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Serie LabVIEW in der Praxis Leckströme in neuronalen Mikroelektroden erfassen und Messdaten automatisch aufnehmen

| Autor / Redakteur: Andreas Harms, S. Kammer und Klaus Peter Koch* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Werden Mikroelektroden entwickelt, die neuronale Signale stimulieren oder ableiten sollen, muss das umliegende Gewebe besonders geschützt werden. Leckströme geben Aufschluss, ob die elektrische Isolationsqualität gewährleistet ist. Schutz bieten Verkapselungen, die vorher getestet werden müssen. Die entwickelte Software ist Laufzeitstabil und speichert sowie verwaltet gewonnene Messergebnisse.

Schematische Übersicht des Leckstromtestsystems
Schematische Übersicht des Leckstromtestsystems
( Archiv: Vogel Business Media )

Durch fortschreitende Miniaturisierung werden die benötigten Isolationsschichten von implantierten Mikroelektroden zwischen den aktiven elektronischen Komponenten und dem biologischen Gewebe immer dünner und der Abstand zwischen den leitenden Strukturen geringer. Die Eigenschaften der Kapselungen sind für Funktion und Sicherheit der medizinischen Implantate von entscheidender Bedeutung.

Am Fraunhofer IBMT wurden verschiedene Materialien für das Verkapseln auf ihre Praxistauglichkeit für medizintechnische Anwendungen untersucht. Ist die Kapselung für implantierbare Elektroden geeignet, werden die Schutzschichten anhand ihrer elektrischen Isolationsqualität charakterisiert. Über kleinste Ströme, so genannten Leckströmen, lässt sich die Isolationseigenschaft bestimmen. Aussagen über Anwendbarkeit und Lebensdauer der Kapselungsschichten sind möglich.

Automatisierte Messung für akkurate Ergebnisse

Für Langzeituntersuchungen der Kapselungsqualität der zu implantierenden Elektroden bei der Ableitung neuronaler Signale oder zur Elektrostimulation ist es notwendig, eine automatisierte Messeinrichtung einzusetzen. Dabei sollte die Messung mehrere Proben über eine lange Zeit ermöglichen. Bedingt durch die enormen Zeitspannen hat man sich für eine automatisierte Messumgebung entschlossen. Das hat den Vorteil, das ein Benutzer nicht eingreifen muss und akkurate Messergebnisse erfasst werden können.

Messplatz evaluiert die Kapselungsmaterialien

Das Kapselungsmaterial wird auf einer Teststruktur mit fingerförmigen Leiterbahnen, interdigitale Strukturen, verwendet und innerhalb einer Probenflasche in eine 0,9% NaCl physiologischer Kochsalzlösung gelagert. Um Langzeitversuche mit mehreren Proben zu ermöglichen, werden 16 Proben innerhalb eines Moduls zusammengefasst. Die Proben werden in bis zu 8 Modulen in einem Brutschrank bei einer physiologischen Temperatur von 37 °C aufbewahrt [1]. Jedes Modul ist mit einer Versorgungs- und Multiplexerelektronik ausgestattet. Dabei werden die Proben mit einer Gleichspannung von 5 V konstant belastet. Alternativ kann über einen Signalgenerator ein Wechselsignal in den Messkreis eingebracht werden, um die Betriebsbedingungen von Elektroden realitätsnäher darzustellen.

Über den Parallel-Port wird der Multiplexer des jeweiligen Moduls angesprochen. Die Probenplätze werden sequenziell angesteuert, so dass der entsprechende Leckstrom von einem angeschlossenen Elektrometer erfasst wird. Die Verschaltung der Proben mit dem Elektrometer am Massepotenzial minimiert Leckströme innerhalb des Testsystems und ermöglicht mit der entsprechenden Peripherie Messungen in der Größenordnung von Femtoampere. Die erhaltenen Messwerte werden via GPIB-Schnittstelle übertragen. Die Ansteuerung des Elektrometers sowie der Signal- und Spannungsquelle wurde ebenfalls über GPIB realisiert.

Aktivierte Proben in jedem Zyklus seriell vermessen

Grafische Benutzeroberfläche der Anwendung (Archiv: Vogel Business Media)

Die Programmoberfläche des Top-Level-VI steuert das Leckstromtestsystem und zeigt die Ergebnisse an. Über zusätzliche Bedienoberflächen lassen sich Hardware und Parameter einstellen. Die Anzeigeelemente stellen das Verlaufsdiagramm dar: Tendenzen der aktuellen Probe sowie diskrete Werte des aktuellen Messzyklus. In einem zusätzlichen Diagramm lässt sich der Verlauf mehrerer Proben miteinander vergleichen. Die aktivierten Proben werden in jedem Messzyklus seriell vermessen. Zeitabweichungen durch die vorgegebenen Parameter und der Programmlaufzeit werden nach jedem Zyklus korrigiert, um eine Akkumulation der Abweichungen bei sehr langen Laufzeiten zu minimieren. Die geringe Amplitude der gemessenen Ströme bedingt Einschwingzeiten zwischen Einzelmessungen, die in der Kalkulierung der Abstände zwischen den Messungen berücksichtigt werden.

Bei Langzeituntersuchungen ist es unabdingbar, dass der Benutzereingriff auf ein Minimum reduziert wird oder überhaupt nicht notwendig ist. Messdaten sollten regelmäßig gespeichert werden. Neben der automatisierten Messwertaufnahme sind zahlreiche ereignisgesteuerte Funktionen für die Auswertung integriert. Aktuelle Messwerte lassen sich zu einer Klassifikation heranziehen. Fällt der Messwert einer Probe über einen einstellbaren Schwellwert, gilt sie als ausgefallen. Die entsprechende Schaltfläche im Hauptfenster wird farblich hervorgehoben. Damit die Daten kontinuierlich aufgezeichnet werden können, ist eine gesicherte Änderung der Proben auch innerhalb einer Messreihe möglich.

Programm erkennt Bedienfehler

Bedienfehler werden durch das Programm erkannt und abgefangen. Bei unvorhergesehenen Ereignissen wird eine E-Mail gesendet, um einen Leerlauf des Testsystems zu vermeiden. Die benötigten Routinen für die ausgewählten Peripheriegeräte sind modular in einem SubVI ausgegliedert und ermöglichen eine beliebige Konstellation der Peripheriegeräte mit diversen Parametern. Zudem können neue Geräte mühelos in die vorhandene Programmstruktur integriert werden.

[1] Kammer, S., Große Holthaus, M., Hsu, J.-M., Koch, K. P., Solzbacher, F. : „Implementation of Methods to Characterise Encapsulation Behaviour of Intended Implantable Materials“, 1st Electronics Systemintegration Technology Conference (ESTC) 2006, Proceedings, Vol. 2, 1040-1046 (2006)

*Andreas Harms arbeitet an der Technischen Universität Ilmenau, Fakultät für Maschinenbau. S. Kammer arbeitet am Fraunhofer Institut für Biomedizinische Technik, Abteilung Medizintechnik & Neuroprothetik in St. Ingbert und Klaus Peter Koch an der Fachhochschule in Trier.

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