Hochpräzise Patienten-Simulatoren (Schwerpunkt Baby-Lungensimulator “LuSi”)
neosim AG
Technologien & Tools
STM32 Cortex M4, RTOS (Keil RTX), Battery Charger für NiMH Akkus, MP3 Codec (VS1053), Bluetooth Modul von Telit (BlueMod+SR)
Altium Designer, Keil uVision, STM32CubeMX, Git
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Das Churer Unternehmen Neosim verfügt über ein grosses Wissen in der Lungenphysiologie von Intensivpatienten. Für die Aus- und Weiterbildung von Medizinern, insbesondere von Atemtherapeuten und Intensivmedizinern, ermöglichen Neosim Lungensimulatoren eine realistische Atmung bei Trainingspuppen. Im Gegensatz zu bereits verfügbaren Lungensimulatoren sind jene von Neosim völlig autonom. Sie unterstützen verschiedenste Methoden zur Behandlung der Atemwege und zeigen automatisch die ermittelten Ergebnisse in Echtzeit.
Die Lösung
Reale Abbildung der Lungenfunktion
Die Aufgabe für das Solve-Projektteam war, die Elektronik, inklusive Software, für einen Baby-Lungensimulators zu entwickeln. Der Auftrag bestand darin, die Lungenfunktion mechatronisch nachzubilden und die ermittelten Daten in Echtzeit drahtlos zu kommunizieren. Der Lungensimulator sollte sich zudem ortsunabhängig einsetzen lassen, weshalb die Stromversorgung auch mit Akkus möglich sein musste. Nebst der Entwicklung der Elektronik bestand die Aufgabe darin, dem Kunden ein Firmware-Framework zur Verfügung zu stellen, das ihm ermöglichte, über einfache Schnittstellen die Sensoren und Aktoren auszulesen beziehungsweise anzusteuern sowie Daten über Bluetooth zu kommunizieren. Mit Hilfe des Frameworks konnte anschliessend der Kunde die Applikationsfirmware (Lungenphysiologie) selber implementieren.
Breit gefächerte Kenntnisse sind gefragt
Die hohe Funktionsdichte der zu entwickelnden Elektronik erforderte Erfahrungen in verschiedenen Technologien. Dazu gehörte z.B. die Mikrocontroller-Programmierung eines Realtime-Betriebssystems, die Anbindung des Rechners mittels einer Bluetooth-Schnittstelle, die Implementierung eines MP3 Codec und des Filesystem, das in Zukunft das Abspielen von Geräuschen erlaubt. Eine Low-Power-Schaltung stellt die Versorgung durch einen Akku sicher.
Der kompakte Alleskönner
Auf der neu entwickelten Elektronikplatine für «LuSi» sind alle Funktionen, die für die Lungensimulation und die Kommunikation mit dem PC notwendig sind, integriert. Für die Steuerung und Kommunikation ist ein Cortex-M4-Mikrocontroller zuständig. Auf diesem ist das Echtzeitbetriebssystem programmiert. Für die Brustkorbbewegung und Simulation der Lungenfunktion ist eine Art Blasbalg zuständig. Er wird durch einen DC-Servomotor betrieben. Die Leistungselektronik für die Ansteuerung und Geschwindigkeitsvorgabe des Motors ist auf der Elektronikplatine enthalten. Wie die Ventile für die Luftzufuhr wird auch er von der Software aus angesteuert. Ebenfalls auf der Platine sind ein Bluetooth Modul für die Kommunikation mit dem PC sowie eine Ladeschaltung und eine Überwachung für die NiMH Akkus installiert. Zudem erfassen die angeschlossenen Sensoren Messwerte wie Druck, Luftzufuhr, CO2-Produktion und Volumen. Über Bluetooth kommuniziert die Mikrocontroller-Steuerung mit dem übergeordneten PC. Die Datenkommunikation überträgt die Messwerte sowie die Parametervorgaben, wie z.B. Lungenmechanik, Atemkontrolle und einige Spezialeffekte. Diese Kommunikation wurde mittels SPP (Serial-Port-Profile) realisiert. Die Entwicklung der seitens des Rechners notwendigen Treiber und Frameworks gehörten dazu.
Der Auftrag umfasste zudem die Erstellung des Schemas, des Layouts sowie des EMV-gerechten Designs. Abschliessend wurde das System einer sorgfältigen Prüfung und ausgiebigen Tests unterzogen.
Punkten mit Expertenwissen
Als ein typisches aufstrebendes Startup-Unternehmen verfügte Neosim über ein minimales Budget und wenig Erfahrung sowohl in der Low-level-Entwicklung (RTOS, Framework und Treiber) als auch in der Firmware Entwicklung. Bei Solve fand Neosim die ideale Kombination beider Disziplinen. Solve hatte bereits das erforderliche Fachwissen über elektromechanische Lungensimulatoren und konnte deshalb den Kunden hinsichtlich möglicher Sparpotentiale beraten. So entstand für «LuSi» eine technisch perfekte und kostenoptimierte Lösung.
«Die Kompetenzen von Solve und neosim wurden von Solve Projektleiter Fabian Schnellmann ideal kombiniert, sodass für neosim grösstmöglicher Nutzen entstand. Das Resultat war hervorragend, Kosten- und Zeitbudget wurden eingehalten.
Danke für die tolle Zusammenarbeit!»
Josef X. Brunner, CEO
thyssenkrupp Presta TecCenter AG
