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Medizinische Implantate nutzen Körpergewebe als Kommunikationsnetzwerk
Implantierte Sensoren brauchen bislang Antennen und Funktechnik, die Platz und Energie kosten. Ein neues Netzwerk nutzt stattdessen die elektrische Leitfähigkeit des Körpergewebes, um winzige Implantate gezielt anzusteuern. In Ratten verband das System Hautsensoren mit Nervenstimulatoren im ganzen Körper und erreichte laut Studie mehr als zehnmal so große Kommunikationsabdeckung im Gewebe wie Bluetooth.
Atlanta (U.S.A.). Medizinische Sensoren und Aktoren können Krankheiten überwachen und gezielt behandeln. Viele dieser Geräte arbeiten jedoch noch weitgehend getrennt voneinander, weil eine drahtlose Verbindung durch den Körper vergleichsweise viel Energie und größere Antennen benötigt. Das erschwert besonders kleine Implantate, die dauerhaft im Gewebe sitzen sollen.
Eine Alternative ist die elektrische Leitfähigkeit des Gewebes selbst. Statt Funksignale durch den Körper zu schicken, können Geräte kurze elektrische Impulse erzeugen, die sich über die im Gewebe vorhandenen Ionen ausbreiten. Dadurch wird der Körper zum Übertragungsweg zwischen einem äußeren Steuergerät und Implantaten an unterschiedlichen Stellen.
Forscher des Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) um Alex Abramson haben dieses Prinzip in einem Smart Wireless Autonomous Networking System (SWANS) umgesetzt. Ein tragbares Steuergerät erzeugt kurze elektrische Felder im Körper. Empfangsflächen an den Implantaten erfassen die entstehende Spannungsdifferenz und schalten einen Transistor nur dann ein, wenn Spannung und Impulsdauer zu seiner Schaltung passen. So lassen sich verschiedene Implantate gezielt einzeln oder gemeinsam aktivieren.
„Sie müssen weder verbunden noch ausgerichtet oder auch nur nahe beieinander sein, denn sie können einander einfach Signale durch das umgebende Gewebe senden“, erklärt Alex Abramson.
Die Kommunikationselektronik der Implantate kann dadurch sehr klein bleiben. Nach Angaben der Forscher sind die getesteten Implantate kleiner als drei Millimeter und lassen sich grundsätzlich durch eine Spritze einsetzen. Im Bereitschaftszustand benötigen die passiven Empfangskomponenten praktisch keinen Strom. Für einen kleinen Aktor, der einmal täglich ausgelöst wird, errechnete das Team unter den getesteten Bedingungen eine mögliche Betriebsdauer von ungefähr einem Jahr.
In Ratten demonstrierten die Forscher ein Netzwerk aus Hautsensoren und implantierten Nervenstimulatoren. Registrierte ein Sensor die Bewegung einer Vorderpfote, erzeugte das tragbare Steuergerät einen passenden Impuls. Dieser aktivierte einen Nervenstimulator am Ischiasnerv und löste dadurch eine Bewegung des zugeordneten Hinterbeins aus. Mit mehreren Sensoren und Schaltungen konnte das System die beiden Körperseiten selektiv ansprechen.
Die Signale erreichten dabei nicht nur oberflächennahe Implantate. Die Forscher zeigten die Übertragung auch zu Geräten unter der Haut, in der Bauchhöhle und im Magen-Darm-Bereich. In der veröffentlichten Studie lag die abgedeckte Gewebestrecke mehr als zehnmal über der von Bluetooth unter den verglichenen Bedingungen. Das System übermittelt allerdings keine großen Datenmengen, sondern vor allem einfache Zustände und Schaltbefehle. Aufwendigere Auswertung bleibt einem äußeren tragbaren Steuergerät überlassen.
„Es war mir schon immer ein Anliegen, Geräte zu entwickeln, die die Lebensqualität von Patienten verbessern“, sagt Ramy Ghanim vom Georgia Institute of Technology (Georgia Tech).
Die Versuche zeigen vor allem, dass verteilte bioelektronische Geräte über Körpergewebe koordiniert werden können. Das könnte künftig geschlossene Regelkreise ermöglichen, bei denen ein Sensor an einer geeigneten Stelle ein biologisches Signal erkennt und ein entferntes Implantat eine therapeutische Reaktion auslöst. Denkbar wären etwa Nervenstimulation oder eine gezielte Wirkstoffabgabe.