絕對式編碼器在醫(yī)療器械操作和控制中的典型應(yīng)用解讀

最近舉行的第81屆CMEF中國國際醫(yī)療設(shè)備博覽會（春季）是一場史無前例的盛會。上海虹橋國家會展中心的四個大型展廳里擠滿了參展商和觀眾。1號館和2號館的醫(yī)學(xué)影像設(shè)備代表了世界和國內(nèi)最高水平的醫(yī)學(xué)影像裝備。

醫(yī)療成像設(shè)備是中國醫(yī)療設(shè)備行業(yè)的第一大板塊。醫(yī)療器械行業(yè)整體規(guī)模超過5000億元。2016年后，政治的春風(fēng)被吹散，幫助國內(nèi)圖像產(chǎn)業(yè)揚帆起航。國家推動和支持高質(zhì)量成像設(shè)備的創(chuàng)新研發(fā)，加快審批，啟動“十三五數(shù)字診療研發(fā)計劃”國家基金。2018年，優(yōu)先考慮進(jìn)口限制和本地化，以提高本地化率。領(lǐng)先公司擁有強大的研發(fā)能力，有望利用形象需求，通過政策加快本地化進(jìn)程。

大型圖像處理設(shè)備：國產(chǎn)替代至關(guān)重要

大型醫(yī)學(xué)成像設(shè)備主要由X射線成像（DR）、計算機斷層掃描（CT）、磁共振（MRI）和核醫(yī)學(xué)組成。國產(chǎn)設(shè)備基本上在低端和中端領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破，而高端和中端產(chǎn)品與國外產(chǎn)品仍有很大的代溝，因為核心組件尚未完全獨立開發(fā)和生產(chǎn)。該市場主要由外國GPS（通用電氣、飛利浦和西門子的簡稱）主導(dǎo)。近年來，大幅面圖像處理設(shè)備進(jìn)入了“技術(shù)沉寂期”，行業(yè)內(nèi)一直沒有革命性的突破，讓國產(chǎn)品牌有機會“趕超”歐美品牌。該政策促進(jìn)進(jìn)口替代，期待領(lǐng)先的形象公司率先突破技術(shù)，并根據(jù)國家政策和市場擴張逐步提高產(chǎn)品接受度和滲透率。

在大型醫(yī)療成像設(shè)備中，編碼器扮演著各種機械運動的自動定位、數(shù)字聯(lián)網(wǎng)和智能醫(yī)療的雙重角色。

基于雙重確認(rèn)原理的絕對值編碼器

雙重確認(rèn)原則是日本商人稻盛和夫創(chuàng)立的Amiba業(yè)務(wù)的一部分。業(yè)務(wù)中的所有重要數(shù)據(jù)必須由兩個人確認(rèn)。這是對人的尊重和關(guān)愛，使人們能夠犯錯，并使用系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)和預(yù)防錯誤。在開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品時，我們也應(yīng)該鼓勵大膽創(chuàng)新，允許一些錯誤。我們應(yīng)該使用雙重確認(rèn)的原則來檢測和防止錯誤。

在家庭醫(yī)療成像設(shè)備的創(chuàng)新過程中，任何自動數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性也非常重要。在自動定位和記錄過程中，關(guān)鍵位置傳感器旋轉(zhuǎn)編碼器必須使用雙重確認(rèn)。

MRI系統(tǒng)中的自動移動床是，除了要檢查的“患者”之外，檢查室中沒有其他人。床體的自動升降是自動控制的。自動機械運動驅(qū)動致動器是伺服電機，執(zhí)行的位置參考點和反饋必須使用具有雙重確認(rèn)的第二編碼器，以確保監(jiān)控伺服運動執(zhí)行的準(zhǔn)確性、安全性和可靠性。該編碼器應(yīng)配備一個機械絕對值多圈編碼器，因為有必要確保其數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。需要全行程絕對值編碼，而不需要所謂的“斷電記憶”功能。絕對值編碼在原始編碼中可用，不需要“斷電存儲器”。這樣，原始絕對值碼不受超強電磁場干擾的影響，失去了位置。

（為什么某些磁性編織物能夠在嚴(yán)重的磁場干擾下穩(wěn)定可靠地工作？）



展會上，國內(nèi)多家3T制造商展示了超導(dǎo)磁共振醫(yī)學(xué)成像設(shè)備，這代表了中國最先進(jìn)的水平。



此外，用于患者日常連續(xù)檢查的成像設(shè)備的連續(xù)運行中的絕對值多路編碼器確保了自動床到參考零點的絕對位置保持不變，而無需擔(dān)心位置偏移來校準(zhǔn)位置。該絕對位置數(shù)據(jù)還可以用作每次患者檢查的個性化數(shù)字記錄，創(chuàng)建全國網(wǎng)絡(luò)。在進(jìn)行下一次檢查后，患者可以快速找到原來的檢查部位，觀察病情發(fā)展。

每個人的個性化數(shù)據(jù)可以檢查一次，以獲得國家網(wǎng)絡(luò)的資料。

兩個用于雙重確認(rèn)的編碼器，一個位于伺服電機的高速端，用于運動驅(qū)動控制；位于電機減速器后面的低速端的第二個編碼器用于位置反饋和數(shù)字顯示記錄。




從運動控制的角度來看，自動移動床是一種上下左右移動以到達(dá)MRI設(shè)備檢查位置的二維機械運動，并逐漸移動人體進(jìn)行分層檢查。伺服電機執(zhí)行運動，伺服電機本身具有絕對單圈編碼器。然而，編碼器是電機位置的半閉環(huán)。為了移動床，必須通過電機延遲床的位置。作為檢查電機設(shè)計和減速器減速的完整閉環(huán)，可以有一個線性格尺作為全閉環(huán)的檢測，也可以在變速器低速端有一個絕對值多速編碼器作為準(zhǔn)閉環(huán)的反饋檢測。然而，線性網(wǎng)格尺剛性大，存在長度調(diào)整和安裝的麻煩，在外部電磁干擾環(huán)境中，干擾范圍大，容易干擾，成本高，不適合大規(guī)模使用。安裝在低速末端的絕對值多圈編碼器在延遲后接近全閉環(huán)。其體積小、干擾面積小、成本低，非常適合基于運動控制雙重確認(rèn)原理的連續(xù)參考點編碼器，可以大大提高運動控制的安全性和可靠性。同時，由于整個行程的絕對值編碼，不需要找到單個開關(guān)參考點。整個行程中的每個絕對編碼位置都是一個連續(xù)的參考點，不會丟失，大大提高了機械自動化的效率。

在本屆醫(yī)療設(shè)備博覽會上，展出了中國制造的最先進(jìn)的3T超導(dǎo)磁共振成像設(shè)備，所有設(shè)備均采用雙確認(rèn)原理編碼器方案，超過一半?yún)⒄沟腗RI制造商選擇了絕對值多匝編碼器。

連續(xù)參考點編碼器和多電機同步跟蹤

在本次交易會上，西門子醫(yī)療展示了一種帶有自動跟蹤的DR雙柱的新產(chǎn)品。DR是指使用X射線的數(shù)字平板成像。



我記得這個新產(chǎn)品項目。大約三年前，上海西門子醫(yī)療的劉美堂醫(yī)生邀請我來。我們討論了運動控制部分編碼器的選擇。事實上，這是用于兩個支柱的兩個運動控制的同步跟蹤技術(shù)的問題。

在這個新產(chǎn)品之前，兩個支柱必須有一個刻度作為參考點。每天，醫(yī)院里的醫(yī)生都需要用秤在兩根柱子上標(biāo)記活動部件的高度。然后，當(dāng)使用設(shè)備一天時，最好不要在參考點的位置上犯任何錯誤，否則X射線管和接收板的位置將不會對齊。



唐博士計劃進(jìn)行一項創(chuàng)新開發(fā)，即不需要添加標(biāo)尺，而是使用兩個絕對值多圈編碼器作為連續(xù)參考點。由于位置不會因全范圍絕對值編碼而丟失，因此很容易對兩個支柱上的運動部件進(jìn)行同步跟蹤。



新產(chǎn)品沒有刻度刻度，因此無需每天校準(zhǔn)參考刻度。在舊產(chǎn)品上，你會看到一個刻度。然而，標(biāo)記托盤必須由醫(yī)生的人眼看到，以校正高度。在一天的操作過程中，不應(yīng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤和位置丟失，否則需要停止機器并重新找到位置。

下圖顯示了新型西門子醫(yī)療設(shè)備的顯示屏和用戶界面，該設(shè)備可自動跟蹤兩列DR：



在這種運動控制的情況下，它似乎增加了兩個絕對值多圈旋轉(zhuǎn)編碼器的成本，但它使兩列同步跟蹤的自動控制過程更加容易。參考點編碼器2告訴板的高度位置告知球管柱的運動控制器，球管上下移動并根據(jù)兩個參考點編碼器之間的差異移動。當(dāng)球管柱上的參考點傳感器1與參考點傳感器2匹配時停止。

個性化數(shù)據(jù)存儲、聯(lián)網(wǎng)和智能

第二編碼器不僅參與自動執(zhí)行的反饋監(jiān)控，以提高安全性和可靠性，還用作數(shù)字傳感器輸出。每個檢查者的圖像高度中心位置由參考點編碼器2記錄并作為個性化檢查者數(shù)據(jù)存儲，其在全國范圍內(nèi)連接。當(dāng)檢查者在任何地方重新檢查時，機器將很快找到原始檢查位置，并將圖像與前一次檢查的圖像進(jìn)行比較，檢查前后體內(nèi)圖像之間的差異，并進(jìn)行智能比較，以便在早期發(fā)現(xiàn)病變。

經(jīng)濟(jì)性與效率

兩種運動控制情況之一是雙重確認(rèn)編碼器，這顯著提高了可靠性。另一種是連續(xù)參考點發(fā)射器，它簡化了自動同步跟蹤，減少了誤差，提高了機器效率。

然而，兩者都在伺服電機的原始編碼器之外添加了第二個編碼器，這增加了成本并變得不經(jīng)濟(jì)？事實上，我們通常習(xí)慣于在成本計算中只看到組件的成本，而不關(guān)注開發(fā)成功的概率成本、現(xiàn)場調(diào)試成本、使用和維護(hù)成本以及不確定數(shù)據(jù)可靠性的長期成本（膠片報廢和時間損失）。這兩個編碼器的前端輸入成本可以確定，但作為回報，不安全成本大大降低，特別是在創(chuàng)新之后，用戶體驗顯著優(yōu)于原始，可靠性顯著優(yōu)于原始產(chǎn)品，使用效率大大提高，故障率大大降低。

此外，這種新型編碼器可以繞過自動控制，直接用作數(shù)字記錄、聯(lián)網(wǎng)，并演變?yōu)閭€性化的AI醫(yī)療。這應(yīng)該為用戶提供附加值。

編碼器的可靠性保證和質(zhì)量證明書

作為醫(yī)療設(shè)備引入的絕對增值旋轉(zhuǎn)編碼器，其功能是提高自動運動控制的可靠性。因此，編碼器本身的正確選擇和質(zhì)量保證極其重要。在體檢期間，沒有其他人可以幫忙。如果自動位置控制不正確，則會導(dǎo)致射擊錯誤或潛在的安全隱患。在醫(yī)療資源仍然稀缺的時候，每一位接受檢查的“患者”都必須預(yù)約并排隊。如果它經(jīng)常因維修工作而停止，這會導(dǎo)致排隊患者的強烈不滿。然后盡量不要停止這些設(shè)備，編碼器數(shù)據(jù)一定不會出錯！

可用于醫(yī)療器械的編碼器對質(zhì)量和可靠性要求非常高，因此必須具有“產(chǎn)品質(zhì)量三證”。

第一個證書是產(chǎn)品制造商質(zhì)量保證體系的第三方認(rèn)證。例如，第三方ISO9000認(rèn)證。鑒于產(chǎn)品的生產(chǎn)成熟度，需要至少五年的持續(xù)認(rèn)證。

第二個證書是產(chǎn)品系列質(zhì)量的第三個證書。例如，德國萊茵實驗室的TüV測試通過認(rèn)證，EMC測試通過認(rèn)證。

第三個證書是，每個產(chǎn)品必須包含與產(chǎn)品一致的證書和防偽代碼。每種產(chǎn)品的獨特編碼和供應(yīng)商管理可以跟蹤生產(chǎn)前端的質(zhì)量，這是每種編碼器質(zhì)量的保證。

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