperationpartner sind: Hahn-Schickard (Deutschland), CiS (Deutschland), CSEM (Schweiz), IK4-Ikerlan (Spanien), Swerea IVF (Schweden), UCC-TNI (Irland), IPHT (Deutschland), VDI/VDE-IT (Deutschland) und sieben Unternehmen.
Kontakt für die Presse:
CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH, D-99099 Erfurt
Uta Neuhaus | Tel.: +49 361 663 1154 | E-Mail: uneuhaus@cismst.de | www.cismst.de

Glossar
POCT: Point-of-Care-Testing, patientennahe Labor-/Sofortdiagnostik
Disposable: Einwegartikel, im Kontext sind Einwegkartuschen gemeint
Pixel: Messpunkt
LED: Lichtemittierende Diode, Leuchtdiode
Immunoassay: Analytischer Nachweis einer Antigen-Antikörper-Bindung

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02.11.2017

Miniaturisierte UV-LED-Beleuchtung mit mehreren Wellenlängen

Das CiS Forschungsinstitut hat seine opto-elektronischen Kompetenzen erweitert, um multispektrale UV-Lichtquellen für Fluoreszenz- bzw. Absorbanzmessungen zu entwickeln. Hersteller von Messgeräten für die Bioanalytik und Medizintechnik können dadurch deutlich kleinere Systeme bauen und neue Anwendungsfelder erschließen. Zudem profitieren die Nutzer dieser Technologie auch von niedrigen Systemkosten.
Erste Funktionsmuster der neuen UV-Beleuchtungen wurden bereits erfolgreich getestet. So wurde für die Molekularbiologie ein Gleichlicht-Beleuchtungsmodul mit drei UV LEDs in den Wellenlängen 245, 265 und 280 nm für die Absorbanz-Messung an DNA-Proben entwickelt (Abb. 1).
Die Kollimation, die spektrale Reinheit und der Strahldurchmesser von kleiner 4 mm des ausgesandten Lichts gehörten zu den besonderen Herausforderungen im Optikdesign. Die Stabilität der LED-Intensitäten, welche durch Degradation und Temperaturänderungen beeinflusst wird, überwachen UV-sensitive Dioden und eine Regelelektronik.
Auch in der Tumordiagnostik werden hochwertige, miniaturisierte UV-Lichtquellen benötigt. Für die Messung der Fluoreszenzlebensdauer von Markern wurde eine Beleuchtungseinheit mit der Wellenlänge von 370 nm entwickelt (Abb. 2). Das Modul wird gepulst, mit einer Pulsdauer von 1 ns betrieben.
Elektrische Schnittstellen und Baugröße der beiden Funktionsmuster entsprechen den Anforderungen der Laborgerätetechnik. So ist die Anwendung der UV-Beleuchtungsmodule im Raster von Mikrotiterplatten und durch Parallelisierung der Module in Laborautomaten möglich (Abb. 3).

Die Forschungs- und Entwicklungsarbeiten im Projekt BELIS wurden gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (FKZ: MF140040).

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