Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS
Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS

© Dana S./Adobe Stock

Visionäre Neuroimplantate: Die Zukunft der medizinischen Mensch-Technologie-Interaktion

Die Verbindung zwischen dem humanen Nervensystem und hochmoderner Technik wird durch visionäre Neuroimplantate möglich gemacht. Durch Erfassung von Nervenimpulsen und gezielte Stimulation einzelner Nerven oder Hirnregionen können neurologische Krankheiten erkannt und therapiert oder Prothesen willentlich gesteuert werden. 

Ihr Unternehmen (Startup, KMU, Medizintechnikkonzern) hat eine Idee und möchte ein Neuroimplantat entwickeln?
Das Fraunhofer IMS ist Ihr F&E Partner für die Umsetzung Ihrer Ideen und Realisierung bis zum neurotechnischen Medizinprodukt!

Portfolio

Gemeinsam mit uns schnelle, innovative Produktentwicklung vorantreiben: Wir bieten Beratung, Studien, Umsetzung und Realisierung Ihrer Ideen in Forschungs- und Entwicklungsprojekten.

Alle ausklappen Alle einklappen

Technologie

Retina-Implantat: Verkapselung und Elektronik
© Fraunhofer IMS
Mit Silikon verkapseltes Retina-Implantat mit Kommunikations- und Stimulations-Elektronik
© Fraunhofer IMS
Services und Know-How für das Design eines kundenspezifischen Mixed-Signal ASICs
Image of ALD-based BioMEMS showing an array of nanopipettes
© Fraunhofer IMS
Leitfähige Nanonadeln zur Zellkontaktierung auf denen sich lebende Zellen angesiedelt haben

Diskrete und integrierte Elektronik zur Ansteuerung, Datenaufnahme und Neurostimulation

Modernste ASICs (»application specific integrated circuits«) für miniaturisierte low-power Implantate zur Stimulation, Datenaufnahme, -komprimierung, -verarbeitung und -übertragung

Systemdesign für mehrkanalige Hochgeschwindigkeits-Stimulations- und Ausleseelektronik

  • Elektronik für Echtzeitsteuerung und -auslese von 16 und mehr Kanälen 
  • Individuelle Wellenformsteuerung zur Neurotransmitterbestimmung mit FSCV (»Fast Scan Cyclic Voltammetry«)

Drahtlos Energieversorgung und Datenkommunikation für modernste, batterielose Sensorimplantate

  • Hochgradig maßgeschneiderte drahtlose Kommunikation für aktive, drahtlose Implantate in allen gängigen und standardisierten Frequenzbereichen (ISM-Bänder, 133 kHz, 13.56 MHz, 868 MHz, …)
  • Individuelles Antennen- und Frontenddesign für kundenspezifische Entwicklungen
  • Entwicklung eines Gesamtsystems inklusive externer und interner Elektronik 

Soft- und Hardwarebasierte Neurosignalverarbeitung 

Herstellung mikrosystemtechnischer Elemente

  • Design und Integration von Nano-Nadeln für eine direkte Zellkontaktierung, Medikamentenabgabe und elektrische Aufzeichnung 
  • Fertigung von kundenspezifischen, interdigitalen Elektroden (IDEs) oder Arrays auf Silizium oder Glaswafern
  • Langzeitstabile biokompatible Beschichtung von aktiven Implantaten 

 

 

 

Systemvorteile

© Fraunhofer IMS
High-speed Kommunikation für drahtlose medizinische Implantate
© Fraunhofer IMS
Biokompatible mehrschichtige ALD-Verkapselung von aktiven Implantaten

Wir bieten mit unserem Gesamtsystem-Wissen kundenspezifische Unterstützung bei der Entwicklung und Umsetzung Ihrer High-End Systemideen.

Modernste ASIC-Technologien für miniaturisierte low-power Implantate:

Ultra-schnelle drahtlose Datenverbindung und kabellose Energieversorgung:

  • Implantate basierend auf modernster RFID-Technologie
  • Entwicklung Ihres Gesamtsystems inklusive externer und interner (implantierbarer) Elektronik
  • Wertvolle Einblicke in die Funktion und Leistung von Neuroimplantaten durch Fernauswertung

Soft- und Hardwarebasierte Neurosignalverarbeitung:

  • Datenverarbeitung im Implantat ermöglicht einen optimierten Datenverkehr, reduziert den Energiebedarf und fördert darüber hinaus die Privatsphäre der Patientinnen und Patienten (ARTEMIS)
  • Eingebettete KI mit geringem Energieverbrauch für intelligente Funktionen und Closed-Loop-Ansätze

Biokompatible Beschichtungen und leitfähige Elektrodenmaterialien durch »Atomic Layer Deposition« (ALD)

Kundenvorteile

© Fraunhofer IMS
Prozessierter Wafer mit teilweise gedeckelten Chips für ein fertiges Sensorsystem
© Fraunhofer IMS
Im hauseigenen Reinraum gefertigter Glaswafer mit integrierten Elektroden

Fraunhofer IMS bietet jahrzehntelange Erfahrung, von der Grundlagenforschung bis hin zur Produktzulassung, mit namhaften Industriepartnern und umfängliche Fähigkeiten, Implantate auch für den neurologischen Bereich zu entwickeln, konstruieren und herzustellen.

  • Entwicklungsberatung und -durchführung unter einem Dach, vom Systementwurf bis zum Prototypen oder einer Vorserie
  • Wir sind bereits seit 1995 nach DIN EN ISO 9001 zertifiziert und haben langjährige Erfahrung mit ISO 13485 und IEC 62304, sowie wertvolle Kontakte im und ums Fraunhofer-Netzwerk
  • Entwicklung und Herstellung von Mess-, Test- und Kalibrierungsaufbauten
  • Hauseigene Reinräume für die Entwicklung und Fertigung von MEMS (»Micro-Electro-Mechanical Systems«) und NEMS (»Nano-Electro-Mechanical Systems«)
  • Langjährige Erfahrung mit Materialien und Langzeitstabilität bei AVT und (Dünnschicht-) Verkapselung (ALD)
  • Lieferbereitschaft auch bei kleinen Stückzahlen
  • Kundenspezifische Systementwürfe und ASIC-Designs verschiedener Foundry-Technologien
  • Diverse Forschungsprojekte sorgen dafür, dass wir immer auf dem neusten Stand im Bereich Low-Power Embedded AI und Signalverarbeitung sind
  • Jahrelange Erfahrung mit kundenspezifischer Telemetrie-Entwicklung mit den damit einhergehenden Herausforderungen (Gewebeabsorption, Miniaturisierung, Energiemanagement) ermöglicht die Umsetzung visionärer Ideen

Anwendungen

© AboutLife/Adobe Stock
Mit Neuroimplantaten wird die willentliche Steuerung von Prothesen möglich
Neuroimplantate bereichern schon heute das Leben zahlreicher Patienten. Durch gemeinsame Projekt und das Bündeln von Expertise werden die Anwendungsbereiche in Zukunft noch vielfältiger:
  • Fortschrittliche Behandlung von neurologischen Erkrankungen wie Parkinson, Epilepsie oder chronischen Schmerzen
  • Draht- und batterielose Implantate durch neuartige Energie- und Datenübertragung
  • Willentliche Steuerung von Prothesen und Exoskeletten durch den Patienten mittels Signalerfassung an Hirn, Nerven oder Muskelgewebe
  • mm-Große drahtlose Implantate zur nervennahen Stimulation und Auslese z. B. für die gezielte Vagusnerv-Stimulation bei Autoimmunkrankheiten
  • Verbesserung der Behandlung durch Closed-Loop-Systeme: Echtzeit-Anpassung der Therapie basierend auf gemessenen Hirn- oder Nervensignalen für erhöhte Wirksamkeit und Präzision der Therapie und einer Reduzierung von Nebenwirkungen

Neuroimplantate: Eine Zukunftsvision für verbesserte Lebensqualität

Was sind Neuroimplantate?

Neuroimplantate sind medizinische Geräte, die in das Nervensystem implantiert werden, um neurologische Funktionen zu verbessern oder wiederherzustellen. Sie können Signale an das Gehirn oder andere Teile des Nervensystems senden oder von diesem empfangen. Heute angestoßene Forschungsthemen können in Zukunft dafür sorgen, dass Neuroimplantate noch kleiner, sicherer und effektiver werden, um noch mehr Betroffenen helfen zu können.

Es gibt sowohl erprobte als auch neuartige Ansätze. Es exisitieren beispielsweise verschiedene Möglichkeiten eine gezielte Stimulation durchzuführen. Am verbreitetsten ist die elektrische Stimulation, die bereits für die Tiefenhirnstimulation und transkutane Nervenstimulation eingesetzt wird. Zu den neueren Ansätzen gehören die chemische Stimulation, die gezielter auf bestimmte neuronale Pfade einwirkt und die Optogenetik, bei der über lichtempfindliche Proteine Neuronen präzise aktiviert oder deaktiviert werden können.

 

Welchen medizinischen Chancen bieten Neuroimplantate?

Neuroimplantate eröffnen vielversprechende Möglichkeiten sowohl als Alternative zu bestehenden Behandlungsmöglichkeiten, als auch als Chance für Betroffenen mit bisher nicht behandelbaren Krankheiten. Zudem ermöglichen Technologiefortschritte die immer realistischer werdende Wiederherstellung von Sinnesfunktionen, beispielsweise durch eine Steigerung der Pixelanzahl bei der Sehvermögenswiederherstellung.

 

Ersetzen von Sinneswahrnehmungen

  • Sehvermögen: Retinale Implantate können visuelle Signale direkt an das Gehirn senden, um bei bestimmten Formen von Blindheit das Sehen zu unterstützen
  • Hörvermögen: Cochlea-Implantate ermöglichen es tauben oder schwerhörigen Menschen, Schallwellen in elektrische Signale umzuwandeln, die das Gehirn als Geräusche interpretieren kann

Neuromodulation

  • Blutdruck: Regulierung durch Stimulation spezifischer Nervenbahnen
  • Harnfunktion: Kontrolle der Blasenfunktion durch Sakralnerv-Stimulation zur Verbesserung von Inkontinenz
  • Epilepsie: Früherkennung und präventive Stimulation abnormer neuronaler Aktivitäten zur Anfallsvermeidung
  • Schlafapnoe: Stimulation der Atemwegsmuskulatur zur Offenhaltung der Atemwege

Mensch-Technik-Interaktion

  • Prothesensteuerung: Neuroimplantate können Nervensignale auslesen und in Steuersignale für Prothesen umwandeln, was eine intuitivere und effektivere Kontrolle ermöglicht
  • Exoskelette: Neuroimplantate können Bewegungssignale direkt vom Gehirn an ein Exoskelett senden, um Bewegungsfähigkeit bei gelähmten Patienten wiederherzustellen
Alle ausklappen Alle einklappen

  • Unsere Zukunftstechnologien für Neuroimplantate: Embedded AI, Closed-Loop und Telemetrie

    © Fraunhofer IMS

    Embedded AI

    Durch unsere Kompetenzen in Embedded Software und künstlicher Intelligenz können Signale direkt auf dem Implantat verarbeitet werden. Wir bieten intelligente Datenvorverarbeitung und Kompression, einschließlich maschinellem Lernen für individuelle Patientensignale und effiziente Implementierung von KI-Algorithmen. Durch die Entwicklung hochspezialisierter Hardware für kundenspezifische Anwendungen optimieren wir die Leistung und Energieeffizienz der Neuroimplantate. 

    Closed-Loop-Systeme: Präzision und Wirksamkeit in der Behandlung

    Closed-Loop-Systeme für Neuroimplantate revolutionieren die Behandlung von neurologischen Erkrankungen, indem sie die Therapie basierend auf gemessenen Signalen kontinuierlich anpassen. Sie verbessern die Wirksamkeit und Präzision der Therapie und reduzieren unerwünschte Nebenwirkungen. Die bestehenden Herausforderungen hinsichtlich Miniaturisierung, Energie- und Datentransfer, Einbettung von intelligenter Signalverarbeitung können durch Kombinationen neuartiger Technologieansätze gelöst werden. Damit haben Closed-Loop-Ansätze vielversprechendes Potenzial für die Zukunft der Neurologie und können medizinisches Personal bei der Behandlung unterstützen und entlasten. 

    © Fraunhofer IMS
    © Fraunhofer IMS

    Telemetrie: Drahtlose Datenübertragung für Echtzeitüberwachung

    Drahtlose Daten- und Energieübertragung ermöglicht den Austausch von Daten und Signalen zwischen Implantaten und einem externen Gerät, was Anwendungen wie Cochlea- und Retina-Implantate, die Steuerung von Prothesen und die fortschrittliche Erfassung von Biosignalen auch in sensiblem Gewebe ermöglicht. Die Datenübertragung ermöglicht es Behandelnden und Forschenden, Therapien individuell anzupassen und die Funktion und Leistung von Neuroimplantaten zu steigern. Kabellose Energieübertragung ermöglichte einen batterielosen Betrieb der Implantate und verhindert so zusätzliche Eingriffe zum Tausch einer Batterie. Für eine fortschrittliche Daten- und Energieübertragung bieten wir die Entwicklung maßgeschneiderter drahtloser Sensorsysteme und eingebetteter Systeme an. Unsere Lösungen umfassen aktive und passive Sensor-Transponderlösungen in allen gängigen und standardisierten Frequenzbereichen für kundenspezifische Anwendungen.

Das könnte Sie auch interessieren

ARTEMIS

Ein kleiner, tragbarer EKG-Detektor, der mit einer innovativen Halbleiterschaltung  mithilfe von künstlicher Intelligenz Vorhofflimmern zuverlässig identifiziert.

ARTEMIS

FastMEA

Das IMS hat im Rahmen des Fraunhofer-internen PACT Programms ein Multi-Kanal Highspeed FSCV System entwickelt. Es ermöglicht eine individuelle Ansteuerung und Messung von 16 Kanälen für Gehirnuntersuchungen.

Retina Implantat

Flyer mit weiterführenden Informationen zu Retina Implantaten.

Retina Implantat

Unsere Anwendungsfelder – Unsere Expertise für Sie

Nicht-invasive Healthcare

Wir entwickeln kontaktlose und körpernahe Sensorik für die Anwendung in der Medizintechnik und Pflegeunterstützung

Nicht-invasive Healthcare

In-situ Diagnostik

Wir entwickeln smarte optische und elektrische Biosensor-Systeme für diagnostische Point-of-Care (PoC) Anwendungen

In-situ Diagnostik

Medizinische Implantate

Wir entwickeln smarte medizinische Multisensor-Implantate für Closed-Loop Diagnostik und Therapie

Medizinische Implantate