Ohne Mikro- und Nanotechnik wären schnelle und effiziente Untersuchungsmethoden und Detektionsverfahren nicht realisierbar. Für Cord Schlötelburg, neuer Geschäftsführer der Deutschen Gesellschaft für Biomedizinische Technik (DGBMT) im Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik (VDE), erschließen Mikrotechniken den Herstellern von medizinischen Geräten und Hilfsmitteln neue Betätigungsfelder und Märkte: „Viele Innovationen im medizinischen Umfeld haben ihren Ursprung in mikrotechnischen Herstellungs- und Verarbeitungsverfahren“, betont der DGBMT-Geschäftsführer.

In Zukunft wächst der Anteil von Schlüsseltechnologien am Weiterbau des Gesundheitssystems noch deutlich. Laut VDE-Studie Medtech 2020 gehören die Bereiche molekulare Bildgebung, Telemedizin und intelligente Implantate zu den weltweit wichtigsten Anwendungsfeldern der am stärksten nachgefragten medizinischen Leistungen in der Diagnostik und Therapie.

Als besonders attraktive Innovationsfelder hat Schlötelburg den Bereich der molekularen Biomarker und das Telemonitoring ausgemacht. In der bildgebenden Diagnostik zeichnen sich neue Wege durch fluoreszierende Kontrastmittel ab, die Krebszellen von normalen Zellen unterscheiden.

Solche Kontrastmittel beruhen auf nanoskaligen Partikeln, die sich an molekulare Biomarker anbinden und ein ausreichend starkes Signal im Zielgewebe für die Bilderfassung verursachen. Das Messen biochemischer Prozesse in-vivo ist zwar immer noch kostspielig und setzt modernes Hightech-Equipment voraus, aber für die Krebsbekämpfung und Herz-Kreislauf-Diagnostik sind biomedizinische Untersuchungen unerlässlich.

Präzisere Abbildungsmethoden und ultrafeine Messverfahren sind nicht nur für die Früherkennung wichtig. Krebsforscher und Radiologen schwärmen bereits von nadelfeinen Messsonden, die sich mit Sensoren bestückt in das Tumorgebiet lenken lassen, den molekularen Aufbau des Geschwürs analysieren und dem Mediziner umfassende Informationen auch für therapeutische Gegenmaßnahmen liefern. Das miniaturisierte Laborsystem auf einem Biochip ist dabei nur ein Hilfsmittel der minimalinvasiven Diagnostik.

Der Schritt zur Entwicklung künstlicher Nanomaschinen, die den in Zellen von Lebewesen arbeitenden natürlichen Inspektions- und Reparaturmechanismen nachempfunden sind, ist für begeisterte Nanoingenieure nicht weit. In der industriellen Praxis indes sind solche Visionen noch reine Zukunftsmusik: „Die Erwartungen an die Mikrosystemtechnik richten sich derzeit auf die weitere Miniaturisierung von Komponenten und Systemen sowie kleine, handliche und energieeffiziente Geräte, die auch für den mobilen Einsatz geeignet sind“, sagt Uwe Kleinkes, Geschäftsführer des internationalen Fachverbands für Mikrotechnik, Nanotechnologie und Neue Materialien IVAM in Dortmund.

Beispielsweise befasst sich die Schweizer Sensorschmiede Sensirion mit planaren, mikrofluidischen Substraten. Dank innovativer Aufbau- und Verbindungstechnik konnten die Schweizer Sensorhersteller einen thermischen Sensor-Chip entwickeln, der Flüssigkeiten und Luftblasen im Mikroliterbereich durch die Wand des im Substrat verlaufenden Kanals hindurch misst. Die mediengetrennte Massenstrommessung funktioniert aufgrund der außergewöhnlich hohen Sensitivität eines winzigen, digitalen Mikrochips mit einer Abmessung von 2,2 mal 3.5 Millimeter.

In dem Chip findet neben dem Sensorelement noch die komplette digitale Erfassungs- und Auswerteelektronik Platz sowie ein Speicher für die Linearisierung und Temperaturkompensation. Die Vorteile dieser hochintegrierten Sensorsysteme ist deren leichte Integrierbarkeit in anwendungsspezifische Geräte, was sich auch kostensenkend im Hinblick auf das Gesamtsystem auswirkt. Mikropumpen, die kleinste Mengen von Gasen oder Flüssigkeiten fördern, leisten bereits seit längerem unschätzbare Dienste in der Medizin- und Analysetechnik.

Neue Spezialisten betreten die Bühne
Die Bartels-Mikropumpen mit ihren extrem kleinen Abmessungen und geringem Gewicht sind fast vollständig aus Kunststoff produziert und lassen sich in hohen Stückzahlen kostengünstig herstellen. Die Düsseldorfer Mikrotechniker haben den Pumpenaufbau derart vereinfacht, dass sich trotz hoher Genauigkeitsanforderungen sogar Einwegprodukte herstellen lassen.

Die einfachsten Modelle bestehen aus Spritzgussteilen für Gehäuse und Pumpkammer, einem Piezoaktor und zwei passiven Ventilen. Erst bei höheren Ansprüchen an die Förderleistung oder unter Einsatzbedingungen mit variierenden Temperaturen und wechselndem Druck in den Messkanälen erweitert der Hersteller das Systemdesign mit einer Doppelaktorkonfiguration und zugehöriger elektronischer Steuerung.

Die zunehmende Miniaturisierung von Bauteilen ruft weitere Spezialisten auf den Plan. Je kleiner die Systeme konzipiert sind, desto schwieriger wird ihre Herstellung. Um zum Beispiel aus einem Titan-Werkstück ein Feinsieb für medizinische Anwendungen herzustellen, sind Löcher mit einem Durchmesser von 0,15 mal 0,8 Millimeter für Filteraufgaben nötig. Der Schweizer Werkzeugspezialist Sphinx baut hierfür Mikrobohrer aus Hartmetallen mit Ultrafeinkorn und einer Oberflächenstrukturierung im Nanometerbereich. Die sehr feinen Strukturen sorgen für einen gleichmäßigen Verschleiß über alle Schneiden am Mikrobohrer.

Die lediglich geringen Toleranzabweichungen, die in solchen Fällen zulässig sind, erfordern eine hohe Verschleiß- und Biegebruchfestigkeit des Materials. Und auch die Maschinen müssen sich für die Mikrozerspanung oder das Mikrobohren eignen. Bei einem unruhigen Lauf der Spindeln und Vorschub-achsen hilft das beste Werkzeug nichts.

In der Mess- und Prüftechnik machen immer häufiger mobile Detektionssysteme von sich Reden. Extrem miniaturisierte Spektrometer sind mit einem Filter-Sensor-Chip ausgestattet, der Wellenlängen pixelgenau erfasst und Blutzucker oder Cholesterinwerte ermittelt. Das Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik hat zusammen mit dem Start-up-Unternehmen Opsolution Nanophtonics in Kassel ein inzwischen patentiertes Herstellungsverfahren entwickelt, das die industrielle Fertigung hochspezifischer Nano-Filter ermöglicht. Qualitätskontrolle und Fertigungseffizienz sind dabei das A und O. „Es gibt noch viel zu tun“, unterstreicht IVAM-Geschäftsführer Kleinkes. -Andreas Beuthner-

Moderne Diagnose- und Therapiemethoden sind auf elektronische Systeme in den Arbeitsgeräten angewiesen – von den bildgebenden Verfahren bis zu implementierbaren Pulsoximetern, vom Medical PC bis zur elektrischen Biopsie-Zange. In allen Fällen eröffnen die rasant fortschreitenden Entwicklungen in der Prozessor- und Chipsatzindustrie dem Gerätehersteller neue Perspektiven.

Vor allem zwei Trends im Bereich der so genannten Embedded Systeme geben der Medizingeräteelektronik neue Impulse: Zum einen gibt es heute hochintegrierte Multicore-Systeme, die eine Leistung bringen, die noch vor wenigen Jahren das Attribut Supercomputer verdient hätten. Der zweite Trend betrifft kompaktere und vor allem energieeffizientere Plattformen, die durch Miniaturisierung, drahtlose Vernetzung und lange Akkulaufzeiten einen zunehmenden Mobilitätsgrad ermöglichen und zu bedienerfreundlichen, multifunktionalen Devices mit hohem Vernetzungsgrad führen.

Wer das Potenzial dieser neuen Technologien in neuen Applikationen umsetzen möchte, steht vor einer schwierigen Gratwanderung. Matthias Wufka, Software-Ingenieur bei dem Technologie- und Beratungsunternehmen Zühlke, geht von einem stürmischen Wachstum des Marktes für biomedizinische Geräte aus. Dabei stellt sich allerdings die Frage, ob die Elektronikbranche den steigenden Anforderungen gewachsen ist: „In die Embedded-System-Entwicklungen müssen in jedem Fall Sicherheitsfunktionen einfließen“, unterstreicht Wufka. Druck auf die Entwickler üben nicht zuletzt das Medizinproduktegesetz (MPG) und weitere Regularien wie die neugefasste EU-Norm 60601-1 oder die für Software in Medizingeräten geltende DIN EN 62304 aus.

Innovationszyklen verkürzen sich
Mehr denn je setzt die Entwicklung von Embedded Systemen Expertenwissen voraus, das nicht jedem Gerätehersteller im eigenen Hause zur Verfügung steht. Erschwerend kommt hinzu, dass die Innovationszyklen der Prozessortechnologien kurz sind und daraus immer neue Systemarchitekturen mit zunehmendem Integrationsgrad entstehen, dies je nach Hersteller und Medizingerät mit unterschiedlichem Wertschöpfungsgrad vom Computermodul bis hin zum Medical PC mit kundenspezifischem Housing.

Elektronikspezialisten wie Kontron verweisen in diesem Zusammenhang auf zwei Entwicklungen, die für Medizingeräte wichtig sind: Mehr Funktionen auf kleinerem Raum bieten so genannte Computer-on-Modules (COM) und CPU-Boards mit Multicore-Prozessoren. „Der Single-Board-Computer ist mitunter die kosteneffizientere Alternative zu den komplexeren Geräte mit mehreren CPU-Boards“, sagt Ingrid Hildebrandt, Product Marketing Managerin bei Kontron. Allerdings sorgt die Vielfalt bei der Prozessor- und Chipsatztechnologie für eine steigende Anzahl der verfügbaren Embedded Formfaktoren: „Die Wahl des passenden Embedded Formfaktors ist von entscheidender Bedeutung, denn nicht alle Angebote der Industrie halten langfristig das, was sie versprechen“, warnt Hildebrandt.

Proprietäre Schnittstellen, eine falsche Steckverbindung oder die fehlende Unterstützung aktueller Mikroprozessoren verwandeln ein Computermodul in einen rückwärtsgewandten Exoten. Neben den Formfaktoren Größe, Leistung und Eigenschaften spielt die kundenspezifische Anpassungsfähigkeit eine wichtige Rolle, und dafür sind betagtere Baureihen nicht konzipiert. Eine goldene Regel für die Auswahl indes gibt es nicht. Trotz Standardisierungsbestrebungen droht bei der Board-Auswahl und den dazu passenden Erweiterungsbaugruppen wegen des fehlenden anwendungsspezifischen Zuschnitts die kostspielige Fehlentwicklung.

x86er-Architektur besonders attraktiv
Eine Richtschnur auf der Suche nach der geeigneten Plattform ist der so genannte Small-Form-Faktor (SFF). In diesem Bereich tummeln sich Boards mit Abmessungen von 100 Millimetern und kleiner. Für Medizingeräte, wie Tablet-PCs oder portable Patientenmonitoringsysteme, die sich durch einen hohen Grad an Energieeffizienz und Mobilität auszeichnen müssen, empfiehlt sich der Blick auf den ETX-COM-Standard (Embedded Technology Extended). Wer Energieeffizienz, Kompaktheit und drahtlose Konnektivität auf der Agenda stehen hat, sollte sich mit Intel’s Atom-Prozessortechnologie befassen, die auch für die weit verbreitete Computerplattform x86 von Intel geeignet ist.

Die Verwendung einer x86er-Rechnerarchitektur ist für Medizingerätehersteller besonders attraktiv, denn diese bietet aufgrund ihrer hohen Verbreitung eine ebenso hohe Verfügbarkeit bereits etablierter Benutzeroberflächen sowie eine breite Code- und Entwicklerbasis. Weitaus höhere Rechenleistungen als im SFF-Segment üblich, erfordern High-Performance-Applikationen, wie bildgebende Verfahren oder Surgical-Guidance-Anwendungen. Während die Auswahlkriterien für das elektronische Innenleben der kompakten und mobilen Devices vielfältig sind, verlangen die Highend Systeme, meist bildgebende Diagnoseverfahren und bildverarbeitende Server, nur nach einem: Rechenleistung.

Ein klarer Fall für Multiprozessor- oder Multicoresysteme. Zwar setzen Entwickler auch hier auf Low-Power-Konzepte und eine offene Peripherieanbindung, doch bei den Schnittbildern eines Computertomographen oder der 4D-Untersuchung biochemischer Prozesse liegt die technische Herausforderung in der Schnelligkeit der Signalverarbeitung oder dem exakten Schnittbild bei Ganzkörperuntersuchungen.

Das vorherrschende Format im High-End heisst ATX (Advanced Technology Extended) und erlaubt Mainboardabmessungen von bis zu 305 mal 244 Millimeter. Die ATX-Spezifikation ist bereits in die Jahre gekommen und hat Erweiterungen wie den aus dem Serverbereich bekannten Extended-ATX-Formfaktor (EATX) erfahren. Neueste Embedded Boards, wie beispielsweise das Kontron EATX Motherboard KTC5520 sind kleine Kraftwerke mit Quad-Core-Prozessoren und für Medical-Imaging-Workstations geeignet. Auch wenn für die zeit- und kosteneffiziente Umsetzung neuer Medical Devices zahlreiche langzeitverfügbare Embedded-Computing-Plattformen sowohl auf SFF- als auch auf High-Performance-Ebene zur Verfügung stehen, ist dennoch Vorsicht angesagt.

Der Geschäftsführer des Berliner Elektronikdienstleisters Alpha Board, Gregor Groß, kennt die Stärken und Schwächen der meisten Leiterplatten und schwört auf ein Design-Testing noch bevor ein erster Prototyp die Fertigungsstraße verlässt: „Mit Simulation lassen sich Fehler in der Signalintegrität und vor allem bei der elektromagnetischen Verträglichkeit des Designs schon im Anfangsstadium eines Layoutprozesses ausschließen“, sagt Groß.

Kommen mehrere Plattformen in die engere Wahl hilft ein genauerer Blick auf die Anbieter: Lange Gewährleistungsfristen und ein starker Support durch die gesamte Embedded-Computer-Industrie sind Indiz für zukunftssichere Technik. Formfaktoren, die in großen Stückzahlen abgesetzt werden, also einen entsprechend großen Marktanteil haben, gehören hier ebenfalls dazu, wie das Gespräch mit Herstellern, die ein breites Portfolio an Standardbaugruppen anbieten. Für Medical PC sind entsprechende Zertifikate des Herstellers erforderlich. So lassen sich zumindest die ersten Hürden bei neuen Projekten umgehen. -Andreas Beuthner-

Abmessung und Stromverbrauch schrumpfen: Alexander Ishii, Mitbegründer des Start-Up-Unternehmens Cyclos Semiconductor, zeigt ein Chip-Design, das 30 bis 75 Prozent des ursprünglich verbrauchten Stroms einspart.„Formfaktoren im kleinen Format sind zukunftsweisend, denn die Prozessorfertigungstechnologien werden immer feiner“, sagt Ingrid Hildebrandt, Product Marketing Managerin bei Kontron.

Maßgeschneiderte Mikropumpen sind nicht nur klein, sondern verfügen über flexibel anpassbare Parameter, um sie beispielsweise als Dosiersystem für Medikamente einzusetzen.

Den Stein ins Rollen brachten die vielen elektronischen Helfer, die im Windschatten der Mikroelektronik seit den 80er Jahren des vorigen Jahrhunderts entstanden sind. Während sich die Halbleiterelektronik mit der Miniaturisierung von elektrischen Schaltungen und Komponenten wie Transistoren oder Speicherelementen für informationstechnische Anwendungen befasst, zielen die Mikrosysteme auf die Integration mechanischer, biologischer und optischer Funktionen auf einem Trägerchip oder -substrat, meist in Kombination mit einer elektronischen Signalverarbeitung „on board“. Eine wichtige Voraussetzung, um im weiten Umfeld medizinischer Gerätetechnik einen festen Platz einzunehmen. Was einst in industriefernen Universitätslabors unter der Bezeichnung Mikromechanik und Mikrostrukturtechnik begann, hat sich rasch zu einem beachtlichen Innovationsmotor mit veritablen Wachstumsaussichten für industrielle Anwender entwickelt. Mikrosysteme sind als digitale Assistenten in chemischen und pharmazeutischen Labors nicht mehr wegzudenken. Als so genannte Lab-on-a-chip-Systeme schrumpfen schrankgroße Analysegeräte auf die Größe einer Streichholzschachtel. Im Bereich der medizinischen Diagnostik und der In-vivo Funktionsüberwachung messen intelligente Mikrosensoren den Blasen-, Hirn- oder Blutdruck, während Retina-Implantate das Sehvermögen erkrankter Patienten wieder herstellen. In modernen Dialysatoren für die Blutwäsche stecken mehr als 10 000 Kapillarmembranen mit einer aktiven Oberfläche von rund 1,5 Quadratmetern. So genannte Polysulfon-Membranen verfügen über multifunktionale Oberflächen, die sich mit zusätzlichen diagnostischen und therapeutischen Mikrosensoren koppeln lassen.

Vitalparameter immer im Blick

Große Hoffnungen setzen Mediziner in neuere Entwicklungsaktivitäten rund um die Überwachung von Vitalparametern wie Körpertemperatur, Herzfunktionen oder Atemfrequenz. Das indirekte Messen von Sauerstoff im Blut mittels chipbasiertem Fingerpulsoximeter gilt bereits als schnelle, kostengünstige und vor allem nicht-invasive Technik der Patientenüberwachung. Professor Kerstin Wessig von der Evangelischen FH Darmstadt, sieht im sensor- und computergestützten Patienten-Monitoring den Durchbruch für eine mobile Gesundheitsassistenz, die durch eine drahtlose Vernetzung von Patient und Arzt schnelle und kostengünstige Versorgungspfade öffnet: „Die Patientenklingel im stationären Umfeld ist ein Auslaufmodell, ebenso erlauben Sensorchips am Körper oder in der Kleidung die Fernüberwachung von Gesundheitsparametern rund um die Uhr“, sagt Prof. Wessig auf einem Kongress des Fachverbands Biomedizinische Technik (fbmt) in Würzburg.

Ambient Assisted Living (AAL) heißt das aktuelle Forschungs- und Anwendungsgebiet, in dessen Mittelpunkt das Therapiemanagement und die altersgerechte Versorgung vor allem chronisch kranker oder hilfsbedürftiger  Patienten steht. Der Fraunhofer-Wissenschaftler Peter Georgieff sieht in den nächsten vier Jahren ein wachsendes Marktpotenzial für AAL-Systeme: „Die Entwicklung von altersgerechten Assistenzsystemen für die Gesundheit spielt eine Schlüsselrolle in einem leistungsfähigen Gesundheitswesen“, unterstreicht Georgieff.

Mehrere Forschungs- und Entwicklungsinstitute arbeiten an mobilen Assistenzsystemen oder AAL-Anwendungen, die in naher Zukunft die Lebensqualität von Senioren sichern und verbessern sollen. Initiativen wie das Medizintechnische Test- und Anwendungszentrum (Metean) des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS in Erlangen bewerten medizinische Sensorentwicklungen hinsichtlich ihrer Einsatzreife im Alltag. Der Bewegungssensor „Actisens“, der am Handgelenk getragen wird und Bewegungsaktivitäten klassifiziert sowie aufzeichnet, gehört zu den neuen Überwachungsgeräten, die auch Stürze oder andere Notlagen erkennen. Die Daten lassen sich aus dem integrierten Flash-Speicher über eine schnurlose Bluetooth-Verbindung auslesen.

Die AAL-Szenarien und die medizinische Fernbetreuung basieren zu einem Großteil auf Mikrosystemtechniken. Ähnliches gilt für Messungen am so genannten Point of Care. Bei den gegenwärtigen Entwicklungen zur Miniaturisierung in der vorklinischen Analytik werden gern Parallelen zu den Erfolgen in der Mikroelektronik gezogen. Durch die Miniaturisierung elektronischer Bauteile konnten ganze Rechenzentren zu kleinen Computern schrumpfen und heutzutage kann sich kaum noch jemand vorstellen, wie das Leben ohne die vielen elektronischen Helfer aussehen würde. Fachleute sind sich einig, dass dieser Erfolg durch die Miniaturisierung immer komplexerer Komponenten und Systeme zustande kam. Der Siegeszug der Miniaturisierung erfasst ganze Chemie- und Analysen-Laboratorien. Viele Geräte schrumpfen auf Westentaschen-Format und sind für den mobilen Einsatz geeignet. Der gesamte Analysevorgang wird vereinfacht und ist weniger kostspielig, denn es werden nur noch winzige Mengen an Substanzen benötigt, um Messergebnisse zu erhalten. Deshalb verspricht man sich auch in der Diagnostik viel von solchen geschrumpften Analysenlaboren, weil damit selbst komplexe Analysen direkt vor Ort gemacht werden können. Das lange Warten auf die Laborwerte könnte bald der Vergangenheit angehören, denn der Patient erhält das Ergebnis sofort in der Arztpraxis von einem scheckkartengroßen Gerät.

Ein multifunktionales Mikrosystem erstellt von einer chemischen Substanz ein präzises toxikologisches Profil. Bild: FhG FIT

Ein anderes Beispiel ist Smart Health. Die von der TU Berlin in Zusammenarbeit mit der Shanghai Jiao Tong University im Rahmen eines neu gegründeten Gemeinschaftsinstituts ins Leben gerufene Smart-Health-Plattform steht im Mittelpunkt einer ubiquitären Gesundheitsunterstützung, die medizinische Dienste sowie zusätzliche Krankheitserkennungs- und eine Wellness-Applikationen anbieten soll. Sie besteht aus einer modularen Sensorplattform, die vom Benutzer am Körper getragen wird und in ein Shirt, Schuhe oder Armbänder integriert ist. Die Sensorplattform misst verschiedene Parameter wie Puls, Blutsauerstoff, Beschleunigungsdaten, EKG- sowie EEG- Daten und Blutdruck. Die Daten werden mittels Nahverkehrsfunk gebündelt und über eine Weitverkehrsfunkverbindung in ein so genanntes System Level Gateway (SLG) eines Medical Service Center übertragen.

Das Smart Health Framework unterstützt TU-Ingenieure auch bei der Entwicklung eines Multi-Modul-Biodiagnosebaukastens, der europäische Unternehmen dabei unterstützt spezifische Lab-on-Chip-Systeme für die Analyse biologischer Proben zusammenzustellen. Ein erster Demonstrator besteht aus einem Einweg-Lab-on-Chip in Kombination mit einem Auslesegerät, das mit einem Krankenhausinformationssystem kommunizieren kann. Zukünftige Produktversionen sollen zu einem tragbaren und am Point of Care einsatzbereiten System schrumpfen, mit dem sich Nukleinsäuren und Proteine detektieren lassen. Neben dem Aufbereiten von biologischen Probentypen bringen die Entwickler dem Hightech-Gerät auch die Schnellanalyse biologischer Informationen bei. Daraus, so die Hoffnungen der Entwickler, entstehen neue Ansätze für die Krebsdiagnostik.

Materialforschung und Mikroelektronik erlauben die Kombination von biologischen mit technischen Systemen. Bild: Fraunhofer IGB

Die Mikrosystemtechnik ist zudem Wegbereiter für Analysesysteme im Bereich der minimalinvasiven Laserchirurgie. Damit die schonende Schnitteigenschaft des Lasers voll zum Tragen kommt und bei mikroskopisch schmalen Schnitten ausschließlich das gewünschte Gewebe durchtrennt wird, soll ein Festkörper-UV-Laser-Mikrosystem das Geschehen am Operationsort beobachten und analysieren. Ein Mikrosystem erfasst dabei die Fluoreszenzanregung des Gewebes durch das Laserlicht und analysiert dessen Spektrum mit einem Mikrospektrometer. Daraus ergeben sich Rückschlüsse auf den Gewebetyp, so dass der Laserschnitt sich exakt ausführen lässt.

Andreas Beuthner