Der Verlängerungsmarknagel Fitbone von Wittenstein Intens ist ein intramedulläres Verlängerungssystem zur Extremitätenverlängerung in Femur und Tibia. Der Verlängerungsmarknagel verfügt über eine Empfängerspule und wird minimalinvasiv im Knochen implantiert. Zur Aktivierung der Distraktion setzt der Patient den Transmitterkopf mit der integrierten Sendespule direkt auf der Haut auf. Die kontaktlose Energieübertragung zwischen dem Transmitterkopf und der Empfängerspule des Implantats nutzt elektromagnetische Felder, um der Elektronik im Verlängerungsmarknagel elektrische Energie zuzuführen. Die Leistungsaufnahme kann bis zu mehrere Watt betragen.

Die 3D-Leiterplatte in neuer Aufbautechnologie kommt im subkutan implantierbaren Receiver des Verlängerungsmarknagel Fitbone zum Einsatz.

Die 3D-Leiterplatte in neuer Aufbautechnologie kommt im subkutan implantierbaren Receiver des Verlängerungsmarknagel Fitbone zum Einsatz. Wittenstein

Die Technologie dieser Baugruppe für die drahtlose Energieübertragung basiert auf einem Design, das bereits im Jahr 1997 entwickelt und in einem aufwändigen Verfahren für den medizintechnischen Einsatz zugelassen wurde. Die zyklische Überwachung elektronischer Bauteile im Rahmen des Obsoleszenz- und Lifecycle-Management, die Möglichkeiten innovativer Fertigungs- und Prüfverfahren sowie der Wunsch nach mehr Kompaktheit und nach neuen Funktionen seitens Wittenstein Intens waren für das Schwesterunternehmen Wittenstein Electronics der Startschuss für ein komplettes Redesign der elektronischen Implantatbaugruppe.

Neue Design-Generation für Implantate erforderlich

Das bisherige Konzept der Elektronik im Verlängerungsmarknagel basierte auf einer gewickelten Spule mit Mittenanzapfung sowie zwei Leiterplatten, die nach der Bestückung zunächst einzeln getestet werden mussten, bevor die Spule montiert und der gesamte Systemstapel zusammengebaut, verlötet, ein weiteres Mal getestet und dann ausgegossen und mit Silikon umspritzt werden konnte. Um die Ziele eines reduzierten Baugruppenvolumens, der Einsparung von Bestückungsflächen und des Einsatzes von verfügbaren Standardbauteilen zu erreichen, war die Entwicklung eines völlig neuen Designs erforderlich. Fertigungstechnisch sollte es zudem möglich sein, aktive und passive Komponenten ohne spezielle Maschinen- oder Bestückungstechnologien in den Leiterplattenaufbau einzubetten. Die Integration der Retraktionfunktion war ein weiterer, zentraler Punkt des Lastenheftes. Die neue Elektronik des Verlängerungsmarknagels Fitbone sollte dem Patienten die Möglichkeit und den Komfort bieten, einen versehentlich zu langen Distraktionsimpuls rückgängig zu machen.

Im Größenvergleich zu 1 Euro: Das Redesign ließ den subkutan implantierbaren Receiver um etwa 50 Prozent schrumpfen.

Im Größenvergleich zu 1 Euro: Das Redesign ließ den subkutan implantierbaren Receiver um etwa 50 Prozent schrumpfen. Wittenstein

Die Umsetzung dieser und weiterer Anforderungen mündete in die Designentwicklung der Embedded Planar Inductance, kurz EPI. Realisiert wurde das neue Aufbaudesign in Zusammenarbeit mit dem Bereich Embedded-Component-Technologie von Würth Elektronik. Zusammen haben beide Partner eine 24-lagige Spule mit etwa 170 Windungen als Leiterplatte realisiert. Zwei unterschiedliche, gegenüberliegende Kavitäten, welche durch eine auf der Ober- und der Unterseite tiefenkontrollierte Niveaufräsung hergestellt wurden, bieten ausreichend Bestückungsvolumen, um aktive und passive Bauelemente im Zentrum der Spule innerhalb der Kavität anzuordnen. Diese Kavitäten werden hergestellt, indem eine Z-Achsenfräsung bis in eine zuvor während der Herstellung des Presspakets manuell eingebrachten Opferschicht durchgeführt wird. Stapelsteckverbindungen wie in der bisherigen Ausführung entfallen bei diesem neuen, robusten und zuverlässigen Design – was ebenfalls zu einer deutlichen Reduzierung des gesamten Aufbauvolumens beiträgt. Gleichzeitig konnte eine geeignete Teststruktur integriert werden, so dass die Baugruppe jetzt direkt nach der Bestückung ohne weitere Zwischenschritte auf ihre Funktion hin geprüft werden kann, bevor sie ausgegossen und umspritzt wird.

Die Bestückung selbst, ist unproblematisch und lässt sich mit annähernd jedem Bestückungsautomaten durchführen. Das Applizieren der Lotpaste stellte sich aber während eines Vergleiches der unterschiedlichen Verfahren als herausfordernd dar. Die ursprünglich im Fokus stehende 3D-Stufenschablone schied wegen der zusätzlich nötigen Fläche zum Ein- und Ausfahren des Rakels bei der bis zu 2,3 mm tiefen Kavität als nicht nutzbar heraus, da die Baugruppe so knapp 40 Prozent größer geworden wäre. Kostenintensive Möglichkeiten wie etwa das Pin-Dip-Verfahren schieden in der Vorauswahl aus, so dass Dispensen oder Jetprinten zur Auswahl standen. Letztendlich lieferte das Jetprinten das reproduzierbarste und schnellste Ergebnis.

Mit Blick auf die Auswahl und Verfügbarkeit der elektronischen Bauteile wurde das Fitbone-Design einem ständigen Life-Cycle-Überwachungsprozess hinzugefügt, um eine hohe Zukunftssicherheit sicherzustellen: Künftige Änderungen oder Abkündigungen lassen sich somit von Wittenstein Intens als Medizintechnikhersteller frühzeitig bei der Adaption oder beim Redesign der Elektronik erkennen und berücksichtigen.

Bildergalerie
Das Schnittbild zeigt das neue Aufbaudesign – eine 24-lagige Spule mit etwa 170 Windungen als Leiterplatte mit gefrästen, unterschiedlich tiefen Kavitäten auf der Ober- und der Unterseite.
Beim Design Award 2016 des FED konnte die Baugruppe von Wittenstein in der Kategorie 3D/Bauraum einen Spitzenplatz belegen.
Rückseite der EPI-Baugruppe (Embedded Planar Inductance) mit verlöteten Kontakten.
In der in Zusammenarbeit mit Viscom erstellten Durchsicht ist die platzsparende Bestückung mit Bauteilen in den Kavitäten zu erkennen.
Die Kavitäten der Leiterplatte bieten ausreichend Bestückungsvolumen, um aktive und passive Bauelemente im Zentrum der Spule – und damit innerhalb der Induktivität der Spule – anzuordnen.
Mit dem Redesign der Elektronik war es möglich, das Aufbauvolumen und damit auch der Platzbedarf subkutan implantierbaren Receiver um etwa 50 Prozent zu reduzieren.
Fertigungstechnisch war es möglich, die aktiven und passiven Bauelemente ohne spezielle Maschinen- oder Bestückungstechnologien in den Leiterplattenaufbau einzubetten.
Die Kavitäten werden hergestellt, indem eine Z-Achsenfräsung bis in eine zuvor während der Herstellung des Presspakets manuell eingebrachten Opferschicht durchgeführt wird.

Implantat 4.0: interessant für Industrie 4.0 und IoT

Wittenstein Electronics hat EPI 2016 beim alle zwei Jahre ausgetragenen Design Award des FED Fachverband Elektronik Design angemeldet und sich damit für die Endrunde qualifiziert. Bei der Preisverleihung während der FED-Konferenz am 15. September 2016 hat das innovative Leiterplattendesign den ersten Platz in der Kategorie 3D/Bauraum zwar knapp verpasst – aber für so viel Aufmerksamkeit gesorgt, dass die neue Aufbautechnologie zum Patent angemeldet wurde.

Verschiedene Experten sehen in EPI ein Konzept für die Leistungs- und Datenübertragung, wie sie in der Umsetzung von Industrie 4.0, beispielsweise beim Einsatz in Cyber-Physischen-Systemen und IoT-Modulen eingesetzt oder eindesignt werden kann. Aber auch die zunehmende Miniaturisierung von Sensorik-, Aktorik- und Mechatronikkomponenten, die in ihrer jeweiligen Anwendung eine flexible und gleichzeitig hoch verfügbare Energieversorgung benötigen, ist ein weiterer Treiber dieser Technologie. Der Trend zur verstärkten Automatisierung, zum Aufbau intelligenter Monitoringsysteme, zur weiteren Erschließung von Optimierungspotenzialen in der Produktion sowie zur Steuerung von Wertschöpfungsketten in Echtzeit mit Hilfe CPS-autonomer Entscheidungsprozesse wird einer entsprechend adaptierten EPI-Technologie zahlreiche industrielle Anwendungsfelder erschließen.

Aber auch die Medizintechnologie, für die die drahtlose Energieübertragung ursprünglich entwickelt wurde, bleibt als weltweiter Wachstumsmarkt für die EPI-Technologie interessant. Vielfältige medizintechnische Mechatroniksysteme können profitieren, zum Beispiel Retina-Implantate (künstliche Netzhaut), Miniatur-Magnetventile zur Hirndruck-Steuerung, urologische Implantate zur Behebung von Inkontinenz, dehnbare Magenbänder zur Behandlung von Adipositas (Fettleibigkeit), Kunstherzen, Medikamentenpumpen, Stimmband- oder Blasenschrittmacher sowie auch Hüftgelenke und andere herkömmliche Implantate, die jetzt mit Sensorik z. B. zur Belastungsmessung ausgestattet werden können.

Kompakter Schaltungsaufbau

Mit EPI ist Wittenstein Electronics die Entwicklung und Umsetzung eines ultrakompakten Leiterplattendesigns mit hoher Funktionalität und Zukunftssicherheit gelungen, das der kontaktlosen Energie- und Datenübertragung in der Industrie- und der Medizintechnik viele neue Türen öffnen kann.