I-call – Wenn Mikroimplantate miteinander kommunizieren

Das BMBF-Verbundprojekt „I-call” realisiert erstmals ein Elektroniksystem zur ultraschallbasierten, sicheren und störresistenten Datenübertragung zwischen Implantaten im menschlichen Körper. Damit ließe sich eine Leistungssteigerung bei Neuroprothesen erreichen.

Wenn mikroelektronische Systeme für medizintechnische Anwendungen eingesetzt werden, müssen sie hohe Anforderungen hinsichtlich Biokompatibilität, Zuverlässigkeit, Energieverbrauch und Integrationsfähigkeit erfüllen. Oft spielen vielfältige, ganz heterogene Bestandteile, wie sensorische und aktorische Baugruppen sowie Komponenten zur Signalverarbeitung, Kommunikation und Energiegewinnung zusammen, um die technologische Basis für eine verbesserte Patientenversorgung zu schaffen.

Anfang 2018 startete das vom Fraunhofer-Institut für Biomedizinische Technik IBMT koordinierte BMBF-Verbundprojekt „I-call – Mikroelektromechanisches System zur akustischen Kommunikation zwischen Implantaten”, mit dem Ziel, erstmals ein Elektroniksystem zur ultraschallbasierten, sicheren und störresistenten Signal- und Datenübertragung zwischen Implantaten im menschlichen Körper zu entwickeln.

Sogenannte kapazitive Ultraschallwandler (cMUTs – capacitive micromachined ultrasonic transducers), wie sie aus der ultraschallbasierten Bildgebung bekannt sind, erzeugen und detektieren hochfrequente Ultraschallsignale, die sich im Körper über große Strecken ausbreiten können. Diese stark miniaturisierten Wandler lassen sich direkt in die eingesetzten Schaltkreise (ASICs) integrierten. Neben den maßgeschneiderten cMUTs für die drahtlose Kommunikation, speziellen ASICs, die die cMUTs ansteuern und die Ultraschallsignale verarbeiten, entwickeln die Verbundpartner Kommunikationsprotokolle für die Kommunikation per Ultraschall. Um durch Rauschen und Echos verursachte Störungen zu kompensieren, verwendet „I-call” eine dem „Singen” von Delphinen und Walen nachgeahmte Methode der akustischen Kommunikation. Die Signalenergie wird dabei durch einen kontinuierlichen Frequenzwechsel auf einen breiten Frequenzbereich verteilt und am Empfänger wieder in schmalbandige Signale umgewandelt. Die als besonders breitbandige Ultraschallwandler bekannten cMUTs eignen sich für diese Methode hervorragend.

Auch wenn die aus Silizium gefertigten cMUTs im Gegensatz zu etablierten Ultraschallwandlern per se biokompatibel und damit für eine Implantation geeignet sind, werden sie vorrangig in einem hermetischen Metallgehäuse (z. B. aus Titan) eingesetzt und sind so vor Beschädigungen geschützt. Verschiedene Gehäusegeometrien und Methoden für die Schallankopplung werden bezüglich ihrer Eignung untersucht und weiterentwickelt. Alles im Dienst einer langzeitstabilen, biokompatiblen Signalübertragung – sie hat insbesondere für die Leistungssteigerung von Neuroprothesen große Bedeutung, da in diesem Bereich mehrere Implantateinheiten große Datenströme parallel übermitteln.

Das Fraunhofer IBMT bringt seine langjährige Expertise in der Entwicklung biomedizinischer Mikrosysteme sowie von Ultraschallwandlern ein und zeichnet im Projekt für die Simulation und Realisierung von cMUTs in Volumenmikromechanik sowie deren Charakterisierung verantwortlich. Darüber hinaus entwickeln die Wissenschaftler und Ingenieure die Implantatelektronik und die zur Steuerung der Implantatkommunikation notwendige Firmware.

Mit diesem innovativen technologischen Ansatz werden zukünftig implantierbare Systeme mit verteilter Intelligenz möglich. Zukunftsweisend sind insbesondere der Einsatz hochintegrierter cMUTs in Implantaten sowie deren ultraschallkompatible Häusung. Der Einsatz von Ultraschall für die Kommunikation ist hervorragend für den Einsatz im hauptsächlich aus Wasser bestehenden Körper geeignet und bietet im Gegensatz zu einer Kommunikation mit elektromagnetischen Signalen Vorteile, wie eine hohe Reichweite im Körper trotz kleiner Baugröße, praktisch keine Dämpfung durch ein Titangehäuse und eine hohe Abhörsicherheit.