Idiopathische Adoleszentenskoliose (AIS) führt zu einer Wirbelsäulenverkrümmung und betrifft zwischen 2 bis 3 Prozent Kinder und Jugendliche im Alter von zehn bis 16 Jahren. Die Krankheit geht einher mit deutlich sichtbaren körperlichen Symptomen wie der Fehlbildung der Wirbelsäule. Gängige Behandlungsmethoden sind die Versteifung durch ein Korsett und die Operation, die aber beide gesundheitsschädigende Nebenwirkungen für den Patienten aufweisen: Obwohl die Versteifung der Wirbelsäule durch ein Korsett seit fast 50 Jahren die häufigste Therapieform für AIS darstellt, deuten Studien darauf hin, dass diese nur in der Lage ist, das Fortschreiten der Wirbelsäulenverkrümmung zu stoppen, nicht aber die Deformation zu verringern. Bei einer Operation wiederum wird die Missbildung korrigiert, gleichzeitig wird die Wirbelsäule aber so fixiert, dass sie ihre Funktion verliert.

Basierend auf Untersuchungen, die AIS als eine muskoloskelettale Ausprägung einer Erkrankung des Zentralnervensystems betrachten, arbeitete das Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS als Teil eines Europäischen Konsortiums im Projekt »StimulAIS« über zwei Jahre an einer schonenden, alternativen Therapieform für AIS-Patienten.

Das von der EU geförderte Projekt umfasst eine alternative Behandlungsmethode für AIS, die auf Elektrostimulation der tiefen paraspinalen Rotatorenmuskeln beruht – eine Technik, die auch als Funktionelle Elektrostimulation (FES) bekannt ist. Das Ziel des Projekt war es, ein neuartiges Gerät für die Behandlung von AIS zu entwickeln und zu realisieren, das nicht nur in der Lage ist, den Krümmungsverlauf zu stoppen sondern auch ihn durch Mirkroelektrostimulation mit einem programmierbaren Stimulationsprotokoll und einer Echtzeit-Anpassung des Stimulus zu korrigieren. Daher muss das Gerät klein, implantierbar und programmierbar sein, um jedem Patienten eine individuell auf ihn angepasste Therapie zu gewährleisten.  

Innerhalb des Forschungskonsortiums war das Fraunhofer IPMS sowohl für die Entwicklung der elektronischen Komponenten des Implantats inklusive des Lesegeräts für die Datenübertragung und des drahtlosen Ladegeräts als auch für die Entwicklung der Betriebssoftware zuständig. Die Elektronik des Implantats soll ein festgelegtes Stimulationsmuster für die paraspinalen Muskeln gemäß eines bestimmten Trainingsplans gewährleisten. Deswegen können mehrere Stimulationspläne mit der Embedded Software konfiguriert werden. Damit die Stimulationsmuster an den Zustand der paraspinalen Muskulatur angepasst werden können, muss die fortwährende elektromyographische Aktivität erlangt und anschließend analysiert werden. Das Messsystem enthält daher auch ein Bewegungssensorsystem, das ebenfalls Daten für den Auswertungsalgorithmus liefert. Dieser Algorithmus ist Teil der Embedded Firmware. Das Gerät kann drahtlos von außerhalb durch ein Nahfeld-Transpondersystem (13.56MHz) gesteuert werden, welches ebenfalls die aufgenommenen Daten überträgt. Die im Implantat integrierte Batterie hält bis zu mehreren Wochen. Danach ist ein Aufladen selbiger notwendig, was durch ein drahtloses,  induktiv gekoppeltes Ladeaggregat realisiert wird.

Erfolgreicher Projektabschluss von StimulAIS

Das Projekt StimulAIS wurde im Januar 2015 erfolgreich abgeschlossen. Das Projektkonsortium konnte drei wesentliche Ergebnisse erzielen, die in ein funktionsfähiges implantierbares medizinisches Gerät gemäß den EU Richtlinien für den Einsatz einer individuellen Behandlung von AIS integriert werden konnten: 1. Ein Implantat mit einer zugehörigen Stimulationsprogrammsteuerung und einem Ladegerät konnte realisiert werden. 2. Spezielle chirurgische Instrumente wurden angefertigt, um das Elektrostimulationsgerät zu implantieren und um die Verbindung zwischen Elektroden und Muskulatur herzustellen. 3. Eine externe Bedieneinheit wurde entwickelt, um das subkutane Gerät zu programmieren und um bioelektrische Daten des Patienten zu sammeln.

Das StimulAIS Projekt wurde durch die EU gefördert (Förderkennzeichen-Nr.: 315327) und ist Teil des 7. Forschungsrahmenprogramms der Europäischen Kommission (FP7) für Forschung, technologische Entwicklung und Demonstration. Neben dem Fraunhofer IPMS waren fünf weitere Partner aus Industrie und Forschung beteiligt: Tequir S.L. (Spanien), Bentronic (Deutschland), Synergie Ingeniere Medicale SARL (SYNIMED, Frankreich), das Institut für Biomechanik in Valencia (IBV, Spanien) und die Katholische Universität von Valencia (UCV, Spanien).