CHALLENGE
Eine neue Gerätegeneration für die Dentalmedizin
W&H Dentalwerk Bürmoos GmbH zählt weltweit zu den führenden Herstellern zahnmedizinischer Übertragungsinstrumente- und geräte. Bei der Entwicklung und Markteinführung einer neuen Gerätegeneration sowie der Modularisierung der Oralchirurgie-Produktpalette setzte W&H wieder auf das Elektronik-Knowhow von Ginzinger electronic systems.
Wohl die Wenigsten freuen sich auf ihn: Den Gang zum Zahnarzt in Erwartung eines unangenehmen und schmerzvollen Eingriffs. Der Besuch in Verbindung mit einem operativen Eingriff geht einem meistens im wahrsten Sinne des Wortes „auf die Nerven“, bzw. „unter die Haut“. Um operative Eingriffe im Dentalbereich so schonend und schmerzfrei wie möglich zu gestalten, greifen Dentalmediziner gerne auf die Operationsmethode mittels Piezotechnik zurück. Die vom Dentalgerät übertragenen Ultraschallwellen wirken ausschließlich auf kalkhaltiges Gewebe, also auf Knochen oder Zähne.
PIEZOMED PLUS
Über den Kunden
W&H Dentalwerk Bürmoos GmbH
Die internationale W&H-Gruppe mit Headquarter in Bürmoos (Österreich) ist weltweit führend in der Entwicklung und Herstellung von Medizintechnikprodukten. Mit rund 1200 Mitarbeitern weltweit exportiert W&H seine Produkte in über 130 Länder.
Flexibel einsetzbar
Das neue Piezomed-Modul
Das Piezomed-Modul ist der Nachfolger des Piezomed Table-Top-Gerätes und kann in Kombination mit Implantmed, dem W&H-Produkt zum Setzen von Zahnimplantaten, eingesetzt werden. Das Implantmed Plus stellt somit die Basis des Systems dar. Durch das einfache Ankoppeln des Piezomed-Moduls ist der Arzt auf verschiedenste chirurgische Anwendungen vorbereitet. Die Bedienung des Kombigerätes erfolgt mittels dem von Ginzinger entwickelten und produzierten HMI (Human Machine Interface) des Implantmed.
"Die neuen Piezomed-Module sind eine Weltneuheit in unserem Produktsegment. Durch das modulare Konzept ist es dem Anwender nun möglich, auf kleinstem Raum die Vorteile von rotierenden Elektromotoren und schwingenden Piezoinstrumenten gemeinsam zu nutzen."
viele Features
Hardware & Software
Die neue Generation des Dentalgerätes bietet viele Features. So erkennt etwa die Software des Piezomed automatisch, welche Spitze aus den drei vorhandenen Spitzengruppen auf das Handstück aufgesteckt wird. Das Handstück verfügt über einen LED-Sockel inklusive Kabel und ist thermodesinizier- und sterilisierbar. Die LED-Ringbeleuchtung am Handstück garantiert die ideale Ausleuchtung des Operationsfeldes. Diese wird ebenfalls bei Ginzinger produziert.
Projektstart
Neues Platinenkonzept & verbesserte Software
Im Piezomed sind zwei Platinen verbaut: Die Antriebs- und die Spitzenerkennungsplatine. Die Antriebsplatine steuert den verbauten Piezomotor an und bringt diesen mit einer gewissen Frequenz, der so genannten Resonanzfrequenz, zum Schwingen. In dieser muss er dann konstant betrieben werden. Die Platine zur Spitzenerkennung detektiert zuverlässig in derzeit drei Leistungsklassen bzw. -gruppen, welches Werkzeug gerade am Handstück aufgesteckt ist. Die Antriebsplatine wurde im Zuge eines Redesigns bei Ginzinger verkleinert, mit verbesserter Leistung ausgestattet und kostentechnisch optimiert. Dank des modularen Designs kann W&H die Antriebsplatine auch in anderen Produkten einsetzen.
Technische Herausforderungen
In der Hardwareentwicklung waren die wohl größten Challenges während des Redesigns und der Modularisierung das Wärmemanagement für die Antriebsplatine, die Regelung des Antriebs, sowie den verbauten Piezomotor in Resonanzfrequenz zu halten. Die Antriebsplatine so zu designen, dass sie auf dem vordefinierten, sehr engen Raum trotz hoher Ausgangsleistung nicht zu stark erhitzt, war nicht einfach.
Die Regelung des Antriebs forderte vor allem das Softwareteam bei Ginzinger electronic systems. Die Antriebsplatine besteht aus zwei Controllern. Einer davon ist ein performanterer Controller mit High Resolution Timer. Er übernimmt die komplette Leistungs- und Frequenzregelung, filtert die Leistungsvorgabe des anderen Controllers und stellt die Leistung am Antrieb des Handstücks ein. Der zweite Controller kommuniziert über CAN mit der Displayeinheit. Für die Antriebssoftware war viel Knowhow gefragt. Der Fokus lag auf der Optimierung der Leistung der Regelungstechnik.
"Die Regelung des Piezo-Antriebs ist sehr anspruchsvoll. Das zu schneidende Material kann sehr unterschiedliche Härtegrade haben. Sobald die Schneide in Knochen- oder Zahnsubstanz eingedrungen ist, verschiebt sich der Resonanzpunkt der Regelung. Die beim Schneiden entstehende Verlustleistung muss mittels Software minimiert werden."
Langjährige Partnerschaft
Erfolgreiche Markteinführung
Auch die verschiedenen Aufsätze für das Handstück waren für die Softwareentwickler eine Herausforderung, denn die Regelung muss - unabhängig von der Spitze - immer optimal parametriert sein. Der Software obliegt es, die optimale Leistung der jeweiligen Spitze zu erkennen und zu regeln. Die Applikation am Display und die Firmware des Kommunikationscontrollers am Antrieb wurden von W&H programmiert. Die Firmware für Piezo-Ansteuerung, Spitzenerkennung, Regelalgorithmen und Optimierung des Stromverbrauchs kamen von Ginzinger.
Das Piezomed Modul wurde von W&H bereits erfolgreich in den Markt eingeführt und wird von Ginzinger in Serie produziert.
Embedded Systems in der Medizintechnik
Normen und Zertifizierungen
Der Einsatz von Technik in der Medizin erfordert strikte Maßnahmen zum Ausschluss von Fehlfunktionen und zur dauerhaften Sicherung der Qualität. Diese Maßnahmen sind über den gesamten Produktlebenszyklus einzuhalten und zu dokumentieren.
Einige wichtige Richtlinien und Normen der Medizintechnik, die Entwickler kennen müssen sind:
- Medical Device Regulation MDR der EU
- IVDR – In-vitro-Diagnostic Device Regulation der EU
- EN ISO 13485 – Managementsystem für Design und Herstellung von Medizinprodukten
- EN 60601 - Normenkomplex über medizinische elektrische Geräte und Systeme
Einfache Bedienung und Nutzung
In kritischen Umgebungen, wie Behandlungsräumen oder Laboren, muss dafür gesorgt werden, dass Bedienoberflächen des HMI und Schaltelementekeimfrei gehalten werden. Heute wird die Bedienung von Medizingeräten mittels Sprachein- und -ausgabe vereinfacht. Künstliche Intelligenz unterstützt beim Einsatz, indem sie beispielsweise Vorschläge zur Interpretation von Bildern oder Messergebnissen in der Diagnostik macht und die Nutzerin bzw. den Nutzer bei wichtigen Entscheidungen entlastet.
Energiemanagement & Rechenleistung
Zunehmende Miniaturisierung und Rechenleistung von Elektronik und Embedded Systems ermöglichen heute Medizingeräte, die klein und kompakt direkt am Patienten bzw. an der Patientin Daten sammeln und Kontrollentscheidungen treffen. Dabei werden Mikrocontroller mit minimalem Energiebedarf und ein ausgeklügeltes Energiemanagement für einen langlebigen und schonenden Batteriebetrieb kombiniert.
Sicherheit & Zuverlässigkeit
Medizingeräte müssen dauerhaft und zuverlässig funktionieren. Das Risiko für Fehlfunktionen im Betrieb ist bereits in der Entwicklung zu minimieren. Dafür sind laufend umfangreiche Risikoanalysen durchzuführen. Auf Basis dieser Analysen werden Maßnahmen abgeleitet, um potenzielle Bedrohungen weiter zu minimieren. Zum Einsatz kommen redundante Systeme, ausgeklügelte Überwachungsfunktionen in Hard- und Software und Bausteine, die den vorgeschriebenen Standards genügen.
