Применение EtherCAT в отечественных медицинских изделиях с компьютерной томографией

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.

1. 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. V. 25. N 3. P. 173–177.

2. 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.00289

3. Karius 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/acm2.13501

4. Осипов 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/10.24160/1993-6982-2025-4-31-36

5. Reniers 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/10.1118/1.3578929

6. Karius 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/s00066-022-01912-7

7. Cho 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.2018.00122

8. Kalender 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)90039-6

9. Kachelriess 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_1

10. Леденев В. Аппараты КТ (компьютерные томографы) — виды и особенности. [Электрон. ресурс] https://mrt-vmsk.ru/blog-opisanieapparaty-kt-kompyuternye-tomografy/ (дата обращения 01.08.2025)

11. 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.2006.05.012

12. Franzone 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-x

13. BECKHOFF Automation and IntraOp medical of U.S.A. Innovative radiation therapy uses flexible PC-based control platform // PC Control Magazine. 2013. N 2.

14. 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.

15. 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».

16. Cereia M., Bertolotti I.C., Scanzio S. Performance of a real-time EtherCAT master under Linux // IEEE Transactions on Industrial Informatics. 2011.