一种核磁共振兼容的医用设备通讯系统的制作方法

1.本发明涉及一种设备通讯技术，尤其是涉及一种核磁共振兼容的医用设备通讯系统。


背景技术：

2.随着核磁共振功能的日益强大，核磁共振设备的逐渐普及，出现了越来越多与核磁共振相融合，在核磁共振监控下工作的医疗设备，如射频消融治疗、超声神经刺激调节、聚焦超声无创治疗、穿刺机器人等。这些设备在核磁共振的环境下使用，首先面对的是3.0t的强磁场环境，以及核磁共振射频线圈所发射信号的干扰，可能导致自身工作异常甚至损坏；其次还需确保自身的材料特性以及辐射发射等特性，不对核磁共振的磁场均一度和信噪比产生过大影响，导致核磁共振性能下降甚至无法工作；最后设备直接作用于人体，如工作异常可能对患者造成伤害，甚至导致患者死亡，所以需要确保安全性和可靠性。通讯控制系统作为医疗设备中重要的一个环节，对设备满足上述三点要求至关重要。
3.现有常用的通讯控制系统，常采用低速串行接口通讯系统或高速网络通讯系统，前者通讯速率低、通讯协议可靠性差，后者实现复杂，帧长度长，丢包率高。两者在磁共振环境下都易受到干扰。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种核磁共振兼容的医用设备通讯系统，抗干扰能力强，通讯速率高，可靠性强。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
6.一种核磁共振兼容的医用设备通讯系统，包括下位机和二级设备，所述的二级设备的数量为一个或多个，所述的下位机连接有fpga，每个二级设备通过两根塑料光纤与fpga连接，每根塑料光纤两端通过光电转换器分别与fpga和二级设备连接，所述的fpga中设有通讯控制器，所述的通讯控制器的数量与二级设备的数量相同，所述的通讯控制器通过串口通讯协议和二级设备进行一一对应的通讯，所述的下位机连接有上位机，所述的下位机和上位机中存储有软件，所述的软件通过读写通讯控制器的寄存器，读写二级设备内部寄存器内容，从而实现通讯系统的控制；
7.所述的下位机和二级设备通过光电转换器，将输出的电信号转换为光信号，所述的光信号通过塑料光纤传输，再通过光电转换器转换为电信号，对应输送至二级设备和下位机，采用光信号的传输方式，硬件电路简单，与磁共振兼容，不受磁共振干扰，也不影响磁共振的正常工作；
8.所述的fpga上的通讯控制器和二级设备形成点对点通讯，构成星型拓扑结构，简化了网络通讯协议和网络拓扑结构，所述的下位机和二级设备间传递实时状态信息，通讯系统的硬件、固件和软件均支持50m波特率的串行通讯速率，远大于常用的1m波特率以下的串行通讯速率。
9.进一步地，所述的通讯控制器包括通讯控制单元、通讯包解析单元和串口收发单元；
10.所述的通讯控制器和二级设备之间的通讯过程包括：
11.所述的通讯控制单元生成通讯指令，所述的通讯包解析单元根据通讯指令生成通讯包，所述的串口收发单元将生成的通讯包发送至二级设备；
12.所述的二级设备根据通讯包执行任务，将执行结果写入通讯包，并发回至串口收发单元，所述的通讯包解析单元解析发回的通讯包，获得执行结果。
13.进一步地，所述的通讯包分为心跳包、写入包和读取包，每种通讯包中均包含包头、校验信息和隧道信息。
14.进一步地，所述的串口收发单元发送的通讯包中的隧道信息包含系统控制状态信息，所述的隧道信息包括电源状态和系统初始化状态；
15.所述的二级设备发回的通讯包中的隧道信息包含对应二级设备的中断和设备运行状态信息；
16.由于下位机和二级设备之间的连接方式采用星型拓扑结构，所述的二级设备之间无通讯，通过在通讯包中增加隧道信息，可实现下位机和二级设备间传递实时状态信息，传递的过程中无需下位机中软件的介入，大大提高了系统的通讯连接性能；
17.使用隧道信息的方式，仅采用两根塑料光纤即可达到在下位机和二级设备间传递准实时状态信息的目的，减少了光纤通道的数量，可以使用的现有的2芯光纤线束和连接器，提高了产品的易用性和可靠性；
18.所述的二级设备作为星型连接终点，所述的二级设备之间没有直接的通讯连接，但是可以通过隧道协议，在无软件参与的情况下，准实时扩散传递信息。
19.进一步地，所述的二级设备若未在设定时长内收到通讯包，则判断本二级设备和下位机失联，并自行执行任务，所述的任务包括输出、进入保护状态和记录错误现场环境到日志中。
20.进一步地，所述的下位机未接收到上位机的控制命令时，所述的通讯系统处于通讯空闲状态，此时通讯控制单元自动生成心跳通讯指令，所述的通讯包解析单元接收心跳通讯指令，并生成心跳包，所述的串口收发单元将心跳包发送至二级设备；
21.所述的下位机接收到上位机的控制命令时，所述的通讯控制单元生成写入通讯指令或读取通讯指令，所述的通讯包解析单元对应生成写入包或读取包，所述的串口收发单元将生成的写入包或读取包发送至二级设备。
22.进一步地，所述的串口收发单元发送的心跳包还包含心跳指令，所述的二级设备发回的心跳包还包含二级设备根据心跳指令生成的应答信息；
23.若下位机未接收到正确的应答信息，则向其上位机上报中断，所述的上位机执行保护操作，所述的保护操作包括关闭对应二级设备的电源。
24.进一步地，所述的串口收发单元发送的写入包还包含写入指令、寄存器地址、数据长度和写入数据，所述的二级设备返回的写入包还包含二级设备根据写入指令生成的写完成状态。
25.进一步地，所述的串口收发单元发送的读取包还包含读取指令、寄存器地址和数据长度，所述的二级设备返回的读取包还包含二级设备根据读取指令生成的读完成状态和
读出数据。
26.与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
27.(1)本发明通讯系统，包括下位机和二级设备，二级设备的数量为一个或多个，下位机连接有fpga，每个二级设备通过两根塑料光纤与fpga连接，每根塑料光纤两端通过光电转换器分别与fpga和二级设备连接，fpga中设有通讯控制器，通讯控制器的数量与二级设备的数量相同，通讯控制器通过串口通讯协议和二级设备进行一一对应的通讯，下位机连接有上位机，下位机和上位机中存储有软件，软件通过读写通讯控制器的寄存器，读写二级设备内部寄存器内容，从而实现通讯系统的控制，下位机和二级设备通过光电转换器，将输出的电信号转换为光信号，光信号通过塑料光纤传输，再通过光电转换器转换为电信号，对应输送至二级设备和下位机，采用光信号的传输方式，硬件电路简单，与磁共振兼容，不受磁共振干扰，也不影响磁共振的正常工作，抗干扰能力强；
28.(2)本发明fpga上的通讯控制器和二级设备形成点对点通讯，构成星型拓扑结构，简化了网络通讯协议和网络拓扑结构，下位机和二级设备间传递实时状态信息，通讯系统的硬件、固件和软件均支持50m波特率的串行通讯速率，远大于常用的1m波特率以下的串行通讯速率；
29.(3)本发明通讯包包含隧道信息，通讯控制单元能够协调固件的自动运行和软件的介入，通讯包解析单元生成特定格式的通讯包，并解析收到的通讯包，串口收发单元发出和接收通讯包，通过在通讯包中增加隧道信息，可实现下位机和二级设备间传递实时状态信息，传递的过程中无需下位机中软件的介入，大大提高了系统的通讯连接性能，同时，使用隧道信息的方式，仅采用两根塑料光纤即可达到在下位机和二级设备间传递准实时状态信息的目的，减少了光纤通道的数量，结构简单，可以使用的现有的2芯光纤线束和连接器，提高了产品的易用性和可靠性；
30.(4)本发明二级设备作为星型连接终点，二级设备之间没有直接的通讯连接，但是可以通过隧道协议，在无软件参与的情况下准实时扩散传递信息。
附图说明
31.图1为下位机和二级设备的连接示意图；
32.图2为光电转换器的光信号发送电路图；
33.图3为每种通讯包的组包格式示意图；
34.图4为通讯控制单元的控制流程图；
35.图5为通讯控制器的结构示意图。
具体实施方式
36.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
37.一种核磁共振兼容的医用设备通讯系统，包括下位机和二级设备，所述的二级设备的数量为一个或多个，所述的下位机连接有fpga，如图1，每个二级设备通过两根塑料光纤与fpga连接，每根塑料光纤两端通过光电转换器分别与fpga和二级设备连接，所述的
fpga中设有通讯控制器，所述的通讯控制器的数量与二级设备的数量相同，所述的通讯控制器通过串口通讯协议和二级设备进行一一对应的通讯，所述的下位机连接有上位机，所述的下位机和上位机中存储有软件，所述的软件通过读写通讯控制器的寄存器，读写二级设备内部寄存器内容，从而实现通讯系统的控制；
38.下位机和二级设备通过光电转换器，将输出的电信号转换为光信号，光信号通过塑料光纤传输，再通过光电转换器转换为电信号，对应输送至二级设备和下位机，采用光信号的传输方式，硬件电路简单，与磁共振兼容，不受磁共振干扰，也不影响磁共振的正常工作；
39.fpga上的通讯控制器和二级设备形成点对点通讯，构成星型拓扑结构，简化了网络通讯协议和网络拓扑结构，下位机和二级设备间传递实时状态信息，通讯系统的硬件、固件和软件均支持50m波特率的串行通讯速率，远大于常用的1m波特率以下的串行通讯速率；
40.塑料光纤是由高透明聚合物作为芯层材料，塑料作为皮层材料的一类光纤，其质轻、柔软，相比于使用光纤，更耐振动和弯曲的破坏，具有拉伸强度大、耐用和占用空间小的特点，同时，塑料光纤的切割、布线、粘结、抛光和其他加工容易，具有成本低、易连接的优点，塑料光纤和铜线相比，具有电磁干扰不敏感和不发生辐射的优点，非常适合使用在核磁共振这一强磁场干扰的环境中，本实施例采用内径1mm、外径2.2mm、波长650nm的塑料光纤，通讯距离最大支持50米，满足绝大部分医院设备安装的需求。
41.本实施例采用的光电转换器件为firecomms的redlink芯片，其光信号发送电路如图2所示，redlink芯片支持的最大转换速率为50mhz，延时小于1us，通讯速率和时延满足系统控制的需求。
42.如图5，通讯控制器包括通讯控制单元、通讯包解析单元和串口收发单元；
43.通讯控制器和二级设备的通讯过程包括：
44.通讯控制单元生成通讯指令，通讯包解析单元根据通讯指令生成通讯包，串口收发单元将生成的通讯包发送至二级设备；
45.二级设备根据通讯包执行任务，将执行结果写入通讯包，并发回至串口收发单元，通讯包解析单元解析发回的通讯包，获得执行结果。
46.通讯包分为心跳包、写入包和读取包，每种通讯包的组包格式如图3所示，每种通讯包中均包含包头、校验信息和隧道信息，“>”开头的行代表下位机发送的通讯包，“<”开头的行代表二级设备返回的通讯包。
47.串口收发单元发送的通讯包中的隧道信息包含系统控制状态信息，隧道信息包括电源状态和系统初始化状态；
48.二级设备发回的通讯包中的隧道信息包含对应二级设备的中断和设备运行状态信息；
49.由于下位机和二级设备之间的连接方式采用星型拓扑结构，二级设备之间无通讯，通过在通讯包中增加隧道信息，可实现下位机和二级设备间传递实时状态信息，传递的过程中无需下位机中软件的介入，大大提高了系统的通讯连接性能，同时，使用隧道信息的方式，仅采用两根塑料光纤即可达到在下位机和二级设备间传递准实时状态信息的目的，减少了光纤通道的数量，可以使用的现有的2芯光纤线束和连接器，提高了产品的易用性和可靠性；
50.二级设备作为星型连接终点，二级设备之间没有直接的通讯连接，但是可以通过隧道协议，在无软件参与的情况下，准实时扩散传递信息，无交联的二级设备之间通过隧道技术传递的准实时状态信息的最小延时为10us，最大延时取决于心跳包的发送频率。
51.二级设备若未在设定时长内收到通讯包，则判断本二级设备和下位机失联，并自行执行任务，任务包括输出、进入保护状态和记录错误现场环境到日志中。
52.下位机未接收到上位机的控制命令时，通讯系统处于通讯空闲状态，此时通讯控制单元自动生成心跳通讯指令，通讯包解析单元接收心跳通讯指令，并生成心跳包，串口收发单元将心跳包发送至二级设备；
53.下位机接收到上位机的控制命令时，此时通讯控制单元首先发送正在进行的通讯包，然后根据上位机的控制命令，生成相应的写入通讯指令或读取通讯指令，通讯包解析单元生成相应的写入包或读取包，串口收发单元将生成的写入包或读取包发送至二级设备，通讯控制单元的控制流程图如图4所示。
54.串口收发单元发送的心跳包还包含心跳指令，二级设备发回的心跳包还包含二级设备根据心跳指令生成的应答信息；
55.若下位机未接收到正确的应答信息，则向其上位机上报中断，上位机执行保护操作，包括关闭对应二级设备的电源。
56.串口收发单元发送的写入包还包含写入指令、寄存器地址、数据长度和写入数据，二级设备返回的写入包还包含二级设备根据写入指令生成的写完成状态。
57.串口收发单元发送的读取包还包含读取指令、寄存器地址和数据长度，二级设备返回的读取包还包含二级设备根据读取指令生成的读完成状态和读出数据。
58.通讯控制单元能够协调固件的自动运行和软件的介入，通讯包解析单元生成特定格式的通讯包，并解析收到的通讯包，串口收发单元发出和接收通讯包。
59.通讯系统支持最大速率50m波特率，实际采用25m波特率，串口发送每个字节12个bit，发送每个通讯包需要20到80个字节，以长度最短的通讯包计算，每个通讯包，需要耗时10us，以长度最长的通讯包计算，每个通讯包，需要耗时40us，则下位机读取二级设备单个地址的寄存器，仅需10到40us。二级设备和下位机组成的互联网络间，隧道信息准实时传递扩散的延迟最小为80us，能够满足系统需求。
60.软件通过读写通讯控制器的寄存器，读写二级设备内部寄存器内容，从而实现通讯系统的控制，软件添加支持原子操作的互斥量，防止多个线程同时访问通讯控制器。
61.通讯系统的架构如表1所示：
62.表1通讯系统的架构表
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医疗设备要确保通讯系统的安全至关重要，该通讯系统在通讯架构的各个层级均采取了安全保护措施，安全保护措施列表如表2所示：
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表2安全保护措施列表
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应用了本实施例提出的通讯系统的医用设备，在10米法暗室中，测量emc的辐射发射性能，最大的值小于30dbuv/m，优于gb4824 1组a类标准，并有超过10dbuv/m的裕量，同时该设备在核磁共振环境中使用，其正常功能不受核磁共振干扰的影响，同时较低的辐射发射水平。
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本实施例提出了一种核磁共振兼容的医用设备通讯系统，通过塑料光纤和光电转换器进行通讯，与磁共振兼容，抗干扰能力强，减少了光纤通道的数量，结构简单，易用性和可靠性强，通讯控制器和二级设备形成点对点通讯，通讯系统的硬件、固件和软件均支持50m波特率的串行通讯速率，通过在通讯包中增加隧道信息，可实现下位机和二级设备间传递实时状态信息，传递的过程中无需下位机中软件的介入，大大提高了系统的通讯连接性能，满足绝大部分医院设备的需求。
[0069]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。