Voedingen in medische apparatuur: een balanceeract tussen vermogen, rendement en betrouwbaarheid

De rol van voedingen bij het waarborgen van een veilige en betrouwbare werking van medische apparatuur is crucialer dan ooit. Ze zijn van groot belang voor het leveren van stabiele stroom aan een verscheidenheid aan apparaten, van geavanceerde beeldvormingsapparatuur, zoals MRI- en CT-scanners, tot bewakingsmonitoren, beademingsapparatuur en dialyseapparaten. Ze zijn ontworpen om te voldoen aan de strenge medische veiligheidsnormen die zowel patiënten als zorgverleners beschermen.

Door: Giulio Bocciolini, Senior Product Marketing Manager EMEA, TDK-Lambda

Steeds meer medische zorg vindt decentraal plaats, buiten de ziekenhuizen. Bijvoorbeeld in de thuiszorg is men dankzij recente ontwikkelingen op het gebied van Internet of Medical Things (IoMT) steeds beter in staat om vitale functies en andere gezondheidsindicatoren realtime te monitoren en artsen automatisch te waarschuwen als er een afwijking of noodsituatie optreedt. De apparatuur die hiervoor wordt gebruikt is vaak goedkoper, vergt minder inzet van personeel en is comfortabeler voor de patiënt.

Grotere ontwerpmarges

Medische normen schrijven strenge EMC- en lekstroomlimieten voor. Door te kiezen voor een voeding met grote ontwerpmarges maken ingenieurs het zich gemakkelijker om de voeding in hun systeemontwerp te integreren en het testen te beperken.

Omdat er vaak letterlijk levens op het spel staan, mag medische technologie niet falen en moet deze betrouwbaar blijven. Dat is zeker het geval in thuisomgevingen of andere decentrale locaties waar onmiddellijk onderhoud aan of vervanging van de voeding niet mogelijk is. Cruciaal voor de betrouwbaarheid van de voeding is de levensduur van de elektrolytische condensator (e-cap), die rechtstreeks van invloed is op hoe lang een apparaat betrouwbaar kan werken bij verhoogde temperaturen. Het is wat dat betreft raadzaam om een voeding te kiezen die gebruikmaakt van een hoogwaardige e-cap met een optimale ontwerpmarge. Dat komt niet alleen ten goede aan de betrouwbaarheid en robuustheid, maar zorgt er ook voor dat de apparatuur langer inzetbaar is en minder onderhoud vergt.

Omgaan met verschillende voedingsspanningen

Een veelvoorkomende vereiste voor grote, vaste medische apparaten, zoals beeldvormingsapparatuur, is dat ze drie tot vier verschillende voedingsspanningen hebben. Voor de elektronica (monitor, display, interface), bewegende onderdelen (motoren), koelapparatuur (Peltier-cellen, koelvloeistof) en, indien nodig, de onderdelen die op de patiënt worden aangebracht. Hierin kan op verschillende manieren worden voorzien. Dat kan een modulaire voeding zijn, die alle vier de spanningen afdekt. Een andere benadering is een gedistribueerde architectuur met een enkele AC/DC-omvormer en voor elke voedingslijn afzonderlijke PoL (point of load) niet-geïsoleerde DC/DC-omvormers.

Voor draagbare en thuiszorgapparaten die een compact en lichtgewicht ontwerp vereisen, is de trend om voedingen met een lager vermogen en een enkele uitgang te gebruiken. Hiermee kunnen extra spanningen worden gegenereerd, rechtstreeks op de printplaat of met behulp van niet-geïsoleerde PoL DC/DC-omvormers.

Hoge prestaties over een breed temperatuurbereik

Het mag duidelijk zijn dat een zeer efficiënte voeding minder energie in de vorm van warmte afgeeft en daardoor minder koeling vereist. Voedingen moeten vandaag de dag hoge prestaties leveren over een breed temperatuurbereik. Het heeft daarbij weinig zin om een zeer compacte voeding te kiezen die een externe ventilator nodig heeft om ook bij temperaturen boven +30 °C zijn nominale uitgangsvermogen te bereiken. Het is beter om een voeding te kiezen die efficiënt en betrouwbaar kan werken bij temperaturen van +50 °C tot +60 °C, en soms zelfs +70 °C.

In draagbare medische apparatuur, die doorgaans compacter is dan vaste apparaten, is de voeding meestal niet de enige warmtebron. Door de beperkte ruimte voor effectieve warmteafvoer draagt ook de omringende elektronica, waaronder FPGA’s, MCU’s en displays, aanzienlijk bij aan de warmte-ontwikkeling.

Het is daarom noodzakelijk om een voeding te kiezen met de juiste specificaties en betrouwbare thermische eigenschappen. Overweeg bijvoorbeeld een nieuwe generatie 200 W voeding met een lange levensduur van de e-cap, die bij 70 °C minimaal 100 W of 80 W kan leveren.

Wel of geen ventilator?

Een laag geluidsniveau is cruciaal in veel zorgsituaties. Zo kan geluid van apparaten in de buurt van een patiënt het herstel vertragen of bemoeilijken. Langdurige blootstelling aan hoorbaar geluid kan stress- of vermoeidheidsgerelateerde gezondheidsproblemen veroorzaken bij de gebruiker. Om de hoeveelheid hoorbaar geluid die door hun producten wordt gegenereerd te minimaliseren, moet je op zoek gaan naar een voeding met een geruisloze of stille werking.

Een typische toepassing voor een geruisloze werking is een bewakingsmonitor. Er zijn nieuwe generatie voedingen met een vermogen van 250 W of 400 W beschikbaar die geen ventilator nodig hebben en in plaats daarvan restwarmte afvoeren via natuurlijke convectie of geleiding.

Voor een stille werking kan je overwegen om nieuwe generatie voedingen te gebruiken die zijn uitgerust met hoogwaardige, geluidsarme ventilatoren met een temperatuurgeregelde rotatiesnelheid. Een typisch toepassing voor de voeding is het leveren van gepulseerde belastingen, voor onder meer het afstellen van ziekenhuisbedden of tandartsstoelen en voor apparaten voor medisch-esthetische doeleinden (onder andere lasers).

Omgaan met piekvermogen

De nieuwste generaties voedingen moeten overweg kunnen met piekvermogen in twee verschillende toepassingsscenario’s.

Het eerste scenario is wanneer het piekvermogen gedurende een korte tijd nodig is, in de orde van enkele seconden tot enkele minuten. Dat is bijvoorbeeld bij ziekenhuisbedden, tandartsstoelen en apparaten voor medisch-esthetische doeleinden. Voor dergelijke toepassingen wordt een voeding aanbevolen die gedurende een specifieke duty cycle piekvermogen kan leveren.

In het tweede scenario is piekvermogen slechts nodig voor een klein deel van de totale werktijd, maar langer dan enkele minuten. Een voorbeeld hiervan is wanneer het apparaat 1 of 2 uur op of bijna op volle belasting moet werken en vervolgens 10 uur op een lagere belasting. Hier is het belangrijk om een voeding te kiezen die een hoog rendement behoudt bij zowel hoge als lage belastingen.

Veiligheid in thuistoepassingen

Ondanks de aanzienlijke voordelen op het gebied van medische zorg en kosten die thuiszorg met zich meebrengt, brengt de thuisomgeving een aantal risico’s met zich mee die doorgaans niet voorkomen in een klinische setting. Denk daarbij aan ongetrainde gebruikers, gebrekkige stroomkwaliteit en -infrastructuur, en een minder strak gereguleerde omgeving. Om deze risico’s te reduceren, worden in de medische norm IEC 60601-1-11 voor thuiszorgapparatuur aanvullende eisen gesteld aan bepaalde aspecten van veiligheid en prestaties.

Wat betreft de keuze van de voeding is het belangrijkste risico dat woningen mogelijk niet dezelfde betrouwbare stroomvoorziening en -infrastructuur hebben als medische instellingen, wat de prestaties en betrouwbaarheid van medische apparaten kan beïnvloeden. De norm schrijft met name een breder ingangsspanningsbereik voor thuiszorgapparatuur voor, om ervoor te zorgen dat deze apparaten ook bij een daling van de netspanning betrouwbaar blijven functioneren.

Spanningsfluctuaties

Als het apparaat moet blijven functioneren wanneer de netspanning daalt tot onder 85% (of tot onder 80% voor levensreddende apparatuur), moet de voeding daarop worden afgestemd. Daarom is het verstandig om een voeding te kiezen met een ingangsspanningsbereik van minimaal 85 tot 264 VAC. In het geval van levensreddende apparatuur is het raadzaam om hierover contact op te nemen met de fabrikant van de voeding.

Klasse II

Wereldwijd gezien kunnen er grote verschillen zijn in de staat van de lokale elektrische infrastructuur en de specificaties voor installatie. Zo is het lang niet altijd zeker dat alle stopcontacten een beschermende aardverbinding hebben. Of als die aanwezig is, dat die correct is gemonteerd. Met Klasse II apparatuur kan je dat ondervangen, in die zin dat hiermee ook door niet-professionele gebruikers thuiszorg mogelijk is doordat de apparatuur beschermt tegen elektrische schokken. In het ontwerp van deze apparatuur wordt ervan uitgegaan dat niet alle woningen over beschermende aardingsbedrading beschikken. Een belangrijke factor in dit ontwerp is een Klasse II medische voeding, die geen aardverbinding heeft en in plaats daarvan dubbele of versterkte isolatie als bescherming gebruikt.

Hogere EMC-eisen

Het minder gereguleerd zijn van de thuisomgeving dan ziekenhuizen kan ook leiden tot elektromagnetische interferentie van elektronische apparaten in de buurt, zoals smartphones en laptops. Daarom zorgen strengere eisen op het gebied van elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en immuniteit ervoor dat apparaten correct functioneren. Apparatuur wordt doorgaans ingedeeld in EMC Klasse A of Klasse B. Klasse B is de strengere classificatie en alle apparaten voor thuiszorg moeten aan deze eis voldoen. Door te kiezen voor een voeding die voldoet aan de Klasse B eisen voor geleide en uitgestraalde emissies maak je ook nog eens het testen van de eindapparatuur eenvoudiger.

Verlenging van de hold-up tijden

De invoering van strengere immuniteitseisen in de norm IEC 60601-1-11 heeft ook consequenties voor de hold-up tijd. Zo wordt voorgeschreven dat de apparaten operationeel blijven of snel herstellen tijdens en na AC-spanningsdips en kortstondige stroomuitval van 20 ms tot 5 seconden. Deze korte onderbrekingen kunnen nadelig uitwerken op kritieke apparaatfuncties, wat kan leiden tot systeemresets, dataverlies of andere ongewenste gevolgen.

Innovaties op het gebied van hold-up technologie zorgen er voor dat de voeding de belasting van stroom blijft voorzien. In het geval van een uitval van de netvoeding is het ook essentieel om ervoor te zorgen dat het medische apparaat specifieke processen kan voltooien, zoals terugkeren naar een veilige stand of uitgangspositie of het automatisch opslaan van waardevolle patiëntgegevens, voordat de DC-voeding uitvalt. Door ervoor te zorgen dat deze essentiële processen veilig worden voltooid, zelfs voordat de batterij-backupsystemen in werking treden, worden patiënten tijdens stroomuitval beschermd en blijft de zorg gewaarborgd.

De overbruggingstijd van de voeding is afhankelijk van de energie die is opgeslagen in de condensatoren om de werking te handhaven. Er zijn verschillende manieren om de hold-up tijd van de voeding te verlengen. Je kunt een hiervoor aangepaste voeding gebruiken. Een andere optie is om een voeding met een hoger dan noodzakelijk gespecificeerd vermogen te gebruiken en deze bij een lagere belasting te laten werken. Deze optie is vooral voordelig wanneer de fabrikant twee versies met verschillende vermogens heeft met verder exact dezelfde vorm, aansluitingen en functie (FFF, ‘form, fit, function’). Beide opties vereisen een grondige technische beoordeling van de eindapparatuur in samenwerking met de fabrikant van de voeding.

Ontwikkelingen

De keuze van een voeding is van invloed is op het algehele ontwerp, de veiligheid en de functionaliteit van medische apparatuur. Ingenieurs hebben hierbij te maken met een complex landschap van eisen, waaronder strenge medische veiligheidsnormen, EMC- en lekstroomlimieten en de behoefte aan hoge prestaties bij verschillende bedrijfstemperaturen.

De trend naar thuiszorg en draagbare medische apparaten maakt dit er niet eenvoudiger op. Er zijn namelijk compacte, lichtgewicht en zeer efficiënte oplossingen nodig zijn die betrouwbaar kunnen werken in minder strak gereguleerde omgevingen. Bovendien wordt de stille of geluidsarme werking van medische apparaten steeds belangrijker, wat leidt tot een voorkeur voor ventilatorloze voedingen of voedingen met temperatuurgeregelde, geluidsarme ventilatoren.

Met een verdere decentralisering van de gezondheidszorg zal de rol van voedingen alleen maar belangrijker worden. TDK-Lambda speelt hierop in met de ontwikkeling van innovatieve AC/DC-voedingen, die voldoen aan alle relevante eisen. In combinatie met lokale ondersteuning en productie positioneert het bedrijf zich als een belangrijke speler in de verdere ontwikkeling van medische technologie.