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Systemtechnik Leber Rauscharme Netzteile optimieren Bildqualität in der Medizintechnik

Autor / Redakteur: Denny Vogel, Jörg Klenke* / Julia Engelke

Der Einsatz von Flachbilddetektoren, die unter anderem bei bildgebenden Systemen in der Röntgentechnik verwendet werden, erfordert die Integration möglichst störungsfreier DC-Spannungsquellen. Nur so wird sichergestellt, dass Aufnahmen durch Störungen nicht „verrauscht“ werden.

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Das Daitron-Low-Ripple-Schaltnetzteil RFS50 ist mit drei Leistungsstufen zwischen 50 und 300 Watt erhältlich. Es hat einen geringen Ableitstrom und ist für Betriebstemperaturen zwischen -10 bis +60 °C geeignet.
Das Daitron-Low-Ripple-Schaltnetzteil RFS50 ist mit drei Leistungsstufen zwischen 50 und 300 Watt erhältlich. Es hat einen geringen Ableitstrom und ist für Betriebstemperaturen zwischen -10 bis +60 °C geeignet.
(Bild: Leber Systemtechnik)

Egal ob Voruntersuchung, geplanter Eingriff oder Not-OP: Mit Hilfe von bildgebenden Verfahren, wie zum Beispiel durch einen Computertomografen (CT) erstellten 3D-Bildern, verschaffen sich Mediziner ein möglichst realistisches Bild vom Inneren des Patienten für eine möglichst genaue Diagnose. Digitale Bildverarbeitung ist dabei heute Standard. Dennoch gibt es Schwachpunkte. Durch sensorbedingtes oder durch Spannungsquellen bedingtes Rauschen kann es zu einer Unschärfe oder Kontrastminderung in der gesamten Aufnahme kommen und damit zu Spielraum für Interpretationen in der Diagnose.

Die Mehrzahl der Röntgengeräte bestehen neben dem Generator und der Röntgenröhre aus einem Streustrahlenraster und einem Detektor. Der Detektor enthält unter anderem eine Fotodiode, die das Lumineszenzlicht einer großflächig auf der Glasplatte aufgedampften Szintillatorschicht in elektrische Ladung verwandelt und zwischenspeichert. Das Signal der einzelnen Dioden wird mit einer Bildwechselrate von 30 Hz zeilenweise ausgelesen, in ladungsempfindlichen Verstärkern am Detektorrand aufgenommen und digitalisiert. Die Bilddaten werden direkt einem digitalen Bildverarbeitungssystem zugeführt und in Echtzeit dargestellt. Probleme können bei der Bildqualität auftreten, da bei den digitalen Detektoren keine Bildverstärkungstechnik integriert ist und das Aufnahmesignal im Vergleich zu auftretendem Rauschen zu schwach ist.

Dieses Signal/Rausch-Verhältnis (signal to noise ratio) beschreibt das Verhältnis der bildgebenden Anteile zu Störsignalen wie Rauschen. Ein hohes Signal-zu-Rauschverhältnis erreicht man nur, wenn das elektronische Rauschen der Ausleseschaltungen minimiert wird. Ziel ist daher die Reduktion des elektronischen Rauschens im digitalen System auf ein Minimum. Das gelingt zum Beispiel durch den Einsatz von rauschärmeren Elektronikkomponenten.

Messfehler: Schaltnetzteile als Rauschverursacher

In der Messtechnik wird zwischen statischen (zufälligen) und systematischen Messfehlern unterschieden. Die statischen treten in der Bildgebung durch Rauschprozesse auf, alternativ Photonenrauschen oder Rauschen der verwendeten Elektronikkomponenten. Letzteres kann durch den Einsatz hochwertiger Komponenten stark reduziert werden.

Ein guter Ansatzpunkt sind dafür die heute in medizinischen Geräten eingesetzten Schaltnetzteile bzw. Netzteile, bei denen der Leistungsüberträger meist mit mehr als 100 kHz geschaltet wird. Die wesentlichen Vorteile gegenüber den zuvor verwendeten 50-Hz-Netzteilen sind der Weitbereichseingang, die hohe Packungsdichte, das geringe Gewicht und eine große Laststabilität. Ihr großer Nachteil aber sind hochfrequente Störungen der Ausgangsspannung, bedingt durch die hohe Schaltfrequenz. Diese werden als Ripple und Noise (R&N) in mVss bezeichnet. Noise beschreibt dabei die Störung des Nutzsignals, Ripple den einer DC-Spannung überlagerten Wechselstrom mit beliebiger Frequenz und Kurvenform.

In vielen Anwendungen werden die Störungen auf der DC-Spannung, die meist größer als 100 bis 200 mVss sind, in Kauf genommen. Sei es, weil sie für die Applikation nicht relevant sind, oder weil sie mit nachgeschalteten Filterstufen auf ein Minimum reduziert werden. Dies jedoch ist häufig mit einem beträchtlichen Zeit- und Kostenaufwand verbunden. Eine kostengünstige Alternative ist eine neue Netzteilgeneration: Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteile. Das sind primär getaktete Netzteile mit einer DC-Ausgangsspannung, die von geringen Störungen überlagert ist. Die R&N-Werte liegen in der Größenordnung lineargeregelter Netzteile unterhalb von 10 mVss, und bei einer neuen Gerätegeneration des Schaltnetzteilherstellers Daitron sogar unter 1 mVss. In Deutschland werden diese von dem Elektronikspezialisten Systemtechnik Leber angeboten.

Während bei industriellen Primärschaltreglern Effizienz und Baugröße im Vordergrund stehen, liegt der Fokus der Daitron-Netzteile auf geringen Störungen. Dabei kommen sie mit weniger Entstör-Komponenten wie Kondensatoren und Induktivitäten aus als industrielle Schaltnetzteile. Grund dafür ist der Leistungs- bzw. HF-Übertrager. Dieser funktioniert nach dem Prinzip der Resonanz-Mode-Technologie im Soft-Switching-Verfahren.

Rauschminimierung durch Ultra-Low-Noise-Schaltnetzteile

Dieses weiche Schalten mit flacheren Schaltflanken verursacht wesentlich weniger Störungen als das übliche harte Schalten mit steilen Flanken. Das Schalten erfolgt synchron zu den Nulldurchgängen mit einer minimalen Überlappung von Spannung und Strom, sodass Störungen auf ein Minimum reduziert werden. Dafür werden, je nach Ausgangsspannung, Wirkungsgrade von 82 bis 90 Prozent in Kauf genommen. Bei industriellen Netzteilen liegt dieser Wert teilweise wesentlich höher, bei Linearreglern deutlich darunter, bei etwa 50 bis 60 Prozent. Sowohl die leitungsgebundenen als auch die abgestrahlten Störungen liegen weit unterhalb der zulässigen Grenzwerte, wie beispielsweise die der EN 55022 Klasse B. Gleiches gilt für den Ableitstrom, der unter 0,15 mA liegt. Das ist speziell für medizinische Anwendungen besonders wichtig, da für sie die Vorgaben der medizinischen Norm EN 60601-1 gelten.

Den wichtigsten Unterschied machen die geringen Störungen der DC-Ausgangsspannung aus, die bei Werten kleiner 10 mV Spitze/Spitze liegen. Im Gegensatz dazu liegt dieser Wert bei industriellen Netzteilen in der Größenordnung von 100 bis 200 mVss. Generell werden Entwickler in den Bereichen Sensorik und Analytik von der neuen Low-Ripple-Netzteilgeneration profitieren, zum Beispiel bei der Umsetzung von Spektrometrie-Systemen, Hightech-Mikroskopen oder Röntgen-Detektoren.

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* Die Autoren: Denny Vogel und Jörg Klenke sind zuständig für Produktentwicklung und Projekte bei Systemtechnik Leber GmbH & Co. KG.

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