@phdthesis{Gr{\"u}nwald2022,
  author    = {Gr{\"u}nwald, Waldemar},
  title     = {Induktive {\"U}bertragungsschnittstelle f{\"u}r medizinische Implantate mit metallischer Kapselung},
  doi       = {10.6094/UNIFR/230546},
  institution = {Fakult{\"a}t Elektrotechnik, Medizintechnik und Informatik (EMI) (ab 04/2019)},
  school    = {Albert-Ludwigs-Universit{\"a}t Freiburg},
  pages     = {xviii, 142},
  year      = {2022},
  abstract  = {Metallische Geh{\"a}use stellen eine große Herausforderung f{\"u}r die Schnittstelle von aktiven medizinischen Implantaten dar. Ihre elektrische Leitf{\"a}higkeit und die sich dadurch ergebenden Wirbelstr{\"o}me verhindern das Eindringen von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen und Feldern. Aus diesem Grund werden die Antennen außerhalb des Geh{\"a}uses platziert. Niederfrequentere magnetische Felder dringen jedoch durch das metallische Geh{\"a}use, wenn auch abgeschw{\"a}cht. Damit kann eine induktive Kommunikation realisiert und so elektrische Durchf{\"u}hrungen durch das ansonsten hermetisch dichte Geh{\"a}use vermieden werden. In dieser Arbeit wird die induktive Daten{\"u}bertragung durch ein metallisches Geh{\"a}use untersucht. Ein Modell wird entwickelt, das die Effekte des metallischen Geh{\"a}uses auf die {\"U}bertragung ber{\"u}cksichtigt. Hierzu werden in einem neuen Ansatz anhand von FEM Simulationen Korrekturfaktoren ermittelt. Diese Korrekturfaktoren k{\"o}nnen visualisiert und direkt auf die Auslegung der Antennenspulen angewendet werden. Im Gegensatz zu anderen Modellierungen werden nur frei zug{\"a}ngliche Software-L{\"o}sungen verwendet. Zudem werden die Feldverteilungen durch die im metallischen Geh{\"a}use entstehenden Wirbelstr{\"o}me untersucht. Die unterschiedlichen Geh{\"a}use- und Spulenparameter werden im Hinblick auf deren Einfluss auf das {\"U}bertragungsverhalten diskutiert, was in dieser Form bisher noch nicht ver{\"o}ffentlicht wurde. Das resultierende Modell kann auf unterschiedliche Ausf{\"u}hrungen der metallischen Kapselung angepasst werden um damit die Grenzen und Einschr{\"a}nkungen unterschiedlicher metallischer Geh{\"a}use-Materialien zu untersuchen. Mit der Weiterentwicklung eines Transceivers, der mit 10 kBit/s bei 125 kHz Tr{\"a}gerfrequenz arbeitet, wird ein {\"U}bertragungsbaustein entwickelt, der mit herk{\"o}mmlichen Mikrocontrollern verwendet werden kann. Der Transceiver wird in einem ASIC mit 32 Pin QFN-Geh{\"a}use implementiert. Anschließend werden die Funktionalit{\"a}t {\"u}berpr{\"u}ft und die elektrischen Eigenschaften im Hinblick auf Temperatur-, Spannungs- und Frequenz-Verhalten charakterisiert. Durch die geringe Stromaufnahme und die hohe Datenrate bei niedriger Tr{\"a}gerfrequenz eignet sich dieser Transceiver f{\"u}r Langzeitanwendungen in medizinischen Implantaten. Das Neue an dem Transceiver ist seine Einsatzf{\"a}higkeit f{\"u}r metallische Geh{\"a}use, die wegen der schmalen Bandbreite mit \approx\unit[4]{kHz} eine effiziente Daten{\"u}bertragung trotz hoher D{\"a}mpfung erm{\"o}glicht und dar{\"u}ber hinaus die frequenzabh{\"a}ngige Verzerrung der Impedanz- und {\"U}bertragungsparameter minimiert. Anhand einer konkreten Anwendung f{\"u}r eine implantierbare steuerbare Infusionspumpe werden die gesamte Elektronik des Implantats sowie eines kleinen und ein großen Bedienger{\"a}tes konzipiert, entwickelt, programmiert und erfolgreich in Betrieb genommen. Darin werden sowohl das induktive {\"U}bertragungsmodell als auch der Transceiver verwendet und somit deren Funktionalit{\"a}t und Einsatzf{\"a}higkeit demonstriert. Mithilfe dieser Entwicklung ist es m{\"o}glich, {\"u}ber einen Abstand von 65 mm, die Dosierung eines Medikaments einzustellen und an den Tagesrhythmus der Patient*innen anzupassen sowie die Funktionalit{\"a}t des Implantats zu {\"u}berpr{\"u}fen. Aktuell gibt es auf dem Markt ein weiteres {\"a}hnliches Produkt, zu dem jedoch keine wissenschaftlichen Ver{\"o}ffentlichungen vorliegen. Diese Arbeit liefert damit einen wissenschaftlichen Beitrag f{\"u}r die Entwicklung langlebiger metallisch gekapselter Implantate mit induktiver Schnittstelle.},
  language  = {de}
}