Die Atmung kann empfindlich anzeigen, in welchem Gesundheitszustand sich ein Patient befindet und wie fit jemand ist. Atemunterbrechungen während des Schlafs kennzeichnen z.B. das Schlafapnoe-Syndrom, eine zu schnelle Atmung im Ruhezustand kann auf einen bevorstehenden Herzstillstand hinweisen, während der Verlauf der Atmung während des Trainings Sportlern ihre Fitness anzeigt. Bislang gibt es außer der simplen Beobachtung der Brustkorbbewegung kaum preisgünstige, bedienungsfreundliche und effektiv einsetzbare Methoden, um die Atmung zu überwachen. Jetzt hat George M. Whitesides von der Harvard University gemeinsam mit einem Team aus Chemikern und Biotechnologen ein preisgünstiges Überwachungssystem auf Basis von Papier entworfen (siehe Angewandte Chemie, Online-Vorabveröffentlichung am 5.4.2016).
Auf ein etwa briefmarkengroßes Stück Filterpapier druckten sie digital Graphitelektroden auf, welche die Leitfähigkeitsänderungen an den Papierfasern durch die feuchte Atemluft registrieren. Hinter dem Sensor steht die Idee, dass die zusätzliche Atemfeuchtigkeit beim Ausatmen die Wasserschicht um die Cellulosefasern schwellen lässt; das Umgekehrte passiert beim Einatmen. „Im Wesentlichen verwandelt der Papiersensor das variierende Feuchtigkeitsniveau in der direkten Umgebung in ein elektrisches Signal“, erläutern die Autoren.
Der Sensor kann in einfache OP-Gesichtsmasken integriert werden. Die Atmungsdaten werden dort von einem batteriebetriebenen Kollektor aufgenommen, verstärkt und verarbeitet, und auf ein mobiles Endgerät wie Smartphone oder Tablet übertragen. Eine einfach zu bedienende Android-App wertet dann die Atmungsdaten aus.
Die Wissenschaftler ließen gesunde Personen die Funktionsmasken tragen und physische Belastungsübungen unterschiedlicher Intensität durchführen. Dabei untersuchten sie, inwieweit der Sensor verlässliche Daten zur Atemfrequenz produziert. Für den Ruhezustand erkundeten sie die normale Atmung, Atempausen und eine beliebige Abfolge von schneller, langsamer, flacher und tiefer Atmung. „Das System ist nicht invasiv und ermöglicht daher praktischen Ärzten, nach einfachen IRB-Freigaben [IRB = Institutional Review Board] zu physiologisch relevanten Körperdaten zu kommen“, schreiben die Autoren und hoffen, dass sich interessante Anwendungen im Gesundheitsbereich abzeichnen, zumal der Sensor so einfach handzuhaben und zudem sehr preisgünstig und aussagekräftig ist.
Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker e.V.