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Implantate mit drahtloser Energieübertragung

Energie für schwache Herzen

Patienten mit einer schweren Herzschwäche sind oft auf ein Kunstherz angewiesen. Spezielle Pumpen helfen dann, ausreichend Blut durch den Körper zu transportieren. Die Medizintechnikfirma DUALIS aus Seefeld arbeitet an einer drahtlosen Energieübertragung für die lebensrettenden Implantate.

Hochleistungspumpe – Das Herz transportiert sauerstoff- und nährstoffreiches Blut in Organe und Gewebe. Lässt die Pumpleistung nach, wirkt sich das auf den ganzen Körper aus. (© istockphoto/ janulla) vergrößern

Hochleistungspumpe – Das Herz transportiert sauerstoff- und nährstoffreiches Blut in Organe und Gewebe. Lässt die Pumpleistung nach, wirkt sich das auf den ganzen Körper aus. (© istockphoto/ janulla)

Das Herz kennt keine Pausen. Denn wenn das lebensnotwendige Organ schwächer wird, leidet der gesamte Körper. Treppensteigen gleicht einer Bergwanderung, leichte Gartenarbeit wird zum körperlichen Kraftakt – und die Angst vor Atemnot zum ständigen Begleiter. Menschen mit einer chronischen Herzinsuffizienz, umgangssprachlich auch Herzschwäche genannt, leiden über Jahre am Rückgang ihrer körperlichen Leistungsfähigkeit. Die häufigsten Ursachen sind Erkrankungen des Herzmuskels, der Herzkranzgefäße oder der Herzklappen. Ein Großteil der Patienten hat eine koronare Herzkrankheit und oft bereits einen Herzinfarkt erlitten. „Aber auch Kinder mit einem schweren Herzfehler können eine Herzinsuffizienz entwickeln“, erklärt Dr. Wolfgang Schiller, Leitender Oberarzt und Herzchirurg am Universitätsklinikum Bonn.

Medizinischer Fortschritt – Therapien und Implantate können die Herzfunktion bei Herzinsuffizienz erhalten oder sogar verbessern. (© Getty Images/Image Source)

Belastung für den ganzen Körper

Nach Angaben der American Heart Association leiden weltweit mehr als 22 Millionen Menschen an einer Herzinsuffizienz, in Deutschland ist die Diagnose sogar der häufigste Grund für eine Krankenhauseinweisung. Manchmal scheint dann nur noch eine Organtransplantation das Leben der Betroffenen retten zu können: Weltweit warten 40.000 Menschen auf ein Spenderherz, allein in Deutschland sind es nach Angaben der Deutschen Stiftung Organtransplantation 1.000. Dem gegenüber steht die vergleichsweise geringe Zahl von 4.500 Spenderherzen, die in Europa und den USA pro Jahr transplantiert werden können. Doch nicht immer ist das der letzte Ausweg: „Neue medikamentöse Therapien oder spezielle implantierbare Defibrillatoren mit Herzschrittmacherfunktion können mit Stromimpulsen helfen, die Herzfunktion rechtzeitig zu erhalten oder zu verbessern und gegebenenfalls ein weiteres Fortschreiten der Erkrankung verhindern“, so Schiller.

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Alternative zu Herztransplantation

Denn ohne die Hochleistungspumpe funktioniert gar nichts mehr: Unser Herz versorgt Organe und Gewebe mit dem lebensnotwendigen Sauerstoff und Nährstoffen. Es schlägt etwa 60- bis 90-mal pro Minute – und pumpt dabei fünf bis sechs Liter Blut durch den Körper. Wenn der Herzmuskel das aus eigener Kraft nicht mehr schafft, kommt es zu einem bedrohlichen Sauerstoffmangel, zu Rückstau und zu einer niedrigen Fließgeschwindigkeit des Blutes. In der Folge steigt die Gefahr, dass sich Blutgerinnsel bilden und damit das Risiko für einen Herzinfarkt oder Schlaganfall. Um das schwache Herz bei seiner Arbeit zu unterstützen, können Mediziner dann ein Kunstherz – auch Herzunterstützungssystem genannt – implantieren.

„Eine kleine Pumpe transportiert dann zum Beispiel das Blut aus der linken Herzkammer weiter in die Hauptschlagader, die Aorta, und damit in den großen Körperkreislauf“, erklärt Dr. Thomas Schmid, seit 2006 Geschäftsführer von DUALIS MedTech. Schmid hat 15 Jahre lang selbst in einem Forschungsprojekt am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) an einer optimalen Pumptechnologie gearbeitet, die das Blut und all seine Bestandteile schont und zugleich das Risiko minimiert, dass das Blut Klumpen bildet. Die Pumptechnologie ist jedoch nur eine von vielen Herausforderungen bei der Entwicklung eines Herzunterstützungssystems.

Ein Implantat, das 24 Stunden, sieben Tage die Woche zuverlässig pumpen und funktionieren muss, braucht ständig Energie. „Die Menge ist vergleichbar mit einer 20-Watt-Glühbirne“, erklärt der Ingenieur.

Netzwerk-Kompetenz

DUALIS MedTech schätzt die Kompetenzen im Netzwerk von Bayern Innovativ. Das Unternehmen ist Mitglied im Forum MedTech Pharma e.V. und präsentiert sich regelmäßig als Aussteller auf dessen Kongressen.

Geschäftsführer Thomas Schmid: „Wir können uns so intensiv austauschen und neue Partner und Kunden finden.“

Power ohne Kabel

Die Energie musste dem Implantat bisher von außen zugeführt werden: über ein Kabel, das durch eine Öffnung in der Bauchdecke mit einer Batterie verbunden ist, die die Patienten stets mit sich herumtragen müssen. „So ein Batteriepack wiegt bis zu drei Kilogramm und ist deutlich sichtbar“, schildert Schmid die aktuelle Situation. Auch das Infektionsrisiko ist hoch aufgrund der externen Stromquelle: Die Austrittsstelle des Kabels ist eine willkommene Eintrittspforte für Keime. DUALIS MedTech, ein Spin-off des DLR, hat sich genau dieser Herausforderung angenommen. Schmids interdisziplinäres Team aus Ingenieuren und Medizinern von Partner-Kliniken, die beratend zur Seite standen, entwickelt ein Kunstherz – das sogenannte DLR-Herz – mit der Möglichkeit einer drahtlosen Energieübertragung. Dafür nutzen sie das Prinzip der elektromagnetischen Induktion mittels zweier magnetisch gekoppelter Spulen.

„Bei der von uns entwickelten MedBase-Technologie implantieren wir eine Spule direkt unter die Haut im Körper des Patienten und verbinden sie mit dem Herzunterstützungssystem“, erklärt Schmid. Die andere Spule trägt der Patient in einem Kleidungsstück direkt am Körper. „Liegen die Spulen in einem Abstand von maximal vier Zentimetern übereinander, ändert sich der magnetische Fluss“, so Schmid. Die Folge: In der implantierten Spule entsteht eine elektrische Spannung – und die Pumpe ist ausreichend mit Energie versorgt. Sollte der Patient seine Funktionskleidung ablegen und zum Beispiel unter die Dusche gehen, übernimmt eine zusätzliche, im Implantat integrierte Batterie die Energieversorgung.

Der Vorteil der neuen Technologie: Das Infektionsrisiko sinkt, und die Patienten gewinnen ein hohes Maß an Bewegungsfreiheit und Lebensqualität zurück. „So kann sich zum Beispiel kein hängendes Kabel mehr in der Autotür verhaken“, erklärt Schmid.

Nachgefragt

Dr. Wolfgang Schiller - Leitender Oberarzt und Herzchirurg am Universitätsklinikum Bonn

Welche Patienten könnten vom DLR-Herz profitieren?

Das DLR-Herz entlastet sowohl die linke als auch die rechte Herzkammer. Die Mikropumpen unterstützen das schwache Herz von Patienten mit Herzinsuffizienz bei seiner Arbeit: Sie pumpen das Blut aus der linken und rechten Herzkammer kontinuierlich in den Körper- und in den Lungenkreislauf. Das verhindert auch eine Überbelastung der rechten Herzkammer und beugt einer Rechtsherzinsuffizienz vor, die sich sonst oft entwickelt.

Warum ist die drahtlose Energieübertragung so wichtig?

Sie verbessert vor allem die Lebensqualität der Patienten: Ohne das Kabel für die externe Stromversorgung und den Batteriepack können sie sich viel leichter und freier bewegen. Denn Patienten mit einem Herzunterstützungssystem sind auf die permanente Energieversorgung angewiesen: Ohne Strom kann es zu einem gefährlichen Stillstand ihres Herzens kommen. Zudem steigt die Gefahr, dass sich lebensbedrohliche Blutgerinnsel bilden.

Hilfe für das Herz – Herzunterstützungssysteme wie das sogenannte DLR-Herz können das schwache Organ bei seiner wichtigen Arbeit unterstützen. (© Dualis MedTech GmbH)

Sicherheit durch Monitoring

Und noch eine weitere Neuerung haben Schmid und seine Kollegen in das Kunstherz integriert: eine Telemetrie-Schnittstelle. Damit können Daten aus dem Implantat, also aus dem
Inneren des Körpers, an ein Empfangsgerät in unmittelbarer Umgebung oder über das Internet an einen Arzt oder eine Klinik übertragen werden – natürlich verschlüsselt und in einem gesicherten Frequenzbereich. „So lassen sich aktuelle Statusinformationen des Implantats überwachen, Funktionen anpassen und Gefahrensituationen für den Patienten erkennen“, erläutert Schmid. „Ein solches Patienten-Monitoring ist bei der Betreuung von Hochrisikopatienten eine große Hilfe“, ergänzt Schiller. Menschen mit einer chronischen Herzinsuffizienz können in ihrer gewohnten Umgebung leben und zugleich sicher sein, dass sie gut überwacht sind. Oft ist auch ein Alarmsystem integriert: Mit einem einzigen Knopfdruck lässt sich dann im Notfall eine Rettungskette aktivieren.

„Informationen aus dem Körperinneren können auch bei anderen Implantaten hilfreich für die Patienten sein“, so Schmid. So könnte ein Herzschrittmacher zum Beispiel auch Informationen über den Herzrhythmus oder das für den Patienten gefährliche Kammerflimmern liefern. „Mit weiteren Sensoren lassen sich auch die Temperatur und andere Parameter rund um das Implantat kontrollieren“, erklärt Schmid.

Messwerte wie diese helfen Ärzten bei der Wahl der richtigen Behandlung, beruhigen die Patienten und sparen damit auch dem Herz unnötige Kraftanstrengungen. Schließlich sind Ruhepausen für dieses Organ ja nicht vorgesehen.

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Das Prinzip der drahtlosen Technologie: elektromagnetische Induktion

„Informationen aus dem Körperinneren können auch bei anderen Implantaten hilfreich für die Patienten sein“, so Schmid. So könnte ein Herzschrittmacher zum Beispiel auch Informationen über den Herzrhythmus oder das für den Patienten gefährliche Kammerflimmern liefern. „Mit weiteren Sensoren lassen sich auch die Temperatur und andere Parameter rund um das Implantat kontrollieren“, erklärt Schmid.

Messwerte wie diese helfen Ärzten bei der Wahl der richtigen Behandlung, beruhigen die Patienten und sparen damit auch dem Herz unnötige Kraftanstrengungen. Schließlich sind Ruhepausen für dieses Organ ja nicht vorgesehen.

Plattformtechnologie mit vielen Einsatzmöglichkeiten

Das Prinzip der drahtlosen Energieübertragung, das DUALIS MedTech unter dem Namen MedBase-Technologie entwickelt hat, lässt sich auf viele andere Anwendungsfelder übertragen – egal ob ein Smartphone, ein Elektroauto oder ein anderes Implantat geladen werden soll.

„Wir haben hier eine Plattformtechnologie an der Hand, die sich für kleine ebenso wie für große Systeme realisieren lässt – auch für Energieanforderungen im Kilowatt-Bereich“, sagt Dr. Thomas Schmid, Geschäftsführer von DUALIS Med-Tech.

Auf dem Gebiet der Medizintechnik arbeiten er und seine Kollegen derzeit auch noch an einem  implantierbaren Blutdrucksensor, der beim Monitoring von Patienten mit chronischem Bluthochdruck helfen könnte, an einem implantierbaren Dialyse-Gerät und an einem implantierbaren Sphinktersystem für Patienten mit Harninkontinenz. „Gerade das letzte System wäre ein Meilenstein für die Betroffenen“, meint Schmid.

Patienten mit einer Querschnittslähmung könnten in Zukunft mit einer implantierten Mikropumpe von DUALIS MedTech und einem Schalter am Schlüsselanhänger ihren Schließmuskel steuern.