ArchivDeutsches Ärzteblatt21/1997Aktueller Stand der klinischen Mikrosystemtechnik

MEDIZIN: Kongressberichte und -notizen

Aktueller Stand der klinischen Mikrosystemtechnik

Habermehl, Adolf

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LNSLNS Der Kongreß in Verbindung mit dem Statusseminar des Verbundforschungsprojektes "Implantierbares telemetrisches Endosystem" am 27. und 28. Februar 1997 in Bochum gab einen aktuellen Überblick zur klinischen Mikrosystemtechnik.
Mikrosystemtechnik, die Kombination von Mikroelektronik und Mikromechanik, wird für die Zukunft auch als Schlüsseltechnologie in der Medizintechnik und für die klinische Medizin angesehen. So wie sich die Mikroelektronik von der klassischen Elektronik nicht nur durch extreme Miniaturisierung der diskreten Bauelemente, sondern - wesentlich wichtiger - grundsätzlich durch die Integration der Bauelemente auf einem Siliziumsubstrat unterscheidet, stellt die Mikrosystemtechnik nicht nur eine Verkleinerung mechanischer Bauelemente dar, sondern bedeutet die Integration von mechanischen Mikrostrukturen und Mikroelektronik.
Ein vollständiges Mikrosystem besteht aus einer integrierten Kombination von Sensoren, Prozessoren und Aktoren, wozu noch Zusatzkomponenten wie Speicher, Multiplexer, Schnittstellen- und Verbindungselemente kommen.
Sensoren liefern die - im allgemeinen analogen - Signale für physikalische und chemische Parameter. Sie bestehen aus dem eigentlichen Sensorelement, das die physikalische oder chemische Größe in ein analoges elektrisches Signal umsetzt, dem analogen Vorverstärker, der als Spannungs- oder Ladungsverstärker arbeitet, und dem Analog-Digital-Wandler, der das analoge Signal in einen digitalen Wert umsetzt und diesen Wert dem Prozessor zuführt.
Prozessoren übernehmen die Datenverarbeitung, indem sie die Meßdaten aufbereiten, statistisch bewerten, Driften kompensieren, mit Daten anderer Sensoren vergleichen und kombinieren und die für die Ansteuerung der Stellglieder erforderlichen Größen bereitstellen. Hierfür werden zum Beispiel bei Sensorarrays und komplexen Aufgaben der Datenverarbeitung, wie bei Mustererkennungsverfahren, zunehmend neuronale Netze verwandt, die die technische Nachbildung der durch die biologische Evolution entwickelten Elemente und Verfahren zur Informationsverarbeitung im Nervensystem von Lebewesen darstellen.
Aktoren sind Bauelemente, die auf die von dem Prozessor kommenden elektrischen Signale mit Änderung physikalisch-mechanischer Größen wie Ausdehnung, Kraft und Drehmoment antworten. Sie stützen sich auf Eigenschaften wie die thermische Volumenexpansion, elektromagnetische und elektrostatische, piezoelektrische und magnetostriktive Kräfte. Damit können dann Werkzeuge, Stellglieder, Manipulatoren, Bewegungssysteme, Turbinen und Motoren im Mikromaßstab aufgebaut werden.
Entwicklung und Herstellung von Mikrosystemen erfordern ebenso wie der Übergang vom klassischen Aufbau einer Gesamtelektronik aus diskreten Bauelementen zur Herstellung einer Schaltung der Mikroelektronik vollkommen neue, gänzlich andere Herstellungs- und Fertigungstechnologien. Statt durch mechanische Arbeitsgänge wie Fräsen und Bohren werden Mikrostrukturen durch physikalisch-chemische Bearbeitungen wie Beschichten, Ätzen und Auflösen erzeugt. Zur Strukturierung des Grundsubstrates werden keine mechanischen Werkzeuge, sondern Photonen- und Elektronenstrahlen eingesetzt. Das in der Mikroelektronik weit verbreitetes Lithographie-Verfahren hat auch für die Fertigungstechnologie der Mikromechanik zentrale Bedeutung. Mit dieser Technik können Strukturen im Mikrometer- und Submikrometerbereich erzeugt und - außerordentlich wichtig - auch eine kostengünstige Massenfertigung erreicht werden.
Grundmaterial für die Mikroelektronik ist das Silizium mit seinen Halbleitereigenschaften, Grundmaterial für die Mikrostrukturtechnik ist auch das Silizium, vorzugsweise aber wegen spezieller mechanischer Eigenschaften in der Modifikation des Einkristalles.


Mikrosystemtechnik für die Medizin
Die technischen Möglichkeiten zur Miniaturisierung und Integration könnten und sollen durch Entwicklung von Mikrokomponenten und -systemen für die Lösung von Aufgaben auf folgenden Gebieten der Medizin eingesetzt werden und Vorteile bringen:
¿ In-vivo-Messung klinisch relevanter Parameter wie Blutzucker und Hirndruck durch miniaturisierte Sensoren;
À Telemetrische Datenübertragung und kontrollierte Wirkstoffabgabe durch Mikrosysteme als Multifunktionsimplantate;
Á Anwendung von miniaturisierten Instrumenten in der minimalinvasiven Therapie, zum Beispiel in der Neuroendoskopie und der intraluminalen Tubenchirurgie.


Implantierbares telemetrisches Endosystem
Entwicklungen der Mikrosystemtechnik für Anwendungen in der Medizin werden vom Bundesministerium für Bildung, Wissenschaft, Forschung und Technologie seit 1990 in einem speziellen Programm gefördert. Mehr als 20 Verbundprojekte zwischen Unternehmen der Medizintechnik, Forschungs- und Technologie-Instituten und klinischen Einrichtungen wurden initiiert und inzwischen bearbeitet. Zu diesen Verbundforschungsprojekten gehört das Projekt des implantierbaren telemetrischen Endosystems (ITES), das die Miniaturisierung eines telemetrisch arbeitenden Drucksensorsystems zum Ziel hat. Auf dem Statusseminar am 27. und 28. Februar 1997 in den Berufsgenossenschaftlichen Kliniken "Bergmannsheil" der Ruhruniversität Bochum wurde über den aktuellen Stand des Projektes berichtet.
Das zu entwickelnde, passiv arbeitende System soll intrakorporale Drücke kabellos nach extrakorporal übertragen und als besonderen klinischen Vorzug die sichere Vermeidung von katheterassoziierten Infektionen garantieren. Das biokompatibel beschichtete Mikrosystem soll implantiert werden und im Körper verbleiben. Potentielle Anwendungen sind die
1 minimalinvasive Blutdruckmessung,
1 minimalinvasive Hirndruckmessung nach Schädelhirntrauma oder Blutung,
1 quantitative Blutflußmessung mit der Sensorplazierung neben dem Gefäß,
1 intrauterine Druckmessung während der Schwangerschaft ein-schließlich Ableitung des fetalen Herzschlags,
1 Augendruckmessung beim Glaukom,
1 Anwendung in Regulationssystemen bei künstlichen Harnblasen oder zur Miktionskontrolle gelähmter Harnblasen bei Querschnittslähmung sowie künstlichen Darmverschlußsystemen,
1 Messung des Bandscheibendrucks nach Wirbeloperation,
1 Druckmessung in Schuheinlagen zur Verbesserung der Rehabilitation von Diabetikern,
1 Qualitätssicherung nach Hüftgelenksoperationen durch Messung der Prothesenlockerung.
Das technische System kann in drei Teile gegliedert werden: in den eigentlichen Drucksensor, die notwendige Verarbeitung und Auswertung der primär gewonnenen Signale und die Übertragung der Daten auf einen PC.


Drucksensor
Die Ermittlung des Drucks übernimmt ein extrem miniaturisierter Drucksensor, der, auf einem Siliziumchip erzeugt, in den Körper implantiert wird. Der Chip hat eine Fläche von etwa 4 mm mal 0,8 mm und eine Dicke von weniger als 0,5 mm. Auf diesem Chip sind nicht nur der eigentliche Drucksensor, sondern auch die Auswerteschaltung monolithisch integriert. Meßprinzip zur Erfassung des Drucks ist die Bestimmung der druckabhängigen Kapazität eines Kondensators. Der Kondensator wird gebildet durch das Siliziumsubstrat als feste Elektrode und eine in einem geringen Abstand als Gegenelektrode aus Polysilizium aufgebauten beweglichen Membran. Die Kapazität dieses Kondensators hängt vom Abstand der beiden Elektroden ab, der wiederum durch den einwirkenden Druck bestimmt wird.
Typische Strukturabmessungen der Drucksensorzelle sind eine Kantenlänge zwischen 50 und 200 µm, ein Abstand der Kondensatorelektroden von 800 nm und eine Membrandicke von 1 µm.
Die Kapazitätsänderungen liegen dann in der Größenordnung von 10-15F = 1 fF. Bei 1 V Ladespannung entspricht das der Ladungsmenge von nur etwa 6240 Elektronen. Mehrere Kondensatoren dieser Art bilden auf dem Chip ein Array, das bei 100 mbar eine Gesamtkapazität von zirka 2 pF hat. Das Sensorsystem arbeitet zwischen 0,7 und 1,3 bar bei einer Auflösung von 2 mbar nahezu linear.
Die Herstellung dieses mikromechanischen Drucksensors erfolgt vollständig nach dem Herstellungsprozeß der Mikroelektronik und basiert auf dem Standard-VLSI-(very large scale integration)-Prozeß, nach dem integrierte Halbleiterschaltungen auf Silizium gefertigt werden. Die Strukturierung geschieht mit Hilfe der Oberflächenmikromechanik, bei der die Prozessierung des Sensors wie die Herstellung von integrierten Schaltungen auf der Oberfläche eines Siliziumwafers erfolgt. Mit dieser Technik können Membranen aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke bis zu 400 nm erzeugt werden. Das Material unter der Membran, Feldoxyd, wird durch die sogenannte Opferschichtätzung in einer Dicke von zirka 600 nm chemisch entfernt.


Auswerteschaltung
Die Auswerteschaltung muß Kapazitätsänderungen von 0,1 fF erfassen. Deshalb muß sie dicht an den Sensor positioniert werden. Sie befindet sich auf dem gleichen Chip und ist eine auch in CMOS-Technik monolithisch integrierte Schaltung, die die druckabhängige Kapazität des Drucksensors mit einer Meßrate von 10 bis 100 Hz abfragt und als Ausgangssignal Pulsdichte-modulierte Signale an die Telemetrieeinheit liefert. Der gesamte Sensorchip nimmt bei 5 V Versorgungsspannung und einer Taktfrequenz von 200 kHz einen Strom von 1,8 mA auf. Die Abmessungen des Sensor- und Auswertechips mit den Sensorzellen, der Auswerteschaltung und Kontaktelementen zur Verbindung betragen 0,8 mm mal 3,8 mm.


Telemetriesystem
Die Forderung nach dauerhaftem Verbleib des Mikrosystems im Körper des Patienten bedingt neben der Kleinheit der Abmessungen den Verzicht auf konventionelle Energiespeicher wie Batterien auf dem Sensorchip. Das heißt, neben der Übertragung der Meßdaten vom Sensor nach außerhalb des Körpers muß auch die elektrische Energie von außerhalb des Körpers zum Sensorchip drahtlos übertragen werden. Dies geschieht durch ein Telemetriesystem.
Das Telemetriesystem besteht aus zwei Komponenten, der extrakorporalen und der implantierten Einheit. Die extrakorporale Einheit besteht aus einem Sende-/Empfangskopf mit Interface. Sie erzeugt ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld und empfängt die aus dem Körper übermittelten Daten. Der Sende-/Empfangskopf wird über der Stelle des Körpers plaziert, an der sich der implantierte Telemetriechip befindet. Er enthält im wesentlichen eine Hochfrequenzstufe, einen Schwingkreis und einen Demodulator. Ein Interface bildet die Schnittstelle zum Auswerte-PC und übernimmt die Steuerung und Überwachung des Sende-/Empfangskopfes.
Die implantierte Einheit hat die Sensorik und Elektronik mit elektrischer Energie zu versorgen, die gemessenen Sensordaten aufzubereiten und an die extrakorporale Einheit zu übertragen. Sie besteht aus dem Telemetriechip und einer Mikrospule als Antenne. Sie wird unter der Haut implantiert und ist mit dem tiefer liegenden eigentlichen Sensorchip über ein Miniaturkabel verbunden.
Die elektrische Energie zur Versorgung von Sensorik und Elektronik wird induktiv von dem Hochfrequenzsender der extrakorporalen Einheit über das das Körpergewebe durchdringende hochfrequente Magnetfeld auf eine Mikrospule des implantierten Mikrosystems übertragen. Auch diese Mikrospule wird als Planarspule galvanisch auf das Siliziumsubstrat aufgebaut. Die Abmessungen der Spule liegen bei zirka 4,5 mm Kantenlänge, ihre Strukturdetails bei 8 bis 12 µm, ihre Induktivität beträgt zirka 10 µH. Resonanzkreis, Gleichrichter- und Stabilisierungselektronik sind auf dem Chip untergebracht und liefern die benötigte Versorgungsspannung. Die Abmessungen des Telemetriechips betragen 4,5 mm mal 2 mm.
Mit der Oberflächenmikromechanik hofft man eine so kostengünstige Massenfertigung der Bauteile sichern zu können, daß der Einsatz des Mikrosystems in der Medizin nicht durch finanzielle Gesichtspunkte limitiert wird. Dies ist von großer Bedeutung, da die industrielle Umsetzung der prinzipiell funktionsfähigen Mikrosysteme ansteht und wirtschaftliche Gesichtspunkte und Erfolg über den breiten Einsatz in der klinischen Praxis entscheiden werden.
Maßnahmen zur Sicherstellung der Biokompatibilität, die wegen der speziellen Aufbautechnik und der Kleinheit nicht mehr durch dicke Silikonschutzschichten wie im allgemeinen bei implantierten Makrosystemen geschehen kann, sondern durch sehr dünne Beschichtung mit Dicken zwischen 100 nm und 1 µm oder alternativ durch Passivierungsschichten der Halbleitertechnologie erfolgen muß, die nachgewiesene Genauigkeit und spezielle, auch aus der Halbleitertechnik stammende Verbindungstechniken gewährleisten die von der Medizin für die Medizintechnik geforderten Eigenschaften.


Klinische Anwendungen
Neben und nach der technischen Entwicklung des Systems sollen im ITES-Projekt drei Anwendungsbereiche im Vordergrund der Erprobung stehen:
1 Blutdruckmessung
Das System soll in eine Unterarmarterie mikroimplantiert werden und die Blutdruckkurve kontinuierlich darstellen. Katheterinfektionen und meßtechnische Fehler, die sonst aufgrund der Druckweiterleitung über ein Schlauchsystem entstehen können, entfallen.
1 Hirndruckmessung
Das System soll die heute allein zur Verfügung stehenden invasiven Methoden der Hirndruckmessung nach Schädelhirntrauma, Hirnblutung oder neurochirurgischen Eingriffen ablösen und die frühzeitige Aufdeckung einer Druckerhöhung mit rechtzeitiger Therapie ermöglichen.
1 Muskellogendruckmessung
Auch hier stehen heute nur invasive Meßsonden zur Verfügung, die wegen der Infektionsgefahr nicht dauernd eingesetzt werden können. Die Implantation eines Mikrodrucksensors und eine rechtzeitige Therapie könnten die Häufigkeit chirurgischer Eingriffe und die Entstehung des Muskellogensyndroms mit den möglichen schweren Folgen wie Funktionsverlust von Extremitäten vermeiden helfen.
Ein Teil der Referate, im wesentlichen die zu dem Projekt ITES, ist in dem Tagungsband erschienen, der vom Arbeitskreis Klinische Mikrosystemtechnik, Berufsgenossenschaftliche Kliniken "Bergmannsheil", Bürkle-dela-Camp-Platz 1, 44784 Bochum, bezogen werden kann. Grundlagen der Mikrosystemtechnik vermittelt W. Menz, P. Bley: "Mikrosystemtechnik für Ingenieure", VCH Verlag, Weinheim.


Prof. Dr. rer. nat. Adolf Habermehl
Radiologie-Zentrum der Philipps-Universität
Bahnhofstraße 7
35033 Marburg/Lahn

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