Aktuální vydání

celé číslo

04

2022

veletrh Amper 2022
celé číslo

Díky kompaktním pohonům Beckhoff jsou nejmodernější zařízení pro výpočetní tomografii mobilní

Článek popisuje, jak kompaktní řízení polohy a pohybu založené na PC a komunikačním systému EtherCAT umožnilo snímkování pacientů mobilním CT nejen před operací a po ní, ale i v průběhu operace.

 

Rakouská společnost medPhoton (https://www.medphoton.at/), která se zabývá vývojem zdravotnické techniky, představila své řešení pro zobrazování orgánů a tkání pacientů pro plánování radiační terapie poprvé již v roce 2014. Zařízení nazvané Imaging Ring (obr. 1) je nyní k dispozici též v mobilní verzi, která umožňuje zobrazit vnitřní orgány nejen před operací a po ní, ale dokonce i během vlastního výkonu. Technika řízení polohy a pohybu od firmy Beckhoff založená na využití PC a komunikačního systému EtherCAT se v tomto zařízení používá k dosažení požadovaných pozorovacích úhlů a na milimetr přesnému ustavení zdroje rentgenového záření vzhledem k pacientovi.

 

O společnosti medPhoton a zařízení Imaging Ring

Společnost medPhoton GmbH byla založena Heinzem Deutschmannem v roce 2012 jako spin-off Soukromé lékařské univerzity Paracelsus a Salcburské státní kliniky. Heinz Deutschmann je uznávaný fyzik a ve svém podnikání spolu s původně malým týmem lékařských techniků a softwarových vývojářů sledoval vizi vytvoření široce univerzálního nástroje, „švýcarského armádního nože“ pro diagnostické zobrazování, který chtěl uvést na trh zdravotnické techniky. To se mu podařilo a v současné době firma ročně vyrábí přibližně 35 takových všestranně použitelných zařízení.

„Náš Imaging Ring je zařízení pro výpočetní tomografii s vysokým rozlišením, které nejen poskytuje dvourozměrné nebo třírozměrné snímky, ale umožňuje také fluoroskopii s pulzním rentgenovým zářením. Je to zařízení ideální pro úkoly, jako je zachycení a digitalizace anatomických změn během operace,“ vysvětluje Michael Hubauer-Brenner, výkonný ředitel společnosti medPhoton, a popisuje řešení, které lze integrovat do mnoha rozličných léčebných procesů.

Například v onkologii tento přístroj umožňuje vizualizaci nádorů a jejich cílené ozařování, zatímco v chirurgii usnadňuje navádění operujícího lékaře v operačním prostoru. „Zázemí naší společnosti je v oblasti radiační terapie. V těchto případech jsou naše přístroje obvykle namontovány na stropě terapeutického sálu nebo na stole, na němž leží pacient. Zde je většinou dostatek místa pro dva až tři rozváděče s řídicí technikou, ale situace je zcela odlišná v počítačově podporované obrazově naváděné chirurgii,“ poznamenává Andreas Schippani ze společnosti medPhoton v narážce na obvykle velmi stísněné podmínky na operačních sálech. S ohledem na tuto skutečnost bylo vynaloženo velké konstrukční úsilí, aby se podařilo veškerou řídicí techniku vměstnat do ramen, noh a podpěr zobrazovacího prstence nejnovější generace CT Imaging Ring. Toto úsilí usnadnila kompaktnost použitých komponent od firmy Beckhoff a decentralizovaná architektura systému doplněná distribuovaným řízením a inteligencí pohonů.

 

Flexibilita pohybu a zobrazování

Mobilní zobrazovací robot Imaging Ring m/Loop-X byl vyvinut v úzké spolupráci se společností Brainlab – předním světovým specialistou na software pro zdravotnickou techniku. Zařízení má rozměry pouhých 182 × 87 × × 189 cm a nabízí výjimečný rozsah pohybu. „Stojí na dvou nohách, z nichž každá má dvě kola, která se mohou nezávisle otáčet v různých směrech. To mu umožňuje pohybovat se dopředu, dozadu a do zatáčky a otáčet se kolem vlastní osy nebo jakéhokoliv jiného bodu v místnosti, a dokonce přejíždět z jednoho operačního sálu do druhého – to vše zcela autonomně, s možností dočasného napájení z baterií. Vše, co musí operátor udělat, je zadat navigační příkazy na ovládacím tabletu,“ vysvětluje Armin Schlattau, vedoucí vývoje automatizace ve společnosti medPhoton.

Je rovněž důležité poznamenat, že robot poskytuje maximální flexibilitu nejen z hlediska své mobility, ale také pokud jde o zobrazování. Radiální uspořádání zdroje záření a detektoru v kombinaci se synchronním, ale nezávislým pohybem má mnoho výhod, mezi něž patří schopnost dosáhnout zvláště velkého trojrozměrného zorného pole a možnost neizocentrického zobrazování. „Neizocentrické zobrazování znamená, že pacienti nemusí být během snímkování uprostřed prstencového rámu, protože systém plně automaticky umístí oblast skenování do příslušné oblasti zájmu,“ popisuje Andreas Schippani. Jeho kolega Armin Schlattau dodává: „Ačkoliv máme k dispozici jen omezenou oblast detektoru, dokážeme nepřetržitým pohybem jednotlivých os různými rychlostmi dynamicky generovat panoramatické snímky s pohledy z různých úhlů.“ Interakce mezi celkem 26 pohybovými osami je řízena ultrakompaktním průmyslovým PC C6015 se čtyřjádrovým procesorem Intel® Atom™. Vzhledem k rozměrům pouhých 82 × 82 × 40 mm vyžaduje jen minimální prostor k instalaci, díky čemuž je podle konstruktérů z firmy medPhoton vhodný právě pro konstrukci zobrazovacího robotu. Průmyslové PC na jedné straně koordinuje všechny úlohy řízení pohybu a na druhé straně funguje jako server TCP/IP, který prostřednictvím knihovny TwinCAT ADS Communication vytváří spojení s nadřazeným počítačem pro zpracování dat.

 

Prostorové rentgenové zobrazování řízené zadáním dráhy

Pomocí funkce TwinCAT NC Camming vytváří zařízení od firmy medPhoton na těle pacienta laserovým světlem naváděcí čáry, křížky nebo obdélníky, které fungují jako optická polohovací pomůcka pro všechny dostupné zobrazovací procesy. Vlivem této funkce vzniká nelineární závislost mezi hlavní a podřízenou osou. „Abychom mohli vypočítat objemový 3D obraz ze stovek 2D projekcí, potřebujeme přesně vědět, ve kterém okamžiku a z jakého úhlu byly jednotlivé snímky pořízeny. Jakékoliv chyby by mohly mít fatální následky; koneckonců zde mluvíme o lékařských zásazích,“ zdůrazňuje Michael Hubauer-Brenner s ohledem na důležitost pořídit přesné obrazy s časovou značkou. „Nejenže jsme závislí na přesných informacích o poloze, ale také musíme měřit, jak dlouho rentgenujeme z daného směru, a to s přesností na nanosekundy,“ říká Armin Schlattau, když popisuje proces, který využívá digitální vstupní terminál EL1252 s funkcí časového razítka XFC od firmy Beckhoff.

 

Rozmanitost produktů z jednoho zdroje

V zobrazovacím robotu je nainstalováno více než deset různých typů terminálů od společnosti Beckhoff, včetně komponent TwinSAFE, jako jsou EL1904 nebo EL6910, a také terminály krokových motorů EL7037 a terminály servomotorů EL7221-9014 s přenosem napájení i ovládání jedním kabelem (OCT – One Cable Technology). „Když jsme na veletrhu Smart Automation v Linci v květnu 2017 hledali dodavatele řídicí techniky pro mobilní verzi našeho CT Imaging Ringu, společnost Beckhoff na nás okamžitě zapůsobila svou širokou škálou produktů dostupných v kompaktním formátu,“ vzpomíná Armin Schlattau. Podle vývojového inženýra automatizace patřila mezi hlavní argumenty hovořící ve prospěch firmy Beckhoff také dostupnost terminálu krokového motoru s inkrementálním snímačem polohy, integrace plnohodnotného řízení servopohonu do terminálu EtherCAT, jehož šířka je pouhých 12 mm, a spojení napájení a signálu digitální zpětné vazby do jediného propojovacího kabelu motoru pro servomotory AM8121.

„Ačkoliv jsme zvýšili složitost a výkon našeho systému, zároveň se nám podařilo zmenšit prostor potřebný pro automatizační techniku na desetinu,“ doplňuje Michael Hubauer-Brenner, potěšen výsledky produktivní spolupráce, která předčila všechna očekávání. Zdá se ale, že to ještě není uzavřená kapitola: „Náš CT Imaging Ring budeme dále inovovat a nadále doufáme, že k vývoji kreativně přispěje i firma Beckhoff,“ uzavírá Andreas Schippani. Balázs Bezeczky, vedoucí obchodního zastoupení firmy Beckhoff ve Vídni, navrhuje další optimalizaci zařízení: „S našimi novými terminály ELM72xx, určenými pro servopohony, které jsou umístěné v kovových pouzdrech, by bylo možné dosáhnout ještě kompaktnější konstrukce řízení pohonu. A co víc, model ELM72xx-9018 umožňuje mapovat kompletní balíček funkcí Safe Motion včetně možností realizovat funkce bezpečně omezené rychlosti a bezpečně omezené polohy (SLS, SLP).“ Jeho výzva vyzkoušet provoz s dvoukanálovým terminálem ELM72x2 již byla akceptována.

 

(Beckhoff Automation)

 

Kompaktní pohony Beckhoff

Pro nízké napětí do 48 V nabízí Beckhoff modulární systém určený pro kompaktní servopohony a krokové motory. V kombinaci s motory řady AM8100 tvoří terminály EL72xx velmi kompaktní a přitom vysoce dynamický servopohon, který je vhodný ve spojení s OCT (One Cable Technology) a víceotáčkovými absolutními snímači polohy pro přesné řízení polohy a pohybu. Terminály EL72xx volitelně umožňují implementaci bezpečnostní funkce STO (Safe Torque Off). Novinka, ELM72xx-9018, umožňuje mapovat kompletní balíček funkcí Safe Motion včetně možností realizovat funkce bezpečně omezené rychlosti a bezpečně omezené polohy (SLS, SLP).

Krokové motory AS2000 a AS1000 je možné provozovat ve spojení s terminály krokových motorů do rozváděče (IP20) nebo s moduly EtherCAT či EtherCAT P Box vhodnými do provozních podmínek (IP67) jako nastavitelnou osu, buď se zpětnou vazbou, nebo i bez ní.

V oblasti kompaktních pohonů lze jmenovat pohon AMI8100, který kombinuje servomotor se servoregulátorem a rozhraním EtherCAT v prostorově úsporném provedení a je vhodný pro všechny požadavky na pohyb ve výkonovém rozsahu do 400 W. Jako EtherCAT slave lze AMI8100 umístit přímo na stroj bez rozváděče a bez předřazené I/O úrovně. Distribuované servopohony jsou volitelně k dispozici s bezpečnostními funkcemi TwinSAFE STO nebo SS1.

K dispozici je široké spektrum příslušenství, např. planetové převodovky, kabely atd.

Více na https://www.beckhoff.com/en-en/products/motion/compact-drive-technology/

 

 

Obr. 1. Mobilní výpočetní tomograf Imaging Ring (https://www.medphoton.at/products/imaging-ring/)

Obr. 2. Balázs Bezeczky, vedoucí rakouského zastoupení společnosti Beckhoff ve Vídni, Heinz Deutschmann, zakladatel firmy medPhoton, a Michael Hubauer-Brenner, výkonný ředitel firmy medPhoton (zleva doprava)

Obr. 3. Andreas Schippani (na obrázku vedle kompaktníc terminálů EtherCAT), výkonný ředitel pro finance společnosti medPhoton, velmi oceňuje skutečnost, že Beckhoff neposkytuje pouze telefonickou podporu, ale v případě potřeby také kompetentní podporu na místě