Mikrotechnik in der Medizin

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(16) und stellt damit weltweit einen Technologiesprung dar. In Kombination mit dem dazugehörigen Mikrogetriebe werden relativ hohe Drehmomente von etwa 150 µNm erreicht. Alle wesentlichen Komponenten des dreistufigen Kunststoffgetriebes werden kostengünstig im Spritzgußverfahren hergestellt. Die Fertigung der hierzu benötigten mikrostrukturiertenPräzisionswerkzeuge wurde erst durch die Entwicklung der LIGA-Technik (6, 7), einer Kombination aus Lithographie, Galvanoformung und Abformung, möglich. Die geringen Abmessungen prädestinieren den Mikroantrieb geradezu für den Einsatz in Geräten und Instrumenten in der Medizin, wie zum Beispiel in Kathetern und Endoskopen. In den meisten Kathetersystemen für die intravaskuläre Ultraschalldiagnostik dreht ein externer Motor über eine etwa 0,5 bis 1 m lange, flexible Welle den Ultraschallkri- Foto: IMM Abbildung 2: Mikromembranpumpe im Größenvergleich stall für die Bildgebung. Auf diese Art lassen sich heute dreidimensionale Schnittbilder von Gefäßen mit Durchmessern bis etwa 1,5 mm erzeugen. Ein wesentliches Problem dieser Systeme besteht in der Übertragung der Rotationsbewegung in die Katheterspitze. Bedingt durch die Reibung der Welle in ihrer Führung treten Beeinträchtigungen der Auflösung und Tiefenschärfe auf. Mikromotoren öffnen nun den Weg zum direkten Antrieb des Ultraschallspiegels in der Spitze des Katheters (Grafik 1). Ein alternativer Ansatz, der mechanisch bewegte Scanner in der Spitze des Katheters überflüssig machen soll, wird im Rahmen einer von der EU geförderten Entwicklung von miniaturisier- Grafik 1 M E D I Z I N AKTUELL Mikromotor Spiegel Ultraschallkristall Bewegliche Katheterspitze mit integriertem Mikromotor ten Ultraschallwandlerarrays verfolgt. Weitere aktuelle Arbeiten befassen sich mit der Ausdehnung des Beobachtungsgebietes auf die dritte Dimension durch zweidimensionale Anordnung der Ultraschallwandler. Ein wichtiges Anwendungsgebiet ist neben der 3D-Darstellung von Feten die verbesserte Zielführung von Instrumenten bei minimal invasiven chirurgischen Eingriffen. Gegenwärtige Kathetersysteme erlauben nur bedingt eine präzise Richtungssteuerung der Spitze, so daß die Handhabbarkeit bei stark gekrümmten oder sich verzweigenden Gefäßen erschwert wird. Eine Lösung dieses Problems liegt in der Integration von Winkelstellelementen in der Katheterspitze, die eine exakte Positionierung und Lenkung ermöglichen. Zur technischen Realisierung werden Aktuatoren benötigt, die zum Beispiel auf dem Formgedächtniseffekt, beziehungsweise auf elek- Grafik 2 μ-Pumpe Ausgänge Elektronik, Telemetrie, Energieversorgung Mikrodialyse-Faser Schema eines implantierbaren Glukosemonitoringsystems Winkelstellelemente tromechanischen oder hydraulischen Wirkprinzipien beruhen. Hiermit werden kontrolliert steuerbare Winkelbewegungen auch bei dünnen Katheterspitzen mit Durchmessern um zwei Millimeter möglich (9). Weiterhin sind fluidische Positioniersysteme auf der Basis von mehrlumigen Schläuchen Gegenstand aktueller Entwicklungen (3). Mikropumpen zur Medikamentendosierung Mikropumpen sind in der Medizin für die exakte Langzeitinjektion von Pharmaka zum Beispiel für die Schmerztherapie, Krebsbehandlung oder Insulindosierung von großem Interesse. Sie eröffnen den Zugang zu einer neuen Generation von Infusionsgeräten und implantierbaren Medikamentdosiersystemen. Je nach Anwendung müssen diese Pumpen unterschiedlichsten Anforderungen ge- Titan-Gehäuse auswechselbarer Sensor-Chip Deutsches Ärzteblatt 96, Heft 27, 9. Juli 1999 (35) Die Grafiken wurden von den Autoren zur Verfügung gestellt A-1831
echt werden. Unter anderem sollten sie eine hohe Dosiergenauigkeit aufweisen sowie biokompatibel, inert, sterilisierbar, zuverlässig und dabei preiswert sein. Die wesentlichen Komponenten der in Abbildung 2 dargestellten Mikromembranpumpe (5) können aus unterschiedlichen Kunststoffen in großen Stückzahlen durch Mikrospritzguß kostengünstig produziert werden. Mit der selbstfüllenden Mikromembranpumpe lassen sich Förderraten bis 200 µl/min erzielen. Für den Einsatz zum Beispiel in der Diabetestherapie ist es denkbar, die Mikropumpe mit einem In-vivo-Glukosesensor und Medikamentreservoir zu kombinieren. Mit diesem Konzept ließe sich die Insulinkonzentration kontinuierlich überwachen und die Dosierung exakt dem momentanen Bedarf des Patienten anpassen. Somit könnte eine nahezu physiologische Stoffwechselregulation erreicht werden. Implantierbare In-vivo- Diagnosesysteme Ein ehrgeiziges Entwicklungsprojekt stellt das in Grafik 2 gezeigte implantierbare, langzeitstabile und in vivo rekalibrierbare Glukose- Monitoring-System dar. Es besteht aus einem biokompatiblen Gehäuse mit einem Ausgangsystem, an das eine Dialysefaser gekoppelt ist (14). Durch die Dialysefaser wird über eine Perfusatlösung Glukose aus dem Körpergewebe aufgenommen und dem Sensor zugeführt. In dem Verbundprojekt ITES – (Implantierbares Telemetrisches Endosystem) (11, 10) wurde von einem Konsortium aus Industriefirmen, Technologieinstituten und einem Klinikpartner ein miniaturisiertes und implantierbares Druckmeßsystem mit Aufwärtskompatibilität zu weiteren Sensortypen entwickelt (Abbildung 3). Jüngste In-vitro- und In-vivo-Experimente demonstrierten die Zuverlässigkeit des Sensorsystems. Zukünftige klinische Anwendungsgebiete sind eine drahtlose kontinuierliche Blutdruckmessung, Hirndruckmessung, Kompartmentdruckmessungen oder Monitoring A-1832 (36) Deutsches Ärzteblatt 96, Heft 27, 9. Juli 1999 M E D I Z I N AKTUELL Abbildung 3: Implantierbares telemetrisches Endosystem (ITES) des linken Vorhofdruckes. Durch eine einmalige, minimal invasive Implantation des Systems sollen katheterassoziierte Infektionen vermieden werden. Faseroptische In-vivo-Meßsonden Lichtleitfasern mit einem Durchmesser von Bruchteilen eines Millimeters sind die Basis für faseroptische Sensoren, die Licht als Informationsquelle nutzen, ohne elektrische Stromzufuhr funktionieren und sich auch zur Messung von physikalischen und biochemischen Größen eignen (15). Ein Beispiel für produktnahe Entwicklungen dieser Sensoren für die Medizin ist ein faseroptisches Sensorsystem zur In-vivo-Dosisbestimmung für die Strahlentherapie (2). Das System ermöglicht eine therapiebegleitende lokale Online-Überwachung der Strahlendosis am Tumor, im umliegenden Gewebe oder an benachbarten Organen. Grafik 3 Integrierte Zuleitungen Führungskanal Faszikel mit Axonen proximaler Stumpf des Nerven Die Entwicklung eines Tracheal- Tubus, mit integrierten faseroptischen Sensoren zur Messung von Temperatur, Druck und Gasfluß, ist Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten (1). Das Online-Monitoring dieser Parameter in der Luftröhre soll die Steuerung und Kontrolle der künstlichen Beatmung in der Intensivmedizin verbessern. Signalankopplung an biologische Strukturen Mikrotechnisch gefertigte Multielektrodensysteme zur Messung und Einkopplung von Signalen an Nervenfasern könnten zukünftig bei Nervenlähmungen oder -durchtrennungen eine Überbrückung von peripheren Nervensträngen durch Signalauskopplung, elektronische Verarbeitung und Wiedereinkopplung ermöglichen. Ein Verbund europäischer Forschungseinrichtungen entwickelt flexible Mikroelektroden aus Platin zur elektrischen Ankopplung an regenerierende Nerven. Das System besteht aus einer Gitterstruktur, durch die Axone eines durchtrennten Ner- regenerierendes venstranges wachsen können. Neben dieser in Grafik 3 gezeigten neurotechnischen Schnittstelle werden derzeitig weitere Mikroimplantate zur An- Axon kopplung an neuronale Strukturen entwickelt und getestet (20, 21). Hierzu zählenmanschettenförmige„Cuff-Elektroden“ auf einem fle- distaler Stumpf des Nerven Siebelektrode Siebelektrode zur Kontaktierung regenerierender peripherer Nerven
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