Stromversorgung per Mikrowellen

Drahtloser Herzschrittmacher kommt ohne Batterien aus

| Redakteur: Sebastian Gerstl

Die Komponenten des neuartigen Herzschrittmachers: Das Gerät kann direkt am Herzen eigesetzt werden und wird von einem Batteriepack außerhalb des Körpers vie Mikrowellen mit Strom versorg. Auf den einsatz zusätzlicher Sonden sowie nachträgliche Operationen zum Austausch der Energiezellen kann verzichtet werden.
Die Komponenten des neuartigen Herzschrittmachers: Das Gerät kann direkt am Herzen eigesetzt werden und wird von einem Batteriepack außerhalb des Körpers vie Mikrowellen mit Strom versorg. Auf den einsatz zusätzlicher Sonden sowie nachträgliche Operationen zum Austausch der Energiezellen kann verzichtet werden. (Bild: Rice Integrated Systems and Circuits)

Wissenschaftler der Rice University und des Texas Heart Institute (THI) haben einen schnurlosen Herzschrittmacher entwickelt, der ohne interne Batterie auskommt. Die Stromversorgung erfolgt stattdessen via Mikrowellen.

Herzschrittmacher erzeugen elektrische Signale, die dafür sorgen, dass das Herz in einem regelmäßigen Rhythmus schlägt. Bislang konnten diese Geräte allerdings nicht direkt am Herzen eines Patienten implantiert werden. Stattdessen werden sie ein kleines Stück vom Organ entfernt verpflanzt, damit Chirurgen in kleineren Eingriffen an die Geräte herankommen, um regelmäßig deren Batterien zu wechseln.

Um die elektrischen Impulse ans Herz zu übertragen, sind diese Schrittmacher mit einem speziellen Draht bzw. einer Sonde am Organ verbunden. Die meisten Probleme, die im Zusammenhang mit den Geräten entstehen, liegen an eben jener Sonde: So kann diese zu Komplikationen wie Infektionen oder inneren Blutungen führen. Zwar existieren bereits Konzepte für drahtlose Schrittmacher, die direkt am Herzen eingesetzt werden. Doch da diese batteriebetrieben sind, besitzen sie einen relativ großen Formfaktor, der ihren Einsatz auf eine einzelne Herzkammer beschränkt.

Batterie- und schnurlose Herzschrittmacher und Mikrochips könnten dagegen direkt an mehreren Punkten des Herzen implantiert und somit auch als zweikammeriges, biventrikuläres Unterstützungssystem genutzt werden, ohne dabei die Risiken einzugehen, die ein zusätzlicher Draht mit sich bringt. Dies verspricht ein neuartiges Herzschrittmacherdesign, dass an der Rice University von einem Forscherteam um Aydin Babakhani, Professor der Elektro- und Computertechnik, derzeit erprobt wird.

Seinen Strom bezieht das Gerät über die Hochfrequenzstrahlung, die von einem externen Batteriepack abgesondert wird. Dieses verfügt über einen schnurlosen Transmitter, der auch mehrere Zentimeter von dem Schrittmacher entfernt mit diesem in Kontakt stehen und ihn mit Energie versorgen kann. Zusätzliche chirurgische Eingriffe zum Wechseln einer internen Batterie würden somit hinfällig. Der entwickelte Prototyp misst gerade einmal 3,8 x 16 mm und ließe sich somit problemlos auch direkt am Herzen, ohne zusätzliche Drähte, verpflanzen, meint Babakhani.

Der neuartige Herzschrittmacher im Größenvergleich. Auf dem 3,8 x 16 mm messenden Board sind ein Mikrochip samt integrierter Antenne, ein Kondensator zum Speichern der eingehenden Energie und ein Schalter enthalten. Die geringe Größe erlaubt den Einsatz des Gerätes an beiden Herzkammern.
Der neuartige Herzschrittmacher im Größenvergleich. Auf dem 3,8 x 16 mm messenden Board sind ein Mikrochip samt integrierter Antenne, ein Kondensator zum Speichern der eingehenden Energie und ein Schalter enthalten. Die geringe Größe erlaubt den Einsatz des Gerätes an beiden Herzkammern. (Bild: Rice Integrated Systems and Circuits)

Der Schrittmacher besteht aus einem 4 mm breitem Mikrochip, der eine Antenne, einen AC/DC-Wandler, eine Power-Management-Einheit und dem Signal zur Aktivierung der Schrittsteuerung. Ebenfalls auf dem Board enthalten sind ein Kondensator und ein Mikroschalter. Der Chip wird über Mikrowellen im elektromagnetischen Frequenzbereich zwischen 8 und 10 Gigahertz mit Energie versorgt.

Das Gerät speichert eingehende Energie bis zu einem bestimmten Punkt, ab welchem der elektrische Impuls ans Herz weitergegeben wird; anschließend beginnt der Vorgang von neuem. Auf diese Weise kann die Schrittmacherfrequenz über die Stromversorgung regeln: Die Forscher können die Energiemenge, die an die Empfangsantenne des Herzschrittmachers übertragen wird, einfach entsprechend hoch- und runterpegeln.

Den Forscher ist des gelungen, den Einsatz ihres neuartigen Herzschrittmachers erfolgreich an einem Schwein zu testen. In einem auf der Fachkonferenz IEEE International Microwave Symposium auf Honolulu präsentiertem Paper führte das Entwicklungsteam auf, dass die Herzschlagrate des Tiers sich mit dem Gerät erfolgreich auf 100 bis hoch zu 172 Schläge pro Minute regeln lassen konnte.

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