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Alarmsignale dienen dazu, Zustände eines Patienten zu signalisieren.
Die Sicherheit der Patienten hängt davon ab, dass das Bedienpersonal die Bedeutung der verschiedenen Alarmsignale schnell unterscheiden und somit die Dringlichkeit beurteilen kann. Die IEC 606011-8 definiert daher eindeutige Signale, die sich dank neuer AudioPlayback-ICs leicht integrieren lassen.
Verständliche Warnsignale
mit einem IC integrieren
D
er Standard IEC 60601-1-8
für hör- und sichtbare Alarme in medizinischen Geräten definiert, dass eine bestimmte
Melodie stets einer bestimmten
physiologischen Funktion zugeordnet ist. Das hält die Zahl der Alarmsignale in Grenzen und soll dazu
führen, dass sie bei allen Herstellern
einheitlich sind. Die Zahl der Alarme
ist auf acht begrenzt, und für jede
Alarmkategorie wird zwischen einer Warn- und einer Notfallvariante unterschieden. Die begrenzte Zahl der Kategorien und Melodien erleichtert es, die
verschiedenen AlarmseLösung für stationäre
quenzen zu erlernen.
und portable Geräte
Laut IEC muss der Ton
aus einem Grundton und mindestens vier Oberwellen bestehen,
denn Alarmtöne mit hohem Oberwellengehalt lassen sich einfacher lokalisieren und werden außerdem nicht so leicht übertönt.
Die Dringlichkeit eines Alarms wird durch die Zahl der Noten und
die dynamischen Eigenschaften der Tonsequenz signalisiert.
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Nicht zur Verwendung in Intranet- und Internet-Angeboten sowie elektronischen Verteilern.
Medizinelektronik Alarme nach IEC 60601-1-8
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Der Grundton und die vier Oberwellen dürfen sich laut IEC 60601-18 in ihrer Amplitude um nicht mehr
als 15 dB voneinander unterscheiden. Bei konventionellen Architekturen gestaltet sich die Umsetzung
dieses Standards gelegentlich
schwierig, da fundierte Audio- und
Akustikkenntnisse erforderlich sind.
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Eindeutige Signale sind
in Kliniken wichtig, damit
das Personal die Situation
schnell einschätzen kann
Ohne großen Aufwand und als eigenständige Lösung lassen sich die
Audio-Playback-ICs von ROHM und
OKI Semiconductor in neue, aber
auch in bestehende Systeme integrieren.
Man unterscheidet in der Regel zwischen zwei Produktfamilien:
mit Wechselstrom (230 V) betriebenes medizinisches Equipment
wie Spritzenpumpen oder Geräte für das Patientenmonitoring
(Bild 1) in Kliniken und
tragbare, batteriebetriebene Applikationen, beispielsweise zur
Blutdruck- oder Blutzuckermessung.
Die Wiedergabe-ICs mit Mehrkanalfähigkeit (bis zu vier Kanäle können
gleichzeitig abgespielt werden) erlauben es, mehrere Sounds gleichzeitig wiederzugeben. Zum Beispiel
können dem Anwender die Handhabung eines Blutdruckmessgeräts
Kontakt
ROHM Semiconductor GmbH
47877 Willich
Tel. 02154 9210
Fax 02154 921-400
www.rohmeurope.com
electronica: A5.542
mittels gesprochener Anweisungen erläutert und die Messergebnisse per Sprache ausgegeben werden. Gleichzeitig kann ein weiterer Tonkanal Alarmtöne oder Tastenquittungstöne ausgeben.
Der IC enthält spezielle Wiedergabefunktionen wie Wiederholungsschleifen, um das Kombinieren mehrerer Alarme zu erleichtern
oder um Alarme mehrmals hintereinander anzuspielen.
Zum Auslesen der komprimierten Audio-Inhalte greift der IC direkt
auf den externen oder internen Speicher zu. Die komprimierten Daten werden dann dekodiert und an den D/A-Wandler geschickt, dessen analoges Audio-Ausgangssignal anschließend verstärkt wird,
um von einem Lautsprecher wiedergegeben werden zu können.
Der Host-Mikrocontroller (MCU) übernimmt somit keine Datenverarbeitungsaufgaben, sondern steuert lediglich das IC und das API
(Application Program Interface). Sein Beitrag beschränkt sich auf
das Lesen oder Schreiben weniger Register. Somit bleiben ausreichend Ressourcen für das Aufbereiten von Sensordaten zur Blutdruckmessung, das Ansteuern der Motortreiber für Spritzenpumpen oder die Ansteuerung eines Liquid-Christal-Displays. AudioPlayback-ICs gibt es in vier Varianten mit unterschiedlicher Integrationstiefe bis hin zur echten Single-Chip-Lösung:
mit externem Speicher und externem Lautsprecherverstärker
mit externem Speicher und internem Lautsprecherverstärker
mit internem Speicher und externem Lautsprecherverstärker
mit internem Speicher und internem Lautsprecherverstärker
Als interner Speicher kann zwischen verschiedenen Bauteilserien
mit einem Flash Memory (Audiodaten lassen sich nachträglich überschreiben) oder einem Masken-ROM/P2ROM (kein Überschreiben
der Sprachdaten möglich, aber kostengünstig bei großen Stückzahlen) gewählt werden. Die ICs mit externem Speicher haben ein serielles Interface, um direkt auf die Audiodaten zugreifen zu können und um die Gehäusemaße und den Platzbedarf auf der Leiterplatte zu reduzieren. Ein externer Speicher bietet mehr Flexibilität,
wenn viel Speicherkapazität (bis zu 128 Mbit) benötigt wird.
Ein Flash-Speicher mit Parallelinterface erfordert einen 16- oder
18-bit-Datenbus, einen 8-bit-Adressbus und zusätzliche Steuersignale wie CE, OE, WE. Dementsprechend viele Pins muss das
Gehäuse aufweisen (TSOP32 mit 8,0 x 14,0 mm Größe bei einem
16-bit-Adressbus und einer Speicherkapazität von 512 kbit, 1 oder
2 Mbit oder TSOP48 mit 12,0 x 20,0 mm Größe für einen 18-bitAdressbus, der einen größeren Speicherbereich von 16, 32 oder
64 Mbit adressieren kann). Das serielle SPI-Interface eines FlashSpeichers benötigt dagegen nur vier Leitungen (CS, Serial Clock,
Serial Data in, Serial Data out) und kommt mit einem SOP8-Gehäuse von 4,9 x 6,0 mm aus. Die Pin-Ersparnis wirkt sich auch auf die
Audio-Playback-ICs aus, sodass sich anstelle des großen QFP64Gehäuses (12,0 x 12,0 mm) eine kleine SSOP-Version (7,6 x
10,0 mm) mit 28 oder 30 Pins nutzen lässt.
Standard-16-bit-PCM-Audiosignale sind nicht für Anwendungen
dieser Art optimiert. Das 4-bit-ADPCM-Format ist ein Kompromiss
zwischen Komplexität und Kompressionsverhältnis. Eine um 20
Prozent höhere Datenkompression ist möglich, wenn anstatt der
konventionellen 4-bit-ADPCM-Technik das HQ-ADPCM-Verfahren
verwendet wird. Das HQ-ADPCM-Verfahren ist ein Algorithmus,
der von OKI Semiconductor in Zusammenarbeit mit dem Kyushu
Institute of Technology entwickelt wurde, um eine hohe Kom-
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Bildquelle: BVMed-Bilderpool, DIAMED Medizintechnik GmbH
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Die im D-Waver erzeugte WAV-Datei lässt sich in eine
Binärdatei umwandeln und in den Speicher übertragen
pression bei optimaler Soundqualität zu erreichen. Die Wiedergabezeit bei Fs = 8 kHz und 1 Mbit
Speicherkapazität beträgt bei einem
Standard-16-bit-PCM: 8 s
4-bit-ADPCM: 32 s
HQ-ADPCM: 40 s
Hohe Tonqualität
trotz kleiner
Audiodatei
@
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Die Lösung eignet sich daher für
Musik und Sprachanweisungen
gleichermaßen gut. Andere Algorithmen für einen Hi-Fi-Sound sind
für Abtastraten von 16 oder 32 kHz
entwickelt worden und lassen
mehrere Kompressionsraten von
16 bis 192 kbit/s zu. Bei 16 kbit/s
entstehen größere Dateien mit sehr
hoher Qualität, während bei
192 kbit/s sehr kleine Dateien mit
reduzierter Qualität entstehen. In
der Regel führen 32 kbit/s zu einem guten Kompromiss zwischen
Dateigröße und Tonqualität.
Je nach Baustein lässt sich mit dem
Tools D-Waver (Bild 2) oder Speech
LSI Utility das Original-Soundfile
(WAV-Dateien) in eine komprimierte Binärdatei umwandeln, die sich
in den internen und externen Speicher übertragen lässt. Abtastfrequenz und Kompressionsrate beziehungsweise Kompressionsalgorithmus können für jede Datei ein-
zeln festgelegt werden. Um eine bestimmte Audiophrase wiederzugeben, sendet der Mikrocontroller über eine serielle Schnittstelle wie I2C oder SPI einen einfachen Befehl an den Audio-Playback-IC.
Alarmtöne oder Sprachanweisungen verlangen nicht nach besonders hoher Ausgangsleistung. Mit den teilweise integrierten Audioverstärkern werden 8-Ohm-Lautsprecher abhängig von der Anwendung meist mit einer Ausgangsleistung zwischen 0,5 W bei
3,6 V und bis zu 1,5 W bei 5 V angesteuert. Diese Tatsache beruht
darauf, dass einige Anwendungen, zum Beispiel eine Spritzenpumpe, eine relativ laute Tonwiedergabe erfordern, damit die Alarme
vom Personal auch in benachbarten Räumen gehört werden. Ein
Blutzuckermessgerät hingegen muss meist nur die Personen in
der direkten Umgebung beschallen.
Mit den externen Klasse-D-AudioBatteriezeit von
verstärkern BD5460GUL (Gv =
6 dB), BD5461GUL (Gv = 12 dB) und bis zu zehn Jahren
BD5464GUL (Gv über externen Widerstand einstellbar), die eine Leistung von 2,5 W in Wafer-LevelCSP-Ausführung bieten und nur 1,6 x 1,6 x 0,55 mm groß sind,
wird dem Trend der Miniaturisierung und dem Trend, Energie zu
sparen, Rechnung getragen. Durch ihren Wirkungsgrad von 90
Prozent reduzieren sich die Wärmeentwicklung und der Energieverbrauch. Mit nur drei externen Bauelementen nimmt die Lösung wenig Platz ein.
Bei den Audio-Playback-ICs gibt es eine Low-Power-Serie ML610(Q)
34x. Es handelt sich dabei um Mikrocontroller mit Audioausgang
(das Q in der Typenbezeichnung kennzeichnet die Version mit integriertem Flash-Speicher, ansonsten Mask-ROM). Als CPU-Core
dient eine 8-bit-CPU vom Typ nX-U8/100. Dieser Prozessorkern verarbeitet dank seiner dreistufigen Pipeline-Architektur Programme
effizient mit einem Durchsatz von einem Befehl pro Taktzyklus.
Programmspeicher, RAM und die Peripheriefunktionen (12-bit-A/DWandler, UART, SPI, Timer, Universal-Port, Audiosynthese, digitaler
Filter, 16-bit-Audio-D/A-Wandler und Lautsprecherverstärker) sind
in einem einzigen Chip integriert. Dank Slow-Mode und Low-PowerBetrieb eignet sich der Baustein für batteriebetriebene Anwendungen. Die niedrige Leistungsaufnahme erlaubt Betriebszeiten von
bis zu zehn Jahren ohne Batteriewechsel. Die Serie ML610(Q)34x
kommt in den Sleep-Betriebsarten mit wenig Strom aus, das heißt
mit 0,5 mA im STOP-Mode und 1,5 mA im HALT-Mode.
Der Mikrocontroller bleibt bis zu einer Betriebsspannung von 2,3 V
herab funktionsfähig. Die Integration von Mikrocontroller, Audiodekoder, 16-bit-Audio-D/A-Wandler und Klasse-AB-Lautsprecherverstärker in einen einzigen Chip senkt die Systemgesamtkosten.
Der ML610(Q)34x ist mit einem Lautsprecherverstärker mit einer
Leistung von bis zu 1,25 W ausgestattet:
Pout = 1,0 W bei 5,0 V Betriebsspannung
Pout = 0,5 W bei 3,0 V Betriebsspannung
Pout = 0,29 W bei 2,5 V Betriebsspannung
finn lange
ist Produktmanager für Management-, Audio- und Memory-ICs bei ROHM
Semiconductor.
[email protected]
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