冗余PLC控制心脏测绘机

基于计算机的CGCI系统创建了心脏结构和心律失常的三维图形显示，为医生提供了心脏消融的精确目标。电气控制工程师Mason Mattenson在工业自动化分销商RK controls的帮助下将控制系统组装在一起。来源:西门子

手动操作蜿蜒曲折的动脉，并在人的心脏内进行治疗手术，都需要高度的外科训练、实践和手工灵活性。一个错误的举动可能会撕裂血管或刺穿心脏壁。航空航天和国防技术先驱Josh Shachar知道自动化可以提供比手动更好的电生理学(EP)导管移动方式。他设想了一个系统，该系统将使用电磁场，而不是人工刺激，来帮助医生进行手术。

位于加州Inglewood的Magnetecs公司创始人兼总裁、Magnetecs导管制导控制和成像系统(CGCI)的制造商shaachar说:“任何工程任务的核心都是一种基本的、无可置疑的信念，即解决方案是可能的。”接下来要做的是将愿景、团队合作和技术结合起来，实现解决方案，在这种情况下，让一种新的医疗机器快速进入人体临床试验。一个易于实现热备份能力的控制平台是关键之一。

RK Controls总经理Robert Karkafi说:“如果Magnetecs选择不同的平台，那么让CGCI进入人体临床试验的速度是不可能的。”“我见过一些公司在使用其他平台时，花了几个月的时间编写代码，以确保热备份正常运行。”然而，Magnetecs的选择是作为一个独立的单元预先编程的。

医生依靠心脏消融来治疗心律失常——一种不正常的心跳——在一个过程中，用手将EP导管通过血管推入心脏腔。当心脏正常运行的电子系统被阻塞或运行不正常时，就会产生“短路”，扰乱正常的心律。通常最有效的治疗方法是使用EP导管破坏短路位置的组织进行心脏消融。从1997年开始，沙查尔和Magnetecs的首席科学家拉兹洛·法卡斯和工程副总裁莱斯利·法卡斯一起，生产了几个有前景的小型原型机。如今，他们开发的CGCI系统已经进入人体测试阶段。

Magenetecs选择了西门子Simatic S70400H PLC，提供自动化和冗余安全监控，并顺利启动和关闭CGCI系统。来源:西门子

聚焦的电磁波

该系统采用磁波导形成技术，通过透镜聚焦像光一样的电磁波，在导管尖端周围产生一个磁瓣(大约篮球大小)。磁叶是由围绕病人躯干的八个电磁铁形成的。一个实时的计算机化控制器计算每个电磁铁的电流值;来自控制器的信号被8个高效率放大器放大。

通过用操纵杆改变每个线圈的极性和电流，外科医生可以在几毫秒内重塑磁叶，并在3D空间中利用五个自由度来移动灵活的磁尖端，与跳动的心脏同步。该系统允许广泛的机动性，而不会在尖端产生足够的力来破坏或刺穿血管或心脏组织。CGCI还可以实现其他方面的进步，比如控制体内的非系绳摄像机和探头。

Magnetecs选择了西门子的可编程逻辑控制(PLC)系统，以提供自动化和冗余的安全监控，并顺利启动和关闭CGCI系统。Simatic S7-400H冗余控制器系统，采用Step 7软件编程，确保CGCI安全运行并具有高可用性。莱斯利·法卡斯说:“我们最初使用自己的软件来控制系统开关的各个方面。”此外，我们的系统最初负责验证硬件及其可靠性，但没有冗余。”

2009年1月，Magnetecs聘请了电气控制工程师Mason Mattenson来设计、安装和编程冗余控制系统。马滕森之前的自动化经验包括一系列项目，从高速游乐设施到使用罗克韦尔自动化艾伦-布拉德利控制平台的国防系统。

这是马滕森第一次接触西门子平台，他只有四个月的时间来完成这个项目。“我的挑战是确保S7 400H符合我们的需求。我检查了安装在该系统中的每个模块、I/O和设备，以确保与西门子平台成功对接。”由于系统设计中不断添加新的模块或设备，项目的复杂性变得更加复杂。

马顿森得到了西门子高科技工业自动化分销商RK Controls的帮助，他们提供了宝贵的支持。“I/O列表在开发过程中经常变化，每次交付都经过精心计划和组织。所有文档都带有适当的组件。出色的服务将后勤问题降至最低，所以我可以专注于项目的技术方面。”Mattenson还参加了西门子的“AB到step7”课程，该课程侧重于从Allen-Bradley技术过渡到西门子技术，并帮助加快了学习过程。

在加入Magnetecs后很短的时间内，Mattenson就在他的办公室里配置了整个系统。他很快演示了与所有输入和输出模块的通信以及系统的冗余。截止日期前一天，CGCI系统开始运行。“最后，梅森和我接通了系统，打开它，没有一根电线出了问题，”法卡斯说。

冗余工作原理

S7 400H控制器具有预编程的故障转移例程，由西门子作为独立的冗余CPU系统开发。这意味着马滕森不必担心将信息从主动控制器转移到备用单元的任何后台代码。主S7 400H控制器通过光纤Profibus进行通信，监测和控制CGCI的关键系统参数和功能，包括系统启动和关闭、系统故障监测和紧急停止。该控制器还监控放大器命令电流与实际线圈电流以及线圈冷却和温度，流量和警报。

如果放大器模块出现故障，控制器会自动判断故障原因。如果故障没有影响到临床程序的任何部分，PLC不会向医生的中央监视器发送警报，而是在由位于机房的西门子WinCC SCADA软件编程的人机界面(HMI)内部记录事件。如果控制器不能重置故障，它将启动一个警告过程。

CGCI在控制室或手术室进行操作。基于网络的远程界面还没有出现，也没有得到监管机构的批准，但很可能成为现实，使机器人手术可以在世界上任何地方进行。来源:西门子

控制者和病人

但是，如果故障导致临床程序发生改变，例如当一个线圈或线圈组合出现加热问题时，控制器会进行纠正或进入低功率状态并通知EP医生。然后医生可以决定是否继续治疗。如果温度继续攀升，线圈过热，控制器将告诉医生它正在使用较低的功率，同样，医生决定下一步的步骤。

法卡斯说:“控制者脱离了患者安全的决策圈。”“它可以防止系统伤害病人和自身。它是一个看门狗，可以减少出错的机会。”

Farkas说，WinCC HMI的数据记录和远程通信功能还将帮助医院降低维护成本，因为它减少了代表和技术人员对系统故障排除的需求。如果事件发生，WinCC HMI会记录事件的发生，并提供有关问题原因的额外数据:“我们有取证能力，可以快速做出决定。我们可以登录到世界上任何地方的任何安装，并看到趋势。事实上，我们的计算机将被编程来监控每一个单元。我们甚至可以在医院的工作人员知道有问题之前联系医院。”

预计CGCI系统将改变全球范围内执行EP程序的方式。来自Magnetecs、西门子和RK Controls的工程团队已经将CGCI波导成形技术的概念从“无法完成”快速有效地进行人体测试。由于这些伙伴关系，将很快提供更安全、更简单的程序。

由Renee Robbins编辑，资深编辑控制工程。与她联络:renee.robbins@reedbusiness.com．

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