Interaktywne mikroimplanty są wielkości paznokcia kciuka, mogą się ze sobą komunikować, reagować na siebie i w przyszłości powinny ułatwić życie osobom z niepełnosprawnością funkcjonalną.
Miniaturowe elementy, które można wszczepić pod skórę, mają na celu poprawę jakości życia osób z ograniczeniami funkcjonalnymi. „Pomocnicy” są generatorami impulsów i znajdują zastosowanie przy szumach usznych lub przy zaburzeniach czynnościowych przewodu pokarmowego, mają również za zadanie wspomagać odzyskiwanie funkcji chwytnych ręki.
Nowa generacja miniaturowych asystentów została opracowana przez klaster innowacji BMBF INTAKT i jest koordynowana przez Instytut Fraunhofera Inżynierii Biomedycznej IBMT. Aktywne implanty, takie jak rozruszniki mózgu i serca, mogą pobudzać nerwy za pomocą impulsów elektrycznych. W przeciwieństwie do wielu leków działają bezpośrednio i lokalnie.
Ponieważ funkcjonują przy pomocy sygnałów elektrycznych, nie mają prawie żadnych skutków ubocznych. Ich słabszymi stronami są akumulatory i przewodowe połączenia między implantem centralnym a elektrodami. Akumulatory, ze względu na zużycie, wymagają regularnej wymiany, z kolei przewodowe połączenia mogą ulec przerwaniu. Celem projektu „INTerAKTive Mikroimplantate” (Interaktywny mikroimplant) INTAKT było opracowanie nowej generacji aktywnych mikroimplantów, które mogą pozostać w organizmie przez całe życie.
Pacjenci mogą sami dostosować implanty do swoich potrzeb
Oprócz komunikacji wewnętrznej pacjent i lekarz mogą w każdej chwili komunikować się z siecią implantów za pomocą urządzeń zewnętrznych.
– Korzystając z laptopa lub smartfona, pacjenci mogą w każdej chwili dostosować własne implanty do swoich aktualnych potrzeb i wspólnie z lekarzem zoptymalizować terapię lub rehabilitację – wyjaśnia prof. Klaus-Peter Hoffmann, były kierownik Wydziału Inżynierii Biomedycznej w Fraunhofer IBMT. – Umożliwia to współpracę lekarz-pacjent na równych zasadach.
W ramach wspólnego projektu INTAKT wybrano trzy obszary zastosowania: leczenie szumów usznych, łagodzenie zaburzeń motoryki, tj. stymulowanie, opóźnianie lub koordynowanie wpływu na ruchy jelit oraz przynajmniej częściowe przywrócenie funkcji chwytnych ręki po przebytym porażeniu.
W przypadku szumów usznych jeden implant stymuluje bodźcami błoniaste okienko łączące ucho środkowe. Aby zaradzić zaburzeniom motoryki przewodu pokarmowego, implanty strategicznie rozmieszczone są w przewodzie pokarmowym. Rejestrują one aktywność każdego odcinka jelita oraz przekazują informację do centralnej jednostki sterującej, która motywuje odpowiednie implanty do stymulowania dotkniętych części jelita, zapewniając w ten sposób bezproblemowy proces trawienia.
Sieć mikroimplantów stymuluje mięśnie przedramienia
Częściowe przywrócenie funkcji chwytania jest szczególnie złożone. W tym celu mięśnie przedramienia mogą być stymulowane przez maksymalnie dwanaście mikroimplantów, dzięki czemu można przywrócić do ośmiu ruchów dłoni. Pacjent kontroluje ruchy ręki za pomocą śledzenia przy użyciu dedykowanych okularów: wstępnie zdefiniowane ruchy gałek ocznych, powiek i głowy przekazują polecenia do centralnej jednostki sterującej, która następnie odpowiednio steruje siecią implantów.
– Dzięki opracowaniu sieci implantów stworzyliśmy kilka korzyści – wyjaśnia inżynier elektryk Roman Ruff, lider grupy w Fraunhofer IBMT. – Czujniki i elementy wykonawcze zostały zintegrowane bezpośrednio w obudowie, dzięki czemu mogliśmy obejść się bez wrażliwych połączeń kablowych.
Zamiast tego implanty współdziałają ze sobą za pośrednictwem komunikacji bezprzewodowej i podczerwieni. Fraunhofer Institute for Integrated Circuits opracował wysoce zminiaturyzowany układ ASIC dla implantów, który może wykrywać i przekazywać biosygnały np. z mięśnia ramienia lub żołądka i jelita, a jednocześnie inicjować odpowiednią stymulację elektryczną.
Akumulatory są ładowane indukcyjnie i adaptacyjnie
Wąskim gardłem dla dalszego rozwoju zaawansowanych technologicznie mikroimplantów jest ich zasilanie energią. Akumulatory potrzebują miejsca i muszą być regularnie wymieniane. W sieci implantów jest to szczególnie kosztowne, ponieważ każde pojedyncze urządzenie ma inne zużycie energii w zależności od obciążenia. INTAKT opiera się na ładowaniu indukcyjnym, centralna jednostka sterująca przez 24 godziny zasila energią w ten sposób sieć implantów. W trzech obecnych obszarach zastosowania pacjent może nosić baterią jako mankiet na ramieniu, brzuchu lub jako opaska za uszami.
– Dostarczanie energii z zewnątrz umożliwia długotrwałą stabilność sieci implantów – podkreśla Klaus-Peter Hoffmann. – Ponadto dostarczanie energii jest adaptacyjne – każdy pojedynczy implant otrzymuje dokładnie taką ilość energii, jakiej potrzebuje. W sytuacjach awaryjnych akumulator jest zintegrowany z implantem jako magazyn energii, który jest również regularnie ładowany indukcyjnie.
Wstępne testy przedkliniczne i badania na ochotnikach wykazały, że opracowane dotychczas aplikacje INTAKT działają. Kolejnym zadaniem będzie poszerzenie mikroimplantów do zastosowania klinicznego i uzyskanie funkcjonalności dla pacjentów.
Źródło: Fraunhofer IBMT