Medizintechnik und Gesundheit

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1 FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR PHOTONISCHE MIKROSYSTEME IPMS Anwendungsfeld Medizintechnik und Gesundheit

2 Der Endo-Mikroskopkopf ist mit 8 mm Durchmesser klein genug, um in der minimal-invasiven Medizin Anwendung zu finden. Medizintechnik und Gesundheit Das Fraunhofer IPMS hat in der jüngsten Vergangenheit mit seiner langjährigen Erfahrung in der Entwicklung photonischer Mikrosysteme, zugehöriger Technologien inklusive der Nanoelektronik sowie drahtloser Mikrosysteme vielfältige Anwendungen zum Nutzen sowohl seiner industriellen Kunden als auch zum Wohl der Gesellschaft ermöglicht. Innovative Produkte, die am Institut entwickelt wurden, finden sich in allen relevanten Märkten, wie der Informations- und Kommunikationstechnik, Konsumgüterelektronik, Automobiltechnik, Halbleiterindustrie und Medizintechnik. Endoskopie Für medizinische Untersuchungen oder sogar Eingriffe im Körperinnern mit möglichst geringer Belastung des Patienten wurden in den letzten Jahrzehnten Endoskope entwickelt, die eine minimal-invasive Behandlung erlauben. Diese Geräte sind jedoch meist nicht in der Lage, die zu untersuchenden Gewebe so weit vergrößert darzustellen, dass Zellstrukturen erkennbar werden. Systeme zur verbesserten medizinischen Diagnostik und Therapie sind Gegenstand kontinuierlicher Forschung und Entwicklung. Das Fraunhofer IPMS trägt hier mit seinen Entwicklungen zu zahlreichen Innovationen bei. Optische MEMS-Bauelemente des Instituts sind wesentliche Komponenten für eine gesteigerte Auflösung in der visuellen Bildgebung. Andere mikromechanische Bauelemente ermöglichen neuartige Therapieformen in der Behandlung oder erlauben die gezielte Dosierung von Medikamenten. Nicht nur die Industrie profitiert in Form neuer innovativer Produkte, auch die Gesellschaft zieht ihren Nutzen aus einer verbesserten Medizintechnik. Schwerpunkt-Themen Endoskopie Mikroskopie Medizinische Bildgebung Mikrofluidik Das Fraunhofer IPMS hat deshalb ein Endo-Mikroskop entwickelt, das mit nur 8 mm Durchmesser klein genug ist, um in der minimal-invasiven Medizin Anwendung zu finden. Hiermit können verdächtige Gewebe in vivo mikroskopisch betrachtet, die Untersuchung beschleunigt und notwendige Biopsien gezielter durchgeführt werden. Das Endo-Mikroskop arbeitet mit einem der im Fraunhofer IPMS entwickelten und gefertigten MEMS-Scannerspiegel. Dieser führt einen fokussierten Lichtstrahl in einem definierten Raster punktweise über das Untersuchungsobjekt, und die von dort reflektierten Lichtanteile werden detektiert und elektronisch zu einem Bild rekonstruiert. Die Mikroskopspitze besteht vor allem aus dem MEMS-Bauelement auf einem Keramikträger zur elektrischen Kontaktierung, einem Umlenkspiegel und einem Linsensystem zur Fokussierung des Lichtstahls in Objektdistanz. Das Licht wird über einen optischen Lichtleiter ein- und ausgekoppelt, der mit den elektrischen Verbindungen zu einem dünnen Leitungsbündel zusammengefasst ist. Der Mikroskopkopf erreicht eine Auflösung von 15 bis 20 µm pro Pixel in einem Gesichtsfeld von etwa 3 3 mm. Das Endo-Mikroskop kommt in der Biologie, Biotechnologie und Technik zum Einsatz, um sehr kleine Objekte an schwer zugänglichen Stellen sehen zu können, oder um das Innere von Hohlräumen über enge Zugangskanäle mikroskopisch zu inspizieren.

3 Die am Fraunhofer IPMS entwickelten Mikroscanner und Flächenlichtmodulatoren kommen in der Mikroskopie zum Einsatz. Mikroskopie Mithilfe mikroskopischer Anwendungen können Objekte oder Strukturen, deren Größe unterhalb des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges liegt, vergrößert betrachtet oder verbildlicht werden. Allerdings ist die Objektbeleuchtung häufig problematisch. Das Fraunhofer IPMS bietet dafür inhouse-entwickelte Lösungen an, die auf Mikrospiegeln beruhen. Sowohl im Bereich der Mikroscanner als auch bei Flächenlichtmodulatoren ist das Institut international führender Forschungsund Entwicklungsdienstleister mit langjähriger Erfahrung. Im Bereich der Lichtblattfluoreszenz-Mikroskopie werden die Mikroscanner des Fraunhofer IPMS erfolgreich eingesetzt. So ermöglichen sie im Lichtblattmikroskop Lightsheet Z.1 der Firma ZEISS, dass biologische Proben dreidimensional und schonend über sehr lange Zeiträume hinweg untersucht werden können. Die dort verwendeten MEMS-Scanner sorgen dafür, die Abbildungsqualität zu perfektionieren und unerwünschte Artefakte wie Schattenwurf lichtundurchlässiger Bestandteile der Probe im Lichtblatt zu eliminieren. Das Fraunhofer IPMS besitzt gleichermaßen technologische Kompetenz für die Bauteil- und Systementwicklung von Scannerspiegeln als auch das Anwendungs-Know-how aus über zehn Jahren Entwicklungsarbeit. Derzeit bietet das Institut mehr als 50 verschiedene resonante MEMS-Scanner, die als ein- oder zweidimensional ablenkende Elemente eingesetzt und anwendungsspezifisch angepasst werden können. Mögliche Scan-Frequenzen reichen von ca. 0,1 khz bis zu 50 khz. Bei klassischen Lichtmikroskopen hingegen kommen Flächenlichtmodulatoren zum Einsatz, um Licht unterschiedlichster Wellenlänge mit sehr kompakten Systemen ultraschnell und mikrometergenau abzulenken. Durch den Mikrospiegel-Array-Chip des Fraunhofer IPMS können parallel mehrere Regionen, die kleiner als eine einzelne Zelle sind, gezielt beleuchtet und so spezifische, lichtsensitive Moleküle als Ensemble angeregt werden. Unter Verwendung eines zweiten Chips gelingt es außerdem, nicht nur die Regionen sondern auch die Bestrahlungswinkel genau auszuwählen. Dadurch lassen sich auch verdeckte Objekte, die als Struktur erscheinen, noch präziser hervorheben und die zahlreichen, ungewünschten Umgebungseffekte deutlich reduzieren. Durch eine Steuerung der Auslenkung der Spiegel ist es möglich, Einfallswinkel und Intensität des Lichtes mit bis zu 1000 Wechseln pro Sekunde zu verteilen. In Zusammenarbeit mit dem Institut Pasteur in Paris konnten so neue Möglichkeiten in der Optogenetik erschlossen werden.

4 Wirkprinzip von MEMS-basierten Mikropumpen, Ventilen und Dosiersystemen für die Siliziumbasierte Mikrofluidik. Medizinische Bildgebung Mikrofluidik Speziell in der Medizintechnik ist die Sonographie eine etablierte Analysemethode. Für diese bildgebende Technik ist der Einsatz von Ultraschallwandlern in Form von Ultraschall- Arrays von maßgeblicher Bedeutung. Die Mehrzahl der heute in der Medizintechnik hergestellten Ultraschall-Arrays nutzt die piezoelektrische Keramik Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), unter Ausnutzung des umgekehrten piezoelektrischen Effekts, zur Schallerzeugung. In der Mikrofluidik sind Mikropumpen vor allem im Gesundheitsbereich von großer Bedeutung. Dank ihrer Fähigkeit, Mikrovolumina verarbeiten zu können, sind sie perfekt für die Hochdurchsatz-Screenings bei der Herstellung biopharmazeutischer Proteine, im Protein- Engineering und für Wirkstoff-Screenings geeignet. Auch im Bereich der Point-of-Care- Diagnostik und -Dosierung sind Mikropumpen höchst relevant. Hochfrequente hochauflösende Arrays, basierend auf PZT, sind allerdings schwierig herzustellen und deshalb teuer. Mikromechanisch hergestellte Ultraschallwandler (MUT), vor allem CMUTs, ermöglichen hier neue Möglichkeiten. Durch den Einsatz mikromechanischer Herstellungsprozesse wird die wirtschaftliche Herstellung hochauflösender hochfrequenter Ultraschallarrays erstmals möglich. Weiterhin ermöglicht die hohe Miniaturisierung die Nutzung von MUTs in invasiven Anwendungsfällen (z. B. Intravaskulärer Ultraschall, IVUS). Die Ergebnisse der bisherigen Entwicklungen lassen für MUTs ein gutes Eigenschaftsprofil für die Fertigung hochfrequenter Arrays erkennen. Dabei sind eine hohe Bandbreite und die niedrige Kopplung grundlegende Bedingungen einer Bildgebung, die an die Standards der konventionellen medizinischen Bildgebung mit Ultraschall anschließen kann. Die hochintegrierte MEMS Technologie ermöglicht erstmals die Signale eines Arrays vor Ort mit einer Ausleseelektronik zu verbinden, um eine einfache und kompakte Kontaktierung der Elemente zu erreichen. Durch die Nutzung dieser Verbindungstechnik lassen sich hochplanare Oberflächen als Kontakt zum Medium realisieren. Durch die Möglichkeit ausreichende Strömungsgeschwindigkeiten und Drücke bei niedriger Leistung zu erreichen, können implantierte Infusions-Mikrosysteme die richtige Dosierung eines Arzneimittels an chronisch Kranke liefern. So kann durch das Wegfallen täglicher Screenings die Lebensqualität des Betroffenen erheblich gesteigert werden. Der Entwurf einer Mikropumpe, der diese Parameter berücksichtigt, ist eine echte Herausforderung. Erste Untersuchungen der Integration neuer, am Fraunhofer IPMS entwickelter elektrostatischer Biegeaktoren als Basiselement von Mikropumpen bestätigen die Realisierbarkeit solcher Systeme. Aus diesem Grund arbeitet das Fraunhofer IPMS bereits heute an einem Konzept, um ein neues Schlüsselelement für die Pointof-Care-Diagnostik zu liefern. Das Fraunhofer IPMS entwickelt kundenspezifische Lösungen für Silizium-basierte Komponenten, die in der Mikrofluidik eingesetzt werden und Gase und Flüssigkeiten handhaben können.

5 Leistungsangebot Das Fraunhofer IPMS bietet seinen Kunden Kooperationsmöglichkeiten entlang der kompletten Wertschöpfungskette. Machbarkeitsstudien bilden den ersten Schritt, wenn es zu Beginn einer Zusammenarbeit noch unklar ist, ob und wenn ja mit welchen Mitteln sich eine Kundenanforderung umsetzen lässt. Zum grundsätzlichen Nachweis der Funktionsfähigkeit eines konzipierten Bauelements oder Systems werden in einem Entwicklungsprojekt Demonstratoren aufgebaut. Sollten dafür, insbesondere bei waferbasierten Prozessen, neue Technologien erforderlich sein, so können diese parallel mit entwickelt werden. In einem zweiten Schritt wird der Demonstrator dann zum Prototypen, der alle Kundenspezifikationen erfüllt. Für MEMS und sonstige Bauelemente der Mikrosystemtechnik bietet das Fraunhofer IPMS auch eine qualifizierte Pilotherstellung im eigenen Reinraum an. Das Fraunhofer IPMS ist Partner im Leistungszentrum»Funktionsintegration für die Mikro- / Nanoelektronik«. In diesem werden zusammen mit anderen sächsischen Fraunhofer-Instituten, sowie der Technischen Universität Dresden, der Technischen Universität Chemnitz und der Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Ergebnisse der Grundlagenforschung durch anwendungsorientierte Entwicklung zu verwertbaren Ergebnissen geführt, um die Wirtschaft zu stärken. Das Fraunhofer IPMS übernimmt hierbei die Koordination des gesamten Vorhabens. Basierend auf Roadmaps identifizieren wir in Gesprächen mit Industriekunden Möglichkeiten der Kooperation. Die Themen des Leistungszentrums können dann bei Bedarf entsprechend erweitert werden. Forschungsthemen Die in Kooperation mit unseren Kunden realisierten Anwendungen nutzen FuE-Ergebnisse zu folgenden Themen: FLÄCHENLICHTMODULATOREN Anordnung von Mikrospiegeln auf einem Halbleiterchip MEMS-SCANNER Resonante und quasi-statische MEMS-Spiegel zur Lichtablenkung DRAHTLOSE MIKROSYSTEME Bauelemente und Systeme zur optischen oder RFID-basierten Datenübertragung ENVIRONMENTAL SENSING Sensor-Bauelemente und Systeme zur Erfassung photonischer und chemischer Daten NANOELEKTRONISCHE TECHNOLOGIEN Halbleiter-Bauelemententwicklung sowie Qualifikation von Prozessen und Materialien auf 300 mm Wafern MESOSKOPISCHE AKTOREN UND SYSTEME Elektrostatische Biegeaktoren mit bislang unerreichter Auslenkung MIKROMECHANISCHE ULTRASCHALLWANDLER Signalwandler für Ultraschall, hergestellt mit Methoden der Mikroelektronik SMART MICRO-OPTICS Flüssigkristall-Wellenleiter, einstellbare Mikrolinsen und Lösungen für Energy Harvesting MEMS-SENSOREN Produktorientierte Entwicklung und Pilotfertigung von physikalischen und chemischen Sensoren

6 Kurzprofil Das Fraunhofer IPMS mit Sitz in Dresden ist Ihr Forschungs- und Servicepartner auf dem Gebiet optischer Sensoren und Aktoren, ASICs, Mikrosysteme (MEMS / MOEMS) sowie Nanoelektronik. Als eine von gegenwärtig 67 eigenständigen Einrichtungen der Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.v., der europaweit führenden Organisation für industrienahe Forschung, arbeiten wir mit rund 280 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern gemeinsam mit Industrieunternehmen, Dienstleistungsunternehmen und der öffentlichen Hand an Projekten zum direkten Nutzen für Unternehmen und zum Vorteil der Gesellschaft. Um den hohen Ansprüchen unserer Kunden zu genügen, ist das Fraunhofer IPMS für Forschung, Entwicklung und Fertigung photonischer Mikrosysteme, die entsprechenden Halbleiter- und Mikrosystemprozesse, integrierte Aktorik / Sensorik und Beratung von der DEKRA nach der Norm DIN EN 9001:2008 zertifiziert. Auf dem Gebiet der mikromechanischen und photonischen Mikrosysteme bieten wir Komplettlösungen vom Konzept über das Bauelement bis zum kompletten System an. Dies schließt Muster- und Pilotfertigung im eigenen 1500 m² Reinraum (Klasse 4 nach ISO ) mit qualifizierten Prozessen ein. Mit dem Geschäftsfeld Center Nanoelectronic Technologies CNT stellen wir seit 2013 außerdem Leistungen in den Bereichen der Nano- und Mikroelektronik mit funktionalen elektronischen Materialien, Prozessen und Anlagen, Device & Integration, maskenloser Lithografie sowie Analytik bereit. Dafür stehen weitere 800 m² Reinraum (Klasse 6 nach ISO ) sowie Analyse und Metrologieverfahren mit atomarer Auflösung und hoher Sensitivität zur Verfügung. Intelligente Industrielösungen Verbesserte Lebensqualität Medizintechnik und Gesundheit Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS Maria-Reiche-Str Dresden Telefon: Fax: info@ipms.fraunhofer.de Coverbild: MEV Agency UG