Individuelle Systemnetzteile für immer digitalere Medizingeräte

Bei der Entwicklung medizinischer Geräte müssen nicht nur strenge gesetzliche Anforderungen berücksichtigt, sondern auch wegen der zunehmenden Digitalisierung immer mehr Funktionalitäten in einem Gehäuse untergebracht werden. Möglich ist dies besonders einfach dann, wenn die benötigten Systemnetzteile maßgeschneidert werden.

Christian Prochatschek, Jörg Klenke
Systemtechnik Leber, Schwaig

Viele Hersteller medizinischer Geräte sind aktuell dabei, ihr Produktportfolio zu überarbeiten: Neue Geräte werden entwickelt, alte aus dem Programm genommen oder aber aktualisiert. Hintergrund ist zum einen die zunehmende, normativ getriebene Forderung nach maximaler Usability für das medizinische Personal und Patienten sowie die Thematik der Konnektivität. Zum anderen aber auch die Tatsache, dass nach MDD zugelassene Geräte ab 2024 nicht mehr vertrieben werden dürfen. Hersteller haben nun die Wahl, die Altgeräte MDR-konform neu zuzulassen oder aber gleich ein Folgeprodukt zu entwickeln. Dabei sollten möglichst viele neue Features und digitale Technologien integriert werden.

In einer derart komplexen Medizintechnik gelangt jedoch die Stromversorgung in Form von herkömmlichen Netzteilen in der Regel an ihre Grenzen. Elektronikspezialisten wie die Systemtechnik Leber GmbH entwickeln deshalb an den Einzelfall angepasste Power-Supply-Lösungen (Systemnetzteile). Diese ermöglichen es, dass ein medizinisches Gerät – obwohl es nur an einer einzigen Steckdose angeschlossen ist – separat schaltbare Niederspannungsausgänge für eine Vielzahl verschiedener angeschlossener Geräte wie Kameras, Monitore, Pumpen, Touchdisplays oder Kühler bieten kann.

Funktionen verschiedener Geräte in einem vereinen

Im konkreten Fall war ein Medizingerätehersteller auf die Elektronikentwickler zugekommen, der die Funktionen von zwei bisher autark nebeneinander eingesetzten Geräten in einem einzigen neuen zusammenlegen wollte. Das Zusammenlegen der beiden Geräte macht jedoch das Vorhandensein von Niederspannungsausgängen für insgesamt zwanzig verschiedene Verbraucher erforderlich. Die Crux: Diese wurden bisher von zwei separaten Steckdosen gespeist. Nun sollte die Energieversorgung über eine einzige erfolgen, doch zwanzig Komponenten verbrauchen mehr Leistung als über eine Steckdose zur Verfügung gestellt werden kann. Diese Aufgabe konnte jedoch gelöst werden. Dazu musste die Ansteuerung der Systemkomponenten zeitlich voneinander unabhängig und separat möglich gemacht werden. Ein eigens dafür zu entwickelndes Systemnetzteil sollte das übernehmen.

Projektstart mit Lastenheft und Prototyp-Entwicklung

Zum Projektstart war den Elektronikentwicklern ein Draft-Lastenheft übergeben worden, das eine erste Aufzählung der Anforderungen an die neue Stromversorgung umfasste. Darunter auch die, welche Lasten an welchen Ausgängen bereitgestellt werden sollten. Die finale, komplett belastbare Spezifikation wurde anschließend gemeinsam erarbeitet. Auf diese Weise konnten Ideen für das neue Produkt flexibel eingeplant und ebenso wieder verworfen werden.

Erfolgsfaktor: Iterationen in der Elektronikentwicklung

Bei der Entwicklung des ersten Prototyps wurde in Iterationen gearbeitet. So standen beispielsweise sieben COTS-Netzteile verschiedener Hersteller zur Auswahl, die vom Entwicklerteam nach wirtschaftlichen, technischen und mechanischen Aspekten bewertet wurden. Die Netzteilauswahl erfolgte iterativ und in enger Abstimmung mit dem Auftraggeber, der finale Konzeptentscheid fiel im Rahmen eines gemeinsamen Workshops. Damit war die Basis für das neu zu entwickelnde Systemnetzteil gefunden. Zudem wurden in einem Gehäuse mehrere Basis-Schaltnetzteile verbaut und mit einer intelligenten Steuerung verbunden, die jeden Ausgang einzeln ansteuern kann. So entstand eine maßgeschneiderte, kompakte und montagefreundliche Netzteilbaugruppe.

Mehrere CAD-Simulationen für den ersten Prototyp

Der erste Prototyp wurde innerhalb von neun Monaten entwickelt und gefertigt und anschließend intensiv getestet und evaluiert. Der tatsächlichen Umsetzung des Prototyps gingen zahlreiche CAD-Simulationen voraus. Verschiedenste Mechanikmodelle wurden durchgespielt, das Gehäusedesign entworfen und auch einzelne Schaltungsteile wurden simuliert. Der Kunde integrierte das fertige CAD-Modell wiederum in sein Gesamtmodell, um zu prüfen, ob es Kollisionen gibt und die Befestigungspunkte passen.

Erst nachdem ein Modell, das allen Anforderungen entsprach, vollständig im CAD-System abgebildet worden war, fiel der Startschuss für die Umsetzung des Prototypen. Dieser wurde nach Fertigstellung inhouse beim Elektronikentwickler wie auch beim Kunden in das Gesamtsystem integriert und getestet. Damit unterstützte das neue Systemnetzteil auch die Evaluierung des kompletten Prototyps für das neue Medizingerät. Die Ergebnisse wurden anschließend dem im Ausland sitzenden Mutterkonzern vorgestellt. Die Entwicklung des maßgeschneiderten Systemnetzteils trug entscheidend zu diesem Erfolg bei – denn mit Standardnetzteilen wäre die Umsetzung des 2-in-1-Geräts mit seiner Vielzahl von Ausgängen zur Stromversorgung unterschiedlicher Verbraucher nicht machbar gewesen.

Weitere Informationen

Seit mehr als 25 Jahren bietet die Systemtechnik Leber GmbH & Co. KG, Schweig, Dienstleistungen und Produkte rund um die Elektronik an: Von der Schaltplan- und Layouterstellung, über Hardware- und Softwareentwicklung bis hin zur kompletten Produktentwicklung.

Das Unternehmen verfügt über Erfahrung in der Entwicklung von elektronischen Motoransteuerungen, industriellen Bussystemen oder kundenspezifischen Stromversorgungen und Netzteilen. Die für die Medizintechnik relevanten Normen werden eingehalten: EN ISO 13485:2016, EN ISO 9001:2015 oder IEC 61508.

www.leber-ingenieure.de