Medizintechnik – was leisten Akkus in der Zukunft?

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 Möglichkeiten der Ingenieure und Maschinenbauer mit den Ideen aus der Wissenschaft Schritt halten.

Die Medizintechnik entwickelt sich ebenso wie alle anderen technischen Bereiche im Zuge der Digitalisierung rasant weiter. Nötig dafür sind Innovationen in der Batterie- und Akku-Technologie. Nur so können KI, Big Data und Deep Learning ihren Siegeszug fortsetzen.

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: „Viele Patienten warten sehr lange auf einen Therapieplatz und könnten bis dahin via App betreut werden.“ Spannende Felder sind für die Digital-Expertin ansonsten kardiologische Erkrankungen, Diabetes sowie die Endoprothetik. Bei Herzkrankheiten könnten zum Beispiel intelligente Implantate den Erkrankten das Leben erleichtern und die Schwere des Herzleidens lindern. Diabetes ließe sich mit „Closed-Loop-Systemen“ behandeln. Dahinter steht eine automatisierte Insulintherapie, die die nicht mehr korrekt funktionierende Bauchspeicheldrüse (Pankreas) ersetzt. Das medizintechnische Unternehmen Medtronic brachte ein solches System erstmals 2019 auf den deutschen Markt. Auch in der Endoprothetik gibt es digitale Lösungen: „Sensoren im aktiven Implantat übertragen mögliche Belastungen auf eine App“. Die Digitaltechnologie (z. B. KI, Big Data, Deep und Machine Learning) bietet riesige Potenziale auf dem medizintechnischen Sektor und kann künftig das Leiden zahlreicher Patienten verringern – von Diagnostik, über Behandlung und invasive Eingriffe, bis hin zu Nachsorge und Monitoring.

Natalie Gladkov ist Referentin für Digital Health beim Bundesverband Medizintechnologie (BVMed). Davor war sie Referentin für Presse- und Öffentlichkeitsarbeit beim Bundesverband Gesundheits-IT – bvitg e. V. Zu ihren Aufgaben zählten u. a. die Verbandskommunikation sowie die Pressearbeit zur conhIT bzw. DMEA, Europas größtem Event der Gesundheits-IT-Branche. Sie sammelte Berufserfahrungen in der Unternehmenskommunikation bei der gematik – Gesellschaft für Telematikanwendungen mbH und dem Krankenkassen-IT-Dienstleister gkv informatik. Sie ist Alumna der Studienstiftung des deutschen Volkes und des Programms „Geh Deinen WEG“ der Deutschlandstiftung für Integration.

Für die Fragen 2 bis 7 stand uns dankenswerterweise Medizintechnik-Experte Dr. Volker Lang von BIOTRONIK Rede und Antwort, dessen Statements sehr spannende Punkte bezüglich der zukünftigen Aufgaben von Batterien und Akkus zur Sprache bringen.

2. Wo können akkubetriebene Devices insbesondere helfen?

„Besonders 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, unterdrückt werden. Der Effekt der Elektrostimulation ist ähnlich dem bei einem Herzschrittmacher. Beide haben zum Ergebnis, dass das jeweilige Organ wieder adäquat funktioniert, was wiederum das Leben des Betroffenen immens erleichtert. Die Akkus waren früher stationär, sodass stets eine große Batterie extern getragen werden musste. Heute sind Forschung und Technologie schon so weit, dass sich die Akkus mobil im Körper an die Elektroden gekoppelt befinden. Eine riesige Verbesserung der Lebensqualität.“

3. Welche Eigenschaften müssen medizintechnische Akkus erfüllen?

„Die meisten Akkus, z. B. Mobiltelefonakkus und Autobatterien, haben während ihrer Nutzung Zimmertemperatur. Bei implantierbaren Devices ist das anders, sie operieren bei 37 Grad. Dadurch ändert sich ihre Leistungsfähigkeit. Es muss also spezielle Akkus geben, die bei höheren Temperaturen immer noch funktionieren. Die Kapazität der Leistungsdichte ist dadurch bei implantierbaren Devices etwas geringer als zum Beispiel bei modernen Smartphones. Zusätzlich müssen medizintechnische Akkus länger halten als normale Batterien und einen höheren Qualitätsstandard erfüllen. Momentan ist man bei einer Lebensdauer von zehn Jahren angelangt. Bei täglicher 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.“

4. Wie werden Akkus von medizintechnischen Implantaten geladen?

„Solche Batterien, die sich im Körper befinden, laden sich über die Haut auf. Der Patient bringt die Sendespule für ca. eine Stunde auf der Haut an. BIOTRONIK hat dafür einen Gürtel mit integriertem Ladegerät entwickelt, den zum Beispiel Patienten bei Schmerzstimulationsanwendungen auf Höhe der Nieren anlegen. Das Umfeld sollte bei der Ladung entspannt sein, sodass der Ladeprozess regelmäßig und mit guten Patienteneinsatz durchgeführt werden kann. Die Ladehäufigkeit hängt von der Art und Intensität der Erkrankung ab. Bei sehr starken Schmerzen beispielsweise muss täglich geladen werden, bei leichteren Fällen kann auch ein Ladevorgang pro Woche ausreichen.“

5. Welche Entwicklungen sind in der Medizintechnik und Akku-Forschung momentan besonders vielversprechend?

„Medizintechnische Akkus liegen im Moment hinsichtlich ihrer Kapazitätsdichte etwa mit einem Faktor 2 unter modernen Smartphone-Batterien. Damit ist die Implantatsbatterie bei gleicher Kapazität ungefähr doppelt so groß. Es wird gerade daran gearbeitet, die Kapazitätsdichte anzugleichen, sodass auch Starkschmerzpatienten ihren Akku nur noch einmal wöchentlich aufladen müssen. Das würde eine große Erleichterung und Verbesserung der Lebensqualität für Patienten darstellen. Ziel ist, eine möglichst hohe Kapazitätsdichte bei möglichst vielen Ladezyklen zu erreichen. Es gibt dafür viele gute Ansätze, an denen wir momentan arbeiten.“

6. Was kann Batterietechnologie im medizinischen Bereich in der Zukunft leisten?

„Schauen wir uns die Herzinsuffizienz an. Das Herz kann den Körper nicht mehr mit der notwendigen Menge an sauerstoffgesättigtem Blut versorgen. Das kann daran liegen, dass das Herz zu groß, zu stark gewachsen oder zu steif ist. Eine zu fettreiche Diät oder Diabetes kann ebenfalls ein Grund für 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 für ein bis zwei Jahre den Patienten permanent unterstützen, um ihnen ein möglichst normales Leben zu ermöglichen. In diesem absehbaren Zeitraum soll vor allem die Lebensqualität verbessert werden. Allerdings bietet das LVAD keine langfristige Heilung. Wie bereits erwähnt, wird die Pumpe intern implantiert, Steuergerät und portable Batterie liegen außerhalb.

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 Geräte entwickelt werden sollen, bei denen die Batterie nicht mehr die Größe einer kleinen Autobatterie hat, wie es bislang der Fall war. Das Herz soll durch eine künstliche Pumpe ersetzt werden, wofür sehr viel Energie benötigt wird. Das ist natürlich eine große Herausforderung. Für den Erfolg dieses Vorhabens sind Weiterentwicklungen sowohl von Lade- als auch Batterietechnologie entscheidend – namentlich eine zehnfache Leistungssteigerung, ohne dass es dabei zu einer starken Wärmeentwicklung bei Laden und Entladen der Batterie (maximal ein Grad) kommt. Dafür müssen verschiedene Wege erprobt werden: Eine Möglichkeit ist, den Ladevorgang zu verlangsamen, eine weitere, Wärme anderweitig, beispielsweise über den Blutstrom, abzuführen. Dieser Prozess ist sehr aufregend, da sich bei Gelingen die Lebensqualität des Patienten ungemein verbessert.

7. Gibt es besonders interessante Kooperationen zwischen Institutionen und Unternehmen?

„In der Vergangenheit haben wir mit BIOTRONIK versucht, mit verschiedenen Universitäten – sowohl in Europa als auch weltweit – zusammenzuarbeiten. Allerdings kam es gerade in Deutschland zu keiner Kooperation, weil in dem Batteriesektor viele Gelder in die Autobatterieforschung fließen und darauf ein stärkeres Augenmerk liegt. Weit mehr Erfolg hatten wir mit universitären Institutionen in Fernost, insbesondere mit chinesischen Universitäten verfolgen wir interessante Forschungsprojekte. Wir sind von diesen Kooperationspartnern und der vorherrschenden Professionalität sehr angetan.“

Seit über 25 Jahren arbeitet Dr. Volker Lang, ein promovierter Physiker, in der Medizintechnik. Er entwickelte zahlreiche implantierbare medizinische Geräte wie Herzschrittmacher, Defibrillatoren und Neurostimulatoren in Deutschland und auch für zwölf Jahre in den USA. Da Batterien essenziell für diese Implantate sind, entwickelte Dr. Volker Lang auch verschiedene Batterietypen für die Medizintechnik, von Hochleistungsbatterien, die über 700 V erzeugen, bis hin zu Kleinstbatterien für Sensorimplantate, die klein genug sind, dass sie in Blutgefäße passen. Derzeit arbeitet Dr. Lang als Entwicklungsleiter bei dem Medizingerätehersteller BIOTRONIK in Berlin.

Fazit: Die Zukunft der Medizintechnik, Akkus und Zertifizierungsstandards

Wie in dem Beitrag in Ausschnitten deutlich wurde, gibt es bereits viele medizintechnische Lösungen für eine große Anzahl von physischen Leiden – diese Zahl wird sich in Zukunft noch vervielfachen. Unternehmen und Forschungsinstitutionen arbeiten mit Hochdruck an der Entwicklung von akkubetriebenen Devices, die die Lebensqualität von erkrankten Menschen drastisch verbessern sollen.

Ein wichtiger Punkt in dem Bereich Humanmedizin ist die Zertifizierung, da Devices besonders hohe Standards erfüllen müssen. Es gibt international verschiedenste Zertifizierungsstandards, die akkubetriebene Geräte und Lösungen auf Lithium-Ionen-Basis erfüllen müssen, um auf den Märkten zugelassen zu werden. Das führt dazu, dass der Markt nicht einheitlich ist. Es gibt eine Vielzahl von Anbietern, Qualitätsstufen und Sicherheitsleveln, da Lithium-Ionen-Batterien als Gefahrgut gelten. Das erschwert und verzögert die Zertifizierung, weswegen viele Innovationen noch auf ihre Freigabe warten.

Das Certification-Body-Verfahren (CB-Verfahren), das aus der Feder der IECEE (International Electrotechnical Commission for Electrical Equipment) stammt, könnte die komplizierten Auflagen auf Länderebene nivellieren. Bereits 60 Länder nutzen das CB-Verfahren und erkennen die Prüfreporte auf CB-Basis anderer Länder an. Es ist so möglich, Batterien einfacher in den verschiedenen Märkten weltweit zuzulassen. Ein Schritt zur Vereinfachung von Zertifizierungsverfahren, der Leben erleichtern und retten kann.