ISSCC 2013 Die Medizinelektronik der Zukunft

In kaum einem anderen Bereich spürt der Mensch den Nutzen von Mikroelektronik derartig wie in der Medizin, wo sie bei Diagnose und Behandlung neue Wege eröffnet. Auf der ISSCC wurden neuartige Ansätze etwa für die Abschwächung epileptischer Anfälle, Iontophorese und Elektromyogramme vorgestellt.

In einem Vortrag des KAIST (früher Korea Advanced Institute of Science and Technology), einer südkoreanischen Universität mit dem Hauptsitz in Daejeon, ging es um Iontophorese, ein medizinisches Verfahren zur Resorption von Arzneistoffen durch die Haut unter Anwendung eines schwachen elektrischen Gleichstromes.

Die Dosierung des Arzneistoffes geschieht dabei durch die Anpsssung der Stromstärke und der Zeitdauer, für die der Strom fliesst. Genutzt wird dieses Verfahren heute u.a. für die Schmerztherapie, Ödem- und Rheumabehandlung, bei der der Arzneistoff in ein Gelenk eindringen soll, und sogar für nicht-medizinische Zwecke wie die Einbringung von Vitamin C aus kosmetischen Gründen. Das Medikament wird auf feuchtes Zellstoffpapier unter eine Elektrode gebracht. Elektrisch positiv geladene Arzneistoffe (Kationen) werden unter die positive Elektrode platziert, negativ geladene Arzneistoffe (Anionen) unter die negative Elektrode.

Traditionell nutzen derartige Systeme lediglich eine DC-Batterie ohne Controller. Das Problem dabei sind wechselnde Last-Impedanzen und Spannungsabfälle, was zu fehlerhaften Wirkstoffabgaben führt. Desweiteren ist es mit diesen Systemen nicht möglich, die Menge des abgegeben Wirkstoffes und den Hautzustand des Patienten in Echtzeit zu erfassen, was für eine exakte Abgabe notwendig wäre.

Die koreanischen Forscher haben nunmehr ein Controller-IC entwickelt, das in Echtzeit den Hautzustand sowie die abgegebene Wirkstoffmenge misst. Es enthält einen Temperatursensor und einen dualen Impedanz-Sensor, um die Hauttemperatur und die Übergangsimpedanzen Elektrode/Zellstoffpapier sowie Zellstoffpapier/Haut zu messen. Desweiteren gibt es eine programmierbare Stromquelle mit 32 Stufen. Das Wirkstoffabgabesystem liefert mit 87 mA x min eine höhere Dosierung als die von heute kommerziell verfügbaren Geräten (80 mA x min).

Bild 1 zeigt das System, das über eine externe Basisstation gestartet und programmiert wird. Hauttemperatur und Impedanzen werden minütlich gemessen und im 4 KB großen SRAM gespeichert oder mittels der Kommunikationsschnittstelle an die Basisstation übertragen. Wenn ein Fehler z.B. durch einen schlechten Kontakt auftritt oder die Wirkstoffabgabe beendet ist, geht eine LED an. Die Wirkstoffabgabe über die Zeit kann aus den SRAM ausgelesen werden.

Bild 2 zeigt das Blockdiagramm des Controller-ICs. Ein DC/DC-Wandler generiert aus der 1,2-V-Knopfbatterie eine Spannung von 3,3 V, über das Front-End wird die Wirkstoffabgabe programmiert, desweiteren finden sich die Sensoren, ein induktiver Transceiver und ein System-Controller mit Taktgenerator.

Der maximale Strom beträgt bei 5 KOhm Ausgangslast 512 µA, was bei Abgabe von z.B. 8,5 µg FeCl2 in der Schmerztherapie in 170 Minuten ermöglicht.  Der Chip wird in einem 0,11-µm-CMOS-Prozess gefertigt und ist 5,5 mm2 groß. Die maximale Leistungsaufnahme bei einem Strom von 512 µA beträgt 2,2 mW, die beiden Impedanzsensoren nehmen nur 70 µW auf. Mit einer Knopfbatterie, die eine Kapazität von 6,2 mAh bei 1,2 V aufweist, kann somit eine Betriebszeit von mehr als 2,8 h erreicht werden.