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Vollautomatisches Pollenmonitoring Pollen zählen – aber schnell

Ein Gastbeitrag von Volker Beck* und Ellen-Christine Reiff**

Von den Eigenschaften der DC-Kleinstantriebe können mittlerweile sogar Allergiker profitieren. Die vielseitigen Systeme sorgen in einem vollautomatischen Pollenmonitoringsystem dafür, dass die Pollenzählung zuverlässig funktioniert und die Daten für Vorhersagen zeitnah zur Verfügung stehen.

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Abb. 1: Birkenpollen sind für viele Pollenallergiker besonders lästig – ein genaues Pollenmonitoring kann Erleichterung verschaffen.
Abb. 1: Birkenpollen sind für viele Pollenallergiker besonders lästig – ein genaues Pollenmonitoring kann Erleichterung verschaffen.
(Bild: ©Ingo Bartussek - stock-adobe.com)

Der milde Winter kommt jenen zugute, die kalten Temperaturen nichts abgewinnen können. Für viele Pollenallergiker ist er kein Grund zur Freude. Verlängert er doch die lästige Phase juckender Augen und triefender Nasen. Studien gehen davon aus, dass zukünftig jeder zweite Bundesbürger unter einer Pollenallergie leiden könnte. Mögliche Symptome reichen vom so genannten Heuschnupfen über Kopfschmerzen bis hin zu Atemnot oder anaphylaktischen Schocks. Zudem sorgen die globale Erwärmung und der Klimawandel dafür, dass sich Blühperioden und damit die Zeiträume mit hoher Pollenbelastung verändern.

„Wir haben in milden Wintern bereits Ende November Haselpollen nachweisen können, normalerweise erwartet man dies erst für den Januar“, berichtet Dr. Jörg Haus, Produktmanager Instrumente bei Helmut Hund. Darüber hinaus können sich auch importierte Pflanzen zu einem unerwarteten Problem entwickeln, erläutert Dr. Haus: „Die Olivenbäumchen beispielsweise, die sich viele gerne auf den Balkon oder die Terrasse stellen, sind sehr allergen und stehen in südlichen Ländern ganz oben auf der Liste der Pflanzen mit allergenem Potenzial“.

Die Standardlösung der Pollenzählung: Auswertung mit Zeitverzug

Daher wird es immer wichtiger zu wissen, wann welche Pollen in welcher Konzentration in der Luft vorhanden sind. Das Standard­instrument in vielen europäischen Ländern ist dafür die so genannte Burkhard-Falle. Ein definiertes Luftvolumen wird beständig von einem Elektromotor angesaugt – jeweils aus der aktuellen Windrichtung – und an einer sich langsam drehenden Trommel vorbeigeführt. Auf ihr ist ein Klebestreifen angebracht, auf dem die Pollen und andere angesaugte Teilchen haften bleiben. Geschulte „Pollenzähler“ sitzen dann am Mikroskop, ein Bestimmungsbuch neben sich. Das Ergebnis steht normalerweise nach zwei oder drei Tagen fest, manchmal aber auch erst Wochen später. Aus diesen Daten werden dann Modelle errechnet für die Pollenbelastung in einer Region, in einem bestimmten Monat oder einer Jahreszeit.

„Die Daten sind systembedingt also mindestens zwei Tage alt, wenn sie vorliegen. Als Allergiker bringt mir das aber wenig, wenn ich heute eine Aktivität im Freien plane und wissen will, ob ich mein Asthmaspray brauche,” fasst Dr. Haus die Problematik des bisher üblichen Verfahrens zusammen. „Daher haben wir uns Gedanken gemacht, wie man die Pollenzählung intelligenter realisieren kann.“

Pollenmonitoring für schnelle Vorhersagen

Abb. 2: Mit dem klimatisierten und wettergeschützten automatisierten Pollenanalysesystem sind täglich bis zu acht Proben möglich; eine Beprobung dauert nur ca. drei Stunden.
Abb. 2: Mit dem klimatisierten und wettergeschützten automatisierten Pollenanalysesystem sind täglich bis zu acht Proben möglich; eine Beprobung dauert nur ca. drei Stunden.
(Bild: Helmut Hund GmbH)

In Zusammenarbeit mit der Universität Freiburg und dem dortigen Fraunhofer-Institut entstand zunächst ein Prototyp für eine automatisierte Pollenanalyse. „Da das Design des Prototypen nicht optimal und dazu nicht für die Serienfertigung geeignet war, haben wir als Helmut Hund GmbH dann beschlossen, die Umsetzung in ein Produkt eigenständig und mit neuen Partnern durchzuführen.“ Mit dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Informationstechnik FIT in Sankt Augustin fand die Firma aus Wetzlar dann den passenden Partner für die Entwicklung des heutigen Pollenmonitor BAA500. „BAA steht für Bio-Aerosol-Analysator“, erklärt Dr. Haus. Mit dem klimatisierten und wettergeschützten Gerät (s. Abb. 2 und 3) sind täglich bis zu acht Proben möglich; eine Beprobung dauert nur ca. drei Stunden. „Dadurch lassen sich nahezu in Echtzeit Voraussagen treffen, welche Pollen in welcher Konzentration in der Luft sind.“

Für eine Analyse saugt das Gerät ca. 60 m3 Luft in der Stunde an und extrahiert die Pollen auf Proben­träger. Da sich Pollen durch Wit­terungseinflüsse verändern oder trocknen können, sorgt eine beheizbare Gelschicht auf den Trägern dafür, dass sie wieder ihre ursprüngliche Form annehmen. Sogenannte Pusher schieben die Proben dann unter ein Mikroskop. Ihre treibende Kraft sind Faulhaber DC-Kleinstmotoren der Serie 1727…C. Bei nur 17 mm Durchmesser und 27 mm Länge liefern die kleinen Motoren Drehmomente von ca. 5 mNm und sind durch die Grafitkommutierung für den schnellen Start-Stopp-Betrieb gut geeignet.

Abb. 3: Herzstück des Pollenmonitors ist das Auswerte- und Analysemodul.
Abb. 3: Herzstück des Pollenmonitors ist das Auswerte- und Analysemodul.
(Bild: Helmut Hund GmbH)

Unter dem Mikroskop wird jede Probe in drei Achsen abgescannt (s. Abb. 3). „Da Pollen mit 20 µm sehr klein sind, etwa ein Viertel eines menschlichen Haars, sieht das Lichtmikroskop pro Foto nur einen Bereich von weniger als 0,5 auf 0,5 mm. Die Schärfentiefe ist dabei nicht so hoch, da wir eine hohe Auflösung benötigen“, erklärt der Produktmanager. Mit Hilfe einer Stacking-Software wird deshalb aus mehreren Bildern des Bildstapels ein Gesamtbild mit erweiterter Schärfentiefe berechnet. Danach werden die einzelnen Pollen von der Software über einen merkmalbasierten Algorithmus erkannt. Aktuell kann das System 38 Pollenarten und weitere Allergene wie etwa Pilzsporen vollautomatisch erkennen.

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Die Bilderkennung wird am Anfang angelernt in Abhängigkeit von lokalen Unterschieden und Witterungsverhältnissen. Dazu sind einige zigtausend Bilder in einer Datenbank hinterlegt. Nach der Analyse der Probe wird diese zur Archivierung in ein Magazin transportiert. Hier ist ebenfalls ein Kleinstmotor der gleichen Serie im Einsatz (s. Abb.. 4). Die Archivierung ermöglicht eine nachträgliche Auswertung und Validierung der Ergebnisse.

Abb. 4: DC-Kleinstmotor mit Vorschub am Abstapler des Magazins.
Abb. 4: DC-Kleinstmotor mit Vorschub am Abstapler des Magazins.
(Bild: Helmut Hund GmbH)

„Ambrosia“, berichtet Dr. Haus, „sieht ein bisschen aus wie ein stacheliger Ball, Kiefer sieht aus wie Mickey Mouse, da ist die Unterscheidung schon nicht einfach. Richtig schwierig wird es aber, wenn man benachbarte Frühblüher trennscharf unterscheiden will.“ Eine Herausforderung sind auch so genannte Varia, d. h. Pollen, die noch nicht erkannt werden. Diese werden mit der Datenbank abgeglichen, vorläufig zugeordnet und von einem Mitarbeiter überprüft. „Auf diese Weise können wir neue Arten aufnehmen aber auch Korrekturen vornehmen, wenn eine Pollenart anders aussieht, weil beispielsweise das Frühjahr ungewöhnlich kalt war.“ Das zeitnahe Monitoring sorgt zudem für neue Erkenntnisse. „Bisher nahmen Aerobiologen beispielsweise an, dass bei kalter Witterung keine Pollen in der Luft sind. Wir konnten aber durch Messungen im kalten Januar Pollen nachweisen.“

Ein Netzwerk für Polleninformationen

Der Freistaat Bayern war von dem System so überzeugt, dass er bereits 2019 mit dem Aufbau eines elektronischen Polleninformationsnetzwerks (ePIN) begonnen hat. Die Auswahl der Standorte basierte auf einer Studie des Zentrums für Allergie und Umwelt (ZAUM) der TU München und des Helmholtz Zen­trums München. Dabei wurden verschiedene Klimaparameter und die Bevölkerungsdichte berücksichtigt, um eine möglichst optimale Verteilung der acht Messstationen zu erreichen.

Neben München stehen nun Geräte der Firma Hund in Garmisch-Partenkirchen, Feucht, Viechtach, Marktheidenfeld, Altötting, Mindelheim und Hof. „So ein Gerät ist erst im Netzwerk richtig mächtig“, stellt Dr. Haus fest, „Es lassen sich dann sehr präzise Vorhersagen machen, wenn man die Daten der verschiedenen Pollenanalysestationen und die Wetterdaten in Beziehung bringt.“ Insgesamt 20 Geräte stehen neben den baye­rischen ePIN-Standorten, z. B. in Berlin, Wetzlar, Leipzig oder auch Wiesbaden. Die Wahl des richtigen Standorts ist wichtig, da beispielsweise Dieselruß oder Reifenabrieb die Ergebnisse verändern können. „Mitten in einem Rapsfeld wäre auch kontraproduktiv, da gibt es dann nur Rapspollen. Daher stehen unsere Messstationen in etwa 12 Meter Höhe auf Dächern von Kliniken oder Instituten.“

Daten online in Echtzeit abrufbar

Der Abruf der Daten ist rund um die Uhr online oder per App in Echtzeit möglich. Auch Arztpraxen oder Allergologen nutzen den Service gerne um ihre Patienten optimal zu behandeln. „Das Gerät in Wetzlar ist so etwas wie unser Testgerät, das steht dann auch mal still, wenn wir eine neue Funktion ausprobieren. Während eines solchen Tests hatten wir dann plötzlich eine Menge Anrufer, die nach den Daten fragten. Das zeigt, dass für viele Menschen unsere Auswertungen sehr wichtig sind. Auch deshalb setzen wir auf Faulhaber-Antriebe, weil sie nicht nur genau, sondern auch zuverlässig und langlebig sind.“ Auf der Webseite von Helmut Hund werden die mit dem BAA500 gemessenen Pollenfluginformationen für die Standorte Berlin, Freiburg, Leipzig, Wies­baden, Wetzlar und München angezeigt. Die Daten sind hier abrufbar.

* V. Beck, Dr. Fritz Faulhaber GmbH & Co. KG, 71101 Schönaich, Württ

* *E.-C. Reiff: RBS Redaktionsbüro Stutensee, 76297 Stutensee

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