ISSCC 2011 Low-Power-Technologie Schlüssel für zukünftige Medizinanwendungen

Mikroelektronik wird die Betreuung von kranken Menschen aus dem Krankenhaus nach Hause verlagern und der Gesellschaft viel Geld sparen - dafür sind jedoch neue Prozessoren, Batterien, HF-Module und Data-Mining-Technologien erforderlich, so der Tenor der Keynote-Sprecher auf der ISSCC 2011 vor fast 3000 Teilnehmern in San Francisco.

Tim Denison, ein technischer Fellow und Direktor des Bereiches Neural Engineering bei dem Medizinelektronik-Anbieter Medtronic Neuromodulation sagte, dass es noch eine Menge Arbeit gebe, die "Revolution in der Krankenversorgung" durch ein Netzwerk von neuartigen Geräten jedoch bevorstehe.

Konkret stellte Denison seiner Vision von implantierbaren Geräten in Größe einer Aspirin-Tablette vor, die bei Krankheiten wichtige Parameter überwachen und analysieren sollen. Ähnlich wie bei einem Herzschrittmacher gab Denison Beispiele für mindestens ein Dutzend weitere Anwendungen, wo implantierbare Elektronik zum Einsatz kommen soll.

In einer zweiten Keynote beschrieb Jo de Boeck, Senior Vice President bei der europäischen Forschungseinrichtung IMEC die technischen Herausforderungern bei der Entwicklunbg von tragbaren Patches, die unterschiedliche Daten überwachen sollen.

Beide Sprecher sehen vor allen Dingen Schwierigkeiten bei der Echtzeitanalyse der von Implantaten bzw. Patches gelieferten Daten, konkret wie die Rohdaten die medizinisch sinnvolle Diagnosen umgesetzt werden können.

De Boeck sagte auch,m dass zukünftig Sensoren Dinge wie Blutzuckerspiegel, die Einnahme von Medikamenten, Schlaf und Aktivitäten und sogar die Zusammensetzung der ausgeatmeten Luft überwachen könnten. Allerdings müsste man aus diesen riesigen Datenströmen die relevanten Informationen herausziehen, was alles andere als trivial sei.

Um diese Geräte mit Energie zu versorgen, brauche man neue Batterie- und Energieernte-Technologien. Zwar brauchte ein Wireless-Patch noch vor zwei Jahren 1 Watt und man sei heute unter Nutzung der besten verfügbaren Komponenten bei nur noch 100 mW gelandet, um jedoch auf eine aus patientensicht akzeptable Tragezeit von 1 Woche ohne Batteriewechsel zu kommen, müsse man jedoch runter auf 50 mW, die von einer 6 mm2 großen gedruckten Batterie geliefert werden sollen.

Um die wachsenden Datenströme überwachen und auswerten zu können, sind immer komplexere Algorithmen und damit aucvh neue Low-Power-Ansätze notwendig. Da die Implantate bzw. Patches immer mehr in Richtung kleine Computer mutieren, plädierte de Boeck für die Entwicklung eines Low-Power-Befehlssatzes für Prozessoren, die nur wenige Anwendungen wie z.B. die Patientenüberwachung bedienen sollen. In einem Vortag, der im weiteren Verlauf der Konferenz gehalten wird, beschreibt das IMEC zudem einen 8-bit-Prozessor auf Basis von organischem Plastik - das in 20 Jahren Basis für 50 % der Mikroelektronik sein soll, so de Boeck.

Ein weitere Herausforderung sind neue Packaging-Techniken, bei denen Chips und Batterien in einem 3D-Stapel in ein Implantat eingebracht werden sollen.

Ein Beispiel, wie auch Konsum-Elektronik-Komponenten Einzug in die Medizintechnik halten, hatte Denison parat: Eine Firma hat bereits die Zulassung in Europa für ein Implantat erhalten, dass bei rückenmarksgeschädigten Patienten Nervenzellen stimuliert. Um Positionsänderungen der Patienten erkennen zu können, in deren Abhängigkeit die Amplitude des Stimulationsimpulses angepasst wird, wird ein 3-Achsen-Beschleunigungsmesser verwendet, wie man ihn auch im iPhone oder in der Wii-Konsole vorfindet.

Dass Implantate nicht nur die Lebensqualität der Patienten verbessern sondern auch Leben retten können, zeigte Denison an Hand eines Druckmessers auf, der über einen Katheter in das Herz von Risikopatienten implantiert werden soll. Man hat nämlich festgestellt, dass sich wenige Tage vor einem Herzinfarkt die Druckverhältnisse in den Herzkammern ändern. Würde man rechtzeitig auf veränderte Drücke hingewiesen, sollen sich die Mehrzahl der Infarkte durch entsprechende medizinische Maßnahmen noch verhindern lassen - und dem Gesundheitssystem viel Geld sparen.