Für elektronische Geräte in der Medizintechnik stellt eine ergonomische und intuitiv bedienbare Mensch-Maschine-Schnittstelle (MMS) einen entscheidenden Bestandteil der Lösung dar. Die MMS wird daher oft gemeinsam mit den jeweiligen Benutzergruppen entwickelt, um die optimale Usability zu gewährleisten. Hilfreich für die Geräteentwicklung ist eine entsprechende Entwicklungsumgebung, mit der sich innerhalb kürzester Zeit Displayprototypen erstellen und rasch in die Serie überführen lassen.

Beim Exsufflator kommt ein resistives Touch-Display zum Einsatz

Beim Exsufflator kommt ein resistives Touch-Display zum EinsatzRespitec GmbH

Bei der Entwicklung solcher Geräte gilt es, eine Vielzahl von Normen und Vorschriften wie die EN-60601-Normenreihe zu berücksichtigen. Je nach Einsatzgebiet kommen noch weitere anwendungsspezifische Normen hinzu. Die Integration eines einfachen Displays als Mensch-Maschine-Schnittstelle ist daher mit einem erheblichen Aufwand für die Entwicklung entsprechender Hard- und Software der Ansteuerungselektronik verbunden und erfordert umfangreiches Know-how bei den Entwicklern.

Flexible Stückzahlen

Je kleiner die Stückzahlen für ein medizintechnisches Gerät sind, desto größer ist der Einfluss der Entwicklungskosten auf den Endpreis des Produkts. Hier helfen intelligente Displays mit ihren Funktionen und Schnittstellen entscheidend, den Entwicklungsaufwand zu begrenzen und kalkulierbar zu machen. Entwickler können damit den Fokus auf das anwendungs- und normengerechte Design richten, anstatt sich der elektronischen Integration der Displays widmen zu müssen. Das senkt nicht nur Kosten und Komplexität, sondern auch die Produkteinführungszeiten.

CPAP-System mit intelligentem Display für die Neonatologie im klinischen Einsatz

CPAP-System mit intelligentem Display für die Neonatologie im klinischen EinsatzMedin GmbH

Heutige Standard-LCD-Panels benötigen typischerweise einen 32-Bit-Mikrocontroller, ausreichend RAM- und Flash-Speicher sowie einen Display-Controller. Zudem sind für ein ansprechendes Design teure Grafikbibliotheken erforderlich, die man oftmals erst kaufen und an die bestehende Hardware anpassen muss. Nicht zu unterschätzen sind fehlende oder unvollständige Spezifikationen. Egal ob eine LCD-Ansteuerung von Grund auf entwickelt oder ein zugekauftes Board angepasst wird – der daraus resultierende Entwicklungsaufwand rentiert sich üblicherweise erst bei großen Stückzahlen.

Die intelligente Alternative

Die von Demmel entwickelten intelligenten Displays (iLCD) enthalten alle für die Ansteuerung eines Displays notwendigen Komponenten direkt auf dem Panel. Ein solches iLCD wird nicht mehr auf Pixelebene angesprochen, sondern über parametrierbare High-Level-Kommandos. Damit muss die Applikation auch bei komplexen Screen-Layouts nur wenige Bytes an das Display senden. Die Kommunikation mit dem intelligenten Display über eine der eingebauten Schnittstellen ist deutlich einfacher als eine direkte Ansteuerung eines Standard-LCDs und benötigt wesentlich weniger Rechenleistung, sodass auch ein einfacher Low-Cost-Mikrocontroller die  Ansteuerung übernehmen kann. Die Anbindung erfolgt beispielsweise über RS232, USB, I2C oder SPI, optional ist die Ansteuerung über TCP/IP möglich.

Eckdaten

Langzeitverfügbar, robust und einfach integrierbar: Das sind die Zutaten, die iLCDs als User-Interface in der Medizintechnik auch in kleineren Stückzahlen wirtschaftlich attraktiv machen. Die schnelle Markteinführung basiert auf den leicht anzusteuernden intelligenten Displays mit ihren umfangreichen Features, der zugehörigen Management-Software sowie Informationen und Support vom Hersteller.

In vielen Fällen lassen sich vorhandene Applikationen mit simplen monochromen Zeichen-Displays und mechanischen Tasten einfach durch Hinzufügen eines iLCD modernisieren, ohne wesentliche Hardware-Änderungen durchführen zu müssen. Eine RS232-Verbindung und eine 5-V-Stromversorgung reichen oft schon, um eine Anwendung zu modernisieren.

Robuster ohne Betriebssystem

Intelligente Displays sind bei kritischen Anwendungen nicht nur in der Industrie, sondern auch in der Medizintechnik eine Alternative. Genau wie bei heiklen Produktionsprozessen darf ein User-Interface beispielsweise bei lebenserhaltenden Maßnahmen nicht abstürzen und der Eingriff in einen laufenden Prozess muss zu jedem Zeitpunkt sichergestellt sein. Dass auf den iLCDs kein Betriebssystem, sondern auf einem Controller eine stabile Firmware läuft, schließt eine mögliche Fehlerquelle aus. Darüber hinaus wird keinerlei Bootzeit benötigt, sodass die volle Funktionalität unmittelbar nach dem Einschalten der Stromversorgung zur Verfügung steht. Die daraus resultierende Robustheit wird selbst extrem kritischen Anforderungen aus der Medizintechnik gerecht.

Neben der Zuverlässigkeit ist die Langzeitverfügbarkeit von elektronischen Geräten ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Verwendung in der Medizintechnik. Die Dauer der Produktzyklen liegt hier wie auch im Investitionsgüterbereich in der Größenordnung von mehreren Jahren, weshalb auch die Komponenten entsprechend auszuwählen sind.

Kapazitiv steuerbar

Eine MMS visualisiert Zustände und bietet die Möglichkeit, aktiv in Vorgänge einzugreifen. Diese Interaktion ist bei iLCDs mittels resistivem und bei bestimmten Modellen kapazitivem Multitouchpanel mit bis zu fünf Touchpoints gleichzeitig möglich. Die Varianten mit PCAP-Touch-Technologie (Projected Capacitive) sind überall dort interessant, wo raue Umgebungsbedingungen herrschen oder häufiges Reinigen und Desinfizieren erforderlich ist. Sie arbeiten mit Kapazitätsänderungen und lassen sich daher hinter Glas verschiedener Dicke verbauen. 

Da die kapazitiven Kopplungen je nach Konstruktion unterschiedlich sein können, brauchen kapazitive iLCDs angepasste Parameter, die die konkrete Einbausituation berücksichtigen. Das intelligente Display lässt sich auch mit dem Frontglas fest verkleben. Demmel verwendet dabei ein Optical-Bonding-Verfahren zum vollflächigen Verkleben von Display, Touchpanel und Frontglas mit einem speziellen Kleber, der den gleichen Brechungsindex wie Glas aufweist. Zusätzlich zu den sehr guten optischen Eigenschaften für die Darstellung der Displayinhalte ermöglicht das Optical Bonding robuste Konstruktionen für Anwendungen auch im öffentlichen Bereich. Selbst individuellen Kundenwünschen wie die Verwendung eines Antiglare-Frontglases oder die farbige Bedruckung der Glasränder steht dabei nichts im Wege.

Resistive Displays

Neben kapazitiven Touchpanels sind in der Medizintechnik auch resistive Varianten möglich und üblich. Deren Oberfläche besteht aber aus einer Kunststofffolie, für die sich nur bestimmte Reinigungs- und Desinfektionsmittel eignen – üblicherweise werden Mittel mit Äthanol empfohlen. Wenn der Hersteller über das eingebaute Touchdisplay und die angrenzende Geräteoberfläche noch eine Polyesterfolie montiert, können die Anwender auch Reiniger auf Basis von Isopropanol oder Peroxid verwenden.

Sowohl resistive als auch kapazitive iLCDs unterstützen bis zu 64 in ihren Abmessungen frei definierbare Touchfelder. Diese können beim Drücken oder Loslassen jeweils eine Aktion auslösen und ein frei definierbares, eindeutig zuordenbares Signal an die Applikation zurückliefern.

Features sind Auswahlkriterium

Neben der Touchpanel-Unterstützung sind Controller und On-Board-Speicher charakteristisch für intelligente Displays. Die übrigen Displaymerkmale sind ebenso wie die darauf aufbauenden Features herstellerspezifisch sehr unterschiedlich. Alle iLCDs von Demmel haben einen schnellen Controller sowie Flash- und RAM-Speicher am Panel integriert. Der 128-MByte-Flash-Speicher bietet Platz für eine große Anzahl von Grafiken, Fonts, Textbausteinen und Makros, wobei die Anzahl der Grafiken lediglich durch die Speichergröße begrenzt ist, welche mit einer Onboard-Micro-SD-Karte nochmals erweiterbar ist. Diese Karte ist zudem hilfreich bei Updates der Nutzerapplikation und beim Abspeichern beliebiger Dateien wie beispielsweise applikationsspezifischer Log-Files. Das Gerätedesign wird zusätzlich durch I/O-Funktionalitäten erleichtert, wie digitale Ein- und Ausgänge, ADC-Inputs, Relais- und LED-Ansteuerung, Echtzeituhr und PWM-Ausgänge.

In den intelligenten LCDs des Herstellers lassen sich beliebige Fonts speichern, und dank Unicode unterstützen sie selbst nicht-lateinische Sprachen und Schriften. In Verbindung mit Textbausteinen vereinfachen Unicode-Zeichensätze den internationalen Einsatz von Geräten erheblich. Texte lassen sich in jeder gewünschten Orientierung mit Umbruch und Alignment anzeigen. Weltweit einzigartig auf intelligenten Touchdisplays ist das Anti-Aliasing der Fonts. Dieser in allen iLCDs standardmäßig verfügbare Glättungsalgorithmus sorgt für ein deutlich besseres Schriftbild, da damit ausgefranste oder treppenförmige Buchstabenränder der Vergangenheit angehören. Die Qualität des Schriftbildes lässt sich mit der Bitzahl pro Pixel konfigurieren, welche die Anzahl der Alpha-Wert-Stufen festgelegt.

Die iLCD-Technologie ermöglicht intuitive und ergonomische Benutzerschnittstellen

Die iLCD-Technologie ermöglicht intuitive und ergonomische BenutzerschnittstellenDemmel Products GmbH

Screen-Design-Befehle

Hochwertige grafische Darstellungen gelingen mit vielfältig parametrierbaren Screen-Design-Befehlen, wobei diese Freiheiten bei den Funktionsparametern sogar die Erzeugung von Grafiken mit 3D-Anmutung erlauben. Grafische Elemente lassen sich entweder direkt am Panel erzeugen oder vorab in einem Bildbearbeitungsprogramm. Die daraus resultierenden BMP-, JPEG-, PNG- oder Animated-GIF-Dateien können in der Entwicklungsumgebung geöffnet und in das Flash-Memory des Panels gespeichert werden. Die Darstellung auch komplexer Screen-Layouts erfolgt bandbreitenschonend mittels eines Befehls oder Makroaufrufs.

Eines der spezifischen Merkmale, das die iLCDs von anderen intelligenten Displays unterscheidet, ist ihre besonders kompakte Bauform. Das gilt sowohl für resistive als auch für kapazitive Touchdisplays, deren Bautiefe nur wenig größer ist als das Display selbst. Ein schlanker Formfaktor hilft beim Design und bei der Montage in beengten Verhältnissen.

iLCD-Panel und Management-Software bilden eine Lösung aus einem Guss

iLCD-Panel und Management-Software bilden eine Lösung aus einem GussDemmel Products GmbH

Optimierte Management-Software

Zur Projektierung gehört die passende Management-Software iLCD Manager XE im aktuellen Windows-Layout für eine intuitive Handhabung. Mit dieser lizenzfreien IDE lassen sich alle Panels aus der iLCD-Produktlinie einrichten, konfigurieren, programmieren und testen. Zahlreiche Hilfefunktionen unterstützen die Entwicklung, sodass eine lange Einarbeitungszeit entfällt. Command Listing, Parameter Completion und Syntax Checking/Highlighting helfen direkt beim Erstellen des Projekts. Wird die Maus über ein Kommando bewegt, öffnet sich ein Tooltip mit einer kompakten Syntaxbeschreibung. Außerdem öffnet die Auto-Help-Funktion dann ein zusätzliches Hilfe-Fenster mit einer ausführlichen Beschreibung. Die Automatik-Funktionen sind abschaltbar.

Die derzeit gut 250 im iLCD-Controller implementierten Befehle sind in Gruppen gegliedert und logisch aufgebaut, wodurch der Entwickler rasch einen Überblick über die Befehlsarten und deren Möglichkeiten bekommt. Die mitgelieferten Beispielprojekte demonstrieren die verschiedenen Features, liefern Design-Ideen und können bei Bedarf ins Projekt übernommen werden. Hilfreich sind auch die umfangreiche Dokumentation und der auf der Homepage verfügbare Source-Code.