高度な医療画像診断装置は、携帯型の超音波装置から固定された数トンのMRIスイートまで、さまざまな形状と携帯性のレベルをカバーしています。このような機器を設計する際、システムアーキテクトは、迅速な医療環境での長期的な効果を最大化するために、エッジコンピューティングリソースをどのように統合するかを決定する必要があります。したがって、利用可能なアプローチと、それらが異なるクラスの画像診断装置の日常業務や製品ライフサイクルにどのように影響するかを考慮することが重要です。
医療用画像診断装置—磁気共鳴画像装置（MRI）、コンピュータ断層撮影（CT）、超音波システムなど—は、病院やクリニックにおける患者ケアの重要な一部を形成しています。しかし、これらのシステムは、対象とする使用ケースに応じて、統合されたエッジコンピュータに対して非常に異なる性能、堅牢性、携帯性の特性を必要とします。デバイス上で直接計算集約型の処理を可能にすることで、医療用画像診断システムはネットワークの可用性に依存せずに信頼性を持って動作し、厳しい医療プライバシー要件に準拠するためのデータセキュリティを向上させることができます。
理論的には、完全にカスタムされたモノリシックアーキテクチャは、特定のアプリケーションとデバイスの形状に対して最大のリソース整合性を保証します。しかし、このアプローチは、持続可能性、コスト効率、製品ライフサイクルを延ばすための修理権をサポートする部品交換や設計刷新を妨げます。さらに、モノリシックシステムの変更は、ダウンタイムを増加させる高価で時間のかかる再認証を必要とすることがよくあります。
この問題に対処するために、機器設計者は市販のオフ・ザ・シェルフ（COTS）エッジコンピューティングソリューションに目を向けることができます。例えば、オープンスタンダードのコンピュータオンモジュール（COM）—システムオンモジュール（SOM）とも呼ばれる—は、システムアーキテクトがすべてのエッジコンピューティングリソースをアプリケーション固有のキャリアシステムに取り付けられた単一のボードに収めることを可能にします。このアプローチは、ライフサイクルを延ばすためのコスト効果の高いモジュール修理と性能向上を促進し、オープンCOM標準は単一のベンダーへの依存を減らすことで調達努力をさらに容易にします。
医療用画像診断システムにおいて、コアアーキテクチャの決定は、長期間の運用寿命にわたって計算リソース、人工知能（AI）機能、およびライフサイクル管理をどのように維持するかを定義することにあります。このブログでは、医療用画像診断装置の異なるクラスに対するCOTSエッジコンピューティングソリューションに関する戦略的な推奨事項を提供し、医療環境がAIを受け入れる中でのネットワーキングとソフトウェアの考慮事項について簡単に説明します。
ハンドヘルド – SMARCによる極端な携帯性
携帯型医療用画像診断装置には、患者のベッドサイドや緊急時に直接迅速なポイントオブケア診断を可能にするモバイル超音波やラスタースキャン光音響メソスコピー（RSOM）システムが含まれます。これらのユニットは、高画質とコンパクトな形状を組み合わせていますが、アーキテクチャの決定は単に計算リソースの小型化の問題ではありません。ここでは、システム設計者は、厳しい熱およびエネルギー制約内でどれだけのAI推論、前処理、および接続性が必要かを決定する必要があります。
スマートモビリティアーキテクチャ（SMARC）COMオープンスタンダードは、コンパクトでモバイルな組み込みシステム向けに特別に開発されており、医療用ハンドヘルドに特に適しています。クレジットカードサイズの82 x 50 mmのフットプリントを持つSMARCモジュールは、スペースが制約されたエンクロージャに簡単に統合できます。同時に、この標準は高解像度カメラやタッチディスプレイのための広範なビジュアルおよびディスプレイインターフェースも提供します。SMARCモジュールの低消費電力は効率的なバッテリー動作をサポートし、計算性能を損なうことなく完全なモビリティを確保します。
これらのアプリケーションに理想的に適したソリューションは、SECOのSOM-SMARC-ASLです。Intel® Atom® x7000REプロセッサに基づいており、Intel® UHD Graphicsを統合し、USB、PCIe、Ethernet、MIPI-CSIなどの高速インターフェースを幅広く提供し、強力なエッジシステムに最適です。このモジュールは最大16 GBのLPDDR5メモリと最大3つの独立した4Kディスプレイをサポートします。Intel® Atomプロセッサは、コンピュータビジョンとAI推論をエッジで直接可能にし、生の画像データをクラウドに送信するのではなくローカルで処理することができ、迅速でプライバシーに準拠したリアルタイム診断を可能にします。Intel® Time Sensitive Networking（TSN）およびTime Coordinated Computing（TCC）も、超音波ガイド下生検中の安全なライブイメージングに重要な決定論的低遅延画像データ転送と処理を保証します。
モバイルカート – COM ExpressとCOM-HPCで性能を向上
ベッドサイドX線システムやますます携帯性が高まるMRIユニットなどのモバイル画像診断装置は、患者を移動させることなく集中治療室や隔離病棟で迅速な診断を可能にし、ワークフローを改善し、安全性を向上させます。モバイルカートの場合、システムアーキテクトは、計算リソースとI/O要件に対する先進的なアプローチを考慮する必要があります。これらは、製品ライフサイクル全体で新しいAIモデル、高解像度センサー、または追加のアクセラレータをサポートするためにどのようにスケールすることができるでしょうか？
これらのシステムに対して、オープンCOM標準は高解像度の画像と高データスループットに対して依然として優れた選択肢です。コンパクトでありながら、COM ExpressとCOM-HPCはSMARCよりもはるかに高いシステム性能を提供します。COM Expressは、幅広いI/Oオプションを備えた実績のある堅牢な標準を提供し、COM-HPCは非常に高い計算および帯域幅要件に特化して設計されており、はるかに多くの高速インターフェースを備えています。
モバイルカートは主電源または大容量バッテリーで駆動されるため、COM ExpressおよびCOM-HPCソリューションは消費電力に制約されることが少なく、高性能プロセッサと高速インターフェースをサポートすることができます。それにもかかわらず、結果として生じる熱負荷は、時間が重要なライブイメージング中の安定した安全な動作を確保するために高度な熱管理を必要とします。
モバイル画像診断システムに対して、SOM-COMe-CT6-ASLは、Intel® Atom® x7000REチップセットに基づくCOM Express Type 6モジュールであり、SOM-SMARC-ASLと同様の計算、グラフィックス、およびエッジAI機能を提供します。しかし、SMARCモジュールと比較して、COM Express SOM-COMe-CT6-ASLは、高解像度の画像およびセンサーデータストリームをサポートするためのはるかに多くの高帯域幅I/Oオプションを提供します。これには、4つではなく最大6つのPCIe Gen3レーン、6つではなく最大8つのHi-Speed USBインターフェース—さらにオプションで3つのUSB 5 Gbpsおよび2つのUSB 10 Gbpsインターフェース—および1つではなく最大2つのSATA Gen3チャネルが含まれます。SMARCはよりコンパクトで効率的な設計を可能にしますが、COM Expressモジュールは95 x 95 mmの大きなフットプリント（Type 6 Compact）を特徴とし、I/Oスケーラビリティと性能の余裕を最適化したキャリアインターフェースを備えています。
または、SECOのSOM-COM-HPC-A-RPLのようなCOM-HPCモジュールは、13世代Intel® Core™プロセッサを統合し、計算能力を向上させ、DDR5-5200メモリとPCIe Gen4、USB4、2.5ギガビットイーサネットを含む広範な高速インターフェースをサポートすることで、性能をさらに一歩進めます。これにより、COM-HPCはCTまたはMRIシステムでの高解像度3D再構築、高フレームレートでのマルチストリームビデオ処理、および専用GPUまたはPCIeアクセラレータを使用したAI支援リアルタイム診断などのアプリケーションに理想的です。
遠隔医療 – SBCが設計とセットアップを加速
ハンドヘルドおよびモバイル画像診断装置に加えて、遠隔医療はアクセス性と効率を向上させて患者の結果を改善するためにますます重要になっています。アーキテクチャ的には、遠隔医療プラットフォームは直接的なセンサーインターフェースに関心を持たず、代わりにユーザーフレンドリーなワークステーションでの人間工学とセキュリティを重視します。そのため、システム設計者はUHDマルチディスプレイサポート、信頼性のある周辺機器接続（カメラ/オーディオ/HID）、および標準化されたI/Oと制御されたソフトウェアアップデートによる長期的な保守性を優先する必要があります。
シングルボードコンピュータ（SBC）は、これらのユースケースに適しており、すべてのコアコンピューティングおよびインターフェースコンポーネントが単一のボードにパッケージ化されているため、COMよりも簡素化された調達とシステム統合を提供します。コンパクトで即使用可能なシステムとして、SBCはスペースが制約された医療アプリケーションの開発を加速するのに理想的です。とはいえ、ソリューション間での標準化の欠如は、アップグレードや交換の柔軟性を制限する可能性があるため、Pico-ITXのようなオープンSBC標準の使用が長期的な保守に不可欠です。
SBC-pITX-ASLは、この利点を提供するSBCの例です。SOM-SMARC-ASLおよびSOM-COMe-CT6-ASLと同様に、Intel® Atom™ Industrial REプロセッサファミリに基づいており、エッジAI、TSN/TCC、およびグラフィックスの同じコア機能を提供しながら、キャリア設計の必要性を排除します。Pico-ITX標準—100 x 72 mmの定義された形状とデュアル2.5 GbE、HDMI、USB 10 Gbps、SATA、およびM.2などの標準化されたインターフェースを備えており、機器の刷新時にSBC世代間での簡素化されたアップグレードと交換性を可能にします。その結果、遠隔医療システムアーキテクトは、COMベースまたはモノリシック設計と比較して、開発努力と統合の複雑さを大幅に削減することができます。
固定スイート – 産業用エッジPCが高度な画像処理をサポート
MRIやCTスイートなどの大型固定画像診断システムは、高解像度の画像を提供し、高い運用信頼性でリアルタイム処理を行うために強力なコンピューティングシステムを必要とします。電磁干渉や熱に対する感度が高いため、コンピューティングリソースはスキャナーから物理的に分離され、医療的に隔離されるべきであり、これによりメンテナンス、冷却、および規制遵守が簡素化されます。したがって、アーキテクチャの優先事項は、認証された画像ハードウェアを急速に進化するコンピューティングリソースから成功裏に分離することです。
SBCよりも高いデータレートと大きな熱設計電力（TDP）予算を持つ産業用エッジPCは、固定画像スイートに理想的なコンピューティングプラットフォームを提供します。これらの自己完結型ソリューションは、標準化されたコンポーネント交換によるメンテナンスを簡素化し、画像診断装置自体を変更または再認証することなくプラットフォームのアップグレードを可能にします。モジュラー拡張もまた、AI推論や3D再構築のための専用ハードウェアアクセラレータの追加など、ターゲットを絞ったアップグレードを可能にします。
Palladio 500 RPLは、13世代Intel® Core™プロセッサに基づくモジュラー産業用PCであり、基本的な組み込みコンピューティングボードよりもはるかに高い計算およびグラフィックス性能を提供します。PCIe Gen4、複数の2.5 GbEポート、2つのDisplayPortインターフェース、USB、M.2、およびワイヤレスオプションなどの広範な拡張オプションがあり、強力なネットワーキングおよびビデオ接続の機会を提供します。約240 x 143 x 267 mmのサイズで、Palladio 500 RPLはスイート拡張のための十分なスペースを残し、要求の厳しいエッジおよび画像処理ワークロードに適しています。
AI時代のネットワーキングとソフトウェア統合
エッジコンピューティングは、低遅延のローカル処理を可能にし、機密データを保護し、患者の安全性を向上させますが、画像診断結果を広範な電子医療記録（EMR）データベースに接続することは、分散チーム全体で効率的なワークフローにとって重要です。それにもかかわらず、直接的なEMR接続は、デバイスが侵害された場合や大量のデータ送信が行われた場合にサイバーセキュリティおよび運用上のリスクを引き