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Embedded Module für mobile Medizingeräte

Ein Rechnermodul für die bildgebende Diagnostik

12. Dezember 2025, 11:02 Uhr | Von Manne Kreuzer, TQ-Systems

Bild 2. Das Embedded-Modul TQMxE41S eignet sich als Herzstück für die Elektronik eines smarten, bildgebenden Mobilgerätes.

Funktionalität, Konnektivität und Security sind nicht in Praxen und Kliniken wichtig, sondern insbesondere für mobile Medizingeräte: Für die Messdatenerfassung, Analytik und deren Weitergabe geht ohne leistungsfähige und dennoch stromsparenden Embedded-Systeme wenig. Doch was sind die Anforderungen?

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Für Ärzte, Pflegekräfte und Hebammen gehören mobile Medizingeräte und Technologien heute zum medizinischen Alltag wie früher das Stethoskop. Der Ärztemangel außerhalb von Ballungsgebieten, eine überalternde Gesellschaft mit zunehmenden Bedarf an Hausbesuchen und zu wenige Pflegeplätze verlangen nach mobilen, digitalen und vor allem vernetzen Lösungen für eine ambulante Versorgung vor Ort. Die Fortschritte in der Biosensorik und neue, KI-gestützte Analysemethoden können die Grundlage für neue Klassen von Medizingeräten und Verbesserungen bestehender Systeme sein.

Bildgebende Verfahren wie die Sonographie (Ultraschall) können beispielsweise in mobilen Diagnosesystemen verbaut werden und so leichter zum Patienten kommen. Dabei geht es nicht darum, ein weiteres Einzelgerät im Kofferraum zu verstauen, sondern den ÄrztInnen am besten eine integrierte, leicht tragbare Kombilösung rund um den Hausbesuch anzubieten.

Hohe Anforderungen an die Technik

Diese Funktionalität und Mobilität stellen erhöhte Anforderungen an die eingesetzte Elektronik, besonders für bildgebende Verfahren. So muss nicht nur der hochauflösende Bildschirm für den Arzt, sondern möglicherweise auch ein Zweitbildschirm für den Patienten oder für Ausbildungszwecke anschließbar sein – dann aber meist an einem Gerätewagen montiert. Will der Medizingerätehersteller zusätzliche Technologien wie Augmented Reality für den Arzt nutzbar machen, wird ein dritter unabhängiger Bildausgang notwendig. Zusätzlich muss die Grafikeinheit die entsprechende Funktionalität und Rechenleistung für die Visualisierung zur Verfügung stellen.

Zusätzlich zu der vom Arzt bzw. der Pflegekraft mitgebrachten Sensorik kann die Auswertung der vom Patienten selbst erhobenen Daten, etwa von einer Smartwatch, von Interesse sein. Dazu muss allerdings entweder eine Verbindung zum Gerät oder der entsprechenden Cloud aufgenommen werden, was den Software- und Hardwareaufwand weiter vergrößert.

Schnittstellen, Schnittstellen, Schnittstellen

Die Vielfalt an Sensoren zur Aufnahme von Vitaldaten, Biomarkern und weiterer Patientenwerte geht mit einer Vielzahl an Schnittstellen einher. Der PC-übliche Weg über Steckkarten, um die notwendigen Verbindungen zu etablieren, schließt sich bei mobilen Medizingeräten aus Platzgründen meist aus. Deshalb sollten essenzielle Schnittstellen wie I2C, SPI, UART und GPIO von Haus aus von der Embedded-Lösung zur Verfügung gestellt werden. Ebenso sollten kabelgebundene Verbindungen aus Platz- und Gewichtsgründen sowie für eine komfortablere Handhabung durch Wireless-Lösungen ersetzt werden. Die notwendigen Funkverbindungen müssen im Embedded Board für den medizintechnischen Einsatz entsprechend integriert sein.

Gerade wenn ein Arzt oder Pflegekraft alleine unterwegs ist und im wörtlichen Sinn alle Hände voll hat, bietet sich eine Gerätebedienung per Sprachkommandos an, vergleichbar mit smarten Lautsprechern (»Alexa!«). Eine KI-gestützte Spracherkennung ließe sich aber auch zum Diktat des Befundes nutzen. Denn neben der Analytik kann ein smartes Mobilgerät per KI-Assistenz auch beim »Papierkram«, also den notwendigen Dokumentations- und Verwaltungsaufgaben vor Ort helfen. Sollen dabei die aus der Arztpraxis gewohnten Programme zum Einsatz kommen, ist praktisch eine Vorentscheidung für x86 getroffen worden. Damit sind auch Schnittstellen wie USB, SATA, PCI Express und Ethernet gesetzt.

Die benötigten KI-Beschleuniger lassen sich natürlich auch für die Analytik und Aufbereitung von Testergebnissen nutzen und so die Diagnose unterstützen. Zusätzlich könnten beispielsweise Ultraschallbilder für den Patienten optimiert werden, um eine deutlichere Darstellung zu erreichen. Auch wenn sich theoretisch eine Cloud-Lösung anböte, hat die Realität doch zu viele Funklöcher, speziell in ländlichen Gebieten – ein leistungsfähiger Rechner vor Ort, also integriert im mobilen medizinischen Gerät, ist daher die bessere Wahl.

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Datenübertragung, aber sicher

Zurück in der Praxis steht dann meist der Datentransfer vom Mobilgerät in das Netzwerk bzw. die (elektronische) Patientenakte an – natürlich unter Berücksichtigung der Datenschutzauflagen. Dies bedeutet eine zuverlässige Verschlüsselung aller Komponenten, idealerweise mit Hilfe eines TPM (Trusted Platform Module). Zu seinen Funktionen gehören unter anderem die sichere Speicherung von Schlüsseln, Zertifikaten und Passwörtern sowie eine dedizierte Schlüsselverwaltung. Ob ein Download der mobil erfassten Daten in der Arztpraxis oder eine Online-Verbindung vor Ort beim Patienten genutzt werden soll, der Kommunikationsbedarf wächst und die eingesetzte Elektronik muss darauf vorbereitet sein.

Insgesamt ist die Frage nach der Software-Kompatibilität von entscheidender Bedeutung – und damit spielt die x86-Architektur ihren größten Trumpf aus. Ob es Windows oder Linux – oder beides gleichzeitig per Hypervisior – sein soll, die x86-Architektur kann den größten Software-Katalog vorweisen. Gerade im Umfeld zulassungspflichtiger Geräte sind vorzertifizierte (Software-)Lösungen zeitlich und finanziell eindeutig im Vorteil.

Diese Software-Dominanz schränkt allerdings die Hardware-Seite ein und macht praktisch jede x86-Lösung zu einem PC. Dies reduziert zwar die Flexibilität, gab und gibt aber auch die Chance, Hardware-Standards für den Embedded-Bereich zu etablieren. Wer sich sich auf einen Standard festgelegt hat, kann mit der (Software-)Entwicklung loslegen und sich am Ende auf das neueste und von der Leistung passendste Modul festlegen. Bei zulassungspflichtigen Geräten lässt sich so die längste Verfügbarkeit/Nutzungsdauer ohne kostspielige Nachzertifizierungen erreichen.

Elektronik für ein robustes Design

Ein Rechner für ein medizinisches Mobilgerät muss auch den diversen physikalischen Eckdaten des Designs genügen, wie den Abmessungen, der Leistungsaufnahme/Wärmeentwicklung und dem daraus resultierenden Gesamtgewicht – also je weniger umso besser. Zudem muss ein mobiles Medizinsystem unempfindlich gegen Stoß, Vibration und die Temperaturschwankungen innerhalb eines abgestellten Fahrzeuges sein.

Es sind also zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen, um die beste Lösung für die Elektronik einer smarten Mobillösung zu finden. Mit dem TQMxE41S bietet TQ-Systems ein Embedded-Modul an, das die gestellten Herausforderungen meistert und sich als Herzstück der Elektroniklösung anbietet. Das SMARC-2.1-Modul TQMxE41S ist mit einer großen Vielfalt an Prozessoren aus Intels Alder-Lake-N- und Amston-Lake-Familie mit einer Leistungsaufnahme im Bereich 3 W bis 17 W TDP erhältlich und passt so in das Power-Budget einer ambulanten Mobillösung. Auch die Abmessung von 82 mm x 50 mm entsprechen dem Anforderungsprofil eines kompakten Gerätes.

Das Modul kombiniert hohe CPU- und Grafikleistung – inklusive KI-Beschleunigung – mit bis zu 16 GB LPDDR5-4800 Speicher und bis zu 256 GB Industrial iNAND eMMC für eine hohe Systemleistung und genügend Speicherplatz auch für anspruchsvolle Anwendungen. Die neue Generation von Intels CPU-Mikroarchitektur sowie die integrierte Intel UHD Grafik Gen12 mit bis zu 32 Execution Units, die beide aus der 12. Generation Intel-Core-Prozessoren stammen, setzen neue Maßstäbe in den Bereichen CPU Single-Thread/Multi-Thread-Performance wie auch bei Multimedia und KI. Erstmals werden in diesem Leistungssegment auch AVX256 (Vektorverarbeitung) und erweiterte KI-Befehlssätze (VNNI) unterstützt, die für schnelle KI-Inferenz und Media-Transcoding sorgen.

Eine Vielzahl an High-Speed-Schnittstellen wie 2 x 2.5 Gigabit Ethernet, 4 x PCIe (bis zu 8 Gb/s pro Lane), USB 3.2 und SATA bieten eine hohe Bandbreite für sehr datenintensive Anwendungen. Drei unabhängige hochauflösende Display-Ausgänge (DP++, HDMI und eDP/LVDS) genügen auch anspruchsvollen Visualisierungsanforderungen. Viele weitere Schnittstellen wie 4 x UART, 14 x GPIO, 2 x MIPI-CSI-2 und 1x I2C sorgen für eine einfache Anbindung zahlreicher Peripheriekomponenten. Zusammen mit den erweiterten Security-Features der CPU und einem optionalen TPM-2.0-Baustein ist das Modul besonders gut geeignet für Anwendungen im Bereich Gesundheitswesen – wie eine bildgebende Diagnostik mit KI-Unterstützung. (uh)