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Welche Architektur ist die richtige?

Mikroprozessoren und elektronische Schaltungen prägen mehr denn je die Eigenschaften medizinischer Geräte. Der Trend weist in Richtung hochintegrierter Multicore-Systeme und kompakterer und vor allem energieeffizienterer Plattformen. Doch erst eine offene, sichere und maßgeschneiderte Systemarchitektur macht aus der medizinischen Hardware ein hilfreiches Werkzeug. Der richtige Formfaktor vermeidet Kosten.

Moderne Diagnose- und Therapiemethoden sind auf elektronische Systeme in den Arbeitsgeräten angewiesen – von den bildgebenden Verfahren bis zu implementierbaren Pulsoximetern, vom Medical PC bis zur elektrischen Biopsie-Zange. In allen Fällen eröffnen die rasant fortschreitenden Entwicklungen in der Prozessor- und Chipsatzindustrie dem Gerätehersteller neue Perspektiven.

Vor allem zwei Trends im Bereich der so genannten Embedded Systeme geben der Medizingeräteelektronik neue Impulse: Zum einen gibt es heute hochintegrierte Multicore-Systeme, die eine Leistung bringen, die noch vor wenigen Jahren das Attribut Supercomputer verdient hätten. Der zweite Trend betrifft kompaktere und vor allem energieeffizientere Plattformen, die durch Miniaturisierung, drahtlose Vernetzung und lange Akkulaufzeiten einen zunehmenden Mobilitätsgrad ermöglichen und zu bedienerfreundlichen, multifunktionalen Devices mit hohem Vernetzungsgrad führen.

Wer das Potenzial dieser neuen Technologien in neuen Applikationen umsetzen möchte, steht vor einer schwierigen Gratwanderung. Matthias Wufka, Software-Ingenieur bei dem Technologie- und Beratungsunternehmen Zühlke, geht von einem stürmischen Wachstum des Marktes für biomedizinische Geräte aus. Dabei stellt sich allerdings die Frage, ob die Elektronikbranche den steigenden Anforderungen gewachsen ist: „In die Embedded-System-Entwicklungen müssen in jedem Fall Sicherheitsfunktionen einfließen“, unterstreicht Wufka. Druck auf die Entwickler üben nicht zuletzt das Medizinproduktegesetz (MPG) und weitere Regularien wie die neugefasste EU-Norm 60601-1 oder die für Software in Medizingeräten geltende DIN EN 62304 aus.

Innovationszyklen verkürzen sich
Mehr denn je setzt die Entwicklung von Embedded Systemen Expertenwissen voraus, das nicht jedem Gerätehersteller im eigenen Hause zur Verfügung steht. Erschwerend kommt hinzu, dass die Innovationszyklen der Prozessortechnologien kurz sind und daraus immer neue Systemarchitekturen mit zunehmendem Integrationsgrad entstehen, dies je nach Hersteller und Medizingerät mit unterschiedlichem Wertschöpfungsgrad vom Computermodul bis hin zum Medical PC mit kundenspezifischem Housing.

Elektronikspezialisten wie Kontron verweisen in diesem Zusammenhang auf zwei Entwicklungen, die für Medizingeräte wichtig sind: Mehr Funktionen auf kleinerem Raum bieten so genannte Computer-on-Modules (COM) und CPU-Boards mit Multicore-Prozessoren. „Der Single-Board-Computer ist mitunter die kosteneffizientere Alternative zu den komplexeren Geräte mit mehreren CPU-Boards“, sagt Ingrid Hildebrandt, Product Marketing Managerin bei Kontron. Allerdings sorgt die Vielfalt bei der Prozessor- und Chipsatztechnologie für eine steigende Anzahl der verfügbaren Embedded Formfaktoren: „Die Wahl des passenden Embedded Formfaktors ist von entscheidender Bedeutung, denn nicht alle Angebote der Industrie halten langfristig das, was sie versprechen“, warnt Hildebrandt.

Proprietäre Schnittstellen, eine falsche Steckverbindung oder die fehlende Unterstützung aktueller Mikroprozessoren verwandeln ein Computermodul in einen rückwärtsgewandten Exoten. Neben den Formfaktoren Größe, Leistung und Eigenschaften spielt die kundenspezifische Anpassungsfähigkeit eine wichtige Rolle, und dafür sind betagtere Baureihen nicht konzipiert. Eine goldene Regel für die Auswahl indes gibt es nicht. Trotz Standardisierungsbestrebungen droht bei der Board-Auswahl und den dazu passenden Erweiterungsbaugruppen wegen des fehlenden anwendungsspezifischen Zuschnitts die kostspielige Fehlentwicklung.

x86er-Architektur besonders attraktiv
Eine Richtschnur auf der Suche nach der geeigneten Plattform ist der so genannte Small-Form-Faktor (SFF). In diesem Bereich tummeln sich Boards mit Abmessungen von 100 Millimetern und kleiner. Für Medizingeräte, wie Tablet-PCs oder portable Patientenmonitoringsysteme, die sich durch einen hohen Grad an Energieeffizienz und Mobilität auszeichnen müssen, empfiehlt sich der Blick auf den ETX-COM-Standard (Embedded Technology Extended). Wer Energieeffizienz, Kompaktheit und drahtlose Konnektivität auf der Agenda stehen hat, sollte sich mit Intel’s Atom-Prozessortechnologie befassen, die auch für die weit verbreitete Computerplattform x86 von Intel geeignet ist.

Die Verwendung einer x86er-Rechnerarchitektur ist für Medizingerätehersteller besonders attraktiv, denn diese bietet aufgrund ihrer hohen Verbreitung eine ebenso hohe Verfügbarkeit bereits etablierter Benutzeroberflächen sowie eine breite Code- und Entwicklerbasis. Weitaus höhere Rechenleistungen als im SFF-Segment üblich, erfordern High-Performance-Applikationen, wie bildgebende Verfahren oder Surgical-Guidance-Anwendungen. Während die Auswahlkriterien für das elektronische Innenleben der kompakten und mobilen Devices vielfältig sind, verlangen die Highend Systeme, meist bildgebende Diagnoseverfahren und bildverarbeitende Server, nur nach einem: Rechenleistung.

Ein klarer Fall für Multiprozessor- oder Multicoresysteme. Zwar setzen Entwickler auch hier auf Low-Power-Konzepte und eine offene Peripherieanbindung, doch bei den Schnittbildern eines Computertomographen oder der 4D-Untersuchung biochemischer Prozesse liegt die technische Herausforderung in der Schnelligkeit der Signalverarbeitung oder dem exakten Schnittbild bei Ganzkörperuntersuchungen.

Das vorherrschende Format im High-End heisst ATX (Advanced Technology Extended) und erlaubt Mainboardabmessungen von bis zu 305 mal 244 Millimeter. Die ATX-Spezifikation ist bereits in die Jahre gekommen und hat Erweiterungen wie den aus dem Serverbereich bekannten Extended-ATX-Formfaktor (EATX) erfahren. Neueste Embedded Boards, wie beispielsweise das Kontron EATX Motherboard KTC5520 sind kleine Kraftwerke mit Quad-Core-Prozessoren und für Medical-Imaging-Workstations geeignet. Auch wenn für die zeit- und kosteneffiziente Umsetzung neuer Medical Devices zahlreiche langzeitverfügbare Embedded-Computing-Plattformen sowohl auf SFF- als auch auf High-Performance-Ebene zur Verfügung stehen, ist dennoch Vorsicht angesagt.

Der Geschäftsführer des Berliner Elektronikdienstleisters Alpha Board, Gregor Groß, kennt die Stärken und Schwächen der meisten Leiterplatten und schwört auf ein Design-Testing noch bevor ein erster Prototyp die Fertigungsstraße verlässt: „Mit Simulation lassen sich Fehler in der Signalintegrität und vor allem bei der elektromagnetischen Verträglichkeit des Designs schon im Anfangsstadium eines Layoutprozesses ausschließen“, sagt Groß.

Kommen mehrere Plattformen in die engere Wahl hilft ein genauerer Blick auf die Anbieter: Lange Gewährleistungsfristen und ein starker Support durch die gesamte Embedded-Computer-Industrie sind Indiz für zukunftssichere Technik. Formfaktoren, die in großen Stückzahlen abgesetzt werden, also einen entsprechend großen Marktanteil haben, gehören hier ebenfalls dazu, wie das Gespräch mit Herstellern, die ein breites Portfolio an Standardbaugruppen anbieten. Für Medical PC sind entsprechende Zertifikate des Herstellers erforderlich. So lassen sich zumindest die ersten Hürden bei neuen Projekten umgehen. -Andreas Beuthner-