B03 - Bedarfsorientierte Stimulation mit energieeffizienten Implantaten

Zusammenfassung des Arbeitsprogramms

In diesem Teilprojekt soll ein modulares, voll implantierbares und hochintegriertes Stimulationssystem, das für die am SFB untersuchten repräsentativen Implantatanwendungen geeignet ist, entworfen, modelliert, methodisch untersucht und prototypisch realisiert werden. Dieses soll multimodale Energiequellen unterstützen und auch in anspruchsvollen Closed-Loop-Szenarien äußerst energieeffizient arbeiten. In der ersten Förderperiode von ELAINE führte unsere Forschung zu STELLA, einer quelloffenen, modularen und hochgradig anpassbaren Stimulationsplattform. Die STELLA-Architektur umfasst sowohl eine grundlegende sensorische Auslesung als auch ein bidirektionales drahtloses Datenkommunikationsmodul. Zusätzlich analysierten wir die Integration der Energieversorgung mit der Nutzung von mechanischen und thermischen Energiequellen. Dies beinhaltete die Platzierung und Optimierung von thermoelektrischen Generatoren. Dadurch wurden Ultralangzeit-Tierstudien ermöglicht, die bisher nicht möglich waren.

In der zweiten Förderperiode planen wir, die STELLA-Architektur um Module zu erweitern, die eine umfangreiche Therapieexploration durch Sensorinformationen ermöglichen und auf eine Closed-Loop-Stimulation hinarbeiten, dabei aber vollständig implantierbar bleiben, um ungestörte Tierstudien zu ermöglichen. Aufgrund der strengen Auflagen, die sich aus Closed-Loop-Szenarien ergeben, ist eine gleichzeitige Optimierung des Energiemanagements und der Sensordatenverarbeitung zwingend erforderlich. Daher werden neuartige virtuelle Prototyping- und modellbasierte Designansätze für extrem energiesparende, patientenspezifische elektrostimulierende Implantate untersucht. Das Energiemanagement unterscheidet sich nicht nur je nach Einsatzgebiet (Gehirn, Knorpel oder Knochen), sondern ist in hohem Maße abhängig von der Energieversorgung (Batterie oder mechanisches Energy Harvesting) sowie von physikalischen (Größe, Gewicht oder mechanische Stabilität) und elektrischen (Spannung, Strom, Leistung oder Stimulationsmuster) Parametern. Auch die Datenerfassung und -verarbeitung auf dem Implantat und die Datenübertragung zwischen dem Implantat und der Außenwelt zur Funktionsüberwachung und Therapieunterstützung gewinnen zunehmend an Bedeutung. Dies ist insbesondere für Closed-Loop-Ansätze wichtig, bei denen die Stimuli des Implantats auf Basis der aus den Sensordaten gewonnenen Informationen angepasst werden, um die Wirksamkeit der Therapie zu erhöhen und unerwünschte Wirkungen zu reduzieren. Wissenschaftliche Herausforderungen, die es zu bewältigen gilt, sind die Sicherstellung einer autonomen Energieversorgung durch niedrigsten Energieverbrauch einer zuverlässigen und hochminiaturisierten Elektronik, miniaturisierte implantatspezifische Energy-Harvesting-Mechanismen, eine effiziente Übertragung, Zwischenspeicherung und Verwaltung der elektrischen Energie sowie eine extrem stromsparende Sensordatenaggregation, -verarbeitung und -kommunikation.

Kooperation mit anderen Teilprojekten

A02 / B02 / B05 / C01 / C02 / C03 / C04

Projektleitung

Prof. Dr.-Ing. Dirk Timmermann
E-Mail
Tel.: +49 381 498 7250

Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Haubelt
E-Mail
Tel.: +49 381 498 7280

Institutionen

Universität Rostock
Institut für Angewandte Mikroelektronik und Datentechnik
Richard-Wagner-Str. 31
18119 Rostock-Warnemünde

Assoziierte Mitarbeitende

Christoph Niemann

Mitarbeitende mit Stipendium

Obaid Ullah Shah (beendet)
Munawar Ali (beendet)
Enkhtuvshin Janchivnyambuu (beendet)
Justin Jannis Kröger (beendet)