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(huì)（春季）是一場史無前例的盛會(huì)。上海虹橋國家會(huì)展中心的四個(gè)大型展廳里擠滿了參展商和觀眾。1號(hào)館和2號(hào)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(yáng)帆起航。國家推動(dòng)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(dòng)“十三五數(shù)字診療研發(fā)計(jì)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(qiáng)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(jì)算機(jī)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?yàn)楹诵慕M件尚未完全獨(dú)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(jī)會(huì)“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(kuò)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(jī)械運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)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(gè)人確認(rèn)。這是對人的尊重和關(guān)愛，使人們能夠犯錯(cuò)，并使用系統(tǒng)來發(fā)現(xiàn)和預(yù)防錯(cuò)誤。在開發(fā)創(chuàng)新產(chǎn)品時(shí)，我們也應(yīng)該鼓勵(lì)大膽創(chuàng)新，允許一些錯(cuò)誤。我們應(yīng)該使用雙重確認(rèn)的原則來檢測和防止錯(cuò)誤。

在家庭醫(yī)療成像設(shè)備的創(chuàng)新過程中，任何自動(dòng)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性也非常重要。在自動(dòng)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(dòng)移動(dòng)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(dòng)升降是自動(dòng)控制的。自動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器是伺服電機(jī)，執(zhí)行的位置參考點(diǎn)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(yùn)動(dòng)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(gè)機(jī)械絕對值多圈編碼器，因?yàn)橛斜匾_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(chǔ)器”。這樣，原始絕對值碼不受超強(qiáng)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(huì)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(yùn)行中的絕對值多路編碼器確保了自動(dòng)床到參考零點(diǎn)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(gè)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(gè)人的個(gè)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(gè)用于雙重確認(rèn)的編碼器，一個(gè)位于伺服電機(jī)的高速端，用于運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)控制；位于電機(jī)減速器后面的低速端的第二個(gè)編碼器用于位置反饋和數(shù)字顯示記錄。




從運(yùn)動(dòng)控制的角度來看，自動(dòng)移動(dòng)床是一種上下左右移動(dòng)以到達(dá)MRI設(shè)備檢查位置的二維機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并逐漸移動(dòng)人體進(jìn)行分層檢查。伺服電機(jī)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)，伺服電機(jī)本身具有絕對單圈編碼器。然而，編碼器是電機(jī)位置的半閉環(huán)。為了移動(dòng)床，必須通過電機(jī)延遲床的位置。作為檢查電機(jī)設(shè)計(jì)和減速器減速的完整閉環(huán)，可以有一個(gè)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(gè)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(yùn)動(dòng)控制雙重確認(rèn)原理的連續(xù)參考點(diǎn)編碼器，可以大大提高運(yùn)動(dòng)控制的安全性和可靠性。同時(shí)，由于整個(gè)行程的絕對值編碼，不需要找到單個(gè)開關(guān)參考點(diǎn)。整個(gè)行程中的每個(gè)絕對編碼位置都是一個(gè)連續(xù)的參考點(diǎn)，不會(huì)丟失，大大提高了機(jī)械自動(dòng)化的效率。

在本屆醫(yī)療設(shè)備博覽會(huì)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(diǎn)編碼器和多電機(jī)同步跟蹤

在本次交易會(huì)上，西門子醫(yī)療展示了一種帶有自動(dòng)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(gè)新產(chǎn)品項(xiàng)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(yùn)動(dòng)控制部分編碼器的選擇。事實(shí)上，這是用于兩個(gè)支柱的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)控制的同步跟蹤技術(shù)的問題。

在這個(gè)新產(chǎn)品之前，兩個(gè)支柱必須有一個(gè)刻度作為參考點(diǎn)。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(dòng)部件的高度。然后，當(dāng)使用設(shè)備一天時(shí)，最好不要在參考點(diǎn)的位置上犯任何錯(cuò)誤，否則X射線管和接收板的位置將不會(huì)對齊。



唐博士計(jì)劃進(jìn)行一項(xiàng)創(chuàng)新開發(fā)，即不需要添加標(biāo)尺，而是使用兩個(gè)絕對值多圈編碼器作為連續(xù)參考點(diǎn)。由于位置不會(huì)因全范圍絕對值編碼而丟失，因此很容易對兩個(gè)支柱上的運(yùn)動(dòng)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(huì)看到一個(gè)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(cuò)誤和位置丟失，否則需要停止機(jī)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(dòng)跟蹤兩列DR：



在這種運(yùn)動(dòng)控制的情況下，它似乎增加了兩個(gè)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(dòng)控制過程更加容易。參考點(diǎn)編碼器2告訴板的高度位置告知球管柱的運(yùn)動(dòng)控制器，球管上下移動(dòng)并根據(jù)兩個(gè)參考點(diǎn)編碼器之間的差異移動(dòng)。當(dāng)球管柱上的參考點(diǎn)傳感器1與參考點(diǎn)傳感器2匹配時(shí)停止。

個(gè)性化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、聯(lián)網(wǎng)和智能

第二編碼器不僅參與自動(dòng)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(gè)檢查者的圖像高度中心位置由參考點(diǎn)編碼器2記錄并作為個(gè)性化檢查者數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，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(shí)，機(jī)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(yùn)動(dòng)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(diǎn)發(fā)射器，它簡化了自動(dòng)同步跟蹤，減少了誤差，提高了機(jī)器效率。

然而，兩者都在伺服電機(jī)的原始編碼器之外添加了第二個(gè)編碼器，這增加了成本并變得不經(jīng)濟(jì)？事實(shí)上，我們通常習(xí)慣于在成本計(jì)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(bào)廢和時(shí)間損失）。這兩個(gè)編碼器的前端輸入成本可以確定，但作為回報(bào)，不安全成本大大降低，特別是在創(chuàng)新之后，用戶體驗(yàn)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(dòng)控制，直接用作數(shù)字記錄、聯(lián)網(wǎng)，并演變?yōu)閭€(gè)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(dòng)運(yùn)動(dòng)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(dòng)位置控制不正確，則會(huì)導(dǎo)致射擊錯(cuò)誤或潛在的安全隱患。在醫(yī)療資源仍然稀缺的時(shí)候，每一位接受檢查的“患者”都必須預(yù)約并排隊(duì)。如果它經(jīng)常因維修工作而停止，這會(huì)導(dǎo)致排隊(duì)患者的強(qiáng)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(huì)出錯(cuò)！

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(gè)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(gè)證書是產(chǎn)品系列質(zhì)量的第三個(gè)證書。例如，德國萊茵實(shí)驗(yàn)室的TüV測試通過認(rèn)證，EMC測試通過認(rèn)證。

第三個(gè)證書是，每個(gè)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(dú)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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