核磁共振成像和計(jì)算機(jī)X線斷層掃描設(shè)備的兼容輔助系統(tǒng)設(shè)計(jì)
德國(guó)INNOMEDIC公司是一家主要從事醫(yī)療自動(dòng)機(jī)械和手術(shù)輔助系統(tǒng)的開發(fā),、生產(chǎn)及銷售的供應(yīng)商，在業(yè)界處于領(lǐng)先地位,。為了實(shí)現(xiàn)目前醫(yī)學(xué)輔助方法的最新創(chuàng)新,，INNOMEDIC公司為核磁共振成像（MRI）和計(jì)算機(jī)X線斷層造影（CT）儀器的制造設(shè)計(jì)了兼容輔助系統(tǒng),。輔助系統(tǒng)是核磁共振成像和計(jì)算機(jī)X線斷層造影設(shè)備能夠進(jìn)行安全、精密的運(yùn)動(dòng)控制,、完成檢查和診斷程序的關(guān)鍵,。因此，系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制構(gòu)成了該設(shè)計(jì)的核心,。
病人的安全是至高無上的,，這就意味著需要為醫(yī)生提供一個(gè)直觀的界面來控制該輔助系統(tǒng)，并采用具有高度精確性的高級(jí)伺服元件,。INNOMEDIC的核磁共振成像（MRI）和計(jì)算機(jī)X線斷層掃描（CT）兼容輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是能夠通過圖像引導(dǎo)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行干預(yù),，從而實(shí)現(xiàn)迄今為止還處于市場(chǎng)空白的高度精確性和安全性。
核磁共振成像（MRI）和計(jì)算機(jī)X線斷層掃描（CT）設(shè)備的狹小工作空間及其生成圖像的獨(dú)特方式,，使得該輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)極具挑戰(zhàn)性,。另外，該系統(tǒng)必須包括一個(gè)故障安全控制結(jié)構(gòu),，以保障檢查的安全和可靠,。
項(xiàng)目設(shè)計(jì)與實(shí)施
經(jīng)過多方考慮，INNOMEDIC將目光投向了MEI,，采用其SynqNet® 伺服控制系統(tǒng),，設(shè)計(jì)完成INNOMEDIC輔助系統(tǒng)。SynqNet不但具有較高的運(yùn)動(dòng)控制性能,，而且還具有遠(yuǎn)程診斷能力,、驅(qū)動(dòng)器/電動(dòng)機(jī)固件的升級(jí)能力、以及便于文件配置等特點(diǎn),，完美地滿足了INNOMEDIC輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,。更重要的是，SynqNet在環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的“自修復(fù)”容錯(cuò)功能,，使該系統(tǒng)在連接錯(cuò)誤或系統(tǒng)任一處節(jié)點(diǎn)完全斷線的情況下,，能夠進(jìn)入一個(gè)受控的安全狀態(tài),。這是目前現(xiàn)有的其它運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)都不能提供的安全和可靠性能。由于該伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)的上述諸多特性,，使得該輔助系統(tǒng)能夠提供最高的安全系數(shù),。
“自修復(fù)”容錯(cuò)功能
“自修復(fù)”容錯(cuò)是指在發(fā)生實(shí)際斷線、連接松動(dòng)或發(fā)生整個(gè)節(jié)點(diǎn)或多個(gè)節(jié)點(diǎn)故障情況下繼續(xù)保持運(yùn)行的能力,。 SynqNet 是第一個(gè)可以在上述情況下連續(xù)工作的全數(shù)字式運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò),。 “自修復(fù)”容錯(cuò)特性對(duì)于提高任何運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)應(yīng)用的安全性和可靠性來說都是十分關(guān)鍵的，而在冗余性對(duì)于成本節(jié)約和/或安全性至關(guān)重要的高價(jià)值和醫(yī)療應(yīng)用中尤其如此,。
在具有“自修復(fù)”容錯(cuò)功能的系統(tǒng)中,，如果五個(gè)節(jié)點(diǎn)中有兩個(gè)出現(xiàn)故障，則 SynqNet 仍然能夠控制其余的三個(gè)節(jié)點(diǎn),，將應(yīng)用做出標(biāo)記,，然后執(zhí)行備用運(yùn)動(dòng)參數(shù)。 閉環(huán)可以確保在整個(gè)環(huán)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總有一個(gè)冗余的數(shù)據(jù)通路,。SynqNet 可以將這個(gè)冗余通路用作輔助數(shù)據(jù)通道,。
另外，“自修復(fù)”容錯(cuò)功能可以對(duì)故障的位置進(jìn)行精確定位,，從而實(shí)施快速維護(hù)和維修,。萬(wàn)一某個(gè)線段出現(xiàn)故障，SynqNet 硬件會(huì)在兩個(gè)伺服循環(huán)內(nèi)重新找到數(shù)據(jù)通路,，使網(wǎng)絡(luò)連接仍然可用,。同時(shí)，應(yīng)用程序?qū)⒈桓嬷@一故障及其位置,，從而使機(jī)器以適應(yīng)特定環(huán)境的方式做出響應(yīng),。例如，可對(duì)一臺(tái)機(jī)器進(jìn)行編程,，以結(jié)束一個(gè)移動(dòng)順序,，否則，該移動(dòng)順序可導(dǎo)致獨(dú)立（或連鎖）機(jī)器軸發(fā)生危險(xiǎn)碰撞（或可造成重大損失的碰撞),。
結(jié)構(gòu)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有其自己的監(jiān)視定時(shí)器,，這樣即使主機(jī)或整個(gè)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，每個(gè)節(jié)點(diǎn)也會(huì)以一個(gè)可預(yù)知的安全方式做出響應(yīng),，以便平穩(wěn),、可控地關(guān)機(jī)。 為了預(yù)測(cè)可能的網(wǎng)絡(luò)故障,，SynqNet 在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上都有一個(gè)傳輸錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器,。 任何錯(cuò)誤計(jì)數(shù)（可由用戶定義）的不正常增加都可被用于提醒應(yīng)用軟件，并在發(fā)生災(zāi)難性故障之前,，找到潛在問題的位置,。
遠(yuǎn)程故障診斷
100 BaseT的電氣隔離具有實(shí)實(shí)在在的可靠性,，SynqNet 就是使用 100BaseT CRC 進(jìn)行錯(cuò)誤校驗(yàn)的。SynqNet利用實(shí)時(shí)節(jié)點(diǎn)信息的可用性,，可實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維修保養(yǎng),、遠(yuǎn)程故障診斷以及維修應(yīng)支持的體系。例如,，如果該節(jié)點(diǎn)是一個(gè)SynqNet 放大器,，則可通過用戶應(yīng)用程序，遠(yuǎn)程,、實(shí)時(shí)訪問溫度等參數(shù),、故障和報(bào)警狀態(tài)、組態(tài),、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及編碼器信息,。
SynqNet 和固件（IEEE 1394）網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)上均可與大量節(jié)點(diǎn)相適應(yīng),。當(dāng)各節(jié)點(diǎn)分布在一臺(tái)機(jī)器或工廠的周圍時(shí),，這些節(jié)點(diǎn)通常被定位到不同的接地域上，該接地域可引入接地噪聲和環(huán)流,。在上述接地之間,，IEEE 1394 電纜配有一個(gè)直流連接，并可導(dǎo)致一個(gè)接地環(huán)路,，而接地電流會(huì)對(duì) IEEE 1394 網(wǎng)絡(luò)的可靠性造成負(fù)面影響,。這種影響包括數(shù)據(jù)信號(hào)降級(jí)和來自電纜的過大電磁干擾（EMI），其可轉(zhuǎn)變成錯(cuò)誤的,、可能有危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)性能或系統(tǒng)關(guān)機(jī),。如果接地電流足夠高，則可能造成系統(tǒng)組件損壞,，以及引起人員電擊危險(xiǎn),。
IEEE 1394 網(wǎng)絡(luò)是為至／從遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的源點(diǎn)和（或）轉(zhuǎn)發(fā)器電源而設(shè)計(jì)的，以便使各節(jié)點(diǎn)不必配備各自的網(wǎng)絡(luò)功能電源,。此功能與IEEE 1394 系統(tǒng)中所需要的高速信號(hào)傳輸速率相結(jié)合,，使得直流電纜隔離難以實(shí)施。 相反,，諸如100 BaseT（IEEE802.3）等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及其它網(wǎng)絡(luò),，采用使用變壓器或光電耦合器的直流電纜隔離。由于SynqNet 基于100 BaseT,， 從而避免了1394 網(wǎng)絡(luò)中固有的電磁干擾（EMI）問題,。
除上述安全、可靠性能外,，INNOMEDIC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含一個(gè)全數(shù)字多數(shù)據(jù)通訊路徑,，以控制關(guān)鍵的伺服氣動(dòng)軸,。與正負(fù)10伏模擬系統(tǒng)相比，SynqNet全數(shù)字網(wǎng)絡(luò)能夠提供強(qiáng)大的遠(yuǎn)程診斷能力,、大量減少接線,，同時(shí)，在計(jì)算機(jī)X線斷層掃描（CT）引導(dǎo)的干預(yù)中,，減小對(duì)內(nèi)科醫(yī)生和病人的輻射劑量,。
設(shè)計(jì)效果與廣泛應(yīng)用
由于使用了INNOMEDIC系統(tǒng)，在核磁共振成像（MRI）和計(jì)算機(jī)X線斷層掃描（CT）中的圖像引導(dǎo)的干預(yù)無疑將更加有效,、快速,、安全且經(jīng)濟(jì)。內(nèi)科醫(yī)生無需額外輔助就能夠完成相應(yīng)的操作和干預(yù),。這也降低了總治療成本,。
該輔助系統(tǒng)可用于廣泛的應(yīng)用中，包括：經(jīng)由皮膚的疼痛治療,，組織間隙的腫瘤治療,，活組織檢查和脂濁度試驗(yàn)（LITT）等。
