NeoQKat

Neuartige Quantenphotonische Messtechnik für die neonatologische Katheterpositionierung

Bei Frühgeborenen ist das Legen von Kathetern immer dann notwendig, wenn das Kind aufgrund seiner Unreife noch nicht gestillt werden kann. Die korrekte und komplikationsfreie Punktierung ist herausfordernd, da die anatomischen Strukturen sehr klein und Herz- sowie Atemfrequenz noch vergleichsweise schnell sind. Unterstützend kann die Positionierung sonographisch anhand von anatomischen Landmarken durchgeführt werden. Die Sichtbarkeit des Katheters ist jedoch aufgrund der limitierenden Faktoren der Ultraschalltechnik nicht immer hinreichend. Diesem Problem begegnet das Projekt NeoQKat mit einer neuartigen Technologie zum elektromagnetischen Kathetertracking auf Basis rein quantenoptischer Magnetfeldsensoren. Durch neue photonische Ansätze soll die Technologie erheblich präziser und robuster werden.

Neu ist hierbei die Einbeziehung der quantenmechanischen Übergangswahrscheinlichkeit über die Fluoreszenzlebensdauer der NV-Zentren. Als weitere Messgröße sollen weitere Konversionsmaterialien, z.B. Rubin oder Phosphor zum Einsatz kommen. Hierdurch soll eine messtechnische Unterscheidung von Temperatur und Magnetfeldstärke ermöglicht werden, unabhängig von der absoluten Intensität des Anregungslichtes. Durch einen speziellen Ultraschallkopf werden magnetische Felder in unterschiedlichen Raumrichtungen erzeugt. Diese Felder, die von außen den Körper durchdringen, werden mit dem Sensor an der Spitze des Katheters gemessen. Die Position der Katheterspitze wird in Relation zu einem Ultraschallkopf berechnet, und im korrespondierenden Ultraschallbild visualisiert. Dies dient unterstützend der sonographisch gestützten Punktierung oder erlaubt eine einfache nachträgliche Lagekontrolle. Hierdurch schließt NeoQKat eine diagnostische Lücke in der klinischen Behandlungsroutine, da bislang keine Katheter-Tracking Systeme für Frühgeborene existieren.

Das Ziel des Teilvorhabens der Arbeitsgruppe EEL besteht darin, ein neuartiges Verfahren zur präzisen Katheterlokalisierung bei Frühgeborenen zu entwickeln und experimentell zu validieren. Hierzu werden ausgehend von den klinischen Anforderungen mittels Simulation die erforderlichen physikalischen und technischen Systemparameter sowie Anforderungen an Magnetfelderzeugung, Quantensensorik, Messelektronik und Signalverarbeitung abgeleitet.

Darauf aufbauend werden geeignete Magnetfeldquellen und Ansteuerkonzepte entwickelt, experimentell charakterisiert und mit den Simulationsmodellen abgeglichen. Die Modelle zur Beschreibung und Rekonstruktion komplexer Magnetfelder werden dabei kontinuierlich optimiert.

Im weiteren Projektverlauf werden die entwickelten Komponenten zu einer prototypischen Anordnung zusammengeführt. Diese umfasst die Magnetfeldanregung, den Quantensensor, die Mess- und Auswerteelektronik sowie die modellbasierte Positionsrekonstruktion. Die Versuchsanordnung wird zunächst unter kontrollierten Laborbedingungen validiert und anschließend in einer anwendungsnahen Umgebung erprobt. Dabei werden die erzielbare Positionsgenauigkeit, die Robustheit gegenüber Störeinflüssen sowie die Reproduzierbarkeit der Lokalisierung experimentell bewertet. Die Ergebnisse dienen der wissenschaftlichen Absicherung des neuartigen Lokalisierungsverfahrens und bilden die Grundlage für die Weiterentwicklung zu einem klinisch einsetzbaren Katheter-Tracking-System im Rahmen des Verbundprojekts.

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