緊湊型驅動技術助力移動高科技 CT 裝置

基于 PC 和 EtherCAT 的運動控制解決方案在術中 X 射線成像中的應用

奧地利醫療科技公司 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 現在也有移動版可提供，能夠在外科病房中檢查身體的各個器官（術前、術后甚至術中）。倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制與驅動技術用于實現所需的觀測視角和 X 射線與病患毫米級的精準定位。

medPhoton 公司由 Heinz Deutschmann 于 2012 年成立，是帕拉塞爾蘇斯私立醫科大學和薩爾茨堡州立醫院（SALK）名下的附屬公司。這位杰出的物理學家與最初由醫療技術人員和軟件開發人員組成的小型團隊一起，致力于打造“診斷成像領域的瑞士軍刀”，并在他成為個體經營戶后將其推向市場。當我們快進到今天，現在每年會生產出約 35 款類似的通用型設備。“我們的 Imaging Ring 系統是一款高分辨率的計算機斷層掃描儀，不僅能提供二維或三維圖像，而且還能用脈沖 X 射線進行透視。這類功能是捕捉和數字化術中解剖學變化等任務的理想選擇。”medPhoton 公司業務執行董事 Michael Hubauer-Brenner 在介紹一款可以整合到各種治療過程中的解決方案時解釋道。

倍福維也納銷售辦事處負責人 Balázs Bezeczky、medPhoton 公司創始人 Heinz Deutschmann 以及 medPhoton 公司運營執行總監 Michael Hubauer-Brenner（從左至右）

對于腫瘤學領域來說，來自薩爾茨堡的此項發明在腫瘤可視化和靶向放射治療方面發揮了其優勢，其外科應用包括為正在做手術的醫生提供 3D 手術導航。“我們公司的主要業務來源于放射治療領域，我們的設備通常安裝在天花板或治療臺上。這些環境中有足夠的空間可以安裝兩到三個控制柜，但在借助影像導航計算機輔助手術系統完成的外科手術中，情況就完全不同了。”medPhoton 公司財務執行總監 Andreas Schippani 在提到手術室通常都很擁擠時指出。考慮到這一點，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自動化系統。倍福提供的控制組件結構非常緊湊，并且采用分布式系統結構，可以實現分布式智能控制和驅動，為實現這一設計提供了便利。

運動和成像的靈活性大大提升

medPhoton 公司與全球數字醫療技術先驅 Brainlab 緊密合作，開發出了一款 Imaging Ring m/Loop-X 移動成像機器人。它的尺寸僅為 182 x 87 x 189 厘米，運動范圍非常大。“它有兩條腿，每條腿都有兩個輪子，能夠以不同的方向單獨旋轉，即它能夠向前、向后移動或者扭轉，并能夠以自己為中心或以手術室內的任何一個點為中心進行旋轉，甚至能夠在電池模式下從一個手術室切換到另一個手術室，所有這一切都由機器人自主完成。操作人員只需在控制面板上輸入相應的導航命令即可。”medPhoton 公司自動化開發部主管 Armin Schlattau 解釋道。

同樣需要注意的是，機器人在移動性以及成像方面都具有最大的靈活性。輻射源和探測器的徑向排列與同時但獨立的運動相結合，具有很多優點，包括能夠實現超大三維視場和非同心成像。“這意味著患者在拍攝 X 光片時無需位于龍門架開口的中央，因為系統會完全自動定位需要掃描的相關區域。”Andreas Schippani 描述道。其同事 Armin Schlattau 接著補充道：“雖然我們的探測器面積很小，但我們可以通過用不同的速度連續移動各個軸的方式，動態生成不同角度的全景圖像。”總共 26 根軸之間的互動由一臺配備搭載 Intel? Atom? 四核處理器的 C6015 超緊湊工業 PC 進行協調控制。據 medPhoton 公司介紹，探測器的尺寸僅為 82 x 82 x 40 毫米，因此它需要的安裝空間非常小，與成像機器人的設計方案完美契合。工業 PC 一方面可以負責協調所有的運動控制任務，另一方面可以用作 TCP/IP 服務器，通過 TwinCAT ADS Communication 功能庫與上一級的數據處理計算機建立連接。

medPhoton 公司財務執行總監 Andreas Schippani（圖中位于結構緊湊的 EtherCAT 端子模塊旁）對于倍福不僅提供電話支持，而且在需要時還提供現場支持的行為贊賞有加

軌跡控制的 3D X 射線成像

通過 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程提供光學定位輔助。該功能在主軸和從軸之間建立非線性關系。“我們需要準確地知道每個圖像的拍攝時間以及拍攝角度，以便通過數百個 2D 投影中計算 3D 容積成像。任何錯誤都會帶來致命的后果；畢竟，這是關系到患者生命安危的醫療干預。”Michael Hubauer-Brenner 強調了高精度、帶時間戳的信號的重要性。“我們不僅能夠獲得精確的位置信息，而且還能夠以納秒級精度測量每個方向的 X 射線的長度。”Armin Schlattau 在描述使用帶 XFC 時間戳功能的 EL1252 數字量輸入端子模塊等設備的過程時說道。

一站式提供多樣化的產品

成像機器人中安裝了 10 多種倍福的端子模塊，包括 EL1904 或 El6910 等 TwinSAFE 端子模塊，以及 EL7037 步進電機端子模塊和采用單電纜技術（OCT）的 EL7221-9014 伺服電機端子模塊。“早在 2017 年 5 月于林茨舉行的智能工業自動化展上，我們就開始為移動版的 Imaging Ring 系統尋找控制技術供應商，我們看到倍福產品種類非常豐富，結構也非常緊湊，我們留下了深刻印象。”Armin Schlattau 回憶道。自動化開發工程師認為，選擇這家總部位于德國威爾的自動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電機端子模塊，它在僅 12 毫米寬的 EtherCAT 端子模塊內集成了一個成熟的伺服驅動器，而且 AM8121 伺服電機將電源和數字反饋系統整合一根電機連接電纜中。

“雖然系統變得復雜性有所增加，但性能得到了大幅提升，而且我們還能夠將自動化系統所需的安裝空間減少到十分之一。”Michael Hubauer-Brenner 高興地說道，他認為雙方迄今為止所有的合作都富有成效，超出了預期，但這絕不是雙方合作的終點：“我們肯定還要進一步開發 Imaging Ring 系統，我們希望還能繼續與倍福合作，幫助我們變得更加具有創造性。”Andreas Schippani 總結道。倍福維也納銷售辦事處負責人 Balázs Bezeczky 也提出了自己的初步優化想法：“倍福 ELM72xx 系列采用金屬外殼的新型伺服電機端子模塊可以進一步減少驅動系統體積。更重要的是，ELM72xx-9018 型號能夠映射出一個 Safe Motion 綜合功能包，包括安全限速和安全限位選項。”他已經受邀參加對 ELM72x2 雙通道型號進行的試運行。