【ホワイトペーパー】NXPのニューラルプロセッシングユニットを搭載したコンガテックの AI用スターターキット～高度な看護のためのNPUを使った人間的な認知

ホワイトペーパー 高度な看護のためのNPUを使った人間的な認知 NXPのニューラルプロセッシングユニットを搭載したコンガテックの AI用スターターキット

1 NXPのニューラルプロセッシングユニットを搭載したコンガテックの AI用スターターキット 高度な看護のためのNPUを使った人間的な認知 診断や除細動器、あるいは低侵襲手術のライブ画像などのバイオメディカル アプリケーションに おいては、 どのようにインテグレーションを実現するかによって、 AIベースのシステムが成功する かどうかを決定づけます。 あらかじめコンフィグレーションされた組込みモジュールは、 開発者が 特定の医療アプリケーションのソリューションをより迅速に開発することに役立ちます。 コンガテ ックが、 ニューラル・プロセッシング・ユニット（NPU）をインテグレートした、 NXP i.MX 8 Plusプロ セッサを搭載した、 ソリューションプラットフォームを開発したことによって、 患者のケアプロセス を人間のようにおこなうことができるようになります。 除細動器は心臓のリズムを取り戻す 2021年6月12日、 午後6時43分、 サッカー界は 息を呑みました。 デンマーク対フィンランド戦の ゲーム中にデンマークの選手、 クリスティアン・ エリクセンの心臓は鼓動を止めたのです。 彼は 倒れました。幸いなことに医者は近くにいて、 彼 の命を救うためにすぐに救護措置をおこないま した。 彼らが使用したものの1つは除細動器で した。 除細動器は、 今日では医療関係者以外の 人も操作することができるようになっています。 いわゆるAED（自動体外式除細動器）は、 最新 のコンピュータ技術によって、 命を救うための 電気ショックを与えて、自動的に正常な心臓の リズムに回復させることができるようにプログラ ムされています。 命を救うために必要なのは、 AIベースのコンピュータ技術により、AEDは、患者の正常な心臓のリズムを自動的に回 復できるライフセーバーです。 右鎖骨と左脇の下に2つの粘着電極を取り付け ることだけです。 あとは、 NXPのi.MX 8アプリケーションプロセッサなどによって制御されます。 NXPプロセッサを使用したバイオメディカル分野のアプリケーション NXPテクノロジーをメディカルで利用した除細動器は、 e-ヘルスソリューションの一例にすぎません が、e-ヘルスソリューションは、 患者の入院から所見の取得、手術に対する診断、 そしてベッドサイドケ アにまで及びます。 人工知能を使用してメディカルアプリケーションの効率を高めるために、 NXPは新 しいi.MX 8M Plusプロセッサにディープラーニングと機械学習用のNPUを内蔵しました。 脳のニュー ラルネットワーク アーキテクチャをモデルに開発されたニューロモルフィックプロセッサは、 パターン 認識用に最適化されているため、 このようなタスクを実行するために必要な電力は、 従来のCPUより もはるかに少なくて済みます。 同時に、 このような低消費電力NPUは、 1秒あたり数テラ演算（TOPS） の処理が可能であるため、スマートe-ヘルスソリューションの開発者に新しい可能性をもたらします。 患者の健康を増進するための24時間デジタルヘルスケア アシスタント NPUで高速化されたNXP i.MX 8M Plusプロセッサは、 AIエンジンにより2.3 TOPSを実現し、 さらに通 常のコンピューティングタスク用に4つのArm Cortex-A53コアと1つのArm Cortex-M7コントローラ を内蔵しています。 また、 高解像度の画像とビデオをリアルタイムで並列処理するためのイメージ・シ グナル・プロセッサ（ISP）も内蔵しています。 これにより、 画像を取得しながら同時に前処理をおこな うことができるため、 NPUによる正確な結果を高速で得ることができます。 これは、 正確な視覚情報

2 NXPのニューラルプロセッシングユニットを搭載したコンガテックの AI用スターターキット がリアルタイムで必要とされる低侵襲手術だけ でなく、 イメージ情報を必要とするすべてのプロ セスで有効です。 麻酔器においても、AIアクセラレータを備えた i.MXプロセッサは、 OPチームが患者の麻酔薬を 正確に管理、 制御するのに役立ちます。 麻酔器 のモニタ装置は、 噴霧器を通過する前で圧縮ガ スの流れを制御し、 その結果、 混合された気体 が患者の呼吸器系に取り込まれます。 AIベースの組込みアプリケーションは、エッジベースの画像処理を使用して、外科医が 手術室で低侵襲手術をリアルタイムで実行するのを支援します。 放射線科やベッドサイドでのAI 放射線科でAIを使用することで、 X線、 および超音波診断装置からの情報を分析して、 結果を取得す ることができます。 たとえば、CTスキャンで肺を検査する医師は胸部全体を見ることができるため、冠 状動脈の石灰化を検出することもできます。 患者の治療を始めるときに、 この追加情報は包括的な 計画を立てることに役立ちます。 AIシステムは患者の各種の数値を、 ソフトウェアに保存されているリ ファレンスの値と比較します。 偏差や異常は画像にマークされるため、 医師が対応する領域をより綿 密に調べることができるようになります。 ベッドサイドでは、 NPUを内蔵したプロセッサが、 患者のケアを支援するデジタルパートナーです。 電 動ベッドのAIは、 患者が好む角度と、 座ったり起きたりするときに患者が必要とするサポートの種類 を学習します。 さらに、 AIアプリケーションは、 血圧、 体温、 ECGデータなどのバイタルサインをモニタ し、輸液ポンプを制御します。 これにより、 患者に循環器系を介して血液や薬剤、 栄養素などの液体 を、制御して送ること可能になります。 それに加えてAIソリューションは、 患者が病状のためにはっき りと話すことができなくなった場合に、 医療スタッフと患者とのコミュニケーションをサポートすること ができます。 シンプルになったヒューマン・マシン・インタフェース タッチスクリーンや音声、 あるいは拡張現実（AR）による医療用のヒューマン・マシン・インタフェース（ メディカルHMI）の制御もここに含まれます。 これにより、 麻酔中、あるいはベッドサイドでの患者モニ タシステムの操作が簡素化されるだけでなく、 内蔵のAIプロセッサが早期警報システムに対応するこ とによって、 医師とケアスタッフをその作業から解放します。 さらに、 AIソリューションは、 患者が入院 するときに使う、いわゆる入院手続きマシンでますます使用されています。 それは緊急入院の時に、 危 険なボトルネックを回避するために、 血糖値や肺機能などのバイタルサインに関するデータに基づい て、 治療順序の推奨事項をリアルタイムで提供することによって、 スタッフをサポートします。 AIを使用 して患者のデジタルツインを作成し、 事前に治療法をテストすることも、 将来的には想定されます。 こ れにより、 医師は薬物療法や治療法の考えられる効果を評価し、 起こりうるリスクを最小限に抑える ことができます。 これらすべてのユースケースで重要なことは、 医療機器が情報を自律的に記録し、 評価するための計 算能力を備えている必要があるということです。 それには、 手術室、 緊急入院部門、 または集中治療 室で機能する、 クラウドから独立したAIベースのエッジシステムが必要です。 これにより、 クラウドにデ

3 NXPのニューラルプロセッシングユニットを搭載したコンガテックの AI用スターターキット ータを送って評価する必要がなくなり、 その結果遅延が減少し、ネットワークの状況に依らず、 デバイ スが動作し続けることができます。 患者ケア用のコンパクトスターターキット これら、 考えられるすべてのAIアプリケーションでの、 i.MX 8M Plusプロセッサの使用を促すために、 コンガテックは、 開発者が最先端のバイオメディカルアプリケーションを迅速かつ安全に実装できる スターターキットを開発しました。 考えられるメディカルアプリケーションの多様性を考えると、 スタ ーターキットは、 組込みアプリケーションに完全にフィットするように設計できなければなりません。 そのため、 コンガテックは、 i.MX 8M Plusプロセッサを搭載したクレジットカードサイズのSMARC 2.1 コンピュータ・オン・モジュールを組み込んだキットを提供しています。 内蔵されたNPUにより、 クラウ ドへの接続なしにすべてローカルのエッジにおいてAI推論を高速に実行します。 モジュールには、 ビ ジョンベースのタスク向けに、 データ効率の高いH.265ビデオ圧縮規格のハードウェアによるエンコ ードとデコードを実装しています。 これにより、 インテグレートされた2つのMIPI CSIインタフェースか らの高解像度ビデオストリームを、 直接ネットワークを経由して他のe-ヘルスソリューションや病院の PACS（画像アーカイブおよび通信システム）に送信することができます。 eIQによる最適化 ソフトウェアについては、 NXPが「eIQ機械学習」プラットフォームを提供しています。 「eIQ」は「edge intelligence」の略です。 開発者は、 NXPのマイクロプロセッサやマイクロコントローラに適した、 さま ざまなライブラリと開発ツールを組み合わせた AIベースシステムの開発環境にアクセスすることがで きます。 これには、 既存のデータと分析から推論を通じて新しい事実を導き出すことができる、 ソフト ウェアベースの推論エンジンが含まれています。 eIQは、 Arm Neural Network（NN）やオープンソー スベースのTensorFlow Liteなどの推論エンジンとライブラリをサポートしています。 Basler社のAIの眼 アプリケーション固有の設計は、 最終的に3.5インチのキャリアボードを使って実装されます。 これは、 データ通信の中央インタフェースとして機能し、 必要なすべてのペリフェラルをモジュールに接続しま す。 たとえば、 追加のコンバータモジュールを必要とせずに、 カメラを簡単に接続するために、 2つの MIPI CSI-2.0インタフェースを備えています。 スターターキットにはBasler dart BCON MIPIカメラが 付属していますが、 ほかのカメラでもMIPI CSIに準拠し、 コンガテックキットでサポートされていれば 接続することができます。 ソフトウェアに関しては、 Basler pylon Camera Software Suiteが統一され たSDKを提供し、 MIPICSI-2.0以外のインタフェースでも使用でき、 産業用カメラをUSB 3やGigEで制 御することができます。 統合されたBaslerソフトウェアパッケージのおかげで、 開発者はトリガーなど のAIベースのビジョン機能にすぐにアクセスすることができ、これにより、 静止画の超高速プロビジョ ニングや高度に差別化されたカメラコンフィグレーションオプションが可能になります。 さらに、 このソ フトウェアは、 NPUのパフォーマンスや機能を最大限に活用するために、 Arm NNやTensorFlow Lite エコシステムをベースとするカスタムの推論アルゴリズムなどに簡単にアクセスすることができます。 あらかじめコンフィグレーションされたスターターキットは、 メディカルビジョンシステムの開発にかか る時間を節約するだけでなく、 市場で確立された技術や規格を使用することによる保証も得られま す。 医療機器で使われるArm Cortex-AプロセッサとNPUの組み合わせにより、 人間の介入をほとん ど、 あるいはまったく必要とせずに、 センサデータから適切な結論を導き出し、 その場で学習してイン テリジェントな意思決定をおこなうことができます。

4 NXPのニューラルプロセッシングユニットを搭載したコンガテックの AI用スターターキット 医学の万能ヘルパーとしてのAI AIは、さまざまな状況で医療スタッフの重要なタスクをサポートするために、 医療現場や病院、 あるい はケア施設などで使用されます。 視覚イメージ処理の有無にかかわらず、 ディープラーニングや機械 学習によるAIを使用して、 それぞれのe-ヘルスソリューシ AIビジョン用のコンガテック スターターキットは、カメラとして機能するBasler dartカメラ、 AIビジョンの中央処理装置：conga-SMX8-Plus SMARC 2.1モジュールは、 通信インタフェースとして2x MIPI CSIを備えたSMARC 2.1キャリアボード、そしてプロセッサ わずか6 WのTDP（熱設計電力）でニューロモルフィック インテリジェンスを としてのSMARC 2.1モジュールの個々のコンポーネントを統合します。 エッジにもたらします。 ョン向けに実際のアプリケーションを開発することができます。 シンプルで迅速なアプリケーション開 発は、 人工知能の無数のオプションを探索する上で重要な役割を果たします。 コンガテックのすでに 評価済みのスターターキットなどは、 開発作業をスピードアップさせることができるため、 すぐに成果 を上げることができます。 さらに、 これらは、インテリジェントNPUのコンピューティングパワーを最大 限引き出すための幅広いオプションを提供します。 著者： マーティン・ダンザー（Martin Danzer） コンガテック プロダクトマネージメント ディレクター

コンガテック（congatec）について コンガテック（congatec）は、組込みコンピューティング製品にフォーカスする、急速に成長しているテクノロジー企業です。 ハ イパフォーマンス コンピュータモジュールは、 産業オートメーション、医療技術、 輸送、 テレコミュニケーション、その他の多くの 分野の幅広いアプリケーションやデバイスで使用されています。 当社は、 成長する産業ビジネスにフォーカスする、 ドイツのミッ ドマーケットファンドである株主のDBAG Fund VIIIに支えられており、 これらの拡大する市場機会を活用するための資金調達 とM＆Aの実績があります。 また、コンピュータ・オン・モジュールの分野では、世界的なマーケットリーダーであり、 新興企業か ら国際的な優良企業まで優れた顧客基盤を持っています。コンガテックは、ドイツのデッゲンドルフに本社を置き、現在、米国、 台湾、 中国、 日本、 オーストラリア、 英国、 フランス、 チェコ共和国に事業拠点を置いています。 詳細については、 当社の Web サイト www.congatec.com/jp、 または LinkedIn、 Twitter、 YouTube をご覧ください。 本社 congatec GmbH Auwiesenstraße 5 94469 Deggendorf Germany Phone +49 (991) 2700-0 info@congatec.com www.congatec.com 子会社 congatec Asia Ltd. congatec, Inc. コンガテックジャパン株式会社 congatec China Technology Ltd. 2F., No.186, Sec. 3, 6262 Ferris Square 〒105-0013 東京都 港区 浜松町1-2-7 Sunyoung Center, 901 Building B, Chengde Rd. San Diego 浜松町一丁目ビル301 No. 28 Xuanhua Road, Changning District, 10366 Taipei, Taiwan CA 92121 USA Phone +81 (3) 6435-9250 Shanghai 200050, China Phone +886 (2) 2597-8577 Phone +1 (858) 457-2600 sales-jp@congatec.com Phone +86 (21) 6025-5862 sales-asia@congatec.com sales-us@congatec.com www.congatec.jp sales-asia@congatec.com www.congatec.tw www.congatec.us www.congatec.cn congatec Australia Pty Ltd. congatec Korea Ltd. Real-Time Systems GmbH Unit 2, 62 Township Drive Mr. Yoonsun Kim Gartenstrasse 33 West Burleigh (Yatap-Dong), #707, 88212 Ravensburg Queensland 4219, Australia 42, Jangmi-ro, Bundang-gu, Germany Phone +61 (7) 5520-0841 Seongnam-si, Gyeonggi-do, Phone +49 (751) 359558-0 sales-au@congatec.com South Korea info@real-time-systems.com www.congatec.com Phone: +82 (10) 2715-6418 www.real-time-systems.com yoonsun.kim@congatec.com セールスオフィス France United Kingdom / Ireland Nordics & Baltics Mr. Luc Beugin Mr. Darren Larter Mr. Anders Rasmussen Phone: +33 6 44 32 70 88 Phone: +44 784 581 4792 Phone: +45 285 649 92 cfr-sales@congatec.com cuk-sales@congatec.com cdk-sales@congatec.com