Netzteile und EMV in der Medizintechnik Herausforderungen durch das IoT

Die Entwicklung von IoT-Geräten mit drahtlosen Übertragungsmöglichkeiten vollzieht sich rasant und erzeugt gleichzeitig Bedenken im Blick auf Störungen und Funktionsbeeinträchtigung anderer Geräte. Speziell für medizinische Anwendungen können diese Aspekte schwerwiegende Folgen nach sich ziehen.

Vom Schnickschnack bis zum Lebensnotwendigen: Untereinander verbundene Geräte und das Internet of Things (IoT) sind überall und verändern Schritt für Schritt unser Leben. Mit der steigenden Zahl an Produkten, die Funksignale aussenden, wird es für die Hersteller von medizinischen Geräten immer komplexer, den ordnungsgemäßen Betrieb ihrer Geräte sicherzustellen. Bei Nutzung offizieller IEEE-Standards oder firmenspezifischer Protokolle, von denen viele auf unlizenzierten Frequenzen in den ISM- (Industrial, Scientific and Medical) oder in den MICS-Bändern (Medical Implant Communication Service) betrieben werden, müssen die eigenen Geräte zuverlässig arbeiten, ohne andere Geräte zu stören oder durch andere Geräte selbst gestört zu werden. Um eine drahtlose Koexistenz in medizinischen Anwendungen konsequent sicherzustellen, haben die Regulierungsbehörden weltweit ihre Anstrengungen gebündelt, um Protokolle und Prozesse zu standardisieren. Für Hersteller von Netzteilen bedeutet dies, dass sie zukünftig durch eigenständige Tests diese "drahtlose Koexistenz" nachweisen müssen, wenn sie Stromversorgungen für medizinische Anwendungen entwickeln.

Die Industrie blickt auf eine lange Geschichte im Bau robuster Stromversorgungssysteme zurück. Es wurden permanent neue Technologien entwickelt, der Wirkungsgrad, die Zuverlässigkeit und die Sicherheit kontinuierlich verbessert.

Mit der rasanten Entwicklung vernetzter Geräte in medizinischen Anwendungen treten plötzlich neue Formen der Energiegewinnung hinzu. Kleinere Lasten können sich heute durch Energy Harvesting versorgen, was sie sehr anfällig für Funkstörungen macht. Auf der anderen Seite gibt es heutzutage Verbraucher, die ihre eigene Energie sogar aus den Funkwellen beziehen können.

Die Koexistenz von Schaltnetzteilen und Funksignalen muss daher heute ganz anders betrachtet werden, als wir es bislang gewohnt waren. Dies gilt insbesondere für medizinische Anwendungen außerhalb des professionell betreuten Klinik- oder Praxisumfeldes, dem sogenannten Home-Healthcare-Bereich.

Fehlerquellen eliminieren

Seit 2010 steigt die Zahl der vernetzten Geräte und die drahtlose Übertragung im medizinischen Umfeld stark an - und mit ihr die Zahl der Berichte über Fehl­alarme medizinischer Geräte, sporadische Fehler und Fehlfunktionen. Ein Warnsignal für alle Beteiligten, die Auswirkungen drahtlos kommunizierender medizintechnischer Geräte in den Blick zu nehmen, von denen das Leben des Patienten abhängen kann.

In vielen dieser Fälle erwies es sich als außerordentlich schwierig, den exakten Grund für die Fehlfunktion ausfindig zu machen. Erst nach aufwändigen Detailanalysen konnten Funkstörungen als Ursache nachgewiesen werden. In den USA registriert die FDA (Food and Drug Administration) solche Fehlfunktionen in einer zentralen Datenbank namens MAUDE, welche mittlerweile eine stark steigende Zahl an EMV-Problemen dokumentiert.

Ein Beispiel: Ein Patient mit Herz- und Atemwegsproblemen wurde zuhause an ein fortschrittliches Beatmungsgerät mit drahtloser Herzüberwachung angeschlossen. Der Zustand des Patienten wurde über ein entferntes medizinisches Zentrum ständig überwacht. Mehrfach erhielt das Zentrum Alarmmeldungen aus dem System. Anrufe beim Patienten zeigten, dass es ihm gut ging. Alle Alarme wurden als Fehlalarme klassifiziert und mündeten im Austausch der Überwachungseinheit. Trotz dieser Maßnahme kam es immer wieder zu sporadischen Fehlalarmen. Der Hersteller führte sorgfältige Analysen durch, konnte jedoch weder Hard- noch Software-Fehler feststellen. Nur durch Zufall bemerkte eine Krankenschwester bei einem Hausbesuch beim Patienten ein eigenartiges Geräusch im Radio, während im selben Moment ein Alarm ausgelöst wurde. Nach weiteren Untersuchungen stellte sich heraus, dass ein Industrieunternehmen in der Nähe ein Hochleistungs-Schweißgerät mit unzureichender Schirmung in Gebrauch hatte. Die dadurch abgestrahlten hochfrequenten Wellen beeinflussten den Sensor-Schaltkreis und lösten die Alarme aus. Dieses Beispiel mag ein wenig anekdotenhaft klingen, ist aber eines von vielen, die die medizintechnische Industrie veranlassen, die Problematik von elektromagnetischen Beeinflussungen neu zu überdenken, um sicherzustellen, dass alles reibungslos und sicher funktioniert.

Führt man sich die Entwicklung der Tele-Medizin vor Augen, einschließlich der ferngesteuerten Operations-Roboter, wird klar, dass Einflüsse von Funkstörungen in medizinischen Anwendungen für diese Industrie heutzutage eine besonders hohe Priorität bekommen haben.

Bild 1 zeigt das Beispiel eines Operationssaales mit einer ganzen Reihe von strategischer und lebenserhaltender Ausrüstung, die mehr und mehr vernetzte Geräte beinhaltet. Elektrische Signalkabel, Infusionspumpen, Echokardiografen, Narkoseeinheiten, physiologische Überwachungsgeräte, Druckinfusionsgeräte, Schrittmacher, Durchflussmessgeräte und nicht zuletzt Mobiltelefone und Pager, sie alle generieren Funksignale, ganz zu schweigen von Hochleistungsgeräten, z.B. einem Plasmaskalpell, das elektromagnetische Interferenzen erzeugen kann. In solchen Umgebungen muss die elektromagnetische Verträglichkeit garantiert werden. IEC 60601-1-2 in der 4. Ausgabe (2014) bildet dies mit dem Ziel ab, das Unvorhersehbare etwas besser vorhersehbar zu machen.