Antriebssteuerungen

Einsatz gegen den Krebs

Das deutsche Krebsforschungszentrum DKFZ entwickelt in Zusammenarbeit mit Unternehmen eine neue Generation von Multi-Lamellen-Kollimatoren, die die Strahlentherapie verbesseren sollen. Damit die Strahlung nur die Tumorzellen trifft und nicht das umliegende gesunde Gewebe schädigt, bedarf es unter anderem hochpräziser und dynamischer Antriebstechnik.


Neben Operationen und der Chemo- und Antihormontherapie gehört die Bestrahlung zu den wichtigsten Methoden im Kampf gegen Krebs. Die große Herausforderung: Tumorzellen so hochdosiert zu bestrahlen, dass sie zerstört werden ohne das umliegende gesunde Gewebe zu schädigen. Insbesondere wenn Tumore dicht bei oder sogar in Organen wie Gehirn, Rückenmark oder Lunge liegen. In der Radiologie des DKFZ werden seit Jahrzehnten zusammen mit Medizintechnikfirmen komplexe Kollimatoren entwickelt, die Strahlenbündel ablenken und so ausrichten, dass sie den Tumor aus unterschiedlichen Richtungen treffen und das umliegende Gewebe weitgehend schonen. Dabei wird mit Lamellen die Form des Tumors nachgebildet. Diese konformale Strahlentherapie ist nur mit Geräten möglich, deren Linearbeschleuniger mit einem Multi Leaf Collimator (MLC) ausgestattet ist.

Lamellen dosieren Strahlung

Ein Kollimator besteht aus 40 bis 120 paarweise angeordneten Lamellen, i.d.R. Wolfram, die unabhängig voneinander bewegt und positioniert werden. So passen sie sich jeder beliebigen Tumorform an und ermöglichen millimetergenaue Bestrahlungen. Für die Behandlung in der Nähe von strahlungsempfindlichen Organen eignet sich die intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT), bei der die Strahlendosis unregelmäßig verteilt wird. Viele unterschiedliche Strahlenfelder werden, ähnlich einem 3D-Drucker, schichtweise addiert. Die Metalllamellen fahren unabhängig voneinander durch das gesamte Bestrahlungsfeld, sodass die Bereiche in der Nähe eines Risikoorgans kürzer geöffnet bleiben, während der restliche Teil durch die längere Öffnung die volle Dosis erhält. Die dynamische Sliding-Window-Technik ermöglicht dabei bis zu 40% kürzere Behandlungszeiten, die Lamellen fahren während der kontinuierlichen Bestrahlung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ohne Unterbrechung durch das gesamte Bestrahlungsfeld. Um die Lamellen schnell und absolut positionstreu nach der Bestrahlungsplanung zu bewegen, werden spezielle hochpräzise MLC mit hoher Dynamik (1ms-Takt) benötigt.

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Auswahl der Steuerungen

Im Fall des Compact-MLC wird jede der 80 Lamellen mit einem eigenen Motor positioniert. Um hochdynamisch und präzise steuern zu können hat jeder Antrieb zwei Rückführungen: Einen Drehgeber für die Geschwindigkeitsregelung und einen Analogeingang für die genaue Positionserkennung. Beide werden durch logischen Vergleich der Feedbacks zusätzlich zur Überwachung und Sicherheit genutzt. Eine Bedingung für die eingesetzten Antriebssteuerungen aus dem Hause ZUB Machine Control war die Anpassungsfähigkeit für künftige Systeme. Die Achsen und ihre Funktionalität basieren auf PLCopen und erlauben eine herstellerunabhängige Systemintegration. Die Auswahl zur Ansteuerung fiel auf die Multi-Achsen-Steuerung MACS4, da diese Ethercat-fähige Steuerung in der Lage war, die verwendeten Motoren und deren Ströme von nur rund 100mA zu betreiben. Für das Proof of Concept sind am MLC sechzehn Sechsachssteuerungen für maximal 96 Achsen verbaut. Die Weiterführung des Compact-MLC-Projektes erforderte eine Reduzierung des Bauraumes und Verbesserung der MTBF durch Strahlenschädigung der Elektronik. Aus diesen Anforderungen wurde im Zuge der Masterarbeit eine dezentrale Steuerungsarchitektur konzipiert.

Neue Steuerungsgeneration

Während des Compact-MLC-Projekts hat ZUB die neue modular aufgebaute Steuerungsgeneration MACS5 entwickelt. Sie ermöglicht eine Auslagerung von direkt am Kollimator unerwünschter Elektronik. Die MACS5-AMP1 besteht aus der Recheneinheit zur Positionsregelung und Verarbeitung der Sensorwerte sowie dem intelligenten Leistungsteil, das von der CPU aus per Serial Peripheral Interface (SPI) gesteuert wird. Die Kommunikation zum Leistungsteil wurde in der Masterarbeit durch einen Ethercat-zu-SPI-Protokollumsetzer erweitert, so dass ein dezentraler Aktuatorknoten entstand.

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Echte dezentrale Steuerung

Durch die Erweiterung der MACS5-Kommunikation mit Ethercat wäre im Prinzip schon eine dezentrale Steuerung möglich gewesen, müssten nicht die Sensoren immer noch direkt an der Recheneinheit der Steuerung angeschlossen werden. Die Lösung hierfür - ein Sensorknoten mit Busanschluss - war Thema der Masterarbeit 'Entwicklung eines Ethercat-Sensorknotens zur dezentralen Steuerung von Mulitleaf-Kollimatoren' von Klaus Schewiola. Der Sensorknoten bereitet 20 bis 40 Encodersignale in einem FPGA auf. Ein darin enthaltener IP-Core stellt die Sensordaten mit identischem Verhalten zum Leistungsteil der MACS5-AMP über SPI zur Verfügung. Das Bild links unten veranschaulicht die dezentrale Steuerungsarchitektur für einen Quadranten mit 20 Lamellen. Zur Busanbindung der Aktuator- und Sensorknoten wird der Ethercat Slave Controller auf Basis des Sitara-Chips von Texas Instruments eingesetzt. Die Recheneinheiten der MACS5 für die Achsregelung sind mit der übergeordneten SPS in den externen Bereich ausgelagert. Da die Rechenleistung der MACS5 für zehn oder mehr Achsen reicht, genügen zwei MACS5-Geräte für einen Quadranten. Die Kommunikation entspricht der Arbeitsweise der MACS5-AMP und berücksichtigt unter anderem folgende Vorgaben: Die Zykluszeit für die gesamte Ethercat-Kommunikation und der Zykluszeit der SPS (Ethercat-Master) beträgt 125µs. Hierfür wird ein jitterfreies SYNC-Signal mit einem stabilen 8kHz-Takt benötigt. Die Daten zwischen Recheneinheit und Leistungsteil werden in Blöcken von 26x16Bit übertragen.

Ergebnis des Projektes

Das dezentrale Steuerungskonzept konnte nach der in der Masterarbeit definierten Architektur realisiert werden. Es eröffnen sich für den Aufbau einer neuen MLC-Generation neue Möglichkeiten. Die Vorteile der Architektur können wie folgt eingeordnet werden:

  • • geringes Bauvolumen durch Modularisierung
  • • Verlagerung der sicherheitskritischen Recheneinheiten aus dem direkten Strahlenumfeld
  • • frei skalierbares System (theoretisch nur durch Ethercat-Framegröße limitiert)
  • • Zykluszeit 125µs
  • • service- und kostenfreundlich durch reduzierte Elektronik im MLC

Nachgefragt

SPS-MAGAZIN: Was ist das Besondere an MACS5?

Dieter Bieler: MACS5 ist durch die Modularität flexibel anpassbar auf kundenspezifische Bedürfnisse. Mit einer eigenen Programmiersprache lassen sich sehr leistungsfähige Module realisieren. Zudem gibt es eine lizenzfreie Motion Library.

SPS-MAGAZIN: Warum haben Sie sich kommunikationsseitig für Ethercat entschieden?

Bieler: Die hohe Performance war ausschlaggebend. 16 Controller zu sechs Achsen müssen dynamisch mit neuen Daten versorgt werden. Bei diesen Anforderungen ist Ethercat die beste Lösung.

SPS-MAGAZIN: Wie sieht das Anwendungs- und Branchenspektrum der MACS5-Antriebssteuerung aus?

Bieler: Wir sind für diverse Branchen bereits tätig wie Papierverarbeitung, Medizintechnik, Etikettierung oder Lagersysteme. MACS5 ist praktisch für alle Anwendungen und Handling-Aufgaben denkbar, die eine Synchronisation und Positionierung mehrerer Achsen erfordert.

SPS-MAGAZIN: Wie sieht die weitere

MACS5-Roadmap aus?

Bieler: Weiterentwicklungen der MACS5 sind MACS5-AMP1, MACS5-AMP2 und MACS5-AMP3, die Steuergeräte mit höherer Leistungsklasse umfassen. Unsere neueste Entwicklung, die MasterMACS öffnet die Tore zu Industrie 4.0. Damit kommunizieren wir über sechs verschiedene Schnittstellen und steuern bis zu 20 Achsen an.

Dieter Bieler ist CEO bei ZUB Machine Control

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