Effects of biocompatible encapsulations on the acoustic characteristics of CMUTs

Abstract

Advances in modern medicine enable the use of medical implants for the treatment of an increasing number of diseases. If different implanted systems need to communicate with each other, data transmission using ultrasound is a promising solution. In this dissertation, an encapsulation strategy, which allows the use of capacitive micromachined ultrasonic transducers (CMUTs) within conventional implant housings, was developed and evaluated for the first time. The novel encapsulation approach consists of a silicone layer for coupling the CMUT to a layer of polyether ether ketone (PEEK) or titanium. Both materials are widely used for medical implant housings. Finite element simulations, complemented by measurements in air and in immersion as well as ex vivo experiments, have shown that effective data transmission with data rates of minimum 0.8 Mbps is possible over at least 6 cm with this encapsulation strategy.

Die Fortschritte in der modernen Medizin ermöglichen immer häufiger den Einsatz von medizinischen Implantaten zur Therapie. In Anwendungsfällen, die eine Kommunikation mehrerer implantierter Systeme untereinander erfordern, stellt die Datenübertragung mit Hilfe akustischer Wellen eine vielversprechende Lösung dar. Hierfür ist eine biokompatible Kapselung nötig, die eine effiziente Datenübertragung nicht verhindert. In dieser Arbeit wird erstmals eine Kapselungsstrategie entwickelt und evaluiert, die den Einsatz von kapazitiven mikromechanischen Ultraschallwandlern (CMUTs) innerhalb konventioneller Implantatgehäuse ermöglicht. Die untersuchte neuartige Kapselung besteht aus einer Silikonschicht zur Ankopplung an eine Schicht aus Polyetheretherketon (PEEK) oder Titan, zwei weitverbreitete Materialien für die Kapselung medizinischer Implantate. Finite Elemente Simulationen, Messungen in Luft und Flüssigkeit sowie ex vivo Experimente haben gezeigt, dass mit dieser Kapselungsstrategie eine effektive Datenübertragung über mindestens 6 cm möglich ist. Die in ex vivo Experimenten ermittelten Frequenzbandbreiten der gekapselten CMUTs ermöglichen Datenraten von mindestens 0.8 Mbps. Ein zusätzlicher experimenteller Vergleich mit herkömmlichen Kapselungen für CMUTs bestätigt das große Potenzial der neuartigen Kapselung aus Silikon und PEEK. Abschließend wurden zukünftige Ansatzpunkte zur Steigerung von Signalamplitude und Datenrate identifiziert und diskutiert.