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HF-betriebenes Herzimplantat

14.09.2012

Ein Team von Stanford-Ingenieuren hat ein implantierbares Miniatur-Herzgerät vorgestellt, das mit Funkwellen anstelle von Batterien betrieben wird. Das Gerät misst nur etwa 0,8 mm und könnte auf die Spitze einer Nadel passen.

Die Ergebnisse wurden in Applied Physics Letters veröffentlicht. Wissenschaftler haben den Betrieb eines Millimetergeräts demonstriert, das bis zu einer Tiefe von etwa fünf Zentimetern direkt auf der Oberfläche des menschlichen Herzens in die Brust implantiert wurde. Bisher galt eine solche Tiefe als für Funkwellen unzugänglich. Ingenieure glauben, dass dies nur der erste Schritt in der Produktion von drahtlosen Implantaten ist. Neben Herzimplantaten können dies Endoskope, Herzschrittmacher, Hirnstimulatoren und andere medizinische Geräte sein, bei denen geringe Größe und Leistung entscheidend sind.

Implantate haben die Medizin ihrer Zeit revolutioniert. Gegenwärtig bieten solche Geräte – Herzschrittmacher, Cochlea-Implantate usw. – die richtige Lebensqualität für Hunderttausende, wenn nicht Millionen von Patienten. Bei der Entwicklung dieser Geräte müssen jedoch komplexe technische Probleme gelöst werden. Die Größe des Nährelements und die Zeit seines Betriebs sind kritisch. Bei einem Herzschrittmacher beispielsweise nimmt die Batterie bis zur Hälfte ihres Gesamtvolumens ein. Und wenn die Batterie leer ist, muss die Person erneut operiert werden. Die Fähigkeit, Energie durch Funkwellen zu empfangen, löst diese beiden Probleme.

Nach bestehenden mathematischen Modellen wurde angenommen, dass Hochfrequenzwellen nicht zu tief in das Gewebe des menschlichen Körpers eindringen. Aus diesem Grund gab es bisher keine Versuche, solche Implantate herzustellen – Niederfrequenzsender und folglich große Antennen wären erforderlich. Zu groß, um in den Körper implantiert zu werden. Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Ada Poon, Professorin für Elektrotechnik an der Stanford University, hat diese Vorstellung jedoch widerlegt.

Elektrische Wellen zerstreuen sich sehr schnell im Gewebe, aber Radiowellen können bei richtiger Auswahl der Frequenzen in große Tiefen eindringen. Durch die Überarbeitung der Modelle zeigten Ada Poon und ihre Co-Autoren, dass in einem bestimmten Hochfrequenzbereich die Leistung der übertragenen Energie etwa um das Zehnfache ansteigt. Dadurch können die Empfangsantennen 10 mal kleiner sein, wodurch es keine größenbedingten Probleme mehr mit dem Implantat gibt. Gleichzeitig kann die optimale Frequenz, mit der das Gerät arbeitet, etwa 50 Mikrowatt Energie erzeugen, was den Bedarf bestehender Herzschrittmacher deutlich übersteigt - 8 Mikrowatt.

Die Entwickler haben ein Patent auf das Design der drahtlosen Implantatantenne beantragt und planen, weiter daran zu arbeiten, die effizientesten Geräte zu entwickeln, die die von der IEEE festgelegten Hygienestandards erfüllen.

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