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Medizinelektronik Wie die Heuschrecken: Medizinelektronik nach dem Vorbild von Insekten

| Autor: Peter Reinhardt

Die Medizintechnik ist eine hochgradig innovative Branche. Treiber vieler Entwicklungen ist die Elektronik. Bei der Vielzahl an Neuerungen ist es nicht leicht, den Überblick zu behalten – zumal das Thema mitunter überraschende Ausgangspunkte wie Heuschrecken hat.

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Die Medizinelektronik ist hochgradig innovativ. Bei der Vielzahl an Neuerungen ist es nicht leicht, den Überblick zu behalten – zumal das Thema mitunter überraschende Ausgangspunkte wie die Heuschrecke hat.
Die Medizinelektronik ist hochgradig innovativ. Bei der Vielzahl an Neuerungen ist es nicht leicht, den Überblick zu behalten – zumal das Thema mitunter überraschende Ausgangspunkte wie die Heuschrecke hat.
(Bild: gemeinfrei)
  • Viele Medizinelektronik-Entwicklungen fokussieren auf Wearables
  • Energieversorgung von Wearables weiterhin kritisches Thema
  • Kombination von EKG mit optischer Herzfrequenzmessung

Heuschrecken haben hierzulande einen schlechten Ruf. Die Fluginsekten stehen als Synonym für aggressiv agierende Private-Equity-Gesellschaften, die solvente Firmen kaufen, diesen Schulden aufbürden und sie dann mit höchstmöglicher Rendite weiterverkaufen. Doch davon haben sich Forscher der ETH Zürich nicht beeindrucken lassen. Inspiriert von der Natur haben sie unlängst völlig neuartige Elektroden für die Gesundheitsüberwachung entwickelt, die optimal an der Haut haften und hochqualitative Signale aufzeichnen können. Dafür machten sie sich den Mechanismus zu Nutze, der Heuschrecken ermöglicht, auch auf vertikalen Flächen zu gehen.

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Hautverträgliche Elektrode aus Silikongummi und leitenden Silberpartikeln

Zwei junge Spin-off-Gründer der ETH Zürich wollen das Produkt noch dieses Jahr zur Marktreife bringen. Denn wer schon einmal ein Elektrokardiogramm erstellen ließ, etwa um seine Herzfitness zu überprüfen, kennt die Elektroden, die einem der Arzt auf der Brust befestigt – und deren Nachteile. Die harten Metallelektroden sind unbequem zu tragen und deshalb wenig für Langzeitmessungen geeignet. Auch Gel-Elektroden, wie sie im klinischen Alltag am häufigsten verwendet werden, haben ihre Schwächen. Nicht selten erleiden Patienten Hautirritationen oder gar allergische Reaktionen.

Die ETH-Forscher um Janos Vörös, Professor für Bioelektronik, und Christopher Hierold, Professor für Mikro- und Nanosysteme, wollen hier Abhilfe schaffen. Sie entwickelten eine Elektrode, die ähnlich elastisch ist wie die Haut und die der Träger somit kaum spürt. Dank von Heuschrecken inspirierten Oberflächenstruktur können Signale von Herz und Hirn in hoher Qualität aufgezeichnet werden.

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Die Forscher verwenden für die neue Elektrode eine hautverträgliche Mischung aus Silikongummi und leitenden Silberpartikeln. Ähnlich wie die Fußsohlen von Heuschrecken, die mit unzähligen winzigen Plättchen bedeckt sind, tritt bei Kontakt mit einer anderen Oberfläche ein Klebeeffekt auf, der in der Fachsprache als Van-der-Waals-Interaktion bekannt ist. Die Forscher übertrugen diese Mikrostruktur auf ihr Material und schufen so eine Elektrodenoberfläche, die perfekt an der Haut haftet – auch bei starker Beanspruchung, wie sie beispielsweise beim Schwimmen auftritt.

Elektroden im Gehirn

Komplett andere Herausforderungen sind bei Elektroden für die Tiefenhirnstimulation (THS) zu bewältigen. Bei dieser Methode werden Elektroden in das Gehirn implantiert, die eine kontinuierliche, hochfrequente elektrische Stimulation des umliegenden neuronalen Gewebes ermöglichen. Obwohl die Kernmerkmale von THS-Systemen über die letzten 20 Jahre stabil geblieben sind, gibt es doch einige nennenswerte Weiterentwicklungen. Diese betreffen neben dem Einsatz der Methode die Größe der Elektroden und die Impulsstärke. Dazu erklärt Dr. Iris Straszewski, Normungsmanagerin Health bei der DKE Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik in DIN und VDE, als Autorin der renommierten VDE-Health-Expertenbeiträge: „Während die Tiefenhirnstimulation in der Vergangenheit bei fortgeschrittenem Krankheitsverlauf oder dem erfolglosen beziehungsweise nicht mehr zum Erfolg führenden Einsatz anderer Therapieoptionen in Betracht gezogen wurde, wird sie mittlerweile auch immer häufiger als frühe Behandlungsmethode eingesetzt.“ Diese Vorgehensweise könne die Behandlung der betroffenen Patienten deutlich verändern, besonders da sie eine Behandlungsergänzung zur medikamentösen Therapie darstelle und medikamentöse Nebenwirkungen vermindert werden können.

Tiefenhirnstimulation ist nicht frei von Nebenwirkungen

Doch auch die THS ist bislang nicht frei von Nebenwirkungen. Aufgrund der Größe der elektrischen Impulse kann es dazu kommen, dass die Impulse nicht nur die Zielregion, sondern auch umliegendes Gewebe stimulieren und damit auch durch die Stimulation selbst unerwünschte Wirkungen verursacht werden. „Mittlerweile wurden jedoch Systeme entwickelt, die eine präzisere Stimulation erlauben“, berichtet Straszewski. „Bei den sogenannten direktionalen Systemen gibt es für jede Elektrode eine individuell programmierbare Stromquelle. Dies ermöglicht eine verbesserte Systemkontrolle. Die Impulse können gezielt gesteuert werden, so dass die Elektroden die Impulse nicht in alle Richtungen senden, sondern gezielt direktional stimulieren. Dies ermöglicht eine größere örtliche Präzision sowie die Verwendung einer geringeren Impulsstärke. Das Stimulationsmuster kann individuell an den Patienten und den Verlauf der Erkrankung angepasst werden“, schreibt Straszewski dazu im aktuellen VDE-Expertenbeitrag über Elektroden im Gehirn.

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Info
Gedruckte Elektronik für die Medizin

Sie entwickeln Sensoren für die Medizin. Was messen diese?

Das Anwendungsspektrum reicht vom Monitoring der Körpertemperatur und Atemfrequenz bis zum EKG und EEG oder der Pulsoximetrie.

Wie stellen Sie die Sensoren her?

Wir drucken mit Silbertinten und anderen meist anorganischen Tinten auf flexible und dehnbare Folien aus Kunststoff. Die gedruckten Sensoren werden anschließend in Bandagen oder Pflaster geklebt. In Textilien integrieren wir sie noch nicht. Das wäre der nächste Schritt.

Warum verwenden Sie gedruckte Elektronik?

Größter Vorteil ist, dass gedruckte Sensoren nicht so sperrig und voluminös sind wie konventionelle. Das ist für die Patienten viel angenehmer, denn sie tragen die Sensoren dicht am Körper. Die Biegsamkeit gedruckter Elektronik ist ein entscheidendes Kriterium für den Tragekomfort, aber auch für die Funktionsfähigkeit körpernaher Sensoren. Geringe Herstellungskosten spielen ebenfalls eine Rolle, denn der Trend geht zu Einwegsensoren. Hier besteht aber noch Entwicklungsbedarf, vor allem hinsichtlich der Automatisierung der Massenproduktion.

www.lopec.de

Derweil beschäftigt sich die aktuelle Forschung zur Weiterentwicklung der THS mit der Entwicklung adaptiver Systeme, der Anwendung niederfrequenter Stimulation sowie der Kombination von Stimulation mit lokaler Zuführung von Medikamenten oder neurorestaurativen Stoffen. Auch dazu gibt Straszewski bereitwillig Auskunft: „Bei adaptiven Systemen, sogenannten Closed-loop-Systemen, handelt es sich um Systeme, die die Stimulation in Abhängigkeit des gemessenen Signals in der Zielregion – des Biomarkers – anpassen.“ Dabei könne es sich um einen bioelektrischen, einen physiologischen oder biochemischen Biomarker handeln. Die Stimulation erfolge nur dann, wenn der Biomarker einen unerwünschten Zustand indiziert, und werde basierend auf dem Biomarker automatisch und dynamisch angepasst. Vorteile dieses Ansatzes sieht Straszewski unter anderem in der Vermeidung von Überstimulation und einer längeren Batterielebenszeit durch niedrigeren Energieverbrauch.

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