Studienstiftung des deutschen Volkes - Sektion Kiel

Sonderforschungsbereich 1261 - Magnetoelektrische Sensoren in der Medizin

Das "Wesen" von Forschung hat sich in den letzten Jahrzehnten stark gewandelt. Während früher oftmals einzelne kluge Köpfe die Grenze zwischen Bekanntem und Unbekanntem verschoben haben, ist dieser Tage eine Zusammenarbeit über viele Disziplinen hinweg notwendig, um aktuelle Forschungsfragen zu beantworten bzw. um kritische Probleme zu lösen. Unsere Universität stellt sich diesen Herausforderungen natürlich. Dies ist z.B. in den zahlreichen sog. Forschungsclustern, aber auch in einigen sog. Sonderforschungsbereichen (SFBs) zu sehen. Damit die von der Studienstiftung geförderten Studierenden und Promovierenden einen Einblick in solche kooperative Forschungsvorhaben bekommen können, öffnet der Sonderforschungsbereich 1261 am 16. Dezember einmal für Sie seine Türen und damit sind sowohl "Hörsaaltüren" als auch "Labortüren" gemeint, d.h. es geht auch darum, auf praktische (und verständliche) Weise das Forschen an neuartigen magnetischen Sensoren und deren Anwendungen in der Biomedizin kennenzulernen.

Zunächst einmal zu den Forschungsthemen des SFB 1261 (ein Auszug aus der Webseite des Sonderforschungsbereichs): Die Detektion von Magnetfeldverteilungen im Bereich des Kopfes oder Rumpfes ermöglicht leistungsfähige Diagnosepraktiken von Gehirn- (Magnetoenzephalographie MEG) oder Herzfunktionen (Magnetokardiographie MCG). Systeme, die als Routinediagnosewerkzeuge verwendet werden sollen, müssen einfach zu handhaben und kostengünstig sein, daher ist ein Betrieb bei Raumtemperatur wünschenswert. Magnetfeldsensoren auf Basis miniaturisierter magnetoelektrischer Verbundwerkstoffe, die aus mindestens einem magnetostriktiven und einem piezoelektrischen Bestandteil bestehen, haben ihr Potenzial zur Detektion von Sub-pT-Feldern bei Raumtemperatur unter bestimmten Bedingungen gezeigt.

Die allgemeinen Ziele des Sonderforschungsbereichs SFB 1261 sind die Erforschung und Entwicklung verschiedener magnetoelektrischer Sensoransätze mit besonderem Fokus auf hohe Empfindlichkeit bei tiefen Frequenzen und deren Bewertung und Nutzung in medizinisch relevanten Fragestellungen. Das Forschungsprogramm zur Verfolgung dieser Ziele erfordert eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Forschenden auf dem Gebiet der Physik, der Materialwissenschaft, der Elektrotechnik und der Medizinern (Neurologie und Kardiologie). Unterstützt wird es durch zwei themenübergreifende Projekte zur Mikro-/Nanosystemfertigung und zu biomagnetischen Messtechniken. Es wurde ein integriertes Graduiertenkolleg eingerichtet, um die interdisziplinäre Zusammenarbeit innerhalb des Sonderforschungsbereichs zu fördern. Darüber hinaus ist ein sog. "Scientific Outreach Project" nicht nur für die Öffentlichkeitsarbeit, Studierende und Lehrende zuständig, sondern auch für die wissenschaftliche Kommunikation mit jungen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern.

Um Ihnen diese Forschungsthematik näher zu bringen, haben wir für Sie ein zweistündiges Programm zusammengestellt, dessen Ablauf Sie im unten folgenden Abschnitt "Zeitplan" einsehen können. Hier sind einige parallele Blöcke eingezeichnet. Bei diesen müssen Sie sich pro Zeitslot für einen entscheiden. Sollten Sie außerdem Interesse an den Forschungsarbeiten des SFBs finden (ähnlich wie die drei Studierenden auf dem Bild oben), so schauen Sie auch einmal bei der Hiwi-Börse vorbei. Evtl. findet sich dort ja eine Aufgabe, die Sie bearbeiten möchten. Die Angebote sind dabei so ausgelegt, dass Sie nicht unbedingt ein Elektotechnik- oder Materialwissenschaftsstudium benötigen.

Sollen Sie Interesse daran haben, bei diesem Event mit von der Partie zu sein, so melden Sie sich bitte über das Buchungsportal der Kieler Sektion der Studienstiftung an. Bitte beachten Sie, dass der Anmeldeschluss für dieses Event der 01.05.2022 ist. Hier finden Sie die genaue Adresse und eine zugehörige Karte.

Die "Eckdaten" auf einen Blick

• Datum: 19.05.2022
• Uhrzeit: 17:30 Uhr - 19:30 Uhr
• Ort: Technische Fakultät der CAU, Gebäude C, Raum C-SR-I, Kaiserstr. 2, 24143 Kiel
• Anmeldeschluss: 01.05.2022

Zeitplan

Details

• Grußworte des Präsidiums der CAU

  (Grussworte)

  Prof. Dr. Eckhard Quandt

  Starten wird die Veranstaltung mit Grußworten des Präsidiums der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel. Der Vizepräsident der CAU, Prof. Dr. Eckhard Quandt, wird alle Teilnehmenden begrüßen und ein paar Worte zu Sonderforschugnsbereichen und kooperativer Forschung an sich sagen..

  Prof. Quandt hat den Sonderforschungsbereich 1261 beantragt und war auch bis letztes Jahr Sprecher des Großforschungsvorhabens - wir können uns also kaum jemanden Passenderes vorstellen, der diese Veranstaltung einleitet.

  

   

• Übersicht über den Sonderforschungsbereich 1261

  (Vortrag)

  Prof. Dr. Gerhard Schmidt

  Für viele neurologische oder kardiologische Untersuchungen werden elektrische Sensoren verwendet – man spricht dann von Elektroenzephalographie (EEG) bzw. Elektrokardiographie (EKG). Hierzu werden Elektroden über dem Brustkorb oder am Kopf angebracht und es werden elektrische Spannungen gemessen. Dies klappt recht gut, allerdings verläuft die Ausbreitung von den Quellen (dem Herzen oder dem Gehirn) zu den Sensoren meist auf sehr "ungewöhnlichen" Wegen. Alternativ können neu entwickelte magnetische Sensoren verwendet werden – hier findet eine Ausbreitung statt, die für die meisten Menschen merklich "materialunabhängiger" (und damit "gewöhnlicher") ist. Durch die magnetischen Messungen könnte es in der Zukunft möglich sein, viel genauere medizinische Analysen durchzuführen, die sogar ohne Körperkontakt auskommen – ähnlich dem "Trikorder" aus "Star Trek".

  Im Rahmen dieses Vortrags wird zunächst der Sonderforschungsbereich 1261 (Magnetoelectric Sensors: From Composite Materials to Biomagnetic Diagnostics), der sich mit der Erforschung von neuartigen magnetoelektrischen Sensorsystemen befasst, vorgestellt. Anschließend werden einige der Sensorprinzipien vorgestellt, die darauf ausgelegt sind, tieffrequente, äußerst schwache Magnetfelder in typischen Umgebungen, d.h. ohne magnetische Schirmung und ohne aufwändige Kühlsysteme) zu messen. Ein kurzer Ausblick auf biomedizinische Anwendungen für diese Sensorarten schließt den Vortrag.

  

   

• Magnetische Herzmessung

  (Demo)

  M.Sc. Erik Engelhardt

  Die Elektrokardiografie ist seit mehr als hundert Jahren ein wesentliches Verfahren zur Beurteilung von pathologischen Veränderungen des menschlichen Herzens. Gerade aktuelle Magnetfeldsensoren aus der Forschung gewährleisten eine kontaktlose Alternative hierzu, da diese eine Detektion des Herz-Magnetfeldes sicherstellen. Darüber hinaus ergeben sich viele Vorteile gegenüber der derzeitigen elektrischen Aufzeichnungstechnik mit Oberflächenelektroden. Zum Beispiel werden die biologischen Signale nicht vom Körpergewebe beeinflusst und eine zeitintensive Vorbereitung der Haut ist nicht mehr erforderlich. Voraussetzung zum Betrieb dieser neuartigen Magnetfeldsensoren ist bislang noch eine magnetisch abgeschirmte Kammer, die hohen technischen Standards entsprechen muss.

  Im Rahmen dieser Livedemo wird eine magnetische Herzmessung unter Verwendung neuartigster Sensoren durchgeführt. Dabei werden die magnetischen Signale in Echtzeit dargestellt, analysiert und quantitative Variablen aus der kardiovaskulären Forschung ermittelt. Zudem werden die aktuellen Herausforderungen aus der magnetoelektrischen Sensorforschung aufgezeigt und erste vielversprechende Lösungsansätze erläutert.

  

   

• Magnetische Lokalisierung

  (Demo)

  M. Sc. Christin Bald

  Viele medizinische Untersuchungen beschäftigen sich mit der Lösung eines sogenannten inversen Problems - d.h. es wird von gemessenen (Sensor-)Daten auf eine Wirkung im Körper zurückgeschlossen. Zur Lösung dieses inversen Problems wird die genaue Position und Orientierung der messenden Sensoren benötigt. Jedoch sind die Positionen und Orientierungen der Sensoren während einer magnetischen Messung nicht unbedingt fix. Um die richtigen Positionen und Orientierungen der Sensoren jedoch trotzdem kontinuierlich während der Messung bestimmen zu können, müssen die Sensoren lokalisiert werden.

  Bei dieser Demo wird die Lokalisierung magnetoelektrischer Sensoren in Echtzeit vorgeführt. Hierbei werden die verwendeten Verfahren erklärt, sowie deren Vor- und Nachteile beleuchtet.

  

   

• Magnetische Charakterisierung mittels MOKE-Mikroskopie (Magnetooptischer-Kerr-Effekt-Mikroskopie)

  (Demo)

  M.Sc. Dennis Seidler

  Wie schon der Name der „ME“ (magneto-elektrischen) Sensoren sagt, ist das Funktionsprinzip die Kombination einer elektrischer sowie einer magnetischen Komponente. In unseren Sensoren sind diese Komponenten Dünnfilme mit unterschiedlichen Eigenschaften, die mittels Kathodenzerstäubung (Sputtern) auf ein Substrat aufgebracht und in mehreren Schritten strukturiert werden. Grundsätzlich wollen wir verstehen, warum manche Sensoren sehr gut, andere wiederum eher schlecht funktionieren und dann das erlangte Wissen in der nächsten Iteration der Sensoren implementieren. Für ME-Sensoren ist einer der wichtigsten Faktoren das Rauschen, welches in mechanisches, elektrisches und magnetisches Rauschen aufgeteilt werden kann. Um qualitative Aussagen über die Ursachen des magnetischen Rauschens treffen zu können, wird die Methode der magneto-optischen Kerr-Effekt Mikroskopie genutzt, kurz MOKE. MOKE erlaubt es uns magnetische Bereiche gleicher Magnetisierungsrichtung (Domänen) sichtbar zu machen. Diese geben uns Aufschluss über die präferierte Ausrichtung der Magnetisierung (Anisotropie) welche wiederum in direkter Relation zu dem magnetischen Rauschen in den Sensoren steht. Zusätzlich können mit zeitaufgelöstem MOKE auch dynamische Prozesse in-situ beobachtet werden, was uns erlaubt, Sensoren während der Anregung z.B. durch ein externes magnetisches Feld, zu beobachten.

  

   

• Strukturuntersuchung mit Transmissionselektronenmikroskopie (TEM)

  (Demo)

  Dr. Niklas Wolff

  Im Sonderforschungsbereich werden Materialien gezielt für die Anwendung in Magnetfeldsensoren untersucht. Dabei müssen sie ganz bestimmten anwendungsbezogenen Anforderungen an ihre physikalischen Eigenschaften, wie z.B. der Ausdehnung im elektrischen oder magnetischen Feld, genügen. Die Erforschung und Optimierung geeigneter Materialien und ihrer Parameter wird dabei durch eine genaue Aufklärung der Mikro- und Nanostruktur unterstützt. Dabei machen sich die Forscher eine Vielzahl an Wechselwirkungen von stark beschleunigten Elektronen mit den Atomkernen des Probenmaterials zu nutze, um beispielsweise lokale Änderungen in der atomaren Struktur und die Elementzusammensetzung zu bestimmen. Diese strukturellen und chemischen Analysemethoden der Transmissionselektronenmikroskopie liefern wertvolle Indizien, um die physikalischen Materialeigenschaften mit dem strukturellen Aufbau zu verknüpfen und daraus neue Strategien zur Weiterentwicklung der Magnetfeldsensoren abzuleiten.

  

   

• Organische Funktionsmaterialien für Sensoren

  (Führung)

  Dr. Stefan Schröder und M.Sc. Lukas Zimoch

  Neben den anorganischen Materialien, die in den Sensoren als piezoelektrische und magnetostriktive Materialien verwendet werden, gibt es auch einige Sensoren, die aus organischen Materialien aufgebaut sind. Das bedeutet, dass die Materialien des Sensors aus sogenannten Polymeren bestehen. Diese sind aus Makromolekülen aufgebaut und haben im Vergleich zu anorganischen Materialien weiche mechanische Eigenschaften. Außerdem kann die Funktionalität dieser Materialien gezielt durch die funktionellen chemischen Gruppen eingestellt werden.

  In dieser Führung lernen wir die Anlagen und Prozesse kennen, mit denen es möglich ist solche Polymere herzustellen und gezielt für die Anwendung in den Magnetfeldsensoren maßzuschneidern. Die Führung ist auf 5 Teilnehmer je Führung begrenzt.

  

   

• Magnetische Bewegungsanaylse

  (Demo)

  M.Sc. Johannes Hoffmann

  Die Analyse menschlicher Bewegungsmuster ist ein wichtiger Baustein in der Diagnose und Therapie von neurodegenerativen Erkrankungen wie Parkinson. Labor-basierte Vermessungsmethoden (Optical Motion Capture) liefern sehr genaue Momentaufnahmen, können aber Abweichungen in Abhängigkeit von Tätigkeit, Umgebung und Tagesform kaum erfassen. Die Konsequenz ist ein starker Trend in Richtung Wearables - also Sensoren, die in Alltagssituationen am Körper getragen werden können. Technisch gesehen handelt es sich um Inertial Measurement Units (IMUs), die Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit erfassen. Eine vollständige Beschreibung von Bewegungen ist damit jedoch nur eingeschränkt möglich, was die Sensorfusion mit zusätzlichen Referenzdaten (z.B. optisch, magnetisch, Funkwellen) motiviert.

  Dieses Projekt verfolgt die Anwendung von magnetoelektrischen (ME) Sensoren in Kombination mit Spulen im Rahmen einer aktiven magnetischen Bewegungserfassung. Dazu werden in dieser Demo sowohl eine Messung (einfache lineare Bewegung) und eine Simulation (angenähert an menschliche Bewegung) gezeigt.

  

   

• Ausleseverfahren für magnetoelektrische Sensoren

  (Demo)

  M.Sc. Henrik Wolframm

  Das Bindeglied zwischen dem sensitiven Element und der Anwendung ist das Ausleseverfahren bzw. die Ausleseelektronik. In Abhängigkeit von dem einzelnen Sensorkonzept ergeben sich hier unterschiedlicher Herausforderungen an die einzelnen Messaufbauten, allen gemein ist aber ein Fokus auf maximale Sensitivität und geringstes Rauschen. Ein besonderes Augenmerk in der Forschung an Ausleseverfahren liegt mittlerweile auch auf der Miniaturisierung und Skalierbarkeit eben dieser. Erst wenn ein Sensor auch außerhalb eines Labors sein volles Potential entfalten kann, sind eine Vielzahl von Anwendungen realisierbar.

  In dieser Demo wird in aller Kürze auf die Funktionsweise von ME-, deltaE- und SAW-Sensoren eingegangen und die für deren Betrieb notwendige Elektronik erörtert.

  

   

• Magnetische Zellanalyse

  (Demo)

  M.Sc. Angeles De la Cruz García

  Im "Tissue Engineering" ist die Untersuchung der Funktionalität von Zellen in neuen Materialien von hoher Relevanz, um zwischen potenziellen und schlechten Biomaterialien zu unterscheiden. Unter den Zellmerkmalen werden Migration, Bindung und Proliferation mittels bildgebender Verfahren ausgewertet. Obwohl die bestehenden Techniken wie optische Mikroskopie, Mikrotomographie und Magnetresonanztomographie eine hohe Auflösung aufweisen, haben sie die Einschränkung, dass sie für transparente Materialien verwendet werden oder die Probe abbauen.

  In dieser Demonstration werden wir einen neuen Ansatz diskutieren, der abbildende Zellen mit magnetischen Partikeln und magnetoelektrischen Sensoren vorsieht, wobei das Funktionsprinzip des Sensors und das Scanverfahren hervorgehoben werden.

  

   

• Herstellung magnetischer Sensoren im Kieler Nanolabor

  (Führung)

  Dr. Dirk Meyners

  Ein Großteil der im Rahmen des SFBs untersuchten Sensoren wird im Reinraum des Kieler Nanolabors hergestellt. Hierbei handelt es sich um eine besondere Laborumgebung, in der die Partikelkonzentration durch ein Luftfiltersystem im Vergleich zur Konzentration in normaler Umgebungsluft um etwa das 10000-fache herabgesenkt wird. Diese saubere Umgebung ist erforderlich, um die einzelnen mikrosystemtechnischen Herstellungsschritte erfolgreich durchführen zu können. Dabei beginnt die Sensorherstellung in der Regel mit Siliziumsubstraten, auf die magnetische und piezoelektrische Funktionsschichten abgeschieden werden. Es folgen diverse Lithographieschritte, in denen unter Verwendung von UV-Licht empfindlichen Lacken und Ätztechniken die eigentlichen Sensorstrukturen erzeugt werden.

  Während der Führungen wird die Luftführung sowie der Aufbau des Reinraumlabors erklärt. Ferner werfen wir einen Blick auf die Maschinen, die zur Abscheidung und Strukturierung der funktionalen Sensorschichten genutzt werden. Während der langen Reinraumführung werden wir das Labor auch betreten, um einen noch näheren Einblick gewähren zu können. Da hierzu aber jeder Teilnehmer entsprechende Sicherheitsbekleidung überziehen soll, muss die maximale Teilnehmerzahl für die lange Führung leider auf sechs Teilnehmer beschränkt bleiben.

  

   

• Medizinische Anwendungen im Sonderforschungsbereich 1261

  (Vortrag)

  Prof. Dr. Ulrich Stephani

  Alle elektrisch arbeitenden Organe in Lebewesen haben naturgemäß nicht nur ein elektrisches, sondern auch ein Magnetfeld (gemessen in der Einheit Tesla, benannt nach dem Kroaten Nikola Tesla). Diese Hirn- und Herz-Magnetfelder haben Magnetfeldstärken von femto- bis pico-Tesla - sie zu messen, ist wegen des um Größenordnungen höheren Erdmagnetfeldes (20 – 40 mikro Tesla) nur in einer magnetisch abgeschirmten Kammer mit Helium (minus 269 Grad Celsius) gekühlten Sensoren möglich, meist sogenannten SQUIDS (superconducting quantum interference device, dt. supraleitende Quanteninterferenzeinheit). Der SFB 1261 entwickelt Magnetfeldsensoren mit neuartigen Materialien und Sensor-Aufbauten für Magnetfeldmessungen bei Raumtemperatur, bei denen keine aufwändige Magnetfeld-Abschirmung notwendig ist. Die Verfügbarkeit solcher Messungen würden die Diagnostik in der Medizin revolutionieren, da Magnetfelder die Körpergewebe im Unterschied zu elektrischen Feldern weitgehend ungehindert durchdringen. Die Medizin erwartet damit Erkenntnis-Fortschritte zu Krankheitsprozessen insbes. am Gehirn und am Herz durch Magnetenzephalo- und Magnetkardiographie.