Open Access

Waldemar Grünwald

• Metallische Gehäuse stellen eine große Herausforderung für die Schnittstelle von aktiven medizinischen Implantaten dar. Ihre elektrische Leitfähigkeit und die sich dadurch ergebenden Wirbelströme verhindern das Eindringen von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen und Feldern. Aus diesem Grund werden die Antennen außerhalb des Gehäuses platziert. Niederfrequentere magnetische Felder dringenMetallische Gehäuse stellen eine große Herausforderung für die Schnittstelle von aktiven medizinischen Implantaten dar. Ihre elektrische Leitfähigkeit und die sich dadurch ergebenden Wirbelströme verhindern das Eindringen von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen und Feldern. Aus diesem Grund werden die Antennen außerhalb des Gehäuses platziert. Niederfrequentere magnetische Felder dringen jedoch durch das metallische Gehäuse, wenn auch abgeschwächt. Damit kann eine induktive Kommunikation realisiert und so elektrische Durchführungen durch das ansonsten hermetisch dichte Gehäuse vermieden werden. In dieser Arbeit wird die induktive Datenübertragung durch ein metallisches Gehäuse untersucht. Ein Modell wird entwickelt, das die Effekte des metallischen Gehäuses auf die Übertragung berücksichtigt. Hierzu werden in einem neuen Ansatz anhand von FEM Simulationen Korrekturfaktoren ermittelt. Diese Korrekturfaktoren können visualisiert und direkt auf die Auslegung der Antennenspulen angewendet werden. Im Gegensatz zu anderen Modellierungen werden nur frei zugängliche Software-Lösungen verwendet. Zudem werden die Feldverteilungen durch die im metallischen Gehäuse entstehenden Wirbelströme untersucht. Die unterschiedlichen Gehäuse- und Spulenparameter werden im Hinblick auf deren Einfluss auf das Übertragungsverhalten diskutiert, was in dieser Form bisher noch nicht veröffentlicht wurde. Das resultierende Modell kann auf unterschiedliche Ausführungen der metallischen Kapselung angepasst werden um damit die Grenzen und Einschränkungen unterschiedlicher metallischer Gehäuse-Materialien zu untersuchen. Mit der Weiterentwicklung eines Transceivers, der mit 10 kBit/s bei 125 kHz Trägerfrequenz arbeitet, wird ein Übertragungsbaustein entwickelt, der mit herkömmlichen Mikrocontrollern verwendet werden kann. Der Transceiver wird in einem ASIC mit 32 Pin QFN-Gehäuse implementiert. Anschließend werden die Funktionalität überprüft und die elektrischen Eigenschaften im Hinblick auf Temperatur-, Spannungs- und Frequenz-Verhalten charakterisiert. Durch die geringe Stromaufnahme und die hohe Datenrate bei niedriger Trägerfrequenz eignet sich dieser Transceiver für Langzeitanwendungen in medizinischen Implantaten. Das Neue an dem Transceiver ist seine Einsatzfähigkeit für metallische Gehäuse, die wegen der schmalen Bandbreite mit \approx\unit[4]{kHz} eine effiziente Datenübertragung trotz hoher Dämpfung ermöglicht und darüber hinaus die frequenzabhängige Verzerrung der Impedanz- und Übertragungsparameter minimiert. Anhand einer konkreten Anwendung für eine implantierbare steuerbare Infusionspumpe werden die gesamte Elektronik des Implantats sowie eines kleinen und ein großen Bediengerätes konzipiert, entwickelt, programmiert und erfolgreich in Betrieb genommen. Darin werden sowohl das induktive Übertragungsmodell als auch der Transceiver verwendet und somit deren Funktionalität und Einsatzfähigkeit demonstriert. Mithilfe dieser Entwicklung ist es möglich, über einen Abstand von 65 mm, die Dosierung eines Medikaments einzustellen und an den Tagesrhythmus der Patient*innen anzupassen sowie die Funktionalität des Implantats zu überprüfen. Aktuell gibt es auf dem Markt ein weiteres ähnliches Produkt, zu dem jedoch keine wissenschaftlichen Veröffentlichungen vorliegen. Diese Arbeit liefert damit einen wissenschaftlichen Beitrag für die Entwicklung langlebiger metallisch gekapselter Implantate mit induktiver Schnittstelle.…
• Metallic housings pose a huge challenge for interfaces of active medical implantable devices. Their electrical conductivity and thereby resulting eddy currents prevent high frequency electromagnetic waves and fields to penetrate the housing. For that reason the antennas are placed outside of the housings. However low frequency magnetic fields can enter the metallic housing, even though they areMetallic housings pose a huge challenge for interfaces of active medical implantable devices. Their electrical conductivity and thereby resulting eddy currents prevent high frequency electromagnetic waves and fields to penetrate the housing. For that reason the antennas are placed outside of the housings. However low frequency magnetic fields can enter the metallic housing, even though they are attenuated. This enables the realization of inductive communication interfaces without electrical lead-throughs of the otherwise hermetically sealed housings. This work investigates an inductive communication interface through metallic housings. A model is developed, which includes the effects of metallic housings for transmission. Therefore FEM simulations are executed and correction factors determined. These correction factors can be visualized and directly applied for the dimensioning of the antenna coils. In contrast to other modeling methods only open source software solutions are used. Furthermore the magnetic field distributions from the eddy currents of the housings are examined. The different housing- and coil-parameters are evaluated in regard to their influence on the transmission, which has not yet been published in this form. The principles of this modeling can be applied to various implementations of metallic encapsulations, which enable the analysis of the limitations of different metallic housing materials. With the further development of a transceiver, which works with 10 kBit/s at a carrier frequency of 125 kHz, a transmission component is developed, that can be used in combination with conventional microcontrollers. The transceiver is cast into an ASIC with a 32 pin QFN housing. Subsequently the functionality is tested and the electrical properties are characterized in terms of temperature-, supply-voltage- and frequency-behavior. Because of the minimal current drain and the high data rate at a low carrier frequency, it is suitable for long term applications in medical implants. The outstanding of this transceiver is its utilizability for metallic housings, which is provided by efficient data transmission due to narrow bandwidth of \approx\unit[4]{kHz}, despite of the high attenuation, and by minimized frequency dependent distortion of the impedance- and transmission-parameters. On the basis of a specific application in an implantable infusion pump, the entire electronics of the implant, but also of a small and a big external controlling device are drafted, developed, programmed and put into operation. Therein both the model of the inductive interface and also the transceiver are used and thereby demonstrate their functionality and capability. This development makes it possible to adjust the medication dosage to the diurnal rhythm of the patient and to remotely inspect the functionality of the implant over the distance of up to 65 mm. Currently there is another similar product on the market, for which no scientific publications are available. This work therefore provides a scientific contribution for the development of long-living metallically encapsulated implants with inductive interfaces.…