Miniaturisierung im Markt für Medizintechnik-Steckverbinder
“Die Fantastische Reise”
Anthony Kalaijakis
Hypertronics Corporation
www.hypertronics.com
Vier Männer und eine Frau, geschrumpft auf einen mikroskopisch kleinen Bruchteil ihrer eigentlichen Größe, gehen an Bord eines miniaturisierten Atom-U-Boots und warden einem Sterbenden in die Arterie injiziert. Auf ihrem Weg kämpfen sie gegen riesige Antikörper, durchqueren selbst das Herz und gelangen über das Innenohr, wo selbst der kleinste Laut das Boot zerstören würde, schlagen sie sich schonungslos in den Schädel durch. Ihr Ziel: ein Blutgerinsel welches sie mit den Strahlen einer Laserkanone zerstören sollen. Auf dem Spiel steht das Schicksal der ganzen Welt …Die Fantastische Reise, 1966
Miniaturisierung ist in der Medizintechnik seit Jahren ein Thema. Im Film „Die Fantastische Reise“ rettet das Verkleinern eines Teams aus Spezialisten und deren Injizierung in den menschlichen Körper um ein Blutgerinsel zu beseitigen die Welt. Die Mannschaft nutzt das U-Boot Proteus und navigiert heldenhaft durch den menschlichen Körper um schließlich das Gerinsel mit einem Laser zu zerstören.
So fantastisch der Film 1966 war, lies er doch die zukünftige Entwicklung in der Medizintechnik erahnen. Die Miniaturisierung in der Medizintechnik folgt dem von Intel-Mitbegründer Gordon Moore 1965 formuliertem Paradigma. Bekannt als Moorsches Gesetz beschreibt es die Verdopplung der Transistorzahl in integrierten Schaltungen alle 2 Jahre. Die Verdopplung der Packungsdichte erlaubt eine höhere Performance auf geringerem Raum, was durch die Computertechnik und die Elektronik insgesamt veranschaulicht wird.
In der Unterhaltungselektronik gibt es mehrere beeindruckende Beispiele von Produktverkleinerungen. In den frühen 80er-Jahren waren wir von den ersten Mobiltelefonen beeindruckt, welche die Ausmaße von kleineren Haushaltsgeräten hatten. In den alten Folgen von Miami Vice sehen wir Crocket in etwas sprechen, was an einen Fernsehapparat mit Antenne erinnert. Heute übertrifft ein Mobiltelefon die Rechenleistung und Funktionalität eines damaligen PCs bei weitem, wobei es auf eine Größe verkleinert wurde, die die Grenze der Bedienbarkeit durch den Menschen nahezu erreicht.
Für die Medtronic, Inc. mit Sitz in Minneapolis (www.medtronic.com), welche sich der Entwicklung schmerzlindernder, gesundheitsfördernder und lebenserhaltender Geräte für Millionen von Menschen verschrieben hat, sind miniaturisierte Geräte die Zukunft.
„Die bei Medtronic in der Entwicklung stehenden Geräte sind entweder implantierbar oder tragbare Geräte die einfach zu verbergen sein müssen. Deswegen müssen alle Komponenten verkleinert werden“, kommentiert Dvid Warren Lee, Medtronic. „Gleichzeitig haben diese kompakten Geräte eine größere Speicherkapazität und Rechenleistung, also sind die neuen Anforderungen für medizinische Geräte höhere Packungsdichte bei geringeren Abmessungen.
Ein bei Medtronic entwickeltes Produkt, das die Symptome der Parkinson-Krankheit mittels der Tiefen Hirnstimulation (DBS) lindert, ist der Activa® RC Neurostimulator. Basierend auf einer dem Herzschrittmacher ähnlichen Technologie und der Abgabe elektrische Impulse an präzise festgelegte Bereiche des Gehirns, werden die Symptome der Krankheit bei vielen Patienten gemindert.
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Inkontinenz ist einer der am schnellsten wachsenden Märkte in der Neurostimulation. Medtronic hat ein neues Verfahren, genannt InterStim –Theapie, entwickelt, das eine sichere und effektive Behandlung dieser unangenehmen Funktionsstörung durch Neurostimulation des Sakralnerves mittels eines kleinen externen Programmiergerätes im Handyformat.
Laut Dr. Attila T. Barabas, einem Spezialisten für Urologie in Lancaster, New Hampshire, stellt InterStim einen Fortschritt in der Behandlung dar, die per Neurostimulation in einem bestimmten Gesäßbereich auf den Sakralnerv wirkt. Die sakrale Neurostimulation gibt schwache elektrische Impulse an die Nerven in Ihrem Rücken ab, die Darm, Rektum und Blase steuern
Ist der InterStim-Schrittmacher implantiert, kann der Arzt das Gerät in seiner Praxis auf den Patienten abstimmen. „Einstellungen können per Patienten-Fernbedieunung vorgenommen werden und der Schrittmacher wird alle 7-9 Jahre ersetzt.“ ergänzt Dr. Barabas. „Die InterStim-Therapie ist reversibel, das Gerät kann jederzeit ausgeschaltet werden. Durch Anwendung dieser Therapie können viele Patienten ihren gewohnten Aktivitäten nachgehen und wieder ein normales Leben führen.“
Für den Weltmarkt von Neurostimulationsgeräten wird ein Volumen von ca. 5,2 Mrd. US$ im Jahr 2012 prognostiziert und eine Vielzahl implantierbarer Neurostimulatoren wird immer öfter genutzt um die Lebensqualität von Patienten zu verbessern, die unter Beeinträchtigungen durch chronische Schmerzen, Epilepsie oder Parkinson Syndrom u.a. leiden.
„Implantierbare Geräte, die eine Linderung der Symptome durch Abgabe elektrischer Impulse an Nerven verschaffen, sind für die Lebensqualität der Patienten von großem Wert.“ Ergänzt Dr. Barabas. „Basierend auf den positiven Erfahrungen der Patienten, scheint die Neurostimulation unzählige Möglichkeiten neuartiger Behandlungsmethoden für neurologische Störungen zu eröffnen, die bisher nicht erfolgreich behandelt werden konnten.
r device drops on the floor, it still has to work.”
„Menschen, die Neurostimulatoren zur Schmerzbekämpfung, Inkontinenzbehandlung oder in anderen Bereichen der Gesundheitsvorsorge verwenden, verlangen kleine, diskrete Geräte die ungefähr die Größe eines iPod oder eines Mobiltelefons haben.“ beschreibt David Lee, Entwicklungsleiter Neurostimulation bei Medtronic, die Situation. „ Anders als Mobiltelefone, die mit der Zeit kaputt gehen, muss unser Gerät robust genug für den Dauereinsatz rund um die Uhr sein. Selbst wenn es auf den Boden fällt, muss es weiter funktionieren.“
Neurostimulation eröffnet ein neues Feld an Behandlungsmethoden, welche die Nebenwirkungen von rezeptpflichtigen Medikamenten verringern und sogar die Medikamentendosis die der Patient einnimmt reduzieren. Die von Medtronic entwickelte Synchromed Pumpe wird genutzt um Medikamente direkt in den Körper des Patienten zu verbringen, einfach mit Hilfe eines Handgeräts.
Durch die direkte Medikamentierung an den betroffenen Stellen im Körper anstatt oraler Einnahme, benötigt der Patient nur ungefähr 1/100 der Menge, was die Nebenwirkungen im Vergleich zu bisherigen Medikamentierungen drastisch senkt.
Die höheren Anforderungen an die Strapazierfähigkeit von medizinischen Geräten verlangen extreme Robustheit von jeder Komponente, und insbesondere von den Steckverbindern. Der in Steckverbindern übliche Gabelkontakt ist häufig die Ausfallursache gebräuchlicher Unterhaltungselektronik. Aus diesem Grund wählen Firmen wie Medtronic Hersteller von hoch-qualitativen Steckverbindern, wie die in Hudson, Massachusetts, beheimatete Hypertronics (www.hypertronics.com), die für ihre einzigartige Drahtkorb-Technologie bekannt ist, die eine rundum Reinigung des Kontaktes und eine ununterbrochene Signalübertragung gewährleistet.
„Das wichtigste Kriterium für Steckverbinder in medizinischen Geräten ist Robustheit.“ kommentiert Lee. „Wir verwenden Hypertronics-Steckverbinder in unserem externen Neurostimulator, weil wir einen extrem belastbaren, sehr zuverlässigen Steckverbinder benötigen. Es geht schließlich um ein medizinisches Gerät und das muss funktionieren.“
Der Industrieverband advamed.org sieht die Miniaturisierung als den wichtigsten Zukunftstrend der Medizintechnik und erwartet rasante Fortschritte. Technologische Durchbrüche in der Nanotechnologie lassen mikroskopisch kleine Geräte erwarten, die es ermöglichen erkrankte Zellen gezielt zu behandeln.
Die expotentielle Verkleinerung der Ausmaße medizinischer Geräte die wir seit den 60er Jahren bis heute sehen, geht einher mit den wachsenden Herausforderungen an die Steckverbinder für die Medizintechnik: kleiner, leichter und geeignet für tragbare Geräte.
Jeder einzelne Schritt stellt eine neue technische Herausforderung dar: Verkleinerung der Steckverbinder ohne Leistungseinbuße des Systems. Zusätzlich muss die Verbindung einfach zu stecken und zu lösen sein, da die Geräte zunehmend ihren Weg vom Krankenhaus hin zur Heimanwendung finden. Zum Beispiel ermöglichen tragbare Insulinpumpen einen gewissen Komfort und die Möglichkeit zur Selbst-Regulierung – großartige Eigenschaften, aber das Tragen einer Pumpe ist nicht immer ästhetisch, es sei denn sie kann unter der Kleidung versteckt werden. Miniaturisierung und Implantierbarkeit haben Insulinpumpen drastisch verkleinert.
Ein weiteres Beispiel eines Schritt hin zur Miniaturisierung sind die Fortschritte, die im Bereich der pneumatischen Antriebe erzielt wurden, die das welweit einzige, vollständig künstliche Herz antreiben, das CardioWest Kunstherz von SynCardia. Seit den 80er-Jahren wurde das Kunstherz von einem rund 200 kg schweren Antrieb der Größe einer Waschmaschine versorgt. Aufgrund der Göße des Antriebs und der Notwendigkeit der ständigen Überwachung durch einen Techniker, mussten Kunstherz-Patienten, die sonst gesund waren, im Krankenhaus bleiben, bis ein passendes Spenderherz gefunden wurde. Im vergangenen Jahrzehnt gelang es jedoch, den Antrieb auf ein ungefähr 10kg schweres, tragbares Gerät zu reduzieren, welcher in Europa seit 2003 verwendet wird, und zur Zeit ist ein 6kg-Antrieb in der Entwicklung, der nicht größer ist als eine Damenhandtasche, der Freedom™ driver.
Zusammen mit SynCarida Systems, Inc. (www.syncardia.com) entwickelte Hypertronics ein Steckverbindersystems für den Freedom™ driver, welches eine bisher unerreichte Zuverlässigkeit für diese kritische Anwendung liefert. Entwickler beider Firmen schufen zusammen eine Lösung, die die Signalintegrität für dieses leichtgewichtige Gerät garantiert.
“Zum ersten Mal in den USA können Patienten durch den Freedom™ driver ihr Leben zu Hause verbringen, während sie auf ein passendes Spenderherz warten.“ sagte Rodger Ford, Vorstandsvorsitzender der SynCardia Inc. „ Die Zuverlässigkeit des Steckverbindersystems von Hypertronics ist entscheidend dafür, dass unsere Patienten sich auf ihre zweite Lebenschance freuen können.“
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Da diese Geräte zunehmend vom stationären in den privaten Lebensbereich Einzug halten, wird die Forderung „leichter, kleiner, risikolos und uneingeschränkte Leistung“ unverzichtbar.
Steckverbinder folgen dem logarithmischen Trend der Verkleinerung, der innovative „Miniatur“-Produkte hervorbringt. So müssen Zulieferer von Komponenten für Medizingeräte die entsprechenden Ressourcen zur Entwicklung kleinerer Komponenten zur Verfügung stellen um den Anforderungen des Marktes gerecht zu werden.
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Folgerichtig entwickelte Hypertronics eine neue Serie von Rundsteckverbindern, die 30% kleiner sind als bisherige Modelle. „Medtronic ist hoch erfreut über die neue Miniatur-Technologie von Hypertronics, weil wir die extreme Zuverlässigkeit ihrer Steckverbinder sehr schätzen, aber die Größe wurde zunehmend ein Problem“, bemerkt David Lee von Medtronic.
Die Wachstumsraten der Medizintechnik sind für viele Investoren attraktiv und erzeugt ein Klima der Innovation und des technischen Fortschritts. Und die Prognosen für die Zukunft sehen weiteres Wachstum. So wuchs der Medizintechnikmarkt in den USA seit 2006 von 86 Mrd. USD auf über 100 Mrd. USD.
Da der Medizintechnik-Markt weiter blüht, und die Investitionen in die Forschung geradezu explodieren, können Wissenschaftler und Ingenieure neue Anwendungen entwickeln. Während die Fortschritte in der Technik und die Innovationen des letzten Jahrzehnts viele Fachleute verblüffte, ermöglicht die weitere Miniaturisierung Anwendungen in der Medizin, die heute so futuristisch erscheinen wie damals die „Fantastische Reise“