LUDI 2.0 – Entwicklung eines Gerätes zur Lungendiagnostik 2.0

In Österreich erkranken trotz hoher Standards in der Gesundheitsversorgung und hochwertiger Lebensbedingungen jährlich ca. 4.000 Personen neu an bösartigen Lungentumorerkrankungen. Aufgrund von ausbleibenden Frühwarnsymptomen und fehlenden Screening-Programmen ist Lungenkrebs mit schlechten Prognosen assoziiert. Die 5-Jahres-Überlebensrate liegt nach vorliegender Diagnose bei bescheidenen 20 %.
Die bestehenden bildgebenden Untersuchungsmethoden eignen sich wegen der hohen Strahlenbelastung nicht für regelmäßige Routineuntersuchungen. Biologische Merkmale, die eindeutig mit Prozessen und Krankheitszuständen in Verbindung stehen – sogenannte Biomarker – sind in den Fokus der Forschung gerückt und könnten Alternativen bieten. Bei Lungenerkrankungen ist vor allem die ausgeatmete Luft von Interesse. Sie steht im direkten Kontakt mit Prozessen innerhalb der Lunge bzw. des bronchialen Systems und ändert während des Krankheitsverlaufes geringfügig ihre chemische Zusammensetzung.
Mit chemischen Laboranalysen können diese Veränderungen, die sogenannten flüchtigen organischen Verbindungen detektiert werden. Für eine klinische Implementierung wird an einfach handhabbaren und günstigen Sensorsystemen geforscht. Meist mehrere und unterschiedliche Sensoren sollen die Änderungen in der Atemluft erfassen und mittels Machine Learning-Algorithmen Rückschlüsse auf Erkrankungen erzielt werden. Die Kernaufgabe dieser Arbeit liegt in der Weiterentwicklung eines Sensors, der in einer klinischen Studie vielversprechende Ergebnisse lieferte. Der widerstandsbasierte Sensor besteht aus einem Komposit des reaktiven Materials Tetracosan, der leitfähigen Komponente Kohlenstoff und einem Pflasterspray als Bindemittel. Ein Entwicklungsprozess zur Erhöhung der Sensibilität, der Stabilisierung des Sensormaterials und der Verbesserung der Reproduzierbarkeit wurde durchgeführt.
Das Resultat reagiert breitbandig auf verschiedene flüchtige organische Verbindungen bei konstanter Konzentration mit unterscheidbaren Widerstandsänderungen. Zudem bewirkt die Beaufschlagung mit unterschiedlichen Konzentrationen eines Stoffes differenzierte Reaktionen, die einen eindeutigen Zusammenhang aufweisen. Wiederholungsmessungen und der Vergleich von Sensoren mit gleichem Referenzwiderständen zeigen nahezu identisches Verhalten.
Probleme stellen das deutliche Verfehlen der gewünschten Zielkonzentrationen und der enorme Einfluss von Änderungen der relativen Luftfeuchtigkeit dar. Mögliche Lösungsansätze werden dazu diskutiert.
Eine praktische Einsatztauglichkeit des Sensors ist derzeit nicht gegeben. Die zuversichtlichen Messergebnisse, das Vorhandensein von möglichen Lösungsansätzen für die Problemfelder und die einfache, kostengünstige Bauweise bieten großes Potential für eine weitere und zielführende Entwicklung.
Qualitative Messungen sind die Grundvoraussetzung für eine erfolgreiche Sensorentwicklung. Ein vorhandener Messaufbau wurde um einen Zweiten, speziell für die erste Entwicklungsphase erweitert. Die Kombination beider Aufbauten gewährleistet über den gesamten Entwicklungsprozess eine ordentliche Sensorverifikation.