Implantierbares Sensorsystem zum Dauermonitoring kardiovaskulärer Vitalparameter (VITAMON)

• Antragsteller: Professor Dr. Friedhelm Beyersdorf; Professor Dr.-Ing. Peter Woias; Professor Dr. Hans Zappe
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2014
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 162680905

• Erstellungsjahr: 2015

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das Projektziel war die Entwicklung einer implantierbaren Sensorplattform zur kontinuierlichen Messung von Herz-Kreislauf-Parametern über langere Zeiträume. Die technische Ausführung besteht darin, dass eine hochelastische Manschette mit integrierter Sensorik um ein arterielles Blutgefäß gelegt wird und die dynamische mechanische Ausdehnung gemessen wird. Biokompatibilität — Die Biokompatibilitat des Systems wurde anhand mehrerer Langzeitversuche im Tiermodell sichergestellt. Kernspintomografische in-vivo-Untersuchungen zeigen, dass die Methode nicht zu Stenosen führt. Histologische Untersuchungen nach Explantation nach Langzeitversuchen uber 4-6 Wochen an Schweinen mit subkutan implantierten Silikonstreifen und Manschetten um Arterien zeigen, dass bei direktem Körperkontakt Silikone und Polyimid geeignete Materialien sind. Zur Vermeidung von Zellbesiedelung wurde ein Niedertemperaturplasmaprozess zur Oberflächenfunktionalisierung mittels Polymerstrukturen erprobt, dessen Vorteile durch elektronenmikroskopische Aufnahmen an explantierten Silikonstreifen dokumentiert wurden. Für das Manschettendesign wurde ein spezielles Verschlusssystem entwickelt, das langzeitstabil und herkömmlichen Methoden mit Titanclips deutlich überlegen ist. Optische Sensoren — Zur Messung von Photoplethysmogrammen wurden spektral abgestimmte optoelektronische III-V-Halbleiter auf Chipebene auf flexiblen Polyimidsubstraten integriert. Messungen zeigen eine Korrelation zwischen den optischen Signalen und dem Sauerstoffgehalt. Eindeutige, langzeitstabile Kalibrierungen der Sauerstoffsättigungsmessungen wurden bislang nicht erreicht, der Schwerpunkt der Forschung wurde auf ein besseres Systemverständnis gelegt. Das optische Messsignal spiegelt in erster Näherung die Volumenänderung der Blutgefäße wider. Dies konnte erstmals in Druck-Ausdehnungs-Diagrammen in vivo bestätigt werden. Die im Rahmen theoretischer Überlegungen gewonnenen Erkenntnisse stellen neue Messgrößen wie z.B. die Pulswellengeschwindigkeit oder Gefäßsteifigkeit in den Mittelpunkt der Forschung. Mechanische Sensoren — Zur Messung des Blutdrucks über die Dehnung der Gefäße wurden resistive, kapazitive und magnetische Sensorkonzepte verfolgt. Es wurden Prototypen basierend auf FEM-Simulationen gefertigt und im Tierversuch erprobt. Hierbei kamen eigens dafür entwickelte elastische, leitfähige Polymere zum Einsatz. Durch die Verwendung von Mikro- und Nanopartikeln als Füllstoffe und die Kombination verschiedener Polymere konnte eine hohe Leitfähigkeit bei niedrigem Elastizitätsmodul erreicht werden. Die Messkonzepte zeigen, dass in einem gewissen Rahmen der Blutdruck indirekt gemessen werden kann. Letztlich liegt die Hauptinformation in der arteriellen Ausdehnung und spiegelt das viskoelastische Verhalten der Gefäßwand wider. Als wichtige strategische Überraschung gilt die Erkenntnis, dass die dynamische Messung der arteriellen Ausdehnung nicht unbedingt den Verlauf des Blutdrucks widerspiegelt. Die Messung der arteriellen Ausdehnung liefert einen wichtigen unabhängigen Herz-Kreislauf-Parameter.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• ”Determination of vessel wall dynamics by optical microsensors,” Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2012 Annual International Conference of the IEEE, pp. 2359-2362, 2012
  Ruh D., Sherman S., Theodor M., Ruhhammer J., Foerster K., Heilmann C., Beyersdorf F., Zappe H., and Seifert A.
  
• ”Highly flexible capacitive strain gauge for continuous long-term blood pressure monitoring,” Biomedical Microdevices, vol. 14, pp. 573-581, 2012
  Bingger P., Zens M., and Woias P.
  
• ”Magnetic sensor for monitoring of arterial strain,” Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems (Transducers Eurosensors XXVII: The 17th International Conference on, pp. 1667-1670, 2013
  Ruhhammer J., Herbstritt T., Foerster K., Heilmann C., Beyersdorf F., Seifert A., Goldschmidtboeing F., and Woias P.
  
• “Radiative transport in large arteries,” Biomedical Optics Express, vol. 5, no. 1, pp. 54-68, 2014
  Ruh D., Subramanian S., Theodor M., Zappe H., and Seifert A.
  
• “Stretchable optoelectronic circuits embedded in a polymer network,” Advanced Materials, vol. 26, no. 11, pp. 1706-1710, 2014
  Ruh D., Reith P., Sherman S., Theodor M., Ruhhammer J., Seifert A., and Zappe H.
  
• ”Implantable device for detecting a vessel wall expansion,” EP 2542149 B1, 2014
  Woias P., Zens M., and Bingger P.
  
• ”Magnetic sensor for arterial distension and blood pressure monitoring,”Biomedical Microdevices, vol. 16, no. 6, pp. 815-827, 2014
  Ruhhammer J., Herbstritt T., Ruh D., Foerster K., Heilmann C., Beyersdorf F., Goldschmidtboeing F., Seifert A., and Woias P.