Ein Job für Spezialisten Widerstände für medizinische Anwendungen

Auch wenn der Fortschritt medizinischer Geräte vorwiegend auf die steigende Verarbeitungsleistung digitaler Systeme zurückzuführen ist, spielen passive Komponenten bei der Erfassung der Signale sowie beim Schutz der wertvollen Elektronik eine immens wichtige Rolle. So vielfältig wie die Anwendungen sind, so sind es daher auch die verschiedenen Widerstandstypen, die sich für die verschiedenen Aufgaben anbieten. Dies sollen Beispiele aus den Bereichen Kontakt, Abbildung und Analyse verdeutlichen.

Mit der Entwicklung neuer Verfahren in der Medizintechnik und der Bereitstellung neuer Lösungen der Elektrotechnik nimmt der elektronische Inhalt von Geräten für medizinische Anwendungen stetig zu. Gleichzeitig lassen diese Geräte die Krankenhausgrenzen hinter sich und dienen zunehmend den gemeinschafts- und heimbasierten Märkten im Gesundheitswesen. Dabei ist die Entwicklung vorwiegend auf die steigende Verarbeitungsleistung digitaler Systeme zurückzuführen.

Der menschliche Körper verändert sich in seiner Physiologie ja nicht, daher spielen hohe Zuverlässigkeit passiver Komponenten in drei weit gefächerten Bereichen trotz aller Veränderung eine immer wichtigere Rolle: Kontakt, Abbildung und Analyse. Der erste Bereich, Kontakt, bezieht sich auf alle Geräte mit einer elektrischen Verbindung zum Körper. Als Beispiele sind hier die Zuführung von hochenergetischen Impulsen für die Defibrillation, die Erfassung von natürlich erzeugten Signalen für EEG und EKG sowie die Messung der Impedanz des Körpers für das respiratorische oder plethysmographische Monitoring zu nennen.

Der Bereich Abbildung umfasst Röntgen, MRT und Ultraschall, die wiederum jeweils spezielle Anforderungen an die Widerstandskomponenten stellen. Die Analyse schließlich deckt die Bereiche IVD (In-vitro-Diagnostik) und Laborgeräte ab. Dieser Verwendungshinweis dient dem Entwickler als Leitfaden zur Auswahl der geeigneten Komponenten für alle drei genannten Bereiche. Zusätzlich dazu sind die umfassenden Produktdatenblätter erhältlich.

Laderegler für Defibrillatoren

Bild 1 zeigt das vereinfachte Schaltbild eines Ladestromkreises für einen Defibrillator. Die stabile und wiederholbare Messung der Ladespannung ist eine äußerst wichtige Funktion für diesen Stromkreis, da hier die Menge der an den Patienten übertragenen elektrischen Energie bestimmt wird. Im Hinblick darauf, dass die zugeführte Energie proportional zum Quadrat der Spannung ist, erfordert eine Toleranz von 1% für die Energie eine Toleranz von 0,5% beim Laderegler.

In diesem Schaltbild ist R1 ein hochohmiger Widerstand, gewöhnlich im Bereich von 5 MΩ bis 50 MΩ, der zusammen mit einem handelsüblichen Chip-Widerstand R2 einen Spannungsteiler für die Spannungsrückkopplung bildet. Die entscheidenden Merkmale dieses hochohmigen Widerstands sind Linearität, ausgedrückt durch den Spannungskoeffizienten (VCR) und den Temperaturkoeffizienten (TCR) sowie Langzeitstabilität bei Spannungsbelastung.

Darüber hinaus ergibt sich aufgrund des rasanten Wachstums im nicht fachspezifischen AED-Segment (automatisierte externe Defibrillatoren) die Notwendigkeit für eine kompakte Standfläche und den Funktionsumfang unter den verschiedensten Umweltbedingungen, einschließlich hoher Feuchtigkeit. Das Fehlerbudget für den Widerstandswert hat folgende Einflussgrößen:

  • Grundtoleranz,
  • Lötmittelhitzebeständigkeit,
  • TCR-Fehler bei minimaler und maximaler Betriebstemperatur,
  • VCR-Fehler bei maximaler Spannung sowie
  • Umweltbeständigkeit.

Die ersten beiden Ausdrücke lassen sich gewöhnlich durch Kalibrierung nach Aufbau eliminieren. Die verbleibenden drei Ausdrücke werden im Folgenden beschrieben. Die am besten geeignete Widerstandstechnik für diese Anwendung ist der Dickschichtwiderstand.

Als Linearitätsgrenzen dienen der Temperatur- und der Spannungskoeffizient des Widerstands, die jeweils die Grenze für reversible Widerstandsänderungen darstellen (Bild 2). Die Temperaturkurve weist die normale »U«-Form auf, deren Grenzen die TCR mit typisch ±100 ppm/K bilden. Der TCR-Fehler kann durch Auswahl des höchstmöglichen Widerstandswerts minimiert werden, um die Selbsterhitzung zu verringern, sowie dadurch, dass der Widerstand möglichst weit von Wärme erzeugenden Komponenten entfernt ist.

Die Spannungskurve hingegen zeigt lediglich eine negative Steigung mit einer Grenze, die durch den VCR gebildet wird, der typischerweise zwischen -1 ppm/V und -5 ppm/V liegt. Hochspannungswiderstände nutzen besondere Entwicklungsverfahren zur Minimierung des VCR, aber letztlich besteht ein Zielkonflikt zwischen dem VCR und der Produktgröße. Es ist anzumerken, dass die Steigung sich bei zunehmender Spannung erhöht und der VCR-Fehler dadurch verringert werden kann, indem man den Widerstand nur bei bis zu 75% der Nennspannung betreibt.

Widerstände werden gewöhnlich bei Messspannungen von höchstens 100 V eingestellt und gemessen. Der Hersteller TT Electronics (Vertrieb: WDI) liefert jedoch auch Widerstände mit einem Einstellungsabgleich, der zur Verringerung des VCR-Fehlers bei einer gegebenen höheren Nennbetriebsspannung beiträgt. Der mögliche Einfluss von Defibrillationsimpulsen besteht für direkt angeschlossene Bildschirme. Daher sind die sensiblen Eingangsstufen dieser Geräte vor Beschädigung zu schützen.

Viel wichtiger ist jedoch, die Ablenkung der Defibrillationsenergie vom Körper des Patienten zu vermeiden. Hierzu wird in den Eingangskreis des Bildschirms ein zusätzlicher Widerstand vorgesehen, bei dem es sich für gewöhnlich um einen impulsfesten Typ handelt. Dieser wird in den Leitungssatz entweder an den Steckverbinder oder im Joch eingebaut, wo sich das Einleiterkabel in einzelne Ionisationskabel unterteilt. Zusätzlicher Schutz kann bereits im Monitor selbst vorgesehen werden.

Bild 3 zeigt die Standardprüfschaltungen. Der Anteil der durch einen Schutzwiderstand erreichten, gesamten Defibrillationsenergie ist abhängig vom Widerstandswert. Um diesen zu verringern, sollte der höchste, mit der Bildschirmfunktion vereinbare Wert gewählt werden.

Ausgehend von der verwendeten Prüfschaltung und im Fall der IEC 601 schwankt zudem die Anzahl der Kabel in einem Leitungssatz. WDI kann zusammen mit seinem Hersteller TT Electronics bei der Wahl der erforderlichen Energiekennzahl beratend zur Seite stehen.

Gewöhnlich liegen die Werte für den Schutz des Leitungssatzes aber bei 25 J bei 1 kΩ mit Abfall auf 2,5 J bei 10 kΩ. Dies verlangt nach einem besonderen Aufbau wie bei den Ceramic-Composition-Widerständen der »CCR«-Serie.

Für Widerstände, die auf einer Platine angebracht werden und sekundären Schutz bieten, werden impulsfeste Dickschichtwiderstände eingesetzt, beispielsweise die Serie »PWC« oder »DSC«.

Stromversorgung von Röntgensystemen

Röntgensysteme erfordern eine stabile und akkurate Hochspannungsversorgung für die Beschleunigungsspannung, mit der Röntgenstrahlen erzeugt werden. Die Spannungen liegen gewöhnlich im Bereich zwischen 50 kV und 100 kV, und der Schaltkreis ist zumeist in einer ölgefüllten Kammer eingebaut. Hierdurch werden die Luft- und Kriechgrenzen für die Komponenten und die Anordnung verringert und auf diese Weise eine kompakte Röntgenkopf-Konstruktion geschaffen. TT Electronics besitzt umfangreiche Erfahrung in der Entwicklung von Ultrahochspannungs-Dickschichtwiderständen zur Spannungsteilung bei dieser Anwendung und bieten, eine Vielzahl von standardmäßigen und kundenspezifischen Formaten.

Ein Konstruktionsentwurf basiert auf dem Einsatz einer Serienkombination von Hochspannungswiderständen, wie die planare Serie »4500«, die je Element bis zu 20 kV ermöglicht. Eine andere Lösung sieht die Nutzung von Axialwiderständen der »T«-Serie vor, die in einem einzigen Element in einem mit Öl oder Schwefelhexafluorid (SF6) gefüllten Aufbau bis zu 100 kV ermöglichen. Die Abschlüsse bilden entweder ein Draht oder eine Schraube, die ein einfaches Aufschichten in einer Mehrfachwiderstandsanordnung (Kaskade) erlauben. Um das mögliche Auftreten von Luftlöchern zu eliminieren, ist eine ungeschlitzte Ausführung zu wählen. Es besteht die Möglichkeit, diese Teile in aufeinander abgestimmten Sätzen zu liefern, um eine genaue Verhältnistoleranz oder einen sehr geringen TCR mittels gegenseitiger Minimierung zu erhalten.

Schließlich können kundenspezifische Teilernetzwerke mit speziellen Verhältnisausführungen und in verschiedenen Größen und Formen gestaltet werden, damit optimale Lösungen für hochkompakte Ausführungen entstehen. Ultraschallwandler erfordern Netzanschlüsse, die auch bei hohen Frequenzen betrieben werden können und mehrere Kanäle des Widerstandsabschlusses bereitstellen. Typischerweise sind 128 Kanäle mit bis zu 15 MHz eine Voraussetzung. Welwyn (Vertrieb: WDI) bietet neben den standardmäßigen auch kundenspezifische Dünnfilmwiderstandsnetzwerke in den unterschiedlichsten Baugruppenarten an; dazu gehören SOIC, QSOP und TSSOP.

Die jüngste Erweiterung der Produktpalette ist das BGA-Netzwerk, das bis zu 32 Abschlusswiderstände in einer 6,4 mm x 2,5 mm großen Stellfläche mit einem Rückführungsverlust von unter -20 dB bis 3 GHz unterbringt. Dadurch wird die vorstehend genannte Anforderung auf einer Fläche von vier Chips des Formats 2512 erfüllt. MRT-Scanner erfordern Regelkreise, die gegenüber starken magnetischen Feldkräften resistent sind.

Daher müssen die Komponenten von eisenhaltigen Legierungen und Nickel sein. Dabei handelt es sich um die meistverwendeten Materialien in Abschlusskappen, die bei Axialwiderständen zumeist als Anti-Auslaugbarriere in Chipwiderständen dienen. Diese kappenlosen Widerstände der »RG«-Serie bietet etwa der Hersteller IRC im Hinblick auf diese Anforderung.