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Ein Sensor als „Sprachrohr“ für die Blase

Zwei Tekkies, die Millionen von Menschen helfen möchten: Jean-Marc Sujata und Julian Hengsteler in einem ihrer Labore in der ETH.

Jean-Marc Sujata und Julian Hengsteler möchten Querschnittsgelähmten und MS-Patienten ein Stück Lebensqualität zurückgeben: Die beiden Studenten der ETH Zürich haben mit ihrem Team einen dehnbaren Volumensensor entwickelt, der den Füllstand der Blase messen kann.

Es ist eine Begegnung, die Jean-Marc Sujata nicht vergessen wird: Er steht hinter dem Infotisch seines „Fokus-Projekts“ – und informiert. Vor ihm sitzt ein Mann im Rollstuhl – und lässt sich informieren. Zusammen mit neun weiteren Studierenden hat Sujata unter start-up-ähnlichen Bedingungen eine medizinisch-technische Musterlösung namens „Urosense“ entwickelt. Die Vision: Querschnittsgelähmte und Multiple-Sklerose-Patienten sollen mit Hilfe eines Sensors und einer Smartphone-App den Füllstand ihrer Blase ablesen können. Gerade eben ist im Audimax der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich die Roll Out-Präsentation vor Publikum erfolgreich zu Ende gegangen, und nun hat Sujata im Innenhof des ETH-Hauptgebäudes nach zwei Semestern Projektarbeit zum ersten Mal überhaupt direkten Kontakt zur Zielgruppe. Der Mann im Rollstuhl stellt immer neue Fragen: Wie genau funktioniert das Verfahren? Wann kommt Urosense auf den Markt? Kann man vorbestellen oder sich registrieren lassen? Was sind die weiteren Pläne?

Alltagsdominierendes Handicap: Der Verlust der Blasenfunktion

Natürlich hat sich Jean-Marc Sujata im Laufe der Projektarbeit intensiv mit Querschnittslähmung und Multipler Sklerose beschäftigt. Er weiß, was diese Krankheiten bewirken: Dass die Betroffenen nicht nur ihre körperliche Bewegungsfreiheit, sondern auch die Kontrolle über ihre Blase – das „Ich muss auf Toilette“-Gefühl – verlieren. Und dass dies sehr gefährlich ist, weil sich bei zu hohem Blasenfüllstand Urin zurück in die Niere stauen und zu Nierenversagen oder Harnleiterinfektionen führen kann. Gemeinsam mit seinen Kommilitonen hat der 23-jährige eine Technik auf den Weg gebracht, die den Patienten ein Stück Lebensqualität zurück gibt. Doch mit einem potenziellen Nutzer persönlich über Urosense zu sprechen – das ist neu. Der Rollstuhlfahrer ist nur rund zehn Jahre älter als Sujata, könnte sein älterer Bruder sein. Er erzählt, dass einem erst als Betroffener bewusst werde, wie essenziell wichtig die Blase sei. Und dass der Blasen-Kontrollverlust im Alltag sogar die größte Einschränkung darstelle. Ständig müsse er einen Katheter dabei haben, um sich in regelmäßigen Abständen vorbeugend zu entleeren. Sich von A nach B zu bewegen, sei hingegen deutlich weniger kompliziert, zumindest in einer behindertenfreundlichen Großstadt wie Zürich. Gegen Ende des Gesprächs erwähnt der Rollstuhlfahrer, dass er zehn Jahre zuvor selbst einmal an der ETH studiert habe – bis zu seinem Unfall. Seitdem sei er querschnittsgelähmt.

Die ersten Prototypen des Blasensensors dienen nur Forschungszwecken. Das fertige Produkt wird hauchdünn und deutlich kleiner sein.

Ein Sensor, der auf die Blase implantiert wird

Zwei Wochen später im Institut für Biomedizinische Technik: Jean-Marc Sujata ist immer noch gerührt, wenn er von seiner Begegnung mit dem querschnittsgelähmten Ex-Studenten berichtet. „Da merkt man natürlich schon, dass es hier um etwas anderes geht als zum Beispiel eine neue Grafikkarte zu entwickeln.“ Sujata will damit weder die Leistungen von Grafikkartenentwicklern abwerten, noch die Leistungen seines Teams aufwerten. Er sucht lediglich nach den richtigen Worten, um die Dimension aufzuzeigen, die sich hinter der Urosense-Technik verbirgt. „Dass unsere Arbeit kranken Menschen helfen soll, war für uns natürlich eine schöne Zusatzmotivation“, ergänzt Julian Hengsteler. Der Freiburger ist ein Jahr jünger als der Zürcher Sujata und ebenfalls Elektrotechnikstudent. „Insgesamt waren zehn Studierende aus den Bereichen Elektrotechnik und Maschinenbau an Urosense beteiligt, davon fünf im Rahmen des Fokus-Projekts.“

Der speziell konfigurierte Einplatinencomputer liefert wichtige Messwerte. Später wird ein winziger Chip die Steuerung übernehmen.

Studentisches Projekt unter Start-up-Bedingungen 

An der ETH Zürich geben die sogenannten „Fokus-Projekte“ Bachelor-Studenten wie Sujata und Hengsteler die Chance, in einer Gruppe ein Produkt zu realisieren. An realen Marktbedingungen orientiert werden die üblichen Prozesse durchschritten: Marketing, Konzeption, Design, Simulation, Entwurf und Produktion. Die Themenbandbreite ist groß. So hat ein anderes Team des gleichen Jahrgangs beispielsweise eine Simulatorplattform entwickelt, um Rettungsbagger fernsteuern zu können. Bei den Fokus-Projekten arbeiten die Studierenden selbstständig und werden von Professoren und weiteren Betreuern unterstützt und beobachtet. Sujatas und Hengstelers Aufgabe an diesem Tag ist es, stellvertretend für das gesamte Team ihr Projekt zu repräsentieren. Dazu passend tragen sie weiße Urosense-Polo-Shirts, auf denen ihre Vornamen stehen, und haben im Optics and Electronics Lab im Untergeschoss des Instituts einige Details vorbereitet.

"Mit Hilfe unseres Sensors können die Patienten vorbeugende Toilettenbesuche durch tatsächlich nötige ersetzen."

Ein langgezogener Raum. An den Wänden breite, weiße Arbeitsplatten mit den üblichen Anschlüssen für Laptops und elektronische Geräte. Darüber schmale Ablagen für Kabelspulen und andere Utensilien. „In diesem Labor haben wir einen großen Teil der Projektarbeit verrichtet“, erzählt Julian Hengsteler. Zwischen Daumen und Zeigefinger seiner Hände hält er jeweils ein Ende des Herzstücks der Urosense-Technik. Für Laien sieht es aus wie ein hauchdünnes Stück Folie, tatsächlich handelt es um den von winzigen, leitenden Nanowires durchzogenen Prototyp eines Sensors, der – wenn das Projekt fortgeführt und perfektioniert wird – den Patienten auf die Blase implantiert werden soll. Größe: Anderthalb Zentimeter. „Bis es so weit ist, wird der Sensor sicherlich in einer noch kleineren Version vorliegen“, sagt Hengsteler. Ziel sei es schließlich, den für die Implantation nötigen Schnitt so minimal-invasiv wie möglich zu setzen. Er zieht an den beiden Enden der Sensor-Folie. Sie lässt sich auf fast das Doppelte ihrer Länge dehnen. „Wir haben für den Sensor biokompatibles Silikon verwendet, das ähnlich elastisch ist wie Muskelgewebe. Das passt ideal zu unserer Anwendung, denn auch die menschliche Blase ist ein Muskel, der sich dehnt und bewegt.“

Ein innovatives Maetrial, das diese Erfindung erst möglich macht: robustes, dehnbares Silikon mit elektrischer Leitfähigkeit.

Dehnbare Mikroelektroden made in Zürich

Die angehenden Elektroingenieure profitieren bei ihrem Projekt vom ETH-eigenen Know-How und dem dazugehörigen Netzwerk: Sie arbeiten unter anderen mit einem Neuro-Urologen vom Uni-Spital zusammen. Und sie benutzen dehnbare, auf Silikon basierende Mikroelektroden, die das Laboratory of Biosensors and Bioelectronics für medizinische Anwendungen entwickelt hat. Der auf dieser Basis entstandene Sensor funktioniert komplett „passiv“, benötigt also keine eigene Batterie. Er wird über ein Auslesegerät angesteuert, das mit Hilfe eines Arduinoboards, eines Signalgeneratormoduls und eines Bluetoothmoduls arbeitet und über einen aufladbaren Akku betrieben wird. Zur Demonstration legt sich Julian Hengsteler einen Gurt um den Bauch, in den ein Prototyp des Auslesegeräts eingebunden ist.

"Das Prinzip des dehnbaren Sensors ist zum Patent angemeldet worden. Das läuft über die Uni, aber wir Studierende sind als Erfinder mit aufgeführt."

Hengsteler erklärt, wie Sensor und Auslesegerät kommunizieren: Vergrößert sich die Oberfläche der Blase, weil sie sich mit Urin füllt, dehnt sich auch der auf die Blasenoberfläche implantierte Sensor. Dadurch ändert er seine Kapazität und seine Resonanzfrequenz. Und eben diese Änderung kann das Auslesegerät messen und daraus auf das Volumen der Blase schließen. Der Kontakt zwischen Sensor und Auslesegerät kommt dabei durch eine „induktive Kopplung“ zustande, die vom Auslesegerät erzeugt wird. Die gewonnenen Daten werden dann wiederum per Bluetooth an eine Smartphone-App weitergegeben, die bei angeschnalltem Gurt alle 15 Minuten den Füllstand überprüft und in Prozent den Füllstand der Blase anzeigt. „Mit Hilfe dieser Technik können die Patienten vorbeugende Toilettenbesuche durch tatsächlich nötige ersetzen. So entleeren sie ihre Blase nur dann, wenn ihr Smartphone einen Füllstand von 65 oder 70 Prozent anzeigt.“

Wichtige Basisarbeit auf dem Weg zur Marktfähigkeit

Anders als bei einigen anderen Fokus-Projekten an der ETH sind bei Urosense zwar Sponsoren, aber keine direkten Partner aus der Industrie involviert. „Um Urosense bis zur Marktreife weiterzuführen, also irgendwann auch die strengen Sicherheitsauflagen für erste Versuche mit Menschen zu erfüllen, sind hohe Millioneninvestitionen nötig“, beschreibt Jean-Marc Sujata die weitere Zukunft des Projekts. „Ideal wäre es, wenn ein großer Medizintechnik-Konzern das Patent übernimmt und in Zusammenarbeit mit der Uni weiter ausbaut.“ 

Jean-Marc Sujata und Julian Hengsteler planen derweil erst einmal den weiteren Verlauf ihres Studiums. Bevor sie den Master-Abschluss angehen, machen beide ein Praktikum im Ausland. Hengsteler zieht es nach Indien, Sujata nach Japan. „Wir werden Urosense natürlich aus der Ferne verfolgen und hoffen sehr, dass es weitergeht“, sagt Sujata. In jedem Fall können sich die beiden gut vorstellen, nach ihrer Rückkehr an die ETH ihr einstiges Fokus-Projekt weiter mit voranzutreiben. Hengsteler erwähnt, dass die Vision der zuständigen Professoren noch viel weiter gehe: „Querschnittsgelähmte und MS-Kranke sollen langfristig in die Lage versetzt werden, ihre Blasenfunktion selbst aktiv anzusteuern. Dann wären nicht einmal mehr Katheter nötig, und die Infektionsgefahr würde weiter sinken.“

Derartige Innovationen wären ein Segen für die weltweit mehr als fünf Millionen Betroffenen – unter ihnen der eingangs erwähnte Rollstuhlfahrer: Im Gespräch nach der Roll Out-Präsentation hat er angekündigt, die Urosense-“Mission“ in jedem Fall weiter zu verfolgen. Gut möglich, dass er in 5, 10 oder 15 Jahren genau die Technik anzuwenden kann, für die das Team um Jean-Marc Sujata und Julian Hengsteler die Basisarbeit geleistet hat. Ein Sensor als „Sprachrohr“ für die Blase. 

Urosense ist ein Paradebeispiel für wahren Ingenieursgeist. „Wenn man ein Problem genau betrachtet, muss es auch eine Lösung geben.“

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