Glasfasern in der Medizintechnik

Mit einer Glasfaserverbindung zur Übertragung von Videosignalen zwischen dem sensiblen medizinischen Bereich und der Außenwelt werden viele Anforderungen gelöst: Große Distanzen, die galvanische Trennung und die hohe Bandbreite für eine Darstellung ohne Kompromisse. Der Einsatz ist problemlos, da konventionelle Schnittstellen einfach durch die optischen Äquivalente ersetzt werden können.

Hy-Line Computer Components

Signalübertragung in der Medizintechnik mittels Glasfaser bietet Vorteile. Hy-Line Computer Components

In der Medizintechnik sollen oft Live-Bilder einer Operation oder Aufnahmen von anderen medi­­zinischen Geräten (zum Beispiel MRT, Endoskop, Zahntechnik) über größere Entfernungen übertragen werden: Die Daten werden am Patienten erfasst und der Bildverarbeitungsrechner steht abseits in einem Technikraum. Dort erzeugt Software aus den gemessenen Daten ein Bild. Die Daten werden mit leistungsfähigen Algorithmen aufbereitet und gefiltert. Bei Bedarf können sie markiert oder eingefärbt werden.

Der Arzt steht jedoch neben dem Patienten; dort befindet sich auch der Bild­schirm, mit dem die Diagnose erstellt wird. Der Bildrechner mit seiner leistungsfähigen Hardware steht geschützt in einem separaten Raum. Vom Ausgang seiner Grafikkarte müssen die Daten zum Bildschirm übertragen werden. Hier stellen sich zwei Aufgaben: Die Distanz ist in der Regel größer, als sie mit direkter Übertragung überbrückt werden kann, und zum anderen muss eine Potenzial­trennung vorgesehen werden, die nicht nur für sichere elektrische Pegel am Patienten sorgt, sondern auch Brummschleifen über die Masseleitung und die damit verbundenen Ausgleichsströme ver­hindert. Siehe dazu Bild 1.

Geeignete Übertragungsstrecke

Grundsätzlich muss die Übertragungsstrecke für die Anwendung in der Medizin geeignet sein. Dazu gehören die elektrische Sicherheit, die Zuverlässigkeit und die mechanische Stabilität. Schließlich könnte die Leitung, falls temporär auf dem Boden verlegt, von einem Bett oder einem Gerätewagen überrollt werden oder ist in einem Arm verlegt, der vom Operateur ständig in eine neue Position gebracht werden muss. Für hochauflösende Bildschirme braucht die Übertragung der Daten eine hohe Bandbreite mit gleichzeitig niedriger Latenz. Falls ältere Systeme aufgerüstet werden, kann eine Rückwärts­kompatibilität von Vorteil sein. Bei Applikationen wie MRT (Magnetresonanztomographie), die mithilfe eines starken Magnetfeldes und Hochfrequenz arbeitet, darf kein ferromagnetisches Material verwendet werden. In einem elektrischen Leiter in der Nähe des Magneten wird (bei Bewegung) eine Spannung induziert, die zur Verfälschung des Signals oder Zerstörung der Komponenten der Bildübertragung führen würde.

Technologievergleich

Bild 1: Anordnung von Quelle und Senke.

Bild 1: Anordnung von Quelle und Senke. Hy-Line Computer Components

Bild 2: Vergleich der Technologien.

Bild 2: Vergleich der Technologien. Hy-Line Computer Components

Bild 2 vergleicht gängige Technologien, die Bildschirme an Rechner anbinden. Kupferkabel kann bei kurzen bis mittleren Distanzen eingesetzt werden, bietet je nach Schnittstelle die volle Bandbreite, aber keine galvanische Trennung. Wird mit modulierten Signalen nach dem „HDBaseT“-Stan­dard gearbeitet, müssen die Signale an Quelle und Senke jeweils gewandelt werden. Die überbrückbare Distanz ist groß und die Kabelkosten sind gering, da herkömmliche CAT-Kabel eingesetzt werden.

Bei einer Funkübertragung ist zunächst zu klären, ob sie in der entsprechenden Anwendung zulässig ist und funktioniert. Im 60-GHz-Band steht die größte Bandbreite zur Verfügung, das Signal braucht aber eine Sichtverbindung, da es Wände nicht durchdringen kann. Im 5-GHz-Band können hochauflösende Signale nur komprimiert übertragen werden und je nach Auslastung durch andere Sender und Empfänger kann der Empfang ins Stocken kommen.

Der Vorteil von IP (Internet Protocol) liegt in der Verwendung herkömmlicher Kompo­nenten aus der Netzwerktechnik wie CAT-Kabel und Switches. Für eine ungestörte Übertragung ist allerdings eine exklusive Nutzung des Mediums (Kabel) unerlässlich. Während 1Gbps mit ähnlicher Kompression wie 5-GHz-Funk arbeitet, steht im 10-Gpbs-Netzwerk eine hohe Bandbreite zur Verfügung. Durch Multicast können mehrere Teilnehmer den­selben Datenstrom empfangen und gleichzeitig darstellen. Glasfaser hingegen ist als Ersatz für Kupferkabel als Punkt-zu-Punkt-Verbindung ausgelegt und schneidet in den meisten Disziplinen,  außer bei den Kosten, am besten ab. Mit einer Latenz so niedrig wie bei einer Standardverbindung über Kupferkabel, ist sie Champion bei Distanz, galvanischer Trennung zwischen Medizin und Technik, und bietet gleichzeitig die höchste Bandbreite, wodurch Artefakte vermieden werden.

Bei allen Lösungen, die nicht direkt das Kupferkabel ersetzen, muss der Aufwand für die Integration berücksichtigt werden. Kann der Ausgang der Grafikkarte nicht verwendet werden, muss ein Treiber das Signal abfangen und zum Beispiel im Fall von IP im Speicher ablegen und paketweise übertragen. Ob die Grafikkarte in diesem Fall das Rendering übernehmen kann, hängt von der Implementierung ab.

Kompression der übertragenen Daten

Je höher die Auflösung, die Framerate und die Farbtiefe, desto höher muss die Bandbreite des Übertragungskanals sein. Wo sie nicht ausreicht, werden die Daten vor der Übertragung komprimiert und vor der Darstellung wieder dekomprimiert. Dazu gibt es verschiedene Verfahren, die hier nicht näher dargestellt werden sollen. Bei medizinischen Anwendungen gerade im Operationssaal werden die geringsten Kompromisse eingegangen. Das Verfahren darf keine Artefakte, also Auf­fälligkeiten an Kanten oder homogenen Flächen, erzeugen und muss mit möglichst geringer Latenz (Zeitverzögerung durch Kompression und Dekompression) arbeiten. Dabei muss zwischen Aufwand zur Berechnung beziehungsweise Implementierung in Hard- und Software und erzielbarer Bildqualität abgewogen werden. Gute Beispiele sind DSC und ALVC.

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