5G für die Medizintechnik

Wenn Maschinen über 5G drahtlos kommunizieren

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5G ist weit mehr als der Nachfolger von LTE: Medizintechnikhersteller können damit eigene Netze aufbauen und damit die Fabrikautomatisierung vorantreiben. Zudem ermöglicht 5G durch kurze Latenzzeiten und hohe Zuverlässigkeit ein medizinisches Internet of Things. Der Startschuss für neue medizinische Geräte?

Sabine Koll
Journalistin in Böblingen

In der Regel stehen neue Smartphones im Mittelpunkt des Mobile World Congress (MWC) in Barcelona. Doch im Fe-bruar sorgte eine medizinische Anwendung für Aufsehen: die erste Live-OP über ein 5G-Netz. Konkret handelte es sich um ein Streaming in Echtzeit zwischen einem Ärzteteam im Hospital Clinic und Dr. Antonio de Lacy, Leiter der dortigen Gastrointestinalen Chirurgie, im Hauptauditorium des MWC. Während der Vorführung nahm de Lacy in der Bewegtbildübertragung Markierungen vor, die sofort vom OP-Team in der Klinik gesehen wurden. „Vor 5G mussten wir das Bild einfrieren, um zu zeichnen, aber der Chirurg arbeitet weiter und das ist nicht ideal“, erklärte de Lacy. Fast gleichzeitig fand in China die erste 5G-Teleoperation statt: Einem Parkinson-Patienten wurde im Plagh-Krankenhaus in Peking ein Neurostimulator im Gehirn implantiert. Der Arzt stand dafür in einer Klinik auf der Insel Hainan, 2700 km entfernt von Peking.

5G ist in China mit Medizinprodukten im Einsatz

Die beiden Beispiele zeigen den großen Vorteil von 5G für die Telemedizin: Im Vergleich zu LTE mit Latenzen zwischen 40 und 100 ms werden bei 5G Verzögerungen von deutlich unter 10 ms erwartet. Sogar von 1 ms ist die Rede. In der Öffentlichkeit steht 5G vor allem für Schnelligkeit mit hohen Datenübertragungsraten von bis zu 20 Gbit/s. Wichtiger ist aber für die Industrie, dass 5G Vorteile mitbringt, die für die anspruchsvolle Kommunikation von Maschine zu Maschine von Bedeutung sind. So sollen beispielsweise pro Quadratkilometer bis zu eine Million Endgeräte senden und empfangen können. Zudem wird eine Zuverlässigkeit von mehr als 99,999 % in Aussicht gestellt.

Allerdings stehen nicht alle Funktionalitäten auf einen Schlag zur Verfügung. „In der aktuellen Version des Standards werden nur die hohen Datenraten für das klassische Consumergeschäft abgedeckt. Erst im Release 16, das Ende 2019 zur Verfügung stehen soll, werden die anderen Funktionalitäten, die für industrielle Anwendungen interessant sind, enthalten sein“, erklärt Dr. Andreas Müller. Er ist Leiter Communication and Network Technology bei Bosch Corporate Research und gleichzeitig Chairman der 5G-Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA) im ZVEI.

TU München: Pilotstudie mit 5G und Medizinprodukten

Auch das Klinikum rechts der Isar der Technischen Universität München hat sich bereits mit den Möglichkeiten von 5G auseinandergesetzt. Die Klinik und Poliklinik für Chirurgie der TU München hat 2017/18 eine zwölfmonatige Pilotstudie mit 5G-Prototypen durchgeführt. Dabei wurden drei medizinische Use Cases evaluiert: Zum einen war dies die schon erwähnte Tele-Chirurgie. „Die räumliche Trennung von operierendem Arzt und ausführendem technischen Equipment hat grundsätzlich den Charme, dass Fachleute auch Patienten in abgelegenen Gebieten medizinische Hilfestellung bis hin zu Operationen anbieten könnten. Doch wir haben festgestellt, dass 5G nicht alle seine Vorteile gleichzeitig ausspielen kann“, sagt PD Dr. med. Michael Kranzfelder, Oberarzt an der Klinik und Poliklinik für Chirurgie. „Für die Übertragung von CT-Daten etwa benötigen wir eine große Bandbreite mit hoher Datenübertragungsrate. Für die Tele-Operationen hingegen ist eine geringe Latenz wichtig. Man muss sich daher entscheiden, was für die jeweilige Anwendung wichtig ist. Die eierlegende Wollmilchsau ist 5G nicht.“ Auch müsse man darüber diskutieren, ob öffentliche 5G-Netze sicher genug sind, um darüber telemedizinische Anwendungen laufen zu lassen. „Außerdem muss man sich darüber im Klaren sein, dass es in Deutschland kein ubiquitäres 5G-Netz geben wird. In ländlichen Regionen wird es daher schwierig mit Anwendungen wie der Tele-Chirurgie.“

Ultraschalldaten über 5G übertragen

Das könnte auch ein Nachteil sein für das zweite 5G-Szenario, das am Klinikum rechts der Isar pilotiert wurde: die Übertragung von Ultraschalldaten von einem bewegten Objekt (etwa einem Krankenwagen) und die anschließende Diagnose zurück zum Point of Care. „Je mehr und je frühzeitiger Informationen über einen Patienten zur Verfügung stehen, desto besser und schneller kann ihm geholfen werden. Hier könnte 5G aufgrund der Bandbreite und Zuverlässigkeit der Datenübertragung einen Durchbruch bringen.“

Unabhängig von öffentlichen 5G-Netzen könnte hingegen das dritte Szenario der Münchner Mediziner funktionieren: die Prozessoptimierung im Krankenhaus durch Track & Trace – und zwar von Patienten und Equipment. „Ziel wäre es, mit Hilfe von 5G zu wissen, wo sich ein Patient gerade im Krankenhaus befindet. Hierdurch könnten wir die Prozesse in der Klinik verbessern und beispielsweise lange Wartezeiten reduzieren“, so Kranzfelder. Prinzipiell sei dies heute bereits mit WLAN und dem Smartphone des Patienten möglich. „Sicherheitsanforderungen und Datenschutzaspekte stellen uns hier aber vor Herausforderungen.“

Über 5G teure Medizinprodukte in der Klinik orten

Ihm schwebt für die Patienten eine Klinik-App vor, in der sie nicht nur einen Echtzeit-Terminplaner für ihre Termine im Krankenhaus haben, sondern auch ihre diagnostischen Informationen etwa aus bildgebenden Verfahren. Auch für das Verfolgen von Equipment in der Klink wäre 5G laut Kranzfelder von Vorteil – wenn man nämlich zum Beispiel teure Medizingeräte in der Klinik jederzeit orten könnte. „Erst mit 5G ist das Internet of Things in der Klinik realisierbar.“ Allerdings, so wendet er ein, ist eine Echtzeitdarstellung auch mit 5G im Krankenhaus nicht einfach realisierbar – da Räume zum Teil relativ klein sind und nicht überall eine Netzabdeckung vorliegt.

Um die Effizienz der Abläufe in der Klinik zu steigern, müsse man laut Kranzfelder aus Sicherheitsgründen über ein eigenes 5G-Netzwerk diskutieren. Auch das ist ein Novum gegenüber der aktuellen Mobilfunkgeneration: 5G ermöglicht erstmals den Aufbau von lokalen Campus-Netzen. Dafür wird die Regulierungsbehörde ab der zweiten Jahreshälfte 2019 auf Antrag Frequenzen von 3,7 bis 3,8 GHz an Unternehmen, regionale Netzbetreiber oder Gemeinden vergeben. Über diese Möglichkeit wird am Klinikum rechts der Isar diskutiert. Zunächst aber wird an der TU München ein vom Land Bayern gefördertes 5G-Testbed mit dem Fokus auf E-Health aufgebaut.

Eine 5G-Testplattform wird in den kommenden Monaten auch am Universitätsklinikum Mannheim entstehen. Von der Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie (PAMB) des Fraunhofer-Instituts IPA wird eine Testumgebung für die Bewertung der Einsatzmöglichkeiten von 5G in der Klinik und für die Entwicklung und Erprobung von 5G-geeigneten Anwendungen eingerichtet. Mögliche Einsatzgebiete sehen die Forscher beispielsweise in digital vernetzten OP-Räumen mit drahtlosen Instrumenten wie beispielsweise Endoskopen und (Kapsel-)Robotern oder auch in der durchgängigen Überwachung von Vitalparametern bei Patiententransporten.

OP-Vorbereitungen könnten im Krankenzimmer stattfinden

„Die ersten Überlegungen gingen dahin, dass wir im OP Geräte wie etwa Endoskope drahtlos und ohne Kabel nutzen können, da 5G hohe Datenübertragungsraten und eine geringe Latenz verspricht. Kabel sind immer eine Störquelle und verschlingen sehr viel Zeit bei der Vorbereitung. Ein kabelloser OP ermöglicht nicht nur eine allgemeine Verbesserung der Ergonomie, sondern auch effiziente Prozesse beim OP-Setup“, sagt Professor Jan Stallkamp, Leiter des Fraunhofer PAMB. „Im abgeschlossenen Interventionsraum steht 5G im Wettbewerb unter anderem mit dem neuen WLAN-Standard Wi-Fi6. Diese Systeme bieten ähnlich hohe Datenraten und niedrige Übertragungszeiten, jedoch fehlt die Mobilität und ein nahtloser Übergang zwischen lokalen und mobilen Netzwerken. 5G gewährleistet eine kontinuierliche Datenerfassung innerhalb und außerhalb der Klinik bei prozessbedingten Ortswechseln.“

In Zukunft sieht Stallkamp noch weitere Einsatzszenarien von 5G: „Im Prinzip ermöglicht es 5G, medizinische Geräte ohne Intelligenz zu entwickeln. Die Intelligenz, also ein Teil der Software, lässt sich vom Endgerät weg zum Beispiel in eine zentrale Cloud hinein verlagern; mit allen Vorteilen eines zentralen System- und Datenmanagements. Der Lebenszyklus von Geräten könnte mit 5G durchgehend überwacht werden, sodass durch spezielle Ansätze wie Predictive Maintenance ihre Verfügbarkeit erhöht und die Wartungskosten gesenkt werden können. Das geht nur, wenn eine hochzuverlässige Funkstrecke flächendeckend zur Verfügung steht. Allerdings ist das auch ein regulatorischer Alptraum.“

Für 5G müssten manche Medizinprodukte grundlegend neu entwickelt werden

Er beobachtet ebenso wie Kranzfelder, dass die Medizintechnikhersteller sehr an der Eruierung des Potenzials dieser neuen Technologie interessiert sind. „Allerdings halten sie sich noch zurück“, so Stallkamp. „Drahtlose Endoskope mit 5G-Funktionalität etwa müsste die Industrie grundlegend neu entwickeln und zulassen. Da ist es zunächst eher an uns als Forschungsinstitut, beispielsweise Endoskope als Referenz aufzubauen und deren Machbarkeit zu testen.“

„Network Slicing, also die Kapselung von Netzwerken unterschiedlich definierten Services, wird sicherlich für Krankenhäuser ein Thema werden, um die Servicequalität für einzelne Dienste sicherzustellen“, betont Olli Liinamaa, Nokia-Projektmanager für das 5G-Test-Netzwerk im finnischen Oulu. Dieses ist schon seit 2015 in Betrieb, derzeit noch nach außen verbunden mit dem 4G-Netz, doch ab der zweiten Jahreshälfte will Nokia hier erste 5G-Basisstationen aufbauen. Angeschlossen sind neben der Universität Oulu das finnische Forschungszentrum VTT, rund 500 Unternehmen – darunter 100 Medizintechnik- und Life-Science-Unternehmen – sowie das Universitätskrankenhaus Oulu.

Finnland testet, was die Kombination von 5G mit Medizinprodukten bringt

Die Finnen denken dabei im ganz großen Maßstab: „Die Stadt Oulu hat beschlossen, ein komplett neues Krankenhaus zu bauen, um das bestehende zu ersetzen, das nicht mehr für wechselnde Bedürfnisse geeignet ist. Das zukünftige Krankenhaus will den Einsatz technologischer Innovationen nicht nur im Gesundheitswesen, sondern auch bei den Dienstleistungen für das Personal und die Krankenhausbesucher maximieren“, so Liinamaa. Im Universitätsklinikum Oulu wurde ein Testlab für die Erprobung neuer E-Health-Lösungen auf Basis von 5G aufgebaut. Mediziner und Ingenieure arbeiten hier Hand in Hand. Dieses Labor wird nach Auskunft des Nokia-Experten auch für die praktische Ausbildung von Medizinstudenten und für die flexible Erprobung neuer OP-Alternativen mit beweglichen Wänden genutzt.

„Auch in Oulu steht die Entscheidung noch aus, ob die Klinik später ein privates oder öffentliches Netzwerk nutzen will. Ein privates Netzwerk würde dem Krankenhaus die Unabhängigkeit und Transparenz geben, über Netzqualität, Robustheit, Sicherheit, Privatsphäre und Dienste nach eigenen Anforderungen zu entscheiden“, sagt Liinamaa. „Auf der anderen Seite ist der Betrieb eines Mobilfunknetzes ein eigenständiges Geschäft mit regulierter Frequenzlizenzierung, und jemand muss das Netzwerk aufbauen und warten. Das Vertrauen in das öffentliche Netz und die derzeitigen Lizenznehmer würde Gesundheitsorganisationen vom Lernen und Investieren in die Kommunikationstechnologie befreien. Ein sicheres Netzwerk kann mit beiden Modellen aufgebaut werden, da die Netzwerkkomponenten bei beiden Optionen gleich sind.“

Krankenhäuser und Hersteller werden zu Netzbetreibern

Mit der Frage, selbst Betreiber eines 5G-Netzwerks zu werden, befassen sich nicht nur Krankenhäuser, sondern auch Fertigungsunternehmen. So hat der Schweizer Medizintechnikhersteller Ypsomed 5G bereits in seinem Werk in Solothurn, in dem Insulinpens hergestellt werden, getestet – und zwar anhand von vier Anwendungen in der Produktion.

Insbesondere die Auswertung von Sensordaten, die die Spritzgießmaschinendaten liefern, hat Vorteile gebracht: Die Daten können mit 5G in Echtzeit erfasst und ausgewertet werden. Dies ermöglicht einen ständigen Überblick über die Produktionsparameter. „Zudem ermöglicht 5G vorausschauende Wartungsdiagnosen, also Predictive Maintenance, an den Maschinen“, sagt Unternehmenssprecher Julian Stressig. Gut eigne sich 5G auch für die Virtualisierung der Maschinen-PCs auf ein mobiles Endgerät. Dies vereinfache die Fehlerbehebung durch die Produktionsmitarbeiter und verschaffe zudem Flexibilität, um die Produktion unabhängig von der Verkabelung zu optimieren. Vor allem bei Montageanlagen sei dies zunehmend wichtig.

Der sechsmonatige Pilot mit Swisscom endete im Frühjahr 2018. „Unterm Strich hat sich 5G für uns bewährt. Wir sehen, dass in Zukunft kein Weg daran vorbei führt, wenn wir nach neuesten Standards in der Schweiz produzieren wollen“, sagt Ypsomed-Unternehmenssprecher Julian Stressig. „5G ermöglicht uns letztlich eine noch höhere Automatisierung und Digitalisierung der Fertigung.“

Hintergrund: Das ist ein Campus-Netz

Campus-Netze sind exklusive Mobilfunknetze für ein definiertes lokales Firmengelände, eine Universität oder einzelne Gebäude. Sie sind auf die individuellen Bedürfnisse der Nutzer zugeschnitten. Der Zugriff vom öffentlichen Netz auf das Campus-Netz ist nicht möglich. Umgekehrt ist das private Funknetz jedoch an das normale Mobilfunknetz angebunden, damit Firmen mit Partnern, externen Dienstleistern oder Zulieferern kommunizieren können. Diese Kombination aus einem privaten und einem öffentlichen Netz bezeichnen Experten als „Dual Slice Lösung“
Grafik: Deutsche Telekom

Weitere Informationen

Zur Projektgruppe für Automatisierung in der Medizin und Biotechnologie PAMB am Fraunhofer IPA:

www.pamb.ipa.fraunhofer.de

Zum finnischen Ökosystem Ouluhealth:

www.ouluhealth.fi

Zur Technischen Universität München:

www.tum.de

Zum Schweizer Medizintechnikhersteller Ypsomed:

www.ypsomed.com

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