RFID funkt, wenn die Prothese locker sitzt

Implantate übernehmen wichtige Funktionen, wenn die körpereigenen Organe dazu nicht mehr in der Lage sind. Bisher wurden neben dem Herzschrittmacher vor allem mechanische Teile zur Stabilität oder als Knochenersatz implantiert. Ein bekanntes Beispiel sind die künstlichen Hüftgelenke. In dem dreijährig angelegten Projekt „Inhuepro" statten Forscher vom Fraunhofer-Institut Photonische Mikrosysteme IPMS Prothesen mit einem RFID-Transpondersystem aus. Ziel des vorliegenden Projektes ist die drahtlose Erfassung von Prothesenlockerungen durch eine Schwingungsanalyse. Durch integrierte miniaturisierte Beschleunigungssensoren soll ein Eigenfrequenzmuster erfasst werden und als ein indirektes Maß für den Grad einer Prothesenlockerung dienen. „Die Elektronik wird in die Keramikkugel integriert, welche auf dem Prothesenschaft sitzt", erklärt Hans-Jürgen Holland, stellvertretender Geschäftsfeldleiter für das Geschäftsfeld Lifetronics beim Fraunhofer IPMS, gegenüber „RFID im Blick".

Das aktuelle Projekt ist eine Weiterentwicklung des Projekts „Protel", welches im Jahr 2007 abgeschlossen wurde. Bei diesem Projekt wurde erstmalig ein Mikrosystem in eine Hüftprothese integriert. Das Projekt wurde damals nicht weitergeführt, da Probleme mit der Sterilisation der Prothese und der integrierten Elektronik vorlagen. Für die Sterilisation wurde Gamma-Strahlung verwendet, welche die vorhandene Elektronik zerstörte.

Den Vorgang zur Erfassung von Prothesenlockerungen beschreibt Holland wie folgt: „Nach der Implantation der Prothese in den Körper wird diese von außen mechanisch oder mechanisch akustisch angeregt. Mithilfe von Ultraschall wird der Knochen mit der Prothese in Schwingungen gesetzt und die damit verbundene Resonanzfrequenz gemessen. Die Höhe der Frequenz entscheidet über die feste Verbindung zwischen Knochen und Prothese. Bei den jährlichen Kontrollen kann der Orthopäde über das System feststellen, ob die Frequenz höher oder niedriger geworden ist. Ist sie höher, dann verbindet sich der Knochen fester mit der Prothese. Wird sie niedriger, dann löst sich die Verbindung."

Basis des Transpondersystems ist der Transponderschaltkreis Smart Tag 1 (ST1), der als Plattform für verschiedene Anwendungen entwicklet wurde. Die gewählte Trägerfrequenz von 125 kHz gewährleistet, dass ausreichend Energie in dem Implantat zur Verfügung steht. „Die Frequenz nutzen wir ganz bewusst, weil der Mensch aus 80 Prozent Wasser besteht. 125 kHz Frequenzbandbreite ermöglicht viel Energie weit in den Körper hineinzustreuen", erklärt Holland. Der Schaltkreis ST1 enthält neben den Transponderbaugruppen auch einen frei programmierbaren Mikrokontroller mit Anschlussmöglichkeiten für digitale und/oder analoge Sensoren sowie Aktoren. Es können Druck, Temperatur und Beschleunigung im Implantat oder im Körper des Patienten aufgenommen werden. Den grundsätzlichen Einsatz von passiven Transpondern in Implantaten hält Holland deswegen für sehr sinnvoll, da die Tags keine eigene Energiequelle benötigen, sondern diese über ein externes Lesegerät bekommen. Die sei ein Vorteil gegenüber Akkus und Batterien, die zudem gewechselt werden müssen, was eine weitere Operation erfordern würde.

Die Mikrokontrollersoftware kann zusätzlich eine Signalvorverarbeitung realisieren, um die Anzahl der zu übertragenden Dateninformationen gering zu halten. Über eine geeignete Schreib-/ Leseeinheit, die am Körper des Patienten angelegt wird, erfolgt die drahtlose Verbindung zum Implantat. Das System ist auch in der Lage die Verbindung mit mehreren Implantaten aufrecht zu erhalten, wenn sie über ein elektromagnetisches Feld gleichzeitig erreicht werden können. Es wird das standardisierte Übertragungsprotokoll ISO 18000-2 verwendet. Damit wird gewährleistet, dass auch weitere Transpondersysteme, die nach diesem Standard arbeiten, in einen Diagnosevorgang eingebunden werden können.

Projektpartner sind der Hüftprothesenhersteller Aesculap, die Ruhr-Universität in Bochum, verantwortlich für die Durchführung von klinischen Tests und Versuchen, das Unternehmen AST, welches sich um den Reader-Aufbau kümmert, Ruwisch und Kollegen für die Softwareprogrammierung, Keramikhersteller Ceramtec für die Herstellung der Keramikkugel, die TU Dresden für die Ultraschall-Anregung der Prothese sowie das Unternehmen Microelectronic Packaging Dresden (MPD) für den Aufbau des Mikrosystems einschließlich dem Gehäuse.

Ein weiteres Ziel laut Holland sei es das Einwachsen der Prothese in den Knochen zu verfolgen. Dabei sollen zusätzliche Daten im Speicher des Transponders hinterlegt werden wie beispielsweise wann operiert wurde, wer der zuständige behandelnde Arzt war, wie fest die Prothese sitzt und weiteres. Damit ließe sich eine Lebensgeschichte der Prothese aufzeichnen. Am Ende des Projektes muss sich dass System in klinischen Versuchen beweisen.

Das aktuelle Projekt ist auf eine dreijährige Laufzeit bis zum Jahr 2012 beschränkt, welches vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert wird. Eine Markteinführung hält Holland für das Jahr 2015 für möglich.

Bild: Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme (IPMS)