Kommunikationsschnittstellen für Röntgengerät & Co.
CANopen in der Medizintechnik
Bei der Entwicklung von Kommunikationssystemen und -schnittstellen für die Medizintechnik ist es wichtig, das Entwicklungsrisiko gering zu halten und zugleich die Markteinführung zu beschleunigen. Hier hilft ein Partner, der als Systemintegrator die notwendige Hard- und Software auf Basis von vorhandenen und bewährten Komponenten bereitstellen kann.
Moderne medizintechnische Geräte bestehen aus einer Vielzahl von Baugruppen, die zu einem funktionierenden Gesamtsystem verbunden werden müssen. Beim Einsatz eines standardisierten Bussystems wie CAN lassen sich einzelne Systemkomponenten wie Röntgengeneratoren, Patiententische oder Injektoren unabhängig entwickeln, modular verbinden sowie von einem zentralen Punkt aus steuern. Dies spart Entwicklungskosten und ermöglicht den universellen Einsatz der Komponenten in unterschiedlichsten Systemen.
Ein entscheidender Vorteil von CANopen als Kommunikationsprotokoll liegt hier in der Verfügbarkeit von Profilen für eine Vielzahl von medizintechnischen Geräten, wodurch sich eine Interoperabilität der Komponenten auf einfache Weise sicherstellen lässt. Die Anforderungsanalyse eines Röntgensystems, die Ixxat in Zusammenarbeit mit einem namhaften Gerätehersteller aus dem Bereich der Medizintechnik erstellt hat, zeigte, dass sich CANopen sehr gut als internes Kommunikationsnetzwerk eignet, um Module und Funktionen innerhalb des Systems zu verbinden sowie externe Erweiterunge an das Röntgensystem anzubinden.
Aufgrund der Natur von CAN bietet CANopen eine sehr hohe Fehlerzuverlässigkeit, kurze Warte- und Fehlererholzeiten, eine robuste Datenübertragung, vielfältige Möglichkeiten zur Modularisierung von Systemen und Netzwerken, Plug&Play-Unterstützung und standardisierte Systemdienste. Zudem sind CAN und CANopen bereits vom TÜV Deutschland und der FDA in den USA für den Einsatz in medizinischen Systemen anerkannt, da hier bereits eine Reihe von zugelassenen Anwendungen diese Techniken nutzen.
Im Vergleich mit anderen Kommunikationsstandards zur Gerätevernetzung wie zum Beispiel Ethernet bietet CANopen einen entscheidenden Kostenvorteil. So werden aufgrund der schlanken Protokollsoftware-pakete nur geringe Anforderungen an die Mikrocontroller der einzelnen Knoten gestellt, und die erforderlichen CAN-Controller sind in vielen gängigen Mikrocontrollern quasi kostenfrei enthalten.
Die eigentliche Vernetzung kann in den meisten Fällen ohne zusätzliche Komponenten wie Switches erfolgen, was weitere Kosten spart. Dennoch kann der Einsatz von Ethernet in medizinischen Systemen in bestimmten Bereichen sinnvoll sein, beispielsweise zur Übertragung großer Datenmengen (Patientendaten oder Diagnoseergebnisse), die nicht zeitkritisch sind und typischerweise mittels einer »Peer-to-Peer«-Verbindung über TCP/IP zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht werden.
Neben dem Kostenvorteil und den geringen Anforderungen an Performance und Speicher der Mikrocontroller hat CAN aber auch Vorteile hinsichtlich der hohen Datensicherheit und -integrität innerhalb des Netzwerks, der schnellen Übertragung von hochprioren Informationen sowie der automatisch erneuten Übertragung von Nachrichten im Fall von Übertragungsfehlern. Weil CAN selbst alle diese Eigenschaften schon mitbringt, muss der Entwickler sie nicht in der Protokoll- oder Applikationssoftware realisieren.
Den Master implementieren
Abhängig von der Geräteart sowie der Betrachtung »Neuentwicklung oder Erweiterung?« gibt es verschiedene Ansatzpunkte für die Implementierung einer CANopen-Schnittstelle. Beispielsweise besteht die Hauptsteuereinheit eines Röntgensystems im Regelfall aus einem PC oder einem Embedded-PC mit Windows oder Linux als Betriebssystem sowie einer PCI-, PCIe- oder USB-Schnittstelle. Somit lassen sich aktive PC-Einsteckkarten oder USB-Module einsetzen, um die CANopen-Master-Funktion zu implementieren.
Die CPU auf der aktiven Karte führt den Datenaustausch und die CAN-open-Dienste unabhängig von der Steuerungsanwendung des Röntgengerätes aus. Ixxat bietet hier sowohl die erforderlichen Karten, die auch den elektrischen Anforderungen der IEC 60601-1 entsprechen, als auch die erforderlichen Treiber-APIs (Application Programming Interfaces) »CANopen-Master-API« und »CANopen-Manager-API« für die einfache Anbindung der Karte an die Steuerungsanwendung.
Weil die CANopen-Schnittstellenlösungen des Unternehmens hierbei auf eine klare Trennung von Anwendung und Kommunikationssoftware setzen, lassen sich auch bereits bestehende Anwendungen leichter mit einer CAN-open-Kommunikationsschnittstelle ausrüsten, ohne dass hierfür größere Änderungen an der bestehenden Software durchzuführen sind. Dies minimiert auch mögliche Seiteneffekte durch die Ausführung der CANopen-Protokollsoftware als Teil der Geräteanwendung.
Neben der Variante auf PC-Basis bietet Ixxat mit seiner Embedded-Plattform auch eine ausgereifte Basis für die schnelle Entwicklung von leistungsfähigen Embedded-Systemen mit CANopen-Schnittstelle (siehe großes Bild). Die Plattform basiert auf der »Qseven«-Modulfamilie und ist in mehreren Varianten vom 600-MHz-Intel-Atom-»E620«- bis hin zum 1,6-GHz-»E680«-System erhältlich. Darüber hinaus verfügt die Plattform auch über eine 2D/3D-fähige Grafik-Engine und 1 GByte SDRAM auf dem Board.
Eine speziell angepasste Variante der CANopen-Master-Protokollsoftware ist direkt auf der Plattform lauffähig und stellt der Steuerungsanwendung alle erforderlichen CANopen-Funktionen zur Verfügung. Somit eignet sich die Embedded-Plattform gut für die schnelle und preisgünstige Entwicklung anspruchsvoller Anwendungen mit CANopen-Anbindung, die Ixxat in Hinsicht auf Formfaktor oder Funktionsumfang auch an kundenspezifische Anforderungen anpassen kann.
Slaves als Module
Für die Implementierung einer CANopen-Slave-Schnittstelle in ein medizinisches Gerät stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung: die Implementierung des CANopen-Slaves auf der gleichen CPU, auf der auch die Geräteanwendung läuft, oder die Verwendung eines separaten aktiven CAN-Schnittstellenmoduls, auf dem die CANopen-Slave-Funktion läuft.
Bei der ersten Variante greift die Anwendung direkt auf die im Objektverzeichnis definierten Daten und Parameter zu. Abhängig von Funktionsumfang und Komplexität des medizinischen Gerätes kann ein Betriebssystem zum Einsatz kommen, zum Beispiel wenn eine Anwendung aus verschiedenen Tasks besteht, die mit der CANopen-Protokollsoftware interagieren sollen.
Hierfür bietet Ixxat neben der Standardausführung auch eine spezielle RT-Variante seiner CANopen-Slave-Protokollsoftware an. Die zweite Lösung, also die Verwendung eines aktiven CAN-Schnittstellenmoduls (Bild 1), ist eine interessante Alternative für Anwendungen, bei denen das medizinische Gerät bereits als Hard- und Software existiert und eine Erweiterung um eine CANopen-Slave-Schnittstelle ohne größere Änderungen an dieser Hard- und Software implementiert werden soll.
Bei derartigen Lösungen lässt sich das aktive CAN-Schnittstellenmodul mittels lokaler Schnittstelle (PCI, PCIe, Ethernet, USB oder lokalem Adress-/Datenbus) mit der Hardware des medizinischen Gerätes verbinden. Entsprechende Schnittstellenmodule bietet Ixxat als OEM-Hardware in verschiedenen Varianten an oder entwickelt sie auch unter Berücksichtigung der jeweils spezifischen Kundenanforderungen.
Über den Autor:
Frank Pastors ist Marketing Manager bei Ixxat.
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