Model-based Design für medizintechnische Anwendungen

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Brit Waltz
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1 Model-based Design für medizintechnische Anwendungen Dr. Momme Winkelnkemper

2 Projektumfeld Entwicklungsdienstleister Algorithmen Datenanalyse U.a. für Messgeräte- Entwicklung 2

3 Projektumfeld Entwicklungsdienstleister Algorithmen Datenanalyse U.a. für Messgeräte- Entwicklung Auftrag: Algorithmus Medizintechnik-Konzern Point-of-Care Messgerät Entwicklung nächste Generation Neuentwicklung des Mess-Algorithmus 3

4 Projektinhalt Point-of-Care Messgerät Medizinisch-technische Analytik in Kundennähe: -> z.b. in Arztpraxis, beim Patienten o.ä. Häufig auf Embedded Devices Neuentwicklung Mess-Algorithmus Verbesserung Genauigkeit, Messgeschwindigkeit Stabilisierung gegen Störeinflüsse Randbedingungen IEC 62304: Medizingeräte-Software - Software-Lebenszyklus-Prozesse IEC 61508: Funktionale Sicherheit sicherheitsbezogener elektrischer/elektronischer/programmierbarer elektronischer Systeme 4

5 Projektumfeld Entwicklungsdienstleister Algorithmen Datenanalyse U.a. für Messgeräte- Entwicklung Auftrag: Algorithmus Ergebnis Medizintechnik-Konzern Point-of-Care Messgerät Entwicklung nächste Generation Neuentwicklung des Mess-Algorithmus Firmware-Entwicklung 5

6 Inhalt 1. Warum Model-Based Design? 2. Messaufgabe & Algorithmen Entwicklung 3. Umsetzung in Simulink 4. Zusammenfassung 6

7 Inhalt 1. Warum Model-Based Design? 2. Messaufgabe & Algorithmen Entwicklung 3. Umsetzung in Simulink 4. Zusammenfassung 7

8 Herkömmlicher Projektablauf Algorithmik Konzept Spezifikation Ausarbeitung Simulation / Test 8

9 Herkömmlicher Projektablauf Algorithmik Konzept Firmware Spezifikation Ausarbeitung Implementierung Software Tests Simulation / Test Test Erstellung 9

10 Herkömmlicher Projektablauf Algorithmik Firmware Labor Konzept Spezifikation Ausarbeitung Implementierung Software Tests Prototypen Test Simulation / Test Test Erstellung 10

11 Herkömmlicher Projektablauf Algorithmik Firmware Labor Konzept Spezifikation Ausarbeitung Implementierung Software Tests Prototypen Test Simulation / Test Test Erstellung Schnittstelle fehleranfällig Bis zu 6 Monate 11

12 Herkömmlicher Projektablauf Algorithmik Firmware Labor Konzept Spezifikation Ausarbeitung Implementierung Software Tests Prototypen Test Simulation / Test Test Erstellung Konzept-Anpassungen aufwändig 12

13 Model-based Design: Projektablauf Firmware Implementierung Algorithmik Spezifikation Schnittstelle Konzept Ausarbeitung Frühzeitige Definition der Schnittstelle 13

14 Model-based Design: Projektablauf Firmware Implementierung Bereitstellung Firmware & Schnittstelle Algorithmik Spezifikation Schnittstelle Code Generierung Konzept Ausarbeitung Simulation / Test Software Test Firmware- und Algorithmen-Entwicklung arbeitet parallel Code- /Test-Erstellung aus Simulationsmodell 14

15 Model-based Design: Projektablauf Firmware Algorithmik Implementierung Bereitstellung Firmware & Schnittstelle Labor Prototypen Test Spezifikation Schnittstelle Code Generierung Konzept Ausarbeitung Simulation / Test Software Test Konzept-Anpassungen deutlicher einfacher 15

16 Model-based Design: Vorteile Schneller Paralleles Entwickeln, Automatische Code-Generierung Weniger Fehleranfällig Keine Übergabe komplexer Spezifikationen Agiler Nachträglicher Anpassung deutlich einfacher 16

17 Inhalt 1. Warum Model-Based Design? 2. Messaufgabe & Algorithmen Entwicklung 3. Umsetzung in Simulink 4. Zusammenfassung 17

18 Messaufgabe: Chemische Reaktion Analyse chemischer Reaktion Verfolgung transienter Reaktionsgröße 18

19 Messaufgabe: Chemische Reaktion Analyse chemischer Reaktion Verfolgung transienter Reaktionsgröße Messwert korreliert mit Endwert 19

20 Messaufgabe: Beispiel Gewünscht: Beschleunigung der Messung Voraussetzung: Eindeutigkeit 20

21 Temperatur-Einfluss Zeitpunkt der Vorhersage Temperatur beeinflusst Kurvenform Gegenmaßnahme: Temperaturmessung 21

22 Einfluss von Störsubstanzen Zeitpunkt der Vorhersage Störsubstanzen beinflusssen Kurvenform Problem: Konzentration kann nicht gemessen werden 22

23 Störsubstanzen: Kompensation Kontinuierliche Kurvenformanalyse Spezieller Exponentialansatz 23

24 Störsubstanzen: Kompensation Kontinuierliche Kurvenformanalyse Spezieller Exponentialansatz Vorhersage des Messwerts zu jedem Zeitpunkt 24

25 Störsubstanzen: Kompensation Vorhersage zu jedem Zeitpunkt Extrapolation Konvergiert deutlich früher 25

26 Störsubstanzen-Korrektur: Messabweichung 90% innerhalb -19% +15% 90% innerhalb -4% +9% 26

27 Inhalt 1. Warum Model-Based Design? 2. Messaufgabe & Algorithmen Entwicklung 3. Umsetzung in Simulink 4. Zusammenfassung 27

28 Prototyp: Algorithmen Auswahl Features Konservativ Risikofreudig 4 Varianten implementiert Alle im Prototyp aktivierbar Entscheidung wird bewusst offen gehalten Auswahl zu späterem Zeitpunkt problemlos möglich 28

29 Umsetzung in Simulink 29

30 Umsetzung in Simulink Rückgabenwerte (Fehler,Ergebnis) Eingangsgrößen (z.b. Signal) Datenlogger 30

31 Umsetzung in Simulink Pre-Processing: Signalaufbereitung für die Analyse Post-Processing: Signalaufbereitung für Rückgabe an Host Hauptroutine: Analyse wurde in Stateflow realisiert 31

32 Hauptroutine: Stateflow State-Machine zur Darstellung der Analyse-Phasen im Code 32

33 Code Generierung Simulink Embedded Coder Spezielles Target Von MathWorks für Kunden erstellt Reibungsloser Ablauf Lauffähiger Prototyp vorhanden 33

34 Inhalt 1. Warum Model-Based Design? 2. Messaufgabe & Algorithmen Entwicklung 3. Umsetzung in Simulink 4. Zusammenfassung 34

35 Aktueller Projektstand Algorithmus für medizin-technisches Messgerät entwickelt Lauffähiger Prototyp mit Simulink Embedded Coder realisiert Prinzipielle Funktionstests absolviert Bereit für Labor-Tests 35

36 Aktueller Projektstand Algorithmus für medizin-technisches Messgerät entwickelt Lauffähiger Prototyp mit Simulink Embedded Coder realisiert Prinzipielle Funktionstests absolviert Bereit für Labor-Tests Dokumentation Simulink Report Generator für Implementierung Allgemeine Entwicklungs-Dokumentation 36

37 Aktueller Projektstand Algorithmus für medizin-technisches Messgerät entwickelt Lauffähiger Prototyp mit Simulink Embedded Coder realisiert Prinzipielle Funktionstests absolviert Bereit für Labor-Tests Dokumentation Simulink Report Generator für Implementierung Allgemeine Entwicklungs-Dokumentation Tests Erstellt mit Simulink Test Manager Grundlegende Modul- und Submodul-Tests vorhanden 37

38 Erfahrungen mit Model-based Design Entlastet von Fremdaufgaben Erstellung von Spezifikationen für die Implementierung Händische Implementierung des Algorithmus 38

39 Erfahrungen mit Model-based Design Entlastet von Fremdaufgaben Erstellung von Spezifikationen für die Implementierung Händische Implementierung des Algorithmus Höhere Komplexität bei höherer Robustheit Erleichtert die Umsetzung komplexer Algorithmen Vermeidet Fehler bei Implementierung 39

40 Erfahrungen mit Model-based Design Entlastet von Fremdaufgaben Erstellung von Spezifikationen für die Implementierung Händische Implementierung des Algorithmus Höhere Komplexität bei höherer Robustheit Erleichtert die Umsetzung komplexer Algorithmen Vermeidet Fehler bei Implementierung Gut für agilen Workflow Reduktion der Entwicklungszeit Flexibler bei Änderungen 40

41 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Bildnachweis: Folien 5&7: Marvid / istock Folie 6: bannosuke / fotolia Folie 7: Robert Kneschke / fotolia 41

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