Funktionale Sicherheit und bessere Bildverarbeitung Eine neue Generation Endoskope in der Medizintechnik

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MIPI Alliance

OKW Odenwälder Kunststoffwerke Gehäusesysteme GmbH

CSA Group Bayern GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Die funktionale Sicherheit und verbesserte Bildverarbeitung stehen im Mittelpunkt einer modernen Endoskop-Architektur. MIPI-gestützte Enwicklungen sorgen für zuverlässige und sichere Anwendungen in der Patientenpflege. Die Schlüsseltechniken kommen aus der Automobil- und Mobilfunkbranche.

Neue Anforderungen an präzisierte Diagnoseverfahren, erweiterte Therapieoptionen und minimal-invasive Eingriffe treiben die technische Evolution und das Design medizinischer Endoskope voran. Entwickler und Ingenieure stehen vor der Aufgabe, in flexiblen Systemarchitekturen hochauflösende Bildgebungssysteme mit optimierter Bandbreite zu integrieren – das bei einer sehr hohen Zuverlässigkeit und einem geringen Kabelquerschnitt.

Die Integration von Schlüsseltechnologien aus der Mobilgeräte- und Automobilindustrie erweist sich als entscheidend, um die Weiterentwicklung von Endoskop-Architekturen zu unterstützen. Diese Technologien adressieren zentrale Designherausforderungen hinsichtlich Kamera- und Konnektivitätslösungen. Die technologische Progression bei Endoskopen wird maßgeblich durch folgende Trends vorangetrieben:

• Der Einsatz von Kameras mit höherer Auflösung und verbesserter Bildverarbeitung, um schärfere und detailliertere Aufnahmen von innen zu ermöglichen,

• Endoskope mit kleinerem Durchmesser, um den Zugang zu engeren anatomischen Regionen zu ermöglichen und die Eingriffe für die Patienten angenehmer zu machen sowie

• Einsatz von Einwegsystemen, welche das Risiko einer Kreuzkontamination eliminieren, die Wiederaufbereitungskosten für Endoskope senken und Möglichkeiten für In-Life-Upgrades bieten.

Vorteile durch den Einsatz von MIPI CSI-2 in Endoskopen

Das MIPI CSI-2 (Camera Serial Interface-2) hat sich als das weltweit führende Standardprotokoll für eingebettete Kameras etabliert. Dank seiner Benutzerfreundlichkeit und Unterstützung für eine Vielzahl leistungsstarker Imaging-Anwendungen ist es branchenübergreifend anerkannt. Mit der Integration der CMOS- (Complementary-Metal-Oxide-Semiconductor-)Bildsensortechnologie in Endoskopen gewinnt CSI-2 zunehmend an Bedeutung in diesem Bereich. Es bietet den Vorteil, hochqualitative Bilder auf kompakte und energieeffiziente Weise zu übertragen.

Die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungsfähigkeiten von CSI-2, die Datenraten von mehreren Gigabit pro Sekunde unterstützen, sind entscheidend für die Übertragung von unkomprimierten hochauflösenden Videos von der Kamera an der Spitze eines Endoskops an die zugehörige Bildverarbeitungseinheit. Diese hohe Übertragungsleistung ermöglicht eine hochauflösende Bildgebung in Echtzeit mit minimaler Latenzzeit, sodass medizinisches Fachpersonal während des Eingriffs klare, detaillierte Bilder sieht.

Darüber hinaus unterstützt die Schnittstelle die neuesten Fortschritte in der Kamerasensortechnologie und die höchsten Bildraten, was zu einem flüssigeren Videobild beiträgt und die Erfassung feiner Details ohne Bewegungsunschärfe ermöglicht. CSI-2 ist außerdem auf einen geringen Stromverbrauch ausgelegt, was für medizinische Geräte wie Endoskope, bei denen die Stromversorgung der Kameras über lange, dünne Kabel erfolgt, von zentraler Bedeutung ist. Darüber hinaus sorgt der geringe Stromverbrauch von CSI-2 für eine geringere Wärmeentwicklung an der distalen Spitze des Endoskops, was den Komfort und die Sicherheit für die Patienten erhöht.

Das Bild 1 zeigt die MIPI-Spezifikationen, welche CSI-2 unterstützen, um eine ganzheitliche Verbindung für Kameras zu bieten, die Protokoll-, Link- und Physical-Layer-Komponenten umfasst.

MIPI A-PHY Physical-Layer-Schnittstelle für Kameras mit großer Reichweite

Das MIPI CSI-2- Übertragungsprotokoll wurde ursprünglich entweder mit einer MIPI C-PHYTM oder MIPI D-PHYTM -Physical-Layer-Schnittstelle kombiniert – zwei Schnittstellen, die den Anforderungen an Hochgeschwindigkeits-Kamera- und Display-Konnektivität in Smartphones und anderen Geräten mit kleinem Formfaktor entsprechen. In den letzten Jahren hat die MIPI Alliance mit MIPI A-PHY die erste standardisierte asymmetrische Serializer/Deserializer (SerDes)-Schnittstelle mit großer Reichweite entwickelt. Mit dieser können eine Vielzahl an hochentwickelten Kamerasensoren verbunden werden, die die neuesten Fahrassistenz- und autonomen Fahrsysteme in modernen Fahrzeugmodellen ermöglichen. Im Automobilbereich macht A-PHY somit die Verwendung von proprietären asymmetrischen Schnittstellen und Brücken mit großer Reichweite überflüssig, was das Connectivity-Design vereinfacht, die Kosten senkt und die Verwendung von einfachen 2-Draht-Kabeln erlaubt.

Obwohl die Anwendungsbereiche auf den ersten Blick nichts miteinander zu tun haben, bieten die Eigenschaften von A-PHY überzeugende Vorteile für die Entwicklung moderner medizinischer Endoskope. Denn so können die Herausforderung bei der Übertragung von Hochgeschwindigkeitsdaten über große Entfernungen zwischen der Kamera eines Endoskops und der zugehörigen Bildverarbeitungseinheit bewältigt werden.

A-PHY bietet im Vergleich zu herkömmlichen C-PHY- oder D-PHY- Physical Layern eine deutlich höhere Reichweite. Es ist für die zuverlässige Übertragung von Daten mit bis zu 32 GBit/s über Kabellängen von bis zu 15 Metern und bis zu vier In-Line-Anschlüssen ausgelegt. Diese Eigenschaften können genutzt werden, um die Architektur komplexer Endoskope zu vereinfachen, die Flexibilität bei der Platzierung von Anschlüssen und Verarbeitungshardware zu erhöhen und den Bedarf an Repeater-Chipsätzen zu reduzieren, die den Platzbedarf und die Kosten erhöhen können.

A-PHY kann auch die Herstellung von Einweg-Endoskopen erleichtern: Anstatt das Endoskop als Ganzes zu produzieren, können die Hersteller den optischen Kopf, den Einführschlauch, die Steuereinheit und das Verbindungskabel separat herstellen und am Ende des Prozesses einfach zusammensetzen. Diese Fähigkeit ist von entscheidender Bedeutung, da die Endoskope immer ausgefeiltere Sensoren mit höherer Auflösung und höherer Bildrate verwenden, die eine größere Datenmenge erzeugen.

Zuverlässigkeit, Ausfallsicherheit und niedrige Latenz

Ein weiterer Vorteil von MIPI A-PHY ist die hohe Zuverlässigkeit, Ausfallsicherheit und niedrige Latenz, die sich durch eine extrem geringer Paketfehlerrate (PER) auszeichnet, die um ein Vielfaches niedriger ist als bei proprietären Lösungen, die in aktuellen Endoskop-Designs verwendet werden, sowie eine hohe Immunität gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI). In störanfälligen elektrochirurgischen medizinischen Umgebungen bedeutet dies, dass A-PHY die Signalintegrität auch bei starken, schnell wechselnden Störungsprofilen aufrechterhält und eine inhärente Robustheit bietet, die gewährleistet, dass die hochauflösende Videoübertragung von der Endoskopspitze ohne Verzögerung oder Degradation an den Bildschirm des Chirurgen übermittelt wird.

A-PHY ermöglicht Verbindungen mit hoher Bandbreite über sehr dünne und flexible Kabel (sogar mit einem Durchmesser von weniger als 1 mm), was die Miniaturisierung und Manövrierfähigkeit der Geräte begünstigt. Außerdem unterstützt es die Konvergenz mehrerer Datenströme, einschließlich Strom- und Steuersignalen, über ein einziges Kabel, was das Design des Endoskops weiter vereinfacht, den Kabelüberfluss reduziert und die Fertigungskosten senken kann.

Durch diese Eigenschaften können mit A-PHY Einweg-Endoskop-Architekturen realisiert werden, bei denen sich die stromsparenden Transmitter/Serializer an der Kamera, der stromsparende und kostengünstige Serializer im Einweg-Teil und der komplexere Empfänger/Deserializer im Nicht-Einweg-Teil unterbringen lassen.

Funktionale Sicherheit und Security-Aspekte als Kernanforderung

Der sichere Betrieb von Endoskopen ist entscheidend für die Patientenversorgung im medizinischen Umfeld. Es ist essenziell, dass Bildgebungssysteme Mechanismen integrieren, die den Bediener bei Fehlern (wie einem eingefrorenen Videobild) oder beim Einsatz nicht zugelassener Komponenten warnen, insbesondere in modularen Endoskoparchitekturen. Um solche Risiken zu minimieren, enthält der MIPI Camera-Stack Sicherheitsfunktionen, die durchgängigen Schutz im Bildgebungssystem garantieren – von der Kameradatenquelle im Bildsensor bis zur Datensenke in der Bildverarbeitungseinheit.

Zu den funktionalen Sicherheitsmerkmalen zählen zyklische Redundanzprüfungen (CRCs) sowohl im Paket-Header als auch im Footer, um Datenintegrität zu gewährleisten. Ein Nachrichtenzähler im Header detektiert Paketverluste, während ein Timeout-Monitor Kommunikationsausfälle identifiziert.

Diese End-to-End-Sicherheitsfunktionen ermöglichen die Authentifizierung von Schlüsselfunktionen innerhalb des Imaging Systems und den effektiven Schutz der Bilddaten-Frames. Sie bieten Flexibilität, das erforderliche Datenschutzniveau mit effizienter Datenverarbeitung, optimierter Wärmeregulierung und reduziertem Energieverbrauch zu verbinden, um einen sicheren und verlässlichen Betrieb sicherzustellen. (heh)

* Edo Cohen und Raj Kumar Nagpal sind Co-Chairs der MIPI A-PHY Working Group.

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