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376 INSTRUMENTE UND GER¾TE
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Aufbau, Kalibrierung und Ergebnisse mit einem neuen
­­ Technischer
intraokularen Drucksensor mit telemetrischer Übertragung
1
Konrad Hille1, Jörg Draeger2, Thorsten Eggers3, Peter Stegmaier4
1
Augenklinik der Universität des Saarlandes (Dir.: Prof. Dr K.W. Ruprecht), 66421 Homburg/Saar, E-mail: [email protected]
Universitäts-Augenklinik Hamburg
3
Institut für Mikrosensoren, -aktuatoren und -systeme (IMSAS), Universität Bremen (Dir.: Prof. Dr. J. Binder)
4
Via Ravredo, Ponte Capriasca, Schweiz
Zusammenfassung
Hintergrund: Die Druckmessung am Auge erfolgt bisher indirekt über eine Applanation oder Impression der Hornhaut. Auf
diese Weise können lediglich punktuelle Werte ermittelt werden. Im folgenden wird eine Methode zur kontinuierlichen direkten Aufzeichnung des intraokularen Drucks dargestellt.
Methoden: Ein miniaturisierter Sensor auf Silizium-Basis wurde mit einer miniaturisierten Telemetrieeinheit verbunden und
in eine intraokulare Linse implementiert. Das Signal des Drucksensors wird über eine modulierte Hochfrequenz aus dem Auge
übertragen, durch einen extrakorporalen Empfänger demoduliert und zur Anzeige gebracht. Die Energieversorgung des Systems erfolgt über externe elektromagnetische Ankopplung.
Ergebnisse: Die telemetrische Transmission der intraokularen
Druckwerte erfolgt mit einer Messgenauigkeit von  1 mm Hg
und einer zeitlichen Auflösung von 3 Messwerten pro Sekunde.
Schlussfolgerung: Vor der klinischen Anwendung sind jedoch
noch weitere Versuche in vivo erforderlich.
Schlüsselwörter: Glaukom ± Katarakt ± Druckmessung ± Intraokulare Linse
Construction, calibration and results of a new sensor in an
intraocular lens with telemetric transmission of the
intraocular pressure
Background: Presently intraocular pressure is measured indirectly by applanation or impression of the cornea. Only isolated
values are available with this method. We present a new implantable system for direct and continuos measurement of the
intraocular pressure.
Methods: An implantable system consisting of a miniaturized
sensor and a telemetric unit was integrated in an intraocular
lens. The eye pressure is determined by the sensor, modulated
and transduced by the telemetric system. By an extracorporal
receiver the signal is demodulated. The electric supply of the
intraocular system is achieved by external electromagnetic induction.
Klin Monatsbl Augenheilkd 2001; 218: 376 ± 380
Georg Thieme Verlag Stuttgart New York
ISSN 0023-2165
·
Results: The telemetric transmission of the intraocular pressure can be achieved with an accuracy of  1 mm Hg and a frequency of registration of 3 values per second.
Conclusion: Clinical application necessitates further animal
trials in vivo.
Key words: Glaucoma ± cataract ± measurement of eye pressure ± intraocular lens
Für die Prognose eines Glaukoms ist der intraokulare Perfusionsdruck entscheidend. Dieser wird durch die Differenz zwischen dem Blutdruck in den das Auge versorgenden Gefäûen
und dem intraokularen Druck bestimmt [1]. Der intraokulare
Druck ist jedoch über den Tagesverlauf nicht konstant. Bereits
1966 hat Sampaolesi [2] darauf hingewiesen, dass Druckspitzen insbesondere in der Nacht und am frühen Morgen auftreten, die er für die Progression eines Glaukoms verantwortlich
hielt. Durch herkömmliche Methoden der Druckmessung können jedoch solche Druckspitzen nur unzureichend erfasst werden. In der Regel versucht man dieses Problem durch über den
Tag verteilte Messungen im Rahmen von Tagesdruckkurven zu
lösen. Dies erfordert jedoch einen erheblichen logistischen
und personellen Aufwand. Eine Verbesserung der Überwachung ist durch die Selbsttonometrie nach Draeger [3] möglich, da jeder Patient die Druckwerte an beliebigen Zeitpunkten selber erheben kann, die anschlieûend vom Augenarzt beurteilt werden. Eine kontinuierliche Überwachung ist jedoch
auch mit diesem System nicht durchführbar, da bei geschlossenen Lidern und schlafenden Patienten bisher eine Druckmessung nicht durchgeführt werden kann.
Hieraus ergibt sich die Forderung nach einer kontinuierlichen
Druckmessung, die möglichst auch beim schlafenden Patienten zuverlässige Druckwerte liefert. Viele Versuche eine solche
Druckmessung einzuführen, haben bisher nicht zum Erfolg geführt [4]. Alle klassischen Messmethoden, die am Patienten
angewandt werden, beruhen auf Applanation oder Impression
des Auges. Versuche durch eine solche Messung oder durch
eine Formänderung des Auges eine kontinuierliche Messung
1
Poster anlässlich der 93. Jahrestagung der Schweizerischen Ophthalmologischen Tagung vom 13. Sept. bis 15. Sept. 2000 in Bern.
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2
Klin Monatsbl Augenheilkd 2001; 218 377
durchzuführen, sind schon aus theoretischen Überlegungen
zum Scheitern verurteilt [5]. Sie beeinflussen selber den intraokularen Druck. Dieser Druckänderung wirkt die Autoregulation des Auges entgegen, so dass eine Druckaufzeichnung über
einen längeren Zeitraum keine korrekten Messwerte liefert.
Andere Ansätze benutzten die mechanische Eigenfrequenz
des unter Druck stehenden Auges [6, 7]. Diese Messmethode
entzog sich jedoch einer klinischen Anwendung, da einerseits
die Dämpfung im Orbitagewebe zu hoch und andererseits der
erforderliche Abstand der Messspulen zum Auge zu gering ist,
um Messungen bei Patienten durchzuführen.
entsteht eine Sägezahn-Spannung. Diese wird in ein pulsweitenmoduliertes, quasidigitales Signal umgesetzt, das an einen
Telemetriechip weitergegeben und von diesem aus dem Auge
gesendet wird. Das Signal wird durch Dämpfungsmodulation
von dem Spulensystem eines externen Lesegeräts aufgenommen und verarbeitet. Die gleiche extrakorporale Telemetriespule wird durch eine hochfrequente Wechselspannung gespeist und bildet so ein elektromagnetisches Feld, das das Implantat mit elektrischer Energie versorgt. Im implantierten Teil
des Telemetriesystems befinden sich keine Energiequelle oder
aktive Sendekomponenten.
Eine kontinuierliche Druckmessung kann nur über eine direkte Messung des Augendrucks erfolgen. Seit neuester Zeit
ist ein Gerät erhältlich, das eine direkte Druckmessung durch
die Punktion des Auges mit einer Kanüle ermöglicht [8]. Es findet seinen Einsatz bei Erkrankungen der Hornhaut, die die
Hornhautrigidität verändern [9,10]. Eine kontinuierliche Messung ist mit diesem System jedoch auch nicht durchführbar.
Eine Lösungsmöglichkeit ist die Implantation eines Drucksensors ins Auge sowie die telemetrische Transmission der Druckwerte an ein externes Lesegerät.
Das gesamte Sensor-Telemetriesystem wurde soweit miniaturisiert, dass es in eine Intraokularlinse aus PMMA eingegossen
werden konnte (Abb. 2), wobei die ringförmige Anordnung der
elektronischen Bauteile im Zentrum genügend Raum für den
optisch wirksamen Teil der Intraokularlinse lässt.
Die Energieversorgung der Systeme erfolgte durch die Induktionsspule ein externes Lesegerät. Mittels des Lesegeräts wur-
Methode
Wir entwickelten ein System, das aus einem Drucksensor, einem Signalverarbeitungs- und einem Telemetriechip besteht
und in eine Intraokularlinse implementiert wurde. Hierbei bedienten wir uns eines miniaturisierten kapazitiven Drucksensors. Auf einem Silizium-Chip wurde eine 1 mm dicke Membran, die etwa 1 mm Abstand zu der Unterfläche hat, durch
komplizierte Abscheidungs- und ¾tzverfahren aufgebracht.
Dieses System ist als kapazitives Element ausgelegt. Durch
Druckeinwirkung nähert sich die Membran der darunter liegenden Elektrode und ruft so eine ¾nderung der Kapazität
des Kondensators hervor. Die aktuelle Kapazität des druckabhängigen Sensors kann als Differenz zu einem in den Chip integrierten druckunabhängigen Vergleichskondensator gemessen werden (Abb. 1).
Über einen Signalprozessor wird am Sensor eine Spannung angelegt. Durch Auf- und Entladen des Kondensatorensystems
Abb. 2 Vorder- und Rückseite der Intraokularlinse mit integriertem
Sensor (A), Signalprozessor (B), Telemetrieeinheit (C) und Spule (D).
Abb. 1 Flussdiagramm des Sensors, der Datenverarbeitung und der Telemetrieeinheit sowie der externen Energieversorgung mit integriertem
Lesegerät.
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Drucksensor in einer intraokulären Kunstlinse
378 Klin Monatsbl Augenheilkd 2001; 218
Hille K et al
Tab. 1 Messergebnisse von je 20 Messungen mit 4 Sensorsystemen bei 1100 mbar sowie die kalkulierte Auflösung der Systeme bei einer, 10 und
20 Messungen in mm Hg
System 1
System 2
System 3
System 4
Mittelwert
15,564
12,214
16,827
14,389
Stdabw s
0,025
0,015
0,026
0,023
6s
0,153
0,090
0,157
0,137
dT (p = 1100 mbar)
0,456
0,118
0,539
0,436
bei n = 1 NEP (6s)
8,2
6,2
7,8
7,9
bei n = 10 (fmess > 6 Hz)
3,0
2,3
3,0
3,0
bei n = 20 (fmess > 3 Hz)
1,5
1,1
1,5
1,5
de das Signal aufgezeichnet und mit dem aktuellen Druck in
der Kammer verglichen. Der Sensors wurde kalibriert, indem
4 Systeme in einer Druckkammer vollständig eingeschlossen
und der Druck in der Kammer verändert wurde. Zudem wurde
die Messgenauigkeit durch wiederholte Messungen des gleichen Systems bestimmt (Tab. 1).
Ergebnisse
Mit dem System konnte ein druckabhängiges Signal aufgezeichnet werden. Dabei gilt für das Ausgangssignal dT:
dT …CX † ˆ
T T1 T2 CX C0 C
ˆ
ˆ
ˆ
T
Cr
T1 ‡ T2
Cr
wobei T1 die zeitliche Länge des Aufladevorgangs und T2 des
Entladevorgangs des gesamten Systems, CX die druckabhängige Kapazität, C0 die druckunabhängige Kapazität des Sensors
und Cr eine feste auf dem Signalprozessor integrierte Kapazität
darstellt.
In Abb. 3 ist die Abhängigkeit des Ausgangssignals dT des Prozessors von 4 exemplarischen Sensor-Telemetrie Systemen ge-
Abb. 3 Das Ausgangssignal dT des Prozessors für 4 exemplarische
Sensor-Telemetrie Systeme als Funktion des Umgebungsdrucks.
genüber dem Druck dargestellt. dT erhöht sich mit steigendem
Druck. Die Beziehung zeigt die gleiche nichtlineare Funktion
wie die ¾nderung der Kapazität in Abhängigkeit des Druckes.
Dabei hat jedes Sensorsystem seine eigene Kinetik.
Das vom Lesegerät empfangene Signal ist jedoch von elektronischem Rauschen überlagert. Dies führt zu einer Unschärfe
der Messung, was eine Auflösung von etwa 8 mm Hg bei Ableitung eines singulären Messwerts erlaubt. Da die Messwerte in
einer Gausschen Verteilungskurve um den wahren Wert
schwanken, kann die Messgenauigkeit durch Ableitung mehrerer Werte und Mittelwertbildung erhöht werden (Abb. 4).
Deshalb kann die Auflösung von 8 mm Hg einer singulären
Messung auf etwa 2 mm Hg bei Mittlung einer Messserie von
20 Einzelmessungen erhöht werden. Die Genauigkeit einer
solchen Messsequenz beträgt somit  1 mm Hg.
Da die Wiederholungsrate einer Einzelmessungen 60 Herz beträgt, können bei dieser Auflösung pro Sekunde drei Messwerte erhoben werden.
Abb. 4 Ergebnisse von 20 Messungen eines Sensors bei 1100 mbar
mit Darstellung des Mittelwerts und der Standardabweichung.
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Auflösung [mm Hg]
Klin Monatsbl Augenheilkd 2001; 218 379
Drucksensor in einer intraokulären Kunstlinse
Mit den bisher zum Einsatz kommenden Druckmesssystemen
ist eine kontinuierliche Aufzeichnung des intraokularen
Drucks nicht möglich. Insbesondere nachts können beim
schlafenden Patienten keine Werte erhoben werden. Eine Erhebung von Messwerten gerade während der Nachtruhe oder
verschiedenen Tätigkeiten auch während des Tages erscheint
jedoch aufgrund der bekannten zirkadianen Schwankungen
des intraokularen Drucks äuûerst wünschenswert [2]. Bereits
1967 schlug Collins [11] die Messung des intraokularen Drucks
mittels Impedanz über einen implantierbaren elektromagnetischen Schwingkreis vor. Ein kapazitiver Drucksensor wurde
mit einer Spule zu einem Schwingkreis kombiniert, der in das
Auge implantiert werden sollte. Durch elektromagnetische
Anregung sollte dieser Schwingkreis angeregt und dessen Resonanzfrequenz abgefragt werden. Auch Bäcklund et al. [12]
versuchten 1990 eine Druckmessung über elektromagnetische
Induktion, das System konnte sich jedoch wegen technischer
Schwierigkeiten nicht durchsetzen.
Eine belgische Arbeitsgruppe um Puers [13] beschrieb erstmals die Verwendung eines von auûen induktiv anregbaren
Messsystems, das die Messung des intraokularen Drucks über
einen kapazitiven, druckabhängigen Sensor sowie die telemetrische Übertragung des Messsignals ermöglichen sollte. Es
war vorgesehen, das System in eine intraokulare Linse zu implementieren. Das System kam jedoch nicht zur klinischen Anwendung.
In vivo gelang eine kontinuierliche telemetrische Messung des
intraokularen Drucks über einen längeren Zeitraum bisher nur
im Tierversuch [14]. McLaren implantierte einen Katheter in
die Vorderkammer der Augen von Kaninchen. Mit diesem Katheter war ein Drucksensor verbunden, der zusammen mit einem miniaturisierten, Batterie gespeisten Sender unter die
Nackenhaut der Kaninchen implantiert wurde. Auf diese Weise konnte der intraokulare Druck über einen Zeitraum von bis
zu einem Jahr aufgezeichnet werden. Eine Anwendung des
Systems beim Menschen erscheint aufgrund des invasiven
Eingriffes und der beschränkten Sendedauer des Implantats
durch die zeitlich und energetisch bedingte limitierte Leistungsfähigkeit des batteriebetriebenen Senders nicht zumutbar. Die Autoren konnten jedoch zeigen, dass auch bei Kaninchen der intraokulare Druck in der Nacht bzw. in der Dunkelheit ansteigt [14,15].
Wir konnten mit der von uns entwickelten Technologie zeigen,
dass eine drahtlose Transmission eines druckabhängigen Signals möglich ist. Da das System während dem Messvorgang
den intraokularen Druck selber nicht beeinflusst, ist erstmalig
eine kontinuierlich Aufzeichnung des Augeninnendrucks möglich [16,17]. Dabei ist auch die Energieversorgung unkritisch,
da das implantierte System keine eigene Stromquelle aufweist.
Es wird von auûen durch das Lesegerät abgefragt und erhält
dabei die erforderliche Energie über Induktion.
Der normale Augeninnendruck beträgt gegenüber dem Umgebungsdruck zwischen 10 und 21 mm Hg und kann bis über
70 mm Hg ansteigen. Hierdurch ist der interessante Bereich
für ein Messsystem zur intraokularen Druckmessung definiert.
Da das System jedoch vollständig im Körper eingeschlossen
ist, kann es keine relativen Druckwerte anzeigen. Es kann le-
diglich den absoluten Druck im Auge übermitteln. Von diesem
muss der aktuelle Barometerdruck abgezogen werden, um den
vom Ophthalmologen unter Standardbedingungen gemessenen relativen Intraokulardruck zu erhalten. Die in Abb. 3 dargestellten Kurven zeigen daher den für die ophthalmologische
Anwendung interessanten Bereich von 1000 bis 1100 mbar Absolutdruck an. In diesem Bereich ist die ¾nderung des Prozessor-Signals reproduzierbar druckabhängig und die Messkurve
so steil, so dass eine ausreichende Auflösung möglich ist.
Die Übertragung des Messergebnisses wird durch elektronisches Rauschen gestört (Abb. 4). Bei Ableitung einer Serie von
20 Messwerten und Mittelwertbildung kann jedoch eine
Messgenauigkeit von  1 mm Hg erreicht werden. Dies entspricht der maximal möglichen Auflösung des reinen Sensorchips. Bei einer Serie von 20 Messungen ist somit das System
optimiert.
Es ist evident, dass das vorgestellte System nur bei Patienten
zur Anwendung kommen kann, bei denen ein intraokularer
Eingriff mit Implantation einer Intraokularlinse durchgeführt
wird. Insbesondere Patienten mit einem vorbestehenden Glaukom und einer visusrelevanten Katarakt könnten nach der Kataraktoperation und Implantation des Sensorsystems von der
besseren Drucküberwachung profitieren. Bei Patienten mit pathologischen Hornhautbefunden wie zum Beispiel nach einer
Keratoplastik oder einer Keratoprothese wäre nach Implantation einer solchen Linse erstmalig eine korrekte Druckmessung ohne zusätzliche invasive Maûnahmen möglich. Vor einer klinischen Anwendung sind jedoch noch weitere tierexperimentelle Untersuchungen erforderlich.
Literatur
1
Goldmann H. In: Newell FW, editor. Glaucoma: Sec Conf Macy
Foundation. New York 1957; 137 ± 165.
2
Sampaolesi R, Calixo N, deCarvalho C, Reca R. Diurnal variation of
intraocular pressure in healthy, suspected and glaukomatous
eyes. First South American Symposion of Glaucoma. Karger Mod
Probl Ophthalmol 1966; 6: 1 ± 23.
3
Draeger J, Jessen K, Rumberger E. Tonometrie. Georg Thieme Verlag, Stuttgart 1993
4
Bramm G, Novak P, Ruge I, von Denver R. Sensorsystem zum kontinuierlichen Messen des intraokularen Drucks. Biomed Techn
1980; 25 Ergänzungsband: 337 ± 339.
5
Wolbarsht M, Wortman J, Schwartz B, Cook D. A scleral buckle
pressure gauge for continuous monitoring of intraocular pressure. Int Ophthal 1980; 2: 11 ± 17.
6
Petter E, Meyer J. Continuous non-invasive measurement of eye
pressure with a wireless vibration tonometer. 3rd Conference on
engineering and Medicine. Florenz 1995; 408-410.
7
Petter E, Meyer J. A new model for the sprin constant of the cornea in vibration tonometry. 10th Conference of the european society of biomechanics, Leuven 1996; 365 ± 366.
8
Marx W, Madjlessi F, Reinhard T, Althaus C, Sundmacher R. Mehr
als vier Jahre Erfahrung mit der elektronischen intraokularen Nadeldruckmessung bei irregulären Hornhäuten. Ophthalmologe
1999; 96: 498 ± 502.
9
Reinhard T, Kallmann C, Cepin A, Godehardt E, Sundmacher R.
The influence of glaucoma history on graft survival after penetrating keratoplasty. Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol 1997;
235: 553 ± 557.
10
Kirkness C, Ezra E, Rice NS, Steele AD. The success and survival of
repeat corneal grafts. Eye 1990; 4: 58 ± 64.
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Diskussion
380 Klin Monatsbl Augenheilkd 2001; 218
Collins C. Miniature passive pressure transsensor for implantating in the eye. IEEE Transactions on Bio-Medical Engeneering
1967; 14: 74 ± 83.
12
Bäcklund Y, Rosengren L, Hök B, Svedenbergh B. Passive silikon
transensor intended for biomedical, remote pressure monitoring.
Sensors and Actuators 1990; A21 ± A23: 58 ± 61.
13
Van Schuylenbergh K, Peeters E, Puers B, Sanaen W, Neetens A. An
implantable telemetric tonometer for direct intraocular pressure
measurements. First European Conference on Biomedical Engineering, Nice 1991; 194 ± 195.
14
McLaren J, Brubaker R, FitzSimon J. Continous measurement of
intraocular pressure in rabbits by telemetry. Invest Ophthalmol
Vis Sci 1996; 37: 966 ± 975.
15
Liu JHK. Circadian rhythm of intraocular pressure. Glaucoma
1998; 7: 141 ± 147.
16
Hille K, Draeger J, Eggers T, Stegmaier P, Binder J. Die Intraokulare
Linse als Basis für ein neues implantierbares Tonometer mit telemetrischer Übertragung zur kontinuierlichen Druckmessung. In:
T. Ohrloff CO, Wenzel M (eds). 13. Kongress der Deutschsprachigen Gesellschaft für Intraokularlinsen-Implantation und refraktive Chirurgie. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York
1999; 404 ± 410.
17
Draeger J, Hille K. Kontinuierliche intraokulare Tonometrie mit
telemetrischer Übertragung. Spektrum Augenheilkd 2000; 14:
141 ± 145.
18
Lund O. Grenzen und Möglichkeiten der optischen Keratoprothese. Ein klinischer und histopathologischer Bericht. Klin Monatsbl Augenheilkd 1982; 180: 3 ± 12.
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11
Hille K et al