Traubenkraut / Ambrosia. (Bilder: Ingrid Weichenmeier, Zentrum für Allergologie und Umweltmedizin, München)
Traubenkraut / Ambrosia. (Bilder: Ingrid Weichenmeier, Zentrum für Allergologie und Umweltmedizin, München)

Helmut Hund GmbH

Bio Aerosol Analyse

Der innovative Pollenmonitor der Firma Hund ist das weltweit erste serienreife System zur vollautomatischen Identifikation biogener Partikel.

Es ist ein klarer Frühsommertag in Wetzlar. Am südlichen Ortsrand, wo das Siebenmühlental beginnt, stehen die Wiesen in voller Blüte, aus den Bäumen wehen feine Staubwolken. Ein perfekter Tag für den Pollenflug – weniger angenehm für Allergiker. Am Rande einer Lichtung steht ein grauer, etwa mannshoher Schaltkasten mit Ansaugrohr, der Abhilfe verschaffen soll. Im Innern sammelt er biogene Partikel, klassifiziert sie und ermittelt vollautomatisch eine Pollenflugvorhersage.

Die Idee des Pollenmonitors

Was Pollen anrichten können, wissen Allergiker nur allzu genau. Rund 12 Millionen – also jeder siebte! – Bundesbürger leiden alljährlich während der Blüte einer breiten Palette von Pflanzen unter akuten Symptomen, die von einer allergischen Rhinitis, dem „Heuschnupfen“, bis zum lebensbedrohlichen anaphylaktischen Schock reichen können. Allergiker sind zur Planung ihres Tagesablaufs extrem auf tagesaktuelle Informationen zum bestehenden Pollenflug angewiesen, um etwa ihre tägliche Medikamentendosis daraufhin abzustimmen. „Genau hier setzt die Idee für den Pollenmonitor an“, erklärt Helmut Hund, Geschäftsführer der Helmut Hund GmbH. „Wir wollten ein System entwickeln, das das Aufkommen von Pollen erfassen, auswerten und an die Betroffenen übermitteln kann. Möglichst schnell. Möglichst genau. Und vollautomatisch.“

Verbessertes, vollautomatisches System

Für die Pollenflugvorhersage werden bisher so genannte Burkhard-Fallen eingesetzt. Sie saugen Luft mit allen darin enthaltenen Partikeln auf ein Klebeband, das anschließend von menschlichen Pollenzählern unter einem Lichtmikroskop ausgewertet wird. Die Analyse der auf der Probe vorhandenen Pollen verlangt dabei ein hohes Maß an Erfahrung und Konzentration – die durch den allgegenwärtigen menschlichen Faktor natürlich nicht immer gegeben ist. Hinzu kommt, dass durch diese Art der Auswertung die Pollenflugvorhersage auf Daten des Vortages beruht.

Integration anspruchsvoller Einzeltechnologien

„Um diese ungenaue und zeitintensive Analyse zu verbessern, haben wir ein völlig neuartiges und hochkomplexes System entwickelt und dabei anspruchsvolle Einzeltechnologien in ein Gesamtsystem integriert“, erklärt Entwickler Eberhard Schultheiß. Der Entwicklung vorausgegangen war ein vierjähriges (2002-2006), vom Bundesministerium für Forschung und Technik unterstütztes Forschungsprojekt, in dem die grundsätzliche Machbarkeit der vollautomatischen Pollenanalyse demonstriert worden war. In Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik (FIT), Sankt Augustin, und dem Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM), Hannover, hat die Helmut Hund GmbH aus Wetzlar den Pollenmonitor BAA entwickelt und schließlich zur Serienreife gebracht.

Zusammenarbeit mit Fraunhofer-Insituten

Von außen eher unscheinbar, erschließt sich die Funktion des BAA erst bei näherer Betrachtung. Das Gerät saugt stündlich mehrere Kubikmeter Luft in das vom Fraunhofer-Institut für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM) entwickelte Impaktor-Modul. Im Anschluss gelangen Partikel eines definierten Größenbereichs auf ein Trägerplättchen, das mit einem Barcode und einem Gel versehen ist. Am Scanningtisch eines automatischen Durchlicht-Mikroskops wird der Probenträger analysiert.

Aerosolpartikel am Scanningtisch

Eine Besonderheit des Systems ist die automatisierte Bildanalyse, bei der die hohen Genauigkeitsforderungen an das System mit einer Begrenzung auf ein erträgliches Datenaufkommen vereint werden konnten. Dabei nimmt das Mikroskop nicht einfach nur ein Einzelbild auf, sondern teilt die gesamte Probenfläche in 350 Kacheln auf, die es in senkrechter Richtung scannt. An jeder Kachelposition werden insgesamt 70 Bilder mit einem Tiefenabstand von jeweils 1,5 Mikrometern aufgenommen, der zugehörige Bildstapel hat damit eine Tiefe von insgesamt 105 Mikrometern. Aus allen Bildern des Bildstapels wird schließlich ein synthetisches 2D-Bild errechnet, in dem alle Bereiche höchster Schärfe zusammengefasst werden. Aus den synthetischen 2D-Bildern extrahiert ein erster Segmentierungs-Algorithmus alle Aerosolpartikel als Objekte, Pollen werden im vorliegenden Fall als im Wesentlichen runde Objekte maskiert. So genannte Klassifikatoren, die auf der Basis bekannter Pollenarten im Verlauf des Trainings des Pollenmonitors errechnet worden sind, klassifizieren schließlich die Pollen auf der Basis von Form- und Texturmerkmalen. Die Bildauswertung wurde zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik entwickelt.

Trainierter Erkennungsalgorithmus

Da es bei biogenen Partikeln Exemplarstreuungen in erheblichem Ausmaß gibt und das Bilderkennungssystem des Geräts „trainiert“ werden kann, ist die Identifikationsrate extrem hoch. So bestimmt der Pollenmonitor aus dem angesaugten und deponierten Pollenkollektiv vollautomatisch die allergologisch relevanten Pollen von Hasel (Corylus), Erle (Alnus), Birke (Betula), Süßgräser ohne Roggen (Poaceae), Beifuß (Artemisia) und Traubenkraut (Ambrosia) mit einer Genauigkeit von ca. 90 Prozent. Mit der gleichen Genauigkeit werden darüber hinaus die nicht allergologisch relevanten Arten Ahorn (Acer), Eibe (Taxus), Eiche (Quercus), Hainbuche (Carpinus), Roggen (Secale) und Weide (Salix) bestimmt. Weitere Arten können durch Software-Ergänzung und Training des Erkennungsalgorithmus jederzeit analysiert werden.

Unbeaufsichtigter Betrieb über zwei bis vier Wochen

Die Beprobungsintervalle des Pollenmonitors sind vom Benutzer einstellbar und können etwa zwischen einer und drei Stunden liegen. Die dadurch pro Tag benötigten 8 bis 24 Probenträger sind in einer wiederverwendbaren Magazinkassette untergebracht, der Vorrat reicht dadurch für einen unbeaufsichtigten Betrieb über zwei bis vier Wochen aus. Bis auf den Wechsel der Magazinkassetten läuft der gesamte Prozess einschließlich Probenarchivierung völlig ohne menschliches Zutun ab.

Pollenmonitor als stationäre oder mobile Einheit

Zu den Erstanwendungen zählt die Pollenanalyse, um automatische Pollenflugvorhersagen quasi in Echtzeit zu ermöglichen. Die aufbereiteten Daten gehen z.B. per Internet zum Empfänger, die Bilder und Proben verbleiben im austauschbaren Großmagazin. „Bei einem Einsatz des Pollenmonitors für die Pollenflugvorhersage wird es nun zum ersten Mal möglich sein, die lokalen Konzentrationen allergologisch relevanter Pollenarten mit einer Verzögerung von lediglich einer Stunde zu ermitteln und damit Allergiker sehr zeitnah über die sie betreffenden Allergene zu informieren“, schwärmt Eberhard Schultheiß. Das System kann dauerhaft stationär oder als mobile Einheit aufgestellt werden. Zahlreiche Anwendungen sind denkbar: zur Messung von Stäuben in der Produktion, im Umweltschutz, zur Verkehrsüberwachung, in der Baubiologie oder in der Landwirtschaft.

Forschungseinsatz am Universitätsklinikum Aachen

Einige Systeme wurden bereits ausgeliefert. In Vorbereitung ist ein Forschungsprojekt des Instituts für Hygiene und Umweltmedizin des Universitätsklinikums Aachen, in dem der Bio-Aerosol-Analysator der Firma Hund eingesetzt wird. Währenddessen übermittelt der Pollenmonitor im Siebenmühlental, wo die Wiesen in voller Blüte stehen und aus den Bäumen feine Blütenstaubwolken wehen, seine Ergebnisse per Internet an die Betroffenen: Beifuß und Gras sind im roten Bereich, während der Flug der Birkenpollen langsam nachlässt.

 

Weitere Informationen:

www.hund.de

Beifuß / Artemisia.
Beifuß / Artemisia.
Erle / Alnus.
Erle / Alnus.