| von Peter Sommer

Bei einem mobilen Beatmungsgerät kommt es auch auf eine flexible und zuverlässige Stromversorgung an.

Bei einem mobilen Beatmungsgerät kommt es auch auf eine flexible und zuverlässige Stromversorgung an.Bebro

In intensiver Zusammenarbeit mit renommierten Medizinern entwickelten Ingenieure des Unternehmens Fritz Stephan das Beatmungsgerät Sophie für Früh- und Neugeborene. Es basiert auf der bewährten Stephanie-Technologie. Hinsichtlich Effizienz, Design und Bedienbarkeit ist das Beatmungsgerät gut aufgestellt und durch seine Flexibilität und Leistungsfähigkeit lässt es sich unkompliziert und zuverlässig an die jeweilige Beatmungssituation der Früh- und Neugeborenen anpassen. Bebro Electronic wurde beauftragt, im Rahmen des Gesamtgerätes Sophie eine Überarbeitung der bestehenden Spannungsversorgung durchzuführen.

Neben konventionellen Beatmungsstrategien und der Hochfrequenzoszillation eignet sich Sophie auch für nicht-invasive Beatmung. Das Gerät in Kombination mit dem Patienteninterface Easy-Flow-n-CPAP und der tot-raumfreien Synchronisation durch einen externen Respirationssensor ermöglicht eine Variante zur nicht-invasiven Beatmung von Früh- und Neugeborenen.

Das Display von dem Beatmungsgerät zeigt die wichtigen Parameter an.

Das Display von dem Beatmungsgerät zeigt die wichtigen Parameter an. Bebro

Sämtliche Einstellungen lassen sich mittels eines einzigen Drehknopfes vornehmen. Das intuitive Bedienkonzept führt den Anwender systematisch durch das Beatmungsmenü. Die relevanten Parameter der gewählten Beatmungsform sind sichtbar und lassen sich vor dem Start der Beatmung mühelos an die Bedürfnisse des Patienten anpassen. Das Monitoring erlaubt zu jedem Zeitpunkt eine Überwachung.

Entwicklung, die es in sich hat

Sophie entspricht einem Medizingerät der MPG-Klasse IIb; dabei handelt es sich um kein lebenserhaltendes medizinisch elektronisches Gerät (ME) im Sinne der EN60601-2-12, sondern es hat lediglich eine lebensunterstützende Funktion. Somit ist eine redundante Ausführung der Spannungsversorgung oder einzelner Funktionsgruppen nicht erforderlich.

Das Entwicklungsziel dieser Produktentwicklung war ein Netzteil mit automatischer Quellenumschaltung und Notstromversorgung mit einem internen Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion) sowie dem zugehörigen Laderegler. Das Netzteil ist dabei als mechanische Einheit beziehungsweise als Modul fester Bestandteil des Beatmungsgeräts. Die Anforderungen waren nicht ohne: klein, kompakt und leicht sollte es sein. Bebro strebte daher kleinstmögliche Abmessungen des Netzteiles an. Wichtig war, dass das Netzteil dem Beatmungsgerät verschiedene Ausgangsspannungen zur Verfügung stellen muss und auch selbstständig eine Umschaltung verschiedener Einspeisequellen durchführt. Zu den Energiequellen gehören:

  • 90- bis 260-V-Weitbereichs-Wechselspannungsanschluss, 45 bis 65 Hz
  • Interner Li-Ion-Akku
  • Boardnetz-Anschluss, wie er in Rettungswägen und -Hubschraubern vorkommt.

Bei fehlender Netz- und Bordnetzspannung erfolgt die Versorgung aus dem eingebauten Li-Ion-Akku. Den Ladezustand des Akkumulators fragt die zentrale Steuerung des Beatmungsgeräts über den CAN-Bus in regelmäßigen Abständen ab. Darüber lassen sich alle notwendigen Betriebsparameter mit dem Gesamtgerät Sophie austauschen.

Auf Nummer Sicher

Auf einen Blick

Bei der Entwicklung einer verbesserten Stromversorung für ein Beatmungsgerät kommt es, wie in allen medizinischen Anwendungen, besonders auf Zuverlässigkeit und Qualität an. Ein zielorientierter Entwicklungsablauf leistet gute Dienste, wenn die kundenspezifischen Anforderungen hoch und speziell sind.

Beim Unterschreiten einer gewissen Kapazität geht das Beatmungsgerät in einen sicheren Zustand über und über den CAN-Bus erfolgt die Abschaltung des Netzteils. Eine integrierte Akkuüberwachung ermittelt permanent den Ladezustand und die zu erwartende Restlaufzeit. Das Netzteil ist in ein kompaktes Metallgehäuse eingebaut und die Verbindung lediglich über einen Powerstrang und eine Signalleitung mit dem Gesamtgerät Sophie realisiert. Somit lässt sich das Netzteil als abgeschlossene Baugruppe in das Gesamtgerät integrieren. Bei Anlegen der Netzspannung läuft die Versorgung unabhängig von einer vorhandenen Bordnetzspannung und dem Ladezustand des Li-Ion-Akkus aus der Netzspannung.

Bei fehlender Netzspannung und anliegender Bordnetzspannung versorgt die Bordnetzspannung das Netzteil. Bei fehlender Netz- und Bordnetzspannung erfolgt die Versorgung aus dem Li-Ion-Akku. Beim Unterschreiten einer bestimmten Restkapazität geht das Beatmungsgerät in einen sicheren Zustand über und die Netzteil-Abschaltung geschieht über den CAN-Bus. Bei fast vollständig entladenem Akkumulator schaltet sich das Netzteil selbsttätig vollständig ab, um eine Tiefentladung des Li-Ion-Akkus zu verhindern.

Kriterien, die zählen

Die Minimierung des Einbauvolumens hatte Priorität. Trotz Einsatz moderner Schaltungskonzepte war es aufgrund der zusätzlichen Bordnetzversorgung, zusätzlicher Ausgangsspannungen und der höheren Leistung schwierig, das jetzige Bauvolumen zu unterschreiten. Das Gewicht des bestehenden Netzteils setzt sich im Wesentlichen durch das Gehäuse und den Akku zusammen. Der Freiraum zur Gewichtsreduzierung war aufgrund der zusätzlichen Anforderungen eng.

Angestrebt war, durch Einsatz moderner Schaltungstechniken und Reglerbausteine für die einzelnen Wandler einen Gesamtwirkungsgrad von über 80 Prozent bei Volllast zu erreichen. Das vorherige Netzteil hatte aufgrund des Aufbaus als Einschubgehäuse mit Steckbaugruppen eine eingeschränkte mechanische Stabilität. Durch einen Aufbau aus verschraubten Modulen ließ sich eine höhere Stabilität erreichen.

Schöpfungsgeschichte schreiben

Als zentraler Mikrorechner zum Steuern der Netzteilfunktionen und zur Kommunikation mit dem Gerät wählten die Entwickler einen Typ der Infineon XC166-Familie. Der Prozessor soll In-System programmierbar sein. Das Implementieren eines CAN-Bootloaders war nicht erforderlich. Als Software-Entwicklungstool ist der Tasking-C166-Compiler einzusetzen.

Die Eingangsspannungen vom Netz, Bordnetz und Akkumulator fließen in einen Zwischenkreis mit zirka 24 V. Aus diesem Zwischenkreis lassen sich die einzelnen Spannungswandler für die Ausgangsspannungen versorgen. Ein zentraler Mikrocontroller steuert und überwacht die Funktionseinheiten und kommuniziert über den CAN-Bus mit der Steuerung des Beatmungsgeräts. Die Gesamtentnahme aus dem Zwischenkreis ist auf 170 W beschränkt. Zur Überbrückung von Ausfallzeiten der Netz- und Bordnetz-Versorgung dient ein eingebauter Li-Ion-Akku. Sophie lässt sich auch bei fehlender Netz- oder Bordnetzspannung und ausreichender Akkuladung einschalten. Die Belastung des Akkublocks bei ausgeschaltetem Netzteil darf maximal 6 mA betragen. Die Ladezeit eines vollständig entladenen Akkumulators soll zirka sechs Stunden betragen. Bei vorhandener Netz- oder Bordnetzversorgung wird der Akkumulator, unabhängig davon, ob das Gerät eingeschaltet ist oder nicht, nachgeladen, wenn seine Kapazität auf weniger als 90 Prozent abgesunken ist.

Aus der Zwischenkreisspannung von 21 bis 29 V ließen sich sechs verschiedene Ausgangsspannungen erzeugen. Da man nicht alle Ausgänge gleichzeitig unter Maximallast betreibt, lässt sich die Entnahme aus dem Zwischenkreis auf 170 W begrenzen.

Aus der Zwischenkreisspannung von 21 bis 29 V ließen sich sechs verschiedene Ausgangsspannungen erzeugen. Da man nicht alle Ausgänge gleichzeitig unter Maximallast betreibt, lässt sich die Entnahme aus dem Zwischenkreis auf 170 W begrenzen.Bebro

Verschiedene Ausgangsspannungen

Aus der Zwischenkreisspannung von 21 bis 29 V ließen sich sechs verschiedene Ausgangsspannungen erzeugen. Da man nicht alle Ausgänge gleichzeitig unter Maximallast betreibt, lässt sich die Entnahme aus dem Zwischenkreis auf 170 W begrenzen. Die Maximalbelastung von etwa 170 W kontrolliert nicht das Netzteil sondern das Beatmungsgerät. Alle Ausgangsspannungen außer +12 V und -12 V sind überlast- und kurzschlussfest. Die Regler für die Ausgangsspannungen +12 V und -12 V sind ausgelegt, um einen durch das Zuschalten eines Kondensators von 4700 µF bei Nulllast verursachten Lastsprung in kurzer Zeit (< 100 ms) korrekt auszuregeln. Fällt während des Betriebs (im eingeschalteten Zustand) eine der Ausgangsspannungen 3,3; 5; 12; -12 oder 24 V aus, so kommt es über den zentralen Mikrorechner zu einem andauernden akustischen Alarm. Sinkt die Akkuspannung auf weniger als 1 V oberhalb der Schwelle des Tief-Entladeschutzes des Akkublocks ab, so erfolgt der Alarm im eingeschalteten Zustand unabhängig davon, ob die Versorgung des Netzteils vom AC-Netz, Bordnetz oder Li-Ion-Akku erfolgt. In ausgeschaltetem Zustand erfolgt kein Alarm.

Der zentrale Mikrorechner im Netzteil überwacht und steuert die internen Funktionseinheiten und kommuniziert mit der Steuerung des Beatmungsgeräts. Er ist unabhängig davon, ob das Netzgerät eingeschaltet ist, in Betrieb, wenn die Versorgung aus dem Netz- oder Bordnetz zur Verfügung steht. Bei ausgeschaltetem Gerät überwacht er den Ladezustand des Akkumulators und initiiert, wenn erforderlich, ein Nachladen des Akkumulators. Bei fehlender Netz- oder Bordnetzversorgung ist der zentrale Mikrorechner nicht in Betrieb. Bei Betätigen des Tasters läuft die Versorgung kurzeitig über den Li-Ion-Akku. Ist die Restladung des Akkumulators kleiner als 15 Prozent, schaltet er sich selbsttätig wieder aus. Während dieser Phase bleiben alle Ausgangsspannungen ausgeschaltet.

Die Wahl fiel auf ein Aluminium- und Stahlblechgehäuse, das sich an der Bauart des bestehenden Netzteils orientiert. Dabei sind die geometrischen Orte der externen und internen Anschlüsse sowie der Lüftungsöffnungen zu beachten.

Schritt für Schritt zum Ziel

Die einzelnen Stufen im Entwicklungsablauf durchlaufen im Rahmen internen Audits eine Kontrolle und der Übergang zur nächsten Stufe ist erst bei positiv abgeschlossener Stufe freigegeben.

Die einzelnen Stufen im Entwicklungsablauf durchlaufen im Rahmen internen Audits eine Kontrolle und der Übergang zur nächsten Stufe ist erst bei positiv abgeschlossener Stufe freigegeben.Bebro

Die Entwicklung dieses Netzteils erfolgte bei Bebro im etablierten Produkt-Entstehungsgang nach dem V-Model. Dieses Vorgehen sichert bei Medizinprodukten einen konsequenten und zielorientierten Entwicklungsablauf. Mit dem Vorgehen sichert Bebro, dass das fertige Produkt die im Lasten-/Pflichtenheft geforderten Anforderungen erfüllt und in der Produktion keine Prozessrisiken auftreten. Die einzelnen Stufen im Entwicklungsablauf durchlaufen im Rahmen internen Audits eine Kontrolle und der Übergang zur nächsten Stufe ist erst bei positiv abgeschlossener Stufe freigegeben.

Peter Sommer

ist Leiter Vertrieb/Marketing bei Bebro Electronic in Frickenhausen.

(rao)

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