Roboter-Auge mit Rundumblick

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.10.2018

Roboter können sich in alle Richtungen bewegen – aber nicht in alle Richtungen sehen. Der patentierte Lasersensor SensePRO der Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT schafft Abhilfe.

Wo bin ich? Diese Frage müssen auch Roboter beantworten, wenn sie unermüdlich Werkstücke kleben, schweißen oder Dichtungen verfugen. Denn nur wenn die Robotersteuerung auf den Millimeter genau weiß, an welcher Stelle sich der Klebe- oder Schweißkopf gerade befindet, ist das Endergebnis präzise. Der Roboter braucht also eine Art Auge. In der Automobilindustrie und vielen weiteren Branchen übernehmen das spezielle Sensoren, die mehrheitlich mit dem Prinzip der Lasertriangulation arbeiten. Eine Laserdiode wirft eine Linie aus rotem Licht auf das Werkstück, von dort wird das Licht unter einem bestimmten Winkel reflektiert und weiter in eine Kamera geworfen. Aus der Position, von der das Licht auf den Kamerachip trifft, lassen sich die Position und die Entfernung des Sensors zum Werkstück innerhalb des Koordinatensystems bestimmen.

Dabei gibt es jedoch ein Problem: »Die bestehenden Sensoren sind durch Abschattungen in ihrer Flexibilität begrenzt, schränken zusätzlich die Bewegungsfreiheit der Robotersysteme ein und führen zu einem hohen Integrationsaufwand«, sagt Mauritz Möller, Abteilungsleiter Fabriksysteme für die additive Fertigung an der Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT in Hamburg. Die Höhenmessung klappt bei herkömmlichen Sensoren nur, wenn diese in Bearbeitungsrichtung angebracht sind. Ändert sich bei diesen Sensoren die Bewegungsrichtung des Roboters, bleibt das Auge blind. Die Festlegung auf eine Bearbeitungsrichtung schränkt die Flexibilität der Handhabungssysteme deutlich ein. Die einzigen Alternativen sind die Verwendung mehrerer Sensoren oder zusätzlicher Achsen – beides ist nach dem heutigen Stand der Technik mitunter teurer als der Roboter selbst.

Patentiertes Messprinzip

Mauritz Möller hat mit seinen Kollegen Malte Buhr, Vishnuu Jothi Prakash und Julian Weber eine innovative Lösung entwickelt: Der Sensor namens SensePRO ist kompakt mit 15 Zentimeter Durchmesser, hat eine eigens entwickelte Auswertesensorik, die einen abschattungsfreien Rundumblick ermöglicht, und erzeugt einen 360°-Messvorhang, der vollkommene Flexibilität bei der Messrichtung bietet. Egal wohin sich der Roboter bewegt, immer ist mindestens eine Laserlinie optimal positioniert und liefert genaue Positionsinformationen in die Kamera. Außerdem kommt es nicht zu Abschattungen des Lichts durch kompliziert geformte Bauteile. Dieses Messprinzip ist mittlerweile patentgeschützt. Der Anwender kann den Sensor ohne Integrationsaufwand für alle Robotersysteme vollkommen flexibel und vor allem prozesssicher in Klebe- und Schweißprozessen einsetzen und erreicht eine bedeutend vereinfachte Prozessführung und Qualitätssicherung – mit nur einem Sensor.

Intelligentes Thermomanagement

Um über lange Zeit in rauen Produktionsumgebungen arbeiten zu können, enthält der Sensor ein Kühlmodul, das entweder mit Wasser oder Luft arbeitet. Zu diesem Zweck besitzt die optische Bank, auf der die Laserdioden und die Kameras montiert sind, eine interne Kühlstruktur. Diese ist so komplex geformt, dass sie nur im 3D-Druck hergestellt werden kann. Durch das intelligente Thermomanagement hält der Sensor viele Jahre durch. Der Sensor ist so ausgelegt, dass er auf Roboter aller gängigen Hersteller von Kuka bis Fanuc passt und sich für alle denkbaren Einsatzszenarien eignet. Das erlaubt eine einfache Integration in bestehende Fertigungsanlagen.

SensePRO soll voraussichtlich 2021 serienreif sein. Die Chancen stehen gut, dass sich SensePRO gut im schnell wachsenden Markt der Industrieroboter etablieren kann, da aktuell keine Konkurrenzsysteme erhältlich sind. In Deutschland werden jedes Jahr etwa 1300 neue Roboter für Schweiß- oder Klebeanwendungen verkauft, die so einen Sensor brauchen.

Für Mauritz Möller und seine Kollegen Malte Buhr, Vishnuu Prakash und Julian Weber ist das Ziel des Projekts, die wirtschaftliche Verwertung von SensePRO beispielsweise in einer Ausgründung zu überprüfen. Dazu haben die vier Innovatoren einen Antrag zur EXIST-Förderung gestellt, der bewilligt wurde. Mit dem EXIST-Programm unterstützt das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie Unternehmensgründungen aus Hochschulen und Forschungseinrichtungen mit jeweils bis zu 1 Mio Euro.

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Umweltfreundlich und effizient

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 03.09.2018

Wärmepumpen machen Umweltenergie für Heizzwecke nutzbar. In der Regel werden sie jedoch mit synthetischen Kältemitteln betrieben, die umweltschädliche, fluorierte Treibhausgase (F-Gase) enthalten. Fraunhofer-Forscherinnen und Forscher haben jetzt im Rahmen eines Konsortiums eine Wärmepumpe mitentwickelt, in der stattdessen Propan eingesetzt wird. Das macht die Pumpe nicht nur klimafreundlicher, sondern auch effizienter.

»Heizung und Warmwasser benötigen in Deutschland rund 40 Prozent der Endenergie. Das Verbrennen von hochwertigen, fossilen Energieträgern wie Erdgas oder Erdöl ist nicht nur energetisch unsinnig, sondern auch klimaschädlich. Wärmepumpen machen aus einer Einheit elektrischer Antriebsenergie, häufig aus erneuerbaren Energien, drei bis fünf Einheiten Wärmeenergie – und das völlig CO2-neutral. Damit sind Wärmepumpen ein wichtiger Baustein für die Umsetzung der Energiewende«, sagt Dr. Marek Miara, Koordinator Wärmepumpen am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE in Freiburg.

Eine Wärmepumpe funktioniert ähnlich wie ein Kühlschrank: Das Kältemittel nimmt die Wärme im Innern des Kühlschranks auf und befördert sie nach draußen. Doch während beim Kühlschrank die Wärme an der Rückwand ungenutzt verpufft, wird die Wärme, die eine Wärmepumpe der Erde, dem Grundwasser oder der Umgebungsluft entzieht, zum Heizen oder für die Warmwasserzubereitung verwendet.

Dazu wird das erwärmte, dampfförmige Kältemittel verdichtet und so seine Temperatur und sein Druck erhöht. Das heiße Kältemittelgas gibt seine Wärme an Wasser ab und kondensiert. Das warme Wasser strömt in Fußbodenheizungen, Heizkörper oder Warmwasserspeicher und das abgekühlte, flüssige Kältemittel fließt wieder zurück in den sogenannten Verdampfer, wo es erneut Wärmeenergie aufnimmt. Der Kreislauf beginnt von Neuem.

Als Kältemittel werden in der Regel synthetische Stoffgemische verwendet, die umweltschädliche, fluorierte Treibhausgase (F-Gase) enthalten. Die Europäische Kommission hat im Juni 2014 beschlossen, dass F-Gase schrittweise vom Markt genommen werden müssen. Eine umweltfreundliche, natürliche Alternative zu synthetischen Kältemitteln ist Propan – in Klima- und Kälteanlagen bereits zunehmend im Einsatz, in Wärmepumpen weit weniger verbreitet.

Denn Propan hat zwar sehr gute thermodynamische Eigenschaften, ist aber leicht brennbar und damit eine Herausforderung für die Verwendung im Wärmekreislauf. »Wenn man Propan nutzen will, muss man die Kältemittelmenge so gering wie möglich halten, um das Sicherheitsrisiko zu reduzieren«, sagt Dr. Lena Schnabel, Leiterin der Abteilung für Wärme- und Kältetechnik am Fraunhofer ISE.

Bionische Struktur sorgt für gleichmäßige Verteilung

Die ISE-Forscherinnen und Forscher haben daher gemeinsam mit europäischen Forschungspartnern hochkompakte, gelötete Lamellenwärmeübertrager eingesetzt, die mit geringen Flüssigkeitsmengen gut funktionieren. In Wärmeübertragern wird die thermische Energie von einem Stoffstrom auf den anderen übertragen. Sie bestehen aus vielen parallel verlaufenden Kanälen, in denen das Kältemittel zirkuliert und Wärme aufnimmt, dann nennt man sie Verdampfer, oder abgibt, dann heißen sie Verflüssiger. »Die Flüssigkeit soll über die Lauflänge vollständig verdampfen beziehungsweise wieder kondensieren. Um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten, muss in allen Kanälen das gleiche Dampf-Flüssigkeitsverhältnis herrschen. Das ist generell nicht einfach und wird besonders schwierig, wenn man gleichzeitig Kältemittel reduzieren will.«

Um das Problem zu lösen, entwickelten Schnabel und ihr Team einen Verteiler mit einer bionischen Struktur: »Herkömmliche Venturiverteiler sehen aus wie ein Spaghettihaufen aus vielen dünnen Rohren, die in den Verdampfer münden. Unser Verteiler hat im Gegensatz dazu eine kontinuierlich verzweigende Struktur wie die Äste und Zweige eines Baumes, die eine gleichmäßige Verteilung des Kältemittels in die einzelnen Verdampferkanäle bei geringer Kältemittelmenge ermöglichen.« Damit kann die gesamte Wärmeübertragerfläche optimal genutzt und so die Effizienz gesteigert werden.

Um bei der Kompression des Propans keine Explosion zu riskieren, verwendeten Schnabel und ihr Team einen speziellen Verdichter, in dem sämtliche Zündquellen gekapselt wurden. Damit kein Propan entweichen kann, wurden die einzelnen Bauteile der Pumpe besonders sorgfältig miteinander verbunden. »Zurzeit modifizieren wir die technische Gestaltung der Wärmepumpe, prüfen die Bauteile im Langzeitverhalten und erstellen tragfähige Sicherheitskonzepte«, sagt Schnabel.

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Drohnensteuerung via Sprachkanal

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.08.2018

Die Zukunft liegt in der Luft. Drohnen können schon bald Straßen entlasten, Lieferwege optimieren oder Brandbekämpfung sicherer und effizienter machen. Bis die Technologie jedoch flächendeckend kommerziell eingesetzt werden kann, müssen noch einige Herausforderungen gemeistert werden. Zum Beispiel die Frage der Kommunikation zur Steuerung und Ortung. Diese muss stabil und überall verfügbar sein, sollte möglichst günstig sein und muss auch außer Sichtweite funktionieren. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI in Berlin haben eine Lösung gefunden: Sie rufen die Drohne einfach an.

Drohnen sind eine vielversprechende Technologie. Zum Beispiel könnte mit ihnen schon in naher Zukunft der Lieferverkehr von der Straße in die Luft verlegt werden. Das würde Straßen entlasten und den CO2-Ausstoß senken. Obendrein würden die Lieferwege deutlich kürzer und Pakete könnten wesentlich schneller den Kunden erreichen. Bei der Brandbekämpfung könnten Drohnen voraus fliegen und den Feuerwehrleuten ein erstes Bild vom Einsatzort liefern. Zahlreiche weitere Einsatzszenarien sind denkbar. Doch vor dem flächendeckenden Drohneneinsatz gilt es noch einige Herausforderungen zu bewältigen. Zum Beispiel eine zuverlässige Kommunikation zur Steuerung und Ortung der Drohnen. Bisher werden Drohnen oft direkt per Funk gesteuert, die begrenzte Reichweite schränkt die Einsatzmöglichkeiten jedoch deutlich ein. Das Senden und Empfangen von Informationen über Mobilfunkdatenkanäle ist eine weitere Möglichkeit. Doch auch diese weist Schwächen auf, die den flächendeckenden, zuverlässigen kommerziellen Einsatz derzeit nicht erlauben. So sind diese Kanäle nicht auf eine konstante Echtzeitverbindung, sondern für das kurzzeitige Übermitteln von Datenpaketen, beispielsweise beim Laden einer Website, ausgelegt. Die Folge: Verbindungsabbrüche. Darüber hinaus ist bei der Nutzung von Datenkanälen gerade in Städten oder bei Großveranstaltungen Überlastung ein Problem. Eine Alternative wäre die Errichtung einer eigenen Infrastruktur, über die Drohnen mit dem Controller kommunizieren. Dies ist nicht nur aufwändig und teuer, es stehen dafür auch kaum Funkressourcen zur Verfügung. Verfügbare Frequenzbereiche sind meist anfällig für Störungen und Überlastungen, sodass eine derartige Lösung weder wirtschaftlich noch sicherheitstechnisch sinnvoll ist.

Experten vom Fraunhofer HHI haben eine Lösung entwickelt, die stabil, günstig, reichweiteunabhängig und prinzipiell sofort umsetzbar ist: Die Steuerung über die Sprachkanäle des Mobilfunknetzes. »Ein großer Vorteil ist, dass Sprachkanäle im Gegensatz zu Datenverbindungen nahezu überall verfügbar und äußerst zuverlässig sind«, erklärt Tom Piechotta, Wissenschaftler beim Fraunhofer HHI. »Selbst in Gegenden, wo eine Datenverbindung nicht oder nur eingeschränkt möglich ist, ist die Netzabdeckung für Sprachkanäle meist noch gegeben.« Darüber hinaus entstehen kaum zusätzliche Kosten, da weder eine neue Infrastruktur aufgebaut werden muss, noch spezielle Verträge für priorisierte Datenverbindungen mit den Netzbetreibern geschlossen werden müssen. Alles was nötig ist, ist eine einfache Sprachverbindung, wie sie mit jeder Prepaidkarte bereitgestellt wird.

Weltweit erreichbar

Um Drohnen steuern zu können, müssen einerseits Befehle an die Drohne übermittelt, andererseits Informationen wie Position, Höhe oder Akkuzustand an den Controller am Boden übermittelt werden. »Bei den Steuerbefehlen und Ortsinformationen handelt es sich um verhältnismäßig kleine Informationsmengen, die aber zuverlässig übertragen werden müssen,« sagt Piechotta. »Wir wandeln die Befehle in Audiosignale um, ähnlich wie früher bei Modems. Diese übersetzt ein kleines Modul auf der Drohne zurück in den Steuerbefehl. Das Besondere ist, dass diese Art der Übertragung nicht nur in Echtzeit funktioniert und äußerst robust gegenüber Ausfällen und Verbindungsabbrüchen ist. Sie funktioniert auch schon heute, ohne neue Funkstandards, ohne neue Infrastruktur – und zwar weltweit.« Denn da die Übertragung über das normale Mobilfunknetz läuft, ist eine Verbindung zur Drohne an nahezu jedem Punkt der Erde möglich – quasi per Ferngespräch.

Zukunftssichere Steuerung in Echtzeit

Doch wie funktioniert die Steuerung, wenn die Drohne außer Sichtweite – vielleicht sogar am anderen Ende der Welt ist? Visualisiert wird der Standort der Drohne zum Beispiel über Online-Kartendienste wie Google Maps. Position und Höhe des Fluggeräts werden in Echtzeit übertragen und auf der Karte angezeigt. Zusätzlich können die Drohnen mit eigenen Sensoren ausgestattet werden, um spontane Hindernisse, beispielsweise andere Drohnen, Hubschrauber oder Kräne, zu erkennen und zu umfliegen. Die Steuerung erfolgt entweder manuell oder über das Senden von Wegpunkten, was besonders für Anwendungen wie die Paketzustellung interessant ist.

»Funklöchern begegnen wir mit unserem System extrem selten. Sollte ein Netz ausfallen, weicht die Verbindung auf einen anderen Mobilfunkstandard aus, zum Beispiel von LTE auf GSM oder UMTS, und sollte die Verbindung doch einmal abbrechen, ruft die Drohne innerhalb kürzester Zeit automatisch zurück«, erklärt Piechotta. »Ein weiterer Vorteil ist, dass die Technologie absolut zukunftssicher ist: Mobilfunkstandards kommen und gehen – für Sprachkanäle gilt dies nicht. Das Mobilfunknetz wird immer Sprachkanäle zur Verfügung stellen, und solange dies der Fall ist, ist das System eine zuverlässige und kostengünstige Alternative zu konventionellen Datenverbindungen.« Kurzum: Die Drohne ist ab sofort an jedem Ort und zu jeder Zeit erreichbar.

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Wächter über den Augeninnendruck

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.07.2018

Schnell, einfach und unkompliziert – das Sensorsystem EYEMATE, das gemeinsam vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg und dem Unternehmen Implandata Ophthalmic Products GmbH (IOP) aus Hannover entwickelt wurde, stellt eine Innovation in der Augeninnendruckmessung dar. In Zukunft soll EYEMATE Glaukom-Patienten das Leben erleichtern. Das Implantat ermöglicht die optimale Therapie bei Patienten, die von der Augenkrankheit Grüner Star betroffen sind.

In unserem Auge findet ein ständiger Austausch von Kammerwasser statt – neues wird produziert und altes abgegeben. Wenn die Menge des neu produzierten Kammerwassers jedoch größer ist als die des abfließenden Wassers, steigt der Augeninnendruck und es kann zu irreversiblen Schädigungen bis hin zum Absterben des Sehnervs kommen. Man spricht dann von einem Glaukom oder Grünen Star.

Betroffene merken zu Beginn selbst meist nichts von ihrer Krankheit – erst wenn bereits so viele Sehnerven abgestorben sind, dass sich das Gesichtsfeld verkleinert, wird die Erkrankung wahrgenommen. Um die Ausbreitung des Glaukoms und die damit verbundene weitere Reduzierung des Gesichtsfelds zu verhindern, muss der Augeninnendruck wieder in den normalen Bereich gebracht und dort gehalten werden. Dies kann medikamentös, mit Augentropfen oder – bei einer weiter fortgeschrittenen Erkrankung – auch durch einen operativen Eingriff geschehen. Von entscheidender Bedeutung bei der Behandlung des Glaukoms ist in jedem Fall die Auswahl der passenden Therapie. Hierfür muss der behandelnde Arzt wissen, wie hoch der Druck im Auge ist und welchen zeitlichen Verlauf er nimmt.

Bisher gängige Messverfahren liefern jedoch nur eine geringe Datenbasis und somit keine zuverlässigen Informationen. Das Hauptproblem bisher: die Messungen werden in der Regel in der Arztpraxis durchgeführt – dadurch liegen zwischen den Messungen zu große Zeitabstände. Außerdem ist so die Wahrscheinlichkeit groß, dass schädliche hohe Werte, die im Laufe eines Tages mehrfach auftreten können, nicht erfasst werden. Die Gefahr einer falschen Therapieentscheidung steigt dadurch um ein Vielfaches.

Einfache Bedienung, genaue Ergebnisse

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern des Fraunhofer IMS ist es nun gelungen, eine Lösung für dieses Problem zu finden: »Gemeinsam mit dem Unternehmen IOP haben wir EYEMATE entwickelt, ein Mikrosensorsystem, mit dem Betroffene selber eine berührungslose Druckmessung im Auge durchführen können«, berichtet Michael Görtz vom Fraunhofer IMS. Ein ins Auge implantierter Sensor misst dabei den Druck sowie die Temperatur. Die Werte werden mit einem Handlesegerät, das der Patient einfach vor sein Auge hält, erfasst, digitalisiert und wiedergegeben. Innerhalb von Sekunden lassen sich so zu jeder Zeit berührungslos Druck und Temperatur im Auge genau messen. Die behandelnden Ärzte erhalten dadurch eine um ein Vielfaches höhere Datenbasis zum Erstellen der richtigen Therapie. Neben dem Ablesen und Digitalisieren der Messergebnisse ist es zusätzlich möglich, die Werte in einen Cloudspeicher zu übertragen. Der behandelnde Arzt kann so jederzeit auf die Patientendaten zugreifen, den Krankheitsverlauf überprüfen und bewerten sowie die Therapie gegebenenfalls direkt anpassen – der Patient muss dafür nicht mehr zwingend in die Praxis kommen. Darüber hinaus haben Betroffene die Möglichkeit, über eine Smartphone-App direkt auf die Daten zuzugreifen, den Verlauf des Augeninnendrucks selbst zu verfolgen und gegebenenfalls zu reagieren, wenn ein zu hoher Druck vorliegt. Je häufiger der Patient das Lesegerät benutzt, desto aussagekräftiger sind die Messwerte und desto individueller kann die Therapie abgestimmt werden.

Sensorsystem mit CE-Zulassung

Der Augeninnendrucksensor wurde vom Fraunhofer IMS in Duisburg als Halbleiterschaltung entwickelt. Dabei handelt sich um einen passiven Mikrosensor, welcher durch das Lesegerät aktiviert wird. Nachdem der Augeninnendrucksensor in einer klinischen Studie an mehreren Krankenhäusern in Deutschland erfolgreich validiert wurde, hat die Firma Implandata Mitte 2017 die CE-Zulassung für das Sensorsystem erhalten. Schon jetzt hat sich in dieser Studie gezeigt, dass durch die abgebaute Barriere die Motivation der Patienten zur regelmäßigen Messung steigt, dass aber insbesondere die Therapie durch den Augenarzt personalisiert und erforderliche Therapieanpassungen frühzeitig vorgenommen werden können. Dadurch lassen sich unwiederbringliche Sehverluste der Patienten vermeiden. »Im April 2018 hat Implandata erfolgreich eine substantielle Finanzierungsrunde abgeschlossen, um neben einer ersten gezielten Markteinführung in Deutschland/Österreich/Schweiz die Geometrie des Sensor-Implantats noch weiter zu verkleinern und noch einfachere Operationstechniken zu ermöglichen, was die Marktakzeptanz nochmals deutlich erhöhen wird«, erläutert Max Ostermeier, Geschäftsführer der Implandata Ophthalmic Products GmbH.

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Multiresistente Erreger schnell identifizieren

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.06.2018

Diagnostizieren Ärzte bei einem Patienten eine Blutvergiftung, so erhält er sofort ein Breitbandantibiotikum. Doch oftmals wirkt das Medikament nicht. Multiresistente Erreger sind häufig der Grund dafür, dass eine Sepsis eskaliert und der Betroffene stirbt. Bislang dauert die Untersuchung auf Antibiotika-resistenzen mehrere Tage. Im Projekt PathoSept entwickeln Fraunhofer-Forschende gemeinsam mit Partnern ein modulares Komplettsystem, mit dem sich die Zeitspanne, um den Erreger zu identifizieren, auf neun Stunden verkürzen lässt.

Infektionen mit multiresistenten Erregern gehören laut WHO zu einer der größten Bedrohungen der Gesundheit. Vor allem in Krankenhäusern sind diese Keime auf dem Vormarsch. Eine der schwersten Infektionen ist die Blutvergiftung. In Deutschland sterben jährlich mehr als 56 000 Menschen an einer Sepsis. Wer daran erkrankt, muss so schnell wie möglich behandelt werden, jede Stunde zählt. Doch das verabreichte Breitbandantibiotikum wirkt oftmals nicht, da die Bakterien resistent gegen das ver-abreichte Medikament sind. Derzeit kann die Zeitspanne zwischen Verdachtsdiagnose und zielgerichteter Therapie bis zu fünf Tage dauern. Das Problem: Die Diagnostik von resistenten Bakterien beruht auf zeitaufwändigen Kulturverfahren, bei denen nach der Blutentnahme Bakterien vermehrt werden müssen, bevor die Analyse starten kann.

Zielgerichtete Therapie nach neun Stunden einleiten

Ein neues modulares System soll diese Dauer erheblich verkürzen. Erste erfolgreiche Tests belegen, dass Ärzte künftig bereits nach neun Stunden eine zielgerichtete Therapie einleiten können, da sich sowohl das die Infektion auslösende Bakterium sowie jenes Antibiotikum identifizieren lassen, das dagegen wirkt. Im Projekt PathoSept entwickeln Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Informationstechnik FIT gemeinsam mit Partnern einen Chip, auf dem sich das Wachstumsverhalten von Bakterien unter dem Einfluss von Antibiotika analysieren lässt. Die Besonderheit: Die Projektpartner kombinieren verschiedene Verfahren, um die Dauer der Analyse zu minimieren und gleichzeitig die Kosteneffizienz zu meistern. »Aufgrund der phänotypischen und genotypischen Variabilität ist heutzutage kein einzelnes diagnostisches Verfahren in der Lage, durchweg verlässliche Ergebnisse zu liefern«, sagt Fouad Bitti, Wissenschaftler am Fraunhofer FIT.

Das System, mit dem sich multiresistente Keime detektieren lassen, besteht aus vier Modulen: Neben einem Anzuchtmodul zur kontrollierten Vermehrung von Erregern umfasst es Protokolle zum Separieren der Erreger sowie hochsensitive Assays, mit denen die Erreger per qPCR identifiziert werden – einer Vervielfältigungsmethode für Nukleinsäuren, die auf dem Prinzip der herkömmlichen Polymerase-Kettenreaktion (PCR) basiert. Herzstück des Systems ist ein Wachstumsmonitor zur schnellen Quantifizierung der Resistenzen, eine Entwicklung des Fraunhofer FIT. Auch das Anzuchtmodul wurde von den Forschenden am FIT entwickelt.

Software-unterstützte Resistenzdiagnostik

Im Projekt PathoSept werden die Erreger im Anzuchtmodul auf eine kritische Menge vermehrt und anschließend in 96 Töpfchen mit Antibiotikum und Nährmedium gegeben. Der Wachstumsmonitor samt nötiger Analyse-Software beobachtet und dokumentiert in Echtzeit, wie sich die Erreger entwickeln. Algorithmen werten die aufgenommenen Bilder der Bakterien aus und extrapolieren die Wachstumskurve. So lässt sich bereits nach einigen Stunden ermitteln, ob das jeweils eingesetzte Medikament wirkt oder ob die Bakterien dagegen resistent sind und sich ausbreiten. Der Wachstumsmonitor berechnet mit seiner flexibel integrierbaren Software, wie sich die Erreger längerfristig entwickeln werden. Dabei analysiert das Programm sowohl die Größe des Bakterienteppichs – woraus man eins zu eins auf die Anzahl der Bakterien schließen kann – als auch das Verhältnis von lebenden zu abgetöteten Keimen. Die Forscher erhalten somit den Hinweis, welches Antibiotikum die Erreger am schnellsten abtötet, welche Konzentrationen erforderlich sind und welches Bakterium Resistenzen ausgebildet hat. »Damit ist eine gezielte Therapie möglich – ein großer Vorteil, wenn man bedenkt, dass Ärzte derzeit einen Cocktail an Antibiotika verabreichen, in der Hoffnung, dass eines davon wirkt«, so Bitti.

Das System in Form eines Benchtop-Geräts eignet sich für den Einsatz in allen medizinischen Laboren. Aufgrund seiner Standardprotokolle und -schnittstellen lässt es sich problemlos in bestehende Systeme integrieren. Der Wachstumsmonitor befindet sich zur klinischen Testung in den Unikliniken Aachen und Bonn. Nach der Evaluation wird ein erster Demonstrator konstruiert. Auch das Anzuchtmodul wird derzeit klinisch getestet. »Mit unserem modularen diagnostischen Komplettsystem werden wir künftig die Sterberate von Patienten mit einer Sepsis deutlich verringern können«, sagt Bitti.

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