Digitalisierung: Schlüssel zur personalisierten Medizin

Cardio-Gurt fürs Langzeit-EKG

Elektroden, die den Schlaf behüten

Ein Brustgurt mit textilen Sensoren zur Langzeitüberwachung von Patienten, die an Schlafapnoe – ein Atemstillstand während des Schlafs – leiden, wird in der #smarthalle ab Oktober an ausgewählten Daten vorgestellt:

7. Oktober 2019, 15 Uhr | Dr. Lukas Budde (Universität St. Gallen)

22. Oktober 2019, 14 Uhr | Prof. Dr. med. Martin Brutsche (Kantonsspital St. Gallen)

4. November 2019, 10 Uhr und 16 Uhr | Urs Bünter (Empa)


 

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Wie schlägt das Herz im Schlaf? Stockt der Atem, oder geht er ruhig und stetig durch die Nacht? Empa-Forscher haben einen Cardio-Gurt entwickelt, der dank gestickter Elektroden ein Langzeit-EKG über die ganze Nacht aufzeichnen kann. Zum Einsatz kommt das textile Messgerät am Brustkorb von Menschen, die während des Schlafs an Atempausen leiden. Jede Atempause führt beim Menschen zu einem charakteristischen Herzfrequenz-Muster und kann dadurch via EKG erfasst werden. Die so genannte Schlafapnoe tritt in unterschiedlich schwerer Ausprägung auf und kann zu starker Tagesmüdigkeit bis hin zu unkontrollierbarem Sekundenschlaf und chronischen Herz-Kreislauferkrankungen führen. Das textile Messgerät ermöglicht eine Anwendung beim Patienten zuhause, ohne dass er durch medizinisches Personal betreut werden muss. Somit können anhand des Langzeit-EKGs Vorabklärungen zum Schweregrad der Schlafapnoe im heimischen Umfeld des Patienten gemacht werden, welche die Diagnose im Schlaflabor unterstützen. Darüber hinaus kann die Effektivität von verordneten Behandlungen überprüft werden, indem das textile EKG-Gerät auch nach der Diagnose vom Patienten zuhause angewendet wird. Für das optimale Zusammenspiel von Forschung und klinischer Anwendung arbeiten die Forscher der Empa gemeinsam mit Medizinern vom Schlaflabor des Kantonsspitals St. Gallen zusammen an diesem ehrgeizigen Projekt.

Damit das Messgerät die nächtliche Erholung nicht beeinträchtigt, haben Empa-Forscher der Abteilung «Biomimetic Membranes and Textiles» einen textilen Brustgurt entwickelt, dessen Elektroden mit Polymerfasern bestickt sind. Mit der Empa-Plasmaanlage konnten Nanometer-feine metallische Schichten auf die Stickfäden appliziert werden, wodurch diese leitfähig werden, keine unerwünschten Hautreaktionen hervorrufen und gleichzeitig waschbar sind.

Die so gewonnenen EKG-Signale werden in einem Datenlogger gespeichert oder können an Empfängergeräte weitergeleitet werden. Besonders exakt im Vergleich zu herkömmlichen EKG-Gurten sind diese Daten, da die textilen Sensoren sich flexibel dem schlafenden Körper anschmiegen und so den Kontakt halten können. Zudem sorgt ein Feuchtigkeitsreservoir dafür, dass die porösen Sensoren nicht austrocknen und so kontinuierlich hochwertige Daten der Schlafenden senden können.

Das Potenzial des Brustgurts erkannte bereits die internationale Jury des «Techtextil Innovation Awards», die 2015 den ersten Prototypen des EKG-Gurts auszeichnete. Eine klinische Studie mit dem Schlaflabor des Kantonsspitals St. Gallen hat bestätigt, dass der Cardio-Gurt Signale liefert, welche qualitativ mit Signalen von Gel-Elektroden, welche üblicherweise für die Aufzeichnung von EKG-Signalen verwendet werden, vergleichbar ist (Fontana et al., 2019, Sensors). Weitere Untersuchungen zeigten, dass die Anwendung der EKG-Gurte beim Patienten zuhause qualitativ hochwertige Signale erfasst, welche für weitere Abklärungen des Patienten verwendet werden können (Fontana et al., eingereicht bei Sensors).

Zusätzlich sind neue Projekte entstanden, die die Weiterentwicklung, Vermarktung und Verwendung der EKG-Gurte für weitere klinische Anwendungen vorantreiben. Bei der Industrialisierung, der Markteinführung sowie der Geschäftsmodellentwicklung sind noch einige Herausforderungen zu meistern, die in enger Zusammenarbeit mit Industriepartnern, Medizinern vom Kantonsspital St.Gallen und Experten der Hochschule St.Gallen in Angriff genommen werden.

 

Referenzen

Fontana P, Martins NRA, Camenzind M, Rossi RM, Baty F, Boesch M, Schoch OD, Brutsche MH und Annaheim S, Clinical Applicability of a Textile 1-Lead ECG Device for Overnight Monitoring, Sensors, 19, 2436, doi:10.3390/s19112436

Fontana P, Martins NRA, Camenzind M, Rossi RM, Baty F, Boesch M, Schoch OD, Brutsche MH und Annaheim S, Applicability of a Textile ECG-Belt for Sleep Monitoring in a Home Setting, submitted to Sensors

Partner
Die #smarthalle

Die Stadt St.Gallen stellt in der Innenstadt an zentraler Lage temporär Räumlichkeiten zur Verfügung, um das Thema Smart City einem breiten Publikum näher zu bringen. St.Galler Institutionen und Unternehmen sind darin mit verschiedenen Aktivitäten wie z.B. Ausstellungen, Referaten, Workshops oder Podiumsdiskussionen präsent.

Diese sogenannte #smarthalle wird am 3. September 2019 anlässlich des Digitaltages an der Neugasse 30 (ehemals Schuhaus Walder) eröffnet und der Bevölkerung während drei Monaten bis 23. November 2019 der Informationsvermittlung und dem Dialog offenstehen.


Programm

16.00                Begrüssung: Digitalisierung an der Empa

                          Prof. Dr. Alex Dommann

16.10                Digitale Zwillinge in der Medizin: Kommt ein Avatar zum Arzt…

                          Prof. Dr. Thijs Defraeye

16.25                Seltene Metalle in der Automobilelektronik: Das Auto als Rohstoffquelle

                          Eliette Restrepo und Rolf Widmer

17.00                Führung durch die Empa-Labors

                          Urs Bünter

Digitale Zwillinge in der Medizin: Kommt ein Avatar zum Arzt …

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Bild: shutterstock

Empa-Forscher arbeiten an einem intelligenten Hautsensor, der die optimale Behandlung eines Patienten vorhersagen kann. Künftig könnte ein kompletter persönlicher Avatar unsere Gesundheit unterstützen.

Empa-Forschende entwickeln derzeit einen digitalen Zwilling der Haut, der massgeschneiderte Therapien ermöglichen soll. Ziel ist es, diesen Haut-Avatar anzeigen zu lassen, wie ein Schmerzpatient oder ein Diabetiker individuell behandelt werden muss. Dabei erlaubt der digitale Zwilling sogar eine personalisierte Prognose des Therapieverlaufs. Denn je nach Alter, Lebensstil und genetischer Ausstattung reagieren Menschen unterschiedlich auf Behandlungen.

Thijs Defraeye und sein Team von der Empa-Abteilung «Biomimetic Membranes and Textiles» in St. Gallen wollen für die Entwicklung des digitalen Zwillings gleich zwei innovative Forschungsfelder miteinander verschmelzen: die nicht-invasive Medikamentengabe über die Haut mittels Medikamentenpflastern und die Steuerung und Vorhersage des Therapieverlaufs via Modellierung in Echtzeit. Dies ist besonders elegant, da die Haut als unser grösstes Organ eine geeignete Fläche bietet, um Substanzen schmerzfrei in den Körper zu schleusen. Intelligente Fasern und Membranen verabreichen hierzu die Medikamente, während nicht-invasive Hautsensoren gleichzeitig die Vitalparameter und Hauteigenschaften des Patienten misst. Der virtuelle Doppelgänger wird so in Echtzeit mit den physiologischen Daten des realen Menschen gefüttert.

Während herkömmliche Therapiepflaster nur im Nachhinein eine Beurteilung zulassen, ob falsch dosiert wurde, erlaubt der digitale Doppelgänger aufgrund der mathematischen Modellierungen eine massgeschneiderte Freisetzungsrate aus dem Pflaster, denn das intelligente System blickt nicht rückwärts, sondern in die Zukunft.

Für die Entwicklung des «Digital Twin» im Gesundheitsbereich kann Defraeye auf erfolgreiche Forschungsergebnisse aufbauen: Im Bereich der Lebensmitteltechnologie entwickelte er bereits digitale Zwillinge verschiedener Früchte. Um die Kühlkette vom Produzenten bis zum Händler in Echtzeit kontrollieren und künftig auch steuern zu können, stellte der Forscher auch «Fruchtspione» her, also biophysikalische Zwillinge von Äpfeln, Mangos und anderen Früchten, die sich in ihren thermischen Eigenschaften exakt wie die natürlichen Vorbilder verhalten und als Sensoren wirken. Die Sensordaten nutzt der digitale Zwilling, der die Kühlung etwa im Lastwagen anpasst. Das virtuelle Obst basiert in diesem Fall auf einem dreidimensionalen CAD-Modell eines Apfels oder einer Mango in Verbindung mit entsprechenden multiphysikalischen Simulationen.

«Digital Twin»: https://www.empa.ch/web/det/novartis_drug-delivery

Empa-Abteilung «Biomimetic Membranes and Textiles»: https://www.empa.ch/web/s401/overview

Der Fruchtspion:

 

 

Seltene Metalle in der Automobilelektronik: Das Auto als Rohstoffquelle

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Neodym, Dysprosium und Terbium heissen sie, die Seltenen Erden, die in der Autoindustrie verwendet werden. Die Metalle sind aufgrund ihrer Eigenschaften begehrt – und rar. Das Team «Critical Materials and Resource Efficiency», kurz CARE, sucht daher nach Wegen, wie sich diese Rohstoffe nachhaltiger in den Stoffkreislauf zurückführen lassen. Hierbei werden wissenschaftliche Grundlagen erarbeitet, mit denen die Seltenen Erden und andere Metalle bei der Autoverwertung zurückgewonnen werden können.

Schätze aus der «urbanen Mine»

Geschlossene Stoffkreisläufe bei der Verwertung von elektrischen und elektronischen Geräten zu erzeugen, ist ein zentrales Thema, wenn man einen schonenderen Umgang mit Ressourcen anstrebt. Materialien sind heute immer mehr in Häusern, Fahrzeugen oder Geräten verbaut und nicht mehr nur als geologische Rohstoffe abbaubar. Das CARE-Team erforscht diese urbane Mine und ihren Bestand an Materialien und die künftigen Materialflüsse. Die Forscher entwickeln hierzu Computermodelle, mit denen sich die Verfügbarkeit der Ressourcen und die Möglichkeiten einer Kreislaufwirtschaft antizipieren lassen. Mit dem Projekt «EVA», kurz für Elektronik – Verwertung – Altautos, nehmen sich die Forscher und ihre Industriepartner der aktuellen und relevanten Fragestellung im Auftrag des Bundesamts für Umwelt an.

CARE: https://www.empa.ch/web/s506/care

Empa-Abteilung «Technology and Society»: https://www.empa.ch/web/empa/technology-society

Allgemein

Veranstaltungsort:

Empa

Lerchenfeldstrasse 5

9014 St.Gallen

Kosten: Die Veranstaltung ist kostenlos

Anmeldung: Keine Anmeldung nötig

Anreise: Bitte benützen Sie den öffentlichen Verkehr. Die Zahl der gebührenpflichtigen Parkplätze ist gering.


Digitaltag 2019

Am 3. September 2019 findet zum dritten Mal der Digitaltag in der ganzen Schweiz statt, und die Empa wird dabei sein. Digitalisierung an der Empa wird anhand verschiedener Beispiele vorgestellt, und Sie sind herzlich eingeladen, aus erster Hand mehr über uns und unsere spannenden Projekte zu erfahren.

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Bild: istock

Wir öffnen unsere Türen!

Präsentiert werden Fortschritte auf dem Gebiet der personalisierten Medizin und der Überwachung verschiedener Körperfunktionen, sowie Ideen, wie sich die Digitalisierung für eine nachhaltige Gestaltung unserer Zukunft nutzen lässt.

Flyer.

Die Empa in der #smarthalle

Wie schlägt das Herz im Schlaf? Stockt der Atem, oder geht er ruhig und stetig durch die Nacht? Empa-Forscher haben einen Cardio-Gurt entwickelt, der dank gestickter Elektroden ein Langzeit-EKG über die ganze Nacht aufzeichnen kann. Dabei können Schlaf- und Herzrhythmusstörungen erfasst werden.

Der Cardio-Gurt und dessen Vorteile gegenüber bisherigen Überwachungssystemen wird in der #smarthalle am 7. Oktober, 22. Oktober und 4. November 2019 vorgestellt.

Partner: Kantonsspital St.GallenUniversität St.Gallen und Empa.

Flyer.

 

Auskunft/Kontakt

María Lucía Híjar

Event Manager

E-Mail:

 

 


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