Medizingeräte-Entwicklung mit Mikrocontroller-Modulen Mit »ARM«-MCUs schnell zum EKG

Geräte für die medizinische Diagnostik müssen eine Vielzahl von Anforderungen wie beispielsweise Messen, Steuern, Bedienen und Visualisieren gleichzeitig erfüllen. Nur mit leistungsfähigen Architekturen, wie »ARM«-Mikrocontroller sie bieten, lassen sich solch anspruchsvolle Entwicklungen mit vertretbarem Aufwand realisieren.

Viele ältere Medizingeräte sind noch mit sehr vielen diskreten Bauteilen und größeren Ansammlungen von Standard-Logik-ICs aufgebaut. Unter Berücksichtigung der in der Medizin gestellten Anforderungen war die Geräteentwicklung wie auch die Herstellung der Geräte früher meist sehr teuer, zudem war der Platzbedarf, um Schaltungen zu realisieren, enorm hoch.

Heute bieten moderne Mikrocontroller auf ARM-Basis und entsprechende Embedded-Module immer bessere Integrationsmöglichkeit von Funktionen in die CPU, somit lassen sich viele Anforderungen oft ohne Zusatzaufwendungen umsetzen. Dies soll das Beispiel eines Ergometers für Belastungs-EKG-Untersuchungen verdeutlichen.

Ein solches Ergometer muss gleichzeitig eine Menge von Aufgaben erfüllen können (Bild 1): Zu Beginn einer Untersuchung ist meist mittels Motor die Sattelhöhe an die Körpergröße anzupassen. Bei Liege-Ergometern wird zudem noch die Position der Liegefläche verstellt, um den meist älteren Patienten die Untersuchung so angenehm wie möglich zu machen.

Während der Untersuchung sind einige weitere Regelungs- und Messaufgaben zu bewältigen. So ist es notwendig, die vor der Untersuchung eingestellten Lastwechsel zeitgesteuert umzuschalten, die Last in Abhängigkeit von der Drehzahl zu überwachen und schließlich den Blutdruck in regelmäßigen Abständen zu erfassen und auszuwerten. Über ein Display und einen Touchscreen lassen sich alle Untersuchungsparameter einstellen. Während des Untersuchungsverlaufs zeigt das Display alle aktuell notwendigen Daten an.

Für die Auswertung der Untersuchung müssen auch dem EKG-System alle Daten möglichst zeitsynchron zur Verfügung stehen. Hierzu ist eine Kommunikationsschnittstelle erforderlich. Anhand dieses Beispiels ist leicht zu erkennen, dass eine auf den ersten Blick einfach erscheinende Applikation doch einige Anforderungen an die Elektronik stellt.

Um all diese Aufgaben bewältigen zu können, muss die Gerätesteuerung eine Vielzahl der Anforderungen abdecken können. Mikrocontroller auf ARM-Basis verschiedener Hersteller bilden hierfür eine gute Ausgangsbasis, da bei ihnen meist viele Schnittstellen wie Grafik, Ethernet, CAN, A/D-Wandler oder digitale I/Os bereits in die CPU integriert sind. Dadurch lassen sich die meisten Systemanforderungen ohne großen Zusatzaufwand umsetzen.

Module senken Kosten

Aber auch auf Basis dieser Controller kann die individuelle Entwicklung jedes Systems bezogen auf die bei medizinisch-diagnostischen Geräten meist niedrigen Stückzahlen zu hohe Kosten verursachen. Der Einsatz von Modulen kann hier helfen, Entwicklungskosten einzusparen. Denn ein Modul wird meist nur einmal entwickelt und lässt sich in verschiedenen Applikationen einsetzen. Der Aufwand des Entwicklungsprozesses und der Basisanpassung für die Software fällt also nur einmal an, der Entwickler kann sich auf die systemspezifischen Hard- und Software-Anforderungen konzentrieren. Ein Beispiel: Ein Überwachungsmonitor für die Intensivmedizin zeigt lebenswichtige Funktionen wie Puls, EKG und Sauerstoffsättigung des Blutes an, zudem übermittelt das Gerät diese Daten meist zu einer Überwachungszentrale, bei der die Daten mehrerer Monitore zusammenlaufen.

Ergometer, die in Rehabilitationszentren eingesetzt werden, haben ganz ähnliche Anforderungen: Auch hier werden Daten wie Sauerstoffgehalt des Blutes sowie der Puls neben den Ergometerfunktionen visualisiert und die Daten bezüglich Überwachung des aktuellem Gesundheitszustandes und zur Dokumentation des Genesungsprozesses übermittelt und gespeichert.

Wie hier zu erkennen ist, sind die Anforderungen oft sehr ähnlich, sodass sich bei Einsatz eines Prozessormoduls auch Teile der Software-Entwicklung in mehreren Applikationen wiederverwenden lassen. Ein Beispiel für ein solches Modul ist das »Minimodul TQMa35« der TQ-Group (Bild 2).

Dieses nutzt die Vorteile eines multifunktionalen ARM-Controllers auf Basis des »i.MX35« von Freescale und soll dem Anwender einen schnellen und unkomplizierten Entwicklungseinstieg bieten. Durch die positiven Eigenschaften eines ARM-basierenden Moduls im Bereich Energieeffizienz, Rechenleistung und Schnittstellenvielfalt eignet sich das TQMa35 sehr gut als Entwicklungsgrundlage für medizinische Anwendungen.