绝对值编码器在医学影像设备运动控制中的典型成功应用

同步跟踪连续参考点编码器、

自动化数字化双重身份编码器

 

正在进行的第81届CMEF中国国际医疗器械博览会(春季) 盛况空前，上海虹桥国家会展中心的四叶草四大展馆全部挤满了展商与观众，而在1号馆2号馆展示的医学影像器械，代表了当今国际上和国内医学影像设备的最高水平。

 

医学影像器械是我国医疗器械行业第一细分领域，医疗器械行业总体规模已超过5000亿元人民币。2016年后，政策春风扬起，助力国产影像行业起航。国家鼓励和扶持高值影像设备创新研发，加速审评审批，启动“十三五数字诊疗研发专项”国家基金。2018年进口限制与国产化优先并行，提升国产化率。龙头企业研发实力强劲，有望乘着影像需求扩容时机，借助政策，加速推进国产化进程。

 

——大型影像设备：国产替代，势在必行

大型医学影像设备主要由X线成像设备（DR）、计算机断层扫描（CT）、核磁共振（MRI）及核医学组成。国产设备在中低端领域已基本实现突破，而中高端产品由于核心元部件尚未实现完全自主研发和生产，与海外产品仍有较大代差，市场主要为国外GPS(GE，飞利浦、西门子三家的简称)所垄断。大型影像设备近年来进入了“技术静默期”，行业内并没有变革性突破，给予国产品牌良好的契机来“追赶”欧美品牌。政策鼓励进口替代，看好先行突破技术的影像龙头企业，顺着国家政策和市场扩容东风，逐步提升产品接受度及渗透率。

 

在大型医学影像设备中，编码器起着各种机械运动自动化定位与数字化联网进而智能化医疗的双重作用。

 

双重确认原则的绝对值编码器

双重确认原则是日本经营大师稻盛和夫创立的阿米巴经营里面的一部分，在经营活动中所有的重要数据需要两部分人作确认。这是对人的尊重与关怀，允许人犯错，用制度来发现和防止差错。而在创新产品开发的过程中，同样的要鼓励大胆创新，允许可能部分犯错，就要用双重确认原则来发现和防止错误。

 

在国产化医疗影像设备的创新过程中，每一个自动化数字化的数据的准确可靠性也是非常重要的，在自动化定位与记录中，关键的位置传感器--编码器就要用双重确认。

 

在核磁共振设备中的自动化移动床，是在检查室里除了待检查的“病人”，不能有其他人。床体的自动升高与移动都是自动化控制的，自动化的机械运动驱动执行器为伺服电机，而位置参考点与执行的反馈需要用双重确认的第二个编码器，以保证监控伺服运动执行的准确性与安全可靠性，而这个编码器应该是用机械式绝对值多圈编码器完成——既然要确信它数据的安全可靠性，就要用到全行程真绝对值编码，不得有任何所谓“停电记忆”的功能。绝对值编码是原始编码就有的，不需要什么“停电记忆”。这样原始就有的绝对值编码不会受到超强电磁场干扰影响而跑丢了位置。

（链接阅读）有些磁编为什么能够在强磁场干扰环境下，照样可以稳定可靠的工作？

展会中多家国产厂家展示了代表国内最先进水平的3T超导磁共振医学影像设备

 

另外，在每天连续检查病人的影像设备连续运行中，绝对值多圈编码器保证了自动化床对参考零点绝对位置的不变，而无需担心位置偏移去校准位置，这个绝对值位置数据也可以作为每个病人检查的个性化数字记录，建立全国联网。等这个病人下一次做检查，可以迅速找到原有的检查位置，观察病情发展情况。

每个人个性化的数据，检查一次可以全国联网的智能化。

双重确认的两个编码器，伺服电机上高速端一个编码器，是做运动驱动控制；电机减速器后的低速端第二个编码器，是做位置反馈确认，并数字化显示记录。

 

从运动控制的角度讲解，自动化移动床是两维的机械运动，上下与左右移动，达到核磁共振设备的检查部位，并逐步移动人体分层检查。执行移动的是伺服电机，伺服电机上本身就有绝对值单圈编码器。但是那颗编码器是针对电机转子位置的半闭环，对于床体的位置需要经过电机执行——减速传动到床体移动，作为检查电机执行及减速机减速后的全闭环，可以有直线光栅尺作为全闭环的检测，也可以有一个绝对值多圈编码器在传动低速端作为类全闭环的反馈检测。而直线光栅尺是刚性的，有长度定制与安装的麻烦，在外部电磁干扰环境下被干扰面积大，容易被干扰到，而且成本高，不适合大规模的使用。而低速端安装的绝对值多圈编码器已在减速后，接近于全闭环，其体积小受干扰面积小，成本经济，非常适合做运动控制双重确认原则的连续参考点编码器，可以大大提升运动控制的安全可靠性，同时，由于全行程的绝对值编码，无须再去寻找单个开关式的参考点，在全行程上每一个绝对编码的位置都是连续参考点，不会跑丢，大大提升了机械自动化效率。

 

在本次医疗器械展会上展示了国产最先进的3T超导磁共振影像设备，均采用了这种双重确认原则编码器方案，而且展会上参展的核磁共振厂家，有超过一半是选用了上海精浦的绝对值多圈编码器。

 

连续参考点编码器及多电机同步跟踪

 

在本次展会上，西门子医疗展示了新产品——自动追踪的双立柱DR

DR是指X光数字平板成像。

我记得这个新产品项目，大约在三年前，上海西门子医疗的一位留美唐博士请我过去，我们聊过运动控制部分的编码器的选型，实际上这是一个双立柱两个运动控制的同步追踪技术问题。

 

在这个新产品前，两个立柱上都需要有刻线标尺作为参考点，每天医院的医师需要将两个立柱上的可移动件，通过标尺标对高度。然后在一天的设备使用中，最好不要发生位置对参考点的错误，不然X光发射球管与接收的平板的位置就要对不上了。

 

唐博士打算做创新开发，就是不需要刻线标尺，而是加装两个绝对值多圈编码器，作为连续参考点，由于是全行程绝对值编码的，位置不会丢失，两个立柱上的移动件的同步跟踪程序就好做了。

新产品没有刻线标尺，无须每天对参考标尺。而老产品上可以看到有刻线标尺。但是，刻线标尺是需要医师人眼去看，去对高度的，在一天的操作中间还不能有数据差错位置丢失，不然就要停机重新找位置了。

下图是这个西门子医疗新产品—自动追踪双立柱DR的显示操作界面：

 

在这个运动控制案例中，看似增加了两个绝对值多圈编码器的成本，却让这个双立柱同步跟踪的自动化控制程序简单化很多，当待检查人站在成像平板前，高度位置确定了，参考点编码器2就把平板高度位置告诉球管立柱的运动控制器，球管上下移动，并根据两个参考点编码器比对高度位置差移动，当球管立柱上的参考点编码器1与参考点编码器2的数据一致，即停。

 

个性化数据保存且联网，智能化

第二编码器不仅仅参与到自动化执行的反馈监控，提高安全可靠性，同时也是作为数字化的传感输出。每一个检查者的影像高度中心位置被参考点编码器2记录，并保存为该检查者的个性化数据，全国联网。当这位检查者无论在哪里再次检查，机器很快就会找到原有的检查位置，并影像与上一次检查的影像做对比，检查身体内部影像的前后差别，智能化比较，以早期发现病灶。

 

经济性与效率

这两个运动控制案例，一个是双重确认编码器，可靠性大大提升。另一个是连续参考点编码器，自动化同步跟踪变得简单而又减少了错误，提高了机器效率。

但是，两个都是除了伺服电机原有的一个编码器以外，又增加了一个第二编码器，那么是否会增加了成本而不经济了？事实上我们对于成本的计算，常常习惯于只看到器件成本，而没有关注开发成功概率成本、现场调试成本、使用维护成本，以及数据可靠性不确定的长期成本（拍片报废及时效损失）。这两个编码器的前面投入成本是可确定的，换回的是后面不确定成本大大减少了，尤其是创新后让使用者的体验是大大优于原有的，可靠性是大大优与原有的，使用的效率大大提高，停机故障率大大减少了。

 

另外，这新增的编码器，又是可以绕开自动化控制器，直接的作为数字化记录，联网，并向个性化AI医疗发展的。这是给使用方带来价值增值。

 

编码器的可靠性保证与品质三证

医疗器械作为引入的绝对值多圈编码器，它的作用就是增加了运动自动控制的可靠性。因此，编码器自身的选型正确与品质可靠性就是极为重要了。在医学检查的时候，是没有其他人在一边可帮助的，自动化位置控制如果发生错误，将导致拍片失败，或者人生安全性隐患。在医疗资源还紧张的现在，每一个待检查的“病人”需要预约排队，如果常常停机检修，将会引起后面排队病人强烈的不满。那这些设备就尽量不能停，而编码器数据就不许错！

 

能够在医疗器械上使用的编码器，对于品质可靠性要求就极高，就需要有“产品品质三证”。

 

第一证，是产品生产单位的品质保证体系第三方认证。例如ISO9000的第三方认证。按产品生产成熟度考虑，需要至少有5年以上的连续认证。

 

第二证，是该产品序列的品质第三方认证。例如德国莱茵实验室TUV测试通过认证，电磁兼容性EMC等测试通过认证。

 

第三证，是每一个产品必须包含有一品一码防伪编码的合格证。每一个产品唯一性的编码，并且对于品质可以一直追溯到生产前端的供应商管理，这是对每一个编码器都有品质的保证。

 

在本次展会上，参展的国产核磁共振厂家大约有十家左右，其中一半是选择了上海精浦的绝对值多圈编码器。产品品质三证齐备，上海精浦编码器的品质可靠性已得到了这些医疗设备厂家的高度认可。

 

为人民健康事业，国产医疗器械的崛起，有品质有自主创新技术的国产化编码器同样的在崛起。