Winzige Pumpen treiben tragbare medizinische Geräte an

Die Leistung und Kosteneffizienz vieler tragbarer medizinischer Geräte kann durch die Anpassung von Miniaturmembranpumpen und Magnetventilen an die Systemanforderungen verbessert werden. Dan Schimelman von Hargraves Technology untersucht die Probleme zusammen mit den jüngsten Fortschritten bei Fluidkomponenten.

Das Bestreben, die Krankenhauskosten zu senken, führt dazu, dass medizinische Therapien zunehmend zu Hause oder sogar unterwegs durchgeführt werden. Diese Nachfrage hat neue Generationen tragbarer Geräte hervorgebracht. Die meisten dieser Systeme umfassen Module, die aus Miniaturmembranpumpen und Magnetventilen bestehen, und diese Fluidkomponenten müssen daher entsprechend den Systemkriterien maßgeschneidert werden, die die Marktnachfrageziele am besten erreichen. Entwickler medizinischer Geräte profitieren davon, wenn sie verstehen, wie diese Komponenten optimiert werden können, um ihre spezifischen Anwendungsanforderungen optimal zu erfüllen.

Sowohl Arbeitgeber als auch Versicherer haben Druck ausgeübt, um die Gesundheitskosten einzudämmen, indem sie die Krankenhausversorgung mit ihren explodierenden Kosten auf kostengünstigere ambulante Eingriffe verlagert haben. Die Zahl der Eingriffe, die ambulant durchgeführt werden, und der ambulanten Eingriffe, die früher nur stationär durchgeführt wurden, nimmt zu. Fortschritte in der Medizintechnik und die Entwicklung nicht-invasiver und minimal-invasiver chirurgischer Verfahren haben zum Wachstum der ambulanten und ambulanten Versorgung beigetragen. In vielen Fällen sind Operationen, die früher mehrere Tage postoperativer Beobachtung und Pflege erforderten, zu Eingriffen am selben Tag geworden.

Der Trend bei Ärzten, die Krankenhausaufenthalte der Patienten zu verkürzen und die Behandlungen zu Hause fortzusetzen, hat Medizingerätehersteller dazu gezwungen, Systeme zu entwickeln, die tragbarer, leiser und kostengünstiger sind.

Zu den hochtechnologischen diagnostischen und therapeutischen Dienstleistungen, die jetzt zu Hause verfügbar sind, gehören Transfusionstherapie, Dialyse, Sauerstofftherapie, mechanische Beatmung, Kompressionstherapie und Wundtherapie. Diese sich verändernde Gesundheitslandschaft führt zu einem explosionsartigen Wachstum im Bereich der Medizinprodukte. Der Markt wird sich weiter beschleunigen, da demografische Entwicklungen und Markttreiber den Druck auf neue Produktangebote erhöhen.

Um die Markteinführung innovativer Produkte zu beschleunigen, hat Hargraves Technology Corp aus Mooresville, North Carolina, USA, ein Hersteller von hocheffizienten Miniatur-Membranpumpen und Magnetventilen, bereits zu einem früheren Zeitpunkt im Entwicklungsprozess eng mit medizinischen Geräten zusammengearbeitet Unternehmen, um wichtige Systemanforderungen zu identifizieren. Miniaturmembranpumpen und Magnetventile erfreuen sich bei Fluidsystemingenieuren großer Beliebtheit, um den Druck- und Vakuumtransport von Luft und Gas auf kosteneffiziente Weise zu ermöglichen. Indem sie verstehen, wie Schlüsselkomponenten wie diese für eine optimale Systemleistung maßgeschneidert werden können, können Entwickler medizinischer Geräte ihre Markteinführungszeit verkürzen, indem sie früher genau erkennen, was sie benötigen.

Der Markt für tragbare medizinische Geräte wird immer segmentierter und wettbewerbsintensiver, wobei jedes Segment seine eigenen spezifischen Anforderungen an den Erfolg hat, um den spezifischen Anforderungen der Endbenutzer gerecht zu werden. Der erste Schritt im Entwicklungsprozess sollte darin bestehen, vom Marketingteam eine klare Definition der Kriterien für eine erfolgreiche Produktveröffentlichung zu erhalten. Dann ist es wichtig, diese Fähigkeiten zu priorisieren und die Komponenten und ihre jeweiligen Leistungsspezifikationen auszuwählen, die erforderlich sind, um die bewerteten Kriterien am besten zu erfüllen. Da es in der Regel Kompromisse gibt, trägt dies dazu bei, sicherzustellen, dass wichtige Produktziele erreicht werden und dass die Entwicklungszeitpläne nicht durch spätere Änderungen des Projektumfangs beeinträchtigt werden.

Für Entwickler tragbarer medizinischer Geräte können die folgenden Kriterien und ihre Priorisierung einen erheblichen Unterschied bei der Auswahl spezifischer Komponenten machen.

Damit medizinische Geräte wirklich tragbar sind, müssen sie viel kompakter und leichter sein als ihre auf dem Tisch montierten Vorgänger. Es muss die maximale Hülle ermittelt werden, in die das Fluidikmodul passen kann. Dies hat Auswirkungen auf die Bestimmung der maximalen Größe der Pumpe und der Ventile, die die Fluidleistung steuern. Sollte der Platz sehr begrenzt sein, werden kleinere Pumpen und weniger Ventile benötigt, was entweder die Leistung einschränkt oder den Lärm erhöht, wenn kleinere Pumpen mit maximaler Motordrehzahl betrieben werden, um eine ähnliche Leistung wie eine größere Pumpe zu erreichen, die langsamer läuft.

Der erforderliche Fluss bei Druck/Vakuum an den wichtigsten Betriebspunkten der medizinischen Therapie und wie diese gesteuert werden müssen (analog gesteuert, PWM-gesteuert, PWM mit Tachometerausgang usw.), sollten ermittelt werden, um Basislinien für Schlüsselkomponenten festzulegen. Die Steigerung der Leistung bei gleichzeitiger Verkleinerung der Miniatur-Magnetventile und Membran-Luftpumpen hat mehrere interessante Herausforderungen mit sich gebracht. Fortschrittliche Designs, Materialien und Motortechnologien haben zur Einführung innovativer Pumpen und Ventile geführt, die eine höhere Leistung in einem kleineren Gehäuse bieten.

Bei medizinischen Behandlungen, die neben einem Patienten stattfinden, während er schläft oder sich in der Öffentlichkeit aufhält, muss Lärm berücksichtigt werden. Hersteller von Membranpumpen können den Lärm minimieren, indem sie den Hub reduzieren, die Membranform und -härte optimieren und die Kammereffizienz senken. Abhängig vom Ausmaß dieser Maßnahmen können sich Kompromisse auf die Pumpeneffizienz und die Fluidleistung auswirken. Eine andere bereits erwähnte Taktik besteht darin, eine größere Kapazität zu nutzen (z. B. eine Doppelkopfpumpe im Vergleich zu einer Einzelkopfpumpe) und bei niedrigeren Drehzahlen zu laufen. Die Leistung bleibt gleich, aber der Geräuschpegel sinkt deutlich. Der negative Nachteil ist natürlich ein größerer Pumpenhub.

Wenn es sich um ein batteriebetriebenes Gerät handelt, wie hoch ist die angestrebte angestrebte Betriebsdauer der Batterie? Würde es einen Marktvorteil geben, wenn das tragbare medizinische Gerät länger mit einer Batterie laufen würde als seine Konkurrenz? Wie später erläutert wird, trägt die richtige Auswahl der Motortechnologie für die Membranpumpe erheblich zur Effizienz des Systems bei. Darüber hinaus stellt die richtige Abstimmung der Öffnungsgröße der Magnetventile sicher, dass diese nicht als Einschränkung wirken und so die Membranpumpe oder den Miniaturkompressor dazu zwingen, härter zu arbeiten.

Ist dieses Gerät ein Einweggerät oder erfordert es einen intermittierenden Betrieb der Fluidkomponenten, oder muss es eine nachgewiesene hohe Zuverlässigkeit bei anspruchsvollem zyklischem Betrieb aufweisen, der eine Betriebslebensdauer von mehr als 10.000 Stunden erreichen kann? Die Anforderungen an die Betriebslebensdauer werden durch die Auswahl der Motortechnologie, des Membranelastomers sowie der Fluidlasten und -zyklen sowie durch die maximale Temperaturumgebung, der die Komponenten ausgesetzt sind, beeinflusst.

Die Priorität, die den Kosten als Entscheidungskriterium für Fluidkomponenten eingeräumt wird, hat großen Einfluss auf die Fähigkeit, die Vorteile jedes der vorstehenden Faktoren zu maximieren. Es ist zu beachten, dass eine zu starke Betonung der Kostensenkung bei Membranpumpen und Magnetventilen tatsächlich die Gesamtkosten erhöhen und die Marktfähigkeit des Geräts verringern könnte. Beispielsweise wird die Auswahl fortschrittlicher, hocheffizienter und äußerst zuverlässiger Motortechnologie und Magnetventile den Stromverbrauch erheblich senken; manchmal um die Hälfte. Dies kann dazu führen, dass der Batteriebedarf erheblich reduziert wird – was Entwicklungsingenieuren die Flexibilität gibt, ein noch leichteres und kompakteres Gerät zu entwerfen oder die Batteriekapazität zu erweitern.

Eine Reihe von Technologietreibern haben großen Einfluss auf die oben genannten Entscheidungskriterien für Miniatur-Luftmembranpumpen und Magnetventile; Diese werden in den folgenden Abschnitten besprochen.

Der Motor der Miniatur-Membran-Vakuumpumpe oder des Kompressors ist wahrscheinlich der größte Treiber, der sich auf die Gesamtleistung, den Wirkungsgrad, die erwartete Betriebsdauer und die Kosten auswirkt. Der Motor ist die kostenintensivste Komponente einer Membranpumpe und daher ein wesentlicher Kostentreiber, der sich auf die Gesamtkosten eines Fluidmoduls auswirkt. An der Pumpe können zwei Hauptdesigns der Motortechnologie, DC-Bürstenmotor und DC-Bürstenlosmotor, mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen konfiguriert werden.

Gleichstrom-Bürstenmotoren sind bei vielen Membrandruck- und Vakuumpumpenanwendungen üblich, bei denen niedrige Kosten entscheidend sind, die Lebensdauer jedoch keine Rolle spielt. Motoren mit Eisenkernbürsten verwenden typischerweise Kohlebürsten, um den elektrischen Eingang von den Anschlussdrähten zum Kommutator des Motors zu leiten. Durch die ständige Reibung der Bürsten am Kommutator verschleißen die Bürsten wie die Mine eines Bleistifts. Bürstenmotoren sind für eine Lebensdauer von 500 bis 5000 Stunden ausgelegt, abhängig von der Qualität des Motors und seiner Verwendung.

Die Motorbürsten erfahren bei jedem Start einen elektrischen Lichtbogen. Durch häufige Lichtbogenbildung erhitzen sich die Kohlebürsten, wodurch sie schneller verschleißen. Daher verschleißen Bürstenmotoren, die täglich häufig ein- und ausgeschaltet werden, schneller. Von einem hochwertigen Bürstenmotor kann bei häufigem Ein- und Ausschalten eine Lebensdauer von nicht mehr als 3000 Stunden erwartet werden. Bürstenmotoren, die in Hochleistungsanwendungen mit längerem Dauerbetrieb eingesetzt werden, können eine längere Lebensdauer haben. Es muss festgestellt werden, dass nur wenige Anwendungen einen kontinuierlichen Betrieb einer Pumpe ermöglichen. Häufige Starts und Stopps sind die Norm. Gelegentliches Radfahren kann aufgrund der Ansammlung von Kohlenstoffstaub zwischen Bürstenbasis und Kommutator zum Abwürgen des Motors führen. Durch Klopfen auf das Außengehäuse, um diese Ablagerungen von den Bürstenspitzen zu entfernen, kann der Motor normalerweise neu gestartet werden. Zusätzlich zur begrenzten Lebensdauer können Bürstenmotoren unerwünschte elektrische oder RFI-Störungen (Hochfrequenzstörungen) in die Schaltkreise eines Systems einbringen.

Die kernlose Motortechnologie unterscheidet sich vom Standard-Bürstenmotor dadurch, dass die Wicklung auf dem Rotor auf sich selbst gewickelt ist. Die Bürsten bestehen aus einem hochleitfähigen und effizienten Edelmetall. Auf dem Rotor befindet sich kein Eisen, wodurch sich der leichtere Rotor ohne Kern (oder eisenloser Kern) mit einem bestimmten Leistungsniveau und weniger erforderlicher Eingangsenergie dreht. Dies führt zu einer geringeren Stromaufnahme, die zum Betreiben der jeweiligen Membranpumpe erforderlich ist. Aufgrund der Edelmetallbürsten und der Komplexität der Herstellung des gewickelten Rotors sind eisenlose Motoren mit einem Preisaufschlag verbunden. Daher werden kernlose Motoren häufig in tragbaren, batteriebetriebenen Systemen verwendet, die einen außergewöhnlichen Wirkungsgrad erfordern, um einen längeren Batteriebetrieb zu erreichen.

Bürstenlose Gleichstrommotoren beseitigen diese Probleme. Bei einem bürstenlosen Motor befinden sich die Magnete am Rotor und die Wicklungen sind um Pole am Stator gewickelt. Anstelle von Bürsten und einer Kommutatorschiene werden die Wicklungen sequentiell durch eine Festkörperelektronik ein- und ausgeschaltet. Bürstenlose Motoren erfordern weniger Wartung und sind kleiner, leichter und effizienter als Bürstenmotoren mit vergleichbarer Leistung. Bei Motorkonstruktionen, bei denen Leistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer im Vordergrund stehen, kann mit einer Betriebslebensdauer von mehr als 10.000 Stunden gerechnet werden, wobei ein hochpräzises Lagerkäfigdesign jegliches Spiel beseitigt, das Lagerverschleiß verursacht. Dieses Präzisionsdesign kann auch zu einem leiseren Motor führen, da die bei bürstenlosen Motoren üblichen mechanischen Geräusche erheblich reduziert werden.

Bei bürstenlosen Motoren gibt es allerdings eine Einschränkung, da sie geschlitzte Statoren enthalten. Der Stator besteht aus geschlitzten Eisenlamellen, die zu einem festen, gleichmäßigen Stapel verschmolzen sind. Die Schlitze bilden Reihen, die sich über die Länge des Stapels erstrecken, und die Wicklungen werden in jede Reihe eingefügt. Wenn sich der Rotor dreht, werden die Magnete stärker von den Zähnen des Stators angezogen als von den Lücken zwischen ihnen. Diese ungleichmäßige magnetische Anziehungskraft, auch Cogging genannt, verringert die Effizienz des Motors und macht es schwierig, bei niedrigen Geschwindigkeiten eine gleichmäßige Bewegung zu erzeugen. Bei typischen Betriebsdruck- und Vakuumlasten können bürstenlose Motoren der aktuellen Technologie Wirkungsgrade im Bereich von 50–60 % erreichen.

Hargraves hat eine innovative Designvariante eingeführt – einen bürstenlosen Motor mit einem nutenlosen Stator (einer, der keine Nuten hat, um die Wicklungen an Ort und Stelle zu halten). Stattdessen werden die Wicklungen mit Klebstoff an der Innenfläche des Stators befestigt. Da es keine Zähne gibt, die die Magnete anziehen, wird ein Rasten vermieden und der Motor sorgt für eine gleichmäßige, leise Drehung. Das Fehlen von Zähnen bietet außerdem Platz für größere Magnete im Rotor und mehr Draht in den Wicklungen, was bedeutet, dass nutenlose Motoren mehr Drehmoment erzeugen können, ohne dass die Größe entsprechend zunimmt. Darüber hinaus reduziert das nutenlose Design die Dämpfungsverluste deutlich.

Sowohl bei genuteten als auch bei nutenlosen Motoren werden Wirbelströme induziert, wenn die Magnete den Stator passieren. Allerdings sind diese Ströme bei genuteten Motoren schwächer, da der Abstand zwischen dem Stapel und den Magneten größer ist als bei genuteten Motoren. Dadurch sind schlitz- und bürstenlose Motoren effizienter als Schlitzmotoren: Miniatur-Membrandruck- und Vakuumpumpen können mit bis zu 70 % verbesserten Wirkungsgraden rechnen, gepaart mit der außergewöhnlichen Lebensdauer, die das bürstenlose Design mit sich bringt.

Die Membranen in Miniaturmembranpumpen und Mikrokompressoren dehnen und verbiegen sich unter Last und manchmal bei erhöhten Temperaturen. Aufgrund der Einschränkungen von Standard-EPDM-Elastomeren (Ethylen-Propylen-Dien-Monomer) sind viele Miniaturmembranpumpen und Kompressoren der aktuellen Technologie nur für Temperaturen bis 40 °C ausgelegt und verfügen nur über begrenzte elastische Eigenschaften, um der strengen zyklischen Dehnung standzuhalten, die für Anwendungen mit höherer Leistung erforderlich ist. Bei Pumpen, die mit EPDM konfiguriert sind und in Umgebungen mit höherer Umgebungstemperatur betrieben werden, kommt es typischerweise zu gerissenen Membranen, bevor sie 3000 Betriebsstunden erreichen. Um die Lebensdauer der Membran unter den Betriebsbedingungen, die tragbare medizinische Geräte der neuen Generation erfordern, auf über 10.000 Stunden zu verlängern, führte das Materialforschungsteam von Hargraves innovative Forschungen durch, um ein hochleistungsfähiges Elastomer zu entwickeln, das bis zu 70 °C standhält und über verbesserte mechanische Eigenschaften verfügt . Dieses Forschungsprojekt führte zur Entwicklung eines fortschrittlichen EPDM oder AEPDM, einer proprietären Elastomer-Materialkonfiguration, die in internen Tests nachweislich zehnmal länger hält als Standard-EPDM. Abhängig von den Fluidbelastungen und Umgebungstemperaturen, unter denen die Miniaturmembranpumpe betrieben wird, wurde festgestellt, dass AEPDM-Membranen eine Betriebslebensdauer von mehr als 20.000 Stunden haben.

Die Form der Membran selbst wurde evaluiert und optimiert, um die Effizienz von Vakuum, Druck und Durchflussleistung zu verbessern. Die Leistung typischer Flachmembranen ist durch die Dehnbarkeit begrenzt. Hochleistungs-Luft- und Gaspumpen erfordern einen größeren Pumpenhub über die Dehngrenzen der Flachmembran hinaus. Ein höheres Vakuum oder eine höhere Durchflussleistung erfordern entweder die Verwendung einer größeren Flachmembran (was eine größere Pumpenkopfkonstruktion erfordern würde) oder eine größere Membranoberfläche durch Verwendung einer geformten Membran. Formmembranen ermöglichen eine Vergrößerung des Pumpenhubs um bis zu 80 %! Durch die Optimierung der Membranform der Pumpe kann eine deutlich höhere Leistungsausbeute bei deutlich kleinerer, kompakter Baugröße erreicht werden.

In vielen tragbaren medizinischen Geräten, die Miniaturmembranpumpen oder Mikrokompressoren erfordern, werden Miniaturmagnetventile benötigt, um den Durchfluss zu steuern und zu steuern. Um in diese Gehäuse der neuen Generation zu passen, dürfen die Ventile normalerweise eine Gehäusegröße von 10 mm nicht überschreiten. Der neue Designtrend stellt die Komponentenhersteller vor die Herausforderung, kleinere, leichtere Komponenten, insbesondere Miniatur-Magnetventile, zu produzieren, die zu diesen neuen Produkten passen. Mit diesen kleineren Ventilen gingen kleinere Öffnungen und ein eingeschränkter Durchsatz einher, was effektiv zu einer höheren Leistung bei einem kleineren Paket führte. Das typische 10-mm-Magnetventil hat im Vergleich zur Pumpenleistung nur ein Sechstel der Durchlassfläche. Aufgrund der Einschränkungen dieser kleinen, ineffektiven Ventilöffnungen müssen die Pumpen in einem Fluidsystem erheblich große Druckunterschiede überwinden. Eine gängige Praxis von Ingenieuren für Fluidsysteme zur Überwindung dieser Durchsatzreduzierung besteht darin, eine Pumpe mit bis zu 200 % mehr Kapazität als nötig zu verwenden. Selbst mit den Pumpen mit höherer Leistung wurden nur minimale Leistungssteigerungen bei gleichzeitig unnötigem Gewicht, erhöhtem Stromverbrauch, erhöhter Wärmeentwicklung, Lärm und Größe erzielt. Da Entwickler tragbarer medizinischer Geräte außerdem kleinere Instrumente mit mehr Funktionen entwickeln, sind mehr Magnetventile erforderlich, was die Probleme erhöhter Wärme, Lärm und Stromverbrauch verschärft.

Jüngste Fortschritte in der Magnetventiltechnologie haben das Ventildesign so verfeinert, dass es eine kleine Gesamtgröße, aber eine viel größere Öffnung aufweist. Durch die Verwendung der Finite-Elemente-Analyse zur Analyse des Flüssigkeitsdurchsatzes und der Flusseffizienz des vom Magnetventil erzeugten Magnetfelds konnte Hargraves mit seinen Magnetventilen der Magnum-Serie einen Durchfluss erreichen, der bis zu doppelt so hoch ist wie die bisherigen. Aufgrund der deutlich höheren Effizienz des Magnetdesigns konnten Stromverbrauch und Wärmeentwicklung deutlich reduziert werden. Darüber hinaus können fortschrittliche Fertigungsprozesse exakte, optimierte Öffnungen festlegen, die eine strömungstechnische Anpassung an anwendungsspezifische Strömungen ermöglichen, was zu einem erheblichen Fortschritt in der Magnetventiltechnologie führt. Darüber hinaus können die neuen Magnum-Miniaturmagnetventile einzeln, auf einem Verteiler montiert oder direkt auf eine Leiterplatte gelötet werden, was den Entwicklern von Fluidmodulen mehr Flexibilität bietet.

Typischerweise ist das kleine Ventil mit seiner kleinen, einschränkenden Öffnung das schwache Glied in einem Fluidkreislauf. Anstatt größere Pumpen mit höherer Leistung zu spezifizieren, arbeiten Fluiddesigner mit Anbietern fortschrittlicher Fluidlösungen zusammen, um eine maßgeschneiderte Lösung bereitzustellen, bei der die Magnetventilöffnung für eine optimierte Membranpumpe optimiert wird, um ihre Systemkriterien bestmöglich zu erfüllen. Die Vorteile sind groß, darunter kleinere, leichtere Pumpen, weniger Lärm und eine längere Pumpenlebensdauer, da die Lastdifferenzdrücke erheblich sinken und auch die Gesamtgröße und das Gesamtgewicht verringert werden.

Tragbare medizinische Geräte, die in einem kleineren, aber kostengünstigen Fluidmodul einen höheren Durchfluss, einen längeren Batteriebetrieb und eine längere Gerätelebensdauer erreichen möchten, profitieren von maßgeschneiderten Konfigurationen fortschrittlicher Miniaturmembranpumpen und -ventile. Die richtige Einstufung der Gesamtsystemkriterien und der jeweiligen Komponentenanforderungen trägt dazu bei, den Projekterfolg mit einer schnelleren Markteinführung sicherzustellen.

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