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3-2012

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Fachzeitschrift für Medizintechnik-Produktion, Entwicklung, Distribution und Qualitätsmanagement

Aus Forschung + Technik

Aus Forschung + Technik Intelligente Implantate/Prothesen Dr. Thomas Velten vom Fraunhofer-Institut for Biomedical Engineering eröffnete den dritten Teil des Forums mit einem Vortrag über „Module für die drahtlose Energie- und Datenübertragung bei aktiven medizinischen Implantaten“. Intelligente Socke Im ersten Teil des Vortrages ging es um die Prävention der Füße bei Diabetespatienten. Aufgrund der Diabetes-Erkrankung können die Nerven in den Füßen der Patienten absterben, sodass kein Gefühl mehr darin vorhanden ist. Als Folge wird der Fuß irgendwo platziert und über längere Zeit nicht mehr bewegt, was durch die Druckbelastung zu Druckstellen und Geschwürbildung führen kann. Gesunde Menschen bewegen ständig unbewusst ihre Gliedmaßen. Eine Socke soll hier für den Patienten unterstützen. Der Patient zieht einen Strumpf an, der mit stromsparenden Sensoren ausgestattet ist. Ein Textil basiertes Messsystem erfasst und analysiert ständig den Druck und meldet die Daten an eine Auswerteelektronik, die am Oberkörper getragen wird. Eine Anzeigeeinheit meldet Druck- Auszug aus der ISO-Norm 14708-1 Implants for surgery – active implantable medical devices Terms and definitions und Zeitüberschreitung und fordert den Patienten auf den Fuß zu bewegen. Die Anforderungen an das „Gerät“ Die Elektronik ist abnehmbar und der Strumpf kann gewaschen werden. Der Strumpf muss sich in Was ist ein aktives medizinisches Implantat? For the purposes of this part of ISO 14708, the following terms and definitions apply. 3.1 medical device article, whether used alone or in combination, together with any accessories or software for its proper functioning, intended by the manufacturer to be used for human beings in the • diagnosis, prevention, monitoring, treatment or alleviation of disease or injury, • investigation, replacement or modification of the anatomy or of a physiological process, • control of conception and which does not achieve its principal intended action by pharmacological, chemical, immunological or metabolic means but which may be assisted in its function by such means 3.2 active medical device medical device relying for its functioning on a source of electrical energy or any source of power other than that directly generated by the human body or gravity 3.3 active implantable medical device active medical device which is intended to be totally or partially introduced, surgically or medically, into the human body or by medical intervention into a natural orifice, and which is intended to remain in place after the procedure High-Tech Zahnkrone, die einen Elektrostimulator zum Anregen der Speichelproduktion bei Patienten mit „Trockenem Mund“ enthält. Mittels Infrarotlicht kann der Patient drahtlos mit der Zahnkrone kommunizieren und so bei Bedarf das Stimulationsmuster ändern. Am IBMT wurde eine Telemetrielösung gefunden, die es erlaubt mittels Infrarotlicht durch die Wange hindurch mit der Zahnkrone zu kommunizieren. Copyright: Fraunhofer IBMT, Photo: Bernd Müller. regelmäßigen Abständen mit der Meldeeinheit in Verbindung setzen. Wenn die Verbindung unterbrochen ist oder eine Funktionsstörung auftritt, muss ein Alarm ausgelöst werden. Die Reichweite soll 10 m betragen und auch ohne Sichtverbindung stattfinden. Die Kommunikation ist bi-direktional und der Stromverbrauch gering. Bei diesem „Gerät“ werden Drucksensoren, Auswerteelektronik mit Software, sowie ein drahtloses Übertragungssystem für die Messwerte zum Auswertesystem benötigt. Die Stromaufnahme und der Ruhestrom sind sehr gering (kleiner 2 mA und kleiner 500 nA. Gesendet wird im Frequenzbereich von 863 bis 870 MHz mit einer Datenrate bis zu 186 kbit/s. Intelligente Hand - MyoPlant Bei diesem Projekt sollen Patienten mit einer Hand- oder Armprothese diese über ihr Gehirn steuern können. Dazu müssen die Signale an den noch vorhandenen Muskeln des Armes abgegriffen und drahtlos an die Prothese weitergeleitet werden. Dadurch soll die Hand intuitiver und einfacher bewegt werden können. Durch ein invasives Interface (implantierbare Elektroden) wird die Vorstellung der Bewegung in Form von Signalen an die Prothese übertragen. Die Energieversorgung des Implantates erfolgt drahtlos und muss von 16 meditronic-journal 3/2012

Aus Forschung + Technik der Datenübertragung getrennt erfolgen. Hierbei darf es nicht zu einer Erwärmung kommen. Benötigt werden Antennen mit zwei Frequenzen für das Senden und Empfangen. Anforderungen • Die Energieübertragung muss von der Datenübertragung getrennt werden. • Hohe Datenraten müssen übertragen werden • Hoher Wirkungsgrad der Energieübertragung bei geringem Energieverbrauch und geringster Redundanz bei der Datenübertragung • Erwärmung der Primär- und Sekundärseite Realisiert wurde ein kompaktes Hardware-Implantat mit einer sekundären und primären Spule. Die primäre Spule erwärmt sich im Betrieb nur gering, die Sekundärspule überhaupt nicht. Die Datenübertragung erfolgt über einen Funkchip von Zarlink. Der echtzeitfähige Chip ist zurzeit der einzige, welcher medizinisch zugelassen ist. Durch die Konfiguration von IBMT wurde die Datenübertragungsrate auf 260 kbit/s mit einer Null-Fehlerrate realisiert. Es können 10 Kanäle mit einer Auflösung von 10 Bits übertragen werden. Intelligente Zähne Als drittes Beispiel stellte Dr. Velten die Intelligenten Zähne vor. Hierbei geht es um das Krankheitsbild des trockenen Mundes. Dies tritt bei Patienten auf, deren Speicheldrüsen noch funktionsfähig sind, aber nicht ausreichen Speichel produzieren. Die Therapie erfolgt mittels Elektro-Stimulation. Ein Mikroimplantat von der Größe einer Zahnkrone wird in einen Zahn eingesetzt. Es enthält einen Feuchtesensor, Batterien, einen Elektrostimulator, Elektronik und einen Mikroprozessor. Das System ist in der Lage drahtlos mit einer externen Fernbedienung zu kommunizieren. Gefordert werden ein geringer Energieverbrauch und extrem kleine Bauteile. Die Datenübertragung erfolgt bi-direktional und drahtlos. Der Sensor misst die Feuchte und übermittelt die Daten an die Steuerung, die den Stimulator aktiviert. Dadurch werden die Speicheldrüsen angeregt, Speichel abzugeben. Technische Anforderungen • extrem geringer Energieverbrauch • kleine Baugröße ohne zusätzliche Antenne, kein Quarz • so weinig Bauteile wie möglich Lösung Die Datenübertragung erfolgt per Infrarot, bi-direktional, drahtlos und transkutan. Ansprechpartner: Dr. Thomas Velten Fraunhofer IBMT Aktive Knieprothese Herr Lars Hovy vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung stellte unter dem Titel „Intelligente, aktiv angetriebene Knieprothese - Einsatz von Sensor- und Aktorsystemen“ einen Prototyp einer aktiv angetriebenen Knieprothese vor. Das Ziel ist es, einen amputierten Patienten beim Gehen aktiv zu unterstützen und ihm dadurch einen möglichst natürlichen Gang zu ermöglichen. Durch den möglichst natürlichen Gang soll eine energieefiziente Fortbewegung mit Prothese ermöglicht werden. Die Anforderungen an eine Prothese sind hoch: sie soll kompakt, leicht, leistungsfähig und energieeffizient sein. Mechatronische Systeme und die Entwicklungen aus der Robotertechnik ermöglichen eine Weiterentwicklung der Prothesen, genauso wie die Fortschritte bei den Sensorsystemen für Bewegungserfassung und bei der Terrain-Detektion. Diese technischen Neuerungen ermöglichen erst den Bau immer besserer Prothesen. Für eine Prothese werden folgende Bauteile benötigt: ein mechanischer Aufbau, Kinematik, elektrische Antriebe, Sensor- Systeme, Leistungselektronik, eine Energiequelle und ein Regelungssystem. Ziel soll außerdem eine Echtzeitanpassung sein. Bild © Fraunhofer IPA Durch die Sensoren in der Prothese erkennt diese ihre Umwelt. Steht der Patient beispielsweise vor einer Stufe, wird sie detektiert. Die Sensoren melden das Hindernis an die Aktoren und die Antriebe werden in Betrieb genommen. Das Knie wird automatisch angewinkelt und das Bein wie beim Treppensteigen gehoben. Um dies zu ermöglichen ist ein Sensorsystem zur Umfelderkennung bestehend aus einem 2D-Laserscanner, einem Navigationssystem und Ultraschallsensoren notwendig. Um eine willkürliche Bewegung zu ermöglichen werden EMG-Signale mittels EMG- Arrays abgegriffen. Die Anforderungen an das Antriebssystem der Prothese sind hoch. Drehmomente und Winkelgeschwindigkeiten eines real existierenden Gelenkes müssen aufgebracht werden. Im Fall eines Kniegelenkes beträgt das Drehmoment bis zu 0,6 Nm/kg multipliziert mit der Masse des Prothesenträgers, die Winkelgeschwindigkeit bis zu 350°/s. Außerdem soll das Prothesensystem vier Stunden Gehen ohne Aufladen ermöglichen. In der Zukunft ist es wichtig, immer energieeffizientere Systeme zu entwickeln. Dies wird beispielsweise durch die Entwicklung neuer Sensorsysteme ermöglicht. Neue Sensorsysteme zur Erfassung von Muskel- oder sogar Gehirnsignalen werden erforscht. Momentan stellen die Steuerung der angetriebenen Systeme und die Verbindung der verschiedenen Prothesenmodule immer noch eine große Herausforderung dar. Bei der Kopplung verschiedener Sensor- und Aktorsystemen sind ebenfalls noch viele innovative Entwicklungen nötig, um bessere Prothesen fertigen zu können.Momentan ist ein Prototyp einer aktiven Knieprothese vorhanden. Ansprechpartner: Bernhard Budaker Fraunhofer Institut für Produktionstechnik und Automatisierung meditronic-journal 3/2012 17

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