Gesundheit Passive Bauelemente für medizinische und biomedizinische Technik

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Dünnschicht-Chipwiderstände qualifizieren sich dank ihrer besonderen elektrischen, thermischen und mechanischen Charakteristika für den Einsatz in medizinischen, biomedizinischen und pharmazeutischen Systemen.

Von der Robotik über die KI-gestützte Diagnose bis zum persönlichen Medikament nach Maß – die Digitalisierung der Medizin, Biomedizin und Pharmazeutik (Smart Healthcare) hat an Tempo gewonnen und beachtliche Erfolge erzielt. Angetrieben von weltweitem Bevölkerungswachstum und demografischem Wandel, werden den Märkten etwa für Chirurgierobotik oder Arzneimittel, aber auch für medizinische Wearables Größenordnungen von vielen Milliarden oder gar Billionen Euro vorausgesagt (Vor-Corona-Zahlen [1], Bild 2). Dennoch, verglichen mit der Industrieautomation oder der Automobilindustrie, ist das digitale Potenzial des Gesundheitssektors zu einem verhältnismäßig kleineren Grad ausgeschöpft.

Industrieübergreifende Trends wie das Internet of Things (IoT), Cloud-Computing, Big Data, 5G-Mobilfunk, Machine Learning und Künstliche Intelligenz sind aus technologischer Sicht die Motoren für Smart Healthcare. Der digitale Wandel verspricht hier aber nicht nur einen Fortschritt in der Gerätetechnik, sondern er revolutioniert die medizinische Versorgung umfassend und auf disruptive Art und Weise: von einem krankheits- zu einem patientenorientierten Paradigma; hin zu einem in hohem Maß personalisierten Gesundheitsmanagement, zu einem stärkeren Fokus auf Vorbeugung anstelle von Therapie [2]. Die Auswirkungen der Digitalisierung reichen demzufolge von effizienterer Diabetes- und Krebsdiagnose mit maschinellem Lernen und KI über schnellere Behandlungserfolge mithilfe von Bildgebung und Roboterchirurgie bis hin zu Telemedizin, permanenter Vitalwerteüberwachung und der vielschichtigen Versorgung zu Hause, dem sogenannten Home-Care – Methoden, die sich unter anderem dank vernetzter Sensoren und fortschrittlicher Mobilfunktechnik etablieren. Doch damit nicht genug: Auch medizinische Verwaltungsaufgaben, etwa das Management der Patientendaten und die damit verbundenen Sicherheitsfragen, sind Aspekte des digitalen Wandels.

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Big Data, Cloud, Edge und KI – Medizintechnik heute und morgen

Wie in den Technologiefeldern Industrie oder Automobil bereits seit Langem zu beobachten, ist auch in der modernen Medizin und Biomedizin ein Nervensystem aus Mess- und Analysedaten im Wachsen begriffen. Rezeptoren der technischen Nervenbahnen sind die unzähligen Sensoren, die schon heute in Medizingeräten Kräfte, Füllstände oder Flussraten messen; die in Detektoreinheiten umfangreiche Diagnosedaten erzeugen oder direkt am beziehungsweise im menschlichen Körper diverse Vitalparameter erfassen. Die Fülle und Vielfalt der Sensoren, die Vernetzung der Patienten und ihrer Haushalte mit Ärzten und Kliniken wie auch die zunehmende informationstechnische Verzahnung des Gesundheitswesens selbst, einschließlich der Krankenkassen, sind Quellen für immer weiter steigende Datenmengen in den Netzen.

Diese Big Data gehen zwangsläufig mit Kapazitäts- und Sicherheitsproblemen einher, wie sie beispielsweise aus der industriellen Automatisierungstechnik bekannt sind. Dort hat sich das sogenannte Edge-Computing als Alternative zur zentralisierten Cloud etabliert, um den Datenverkehr im Netz zu reduzieren und um sensible Informationen gegen Cyberangriffe zu schützen. Beispiele für Edge-Knoten in medizinischen Netzwerken sind Diagnosegeräte wie EKG, CT oder MRT, aber auch Beatmungs- und Dialysegeräte sowie Operationsroboter und sogenannte Telemanipulatoren (Bild 3).

Ein solcher Manipulator, genauer ein roboterassistiertes Chirurgiesystem [3], ist da Vinci. Bereits in den 1980er-Jahren entwickelt, um ferngesteuerte Operationen in Krisengebieten zu ermöglichen, wird es heute vor allem für minimalinvasive chirurgische Eingriffe, etwa in der Urologie, verwendet. Chirurgen sind mit seiner Hilfe in der Lage, mehrere Instrumente gleichzeitig zu bedienen und somit ohne Assistenten zu operieren. Neben der Zeit- und Kostenersparnis kann die Roboterunterstützung die Präzision und Sicherheit der Operationen verbessern.

Telemanipulatoren wie da Vinci und weitaus smartere, KI-gestützte OP-Roboter werden – als Netzwerkknoten im medizinischen IoT – die vernetzten Operationssäle der Zukunft prägen.

Bauelemente sichern die störungsfreie Funktion

Eine entscheidende technische Grundlage dieser Digitalisierung in der Medizin, Biomedizin und Pharmazeutik sind mikroelektronische, optoelektronische sowie faseroptische Bauelemente und Baugruppen. Neben den Halbleitern, denen Kernfunktionen bei der Signalerfassung, -wandlung, -übertragung und -verarbeitung sowie bei Steuerungsaufgaben obliegen, sind es vor allem widerstandsfähige und zuverlässige passive Komponenten in den Sensorik-, Aktorik-, Regel- und Versorgungsschaltungen medizin- oder pharmatechnischer Ausrüstung, die eine störungsfreie und sichere Funktion garantieren.

Aus Sicht der Elektronikentwicklung ist es eine besondere Herausforderung medizinischer Instrumente, kleinste Ströme und Spannungen mit höchster Präzision zu messen. Es ist essenziell für die Signalerfassung von Sensoren, aber auch in den Steuerkreisen der Aktoren und in den Stromversorgungsschaltungen von Bedeutung. Überall dort sind unter anderem präzise Widerstände gefragt, wenn es etwa um die Signalverstärkung, die Strommessung oder das Erzeugen von Referenzspannungen geht. In der Medizinelektronik unterliegen die Bauelemente strikten Forderungen an Robustheit und Zuverlässigkeit – wie sie Dünnschicht-Chipwiderstände in besonderer Weise erfüllen. Hervorzuheben sind deren Eigenschaften wie Temperatur- und Langzeitstabilität, aber auch ihre Unempfindlichkeit gegenüber Feuchte, Verunreinigungen oder – materialabhängig – starken Magnetfeldern. Sie stehen beispielhaft für Platz sparende und kostengünstige Lösungen.

Der japanische Komponentenhersteller Susumu bietet für medizintechnische Anwendungen diverse Widerstandsserien in Dünnschichttechnologie an: RG, RM sowie HRG, PRG, NRG und KRL. Dabei handelt es sich um präzise und mittels Lasertrimmen einstellbare Chipwiderstände beziehungsweise Widerstandsnetzwerke sowie um Varianten mit diversen erweiterten Spezifikationen, mehr dazu auch im Infokasten.

Besonders stabile und zuverlässige Chipwiderstände

Die Chipwiderstände der RG-Serie sind zum einen für Stromversorgungsschaltungen und zum anderen zur eingangsseitigen Verstärkung kleiner Signale in medizinischen Instrumenten prädestiniert. Sie arbeiten an einer Spannung von 30 bis 200 V bei einer Leistungsaufnahme von 0,03 bis 0,25 W sowie bei Betriebstemperaturen zwischen –55 und 155 °C. Die Widerstandsbereiche der Komponenten sind bis 150 kΩ (RG1005), 1 MΩ (RG1608), 2,7 MΩ (RG2012) beziehungsweise 5,1 MΩ (RG3216) spezifiziert; bis zu 10 MΩ sind laut Hersteller auf Anfrage realisierbar. Ein kleinster TCR (Temperature Coefficient of Resistance; deutsch: relativer Widerstandstemperaturkoeffizient) von lediglich 5 ppm/K, Widerstandstoleranzen von ±0,05 Prozent, ±0,1 Prozent beziehungsweise ±0,5 Prozent und weniger als 0,1 Prozent Drift über 10.000 Stunden charakterisieren die Bausteine. Eine Übersicht der Spezifikationen zeigt die Tabelle.

Jeweils zwei bis sechs RG-Widerstände sind in den Widerstandsnetzwerken der Susumu-Produktserie RM zusammengefasst (Bild 4). Deren Anwendungsgebiet sind präzise und zuverlässige Sensormessungen bei hohen Spannungspegeln – eine Aufgabe, die etwa in den Leistungsbaugruppen von Diagnosegeräten, Operationsrobotern oder Telemanipulatoren zu bewältigen ist. Sie lassen sich als 1:1- bis 1:100-Spannungsteiler nutzen. Eine Besonderheit der RM-Komponenten: Der TCR lässt sich hier bis zu ±5 ppm/K (‚absolut’) beziehungsweise ±1 ppm/K (‚TCR-Tracking’) hinunter definieren und die relative Widerstandstoleranz bis hinab zu ±0,05 Prozent (‚absolut’) beziehungsweise ±0,01 Prozent (‚Ratio’). Beide Werte sollten möglichst klein sein, um eine genaue und stabile Spannungsteilung zu erzielen. Weitere Kenndaten dieser Bausteine sind Widerstandsnennwerte zwischen 100 Ω und 500 kΩ sowie eine Leistungsaufnahme zwischen 0,1 und 0,4 W je Widerstandsnetzwerk.

Auf die Kontakte kommt es an

Die Chipwiderstände der HRG-Serie und der PRG-Serie zeichnen sich durch abweichende Formen ihrer Anschlüsse aus, die sich insbesondere auf die Nennleistungen dieser Komponenten auswirken: Größere Kontakte auf der Unterseite (Backplates) erlauben im Falle von HRG den Einsatz bei 1,0 W, 200 V und 10 Ω bis 100 kΩ. Der Leistungsnennwert vervierfacht sich damit gegenüber RG – ein entscheidender Faktor etwa für die medizintechnische Aktorik. Dank ihrer längsseitigen Kontakte ist PRG für bis zu 3,0 W sowie 150 bis 400 V und 2,5 Ω bis 250 kΩ spezifiziert. Der TCR erreicht für beide Reihen, HRG und PRG, ±25 ppm/K; die Widerstandstoleranz ist mit ±0,1 Prozent beziehungsweise ±0,5 Prozent angegeben.

Die NRG-Serie von Susumu steht für die Verwendung von nicht magnetischen Werkstoffen, was sie für den Einsatz in Medizinapplikationen prädestiniert, die starken Magnetfeldern ausgesetzt sind. Die elektrischen Nennleistungen dieser Komponenten reichen bis 0,25 W bei 75 bis 200 V maximaler Spannung und Widerstandsnennwerten zwischen 10 Ω und 1 MΩ. Laut Datenblatt ist ein TCR bis hinunter zu ±5 ppm/K und eine kleinstmögliche Widerstandstoleranz von ±0,05 Prozent möglich.

Hohe Ströme, wie sie für die Ansteuerung von Aktoren – etwa in medizinischen Robotern und Manipulatoren – vorkommen, lassen sich unter Verwendung niederohmiger Widerstände erfassen. Hierzu zählen die Bausteine der KRL-Serie – mit Kontakten entweder an der langen oder an der kurzen Bauteilseite. Deren Nennleistungen liegen bei 0,5 bis 10 W beziehungsweise 0,2 bis 5 W und die Widerstandswerte bei 1 mΩ bis 0,5 Ω beziehungsweise 5 mΩ bis 1 Ω. Darüber hinaus gibt es auch hier Bauteilvarianten für Temperaturbereiche, die sich entweder bis 155 °C oder bis 175 °C erstrecken.

Dünnschicht-Chipwiderstände für Smart Healthcare

Der Megatrend Digitalisierung, ein Nervensystem aus Daten, das IoT, KI und die Robotik bewirken vielschichtige Umwälzungen im Gesundheitswesen. Smart Healthcare betrifft nicht allein den technischen Fortschritt in Medizin, Biomedizin und Pharmazeutik, sondern revolutioniert die Gesundheitsversorgung und das Gesundheitsmanagement auf breiter Front. Die technologische Grundlage dafür liegt in der Entwicklung elektronischer Baugruppen der Sensorik, Aktorik sowie Steuer- und Regeltechnik, die wiederum auf präzise und zuverlässige Elektronikkomponenten angewiesen ist.

Dünnschicht-Chipwiderstände qualifizieren sich dank ihrer besonderen elektrischen, thermischen und mechanischen Charakteristika für dieses Einsatzfeld.

Für die eingangsseitige Signalverstärkung in medizinischen Instrumenten sowie für Stromversorgungsschaltungen eignen sich die Bauelemente aus Susumus RG- und die Widerstandsnetzwerke aus der RM-Serie.

Die Serien HRG, PRG und NRG, mit besonderen Anschlüssen beziehungsweise Materialien ausgestattet, tragen erweiterten Anforderungen medizintechnischer Applikationen hinsichtlich des Leistungsbereichs und der Umgebungseinflüsse Rechnung. Die niederohmige KRL-Serie kann zur Strommessung in Ansteuerungen für die Aktorik verwendet werden. (tk)

Literatur:

[1] https://www.vontobel.com.

[2] Shuo Tian et al.: Smart Healthcare: Making Medical Care More Intelligent; Global Health Journal 3, 3 (2019), 62-65.

[3] https://de.wikipedia.org/wiki/Da-Vinci-Operationssystem.

* Ryuji Hayashi ist Product Manager bei der Susumu Deutschland GmbH.

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