Vorbild Automobilindustrie

Exponat zur Demonstration der Anwendungspotenziale des Hardware-in-the-Loop-Verfahrens am Beispiel einer Herzunterstützungspumpe. (Bildquelle: Fraunhofer IPA)

Das Steuerungssystem in einer Herzpumpe muss sehr präzise arbeiten. Bei der Entwicklung eines solchen medizinischen Geräts machen die Ingenieure üblicherweise einen Schritt nach dem nächsten, die Entwicklung ist also seriell: Zunächst entwickeln sie die Hardware, die Herzpumpe. Erst sehr viel später können sie die Entwicklung der Steuerungssoftware abschließen, sie mit der Hardware kombinieren und manuell testen. Forscher der Projektgruppe für Automatisierung in der Medizintechnik und Biotechnologie des Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnik und Automatisierung IPA beschleunigen diese langwierige Prozedur. Mit dem Hardware-in-the-Loop-Verfahren (HiL) lassen sich sowohl die Entwicklungszeiten als auch die -kosten um bis zu 50 Prozent senken. Das HiL-Verfahren stammt aus der Autoindustrie. Während bislang viele Komponenten seriell entwickelt wurden, konnten die Ingenieure Entwicklungen parallel betreiben und Integrationszeiten verkürzen.

Fehler früh entdecken

Statt die Steuerungsgeräte an der Hardware zu prüfen und zu riskieren, dass diese dabei beschädigt wird, erstellen die Ingenieure ein Computermodell des Autos – samt aller Details, die für die Tests von Belang sind. An diesem testen sie die Steuerung, noch bevor das Fahrzeug gebaut ist. Über geeignete Schnittstellen koppeln die Ingenieure das Steuergerät an das virtuelle Auto. Das Steuergerät empfängt einerseits die Informationen vom Fahrzeug und sendet andererseits Befehle zurück, die das simulierte Auto umsetzt. Da das Verfahren automatisiert läuft, können die Entwickler eine Vielzahl von Testfällen analysieren und auch kritische Systemzustände gefahrlos und reproduzierbar untersuchen. So etwa einen Motordefekt: Reagiert das Steuersystem richtig, wenn der Motor streikt? Die Ingenieure können beispielsweise analysieren, was beim Ausfall eines Sensors passiert, ohne den Verbindungsdraht tatsächlich durchschneiden zu müssen. Zudem wird die Entwicklung von Anfang an transparenter: Fehler werden früh entlarvt. Das Rätseln nach dem Zusammenbau des Autos, in welcher Komponente der aufgetretene Fehler steckt, gehört der Vergangenheit an.

Mehr Produktsicherheit

Dieses Verfahren haben die Forscher nun auf moderne medizinische Geräte übertragen. Auch bei diesen Systemen greifen Hard- und Software stark ineinander – etwa bei einer Herzpumpe. „Die Anforderungen, die sich dabei stellen, sind ähnlich – auch bei medizinischen Produkten handelt es sich meist um komplexe Systeme“, erläutert Jonathan Schächtele, Wissenschaftler am Fraunhofer IPA. „Zudem lassen sich Szenarien testen, die man vorher nur über manuelle Laborversuche abschätzen konnte: Etwa ein Defekt des Systems.“ Mit HiL können die Forscher das Entwicklungsverfahren beschleunigen und die Sicherheit des Produkts erhöhen. Da die Tests vollautomatisch laufen, sind die Medizingerätehersteller in der Lage, mehr Situationen als bisher zu testen. Durch die Automatisierung steigt also tendenziell die Zahl der Testläufe. Die Hersteller können ein Maß an Sicherheit gewährleisten, das über die Vorschriften hinausgeht. Auch die Dokumentation der Testergebnisse läuft bei HiL automatisch.

Die Forscher am IPA bieten das gesamte Paket an. „Wir entwerfen das Computermodell des medizinischen Produkts, realisieren die Schnittstellen zwischen Modell und Steuerungsmodul, definieren die Testfälle und führen die Testläufe durch“, sagt Schächtele. Für die automatischen Testläufe und die Dokumentation können die Wissenschaftler auf eine Art Bausatz zurückgreifen. Für das niederländische Medizintechnik-Unternehmen Soteria Medical haben die Wissenschaftler bereits die Steuerung eines Biopsie-Systems entwickelt und getestet. „Die Integration der SPS-Steuerung ging schnell dank der Nutzung des Hardware-in-the-Loop Verfahrens“, sagt Gerrit Tiggelaar, Entwicklungsleiter bei Soteria Medical.

 

Technik im Detail

Je schneller ein Medizingerät die Entwicklung verlässt und in die klinische Prüfung kommt, desto besser. Allerdings greifen Hardware – etwa Pumpen, Sensoren und Schläuche – sowie die Steuerungssoftware bei modernen Medizingeräten komplex ineinander. Die Autohersteller nutzen für Entwicklung und Test solcher Systeme ein »Turbo«-Verfahren, von dem auch die Medizingeräteindustrie profitieren kann: Statt zunächst die mechanische Hardware und erst anschließend alle nötigen Steuerungskomponenten zu entwickeln, arbeiten die Ingenieure an allen Komponenten parallel. Möglich macht es Hardware-in-the-Loop: Die Entwickler testen die Steuerungselemente nicht am Gerät selbst, sondern an einem präzisen Computermodell desselben. Dieses Modell setzt die Befehle der Steuerung in Echtzeit um. So können die Ingen-ieure die Tests bereits durchführen, bevor die Mechanik des Medizingeräts gebaut ist.