DE19904090C2

DE19904090C2 - Verfahren und Vorrichtung zur automatischen Steuerung und Verwaltung medizinischer Geräte und Anlagen

Info

Publication number: DE19904090C2
Application number: DE19904090A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Klein; Martin Burger; Thomas Belikan
Original assignee: Richard Wolf GmbH
Current assignee: Richard Wolf GmbH
Priority date: 1999-02-02
Filing date: 1999-02-02
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2019-02-03
Also published as: DE19904090A1; US6581117B1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automatischen Steuerung und Verwaltung von programmgesteuerten medizinischen Geräten bzw. Anlagen, insbesondere von endoskopischen Geräten gemäß den im Ober begriff des Anspruchs 1 bzw. 9 angegebenen Merkmalen.

Die Verwaltung, Systemeinstellung und -konfiguration verschiedener bei einer Operation verwendeter medizinischer Geräte und besonders endoskopischer Geräte müssen derzeit vor jeder Operation noch manuell durch das Operations personal ausgeführt werden. Zu verschiedenen Operationen bzw. bei verschiede nen Operationstechniken müssen dazu verschiedene Geräte auf die unterschied lichsten Situationen jedesmal vollständig neu eingestellt werden. Auch die Verwaltung von fehlerhaften oder routinemäßig auszutauschenden Geräten oder Geräteteilen wird derzeit noch von Hand protokolliert und überwacht.

Treten bei bekannten endoskopischen Systemen technische Probleme kurz vor oder während der Operation auf, so muss derzeit die ganze Handhabung noch manuell vom Operationspersonal vorgenommen werden. Aufgrund der Tatsa che, dass es sich dabei um hochkomplexe Systeme handelt, bei denen häufig mehrere elektronische Geräte und Instrumente in den verschiedensten Konfigu rationen zusammenarbeiten müssen, ist das Operationspersonal oft nicht im Einzelnen über die sehr umfangreichen Maßnahmen und Möglichkeiten beim Auftreten eines bestimmten Fehlers oder Problems informiert.

Erschwerend kommt dabei der Stress des Operationspersonals sowie die Zeit problematik bezüglich der Behebung eines Problems oder Fehlers während der Operation hinzu. Auch technisch orientierte Benutzer können oft die entspre chende Problematik bei Erkennung eines Fehlers oder Problems nicht oder nur ungenügend erfassen oder lokalisieren.

DE 693 15 961 T1 befasst sich mit einer bekannten Vorrichtung und einem Verfahren, durch welche mittels eines in einem durch ein LAN mit anderen intelligenten Geräten verbundenen Peripheriegerät (Drucker) vorgesehenen nicht-flüchtigen Speichers, der auf einer Schaltungsplatine vorgesehen ist, die außerdem eine bidirektionale Schnittstelle zum Koppeln der Platine mit dem Peripheriegerät und eine auf der Platine angeordnete LAN-Schnittstelle zum Koppeln der Platine mit dem LAN sowie einem Prozessor aufweist, das Periphe riegerät (der Drucker) nach der Benutzung in eine bekannte und für alle Benut zer gleiche Konfiguration zurückversetzt wird. Dabei sind für jeden Benutzer dieselben Gerätedaten und Einstellungen festgelegt.

US 5 812 397 beschreibt eine Kommunikation über eine serielle Schnittstelle, die als Standardschnittstelle anzusehen ist, welche jedoch keine gleichberechtig te Kommunikation zwischen jeweils zwei Slaveeinheiten ermöglichen kann.

DE 197 22 221 A1 beschreibt die physische Verbindung von CAN-Slaves mit dem CAN-Master. D. h., dass diese Druckschrift den Standard des CANopen- Busses offenbart. DE 197 22 221 A1 gibt jedoch keinerlei Hinweise darauf wie die Anzahl der Slave-to-Slave-Kommunikationsmöglichkeiten erhöht werden könnte.

Wie bekannt ist, wird die CAN-Bus-Struktur z. B. in der Automobilindustrie für den Einsatz im Kraftfahrzeug verwendet, da die dort anfallenden starken und zahlreichen Störungen mit dem CAN-Bus sehr gut beherrscht werden.

DE 196 25 410 A1 offenbart ein Verfahren zur Konfiguration einer rechner gesteuerten medizinischen Diagnoseanlage, insbesondere einer Röntgendiagno seanlage. Diese Anlage ermöglicht, vorbestimmte Konfigurationen auf Speicher karten abzulegen, welche dann nach Bedarf ausgelesen werden können. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht zur Verwaltung und Steuerung mehrerer in einem Operationssaal verwendeter Geräte.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur automati schen Verwaltung und Steuerung von einander örtlich und funktionell zu geordneten Geräten oder Anlagen, insbesondere von endoskopischen Geräten, zu schaffen, die das Operationspersonal entlasten und Kosten für Gerätever waltung und/oder -einstellung einsparen können.

Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 ange gebenen Merkmale gelöst, der vorrichtungsmäßige Teil durch die in Anspruch 9 angegebenen.

Das Verfahren und die Vorrichtung sind in der Lage, die Geräte oder Anlagen mehrerer Operationssäle bzw. Operationen gleichzeitig zu steuern bzw. zu überwachen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung bringen eine wesentliche Vereinfachung der Systembedienung für das Operationspersonal, da vor einer bestimmten Operation alle Geräte, insbesondere eines endoskopischen Systems, automatisch auf die für eine Operation bzw. Operationstechnik benötigte Konfi guration und Geräteeinstellung gebracht werden können.

Ferner können erfindungsgemäß alle Änderungen oder Einstellungen, die während einer Operation an den Geräten vorgenommen werden, automatisch erfasst werden. Insbesondere kann eine Vielzahl von Bedienungsschritten, die an allen für eine Operation notwendigen Geräten vor einer Operation notwendig sind, auf eine einzige Systembedienung reduziert werden. Jeder bei der Operati on eingesetzte Arzt kann dabei seine subjektiven Bedürfnisse bei der Systemein stellung berücksichtigen und gleichzeitig bei Beginn einer Operation Gewissheit haben, dass für jede spezielle Anwendung seine definierte Systemeinstellung vorgenommen worden ist.

Damit die langfristige Störungsfreiheit eines kompletten Systems verlängert werden kann und um Wartungskosten einzusparen, wird der Benutzer recht zeitig, durch entsprechende Meldungen auf dem Bildschirm eines Leitrechners oder eines sonstigen Ausgabegerätes auf kritische Anlagenkomponenten, wie Austausch von Verschleißteilen, Nachfüllen von Flüssigkeiten und Gasen, elektronische oder physikalische Probleme, hingewiesen, und erfährt auch den geeigneten Zeitpunkt zur Wartung der Anlage bzw. einzelner Geräte. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit der Entstehung eines Systemfehlers, Gerätefehlers oder Ausfalls während einer Operation deutlich verringert.

Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, sämtliche während einer Operation anfallende Informationen an einem medizinischen Gerät bzw. endoskopischen System auch im Nachhinein nachvollziehen zu können. Weiterhin können solche Informationen nach der Operation zu Dokumentationszwecken abgelegt, d. h. gespeichert werden.

Das Operationspersonal wird vor allem bei während einer Operation auftreten den technischen Problemen entlastet, da beim Erkennen einer Systemstörung, eines Gerätefehlers, einer Gerätestörung bzw. Ausfalls desselben im Gesamtsys tem eine entsprechende intelligente Behandlung der Situation erfolgt. Dabei wird der aktuelle Systemzustand automatisch erfasst und analysiert.

Anschließend werden nach Möglichkeit die entsprechenden Fehlerbehebungs maßnahmen, wie z. B. Ersatz eines ausgefallenen Geräts durch ein gleichartiges automatisch eingeleitet.

Zur Erfüllung der oben genannten Aufgaben sind die Geräte eines oder mehrerer Operationssäle einer Klinik durch einen CAN-Bus mit einer aufgebrochenen CANopen-Struktur miteinander und mit einem Leitrechner verbunden, durch den sie zentral verwaltet bzw. gesteuert werden können.

Alle Geräte verfügen gemäß der Erfindung über eine intelligente programm gesteuerte Prozessoreinheit und sind in der Lage, über den CAN-BUS alle anfallenden Prozessdaten bzw. -parameter einander und dem Leitrechner mit zuteilen.

Durch spezielle für jedes der vernetzten Geräte und den Leitrechner definierte Steuer-, Verwaltungs-, Kommunikations- und Fehlerprotokolle lassen sich die gesamten oben genannten Aufgaben softwaremäßig realisieren. Die Software ist im gesamten System, d. h. im Leitrechner und in den vernetzten Geräten im plementiert.

Die Kommunikation erfolgt durch Ändern des standardisierten CANopen- Protokolls. Dieses verwendet standardmäßig Punkt-zu-Punkt-Verbindungen (Peer-to-Peer-Verbindungen). Durch Ändern der Kommunikationsstruktur werden sowohl logische Sende- und Empfangsadressen als auch Hardware- Sende- und Empfangspuffer eingespart. Diese Geräte kommunizieren mit dem aufgebrochenen CANopen-Master-Slave-Protokoll entweder über eine doppelte Ringstruktur, eine Ring-Stern-Struktur oder eine Ring-Ring-Struktur. Diese Kommunikationsstrukturen sind jedoch nicht hardwaremäßig sondern logisch über eine entsprechende Adressierung ermöglicht.

Bei der doppelten Ringstruktur verkürzt sich, wenn die Anzahl der Knoten gleich bleibt, die Übertragungszeit, und es verringert sich die Buslast, da die Kommunikation in zwei Richtungen abläuft. Für jeden Knoten, d. h. die Schnitt stelle eines Geräts, des Leitrechners und des Ersatzrechners, müssen die Knoten- IDs aller anderer im Ring aufgenommener Knoten über einen Algorithmus, über Adressenlisten oder durch Übertragung vom Leitrechner bekannt sein. Der Knoten entscheidet dann, welcher Weg der kürzere Übertragungsweg ist.

Bei einer Ring-Stern-Struktur werden Sternaußenpunkte durch eine Ringstruktur miteinander verbunden. Geräte, die zu einem System bzw. einer Gerätegruppe gehören und somit einen schnellen Datenaustausch benötigen, werden zu einem Stern zusammengeschaltet. In diesem Fall findet eine Peer-to-Peer-Verbindung zwischen Sternpunkt und Sternaußenpunkt als schnellste Übertragungsform statt. Die Kommunikation zwischen Sternaußenpunkt und Sternaußenpunkt findet über den Sternpunkt statt (Sternaußenpunkt → Sternpunkt → Sternaußen punkt).

Für jeden Knoten müssen die Knoten-IDs aller anderen im Ring aufgenommener Knoten über einen Algorithmus oder über Adresslisten oder durch Übertragung vom Leitrechner bekannt sein.

Die Knoten-IDs liegen dem Knoten in einer Tabelle/Matrize vor. Aus der Tabelle werden die Knoten-IDs einer Zeile zu einem Stern zusammengefasst. Nach einem Algorithmus wird ein Sternpunkt ausgewählt. Die Sternpunkte aller Zeilen der Tabelle werden durch eine Ringstruktur miteinander verbunden.

Bei der Ring-Ring-Struktur werden solche Teilnehmer zu einem Ring zusam mengeschaltet, die relativ oft Daten untereinander austauschen. Sind weitere Teilnehmer am Bus, werden auch diese zu einem weiteren Ring konfiguriert. Die Konfiguration eines Ringes erfolgt, wie bei der Konfiguration eines Ringes bei der Doppel-Ring-Konfiguration.

Um die Kommunikation zwischen allen medizinischen Geräten zu ermöglichen, werden bestimmte Knoten der jeweiligen Ringe zu einem gemeinsamen Ring zusammengeschlossen. Dies wird äquivalent zu dem Verfahren des Zusammen schließens der Sternpunkte zu einem Ring bei der Ring-Stern-Struktur vor genommen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten, durch einen CAN-Bus verbundenen Systems aus mehreren medizinischen Geräten bzw. Anlagen, einem Leitrech ner und einem Ersatzrechner;

Fig. 2A ein schematisches Ablaufdiagramm eines beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Software-Makrorecorders zur Aufzeichnung und Abspeicherung eines Makros;

Fig. 2B ein schematisches Ablaufdiagramm eines Programms zum Laden und Einspielen eines Makros in das System;

Fig. 2C ein schematisches Ablaufdiagramm eines zum Laden, Abspielen, Ändern und Speichern eines Makros dienenden Programms;

Fig. 3 ein schematisches Ablaufdiagramm eines zur Wartung und Service analyse dienenden Programms;

Fig. 4 ein schematisches Ablaufdiagramm einer LOG-IN-FILE-Erstellung zur Dokumentation;

Fig. 5 ein schematisches Ablaufdiagramm eines zur Fehlerbehandlung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung dienenden Programms;

Fig. 6A und 6B ein Beispiel eines Makrorecorders für ein aus Kamera, Lichtprojek tor, Insufflator und Saug-Spül-Pumpe bestehenden Systems von Endoskopiegeräten;

Fig. 7 schematisch eine Doppelring-Struktur;

Fig. 8 schematisch eine Ring-Stern-Struktur und

Fig. 9 schematisch eine Ring-Ring-Struktur mehrerer durch einen CAN- BUS verbundener Geräte.

Das in Fig. 1 dargestellte Blockschaltbild zeigt schematisch mehrere durch einen CAN-Bus miteinander und mit einem übergeordneten Leitrechner 1 und einem Ersatzrechner 2 verbundene medizinische Geräte 11-1n, die Endoskopiegeräte sein können. Über die Busleitungen CAN_H und CAN_L werden CAN-Bus- bzw. Datentelegramme bidirektional übertragen. Dabei ist erfindungsgemäß auch eine gleichberechtigte und dadurch schnelle Kommunikation der durch den CAN-Bus miteinander verbundenen medizinischen Geräte 11-1n untereinander möglich.

In einem Beispiel können die Geräte 11-1n einen Lichtprojektor, eine Videokame ra, einen Insufflator, eine Saug-Spül-Pumpe, usw. umfassen und von der als Leitrechner 1 bezeichneten zentralen Steuereinheit bedient werden. Diese Geräte werden von dem Leitrechner 1 z. B. als eine erste Gerätegruppe A verwaltet, die z. B. zu einem endoskopischen System eines Operationssaales einer Klinik gehört. Wie erwähnt, ist auch ein schneller Datenaustausch zwischen den Geräten Licht projektor, Kamera, Insufflator, Saug-Spül-Pumpe möglich. So kann die Kamera z. B. Regelwerte (Videosignal) über den Bus an den Lichtprojektor übertragen. Ebenso kann der Insufflator Daten zur Texteinblendung am Monitor über den CAN-Bus an die Kamera übertragen.

Eine zweite Gerätegruppe B unter den Geräten 11-1n besteht z. B. aus einem Lichtprojektor, einer Kamera und einem Insufflator und einer Saug-Spülpumpe, die zu einem anderen endoskopischen System eines anderen OPs' derselben Klinik gehören. Auch bei dieser Gerätegruppe ist ein schneller Datenaustausch der Geräte untereinander über den CAN-Bus erforderlich.

Da alle Gerätegruppen durch den CAN-Bus mittels des aufgebrochenen CANopen Protokolls miteinander und mit dem übergeordneten Leitrechner 1 oder im Fehler fall - bei dem der Leitrechner 1 gestört ist - mit dem Ersatzrechner 2 kommunizie ren, ist sowohl ein echtzeitfähiger Datenaustausch zwischen den einzelnen Geräten als auch zwischen den Gerätegruppen möglich. Dabei verkleinert sich die Zeit verzögerung im Vergleich zu bisher bekannten Strukturen, wo Einstellungen, Parameterveränderungen, Wartungsmaßnahmen, Fehlermeldungen separat an den einzelnen Geräten vorgenommen und protokolliert werden mußten.

Wie weiter unten noch im einzelnen ausgeführt wird, beruht die Busstruktur des CAN-Buses prinzipiell auf dem Schicht-7-Protokoll CANopen, welches jedoch aufgebrochen ist, so daß sich durch die Adressierung logisch mehrere verschiedene Kommunikationsstrukturen z. B. eine doppelte Ringstruktur, eine Ring-Stern- Struktur und eine Ring-Ring-Struktur mit ein und demselben CAN-Bus verwirkli chen lassen.

Auf der Grundlage der in Fig. 1 schematisch als Blockschaltbild dargestellten Hardwarestruktur, wird nun anhand der in den Fig. 2A, 2B, 2C und 3 bis 5 dargestellten Ablaufdiagramme ein intelligentes Systemmanagement beschrieben, welches aus folgenden Teilen besteht:

1. Makrorecorder (Fig. 2A, 2B, 2C);
2. Wartungs- und Serviceanalyse gem. Fig. 3;
3. LOG-IN-FILE-Erstellung zur Dokumentation gem. Fig. 4 und
4. Fehlerbehandlung gem. Fig. 5.

1. Makrorecorder (Fig. 2A, 2B, 2C)

Über den Makrorecorder kann sich der Benutzer von endoskopischen Systemen die komplette Systemeinstellung für bestimmte Operationsarten und -techniken in einem einmaligen Vorgang zusammenstellen und abspeichern.

Der Makrorecorder kann dabei vom Benutzer eines komplett durch den Leitrechner initialisierten endoskopischen Systems aktiviert werden (Fig. 2A). Danach werden alle getätigten Einstellungen an allen Geräten des Systems bzw. am Leitrechner 1 aufgezeichnet. Nach dem Deaktivieren des Makrorecorders wird ein vom Leitrech ner mitprotokollierter Makrofile unter einem Namen, welcher vom Benutzer eingegeben wird, im vorhandenen Datenspeicher gesichert.

Durch den Aufruf des Makrorecorders und die Eingabe des Dateinamens des entsprechenden Makrofiles, kann dieser in das System eingespielt werden (Fig. 2B). Das endoskopische System wird dann in genau der Art und Weise konfigu riert, wie dies in dem entsprechenden Makrofile beschrieben ist.

Der Makrorecorder ist nicht an den Leitrechner 1 gebunden, d. h. die erforderliche Software kann auch in einem Gerät implementiert sein, um nur dieses eine Gerät zu konfigurieren. Die Konfiguration des Gerätes kann auch über entsprechend programmierte Chipkarten erfolgen, welche am entsprechenden Gerät eingeführt werden.

Neben den Funktionen RECORD und PLAY des Makrorecorders kann über die Funktion CHANGE das bereits gespeicherte Makro problemlos geändert werden (Fig. 2C).

2. Wartungs- und Serviceanalyse nach dem Hochfahren des Systems (boot-up) (Fig. 3)

Nach dem "boot-up" des endoskopischen Systems werden alle Prozeßdaten und Prozeßparameter bezüglich der Systeminstandhaltung bzw. der Gerätewartung (Zustand von Geräteteilen, Hilfsmitteln, etc.) von allen endoskopischen Geräten des Systems vom Leitrechner eingelesen. Anhand dieser Daten wird der Leitrech ner in die Lage versetzt, den Zustand des Systems komplett zu analysieren und Maßnahmen bezüglich der Wartung oder des Austausches von Verschleißteilen oder notwendigen Hilfsmitteln dem Benutzer über den Bildschirm mitzuteilen.

3. LOG-IN-FILE-Erstellung zur Dokumentation (Fig. 4)

Normalerweise werden vom Leitrechner nur die für ihn wichtigen Nachrichten des Bussystems abgehört und bearbeitet. Über einen LOG-IN-MODE kann die ge samte Buskommunikation einer Klinik vom Leitrechner mit Zeitmarken versehen und in einem LOG-IN-FILE mitprotokolliert und abgespeichert werden.

Welche Daten dabei im LOG-IN-FILE abgelegt werden, kann durch den Benutzer am Leitrechner über Filter eingestellt werden. Hierbei kann unter folgenden Möglichkeiten der Protokollierung gewählt werden:

- komplette Buskommunikation
- Daten einzelner OP's
- Daten einzelner Geräte
- System- bzw. Gerätebedienungen
- alle/bestimmte Prozeßparameter bzw. Prozeßdaten
- Fehlerbehandlung.

Durch die Markierung der gesamten Kommunikationsdokumentation über Zeit marken im LOG-IN-FILE kann auch im nachhinein der detaillierte zeitliche Ablauf der aufgezeichneten Kommunikation in allen OP's nachvollzogen werden.

4. Fehlerbehandlung (Fig. 5)

Bei einem Gerätefehler bzw. einer Gerätestörung wird nach Möglichkeit der Fehler automatisch vom Leitrechner behoben. Dabei werden die für das Problem verant wortlichen Prozeßdaten von der jeweiligen Einheit in den Leitrechner 1 eingelesen. Dieser entscheidet dann anhand einer Matrix, ob dieses Problem sofort behoben werden kann (sofortige Ausführung!) oder ob eine unterstützenden Maßnahme durch den Benutzer notwendig ist (Ausgabe am Bildschirm/Gerät!), bevor eine Fehlerbehebung eingeleitet werden kann.

Handelt es sich um einen Geräteausfall oder um eine schwerwiegendere Störung, welche nicht in einem definierten, zeitlich eng begrenzten Zeitraum zu beheben ist, so wird das entsprechende Gerät vom Leitrechner aus dem System entfernt. Dabei wird das Gerät über den Bus vom System abgemeldet. Weiterhin werden alle relevanten elektrischen Signale über eine dafür eingerichtete Elektronik vom System weggeschaltet.

Ein vorhandenes Ersatzgerät wird dann vom Leitrechner automatisch in das System eingebunden. Die relevanten elektronischen Signale werden dann auf das neue Gerät aufgeschaltet. Die Konfiguration des neuen Gerätes wird dann ent sprechend der des defekten Gerätes zum Ausfallzeitpunkt vorgenommen. Sind beide Geräte nicht direkt vergleichbar, so wird die bestmögliche Einstellung für die aktuelle Anwendung automatisch vom Leitrechner gewählt. Die Operation kann unmittelbar nach dieser automatisierten Maßnahme fortgesetzt werden.

Über die Fehlerbehandlung wird der Leitrechner 1 durch einen Ersatzrechner 2 überwacht. Dieser protokolliert ebenfalls die gesamte Buskommunikation mit und ist somit in der Lage, bei einem eventuellen Ausfall oder Systemabsturz des Leitrechners 1 die Funktion des CAN-Buses aufrecht zu erhalten. Bis auf die für die Umschaltung notwendige Hardware wird diese Aufgabe softwareseitig reali siert.

Beim Speichern der Daten im LOG-IN-File wird der Datenverkehr aller Geräte im System protokolliert. Die Daten des LOG-IN-Files können nach der Operation aufbereitet, gefiltert und damit nach den jeweiligen Anforderungen ausgewertet werden. Dabei stehen bei einer späteren Auswertung die Daten in dem zeitlichen Raster zur Verfügung, in dem sie bei der Aufzeichnung angefallen sind. Bei Fehlern, die bei Gerätebedienung oder bei den Geräten auftreten, kann somit genau festgestellt werden, welche Bus-Telegramme bzw. welche Gerätebedienungsein stellungen zum Fehlerzeitpunkt aktuell waren bzw. vorgenommen wurden. Fehler lassen sich somit genau zurückverfolgen. Die Fehlerbehandlung verbessert sich dadurch entschieden. Wird das LOG-IN-File abgespielt bzw. wiedergegeben, werden alle während der Operation vorgenommenen Einstellungen, d. h. sowohl Einstellungen, die an einer Bedienungstafel eines Geräts vorgenommen wurden als auch Einstellungen, die über den Bus-Master, respektive den Leitrechner vor genommen wurden, an den Geräten wieder vorgenommen. Damit kann jede Operation genau analysiert werden.

Als Beispiel für von endoskopischen Geräten erfaßten Daten seien Betriebsdaten genannt, wie Flowwert, Druck (jeweils Soll- und Istwert), Saugleistung, Hellig keitswert, Gastemperatur in Abhängigkeit von der Flowrate usw. Andere Daten, die erfaßt werden sollen, sind z. B. Fehlermeldungen.

Nun wird anhand der Fig. 6A und 6B ein Beispiel für einen Makrorekorder in einem System beschrieben, das aus folgenden Endoskopiegeräten besteht: Kamera, Lichtprojektor, Insufflator, Saug-Spül-Pumpe.

Zuerst wird die Startkonfiguration sämtlicher am System angeschlossener Geräte aufgenommen werden (Schritt S1). Dies geschieht per "Default". Die im Schritt S1 angeführten Konfigurationen des Gerätelichtprojektors (LQ), Kamera (KAM), Insufflator (PNEU) und Saug-Spülpumpe (SAUG) ist lediglich beispielhaft für eine transanale endoskopische Mikrochirurgie.

Durch den Schritt S2 wird die in Schritt S1 aufgenommene Gerätekonfiguration in den verschiedenen Menüs angezeigt. Dann wird ins Hauptmenü verzweigt (S3) und im Schritt S4 der Makrorekorder aktiviert. Hier und im folgenden bedeuten:
MS - "Menüsteuerung"
GS - "Gerätesteuerung"
A - "Abspeichern".

Im Schritt S5 wird dynamisch Zwischenspeicherplatz reserviert und initialisiert. Dann wird im Schritt S6 das Lichtquellenmenü aufgerufen, und es werden die Werte abgespeichert; im Schritt S7 wird die manuelle Gerätesteuerung gewählt, d. h., daß die automatische Regelung ausgeschaltet wird. Der gewählte Parameter "Manuell" wird abgespeichert. Im Schritt S8 wird die Helligkeit der Lichtquelle LQ auf 50% gesetzt und im Schritt S9 das Licht der Lichtquelle angeschaltet. Der Helligkeitswert von Schritt S8 und die Anschaltung im Schritt S9 werden beide abgespeichert. Dann wird im Schritt S10 das Kameramenü aufgerufen und abge speichert. Der Gain der Kamera KAM wird im Schritt S11 ausgeschaltet und dieser Schritt abgespeichert. Dann wird im Schritt S12 die Regelung der Kamera KAM auf automatisch gestellt, d. h. Shutterbetrieb und diese Einstellung abgespeichert. Im Schritt S13 wird durch die Menüsteuerung das Insufflatormenü aufgerufen und abgespeichert. Der Druck des Insufflators (PNEU) wird im Schritt S14 auf 15 mm Hg eingestellt und dieser Druckwert abgespeichert. Im Schritt S15 wird die Flowrate des Insufflators zu zehn Liter pro Minute eingestellt und diese Flowrate abgespeichert. Dann wird die Insufflation angeschaltet und dieser Vorgang abge speichert (Schritt S16).

Anschließend wird im Schritt S17 das Saug-Spülpumpenmenü gewählt und dieser Vorgang gespeichert. Im Schritt S18 wird der Spüldruck der Saug-Spülpumpe auf 1 bar eingestellt und dieser Druckwert abgespeichert. Im Schritt S19 wird die Saugleistung auf 0,5 l/Min eingestellt und abgespeichert. Im Schritt S20 wird die Saugung eingeschaltet und diese Tätigkeit abgespeichert. Dann wird ins Hauptme nü verzweigt (Schritt S21) und im Schritt S22 der Makrorekorder beendet und schließlich im Schritt S23 unter einem Namen "X" abgespeichert.

Nachstehend werden anhand der Fig. 7 bis 9 gemischte Bus-Strukturen zur Optimierung der Kommunikation der durch den CAN-Bus miteinander verbundenen medizinischen Geräte, insbesondere endoskopischen Geräte, mit einer aufge brochenen CANopen-Kommunikation näher beschrieben.

CANopen ist ein Protokoll, das auf Kommunikationsobjekten (COB) beruht, wobei jedem Kommunikationsobjekt eine Kennung zugeordnet ist, die seine Priorität implizit spezifiziert. Die Zuteilung der Kennungen an die COBs ist ein wesentlicher Gesichtspunkt des Systemdesigns.

Die Kommunikationsobjektkennungen (COB-IDs) und die Haltezeiten können auf die Geräte entweder statisch oder dynamisch verteilt sein. "Statische Verteilung" bedeutet, daß die Objektkennungen und Haltezeiten fest sind und nur durch ein jeweiliges Modul oder Gerät eigene Mittel wie z. B. Schalter und Anpassungs software verändert werden können. Dagegen bedeutet eine "dynamische Ver teilung", daß die Kennungen und die Haltezeiten über den CAN-Bus mittels standardisierter Dienste und Protokolle verteilt sind. Einige Kennungen (1 bis 2, 1740-1760 DEC) sind vom CANopen reserviert.

Bei dem verwendeten Schicht-Sieben-Protokoll CANopen geschieht die Kommu nikation mit einem Prozessdatenobjekt (PDO). Das PDO ist ein CANopen-Tele gram. Für die Master-Slave-Kommunikation stehen zwei PDOs zur Verfügung.

Erfindungsgemäß kommuniziert der Slave mit dem Master, d. h. dem Leitrechner, weiterhin über das CANopen-Telegram PDO2. Ein Datum wird vom Master, z. B. vom Leitrechner mit PDO2 (tx) versendet und vom Slave mit PDO2 (rx) emp fangen. Vom Slave wird ein Datum mit PDO2 (tx) versendet und vom Master mit PDO2 (rx) empfangen. Die Slave-Slave Kommunikation wird durch Aufbrechen der Standard CANopen-Master-Slave-Struktur folgendermaßen realisiert:

a) doppelte Ringstruktur (Fig. 7)

Bei einem einfachen Ring würde eine Nachricht vom vorherigen Knoten aufge nommen und an den nächsten Knoten gesandt. Die Kommunikation wäre nur in eine Richtung möglich. Durch das Weiterreichen einer Nachricht entsteht eine Zeitverzögerung. Die maximale Anzahl der Teilnehmer kann aus der maximal zulässigen Verzögerungszeit berechnet werden.

Durch das Einführen eines zweiten Rings ist eine Kommunikation in beide Rich tungen möglich. Die maximale Anzahl der Teilnehmer im Ring verdoppelt sich, da die Kommunikation in zwei Richtungen stattfindet. Bei gleichbleibender Anzahl von Knoten verkürzt sich die Übertragungszeit und verringert sich die Buslast, da die Kommunikation in zwei Richtungen erfolgt. Für jeden Knoten müssen die Node-IDs aller anderer im Ring aufgenommener Knoten über einen Algorithmus, über Listen oder durch Übertragung vom Master bekannt sein. Der Knoten ent scheidet daran, welcher Weg der kürzere Übertragungsweg ist.

Bildung von Ring 1

COB-ID von PDO1(tx) = 384 + Node-ID (Knoten)

COB-ID von PDO1(rx) = 384 + Node-ID (vorheriger Knoten im Ring)

Bildung von Ring 2

COB-ID von PDO3(tx) = 512 + Node-ID (Knoten)

COB-ID von PDO3(rx) = 512 + Node-ID (nächster Knoten im Ring)

bzw.

Bildung von Ring 1

COB-ID von PDO1(tx) = 512 + Node-ID (Knoten)

COB-ID von PDO1(rx) = 512 + Node-ID (vorheriger Knoten im Ring)

Bildung von Ring 2

COB-ID von PDO3(tx) = 384 + Node-ID (Knoten)

COB-ID von PDO3(rx) = 384 + Node-ID (nächster Knoten im Ring)

Die rx/tx-COB-ID des n-ten/(n - 1)-ten Knotens im Ring ist immer die tx/rx-COB- ID des (n - 1)-ten/n-ten Knotens im Ring

Die Node-IDs aller am doppelten Ring beteiligten Knoten liegen jedem Knoten nach einem Algorithmus oder nach einer Liste oder durch Übertragung vom Bus- Master vor.

Beispiel

Es soll eine Übertragung von Knoten D nach Knoten B erfolgen. Die Übertragung ist sowohl in der Reihenfolge D, E, F, A, B, als auch in der Reihenfolge D, C, B möglich. Knoten D entscheidet sich für den kürzeren Weg D, C, B.

b) Ring-Stern-Struktur (Fig. 8)

Bei einer Ring-Stern-Struktur werden Sternübertragungsformen aufgebaut, indem bestimmte Knoten sich als Sternpunkt konfigurieren oder vom Master als Stern punkt konfiguriert werden. Es werden Knoten zu einem Stern zusammengefaßt, die relativ oft Daten pro Zeiteinheit miteinander austauschen. Der Sternpunkt reicht dabei Daten von den an den Sternpunkt angeschlossenen Knoten durch. Bei einem Stern muß ein Datum also maximal einmal durchgereicht werden. Dies ermöglicht eine schnelle Kommunikation. Der Knoten, der die meisten Daten pro Zeiteinheit überträgt, ist sinnvollerweise der Sternpunkt. So findet eine Peer-to-Peer-Kommu nikation statt, also die schnellste Übertragungsform.

Um eine Kommunikation mit weiteren endoskopischen Geräten zu ermöglichen werden die Sternpunkte durch eine Ringstruktur miteinander verbunden. Für jedem Knoten müssen die Node-IDs aller anderer im Ring aufgenommener Knoten über einen Algorithmus oder über Listen oder durch Übertragung vom Master bekannt sein. Die Node-IDs liegen dem Knoten in einer Tabelle/Matrize vor. Aus der Tabelle werden die Node-IDs einer Zeile zu einem Stern zusammengefaßt. Nach einem Algorithmus wird ein Sternpunkt ausgewählt. Die Sternpunkte aller Zeiten der Tabelle werden durch eine Ringstruktur miteinander verbunden.

Bildung eines Sterns Sternpunkt

COB-ID von PDO1(tx) = 384 + Node-ID (Sternpunkt)

COB-ID von PDO1(rx) = (512 + Node-ID (Knoten A)) AND (512 + Node-ID (Knoten B)) . . .

Das PDO1(rx) wird im BasicCAN-Message-Object empfangen.

Die Maske wird eingestellt zu

MASK = (512 + Node-ID (Knoten A)) ÄQUIVALENZ (512 + Node-ID (Knoten B)) . . .

Damit müssen nur 2^∧ (Anzahl der Knoten am Sternpunkt) Nachrichten ausgefiltert werden.

Teilnehmer am Sternpunkt angeschlossen

COB-ID von PDO1(tx) = 512 + Node-ID (Knoten x)

COB-ID von PDO1(rx) = 384 + Node-ID (Knoten x)

Bildung eines Rings

COB-ID von PDO3(tx) = 896 + Node-ID (Knoten)

COB-ID von PDO3(rx) = 896 + Node-ID (nächster Knoten im Ring)

Beispiel

Ein Knoten ist der Sternpunkt (hier: Knoten A1, z. B.: Lichtprojektor).

Knoten A1 ist z. B. Sternpunkt 1, Knoten A2 ist der Sternpunkt 2, usw.

c) Ring-Ring-Struktur (Fig. 9)

Bei einer Ring-Ring-Struktur werden mehrere Ring-Systeme miteinander kombi niert. Bei einem Ring wird eine Nachricht vom vorherigen Knoten aufgenommen und an den nächsten Knoten gesandt. Durch das Weiterreichen einer Nachricht entsteht eine Zeitverzögerung. Die maximale Anzahl der Teilnehmer kann aus der maximal zulässigen Verzögerungszeit berechnet werden. Um die maximale Verzö gerungszeit möglichst gering zu halten werden nur relativ kleine Ringe konfigu riert. Sinnvoll sind dabei 3 bis 8 Teilnehmer. Dabei werden die Teilnehmer zu einem Ring zusammengeschaltet, die relativ oft Daten untereinander austauschen. Sind weitere Teilnehmer am Bus, werden diese Teilnehmer zu einem weiteren Ring konfiguriert. Die Konfiguration eines Ringes wird wie in a) (Ring 1) be schrieben vorgenommen.

Um die Kommunikation zwischen allen medizinischen Geräten zu ermöglichen, werden bestimmte Knoten der jeweiligen Ringe zu einem Ring zusammenge schlossen. Dies wird äquivalent zu b) (Zusammenschließen der Sternpunkte zu einem Ring) vorgenommen.

Claims

1. Verfahren zur automatischen Steuerung und Verwaltung von programm gesteuerten medizinischen Geräten, insbesondere von endoskopischen Geräten, innerhalb eines oder mehrerer zu einem Klinikbereich gehörender Operationssäle, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

A) Bereitstellen eines die als Slaves fungierenden Geräte untereinander verbin denden CAN-Busses mit einer aufgebrochenen CANopen-Struktur, die eine gleichberechtigte Kommunikation jeweils zweier miteinander kommunizie render Geräte ermöglicht, sowie eines übergeordneten mit den Geräten durch den CAN-Bus verbundenen Leitrechners;
B) Bereitstellen von Softwareschnittstellen im Leitrechner und in jedem der durch den CAN-Bus vernetzten Geräte in Form eines für alle Geräte und den Leitrechner definierten CANopen-Steuer-, Verwaltungs-, Kommunikations- und Fehlerprotokolls;
C) Erstellen oder Aktualisieren von die Gesamtsystemkonfiguration beschrei benden Makros unter Einhaltung der in Schritt B definierten Protokolle;
D) Initialisieren und Einstellen von Parametern wenigstens eines der Geräte durch Übertragung eines oder mehrerer der in Schritt C erstellten oder aktualisierten Makros an das Gerät bzw. die Geräte;
E) Rückmelden der sich bei der Initialisierung oder Einstellung des Geräts bzw. der Geräte einstellenden Betriebsparameter und ggf. von Fehlermel dungen an den Leitrechner;
F) Aufzeichnen der Dateninhalte des oder der für die Initialisierung und/oder Einstellung des Geräts bzw. der Geräte übertragenen Makros und der Dateninhalte der Rückmeldung wenigstens im Leitrechner; und
G) Wiederholen der Schritte C-F für jede Änderung der Einstellung an dem Gerät bzw. den Geräten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt D Parameter für eine Vielzahl von zu initialisierenden oder zu aktualisierenden Geräten durch einen einzigen Bedienungsschritt eingestellt und initialisiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt E einen Schritt aufweist, der nach dem Initialisieren des Geräts bzw. der Geräte alle Prozessdaten und Prozessparameter hinsichtlich der Instandhaltung und der Gerätewartung aller vernetzter Geräte an den Leitrechner überträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Schritte D-F vom Leitrechner eine Dokumentationsdatei (LOG-IN- FILE) erstellt wird, in dem die gesamte Kommunikation über das Netzwerk von Leitrechner mit Zeitmarken versehen wird und mit den Zeitmarken abgespeichert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass am Leitrechner benutzerseitige Dateninhalte der Dokumentationsdatei definiert werden, und zwar nach Maßgabe folgender Protokollierung:

- komplette Buskommunikation;
- Daten einzelner Operationssäle;
- Daten einzelner Geräte;
- System bzw. Gerätebedienungen;
- alle oder bestimmte Prozessparameter oder Prozessdaten;
- Fehlerbehandlung.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zur Fehlerbehandlung die für den Fehler verantwortlichen Prozess daten von der jeweiligen Einheit in den Leitrechner übertragen werden und dieser anhand einer Entscheidungsmatrix entscheidet, ob er den Fehler sofort beseitigen kann oder ob eine unterstützende Maßnahme durch den Benutzer notwendig ist, wobei das Entscheidungsergebnis an einer Anzeigeeinheit des Leitrechners oder eines der Geräte angezeigt wird bevor eine Fehlerbehebung eingeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Leitrechner bei Ersatz eines ausgefallenen Geräts ein mit dem ausgefallenen Gerät identisches Gerät entsprechend der Einstellung des defekten Geräts zum Ausfallzeitpunkt konfiguriert.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass ein Schritt zur Überwachung des Leitrechners durch einen Ersatz rechner vorgesehen ist, wobei der Ersatzrechner die gesamte Kommunikation über das Netzwerk mitprotokolliert und bei einem Ausfall oder Fehler des Leitrechners die Funktion des Netzwerks aufrechterhält.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der zu verwaltenden bzw. zu steuernden Geräte und der Leitrechner eine CAN-Busschnittstelle aufweisen, und dass das Kommunikationsprotokoll der aufgebrochenen CAN-open-Struktur so eingerichtet ist, dass durch entsprechende Adressierung mehrere verschiedene Kommunikationsstrukturen zwischen den Geräten konfigurierbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass durch die aufgebrochene CAN-open-Struktur eine Kommunikationsobjektidentifikation (COB-ID) der durch den CAN-Bus verbundenen Geräte so eingerichtet ist, dass die Busstruktur logisch einen doppelten Ring bildet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der aufge brochene CAN-open-Struktur eine Kommunikationsobjektidentifikation (COB-ID) der durch den CAN-Bus verbundenen Geräte so eingerichtet ist, dass die Buss truktur logisch eine Ring-Stern-Struktur bildet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei der aufge brochene CAN-open-Struktur eine Kommunikationsobjektidentifikation (COB-ID) der durch den CAN-Bus verbundenen Geräte so eingerichtet ist, dass die Buss truktur logisch eine Ring-Ring-Struktur bildet.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass durch die aufgebrochene CANopen-Struktur bestimmte Knoten der jeweiligen Ringe logisch zu einem gemeinsamen Ring zusammenschließbar sind.