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

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

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.

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