Von der Mikrospule zum EM-Sensor in der medizinischen Navigation

Ein Fertigungsprozess für Mikrospulen erzeugt womöglich eines der kleinsten Bauteile in einem Medizinprodukt – und dennoch kann dieses Bauteil die Leistung des gesamten Navigationssystems beeinflussen. Wird eine induktive Mikrospule in einen Katheter, Führungsdraht oder ein chirurgisches Instrument integriert, kann sie zum Sensorelement eines elektromagnetischen (EM-)Sensors werden.

Für das Entwicklungsteam lautet die entscheidende Frage nicht nur, ob sich die Spule wickeln lässt. Es geht auch darum, ob der EM-Sensor sein elektrisches, magnetisches und mechanisches Verhalten nach Montage, Biegung, Verguss, Sterilisation und klinischem Einsatz beibehält. Dieser Artikel verfolgt diesen Weg von der Bauteilkonstruktion bis zur Anwendung. Er betrachtet EM-Sensoren bei der kardialen Katheterablation, der elektromagnetischen Navigationsbronchoskopie, neurochirurgischen und spinalen Instrumenten sowie mehreren neu entstehenden Anwendungen in der Medizintechnik.

Die wichtigsten Erkenntnisse: EM-Sensoren und Mikrospulenfertigung

• Ein EM-Sensor wandelt ein sich änderndes Magnetfeld in nutzbare Positions- oder Orientierungsdaten für ein Medizinprodukt um.
• Draht, Isolation, Kernmaterial, Wicklungsgeometrie und Kontaktierung beeinflussen gemeinsam das elektrische und mechanische Verhalten des Sensors.
• Für Entwicklungsteams besteht die Herausforderung darin, einen Fertigungspartner zu finden, der enge elektrische, mechanische und prozesstechnische Anforderungen in ein reproduzierbares Mikrospulen-Design übersetzen kann. KUK Coils ist ein Beispiel für einen spezialisierten Anbieter in diesem Bereich.
• Herzkatheter, ENB-Systeme und chirurgische Instrumente stellen unterschiedliche Anforderungen an Größe, Flexibilität, Integration und Validierung des EM-Sensors.
• Der zuverlässigste Entwicklungsweg verbindet das Spulendesign von den ersten Machbarkeitsmustern an mit dem gesamten Gerät.

Was ist ein EM-Sensor in der medizinischen Navigation?

Ein EM-Sensor erfasst ein Magnetfeld und wandelt diese Wechselwirkung in Informationen zur Position oder Orientierung eines Medizinprodukts um. Ein elektromagnetisches Trackingsystem kombiniert typischerweise einen Feldgenerator, einen oder mehrere Sensoren, signalverarbeitende Elektronik und Software. Bei einem induktiven EM-Sensor induziert ein sich änderndes Magnetfeld eine Spannung in einer gewickelten Mikrospule. Die Sensorelektronik verarbeitet dieses Signal und nutzt es, um die Lage oder Ausrichtung des Katheters, Führungsdrahts oder Instruments zu bestimmen.

Eine aktuelle Übersichtsarbeit beschreibt dieses Prinzip für medizinische Mikrogeräte wie Katheter, Endoskope, Kapselroboter und chirurgische Instrumente. Die Mikrospule ist damit mehr als ein miniaturisiertes passives Bauteil. Ihre Abmessungen, Ausrichtung, elektrischen Werte und Position im fertigen Gerät tragen alle zum Verhalten des EM-Sensors bei.

Warum ist das Mikrospulen-Design für einen EM-Sensor entscheidend?

Das Mikrospulen-Design ist entscheidend, weil der Sensor in eine kleine mechanische Baugröße passen und dabei eine stabile, messbare Antwort liefern muss. Mehr Windungen können ein stärkeres induziertes Signal unterstützen, wirken sich aber auch auf Widerstand, verfügbaren Bauraum und Wickelkomplexität aus. Die Auslegung muss zudem das umgebende Gerät berücksichtigen. Ein Katheterschaft, eine geflochtene Verstärkung, ein metallisches Instrument, Klebstoff oder Vergussmasse können beeinflussen, wie der EM-Sensor positioniert ist und wie sich das elektromagnetische Feld um ihn herum verhält.

In der Praxis erfordern medizinische Anwendungen und Sensoranwendungen oft mehr als reines Miniaturwickeln. Verbindungstechnik, Prüfung, Verguss und Montage können alle beeinflussen, wie der fertige Sensor im Gerät funktioniert. Dieser Fertigungskontext ist wichtig, weil die eigentliche Anforderung die vollständige Sensorbaugruppe betrifft, nicht nur die gewickelte Spule.

Wie beeinflussen Draht und Isolation einen EM-Sensor?

Der Drahtdurchmesser bestimmt, wie viele Windungen in das verfügbare Volumen passen und wie hoch der Widerstand des EM-Sensors ist. Ultrafeiner Draht ermöglicht sehr kompakte Designs, erfordert aber auch eine kontrollierte Handhabung, präzise Zugkraft und geeignete Kontaktierungsverfahren. Hersteller in medizinischen und sensorischen Anwendungen verarbeiten häufig Draht bis hinunter zu etwa 0,010 mm, wobei der geeignete Durchmesser weiterhin von den geforderten elektrischen Werten, dem mechanischen Bauraum, der Verbindungsmethode und dem Fertigungsprozess des jeweiligen Geräts abhängt.

Die Isolation ist ebenso wichtig. Sie trennt benachbarte Windungen, unterstützt die elektrische Zuverlässigkeit und muss mit den Temperaturen, Chemikalien, Biegebelastungen und Sterilisationsbedingungen des fertigen Medizinprodukts kompatibel sein.

Wie prägen Kernmaterial und Wicklungsgeometrie das Verhalten eines EM-Sensors?

Mikrospulen mit Luftkern und mit Magnetkern unterstützen unterschiedliche Designprioritäten:

• Eine Mikrospule mit Luftkern lässt die Mitte offen und kann um ein Lumen oder ein anderes Bauteil herum integriert werden.

• Eine Mikrospule mit Magnetkern bündelt den magnetischen Fluss und kann ein kompaktes Sensordesign unterstützen, wenn Kernmaterial und -geometrie zur Anwendung passen.

Je nach Anwendung arbeiten Hersteller mit Direktwicklung, magnetischen Kernmaterialien wie Ferrit, Mu-Metall oder amorphen Legierungen sowie Mikrospulendurchmessern ab sehr kleinen Abmessungen. Luftkern-Designs lassen sich zudem an kundenspezifische Geometrien und enge Innendurchmesser anpassen. Die Wicklungsgeometrie bestimmt dann, wie der Draht den verfügbaren Bauraum ausfüllt. Windungszahl, Steigung, Lagenaufbau, Spulenachse und Maßtoleranzen beeinflussen alle die Induktivität und die Gleichmäßigkeit des EM-Sensors von Einheit zu Einheit.

Warum sind Kontaktierung, Verguss und Prüfung wichtig?

Die Kontaktierung ist ein kritischer Übergang zwischen der Mikrospule und der umgebenden Elektronik. Bei Miniaturabmessungen muss die Verbindung elektrisch stabil sein, ohne den Draht zu beschädigen oder die vorgesehene Sensorgeometrie zu verändern. Verguss oder Potting kann die Spule schützen, ihre Position fixieren und mechanischen oder umweltbedingten Schutz bieten. Das Material und der Prozess müssen so gewählt werden, dass der fertige EM-Sensor stabil bleibt, statt unerwünschte Spannungen oder Bewegungen einzubringen.

Die Prüfung muss anschließend die für die Anwendung relevanten Eigenschaften abdecken. In der Miniaturspulenfertigung umfasst dies häufig die serienmäßige Messung von Werten wie Ohmschem Widerstand und Induktivität, ergänzt um weitere Prüfungen, die sich aus den Anforderungen der jeweiligen Sensorbaugruppe ergeben.

Wie unterstützt ein EM-Sensor die kardiale Katheterablation?

Bei der kardialen Katheterablation unterstützt der EM-Sensor die Lokalisierung und das Tracking des Katheters. Wichtig ist die Abgrenzung zum therapeutischen Ablationselement, das die Behandlungsenergie abgibt.

Der Trackingsensor hilft dem Navigationssystem, Position und Ausrichtung der Katheterspitze zu schätzen, während sich der Katheter durch das Gefäßsystem und in das Herz bewegt. Diese Information kann mit anatomischen Bildern oder einer elektroanatomischen Karte kombiniert werden, um die prozedurale Führung zu unterstützen.

Die Mikrospule muss in eine kleine, flexible distale Baugruppe passen und bei wiederholter Biegung und Torsion stabil bleiben. Auch die Position des Sensors relativ zur Katheterspitze muss kontrolliert werden, da dieser physische Versatz Teil des Navigationsmodells wird.

Für den Hersteller bedeutet dies, Spule, Verbindung, Isolation, Verguss und Katheterintegration als ein gemeinsames Designproblem zu entwickeln. Der EM-Sensor sollte nach der Integration und unter den mechanischen, thermischen und Sterilisationsbedingungen des fertigen Katheters bewertet werden.

Wie wird ein EM-Sensor in der elektromagnetischen Navigationsbronchoskopie eingesetzt?

Die elektromagnetische Navigationsbronchoskopie, kurz ENB, kombiniert eine dreidimensionale Rekonstruktion von CT-Daten mit einer steuerbaren Sonde und einem Arbeitskanal, um Instrumente zu peripheren Lungenzielen zu führen. Ein miniaturisierter EM-Sensor hilft dem System, Position und Ausrichtung der steuerbaren Führung zu verfolgen.

Im Ablauf registriert das System zunächst anatomische Landmarken und nutzt dann die getrackte Führung zur Navigation durch den Bronchialbaum. Diese Übersichtsarbeit zur elektromagnetischen Navigationsbronchoskopie beschreibt den Zusammenhang zwischen Planung, Registrierung und Navigation.

Die Mikrospule bzw. Sensorbaugruppe muss daher kompakt, präzise positioniert und mit wiederholter Steuerung kompatibel sein. Das Biegen der Führung sollte den Sensor nicht relativ zur Arbeitsspitze verschieben oder sein elektrisches Verhalten so verändern, dass die Navigationssicherheit sinkt.

Die fertigungstechnische Herausforderung ist eng mit der Registrierung verknüpft. Eine kleine, wiederkehrende Abweichung zwischen der tatsächlichen Sensorposition und der im Softwaremodell angenommenen Position kann zu einem systemweiten Fehler werden. Konsistente Platzierung, stabile Kontaktierung und kontrollierter Verguss tragen alle zu einer vorhersehbareren EM-Sensorbaugruppe bei.

Wie unterstützen EM-Sensoren neurochirurgische und spinale Instrumente?

EM-Sensoren können beim Tracking neurochirurgischer und spinaler Instrumente helfen, ohne auf direkte Sichtlinie einer Kamera angewiesen zu sein. Das ist nützlich, wenn sich Instrumente im Körper befinden oder wenn Abdecktücher, Gewebe oder der OP-Aufbau optische Marker verdecken.

Mögliche Instrumententypen umfassen Sonden, Nadeln, Elektroden, Führungen und andere Werkzeuge, deren Position mit prä- oder intraoperativer Bildgebung in Beziehung gesetzt werden muss. Bei spinalen Eingriffen muss das System zudem nahegelegene Metallkomponenten berücksichtigen, die das elektromagnetische Feld verzerren können.

Für den Mikrospulenhersteller steht die Sensorplatzierung im Mittelpunkt. Der Sensor muss in einem definierten Verhältnis zur Arbeitsspitze und Instrumentenachse stehen, während die Baugruppe Handhabung, Sterilisation und mechanische Belastungen aushalten muss.

Die Validierung sollte in einer Umgebung erfolgen, die den vorgesehenen Eingriff realistisch abbildet. Relevantes Ergebnis ist dabei nicht nur der Widerstand oder die Induktivität der Spule, sondern die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit des gesamten getrackten Instruments.

Wo können EM-Sensoren die Fähigkeiten von Medizinprodukten sonst noch erweitern?

EM-Sensoren können weitere medizinische Anwendungen unterstützen, bei denen kompakte Echtzeit-Positionsinformationen wertvoll sind. Beispiele sind getrackte Führungsdrähte, endoskopische Instrumente, robotische oder Continuum-Instrumente, ultraschallgeführte Nadeln und Kapselgeräte. Forschung zum elektromagnetischen Tracking bei medizinischen Mikrogeräten befasst sich auch mit robotischen Kathetern, Endoskopen, Kapselrobotern und bildgeführten chirurgischen Instrumenten. Diese Anwendungen teilen eine gemeinsame Designfrage: Wie kann der Sensor klein und zuverlässig bleiben, während er in einer beengten und sich verändernden Umgebung arbeitet?

Bei Kapsel- oder einnehmbaren Geräten können drahtloser Betrieb, geringer Energieverbrauch und starke Platzbeschränkungen im Vordergrund stehen. Bei robotischen oder flexiblen Instrumenten verschieben sich die Prioritäten eher in Richtung Form, Bewegung, Registrierung und Widerstandsfähigkeit gegenüber Verzerrungen durch umgebende Geräte. Diese Beispiele erweitern die Rolle des EM-Sensors, ohne das zentrale Fertigungsprinzip zu ändern. Die Spule muss für das System ausgelegt werden, in dem sie eingesetzt wird.

Was ändert sich, wenn ein EM-Sensor Teil eines vollständigen Geräts wird?

Das vollständige Gerät bringt Variablen mit sich, die bei einer isolierten Spulenmessung nicht sichtbar sind. Position, Ausrichtung, benachbarte Materialien, Kabelführung und Verguss des Sensors können alle das Navigationsergebnis beeinflussen. Metallische Komponenten und andere elektromagnetische Quellen können das Feld verzerren. Auch mechanische Bewegung kann Fehler verursachen, wenn sich die Spule im Gehäuse verschiebt oder sich die Verbindung während des Einsatzes verändert. Deshalb sollte auf die Bauteilprüfung eine Validierung auf Systemebene folgen. Das montierte Gerät sollte unter realistischen Biege-, thermischen, Sterilisations- und elektromagnetischen Bedingungen bewertet werden, wobei die Prüfmethode zur vorgesehenen klinischen Anwendung passen muss.

Für Teams, die Fertigungsunterstützung suchen, kann es sinnvoll sein, Anbieter mit nachgewiesener Erfahrung in der Miniaturwicklung, Montage und Validierung für anspruchsvolle medizinische Anwendungen zu evaluieren – genau hier liegt der Schwerpunkt der Medizin- und Sensorarbeit von KUK Coils.

Fazit: Vier Empfehlungen für die EM-Sensor-Entwicklung

1. Definieren Sie den EM-Sensor ausgehend von der Anwendung. Positionsgenauigkeit, Ausrichtung, verfügbarer Bauraum, Flexibilität, Einsatzumgebung und Sterilisationsanforderungen sollten die Spulenspezifikation von Beginn an prägen.

2. Binden Sie den Mikrospulenhersteller ein, bevor die mechanische Konstruktion feststeht. Eine frühe Abstimmung kann Einschränkungen bei Drahthandhabung, Kerngeometrie, Kontaktierung, Verguss, Prüfung und reproduzierbarer Fertigung aufdecken.

3. Validieren Sie den EM-Sensor nach der Integration in Katheter, Führung oder Instrument. Das aussagekräftigste Ergebnis ist die Leistung der vollständigen Baugruppe unter Bedingungen, die den klinischen Einsatz widerspiegeln.

4. Gestalten Sie den Prozess auf Reproduzierbarkeit ausgelegt. Ein erfolgreicher, handgefertigter Prototyp ist ein wichtiger Meilenstein, doch ein Medizinprodukteprogramm braucht auch einen kontrollierten Weg zu einer konsistenten Serienfertigung.

Der Wert einer Mikrospule bemisst sich letztlich an der Funktion, die sie ermöglicht. Für einen EM-Sensor besteht diese Funktion in zuverlässigen Informationen über Position, Ausrichtung oder Bewegung eines Medizinprodukts. Um dies zu erreichen, müssen Spulenkonstrukteur, Geräteentwickler und Hersteller von denselben Anforderungen auf Systemebene ausgehen.

Lesen Sie unseren Leitfaden mit sieben wesentlichen Punkten für ein erfolgreiches Mikrospulenprojekt als kompakten Überblick.