Schlüsselanwendungen für flexible Elektronik in der Medizintechnik

Flexible elektronische Systeme finden immer mehr Anwendungen in der medizinischen Praxis. Sie sind besonders geeignet, um an unregelmäßigen oder veränderlichen Körperformen, wie sie in Anwendungen der Medizintechnik häufig vorkommen, wichtige Parameter zu erfassen. Zwei Beispiele aus der medizinischen Praxis werden im Projekt Flexmax untersucht, das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des Programms „Smart Health“ gefördert wird.

Die Atmungüberwachung bei Frühgeborenen erhöht die Chancen für ein gesundes Überleben in dieser kritischen Lebensphase. Um die Dosierung einer inhalativen Medikamentengabe zu optimieren und schädliche Überdosierungen zu vermeiden, ist die Erfassung der Atmungsvorgänge und die Steuerung einer künstlichen Beatmung wünschenswert. In Vorarbeiten der Universität Braunschweig und des Fraunhofer Instituts für Toxikologie und Experimentelle Medizin (ITEM) konnte ge -zeigt werden, dass ein flächenhaftes Sensor-Foliensystem auf der Basis von Polyimidfolien mit Dehnungssensoren zur Erfassung von Atmungsvorgängen geeignet ist. Um jedoch genauere und zuverlässige Daten zu erhalten, müssen in das Sensorpatch viele Sensoren integriert werden, was ohne aktive Elektronik zur Datenauswertung und Digitalisierung keine auswertbaren Ergebnisse liefern würde.

Mit der bei IMS CHIPS entwickelten Chip-Film Patch Technologie gelingt es, gedünnte Siliziumchips in Polyimidfolien einzubetten, zu kontaktieren und so in ein solches Sensorpatch zu integrieren, dass die extrem niedrigen Signale der Sensoren von einem speziell entwickelten ASIC erfasst, ausgewertet und digital an die Steuereinheit weitergegeben werden. In der ersten Hälfte des Projekts erfolgte die Chipentwicklung sowie die Weiterentwicklung der Teilprozesse (Sensorfertigung, Chipintegration im CFP, fotografische Datenerfassung bei Frühgeborenen zur Anpassung des Frühchenmodells und Aufbau der Atemtriggerung). Nach der ASIC-Fertigung und erfolgreicher Inbetriebnahme der Auswertechips arbeiten die Partner an der Fertigstellung des Foliensystems, das an einem lebensechten Model evaluiert wird. Parallel wird an der Software für den klinischen Betrieb des Systems gearbeitet, wobei der Partner Activoris Medizintechnik die Nutzeranforderungen an die Systeme definiert und mit Usability-Tests die Gebrauchstauglichkeit normengerecht prüft. So soll eine schnelle Umsetzung der Forschungsergebnisse in die klinische Praxis gewährleistet werden.

Die zweite Anwendung ist die sensorbasierte Bewegungskontrolle von Herzkathetern, die vom mittelständischen Katheterspezialisten Osypka für zukünftige Produkte eingesetzt werden soll. Hintergrund sind die Bemühungen, die Belastung von Patienten bei der Behandlung koronarer Herzerkrankungen durch dauerhafte Röntgenbestrahlung bei der Katheterbewegung zu minimieren, ohne dabei Risiken hinsichtlich der Bewegungskontrolle einzugehen. Ein länglich gestaltetes Sensor-Foliensystem zur Verfolgung der Katheter-Bewegung, also der Verformung des Katheters im menschlichen Körper soll genutzt werden, um die Bewegung für den Arzt visuell darzustellen und so die Röntgenbelastung zu verringern. Neben den Anforderungen an die Empfindlichkeit des Auswertechips sind bei dieser Anwendung natürlich die räumlichen Beschränkungen und Montageanforderungen für das komplexe Sensorsystem eine besondere Herausforderung. Um das Foliensystem mit Auswertechip und Biegungssensoren in einem Ablationskatheter einbauen zu können, dürfen die ICs kaum breiter als 0,5 mm und weniger als 30 Mikrometer dick sein. Sie werden mit vergrößerten und mit Gold beschichteten Kontaktpads versehen und vom Partner Cicor in Ulm in Sensorfolien eingebettet und angeschlossen. Die Folienmontage und die Integration in das Kathetersystem wird dann anschließend von Osypka übernommen.

Nach den Tests der Einzelkomponenten wird nun an der Herstellung der beiden Demonstratoren gearbeitet, die zum Jahresende fertiggestellt und erprobt werden.

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