Drahtloser Energiespender für aktive Implantate

Prinzipieller Aufbau der ultraschallbasierten Energieversorgung und Kommunikation. (Foto: Fraunhofer IBMT)

Wissenschaftler haben eine Technologieplattform entwickelt, die aktive Implantate drahtlos mit Energie versorgt. Die Technologie ist eine Alternative zur Energieversorgung aktiver Implantate mit Batterie und Induktion. Im Visier der Experten: Volkskrankheiten wie Bluthochdruck, Diabetes oder Parkinson.

Beim als universal nutzbare Technologieplattform konzipierten Demonstrator, entwickelt am Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT, erfolgt die drahtlose Energieversorgung der aktiven Implantate via Ultraschall. Die Technologie kommt platzsparend ohne integrierte Batterien aus und ist effizienter als eine induktive Energieübertragung: Ultraschallwellen dringen leichter durch das Metallgehäuse der Implantate als elektromagnetische Wellen – die Reichweite im Körper ist größer. Die Ultraschallwellen können auch Informationen bidirektional übertragen – zum Beispiel die Temperatur des Implantats oder Angaben zur Art und Stärke der elektrischen Stimulation.

Alternative zu Medikamenten

Aktive Implantate sind in der Lage, bestimmte Körperfunktionen eines erkrankten Menschen zu unterstützen und Funktionsstörungen zu kompensieren. Meist knapp unter der Haut eingepflanzt können sie durch elektrische Stimulationen den Herzrythmus kontrollieren (Herzschrittmacher), Sinneseindrücke unterstützen – zum Beispiel Retina- und Chochleaimplantat – sowie Prothesen steuern (Handprothese). Weitere komplexe Aufgaben der wenige Zentimeter großen Medizintechnik sind: Dosierung von Medikamenten oder Unterstützung des Knochenwachstums. »Unser Körper funktioniert über elektrische Signale. Das stellt ein aktives Implantat nach«, erklärt Schneider.  Peter-Karl Weber aus der Hauptabteilung „Ultraschall“ des IBMT ergänzt: „Über Medikamente können zum Teil Verbesserungen erzielt werden. Der Nachteil: Sie wirken nur indirekt und belasten den gesamten Körper. Aktive Implantate wirken direkt und lokal dort, wo sie benötigt werden.“ Bereits in naher Zukunft könnten auch Volkskrankheiten wie Bluthochdruck oder Diabetes auf diese Weise behandelt werden. »Dafür benötigen wir mehr leistungsstarke, miniaturisierte und gleichzeitig robuste Technologieansätze für aktive Implantate. Wir haben gezeigt, dass Ultraschall ein neuer Weg zur Energieversorgung von aktiven Implantaten ist«, sagt Weber.

Anwendungsvielfalt für aktive Implantate

Der Demonstrator lässt sich für unterschiedlichste Anwendungen und Modellvarianten anpassen: Seine Stromversorgung funktioniert mit oder ohne Akku, er kann für verschiedene Anwendungen aktiver Implantate konfiguriert werden. Beispiele sind Volkskrankheiten wie Bluthochdruck, Diabetes oder Parkinson. Die Forscher haben ein komplettes System entwickelt – den Sender außerhalb des Körpers und den Empfänger direkt im Implantat.

Auf der Messe Medica (14. bis 17. November 2016 in Düsseldorf) zeigen die Wissenschaftler den Demonstrator, der die vorgegebenen Grenzwerte für Ultraschallbehandlungen am menschlichen Körper deutlich unterschreiten soll. „Auf der Messe suchen wir nach Industriepartnern, um auf Basis unserer Technologieplattform gemeinsam ein konkretes Produkt zu entwickeln. Technologisch könnte dies bereits innerhalb eines Jahres machbar sein“, sagtAndreas Schneider, Leiter der Arbeitsgruppe „Aktive Implantate“ am IBMT. Das Marktforschungsunternehmen BBC Research schätzt den den Markt für mikroelektronische medizinische Implantate auf 24,6 Milliarden US-Dollar ein und prognostiziert ein Wachstum auf 37,6 Milliarden US-Dollar bis 2021 – bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 8,8 Prozent.