Abstract
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der elektromagnetischen Verträglichkeit elektronischer Implantate. Es wird ein Überblick über die derzeit angewendeten Implantate und deren elektromagnetische Verträglichkeit gegeben. Im weiteren wird die Störbeeinflussbarkeit neurologischer Impulsgeneratoren durch Mobilfunkgeräte (GSM 900 und GSM 1800) experimentell und mittels numerischer Simulation untersucht. Den Abschluss bilden Betrachtungen über verschiedene Elektrodenverlegungsarten und deren Einfluss auf die im Gewebe induzierten Ströme.
Kapitel 1: Beeinflussungsmatrix
Ziel des ersten Kapitels war es, eine Zusammenstellung über die derzeit angewendeten Implantate und über deren elektromagnetische Verträglichkeit auszuarbeiten. Die Auswertung der Literatur ergab eine Abschätzung der Beeinflussungswahrscheinlichkeit der einzelnen Implantate durch unterschiedliche Störquellen. Eine Literaturrecherche am AKH-Wien (Allgemeines Krankenhaus Wien) und an der TU-Wien (Technische Universität Wien) in den Datenbanken: FIZ (Fach-Informations-Zentrum) - Biomedizinische Technik, Medline, Pascal Biomed, CC Search und Embase lieferte 236 relevante Arbeiten. 12 unterschiedliche Implantate werden derzeit angewandt: Herzschrittmacher, Defibrillator, Cochlear- und Hirnstammimplantate, Neurostimulatoren - Funktionelle Elektrostimulation FES (Blasenschrittmacher, Atemschrittmacher, Beinschrittmacher, dynamische Myoplastie, etc.), Rückenmarkstimulator, Wirbelsäulen-Knochenwachstumsstimulator, Telemetriesysteme, Medikamentendosiersysteme, Kunstherz, Neurologische Impulsgeber, Sehstimulatoren, Implantierbarer Patientenchip. Für die genannten Implantate wurden die Anwendungshäufigkeit und die Untersuchungen über deren elektromagnetische Verträglichkeit bei Exposition durch unterschiedliche Störquellen zusammengefasst. Nur zu den ersten 6 Implantatstypen konnten Arbeiten über deren elektromagnetische Verträglichkeit gefunden werden, wobei es aber davon nur für 30 % aller Kombinationen "Implantatstyp-Störquellentyp" Untersuchungen gibt. Aufgrund der Anzahl der jeweils untersuchten Implantate wurde die Wahrscheinlichkeit einer Beeinflussung berechnet und in einer Tabelle (Beeinflussungsmatrix) zusammengefasst.
Kapitel 2: Messungen am Phantom
Es konnten keine Arbeiten gefunden werden, die sich mit dem Problem der elektromagnetischen Verträglichkeit von neurologischen Impulsgeneratoren beschäftigen. Dieses Implantat wird in den letzten Jahren immer häufiger zur Behandlung von Parkinson-Patienten eingesetzt. Aufgebaut wurde ein Phantom zur Untersuchung dieses Implantats bei einer Störfrequenz von 900 MHz. Dabei wurde das Störverhalten des neurologischen Impulsgenerators bei der Exponierung durch 900 MHz GSM-Mobilfunkgeräte in unterschiedlichen Positionen zum Phantom und bei unterschiedlichen Elektrodenverlegungsarten untersucht. Bei allen 10 getesteten Mobilfunktelefonen konnte trotz maximaler Sendeleistung von 2 Watt kein Störverhalten festgestellt werden.
Zur Bestimmung, ab wann es zu einer Störung des Impulsgenerators kommt und welche Störungen auftreten, wurden weitere Untersuchungen mit Halbwellendipolen und erhöhter Sendeleistung durchgeführt. Es zeigte sich, dass sich der neurologische Impulsgenerator im gesamten untersuchten Frequenzbereich (500 MHz - 2400 MHz) ab einer gewissen Sendeleistung (= Beeinflussungsschwelle) stören lässt, wobei es zu einem totalen Ausfall des Impulsgenerators bei Überschreitung der Beeinflussungsschwelle kommt. Unterschreitet die Sendeleistung die Beeinflussungsschwelle, arbeitet der Impulsgenerator mit seinen ursprünglich programmierten Einstellungen normal weiter. Dauerhafte Beschädigungen wurden nicht festgestellt.
Im weiteren wurde die Stromdichte bei einer Frequenz von 900 MHz im Kopf bei zwei unterschiedlichen Elektrodengeometrien des Implantats gemessen. Als Elektrodengeometrien wurden eine Schleife und ein Mäander gewählt. Quelle war ein mit 787 mW gespeister 900 MHz Halbwellendipol. Im Bereich der Elektrodenspitze kommt es lokal zu einem Anstieg der Stromdichte auf den 2,7-fachen Wert im Vergleich zur Stromdichte ohne Implantat. Auch im Bereich der Schleife bzw. des Mäanders kommt es zu einem Anstieg der Stromdichte.
Die geringere Überhöhung der Stromdichte im Bereich der Elektrodenspitze tritt bei der Elektrodengeometrie "Mäander" auf. Soll die Stromdichte minimiert werden, so ist die Verlegung der Elektrode im Bereich des Eintritts in den Schädel in Form eines Mäanders zu bevorzugen.
Kapitel 3: Simulation
Mit der Methode der finiten Differenzen im Zeitbereich (FDTD, Finite Difference Time Domain) wurden für die drei oben genannten Phantomaufbauten (kein Implantat, "Schleife" und "Mäander") die Stromdichteverteilungen berechnet. Für die Stromdichte im Bereich der Elektrodenspitze stimmen die berechneten Werte gut mit den gemessenen Werten überein. Aufgrund von unterschiedlichen Koordinaten der Schleife bzw. des Mäanders von Messung und Berechnung wurde für die Stromdichteüberhöhung im Bereich der Schleife bzw. des Mäanders kein Vergleich angestellt.
Darüber hinaus wurde die Frequenzabhängigkeit der in den Elektroden induzierten Ströme beider Geometrien berechnet. Dazu wurde bei 20 Frequenzen im Frequenzbereich von 500 MHz bis 2400 MHz die Stromdichte im Bereich der Elektrodenspitze berechnet. Es konnte gezeigt werden, dass die Elektrodengeometrie "Schleife" ein ausgeprägteres Resonanzverhalten mit einer um 40 % höheren Stromdichte hat. Auch von diesem Ergebnis her ist die Elektrodengeometrie "Mäander" zu bevorzugen.
Abstract
Chapter 1: Interference matrix
The objective of Chapter 1 was to give an overview of the implants used at present and their electromagnetic compatibility (EMC). The evaluation of the available literature provides an estimate of the probability of electronic implants being influenced by various interference sources. A literature search at the AKH (Allgemeines Krankenhaus) in Vienna and at the Technical University of Vienna in the FIZ (Fach-Informations-Zentrum) -Biomedizinische Technik, Medline, Pascal Biomed, CC Search und Embase databases yielded 236 relevant publications. At present 12 different implants are used: pacemaker, defibrillator, cochlear and brain-stem implants, neurostimulators, spinal-cord stimulators, spinal-fusion stimulators, telemetry systems, artificial hearts, drug-delivery systems, neurological pulse generators, visual prosthetics and implantable patient chips. The frequency with which they are used and the EMC on exposure to the various interference sources was summarized. Publications on EMC were found only for the first six implant types and only for 30 % of the possible combinations of implant type and interference source. Based on the number of the implants examined, the probability of interference was calculated and summarized in the interference matrix.
Chapter 2: Measurements on the phantom
No publication on the electromagnetic compatibility of neurological pulse generators (NPG) could be found. This implant has been used increasingly in the last few years to treat Parkinson's disease. A phantom was built to examine this implant at 900 MHz. The electromagnetic compatibility was measured by exposing the NPG to the fields of ten different 900 MHz GSM mobile phones. Every mobile phone was tested in three different positions relative to the phantom, with four electrode Configurations and four stimulation parameters. No interference was found even at a maximum transmit power of 2 watts. Further tests with half-wave dipoles and increased transmission power were carried out to determine when and what kind of failures occur. The tests showed that inhibition occurs when the transmit power exceeded a defined level. When the transmit power was reduced the output signal appeared again. The program parameters were not changed.
Subsequently the current density in tissue in the head was measured at a frequency of 900 MHz with two different implant electrode geometry: loop and meander. The source was a 900 MHz half-wave dipole with 787 mW transmit power. In the area around the electrode tip the current density increased locally 2.7-fold in comparison with the current density without implant. There was also an increase in current density in the area of the loop and the meander. The increase in current density in the area around the electrode tip was lower with the meander configuration. This electrode configuration should therefore be preferred if the induced current is to be minimized.
Chapter 3: Simulation
The Finite Difference Time Domain (FDTD) method was used to determine the current density in three phantoms (without implant, "loop" and "meander" electrode geometry). The theoretical results for the current density in the area around the electrode tip tallied well with the measured results. Because of the different measuring and calculation coordinates for the loop and the meander, no comparison was made of the current density in the area around the loop and the meander.
The relationship between the frequencies and the currents induced in the electrodes of both geometry was also determined by calculating the current density near the lead tip at 20 frequencies between 500 MHz and 2400 MHz. The resonance behavior of the loop geometry was greater and the corresponding current density 40 % higher. This result confirms the advantage of meander electrode geometry.
Originalsprache | Deutsch |
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Gradverleihende Hochschule |
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Publikationsstatus | Veröffentlicht - 2000 |
Research Field
- Nicht definiert
Schlagwörter
- Dissertation
- Störbeeinflussbarkeit
- elektronische Implantate
- Mobilfunkgeräte
- EMC
- GSM