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Leitungslose Mensch-Maschine-Schnittstellen im OP

Bild 1. Hygienegerecht, ergonomisch, flexibel: Der Einsatz von leitungslosen Bedien­systemen in OP, Arztpraxis und Klinik bietet viele Vorteile

Bild 2. Der modulare Aufbau der Funktechnik – hier ist das in einen Fuß­schalter integrierte Bluetooth-Modul zu sehen – erlaubt die einfache Integration in Bediensysteme

Bild 3. Bei Handbediengeräten erweist sich die geringe Energieaufnahme des SW-2.4-MED-Funkstandards als vorteilhaft. Sie schafft die Voraussetzung dafür, eine kleine und leichte Batterie zu verwenden und dennoch eine lange Batteriestandzeit zu erreichen

Bild 4. Auch komplexe Funktionen lassen sich über das Funkprotokoll steuern. Im Bild: Ein Bediensystem für OP-Mikroskope

„Wireless“-Technologien sind nicht nur in der Industrie­automation gefragt. Sie setzen sich auch in der Medizin­technik durch. Hier sind hohe Anforderungen in Bezug auf Koexistenz, Störfestigkeit und Übertragungssicherheit zu erfüllen. Es gibt ein Funkprotokoll im 2,4-GHz-Band, das exakt für dieses Anforderungsprofil entwickelt wurde und sich in der Medizintechnik bereits bewährt.

Der Wunsch, vor allem bei Bedien­elementen von medizintechnischem Gerät auf Leitungen zu verzichten, ist aus Sicht von Ärzten sowie von OP- und Pflegepersonal verständlich, denn hierfür gibt es zwei gute Gründe. Erstens kommen in diesem Anwendungsbereich oft Fußschalter zum Einsatz, bei denen die Leitungen auf der Erde herumliegen. Dort stören sie und wirken im Extremfall als „Stolperfalle“, zudem verhindern sie eine freie Positionierbarkeit des Schalters. Zweitens sind Leitungen und Leitungseinführungen an Geräten schwer sauber zu halten und somit unter Hygieneaspekten bedenklich.
Aus diesen Gründen gab es schon vor knapp 15 Jahren erste Ansätze, auf leitungsgebundene Fußschalter zu verzichten und die leitungslose Kommunikation zwischen medizintechnischem Gerät und Bedieneinheit, das heißt Fußschalter einzuführen (Bild 1). Im Steute-Geschäftsfeld Meditec nutzte man dafür unter anderem die Datenübertragung per Infrarot, die jedoch nur für nicht sicherheitsgerichtete Geräte, zum Beispiel die Bildverarbeitung, eingesetzt werden konnte. Diese Technologie funktioniert nur bei einer Sichtverbindung zwischen Sender und Empfänger.
Steute Meditec hat die Entwicklung der Funktechnologien stetig weiter verfolgt und für die Mensch-­Maschine-Schnittstelle in OP und Arztpraxis nutzbar gemacht. Ein Beispiel: Als im Jahr 2000 der Bluetooth-Standard eingeführt wurde, hat das Unternehmen ihn für die Anforderungen der Medizintechnik ertüchtigt und setzt diese Technologie seitdem weltweit ein (Bild 2).
In einigen Anwendungsbereichen werden jedoch Anforderungen gestellt, die mit Bluetooth nicht zu erfüllen sind. Diese Anforderungen betreffen zum Beispiel den Energiebedarf der leitungslosen Einheiten und die „Wake-up-Zeiten“ beim Betätigen der Bedieneinheiten aus dem Stand-by-Modus heraus. Aus diesen Gründen hat das Unternehmen ein eigenes Funkprotokoll entwickelt, das inzwischen unter der Bezeichnung SW 2.4 MED am Markt eingeführt ist.

Umfangreiches Pflichtenheft
Das Pflichtenheft, das zu Beginn der Entwicklung erstellt wurde, umfasste Anforderungen, die in dieser Kombination bislang noch nicht realisiert worden waren. Das Funkprotokoll sollte tolerant sein gegenüber anderen Funkstandards, wie W-LAN, die in Krankenhäusern üblich sind. Der Verbindungsaufbau sollte schnell erfolgen. Zugleich war eine geringe Energieaufnahme gefordert, um eine lange Batterielebensdauer zu gewährleisten. Eine eindeutige, verwechslungsfreie Zuordnung von Sender und Empfänger war notwendig. Der Standard ­sollte universell und weltweit nutzbar sein. Und last, but not least wünschten die Gerätehersteller ein Funksystem mit niedrigen Kosten.
Die Funk-Spezialisten entschieden sich dafür, das weltweit verfügbare 2,4-GHz-Band als Basis zu verwenden. Um die hohen Anforderungen an Koexistenz und Sicherheit zu erfüllen, ist das Kommunikationsprotokoll, das nach dem „Frequency Hopping“-Verfahren arbeitet, auf 32 Kanäle aufgeteilt. Dies ist eine wirksame und bewährte Maßnahme zum Umgehen von Störquellen.
Darüber hinaus verfügt die SW-2.4-MED-Funktechnologie über verschiedene andere Verfahren zur automatischen Erkennung und Korrektur von Übertragungsfehlern. Und da über ein spezielles Pairing-Verfahren jeweils eine Sende- und Empfangseinheit fest einander zugeordnet werden, kann der Anwender verschiedene Geräte störungsfrei parallel betreiben.
Die Signalübertragung erfolgt bi­direktional innerhalb von 20 ms. Dabei werden vier Protokolle auf verschiedenen Frequenzen gesendet, was jeweils 5 ms dauert. Somit ist die Anforderung der kurzen Ansprechzeit erfüllt. Die Bidirektionalität schafft die Voraussetzung für ein Quittieren der Signale, sodass Störungen direkt erkannt werden. In diesem Fall wechseln Sende- und Empfangsmodul automatisch den Kanal. Der gestörte Kanal wird dauerhaft ausgeblendet.

Geringe Energieaufnahme
Mit maximal 25 mA ist die Stromaufnahme der leitungslosen Kommunikation um bis zu 60 % geringer als bei anderen Funkstandards. Den Konstrukteuren gelang es auch, einen weiteren Energieeinspareffekt zu erzielen. Da die medizintechnischen Geräte anders als Produktionsanlagen selten über viele Stunden pausenlos in Betrieb sind, entfällt normalerweise der Großteil der Energieaufnahme auf den Stillstand, in dem nur Präsenzsignale gesendet werden und das Gerät sozusagen auf Betätigung wartet; das ist ineffektiv. Deshalb wurde als Stromsparfunktion für derartige Wartezeiten der Sleep-Modus entwickelt, bei dem das Funksystem seinen Strombedarf auf nur 6 μA reduziert. Sobald der Bediener eine Schalterfunktion betätigt, wird das System reaktiviert und die Funk-Datenverbindung üblicherweise in weniger als 200 ms hergestellt. Der Anwender bemerkt davon üblicherweise nichts, profitiert aber von einer längeren Batterielebensdauer.
Aufgrund der geringen Stromaufnahme lassen sich in Kombination mit Alkaline-Batterien lange Batterielaufzeiten realisieren. Als Option steht ein Lithium-Ionen-Akkupack zur Verfügung, der über ein Ladegerät aufgeladen werden kann. Dieser Akku verfügt über ein Batteriemanagement, das die zentralen Parameter, wie Batteriespannung, aktuelle Restkapazität, Temperatur und Anzahl der Ladezyklen, kontinuierlich erfasst, überwacht und überträgt.

Die Mikroelektronik und die Verfügbarkeit moderner Sensortechnik erlaubte die Realisierung von interessanten Zusatzfunktionen, die die ­Sicherheit der Funktechnik noch erhöhen. Ein Beispiel: Sensoren überwachen permanent die Lage des Fußschalters. Sobald der Schalter vom Boden abgehoben wird, werden automatisch alle Funktionen gesperrt und ein Warnsignal erzeugt.
Da der Anbieter die Funktechnologie als kompaktes und modulares System aufgebaut hat, hat der Anwender bei nahezu allen Fußsteuerungen des Katalogprogramms die Wahl zwischen einem leitungsgebundenen und einem leitungslosen Bediensystem. Das gilt nicht nur für die Fußschalter, sondern auch für die neue Generation von Handbediengeräten (Bild 3). Dank des geringen Energiebedarfs der Funktechnologie kann auch mit einer kleinen und leichten Batterie eine lange Batteriestandzeit erreicht werden. Das erhöht bei Handheld-Geräten auch den Bedienkomfort.

Fußbediensystem für OP-Mikroskop
Dass sich über das Funksystem auch komplexe Funktionalitäten einschließlich analoger Signale steuern lassen, zeigt ein aktuell neu entwickeltes Fußbediensystem für OP-Mikroskope (Bild 4). Es verfügt über zwei zentrale Wippenschalter, mit denen der Operateur jeweils Zoom und Focus steuert. Wenn die Schalter nicht betätigt werden, ruht der Fuß auf einer Mittel­position. Mit einem ebenfalls zentral angeordneten Joystick kann der Bediener das Mikroskop zentrieren und dabei gleichzeitig die X- und die Y-Achse verstellen. Damit ist eine ergonomische, ermüdungsfreie Betätigung des Mikroskops gewährleistet.
Rechts und links von Wippenschaltern und Joystick sind insgesamt sechs Drucktaster angeordnet, deren Funktion sich frei programmieren lässt. Hier bieten sich zum Beispiel die Funktionen „Kamera“ und „Beleuchtung“ an. Der Mikroskophersteller bleibt somit flexibel, was die Ausstattung und die Zusatzfunktionen des Geräts angeht.

Die Wippenschalter sind unter einer Silikonmanschette hygienisch abgedichtet. Damit werden auch hohe ­Hygieneansprüche erfüllt, wie sie im OP unabdingbar sind. Die leitungslose Ausführung unterstützt diese Ansprüche noch. Der Anwender kann das Bediensystem aber ebenso mit konven­tioneller leitungsgebundener Signalübertragung bestellen. Auch die Anpassung der Bedieneinheit an indi­viduelle Anforderungen ist möglich. Die flexible Fertigung schafft die ­Voraussetzung für die schnelle Konstruktion und Produktion von kundenspezifischen Varianten des neuen ­Bediensystems.

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Autor: Guido Becker ist als Produkt­manager Meditec für die Steute Schaltgeräte GmbH & Co. KG in Löhne tätig.