Medizinische Bediengeräte: Wie sich ein flaches Design und hohe Zuverlässigkeit umsetzen lassen

| Autor / Redakteur: Jörn Wittig * / Hendrik Härter

Touch-Display im medizinischen Umfeld müssen nicht nur schlank sein, sondern zudem hoch zuverlässig arbeiten.
Touch-Display im medizinischen Umfeld müssen nicht nur schlank sein, sondern zudem hoch zuverlässig arbeiten. (Bild: Data Modul)

Ein Touch-Display für medizinische Anwendungen muss nicht nur schlank sein, sondern zudem hoch zuverlässig arbeiten. Über ein USB-Typ-C-Kabel lässt sich das Display ansteuern und betreiben. Ein Knackpunkt ist die Ansteuerung des Displays.

Professionelle HMI-Systeme müssen nicht nur auf Grund gesetzlicher Anforderungen, qualitativ und technisch hochwertig ausgestattet sein. Bediengeräte im medizinischen Sektor unterliegen strengen Kontrollen und Vorgaben. Für die Entwickler medizinischer HMI-Geräte kommt seit einigen Jahren ein weiterer Aspekt hinzu: Der Anspruch der Kunden und Endnutzer an das Design. Die Geräte sollten unter anderem mit PCAP = Projiziert-kapazitivem Touch ausgestattet sein. Geprägt von der User Experience aus dem Endkundenmarkt, weiß der Industriekunde heute um Machbarkeit und Möglichkeiten und so wächst auch bei medizinischen Anwendungen der Wunsch nach Bediengeräten, die ebenso wie Smartphones, PCs und Tablets funktionieren.

Die Designansprüche in der Medizin richten sich auf möglichst flache/schlanke HMI-Einheiten. Hinzu kommt, dass bei medizinischen Anwendungen die dort geltenden strengen Anforderungen berücksichtigt werden. Ein schlankes Geräte-Design benötigt schlanke Komponenten. Schwierig ist dabei die Ansteuerung. Ein Anbieter wie Data Modul hilft seinen Partnern bei der Entwicklung und Produktion von HMI-Systemen; dabei ist es egal, ob Monitor oder Panel-PC. Das Unternehmen ist ISO 13485:2016 zertifizierter Entwicklungs- und Fertigungspartner. Zum Distributionsportfolio kommen eigene Produktentwicklungen hinzu.

Display über USB Typ C ansteuern

Mit der Serie eMotion hat Data Modul eine eigene Ansteuerlösung entworfen und mit der Einkabellösung eMotion USB Type C 3.1 im Alternate Mode einen Weg gefunden, Monitore schlanker zu gestalten. Auch mit anderen Mitgliedern der eMotion-Familie, wie beispielsweise der ST5:3, sind schlanke Designs möglich. Die Kondensatoren und Stecker sind hier flacher, ein Displayport-Interface sparen insgesamt Höhe.

Wird in der Applikation ein Panel-PC verbaut, bietet Data Modul einen eigenen SBC-Formfaktor speziell für Slim PanelPC: den eDM-SBC-iMX6-PPC. Mit Abmessungen von 130 mm x 80 mm bietet das Format mehr Platz in der Breite und ermöglicht einen größeren Spielraum für Schnittstellen. Dank flacher Stecker, deren Gegenstecker seitlich eingeführt werden, wird keine Bauhöhe durch den Anschluss der Interfaces verschenkt. Selbst die Buchse des Netzwerksteckers RJ45 wurde tiefer angebracht, um die Karte so flach wie möglich zu designen.

Anforderungen ans Display in der Industrie

In industriellen Anwendungen kommen TFT-LC-Displays vor. Allerdings sollte man von schlankeren Consumer-Panels unbedingt Abstand nehmen. Sie entsprechen in der Regel nicht den industriellen Anforderungen in Bezug auf Lebenserwartung, Temperaturbereiche, Verfügbarkeit und Prozesse zum Änderungsmanagement und EOL. Ein Industriekunden legt Wert auf eine hohe Ablesbarkeit und breiten Blickwinkel.

Bei medizinischen Geräten sind Displays mit MVA = Multiple Vertical Alignment und IPS = In-Plane Switching die beste Wahl. Beide Techniken bieten eine hohe Bilddarstellung, große Farbtreue und Blickwinkel sowie Kontrast. Hier sind es vor allem Wide- und Ultra-Wide-Format-Displays. Bei größeren Diagonalen von mehr als 20 Zoll ist außerdem UHD gefragt. Um herauszufinden, ob ein Display für den medizinischen Einsatz taugt, unterzieht Data Modul jedes Display einem Stresstest. Das geschieht in der unternehmenseigenen Klimakammer. Dort werden die Produkte je nach Projekt, Applikation und Anforderungen extremen oder gleichbleibend hohen Temperaturen und Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Simuliert wird, wie sich das Panel im Dauer- und Langzeiteinsatz verhält. Darüber hinaus lassen sich Aussagen zu Zuverlässigkeit und Qualität aus den auftretenden Alterungseffekten ableiten. Dabei erstrecken sich die Testzeiträume von einigen Tagen/Wochen bis hin zu mehreren Jahren. Das hängt vom späteren Einsatz ab.

Wichtige Grundlagen eines kapazitiven Touch-Displays

Die ersten (kapazitiven) Touchscreens kamen Anfang der 1990er Jahre auf den Markt. Seitdem hat sich der grundsätzliche Aufbau der Touch-Sensorik kaum verändert. Das Grundgerüst bilden X- und Y-Ebenen, meist mit einem leitfähigen Rautenmuster. Die beiden Ebenen sind voneinander isoliert. Berührt ein Finger oder ein leitendes Medium einen Kreuzungspunkt der beiden Ebenen, so wird die Kapazität verändert und ein sogenanntes Touchevent erkannt. Nach diesem Grundprinzip lassen sich HMI-Systeme bedienen, und das auch durch eine Glasscheibe hindurch.

Ein zentraler Bestandteil ist das transparente, leitende Material ITO = Indium Thin Oxid, Indium Zinn Oxid. Es bildet ein leitfähiges Rautenmuster. Im Wesentlichen wird das leitende Material auf zwei unterschiedlichen Sensorsubstraten aufgebracht: Glas oder PET-Film. Ein wesentlicher, dem Fertigungsverfahren geschuldeter Nachteil, ist die Leiterbahnführung bei dieser Art von Sensoren sowie die daraus resultierende Außenabmessung. Alle Elektroden werden über eine Leiterbahn kontaktiert, die am Rand des Sensors zum Flextail führt. Mit einem Line/Space-Gap von 100/100 µm, dem Abstand zwischen zwei Leiterbahnen und der Leiterbahn an sich, ist der Aufbau breit. Das zeigt sich besonders bei Diagonalen, die größer 12,1 Zoll sind, da die Auflösung solcher Sensoren deutlich höher ist.

Der Glas/Glas-Sensor ist aufgrund der Außenabmessungen und dem robusten Gesamtaufbau in aktuellen Applikationen kaum mehr im Einsatz. ITO-Foliensensoren (Film/Film) sind dünner. Mit einem Sensoraufbau von 0,5 bis maximal 0,7 mm ist der Einsatz in mobilen Geräten möglich. ITO-Folien lassen sich sehr gut verarbeiten und es sind unkonventionelle Formen möglich. Trotz PET-Folie können Temperaturen von -20 bis 60 °C oder 70 °C erreicht werden. Durch eine Kombination aus Laser- und Ätzverfahren lässt sich ein Line/Space-Gap von 50/50 µm erreichen.

Data Modul hat die ITO-Sensoren weiterentwickelt: SITO = Single-Side ITO, der auf Diagonalen von 7 bis 21,5'' aufgebracht werden kann. Im Gegensatz zu Film/Film-Sensoren werden beide ITO-Elektroden in X- und Y-Richtung auf nur einer Seite eines Glassubstrates aufgebracht. Das Besondere: An den Kreuzungspunkten wird mit Metallbrücken (Metal Jumper) gearbeitet, um Kurzschlüsse aufgrund des einschichtigen Touch-Aufbaus zu verhindern. Dadurch ist ein schlanker Rand möglich und das Sensordesign ist individuell anpassbar. Die Außenabmessungen der Sensoren sind dabei nicht größer als die des TFT-Displays, sodass bei einem Re-Design die Sensorik nahezu in jedes bestehende Design passt. Auch der Temperaturbereich ist bei SITO-Sensoren größer.

Warum PCAP ohne Glasoberfläche nicht möglich ist

Der flexible Film allein wäre nicht belastbar. Es muss ein dünner, robuster Träger aufgebracht werden (Glas/Film/Film). Das Glas hat eine reine Schutzfunktion: es verhindert, dass der Sensor sich verbiegt und die empfindlichen Leiterbahnen zerstört werden. Träger- und Deckglas (Coverglass) gibt es in unterschiedlichen Dicken, Bedruckungen und/oder Formen. Glas bleibt die Bedienoberfläche bei PCAP und in medizinischen Umfeld kommen spezielle antibakterielle Oberflächen und Gläser zum Einsatz. Dank des antibakteriellen Glases und die antimikrobielle Wirkung von Silber-Ionen im Glas werden bereits 99 Prozent der befindlichen Bakterien beseitigt.

Data Modul hat eine spezielle patentierte Nano-freie Klarglas-Oberfläche in die Entwicklung aufgenommen. Eine zusätzliche Beschichtung wird überflüssig. Die antibakterielle Wirkung bleibt auch nach einer Reinigung mit aggressiven Produkten erhalten. Mögliche direkt antibakterielle Glasvarianten sind außerdem lackiertes Glas, Spiegel und Verbundsicherheitsglas, mit und ohne Schallschutzfunktion. Gerade der Spalt im Gerätegehäuse muss entweder schmal sein oder breit, um leicht gereinigt zu werden. Allerdings ist oft eine geschlossene Geräteoberfläche gewünscht. Data Modul kann den Spalt mit dem Gap-Filling-Verfahren verfüllen oder auch Presspassen. Das setzt voraus, dass sich die beteiligten Konstrukteure mit verschiedenen Materialien und den entsprechenden Fertigungsverfahren auskennen.

Die EMV bei einem Display nicht außer Acht lassen

Bei Design und Funktionalität des Gehäusedesigns kommt es auf Material, Abmessung, Fertigungsmöglichkeit und -machbarkeit an. Direkt in das Gehäuse integrierte Lautsprecher, Kameras, Lichtleiter, halbtransparente Oberflächen und spezifische Oberflächenrauigkeit des Frontrahmens müssen besonders berücksichtigt werden. Hier bietet das Unternehmen ein eigenes Konstruktionsteam für das Gehäusekonzept und integriert die geforderten Komponenten so, dass das Gehäuse so schlank wie möglich gehalten werden kann. Berücksichtigt werden ebenfalls alle EMV-Anforderungen. CPU-Boards, Touch Controller und Sensoren werden in Metall Chassis integriert und sind dank passiver Filterschaltung unempfindlich gegen Störsignale.

Die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit gerade (intensiv-) medizinischer Geräte ist sehr hoch. Innenliegende Chassis aus Aluminium verbessern das Ab- und Einstrahlverhalten. Selbst der Touchcontroller lässt sich integrieren. Eine Rückschale kann aus Kompaktkunststoff-Spritzgussteil aus ABS-Kunststoff sein, deren Abdichtung oftmals der Schutzart IP54 entsprechen muss. Die Integration des Anschlussfeldes, Lage und Art der herausgeführten Stecker senkt ebenfalls die Bauhöhe. In den unternehmenseigenen EMV-Kammern wird gemäß Medizinnorm 60601-1 vorqualifiziert.

Serienfertigung: Beginn mit Muster- und Prototypenbau

Vor Start jeder Serienfertigung stellen detaillierte Qualifizierungen und Prüfungen sicher, dass die spätere Produktionsqualität bestanden wird. Enthalten sind mehrere Phasen, die mit dem Aufbau funktionsfähiger Muster und Prototypen beginnen. Sowohl Prototypen, die bereits im seriennahen Verfahren hergestellt werden, als auch der Aufbau von Erstmustern werden in Kleinstückzahlen aufgebaut. Es lassen sich gewünschte Funktionen demonstrieren und die Produktmuster veranschaulichen das flache Design. Zudem lässt sich die Panel- und Touchfunktionalität vorab testen. Im Rapid-Prototyping-Verfahren hergestellte Teile liefern vor Serie wichtige Aussagen zu Funktions- und Passgenauigkeit. Wie erfolgreich ein Gerät tatsächlich auf dem Markt sein wird, entscheidet letztendlich der Endanwender. Mit der Präsentation von Muster/Prototypen wird das Zusammenspiel von Design und Funktionalität im modernen, schlanken Medizingerät zum ersten Mal sichtbar.

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* Jörn Wittig ist Head of Product Marketing System & Signage Solutions bei Data Modul in München.

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