Passive Bauelemente
Medizinischer Widerstand
Zuverlässigkeit und Sicherheit sind selbstverständliche Anforderungen an medizinische Geräte; wenn sie tragbar sein sollen, kommen noch geringe Größe, Robustheit und Batteriebetrieb hinzu. Dies fordert auch die passiven Bauelemente heraus.
Medizintechnische Geräte finden sich heute nicht mehr nur in Krankenhäusern und Arztpraxen. Auch deren Anwendung ist nicht länger auf qualifiziertes Personal beschränkt. Stattdessen sind die Geräte kleiner, tragbarer und einfacher bedienbar geworden – bis zu dem Punkt, wo Geräte wie Defibrillatoren an vielen öffentlichen Plätzen wie Sportstätten, Schulen, Flughäfen, Fitnesscentern sowie in Bürogebäuden zu finden sind.
Andere Geräte wie Blutzuckermessgeräte sind heute bei der Betreuung von Diabetespatienten nicht mehr wegzudenken und haben sich zu persönlichen Geräten im Hosentaschenformat weiterentwickelt, die überall hin mitgenommen werden können. Dann gibt es Geräte für die Patientenüberwachung, Diagnose und Medikamentenverabreichung, die für den Hausgebrauch entwickelt wurden. Dazu zählen meist auch am Körper getragene Systeme.
Medizintechnische Geräte erfordern hochqualitative Komponenten, um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Bei tragbaren Geräten kommen noch weitere Anforderungen hinzu, zum Beispiel eine kompakte Größe, Robustheit, um in rauen Betriebsumgebungen einwandfrei zu funktionieren, und der Batteriebetrieb.
Automatische externe Defibrillatoren (AEDs) arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie externe Defibrillatoren in Krankenhäusern. Sie dienen zur Behandlung von Patienten mit lebensbedrohlichen Herzrhythmusstörungen (unregelmäßiger Herzschlag), was zu einem Herzstillstand führen kann. Mittels Elektroschock wird dabei versucht, den normalen Herzrhythmus wiederherzustellen. Bei externen Defibrillatoren wird die Ladung über Elektroden auf der Brust verabreicht. Interne Defibrillatoren, wie sie in Operationssälen zu finden sind, verwenden Elektroden, die in direktem Kontakt mit dem Herz stehen.
Elektroschock vom Laien
Der Unterschied bei Defibrillatoren in Krankenhäusern ist, dass diese per Hand von erfahrenen Ärzten, Sanitätern oder Pflegepersonal bedient werden, die eine Herzerkrankung diagnostizieren können und wissen, wie hoch der Elektroschock sein muss. Diese Defibrillatoren verfügen auch über ein integriertes EKG-Gerät (Elektrokardiogramm), obwohl in den meisten Krankenhäusern die Patienten mit hohem Herzstillstandrisiko bereits an umfangreiche Überwachungsgeräte angeschlossen sind.
AEDs sind hingegen tragbare Geräte, die vor allem für Laien konzipiert wurden; ideal ist die Anwendung durch Ersthelfer oder Sanitäter, die dafür ausgebildet sind. Einige Ambulanzen verfügen neben manuellen Defibrillatoren auch über AEDs. Die Geräte automatisieren die Analyse und Diagnose des Herzrhythmus‘ und geben entweder automatisch einen Elektroschock ab oder unterrichten den Anwender, ob ein Elektroschock erforderlich ist und wie dieser abgegeben wird. AEDs sind in ihrer Funktion daher eingeschränkt und können nur die gängigen Herzrhythmusstörungen (VT = Ventrikuläre Tachykardie; VF = Ventrikuläre Fibrillation = Herzkammerflimmern) behandeln, nicht aber einen kompletten Herzstillstand (Asystolie). AEDs finden sich meist in öffentlichen Bereichen wie Einkaufszentren oder Bahnhöfen. Am Körper getragene (persönliche) AEDs werden für gefährdete Patienten immer beliebter und als wichtiges Gesundheitsprodukt für den Haushalt propagiert.
Der grundlegende elektrische Aufbau eines Defibrillators ist in Bild 1 dargestellt. Wesentlicher Bestandteil ist der Speicherkondensator C, der auf einen Wert aufgeladen wird, der als ausreichend für die vorbestimmte Menge an elektrischer Energie betrachtet wird, die dem Herzen in Form eines Elektroschocks zugeführt wird. Dargestellt ist nur der wesentliche Lade-/Entladekreis und nicht die Steuerung für die Schalter und den automatischen Betrieb.
Der Ladekreis besteht aus einer Gleichstromversorgung und dem Serienwiderstand R1, der den Ladestrom begrenzt und die Ladedauer bestimmt. Je nach Wert des Kondensators und der erforderlichen Schockenergie, muss die Versorgung mehr als 1000 V, manchmal sogar auch bis zu 5000 V bereitstellen. Bei einem batteriebetriebenen, tragbaren AED kommt diese Energie von einem DC/DC-Wandler. Der Spannungsteiler aus R2 und R3 überwacht die Kondensatorspannung und stellt eine niedrigere Spannung bereit, mit der die Versorgung abgeklemmt wird, sobald der erforderliche Ladungswert erreicht ist.
Das Entladen erfolgt über die Spule I, die zusammen mit dem Widerstand R4 einen stark gedämpften Puls erzeugt, der 100 J über einen Zeitraum von 5 ms bereitstellt. Das dargestellte System liefert einen Impuls mit fester Polarität. Heute sind die meisten Defibrillatoren zweiphasig, um die Polarität alternierender Pulse umzukehren. Zweiphasige Defibrillatoren erzielen eine höhere Erfolgsrate und arbeiten mit reduzierten Energiewerten. RS und CS bilden eine Snubber-Schaltung, und RT kann eingefügt werden, um den Defibrillatorausgang zu testen.
Leistungsanforderungen an die Widerstände
Die Leistungsanforderungen an die Widerstände in AEDs und deren zugehörige Herzüberwachungsschaltkreise sind sehr anspruchsvoll. Die Widerstände R1, R2 und R4 in Bild 1 müssen hohen Spannungen standhalten. R1 muss dem Ladestrom standhalten, weshalb dessen Wert (vielleicht 100 kΩ) und Genauigkeit nicht so wichtig ist. Allerdings muss er in der Lage sein, rund 10 W Leistung abzuführen. R4 formt den Ladeimpuls, der an die Elektroden geführt wird. Dessen Wert (z.B. 10 Ω) und Belastbarkeit (ca. 300 J) sind daher entscheidend. Das Verhältnis von R2 zu R3 kann im Bereich 500:1 liegen, um eine Versorgungsspannung von 1000 V auf den Wert 2 V zu teilen, der kompatibel zum Eingangsbereich des Komparators in einem Mikrocontroller ist. Wäre R2 = 10 MΩ, müsste R3 bei 20 kΩ liegen. Geht man davon aus, dass sich das System kalibrieren lässt, sind die genauen Werte und Toleranzen dieser Widerstände nicht von Bedeutung. Die Temperaturstabilität und Spannungslinearität sind jedoch entscheidende Kriterien – definiert durch den TCR (Temperaturkoeffizient des Widerstands) und VCR (Spannungskoeffizient des Widerstands). Gängige Werte sind ±100 ppm/K für TCR und -1 ppm/V bis -5 ppm/V für VCR, der ein negatives Vorzeichen hat.
Riedon (Vertrieb: Blume Elektronik) bietet verschiedene Widerstände, die diese Anforderungen erfüllen. Für R1 eignen sich die »HTE«-Dickschichtwiderstände als nicht-induktive Axialbauteile mit einer Nennspannung bis zu 48 kV, Nennleistungen von 0,7 W bis 17 W und Widerstandswerten von 1 kΩ bis 100 MΩ. Mit ihrem TCR-Wert von ±100 ppm/K eignet sich die HTE-Serie auch für R2 und R3. Für R4 und zum Schutz empfindlicher Monitoreingänge, die an die Elektroden angeschlossen werden können, sind impulsfeste Widerstände erforderlich. Riedon empfiehlt dafür die »UT«-Serie von Drahtwiderständen, die über 1000 J abführen können. Ein passender Wert für RS wäre 50 Ω, während RT an die 5 kΩ betragen kann. Auch hier bietet die UT-Serie die erforderliche Impulsfestigkeit. R4, RS und RT sollten allesamt nicht-induktiv sein.
Widerstand misst Blutzucker
Blutzuckermessgeräte ermöglichen Diabetikern, ihren Blutzuckerwert zu überwachen und bei zu hohen beziehungsweise zu niedrigen Werten entsprechend reagieren zu können. Die Überwachung des Blutzuckerwertes hilft Patienten bei ihrer Diät, Bewegung und Medikation. Dies trifft vor allem auf Patienten mit Typ-1-Diabetes (und einige mit Typ 2) zu, die sich regelmäßig Insulin injizieren müssen. Die regelmäßige Überprüfung des Blutzuckerspiegels hilft, die Wirksamkeit der letzten Insulindosis zu überwachen und die nächste einzuplanen.
Ein Blutzuckermessgerät ist ein elektronisches System, das den Glukoseanteils im Blut misst. Der technische Fortschritt macht batteriebetriebene Geräte im Taschenformat möglich, die bequem zu tragen und einfach zu bedienen sind. Tests lassen sich so mehrmals am Tag durchführen, damit Patienten ihren normalen Blutzuckerwert über den ganzen Tag halten können. Die Messung erfolgt über eine kleine Blutprobe durch einen Fingerstich: Das Blut wird auf einen Teststreifen aufgebracht, der Chemikalien enthält, die mit der Glukose im Blut reagieren. Die ersten Messungen basierten auf einer Reaktion, bei der sich die Farbe des Teststreifens änderte. Die Änderung wurde entweder grob mit einer Farbreferenztabelle verglichen, oder genauer mit einem Kolorimeter gemessen. Eine andere Messmethode basiert auf einer elektrochemischen Reaktionen, bei der ein entsprechender elektrischer Messkreis zum Einsatz kommt, der heute die Grundlage der meisten Blutzuckermessgeräte bildet.
Der Teststreifen eines Blutzuckermessgeräts nimmt eine bestimmte Menge Blut auf. Die Glukose im Blut wird über eine Enzymelektrode (Katalysator) oxidiert; anschließend erfolgt eine Reoxidation mit einem Reagens, das mit der Elektrode reagiert und einen elektrischen Strom erzeugt. Die erzeugte Gesamtladung (Strom x Zeit) ist proportional zur Glukosemenge in der Blutprobe. Diese Ladung kann entweder über eine bestimmte Zeit gemessen werden, oder der Strom lässt sich nach einem vorgegebenen Zeitintervall messen (wenn die Zeitcharakteristik der chemischen Reaktion bekannt ist), um so eine äquivalente Schätzung der Glukosekonzentration zu erhalten.
Die Genauigkeit eines Blutzuckermessgeräts ist von entscheidender Bedeutung und daher auch durch ISO-Standards definiert. Sie hängt von vielen Faktoren ab: Größe und Qualität der Blutprobe, Umgebungstemperatur und Feuchtigkeit, Kalibrierung, Alterung der Teststreifen und schließlich von der Genauigkeit der Messung. Letztere wird durch eine genaue Strommessung und durch Präzisionsbauelemente festgelegt.
Strommesswiderstände bieten hier eine ideale Lösung. Wie bei Shunt-Widerständen in herkömmlichen Amperemetern wird der Strom als Spannungsabfall über einen bekannten niederohmigen Widerstand ermittelt, der sich in Serie zur Last befindet. In Anwendungen wie Blutzuckermessgeräten, die mit einem Digitaldisplay ausgestattet sind, wird die Spannung mit einem A/D-Wandler gemessen, der meist Bestandteil eines Mikrocontrollers ist. Dieser berechnet auch die Glukosewerte, gibt diese am Bildschirm aus und sorgt für die gesamte Steuerung des Geräts.
Neben ihrem geringen Widerstandswert müssen Strommesswiderstände auch eine hohe Genauigkeit und Stabilität unter allen Betriebsbedingungen und über der Zeit aufweisen. Riedon bietet verschiedene Arten von Strommess- und Shunt-Widerständen. Für diese medizintechnische Anwendung eignet sich die »CSR«-Serie von SMD-Widerständen oder die »MSR«-Serie zur Durchsteckmontage. Bei den CSR-Bauteilen handelt es sich um sehr niederohmige Metal-Strip-Chip-Widerstände mit Werten von 0,5 mΩ bis 15 mΩ, einer Toleranz von ±1% und einem TCR von ±50 ppm/K. Drei Gehäusevarianten stehen zur Verfügung, die Nennleistungen von 1 W bis 3 W über einen Betriebstemperatur¬bereich von -55 °C bis +170 °C abdecken. Die MSR-Widerstände stehen mit Werten von 5 mΩ bis 100 mΩ, einer Toleranz von ±1%, einem TCR von ±20 ppm/K und einer Nennleistung von 1 W, 3 W oder 5 W bereit. Deren Bare-Metal-Design und verschweißte Konstruktion stellt eine wirtschaftliche, niederinduktive Lösung dar. Eine Strommessung nach den genannten Prinzipien ist in medizintechnischen Geräten auch zur Überwachung der Batterielebensdauer unerlässlich.
Über den Autor:
Phil Ebbert ist VP Engineering bei Riedon.
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