Quantensensoren haben das Potential, den medizinischen Ertrag pränataler Diagnostik deutlich zu steigern. In einem gemeinsamen Forschungsvorhaben mit dem Universitätsklinikum der Friedrich-Schiller- Universität Jena wurde ein Messgerät entwickelt, mit dem sich der Gesundheitszustand von Föten in den letzten Schwangerschaftswochen genau analysieren lässt. Hauptziel einer solchen elektrophysiologischen Messmethode als ergänzende klinische Diagnostik in der Gynäkologie und Geburtshilfe besteht zunächst darin, sowohl die medizinische Versorgungsqualität sowie das individuelle Wohlbefinden werdender Mütter als auch des ungeborenen Lebens auf ein neues Level zu heben.
Zielstellung
Ausgangspunkt ist ein weltweit einzigartiges Messsystems zur pränatalen Diagnostik, das die Supracon AG mit Unterstützung der Forscher des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien(IPHT) und des Grönemeyer Insituts für Mikrotherapie entwickelt hat.
Darauf aufbauend sollte ein nichtinvasives Messsystem zur Herzfunktionsdiagnose von Föten im Mutterleib entwickelt werden, welches sich hochsensitive SQUID-Sensoren zu Nutze macht. In der medizinischen Diagnostik sind diese Sensoren in der Lage, schwache lokale magnetische Felder von lebenden Organismen und menschlichen Organen hochpräzise zu vermessen und zu analysieren. Diese Messmethode gestattet eine funktionelle, tomographische Aufzeichnung der Herzmuskelaktivität mit höchster zeitlicher Auflösung und wird dabei für den Patienten absolut gefahr- und schmerzlos eingesetzt.
Hintergrund
Signal einer Schwangeren und ihres Fötus´ in der 36. Schwangerschaftswoche, gemessen in ungeschirmter Umgebung, oben: Mutter- und Fötussignal, Mitte: Muttersignal, unten: Fötussignal
Die routinemäßige Überwachung des Fötus´ wird heute primär mit der Cardiotokographie (CTG) sowie dem Doppler-Ultraschall durchgeführt. Obwohl differenzierte klinisch-diagnostische Aussagen anhand dieser Verfahren möglich sind, ist eine präzise Berechnung der Herzfrequenzvariabilität sowie die Beurteilung fötaler Arrhythmien aus elektrophysiologischer Sicht nur eingeschränkt möglich.
Die Elektrokardiographie (EKG) kann aufgrund der isolierenden Effekte der Vernix caseosa nicht routinemäßig eingesetzt werden.
Da sich hingegen die vom fötalen Herzen erzeugten Magnetfelder ungehindert ausbreiten können, ist es mit empfindlichen biomagnetischen Messsystemen möglich, das MKG (ein EKG-ähnliches Signal) schon ab dem 2. Trimenon zu registrieren und einer Auswertung zuzuführen.
Herzfrequenzanalyse, dargestellt als R-R Intervall bei einem Fötus in der 28. Schwangerschaftswoche
FMKG Messungen sind besonders für die Identifikation und Klassifizierung fötaler arrhythmischer Aktivität von diagnostischer Bedeutung.
Darüber hinaus erlaubt die hohe zeitliche Auflösung des FMKG-Signals eine genaue und sehr differenzierte Analyse der fötalen Herzfrequenzvariabilität. Letzteres hat einen hohen diagnostischen Wert bei der Beurteilung des fötalen Zustands und von akutem fötalem Stress.
Weiterhin können anhand der Morphologie des PQRST-Verlaufs Aussagen über Wachstumsretardierung oder möglicherweise ST-Veränderungen im Rahmen einer Ischämie getroffen werden.
Ergebnis
Sowohl die praktischen Erfahrungen im Projekt als auch die veröffentlichten wissenschaftlichen Ergebnisse der Kooperationspartner zeigen, dass die FMKG und deren Analyse der fetalen Schlag-zu-Schlag Variabilität und Arrhythmiediagnostik die konventionelle ultraschallbasierte Technologie um eine wertvolle Methode erweitert. Das Verfahren liefert weitgehend unabhängig von der Leitfähigkeit des Gewebes zuverlässige Analyseergebnisse und wird, da passiv und kontaktfrei, nicht-invasiv eingesetzt.
Insbesondere wenn es darum geht, die kritische Phase der Entwicklung des fetalen autonomen Nervensystems (ANS) zu überwachen, erweitert die fMKG die medizinische Diagnostik um eine berührungsfreie Alternative, mit der sich über die gesamte zweite Hälfte der Schwangerschaft der kardiale Erregungsablauf elektrophysiologisch aufzeichnen lässt (van Leeuwen et al. 1999, van Leeuwen et al. 2004).
Eine weitere Spitzeninnovation gelang durch die erfolgreiche Implementierung (und Validierung) des fMKG in die magnetisch ungeschirmte Umgebung direkt im Krankenhaus.
Das fMKG-System soll nun aus der Grundlagenforschung in die klinische Geburtshilfe überführt werden, um es bei Risikoschwangerschaften und unter stationärer Überwachung einem breiteren Patientinnenspektrum zugänglich zu machen. Da sich das kompakte Gerät auch im außerklinischen Bereich, also zu Hause, einsetzen lässt, kann durch dessen Verwendung eine Verbesserung der Mitwirkung der Patientinnen erwartet werden. Das ungeschirmte fMKG besitzt das innovative Potential, für die kritischen Phase der fetalen Entwicklung die bisher zur Verfügung stehenden Möglichkeiten der Zustandsüberwachung bei verbesserter Analysequalität auf den häuslichen Bereich zu erweitern.
Leistungen des Messystems
Das fMKG-System basiert auf integrierten planaren Gradiometern erster Ordnung. Diese Art von Gradiometern bietet eine sehr hohe common mode rejection des magnetischen Rauschens von Fernquellen.
Die Gradiometer werden in einer Nb/Al-O/Nb hergestellt. Das Gradiometer verfügt über zwei in Reihe geschaltete Pick-up-Spulen. Die wichtigsten Gradiometer-Parameter sind hier aufgeführt:
| Chip Größe: | 6 cm × 2 cm |
| Größe der Pick-up Spule: | 2 cm × 2 cm |
| Größe Josephsonkontakte: | 3.2 μm × 3.2 μm |
| SQUID Induktivität: | 350 pH |
| Pickup Spule Induktivität: | 250 nH |
| Effektives Volumen: | 300 mm3 |
| Effektive Pickup Fläche: | 7.5 mm2 |
| Baseline: | 4 cm |
In der Regel hat das Gradiometer eine Sensitivität von besser als 2 fT/ √Hz und eine common mode rejection von mehr als 5000.