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Automatische Pollenmessung in Echtzeit mit dem Swisens Poleno System

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Factsheet Automatisierte Pollenmessung mit Swisens Poleno

Swisens Poleno

Swisens Poleno ist ein in der Schweiz entwickeltes und pro-duziertes high-tech Aerosolpartikel-Messsystem. Das hoch-sensitive System misst und identifiziert Aerosol-Partikel für Anwendungen wie die automatische Pollenmessung in Echt-zeit. Die reichhaltigen Messdaten, welche sehr zuverlässig rund um die Uhr gemessen werden und die Kombination mit künstlicher Intelligenz ermöglichen eine noch nie dagewese-ne Partikelklassifizierung und eine Langzeitüberwachung von Partikeln in der Umgebungsluft. Das innovative System erfüllt die heute und in Zukunft geforderten hohen Anforderungen für Umweltmessungen mit herausragender Präzision und Qualität.

Swisens AG

Die Swisens AG ist ein Schweizer Jungunternehmen mit er-fahrenen Spezialisten und Fachkräften mit profundem Know-how in Aerosoltechnologie, Hightech-Engineering, Big Data und künstlicher Intelligenz, das hochpräzise Messsysteme für die Echtzeitmessung und Identifizierung von Aerosolpar-tikeln entwickelt und produziert. Die Swisens AG wurde 2016 gegründet und ist ein Spin-off der Hochschule Luzern.

Swisens bietet komplette Systemlösungen bestehend aus Messsystemen inklusive umfassender Software für die Iden-tifikation einzelner Aerosolpartikel sowie für Big Data Daten-analyse und -management. Die patentierten Systeme sind vielseitig einsetzbar zum Beispiel für Luftqualitäts- und Um-weltmessungen oder in der Prozesstechnik.

Dank der engen Zusammenarbeit mit Kunden, Partnern und der Wissenschaft ist die Swisens AG Technologieführerin und Pionierin für bahnbrechende Lösungen in der Aerosolparti-kelmessung und steht für Qualität, Innovation und Kunden-nähe. Swisens unterstützt ihre Kunden bei der Erforschung des Aerosol-Mikrokosmos und ermöglicht neue Entdeckun-gen die zum besseren Verständnis unserer Umwelt führen. Das Ziel der Swisens AG ist es, einen aktiven Beitrag zu mehr Gesundheit, Wissen und Lebensqualität aller Lebewesen auf unserem Planeten zu leisten.

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Abbildung 2: Birkenpollen

Funktionsprinzip von Swisens Poleno

Abbildung 1 zeigt den Aufbau des Swisens Poleno zur auto-matischen Pollenidentifikation.

Die Umgebungsluft und die darin enthaltenen Pollen werden in das System eingesaugt. Die Pollenkörner werden aufgrund ihrer Grösse aufkonzentriert und in die Messkammer geleitet. So können auch sehr kleine Konzentrationen von hochaller-genen Pollentypen zuverlässig und in bester Qualität gemes-sen werden.

In der Messkammer werden die Aerosolpartikel im Flug mit optischen Messmethoden ausgemessen. Die Partikel werden analysiert und als Resultat liegen die verschiedenen Pollenty-pen und deren Konzentrationen in der Umgebungsluft vor. Die Partikel fliegen durch das System und werden am Schluss wieder ausgestossen. So ist eine Langzeitüberwachung mög-lich.

Die Messmethode

Für die Messung der Dimension und Form der Partikel im Flug wird ein Holographieverfahren mit dynamischer Bildanalyse angewendet. Dieses liefert als Messresultat Bilder wie in den Abbildungen 2 bis 4 gezeigt. Diese zeigen die charakteristi-schen Formen der verschiedenen Pollentypen.

Automatische Identifikation von Pollentypen

In einem ersten Schritt werden aus dem gesamten Partikel-kosmos, welcher z.B. auch Feinstaubpartikel enthält, Pollen von einem Algorithmus erkannt und markiert. In einem zwei-ten Schritt wird dann der Pollentyp ermittelt. Pollen ist ein na-türliches Produkt und darum sind die Pollenkörner eines Typs auch nicht alle exakt genau gleich. Modernste Algorithmen, die auf künstlicher Intelligenz beruhen, können mit dieser Va-riabilität sehr gut umgehen und trotzdem zuverlässig unter-scheiden. Für allergische Personen ist die Häufigkeit eines bestimmten Pollentyps in der Umgebungsluft entscheidend. Indem zusätzlich die untersuchte Luftmenge gemessen wird, kann die Konzentration der verschiedenen Pollentypen ermit-telt werden. Aus diesen Informationen wird dann die Pollen-belastung ermittelt.

Abbildung 1: Schematische Übersicht Swisens Poleno

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Neue Möglichkeiten für die Luftqualitätsmessung

Die von Swisens entwickelte Partikelmesstechnologie hat das Potenzial, bessere Aussagen zur Luftqualität zu machen. Die Swisens Poleno Systeme sind modular aufgebaut. Ein optio-nal verfügbares Modul für die Fluoreszenzmessung ermög-licht die Gewinnung von zusätzlichen Informationen über die chemische Zusammensetzung der Aerosolpartikel und erweitert damit die Möglichkeiten der Partikelerkennung. Aktuell wird das Potential der zusätzlichen Fluoreszenzmes-sung für den Ausbau der Pollenerkennung untersucht. Die Swisens AG treibt die Entwicklung mit einem Forschungs-projekt zur selektiven Erkennung von Sporen weiter. Beispie-le dafür sind der Alternaria alternata Pilz der als Schimmel im Haushalt vorkommt und Allergien bei Menschen hervorrufen kann. Es gibt viele weitere Sporentypen welche Krankheiten bei Pflanzen auslösen. Der Nutzen in der Landwirtschaft ist zum Beispiel ein gezielterer und reduzierter Fungizideinsatz. Ein weiteres Ziel ist es die verschiedenen Klassen von Partikeln im Feinstaub besser aufzuschlüsseln, um die gesundheitlichen Auswirkung besser zu untersuchen und zu verstehen.

Tauglichkeit für Messnetzeinsatz bewiesen

Im Rahmen der von Swisens gewonnenen öffentlichen Aus-schreibung vom Bundesamt für Meteorologie und Klimatolo-gie (MeteoSchweiz) wurden im Frühling 2020 vertiefte Tests im Regionalzentrum in Payerne durchgeführt. Drei Swisens Poleno Messsysteme wurden von den Wissenschaftlern der MeteoSchweiz mit Unterstützung von Mitarbeitern der Swi-sens AG umfassend getestet. Dabei wurden die technischen Details und der Quellcode der Systeme offenbart. Die Quali-tät der Identifikation von 15 für allergische Personen wichti-gen Pollentypen wurde wissenschaftlich untersucht.

Die Resultate zeigen, dass die verschiedenen Pollentypen in Echtzeit in herausragender Qualität bestimmt werden, alle Systeme vergleichbare Resultate liefern und ein zuverlässi-ger Betrieb gewährleistet ist. Die Messsysteme der Swisens AG haben die umfangreichen Prüfungen, mit Überzeugung und grosser Zufriedenheit bei MeteoSchweiz bestanden und sind für den Einsatz im automatischen Pollenmessnetz der Schweiz bestens geeignet.

Abbildung 3: Haselpollen

Abbildung 4: Eichenpollen

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Kontakt

Patrick MinderKommunikationpatrick.minder@swisens.ch

Swisens AGTechnikumstrasse 216048 Horw

Links:

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Automatisierung des Pollenmessnetzes _

Factsheet Automatisierung des Pollenmessnetzes

Chronologie Um ihre an Pollenallergien leidenden Patienten zu behandeln, haben Allergologen zwischen 1969 (Basel) und 1989 (Luzern und Locarno) die Schweizer Pollenmessstationen eingerichtet. Sie organisierten sich in einem Netzwerk, aus dem die Schweizerische Gesellschaft für Aerobiologie entstanden ist. Aufgrund der Zunahme von Allergien in der Bevölkerung ist MeteoSchweiz seit 1993 für das nationale Pollenmessnetz zuständig und hat insbesondere die Vorhersagemethoden und die Informationsverbreitung weiterentwickelt.

Pollenallergie Von einer Pollenallergie sind 20 % der Schweizer Bevölkerung betroffen. Diese Erkrankung soll nicht verharmlost werden, denn sie kann sich zu einem allergischen Asthma oder einer Lebensmittelallergie entwickeln. Ihre direkten und indirekten Kosten betragen in der Schweiz jährlich mehr als eine Milliarde Franken. Eine Pollenallergie tritt typischerweise saisonal auf. Die Intensität der Pollenausbreitung sowie Beginn und Dauer der Pollensaison sind jedes Jahr unterschiedlich, in Abhängigkeit von den Wetterbedingungen vor und während der Pollensaison.

Nutzen der Informationen über Pollen Die Messungen und Vorhersagen der Pollenkonzentrationen in der Luft sind notwendig für die Prävention, Behandlung, Diagnose und Therapie von Pollenallergien. Diese Informationen tragen zur Gesundheit der Allergikerinnen und Allergiker bei – mehr als 1,5 Millionen Personen in der Schweiz. Sie sind wichtig für Ärzte und Forschung im Bereich Allergien, aber auch in so unterschiedlichen Bereichen wie der Untersuchung der Folgen des Klimawandels oder der Verfolgung invasiver Arten wie der Ambrosia, deren Pollen hochallergen sind.

Aktueller Standard ist eine manuelle Methode Aktuelle Referenz für die Messung von Pollen in der Luft ist eine manuelle Methode, die einer europäischen Norm entspricht. Die meisten Pollenmessstationen in Europa und weltweit sind daher mit volumetrischen Pollenfallen vom Hirst-Typ ausgestattet. Die Trommel, an der die Pollen aus der Luft kleben bleiben, wird wöchentlich ins Labor geschickt. Dort erfolgt die schwierige Identifizierung der Pollenarten - einige lösen Allergien aus, andere nicht - durch ExpertInnen unter dem Mikroskop. Das nationale Pollenmessnetz von MeteoSchweiz zählt derzeit 14 Stationen dieses Typs. Auf diese Weise können die im Laufe der Vorwoche in der Luft gemessenen Pollenkonzentrationen an jedem Mittwoch veröffentlicht werden.

Vom technologischen Fortschritt profitieren Um über Polleninformationen in Echtzeit zu verfügen, wie es auch für Wetterinformationen der Fall ist, hat MeteoSchweiz seine langjährige Erfahrung in der Pollenmessung in den Dienst der Forschung gestellt, neue Systeme getestet und Analysemethoden der künstlichen Intelligenz zur Pollenerkennung angewendet. Auf diese Weise sind innerhalb weniger Jahre zahlreiche Kooperationen mit Universitäten, Institutionen und Unternehmen in der Schweiz und auf internationaler Ebene entstanden. So koordiniert MeteoSchweiz das europäische Programm zur automatischen Pollenmessung im Rahmen von EUMETNET, dem Dachverband der nationalen Wetterdienste.

Factsheet Automatisierung des Pollenmessnetzes

Messung in Echtzeit - eine neue Ära Es ist mittlerweile möglich, automatische Pollenmessungen durchzuführen, die Werte in Echtzeit liefern: Man weiss jetzt, was «momentan in der Luft ist», statt diese Informationen erst mit einigen Tagen Verzögerung zu bekommen.

Mit diesen erheblich präziseren Daten können insbesondere die Prognosen und die Qualität der Informationen für Personen mit Allergien, MedizinerInnen und ForscherInnen verbessert werden, was zu einer besseren Lebensqualität für einen erheblichen Teil der Bevölkerung sowie zur Reduzierung der Allergiekosten beiträgt.

Dank dieser jüngsten technologischen Entwicklung, mit der sich sehr schnell eine grosse Menge von Partikeln zählen lässt, kann man die raschen Veränderungen der Pollenkonzentrationen aufzeigen. Die Identifizierung der verschiedenen Partikel geht weiter: Über die Messung der wesentlichen Allergene hinaus werden sich bald andere Aerosole aufspüren lassen, wie beispielsweise Pilzsporen, die Allergien oder Pflanzenkrankheiten auslösen.

Diese Fortschritte ermöglichen den Ausbau von Partnerschaften in den Bereichen Luftqualität und gesundheitliche Auswirkungen*.

Grundlage für bessere Prognosen Präzisere und sofort verfügbare Messungen sind eine notwendige Grundlage für die Erstellung detaillierterer und zuverlässigerer Prognosen. Die Integration der Pollendaten in Echtzeit in das Wettervorhersagemodell COSMO-1 wird einen Meilenstein in der Verbesserung der Information der Bevölkerung darstellen. Personen, die von Allergien betroffen sind, können so die von ihrer Ärztin / ihrem Arzt empfohlenen Präventionsmassnahmen oder Behandlungen zum optimalen Zeitpunkt durchführen, um Symptome zu vermeiden oder zu verringern.

MeteoSchweiz baut das automatische Pollenmessnetz der Zukunft auf Eine im Jahr 2017** durchgeführte Studie hat die positiven Auswirkungen von Pollenmessungen in Echtzeit und die Notwendigkeit einer Erneuerung der gesamten Informationskette bis zu den Nutzerinnen und Nutzern aufgezeigt. MeteoSchweiz hat daraufhin ein Projekt zur Automatisierung des aktuellen Messnetzes lanciert, das sich 2019 durch eine öffentliche Ausschreibung konkretisierte, die das Luzerner Unternehmen Swisens AG gewann. Das System «Swisens Poleno», das auf dem Prinzip der Erkennung durch Holografie basiert, wurde endgültig validiert durch gründliche Tests, die in diesem Frühling im Regionalzentrum von MeteoSchweiz in Payerne durchgeführt wurden.

MeteoSchweiz startet nun die Phase der Realisierung des neuen Messnetzes in Zusammenarbeit mit der Swisens AG. Die ersten Stationen werden für die Pollensaison 2021 ausgerüstet, und das gesamte Netz wird ab 2022 operationell sein. Parallel dazu werden die Prognosemodelle und Verbreitungskanäle erneuert, um den Nutzern erstklassige Informationen zur Verfügung zu stellen.

Auf diese Weise werden Allergikerinnen und Allergiker besser ihre Aktivitäten planen und mit ihrer Allergie umgehen können, während ForscherInnen ein besseres Verständnis von den Zusammenhängen zwischen Pollenexposition, Wetterbedingungen, Luftverschmutzung, Medikamenteneinnahme und Auftreten von Symptomen erlangen. Ein echter Beitrag zur Verbesserung der Lebensqualität eines erheblichen Teils der Bevölkerung.

* MeteoSchweiz arbeitet unter anderem mit dem Bundesamt für Umwelt, dem Bundesamt für Gesundheit, dem Eidgenössischen Institut für Metrologie, den Kantonsämtern, der Schweizerischen Gesellschaft für Aerobiologie und aha! Allergiezentrum Schweiz zusammen. ** Studie «Nutzen Real-Time Pollendaten»: https://www.aramis.admin.ch/Default.aspx?DocumentID=49552&Load=true

Pollenmessnetz: https://www.meteoschweiz.admin.ch/home/mess-und-prognosesysteme/bodenstationen/pollenmessnetz.html

Informationen über Pollen: https://www.meteoschweiz.admin.ch/home/klima/klima-der-schweiz/polleninformationen.html

Pollenprognose mit COSMO: https://www.meteoschweiz.admin.ch/home/mess-und-prognosesysteme/warn-und-prognosesysteme/cosmo-prognosesystem/pollenprognose-mit-cosmo.html

EUMETNET AutoPollen: https://www.eumetnet.eu/activities/miscellaneous/current-activities-mi/autopollen

Eidgenössisches Departement des Innern EDI

Bundesamt für Meteorologie und Klimatologie MeteoSchweiz

Medienmitteilung Datum 09.07.2020

Pollen in Echtzeit

Seit 28 Jahren misst MeteoSchweiz die Pollenkonzentrationen in der Luft. Diese Messungen sind besonders wichtig für Allergikerinnen und Allergiker, die mehr als 20 % der Bevölkerung ausmachen. Aufgrund jüngster technologischer Fortschritte ist es jetzt möglich, diese Messungen in Echtzeit durchzuführen. Die Realisierung des automatischen Pollenmessnetzes hat begonnen: der Anbruch einer neuen Ära in der Verfolgung dieser Allergene.

Messen der Pollenkonzentrationen in der Luft Um Pollenallergien zu diagnostizieren, zu behandeln und vorzubeugen, haben Allergologen zwischen 1969 (Basel) und 1989 (Luzern und Locarno) die Schweizer Pollenmessstationen eingerichtet. Aufgrund der Zunahme von Allergien in der Bevölkerung ist MeteoSchweiz seit 1993 für das nationale Pollenmessnetz zuständig. Bislang ist eine manuelle Methode zur Pollenmessung internationaler Standard. Die Trommel, an der die Pollen aus der Luft kleben bleiben, wird wöchentlich ins Labor geschickt. Dort erfolgt die schwierige Identifizierung der Arten – einige lösen Allergien aus, andere nicht – durch Experten und Expertinnen unter dem Mikroskop. Auf diese Weise können mittwochs die im Laufe der Vorwoche in der Luft gemessenen Pollenkonzentrationen veröffentlicht werden. Seit kurzem ermöglicht es der technische Fortschritt, dass man weiss, «welche Pollen in genau diesem Moment in der Luft sind», also in Echtzeit.

Eine Revolution im Dienste der Nutzerinnen und Nutzer Um präzisere Informationen in Echtzeit zu verbreiten, stellt MeteoSchweiz seit einigen Jahren sein Knowhow in der Pollenmessung in den Dienst der Erforschung und Erprobung neuer Systeme. Zudem hat MeteoSchweiz die internationale Zusammenarbeit in diesem Bereich weiterentwickelt und koordiniert ein europäisches Programm zur automatischen Pollenmessung im Rahmen von EUMETNET, dem Dachverband der nationalen Wetterdienste Europas. MeteoSchweiz lanciert nun die Etappe der Realisierung seines automatischen Pollenmessnet-zes in Zusammenarbeit mit dem Luzerner Unternehmen Swisens SA, das die im letzten Jahr durchgeführte öffentliche Ausschreibung gewonnen hat. Mit dessen System «Swisens Po-leno», das auf dem Prinzip der Erkennung durch Holografie basiert und im Frühjahr in Payerne in gründlichen Tests validiert wurde, werden künftig die Messstationen ausgerüstet. Die ersten

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Stationen werden für die Pollensaison 2021 bereit sein, und das gesamte Netz wird ab 2022 operationell sein. Ab dem nächsten Jahr werden somit die Pollenkonzentrationen in der Luft nur wenige Minuten nach der Messung verfügbar sein, was einem präzisen Abbild der aktuellen Situation entspricht. Mit diesen Daten können insbesondere die Pollenprognosen und die Qualität der Informationen für Personen mit Allergien, Medizin und Forschung verbessert werden, was zu einer besseren Lebensqualität für einen erheblichen Teil der Bevölkerung sowie zur Reduzierung der Allergiekosten beiträgt.

Kontakt MeteoSchweiz, Kommunikation, media@meteoschweiz.ch, +41 58 460 97 00

Für ausführlichere Informationen: - Pollenmessnetz: https://www.meteoschweiz.admin.ch/home/mess-und-prognosesys-

teme/bodenstationen/pollenmessnetz.html - Swisens Poleno : https://swisens.ch/products/poleno - Gesundheit/Pollen in der App von MeteoSchweiz - Pollen und Allergien: www.pollenundallergie.ch - EUMETNET AutoPollen: https://www.eumetnet.eu/activities/miscellaneous/current-

activities-mi/autopollen - Informationsblatt «Automatisierung des Pollenmessnetzes» (siehe anbei) - Informationsblatt «Swisens Poleno»: Auf der Startseite von www.swisens.ch