Medizintechnik Smart Health mit klugen Bauteilen

Autor Karin Pfeiffer

Laborcheck im Taschenformat, intelligente Implantate oder Roboterschwärme für die Mikro-Montage: Kaum eine andere Branche ist so innovativ wie die MediTech mit Trends wie Miniaturisierung und IoT. Elektronische Bauteile gelten als die Innovationstreiber

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Silizium-Wafertechnologien sind Grundlagen für innnovative Sensoren aus dem CiS Forschungsinstitut und ein Highlight der Compamed.
Silizium-Wafertechnologien sind Grundlagen für innnovative Sensoren aus dem CiS Forschungsinstitut und ein Highlight der Compamed.
(Bild: CiS/S. Reuter (Jena))

Sie gilt als eine der umsatzstärksten Zweige der Elektroindustrie und als eine der innovativsten Branchen überhaupt: Die Medizintechnik setzt weltweit rund 300 Milliarden Euro um, schätzt der Branchenverband MedTech Europe. In Deutschland erwirtschafteten die Unternehmen hier vergangenes Jahr rund 28,4 Milliarden Euro und damit ein Wachstum von 11,6 Prozent. Rund ein Drittel des Umsatzes erzielt die Branche laut BVMed mit Produkten, die nicht älter sind als drei Jahre. Dieser Bereich meldete allein 2014 über 11.000 Patente beim Europäischen Patentamt an – mehr als in allen anderen Branchen, was die Medizintechnik einem industriellen Vorreiter macht.

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Und elektronische Komponenten gelten dabei als einer der wichtigsten Innovationstreiber. Denn auch in der Medizintechnik sind Internet der Dinge, Big Data und smarte Produktion offenbar nicht mehr wegzudenken. „Die Schlagwörter Digitalisierung, Internet der Dinge oder Industrie 4.0 tauchen immer öfter auch im Zusammenhang mit der Gesundheitswirtschaft und der Medizintechnik auf“, heißt es in einem Trendbericht zur Compamed 2016, der Branchen-Plattform für die Zulieferer der medizintechnischen Anbieter. „So spielen Mobile-Health-Anwendungen, Wearables sowie smarte Implantate und Textilien eine zunehmende Rolle für die Hersteller von miniaturisierten, elektronischen Komponenten, wie zum Beispiel Sensoren und Aktoren“, nennt Mona Okroy-Hellweg, Pressesprecherin des IVAM Fachverband für Mikrotechnik, eine aktuelle Ausrichtung, die auch in anderen Anwendungen an Bedeutung gewinnen.

Ingenieure tüfteln für die Medizin

In der Medizintechnik schließen sich nun Disziplinen zusammen, die bislang alleine in ihrer Spur Fortschritte erzielten. Inzwischen werden Ingenieurswissenschaften mit minimalinvasiver Chirurgie, Navigation, Implantaten, Robotik, Bildgebung, IT und Mikroelektronik in die moderne Medizin integriert. „Biophysik, Halbleitertechnologie und Robotik stehen plötzlich im Zentrum einer neuen, molekülbasierten und miniaturisierten Medizintechnik“, erklärte Prof. Wolfgang A. Herrmann, Präsident der TU München, in einer Ausgabe der Faszination Forschung.

Hier wachsen im Zuge der Digitalisierung Segmente zusammen, die bislang auf dem Markt in ihrer Eigenständigkeit prosperierten: Angebote für Verbraucher, der Anwendungsbereich in Kliniken, Forschung und Diagnostik und der industrielle Sektor. Auf diese Weise lassen sich Werte und Daten eine durchgängige Gesundheitskette entlang vom Patienten zum Arzt oder seine Instrumente und Anlagen reichen – und in Form von Diagnostik, Therapie oder Medikamentenanpassung zurück. Analogien zur Wertschöpfungskette industrieller Prozesse kommen einem dabei wohl nicht von ungefähr in den Sinn. Und so gibt es inzwischen schon viele Applikationen, wo die einstigen Grenzen zwischen Endanwender und Einsatz für die Fertigung verschwimmen, wie bei optischen Technologien etwa. So geht es beispielsweise im Forum „Photonik 4.0“ um die Frage, wie das große Potenzial der optischen Technologien für Industrie 4.0 eingesetzt werden kann – und wie Unternehmen davon profitieren. Der federführende Fachverband Spectaris vertritt auch viele Hersteller von Medizintechnik.

Automatisierungsgrad von Laboren wächst

Vor allem aber gibt es Technologien, die verschiedenste Branchen bereits für sich adaptieren, wenn auch noch in unterschiedlichem Tempo. So gestaltet sich der Automatisierungsgrad von Laboren heute beispielsweise noch sehr unterschiedlich. „Die Spanne reicht von der Durchführung einzelner Prozesse mit Stand-alone-Geräten bis zur vollautomatischen Probenanalyse in komplexen Anlagen. Entsprechend unterschiedlich sind die Ansprüche an die Antriebstechnik“, erläutert Dr. Aihua Hong, zuständig für das Marktsegment Laborautomation bei Faulhaber. „Förderbänder beispielsweise brauchen große, leistungsstarke Motoren. In den mobilen Transporteinheiten für Proben dagegen sind möglichst kleine und leichte Antriebe gefragt.“ Kleinstmotoren ohne Eisenanker seien hierfür meist eine gute Wahl, denn sie sind leichter und kleiner als andere Antriebe gleicher Leistung. „Gleichzeitig bieten sie eine hohe Dynamik, die für schnelle Start-Stopp-Bewegungen bei Pipettier- und Pick-and-Place-Anwendungen notwendig ist.“

Allerdings: Bislang haben sich Branchenexperten zufolge viele Medizintechnik-Firmen in Sachen Digitalisierung noch zurückgehalten. Dies liege vor allem an den speziellen Strukturen in diesem Bereich, so ein Trendbericht zur Compamed. „Die Branche ist geprägt von kleinen und mittelständischen Unternehmen. Und diese haben es schwer, die Potenziale der vernetzten Fabrik für sich zu identifizieren“, erklärte Dr. Jens Nitsche, Direktor Research & Development des Beratungsunternehmens Ingenics im Vorfeld der Messe. Doch das beginnt sich zu wandeln, hat der IVAM Fachverband für Mikrotechnik festgestellt, der gerade kleine und mittelständische Unternehmen vertritt.

Fördergelder für Elektroniksystem in der Medizin

Kein Wunder also, dass das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) kürzlich ein Programm aufgelegt hat, um Innovationen im Bereich intelligenter Medizintechnik zu fördern, die auf „neuartigen oder deutliche verbesserten Lösungsansätzen der zugrundeliegenden Elektroniksysteme beruhen“. Die Förderrichtlinie hat den Titel „Neue Elektroniksysteme für intelligente Medizintechnik (Smart Health)“ und richtet sich an Unternehmen, die Medizinprodukte mit mehr Funktionalitäten und Vernetzungsfähigkeit entwickeln. Gefragt sind beispielsweise neuartige Elektroniksysteme für den Einsatz in der Prothetik, miniaturisierte Multisensorik auf kleinem Bauraum und sogenannte Closed-Loop-Systeme, also geschlossene Kreisläufe durch innovative Kommunikationstechnik, die etwa autonom den Blutzuckerspiegel regulieren können.

Durch die Integration von elektronischen Bauteilen werden verschiedenste Anwendungen smart. So lassen sich etwa Textilien mit Sensorik um zahlreiche Funktionen erweitern. Hier hat das Fraunhofer IZM völlig neue Anwendungsfelder eröffnet. Auf der diesjährigen Wearable Technologies Conference 2016 in München zeigt das Forschungsinstitut aus dem laufenden Forschungsprojekt Motex einen textilen Dehnungssensor für eine Kniebandage, der zusammen mit miniaturisierter Elektronik den Beugewinkel und Verschleißbewegungen in Echtzeit überwacht. Elektronische Komponenten – angefangen von den Sensoren über die Elemente der Signalkette, dem Power-Management bis zu den Controllern und den Funkeinheiten – bilden das Herz der Wearables, die die Daten sammeln und analysieren. Ärzte können die Vitalzeichen ihrer Patienten von der Ferne überwachen oder gar Krankheiten diagnostizieren – Condition Monitoring gewissermaßen.

Anwendungsfelder aus der Automatisierung gibt es schon heute viele: navigierte Biopsien, gesteuerte Multifunktionskatheter, autonome Assistenzsysteme etwa für OPs oder solche, die immer kleiner und im Körper integriert zu intelligenten Implantaten werden. Viel Entwicklungsarbeit steckt etwa in aktiven Implantaten wie Herzschrittmachern oder Medikamentenpumpen, die über eine Energiequelle und mit Hilfe auch von sensorischen Komponenten Körperfunktionen überwachen und unterstützen, bildgebende Verfahren für die Diagnostik, Sensorik und Antriebstechnik für chirurgische Instrumente – und natürlich für die Fertigung dieser Lösungen selbst und somit auch für andere industrielle Einsätze nützlich.

Aktuelle Highlights zur Electronica und Compamed

Elektronik ist also eine Schlüsseltechnologie für die Medizin. Und so stehen auch die neuesten Technologien und Produkte der Medizinelektronik im Fokus der aktuellen Weltleitmessen Compamed und auch der Electronica. Gerade im Bereich Sensorik tut sich hier offenbar viel. So präsentiert beispielsweise Sensirion mit dem 3DP3x auf der Compamed 2016 den kleinsten Differenzdrucksensor der Welt. Der digitale Baustein lässt sich in Geräte einbauen, in denen bislang kein Platz für Sensorik war. Der Sensor basiert auf der neuesten Generation der CMOSens Sensorchips und ist das Herzstück von Sensirions neuer Sensorplattform zur Messung von Differenzdruck und Massenfluss. Amsys wiederum zeigte kürzlich auf der elektronica eine digitale Niederdruckserie, die speziell für die Medizintechnik der Zukunft ausgelegt ist. Als Ausgangssignal steht ein digitales Drucksignal zur Verfügung, das proportional zur differentiellen Druckänderung ist. Das Besondere: ihre miniaturisierte Bauweise, die verbesserte Nulleinstellung der bidirektional differentiellen Version des SM9541 und die Messung von Unter- und Überdruck der bidirektionalen Version. Die miniaturisierten Sensoren werden in der Atemkontrolle, in Inkubatoren, in Apnoegeräten und zur Überwachung von Gasen (Flowmeter) und Filtern eingesetzt.

Von der Kugler GmbH kommen Ultrapräzisionstechnik und hochwertige Präzisionsteile für die Endoskopfertigung, für Polygonscanner für die Untersuchung und Behandlung von Augenfehlern mit Lasern, Mikro-Fokussierspiegel und komplette Systeme für die Laserstrahlführung. Auf der Compamed zeigt Kugler Lasersystemkomponenten, Mikrostrukturen, Mikrofluidteilen und Präge- und Formwerkzeugen, die alle auf eigenen Maschinen wie etwa der Micromaster gefertigt werden.

Das CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH entwickelt Technologien für kundenspezifische optoelektronische, piezoresistive und impedimetrische Sensoren, die es jetzt auf der Compamend präsentiert. Zu den Neuheiten 2016 zählt ein optischer Sensor zur Messung des Blutflusses in der Haut. Der Sensor arbeitet nach dem Laser-Doppler-Prinzip und wird auf der Mores-Technologieplattform des Forschungsinstituts hergestellt. Lichtquellen werden dabei direkt in den Sensorchip integriert.

Das Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie ISIT erforscht und fertigt Bauelemente und Systeme der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik, aktuelle Beispiele sind autarke Kraftsensorschuheinlagen für akustische Ganganalyse oder hybride Elektroniksysteme für Körpermonitoring.

Im Rahmen des Forschungsprojekts Intellidrug wiederum entwickelt das Fraunhofer IBMT zusammen mit weiteren Partnern ein intelligentes Medikamentensystem, welches – im Gegensatz zu invasiv implantierten Medikamentendosiersystemen – in der Mundhöhle untergebracht ist. Die Baugröße des Systems entspricht der Größe von zwei Backenzähnen. Neben dem im Mund angeordneten eigentlichen Medikamentendosiersystem existiert eine externe Fernbedienung, deren Form einem Mobiltelefon ähnelt. Das intra-orale Gerät besteht aus Medikamenten-Reservoir, Pumpmechanismus, Ventil, Sensoren, Steuerungselektronik, Batterien und schützendem Gehäuse.

Viele medizinische Anwendungen nutzen mikro- oder nanostrukturierte Oberflächen. Die temicon GmbH bietet das gesamte Technologieportfolio für die Realisierung solcher funktionalen Beschichtungen und deren Serienproduktion etwa durch Spritzguss. Was Maschinenbau und Automotive in groß kennen, baut die Medizintechnik in winzig. Da geht es ebenso um Oberflächen und Spritzgussteile – nur nanostrukturiert.

Unter dem Stichwort innovative Mikroelektronik findet sich beispielsweise auf der Compamed European Sensor Systems, die auf die Entwicklung von Mikroelektronikmodulen spezialisiert ist. Die CorTec GmbH wiederum entwickelt und vertreibt innovative Neuroprothetik, die für Therapie und Forschung Neues eröffnet. Und bei der MAZeT GmbH handelt es sich um einen Elektronikentwicklungs- und Fertigungsdienstleister, der sich auf die Marktsegmente Medizinelektronik, Automatisierungstechnik und Industrieelektronik mit kundenspezifischen Embedded-Computing-Lösungen sowie Mixed-Signal ASIC-/FPGA-Design-Dienstleistungen fokussiert.

Turck duotec entwickelt und fertigt miniaturisierte elektronische Baugruppen, z.B. LED-Beleuchtung auf keramischen Substraten und umspritzte Sensormodule. Mit der neuen Umspritztechnologie werden elektronische Baugruppen effektive vor den Einflüssen der Heißdampfsterilisation in einem Autoklaven bei 134 Grad Celsius und zwei Bar Wasserdampfdruck geschützt. Die neue autoklavierbare Umspritztechnologie erlaubt es, Sensoren und andere elektronische Baugruppen präzise und miniaturisiert mit Kunststoffmaterialien zu umspritzen und so mehrfach für medizinische Anwendungen einzusetzen.

Oder die CMOSIS Germany GmbH, die auf der Compamed NanEye präsentiert, den weltweit kleinsten digitalen Bildsensor mit einer Seitenlänge von nur 1mm und integrierter Optik. NanEye ermöglicht es, Visualisierungen in nahezu jede mikroinvasive Prozedur zu integrieren. CMOSIS Erfahrungsschwerpunkt liegt in bildgebenden Verfahren in der Medizin, besonders im Bereich endoskopischer Geräte.

Die CSEM Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique SA ist eine Forschungs- und Entwicklungsfirma mit Schwerpunkt Mikrotechnologie. Ein Schwerpunkt des CSEM ist der Medizintechnik-Bereich. Beispielsweise ermöglicht CSEM die Entwicklung von Wearables. Das CSEM forscht auch an Systemen für Therapie oder Diagnose. Aspekte wie Systemdesign, Kommunikation, Sensorik und Aktorik stehen im Fokus.

Die Sixt-AGT Medtech hat den Logistik-Roboter Merlin entwickelt, der mit seiner Kühleinheit auch Laborproben transportieren kann. Das besondere an Merlin ist, dass er GPS gesteuert ist und selbstständig seinen Weg durch das Krankenhaus findet. Mit künstlicher Intelligenz ausgestattet, optimiert er einer Strecke, je öfter er sie zurücklegt. Dank seiner Sensoren erfasst und umgeht er Hindernisse. Hier bekommt das Thema Mensch-Roboter-Kollaboration eine weitere Dimension.

Roboter schwärmen in die Mikro-Montage

Robotik ist ohnehin ein Schwerpunktthema der Medizintechnik. Am Fraunhofer IBMT laufen zahlreichen Projekte zu biomedizinischen Systeme. In einigen geht es um Roboterschwärme. So erforscht ein Projekt neuartige Prinzipien der Adaption von symbiotischen multiplen Roboterorganismen. Diese Roboterorganismen bestehen aus Roboterschwärmen, die, falls das vorteilhaft sein sollte, aneinander andocken können, und so symbiotisch Energie und Computerressourcen in einer einzigen künstlichen Lebensform teilen können. Um autonom miteinander und mit der Umwelt interagieren zu können, hat jedes einzelne Robotermodul eine Vielzahl von Sensoren und Aktoren.

Das Projekt I-Swarm wiederum bedeutet einen großen Schritt in der Roboterforschung, indem Experten auf dem Gebiet der Mikrorobotik in dezentralen und adaptiven Systemen mit Experten auf dem Gebiet der selbstorganisierten biologischen Schwarmsysteme zusammengebracht werden. Hauptsächlich soll der technologische Fortschritt die Massenproduktion von Mikrorobotern ermöglichen, die dann als „richtiger“ Schwarm mit bis zu 1000 Robotern eingesetzt werden können. Diese Roboter werden mit einer begrenzten, prärationalen on-board Intelligenz ausgestattet. Der Schwarm soll aus einer großen Zahl heterogener Roboter bestehen, die sich in der Art der Sensoren, Manipulatoren und ihrer Antriebsleistung unterscheiden werden. Ein solcher Roboterschwarm sollte sich bei einer Vielzahl von Anwendungen einsetzen lassen, einschließlich biologischer und medizinischer Anwendungen und der Mikro-Montage – wie sie auch die Industrie nachfragt.

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