緊湊型驅(qū)動(dòng)技術(shù)助力移動(dòng)高科技 CT 裝置

基于 PC 和 EtherCAT 的運(yùn)動(dòng)控制解決方案在術(shù)中 X 射線成像中的應(yīng)用

奧地利醫(yī)療科技公司 medPhoton 早在 2014 年就首次展示了其用于放射治療的成像解決方案。Imaging Ring 現(xiàn)在也有移動(dòng)版可提供，能夠在外科病房中檢查身體的各個(gè)器官（術(shù)前、術(shù)后甚至術(shù)中）。倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制與驅(qū)動(dòng)技術(shù)用于實(shí)現(xiàn)所需的觀測(cè)視角和 X 射線與病患毫米級(jí)的精準(zhǔn)定位。

medPhoton 公司由 Heinz Deutschmann 于 2012 年成立，是帕拉塞爾蘇斯私立醫(yī)科大學(xué)和薩爾茨堡州立醫(yī)院（SALK）名下的附屬公司。這位杰出的物理學(xué)家與最初由醫(yī)療技術(shù)人員和軟件開(kāi)發(fā)人員組成的小型團(tuán)隊(duì)一起，致力于打造“診斷成像領(lǐng)域的瑞士軍刀”，并在他成為個(gè)體經(jīng)營(yíng)戶后將其推向市場(chǎng)。當(dāng)我們快進(jìn)到今天，現(xiàn)在每年會(huì)生產(chǎn)出約 35 款類(lèi)似的通用型設(shè)備。“我們的 Imaging Ring 系統(tǒng)是一款高分辨率的計(jì)算機(jī)斷層掃描儀，不僅能提供二維或三維圖像，而且還能用脈沖 X 射線進(jìn)行透視。這類(lèi)功能是捕捉和數(shù)字化術(shù)中解剖學(xué)變化等任務(wù)的理想選擇。”medPhoton 公司業(yè)務(wù)執(zhí)行董事 Michael Hubauer-Brenner 在介紹一款可以整合到各種治療過(guò)程中的解決方案時(shí)解釋道。

倍福維也納銷(xiāo)售辦事處負(fù)責(zé)人 Balázs Bezeczky、medPhoton 公司創(chuàng)始人 Heinz Deutschmann 以及 medPhoton 公司運(yùn)營(yíng)執(zhí)行總監(jiān) Michael Hubauer-Brenner（從左至右）

對(duì)于腫瘤學(xué)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，來(lái)自薩爾茨堡的此項(xiàng)發(fā)明在腫瘤可視化和靶向放射治療方面發(fā)揮了其優(yōu)勢(shì)，其外科應(yīng)用包括為正在做手術(shù)的醫(yī)生提供 3D 手術(shù)導(dǎo)航。“我們公司的主要業(yè)務(wù)來(lái)源于放射治療領(lǐng)域，我們的設(shè)備通常安裝在天花板或治療臺(tái)上。這些環(huán)境中有足夠的空間可以安裝兩到三個(gè)控制柜，但在借助影像導(dǎo)航計(jì)算機(jī)輔助手術(shù)系統(tǒng)完成的外科手術(shù)中，情況就完全不同了。”medPhoton 公司財(cái)務(wù)執(zhí)行總監(jiān) Andreas Schippani 在提到手術(shù)室通常都很擁擠時(shí)指出。考慮到這一點(diǎn)，我們決定在最新一代 Imaging Ring CT 裝置的托臂、腿部和支架中整合整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)。倍福提供的控制組件結(jié)構(gòu)非常緊湊，并且采用分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)分布式智能控制和驅(qū)動(dòng)，為實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)提供了便利。

運(yùn)動(dòng)和成像的靈活性大大提升

medPhoton 公司與全球數(shù)字醫(yī)療技術(shù)先驅(qū) Brainlab 緊密合作，開(kāi)發(fā)出了一款 Imaging Ring m/Loop-X 移動(dòng)成像機(jī)器人。它的尺寸僅為 182 x 87 x 189 厘米，運(yùn)動(dòng)范圍非常大。“它有兩條腿，每條腿都有兩個(gè)輪子，能夠以不同的方向單獨(dú)旋轉(zhuǎn)，即它能夠向前、向后移動(dòng)或者扭轉(zhuǎn)，并能夠以自己為中心或以手術(shù)室內(nèi)的任何一個(gè)點(diǎn)為中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，甚至能夠在電池模式下從一個(gè)手術(shù)室切換到另一個(gè)手術(shù)室，所有這一切都由機(jī)器人自主完成。操作人員只需在控制面板上輸入相應(yīng)的導(dǎo)航命令即可。”medPhoton 公司自動(dòng)化開(kāi)發(fā)部主管 Armin Schlattau 解釋道。

同樣需要注意的是，機(jī)器人在移動(dòng)性以及成像方面都具有最大的靈活性。輻射源和探測(cè)器的徑向排列與同時(shí)但獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)相結(jié)合，具有很多優(yōu)點(diǎn)，包括能夠?qū)崿F(xiàn)超大三維視場(chǎng)和非同心成像。“這意味著患者在拍攝 X 光片時(shí)無(wú)需位于龍門(mén)架開(kāi)口的中央，因?yàn)橄到y(tǒng)會(huì)完全自動(dòng)定位需要掃描的相關(guān)區(qū)域。”Andreas Schippani 描述道。其同事 Armin Schlattau 接著補(bǔ)充道：“雖然我們的探測(cè)器面積很小，但我們可以通過(guò)用不同的速度連續(xù)移動(dòng)各個(gè)軸的方式，動(dòng)態(tài)生成不同角度的全景圖像。”總共 26 根軸之間的互動(dòng)由一臺(tái)配備搭載 Intel? Atom? 四核處理器的 C6015 超緊湊工業(yè) PC 進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。據(jù) medPhoton 公司介紹，探測(cè)器的尺寸僅為 82 x 82 x 40 毫米，因此它需要的安裝空間非常小，與成像機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案完美契合。工業(yè) PC 一方面可以負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)所有的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，另一方面可以用作 TCP/IP 服務(wù)器，通過(guò) TwinCAT ADS Communication 功能庫(kù)與上一級(jí)的數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)建立連接。

medPhoton 公司財(cái)務(wù)執(zhí)行總監(jiān) Andreas Schippani（圖中位于結(jié)構(gòu)緊湊的 EtherCAT 端子模塊旁）對(duì)于倍福不僅提供電話支持，而且在需要時(shí)還提供現(xiàn)場(chǎng)支持的行為贊賞有加

軌跡控制的 3D X 射線成像

通過(guò) TwinCAT NC Camming 功能，medPhoton 可以在患者身上生成直線、十字或矩形激光投影，為所有可用的成像過(guò)程提供光學(xué)定位輔助。該功能在主軸和從軸之間建立非線性關(guān)系。“我們需要準(zhǔn)確地知道每個(gè)圖像的拍攝時(shí)間以及拍攝角度，以便通過(guò)數(shù)百個(gè) 2D 投影中計(jì)算 3D 容積成像。任何錯(cuò)誤都會(huì)帶來(lái)致命的后果；畢竟，這是關(guān)系到患者生命安危的醫(yī)療干預(yù)。”Michael Hubauer-Brenner 強(qiáng)調(diào)了高精度、帶時(shí)間戳的信號(hào)的重要性。“我們不僅能夠獲得精確的位置信息，而且還能夠以納秒級(jí)精度測(cè)量每個(gè)方向的 X 射線的長(zhǎng)度。”Armin Schlattau 在描述使用帶 XFC 時(shí)間戳功能的 EL1252 數(shù)字量輸入端子模塊等設(shè)備的過(guò)程時(shí)說(shuō)道。

一站式提供多樣化的產(chǎn)品

成像機(jī)器人中安裝了 10 多種倍福的端子模塊，包括 EL1904 或 El6910 等 TwinSAFE 端子模塊，以及 EL7037 步進(jìn)電機(jī)端子模塊和采用單電纜技術(shù)（OCT）的 EL7221-9014 伺服電機(jī)端子模塊。“早在 2017 年 5 月于林茨舉行的智能工業(yè)自動(dòng)化展上，我們就開(kāi)始為移動(dòng)版的 Imaging Ring 系統(tǒng)尋找控制技術(shù)供應(yīng)商，我們看到倍福產(chǎn)品種類(lèi)非常豐富，結(jié)構(gòu)也非常緊湊，我們留下了深刻印象。”Armin Schlattau 回憶道。自動(dòng)化開(kāi)發(fā)工程師認(rèn)為，選擇這家總部位于德國(guó)威爾的自動(dòng)化公司的主要原因包括：他們可以提供帶增量編碼器的步進(jìn)電機(jī)端子模塊，它在僅 12 毫米寬的 EtherCAT 端子模塊內(nèi)集成了一個(gè)成熟的伺服驅(qū)動(dòng)器，而且 AM8121 伺服電機(jī)將電源和數(shù)字反饋系統(tǒng)整合一根電機(jī)連接電纜中。

“雖然系統(tǒng)變得復(fù)雜性有所增加，但性能得到了大幅提升，而且我們還能夠?qū)⒆詣?dòng)化系統(tǒng)所需的安裝空間減少到十分之一。”Michael Hubauer-Brenner 高興地說(shuō)道，他認(rèn)為雙方迄今為止所有的合作都富有成效，超出了預(yù)期，但這絕不是雙方合作的終點(diǎn)：“我們肯定還要進(jìn)一步開(kāi)發(fā) Imaging Ring 系統(tǒng)，我們希望還能繼續(xù)與倍福合作，幫助我們變得更加具有創(chuàng)造性。”Andreas Schippani 總結(jié)道。倍福維也納銷(xiāo)售辦事處負(fù)責(zé)人 Balázs Bezeczky 也提出了自己的初步優(yōu)化想法：“倍福 ELM72xx 系列采用金屬外殼的新型伺服電機(jī)端子模塊可以進(jìn)一步減少驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積。更重要的是，ELM72xx-9018 型號(hào)能夠映射出一個(gè) Safe Motion 綜合功能包，包括安全限速和安全限位選項(xiàng)。”他已經(jīng)受邀參加對(duì) ELM72x2 雙通道型號(hào)進(jìn)行的試運(yùn)行。