Silizium-Mikro-Kraftsensoren für haptische Katheterisierungen: Entwurf, Musterbau und Signalverarbeitung sowie erste Validierung des Assistenzsystems HapCath

Bei zahlreichen minimalinvasiven medizinischen Eingriffen besteht das Problem der fehlenden Kraftrückmeldung von der Instrumentenspitze. Dies gilt insbesondere für die Katheterisierung des Herzens, bei der lange dünne Katheter und Führungsdrähte in die Herzkranzgefäße eingeführt werden. Die Kraft, die die Führungsdrahtspitze auf die Gefäße und Ablagerungen im Gefäßsystem ausübt, kann vom Mediziner nicht wie bei der offenen Operationstechnik gespürt werden. Ziel dieser Arbeit ist die Erforschung und Entwicklung geeigneter Möglichkeiten zur Integration einer Kraftmessfunktion in Führungsdrähte für Herzkatheterisierungen. Diese Arbeit bildet damit den Teil „Kraftsensorik“ im Projekt Haptic Catheter (HapCath), bei dem Kräfte an der Führungsdrahtspitze gemessen und mittels Aktoren dem Arzt verstärkt spürbar dargestellt werden. Im ersten Teil der Arbeit werden Anforderungen an die Integration von Kraftsensoren in Führungsdrähten abgeleitet. Durch Analyse der zukünftigen Anwendungsszenarien wird eine optimale Position zur Integration des Sensors im Draht festgelegt und Vorteile und Grenzen der Kraftmessung identifiziert. Besondere Anforderungen ergeben sich aus dem Bauraum von maximal 360 μm Durchmesser bei einer Länge von maximal 1mm sowie dem Einsatz im menschlichen Körper. Weitere wichtige Anforderungen sind die quasistatische Messung sowie die Signalerfassung bis zu einer Frequenz von 1 kHz zur adäquaten haptischen Darstellung von Oberflächen im Gefäßsystem. Auf Basis der Anforderungen werden bekannte Sensorprinzipien auf ihre Miniaturisierbarkeit und Anwendbarkeit untersucht. Zur Integration in die Führungsdrahtspitze erweisen sich resistive monolithische Silizium-Kraftsensoren zur Mehrkomponenten-Kraftmessung aufgrund der guten Miniaturisierbarkeit und robusten Signalübertragung als besonders geeignet. Es erfolgt der Entwurf von zwei neuartigen piezoresistiven Sensoren für unterschiedliche Fertigungstechnologien zur Mikro-Strukturgebung. Im Entwurf werden Kriterien zur gezielten Erzeugung mechanischer Spannungen analytisch und numerisch untersucht und die ermittelte mechanische Spannungsverteilung zur optimalen Positionierung der Messwiderstände zur Erfassung eines Drei-Komponenten-Kraftvektors genutzt. Im Besonderen werden die Kriterien zur bestmöglichen Miniaturisierung von piezoresistiven Sensoren in Abhängigkeit der Fertigungstechnologien ermittelt. Die Entwürfe werden umgesetzt. Dabei erfolgt eine spezielle Anpassung der Technologien Strukturätzen, Vereinzelung der Messelemente sowie Materialbeschaffenheit des Kontaktsystems durch Berechnungen und Vorversuche. Zur Auswertung des Kraftvektors in Betrag und Richtung mit den hergestellten Kraftmesselementen werden Signalverarbeitungsalgorithmen entworfen, analysiert und implementiert. Ein neuartiger Ansatz ist die alternierende Beschaltung der Messelemente, die eine externe Auswertung des Kraftvektors mit einer minimalen Anzahl von Anschlussleitungen ermöglicht sowie die Auswertung der Einzelwiderstände einer geschlossenen Vollbrücke erlaubt. Aus den Grundlagen zur Signalverarbeitung wird ein neuartiges Konzept zur Signalgewinnung für ein zukünftiges Sensorsystem mit auf dem Sensor integrierter Elektronik entworfen und in einen Herstellungsprozess überführt. Zur Integration der Messelemente in den Führungsdraht muss einerseits die elektrische Kontaktfläche minimiert werden, andererseits müssen sehr lange, reißfeste, robust isolierte Drähte angeschlossen werden. Um diese Fragestellung zu lösen, wird ein spezielles Kontaktierverfahren entwickelt, mit dem es gelingt, sehr definiert mikrostrukturierte Edelmetall-Kontaktbereiche an den Endflächen isolierter Kupferdrähte galvanisch abzuscheiden. Hierdurch wird es möglich, Messelemente stabil zu kontaktieren und mit Standardkomponenten von Führungsdrähten erste Muster von sensorintegrierten Führungsdrähten aufzubauen. Es werden weitere Möglichkeiten zur Optimierung des Führungsdrahtaufbaus aufgezeigt und durchgeführt sowie ein Konzept zum biokompatiblen Packaging umgesetzt. Zur Verifizierung der Sensoreigenschaften wird ein Messplatz aufgebaut. Hierbei kann eine Referenzkraft in Betrag und Richtung erzeugt, geregelt und in das Mikro-Messelement eingekoppelt werden. Der Ablauf der Kalibrierung erfolgt automatisiert. Zum Test der Führungsdrähte mit integriertem Kraftsensor und zur Validierung des Konzeptes HapCath erfolgt der Aufbau der speziell angepassten externen Signalelektronik zur Auswertung der Kraftsensoren sowie zur Ansteuerung von Aktoren. Es wird ein einfaches haptisches Display entworfen und der taktile Führungsdraht mit der Signalelektronik und dem haptischen Display erstmalig zum Assistenzsystem HapCath zusammengeschaltet. An einem Gefäßmodell wird nachgewiesen, dass mit dem aufgebauten haptischen Führungsdraht Aderabzweige sowie Ablagerungen und Hindernisse im Gefäßsystem haptisch dargestellt und damit erkannt werden können. Dies ermöglicht erstmalig eine intuitive Navigation des Drahtes im praktischen Versuch. Als Gesamtergebnis werden in dieser Arbeit die kleinsten bekannten Kraftsensoren mit Abmessungen von 200 · 200 · 630 μm³ entworfen und gefertigt. Es wird der Nachweis erbracht, dass mit den Sensoren Kräfte in Richtung und Amplitude mit einem Gesamtfehler < 6% ermittelt werden können. Bei uniaxialer Belastung sind Messfehler < 1,6% realisierbar. Die an die Sensoren gestellten Anforderungen werden erfüllt. Es wird erstmalig der Nachweis der Nutzbarkeit des Gesamtsystems HapCath erbracht. Die gewonnenen Erkenntnisse können für weitere mikrosensorische Fragestellungen genutzt und die entwickelten Bauteile direkt für eine prototypische Entwicklung taktiler Führungsdrähte verwendet werden. Der medizinische Nutzen kann auf Basis dieser Arbeit nun im Rahmen weiterer Studien untersucht werden