News HIGHTECH IM KÖRPER

12.11.2013

Immer kleiner, immer angepasster werden Hightech-Produkte in der Medizintechnik. Implantierbare Miniblutpumpen haben sich mittlerweile bewährt, ihre Miniaturisierung geht dennoch weiter. Nun erobern extrem kleine Leiterplatten für Implantate die dritte Dimension.

Die Miniaturisierung ist ein ungebrochener Trend in der Medizintechnik, der durch eine Expertenbefragung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung im Jahr 2005 ermittelt wurde. Joachim Schäfer, Geschäftsführer der Messe Düsseldorf, hat dies in seinem Statement zur Medica 2013 erneut bestätigt. Für den Einsatz im menschlichen Körper sind speziell Komponenten wie Leiterplatten, Antriebe und Pumpen immer kleiner geworden.

In den vergangenen Jahren haben sich miniaturisierte Blutpumpen-Systeme etabliert, die langfristig indikationsspezifisch noch kleiner werden sollen. Herzschwäche ist laut Bundesverband der Medizintechnik die am schnellsten zunehmende Herz-Kreislauf-Erkrankung. Europaweit sollen über 10 Millionen Menschen an einer Herzschwäche leiden, in Deutschland etwa 1,8 Millionen. Jährlich kämen bis zu 300 000 Patienten hinzu.

Antriebe und Pumpen im Körper

Für die Therapie des akuten Myokardinfarkts, wie der Herzinfarkt in der Medizin genannt wird, hat zum Beispiel Dr. Thorsten Siess, Geschäftsführer von Abiomed Europa, in den 90er Jahren im Rahmen seiner Promotion am Helmholtz Institut in Aachen eine Miniblutpumpe entwickelt. Dabei stellte sich für den Entwickler von Anfang an auch die Frage: "Wie kann ich einen hinreichend kleinen Antrieb in ein solches Hochleistungssystem einbringen?" Denn wie er sagte, waren damals die handelsüblichen Antriebe, hydraulisch oder elektrisch, um den Faktor 10 schwachbürstiger als die Minimalanforderungen. Ein klassischer Motor konnte nicht integriert werden. "Eine sehr offene Zusammenarbeit mit Faulhaber und die Integration des Antriebs direkt in die Pumpe führte zum Erfolg", sagt Siess. Heute gibt es verschiedene Ausführungen der katheterbasierten Impella-Pumpen für die kurzzeitige Herzunterstützung, die etwa 6 Stunden bis drei Wochen dauern kann. Das kleinste System hat einen Durchmesser von 4 Millimeter: Der von einem Gehäuse umschlossene Propeller, der Impeller, rotiert mit über 50 000 Umdrehungen und kann 2,5 Liter Blut pro Minute transportieren. Angetrieben wird der Impeller von einem an den Durchmesser angepassten bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem Hochleistungsmagneten als Rotor. "Mit den Erkenntnissen der vergangenen Jahre können wir die Systeme heute indikationsspezifisch noch leistungsfähiger gestalten, entweder bei gleicher Größe oder indem wir noch kleiner werden," sagt Siess.

Ist bei einer chronischen Herzschwäche mit Medikamenten kein Therapieerfolg mehr zu erzielen oder muss Zeit bis zu einer Herztransplantation überbrückt werden, kommen Langzeit-Herzunterstützungssysteme zum Einsatz wie etwa das implantierbare System Incor von Berlin Heart. Die implantierbare Axialpumpe des Systems wiegt etwa 200 Gramm und transportiert mit bis zu 10 000 Umdrehungen pro Minute das Blut kontinuierlich durch den Körper. Zukünftig wird das Unternehmen eigenen Aussagen zufolge die Miniaturisierung der implantierbaren Systeme weiter vorantreiben, um unterschiedliche Altersgruppen so behandeln zu können, wie es bisher nur mit dem externen Herzunterstützungssystem Excor möglich ist.

Circulite, ebenfalls ein Spin-Off des Helmholtz Instituts in Aachen, hat für die Langzeit-Therapie einer Herzschwäche eine implantierbare Mikropumpe entwickelt, die Ende 2012 ihre CE-Zulassung erhielt. Die Impeller-Pumpe wird durch einen integrierten bürstenlosen Mikromotor angetrieben, der eine magnetisch und hydrodynamisch schwebend-gelagerte und stabilisierte Rotorenkonstruktion hat. Die Pumpe ist etwa so groß wie eine Mignon/AA-Batterie, 25 Gramm leicht und transportiert bis zu 4,5 Liter Blut durch den Körper.

3D-Leiterplatten-Design

Immer kleiner werden auch einzelne Komponenten eines implantierbaren Systems. Speziell für aktive Implantate mit geringem Bauraum hat Wittenstein Electronics in Zusammenarbeit mit Würth Elektronik innerhalb eines Projekts für Wittenstein Intens ein 3-dimensionales Leiterplatten-Design entwickelt. Die Leiterplatten sollten so klein wie möglich und höchst zuverlässig sein. Die Vorgabe der starken Miniaturisierung war eine Herausforderung wie Michael Matthes, Experte für neue Elektroniktechnologie/EDA-Systeme im Technischen Büro der Wittenstein Electronics sagt: "Die Kombination aus Starrflex-Leiterplatte und der Einsatz von in der Leiterplatte vergrabenen Bauteilen war hier unumgänglich. Da wir neben mehreren Steckverbindern auch noch eine recht große Fläche für SMD-Bauteile benötigt hätten, wäre das Volumen einer herkömmlichen Leiterplatte erheblich gestiegen. Als positiver Nebeneffekt ist aber auch die Zuverlässigkeit der Baugruppe größer geworden."

Der entscheidende Schritt zur Miniaturisierung der Leiterplatten ist laut Wittenstein die Weiterentwicklung des herkömmlichen Multilayer-Aufbaus. Wurde die Platine bisher nur ober- und unterseitig bestückt können mit der entwickelten Embedded-Component-Technik aktive Bauelemente wie ICs (Integrated Circiuts) und passive Bauelemente, wie Widerstände, auf jeder möglichen Lage des Multilayers eingebettet werden. Insgesamt misst die so miniaturisierte 3D-Leiterplatte rund 39 �? 25 �? 7 mm. Eigenen Aussagen zufolge konnten rund 20 bis 30 Prozent der Gesamtfläche eingespart werden. Wobei hier noch nicht das Maximum erreicht sei. Bei künftigen Schaltungs- und Leiterplattenlayouts soll rund 50 Prozent der Fläche im Vergleich zu herkömmlichen Multilayer-Starrflex-Leiterplatten eingespart werden können. Damit sind sie flexibel einsetzbar wie Matthes hervorhebt: "Prinzipiell können solche Leiterplatten-Konstruktionen in allen Implantaten verwendet werden, in denen es auf Bauraumersparnis ankommt."

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