SFB 1261: Magnetoelektrische Sensoren: von Kompositmaterialien zu biomagnetischer Diagnose
Coordinator
Professor Dr.-Ing. Eckhard Quandt ; Professor Dr.-Ing. Gerhard Schmidt
Grant period
2016 -
Funding body
Deutsche Forschungsgemeinschaft
DFG
Identifier
G:(GEPRIS)286471992
Note: Das Hauptziel des Sonderforschungsbereichs (SFB) 1261 ist die Untersuchung verschiedener magnetoelektrischer (ME) Sensorsysteme (sowie auch Aktuator-/Sendesysteme). Ein besonderer Fokus liegt dabei auf einer hohen Empfindlichkeit bei „biomagnetischen Frequenzen“ und deren Bewertung und Nutzung zur Lösung von medizinisch relevanten Problemen, für die es derzeit keine ausreichend guten nicht-magnetischen Alternativen gibt. In den ersten beiden Förderperioden haben ungekühlte und ungeschirmte ME-Sensorsysteme (und zugehörige Aktuatoransätze) ihr Potenzial zur Detektion schwacher magnetischer Signale, wie sie für biomedizinische Anwendungen benötigt werden, unter Beweis gestellt. Wir konnten verschiedene ME-basierte Messprinzipien etablieren, die von etwa 100 µT (maximale Amplitude) bis hinunter zu 1 pT/Hz0,5 (Amplitudendichtespektrum des Rauschens) bei höheren Frequenzen (z. B. 7 kHz) und 7,5 pT/Hz0,5 bei niedrigen Frequenzen (10 Hz) arbeiten. Damit können kardiologische Analysen mit Signalmittelungszeiten von etwa einer Minute ohne Kühlung durchgeführt werden. Die ME-Sensoren basieren auf ME-Kompositen, d. h. Kompositen, die aus mindestens einem magnetostriktiven und einem piezoelektrischen Bestandteil bestehen und mit Hilfe von MEMS-Technologie (micro-electro-mechanical systems) hergestellt wurden. Neben "direkten" biomagnetischen Signalen (z. B. vom menschlichen Herzen) wurden mehrere weitere medizinische Anwendungen identifiziert, bei denen magnetische Quellen (z. B. eine Spule, ein vibrierender Biegebalken mit magnetischem Material an den beweglichen Teilen oder magnetische Nanopartikel) an menschliche Aktivitäten oder biologische Prozesse im menschlichen Körper gekoppelt sind. Diese Anwendungen ermöglichen mehrere zusätzliche Freiheitsgrade bei der Gestaltung der entsprechenden magnetischen Detektions- bzw. Sensor-/Aktuatorsysteme. So ermöglichen beispielsweise resonante magnetische Sensoren und Aktoren (Sender) mit Frequenzen oberhalb des Bereichs typischer akustischer Störungen (z. B. über 5 kHz) die Konstruktion von magnetischen Lokalisierungssystemen, die mit hoher Genauigkeit außerhalb und innerhalb des menschlichen Körpers arbeiten können. Das Forschungsprogramm zur Verfolgung dieser Ziele erfordert eine intensive interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Materialwissenschaften, Elektrotechnik und Medizin (Kardiologie, Neurologie, robotergestützte Chirurgie und Endoskopie). Das Arbeitsprogramm der dritten Förderperiode stellt zum einen sicher, dass das volle Potenzial der ME-Sensoren für die ausgewählten biomedizinischen Anwendungsfelder erforscht wird und zum anderen, dass die ME-Sensoren in den Anwendungsprojekten effektiv eingesetzt werden können. Dies wird völlig neue medizinische Diagnostik-Ansätze ermöglichen.
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