Battery-News.de Medizintechnik-Reihe: Batterietechnologie für Herzschrittmacher

Autor: Benedikt Hürter

Veröffentlicht am: 08.05.2020

Vielfältige Implantate wie das Cochleaimplantat und der Herzschrittmacher basieren auf der mobilen Energiespeicherung. Dass das Herz mittels elektrischer Stimulation beeinflusst werden kann, ist bereits seit dem 18. Jahrhundert bekannt. Bis die heute bekannten Schrittmacherelektroden jedoch weit verbreitet für gestörte Reizleitungssysteme verwendet wurden verging noch einige Zeit.

Was ist die Aufgabe eines Herzschrittmachers?

Wenn das Herz zu langsam schlägt oder kein definierter Rhythmus mehr vorliegt, so kann durch die Verwendung eines Herzschrittmachers wieder ein regelmäßiger Herzschlag hergestellt werden. Je nach Ausführung liegen eine oder mehrere Elektroden unterschiedlichen Bereichen des Herzens an. Wenn eine Störung im Rhythmus festgestellt wird, greift der Herzschrittmacher ein. Die genaue Auswahl und Programmierung des Schrittmachers sind abhängig von Symptomen und nach Begutachtung durch den Mediziner zu tätigen. Meist werden die Elektroden über die Venen vorgeschoben und das Gerät selbst unterhalb der Haut eingesetzt und fixiert. Im Anschluss sind regelmäßige Kontrollen durch den betreuenden Arzt nötig. Hier wird unter anderem der Batteriezustand geprüft. Je nach Häufigkeit der Aktivierung sind Lebensdauern von 5-10 Jahren zu erwarten, limitiert durch die Batterie.

Anforderungen an die Batterie-Technologie

Grundsätzlich sind die Anforderungen vergleichbar mit anderen Anwendungsfelder. Eine größtmögliche Sicherheit und Zuverlässigkeit werden ebenso erwartet wie ein geregeltes Strom- bzw. Spannungs-Zeit-Verhalten. Vorteilhaft wirken sich eine hohe gravimetrische Energiedichte und eine geringe Selbstentladung aus.

Eine kurze Geschichte des Herzschrittmachers und der Batterie-Technologie

Die Geschichte des Herzschrittmachers ist eng mit den Entwicklungen auf dem Gebiet der Batterietechnologie verknüpft. Erste Bestrebung zur Stimulation wurden ab 1929 verfolgt. Die erste Generation des Herzschrittmachers wurde ab 1949 eingesetzt. Dieser war jedoch nicht vollständig implantiert, sondern bedeutete die ständige Begleitung durch einen Einkaufswagen mit Technik. Bereits kurze Zeit später im Jahre 1958 wurde dann, noch in einer geheim gehaltenen Operation, der erste implantierte Schrittmacher eingesetzt. Im Rahmen der Vorstellung auf einem ersten Kongress wurde seine Erfindung durch Rune Elmqvist noch als „technische Kuriosität“ bezeichnet. Für die Energieversorgung wurde hier Nickel-Cadmium Akkumulatoren verwendet. Durch Greatbatch und Chardack wurde der erst vollständig implantierte Schrittmacher erdacht. Die Stromversorgung basierte auf einer Quecksilber-Zink-Batterie. Die zuvor verwendeten Nickel-Cadmium Akkus mussten regelmäßig transkutan (=durch die Haut) aufgeladen werden. Die Quecksilber-Zink Batterie versprach Verbesserung. Diese waren aber ebenfalls nicht sehr zuverlässig und durch die mangelhafte Dichtigkeit nicht sehr ausdauernd sowie giftig.

Eine kurzfristige Erscheinung war die Verwendung einer radioaktiven Energiequelle. Der deutlich größeren Lebensdauer standen aber die heutzutage naheliegenden Risiken der Freisetzung des radioaktiven Materials gegenüber. Das verwendete Plutonium stellt große Herausforderung bis über den Tod hinaus dar. Wenige Jahre später wurde daher diese Technik nicht im großen Stil weiterverfolgt. Ab Ende der 1970er Jahre fand die Lithium-basierte Energiespeichertechnologie den Einzug in den Schrittmacher.

Batterie-Technologie für Herzschrittmacher in der heutigen Zeit

Die Lithium-Iod-Batterie-Technologie konnte sich durch die Eigenschaften wie geringe Selbstentladung durchsetzen. Im Rahmen der Entladung kommt es zu einem Anstieg des Zelleninnenwiderstands. Es werden kleine Ströme im Bereich von 10^-6 Ampere erzielt. Die Überwachung der Spannung erlaubt Aussagen über den Zustand der Batterie. Das gesamte Aggregat ist ungefähr so groß wie eine große Armbanduhr und wiegt ca. 20 -30 Gramm. Bei der Lithium-Iodid-Batterie handelt es sich um einen Primärspeicher. Als fester Elektrolyt kommt Lithiumiodid zur Verwaltung. Als Kathode kommt P2VP zum Einsatz.

Ausblick

Je nach Auslegung des unterstützenden Systems werden andere Eigenschaften gewünscht. Neben der Lithium-Iod-Technologie haben sich daher weitere Technologien wie Lithium-Manganoxid oder Lithium-Grafitfluorid-Batterien etabliert. Neueste Aggregate sind deutlich geschrumpft in Größe und Gewicht und können ohne Schnitt implantiert werden.

Quellen:

https://www.dhzb.de/fileadmin/user_upload/deutsche_Seite/wissenschaft_forschung/Historie/HerzSM.pdf

https://www.herzstiftung.de/Herzschrittmacher-Implantation.html

https://www.apotheken-umschau.de/Herzschrittmacher

Winter, Placke: Batterien für medizinische Anwendungen, Zeitung für Herz-, Thorax und Gefäßchirurgie 2015