הדמיה רפואית משופרת עם ווסתי נקודת עומס

מאת: Willie Chan, Linear Technology Corporation

חידושים בטכנולוגיית הדמיה

מערכות קרני X אנלוגיות מסורתיות משתמשות בסרט צילום מיוחד כאמצעי להפיכת קרני X מועברות לתמונה נראית. על מנת לממש מטלה זאת, הסרט חייב לעבור תהליך פיתוח כימי העשוי לקחת מספר דקות, תוך עיכוב התחלת הטיפול במטופל. יתר על כן, לאחר השלמת תהליך הפיתוח, הצוות הרפואי עלול לגלות שיש לצלם מחדש עקב חשיפה לקויה לקרני ה-X. לאחר העיבוד, הצילומים חייבים להימסר לידי הרופא המטפל ואחר כך מאוכסנים עם רשומות המטופל, מה שעלול להצטבר לארונות אכסון גדולים במשרדים הרפואיים. בנוסף, לחומרים הכימיים המשמשים בתהליך הפיתוח יש אורך חיים סופי וחייבים להיות מאוכסנים ומסולקים בזהירות עם תפוגתם. כל האתגרים האלה נעלמים בצילום רנטגן ישיר

(Direct Radiography – DR), צורה של הדמיית קרני X ספרתית ההולכת ונפוצה.

המעבר מהדמית קרני X המסורתית אל צילום רנטגן ישיר צובר תנופה ככל שעלויות הרכישה ההתחלתית יורדות והתועלות הולכות ונהיות יותר מוחשיות. תמונת ה-X DR זמינה בתוך שניות מחשיפת המטופל וניתן להפיצה מיידית בעולם כולו לצורך התייעצות עם מומחים רפואיים בכל מקום. בתצורה הספרתית, ניתן לתייק את תמונות המטופל במהירות על דיסק קשיח קטן במקום בארונות תיקים גדולים. שיטת DR מקובלת כרוכה בגלאי לוח שטוח (flat panel detector) הקולט את קרני ה-X המועברות. לוח הגלאי השטוח מאפשר צילומים מרובים, תוך הצגה של זוויות צילום שונות ללא צורך בהזזת הלוח או נגיעה בו וללא עיוותי עדשה עם גלאי 1:1 ביחס לגודל התמונה. גלאי לוח שטוח לקרני X חדשים יותר יכולים לשדר את התמונה באלחוט אל יחידת הבקרה לצורך צפייה, תיוק או פסילה. אין עוד צורך ברכישה, אכסון וסילוק החומרים הכימיים הכרוכים בסרט צילום. אולי החשוב ביותר, שני מחקרים אירופיים מצביעים על הפחתה בשיעור 30%-70% במינון קרני ה-X הדרוש להשגת איכות תמונת DR הדומה לזו של סרט אנלוגי. עיצובי לוח שטוח מסוימים משדרים את רמת החשיפה אל מקור קרני ה-X בזמן אמת ומבטיחים על ידי כך תמונה חשופה כראוי במזער מינון קרינה. מנת קרני X נמוכה יותר משפרת את בטיחות המטופל ואת זו של הצוות הרפואי המקצועי הסמוך העלול להיפגע בהמשך מחלקיקי קרן X מפוזרים.

ליצירת התמונה, מערכות צילום רנטגן ישיר רבות משתמשות בגלאי לוח שטוח הבנוי מחיישני CMOS המצופים בשכבה מנצנצת. שכבה זאת ממירה את קרני ה-X הפוגעות לאורך גל הנספג טוב יותר בסיליקון. חיישני CMOS, המועדפים לעתים קרובות כתהליך הייצור, תואמים למבנה של אות מעורב ולארכיטקטורות הלוגיקה, מה שמקדם פתרון מוכלל יותר. המגמה כלפי צילום רנטגן ישיר מתומרץ עוד על ידי שיפורים בייצור פרוסות סיליקון בגודל 200 מ”מ ו-300 מ”מ. פרוסות גדולות יותר מאפשרות לרכיבי חיישן CMOS פחותים להשתלב לצורת חיישן לוח שטוח התואם לגודל קלטת סרט צילום רנטגן לפי תקן ISO  ס”מ  43 ס”מ בעובי 1.5 ס”מ (1417 אינץ’) המשמש בבתי חולים בעולם כולו. אין זה מפתיע שתכן החומרה של המערכת משחק תפקיד משמעותי עם השפעה ישירה על איכות התמונה, על מקדם הצורה, על בטיחות בני אדם ועל אורך החיים התפעולי של מוצרים אלה. אך האם זה כולל את רכיבי בקרת הכוח?

הקרב הקשה נגד רעש אלקטרוני

על מנת שצילום רנטגן ישיר יממש את כל התועלות הפוטנציאליות, יש להעניק תשומת לב לסוגיות רעש אלקטרוני, לחום ולגודל. יש לשמור על יחס אות לרעש (Signal to Noise Ratio – SNR) גבוה, תוך הפחתת מינון קרני ה-X המיושם במטופל, מה שמהווה יעד מכריע. למרות שביצועי הרעש של החיישן עצמו מושכים חלק גדול מתשומת הלב, הזרקת רעש ממערכת אספקת הכוח ראויה גם היא לשיקול דעת קפדני.

לארכיטקטורה של אספקת הכוח יש השפעה ישירה על הביצועים מבחינת יחס אות לרעש. גל מתח על פס אספקת הכוח המוזן לחיישן הצילום וממיר ה-A/D עלולים להזריק רעש לתמונה. יצרנים של חיישני CMOS לקרני X מגששים אחר המרת A/D ב-14 ביט ואף ב-16 ביט, לתמיכה בטווח ניגודיות רחב כדי לחולל תמונות מפורטות מאד. סיבוך נוסף של הסוגיה הוא שבדרך כלל דרוש פס שלילי מווסת בין3.3- וולט לבין7- וולט בנוסף למתח מווסת חיובי להפעלת חיישן התמונה, ממיר ה-A/D ו/או מגברי מכשור. עדיין, ערכת הסוללה או אספקת הכוח DC/AC יכולות לספק רק מתח חיובי בלתי מווסת יחיד. לפיכך, לממיר ה-DC/DC המתווך חייבים להיות ביצועי מוצא גל נמוך בגובה עשרות מילי-וולט, נצילות תפעולית גבוהה וחימום עצמי נמוך.

לנוחות המטופלים ולטובתם, יחידות הדמיה חדשות של קרני X, לרבות לוחות החישה הנן ניידות. סוללה 12 וולט נטענת רגילה נבחרת לעתים קרובות כמקור הכוח עבור לוח החישה. על מנת ללכוד ולשדר מאות תמונות בטעינה אחת, נדרשת נצילות תפעולית גבוהה, מה שמצדיק שימוש בווסתי מיתוג. למרבה הצער, ווסתי אופן מתג (switch mode regulators) מהווים מקור לקרינת הפרעה אלקטרומגנטית (EMI), המגביהה את מפלס הרעש במערכת. בנוסף, על מנת לסייע לסגל הרפואי לשמור על היקף בטיחותי מהמטופל, ללוחות חישה של קרני X מסוימים יש יכולת העברת נתונים אלחוטית. רמות גבוהות של הפרעה אלקטרומגנטית עלולות לעוות את התמונה הנלכדת

ו/או לשבש העברת נתונים אלחוטית אל מסוף המשתמש. אולי מדאיג עוד יותר שפליטות אלקטרומגנטיות עלולות להגיע לרמות מעל אלה המותרות על ידי סוכנויות ההסדרה הממשלתיות, תוך מניעת כניסתו של המוצר הרפואי לשוק, נושא הנדון בהמשך מאמר זה..

הדרישה לנצילות תפעולית גבוהה משרתת מטרה שנייה במאמץ לשמור על יחס אות לרעש (SNR) גבוה. הזרם הכהה בתוך חיישן CMOS גדל אקספוננציאלית עם הטמפרטורה. זרם כהה הינו התנועה של מטען הקיים לפני החשיפה לקרן X. על פי יצרן אחד של חיישן CMOS לקרני X, זרם כהה מוכפל בקירוב בכל עליית טמפרטורה של 8 מ”צ. למרות שהעיבוד יכול להסיר חפצי זרם כהה אחדים מהתמונה, טמפרטורות תפעול גבוהות ונזק מצטבר מחשיפה חוזרת לקרני X מזרזות את הגידול בזרם כהה. בסופו של דבר, הזרם הכהה יכריע את המטען המונח על החיישן מחלקיקי קרן ה-X הפוגעת, נקודה בה חיוני להחליף את גלאי הלוח השטוח.                                                                                               יתר על כן, מאחר שלעתים קרובות מכשירים רפואיים באים במגע עם רקמה אנושית, פיזור חום בלתי נשלט עלול לגרום חוסר נוחות או כוויות למטופל בנוסף לקיצור אורך חייו התפעוליים של המכשור.

הקרב נגד חום

כפי שהוזכר לעיל, טמפרטורות תפעול גבוהות שוחקות את ביצועי ה-SNR של חיישן CMOS ומקצרות את אורך חייו. יתר על כן, טמפרטורות תפעול גבוהות מהוות סיכון לבטיחות המטופל. על מנת לשמר ניגודיות תמונה גבהה, גלאי הלוח השטוח לקרני X ממוקם במגע ישיר עם גוף המטופל.

העור האנושי מתחיל לסבול כוויות בטמפרטורות נמוכות עד כדי 40 מ”צ (100 מ”פ). לפיכך, הצד החיצוני של כל מכשיר רפואי שעשוי לבוא במגע עם עור חייב להישמר מתחת לסף זה. לאור זאת, נצילות תפעולית גבהה והיכולת לפזר את החום המתחולל על פני שטח נרחב הנן מכריעות לגבי תחומים רבים: אורך חיי החיישן, בהירות התמונה ובטיחות המטופל.

שימור אותה גזרה דקה

מאבזרי מערכות ניתוח ועד לכלי בדיקה ידניים, המורכבות ההולכת וגדלה של המכשירים הרפואיים של הדור הבא הנה בחסר ביחס למרחב הזמין לעצם הרכיבים התומכים ביכולות נוספות אלה. במקרה של גלאי לוח שטוח לקרני X, תשתית בתי החולים הקיימת הקצתה זה מכבר משבצת הידועה כ-bucky slot בה הייתה ממוקמת בעבר הקלטת של הסרט האנלוגי לקרני X. קלטות אלה ממלאות בדרך כלל את הנחיות  ISO4090, מה שמאפשר ממדים חיצוניים של 48 ס”מ  38.6 ס”מ  1.5 ס”מ עבור גודל צילום רנטגן של 43 ס”מ  35 ס”מ (1714 אינץ’). פתרון מתאים לניהול הכוח צריך להיות קומפקטי ויעיל על מנת להתאים לגודל מוגבל כזה ולמזער עלייה של טמפרטורת התפעול.

מילוי החוק

כחלק מדרישות החוק בארה”ב ובאירופה, מכשירים רפואיים חייבים להוכיח עמידה ב-CISPR11, הידוע גם כ-EN55011. מאחר שווסתי מיתוג מקרינים שדות אלקטרומגנטיים, המתכנן חייב להיות בעל הבנה מלאה של השפעת ווסת המיתוג על העמידה בהפרעה האלקטרומגנטית (EMI) או לבחור פתרון כוח הנבדק לעמידה על ידי היצרן בגבולות ה-EMI המוקרנת. אחרת, חזרות יקרות ומכלות זמן על המוצר עלולות להידרש כדי להגיע לעמידה בדרישה. גבולות ה-EMI המוקרנת המחמירים ביותר מוטלים על ציוד רפואי המיועד לשימוש בבנייני משרדים, אבזרי קבוצה 1 – סוג B בהם גבול הקרינה זהה לגבולות EN55022 סוג B  (סוג B) המוטלים על ציוד טכנולוגיית מידע המיועד לשימוש בבנייני משרדים ובבתי מגורים.

חיי מוצר ארוכים

פתרון כוח בעל אמינות מוכחת הינו צורך עבור מכשור רפואי. במקרה של חיישן לוח לקרני X, הלוח חייב ללכוד את התמונה נכון בפעם הראשונה אחרת המטופל והסגל המקצועי ייחשפו לצערם לקרינה חוזרת. למזער, אבחון מושהה גורם להשהיית תחילתו של הטיפול, מצב בלתי קביל ברמה הרפואית המודרנית.

גורם אחר אותו יש לשקול הוא כמה זמן יהיו זמינים הרכיבים האלקטרוניים הנבחרים? לאחר תהליך אישור חוקי ארוך ומעבר משוכות CE, UL, IEC ו-FDA, כל מכשיר רפואי אלקטרוני אמור להיות ייצורי למשך זמן רב – מעל 15 שנה. אורך זמן זה הנו ארוך בהרבה ממחזורי מוצר צריכה לו מוכרי מוליכים למחצה לניהול כוח נותנים שירות כשוק הראשי שלהם. הסמכת מוצר מחדש רק עקב רכיבים מיושנים הנו מעמסה למשאבים ההנדסיים ולשורה התחתונה.

פתרון: ווסתי מיתוג DC/DC מתקדמים

על מנת לסייע למהנדסי תיכון לטפל באתגרים של רעש אלקטרוני, חום וגודל ביישומים רפואיים, לינאר טקנולוג’י (Linear Technology) מציע מבחר רחב של יותר מחמישים מוצרי כוח ®µModule  שונים. כל אחד ממוצרים אלה הנו בעל נצילות גבוהה, פתרון ניהול כוח מיתוג DC/DC מוכלל באופן מלא במארז התקן בעל פני שטח קטנים (איור 1). ווסתי אופן מתג אלה תוכנו בקפידה לפעול עם גל מוצא נמוך הן בתצורת מעגל מתח מוצא שלילי (היפוך) והן במתח מוצא חיובי כמוצג באיורים 2 ו-3. תת-קבוצה של מוצרי כוח µModule, ווסתי µModule מאושרים כ-EN55022 סוג B, מהווים פתרון מיטבי להתגברות על אתגרי EMI המופיעים ביישומים רפואיים. ווסתי מיתוג אלה הוסמכו ע”י מעבדות עצמאיות כגון TUV כעומדים בתקן התעשייה EN55022 סוג B (שווה ערך ל-CISPR11/EN55011 קבוצה 1) עבור הפרעות אלקטרומגנטיות בזרמי מוצא של עד 8 אמפר. תוצאות הבדיקות תוך שימוש בלוחות ההדגמה התקניים המתאימים זמינים לציבור באופן מקוון. מובאה מהן מוצגת באיור 4. בחירה של פתרון ידוע, תואם ומוכלל באופן מלא כמו ווסת µModule, מקצר זמן תיכון ומפחית את הסיכון הכרוך בווסתי מיתוג או בבקרים רגילים לעמידה בדרישות אלה.

אין להמעיט בסיכון הכרוך בגל מוצא גבוה ובהפרעה אלקטרומגנטית מוקרנת. שני גורמים אלה משפיעים על יכולת המוצר לפעול היטב בפעם הראשונה ולעמוד בתקנות ממשלתיות מחמירות. בזכרנו את השפעתם על הפעולה של לוח שטוח לקרני X, תכן מוצר עם גל מוצא ופליטות EMI מבוקרים היטב מניבים יחס אות לרעש גבוה עבור תמונה באיכות גבוהה ובניגודיות גבוהה, לכידת תמונה אמינה בפעם הראשונה למניעת עיכובים בטיפול וחשיפה חוזרת מיותרת לקרינה, תקשורת אלחוטית אמינה ובדיקה מהירה של עמידה ב-EMI. מסיבות אלה, Linear Technology נקט הקפדה רבה להבטחה שאבזרים אלה יהיו מוסמכים על ידי מעבדות בדיקה עצמאיות כגון TUV עם תוצאות בדיקה זמינות לציבור באופן מקוון. לאחר התגברות על דאגות מרעש ומ-EMI, פתרון ניהול הכוח הנכון צריך להתייחס לסוגיות נצילות, אמינות ופיזור חום.

מוצרי כוח µModule הנם ווסתי מיתוג בעלי נצילות גבהה המוצעים במארז התקן פני שטח LGA או BGA בנויים מחומר פלסטי מוליך חום עם ראש שטוח. ראש שטוח יחיד המכסה פתרון ניהול כוח מלא מוביל אל טכניקות עוקת קירור למזעור עליית הטמפרטורה בכל נקודה מוגדרת של הצד החיצוני של האבזר הרפואי (איור 5). כנזכר לעיל, שמירה על טמפרטורת עבודה קרה משפרת את בטיחות המטופל, את היחס אות לרעש ואת אורך חייו התפעולי של הציוד. כאשר הממדים של הגדול במוצרי הכוח µModule הנם 6.25 מ”מ  6.25 מ”מ  2.3 מ”מ, המרחב מתפנה למאפיינים חשובים יותר כמו סוללה גדולה יותר לזמן עבודה ארוך יותר בין טעינות.

כל ווסתי µModule עוברים בחינה נרחבת ברמת האבזר וברמת הכרטיס על מנת להבטיח פעולה אמינה. עד כה, משפחת המוצר צברה מעל 23.5 מיליון שעות-אבזר של מחזורי כוח ו-3 מיליון שעות-אבזר של בחינת חיים מואצים ללא תקלה. האמינות נתמכת עוד על ידי חליפה מלאה של קווים מנחים לתיכון, ליישום ולייצור כדי להבטיח שביצועיהם יעמדו בצפיות מהמוצר. דו”ח מלא המספק רשימה של כל בדיקות האמינות שבוצעו ותוצאותיהן עומד לעיון באתר החברה. בתמיכה במכשור רפואי עם אורך חיי ייצור ארוכים,

ל-Linear Technology יש רשומת התנהגות חזקה של אי-התיישנות של מוצרים, מדיניות הממשיכה בקו מוצרי הכוח µModule.

סיכום

למרות שמאמר זה התמקד באתגרי תכן ביחס לגלאי לוח שטוח ספרתיים לקרני X, האתגרים המתוארים כאן אינם ייחודיים למוצר זה. מאבזרי מערכות ניתוח עד לאנדוסקופים ועד למערכות הדמיה וניטור ניידות, בעלי מקצוע הרפואה מחפשים תמיד את הכלים היעילים, האמינים והקטנים ביותר הקיימים. ציוד הדוחף לגבולות אלה מאפשר התקדמות בהליכים רפואיים הממזערים סבל למטופל, צלקות וזמני התאוששות, בד בבד עם שיפור בטיחותו האישית וזו של הסגל. אלקטרוניקה נוספת במוצרים כאלה מאפשרת לרופאים להיות מדויקים יותר, בעלי ראיה ובקרה טובות יותר ואף לקדם את הקריירה של מנתחים מיומנים מאד. יחד עם הדרישות העסקיות למשאבים הנדסיים מוגבלים, זמן לשווק, אמינות מוצר מוכחת עם אורך חיי ייצור ארוכים, אלו פתרונות כוח יכולים לעמוד בדרישות אלה? סדרת מוצרי כוח  µModule של Linear Technology מתוכננים בקפידה והוכחו כעומדים בשילוב של דרישות.

הכתבה נמסרה באדיבות חברת אבנט.

הבעת תודה בכתיבת הכתבה:

Jaino Parasseril, Yan Liang

Jason Sekanina, Dongyan Zhou