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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Ermittlung des Infektionsgrades einer Wunde unter Verbänden nach Anspruch 1.
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Es ist sinnvoll, den Infektionsstatus der Wunde zu überwachen, um weitere Schritte der Behandlung der Wunde einzuleiten und um das Eindringen von Krankheitserregern in den Körper und die Blutlaufbahn zu verhindern. Das ist insbesondere für Patienten mit schlecht heilenden Wunden oder Patienten mit einer beeinträchtigten oder geschwächten Immunabwehr wichtig. Die Folgen des Eindringens der Krankheitserreger reichen vom lokalen Versagen von Organfunktionen über Blutvergiftungen bis hin zum Eintreten des Todes des Patienten.
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Klinische Praxis ist es, den Verband zu öffnen und über Wundabstriche den Status der Wunde mit Laborverfahren zu bestimmen. Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Bestimmung aufwendig und langwierig ist. Je nach Einschätzung des Arztes wird der Verband in regelmäßigen Abständen zwischen einem bis sieben Tagen geöffnet und gewechselt. Kurze Wechselintervalle resultieren aus der traditionellen Wundbehandlung mit hauptsächlich textilen Verbänden im Gegensatz zu moderner Wundversorgung mit Materialien, die eine heilungsfördernde Wirkung haben und länger auf der Wunde verweilen können, beispielweise hydroaktive Verbände. Mit steigender Verweildauer des Verbandes erhöht sich das Risiko einer unentdeckten Infektion. Andererseits stört jedes Öffnen des Wundverbandes das Mikromilieu der Wunde und wirkt sich damit auf die Wundheilung negativ aus. Moderne Wundversorgung kann dadurch verbessert werden, dass die Verweildauer des Verbandes erhöht wird, ohne das Risiko einer unentdeckten Infektion einzugehen.
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Aus der
WO 2011/004165 A1 ist ein Wundverband mit einem Impedanzsensor bekannt. Der Sensor weist zwei drahtförmig ausgebildete Elektroden auf. Die Enden der Elektroden sind entweder als Kontakt ausgebildet oder mit einer sensitiven Oberfläche versehen. Die Elektroden befinden sich auf einem Substrat und sind mit einem isolierenden Material bedeckt. Die sensitiven Oberflächen der beiden Elektroden sind von der Bedeckung mit dem isolierenden Material ausgenommen und stehen in Kontakt mit einer porösen Schicht. Der Sensor ist zur Feuchtigkeits- bzw. Viskositätsmessung ausgebildet, woraus eine Infektionsbestimmung erfolgt. Nachteilig ist, dass die Dicke und die Porengröße der porösen Schicht nicht an die Messung angepasst sind. Es erfolgt lediglich eine Kontrolle der Feuchte und nicht spezifisch der Infektion. Eine Miniaturisierung der Elektroden ist kaum möglich.
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Die
US 20060052678 A1 beschreibt eine Methode zur Messung der Feuchte einer Wunde und des umliegenden Gewebes und einen Wundverband mit einer Vielzahl von Elektroden an einem absorbierenden Material. Die Elektroden sind nahe dem Wundbereich angebracht. Mit der Methode werden die Eigenschaften des umliegenden Gewebes bestimmt. Die Methode und der Wundverband, sowie der Wundverband der vorhergehendgenannten Veröffentlichung, bestimmen unter anderem die Feuchte der Wunde, die jedoch keine ausreichende Aussage über den Infektionsstatus der Wunde macht. Eine hohe Wundfeuchte dient lediglich als Hinweis auf eine Wundinfektion.
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In
US 020080171957 A1 ist ein Sensor zur Durchführung von Messungen in einem Wundverband beschrieben. Die Messanordnung besteht aus einem Elektrodenpaar in einer flächigen Anordnung, die voneinander isoliert sind. Die Überwachung des Verbandzustandes erfolgt durch Bestimmung der Feuchte. Die Überprüfung des Infektionsstatus einer Wunde ist nicht vorgesehen. Daher sind die Elektrodenanordnungen und das Messregime nicht an diese Aufgabe angepasst. Die Untersuchung der Feuchtigkeitsbildung in Verbänden kann auch mit Hilfe eines Prüfstandes erfolgen, wobei der Prüfstand eine Wunde simuliert. Die elektrische Anregung des Sensors kann auf verschiedene Weise erfolgen (DC, AC, Cycl. VM).
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Darüber hinaus ist aus der
DE 698 02 094 T2 eine Vorrichtung zur therapeutischen Behandlung von Wunden bekannt. Der Verband weist eine Schicht zur Absorption der Wundexsudate und Mittel zur elektrischen Versorgung auf, um durch den Verband hindurch in die Wunde einen Strom fließen zu lassen. Die Mittel zur elektrischen Versorgung umfassen auch eine Schaltung zur Messung der Impedanz der Absorptionsschicht. Die Schicht ist zum Zeitpunkt ihres Auflegens auf die Wunde im Wesentlichen nicht elektrisch leitend. Das Einsickern der Exsudate in die Dicke der Schicht aktiviert die Mittel zur elektrischen Versorgung und damit die elektrische Behandlung der Wunde zur Beschleunigung der Wundheilung. Der Infektionszustand der Wunde ist nicht Gegenstand der
DE 698 02 094 T2 .
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Sensor zur Überwachung der Infektion von Wunden unter Verbänden anzugeben, womit zuverlässig der Zeitpunkt zum Wechseln des Verbandes angezeigt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Sensor mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Sensors sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
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Die körpereigene Abwehr eines Menschen besitzt Mechanismen, um das Eindringen krankheitserregender Keime (Infektion) zu erkennen und einzudämmen. Einer dieser Mechanismen ist der Entzündungsvorgang, bei dem bestimmte zelluläre Bestandteile freigesetzt werden, die im medizinischen Fachkreis „Neutrophil Extracellular Traps” (kurz: NETs) genannt werden. NETs bestehen aus Chromatin und Granulaproteinen. Das mikroskopische Erscheinungsbild sind längliche Fibrillen-ähnliche Fasern von 15–17 nm Durchmesser, die sich in Matrizen anordnen. Die Zellen, die dazu in der Lage sind, heißen neutrophile Granulozyten und gehören zu den Leukozyten. Die NETs werden von den Granulozyten bei einer Inflammation (Entzündung) in einer so großen Menge frei gesetzt, dass sie die Eigenschaften des bereits in der Wunde vorhandenen Exsudats verändern.
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Es wurde gefunden, dass die durch die NETs in der Wunde hervorgerufenen Veränderungen, die bei einer Inflammation die Zusammensetzung dominieren, zur Detektion und Anzeige des Wundzustandes durch einen Sensors besonders geeignet sind. Solch eine Viskositätsänderung und Variation der Zusammensetzung führt zu einer Veränderung der elektrischen Eigenschaften insbesondere der frequenzveränderlichen komplexen Impedanz.
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Die Aktivierung der NETs geht einher mit der Veränderung der chemischen und molekularbiologischen Zusammensetzung des Exsudates sowie seiner physikalischen Eigenschaften. Dazu zählen beispielsweise die Änderung des pH-Wertes, der Temperatur, der Konzentration freier Sauerstoffradikale (beispielsweise Wasserstoffperoxid) und die Bildung neutrophiler Elastase. Der pH-Wert variiert bei einer Inflammation je nach Bakterienart hin zu höheren oder niedrigeren Werten gegenüber dem physiologischen pH-Wert. Da die Wundumgebung eine komplexe biologische Umgebung ist, besitzt die Änderung eines dieser Parameter keine hohe Aussagekraft über eine vorliegende Inflammation. Mit einer Messung auf Basis der NET-Bildung erhöht sich die Sensitivität und Spezifität der Infektionsbestimmung. Beeinflusst durch die NET-Bildung kann die Änderung der Impedanz als Maßstab für die Änderung der dielektrischen und leitenden Eigenschaften erfasst werden.
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Erfindungsgemäß besteht daher der Sensor aus einem starren oder flexiblen Träger, zwei Elektroden aus einem elektrisch leitfähigem Material, die auf diesem aufgebracht sind, und aus mindestens einer porösen Schicht, die die Elektroden und den Zwischenraum zwischen den Elektroden vollständig bedeckt und die biokompatibel und nicht adhärent zur Wunde ist, weiterhin bestehend aus einem elektrischen Anregungs-Schaltkreis, der eine Strom- oder Spannungsquelle zur elektrischen Anregung für die Impedanzmessung beinhaltet, und einem elektrischen Signalauswertungs-Schaltkreis, der die komplexe Impedanz zwischen den Elektroden kontinuierlich oder in Zeitabständen erfasst. Der Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass
- – die poröse Schicht hydrophil ist und ihre Porengröße größer als der Durchmesser von NET-Fasern ist, – der elektrische Anregungs-Schaltkreis einen Wechselstrom oder eine Wechselspannung bei mindestens einer Anregungsfrequenz erzeugt und in die poröse Schicht einleitet,
- – dass der Signalauswertungs-Schaltkreis die erfassten komplexen Impedanzwerte zwischen dem Beginn der Messung des Sensors und dem aktuell gemessen Wert bei einer Anregungsfrequenz vergleicht oder die aktuell erfassten komplexen Impedanzwerte mit denen einer zweiten Anregungsfrequenz vergleicht und
- – einer Signaleinheit, die zum Zeitpunkt des Überschreitens der Differenz der beiden Impedanzen über einen vorgegebenen Schwellwert ein Signal ausgibt.
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Die Elektroden können mit Standardverfahren der Mikrotechnologie und der Aufbau- und Verbindungstechnik abgeschieden werden. Dazu zählen beispielsweise Siebdrucktechniken, physikalische und chemische Gasphasenabscheidung sowie galvanische Verfahren.
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Die Elektroden können beliebig gestaltet werden, vorzugsweise aber so, dass sie besonders sensitiv nahe der Elektrodenoberfläche sind, z. B. indem sie die Form von ineinander greifenden Kammstrukturen haben.
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Durch das Elektrodendesign und die Herstellungstechnologie kann der Sensor besonders miniaturisiert werden und die Abmessungen von 1–5 Millimetern einnehmen, womit die Beeinträchtigung der Wunde minimal ist.
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Die Elektroden bestehen vorzugsweise aus Gold oder alternativ Silber-Silberchlorid, Platin, Kohlenstoff, Silber, leitenden Polymer oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material.
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Neben den Elektroden weist der Sensor eine poröse Schicht aus einem biokompatiblen Material auf. Die poröse Schicht adhäriert auf den Elektroden oder an den Zwischenräumen der Elektroden. Die Elektroden sind zwischen der porösen Schicht und dem Zwischenträger vorgesehen. Die poröse Schicht zeigt in Richtung der Wunde und der Zwischenträger nach außen. Die poröse Schicht haftet vorteilhaft nicht an der Wunde an und wächst auch nicht in diese hinein.
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Die Dicke der porösen Schicht ist an die mit Hilfe des Sensors durchzuführende Messung so angepasst, dass die Eindringtiefe von einem Großteil des elektrischen Feldes in der porösen Schicht ist, dadurch werden Störeinflüsse durch das umgebende Gewebe vermindert.
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Von besonderer Bedeutung bei der porösen Schicht ist deren Porengröße um als Wundexsudat absorbierende funktionelle Schicht zu fungieren. Diese ist angepasst an die NET-Größe und ist daher vorzugsweise kleiner 20 nm.
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Die poröse Schicht kann aus einem Hydrokolloid, Zellulosederivat, Alginat, Polyurethan-Schaum, stabilisierter Kollagenschaum, Silikonschaum, Chitosanschaum, Agarose bestehen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann über der ersten porösen Schicht eine zweite poröse Schicht angeordnet werden, die den Sensor vor mechanischer Beeinflussung schützt, die Wundheilung nicht beeinflusst und vorteilhaft fördert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können mehrere Elektroden, beschichtet mit verschiedenen porösen Materialien, verwendet werden. Diese können auf verschiedene Messgrößen, beispielsweise pH-Wert, Temperatur, neutrophile Elastase ansprechen und bei Variation der Messgrößen ihre physikalischen insbesondere ihre dielektrischen und leitenden Eigenschaften verändern.
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Die verschiedenen porösen Materialien können insbesondere aus pH- und Temperaturresponsiven Hydrogelen oder aus durch Elastase abbaubare Materialien wie Gelatine und Kollagen oder aus anderen Materialen bestehen, die auf Einflüsse, die sich bei einer Wundinfektion ändern empfindlich reagieren und ihre komplexe Impedanz ändern.
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Der Zwischenträger besteht aus einem Material, das nicht an der Wunde anhaftet oder in diese einwächst und ist elektrisch isolierend. Als Material eignet sich z. B. Keramik aber auch Kunststoffe als Platten und als Folien.
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Der Sensor beinhaltet einen oder mehrere integrierte Schaltkreise. Die Schaltkreise weisen eine elektrische Verbindung zu den Elektroden auf. Die elektrische Verbindung kann mit der gleichen Technologie hergestellt sein, wie die Elektroden und/oder nachträglich geschaffen werden. Die elektrische Verbindung ist isoliert von der Wundumgebung und vorteilhaft eingekapselt oder vergossen.
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Der Sensor beinhaltet einen Träger, auf dem der Zwischenträger adhärierend befestigt ist. Die Schaltkreise und elektrischen Verbindungen befinden sich zwischen Träger und Zwischenträger. Die Schaltkreise sind elektrisch isoliert von der Wundumgebung und vorteilhaft eingekapselt oder vergossen. Mindestens ein Schaltkreis ist in der Lage, die elektrische Anregung für die Impedanzmessung zu erzeugen. Mindestens ein Schaltkreis ist in der Lage die komplexe elektrische Impedanz zu erfassen.
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Vorteilhaft ist der Sensor Teil einer Wundabdeckung und wird in dieser fixiert. Als Teil einer Wundabdeckung ist der Sensor auf einer Trägerfolie befestigt. Die Trägerfolie besitzt adhärierende Eigenschaften auf der Hautoberfläche und bietet Schutz der Wunde vor dem Eindringen von Mikroben. Die Trägerfolie ist vorteilhaft flexibel und besteht beispielsweise aus einem Polymer, z. B. Polyethylen, Polyurethan, Polyester, Polypropylen, Polystyrol, Polyamid oder einer Kombination dieser Materialien. Der Sensor kann auch als Zusatzmodul zu einer kommerziellen Wundabdeckung ausgeführt werden.
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Vorteilhaft beinhaltet der Sensor eine externe Auswerte- und Anzeigeeinheit, die in der Lage ist, das Signal des internen Sensorteiles drahtlos oder drahtgebunden zu empfangen.
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Der Vorteil des Sensors besteht darin, dass der Infektionsgrad mit Hilfe der NET-Bildung überwacht werden kann, ohne den Heilungsprozess negativ zu beeinflussen. Der Sensor besteht aus biokompatiblen Materialien und ist geprägt durch eine starke Miniaturisierung. Der Sensor ist bestimmt für den Einsatz von 1–4 Wochen, vorzugsweise als Einwegprodukt, ist aber alternativ auch sterilisierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In den zughörigen Zeichnungen zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Sensorelement
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2 ein auf einem Träger befindliches Sensorelement
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3 ein erfindungsgemäßes Sensorelement mit Blick auf die Schaltungsseite
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4 ein erfindungsgemäßer Sensor in Draufsicht
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5 ein erfindungsgemäßer Sensor in Schnittansicht
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6 Darstellungen der Änderung des Impedanz- und Phasenspektrums drei Stunden nach Infektion
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Sensor mit mehreren paarweise angeordneten Elektroden 2 dargestellt. Die paarweise angeordneten Elektroden 2, auf denen mehrere poröse Schichten 3 abgeschieden sind, sind auf einem Zwischenträger 1 angeordnet. Der Zwischenträger 1 besteht aus einem biokompatiblen Material. Die Elektroden 2 können mit Standardverfahren der Mikrotechnologie und der Aufbau- und Verbindungstechnik in einer Abmessung von 1 bis 5 mm auf dem Zwischenträger 1 abgeschieden werden. Die porösen Schichten 3 bestehen aus unterschiedlichen Materialien. Eine Schicht ist eine NET-absorbierende Schicht mit Poren kleiner 20 nm. Eine poröse Schicht besteht aus einem pH-responsiven Hydrogel (biespielsweise HPMA/DMA/TEGDMA), eine aus einem Temperaturresponsiven Hydrogel (beispielsweise Poly-NIPAAm) und eine aus einem Material, dass durch neutrophile Elastase abgebaut wird (beispielsweise Kollagen). Sie werden ebenso mit Standardverfahren der Mikrotechnologie und der Aufbau- und Verbindungstechnik abgeschieden und vernetzt (Spin-Coating im Maskenverfahren, thermische und UV-Vernetzung).
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2 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor entsprechend der Darstellung in 1. Dieser Sensor ist mit dem Zwischenträger 1 auf einem Träger 4 adhärierend befestigt. Der Träger 4 besteht aus einem biokompatiblen flexiblen Material, beispielsweise Polyethylen, Polyurethan, Polyester, Polypropylen, Polystyrol, Polyamid oder einer Kombination dieser Materialien. Der Träger ermöglicht dem Anwender die Handhabung des ansonsten sehr kleinen Sensors und schützt die Schaltung vor Umwelteinflüssen.
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3 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor aus 1 von der Schaltungsseite betrachtet. Auf der Schaltungsseite sind intergrierte Schaltkreise 5 zur Signalverarbeitung sowie eine Transponderantenne 6 zur drahtlosen Signalübertragung an eine Auswerteeinheit auf dem Zwischenträger 1 aufgebracht.
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Die ein oder mehreren Schaltkreise sind dazu bestimmt und ausgeführt, um den Absolutwert der Impedanz zu erfassen. Es kann die Impedanz bei einer oder vorzugsweise bei mehreren Frequenzen erfasst werden. Beim Überschreiten einer bestimmten Differenz zwischen Anfangswert und aktuellem Wert oder zwischen einem Wert bei einer vorzugsweise NET-spezifischen Frequenz und einer vorzugsweise NET-unspezifischen Frequenz ist ein elektrisches Signal auszugeben.
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Das das elektrische Signal kann drahtgebunden oder drahtlos mittels einer Transponderantenne 6 zum Zwecke der Verarbeitung weitergeleitet werden.
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Der Sensor beinhaltet eine Software, die auf mobilen Geräten, die nicht Teil des Sensors sind, installiert werden kann. Die Software ermöglicht den drahtlosen Empfang des elektrischen Signals, die Anzeige des Infektionszustandes und die Ausgabe eines Signals bei Erreichen eines kritischen Wertes der Impedanz.
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Die elektrische frequenzveränderliche Anregung für die Impedanzmessung kann verschiedene Signalformen aufweisen und ist an die Impedanzmessung in der Wunde angepasst. Die Signalamplitude liegt unterhalb einer für den menschlichen Organismus gefährlichen Spannung und liegt ebenso unterhalb einer Spannung, an der elektrochemische Veränderungen der Elektroden stattfinden können.
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Die Impedanz wird bei mindestens zwei geeigneten Anregungsfrequenzen erfasst. In einem bestimmten Frequenzbereich sind Impedanzveränderungen typisch für die NET-Bildung (NET-spezifisch), dieser liegt zwischen 1 kHz und 100 kHz oder zwischen 0,1 und 10 Hz. Bei anderen Frequenzen ändert sich die Impedanz nicht durch NET-Bildung, beispielsweise zwischen 20 Hz und 900 Hz, dieser Frequenzbereich dient der Überwachung, ob die gemessene Änderung der Impedanz der ersten Frequenz die Ursache in der NET-Bildung hat und erhöht die Spezifität der Messung auf die NET-Bildung.
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Der Sensor ist standardmäßig inaktiv, er kann aktiviert werden beispielsweise durch den Anwender, durch Aktivierung mit der externen Auswerteeinheit oder durch Öffnen der Verpackung des Sensors oder durch Aufbringen des Sensors auf die Wunde. Nach einer Verzögerung von vier bis sechs Stunden, in der die absorbierenden Schichten sich vollsaugen, wird die erste Messung gestartet. Die Werte der Impedanz der darauffolgenden Messungen werden mit der ersten Messung verglichen.
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Der Messablauf beinhaltet, dass die Impedanzen zu den Messfrequenzen in einer Messreihe unmittelbar nacheinander oder mit Zeitabständen aufgenommen oder dass die Impedanz aller in Frage kommenden Frequenzen nahezu gleichzeitig ausgewertet wird, indem ein Anregungssignal verwendet wird, dass alle Frequenzanteile beinhaltet. Die Reihenfolge der Einzelmessungen der verschiedenen Frequenzen ist beliebig und kann beispielsweise mit aufsteigender Frequenz erfolgen. Die Änderungen der NET-spezifischen Frequenz wird reduziert um die Änderung der NET-unspezifischen Frequenz um Schwankungen und Störeinflüsse des Messsystems zu reduzieren. Alternativ wird bei der NET-spezifischen Frequenz der aktuelle Wert mit dem Anfangswert verglichen. Der Wert der Differenz wird mit einem Schwellwert verglichen, beim Überschreiten des Schwellwertes wird ein elektrisches Signal weiter gegeben, was dem Zustand der Infektion zugeordnet ist. Eine Anzeigeeinheit zeigt dann optisch über eine Farbkodierung oder symbolisch oder semantisch, dass die Wunde infiziert ist. Der Messablauf kann kontinuierlich oder in bestimmten Zeitabständen wiederholt werden.
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In der 4 ist ein erfindungsgemäßer Sensor in einer Draufsicht dargestellt. Auf dem Träger 4 befindet sich eine optische Anzeigeeinheit. Der Träger weist Durchkontaktierungen für die Anzeigeeinheit 7 sowie eine Verbindung zu dieser auf. Die optische Anzeigeeinheit 7 ist sehr flach ausgeführt und kann in Form einer organischen Leuchtdiode oder als elektronisches Papier ausgeführt werden.
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5 ist eine Schnittdarstellung des Sensors. Dargestellt sind die porösen Schichten 3, die auf den Elektroden 2 abgeschieden sind, der Zwischenträger 1 und Träger 4 sowie die optische Anzeigeeinheit 7. Die Elektroden sind sehr dünn ausgeführt und sind in diesem Maßstab nicht dargestellt oder erkennbar.
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6 zeigt die Anzeige eines Laborassay zur Ermittlung des Reaktionsverlaufes der NET-Bildung. Dabei sind die Änderung des Impedanz- und Phasenspektrum einer NET-bildenden Zellkultur drei Stunden nach Infektion dargestellt. Die Kontrollkultur, die keine NETs bildet, ist als Referenz dargestellt. Eindeutig zu erkennen sind die zwei Messpunkte mit den maximalen Änderungen der Phase oder Impedanz.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zwischenträger
- 2
- Elektroden
- 3
- Poröse Schicht
- 4
- Träger
- 5
- Integrierte Schaltkreise
- 6
- Transponderantenne für Drahtlosübertragung
- 7
- Optische Anzeigeeinheit
