Vernetzte Medizintechnik Gefragt sind Echtzeitanforderungen und eine gesicherte Kommunikation

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Ob chirurgische Roboter, Überwachungssysteme oder kardiale Kartierung – die nahtlose Integration und zuverlässige Kommunikation komplexer medizinischer Systeme erfordert von Systemdesignern ein hohes Maß an Expertise. Unterstützung bietet ein Software-Framework, das die Entwicklung interoperabler und skalierbarer Referenzarchitekturen ermöglicht.

Die Medizintechnikbranche befindet sich in einem tiefgreifenden Wandel. Traditionelle medizinische Geräte entwickeln sich zu intelligenten, vernetzten Systemen, die durch digitale Technologien unterstützt werden. Moderne medizinische Systeme müssen mehr als nur Videodaten in Echtzeit verarbeiten. Die Integration von Video- und diverser Streaming-Daten ermöglicht es chirurgischen Robotern und interventionellen Systemen, unverzüglich Rückmeldungen und Anweisungen zu geben. Patientenüberwachungs- und Intensivpflegesysteme können den Zustand eines Patienten erkennen und das Personal alarmieren oder andere Geräte steuern. Aktuelle Technologien wie die pulsierende Feldablation (PFA) werden bereits in die nächste Generation der kardialen Kartierungssysteme integriert.

Entwicklung vernetzter medizinischer Anwendungen

Die Komponenten dieser Systeme müssen eng aufeinander abgestimmt sein, um einen sicheren und effizienten Betrieb zu gewährleisten. Die zunehmende Komplexität und Vernetzung der Systeme verschärft diese Herausforderung. Insbesondere rückrufgefährdete Neuentwicklungen erfordern eine zuverlässige Kommunikation zwischen internen und externen Schnittstellen.

Die Entwicklung vernetzter Anwendungen in der Medizintechnik ist eine komplexe Aufgabe. Anwendungen müssen in der Lage sein, Daten zu senden und zu empfangen, um die Steuerungssoftware anzuleiten. Eine synchronisierte Datenübertragung ist dabei essenziell. Diese Datenströme sind maßgeschneidert auf die spezifischen Anforderungen und Schnittstellen des jeweiligen Systems. Das stellt für Entwickler eine Herausforderung dar, die zudem die hohen Sicherheitsanforderungen im Blick behalten müssen. Der Kommunikationsstack muss sicher funktionieren. Die Gestaltung, Entwicklung und Wartung einer Kommunikationsinfrastruktur, die diese zahlreichen individuellen Datenflüsse und Leistungsanforderungen bewältigt, verlangt von Systemdesignern einiges an Expertise. Hierbei kommt RTI Connext ins Spiel.

DDS für Echtzeit-Dateninteroperabilität

DDS, oder Data Distribution Service, ist ein bewährter Middleware-Kommunikationsstandard der Object Management Group (OMG). Dieser Standard ermöglicht es Anwendungen in verteilten Systemen, dezentral nach dem Publish/Subscribe-Prinzip zu kommunizieren. Connext basiert auf DDS und bietet Medizintechnikherstellern die Vorteile aus über 20 Jahren RTI-Erfahrung mit diesem Standard, zu dessen Entwicklung RTI maßgeblich beigetragen hat. Der DDS-Stack hat sich in einer Vielzahl von Systemen bewährt, die Echtzeitanforderungen und gesicherte Kommunikation erfordern.

Dank der Unterstützung diverser Host- und Zielbetriebssysteme, CPU-Architekturen und Programmiersprachen ermöglicht das Software-Framework die effiziente Entwicklung interoperabler und skalierbarer Referenzarchitekturen für zahlreiche Anwendungen und Produktfamilien. Zudem bietet Connext die Integration mit leistungsstarken Sensorverarbeitungsplattformen wie Nvidia Holoscan.

DDS als verbindendes Element in heterogenen Plattformen

Wie in Bild 1 dargestellt, fungiert DDS als zentrales Verbindungselement in jeder Plattform. Dieses gemeinsame Element ermöglicht es, dass selbst Anwendungen, die auf verschiedenen Betriebssystemen und Anwendungs-Stacks basieren, nahtlos miteinander kommunizieren können. Darüber hinaus bietet Connext ein Routing Service Gateway, das als Brücke zwischen dem DDS-Datenbus und anderen Netzwerk-Middleware-Standardlösungen wirkt. Dies erlaubt es Legacy-Systemen, ihre bestehende Middleware-Infrastruktur weiterhin zu nutzen, während sie gleichzeitig die Vorteile der Interoperabilität mit Connext auskosten können.

Das Software-Framework von Connext vereinfacht die Kommunikationsschnittstellen erheblich und bietet Systemdesignern eine einheitliche Entwicklungsumgebung. Durch seine Portierung auf eine Vielzahl von Betriebssystemen sorgt es dafür, dass die Anwendungslogik für Softwareentwickler stets gleich bleibt, unabhängig davon, ob sie auf einem Intel x64-Prozessor unter Windows oder einem Armv8 mit QNX läuft. Diese standardisierte Abstraktionsebene – durch die Entkopplung von Funktionsaufrufen an Betriebssystem-APIs und QoS-Parameter (Quality of Service) von der eigentlichen Anwendungslogik – erhöht die Portabilität des Anwendungscodes und vereinfacht die Wartung bei unerwarteten Systemänderungen.

Eine weitere herausragende Funktion von DDS ist, dass Anwendungsentwickler keinen speziellen Code für die spezifische Geräteschnittstelle schreiben müssen, über die Daten gesendet oder empfangen werden. DDS erkennt automatisch alle Peers auf dem DDS-Datenbus, wodurch eine spezifische Identifikation der Kommunikationspartner überflüssig wird.

Zuverlässigkeit und Performance in der Kommunikation

Connext ermöglicht den Datenaustausch zwischen Anwendungen über einen globalen virtuellen Datenraum, wobei Systeme auf einer Peer-to-Peer-Basis ohne zentrale Vermittlungsinstanz kommunizieren. Diese dezentrale Architektur bietet erhebliche Vorteile in Bezug auf Zuverlässigkeit und Leistung. Ein Merkmal von Connext ist die Unterstützung verschiedener Transportarten für die Kommunikation zwischen den Endpunkten einer Anwendung, darunter Shared Memory, UDP und TCP. Damit lassen sich unterschiedliche Transportmethoden für Erkennungs- und Benutzerdaten innerhalb derselben Anwendung implementieren. Anwendungsentwickler müssen eine Balance zwischen Zuverlässigkeit und Performance finden. Hier setzt DDS mit seiner hohen Konfigurierbarkeit an: Mit Connext können Entwickler flexibel zwischen optimaler und zuverlässiger Kommunikation wählen. Dies geschieht auf Ebene der Endpunkte und Themen, anstatt global auf IP-Verbindungsebene.

In einer Publish/Subscribe-Umgebung werden die Topics über DataReader und DataWriter konfiguriert. Ein DataReader ist dafür zuständig, die von einem DataWriter zu einem bestimmten Topic veröffentlichten Datenabonnements zu verwalten. Er empfängt Datenproben vom Connext-Datenbus und stellt sie der Anwendung bereit. Durch die detaillierte und zuverlässige Anpassung der QoS (Quality of Service) haben Anwendungsentwickler die Möglichkeit, die erforderliche Zuverlässigkeit zu garantieren, wenn die Bereitstellung von Diensten im Mittelpunkt steht.

Flexibilität und Standorttransparenz mit DDS

DDS bietet eine dynamische Erkennung für alle Endpunkte, sodass Anwendungen keine statischen IP-Adressen für bestimmte Peers oder Peer-Gruppen im Code zuweisen müssen. Stattdessen ermöglicht das DDS-Erkennungsprotokoll den Anwendungen, sich gegenseitig automatisch zu finden, was als Standorttransparenz bekannt ist. Der Vorteil für Nutzer liegt darin, dass Anwendungen flexibel zwischen verschiedenen Standorten verschoben werden können, ohne dabei den Code anpassen zu müssen. Neben der Portabilität ohne Codeänderungen bietet Connext zusätzliche Flexibilität durch die Nutzung von IDL (Interface Definition Language). Mit IDL lassen sich die Datentypen definieren, die zwischen den unterschiedlichen DDS-Endpunkten im verteilten System kommuniziert werden. Entwickler können damit die Datenstruktur, inklusive der Feldtypen, so spezifizieren, dass für verschiedene Programmiersprachen generierter Code konsistent bleibt. Dies gewährleistet, dass Daten plattformübergreifend richtig interpretiert werden. Connext unterstützt die Erweiterbarkeit von IDL. So lassen sich Datentypen so definieren, dass sie sich im Laufe der Zeit weiterentwickeln können, ohne die Kompatibilität mit bestehenden Systemen zu beeinträchtigen.

Datentypen lassen sich im Laufe der Zeit weiterentwickeln

Erweiterungsnotizen in IDL lassen sich festlegen, wie ein Datentyp geändert oder erweitert werden kann. Dadurch können Systeme mit neuen Systemen kommunizieren, die ihre IDL-Datentypdefinition durch zusätzliche Felder ergänzt haben. Die Netzwerksicherheitslösung ist außerhalb der Anwendungslogik implementiert und entkoppelt die Sicherheit der DDS-Anwendung durch DDS-Security. Sicherheitsfunktionen werden als Plug-ins bereitgestellt und können unabhängig vom Anwendungscode konfiguriert und integriert werden. Diese Architektur ermöglicht die Verwaltung von Sicherheitsaspekten getrennt von der Anwendungslogik.

Die Sicherheitsmaßnahmen werden nach den API-Aufrufen angewendet, bevor die Daten das Netzwerk erreichen. Dadurch sind sie unabhängig vom Anwendungscode und Netzwerktransportprotokoll. Diese Entkopplung erlaubt maßgeschneiderte Sicherheitsrichtlinien, ohne den Entwicklungsprozess zu beeinträchtigen. Das RTI Security Plug-in bietet zudem eine feinkörnige Zugriffskontrolle auf Themen- und Endpunktebene. Die Quality of Service (QoS) jeder Anwendung kann so konfiguriert werden, dass sie spezifische Zugriffsrechte gewährt.

Netzwerksicherheit wird unabhängig von der Anwendungslogik geschützt

Bei Connext erfolgt der Schutz der Netzwerksicherheit unabhängig von der Anwendungslogik, wodurch DDS-Security von der DDS-Anwendung entkoppelt wird. Sicherheitsfunktionen sind als Plug-ins implementiert. Sie lassen sich unabhängig vom Anwendungscode konfigurieren und integrieren. Diese Architektur ermöglicht eine separate Verwaltung der Sicherheitsaspekte, was sowohl Flexibilität als auch eine einfache Integration bietet. Sicherheitsmaßnahmen greifen auf Anwendungsebene nach den API-Aufrufen und bevor die Daten das Netzwerk erreichen. Sie sind unabhängig vom Anwendungscode und dem Netzwerktransportprotokoll. Diese Entkopplung erlaubt die Implementierung maßgeschneiderter Sicherheitsrichtlinien, die spezifisch auf Anwendungen oder Datenthemen abgestimmt sind, ohne den Entwicklungsprozess zu beeinträchtigen. Das bedeutet eine signifikante Zeit- und Arbeitsersparnis.

Das RTI Security Plug-in ermöglicht zudem eine detaillierte Zugriffskontrolle auf Themen- und Endpunktebene. Die Quality of Service (QoS) jeder Anwendung kann so eingestellt werden, dass nur Lese- oder Schreibzugriff, oder beides, gewährt wird, wodurch individuelle Datenflüsse effektiv geschützt werden. (heh)

* Vinh Du ist Senior Application Engineer bei RTI*

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