Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Ultraschall versorgt aktive Implantate drahtlos mit Energie

04.10.2016

Aktive Implantate, wie zum Beispiel Electroceuticals, wirken im Gegensatz zu Medikamenten lokal, haben weniger Nebenwirkungen und funktionieren direkt wie der Körper selbst – durch elektrische Signale. Fraunhofer-Wissenschaftler stellen auf der Medica in Düsseldorf eine Technologieplattform vor, die aktive Implantate via Ultraschall drahtlos mit Energie versorgt (Halle 10, Stand G05). Im Visier der Experten: Volkskrankheiten wie Bluthochdruck, Diabetes oder Parkinson.

Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Biomedizinische Technik IBMT in Sulzbach (Saarland) haben einen Demonstrator entwickelt, der aktive Implantate drahtlos via Ultraschall mit Energie versorgt. Die Technologie ist eine Alternative zur Energieversorgung mit Batterie und Induktion.


Prinzipieller Aufbau der ultraschallbasierten Energieversorgung und Kommunikation.

© Fraunhofer IBMT

Sie 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.

Bluthochdruck, Diabetes oder Parkinson behandeln

Der als universal nutzbare Technologieplattform konzipierte Demonstrator kann für unterschiedlichste Anwendungen und Modellvarianten angepasst werden: Seine Stromversorgung funktioniert mit oder ohne Akku, er lässt sich für unterschiedlichste Anwendungen aktiver Implantate konfigurieren. 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. Sie zeigen den Demonstrator – der die vorgegebenen Grenzwerte für Ultraschallbehandlungen am menschlichen Körper deutlich unterschreitet – auf der Messe Medica, dem Weltforum der Medizin, vom 14. bis 17. November 2016 in Düsseldorf (Halle 10, Stand G05).

»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«, vermutet Andreas Schneider, Leiter der Arbeitsgruppe »Aktive Implantate« am IBMT. Im Mai 2016 schätzte das Marktforschungsunternehmen BBC Research den Markt für mikroelektronische medizinische Implantate auf 24,6 Milliarden US-Dollar und prognostizierte ein Wachstum auf 37,6 Milliarden US-Dollar bis 2021 – bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 8,8 Prozent.

Ultraschallwellen sind mechanische Wellen. Sie werden von piezoelektrischem Material in Sender und Empfänger ausgelöst beziehungsweise aufgenommen. Die piezoelektrischen Wandler verformen sich unmerklich beim Anlegen einer Spannung. Die Verformung löst eine mechanische Welle aus, ähnlich den Schallwellen einer Lautsprecherbox. Diese treffen auf den piezoelektrischen Empfänger. Die Wellen verformen auch diesen, nur mit dem Unterschied, dass hier genau der umgekehrte Effekt entsteht: Die Verformung produziert elektrischen Strom.

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.« Ziel der Wissenschaftler ist es, dass in naher Zukunft auch Volkskrankheiten wie Bluthochdruck oder Diabetes auf diese Weise behandelt werden können.

»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.

Die prinzipielle Bauweise aktiver Implantate hat sich in den letzten Jahren kaum ver-
ändert. Genau wie die ersten kommerziellen Herzschrittmacher bestehen sie aus elektronischen Bauteilen, die hermetisch gekapselt in einem metallischen Titangehäuse verschweißt sind. Über elektrische Durchführungen im Titangehäuse und Kabelverbindungen erhalten die direkt im Herzmuskel sitzenden Elektroden ihre elektrischen Impulse. Grundsätzliches Problem: die Energieversorgung. Batterien haben den Nachteil, dass sie viel Platz benötigen – oft die Hälfte des Implantats – und regelmäßig operativ ausgetauscht werden müssen.

Als drahtlose Alternative hat sich die Induktion etabliert. Hier übertragen elektromagnetische Wellen Energie und Informationen. Zwei Spulen wandeln Strom in Magnetfelder und wieder zurück um. Der Nachteil: Die elektromagnetischen Wellen werden vom metallischen Implantatgehäuse abgeschirmt. »Ähnlich wie Blitze bei einem Faradayschen Käfig«, erklärt Schneider. Die Spulen müssen deshalb aus dem Gehäuse heraus gelegt werden. »Bei unserer Technologie liegt der Empfänger der Ultraschallwellen innerhalb des hermetischen Implantatgehäuses, direkt an der Gehäusewandung. Implantatwand und Empfänger bilden ein homogenes System, das es erlaubt, Ultraschallwellen zu empfangen und abzustrahlen«, schildert Schneider.

Weitere Informationen:

https://www.fraunhofer.de/de/presse/presseinformationen/2016/oktober/ultraschall...

Britta Widmann | Fraunhofer Forschung Kompakt

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Medizintechnik:

nachricht Neuer Ansatz zur Parkinson-Therapie?
14.11.2019 | Universität Ulm

nachricht Kleiner Schnitt statt großer Operation
11.11.2019 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Medizintechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Forschende entdecken, wie äußere Reize den Auf- und Abbau des Skeletts im Kern von Säugetierzellen steuern

Nicht nur in Muskelzellen spielen sie die Hauptrolle: Die Aktinfilamente sind eines der häufigsten Proteine in allen Säugetierzellen. Die fadenförmigen Strukturen bilden einen wichtigen Teil des Zellskeletts und -bewegungsapparats. Zellbiologinnen und -biologen der Universität Freiburg zeigen nun in Zellkulturen, wie Rezeptorproteine in der Membran dieser Zellen Signale von außen an Aktinmoleküle im Kern weiterleiten, die daraufhin Fäden bilden.

Das Team um Pharmakologe Prof. Dr. Robert Grosse steuert in einer Studie den Auf- und Abbau der Aktinfilamente im Zellkern mit physiologischen Botenstoffen und...

Im Focus: Neuartiges Antibiotikum gegen Problemkeime in Sicht

Internationales Forscherteam mit Beteiligung der Universität Gießen entdeckt neuen Wirkstoff gegen gramnegative Bakterien – Darobactin attackiert die Erreger an einem bislang unbekannten Wirkort

Immer mehr bakterielle Erreger von Infektionskrankheiten entwickeln Resistenzen gegen die marktüblichen Antibiotika. Typische Krankenhauskeime wie Escherichia...

Im Focus: Machine learning microscope adapts lighting to improve diagnosis

Prototype microscope teaches itself the best illumination settings for diagnosing malaria

Engineers at Duke University have developed a microscope that adapts its lighting angles, colors and patterns while teaching itself the optimal...

Im Focus: Kleine Teilchen, große Wirkung: Wie Nanoteilchen aus Graphen die Auflösung von Mikroskopen verbessern

Konventionelle Lichtmikroskope können Strukturen nicht mehr abbilden, wenn diese einen Abstand haben, der kleiner als etwa die Lichtwellenlänge ist. Mit „Super-resolution Microscopy“, entwickelt seit den 80er Jahren, kann man diese Einschränkung jedoch umgehen, indem fluoreszierende Materialien eingesetzt werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Polymerforschung haben nun entdeckt, dass aus Graphen bestehende Nano-Moleküle genutzt werden können, um diese Mikroskopie-Technik zu verbessern. Diese Nano-Moleküle bieten eine Reihe essentieller Vorteile gegenüber den bisher verwendeten Materialien, die die Mikroskopie-Technik noch vielfältiger einsetzbar machen.

Mikroskopie ist eine wichtige Untersuchungsmethode in der Physik, Biologie, Medizin und vielen anderen Wissenschaften. Sie hat jedoch einen Nachteil: Ihre...

Im Focus: Small particles, big effects: How graphene nanoparticles improve the resolution of microscopes

Conventional light microscopes cannot distinguish structures when they are separated by a distance smaller than, roughly, the wavelength of light. Superresolution microscopy, developed since the 1980s, lifts this limitation, using fluorescent moieties. Scientists at the Max Planck Institute for Polymer Research have now discovered that graphene nano-molecules can be used to improve this microscopy technique. These graphene nano-molecules offer a number of substantial advantages over the materials previously used, making superresolution microscopy even more versatile.

Microscopy is an important investigation method, in physics, biology, medicine, and many other sciences. However, it has one disadvantage: its resolution is...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Chemnitzer Linux-Tage 2020: „Mach es einfach!“

18.11.2019 | Veranstaltungen

Humanoide Roboter in Aktion erleben

18.11.2019 | Veranstaltungen

1. Internationale Konferenz zu Agrophotovoltaik im August 2020

15.11.2019 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Der Gewinner ist… Vorankündigung zum 11. Corporate Health Award

22.11.2019 | Förderungen Preise

Erste Liga der Automobilzulieferer

22.11.2019 | Förderungen Preise

Forschende entdecken, wie äußere Reize den Auf- und Abbau des Skeletts im Kern von Säugetierzellen steuern

22.11.2019 | Biowissenschaften Chemie

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics