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 © Beckhoff
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2021年10月14日

緊湊型驅動技術助力打造移動式高科技CT 掃描裝置

PC-based和 EtherCAT 運動控制解決方案在手術中 X光影像中的應用

奧地利醫療科技公司 medPhoton在 2014 年就首次展示其用於放射治療的影像解決方案–Imaging Ring。現在,Imaging Ring 也能夠在移動裝置上使用,因此可以在外科病房中檢查身體的各個器官,不管是術前、術後甚至手術中。倍福PC-based和 EtherCAT 的控制與驅動技術用於實現所需的觀測視角和 X光與病患毫米級的精準定位。

medPhoton 公司由 Heinz Deutschmann 在 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。最初由傑出的物理學家、醫療技術人員和軟體開發人員組成的小型團隊,致力於成為「診斷影像領域的瑞士軍刀」,並在他成為個體經營戶後將其推向市場。如今,medPhoton 公司每年會生產出約 35 款類似的通用型設備。「我們的 Imaging Ring 系統是一款高解析度的電腦斷層掃描器,不僅能提供二維或三維圖像,而且還能用脈衝 X光進行透視。這類功能非常適合用於捕捉和數位化手術中解剖學變化。」medPhoton 營運總監 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創辦人 Heinz Deutschmann 以及 medPhoton營運總監Michael Hubauer-Brenner(從左至右)。
倍福維也納銷售辦事處負責人 Balázs Bezeczky、medPhoton創辦人 Heinz Deutschmann 以及 medPhoton營運總監Michael Hubauer-Brenner(從左至右)。

在腫瘤學應用中,來自薩爾茨堡的這項發明在腫瘤視覺化和標靶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 手術指導。medPhoton財務總監 Andreas Schippani 在提到手術室通常都很擁擠時指出:「medPhoton的主要業務來源是放射治療領域,我們的設備通常安裝在天花板或治療台上。這些環境中有足夠的空間可以安裝兩到三個控制櫃,但在電腦輔助影像引導手術系統完成的外科手術中,情況就完全不同了。」考慮到這一點,medPhoton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。倍福的控制元件結構非常緊湊,並且採用分散式系統結構,可以實現分散式智慧控制和驅動,為實現這一設計提供便利。

提升運動和成像的靈活性

medPhoton與全球數位醫療技術先驅 Brainlab密切合作,開發一款 Imaging Ring m/Loop-X 移動型成像機器人。它的尺寸僅為 182 x 87 x 189 釐米,運動範圍非常大。medPhoton自動化開發部主管 Armin Schlattau 解釋道:「它有兩條腿,每條腿都有兩個輪子,能以不同的方向單獨旋轉,讓它能夠向前、向後移動或者扭轉,並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,這一切都由機器人自主完成。操作人員只需在控制台上輸入相應的導航命令即可。」

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3D視場和非同心成像。Andreas Schippani 說:「這代表患者在拍攝 X 光片時無需位於機架開口的中心,因為系統會自動定位需要掃描的相關區域。」他的同事 Armin Schlattau 接著補充:「雖然我們的探測器面積很小,但我們可以透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台配備搭載 Intel® Atom™ 四核處理器的 C6015 超緊湊工業 PC 進行協調控制。medPhoton 表示,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 伺服器,透過 TwinCAT ADS Communication 功能庫,得以連接上層的數據處理電腦。

medPhoton 財務總監 Andreas Schippani(圖中位於結構緊湊的 EtherCAT 端子模組旁)對於倍福不僅提供電話支援,而且在有需要時,更提供現場支援的行為讚賞有加。
medPhoton 財務總監 Andreas Schippani(圖中位於結構緊湊的 EtherCAT 端子模組旁)對於倍福不僅提供電話支援,而且在有需要時,更提供現場支援的行為讚賞有加。

軌跡控制的 3D X光成像

使用 TwinCAT NC Camming 功能,medPhoton 可以在患者身上生成直線、十字或矩形雷射投影,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係。「我們需要準確地知道每個圖像的拍攝時間以及拍攝角度,以便透過數百個 2D 投影中計算 3D 體積成像。任何錯誤都會帶來致命的後果。畢竟,這是攸關患者性命安危的醫療干預。」Michael Hubauer-Brenner 強調了高精度、帶時間戳記訊號的重要性。「我們不僅能夠獲得精確的位置資訊,而且還能夠以奈秒級精度測量每個方向的 X光長度。」Armin Schlattau 在描述使用帶 XFC 時間戳記功能的 EL1252 數位量輸入端子模組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 多種倍福的端子模組,包括 EL1904 或 El6910 等 TwinSAFE 端子模組,以及 EL7037 步進馬達端子模組和採用單電纜技術(OCT)的 EL7221-9014 伺服馬達端子模組。「早在 2017 年 5 月於林茨(Linz)舉行的智慧工業自動化展上,我們就開始為移動版的 Imaging Ring 系統尋找控制技術供應商,我們發現倍福擁有豐富的產品種類,結構也非常緊湊,我們留下深刻的印象。」Armin Schlattau 回憶道。自動化開發工程師認為,選擇這家總部位於德國費爾(Verl)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馬達端子模組,它在僅 12 毫米寬的 EtherCAT 端子模組內整合一個成熟的伺服驅動器,而且 AM8121 伺服馬達將電源和數位回饋系統整合至連接馬達的一根電纜中。

「雖然系統變得較複雜,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:「我們會繼續開發 Imaging Ring 系統,希望能繼續與倍福合作,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 也提出初步優化的想法:「倍福 ELM72xx 系列採用金屬外殼的新型伺服馬達端子模組可以進一步減少驅動系統體積。更重要的是,ELM72xx-9018 型號能夠展示Safe Motion 全面功能組合,包括安全限速和安全限位選項。」medPhoton已經接受對 ELM72x2 雙通道型號進行測試的請求。