09041 Internet of Things im Gesundheitswesen
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Dieser Fachbeitrag widmet sich den technischen Konzepten und Lösungen, aber ebenso der Beantwortung von organisatorischen, normativen und regulatorischen Fragen rund um das Thema Internet of Things (IoT) im Gesundheitswesen. Damit ein Mehrwert aus IoT bzw. IoMT gewonnen werden kann, sollten sich Krankenhausbetreiber, Gesundheitsorganisationen und Hersteller mit einigen grundlegenden technischen Aspekten des IoT bzw. IoMT, aber auch einhergehenden normativen und regulatorischen Fragen auseinandersetzen.
Die technologischen Konzepte des Internet of Things bieten für das Gesundheitswesen vor allem die Möglichkeit, große Mengen an Daten zu sammeln. Sensordaten von Patientinnen und Patienten können genutzt werden, um durch Kombination verschiedenster Messwerte weiterführende Diagnosen oder Therapieansätze zu erstellen.
Der Beitrag bietet neben einem technischen Überblick über Definition, Systemarchitekturen und Übertragungstechnologien von IoT auch einen Vergleich der wichtigsten Protokolle der IoT-Technologie. Er beschreibt die Funktionsweise der Protokolle, benennt Anwendungsbereiche wie auch Vor- und Nachteile ihres Einsatzes.
Ebenfalls vorgestellt wird die drahtlose Einbindung von Endgeräten in eine Netzwerkinfrastruktur durch WLAN. WLAN bietet dabei die Möglichkeit, auf vertraute und gut bewährte Standards der Datenübertragung zurückzugreifen, die bereits lange Zeit etabliert sind und die größtmögliche Anzahl an Geräten unterstützen. von: |
1 Einführung
Internet of Things
Unter dem Begriff Internet of Things (IoT), auf Deutsch Internet der Dinge, versteht man ein System, das verschiedenste Gegenstände und das Internet miteinander vernetzt. Die Gegenstände erhalten eine eindeutige Identität (Adresse, z. B. eine IP-Adresse) im Netzwerk und werden mit künstlicher Intelligenz ausgestattet. Sie können dadurch über das Internet kommunizieren und Aufgaben voll automatisiert ausführen.
Unter dem Begriff Internet of Things (IoT), auf Deutsch Internet der Dinge, versteht man ein System, das verschiedenste Gegenstände und das Internet miteinander vernetzt. Die Gegenstände erhalten eine eindeutige Identität (Adresse, z. B. eine IP-Adresse) im Netzwerk und werden mit künstlicher Intelligenz ausgestattet. Sie können dadurch über das Internet kommunizieren und Aufgaben voll automatisiert ausführen.
Auch wenn das Internet of Things (IoT) im Bereich moderner IT-Infrastrukturen inzwischen omnipräsent erscheint, handelt es sich jedoch keineswegs um einen fest definierten Begriff. Deshalb sollen zunächst einige Begrifflichkeiten erklärt und definiert werden.
IoT-Geräte
Im Folgenden werden IoT-Geräte als Werkzeuge verstanden, die in der Lage sind, Daten und Informationen mit anderen Geräten auszutauschen. Die Art der Informationsübertragung ist dabei zunächst unerheblich. Es kann sich um Bluetooth-, MQTT-, ZigBee-, WLAN- oder ähnlich geartete Verbindungstechnologien handeln. Wichtig ist dabei nur, dass das IoT-Gerät in der Lage ist, selbstständig diese Informationen zu übermitteln.
Im Folgenden werden IoT-Geräte als Werkzeuge verstanden, die in der Lage sind, Daten und Informationen mit anderen Geräten auszutauschen. Die Art der Informationsübertragung ist dabei zunächst unerheblich. Es kann sich um Bluetooth-, MQTT-, ZigBee-, WLAN- oder ähnlich geartete Verbindungstechnologien handeln. Wichtig ist dabei nur, dass das IoT-Gerät in der Lage ist, selbstständig diese Informationen zu übermitteln.
Anpassung an Einsatzumgebung
Da sich die IoT-Technologie sektorübergreifend in verschiedenen Industrie- und Wirtschaftszweigen etabliert, müssen IoT-Geräte auf ihr Anwendungsgebiet zugeschnitten werden. Die Autoren Ang und Seng haben dafür den Begriff des Application Specific Internet of Things (ASIoT) definiert [1]. ASIoT-Geräte sind angepasst an ihre Einsatzumgebung. Messsensoren, die beispielsweise den Wasserverbrauch einer Industrieanlage messen sollen, haben als Anforderung eine hohe Batterielaufzeit und ein robustes Gehäuse. Im Bereich der Medizintechnik können Anforderungen die Funktions-, Betriebs- oder die Datensicherheit sein.
Da sich die IoT-Technologie sektorübergreifend in verschiedenen Industrie- und Wirtschaftszweigen etabliert, müssen IoT-Geräte auf ihr Anwendungsgebiet zugeschnitten werden. Die Autoren Ang und Seng haben dafür den Begriff des Application Specific Internet of Things (ASIoT) definiert [1]. ASIoT-Geräte sind angepasst an ihre Einsatzumgebung. Messsensoren, die beispielsweise den Wasserverbrauch einer Industrieanlage messen sollen, haben als Anforderung eine hohe Batterielaufzeit und ein robustes Gehäuse. Im Bereich der Medizintechnik können Anforderungen die Funktions-, Betriebs- oder die Datensicherheit sein.
Internet of Medical Things
Möchte man nun von dem ASIoT im Bereich des Gesundheitswesens sprechen, so hat sich hier der Begriff des Internet of Medical Things (IoMT) etabliert. Beispiele für Produkte im Bereich IoMT können Wearables, die diverse Vitaldaten erfassen, sein. Diese Informationen können dann unter anderem für die Überwachung von Parkinson oder Multipler Sklerose dienen. Aber auch mobile EKGs, Insulinpumpen oder Inhalatoren könnten unter diese Kategorie von IoMT-Geräten fallen. Im medizinischen Kontext werden dann vor allem hohe Ansprüche an die Messgenauigkeit, Datensicherheit, Ausfallsicherheit und Interoperabilität/Kompatibilität gestellt. Diese machen das Entwickeln und Bauen entsprechender IoMT-Geräte zu einer komplexen Aufgabe.
Möchte man nun von dem ASIoT im Bereich des Gesundheitswesens sprechen, so hat sich hier der Begriff des Internet of Medical Things (IoMT) etabliert. Beispiele für Produkte im Bereich IoMT können Wearables, die diverse Vitaldaten erfassen, sein. Diese Informationen können dann unter anderem für die Überwachung von Parkinson oder Multipler Sklerose dienen. Aber auch mobile EKGs, Insulinpumpen oder Inhalatoren könnten unter diese Kategorie von IoMT-Geräten fallen. Im medizinischen Kontext werden dann vor allem hohe Ansprüche an die Messgenauigkeit, Datensicherheit, Ausfallsicherheit und Interoperabilität/Kompatibilität gestellt. Diese machen das Entwickeln und Bauen entsprechender IoMT-Geräte zu einer komplexen Aufgabe.
Ziel von IoT/IoMT
In den letzten Jahren hat die Zahl von IoT-Geräten (Internet of Things Devices) und IoT-Lösungen, die mit dem Internet verbunden sind, bedeutend zugenommen. Diese IoT-Geräte interagieren mit uns Menschen und mit anderen vernetzbaren Geräten und Systemen. Sie liefern eine Vielzahl von Daten, die über IoT-Netzwerke und IoT-Protokolle zu zentralen Servern/Steuereinheiten übertragen werden. Dort erfolgten die Zusammenführung und Auswertung der Daten aus den verschiedensten Quellen, aus denen neue Funktionalitäten oder Informationen abgeleitet werden. Das Ziel von IoT-Lösungen ist, aus den neu kombinierten Daten Informationen zu gewinnen, um Arbeitsabläufe effizienter zu gestalten.
In den letzten Jahren hat die Zahl von IoT-Geräten (Internet of Things Devices) und IoT-Lösungen, die mit dem Internet verbunden sind, bedeutend zugenommen. Diese IoT-Geräte interagieren mit uns Menschen und mit anderen vernetzbaren Geräten und Systemen. Sie liefern eine Vielzahl von Daten, die über IoT-Netzwerke und IoT-Protokolle zu zentralen Servern/Steuereinheiten übertragen werden. Dort erfolgten die Zusammenführung und Auswertung der Daten aus den verschiedensten Quellen, aus denen neue Funktionalitäten oder Informationen abgeleitet werden. Das Ziel von IoT-Lösungen ist, aus den neu kombinierten Daten Informationen zu gewinnen, um Arbeitsabläufe effizienter zu gestalten.
Das Gesundheitswesen und die damit verbundenen medizinischen IT-Systeme sind von der IoT-Welt nicht ausgeschlossen. Ganz im Gegenteil, denn das Internet of Medical Things (IoMT) wird in der Entwicklung fortschreiten und möglicherweise ein integraler Bestandteil des Gesundheitswesens und der Medizintechnik werden. Die Möglichkeiten von IoT im Gesundheitswesen können nachhaltigen Einfluss auf den gesamten Versorgungsprozess von Gesundheitsorganisationen wie z. B. Krankenhäusern haben. Arbeitsabläufe in Diagnostik, Behandlung und Therapie sowie Entlass- und Überleitungsmanagement könnten von IoT-Lösungen profitieren [2].
Problem eingeschränkte Infrastruktur
Was allerdings für unseren Alltag bereits zur Selbstverständlichkeit geworden ist – Datenaustausch zu jeder Zeit und an jedem Ort – scheint im deutschen Gesundheitswesen jedoch eher schleppend voranzuschreiten. Im Rahmen des Forschungsprojekts 5G4Healthcare an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Amberg-Weiden wurde herausgearbeitet, dass dies mitunter an der oftmals nur eingeschränkten technischen Infrastruktur liegt. Ein Beispiel verdeutlicht diese Problematik: Ärztinnen und Ärzte im Krankenhaus nutzen bereits netzwerkfähige Diagnostikgeräte, müssen bisweilen allerdings zur Übertragung der Daten das Zimmer der Patientinnen und Patienten verlassen, da dort kein WLAN-Empfang vorhanden ist. Dieses Problem stellt keinen Einzelfall dar, kann aber je nach Umfeld unterschiedlichste Ursachen haben.
Was allerdings für unseren Alltag bereits zur Selbstverständlichkeit geworden ist – Datenaustausch zu jeder Zeit und an jedem Ort – scheint im deutschen Gesundheitswesen jedoch eher schleppend voranzuschreiten. Im Rahmen des Forschungsprojekts 5G4Healthcare an der Ostbayerischen Technischen Hochschule Amberg-Weiden wurde herausgearbeitet, dass dies mitunter an der oftmals nur eingeschränkten technischen Infrastruktur liegt. Ein Beispiel verdeutlicht diese Problematik: Ärztinnen und Ärzte im Krankenhaus nutzen bereits netzwerkfähige Diagnostikgeräte, müssen bisweilen allerdings zur Übertragung der Daten das Zimmer der Patientinnen und Patienten verlassen, da dort kein WLAN-Empfang vorhanden ist. Dieses Problem stellt keinen Einzelfall dar, kann aber je nach Umfeld unterschiedlichste Ursachen haben.
2.2 Ursprünge
Konzept
Das Konzept des Internet of Things bezieht sich auf ein System von identifizierbaren Geräten (intelligente Objekte bzw. Smart Devices), die miteinander verbunden, mit Rechenkapazität ausgestattet sind und Daten über ein Netzwerk übertragen, ohne dass eine menschliche Interaktion erforderlich ist [3]. Das Konzept sieht zugleich die allgegenwärtige Präsenz dieser intelligenten IoT-Geräte vor, die durch Zusammenarbeit untereinander und im Umgang mit Menschen gemeinsame Ziele erreichen [4].
Das Konzept des Internet of Things bezieht sich auf ein System von identifizierbaren Geräten (intelligente Objekte bzw. Smart Devices), die miteinander verbunden, mit Rechenkapazität ausgestattet sind und Daten über ein Netzwerk übertragen, ohne dass eine menschliche Interaktion erforderlich ist [3]. Das Konzept sieht zugleich die allgegenwärtige Präsenz dieser intelligenten IoT-Geräte vor, die durch Zusammenarbeit untereinander und im Umgang mit Menschen gemeinsame Ziele erreichen [4].
Frühe Entwürfe
Obwohl die IoT-Technologie erst in den letzten Jahren weit verbreitet eingesetzt wurde, gab es schon in der Vergangenheit Überlegungen und grundlegende Entwürfe für ein „Internet of Things”. Beispielsweise schrieb Mark Weiser 1991 einen Artikel über „Ubiquitous Computing”, den „allgegenwärtigen Einsatz von Computern”. Dabei handelt es sich um ein Modell der Mensch-Maschine-Interaktion, bei dem die Informationsverarbeitung in Objekte des Alltags integriert ist und nicht nur innerhalb einzelner Personalcomputer erfolgt [5].
Obwohl die IoT-Technologie erst in den letzten Jahren weit verbreitet eingesetzt wurde, gab es schon in der Vergangenheit Überlegungen und grundlegende Entwürfe für ein „Internet of Things”. Beispielsweise schrieb Mark Weiser 1991 einen Artikel über „Ubiquitous Computing”, den „allgegenwärtigen Einsatz von Computern”. Dabei handelt es sich um ein Modell der Mensch-Maschine-Interaktion, bei dem die Informationsverarbeitung in Objekte des Alltags integriert ist und nicht nur innerhalb einzelner Personalcomputer erfolgt [5].
Eine der ersten echten Anwendungen eines Systems, ähnlich dem oben beschriebenen, findet sich im industriellen Bereich, wo Maschinen selbstständig Informationen über ihren Zustand austauschen konnten. Diese Systeme wurden „Machine-to-Machine (M2M)-Systeme” genannt. Die Maschinen bildeten einen in sich geschlossenen Systemkreis, mit dem Hauptzweck des Informationsaustauschs und mit dem Ziel, die Überwachung und Verwaltung der Maschinen effizienter und kostengünstiger zu machen.
Potenzial
Das Bewusstsein für das Potenzial, Daten von unterschiedlichen M2M-Systemen in einem breiteren Kontext zu vernetzen, diese Daten weiterzuverarbeiten und dadurch „intelligenter” zu werden, fehlte in den ersten IoT-Anfängen [6]. Der Begriff „Internet of Things” wurde erstmals 1999 von Kevin Ashton während eines Vortrags verwendet [7]. In seiner Präsentation erläuterte Ashton die möglichen Vorteile des Einsatzes von Radio-Frequency-Identification-Technoloie (RFID) in der Warenwirtschaft. Durch die Ausstattung der Waren mit RFID-Chips und mit speziellen RFID-Lesegeräten könnten interessante Informationen wie z. B. Status, Rückverfolgbarkeit usw. mitgeteilt werden, um die Warenwirtschaft dadurch zu optimieren.
Das Bewusstsein für das Potenzial, Daten von unterschiedlichen M2M-Systemen in einem breiteren Kontext zu vernetzen, diese Daten weiterzuverarbeiten und dadurch „intelligenter” zu werden, fehlte in den ersten IoT-Anfängen [6]. Der Begriff „Internet of Things” wurde erstmals 1999 von Kevin Ashton während eines Vortrags verwendet [7]. In seiner Präsentation erläuterte Ashton die möglichen Vorteile des Einsatzes von Radio-Frequency-Identification-Technoloie (RFID) in der Warenwirtschaft. Durch die Ausstattung der Waren mit RFID-Chips und mit speziellen RFID-Lesegeräten könnten interessante Informationen wie z. B. Status, Rückverfolgbarkeit usw. mitgeteilt werden, um die Warenwirtschaft dadurch zu optimieren.
Erst zehn Jahre später war die Geburtsstunde des Internet of Things. Im Jahr 2009 überstieg die Zahl der vernetzten Objekte erstmals die Weltbevölkerung. 2010 hatte sich die Zahl vernetzter Objekte im Vergleich fast verdoppelt und erreichte etwa 12,5 Milliarden Objekte. Seit diesen Jahren hat sich das Internet of Things dank kontinuierlicher technologischer Entwicklungen und erheblichen Investitionen von Unternehmen im Alltag und somit auch im Gesundheitswesen immer mehr verbreitet. Im Jahr 2024 werden weltweit mehr als 30 Milliarden verbundene Objekte existieren und der Marktwert wird etwa 1 Milliarde USD betragen.
Herausforderungen überwinden
Doch wie bei jedem neuen Technologietrend gilt es, in den Bereichen Wirtschaft (Geschäftsfeld, Produkte), Gesellschaft und Technik Herausforderungen zu überwinden [8] [9] [10]. Die Herausforderungen im wirtschaftlichen Bereich liegen vor allem darin, für gewünschte Verwendungszwecke die richtigen IoT-Produkte auf dem Markt bereitzustellen.
Doch wie bei jedem neuen Technologietrend gilt es, in den Bereichen Wirtschaft (Geschäftsfeld, Produkte), Gesellschaft und Technik Herausforderungen zu überwinden [8] [9] [10]. Die Herausforderungen im wirtschaftlichen Bereich liegen vor allem darin, für gewünschte Verwendungszwecke die richtigen IoT-Produkte auf dem Markt bereitzustellen.
Kategorien von IoT-Produkten
Im Wesentlichen können IoT-Produkte nach ihrem Verwendungszweck und Kundentyp in drei Kategorien eingeteilt werden:
Im Wesentlichen können IoT-Produkte nach ihrem Verwendungszweck und Kundentyp in drei Kategorien eingeteilt werden:
| • | Konsumentenbezogene IoT-Produkte/Lösungen,z. B. Smartphones, |
| • | Kommerziell genutzte IoT-Produkte/Lösungen,z. B. Medizinprodukte, |
| • | Industriell genutzte IoT-Produkte/Lösungen,z. B. Gebäudetechnik und verschiedene Arten von Geräten für den industriellen Einsatz. |
Die Herausforderungen im gesellschaftlichen Bereich manifestieren sich in der Aufgabe, sich mit der Perspektive des Kunden zu identifizieren, der natürlich von einem Produkt profitieren möchte. Aber zugleich soll auch die Akzeptanz eines bestimmten Produkts aufseiten der Kunden geweckt werden. Angesichts sich rasch ändernder Anforderungen, getrieben durch den Kunden selbst, durch neue technische Entwicklungen oder durch normative oder regulatorische Vorgaben, muss seitens der Hersteller vor allem bei Datenschutz und IT-Sicherheit auf die Kundenperspektive und Kundenakzeptanz geachtet werden.
Besonders im sehr dynamischen technischen Bereich stecken einige Herausforderungen für die Weiterentwicklung des Internet of Things. Dazu zählen neben der Miniaturisierung von IoT-Geräten die Energieversorgung und die Widerstandskraft unter bestimmten physikalischen, chemischen oder mechanischen Bedingungen (z. B. im/am Körper eines Patienten in Form von Implantaten oder Sensoren). Weiterhin sind die sichere und stabile Kommunikation und Datenübertragung von und zu IoT-Geräten zu berücksichtigen. Eine zusätzliche Herausforderung stellen die Systemarchitekturen in der IoT-Welt dar. Denn für die verschiedenen IoT-Anforderungen gibt es unterschiedliche Systemarchitekturen.
