Digital-Health-Lösungen im IIoT Ein datenzentrischer Ansatz

Vollautomatisierte Digital-Health-Lösungen benötigen die Konnektivität medizinischer Geräte und eine Anwendungs-Software, die Entscheidungen automatisch umsetzt. Ein solches System kann mit der RTI-Implementierung des Data-Distribution- Service-Standards für IIoT-Anwendungen umgesetzt werden.

Das industrielle Internet der Dinge (IIoT) ermöglicht es, ein voll automatisiertes digitales Gesundheitssystem zu verwirklichen. Doch um das IIoT für derartige Anwendungen voll ausnutzen zu können, müssen Entwickler die strengen Anforderungen des Marktes hinsichtlich Konnektivität, Interopera­bilität, Echtzeitkommunikation und -analyse sowie Security erfüllen.

Das Internet hat bereits begonnen, sich mit dem Thema Gesundheitswesen zu beschäftigen. Moderne medizinische Geräte integrieren eine Art von Konnektivität. Allerdings ist die Entwicklung zu vollautomatisierten Systemen eingeschränkt, da ausreichend robuste Konnektivitäts-Frameworks fehlen. Darüber hinaus leidet das herkömmliche Internet an begrenzter Skalierbarkeit und Leistung, an Schwachstellen bei der Zuverlässigkeit, unzureichender Leistungs­fähigkeit und an mangelhafter Security für Anwendungen in Gesundheitswesen und Medizintechnik.

Dennoch besteht auch im medizinischen Bereich der Bedarf an zuverlässigeren, automatisierten Systemen. Einige Statistiken verdeutlichen das: Medizinische Fehler zählen zur dritthäufigsten Todesursache hinter Krebs und Herz­erkrankungen. Jedes Jahr können Fehler in der medizinischen Versorgung mehr als 200.000 vermeidbare Todesfälle zur Folge haben [1]. Außerdem verursacht der Mangel an Interoperabilität bei medizinischen Geräten jährlich Kosten von über 30 Milliarden US-Dollar [2]. Die Weltbevölkerung umfasst heute mehr als 900 Millionen Menschen im Alter von 60 Jahren und älter. Bis zum Jahr 2025 werden es voraussichtlich 1,2 Milliarden sein [3]. Gleichzeitig wird bis 2025 der geschätzte Ärztemangel 50.000 Stellen überschreiten (Bild 1, alle Bilder in der Bildergalerie am Ende des Artikels) [4].

Konnektivitätsstandards für das Gesundheitswesen

Das Industrial Internet Consortium (IIC) konzentriert sich speziell auf die Definition gemeinsamer Architekturen für das industrielle Internet. Es hat einen Sechs-Schichten-Konnektivitätsstack definiert (Bild 2), der sich insbesondere durch die Konnektivitätsschicht von dem vierschichtigen Internet sowie den siebenschichtigen Open-Systems-Interconnection-Modellen unterscheidet und sich direkt auf unternehmenskritische Anwendungen in Gesundheitswesen und Medizintechnik auswirkt. Die IIC-Transportschicht konzentriert sich auf den Austausch von Nachrichten, während die Framework-Schicht sowohl die Status- als auch die Datenmanagement-Dienste spezifiziert, die für die syntaktische Interoperabilität erforderlich sind. Das stellte bisher eine der größten Herausforderungen bei der Implementierung eines vernetzten Gesundheitssystems dar, das Datenstrukturen teilen kann.

Werden die gängigsten IIoT-Standards dem IIC-Konnektivitätsstack gegenübergestellt, definiert der Stack ein IP-basiertes Netzwerk als Foundation (Bild 3). Sie ermöglicht eine Unabhängigkeit der Architektur gegenüber den zugrundeliegenden physischen Schichten und Link-Schichten. Entwickler erhalten dadurch die Flexibilität, sowohl allseits bekannte als auch neue Techniken wie TSN/Ethernet oder Mobilfunkverbindungen einschließlich Wireless-Geräten der fünften Genera­tion (5G) zu nutzen.

Für Verbindungen in Echtzeit bietet das UDP-Protokoll im Vergleich zu TCP die effizientere und leichtere Option. Direkt über dieser Transportschicht müssen Entwickler zwischen Konnektivitätsprotokollen wie CoAP, MQTT, OPC-UA und DDS wählen. Von den gezeigten Standards ist DDS der einzige datenzentrische Standard, der eine direkte Kommunikation mit den Daten ermöglicht.

Datenbus für intelligente medizinische Geräte

RTI Connext DDS stellt ein datenzentrisches Framework für die Verteilung und Verwaltung von Echtzeitdaten im industriellen Internet dar. Der Connext-Datenbus ermöglicht die Zusammenarbeit von Applikationen und Geräten als ein einziges integriertes System und bietet robuste Interoperabilität, Security und Echtzeit-Funktionalität, die für Anwendungen im Gesundheitswesen unerlässlich sind.

Um ein Krankenhausnetzwerk oder ein medizinisches System aus Geräten zu entwickeln, die klinische Entscheidungen treffen und eine Therapie implementieren statt Daten nur bereitzustellen, müssen die Geräte in Echtzeit miteinander kommunizieren können. Das setzt die Bereitstellung von Antwortzeiten im Mikro- oder Millisekundenbereich voraus, um Tausende von Steuerungsentscheidungen pro Se­kunde zu unterstützen. Genau das ermöglicht Connext DDS: Es erlaubt den Geräten, Daten direkt auf dem Datenbus bereitzustellen und zu erhalten (Publish/Subscribe). Im Gegensatz zu einer Datenbank-Struktur, die eine Nachricht senden muss, um Daten anzufordern, und diese anschließend wieder zurücksendet, stellt Connext DDS die Daten direkt zur Verfügung und ermöglicht so eine Gerätesteuerung in Echtzeit.

Auch Systeme verschiedener Hersteller kann RTI Connext DDS bedienen. Denn DDS ist ein offener Industriestandard für die Datenkonnektivität, der von der Object Management Group (OMG) entwickelt wurde.

Im IIoT gibt es drei Arten von Anwendungsfällen: Überwachung, Optimierung und Autonomie. In Bezug auf das Gesundheitswesen könnte eine Anwendung auf Überwachungsebene einfach Daten sammeln und sie an eine elek­tronische Patientenakte senden. Op­timierte Systeme könnten klinische Entscheidungshilfe leisten, um die mangelnde Aufmerksamkeit seitens des Personals durch häufige Fehlalarme zu verhindern.

Bei voller Automatisierung – teils ermöglicht durch die Connext-DDS-Technik – sind die Ergebnisse am signifikantesten: Hier könnten Daten von einem Gerät erfasst und an ein anderes übertragen werden, das mithilfe von Analytik oder künstlicher Intelligenz eine klinische Entscheidung trifft und dann die empfohlene Therapie ausführt.

Interoperabilität, Echtzeitdaten und Security

Die Datenzentriertheit von Connext  DDS ermöglicht industrielle Inter­operabilität, Echtzeitkommunikation und Security für Anwendungen im Gesundheitswesen und der Medizintechnik (Bild 4). Das Konnektivitäts-Framework wurde entwickelt, um eine syntaktische Interoperabilität zwischen den Geräten eines einzelnen Anbieters sowie Geräten verschiedener Hersteller zu ermöglichen.

Mit dieser Technik lassen sich verschiedene Datentypen mit jeder Datenrate bereitstellen, die vom Benutzer benötigt oder spezifiziert wird. Zum Beispiel kann ein Patientenüberwachungsgerät Daten 1000-mal pro Sekunde innerhalb eines QoS-Satzes (Quality of Service) veröffentlichen, um die Datenzuverlässigkeit für zehn Sekunden zu garantieren. Das Gerät übermittelt Daten an den Datenbus (publish) und ein anderes Gerät – beispielsweise auf einer anderen Station irgendwo im Krankenhaus – kann diese Daten erhalten (subscribe).

Obwohl das übermittelnde Gerät die Daten 1000-mal pro Sekunde bereitstellt, muss das andere Gerät auf der Station die Daten nicht unbedingt mit dieser Rate empfangen. So kann es diese z.B. nur zehnmal pro Sekunde lesen oder die Verfügbarkeit spezieller Patientendaten anfragen. Der Connext-Datenbus sendet nur die angeforderten Daten über das Netzwerk. So bietet die Connext-DDS-Publish-Subscribe-Architektur Flexibi­lität und robuste Funktionalität, um sehr spezifische Anwendungsparameter zu erfüllen.

Außerdem ermöglicht Connext DDS eine datenzentrierte, fein abgestimmte Security. Das bedeutet, die Security lässt sich für alle Daten und Themen festlegen. Das erlaubt mehrere Security-Ebenen, die sowohl System- als auch Netzwerktransport-Grenzen umfassen und damit einen besseren Schutz für sensible und auch regulierte Gesundheitsdaten bietet.

Bilder: 4

Entwicklung von Digital-Health-Lösungen im IIoT

Die Bilder des Artikels

Litertur

[1] John Hopkins School of Medicine Studie. https://hub.jhu.edu/2016/05/03/medical-errors-third-leading-cause-of-death/
[2] 2013 West Health Report. http://www.westhealth.org/wp-content/uploads/2015/02/The-Value-of-Medical-Device-Interoperability.pdf
[3] World Health Organization global population Daten. http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs404/en/
[4] US Department of Health and Human Services. https://bhw.hrsa.gov/sites/default/files/bhw/nchwa/projections/physician2020projections.pdf

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