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Smarte Sensortechnik: Drahtlose Energie für Implantate

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Der Akkumulator (kurz: Akku) gehört zum mobilen Endgerät wie die Reifen zum Auto. Doch viele Anwendungen aus der Medizin-, Umwelt- und Prüftechnik wie Implantate und Sensoren lassen sich aufgrund der begrenzten Lebensdauer von Batterien nicht mit solchen betreiben. Forscher am Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS in Hermsdorf haben jetzt ein Verfahren entwickelt, das diese Systeme drahtlos mit Energie versorgt.

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Seit mehr als 50 Jahren geben Schrittmacher dem Herzen den Takt vor. Seither ist die Entwicklung bei mikroelektronischen Implantaten rasant fortgeschritten, sie sind immer kleiner und technisch ausgefeilter geworden. Der Trend geht hin zu miniaturisierten, intelligenten Systemen, die Therapie- und Diagnosefunktionen übernehmen. Künftig werden beispielsweise implantierbare Sensoren Blutzuckerspiegel, Blutdruck oder die Sauerstoffsättigung von tumorösem Gewebe messen und die Patientendaten anschließend per Telemetrie übertragen. Medikamentendosiersysteme und Infusionspumpen wiederum sollen gezielt medizinische Wirkstoffe im Körper freisetzen und so Nebenwirkungen verringern.

All diese Entwicklungen setzen sich aus Sensoren, Aktoren, Signalverarbeitungseinheiten und der Steuerungselektronik zusammen – und hier liegt auch das Problem: Sie müssen mit Energie versorgt werden. Akkus scheiden aufgrund ihrer begrenzten Lebensdauer meistens aus – schließlich bleiben die Implantate jahrelang im Körper. Derzeit kommen meist radiowellenbasierte (HF) und induktive Systeme zum Einsatz. Diese weisen jedoch lage-, positions- und bewegungsbedingte Wirkungsgradunterschiede auf und sind zudem oft in ihrer Reichweite beschränkt. Ein neues Energietransferverfahren soll künftig die Einschränkungen der bisherigen Methoden umgehen. Die Forscher des IKTS konnten jetzt Strom drahtlos von einem tragbaren Sendermodul zu einem mobilen Generatormodul – dem Empfänger – übertragen. »Das Transfermodul in Form eines Zylinders ist so klein und kompakt, dass es sich am Gürtel befestigen lässt«, sagt Dr. Holger Lausch, Wissenschaftler am IKTS. Der Sender stellt eine elektrische Leistung von über 100 Milliwatt bereit und hat eine Reichweite von etwa 50 Zentimeter. Der Empfänger kann sich also fast überall im Körper befinden. »Mit unserem tragbaren Gerät können wir berührungslos Implantate, Medikamentendosiersysteme und andere medizintechnische Anwendungen ferngesteuert mit Energie versorgen – etwa schluckbare Videoendoskopiekapseln, die den Magen-Darm-Trakt durchwandern und Bilder vom Körperinneren nach außen senden«, so Lausch. Das Generatormodul lässt sich unabhängig vom Energietransfer jederzeit auf seine Position und Lage orten. Befindet sich der Generator also in einer Videoendoskopiekapsel ist die Zuordnung der Bilder zu bestimmten Darmregionen möglich. Ist er in einer Dosierkapsel platziert, lässt sich der Medikamentenwirkstoff zielgenau freisetzen.

Doch wie funktioniert das neue, bereits patentierte Verfahren? Im Transfermodul erzeugt ein rotierender, durch einen EC-Motor angetriebener Magnet ein magnetisches Drehfeld. Eine im Empfänger befindliche Magnetkugel koppelt an das wechselnde äußere Magnetfeld an und wird dadurch selbst in Rotation versetzt. Die Rotationsbewegung wird in Elektrizität umgewandelt, der Strom also erst im Generatormodul erzeugt. »Durch die magnetische Kopplung lässt sich die Energie durch alle nichtmagnetischen Materialien wie etwa biologisches Gewebe, Knochen, Organe, Wasser, Kunststoff oder sogar verschiedene Metalle transportieren. Außerdem hat das so hergestellte Magnetfeld keine schädlichen Nebenwirkungen für den Menschen. Auch eine Gewebeerwärmung ist ausgeschlossen«, betont Lausch die Vorteile des Verfahrens.

Da die Module, die als Prototypen vorliegen, hinsichtlich ihrer Reichweite, Baugröße und Leistungsfähigkeit skalierbar sind, lassen sie sich nicht nur für medizintechnische Anwendungen nutzen. Vielmehr können sie auch hermetisch abgeschlossene Sensoren – etwa in Wänden oder Brücken – drahtlos mit Energie versorgen. Sie eignen sich somit für den Einsatz im Maschinen- und Anlagenbau oder im Baugewerbe. Auch das Aufladen von Energiespeichern und das Aktivieren von elektrischen Bauelementen ist denkbar.

Bild: (© Fraunhofer IKTS) Mithilfe der magnetischen Kopplung lässt sich Energie drahtlos von einem Sender- zu einem Empfängermodul übertragen. Der Prototyp mit dem Sendermodul lässt sich am Gürtel befestigen.

www.ikts.fraunhofer.de

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