Microgenerators for Energy Autarkic Pacemakers and Defibrillators: Fact or Fiction?

Background:

Implantable devices for medical use like permanent pacemakers, defibrillators, and fluid pumps depend on an energy provided by batteries. Unfortunately, the battery usually determines the duration of life of these devices, while technical problems occur infrequent. Device replacement for battery exhaustion requires surgical procedures and account for up to 1/3 of all pacemakers sold. Attempts to provide unlimited power support using radio transmission, nuclear energy etc. did not gain clinical acceptance.

Method: We therefore evaluated the potential role of a microgenerator (designed for use in wrist watches) to recharge pacemaker batteries. We used the Epson-Seiko Caliber 5M22 that uses a “Gold-Cap” for energy storage. The mass of the actuator is 1.6 g and an angle of > 10° is needed to overcome friction. Output at a rotor frequency of 200 Hz is 1.8 mWatt To measure the power provided, various experiements were made with the microgenerator taped to the chest of a normal person working in an office. Range of 11 experiments over 8 hours each was 0.2 to 3.1 μWatt (median 0.5 μWatt). Therefore, the power generated was 10 to 100 times less than the calculated power needed to recharge a typical pacemaker battery. A second type of generator (Mondaine, Zurich, Switzerland) with less mechanical parts, available in a “black box” version only, generated not more power.

Conclusion: Thus, commercially available, yet not optimized microgenerators provided only between 1 to 10% of the power requirements of a pacemaker. However, modifications in design and mainly the orientation and weight of the actuator to generate more power from the G-forces during walking, would result in a more meaningful energy output.

Hintergrund:

Die begrenzte Laufzeit ist die Achillesferse moderner Schrittmachersysteme. Die historischen Versuche zur externen Batterieaufladung und atombetriebene Schrittmacher haben sich nicht durchgesetzt. Um eine Schrittmacherbatterie mit einer Amperestunde, 3 Volt Spannung und einer Tragezeit von 87 600 Stunden kontinuierlich mit Energie zu versorgen, müssten um die 34 μWatt bereitgestellt werden. Das Wiederaufladen von Batterien mittels Mikrogeneratoren, die mechanische in elektrische Energie umzusetzen, ist technisch grundsätzlich gelöst. Unklar ist, ob mit der verfügbaren Technologie genug Energie zum Aufladen einer Schrittmacherbatterie gewonnen werden kann.

Methodik: Es wurde der potenzielle Nutzen zweier Mikrogeneratoren zur Stromgewinnung (Epson-Seiko Caliber 5M22, und Mondaine-Generator) untersucht. Im Seiko-System wird mechanische Energie in elektrische Energie übergeführt und in einem Energiespeicher (“Gold-Cap” mit 0,33 f/1) gespeichert. Um Energie fließen zu lassen, ist eine Auslenkung des Pendels von wenigstens 10° notwendig. Die Masse des Pendels beträgt lediglich 1,6 g. Ein Gleichtrichter sorgt dafür dass lediglich die positive Spannung zur Energiegewinnung genutzt wird. Die Kraft zur Auslenkung errechnet sich wie folgt: Aus dem Radius der Achse, dem Gewicht des Rotors (1,6 g) und der notwendigen Auslenkung um > 10° ergibt sich im vorliegenden Fall ein Wert von 15 μNm. Nimmt man ein Äquivalent von 1 Nm = 1Ws an, so benötigt man im Moment noch 15 μWs, um den Rotor überhaupt in Bewegung zu setzen. Die maximale Rotationsenergie des Epson-Seiko-Generators bei einer Rotorfrequenz von 200 Hz würde bei kontinuierlichem Betrieb 1,8 mW betragen.

Ergebnisse: Verschiedene Feldversuche (n = 11), bei denen die Versuchsperson den Mikrogenerator am Körper trug und lediglich leichte Büroarbeiten verrichtete, zeigten, dass die mittlere kontinuierliche Leistung von 0,2 bis maximal 3,1 μWatt betrug (Median um 0,5 μWatt). Gründe dafür sind das für das Tragen am Körper nicht optimale Design der Mikrogeneratoren, insbesondere die Ausrichtung des Pendels. Ein modifizierter Generator der Firma Mondaine (Zürich, Schweiz) kommt fast ohne mechanische Teile aus und erscheint als besser geeignet, da die internen Reibungsverluste sehr gering sein sollen. Der Generator lag allerdings nur als versiegelte “Black Box” vor. Auch bei diesem Generator ist eine Auslenkung um 40° notwendig, bevor Energie erzeugt wird. Die Gesamtenergie war in unserer Versuchsanordnung nicht höher als beim Epson-Model.

Schlussfolgerung: Die derzeitigen Mikrogeneratorensysteme sind wenig optimiert, da am Handgelenk große Winkelgeschwindigkeiten auftreten und der Energiebedarf von Uhrenbatterien sehr gering ist. Mikrogeneratoren mit externem Antrieb (zum Beispiel über ein magnetisches Pendel und Stimulation von außen) könnten bereits heute problemlos genug Energie zum Erhalt der Energiespannung in Schrittmachern und Defibrillatoren bereitstellen. Kostenaufwändige Austauschoperationen würden dann weitgehend entfallen, bzw. die Lebensdauer der implantierten Systeme würde wesentlich verlängert werden. Bei alleiniger Energiegewinnung durch die Bewegung beim Gehen (± 0,5 G) besteht bei allen Systemen das Problem in der Ausrichtung des Pendels. Beim Tragen am Körper richtet sich das Pendel nach unten aus, und die typischerweise vorkommenden Vertikalbewegungen werden kaum in Energie umgesetzt. Würde man das Pendel mit einer Feder in 90°-Stellung fixieren, würde nur ein Teil der Energie genutzt werden. Darüber hinaus wäre die Position des Schrittmachers bei der Implantation exakt festzulegen.

Als Optimierungsschritte derzeitiger Systeme käme der Einsatz anderer Federn, Speicher und Dioden in Frage. Hinzu kommt als weiterer Faktor die geringe Masse des verwendeten Pendels in den derzeit erhältlichen Mikrogeneratoren, die von derzeit 1,6 g problemlos um den Faktor 2 bis 6 (insbesondere beim Einbau in Defibrillatoren) erhöht werden könnte, ohne den Tragekomfort der Systeme zu verschlechtern.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass derzeit verfügbare Mikrogeneratoren nur 1 bis 10% der notwendigen Energie bereitstellen. Allerdings sind diese Systeme nicht für die Anwendung in implantierbaren Systemen optimiert. Wesentliche Verbesserungen des Wirkungsgrades sind durch geringe Modifikationen möglich. Dies würde im Endeffekt vielen Patienten Austauschoperationen ersparen.