Benefits und aktuelle Implementierungsstrategien
CANopen in der Medizintechnik
CANopen blickt im Bereich der Medizintechnik auf eine lange Historie zurück. Bereits 1992 erkannte die Firma Philips Medical Systems die Vorteile des zugrunde liegenden CAN-Protokolls und entwickelte einen ersten Vorgänger des heute aktuellen CANopen-Protokolls für den Einsatz in seinen Patiententischen und Röntgensystemen. Dieser erste Ansatz, das CMS-Protokoll, diente in den folgenden Jahren als Gerüst für das durch den ‚CAN in Automation e.V.‘ spezifizierte CAL-Protokoll, welches letztendlich im heutigen CANopen-Protokoll seine Vollendung fand. CANopen ist heute ein ausgereifter und sicherer Kommunikationsstandard, welcher nicht zuletzt durch die Vielzahl an verfügbaren Geräte-Profilen, auch für medizintechnische Geräte, von einer breiten Masse an Geräteherstellern eingesetzt wird.
Die Vorteile, welche sich für den Gerätehersteller durch den Einsatz eines Bussystems ergeben, können leicht erahnt werden, wenn man bedenkt, dass moderne medizintechnische Geräte aus einer Vielzahl von Baugruppen bestehen, die zu einem funktionierenden Gesamtsystem verbunden werden müssen. Einzelne Systemkomponenten, wie Röntgengeneratoren, Patiententische oder Injektoren können beim Einsatz eines standardisierten Bussystems unabhängig entwickelt, modular verbunden, sowie von einem zentralen Punkt aus gesteuert werden. Dies spart Entwicklungskosten und ermöglicht den universellen Einsatz der Komponenten in unterschiedlichen Systemen. Ein entscheidender Vorteil von CANopen als Kommunikationsprotokoll liegt in der Verfügbarkeit von Profilen für eine Vielzahl von medizintechnischen Geräten, wodurch eine Interoperabilität der Komponenten auf einfache Weise sichergestellt werden kann. Die Anforderungsanalyse eines Röntgensystems, welche von Ixxat in Zusammenarbeit mit einem namhaften Gerätehersteller aus dem Bereich der Medizintechnik erstellt wurde, zeigte, dass sich CANopen sehr gut als internes Kommunikationsnetzwerk für die Verbindung der Module und Funktionen innerhalb des Systems sowie zur Anbindung von externen Erweiterungen an das Röntgensystem eignet. 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. Des weiteren ist die CAN- und CANopen-Technologie vom TÜV Deutschland und dem FDA in den USA für den Einsatz in medizinischen Systemen anerkannt, da hier bereits eine Reihe von zugelassenen Anwendungen diese Technologie nutzen. Bei dem Vergleich mit anderen Kommunikationsstandards zur Gerätevernetzung, wie z.B. Ethernet, bietet CANopen einen Kostenvorteil. So werden aufgrund der schlanken Protokollsoftwarepakete nur geringe Anforderungen an die Mikrocontroller der einzelnen Knoten gestellt und die erforderlichen CAN-Controller sind in vielen gängigen Mikrokontrollern quasi kostenlos enthalten. Die eigentliche Vernetzung kann in den meisten Fällen ohne zusätzliche Komponenten, wie z.B. Switches erfolgen, wodurch zusätzlich Kosten gespart werden. Nichtsdestotrotz kann die Verwendung der Ethernet-Technologie in medizinischen Systemen in bestimmten Bereichen sinnvoll sein, z.B. zur Übertragung von großen Datenmengen (Patientendaten oder Diagnoseergebnisse), welche 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 Datenintegrität innerhalb des Netzwerks, der schnellen Übertragung von hochprioren Informationen sowie der automatisch erneuten Übertragung von Nachrichten im Fall von Übertragungsfehlern. Alle diese Eigenschaften bringt CAN schon mit, sodass diese nicht durch die Protokoll- oder Applikationssoftware behandelt werden müssen.
CANopen Implementierung
Abhängig von der Geräteart sowie der Betrachtung ‚Neuentwicklung oder Erweiterung‘ gibt es verschiedene Ansatzpunkte für die Implementierung einer CANopen-Schnittstelle. Die Hauptsteuereinheit bei z.B. Röntgensystemen besteht im Regelfall aus einem PC oder einem embedded PC mit Windows oder Linux als Betriebssystem sowie einer PCI, PCIe oder USB Schnittstelle. Somit können für die Implementierung der CANopen-Master-Funktionalität aktive PC-Einsteckkarten oder USB-Module zum Einsatz kommen. Durch die CPU auf der aktiven Karte werden Datenaustausch und CANopen-Dienste unabhängig von der Steuerungsanwendung des Röntgengerätes ausgeführt. Ixxat bietet sowohl die erforderlichen Karten, die auch den elektrischen Anforderungen der IEC60601-1 entsprechen, als auch mit der CANopen-Master-API und CANopen-Manager-API die erforderlichen Treiber-APIs für die Anbindung der Karte an die Steuerungsanwendung. Die CANopen-Schnittstellenlösungen setzen hierbei auf eine klare Trennung von Anwendung und Kommunikationssoftware. Vorteil dieses Ansatzes ist, dass auch bereits bestehende Anwendungen leichter mit einer CANopen-Kommunikationsschnittstelle ausgerüstet werden können, ohne dass hierfür größere Änderungen an der bestehenden Software durchgeführt werden müssen. Mögliche Seiteneffekte, welche durch die Ausführung der CANopen-Protokollsoftware als Teil der Geräteanwendung auftreten können, werden auf diese Weise minimiert. Neben der PC-basierten Variante bietet Ixxat mit seiner Embedded Plattform eine Basis für die schnelle Entwicklung von Embedded-Systemen mit CANopen-Schnittstelle an. Die Embedded Plattform basiert auf der Qseven-Modulfamilie und ist in Varianten, vom 600MHz Intel-Atom-E620 bis hin zum 1,6GHz E680 System erhältlich. Darüber hinaus verfügt die Plattform über eine 2D/3D-fähige Grafik-Engine und 1GByte SDRAM on Board. Die CANopen-Funktionalität wird durch eine speziell angepasste Variante der CANopen Master Protokollsoftware bereitgestellt, welche direkt auf der Plattform lauffähig ist und der Steuerungsanwendung alle erforderlichen CANopen-Funktionen zur Verfügung stellt. Die Embedded Plattform ist somit für die Entwicklung anspruchsvoller Anwendungen mit CANopen-Anbindung geeignet.
Module mit CANopen Slave Funktionalität
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 welchem die CANopen-Slave-Funktionalität implementiert wird. Bei der ersten Variante wird eine CANopen-Slave-Protokollsoftware zusammen mit der Anwendung auf der kundenspezifischen Hardware implementiert, wobei die Anwendung direkt auf die im Objektverzeichnis definierten Daten und Parameter zugreift. Abhängig von der Funktionalität und Komplexität des medizinischen Gerätes kann, z.B. wenn eine Anwendung aus verschiedenen Tasks besteht, welche mit der CANopen-Protokollsoftware interagieren sollen, ein Betriebssystem zum Einsatz kommen. Hierfür bietet Ixxat neben der Standard-Variante eine RT-Variante seiner CANopen Slave Protokollsoftware an. Die zweite Lösung, also die Verwendung eines aktiven CAN-Schnittstellenmoduls, ist eine 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 kann das aktive CAN-Schnittstellenmodul mittels lokaler Schnittstelle mit der Hardware des medizinischen Gerätes verbunden werden. Entsprechende Schnittstellenmodule werden als OEM-Hardware in verschiedenen Varianten angeboten oder können auch hinsichtlich spezifischer Kundenanforderungen entwickelt werden. Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung von Kommunikationssystemen im Bereich der Medizintechnik sowie bei der Integration von Kommunikationsschnittstellen in medizinischen Geräten ist das Entwicklungsrisiko so gering wie möglich zu halten und dabei das Time-to-Market zu reduzieren. Dies gelingt mit einem Entwicklungspartner wie Ixxat, der als Systemintegrator die Hard- und Software auf Basis von bereits vorhandenen Komponenten entwickelt, die Serienlieferung der Hardware übernehmen kann und seine Erfahrung einbringen kann um ein optimales Systemkonzept aus Sicht des Kommunikationssystems zu realisieren.
