Ultraschall: Energiequelle für aktive Implantate

Interview mit Dipl.-Ing. Andreas Schneider und Dipl.-Ing. Peter-Karl Weber von der Arbeitsgruppe "Aktive Implantate" des Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik (IBMT)

02.11.2016

Implantate benötigen ausreichend viel und dauerhaft Energie, um wie gewünscht zu funktionieren. Doch anders als bei einem Handy oder einer Kamera spielt die Größe des Akkus bei Implantaten eine wichtige Rolle. Forscher suchen deshalb nach Wegen, um Energie von außen zuzuführen.

Bild: Ein Mann im Anzug mit kurzen, dunkelblonden Haaren - Andreas Schneider; Copyright: Fraunhofer IBMT/Bernd Müller

Andreas Schneider; © IBMT/Bernd Müller

Herr Schneider, was sind aktive Implantate, wofür werden sie eingesetzt und wie funktionieren sie?

Andreas Schneider: Aktive Implantate sind technische Systeme, die durch einen medizinischen Eingriff in den Körper eingebracht werden und dort für einen längeren Zeitraum verbleiben. Dass sie aktiv sind, bedeutet, dass sie auf eine Energiequelle angewiesen sind. Das wohl bekannteste Beispiel eines aktiven Implantates ist der Herzschrittmacher, er ist einer der ersten aktiven Implantate.

Welche Vorteile bieten sie gegenüber herkömmlichen (medikamentösen) Therapien?

Schneider: Bei den heutigen Einsatzgebieten aktiver Implantate wäre eine medikamentöse Therapie meist nicht erfolgversprechend. Daher stellt sich in der Regel nicht die Frage, ob man ein Implantat oder ein Medikament einsetzt. Allerdings existieren erste Ideen, in Zukunft bestimmte, heute noch medikamentös zu behandelnde Erkrankungen, mittels implantierter Elektrostimulatoren zu therapieren. Hiervon verspricht man sich einige Vorteile. Wenn beispielsweise jemand aufgrund einer chronischen Erkrankung Medikamente einnehmen muss, wirken diese sich auf den ganzen Körper aus und können Nebenwirkungen hervorrufen. Mit aktiven Implantaten für die Elektrostimulation kann man gezielt elektrische Aktivitäten im Körper beeinflussen, wodurch es möglich ist, direkt und lokal zu therapieren. Sie können also theoretisch spezifischer und gezielter, und damit auch mit weniger Nebenwirkungen, therapeutische Effekte erzielen.

Bild: Mann mit Glatze und Brille im Anzug - Peter-Karl Weber; Copyright: Fraunhofer IBMT/Bernd Müller

Peter-Karl Weber; © Fraunhofer IBMT/Bernd Müller

Herr Weber, Sie haben eine andere Form der Energieversorgung für aktive Implantate mit einer ultraschallbasierten Technologieplattform geschaffen. Wie funktioniert sie?

Peter-Karl Weber: Die ultraschallbasierte Technologieplattform ist eine andere Art der Energieübertragung von außen ins Körperinnere. Stellen Sie sich vor, Sie stehen vor einer Musikbox. Diese strahlt Energie in Form akustischer Wellen ab, welche von einer vor dem Lautsprecher stehenden Person als Vibrationen des Körpers wahrgenommen werden. Dasselbe Prinzip nutzen wir auch. Wir haben einen Ultraschallwandler außerhalb des Körpers, das heißt einen „Lautsprecher“, der im Ultraschallbereich arbeitet und elektrische Energie in Ultraschallwellen umwandelt und in den Körper sendet. Im Körperinneren befindet sich das Implantat mit dem dazugehörigen „Mikrofon“, das als Ultraschallempfänger fungiert. Es nimmt die vom externen Ultraschallwandler ausgehenden Schallwellen auf und wandelt diese wieder in elektrische Energie um, die dann vom aktiven Implantat genutzt werden kann.

Wie ist die Technologieplattform aufgebaut?

Schneider: Der typische Aufbau sieht so aus, dass wir einerseits im Körperinneren das Implantat mit dem integrierten Ultraschallempfänger haben, und andererseits einen extrakorporalen Ultraschallsender, welcher typischerweise auf der Haut angebracht wird und elektrische Energie in akustische Energie in Form von Schallwellen umwandelt. Diese durchlaufen Haut, Gewebe und die Titankapselung des Implantats. Der im Implantat integrierte Ultraschallempfänger wandelt dann die Schallenergie wieder in elektrische Energie um. Diese kann direkt vom Implantat benutzt werden oder einen Akku aufladen.

Welche Möglichkeiten, aktive Implantate mit Energie zu versorgen, gibt es außerdem?

Schneider: Die klassische Variante ist die Energieversorgung durch eine Batterie. Eine weitere Alternative besteht in der Induktion, bei der man mit elektromagnetischen Wellen arbeitet. Hierzu befindet sich zumeist eine Spule außerhalb des Titangehäuses des Implantats, die mit einem Kabel und elektrischen Durchführungen mit dem Inneren des Implantats verbunden ist. Mit einer zweiten Spule auf der Körperoberfläche ist dann eine Energie- und Datenübertragung auf elektromagnetischem Wege möglich.

Welche Vorteile bringt die Energieversorgung mittels Ultraschall gegenüber der mit Batterie oder Induktion?

Schneider: Batteriebetriebene aktive Implantate – wie beispielsweise der Herzschrittmacher – sind heutzutage immer noch relativ groß, weil die Batterien viele Jahre halten sollen, bevor sie ausgetauscht werden müssen. Die Energieversorgung durch Ultraschall dagegen erlaubt wesentlich kleinere Akkus, die per Schallenergie immer wieder aufgeladen werden können. Der Nachteil der häufig eingesetzten Induktion besteht in der eingeschränkten Durchlässigkeit der Titankapselung für elektromagnetische Wellen. Hier setzen wir mit der neuen Ultraschalltechnologie an, da Ultraschallwellen besser die Metallwand durchdringen. Auch der technologische Aufwand ist bei der Induktion deutlich höher und sie ist störanfälliger. Um Energie übertragen und kommunizieren zu können, muss eine Spule vom Inneren des Implantats nach außen gezogen werden. Nur so lässt sich induktiv Energie mit annehmbarer Effizienz übertragen. Zur Kontaktierung der Spule sind Kabel und elektrische Durchführungen notwendig. Bei der Energieversorgung mittels Ultraschall hingegen sind elektrische Durchführungen und Kabel nicht notwendig, weil der Schallwandler direkt im Gehäuse des Implantats sitzt.

Bild: Computergeneriertes Bild eines Kopfes mit einem Implantat im Hals, das von Ultraschallwellen getroffen wird; Copyright: Fraunhofer IBMT

Prinzipieller Aufbau der ultraschallbasierten Energieversorgung und Kommunikation; © Fraunhofer IBMT

Weber: Die Abschirmung elektromagnetischer Wellen durch das Titangehäuse kann man sich folgendermaßen vorstellen: Sie sitzen in einem Auto und fahren durch ein Gewitter. Sie können im Auto nicht vom Blitz getroffen werden. Das liegt an dessen Metallkonstruktion, die einen Faraday´schen Käfig bildet. Der Knall (Schallwellen) des Donners aber dringt sehr wohl ins Auto, Sie können ihn ja hören. Mit Implantaten verhält es sich ähnlich. Elektrische Energie durch die Metallwand zu übertragen ist nur begrenzt möglich, wohingegen das Metallgehäuse für den Ultraschall wie eine Membran wirkt, die zu schwingen anfängt und den Schall weiterleitet. Zudem können wir mit Ultraschall, anders als bei der elektromagnetischen Energieübertragung, auch tieferliegende Implantate mit Energie versorgen.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Ausbreitung von Ultraschallwellen, gegenüber elektromagnetischen Wellen, stark materialabhängig ist. Ultraschallwellen laufen zwar gut durch den Körper und Metall, aber nicht durch die Luft. Dies ist auch der Grund, weswegen Ärzte bei Ultraschalluntersuchungen Gel verwenden – um der Luftschicht zwischen Körper und Ultraschallwandler entgegenzuwirken. Elektromagnetische Wellen hingegen breiten sich im Raum aus und können von Hackern angegriffen werden, um beispielsweise auf Daten aktiver Implantate zuzugreifen. Ultraschall bietet da mehr Sicherheit.

Die Ultraschalltechnik stellt eine neue Alternative zur Energieversorgung mit Batterie und Induktion dar. Sie wird diese jedoch nicht vollkommen ersetzen, denn auch sie hat ihre Einschränkungen. Zum Beispiel ist Ultraschall aufgrund seiner Luftinkompatibilität nicht für Anwendungen geeignet, bei denen sich zwischen Implantat und äußerem Wandler Luft (z. B. die Lunge) befindet.

Was lässt sich noch optimieren oder ergänzen?

Schneider: Da der Demonstrator bisher unsere erste Umsetzung ist, wird es in Zukunft sicherlich Einiges geben, das man optimieren kann. Zum Beispiel die Energieeffizienz oder die Reichweite der Ultraschallwellen. Und dass wir beispielsweise auch die Frequenz und die Signalform des Schalls verändern. Von der Grundtechnologie ist das im Prinzip aber alles schon gegeben.

Das Interview wurde geführt von Nicole Kaufmann.
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