Highperformance- und SFF-Devices
Dynamik für Embedded Medical Computing
Die Medizinelektronik ist derzeit von hoher Dynamik sowohl für Highperformance- wie SFF-Devices (Small Form Factor) geprägt. Schrittgeber sind die rasanten Entwicklungen in der Prozessor- und Chipsatzindustrie, deren Innovationen immer leistungsfähigere, aber auch energieeffizientere Medical Devices mit einem zunehmenden Mobilitätsgrad ermöglichen. Für eine zeitnahe und effiziente Umsetzung neuer Medical Lösungen bietet die Embedded Computer Technologie (ECT) die passenden SFF- und Highperformance-Plattformen sowohl auf Board-, wie auch auf Systemlevel.
Medizingerätehersteller haben mit einem langen Zulassungsprocedere auf der einen Seite und schnellen Innovationszyklen der Prozessortechnologie auf der anderen Seite zu kämpfen. Um sich in diesem Umfeld behaupten zu können, müssen sie neben einer hohen Innovationskraft von Seiten der medizinischen Verfahren auch die zeitnahe Implementierung neuer Computingtechnologien gewährleisten, die immer leistungsfähigere, energieeffizientere und auch kompaktere Lösungen ermöglichen. Für die meisten Medizingeräte-Hersteller allerdings zählt die eingebettete Computertechnologie jedoch nicht zu den Kernkompetenzen. Aufgrund der kurzen Innovationszyklen der Prozessortechnologie und der geforderten spezifischen Fachkompetenz abseits der Medizintechnik lohnt sich eine Eigenentwicklung der Computinglösung für viele Anbieter von Medizintechnik nicht. Mehr und mehr Medizingeräte OEM sind daher auch aufgrund des zunehmenden Kostendrucks darauf angewiesen, entsprechende Embedded Computer Technologie als Zukaufkomponente zu beziehen. Und dies idealer Weise als langzeitverfügbare, standardbasierte, vorintegrierte Komponente, die ohne Engineeringaufwand am Computing Core in ein Medizingerätekonzept integriert werden kann. Je nach Bedarf sowohl auf Board- oder auf Systemlevel. Aufgrund der hohen Dynamik und Vielfalt, bei der Prozessor- und Chipsatztechnologie sowie der verfügbaren embedded Building Blocks ist die richtige Wahl des Formfaktors von entscheidender Bedeutung.
Lösungen für Small Form Factor Devices
Für medizinische Geräte, die noch tragbarer, leichter, komfortabler und intelligenter werden sollen, eignen sich dabei auf Boardlevel insbesondere kompakte, leistungsfähige Small Form Factor (SFF) Plattformen. Auf Boardlevel reicht die Bandbreite von Mini-ITX mit 170x170mm (z.B. für komplexe HMIs in CTs) über 3,5″ Single-Board Computer (SBC) bis hin zum kompakten Pico-ITX im 2,5″ Format sowie CPU- und Erweiterungsbaugruppen gemäß Spezifikationen des PC/104 Konsortiums, die durch ihre steckbaren Erweiterungsbaugruppen bestechen. Sie bieten, wie auch ATX-kompatible Mini-ITX Motherboards, ein umfassendes Angebot an Erweiterungsbaugruppen und Housings. Alle SBC können mit ihrem Standard Feature-Set und den definierten Schnittstellen direkt und einfach in die Applikation integriert werden und sind dank Semi-Customization und in entsprechender Menge für größere Projekte besonders preiswert. Die aktuelle Prozessorauswahl beginnt bei stromsparenden Intel Atom Prozessoren für alle Formfaktoren und reicht auf 3,5 Zoll und PC/104 SBCs bis zum Intel Pentium M sowie Intel Core 2 Quad bei Mini-ITX. Computer-on-Modules (COMs) bieten Entwicklern von SFF Designs große Flexibilität beim Board-Design und bei der Konstruktion der externen Schnittstellen. COMs werden im Semi-Custom Design als COTS Komponente von einem Embedded Hersteller gekauft und das Carrier-Board passend zur Applikation entwickelt. Kundenspezifische Varianten lassen sich mit Computer-on-Modules sehr schnell umsetzen. Über Evaluation Boards kann die Softwareentwicklung direkt mit dem potenziellen Targetsystem arbeiten und parallel zur Entwicklung des applikationsspezifischen Carrierboards und Housings die neuen Applikationen bereits testen, was die Time-to-Market deutlich beschleunigt. Die größte Design-Sicherheit und Langzeitverfügbarkeit bieten Module, die der COM Express Spezifikation folgen. Dieser PICMG-Standard definiert derzeit zwei Modul-Größen: Extended (145mm x 95mm) und Basic (95mm x 125mm). Kontron und andere Hersteller bieten außerdem noch die SFF Formfaktoren microETXexpress (95 x 95mm) und nanoETXexpress (55mm x 84mm), die hinsichtlich Konnektor und Pin-out kompatibel zu COM Express sind. COM Express basierte Computer-on-Modules bieten somit exzellente Skalierbarkeit vom Intel Atom Prozessor bis hin zum Core 2 Duo Prozessor und Größe. Upgrades bestehender Applikationen können einfach durch Wechsel des COMs durchgeführt werden. Dank der minimalen Time-to-Market, Langzeitverfügbarkeit und Roadmaps für kommende Entwicklungen sind COMs ein nachhaltiger Formfaktor für Hersteller von Medizingeräten.
ECT für High-Performance Lösungen
So vielschichtig die mitunter gegensätzlichen Auswahlkriterien im Bereich der kompakten und mobilen Devices sind, so sehr spitzt sich das Anforderungsprofil bei High-End-Systemen zu. Stationäre, bildgebende Diagnoseverfahren wie CT, MRT oder digitales Röntgen (beispielsweise Mammografie) benötigen in erster Linie eines: Möglichst viel Rechenleistung. Ideal sind daher Multiprozessor- und/oder Multicoresysteme. Dabei gilt es aber natürlich auch Faktoren wie Energieeffizienz und Kompatibilität zu beachten, soll der Engineering Aufwand für Systemkühlung und Peripherieanbindung nicht unnötig hoch sein. Höchste Performance und Kompatibilität bietet auf Boardlevel der aus dem Serverbereich bekannte ExtendedATX – kurz EATX-Formfaktor. Neueste Embedded Boards, wie beispielsweise das Kontron EATX Motherboard KTC5520 bieten zwei Intel Xeon Quad-Core 5500 Prozessoren. Mit bis zu 8 Cores bzw. 16 Threads für simultanes Multi-Threading ist das neue Server Board besonders attraktiv für Medical Imaging Workstations. Darüber hinaus bietet EATX alle Vorteile des ATX-Formfaktors wie ATX kompatible Netzteilanbindung, die gesamte ATX kompatible Mechanik und Erweiterungsgruppen. Auch High-End-PEG Grafikkarten können dem jeweils neusten Stand der Technik entsprechend eingesetzt werden. Dies ist zum Beispiel dann interessant, wenn Grafikkarten über entsprechende Software via GPGPU (General Purpose Computation on Graphics Processing Unit ) wie beispielsweise CUDA (Compute Unified Device Architecture) für das Pre-processing der Bilddaten genutzt werden sollen. Allerdings taktet die Innovationsrate von Grafikprozessoren mit nur rund einem halben Jahr nochmals deutlich schneller als die bei x86er Prozessoren. Von daher ist es für die meisten Medizingeräte OEM empfehlenswerter auf nachhaltige, langzeitverfügbare Lösungen zu setzen.
Auf Embedded LifeCycles achten
Bei den üblichen langen Lebenszyklen der Medizinlösungen sind OEM auf eine höhere Langzeit-Systemstabilität und Performance sowie die vereinfachte Zulassung von Revisionen im gesamten Produktlebenszyklus angewiesen. Eine hohe Langzeitverfügbarkeit der verwendeten Computertechnologie ist daher dringend erforderlich. Zudem ist die komplette Systemauslegung inklusive Software, Betriebssystem und Treibern auf die jeweilige Hardware zugeschnitten und nicht einfach über Nacht portierbar. Die dafür nötige Langzeitverfügbarkeit der verwendeten Computertechnologie von bis zu 7 Jahren oder mit individueller Vereinbarung sogar noch länger, können nur Embedded Computing-Zulieferer bieten. Darüber hinaus ergeben sich in Kombination mit dem Mehrwert ‚Embedded‘ für Medical Designer zusätzlich weitere Benefits wie ein umfassender Support bei der Implementierung der passenden Erweiterungsbaugruppen. Und dies nicht nur für alle gängigen Formate, sondern auch für kundenspezifische Entwicklungen, beispielsweise zur Anbindung der Highspeed-Sensorik sowie neuester bildgebender Verfahren.
Application Ready Platforms
Wollen sich Entwickler von Medizingeräten das Embedded Computer Systemdesign sparen, stehen auch passende Plattformen zur applikationsspezifischen Auslegung zur Verfügung: 19″ Rackserver, wie beispielsweise die KISS-Reihe von Kontron, sind als 1, 2 und 4 HE Systeme mit voller oder reduzierter Bautiefe besonders flexibel an die äußeren Rahmenbedingungen anpassbar. Im Inneren stehen mit hauseigenen Motherboards oder besonders flexiblen PICMG 1.3 Architekturen für Multiprozessorsysteme zahlreiche Erweiterungsmöglichkeiten für applikationsspezifische PCI und PCI Express Steckkarten zur Verfügung. Eine weitere Lösung ist beispielsweise der Medical Panel PC Kontron MediClient 104 mit einen extrem kompakten und kostenoptimierten 10,4″-SVGA-Touch-screen. Der CE, FCC und cULus zertifizierte, lüfterlose Kontron MediClient 104 erfüllt die Anforderungen nach FCC47 CFR PART15, Class A, EN6100-6-2 sowie EN55022/A (CISPR22) und bietet ein widerstandsfähiges, leichtes Kunststoffgehäuse mit IP65 Schutz, das auch in kundenspezifischen Corporate Designs gefertigt werden und so in zahlreiche medizintechnische Applikationen für OP, Notaufnahmen und andere infektionsgefährdete Bereiche integriert werden kann. Durch seine bereits vorhandenen Zertifikate muss der OEM keinen Aufwand für diese Zertifizierungen betreiben, was zusätzlich Kosten spart. Solche ‚Application Ready Platforms‘ sind demnach eine komfortable Lösung. Aber nicht jede kundenspezifisch gewünschte Hardwareplattform ist applikationsfertig verfügbar. Aus diesem Grund bieten Hardwareanbieter neben Standardprodukten auch ‚Original Design and Manufacturing‘ (kurz ODM) an. Der Service reicht von Semi-Custom-Designs über applikationsspezifische Anpassung von Standardbaugruppen bis zum Full-Custom-Design mit komplett kundenspezifischem Housing. Hierbei ist für Medical-OEM wichtig, dass die Einhaltung der strengen Prüf- und Testvorschriften der Medizintechnik gewährleistet ist. Darüber hinaus muss die Fertigung so ausgelegt sein, dass Rückverfolgbarkeit bis hin zur einzelnen Lieferantencharge gewährleistet ist. Insofern kann nicht jeder Embedded-Computer-Hersteller eine solche Dienstleistung anbieten. Unter den Unternehmen, die auf Medical Computer spezialisiert sind, sollten OEM darüber hinaus darauf achten, dass ein hinreichendes Standardproduktportfolio vorhanden ist, denn nur durch den Re-use passender Buildingblocks kann ein dediziertes Systemdesign besonders kostengünstig outgesourced werden.
Autorin: Ingrid Hildebrandt ist Product Markting Managerin bei Kontron
