TU Darmstadt / ULB / tuprints

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

Meiss, Thorsten:
Silizium-Mikro-Kraftsensoren für haptische Katheterisierungen: Entwurf, Musterbau und Signalverarbeitung sowie erste Validierung des Assistenzsystems HapCath.
Darmstadt .
[Book], (2012)

[img]
Preview
PDF
Silizium-Mikro-Kraftsensoren_für_haptische_Katheterisierungen_Meiss_2012.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives.

Download (44Mb) | Preview
Item Type: Book
Title: Silizium-Mikro-Kraftsensoren für haptische Katheterisierungen: Entwurf, Musterbau und Signalverarbeitung sowie erste Validierung des Assistenzsystems HapCath
Language: German
Abstract:

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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
During numerous minimally invasive procedures the issue of lacking force feedback arises. This is especially true for the catheterization of the heart where long and thin catheters and guide wires are inserted into the coronary arteries. The force which is supplied onto vessels and depositions by the tip of the instrument cannot be felt by the physician like during open surgery. The aim of this work is the research and development of suitable implementations of force measurement functions into guide wires for catheterizations. This work represents the part “force sensor” of the project “Haptic Catheter” (HapCath), where forces at the tip of guide wires shall be measured and displayed to the physician in an amplified way. In the first part of this work requirements for the integration of force sensors into guide wires are derived. By analysing the catheterization scenarios the optimal position for integration of sensors within the wire are determined. Advantages and limitations of the force measurement are identified. Demanding requirements result from small available space of 360 µm diameter and a length of 1 mm at maximum and from the application within the human body. Additional important requirements are quasi static measurement as well as the signal acquisition at a rate of 1 kHz in order to enable adequate haptic feedback of surfaces within the vascular system. With regard to the requirements determined the miniaturization potential and applicability of established sensor principles are examined. For building sensors to be integrated at the guide wire tip, monolithically integrated piezoresistive silicon force sensors prove to be particular suitable. This is due to their high miniaturization potential and robust signal transmission. Two novel piezoresistive sensors for different micro manufacturing technologies are designed. Criteria for defined generation of mechanical stress are derived and employed analytically and numerically. The stress distributions yield to an optimal positioning of the piezoresistors to measure a three component force vector. In particular, criteria for highest possible miniaturization of piezoresistors in dependence of the manufacturing technologies are identified. The designs are put into practice. Therefore, special technology adaptations are performed for structural wet and dry etching, separation of the elements as well as for material layers of the contact pad system by calculations and experiments. To measure the force vector in magnitude and direction new signal processing algorithm are developed, analyzed and implemented. The novel approach of alternated commutation of the signal wires of the measuring elements allows for the determination of absolute single resistor values at the fully closed Wheatstone bridge to determine the force vector. From these basics a new concept for signal processing of a future sensor system with on chip integrated electronic is designed and launched into a manufacturing process. The integration of the measuring elements into the guide wire is influenced by two oppositional requirements. On the one hand, the electrical contact surface has to be minimized. On the other hand, long, tear resistant, robustly insulated wires have to be contacted. To overcome this contradiction a novel contact technology is developed. It allows for the deposition and micro structuring of noble metal contact areas at the end surfaces of robust copper wires. Thereby, it becomes possible to contact the measuring elements and to build the worldwide first functional prototypes of guide wires with integrated force sensors. Further options for optimizing the guide wire design are depicted and tested. A concept for biocompatible packaging is put into practice. For the verification of the sensor characteristics a measuring setup is developed. A three component reference force vector is generated, automatically controlled and coupled into the micro sensor. The calibration process is automated. For testing the sensor integrated guide wires and for validation of the concept of the assistance system HapCath, a special signal electronic for sensor readout and for the control of actuators for haptic feedback is implemented. A self-designed simple haptic display, the developed tactile guide wire and the signal electronic are joined together to build the functional assistance system HapCath for the first time. By using a model of the human vessels it is proved that vessel branches as well as depositions and obstacles within the vascular system model can be felt and recognized with the tactile guide wire. This enables intuitive navigation of the guide wire in the practical testing for the first time. As overall result the smallest known force sensors with dimensions of 200 • 200 • 630 μm³ are designed and manufactured. Their capability to measure force in magnitude and direction with a total error of 6 % is proved. For uniaxial force load measuring errors < 1,6 % are possible. The derived requirements are fulfilled. For the first time the appropriateness of the overall assistance system for catheterizations (HapCath) is verified. The acquired knowledge can be used to pursue additional micro sensor developments. The developed devices can directly be used to prototype tactile guide wires. Based on this work the medical benefit can be investigated in following studies.English
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Minimalinvasiv, Haptik, Kraftsensoren, Kraftmessung, Mikrosensoren, Mikrokraftsensoren, Haptisches Feedback, Haptische Rückmeldung, Katheterisierung, HapCath, Koronare Herzkrankheit
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Minimally invasive surgery, haptic, force sensors, force measurement, micro sensor, micro force sensor, haptic feedback, catheterization, HapCath, coronary heart diseaseEnglish
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 600 Technik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Date Deposited: 15 Jun 2012 11:57
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-29524
Additional Information:

Druckausg.: TU Darmstadt, 2012, Mikro- und Sensortechnik ; 22 [Darmstadt, TU, Diss., 2012]

License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Additional Information:

Druckausg.: TU Darmstadt, 2012, Mikro- und Sensortechnik ; 22 [Darmstadt, TU, Diss., 2012]

Referees: Werthschützky, Prof. Dr.- Roland and Gerlach, Prof. Dr.- Gerald
Refereed: 1 February 2011
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2952
Export:

Actions (login required)

View Item View Item