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Embedded-Systeme

»Vision« für die Medizintechnik

10. Oktober 2023, 15:26 Uhr | Von Jan-Erik Schmitt, Geschäftsführer von Vision Components

Mobile Medizin- und Laborgeräte ermöglichen schnelle und zuverlässige Analysen und Diagnosen am Point-of-Care. Embedded Vision ist eine Schlüsseltechnologie für deren Entwicklung und spart mit der richtigen Auswahl von Kameras und Verarbeitungseinheiten Zeit und Geld auf dem Weg zur Serienreife.

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Blut- oder Gewebeproben entnehmen, ins Labor senden und Tage, wenn nicht Wochen später die Ergebnisse erhalten: Die Corona-Pandemie hat gezeigt, wie wichtig und wertvoll direkte Testergebnisse sind.

Künstliche Intelligenz ist ein Katalysator für solche smarten Anwendungen, die Krankheiten durch Haut- oder Gewebeveränderungen, pathologische Abweichungen in MRT- und Röntgenbildern oder auf Ebene von Zellen und Molekülen erkennen. Sie nutzen Bilddaten und Bio-Imaging-Verfahren, mit denen anhand markanter Hell-/Dunkelwerte, typischer Muster, Strukturen oder Fluoreszenz bestimmter Stoffe Veränderungen sowie Krankheiten frühzeitig und präzise diagnostiziert werden können. Solche und ähnliche Anwendungen für Laborgeräte im Gesundheitswesen und der Medizin ebenso wie in Life-Science- oder Bioanalyse-Anwendungen werden das menschliche Leben in Zukunft sicherer, komfortabler und »gesünder« machen.

Gleichzeitig ist die Entwicklung von Medizin- und Laborgeräten zeitaufwendig und teuer. Das galt in der Vergangenheit umso mehr, wenn Bildverarbeitung und das komplexe Zusammenspiel aus Aufnahme und Datenverarbeitung in das Elektronikdesign integriert werden mussten. Externe Kameras, die zum Beispiel per USB an einen PC angeschlossen wurden, erfüllten selten die Ansprüche der Branche an Langzeitverfügbarkeit und Qualität. Zudem sind Systeme, die eine externe Recheneinheit benötigen, nicht als autarke, eigenständige Geräte am Point-of-Care einsetzbar – einmal ganz abgesehen davon, dass sich diese Systeme selten für die komplexen und individuellen Anforderungen der medizintechnischen Anwendungen eignen.

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Die Alternative – Embedded Vision

Eine Alternative für die kostengünstige und schnelle Entwicklung autarker Medizin- und Laborgeräte sind Embedded-Vision-Systeme. Sie bestehen aus flexibel integrierbaren, ultrakompakten Kameras und Prozessorboards zur Verarbeitung der Bilddaten sowie für die anwendungsspezifischen Applikationen.

»Embedded« bedeutet dabei auch, dass alle Komponenten optimal an die jeweilige Anwendung angepasst sind – das gilt für das kleinstmögliche Design ebenso wie für angemessene Leistung, minimalen Energieverbrauch und Kostenoptimierung, weil keine nicht benötigten Funktionalitäten oder Bauteile verwendet werden (Bild 1).

MIPI-Kameras: Standard für Embedded Vision

Für die Bildakquise von Embedded-Vision-Systemen haben sich MIPI-Kameramodule (Mobile Industry Processor Interface) als Standard etabliert. Diese Kameraschnittstelle wurden ursprünglich für Smartphones, Tablets und andere Mobilgeräte entwickelt und nutzt das von gängigen Prozessoren unterstützte MIPI-CSI-2-Interface (Camera Serial Interface). Vision Components hat als Referenzhersteller vor fünf Jahren die Technologie für industrielle Applikationen adaptiert bzw. entwickelt und produziert seitdem in Deutschland MIPI-Kameras, welche auch in Medizin- und Laborgeräten zum Einsatz kommen. Die Vorteile der MIPI-Kameras sind das kompakte und serienoptimierte Design, eine geringe Stromaufnahme, ihre hohe Qualität und die Flexibilität bei der Integration.

Sensoren für medizinische Anwendungen

Im Portfolio des Referenzherstellers können Medizingeräteentwickler zwischen zahlreichen Bildsensoren von 0,3 MPixel bis über 20 MPixel Bildauflösung für Monochrom- sowie Farbaufnahmen wählen. Besonders für medizinische Einsatzbereiche geeignet sind die vielfach erprobten und langzeitverfügbaren High-End-Sensoren der Pregius- und Starvis-Serien von Sony, welche u. a. in den VC-MIPI-Kameramodulen integriert sind. Dazu gehören zum Beispiel das VC MIPI IMX178, das bis zu 14 bit Auflösungstiefe und damit einen enorm hohen Dynamikumfang bietet. Sind höchste Anforderungen an die Bildqualität gefordert, eignen sich MIPI-Kameramodule wie das VC MIPI IMX183, das 20 Megapixel Auflösung mit 4K-Videounterstützung und einem Global-Reset-Shutter für verzerrungsfreie Aufnahmen sich bewegender Objekte verbindet. Es nutzt die Backside-Illuminated-Technologie (BSI), die eine hohe Lichtempfindlichkeit und einen großen Kontrastumfang gewährleistet.

Ganz neu erhältlich ist eine MIPI-Kamera mit dem Sony Starvis-2-Bildsensor IMX585. Das Modul mit 8,4 MPixel Auflösung, 4K- und HDR-Unterstützung verfügt über größe- re Pixel als vergleichbare Module und liefert mit seinem Dynamikumfang von 88 dB bei allen Lichtverhältnissen eine hohe Bildqualität. Es ist damit insbesondere für KI-basierte Medizinanwendungen geeignet.

PCs einsparen – Bildsensoren beibehalten

Eine Herausforderung bei der Neuentwicklung von Analyse- und Diagnostikgeräten, die in der nächsten Gerätegeneration autark und ohne PC-Anbindung auskommen sollen, ist das optische Set-up: Hersteller profitieren von geringeren Kosten und weniger Aufwand in der Entwicklung, wenn sie ihr bewährtes System für die Bilderfassung beibehalten können. In anderen Projekten ist die Verfügbarkeit eines speziellen Bildsensors als MIPI-Modul entscheidend.

Für beide Fälle hat Vision Components eine Technologie entwickelt, mit der sämtliche Sensoren direkt über das MIPI-CSI-2-Interface angeschlossen werden können – auch solche High-End-Sensoren, die nativ keine MIPI-Schnittstelle unterstützen. Dazu wird ein eigens entwickelter MIPI-Konverter direkt in das Design der Module integriert. Das ultrakompakte Design, Robustheit und Eigenschaften wie EMV-Verträglichkeit und geringe Hitzeentwicklung bleiben erhalten (Bild 2).

Auch für spezielle Anwendungen wie SWIR (Short Wavelength Infrared), ToF (Time of Flight) und 3D-Bilderfassungen gibt es (medizin-)industrietaugliche Kamera- sensoren mit MIPI-Schnittstelle, das Sortiment an Bildsensoren für Medizin- und Life-Science-Applikationen wird stetig erweitert. Der Referenzhersteller entwickelt auch MIPI-Kameras mit kundenspezifischen Bildsensoren. Dank der umfangreichen Vor- arbeiten und des modularen Designs kann die Umsetzung und Serienqualifizierung meist schnell, einfach und kostengünstig erfolgen.