Medizinische Bildgebungsgeräte – wie Magnetresonanztomographie (MRT), Computertomographie (CT) und Ultraschallsysteme – sind ein wesentlicher Bestandteil der Patientenversorgung in Krankenhäusern und Kliniken. Je nach Anwendungsfall erfordern diese Systeme jedoch sehr unterschiedliche Leistungs-, Robustheits- und Portabilitätseigenschaften für integrierte Edge-Computer. Durch die Möglichkeit, rechenintensive Verarbeitung direkt auf dem Gerät durchzuführen, können medizinische Bildgebungssysteme auch ohne Netzwerkverfügbarkeit zuverlässig arbeiten, was die Datensicherheit zur Einhaltung strenger medizinischer Datenschutzanforderungen verbessert.
Theoretisch gewährleisten vollständig kundenspezifische monolithische Architekturen eine maximale Ressourcenausrichtung für eine bestimmte Anwendung und Geräteformfaktor. Dieser Ansatz behindert jedoch den Teileaustausch und das Design-Update, das Nachhaltigkeit, Kosteneffizienz und Initiativen zum Recht auf Reparatur unterstützt, die Produktlebenszyklen verlängern. Darüber hinaus erfordern Änderungen an monolithischen Systemen häufig kostspielige, zeitaufwändige Rezertifizierungen, die die Ausfallzeiten erhöhen.
Um dieses Problem zu lösen, können Geräteentwickler auf kommerzielle Standardlösungen für Edge-Computing (COTS) zurückgreifen. Beispielsweise ermöglichen offene Standard-Computer-on-Modules (COMs) – auch bekannt als System-on-Modules (SOMs) – Systemarchitekten, alle Edge-Computing-Ressourcen auf einer einzigen Platine unterzubringen, die auf einem anwendungsspezifischen Trägersystem montiert ist. Dieser Ansatz fördert kostengünstige modulare Reparaturen und Leistungsupgrades zur Verlängerung des Lebenszyklus, wobei offene COM-Standards die Beschaffungsbemühungen weiter erleichtern, indem sie die Abhängigkeit von einem einzigen Anbieter verringern.
Für medizinische Bildgebungssysteme liegt die zentrale architektonische Entscheidung darin, zu definieren, wie Rechenressourcen, künstliche Intelligenz (KI)-Funktionalität und Lebenszyklusmanagement über lange Betriebszeiten hinweg aufrechterhalten werden. Dieser Blog bietet strategische Empfehlungen zu COTS-Edge-Computing-Lösungen für verschiedene Klassen von medizinischen Bildgebungsgeräten, bevor kurz auf Netzwerk- und Softwareüberlegungen eingegangen wird, da medizinische Einrichtungen KI einführen.
Handhelds – Extreme Portabilität durch SMARC
Tragbare medizinische Bildgebungsgeräte umfassen mobile Ultraschall- und Raster-Scan-Optoakustik-Mesoskopie (RSOM)-Systeme, die schnelle Point-of-Care-Diagnosen direkt am Patientenbett oder in Notfallsituationen ermöglichen. Diese Einheiten kombinieren hohe Bildqualität mit einem kompakten Formfaktor, aber architektonische Entscheidungen sind nicht einfach eine Frage der Miniaturisierung von Rechenressourcen. Hier müssen Systemdesigner bestimmen, wie viel KI-Inferenz, Vorverarbeitung und Konnektivität innerhalb strenger thermischer und energetischer Einschränkungen erforderlich sind.
Der Smart Mobility Architecture (SMARC) COM-Standard wurde speziell für kompakte, mobile eingebettete Systeme entwickelt und eignet sich daher besonders gut für medizinische Handhelds. Mit einem kreditkartengroßen Formfaktor von 82 x 50 mm lassen sich SMARC-Module leicht in platzbeschränkte Gehäuse integrieren. Gleichzeitig bietet der Standard auch umfangreiche visuelle und Display-Schnittstellen für hochauflösende Kameras und Touch-Displays. Der geringe Stromverbrauch von SMARC-Modulen unterstützt einen effizienten Batteriebetrieb und gewährleistet volle Mobilität, ohne die Rechenleistung zu beeinträchtigen.
Eine Lösung, die sich ideal für diese Anwendungen eignet, ist das SECO SOM-SMARC-ASL. Basierend auf Intel® Atom® x7000RE-Prozessoren integriert es Intel® UHD Graphics und bietet eine Vielzahl von Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie USB, PCIe, Ethernet und MIPI-CSI, was es ideal für leistungsstarke Edge-Systeme macht. Das Modul unterstützt bis zu 16 GB LPDDR5-Speicher und bis zu drei unabhängige 4K-Displays. Der Intel® Atom-Prozessor ermöglicht Computer Vision und KI-Inferenz direkt am Edge, sodass Rohbilddaten lokal verarbeitet werden können, anstatt in die Cloud übertragen zu werden, was schnelle, datenschutzkonforme Echtzeitdiagnosen ermöglicht. Intel® Time Sensitive Networking (TSN) und Time Coordinated Computing (TCC) gewährleisten zudem eine deterministische, latenzarme Übertragung und Verarbeitung von Bilddaten – entscheidend für eine sichere Live-Bildgebung während einer ultraschallgeführten Biopsie, zum Beispiel.
Mobile Carts – Leistung steigern mit COM Express und COM-HPC
Mobile Bildgebungsgeräte wie Röntgensysteme am Krankenbett und zunehmend tragbare MRT-Einheiten ermöglichen eine schnelle Diagnose auf Intensivstationen oder Isolierstationen, ohne den Patienten zu bewegen, was die Arbeitsabläufe verbessert und die Sicherheit erhöht. Für mobile Carts sollten Systemarchitekten einen zukunftsorientierten Ansatz für Rechenressourcen und I/O-Anforderungen in Betracht ziehen: Wie können diese skaliert werden, um neue KI-Modelle, hochauflösende Sensoren oder zusätzliche Beschleuniger während des Produktlebenszyklus zu unterstützen?
Für diese Systeme bleiben offene COM-Standards eine ausgezeichnete Wahl für hohe Bildauflösung und hohen Datendurchsatz. Obwohl sie immer noch kompakt sind, bieten COM Express und COM-HPC eine deutlich höhere Systemleistung als SMARC. COM Express bietet einen bewährten, robusten Standard mit einer Vielzahl von I/O-Optionen, während COM-HPC speziell für sehr hohe Rechen- und Bandbreitenanforderungen entwickelt wurde, mit erheblich mehr Hochgeschwindigkeitsschnittstellen.
Da mobile Carts mit Netzstrom oder Hochleistungsbatterien betrieben werden, sind COM Express- und COM-HPC-Lösungen weit weniger durch den Stromverbrauch eingeschränkt, sodass sie leistungsstarke Prozessoren und Hochgeschwindigkeitsschnittstellen unterstützen können. Dennoch erfordert die resultierende thermische Belastung ein fortschrittliches Wärmemanagement, um einen stabilen und sicheren Betrieb während zeitkritischer Live-Bildgebung zu gewährleisten.
Für mobile Bildgebungssysteme bietet das SOM-COMe-CT6-ASL, ein COM Express Type 6-Modul, das ebenfalls auf dem Intel® Atom® x7000RE-Chipsatz basiert, ähnliche Rechen-, Grafik- und Edge-KI-Fähigkeiten wie das SOM-SMARC-ASL. Im Vergleich zum SMARC-Modul bietet das COM Express SOM-COMe-CT6-ASL jedoch deutlich mehr Hochgeschwindigkeits-I/O-Optionen zur Unterstützung von hochauflösenden Bild- und Sensordatenströmen. Dazu gehören bis zu sechs PCIe Gen3-Lanes statt vier, bis zu acht Hi-Speed-USB-Schnittstellen statt sechs – plus optional drei USB 5 Gbps und zwei USB 10 Gbps-Schnittstellen – und bis zu zwei SATA Gen3-Kanäle statt einem. Während SMARC kompaktere, effizientere Designs ermöglicht, verfügen COM Express-Module über einen größeren Formfaktor von 95 x 95 mm (Type 6 Compact) mit einer Trägerschnittstelle, die für I/O-Skalierbarkeit und Leistungsspielraum optimiert ist.
Alternativ gehen COM-HPC-Module wie SECOs SOM-COM-HPC-A-RPL einen Schritt weiter, indem sie 13. Gen Intel® Core™-Prozessoren integrieren, die höhere Rechenfähigkeiten, DDR5-5200-Speicher und umfangreiche Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wie PCIe Gen4, USB4 und 2,5 Gigabit Ethernet unterstützen. Dies macht COM-HPC ideal für Anwendungen wie hochauflösende 3D-Rekonstruktion in CT- oder MRT-Systemen, Multi-Stream-Videobearbeitung mit hohen Bildraten und KI-unterstützte Echtzeitdiagnosen mit dedizierten GPU- oder PCIe-Beschleunigern.
Telemedizin – SBCs beschleunigen Design und Einrichtung
Neben Handheld- und mobilen Bildgebungsgeräten wird die Telemedizin zunehmend wichtiger, um die Zugänglichkeit und Effizienz zu verbessern und die Patientenergebnisse zu verbessern. Architektonisch sind Telemedizinplattformen weniger auf die direkte Sensoranbindung ausgerichtet, sondern legen Wert auf Ergonomie und Sicherheit in benutzerfreundlichen Arbeitsstationen. Daher müssen Systemdesigner UHD-Multi-Display-Unterstützung, zuverlässige Peripherie-Konnektivität (Kamera/Audio/HID) und langfristige Wartbarkeit priorisieren, mit standardisierten I/O und kontrollierten Software-Updates.
Einplatinencomputer (SBCs) eignen sich gut für diese Anwendungsfälle, da sie eine vereinfachte Beschaffung und Systemintegration gegenüber COMs bieten, da alle Kernrechen- und Schnittstellenkomponenten auf einer einzigen Platine verpackt sind. Als kompakte, einsatzbereite Systeme sind SBCs ideal, um die Entwicklung platzbeschränkter medizinischer Anwendungen zu beschleunigen. Allerdings kann ein Mangel an Standardisierung über Lösungen hinweg die Flexibilität für Upgrades oder Ersatzteile einschränken, daher ist die Verwendung offener SBC-Standards wie Pico-ITX für die langfristige Wartung unerlässlich.
Das SBC-pITX-ASL ist ein Beispiel für einen SBC, der diesen Vorteil bietet. Wie das SOM-SMARC-ASL und das SOM-COMe-CT6-ASL basiert es auf der Intel® Atom™ Industrial RE-Prozessorfamilie und bietet die gleichen Kernfähigkeiten für Edge-KI, TSN/TCC und Grafik, während es das Trägerdesign überflüssig macht. Der Pico-ITX-Standard – mit seinem definierten Formfaktor von 100 x 72 mm und standardisierten Schnittstellen wie Dual 2,5 GbE, HDMI, USB 10 Gbps, SATA und M.2 – ermöglicht vereinfachte Upgrades und Austauschbarkeit zwischen SBC-Generationen während der Geräteaktualisierung. Infolgedessen können Telemedizin-Systemarchitekten den Entwicklungsaufwand und die Integrationskomplexität im Vergleich zu COM-basierten oder monolithischen Designs erheblich reduzieren.
Feste Suiten – Industrielle Edge-PCs unterstützen fortschrittliche Bildgebung
Große stationäre Bildgebungssysteme wie MRT- und CT-Suiten liefern hochauflösende Bilder und erfordern leistungsstarke Rechensysteme für die Echtzeitverarbeitung mit hoher Betriebssicherheit. Aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen und Wärme sollten Rechenressourcen physisch von Scannern getrennt und medizinisch isoliert werden, was Wartung, Kühlung und regulatorische Compliance vereinfacht. Folglich besteht die architektonische Priorität darin, zertifizierte Bildgebungshardware erfolgreich von sich schnell entwickelnden Rechenressourcen zu entkoppeln.
Mit höheren Datenraten und größeren thermischen Designleistungsbudgets (TDP) als SBCs stellen industrielle Edge-PCs eine ideale Rechenplattform für feste Bildgebungssuiten dar. Diese eigenständigen Lösungen vereinfachen die Wartung durch standardisierten Komponentenaustausch und ermöglichen Plattform-Upgrades, ohne das Bildgebungsgerät selbst zu modifizieren oder neu zu zertifizieren. Modulare Erweiterungen ermöglichen auch gezielte Upgrades, wie das Hinzufügen dedizierter Hardwarebeschleuniger für KI-Inferenz oder 3D-Rekonstruktion.
Der Palladio 500 RPL ist ein modularer, industrieller PC basierend auf 13. Gen Intel® Core™-Prozessoren, der deutlich höhere Rechen- und Grafikleistung als grundlegende eingebettete Rechenplatinen bietet. Umfangreiche Erweiterungsoptionen umfassen PCIe Gen4, mehrere 2,5 GbE-Ports, zwei DisplayPort-Schnittstellen sowie USB-, M.2- und Wireless-Optionen, die leistungsstarke Netzwerk- und Videokonnektivitätsmöglichkeiten bieten. Mit einer Größe von etwa 240 x 143 x 267 mm bietet der Palladio 500 RPL ausreichend Platz für Suite-Erweiterungen und eignet sich daher gut für anspruchsvolle Edge- und Bildgebungs-Workloads.
Netzwerk- und Softwareintegration im Zeitalter der KI
Während Edge-Computing eine sichere, latenzarme lokale Verarbeitung ermöglicht, die sensible Daten schützt und die Patientensicherheit erhöht, ist die Verbindung von Bildgebungsergebnissen mit breiteren elektronischen Patientenakten (EMR)-Datenbanken entscheidend für einen effizienten Arbeitsablauf über verteilte Teams hinweg. Dennoch birgt die direkte EMR-Verbindung Cybersecurity- und Betriebsrisiken im Falle kompromittierter Geräte oder hochvolumiger Datenübertragungen, die die Leistung über EMR-Systeme hinweg verlangsamen können. Aus diesem Grund werden häufig Netzwerksegmentierung und zwischengeschaltete Datenpuffer – wie Picture Archiving and Communication Systems (PACS) oder herstellerneutrale Archive (VNA) – verwendet, um Cyberangriffe beim Hochladen wesentlicher Bildgebungsdaten zu mindern. Bei der Gestaltung der Softwarearchitektur eines medizinischen Bildgebungsgeräts müssen diese Hürden berücksichtigt werden, um die Patientensicherheit und Datensicherheit unabhängig vom Verbindungsstatus zu gewährleisten.
In regulierten medizinischen Umgebungen unterstützt SECOs Yocto-basiertes Clea OS-Framework Rückverfolgbarkeit, Sicherheitshärtung und kontrolliertes Software-Lifecycle-Management im Einklang mit langfristigen Compliance-Anforderungen. Dies hilft sicherzustellen, dass Geräte sowohl auf individueller Ebene als auch bei der Verbindung mit breiteren medizinischen Ökosystemen sicher und zuverlässig arbeiten. Da KI in vielen Branchen im Vordergrund steht, bietet das modulare Clea-Framework auch Flexibilität über verschiedene Hardware- und Softwarelösungen hinweg bei der Bereitstellung modernster Workloads zur Unterstützung bei der Bildgebungsdiagnostik. Während derzeit strenge regulatorische Barrieren eine schnelle Einführung von KI-Funktionalitäten behindern, profitieren medizinische Bildgebungssysteme von einem Softwareansatz, der eine breitere Einführung von KI in diesem Bereich vorwegnimmt.
Fazit
Medizinische Bildgebung umfasst eine Vielzahl von Geräten – von Handheld-Systemen bis hin zu großen stationären Scannern – die jeweils unterschiedliche Anforderungen an Rechenleistung, Stromversorgung und Formfaktoren stellen, was maßgeschneiderte, integrierte Rechenarchitekturen unerlässlich macht. SECO unterstützt diese Anforderungen über eine Vielzahl von COTS-Edge-Computing-Plattformen, die COMs, SBCs und industrielle Edge-PCs umfassen. Darüber hinaus gewährleistet die ISO 13485:2016-Zertifizierung von SECO hohe Qualitäts- und Sicherheitsstandards für die Entwicklung und Herstellung von Medizinelektronik. Darüber hinaus bietet SECO Clea OS ein zukunftsorientiertes Software-Framework zur Unterstützung robuster Cybersicherheit und KI-Integration für medizinische Bildgebungsgeräte der nächsten Generation.
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