ntvНаучно-технический вестник информационных технологий, механики и оптикиScientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics2226-14942500-0373Университет ИТМО10.17586/2226-1494-2026-26-1-116-124ntv-570Research ArticleКОМПЬЮТЕРНЫЕ СИСТЕМЫ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИCOMPUTER SCIENCEПрименение EtherCAT в отечественных медицинских изделиях с компьютерной томографиейImplementing EtherCAT for computed tomography featured medical deviceshttps://orcid.org/0000-0001-6431-9094РассудовЛ. Н.RassudovL. N.

Рассудов Лев Николаевич — кандидат технических наук, доцент

Москва, 111250

sc 57188955455

Lev N. Rassudov — PhD, Associate Professor

Moscow, 111250

sc 57188955455

rassyd@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9597-0522ОсиповД. А.OsipovD. A.

Осипов Дмитрий Александрович — инженер

Москва, 111250

sc 59536295600

Dmitriy A. Osipov — Engineer

Moscow, 111250

sc 59536295600

osipovdma09@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-7859-5580ТяпкинМ. Г.TiapkinM. G.

Тяпкин Михаил Геннадьевич — кандидат технических наук,старший научный сотрудник

Москва, 111250

sc 57189248477

Mikhail G. Tiapkin — PhD, Senior Researcher

Moscow, 111250

sc 57189248477

tiapkinmg@mail.ruНациональный исследовательский университет «МЭИ»РоссияNational Research University “MPEI”Russian Federation202625022026261116124Copyright © Рассудов Л.Н., Осипов Д.А., Тяпкин М.Г., 20262026Рассудов Л.Н., Осипов Д.А., Тяпкин М.Г.Rassudov L.N., Osipov D.A., Tiapkin M.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ntv.elpub.ru/jour/article/view/570

Введение. Компьютерная томография является мощным инструментом для диагностики, например, в онкологии, травматологии, стоматологии. Кроме того, компьютерная томография может применяться для проверки и коррекции позиционирования медицинского оборудования относительно тела пациента при проведении терапевтических процедур, например, брахитерапии или дистанционной лучевой терапии с визуальным контролем. В состав медицинских изделий с компьютерной томографией входит электроприводной механизм перемещения гантри — подвижной части аппарата, поддерживающей и перемещающей медицинское оборудование: рентгеновскую трубку и детектор рентгеновского излучения, радиационную головку и др. Улучшение возможностей синхронизации событий между компонентами медицинского оборудования и с системой движения открывает новые возможности построения архитектуры системы управления медицинских изделий. Применение промышленной шины жесткого реального времени Ethernet for Control Automation Technology (EtherCAT) может повысить скорость и безопасность проведения медицинских процедур. Метод. Предложена программно-аппаратная платформа, включающая ведущее и ведомое устройства EtherCAT. Ведущее устройство построено на основе программного обеспечения с открытым исходным кодом, в первую очередь, Linux и IgH, установленного на персональном компьютере. Ведомые устройства реализованы на доступной элементной базе. Исследованы возможности синхронизации событий ведомых устройств, а также стабильность работы EtherCAT на частоте 1 кГц.Основные результаты. Экспериментальные результаты получены на специально разработанном стенде. Ведущее устройство EtherCAT установлено на типовом персональном компьютере, а EtherCAT стек двух ведомых устройств реализован на распространенных микроконтроллерах. Показана возможность синхронизации событий в ведомых устройствах на уровне 0,1 мкс. Стабильность работы EtherCAT на базе предложенной платформы подтверждается высокой стабильностью измеренного времени цикла 1000 мкс с фазовым дрожанием (джиттером) на уровне единиц микросекунд. В сравнении с наиболее распространенным решением для построения ведущих устройств на базе персональных компьютеров The Total Windows Control and Automation Technology (TwinCAT), предложенная программная платформа продемонстрировала идентичные возможности синхронизации, но в несколько раз лучшую стабильность времени цикла EtherCAT. Обсуждение. Возможность использования доступных программных продуктов и элементной базы для разработки ведущего и ведомых устройств с последующим развертыванием сети EtherCAT позволит улучшить характеристики отечественных медицинских изделий компьютерной томографии и обеспечит высокий уровень производственной безопасности.

Computed tomography is used for diagnostic purposes in various fields: oncology, traumatology, dentistry, etc. Additionally, it is implemented to provide the information on the correct patient positioning relative to therapeutic equipment for example in brachytherapy or in image guided radiation therapy complexes. As a rule, such installations include an electric power drive system for gantry — moving part of the apparatus holding medical equipment: X-ray tube and detector, radiation head et al. Improving the event synchronization between the components of medical equipment and those to the motion control system opens up new abilities for control system architecture design. Implementing a single real time fieldbus such as EtherCAT for data exchange between the subsystems can enable high level of synchronization expediting the therapy procedure and improving safety. A platform for deploying EtherCAT in medical devices is proposed. It includes EtherCAT master and slave implementations. The PC-deployed EtherCAT master is based on open-source software: Linux, IgH EtherCAT master stack. The slave devices are implemented with market available components. The stability of the EtherCAT cycle time at 1 kHz and the slave devices events synchronization abilities are being investigated. The experimental results obtained from a designed setup with such an EtherCAT master controlling two slave devices developed showed the ability to synchronize events between the two slave devices within a sub 100 ns range. The stability of the proposed EtherCAT platform was proved with the measured 1000 us EtherCAT cycle time jitter of a few microseconds. It is possible to improve the performance of medical devices with computed tomography by implementing the EtherCAT industrial network. The proposed solution, based on open-source software and market-available components, provides a high level of production safety.

компьютерная томографияэлектрический приводмехатроникапромышленные сетисистемы реального времениEtherCATсинхронизацияоткрытый исходный кодоперационная системаLinuxcomputed tomographyelectric drivesmechatronicsX-ray imagingmotion controlreal time systemsnetworked control systemssynchronizationopen-source softwareEtherCAToperating systemLinuxАвторы благодарят «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований» (ГНЦ РФ ТРИНИТИ), Научно-исследовательский институт технической физики и автоматизации (НИИТФА) и Научно-производственный центр «Лазеры и аппаратура ТМ» за содействие в проведении исследования.The authors thank “State Research Center of the Russian Federation Troitsk Institute for Innovation and Fusion Research” (JSC “SRC RF TRINITI”), “Research Institute of Technical Physics and Automation” (JSC “NIITFA”) and Research and Production Center “Lasers and Apparatus TM” for assistance in conducting the research.ReferencesLuke A.M., Shetty K.P., Satish S.V., Kilaru K. Comparison of spiral computed tomography and cone-beam computed tomography // Journal of Indian Academy of Oral Medicine and Radiology. 2013. V. 25. N 3. P. 173–177.Luke A.M., Shetty K.P., Satish S.V., Kilaru K. Comparison of spiral computed tomography and cone-beam computed tomography. Journal of Indian Academy of Oral Medicine and Radiology, 2013, vol. 25, no. 3, pp. 173–177.Venkatesh E., Elluru S.V. Cone beam computed tomography: basics and applications in dentistry // Journal of Istanbul University Faculty of Dentistry. 2017. V. 51. N 3. P. S102–S121. https://doi.org/10.17096/jiufd.00289Venkatesh E., Elluru S.V. Cone beam computed tomography: basics and applications in dentistry. Journal of Istanbul University Faculty of Dentistry, 2017, vol. 51, no. 3, pp. S102–S121. https://doi.org/10.17096/jiufd.00289Karius A., Karolczak M., Strnad V., Bert C. Technical evaluation of the cone-beam computed tomography imaging performance of a novel, mobile, gantry-based X-ray system for brachytherapy // Journal of Applied Clinical Medical Physics. 2022. V. 23. N 2. P. e13501. https://doi.org/10.1002/acm2.13501Karius A., Karolczak M., Strnad V., Bert C. Technical evaluation of the cone-beam computed tomography imaging performance of a novel, mobile, gantry-based X-ray system for brachytherapy. Journal of Applied Clinical Medical Physics, 2022, vol. 23, no. 2, pp. e13501. https://doi.org/10.1002/acm2.13501Осипов Д.А., Рассудов Л.Н. Платформа для построения систем управления прецизионными электроприводами по промышленной шине EtherCAT//Вестник Московского энергетического института. 2025.№ 4.С. 31–36. https://doi.org/10.24160/1993-6982-2025-4-31-36Osipov D.A., Rassudov L.N. A platform for constructing precision electric drive control systems based on the ethercat industrial fieldbus. Bulletin of Moscow Power Engineering Institute, 2025, no. 4, pp. 31–36. (in Russian). https://doi.org/10.24160/1993-6982-2025-4-31-36Reniers B., Verhaegen F. Technical Note: Cone beam CT imaging for 3D image guided brachytherapy for gynecological HDR brachytherapy // Medical Physics. 2011. V. 38. N 5. P. 2762–2767. https://doi.org/10.1118/1.3578929Reniers B., Verhaegen F. Technical Note: Cone beam CT imaging for 3D image guided brachytherapy for gynecological HDR brachytherapy. Medical Physics, 2011, vol. 38, no. 5, pp. 2762–2767. https://doi.org/10.1118/1.3578929Karius A., Strnad V., Lotter M., Kreppner S., Bert C. First clinical experience with a novel, mobile cone-beam CT system for treatment quality assurance in brachytherapy // Strahlentherapie und Onkologie. 2022. V. 198. N 6. P. 573–581. https://doi.org/10.1007/s00066-022-01912-7Karius A., Strnad V., Lotter M., Kreppner S., Bert C. First clinical experience with a novel, mobile cone-beam CT system for treatment quality assurance in brachytherapy. Strahlentherapie und Onkologie, 2022, vol. 198, no. 6, pp. 573–581. https://doi.org/10.1007/s00066-022-01912-7Cho B. Intensity-modulated radiation therapy: a review with a physics perspective // Radiation Oncology Journal. 2018. V. 36. N 1. P. 1–10. https://doi.org/10.3857/roj.2018.00122Cho B. Intensity-modulated radiation therapy: a review with a physics perspective. Radiation Oncology Journal, 2018, vol. 36, no. 1, pp. 1–10. https://doi.org/10.3857/roj.2018.00122Kalender W.A. Principles and Applications of Spiral CT // Nuclear Medicine and Biology. 1994. V. 21. N 5. P. 693–699. https://doi.org/10.1016/0969-8051(94)90039-6Kalender W.A. Principles and Applications of Spiral CT. Nuclear Medicine and Biology, 1994, vol. 21, no. 5, pp. 693–699. https://doi.org/10.1016/0969-8051(94)90039-6Kachelriess M. Principles, design, and operation of multi-slice CT // Clinical Pet CT in Radiology Integrated Imaging in Oncology. 2011. P. 1–19. https://doi.org/10.1007/978-0-387-48902-5_1Kachelriess M. Principles, design, and operation of multi-slice CT. Clinical Pet CT in Radiology Integrated Imaging in Oncology, 2011, pp. 1–19. https://doi.org/10.1007/978-0-387-48902-5_1Леденев В. Аппараты КТ (компьютерные томографы) — виды и особенности. [Электрон. ресурс] https://mrt-vmsk.ru/blog-opisanieapparaty-kt-kompyuternye-tomografy/ (дата обращения 01.08.2025)Ledenev V. Computed Tomographs (CT) Scanners — Types and Features. Available at: https://mrt-vmsk.ru/blog-opisanie-apparatykt-kompyuternye-tomografy/ (accessed: 01.08.2025). (in Russian)Sorcini B., Tilikidis A. Clinical application of image-guided radiotherapy, IGRT (on the Varian OBI platform) // Cancer/ Radiothérapie. 2006. V. 10. N 5. P. 252–257. https://doi.org/10.1016/j.canrad.2006.05.012Sorcini B., Tilikidis A. Clinical application of image-guided radiotherapy, IGRT (on the Varian OBI platform). Cancer/ Radiothérapie, 2006, vol. 10, no. 5, pp. 252–257. https://doi.org/10.1016/j.canrad.2006.05.012Franzone P., Fiorentino A., Barra S., Cante D., Masini L., Cazzulo E., et al. Image‑guided radiation therapy (IGRT): practical recommendations of Italian Association of Radiation Oncology (AIRO) // La Radiologia Medica. 2016. V. 121. N 12. P. 958–965. https://doi.org/10.1007/s11547-016-0674-xFranzone P., Fiorentino A., Barra S., Cante D., Masini L., Cazzulo E., et al. Image‑guided radiation therapy (IGRT): practical recommendations of Italian Association of Radiation Oncology (AIRO). La Radiologia Medica, 2016, vol. 121, no. 12, pp. 958–965. https://doi.org/10.1007/s11547-016-0674-xBECKHOFF Automation and IntraOp medical of U.S.A. Innovative radiation therapy uses flexible PC-based control platform // PC Control Magazine. 2013. N 2.BECKHOFF Automation and IntraOp medical of U.S.A. Innovative radiation therapy uses flexible PC-based control platform. PC Control Magazine, 2013, no. 2.Delgado R., Hong C.H., Shin W.C., Choi B. Implementation and performance analysis of an etherCAT master on the latest real-time embedded linux // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. V. 10. N 24. P. 44603–44609.Delgado R., Hong C.H., Shin W.C., Choi B. Implementation and performance analysis of an etherCAT master on the latest real-time embedded linux. International Journal of Applied Engineering Research, 2015, vol. 10, no. 24, pp. 44603–44609.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2025619816 Российская Федерация. Программа «Программный комплекс для построения систем управления электроприводами по промышленной шине EtherCAT»: № 2025617474 заявлено 04.04.2025. опубликовано 18.04.2025. Бюл. № 4 / Осипов Д.А., Рассудов Л.Н. заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».Osipov D.A., Rassudov L.N. Software package for building electric drive control systems via the EtherCAT industrial bus. Certificate of the State computer program registration RU 2025619816. 2025. (in Russian)Cereia M., Bertolotti I.C., Scanzio S. Performance of a real-time EtherCAT master under Linux // IEEE Transactions on Industrial Informatics. 2011.Cereia M., Bertolotti I.C., Scanzio S. Performance of a real-time EtherCAT master under Linux. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2011, vol. 7, no. 4, pp. 679–687. https://doi.org/10.1109/tii.2011.2166777

The authors declare that there are no conflicts of interest present.