Micro-implantaten bestaan al. Denk aan hersenimplantaten voor mensen met de ziekte van Parkinson of de bekende kleine pacemakers. Deze implantaten stimuleren zenuwen door middel van elektrische pulsen. In tegenstelling tot veel medicijnen hebben ze een directe, lokale werking. Ze hebben echter ook nadelen. Zo kunnen de kabelverbindingen tussen het implantaat en de elektroden defect raken en de batterijen moeten regelmatig worden vervangen.
Draadloze micro-implantaten
Het INTAKT consortium voor de ontwikkeling van Interactive Microimplants is speciaal opgericht om deze problemen aan te pakken. Doel van INTAKT is de ontwikkeling van een nieuwe generatie actieve, draadloos verbonden micro-implantaten die levenslang in het lichaam kunnen worden geïmplanteerd.
Onder leiding van Fraunhofer IBMT ontwikkelden de 18 partners van het consortium uit de industrie, de wetenschap en de medische sector een netwerk van maximaal twaalf micro-implantaten die draadloos, veilig en in realtime met elkaar kunnen communiceren.
De ontwikkelde micro-implantaten kunnen niet alleen met elkaar communiceren, maar stellen de patiënt en de arts ook in staat om op elk moment van buitenaf met het implantaat te communiceren. "De patiënt kan zijn implantaten op elk moment configureren via zijn laptop of smartphone en zijn behandeling of herstelproces optimaliseren in overleg met zijn arts", legt prof. Klaus-Peter Hoffmann, voormalig hoofd biomedische technologie bij Fraunhofer IBMT uit.
Voor de ontwikkeling van de micro-implantaten heeft het Fraunhofer Instituut voor Geïntegreerde Schakelingen IIS een sterk geminiaturiseerde toepassingsspecifieke geïntegreerde schakeling (ASIC) ontwikkeld. De ASIC kan biosignalen detecteren en doorgeven van gebieden zoals de armspieren of de maag en darmen, terwijl het ook de elektrische signalen initieert die nodig zijn voor stimulatie.
Drie toepassingsgebieden
Voor INTAKT kozen de consortiumpartners drie toepassingsgebieden: behandeling van tinnitus door stimulatie van het slakkenhuis, verlichting van motiliteitsstoornissen door stoelgang te stimuleren, uit te stellen of te coördineren, en het gedeeltelijk of volledig herstellen van het grijpvermogen van handen bij patiënten met een dwarslaesie.
Bij de behandeling van tinnitus krijgt de patiënt voor elk oor één implantaat. De implantaten stimuleren het slakkenhuis in het binnenoor. Ze moduleren de activiteit van de gehoorzenuw en 'dempen' het fantoomgeluid dat het dagelijks leven zo ellendig maakt.
Gastro-intestinale motiliteitsstoornissen - bewegingsstoornissen in het maagdarmkanaal - kunnen optreden na een buikoperatie bij diabetische of dwarslaesie patiënten. Om dit te behandelen worden implantaten geplaatst op strategische punten in het maagdarmkanaal. Daar verzamelt elk micro-implantaat gegevens verzamelen over de activiteit van een deel van het systeem van de patiënt. Deze informatie wordt vervolgens naar een centrale controle-eenheid gestuurd. Deze unit analyseert de gegevens en instrueert de bijbehorende implantaten om het aangetaste deel van het darmkanaal te stimuleren, zodat de spijsvertering zo soepel mogelijk verloopt.
Grijpfunctie handen herstellen
Het (gedeeltelijk) herstel van de grijpfunctie van een patiënt is een bijzonder complexe uitdaging. Om dit aan te pakken, kunnen de onderarmspieren worden gestimuleerd door maximaal twaalf micro-implantaten. Hierdoor kunnen maximaal acht handbewegingen worden hersteld. De patiënt stuurt zijn handbewegingen aan via een eye-tracking systeem waarbij bepaalde vaste bewegingen van de ogen, oogleden en hoofd commando's naar de centrale besturingseenheid gestuurd worden. Die stuurt vervolgens de overeenkomstige instructies naar het netwerk van implantaten.
De ontwikkeling van een netwerk van micro-implantaten heeft verschillende voordelen opgeleverd. Een daarvan is het verbeteren van de biostabiliteit: "We hebben de sensoren en actuatoren rechtstreeks in de behuizing van het apparaat geïntegreerd om de noodzaak van fragiele kabelverbindingen te voorkomen", zegt Roman Ruff, elektrotechnisch ingenieur en groepsmanager bij Fraunhofer IBMT.
Adaptieve inductie laadtechnologie
Een van de grotere uitdagingen die nog overwonnen moet worden is de energievoorziening van de micro-implantaten. Batterijen nemen ruimte in beslag en moeten regelmatig worden vervangen. Dit is vooral problematisch bij een netwerk van implantaten, omdat het energieverbruik van elk apparaat verschilt, afhankelijk van hoe het wordt gebruikt.
Om dit probleem aan te pakken kiest het INTAKT consortium voor inductieladen. Dit betekent dat de centrale besturingseenheid het netwerk van implantaten 24 uur per dag betrouwbaar van energie kan voorzien. In elk van de drie hierboven beschreven toepassingen kan de patiënt dit basisstation dragen als een manchet om de arm of buik of als een apparaat dat op het oor kan worden gedragen.
"Deze externe energievoorziening zorgt ervoor dat het netwerk van implantaten op lange termijn stabiel blijft. Bovendien is de energievoorziening adaptief - elk individueel implantaat krijgt precies de hoeveelheid energie die het nodig heeft", aldus prof. Hoffmann. Voor noodgevallen worden de implantaten voorzien van een extra batterij, als energiebuffer. Ook deze batterijen worden regelmatig via het inductie-laadsysteem opgeladen.
Eerste preklinische tests en proeven met experimentele gebruikers hebben aangetoond dat de toepassingen die tot nu toe door het INTAKT-cluster zijn ontwikkeld, functioneren zoals het hoort. Dit is slechts de eerste stap op de lange weg die eindigt met het in de klinische praktijk brengen van de ontwikkeling, zodat deze kan worden gebruikt om patiënten te helpen.
Het consortium wordt gefinancierd door het Duitse Federale Ministerie van Onderwijs en Onderzoek (BMBF).
