Systemplattform für intelligente Implantate

Intelligente Implantate gewinnen durch die zunehmende Miniaturisierung immer mehr an Bedeutung zur Lösung komplexer medizinischer Fragestellungen. Der Heinz Nixdorf Lehrstuhl forscht an einer Systemplattform mit deren Hilfe Sensordaten von implantierten Systemen im Körper des Patienten drahtlos übertragen werden.

Die intelligente Zahnschiene zur Diagnose und Therapie von Zähneknirschen

Bruxismus ist das nicht funktionelle Knirschen, Pressen, Reiben und Klappern mit den Zähnen. 5-10% der Erwachsenen Bevölkerung leiden heute unter Bruxismus. Bruxismus tritt sowohl am Tag wie auch in der Nacht auf, und geschieht hauptsächlich unterbewusst. Die Ursachen des Zähneknirschens sind meist psychisch: Bruxismus stellt eine Art Kompensation für Stress, Angst oder Depression dar. Die Symptome reichen von abgeriebenen Zähnen bis hin zu Schmerzen der Muskulatur und des Kiefergelenks, aber auch Kopf- und Nackenschmerzen sind die Folge. Als Initialtherapie wird häufig für den Patienten individuell eine Kunststoffzahnschiene angefertigt um die Zähne zu schützen.

An unserem Lehrstuhl wurde im Rahmen einer Exist-Seed Förderung des BMWi ein drahtloses Messsystem für Bruxismus („SensoBite“) entwickelt, das sich aufgrund seiner geringen Größe in eine herkömmliche Zahnschiene integrieren lässt (siehe Abb.1). 

 

Abb.1: Zahnschiene mit integriertem Sensor Chip

Die Kauaktivitäten werden mittels eines piezoelektrischen Sensorsystems gemessen. Ein Funktransmitter sendet die Messdaten drahtlos an einen Empfänger, der die Größe einer Streichholzschachtel besitzt und sich am Schlafplatz oder am Körper des Patienten befinden kann. Der Empfänger speichert die über mehrere Monate empfangenen Messdaten. Über eine USB-Schnittstelle können die gespeicherten Daten auf den Computer des behandelnden Arztes übertragen werden. Das System  erlaubt eine Überwachung der Bruxismusaktivität sowohl am Tag als auch in der Nacht, ohne eine Störung des Patienten hervorzurufen.

Eine Software welche eine Analyse hinsichtlich Zeitpunkt, Intensität und Häufigkeit der Knirschaktivitäten erlaubt, unterstützt das System.  Anhand der aufgezeichneten Messdaten lassen sich individuelle Ursachen von Bruxismus identifizieren und eine entsprechende, personalisierte Therapie ableiten. Gleichzeitig ist ein sofortiges taktiles (Vibration) oder akustisches Biofeedback über den Empfänger möglich. Dieser Reiz führt langfristig zu einer Konditionierung des Patienten und damit zu einer Reduktion der Bruxismusaktivität.

Abb.2: Komplettes System mit: Zahnschiene (1); taktiles Biofeedback (2); Frontend (3)

Publikationen:

K. Vahle-Hinz, J. Clauss W.-D. Seeher, B. Wolf, A. Rybczynski, M.O. Ahlers,”Development of a wireless measuring system for bruxism integrated into occlusal splint”. Journal of Craniomandibular Function vol. 1, No. 2, pp. 125, 2009.

J. Clauss, M. Sattler, W.-D. Seeher, B. Wolf, ”In-vivo monitoring of bruxism with an intelligent tooth splint –Reliability and validity”. World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering 2009, IFMBE Proceedings 25/XI, pp.108.

K. Vahle-Hinz, J. Clauss, B. Wolf, O. Ahlers, „Vergleich eines drahtlosen Bruxismussensors zur Integration in eine Okklusionsschiene mit EMG-Messungen“, DGFDT 2008 – 41. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Funktionsdiagnostik und Therapie – Bad Homburg, 28.11-29.12.2008.

Projekttitel: „System zur Diagnose und Therapie von Bruxismus“

Projektlaufzeit 01.05.2005-30.04.2006

Entwicklung und Evaluierung eines Monitoring- und Therapiesystems für schlafbezogene Atemstörungen

Studien haben gezeigt, dass mehr als 20% der erwachsenen Bevölkerung regelmäßig schnarcht. 2-4 % leidet unter sogenannten obstruktiven Schlafapnoen (OSA), die zu einem Verschluss der Atemwege und wiederholten Aufweckreaktionen führen. OSA bringt in der Regel eine ausgeprägte Tagesmüdigkeit mit sich und erhöht das Risiko, an kardiovaskulären Krankheiten zu erkranken. Es ist deswegen alarmierend, dass 70 bis 80 % der Betroffenen über keine Diagnose dieser Krankheit verfügen. Die Diagnose wird normalerweise im Schlaflabor gestellt und in der Regel wird eine Atemüberdruckmaske (CPAP) als Therapie verordnet. Fast die Hälfte der Schnarcher und OSA-Patienten könnten stattdessen von einer effizienten Therapie zur Verhinderung der Rückenlage profitieren, da diese sogenannten lagebedingten Patienten überwiegend in der Rückenlage schnarchen und von OSA betroffen sind.

Vor diesem Hintergrund wurde im Projekt ein innovatives Mess- und Therapiesystem für schlafbezogene Atemstörungen (SBAS) entwickelt und evaluiert. Die Innovation bestand darin, dass Messparameter wie Schnarchen, Herzfrequenz, Atembewegung und Schlaflage durch einen einzigen Beschleunigungssensor in einem Stirnband oder einer Zahnschiene detektiert werden konnten (siehe Abb.1). Die Möglichkeit einer automatischen Detektion von Schnarchen und einer Indikation des Schweregrads der SBAS konnten im Rahmen einer klinischen Studie gezeigt werden. 

Abb.1: Ableitung des Schnarch- und Atembewegungssignals vom Beschleunigungssensor

Das miniaturisierte, kabellose Messsystem ist somit einerseits für die Stellung einer Diagnose anwendbar, aber auch für eine Langzeitanwendung sinnvoll: Somit kann ein regelmäßiges Monitoring der Krankheitsentwicklung und der Therapieeffizienz durchgeführt werden.

Aussagekräftige Nachkontrollen werden bislang mit großem Aufwand im Schlaflabor realisiert. 

Die automatische Detektion von Schnarchen und OSA zusammen mit der Aufzeichnung der Schlaflage ermöglichen eine Identifikation der lagebedingten Patienten sowie ein Monitoring der Therapieeffizienz bei einer Lagetherapie. Mit Hilfe eines Vibrationssignals als Biofeedback wurde eine intelligente Lagetherapie integriert und erfolgreich getestet. Diese  stellt eine komfortable alternative Behandlungsmethode gegenüber der unbequemen Atemmaske für die vielen lagebedingten Patienten dar.  

Abb. 2: Gesamtsystem: die verschiedenen online gemessenen Parameter steuern den Therapieansatz

Publikationen:

D. A. Hofsøy, J. Clauss, B. Wolf, “An intelligent implant system for monitoring and biofeedback therapy of snoring”, World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, September 7. – 12. 2009, Munich, Germany, ISBN 978-3-642-03472-5, pp. 196-199, IFMBE Proceedings, Volume 25/VIII, Olaf Dössel and Wolfgang C. Schlegel, Springer Heidelberg, 2009.

D.A. Hofsøy, J. Clauss, B. Wolf, “Monitoring and therapy of sleep-related breathing disorders”, 6th International Workshop on Wearable Micro and Nano Technologies for Personalized Health (pHealth), June 24. – 26. 2009 in Oslo, Norway, ISBN 978-1-4244-5252-1, DOI 10.1109/PHEALTH.2009.5754827, pp. 41-44, IEEExplore, 2009.

Projekttitel: „Intelligentes Implantatsystem zur Diagnose und Therapie von Schnarchen und Schlafapnoe“

Projektlaufzeit: 05.08.2008 – 04.08.2009

Implantierbares drahtloses Sensorsystem zum Monitoring der Knochenheilung

Knochenheilung wird bislang durch Diagnoseverfahren wie die Röntgentechnik, Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) oder chirurgische Eingriffe überwacht. Zum Abschätzen der erlaubten Implantatbelastung, beispielsweise von Zahnimplantaten, dienen klinische Erfahrungen als Richtwerte. Eine kontinuierliche Überwachung der Knochenheilung mittels mikroelektronischer Implantate würde es erlauben Einheilzeiten, Implantatbelastung, Transplantationszeitpunkt und Osteosynthesematerialentfernung individuell zu steuern. Mit Hilfe der in diesem Projekt kontinuierlich gewonnenen Daten sollen Prozesse während der Knochenheilung besser verstanden und untersucht werden. 

Im Projekt wurde ein implantierbares, autark arbeitendes drahtloses Messsystem entwickelt. Durch Messung der Sauerstoffsättigung an einer Fraktur, soll der Heilungsfortschritt erfasst und die dabei gewonnenen Informationen dem behandelnden Arzt zur Verfügung gestellt werden. Das Implantatsystem besteht aus einem elektrochemischen Sauerstoffsensor, einem Mikrocontroller und einem drahtlosen Kommunikationssystem. Außerdem wird es  von einer Primärzelle versorgt. Die Sauerstoffsättigung wird periodisch erfasst und über die Funkschnittstelle an einen außerhalb des Körpers befindlichen Empfänger gesendet. Dieser leitet die Daten per Funk- oder USB-Verbindung in eine Datenbank im Internet weiter. Die Daten können mit einem Webbrowser von den beteiligten Forschern oder dem behandelnden Arzt eingesehen werden. Zum Schutz vor äußeren Einflüssen besitzt das Implantat eine biokompatible Schutzhülle.

 

Abb.1: Signalübertragungsstrecke eines telematischen Implantats

Das System wurde an einem Knochendefekt an der Schädelkalotte von Schafen implantiert. So konnte die Funktionalität des Implantatsystems sowie die korrekte Funktion der drahtlosen Kommunikation demonstriert werden. Die verwendeten elektrochemischen Sensoren zeigten im Experiment eine starke Drift durch zunehmende Verunreinigungen des Sensors und eine damit verbundene, nicht ausreichende Langzeitstabilität. Dies wurde zum Anlass genommen eine in vivo Kalibrierung des Sauerstoffsensors zu entwickeln und die Sensoroberfläche mit einer neuartigen Membrantechnologie zu versehen. 

Abb.2: Einsetzen des Messsystems im Tiermodell

Weitere Experimente mit dem verbesserten Implantatsystem wurden im Projekt „IntelliTUM“ am Heinz Nixdorf-Lehrstuhl für Medizinische Elektronik durchgeführt.

Abb.3: Internetbasierte Auswertung der Realzeit-Messdaten aus der Tierversuchsanstalt

Publikationen:

M. Sattler, J. Clauss, M. Schmidhuber, J. Belsky, B. Wolf,“Implantable sensor system for the monitoring of bone healing”, In: Ratko Magjarevic, Olaf Dössel und Wolfgang C. Schlegel (Hg.): IFMBE Proceedings. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, pp. 281–284, 2009.

Projekttitel: „Implantierbares drahtloses Sensorsystem zum Monitoring der Knochenheilung“

Projektlaufzeit: 2007

Intelligentes Implantat zum Tumor-Monitoring [IntelliTUM]

Aktive Implantate gewinnen  in der modernen Medizin - nicht zuletzt aufgrund einer steigenden Lebenserwartung - an immer größerer Bedeutung. Dabei haben die Intelligenten Implantate zunehmend die Aufgabe aus dem Körper wichtige Informationen für eine individualisierte Therapie zu liefern. 

An unserem Lehrstuhl wurde im Rahmen des Projekts „IntelliTUM“ ein Implantatsystem zum Monitoring von Gelöstsauerstoff entwickelt. Die Sättigung von Geweben mit Gelöstsauerstoff spielt eine führende Rolle bei invasiven Prozessen in malignen Tumoren. So korreliert die Hypoxie (Sauerstoff-Mangelversorgung) in vielen soliden Tumoren mit abnormen metabolischen Profilen und auch der Sensitivität bezüglich therapeutischer Bestrahlung. Ein Sensor, der in unmittelbarer Nähe eines solchen Tumors abgesetzt wird, kann die zunehmende Hypoxie feststellen und wichtige Informationen zur Tumoraktivität liefern. Diese können dann als Basis einer individualisierten und richtig dosierten Therapie herangezogen werden.

Mit dem Ziel, die Sensoren für Langzeitmessungen in-vivo einzusetzen, wurden die bereits langjährig  in-vitro getesteten Sensoren in mehrjähriger Forschungsarbeit am Lehrstuhl weiterentwickelt. Hierzu wurde eine neuartige Technologie zur Nachkalibration des Sensors in-vivo eingesetzt. Außerdem wurde eine spezielle Ionomer-Membran auf dem Sensor aufgebracht, die einerseits für Sauerstoff durchlässig ist, andererseits aber die Ablagerung von Proteinen und Anionen am Sensor verhindert. So wird die Verschmutzung der Elektroden durch Biofouling an der Gewebe-Sensor Schnittstelle minimiert.

Abb.1:Packaging des Implantats: Die Platine wird in das Gehäuse gefaltet. Anschließend wird ein Deckel mit einer Aussparung für den Sensor eingesetzt. 

Das Implantat steht über eine bidirektionale Funkverbindung in ständigem Kontakt mit einer Empfangseinheit, die die Daten an eine Leitstelle übermittelt. Diese Leitstelle kann risikobehaftete Signalmuster zum Anlass einer zeitnahen therapeutischen Intervention nehmen. Der Therapieerfolg kann so kontinuierlich kontrolliert werden, ohne dass der Patient sich in einer medizinischen Einrichtung befinden muss. Eine Intervention bei möglichen Rückfällen ist jederzeit und somit frühzeitig möglich.

Abb.2: Konzept eines Closed-Loop-Systems für die Tumortherapie.

Bei Erkrankungen, die eine nebenwirkungsreiche systemische Therapie erfordern, kann mit Closed-Loop Implantatsystemen zudem mittels lokaler, intrakorporaler Wirkstofffreisetzung eine Wiederherstellung der normalen Lebensqualität ermöglicht werden. Die dafür notwendige Aktorschnittstelle für das Implantat wird im Anschlussprojekt THEMIC realisiert.

Publikationen:

S. Becker, Y.Eminaga, D. Hofsöy, J.Clauss, J.Wiest, M.Sattler, M.Brischwein, H.Grothe, B.Wolf, „Implantable dissolved oxygen sensor system for monitoring disease and healing processes“, Proceedings Deutsches Biosensor Forum 2011, ISBN 978-3-00-034073-4, p.30, 3.-6. April 2011, Bad Heiligenstadt.

S. Becker, Y. Eminaga, D. Hofsöy, K.-U. Hinderer, H. Zhang, A. Sifferlinger,M. Brischwein, H. Grothe und B. Wolf, “Towards a closed-loop diagnostic and therapeutic implantable system for tumors”, Proceedings Smart Systems Integration 2011, ISBN 978-3-8007-3324-8, paper 41, 22.-23.3. 2011 Dresden.

S. Becker, T. Xu, F. Ilchmann, J. Eisler  B. Wolf, „ Concept for a gas-cell-driven drug delivery system for therapeutic applications”, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine, DOI: 10.1177/0954411911423348.

S. Becker, Y. Eminaga, D. Hofsöy, J. Wiest , J. Clauss, M.Sattler, und B.Wolf, “ Intelligent implants for monitoring the hypoxia status of tissue”, BMT 2010; 55 (Suppl 1) pp.4-5, 44. DGBMT Jahrestagung, 5.10.-8.10.2010, Rostock.

S. Becker, B.Wolf, „Aktive Implantate in der Tumortherapie“, DZKF Deutsche Zeitschrift für klinische Forschung, 16. Jahrgang, 03/04 2012.

J. Clauss, S. Becker, M. Sattler, B. Wolf, „In vivo Diagnostik mit intelligenten Implantaten“, In: Bernhard Wolf (Hg.): Bioelektronische Diagnose- und Therapiesysteme. m3: microelectronic meets medicine. 1. Aufl. 2012,  Aachen: Shaker Verlag, S. 237–246. ISBN: 978-3-8440-0831-9.

Projekttitel: „Realisierung eines sensorgestützten intelligenten Implantats zum minimalinvasiven Tumor-Monitoring mit Telemetrieanbindung – Intellitum“

Projektlaufzeit: 01.03.2009 – 30.04.2011