Die digitalen Devices aus der Medizintechnik, die schwere Krankheiten heilen beziehungsweise lindern sollen, laufen auf Akku-Basis, weswegen es imminent wichtig ist, dass die Fertigkeiten und M\u00f6glichkeiten der Ingenieure und Maschinenbauer mit den Ideen aus der Wissenschaft Schritt halten.<\/p>\n\n\n\n
Die Medizintechnik entwickelt sich ebenso wie alle anderen technischen Bereiche im Zuge der Digitalisierung rasant weiter. N\u00f6tig daf\u00fcr sind Innovationen in der Batterie- und Akku-Technologie. Nur so k\u00f6nnen KI, Big Data und Deep Learning ihren Siegeszug fortsetzen.<\/p>\n\n\n\n
1. Medizintechnik und Akkus: Bei welchen Erkrankungen kommen sie zum Einsatz?
Laut Natalie Gladkov vom Bundesverband Medizintechnologie sind psychische Krankheiten ein wichtiges Thema in diesem Zusammenhang: \u201eViele Patienten warten sehr lange auf einen Therapieplatz und k\u00f6nnten bis dahin via App betreut werden.\u201c Spannende Felder sind f\u00fcr die Digital-Expertin ansonsten kardiologische Erkrankungen, Diabetes sowie die Endoprothetik. Bei Herzkrankheiten k\u00f6nnten zum Beispiel intelligente Implantate den Erkrankten das Leben erleichtern und die Schwere des Herzleidens lindern. Diabetes lie\u00dfe sich mit \u201eClosed-Loop-Systemen\u201c behandeln. Dahinter steht eine automatisierte Insulintherapie, die die nicht mehr korrekt funktionierende Bauchspeicheldr\u00fcse (Pankreas) ersetzt. Das medizintechnische Unternehmen Medtronic brachte ein solches System erstmals 2019 auf den deutschen Markt. Auch in der Endoprothetik gibt es digitale L\u00f6sungen: \u201eSensoren im aktiven Implantat \u00fcbertragen m\u00f6gliche Belastungen auf eine App\u201c. Die Digitaltechnologie (z. B. KI, Big Data, Deep und Machine Learning) bietet riesige Potenziale auf dem medizintechnischen Sektor und kann k\u00fcnftig das Leiden zahlreicher Patienten verringern \u2013 von Diagnostik, \u00fcber Behandlung und invasive Eingriffe, bis hin zu Nachsorge und Monitoring.<\/p>\n\n\n\n
F\u00fcr die Fragen 2 bis 7 stand uns dankenswerterweise Medizintechnik-Experte Dr. Volker Lang von BIOTRONIK Rede und Antwort, dessen Statements sehr spannende Punkte bez\u00fcglich der zuk\u00fcnftigen Aufgaben von Batterien und Akkus zur Sprache bringen.<\/p>\n\n\n\n
2. Wo k\u00f6nnen akkubetriebene Devices insbesondere helfen?
\u201eBesonders bei Schmerz-, Parkinson- und Epilepsiepatienten kommen medizintechnische Implantate, die mit Akkus betrieben werden, zur Neurostimulation zum Einsatz und erzielen sehr gute Resultate. Im Fall der Epilepsie wird das Gehirn bzw. die betroffenen Regionen im Gehirn stimuliert, sodass die Episoden, die der Patient erleidet, unterdr\u00fcckt werden. Der Effekt der Elektrostimulation ist \u00e4hnlich dem bei einem Herzschrittmacher. Beide haben zum Ergebnis, dass das jeweilige Organ wieder ad\u00e4quat funktioniert, was wiederum das Leben des Betroffenen immens erleichtert. Die Akkus waren fr\u00fcher station\u00e4r, sodass stets eine gro\u00dfe Batterie extern getragen werden musste. Heute sind Forschung und Technologie schon so weit, dass sich die Akkus mobil im K\u00f6rper an die Elektroden gekoppelt befinden. Eine riesige Verbesserung der Lebensqualit\u00e4t.\u201c<\/p>\n\n\n\n
3. Welche Eigenschaften m\u00fcssen medizintechnische Akkus erf\u00fcllen?
\u201eDie meisten Akkus, z. B. Mobiltelefonakkus und Autobatterien, haben w\u00e4hrend ihrer Nutzung Zimmertemperatur. Bei implantierbaren Devices ist das anders, sie operieren bei 37 Grad. Dadurch \u00e4ndert sich ihre Leistungsf\u00e4higkeit. Es muss also spezielle Akkus geben, die bei h\u00f6heren Temperaturen immer noch funktionieren. Die Kapazit\u00e4t der Leistungsdichte ist dadurch bei implantierbaren Devices etwas geringer als zum Beispiel bei modernen Smartphones. Zus\u00e4tzlich m\u00fcssen medizintechnische Akkus l\u00e4nger halten als normale Batterien und einen h\u00f6heren Qualit\u00e4tsstandard erf\u00fcllen. Momentan ist man bei einer Lebensdauer von zehn Jahren angelangt. Bei t\u00e4glicher Ladung sind das zwischen 3500 und 4000 Ladezyklen. Danach muss der Akku gewechselt werden. Dieser Eingriff geht jedoch sehr schnell, da die implantierten Elektroden z. B. im Gehirn verbleiben und lediglich das Implantat mit der Batterie gewechselt wird.\u201c<\/p>\n\n\n\n
4. Wie werden Akkus von medizintechnischen Implantaten geladen?
\u201eSolche Batterien, die sich im K\u00f6rper befinden, laden sich \u00fcber die Haut auf. Der Patient bringt die Sendespule f\u00fcr ca. eine Stunde auf der Haut an. BIOTRONIK hat daf\u00fcr einen G\u00fcrtel mit integriertem Ladeger\u00e4t entwickelt, den zum Beispiel Patienten bei Schmerzstimulationsanwendungen auf H\u00f6he der Nieren anlegen. Das Umfeld sollte bei der Ladung entspannt sein, sodass der Ladeprozess regelm\u00e4\u00dfig und mit guten Patienteneinsatz durchgef\u00fchrt werden kann. Die Ladeh\u00e4ufigkeit h\u00e4ngt von der Art und Intensit\u00e4t der Erkrankung ab. Bei sehr starken Schmerzen beispielsweise muss t\u00e4glich geladen werden, bei leichteren F\u00e4llen kann auch ein Ladevorgang pro Woche ausreichen.\u201c<\/p>\n\n\n\n
5. Welche Entwicklungen sind in der Medizintechnik und Akku-Forschung momentan besonders vielversprechend?
\u201eMedizintechnische Akkus liegen im Moment hinsichtlich ihrer Kapazit\u00e4tsdichte etwa mit einem Faktor 2 unter modernen Smartphone-Batterien. Damit ist die Implantatsbatterie bei gleicher Kapazit\u00e4t ungef\u00e4hr doppelt so gro\u00df. Es wird gerade daran gearbeitet, die Kapazit\u00e4tsdichte anzugleichen, sodass auch Starkschmerzpatienten ihren Akku nur noch einmal w\u00f6chentlich aufladen m\u00fcssen. Das w\u00fcrde eine gro\u00dfe Erleichterung und Verbesserung der Lebensqualit\u00e4t f\u00fcr Patienten darstellen. Ziel ist, eine m\u00f6glichst hohe Kapazit\u00e4tsdichte bei m\u00f6glichst vielen Ladezyklen zu erreichen. Es gibt daf\u00fcr viele gute Ans\u00e4tze, an denen wir momentan arbeiten.\u201c<\/p>\n\n\n\n
6. Was kann Batterietechnologie im medizinischen Bereich in der Zukunft leisten?
\u201eSchauen wir uns die Herzinsuffizienz an. Das Herz kann den K\u00f6rper nicht mehr mit der notwendigen Menge an sauerstoffges\u00e4ttigtem Blut versorgen. Das kann daran liegen, dass das Herz zu gro\u00df, zu stark gewachsen oder zu steif ist. Eine zu fettreiche Di\u00e4t oder Diabetes kann ebenfalls ein Grund f\u00fcr eine Herzinsuffizienz sein. Bei sehr weit fortgeschrittener Herzinsuffizienz behandelt man diese mittels Ventricular Assist Devices (VAD), die meist am linken Ventrikel (Left Ventricular Assist Device, LVAD) implantiert werden. Es handelt sich dabei um kleine Pumpen, die f\u00fcr ein bis zwei Jahre den Patienten permanent unterst\u00fctzen, um ihnen ein m\u00f6glichst normales Leben zu erm\u00f6glichen. In diesem absehbaren Zeitraum soll vor allem die Lebensqualit\u00e4t verbessert werden. Allerdings bietet das LVAD keine langfristige Heilung. Wie bereits erw\u00e4hnt, wird die Pumpe intern implantiert, Steuerger\u00e4t und portable Batterie liegen au\u00dferhalb.<\/p>\n\n\n\n
Es gibt dahingehend verschiedene Forschungsanstrengungen, die entweder kurz vor der ersten klinischen Anwendung stehen oder noch im Tierversuchsstadium stecken. Allen ist gemein, dass erste voll-implantierbare Ger\u00e4te entwickelt werden sollen, bei denen die Batterie nicht mehr die Gr\u00f6\u00dfe einer kleinen Autobatterie hat, wie es bislang der Fall war. Das Herz soll durch eine k\u00fcnstliche Pumpe ersetzt werden, wof\u00fcr sehr viel Energie ben\u00f6tigt wird. Das ist nat\u00fcrlich eine gro\u00dfe Herausforderung. F\u00fcr den Erfolg dieses Vorhabens sind Weiterentwicklungen sowohl von Lade- als auch Batterietechnologie entscheidend \u2013 namentlich eine zehnfache Leistungssteigerung, ohne dass es dabei zu einer starken W\u00e4rmeentwicklung bei Laden und Entladen der Batterie (maximal ein Grad) kommt. Daf\u00fcr m\u00fcssen verschiedene Wege erprobt werden: Eine M\u00f6glichkeit ist, den Ladevorgang zu verlangsamen, eine weitere, W\u00e4rme anderweitig, beispielsweise \u00fcber den Blutstrom, abzuf\u00fchren. Dieser Prozess ist sehr aufregend, da sich bei Gelingen die Lebensqualit\u00e4t des Patienten ungemein verbessert.<\/p>\n\n\n\n
7. Gibt es besonders interessante Kooperationen zwischen Institutionen und Unternehmen?
\u201eIn der Vergangenheit haben wir mit BIOTRONIK versucht, mit verschiedenen Universit\u00e4ten \u2013 sowohl in Europa als auch weltweit \u2013 zusammenzuarbeiten. Allerdings kam es gerade in Deutschland zu keiner Kooperation, weil in dem Batteriesektor viele Gelder in die Autobatterieforschung flie\u00dfen und darauf ein st\u00e4rkeres Augenmerk liegt. Weit mehr Erfolg hatten wir mit universit\u00e4ren Institutionen in Fernost, insbesondere mit chinesischen Universit\u00e4ten verfolgen wir interessante Forschungsprojekte. Wir sind von diesen Kooperationspartnern und der vorherrschenden Professionalit\u00e4t sehr angetan.\u201c<\/p>\n\n\n\n
Fazit: Die Zukunft der Medizintechnik, Akkus und Zertifizierungsstandards
Wie in dem Beitrag in Ausschnitten deutlich wurde, gibt es bereits viele medizintechnische L\u00f6sungen f\u00fcr eine gro\u00dfe Anzahl von physischen Leiden \u2013 diese Zahl wird sich in Zukunft noch vervielfachen. Unternehmen und Forschungsinstitutionen arbeiten mit Hochdruck an der Entwicklung von akkubetriebenen Devices, die die Lebensqualit\u00e4t von erkrankten Menschen drastisch verbessern sollen.<\/p>\n\n\n\n
Ein wichtiger Punkt in dem Bereich Humanmedizin ist die Zertifizierung, da Devices besonders hohe Standards erf\u00fcllen m\u00fcssen. Es gibt international verschiedenste Zertifizierungsstandards, die akkubetriebene Ger\u00e4te und L\u00f6sungen auf Lithium-Ionen-Basis erf\u00fcllen m\u00fcssen, um auf den M\u00e4rkten zugelassen zu werden. Das f\u00fchrt dazu, dass der Markt nicht einheitlich ist. Es gibt eine Vielzahl von Anbietern, Qualit\u00e4tsstufen und Sicherheitsleveln, da Lithium-Ionen-Batterien als Gefahrgut gelten. Das erschwert und verz\u00f6gert die Zertifizierung, weswegen viele Innovationen noch auf ihre Freigabe warten.<\/p>\n\n\n\n
Das Certification-Body-Verfahren (CB-Verfahren), das aus der Feder der IECEE (International Electrotechnical Commission for Electrical Equipment) stammt, k\u00f6nnte die komplizierten Auflagen auf L\u00e4nderebene nivellieren. Bereits 60 L\u00e4nder nutzen das CB-Verfahren und erkennen die Pr\u00fcfreporte auf CB-Basis anderer L\u00e4nder an. Es ist so m\u00f6glich, Batterien einfacher in den verschiedenen M\u00e4rkten weltweit zuzulassen. Ein Schritt zur Vereinfachung von Zertifizierungsverfahren, der Leben erleichtern und retten kann.<\/p>\n\n\n\n
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