Auswahl der richtigen Video-Schnittstelle für medizinische Bildverarbeitungssysteme

Seit Entdeckung der Röntgenstrahlen hat die medizinische Bildgebung eine immer größere Rolle für Gesundheitsdienstleister gespielt Probleme zu identifizieren, genaue Diagnosen zu stellen und entsprechende Behandlungen anzubieten. Obwohl Videoschnittstellen nur ein kleiner Teil eines umfassenden medizinischen Bildverarbeitungssystems sind, bedeutet die Wahl des richtigen Produkts erhebliche konstruktive Vorteile für Hersteller, Kosteneinsparungen für Gesundheitsdienstleister und Leistungsvorteile, die für mehr Komfort und Pflege der Patienten genutzt werden können.

Autor: John Phillips, Senior Marketing Manager, Pleora Technologies Inc., Kanada

Kosten und Komplexität minimieren

Traditionell verwenden medizinische Bildverarbeitungssysteme Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen einem Kamerasensor oder -detektor und einem Rechner (PC) auf Basis proprietärer, LVDS- oder Camera Link®-Schnittstellen. Die Entwicklung proprietärer Schnittstellen ist riskant, teuer und zeitaufwändig, während die Beschränkung der herkömmlichen Schnittstellen die Kosten und Komplexität von Systemen in die Höhe treiben. Ein Beispiel: In Anwendungen, bei denen Bilder auf mehreren Bildschirmen angezeigt werden müssen – wie die bildgestützte Chirurgie – müssen mit älteren Schnittstellen alle Kameras und Displays über eine dedizierte Verbindung kommunizieren, oft sogar inklusive PC, Framegrabber oder Display-Controller.
Dies änderte sich 2006 mit der Einführung der GigE Vision®-Schnittstelle, die Videoübertragung und Gerätesteuerung über Gigabit Ethernet (GigE), 10 GigE und Wireless-Ethernet-Netzwerke standardisiert. Mit GigE Vision können Kameras, Displays und Bildverarbeitungs-Computer in ein vernetztes Echtzeit-Video-System integriert werden, wodurch sich das Design von Multi-Screen-Anwendungen, wie die bildgestützte Chirurgie, vereinfacht und keine Notwendigkeit mehr für ältere Punkt-zu-Punkt-Schnittstellen besteht.
GigE Vision-kompatible Video-Schnittstellen für medizinische Bildverarbeitungssysteme sind jetzt allgemein verfügbar. Und zwar einschließlich eingebetteter Hardware für Kamera-Sensoren und Display-Panels, sowie externer Framegrabber, die Systemherstellern eine einfache Aufrüstung der bestehenden diagnostischen Bildgebungssysteme auf GigE Vision ermöglichen. Wobei Investitionen in Kameras, Sensoren und Bildverarbeitungssysteme unberührt bleiben.

Abb. 1 (NTx-GigE): Eingebettete Videoschnittstellen-Hardware bietet Herstellern handelsübliche, standardkonforme Lösungen zur Integration von GigE, 10 GigE und GigE über drahtlose Videoverbindungen in medizinische Bildverarbeitungssysteme.

Durch den Einsatz einer handelsüblichen GigE Vision-kompatiblen Schnittstellenlösung können Systemhersteller den Systemwert durch Konzentration der Entwicklungsressourcen auf Bildanalyse-Funktionalität steigern und eine schnelle Markteinführung bei reduzierten Risiken und Kosten erreichen.
Bei GigE-Schnittstellen werden Bildgebungsdaten über Ethernet-Ports empfangen, die bei den meisten Computer-Plattformen bereits vorhanden sind.  Zum Anschluss von Kameras an den PC vermeiden System-Designer die Notwendigkeit interner Framegrabber und können so die Kosten für die Komponenten senken. Durch die Migration auf PCs mit kleineren Formfaktoren, wie Embedded-PCs, Single-Board-Computer oder Laptops, lässt sich auch die Komplexität der Systeme reduzieren.
Selbst in Anwendungen, bei denen die Bilder über nur ein Versorgungskabel übertragen werden müssen, kosten die flexibleren, felderprobten Ethernet-Kabel weniger und sind einfacher zu installieren und zu warten als die sperrigen Kabel und Anschlüsse älterer Schnittstellen. Ethernet bietet auch eine größere Reichweite – bis zu 100 m zwischen Systemelementen über Standard-Kupferkabel, mit Switches oder Glasfaser-Extendern sogar noch größere Distanzen möglich.

Vorteile in modernen Bildverarbeitungssystemen

Kosten- und Leistungsvorteile sowie Interoperabilität, um flexibel und unabhängig zu sein, sind wichtige Überlegungen für Krankenhaus-Administratoren, die neue Bildverarbeitungslösungen für Untersuchungsräume und Operationssäle benötigen.
In der digitalen Röntgendiagnostik vermeiden GigE-Schnittstellen die Notwendigkeit einer Computerplattform mit einem Erweiterungssteckplatz. Systeme mit älteren Videoschnittstellen wie Camera Link oder LVDS können mittels externer Plug-and-play-Framegrabber einfach an GigE angepasst werden. Das erlaubt Krankenhäusern, die bereits getätigten Investitionen in Kameras, Sensoren und Bildverarbeitungssysteme zu bewahren und dennoch die Leistungsvorteile von Ethernet zu genießen. Durch die größere Reichweite von Ethernet können beispielsweise Bildverarbeitungs- und Bildanalysegeräte für Anwendungen im Operationssaal außerhalb der sterilen Umgebung platziert werden. Als Ergebnis sinken die Betriebskosten, da entfernt platzierte Geräte nicht wiederholt sterilisiert werden müssen, und der Personaleinsatz wird effektiver, da die Daten einfacher zwischen mehreren Abteilungen ausgetauscht werden können. Und nicht zuletzt sinkt das Infektionsrisiko für Patienten.

Abb. 2: Ein Röntgendetektor sendet Bilder über eine vorhandene Schnittstelle an einen externen Framegrabber. Dort werden sie zu GigE Vision konvertiert und über eine Multicast-Verbindung an Display-Workstations übertragen.

Schnittstellen auf Basis des GigE Vision Standards beschleunigen die Entwicklung und erhöhen die Leistungsfähigkeit moderner medizinischer Bildverarbeitungssysteme. In Full-Motion-Video-Anwendungen, z. B. Fluoroskopie, die mehrere bewegliche Röntgenquellen verwenden, um Echtzeit-Bilder eines Patienten zu erhalten, sind Schnittstellen wie Camera Link und LVDS unwirtschaftlich und umständlich. Mit GigE-Schnittstellen können Bilder von mehreren Bildquellen gleichzeitig über ein Switched-Ethernet-Netzwerk an einen Prozessor zur 3D-Bilderzeugung übertragen werden.
Für Patienten mit eingeschränkter Mobilität ermöglicht es GigE Vision als drahtlose Verbindung  802.11, tragbare Röntgen-Panels komfortabel zu positionieren, ohne die Gefahr von Kabelsalat einzugehen. Die drahtlose Schnittstelle vereinfacht auch die Entwicklung und erhöht die Leistungsfähigkeit von Bildverarbeitungssystemen in Robotern. Diese werden zunehmend in Kliniken, Krankenhäusern und häuslicher Pflege eingesetzt, einschließlich in OP- und Telepräsenz-Anwendungen.
Für Roboterhersteller verkürzt eine handelsübliche drahtlose GigE-Schnittstelle die Markteinführung, so dass sich Forschung und Entwicklung auf Konstruktion, Bildübertragung und Datenanalyse konzentrieren können.  Durch Verzicht auf Framegrabber im Roboter und die Nutzung von Remote-Computing für die Echtzeit-Bildverarbeitung können Hersteller die Komplexität der Systeme, die Anzahl, das Gewicht und die Kosten der Komponenten reduzieren, sowie durch geringeren Stromverbrauch die Batterielebensdauer verlängern.

Die Einhaltung des GigE Vision Standards ist zunehmend ein Zielkriterium, wenn Dienstleister im Gesundheitswesen Produkte von verschiedenen Anbietern bewerten. Die Entwicklung oder Aktualisierung von Systemen mit handelsüblichen GigE Vision-Schnittstellen ermöglicht Herstellern eine schnellere Markteinführung, geringeres Risiko, reduzierte Systemkosten und ‑komplexität mit gleichzeitigen Vorteilen bei Interoperabilität und Leistungsfähigkeit ihrer Lösungen.