8K Ultra-High-Endoskop-Motherboards überwinden den Bandbreitenengpass

8K-Ultra-hochauflösende-Endoskop-Motherboards sind auf dem Markt

Ein 8K-Bild enthält 33 Millionen Pixel, viermal so viel Auflösung wie 4K-Bilder. Das ist eine Datenflut, die ausreicht, um einen 24-GB-Speicherpuffer in nur zwei Sekunden zu füllen. Um diese Daten optimal zu nutzen, muss die medizinische Endoskopkamera jedes Bild über ein ultradünnes Kabel übertragen und anzeigen. Für Chirurgen eröffnet 8K eine neue Dimension des Einblicks in den Körper.

Die Umfrageergebnisse einer multizentrischen Studie zur 8K-Ultra-{1}}High-Definition-Endoskopie sind aufschlussreich. Das Präsenzgefühl wurde von 97,8 Prozent der Bediener und 91,5 Prozent der Beobachter im Vergleich zu aktuellen Systemen als „überlegen“ beurteilt. Auch die Sichtbarkeit des Gewebes wurde im Vergleich zu 4K- und HD-Systemen von 93,5 Prozent der Bediener und 82,6 Prozent der Beobachter als besser angesehen.. 8K ermöglicht dem Chirurgen, die feinen Details in chirurgischen Instrumenten wie diesem 0,02-mm-Gewinde zu sehen, die mit der 4K-Endoskopie nicht sichtbar wären.

Aber diese Datenflut ist ein zweischneidiges Schwert. Die schiere Datenmenge einer medizinischen 8K-Endoskopkamera ist zu groß, um sie zu verarbeiten. Die Daten müssen möglichst verzögerungsfrei verarbeitet und angezeigt werden, dennoch benötigt 8K mindestens die vierfache Bandbreite heutiger Endoskopiesysteme. Die eigentliche Herausforderung bei der Verwirklichung der 8K-Endoskopie liegt in der Entwicklung neuer Technologien wie dem 8K-Endoskop-Motherboard. Um zu verstehen, warum, schauen wir uns zunächst diese wichtige Komponente im Endoskop an.

 

Das Motherboard im Herzen des Systems

Das Endoskop-Motherboard empfängt die Daten vom medizinischen Endoskop-Kameramodul, verarbeitet sie mithilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen und sendet sie an das Display des Chirurgen. Im Inneren dieses Miniaturcomputers befinden sich spezielle Schaltkreise zur Beschleunigung und Optimierung der Videoverarbeitung. Doch was müssen diese Schaltkreise leisten? Und wie viel Strom verbrauchen sie?

Die erste Hürde bei der Entwicklung eines 8K-Endoskopiesystems ist die Bandbreite. Um 8K-Video zu übertragen, muss das System die Daten mit einer Rate von mehr als 48 Gbit/s verarbeiten, wenn das Video nicht komprimiert ist. Hinzu kommt die Herausforderung der Latenz, der Zeitverzögerung zwischen der Aufnahme eines Bildes und der Anzeige auf dem Bildschirm. Am wichtigsten ist, dass die Hauptplatine des Endoskops Schaltkreise enthalten muss, die die Art der Bildverarbeitung und -verbesserung ermöglichen, die für ein chirurgisches Endoskopiesystem erforderlich ist. Herkömmliche Grafikprozessoren sind der Aufgabe für 8K nicht gewachsen. Um dieser Herausforderung gerecht zu werden, werden die neuesten heterogenen Computertechnologien für diese Aufgabe eingesetzt.

 

Heterogenes Computing: Der Weg nach vorne

Es besteht kein Zweifel daran, dass FPGAs die richtige Wahl für videointensive Anwendungen sind, da sie deterministische Leistung bei relativ geringem Stromverbrauch liefern können. Allerdings erweist sich die Kombination aus FPGA plus GPU als Erfolgsrezept für Entwickler von 8K-Endoskopiesystemen. Diese Systeme sind in der Lage, die enorme Rechenleistung, die für 8K-Videos erforderlich ist, bei minimaler Latenz zu erreichen.

Mit diesem Ansatz kann der FPGA die Daten vom Modul der medizinischen Endoskopkamera empfangen und verarbeiten und das verarbeitete Video an die Grafikverarbeitungseinheit (GPU) senden. Die GPU kann dann fortschrittliche Bildverarbeitungsalgorithmen ausführen, die das Video für die Anzeige auf den Monitoren im Operationssaal verbessern. Reale-Implementierungen dieser heterogenen Architektur sind bereits in der Lage, mit 8K-Bildsensoren, 3D-Bildgebung mit einer End-zu-Endlatenz von weniger als 50 ms und KI-basierter Objekterkennung mit 50 Bildern pro Sekunde zu arbeiten.

Auch die Übertragung der Daten vom Modul der medizinischen Endoskopkamera zur Hauptplatine des Endoskops stellt eine große Herausforderung dar. Aktuelle Ansätze sind nicht in der Lage, die für 8K-Videos erforderliche Leistung oder Zuverlässigkeit zu liefern.

Die Überwindung dieser Hürde erfordert einen neuen Ansatz unter Einsatz von Glasfasern. Aktive optische Anschlüsse können Informationen auf acht Spuren mit acht Gigabit pro Sekunde übertragen, bei vollständiger elektrischer Isolierung von der Umgebung. Diese Technologie wurde in Endoskopsystemen eingesetzt, um die Bandbreiten- und Latenzherausforderungen der 8K-Endoskopie zu bewältigen. Diese optischen Verbindungen wurden für Platinen-{4}zu-{5}Platinen-Verbindungen innerhalb von Videoprozessoren sowie zwischen dem Controller und dem Kamerakopf verwendet. Auf diese Weise können optische Verbindungen 8K-Video sowie Kommunikations- und Steuerkanäle über ein einziges Kabel übertragen.

Die auf diesen Verbindungen verfügbare Bandbreite wird verwendet, um Videos in ihrer ursprünglichen Form ohne Komprimierung für maximale Wiedergabetreue zu übertragen. Moderne optische Module liefern 48 Gbit/s Videobandbreite über eine einzige Verbindung. Diese Bandbreite kann aufgeteilt werden, um Video-, Kommunikations- und Steuersignale über ein einziges Kabel zu übertragen und gleichzeitig die Anzahl der benötigten Glasfasern zu reduzieren.

 

Fokus ist eine Herausforderung

Eine der größten Herausforderungen bei der Entwicklung eines 8K-Endoskopiesystems betrifft die Fokussierung. In einer Umfrage unter medizinischem Personal, das 8K-Endoskope verwendet, gaben 60,9 Prozent der Kameraassistenten an, dass die Fokuseinstellung schlechter sei als bei aktuellen Systemen. Warum ist es so herausfordernd? Es scheint, dass es bei 8K viel einfacher ist, den richtigen Fokus zu verpassen. Auf einem großen Monitor fallen kleinere Fokusfehler viel deutlicher auf.

Viele Menschen erwarten, dass Videoendoskope über einen Autofokus verfügen, aber dieser Ansatz funktioniert in dieser Umgebung nicht. Bei einem Endoskop kann sich der interessierende Bereich von einem Moment auf den anderen ändern. Es befindet sich möglicherweise nicht in der Mitte des Sichtfelds, sodass die Kamera nicht automatisch darauf fokussieren kann. Und selbst wenn es zentriert ist, müsste das Endoskop für den Autofokus bewegt werden, was für den Patienten unangenehm sein könnte.

Ein Ansatz zur Bewältigung dieser Herausforderung besteht darin, neue Formen der Super-{0}Auflösungsverarbeitung zu entwickeln, die in Echtzeit-arbeitet. Dadurch kann das 8K-Endoskop hochauflösende Bilder auch dann anzeigen, wenn es unscharf ist. Diese Super Resolution (SR)-Algorithmen nutzen die nichtlineare Signalverarbeitung (NLSP), um neue und einzigartige Hochfrequenzelemente zu erzeugen, die in der Originalszene nicht vorhanden waren. Dadurch kann der Chirurg kleine Details erkennen, wie z. B. den oben gezeigten 0,2-mm-Chirurgiefaden, der sonst nicht sichtbar wäre. Die SR-Verarbeitung muss auf der Hauptplatine des Endoskops in Echtzeit erfolgen.

 

Die Kraft der künstlichen Intelligenz

Künstliche Intelligenz wird diesen Bereich revolutionieren. Mithilfe von KI-Algorithmen können Polypen, Tumore und andere Objekte im Sichtfeld erkannt und klassifiziert werden. Dazu benötigen die Algorithmen jedoch Zugriff auf den gesamten Videostream.

Leider führt die Komprimierung häufig zu unerwünschten Artefakten, die die von KI-Algorithmen benötigten visuellen Informationen verdecken oder zerstören. Daher ist die Videokomprimierung kontraproduktiv, wenn es um die KI-unterstützte Endoskopie geht. Um dieses Problem zu lösen, arbeiten Entwickler daran, den KI-Prozessoren die volle Wiedergabetreue des ursprünglichen Videostreams zu liefern. Dazu ist es erforderlich, dass das Kameramodul für medizinische Endoskope einen hochqualitativen Videostream mit hoher-Auflösung erfasst und an die Hauptplatine des Endoskops übermittelt. Gleichzeitig muss das Endoskop-Motherboard in der Lage sein, diesen Videostream direkt an die KI-Prozessoren zu liefern.

Einige neuere Framegrabber können über ein 12G-SDI-Kabel Videos mit 4K-Auflösung mit 60 Bildern pro Sekunde und 8K-Videos mit 30 Bildern pro Sekunde aufnehmen. Diese Framegrabber können verwendet werden, um das Video über PCIe direkt an den GPU-Speicher zu senden, wobei die GPUDirect-Technologie verwendet wird, die die Rolle der CPU minimiert.

Dieser Ansatz wird in Zukunft eine KI-unterstützte Endoskopie ermöglichen. Und es wird uns dem Ziel der vollautomatisierten endoskopischen Chirurgie näher bringen.

 

Die 8K-Landschaft im Jahr 2026

Der Markt für medizinische Endoskop-Bildprozessoren wird boomen und im Jahr 2024 einen Wert von 1,6 Milliarden US-Dollar erreichen, bis 2030 wird ein Wert von 2,1 Milliarden US-Dollar prognostiziert. Eine treibende Kraft hinter diesem Trend ist die schnelle Einführung von 4K- und 8K-Systemen sowie die Einführung fortschrittlicher Funktionen wie künstlicher Intelligenz. Ein weiterer Faktor, der zum Wachstum beiträgt, ist der Übergang von der konventionellen Endoskopie zu robotergestützten und videobasierten Techniken.

Aus diesem Grund führen Hersteller 8K-spezifische Endoskop-Bildprozessoren ein. Diese Systeme können 8K-Videos anzeigen und 4K-Videos mit 60 fps aufzeichnen, mit Ausgängen, die HDMI und 8K@60 Hz umfassen. Zusätzlich zu den standardmäßigen Endoskopiefunktionen bieten einige dieser Prozessoren auch DICOM-Unterstützung für das Krankenhausinformationssystem und PACS.

Die 8K-Endoskopie steht gerade erst am Anfang. Schließlich laufen die klinischen Studien, die den Wert von 8K belegen, noch. Aber die Ergebnisse sind vielversprechend. Diese Umfrage unter Medizinern des Forum of 8K Endoscopy Medical Application in Japan zeigt die starke positive Resonanz auf frühe 8K-Geräte. Es wird nicht lange dauern, bis wir weitere Beweise für den Wert von 8K sehen.

 

Der Weg in die Zukunft für die 8K-Endoskopie

Um das Potenzial der 8K-Endoskopie voll ausschöpfen zu können, müssen verschiedene Technologien zusammengeführt werden. Aus Sicht des medizinischen Endoskopkameramoduls sind hochmoderne-Bildsensoren erforderlich. Das optische Übertragungssystem muss die hohe Videobandbreite mit minimaler Latenz unterstützen. Schließlich muss das Endoskop-Motherboard Bildverarbeitungs- und Super-Resolution-Aufgaben an den Videodaten durchführen und gleichzeitig die KI-Verarbeitung in Echtzeit beschleunigen.

Jede dieser Komponenten stellt ihre eigenen Herausforderungen dar. Wie bereits erwähnt, ist es notwendig, 8K-Videos mit ausreichender Bandbreite und Wiedergabetreue bereitzustellen, um die gewünschten Verbesserungen bei der Gewebevisualisierung und anatomischen Definition zu erreichen. Die Kamera muss aber auch körperlich klein genug sein, um durch den Arbeitskanal des Endoskops zu passen.

Auf der anderen Seite der Verbindung muss das optische Übertragungssystem diese immense Datenmenge mit minimaler Latenz und Signalverschlechterung von der Kamera zum Endoskopprozessor übertragen. Dies erfordert eine höhere Geschwindigkeit und eine zuverlässigere optische Technologie, um einen unterbrechungsfreien Videostream zu liefern.

Aber das Herzstück dieses Systems ist das Motherboard. Es muss eine Reihe unterschiedlicher Anforderungen in Einklang bringen. Das Endoskop-Motherboard muss über ausreichend Strom und Kühlung verfügen, um die neuesten Prozessoren zu unterstützen. Andererseits muss es klein und leicht genug sein, um durch den Arbeitskanal eines Endoskops zu passen. Diese Einschränkungen führen zu einigen überzeugenden Innovationen im Endoskopdesign.

 

Die Zukunft der 8K-Endoskopie ist rosig

Der Wert von 8K-Videos wurde nachgewiesen. Umfrageergebnisse eines der ersten Anwender dieser Technologie zeigen enorme Verbesserungen des Präsenzgefühls sowie der Sichtbarkeit von Geweben. Doch was bedeutet es wirklich, das Gewebe genauer zu betrachten? Dies bedeutet, dass der Chirurg viel bessere Möglichkeiten hat, die feinen Details der anatomischen Strukturen zu erkennen.

Dies ist besonders wichtig in der minimalinvasiven Chirurgie, wo das Ziel darin besteht, die Größe der Schnitte zu reduzieren und die Genesungszeiten zu verkürzen. Bei einem minimalinvasiven Ansatz hat der Chirurg nur begrenzten Zugang zur Operationsstelle. Dadurch besteht ein starker Anreiz, möglichst viele visuelle Informationen zu erhalten. Und genau das liefert die 8K-Endoskopie.

Dank der neuesten Entwicklungen bei Endoskop-Motherboards gibt es keinen Grund, warum die 8K-Endoskopie nicht Wirklichkeit werden kann. Und das ist erst der Anfang. Wir können mit weiteren Verbesserungen bei Auto-Fokus, Bildverarbeitung und Super-Auflösung sowie neuen Ansätzen für die KI-unterstützte Endoskopie rechnen. Die 8K-Endoskopiesysteme, die wir heute sehen, stellen nur einen Schritt auf dem Weg zu höherer Auflösung und besseren Erkenntnissen dar.