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Die vorliegende Erfindung betrifft eine intravasale Blutpumpe, die insbesondere als Herzunterstützungssystem eingesetzt werden kann. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Leiterbahnen bei einer solchen Blutpumpe.
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Stand der Technik
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Zur Unterstützung der Pumpfunktion des Herzens sind sogenannte Linksherzunterstützungssysteme (LVAD) bekannt. Hierbei handelt es sich um chirurgisch implantierbare mechanische Pumpen, die das Herz unterstützen. Durch kontinuierliches Pumpen von Blut wird das Blut aus der linken Herzkammer in die Aorta gepumpt, so dass bei einem herzinsuffizienten Patienten ausreichend sauerstoffreiches Blut in den Körper gelangt. Zu diesem Zweck sind sogenannte Ballonpumpen bekannt. Darüber hinaus sind bereits Rotationsblutpumpen entwickelt worden, die insbesondere auch minimal-invasiv beispielsweise in die linke Herzkammer und die Aorta eingebracht werden können. In entsprechender Weise ist beispielsweise auch eine Unterstützung der rechten Seite des Herzens möglich. Derartige Systeme stellen hohe Anforderungen an die Baugröße. Die erforderlichen geringen Abmessungen werden beispielsweise durch eine Reduktion der Wandstärken auf ein Mindestmaß erreicht. Dabei ist allerdings die Integration von aktiven elektronischen Komponenten oder allgemein von Sensoren mit geeigneten Anbindungen schwierig. Die internationale Patentanmeldungsschrift
WO 2013/160443 A1 beschreibt eine intravasale Rotationsblutpumpe, bei der in das System ein optischer Drucksensor integriert ist, wobei die optische Anbindung über Lichtleiterfasern aufwendig durch neutrale Fasern entlang der Strömungskanüle der Blutpumpe realisiert ist.
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Beschreibung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine intravasale Blutpumpe, die insbesondere auf dem Rotationspumpenprinzip basiert, bereit, die insbesondere als Herzunterstützungssystem einsetzbar ist. Die Blutpumpe umfasst eine Spitze, einen ersten Bereich mit wenigstens einer Blutdurchtrittsöffnung, eine Strömungskanüle, einen zweiten Bereich mit wenigstens einer Blutdurchtrittsöffnung, eine motorbetriebene Pumpeinrichtung und ein Leitungskabel zur elektrischen Versorgung und Ansteuerung des Systems. Die Blutpumpe zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine elektrische Leiterbahn durch eine Oberflächenbeschichtungsstruktur zumindest im Bereich der Strömungskanüle vorgesehen ist. Durch die elektrische Leiterbahn(en) können elektrische Anbindungen und/oder Sensoren realisiert werden. So kann im Bereich der Spitze wenigstens eine elektronische Komponente angeordnet sein, insbesondere eine oder mehrere aktive elektronische Komponenten, für deren elektrische Anbindung die wenigstens eine elektrische Leiterbahn dient. Durch derartige elektrische Leiterbahnen kann der Dickenauftrag der elektrischen Verbindungsleitungen in besonders vorteilhafter Weise auf ein Minimum reduziert werden. Hierdurch wird den Anforderungen an die geringe Baugröße derartiger Systeme Rechnung getragen. Durch solche Oberflächenbeschichtungsstrukturen ist es möglich, insbesondere den Bereich der Strömungskanüle zu überbrücken. Es können aber auch weitere Bereiche der Blutpumpe überbrückt werden, beispielsweise die Bereiche der Blutdurchtrittsöffnungen und der Pumpeinrichtung oder Teile davon. Elektronische Komponenten in der Spitze des Systems können somit an weiter entfernt liegende Bereiche des Systems elektrisch angebunden werden, insbesondere an das Leitungskabel, so dass beispielsweise eine Energieübertragung und/oder Datenübertragung von oder an externe Steuereinrichtungen und/oder Auswerteeinrichtungen möglich ist. Die Erfindung erlaubt eine sehr vorteilhafte elektrische Kontaktierung von elektronischen Komponenten in der Spitze oder auch an anderer Position, wobei die elektrische Kontaktierung bzw. Anbindung an das Leitungskabel durch die elektrische Oberflächenfunktionalisierung sehr dünn und platzsparend und dabei sehr fest, stabil und zuverlässig ausgeführt werden kann. Der hierfür erforderliche Montageprozess kann in kostengünstiger Weise realisiert werden.
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Bei den elektronischen Komponenten im Bereich der Spitze kann es sich insbesondere um Sensoren handeln, beispielsweise um Drucksensoren, Durchflussmesssensoren, Temperatursensoren oder Anderes. Möglich sind beispielsweise auch optische Sensoren, Beschleunigungs- oder Drehratensensoren und akustische Sensoren (Mikrofone). Allgemein kommen hierfür Sensoren oder andere elektronische Komponenten und Elektrodenflächen in Frage, die für eine medizinische Überwachung des Patienten und/oder der Funktion der intravasalen Blutpumpe und/oder für eine Steuerung der Blutpumpe geeignet sind.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer elektrischen Anbindung von elektronischen Komponenten durch die Leiterbahnen können mithilfe der Leiterbahnen selbst Sensoren realisiert werden, beispielsweise Dehnungssensoren und/oder Bruchsensoren und/oder Temperatursensoren. Auf diese Weise können in die Oberflächenstruktur in sehr vorteilhafter Weise Sensoren integriert werden. Weiterhin sind auch offenliegende Elektroden zur Aufzeichnung von elektrischen Erregungssignalen oder zur Durchführung einer elektrischen Impedanzmessung möglich. Derartige Sensoren können durch Sensorbereiche innerhalb der Oberflächenbeschichtungsstruktur realisiert sein, die mäanderförmige Leiterbahnen umfassen. Weiterhin können die Leiterbahnen in dem oder den Sensorbereich(en) aus einem anderen Material als die Leiterbahnen außerhalb der Sensorbereiche gefertigt sein. Beispielsweise können die Leiterbahnen in einem Sensorbereich aus Platin gebildet sein, wodurch der Sensorbereich als Temperatursensor eingesetzt werden kann. Weiterhin ist die Nutzung von derartigen Sensorbereichen auch als elektrische Sensoren möglich, sodass die Sensoren beispielsweise zur dielektrischen Charakterisierung des umgebenden Blutes dienen. Die Kopplung kann dabei konduktiv oder kapazitiv erfolgen, vergleichbar mit einer Impedanz-Spektroskopie. Auch ist die Integration eines dünnen Oberflächenwellensensors, beispielsweise als dünnes Keramikscheibchen zur Bestimmung beispielsweise der Blutviskosität, möglich.
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Vorzugsweise weist die Strömungskanüle der intravasalen Blutpumpe ein oder mehrere beschichtungsfähige Materialien auf. Es kann insbesondere eine Schlauchführung aus beschichtungsfähigem Material vorgesehen sein. Auf das oder die beschichtungsfähigen Materialien ist die Oberflächenbeschichtungsstruktur zur Realisierung der elektrischen Leiterbahnen aufgebracht. Im Allgemeinen ist es zweckmäßig, wenn die Strömungskanüle flexibel ausgestaltet ist. Hierfür kann beispielsweise die Schlauchführung mit einer flexiblen Skelettstruktur, beispielsweise einer Spiralstruktur, ausgestattet sein. Andere Möglichkeiten sind beispielsweise Zick-Zack- oder Wellenstrukturen. Die flexible Struktur (z.B. die Spiralstruktur) ist zweckmäßigerweise so ausgestaltet, dass eine durchgehende Stegstruktur vorhanden ist, auf der die elektrischen Leiterbahnen geführt werden. Mit besonderem Vorteil sind derartige flexible Strukturen aus dem beschichtungsfähigen Material zumindest teilweise gebildet. Als beschichtungsfähige Materialien kommen beispielsweise metallische Materialien in Frage, beispielsweise Titan und/oder Edelstahl. Besonders bevorzugt sind Nickel-Titan-Legierungen (NiTiNol), die aufgrund ihrer besonders vorteilhaften Eigenschaften in der Medizintechnik bereits Verwendung finden. Neben ihren Vorteilen im Hinblick auf ihre Verformungseigenschaften haben Nickel-Titan-Legierungen auch den Vorteil, direkt beschichtet werden zu können. Andere geeignete beschichtungsfähige Materialien sind beispielsweise Glas und/oder Keramik.
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In bevorzugter Weise kann die Oberflächenbeschichtungsstruktur einen Mehrlagenaufbau aufweisen, beispielsweise einen Zweilagenaufbau, wobei im Zwischenraum zwischen zwei Leiterstrukturen die untere Lage für eine Metallisierung einer weiteren Leiterlage genutzt werden kann, so dass mehrere Leiterbahnenschichten gewissermaßen ineinander verschachtelt sind. Hierdurch kann zum einen die Gesamtleiterbreite reduziert werden. Zum anderen ist auch die Schichtdicke des gesamten Leiteraufbaus reduziert.
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Vorzugsweise sind für eine elektrische Kontaktierung der Leiterbahnen elektrische Kontaktpads vorgesehen. Die Kontaktpads können beispielsweise am Ende der Strömungskanüle, entgegengesetzt der Spitze des Systems, vorgesehen sein.
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Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von elektrischen Leiterbahnen zumindest im Bereich einer Strömungskanüle einer intravasalen Blutpumpe, wobei bezüglich dieser Blutpumpe auf die obige Beschreibung verwiesen wird. Hierbei werden die elektrischen Leiterbahnen durch eine Oberflächenbeschichtung, insbesondere durch oberflächenlithographische Methoden, hergestellt. Hierbei können vor allem optische lithographische Methoden (z.B. UV-Lithographie) eingesetzt werden. Es können beispielsweise ebene 2D-Waferprozesse auf zylinderförmige Körper angewandt werden, sodass durch Anpassungen von Belichtungsvorrichtungen im Prinzip herkömmliche Lithographieprozesse verwendet werden können. Photolithographische Methoden, insbesondere dreidimensionale UV-photolithographische Methoden eignen sich in besonderer Weise. Zur Herstellung der Oberflächenstrukturierung können hierbei insbesondere ein Magnetron-Sputtering und ggf. nasschemische Ätzmethoden zum Einsatz kommen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens kann nach einer gegebenenfalls erforderlichen anfänglichen Reinigung und Oberflächenaktivierung des zu beschichtenden Materials zunächst eine isolierende Grundschicht auf das beschichtungsfähige Material aufgebracht werden. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine Oxidschicht handeln, die durch Sputtern aufgebracht wird, oder ein Polyimid. Anschließend wird ein Photoresist aufgebracht und gemäß den aufzubringenden Leiterbahnen strukturiert. Hierfür wird zweckmäßigerweise eine Lithographiemaske angelegt, beispielsweise aus chrombeschichtetem Quarzsubstrat, bevor das Photoresist belichtet und entwickelt wird. Anschließend wird die metallische Leiterbahnstruktur durch Sputtern aufgebracht. Aus Gründen der Biokompatibilität wird als Material für die Leiterbahnen vorzugsweise Gold verwendet. Anschließend wird das Photoresist entfernt. Abschließend wird eine elektrisch isolierende und vorzugsweise biokompatible Oberfläche aufgebracht. Auch dies kann wiederum durch Sputtern von beispielsweise Oxid oder durch Aufbringen von Polyimid oder Parylene oder Anderem erfolgen. Die Schichtdicke der resultierenden gesputterten Oberflächen liegen vorzugsweise in einem Bereich von einigen hundert Nanometern.
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Insbesondere für Anwendungen, die eine hohe Leitfähigkeit der Leiterbahnstrukturen erfordern, kann durch die nachfolgend beschriebene Ausführungsvariante des Verfahrens eine Leiterbahnstruktur mit einer erhöhten Schichtdicke (beispielsweise einige Mikrometer) bereitgestellt werden. Hierfür wird zunächst eine im Prinzip komplette leitfähige Oberflächenbeschichtung hergestellt. Diese wird durch ein strukturiertes Photoresist gefenstert und die freiliegenden Fenster werden anschließend galvanisch aufgedickt. Im Einzelnen wird bei dieser Variante nach einer gegebenenfalls erforderlichen anfänglichen Reinigung und Oberflächenaktivierung zunächst eine isolierende Grundschicht aufgebracht, beispielsweise eine Oxidschicht durch Sputtern oder eine Grundschicht aus Polyimid. Anschließend wird eine initiale metallische Leiterschicht (z.B. Gold) aufgebracht. Auf die initiale Leiterschicht wird ein Photoresist aufgebracht und gemäß den aufzubringenden Leiterbahnen strukturiert. Die freiliegenden metallischen Leiterbahnen bzw. die freiliegenden Fenster werden anschließend nasschemisch galvanisch aufgedickt, so dass die gewünschte Leitfähigkeit bei den freiliegenden Metallstrukturen hergestellt werden kann. Das Photoresist wird entfernt. Zur Entfernung der initialen metallischen Leiterschicht außerhalb der Leiterbahnstrukturen wird die Oberfläche geätzt, so dass die elektrischen Leiterbahnstrukturen freigestellt werden. Abschließend wird eine elektrisch isolierende und vorzugsweise biokompatible Oberfläche aufgebracht, beispielsweise durch Sputtern von Oxid oder durch Aufbringen von Polyimid oder Parylene oder anderen Materialien.
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Neben der Oberflächenstrukturierung zur Herstellung der Leiterbahnen umfasst der Prozess vorzugsweise auch die Strukturierung des Rohrmaterials, bei der eine Stegstruktur hergestellt wird, auf der die Leiterbahnen geführt werden (beispielsweise Spiralstruktur). Diese Strukturierung kann vor oder nach der Herstellung der Leiterbahnen erfolgen. Abschließend werden die Fenster der Stegstruktur beispielsweise mit Silikon oder Polyurethan verschlossen. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen. Hierbei können die einzelnen Merkmale jeweils für sich oder in Kombination miteinander verwirklicht sein.
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In den Zeichnungen zeigen:
- 1 Schnittdarstellung eines menschlichen Herzens und Lunge mit eingebrachter intravasaler Blutpumpe;
- 2 schematische Darstellung der Komponenten einer intravasalen Blutpumpe (LVAD-System);
- 3 isometrische Darstellung einer flexiblen Schlauchführung der Strömungskanüle einer intravasalen Blutpumpe;
- 4 Detailansicht der Schlauchführung einer Strömungskanüle mit einer erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtungsstruktur zur Ausbildung von Leiterbahnen;
- 5 Detailansicht der Schlauchführung einer Strömungskanüle mit einer erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtungsstruktur mit Ausbildung von Sensorbereichen durch die Leiterbahnen;
- 6 Detailansicht der Schlauchführung einer Strömungskanüle mit erfindungsgemäßer Oberflächenbeschichtungsstruktur mit Darstellung von elektrischen Kontaktpads;
- 7 Detailansicht eines Querschnitts durch eine Strömungskanüle mit erfindungsgemäßer Oberflächenbeschichtungsstruktur;
- 8 weitere Detailansicht eines Querschnitts durch eine Strömungskanüle mit erfindungsgemäßer Oberflächenbeschichtungsstruktur mit einem Zweilagenaufbau;
- 9 weitere Detailansicht eines Querschnitts durch eine Oberflächenbeschichtungsstruktur mit einem mehrschichtigen Aufbau und
- 10 weitere Detailansicht eines Querschnitts durch eine Oberflächenbeschichtungsstruktur mit einem mehrschichtigen Aufbau und Schirmung.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt ein menschliches Herz 10 und die umgebenden Lungenflügel 20, wobei in die linke Herzkammer 11 eine intravasale Blutpumpe 100 eingebracht ist. Durch Pumpen der Blutpumpe 100 wird die Pumpfunktion des Herzens 10 unterstützt, indem sauerstoffreiches Blut, das aus der Lungenvene 12 in die linke Herzkammer 11 gelangt, in die Aorta 13 überführt wird. Die intravasale Blutpumpe kann beispielsweise für ein kontinuierliches Pumpen vorgesehen sein, oder die Pumpe basiert beispielsweise auf einem pulsatil arbeitenden System, bei dem die Pumpengeschwindigkeit moduliert wird.
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2 zeigt in schematischer Weise die Komponenten einer intravasalen Blutpumpe 100, die gemäß der Erfindung mit einer Oberflächenbeschichtungsstruktur zur Ausbildung von elektrischen Leiterbahnen ausgestattet ist. Die Blutpumpe 100 umfasst eine Spitze 110, wobei innerhalb der Spitze 110 in einem Bereich ein oder mehrere elektronische Komponenten 112 vorgesehen sein können, insbesondere Sensoren. Die Spitze wird von einer gleitfähigen Kappe 111 abgeschlossen. An die Spitze 110 schließt sich ein erster Bereich 120 (Zulaufkäfig) mit Blutdurchtrittsöffnungen 121 an. Durch die Blutdurchtrittsöffnungen 121 kann Blut beispielsweise aus der linken Herzkammer in die Blutpumpe eingesaugt werden. Es schließt sich eine Strömungskanüle 130 und ein zweiter Bereich 140 (Laufradkäfig) mit weiteren Blutdurchtrittsöffnungen 141 an. Es schließt sich ein Bereich 150 für eine motorbetriebene Pumpeinrichtung an. Innerhalb des Bereichs 140 befindet sich beispielsweise ein Laufrad (Flügelrad), das über die Pumpeinrichtung 150 betrieben wird, sodass das gepumpte Blut durch die Blutdurchtrittsöffnungen 141 austreten kann. An die Pumpeinrichtung 150 schließt sich ein Backend 160 an, über das der elektrische Anschluss erfolgt. Für die elektrische Versorgung und die Ansteuerung ist ein Zuleitungskabel 170 vorgesehen. Bei der motorbetriebenen Pumpeinrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine Rotationspumpe (Strömungsmaschine), wobei gegebenenfalls auch eine Umkehr der Förderrichtung vorgesehen sein kann.
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Durch die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtungsstruktur können insbesondere im Bereich der Strömungskanüle Sensoren oder Sensorbereiche realisiert werden, beispielsweise Bruchsensoren oder Dehnungssensoren oder Temperatursensoren. Weiterhin können mittels der Oberflächenbeschichtungsstrukturen die gegebenenfalls vorhandenen elektronischen Komponenten 112 der Spitze 110 elektrisch mit dem Zuleitungskabel 170 verbunden werden. Hierdurch kann insbesondere die Länge der Strömungskanüle 130 überbrückt werden, aber auch die Bereiche 120 und 140 sowie der Bereich mit der motorbetriebenen Pumpeinrichtung 150. Verschiedene Komponenten können dabei kombiniert und als ein Bauteil realisiert sein. Beispielsweise kann der erste Bereich 120 mit der Strömungskanüle 130 als ein Bauteil zusammengefasst sein, das dann in sehr vorteilhafter Weise mit der erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtungsstruktur zur Ausbildung von Leiterbahnen ausgestattet sein kann.
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3 zeigt eine kombinierte Ausgestaltung des ersten Bereichs mit Blutdurchtrittsöffnungen 221, an den sich direkt die Strömungskanüle 230 anschließt. Vorteilhafterweise ist die Strömungskanüle 230 als flexibler Zulaufschlauch bzw. als flexible Schlauchführung realisiert. Die flexible Strömungskanüle 230 wird in diesem Beispiel durch eine spiralförmige Struktur realisiert, die von umlaufenden gefensterten Stegen 300 gebildet wird. Beispielsweise kann hierfür ein laserstrukturiertes Rohr aus NiTiNol-Material als beschichtungsfähiges Material vorgesehen sein. Auf der rechten Seite des laserstrukturierten Rohres ist eine langlochförmige Durchbrechung vorgesehen, die für die Durchführung eines Führungsdrahtes in an sich bekannter Weise während des Implantationsprozesses vorgesehen ist. Die Skelett- oder Stegstrukturen 300 des NiTiNol-Materials werden zur Ausbildung der Leiterbahnen durch Oberflächenbeschichtung elektrisch funktionalisiert, wobei die Leiterbahnen insbesondere zur elektrischen Anbindung von elektronischen Komponenten und/oder zur Ausbildung von Sensoren dienen können. Die Spiralstruktur des NiTiNol-Rohres kann durch eine Laserstrukturierung hergestellt werden. Die freigestellten Fenster der laserstrukturierten Form können durch flexible Materialien verschlossen sein, beispielsweise durch Silikon oder Polyurethan. Die Flexibilität der Schlauchführung kann auch durch andere Strukturen erreicht werden, beispielsweise durch Zick-Zack- oder Wellenmuster. Die Oberflächenbeschichtungsstruktur als solche kann gemäß dem oben bereits beschriebenen Verfahren aufgebracht werden. In diesem Zusammenhang wird auch auf einen Artikel von Bechtold et al. (Biomed Microdevices, 2016 Dec; 18(6): 106) und einen Artikel von Lima de Miranda et al. (Rev. Sci. Instrum., 2009 Jan; 80(1): 015103) verwiesen, wobei diese Artikel sich allgemein mit einer Oberflächenstrukturierung befassen. So beschreiben Bechtold et al. die Beschichtung von dünnen Filmen aus einer Nickel-Titan-Legierung zur Ausbildung von isolierten Elektroden auf der äußeren Oberfläche. Lima de Miranda et al. beschreiben eine rotationale UV-Lithografie bei zylindrischen Geometrien. Die Laserstrukturierung des NiTiNol-Rohres zur Ausbildung beispielsweise der Spiralstruktur kann vor oder nach der elektrischen Funktionalisierung erfolgen.
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4 zeigt eine Detailansicht der resultierenden beispielhaften Leiterbahnstrukturen auf der Strömungskanüle 230. Die Stege 300 der laserstrukturierten Spiralstruktur (siehe 3), die gewissermaßen das Gerüst der flexiblen Strömungskanüle 230 bilden, lassen Fenster 301 frei. Die Fenster 301 sind vorzugsweise flexibel verschlossen, beispielsweise durch Silikon oder Polyurethan. Die Stege 300 zusammen mit den verschlossenen Fenstern 301 bilden die Schlauchführung der Strömungskanüle 230. Erfindungsgemäß werden auf die Stege 300 durch Lithographie und Beschichtungstechnik elektrische Leiterbahnstrukturen 302, 303 aufgebracht.
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Zur eigentlichen Herstellung der elektrischen Leiterbahnen wird für jede Lage eine Lithographiemaske angelegt, die die entsprechenden Beschichtungsstrukturen (elektrische Leiterbahnstrukturen) enthält. Bei der Lithographiemaske kann es sich beispielsweise um ein chrombeschichtetes Quarzsubstrat handeln. Nichtleiter wie Photoresist oder Polyimid können beispielsweise durch Tauchen flächig aufgebracht werden, Nichtleiter wie Parylene C können beispielsweise im Vakuum abgeschieden werden. Initiale metallische Lagen werden insbesondere durch Sputtern, dickere Lagen durch Aufgalvanisierung aufgebracht.
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Im Produktionsprozess können vor allem zwei Vorgehensweisen zum Einsatz kommen: Nach Verfahren 1 wird das Rohrmaterial (beispielsweise NiTiNol) zunächst mit der elektrischen Oberflächenbeschichtung zur Ausbildung der Leiterbahnen versehen. Im nächsten Schritt wird die flexible Struktur beispielsweise durch Laserschneiden hergestellt (Laser-Strukturierung), wobei Beschichtungsstruktur und Laserschneidkontur aufeinander geometrisch abgestimmt sind. Im letzten Schritt werden die Fenster der flexiblen Struktur verschlossen, beispielsweise durch Tauchen oder Umspritzen. Nach Verfahren 2 wird zunächst das Rohrmaterial strukturiert. Anschließend wird mit den lithographischen Prozessen die Oberflächenfunktionalisierung zur Ausbildung der Leiterbahnen hergestellt. Abschließend werden die Fenster der flexiblen Struktur entsprechend wie im Verfahren 1 verschlossen. Verfahren 1 hat den Vorteil, dass der Lithographieprozess vereinfacht ist. Verfahren 2 hat den Vorteil, dass direkt nach der Strukturierung des Rohrmaterials Formeinprägungen in das NiTiNol-Material möglich sind, beispielsweise „Einspeichern“ von Biegungen oder Querschnittsveränderungen zum Querschnitt des Ausgangsmaterials (z.B. Aufweitungen des Querschnitts). Wegen der zur Formeinprägung notwendigen Prozesstemperaturen ist es in der Regel vorteilhaft, diesen Schritt vor der lithographischen Oberflächenbeschichtung durchzuführen.
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5 zeigt besonders bevorzugte Ausgestaltungen der Leiterbahnen, bei denen die Leiterbahnstruktur als Sensor (links) oder als elektrische Anbindung und zusätzlich als Sensor (rechts) ausgeführt ist. Vergleichbar mit der 4 ist die Strömungskanüle 230 mit Leiterbahnen 302, 303 ausgestattet, die durch Oberflächenstrukturierung der Stege 300 der Strömungskanüle 230 ausgebildet sind (rechter Abbildungsteil). Weiterhin sind mäanderförmige Leiterbahnen vorgesehen, die die Sensorbereiche 304 (links) bzw. den zusätzlichen Sensorbereich 305 (rechts) bilden. Hierbei können zwischen einzelnen Sensorbereichen 304 gerade verlaufende Abschnitte der Leiterbahnen vorgesehen sein oder der Sensorbereich 305 wird von einer durchgehend mäanderförmigen Leiterbahn gebildet. Die Zu- und Ableitungen 306, 307 der Sensorbereiche 304 können aus einem anderen Material als die Sensorbereiche selbst gefertigt sein. Mehrere Sensorbereiche können über separate Zuleitungen oder auch beispielsweise mit einer gemeinsamen Rückkanalleitung 308 ausgeführt sein.
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Für einen Temperatursensor kann es beispielsweise vorgesehen sein, die Leiterbahnen der Sensorbereiche 304 oder 305 aus Platin auszuführen, da Platin einen sehr linearen Widerstand-Temperatur-Zusammenhang aufweist. Die Zu- und Ableitungsbahnen 306, 307, 308 weisen dabei zweckmäßigerweise einen möglichst geringen Widerstand auf, um wenig Einfluss auf das Sensorsignal auszuüben. Die Leiterbahnstrukturen können beispielsweise auch als Dehnungs- oder Bruchsensoren genutzt werden. Weiterhin ist die Nutzung beispielsweise als kapazitive Sensoren, Elektrodenflächen oder Kontaktpads für weitere Sensoren möglich.
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6 zeigt eine bevorzugte elektrische Kontaktierung der Leiterbahnen 302, 303 durch elektrische Kontaktpads 310, 311, 312, 313. Diese elektrische Kontaktierung kann beispielsweise am Ende der Strömungskanüle 230, also in Richtung des zweiten Bereichs 140, erfolgen. Es ist aber auch möglich, dass die Leiterbahnen auch noch über weitere Komponenten der Blutpumpe, beispielsweise über den Bereich 140, 150 bis zum elektrischen Anschlussbereich 160 geführt werden. Die elektrische Verbindung kann beispielsweise durch Leitkleben, Löten, Bonden oder Kraftschluss hergestellt werden. Die Verbindung kann direkt von beispielsweise NiTiNol-Komponente zu NiTiNol-Komponente oder von NiTiNol-Komponente direkt zu einem Kabel oder einem Dünnschichtsubstrat, je nach Ausgestaltung der Blutpumpe, erfolgen.
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7 zeigt einen Querschnitt durch den resultierenden Lagenaufbau, der die elektrischen Leiterbahnen realisiert. 710 stellt dabei die zugrundelegende NiTiNol-Struktur oder ein anderes beschichtungsfähiges Material als Stützstruktur der Strömungskanüle dar. 720 repräsentiert eine isolierende Grundschicht, beispielsweise aus Siliziumoxid oder Polyimid. 730 zeigt die metallischen Leiterbahnstrukturen, beispielsweise aus Gold. 740 stellt eine isolierende Abschlussschicht, beispielsweise aus Siliziumoxid, Polyimid oder Parylene, dar. Durch eine mehrfache Wiederholung der Oberflächenbeschichtung (Oberflächenlithographie) kann ein Mehrlagenaufbau, beispielsweise ein Zweilagenaufbau realisiert werden, wie es in 8 illustriert ist. 710, 720, 730 und 740 repräsentieren die beschichtungsfähige Struktur, die isolierende Grundschicht, die erste Lage der Leiterbahnstrukturen bzw. die isolierende Abschlussschicht, vergleichbar mit 7. Darüber hinaus ist in den Zwischenräumen zwischen den Leiterbahnstrukturen 730 eine weitere Leiterbahn 750 vorgesehen, die in einer etwas höheren Ebene angeordnet ist. Bei der Herstellung wird hierbei der Zwischenraum (Leerraum) zwischen den Leiterbahnstrukturen 730 auf der unteren Lage für die Metallisierung der oberen Lage genutzt, indem die metallische Leiterschicht in diesem Zwischenraum angeordnet wird. Diese versetzte Anordnung der Leiterbahnen auf unterschiedlichen Ebenen vermeidet die Ausbildung von größeren Erhebungen oder Rauheiten der Oberflächenstruktur in den Bereichen, in denen metallische Leiterbahnen übereinander liegen würden. Dies kann insbesondere bei höheren Mehrlagenaufbauten mit sechs oder mehr Schichten auftreten. Insofern hat diese Ausführungsform mit versetzter Anordnung gegenüber einer rein koaxialen Ausführungsform den Vorteil, dass die resultierende Schichtdicke des gesamten Leiteraufbaus reduziert ist. Gegenüber einer koplanaren Ausführung ist diese Ausführungsform ebenfalls besonders vorteilhaft, da die Gesamtleiterbreite reduziert ist. Wenn eine versetzte Anordnung der Leiterbahnen nicht gewünscht oder möglich ist, ist es alternativ auch möglich, eventuell auftretende Unebenheiten infolge übereinanderliegender Leiterbahnen beispielsweise mit einer Silikonschicht oder ähnlichem auszugleichen.
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9 zeigt einen weiteren Aufbau einer mehrschichtigen Leiterbahnstruktur. Dabei sind vier schmale Leiterbahnen 910 und zwei breite Leiterbahnen 920 übereinander auf dem beschichtungsfähigen Material (nicht näher dargestellt) angeordnet. Die schmalen Leiterbahnen 910 dienen beispielsweise als Kommunikationsbus für einen Druck- und einen Temperatursensor in der Spitze der Blutpumpe. Die breiten Leiterbahnen 920 weisen einen geringeren Widerstand (elektrische Leistung) auf und dienen beispielsweise zum Anschluss eines Ultraschallelements in der Spitze der Blutpumpe. Für die Herstellung eines solchen Aufbaus sind bei der Oberflächenbeschichtung insgesamt sieben Lagen erforderlich. 10 zeigt ein ähnliches Beispiel eines mehrschichtigen Aufbaus mit vier schmalen Leiterbahnen 1010 und zwei breiten Leiterbahnen 1020. Zusätzlich sind hierbei Metallisierungen als Schirmung 1030 vorgesehen, die die Leiterbahnen 1010 und 1020 gegeneinander und nach außen abschirmen, sodass eine definierte Leitungsimpedanz und weniger Hochfrequenzabstrahlung bei einer geschirmten Führung der Signale erreicht wird. Für die Herstellung eines solchen Aufbaus sind insgesamt 11 Lagen erforderlich. Im Kontaktpad-Bereich können die bis zu 11 Lagen zweckmäßigerweise entsprechend in die Breite geführt und beispielsweise durch eine vertikale Durchkontaktierung in die oberste Metalllage geleitet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Lima de Miranda et al. (Rev. Sci. Instrum., 2009 Jan; 80(1): 015103) [0017]
