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Komponenten

Komponenten Mikroelektronik in Implantaten überwacht die Heilung von Knochenbrüchen Ursache – Idee – Wirkung In unserer hektischen und schnelllebigen Zeit ist ein funktionierender Bewegungsapparat für die meisten Menschen selbstverständlich. Schnelle Hilfe ist jedoch erforderlich, wenn unser „genialer“, extrem leistungsstarker Bewegungsapparat Schaden nimmt, denn er ist für unser Leben und unsere Lebensqualität existenziell. Allein in Deutschland leiden rund 30 Millionen Menschen unter Erkrankungen des Stützund Bewegungsapparates, zu denen mehr als 200 Erkrankungen wie z.B. Arthritis, Arthrose, Osteoporose, Osteitis sowie Knochen-, Gelenk-, Muskel- und Sehnenschäden nach Sportund Unfallverletzungen zählen. Diese Erkrankungen verursachen 30% aller Abwesenheitstage und sind damit Hauptursache für krankheitsbedingte Fehlzeiten in Deutschland. Neben den damit verbundenen wirtschaftlichen Folgen verlangen vor allem die stetig steigenden Kosten im Gesundheitswesen sowie die steigenden Erkrankungszahlen auf Grund der demografischen Entwicklung und des Wandel der Lebensgewohnheiten nach neuen Verfahren in der Behandlung muskuloskelettaler Erkrankungen und Verletzungen. Neue Sensorsysteme bringen neue Lösungsmöglichkeiten Moderne Sensorsysteme, insbesondere drahtlose Sensorsysteme, eröffnen hier neue Diagnose- und Therapieverfahren. Noch sind die derzeit eingesetzten orthopädischtraumatologischen Implantatsysteme rein mechanischer Natur – eine implantatseitige Erfassung krankheits- oder verletzungsspezifischer Parameter ist nicht vorgesehen. Ein patientenindividuelles Monitoring relevanter Parameter während und nach der Rehabilitation kann hier allerdings entscheidend dazu beitragen, die Qualität von Diagnose und Therapie im Bereich muskuloskelettaler Erkrankungen und Verletzungen zu verbessern und gleichzeitig Kosten im Gesundheitswesen zu reduzieren. Mit einer dauerhaften Erfassung relevanter Messgrößen und deren automatisierter Auswertung bestehen ungeahnte Möglichkeiten für eine optimale Behandlung. So kann eine entsprechende Technologie dabei helfen, die Kostensteigerungen im Gesundheitswesen mit aufzufangen, indem stationäre Aufenthalte zur Kontrolle des Patienten reduziert werden. Eine schnellere Wiedereingliederung des Patienten in die Gesellschaft aufgrund verlässlicherer Daten reduziert dazu psychologische Belastungen. Zudem stünden reale Daten als Basis für Weiterentwicklungen der Implantatsysteme zur Verfügung. Aus diesem Grund wird in einem Forschungsverbund aus klinischen, universitären und industriellen Das Spezialisten-Team: Dieser Artikel basiert auf dem Know-How der folgenden Institutionen und Firmen bzw. unzähliger Wissenschaftler, welche in den letzten 10 Jahren Vorarbeiten geleistet haben. • litos/ GmbH • livetec Ingenieurbüro GmbH • Technische Universität Hamburg-Harburg, Institut für Mikrosystemtechnik • Berufsgenossenschaftliches Unfallkrankenhaus Hamburg, Labor für Biomechanik • Berufsgenossenschaftliche Unfallklinik Murnau, Institut für Biomechanik • Universitätsklinikum Schleswig-Holstein, Campus Lübeck, Labor für Biomechanik und orthopädisch-traumatologische Forschung Anwendungsbeispiel Knochenbrüche (Quelle: PT DLR/BMBF). 6 meditronic-journal 4/2014

Komponenten Messung der mechanischen Belastungen (Quelle: BUKH). Partnern die Entwicklung einer Technologie vorangetrieben, welche mit Hilfe von drahtlosen Sensorsystemen ein kontinuierliches und belastungsfreies Monitoring mechanischer Parameter im Rahmen der Behandlung von Frakturen, Gelenk- und Weichteilverletzungen sowie orthopädischer Erkrankungen erlaubt. Innovation des Lösungsansatzes Die Verwendung drahtloser, telemetrischer Techniken macht es möglich, erkrankungs- und verletzungsspezifische Parameter im Rahmen der Diagnostik und Therapie mit einem Minimum an Belastung für den Patienten zu registrieren und zu überwachen. Voll-implantierbare Telemetriesysteme reduzieren in hohem Maße die Gefahr von Infektionen, die mit durch die Haut geführten Leitungen und Kathetern verbunden sein können. Die Energie für den Betrieb dieser Telemetriesysteme wird idealerweise drahtlos übertragen. Von vornherein müssen alle beteiligten Einheiten bezüglich ihres Leistungsverbrauchs und ihrer Konfigurationsmöglichkeiten genauestens analysiert und mit den möglichen technischen Maßnahmen plus Energiespeicher sowie dem genauen Einsatzzweck in Einklang gebracht werden. Notwendig wird die Aufstellung einer konkreten Energiebilanz und ein daraus resultierendes intelligentes Energiemanagement, welches maßgeblich von der Applikation (Mess-, Sendeintervalle, erlaubte Sleep Modi etc.) bestimmt wird. Mit der Einführung einer auf der passiven RFID-Technologie meditronic-journal 4/2014 im Frequenzbereich von 125 kHz basierenden Technik wird die drahtlose Kommunikation mit zeitgleicher Energieversorgung der Implantatelektronik möglich. So kann auf Batterien und die damit verbundenen Risiken, z.B. hinsichtlich Biokompatibilität, verzichtet werden. Die Energie wird dabei elektromagnetisch, wie in einem Transformator, übertragen und ist damit komplett potentialfrei. Risiken durch gefährliche Leckströme oder Spannungen sind ausgeschlossen. Anwendungsbeispiel Knochenbrüche Telemetrisch instrumentierte Implantate unterstützen den Patienten sowie den behandelnden Arzt und Therapeuten während der Heilung von Knochenbrüchen. Während die Beurteilung der Knochenheilung nach Frakturen derzeit noch nahezu ausschließlich radiologisch und klinisch erfolgt und sich die Einschätzung des Heilungsfortschritts nicht selten als schwierig erweist, erlauben die instrumentierten Implantate eine für ein optimales medizinisches und therapeutisches Vorgehen notwendige direkte Aussage über die mechanische Festigkeit und Stabilität des heilenden Knochens. Hierzu messen an konventionelle Implantate angebrachte Funkmodule die mechanischen Belastungen, die auf die Implantate wirken. Die Mediziner können die Daten mit Hilfe eines einfachen Lesegerätes abrufen. Gleichzeitig errechnet ein Computer auf Grundlage dieser Messdaten die momentane Steifigkeit des Knochen-Implantat-Verbundes, welche den Medizinern sagt, wie gut die Knochen im Heilungsprozess zusammengewachsen sind und wie stark sie zum Beispiel durch physiotherapeutische Übungen belastet werden dürfen. Auf diese Weise erhalten die Mediziner sehr viel genauere Informationen über den Heilungsfortschritt als mit einem Blick auf das Röntgenbild. Die Patienten spüren weder das Funkmodul noch das Übertragen der Daten durch die Haut. Jüngstes Ziel war nun die Schaffung der Voraussetzungen für einen regelhaften Einsatz der neuen Technologie, um so letztlich eine Umsetzung der Ergebnisse in marktfähige Produkte zu ermöglichen. Die livetec GmbH ist ein ISO 13485 zertifizierter Medizingerätehersteller und Anbieter von Engineering-Dienstleistungen im Bereich Hard-und Software für medizinische Embedded-Systeme. Die livetec (OEM) Produkte, wie RF-Ablation-Systeme, externe Herzschrittmacher, kabellose EKG-Holter- Module, drahtlose Sensoren usw. sind vor allem für die klinischen Experten in der Kardiologie und Elektrophysiologie konzipiert. livetec entwickelt Baugruppen und Geräte mit telemetrischer Funktionalität z.B. für EKG-Monitoring-Systeme, aktive Implantate, Low Level Laser-Therapie-Geräte und ist für deren Sicherheit, die weltweite Zulassung und Produktion verantwortlich. Über livetec Hard- und Software Engineering & Safety Die Entwicklung der gesamten Elektronik und der Trennstrecken sowie die Funkübertragung erfolgten nach den international gültigen Standards, um die Sicherheit zu gewährleisten. Der Betrieb des Lesegerätes erfolgt mittels Li-Ion-Akkumulatoren, welche eine lange Betriebszeit garantieren. Der Ladevorgang wird über eine integrierte Ladeelektronik, in Verbindung mit einem externen Niederspannungsnetzteil oder einem USB-Anschluss, initiiert. Die gewählten Gehäusematerialen ermöglichen eine leichte Reinigung und Desinfektion. Die Korrelation der Messung zu definierten externen Kräften, die auf das Implantat einwirken, erfolgt über einen externen Kraftsensor, welcher über die livetec wLEAN Funktechnologie am Auswerte-PC (Laptop) angeschlossen ist. Für eine benutzerfreundliche Bedienbarkeit sind Funktions- sowie Batterieanzeige, akustische Signale, LED-Leuchten und eine Belastungsanzeige vorgesehen. Dies wird u.a. über eine graphische LCD realisiert. Weiter kann das Gerät Überlastungen auf Implantaten erkennen, anzeigen und vorwarnen, was für Rehabilitation und Alltag der Patienten von großem Nutzen ist. Der Schwellenwert für die Überlast ist individuell definierbar. Das Team von hochqualifizierten Ingenieuren und Technikern verfügt über Jahrzehnte lange Erfahrung. Die Ingenieure gewinnen diese in direkter Zusammenarbeit mit den klinischen Experten, Kardiologen, Kliniken, Hochschulen bzw. Universitäten im In- und Ausland. Die livetec Produkte werden in Deutschland entwickelt und hergestellt. livetec GmbH info@livetec.de www.livetec.de 7