Prof. Dr. Christian Johner

Autor: Prof. Dr. Christian Johner

Inhaber der Johner Institut GmbH

Closed-Loop-Systeme bei Medizinprodukten

Dienstag 12. September 2017

Medizinprodukte basieren zunehmend auf Closed-Loop-Systemen. Diese „geschlossenen Regelsysteme“ finden bereits in der Medizinprodukteverordnung MDR Erwähnung.

Sie erfahren in diesem Artikel, was Closed-Loop-Systeme sind, wo sie in der Medizin zum Einsatz kommen und welche regulatorischen Anforderungen sie erfüllen müssen.

Ziele von geschlossenen Regelsystemen (Closed-Loop-Systeme)

Closed-Loop-Systeme haben das Ziel, eine Regelgröße auf einem definierten Wert (Führungsgröße, Sollwert) zu halten, obwohl eine Störgröße das System beeinflusst.

Beispielsweise soll die Raumtemperatur eines Zimmers (Regelgröße) auf einem bestimmten Wert (Führungsgröße) gehalten werden, obwohl abwechselnd die Umgebungstemperatur das Zimmer aufheizt oder abkühlt (Störgröße).

Closed-Loop-Systeme (geschlossene Regelsysteme)

Funktionsweise von Closed-Loop-Systemen

Einführung

Geschlossene Regelsysteme nutzen die Regelgröße (Ist-Wert; in obigem Beispiel die tatsächliche Zimmertemperatur), um deren Differenz von der Führungsgröße zu bestimmen. Diese Regeldifferenz versucht ein Regler zu minimieren. Dazu hat er die Möglichkeit, eine Stelleinrichtung (auch Stellglied genannt) über eine Steuergröße zu beeinflussen.

Im Fall unserer Heizung sendet der Regler an das Ventil eine Nachricht. Entsprechend dieser Nachricht ändert sich die Ventilöffnung (Steuergröße) und damit die Menge des heißen Wassers im Zulauf des Heizkörpers.

Die kanadischen Behörden definieren Closed-Loop-Systeme wie folgt:

(Schlechte) Definition: Closed-Loop-System

“Closed-Loop-System in respect of a medical device, means a system that enables the device to sense, interpret and treat a medical condition without human intervention.”

Diese Definition ist weder präzise, noch deckungsgleich mit dem oben Gesagten:

  • Es muss klar sein, dass das Gerät nicht nur einerseits eine Krankheit erkennen und andererseits behandeln kann. Vielmehr muss diese Behandlung auf Basis der Erkennung erfolgen.
  • Bei einem „echten“ Closed-Loop-System würde der Zyklus Messen – Handeln – Messen mehrfach durchlaufen. Das scheint bei dieser Definition nicht zwingend vorausgesetzt zu werden.

Typen an Reglern

Abhängig von den Anforderungen an die Güte der Regelung und abhängig von den technischen und finanziellen Möglichkeiten wählt man unterschiedliche Typen an Regler.

Zwei- und Mehrpunkt-Regler

Zweipunkt-Regler zählen zu den primitivsten Typen von Reglern. Bei ihnen kennt die Stellgröße nur zwei „Stellungen“ z.B. ein und aus. Zweipunkt-Regler findet man z.B., um den Füllstand von Gefäßen zu regeln. Wird ein gewisser Füllstand (die Regelgröße) unter- oder überschritten, schaltet eine Pumpe ein oder aus.

Bei Mehrpunktreglern gibt es entsprechend nicht nur zwei „Schaltstufen“, sondern mehrere.

P-Regler

Bei einem P-Regler ändert sich die Stellgröße proportional zur Regeldifferenz. Bei einer Heizung wäre – innerhalb gewisser Grenzen – die Ventilöffnung umso größer, je niedriger die Raumtemperatur im Vergleich zur Solltemperatur ist – und zwar proportional größer.

I-Regler

Die I-Regler betrachten nicht (nur) die Regeldifferenz, sondern deren Integral. D.h. je länger die Regeldifferenz vorliegt, umso mehr greifen sie ein und regeln die Stellgröße entsprechend. Damit sind I-Regler langsamere, aber genauere Regler.

Weitere Regler

Die Regelungstechniker unterscheiden viele weitere Typen an Reglern wie den D-Regler sowie Kombinationen dieser Regler wie die PI-, PD und PID-Regler. Eine Übersicht über Regler erhalten Sie hier.

Beispiele für geschlossene Regelsysteme

Technologie, Ökologie, Ökonomie

Es gibt zahllose Beispiele für geschlossene Regelsysteme z.B. in der Technik, der Ökologie und Ökonomie:

  • Tempomat bei Autos
  • Automatische Bewässerung von Blumenkästen
  • Höhe des Wildbestands geregelt durch Abschuss und Hege
  • Zinsanpassung zur Steuerung der Inflation

Besonders im letzten Fall werden die Herausforderungen deutlich, die Regler bei großen und unvorhersehbaren Störgrößen bewältigen müssen, insbesondere wenn die Störgrößen selbst durch die Regelgröße beeinflusst sind.

Medizin

Der menschliche Körper ist ein hochkomplexes Steuerungssystem, das viele physiologische Parameter regelt wie die Körpertemperatur, die Herzfrequenz, die Atmung, den Blutzuckerspiegel, den pH-Wert oder die Pupillengröße der Augen.

Im Gegensatz zu dem einfachen Beispiel der Heizung muss der Körper viele Regelgrößen gleichzeitig beherrschen, die zudem in Abhängigkeit voneinander sind und die auch ständig geänderten Führungsgrößen genügen sollen.

Beispielsweise hebt der Körper bei Krankheit die Führungsgröße Temperatur an (Fieber) oder erhöht bei Anstrengung den Sollwert für Atem- und Herzfrequenz.

Medizintechnik

Die Medizintechnik nutzt geschlossene Regelkreise in vielfacher Weise. Dabei lassen sich drei wesentliche Typen an „Regelstrecken“ unterscheiden:

  1. Interne Regelkreise,
    Interne Regelkreise zeichnen sich dadurch aus, dass es keine nach außen sichtbare Regelgröße gibt. Beispielsweise steuert ein Regelkreis einen Lüfter, um die Temperatur innerhalb des Geräts nicht über einen Maximalwert steigen zu lassen.
  2. Externe „technologische“ Regelkreise
    Bei diesem Typ steuert der Regelkreis ein äußeres Verhalten des Medizinprodukts, typischerweise an einem Anwendungsteil.
    Zu den Beispielen zählt die Drehzahlsteuerung einer Knochenbohrmaschine oder der Strom bei einem HF-Chirurgiegerät, den das Gerät abhängig vom elektrischem Widerstand des Patienten steuert.
  3. Externe „physiologische“ Regelkreise
    Diese Form von Regelkreisen steuert physiologische Parameter. So ließe sich festlegen

    1. die Dosis eines Narkosemittels abhängig von der Narkosetiefe,
    2. die Ultrafiltrationsrate eines Dialysegeräts abhängig von der Menge des Bluts oder
    3. die Insulindosis einer (implantierbaren) Insulinpumpe abhängig vom Blutzuckergehalt des Patienten (Beispiel).

Regulatorische Anforderungen an Closed-Loop-Systeme

Grundlegende Anforderungen

Weder die MDD noch die MDR gehen auf Closed-Loop-Systeme im Rahmen der grundlegenden Anforderungen bzw. grundlegenden Sicherheits- und Leistungsanforderungen ein. Die Anforderungen, die Sicherheit der Patienten nicht zu gefährden und nur vertretbare Risiken (gemessen am Nutzen) zu akzeptieren, gelten für alle Medizinprodukte.

Besonders für geschlossene Regelsysteme relevant ist die folgende Anforderung der MDR:

„15.1. Diagnostische Produkte und Produkte mit Messfunktion werden so ausgelegt und hergestellt, dass auf der Grundlage geeigneter wissenschaftlicher und technischer Verfahren ausreichende Genauigkeit, Präzision und Stabilität für die Zweckbestimmung des Produkts gewährleistet sind. Der Hersteller gibt die Genauigkeitsgrenzen an.“

Closed-Loop-Systeme basieren alle auf Messungen, viele haben auch Messfunktionen im Sinn der MDR.

Ebenfalls relevant sind die Vorgaben an „Produkte, zu deren Bestandteilen programmierbare Elektroniksysteme gehören, und Produkte in Form einer Software“:

17.1. Produkte, zu deren Bestandteilen programmierbare Elektroniksysteme, einschließlich Software, gehören, oder Produkte in Form einer Software werden so ausgelegt, dass Wiederholbarkeit, Zuverlässigkeit und Leistung entsprechend ihrer bestimmungsgemäßen Verwendung gewährleistet sind. Für den Fall des Erstauftretens eines Defekts sind geeignete Vorkehrungen zu treffen, um sich daraus ergebende Risiken oder Leistungsbeeinträchtigungen auszuschließen oder sie so weit wie möglich zu verringern.

Der Beweis der Wiederholbarkeit und Zuverlässigkeit stellt manche Hersteller von Closed-Loop-Systemen vor eine Herausforderung. Darauf kommt dieser Artikel weiter unten noch zu sprechen.

Klassifizierung: MDR Regel 22

Die MDR geht nur ein einziges Mal auf Closed-Loop-Systeme ein, nämlich im Anhang VIII mit den Klassifizierungsregeln. Regel 22 besagt:

Aktive therapeutische Produkte mit integrierter oder eingebauter diagnostischer Funktion, die das Patientenmanagement durch das Produkt erheblich bestimmt, wie etwa geschlossene Regelsysteme oder automatische externe Defibrillatoren, gehören zur Klasse III.

Diese Satz bedarf einiger Kommentare:

  1. Unangemessene Klassifizierung
    Diese Regel macht viele Medizingeräte wie Dialysemaschinen und Beatmungsgeräte zu Klasse-III-Produkten. Ob das wirklich die Absicht der Kommission war, darf bezweifelt werden. Diese Klassifizierung wäre abwegig.
  2. Missverständnis dessen, was ein Closed-Loop-System ist?
    Automatische externe Defibrilatoren (AID) sind nicht notwendigerweise Closed-Loop-Systeme – auch wenn sie „automatisch“ sind. Die AIDs bestimmen zwar automatisch das EKG-Signal des Patienten und entscheiden darauf hin, ob und welche Form der Defibrillation verwendet wird. Aber ein Feedback-Loop findet nicht statt. Es sei denn das EKG-Signal war die Folge eines vorausgegangenen – offensichtlich nicht erfolgreichen – Versuchs.
    Man muss aus dem Text auch nicht schlussfolgern, dass der Gesetzgeber AID zur Klasse der geschlossenen Regelsysteme zählt. Aber ob er wirklich verstanden hat, was ein Closed-Loop-System ist, lässt sich diskutieren. Herzschrittmacher als Beispiel wäre nachvollziehbarer gewesen (Artikel dazu).
  3. Es sind nicht alle geschlossenen Regelsysteme gemeint
    Die Kommission wünscht wahrscheinlich nicht, alle geschlossenen Regelsysteme in die Klasse III einzuteilen. Vielmehr – so die Vermutung – möchte sie „nur“ die geschlossenen Regelsysteme einbeziehen, die wir weiter oben als „externe physiologische Regelkreise“ bezeichnet haben. Das lässt sich daraus schließen, dass eine diagnostische Funktion eingebaut – und wahrscheinlich Teil des Regelkreises – sein muss.
  4. Integriert versus eingebaut
    Worin der Unterschied zwischen einer integrierten und einer eingebauten Funktion liegt, erschließt sich auch beim Lesen des englischen Textes („incorporated or integrated“) nicht unmittelbar.
Weiterführende Informationen

Lesen Sie mehr zum Thema Klassifizierung von Software durch die MDR

Harmonisierte Normen

Einige Normen wie die DIN EN 60601-2-12 bzw. deren aktuelle Version DIN EN ISO 80601-2-12:2012-02 für die Beatmungsgeräte gehen spezifisch auf Gerätetypen ein und stellen Anforderungen, die sich letztlich an die Regelkreise richten.

Typische Herausforderungen bei geschlossenen Regelsystemen

Entwicklung von Closed-Loop-Algorithmen

Die Regelungs- und Steuerungstechnik ist eine umfassende wissenschaftliche Disziplin, der sich ganze Studiengänge und Lehrstühle widmen. Zu den typischen Herausforderungen, vor denen die Entwickler stehen, zählen beispielsweise die folgenden:

  • Ein Regelkreis soll stabil sein: Auch bei großen Störgrößen muss das System wieder zum Führungswert zurückkehren.
  • Regelkreise müssen ausreichend schnell sein: Eine Zufuhr eines Medikaments (Insulin, Narkosemittel, Elektrolyte) muss eher in Sekunden als Minuten den Sollwerten genügen.
  • Der Regelkreis muss die Sollwerte ausreichend genau erreichen: Ein ph-Wert von 7,42 ist okay. Ein ph-Wert von 7,7 bedeutet den Tod des Patienten.

Verifizierung von Closed-Loop-Systemen

Die Sicherheit einfacher Regelkreise lässt sich auch formal beweisen. Bei hoch-komplexen und voneinander abhängigen Regelkreisen ist der Beweis manchmal schwierig, manchmal wie bei deterministisch-chaotischen Systemen sogar unmöglich.

Jedoch müssen Hersteller die Sicherheit, Wiederholbarkeit, Zuverlässigkeit und Leistung (wörtlich gefordert) der Produkte und damit der Regelkreise nachweisen.

Zu den Ansätzen, um diese Nachweise zu erbringen, zählen:

  • Modellbasiertes Testen: Das setzt aber voraus, dass man ein verlässliches Modell der Regelstrecke (z.B. des Patienten) hat
  • Limitierung der Stellgrößen (tw. sogar mechanisch)
  • Plausibilitätsprüfungen der Stellgrößen bzw. Regelgrößen und Intervention durch Systemkomponenten außerhalb des Regelkreises (→ funktional sichere Architekturen)
  • Durchprobieren möglicher Kombinationen insbesondere der Störgrößen und deren zeitlichen Verlaufs. Diese „Brute-Force-Variante“ funktioniert aber nur bei einer endlichen Anzahl zu testender Kombinationen von Inputs.

Fazit und Ausblick

Viele medizinische Behandlungen sind zu komplex oder zu zeitkritisch, um fehlerfrei von Anwendern in Gänze durchgeführt zu werden. Closed-Loop-Systeme können diese Aufgaben ganz oder teilweise übernehmen.

Es ist offensichtlich, dass der Einsatz dieser geschlossenen Regelkreise in Zukunft weiter zunehmen wird. Dazu trägt auch das „Machine Learning“ bei, das hilft, neue Modelle des Körpers zu entwickeln und in diesen Regelkreisen zu berücksichtigen.

Die Anforderungen an die Personen, die diese Systeme entwickeln, sind ebenso hoch wie die an die Personen, die diese Closed-Loop-Systeme verifizieren und validieren.

Die Regel 22 der MDR zeigt, dass die europäischen Gesetzgeber sich erste Gedanken zu diesem Thema machen. Genau wie die FDA das tut. Die Definitionen und Anforderungen der Gesetzgeber bezüglich Closed-Loop-Systemen sollten präzisiert werden. Es wird sicher nicht mehr lange dauern, bis die ersten Interpretationshilfen erscheinen…

Weiterführende Informationen

Lesen Sie hier mehr über die Medizinprodukteverordnung MDR und die Änderungen.

Dank an DrMW für wertvolle Anregungen


Kategorien: Regulatory Affairs, Systementwicklung

4 Kommentare über “Closed-Loop-Systeme bei Medizinprodukten”

  1. O. Thilmann schrieb:

    Lieber Herr Johner,

    erwähnenswert wäre in diesem Kontext sicher auch die IEC 60601-1-10 „Anforderungen an die Entwicklung von physiologischen geschlossenen Regelkreisen“, die neben der generellen Betrachtung solcher Regelkreise auch Aspekte wie Usability, Alarmsysteme und Logging einschließt. Anforderungen an die Validierung solcher Systeme finden sich ebenfalls – obwohl mir die Möglichkeit einer Validierung alleine durch Literaturstudien etwas schmal erscheint.
    Beste Grüße,
    O. Thilmann

  2. Prof. Dr. Christian Johner schrieb:

    Sie haben uneingeschränkt Recht, lieber Herr Thilmann: Die IEC 60601-1-10 verdient der Erwähnung. Dies ist mit einem weiteren Beitrag auch geplant.
    Danke für Ihren Hinweis, mit dem dieser Artikel bereichert ist.

  3. Jens-Uwe Hagenah schrieb:

    Sehr geehrter Herr Professor Johner,
    vielen Dank für Ihre Erläuterungen.
    Ich stimme Ihnen zu, dass die Regel 22 sehr problematisch ist, in dem sie nach dem Wortlaut im Beispiel alle technischen Regelkreise einschließt und nicht auf die engere Definition der IEC 60601-1-10:2007 abhebt, das eine physiologische Variable als Patiententransferelement voraussetzt (3.18, 3.19, 3.20).
    Einen AID würde ich schon wegen seiner „diagnostischer Funktion“ unter der Regel 22 sehen, auch ohne geschlossenen Regelkreis. Nach meinem Verständnis bezieht Regel 22 aber beide Beispiele als Arten von Medizinprodukten ein.
    Primär hebt Regel 22 auf „diagnostische Funktion“ und „erheblichen Einfluss auf das Patientenmanagement ab“, und nennt dann zwei nur bedingt passende Beispiele.
    Mit freundlichen Grüßen, Jens-Uwe Hagenah

  4. Prof. Dr. Christian Johner schrieb:

    Danke für Ihre Gedanken, denen ich absolut zustimme.

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