绝对式编码器在医疗器械操作和控制中的典型应用解读

绝对式编码器在医疗器械操作和控制中的典型应用解读

最近举行的第81届CMEF中国国际医疗设备博览会（春季）是一场史无前例的盛会。上海虹桥国家会展中心的四个大型展厅里挤满了参展商和观众。1号馆和2号馆的医学影像设备代表了世界和国内最高水平的医学影像装备。

医疗成像设备是中国医疗设备行业的第一大板块。医疗器械行业整体规模超过5000亿元。2016年后，政治的春风被吹散，帮助国内图像产业扬帆起航。国家推动和支持高质量成像设备的创新研发，加快审批，启动“十三五数字诊疗研发计划”国家基金。2018年，优先考虑进口限制和本地化，以提高本地化率。领先公司拥有强大的研发能力，有望利用形象需求，通过政策加快本地化进程。

大型图像处理设备：国产替代至关重要

大型医学成像设备主要由X射线成像（DR）、计算机断层扫描（CT）、磁共振（MRI）和核医学组成。国产设备基本上在低端和中端领域实现了突破，而高端和中端产品与国外产品仍有很大的代沟，因为核心组件尚未完全独立开发和生产。该市场主要由外国GPS（通用电气、飞利浦和西门子的简称）主导。近年来，大幅面图像处理设备进入了“技术沉寂期”，行业内一直没有革命性的突破，让国产品牌有机会“赶超”欧美品牌。该政策促进进口替代，期待领先的形象公司率先突破技术，并根据国家政策和市场扩张逐步提高产品接受度和渗透率。

在大型医疗成像设备中，编码器扮演着各种机械运动的自动定位、数字联网和智能医疗的双重角色。

基于双重确认原理的绝对值编码器

双重确认原则是日本商人稻盛和夫创立的Amiba业务的一部分。业务中的所有重要数据必须由两个人确认。这是对人的尊重和关爱，使人们能够犯错，并使用系统来发现和预防错误。在开发创新产品时，我们也应该鼓励大胆创新，允许一些错误。我们应该使用双重确认的原则来检测和防止错误。

在家庭医疗成像设备的创新过程中，任何自动数字数据的准确性和可靠性也非常重要。在自动定位和记录过程中，关键位置传感器旋转编码器必须使用双重确认。

MRI系统中的自动移动床是，除了要检查的“患者”之外，检查室中没有其他人。床体的自动升降是自动控制的。自动机械运动驱动致动器是伺服电机，执行的位置参考点和反馈必须使用具有双重确认的第二编码器，以确保监控伺服运动执行的准确性、安全性和可靠性。该编码器应配备一个机械绝对值多圈编码器，因为有必要确保其数据的安全性和可靠性。需要全行程绝对值编码，而不需要所谓的“断电记忆”功能。绝对值编码在原始编码中可用，不需要“断电存储器”。这样，原始绝对值码不受超强电磁场干扰的影响，失去了位置。

（为什么某些磁性编织物能够在严重的磁场干扰下稳定可靠地工作？）



展会上，国内多家3T制造商展示了超导磁共振医学成像设备，这代表了中国最先进的水平。



此外，用于患者日常连续检查的成像设备的连续运行中的绝对值多路编码器确保了自动床到参考零点的绝对位置保持不变，而无需担心位置偏移来校准位置。该绝对位置数据还可以用作每次患者检查的个性化数字记录，创建全国网络。在进行下一次检查后，患者可以快速找到原来的检查部位，观察病情发展。

每个人的个性化数据可以检查一次，以获得国家网络的资料。

两个用于双重确认的编码器，一个位于伺服电机的高速端，用于运动驱动控制；位于电机减速器后面的低速端的第二个编码器用于位置反馈和数字显示记录。




从运动控制的角度来看，自动移动床是一种上下左右移动以到达MRI设备检查位置的二维机械运动，并逐渐移动人体进行分层检查。伺服电机执行运动，伺服电机本身具有绝对单圈编码器。然而，编码器是电机位置的半闭环。为了移动床，必须通过电机延迟床的位置。作为检查电机设计和减速器减速的完整闭环，可以有一个线性格尺作为全闭环的检测，也可以在变速器低速端有一个绝对值多速编码器作为准闭环的反馈检测。然而，线性网格尺刚性大，存在长度调整和安装的麻烦，在外部电磁干扰环境中，干扰范围大，容易干扰，成本高，不适合大规模使用。安装在低速末端的绝对值多圈编码器在延迟后接近全闭环。其体积小、干扰面积小、成本低，非常适合基于运动控制双重确认原理的连续参考点编码器，可以大大提高运动控制的安全性和可靠性。同时，由于整个行程的绝对值编码，不需要找到单个开关参考点。整个行程中的每个绝对编码位置都是一个连续的参考点，不会丢失，大大提高了机械自动化的效率。

在本届医疗设备博览会上，展出了中国制造的最先进的3T超导磁共振成像设备，所有设备均采用双确认原理编码器方案，超过一半参展的MRI制造商选择了绝对值多匝编码器。

连续参考点编码器和多电机同步跟踪

在本次交易会上，西门子医疗展示了一种带有自动跟踪的DR双柱的新产品。DR是指使用X射线的数字平板成像。



我记得这个新产品项目。大约三年前，上海西门子医疗的刘美堂医生邀请我来。我们讨论了运动控制部分编码器的选择。事实上，这是用于两个支柱的两个运动控制的同步跟踪技术的问题。

在这个新产品之前，两个支柱必须有一个刻度作为参考点。每天，医院里的医生都需要用秤在两根柱子上标记活动部件的高度。然后，当使用设备一天时，最好不要在参考点的位置上犯任何错误，否则X射线管和接收板的位置将不会对齐。



唐博士计划进行一项创新开发，即不需要添加标尺，而是使用两个绝对值多圈编码器作为连续参考点。由于位置不会因全范围绝对值编码而丢失，因此很容易对两个支柱上的运动部件进行同步跟踪。



新产品没有刻度刻度，因此无需每天校准参考刻度。在旧产品上，你会看到一个刻度。然而，标记托盘必须由医生的人眼看到，以校正高度。在一天的操作过程中，不应出现数据错误和位置丢失，否则需要停止机器并重新找到位置。

下图显示了新型西门子医疗设备的显示屏和用户界面，该设备可自动跟踪两列DR：



在这种运动控制的情况下，它似乎增加了两个绝对值多圈旋转编码器的成本，但它使两列同步跟踪的自动控制过程更加容易。参考点编码器2告诉板的高度位置告知球管柱的运动控制器，球管上下移动并根据两个参考点编码器之间的差异移动。当球管柱上的参考点传感器1与参考点传感器2匹配时停止。

个性化数据存储、联网和智能

第二编码器不仅参与自动执行的反馈监控，以提高安全性和可靠性，还用作数字传感器输出。每个检查者的图像高度中心位置由参考点编码器2记录并作为个性化检查者数据存储，其在全国范围内连接。当检查者在任何地方重新检查时，机器将很快找到原始检查位置，并将图像与前一次检查的图像进行比较，检查前后体内图像之间的差异，并进行智能比较，以便在早期发现病变。

经济性与效率

两种运动控制情况之一是双重确认编码器，这显著提高了可靠性。另一种是连续参考点发射器，它简化了自动同步跟踪，减少了误差，提高了机器效率。

然而，两者都在伺服电机的原始编码器之外添加了第二个编码器，这增加了成本并变得不经济？事实上，我们通常习惯于在成本计算中只看到组件的成本，而不关注开发成功的概率成本、现场调试成本、使用和维护成本以及不确定数据可靠性的长期成本（胶片报废和时间损失）。这两个编码器的前端输入成本可以确定，但作为回报，不安全成本大大降低，特别是在创新之后，用户体验显著优于原始，可靠性显著优于原始产品，使用效率大大提高，故障率大大降低。

此外，这种新型编码器可以绕过自动控制，直接用作数字记录、联网，并演变为个性化的AI医疗。这应该为用户提供附加值。

编码器的可靠性保证和质量证明书

作为医疗设备引入的绝对增值旋转编码器，其功能是提高自动运动控制的可靠性。因此，编码器本身的正确选择和质量保证极其重要。在体检期间，没有其他人可以帮忙。如果自动位置控制不正确，则会导致射击错误或潜在的安全隐患。在医疗资源仍然稀缺的时候，每一位接受检查的“患者”都必须预约并排队。如果它经常因维修工作而停止，这会导致排队患者的强烈不满。然后尽量不要停止这些设备，编码器数据一定不会出错！

可用于医疗器械的编码器对质量和可靠性要求非常高，因此必须具有“产品质量三证”。

第一个证书是产品制造商质量保证体系的第三方认证。例如，第三方ISO9000认证。鉴于产品的生产成熟度，需要至少五年的持续认证。

第二个证书是产品系列质量的第三个证书。例如，德国莱茵实验室的TÜV测试通过认证，EMC测试通过认证。

第三个证书是，每个产品必须包含与产品一致的证书和防伪代码。每种产品的独特编码和供应商管理可以跟踪生产前端的质量，这是每种编码器质量的保证。

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