Aussichten für die Zukunft



Die Verletzung des Nervus pudendus führt zu Harn- und Stuhlinkontinenz. Zur Verletzung des Nervus pudendus kommt es durch Traumen mit Beckenbeteiligung, bei tiefen Rückenmarksschädigungen mit Verletzung der Sakralnervenwurzeln oder bei Geburtsverletzungen. Neurourologisch besteht heutzutage die Möglichkeit der Behandlung mit Sphinkterprothesen, der Nervenstimulation und der Muskelverpflanzungen zur Kontinenzerlangung, jedoch ist keine der bisher praktizierten Therapiemethoden wirklich befriedigend.

Andererseits besteht aber auch die Möglichkeit der mikrochirurgischen Nervenanastomosierung, wie sie zum Beispiel schon seit Jahrzehnten bei peripheren Facialisverletzungen (Verletzungen des Gesichtsnervs) mittels der Facialisanastomose bzw. der Hypoglossus-Facialis-Kreuzanastomose praktiziert wird.

Bis heute ist wenig über die neurobiologischen Reparationsvorgänge bekannt, die im spinalen Nervenkern (Nukleus Onuf) des Pudendusnervs nach peripheren Nervenverletzungen stattfinden. Seit geraumer Zeit ist bekannt, dass das periphere und zentrale Nervensystem in der Lage sind, kontinuierlich und dynamisch auf externe und interne Einflüsse zu reagieren. Von besonderem Interesse sind dabei die neuronale Plastizität und Nervenregeneration mit dem Aufbau neuer axonaler Verbindungen zum Muskel.

Tatsache ist, dass bis heute weder der Einfluss der mikrochirurgischen Anastomose des verletzten Nervus pudendus auf das Nervensystem oder auf den analen bzw. urethralen Sphincter experimentell untersucht worden ist noch eine mikrochirurgische operative Technik zur Versorgung von Pudendusverletzungen entwickelt wurde. Ziel ist es, eine funktionierende axonale Verbindung nach peripheren Pundendusverletzungen mittels mikrochirurgischer Operationstechnik zu entwickeln und im Versuch anzuwenden. Voruntersuchungen lassen auf gute Erfolgschancen schliessen. Damit liesse sich die Lebensqualität der betroffenen Parienten wesentlich verbessern.

Bleibt also Abzuwarten, was die Medizin in den nächsten Jahren auf dem Gebiet der Nervenanastomosierung noch Leisten wird. Gerade hier ist noch ein großes Potential an Forschung nötig, um das Wissen zu erweitern.

Das sensationelle Forschungsprojekt von Prof. Wassermann und Prof. Jocham

Die an der Fachhochschule München und der Universitätsklinik Lübeck zu entwickelnde implantierbare Kunstblase erhält den Innovationspreis zur Förderung der Medizintechnik. Mit diesem System könnte Millionen von Menschen geholfen werden, denen zum Beispiel aufgrund eines Tumors die Blase entfernt werden musste. Die Fraunhofer Gesellschaft hat dieses künstliche Harnableitungssystem patentieren lassen und damit dem Forscherteam den wissenschaftlichen Vorsprung auf diesem Gebiet gesichert. Mit Hilfe der finanziellen Mittel aus dem Innovationswettbewerb planen die Wissenschaftler nun die künstliche Blase innerhalb der kommenden Jahre bis zum klinisch einsetzbaren Prototypen fort zu entwickeln.

Dem Gesundheitsbericht für die Bundesrepublik Deutschland ist zu entnehmen, dass bezüglich des Blasenkarzinoms mit jährlich 18.000 Neuerkrankungen gerechnet werden muss. Zudem steigt die Zahl betroffener Frauen, wohl bedingt durch den größer werdenden Anteil von Raucherinnen. Die radikale Zystektomie stellt bei Frauen im Hinblick auf eine kontinente Harnableitung als Ersatz für die eigene Harnblase eine besondere Herausforderung dar, da bei der Frau kein dem männlichen Patienten analoger anatomisch umschriebener Schließmuskel existiert.

Die Urologie als klinischer Anwender von Harnblasen-Ersatzsystemen stützt sich aktuell auf operative Verfahren ab, bei denen die Verwendung von aus dem normalen Verlauf ausgeschalteten Darmsegmenten eine zentrale Rolle einnimmt. Mit diesen Lösungen beschäftigt sich auch die einschlägige Literatur. In der überwiegenden Zahl der Fälle beinhaltet ein notwendiger Blasenersatz die Integration von solchen separierten Dünn- und/oder Dickdarmanteilen zur Bildung von Harnreservoirs. In nicht unerheblichem Maße sind diese Verfahren aber mit Komplikationsfeldern belastet und durch hohe Raten von Folgeproblemen kompromittiert. Die Inkontinenzrate bei den derzeit verwendeten Darm-Ersatzblasen liegt bei bis zu 24%. Allein die Vermeidbarkeit dieser Problematik rechtfertigt die Zielsetzung der Entwicklung einer Kunstersatzblase mit einem integrierten Verschlussmechanismus. Allseits bekannte Probleme, die aus einer Harninkontinenz resultieren, soziale Ausgrenzung, Dauerkosten durch "Inkontinenzhilfen" sind vermeidbar.

Der Wunsch der Medizin
Der schon lange bekannte Wunsch der Medizin nach einer künstlichen Ersatzblase blieb bisher vor allem aus technologischen Gründen unerfüllt. Passende Werkstoffe und die notwendige Technologie in hydraulischen und elektronischen Bausteinen für eine vesica artificialis waren bis vor kurzem nicht vorhanden. Vor dem Hintergrund der gesellschaftlichen, der ökonomischen, vor allem aber der sozialen Bedürfnisse und Aspekte einerseits und der medizinischen Problematik andererseits bleibt als einzig inzwischen gangbarer Weg der der Implantation eines zuverlässigen Ersatzsystems. Die heutigen Wünsche und Anforderungen der Medizin an ein solches künstliches System sind schnell formuliert.

Eine autarke, komplett implantierbare alloplastische Kapsel. Wobei sämtliche aktorischen und energietechnischen Teile in die Kapsel integriert werden müssen, d.h. es darf kein aktives technisches Subsystem außerhalb der Kapsel angeordnet sein, es darf auch kein Versorgungsanschluss oder eine andere Systemkomponente die Oberhaut durchdringen. Lediglich subkutan kann ein für die Transmissionsbedingungen durch die Haut geeigneter Energietransfer-Baustein eingebracht werden.

Technik der Kunstblase
Im Rahmen eines Industriesemesters des Projektleiters bei der S&G GmbH in Lübeck im WS 95/96 wurden bereits die notwendigen Weichenstellungen für wichtige technische und medizinische Forschungssegmente initiiert. Mit konstant 37° C warmer Flüssigkeit elektrohydraulisch im Gegentakt gepumpte Faltenbälge zum Dauertest von Polymerwerkstoff, von diversen Pumpen- und Ventilsystemen bei Variation des Drucks und der Durchflussgeschwindigkeit mittels PWM. Aus der engen wissenschaftlichen Zusammenarbeit des Labors für Sensorik unter der Leitung von Prof. Helmut Wassermann mit der Klinik für Urologie der Medizinischen Universität zu Lübeck unter der Leitung des Lehrstuhlinhabers und Klinikdirektors, Prof. Dr. med. Dieter Jocham ergibt sich ein neuer realistischer Ansatz für die Entwicklung einer "physiologisch" funktionierenden alloplastischen Ersatzblase. Getreu den eigenen technischen Lehrgrundsätzen wurden, angelehnt an die Empfehlungen aus der Richtlinie VDI 2222 und orientiert an dem medizinischen Forderungskatalog, mögliche Lösungsvarianten von technischen Teilfunktionen erarbeitet und in intensiver methodischer Arbeit analysiert. Mit diesem Prozess einher ging eine sehr intensive Recherchetätigkeit zu allen relevanten technologischen Feldern. Besondere Beachtung fanden Veröffentlichungen zu aktuellen Werkstofftechnologien sowie die Literatur und die Präsentation zu modernsten Aktoren und Sensoren.

neue Werkstoffe
Mit Verfügbarkeit neuer biokompatibler Werkstoffe durch den sehr frühen Zugang zu aromatischen Polyurethanen aus U.S.A., die zum damaligen Zeitpunkt ein 90 days implant FDA-approval hatten und nur als Plattenmaterial verfügbar waren, wurden komplex angelegte fluidische, mechanische und elektronische Tests möglich. Aus dem Plattenmaterial der Werkstoffe Tecothane 1085 A und 1095 A sowie des Werkstoffs Carbothane 3585 wurden im Ultraschallverfahren Schläuche mit lichten Weiten zwischen 4mm und 5mm hergestellt, die in diversen Dauertests mit destilliertem Wasser, schmutzbelastetem Wasser und mit Urin beaufschlagt wurden. Zeitgleich mit den hauseigenen Versuchen führte das IFAM ( Fraunhofer Institut für Angewandte Materialforschung ) in Bremen beauftragunsgemäß Beständigkeitsuntersuchungen, zum Beispiel DMTA gemäß DIN 53445, an den o.a. aromatischen Polyurethanen in Platten- und Schlauchform durch.

Versuchsaufbau
Bei den Versuchsaufbauten wurde streng darauf geachtet, dass weitere technische Module, wie zum Beispiel passive Einheiten, sowie Aktoren (Pumpen und eigenentwickelte Austriebssysteme), Ventile und andersgeartete Schließsysteme, als auch Reservoirs unterschiedlichster Formgestaltung gleichzeitig im Verbund mit den Leitwerkstoffen getestet werden konnten. In Teilsegmenten konnten Untersuchungen mit bereits für das Endprodukt verwertbaren Ergebnissen abgeschlossen werden. Im Laufe der Jahre 1995 und 1996 erhielt die Formgebung einer implantierbaren Kapsel durch Integrations- und Adaptionsarbeiten an Leichen und Leichensegmenten der Institute für Anatomie und Pathologie der MUL in vielen Iterationsschritten wertvolle Impulse. Den eigentlichen und entscheidenden Schliff erhielt die geometrische Definition des potentiellen Implantats aber erst jüngst durch das Einpassen im lebenden Körper während der Operation am offenen Bauch. Entscheidende Fortschritte wurden im BMBF- Forschungsprojekt erzielt, das im Rahmen des Programms "Forschung und Entwicklung an Fachhochschulen" unter dem Titel "Künstliches harnableitendes System" 1997 und 1998 mit 200.000,- DM gefördert wurde. Besonders die geometrischen und funktionellen Festlegungen der künstlichen Vesica wurden entscheidend vorangebracht. Das Ergebnis schlägt sich in einer Patentanmeldung nieder. Die Beurteilung des mechanischen Ausdrückverfahrens zur Entleerung einer Kunstblase konnte beispielhaft an einem über Spindelaustrieb komprimierten Faltenbalg im Zeitrafferverfahren vollzogen werden.

lange Lebensdauer vorhergesagt
Der Versuch mit Kugelpräzisionsspindel und Faltenbalg aus Polyurethan 1303 wurde bei Erreichen von 88.000 Zyklen abgebrochen. Damit war das selbstgesteckte Ziel von ca. 85.000 unbeanstandeten Zyklen, was einer Einsatzdauer eines implantierten Systems von ca. 15 Jahren entspräche, weit übererfüllt. Von besonderem Interesse für die weitere Entwicklung ist das Ergebnis aus dem pneumatischen Teststand. Die mechanischen, elektrischen und elektronischen Komponenten der Versuchseinrichtung samt Steuerung haben die Zahl von 1,6 Millionen Lastspielen weit überschritten. Der daraus gezogene zusätzliche Gewinn wichtiger Erkenntnisse zur Formgebung und Faltung beim Einsatz diverser Polyurethane gewährleistet das Erreichen weiterer Meilensteine mit hoher Wahrscheinlichkeit. Für die Simulation der im urologischen Bereich auftretenden dynamischen Lastfälle wurden von der FHM und MUL drei funktionell gleiche, aber in der technischen Ausführung sich unterscheidende Bewegungstische entwickelt, die die im Becken möglichen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen nach den von der ETH Zürich untersuchten Gesetzmäßigkeiten und dazu entwickelten Algorithmen nachstellen können. Auf diesen sogenannten hip-movement-Testeinrichtungen werden zudem die Fragen der künstlichen Alterung mittels thermischer Überhöhung in Langzeitversuchen zeitgleich aufgegriffen.

Einbindung von Studenten in Forschungsprojekt
Erklärtes Ziel war auch die Einbindung von Studenten in dieses Forschungsprojekt. So sollte das Ausrichtungskonzept der Fachhochschulen, nämlich Praxisorientierung in der Ausbildung basierend auf wissenschaftlichem Fundament, bei der Entwicklung und beim Bau dieser Tische ein weiteres Mal verifiziert werden. Mit großer Begeisterung gingen engagierte Studenten über zwei Semester hinweg daran, ihre in der Konzeptphase gewonnenen Ideen im konstruktiven Entwurf und im Bau von Prototypen bis zum Funktionsnachweis umsetzen. Die Forschungsarbeiten dauern an und werden unter ständiger Beteiligung und Beobachtung der Industrie weitergeführt. Auf dem Fundament der bisherigen Arbeiten soll mit der Fortführung des industriell und wissenschaftlich anerkannten Konzeptes der Schlüssel für den Einstieg in die industrielle Umsetzung mit dem Ziel eines medizintechnischen Serienprodukts gefunden werden.

Funktion der Kunstblase
Die künstliche Harnblase hat die Form einer Kapsel. Sie besteht aus einer externen und zwei internen, das heißt implantierbaren Komponenten. Sobald die Kunstblase gefüllt ist, macht sie sich mit einem Vibrieren bemerkbar. Dieses Teil befindet sich zusammen mit einem weiteren Baustein für die kontrollierte Entleerung außerhalb der Kapsel. Beide Teile sind jedoch vollständig unter der Haut eingesetzt. Der Patient steuert die Entleerung und das Aufladen der inneren Energiespeicher durch ein externes Gerät, das er auf seinen Unterbauch auflegt.

Die Kunstblase ist eigenständig tätig und meldet sich bezüglich des Füllungsgrades, so dass man nicht nach einem bestimmten Zyklus die Entleerung vornehmen muss wie bei der Neoblase oder anderen Systemen. Wird bei unserem System ein kritischer Füllungsgrad erreicht, ertönt ein Vibrationsalarm. Man kann auch jederzeit über ein transkutanes Signaltransfersystem den Zustand der Blase abfragen, das macht man durch Auflegen eines eigenständigen kleinen Gerätes auf den Bauch. Die künstliche Blase ist im Übrigen aus biokompatiblen Material, sie wird also nicht abgestoßen.

Hilfe für Millionen
Ziel ist es, mit dieser Entwicklung Millionen Menschen zu helfen, die ihre Blase verloren haben. Prof. Wasssermann gibt sich optimistisch: "Aufgrund unseres Konzeptes wird die Kunstharnblase bei jedem Patienten funktonieren. Wir bauen das System modular auf. Es besteht aus Reservoir-, Steuerungs-und Aktorikmodulen in verschiedenen Größen". Die Fraunhofer Gesellschaft hält das Projekt für ein Paradebeispiel marktorientierter, interdisziplinärer Forschung und hat mit 75.000 Euro die weltweite Patentierung dieser Entwicklung übernommen.

Schon bald Wirklichkeit ?
Prof.Wassermann rechnet damit, dass die künstliche Harnblase 2004 implantierbar ist, obwohl der Mediziner sagt, dass das undenkbar sei, schon alleine wegen der vorzuschaltenden Tierversuche und klinischen Versuche. Insofern muss wohl eher 2005 anvisiert werden.


Ein weiteres Forschungsprojekt unter der Leitung von Prof. Wassermann

Neben der Entwicklung der künstlichen Harnblase ist in München auch eine weitere neue Behandlungsmethode defektem Sphinkter externus gelungen. Die Ärzte beheben diese Inkontinenz häufig, indem sie operativ eine Art aufpumpbare Manschette um den Harnleiter legen. Durch Fehleinstellung kann es bei solchen Schließhilfen jedoch zu Nekrosen kommen, was für den Patienten mit Schmerzen und oft auch mit dauerhaftem Leiden verbunden ist.

Ebenfalls mit einer Förderung über das aFuE-Programm der AiF hat Professor Wassermann ein neues Schließsystem entwickelt. Es passt sich einer Druckerhöhung im Unterbauch durch Lachen, Husten oder Niesen, die eine Inkontinenz verursacht, blitzschnell an und vermeidet so Nekrosen. Für ihre Arbeiten an diesem Schließmechanismus wurden die Studenten Chi-Nghia Ho und Alexander Hentschel im Februar 2002 mit dem Deutschen Studienpreis 2001/02 ausgezeichnet. Das neue Implantat besitzt einen feinsensorigen Regelkreis, der einen kritischen Blutstau verhindert, wobei er gleichzeitig den Harnfluss kurzzeitig intensiv und damit sicher sperrt. Der Schließmechanismus, den eine in den Körper implantierte Kontrolleinheit steuert, ist mit einer Silikon-Manschette ausgestattet. Kontrolleinheit, Pumpe und Akku sind in biokompatiblem Material verkapselt, damit sie der Körper nicht abstößt. Der Energiespeicher wird, ebenso wie bei der künstlichen Harnblase, durch Induktion aufgeladen.

Technischer Aufbau
Wie bereits beschrieben, ist es Ziel des Implantats, über den Druck eines Cuffs auf die Harnröhre die Flüssigkeitsabgabe zu steuern. Die Regulierung des Drucks erfolgt durch Zu- und Abfuhr von Flüssigkeit, die sich bereits in dem implantierten System, in einem Reservoir, befindet. Im Grundzustand wird Flüssigkeit aus dem Reservoir mit Hilfe einer Pumpe durch die geöffneten Ventile V4 und V5 geleitet. Wenn der Sensor S2 eine definierte Schwellenspannung misst, wird das Ventil V5 geschlossen. Die Schwellenspannung des Sensors S2 entspricht einem Normaldruck von 0,07 bar im Cuff. Dieser Druck entspricht dem Querschnittdruck, den ein gesunder Muskel Sphinkter Externus erreicht. Um auf eine plötzliche dynamische Belastung des Cuffs sofort reagieren zu können, wird zusätzliche Flüssigkeit in den Vordruckbehälter gepumpt. Wenn der Sensor S3 eine Spannung von 0,3 bar feststellt, wir das Ventil V4 geschlossen. Das System ist nun "scharf" und kann jederzeit auf plötzliche Druckänderungen reagieren. Ziel des Systems ist es, die Druckdifferenz zwischen S2 und S4 unabhängig von anderen Einflüssen konstant zu halten. Erreicht man dies, kann Harnaustritt verhindert und das Gewebe geschützt werden.

Eine Gefahr für ungewollten Harnverlust besteht besonders immer dann, wenn die gefüllte Harnblase mit einem dynamischen Druck belastet wird. Dies geschieht zum Beispiel beim Husten, Lachen oder Niesen. Es kann dadurch zu einem kurzzeitigen Druckanstieg bis auf das fast vierfache des Ausgangswertes von 0,25 bar kommen. Um zu verhindern, dass ein derart hoher Druck Harn durch den Cuff hindurch presst, wird bei derartigen Druckspitzen das Ventil V5 geöffnet. Flüssigkeit strömt aus dem unter relativ hohem Druck stehenden Vordruckbehälter nach und führt zu einem raschen Druckanstieg im Cuff.Nach eine Verzögerungszeit zum Abklingen der Druckspitze wird der Differenzdruck zwischen S2 und S4 wieder hergestellt. Die beiden Ventile V5 und V6 schließen und öffnen sich dazu abwechselnd bis der gewünschte Wert erreicht ist.


Bild

schematischer Aufbau des Systems


Die technischen Daten
Die Stromversorgung und damit Aufladung der internen Akkus geschieht durch Induktion. Dabei wird das gleiche Prinzip genutzt, wie es bei Transformatoren verwendet wird. Dadurch wird das System energetisch autark, es sind keine externen Energiequellen nötig. Das System wird telemetrisch von außen codiert, über eine außerhalb des Körpers befindliche Anzeige mittels verschlüsselter Signale durch Modularisierung, das System kann dadurch den persönlichen Maßen des Patienten ohne Aufwand angepasst werden. Bei der alloplastische Kapselung mit biokompatiblen Materialien wird ausschließlich körperfremdes, jedoch körperverträgliches Material wie zum Beispiel Titan, ausgewählte Kunststoffe usw. zur Umhüllung des Implantats verwendet, um Abstoßungsreaktionen zu vermeiden

Bedienung durch den Patienten
Nach der Implantation bekommt der Patient neben vielen Informationen nur zwei Dinge mit auf den Weg. Eine feuerzeuggroße Fernbedienung dient ihm zur Ansteuerung des Implantats. Damit ist es möglich, die sich kontinuierlich füllende Blase selbständig bei Bedarf zu entleeren. Des weiteren erhält der Patient einen Gürtel, an dem sich eine weitere Steuereinrichtung befindet, vor allem aber ein Ladegerät. Die Systeme des Implantats werden durch Energie aus Akkus betrieben. Nur einmal pro Woche müssen die Patienten den Gürtel umschnallen und per Ladegerät die Akkus aufladen. Sowohl Aufladung der Akkus als auch der Datentransfer von und zum Implantat sind völlig schmerzfrei. Den Patienten werden im Rahmen der Operation Magnetspulen unter die Bauchdecke implantiert, in denen durch Induktion der benötigte Strom erzeugt wird.

Großer Entwicklungsaufwand
Der Aufwand, der allein im Rahmen des Studiums betrieben werden konnte, reichte allerdings nicht aus, um das Produkt auf den Weg zur Marktreife zu bringen. Die Studenten Sebastian Schostek und Chi-Nghia Ho engagierten sich auch über das Ausgangsprojekt hinaus für die Lösung der Aufgabe. Der Aufbau des Implantats wurde bereits der Öffentlichkeit auf einer der größten medizinischen Messen, der MEDICA in Düsseldorf, mit Erfolg vorgestellt.

Erster Entwicklungsschritt abgeschlossen
Der erste Prozess der Produktentwicklung, der vollständige Entwurf, ist nun abgeschlossen. Eine Arbeit, die übrigens im Rahmen eines vom Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projektes stattfand. Im nächsten Schritt werden alle Komponenten des neu entwickelten Implantats in die erste Phase der Miniaturisierung gebracht. Das Ziel dabei ist, die Ausmaße der Prothese nicht größer als eine Zigarettenschachtel werden zu lassen.

passende Werkstoffe
Nachdem im Mittelpunkt der bisherigen Arbeit vor allem grundsätzliche Fragen zur Funktionalität standen, sind die Schwierigkeiten der kommenden Entwicklungsphasen vor allem praktischer Natur. Es gilt, die passenden Werkstoffe zu wählen und die Probleme der Energieversorgung, des Aufladens und der Ansteuerung des Implantats zu klären. Die Anforderungen an ein medizinisches System wie die beschriebene Prothese sind hoch.

Ziele der Entwicklung
Eine energetisch autarke, von außen steuerbare, durch Modularisierung individuell adaptierbare und komplett implantierbare alloplastische Kapselung müssen erreicht werden. Alle verwendeten Materialen müssen biokompatibel sein um keine Abstoßung des Körpers zu provozieren sowie den physikalischen Anforderungen der zu erwartenden Umwelt im Körper standhalten können. Die dennoch relativ kurze, angestrebte Entwicklungszeit von 4 bis 5 Jahren ist nur durch die bereits vorhandenen Arbeiten von Prof. H. Wassermann möglich, auf welche zurückgegriffen werden kann.

Weitere finanzielle Mittel fehlen noch
Für die Vollendung des Projektes werden noch Gelder benötigt. Daher können sich interessierte Investoren beim Leiter des Projektes, Prof. H. Wassermann oder bei den Studenten Chi-Nghia Ho und Sebastian Schostek melden.





Letzte Änderung am:  21 Dez 2013 13:23


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