DE102018103957A1

DE102018103957A1 - Medizingerätesystem, Steuergerät und medizinisches Instrument

Info

Publication number: DE102018103957A1
Application number: DE102018103957.3A
Authority: DE
Inventors: Karsten Lorenz
Original assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Current assignee: Olympus Winter and Ibe GmbH
Priority date: 2018-02-21
Filing date: 2018-02-21
Publication date: 2019-09-05

Abstract

Es wird ein Medizingerätesystem vorgestellt mit einem Steuergerät (1,401) und wenigstens einem medizinischen Instrument (2,202,402), welches mit dem Steuergerät (1,401) verbunden oder verbindbar ist, wobei das medizinische Instrument (2,202,402) einen Datenspeicher (20,120,220,230,240) aufweist, in welchem Daten über eine Art und/oder einen Nutzungszustand des medizinischen Instruments (2,202,402) abgelegt sind, das Steuergerät (1,401) eingerichtet ist, auf die in dem Datenspeicher (20,120,220,230,240) abgelegten Daten zuzugreifen, um anhand der Daten zu bestimmen, ob ein Betrieb des medizinischen Instruments (2,202,402) mit dem Steuergerät (1,401) zulässig ist, und das Steuergerät (1,401) ferner eingerichtet ist, die in dem Datenspeicher (20,120,220,230,240) abgelegten Daten zu verändern und/oder zu löschen, um einen erneuten, nicht zulässigen Betrieb des medizinischen Instruments (2,202,402) mit dem Steuergerät (1,401) zu verhindern. Das Medizingerätesystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Daten in dem Datenspeicher (20,120,220,230,240,440) in Form von überlagerten Zuständen eines Quantensystems (Qubit) abgelegt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Medizingerätesystem mit einem Steuergerät und wenigstens einem medizinischen Instrument, welches mit dem Steuergerät verbunden oder verbindbar ist, wobei das medizinische Instrument einen Datenspeicher aufweist, in welchem Daten über eine Art und/oder einen Nutzungszustand des medizinischen Instruments abgelegt sind, das Steuergerät eingerichtet ist, auf die in dem Datenspeicher abgelegten Daten zuzugreifen, um anhand der Daten zu bestimmen, ob ein Betrieb des medizinischen Instruments mit dem Steuergerät zulässig ist, und das Steuergerät ferner eingerichtet ist, die in dem Datenspeicher abgelegten Daten zu verändern und/oder zu löschen, um einen erneuten, nicht zulässigen Betrieb des medizinischen Instruments mit dem Steuergerät zu verhindern.
In der modernen Medizin basiert eine Vielzahl von verwendeten medizinischen Instrumenten auf Technologien, welche eine Verbindung des jeweiligen medizinischen Instruments mit einem Steuergerät erfordern. Dies trifft zum Beispiel auf elektrochirurgische Instrumente zu, die mit einem elektrochirurgischen Generator verbunden werden müssen, aber ebenso auf Videoendoskope, welche mit einer Kamerakontrolleinheit verbunden werden müssen. Weiterhin müssen mechanische Instrumente wie Morzellatoren oder Debrider mit Antriebsmotoren verbunden werden.
Die Komplexität vieler moderner Medizingerätesysteme führt dazu, dass auch medizinische Instrumente mit ähnlichen Funktionalitäten nicht zwangsläufig kompatibel zueinander sind, und nur mit bestimmten Steuergeräten verwendet werden können.
Weiterhin sind viele medizinische Instrumente nur für einen einmaligen Gebrauch oder für wenige, abzählbare Anwendungszyklen vorgesehen, da z.B. eine vollständige Aufbereitung aufgrund der Topografie des Instruments nicht möglich ist, oder zu einem starken Verschleiß führt, welcher das Instrument nach wenigen Aufbereitungsvorgängen unbrauchbar macht.
Um eine Verwendung inkompatibler medizinischer Instrumente oder solcher Instrumente, welche die maximale Anzahl von Anwendungszyklen bereits abgeleistet haben, mit Steuergeräten zu verhindern, sind im Stand der Technik verschiedene Methoden vorgeschlagen und teilweise auch zur Anwendung gekommen. Dazu gehört die Codierung von medizinischen Instrumenten mit bestimmten elektrischen Bauelementen, Mikrochips, Barcodes, QR-Codes oder RFID-Tags, anhand derer ein Steuergerät die Art des medizinischen Instruments erkennen kann. Weiterhin wurde vorgeschlagen, durchgeführte Anwendungszyklen eines medizinischen Instruments auf einem Datenträger im Instrument oder im Steuergerät zu protokollieren, so dass ein verbrauchtes Instrument erkannt und dessen Verwendung unterbunden werden kann.
Beispielsweise beschreibt die DE102016208541A1 der Anmelderin ein medizinisches Instrument, welches mit einem FRAM-Speicher (Ferroelectric Random Access Memory) ausgerüstet ist, um Identifikationsdaten und/oder Gebrauchsdaten des Instruments zu speichern.
Es sind jedoch Fälle aufgetreten, bei denen solche Methoden vorsätzlich umgangen worden sind, um die Verwendung inkompatibler oder verbrauchter medizinischer Instrumente mit einem Steuergerät zu ermöglichen. Beispielsweise wurden dazu die Codierung von medizinischen Instrumenten kopiert, indem Datenspeicher ausgelesen und ihr Inhalt auf weitere Datenträger geschrieben wurde. Ebenfalls ist es denkbar, die Datenkommunikation zwischen einem Steuergerät und einem medizinischen Instrument abzuhören, um ein weiteres medizinisches Instrument so einzurichten, dass es diese Kommunikation replizieren kann.
Hierdurch können sowohl für einen zu behandelnden Patienten als auch für einen das inkompatible oder verbrauchte Instrument verwendenden Arzt unkalkulierbare Risiken entstehen.
Es besteht daher eine Aufgabe der Erfindung darin ein Medizingerätesystem bereitzustellen, welches hinsichtlich der beschriebenen Problematik verbessert ist.
Diese Aufgabe wird gemäß eines Aspekts der Erfindung gelöst durch ein Medizingerätesystem mit einem Steuergerät und wenigstens einem medizinischen Instrument, welches mit dem Steuergerät verbunden oder verbindbar ist, wobei das medizinische Instrument einen Datenspeicher aufweist, in welchem Daten über eine Art und/oder einen Nutzungszustand des medizinischen Instruments abgelegt sind, das Steuergerät eingerichtet ist, auf die in dem Datenspeicher abgelegten Daten zuzugreifen, um anhand der Daten zu bestimmen, ob ein Betrieb des medizinischen Instruments mit dem Steuergerät zulässig ist, und das Steuergerät ferner eingerichtet ist, die in dem Datenspeicher abgelegten Daten zu verändern und/oder zu löschen, um einen erneuten, nicht zulässigen Betrieb des medizinischen Instruments mit dem Steuergerät zu verhindern, wobei das Medizingerätesystem dadurch weiter gebildet ist, dass die Daten in dem Datenspeicher in Form von überlagerten Zuständen eines Quantensystems (Qubit) abgelegt sind.
Als „Qubit“ wird, analog zu einem „Bit“ in der digitalen Informatik, die kleinste Informationseinheit in der Quanteninformatik bezeichnet. Ein Qubit wird dabei durch ein Quantensystem gebildet, welches zwei diskrete Grundzustände einnehmen kann. Infolge der Gesetze der Quantenmechanik kann das Quantensystem dabei allerdings nicht nur die Grundzustände, als |0> bzw. |1> dargestellt, einnehmen, sondern auch beliebige Überlagerungen dieser Zustände in der Form $Q = a * | 0 〉 + b * | 1 〉$
wobei a und b komplexe Zahlen sind, die folgender Randbedingung genügen: $a^{2} + b^{2} = 1.$
Die Überlagerung der beiden Zustände des Quantensystems ist dabei nicht direkt beobachtbar. Bei einem messenden Zugriff, beispielsweise Auslesen des Qubits, kollabiert eine die Überlagerung darstellende Wellenfunktion, und das System fällt entweder in den Zustand |0> oder den Zustand |1>. Dabei ist die Wahrscheinlichkeit, dass das System in den Zustand |0> fällt, gleich a², während die Wahrscheinlichkeit, dass das System in den Zustand |1> fällt, gleich b² ist.
Aus dem Kollaps der Wellenfunktion beim Auslesen des Qubits folgt, dass die in dem Qubit gespeicherte Information nur ein einziges Mal ausgelesen werden kann. Gleichzeitig folgt aus den Gesetzen der Quantenmechanik, dass der Inhalt eines Qubits nicht kopiert werden kann, ohne dass die ursprüngliche Information gelöscht wird.
Somit ist bei einem Medizingerätesystem gemäß der beschriebenen Erfindung sichergestellt, dass ein medizinisches Instrument, welches nur zur einmaligen Verwendung vorgesehen ist, auch nur ein einziges Mal verwendet wird. Bei dem Versuch, das Instrument ein zweites Mal zu verwenden, schlägt ein lesender Zugriff des Steuergerätes auf den Datenspeicher fehl, da die Information ja bereits bei dem vorherigen Zugriff gelöscht wurde.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann der Datenspeicher des medizinischen Instruments so ausgeführt sein, dass er wenigstens zwei Qubits, vorzugsweise wenigstens 5 Qubits, besonders vorzugsweise wenigstens 10 Qubits, aufnehmen kann. Auf diese Weise kann mittels der in den Qubits gespeicherten Information beispielsweise eine Mehrzahl von verschiedenen Instrumententypen unterschieden werden.
So können beispielsweise in den Datenspeichern eines ersten Instrumententyps Qubits gespeichert werden, die mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,2 in den Zustand |1> fallen, während in den Datenspeichern eines zweiten Instrumententyps Qubits gespeichert werden, die mit einer Wahrscheinlichkeit von 0,8 in den Zustand |1> fallen.
Umfassen die Datenspeicher nun 10 entsprechende Qubits, so wird die Summe der Qubits, deren Messung |1> ergibt, etwa 2 sein, wenn es sich um ein Instrument des ersten Typs handelt, hingegen etwa 8, wenn es sich um ein Instrument des zweiten Typs handelt.
In einer zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung kann das medizinische Instrument für eine bestimmte Anzahl von Verwendungen vorgesehen ist, und für jede einzelne Verwendung ist ein separater Datenspeicher vorgesehen.
Somit kann das Steuergerät vor jeder zulässigen Verwendung des medizinischen Instruments einen Datenspeicher erfolgreich auslesen. Ist die Anzahl der zulässigen Verwendungen des Instruments hingegen aufgebraucht, kann kein weiterer Lesevorgang mehr durch das Steuergerät ausgeführt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann dabei das Steuergerät eingerichtet sein, zunächst einen ersten Datenspeicher auszulesen, und wenn dieser Datenspeicher keine validen Daten enthält, so lange nacheinander weitere Datenspeicher auszulesen, bis entweder valide Daten ermittelt wurden, oder bis alle Datenspeicher des medizinischen Instruments ausgelesen wurden.
Das Steuergerät kann zusätzlich eingerichtet sein, einen Betrieb des medizinischen Instruments mit dem Steuergerät zu unterbinden, wenn in keinem der Datenspeicher des medizinischen Instruments valide Daten ermittelt wurden.
Durch die beschriebenen Ausführungen können auch mehrfach zu verwendende medizinische Instrumente durch das Steuergerät erkannt und für die zugelassene Anzahl von Verwendungen autorisiert werden, während eine über diese Anzahl hinausgehende Verwendung unterbunden wird.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Steuergerät eingerichtet sein, den Datenspeicher mittels Quantenteleportation auszulesen.
Als Quantenteleportation wird ein Verfahren bezeichnet, bei welchem der Informationsinhalt eines ersten Qubits auf ein zweites Qubits übertragen werden kann, ohne dass die entsprechenden Qubits bewegt werden müssen. Der ursprüngliche Informationsinhalt des ersten Qubits wird dabei gelöscht. Eine Beschreibung der Quantenteleportation kann z.B. der Webseite https://de.wikipedia.org/wiki/Quantenteleportation, gespeichert am 09.02.2018, entnommen werden.
Gemäß einer besonderen Ausführung der Erfindung kann in dem Steuergerät ebenfalls ein Datenspeicher vorgesehen sein, in dem Daten in Form von überlagerten Zuständen eines Quantensystems abgelegt sind, und die in dem Datenspeicher des medizinischen Instruments abgelegten Daten sowie die in dem Datenspeicher des Steuergeräts abgelegten Daten sind miteinander verschränkt.
Als Verschränkung wird das quantenmechanische Phänomen bezeichnet, dass die Zustände zweier Quantensysteme, die durch die gleiche Wellenfunktion beschrieben werden, sich nicht unabhängig voneinander ändern können. Sind zwei Qubits beispielsweise miteinander verschränkt, und wird die Wellenfunktion eines Qubits durch Messung zum Kollabieren gebracht, so kollabiert im gleichen Moment auch die Wellenfunktion des zweiten Qubits. Dabei erfolgt die Beeinflussung des Zustandes des zweiten Qubits unabhängig von Möglichkeiten der klassischen physikalischen Wechselwirkungen, also beispielsweise über beliebige Entfernungen, durch physische Barrieren, und ohne Beschränkung auf die Lichtgeschwindigkeit.
Wenn nun gemäß einer Weiterbildung der Erfindung das Steuergerät eingerichtet ist, durch Zugriff auf einen der Datenspeicher des medizinischen Instruments oder des Steuergeräts eine Zustandsveränderung des Quantensystems in dem Datenspeicher auszulösen, und durch Zugriff auf den anderen der Datenspeicher des medizinischen Instruments oder des Steuergeräts festzustellen, ob die gleiche Zustandsänderung infolge der Verschränkung auch in dem Quantensystem des anderen Datenspeichers eingetreten ist, so lässt sich eine absolut sichere Identifikation des medizinischen Instruments durch das Steuergerät erreichen.
Das Steuergerät kann dementsprechend eingerichtet sein, den Betrieb des medizinischen Instruments mit dem Steuergerät zu unterbinden, wenn keine Verschränkung zwischen den in dem Datenspeicher des Steuergeräts und in dem Datenspeicher des medizinischen Instruments gespeicherten Qubits vorgelegen hat.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Steuergerät zur Verwendung mit mehreren medizinischen Instrumenten vorgesehen sein, und für jedes medizinische Instrument ist ein separater Datenspeicher in dem Steuergerät vorgesehen.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird die Aufgabe gelöst durch ein Medizingerätesystem mit einem Steuergerät und wenigstens einem medizinischen Instrument, welches mit dem Steuergerät verbunden oder verbindbar ist, wobei das medizinische Instrument einen Datenspeicher aufweist, in welchem Daten über eine Art und/oder einen Nutzungszustand des medizinischen Instruments abgelegt sind, das Steuergerät eingerichtet ist, auf die in dem Datenspeicher abgelegten Daten zuzugreifen, um anhand der Daten zu bestimmen, ob ein Betrieb des medizinischen Instruments mit dem Steuergerät zulässig ist, und das Steuergerät ferner eingerichtet ist, die in dem Datenspeicher abgelegten Daten zu verändern und/oder zu löschen, um einen erneuten, nicht zulässigen Betrieb des medizinischen Instruments mit dem Steuergerät zu verhindern, welches dadurch weitergebildet ist, dass das Steuergerät und das medizinische Instrument eingerichtet sind, auszutauschende Daten nach einem quantenkryptografischen Verfahren zu verschlüsseln.
Auf diese Weise kann ein abhören der Datenkommunikation zwischen dem Steuergerät und dem medizinischen Instrument sicher verhindert werden.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Steuergerät eines entsprechenden Medizingerätesystems, und durch ein medizinisches Instrument eines entsprechenden Medizingerätesystems. Zu den dadurch erreichbaren Wirkungen und Vorteilen wird explizit auf die obigen Ausführungen verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger beispielhafter Darstellungen näher erläutert. Dabei dienen die Darstellungen nur dem besseren Verständnis der Erfindung, ohne den Schutzbereich der Patentansprüche einzuschränken.
Es zeigen:

1: Ein Medizingerätesystem,
2: ein Datenspeicher,
3: ein weiteres medizinisches Instrument,
4: ein Verfahren zum Auslesen eines Datenspeichers,
5: ein weiteres Medizingerätesystem,
6: noch ein weiteres Medizingerätsystem.

In 1 ist ein Medizingerätesystem dargestellt. Das Medizingerätesystem umfasst ein Steuergerät 1 und ein medizinisches Instrument 2. Das medizinische Instrument 2 besteht aus einem Hauptkörper 3, der beispielsweise als Griff fungieren kann, und einem Anwendungsabschnitt 4, welcher die Form eines langgestreckten Schafts haben kann. Am distalen Ende des Anwendungsabschnitts 4 ist ein Funktionselement 5 angeordnet, bei dem es sich um eine Kamera, eine chirurgische Elektrode, eine feststehende, rotierende oder oszillierende Klinge, oder ein ähnliches Element handeln kann.
Das Steuergerät 1 umfasst eine Funktionseinheit 10, welche das Funktionselement 5 kontrolliert. Dazu ist die Funktionseinheit 10 mit dem Funktionselement 5 über eine Funktionsleitung 11 verbunden. Je nach Art des Funktionselements 5 kann es sich bei der Funktionsleitung 11 um eine Videoleitung, eine Hochfrequenzleitung, eine flexible Antriebswelle oder um eine ähnliche Leitung handeln.
Das Steuergerät 1 umfasst weiterhin eine Steuereinheit 15, welche eingerichtet ist, Daten über Art und Benutzungszustand des medizinischen Instruments 2 abzufragen und anhand dieser Daten zu entscheiden, ob das medizinische Instrument 2 mit dem Steuergerät 1 verwendet werden darf.
Dazu umfasst das medizinische Instrument 2 einen Datenspeicher 20, welcher im dargestellten Beispiel aus zwei Qubits Q₀ , Q₁ sowie einem Interface 21 besteht. Die Qubits Q₀ , Q₁ können auf verschiedene Arten realisiert sein, beispielsweise als in Resonatoren gefangene Photonen im optischen, infraroten, oder Mikrowellen-Frequenzbereich, als in lonenfallen gefangene Ionen eines geeigneten Elements, oder als Elektronen in einer Halbleiterstruktur (Quantenpunkt). Weitere mögliche Umsetzungen der Qubits Q₀ , Q₁ können z.B. dem Artikel https://de.wikipedia.org/wiki/Qubit, gespeichert am 09.02.2018, entnommen werden. Das Interface 21 ist eingerichtet, um mit den Qubits Q₀ , Q₁ zu interagieren.
Die Steuereinheit 15 ist über eine Datenleitung 22 mit dem Interface 21 und über eine Quantenleitung 23 mit den Qubits Q₀ , Q₁ verbunden. Als Quantenleitung 23 kann abhängig von der Umsetzung der Qubits Q₀ , Q₁ beispielsweise ein Lichtleiter oder ein Hohlleiter in Frage kommen.
In den Qubits Q₀ , Q₁ befindet sich jeweils ein binäres Quantensystem, also ein System, welches zwei Grundzustände |0>, |1> in einem Überlagerungszustand a*|0>+b*|1>, wobei a und b komplexe Zahlen sind und die Randbedingung erfüllen: a²+b²=1. Sobald über das Interface 21 lesend auf eines der Qubits Q₀ , Q₁ zugegriffen wird, kollabiert die Wellenfunktion der überlagerten Quantenzustände, und das Quantensystem fällt in einen der Grundzustände, und zwar mit einer Wahrscheinlichkeit von a² in den Zustand |0>, und mit einer Wahrscheinlichkeit von b² in den Zustand |1>.
Wenn das Steuergerät 1 das medizinische Instrument 2 aktivieren soll, fordert die Steuereinheit 15 das Interface 21 über die Datenleitung 22 zunächst auf, den Zustand der Qubits Q₀ , Q₁ zu prüfen, also zu prüfen, ob sich die Quantensysteme in einem Überlagerungszustand befinden. Ist dies der Fall, so greift das Interface 21 lesend auf die Qubits Q₀ , Q₁ zu. Dabei werden die Überlagerungszustände zerstört und die Quantensysteme fallen wie oben beschrieben in einen der Grundzustände |0>, |1>. Das Interface 21 ermittelt dann, in welchen Grundzustand die Quantensysteme gefallen sind, und meldet dies über die Steuerleitung 22 an die Steuereinheit 15. Die Steuereinheit 15 ermittelt dann aus den erhaltenen Daten, um welchen Typ von Instrument es sich bei dem medizinischen Instrument 2 handelt. Diese Informationen werden dann an die Funktionseinheit 10 übertragen, welche das medizinische Instrument 2 aktiviert.
Stellt das Interface 21 hingegen fest, dass die Quantenbits Q₀ , Q₁ nicht in einem Überlagerungszustand befinden, so geht die Steuereinheit 15 davon aus, dass das medizinische Instrument 2 bereits einmal verwendet worden ist, da die Qubits Q₀ , Q₁ bereits einmal ausgelesen wurden. In diesem Fall verhindert die Steuereinheit 15 die Aktivierung des medizinischen Instruments 2 durch die Funktionseinheit 10.
Da das beschriebene Verfahren probabilistisch ist, also nur die Wahrscheinlichkeit bestimmter Ergebnisse bekannt ist, ist die beschriebene Erkennung des Instrumententyps recht ungenau.
In 2 ist ein Datenspeicher 120 dargestellt, mittels dessen sich eine genauere Bestimmung des Instrumententyps erreichen lässt. Der dargestellte Datenspeicher 120 umfasst wieder ein Interface 121 und im vorliegenden Beispiel zehn Qubits Q₀ ,Q₁ ,Q₂ ,Q ₃ ,Q₄ ,Q₅ ,Q ₆ ,Q₇ ,Q₈ ,Q₉ . Andere Anzahlen von Qubits sind ebenfalls möglich.
Um beispielsweise vier verschiedene Instrumententypen T₀ , T₁ , T₂ , T₃ unterscheiden zu können, werden bei der Herstellung der jeweiligen Instrumente des Typs T₀ die Qubits Q₀ bis Q₉ auf den Zustand a₀*|0>+b₀*|1>, bei Typ T₁ auf a₁*|0>+b₁*|1>, usw., wobei folgende Werte für a und b gewählt werden:

a₀ $\sqrt{0.2}$
b₀ $\sqrt{0.8}$

a₁ $\sqrt{0.4}$
b₁ $\sqrt{0.6}$

a₂ $\sqrt{0.6}$
b₂ $\sqrt{0.4}$

a₃ $\sqrt{0.8}$
b₃ $\sqrt{0.2}$
Nach dem Auslesen der entsprechenden Qubits Q₀ -Q₉ des Datenspeichers 120 kann aus der Anzahl der Qubits, die sich im Zustand |1> befinden, auf den Typ des Instruments geschlossen werden. Bei Typ T₀ würden erwartungsgemäß acht Qubits im Zustand |1> sein, bei Typ T₁ sechs, bei Typ T₂ vier, und bei Typ T₃ zwei Qubits.
Durch eine weitere Erhöhung der Anzahl der Qubits in dem Datenspeicher 120 kann hierbei eine hohe Trennschärfe und Erkennungsgenauigkeit erreicht werden.
In 3 ist ein weiteres medizinisches Instrument 202 dargestellt, welches für eine bestimmte Anzahl von Verwendungen vorgesehen ist, im vorliegenden Fall drei Verwendungen. Dazu sind in dem medizinischen Instrument 202 drei Datenspeicher vorgesehen. Ein erster Datenspeicher 220 umfasst ein Interface 221 sowie drei Qubits Q_1,0 , Q_1,1 , Q_1,2 , ein zweiter Datenspeicher 230 umfasst ein Interface 231 sowie drei Qubits Q_2,0 , Q_2,1 , Q_2,2 , und ein dritter Datenspeicher 240 umfasst ein Interface 241 sowie drei Qubits Q_3,0 , Q_3,1 , Q_3,2 .
Das medizinische Instrument 202 kann ebenfalls mit dem Steuergerät 1 verbunden werden. Soll das medizinische Instrument 202 aktiviert werden, so greift die Steuereinheit 15 zunächst auf den Datenspeicher 230 zu, um zu prüfen, ob dieser valide Daten enthält, also ob sich in den Qubits Q_1,0 , Q_1,1 , Q_1,2 eine Überlagerung von Quantenzuständen nachweisen lässt. Ist dies der Fall, so wurde das medizinische Instrument 202 noch nicht verwendet. Die Steuereinheit 15 liest dann den Datenspeicher 202 aus, wobei die Überlagerungszustände der Qubits Q_1,0 , Q_1,1 , Q_1,2 gelöscht werden.
Wurde das medizinische Instrument 202 bereits verwendet, dann enthält der Datenspeicher 230 keine validen Daten. Die Steuereinheit 15 prüft dann nacheinander auch die Datenspeicher 230 und 240, ob hier valide Daten vorliegen. Bei der zweiten Verwendung des Instruments 202 wird dies in Datenspeicher 230 der Fall sein, bei der dritten Verwendung in Datenspeicher 240. Wurde das Instrument 202 bereits drei Mal verwendet, so befinden sich in keinem der Datenspeicher 220,230,240 mehr valide Daten, und die Steuereinheit 15 wird eine Aktivierung des Instruments 202 verhindern.
Die oben beschriebenen Verfahren sind insbesondere geeignet, eine Benutzung von Instrumenten zu verhindern, welche nach Absolvieren der vorgesehenen Benutzungszyklen für eine weitere Benutzung nicht geeignet sind. Allerdings können diese Verfahren eine Täuschung der Steuereinheit 15 durch Manipulation der Datenleitung 22 oder durch Simulation des Verhaltens der jeweiligen Qubits durch ein gefälschtes Instrument nicht gänzlich ausschließen.
Um dies sicher zu verhindern, muss die Auswertung der in den Qubits gespeicherten Information innerhalb des Steuergeräts 1 erfolgen, dazu muss diese Information vollständig übertragen werden.
In 4 ist ein Verfahren zum Übertragen eines Qubits Q_X dargestellt. Dabei soll der Informationsgehalt, also der Überlagerungszustand, des Qubits Q_X auf ein zweites Qubit Q_Y übertragen werden.
Hierzu wird in einer Quelle 300 ein paar verschränkter Qubits Q_T , Q_T' erzeugt. Die können beispielsweise Photonen sein, die synchron und in entgegengesetzte Richtungen von einem angeregten Atom ausgesendet werden. Die Qubits Q_T , Q_T' werden über Quantenkanäle 301,302 zu dem Ausgangs-Qubit Qx und zu dem Empfangs-Qubit Q_Y geleitet und mit diesen verknüpft, wobei jeweils Quantensysteme entstehen, die vier Zustände einnehmen können.
Das aus den Qubits Q_X und Q_T erzeugte System wird jetzt durch ein Interface 305 ausgelesen, wobei die Wellenfunktion des Systems kollabiert. Das Interface 305 registriert die resultierenden Grundzustände als zwei digitale Bits, welche über eine Leitung 306 an ein Interface 310 gesendet werden.
Durch den Kollaps der Wellenfunktion der Qubits Q_X und Q_T kollabiert auch die Wellenfunktion des Qubits Q_T', da Q_T und Q_T' verschränkt sind. Das verbleibende Qubit Q_Y trägt danach die Information des Ausgangs-Qubits Qx, wobei abhängig von dem Zerfallsergebnis der Qubits Q_X und Q_T ggf. noch einfache Transformationen erforderlich sind, welche durch das Interface 310 durchgeführt werden können, ohne den Überlagerungszustand des Qubits Q_Y zu beeinträchtigen.
Gegenüber dem mit Bezug auf die 2 beschriebenen Verfahren zum Auslesen des Datenspeichers bietet das hier beschriebene Verfahren den großen Vorteil, dass der volle Informationsgehalt des ausgelesenen Qubits für weitere Verarbeitungen zur Verfügung steht. So kann bei der Verwendung von mehreren Qubits eine deutlich größere Informationsmenge übertragen werden, als wenn lediglich das Zerfallsergebnis der Wellenfunktion übertragen wird. Außerdem ist es hier nahezu unmöglich, das Steuergerät 1 zu täuschen.
Das in 4 dargestellte Verfahren kann in einem Medizingerätesystem entsprechend 1 ausgeführt werden, dazu wird die Quantenleitung 23 genutzt.
In 5 ist ein weiteres Medizingerätesystem dargestellt, welches wiederum ein Steuergerät 401 und ein medizinisches Instrument 402 umfasst. Das Steuergerät 401 weist eine Steuereinheit 410 und mehrere Datenspeicher 420, 430 auf. Der Aufbau der Datenspeicher 420, 430 entspricht dem Aufbau des Datenspeichers 20 in der 1, wobei jeder der Datenspeicher 420, 430 nur ein einziges Qubit Q₁ bzw. Q₂ aufweist.
Die Steuereinheit 410 ist über Datenleitungen mit den Interfaces 421,431 der Datenspeicher 420,430 verbunden. Im vorliegenden Beispiel umfasst das Steuergerät 401 zwei Datenspeicher 420, 430. Natürlich kann das Steuergerät auch eine andere Anzahl von Datenspeichern umfassen.
Das medizinische Instrument 402 umfasst ebenfalls einen Datenspeicher 440 mit einem Interface 441, welcher ein einziges Qubit Qx' umfasst. Wenn das Instrument 402 an dem Steuergerät 401 angeschlossen ist, ist das Interface 441 über eine Datenleitung mit der Steuereinheit 410 verbunden.
Das in 5 dargestellte Medizingerätesystem ist speziell dazu geeignet, eine eindeutige Identifikation des Instruments 402 durch das Steuergerät 401 zu ermöglichen. Dazu wird bei der Herstellung des medizinischen Instruments ein Paar von verschränkten Qubits Qx, Qx' erzeugt, von denen ein Qubit Qx in einem der Speicher 420,430 des Steuergeräts abgelegt wird, während das andere Qubit Q_X ' als Q₁ oder Q₂ in den Speicher 440 des medizinischen Instruments 402 abgelegt wird.
Wenn das medizinische Instrument 402 mit dem Steuergerät 401 verbunden wird, weiß die Steuereinheit nicht, ob das in dem Instrument 401 gespeicherte Qubit Qx' mit einem der Qubits Q₁ , Q₂ in den Datenspeichern 420,430 verschränkt ist. Um das medizinische Instrument 402 zu identifizieren sendet die Steuereinheit 410 ein Befehl an das Interface 441, um das Qubit Qx' auszulesen und das Ergebnis an die Steuereinheit 410 zu übertragen.
Wenn nun das medizinische Instrument 402 zur Verwendung mit dem Steuergerät 401 vorgesehen ist, so ist eines der Qubits Q₁ , Q₂ mit dem Qubit Q_X ' verschränkt, und wird daher im gleicher Moment wie das Qubit Q_X ' ebenfalls kollabieren and in den selben Grundzustand fallen.
Die Steuereinheit 410 fragt daher die Interfaces 421,431 ab, ob eines der Qubits Q₁ , Q₂ kollabiert ist, und ggf. in welchen Grundzustand. Liegt ein synchroner Kollaps mit identischem Ergebnis vor, so kann mit Sicherheit davon ausgegangen werden, dass die entsprechenden Qubits verschränkt waren, und dass das medizinische Instrument 402 mit dem Steuergerät 401 verwendet werden darf.
Das hier beschriebene Verfahren zu Identifikation des medizinischen Instruments 402 ist recht aufwendig. Es eignet sich daher insbesondere für medizinische Instrumente, bei denen die korrekte individuelle Zuordnung zu dem richtigen Steuergerät von allerhöchster Bedeutung ist. Dies kann beispielsweise bei medizinischen Instrumenten der Fall sein, welche zur Anwendung patientenindividueller Therapieverfahren dienen, z.B. der Applikation von gentechnisch modifizierten Stamm- oder T-Zellen, z.B. unter Anwendung des CRISPR/Cas9-Verfahrens oder Zinkfingernukleasen.
Die Anzahl von zulässigen Instrumenten, die nach dem beschriebenen Verfahren identifiziert werden können, ist prinzipiell durch die Anzahl der in dem Steuergerät 401 vorgesehenen Datenspeichern 420,430 beschränkt. Um diese Beschränkung zu überwinden, muss das Steuergerät 401 eingerichtet sein, die nachträgliche Speicherung neuer Qubits in die Datenspeicher 420,430 des Steuergeräts 401 zuzulassen, hierdurch würde aber wiederum eine Sicherheitslücke entstehen. Um dies zu verhindern, kann eine Quelle der nachträglich einzuspeichernden Qubits durch ein ähnliches Verfahren authentifiziert werden.
Weist das Steuergerät 401 beispielsweise 50 Datenspeicher auf, so können davon 25 Datenspeicher mit Qubits Q₁ bis Q₂₅ gefüllt sein, welche mit Qubits Q'₁ bis Q'₂₅ verschränkt sind, wobei die Qubits Q'₁ bis Q'₂₅ in unterschiedlichen Instrumenten 402 gespeichert sind.
Die Qubits Q₂₆ bis Q₅₀ sind ebenfalls mit Qubits Q'₂₆ bis Q'₅₀ verschränkt, diese sind aber nicht in Instrumenten abgelegt, sondern als Identifikations-Qubits in mehreren nicht dargestellten Quanten-Datenträgern, welche weitere 25 Datenspeicher für Qubits aufweisen.
Der Hersteller de Steuergeräts 401 kann nun nachträglich in einer sicheren Umgebung 25 weitere Instrumente herstellen. Zur Identifikation der Instrumente werden verschränkte Paare von Qubits Q₅₁ ,Q'₅₁ bis Q₇₅ ,Q'₇₅ erzeugt, von denen die Qubits Q₅₁ bis Q₇₅ in einem Quanten-Datenträger abgelegt werden, die Qubits Q'₅₁ bis Q'₇₅ hingegen werden in den neuen Instrumenten abgelegt.
Mit der Auslieferung der neuen Instrumente wird auch der Quanten-Datenträger ausgeliefert. Wird dieser mit dem Steuergerät 401 verbunden so prüft dieses wiederum, ob der Quanten-Datenträger eines der Qubits Q'₂₆ bis Q'₅₀ trägt. Dazu wird der Quanten-Datenträger aufgefordert, das Identifikations-Qubit auszulesen, und das Steuergerät 401 prüft, ob eines der Qubits Q₂₆ bis Q₅₀ synchron mit identischem Ergebnis zerfällt.
Ist der Quanten-Datenträger korrekt authentifiziert, so können die Qubits Q₅₁ bis Q₇₅ nach dem in 4 beschriebenen Verfahren auf das Steuergerät übertragen werden.
Auf diese Art lassen sich mit 50 vorgesehenen Datenspeicher anstelle von 50 Instrumenten deutlich mehr Instrumente identifizieren, nämlich 650 (25 original verknüpfte sowie 25 nachträglich verknüpfte Gruppen von je 25 Instrumenten).
Die hier dargestellten Anzahlen von Qubits und Instrumenten dienen nur zur Veranschaulichung der entsprechenden Verfahren, und können ohne erfinderisches Zutun erhöht oder verringert werden.
Insgesamt ist die Speicherung von Qubits in den Datenspeichern 20, 120, 220, 230, 240, 420, 430, 440 über längere Zeit keineswegs trivial, da Qubits über die Zeit relaxieren, wobei sich die Faktoren a und b gegenseitig angleichen, bis beide den Wert $\sqrt{2}$
aufweisen. Diese Relaxation erfolgt um so schneller, je höher die Temperatur des jeweiligen Datenspeichers ist. Um eine vorzeitige Relaxation zu vermeiden, können die betreffenden medizinischen Instrumente und/oder Steuergeräte extern gekühlt werden, z.B. durch vorsehen einer geschlossenen Kühlkette von der Herstellung bis zur Anwendung, oder durch Vorsehen von internen Kühleinrichtungen, wie z.B. einen Vorratsbehälter mit einem verflüssigten Gas wie Stickstoff, welches langsam kontinuierlich in Richtung des Datenspeichers abgegeben wird und diesen durch Verdunstung kühlt.
In 6 ist ein weiteres Medizingerätesystem dargestellt, welches speziell eingerichtet ist, ein Abhören der Datenkommunikation zwischen einem Steuergerät 501 und einem medizinischen Instrument 502 zu vermeiden.
Das Steuergerät 501 umfasst wiederum eine Steuereinheit 510, welche eingerichtet ist, mit einem Datenspeicher 520 des medizinischen Instruments 502 zu kommunizieren, um Daten bezüglich der Art und/oder des Gebrauchszustands des Instruments 502 zu lesen und ggf. zu ändern oder zu löschen.
Der Datenspeicher 520 des medizinischen Instruments 502 ist als konventioneller digitaler Datenspeicher ausgeführt, beispielsweise als EPROM-, EEPROM,- Flash- oder FRAM-Speicher.
Um ein Abhören der Kommunikation zwischen dem Steuergerät 501 und dem medizinischen Instrument 502 zu verhindern, welches ein Fälschen des medizinischen Instruments 502 ermöglichen würde, wird diese Kommunikation quantenkryptografisch verschlüsselt.
Dabei kann ein klassisches symmetrisches Verschlüsselungsverfahren Anwendung finden, wobei lediglich die Festlegung und Übertragung des Schlüssels quantenkryptografisch erfolgt, beispielsweise nach dem 1984 von C.H. Bennet und G. Brassard vorgestellten Verfahren BB84 (Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing 1984. IEEE Computer Society, 1984, S. 175-179.)
Eine alternative verschlüsselte Datenkommunikation kann wie folgt ablaufen: Das Steuergerät 501 umfasst eine Quelle 530 für verschränkte Qubits, beispielsweise Photonen mit überlagerten Polarisationszuständen. Vor der Übertragung eines Informationsbits zwischen der Steuereinheit 510 und dem Datenspeicher 520 wird die Quelle 530 von der Steuereinheit 510 aktiviert, um ein Paar von verschränkten Qubits Q_T , Q_T ' abzugeben. Eines der Qubits Q_T wird über einen Quantenkanal 531 an die Steuereinheit 510 gesendet, das andere Qubit Q_T ' wird über einen weiteren Quantenkanal 532 zu einer Kodierungseinheit 540 des medizinischen Instruments 502 gesendet. In der Kodierungseinheit 540 wird das Qubit Q_T ' ausgelesen, dadurch kollabiert auch das Qubit Q_T in der Steuereinheit 510.
Da beide Qubits QT, QT' aufgrund der Verschränkung in den selben Grundzustand fallen müssen, kennen jetzt sowohl die Steuereinheit 510 als auch die Kodierungseinheit 540 eine geheime digitale Information, mit welcher das zu übertragende Bit vor der Übertragung über eine digitale Signalleitung 541 verschlüsselt wird, beispielsweise mittels einer Exklusiv-Oder-Verknüpfung (XOR).
Ein Angreifer auf der Signalleitung 541 kann zwar das verschlüsselte Bit abfangen, kennt aber nicht den für die Entschlüsselung benötigten Zerfallswert der Qubits Q', Q_T '. Er kann den Wert auch nicht durch Abhören des Quantenkanals 532 erlangen, ohne dass dies durch die Steuereinheit 510 oder die Kodierungseinheit 540 registriert wird.
Es ist somit nicht möglich, die Datenkommunikation zwischen dem Steuergerät 501 und dem medizinischen Instrument 502 abzuhören und ein gefälschtes Instrument herzustellen, welches diese Kommunikation repliziert, um dem Steuergerät 501 vorzutäuschen, dass es sich um ein authentisches Instrument handelt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016208541 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

C.H. Bennet und G. Brassard vorgestellten Verfahren BB84 (Proceedings of IEEE International Conference on Computers, Systems and Signal Processing 1984. IEEE Computer Society, 1984, S. 175-179.) [0080]

Claims

Medizingerätesystem mit einem Steuergerät (1,401) und wenigstens einem medizinischen Instrument (2,202,402), welches mit dem Steuergerät (1,401) verbunden oder verbindbar ist, wobei - das medizinische Instrument (2,202,402) einen Datenspeicher (20,120,220,230,240) aufweist, in welchem Daten über eine Art und/oder einen Nutzungszustand des medizinischen Instruments (2,202,402) abgelegt sind, - das Steuergerät (1,401) eingerichtet ist, auf die in dem Datenspeicher (20,120,220,230,240) abgelegten Daten zuzugreifen, um anhand der Daten zu bestimmen, ob ein Betrieb des medizinischen Instruments (2,202,402) mit dem Steuergerät (1,401) zulässig ist, und - das Steuergerät (1,401) ferner eingerichtet ist, die in dem Datenspeicher (20,120,220,230,240) abgelegten Daten zu verändern und/oder zu löschen, um einen erneuten, nicht zulässigen Betrieb des medizinischen Instruments (2,202,402) mit dem Steuergerät (1,401) zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten in dem Datenspeicher (20,120,220,230,240,440) in Form von überlagerten Zuständen eines Quantensystems (Qubit) abgelegt sind.
Medizingerätesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Datenspeicher (20,120, 220,230,240,440) des medizinischen Instruments wenigstens zwei Qubits, vorzugsweise wenigstens 5 Qubits, besonders vorzugsweise wenigstens 10 Qubits, aufnehmen kann.
Medizingerätesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das medizinische Instrument (202) für eine bestimmte Anzahl von Verwendungen vorgesehen ist, und dass für jede einzelne Verwendung ein separater Datenspeicher (220,230,240) vorgesehen ist.
Medizingerätesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1) eingerichtet ist, zunächst einen ersten Datenspeicher (220) auszulesen, und wenn dieser Datenspeicher (220) keine validen Daten enthält, so lange nacheinander weitere Datenspeicher (230,240) auszulesen, bis entweder valide Daten ermittelt wurden, oder bis alle Datenspeicher (220,230,240) des medizinischen Instruments (202) ausgelesen wurden.
Medizingerätesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1) eingerichtet ist, einen Betrieb des medizinischen Instruments (202) mit dem Steuergerät (1) zu unterbinden, wenn in keinem der Datenspeicher (220,230,240) des medizinischen Instruments (202) valide Daten ermittelt wurden.
Medizingerätesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (1) eingerichtet ist, den Datenspeicher (20,120,220,230,240) mittels Quantenteleportation auszulesen.
Medizingerätesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Steuergerät (401) ebenfalls ein Datenspeicher (420,430) vorgesehen ist, in dem Daten in Form von überlagerten Zuständen eines Quantensystems abgelegt sind, und wobei die in dem Datenspeicher (440) des medizinischen Instruments (402) abgelegten Daten sowie die in dem Datenspeicher (420,430) des Steuergeräts (401) abgelegten Daten miteinander verschränkt sind.
Medizingerätesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (401) eingerichtet ist, durch Zugriff auf einen der Datenspeicher (420,430,440) des medizinischen Instruments (402) oder des Steuergeräts (401) eine Zustandsveränderung des Quantensystems in dem Datenspeicher (420,430,440) auszulösen, und durch Zugriff auf den anderen der Datenspeicher (420,430,440) des medizinischen Instruments (402) oder des Steuergeräts (401) festzustellen, ob die gleiche Zustandsänderung infolge der Verschränkung auch in dem Quantensystem des anderen Datenspeichers (420,430,440) eingetreten ist.
Medizingerätesystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (401) eingerichtet ist, den Betrieb des medizinischen Instruments (402) mit dem Steuergerät (401) zu unterbinden, wenn keine Verschränkung zwischen den in dem Datenspeicher (420,430) des Steuergeräts (401) und in dem Datenspeicher (440) des medizinischen Instruments (402) gespeicherten Qubits vorgelegen hat.
Medizingerätesystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (401) zur Verwendung mit mehreren medizinischen Instrumenten (402) vorgesehen ist, und dass für jedes medizinische Instrument (402) ein separater Datenspeicher (420,430) in dem Steuergerät (401) vorgesehen ist.
Medizingerätesystem mit einem Steuergerät (501) und wenigstens einem medizinischen Instrument (502), welches mit dem Steuergerät (501) verbunden oder verbindbar ist, wobei - das medizinische Instrument (502) einen Datenspeicher (520) aufweist, in welchem Daten über eine Art und/oder einen Nutzungszustand des medizinischen Instruments (502) abgelegt sind, - das Steuergerät (501) eingerichtet ist, auf die in dem Datenspeicher (520) abgelegten Daten zuzugreifen, um anhand der Daten zu bestimmen, um ein Betrieb des medizinischen Instruments (502) mit dem Steuergerät (501) zulässig ist, und - das Steuergerät (501) ferner eingerichtet ist, die in dem Datenspeicher (520) abgelegten Daten zu verändern und/oder zu löschen, um einen erneuten, nicht zulässigen Betrieb des medizinischen Instruments (502) mit dem Steuergerät (501) zu verhindern, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (501) und das medizinische Instrument (520) eingerichtet sind, auszutauschende Daten nach einem quantenkryptografischen Verfahren zu verschlüsseln.
Steuergerät eines Medizingerätesystems gemäß eines der Ansprüche 1 bis 11
Medizinisches Instrument eines Medizingerätesystems gemäß eines der Ansprüche 1 bis 11.