Signalverarbeitung und Hochfrequenztechnik

Aktive Implantierbare Systeme

Cochlea Implantate dienen zur Rehabilitation von vollständig tauben oder höchstgradig schwer­hörigen Personen. Die Funktion basiert auf der direkten Elektrostimulation des Hörnervs. Eine gegenwärtiges Cochlea Implantat besteht im wesentlichen aus zwei Teilen, einem hinter dem Ohr getragenen Sprachprozessor und dem eigentlichen implantierten Stimulator. Der Sprachprozessor enthält die Batterie zur Energieversorgung des Gesamtsystems, sowie Elektronik zur Verarbeitung des Audiosignals. Die Übertragung von Stimulationsenergie und -information erfolgt transkutan mittels einer Hochfrequenz­strecke. Das HF-Signal wird im Stimulator induktiv empfangen und analysiert. Mittels eines Elektrodenarrays, das in der Scala Tympani der Hör­schnecke (Cochlea) platziert ist, gelangen Stimulationspulse in die Nähe von erregbaren neuronalen Strukturen und verursachen Höreindrücke.

ImplantatVerglichen mit anderen Prothesen zum Ersatz von Sinnesorganen ist das Cochlea Implantat das mit Abstand erfolgreichste System. Gegenwärtig sind weltweit etwa 130000 Personen damit versorgt. Insbesondere die Versorgung von Kleinkindern (im Alter von wenigen Monaten) liefert beeindruckende Resultate. Frühzeitig implantierte Kinder können in vielen Fällen normal eingeschult werden.

Seit etwa 20 Jahren existiert in der klinischen Praxis eine als Standard akzeptierte Stimulations­strategie, die so genannte “Continuous Interleaved Sampling- (CIS-)“ Strategie. Charakteristisch für diese Strategie ist, dass zur Repräsentation des Audiosignals in der Cochlea nur zeitlich nicht überlappende Stimulations­pulse verwendet werden. Damit wird der störende Einfluss des Kanal­über­­sprechens reduziert. Zur CIS-Implementierung wird eine Spektralanalyse des Audiosignals vorgenommen, wobei in den einzelnen Frequenzbändern jeweils nur die Amplituden-, nicht aber die Phaseninformation verwendet wird. Seit langem gilt aber als erwiesen, dass bei Elektro­stimulation auch Phaseninformation genützt werden kann, und zwar bis zu einer Frequenz von etwa 1kHz. Ansätze, Phaseninformation (oft auch als “Feinstrukturinformation“ bezeichnet) in eine Stimulationsstrategie einzubauen, scheiterten bislang u. a. daran, dass die Repräsentation von Feinstrukturinformation in der Cochlea mit nicht überlappenden Pulsen zu sehr kurzen Puls­dauern führt. Derartig kurze Pulse sind aber aus praktischen, wie physiologischen Gründen unbrauchbar.

RF-Engineering, Communication Engineering

Die Hochfrequenztechnik befasst sich mit der Analyse und der Entwicklung von Schaltung und Strukturen im Bereich "hoher Frequenzen", welche typischerweise von einigen 100 kHz (in Ausnahmefällen auch darunter) bis -zig GHZ reicht.

Die Theorie elektromagnetischer Wellen bildet das Fundament für die weitere Entwicklung zu einer größeren Bandbreite und ultraschnellen analogen und digitalen Schaltungen.

Häufig ist die Ausdehnung der Strukturen selbst (z.B. Antennen) oder die Verbindung zwischen einzelnen Elementen in der Größenordnung der Wellenlänge oder darüber.

Die Hochfrequenztechnik umfasst die Erzeugung, Verstärkung, Transponierung, Modulation und Demodulation, Abstrahlung, Ausbreitung und Aufnahme hochfrequenter Signale. Anwendungsbereiche sind die Nachtrichtenübertragung, Navigation, Nah- und Fernerkundung, HF-Identifikation und das weite Gebiet der elektromagnetischen Verträglichkeit.

Im Rahmen medizintechnischer Anwendungen befassen sich Arbeitsgruppen am Institut mit der Entwicklung transkutaner Übertragungssysteme und mit der Kompatibilität implantierter elektronischer Schaltungen mit diversen Quellen elektromagnetischer Felder wie z.B. kernspintomographischen Diagnoseverfahren.