29.03.2018

Auf Nummer sicher

Worauf man bei der Auswahl von Stromversorgungen in der Medizintechnik achten sollte

Der Fortschritt in der Entwicklung medizinischer Instrumente war in den letzten 15 Jahren bahnbrechend. Kaum ein Gerät ist heute mehr ohne Elektronik vorstellbar. Dazu kommen vielfältige zusätzliche Anforderungen an Bedienung und Sicherheit, um die Medizintechnik auch für den Patienten anwendbar zu machen. Dabei werden gerade an Stromversorgungen in der Medizintechnik besondere Anforderungen gestellt.

Fachartikel von Bianca Aichinger

Eck-daten

All die intelligente Elektronik in Medizingeräten mit ihren smarten Features hat eines gemeinsam – sie benötigt eine Stromversorgung. Denn sobald sich das Gerät nicht mehr mit einzelnen Batterien versorgen lässt, kommen zwangsläufig AC/DC- und DC/DC-Wandler ins Spiel. Der Artikel gibt Tipps für die Wahl der richtigen Stromversorgung für den Medizinbereich.

Grundsätzlich erfüllen Wandler und Netzteile, die in medizinischen Anwendungen zum Einsatz kommen dieselbe Funktion wie jene, die in Haushalts- oder Industrieapplikationen eingesetzt werden: Sie sollen die Anwendung mit einer gewissen Spannung mit entsprechender Leistung versorgen. Nun könnte man versucht sein, eine günstige Stromversorgung mit Sicherheitszulassung aus dem Industriebereich einzusetzen. So verlockend dies auch erscheinen mag, so wird dies meist nicht die beste Wahl sein. Stromversorgungen, welche für den medizinischen Bereich entwickelt wurden, weisen unter anderem eine verstärkte Isolation auf und haben minimale Leck- und Ableitströme. Der komplexe Standard IEC 60601-1 „Medizinische elektrische Geräte; Teil 1: Allgemeine Festlegungen für die Sicherheit einschließlich der wesentlichen Leistungsmerkmale“ gibt hierfür klare Vorgaben und sorgt für Sicherheit.

Schutzmaßnahmen für Personal und Patient

Der Forschritt bei medizinischen Geräten war in den letzten 15 Jahren enorm. Recom

Tabelle 1: Anforderungen an die Isolation in der Klasse bis 250 VAC sowie in der Klasse bis 43 VDC beziehungsweise 30 VAC (grau hinterlegt). Recom

Die erste Frage, die sich bei der Suche nach der geeigneten Stromversorgung stellt, ist ob die Applikation in direktem Kontakt mit dem Patienten stehen wird. Die Medizinnorm unterscheidet hier in Patienten- oder Bedienerschutz und definiert verschiedene Schutzmaßnahmen zur Verminderung des Risikos eines elektrischen Schlages (MOP – Means of protection).

Elektronische Geräte, die keinen direkten Kontakt zum Patienten haben und nur von Fachpersonal oder unterwiesenen Personen bedient

Tabelle 2: Grenzwerte für die Ableitströme in den jeweiligen Kategorien. Recom

werden, fallen in die Kategorie MOOP (Means of operator protection). Hier gelten wesentlich geringere Schutzmaßnahmen, die im Wesentlichen denen der IEC 60950-1 (Einrichtungen der Informationstechnik – Sicherheit – Teil 1: Allgemeine Anforderungen) entsprechen.

Besteht zwischen Gerät und Patient allerdings ein direkter Kontakt, gelten für den Patientenschutz, (MOPP – Means of patient protection) insbesondere in Bezug auf die Isolation, wesentlich schärfere Anforderungen (siehe Tabelle 1). Um den Patienten vor der Gefahr eines elektrischen Schlags zu schützen, sind zwingend zwei Schutzmaßnahmen erforderlich.

Die drei Schutzklassen im Detail. Recom

Je enger der Kontakt zum Patienten ausfällt, desto geringer sind auch die zulässigen Ableitströme. Diese sind, je nach Einstufung des Anwendungsteils mit dem der Patient gegebenenfalls in Kontakt kommt, klassifiziert. Die drei Klassen sind im Kasten näher erläutert. Tabelle 2 zeigt die entsprechenden Grenzwerte für den Normalbetrieb (NC – Normal Conditions) als auch für den Fehlerfall (SFC – Single Fault Conditions).

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Der Mikroelektronikmarkt brach in den Jahren 2008 und 2009 stark ein, jedoch erholte sich der Markt rasch wieder und konnte Anfang 2010 wieder den Spitzenwert aus 2008 erreichen. 2019 ging das Wachstum des Marktes um 12,1 Prozent zurück, was zu großen Teilen an stark sinkenden Preisen bei Speichern lag. Auswirkungen der aktuellen Corona-bedingten Situation konnte der ZVEI noch nicht ermitteln.

Nach anfänglichem Wachstum um die 15 Prozent reift die Branche und pendelt sich bei einem Wachstum von 6 Prozent ein. Der ZVEI-Marktexperte Dr. Ulrich Schäfer geht davon aus, dass sich der Wert bis 2024 nicht ändern stark verändern wird.

Aufgeteilt in einzelne Marktsegmente fällt auf, dass der Bereich Micro die Spitzenposition an Speicher und Logik abgibt, was daran liegt, dass Letztere vermehrt in KI-Anwendungen sowie mobilen Endgeräten Verwendung finden. Besonders hohes Wachstum verzeichnen aber die Segmente Sensor und Opto, die gerade von Trends wie dem autonomen Fahren profitierten.

Grundsätzlich korreliert die Mikroelektronik mit dem weltweiten BIP, allerdings eilt sie sechs Wochen voraus. Die Corona-Krise scheint hier die Ausnahme darzustellen: Obwohl das BIP so stark einbrach wie noch nie, veränderte sich der Mikroelektronik-Markt kaum, was die ZVEI-Experten auf die extreme Zunahme von Home-Office-Arbeitsplätzen und den dadurch entstandenen Bedarf an (Kommunikations-)Elektronik zurückführen.

Bereits 2017 war China der größte Markt für Mikroelektronik, 2019 lag der Wert dann schon bei 35,1. Dahingegen musste Amerika (3 Prozent) Anteile angeben. Deutschlands Anteil blieb nahezu unverändert und stieg von 3,2 Prozent im Jahr 2018 auf 3,3 Prozent im Jahr 2019 an.

Asiens Anteil am Mikroelektronik wird bis 2024 weiterhin ansteigen und rund 62 Prozent des Gesamtmarktes ausmachen. China steuert mit 178 Milliarden US-Dollar den größten Anteil dazu bei. Auch Amerika soll laut Prognose des ZVEI bis 2024 wieder stark ansteigen.

Bei Betrachtung der einzelnen Segmente des Mikroelektronikmarktes fallen vor allem zwei Segmente auf: Kommunikation und Computer. Der Kommunikationsbereich profitierte vor allen von den mobilen Übertragungswegen und konnte so seit 2004 seinen Anteil auf rund 33 Prozent vom Gesamtmarkt steigern. Das Computer-Segment schrumpfte dagegen auf 28,5 Punkte. Anmerkung der Redaktion: Hinter dem Begriff Government verstecken sich hauptsächlich die Bereiche Aviation und Verteidigung.

Klare Stärken: Europa ist vor allem in den Bereichen Automotive und Industrie stark, wohingegen China vor allem im Bereich Kommunikation punktet; aber auch der dort ist der Industrie-Bereich stark. Die USA sind gerade im Bereich Government stark aufgestellt.

Obwohl die Automobilbranche in den vergangenen Jahren mit sinkenden Absatzzahlen zu kämpfen hatte, wirkte sich das nur bedingt auf die Elektronik aus. Das liegt auch daran, dass die Menge der verbauten Elektronik im Fahrzeug stetig anstieg. Nicht ganz so stark, aber immer noch beträchtlich stieg die Nachfrage im Industriesektor. Dagegen gingen die restlichen Segmente zurück, teilweise sogar stark (Kommunikation -54 Prozent).

Bei der Halbleiterproduktion (Standort der Wafer-Fab) setzte sich 2019 China erstmals an die Spitze und löste damit Japan ab, das auf den vierten Platz zurückfiel. Südkorea konnte dagegen Plätze gut machen, was auch an der starken Performance von Samsung lag.

Technologieunterschiede: Bei Leading-Edge-Technologien (<18 nm) ist vor allem Südkorea stark aufgestellt, aber auch Taiwan setzt auf diese Technologien. Europas Stärke liegt im Bereich diskreter Leistungs- und Smart-Power-ICs, weshalb auch der Anteil an Technologien mit höheren Strukturbreiten deutlich größer ist als am Gesamtanteil. Die fehlenden 13 Prozent für Sub-10-nm-Technologien stecken in zwei Intel Fabs in Israel.

Sämtliche Technologien unterhalb 40 nm finden noch in ihrem Gebiet Verwendung und keine ist gänzlich verschwunden. Der nur mäßige Anstieg der Technologien unterhalb des 10-nm-Knotens liegt auch daran, dass viele Fabs noch im Bau oder gar erst in der Planung sind, wie etwa die kürzlich angekündigte TSMC-Fab in Arizona.
Beim Waferdurchmesser fällt auf, dass noch keine Wafergröße verschwunden ist, der Anteil der 300-mm-Wafer nimmt weiter zu. 450-mm-Wafer kommen nicht zum Einsatz.

Neue Produktionskapazitäten entstehen überwiegend in Asien, während Europa und Amerika weiterhin Anteile verlieren. Japan nimmt hier eine Sonderstellung, denn obwohl japanische Firmen neue Fabs ausschließlich in Japan planen, geht der Anteil weiter zurück.

Japan und die EU sind am Automobilmarkt die entscheiden Kräfte: 20 Firmengruppen halten einen Marktanteil von 90 Prozent. Auch künftig sieht der ZVEI die europäischen Autobauer mit einem Marktanteil von 37 Prozent an der Spitze.

Der Bedarf an Fahrzeugelektronik bleibt in Europa weiterhin am größten, gefolgt von China, wo es ein starkes Wachstum von 10 Prozent gibt. Allerdings ging der Umsatz 2019 nach langjährigem, teils sehr hohem Wachstum um 6,9 Prozent zurückging.

Generell steigt der Anteil an Mikroelektronik in allen Kfz-Applikationen, wobei der Insassenschutz bedingt durch Fahrerassistenz-Systeme den größten Zuwachs erfährt und den Antriebsstrang als Hauptanwendung abhängt. Dennoch wird der Bereich Antriebsstrang weiterhin wachsen, was vor allem an den Entwicklungen in der Elektromobilität liegt. Infotainment profitiert vor allem durch die Verbindung zum Internet.

Themen:

Medizinelektronik Stromversorgung