Winzige implantierte Medizinsensoren kommunizieren drahtlos über Körpergewebe

Ein Ingenieursteam des Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) hat ein drahtloses Kommunikationsnetzwerk entwickelt, dass es winzigen, im Körper implantierten Sensoren ermöglicht, drahtlos über elektrische Signale nach außen zu kommunizieren – etwa mit Wearables. Auch die Kommunikation mit Sensoren und Aktoren im Körper ist möglich. So können Sensoren an einer Stelle im Körper Daten erfassen und die Ausschüttung eines Medikamentes oder Nerven- und Muskelstimulationen an anderer Stelle auslösen. Das Smart Wireless Autonomous Networking System (SWANS) nutzt dabei die natürliche Ionenleitfähigkeit des Körpers.

Herkömmliche Funktechniken wie Bluetooth und Near Field Communication (NFC) können nur eingeschränkt Funksignale durch menschliches Gewebe transportieren. Dazu werden große Antennen und viel Energie benötigt. Entsprechend groß muss dann das Implantat sein. Das wollten die Forscher der Georgis Tech jedoch vermeiden. Ihr Ziel war es, Implantate zu entwickeln, die so winzig sind, dass sie mit einer Spritze injiziert werden können, sodass kein chirurgischer Eingriff nötig ist.

Signalübertragung über Körpergewebe

SWANS ist dabei ein entscheidender Schritt in Richtung solch kleiner Implantate, wie die Wissenschaftler in der Studie „An in-body networking system for communication between wearable and implantable therapeutics“ ausführen, die in Science erschienen ist. Das Kommunikationssystem nutzt die natürliche Ionenleitfähigkeit des Körpergewebes, um zwischen Implantaten im und mit Geräten außerhalb des Körpers wie Wearables und anderen Sensoren zu kommunizieren. Die Implantate bestehen aus passiven elektronischen Bauteilen, sodass sie im Ruhezustand kaum Energie benötigen, können jedoch bei Bedarf sofort aus der Ruhe geweckt werden. Entsprechend energieeffizient arbeitet das Netzwerk. Bis zu einem Jahr lang kann etwa ein Aktor-Implantat bei einmaliger Auslösung pro Tag durchhalten. Erst dann muss es ausgetauscht werden.

Die Implantate kommunizieren nur über wenige einfache Informationen – etwa um mitzuteilen, dass ein bestimmter Sensor-Zustand vorliegt und ob eine bestimmte Aktion durch einen Aktor im Körper ausgelöst werden soll. Größere Datenmengen können mit der SWANS-Technik nicht übermittelt werden. Das können aber externe Geräte leisten. Sensor-Implantate geben die Informationen aus dem Inneren des Körpers an ein Steuergerät außerhalb des Körpers weiter, das dann therapeutische Maßnahmen ermittelt und entsprechende Befehle an Aktor-Implantate weiterleitet. Die können dann etwa Medizin an den notwendigen Stellen im Körper ausschütten oder Nerven- und Muskelstimulationen hervorrufen.

Kleine Implantate, große Wirkung

Durch den einfachen Aufbau können die Implantate besonders klein gehalten werden. Den Forschern ist es bereits gelungen, weniger als 3 mm kleine Implantate zu entwickeln, die sie mittels einer Spritze in den Körper einbringen.

Getestet haben die Wissenschaftler das System an einer Ratte. Ihr injizierten sie mehrere Implantate aus Sensoren und neuronalen Schnittstellen und bauten so ein Ganzkörpernetzwerk auf. Die Sensoren erfassten eine Bewegung der Vorderpfote, um mit den Signalen autonom einen Aktor auszulösen, der das Hinterbein stimulierte und für Muskelkontraktionen sorgte. Dadurch ist es möglich, bei Schäden am Bewegungsapparat das natürliche Gangbild einer Ratte wiederherzustellen.

Bis SWANS an Menschen angewendet werden kann, dürfte es allerdings noch einige Zeit dauern.