Tumorbehandlung mithilfe von NI CompactRIO und LabVIEW FPGA

Author(s):
Jeff Stevens - Sanarus

Industry:
Medical

Products:
CompactRIO, LabVIEW, FPGA Module, Real-Time Module

The Challenge:
Entwickeln und Implementieren eines Steuersystems inklusive Benutzeroberflächen für ein FDA-validiertes medizinisches Gerät der Klasse II zur minimalinvasiven und beinahe schmerzfreien Behandlung von Tumoren der Brust in einem strikt regulierten Designprozess

The Solution:
Entwicklung eines flexiblen und zuverlässigen Steuersystems inklusive Benutzeroberfläche mithilfe von NI CompactRIO, NI LabVIEW Real-Time und dem LabVIEW FPGA Module unter großem Zeitdruck. Das Gerät reduziert die emotionalen und physischen Auswirkungen von Tumorbehandlungen auf die betroffenen Patienten erheblich.

Kürzere Markteinführungszeiten

Um den Zeitplan für die Produkteinführung einzuhalten, sollte ein funktionierender Prototyp des V2-Systems innerhalb von vier Monaten entwickelt werden. Neben den Verpflichtungen gegenüber Investoren musste Sanarus auch der Nachfrage auf dem Markt nachkommen und das V2-System so schnell wie möglich fertig stellen.

Das Schreiben von Firmware und der Entwurf eines Chips für das System wären relativ zeitaufwändig gewesen. Darüber hinaus hätte jeder Fehler auf Firmware- oder Softwareebene zu Verzögerungen geführt, die das gesamte Projekt gefährdet hätten. Da es sich bei V2 um ein medizintechnisches Gerät handelt, durften keine Software- oder Firmware-Fehler auftreten, welche die Leistung des Systems beeinträchtigt hätten. Sollte das Gerät das anspruchsvolle 510(k)-Verfahren nicht bestehen, wäre das ganze Projekt gescheitert und das V2 niemals auf den Markt gelangt. Auf Grundlage dieser Anforderungen war eine extrem zuverlässige Entwicklungsoption für V2 vonnöten.

Beschleunigte Entwicklung mit Standardhardware

Sanarus lud einen Vertriebsmitarbeiter von National Instruments ein, um mögliche Lösungen zu besprechen. Dabei kristallisierte sich NI CompactRIO als praktikable Lösung heraus, da es eine geeignete Kombination von Programmierbarkeit und integrierten I/O-Optionen bietet. Anschließend wurde der Prototyp mittels CompactRIO entworfen, um zu zeigen, dass V2 innerhalb kurzer Zeit zuverlässig entwickelt werden konnte. Eine Vergleichstabelle veranschaulichte die Vorteile von CompactRIO gegenüber der anwenderdefinierten Hardware. Schnell wurde deutlich, dass die NI-Lösung mit CompactRIO innerhalb weniger Wochen in die Praxis umgesetzt werden konnte, während die anwenderdefinierte Lösung mehrere Monate in Anspruch genommen hätte.

Darüber hinaus würden Last-Minute-Änderungen an der proprietären Firmware neue, aufwändige Revisionen nach sich ziehen, wohingegen der Programmcode auf der CompactRIO-Plattform, wenn nötig, mit minimalem Aufwand angepasst werden konnte. Als entschieden wurde, dass die Bedienoberfläche ein Touchpanel-PC anstelle von Knöpfen und LEDs sein sollte, wurde die grafische Programmierumgebung LabVIEW für Windows verwendet, um eine Benutzeroberfläche für einen PanelPC zu entwickeln. Mit den Umgebungsvariablen (Shared Variables) in LabVIEW konnte die Kommunikation zwischen der Benutzeroberfläche und dem CompactRIO-Echtzeitcontroller einfach verwaltet werden. Außerdem konnten zusätzlich geforderte Eigenschaften aufgrund der Flexibilität des Systems integriert werden, ohne dass Verzögerungen im Zeitplan auftraten.

Fest stand bereits, dass CompactRIO die Zertifizierung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) erhalten würde, da NI alle Module bereits im Vorfeld zertifizieren ließ. So war gewährleistet, dass der Prototyp nicht vollständig überarbeitet werden musste, falls er die EMV-Zertifizierung nicht erhielt.

Das endgültige V2-System besteht aus einem PanelPC, auf dem LabVIEW für Windows ausgeführt wird. Auf dem PanelPC läuft die Bedienoberfläche, um die Befehle über LabVIEW-Umgebungsvariablen an das CompactRIO-System zu schicken. LabVIEW Real-Time kam bei der Implementierung einer Zustandsmaschine auf dem CompactRIO-Echtzeitcontroller zum Einsatz. Außerdem diente es zur Regelung von PID-Schleifen, welche die Temperatur an der Spitze der Sonde überwachen. Dazu sind für eine Pumpe mit Flüssigstickstoff zur Kühlung bzw. ein einfaches Widerstandsheizelement Regelalgorithmen implementiert. Die Schnittstelle zu den I/O-Signalen, die für die Regelung der Kühlung und der Heizung nötig sind, werden mit LabVIEW FPGA verwaltet.

In Langzeitstudien erweist sich diese Technik als höchst effektiv für die Entfernung gängiger Tumoren. Mithilfe der NI-Technologie konnte Sanarus für V2 schnell und effizient ein Embedded-Steuer- und -Regelsystem mit einer bedienfreundlichen Benutzeroberfläche entwickeln. Dabei wurden höchste Qualitätsvorgaben eingehalten, womit letztlich auch die Sicherheit der Patienten gewährleistet wird.

NI hat wesentlich dazu beigetragen, diese Ziele zu erreichen. Dank der grafischen Systemdesignplattform von NI wurden Zeitvorgaben in Bezug auf Design, Prototypenerstellung und abschließende Implementierung eingehalten.

Mittels LabVIEW wurde der Controller im Hause Sanarus entworfen und der Programmcode geschrieben. Danach konnten Prototypen erstellt und die Geräte schließlich viel schneller als gedacht implementiert werden. Der CEO von Sanarus bezeichnete CompactRIO sogar als Schlüsselfaktor für den Erfolg des Projekts Visica2 Treatment System.

Sehen Sie sich unten ein Video zu dieser Anwendung an

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Author Information:
Jeff Stevens
Sanarus
jstevens@sanarus.com

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