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elektronikJOURNAL

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Oktober 2014
www.elektronikjournal.com
elektronik
Das Themen-Magazin von all-electronics
Medizinelektronik
Sensorik
Ein Luftblasendetektor garantiert,
dass Infusionen kein Gas in die
Vene des Patienten leiten Seite 36
Stromversorgung
Praktische Ratschläge zur Auswahl
eines AC/DC-Schaltnetzteils, das
alle Anforderungen erfüllt Seite 54
Live-Bilder aus dem OP
Wireless-Video für die Medizintechnik:
Echtzeit-Übertragung in HD
Seite 10
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46
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3
Aktive Bauelemente
Eine Single-Chip-Lösung misst die
komplexen Impedanzen in vielen
Diagnosetechniken
Seite 26
Kostenloser
Versand
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Über 65 €!
DIGIKEY.COM
Editorial
Der kleine
Dienstweg
E
gal auf welche Messe man sich heutzutage wagt: Früher oder später
sticht einem das „Internet der Dinge“ ins Auge, gerne auch in der modisch-englischen IoT-Ausprägung. Jeder kleine Sensor soll ein ausgewachsenes Mitglied der Online-Community werden und sich über die
Cloud mit den höheren Ebenen austauschen. Wen diese wolkige Beschreibung
an die Kommunikationskultur seiner eigenen Firma erinnert, der ahnt auch,
dass das direkte Gespräch oft viel schneller zum Ziel führt. Daran erinnerte
mich jedenfalls die Lektüre des VDEWeißbuchs „Sichere dynamische Vernetzung in Operationssaal und Klinik“ (Seite 7). Die große Cloud-Nummer kommt hier glücklicherweise
noch gar nicht zum Tragen, dennoch
fehlt es laut der Autoren an herstellerübergreifenden Standards, um Daten
zwischen den einzelnen Geräten auszutauschen. Nur bei der Integration in
die zentrale IT ist die Lage besser.
kühlen schützen verbinden
Embedded Hardware
• Angepasste Kühlkörperlösungen
• Innovative Gehäusesysteme
• Wärmespreizung mittels Kupfer-Inlays
• Diverse Oberflächenbeschichtungen
• Modifikationen und Bearbeitungen
nach Ihren speziellen Vorgaben
Dabei empfiehlt sich der kleine
Dienstweg durchaus auch im OP. Unsere Titelgeschichte (Seite 10) und der
darauffolgende Beitrag (Seite 14) beschreiben zum Beispiel, wie man Live-Bilder drahtlos in HD-Qualität übertragen kann. Hier durch die Cloud oder auch nur durch die zentrale Klink-IT zu
senden wäre völlig undenkbar. Wenn Medizinstudenten in sicherem Abstand
dennoch live die Aufnahmen des OP-Mikroskops zusammen mit den Vitaldaten des Patienten und weiteren Sensoren aus dem Saal sehen könnten, wäre das
in der Ausbildung sicher hilfreich. Auch bei der Dokumentation können einheitliche und durchgängige Standards nur helfen.
Dr.-Ing. Achim Leitner
ist Chefredakteur
beim elektronikJOURNAL
Damit habe ich auch schon fast das komplette Themenspektrum des vorliegenden Themenhefts „Medizinelektronik“ gestreift: Von den Aufgaben bei der
Vernetzung über die verwendeten Embedded-Technologien (ab Seite 10)
schwenken wir zu den Halbleitern (ab Seite 24) und der Sensorik (Seite 34),
der Stromversorgung und den Steckern und Gehäusen (Seite 40) bis hin zu
Tools, die Ihnen als Entwickler helfen die Qualität Ihrer Systeme sicherzustellen (Seite 58). Übrigens treten IoT und Cloud auch ganz direkt in unser Leben:
Wearables schicken sich gerade an, vom Fitness-Gadget zu einem täglich nutzbaren Gegenstand zu werden, der sich auch medizinisch nutzen lässt. Was Entwickler dabei beachten müssen, lesen Sie ab Seite 18.
achim.leitner@huethig.de
www.elektronikjournal.com
Mehr erfahren Sie hier:
www.fischerelektronik.de
Fischer Elektronik GmbH & Co. KG
Nottebohmstraße 28
D-58511 Lüdenscheid
Telefon +49 (0) 23 51 43 5-0
Telefax +49 (0) 23 51 4 57 54
E-mail
info@fischerelektronik.de
Wir stellen aus:
Electronica in München
11.-14.11.2014
Halle B1, Stand 155
Inhalt
Oktober 2014
Coverstory
18
Kleidsame Technik
Der Trend stammt aus der Unterhaltungselektronik und der Fit­
nessgerätebranche: Online vernetzte Wearable Devices, die man
am Körper trägt ohne dass sie stören. Damit eignen sie sich
auch für medizinische Anwendungen, weiß Mentor Graphics.
36
Luftblasendetektor
10
Für die hyperbare Durch­
führung der großen Ei­
genbluttherapie entwi­
ckelte Sonotec einen Ult­
raschallsensor, der
sicherstellt, dass bei der
Reinfusion kein Gas in die
Vene gelangt.
Live-Bilder aus dem OP
Trotz komplexer Anforderungen an Störfestigkeit, Ko­
existenz und Übertragungssicherheit halten kabellose
Lösungen auch in der Medizintechnik Einzug. Dabei
zeigt sich die Stärke der Wireless-HD-Video-InterfaceTechnologie, die sich dem 5-GHz-Band bedient.
Märkte + Technologien
Embedded + Wireless
Sensorik
06 News und Meldungen
14 Kabellose Videoübertragung
34 Sauber erfasst
Neues aus der Welt der Medizin­
elektronik
08 Fremde Länder – fremde Sitten
Medizinproduktzertifizierung ermög­
licht Zugang zu Wachstumsmärkten
Funktechniken, Bandbreiten und Laten­
zen für die medizinisch Bildgebung
17Highlights
Atlantik Elektronik, MSC Technologies
18 Kleidsame Technik
Medizingeräte als Wearable Device
21Highlights
Coverstory
10 Live-Bilder aus dem OP
Wireless-Video für die Medizintechnik:
Echtzeit-Übertragung in HD
Bressner, Densitron
22 Moderne Klopfzeichen
Software Enhanced Piezo für TouchBedienung mit haptischem Feedback
Aktive Bauelemente
24 Besser lauschen
Fortschrittliche DSP-Halbleitertechnik
für Hörgeräte
26Messgerät-on-Chip
Single-Chip-Lösung für portable
­Impedanzanalysatoren
Leserservice infoDIREKT:
Zusätzliche Informationen zu einem Thema erhalten
Sie über die infoDIREKT-Kennziffer. So funktioniert’s:
•www.all-electronics.de aufrufen
•Im Suchfeld Kennziffer eingeben, suchen
4
elektronikJOURNAL 06/2014
30 Hilfe per Telemedizin
Tragbare medizinische Geräte mit
End-to-End-Funktionalität entwickeln
33Highlight
Industriekamera mit Auto-Features
­unterstützt Sterilgutverwaltung
36 Funktionalitäten nach Wunsch
Luftblasendetektor für Reinfusionen
39Highlight
Rutronik
Power + E-Mechanik
40Der Biophotonen-Koffer
Neue Wege in der Pferde-Diagnostik
44 Einfach ideal angepasst
Hubsäulen zur ergonomischen Höhen­
anpassung in der Medizintechnik
47Highlights
Accutronics, MTM Power, Polyrack
48 Schutzengel für Medizingeräte
Von Schutzschaltern und Schmelz­
sicherungen zum Überstromschutz
50 Sicherheitsliebende Verbindung
Gerätestecker-Kombielemente erfüllen
IEC 60601-1-11 mit Schutzklasse II
53Highlight
Globtek
MED-EL
www.elektronikjournal.com
Inhalt
Oktober 2014
54
Konform mit Norm
Artesyn und Fortec erläutern, welche Anforderungen genau an die Aus­
legung medizinischer
AC/DC-Schaltnetzteilen
bestehen und welche
Faktoren es bei der Auswahl zu bedenken gilt.
58
Effektive Entwärmung für
Leistungselektronik in
medizinischen Geräten
§
§
§
§
§
Optimale Kühlkörperqualität
Höchste Kühlleistung auf kleinstem Raum
Höhere Gerätezuverlässigkeit
Bessere Maschinenverfügbarkeit
Gutes Preis-Leistungs-Verhältnis und große
Vielfalt dank standardisierter Materialien
und Geometrien
Rettungsdienst für Entwickler
Softwaresystemtests sind durch die IEC 62304 vorgeschrieben, jedoch sehr aufwändig. Eine Automatisierung
dieser Tests spart Zeit und Geld bei der Zulassung und
bringt schon in der Entwicklung wichtige Erkenntnisse.
54 Gute Form – konform mit Norm
Anforderungen bei der Auslegung von Netzteilen
57Highlights
AVX, Traco Power
Test + Qualität
58 Rettungsdienst für Entwickler
Automatisierte Softwaresystemtests für Medizingeräte
62 Fehler jagen
Statische Codeanalyse verbessert die Software-Sicherheit
64 Den Richtlinien entsprechend
Software zum Qualitätsmanagement nach GxP-Anforderungen
Rubriken
03Editorial
Der kleine ­Dienstweg
66Impressum
66Inserenten-/Personen-/Unternehmensverzeichnis
Superlink
10 Live-Bilder aus dem OP
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www.elektronikjournal.com
Halle B1
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Märkte + Technologien
Meldungen
Zertifizierung für Medizinprodukte
AWS, ein Elektronik-Vertragshersteller in Europa, ist nach ISO
13485 zertifiziert, dem internationalen Qualitätsmanagementsystem für den Entwurf und die Produktion von Medizinprodukten.
Mit dieser Zertifizierung kommt neben AS/EN 9100, ISO-9001
und ISO-14001 ein weiterer international anerkannter Standard zu
den Akkreditierungen des Unternehmens hinzu. Paul Deehan,
CEO der AWS Group erläutert: „Die Zusammenarbeit mit den medizintechnischen Unternehmen ist sehr spannend und vielversprechend und durch unsere Zertifizierung nach ISO 13485 können
wir unsere uneingeschränkte Eignung und Kompetenz für diese
Branche glaubhaft nachweisen.“
n
infoDIREKT www.all-electronics.de204ejl0614
Bilder: AWS Electronics
Die ISO-13485 in der Fertigung
Paul Deehan ist CEO bei der
AWS Electronics Group in
Hindlip, Worcestershire, GB.
Mit dieser Zertifizierung kommt ein weiterer
international anerkannter Standard zu den
Akkreditierungen von AWS hinzu.
Vector Software festigt Zusammenarbeit mit Sysgo
Carl Zeiss Meditec erzielt Wachstum
Test for the Best
Umsatzsteigerung
Vector Software kooperiert mit Sysgo. Ziel der Zusammenarbeit
sei, die Vectorcast-Software-Testwerkzeuge innerhalb der Version
des Mikrokernel-basierten Real-Time-Operating-Systems (RTOS)
PikeOS 3.4 umzusetzen. Das RTOS wird zum Erhalt der Zertifizierung für maximale Sicherheitsstandards in der Luftfahrt, Bahn,
Medizintechnik, Automobilindustrie und Automatisierung eingesetzt. Das Vectorcast-Modell testet Embedded-Software, damit sie
den sicherheitskritischen Standards entspricht, etwa DO-178-B,
ISO-26262 und IEC-61508.
n
Carl Zeiss Meditec hat in den ersten neun Monaten des Geschäftsjahres 2013/2014 seinen Gesamtumsatz auf 673,7 Millionen Euro
ausbauen können. Währungsbereinigt entspricht dieser Wert einem Wachstum von 7,3 %; unter dem Strich ergab sich unter Berücksichtigung der wie in den vergangenen Quartalen erneut aufgetretenen Belastungen aus negativen Wechselkurseffekten ein
Plus von 3,8 % gegenüber dem Vorjahreszeitraum. Auch die
Entwick­lung von EBIT (92,1 Millionen Euro) und EBIT-Marge
(13,7 %) wurde durch die Wechselkurseffekte gebremst.
n
infoDIREKT www.all-electronics.de226ejl0614
infoDIREKT www.all-electronics.de228ejl0614
Verbunden mit der Hightech-Industrie
Vorstandsmitgliederwahl bei Spectaris 2014
Bild: Spectaris
Dr. Andreas Nitze, Geschäftsführender Gesellschafter bei Berliner
Glas, Josef May, Geschäftsführer
bei Silhouette Deutschland,
Mathis Kuchejda, Geschäftsführer
bei Schmidt+Haensch und André
Schulte, Geschäftsführer bei
Weinmann Emergency Med
(v.l.n.r.).
Josef May bleibt der Vorsitzender des Verbandes Spectaris, Deutscher Industrieverband für optische, medizinische und mechatronische Technologien. Die Mitgliederversammlung des Verbandes in Berlin
bestätigte den 54-jährigen einstimmig in
seinem Amt. Josef May ist als Geschäftsführer bei Silhouette Deutschland tätig
und steht seit 2007 an der Spitze von Spec6
elektronikJOURNAL 06/2014
taris. Neben Josef May wurde auch Andreas Nitze, geschäftsführender Gesellschafter
bei Berliner Glas, als stellvertretender Vorsitzender von den Mitgliedern in seinem
Amt bestätigt.
Neu in den Vorstand gewählt wurde André Schulte, Geschäftsführer bei Weinmann Emergency Medical Technology. Als
Schatzmeister des Verbandes wurde Ma-
this Kuchejda ernannt; er fungiert als Geschäftsführer bei Schmidt+Haensch. Spectaris sieht sich als Verband der HightechIndustrie und ist Interessenvertreter der
Branchen Medizintechnik, Optische Technologien, Analysen-, Bio- und Labortechnik sowie der Augenoptischen Industrie.
Diese Branchen erzielten im Jahr 2013 einen Gesamtumsatz von rund 50 Milliarden
Euro und beschäftigten zirka 228.000 Menschen in 1023 Unternehmen und Betrieben
mit mehr als 50 Beschäftigten.
Seine mehr als 400 überwiegend mittelständischen Mitgliedsunternehmen unterstützt der Verband durch aktives Branchenmarketing im In- und Ausland, durch
die Vertretung der Interessen gegenüber
der Politik und durch diverse Serviceangebote, wie Seminare und der Zulieferung
von Branchendaten.
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infoDIREKT 259ejl0614
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Märkte + Technologien
Meldungen
Nanotec eröffnet F&E-Zentrum in Pegnitz
Expansion ins Nürnberger Land
Am 18. Juli 2014 eröffnete Nanotec ein Forschungs- und Entwicklungszentrum in Pegnitz. Dort werden künftig Steuerungen und
Sensoren für Motoren entwickelt, die hauptsächlich in der Industrieautomatisierung und der Medizintechnik Einsatz finden. Auf
einer Fläche von zirka 200 m2 stehen Teststände für Produktmuster
sowie Erprobungseinrichtungen für Fertigungsverfahren zur Verfügung. Mit dem F&E-Zentrum in Oberfranken nimmt Nanotec
einen zweiten Entwicklungsstandort in Betrieb, denn auch in der
Firmenzentrale im Münchner Osten ist eine Entwicklungsabteilung angesiedelt. In der Niederlassung Pegnitz fokussiert man auf
die Entwicklung neuer Konzepte und Methoden, die das Unternehmen dann in Feldkirchen in Serienprodukte umsetzt.
n
infoDIREKT www.all-electronics.de200ejl0614
Datenaustausch über Herstellergrenzen hinweg
Bild: VDE
VDE/DKE will die Vernetzung im OP verbessern
Medizinische Geräte müssen
heute auch im Operationssaal
miteinander kommunizieren.
Gefragt sind daher standardisierte Schnittstellen. Hierzu
haben die Normungsexperten
von VDE/DKE mit Unterstützung des DIN (Deutsches Institut für Normung), IHE (Integrating the Healthcare Enterprise) und HL7 (Health Level
Seven) das Weißbuch „Sichere
dynamische Vernetzung in
Operationssaal und Klinik“ erarbeitet. Auf 59 Seiten analysieren die Experten den Stand der Medizingerätevernetzung im
OP, sie identifizieren Standardisierungslücken und -bedarf und
weisen den Weg hin zu einer detaillierten Normungs-Roadmap.
Zu den Erkenntnissen der Analyse zählt, dass bestehende Standards eine gute, aber unvollständige Ausgangsbasis darstellen. Dies
betrifft unter anderem die DIN EN ISO 11073 („Medizinische Informatik – Kommunikation patientennaher medizinischer Geräte“). Die hier definierten Systemkomponenten ermöglichen die
Kommunikation von Geräten für die persönliche Gesundheit. Dabei werden etwa Vitaldaten zwischen medizinischen Geräten ausgetauscht und ausgewertet sowie Geräte ferngesteuert. Organisationen wie DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) und HL7 bieten andere Bausteine zur OP-Kommunikation,
etwa die Integration mit Bildarchiven. Was fehlt ist ein horizontaler Standard, der die bestehenden Ansätze zu einem schlüssigen
technischen Gesamtkonzept für den Einsatz im und außerhalb des
OPs integriert. Die Handlungsempfehlungen im Weißbuch zielen
insbesondere darauf ab, die vorhandenen Normensätze zu erweitern und IHE als Bindeglied für die Entwicklung der nötigen Use
Cases beispielsweise für die Neurochirurgie und laparoskopische
Chirurgie zu nutzen. Das Weißbuch steht im VDE-Info-Center auf
www.vde.com kostenlos zum Download bereit. (lei)
n
Minerva
Mehrkanalige programmierbare Treiberstufe
für Industriemagnete und Kfz-Einspritzsysteme
Minerva ist ein AEC-Q zertifizierter IC zur Ansteuerung von MOSFET
Paaren mit vielseitigen Steuerungsmöglichkeiten und optimierter
Latenzzeit. Vier programmierbare Sequenzer inkl. RAM sind für
Gate-Ansteuerung, Diagnose und Schutz vor externen Fehlern zuständig. Ladungspumpe und Treibervorstufen ergänzen den Funktionsumfang. Integrationsdichte, Programmierbarkeit und umfangreiche Diagnosefunktionen machen aus Minerva die perfekte
Lösung für Magnetsteuerungen und Motor-Einspritzsysteme.
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von EBV Elektronik, dem führenden Spezialisten der HalbleiterDistribution in EMEA. Besuchen Sie uns auch im Internet unter
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Distribution is today. Tomorrow is EBV.
infoDIREKT www.all-electronics.de511ejl0614
www.elektronikjournal.com
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Bilder: CSA Group
Märkte + Technologien
Zertifizierung
Das CSA-Prüfzeichen zeigt an, dass ein Produkt
von einem akkreditierten Drittanbieter getestet
wurde und den angewandten Normen entspricht.
Die CSA Group engagiert sich laut eigener
Aussage für die Schaffung einer besseren,
sichereren und nachhaltigeren Welt.
Es ist eine Kunst, sich im Dschungel der
internationalen Anforderungen zurecht zu finden,
um ein Zertifizierungszeichen zu erhalten.
Fremde Länder – fremde Sitten
Medizinproduktzertifizierung ermöglicht Zugang zu Wachstumsmärkten
Soll ein medizinisches Produkt auch in anderen Ländern dieser Welt erhältlich sein, gilt es zunächst einmal die
entsprechende Zertifizierung zu bekommen. Leider variieren die Anforderungen durch Normen und Prüfzeichen
weltweit so sehr, dass eine Zertifizierungsstrategie notwendig ist. An den Beispielen China, Südkorea, Brasilien
und Russland verdeutlicht die CSA Group, wo die Unterschiede lauern und warum es sich lohnt, Unterstützung für
den internationalen Marktzugang einzuholen.
Autor: Hans-Werner Zeller
I
m Jahr 2010 betrug der Weltmarkt für Medizintechnologien
rund 220 Milliarden Euro mit steigender Tendenz. Schwellenländer wie China, Brasilien oder Argentinien versprechen
Herstellern gute Absatzmöglichkeiten sowohl für Hightechals auch Lowcost-Produkte. Um ein Produkt jedoch erfolgreich
einzuführen, müssen Unternehmen zunächst die Zulassung für
den jeweiligen Markt einholen. Soll ein Produkt gleich in mehrere
Märkte exportiert werden, ist zu beachten, dass die Voraussetzungen für eine Zulassung weltweit extrem inhomogen sind und es
viele Normen und Prüfzeichen gibt. Die frühzeitige Entwicklung
einer Zertifizierungsstrategie ist daher wichtig, denn Unternehmen sollten den Kosten- und Zeitaufwand nicht unterschätzen.
Gerade in aufstrebenden Märkten wie China kann es bis zur erfolgreichen Zulassung anderthalb Jahre oder länger dauern.
Auf dem asiatischen Wachstumsmarkt
Bei medizintechnischen Produkten nehmen der Risikomanagement-Prozess und die Gebrauchstauglichkeit einen Großteil der
Sicherheitsanforderungen ein. Softwaresicherheit spielt ebenfalls
eine immer größere Rolle. Mit Inkrafttreten der dritten Edition des
Sicherheitsstandards IEC 60601-1 haben sich seit Juni 2012 die Sicherheitsanforderungen in Europa und den meisten Ländern weltweit geändert – mit einer wichtigen Ausnahme:
China verlangt die Prüfung nach der zweiten Ausgabe von 1988,
die teilweise höhere technische Anforderungen stellt. Hersteller,
die in China und anderen Ländern aktiv sein möchten, müssen
daher ihr Produkt nach beiden Auflagen zertifizieren lassen. Die
China Food and Drug Administration (CFDA), vormals State
Food and Drug Administration (SFDA), ist als Verwaltungsbehörde für die Kontrolle und Regulierung von in China erhältlichen
medizintechnischen Geräten zuständig. Sie stuft, wie in den meisten Ländern üblich, Produkte in unterschiedliche Klassen ein, die
jeweils spezifische Verfahren erfordern. Generell gilt, dass bevor es
zur Zulassung kommt, ein chinesisches Labor das Produkt auf Einhaltung der Bestimmungen prüft. Hierbei sollte man in enger Zusammenarbeit mit chinesischen Ingenieuren das Testverfahren
kontrollieren und das Testprotokoll erstellen. Anhand des ausge8
elektronikJOURNAL 06/2014
stellten Zertifikats und der nötigen Dokumente erfolgt dann die
Autorisierung für den Vertrieb durch die CFDA. Für bestimmte
Kategorien und je nach Produkt kann darüber hinaus eine klinische Studie trotz nachweislich bereits durchgeführter klinischer
Studien in Europa oder Amerika nötig sein. Dies bedeutet einen
nicht zu unterschätzenden zeitlichen Mehraufwand. Weitere Anforderungen der CFDA beinhalten unter anderem die Dokumentation auf Chinesisch sowie der Nachweis eines chinesischen Vertriebspartners im Land.
Der Zulassungsprozess in Südkorea gestaltet sich wegen vorhandenen Abläufen und Strukturen schneller und kostengünstiger als
in China. Obwohl der Markt kleiner als der chinesische ist, weist er
doch durch steigende Pro-Kopf-Ausgaben für Gesundheitsleistungen lukrative Absatzmöglichkeiten auf. Das südkoreanische Ministerium für Lebensmittel und Arzneimittelsicherheit (MFDS), ehemals Food and Drug Administration (KFDA), unterteilt medizinische Produkte in vier Kategorien: Klasse-1-Geräte fordern die
Anmeldung durch den heimischen, vor Ort ansässigen Partner
oder Importeur, Klasse-2-, -3- und -4-Produkte verlangen zusätzlich die Zulassung durch das MFDS. Bei der Vertriebspartnersuche
sollten Hersteller darauf achten, dass der Partner oder Importeur
die Richtlinien der Korean Good Importing Practice nach ISO
13485 erfüllt und über Testlabore für nichtzerstörende Tests verfügt. Die Übermittlung der technischen Dokumente sowie des
Testprotokolls an das MFDS muss über den Partner erfolgen.
Auf einen Blick
Eine clevere Vorgehensweise
Notwendige Zertifizierungen für das eigene Produkt in außereuropäischen Ländern zu erhalten, kann sich schwierig gestalten, da die Vorgaben je nach Exportland stark variieren. Um Zeit zu sparen und um
sich voll auf die Entwicklung von Produkten konzentrieren zu können,
lohnt es sich eventuell, die Dienstleistungen einer Test- und Zertifizierungsorganisation in Anspruch zu nehmen.
infoDIREKT www.all-electronics.de
202ejl0614
www.elektronikjournal.com
Märkte + Technologien
Zertifizierung
Besonderheiten in Brasilien
Neben Asien sind auch Brasilien und Russland interessante Märkte
für europäische und US-amerikanische Unternehmen. Eine Zulassung kann aber besonders in Brasilien eine Herausforderung sein,
da die Strukturen offener als in Europa und Nordamerika sind und
es so Raum für Unklarheiten im Prozess gibt. Generell basieren
brasilianische Standards auf der IEC-60601 und den ISO-Standards. Zur Zulassung elektronischer Medizinprodukte durch die
nationale Behörde für Gesundheitsüberwachung (ANVISA) ist
das Inmetro-Prüfzeichen verpflichtend. Test- und Zertifizierungsorganisationen sind befugt, die Sicherheitsprüfungen für die brasilianische Prüfstelle zu überwachen. Nach erfolgreicher Prüfung
durch die Inmetro-Prüfstelle, stellt diese das Prüfzeichen aus.
Sind die Produkte damit ausgezeichnet, können brasilianische
Importeure die Produkte bei der ANVISA registrieren. Hersteller
müssen beachten, dass die Zulassungsdokumente nicht älter als
zwei Jahre sein dürfen. Die Behörde erkennt bereits erhaltene Zertifikate an und akzeptiert elektrische Sicherheitszertifikate ausländischer Prüfstellen, wenn diese von der International Laboratory
Accreditation Cooperation (ILAC) zertifiziert sind.
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Präzision mit
oPtosensoren
Für ein Höchstmaß an Flexibilität
Als ausgewiesene optoelektronische Spezialisten verfügen wir über
Entwickler- und Hersteller-Know-how, das Ihnen außergewöhnliche
Präzisionssensoren bietet. Modular wählbare Bauelemente mit konkurrenzlosen technischen Eigenschaften. Mikrooptische Komponenten auf
kleinsten Einbauraum optimiert. Realisieren Sie so Ihre Applikationen.
Besonderheiten in Russland
Russland verbesserte in den letzten fünf bis zehn Jahren den Zulassungsprozess. Für die Einfuhr von Produkten sind mehrere Zertifikate erforderlich, bevor das Gesundheitsministerium die Zulassung ausstellt. Zuerst sollte man ein Registrierungszertifikat anfordern, das Hersteller für die Hygiene- und Konformitätserklärungszertifizierung benötigen. Die Dokumente müssen Informationen
auf Russisch zur Nutzung und den Eigenschaften des Gerätes,
Testberichte und Zertifikate nach IEC/EN und eventuell andere
internationale Standards, eine russische Bedienungsanleitung,
Produktbroschüren, Registrierung im Herstellerland sowie eine
Gewerbeanmeldung enthalten. Das Hygienezertifikat stellt die Behörde für Verbraucherschutz und Gemeinwohl aus. Konformitätserklärungszertifikate (GOST-R-Zertifikate) erfolgen durch die russische Behörde Gosstandart (GOST). Die Zertifizierung fordert
die technische Dokumentation und eine Prüfung des Produkts.
Zertifizierung leicht gemacht
Im Zuge der Globalisierung hat sich aber nicht nur die Zertifizierung kompliziert, auch die Chancen für Hersteller sind gestiegen.
Länder in Afrika, Lateinamerika und Südostasien entwickeln eigene Zulassungsverfahren, von denen sich manche nach dem europäischen Modell oder dem der Global Harmonisation Task Force
(GHTF) richten. Andere Märkte akzeptieren die EU-Richtlinien.
Um Herstellern den Zugang zum globalen Markt zu erleichtern,
setzen sich Zertifizierungsorganisationen und Testhäuser für einheitliche Standards und Normen ein.
Dazu zählt die Zulassung in aktiven Schemes wie dem CB-Scheme, einem multilateralen Abkommen, das Herstellern elektrischer
und elektronischer Produkte den Marktzugang erleichtert. Unternehmen, die nicht auf weltweit einheitliche Standards warten können, sollten bereits im Designprozess entscheiden, in welche
Märkte das Produkt letztendlich gehen soll. Test- und Zertifizierungsorganisationen wie die CSA Group sind Ansprechpartner,
die Hersteller beim Zulassungsprozess unterstützen können, damit
der Start in den neuen Markt nicht zur Kostenfalle wird. (rao) n
Der Autor: Hans-Werner Zeller ist Manager Electro-Medical and
Technology, Europe bei der CSA Group in Frankfurt am Main.
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Embedded + Wireless
Coverstory
Live-Bilder aus dem OP
Wireless-Video für die Medizintechnik: Echtzeit-Übertragung in HD
Nicht nur beim Verbraucher und in der Industrieautomation sind Wireless-Technologien auf dem Vormarsch: Trotz
ihres komplexen Anforderungsprofils in Bezug auf Störfestigkeit, Koexistenz und Übertragungssicherheit halten
kabellose Lösungen auch in der Medizintechnik Einzug. Dabei zeigt sich die Stärke der Wireless-HD-Video-Interface-Technologie, die sich dem 5-GHz-Band bedient.
Autorin: Pia Kotowski
Ä
Einerseits wollen Kliniken ihre Arbeitsabläufe optimieren und
den Einsatz der oft hochspezialisierten Medizintechniksysteme flexibler gestalten, andererseits sollen die Technologien kosteneffizient sein, einfach zu bedienen und störungsfrei im Verbund mit
existierenden Technologien arbeiten. Darüber hinaus sollen alle
angesprochenen Endgeräten die Videodaten verzögerungs- und
störungsfrei, kontraststark, original- und detailgetreu, hoch aufgelöst und somit unverfälscht darstellen. Das zu erreichen, erfordert
neben einer stabilen Übertragungsverbindung und hohen Bandbreite eine Technologie, die unkomprimiert und damit in Echtzeit
die Videodaten in der gewünschten Qualität überträgt.
Bilder: TQ-Systems
rzte, OP- und Pflegepersonal wollen keine Kabel: Sind die
Leitungen auf dem Boden verlegt, dann stellen sie nicht
nur Stolperfallen dar – sie behindern auch die freie Positionierbarkeit medizinischer Geräte. Zudem sind die Stecker und Buchsen schwer zu reinigen und sterilisieren und somit
unter Hygieneaspekten bedenklich. Drahtlose Kommunikation
zwischen medizintechnischen Geräten bietet aber weitaus mehr
Vorteile: Sie kann dazu beitragen, die Systemverfügbarkeit zu sichern, den ergonomischen Freiheitsgrad und die Mobilität der
Systeme im OP zu erhöhen. Sogar hochqualitative Bilddaten lassen
sich mit heutigen Funkstandards zuverlässig übertragen.
10
elektronikJOURNAL 06/2014
www.elektronikjournal.com
Embedded + Wireless
Coverstory
Das Wireless-HDVideo-Interface überträgt
kabellos und unkomprimiert
Videodaten in voller
HD-Qualität und Echtzeit
(Latenz < 1 ms) an bis zu
vier Empfänger.
Tx
Data UL/DL
Video DL
Modul
No1
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/D
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Video DL
Data UL/DL
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Modul
No1
Modul
No1
Modul
No1
Rx2
Rx4
Farbecht und störungsfrei
Für den medizinischen Einsatz sind farb- und detailgetreue Videodarstellungen dringend nötig. Die dafür eingesetzten Geräte unterliegen insbesondere im Bereich der Störstrahlung hohen Auflagen,
um sicherzustellen, dass sie unter keinen Umständen andere medizinische Geräte beeinflussen oder stören. Die hierfür eingesetzte
Technologie ist ebenso maßgeblich, wie das elektrotechnische Design der Funklösung, da sie sowohl elektromagnetische Felder anderer Funktechniken als auch umgebungsbedingte Einschränkungen akzeptieren muss.
In Szenarien mit vielen Personen, Geräten, Installationen und
Abtrennungen im Raum, die eine freie Ausbreitung der Funkwellen behindern, wird schnell klar, dass ein zuverlässiges System besondere Mechanismen benötigt. In der Praxis könnte das folgendermaßen aussehen: Die Quelle für die Videodaten im OP könnte
ein Mikroskop, eine OP-Kamera oder ein ophthalmedizinisches
Gerät sein. Diese speist das Videosignal in den Funksender ein, der
es unkomprimiert und latenzfrei an den Empfänger überträgt.
Dieser wiederum gibt das Signal unverfälscht an das angeschlossene Gerät aus, genau so wie es eingespeist wurde. Bei einem Wireless-HD-Video-Interface ist eine Übertragung der Videodaten an
bis zu vier Empfänger parallel ohne Qualitätsverlust möglich.
Das Funksystem planen
Wie bei der Installation kabelbasierter Systeme ist beim Einsatz
von Funksystemen eine dedizierte Planung erforderlich, um die
jeweiligen Anforderungen zu erfüllen. Für einen einwandfreien
Regelbetrieb müssen die Anforderungen im Vorfeld eindeutig spezifiziert sein, denn die verfügbaren Funktechnologien und die jeweils genutzten Frequenzen unterscheiden sich stark in ihrer Einsatzeignung.
Die im Rahmen der lizenzfreien Nutzung verfügbaren Frequenzbänder liegen im Bereich 433 bis 5825 MHz. Rahmenparameter wie Reichweite, Übertragungszeit (Verzögerungsakzeptanz),
Umgebungssituation, Empfangspositionen, Datenmenge, Übertragungssicherheit und Koexistenz sind nur einige der Auswahlkriterien. Insbesondere die Koexistenz gewinnt an Bedeutung, da auch
im Krankenhaus immer mehr Funksysteme zum Einsatz kommen
und die frei nutzbaren Frequenzbänder immer stärker auslasten.
www.elektronikjournal.com
Rx3
Funksysteme, die am gleichen Ort zur gleichen Zeit im gleichen
Frequenzband senden, können sich gegenseitig empfindlich stören
und die Güte der Datenübertragung erheblich beeinflussen. Eine
Funknetzplanung und die spezifische Betrachtung möglicher
Technologien gemäß Anforderungsprofil ist für jeden Einsatzzweck erforderlich.
Neben der Koexistenz sind die Reichweite und damit einhergehend die störfreie Übertragungsqualität wichtige Auswahlkriterien. Diese Eigenschaften hängen neben dem genutzten Frequenzband auch wesentlich von Antennentyp und Übertragungsverfahren sowie den Umgebungsbedingungen ab. Wellenausbreitung,
Dämpfung, Mehrweg-Effekte, Doppler-Effekt, Antennen, Codierung, Modulation, Störeinflüsse und Sicherheit sind Einflussfaktoren, die die Übertragungsqualität definieren.
Bluetooth, Wi-Fi und Co.
Die heute verfügbaren Funktechnologien reichen von körpernahen bis hin zum weltumspannenden Netz. In Nahbereich-Netzwerken sind Techniken wie Bluetooth, RFID, Zigbee und Z-Wave
im Einsatz. Innerhalb von Gebäuden zumeist WLAN nach IEEE
802.11a, b, g und n sowie DECT. In der Medizintechnik verbreitet
sind Bluetooth, Zigbee, WiHD (Wireless-HD), WLAN sowie Wireless-HD-Video-Interface.
Die langen Lebenszyklen heutiger Medizingeräte und die hohen
Qualitätsanforderungen in der Medizintechnik stellen selbst für
Auf einen Blick
OP-Fernsehen
Für besondere Qualitätsanforderungen gibt es mit Wireless-HD
(WiHD) einen Standard, der Videodaten unkomprimiert und mit sehr
geringer Latenz überträgt. TQ-Systems ist mit seinem „Module No. 1“
in diesem Bereich tätig und bei Filmkameras vertreten. Mit der Variante „Module No. 1 mini“ adressiert der Hersteller auch medizintechnische Anwendungen, um Live-Bilder aus dem OP an bis zu vier
Empfänger in anderen Räumen zu senden.
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501ejl0611
elektronikJOURNAL 06/2014
11
Embedded + Wireless
Coverstory
Das „Modul No. 1 mini“ ist so kompakt, dass es sich
problemlos in andere Systeme integrieren lässt.
zugeordnet werden. Neben der Live-Übertragung von Bild und
Ton ist deren Aufzeichnung für eine Auswertung der Daten zu einem späteren Zeitpunkt ebenfalls möglich.
Leichtgewicht
hochentwickelte Systeme eine nicht zu unterschätzende Herausforderung dar. Viele Krankenhäuser haben ihre medientechnische
Versorgung modernisiert und WLAN steht bereits in vielen Operationssälen zur Verfügung. In diesen Kliniken könnte der Funkstandard 5 GHz / Wi-Fi eine kostengünstige Lösung darstellen, um
Signale auch durch Wände hindurch zu übertragen. Die geringe
zur Verfügung stehende Bandbreite kann hier aber den limitierenden Einsatzfaktor darstellen, gerade wenn Videosignale unkomprimiert und latenzfrei übertragen werden sollen. Darüber hinaus
ist die Koexistenz mit anderen medizinischen Geräten nicht zwingend gegeben.
Als mögliche Alternative bieten sich Funksysteme an, die sich
dem 60-GHz-Frequenzband und der Wireless-HD-Technologie
bedienen. Allerdings wird das 60-GHz-Band auch für Richtfunksysteme und Radar benutzt. Es setzt daher eine gerichtete Verbindung voraus, die wiederum die Mobilität einschränkt. Ihre Grenzen erfahren die meisten Systeme, wenn das Signal Wände durchdringen soll. Hier hat das Wireless-HD-Video-Interface klare Vorteile. Da dieser Übertragungsstandard Reflexionen von Signalen
nutzt, kann der Empfänger von der Sendequelle selbst dann störungsfrei Daten empfangen, wenn zwischen ihnen keine Sichtverbindung besteht. Ein weiterer Vorteil ist die gegenüber Wi-Fi-Lösungen verzögerungsfreie Übertragung.
Lichtwellenleiter
Ergänzend zu Funkverbindungen ist eine Übertragung über Lichtwellenleiter (LWL) denkbar. Diese Technik überbrückt auch Strecken von mehreren hundert Metern. Für die Anwendung im Operationssaal könnte das Szenario so aussehen: Das Videosignal wird
von der bildgebenden Quelle an bis zu vier hochauflösende Empfangsgeräte (etwa Monitore) per Wireless-HD-Video-Interface gefunkt. Eine Weiterleitung des Signals an weiter entfernte Empfänger – beispielsweise einen Hörsaal – könnte dann über LWL erfolgen. Das System übergibt die Bilddaten unverfälscht, da selbst parallel laufende Leitungen keinen Einstrahlungseffekt ausüben und
aufgrund der hohen Bandbreite erreichen Full-HD-Videosignale
den Hörsaal ohne Qualitätsverlust.
Als Point-to-Point-Lösung lässt sich das kompakte System beispielsweise an eine Kamera oder einer anderen Bildquelle montieren. Es sendet die Videodaten an einen oder mehrere Empfänger,
wobei bis zu vier Geräte gleichzeitig das Signal empfangen können.
Zudem ist der störungsfreie Einsatz mehrerer Empfänger-SenderSysteme im gleichen Raum möglich: Durch ein spezielles PairingVerfahren kann jeweils einer Sender- eine Empfangseinheit fest
12
elektronikJOURNAL 06/2014
Mit weniger als 50 Gramm ist das Sendermodul deutlich leichter
als bisherige Systeme und für mobile Anwendungen geeignet.
Live-Übertragungen aus dem OP, über vorhandene Infrastruktur,
direkt in den Lehrbereich sind nicht länger nur Universitäten oder
großen Lehrkrankenhäusern vorbehalten. Mit dem „Modul No. 1
mini“ von TQ-Systems kann heute jedes Krankenhaus Videoübertragung in HD mit brillanter Bildwiedergabe einführen.
Überall dort, wo die Anwendung eine sichere Übertragung auch
ohne Sichtverbindung erfordert, die Videos latenzfrei ankommen
müssen, das Signal mehrere Hindernisse umgehen muss und die
Funkstrecke keine Störstrahlung verursachen darf, eignet sich das
„Modul No. 1 mini“. Ebenso wie das vielfach verwendete 60-GHzFrequenzband sind die Bandbreiten innerhalb des 5-GHz-Bandes,
in dem dieses Modul sendet, für den unlizenzierten Funkbetrieb
freigegeben, hier insbesondere im 5,1- bis 5,8-GHz-Band. Ein wesentlicher Vorteil dieses Frequenzbandes ist die Möglichkeit, das
Signal auch in direkt angrenzende Nebenräume zu übertragen.
Aufgrund der 128-Bit-Verschlüsselung ist die Vertraulichkeit der
übertragenen Signale immer gewährleistet.
An die Applikation anpassen
Die Technologie hat sich in der Standardausführung „Modul No.
1“ bereits erfolgreich bei anspruchsvollen, professionellen Filmproduktionen bewährt. Der modulare Aufbau des „Modul No. 1
mini“ ermöglicht eine flexible Anpassung an kundenspezifische
Anforderungen. So sind je nach erforderlicher Sendeleistung auch
Miniaturausführungen als integrierte Bestandteile (Design-in) realisierbar. Zu den besonderen Merkmalen zählen:
■■ Spezifisches Funksystem für hohe Zuverlässigkeit
■■ Energiesparende 5-GHz-Funktechnik
■■ Kurze Verbindungszeiten
■■ Verzögerungsfreie Datenübertragung
■■ Geringer Stromverbrauch
■■ Koexistenz zu WLAN, Bluetooth und anderen
■■ Störungsfreier Parallelbetrieb mehrerer Sende- und Empfangseinheiten
Die Technologie setzt dabei auf das Wireless-HD-Video-Interface
im 5-GHz-Frequenzband von 5,180 bis 5,825 GHz, auf MIMOAntennentechnik (Multiple Input Multiple Output) und OFDM
(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing).
Für Strecken bis zu 40 m ist Wireless-HD-Video-Interface die
vermutlich beste kabellose Technik, da sie robust arbeitet und
nicht für eventuelle Störungen anfällig ist. Unabhängig von der gewählten Technologie ist die Umsetzung einer integrierten Lösung
in ein medizinisches Gesamtsystem eine komplexe Aufgabe. Diese
erfordert, um sich im täglichen Dauerbetrieb zu bewähren, die Zusammenarbeit mit Spezialisten, die neben der technologischen
Kompetenz die anwendungsspezifischen Details verstehen und berücksichtigen. (lei)
n
Die Autorin: Pia Kotowski arbeitet im Produktmanagment
bei TQ-Systems in Durach.
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Embedded + Wireless
Funktechniken
Kabellose Videoübertragung
Funktechniken, Bandbreiten und Latenzen für die medizinisch Bildgebung
Drahtlose Verbindungen verhindern Ärger mit Kabeln im Operationssaal, doch die Funktechnik führt zu neuen
Herausforderungen für die Entwickler. Sie müssen Faktoren wie die Datenrate und die Latenz beachten und für
ein sicheres Management der Funkverbindung in einer Client-Server-Architektur sorgen.
Autoren: Dr. Thomas Brumm, Dr. Ulrich Scheipers
V
Datenrate und Latenz
Die benötigte Datenrate ist definiert durch die Datenmenge pro
Bild und die Wiederholungsrate (Frames per Second). PAL definiert eine Framerate von 25 fps, NTSC dagegen hat 30 fps. HDVideo definiert Frameraten von bis zu 60 fps. Die darzustellende
Datenmenge definiert sich als Anzahl der Pixel mal Farbtiefe. Ein
HD-Monitor hat 2 MPixel (HD1080). Das gibt bei 16 Bit Farbtiefe
pro Farbkanal eine Gesamtmenge von 12,4 MByte pro Frame. Mit
einer Datenrate von 25 fps erhält man eine Rate von 311 MByte/s
oder 2,49 GBit/s für unkomprimierte HD-Videodaten.
Um eine hohe Datenrate mit niedriger Latenz zu gewährleisten,
ist eine schnelle Elektronik nötig. Allein durch die hohe Datenrate
ergibt sich schon eine Vorauswahl möglicher WLAN-Techniken:
WLAN mit 2,4 oder 5 GHz hat nicht genug Bandbreite (EE802.11ac:
600 MBit/s netto). Daher können HD-Videoapplikationen nur
UWB oder 60 GHz WLAN benutzen oder eine Kompressionstechnik muss die Datenrate verringern, was durch die Rechenoperation wieder Latenz erzeugt und der Bildqualität schadet.
Bild: Siemens
ideo- und Bildmaterial zu übertragen ist eine kritische
Funktion vieler OP-Instrumente. Üblich ist heute eine Datenübertragung mit Kabelverbindungen. Diese Kabelverbindungen behindern jedoch das OP-Personal bei der Arbeit, außerdem stellen sie einen Kosten- und Zeitfaktor dar durch
das umständliche Vorbereiten des OP-Saals und die Reinigung der
Kabelverbindungen. Daher haben schon einige Anbieter medizinischer Geräte damit begonnen, die Kabel durch drahtlose Verbindungen zu ersetzen. Beispiele sind ein Enodskop von Stryker mit
einer Funkanbindung an einen großen, externen Monitor, drahtlos
angebundene Ultraschall-Geräte von Siemens (Aufmacherbild)
oder zahnmedizinische Röntgen-Scanner von Sirona.
Diese Beispiele belegen ein großes Spektrum an Funktechniken:
WLAN, UWB und RFID. Die Entwickler entscheiden sich jeweils
für die Techniken, deren Eigenschaften für die jeweilige Applikation am besten passen. Für Videoübertragung sind Datenrate und
Latenz die zentralen Kriterien. Zusätzlich muss die Übertragung
störsicher und verschlüsselt stattfinden.
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elektronikJOURNAL 06/2014
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Bilder: B1 Engineering Solutions
Embedded + Wireless
Funktechniken
Bild 1: Die zentralen Teile der digitalen Videoverarbeitung. Die Kamera liest analoge Sensoren aus,
digitalisiert die Werte und wandelt sie für die Übertragung zum Display in ein digitales Signal um.
Die Analyse verschiedener Videotechnologien zeigt wo Latenz entsteht und welche Bandbreite nötig ist. Es gibt zwei
Hauptkategorien, die sich durch ihren Signaltransportmechanismus definieren: Zum
einen PAL oder NTSC mit analogen Signalen und zum anderen digitale Techniken,
die wie MPEG2 oder MPEG4 eine Kompression verwenden oder unkomprimierte
Bilddaten übertragen. Heute verwenden
alle Techniken CMOS- oder CCD-Sensoren, um das Bild zu erzeugen. Für analoges
Video konvertiert eine Elektronik diese Information in PAL oder NTSC und sendet
sie als analoges Signal zum Monitor. Für
digitales Video wird die Information unkomprimiert oder komprimiert in
MPEG2- oder MPEG4-Format zum Display transportiert (Bild 1). Alle Technologien teilen sich in drei Hauptschritte:
■ Video-Aufnahme: visuelle Signale aufnehmen und in elektrische Signale kodieren (digital oder analog).
■ Transport: ein aufbereitetes elektrisches
Signal auf ein Netzwerk transferieren
(Kabel oder Funk).
■ Display: das elektrische Signal sammeln
(digital oder analog) und auf einem entsprechenden Gerät (Monitor) darstellen.
Alle drei Schritte fügen eine Latenz hinzu
und brauchen ausreichend Bandbreite
Auf einen Blick
Es muss funken
Ärzte und medizinisches Personal haben
berechtigte hohe Anforderungen an die
Bildqualität bei Videoübertragungen aus
dem OP. Wenn möglich, sollte man sie unkomprimiert senden, doch in vielen Fällen
reicht dazu die Bandbreite nicht aus. Kompression und Übertragung führen jedoch zu
zusätzlichen Latenzen. Der Entwickler muss
also gekonnt abwägen und auch mit Sendestörungen rechnen.
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510ejl0614
(Bild 2). Für Aufnahme und Anzeige sollte
immer genügend Bandbreite bereitstehen.
Allerdings bietet die Funkstrecke nur eine
begrenzte Bandbreite, je nach eingesetzter
Technik. In kabelgebundenen Videoübertragungen erreicht die Latenz schon beinahe die physiologische Wahrnehmungsgrenze von 100 ms. Um unter diesem Limit
zu bleiben, müssen die Entwickler alle
Komponenten so anpassen, dass keine
Konversionsverluste auftreten. Eine Lösung kann aus einer Client-Server-Architektur bestehen, die in das medizinische
Umfeld integriert ist.
Einfluss der Funkverbindung
Eine drahtlose Verbindung braucht eine
Netzanbindung, die Latenz erzeugt und die
Bandbreite limitiert. Die Bandbreite dieser
Anbindung kann man durch ausreichend
Speicher und schnelle elektronische Busse
bereitstellen, während die Latenz auch in
IP-Netzen gleich bleibt. Abhängig von der
Realisierung beträgt die durch das Netzwerk erzeugte Latenz etwa 10 ms.
Die Funkverbindung selbst hat einen
deutlicheren Einfluss auf Latenz und Bandbreite, die wiederum stark von der benutzten Technologie abhängen. Mit der allgemein zugänglichen WLAN-Technologie
bei 2,4 und 5 GHz beträgt die Bruttorate
zwischen 54 MBit/s (IEEE802.11a) und 1,3
GBit/s (IEEE802.11ac). Die Nettorate ist
deutlich geringer und hängt stark von der
Umgebung ab. Derzeit sind etwa 600
MBit/s in einem ungestörten Umfeld möglich. Diese Rate genügt für Ultraschall-Applikationen, deren Framerate nur bei etwa
20 fps liegt.
Dagegen braucht Videoübertragung für
Endoskop-Applikationen eine deutlich
größere Datenrate bis zu 6 GBit/s. Diese
Datenrate für unkomprimierte Bilddaten
lässt sich mit der derzeit verfügbaren Technologie nicht realisieren. Daher ist hier Datenkompression
unvermeidbar.
Mit
60-GHz-WLAN (IEEE802.11ad) steht eine
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Embedded + Wireless
Funktechniken
Tabelle 1: Datenraten medizinischer Applikationen
Medizinische
Applikation
Anzeige
[Pixel]
Pixel pro
Frame
Farbtiefe [Bit]
Daten pro
Frame [MByte]
Max. Framerate [fps]
Maximale Datenrate
unkomprimiert
WLAN-Technik
NettoDatenrate
Ultraschall
512 × 512
262.144
12
0,4
10
31,5 MBit/s
802.11ac, 5 GHz
600 MBit/s
Ultraschall
512 × 512
262.144
30
0,98
20
157 MBit/s
802.11ac, 5 GHz
600 MBit/s
Endoskopie
1080p24,
1920 × 1080
2.073.600
48
12,44
24
2,4 GBit/s
802.11ad, 60 GHz
4,5 GBit/s
Endoskopie mit
Kompression
1080p60,
1920 × 1080
2.073.600
48
12,44
60
6 GBit/s
802.11ad, 60 GHz
4,5 GBit/s
Röntgen
512 × 512
262.144
16
0,5
25
100 MBit/s
802.11ac, 5 GHz
600 MBit/s
Röntgen
1024 × 1024
1.048.576
16
2
25
400 MBit/s
802.11ac, 5 GHz
600 MBit/s
Speicher
Speicher
Speicher
Speicher
sprechend ihrer Qualität priorisieren. Für Videoübertragung lässt
sich dadurch die Verzögerung minimieren, bei gleichzeitiger Kontrolle der Qualität. Generell ist es wichtig Paketwiederholungen zu
vermeiden, um die Verzögerungszeiten zu minimieren. Dazu eignet sich als Transportprotokoll SCTP mit Path Diversity oder
MPEG-4-SVC-Videocodierung (Scalable Video Coding) mit verschieden priorisierten Sub-Streams.
Einfluss der Kompression
Bild 2: Verschiedene Schritte in der Übertragungskette brauchen verschiedene Bearbeitungszeiten. Der kritischste Schritt ist hier die Funkübertragung,
der stark von der eingesetzten Technik und der Umgebung abhängt.
Nettorate von bis zu 4,5 GBit/s zur Verfügung – für Röntgen-Applikationen mit niedriger Datenrate wie CT reicht das um unkomprimiert zu übertragen (Tabelle 1).
Problematischer sind die Latenzen, die von der Funkverbindung
kommen. Diese hängt von verschiedenen Einflussfaktoren ab, beispielsweise Umgebung, benutztes Protokoll (etwa TCP, UDP oder
SCTP) oder Datenrate. Die Ursache ist ein inhärentes Problem der
Funkübertragung: Antennen teilen sich eine gemeinsame Luftschnittstelle. Diese Schnittstelle kann zufällig durch irgendein Gerät belegt sein und zeigt daher ein nicht-deterministisches Verhalten. Das ist insbesondere im 2,4-GHz-Band problematisch, da hier
viele kommerzielle Geräte kommunizieren. Um diesen Einfluss zu
minimieren sollte man auf WLAN mit 5 oder 60 GHz ausweichen.
Die Blockade des gemeinsam genutzten Mediums durch viele
verschiedene Geräte führt zu Fehlern in der Übertragung, die Wiederholungen nötig machen – was wiederum zu Verzögerungen
führt. Der Mensch nimmt Verzögerung im Video sehr empfindlich
wahr, reagiert aber viel toleranter gegen Pixelfehler. Eine Optimierung muss daher die Verzögerung minimieren um im Zweifel einzelne Datenverluste in Kauf zu nehmen.
Viele Wege führen zum Empfänger
Ein Funksystem kann den Durchsatz erhöhen und die Latenz verringern, indem es räumliche unterschiedliche Ausbreitungswege
nutzt. Die Sub-Streams laufen dabei über unterschiedliche AccessPoints (AP) mit unterschiedlichen Pfaden. Speziell durch das
SCTP-Transportprotokoll kann man diese Path Diversity optimal
nutzen. So bietet SCTP die Möglichkeit, unterschiedliche Pfade
schon in der Protokollschicht zu behandeln. Damit kann eine Server-Client-Struktur die verschiedenen Funkverbindungen ent16
elektronikJOURNAL 06/2014
MPEG unterstützt Auflösungen mit 1920 × 1080 Pixel und 60 Hz
Wiederholungsrate. Die Video-Kompression besteht aus zwei Teilen: Zum einen nutzt MPEG die räumlichen Beziehungen der Pixel
in einem einzelnen Bild (ähnlich wie die JPEG-Kompression), zum
anderen die zeitlichen Beziehungen der Bildfolge. Die räumliche
Bildkompression nutzt die Tatsache, dass das menschliche Gehirn
Farben schlechter auflöst als Kontrast. Daher wird Farb- und
Schwarz/Weiß-Information getrennt und über unterschiedlich
viele benachbarte Pixel abgetastet.
Die zeitliche Kompression des Bewegtbilds profitiert davon, dass
sich ein großer Teil zweier aufeinanderfolgenden Bilder gleicht. Es
genügt daher, die Unterschiede in den Bildfolgen zu übertragen.
Jeder Kodierungs- und Dekodierungsschritt braucht Zeit. Die Verzögerungen hängen stark von der Realisierung der Algorithmen
ab. Eine Implementierung mit schneller FPGA-Technologie reduziert den Einfluss beträchtlich.
Das Ganze im Blick
Um Kabelverbindungen in einem Operationssaal mit drahtlosen
Verbindungen zu ersetzen, muss man einige Herausforderungen
bewältigen. Weil sich alle Funkverbindungen die Luftschnittstelle
teilen, zeigen drahtlose Kommunikationskanäle immer ein stark
zufälliges Verhalten. Technische Maßnahmen müssen diese
Schwierigkeiten umgehen oder zumindest abmildern. Ein Lösungsansatz ist das Management der Funkverbindung in einer
Client-Server-Architektur. Mit einer optimierten Protokollimplementierung auf einem FPGA ist es außerdem möglich, die Latenzzeit der Signalübertragung zu minimieren.
WLAN- und IP-Protokolle bieten die nötige Bandbreite für Video und sind etabliert, sicher, kostengünstig und leicht erweiterbar. Die Kontrollfunktion wird anhand verschiedener Protokollerweiterungen wie Scalable Video Coding (SVC) oder dem Stream
Control Transmission Protocol (SCTP) diskutiert, die sich entsprechend den jeweiligen Anforderungen der Applikation erweitern
und anpassen lassen. (lei)
■
Die Autoren: Dr. Ulrich Scheipers (Foto) ist Senior Key Account
Manager Medizintechnik bei B1 Engineering Solutions.
Dr. Thomas Brumm ist Projekt Manager M2M Wireless
Communication bei B1 Engineering Solutions.
www.elektronikjournal.com
Embedded + Wireless
Highlights
Medical
Safety
Zucker zuverlässig zügeln
Atlantik Elektronik präsentiert mit dem
HT45F65 und HT45F67 Holteks elektronische Blutzucker-Messgerät-Flash-Controller. Die MCUs erzeugen eine genaue programmierbare Referenzspannung, enthalten einen Verstärker, einen A/D-Wandler
und eine Unterstützung für Temperatursensoren. Der Controller eignet sich für
integrierte Blutzucker-, Harnsäure- und
Cholesterin-Messungen. Als Speicher stehen 8 oder 32 kByte Flash, 256 oder
512 Byte Ram sowie ein 12-stufiger Stack
zur Verfügung. Zu den Peripheriefunktionen des HT45F65 und HT45F67 gehört ein
stromsparender LCD-Treiber, der Panels
mit bis zu 180 Pixel ansteuert.
Mehrere Timer unterstützen Input-Capture, Compare Match Output und PWMSignalgenerierung. Die MCU besitzt
UART, SPI- und I2C-Kommunikationsschnittstellen und einen D/A-Wandler für
Sprachausgabe. Zusammen mit einem Entwicklungs-Controller mit OCDS-Unterstützung (On-Chip Debug System) ermöglicht der als E-Link bezeichnete In-Circuit-
Bild: Atlantik Elektronik
Für das Messgerät: Flash-Mikrocontroller
Die Blutzucker-Messgerät-Flash-Controller
­erzeugen eine genaue programmierbare
Referenzspannung.
Emulator eine Emulation und Debugging
direkt in der Anwendung. Die Entwicklungsumgebung HT-IDE3000 ermöglicht
Echtzeit-Emulation, Speicher- und Registerzugang sowie Hardware-Breakpoints
mit logischen Setups und Einzelschrittanalyse. Die Entwicklungswerkzeuge stellen
die Ressourcen zur schnellen und effizienten Entwicklung sowie Debugging ihrer
Mikrocontroller-basierten Produktanwendungen zur Verfügung. (rao)
n
infoDIREKT
210ejl0414
Röntgenbild und Entertainment
Bild: MSC Technologies
Allrounder für den medizinischen Alltag
Die AID-173-Serie positioniert sich als komplete
Lösung sowohl für den Patienten als auch das
medizinische Personal.
Die AID-173-Serie von Avalue (Vertrieb:
MSC Technologies) liefert eine Komplettlösung für Patienten und medizinisches
Personal. Neben üblichen Überwachungsfunktionen kann sie Patientendaten wie
Röntgenbilder oder Behandlungsverlauf
abrufen und Infotainment anbieten. Sie ermöglicht Multimedia-Nutzung: Unterhaltung, Telefon, Spiele und Internet. Mit Kamera und Mobilteil ausgestattet lassen sich
medizinische Fragen beantworten oder
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Hilfe rufen. Die AID-173-Serie verfügt neben einem 17,3 Zoll Wide-Panel mit FullHD-Auflösung (1920×1080) und LEDHintergrundbeleuchtung,
Display-Port
und Web-Zugänge. Dazu ist das Gerät mit
einem Chipkartenleser, RFID, BarcodeScanner und MSR für die Datenerfassung,
Benutzeridentifikation und Sicherheit ausgestattet. Der Barcode-Scanner ist in das
Multifunktionshandgerät integriert und
lässt sich für VoIP benutzen.
In die AID-173SHR integriert ist die Intel Core i7/i3/Celeron CPU-Serie und ein
QM67-Chipsatz für leistungsfähige Anwendungen. Die Serie ist mit Intel Atom
N270 CPU und 945GSE-Chipsatz für hohe
Leistung ausgestattet und bezüglich der Erweiterung flexibel ausgelegt; Schnittstellen
wie Mini-PCI, COM und USB sind vorhanden. Die Avalue AID-173-Serie bietet
geräuschfreien Betrieb und wasser- und
staubdichte IP65-Front-Panel. (rao)
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Embedded + Wireless
Echtzeitbetriebssysteme
Kleidsame Technik
Medizingeräte als Wearable Device entwickeln
Der Trend stammt aus der Unterhaltungselektronik und der Fitnessgerätebranche: Online vernetzte Wearable
Devices, die man am Körper trägt ohne dass sie stören. Damit eignen sie sich auch für medizinische Anwendungen. Was der Entwickler dabei zu beachten hat, fasst Mentor Graphics hier zusammen. Autor: Rich Rejmaniak
I
n Zukunft werden viele tragbare Medizingeräte als Medical
Wearables nahtlos in unser Leben integriert sein. Statt primär
an das System zu denken, müssen Entwickler die Dienstleistung im Blick haben die das Gerät bereitstellt. Dabei müssen
sie sehr stringenten Herstellungsanforderungen gerecht werden.
So müssen tragbare medizinische Geräte klein sein, sie müssen immer verbunden sein und eine lange Batterielaufzeit vorweisen. Die
höhere Funktionalität wird auch die nötigen Rechenressourcen
nach oben treiben. Entwickler müssen darüber hinaus in einem
sehr konkurrenzbetonten Markt mit steigender Komplexität bestehen. Um diesen Anforderungen zu genügen, sollten sie auf eine
Plattform setzen (Bild 1), die schnell, flexibel, einfach zu nutzen
und kosteneffektiv ist.
Geräteprofil
Bild: fotolia: Kirill Kedrinski
Medizinische Wearables gibt es in zwei Kategorien: Einmal-/Wegwerf-Produkte und wiederverwendbare Geräte. Wegwerfprodukte
sind ein relativ neues Marktsegment mit kurzer Produktlebenszeit
und daher hohen Wachstumschancen. Im Gegensatz dazu zeich-
nen sich wiederverwendbare Geräte durch eine deutlich längere
Produktlebenszeit und viel höhere Ansprüche an Sicherheit und
Zuverlässigkeit aus.
Bei Wegwerfprodukten geht es um hohe Volumina und knappe
Margen. Deshalb müssen sie ein Maximum an Funktionalität mit
dem kleinstmöglichen Prozessor bereitstellen. Um hier den Umsatz zu maximieren, ist es üblich, eine ganze Produktpalette für ein
großes Spektrum an Endanwendern anzubieten. Dabei ist es aber
nicht wirtschaftlich, für jedes dieser unterschiedlich ausgestatteten
Produkte eigene Applikationen zu schreiben. Die Entwickler müssen daher mit einer gemeinsamen Applikationsbasis arbeiten, die
sich an unterschiedliche Rechenressourcen anpassen lässt. Solch
eine Umgebung muss bis auf das minimalistischste System herunter skalieren, das oft nur sehr kleine Speicherkapazitäten hat, und
trotzdem auch komplexe Applikationen unterstützen können.
Der Markt mit wiederverwendbaren Geräten stellt ganz andere
Herausforderungen. Der Gerätehersteller sollte sich hier von der
kurzlebigen Natur der Prozessoren entkoppeln. Die Lebenszeit der
Halbleiter variiert von Hersteller zu Hersteller. Die Endkunden er-
18
elektronikJOURNAL 06/2014
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Bilder: Mentor Graphics
Embedded + Wireless
Echtzeitbetriebssysteme
Bild 1: Die Software-Plattform für Medical Wearables muss allen
nicht-applikationsspezifischen Code abdecken.
Bild 2: Es gibt viele Möglichkeiten zur drahtlosen Anbindung, die sich auch
laufend ändern.
waten aber Bauteilersatz für zehn Jahre und mehr. Will ein Entwickler dieses Problem lösen und die Langlebigkeit seines Applikations-Codes erhalten – was er muss, um profitabel zu bleiben –
dann braucht er ein stabiles Programmier-API, statt auf einen bestimmten Prozessor zu setzen.
sich Technologie, Protokolle aber auch Optionen sehr schnell.
Noch wichtiger ist aber die Dynamik in diesem Bereich. Denn Lösungen, die derzeit als zu teuer erscheinen, können morgen schon
der wirtschaftlichste Standard sein, während der ApplikationsCode hingegen typischerweise sehr langlebig ist.
Eine RTOS-Umgebung (Echtzeitbetriebssystem), die heute in
ein minimalistisches Gerät mit SPI-artigem Interface passt und
trotzdem die Migration auf eine vollständige Anbindung ans Mobilfunknetz (entweder innerhalb einer Produktfamilie oder über
die Lebenszeit eines Produkts) erlaubt, gibt OEMs die Option,
auch zukünftige Anforderungen zu meistern.
Vernetzung
Der Trend, Geräte so weit zu miniaturisieren dass man sie problemlos tragen kann, besteht schon lange. Heute erwarten die Anwender jedoch auch globale Connectivity, entweder per direktem
Online-Zugang für Cloud-Dienste oder eine Anbindung an ein
lokales Vermittlungsgerät, etwa ein medizinisches Wearable gepaart mit dem Smartphone, das dann den Weg ins Internet ebnet.
Diese Anbindung kann zeitweise oder dauerhaft über eine bedrahtete oder eine drahtlose Verbindung stattfinden.
Drahtgebundene Connectivity ist am kostengünstigsten, aber sie
bietet auch die geringste Flexibilität. Wenn die Geräte über ein
vom Hersteller des Wearables gestelltes Kabel mit einem anderen
Gerät verbunden werden, dann können auch sehr einfache Schnittstellen wie SPI und I2C zum Einsatz kommen. Für eine Verbindung
mit einem PC oder ähnlichem ist allerdings ein offenerer Standard
wie USB erforderlich. Jeder Ingenieur, der mit diesen verschiedenen Verbindungsmethoden schon gearbeitet hat, weiß, dass die
Unterschiede zwischen den Protokollen für USB und den einfacheren Ansätzen extrem hoch sind. Dabei ist es auch noch sehr
wahrscheinlich, dass sich die Wahl der Anbindung über die Lebenszeit des Geräts oder sogar schon während der Entwicklungsphase ändert. Um also die Applikation von der darunterliegenden
Verbindungsmethode zu trennen, bietet sich das Betriebssystem
als effektivste Möglichkeit an.
Drahtlose Zukunft
Die Zukunft der medizinischen Wearables liegt aber in der drahtlosen Anbindung. Während USB komplexer als SPI ist, sind die
vielen drahtlosen Anbindungsmöglichkeiten noch weit komplexer
als USB. Das gilt besonders, wenn auch noch Sicherheitsfunktionen involviert sind. Dabei gibt es eine Vielzahl von Standards für
die drahtlose Kommunikation, angefangen bei NFC über Bluetooth/BLE und Wi-Fi, bis hin zur Kommunikation über das Mobilfunknetz (Bild 2). In der drahtlosen Kommunikation ändern
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Leistungsaufnahme
Die Laufzeit der Batterie ist bekanntermaßen ein kritischer Faktor
aller mobilen Geräte. Bei medizinischen Wearables, die von Personen getragen werden, spielt aber auch das Gewicht eine wichtige
Rolle. Batterien sind die schwerste und sperrigste Komponente in
einem tragbaren Gerät. Geht es also um ein Gerät, das eine Person
den ganzen Tag bis vielleicht in den Abend hinein tragen muss (etwa ein 24-h-Blutdruckmessung), reicht es nicht aus, die Leistungsaufnahme zu minimieren, um die Batterielaufzeit zu verlängern.
Es muss vielmehr die Leistungsaufnahme so stark sinken, dass die
Batterie auch so klein wie möglich ausfallen kann.
Geräte wie Smartphones sind für eine bestimmte Batteriegröße
ausgelegt, die eine spezifische Menge an mAh liefert. Wenn man
diesen Parameter als festen Referenzwert nimmt und eine entsprechende Batterielebenszeit erreicht, führt das typischerweise zu
Produkten, die die Erwartungen der Konsumenten erfüllen. Dieser
Auf einen Blick
Echtzeitbetriebssystem als Basis
Medizinische Wearables können Wegwerfprodukte oder hochwertige,
langlebige Systeme sein. Je nach dieser Klassifizierung unterscheiden sich auch die Anforderungen an die Software-Plattform. Mentor
Graphics sieht sein Nucleus-RTOS als hervorragend geeignet, da es
von sehr kleinen Prozessoren mit sehr begrenzten Rechenressourcen
bis hin zu komplexen Systemen skaliert.
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505ejl0614
elektronikJOURNAL 06/2014
19
Embedded + Wireless
Echtzeitbetriebssysteme
Bild 3: Optimierungen in der Leistungsaufnahme
betreffen bei Wearables alle Komponenten.
Bild 4: Ein strukturiertes Power-Framework vereinfacht
die Entwicklung.
Ansatz funktioniert aber nicht bei medizinischen Wearables. Sobald die Batterielaufzeit bestimmt ist, muss man vielmehr alles tun,
um die Leistungsaufnahme zu senken: mit jeder Einsparung kann
man eine kleinere und leichtere Batterie einsetzen.
zeichnen sich gemessen an ihrer Größe durch eine beeindruckende Anzahl an Peripherals aus. Bei der Speicherkapazität lässt sich
die Geometrie aber nicht austricksen. Jede zusätzliche Applikation
braucht mehr Speicher. Und Speicher in kleinen Geräten, egal ob
flüchtig oder nicht-flüchtig, hat seinen Aufpreis.
Das letzte was ein Entwickler brauchen kann, ist, dass die Applikation mit dem RTOS um den Speicher konkurriert. Das allein ist
schon Grund genug, keine General-Purpose-Betriebssysteme in
medizinischen Wearables eizusetzen. Wenn also ein RTOS in Betracht kommt, sollte der Entwickler darauf achten, dass es sich auf
eine minimale Größe herunterskalieren lässt und zwar sowohl
beim Code als auch bei den Daten. Wünschenswert ist hier ein Bereich von 2 kByte Code für einen abgespeckten Kernel. Mit demselben RTOS muss der Entwickler auch den obersten Leistungsbereich mit all seinen Services, wie beispielsweise Kommunikation
im Mobilfunknetz, abdecken können. Wenn das nicht der Fall ist,
müsste der Entwickler seine Applikation auf mehrere Betriebssysteme portieren und sie dort auch weiter unterstützen.
Power-Management
Heutige Prozessoren haben enorm viele Funktionen, um Energie
zu sparen. Leider sind diese meist sehr komplex und oft auch noch
hochgradig voneinander abhängig. Zudem sind oft auch noch
Schaltungen implementiert, für die überhaupt keine Stromsparmöglichkeiten bestehen. Zum Beispiel beeinflusst die Taktfrequenz
des Bausteins die Taktfrequenzen der Kommunikation, auch wenn
damit die Leistungsaufnahme der Kommunikationsperipherie
nicht sinkt. All das stellt für den Applikationsentwickler noch eine
zusätzliche Hürde dar, obwohl er schon genug damit zu tun hat, die
Zielapplikation fertigzustellen. Die Fähigkeit jedes einzelne nAh
aus der Batterie sinnvoll zu nutzen, bestimmt aber schlussendlich
die Konkurrenzfähigkeit des Endprodukts am Markt.
Die Lösung des Problems besteht darin, die Applikation auf einer Software-Plattform zu entwickeln, die sich um das Power-Management kümmert (Bild 3). Die meisten großen General-Purpose-Betriebssysteme sind mit ziemlich ausgeklügelten Power-Management-Funktionen ausgestattet; allerdings eignen sich diese
Betriebssysteme nicht für die üblichen Prozessoren in tragbaren
medizinischen Geräten. Die meisten Echtzeitbetriebssysteme bieten ebenfalls gewisse Power-Management-Funktionen. Die häufigste ist die Unterdrückung des System-Ticks, mit der der Kernel
den periodischen Timer-Tick bis zum nächsten Timer-Event aussetzt, solange keine Tasks aufgerufen sind. Für Wearables sind aber
noch weitere intelligente Methoden notwendig, und die sind in der
RTOS-Welt eher selten zu finden. Derzeit unterstützt nur das Nucleus-RTOS von Mentor Graphics alle Aspekte der Energieeinsparung, einschließlich dynamischer Frequenz-Spannungs-Skalierung (DVFS) sowie die vollständige Kontrolle der verschiedenen
Stromlevels aller Peripherals, mit allen Interaktionen zwischen den
Peripherals und dem Core-Takt (Bild 4).
Um dem Formfaktor von medizinischen Wearables zu entsprechen, hat die Elektronik mit all ihren Komponenten kaum Platz.
Darüber hinaus gibt es auch nicht viele Möglichkeiten, Wärme abzuführen. Das Problem mit der Abwärme hängt natürlich mit der
bereits besprochen Leistungsaufnahme zusammen. Die Beschränkungen der physikalischen Größe führen normalerweise dazu,
dass ein SoC als Hauptprozessor gewählt wird. Diese Bausteine
20
elektronikJOURNAL 06/2014
Schlussfolgerung
Um in einem Markt überleben zu können, der sich durch vollkommen unterschiedliche Komplexitäten, einen hohen Preisdruck und
eine sich stetig weiterentwickelnde Hardware auszeichnet, müssen
Entwickler ihre Applikationen auf einer leistungsfähigen und flexiblen Plattform realisieren. Diese Plattform muss einerseits von der
Hardware abstrahieren, anderseits aber auch die Möglichkeit bieten, spezielle Hardware-Funktionen zu optimieren. Die Plattform
wird dabei nicht länger durch die verarbeitende Architektur oder
die verschiedenen Peripherals definiert, solange den Entwicklern
eine entsprechende Programmierumgebung zur Verfügung steht.
Standardplattformen, die diese Anforderungen erfüllen, sind
beispielsweise Windows, Android, iOS, oder Linux. Sie haben aber
eine feste untere Grenze, wenn es um die minimalen Hardwareanforderungen geht. Diese Grenzen passen oft nicht zu den Einschränkungen hinsichtlich Preis, Leistungsaufnahme und physikalischer Größe, die bei medizinischen Wearables vorherrschen.
Mentor Graphics sieht sein Nucleos-RTOS hingegen als optimale
Basis: diese hochgradig anpassbare und erweiterbare Umgebung
lässt sich an einen sehr breiten Einsatzbereich anpassen. (lei) n
Der Autor: Rich Rejmaniak ist technischer Marketing-Ingenieur
in der Embedded Systems Division von Mentor Graphics.
www.elektronikjournal.com
Embedded + Wireless
Highlights
Touch me now
Ob am Krankenbett, in Arztpraxen und
Labors oder als PoC-Terminal: Lüfterlose
Panel-PCs im Medical-Design setzen sich
in der Medizintechnik und dem Healthcare-Umfeld durch. Mit den Modellen
Seal-PPC-249 und Seal-PPC-227V stellt
Bressner All-in-One-Systeme mit Haswellbeziehungsweise Ivy-Bridge-CPU vor. Die
Rechner sind mit projektiv-kapazitivem
Multitouch-Display (P-CAP) oder resistivem Touchscreen ausgestattet und gemäß
EN-60601-1, 3rd Edition zertifiziert. Die
Front entspricht der Schutzklasse IP65.
Das Kunststoffgehäuse ist anti-bakteriell
(MRSA), kratz- und korrosionsfest sowie
chemikalienbeständig. Der Seal-PPC-249
verfügt über ein 24-Zoll-Display (16:9) mit
1920 × 1080 Pixel Auflösung, ZehnpunktMultitouchscreen, LED-Hintergrundbe-
leuchtung und eine integrierte Leselichtleiste. Bestückt ist der Rechner mit einer
Intel-Haswell-CPU-Core-i3/i5/i7. An Bord
sind Schnittstellen wie GigE-LAN, RS232/​
422/485, USB 2.0/3.0 und DVI-D. An
Erweiterungs­
möglichkeiten stehen ein
PCIex16- und zwei Mini-PCIe-Slots zur
Verfügung. Der Seal-PPC-227V besitzt die
üblichen Schnittstellen und Erweiterungsmöglichkeiten und ist mit Intels IvyBridge-Core-i3/i5/i7-CPU ausgestattet. Er
besitzt ein Vierpunkt-Multitouch-Display
oder resistiven Touchscreen. Das 21,5-ZollDisplay (16:9) hat eine Auflösung von 1920
× 1080 Pixel und LED-Backlight. Die
Rechner haben 4 kV Isolation für LAN-,
COM- und USB-Ports, eine Backup-Batterie, Webcam, Wi-Fi, Bluetooth, RFID-Reader und TPM-Modul. Die PCs sind mit
Bild: Bressner
Medical-Panel-PCs mit P-CAP oder resistivem Touch
Die komplett konfigurierten Medical-Panel-PCs
zeigen sich in 21,5-Zoll- und 25-Zoll-Bildschirmdiagonalen.
medizinisch zugelassenem Netzteil und auf
Wunsch mit installiertem Betriebssystem
komplett konfiguriert lieferbar. (rao)
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Vertical-Alignment-LCD-Monochrom-Grafikanzeigen
...since 1984
Bild: Densitron
Die VA-negative-Mode-LCDTechnik (Vertical Alignment)
von Densitron ist eine Weiterentwicklung
herkömmlicher
TN- oder STN-Displays. Bei
großer Zuverlässigkeit erreicht
sie Kontrastwerte bis zu 1000:1.
Mittlerweile sind Multiplex-Raten von 1/64 möglich, sodass
Die Vertical-Alignment-LCD-Monoauch Grafik-Auflösungen wie chrom-Grafikanzeigen arbeiten
128 × 64 Pixel darstellbar sind. zuverlässig und mit KontrastverDie Technik wurde ursprüng- hältnissen bis zu 1000:1.
lich für Automotive-Anforderungen entwickelt und lässt sich daher bedenkenlos zwischen -30
und +80 °C betreiben. Der Lagertemperaturbereich beträgt -40 bis
+90 °C. Die Vielseitigkeit von VA-LC-Displays zeigt sich durch
Anwendungen in weißer Ware, Automotive, Medizintechnik,
Energie und Smart-Metering, diversen Handhelds oder professioneller Messgeräte. VA eignet sich für einfache Segment-Anzeigen,
als Aufwertung eines TN- oder HTN-Displays oder grafische Displays bis zu 1:64 Duty (typisch 128 × 64 Pixel).
Densitron entwickelt und fertigt die Displays kundenspezifisch.
Sie sind mit integriertem Controller-IC (Chip-on-Glas) und FPCFlachbandkabel ausgestattet. Auch eine maßgeschneiderte Hintergrundbeleuchtung mit weißen oder mehrfarbigen RGB-LEDs ist
integriert. Die Ansteuerung der VA-LC-Displays erfolgt ähnlich
wie bei ursprünglichen TN- oder STN-Anzeigen, lediglich mit angepassten Betriebsspannungen. (rao)
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elektronikJOURNAL 06/2014
21
02
Embedded + Wireless
Touch-Techniken
Moderne Klopfzeichen
Bild fotolia: flucas
Software Enhanced Piezo für Touch-Bedienung
mit haptischem Feedback
Mechanische Schalter und Taster haben in Medizingeräten einige
Nachteile. Also setzen Entwickler auf Touch-Bedienung. Mit SEP (Software Enhanced Piezo) gibt es hier eine Technik, die auch bei Verschmutzung und Feuchtigkeit zuverlässig funktioniert. Autor: Rene de Vries
B
erührungsempfindliche Oberflächen geben dem Designer mehr Freiheiten, lassen sich leichter reinigen und sparen Kosten gegenüber elektromechanischen Schaltern.
Einmal integriert, sind Änderungen am Bedienfeld oder
Design der Schalter nur noch schwierig durchzuführen. Elektromechanische Komponenten erweisen sich oft als die unzuverlässigsten Bauteile in einem System, vor allem in rauen Umgebungen.
Außerdem müssen Löcher ins Gehäuse gebohrt werden und es
ergeben sich erhebliche Designanforderungen, um die Bedienfelder gegen Feuchtigkeit oder Verunreinigungen zu schützen.
Ref. Beschreibung
A
Leiterplatte
B
Abstandshalter
C
Leitfähige Folie
D
Klebstoff
E
Overlay
Druck
Resistive und kapazitive Alternativen
Als Alternative bieten sich resistive Folienschalter an. Sie bestehen
aus zwei Lagen von Leiterbahnen und dazwischen einem isolierenden Abstandshalter. Die leitfähigen Lagen kommen in Kontakt zueinander, wenn ein Finger oder Stift (Stylus) sie zusammendrückt.
Da für diesen Kontakt eine mechanische Bewegung von etwa 0,1
bis 0,5 mm erforderlich ist, muss die Beschichtung des Bedienpanels (Overlay) sehr flexibel sein, was die Materialauswahl begrenzt.
Kunststoff- oder Metallwölbungen bieten dann ein taktiles Feedback, was aber die erforderliche Bewegung auf bis zu 1 mm erhöht.
Im Laufe der Zeit kann dies den mechanischen Verschleiß erhöhen
und das Schaltgefühl verändern.
Mit dem Durchbruch von Smartphones und Tablets haben sich
auch verschiedene Formen kapazitiver Berührungssensorik etabliert. Sie verwenden ein anwendungsspezifisches Muster oder eine
X-Y-Matrix dünner Drähte auf der Innenseite des Panels. Bei einem Display mit Glaspanel kommt durchsichtiges Indium-ZinnOxid (ITO) zum Einsatz. Das Panel erkennt eine Berührung, wenn
ein Finger das elektrostatische Feld stört, das durch ein Steuersignal erzeugt wird und eine kapazitive Kopplung mit der Empfängerelektrode oder Masse herstellt. Empfindlichkeit, Geschwindigkeit,
Genauigkeit und Auflösung bei der Erfassung lassen sich beim Design und während des Betriebs anpassen. Diese Faktoren werden
durch Feuchtigkeit oder andere Verschmutzungen auf der TouchOberfläche beeinflusst. Auch Handschuhe können den Betrieb beeinträchtigen. Metallische Overlays lassen sich nicht verwenden,
sodass widerstandsfähige Touch-Panels nicht möglich sind, und
eine inkonsistente Reaktionsfähigkeit erschwert eine zeitlich präzise visuelle oder hörbare Rückkopplung an den Benutzer.
Der piezoelektrische Effekt (druck-elektrisch) wurde in den frühen 1880er Jahren von Pierre und Jacques Curie entdeckt. Dieser
Effekt eignet sich ebenfalls für Touch-Sensorik, die praktischerweise kostengünstiger als kapazitive Berührungssensorik ist. Natürliche Quarzkristalle, Rochelle-Salz, Turmalin und gefertigte
22
elektronikJOURNAL 06/2014
Bild 1: In einem Piezo-Touch-Schalter befindet sich das piezoelektrische
Material zwischen leitenden Schichten. Wird Druck ausgeübt, biegt sich der
Schalter durch.
Keramik wie Bariumtitanat und Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) erzeugen Elektrizität, wenn man mechanischen Druck auf sie ausübt.
Es tritt eine gewisse mechanische Bewegung auf, die aber weniger
als 1 µm beträgt und somit um ein Vielfaches geringer ist als bei
einem resistiven Touch-Panel.
Der Schichtaufbau eines Piezo-Touch-Schalters ist in Bild 1
dargestellt. Ein Druck auf das Panel-Overlay überträgt sich auf
die piezoelektrische Scheibe (Pille), die sich zwischen einer leitfähigen Folie und den Kupferkontakten auf der Leiterplatte befindet. Die Oberseite des Schalters (die der Benutzer sieht) kann
mit der erforderlichen Information bedruckt oder bestanzt werden, und die RoHS-konformen piezoelektrischen Scheiben werden in Öffnungen innerhalb des isolierenden Abstandshalters
eingefügt. Die Lagen werden auf die Leiterplatte aufgebracht und
sind nur 0,3 mm dick.
Sensordaten verarbeiten
Frühere piezoelektrische Tasten waren noch relativ unzuverlässig
im Betrieb: Abweichungen beim aufzuwendenden Druck, in der
Zusammensetzung der piezoelektrischen Materialien und bei
Temperaturänderungen ergaben ein inkonsistentes User-Interface.
Moderne Bausteine wie der Aito-Chip gleichen diese Abweichungen nun aus und ermöglichen piezoelektrische Touch-Panels, die
stabil und zuverlässig arbeiten – auch in anspruchsvollen Umgebungen, in denen andere Berührungstechniken nicht mehr zuverwww.elektronikjournal.com
Embedded + Wireless
Touch-Techniken
Bilder: Aito
Bild 2: Der Aito-Chip stellt
eine komplette Schnittstelle
zwischen einem PiezoTouch-Schalterpanel mit
seinen Anzeigen, anderen
Feedback-Vorrichtungen
und dem Host-System dar.
Bild 3: Das Overlay-Material eines piezoelektrischen
Touch-Panels kann beliebig sein, zum Beispiel rostfreier
Stahl für die wasserdichte Heiß- und Kaltwasserbetätigung an einer Mischbatterie.
lässig funktionieren. Der in Bild 2 gezeigte Controller-Chip bietet folgende Funktionen:
■ Er erfasst das Analogsignal, das durch den
Druck auf die piezoelektrische Scheibe entsteht. Die Empfindlichkeit wird über die Änderung des Schaltpunktes eingestellt.
■ Kommuniziert mit dem Host-Prozessor über
eine I2C- oder SPI-Schnittstelle.
■ Erzeugt Ausgangssignale für die BenutzerRückkopplung, zum Beispiel einen Ton (Summer), visuell (LED) oder haptisch (physikalische Empfindung).
Durch Erfassen der Drück- und Loslassbewegung lässt sich auch die Betätigungsdauer messen. Jede Taste kann somit mit zwei verschiedenen Funktionen belegt werden, da „Drücken und
Halten“ eine andere Funktion ermöglicht. Jede
Taste des Bedienpanels ist auch mit einer haptischen Rückkopplung ausgestattet, wobei sich die
Reaktion individuell einstellen lässt.
SEP-Touch
Aitos Technologie wird als „Software Enhanced
Piezo“ (SEP) bezeichnet. Ein Konsortium von
Unternehmen unterstützt diese Technik. Ein we-
Auf einen Blick
Kräftiger Touch
Berührungstasten (Touch-Buttons) basieren meist
auf kapazitiver Sensorik. Manchmal ist resistive
und piezoelektrische Berührungstechnik aber die
bessere Wahl: Aito stellt sein SEP-Touch vor: Software Enhanced Piezoelectric bietet einen flexiblen,
kostengünstigen Ansatz für das Design widerstandsfähiger Berührungssteuerungen. Der Beitrag erklärt die Anforderungen heutiger TouchLösungen und geht näher auf die Integration von
haptischem Feedback ein.
infoDIREKT www.elektronikjournal.com
504ejl0614
sentlicher Vorteil piezoelektrischer Schalter ist
die Designfreiheit für Entwickler, die damit nahezu jedes Material als Panel-Overlay verwenden
können – sei es einen elektrischen Leiter oder einen Isolator. Der Aufbau des Schalters kann flach
oder gebogen und unterschiedlich dick sein. Mit
dieser Designflexibilität lassen sich Bedienpanels
schaffen, die nicht nur technisch für die Anwendung geeignet sind, sondern auch ein ästhetisches Aussehen des Endprodukts garantieren.
Die Wahl des Overlay-Materials lässt sich entsprechend der Betriebsumgebung optimieren,
zum Beispiel zum Schutz gegen Feuchtigkeit,
Chemikalien oder sogar Strahlung. Bild 3 zeigt
ein Anwendungsbeispiel.
Piezoelektrische Schalter verkraften auch elektrostatischen Entladungen (ESD) und arbeiten
zuverlässig bei HF-Störungen, die beide bei kapazitiven Touch-Panels zu erheblichen Problemen
führen können. Piezo ist auch eine energieeffiziente Lösung: Kapazitive Panels müssen ständig
ein elektrostatisches Feld erzeugen, während Piezo-Schalter bei Aktivierung ihr eigenes Signal
erzeugen. Der Chip befindet sich solange im Ruhezustand bis ein Eingang empfangen wird.
Mit SEP-Entwicklungstools lassen sich die
Empfindlichkeit und das Nutzer-Feedback für
die einzelnen Berührungstasten anpassen. Sie
umfassen Hardware-Demo- und Evaluierungskits, ein PC-Softwaredesign-Paket und eine Softwarebibliothek sowie umfangreiche Dokumentation. Die Softwarebibliothek unterstützt die Arduino-Rechnerplattform, mit der sich HardwarePrototypen vor dem Design der eigentlichen
Embedded-Hardware demonstrieren lassen.
Gute Wahl
Jede Art von Berührungssensorik hat ihre eigenen Vor- und Nachteile in verschiedenen Anwendungen. Der Fortschritt bei piezoelektrischen Berührungstasten, vor allem bei SEP mit
ihrem zusätzlichen Vorteil der haptischen Rückkopplung, rückt diese Technik weiter ins Interesse. Entwicklern steht damit mehr Designfreiheit
zur Verfügung, und sie können ihre Produkte
durch ein ästhetisches Aussehen, einen robusten
Betrieb und durch Kosteneinsparungen im Wettbewerb hervorheben. (lei)
■
Der Autor: Rene de Vries leitet als CEO das
von ihm geggründete Unternehmen Aito.
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Aktive Bauteile
Signalverarbeitung
Besser lauschen
Fortschrittliche DSP-Halbleitertechnik für Hörgeräte
Um Hörgeräte immer weiter zu verbessern und sie dabei zu miniaturisieren, sind besonders leistungsfähige
Bausteine gefragt. ON Semiconductor stellt mit dem Ezairo 7100 ein SoC vor, das die Signalaufbereitung und
einen digitalen Signalprozessor mit einem CPU-Core auf einem Die kombiniert. Die gewählte DSP-Architektur
trägt entscheidend zur Energieeffizienz bei.
Autor: Christophe Waelchli
Architektur der Hörhilfe
Einfach gesagt funktioniert ein Hörgerät folgendermaßen: Ein Mikrofon empfängt Schallwellen und erzeugt daraus ein analoges
elektrisches Signal. Ein A/D-Wandler wandelt dieses Analogsignal
in ein Digitalsignal um. DSP-Algorithmen verarbeiten das Signal
und bereiten es auf.
Das Digitalsignal
wird dann wieder
in eine analoge
Form und weiter in
Schallwellen verwandelt, die der
Nutzer des Hörgeräts wahrnimmt. Um die optische Wirkung dieser Geräte zu minimieren und
den Tragekomfort zu verbessern, sind
die neuesten Modelle sehr klein und
diskret ausgelegt. Die bisher üblichen Geräte, die hinter dem Ohr
getragen werden (BTE, Behindthe-Ear) werden immer häufiger
durch kleine Hörgeräte ersetzt, die
sich im Ohrkanal befinden (CIC,
Completely-in-Canal und IIC, Invisible-in-Canal) oder durch Miniatur-Hörgeräte über dem Ohr
(Mini-BTE oder OTE, Over-the-Ear). Der Trend, dass Hörgeräte „gehört aber nicht gesehen“ werden, erfordert eine umfassende System-Miniaturisierung, die bis hinab zu den integrierten
Schaltkreisen reicht.
OEMs suchen heute ICs, mit denen sie ihre eigenen Audio-Algorithmen umsetzen können. Damit ist ein Plattformansatz möglich, der verschiedene Modelle mit dem gleichen DSP-Kern be24
elektronikJOURNAL 06/2014
dient. So kann zum Beispiel eine leichte Hörminderung durch bestimmte Algorithmen behandelt werden, während hochleistungsfähige Geräte einen schweren Hörverlust adressieren – und das
beides über die gleiche Plattform. Der Unterschied liegt nur in der
zusätzlichen Verstärkung, Funktionalität und Leistungsfähigkeit.
Drahtlos vernetzt
Gefragt ist auch eine Funkübertragung zwischen Hörgeräten und
Smartphones oder TVs. Dafür bietet sich das 2,4-GHz-Frequenzband an; hier liegen auch Bluetooth und Zigbee. So kann der Nutzer Musik von einem Handheld-Gerät abspielen oder das Hörgerät
als Headset für Telefongespräche nutzen. Die Funkanbindung
kann auch die Interaktion zwischen Anwender und Gerät verbessern. Mithilfe von Smartphones können Hörgerätenutzer die Einstellungen einfach individuell anpassen (zum Beispiel Lautstärkeregelung), ohne umständliches Zubehör nutzen zu müssen. Ohne
einen endgültigen Standard für die Funktechnik müssen sich Entwickler hier schnell an aufkommende Standards wie Bluetooth
Low Energy (BTLE) anpassen.
Bild fotolia: Sven Vietense
E
s gibt kaum eine Anwendung mit schwierigeren technischen Einschränkungen als moderne Hörgeräte. Auf immer kleinerem Raum sind eine höhere Leistungsfähigkeit
und ein geringerer Stromverbrauch gefragt. Dieser Druck
wird durch das von mehreren Marktforschungsunternehmen prognostizierte jährliche Wachstum von 4...6 % im Hörgerätemarkt
noch weiter erhöht. Eine alternde Bevölkerung und neue Märkte
in China und Indien tragen zu diesem Wachstum bei. Immer mehr
Patienten müssen also mit verbesserten Hörgeräten ausgestattet
werden. Durch die Integration einer leistungsfähigen digitalen Signalverarbeitung (DSP) können Halbleiterhersteller diese Anforderungen erfüllen. Dabei stellen sich dem Entwickler viele Designentscheidungen hinsichtlich der DSP-Technik und deren Integration in heutige Hörgeräte.
Bild: ON Semiconductor
Aktive Bauteile
Signalverarbeitung
Es gibt verschiedene Arten von DSP-Architekturen für SoCDesigns. Da sich die Architektur erheblich auf die Gesamteffizienz
des Hörgerätedesigns auswirkt, sollten Entwickler diese Optionen
sorgfältig prüfen, bevor sie sich für eine Architektur entscheiden.
■ Bei einer geschlossenen Architektur mit fester Funktion ist der
DSP fest verdrahtet in das Design eingebunden, womit er das System in Sachen Stromverbrauch und Größe optimiert – allerdings
auf Kosten der Systemflexibilität. Obwohl einige wenige Parameter
justierbar sind, kann die grundlegende Funktion des ICs jedoch
ohne größere Designänderungen nicht verändert werden. Das
aber ist sehr teuer und zeitaufwändig.
■ Offen-programmierbare Architekturen bieten OEMs eine höhere Designflexibilität, da sich die DSP-Algorithmen relativ einfach ändern lassen. Diese Flexibilität wird allerdings nur in größeren Systemen realisiert, die den strengen Anforderungen hinsichtlich des Stromverbrauchs und der Baugröße von Hörgeräten nicht
entsprechen.
■ Alternative Architekturen vereinen heute die Vorteile geschlossener und offen-programmierbarer Lösungen. In semi-programmierbaren Architekturen liegen die wesentlichen DSP-Funktionen
festverdrahtet in Logikblöcken vor, zusammen mit zusätzlichen
programmierbaren DSP-Elementen, um Teilfunktionen in Software zu realisieren. Damit steht zwar ein gewisses Maß an Flexibilität zur Verfügung, semi-programmierbare Architekturen weisen
aber immer noch einen höheren Stromverbrauch als geschlossene
Architekturen auf.
Auf die Anwendung zugeschnitten
Anwendungsspezifische, offen-programmierbare Architekturen
bieten einen anderen Ansatz: Hier wurde die DSP-Architektur in
Bezug auf die Anwendung entwickelt und so optimiert, dass sie
spezielle Signalverarbeitungsfunktionen für eine bestimmte Applikation bietet. Das kombiniert die Softwareprogrammierbarkeit einer offen-programmierbaren Architektur mit der Leistungseffizienz, die der einer geschlossenen Architektur ähnelt.
Der Ezairo 7100 ist ein kompakter, hochentwickelter System-onChip-Baustein (SoC), den ON Semiconductor für die nächste Gewww.elektronikjournal.com
Der Ezairo 7100 von ON Semiconductor ist ein kompakter, hochentwickelter
System-on-Chip-Baustein für Hörgeräte. Er enthält ein Analog-Frontend,
einen ARM Cortex-M3-Prozessor und einen 24-Bit-Quad-Core-DSP.
neration von Hörgeräten ausgelegt hat. Das SoC enthält auf einem
Single-Die-Chip ein komplettes Analog-Frontend, einen ARM
Cortex-M3-Prozessor und einen 24-Bit-Quad-Core DSP, der auf
einer anwendungsspezifischen, offen-programmierbaren Architektur basiert. Damit braucht der Chip weniger als 0,7 mA bei seiner maximalen Taktfrequenz von 10,24 MHz.
Dem Fortschritt voraus
Der technische Fortschritt im Markt für Hörgeräte ändert sich stetig, mit zahlreichen Innovationen und neu entstehenden Märkten.
Der Wettbewerb und die Forderung einer schnellen Markteinführung führen zu kürzeren Produktentwicklungszyklen und einer
höheren Differenzierung. Mithilfe digitaler Signalverarbeitung auf
programmierbaren oder anwendungsspezifischen Architekturen
von ON Semiconductor können Entwickler kleinere Hörgeräte bereitstellen, die mehr Funktionen, Komfort und somit Nutzerzufriedenheit bieten. (lei)
■
Der Autor: Christophe Waelchli ist Produktmanager für Hearing
Health, Consumer Health and Portable Audio in der Medical and
Wireless Product Division von ON Semiconductor.
Auf einen Blick
Sparsam rechnen
Die Entwickler von Hörgeräten setzen heute komplexe DSP-Algorithmen ein, um das Hörsignal optimal aufzubereiten und die Hörschäden
des Anwenders auszugleichen. Allerdings stehen ihnen nur begrenzte
Rechenressourcen im Hörgerät bereit. ON Semi vergleicht hier mehrere DPS-Architekturen und begründet, welche Variante im Ezairo
7100 zum Einsatz kommt.
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506ejl0614
elektronikJOURNAL 06/2014
25
Aktive Bauteile
Analog/Mixed-Signal
Messgerät-on-Chip
Single-Chip-Lösung für portable Impedanzanalysatoren
Viele Medizingeräte messen Impedanzen, etwa um Blut zu analysieren, Blutzucker und Blutgerinnung zu bestimmen oder Medikamente und Drogen aufzuspüren. Bei diesen Tests wird eine Probe auf ein Trägermaterial aufgebracht, eine Spannung angelegt und der Strom als Resultat der biochemischen Reaktion gemessen. In diesen
Messungen kann der ADUCM350 von Analog Devices eine wichtige Rolle spielen.
Autor: Jan-Hein Broeders
B
eim ADUCM350 (kurz M350) handelt es sich um ein integriertes Mixed-Signal-Messgerät auf einem einzelnen
Chip. Das Bauteil enthält unter anderem eine hochleistungsfähige analoge Eingangsstufe (AFE) und einen Cortex-M3-Prozessorkern. Die Flexibilität der AFE und die vielen
Funktionen des Mikroprozessorkerns prädestinieren diesen Chip
für portable Messanwendungen.
Die Anwendungen in der Medizinbranche sind ebenso unterschiedlich wie die zu messenden Signale. Damit sich der M350 für
möglichst viele Anwendungen eignet, verfügt er über ein konfigurierbares analoges Front-End (Bild 1). Darüber lassen sich fast alle
Sensortypen auswerten. Der Chip kann nicht nur komplexe Impedanzen messen, sondern auch amperometrische, potentiostatische,
optische oder elektrochemische Signale. Die beiden wichtigsten
Bestandteile des M350 sind die leistungsstarke Empfangssignalkette und der Sendepfad. Diese zwei Pfade sind über eine Schaltmatrix verbunden.
26
elektronikJOURNAL 06/2014
Der M350 kann die angeschlossenen Sensoren mit Gleichstrom
oder mit einem AC-Signal versorgen. Impedanzmessungen benötigen eine AC-Anregung mit fester Frequenz oder einem Frequenz-Sweep über eine bestimmte Bandbreite. Die AC-Signale
können sinus- oder trapezförmig sein und von einem DDS-basierten Generator, verbunden über einen 12-Bit-DAC, generiert werden. Er arbeitet im Standalone-Betrieb und benötigt keine Ressourcen vom Prozessor-Core. Arbiträre Signalformerzeugung ist
ebenfalls möglich, indem man den Sequencer direkt in den DAC
schreiben lässt.
Dem Digital-Analog-Wandler ist eine Filterstufe sowie als Option ein Dämpfungsglied nachgeschaltet, bevor die Anregung an
den angeschlossenen Sensor gelangt. Der auf dem Chip integrierte differenzielle Messverstärker sorgt dafür, dass an der Last die
korrekte Spannung anliegt. Er eliminiert auch Fehler, die durch
Impedanzen der Steckverbinder oder lange Sensoranschlüsse entstehen. Der maximale Ausgangshub dieses Verstärkers zum ange-
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Aktive Bauteile
Analog/Mixed-Signal
Switch-Matrix
Der M350 verfügt über eine Schaltmatrix (Bild 2) mit 34 Schaltern.
Mit ihnen lassen sich die angeschlossenen Sensoren, der Kalibrierungswiderstand und die Übertragungs- und Empfangssignalketten frei verbinden. Die Schalter mit niedrigen Leckströmen (<30
pA) geben dem Anwender die Freiheit, unterschiedliche Sensoren
in verschiedenen Konfigurationen anzuschließen. Der ebenfalls
integrierte Sequencer steuert alle Schaltvorgänge und sorgt für eine hohe Zuverlässigkeit, funktioniert unabhängig vom Prozessor
und verkürzt die Messzeit. Eine kurze Messzeit spart auch Energie.
Der Mess-Empfangskanal des M350 basiert auf einem Transimpedanzverstärker (TIA) mit geringem Bias. Da die Knoten der
Rückkopplungsschleife zugänglich sind, kann der Anwender die
Transimpedanz wählen, indem er die Werte des Widerstands und
Kondensators entsprechend auslegt. Der Eingangsstufe ist ein
Multiplexer nachgeschaltet. Der kann entweder den TIA umgehen
oder acht zusätzliche Eingänge einbinden. Auch ist der On-ChipTemperatursensor an diesem Punkt angeschlossen. Er kann verwendet werden, um Drift zu kompensieren, ist aber aufgrund der
internen Kalibrierungsroutinen nicht unbedingt notwendig.
Eingangsstufe
Dem Multiplexer nachgeschaltet ist ein komplett differenzieller Signalpfad mit einem PGA (Programmable Gain Amplifier) und einem Antialiasingfilter (55 kHz Grenzfrequenz). Das aufbereitete
Signal gelangt schließlich an einen Puffer, bevor die Wandlung in
den digitalen Bereich erfolgt. Als A/D-Wandler kommt eine echte
16-Bit-SAR-Topologie zum Einsatz. Der ADC erreicht eine hohe
Abtastrate von 160 kSample/s und eine maximale Nichtlinearität
von ±0,85 LSB. In vielen biomedizinischen Anwendungen ist eine
Auf einen Blick
Universalmesser
Analog Devices hat den M350 als universelles „Messgerät auf einem
Chip“ entwickelt. Er hilft der Medizinbranche, die Genauigkeit biochemischer Messungen zu verbessern und die Kosten pro Test zu senken. Dieser Artikel liefert Hintergrundinformationen über die wesentlichen Funktionsblöcke dieses Chips und zeigt, wie sich der M350 als
biomedizinischer Impedanzanalysator nutzen lässt.
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509ejl0614
Bild 2: Die Schaltmatrix besteht aus 34
Schaltern, mit denen
sich die Sensoren und
Kalibrierungswiderstände frei den
Sende- und
Empfangseinheiten
zuordnen lassen.
Bilder: Analog Devices
schlossenen Sensor oder Testträger beträgt 1,2 VP-P. Die Treiberschaltung gestattet Sensorverbindungen in 2-, 3- oder 4-DrahtKonfigurationen.
Bild 1: Das Analogfrontend des M350
teilt sich in die
Signalerzeugung
(obere Hälfte) und die
Messeinheit (unten).
Verbunden sind die
Signale über eine
Schaltmatrix (links).
schnelle Abtastung erforderlich, da Reaktionen innerhalb von Sekunden
ablaufen und man die Veränderungen an jedem Datenpunkt genau erfassen möchte.
Der ADC mit seiner kompletten Eingangssignalkette erreicht einen
Dynamikbereich von mindestens 100 dB. Der Wandler kann für drei
verschiedene Betriebsarten konfiguriert werden:
■ Rohdaten mit 160 kSample/s
■ Überabtastung (Oversampling) mit 50/60-Hz-Filter und 900 Sample/s
■ Ausgabe durch eine DFT-Engine (diskrete Fourier-Transformation).
Der interne DSP-Beschleuniger liefert eine 2048-Punkte-DFT. Alle 16
Bit am Ausgang des ADC werden verwendet, um das Eingangssignal in
eine komplexe Impedanz mit Real- und Imaginärteil zu wandeln. Die
Messungen und Wandlungen erfolgen ohne Unterstützung des Prozessorkerns. Die Ergebnisse können über DMA direkt in Flash Memory gespeichert werden.
Prozessor-Core und Peripherie
Das AFE arbeitet mit einem integrierten Cortex-M3-Prozessorkern mit
16 MHz zusammen (Bild 3). Alle Funktionsblöcke in der AFE sind mithilfe von MMRs (Memory Mapped Registers) komplett steuer- und
überwachbar. Sequencer vereinfachen das Ausführen von Steuerroutinen. Zwei DMA-Kanäle stehen zur Verfügung, um unabhängig von der
CPU den Datenaustausch sowie die FIFO-Steuerung zu verwalten.
Eine AMBA-Busmatrix (Advanced Microcontroller Bus Architecture)
ermöglicht den Zugang zu Prozessorkern, Speicherbänken und Peripherie. 384 kByte Embedded-Flash-Speicher ist in zwei Bänke von 256 und
128 kByte unterteilt und über separate Flash-Controller zugänglich. Für
hohe Sicherheit sorgt eine automatische Signaturüberprüfung und Signatur-gesteuerter Zugang zu Anwendungscode. Darüber hinaus sind
elektronikJOURNAL 06/2014
27
Aktive Bauteile
Analog/Mixed-Signal
Bild 3: Auf dem Chip ist auch
ein Cortex-M3 integriert, den
der Anwender frei programmieren kann um die Messungen zu
automatisieren und die Daten
auszuwerten.
Bild 4: Entwickler können ihre Projekte
mit dem Demoboard beginnen und dabei
auch Code-Beispiele verwenden.
Tabelle 1: Toleranzen beim M350
Fehlerquelle
Absoluter Fehler
Relativer Fehler
Maximale Toleranz von Vref bei +25 °C
±3 mV bei 1,8 V
±0,166 %
Temperaturabhängigkeit von Vref
(±48 ppm/°C × ±25 °C)
±2,16 mV bei 1,8 V
±0,12 %
Toleranz des Kalibrierungswiderstands
±0,1 %
Temperaturabhängigkeit des Kalibrierungs­
widerstands (±25 ppm/°C × ±25 °C)
±0,0625 %
Gesamtsystemabweichungen von 0 bis 50 °C
±0,236 %
16 kByte Embedded-Flash-Memory für allgemeine Aufgaben wie
EEP­ROM-Emulation sowie zwei mal 16 kByte SRAM vorhanden;
16 kByte davon bleiben während des Ruhezustands erhalten.
Für die Konnektivität sorgen eine Full-Speed-USB-2.0-Schnittstelle, zwei serielle Ports, ein UART und 66 frei programmierbare
General-Purpose-I/Os. Als Schnittstelle zum Anwender verfügt
der M350 über einen Controller für LC-Displays mit 128 Segmenten. Dieser Controller kann ein LCD-Panel oder ein externes LCDModul treiben. Zur Verfügung steht auch eine statische DisplayBetriebsart, die im „SYS_SLEEP“-Modus das LCD weiter betreibt
während andere Funktionen abgeschaltet sind. Zur Unterstützung
von Audio ist eine I2C-Schnittstelle integriert. Auch piezoelektrische Lautsprecher können direkt vom programmierbaren Rechteckfrequenzgenerator getrieben werden. Kapazitive Touch-Technologie für Tastaturen ist ebenfalls integriert.
Der M350 als Impedanzwandler
Viele Anwendungen im Gesundheits- und Bio-Medizin-Bereich
messen Impedanzen oder Impedanzänderungen. Wie der Sensor
an das AFE des Messgeräts angebunden wird, ergibt sich nicht nur
durch den Sensortyp (2-, 3- oder 4-Draht), sondern hängt auch
davon ab, ob er mit dem menschlichen Körper verbunden ist. Hier
gibt es verschiedene Richtlinien. Zum Beispiel brauchen Blutzuckermessgeräte keinen Kontakt zum menschlichen Körper, während Geräte zur Messung der Hautimpedanz mit ihm verbunden
sein müssen. In diesem Fall sind gemäß der Richtlinien nach
IEC60601 bestimmte Sicherheitsstandard zu erfüllen. Sie begrenzen zum Beispiel die Höhe des Stromes am Sensor (sprich am
menschlichen Körper) und bestimmen den maximal zulässigen
Strom, falls das System wegen eines Fehlers ausfällt.
Der Rest dieses Abschnitts beschreibt eine 4-Draht-Impedanzmessung, die Absolutwerte sehr genau ermittelt. Für eine 4-DrahtMessung ist eine exakte AC-Anregungsspannung erforderlich, außerdem ein differenzieller Spannungsmesser für die Spannung
28
elektronikJOURNAL 06/2014
über dem Objekt sowie ein Strommesser für den Strom durch die
Impedanz. Vor der eigentlichen Impedanzmessung ist eine Systemkalibrierung nötig (Bild 5).
Kalibrierung und Messung
Die Schaltmatrix verbindet dazu einen externen Kalibrierungswiderstand Rcal mit dem AFE. Der für die Anregung zuständige Verstärker legt eine Spannung an Rcal an und ein Verstärker mit hoher
Eingangsimpedanz nimmt die Spannung über dem Widerstand ab.
Den Strom durch den Widerstand misst man per Transimpedanzverstärker. Die Transimpedanz des Eingangsverstärkers wird durch
Rtia festgelegt. Sie sollte so eingestellt werden, dass das maximale
Signal am ADC anliegt, um einen möglichst hohen Rauschabstand
zu erzielen. Die Ergebnisse des ADCs gehen an die 2048-PunkteDFT-Engine, um den Real- und Imaginärteil der Impedanz (Rcal,real
und Rcal,imag) zu berechnen. Aus den Kalibrierungsergebnissen berechnet der M350 den Betrag (Magnitude) und die Phase:
■■ Rcal,mag = √(Rcal,real2 + Rcal,imag2)
■■ Rcal,phase = tan-1(Rcal,imag / Rcal,real)
Nach der Kalibrierung schaltet die Matrix um auf das unbekannte
Objekt. Diese Messungen liefern die unkalibrierten Real- und Imaginärteile der Impedanz Z. Aus diesen Bestandteilen lassen sich
auch der Betrag und die Phase sowie schließlich die absoluten
Werte von Betrag und Phase der unbekannten Impedanzkomponenten berechnen:
■■ Zmag = (Zuncal,mag / Rcal,mag) × Rcal
■■ Zphase = Zuncal,phase - Rcal,phase
Der M350 eignet sich auch zur Messung von Hautimpedanz, Atmungsrate oder Body Mass Index (BMI). Da bei diesen Anwendungen ein direkter Kontakt zwischen den Elektroden der AFE
und dem menschlichen Körper besteht, muss hinsichtlich der maximalen Ströme, die in den Körper des Menschen fließen können,
große Sorgfalt walten. Gemäß der IEC60601-Standards für Patientensicherheit dürfen keine Gleichströme über 10 µA in den
menschlichen Körper fließen.
Getrennte Verstärker
Für die Sicherheit des Patienten empfiehlt Analog Devices, Kondensatoren zwischen den Anregungsanschlüssen des M350 und
dem menschlichen Körper einzusetzen. Da die Rückkopplung zu
den Eingangsknoten P und N für einen einwandfreien Betrieb aber
nicht AC-gekoppelt sein kann, ist zur Messung der Spannung über
der unbekannten Impedanz ein separater Verstärker erforderlich.
Bei der Messung direkt am menschlichen Körper sorgen die Wiwww.elektronikjournal.com
SEAL
Medical Grade
SERIE
Aktive Bauteile
Analog/Mixed-Signal
SEAL 249 PPC
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Bild 5: Zur Kalibrierung legt die Schaltmatrix eine Verbindung von der Anregung
durch einen externen Kalibrierungswiderstand Rcal zurück zum AFE.
derstände Raccess1 bis Raccess4 für Isolation zum
Schutz des Patienten. Zusätzlich empfehlen sich
Kondensatoren im Bereich von 47 nF für ACKopplung. In diesem Beispiel wurde der Instrumentenverstärker AD8226 mit symmetrischen
Eingangsanschlüssen gewählt, um den Spannungsabfall über der Impedanz zu messen. Allerdings gibt es viele weitere Optionen, je nach Versorgungsspannung, Eingangsbiasstrom oder maximalem Rauschen.
Diese 4-Draht-Konfiguration garantiert Patientensicherheit bei genauen Impedanzmessungen. Die Genauigkeit der Absolutwertmessung
hängt von der Stabilität der Präzisionsspannungsreferenz des M350 und der Genauigkeit
des Kalibrierungswiderstands (0,1% Genauigkeit) ab. Verschiedene Fehler tragen zum Gesamtfehler des Systems bei (Tabelle 1). Der gesamte Systemfehler, die Quadratwurzel aller einzelnen Beiträge, liegt unter 0,3 %. Wenn die Temperatur zwischen Kalibrierungszeitpunkt und
der Messung konstant bleibt, was normalerweise
der Fall ist, ist Vref-Drift bei einem Gesamtfehler
von 0,2 % vernachlässigbar. Die Kalibrierungsmethodik macht eine Kalibrierung im Werk
überflüssig und liefert eine wiederholbare Systemgenauigkeit während der gesamten Lebensdauer des Endprodukts.
Ein Chip, viele Anwendungen
Viele Anwendungen in der Medizintechnik nutzen Impedanzmessungen, zum Beispiel Blutzuckermessgeräte. Sie sind durch die FDA (Food
and Drug Administration) entsprechend
ISO15197 reguliert. Strengere Vorgaben zur Genauigkeit in der neuen Spezifikation von 2013
waren mit ein Grund für Analog Devices, den
M350 zu entwickeln. Eine höhere Leistungsfähigkeit des Messgeräts lässt größere Spielräume für
Toleranzen auf dem Teststreifen. Der M350 eignet sich für amperometrische Blutzuckermessunwww.elektronikjournal.com
gen, bei denen die Kalibrierungsroutinen und
leistungsstarke Übertragungs- und Empfangssignalketten genaue Ergebnisse liefern. Das klappt
unabhängig von externen Einflüssen wie Interferenzen, Temperaturänderungen und Alterung.
Mit dem M350 lassen sich viele weitere Parameter und Krankheiten messen und erkennen.
Man denke hier an Geräte zur Messung von Hämoglobin oder der Blutgerinnung oder zum
Entdecken von HIV oder Malaria. Messungen
können auf Spannung oder Strom basieren.
Auch amperometrische Messungen (Messung
von Impedanzänderungen) oder optische Messungen (Erkennung von spektralen Änderungen
/ Licht-Absorption) sind möglich.
Der M350 eignet sich auch zur Messung und
Erkennung von Gewebeschäden. Die universelle
Architektur von Mess-Engine, MCU und Peripherie ermöglichen den vielseitigen Einsatz des
M350. Entwickelt für den Gesundheitsmarkt,
kann der M350 auch für Industrieanwendungen,
darunter chemische Analysatoren und intelligente Sensoren, verwendet werden.
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Exakte Messung
Der M350 enthält eine leistungsfähige analoge
Mess-Engine sowie einen Cortex-M3-Prozessorkern mit vielen Funktionen und Peripherie. Er
eignet er sich für viele portable und stationäre
Messanwendungen. Jedes Sensorsignal, einschließlich Spannung, Strom, Impedanz oder
optisch kann der Mixed-Signal-Baustein messen. Eine Evaluierungsplattform (Bild 4) mit
Code-Beispielen steht zur Verfügung. Sie unterstützt eine Vielfalt an Anwendungen und hilft,
die Entwicklungszeit und die Time-to-Market
zu verkürzen. (lei)
n
Der Autor: Jan-Hein Broeders ist Healthcare
Business Development Manager Europe bei
Analog Devices in Eindhoven, Niederlande.
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Aktive Bauteile
Programmierbare Logik
Hilfe per Telemedizin
Tragbare medizinische Geräte mit End-to-End-Funktionalität entwickeln
Im programmierbaren System-on-Chip PSoC 3 hat Cypress sowohl Analog- als auch Digitalschaltungen vorgesehen und mit einer 8051-MCU ergänzt. Damit lassen sich sehr komplexe Medizingeräte entwickeln: Die Autoren
erfassen damit die Vitalparameter eines Patienten und senden sie an ein Android-Tablet. Dank Cloud-Anbindung
entsteht eine umfangreiche Telemedizin-Lösung.
Autoren: Pavan Srikanth, Avinash S. Vaidya, Siddharth Vijay
M
Aspekten wie der Sicherheit und Zuverlässigkeit des eigentlichen
medizinischen Geräts. Die Architektur in Bild 1 zeigt eine Kommunikationsverbindung zwischen dem Gesundheits-Kiosk am abgesetzten Standort und einem Krankenhaus am anderen Ende.
Diese Kommunikationsverbindung wird drahtlos über eine CloudTechnologie hergestellt. Am Gesundheits-Kiosk befinden sich ein
medizinisches Diagnosegerät und ein Tablet, über das die Kommunikation läuft.
Das medizinische Diagnosegerät erfasst das EKG und misst den
Blutdruck sowie die Herzfrequenz des Patienten. Die Diagnosedaten werden vom SoC über eine USB-Verbindung zum AndroidTablet übertragen. Das Tablet speichert die Daten und persönlichen Informationen des Patienten (Bild 2) zusammen mit den
aufgezeichneten Diagnosedaten und überträgt sie über die Cloud
zum Krankenhaus. Dort greift der Arzt für die Diagnose auf die
gespeicherten Informationen des Patienten zu. Außerdem werden
ihm frühere Daten und die Verordnungen für diesen Patienten angezeigt. Für eine detaillierte Bewertung des Zustands des Patien-
Bild fotolia: everythingpossible
it dem Erscheinen von Mobilgeräten und Tablets rückt
Telemedizin zunehmend in das öffentliche Interesse.
Medizinische Geräte, die Vitalwerte erfassen und bei
ihrer Konnektivität umfangreiche Möglichkeiten bieten, erlauben einen nahtlosen Informationsfluss zwischen Patienten und Pflegekräften. Dieser Artikel beleuchtet eine Architektur
für kostengünstige tragbare Diagnosegeräte, die mit Smartphones
und Tablets verbunden werden können und über die jedermann
regelmäßig oder in Notfällen qualifizierten medizinischen Rat erhält. Mögliche Anwendungen wären regelmäßige medizinische
Voruntersuchungen, die Nachsorge und der Fitnessbereich.
Das hier erklärte Diagnosegerät für die Vitalparameter eines Patienten misst seine Grundparameter, zum Beispiel das Elektrokardiogramm (EKG), den Blutdruck und die Herzfrequenz. Die Systemarchitektur baut auf der Telemedizin auf und ermöglicht eine
durchgehende, kostengünstige und tragbare Lösung. Der Einsatz
eines Tablets oder Smartphones sorgt für die Benutzerfreundlichkeit an abgelegenen Orten ohne Kompromisse bei den kritischen
30
elektronikJOURNAL 06/2014
www.elektronikjournal.com
Bilder: Cypress Semiconductor
Aktive Bauteile
Programmierbare Logik
Bild 2: Einfache grafische Oberfläche auf einem Android-basierten Tablet.
Der Patient gibt hier seine Daten ein und kann auch ein Videotelefonat mit
den Medizinern führen.
Bild 1: Diese Architektur eines Systems zur medizinischen Betreuung nutzt
ein Android-Tablet zur Ein-/Ausgabe von Daten und zur Kommunikation. Das
Tablet ist mit dem medizinischen Equipment verbunden.
ten, zum Beispiel bei Verletzungen oder Infektionen, stellt das System eine Audio/Video-Verbindung her.
Die gesamte in Bild 1 beschriebene Einrichtung kommt ohne
externes Netzteil aus, da das Diagnosegerät vom Tablet mit Spannung versorgt wird. So entsteht, neben der höheren Sicherheit des
medizinischen Geräts, eine kompakte, tragbare Lösung.
Elektrokardiogramm
Man kann sich das menschliche Herz wie eine elektrische Pumpe
vorstellen. Elektrische Signale aus dem Sinuatrialknoten (SA) des
Herzens sorgen für die Kontraktion und Entspannung des Herzmuskels, der das Blut durch den Körper pumpt. Die elektrische
Aktivität des Herzens liefert wichtige Informationen zur Diagnose
von Störungen seiner Funktion.
Eine grafische Darstellung dieser elektrischen Aktivität des Herzens ist das Elektrokardiogramm (EKG). Die elektrischen Signale
liegen in einer Größenordnung von unter 1 mV. Hinzu kommen
eine hohe Offset-Gleichspannung und verschiedene andere Störquellen. Ein EKG ist niederfrequentes Signal im Frequenzbereich
von 0,05 Hz bis 150 Hz. Diese Umstände machen die Aufzeichnung des EKG zu einer großen Herausforderung. Ein EKG kann
mit einem 3-, 5- oder 12-Kanal-System aufgezeichnet werden. Ein
dreikanaliges EKG-System eignet sich wegen der Einschränkungen beim Formfaktor bei tragbaren EKG-Rekordern am besten.
Bei der Messung des EKG sind eine Reihe von Faktoren zu berücksichtigen, und die entwickelte Schaltung sollte in der Lage
sein, Störsignale auszufiltern und die Anforderungen im Zusammenhang mit der Tragbarkeit zu erfüllen, also zum Beispiel eine
niedrige Leistungsaufnahme haben und wenig Speicher benötigen.
Der Blutdruck ist ein weiterer Vitalparameter, der als Indikator für
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die Gesundheit einer Person dienen kann. Ein hoher Blutdruck
oder Hypertonie ist weltweit eine der häufigsten chronischen Erkrankungen. Der Blutdruck kann als der Druck definiert werden,
den das Blut im Kreislauf auf die Wände der Blutgefäße ausübt.
Dieser Blutdruck variiert zwischen einem maximalen (systolischen) und einem minimalem (diastolischen) Wert. Der Blutdruck
wird über einen systolisch/diastolischen Messwert angegeben, und
die Maßeinheit des Blutdrucks ist mmHg.
Der Blutdruck kann sowohl invasiv als auch nicht-invasiv gemessen werden. In den letzten Jahren haben sich die Messungen
auf Grundlage der Pulswellenlaufzeit (PTT) und der Pulswellengeschwindigkeit (PWV) als sehr genau erwiesen. Sie haben außerdem den Vorteil, eine kontinuierliche Messung ohne die Unannehmlichkeiten der invasiven Methoden zu ermöglichen.
Die Herzfrequenz wird bei der Diagnose eines Patienten am
häufigsten verwendet. Man misst sie normalerweise durch Zählen
der Impulse in einem Blutgefäß. In Lauf der Jahre sind verschiedene Verfahren zum Zählen dieser Impulse entwickelt worden, zum
Beispiel mithilfe von Drucksensoren oder der Photoplethysmographie (PPG). In Diagnosegeräten wird das zweite Verfahren zur
Messung der Herzfrequenz des Patienten eingesetzt, da es kompakte Geräte mit einer minimalen Anzahl von Sensoren ermöglicht. Bei der Messung der Herzfrequenz eines Patienten können
Schwankungen durch seinen jeweiligen Status (zum Beispiel während des Laufens oder in Ruhe) Probleme bereiten.
Vitalparameter erfassen
Tragbare medizinische Geräte zur Überwachung der Vitalparameter erfassen normalerweise die Signale verschiedener Sensoren, die
aber durch Umwelteinflüsse starke Störanteile aufweisen können.
Auf einen Blick
Vitales System
Das in diesem Artikel beschriebene medizinische Gerät misst die Vitalparameter des Patienten, erfasst wichtige Statistiken und erlaubt
einen fehlerfreien Informationsfluss. Für die Signalaufbereitung und
-Verarbeitung nutzt es einen PSoC 3 von Cypress Semiconductor. Die
aufbereiteten Vitaldaten sendet es an ein Android-Tablet, das sich um
das GUI und die Vernetzung kümmert. So entsteht mit geringem Aufwand ein komplexes Telemedizinsystem.
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508ejl0614
elektronikJOURNAL 06/2014
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Aktive Bauteile
Programmierbare Logik
Bild 3: Blockschaltbild auf Systemebene.
Dank eines PSoC 3 sind sowohl die
analogen als auch die digitalen Funktionen
in einem einzigen programmierbaren
Baustein beheimatet.
Bild 4: Mit dem PSoC Creator kann der
Designer die Analog- und Digitalfunktionen
seiner Schaltung grafisch entwickeln und
direkt auf den Chip laden.
Daher muss die Schaltung Störungen ausfiltern und das Signal für
eine genaue Messung aufbereiten. Das diskret aufzubauen kostet
allerdings viel Zeit. Eine System-on-Chip-Architektur (SoC) ist in
diesen Szenarien häufig gut geeignet, denn sie verbindet die Möglichkeit der Verarbeitung analoger und digitaler Signale auf demselben Chip mit Konnektivitätsfunktionen, um die Systemabmessungen für tragbare Anwendungen gering zu halten. Das in Bild 3
dargestellte Gerät ist in der Lage, EKG, Blutdruck und Herzfrequenz kontinuierlich und in Echtzeit zu erfassen.
Die Ausgangssignale der EKG-Elektroden und des PPG-Sensors
am Körper des Patienten werden verstärkt und zu Beginn im analogen Frontend (AFE) des Systems gefiltert. Der Messverstärker,
der Transimpedanzverstärker und die Filter im AFE sind so ausgelegt, dass ihre Verstärkung und ihre Eckfrequenzen den Anforderungen für die Verarbeitung der EKG- und PPG-Signale entsprechen. Das AFE sorgt außerdem dafür, dass die EKG- und PPG-Signale von den Hochpass- und Tiefpassfiltern eine ausreichende
Amplitude und geringe Störpegel aufweisen. Das Ausgangssignal
des Filters wird der Verarbeitungseinheit des Systems zugeführt.
Mit PSoC umfassend programmierbar
Zentraler Teil der Verarbeitungseinheit in dieser Beispielarchitektur ist ein programmierbares System-on-Chip auf Basis des
PSoC 3, einem programmierbaren Mixed-Signal-Baustein inklusive 8051-Mikrocontroller. PSoC 3 enthält analoge Subsysteme, zum
Beispiel Verstärker mit programmierbarem Gain, Komparatoren,
A/D-Wandler und mehr sowie digitale Subsysteme, etwa Timer,
Impulsbreitenmodulatoren und verschiedenen Kommunikationsprotokolle wie USB, I2C oder SPI.
Das Erfassungssystem für Vitalparameter nutzt verschiedene
analoge und digitale Blöcke (Bild 4). Die Verarbeitung beginnt im
32
elektronikJOURNAL 06/2014
Eingangspufferblock, der die Impedanzanpassung übernimmt.
Anschließend wird das Signal mit einem Delta-Sigma-A/D-Wandler
eingelesen. EKG- und PPG-Signale erfordern unterschiedliche Abtastraten und Auflösungen. Einer der Vorzüge des PSoC 3 liegt darin, dass der Entwickler seinen A/D-Wandler auf die verschiedenen Abtastraten und Auflösungen umschalten kann. Das nutzt die
Ressourcen optimal und senkt den Energieverbrauch.
Vitalwerte berechnen
Das umgewandelte Signal dient zur Berechnung des Blutdrucks
und der Herzfrequenz des Patienten. Die Beispielschaltung ermittelt den Blutdruck mit einem eher unkonventionellen Verfahren:
Sie nutzt die Pulswellenlaufzeit (PTT), das ist die Zeit, die ein
Druckimpuls benötigt, um einen Arterienbaum in der Länge zu
durchlaufen. Die PTT wird über das Zeitintervall zwischen der RZacke des EKG-Signals und der Spitze des Druckimpulses am Finger gemessen. Der Photoplethysmograph (PPG) liefert eine volumetrische Messung eines Organs zur Berechnung der Pulswellenlaufzeit (PTT). Studien haben gezeigt, dass der Blutdruck zur PTT
direkt proportional ist. Obwohl einige Studien die Zuverlässigkeit
der Blutdruckmessung über die PTT in Frage stellen, eignet sie
sich dazu, Blutdruckschwankungen über einen durchgehenden
Zeitraum zu bewerten.
Das EKG ist ein Biopotenzial im Bereich von wenigen Millivolt
mit einer Offset-Gleichspannung von rund 300 mV. Zur Messung
des EKG des Patienten wird ein Dreikanalsystem verwendet. Die
drei Leitungen gehen zu Elektroden am rechten Arm (RA), linken
Arm (LA) und am linken Bein (LL). Das EKG-Rohsignal der Elektroden wird einem Messverstärker INA114 zugeführt. Die OffsetGleichspannung und andere Störspannungen, etwa durch die
Muskulatur, die am Verstärkereingang als Gleichtaktsignal erscheiwww.elektronikjournal.com
Aktive Bauteile
Programmierbare Logik
nen, werden vom Messverstärker dank seiner hohen Gleichtaktunterdrückung (CMRR) unterdrückt. Der Messverstärker arbeitet als
Front-End des EKG-Recorders. Der Ausgang des Messverstärkers
wird einem passiven Hochpassfilter mit einer Eckfrequenz von
0,05 Hz zugeführt, um die Impulsbodenschwankungen im EKGSignal zu unterdrücken. Die Impulsbodenschwankungen entstehen durch die Bewegungen des Patienten, Bewegung der Anschlusskabel, durch verunreinigte Elektroden und verschiedene
andere Ursachen.
Dieses gefilterte Signal wird mit einem Verstärker mit programmierbarer Verstärkung (PGA) im PSoC 3 gepuffert und einem
analogen Multiplexer zugeführt. Der Ausgang des analogen Multiplexers speist den Eingang des Delta-Sigma-A/D-Wandlers (ADC)
im PSoC3. Der A/D-Wandler ist so konfiguriert, dass er mit 300
Sample/s mit einer Auflösung von 19 Bit arbeitet. Die digitalisierten Samples des EKG-Signals werden zum Tablet übertragen, das
aus ihnen das EKG-Signal rekonstruiert.
Fotodiode
Bei der Berechnung des Blutdrucks und der Herzfrequenz wird das
PPG-Signal mithilfe einer Infrarot-LED und einer Fotodiode in
einem Fingerclip am Zeigefinger des Patienten abgenommen. Das
Ausgangssignal der Fotodiode durchläuft den Impedanzwandler
und nach der Verstärkung ein passives Tiefpassfilter mit einer Eckfrequenz von 25 Hz. Das gefilterte Signal läuft anschließend zur
weiteren Verstärkung durch einen PGA. Ein A/D-Wandler digitalisiert das Signal dann mit 100 Sample/s und 12 Bit Auflösung. Anhand der digitalisierten Samples lässt sich der PPT-Wert berechnen, den man zur Ermittlung des Blutdrucks benötigt.
Um die Herzfrequenz zu berechnen wird das gefilterte analoge
PPG-Signal an den Eingang eines Komparatorblocks übergeben.
Der Ausgang des Komparators steuert den Einlese-Interrupt des
Timerblocks im PSoC 3, der zur Berechnung der Periodendauer
des PPG-Signals dient. Die Periodendauer des PPG-Signals wird
anschließend in die Herzfrequenz des Patienten umgerechnet.
Weiter auf dem Tablet
Die EKG-Samples sowie die Werte für Blutdruck und Herzfrequenz sendet der PSoC 3 per USB-Bulk-Transfer-Modus zum Tablet. Das Tablet (Host) startet die Übertragung, indem es für jeden
Parameter – EKG, Blutdruck oder Herzfrequenz – ein RequestPaket an den PSoC 3 sendet. Die MCU antwortet auf diese Abfrage, indem sie die entsprechenden Daten sendet. Nach dem erfolgreichen Empfang der Daten sendet das Tablet eine Bestätigung.
Der Bulk-Transfer-Modus überträgt in einem einzelnen Burst nur
64 Byte Daten. Daher müssen die EKG-Samples in mehreren
Bursts übertragen werden.
Diese Form der Analyse und Dokumentation kann die Kommunikation zwischen Patienten und Pflegekräften verbessern. Das
beschriebene tragbare Gerät ist ein System zur Überwachung des
Patienten in Echtzeit, das Sensoren für Vitalparameter, frühere Diagnosedaten des Patienten und Cloud-basierte Technologie integriert. Es ist nur ein Beispiel für die wichtige Rolle, die tragbare Geräte in der Gesundheitspflege spielen können. (lei)
n
Die Autoren: Pavan Srikanth arbeitet im technischen Marketing bei Cypress
Semiconductor, Avinash S. Vaidya ist Doktorand am Birla Institute of
Technology in Indien und Siddharth Vijay hat gerade sein Praktikum bei
Cypress Semiconductor abgeschlossen.
Moderne Hörhilfe mit Upgrade-Option
Wichtig beim Design eines Implantatsystems ist eine Upgrade-Möglichkeit von außen, ohne weitere Operation, betont Gregor Dittrich im Gespräch mit der Redaktion. Dittrich leitet das Produktmanagement
bei MED-EL in Innsbruck. Die von MEDEL entwickelte Hörhilfe besteht aus zwei
Teilen: Einer externen Elektronik und ei-
Die externe Elektronik bereitet die Signale vor
und sendet sie über 12 Kanäle an das Implantat.
Direkt in der Hörschnecke entsteht dann ein
elektrostatisches Feld, das die Hörnerven anregt.
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nem Implantat. Auch im implantierten Teil
befinden sich Schaltungen, die hermetisch
vom Körper abgedichtet sind und dank
Helium-Argon-Schutzgas beinahe ewig
lange halten. Das externe Modul versorgt
den implantierten Teil induktiv mit Energie und überträgt die Hör-Stimuli mit 600
kBit/s. Das Implantat erzeugt an 12 Stellen
in der Kochlea elektrische Felder, die sich
überlappen. „Damit können die Patienten
bis zu 250 Tonhöhen unterscheiden“.
Für die Signalverarbeitung ist das externe Modul zuständig. Es lässt sich an veränderte Hörfähigkeiten anpassen, ohne am
implantierten Teil etwas zu verändern. Die
Signalverarbeitung hier nutzt ein branchenübliches Analogfrontend und einen
DSP zu Vorverarbeitung, setzt dann aber
auf einen bei MED-EL entwickelten ASIC,
der die Anregungssignale berechnet. Hier
setzen die Spezialisten nicht mehr nur auf
die Amplitude des Reizsignals, sondern
kontrollieren auch den zeitlichen Ablauf
der einzelnen Impulse. Damit verbessern
sie die Wahrnehmung tiefer Töne
sowie das Richtungshören, da in
beiden Fällen die Gregor Dittrich leitet das
Laufzeiten der Sig- Produktmanagement bei
nale eine wichtige MED-EL in Innsbruck.
Rolle spielen. Derlei Routinen lassen sich mit herkömmlichen Hörhilfen nicht umsetzen, daher bewährt sich die zweigeteilte Architektur.
Auch beim Implantat gibt es Fortschritte. Um den externen Teil exakt zu positionieren, befindet sich unter der Haut ein
kleiner Permanentmagnet. Der verhinderte bisher MRT-Untersuchungen mit höheren Magnetfeldstärken. Mit einer speziellen Lagerung des Magneten hat MED-EL
das Problem gelöst. Wie genau das funktioniert und weitere Details zum Hörsystem
finden Sie in der Online-Version des Beitrags per infoDIREKT-Nummer. (lei) n
infoDIREKT 512ejl0614
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Bilder: MED-EL
Kochlea-Implantate, die natürliches Hören ermögichen
Sensorik
Bildverarbeitung
Sauber erfasst
Industriekamera mit Auto-Features unterstützt Sterilgutverwaltung
Reinigung, Desinfektion, Sortierung, Sterilisation und Bereitstellung von Operationsbesteck und mehr: ohne
zentrale Sterilgutaufbereitung funktioniert kein Krankenhaus. Dabei spielt die lückenlose und rechtssichere
Dokumentation eine Schlüsselrolle. Entwickler von solchen Systemen können zum Beispiel die industrietaugliche
USB-Minikamera von IDS verwenden, sie erleichtert mit ihren automatischen Features die Integration.
Autor: Oliver Senghaas
S
eit dem Jahr 1998 schreibt das Medizinproduktegesetz
(MPG) zum Schutz des Patienten unter anderem die lückenlose Dokumentation der verwendeten Medizinprodukte vor. Auch der aufwändige Prozesskreislauf der Sterilgüter (Bild 1) muss deshalb vollständig erfasst und verwaltet
werden – vom Einsatz im OP über die Reinigung und Desinfektion, das Packen und Versiegeln, die Sterilisation und Lagerung der
Instrumente bis zur erneuten Anlieferung im OP.
Die IBH Datentechnik aus Kassel zählt seit vielen Jahren zu den
etablierten Anbietern von Softwarelösungen und Projektdienstleistungen für die Sterilgutaufbereitung und -verfolgung. Das 2001
eingeführte Qualitätsmanagementsystem Euro-SDS ist heute euro-
paweit in mehr als 500 Krankenhäusern im Einsatz. Es unterstützt
von der Aufbereitung und Lagerung über Ausgabe und Transport
bis hin zur Rückverfolgbarkeit des patientenbezogenen Instrumenteneinsatzes alle Bereiche des Sterilgutkreislaufs und verfügt
über Schnittstellen zu allen gängigen Reinigungs- und Desinfektionsgeräten, Heißsiegelgeräten und Sterilisatoren.
Kamera am Packplatz
Bei der Entwicklung des Systems legte IBH besonderes Gewicht
auf leichte Verständlichkeit sowie auf einfache Bedienung. Ein
neues Kameramodul für den Packplatz (Bild 2), wo Mitarbeiter
die desinfizierten Sterilgüter einzeln oder in Sets wieder verpacken, soll künftig diesen Prozessschritt weiter vereinfachen und
bedienungssicherer gestalten. Dabei erfasst und archiviert das
System direkt am Packplatz Bilder einzelner Sterilgüter oder ganzer Sets. Die Software verlinkt die Bilder dann unter anderem mit
der elektronischen Packliste. Zudem erleichtern die Fotos, eingebunden in die Stammdaten der Instrumente, dem Bedienpersonal
das Kombinieren und Packen der Sets. Auch Videosequenzen
zum Beispiel des Packvorgangs können erfasst werden, die dann
ebenfalls als Arbeitshilfe dienen oder als Link in die Packliste eingebunden werden können.
Bisher musste das Personal die Aufnahmen mit einer gängigen
Digicam schießen und am Rechner einlesen; dort wurden die Bilder gesichtet, gegebenenfalls nachbearbeitet und manuell mit den
jeweiligen Datensätzen verknüpft. Der Vorgang war umständlich,
zeitaufwändig und anfällig für Bedienungsfehler. Statt einer Digitalkamera kommt nun eine Industriekamera zum Einsatz. Bilderfassung und Kamerasteuerung sind vollständig in die Euro-SDSSoftware integriert; mit wenigen Mausklicks sind Bilder oder Videos der Sterilgüter oder des Packvorgangs erfasst und mit den
entsprechenden Datensätzen verlinkt.
Industrietaugliche Kamera
Bild 1: In der Sterilgutaufbereitung ist eine lückenlose Dokumentation
gefordert, inklusive Fotos.
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elektronikJOURNAL 06/2014
Dabei nutzt IBH die Vorteile der USB-Kamera XS von IDS. Diese
Kamera verbindet zwei Welten: Sie bietet einerseits den Bedienkomfort und viele Features einer gängigen Consumer-Kamera und
andererseits die kompakte Bauweise sowie die Softwarekompatibilität und -anbindung einer Industriekamera. Zahlreiche automatische Features, wie sie normalerweise nur in Digicams zu finden
sind, sorgen für hohe Benutzerfreundlichkeit und liefern auch unter schwierigen Lichtverhältnissen und Umgebungsbedingungen,
wie sie insbesondere im nicht-industriellen Umfeld zu finden sind,
eine hohe Bildqualität. Über das zugehörige Softwarepaket mit
Treibern und Schnittstellen können Entwickler alle Funktionen
nahtlos in individuelle OEM-Anwendungen einbinden.
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Sensorik
Bildverarbeitung
Bilder: IDS
Bild 2: Zur Dokumentation kommt die
Kamera direkt am Packplatz zum Einsatz.
Bild 3: XS-USB-Kamera im
zusätzlichen Schutzgehäuse.
Die USB-Kamera misst nur 23 × 26,5 × 21,5 mm3 und lässt sich
sehr Platz sparend unterbringen. Zwar ist sie mit ihrem Magnesiumgehäuse von Haus aus für raue, industrielle Einsätze ausgelegt,
mit einem eigens konstruierten und via 3D-Drucker produzierten
Gehäuse spendiert IBH der Kamera und insbesondere dem USBAnschluss zusätzlichen Schutz (Bild 3). Befestigt wird die Kamera
samt Kunststoffchassis an einem Standard-Schwanenhals. Besonders wichtig für die vorliegende Anwendung sind die vergleichsweise hohe Auflösung und der Autofokus, der bereits ab einer Entfernung von 10 cm scharf stellt.
Hochwertiger Sensor
Der Aptina-CMOS-Sensor mit 5 MPixel und einer Pixelgröße von
1,4 µm liefert detailgenaue und farbtreue Bilder, wobei die Software sieben Bildformate auswählen kann, von VGA bis 5 MPixel.
Das integrierte Objektiv besitzt einen horizontalen Bildwinkel von
53°, was einer Brennweite von 35 mm im Kleinbildformat entspricht. Der weite Öffnungswinkel erfasst ein Bildfeld, das für viele
Anwendungen ausreicht. Wenn nur ein kleinerer Bildausschnitt
benötigt wird, kann der digitale Zoom der kleinen Kamera stufenlos Livebild und Einzelaufnahmen bis zum Faktor 16 vergrößern.
Ein weiterer Vorteil der Kamera sind die vielen Funktionen zur
automatischen Bildanpassung, denn – anders als im industriellen
Umfeld – herrschen am Packplatz der ZSVA (zentrale Sterilgutaufbereitung) in der Regel keine idealen Aufnahmebedingungen.
Die Kamera passt Parameter wie Belichtungszeit, Weißabgleich
und ISO (Verstärkung) automatisch an die aktuellen Lichtverhältnisse an. Mit diversen Voreinstellungen für Beleuchtungsarten und Messfelder lassen sich diese Funktionen auf Wunsch
auch noch genauer abstimmen. Die XS besitzt auch eine Gegenlichtkorrektur, um die Helligkeitsregelung anzupassen. Gegenstände im Vordergrund werden damit auch bei Gegenlicht immer korrekt belichtet. In Innenräumen wirkt sich ein weiterer
Effekt negativ auf die Bildqualität aus: Künstliche Lichtquellen
wie Glühlampen und Leuchtstoffröhren erzeugen ein Flackern,
das im Kamerabild störend auffällt. Eine Anti-Flacker-Funktion
passt die Aufnahmeparameter für Belichtungszeit und Bildrate
an und verhindert so die Störung.
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Dank der umfangreichen automatischen Funktionen der MiniIndustriekamera sind in vielen Situationen so gut wie keine Einstellungen nötig, zudem lassen sich die erfassten Bilder unabhängig vom PC-System vereinfacht weiterverarbeiten. Trotzdem lässt
sich bei Bedarf jeder einzelne Parameter der kleinen Kamera per
Software verändern. Die Kamerasteuerung und die Bilderfassung
hat IBH vollständig in das Euro-SDS-Qualitätsmanagementsystem
integriert. Dabei nutzt man das Directshow-Interface und das
Software-Development-Kit (SDK), die ebenso wie TWAIN, Active-X und Genicam-Schnittstellen zum Lieferumfang der Kamera
gehören. Das SDK erlaubt eine Einbindung via C, C++ oder C#
unter Windows und Linux, wobei über 140 Programmierfunktionen den Zugriff auf alle Eigenschaften und Leistungsmerkmale der
Kamera ermöglichen.
Für die Zukunft gerüstet
Da das SDK für alle Kameramodelle von IDS identisch ist, sind
OEM-Kunden für künftige Anforderungen gerüstet. So ist zum
Beispiel der Wechsel von einer Kamera auf ein leistungsstärkeres
Modell problemlos möglich. Die Applikation muss nicht neu programmiert werden, lediglich die kameraspezifischen Parameter
gilt es anzupassen. (lei)
■
Der Autor: Oliver Senghaas leitet das Marketing bei
IDS Imaging Development Systems in Obersulm.
Auf einen Blick
Ein Bild sagt mehr...
Für die Dokumentation von kritischen Abläufen im Gesundheitswesen
werden vermehrt Kameras eingesetzt. Statt manuell Fotos per Digicam zu schießen, bieten sich industrielle Kameramodule an, die Systementwickler in ihre Umgebung integrieren und damit den Ablauf
automatisieren können. Das erhöht die Sicherheit, dass Prozesse wie
das Sterilisieren von OP-Besteck tatsächlich korrekt ablaufen.
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elektronikJOURNAL 06/2014
35
Sensorik
Ultraschallsensor
Funktionalitäten nach Wunsch
Ein Luftblasendetektor unterstützt Mediziner bei der Eigenbluttherapie
Bild. fotolia: Minerva Studio
Für ein Medizinprodukt zur hyperbaren Durchführung der großen Eigenbluttherapie entwickelte Sonotec einen
Luftblasendetektor, der sicherstellt, dass bei der Reinfusion kein Gas in die Vene des Patienten gelangt. Der
Ultraschallsensor vereint Sicherheit, Funktionalität und Design in einem Gerät.
Autorin: Anne-Luise Gellner
M
edizinische Geräte für den Klinik- und Praxisgebrauch
fertigt Herrmann Apparatebau (HAB). Darunter fällt
auch das Hyper-Medozon-Comfort-Gerät. Es produziert aus medizinischem Sauerstoff ein Ozon-Sauerstoff-Gemisch und lässt sich für verschiedene Therapieformen einsetzen. Eine dieser Therapiearten ist die hyperbar durchgeführte
große Eigenbluttherapie, in der man das dem Patienten entnommene Blut mit Ozon/Sauerstoff anreichert und anschließend mit
Druckunterstützung reinfundiert. Bei dieser hyperbaren Form der
Infusion ist im Gegensatz zur Schwerkraftinfusion die permanente
Überwachung der Reinfusionsleitung erforderlich. Diese Kontrolle übernimmt ein Ultraschallluftblasensensor. Er verhindert, dass
beim Patienten Gas in die Vene gelangt, da dies zu einer Embolie
führen würde. Der Sensor ist in einer Luftfalle am Infusionsständer
des Hyper-Medozon-Comforts integriert.
Bei der Suche nach einem geeigneten Sensor stießen die Konstrukteure von HAB 2009 auf Sonotec. Und obwohl bereits erste Entwicklungen mit einem Wettbewerbsprodukt begonnen hatten, entschied sich HAB für den Luftblasensensor ABD06 aus der Produktreihe Sonocheck – allerdings in einer applikationsspezifisch modifizierten Form. „Die kleine Bauform und die gebotenen
Sicherheitsfunktionen waren die Hauptgründe, die für diesen Sensor sprachen. Ebenso die Flexibilität durch einen individuellen Pa36
elektronikJOURNAL 06/2014
rametersatz und natürlich die ureigene Funktion“, erklärt Jochen
Hübner, Entwickler und QM-Beauftragter bei HAB, für den nicht
zuletzt auch die Referenz eines Großkunden von Sonotec ein gutes
Argument für das Unternehmen aus Halle war.
Sicher, funktional und optisch ansprechend
Sensoren, die in medizintechnischen Geräten zum Einsatz kommen, müssen dauerhaft zuverlässig arbeiten. Ausfälle, selbst nur
gelegentliche, können Menschenleben gefährden. Damit war eine
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Sensorik
Ultraschallsensor
Bilder: Sonotec
Newsletter
Der Luftblasendetektor ABD06 in der für Herrmann
Apparatebau kundenspezifisch angepassten Version.
Branchentrends
Auf einen Blick
Sensorik trifft Medizin
Neue Produkte
praxisorientierte
Fachartikel
Ein Ultraschallluftblasensensor ist elementar wichtig, denn er verhindert, dass während der
großen Eigenbluttherapie beim Patienten Gas in die Vene gelangt. Der zuverlässige Sensor
ABD06 ist in einer Luftfalle am Infusionsständer des Hyper-Medozon-Comforts integriert. Er
positioniert sich durch seine kleine Bauform, die Sicherheitsfunktionen, die er aufweisen kann
sowie Flexibilität durch einen individuellen Parametersatz.
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der Grundvoraussetzungen für die Sensorwahl gegeben. Überdies sollte der von HAB
gesuchte Sensor ein attraktives Äußere besitzen. „Sonotec gab uns die Möglichkeit,
Funktion und Design so zu kombinieren,
dass am Ende ein absolut sicherer und
gleichzeitig attraktiver Sensor entstand.
Wie in einem Wunschkonzert konnten wir
aus den bestehenden Funktionen die für
uns entscheidenden auswählen und in dem
einen Sensor kombinieren“, berichtet Jochen Hübner. Er und sein Team konnten
dabei die für sie wichtigsten Eigenschaften
verschiedener Sensortypen in der modifizierten Variante des ABD06 vereinen.
Zunächst testeten sie verschiedene Standardsensoren. Die Ergebnisse dieser Testreihen lieferten dann die Basis für die Ent-
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2x wöchentlich
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wicklung der applikationsspezifischen Variante. Nicht nur die Sensorelektronik und
-mechanik sondern auch die Sensorfunktionen und -parameter wurden individuell
auf die Anforderungen der großen Eigenbluttherapie und des Ozongeräts angepasst.
Zudem gelang es Sonotec, einen Testeingang und einen 24-V-Schalter zu realisieren. Das Ergebnis war ein Luftblasendetektor, der Sicherheit, Funktionalität und Design in einem Gerät vereint und dafür
sorgt, dass bei der Reinfusion des ozonangereicherten Bluts keine Gasblasen in die
Vene des Patienten gelangen.
Der Sonocheck ABD06 ist eigentlich ein
berührungsloser Luftblasendetektor speziell für industrielle Anwendungen konzipiert. Sonotec entwickelte ihn für die Flüs-
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Bild: Visual Concepts/fotolia.com
Die Produktreihe zur berührungslosen Luftblasendetektion umfasst neben dem Miniatursensor
ABD07 (links) auch den für medizinische Anwendungen konzipierten ABD05 (Mitte) sowie den
Industriesensor ABD06 (rechts).
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elektronikJOURNAL
14:41:10
0626.07.2013
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Sensorik
Ultraschallsensor
Das Hyper-Medozon-Comfort
produziert aus medizinischem Sauerstoff ein Ozon/
Sauerstoff-Gemisch und
kann für verschiedene
Therapieformen zum
Einsatz kommen.
Der modifizierte Luftblasendetektor ABD06 (oben rechts) ist in die Luftfalle
am Infusionsständer des Ozon-Geräts integriert.
sigkeitsüberwachung und Nass-Trockenmeldung in Pipettier- und
Abfüll- sowie Misch- und Dosiersystemen der chemischen oder
pharmazeutischen Industrie. Überdies kommt er zu diesem Zweck
auch in Lackier- und Oberflächenveredelungsanlagen sowie in der
Fettdosierung und bei Klebeprozessen zum Einsatz.
Berührungsloses Messverfahren
Der Sensor schickt ein analoges Signal durch den zu überwachenden Schlauch an den gegenüberliegenden Empfänger. Befindet
sich eine Luft- oder Gasblase im Schlauch, wird das Ultraschallsignal an der Grenzschicht zwischen Luft und Flüssigkeit reflektiert.
Dadurch kommt am Empfänger ein deutlich schwächeres oder
auch gar kein Signal mehr an. Ein Mikroprozessor wertet die Amplitude des am Empfänger eingehenden Ultraschallimpulses aus
und sendet ein definiertes Signal an das angeschlossene Gerät. Das
reagiert je nach Anwendung mit einer zuvor festgelegten Warnmeldung. Die berührungslose Detektion und die kompakte Bauform der Sensoren sind die Grundvoraussetzung für hygienische
und kontaminationsfreie Anwendungen.
Der flüssigkeitsdurchströmte Schlauch wird lediglich in den
Sensor gelegt und über ein dreipoliges Kabel an die Gerätesteuerung angeschlossen. Damit ist ein schneller, reibungsloser Wechsel
gesichert. Ein Koppelmedium ist nicht erforderlich, da der Sensor
nach dem Prinzip der Trockenkopplung arbeitet. Das hat den Vorteil, dass der Schlauch auch über Monate im Detektor bleiben kann
und dennoch zuverlässige Messergebnisse liefert. Ein Koppelmedium wie Gel würde dagegen mit der Zeit austrocknen und dann zu
Problemen führen.
Applikationsspezifisch programmierbar
Die Farbe des durch den Schlauch strömenden Mediums hat keinen Einfluss auf die Messung. Ebenso wenig die Arbeitstemperatur, solange sie im Bereich von +5 bis +60 °C bleibt. Der Ultraschallsensor passt sich dynamisch variierenden akustischen Bedingungen problemlos an und gewährt so eine hohe Stabilität der
Messwerte gegenüber schwankenden Umgebungsbedingungen.
Der Messzyklus der nichtinvasiven Sonocheck-Sensoren liegt bei
200 µs. Die Reaktionszeit beträgt typischerweise 1 ms.
„Wie unsere Kunden bestätigen, erkennen unsere Sensoren sogar Luftblasen mit einem Volumen von kleiner 2 µl. Wir garantieren auf jeden Fall die Detektion von Blasen mit einer Mindestgröße von einem Drittel des Schlauchinnendurchmessers“, sagt Peter
38
elektronikJOURNAL 06/2014
Ködderitzsch. Er ist für den Vertrieb für Sensoren bei Sonotec in
Halle zuständig. Beträgt also der Innendurchmesser des Schlauches beispielsweise 4,9 mm, erkennt der Sensor Blasen ab einem
Volumen von 5 µl bei einem Durchfluss von 1 bis 1000 ml/min.
Die Sonocheck-Sensoren verfügen über einen anwenderspezifisch programmierbaren Mikrocontroller mit erweiterbaren Funktionalitäten, wie Fail-Safe, serielle Kommunikation und Reaktionsgeschwindigkeit. Die Bauform des Sensors ist abhängig vom jeweiligen Schlauchdurchmesser und -material sowie unter Umständen
vom durchströmenden Medium. Ein weiterer Vorteil der Luftblasendetektoren ist ihre freie Parametrierbarkeit: Sie lassen sich an
die jeweilige Sicherheitsroutine, Materialbeschaffenheit, Spannungsversorgung oder Signalausgänge individuell anpassen.
Neben dem ABD06 umfasst die Sonocheck-Produktreihe auch
den ABD05 – einen für medizinische Anwendungen entwickelten Luftblasendetektor – sowie den besonders kompakten Sensor
ABD07. Die Miniaturausgabe des Clamp-On-Sensors ist mit einer Breite von nur 25,4 mm, einer Höhe von 15,75 mm und einer
Tiefe von lediglich 19,0 mm nur halb so groß wie ein herkömmlicher Luftblasendetektor. Bei der Leistung steht er dem größeren
Sensor-Modell jedoch in nichts nach. Mithilfe der einstellbaren
Empfindlichkeit kann der Anwender vorgeben, ab welcher Luftbeziehungsweise Gasblasengröße der Sensor reagieren soll. Bei
kleineren Eingriffen ist ein kundenspezifisch modifizierter Sensor in zirka zwei Wochen verfügbar. Bei umfangreicheren Änderungen kann die Entwicklung aber auch mehrere Monate in Anspruch nehmen.
Für die Medizin maßgeschneidert
Dass Sonotec für das Hyper-Medozon-Comfort von HAB als Basis
den ABD06 und nicht seinen medizinischen Kollegen, den ABD05,
wählte, liegt an der industriellen Steuerung des Ozontherapiegeräts. Damit harmoniert der für industrielle Anwendungen konzipierte ABD06. Im Gegensatz zu seiner Standardausführung fehlen
der HAB-Variante allerdings Deckel und Leuchtdioden. Sonotec
begannen bereits 2010 mit der Prototypenfertigung des Luftblasendetektors für HAB. Ein Jahr später ging der maßgeschneiderte
Sensor dann in Serie. (rao)
n
Die Autorin: Anne-Luise Gellner ist Marketingleiterin bei
Sonotec.
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Sensorik
Highlight
Mit viel Gefühl bei der Sache sein
Rutronik vertreibt die anisotropen magnetoresistiven Nanopower-Sensoren als integrierte Schaltkreise von Honeywell. Sie
weisen eine magnetische Empfindlichkeit
von nur 7 Gauss typisch auf; ihre Stromaufnahme liegt im Nanobereich (360 nA). Gegenüber anderen Magnettechnologien sind
dsiese magnetoresistiven Sensor-ICs bei
gleicher Empfindlichkeit und gleichem
Kostenniveau kleiner, langlebiger und zuverlässiger als Reed-Schalter. Dadurch eignen sie sich für batteriebetriebene Anwendungen, die mit sehr niedriger Leistungsaufnahme und großem Luftspalt agieren
und für die bislang nur Reed-Schalter Einsatz fanden.
Verglichen mit Hall-Sensoren ermöglicht die erhöhte Empfindlichkeit der Nanopower-Sensor-ICs den Einsatz bei einem
doppelt so großen Luftspalt, verbessert die
Design-Flexibilität und reduziert Kosten,
da sich kleinere oder weniger starke Magnete verwenden lassen. Die NanopowerSerie ist in zwei magnetischen Empfind-
lichkeiten erhältlich: SM351LT für extrem
hohe Empfindlichkeiten mit 7 Gauss typisch und 11 Gauss maximal (Betrieb) und
Stromverbrauch von 360 nA typisch; und
SM353LT für sehr hohe Empfindlichkeiten
mit 14 Gauss typisch und 20 Gauss maximal (Betrieb) bei einem Stromverbrauch
von 310 nA typisch. Beide Varianten kommen in einem SOT-23-Subminiaturgehäuse zur SMD-Montage und sind für den
kosteneffizienten Einsatz in Bestückungsautomaten gegurtet auf Rolle lieferbar.
Aufgrund der Omnipolarität lässt sich
der Sensor entweder mit einem Nord- oder
einem Südpol aktivieren, die Polarität des
Magneten muss nicht spezifiziert werden,
was eine vereinfachte Verarbeitung sowie
geringere Systemkosten ermöglicht. Der
Push-Pull-Ausgang (CMOS) benötigt keinen externen Widerstand, wodurch einfacher und kostengünstiger Betrieb möglich
ist. Vom Sensor ausgehende Störungen eliminiert das Design ohne Chopper-Stabilisierung. Die Sensor-ICs eignen sich für
Bild: Rutronik
Anisotrope magnetoresistive Nanopower-Sensoren
Laut Rutronik sind es branchenweit die ersten
anisotropen magnetoresistiven NanopowerSensoren.
batteriebetriebene Anwendungen wie
Wasser-, Gas- und Stromzähler, IndustrieRauchmelder, Sportgeräte, Sicherheitssysteme, Handheld-Computer, Scanner, weiße Ware, Mikrowellen, Kühlschränke und
medizinische Ausrüstung wie Krankenhausbetten, Medikamentenausgabeschränke, Infusionspumpen. (rao)
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Der Biophotonen-Koffer
Neue Wege in der Pferde-Diagnostik und -Therapie
Der genetische Bauplan höher entwickelter Säugetiere unterscheidet sich nicht prinzipiell von dem unsrigen.
Angeblich hat selbst der gemeine Spulwurm noch eine – gelegentlich nachdenklich machende – hohe Über­
einstimmung mit menschlicher DNS. Als Teil der Komplementärmedizin lässt sich deshalb nicht nur bei uns
Menschen, sondern auch in der Behandlung von Pferden die ganzheitlich-systemische Behandlung mittels Biophotonen einsetzen. Aus einer Projektidee EAVET des Unternehmens Dr. Huf Diagnostik hat Santox die kleinste
tiermedizinische Klinik in einem S2000-Aluminium-Zargen-Koffer realisiert.
Autor: Peter Hauser
D
as EAVET-Scanning-System nach Dr. Huf ist ein Diagnostik- und Therapiesystem für die ganzheitliche Medizin bei Pferden. Es arbeitet mit einem bisher einzigartigen Analyseverfahren auf Biophotonenbasis. EAVET
­erkennt dabei frühzeitig Informationsdefizite in der Zell- und Organkommunikation sowie Belastungen des untersuchten Organismus. Als Resultat liefert es dem Therapeuten konkrete Aussagen
über den energetischen Zustand von Organ-, Gewebe- und Zellfrequenzen des Pferdes.
Die Messung erfolgt über einen sogenannten Wave Detector unter der Verwendung eines Triggerungssystems für Photonen. Die
Messresultate stellt ein hochauflösenden Display als virtuelles Organbild dar (Bild 1). Für die Pferde ist dieser Vorgang zwar nicht
direkt spürbar, sie reagieren in aller Regel auf die Behandlung mit
dem EAVET-System jedoch normalerweise erstaunlich gelassen
beziehungsweise spüren intuitiv, dass ihnen bei der Behandlung
geholfen wird.
40
elektronikJOURNAL 06/2014
Der therapeutisch-energetische Ansatz
Viele naturwissenschaftliche Disziplinen befinden sich in einem
Umbruch, der sich in einer Erweiterung von bisherigen, klassischen Denkweisen um neue, ungewohnte zeigt: Ganzheitliche Betrachtungsweisen treten an die Stelle der auf Symptombeseitigung
reduzierten Handlungsweise. Denn für Pioniere und Querdenker
ist längst Fakt: Das statische Konzept allein reicht wohl nicht mehr
aus, um die Welt zu verstehen.
Diesen Ansatz bestätigen beispielsweise Erkenntnisse der Physik. Bereits Einsteins Formel E = mc² zeigt die Äquivalenz von
Energie und Masse. Erkenntnisse der Quantenphysik belegen, dass
jede Materie aus Schwingungen besteht und durch Information
veränderbar ist. Die moderne Chaosforschung sieht beispielsweise in der Gesundheit kein statisches Phänomen, sondern ein dynamisches und harmonisches Gleichgewicht aller Kräfte. Daraus
resultiert andererseits, dass Krankheiten im Grunde ein Ungleichgewicht darstellen.
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Power + Elektromechanik
Gehäusetechnik
Die Entwickler des EAVET-Biophotonen-Systems sind Dr. Helmut Huf (links)
und Klaus Valentiner (rechts).
Bild: fotolia: loya_ya
Die kleinste tiermedizinische Klinik
Teilgebiete der Physik sind die Kybernetik und die Systemtheorie. Werden diese auf lebende Systeme angewendet, spricht man
von Biokybernetik. Der systemische Ansatz lässt viele Sachgebiete
in einem anderen Licht erscheinen. Es lassen sich auf diesem Weg
bisher ungeahnte Dimensionen des Begreifens einer komplexen
Krankheit erschließen. Der Ansatz des anderen Denkens belohnt
den Therapeuten mit größerer Klarheit und einer viel größeren
Übersicht. Auch in der Veterinärmedizin steht meist noch eine
sich rein an der Materie orientierende Sichtweise im Vordergrund
aller therapeutischen Bemühungen. Im einsetzenden Umdenken
jedoch setzt sich immer mehr eine Betrachtung der energetischen
Zusammenhänge durch. Vor diesem Hintergrund sollte der Therapeut nicht im Bereich eines Symptoms, also am letzten Glied einer
Funktionskette, mit der Therapie beginnen. Sondern: Der systemisch-therapeutische Ansatz soll immer an dem zu einer funktionellen Einheit verknüpften Organsystem beginnen und sich nicht
nur darauf reduzieren, für Unwohlsein und Funktionsstörungen
allein Viren und Bakterien die Schuld zu geben.
Zum Erreichen dieses Zieles können Teile des Gedankenguts der
traditionellen chinesischen Medizin (TCM) und Veterinärmedizin
(TCVM) in der Ganzheitsmedizin als Basiswissen einfließen. Viele
Untersuchungen haben die Wirksamkeit der TCM/TCVM und deren Aussagen bestätigt. Auch eine Brücke zur Bach'schen Blütentherapie lässt sich mit EAVET schlagen.
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EAVET unterstützt den Therapeuten auf dem Weg zur ganzheitlichen Gesundheit der Pferde. Dazu besteht das System aus einem
optisch anmutenden, mobilen, für den Outdoor-Einsatz konzipierten Aluminiumkoffer (Bild 2). In den Koffer ist die gesamte
Hard- und Software integriert, funktional angeordnet und für den
Transport sicher verstaut. Im Wesentlichen sind dies:
■ Hochwertiger und robuster Industriecomputer mit SSD-Festplatte (ohne bewegliche Teile).
■ Bildschirm im Koffer-Deckel, der stufenlos in jeder Position
von 0 bis 180° über Friktionsscharniere feststellbar ist.
■ Wave Detector zur Aufnahme und Übertragung der Untersuchungsfrequenzen.
■ Außerdem sind Ein- und Ausgangskammern (Resonanztester,
Activation-Output) zur energetischen Übertragung vorhanden. In
ihnen lassen sich Informationen eines dort eingelegten Stoffes
(beispielsweise ein Medikament) auf seine spezifische Eignung für
die geplante Behandlung untersuchen. Zudem lässt sich in den in
Auf einen Blick
Alternative Medizin
Die Idee die Pferdemedizin um ein Diagnostik- und Therapiesystem
für die ganzheitliche Methode zu bereichern ist eine Sache, die Komponenten aber optimal in einem Gehäuse beziehungsweise Koffer unterzubringen eine andere. Hier besteht die Herausforderung für Gehäusehersteller darin, die Entwicklung von der Konzeption bis zur
Umsetzung zu begleiten und die individuellen Anforderungen, die beispielsweise in der Tiermedizin bestehen, zu erfüllen.
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205ejl0614
elektronikJOURNAL 06/2014
41
1
Bild 1: Die Komponenten wie PC, die Bedienelemente und ein Monitor sind
passgenau integriert. Im Vordergrund steht der Wave Detector.
Bilder: Santox
Power + Elektromechanik
Gehäusetechnik
2
Bild 2: Die kleinste Tierklinik der Welt findet in einem ansprechenden Koffer
S2000 Platz.
4
Bild 4 (oben): Die geöffnete Rückfront lässt den abgeschotteten Bereich für
das Zubehör sowie Resonaztester (rechts) und becherförmigen ActivationOutput erkennen.
3
die Kammer eingebrachten Stoffen (etwa Wasser oder Globuli) eine behandlungsrelevante Schwingungsinformation aufprägen.
Grundsätzlich umfasst die EAVET-Lösung eine systematische
Einweisung in Theorie und Bedienung sowie eine Basisschulung
beim Hersteller.
Die Klinik muss in den Koffer
Ganz im Sinne des Spruchs „Small is beautiful“ ist jedoch kleinsein
also flächesparende Umsetzung eine anspruchsvolle Herausforderung, wenn man ein komplettes System für die Pferdediagnostik in
ein handliches, leicht transportierbares Gehäuse integrieren muss.
Im konkreten Fall bedeutete dies: Die Entwickler von EAVET – Dr.
Helmut Huf und Klaus Valentiner – hatten klare Vorstellungen; alle dafür erforderlichen Komponenten waren bereits von ihnen entwickelt oder als Zukaufteile definiert. Wie aus diesem EinzelteilTohuwabohu jedoch ein funktionales, funktionstüchtiges, aufgeräumtes, fertig verdrahtetes und sofort betriebsbereites, kompaktes
und ansprechendes System entstehen sollte, überstieg zunächst
ihre Vorstellungskraft.
Hier kam Santox als Partner ins Spiel; das Unternehmen betont,
dass es keine Gerätekoffer verkauft, sondern maßgeschneiderte
42
elektronikJOURNAL 06/2014
Bild 3 (links): Das Schnittbild durch Korpus und Deckel zeigt die Maßarbeit
bei der Platzierung der Komponenten. Der von null bis 180 Grad selbsthaltende Deckel ist mit einem Monitor ausgestattet.
Varianten für seine Kunden – je nach Anforderungen – entwickelt.
Bei EAVET startete dies mit der Anwendungsberatung, die die
Größenoptimierung, die Funktionalität und Ergonomie für beste
Bedienbarkeit sowie auch die Bauteileberatung umfasste. Für den
mobilen Betrieb, auch in Stallatmosphäre, musste man Display,
Tastatur mit integriertem Joystick, Anzeige und Bedienelemente
sowohl selbst wasserdicht gestalten als auch den wasserdichten
Einbau in den Koffer ermöglichen.
Vermittlungsdienste
Santox stellte für die Beschaffung der entsprechenden Komponenten den Kontakt zwischen EAVET und Delta Components in
Waldshut her. Beim Aufbau des Koffers schottete man die mit Wasser in Berührung kommenden Teile vom Elektronikbereich ab.
Das traf beispielsweise auch für die in der Frontplatte oberhalb der
Tastatur erkennbare Klappe zu (Bild 3), unter der die Entwickler
das gesamte Zubehör (wie Wave Detector, Kabel, medizinisches
Material) passgenau in Kunststoffformteilen einbetteten.
Im abgeschotteten Kofferbereich sind die spannungführenden
Teile, wie der Industrie-PC, die Leiterplatte und drei Netzgeräte
untergebracht. Letztere sind auf eine abgesicherte, gemeinsame
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Power + Elektromechanik
Gehäusetechnik
230-V-Netzbuchse in der Seitenwand verdrahtet. Der Koffer ist
durchgängig über Schutzleiter geerdet. Das wasserdichte, tageslichttaugliche Display liegt in einer aufwendigen Haltekonstruktion im Deckel eingebaut. Ein Passepartout aus Aluminium mit integrierten Lüftungsschlitzen gibt dem Koffer laut Santox ein professionell-gediegenes Aussehen.
Die Versorgung erfolgt über Kabel, die beim Öffnen und Schließen des Deckels zwangsgeführt werden. Auf der Frontplatte des
Koffers sind links oberhalb der Tastatur der Anschluss für den
Wave Detector und daneben die Kommunikationsanschlüsse nach
außen (USB, LAN) eingebaut.
Eine nicht geringe Herausforderung stellte auch das Wärmemanagement für die Leistungselektronik dar. Santox hat dies über leise laufende Lüfter gelöst, da Pferde bei geringsten Störungen überreagieren oder sich erschrecken können. Aus demselben Grund
wurden auch die Kofferoberflächen entspiegelt, um die sehr genau
Veränderungen wahrnehmenden Fluchttiere nicht zu irritieren.
Zusätzlich besteht für den Fall der Fälle ein lebenslanger Reparaturservice für die Koffer.
In der Praxis: Koffer trifft Pferd
Das Pferd ist eine individuelle Persönlichkeit und kann sich, als
biodynamisches System, durch Schwingungsinformationen beeinflussen lassen. Durch das Abgreifen von Systeminformationen auf
Grundlage einer ganzheitlichen Sichtweise erhält der Therapeut
eine Fülle an Erkenntnissen. Er ist in der Lage, die unsichtbare
Wechselbeziehung von Materie und Schwingungsmuster – und
damit das wahre Erscheinungsbild einer Erkrankung – zu erkennen und zu behandeln.
Santox übernimmt für seine Kunden im Rahmes des Engineering- und Dienstleistungspakets Leistungen wie mechanische Bearbeitungen auf CNC-5- und CNC-7-Achsen-Bearbeitungszentren, Beschriftung, Funktionsprüfung, Beschaffung und Überwachung der Bauteile eines Komplettsystems, 2D- und 3D-Konstruktion des Gehäuses inklusive aller Einbauten (Bild 3 und Bild 4),
Herstellung von Kunststofftiefziehteilen sowie maßgeschneiderten
PE-Schaumstoffteilen, das Wärmemanagement der Elektronik und
individuelle Versandverpackung der Gehäusesysteme. (rao)
■
Infokasten
Wissenswertes zu Biophotonen
Die Bezeichnung Biophotonen verwendet man für diejenigen Lichtquanten, die ein Teil der ultraschwachen Photonenemission biologischer Herkunft sind. Diese Strahlung unterscheidet sich von der Biolumineszenz durch ihre um mehrere Größenordnungen geringere Intensität und durch ihre geringe Quantenausbeute. Als einer der
Pioniere bei der Erforschung des Phänomens der im ultravioletten
Bereich leuchtenden, lebenden Zellen ist Professor Fritz-Albert Popp
anzusehen. Als Biophysiker widmet er sich seit den 1970er Jahren
der Erforschung sogenannter Biophotonen. Popp wiederholte den
Nachweis biologischer Strahlung durch Einzelphotonenmessung,
nachdem dieser mehrere Jahre zuvor von Terence Quickenden in
Australien erbracht worden war. Sein erstes Patent handelte vom
Nachweis der Malignität von Tumorzellen mit Hilfe der Biophotonen,
1975 erschien dazu sein erstes populärwissenschaftliches Buch mit
dem Titel: So könnte Krebs entstehen. Ein theoretischer Ansatz für die
Kommunikation von Zellen, Organen und komplexen lebenden Systemen über Licht war die Überlegung Popps, dass – für die Vielzahl der
gleichzeitig zu übertragenden Informationen der Lebenssteuerung –
die Nervenreizleitung, mit ihrer chemischen Informationsübertragung
über Botenstoffe in den Synapsen, zu langsam und zu schmalbandig
ist. Möglich wird dies jedoch mit der extrem hohen Frequenz des
Lichts – eine Erkenntnis, die Popp nicht mehr losließ. Die moderne
Technik beispielsweise nutzt diese physikalische Gegebenheit mit der
breitbandigen Informationsübertragung per Laserdioden und Lichtwellenleitern. Die Aussagen Popps zur Entstehung der Biophotonen
und ihrer Funktion in Zellen und lebenden Organismen über einem
auf Licht basierendem, zellulärem Informationssystem stoßen – wie
zunächst viele revolutionäre Gedankenansätze – auf die Kritik einer
breiten Wissenschaftsgemeinde.
* Quelle: Marco Bischoff, „Biophotonen, das Licht in unseren Körperzellen“; Wikipedia; G.S. Markom
Der Autor: Peter Hauser war Gründer des Unternehmens
Santox-Industriekoffer und ist im heutigen Unternehmen
verantwortlich für Technik und Entwicklung.
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Der Kopf sagt ja
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r ist Arzt mit Leib und Seele, einem Faible für Maschinenbau und mit großem Erfindergeist: Der Orthopäde und
Medizintechniker Albert Schaeffer. Und er hat eine Vision:
An jeder Universitätsklinik und in jedem Krankenhaus
sollte ein Operationssimulator stehen, an dem Medizinstudenten
und Ärzte schwierige medizinische Eingriffe erlernen und ihre chirurgischen Fähigkeiten sicher trainieren können. „Wenn dieser
Traum Realität werden würde, könnten Ärzte ihre manuelle Geschicklichkeit quasi nebenbei trainieren und viel früher und vor
allem besser ausgebildet am realen Patienten arbeiten“, betont
Schaeffer, der ein Team von Spezialisten zusammenzog und einen
44
elektronikJOURNAL 06/2014
solchen OP-Simulator entwickelte. Dabei ist die ursprüngliche
Idee, chirurgische Eingriffe am PC zu simulieren, gar nicht neu.
Doch die Umsetzung in Form eines an die Größe und das Fachgebiet des jeweiligen Operateurs anpassbaren 3D-Simulators mit
Echtzeit-Visualisierung ist es schon.
„Die Idee mit dem wechselnden Mensch-Maschine-Interface
habe ich bei der X-Box meiner Kinder abgeschaut. Auch da gehört
zu jeder Sportart, die man auf der Konsole spielen kann, dass passende Interface“, erklärt Albert Schaeffer. Er übertrug diese Idee
auf seinen OP-Simulator. Auf diese Weise lässt sich ein- und dasselbe Grundgerät mit wechselnden Interfaces und Softwarepro-
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Bild fotolia: Lassedesignen
Ein für zahlreiche medizinische Fachbereiche geeigneter Operationssimulator trainiert die Fähigkeiten junger
Ärzte für medizinische Eingriffe und verbessert ihr manuelles Geschick. Für realitätsnahe Situationen sorgen
elektrisch verstellbare Hubsäulen für eine ergonomische Höhenanpassung. Auch bei Mammographie- und
Biopsie­stühlen ist diese Form der Höhenanpassung nicht mehr wegzudenken. RK Rose+Krieger zeigt im folgenden Beitrag worauf es dabei ankommt.
Autor: Bernd Klöpper
Power + Elektromechanik
Antriebstechnik
Die Produktgruppe der
RK-Powerlift-Hubsäulen im
Classic-, Wave- und TechnikDesign (von li. nach re.).
Der Patientenstuhl für den Transport und die Lagerung
von Patientinnen für Mammographie-Untersuchungen
und stereotaktische Eingriffe von Akrus basiert auf der
RK-Powerlift-M-Hubsäule.
grammen für zahlreiche Fachbereiche und
Eingriffe an virtuellen Patienten – egal ob
männlich, weiblich, erwachsen oder Kind
– nutzen. Diese Vielseitigkeit hat noch einen weiteren Vorteil: das Gerät amortisiert
sich schneller als vergleichbare Simulatoren, die nur auf ein spezielles Fachgebiet
ausgerichtet sind.
Ergonomisch höhenverstellbar
Die Basis des Simulators bildet eine höhenverstellbare, elektrisch angetriebene Hubsäule. Sie besitzt Haltevorrichtungen für
den Monitor sowie die unterschiedlichen
Mensch-Maschine-Interfaces (HMIs). Bei
der Suche nach den geeigneten Lieferanten
für die Hardware seines OP-Simulators erlebte Albert Schaeffer zunächst einige Enttäuschungen, bevor er bei RK Rose+Krieger
die Technik kombiniert mit der Bereitschaft, flexibel auf seine Wünsche einzugehen, antraf.
Der Mindener Anbieter von Linear-,
Profil-Montage-, Verbindungs- und Modul-Technik wählte für die Höhenverstellung eine elektrisch verfahrbare Hubsäule
vom Typ RK Powerlift M. Bei der Gestaltung des Tragrahmens von Monitor und
Interface entschied sich Schaeffer für zwei
Blocan-Aluminiumprofile der Baugröße 40
× 40 und ein Profil der Baugröße 40 × 160
mit glatter Außenfläche. Die Hubsäule und
der Tragrahmen dienen der ergonomischen Anpassung an den jeweiligen Nutzer
des Geräts und an die Operationssituation:
Einige Operationen wie beispielsweise chirurgische Eingriffe im Bauchraum führt
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der Arzt im Stehen durch. Andere dagegen
– wie kieferchirurgische Eingriffe – im Sitzen. Damit unterscheidet sich der Simulator maßgeblich von anderen bereits auf
dem Markt verfügbaren Geräten.
Für die Medizintechnik entwickelt
Die von Albert Schaeffer gewählte elektrisch verstellbare Hubsäule gehört zu einer
Produktreihe mit insgesamt drei Grundmodellen in wahlweise drei Design-Ausführungen (Classic, Wave und Technic):
■ RK Powerlift Z für hohe Momente und
Hubgeschwindigkeiten.
■ RK Powerlift S für mittlere Momente
und Hubgeschwindigkeiten.
■ Der speziell auf medizintechnische Anwendungen zugeschnittene, leise RK
Powerlift M.
Speziell der Hubsäulentyp Powerlift M war
von RK Rose+Krieger erstmals für Akrus
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Eingriffe am menschlichen Körper vorzunehmen sollte fachkundig erfolgen; hier
stellt die PC-basierte Simulation eine gute
Lernmethode für angehende Ärzte dar.
Elektrische Hubsäulen unterstützen beim
Anpassen des Gerätes an den Mediziner
und an die Operationssituation; je nach Art
der OP ist es besser im Sitzen oder im Stehen zu arbeiten.
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Bilder: RK Rose+Krieger
Power + Elektromechanik
Antriebstechnik
Das Interface zur Simulation eines laparaskopischen Eingriffs lagert auf den sogenannten
Blocan-Profilen; die Anpassung an die Körpergröße des Operateurs erfolgt über die Hubsäulen
und Tragrahmen.
Auch die Simulation von feinmotorischen
Operationen wie kieferchirurgische Eingriffe, die
der Arzt im Sitzen durchführt, ist dank elektrischer Höhenverstellung und dem entsprechenden
Force-Feedback-Interface möglich.
Medizintechnik, einem Hersteller von höhenverstellbaren Mammographie- und Biopsiestühlen, entwickelt worden. „Wir suchten
damals ein verdrehsteifes Hubelement mit guten mechanischen
und linearen Führungseigenschaften. Dabei schwebte uns eine
leistungsstarke, teleskopierende Hubsäule mit rechteckigem Querschnitt vor. Sie sollte ein ansprechendes Äußeres mitbringen und
vor allem leise sein“, erläutert Kersten Indorf, der technische Leiter
bei Akrus. Er forderte für die Säule eine Hubkraft von 1500 bis
2000 N und eine hohe Drehmomentsteifigkeit. Akrus verbaut heute in seinen Produkten den RK Powerlift M im Wave-Design. Auch
Albert Schaeffer wählte diese Gestaltungsvariante, die den Anforderungen entsprach.
Kundenspezifische Anpassungen
In beiden Fällen besteht der Antrieb der Hubsäule aus einer kompakten und integrierten Motor-Spindeleinheit. Bei einer Hubgeschwindigkeit von 13 mm/s erreicht sie Verstellkräfte von 1500 N.
Der RK Powerlift M besitzt eine rechteckige Grundfläche, die
190 × 150 mm misst. Er lässt sich ­gleichermaßen auf Zug und
Druck belasten. Damit ist er auch für die Überkopfmontage an
Raumdecken geeignet. Die volle Last beträgt 150 kg.
Passend dazu sind statische Abstützmomente von bis zu 400 Nm
zulässig und geben Reserven für Anwendungen, in denen die Säule allein Einsatz finden soll. Spezielle Führungsgleiter mit einer
erhöhten Auflagefläche erlauben diese hohen Momente. Auf kostenintensive Wälzläger lässt sich daher verzichten. Der RK Powerlift M ist derzeit in den Standardhüben 300, 400 und 500 mm sowie
für Netzspannungen von 230, 115 oder 24 V lieferbar. Zukünftig
soll die Hubsäule dann auch mit einem Schaltnetzteil mit Weitbereichseingang zur Verfügung stehen. Kundenspezifische Anpassungen der Hublängen sind möglich.
So verbaut Akrus beispielsweise neben RK-Powerlift-M-Hubsäulen mit dem Standardhub von 300 mm auch solche mit Hüben
von 160 und 200 mm. Wie ihre größeren Verwandten auch lassen
sich mehrere RK-Powerlift-M-Hubsäulen synchronisieren. Die
Synchron-Ausführung der integrierten Steuerung kann über ein
Bussystem bis zu acht RK Powerlift M gleichzeitig ansteuern. Für
46
elektronikJOURNAL 06/2014
Hubsäule und Tragrahmen dienen der ergonomischen Anpassung an den Nutzer des Geräts und
an die Operationssituation: Operationen wie
chirurgische Eingriffe im Bauchraum erfolgen im
Stehen.
Anwendungen im Medizintechnikbereich liefert RK Rose+Krieger
den RK Powerlift M mit interner Start-/Stopp-Steuerung sowie externer Ansteuerung über Multi-Control. Damit kann Albert
­Schaeffer beispielsweise robotergestützte Operationen realitätsgetreu simulieren. Die Versionen sind für die seit 2012 gültige 3rd
Edition der IEC 60601-1 geprüft.
Vielseitiger Profilbaukasten
Die Aluminiumprofile für den Interface-Tragrahmen des OP-Simulators suchte sich Albert Schaeffer aus dem Blocan-Profilsystem aus, da dieses laut dem Hersteller RK Rose+Krieger bei großer ­Flexibilität auch ein ansprechendes Design hat und dazu beiträgt, die Werthaftigkeit eines Produktes zu vermitteln. Das Blocan-Profilsystem umfasst mehr als 110 verschiedene Profilgrößen
und -querschnitte sowie Zubehör. Dazu zählen Konstruktionsprofile mit allseitigen Befestigungsnuten aus dem Grundbaukasten ebenso wie Funktionsprofile mit glatter Außenfläche an einer,
mehreren oder allen Seiten – beispielsweise das von Schaeffer
gewählte Profil der Baugröße 40 × 160. Letztere eignen sich für
Anwendungen mit hohen Ansprüchen an Design, Hygiene und
Reinigungsfähigkeit.
Neben Standard- und Schwerlastprofilen stehen auch 20 mm
kleine Profile der Baureihe M-Blocan für kleinere Aufbauten mit
filigranem Erscheinungsbild zur Verfügung. Mit einer Nutenbreite
von 6 mm ist die kleine Zwanziger-Profilbaureihe geeignet für
Konstruktionen mit geringeren Belastungen. Sämtliche Profile
sind miteinander und mit anderen RK-Produkten – im vorliegenden Beispiel den Hubsäulen – kombinierbar und schaffen damit
viele Anwendungsmöglichkeiten.
Für Albert Schaeffer ist die Arbeit am OP-Simulator noch lange
nicht beendet. In der zweiten Auflage des Geräts will er die Hubsäule, den Simulatorfuß und die Recheneinheit in eine elegante
Verkleidung integrieren. (rao)
n
Der Autor: Bernd Klöpper ist als Marketingleiter
bei RK Rose+Krieger in Minden tätig.
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Power + Elektromechanik
Highlights
Immer schön mobil bleiben
Leistungsstarke Akkus für medizinische Geräte
Die Akkuserie CMX wird auf der Compamed 2014
in Düsseldorf vorgestellt.
den Markt der portablen Handheld-Geräte. „Die CMX-Serie vereint hohe Spannung, hohe Leistung und intelligente Akkufunktionen in einem Paket, das über die
strengen Anforderungen hinausgeht, die
an für medizinische Geräte bestimmte Akkus gestellt werden“, erklärte Rob Phillips,
Managing Director bei Accutronics in
Newcastle-under-Lyme, UK. „Der Markt
der medizinischen Geräte verzeichnet zur
Zeit ein rasantes Wachstum und die CMXSerie eröffnet enorme Möglichkeiten für
OEMs, die Geräte für lebenskritische Anwendungen zu entwickeln.“
Laut Accutronics wird die Einführung
bei Erstausrüstern im medizinischen Bereich auf Interesse stoßen. Zu den bisheri-
gen Produkten des
Herstellers zählen
ein kreditkartengroßer Akku für
portable medizini- Rob Phillips ist Managing
sche Handheld-Ge- Director bei Accutronics
räte und ein Multi- in Newcastle-underLyme.
Akkusystem
zur
Stromversorgung
von medizinischen Gerätewagen. Die Produkte gehören zur anpassbaren EntellionSerie, die mit algorithmenbasierten Sicherheitsfunktionen die Verwendung unautorisierter Nachahmer-Akkus verhindern.
(rao)
n
Bilder: Accutronics
Auf dem sich schnell verändernden medizinischen Markt stehen Entwicklungen wie
Portabilität und Einsatz von Geräten ohne
Netzstrom durch Ärzte und Notdienste
derzeit im Mittelpunkt. Accutronics fertigt
dafür intelligente Akkus für Branchen wie
Medizin, Verteidigung, Industrie sowie
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Hübsches Spital gesucht
MTM Power stellt seine TDA-Med-Serie
für medizintechnische Applikationen vor.
Die AC/DC-Steckernetzteile entsprechen
den Normen EN-60-950, EN-60-601-1,
EN-55-011 Class B, UL-60-950 und UL60-601. Mit hoher Packungsdichte und Abmessungen von 80,6 × 47,9 × 43,3 mm3
(TDA-Med15-S) beziehungsweise 108,67 ×
61,98 × 36,7 mm3 (TDA-Med30-S) erfüllen
sie Stromversorgungsaufgaben im Leistungsbereich bis 30 W. Die Serie TDAMed15-S mit einer Ausgangsleistung von
10 bis 15 W steht in den Single-Ausgangs-
spannungen von 5, 12, 15 und 24 VDC zur
Verfügung. Die Steckernetzteile TDAMed30-S liefern bei Ausgängen von 5, 9,
12, 15, 18 und 24 VDC eine Leistung von 20
bis 30 W. Die Ausgangsspannung der TDAMed ist kurzschluss- und leerlauffest. Die
Serien sind mit Überspannungsschutz ausgestattet. Der Eingang von 90 bis 264 VAC
deckt alle vorhandenen Eingangsspannungen ab. Die Serien sind mit austauschbaren
AC-Steckern erhältlich. (rao)
n
infoDIREKT 222ejl0614
Bild: MTM Power
Steckernetzteile für Anwendungen in der Medizintechnik
Die Steckernetzteile TDA-Med30-S liefern bei
Ausgängen von 5, 9, 12, 15, 18 und 24 VDC eine
Leistung von 20 bis 30 W.
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Mensch-Maschine-Interface), thermoplastische Spritzgussteile und Blechteile beziehungsweise Baugruppen, integrierte Modelle für Einschub- und Tischgehäuse,
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Dies sichert die Verfügbarkeit von Produkten und gibt Kunden die Möglichkeit, auf
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Bild: Polyrack
Gehäuse für die Medizintechnik
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nation aus Blechbiege- und Profiltechnik sowie
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elektronikJOURNAL 06/2014
47
Power + Elektromechanik
Überstromschutz
Schutzengel für medizinische Geräte
Von Schutzschaltern und Schmelzsicherungen zum Überstromschutz
Bild: fotolia: umberto leporini
Beim Thema Überstromschutz stellt sich für Hersteller medizinischer Geräte und Anlagen die Frage: Sicherung
oder Schutzschalter? Die hierfür zuständige Medizingerätenorm DIN-EN-60601-1 akzeptiert beide Absicherungselemente. Die Unterschiede in der praktischen Anwendung sind jedoch erheblich.
Autor: Thomas Schmid
D
ie grundsätzlichen Anforderungen an die Basissicherheit
medizinisch-elektrischer Geräte (ME) einschließlich ihrer wesentlichen Leistungsmerkmale sind in der internationalen Norm DIN EN 60601-1 (VDE 0750-1):2013-12
festgelegt. Sie regelt in Abschnitt 8.11.5 explizit auch die Anforderungen an den Überstromschutz. Die Norm schreibt in diesem
Kapitel vor, dass die Absicherung aller ME-Geräte der Schutzklasse
I und der Schutzklasse II mit Funktionserdanschluss ausnahmslos
allpolig erfolgen muss. Für ein ME-Gerät, das beispielsweise bei
einphasiger Netzspannung 230 VAC betrieben wird, heißt das in
diesem Fall: Es muss sowohl im Außenleiter als auch im Neutralleiter ein Überstromschutz vorhanden sein. Die Art des Überstromschutzes ist normativ allerdings nicht vorgegeben. Es steht
Geräteentwicklern also offen, ob sie Schmelzsicherungen oder
Schutzschalter einsetzen.
48
elektronikJOURNAL 06/2014
Detail mit großen Auswirkungen
Hersteller von ME-Geräten haben drei Möglichkeiten, den Überstromschutz zu realisieren:
■■ Zwei Schmelzsicherungen
■■ Zwei einpolige Schutzschalter
■■ Ein zweipoliger Schutzschalter
Die Problematik liegt nun darin, dass die drei Lösungen nicht die
gleiche Sicherheit liefern. Ein häufig übersehener Aspekt ist, dass
beim Einsatz von Schmelzsicherungen und einpoligen Schutzschaltern im Überstromfall in aller Regel nur eine einpolige galvanische Trennung erfolgt. Das liegt daran, dass im Fehlerfall toleranzbedingt immer nur das leicht flinkere Überstromelement auslöst, während das etwas trägere Zwillingsgerät im Ein-Zustand
bleibt. Sicherer ist daher der zweipolige Schutzschalter, denn nur
der führt im Fehlerfall ausnahmslos eine echte zweipolige galvaniwww.elektronikjournal.com
Power + Elektromechanik
Überstromschutz
Netzschalter und Überstromschutz kombiniert
Gemäß IEC EN 60601-1 Abschnitt 8.11.1 muss jedes ME-Gerät
darüber hinaus über eine Vorrichtung verfügen, durch die die
Stromkreise all-polig sind und sich gleichzeitig vom Versorgungsnetz trennen lassen. Dafür eignen sich mehrpolige Kombischutzschalter wie die zweipoligen Wippschutzschalter des Typs 3120
von ETA. Sie übernehmen in ME-Geräten, die mit Wechselstrom
arbeiten, nicht nur die Funktion eines zweipoligen Schutzschalters,
sondern gleichzeitig auch die eines zweipoligen Netzschalters.
Für Hersteller von ME-Geräten führt diese Kombination zu reduziertem Montage- und Verkabelungsaufwand sowie weniger
Platzbedarf. Denn schließlich ist nur eine einzige Komponente für
die beiden Funktionen Ein-/Aus und Überstromschutz zu verbauen. Hinzu kommt eine höhere Gesamtzuverlässigkeit, da weniger
Einzelbauteile auch weniger Fehlerquellenbedeuten. Und zu guter
Letzt vereinfachen weniger Bauteile auch die Einkaufslogistik.
Die IEC EN 60601-1 fordert auch, dass bei Stromversorgungsschaltern die Stellungen „Ein“ und „Aus“ eindeutig erkennbar sein
müssen (siehe Abschnitt 7.4.1 Netzschalter). Diese Forderung erfüllen Wippschutzschalter von ETA gleich doppelt. Zum einen
sind sie klar nach Norm beschriftet, zum anderen auf Wunsch zusätzlich mit Beleuchtung lieferbar. Ist das Gerät eingeschaltet, so
signalisiert die Beleuchtung eindeutig die Betriebsbereitschaft.
Kein Sicherungswechsel
Gegenüber Schmelzsicherungen haben Geräteschutzschalter außerdem den entscheidenden und grundsätzlichen Vorteil, dass sie
sich nach einer Auslösung sicher, schnell und vor allem werkzeuglos wieder einschalten lassen. Ein Auswechseln durchgebrannter
Sicherungen entfällt. Das spart Zeit und häufig auch Nerven, denn
nicht immer sind passende Ersatzsicherungen sofort zur Hand.
Ein Vorteil, der gerade in der Medizintechnik zählt, denn Gerätestillstände müssen hier auf ein absolutes Minimum beschränkt
sein. Nicht auszudenken wenn etwa die Sicherung eines Inkuba-
Auf einen Blick
Dem Strom entgegen
Als Absicherungselemente gegen Überstrom kommen entweder
Schmelzsicherungen oder Schutzschalter zum Einsatz. Letztere weisen aber gleich mehrere nicht unerhebliche Vorteile auf. So verhindern Schutzschalter Potenzialverschleppungen durch echte zweipolige galvanische Trennung, haben die geforderte Betriebsbereitschaftsanzeige und übernehmen zusätzlich die Funktion eines Netzschalters.
Außerdem lassen sie sich nach dem Auslösen einfach wieder einschalten und vorab ausgiebig testen.
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www.elektronikjournal.com
203ejl0614
Oben: Für die drei
Funktionen Ein, Aus
und Überstromschutz reicht ein
mehrpoliger Wippschutzschalter als
einzelne Komponente völlig aus.
Rechts: Die
zweipoligen
Schutzschalter
erfüllen auch die
Funktion eines
zweipoligen
Netzschalters.
Bilder: ETA
sche Trennung durch und verhindert dadurch gefährliche Potenzialverschleppungen in ME-Geräten.
tors abschmilzt und eine Ersatzsicherung nicht sofort auffindbar
ist. Außerdem lösen Schutzschalter nur aus, wenn tatsächlich ein
schädlicher Überstrom auftritt, denn sie ändern ihre Auslösecharakteristik – auch über lange Zeit – so gut wie nicht. Anders sieht
es bei Schmelzsicherungen aus: sie altern und werden mit der Zeit
flinker. Verantwortlich hierfür sind Stromspitzen, die den Schmelzleiter vorschädigen und die Schmelzsicherung damit unberechenbar machen. Als Folge davon können Schmelzsicherungen Alarm
schlagen, ohne dass schädlicher Überstrom vorliegt. Dabei gilt gerade in der Medizintechnik die Aussage, dass jeder falsche Alarm
eindeutig einer zu viel ist.
Ein häufig übersehener Aspekt ist auch, dass sich Schutzschalter
vor Auslieferung verlässlich testen lassen. Bei der Produktion von
Schmelzsicherungen nimmt man nur Stichproben und testet sie
auf ihre Auslösewerte hin. Eine Funktionsprüfung einer Schmelzsicherung ist sozusagen per Definition unmöglich, da sie zur Zerstörung führen würde. Schutzschalter dagegen kann man werkseitig Pol für Pol kalibrieren und prüfen. Damit liefern Schutzschalter
laut ETA ein Maximum an Sicherheit.
DEHP-freier PVC-Schutz
In der Medizintechnik eingesetzte Netzschalter benötigen oftmals
aus hygienischen Gründen eine transparente Schutzkappe. KombiSchutzschalter von ETA sind daher optional mit unterschiedlichen
Schutzkappen lieferbar. Zur Wahl stehen Ausführungen aus Silikon und PVC; ihre maximale Schutzklasse entspricht IP66. Besonders erwähnenswert in diesem Zusammenhang ist auch, dass ausnahmslos alle PVC-Schutzkappen vollständig DEHP-frei (Diethylhexylphthalat) sind, also keine schädlichen Weichmacher enthalten. Dies ist insbesondere in der Medizintechnik von hoher
Relevanz, denn viele Zulassungsstellen wie etwa der TÜV akzeptieren nur noch DEHP-freie Kappen. (rao)
■
Der Autor: Thomas Schmid ist Produktmanager in der
Produktsparte Industry, Energy & Equipment bei ETA in Altdorf.
elektronikJOURNAL 06/2014
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Bilder: Schurter
Bild fotolia: Syda Productions
Power + Elektromechanik
Stromzuführung
1
Bild 1: Medizinische Versorgung zuhause
ist günstiger aber auch risikoreicher.
Sicherheitsliebende Verbindung
Gerätestecker-Kombielemente erfüllen IEC 60601-1-11 mit Schutzklasse II
Soll medizinische Versorgung zuhause beim Patienten stattfinden, sind kleine, portable und effiziente medizinische Geräte und Apparaturen mit einfacher Handhabung gefragt. Wichtig sind hier aber Schutzmaßnahmen wie
eine sichere Stromzuführung und die Störsicherheit bei Verbindungselementen.
Autor: Herbert Blum
E
ine alternde Bevölkerung und steigende Gesundheitskosten sind, vor allem in Nordamerika aber vermehrt auch in
Europa, ein dringliches Thema. Um hier Krankenhauskosten einzudämmen, geht der Trend immer mehr hin zur
medizinischen Versorgung in den eigenen vier Wänden. Immer
kleinere, portablere und effizient arbeitende Medizingeräte machen dies möglich. Der verkürzte Aufenthalt von Patienten in den
überlasteten Krankenhäusern und Kliniken ermöglicht es, Kosten
im Gesundheitswesen zu sparen. Eine weitere Konsequenz davon
ist jedoch, dass nicht mehr geschultes Personal in kontrollierter
Krankenhausumgebung die Medizingeräte bedient, sondern ein
Mensch ohne medizinische Ausbildung.
Um die damit einhergehenden Risiken zu minimieren, gibt es
spezielle Schutzmaßnahmen, die die medizinischen elektrischen
Geräte im häuslichen Umfeld einhalten müssen (Bild 1). Als wichtige Ergänzungen zur Basisnorm IEC 60601-1 für Medizingeräte
beschreibt die IEC 60601-1-11 die speziellen Anforderungen an
50
elektronikJOURNAL 06/2014
medizinische Heimgeräte. Die Entwickler solcher Geräte beziehungsweise Komponenten müssen, neben den Vorschriften zur
Kennzeichnung (einfache Bedienung) und der Dokumentation
(das sind zum Beispiel verständliche Bedienungsanleitungen), hohe Anforderungen bezüglich der Sicherheit ihrer Produkte beachten. Insbesondere bei der Auswahl der richtigen Stromversorgung
müssen sie besondere Vorsicht walten lassen.
Die Anforderungen an medizinische Heimgeräte gemäß der
Norm IEC 60601-1-11 sind im Überblick folgende:
■■ Geänderte Umgebungsbedingungen (häusliches Umfeld)
■■ Schutzklasse II
■■ Mindestens Schutzart IP21
■■ Verschärfte Schock- und Vibrationstests
■■ Prüfungen mit Prüffinger für Kinder
Sehr wichtige Aspekte sind sicher die Verpflichtung zu Schutzklasse II und die sich daraus ergebenden Auswirkungen auf die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).
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Bild: Shutterstock
Power + Elektromechanik
Stromzuführung
2
5
Bild 2: Baureihe 5008: das C8-GerätesteckerKombielement mit Netzfilter.
3
Bild 3: Das Symbol für die Schutzklasse.
Bild 4: Der Gerätestecker C8.
4
Bild 5: Das C18-Gerätestecker-Kombielement
5707 mit V-Lock-Verriegelungssystem.
Sichere Stromzuführung
Stromnetze im Haushalt sind, im Gegensatz zu
den Installationen in Krankenhäusern, nicht immer zuverlässig oder es liegt eine unzureichende
Erdung vor. Diese Mängel soll ein Medizingerät
im häuslichen Einsatz kompensieren, ohne den
Betrieb zu stören. Daher mussen die Geräte
zwingend in Schutzklasse II ausgeführt sein.
Schutzklassen definieren Maßnahmen, die gegen berührungsgefährliche Spannungen schützen. Betriebsmittel mit Schutzklasse II haben eine verstärkte Isolierung zwischen Netzstromkreis und Ausgangsspannung beziehungsweise
Metallgehäuse. Zudem haben sie meist keinen
Anschluss an den Schutzleiter. Selbst wenn sie
elektrisch leitende Oberflächen aufweisen, sind
sie durch eine verstärkte Isolierung vor Kontakt
mit anderen spannungsführenden Teilen geschützt. Das Zeichen für Schutzklasse II symbolisiert zwei Isolationsschichten und ist auf allen
Schutzklasse-II-Geräten aufgebracht (Bild 3).
Die Schutzisolierung muss entsprechend der all-
Auf einen Blick
Dem Schutzengel verbunden
Erhebliche Schutzmaßnahmen sind für medizinische elektrische Geräte im häuslichen Umfeld
festgelegt. Hier kommt ergänzend zur Basisnorm
IEC-60601-1 die IEC 60601-1-11 ins Spiel. Sie
definiert die Anforderungen, die medizinische
Heimgeräte erfüllen müssen. Verschiedene Gerätestecker-Kombielemente von Schurter entsprechen der Norm IEC 60601-1-11; sie genügen damit der Schutzklasse II.
infoDIREKT www.elektronikjournal.com
209ejl0614
gemeinen Norm IEC 61140 für den Schutz gegen elektrischen Schock verstärkt oder gegenüber Schutzklasse I doppelt ausgeführt sein. Eine zweite Isolation bei der Stromzuführung ist
eine häufig eingesetzte Variante. Auch doppelte
Abstände der Luft- und Kriechstrecken für alle
spannungsführenden Kontakte bewirken eine
doppelte Isolation.
Dies stellt sicher, dass die zwei Leiter, bestehend aus Phasen- und Neutralleiter, gegenüber
allen anderen berührbaren Flächen genügend
isoliert sind. Sind die berührbaren Flächen elektrisch leitend, müssen auch die Abstände und
Isolationen doppelt ausgeführt sein. Die Luftund Kriechabstände für Schutzklasse I sind
4 mm zwischen spannungsführenden Leitern
und Metallgehäuse oder Erdleiter. Mit Schutzklasse II verdoppelt sich der Wert, was 8 mm
zwischen spannungsführenden Leitern und beispielsweise einem Metallgehäuse entspricht
(Bild 2). Für Geräte mit Leistungen bis ungefähr
500 W eignet sich ein C8-Gerätestecker mit
2,5 A maximalen Nennstrom.
Dazu gibt es passende Anschlusskabel mit
dem zweipoligen Eurostecker (Bild 4). Für medizinische Geräte mit größeren Leistungen gibt
es den C18-Gerätestecker nach entsprechender
IEC-Norm bis zu einem Nennstrom von 10 A
(Bild 6). Für medizinische Geräte im Hausgebrauch empfiehlt es sich, eine Kabelzugsentlastung vorzusehen. Dieser verhindert ein unbeabsichtigtes Herausziehen des Kabels (Bild 5).
EMV für medizinische Heimgeräte
Da Laien medizinische Geräte im Haushalt bedienen, gibt es besonders hohe Anforderungen
an die Störungssicherheit. Dazu gehört auch das
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Stromzuführung
7
Bild 8: Der Gerätesteckerfilter ist,
gemäß Schutzklasse II, von der
Rückseite auf ein
innen metallisiertes Kunststoffpanel montiert.
8
6
Bild 6: Der Gerätestecker C18.
Bild 7: Baureihe 5120:
Ein IEC-C18-Gerätestecker mit EMV-Filter.
Sicherstellen der elektromagnetischen Verträglichkeit. Schaltnetzteile versorgen heutzutage die meisten Geräte mit Strom. Sie sind
für die weltweit verschiedenen Netzspannungen geeignet und weisen einen hohen Wirkungsgrad auf, der sich durch schnelle Schaltvorgänge bedingt. Aber gerade das verursacht jedoch große Störungen, welche sich auf der Netzleitung messen lassen. Die EMVNormen sehen Grenzwerte für leitungsgeführte und gestrahlte
Störspannungen vor. Dies ist Voraussetzung für das Einhalten der
EMV-Normen, was wiederum nötig ist für das CE-Konformitätszeichen. Wegen den durch die moderne Elektronik verursachten
Störungen, empfiehlt sich der Einsatz eines Filters. Ein Filter lässt
sich diskret auf der Leiterplatte aufbauen oder als Block- beziehungsweise Gerätesteckerfilter einsetzen.
Da bei Schutzklasse II normalerweise der Erdleiteranschluss
fehlt, muss das Filter ohne Kondensatoren gegen Erde auskommen. Diese sogenannten Y-Kondensatoren finden in den meisten
Filterschaltungen gerne Verwendung, weisen sie doch eine gute
Dämpfung im höheren Frequenzbereich auf.
Die beiden Dämpfungskurven des gleichen Filters mit (Standard) und ohne Y-Kondensatoren (Schutzklasse II) zeigen deutlich
den Dämpfungsverlust für die asymmetrische Dämpfung im Frequenzbereich größer als 1 MHz (Bild 9). Der Dämpfungsverlust
lässt sich mit mehr Induktivität oder mit dem Anbringen von
Klemmferriten auf das Stromkabel kompensieren. Doch das ist
nicht sehr praktikabel und nur beschränkt möglich. Deshalb empfiehlt es sich, Störungen in diesem Frequenzbereich möglichst nah
an der Störquelle zu bekämpfen. Im Sekundärkreis eignen sich dazu Kondensatoren, welche an die interne Masse angelegt werden.
Auch lineare Drosseln können geeignet sein, allerdings haben sie
nur einen beschränkten Frequenzbereich.
Passende Schirmung
Entstehen im Gerät Störungen in einem hohen Frequenzbereich
jenseits von 30 MHz, sollte man zusätzlich zum Eingangsfilter eine
Abschirmung vornehmen. Lässt sich die hochfrequente Störquelle
von der restlichen Elektronik räumlich trennen, empfiehlt es sich,
sie durch ein Metallgehäuse abzuschirmen. Ist dies nicht möglich,
sollte man das ganze Gerät abschirmen, was jedoch nicht ganz einfach ist, da Schutzklasse-II-Geräte normalerweise kein Metallgehäuse haben. Stattdessen kommt ein Kunststoffgehäuse zum Einsatz, das sich aber auch sehr wirkungsvoll abschirmen lässt, indem
man es an der Innenseite metallisiert. So bleibt außen der angenehme Kunststoff erhalten und innen ist ein vollflächiger Schirm vorhanden (Bild 7). Wird ein Gerätestecker mit eingebautem Filter
verwendet, empfiehlt es sich, ihn von innen zu montieren. Dabei
52
elektronikJOURNAL 06/2014
9
Bild 9: Asymmetrische Dämpfungskurven: 1-A-Filter mit Y-Kondensatoren
(obere Linie) und ohne Y-Kondensatoren (untere Linie).
liegt der Metallflansch des Filters direkt auf der Abschirmung im
Inneren des Kunststoffgehäuses und sichert so eine möglichst
komplette Schirmung. Dabei gilt es für den Entwickler zu beachten, dass der elektrisch leitende Schirm gegenüber den spannungsführenden Leitern doppelt isoliert sein muss. Ein Steckerfilter der
Schutzklasse II erfüllt diese Anforderung bereits. Das Steckerfilter
gewährt zusammen mit der Gehäuseschirmung eine sehr breitbandige Dämpfung. Damit sind die Grundlagen für einen erfolgreichen Nachweis der EMV-Konformität gegeben (Bild 8).
Normkonforme Kombistecker
Schurter hat diverse Gerätestecker-Kombielemente im Produktportfolio, welche den Anforderungen der Norm IEC-60601-1-11
entsprechen und damit Schutzklasse II genügen. Solche Gerätesteckerfilter in Schutzklasse-II-Ausführung sind mit einem Hochspannungstest von 4000 V geprüft. Hundert Prozent der gefertigten Bauteile testet Schurter in der Endprüfung zwischen spannungsführenden und berührbaren leitenden Teilen. Beispiele für
leitende Teile sind etwa die Filter-Abschirmung oder das MontagePanel. Die Gerätestecker-Kombielemente sind zudem geschützt
gegen feste Fremdkörper mit Durchmesser ab 12,5 mm, gegen den
Zugang mit einem Finger und haben einen Schutzgrad von IP40.
Es empfiehlt sich, sie versenkt ins Gehäuse einzubauen, um auch
einen Tropfwasserschutz gemäss IP21 zu erreichen. (rao)
n
Der Autor: Herbert Blum ist Product Manager EMV
bei Schurter in Luzern.
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Umfangreiche Zertifikate-Sammlung
chen Ausgangsleistung von 6 W einstellen.
Das Produkt erfüllt die Energy-Star-Anforderungen für Nordamerika, NRCAN für
Kanada, EuP und andere internationale
Anforderungen an Level-V-Energieeffizienz. Die GTM43033-Serie hat regulierten
Output mit geringer Restwelligkeit, eingebauten Überstrom-, Kurzschluss- und
Wärmeschutz sowie geringen Ableitstrom.
Das Produkt eignet sich für Anwendungen,
die mit DC-Leistung arbeiten. Anwendungsbereiche sind medizinische Geräte,
tragbare medizinische Behandlungs- und
Überwachungsausrüstung, Instrumente,
Krankenhauseinrichtung und Stromversorgung für Li-Ion-Batterieladegeräte.
Spezifische Gehäusefarben und -formen,
Ausgangskabeltypen und -längen und auch
kundenspezifische Verpackungen sind auf
Anfrage möglich. Viele Standardstecker
sind ab Lager verfügbar. Das Netzteil erfüllt IEC 60950-1, 2nd Edition oder IEC
60601-1, 3rd-Edition-Anforderungen. Folgende Zulassungen liegen vor: UL (USA),
Die medizinische Netzteilserie GTM43033 ist nach
2MoPP zertifiziert.
C-Tick (Australien/Neuseeland), Iram
(Argentinien), BSMI (Taiwan), CB (Weltweit), CCC (China), Demko (Europa), eK
(Korea), NRCAN (Kanada), Spring (Singapur), SIQ (Europa), Gost (Russland), und
UkrSEPRO (Ukraine). Das Gerät erfüllt
die kanadischen Nrcan-Effizienz- und
FCC/VCC/CE EMV-Auflagen. (rao)
■
infoDIREKT
211ejl0614
Saft
Kompakte Energie für vielfältige Anwendungen
Saft bietet eine breite Produktpalette an
unterschiedlichen Batteriesystemen, die allen
anspruchsvollen Anforderungen unserer Kunden
gerecht werden. Das hohe Leistungsniveau der
primären Lithium Batterien hat sich in vielen
SBG002-1-09 Photo credits: Department of Defense, © MG International 2006.
Globtek hat die CBTL-Intertek-Zertifikate
und Testreports für seine medizinische
Netzteilserie GTM43033 um die nordamerikanischen Standards ANSI/AAMI IEC
60601-1: 2005 + CORR. 1 (2006) + CORR.
2 (2007) und EN 60601-1:2006 + A11:2011
erweitert. Die Serie ist zertifiziert nach
2MoPP (Means Of Patient Protection). Sie
hat zwei unabhängige Isolationssysteme,
die Patienten vor gefährlicher Spannung
schützen. Das medizinische (60601-1-zertifizierte) Netzteil GTM 43033(a) hat einen
Weitbereichseingang von 90 bis 264 VAC,
50-60 Hz; es ist als Klasse-II-Gerät mit
Wechseladaptersystem mit zwei Steckerstiften ausgestattet. Die Länderadapter sind
im Feld austauschbar und verfügbar für
Nordamerika, Japan, Europa, Großbritannien, Australien und Neuseeland, China,
Korea, Argentinien, Indien, Brasilien und
als IEC320-Adapter. Die Ausgangsspannung lässt sich während der Produktion
auf Spannungen zwischen 3,3 VDC und
48 VDC mit einer maximalen kontinuierli-
Bild: Globtek
Medizin-Netzteile erfüllen US-Standards
industriellen und militärischen Anwendungen
bewährt. Als Leichtgewicht vereint die Lithium-Ionen
Technologie die einzigartige Mischung zwischen
Wiederaufladbarkeit und breitem Temperatureinsatz
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elektronikJOURNAL 06/2014
53
Power + Elektromechanik
Stromversorgung
Gute Form – konform mit Norm
Anforderungen bei der Auslegung von Netzteilen für medizinische Geräte
Bild: fotolia: sudok1
Da moderne medizinische Geräte wesentlich von den Weiterentwicklungen in der IT und Elektronik profitieren,
gestaltet sich die Wahl des richtigen Netzteils zur Erfüllung der funktionalen und aufsichtsbehördlichen Anforderungen zunehmend kritisch. Artesyn und Fortec erläutern im folgenden Fachbeitrag, welche Anforderungen genau
an die Auslegung von medizinischen AC/DC-Schaltnetzteilen bestehen und was bei deren Auswahl für eine
Anwendung zu bedenken ist.
Autoren: Michael Stolzl, Tom Tillman
S
tetige Weiterentwicklungen bei Schaltnetzteilen für medizinische Geräte ermöglichten sowohl energieeffiziente als
auch kompakte Produkte und Geräte mit einer höheren
Leistungsdichte. Für Entwickler medizinischer OEM-Produkte (Original Equipment Manufacturer, Erstausrüster) bedeutet
dies höhere Flexibilität, größere Auswahl, kürzere Markteinführungszeiten und in Folge dessen Verbesserungen beim Endprodukt. Die Auswahl des richtigen Netzteils ist für den Erfolg des
Endprodukts kritisch. Es muss den Anforderungen hinsichtlich
Elektrik, AC-Ableitströmen sowie mechanischer und medizinischer Sicherheit entsprechen, wie sie beispielsweise die Norm IEC60601-1 behandelt.
Typisierung
Grundsätzlich lassen sich Netzteile grob in zwei Typen unterteilen:
AC/DC und DC/DC. Innerhalb der Kategorie trennen sich die
AC/DC-Bauteile in lineare und in Schaltnetzteile. Dieser Beitrag
behandelt schwerpunktmäßig die Kategorie AC/DC-Schaltnetzteile. Im modernen medizinischen Umfeld kommen vor allem Schaltnetzteile für medizinische Geräte zum Einsatz, die CPUs, Senso54
elektronikJOURNAL 06/2014
ren, Pumpen und Motoren mit geregelter Gleichspannung beziehungsweise mit geregeltem Gleichstrom versorgen. Innerhalb der
letzten zwanzig Jahren haben sich die Leistung und der Wirkungsgrad von Schaltnetzteilen trotz einer gleichbleibenden Grundfläche deutlich verändert (Bild 1). Seit 1994 sind also enorme Verbesserungen bei der Leistungsdichte zu verzeichnen und der Wirkungsgrad steigt von 70 bis auf über 90 Prozent.
Fortschritte bei Netzteilen für Medizingeräte
Die Fortschritte basieren auf einer verbesserten Schalttopologie
und höherer Schaltfrequenz, die eine erhebliche Verkleinerung der
Magnetik und der Komponenten ermöglichen. Fortschritte beim
Packaging, von Durchgangsbohrungen bis hin zu SMDs, führten
zur Miniaturisierung von Komponenten. Dank Planarinduktivitäten ließen sich die Netzteilprofile optimieren: es wurden geringere
Bauhöhen und Verbesserungen bei der Streuinduktivität, der mechanischen Integrität und den wärmetechnischen Merkmalen
möglich. Ferner ließen sich durch die Einführung von Mehrlagenleiterplatten kleinere Einheiten mit einer höheren Dichte, mehr
Funktionalität und höherer Zuverlässigkeit realisieren.
www.elektronikjournal.com
Power + Elektromechanik
Stromversorgung
Bei AC/DC-Schaltnetzteilen, die
in medizinischen Geräten in
der Regel als Stromversorgung
Verwendung finden, ist Sicherheit ein signifikant wichtiger
Faktor. Daher ist es schon bei
der Entwicklung sinnvoll, über
bestehende Richtlinien und
Normen gut informiert zu sein.
Wichtig ist, dass die Netzteile
die gesetzlichen Sicherheitszulassungen, IEC-60950-1 für
ITE (Einrichtungen der Informationstechnologie) und IEC60601-1 für medizinische Geräte erfüllen.
214ejl0614
Die Integration von ICs und das Aufkommen von Digitalsteuerungen tragen zur Reduzierung der Anzahl der Bauteile und zum
Erhöhen der Zuverlässigkeit bei. Doch Digitalsteuerungen ermöglichen nicht nur eine geringere Anzahl der Bauteile und höhere
Zuverlässigkeit, sondern auch intelligente Netzteile mit hochentwickelten Funktionalitäten bei minimalen Mehrkosten. Die Vorteile der digitalen Technologie in Bezug auf die Produktivität zeigen sich vor allem während der Entwicklungsphase. Fehler im
Netzteildesign lassen sich mithilfe von Firmwarepatches beheben,
sodass wiederholte Leiterplatten-Re-Spins entfallen. Firmware
und Software kann man weiterhin via Internet im Feld aufrüsten,
ohne dass das System physische Betreuung benötigt.
Sicherheit für medizinische Netzteile
Bei der Auslegung und Auswahl von medizinischen Netzteilen ist
besonders die Sicherheit ein kritischer Faktor. Maßgeblich für
Standard-Netzteilprogramme sind zwei Arten von Sicherheitszulassungen:
■ IEC-60950-1 für ITE (für Einrichtungen in der Informationstechnologie)
■ IEC-60601-1 für medizinische Geräte
Einige Hersteller von Netzteilen verfügen über Standardnetzteile,
die die Einhaltung sowohl von ITE 60950-1 als auch IEC 60601-1
für Medizingeräte aufweisen.
Die Norm IEC-60601-1
Die Abkürzung IEC bezeichnet die International Electrotechnical
Commission (Internationale Elektrotechnische Kommission), eine
führende internationale Organisation für Normung, die Sicherheitsnormen für elektrotechnische Ausrüstungen einschließlich
Netzteile verwaltet. Die Norm IEC-60601-1 definiert die allgemeinen Sicherheitsanforderungen für medizinische Geräte mit genau
einem Anschluss an ein Versorgungsnetz, die gemäß Herstellerfestlegung zur Diagnose, Behandlung oder Überwachung eines
Patienten bestimmt sind und in körperlichem oder elektrischem
Kontakt mit dem Patienten stehen.
Die IEC-60601-1 gilt für Ausrüstungen in medizinischer, zahnärztlicher und Laborumgebung. Die Beispiele reichen von Kleinwww.elektronikjournal.com
geräten wie Thermometern, Steuerungen von Infusionspumpen
und Endoskopiekameras bis hin zu wesentlich größeren Systemen
wie Dialysemaschinen, CT- und MRT-Scannern sowie nuklearmedizinische Systeme. Verschiedene internationale Sicherheitsbehörden verwenden die IEC-60601-1, teilweise mit regionalen Abweichungen, wie UL/AAMI für die USA, CSA für Kanada, EN für
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Hoher Wirkungsgrad, IP 67-Gehäuse
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Bild 1: Die Leistung und der Wirkungsgrad
haben sich innerhalb von fast zwanzig Jahren
bei gleichbleibender Grundfläche erheblich
verändert. Bei der Leistungsdichte gibt es seit
1994 enorme Verbesserungen zu verzeichnen.
Bilder: Artesyn/Fortec
Auf einen Blick
Auf Nummer
Sicher setzen
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elektronikJOURNAL 06/2014
55
Power + Elektromechanik
Stromversorgung
Bild 2: wichtige
Treiber für die
Veränderungen
in der Netzteil­
technologie.
Bild 3: Isolations­
diagramm zur
Darstellung der
Compliance-Anforderungen von
Ausgabe 3 der Norm
IEC 60601-1.
Land/Region
Genehmigungsbehörde
Norm angepasst von IEC 60601-1
USA
Food and Drug Administration (FDA –
US-amerikanische Gesundheitsbehörde)
ANSI / UL ES 60601-1
(früher UL 2601-1)
Kanada
Therapeutic Product Directorate
(TPD – kanadische Gesundheitsbehörde)
CAN/CSA C22.2 Nr. 606.1
Europäische Union
Verschiedene benannte Stellen – Einhaltung der
Richtlinie für Medizinprodukte 93/42/ECC
EN 60601-1
(BS EN 60601-1 in Großbritannien)
MOOP
Isolierung
MOPP
Luftstrecke
Kriechstrecke
Prüfspannung
Luftstrecke
Kriechstrecke
Prüfspannung
Einfach
2,0 mm
2,5mm
1500 VAC
2,5 mm
4,0 mm
1500 VAC
Doppelt oder
verstärkt
4,0 mm
5,0 mm
3000 VAC
5,0 mm
8,0 mm
4000 VAC
Tabelle 1: Internationale Behörden
und angepasste Normen in Bezug
auf die IEC 60601-1.
Tabelle 2: Die Unterschiede
zwischen MOOP und MOPP, wie
sie mit Ausgabe 3 der Norm IEC
60601-1 in Kraft traten.
Tabelle 3: Auflistung der
­Compliance-Anforderungen von
Ausgabe 3 der Norm IEC 60601-1.
Nr.
Beschreibung
Isolationsklasse aus
Abs. 20.1 oder 20.2
(siehe Bild 3)
Betriebsspannung U
aus Abs. 20.3
Prüfspannung
aus Tabelle V,
Abs. 20.3
Luftstrecke
aus Tabelle XVI,
Abs. 57.10
Kriechstrecke
aus Tabelle XVI,
Abs. 57.10
1
Primär nach Sekundär 2 × MOPP
A – e (doppelt)
125 Veff < U < 250 Veff
4 kVAC
5 mm
8 mm
1
Primär nach Sekundär 2 × MOPP
A – e (doppelt)
250 Veff < U < 400 Veff
4 kVAC
7 mm
12 mm
2
Primär nach Schutzerde 1 × MOPP
A – a1 (einfach)
240 Veff
1,5 kVAC
2,5 mm
4 mm
3
Primär nach Primär 1 × MOPP
A – f (einfach)
240 Veff
1,5 kVAC
1,6 mm
3 mm
5
Sekundär nach Schutzerde KA
A – a1 (einfach)
U < 36 VDC
500 VAC
1 mm
2 mm
Europa, und JIS für Japan. Tabelle 1 zeigt einige der internationalen Behörden und angepassten Normen in Bezug auf IEC 60601-1.
Häufige Abweichungen sind unter anderem die Anforderungen
der Elektrizitätsgesetze des jeweiligen Landes, eine andere nationale Norm, die für den Produkttyp oder seine Komponenten gelten
kann sowie unterschiedliche nationale Anforderungen an Komponenten wie eine modifizierte Beschriftung. Um die Genehmigung
des Endprodukts für das medizinische Gerät zu erleichtern, sollten
die Komponenten beispielsweise die Netzteile, im Rahmen der relevanten Sicherheitsnormen zertifiziert sein.
Was ist AC-Kriechstrom?
AC-Kriechströme treten auf, wenn Strom über einen alternativen
Weg fließt beispielsweise durch den menschlichen Körper hindurch. Dadurch können die Patienten potenziellen Stromschlägen
ausgesetzt sein. Um den Fall ausschließen zu können gibt es
Kriechstromprüfungen. Bei diesen simulieren Ingenieure einen
56
elektronikJOURNAL 06/2014
menschlichen Körper, der mit medizinischen Ausrüstungen in Berührung kommt. Die gemessenen Kriechstromwerte müssen so
niedrig sein, dass sie keine Gefahr darstellen. Die Kriechstromgrenzwerte sind von der Sicherheitsspezifikation genau festgelegt.
Dritte Ausgabe (3rd Edition)
Die dritte Ausgabe der Norm IEC-60601-1 unterscheidet zwischen
dem Bediener und dem Patienten mit der Einführung von MOOP
(Means of Operator Protection: Einrichtung zum Schutz des Bedieners) gegenüber dem MOPP (Means of Patient Protection: Einrichtung zum Schutz des Patienten): Tabelle 2 zeigt die Unterschiede. Für Patienten verzeichnet MOPP die strengeren Anforderungen, die Bild 3 und Tabelle 3 genauer aufschlüsseln. (rao)
n
Der Autor: Michael Stolzl ist Product Manager der Business Unit
Power bei Fortec Elektronik in Landsberg am Lech.
www.elektronikjournal.com
Power + Elektromechanik
Highlights
Alles aus einer Hand
Zusätzliche Kapazität nutzen
High-CV-MLCC-Serie in acht Chipgrößen
Für mobile,
medizinische
und digitale
Elektronikanwendungen eignet sich
die High-CV-MLCCSerie X5R, die
mit zusätzlichen
Kapazitätswerten
punktet.
Bild: AVX
Besonders für mobile, medi­zi­nische und digitale
Elek­tro­nik­anwen­dungen eignet sich die Miniatur-High-CV-MLCC-Serie X5R, die sich mit erweitertem Kapazitätsbereich in Miniatur-Chipgrößen vorstellt. Die Bausteine des Herstellers
AVX decken den Kapa­zi­täts­bereich von 100 bis
100 µF ab und weisen eine hohe Volu­men­effi­
zienz auf. Die MLCCs sind in acht Chip­größen
von 01005 bis 1812 verfüg­bar und weisen Nenn­
spannungen von 4 bis 100 V auf.
Die hochkapazitiven Miniatur-MLCCs dieser
Serie besitzen niedrige ESR-Werte (Equivalent
Series Resistance) und haben eine hohe Volu­
men­effi­zienz; die Bausteine eignen sich dadurch
für Entkopplungs- und Filter­anwen­dungen in
Geräten unterschiedlicher Art wie beispielsweise in Mobil­telefonen, Tablets, Hoch­geschwin­
dig­keits­prozes­soren/FPGAs und implantierbaren medi­
zi­
nischen Geräten. „Der erwei­
terte
Kapa­zi­täts­bereich eröffnet unseren MiniaturHigh-CV-MLCC-Serie noch mehr Anwen­
dungs­möglich­keiten in hoch­entwickelten mobilen, medi­zi­nischen und digitalen Geräten, in
denen die Volu­men­effi­zienz eine entscheidende
Rolle spielt“, erläutert Mark Obuszewski, der als
Business Manager bei der AVX Corporation tätig ist. Die auf High-K-Dielektriken basie­renden
High-CV-MLCCs der Serie X5R sind für den
Betriebs­tem­peratur­bereich von -55 bis +85 °C
spezi­fi­ziert und haben einen Tempe­ratur­koeffi­
•
•
•
•
•
Distribution
Hardwareentwicklung
Softwareentwicklung
Systementwicklung
Fertigung mit hoher Fertigungstiefe
zienten (TCC) von ±15 %. Die Kapa­
zi­
tät­
stoleranz beträgt standard­mäßig ±10 % beziehungsweise ±20 %. Auf Kundenwunsch sind die
Halle A3/236
MLCCs der Serie X5R auch mit Kapazitätswerten außerhalb der Normreihe und mit anderen
Toleranzen liefer­bar.
Die MLCC-Serie ist in acht verschiedenen
Chip­
größen (01005, 0201, 0402, 0603, 0805,
1206, 1210 und 1812) und mit acht Nenn­
EMBEDDED PCs
spannungen (4 V, 6,3 V, 10 V, 16 V, 25 V, 35 V,
50 V und 100 V) verfüg­bar. Die Chip­größen
DISPLAYS
01005, 1210 und 1812 erfor­dern zwingend RePOWER SUPPLIES
flowlöten; alle übrigen Chip­größen sind sowohl
mit Reflow- als auch Wellen­lötprozessen kompa­
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tibel. Die SPICE-Modellierungs­
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ware SpiCap-3.0-SPICE, die AVX auf seiner Web­präsenz
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CV-MLCC-Serie X5R. (rao)
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Doppelt hält besser
Bild: Traco Power
Medizinische Schaltnetzteile mit 2×MOPP-Zulassung
Die Schaltnetzteile der Serie TPP-100 sind für
Anwendungen in der Medizin zertifiziert.
Traco Power ergänzt sein Portfolio an medizinisch zugelassenen Schaltnetzteilen um die Serien TPP-100 und TPP-150. Sie verfügen über eine verstärkte (doppelte) Isolation und sind nach
EN 60601-1:2006, 3rd Edition für 2 × MOPP
und damit direkten Patientenkontakt zugelas-
sen. Die TPP-Modelle haben eine hohe Leistungsdichte. Ihr Wirkungsgrad bis zu 92 % und
die Verwendung von hochwertigen Komponenten ermöglichen einen Einsatz im Temperaturbereich von -25 bis +80 °C, wobei ab 50 °C eine
Leistungsreduktion einzurechnen ist.
Der Eingangsbereich ist für weltweiten Einsatz ausgelegt und erlaubt 85 bis 264 VAC Wechselspannung und 120 bis 370 VDC Gleichspannung. Es sind die folgenden einstellbaren Ausgangsspannungen verfügbar: 12, 15, 24, 36 und
48 VDC. Neben der aktiven PFC ist der LeerlaufLeistungsverbrauch von weniger als 0,3 W zu
nennen. Einsatzgebiete sind neben dem Medizinsegment Anwendungen, die hohe Leistungsdichten benötigen. (rao)
n
infoDIREKT www.all-electronics.de215ejl0614
75 W bis
480 W
SDR
DIN-Hutschienennetzteile
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n Wirkungsgrad bis 94 %
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Automatisierte Softwaresystemtests für Medizingeräte
Die wichtigen Softwaresystemtests für Medizinprodukte sind durch die IEC 62304 vorgeschrieben. Aber sie sind
auch aufwändig, vor allem wenn sie manuell durchgeführt werden. Eine Automatisierung dieser Tests kann nicht
nur viel Geld bei der Zulassung sparen, sondern auch schon während der Entwicklung wichtige Erkenntnisse an
die Ingenieure und Programmierer liefern.
Autor: Matthias Hölzer-Klüpfel
D
er Softwarequalität kommt bei komplexen Medizingeräten eine entscheidende Bedeutung zu. Wenn Blutzuckermessgeräte bei besonders hohen Werten abstürzen oder
Bildarchive beim Update Röntgenbilder verlieren, dann
sind Patienten und Anwender schnell in Gefahr. Um sich als Hersteller von Medizinprodukten vor Softwarefehlern zu schützen,
muss man in allen Schritten der Entwicklung sorgfältig arbeiten.
Die harmonisierte Norm IEC 62304 beschreibt die Mindestanforderungen an den Entwicklungsprozess und die Tests. Die Norm
fordert mehrere Testebenen (Bild 1):
■■ Die Softwaresystemprüfung weist nach, dass das Produkt alle
Softwareanforderungen erfüllt.
■■ Der Softwareintegrationstest überprüft das Zusammenspiel der
Softwarekomponenten untereinander.
■■ Die Verifikation der Softwareeinheiten stellt die Einhaltung des
Softwaredesigns sicher. Hier ist zwar nicht explizit ein Test verlangt, in der Praxis wird dazu jedoch in der Regel von UnitTests Gebrauch gemacht.
Um einen Test effektiv durchzuführen, sind eine ganze Reihe von
Aktivitäten nötig:
■■ Tests planen und spezifizieren: Dabei ist festzulegen, wie die
durchzuführenden Testschritte aussehen, welche Ergebnisse bei
der Ausführung des Tests erwartet werden, und wann ein Test
als bestanden oder gescheitert gilt.
■■ Tests ausführen: Dabei werden die Testschritte durchgeführt
und die Ergebnisse aufgezeichnet.
■■ Tests auswerten: Dabei werden die Ergebnisse begutachtet um
festzustellen, welche Tests bestanden wurden.
■■ Alle diese Aktivitäten dokumentieren.
Softwaretests haben zwei Probleme: Zum einen fallen die wesentlichen Aufwände gegen Ende eines Entwicklungsprojektes an. Zum
anderen müssen bei der Korrektur von erkannten Fehlern unter
Umständen große Teile des Softwaretests erneut ablaufen. Wenn
ein Entwicklungsprojekt iterativ arbeitet, also von vorneherein mit
einer Reihe von Zwischenversionen plant, dann sind auch die Testphasen mehrfach zu durchlaufen. Eine manuelle Testausführung,
bei der Menschen alle Schritte der Testspezifikation ausführen,
aufzeichnen und auswerten, ist dann kaum noch effizient. Hier
lohnen sich automatisierte Tests.
heiten prüft, gibt es bei der Gestaltung der Test viele Freiheiten:
nicht zu testende Softwareeinheiten lassen sich durch Stubs oder
Mocks ersetzen, die unter der Kontrolle des Testtools stehen. So
lassen sich auch schwierige Fehlersituationen, etwa Speicherengpässe, sicher simulieren und die Reaktion des Testobjekts prüfen.
Den Softwareintegrationstest kann man mit den gleichen Werkzeugen automatisieren wie den Unit-Test. Der Unterschied liegt in
der Sichtweise beim Erstellen der Testfälle: Der Unit-Test ist ein
White-Box-Test, bei dem der Prüfer seine Kenntnis von der inneren Struktur (also vom Quellcode) der zu testenden Einheiten nutzt. Beim Integrationstest dagegen betrachtet er
nur die (hoffentlich ausreichend dokumentierte)
Schnittstelle der Komponenten und testet gegen
diese Schnittstelle, ohne auf Details der Implementierung zuzugreifen. Aber der Test kann
immer noch durch programmierte Testroutinen erfolgen.
Automatisierter Softwaretest
58
elektronikJOURNAL 06/2014
Bild: fotolia: Fotimmz
Am einfachsten ist eine Testautomatisierung noch beim Unit-Test
zu erreichen. Er prüft die kleinsten Einheiten der Software, zum
Beispiel Funktionen oder Klassen, daher lassen sich oft auch die
Testroutinen in der gleichen Programmiersprache implementieren. Dabei helfen Frameworks wie Cpp-Unit oder Werkzeuge wie
Cantata oder Vectorcast. Da der Unit-Test einzelne Softwareeinwww.elektronikjournal.com
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HiL-Test
Geschenkt:
Bild 1: Die harmonisierte Medizingeräte-Norm IEC 62304 fordert mehrere
Testebenen, die mit verschiedenen Abstraktionsebenen der Entwicklung
korrespondieren.
3D-PDF &
Step-Datei 3D-Kollisionsprüfung
3D-Ansicht
Bild 2: Die Systemarchitektur typischer Medizingeräte arbeitet mit einem
Supervisor, der die Softwareabläufe im Controller überwacht.
Beim Softwaresystemtest ist die Automatisierung nicht mehr so
einfach. Sein Ziel muss sein, das möglichst unmodifizierte Softwaresystem auf der Zielhardware gegen seine Anforderungen zu
testen. Diese Tests zu automatisieren ist schwierig, weil das Softwaresystem in der Form, in der es in ein Medizinprodukt eingebaut wird, oft keine Schnittstellen mehr hat, über die man Testund Fehlerzustände hervorrufen könnte. Die Tests müssen daher
auf die vorhandenen (in der Regel elektronischen) Schnittstellen
der Zielhardware zugreifen. Man spricht daher von einem Hardware-in-the-Loop-Test (HiL). Die folgenden Abschnitte beschreiben ein Beispiel für einen solchen HiL-Test, der ein Steuergerät für
ein medizinisches Therapiegerät komplett automatisiert prüft.
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Automatisierter Softwaresystemtest
Therapiegeräte wie Beatmungsmaschinen, Dialysegeräte oder Infusionsgeräte weisen oft eine typische Systemarchitektur auf, wie
sie Bild 2 skizziert. Die Interaktion mit dem Benutzer erfolgt über
einen dedizierten Rechner oder Prozessor, der beispielsweise einen
Touchscreen ansteuert. Die eigentliche Steuerung der Therapie
übernimmt ein Steuergerät, das in der Abbildung als „Controller“
bezeichnet ist. Dieser Controller hat viele Schnittstellen zur Hard-
Auf einen Blick
Das große Ganze
Softwaresystemtest: Das klingt wie eine weitere Spielart von Unitund Integrationstest, bezieht sich aber tatsächlich auf die komplette
Software in einem vollständigen System. Hier scheitern reine Software-Frameworks, ein HiL-Teststand ist gefragt. Den kann man mit
handelsüblichen Eval-Boards auch selbst aufbauen und damit moderne Entwicklungsprozesse unterstützen.
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elektronikJOURNAL 06/2014
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HiL-Test
Bild 3: Im Blockschaltbild der Automatisierungslösung ist zu erkennen, dass es in bester HiL-Tradition
alle Ein- und Ausgabemöglichkeiten des geprüften
Systems steuert und überwacht.
ware, also zu den Sensoren und Aktuatoren, mit denen die Behandlung kontrolliert wird. Aus Gründen der funktionalen Sicherheit gibt es zudem oft noch einen unabhängigen Kanal, der hier
„Supervisor“ heißt. Er stellt sicher, dass der Patient durch das Gerät auch dann nicht gefährdet wird, wenn ein Software- oder Hardwarefehler im Controller oder dem User-Interface vorliegen sollte.
Typische Aufgabe des Supervisors sind Grenzwerte der Therapieparameter überwachen und Gefahrensituationen erkennen und
darauf beispielsweise mit Alarmen reagieren. Der Supervisor greift
ebenfalls auf Sensoren und Aktuatoren der Hardware zu, wenn
auch unter Umständen auf andere, redundant ausgelegte.
Dialysegerät als Beispiel
Im Beispielsystem – einem Dialysegerät – befindet sich der Großteil der zu testenden Software im Controller und im Supervisor,
und diese beiden Prozessoren befinden sich auf einer gemeinsamen Platine. Um den Test beider Knoten zu automatisieren, ist ein
Testsystem gefordert, das die elektrischen Schnittstellen der Platine simuliert beziehungsweise überwacht. Eine genauere Analyse
der Hardware im Beispielprojekt ergab, dass dazu die folgenden
Schnittstellen (insgesamt etwa 150 Signale) zu bedienen sind:
■■ Eine ganze Reihe digitaler I/O-Schnittstellen
■■ Mehrere serielle RS-232-Schnittstellen
■■ I2C-Schnittstellen, vor allem zu Sensoren
■■ PWM-Signale zur Steuerung von Aktoren
■■ Einige wenige analoge Ein- und Ausgabesignale
Ein gängiger Ansatz, um diese Schnittstellen für einen HiL-Test zu
simulieren wäre es nun, zu einem Katalog zu greifen, entsprechend
viele Standard-IO-Karten einzukaufen und daraus ein Testsystem
aufzubauen. Bei Standard-Karten ließe sich dann auch eine Standard-Software verwenden, um die Tests zu automatisieren.
Eigens entwickelter Teststand
Im Beispielprojekt wurde dieser Weg nicht beschritten, und zwar
aus vier Hauptgründen:
n Um Testdurchlaufzeiten von wenigen Tagen zu erreichen, sollten mehrere Teststände aufgebaut werden. Die Kosten für die Standard-IO-Karten wären daher kräftig ins Gewicht gefallen.
60
elektronikJOURNAL 06/2014
n Viele der Signale müssen nur mit einer sehr
geringen Zeitauflösung behandelt werden,
daher war gar keine leistungsfähige Simulationshardware nötig.
n Einige wenige Signale dagegen müssen mit
sehr hoher Zeitauflösung bedient werden, sodass Standard-Hardware nicht geeignet erschien.
n Viele Probleme beim Aufbau von Testsystemen entstehen in der Verkabelung, sodass auf
jeden Fall eine Leiterplatte für die Verschaltung entwickelt werden sollte.
Das Hauptargument gegen eine Standardlösung war aber der Aufwand, passende Testskripte zu entwickeln. Um etwa 600 Testskripte zeitgleich mit der Produktsoftware zu entwickeln, war es das Ziel, die Semantik der
Testskript auf die gleiche Abstraktionshöhe
wie die Softwareanforderungen zu heben. Dadurch verkürzen sich
sowohl die Zeit für die Entwicklung der Skripte als auch die Zeit
für das Review gegen die Anforderungen. Und das schien nur mit
einer Eigenentwicklung des Testsystems in kurzer Zeit machbar.
Testsystem
Um ein Testsystem zügig entwickeln zu können, und um die Kosten in einem vernünftigen Rahmen zu halten, bot es sich an, das
Testsystem aus Standardkomponenten aufzubauen. Im Beispiel
hier wurden dazu etwa fertige Eval-Boards für FTDI-4232-Chips
verwendet, die wahlweise 32 Digital-IOs, vier serielle Schnittstellen oder I2C-Ports simulieren. Das genügt zum Simulieren und
Messen aller Signale, bei denen es nicht auf extreme Zeitauflösung
ankommt. Für die verbleibenden Schnittstellen mit besonderen
Anforderungen kam ein Eval-Board für einen STM32-Mikroprozessor zum Einsatz. Alle diese Komponenten wurden per USB an
einen PC angebunden, der die Testskripte ausführt (Bild 3). In diesem speziellen Fall wurde die Platine mit dem zu testenden System
direkt auf dem Teststand montiert und mit direkter 1:1-Verkabelung angebunden. Dadurch haben sich die Probleme mit der Verkabelung deutlich reduziert und das System läuft sehr stabil.
Um automatisch mehrere Testläufe hintereinander durchzuführen, war es notwendig, die Spannungsversorgung des zu testenden
Systems zu kontrollieren, es also automatisch ein- und ausschalten
zu können. Dabei wurde schnell deutlich, dass Probleme auftreten,
wenn die Spannungsversorgung zum zu testenden System unterbrochen ist, der Teststand allerdings Spannung führt – in dem Fall
werden Teile der zu testenden Schaltung mit Spannung versorgt
und können Schaden nehmen. Daher wurden alle Verbindungen
über Tri-State-Transceiver isoliert. Die Software des Mikrocontrollers stellt zudem sicher, dass die Isolierung erst aufgehoben wird,
wenn die Spannungsversorgung aktiv ist.
Testsoftware
Die Software, mit welcher die Tests automatisch durchgeführt werden, bestand aus mehreren Teilen:
■■ Embedded-Software für den im Teststand integrierten Mikrocontroller.
www.elektronikjournal.com
Bilder: Hölzer-Klüpfel
Test + Qualität
HiL-Test
Bild 4: Die Test-Cases lassen sich mit recht einfachen XML-Dateien formulieren.
■■ PC-Applikation, welche die Testskripte ausführt und die Ergeb-
nisse der Tests bewertet und dokumentiert.
■■ Die eigentlichen Testskripte.
Um das Ziel zu erreichen, das Abstraktionsniveau der Testskripte
in etwa dem der Softwareanforderungen anzupassen, wurde nach
Analyse der Anforderungen eine spezielle, einfache XML-Sprache
definiert. Diese kommt mit erstaunlich wenigen Kommandos aus:
■■ „set“: Ändert eine simulierte Größe.
■■ „wait“: Erwartet den Eintritt eines beobachteten Zustands.
■■ „send“: Schickt eine serielle Nachricht.
■■ „expect“: Erwartet die Ankunft einer seriellen Nachricht.
■■ „monitor“: Überwacht den Systemzustand nebenläufig.
■■ „delay“: Wartet ab.
■■ „repeat“: Wiederholt Anweisungen x-mal oder für eine Zeit.
■■ „verify“: Zeigt einen Trace zu einer Anforderung.
Trotz der wenigen Kommandos lassen sich damit mächtige Testskripte definieren. Bild 4 zeigt einen Testfall für eine sehr einfache
Anforderung – den Selbsttest der Alarm-LED. Das entsprechende
Requirement „REQ1234: Test der Alarm-LED“ fordert: „Nach
dem Power-on-Self-Test blinkt die Alarm-LED fünfmal mit 1 Hz
und 50 % Einschaltdauer.“ Bild 4 zeigt das zugehörige Testskript.
Lange Testläufe
Das Vorgehen bei einem automatisierten Softwaresystemtest unterscheidet sich deutlich von Unit- oder Integrationstests, vor allem weil hier die unveränderte Systemsoftware getestet wird. Daher glaubt die Software, eine ganz normale Therapie durchzuführen. Im Beispiel ist das eine Dialyse-Behandlung, und die dauert
gerne einmal vier Stunden. Genau so viel Zeit benötigt daher auch
ein kompletter Durchlauf einer problemlosen Testsituation.
Diesem problemlosen Durchlauf, häufig auch als Schönwetteroder Greenlight-Szenario bezeichnet, kommt eine wesentliche Bedeutung zu. Zum einen muss er nachweisen, dass eine vollständige
Behandlung korrekt ausgeführt werden kann. Zum anderen ist er
die Grundlage fast aller anderen Tests, die Schlechtwetter- oder
Redlight-Tests. Um zum Beispiel die Reaktion der Supervisor-Software auf die Fehlfunktion eines Sensors zu überprüfen, führt man
das Greenlight-Szenario bis zu der Stelle aus, an der man das Fehlverhalten simulieren möchte. Dann wird der Teststand den Fehler
nachstellen und die Reaktion überprüfen. Eventuell befindet sich
das System dann in einem Fehlerzustand, und für den nächsten
Test muss man von vorne beginnen.
Zwei Wochen an einem Wochenende
Im angesprochenen Beispielprojekt gab es am Ende zwei Schönwetter-Tests (für unterschiedliche Therapieoptionen) mit einer
Laufzeit von je vier Stunden, und mehrere hundert SchlechtwetterTests, mit einer Gesamtlaufzeit von ungefähr 14 Tagen. Durch die
Verteilung auf sechs Teststände ergab sich daraus eine Durchlaufzeit für einen kompletten Softwaresystemtest von 2,5 Tagen – idealerweise über ein Wochenende. Vergleicht man das mit den zuvor
für die manuelle Testdurchführung geschätzten Zeiten von drei
Monaten bei sechs Testern, dann wird offenkundig, dass die Automatisierung des Softwaresystemtests nicht nur Kosten spart. Sie ist
geradezu unabdingbar für agile Softwareentwicklung mit SprintZyklen von zwei Wochen. (lei)
n
Der Autor: Matthias Hölzer-Klüpfel berät Entwickler von
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Taint-Analyse
Fehler jagen
Statische Codeanalyse verbessert die Software-Sicherheit
In Medizingeräten sorgt oft sicherheitskritische Software für lebensrettende Anwendungen. Viele Hersteller
verlangen daher Programmierstandards, um die Software-Sicherheit sicherzustellen, während andere die Software-Entwicklung als risikoarme Aktivität abtun. Dabei lassen sich die Standards recht einfach überprüfen.
Autor: Dr. Paul Anderson
I
n der letzten Dekade haben sich die Rückrufe von fehlerhaften
Medizingeräten beinahe verdoppelt. Laut FDA (Federal Drug
Administration, USA) beruhen vier von zehn Ausfällen auf einem Softwareproblem. Grund genug, der Softwarequalität
mehr Aufmerksamkeit zu widmen. Dazu kommt, dass Medizingeräte zunehmend vernetzt werden, also muss sich sicherheitskritische Software auch gegen gezielte Angriffe wehren. Oft basiert die
Ausrüstung auf veralteten und damit verwundbaren WindowsBetriebssystemen und weil Hersteller und Betreiber die regulatorischen Anforderungen scheuen, aktualisieren sie nicht einmal die
Antivirus-Software.
Eine weitere Risikoquelle ist Code von Drittlieferanten. Weil
dieser nicht vom Gerätehersteller stammt, unterliegt er auch nicht
dessen direkter Kontrolle. Ähnliches gilt für Bibliotheken und Betriebsystemfunktionen, in denen Fehler schlummern könnten.
Zu den Best Practices der Branche gehört, sich an Codierungsstandards für sicherheitskritische Software zu orientieren. Sowohl
FDA als auch EC (European Community) verlangen einen doku62
elektronikJOURNAL 06/2014
Bilder: Gramma-Tech
Bewährte Methoden wie Codierungsstandards sind ein guter Ansatz, um das Risiko
für lebensbedrohende Softwarefehler in
Medizingeräten zu verringern.
mentierten Software-Entwicklungsprozess
(IEC 62304). Obwohl die FDA nicht ausdrücklich auf Programmierstandards besteht, übernehmen sie viele Medizingerätehersteller freiwillig als Teil ihrer SoftwareQualitätsinitative. Manche Firma betrachtet Software aber als Add-on und überlässt
es den Entwicklungsteams, sie nach ihrer
eigenen Methodik zu implementieren. Dabei wären viele Best Practices mit nur minimalem Aufwand und Kosten verbunden.
Ein solcher Standard sind die „Power of
10“-Regeln für sicherheitskritisches Programmieren. Entwickelt vom NASA Jet
Propulsion Laboratory für RaumfahrtSoftware, sind diese zehn einfachen, leicht
zu merkenden Programmierregeln so konzipiert, dass statische Analysetools einen
Verstoß automatisch entdecken.
Moderne statische Quellcodeanalyse
kann sehr effektiv sicherstellen, dass Code
konform zu einem Programmierstandard
ist. Zusätzlich findet sie viele ernste Fehler
wie Buffer-Overruns, Null-Pointer-Dereferenzierungen, Race-Conditions und Ressourcen-Lecks. Diese Bugs treten auf,
wenn Entwickler gegen fundamentale Regeln der Sprache verstoßen oder APIs
falsch verwenden. Statische Analyse findet
auch Widersprüche im Code, die andeuten, dass der Programmierer wichtige Teile des Codes nicht verstanden hat.
Herausforderung Third-Party-Code
Fast 30 % des Codes in Embedded-Anwendungen wie Medizingeräten besteht aus kommerzieller Fremdsoftware im Binärformat. Da der Entwickler keinen Zugriff auf den Quellcode hat, entzieht sich dieser Teil der statischen Analyse. Besonders gefährdet
sind Systeme, die sich aus Code von mehreren Anbietern zusammensetzen. Sicherheitslücken an den Schnittstellen zwischen Modulen haben ihren Ursprung oft in Verständigungsproblemen,
zum Beispiel wenn zwei Entwickler eine Aussage in der Spezifikation unterschiedlich interpretieren. Sind Teile des Quellcodes
nicht verfügbar, eignen sich Mischformen der statischen Analysetools, die Quellcodeanalyse mit Binärcodeanalyse kombinieren.
Zu Best Practices bei sicherheitskritischer Software gehört, Daten und Eingabewerte aus potenziell gefährlichen Kanälen immer
als risikoreich einzustufen, bis deren Gültigkeit geprüft wurde. Im
www.elektronikjournal.com
Test + Qualität
Taint-Analyse
Sprachgebrauch des sicheren Programmierens heißen ungeprüfte
Eingabewerte „tainted“. Ein Check, ob ein Programm solche Daten
korrekt verarbeitet, kann sehr schwierig sein. Man muss den Verlauf der Daten durch die Code-Struktur verfolgen. Sogar bei relativ
kleinen Programmen ist das sehr mühsam, und für die meisten
Echtzeitanwendungen manuell nicht mehr durchführbar.
Buffer-Overrun et al
Wenn Angreifer die Eingabewerte eines Geräts manipulieren können, denn besteht die Gefahr, dass sie per speziell konstruierter
Daten eine Sicherheitsschwachstelle ausnutzen. Zu den typischen
Fehlerarten aufgrund von Tainted-Daten zählen Buffer-Overruns,
SQL-Injektion, Befehl-Injektion, Cross-Site Scripting, Zahlenüberläufe und Path-Traversal. Gerade der berüchtigte BufferOverrun verdient eine ausführlichere Beschreibung: Ihn gibt es in
verschiedenen Ausprägungen. Im nachfolgenden Code liegt der
angegriffene Buffer auf dem Stack:
void config(void) {
char buf[100];
int count;
…
strcpy(buf, getenv("CONFIG"));
…
}
Beispiel einer Buffer-Overrun-Schwachstelle: Das Tool markiert das Resultat
seiner Taint-Analyse durch Unterstreichungen.
Die Eingabe kommt von außen über einen Aufruf der Funktion
„getenv“, die den Wert der Umgebungsvariablen „CONFIG“ abruft. Der Programmierer erwartet, dass der Wert der Umgebungsvariablen in den Buffer passt, stellt das aber nirgendwo sicher. Erhält der Angreifer die Kontrolle über den Wert dieser Umgebungsvariablen, dann kann er auch mehr als 100 Zeichen angeben und
damit einen Buffer-Overrun auslösen.
Dateisystem oder einem Netzwerkkanal. Die manuelle Suche nach
Programmierfehlern, die für Tainted-Werte anfällig sind, gestaltet
sich extrem zeitaufwändig – das macht die Automatisierung zum
besten Ansatz.
Die Taint-Analyse zeigt Entwicklern, wie der Code riskante Daten von einem Programmteil zum nächsten weiterreicht. Ein modernes statisches Analysetool zur Taint-Analyse erklärt die Abläufe, damit der Entwickler mögliche Angriffsflächen in seinem Code
erkennen und verstehen sowie Fehler aufspüren und korrigieren
kann. Manche Tools führen die Taint-Analyse dynamisch aus. Ein
statischer Ablauf hat aber wichtige Vorteile – nicht zuletzt um sicherzugehen, dass alle Ausführungspfade sicher sind, und nicht
nur diejenigen, für die Testfälle vorliegen.
Den Stack manipulieren
Gute Routine
Bei „buf “ handelt es sich um eine automatische Variable, die der
Compiler auf dem Stack hinterlegt. Darum wird jedes Zeichen
nach den ersten 100 auf die Teile des Programm-Stacks außerhalb
der Grenze von „buf “ geschrieben. Dort liegt, je nach dem wie der
Compiler den Stack organisiert, zum Beispiel die Variable namens
„count“. Der Angreifer kann also indirekt den Wert dieser Variablen verändern – je nach Bedeutung dieser Variable kann das schon
enormen Schaden anrichten.
Zusätzlich liegt auf dem Stack aber auch die Rücksprungadresse
der aktuellen Funktion. Wenn der Angreifer diese überschreibt,
dann kann er den Ablauf der Software verändern und zum Beispiel
direkt an die Adresse springen, an der „buf “ liegt. Wenn dann der
Inhalt von „buf “ vom Angreifer so gewählt ist, dass es sich um ausführbaren Binärcode handelt, hat er die volle Kontrolle über den
aktuellen Prozess erlangt.
Entwickler von Medizingeräte-Software verantworten in vielen
Fällen kritischen Code, von dem die Gesundheit und Sicherheit
der Patienten abhängen. Programmierstandards für sicherheitskritische Software haben sich in anderen Branchen bewährt und sollten auch für Medizingeräte zwingend sein. Einen guten Einstieg
bieten die NASA/JPL „Power of Ten“, die bewährte Verfahren aus
mehreren Standards bündeln. Moderne statische Analysetools finden auch Fehler, die nur unter ungewöhnlichen Umständen auftreten, und zwar sehr früh in der Entwicklung. Das spart Zeit und
Kosten und erhöht die Qualität. (lei)
■
Taint-Analyse
Die gefährlichsten Input-Kanäle sind die, die ein Angreifer kontrolliert. In einer Umgebung, in der Angreifer keinerlei Kontrolle
über die Umgebungsvariablen haben, ist diese Schwachstelle vielleicht nicht ausnutzbar. Dennoch ist der Code risikoreich und
bleibt ein Haftungsproblem. Außerdem könnte ein Entwickler versucht sein, diesen Code in einem anderen Programm wiederzuverwenden, wo er nicht mehr sicher wäre. In unserem Beispiel kommt
der Input aus der Umgebung, aber der Code wäre genauso gefährlich, käme der String aus einer anderen Input-Quelle wie dem
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Der Autor: Dr. Paul Anderson ist Vice President Engineering
bei Gramma-Tech.
Auf einen Blick
Fehler vermeiden
Der kleinste Fehler beim Schreiben von Software kann ein Safetyoder Security-Risiko darstellen. Programmierstandards senken hier
das Risiko deutlich. Moderne Tools unterstützen die Entwickler dabei,
sich an die Standards zu halten. Am Beispiel eines sehr simplen Buffer-Overflows erklärt der Artikel, warum Taint-Analyse bei der statischen Codeanalyse hilfreich ist.
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503ejl0614
elektronikJOURNAL 06/2014
63
1
3
2
Den Richtlinien entsprechend
Software unterstützt Qualitätsmanagement nach GxP-Anforderungen
Das Qualitätsmanagement in den Life Sciences stellt Unternehmen der Branche vor eine anspruchsvolle Aufgabe:
sie müssen komplexe, nationale und internationale Richtlinien für gute Arbeitspraxis einhalten und detailliert
dokumentieren. Auf diese speziellen Anforderungen ist die GxP-Software ausgelegt. Autor: Dr. Alexander Künzer
E
gal ob Medizin, Pharmazie oder Biotechnologie: Der LifeScience-Bereich stellt hohe Anforderungen an die Qualitätssicherung. Im Rahmen der verschiedenen nationalen
und internationalen Gesetze und Richtlinien gelten immer
konkretere Vorgaben. Eine Überwachung und detaillierte Dokumentation ist für die wirkungsvolle Umsetzung und Anwendung
im Rahmen der verschiedenen internationalen Richtlinien für gute
Arbeitspraxis (GxP) wichtig.
Regeln sicher einhalten
Für die Firmen der Life-Science-Branche gelten unter anderem
folgende nationale und internationale Vorgaben:
■■ 93/42/EWG-Richtlinie für Medizinprodukte.
■■ MEDDEV-EU-Papiere für Medizinprodukte.
■■ Eudra-Lex-GMP-Richtlinie Vol. 4 Annex 11 für computergestützte Systeme.
■■ Die US-amerikanische Richtlinie der FDA Title 21 CFR Part 11
für elektronische Aufzeichnungen und elektronische Unterschriften.
Um die Einhaltung dieser komplexen Vorgaben nach den jeweils
gültigen nationalen und internationalen Standards sicherzustellen,
ist ein vollständig überwachtes Managementsystem für viele Unternehmen unverzichtbar geworden. Moderne Qualitätsmanagementsoftware, die auf die besonderen GxP-Anforderungen zugeschnitten ist, unterstützt in der Umsetzung und Erfüllung der verschiedenen Richtlinien.
Dokumentationsmanagement im Griff
Das Aachener Unternehmen Consense entwickelt Software für das
Qualitäts- und integrierte Management; Dr. Iris Bruns ist in der
Geschäftsführung bei Consense tätig. Sie erläutert: „Die Qualitätsmanagement-Vorgaben für den GxP-Bereich verlangen unter anderem nach einem besonders aufwändigen Dokumentenmanagement, das eine revisionssichere Archivierung von Dokumenten,
Prozessen und eine lückenlose Nachverfolgung sämtlicher Ände64
elektronikJOURNAL 06/2014
rungen vorschreibt. Damit ist die Einführung von neuen Prozessen mit der Erstellung einer Vielzahl von Dokumenten verbunden.
Die systematische Lenkung, Überwachung und Archivierung dieser Dokumente ist ohne entsprechend darauf ausgerichtete Software heutzutage kaum noch zu leisten.“
So müssen Betriebe aus dem Life-Science-Bereich im Arbeitsalltag an vielen Stellen immer wieder den Nachweis erbringen, dass ein Prozess oder ein System die vorher spezifizierten Anforderungen reproduzierbar im praktischen Einsatz erfüllt. Zur
Validierung gehört daher unter anderem die technische Überprüfung der eingesetzten Anlagen oder Geräte. „Wie sich derartige
Vorgaben mit einer auf GxP-Bedürfnisse zugeschnittenen Software
wie Consense-GxP zuverlässig lenken und kontrollieren lassen,
demonstriert das einfache Beispiel einer neu angeschafften Analysenwaage für einen Laborbetrieb“, erläutert Dr. Iris Bruns.
Für genaue Messergebnisse
Im Beispiel muss bei der Analysenwaage eine regelmäßige Kalibrierung erfolgen, damit die Messungen valide Daten liefern. Die
GxP-Version der Software Consense-IMS, -QMS, -PMS oder -GxP
setzt vor dem ersten Einsatz der Waage einen genau festgelegten
Workflow in Gang. Dr. Iris Bruns erklärt: „Der Qualitätsbeauftragte loggt sich in seiner Suite ein und sieht auf seiner Übersichtsseite
unter anderem die Aufgaben, die auf seine Freigabe unter Berücksichtigung der GxP-Vorgaben warten. Er legt eine neue Prozessimplementierung für die Analysenwaage und die damit verbundenen
neuen GxP-Prozesse, etwa für die Kalibrierung der Waage, das Abwiegen mit der Waage und deren Reinigung, an. Der Qualitätsbeauftragte gibt vor, dass die Mitarbeiter zunächst entsprechendes
Fachwissen nachweisen müssen, um den Kalibrierungsvorgang
und den Umgang mit der Waage durchführen zu dürfen.“
Um den Anwendern die Dokumentationsarbeit zu vereinfachen
und den Zeitaufwand zu verringern, ermöglicht die GxP-Software
mehrere Prozesse, zum Beispiel aus dem gleichen Kontext, in einer
einzigen Prozessimplementierung abzuwickeln und zu validieren.
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Bilder: Consense
Test + Qualität
Qualitätssicherung
Test + Qualität
Qualitätssicherung
Bild 1: Die individuelle Benutzerrechteverwaltung sorgt
für einen hohen Schutz vor unbefugten Zugriffen.
Bild 2: Der Statusreport gibt an, welcher Mitarbeiter die
Schulung bereits durchlaufen hat.
Bild 3: Erfolgreich durchgeführte Validierungen setzen neue
Prozesse in Kraft.
Bild 4: Consense-GxP unterstützt Unternehmen aus regulierten
Branchen bei der Erfüllung von QM-Anforderungen.
4
Kenntnisse online prüfen
Das Beispiel verdeutlicht, dass Qualitätsmanagementsoftware, die
GxP-Anforderungen optimal unterstützen soll, mehr leisten kann,
als eine zuverlässige Dokumentenverwaltung. „Moderne GxP-gerechte Softwarelösungen bieten zum Beispiel eine Verknüpfung
mit dem Schulungs- oder Qualifikationsmanagement. Damit lässt
sich die Planung und Durchführung aller notwendigen Maßnahmen systematisch bewältigen“, erklärt Dr. Iris Bruns. Im dargestellten Fall ließe sich durch den Qualitätsbeauftragen im System festlegen, dass die Befähigung zur ordnungsgemäßen Verwendung
der Waage durch einen Nachweis an Fachwissen erfolgen muss.
„Consense-GxP bietet hier die Möglichkeit, Online-Tests zu erstellen, um das Wissen der Mitarbeiter zu überprüfen. Für diese Tests
können etwa Multiple-Choice-Fragen hinterlegt werden. Dabei
lässt sich sogar eine Gewichtung der Fragen vornehmen oder es
können Pflichtfragen festgelegt werden, die man in jedem Fall
richtig beantworten muss“, erläutert Dr. Iris Bruns.
Solange der zu implementierende Prozess noch nicht geprüft
und freigegeben ist, wird dies dem Qualitätsbeauftragen in seiner
Übersicht durch eine Warnmeldung angezeigt. So behält er den
Vorgang im Auge, bis die Prozessimplementierung abgeschlossen
ist. Er hat jederzeit Einsicht, welche Mitarbeiter die Schulung bereits absolviert haben, bei welchen diese noch aussteht. Er kann
sich den aktuellen Stand unter anderem übersichtlich als Diagramm darstellen lassen.
Sobald sich die zuständigen Mitarbeiter in ihre Suite einloggen,
wird ihnen die anstehende Schulung für die angeschaffte Analysenwaage angezeigt. Zugehörige Prozesse sind für jeden Mitarbeiter individuell erst dann zur Verwendung freigegeben, wenn er die
entsprechende Befähigung erworben hat. Wurde der Test entsprechend den vom Unternehmen festgelegten Kriterien für die Validierung von ausreichend Mitarbeitern erfolgreich absolviert, kann
der Qualitätsbeauftragte die Validierung bewerten. „Bei erfolgreich durchgeführter Validierung werden die neuen Prozesse
schließlich in Kraft gesetzt“, beschreibt Dr. Iris Bruns.
Zugriffsschutz für sensible Daten
Das Beispiel demonstriert jedoch nur einen kleinen Ausschnitt der
Leistungsfähigkeit von auf GxP-Anforderungen zugeschnittener
Modelle. Auch auf die wachsenden Sicherheitsanforderungen sollten diese Softwareprodukte eingehen. Gerade im sensiblen Bereich
der Life Sciences, in dem es oft um streng vertrauliche Inhalte wie
Forschungsergebnisse oder -methoden geht, ist ein besonderer
Schutz vor unberechtigten Zugriffen erforderlich. Hier liefert die
entsprechende Software wertvolle Unterstützung. „Wir haben
Consense-GxP unter anderem mit einer individuellen Benutzerrechteverwaltung ausgestattet. Damit lässt sich die Anzeige von
www.elektronikjournal.com
5
Bild 5: Die Software trägt zum Einhalten der zahlreichen im
Rahmen des Qualitätsmanagements vorgegebenen Normen
und Regeln bei.
relevanten Informationen und Daten detailliert regeln, sodass ein
hoher Schutz vor unbefugten Zugriffen gewährleistet ist“, so Dr.
Iris Bruns. Auch im Bereich der Personalplanung können moderne
GxP-gerechte Qualitätsmanagementsysteme eine wertvolle Unterstützung leisten. Branchen wie die Medizintechnik oder die Pharmazeutische Industrie haben in der Regel einen großen Bedarf an
hochspezialisierten Mitarbeitern.
QM-Systeme wie Consense-IMS, -QMS, -PMS oder -GxP lassen
sich mit Funktionen verknüpfen, die das Management von Mitarbeiterqualifikationen unterstützen. So verwaltet das Modul Qualifikationsmanagement von Consense-IMS, -QMS, -PMS oder -GxP
systematisch die im Unternehmen vorhandenen Kenntnisse und
Fähigkeiten aller Mitarbeiter. Dies ermöglicht gerade Unternehmen, die auf besonderes Fachwissen ihrer Belegschaft angewiesen
sind, eine vorausschauende Planung.
Gute Aussichten
Dr. Iris Bruns ist überzeugt: „Die Einführung von auf GxP-Anforderungen zugeschnittener Software lohnt sich ab dem Moment, in
dem Prozesse, die GxP-relevant sind, dokumentiert werden sollen
oder sogar dokumentiert werden müssen – unabhängig davon, ob
es sich um ein Unternehmen mit validierten Prozessen beziehungsweise Systemen oder ein Unternehmen aus dem GxP-Umfeld ohne eigene Validierung handelt.“
In kleineren Betrieben entlastet die Software die mit dem Qualitätsmanagement betrauten Mitarbeiter, die diese Aufgabe oft neben ihrem eigentlichen Job erfüllen. „In Großunternehmen aus
der Life-Science-Branche ist GxP-Software heute unerlässlich, um
die große Masse an Dokumenten systematisch zu lenken und zu
archivieren“, schließt Dr. Iris Bruns. (rao)
■
Der Autor: Dr. Alexander Künzer ist in der Geschäftsführung
bei Consense in Aachen tätig.
Auf einen Blick
Auf Qualität gepolt
Ein systematisches, zuverlässiges Qualitätsmanagement stellt Unternehmen aus der Medizin und Medizintechnik, Pharmazie sowie den
Life Sciences vor Herausforderungen. Sie müssen komplexe Vorgaben einhalten und in ihren Prozessen internationale Richtlinien für
gute Arbeitspraxis befolgen. Die Software Consense-GxP geht auf
diese Anforderungen ein.
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elektronikJOURNAL 06/2014
65
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62
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8
Impressum
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ISSN: 0013-5674
49. Jahrgang 2014
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Redaktion:
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elektronikJOURNAL 06/2014
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Art Director: Jürgen Claus
Layout und Druckvorstufe: Horst Althammer
Druck: pva GmbH, Landau
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