Fraunhofer Gesellschaft:
Neue Generation von Mikroimplantaten
Sie sind gerade einmal daumennagelgroß, können miteinander kommunizieren, reagieren aufeinander und sollen künftig das Leben von Menschen mit funktionalen Einschränkungen erleichtern.
Die Rede ist von einer neuen Generation interaktiver Mikroimplantate, die das BMBF-Innovationscluster INTAKT, koordiniert vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT, entwickelt hat. Die Miniatur-Helfer sind etwa Impulsgeber bei Tinnitus oder bei Funktionsstörungen des Verdauungstrakts und sollen die Wiedererlangung der Greiffunktionen der Hand unterstützen.
Die Entwicklung winziger, in den Körper implantierbarer Helfer hat ndas Ziel, die Lebensqualität von Menschen mit funktionalen nEinschränkungen zu erhöhen. Aktive Implantate wie etwa Hirn- und nHerzschrittmacher können über elektrische Impulse Nerven stimulieren. nAnders als viele Medikamente wirken sie direkt und lokal. Da sie über nelektrische Signale funktionieren, haben sie kaum Nebenwirkungen.
Ihre nSchwachstellen: Kabelver-bindungen zwischen Zentralimplantat und nElektroden können brechen, Batterien müssen regelmäßig ausgetauscht nwerden. Ziel des vom Bundesforschungsministerium geförderten nInnovationsclusters "INTer-AKTive Mikroimplantate" INTAKT war es daher, neine neue Generation von aktiven, miteinander vernetzten nMikroimplantaten zu entwickeln, die lebenslang im Körper verbleiben nkönnen. Mit dem Fraunhofer IBMT als Verbundkoordinator entwickelten 18 nKooperationspartner aus Wirtschaft, Wissenschaft und dem klinischen nBereich ein Netzwerk aus bis zu zwölf Mikroimplantaten, die drahtlos, inn Echtzeit und sicher miteinander kommunizieren.
Betroffene können
Implantate selbst an ihre
Bedürfnisse anpassen
nÜber die Kommunikation unter-einander hinaus können Patient und Arzt njederzeit auch von außen mit dem Implantate-Verbund kom-munizieren. "Übern Laptop oder Smartphone kann der Betroffene seine eigenen Implantate njederzeit so einstellen, wie es seinen aktuellen Bedürfnissen nentspricht, und gemeinsam mit dem Arzt die Therapie oder Rehabilitation noptimieren", erklärt Prof. Klaus-Peter Hoffmann, ehemaliger nHauptab-teilungsleiter Biomedizintechnik am Fraunhofer IBMT.
Damit sei neine Arzt-Patienten-Zusammenarbeit auf Augenhöhe möglich.
Für das Verbundprojekt INTAKT hatten sich die Cluster-Partner drei nAnwendungsfelder ausgesucht: die Behandlung von Tinnitus durch nStimulation der Cochlea, die Milderung von Motilitätsstörungen, also dien anregende, verzögernde oder koordinierende Wirkung auf die nDarmbewegung, sowie die zumindest teilweise Wiederherstellung der nGreiffunktion der Hand nach einer Querschnittslähmung.
Bei der Tinnitus-Applikation etwa stimuliert jeweils ein Implantat ndas Runde Fenster der Cochlea im Innenohr, moduliert so die Aktivitäten nim Hörnerv und verrauscht dadurch das Phantomgeräusch, das rund zehn nMillionen Menschen in Deutschland den Alltag verleidet. Um ngastrointestinale Motilitätsstörungen - Bewegungsstörungen des nMagen-Darm-Trakts - zu beheben, wie sie etwa nach Bauchraum-Operationen,n bei Querschnittsgelähmten oder Diabetikern vorkommen können, erfassen ndie strategisch im Magen-Darm-Trakt verteilten Implantate die Aktivität njeweils eines Abschnitts und kommunizieren dieses Wissen an eine nzentrale Steuereinheit. Diese wertet die Datenlage aus, motiviert dann ndie entsprechenden Implantate zur Stimulation der betroffenen Teile des nIntestinaltrakts und bewirkt so einen möglichst störungsfreien nVerdauungsprozess.
Mikroimplantat-Netzwerk
stimuliert die Muskeln im Unterarm
Besonders komplex ist die partielle Wiederherstellung der nGreiffunktion. Dafür können die Muskeln des Unterarms von bis zu zwölf nMikroimplantaten stimuliert und so bis zu acht Handbewegungen nwiederhergestellt werden. Der Patient kontrolliert die Handbewegung ndabei über ein Eye-Tracking-System: Vorab definierte Augen-, Lid- und nKopfbewegungen geben Befehle an die zentrale Steuereinheit weiter, die ndann entsprechend das Implantat-Netzwerk orchestriert.
"Mit der Entwicklung eines Implantat-Netzwerks haben wir mehrere nVorteile geschaffen", erläutert Elektroingenieur Roman Ruff, nGruppenleiter am Fraunhofer IBMT. Einer davon ist die höhere nBiostabilität: "Sensoren und Aktoren wurden direkt in das Gehäuse nintegriert, sodass wir auf empfindliche Kabelverbindungen verzichten nkonnten." Die Implantate interagieren stattdessen über Funk und Infrarotn miteinander. Das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS nhat für die Implantate einen stark miniaturisierten ASIC n("application-specific integrated circuit"), eine anwendungsspezifische nintegrierte Schaltung entwickelt, die Biosignale etwa aus dem Armmuskel noder Magen und Darm erfassen und weitergeben und zugleich dazu passende nElektrostimulation initiieren kann.
Batterien werden induktiv
und adaptiv geladen
nEin Flaschenhals für Weiterentwicklungen der Hightech-Minis ist die nEnergieversorgung. Batterien brauchen Platz und müssen regelmäßig nausgetauscht werden. Bei einem Verbund aus Implantaten ist dies nbesonders aufwendig, da jedes einzelne Gerät je nach Beanspruchung einenn unterschiedlichen Energieverbrauch hat. INTAKT setzt auf induktive nLadung. Eine zentrale Steuereinheit liefert dem Implantat-Netzwerk so nfür 24 Stunden zuverlässig Energie. Diese Basisstation kann der Patient nbei den drei aktuellen Anwendungsfeldern entweder als eine Arm- oder nBauchmanschette oder als Ear-Wearable hinter dem Ohr tragen. "Die nEnergieversorgung von außen ermöglicht eine Langzeitstabilität des nImplantat-Verbunds", betont Klaus-Peter Hoffmann. "Außerdem erfolgt die nEnergieversorgung adaptiv - jedes einzelne Implantat erhält genau die nEnergiemenge, die es benötigt." Für den Notfall ist eine Batterie als nPufferspeicher im Implantat integriert, die ebenfalls regelmäßig ninduktiv geladen wird.
Erste präklinische Tests und Probandenstudien haben gezeigt, dass dien bislang entwickelten INTAKT-Applikationen funktionieren. Es gilt nun, nden weiten Weg zu beschreiten, die Entwicklung in die klinische nAnwendung zu überführen und für Patientinnen und Patienten nutzbar zu nmachen.
Quelle: Fraunhofer Gesellschaft
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