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Mensch und Gesundheit

Kaum eine Entwicklung wird die modernen Industriegesellschaften in der in Zukunft so prägen wie der demografische Wandel, welcher zu einem starken Anstieg von altersbedingten Leiden (wie z. B. Herzkreislauferkrankungen, Krebs und neurodegenerative Krankheiten) führen wird. Die moderne Medizin beruht auf quantitativen Messungen von physiologischen Größen als auch von zellulären und molekularen Prozessen. Im menschlichen Körper sind diese Größen eng miteinander verbunden und für eine verbesserte Diagnose von Krankheiten und fundierte Therapieentscheidungen von hoher Bedeutung. Darüber hinaus spielen quantitative Messverfahren bei der Therapiekontrolle eine Schlüsselrolle, um Änderungen von individuellen Messwerten aufgrund einer Therapie für unterschiedliche Patienten zu erfassen. Dieser Trend einer evidenzbasierten und personalisierten Medizin hat positive Auswirkungen auf den weltweiten Wachstumsmarkt Medizintechnik. Die PTB unterstützt die Industrie insbesondere in den Bereichen Laboratoriumsmedizin, Bildgebung und Umweltmesstechnik.

  • Etwa 70 % aller medizinisch-diagnostischen Entscheidungen beruhen auf Ergebnissen der Laboratoriumsmedizin, die im Wesentlichen auf der quantitativen Analyse von Körperflüssigkeiten basiert. Dabei wird u. a. die Konzentration von Biomolekülen bestimmt, die als diagnostische Marker eingesetzt werden können, z. B. für die Diagnose von Herzerkrankungen oder eine virologische oder bakterielle Belastung. Dies erfordert die sichere Identifizierung relevanter Moleküle und ihre genaue Quantifizierung. In der klinischen Praxis eingesetzte Verfahren müssen durch Primärverfahren validiert sein. Diese basieren gegenwärtig in der Regel auf der Massenspektrometrie, die für kleinere Moleküle mit molaren Massen bis etwa 1000 g/mol eingesetzt werden kann. Viele wichtige diagnostische Marker sind jedoch Makromoleküle mit molaren Massen bis zu mehreren Millionen g/mol. Routineverfahren zur Analyse dieser Marker liefern oft keine übereinstimmenden Ergebnisse. Die dringend erforderliche Rückführung solcher Messgrößen erfordert gänzlich neue Strategien für Primärverfahren. Hier werden Lösungen auf der Grundlage biotechnologischer und optisch analytischer Messverfahren entwickelt.

  • Messungen von Zellkonzentrationen – prominentestes Beispiel ist das „Kleine Blutbild“ – sind sehr häufige Analysen in der Labormedizin. Sie haben eine erhebliche Bedeutung für Therapieentscheidungen und -kontrollen. Neue Ansätze in der labormedizinischen Diagnostik erfordern verbesserte Methoden der Identifikation und Zählung seltener Zelltypen in kleinen Probenmengen. Hier sind die Entwicklung von Referenzverfahren und deren Validierung durch Ringversuche erforderlich.

  • Neue quantitative Mess- und Analyseverfahren im Bereich der in-vivo-Bildgebung mit Hilfe von Ultraschall, Röntgenstrahlung und Magnetresonanz (MR) werden entwickelt, um die Diagnose anhand von Bildkontrasten zu unterstützen. Die Messung physiologischer Parameter, wie z. B. lokale Durchblutung, Sauerstoffversorgung und Stoffwechsel, ist hier von hoher Bedeutung. Zusätzlich wird Bildgebung vermehrt mit lokalen spektroskopischen Messungen und elektrophysiologischen Untersuchungen kombiniert. Ziel ist es, funktionelle Effekte mit höherer Genauigkeit und Empfindlichkeit messen zu können.
  • In den letzten Jahren haben verstärkt multi-modale Systeme (z. B. PET-CT, PET-MR) in den klinischen Alltag Einzug gehalten. Daher werden kombinierte Mess- und Rekonstruktionsverfahren an Bedeutung gewinnen, da neue iterative Rekonstruktionsalgorithmen oft einen größeren Einfluss auf die Messgenauigkeit haben als die eigentlichen Messverfahren selbst. Neue Rekonstruktionsverfahren werden zur Dosisreduktion bereits verstärkt in der OP-begleitenden Röntgenbildgebung und in der Computer-Tomographie eingesetzt, wozu neue Ansätze zur individuellen Dosisbestimmung entwickelt werden müssen. Auch die Kombination von Therapieverfahren mit bildgebender Diagnostik ist ein aktueller Trend in der Medizintechnik. Dadurch werden sowohl eine bildgeführte Therapie als auch eine direkte lokale Therapiekontrolle möglich. Für die Kombination von Strahlentherapien mit MR-Bildgebung besteht ein großer Bedarf an Referenzphantomen und neuen Dosimetrie-Prozeduren, mit denen eine genaue Bestimmung der Therapiedosis in den hohen MR-Magnetfeldern oder sogar simultan zur MR-Diagnostik möglich ist. Ein langfristiges Ziel dieser Entwicklungen ist eine zuverlässige Messung der biologischen Wirksamkeit einer Strahlentherapie bei gleichzeitiger MR-Bildgebung, z. B. eines bestrahlten Tumors und des umgebenden gesunden Gewebes.

  • Nanopartikel sind für die medizinische Diagnostik und pharmazeutische Anwendungen von zunehmender Bedeutung. Magnetische Nanopartikel sind bereits fester Bestandteil in der Labordiagnostik, z. B. bei der Zellcharakterisierung. Zukünftig werden sie als Kontrastmittel in der MR-Bildgebung bzw. als kontrastgebendes Material in der magnetischen Partikelbildgebung eingesetzt. Sie erlauben ebenfalls neue Ansätze in der Krebstherapie. Die diagnostische Qualität und der therapeutische Effekt hängen wesentlich von den magnetischen Eigenschaften der eingesetzten Nanopartikel ab. Ihr pharmakokinetisches Verhalten wird hingegen stark von Form, Größe und elektrischer Ladung bestimmt. An diese Anwendungen angepasste Methoden der magnetischen, elektrischen und dimensionellen Charakterisierung magnetischer Nanopartikel sind deshalb für die Beurteilung sowohl der Wirksamkeit als auch der Patientensicherheit erforderlich.

  • Der Schutz des Hörens wird im Zuge einer immer älter werdenden Gesellschaft eine zunehmend wichtigere Aufgabe für die Sicherung der Lebensqualität. Unverträgliche Lärmexpositionen an Arbeitsplätzen oder den Lebensräumen im privaten Bereich sind zu vermeiden. Neue Verfahren zur Bestimmung der wahrnehmbaren Belastung durch Infraschall und Ultraschall, d. h. bei Frequenzen unterhalb und oberhalb des typischen menschlichen Hörbereichs, sind für das Verständnis von Wahrnehmungsmechanismen und die Bewertung möglicher negativer Umwelteinflüsse auf die Gesundheit von hoher Bedeutung.