Надійність акумуляторів у медичних пристроях: виклики та рішення

Батарейки є критично важливими компонентами медичних пристроїв. Оскільки все більше інструментів комп'ютеризовані та стають мобільними, продуктивність та надійність систем значною мірою залежать від батареї. Необхідно покращити надійність батарей, і на нещодавньому семінарі з Cadex Electronics Управління з контролю за продуктами харчування та лікарськими засобами США (FDA) у Сільвер-Спрінг, штат Меріленд, висловило такі занепокоєння щодо батарей у медичних пристроях:

Метою семінару було знайти рішення шляхом вивчення нових методів діагностики та моніторингу акумуляторів. FDA планує додаткові зустрічі з медичними працівниками та виробниками пристроїв, у яких Cadex знову відіграватиме допоміжну роль. Мозковий штурм зі спеціалізованими групами дослідить старіння акумуляторів та способи оцінки та управління цим явищем.

Природа акумулятора: непередбачуваний компонент

Акумулятор – це корозійний пристрій, який починає зношуватися одразу після виходу з заводу. Його вперта та непередбачувана поведінка поставила багатьох користувачів у незручні ситуації. Згідно з повідомленнями, до 50% поломок систем пов'язані з акумулятором. Асоціація сприяння розвитку медичного приладобудування (AAMI) визначила акумулятори як одну з 10 головних проблем, з якими стикаються біомедичні відділення в лікарнях. Деяких із цих проблем можна уникнути, але навіть за найкращого догляду деякі акумулятори виходять з ладу передчасно, і вчені не знають, чому. Акумулятори мають характеристики, схожі на людські, а їхній стан залежить від генетичного складу, умов навколишнього середовища та моделей використання.

Виробник вказує час роботи пристрою з акумулятором, що працює на 100%, ємність якого існує лише короткий час; більшість акумуляторів, що використовуються, працюють з меншою ємністю. З часом продуктивність знижується, і акумулятор стає меншим з точки зору накопичення енергії. Більшість акумуляторів забезпечують від 300 до 500 циклів розряду/заряду; менше при повному розряді в суворих умовах.

Більшість акумуляторів працюють добре протягом першого року, але впевненість починає згасати на другий і третій роки. Додаються нові комплекти акумуляторів, і з часом парк акумуляторів перетворюється на мішанину справних та несправних. Ось тоді й починається головний біль. Якщо акумулятори регулярно не перевіряються в рамках контролю якості, користувач мало знає про роботу кожного комплекту.

Індикатор «готовність» на зарядному пристрої не може підтвердити стан акумулятора; він лише вказує на те, що акумулятор повністю заряджений. Оскільки активний простір акумулятора зменшується під час використання, час заряджання також зменшується. Це можна порівняти з тим, як долити каміння до глечика з водою. Коротший час заряджання виштовхує слабкі акумулятори на перший план, демонструючи їхню готовність, вони стають прихованою маскуванням для нічого не підозрюючих користувачів, які дуже вірять у зелене світло.

Розгляд занепокоєнь FDA та можливі рішення

1. Недостатній контроль якості медичних батарей

Щоб відповідати суворому процесу затвердження, виробники вибирають найкращий акумулятор з пулу. Це задовольняє поточний момент, але ігнорує допуски в продуктивності акумулятора та втрати ємності, які розвиваються з часом. У рамках планової перевірки якості виробники можуть перевіряти лише напругу та внутрішній опір елемента або акумулятора, ємність, провідний показник справності, опускається, і на це є вагомі причини. Оцінка ємності є складною, а вимірювання за циклом розряду/заряду займає непомірно багато часу.

Електрохімічна імпедансна спектроскопія (EIS) пропонує перспективні рішення для оцінки ємності та виявлення аномалій. Це представляє особливий інтерес для виробників акумуляторів, і для вивчення того, які дефекти акумуляторів може виявити EIS, необхідна тісна співпраця. Cadex пішла далі та розробила багатомодельну електрохімічну імпедансну спектроскопію (Spectro™). Spectro™ здатний неінвазивно зчитувати ємність акумулятора. Для кожного типу акумулятора необхідно розробити матриці, щоб перевірити кожен елемент або акумулятор на відповідність «золотому зразку». Тест тривалістю 15-30 секунд робить це можливим.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Управління з контролю за якістю харчових продуктів і медикаментів США (FDA) є експертом з питань несправностей акумуляторів і зазначило, що деякі імплантовані акумулятори забезпечують менше половини розрахункового часу роботи, що натякає на виробничі дефекти. Низький заряд акумулятора може проявлятися як втома у пацієнта. Лікарі навчені діагностувати медичні симптоми та менш знайомі з наслідками розрядженого акумулятора. Також був випадок, коли імплантований акумулятор спричинив коротке замикання та опік тканин пацієнта. Оскільки ми все більше залежимо від акумуляторів для нашого благополуччя, контроль якості за допомогою передових технологій зрештою зменшить ризики та знизить витрати на медичне обслуговування.

2. Брак знань щодо інтеграції батарей

Регуляторні органи стурбовані тим, що виробники пристроїв не надають достатньої уваги старінню акумуляторів. Не існує єдиної моделі споживання для оцінки ємності, деякі медичні пристрої використовуються постійно, інші перебувають у режимі очікування, що спотворює оцінки старіння. Умови навколишнього середовища ще більше ускладнюють роботу. Безпека протягом терміну служби акумуляторів є ще одним питанням, яке потребує уваги.

Акумулятори найкраще працюють за кімнатної температури та служать найдовше за умови помірного навантаження. «Розумні» акумулятори пропонують перевагу у відображенні залишкового заряду, але показники індикатора рівня палива можуть бути неточними. Для підтримки точності розумний акумулятор потребує регулярного калібрування, щоб виправити помилку відстеження між хімічним та цифровим акумуляторами. Калібрування слід проводити кожні три місяці або після 40 часткових циклів. Якщо пристрій самостійно застосовує періодичний глибокий розряд, додаткове калібрування не потрібне.

Незважаючи на герметичність, деякі елементи мають вентиляційні отвори для виходу газів, що утворюються під час використання або впливу стресових умов. Електричну зубну щітку було наведено як приклад, коли вентиляція була проігнорована. Інженери вказали водонепроникний пристрій, не знаючи, що лужна батарейка виділяє певні гази під час розряду. Накопичені гази всередині зубної щітки призвели до вибуху, який травмував користувача.

Модифікація акумулятора Boeing B787 Dreamliner — ще один приклад, коли поведінку акумулятора було проігноровано. Інженери оцінювали, що випадки задимлення літій-іонного акумулятора трапляються лише раз на 10 мільйонів годин польоту, але на нових літаках два акумулятори вийшли з ладу менш ніж за 100 000 годин польоту. Обов'язкова модифікація акумулятора передбачає ізоляцію окремих елементів, щоб запобігти ланцюговій реакції у разі перегріву, розміщення акумулятора в сталевому контейнері, здатному витримувати вогонь, не пошкоджуючи навколишні поверхні, та додавання одностороннього вентиляційного отвору для виходу газів з палаючого акумулятора назовні. Розробники медичних пристроїв можуть повчитися на цьому досвіді.

3. Незнання, коли замінити батарею

Акумулятор – це витратний компонент, який з часом поступово втрачає свої характеристики. На відміну від автомобільної шини, яку можна перевірити на знос і замінити, коли протектор низький, акумулятор – це чорна скринька, яка не змінює колір, розмір чи вагу; він виходить з ладу самостійно. Виробники пристроїв повинні повідомляти користувачів про симптоми слабкого акумулятора та натякати на політику заміни акумуляторів. Це питання недостатньо добре розуміють у медичній галузі та потребує уваги. Коли автор цієї статті запитує користувачів: «При якій ємності замінювати акумулятор», більшість знизує плечима та каже: «Я не знаю».

Свинцево-кислотні акумулятори AGM/GEL

Надійні свинцево-кислотні акумулятори для максимальної ефективності роботи

Акумулятор Victron 12V/110Ah GEL Deep Cycle

 Є ідеальним вибором для застосувань, що вимагають надійного, довговічного і глибоко розрядного джерела живлення

Купити

Акумулятор Victron AGM Super Cycle 12V 125Ah (M8)

Завдяки технологіям електрохімії, цей акумулятор витримує до 300 циклів розряду до 100%, що робить його відмінним для автономних електричних систем

Купити

AGM акумулятор BB Battery MPL55-12 (12В 55Аг)

 AGM VRLA батарея з високим струмом розряду, спеціально розроблена для критичних навантажень у системах ДБЖ, телекомунікаціях та енергетиці.

Купити

Подивитися більше

Окрім забезпечення достатнього резерву енергії, користувачі медичних виробів також повинні планувати найгірший сценарій. Хоча виробники включають певний резерв, на зустрічі FDA стало очевидно, що він не є чітко визначеним. Резерв енергії як частина старіння акумулятора та найгірший сценарій залежить від застосування. Критично важливі завдання потребують жорсткіших вимог, і такий акумулятор може потребувати заміни раніше, ніж для менш вимогливих застосувань, де можна допустити неочікуваний збій. На рисунку 2 наведено допуски для згасання та резерву, що доводить корисну ємність акумулятора до 60% у найгіршому сценарії.

Деякі організації громадської безпеки використовують найпродуктивніші акумулятори для критично важливих застосувань, а батареї зі зменшеною ємністю передають менш вимогливим ролям, де запасні частини є під рукою у разі виникнення несправності. Розміщення акумуляторів на різних рівнях дозволяє економно використовувати їх без шкоди для надійності. Оцінку продуктивності на основі ємності можна надійно виконати лише за умови технічного обслуговування акумуляторів. Ні дата виробництва, ні використання інтелектуальних акумуляторів не є надійними альтернативами. 

Короткий зміст

Діагностика акумуляторів розвивається не так швидко, як інші технології, але прогрес все ж таки спостерігається. Експерти прогнозують, що електроінтегрована діагностика (EIS) буде лідером у цьому напрямку, і результати лабораторій Cadex є багатообіцяючими. Зростаюча кількість лікарень та фельдшерів також застосовують проактивний підхід до обслуговування акумуляторів. Обслуговування великого парку акумуляторів на автоматизованих аналізаторах акумуляторів займає менше години на день, а окупність оцінюється в один рік лише за рахунок економії на акумуляторах. Покращене управління ризиками та зменшення впливу на навколишнє середовище від передчасної утилізації акумуляторів є додатковими перевагами. Використання нових технологій в управлінні акумуляторами призведе до помітних змін у надійності медичних пристроїв.