e‑Lavage.
Bei der Implantation eines Hüftgelenks oder bei größeren orthopädischen Eingriffen wird Knochenmaterial gefräst. Die entstehenden Späne und Gewebereste müssen zuverlässig aus dem Operationsgebiet entfernt werden. Spülsysteme wie e‑Lavage haben die Aufgabe, die knöcherne Implantatseite zu reinigen, so dass die Haftung des Zements besser ist und die Implantate folglich besser verankert sind.
Bisher kommen dafür häufig komplette Einweg-Systeme zum Einsatz. Das heißt Handstück, Schlauch, Antrieb, Energieversorgung etc. alles wandert nach einer Operation in den Abfall. Das kostet Geld und Ressourcen.
H&B wollte diesen Standard verbessern und ein teilwiederverwendbares Lavage-System entwickeln. Die Idee ist, dass nur die Komponenten entsorgt werden, die mit Patienten und Spülflüssigkeit in Berührung kommen. Das sind z. B. Schlauchset und sterile Hülle. Eine Aufbereitung ist nicht notwendig, da die Antriebseinheit nicht verunreinigt wird und auch keinen Kontakt zum Patienten hat. So sinkt der Materialeinsatz, ohne Abstriche bei Hygiene, Leistung oder Handhabung.
H&B bringt die starke Basis in Mechanik und Produktion mit. Elektronik, Embedded Software und Tests kommen – als Entwicklungspartner – von uns für einen sicheren, wiederverwendbaren Antrieb.
In der Kooperation mit H&B übernahmen wir die Hardware- und Softwareentwicklung der Antriebseinheit sowie einer 4‑Kanal‑Li‑Ionen‑Ladestation für den intraoperativen Einsatz. Ziel war es, ein klassisches Einmal-System so zu gestalten, dass – bei gleichbleibender Energieeffizienz, Sicherheit und Usability – zentrale Komponenten mehrfach eingesetzt werden können.
Zu unseren Aufgaben gehörten in der Elektronik die Auswahl eines geeigneten Mikrocontrollers, die Dimensionierung des DC/DC‑Wandlers inklusive EMV-optimiertem Leiterplattenlayout, die Definition der Schnittstellen zwischen Hardware und Software sowie die Bewertung von Randbedingungen von Industriedesign bis Stromverbrauch. Zusätzlich haben wir Fertigbarkeit und Herstellkosten im Blick behalten, am Montage- und Servicekonzept mitgearbeitet und Optionen für spätere Software-Updates vorgesehen.
Die Antriebseinheit liefert eine Spitzenleistung von 30 W aus 1 Li‑Ionen‑Zelle mit einer Nennspannung von 3,7 V. Die Elektronik stabilisiert die Versorgung für den BLDC‑Motor auf 12 V. Grundlage ist ein DC/DC‑Wandler mit einem Eingangsspannungsbereich von 2,6 bis 4,2 V und einer Ausgangsspannung von stabilisierten 12,1 V, ausgelegt auf hohen Wirkungsgrad. Der Motor wird mit ca. 2,5 A bei 12 V betrieben, der Akku stellt bei 30 W eine Stromstärke von etwa 8,1 A bereit. Die Ströme sind zeitlich nicht konstant, es können Stromspitzen von über 22 A auftreten. Eine Akku-Schutzschaltung überwacht die Li‑Ionen‑Zelle und greift bei Entladeströmen über 22 A ein und schützt ebenfalls vor Tiefentladung.
Die Antriebseinheit ist in einer Bauform von ca. 140 mm × 25 mm × 30 mm realisiert und damit so kompakt, dass sie sich gut in das ergonomische Handstück integrieren lässt.
Für die Ladestation haben wir eine Aufnahme für vier Antriebseinheiten mit Schnellladefunktion umgesetzt. Pro Kanal sind Ladeströme bis 3 A vorgesehen, die gesamte Leistung von 60 W wird über freie Konvektion abgeführt. Die Spannungsversorgung ist für internationale Märkte ausgelegt. Steckverbinder und Pogo‑Pins sind auf sehr geringe Kontaktübergangswiderstände optimiert. Eine LED‑Ladeanzeige mit synchronem Fade‑Effekt unterstützt das Handling im OP-Alltag.
Zum Projektumfang gehören außerdem Hilfsmittel für einen automatischen Prüfplatz. Dazu zählen ein USB‑Adapter für die Anbindung der Antriebseinheit an den Prüfplatz sowie Prüf- und Inbetriebnahmeadapter. Die Versorgung der Ladestation erfolgt über ein externes AC/DC‑Netzteil mit einer Ausgangsspannung von 24 V Gleichspannung bei 2,5 A. Die interne Versorgung umfasst 5 V bei einer Leistung von 55 W. Der Aufbau der Elektronik ist diskret mit THT‑Bauteilen ausgeführt. Ein Ladecontroller steuert 4 Antriebseinheiten mit einem Li‑Ionen‑Ladecontroller‑IC bis zu einem Ladestrom von 3 A. Die Steuerung der LED‑Anzeige erfolgt direkt über die Software, zusätzlich steht ein Interface für LAN‑Kommunikation zur Verfügung. Die Embedded Software ist in C umgesetzt.
„Im Projekt e‑Lavage haben wir die Antriebselektronik, die 4‑Kanal‑Li‑Ionen‑Ladestation und die Embedded Software in C entwickelt. Dazu gehören die Auswahl des Mikrocontrollers, die Dimensionierung des DC/DC‑Wandlers, die Auslegung der Ladetechnik, EMV‑optimierte Layouts sowie Hilfsmittel für den automatischen Prüfplatz. Entscheidend war die enge Abstimmung mit der Mechanik von H&B, um hohe Spülleistung, Wiederverwendbarkeit und Bauraumvorgaben zusammenzubringen.“
Stefan Schiefelbein
Bereichsleitung Gerätetechnik, B&W Engineering
Typisch für die Zusammenarbeit mit H&B war der enge Austausch zwischen Mechanik und Elektronik. Zu Projektbeginn definierten wir gemeinsam Funktionen, Batterietyp, LED‑Typ und -farbe sowie Anforderungen an Ergonomie und Haptik. Danach arbeiteten beide Teams parallel in ihren Disziplinen und brachten die Ergebnisse, etwa, wenn der Mikrocontroller aus thermischen Gründen seinen Platz wechseln musste oder zusätzliche Sicherheitsfunktionen hinzukamen, regelmäßig zusammen. Schritt für Schritt entstand ein System, in dem alle Randbedingungen stimmig zusammenspielen.
E‑Lavage erfüllt Anforderungen wie hohe und einstellbare Spülleistung, leisen Betrieb, Nachhaltigkeit über den gesamten Lebenszyklus, ergonomisches Design, ein steriles Gesamtsystem mit herausnehmbarer und aufladbarer Antriebseinheit sowie eine kosteneffiziente Fertigung.
Im Projekt kamen physische und digitale Mockups in einem Stage‑Gate‑Prozess zum Einsatz, kollaboratives Engineering zwischen Usability, Mechanik, Elektronik und Software, Usability‑Tests und Evaluationen, ein Design‑History‑File zur Dokumentation sowie die Vorbereitung der Zulassung nach MDR und von Schutz- und Markenrechten durch H&B.
Die Entwicklung eines teilwiederverwendbaren Lavage-Systems bedeutete für uns, funktionale, regulatorische und wirtschaftliche Anforderungen in Einklang zu bringen. In B&W Engineering hatten wir einen verlässlichen Entwicklungspartner, mit dem wir als Team technische Konzepte auf hohem Niveau in eine serienreife Lösung überführen konnten. B&W ergänzte uns perfekt mit der tiefen und langjährigen Erfahrung in der medizinischen Software- und Elektronikentwicklung. Die Kooperation war geprägt von Offenheit, Pragmatismus und einem gemeinsamen Anspruch an Qualität – entscheidend für den erfolgreichen Projektverlauf.“
Tobias Morlok
Entwicklungsleiter Medizintechnik