Przyszłość inżynierii medycznej dzięki Raspberry Pi

fot. Farnell

Od kilku lat firma Kontron Austria Electronics (dawniej Exceet Electronics), specjalizująca się w inżynierii medycznej, wykorzystuje Raspberry Pi by umożliwić swoim klientom – dużym producentom sprzętu medycznego – opracowywanie wiodących na rynku urządzeń. Kontron Austria Electronics jest liderem w dziedzinie elektroniki tworzonej na potrzeby sprzętu medycznego oraz łączenia jej w aplikacjach Internetu Rzeczy (IoT). Dostarcza systemy bezpieczne, skalowalne, łatwe w utrzymaniu oraz wyposażone w interfejsy komunikacyjne, pozwalające na łączność z Internetem. Dzięki bliskiej współpracy ze swoimi klientami, firma pomaga tworzyć wartość dodaną w odniesieniu do opieki nad pacjentami, jednocześnie zmniejszając koszty takiej opieki. W niniejszym artykule przyglądamy się, dlaczego firma Kontron Austria Electronics zdecydowała się oferować rozwiązania bazujące na Raspberry Pi i w jaki sposób jej klienci korzystają z tego podejścia.

Firma Kontron ma swoją główną siedzibę w Niemczech, w Augsburgu i różne placówki na terenie całego Świata. Firma Kontron Austria Electronics należy do Kontrona, a ten należy do grupy technologicznej S&T, która wypracowała sobie reputację międzynarodowego lidera w technologii obliczeń wbudowanych (ECT – Embedded Computing Technology). Niezależnie czy przyjrzymy się bezpiecznemu sprzętowi, elementom pośrednim czy usługom związanym z Internetem Rzeczy, Kontron spełnia wymogi producentów OEM z różnych branż przemysłu, oferując połączenie standardowych produktów z rozwiązaniami szytymi na miarę, bazującymi na wysoce niezawodnych, najnowocześniejszych technologiach wbudowanych.

Oprócz szerokiego wyboru produktów opartych na procesorach o architekturze X86, produkowanych przez firmy Intel i AMD, Kontron oferuje także sprzęt oparty na rdzeniach ARM procesorów firm takich jak NXP i ST Microelectronics. Teraz ofertę Kontrona uzupełniają produkty bazujące na Raspberry Pi, opracowywane przez dział Kontron Austria Electronics, które pozwalają spełnić potrzeby nowych grup klientów i rodzajów aplikacji. Oznacza to, że klienci, którzy chcą budować działające prototypy lub zainwestować w opracowanie oprogramowania dla standardowego systemu operacyjnego Raspberry Pi, jakim jest Raspbian, mogą zrealizować swoje idee, mając przy tym dostęp do wielu potężnych funkcji, które trudniej zaimplementować, w ramach platformy Yocto lub systemu Linux.

Celem, jaki przyświeca Kontronowi, jest zaoferowanie klientom przewagi konkurencyjnej, polegającej na skróceniu czasu potrzebnego na wprowadzenie produktu na rynek, zmniejszenie całkowitego kosztu posiadania (TCO – Total Cost of Ownership) i wydłużenie czasu życia produktu, a także dostarczanie aplikacji w pełni zintegrowanych. Jednym z głównych powodów, dla których producenci OEM zwracają się do Kontrona i pozostają z nim na długi czas jako partnerzy tworzący produkty i rozwiązania jest fakt, że Kontron jest w stanie zaoferować gotowe platformy przygotowane pod kątem określonych aplikacji. Dzięki temu firmy mogą tworzyć realne systemy wbudowane i IoT w krótkim czasie.

Jednym z kluczowych elementów oferty firmy Kontron Austria Electronics dla firm OEMowych, które starają się opracować najnowocześniejszą aparaturę medyczną jest oparcie swoich rozwiązań o minikomputer Raspberry Pi, dostarczany przez firmę Farnell. Oprócz skróconego czasu potrzebnego na wprowadzenie urządzeń na rynek, a przez to i krótszych cykli opracowywania produktu, do głównych zalet Raspberry Pi, oferowanych przez Kontron, należą: długoterminowa dostępność oraz ogromne wsparcie w ramach światowej społeczności, która skoncentrowana jest wokół tej platformy.

Kontron Austria Electronics może dzięki temu zapewnić długotrwałą dostępność podzespołów, wystarczającą nawet dla produktów, które muszą sprawnie pracować przez wiele lat. Dostarczane komponenty cechują się też wysoką niezawodnością i jakością, stanowią uszyte na miarę rozwiązania, zoptymalizowane pod kątem indywidualnych aplikacji, wraz z łatwym dostępem do najnowszych technologii oraz zmniejszonym kosztem prac badawczo-rozwojowych. Stanowią kompletny, cenny zestaw, łączący w sobie sprzęt i usługi programowe.

Dlaczego Raspberry Pi?

Dlaczego więc firma Kontron Austria Electronics wybrała zestaw startowy Raspberry Pi, jako jedną z opcji do bazowania swoich rozwiązań medycznych? Co wartościowego dla producentów OEM ten zestaw daje firmie Kontron Austria Electronics, czego inne platformy po prostu nie są w stanie zaoferować?

Kontron Austria Electronics obecnie działa zarówno na rynku przemysłowym (60 procent swoich prac), jak i medycznym (40 procent). W ciągu swoich 32 lat istnienia, w trakcie których firma ta projektowała, opracowywała i produkowała produkty elektroniczne na potrzeby klientów z całego Świata, Kontron Austria Electronics miał okazję pracować z różnymi platformami i rozwiązaniami, opartymi o klasyczne systemy wbudowane. Wśród tych prac znalazło się także projektowanie sprzętu korzystającego z własnego procesora marki Kontron, opartego o rdzenie ARM Cortex-M3 i Cortex-M4, układy I.MX 6 oraz procesory aplikacyjne Cortex-A8 i Cortex-A9.

Jednakże Raspberry Pi to platforma, o którą pytało coraz więcej klientów. Kontaktowali się oni z firmą Kontron Austria Electronics pokazując swoje własne rozwiązania oparte o Raspberry Pi Compute Module 3 i wskazywali, że wcale nie mają ochoty na przechodzenie na inną platformę w momencie wdrażania projektu do produkcji. Kontron zauważył ogromną popularność tego małego komputerka jednopłytkowego wśród młodego pokolenia inżynierów, które wychowało się na zestawach deweloperskich z RPI. W efekcie Firma Kontron Austria Electronics zdecydowała się dodać produkty oparte na Raspberry Pi do swojej oferty, uzupełniając tym samym swój dotychczasowy wybór płytek i komputerów.

Wykorzystanie w swoich projektach Raspberry Pi Compute Module i bazowanie na nim również na etapie produkcji pozwala klientom Kontrona na rozwijanie swoich produktów i finalizowanie prac nad nimi bez potrzeby wprowadzania znaczących zmian w oprogramowaniu. Jednocześnie, ze względu na bardzo rygorystyczne wymagania odnośnie wymiarów sprzętu medycznego, płytki Raspberry Pi Compute Module 3 i Compute Module 3+ znacznie lepiej nadają się do aparatury przeznaczonej na rynek medyczny, niż klasyczne wersje Raspberry Pi 3.

„Wczorajsi studenci są dzisiejszymi inżynierami i kochają Raspberry Pi 3”

Pierwszy komputer Raspberry Pi został opracowany by pomóc studentom uniwersytetów i politechnik uczyć się informatyki i wykształcić w nich podstawową znajomość zagadnień sprzętowych. W porównaniu do innych platform, Raspberry Pi jest szczególnie wysoko cenione w szkołach wyższych na całym Świecie, zarówno tych technicznych, jak i pozostałych. Sprawiło to, że coraz więcej inżynierów kończy studia ze znajomością Raspberry Pi i wiedzą na temat zalet tego komputera i chce wykorzystać tę platformę w wybranych przez siebie branżach. Ci młodzi inżynierowie pracują teraz w firmach, które kontaktują się z Kontronem szukając wsparcia i to właśnie jeden z powodów, dla których w naturalny sposób kierują się w stronę Raspberry Pi, w momencie gdy mają zbudować prototypy. To taka swoista symetria: najpierw Fundacja Raspberry Pi opracowała i dostarczyła Raspberry Pi studentom, a teraz ci dawni studenci, wyedukowani i pracujący w swoich zawodach, wprowadzają Raspberry Pi w szerokiej gamie zastosowań, w różnych branżach.

Największą pojedynczą korzyścią, jaka płynie z wykorzystania Raspberry Pi w profesjonalnych aplikacjach jest stosunek ceny do mocy obliczeniowej, który jest znacznie lepszy niż w przypadku wielu innych platform. Inną cechą Raspberry Pi jest to, że platforma ta idealnie nadaje się do produktów używanych w medycynie (a także w wielu zastosowaniach przemysłowych), a to za sprawą świetnej charakterystyki w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej, jaką cechuje się Raspberry Pi Compute Module. Ma to niezmiernie duże znaczenie w produktach medycznych, które wykorzystuje się w środowiskach o krytycznych wymaganiach pod tym względem.

Jednym z produktów medycznych, jakie opracowano ostatnio w firmie Kontron Austria Electronics, w oparciu o płytkę Raspberry Pi Compute Module 3 jest bramka Bluetooth na potrzeby aplikacji laboratoryjnych. Wykorzystując czujniki bluetoothowe, jednostka ta zbiera dane na temat próbek przechodzących analizy w laboratorium i przetwarza te informacje na potrzeby przygotowywania dokumentacji, jakiej wymaga się w nowoczesnych laboratoriach. Do cech tego systemu, który rejestruje takie parametry próbek, jak wilgotność, natężenie promieniowania ultrafioletowego i temperatura, należą wsparcie interfejsu USB-C i portu ethernetowego oraz dwa standardowe porty USB, bezprzewodowy interfejs Wi-Fi 802.11ac i dwa interfejsy Bluetooth 5.0.

System monitorowania zdrowia Cubile

Jednakże chyba najlepszym przykładem wiodącego na rynku produktu, który został opracowany z użyciem Raspberry Pi Compute Module 3, jest system ciągłego monitorowania zdrowia pacjenta Cubile, który przeszedł pełną certyfikację medyczną klasy 2b.

Korzystając z balistokardiografii, urządzenie firmy CubileHealth zbiera dane na temat zdrowia pacjenta, takie jak rytm oddechu, bicie serca oraz inne informacje pochodzące wprost z łóżka, które pomagają zapobiegać upadkom i odleżynom. Wszystkie dane są zbierane za pomocą maty umieszczanej w łóżku i przesyłane do różnych urządzeń mobilnych lub komputera PC. Ciągłe monitorowanie rytmu serca i oddechu pomaga wykrywać bóle, gorączkę czy zaburzenia snu, a ponadto aparat pozwala też na detekcję zwiększonej wilgoci łóżka, co skutkuje natychmiastowym alarmem. Dodatki wprowadzone w 2019 roku pozwalają systemowi na monitorowanie pracy nerek, wykrywanie trudności z trzymaniem moczu oraz automatyczną dokumentację zarejestrowanych parametrów i zdarzeń.

Dzięki mocnemu procesorowi oraz bogatemu zestawowi wbudowanych funkcji, Cubile pozwala przemienić zwykłe łóżko w inteligentne łóżko szpitalne, które wspiera prace personelu medycznego, zapewniając przy tym bezpieczne środowisko dla pacjentów, zmniejszając ich lęki i stres, a jednocześnie optymalizuje użycie kosztownych zasobów. Ten nieinwazyjny i nierzucający się w oczy moduł pozwala oszczędzać czas, zwiększa bezpieczeństwo, maksymalizuje osobiste poczucie wolności i chroni prywatność. Zgodnie z tym, co deklaruje producent, firma CubileHealth, ten wyrafinowany system monitorujący „wspiera personel medyczny, szybko wykrywa zagrożenia zdrowia i pomaga zapewnić optymalną jakość opieki”. Wszystkie te funkcje realizuje poprzez wykrywanie niebezpiecznych sytuacji, zanim do nich dojdzie i przekazując powiadomienia do systemu informowania pielęgniarek, jaki zintegrowano na płytce Compute Module 3.

Dzięki płytce Raspberry Pi Compute Module, do dodatkowych cech urządzenia Cubile należą: drugi procesor na potrzeby zbierania danych, interfejs LAN z izolacją do 4 kV, interfejs USB zintegrowany z ultra-szybkim przetwornikiem analogowo-cyfrowym, przystosowanym do czujników sił i obciążeń, możliwość bezprzewodowej komunikacji przez Wi-Fi i Bluetooth oraz wbudowany akumulator z ładowarką.

Długotrwała dostępność

Tak jak wspomniano wcześniej, jedną z głównych kwestii, na które zwraca wielu klientów OEM firmy Kontron Austria Electronics, jest długoterminowa dostępność wykorzystywanej platformy. Dzieje się tak, gdyż niektóre urządzenia medyczne, które wytwarzają, mają pracować przez od 10 do 15 lat. O ile Compute Module 3 ma gwarantowany czas produkcji równy pięciu latom, Compute Module 3+ będzie produkowany przez nawet 7 lat, co oznacza że klienci mogą mieć pewność, że będą w stanie kupić Compute Module 3+ przynajmniej do 2026 roku, by wciąż stosować tę płytkę w swoich urządzeniach. Firma Kontron Austria Electronics dysponuje też specjalnym magazynem o dużej pojemności, który wypełniony jest azotem, by móc przechowywać w nim komponenty przez nawet siedem lat, eliminując wszelkie efekty ich starzenia. Dzięki temu klienci mogą łatwiej planować i wdrażać procesy migracji do nowszych technologii.

Wszystkie rozwiązania oferowane swoim klientom przez firmę Kontron Austria Electronics na potrzeby produkcji wiodących na rynku urządzeń medycznych mogą być dostosowane do konkretnych wymagań, w zależności od docelowej aplikacji. Przykładowo na potrzeby wstępnych testów, Kontron Austria Electronics, korzystając ze wsparcia firmy Farnell, oferuje zestaw startowy Raspberry Pi Compute Module 3, który zawiera więcej dodatkowych interfejsów, niż w przypadku normalnej wersji płytki. Wśród nich znaleźć można analogowe i cyfrowe wejścia i wyjścia, dodatkowy port ethernetowy 10/100 Mb/s, wejście napięcia zasilania 24 V, interfejs magistrali CAN, interfejs one-wire, miejsce do podłączenia urządzeń szeregowych RS485/RS232 i system operacyjny Raspbian z preinstalowanymi sterownikami i programami demonstracyjnymi.

Dzięki wszystkim tym dodatkowym cechom, klienci są w stanie bardzo szybko stworzyć działający prototyp, używając takiego samego oprogramowania, jak w przypadku standardowego Raspberry Pi Compute Module 3, ale z łatwiejszym sposobem dostosowania produktu do konkretny potrzeb.

O ile firma Kontron opracowała kilka gotowych płytek ze zestandaryzowanymi interfejsami, które można zamówić wprost z katalogu, a które spełniają potrzeby błyskawicznie rozkwitającego rynku Internetu Rzeczy, zdecydowana większość projektów, z którymi pracowano bazowała na płytkach przygotowanych specjalnie pod kątem konkretnych potrzeb klienta. W początkowym etapie firma Kontron Austria Electronics przyjmuje rolę konsultanta, a następnie projektanta – klienci zgłaszają się do niej z konkretnymi potrzebami, a inżynierowie Kontrona przekazują swoje uwagi i rady, proponując optymalne rozwiązania. Taki rodzaj partnerstwa okazuje się wysoce skuteczny i pozwolił producentom OEM na tworzenie zarówno niezwykle potężnych rozwiązań, oferowanych następnie za duże pieniądze, jak i znacznie tańszych produktów z niższej półki.

Przyszłość

Wielu spośród klientów firmy Kontron Austria Electronics, działających w branży medycznej, wskazuje w zgłaszanych specyfikacjach na platformę Raspberry Pi Compute Module, gdyż potrzebują oni prostego sposobu migracji swojego sprzętu. Raspberry Pi spełnia to wymaganie, dzięki kompatybilności programowej oraz sprawnemu i efektywnemu działaniu, które zaspokaja wymogi stosownych certyfikatów, obowiązujących dla sprzętu działającego w środowisku medycznym. Dodatkowo, płytki Compute Module 3 i Compute Module 3+ cechują się jednym z najlepszych stosunków wydajności obliczeniowej do ceny, wśród konkurencyjnych rozwiązań dostępnych na rynku, przy jednoczesnym zapewnieniu długoterminowej dostępności. W efekcie dobrze spełniają wciąż rosnące wymagania tej branży.

O ile należy się spodziewać dalszego, stałego wzrostu wykorzystania płytki Raspberry Pi w zastosowaniach medycznych, nie ma co oczekiwać nagłych skoków popularności w tym sektorze. Platforma ta jest już znana i już się spopularyzowała oraz zaskarbiła sobie sympatię wśród inżynierów z branży medycznej. Jednakże firma Kontron, bazując na swoim wieloletnim doświadczeniu, przewiduje, że w ciągu kolejnych 12 miesięcy znacząco wzrośnie zapotrzebowanie na płytki Compute Module 3 i Compute Module 3+ w aplikacjach przemysłowych, w których moduły te dopiero zyskują popularność oraz dowodzą swojej niezawodności i ogromnej uniwersalności, a także okazują się potężną alternatywą dla dotychczasowych platform.

Liczba inżynierów, którzy znają Raspberry Pi rośnie. O ile większość inżynierów obecnie kończących studia będzie miała jakieś doświadczenia z procesorami firm takich jak Intel, AMD czy NXP, większość będzie pamiętała też różne projekty, nad którymi pracowała, a w których wykorzystano właśnie Raspberry Pi. Oznacza to, że gdy zaczną prace nad nowymi projektem, będą chętniej sięgali po Compute Module 3 lub Compute Module 3+. W końcu platforma ta dobrze działa, a oni ją znają, wiedzą jakie ma możliwości i będą chcieli pozostać przy rozwiązaniu, któremu nie tylko ufają, ale którego umieją też używać.

I faktycznie tak jest! Nie będzie przesadą stwierdzenie, że w 2019 roku większość inżynierów, którzy myślą o budowie prototypów, niezależnie czy na potrzeby rynku medycznego, czy do zastosowań w przemyśle, ma pozytywne doświadczenia z Raspberry Pi. To właśnie jest ta siła, która będzie napędzać popularność platformy Raspberry Pi w niedalekiej przyszłości.

Kontron wierzy, że Raspberry Pi będzie jeszcze przez wiele lat spełniać potrzeby projektantów. Firma oczekuje zmian na rynku, takich jak wzrost produkcji płytek Compute Module 3 i Compute Module 3+ a także możliwości wprowadzenia na rynek płytki Raspberry Pi Compute Module 4.