Elektronik für Implantate

Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme

Implantate werden schon seit langem in der Orthopädie und Unfallchirurgie erfolgreich eingesetzt.

Die in den letzten Jahren in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik erreichten großen Fortschritte eröffnen die Möglichkeit die Funktionalität und die Anwendungsbreite der Implantate wesentlich zu erweitern. Die mikroelektronischen und mikromechanischen Bauteile übernehmen dabei die Aufgabe, wichtige Messwerte zu erfassen und im allgemeinen unmittelbar im Implantat zu verarbeiten. Bei der Integration von Elektronik in Implantaten ist die Bereitstellung der notwendigen Energie von entscheidender Bedeutung. Als Lösung bietet sich die Transpondertechnik an, die neben dem bidirektionalen Datenverkehr auch eine drahtlose Energieübertragung ermöglicht. Im Implantat können zum Beispiel Temperatur, Druck, Beschleunigung/Bewegung, pH-Wert erfasst werden. Ein Schwerpunkt unserer Arbeiten ist auch die Signalverarbeitung der Messwerte unmittelbar am Sensor. Der etwas größere Energiebedarf wird dabei durch die erzielbare große Datenkompression und die damit erreichbare Reduzierung der zu übertragenden Daten mehr als kompensiert.

Ein Beispiel für diese neue Generation von Implantaten ist eine Hüftprothese mit einem von uns integriertem Mikrosystem. Der Arzt hat dabei die Möglichkeit bei Routineuntersuchen zu überprüfen, ob die Prothese noch fest im Knochen verankert ist bzw. wie das Einwachsverhalten in den Knochen verläuft. Das Mikrosystem besteht dabei aus einem Beschleunigungssensor und dem im IPMS entwickelten Transponderschatkreis ST1. Wird das Bein am Knie mechanisch angeregt, kann die Resonanzfrequenz des Systems in der Prothese bestimmt werden. Veränderungen dieser Frequenz sind ein Indikator, der es ermöglicht, den Prozess des Einwachsens sehr gut zu beurteilen. Steigt die Frequenz an, so wird die Verbindung fester, fällt sie ab, so lockert sich die Prothese. Über das Transpondersystem mit der Trägerfrequenz von 125 kHz wird die Energie drahtlos eingekoppelt. Das System wurde erstmalig erfolgreich erprobt. Den Chirurgen bzw. Orthopäden wird damit zukünftig ein neues System zur Verfügung stehen, das es mit geringem Aufwand ermöglicht, den Erfolg einer Hüftprothesenimplantation zu beurteilen.

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