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Advertorial von Advantech

KI und Konnektivität revolutionieren medizinische Geräte

31. Oktober 2024, 10:30 Uhr | Advantech (uh)

Die Medizintechnik wandelt sich grundlegend. KI, Telemedizin und vernetzte Systeme verändern Diagnostik, Therapie und Patientenreise. Hoher Sicherheit und gute Usabilty stellen Entwickler vor neue Herausforderungen. Wie können Medtech-Innovation und -Entwicklung trotzdem sicher und schnell gelingen?

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Die Medizintechnik befindet sich in einem tiefgreifenden Wandel. Künstliche Intelligenz, Telemedizin und vernetzte Systeme verändern die Art und Weise, wie Diagnosen gestellt, Behandlungen durchgeführt und Patienten überwacht werden. Gleichzeitig haben die hohen Anforderungen an Sicherheit, Zuverlässigkeit und Benutzerfreundlichkeit medizinischer Geräte weiterhin Bestand. Für Entwickler ergeben sich daraus neue Herausforderungen, aber auch Chancen für Innovationen.

KI als Gamechanger in der Medizintechnik

Künstliche Intelligenz hat in den letzten Jahren enorme Fortschritte gemacht und wird zunehmend in medizinischen Anwendungen eingesetzt. KI-Systeme können große Datenmengen schneller analysieren, Muster erkennen und Ärzten bei Diagnose und Behandlung unterstützend zur Seite stehen.

Ein Beispiel ist die KI-gestützte Bildanalyse in der Pathologie. Während früher nur begrenzte Gewebeproben untersucht werden konnten, ermöglicht die KI-basierte Analyse ganzer digitalisierter Gewebeschnitte (»Whole Slide Imaging«) eine umfassendere und präzisere Untersuchung. Dies ist besonders bei der Krebsdiagnostik von Bedeutung.

Für Medizintechnik-Entwickler stellt sich die Herausforderung, geeignete Hardware-Plattformen für KI-Anwendungen auszuwählen. Je nach Anwendungsfall kommen GPUs, NPUs oder spezialisierte KI-Chips in Frage. Entscheidend sind Faktoren wie Rechenleistung, Energieeffizienz und Kosten, aber auch Verträglichkeit mit normativen und systemweiten Anforderungen.

Vernetzte Systeme und Echtzeit-Datenverarbeitung

Ein weiterer wichtiger Trend ist die zunehmende Vernetzung medizinischer Geräte. In modernen Operationssälen müssen z.B. verschiedene Systeme wie Bildgebung, Patientenmonitoring und Robotik-Assistenten nahtlos zusammenarbeiten. Dies erfordert leistungsfähige Netzwerktechnologien und Echtzeitfähigkeit.

Eine vielversprechende Technologie in diesem Bereich ist Standard Software Defined Video over Ethernet (SDVoE). Sie ermöglicht die Übertragung von hochauflösenden Videosignalen mit extrem geringer Latenz über Standard-Ethernet-Netzwerke. Wichtige Eigenschaften sind:

Latenz unter 100 Mikrosekunden, geeignet für Endoskopie-Kameras
4K-Auflösung für hochauflösende OP-Kameras
Flexible Multi-View-Funktionen
Einfache Integration mit DICOM/PACS-Systemen

Für Entwickler bedeutet dies, dass sie sich intensiv mit Netzwerktechnologien und Videocodecs auseinandersetzen müssen, um die hohen Anforderungen an Bildqualität und Echtzeitfähigkeit zu erfüllen.

Robuste Designs für den klinischen Einsatz

Medizinische Geräte müssen höchsten Anforderungen an Zuverlässigkeit und Sicherheit genügen. Gleichzeitig sollen sie einfach zu bedienen und zu reinigen sein. Dies stellt Entwickler vor besondere Herausforderungen beim mechanischen und elektrischen Design.

Antibakterielle Oberflächen

Um Infektionsrisiken zu minimieren, setzen viele Hersteller auf antibakterielle Oberflächen. Ein Ansatz ist die Verwendung von Silberionen als Additiv in Kunststoffgehäusen. Diese hemmen das Wachstum von Bakterien wie MRSA oder Streptococcus pneumoniae.

Bei Touchscreens kommen spezielle Beschichtungen zum Einsatz. Wichtig ist hier auch ein flaches Design ohne Spalten, in denen sich Bakterien ansammeln könnten. Neben einer einfachen Reinigung und Desinfektion sorgt gehärtetes Glas für die notwendige Robustheit.

Angepasste Touchscreen-Empfindlichkeit

In medizinischen Umgebungen kann es vorkommen, dass Flüssigkeiten wie Blut oder Kochsalzlösung auf Bedienoberflächen gelangen. Um Fehleingaben zu vermeiden, muss die Empfindlichkeit der Touchscreens entsprechend angepasst werden. Entwickler können die kapazitive Erkennung so einstellen, dass Flüssigkeitsspritzer nicht als Berührung interpretiert werden, gelichzeitig aber eine Bedienung mit Handschuhen möglich ist.

Thermisches Management

Mit steigender Rechenleistung medizinischer Geräte gewinnt auch das Thema Wärmemanagement an Bedeutung. Effiziente und geräuscharme Kühlkonzepte sind gefragt, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten und Patienten bzw. Personal nicht zu stören. Lösungsansätze umfassen:

Optimierte Luftführung im Gehäuse für maximale Entwärmung und minimale Geräuschentwicklung
Auswahl von Komponenten mit hoher MTTF (Mean Time To Failure)
Einsatz von Heatpipes und optimierten Kühlkörpern
Temperaturüberwachung kritischer Komponenten

Sicherheit und Zertifizierung

Medizinprodukte unterliegen strengen regulatorischen Anforderungen. Entwickler müssen sich intensiv mit Standards wie IEC 60601 für elektrische Sicherheit und IEC 60601-1-2 für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) auseinandersetzen.

Ein wichtiger Aspekt ist der Schutz vor gefährlichen Spannungen. Die Norm definiert verschiedene Schutzklassen (Means of Protection, MOP) für Patienten und Bediener. Je nach Klassifizierung gelten unterschiedliche Anforderungen an Kriechstrecken, Luftspalte und Isolationen.

Auch der ESD-Schutz (Electrostatic Discharge) spielt eine wichtige Rolle. Medizinprodukte müssen Entladungen von bis zu 8 kV (Kontaktentladung) bzw. 15 kV (Luftentladung) standhalten.

Langzeitverfügbarkeit und Lifecycle-Management

Anders als in der Consumer-Elektronik haben medizinische Geräte oft sehr lange Lebenszyklen von 10 Jahren und mehr. Für Entwickler bedeutet dies, dass sie bei der Komponentenauswahl auf langfristige Verfügbarkeit achten müssen.

Strategien für ein effektives Lifecycle-Management umfassen:

Kontrolle von Produktversionsänderungen
Regelmäßiges Tracking der Materialverfügbarkeit
Frühzeitige Planung von Redesigns bei Abkündigungen
Aufbau von Sicherheitsbeständen kritischer Komponenten
Zweitlieferanten für wichtige Bauteile

Ausblick: Virtuelle und Augmented Reality

Virtuelle (VR) und erweiterte Realität (AR) gewinnen in der Medizintechnik zunehmend an Bedeutung. Einsatzgebiete sind unter anderem:

Medizinische Ausbildung und Training
Präoperative Planung
Unterstützung bei komplexen Eingriffen
Physiotherapie und Behandlung psychischer Erkrankungen

Für Entwickler ergeben sich daraus neue Anforderungen an Rechenleistung, Grafikverarbeitung und Sensorik. Die Integration von VR/AR-Technologien in bestehende medizinische Workflows stellt eine spannende Herausforderung dar.

Die Medtech-Entwicklung meistern

Die Entwicklung moderner Medizintechnik erfordert ein breites Spektrum an Kompetenzen - von KI und Netzwerktechnologien über robuste System-Designs bis hin zu regulatorischem Know-how. Gleichzeitig bieten sich enorme Chancen, durch innovative Lösungen die medizinische Versorgung zu verbessern. Entscheidend für den Erfolg sind eine enge Zusammenarbeit der involvierten Disziplinen sowie ein ganzheitlicher Blick auf die komplexen Anforderungen im klinischen Umfeld. (uh)

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KI-Integration mit Advantech

Als Partner kann Advantech bei der Integration von KI in medizinische Geräte unterstützen:

Umfassende Produktentwicklungsdienstleistungen von der Konzeption bis zur Fertigung unter Berücksichtigung spezifischer Anforderungen der Medizintechnik.
Langjährige praktische Erfahrung bei der Auswahl der optimalen Hardware-Lösungen für KI-Anwendungen.
Technologieberatung bei der Entscheidung zwischen CPUs, GPUs, NPUs, FPGAs bzw. Kombinationen hiervon.
Adaption und Anpassung bestehender Geräte und Systeme für eine beschleunigte Markteinführung.
Expertise für die Integration komplexer KI-Systeme Gemäß Anforderungsprofilbei elektrischem, thermischen und mechanischem Design inklusive der damit verbundenen Validierung.

Mit der tiefen Medizintechnik-Kompetenz vor Ort kann Advantech Medtech-Hersteller und Zulieferer dabei unterstützen, KI-Technologien effektiv zu integrieren, Stolperfallen zu umgehen und so innovative Lösungen für den Gesundheitssektor zu entwickeln.

Zudem bietet Advantech verschiedene Hardware-Lösungen als Komplettsystem oder auf Komponentenebene für die Implementierung von KI in medizinischen Geräten an:

GPUs (Graphics Processing Units) Karten: Diese eignen sich besonders für rechenintensive KI-Anwendungen wie Bildverarbeitung und maschinelles Lernen.
KI-Beschleuniger auf Basis von NPUs (Neural Processing Units): Spezialisierte Chips für KI-Berechnungen, die eine effiziente Ausführung von neuronalen Netzen ermöglichen.
Computerboards und -systeme als Embedded Hardware, performante Workstations und Hochleistungsserver, die einen durchgängige Skalierbarkeit zur Verfügung stellen.
Integrierte Systeme: Advantech bietet hybride Systeme an, die verschiedene Komponenten wie CPUs, GPUs und FPGAs kombinieren. Ein Beispiel ist ein System für intravaskulären Ultraschall (IVUS), hier wird eine x86-basierte CPU für die Datenverarbeitung, eine NVIDIA-GPU für die Bildverarbeitung und ein FPGA für die Bewegungssteuerung integriert.
Kundenspezifische Hardware: Für spezielle Anforderungen entwickelt Advantech kundenspezifische Platinen und Systeme, die beispielsweise CPUs, GPUs und NPUs kombinieren, um mit optimierten Lösungen die Entwicklungszeit zu verkürzen.
Embedded Hardware: Das Unternehmen stellt eingebettete Hardware-Lösungen bereit, die speziell für medizinische Anwendungen optimiert sind.

Advantech legt bei der Entwicklung der Hardware-Lösungen besonderen Wert auf Faktoren wie Leistung, Energieeffizienz, Kosten und Langzeitverfügbarkeit. Das Unternehmen berät Kunden bei der Auswahl der optimalen Hardware-Lösung für ihre spezifischen KI-Anwendungen in der Medizintechnik und bietet Unterstützung bei der Integration, Optimierung und Anpassung der Systeme. Durch lokale Applikations- und Entwicklungsingenieure können Kunden zeitnah vor Ort unterstützt werden umso auch schwierigste Herausforderungen gemeinsam erfolgreich zu meistern.

Weitere Informationen unter https://www.advantech.com/en-eu/campaign/Medical-Equipment-Builder-DMS