Das Problem ist rasch umrissen: Der Sauerstoffgehalt in der Atemluft beträgt 20,9 Prozent. Beim Einatmen entzieht die Lunge dem Atemgas einen Teil dieses Sauerstoffs, so dass in der ausgeatmeten Luft die Konzentration auf 14 bis 16 Prozent sinkt. Der genaue Wert hängt von verschiedenen Faktoren ab: Von der körperlichen und geistigen Belastung - je höher sie ist, desto mehr Sauerstoff verbraucht der Stoffwechsel - er hängt aber auch davon ab, ob das Herz-Kreislaufsystems die Zellen und Gefäße überhaupt mit genug Sauerstoff versorgt. Bei einigen Krankheiten ist diese Fähigkeit eingeschränkt. Ob dies der Fall ist, kann zukünftig ein Atemgassensor klären: Er hat die Form eines knapp zwei Zentimeter hohen Würfels, ist voll gestopft mit Elektronik, außerdem verbergen sich im Innern zwei Elektroden.
" An diese beiden Elektroden wird nun eine Gleichspannung angelegt, der Sensor wird so erhitzt auf etwa 600 Grad in der obersten Spitze und damit wird er in die Lage versetzt, den molekularen Sauerstoff an der Kathode in ionischen Sauerstoff umzuwandeln, über diese Spannung zu transportieren bis zur Anode und dort wieder in molekularen Sauerstoff umzuwandeln, "
erläutert Markus Schotters von der Dresdner Firma Aceos, die den Atemgassensor auf der diesjährigen MEDICA vorstellt. Beim Transport des ionischen Sauerstoffs fließt elektrischer Strom, dessen Höhe von der Sauerstoffkonzentration abhängt.
" Wenn wir ganz wenig Sauerstoff haben, fließt ganz wenig Strom; haben wir ganz viel Sauerstoff, fließt ganz viel Strom."
Üblicherweise messen Atemgassensoren die Sauerstoffkonzentration im Sidestream, das heißt, über einen dünnen Schlauch wird Atemluft abgezweigt und in den sich irgendwo am Körper befestigten Sensor geleitet. Das Verfahren ist vor allem eines: unpraktisch, sagt Schotters
" Die zweite Möglichkeit ist, den Sensor direkt im Atemstrom einzusetzen, beispielsweise in einem kleine Röhrchen, was mit einem Mundstück versehen oder mit einer Atemmaske versehen, direkt im Atemstrom des Patienten hängt."
Möglich wird dies durch eine konsequente Miniaturisierung der eingesetzten Technik, die allerdings nur dann Sinn macht, wenn der Sensor tatsächlich Atemzug für Atemzug den Sauerstoffgehalt misst. Oder anders ausgedrückt: Das Gerät muss innerhalb von etwa 100 Millisekunden den Messvorgang einleiten, abschließen und die Werte speichern, um dann nach einer weiteren halben Sekunden - wenn der Patient wieder ausatmet - mit dem nächste Intervall zu beginnen. Dieses Problem, sagt Markus Schotters, sei gelöst. Der Sensor soll aber noch weitere Aufgaben übernehmen. Zukünftig gehe es um die Integration der Volumenstrommessung, erklärt Markus Schotters:
" Das heißt die Menge des ein- und ausgeatmeten Gases, und ein weiterer sehr wichtiger Schritt wird sein, in das Sensorelement auch die Messung von Kohlendioxid zu integrieren."
Mit der Sauerstoffkonzentration, dem Atemvolumen und dem CO2-Wert lässt sich die Leistungsfähigkeit des Patienten berechnen und es lassen sich Rückschlüsse ziehen, wie der Körper Energie für den Stoffwechsel bereit stellt.
" Und das ist natürlich ein sehr, sehr spannender Wert, weil Sie dann Rückschlüsse ziehen können auf die limitierenden Faktoren. Was begrenzt letztendlich die Energiebereitstellung im Körper. Und Sie können darauf aufbauend Ernährungsumstellungen vornehmen."
Ein großes Anwendungsfeld wird die Sportmedizin sein. Der Sensor, so die Hoffnung, kitzelt das letzte Quäntchen Leistungssteigerung aus dem Athleten heraus. Olympisches Gold ohne Atemgassensor - in wenigen Jahren vielleicht schon undenkbar.
" An diese beiden Elektroden wird nun eine Gleichspannung angelegt, der Sensor wird so erhitzt auf etwa 600 Grad in der obersten Spitze und damit wird er in die Lage versetzt, den molekularen Sauerstoff an der Kathode in ionischen Sauerstoff umzuwandeln, über diese Spannung zu transportieren bis zur Anode und dort wieder in molekularen Sauerstoff umzuwandeln, "
erläutert Markus Schotters von der Dresdner Firma Aceos, die den Atemgassensor auf der diesjährigen MEDICA vorstellt. Beim Transport des ionischen Sauerstoffs fließt elektrischer Strom, dessen Höhe von der Sauerstoffkonzentration abhängt.
" Wenn wir ganz wenig Sauerstoff haben, fließt ganz wenig Strom; haben wir ganz viel Sauerstoff, fließt ganz viel Strom."
Üblicherweise messen Atemgassensoren die Sauerstoffkonzentration im Sidestream, das heißt, über einen dünnen Schlauch wird Atemluft abgezweigt und in den sich irgendwo am Körper befestigten Sensor geleitet. Das Verfahren ist vor allem eines: unpraktisch, sagt Schotters
" Die zweite Möglichkeit ist, den Sensor direkt im Atemstrom einzusetzen, beispielsweise in einem kleine Röhrchen, was mit einem Mundstück versehen oder mit einer Atemmaske versehen, direkt im Atemstrom des Patienten hängt."
Möglich wird dies durch eine konsequente Miniaturisierung der eingesetzten Technik, die allerdings nur dann Sinn macht, wenn der Sensor tatsächlich Atemzug für Atemzug den Sauerstoffgehalt misst. Oder anders ausgedrückt: Das Gerät muss innerhalb von etwa 100 Millisekunden den Messvorgang einleiten, abschließen und die Werte speichern, um dann nach einer weiteren halben Sekunden - wenn der Patient wieder ausatmet - mit dem nächste Intervall zu beginnen. Dieses Problem, sagt Markus Schotters, sei gelöst. Der Sensor soll aber noch weitere Aufgaben übernehmen. Zukünftig gehe es um die Integration der Volumenstrommessung, erklärt Markus Schotters:
" Das heißt die Menge des ein- und ausgeatmeten Gases, und ein weiterer sehr wichtiger Schritt wird sein, in das Sensorelement auch die Messung von Kohlendioxid zu integrieren."
Mit der Sauerstoffkonzentration, dem Atemvolumen und dem CO2-Wert lässt sich die Leistungsfähigkeit des Patienten berechnen und es lassen sich Rückschlüsse ziehen, wie der Körper Energie für den Stoffwechsel bereit stellt.
" Und das ist natürlich ein sehr, sehr spannender Wert, weil Sie dann Rückschlüsse ziehen können auf die limitierenden Faktoren. Was begrenzt letztendlich die Energiebereitstellung im Körper. Und Sie können darauf aufbauend Ernährungsumstellungen vornehmen."
Ein großes Anwendungsfeld wird die Sportmedizin sein. Der Sensor, so die Hoffnung, kitzelt das letzte Quäntchen Leistungssteigerung aus dem Athleten heraus. Olympisches Gold ohne Atemgassensor - in wenigen Jahren vielleicht schon undenkbar.