TU intern - Oktober 1999

TU intern - Oktober 1999 - Forschung

10 Jahre Chips für das Oskar-Helene-Heim

IC's zur Messung von Belastung und Temperatur orthopädischer Implantate

Fertigung in Handarbeit: René Hartmann und Marlies Mahnkopf arbeiten an der Herstellung der integrierten Schaltkreise für den Telemetriesender T 8

Wer bei Chips nur an Kartoffeln denkt, der hat etwas verpasst. Längst versteht man darunter nicht nur das beliebte Knabbergebäck. Ist davon in der Elektronik die Rede, dann geht es um sogenannte integrierte Schaltkreise. Verschiedene elektronische Bauelemente wie Widerstände, Transistoren, Sensoren oder Temperaturmesser werden in einem Bauteil integriert und miteinander verbunden. Es entsteht der Chip, der in einem Gerät eine bestimmte Funktion ausführt.

Chips für Standardanwendungen werden heute industriell in riesigen Mengen gefertigt. Anders sieht es allerdings aus, wenn es um spezielle Einsatzgebiete geht und der Chip nicht in der Mikrowelle, sondern zum Beispiel im menschlichen Körper zu Forschungszwecken seinen Dienst tun soll. Dann benötigt man Bauelemente, die den besonderen Bedürfnissen der Forschungsarbeiten angepasst sein müssen und nur in kleinen Stückzahlen produziert werden. Wo solche Schaltkreise gefertigt werden? Zum Beispiel in der Jebensstraße, in der Technologie der Abteilung Festkörperelektronik der TU Berlin unter der Leitung von Bernt Müller.

Am 5. Oktober 1989 wurde dort die Herstellung integrierter Schaltkreise gestartet, die das Herzstück eines Telemetriesenders bilden, der Kräfte und Temperatur in Implantaten misst und überträgt. Bis heute, zehn Jahre später, wurden über hundert Stück gefertigt und in Hüftprothesen sowie neuerdings in Fixateuren an der Wirbelsäule, einer Art Klammer zur Stabilisierung von Wirbelbrüchen, eingesetzt. Dies geschieht in Zusammenarbeit mit dem BioMechanik-Labor des Oskar-Helene-Heims.

OPTIMIERUNG VON GELENKPROTHESEN

Dort befasst sich die Arbeitsgruppe um Dr.-Ing. Georg Bergmann und Dr.-Ing. Friedemar Graichen mit der Optimierung von Gelenkprothesen. Dazu ist es notwendig, detaillierte Kenntnisse der darin auftretenden Gelenkkräfte und Temperaturen zu haben. Die Forscher müssen genau wissen, wie die Gelenke in den verschiedensten Bewegungssituationen belastet werden. Sowohl hohe Gelenkkräfte als auch zu hohe Temperaturen können zu Schäden im Gelenk führen, die eine Lockerung des Implantats zur Folge haben. Von besonderer Bedeutung ist aufgrund der hohen Zahl von Implantationen das Hüftgelenk.

Etwa 100000 Patienten erhalten pro Jahr in Deutschland eine künstliche Hüfte. Bei etwa fünf bis acht Prozent tritt in den ersten zehn Jahren eine Lockerung ein, die häufig eine erneute Operation erforderlich macht. Durch die direkte Messung der Kräfte und der Temperatur, die durch Reibung im Gelenk ansteigt, können die Wissenschaftler die Ursachen der Lockerungen erkennen und so neue Implantate mit geringerer Kraftübertragung und Reibung an der Grenzfläche zwischen Gelenk und Knochen entwickeln.

Tele 8, der Chip ist so klein, dass er sogar in Wirbelklammern eingebaut werden kann

Die Durchführung derartiger in-vivo-Belastungsmessungen setzt allerdings voraus, dass kein erhöhtes Sicherheitsrisiko für den Patienten entsteht. Dieses erfordert ein Messsystem, das die Daten aus dem Körperinneren drahtlos übertragen kann. Sensoren, Messelektronik und Miniatursender müssen innerhalb der Prothese untergebracht und diese zum Schutz des Messsystems hermetisch gekapselt werden.

Dazu wurde im BioMechanik-Labor des Oskar-Helene-Heims zunächst ein Messsystem für Gelenkprothesen entwickelt, welches vier verschiedene Daten - die Kraftwirkung in den drei Raumrichtungen und die Temperatur - übertragen kann. Messungen an anderen Implantaten erfordern jedoch häufig eine höhere Anzahl von Messkanälen. Die Schaltung, die zunächst aus einzelnen Bauteilen aufgebaut war, musste also erweitert werden. Das Bauvolumen sollte jedoch nicht zunehmen. Dies war nicht mehr durch eine Kombination von einzelnen elektronischen Bauelementen, sondern nur mit einer integrierten Schaltung möglich, bei der alle Bausteine aus einer Grundplatte hergestellt und auf dieser verschaltet werden. Die Entwicklung dieser Schaltung erfolgte in einer Zusammenarbeit der Arbeitsgruppe um Professor Otto Manck vom Institut für Mikroelektronik der TU Berlin und des BioMechanik-Labors des Oskar-Helene-Heims. Dabei konnte die Größe des Senders sogar verringert werden, so dass er nun auch in Wirbel-Fixateuren eingesetzt werden kann. Seit 1997 erhielten vier Patienten ein künstliches Hüftgelenk und zehn Patienten einen Wirbel-Fixateur, der mit dem neuen 8-Kanal-Telemetriesender ausgestattet war.

Ursula Resch-Esser