Medizinische Geräte Was bei der Auswahl von Batterien und Akkus zu beachten ist

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Das Internet der medizinischen Geräte profitiert von der Entwicklung kleinerer und kostengünstigerer Batterien oder Akkus. Welche Informationen erhalten Entwickler von den Herstellern und welche Informationen fehlen ihnen, um ein sicheres und funktionsfähiges Gerät zu entwickeln?

Das Wachstum des Internets der medizinischen Geräte ist einer der vielen Trends, die die Verbreitung von kleinen, kostengünstigen Batterien und Zellen vorantreiben und gleichzeitig von ihnen angetrieben werden. Anbieter von Batterien und Zellen stellen Datenblätter mit verschiedenen Diagrammen zur Verfügung, die die Leistung ihrer Produkte beschreiben. Im Allgemeinen sind sie ehrlich, wenn es um die in den Diagrammen enthaltenen Daten geht.

Es gibt jedoch einige wichtige Fakten, die den Entwicklern von den Lieferanten vorenthalten werden. Diese Fakten können einen erheblichen Unterschied in der Leistung eines medizinischen Geräts und dem damit verbundenen Risiko ausmachen, wenn eine bestimmte Batterie oder Akku für das Gerät ausgewählt wird.

Was Hersteller von Akkus angeben

Die meisten Akkus oder Batteriezellen haben ein Datenblatt mit einigen Diagrammen, die die Leistung des Produkts darstellen. Bild 1 zeigt ein Beispiel für ein solches Diagramm. Es dient nur zur Veranschaulichung und ist nicht dazu gedacht, eine echte Batterie darzustellen.

In diesem Fall beginnen alle Kurven bei 3,3 V und enden bei 2,0 V, dem Punkt, an dem ein virtueller Hersteller seine Batterie als erschöpft definiert. Es gibt drei verschiedene Linien, die die Spannung der alternden Batterie bei verschiedenen Temperaturen darstellen. In diesem Fall sind die Temperaturen 0, 20 und 40 °C, aber verschiedene Hersteller geben die Leistung bei unterschiedlichen Temperaturen an.

Die Daten zeigen deutlich, dass die Lebensdauer der Batterien bei den drei getesteten Temperaturen zwischen 450 und 500 Stunden liegt. Angenommen, das Gerät wird zwischen 15 und 25 °C betrieben, kann die Lebensdauer dann konservativ mit 400 Stunden angegeben werden? Die Antwort ist nein, dieser Wert ist nicht zuverlässig. Die Lebensdauer des Geräts kann viel kürzer oder viel länger sein als der angegebene Wert, und es müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, um die Leistungsfähigkeit des Geräts zu gewährleisten und das Risiko für den Patienten zu verringern.

Schwankungen im Herstellungsprozess

Was genau zeigt ein Diagramm wie das zuvor abgebildete an? Ist es die garantierte Mindestlebensdauer jeder einzelnen Zelle oder des Batterietyps, den der Hersteller liefert? Handelt es sich um den besten Wert, den der Hersteller bei einem Satz von 25 getesteten Batterien erzielt hat? Handelt es sich um die durchschnittliche Leistung von 100 Batterien aus verschiedenen Chargen, die an unterschiedlichen Tagen in unterschiedlichen Fabriken hergestellt wurden? Handelt es sich um eine Art Medianwert?

Und nehmen wir an, es handelt sich um den Mittelwert oder Median einer großen Anzahl von Batterien. Wie sieht die Verteilung aus? Ein Satz von Batterien mit Laufzeiten zwischen 459,8 und 460,2 Stunden kann einen etwas niedrigeren Mittelwert oder Medianwert haben als ein Satz von Batterien mit Laufzeiten zwischen 410 und 540 Stunden, aber welche davon ist für den Einsatz in einem medizinischen Gerät geeignet?

Derating durch Transport und Lagerung

Sobald die Batterie aus der Ladestation genommen wird, beginnt sie durch Selbstentladung an Kapazität zu verlieren. Dieser Verlust ist in der Regel relativ gering, und die meisten Hersteller geben den durchschnittlichen Ladeverlust während der Lagerung als Prozentsatz der Batteriekapazität pro Jahr an. Oft sind diese Zahlen niedrig, etwa 2 Prozent Verlust pro Jahr, aber es ist wichtig zu wissen, dass diese Zahl in der Regel von den Temperatur- und Feuchtigkeitsbedingungen abhängt und nur ein Durchschnittswert ist. Es ist nicht auszuschließen, dass eine einzelne Zelle oder Batterie während der Lagerung wesentlich mehr Kapazität verliert, wenn die Batterie sich am Ende der Produktionslinie befindet oder wenn die Umgebungsbedingungen, unter denen die Batterie gelagert wird, nicht ideal sind.

Die in einem Datenblatt angegebene geschätzte Batterielebensdauer basiert in der Regel auf einem Standardstrom oder einer Standardlast. Im Gegensatz zu einer einfachen Taschenlampe verhalten sich die meisten medizinischen Geräte nicht wie konstante Lasten, sondern verbrauchen Ladung mit sehr unterschiedlicher Geschwindigkeit. Beispielsweise kann ein angeschlossenes medizinisches Gerät die meiste Zeit in einem Schlafmodus bei wenigen Mikroampere verbringen und einmal pro Minute aufwachen, um eine kurze Messung von 30 ms (Milliampere) durchzuführen, bevor es wieder in den Schlafmodus zurückkehrt.

Das Gerät kann Daten drahtlos an ein zentrales Gerät oder einen Zugangspunkt übertragen und dabei alle 30 Minuten 10 mA für 50 oder 100 ms verbrauchen. Einige Geräte verbrauchen Energie für eine LED, einen Prozessor zur Kodierung zu betreiben oder ein Signal zum Einschalten eines Aktors zu senden. Für einen Batteriehersteller ist es unmöglich, das Stromprofil jedes einzelnen Geräts zu kennen. Deshalb muss der Entwickler sein eigenes Gerät messen. Nur so lässt sich festzustellen, wie es die Energie verbraucht. Es ist möglich, dass das Gerät so viel Zeit im Energiesparmodus verbringt, dass seine erwartete Lebensdauer weit über dem Wert liegt, der im Datenblatt angegeben ist.

Schwankender Ladungsverbrauch bei abnehmender Spannung

Ein angeschlossenes medizinisches Gerät kann auch dann noch effizient arbeiten, wenn die von der Primärzelle oder -batterie gelieferte Spannung abnimmt. Allerdings bleibt der Energieverbrauch nicht konstant. In einigen Fällen kann ein Teilsystem oder eine Komponente mit einer festen Leistung mehr Strom verbrauchen, um den Spannungsabfall auszugleichen. In anderen Fällen kann es sein, dass ein Teilsystem oder eine Komponente am unteren Ende seines/ihres Leistungsbereichs arbeitet und eine oder mehrere Wiederholungsschleifen durchlaufen muss, um seine Funktion zu erfüllen.

Es wäre unvernünftig, vom Batterie- oder Zelllieferanten zu erwarten, dass er genau weiß, wie jedes medizinische Gerät Ladung verbraucht, wenn die Spannung mit der Zeit abnimmt. Um die Leistung zu gewährleisten und das Risiko für den Patienten zu verringern, ist es ratsam, eine SMU zu verwenden, um den Ladungsverbrauch für mehrere Betriebszyklen bei verschiedenen Entladungsgraden der Batterie zu messen. Auf diese Weise gibt es keine Überraschungen durch Ausfälle im Feld, kurze Batterielaufzeiten und ähnliche Probleme, die bei der Produktüberwachung nach der Markteinführung berichtet werden.

Ein Fazit: Die meisten Hersteller von Batterien/Akkus und Zellen stellen für ihre Produkte genaue Informationen zur Verfügung. Damit lässt sich klären, wie sich eine Batterie, ein Akku oder Zelle unter verschiedenen Belastungen und Umgebungsbedingungen verhält. Diese Informationen berücksichtigen jedoch nicht die Verteilung der Leistung oder die Tatsache, dass die Stromstärken in einem angeschlossenen medizinischen Gerät um mehrere Größenordnungen variieren können.

Um das Risiko für Patienten zu verringern und die Leistungsfähigkeit und Sicherheit angeschlossener medizinischer Geräte zu gewährleisten, sollten Ingenieure ihr Gerät testen und sein Stromprofil bei verschiedenen Spannungen überwachen.

* Brad Jolly ist Senior Applications Engineer bei Keysight Technologies.

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