醫(yī)療技術(shù)：使用嵌入式控制器、EtherCAT 和步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)精確控制和校準(zhǔn)電子束技術(shù)

先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)在癌癥的有效治療中扮演著越來越重要的角色。美國(guó) Intraop Medical 公司研發(fā)的術(shù)中電子放療（IOERT）在實(shí)際應(yīng)用中有著非常出色的效果，現(xiàn)在已在全球很多醫(yī)院中使用。在癌癥手術(shù)中，腫瘤切除后可直接使用該技術(shù)，以給出直接、高度集中和精確劑量的電子射線束。

總部位于美國(guó)加利福尼亞州森尼韋爾的 IntraOp Medical 公司開發(fā)了一款名為 Mobetron® 的移動(dòng)式術(shù)中電子放療電射線束加速器。目前，北美、歐洲及亞洲的一些診所和醫(yī)院都在使用這款設(shè)備來治療各種癌癥。Mobetron® 能夠用高密度的射線束精確對(duì)瘤灶區(qū)進(jìn)行放療，徹底殺滅殘余癌癥細(xì)胞。在大部分案例中，這樣可消除或至少減少術(shù)后外部放射治療的需要。“除了提高存活率、縮短治療周期和減少副作用之外，Mobetron® 還可以幫助降低癌癥治療的費(fèi)用。”IntraOp Medical 公司工程與運(yùn)營(yíng)部副總裁 Andy Merrill 解釋說道。

嵌入式控制器控制電子放射治療

IntraOp Medical 采用 Beckhoff 基于 PC 的控制系統(tǒng)對(duì)其第二代移動(dòng)式射線加速器進(jìn)行自動(dòng)化改造。“使用開發(fā)式 PC 控制解決方案讓我們能夠滿足我們?cè)陔姎夤こ谭矫娴闹匾獞?zhàn)略需求。CX5020 系列嵌入式控制器是結(jié)構(gòu)緊湊、性能高且靈活的控制器。”IntraOp Medical 公司物理學(xué)家 Shura Kretchetov 如此說道。所有控制功能都?jí)蛲ㄟ^ TwinCAT PLC 和 TwinCAT NC PTP 自動(dòng)化軟件運(yùn)行。它控制 Mobetron® 的所有自動(dòng)功能，包括將射線束直接照射到感染區(qū)所用的的小型射線加速器。

“我們使用處理能力更高的 CX5020，以便持續(xù)整合新功能到控制器中，如治療計(jì)劃工具或遠(yuǎn)程診斷等。”Shura Kretchetov 解釋道。EtherCAT 端子模塊直接連接在 CX 右側(cè)，附加的 EtherCAT 節(jié)點(diǎn)使用 EK1100 系列 EtherCAT 耦合器來分配附加的 I/O 到整個(gè)系統(tǒng)中。

“基于 PC 和 EtherCAT 的控制平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)微秒范圍內(nèi)的高速控制處理，這會(huì)給 Mobetron® 系統(tǒng)的性能帶來直接積極的影響。Shura Kretchetov 繼續(xù)說道。由 Mobetron® 采集到的所有系統(tǒng)和過程數(shù)據(jù)可以像腫瘤細(xì)胞被放療那樣快速、高效地處理。

Mobetron® 是術(shù)中電子放療的線束加速器，在全球得到廣泛應(yīng)用，主要用于治療各種類型的癌癥

復(fù)雜的驅(qū)動(dòng)技術(shù)解決方案

為了確保 Mobetron® 上使用的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠節(jié)省空間，IntraOp Medical 公司使用 Beckhoff 的 EL7031 和 EL7041 的步進(jìn)電機(jī)控制模塊和 AS1060 系列緊湊型步進(jìn)電機(jī)，不需要單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)控制模塊確保精確控制和校準(zhǔn)射線束。“當(dāng)然，確保精確控制機(jī)器運(yùn)動(dòng)和治療過程是病人健康和安全的關(guān)鍵，基于 PC 和 EtherCAT 的控制系統(tǒng)幫助我們實(shí)現(xiàn)這一安全性。”Andy Merrill 解釋說道。

CX5020 嵌入式控制器以及直連的 I/O 端子模塊，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上非常緊湊，在控制柜中僅會(huì)占用很小的空間

通過各種接口實(shí)現(xiàn)靈活的設(shè)備連接

除了能夠通過以太網(wǎng)接口方便地集成任何設(shè)備之外，IntraOp Medical 利用 EtherCAT 端子模塊來建立與其它通訊協(xié)議（如 PROFIBUS 或串行通訊協(xié)議）的連接。EL6731 從站端子模塊能夠完全集成 PROFIBUS 設(shè)備到 EtherCAT 網(wǎng)絡(luò)中，無需添加 PCI 接口卡。同樣，通過 EL6021 串口端子模塊可輕松連接帶 RS422 或 RS485 接口的設(shè)備。

“通過集成 Beckhoff 的控制技術(shù)，我們開發(fā)了我們的治療機(jī)架構(gòu)，讓我們能夠從簡(jiǎn)單的 PLC 控制器轉(zhuǎn)換到使用高性能的開放式 PC 控制平臺(tái)，從而為我們帶來了更多的靈活性。”Andy Merrill 說道。通過集成基于 PC的控制平臺(tái)，能夠以更高的精度更輕松地監(jiān)控 Mobetron® 術(shù)中電子放療系統(tǒng)，這在癌癥治療的高安全標(biāo)準(zhǔn)方面有重大意義。“PC 控制解決方案意味著我們能夠更好地監(jiān)測(cè)和控制我們的治療機(jī)上的各種組件，同時(shí)它還能夠幫助我們優(yōu)化我們的遠(yuǎn)程診斷功能，提高系統(tǒng)效率。” Andy Merrill 補(bǔ)充說道。

Mobetron® 的控制系統(tǒng)，由一臺(tái)嵌入式控制器 CX5020、TwinCAT 自動(dòng)化軟件和相連接的 EtherCAT I/O 模塊構(gòu)成，具有高效且靈活的特點(diǎn)。它控制 Mobetron® 的所有自動(dòng)功能，包括將射線束直接照射到感染區(qū)所用的的小型射線加速器。IntraOp

Medical 使用 Beckhoff 的 EL7031 好 EL7041 步進(jìn)電機(jī)控制模塊和 AS1060 系列步進(jìn)電機(jī)來精確校準(zhǔn)射線束

基于 PC 的控制平臺(tái)帶來的另一個(gè)意義就是顯著縮短工程時(shí)間。“與裝配了傳統(tǒng) PLC 的第一代治療機(jī)相比，使用基于 PC 的控制系統(tǒng)讓每臺(tái)機(jī)器都能夠節(jié)省約 36 個(gè)小時(shí)的設(shè)計(jì)和裝配時(shí)間，從而讓我們每個(gè)月的機(jī)器的出貨量翻倍。Shura Kretchetov 闡述道。他繼續(xù)補(bǔ)充道：“總的說來，由于集成了 Beckhoff 的控制技術(shù)，我們的 Mobetron® 癌癥治療系統(tǒng)更加易于生產(chǎn)、故障排除和維護(hù)；保守估計(jì)，我們的總控制成本減少了 20 %”。

受到這些好結(jié)果的鼓勵(lì)，IntraOp Medical 繼續(xù)成功向這一目標(biāo)邁進(jìn)，一方面創(chuàng)建出更靈活、高效和經(jīng)濟(jì)的 IOERT，另一方面將用于其它醫(yī)療應(yīng)用的新機(jī)器引入市場(chǎng)。“未來，我們想要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)具有良好開放性的通用系統(tǒng)，可以用于所有類型的醫(yī)療應(yīng)用，如整形手術(shù)、燒傷治療、抗感染和病毒等，不一而足。”Andy Evans 解釋說道。我們專注于專用和定制的“即用型”解決方案，以確保我們?nèi)阅軌蛘驹诟?jìng)爭(zhēng)非常激烈的醫(yī)療技術(shù)市場(chǎng)的前沿。