Medizinische Bildgebung

Medizinische Bildgebung

Ultraschallbasierte Bildgebung in der Medizintechnik und der industriellen Messtechnik

Anwendungen für Medizin und Gesundheit

Speziell in der Medizintechnik und der industriellen Messtechnik ist die Sonographie ein etablierter Analysebereich. Für diese bilderzeugenden Techniken ist der Einsatz von Ultraschallwandlern in Form von Ultraschall-Arrays von maßgeblicher Bedeutung. Die Mehrzahl der heute in der Medizintechnik hergestellten Ultraschall-Arrays nutzt die piezoelektrische Keramik Blei-Zirkonat-Titanat (PZT), unter Ausnutzung des umgekehrten piezoelektrischen Effekts, zur Schallerzeugung. Hochfrequente hochauflösende bzw. kontaktlos luftgekoppelte Arrays, basierend auf PZT, sind allerdings in der Herstellung teuer und komplex. Zudem sind die eingesetzten toxischen Materialien nur eingeschränkt zukunftsfähig (RoHS-Konformität).

Kapazitive mikromechanisch hergestellte Ultraschallwandler (CMUT) ermöglichen hier neue Möglichkeiten. Durch den Einsatz mikromechanischer Herstellungsprozesse wird die wirtschaftliche Herstellung entsprechender Ultraschallarrays erstmals möglich. Weiterhin ermöglicht die hohe Miniaturisierung die Nutzung von CMUTs in invasiven Anwendungsfällen (z. B. Intrasvaskulärer Ultraschall, IVUS). Die Ergebnisse der bisherigen Entwicklungen lassen für CMUTs ein gutes Eigenschaftsprofil für die Fertigung hochfrequenter Arrays erkennen. Die CMUT Bauelemente bieten:

  • eine sehr hohe akustische Bandbreite
  • eine extrem niedrige mechanische Kopplung zwischen den Elementen
  • eine gute Anpassbarkeit an Wasser und Luft
  • die Integration zusammen mit elektronischen Komponenten (ASIC)
  • keine toxischen Materialien (RoHS-Konformität)

Dabei sind eine hohe Bandbreite und die niedrige Kopplung grundlegende Bedingungen einer Bildgebung, die an die Standards der konventionellen Bildgebung mit Ultraschall anschließen kann. Die hochintegrierte MEMS-Technologie ermöglicht erstmals die Signale eines Arrays vor Ort mit einer Ausleseelektronik zu verbinden, um eine einfache und kompakte Kontaktierung der Elemente zu erreichen. Durch die Nutzung der monolithischen Verbindungstechnik zwischen Sensor und Elektronik lassen sich hochplanare Oberflächen als Kontakt zum Medium realisieren.

MEMS-basiertes konfokales Fluoreszenzmikroskop

Anwendungen für Medizin und Gesundheit

Raman Bildgebung (Polystrol)

Bei einem konfokalen Fluoreszenz-Laser-Scanning-Mikroskop wird die Probe punktweise bestrahlt und die in der Probe angeregte Fluoreszenzstrahlung gemessen. Diese Technologie ermöglicht neben der Aufnahme von horizontalen Schnittbildern die Herstellung von 3D-Modellen strukturierter Oberflächen und fluoreszierender Proben. Hauptanwendungsgebiete liegen im Bereich der biologischen und medizinischen Forschung sowie der industriellen Qualitätssicherung. Auf Grund der Anwendungsgebiete in der Forschung handelt es sich hierbei jedoch meist um komplexe ortsfeste und entsprechend kostenintensive Instrumente. Das Fraunhofer IPMS hat deshalb ein robustes und portables MEMS-basiertes Fluoreszenz-Laser-Scanning-Mikroskop unter Verwendung von Standardoptiken entwickelt. Ermöglicht wird dies durch die Integration eines selbst entwickelten 2D-Mikroscannerspiegels.

Strukturierte Beleuchtung für die Mikroskopie - gezielte Beleuchtung biomedizinischer Proben zur Reduzierung lichtinduzierter Schäden

Anwendungen für Medizin und Gesundheit

Die moderne Methode der Lichtmikroskopie steht vor einer großen Herausforderung: Die permanente Beleuchtung der gesamten Probe mit einer relativ hohen Helligkeit verursacht Schäden durch die Lichtstrahlung. Um diesen phototoxischen Effekt zu reduzieren und die Probe zu schützen, muss die Beleuchtung selektiv und auf den zu untersuchenden Bereich begrenzt sein.

Das Fraunhofer IPMS entwickelt im Rahmen des Fraunhofer-Projektzentrums MEOS eine innovative Lösung für dieses Problem: optische Module für die hochauflösende Mikroskopie, die das einfallende Licht gezielt steuern können. Möglich wird dies durch die patentierten Mikrospiegelarrays des Fraunhofer IPMS. Bis zu mehrere Millionen Spiegel befinden sich auf einem Halbleiterchip und diese Miniatur-Ablenkspiegel können das Licht modulieren und lenken. Ein speziell entwickelter optischer Aufbau, der zwei Mikrospiegelarrays verwendet, ermöglicht die Steuerung sowohl des Beleuchtungsmusters als auch des Winkels des auf die Probe einfallenden Lichts. Auf diese Weise können biologische Proben im Rahmen eines sehr sorgfältigen, hochauflösenden Verfahrens untersucht werden.

Mobile Analysesysteme

Anwendungen für Medizin und Gesundheit

Für die verbesserte Bildgebung in der Point-of-Care-Diagnostik sind sehr kompakte Systeme mit hoher optischer Vergrößerung erforderlich, die durch die Kombination von Multi-Apertur-Optiken mit neuartigen MEMS-Antriebsprinzipien realisiert werden. Systeme mit einer optischen Auflösung im Sub-μm-Bereich sind möglich, die durch Wafer-Level-Integration gefertigt werden. Dies erlaubt eine robuste Diagnostik mit zugleich reduzierter Zeit für eine einzelne Analyse. Das grundlegende optische Abbildungsprinzip erfordert für die vergrößerte Bildaufnahme eine relative Bewegung der Multi-Apertur-Optik zum Objekt. Ein erster voll funktionsfähiger Demonstrator nutzt dazu noch Piezo-Bauelemente. Sie sollen zur weiteren Miniaturisierung des Systems durch spezielle, mittlerweile zum Patent angemeldete MEMS-Aktoren, sog. Inchworm-Drives, ersetzt werden, die das am Fraunhofer IPMS entwickelte NED-Antriebsprinzip nutzen. Die Integration dieser MEMS-Aktoren in den Demonstrator soll in Kürze erfolgen.