Biomedizinische Technik · Vernetzte und intelligente Implantate by Marschner, Uwe -- Read -- Imperial Library of Trantor

Index

Title Page Copyright Contents Geleitwort Vorwort Autorenverzeichnis 1 Einleitung

1.1 Schlüsselrolle der Standardisierung für den Erfolg von Telematik und Telemedizin im Deutschen Gesundheitswesen 1.2 Interoperabilität innerhalb und außerhalb der Klinik

1.2.1 Interoperable Medizinische Systeme 1.2.2 Entwicklungszyklus 1.2.3 Rechtliche Herausforderungen 1.2.4 Akzeptanz der Nutzer 1.2.5 Stand der Technik 1.2.6 Normen 1.2.7 Fazit

1.3 Aufbau des Buches

Quellenverzeichnis

2 Aktuelle funktionale Implantate

2.1 Überblick 2.2 Druckmesssysteme

2.2.1 Invasive Druckmessung 2.2.2 Implantierbare telemetrische Endosysteme 2.2.3 Miniaturdrucksensoren für intrakorporale Druckmessungen 2.2.4 Analyse des Drucksensorverhaltens 2.2.5 Direkte Messung des Pulmonalarteriendrucks (PA) bei Herzinsuffizienz 2.2.6 Überwachung abdomineller Aortenaneurysmen 2.2.7 Sensor zur Überwachung eines Hirn-Shuntsystems 2.2.8 Telemetrisches Endosystem mit Platzierung im Blutgefäß 2.2.9 Langzeit-Augeninnendruck-Messsystem 2.2.10 Kontaktlinse zur Messung des Augeninnendrucks

2.3 Neuronale Schnittstellen und Implantate

2.3.1 Allgemeine Anforderungen an aktive Implantate 2.3.2 Miniaturisierte Schnittstellen zum Nervensystem 2.3.3 Herausforderungen bei der Systemintegration von Implantaten 2.3.4 Von den Neurowissenschaften in die klinische Praxis

2.4 Retina-Implantat 2.5 Implantierbare Mittelohr-Hörsysteme 2.6 Cochlea-Implantate

2.6.1 Übersicht 2.6.2 Elektroden 2.6.3 Signalverarbeitung zur Generierung der Stimulationsimpulse

2.7 Intelligente Hüftprothese

2.7.1 Motivation 2.7.2 Analyse und Simulation des lineares dynamischen Systemverhaltens 2.7.3 Analyse des nichtlinearen dynamischen Systemverhaltens 2.7.4 Konzept des Schwingungsdiagnosesystems 2.7.5 Lock-In-Verstärker als aktive Messschaltung 2.7.6 Experimente 2.7.7 Ausblick: Modellgestützte Diagnose

2.8 Monitoring der Osteosynthese

2.8.1 Motivation 2.8.2 Messung der Verbiegung der Knochenplatte 2.8.3 Fixateur Interne und Fixateur Externe Messsysteme 2.8.4 Implantierbares drahtloses Sensorsystem zum Monitoring der Knochenheilung 2.8.5 Drahtloses passives Messsystem 2.8.6 Ausblick

2.9 Mikroelektronische Plattform für diagnostische und therapeutische Implantate

2.9.1 Konzept einer Plattformtechnologie für intelligente mikroelektronische Implantate 2.9.2 Intelligente Zahnschiene zur Diagnose und Therapie von Zähneknirschen (Bruxismus) 2.9.3 IntelliTUM – Intelligentes Implantat zum Tumor-Monitoring 2.9.4 THEMIC – Closed-Loop-Mikrosystem für die Tumortherapie 2.9.5 Schlussfolgerung

2.10 Intrazerebrales Implantat für die adjuvante repetitive Glioblastombehandlung

Therapiemöglichkeiten Implantatsystem zur repetitiven photodynamischen Therapie (PDT-Implantat) Bestrahlungseinheit Konnektierung Steuergerät Ersteinsatz im Tierversuch Ausblick Danksagung

2.11 Implantierbare elektronische Devices in der Rhythmologie

2.11.1 Signalverarbeitung in rhythmologischen Devices 2.11.2 Kontrolle, Patienteninformation und Adaption von Herzschrittmachern 2.11.3 Aktive Implantate mit Remote Monitoring

2.12 Implantierbare Infusionspumpen 2.13 Polymernetzwerke als Aktor-Sensor-Systeme

2.13.1 Polymernetzwerke 2.13.2 Mikroventile 2.13.3 Langzeitfördernde Medikamentenpumpe geringer Volumina 2.13.4 Theranostische Implantate

2.14 Adaptive Kommunikations- und Biosignalverarbeitungssysteme 2.15 Weitere Implantate

Quellenverzeichnis

Fußnoten

3 Aufgaben funktionaler Implantate

3.1 Messen

3.1.1 Messkette 3.1.2 Wahrer Wert einer Größe 3.1.3 Messunsicherheit 3.1.4 Zeitabhängige additive Eigenfehler 3.1.5 Eichung und Kalibrierung 3.1.6 Korrektur von Linearitätsfehlern 3.1.7 Korrektur von störgrößeninduzierten Fehlern 3.1.8 Korrektur dynamischer Fehler 3.1.9 Statistische Messsignalverarbeitung

3.2 Signalanalyse

3.2.1 Ziel der Signalanalyse 3.2.2 Filterung 3.2.3 Fourier-Analyse 3.2.4 Hüllkurvenanalyse

3.3 Selbstüberwachung, Selbstkalibrierung und Rekonfiguration 3.4 Datenkompression 3.5 Lokale Datenspeicherung 3.6 Ereignisgesteuerte Messwerterfassung 3.7 Signalmanipulation und lokale Regelung 3.8 Unterstützung digitaler Schnittstellen 3.9 Gewährleistung der IT-Sicherheit bei vernetzten Implantaten

3.9.1 Allgemeine Empfehlungen für sichere vernetzte Implantate 3.9.2 Bedrohungen und Sicherheitsziele für intelligente vernetzte Implantate 3.9.3 Sicherheitsmaßnahmen, Ansatzpunkte 3.9.4 Mögliche Sicherheitsmaßnahmen

Fußnoten

4 Aufbau intelligenter und vernetzter Implantate

4.1 Konzepte

4.1.1 Energiebedarf 4.1.2 Hard- und Software-Codesign digitaler Systemkomponenten 4.1.3 Modularisierungsansätze 4.1.4 Signalfluss bei analoger Signalverarbeitung 4.1.5 Signalfluss bei digitaler Signalverarbeitung

4.2 Sensoren

4.2.1 Sensorklassen 4.2.2 Implantierbare und extrakorporale Sensoren

4.3 Aktive Messschaltung

4.3.1 Grundschaltung Operationsverstärker 4.3.2 Instrumentenverstärker 4.3.3 SC-Schaltungen 4.3.4 Extraktion von Merkmalen und von indirekten Messgrößen

4.4 Anti-Aliasing-Filter 4.5 Analog-/Digital-Wandler

4.5.1 Auflösung 4.5.2 Umsetzungsgeschwindigkeit 4.5.3 Verfahren

4.6 Mikroprozessor

4.6.1 Einordnung 4.6.2 Rechenleistung 4.6.3 Speicherbedarf 4.6.4 Genauigkeit 4.6.5 Leistungsbedarf 4.6.6 Verfügbare frei programmierbare Prozessoren

4.7 Speicherarten 4.8 Interne und externe Schnittstellen aktiver Mikrosysteme

4.8.1 Allgemeine Kommunikationsanforderungen 4.8.2 Intrakorporale drahtgebundene Signalübertragung 4.8.3 IMEX-Schnittstellendefinition medizintechnischer Mikrosysteme 4.8.4 Schnittstellenauswahl

4.9 Autarke Energieversorgungskonzepte

4.9.1 Batterien und Akkumulatoren 4.9.2 Mikromechanische Generatoren 4.9.3 Energiemanagement

Fußnoten

5 Biokompatible Aufbau- und Verbindungstechnik

5.1 Einführung 5.2 Methoden 5.3 Zytotoxizitätsuntersuchungen

5.3.1 Materialproben im direkten Zellkontakt 5.3.2 Materialproben im indirekten Zellkontakt

5.4 Biostabilitätsuntersuchungen

5.4.1 Fluidische Materialdegradation 5.4.2 Barriereeigenschaften von Polymerwerkstoffen

5.5 Einfluss von Sterilisationsprozeduren 5.6 Zusammenfassung

Quellenverzeichnis

6 Sensorschnittstelle S1

6.1 Überblick 6.2 Amplituden-analoge Signalübertragung

6.2.1 Störeinflüsse 6.2.2 AMA PrimSens-Schnittstelle 6.2.3 Differenzielle Signalübertragung

6.3 Modulationsbasierte Übertragung

6.3.1 SC-Oszillator als aktive Messschaltung und Sensorschnittstelle 6.3.2 Sensorschnittstelle IEEE 1451.4 mit elektronischem Datenblatt

7 Komponentenschnittstelle S2

7.1 Überblick 7.2 Referenzmodell des Übertragungssystems

7.2.1 Das OSI-Referenzmodell

7.3 UART 7.4 Eindrahtschnittstelle 1-Wire Net (MicroLAN)

Charakteristik des Standards IEEE P1451.4 Hardwarekonfiguration Signaldefinition 1-Wire Protokoll Initialisierung des 1-Wire Netzwerks Master

7.5 SPI-Schnittstelle 7.6 I²C-Schnittstelle 7.7 Multichannel Buffered Serial Port (McBSP) 7.8 Drahtgebundene externe Schnittstellen

7.8.1 USB 7.8.2 CAN (Controller-Area-Network) 7.8.3 IEEE1394 7.8.4 IEEE-488-Bus (GPIB- Interface)

7.9 Vergleich

Quellenverzeichnis

Fußnoten

8 Drahtlose Schnittstelle S3

8.1 Einleitung 8.2 Anforderungen

Reichweite Datenübertragungsrate Übertragungsfrequenzen Zeit für die Verbindungsaufnahme Anzahl der möglichen Teilnehmer Fehleranfälligkeit Sendeleistung Gesetzliche Bestimmungen Leistungsbedarf Baugröße (Abmessungen) Wirkungsgrad Modulationsverfahren Verschlüsselung

8.3 Überblick 8.4 Funksysteme

8.4.1 Bluetooth 8.4.2 DECT 8.4.3 Konnex 8.4.4 WLAN IEEE802.11 8.4.5 Wireless Personal Area Network (WPAN) IEEE802.15 8.4.6 IEEE 802.15.4 WPAN Low Rate 8.4.7 ZigBee 8.4.8 nanoNET 8.4.9 Body Area Network 8.4.10 Medical Implant Communication Service (MICS)

8.5 Transponder

8.5.1 Transponderklassifikation 8.5.2 RFID-Frequenzen 8.5.3 Funktionsprinzip von RFID-Transpondern 8.5.4 Übertragungs- und Modulationsverfahren 8.5.5 Transponder mit Sensoren 8.5.6 Einfluss von Körpergewebe auf die Wellenausbreitung

8.6 Infrarotübertragung mit IrDA

Quellenverzeichnis

9 Datenformat-Schnittstelle S4

9.1 Überblick 9.2 Problemstellung

9.2.1 Medizinische Datenverarbeitung 9.2.2 Medizintechnische Informationsverarbeitung

9.3 Lösungsansatz

9.3.1 Netzwerkarchitektur 9.3.2 Formatstruktur

9.4 Personal Connected Health Alliance – Eine Kooperation zwischen Continua, mHealth Summit und HIMSS

9.4.1 Einführung 9.4.2 Continua Design Guidelines 9.4.3 Referenzarchitektur 9.4.4 Personal Health Devices Interface 9.4.5 Services Interface 9.4.6 Healthcare Information System Interface 9.4.7 Test- und Zertifizierungsprogramm 9.4.8 Zugrunde liegende Standards

9.5 Protokoll-Standards

9.5.1 xDT-Schnittstellen zu Arztpraxissystemen 9.5.2 HL7 – Schnittstelle zu Klinischen Informationssystemen 9.5.3 Weitere Standards 9.5.4 Weiterentwicklung der Schnittstellenformate

Fußnoten

10 Mensch-Maschine-Interaktion

10.1 Fehler in der Mensch-Maschine-Interaktion im medizinischen Kontext

10.1.1 Mensch-Maschine Interaktion und die Rolle der Benutzerschnittstelle 10.1.2 Was ist nutzergerechte Software medizinischer Geräte? 10.1.3 User Centered Design 10.1.4 Human Error 10.1.5 Fehlerursachen im Umgang mit medizinischer Software 10.1.6 Fehlerkategorisierung

10.2 Anwendung und Vergleich zweier Fehlertaxonomien am Beispiel medizinischer Geräte im Operationssaal

10.2.1 Methode 10.2.2 Ergebnisse Nutzungsprobleme kategorisiert nach Reason 10.2.3 Ergebnisse Nutzungsprobleme kategorisiert nach FAUST 10.2.4 Vergleich und Zusammenhang der Fehlertaxonomien

10.3 Fazit 10.4 Supplement: Mensch-Maschine, Rückkopplung und Sichtbarkeit

10.4.1 Softwareergonomie 10.4.2 Das Benutzer-Interface 10.4.3 Semiotik

Stichwortverzeichnis

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