Messen mit Biosensoren und Embedded Systems in der Medizintechnik
Anwendungsbeispiel Patient mit Paraplegie - Blasenfüllstandsmesser llstandsmesser Sensor/Transponder Transponder Sensor/ Elektronik Sende-/ Empfängereinheit mit Mikroprozessor Implantierter Sensor Dr. H. Fischer
Anwendungsbeispiel Sinusknoten Myokard Kontraktilität kardiale und andere Feedback - Zentren Herzfrequenz Schlagvolumen Feedback Auswurfvolumen
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
Systementwicklung Biosensor Embedded System Netzhautimplantat Meßgrößenaufnahme Augeninnendruck
Biosensoren Physiologie: - sensitiv - proportional - spezifisch - dynamisch -... Technik: - integrierbar in Implantat und/oder Elektrode -klein - energiesparend - robust, langzeitstabil - biokompatibel -...
Biosensoren Augeninnendruckmessung 1 mm Netzhautimplantat Current Herzschrittmacher Voltage Blasenfüllstandsmesser
Biosensoren Medizin, Physiologie Mikroelektronik Mikromechanik, Mikrosystemtechnik Materialwissenschaften Informationstechnologie Chemosensorik Biosensoren
Entwicklungsprozeß Marktreife klin. Erprobung Algorithmenentwicklung Vorentwicklung, Prototyp Konzept phys./technol. Grundlagen (patho-)physiol. Grundlagen
Konzept Systemenwicklung epiretinales Implantat corticales Implantat Epitetinale simplantat Subretinales Implantat
Künstliche Netzhaut IR receiver picture-receiver and stimulation area IR diode
Subretinale Photozellen (n=65) 1 mm
Funktionsmuster / Tierversuch by H. G. Sachs
Subretinale Photozellen (n=1600)
Aktives Netzhautimplantat Microcontroller 1600 Photodiode mit Stimulationselektroden 2 mm Verstärkerstufe Eine große Photodiode als Energieempfänger extraokular intraokular
Subretinales Chip-Implantat Folie ab externo Zugang Chip Aderhaut Pigmentepithel Netzhaut
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
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
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
Messwertaufnehmer - IOPen AC PI1 PI2 SC PI Embedded System KEY CPU BA DS Messwertaufnahme Augeninnendruck
Implementierungsaufbau LCD La. Übe. Sp.Vers. Sp. Reg. X/Y Spulen Microcontroller ATmega128L R T C I R D A Opt. Peripherie
Schaltbild IOPen
Kern Eingabe/Ausgabe 128K Prog. Speicher ATmega128L
ATmega128L
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