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Congatec Computer-on-Module treiben die 4K-Revolution voran

Autor / Redakteur: Autor | Stefan Köstlmeier / Kathrin Schäfer

Ultra-High-Definition wird meist mit Home Entertainment in Verbindung gebracht. Doch die Klarheit und Detailtiefe des Videoformats eröffnen auch neue Perspektiven für die medizinische Bilddarstellung. Mit Hilfe von Computer-on-Modulen lassen sich Medizingeräte entwickeln, die große Datenmengen in Echtzeit verarbeiten und als ultrahochauflösende 4K-Videos wiedergeben können.

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4K- versus Full-HD-Auflösung: Die verbesserte Detailtiefe zeigt sich besonders bei Vergrößerungen von Ausschnitten.
4K- versus Full-HD-Auflösung: Die verbesserte Detailtiefe zeigt sich besonders bei Vergrößerungen von Ausschnitten.
(Bild: Congatec)

Aus der medizinischen Diagnostik sind Methoden, die Organe und Strukturen des menschlichen Körpers graphisch darstellen, nicht mehr wegzudenken. So reicht die Bandbreite bildgebender Verfahren heute von relativ einfachen Ultraschallgeräten bis zu komplexen Tomographen.

Der Status quo in der medizinischen Bildgebung

Eines ist all diesen Verfahren gemeinsam: Je genauer Bilder detektiert und wiedergegeben werden, umso präziser die Diagnose. Deshalb sind Computertomographen (CT) zu hochauflösenden Computertomographen weiterentwickelt worden (HRCT). Tomographen teilen die zu untersuchenden Zonen längs der z-Achse in Sektoren ein. So wird für jeden Sektor ein Bild aufgenommen. Diese Bilder werden dann zu einem 3D-Modell zusammengesetzt. Je feiner Sektoren eingeteilt und je genauer einzelne Ebenen aufgezeichnet werden, desto größer sind die Datenmengen des 3D-Modells.

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Eine weitere Entwicklung ist die Integration von Modalitäten, auch als Soft-Fusion oder Koregistrierung bezeichnet. Hierbei werden beispielsweise Aufnahmen von Weichgewebe mit Aufnahmen überlagert, die Stoffwechselvorgänge oder biochemische Vorgänge darstellen. Eine Technologie, von der behauptet wird, sie habe die medizinische Diagnose in einigen Bereichen revolutioniert, ist der PET-CT-Scan. Dabei werden Aufnahmen, die mit einem Positronen-Emissions-Tomographie-(PET)-Scanner erzeugt wurden, mit den Bildern eines CT-Scans überlagert; das Ergebnis ist derart überzeugend, dass PET-Scanner zunehmend durch solche Mehrzweckgeräte ersetzt werden.

Evolutionssprung durch die 4K-Technologie

Um höhere Auflösungen wiedergeben zu können, erfordert es den Einsatz von ebenso hochauflösenden Kameras, sogenannten UHD-Kameras. Diese Kameras werden in der modernen Chirurgie bereits eingesetzt. Hinter der Abkürzung UHD steht der Begriff Ultra-High-Definition mit einer Auflösung von 3.840 mal 2.160 Pixeln. Die hohe Pixelanzahl ermöglicht es, Bilder vier Mal genauer darzustellen als mit Full-HD-Auflösung.

Wenn auch mit höheren Kosten verbunden, stehen die Vorteile der Bildklarheit von 4K heute außer Frage. Diese Vorteile lassen sich beispielsweise in der Diagnostik, der Präventivmedizin oder bei virtuellen Operationen nutzen.

Mehr Rechenleistung dank Computer-on-Modulen

Die zentrale Herausforderung: Das Erstellen von Videos mit 4K-Auflösung erfordert eine erhebliche Menge an Rechenleistung. Dank fortschrittlicher Halbleitertechnologie können Hersteller medizinische Geräte jedoch zunehmend mit der benötigten Rechenleistung ausstatten, und zwar mittels Plattformen, die mehr Leistung und Flexibilität bieten. So werden große, schwerfällige Geräte immer öfter durch kleinere, schnellere und leistungsfähigere Alternativen ersetzt, bis Portabilität und Handheld-Geräte zur Norm werden. Ultraschallgeräte sind hierfür ein Paradebeispiel: Die Halbleiterindustrie hat eine Stufe erreicht, bei der die gesamte empfindliche Elektronik für mehrere Detektoren in einem einzigen, kleineren und billigeren Gerät integriert werden kann. Analog dazu könnte die Bereitstellung einer Hardware-Plattform mit hoher Auflösung die Entwicklung bildgebender Technologien fördern. Zu den wichtigsten Entwicklungen gehören in diesem Zusammenhang Multicore-Prozessoren. Sie treiben die Etablierung eben jener kleinen, energieeffizienten und leistungsfähigen Endgeräte voran.

Computer-on-Modul-(COM)-Spezialisten wie Congatec wiederum erleichtern OEMs den Zugang zu Multicore-Technologie. Hier ist es wichtig zu wissen, dass Geräte, deren Design auf einer bestimmten Prozessor-Variante basiert, schnell an ihre Grenzen stoßen, denn Prozessorhersteller bringen in der Regel alle 18 Monate eine neue Prozessor-Variante mit verbesserten Parametern auf den Markt. Das Endgerät hat also häufig eine viel längere Lebensdauer als der Prozessor.

Mit COMs lassen sich die Vorteile neuer Prozessorparameter dennoch nutzen. Dazu wird ein Carrierboard entwickelt, auf welches das COM montiert wird. Sobald ein neuer Prozessor auf den Markt kommt, liefern die Partner von Prozessorherstellern Unterstützung durch ein neues COM. Durch die Standardisierung der COMs lassen sich Endgeräte durch einfaches Auswechseln des COMs unkompliziert aufrüsten.

Der Autor: Stefan Köstlmeier ist Software-Entwicklungsingenieur bei der Congatec AG.

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