Productnieuws

Omdat iedere korrel stuifmeel telt…

25 januari

Onderzoekers verwachten dat in de toekomst zelfs de helft van de bevolking last zal hebben van hooikoorts. Daarnaast hebben de opwarming van de aarde en de klimaatverandering een uitwerking op het bloeiseizoen, en dus op de pollenkalender. Dr. Jörg Haus, Product Management Instruments bij Helmut Hund GmbH: “In mildere winters registreren we eind november al hazelaarpollen. Normaal gesproken verwachten we deze pollen pas in januari.” Vooral ambrosia veroorzaakt veel problemen voor mensen met een allergie. De plant bloeit van juli tot oktober en het allergiepotentieel is vijf keer hoger dan dat van gras. “Elf stuifmeelkorrels in één kubieke meter lucht geldt als een zware belasting.” De gevolgen: een verstopte neus, gevoeligheid voor licht, hoofdpijn, kortademigheid of ernstige astma. Ook geïmporteerde planten kunnen onverwachte problemen veroorzaken, legt Haus uit: “Veel mensen hebben tegenwoordig olijfbomen op hun balkon of terras. Die zijn hoog-allergeen en gelden in zuidelijkere landen als een van de grootste veroorzakers van hooikoortsellende.”

 

Vertraging in de voorspellingen

Dit maakt het bijzonder belangrijk om te weten wanneer welke pollen vliegen en in welke concentraties. In veel Europese landen wordt hiervoor standaard een zogeheten ‘Burkhard-val’ gebruikt. Hierin zuigt een ventilator constant een bepaald luchtvolume aan vanuit de huidige windrichting. Deze lucht wordt langs een langzaam draaiende trommel geleid. De trommel is voorzien van een kleefstrip, die stuifmeelkorrels en andere deeltjes in de lucht opvangt. Gedurende de dag stroomt er zo 14,4 m³ lucht door de Burkhard-val: het ademvolume van een volwassene in rust. Na maximaal zeven dagen moet de kleefstrip worden vervangen en geanalyseerd. Pollentellers werken met een microscoop en een referentie boek om de stuifmeelkorrels toe te wijzen aan specifieke planten. De resultaten worden meestal binnen 2 of 3 dagen bekend gemaakt, maar het kan ook weken duren. Het percentage verkeerd geïdentificeerde stuifmeelkorrels kan oplopen tot in de dubbele cijfers. Toch geldt deze methode nog steeds als de gouden standaard voor pollentelling.
Het goede nieuws is dat er relatief nauw keurige data wordt verzameld over de pollenbelasting en de duur hiervan op specifieke dagen. Deze gegevens vormen de basis voor pollenmodellen, die de belasting geven voor specifieke regio’s en maanden of seizoenen. De Burkhard-val is de meest gebruikte methodologie, maar Haus ziet een grote beperking: “Met dit systeem zijn pollentellingen altijd minimaal twee dagen oud als ze beschikbaar komen. Voor hooikoortspatiënten heeft dit weinig nut. Als ik vandaag naar buiten wil omdat de zon schijnt of ik wil weten of ik mijn astmaspray mee moet nemen, dan heb ik niet zoveel aan gegevens van eergisteren, toen het misschien ook nog regende. Daarom zijn we op zoek gegaan naar een intelligenter proces.”

Pollentelling in real-time

In 2003 ontwierpen de Universiteit van Freiburg en het lokale Fraunhoferinstituut in samenwerking een prototype voor een automatische pollenanalyse. Het was al in een vroeg stadium duidelijk dat hier elektrische aandrijvingen voor nodig waren, bijvoorbeeld om de monsterhouders te verplaatsen, om de camera scherp te stellen of om scans uit te voeren. “Het prototype had geen ideaal design en commercialisering was niet mogelijk. Bij Helmut Hund GmbH hebben we besloten om er zelf een levensvatbaar product van te maken, samen met een nieuwe partner.”
Deze nieuwe partner voor het bedrijf uit Hessen was het Fraunhofer Institute for Applied Information Technology FIT, in Sankt Augustin. Samen ontwierpen de partijen hun nieuwe oplossing: de BAA500 pollenmonitor. “BAA staat voor ‘bio-aerosol analyzer’. De oplossing combineert onze expertise op het gebied van precisietechniek, optica en elektronica”, vertelt Haus. De monitor is voorzien van airconditioning en is weersbestendig. Het apparaat kan vier tot acht monsternames per dag uitvoeren en iedere monstername duurt ongeveer drie uur. Eén station voor monitoring kan tot zes maanden lang volledig autonoom werken. “Met de BAA500 kunnen we in real-time voorspellen welke pollen er door de lucht zweven en in welke concentraties.”
De monitor zuigt voor een analyse zo’n 60 m³ lucht per uur aan en deponeert de aanwezige stuifmeelkorrels op monster dragers. De korrels zijn verschrompeld door het weer en de uitdroging. Een laag gel op de monsterdragers maakt ze weer rond en vol. “Alleen al deze stap vereist een hoge mate van precisie. Een geautomatiseerde analyse moet kleine verschillen in formaat of interne structuur kunnen oplosdetecteren”, legt Haus uit. Duwers, aangedreven door FAULHABER DCmicromotoren uit de serie 1727… C, schuiven de monsters onder een microscoop tussen de condensor en de lens. Een verwarmingscartridge warmt de gel iets op. Vervolgens scant het apparaat de stuifmeelkorrel over drie assen. De productmanager voor microscopie: “Stuifmeelkorrels zijn ontzettend klein, ongeveer 20 μm. Dat is een kwart van de doorsnee van een menselijke haar. De lichtmicroscoop ziet daarom een gebied van minder dan 0,5 bij 0,5 mm in iedere foto. De scherptediepte is niet heel groot, omdat we een hoge resolutie nodig hebben.”

 

Intelligente beeldherkenning

Om de stuifmeelkorrels te identificeren, maakt Hund gebruik van ‘stacking’, waarbij beelden met behulp van software worden ‘gestapeld’. Ook amateurastronomen maken bijvoorbeeld gebruik van deze techniek. Afzonderlijke afbeeldingen met weinig scherptediepte worden hierbij samengevoegd tot één beeld met veel meer scherptediepte. Vervolgens identificeert een algoritme op basis van de kenmerken van welke plant de afzonderlijke stuifmeelkorrels afkomstig zijn. Momenteel identificeert het systeem 38 soorten stuifmeel en andere allergenen, zoals paddenstoelsporen. “Het systeem moet eerst worden getraind in de beeldherkenning, op basis van de lokale verschillen en weersomstandigheden. Daarom hebben we een referentiedatabase van duizenden afbeeldingen. Als je naar buiten wilt gaan en stuifmeel automatisch wilt meten en herkennen, heb je zoveel mogelijk voorbeelden en soorten nodig.”
Na de analyse wordt het monster naar een magazijn verplaatst. Hier wacht het op eventuele verdere analyse en bevestiging van de resultaten, bijvoor beeld door wetenschappers. In theorie kan dit ook maanden later nog. In vergelijking met andere systemen voor pollentelling is de BAA500 uniek, omdat het apparaat werkt met een licht microscoop en omdat de monsters worden bewaard. Ook voor de archivering levert een FAULHABER DC- micromotor uit de serie 1727…C de be nodigde bewegingen en nauwkeurigheid.
“Ambrosia ziet eruit als een stekelige bal, dennenboomstuifmeel doet aan Mickey Mouse denken. Dat zou makkelijk te herkennen moeten zijn. Maar het wordt erg lastig als je gerelateerde vroege bloeiers goed van elkaar wilt onderscheiden”, vertelt Haus. Ook de zogeheten ‘varia’ vormen een probleem. Dit zijn stuifmeelkorrels die nog niet geïdentificeerd zijn. Deze korrels worden vergeleken met de database en krijgen een voorlopige toewijzing. Vervolgens bekijkt een operator ze voor een definitieve identificatie. “Zo kunnen we nieuwe soorten toevoegen, maar ook correcties uitvoeren als een soort er anders uitziet, bijvoorbeeld door de koude lente van dit jaar.”
De stuifmeelanalyses in real-time leveren ook interessante inzichten op. “Voorheen namen aerobiologen aan dat er geen stuifmeel zweeft als het koud is. Maar uit onze metingen bleek dat er ook tijdens de koude januari nog pollen in de lucht waren.”

 

Krachtig netwerk

De deelstaat Beieren was onder de indruk van het systeem, en zette in 2019 ePIN op: het electronic Pollen Information Network. De locaties voor de pollenvangers werden gebaseerd op een onderzoek van het Center for Allergy and Environment van de Technische Universiteit van München en het onderzoekscentrum Helmholtz Zentrum, ook in München. Zo werd er bij de plaatsing van de acht meetstations rekening gehouden met de bevolkingsdichtheid en verschillende klimaatparameters. Naast München zijn de apparaten van Hund nu ook te vinden in de Beierse plaatsen Garmisch-Partenkirchen, Feucht, Viechtach, Marktheidenfeld, Altötting, Mindelheim en Hof. Melanie Huml, de gezondheidsminister van Beieren, was aanwezig bij de lancering van het project in 2019: “Het gezondheidsministerie van Beieren heeft twee miljoen euro geïnvesteerd in het eerste elektronische polleninformatienetwerk ter wereld. En dat is een goede investering, want de helft van onze 2 miljoen allergiepatiënten reageert op stuifmeel.”
Haus: “De echte kracht van deze apparaten zit hem in het netwerk. Je kunt ontzettend nauwkeurige voorspellingen doen als je de gegevens van verschillende meetstations combineert met de weersgegevens.” Naast de ePIN-s tations in Beieren zijn er in totaal 20 apparaten geplaatst in Berlijn, Wetzlar, Leipzig en Wiesbaden. Het is belangrijk om de juiste locatie te kiezen: dieseluitstoot of rubberdeeltjes van banden hebben bijvoorbeeld een impact op de resultaten. “Het heeft geen zin om een station in een veld met raapzaad neer te zetten, want dan registreer je alleen raapzaadstuifmeel. Daarom staan onze stations op zo’n 12 meter hoogte op de daken van ziekenhuizen of onderzoeksinstituten.” Via een app zijn de gegevens 24 uur per dag in real-time beschikbaar. Dokters praktijken en allergologen maken graag gebruik van de service om hun patiënten optimaal te helpen. “Ons meettoestel in Wetzlar werkt als testeenheid. Iedere keer dat we een nieuwe functie willen uitproberen, moeten we het offline halen. Tijdens zo’n test belden er ontzettend veel mensen die om de gegevens vroegen.
Dit maakte voor ons nog eens duidelijk dat onze analyses voor veel mensen erg belangrijk zijn. En dat is nog een reden om te kiezen voor aandrijvingen van FAULHABER, want die werken betrouwbaar en nauwkeurig en ze hebben een lange levensduur.”

De evaluatie- en analysemodule vormt het hart van de pollenmonitor.


Precisiecontrole & meettechniek