Akoestische detectie van medische alarmen

Inleiding

Alarmering behoort tot de belangrijkste functies van een medisch apparaat. Alarmen kunnen een medische of een technische oorzaak hebben. In beide gevallen wordt een tijdige actie van het verpleegkundig personeel verwacht. Het betrouwbaar en tijdig waarnemen van deze alarmen is niet altijd vanzelfsprekend. De problemen ontstaan als het verpleegkundig personeel de akoestische alarmen niet goed kan horen, door een grote afstand tot het medisch apparaat, of door een geluidsbarrière. Enkele voorbeelden zijn: Intensive Care isolatieboxen, verpleegkamers met de deuren dicht of in de thuiszorg als de patiënt op een andere verdieping ligt. In al deze situaties is er een behoefte aan een betrouwbare alarmering op afstand (remote alarmering).

Er bestaan zoegnaamde VOS/MOS systemen voor het op afstand doorgeven van alarmen. Het betrouwbaar koppelen van medische apparaten aan deze systemen blijkt echter niet zo eenvoudig te zijn en is meerdere malen aangekaart [1-5].

De belangrijkste problemen hangen samen met de remote alarmuitgang (ook wel nurse call uitgang genoemd) van een medisch apparaat. Remote alarmuitgang wordt gebruikt voor het koppelen van een medisch apparaat aan een VOS. Ten eerste, niet elk medisch apparaat is voorzien van zo’n remote alarmuitgang. Ten tweede, in de meeste gevallen kan de betrouwbare werking van zo’n remote alarmuitgang niet gegarandeerd worden. De reden daartoe is dat er geen zelftest of –bewaking op de werking van de remote alarmuitgang aanwezig is. In zo’n geval is er sprake van een niet bewaakte remote alarmuitgang. De fabrikant van een medisch toestel, die zo’n ‘onbewaakte’ alarmuitgang ter beschikking stelt, is volgens de norm IEC 60601-1-8 (Medical electrical equipment, General requirements for safety, Collateral Standard: General requirements, tests and guidance for alarm systems in medical electrical equipment and medical electrical systems) verplicht om de gebruiker hiervoor te waarschuwen. Groot bezwaar is dus dat zo’n remote alarmuitgang zou kunnen falen zonder dat het verder direct wordt opgemerkt. Een onveilige situatie voor de patiënt is het gevolg. Alleen door modificatie van het medisch apparaat zou eventueel een continue bewaking op de juiste werking van een remote alarmuitgang mogelijk zijn. Het verbouwen van een medisch apparaat is in strijd met de CE, en dus niet wenselijk. De enige optie die dan overblijft, is de alarmuitgang periodiek op de werking te testen.

Op het onderwerp remote alarmering (ditributed alarm system) gaat de norm IEC 60601-1-8 niet heel diep in. Het argument is dat het een onderontwikkeld gebied betreft, en er worden voorlopig geen specifieke eisen opgelegd. In de norm staat o.a. het volgende: een distributed alarm system moet zijn primaire doel vervullen, namelijk de gebruiker in staat stellen om adequaat en tijdig op alle alarmsituaties te reageren. Als de fabrikant van een medisch apparaat dit niet te allen tijde kan garanderen, is hij verplicht er voor te waarschuwen. De verantwoordelijkheid bij het gebruik van een niet bewaakte alarmuitgang ligt dan volledig bij de gebruiker zelf. Die moet d.m.v. risicoanalyse beoordelen of het gebruik van zo’n alarmuitgang toch verantwoord kan zijn.

Als alternatief voor remote alarmering in de thuiszorg wordt soms een babyfoon ingezet. Een babyfoon is geen medische hulpmiddel en zou als zodanig ook niet gebruikt mogen worden. De reden is dat een remote alarmering gezien moet worden als verlengde van een medisch apparaat en aan dezelfde eisen moet voldoen als dat medisch apparaat. Een ander nadeel van een babyfoon is dat die alle geluiden doorgeeft, zowel wenselijke als onwenselijke, denk aan hoesten, snurken of privé gesprekken. Een tweede vaak gebruikte manier is een remote alarmuitgang via een lange draad op een simpel zoemertje aan te sluiten. Afgezien van de veiligheidsproblemen zijn systemen met een lange draad onhandig, beperkend en niet meer van deze tijd.

Een nieuw idee

Om bovengenoemde problemen op te lossen is bij het UMC Utrecht, afdeling Medische Technologie en Klinische Fysica, een idee ontstaan om medisch akoestische alarmen d.m.v. geluidanalyse te herkennen en deze via een draadloze verbinding aan het verpleegkundig personeel door te geven. Het idee was om de alarmendetector ergens centraal in de ruimte te plaatsen, bijvoorbeeld tegen het plafond. Als een bekend alarm in de ruimte klinkt zou deze snel herkend en doorgegeven moeten worden. De alarmendetector zou alarmen van verschillende medische apparaten moeten kunnen detecteren. Een voordeel van dit systeem zou zijn dat er geen modificatie van het medische apparaat nodig is. Elk (medisch)apparaat met een akoestisch alarm zou in principe er voor geschikt zijn. De alarmendetector zelf zou volledig en continue op de juiste werking bewaakt moeten worden. Dit idee is volledig uitgewerkt en uitgebreid in de praktijk getest. Het systeem en de resultaten zijn hieronder beschreven.

Systeembeschrijving en werking
De alarmendetector bestaat uit een kleine microfoon, een analoog naar digitaal omzetter, een DSP (digitaal signaal processor) en een zend-/ontvangmodule met een draagbare pieper. Het gedeelte rond de draadloze communicatie werd verzorgd door de firma DAZA. De medische apparaten, waarvan we de alarmen willen herkennen, worden eerst uitgebreid onderzocht op alle mogelijke alarmtypes, alarm volume-instellingen, bron van het alarm en grondtoon/frequentie. Vervolgens wordt een of meerdere geluidsopnames gemaakt van alle types alarmen. Deze opnames worden gebruikt voor het maken van de alarmreferenties en om het effect van een lawaaiige omgeving op de alarmdetectie te bestuderen. De alarmreferenties worden later in de DSP geprogrammeerd en gebruikt bij het herkennen van de alarmen.

De alarmendetector “luistert” continue naar alle geluiden in de ruimte. Alle geluiden worden op de juiste frequentie(s) gefilterd en er wordt voordurend naar de bekende (voorgeprogrammeerde) alarmen gezocht. Op het moment dat het vergelijkingsalgoritme (correlatie) aangeeft dat er voldoende overeenkomst is tussen het waargenomen geluid en de opgeslagen alarmreferentie, geeft het systeem dat direct door naar de draadloze pieper (zie figuur 1).

Naast de frequentiefiltering (DFT, Discrete Fourier Transformatie) en het vergelijkingsalgoritme (correlatie) worden er nog twee ondersteunende algoritmes gebruikt. De lawaaidetector is een algoritme dat een technisch alarm genereert op momenten dat het lawaainiveau zodanig hoog is dat het betrouwbaar herkennen van alarmen niet meer gegarandeerd kan worden. Een ander ondersteuningsalgoritme gebruikt een zgn. piloottoon om de hele detectie-signaalketen continue op de goede werking te bewaken. De piloottoon is een onhoorbaar hoog geluid (20kHz) dat wordt gemaakt met een piëzo-luidspreker. Deze toon wordt door het systeem waargenomen en de amplitude met het eerder genoemde DFT algoritme continue gemeten. In het geval dat er iets in de signaalketen fout gaat, zal de gemeten amplitude van de piloottoon afwijken. Het systeem genereert dan een technisch alarm. Met deze twee ondersteunende algoritmes is de zelfbewaking van het systeem gerealiseerd.

Verklaring van de testresulaten

WKZ (Wilhelmina Kinderziekenhuis), Utrecht – Tijdens de testen op het WKZ werd de helft van de valse alarmen veroorzaakt door apparaten van hetzelfde type in de naastliggende kamers en de andere helft door een muziekje of een huilende baby. Lawaaialarmen werden meestal veroorzaakt door het slepen met stoelen in de verpleegkamer.

CTB (Centrum voor Thuis Beademing) - Tijdens de testen in de thuiszorg bleek het ritmisch geluid van de beademing voor een deel overeen te komen met het geluid van het lage prioriteit alarm van de Nellcor. Dit heeft tot veel valse alarmen geleid. Lawaaialarmen werden veroorzaakt doordat de verzorger redelijk hard, en vlakbij de microfoon, tegen de patiënt sprak. De conclusie is dat in deze test een paar alarmtypes (van de totaal 8) voor de slechte algemene resultaten hebben gezorgd, dus teveel lawaaialarmen en teveel valse alarmen.

HeartMate– In dit geval (hartpatiënt thuis) was het niet mogelijk om de gegenereerde alarmen automatisch te loggen (in tegenstelling tot de eerste twee apparaten), omdat er geen remote alarmuitgang op dit apparaat aanwezig is. De enige bron van feedback is de gebruiker zelf. Door zelf een alarm op te wekken controleert de gebruiker dagelijks het systeem op de goede werking. De gebruiker melde alleen dat in het geval dat de deurbel afgaat ook het systeem een alarm geeft. Dit wellicht omdat het systeem in de hal vlakbij de deurbel is geplaatst. Dit was ook geen bezwaar, eerder een hulpmiddel voor een slechthorend gebruiker. De gebruiker is verder helemaal tevreden met het systeem.

Conclusie

Voor dit systeem zijn de volgende factoren prestatiebepalend: afstand tussen de alarmdetector en het medisch apparaat, ingestelde alarmvolume, alarmtype, alarmgrondtoon en omgevingslawaai. Prestatie-indicatoren zijn: aantal gemiste alarmen (mag eigenlijk niet voorkomen), aantal valse alarmen en een aantal lawaaialarmen. Al deze factoren hangen met elkaar samen (zie figuur 5). Bij sommige medische apparaten kan het alarmvolume laag ingesteld (of uitgezet) worden. Dat is een variabele die een risico vormt. De algemene conclusie is dat de afstand van de alarmendetector tot de bron van het alarm en het alarmvolume een cruciale rol spelen. De testresultaten wijzen uit dat het oorspronkelijk idee van het plaatsen van de alarmendetector ergens centraal in een ruimte, bijv. tegen het plafond, in de meeste gevallen geen werkbare situatie oplevert. De eis dat er geen alarm gemist mag worden speelt hierin zwaar mee. Verder is het wenselijk dat er geen valse alarmen en geen lawaaialarmen optreden, in ieder geval niet al te vaak. Teveel (valse)alarmen leidt tot welbekende alarmmoeheid. De grens van toelaatbaar aantal valse en lawaaialarmen is niet vast. Dit is ook afhankelijk van de situatie, maar wellicht meer dan een paar valse en/of lawaaialarmen per dag zou al storend worden. Om aan deze eisen te kunnen voldoen in een relatief lawaaiige omgeving moet de alarmendetector meestal dicht bij de bron van het alarm geplaatst worden. De werkbare afstanden zijn meestal tientallen centimeters, en in sommige gevallen zelfs helemaal tegen de luidspreker aan. De prestatie van het systeem kan per apparaat en per alarmtype sterk verschillen.

Samengevat: korte afstand, voldoende hoog alarmvolume, complexere alarmtype, hogere alarmgrondtoon/frequentie en een laag omgevingslawaai zijn prestatiebevorderend. Het verschil tussen een eenvoudige en een complexe alarmreferentie is te zien in de figuur 2.

Het systeem kan in de praktijk toegepast worden (zie voorbeeld van HeartMate), maar niet elk alarmtype is er even geschikt voor. Per alarmtype kan dat d.m.v. simulaties vastgesteld worden. Wij hebben methodes en simulatiesoftware ontwikkeld waarmee we de prestatie van een bepaald akoestisch alarmtype redelijk goed kunnen voorspellen. We kunnen dus vaststellen of een bepaald alarmtype naar verwachting met de akoestische alarmendetector gebruikt kan worden.