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CAN & CANopen in der Medizintechnik

by Frank Pastors | Dez 23, 2014

Benefits und aktuelle Implementierung

Die Geschichte von CAN und CANopen in der Medizintechnik reicht viele Jahre zurück. Bereits 1992 erkannte die Firma Philips Medical Systems die Vorteile der CAN Technologie und entwickelte ein Protokoll 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 ein ausgereifter und sicherer Kommunikationsstandard, welcher insbesondere durch die Vielzahl an verfügbaren Geräte-Profilen, nicht zuletzt für medizintechnische Geräte, von einer breiten Masse an Geräteherstellern eingesetzt wird.

 

CAN und CANopen in der Medizintechnik

Was können CAN und CANopen was andere nicht können?

Die Vorteile, welche sich für den Gerätehersteller durch den Einsatz eines Bussystems ergeben können leicht erahnt werden, wenn man bedenkt, dass moderne medizintechnische Geräte heutzutage 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 und skalierbaren Einsatz der Komponenten in unterschiedlichsten Systemen. Es vermindert darüber hinaus in nicht unerheblichem Umfang die Anzahl an Kabel.

Ein entscheidender Vorteil von CANopen als Kommunikationsprotokoll liegt hier in der Verfügbarkeit von Profilen für eine Vielzahl von medizintechnischen Geräten, wodurch eine Interoperabilität der Komponenten auf einfache Weise sichergestellt werden kann.

Aufgrund der Natur von CAN, bietet CANopen eine sehr hohe Fehlerrobustheit, kurze Warte- und Fehler-Erholzeiten, 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 bereits 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.

CAN und CANopen bieten ein sehr gutes Preis/Leistungsverhältnis. 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. Dennoch können bei Bedarf, durch den Einsatz von Topologiekomponenten wie Bridges und Repeatern, auch komplexe Topologien realisiert werden. Topologiekomponenten erlauben darüber hinaus auch die galvanische Trennung einzelner Netzwerkabschnitte, z.B. zur Patientensicherheit oder für den Wechsel des Übertragungsmediums (Glasfaser, Ethernet, Bluetooth oder andere serielle Protokolle). Kombinationen von mehreren Subnetzwerken, kabellose Übertragung oder störungsunempfindliche Kommunikation können so problemlos umgesetzt werden.

Neben dem Kostenvorteil und den geringen Anforderungen an Performance und Speicher hat CAN aber auch Vorteile hinsichtlich der 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 selber schon mit, sodass diese nicht durch die Protokoll- oder Applikationssoftware behandelt werden müssen.

Die Performance von CAN und CANopen ist für viele Anwendungen mehr als ausreichend, so dass der Einsatz von meist teureren Ethernet basierten Kommunikationslösungen nicht notwendig ist.

Nichtsdestotrotz  kann die Verwendung der Ethernet basierten Technologien in medizinischen Systemen in bestimmten Bereichen sinnvoll sein, z.B. zur Übertragung von großen Datenmengen (Bild- bzw. Videodaten), welche nicht zeitkritisch sind und typischerweise mittels einer Peer-to-Peer-Verbindung über TCP/IP zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht werden.

 

Einsatzgebiete von Datenkommunikation in der Medizintechnik

Wenn über Medizintechnik gesprochen wird, ist meist von bildgebenden oder invasiven Systemen die Rede. Und tatsächlich gibt es einen deutlichen Trend dazu, die Geräte in einem Operationssaal, auf Intensivstationen oder anderen Behandlungsräumen miteinander zu vernetzen und somit die Informationen globaler nutzen zu können. Positionsdaten von Instrumenten während einer OP werden über Navigationssysteme bestimmt, mit Röntgen- oder Ultraschallaufnahmen verifiziert und oftmals auch noch mit prä-operativen CT-Daten korreliert. Ist für die Darstellung ein Kontrastmittel erforderlich, kann dies über den Injektor automatisch und zum richtigen Zeitpunkt infundiert werden. Diese Konzepte des integrierten OPs sind Gegenstand zahlreicher Forschungsprojekte.

Andere Bereiche aus der Medizintechnik sind weniger offensichtlich, jedoch genauso wichtig. So werden unter anderem auch Pumpen in Dialysegeräten über CAN gesteuert.

Ein weiteres Randgebiet der Medizintechnik ist die Laborautomatisierung. Blut- und andere Proben werden heutzutage kaum noch manuell untersucht. Ein Großteil davon wird komplett automatisiert verarbeitet. Das liegt zum einen an den immensen Mengen und der damit verbundenen Fehleranfälligkeit. So werden die Proben in einer Halterung eingeladen, die ID vom Reagenzglas gelesen, weitere leere Reagenzgläser mit dieser ID versehen und die Probe darauf aufgeteilt. Danach kann die eigentliche Untersuchung durchgeführt werden. Die Auswertung und das Protokoll zu der jeweiligen ID werden danach automatisch erstellt. Die Kommunikation zwischen Transportbändern, Robotern, Zentrifugen, Pipetieranlage etc. ist in vielen Fällen mit CAN und CANopen implementiert. Die Systemstruktur und Anforderungen sind oft denen aus klassischen Automatisierungsanwendungen wie Pick- and Place Machines sehr ähnlich. Dadurch kommen in der Regel auch Standard Komponenten aus dem Industriebereich zum Einsatz.