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Der Brustgurt warnt vor Demenz: Empa entwickelt Hightech-Messgerät

Die Empa in St. Gallen entwickelt ein Messsystem zur Früherkennung von Alzheimer. Damit betritt sie technologisches Neuland.
Christoph Zweili
Michael Bürgisser, Masterstudent an der Empa, rüstet einen Probanden mit dem Brustgurt und den Sensoren aus. (Bilder: Lisa Jenny)

Michael Bürgisser, Masterstudent an der Empa, rüstet einen Probanden mit dem Brustgurt und den Sensoren aus. (Bilder: Lisa Jenny)

Das Risiko, an Demenz zu erkranken, liegt heute bei eins zu fünf. Gedächtnisstörungen – «ich vergesse immer mehr!», die verminderte Fähigkeit, sich auf eine Aufgabe zu konzentrieren, Entscheide zu treffen, trotz leeren Kühlschranks über Tage das Einkaufen zu vergessen oder den Herd nicht abzuschalten, solche Erfahrungen machen Angst.

«Diese leichten Beeinträchtigungen des Gedächtnis und der Hirnleistung beeinflussen bei älteren Menschen auch die Motorik»

sagt Simon Annaheim von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) in St. Gallen, die zum ETH-Bereich gehört. «Diese Menschen gehen langsamer, oder ihre Fähigkeit, gleichzeitig zu gehen und zu reden, ist eingeschränkt.»

Hier setzt die viermonatige, bisher intern finanzierte Studie der Empa und der Geriatrischen Klinik St. Gallen mit 85 Probanden aus der Region an. Ein neu entwickeltes tragbares Messsystem soll sehr frühe Anzeichen von leichten geistigen Beeinträchtigungen und Demenz, zum Beispiel die Alzheimerkrankheit, entdecken helfen. «Einmal entwickelt, könnte es in spezialisierten Gedächtniskliniken eingesetzt werden, bevor weitere aufwendige, teure und invasive Untersuchungen, zum Beispiel Entnahme von Blutproben oder Rückenmarkflüssigkeit sowie Gehirnuntersuchungen mit bildgebenden Verfahren zur Anwendung kommen», sagt der Forscher. «Wir suchen den Algorithmus für diese nichtinvasiven Messungen.»

Testanlage: Leichte geistige Beeinträchtigungen verändern die Motorik.

Testanlage: Leichte geistige Beeinträchtigungen verändern die Motorik.

Die im August ausgeschriebene Studie richtet sich an geistig gesunde ältere Personen sowie Menschen, die unter leichten geistigen Beeinträchtigungen leiden, ihren Alltag aber noch selbstständig bewältigen können. Die Teilnehmer – der jüngste Proband 65, die älteste Teilnehmerin 89 Jahre alt – werden seit September einem kognitiven Test unterzogen: Dabei müssen sie sich zum Beispiel bestimmte Begriffe merken oder auf Papier eine Aufgabe lösen.

Beim zweiten Test geht es um körperliche Messungen. Ein Gesundheitsfragebogen wird ausgefüllt, die Systeme zur Messung von Körpersignalen in Ruhe und beim Gehen werden angebracht. Beim dritten Testtermin nach zwölf Monaten werden in der Geriatrischen Klinik anhand einer Blutentnahme verschiedene Messwerte im Zusammenhang mit der möglichen Entwicklung der Alzheimerkrankheit ermittelt.

Geistig fit mit japanischem Videospiel

Die Studienteilnehmer werden nach dem Zufallsprinzip in zwei Gruppen eingeteilt. Gruppe A absolviert während zweier Monate zweimal wöchentlich ein Trainingsprogramm: Die Teilnehmer folgen dabei nach japanischem Vorbild einem Videospiel, bei dem sie zu Musik Schritte nach links, rechts, vorne oder hinten ausführen. Die Schritte werden durch Pfeile auf dem Videobildschirm vorgegeben. Zudem werden Kräftigungsübungen durchgeführt.

Gruppe B absolviert die Tests, lebt aber den eigenen Alltag weiter wie bisher. «Es ist bekannt, dass das komplexe Training die kognitive Leistungsfähigkeit verbessert. Wir möchten nun diese Veränderungen mit unserem Monitoringsystem messen können», sagt Annaheim.

«Materials meet Life» heisst das Departement von Alex Dommann. Der Name ist Programm: «Das ist, was hier geschieht.» Die Sensorik ist nur eines von vielen Beispielen. Mittels Sensoren können viele Körperfunktionen, aber auch Krankheitssymptome, hochpräzise erfasst und behandelt werden. Die Empa ist spezialisiert auf Textilsensoren, die grössere Flächen am menschlichen Körper überwachen können, um möglichst früh mit der Behandlung einsetzen zu können.

Die Kappe mit Elektroden.

Die Kappe mit Elektroden.

In der Studie werden unter anderem auch selbst entwickelte textile Messinstrumente verwendet. Zum Einsatz kommt ein EKG-Brustgurt, der das Herz in Aktivität, aber auch in Ruhe und während des Schlafens überwachen kann. Inzwischen lässt sich damit auch die Atemfrequenz messen. Bald werden die Empa-Forscher weitere Vitalfunktionen mit dem Gurt aufzeichnen können. «In der Studie lassen sich degenerative kognitive Veränderungen über Gewebeentzündungen nachweisen.» Daher wird bei einer Untergruppe der Teilnehmer auch die Körpertemperatur während 24 Stunden gemessen. Kleinste Abweichungen bei der Herzfrequenz deuten ebenfalls auf eine kognitive Erkrankung hin, was Langzeitmessungen notwendig macht.

Ampelsystem für Screening zu Hause

Der bereits auf dem Markt erhältliche Brustgurt soll ein Screening zu Hause über mehrere Tage möglich machen. Die Vision von Empa-Forscher Annaheim wäre ein Ampelsystem: «Der Anwender erhält keine Demenzdiagnose, diese ist Sache der Ärzte. Aber denkbar ist ein Ampelsystem: Grün für ‹alles ist gut›, Gelb für ‹es sind Anzeichen für kognitive Einschränkungen da, konsultieren Sie den Hausarzt› und Rot für ‹Lassen Sie sich medizinisch abklären›.» Eine Weiterentwicklung des EKG-Gurts wäre der Einsatz in der Palliativmedizin: Sensoren registrieren einen sich anbahnenden Schmerzschub, bevor ihn der Patient merkt. Das Personal kann so frühzeitig mit Schmerzmitteln darauf reagieren.

Kleider werden in Zukunft mit der Umgebung kommunizieren können: Die gesammelten Daten aus den Sensoren intelligenter Textilien werden im Internet der Dinge zur Verfügung stehen. Davon sind die Forscher an der Empa überzeugt. Ein angenehmer Nebeneffekt: Diese «Medtech-Innovationen» führen zu einem Aufschwung der Textilindustrie. Jeder textilen Faser lässt sich eine bestimmte Funktionalität zuordnen. Damit sind völlig neue Anwendungen möglich. Der textile Brustgurt, der das Elektrokardiogramm aufzeichnet, hält sich selber feucht – das ist unerlässlich für eine zuverlässige Signalerfassung, vor allem bei älteren Menschen mit einer trockeneren Haut. Die Fasern aus Polyethylenterephthalat für die Befeuchtungspads wurden mit einer an der Empa entwickelten Plasmaanlage beschichtet. Eine Silberschicht, umhüllt von einer wenige Nanometer dicken Schicht aus Titan, leitet die elektrischen Impulse weiter und verhindert, dass das Silber seine potenziell zellschädigende Wirkung entfaltet.

Ein Empa-Spin-off, begleitet von der Universität St. Gallen, will den Gurt in eine Monitoringlösung integrieren. Damit schliesst sich der Kreis. «Die Empa will Innovationen fördern, indem aus Forschungsresultaten ein Mehrnutzen generiert wird, welcher für die hiesige Industrie nützlich ist.» Für Alex Dommann ist der Anspruch klar: «Wir wollen mit unseren Produkten die Ersten auf dem Markt sein.»

Leuchtpyjama und Biofilm

(cz) «2050 werden mehr Menschen an Infekten sterben als an Krebs», sagt Alex Dommann, Direktionsmitglied und Leiter des Empa-Departements «Material meet Life». Ein Team aus Empa-Forschern und Medizinern vom Kantonsspital St. Gallen arbeitet aktuell an einem Projekt, das das Risiko von Infektionen durch Krankheitskeime senken soll: Der Fokus liegt dabei auf der Analyse von Biofilmen auf Urinkathetern.

14 Projekte am Laufen, sechs abgeschlossen: Die Zusammenarbeit mit dem Kantonsspital ist eng. Unter anderem soll die Bestrahlung bei Krebspatienten verbessert werden: «Wir können die Dosen bei gleichen Ergebnissen bis zum Faktor 20 senken ohne benachbarte Organe zu schädigen», sagt Dommann. Noch nicht kommerzialisiert ist ein an der Empa entwickeltes intelligentes Pflaster, das vor schlechter Wundheilung warnt. Auch das zusammen mit dem Ostschweizer Kinderspital entwickelte Leuchtpyjama gegen Gelbsucht ist noch nicht auf dem Markt: Eine integrierte Lichttherapie macht die giftigen Abbaustoffe von Hämoglobin unschädlich. Dies war bisher nur im Brutkasten möglich – der Pyjama erlaubt die Behandlung der Babys in den Armen der Eltern.

Mitarbeiter aus 28 Nationen

(cz) Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) beschäftigt knapp 1000 Angestellte aus bis zu 50 Nationen an den Standorten St. Gallen, Dübendorf und Thun. Anfangs eine «Controllstelle für Baumwollgarne» unter dem Dach der Industrie- und Handelskammer, dann als «Schweizerische Versuchsanstalt» in die Empa überführt, wandelte sich die Prüfstelle in St. Gallen in den 1990er Jahren zum modernen Forschungsinstitut.

Im futuristischen Gebäude im Industriequartier Bruggen arbeiten 200 Mitarbeitende aus 28 Nationen, darunter Textilingenieure, Materialwissenschaftler, Physiker, Biochemiker, Biologen und Nanowissenschaftler. Hier werden innovative, nachhaltige Technologien und Produkte an der Schnittstelle von Werkstoffforschung und den «Life Sciences» für die Biotech-, Medizintechnik und Textilbranche entwickelt.
Empa-Forscherinnen, -Forscher und -Ingenieure haben im Jahr 2018 über 700 wissenschaftliche Publikationen veröffentlicht und 14 Patente angemeldet. Im gleichen Jahr liefen über 120 vom Nationalfonds finanzierte Projekte und fast 70 EU-Projekte.

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