Hochleistungswiderstände sind entscheidend, um die

Hochleistungswiderstände sind entscheidend, um die
Anforderungen tragbarer medizintechnischer Geräte zu erfüllen
Autor: Phil Ebbert, VP Engineering, Riedon
Einleitung
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
Diabetes-Patienten 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 Vorrichtungen.
Medizintechnische Geräte erfordern hochqualitative Komponenten, um einen
sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten. Bei tragbaren Geräten
kommen noch weitere Anforderungen hinzu, z.B. eine kompakte Größe,
Robustheit, um in rauen Betriebsumgebungen einwandfrei zu funktionieren, und
der Batteriebetrieb.
Der folgende Beitrag untersucht zwei tragbare medizintechnische Geräte näher
und beschreibt die spezifischen Anforderungen an die Widerstandstechnik der
Schaltkreise. Dabei werden Lösungen von Riedon aufgezeigt, einem
Spezialanbieter von Widerständen.
Automatische Externe Defibrillatoren (AEDs)
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 wieder herzustellen. 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.
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,
also für Personen ohne medizinisches Wissen. Ideal ist natürlich die Anwendung
durch Ersthelfer/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 und nicht einen kompletten
Herzstillstand (Asystolie).
AEDs finden sich meist in öffentlichen Bereichen wie Einkaufszentren,
Bahnhöfen etc. 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.
Bild 1: Vereinfachtes Blockschaltbild eines Defibrillators
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 Joule Energie 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.
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 10W
Leistung abzuführen. R4 formt den Ladeimpuls, der an die Elektroden geführt
wird. Dessen Wert (z.B. 10 Ω) und Überspannungsbelastbarkeit (ca. 300 Joule)
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/°C für TCR und -1 bis -5ppm/V
für VCR, der ein negatives Vorzeichen hat.
Riedon bietet verschiedene Widerstände, die diese Anforderungen erfüllen. Für
R1 eignen sich die HTE-Dickschichtwiderstände als nicht-induktive Axial-Bauteile
mit einer Nennspannung bis zu 48 kV, Nennleistungen von 0,7 bis 17 W und
Widerstandswerten von 1 kΩ bis 100 MΩ. Mit ihrer ±100 ppm/°C TCRSpezifikation 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 Joule 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.
Blutzuckermessgeräte
Blutzuckermessgeräte ermöglichen Diabetikern, ihren Blutzuckerwert zu
überwachen und bei hohen bzw. 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 Gerät, das eine einfache
Messung des Glukose-Anteils im Blut vornimmt. 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.
Bild 2: Ein Blutzuckermessgerät im Einsatz
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 einer Reagens, die 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. Die Genauigkeit hängt von vielen
Faktoren ab: Größe und Qualität der Blutprobe, Umgebungstemperatur und
Feuchtigkeit, Kalibrierung, Alterung der Teststreifen uns schließlich von der
Genauigkeit der Messung. Letztere wird durch eine genaue Strommessung und
durch Präzisionsbauelemente garantiert.
Strommesswiderstände bieten hier eine ideale Lösung. Wie bei ShuntWiderständen 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/DWandler (ADC) gemessen, der meist Bestandteil eines Mikrocontrollers (MCU)
ist. Die MCU 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 der CSR-Series handelt es sich um sehr niederohmige Metal-Strip ChipWiderstände mit Werten von 0,5 bis 15 mΩ, einer Toleranz von ±1% und einem
TCR von ±50ppm/°C. Drei Gehäusevarianten stehen zur Verfügung, die
Nennleistungen von 1 bis 3 W über einen Betriebstemperaturbereich von -55 bis
+170 °C abdecken. Die MSR-Widerstände stehen mit Werten von 5 bis 100 mΩ,
einer Toleranz von ±1%, einem TCR von ±20 ppm/°C und einer Nennleistung
von 1, 3 oder 5 W bereit. Deren Bare-Metal-Design und verschweißte
Konstruktion stellt eine wirtschaftliche Lösung mit niedriger Induktivität dar.
Eine Strommessung nach den genannten Prinzipien ist in medizintechnischen
Geräten auch zur Überwachung der Batterielebensdauer unerlässlich. Die hier
beschriebenen Widerstände oder ähnliche Varianten von Riedon für höhere
Leistungen, bieten die richtige Lösung für diese Aufgabe.
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Über Riedon Inc.
Seit mehr als 45 Jahren ist Riedon ein führender Anbieter von Widerständen und bietet Draht-,
Dick- und Dünnschicht-, sowie Folienwiderstände für die Märkte Luft-/Raumfahrttechnik, Militär
und Instrumentierung.
Riedon beschäftigt über 130 Mitarbeiter weltweit und verfügt über Fertigungsstätten, technischen
Support und Vertriebsniederlassungen in den USA, Europa, Asien und Mexiko.