Medizinische Geräte können aktiv oder statisch sein. Statische Geräte sind die einfachsten und haben nur wenige oder gar keine beweglichen Teile. Stents zum Beispiel halten Arterien aufgrund ihrer Form offen. Aktive Geräte sind komplexer. Einige aktive medizinische Geräte funktionieren durch menschliche Bewegung oder durch die Wirkung der Schwerkraft. Eine Spritze wird durch die vom Patienten oder vom medizinischen Personal ausgeübte Kraft angetrieben, während ein Tropf durch die Schwerkraft angetrieben wird. Andere Geräte können durch die natürlichen Körperbewegungen des Patienten aktiviert werden, z. B. beim Gehen oder Atmen. Diese Geräte werden als passiv kategorisiert. Der Begriff „aktive medizinische Geräte“ bezieht sich auf Geräte, die eine künstliche Energiequelle benötigen, z. B. eine Batterie oder eine andere elektrische Versorgung. Solche Geräte führen im Allgemeinen komplexere Funktionen aus als statische oder passive Geräte. Geräte dieser Kategorie reichen von Blutsauerstoffsensoren bis hin zu fortschrittlichen Herz-Lungen-Maschinen, die während einer Operation die kardiopulmonalen Funktionen eines Patienten übernehmen können.
Aktive implantierbare medizinische Geräte sind mit Strom versorgte Geräte, die entweder durch eine natürliche Öffnung oder auf chirurgischem Wege in den Körper eines Patienten eingeführt werden und dazu bestimmt sind, nach dem Eingriff im Körper des Patienten zu verbleiben. Solche Geräte sind in der Regel batteriebetrieben, und die Stromversorgung kann entweder im Gerät selbst enthalten sein oder an Drähte angeschlossen werden, die aus dem Körper des Patienten herausragen. Frühe Herzschrittmacher wurden beispielsweise über ein externes Gerät, das vom Patienten getragen werden konnte, mit Strom versorgt (und betrieben). Die ersten vollständig implantierbaren Geräte wurden mit Plutonium betrieben, aber die meisten modernen Versionen verwenden interne Lithiumbatterien, die bis zu fünfzehn Jahre halten können.
Aufgrund ihrer internen Verwendung, der Komplexität ihrer Funktion und ihrer relativ geringen Größe gehören aktive implantierbare medizinische Geräte zu den am schwierigsten herzustellenden. Medizinprodukte, die mit Patienten in Berührung kommen, müssen hohen Anforderungen genügen, und solche, die dauerhaft mit ihnen in Berührung kommen – wie implantierbare Geräte – müssen die höchsten Anforderungen erfüllen. Ihre Herstellung erfordert daher umfassendes Fachwissen sowohl in der Entwurfs- als auch in der Fertigungsphase sowie Anlagen und Maschinen, die in der Lage sind, Komponenten herzustellen, die den strengen Parametern entsprechen. Proven Process verfügt über das Fachwissen, das Personal, die Ausrüstung und die Einrichtungen, die für die Herstellung aktiver implantierbarer medizinischer Geräte höchster Qualität erforderlich sind.
Beispiele aktiver implantierbarer medizinischer Geräte
Ein Beispiel für ein aktives implantierbares medizinisches Gerät ist der interne Langzeit-Blutdrucksensor (rechts dargestellt). Proven Process war das erste Unternehmen, das ein solches Gerät entwickelte. Dieses röhrenförmige Gerät wurde zur Überwachung des Blutdrucks mittels eines elektrischen Widerstands-Dehnungsmesssensors entwickelt. Eine der größten Herausforderungen bei einem solchen Gerät besteht darin, den Blutfluss zu messen, ohne die Hämodynamik erheblich einzuschränken oder zu verändern. Mit Hilfe der numerischen Strömungsanalyse wurde der Blutfluss modelliert, während die Finite-Elemente-Analyse die optimalen Stellen für die Anbringung von Dehnungsmessstreifen auf der Außenfläche der Membran ermittelte.
Ein weiteres Beispiel ist das implantierbare ventrikuläre Hilfsgerät (links abgebildet), eine Gefäßpumpe, die geschwächten Herzmuskeln hilft, einen ausreichenden Blutfluss zu gewährleisten. Proven Process hat versucht, die bestehenden Geräte zur Unterstützung der Herzkammern zu verbessern. Wir haben einen Motor entwickelt, der einen Kolben gleichzeitig dreht und verschiebt, so dass er den Blutfluss fördert und gleichzeitig die Schmierung aufrechterhält. Der Kolben arbeitete mit zwei künstlichen Herzklappen zusammen, um die Blutbewegung in nur eine Richtung zu ermöglichen. 3D-Modellierung, Finite-Elemente-Analyse und Steuersystem-Simulation wurden eingesetzt, um das Gerät schnell und effizient als Prototyp zu entwickeln.
Normen und Vorschriften
Die Herstellung von Medizinprodukten unterliegt der ISO 13485:2016. Diese Normen gelten auch für aktive implantierbare Medizinprodukte. Aufgrund der internen Natur der Geräte und ihres langfristigen Lebenszyklus gelten jedoch noch weitere Normen. Dazu gehören:
- ISO 14708-1:2014 – Allgemeine Anforderungen an die Sicherheit, Kennzeichnung und an die vom Hersteller bereitzustellenden Informationen
- ISO 14708-2:2012 – Herzschrittmacher
- ISO 14708-3:2017 – Implantierbare Neurostimulatoren
- ISO 14708-4:2008 – Implantierbare Infusionspumpen
- ISO 14708-5:2010 – Geräte zur Kreislaufunterstützung
- ISO 14708-6:2010 – Besondere Anforderungen an aktive implantierbare medizinische Geräte zur Behandlung von Herzrhythmusstörungen (einschließlich implantierbarer Defibrillatoren)
- ISO 14708-7:2013 – Besondere Anforderungen an Cochlea-Implantat-Systeme
- ISO 14117:2012 – Prüfprotokolle zur elektromagnetischen Verträglichkeit von implantierbaren Herzschrittmachern, implantierbaren Kardioverter-Defibrillatoren und kardialen Resynchronisationsgeräten
- EC 62304:2006 – Software für Medizinprodukte
Für Geräte, die in den Vereinigten Staaten verwendet werden sollen, müssen zusätzliche Vorschriften beachtet werden. Die meisten davon werden von der Food and Drug Administration (FDA) verwaltet. Die FDA stellt durch ihr Center for Devices and Radiological Health sicher, dass aktive implantierbare medizinische Geräte den entsprechenden Normen entsprechen, bevor sie auf den Markt gebracht werden. Einige Produkte – darunter implantierbare Geräte, die drahtlos mit externen Geräten kommunizieren – fallen auch in den Zuständigkeitsbereich der Federal Communications Commission. Die EU legt ihre Vorschriften in der 2017 verabschiedeten MDR 2017/745 fest.
Auslegung und Herstellung
Die Auslegung und Herstellung aktiver implantierbarer medizinischer Geräte erfordert besondere Überlegungen, die über die für andere medizinische Geräte geltenden Anforderungen hinausgehen. Die Betriebsparameter solcher Geräte müssen mit genauen Toleranzen spezifiziert werden, um unbeabsichtigte Schäden für den Patienten zu vermeiden. Ein Beispiel für einen solchen Parameter wäre die Temperatur des Geräts. Obwohl das Gerät in einem breiten Temperaturbereich gut funktionieren kann, schreiben die Normen vor, dass das Gerät nicht mehr als 2℃ über der normalen Körpertemperatur (37℃) betrieben werden darf. Mit Ausnahme der Teile, die dazu bestimmt sind, eine elektrische Ladung an den Körper abzugeben, muss das Äußere elektrisch neutral sein. Die Außenfläche des aktiven implantierbaren Produkts darf keine scharfen Kanten oder Ecken aufweisen, die Reizungen oder Entzündungen hervorrufen können.
Aufgrund der langen Lebensdauer aktiver implantierbarer Medizinprodukte und der Tatsache, dass sie jahrelang in direktem Kontakt mit dem Patienten stehen, müssen die bei ihrer Herstellung verwendeten Materialien sorgfältig nach ihrer Biokompatibilität ausgewählt werden. Insbesondere muss die Toxizität des Materials unter den Werten liegen, die den Patienten auch nach dem für das Gerät erforderlichen Langzeitkontakt beeinträchtigen würden. Die Materialien müssen außerdem so haltbar sein, dass sie für die vorgesehene Dauer halten und so stabil sind, dass sie während der gesamten Lebensdauer des Produkts zuverlässig funktionieren.
Die empfindliche Natur aktiver implantierbarer medizinischer Geräte erfordert besondere Sorgfalt bei der Gestaltung ihrer Verpackung, um Schäden während des Versands und der Lagerung zu vermeiden. Umwelteinflüsse wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck können sich auf die Geräte auswirken, und die Verpackung muss vor solchen Schäden schützen. Vibrationen während des Transports müssen unter Umständen gedämpft werden, und die Geräte müssen gegen die beim Transport auftretenden Kräfte abgefedert werden. Die Verpackung muss auch die richtige Umgebung für die Lagerung der implantierbaren Geräte vor der Verwendung angeben.
Auch nach der chirurgischen Implantation müssen diese medizinischen Geräte vor Schäden durch äußere Kräfte geschützt werden. Zusätzlich zu den alltäglichen physischen Belastungen des Geräts müssen auch extreme Ereignisse berücksichtigt werden. Da aktive implantierbare medizinische Geräte mit elektrischem Strom betrieben werden, können externe Schocks den Betrieb stören oder das Gerät beschädigen. Da einige interne Geräte lebenserhaltend sind, muss ein Ausfall vermieden werden. Diese elektrischen Schocks können unbeabsichtigt oder beabsichtigt sein. Ein Defibrillator zum Beispiel liefert im Allgemeinen zwischen 200 und 1000 Volt. Wenn das interne Gerät am Herzen befestigt ist – wie dies bei Herzunterstützungsgeräten und Herzschrittmachern der Fall ist -, liegt es direkt im Strompfad des externen Defibrillators. Wenn möglich, muss das interne Gerät isoliert werden, um es während eines solchen Ereignisses abzuschirmen.
Die FDA verlangt auch, dass aktive implantierbare medizinische Geräte ihre elektromagnetische Verträglichkeit nachweisen. Die Hersteller müssen nachweisen, dass ihre Geräte auch dann wie vorgeschrieben funktionieren, wenn sie auf Interferenzen in Form von elektromagnetischer Energie, z. B. Radiowellen oder ein starkes Magnetfeld, treffen. Die meisten Geräte werden mit nicht-ionisierender Strahlung konfrontiert, deren Energiewerte unter denen des natürlichen Lichts liegen, so dass diese Art von Energie das Hauptproblem darstellt. Ionisierende Strahlung, wie Röntgen- und Gammastrahlen, wird von den Patienten seltener in hohen Dosen wahrgenommen. Außerdem darf das Gerät durch seine eigenen Emissionen andere Geräte nicht wesentlich stören. Ist das Produkt mit bestimmten Arten von elektromagnetischer Energie inkompatibel und kann eine solche Inkompatibilität nicht ausgeschlossen werden, so muss dies in den Spezifikationen deutlich vermerkt und in der Dokumentation für Angehörige der Heilberufe und Anwender des Produkts deutlich gemacht werden. Insbesondere Patienten mit implantierbaren Herzschrittmachern, die in unmittelbarer Nähe zu starken elektrischen Feldern arbeiten – wie z. B. Medizintechniker, die mit MRT-Geräten arbeiten – müssen über die Grenzen ihres Geräts informiert werden.
Ein letzter Aspekt bei der Entwicklung und Herstellung aktiver implantierbarer medizinischer Geräte betrifft die interne Stromversorgung. Trotz ständiger Fortschritte in der Batterietechnologie haben Lithiumbatterien eine begrenzte Lebensdauer, und ihre Erschöpfung führt zum Ausfall des Geräts. Im Gegensatz zu einer externen Stromversorgung, die schnell ausgetauscht werden kann, erfordert der Austausch der Stromversorgung in einem aktiven implantierbaren medizinischen Gerät einen chirurgischen Eingriff. Dabei müssen mehrere Faktoren koordiniert werden, darunter die Verfügbarkeit des Operationsteams, der Zeitplan des Patienten und die Beschaffung entweder einer neuen Stromversorgung oder eines neuen Geräts. Es ist daher unerlässlich, dass das implantierte Gerät über ein System verfügt, das den Patienten und den Arzt rechtzeitig über die Erschöpfung der Batterie informiert.
Zusammenfassung
Aktive implantierbare medizinische Geräte gehören zu den kompliziertesten in der Herstellung. Bei ihrer Entwicklung müssen zahlreiche Faktoren berücksichtigt werden, die bei anderen Geräten nicht zum Tragen kommen, weshalb ein hochspezialisiertes und erfahrenes Team erforderlich ist. Aufgrund ihres langen Lebenszyklus und des langen Kontakts mit Patienten unterliegen sie den strengsten Normen und Vorschriften. Als Pionier auf diesem Gebiet verfügt Proven Process über das Fachwissen, die Erfahrung und die Einrichtungen, die für die Entwicklung hochwertiger aktiver implantierbarer medizinischer Geräte erforderlich sind.