ディスプレイのコネクティビティを改善し、医療分野の可視化を加速する【Part 1】GMSLTMがもたらす効果
主なポイント
|
概要
外科医療や救急医療の現場では、解像度の高いカメラやディスプレイに対する需要が増大しています。臨床医が処置を施す際に、視覚的な精度を高めて迅速かつ正確な判断を下せるようにしたいからです。カメラやディスプレイなどを使用する機器は、臨床医にとっての使いやすさや快適さが得られるように設計されています。つまり、長時間にわたる手術に伴う疲労を軽減するための配慮がなされています。それだけでなく、日常の診療業務にもシームレスに活用できるようになっています。本連載では、医療分野の可視化を進めるための技術について説明します。特に、ディスプレイのコネクティビティ（接続性）に重点を置いて解説を進めることにします。今回（Part 1）は、画質の改善、システムの統合方法の簡素化、患者の安全性の向上を実現するための重要な技術について説明します。具体的には、上記のニーズに対応するものとして、アナログ・デバイセズのギガビット・マルチメディア・シリアル・リンク（GMSL™：Gigabit Multimedia Serial Link）技術を紹介します。GMSLでは、1本のケーブルによって非圧縮のビデオ・データ、制御用のデータ、電力を伝送できます。そのため、システムの設計を簡素化できることに加え、信頼性が向上します。本稿では、内視鏡用のイメージング・システム、手術用のディスプレイ、患者のケアに用いる機器におけるGMSLの活用方法を示します。特に、帯域幅、電力効率、統合の面でのメリットに重点を置いて詳しく解説します。
はじめに
多くの病院は、デジタル・ヘルスケアへの移行に向けてインフラに対する投資を拡大しています。その目的は、患者の治療結果の改善、ワークフローの効率化、データに基づく臨床上の意思決定の支援を実現できるようにすることです。こうしたトレンドは新型コロナウイルス感染症（COVID-19）のパンデミックによって加速しました。結果として、医療の提供方法の将来像が形づくられたとも言えるでしょう。そうしたなか、診断、モニタリング、手術の可視化を支援するための技術に注目が集まっています。具体的には、解像度の高い医療用ディスプレイの利用が拡大しています。また、高性能の手術用カメラの採用も進んでいます。その理由としては、侵襲性の低い手術方法やロボットによる支援を利用する手術方法が急速に広まっていることが挙げられます。手術を支援するためのロボット（以下、手術用ロボット）の市場は、2030年までに現在の3倍に相当する271億米ドル（約4兆4000億円）の規模に拡大すると予想されています。現在、世界全体で2100台以上の手術用ロボットが導入されています1。
侵襲性の低い手術やロボットの支援を利用する手術には、可視化、高い精度、制御を実現するための高度なイメージング機能が必要になります。実際、現在の手術室では、4Kの解像度、3Dのイメージング機能、ロボットが標準的な要素になりつつあります。イメージング機能が進化するということは、それらを支えるコネクティビティにも進化が求められるということを意味します。最新のイメージング・システムの長所を最大限に活かすには、非圧縮のビデオ・データや制御用のデータを、レイテンシを抑えつつ高い信頼性で伝送することが不可欠です。つまり、次世代の医療用機器においてカメラとディスプレイに求められるコネクティビティを確保しなければなりません。そのために活用できるのがGMSLです。この技術を採用すれば、拡張性の高い統合ソリューションを実現できます。
最新の内視鏡に求められるシステム・レベルの要件
現在、内視鏡システムについては、より豊かで没入感の高いイメージング機能が求められています。その結果、設計者はシステム・レベルの課題に直面することになりました。必要とされるのは、解像度とフレーム・レートの高い映像を取得できるようにすることと、複数のセンサー（カメラ）を利用可能にすることです。そのようなシステムでは、カメラによって生成されるデータの量が劇的に増加することになります。
例えば、4K60（解像度が4K、フレーム・レートが60fps）という仕様のカメラ・システムの場合、10Gbps以上のレートでビデオ・データが生成される可能性があります。例として、図1に示すようなデュアルカメラ・システムを考えてみましょう。この種のシステムでは、立体視が可能な3Dイメージング機能や近赤外（NIR：Near-infrared）蛍光イメージング機能が一般的に使用されます。その場合、4K60のカメラ・システムと比べてデータ量は更に2倍～4倍に増加する可能性があります。
気管支鏡や泌尿器用の内視鏡などを使用する処置では、感染リスクへの対策が重要になります。そのため、内視鏡に関連する器具については使い捨て方式への移行が進んでいます。これも注目すべきトレンドの1つです2。使い捨てという方式は、ワークフローの効率の改善や、交差汚染（二次汚染）の防止につながります。その半面、コストやシステム統合の面で厳しい制約が課せられることになります。結果として、システム設計における優先順位についての見直しを迫られることになるでしょう。FPGAをベースとしてエッジで処理を実施する従来の方式によって使い捨てと大量生産に対応しようとすると、あまりにも高コストになります。また、複雑なコネクタを備える多芯ケーブルを使用する場合、BOM（Bill of Materials：部品表）コストが大幅に増大します。求められているのは、高性能のイメージング機能を、費用対効果に優れ、コンパクトで、滅菌処理のしやすいフォーム・ファクタで提供することです。しかし、上記のような理由から、そのような理想的な設計を実現するのは容易ではありません。
内視鏡システムは、データのスループットや熱に関する制約を満たす必要があります。それに加え、患者の安全性を確保すると共に、IEC 60601-1をはじめとする医療分野向けの規格に準拠しなければなりません。そのためには、電気的な絶縁に関する厳密な要件を満たすことが重要です。本稿で想定しているシステムでは、CMOSイメージ・センサーからマルチギガビット級のビデオ・ストリームが出力されます。絶縁バリアを越えてそれを伝送するのは、技術的な面で非常に大きな課題になります。カメラのインターフェースにおいて堅牢性の高い絶縁を実現する方法については、設計時に必ず考慮しておかなければなりません。これについては、次回（本連載のPart 2）詳しく解説します。
GMSLによる外科手術の可視化
アナログ・デバイセズのGMSL技術を採用すれば、カメラとディスプレイのコネクティビティに関する課題に直接対処することができます。GMSLは堅牢性と拡張性に優れ、消費電力が少ないため、最新の医療用機器に適したコネクティビティ・ソリューションとなります。この技術は、もともと車載アプリケーション向けに開発されたものです。そのため、既に先進運転支援システム（ADAS：Advanced Driver Assistance System）や車載インフォテインメント・システムで広く使われています。つまり、帯域幅が広く、レイテンシが小さく、信頼性が高いことが不可欠とされるシステムで実績を積み重ねているということです。GMSLを採用すれば、1本の同軸ケーブルまたはSTPケーブルを使用することで、非圧縮のビデオ・データ、制御用のデータ、電力を伝送することができます。これを医療分野で活用すれば、滅菌に対応する長く柔軟なケーブルを使用した伝送においても、信号の完全性を確保することが可能になります。それだけでなく、システムの設計を大幅に簡素化できます。
内視鏡手術の可視化に必要なのは、カメラのコネクティビティ
GMSLは、MIPI（Mobile Industry Processor Interface）のCSI-2（Camera Serial Interface 2）を採用したCMOSイメージ・センサーとの接続に最適な技術です。その場合のアーキテクチャは、単一／複数のセンサーを使用する多様なイメージング・モダリティに対応できます。具体的な例としては、忠実度の高いカラー・イメージングに使用されるRGB（Red, Green, Blue）センサー、蛍光を利用する可視化用のNIRセンサー、3D深度の認識用の立体視センサーなどが挙げられます。
GMSLは、リンク当たり6Gbpsまたは12Gbpsのスケーラブルなデータ・レートをサポートします。そのため、単一／複数のセンサーを用いたシステムにおけるビデオ伝送の解像度とフレーム・レートを高められます。1本の同軸ケーブル／STPケーブルを使用することにより、ビデオ・データ、制御用のデータ、電力を伝送できるので、ケーブルのフォーム・ファクタとコネクタの複雑さが低減されます。
FPGAをベースとする従来のエッジ処理をGMSLベースの実装に置き換えれば、ハンドピースの消費電力と発熱を大幅に低減できます。このことは、使い捨て機器の実現可能性の向上に寄与します。また、外科医にとっては熱の面での快適さが改善されることになります。
内視鏡を使用する場合、ケーブルを動かし続けることで対象部位を観察します。その際、ケーブルは急な曲げや、繰り返し行われる滅菌サイクルにさらされる可能性があります。そのような状況でも、内視鏡用のイメージング・システムは高速のデータ伝送を高い信頼性で維持しなければなりません。GMSLは、そのような要件が課せられるシステムに最適です。GMSLでは、アナログ・デバイセズの特許取得済みの適応型イコライゼーション機能を利用します。内視鏡のケーブルに経時変化が生じたとしても、同機能によってリアルタイムかつ継続的な調整が行われます。そのため、信号の完全性を維持することができます。
UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）、I2C、SPI（Serial Peripheral Interface）といった制御用インターフェースの信号は、GMSLのリンクを介してトンネリング伝送することが可能です。そうすれば、必要な信号線の数やケーブルの径を最小限に抑えつつ、イメージ・センサーの構成（コンフィギュレーション）を実施したり、レンズ用のドライバ／照明用回路／セキュア・メモリ／環境センサーといった周辺機器を管理したりすることができます。また、GMSLはRoR（Reference Clock over Reference Channel）もサポートしています。そのため、イメージ・センサー用のリファレンス・クロックを同じケーブルを使って伝送できます。その場合、ハンドピースに水晶発振器を組み込む必要はなく、設計が更に簡素化されます。
GMSLでは、マイクロ秒のレベルにレイテンシを抑えた状態で非圧縮のビデオ・データを伝送できます。そのため、手術用ロボットやリアルタイムの可視化が必要なシステムのタイミングに関する厳しい要件を満たせます。また、非圧縮のデータを使用できるということは、手術の支援や診断に使用されるAIベースの新たなアルゴリズムに対し、画質を損なうことなく入力データを提供できるということを意味します。また、CRC（Cyclic Redundancy Check）や各種のエラーのチェックといった車載グレードの堅牢性の高い機能により、過酷な動作条件の下でもデータの完全性を維持することが可能です。
内視鏡用のイメージング・システムのアーキテクチャ
ここでは、GMSLをベースとする内視鏡用のイメージング・システムの一般的なアーキテクチャについて説明します。その種のシステムでは、GMSLのシリアライザをハンドピース内に直接配置します（図3）。それにより、MIPI CSI-2に対応するCMOSイメージ・センサーとのインターフェースが確立されます。このシリアライザは、高速なイメージング・データを堅牢なGMSLのストリームに変換します。そのストリームは、1本の同軸ケーブル／STPケーブルを介して、手術用のカートやコンソールに実装されたGMSLのデシリアライザへ伝送されます。MIPI CSI-2のインターフェースについては、手術用のコンソール内でガルバニック絶縁を施します。それにより、求められるレベルの安全性を確保できます。これについては、本連載のPart 2で詳しく解説します。
図3に示したアーキテクチャを採用すれば、以下に列挙するような重要なメリットを享受できます。
- カメラの設計の簡素化：従来のソリューションでは、エッジで処理を実行するためにFPGAを使用していました。GMSLを利用するアーキテクチャでは、そのFPGAが不要になります。そのため、よりコンパクトで熱効率に優れた経済的な設計を実現できます。つまり、使い捨て方式への対応が可能になります。
- ケーブルの構成の簡素化：1本の軽量なケーブルにより、ビデオ・データ、制御用のデータ、電力を伝送できるので、信号線の数とケーブルの径を最小限に抑えられます。また、コネクタの小型化と軽量化が可能になります。適応型イコライゼーション機能により、長いケーブルを使用した場合でも信号の完全性を維持できます。
- スケーラブルな性能：このアーキテクチャであれば、より高い解像度／フレーム・レートとマルチセンサーの構成に対応できます。また、広い帯域幅が必要な場合には、GMSLのシリアライザをデュアル構成で使用することにより対応可能です。
- 消費電力の削減：FPGAとサポート回路の多くをGMSLベースの回路に置き換えることにより、消費電力を削減できます。その結果、ハンドピース内の発熱を抑制し、システムの効率を高められます。それにより、長時間の手術における外科医の快適さを確保することが可能になります。
- 周辺機器の統合：GMSLのリンクは、サイドバンド・プロトコル（UART、I2C、SPI）をサポートしています。そのため、レンズ用のドライバ、照明用の光源、セキュア認証用ICの制御にも対応可能です。更に、将来のセンシング・モダリティとの通信を実現するためのプラットフォームを提供できることになります。
- 滅菌への対応：ケーブルとコネクタの設計が簡素化されるということは、オートクレーブ（高圧蒸気滅菌）の対象になる機器に適しているということになります。また、適応型イコライゼーション機能を併用することで、臨床環境における長期的な信頼性を確保できます。
図3のアーキテクチャは、MIPI CSI-2に対応したCMOSイメージ・センサーを使用する腹腔鏡、気管支鏡、泌尿器用の機器に最適です。それらの機器において、イメージ・センサーはハンドピース内に配置されます。そして、手術の対象となる部位とは軟性または硬性の光ファイバをベースとするインターフェースを介して接続されます。小型のCMOSイメージ・センサーが先端に実装された内視鏡（CMOS-on-tip）についても、このアーキテクチャを採用することで大きなメリットを享受できます。それは、CSI-2のインターフェースの配線長を、内視鏡の遠位端からハンドピースまでに短縮できるというものです。
ディスプレイや周辺機器のコネクティビティ
GMSLを活用できる用途は、内視鏡システムにおけるカメラのコネクティビティだけにはとどまりません。例えば、GMSLを採用すれば、プロセッサから手術室内外のモニタに向けて高解像度のビデオ・データを伝送できます。つまり、複数のディスプレイにリアルタイムの映像を表示できます。また、GMSLは救急医療や治療に用いられる機器でも活用可能です。例えば、輸液ポンプ、人工透析装置、患者用のモニタリング・システムなどの内部において、組み込みディスプレイに対するビデオ・データを伝送するといった具合です。その場合、機械的な信頼性の問題や電磁干渉（EMI：Electromagnetic Interference）の発生原因になり得るリボン・ケーブルを1本の同軸ケーブル／STPケーブルで置き換えられます。
ここまでに何度か触れたとおり、GMSLではビデオ・データ、制御用のデータ、電力を1本の同軸ケーブル／STPケーブルで伝送できます。それにより、システムのアーキテクチャを簡素化し、堅牢性を高めることができます。また、GMSLは小型で広帯域幅のカメラ・リンクが求められる遠隔イメージング・モジュールとのインターフェース技術としても最適です。そうした用途の例としては、検眼、皮膚の検査、体外診断などの分野で使用される装置が挙げられます。ケーブル・アセンブリによりますが、GMSLでは15m～20mといった長距離にわたる伝送においても信号の完全性を維持できることが実証されています。そのため、臨床の現場や研究室で使用されるモジュール式のシステムや分散型のイメージング・プラットフォームにも適しています。
GMSLに対応するIC、プロトタイピング向けのエコシステム
アナログ・デバイセズは、GMSLに対応するシリアライザ／デシリアライザの製品群を提供しています。そのため、イメージングやディスプレイに関する多様なアプリケーションでGMSLを利用できます。6Gbpsのリンクに対応するGMSL2の製品ファミリとしては、「MAX96717」（CSI-2からGMSL2へのシリアライザ）、「MAX96714」（GMSL2/GMSL1からCSI-2へのデシリアライザ）、「MAX9295D」（マルチセンサー向けのデュアルシリアライザ）などを用意しています。GMSL3に対応する製品ファミリである「MAX96792」、「MAX96793」は、12Gbpsのリンクをサポートします。そのため、より高い解像度とフレーム・レートが求められる先進的なイメージング・システムにも対応可能です。図4に示したのは、GMSL2/GMSL3を使用する手術用機器の一般的なアーキテクチャです。この図は、1つまたは2つのCMOSイメージ・センサーとのインターフェースを実現する方法を表しています。
図中のGMSL対応ICを使用すれば、非圧縮のビデオ・データ、制御用のデータ、電力を1本の同軸ケーブル／STPケーブルによって伝送できます。そのため、システムの設計が簡素化され、コネクタの複雑さが軽減されます。シングル／デュアルのシリアライザを使用するアーキテクチャの詳細については、GMSL技術のウェブページをご覧ください。
アナログ・デバイセズは、お客様の開発を加速させることを目的として、GMSLのエコシステムを構成するパートナー企業との連携を図っています。それを通じ、様々な評価用ボード、キャリア・ボード、カメラ用のインターフェース・キットなどを提供しています。具体的には、「NVIDIA Jetson」や「Raspberry Pi」などのプラットフォームに対応するツールを用意しています。それらのツールには、ソフトウェア・スタック、カーネル・ドライバ、診断用のユーティリティなどが含まれています。そのため、プロトタイピングと検証を迅速に実施できます。GMSLのエコシステムを構成するパートナー企業について知りたい方は、GMSLのウェブページを参照してください。
アナログ・デバイセズは、GMSLについてより深く理解したい方に向けて「GMSL University（GMSL U）」という体系的なオンライン学習プログラムを提供しています。このプログラムは、基礎コース、実装例の紹介、ディスプレイ／センサーのアプリケーションに応じた認定コースなどから成ります。GMSL Uは、医療／産業／車載分野のお客様が自信を持ってGMSLベースのシステムの評価、設計、導入を進められるよう支援することを目的としています。
まとめ
外科手術や救急医療の現場では、イメージングや可視化に向けた技術が非常に重要な役割を果たすようになっています。それに伴い、システム設計者は、滅菌に対応しなければならない小型プラットフォームの間でビデオ・データ、制御用のデータ、電力をどのように伝送するのかを再考する必要に迫られています。GMSLは、高性能のカメラやディスプレイを最新の医療用機器に統合するために役立ちます。しかも、既に多くの実績を積み重ねたスケーラブルなソリューションだと言えます。実際、GMSLを採用すれば、設計を簡素化するだけでなく、帯域幅、信頼性、フォーム・ファクタに関する要件を満たすことが可能になります。
本連載のPart 2では、医療用イメージング・システムにおいて、なぜ電気的な絶縁が重要になるのかを明らかにします。また、信号の完全性やシステムの性能を損なうことなくIEC 60601-1の要件を満たすために、GMSLをベースとするアーキテクチャに絶縁技術を適用する方法について解説します。
参考資料
1「Surgical Robots Market Size, Growth, Share & Trends Analysis（手術用ロボットの市場規模、成長率、シェア、トレンドの分析」MarketsandMarkets、2025年12月