Intravaskuläre minimal-invasive hochauflösende Magnetresonanz-Sonde in Mikrosystemtechnik mit integrierter optischer Signalübertragung
Final Report Abstract
Das Ziel des Vorhabens war der Entwurf, die Herstellung und Charakterisierung einer MR-Sonde, die ihre sichere und schnelle Lokalisierung erlaubt und zudem eine hochauflösende Bildgebung lokal um die Katheterspitze mit Hilfe der Magnetresonanztomographie ermöglicht. Die Übertragung der MR-Signale über eine elektrische Leitung ist dazu aufgrund der HF-Felder des MRT nicht zulässig. Daher werden die Signale über einen Lichtwellenleiter in der MR-Sonde sicher aus einem Patienten heraus übertragen. Der Fokus liegt in der Realisierung eines Systems, das das Einbringen in kleinste Gefäße ermöglicht, um dort Charakterisierungen der Gewebeeigenschaften minimal-invasiv über eine Katheterintervention durchzuführen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde gezeigt, dass eine optische Übertragungsstrecke für die Katheterlokalisierung und intravaskuläre Bildgebung mit Hilfe der Magnetresonanztomographie möglich ist. Hierbei sind hohe Anforderungen an die optische Übertragungsstrecke zu stellen, da ein MR-Signal eine hohe Dynamik besitzt und zur Auswertung ein hohes SNR benötigt wird. Die Komponenten müssen auf kleinstem Raum aufgebaut werden, um die Integration in einen Katheter zu ermöglichen. Dabei wurden Halbleiterbauteile in Chipform, also ungehäust, eingesetzt. Zur Versorgung des optischen Modulators wurde eine optische Energieversorgung mit Selbstjustagestrukturen für die Lichtwellenleiter und einem Reflektor mit Hilfe von anisotropen Ätzprozessen in Silizium realisiert. Das Hauptelement der optischen Energieversorgung ist ein Chip bestehend aus drei konzentrisch angeordneten und in Reihe geschalteten photovoltaischen Elementen, der für diese Anwendung von der Firma JDS Uniphase hergestellt wurde. Der optisch-elektrische Wirkungsgrad der Gesamtanordnung inklusive des Reflektors liegt gegenwärtig zwischen 25 % und 27 %, der maximale Wirkungsgrad ohne den Reflektor bei >30 %. Das Hauptelement des optischen Modulators ist die Laserdiode. Dafür wurde ein VCSEL mit einem geringen Schwellenstrom von 0,5 mA und kleinen Chipabmessungen verwendet. Als maßgebliche Rauschquelle in dem Gesamtsystem wurde diese Laserdiode identifiziert. Zur Realisierung der optischen Übertragungsstrecke wurden verschiedene optische Modulatoren mit unterschiedlichen Transistoren aufgebaut und untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass es besonders wichtig ist, eine hohe Güte des Gesamtsystems und einen hohen Verstärkungsfaktor direkt in der Katheterspitze zu erreichen. So wird das Signal verstärkt, bevor es in die verrauschte optische Übertragungsstrecke gelangt. Um eine hohe Güte zu erzielen, darf der Empfangsschwingkreis nur sehr gering belastet werden. Dies wird durch eine geringe Eingangskapazität des verwendeten Transistors gewährleistet. Eine zusätzliche Verstärkung des Signals wird durch eine hohe Steilheit erzielt. Mit dem in der Arbeit realisierten System konnte ein SNR wie mit einer direkten elektrischen Transmission erreicht werden. Weiterhin wurden Temperaturmessungen an der Sonde durchgeführt. Die lokale Temperaturerhöhung darf für ein solches System einen Wert von 4 °C nicht überschreiten. Maximal wurde eine Temperaturerhöhung von 1,6 °C in wässriger Umgebung für eine optische Leistung von 20 mW gemessen. Elektrodenkatheter mit Ringelektroden werden bei elektrophysiologischen Untersuchungen eingesetzt. Dabei werden die elektrophysiologischen Signale direkt aus dem Herzen über Ringelektroden auf der Katheterspitze abgeleitet bzw. stimuliert und über elektrische Leitungen aus dem Katheter heraus übertragen. Auch hier sind die elektrischen Leitungen im MRT nicht zulässig, weshalb dafür ebenfalls eine optische Lösung untersucht wurde. Dabei wurde zunächst die Grundschaltung der MR-Sonde übernommen. Die Hauptproblematik besteht hier in den sehr niederfrequenten Messsignalen. Daher wurde zur optischen Signalübertragung eine Lock-In- Technik verwendet. Dazu wird die optische Energieversorgung so moduliert, dass das empfangene Signal auf einen höherfrequenten Träger transponiert wird. Hinter dem optischen Empfanger wird das Signal dann wieder mit Hilfe von Filtern und einem Multiplizierer demoduliert. Damit konnte erfolgreich gezeigt werden, dass mit dieser Lock-in-Technik sehr kleine und niederfrequente Signale optisch übertragen werden können, ohne dass der Schaltungsaufwand in der Sonde erhöht wird. Zur Realisierung eines EP-Katheters mit mehreren Elektroden soll ein Mikrocontroller in die Katheterspitze integriert werden. Damit werden die EP-Signale direkt auf der Katheterspitze in digitale Signale gewandelt und mit einem optischen Sender übertragen. Auch damit konnte erfolgreich die Übertragung von Signalen gezeigt werden. Zudem wurde eine Temperaturmessung mit dem internen Temperatursensor realisiert, die in späteren Systemen eine Überwachung der Temperatur während der Applikation oder einer Operation erlauben wird. Prinzipiell konnte die Stimulation mit Hilfe einer zweiten optischen Energieversorgung für die analoge Version oder durch eine direkte Ansteuerung durch den Mikrocontroller für die digitale Version gezeigt werden. Allerdings sind dafür sehr hohe optische Leistungen von 300 bis 820 mW erforderlich sind. Ob dies zu unzulässigen Temperaturbelastungen am Katheter führen und somit den Patienten gefährden könnte, muss noch untersucht werden. Die größte Herausforderung besteht bei diesem System noch in der Aufbau- und Verbindungstechnik. Das Gesamtsystem ist mechanisch relativ empfindlich, so dass es im Katheter mit einer zusätzlichen Schutzhülse versehen werden muss. Dadurch wird das System ggw. auf insgesamt 10 mm versteift und ist an der Position der Sonde dicker als der eigentliche Katheter, was das Einbringen in Blutgefäße erschwert Daher muss noch eine geringfügige weitere Miniaturisierung erfolgen, dann lässt sich das System z.B. durch Vergießen oder zusätzliche Schutzhülsen genügend verkleinern. Zur exakten Beurteilung der lokalen Temperaturbelastung im Patienten durch die Sonde sollten noch weitere Versuche an realitätsnäheren Modellen folgen, um jedes Sicherheitsrisiko für einen Patienten durch die Sonde auszuschließen. Allerdings ist aufgrund der geringen Energiezufuhr nicht zu erwarten, dass kritische Temperaturen erreicht oder gar überschritten werden. Insgesamt kann damit festgestellt werden, dass mit einem solchen System die Möglichkeit der Realisierung einer hochauflösenden bildgebenden MR-Sonde mit hohem SNR besteht, die einen Patienten-sicheren Einsatz im MRT ermöglicht. Die Übertragung der EP-Signale konnte in dieser Arbeit schon erfolgreich gezeigt werden. Die Hauptproblematik besteht hier noch in der Stimulation. Diese konnte prinzipiell in Voruntersuchungen an elektrischen Modellen gezeigt werden, dabei werden allerdings hohe optische Leistungen erforderlich, die ein Gefahrenpotential während der Operation darstellen könnten, zum einen durch eine hohe Temperaturbelastung und zum anderen bei einem Bruch der Faser. Hierzu müssen noch weitere Lösungswege z.B. Energiespeicherung, Parallelisierung der Leistungszufuhr und Erhöhung des optisch-elektrischen Wirkungsgrades untersucht werden. Im Förderzeitraum wurden die EP-Systeme zunächst als Makrosystem für die ersten Untersuchungen aufgebaut, um das Prinzip zu zeigen. Gegenwärtig werden noch Arbeiten zur Miniaturisierung ähnlich der bei der MR-Sonde durchgeführt, an denen dann auch das Systemverhalten zu überprüft werden wird.
Publications
- Aktive hochauflösende intra vaskuläre MR-Sonde in Mikrosystemtechnik mit optischer Signalübertragung, Mikrosystemtechnik-Kongress, Dresden, Gennany, 2007
Fandrey, S.; Weiss, S.; Müller, J.
- Miniature Optical Signal Transmission System for an Active Intravascular Device, Joint Annual Meeting ISMRM, Berlin, Germany, 2007
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- Optische Signalübertragung für eine aktive intravaskuläre minimal-invasive Magnetresonanz-Sonde, 41 .Jahrestagung der DGBMT - BMT, Aachen, Germany, 2007
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- A Novel Intravascular MRI Coil with optimized Sensitivity, Joint Annual Meeting ISMRM, Toronto, Canada, 2008
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- An active intravascular MR-probe using a miniature optical modulator, 4th European Congress of the International Federation for Medical and Biological Engineering, Antwerp, Belgium, 2008
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- Development of an active intravascular MR-device with an optical Transmission System, IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol. 27, 12, Dec. 2008, pp.1723-1727
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- Magnetresonanz-Sonde in Mikrosystemtechnik, Dissertation im Institut für Mikrosystemtechnik der TU Hamburg-Harburg, 2008, ISBN 978-3-89963-742-7
Uelzen Th.
- Aktive intravaskuläre Magnetresonanz-Sonde auf Basis einer optischen Signal Übertragung, Mikrosystemtechnik-Kongress, Berlin, Germany, 2009
Fandrey, S.; Weiss, S.; Müller, J.
- An Active Intravascular MR-Device in Micro System Technology, World Congress -medical physics and biomedical ENGINEERING, München, Germany, 2009
Fandrey, S.; Weiss, S.; Müller, J.
