Kleiner, intelligenter, gesünder – das Gesundheitswesen profitiert von ausgeklügelter Medizintechnik und digitaler Vernetzung

25.02.2020

Grafik zum Internet of Medical Things
Bildquelle: fotolia/Adobe Stock

Minimalinvasive Schlüsselloch-Operationen, präzise und verfeinerte Diagnosen, individuell angepasste Therapien, verbesserte Behandlungen chronischer Krankheiten, ortsunabhängige Patientenüberwachung – die heutige Medizin nutzt die Möglichkeiten, die durch das Zusammenwachsen von Gesundheitstechnik und Informationstechnologie entstehen. Innovative Produkte und Verfahren kommen aber nicht nur unser aller Gesundheit zu Gute, sondern bergen auch ein enormes Wachstumspotenzial.

Als der New Yorker Arzt Alfred Hyman zu Beginn der 1930er Jahre den ersten – nicht implantierbaren – Herzschrittmacher konstruierte, brachte der stattliche 7,2 Kilogramm auf die Waage und musste alle sechs Minuten neu aufgeladen werden. Die Erfindung beruhte auf einem Gleichstromgenerator und einem Stromunterbrecher. Der Herzschlag konnte nur von außen, und zwar mit Hilfe einer in den Brustkorb eingeführten Nadelsonde angeregt werden. Bis 1932 behandelte Hyman auf diese Weise 43 Patienten, 14 davon erfolgreich.

Elektronische Impulsgeber retten Leben

Es sollten schließlich noch 26 Jahre ins Land gehen, bevor die beiden Schweden, der Arzt Åke Senning und der Ingenieur Dr. Rune Elmquist, einen implantierbaren Herzschrittmacher konstruierten. Anscheinend aber trauten sie ihrer eigenen Erfindung noch nicht so ganz, denn als der 43-jährige Arne Larsson am 8. Oktober 1958 mit starken Herzrhythmusstörungen in das Karolinska Hospital in Stockholm eingeliefert wurde, erklärte sich Åke Senning erst nach wiederholtem Drängen der Ehefrau zum lebensrettenden Eingriff bereit. Der Schrittmacher bestand aus zwei Transistoren, einem Nickel-Kadmium-Akkumulator und einer extern aufzuladenden Spule. Die Kapazität des Akkus betrug 24 Stunden. Arne Larssons Leben wurde erfolgreich gerettet, er erhielt im Laufe seines Lebens noch mehr als 20 weitere elektronische Impulsgeber und starb im Jahr 2001 mit 86 Jahren.

Heute, im Jahr 2020, ist die Größe der taktgebenden Geräte weiter erheblich geschrumpft und die Akkumulatoren sind so leistungsfähig, dass sie erst nach einem Jahrzehnt oder später ausgetauscht werden müssen. Gerade einmal so groß wie eine Vitaminkapsel ist der Herzschrittmacher der neuesten Generation. Er wird mit Hilfe eines Katheters über eine Beinvene ins Herz geschoben. Seine integrierte Batterie hält etwa zehn Jahre und damit genauso lang wie die Batterien von herkömmlichen Schrittmachern. Im Gegensatz zu früheren Geräten überwacht er den Herzschlag im tausendstel Sekundenbereich und gibt nur dann einen elektronischen Impuls ab, wenn dieser tatsächlich benötigt werden. Die Implantation erfolgt so schonend, dass die Patienten bereits wenige Stunden nach dem Eingriff das Krankenhaus wieder verlassen können.

Medizintechnik goes IoT

Als Innovationstreiber für die fortschreitende Miniaturisierung medizinischer Geräte sind vor allem die Entwicklungen in der Elektrotechnik, insbesondere die rapide Verkleinerung von Halbleitern, anzusehen. Davon profitierten zunächst die Mobiltelefone und Computer, die dank der Quantensprünge in der Informations- und Kommunikationstechnologie immer kleiner, flacher und gleichzeitig leistungsfähiger wurden. Vorteilhaft wirkte sich außerdem aus, dass computerisierte Vorgänge heute Energie effizienter nutzen und alternative Stromerzeugungsquellen kleiner sind als herkömmliche Batterien.

Würde man den medizinisch-technischen Fortschritt allerdings allein der Miniaturisierung zuschreiben, wäre diese Betrachtungsweise zu kurz und zu allgemein gegriffen. Es sind vielmehr die zunehmende Digitalisierung, der Einsatz miniaturisierter Sensorik und die zunehmende Vernetzung, die die Medizintechnik heute „intelligent“ machen, ihre funktionalen Eigenschaften verbessern und ein selbstständiges Reagieren auf bestimmte Szenarien ermöglichen.

Smarte Medizinprodukte, Medizin 4.0, oder das Internet of Medical Things (IoMT) – all diese Schlagworte stehen für das Zusammenwachsen von Medizintechnik und Informationstechnologie. Wesentlicher Bestandteil dabei sind Sensoren, die nicht nur Zustände erfassen, sondern über die Verbindung zum Internet auch untereinander und/oder mit dem Menschen kommunizieren können. Solche Sensornetzwerke erfassen große Datenmengen und übertragen diese dank neuer Technologien zum Teil drahtlos. Eigenschaften, die in der Diagnostik und Therapie von Krankheiten sowie in der Patientenversorgung von Vorteil sind.

Aus der Ferne ganz nah

So erlaubt das Tele-Monitoring oder Remote Patient Monitoring (RPM) eine engmaschige Überwachung von stationären und ambulanten Patienten, ohne dass sich das medizinische Fachpersonal im gleichen Raum oder am gleichen Ort aufhalten muss. Physiologische Kenndaten lassen sich dank sensorunterstützter Medizintechnik ortsungebunden erfassen und elektronisch zu einer zentralen Auswerteeinheit übermitteln. Dort kann sie der behandelnde Arzt aus einer Datenbank auslesen und bewerten. Das elektronische Gesundheitswesen oder eHealth ermöglicht eine Betreuung von Patienten in deren gewohnter Umgebung und reduziert die Personalkosten in der Pflege.

Eine weitere Neuentwicklung sind Wearables, am Körper getragene elektronische Geräte zur Aufzeichnung von Vitalparametern. Als Smartwatches, Fitnessarmbänder oder Datenbrillen haben sie längst Anwendung im Alltags- und Freizeitbereich gefunden. Aber auch in medizinischen Zusammenhängen profitieren Patienten von ihren Möglichkeiten. So ist das nach Angaben des Herstellers weltweit einzige zu 100 Prozent unsichtbare Hörgerät so klein, dass es tief im Gehörgang platziert werden kann. Es verspricht ein nahezu natürliches Hörvermögen, da es die natürliche Anatomie des Ohres nutzt und sowohl in ruhigen und geräuschvollen Umgebungen eine sehr gute Klangqualität erzeugt.

Auch der Suchmaschinengigant Google bzw. dessen Forschungslabor Google X erkannte vor einigen Jahren das Potenzial tragbarer medizinischer Geräte und entwickelte eine smarte Kontaktlinse. Nicht aber zur Korrektur der Augen, sondern vielmehr zur Überprüfung des Blutzuckerspiegels. Für diese unauffällige und komfortable Variante zu herkömmlichen Blutzuckermessgeräten sahen die Forscher einen drahtlosen Mikrochip und einen Glukosesensor im Miniaturformat vor, die in die Linse integriert  wurden. Kleine, ebenfalls in die Linse eingelegte LEDs, sollten den Träger bei Über- oder Unterschreitung eines bestimmten Zuckerspiegels mit entsprechenden Lichtsignalen warnen. Im Jahr 2018 berichtete die Alphabet-Tochter und Google Schwester Verily zwar über die Einstellung des Projekts, die Arbeit an der Entwicklung eines miniaturisierten Geräts zur kontinuierlichen Überwachung des Blutzuckerspiegels geht allerdings weiter.

Der Wundverband wird interaktiv

Sensorik spielt auch in der Behandlung von chronischen Krankheiten eine immer größere Rolle. „LEDSensTex“ ist ein Forschungsprojekt, das untersucht, wie sich chronische Wunden mit Hilfe von in textilen Verbänden integrierter Sensortechnik und LED-Licht therapieren lassen. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsprogramms „Mensch-Technik-Interaktion: Technik zum Menschen bringen“ entwickelt die Turck duotec gemeinsam mit Universitäten, Forschungsinstituten und anderen Industrieunternehmen ein modernes und innovatives Verfahren der Wundtherapie. Dabei ermitteln Sensoren den genauen Wundheilungsgrad, auf dessen Basis die LED-Lichttherapie individuell abgestimmt wird. Nicht nur werden bei diesem Verfahren Diagnose und Therapie zusammengefasst, mit Hilfe einer Benutzerschnittstelle und einem mobilen Endgerät wird es den Patienten schließlich ermöglicht, die Wunden selbsttätig zu Hause zu behandeln. Mehr Lebensqualität bei gleichzeitig niedrigeren Behandlungskosten – die interaktive körpernahe Medizintechnik macht’s möglich.

Klein, intelligent und waschbar

Um weitere Entwicklungs- und Produktionsmöglichkeiten im Bereich der Medizintechnik aufzuzeigen, hat Turck duotec einen experimentellen Demonstrator zur Temperaturmessung entwickelt, der sich dank einer schützenden Umspritzung der Elektronik waschen und mit heißem Dampf sterilisieren lässt. Latooyete misst die Temperatur einer heißen Flüssigkeit und überträgt die ermittelten Daten drahtlos über Near Field Communication (NFC) an eine Smartphone-App. Die Stromversorgung der LED-Anzeige erfolgt über eine fest verbaute, ultradünne Batterie mit geringem Stromverbrauch. Gerade einmal 8,7 Gramm wiegt der Demonstrator, der ein gutes Beispiel für die Miniaturisierung und die autoklavierbare Direktumspritzung (eine einfache Erklärung findet man hier) darstellt.

Neben den zahlreichen Verbesserungsmöglichkeiten im Bereich der Diagnose, Therapie oder Pflege bietet die Verbindung von IoT und Medizintechnik zum Internet of Medical Things (IoMT) außerdem ein enormes wirtschaftliches Potenzial. Bis zum Jahr 2025 soll sie einen Mehrwert von bis zu 160 Milliarden US Dollar erwirtschaften. Das geht jedenfalls aus einer Studie des McKinsey Global Institute aus dem Jahr 2015 hervor.

Ob sich dieses Potenzial tatsächlich realisieren lässt, wird die Zukunft zeigen. Unabhängig davon bedeutet die zunehmende Vernetzung der medizinischen Geräte und die ständige Verbindung zum Internet eine erhebliche Angriffsfläche für Hackerangriffe. Um die Cybersicherheit zu gewährleisten, müssen nach dem Medizinproduktgesetz vernetzte Medizingeräte besonders hohe Sicherheits- und Qualitätsauflagen erfüllen. In Deutschland hat das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) im Jahre 2019 dazu einen Leitfaden zur Cybersicherheit von Medizinprodukten im Rahmen der Medizinmesse Medica vorgestellt.

Alfred Hyman hätte angesichts der gegenwärtigen Entwicklungen sicherlich gestaunt. Denn sein Apparat zur Stimulation der Herzens stieß in Fachwelt und Presse in den 1930er Jahren auf wenig positive Resonanz. Im Gegenteil: Er wurde vor Gericht gezerrt und der „frevelhaften Einmischung in die göttliche Vorsehung“ bezichtigt. Den Siegeszug des Herzschrittmachers konnte das nicht aufhalten. Mehr als 100.000 operative Herzschrittmacher-Eingriffe gab es im Jahr 2017 allein in Deutschland (Quelle: Statista).