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(Bild: RTI)

| von Reiner Duwe, David Niewolny

Eckdaten

Medizinische Fachleute setzen Roboter bereits in allen möglichen Bereichen ein, von Operationen über die Rehabilitation bis hin zu nichtinvasiven allgemeinen Krankenhaus- und Pharmazie-Anwendungen. Dieser Trend wird weiter fortschreiten. DDS ist ein offener Middleware Konnektivitätsstandard, der extra für komplexe missionskritische und verteilte Computer-Anwendungen entwickelt wurde.

Medizinische Robotik ist keine Zukunftsmusik mehr. Fachleute setzen Roboter bereits in allen möglichen Bereichen ein, von Operationen über die Rehabilitation bis hin zu nichtinvasiven allgemeinen Krankenhaus- und Pharmazie-Anwendungen. Dieser Trend wird weiter fortschreiten. Der Markt für medizinische Robotik hat sich seit 2012 fast versiebenfacht und bis 2022 wird ein jährliches Wachstum von über 20 % erwartet, vor allem im Bereich der medizinischen Roboter für die minimalinvasive Chirurgie, die etwa 70 % des Marktes ausmachen.

Design-Herausforderungen

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Bild 1: DDS ist ein Datenverteilungssystem, das eine Abstraktion von Daten überall ermöglicht. RTI

70 % der medizinischen Robotik-Anwendungen sind für die Chirurgie bestimmt und bringen einige der schwierigsten Design-Herausforderungen mit sich. In einer Anwendung mit medizinischen Robotern kommunizieren und interoperieren viele Subsysteme miteinander. Einige dieser Subsysteme müssen bis hin zu sehr genauen Spezifikationen exakt arbeiten. Werden die Module zusammengefügt, muss zudem das gesamte System mit derselben Genauigkeit funktionieren. Ob diese systemübergreifende Genauigkeit erreicht wird, hängt davon ab, wie die Subsysteme kommunizieren. Bestehen beispielsweise Latenzanforderungen für haptische Rückkopplungsschleifen zwischen 1 und 4 kHz, müssen die Kommunikationsprotokolle zwischen allen Subsystemen schnell genug sein, damit das gesamte System die Latenzanforderungen erfüllen kann.

Hochauflösende Kameras sind das Auge des Chirurgen. Je höher die Bildauflösung ist, desto eher kann der Chirurg Krankheitsbilder erkennen und die chirurgische Präzision verbessern. Gleichzeitig setzen die hochauflösenden Kameras neue Maßstäbe in Bezug auf die Anforderungen für Latenz und Datendurchsatz.

Einer der Treiber für die medizinische Robotik ist die Verbesserung der Behandlungsergebnisse. Da Fehler jeglicher Art inakzeptabel sind, muss das System absolut zuverlässige Vorkehrungen treffen. Solch eine Vorsorgemaßnahme umfasst den Aufbau von Redundanzen für Steuerungssysteme, die sich auf mehreren Komponenten des Systems befinden. Aus diesem Grund muss die medizinische Robotik für die minimalinvasive Chirurgie als missionskritisches System eingestuft werden.

Da das Robotersystem mit anderen Geräten sowie klinischen Informations- und Unternehmenssystemen verbunden ist, besteht ein höheres Risiko für Verstöße gegen die Sicherheit, was Patientendaten und möglicherweise das Leben der Patienten gefährden kann. Deshalb ist es erforderlich, dass die Applikationen die aktuellen gesetzlichen Anforderungen erfüllen oder übertreffen.

Die mangelnde Interoperabilität medizinischer Systeme kostet jährlich über 30 Milliarden US-Dollar. Ein modulares System benötigt einen Architektur-Ansatz für die Kommunikation und Konnektivität, der Skalierbarkeit ermöglicht und eine ausbaufähige Basis für die Verbindung zur Unternehmens-IT und dem IoT-System im Gesundheitswesen bietet. Diese Anwendung erfordert es, das robotergestützte chirurgische Gerät mit anderen medizinischen Geräten wie Infusionspumpen und Patientenmonitoren zu verbinden. Zusätzlich zur Sicherheit wollen Designer auch Plug-and-Play-Verbindungen zu anderen Systemen herstellen. Wenn alle Geräte miteinander kommunizieren, lässt sich ein Teil der Kosten reduzieren, die aufgrund mangelnder Interoperabilität entstehen. Mithilfe der Produktskalierbarkeit lassen sich neue Komponenten für den medizinischen Roboter entwerfen und nahtlos einfügen – das heißt, der Rest des Systems kann das neue Subsystem einfach erkennen.

Herausforderungen bei Design, Verteilung und Kosten mit DDS lösen

Eine datenzentrierte Kommunikationsarchitektur basiert auf einem Software-Datenbus. Der Software-Datenbus ist ein gemeinsamer Raum für Anwendungen, in dem sich alle Daten befinden, und stellt eine ausgezeichnete Möglichkeit für die Verteilung und Verwaltung von Echtzeitdaten dar. Er erlaubt den Anwendungen und Geräten das Zusammenarbeiten als ein integriertes System und ist für besonders komplexe Systeme wie Roboter in der minimalinvasiven Chirurgie ausgelegt. Zudem bietet er die Grundlage für die Anbindung an größere Systeme wie die Krankenhaus-IT oder speziell an das IoT im Gesundheitswesen.

Als offener Middleware-Konnektivitätsstandard wurde DDS extra für komplexe missionskritische und verteilte Computer-Anwendungen entwickelt. Die DDS-Spezifikation liefert die technischen Voraussetzungen und definiert den Software-Datenbus. Der Standard wurde von mehreren Gruppierungen einschließlich des Industrial Internet Consortium (IIC), Autosar sowie ROS2 übernommen. Anders gesagt, abstrahiert der Datenbus Daten überall (Bild 1). Die Subsysteme von medizinischen Robotern verfügen über Daten, die sie senden müssen. Jedes Datenelement, genannt Topic, lässt sich individuell auf Attribute wie Quality of Service (QoS) und Sicherheitseinstellungen abstimmen. Geräte im System können dann diese Daten abonnieren. Es gibt Geräte, die fortlaufend Daten mit einer bestimmten Geschwindigkeit veröffentlichen (publish), und es gibt Geräte, die diese Daten abonnieren (subscribe). Folglich erhalten alle Geräte in diesem gemeinsamen globalen Datenraum die Daten, die sie benötigen, wann immer sie diese brauchen.

Thema der nächsten Seite: DDS-Technologie definiert den Software-Datenbus

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Bild 2: Der Software-Datenbus ist hoch-skalierbar. Er bietet die Grundlage um eine größere Gruppe von Systemen einschließlich klinischer Geräte, Informations- und Unternehmenssysteme sowie Datenbanken zu verbinden. RTI

Der DDS-Standard umfasst eine Plug-in-Security-Architektur, die eine Verbindung zur DDS-Bibliothek herstellt. Sie ist über jede Standard-API anpassbar, läuft über jeden Transport und bietet vollständigen Schutz. Als Peer-to-Peer-Architektur funktioniert DDS ohne Message-Broker. Entwickelt wurde der Standard für Anwendungen, die eine geringe Latenzzeit fordern. DDS ist also von Grund auf für die Echtzeitsteuerung eines cyber-physischen Systems über ein Netzwerk konstruiert.

Entwickler können mit DDS den Netzwerkverkehr gestalten, indem sie den Durchsatz für verschiedene Datentypen ausgleichen. Dadurch kann das System die Bandbreite effizienter nutzen. Beispielsweise lässt sich der Datenverkehr durch Datenfilterung und QoS lediglich auf notwendige oder kritische Daten beschränken. Zudem erfolgt die Verteilung der Daten im gesamten System. Im Wesentlichen erstellt DDS Bausteine, die den Aufbau redundanter Systeme und Pfade mit Failover im gesamten System erleichtern.

Das Wire-Protokoll des DDS-Standards bietet syntaktische Interoperabilität, die ein gemeinsames Kommunikationsprotokoll für alle Subsysteme bereitstellt. In Kombination mit einem konsistenten Datenmodell, das semantische Interoperabilität ermöglicht, bildet es die Grundlage für eine modulare Plug-and-Play-Architektur. Systemarchitekten erlaubt es die Entwicklung eines modularen Designs, das für diese komplexen medizinischen Robotiksysteme von entscheidender Bedeutung ist. Ohne Aufwand für die Applikationsebene kann der Datenaustausch zwischen den Geräten in verschiedenen Programmiersprachen erfolgen, was die Codezeilen auf Applikationsebene erheblich reduziert.

Der Software-Datenbus entkoppelt Software und stellt Daten überall in jedem Netzwerk und jedem Transport bereit. Die entkoppelten Subsysteme arbeiten unabhängig voneinander, während das datenzentrische Teilen es ihnen erlaubt, als ein System zu funktionieren. Dieselbe Entkopplung erleichtert es dem medizinischen Gerät zukünftige Komponenten hinzuzufügen. Außerdem vereinfacht ein Software-Datenbus die Integration des Geräts in andere IIoT-Geräte und Unternehmenssysteme (Bild 2).

Anwendungsbeispiel

RTI arbeitete mit dem Institute of Robotics and Mechatronics DLR zusammen, um Mirosurge zu entwickeln (Bild 3). Dieses Gerät bricht die Grenzen der minimalinvasiven Technologie für Roboterchirurgie auf. Es verwendet einen Roboter, mit dem ein Chirurg an einem schlagenden Herz operieren kann. Damit das funktioniert, darf das Herz augenscheinlich nicht schlagen. Folglich muss sich das robotergestützte chirurgische Gerät synchron mit dem schlagenden Herzen bewegen, sodass es während der Operation so wirkt, als würde das Herz stillstehen. Dies ist eine absolut revolutionäre Technologie in der minimalinvasiven Chirurgie und dem Einsatz von Robotik. RTI Connext DDS stellt hier die Kommunikationsinfrastruktur zwischen den drei Miro-Robotern, dem Endoskop, den Robotersteuerungen des Chirurgen und den Benutzeroberflächen des Chirurgen und des Technikers bereit, um die Synchronisation und Koordination zwischen ihnen zu erleichtern. Das DLR Miro Lab hat RTI Connext DDS eingesetzt, weil es eine hochleistungsfähige verteilte Kommunikation mit entkoppelter Systemarchitektur liefert.

Mithilfe des Standard-Konnektivitäts-Frameworks für medizinische Anwendungen war es möglich, eine deterministische Lösung zu implementieren, die zwischen 1 und 3 kHz arbeitet und so die Entwicklung von verteilten haptischen geschlossenen Regelkreisen ermöglicht. Dank RTI Connext Micro können heute Systeme entwickelt werden, die die medizinischen Zertifizierungen der Zukunft verstehen. DDS dient hierbei als Schlüsseltechnologie, die eine Echtzeit-Konnektivität für medizinische Roboter bietet.

Reiner Duwe

Sales Manager EMEA, RTI

David Niewolny

Director Healthcare Market, RTI

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