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Nr. 88, 22.10.2016  voriger  Übersicht  weiter  REIHEN  SUCHE  Feedback 

Messen mit Magnetfeldern

Herz- und Gehirnströme können nicht nur elektrisch gemessen werden. Mit einer viel genaueren, magnetischen Methode wollen Kieler Forschende die Diagnose und Behandlung von Krank­hei­ten wie Parkinson verbessern.


Mit vereinten Kräften und Millionenförderung arbeiten technische und medizinische Disziplinen der Uni Kiel zusammen, um hochsensible magnetische Sensoren herzustellen. Damit ließen sich zum Beispiel Gehirnaktivitäten viel genauer messen und lokalisieren, als mit den bisher üblichen elektrischen Sensoren. Foto: pur.pur

Die Aktivität des Herzens oder des Gehirns wird in der Regel über ein Elektrokardiogramm (EKG) oder eine Elektroenzephalografie (EEG) aufgezeichnet. Messungen über ihre Magnetfelder liefern jedoch viel exaktere Ergebnisse – in der Medizin werden sie aber bisher kaum durchgeführt. Denn bislang sind dafür große Kabinen nötig, die störende Magnetfelder wie das der Erde abschirmen. Herkömmliche Sensoren müssen außerdem auf etwa minus 270 Grad Celsius heruntergekühlt werden. Das ist viel zu aufwendig für einen flächendeckenden Einsatz in der medizinischen Praxis.

Das wollen über 60 Kieler Forschende mithilfe von winzigen magnetoelektrischen Sensoren ändern. Entwickelt werden diese im neuen Sonderforschungsbereich (SFB) 1261 »Magneto­electric Sensors: From Composite Materials to Biomagnetic Diagnostics« der CAU. Die Kieler Nanoforschung erhält dafür in den nächsten vier Jahren mehr als elf Millionen Euro von der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Für die Bewältigung der komplexen Aufgabe ist eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit wichtig. »Die Materialwissenschaftler stellen die magnetischen Sensoren her, die Elektro­tech­niker bauen das Messsystem – jeweils nach den Anforderungen der Mediziner. Durch diese Wechselwirkungen entsteht etwas, das wir als Einzelforscher gar nicht erreichen könnten«, sagt Professor Eckhard Quandt, Sprecher des SFB.

Um Hirnströme leichter magnetisch aufzuzeichnen, arbeiten die Forschenden unter anderem an der Entwicklung einer Kappe, die Patientinnen und Patienten einfach aufsetzen können. Zahlreiche in der Kopfbedeckung angebrachte Sensoren sollen Gehirnaktivitäten exakt abbilden und lokalisieren, um zum Beispiel Parkinson-Erkrankte behandeln zu können. »Über Magnetfelder können wir ganz andere Dinge messen als vorher«, sagt Günther Deuschl, Professor für Neurologie. Er arbeitet daran, mithilfe von Elektroden Gehirnbereiche ganz gezielt zu aktivieren, um beispielsweise Einschränkungen im Bewegungsablauf von Patientinnen und Patienten auszugleichen.

Für diese exakten Ergebnisse braucht es die richtigen Sensoren und die richtige Messtechnik. Materialwissenschaftlerinnen und -wissenschaftler beschäftigten sich im SFB daher mit der Frage, woraus und wie sie die magnetoelektrischen Sensoren herstellen müssen, damit sie möglichst empfindlich und damit leistungsstark werden. Die aktuell sensibelsten Sensoren können ein halbes Pikotesla messen, eine Million Mal schwächer als das Erdmagnetfeld. Die Forschenden im SFB wollen Sensoren entwickeln, die nochmals zehnmal empfindlicher sind.

»Es gibt aber ein Problem: Wenn wir die Sensoren sensibler machen, werden sie auch empfindlicher für magnetisches Rauschen, also Störgeräusche«, erklärt Jeffrey McCord, Professor für nanoskalige magnetische Werkstoffe. Sein Fachgebiet sind magnetische Domänen. Eine Schicht ist nicht überall gleich magnetisch, sondern zerfällt automatisch in unterschiedliche Bereiche, sogenannte Domänen, um Streufelder zu minimieren. »Das Rauschen entsteht durch die Bewegung der Domänenwände, wenn sie ihre magnetische Richtung ändern. Wir versuchen daher, magnetische Schichten herzustellen, die nur aus einer Domäne bestehen – nicht ganz einfach.«

Auch die Elektrotechnikerinnen und techniker versuchen bei der Entwicklung des Messsystems, Störgeräusche zu minimieren und am Computer zu bereinigen. »Mithilfe von weiteren Sensoren wollen wir neben den biomagnetischen Signalen wie dem Herzschlag auch Störsignale messen. Diese subtrahieren wir und erhalten so das reine Nutzsignal«, erklärt Gerhard Schmidt, Professor für Digitale Signalverarbeitung und Systemtheorie.

Der Elektroingenieur steht in engem Austausch mit der Materialwissenschaft und der Medizin. »Bei praktischen Fragestellungen kommen wir in Zukunft nur weiter, wenn wir mit anderen Disziplinen zusammenarbeiten«, ist er überzeugt. Auch Deuschl sieht die Interdisziplinarität des SFB als Voraussetzung für dessen Erfolg an: »Um Krankheiten besser zu verstehen und zu behandeln, brauchen wir den fachlichen Nachbarn. Eine Uni wie diese hat die Kraft und die richtigen Leute, um diese Fragen zu beantworten.«

Julia Siekmann

www.sfb1261.de
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