„Drahtlose medizinische Sensoren können den Patientenkomfort verbessern“

30. Mai 2023

Bild: Dinesh R Gawade

Der Tyndall-Doktorand Dinesh R Gawade entwickelt drahtlose, batterielose Sensorgeräte, die viele Anwendungen haben, unter anderem im Gesundheitswesen und zur Überwachung von Museumsartefakten.

Dinesh R. Gawade dankt seinem akademischen Betreuer Dr. John L. Buckley dafür, dass er ihm die Unterstützung, Motivation und das Wissen gegeben hat, um bei seiner Arbeit erfolgreich zu sein. „Sein aktives Engagement und sein Streben nach Perfektion haben meine Forschungsmentalität geprägt“, sagte Gawade.

„Er ermutigt mich immer, nach neuen Forschungsperspektiven zu suchen und durch Forschungsexzellenz zu Deep-Tech-Innovationen und Wirkung beizutragen.“

Gawade promoviert beim Team für Radiofrequenz (RF) und Antennendesign, der Wireless Sensor Networks Group und dem Microelectronic Circuits Centre Ireland am Tyndall National Institute des University College Cork. Für seine Projektarbeit erhielt er kürzlich ein Wrixon Research Excellence Bursary.

Er absolvierte einen Abschluss in Elektronik und Kommunikationstechnologie am Department of Technology der Shivaji University, Indien. Er arbeitete einige Jahre in der Industrie als Hardware-Designingenieur, bevor er an die Wissenschaft zurückkehrte, um als Projektingenieur am Indian Institute of Technology Mandi zu arbeiten.

Im Jahr 2019 kam er als wissenschaftlicher Mitarbeiter zu Tyndall, wo er einen Master in Ingenieurwissenschaften abschloss. Er entwickelte einen Sensor, der heute in Museen in ganz Europa eingesetzt wird, unter anderem zur Verfolgung der Bedingungen für Andy Warhols Gemälde „Blumen“ aus dem Jahr 1964, das sich in der Peggy Guggenheim-Sammlung in Venedig befindet.

„Die Überwachung der Mikroumgebung ist für die Erhaltung von Museumsartefakten von entscheidender Bedeutung“

Derzeit arbeite ich an meiner Doktorarbeit, die sich mit dem Design und der Entwicklung von drahtlos betriebenen implantierbaren medizinischen Geräten (WPIMDs) befasst.

WPIMDs sind hochminiaturisierte Geräte, die in den menschlichen Körper implantiert werden, um eine kontinuierliche Überwachung physiologischer Parameter wie Blutalkoholspiegel, neuronale Modulation und Medikamentenabgabe ohne Verwendung einer Batterie zu ermöglichen. Anstelle einer Batterie verwenden WPIMDs ein externes Lesegerät, um das Implantat mit Hochfrequenzstrom (RF) zu versorgen und eine drahtlose Datenübertragung vom Implantat zu ermöglichen.

Während meines Masterstudiums habe ich in enger Zusammenarbeit mit dem ZFB in Deutschland erfolgreich eine intelligente Museumsarchivbox entwickelt und demonstriert, die über einen vollständig integrierten drahtlosen Temperatur- und Feuchtigkeitssensor verfügt. Die batterielose Sensorlösung ermöglichte eine bequeme drahtlose Erfassung, indem einfach ein Standard-Smartphone in unmittelbarer Nähe der Archivbox aus Pappe platziert wurde.

WPIMDs machen eine Batterie überflüssig, wodurch die mit einem chirurgischen Austausch der Batterie verbundenen Risiken verringert und der Patientenkomfort verbessert wird. WPIMDs können eine kontinuierliche oder arbeitszyklusbasierte Überwachung physiologischer Parameter ohne Verwendung einer Batterie ermöglichen, was zu einer geringeren Implantatgröße führt, die Lebensdauer des Geräts verlängert und neue medizinische Anwendungen ermöglicht.

Im Zusammenhang mit der Überwachung von Museumsartefakten ist die Überwachung der Mikroumgebung von entscheidender Bedeutung für die Erhaltung von Museumsartefakten, die in Archivboxen aufbewahrt werden. Allerdings können sich die mikroklimatischen Bedingungen innerhalb der Boxen aufgrund des intrinsischen Wassergehalts der gelagerten Materialien von der Außenumgebung unterscheiden, was eine Überwachung erschwert.

Herkömmliche Überwachungsgeräte sind zu groß, zu teuer oder erfordern das Öffnen des Gehäuses zum Ablesen, wodurch Verunreinigungen entstehen können. Es wurde eine neue batterielose intelligente Archivbox entwickelt und demonstriert, die eine genaue Überwachung ermöglicht, ohne dass die Box bewegt oder geöffnet werden muss und kein Batteriewechsel erforderlich ist.

Dies ist besonders für kleine und mittlere Museen mit Budgetbeschränkungen und kritischen Lagerbedingungen von Vorteil, da Restauratoren das Risiko einer Verschlechterung der Artefakte schnell erkennen und reduzieren können.

Generell ist die Entwicklung batterieloser Sensorgeräte aus ökologischer Sicht wichtig, da sie dazu beiträgt, Elektroschrott zu reduzieren, der ein erhebliches Umweltproblem darstellt.

Batterien enthalten giftige Chemikalien, die bei unsachgemäßer Entsorgung in die Umwelt gelangen und zu Boden- und Wasserverschmutzung führen können. Darüber hinaus erfordern die Herstellung und Entsorgung von Batterien einen erheblichen Energieaufwand, der zu Treibhausgasemissionen beiträgt.

Batterielose Sensorgeräte hingegen können mithilfe von Energiegewinnungstechniken wie der drahtlosen Energieübertragung aus der Umgebung mit Strom versorgt werden. Dies reduziert nicht nur die Umweltbelastung durch Batterien, sondern macht auch den häufigen Batteriewechsel überflüssig, der unpraktisch und kostspielig sein kann.

Darüber hinaus dürften WPIMDs im Gesundheitswesen von Bedeutung sein, da sie das Potenzial haben, den Patientenkomfort zu erhöhen, das Krankheitsmanagement zu verbessern, die Gerätelebensdauer zu verlängern und die Gesundheitskosten zu senken.

Schon als kleines Kind war ich von den Bereichen Technik und Naturwissenschaften fasziniert. Meine Neugier wurde von meinen Eltern, meinem Bruder und meinen Lehrern gefördert und gefördert.

Nachdem ich zum Tyndall National Institute gekommen war, hatte ich die Gelegenheit, an einem von EU Horizon 2020 finanzierten Projekt namens Apache zu arbeiten, bei dem ich unter der Aufsicht von Dr. John Buckley mit der Entwicklung eines batterielosen Sensorgeräts für die Überwachung von Museumsartefakten beauftragt wurde.

Während dieses Projekts erlangte ich ein tieferes Verständnis über die Auswirkungen von Batterien auf die Umwelt und die damit verbundenen Probleme, wie beispielsweise die Kosten für den Batteriewechsel bei verschiedenen Anwendungen.

Meine Forschungsarbeit im Apache-Projekt veränderte meine Denkweise und inspirierte mich zu einer weiteren Karriere im Bereich der drahtlosen Energieübertragungsforschung und der Entwicklung drahtlos betriebener medizinischer Geräte.

Mit der Entwicklung von WPIMDs sind mehrere Herausforderungen und Missverständnisse verbunden. Die Entwicklung von WPIMDs ist ein komplexer Prozess, der die Berücksichtigung einer Vielzahl technischer und regulatorischer Überlegungen erfordert. Das Erreichen einer hohen Effizienz der Energieübertragung zwischen dem externen Lesegerät und dem Implantat ist von entscheidender Bedeutung. Ein geringer Wirkungsgrad kann zu einer schlechten Geräteleistung führen und eine hohe externe Leseleistung kann das Risiko einer Gewebeschädigung erhöhen.

Die Weiterentwicklung sicherer drahtloser Kommunikationsverbindungen kann bei der WPIMD-Entwicklung eine Herausforderung darstellen, da diese Geräte Patientendaten schützen und unbefugten Zugriff auf das Implantat verhindern müssen.

Darüber hinaus kann die Entwicklung von WPIMDs im cm2-Maßstab eine Herausforderung darstellen, da sie die Integration elektrisch kleiner Antennen (ESAs) erfordert. ESAs leiden unter einer geringen Verstärkung und Strahlungseffizienz, was die Menge an HF-Energie begrenzt, die für die Stromversorgung des WPIMD zur Verfügung steht.

Die Covid-19-Pandemie hatte große und bemerkenswerte Auswirkungen auf die Beteiligung der Öffentlichkeit an der Wissenschaft und führte dazu, dass die Menschen sich mit Online-Lernen und Fernarbeit vertraut machten und vertraut wurden.

Während dieser Zeit erstellten Dr. Sanjeev Kumar und ich Videos, um Studenten und der Öffentlichkeit das Konzept der drahtlosen Energieübertragung vorzustellen. Jetzt können alle diese aufgezeichneten Videos auch denjenigen gerecht werden, die aus verschiedenen Gründen nicht an persönlichen Sitzungen teilnehmen können, wodurch unsere wissenschaftliche Forschung für alle zugänglicher wird.

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Verwandt: Medizintechnik, Forschung, University College Cork, Ingenieurwesen, Tyndall National Institute

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