Marco Rietveld is businessdevelopmentmanager voor de medische markt binnen Prodrive Technologies. Anton Driessen is systeemarchitect voor de NG-serie gradiëntversterkers.

27 February 2015

Kunnen kwaliteit en lage kosten hand in hand gaan in de markt van medische apparatuur, zelfs als de producten in Nederland worden ontwikkeld en geproduceerd en vervolgens geëxporteerd? Prodrive Technologies toont aan van wel. Als nieuwe speler in gradiëntversterkers voor mri-scanners begint het veel tractie te krijgen, vooral in Azië. Marco Rietveld en Anton Driessen vertellen hoe dit is gelukt.

Door de verbeterende levensstandaarden zal de vraag naar medische beeldvorming in China volgens voorspellingen de komende jaren groeien met meer dan tien procent. De overheid stimuleert lokale spelers om invulling te geven aan deze stijging. Die storten zich bijgevolg in groten getale op mri-scanners en andere beeldvormende medische apparatuur. Dat de kostendruk in de markt hoog is en blijft, zal geen verrassing zijn.

Een van de duurste elektronicacomponenten in een mri-scanner is de gradiëntversterker. Dat komt mede doordat er op dit moment maar een zeer beperkt aantal leveranciers is in de wereld. Helaas is de gradiëntversterker ook de component met het hoogste uitvalpercentage in een mri-systeem.

Bij Prodrive Technologies proefden we behoefte aan een alternatieve speler. Tegelijk waren we ons ervan bewust dat de behoudende markt ons niet serieus zou nemen zonder een goede referentie. Omdat we als bedrijf veel ervaring hebben met powerelektronica en in de lithografie en andere industriële toepassingen al eerder vergelijkbare technologieën hadden ontwikkeld voor extreem nauwkeurige versterkers, besloten we de spannende stap toch te wagen en op eigen investering en risico de wereld van mri-gradiëntversterkers te betreden.

Volledig geautomatiseerd

Een gradiëntversterker is een sleutelcomponent van mri-scanners met piekvermogens van 0,5 tot meer dan 1,5 MW. De component is wellicht nog het best te vergelijken met een zware audioversterker, met als functie om een zo nauwkeurig mogelijke versterkte representatie van het ingangssignaal (+/- 5 V) te creëren op de uitgang (+/- 500 A) met zo min mogelijk verstoringen. Ondergebracht in een watergekoeld kabinet staat hij in de technische ruimte van een mri-scanner in het ziekenhuis, normaliter niet zichtbaar voor de patiënten.

Prodrive collage

De versterker stuurt zeer nauwkeurig, op drie assen (x, y, z) een gradiëntspoel aan. Deze is geplaatst om de ‘holle cilinder’ waarin de patiënttafel van de mri-scanner ligt. Daaromheen zit weer de holle supergeleidende magneet, met typisch een veldsterkte van anderhalve tesla – ongeveer dertigduizend keer sterker dan het aardmagnetisch veld. Pulserend zet de spoel een afwijking (gradiënt) op het homogene magneetveld. Dit geeft de typische ‘bonk’ die klinkt tijdens een mri-scan. De afwijking in drie richtingen zorgt voor selectie van een specifieke locatie voor beeldvorming (een ‘voxel’, in feite een 3D pixel).

Grote uitdaging bij de ontwikkeling van onze gradiëntversterker waren de grote stromen van 630 Apk/230 Arms. De traditionele aanpak om hiermee om te gaan, is om kabelbomen en/of bus bar-technologie te gebruiken. Dit brengt echter veel handwerk met zich mee. In plaats daarvan hebben we de complete vermogenselektronica opgebouwd met printplaten, die we volledig geautomatiseerd hebben bestuukt, gesoldeerd en getest. Om de grote stromen te kunnen distribueren over een pcb hebben we 140 µm dikke koperlagen gebruikt, vier keer dikker dan normaal. Voor de verbindingen tussen de 96 printplaten in een kabinet hebben we waar mogelijk standaard connectoren toegepast.

Spanning 990 V
Stroom (per as) 630 Apk/230 Arms
Aantal assen 3 (x, y, z)
Voeding 30 kW, 380 – 480 V ingang
Piekvermogen (per as) 567 kW
Nauwkeurigheid Ppm-niveau
Koeling Water

Een andere uitdaging was de hoge spanning van 990 V. Om toch met standaardcomponenten te kunnen werken, hebben we gekozen voor een topologie met meerdere niveaus. Dit maakt het mogelijk componenten te gebruiken die geschikt zijn voor een lagere spanning. In feite stapelen we de lagere spanningen op tot een totaal van 990 V. Deze aanpak stelt ons in staat om componenten toe te passen die zich hebben bewezen in diverse andere hoogvolumeproducten, in plaats van exotische componenten die vaak kostbaar zijn en waarvan minder kwaliteitsinformatie bekend is.

Verticale integratie

De grote stromen, hoge spanning, hoge nauwkeurigheid en vele onderdelen – we hebben onder meer 153 mechanicatekeningen gemaakt – maken de gradiëntversterker tot een complex product. Met een integraal team van 25 mensen hebben we de klus echter binnen de gestelde projectlooptijd van zeven maanden weten te klaren. De integratie bij de klanten is soepel verlopen en de eerste klinische tests hebben we al na een aantal dagen succesvol uitgevoerd.

De beoogde kostenreductie hebben we voor een groot deel bereikt door verticale integratie. Sleutelcomponenten die bepalend zijn voor de kosten en kwaliteit hebben we in huis ontwikkeld en geproduceerd. Denk hierbij aan zeer nauwkeurige stroomsensoren en gefreesde en geperste platen voor de waterkoeling van de vermogenselektronica. Dit hebben we gecombineerd met verregaande automatisering van de processtappen. Zo hebben we met minimale arbeidsinspanning een product kunnen realiseren met een lagere kostprijs en een meetbare kwaliteit.

Prodrive NG500 in testruimte

Het eerste model, de NG500 voor 1,5 T systemen, is inmiddels off-the-shelf beschikbaar en het klantenbestand is groeiende. De kabinetten nemen de aanloop naar volume, waarbij we de productie dus in Nederland doen en de systemen vervolgens onder meer verschepen naar het Verre Oosten. We werken nu aan uitbreiding van het portfolio met de NG1800 en NG1800-XP (1980 V/900 A) voor 3,0 T systemen. In het derde kwartaal van 2015 staat de productie van prototypes gepland. Hiermee maken we ons aanbod voor high-field mri-scanners compleet.

Daarnaast zien we mogelijkheden om de hefboom terug de andere kant op te laten werken. Waar we voor de gradiëntversterker technologie en knowhow hebben hergebruikt uit andere markten, kunnen we met de nieuw opgedane kennis de tegenovergestelde weg bewandelen: de extreem nauwkeurige stroomsensoren, de hoogvermogenvoedingen, de koelingsconcepten en modulaire systeemoplossingen die we hebben ontwikkeld voor de medische toepassing kunnen we ook heel goed inzetten in andere producten.

Edited by Nieke Roos