Power-Entwicklung für die Medizin
Überlegungen zur Stromversorgung medizintechnischer Geräte
Bei Medizingeräten ist die Wahl der Stromversorgung entscheidend für Funktion und Patientensicherheit, technisch wie regulatorisch. Entwickler müssen neben Spannungs- und Stromspezifikationen auch Faktoren wie Kühlkonzepte, EMI-Verhalten und Sicherheitsstandards berücksichtigen. Ein Leitfaden.
Bei medizintechnischen Anwendungen ist die Wahl der Stromversorgung nicht nur für die Funktion des Geräts, sondern auch für die Sicherheit des Patienten entscheidend. In diesem Beitrag werden Faktoren untersucht, die dabei zu berücksichtigen sind: von den grundlegenden Anforderungen an Spannungs- und Stromspezifikationen bis hin zu differenzierteren Aspekten wie Kühlkonzepten, EMI-Verhalten und dem täglichen Nutzungsverhalten.
Volt, Ampere und Effizienz
Die Spannungs- und Stromspezifikationen müssen der beabsichtigten medizinischen Anwendung entsprechen. Dabei ist auch der Eingangsspannungsbereich zu beachten. Dessen unteres Ende wird durch die Gerätekategorie bestimmt: Lebenserhaltende Geräte werden bereits ab 80 VAC betrieben, nicht-lebenserhaltende Geräte ab 85 VAC.
Durch die ständige Weiterentwicklung werden medizintechnische Geräte generell kleiner und tragbarer. Dies erhöht die Nachfrage nach kompakteren Netzteilen, stellt Entwickler jedoch vor Herausforderungen, da die Effizienz nicht beeinträchtigt werden darf. Dabei wird es zunehmend schwieriger, die Abwärme effektiv aus einem reduzierten Volumen ohne Luftbewegung abzuleiten und die MOPP-Richtlinien einzuhalten.
Die kritische Natur medizintechnischer Geräte und ihr Einsatzzweck unterstreichen die Bedeutung elektromagnetischer Störungen (EMI). Die Emissionen des Netzteils dürfen andere Teile des Schaltkreises, insbesondere Steuerungen, nicht beeinträchtigen. Ebenso sollte der Betriebszustand des Netzteils nicht durch elektrische Störungen innerhalb der Anwendung beeinträchtigt werden. Entwickler müssen auch sicherstellen, dass Ausgangsrauschen und Restwelligkeit so gering sind, dass sie keine empfindlichen Schaltkreise in der Umgebung beeinträchtigen, die zu falschen Auslösungen oder Messwerten führen könnten.
Kühloptionen und thermisches Management
Aus mechanischer Sicht kommt es darauf an, den Wärmepfad zu beherrschen. Viele Entwickler betrachten die Lebensdauer eines Elektrolytkondensators (Elko) als grundlegenden Zuverlässigkeitsaspekt für ein Netzteil, da sich die Eigenschaften des Elektrolyts durch Wärmeeinwirkung verändern und die Kapazität des Kondensators beeinflussen. Je nach Qualität des Elkos kann die Lebensdauer erheblich variieren. Als Faustregel gilt, dass sich die Lebensdauer bei jeder Verringerung der Betriebstemperatur um 10 °C verdoppelt. Ein Elko mit einer Nennlebensdauer von 20.000 Stunden bei 105 °C hätte so eine Lebensdauer von 40.000 Stunden bei 95 °C und 80.000 Stunden bei 85 °C, was einer kontinuierlichen Nutzungsdauer von mehr als neun Jahren entspricht.
Entwickler medizintechnischer Geräte überdimensionieren die Stromversorgung möglicherweise, damit sie nicht mit voller Leistung läuft, was die Zuverlässigkeit erhöht. Bei der Entwicklung vollständig geschlossener Geräte minimiert ein hocheffizientes Netzteil die Abwärme, aber diese muss trotzdem aus dem Gehäuse abgeführt werden. Daher sind verschiedene Kühloptionen zu berücksichtigen, um den Wärmeanstieg der Elkos zu minimieren.
Bei zwangsgekühlten Netzteilen wird der Luftstrom durch einen integrierten Lüfter erzeugt, der naturgemäß hörbare Geräusche verursacht. Allerdings kann übermäßiger Lärm in Krankenhäusern und Kliniken, der durch mehrere Geräte verursacht wird, zu Unbehagen bei den Patienten führen. In einer ruhigen Umgebung am Krankenbett kann dies besonders störend sein. Im Labor kann bei medizinischen Test- und Analyseanwendungen wie Mikroskop-Zelldetektoren, Zentrifugen und anderen Labor-Tischgeräten eine langfristige Belastung des Bedieners zu Ermüdung und stressbedingten Beschwerden führen.
Die zweite Kühlungsoption ist die Konvektionskühlung. Wie bei lüfterbasierten Netzteilen müssen die Geräte mit offenen Lüftungsschlitzen versehen sein, damit die Wärme entweichen kann. Je nach Art der medizinischen Ausrüstung und der Umgebung, in der diese Art der Kühlung eingesetzt wird, sind Lüftungsschlitze möglicherweise unerwünscht, da sie die Schutzart beeinträchtigen und es dem medizinischen Personal erschweren, die Ausrüstung zu desinfizieren und sauber zu halten. Oberflächen, die sich leicht abwischen lassen und keine Lüftungsschlitze aufweisen, werden bevorzugt. Ein alternativer thermischer Mechanismus ist die Konduktionskühlung (Wärmeleitung), die vollständig versiegelte Designs ermöglicht.
Medizinische Sicherheitsstandards und Anwendungen
Je nach Standort und Verwendungszweck der Geräte sind selbst in einem Krankenhaus nicht unbedingt medizinisch zugelassene Netzteile erforderlich. Sind Geräte beispielsweise mehr als 2 m vom Patienten entfernt, lässt sich eventuell ein Standard-Netzteil mit ITE-Zulassung wählen. Wenn jedoch der DC-Ausgang des Netzteils mit einer Anwendung verbunden ist, die einen Patienten berührt, muss das Netzteil der Norm IEC 60601-1 entsprechen.
Es gibt drei Klassifizierungstypen für medizintechnische Geräte (Applied Parts, AP): Typ B, BF und CF. Typ B (Body) bezeichnet APs, die nicht elektrisch mit dem Patienten verbunden sind und geerdet werden können. Zu diesen Geräten zählen Krankenhausbetten, OP-Leuchten und MRT-Scanner. Geräte des Typs BF (Body Floating), wie Ultraschallgeräte, Inkubatoren und Blutdruckmessgeräte, sind über Sensoren direkt mit dem Patienten verbunden. Chirurgische Geräte unterliegen der strengsten Einstufung, Typ CF (Cardiac Floating), da sie elektrisch mit dem Herzen oder dem Blutkreislauf des Patienten verbunden sind.
Zu beachten ist, dass eine Sicherheitsprüfung für integrierte Netzteile nach BF-Klassifizierung nicht möglich ist, da nur das Endgerät diese Sicherheitszulassung erhalten kann. Netzteilhersteller können ihre Geräte jedoch so konstruieren, dass sie für BF-Anwendungen geeignet sind. Die Isolation zwischen Ausgang und Erde muss einer 1xMOPP-Basisisolierung (Means Of Patient Protection) entsprechen, und der maximale Ableitstrom muss weniger als 100 µA betragen. Erfüllt das Netzteil diese Sicherheitsanforderungen, kann es in Anwendungen des Typs BF und in Anwendungen ohne Patientenkontakt verwendet werden.
Für das AP wird oft ein separater DC/DC-Wandler verwendet, der ebenfalls eine 1xMOPP-Eingangs-Ausgangs-Isolation aufweist. Bei einem 2xMOPP-Netzteil kann der DC/DC-Wandler je nach Anwendung entfallen. In der Praxis erfordern viele Anwendungen eine Isolation, die zusätzlichen Schutz durch medizinisch zugelassene DC/DC-Wandler benötigt. Bei Anwendungen mit mehreren APs des Typs BF kann es einfacher sein, mehrere 1xMOPP-DC/DC-Wandler zu verwenden.
Spitzenleistung verstehen
Die Spitzenleistung einer Stromversorgung wird durch mehrere Faktoren begrenzt. Erstens, ob das Design die zusätzliche Leistung bereitstellen kann, und zweitens durch die Temperatur der Komponenten, die sich bis zum Ausfallpunkt erwärmen können. Unabhängig von der Spitzenleistung muss diese also innerhalb der thermischen Belastbarkeit der Komponenten liegen. Ein weiterer Aspekt ist die Festlegung der Strombegrenzung. Normalerweise sollte diese eng eingestellt werden, aber ein Netzteil, das Spitzenlasten zulässt, erfordert einen deutlich breiteren Einstellbereich oder eine verzögerte Schutzschaltung.
Die Ausgangsspannung kann mit der Spitzenleistung sinken, muss aber immer noch innerhalb der angegebenen Toleranz liegen. Bei bestimmten Anwendungen, wie dem Antrieb eines DC-Motors zur Höhenverstellung eines Zahnarztstuhls, ist es unwahrscheinlich, dass diese Spitzenleistung sehr oft und nur kurzzeitig erforderlich ist. Unter diesen Umständen haben Entwickler genug Spielraum, ein Netzteil mit einer etwas geringeren Nennleistung zu wählen. So kann in einer Anwendung, die eine Spitzenleistung von 550 bis 600 W erfordert, ein Netzteil mit einer Nennleistung von 400 W zum Einsatz kommen – aber nur, wenn die Strombegrenzung entsprechend eingestellt ist und die Komponenten (z. B. Elkos) bei dieser Spitzenleistung innerhalb der thermischen Belastbarkeit liegen.
Die Stromversorgung für Medizingeräte
Entwickler benötigen eine Standard-Stromversorgungslösung, die erfolgreich integriert und von den Aufsichtsbehörden überprüft werden kann. Ein Netzteil, das die von medizintechnischen Geräten geforderten Spezifikationen und Funktionen erfüllt, minimiert die Entwicklungskosten und den Aufwand für die Zulassung. Ein flaches, platzsparendes, hocheffizientes, hochdichtes, konduktions- oder konvektionsgekühltes Netzteil mit EMV- und Sicherheitszertifizierung für weltweite Anwendungen im Gesundheitswesen, wie beispielsweise das CCP550 von XP Power, wäre eine solche Option.
Das Datenblatt enthält Lebensdauer-Kurven, die auf der durchschnittlichen Betriebstemperatur der wichtigsten Elkos basieren. Diese Daten dienen zur Evaluierung der Produktlebensdauer im eingebauten Zustand – basierend auf den Bauteil-Temperaturen des Geräts, seiner täglichen Nutzung und thermischen Belastung in der jeweiligen Kühlumgebung. (uh)
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