Ein kabelloses Energieübertragungssystem für leadless endovaskuläres Elektrokortikogramm

Warum es wichtig ist, Gehirnimplantate ohne Drähte zu versorgen

Gehirn-Computer-Schnittstellen und Langzeit-Hirnmonitore bewegen sich von der Science-Fiction hin zur Alltagsmedizin. Ein vielversprechender Ansatz nutzt winzige Metallgerüste, sogenannte Stents, die in Hirngefäße eingesetzt werden können, um neuronale Aktivität zu messen und möglicherweise zu stimulieren, ohne den Schädel zu öffnen. Die heutigen Systeme setzen jedoch noch lange Leitungen voraus, die vom Gehirn durch Blutgefäße bis zu einer Elektronikeinheit in der Brust verlaufen. Diese Drähte bergen chirurgische Risiken, können mit der Zeit versagen und machen das Gesamtarrangement für Patientinnen und Patienten weniger attraktiv. Diese Arbeit beschreibt eine neue Methode, um solche stentbasierten Gehirnimplantate ohne lange Drähte mit Energie zu versorgen – ausschließlich mit unter der Kopfhaut versteckten Komponenten und einer kleinen externen Einheit, die am Kopf getragen wird.

Eine neue Art, Energie ins Gehirn zu bringen

Die Autoren schlagen ein Energiesystem vor, das mit einem gewöhnlichen klinischen Stent statt einem kundenspezifischen Bauteil arbeitet. Das System besteht aus drei Teilen: einem externen, am Kopf getragenen Modul mit einer Spule, einem papierdünnen Relaisstreifen, der unter der Kopfhaut und über dem Schädel platziert wird, und dem Stent tief in einer Vene, die entlang der Gehirnoberfläche verläuft. Die externe Spule überträgt Energie über ein Magnetfeld an eine passende Spule im Relais. Das Relais gibt diese Energie dann als elektrisches Feld durch den Schädel und umliegendes Gewebe an den Stent weiter. Entscheidend ist, dass der Stent selbst als Empfangselement dient, sodass keine zusätzliche Hardware in das bereits enge Blutgefäß gequetscht werden muss.

Magnetfelder in elektrische Felder umwandeln

Im Zentrum des Entwurfs steht das unter der Haut liegende Relais, das eine Form der kabellosen Übertragung in eine andere konvertiert. Auf der äußeren Seite nimmt die flache Spule des Relais die Energie über magnetische Kopplung auf, ähnlich wie bei kabellosen Ladegeräten für Smartphones. Auf der inneren Seite fungieren zwei lange, dünne Metallplatten im Relais wie die beiden Seiten eines Kondensators. Sie erzeugen ein elektrisches Feld, das durch Knochen, Membranen und Flüssigkeiten hindurch zu zwei getrennten Abschnitten des Stents gelangt. Einfache elektronische Bauteile – nur Dioden und Kondensatoren – können diese wechselnde Energie in gleichmäßige Versorgungsspannung für Sensoren, Kommunikationsschaltungen und optionale Stimulations-Elektronik innerhalb oder neben dem Stent umwandeln. Da das Relais passiv und extrem dünn ist, kann es mit minimaler Störung und ohne bewegliche Teile unter der Kopfhaut platziert werden.

Das System praktisch erproben

Um zu prüfen, ob dieses Konzept unter realistischen Bedingungen funktioniert, baute das Team einen Prüfstand mit echtem Tierknochen, Blutgefäßen und Kochsalzlösung, um die Schichten des menschlichen Kopfes nachzubilden. Sie variierten sorgfältig Stentlänge, Abstand zwischen den Stentabschnitten, Plattengröße, Plattenabstand, Tiefe des Stents unter dem Knochen und Betriebsfrequenz und führten hunderte Messungen durch, um die beste Kombination zu finden. Sie identifizierten zwei nützliche Frequenzbereiche, wobei der praktischste bei etwa 40–50 Megahertz liegt. Mit optimierten Abmessungen konnten sie mehr als 45 Milliwatt Leistung an den Stent liefern, während der gesamte Gleichstromwirkungsgrad bei etwa 7 Prozent lag – derzeit der höchste berichtete Wert für einen unveränderten Stent im Gehirn. Computermodelle auf Basis detaillierter Kopfanatomie stimmten gut mit diesen Laborergebnissen überein und bestätigten, dass die Messungen keine bloßen Randerscheinungen des Prüfaufbaus waren.

Sicherheit im Kopf überprüfen

Jedes kabellose System, das Energie in den Körper sendet, muss strenge Sicherheitsgrenzen für Erwärmung und Exposition einhalten. Die Forscher verwendeten fortgeschrittene Finite-Elemente-Simulationen, um zu berechnen, wie viel der übertragenen Energie von Geweben absorbiert würde – eine Größe, die als spezifische Absorptionsrate (SAR) bekannt ist – und wie stark die lokale Temperatur über die Zeit ansteigt. Bei Eingangsleistungen, die hoch genug sind, um ungefähr 45 Milliwatt an den Stent zu liefern, blieben die Spitzen- und Mittelwerte der SAR in Haut, Knochen und Gehirn deutlich unter internationalen Sicherheitsgrenzen. Temperatursimulationen über mehrere Stunden Dauerbetrieb zeigten nur geringe Anstiege – im Bereich einiger Zehntel Grad Celsius – vorwiegend in der Kopfhautregion nahe dem Relais und der externen Spule, ohne Erwärmung am Implantat selbst.

Was das für künftige Hirntechnologie bedeuten könnte

Diese Arbeit zeigt, dass es technisch und sicher möglich ist, ein Gehirn-Stent-Implantat vollständig ohne lange Drähte oder maßgeschneiderte Stent-Designs mit Energie zu versorgen. Die vorgeschlagene Architektur kann genug Leistung für hochwertige Hirnsignalaufzeichnung und sogar bedarfsabhängige Stimulation liefern, dabei die Hardware unter der Kopfhaut dünn und passiv halten und die externe Einheit lose auf dem Kopf ruhen lassen. Obwohl die detaillierte Physik der Wechselwirkung zwischen magnetischen und elektrischen Feldern in der Nähe des Relais noch tiefergehende theoretische Untersuchungen erfordert, liefern die Kombination aus Experimenten und Simulationen starke Hinweise darauf, dass der Ansatz solide ist. Können Herstellungsprobleme für das ultradünne Relais gelöst werden und bestätigen In-vivo-Tests die Haltbarkeit, könnte diese Methode die Grundlage für eine neue Generation vollständig kabelloser, minimalinvasiver Neuroprothesensysteme bilden, die einfacher zu implantieren, angenehmer im Alltag und für Patientinnen und Patienten besser akzeptierbar sind.

Zitation: Xu, Z., Truong, N.D., Ahnood, A. et al. A wireless power transfer system for leadless endovascular electrocorticography. Commun Eng 5, 73 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00617-4

Schlüsselwörter: kabellose Energieübertragung, Gehirn-Stent, Neuroprothetik, endovaskuläre Implantate, Elektrokortikographie