Open-Source-Referenzboard zielt auf den schnellen Einsatz medizinischer Beatmungsgeräte ab

Viele medizinische Geräte benötigen eine präzise eingebettete Bewegungssteuerung bei niedriger Geschwindigkeit, und im Zeitalter von Covid-19 sind medizinische Beatmungsgeräte eines der Geräte im Gesundheitswesen, die für die Behandlung von Patienten sehr gefragt sind.

Um dieses Problem anzugehen, hat Trinamic Motion Control (Teil von Maxim Integrated) im Rahmen seines Projekts Trinamic Open-Source Ventilator (TOSV) ein Open-Source-Referenzboard zur Beschleunigung des Designs medizinischer Beatmungsgeräte veröffentlicht. Das resultierende Referenzdesign-Board TMC4671+TMC6100-TOSV-REF, das sowohl Hard- als auch Software als Open Source bietet, kombiniert die Geräte TMC4671 und TMC6100 in einem kompakten Modul. Der BLDC-Servotreiber kann 12 bis 36 V mit bis zu 6 A RMS liefern, um medizinische Beatmungsgeräte oder Beatmungssysteme aufzunehmen. Um die Designzyklen noch weiter zu beschleunigen, verfügt das Open-Source-Modul über einen SBC-Anschluss im Raspberry-Pi-Stil und Platz für ein Drucksensor-Add-On-Board.

Da automatische Beatmungsgeräte mit entsprechender Sensorik ausgestattet sein müssen, um Veränderungen zu überwachen und auf diese wie Druckfluss, Volumen und Atemfrequenz zu reagieren, verfügt das Modul über eine Hall-Sensor-Schnittstelle und Anschlüsse für ein optionales Drucksensor-Add-On-Board. Diese Daten können mit der kostenlosen Open-Source-Firmware, die für das Referenzdesign-Modul von Trinamic entwickelt wurde, direkt auf einem Raspberry Pi mit Touchscreen visualisiert werden.

Das Unternehmen sagte, sein Ziel mit diesem Referenzdesign sei es, Ingenieuren zu zeigen, wie medizinische Beatmungsgeräte mit leicht verfügbaren Komponenten gebaut werden können, um die verlängerten Vorlaufzeiten traditioneller Komponenten während der Covid-19-Krise zu umgehen. Trinamic betont, dass sein Ziel nicht darin besteht, medizinische Beatmungsgeräte herzustellen, sondern etwas anzubieten, das eine qualitativ hochwertige Beatmung bietet, die von Medizintechnikunternehmen kurzfristig in Serie produziert werden kann.

Der Gründer von Trinamic, Michael Randt, erklärt:„Wir haben uns von Anfang an für einen hochdrehzahligen Turbinenmotor auf Basis eines BLDC-Motors entschieden. Zusammen mit Druck- und Volumenstromsensoren ermöglicht der dynamisch geregelte Motor sowohl druckkontrollierte als auch flusskontrollierte Beatmungsmodi.“

Ausgehend von früheren Erfahrungen mit der Steuerung von Turbinen von CPAP-Geräten (Continuous Positive Airway Pressure) sagte Trinamic, dass eines klar sei:Die schnelle und dynamische Steuerung von BLDC-Motoren mit niedriger Induktion kann eine außerordentliche Herausforderung darstellen. Es erfordert eine sorgfältige Abwägung des Kompromisses zwischen hoher Schaltfrequenz und Stromwelligkeit und den daraus resultierenden Schalt- bzw. Statorverlusten. Mit seinem eingebetteten Servocontroller-IC TMC4671 erzeugt das Modul unabhängig vom Mikrocontroller eine PWM-Frequenz und einen Stromreglertakt von 100 kHz. Dadurch wird der Stromverbrauch des Systems ohne Leistungseinbußen um bis zu 15 Prozent gegenüber einer Frequenz von 25 kHz reduziert.

Ein Add-On-Board für I2C- und analoge Sensoren ermöglicht die Unterstützung von Drucksensoren verschiedener Hersteller. Der TMC4671+TMC6100-TOSV-REF kann an einen Einplatinencomputer angeschlossen werden, um auf die Benutzeroberfläche und übergeordnete Steuerungsfunktionen zuzugreifen. Im Fall des TOSV-Projekts wurde ein Raspberry Pi mit Touchscreen-Display verwendet.

Das komplett Open-Source-Referenzboard TMC4671+TMC6100-TOSV-REF ist ab Mitte Juli erhältlich. Die gesamte Hardware, Firmware und Software ist Open Source unter der MIT-Lizenz.