Messen mit Biosensoren und Embedded. Systems in der Medizintechnik

Transkript

1 Messen mit Biosensoren und Embedded Systems in der Medizintechnik

2 Anwendungsbeispiel Patient mit Paraplegie - Blasenfüllstandsmesser llstandsmesser Sensor/Transponder Transponder Sensor/ Elektronik Sende-/ Empfängereinheit mit Mikroprozessor Implantierter Sensor Dr. H. Fischer

3 Anwendungsbeispiel Sinusknoten Myokard Kontraktilität kardiale und andere Feedback - Zentren Herzfrequenz Schlagvolumen Feedback Auswurfvolumen

4 Beispiele Meßgrößen im Herz-Kreislauf-System Atmung, Lungenödem Pumpfunktion, Hämodynamik (Volumen, Druck, Fluß...) Myokardzustand (Geometrie, Kontraktilität, Ischämie) Timing (Herzfrequenz, AV-Zeit, Klappen...) Blutgrößen (Hormone, ph, VO2...) Körperaktivität

5 Systementwicklung Biosensor Embedded System Netzhautimplantat Meßgrößenaufnahme Augeninnendruck

6 Biosensoren Physiologie: - sensitiv - proportional - spezifisch - dynamisch -... Technik: - integrierbar in Implantat und/oder Elektrode -klein - energiesparend - robust, langzeitstabil - biokompatibel -...

7 Biosensoren Augeninnendruckmessung 1 mm Netzhautimplantat Current Herzschrittmacher Voltage Blasenfüllstandsmesser

8 Biosensoren Medizin, Physiologie Mikroelektronik Mikromechanik, Mikrosystemtechnik Materialwissenschaften Informationstechnologie Chemosensorik Biosensoren

9 Entwicklungsprozeß Marktreife klin. Erprobung Algorithmenentwicklung Vorentwicklung, Prototyp Konzept phys./technol. Grundlagen (patho-)physiol. Grundlagen

10 Konzept Systemenwicklung epiretinales Implantat corticales Implantat Epitetinale simplantat Subretinales Implantat

11 Künstliche Netzhaut IR receiver picture-receiver and stimulation area IR diode

12 Subretinale Photozellen (n=65) 1 mm

13 Funktionsmuster / Tierversuch by H. G. Sachs

14 Subretinale Photozellen (n=1600)

15 Aktives Netzhautimplantat Microcontroller 1600 Photodiode mit Stimulationselektroden 2 mm Verstärkerstufe Eine große Photodiode als Energieempfänger extraokular intraokular

16 Subretinales Chip-Implantat Folie ab externo Zugang Chip Aderhaut Pigmentepithel Netzhaut

17 Typische Signalkette Meßgröße Licht menge Meßaufnehmer, Sensor Meßelektronik Signalverarbeitung Anwendung, Algorithmus Aktor Lux Fotodiode Verstärker, Filter, AD-Umsetzer... dcd/dt max Berechnung Software Stimmulations elektrode

18 Implementierungsarten F l e x i b i l i t ä t General-purpose processors Application-specific instruction set processors (ASIPs) Microcontroller DSPs(digital signal processors) Programmierbare Hardware FPGA (field-programmable gate arrays) Application-specific integrated circuits (ASICs) P e r f o r m a n c e

19 Vorgaben an das Meßverfahren - keine Notwendigkeit für Anästhesie des Auges - geringe Gerätekosten - klein und tragbar - reproduzierbare und präzise Meßwerte ( self calibration ) - unbeeinflußt durch Hornhautdicke - winkelunabhängiges Meßverfahren

20 Messwertaufnehmer - IOPen AC PI1 PI2 SC PI Embedded System KEY CPU BA DS Messwertaufnahme Augeninnendruck

21 Implementierungsaufbau LCD La. Übe. Sp.Vers. Sp. Reg. X/Y Spulen Microcontroller ATmega128L R T C I R D A Opt. Peripherie

22 Schaltbild IOPen

23 Kern Eingabe/Ausgabe 128K Prog. Speicher ATmega128L

24 ATmega128L

25 Embedded Systems digitale Hardware und Software sind in andere Produkte eingebettet werden nur selten umprogrammiert Reaktives System kann zu jeder Zeit auf Eingaben reagieren Implementierung in kooperierende Prozesse =>Interprozesskommunikation arbeiten mit vielen Eingabequellen und Ausgabequellen entsprechend den Entwurfszielen optimiert auf : minimale Kosten, minimaler Verbrauch elekrischer Leistung, maximale Rechenleistung besitzen hohe Anforderungen an funktionaler Korrektheit und technischer Zuverlässigkeit