MCU-Applikation in der Medizintechnik Mikrocontroller steuert Blutdruckmessgerät

Autor / Redakteur: Thomas Schumann, Raul Hernandez* / Holger Heller

Systeme, gleich wie einfach sie auch aussehen mögen, nehmen immer mehr an Komplexität und Integrationsgrad zu, und Mikrocontroller halten mit den Anforderungen der Systementwickler Schritt. Dies gilt nicht nur für die Realisierung von Blutdruckmessgeräten und anderen medizinischen Geräten für den Privatgebrauch, sondern auch für Systeme in praktisch allen anderen Branchen.

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Nahezu täglich ändern sich die Randbedingungen im Gesundheitswesen: durch die Kostenexplosion für medizinische Leistungen, Änderungen der Versicherungsbedingungen oder Fortschritte in der Medizintechnik.

Diese Faktoren wirken sich nicht nur auf die medizinische Primärversorgung von Patienten aus, sondern auch auf die Art und Weise, wie Vor- und Nachsorge bei Operationen ablaufen. Einfache Operationen sind so zur Routine geworden, dass Patienten meistens noch am Tag des Eingriffs oder kurz danach wieder entlassen werden. Der Patient erholt sich heute nach einer Operation vorwiegend zu Hause, und dabei kommen häufig Geräte zum Einsatz, die bisher nur im Krankenhaus bzw. in speziellen Rehabilitationszentren verfügbar waren.

Eines der gebräuchlichsten medizinischen Geräte, die man heute in Privathaushalten findet, ist das Blutdruckmessgerät. Während bei vielen dieser Geräte möglichst geringe Kosten im Vordergrund stehen und diese daher nur mit einem absoluten Minimum an Funktionalität aufwarten, berücksichtigen andere den körperlichen Zustand des Patienten. Einige dieser Geräte sind einfach aufgebaut: es wird nur eine Blutdruckmessung ausgeführt, die Ergebnisse werden dem Anwender angezeigt, und dann schaltet das Gerät ab.

Andere Geräte verfügen über einen reichhaltigen Funktionsumfang und erlauben mehrere Messungen hintereinander, die Speicherung von Daten und den Datenaustausch mit anderen Geräten. Obwohl die Geräte natürlich auf ein Höchstmaß an Genauigkeit abzielen, bleiben die meisten, wenn nicht sogar alle, in punkto Genauigkeit hinter dem Quecksilbermanometer zurück.

Aber der Fortschritt macht selbst vor den preiswertesten Blutdruckmessgeräten nicht Halt. Neue, höherwertige Geräte zeichnen sich durch Funktionen zur Datenspeicherung, eine höhere Messgenauigkeit und Stromspartechniken aus. Die Tatsache, dass sich solche neuen Funktionen realisieren lassen, verdanken wir zum großen Teil Neuerungen bei den Mikrocontrollern, die in den Schaltungen der Blutdruckmessgeräte zum Einsatz kommen.

Mehr Funktionen, Genauigkeit und Stromspartechniken

Im Rahmen der weiteren Automatisierung der klassischen Blutdruckmessung erfassen die meisten Messgeräte heute den Blutdruck über das „Druckabbauverfahren“, d.h. diese Messgeräte imitieren, wie im Krankenhaus oder beim Arzt, mit Hilfe einer aufblasbaren Armmanschette, das Pumpen, Quecksilbermanometer und Stethoskop. Manuelle und elektronische Verfahren zur Blutdruckmessung unterscheiden sich, und daher ermöglicht die Technologie auch eine zweite Messung, die beim Aufpumpen der Armmanschette erfolgt (im Gegensatz zur traditionellen Blutdruckmessung beim Ablassen der Luft in der Manschette - „Druckaufbauverfahren“).

Als Ergebnis liefert eine typische Blutdruckmessung zwei Werte: Diese repräsentieren Drücke, die in „mm Quecksilbersäule“ (mmHg) angegeben werden. Der größere und zuerst gemessene Wert gibt den systolischen Druck an, während der zweite, kleinere Wert für den diastolischen Druck steht. Diese Drücke repräsentieren die Kontraktions- und Expansionsphasen des Herzens und geben an, bei welchem Druck der arterielle Blutfluss voll blockiert wird bzw. gerade wieder beginnt. Der Spruch „Ihr Blutdruck ist normal, 120 zu 80“ sagt aus, dass der systolische Druck des Patienten 120 mmHg, der diastolische Druck 80 mmHg und der Pulsdruck (die Differenz der beiden Werte) 40 mmHg betragen. Diese Werte werden als normal angesehen. Obwohl sich das nicht verallgemeinern lässt, geben Werte über 80 bzw. 120 mmHg oft Anlass zur Sorge und könnten Anzeichen für Probleme des Herzens oder des Arteriensystems sein, u.a. auch für Bluthochdruck.

Obwohl Systeme zur Messung per Druckabbau- und Druckaufbauverfahren auf die gleichen Einzelkomponenten zurückgreifen, unterscheidet sich doch die Art und Weise, wie die einzelnen Elemente genutzt werden. Den größten Unterschied stellt die Umsetzung der Algorithmen zur Berechnung der Ergebnisse aus den gemessenen Daten dar. Ein automatisches, nach dem Druckabbauverfahren arbeitendes System, bei dem die Armmanschette vom Gerät aufgepumpt wird, erfasst bzw. verarbeitet Daten wie unten beschriebenen.

Das Gerät pumpt die Armmanschette mit Hilfe einer motorbetriebenen Luftpumpe auf einen vorgegebenen, über dem normalen Druck liegenden Wert auf und erlaubt der Manschette anschließend, den Druck mit einem vordefinierten Gradienten über einen kontrollierten Ablasspunkt wieder abzubauen. Dabei wird der Druck in der Manschette gemessen. Während sich der Druck in der Manschette abbaut, lauscht das Gerät nach dem ersten Auftreten von Druckimpulsen und merkt sich den Punkt, an dem solche erfasst werden konnten. Der Druck in der Manschette baut sich weiter ab, und das Gerät versucht den Druck zu ermitteln, bei dem keine Impulse mehr erkannt werden können, und merkt sich auch diesen Druckwert.

Komplettsteuerung über Mikrocontroller

Die gleichen Prinzipien wie bei der Blutdruckmessung per Druckabbauverfahren kommen auch beim Druckaufbauverfahren zum Einsatz. Aber das System wird komplexer, weil die Druckmessungen ausgeführt werden müssen, während die Manschette aufgepumpt wird. Hier muss der Mikrocontroller im Gerät die Druckimpulse aus einem sehr störbehafteten Drucksystem extrahieren, denn der Motor sorgt für eine ständige Änderung des Drucks im System, während die Manschette aufgepumpt wird. In den meisten Fällen kommen dann mehrere Drucksensoren zum Einsatz, der Druck wird an verschiedenen Punkten im System gemessen.

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Darüber hinaus benötigen solche Systeme eine wesentlich komplexere Motorsteuerung als ein nach dem Druckabbauverfahren arbeitendes, wo die Motorsteuerung lediglich eine motorbetriebene Pumpe einschaltet und diese ohne weitere Maßnahmen laufen lässt, bis der gewünschte Maximaldruck erreicht ist. Der Vorteil des Druckaufbauverfahrens liegt darin, dass die Manschette nicht lange unter Druck stehen muss. Denn wenn die Luft aus der Armmanschette in einem nach dem Druckabbauverfahren arbeitenden System für die Messung des diastolischen Drucks abgelassen wird, fühlen sich manche Patienten ziemlich unwohl. Dieses Unwohlsein wird durch das Druckaufbauverfahren minimiert, da der Luftdruck in der aufblasbaren Manschette sofort wieder reduziert wird, wenn der systolische Druck des Patienten bestimmt worden ist.

Blutdruckmessgeräte, gleich nach welchem Verfahren, sind nicht gegen Fehler gefeit, und viele Systeme können immer noch nicht allen Patiententypen gerecht werden. So können manche Blutdruckmessgeräte den Pulsdruck bei Patienten mit Arteriosklerose, Herzrhythmusstörungen oder anderen Leiden nicht korrekt bestimmen. Die meisten Hersteller trachten danach, ihre Systeme so modular wie nur möglich zu entwickeln, so dass einmal entwickelte Systemelemente immer wieder verwendet werden können. Kann eine einzige Platine für beide Systeme eingesetzt werden, dann umso besser für den Hersteller.

8 oder 32 Bit: gleicher Funktionsumfang im gleichen Gehäuse

Für ein einfaches, nach dem Druckabbauverfahren arbeitendes Blutdruckmessgerät würde eine MCU wie der MC9S08QE128 von Freescale ausreichen (Bild 1). Dieser zeichnet sich durch seine zahlreiche Peripheriefunktionen und eine geringe Stromaufnahme aus. Selbst wenn das Blutdruckmessgerät zusätzliche Funktionen wie das automatische Aufpumpen der Manschette, die Aufzeichnung von Daten und serielle oder Funkschnittstellen zu anderen Geräten zur Übertragung der gespeicherten Daten beinhalten würde, würde diese MCU noch voll und ganz genügen.

Will ein Entwickler ein System nach dem Druckaufbauverfahren mit zusätzlichem Funktionsumfang auf der gleichen Platine realisieren, so würden die zusätzlichen Anforderungen in punkto Datenverarbeitung und Algorithmen die Funktionalität eines 8-Bit-Prozessorkerns sprengen. Mit der QE128-MCUs eröffnen sich aber neue Perspektiven für solche Entwicklungen. Freescale bietet einen 8-Bit- (MC9S08QE128) sowie einen 32-Bit-Mikrocontroller (MCF51QE128) mit identischem Funktionsumfang und identischem Gehäuse an. Entwickler können den MCU-Sockel auch dann beibehalten, wenn der leistungsfähigere Prozessorkern zum Einsatz kommt. Ingenieure können darauf verzichten, auch bei Geräten wie einem einfachen Blutdruckmessgerät zahlreiche Optionen auf der Platine vorzusehen, und natürlich können sie über mehr als ausreichende Reserven in punkto Rechenleistung verfügen.

*Thomas Schumann war als Product Specialist für Freescale tätig und hat das Unternehmen mittlerweile verlassen; Raul Hernandez ist Technical Marketing Engineer für Mikrocontroller bei Freescale in Guadalajuara, Mexiko.

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