TRENDY. Wszystkiego najlepszego z okazji urodzin, DELRIN Pięćdziesięcioletni polimer acetalowy firmy DuPont przeszedł proces odnowy.

Transkrypt

1 TRENDY Materiały Wszystkiego najlepszego z okazji urodzin, DELRIN Pięćdziesięcioletni polimer acetalowy firmy DuPont przeszedł proces odnowy Acetal delrin kończy w tym roku 50 lat, ale nadal jest bardzo żywotnym materiałem. Producent delrinu, firma DuPont, wprowadziła ostatnio ulepszenia, które mają za zadanie podnieść jego użyteczność. Wielu inżynierów słusznie uważa delrin za tworzywo sztuczne dedykowane do produkcji kół zębatych. Ale jest ono czymś więcej. Zdaniem Georga Hesser a, kierownika ds. rozwoju przedsiębiorstwa grupy DuPont Mechanical Solutions Group, wysokie właściwości mechaniczne oraz wytrzymałość chemiczna acetalu sprawiają, że jest on uniwersalnym kandydatem na... substytut metalu. Zauważył on gwałtowny wzrost stosowania tych tworzyw na liniach do pakowania oraz w pojazdach. Spójrzmy na trzy najnowsze wcielenia delrinu NISKI POZIOM EMISJI Wiele uwagi poświęcanej redukcji emisji tworzyw stosowanych we wnętrzach samochodów skupia się na olefinach. Wynika to z faktu, iż stosowane są jako tworzywa tapicerskie wewnątrz pojazdów. A jednak firma DuPont wprowadziła na rynek nisko emisyjne gatunki acetalu delrin. Acetal nie jest tu najważniejszy, ale zgodnie z naszą filozofią bardzo się staramy spełniać wymagania dotyczące emisji naszych polimerów mówi Hesser. I właśnie to dokładnie robi DuPont. Gatunki delrinu z oznaczeniem E mają o 90 procent niższy poziom emisji w przypadku acetalu, formaldehydu w porównaniu z ich standardowymi odpowiednikami. Wykorzystaliśmy naszą wiedzę z zakresu chemii, i zakapslowaliśmy łańcuchy formaldehydowe molekuł, aby powstrzymać ich depolimeryzację, która powoduje emisję wyjaśnia Hesser. Jeśli chodzi o własności mechaniczne, tworzywa niskoemisyjne są w zasadzie identyczne z ich standardowymi odpowiednikami delrinu dodaje. Ale obniżenie poziomu emisji nie przychodzi darmo. Hesser szacuje, iż tworzywa te będą początkowo kosztowały średnio między 15 a 20 procent drożej od standardowych tworzyw delrin. Retencja % Poziom naświetlenia kj/m 2 DZIAŁANIE ULTRAFIOLETU ORAZ DODAT- KOWE PŁYNIĘCIE MATERIAŁU Acetal delrin 327 UV spełnia wymagania związane z konstruowaniem wnętrza pojazdów, dzięki równowadze pomiędzy stabilnością promieniowania ultrafioletowego, długością płynięcia a własnościami mechanicznymi. Tworzywo to ma do zaoferowania o około 20 procent większe płynięcie niż delrin 127 UV, poprzedni gatunek stabilizowany na promieniowanie UV. A to właśnie płynięcie jest czynnikiem kluczowym. Hesser wyjaśnia, że częściowe scalenie elementów wnętrza pojazdów doprowadziło do stosowania coraz większej liczby złożonych części cienkościennych, które wymagają tworzywa o wysokim wskaźniku płynięcia. Zaczyna się pojawiać coraz więcej bardzo skomplikowanego oprzyrządowania wymagającego tworzyw o dobrej plastyczności mówi Hesser. Aby jednak tworzywa te znalazły zastosowanie w kabinie pasażerskiej samochodu, muszą być odporne na promieniowanie ultrafioletowe (patrz wykres). NIEDROGA REDUKCJA TARCIA Dwa nowe gatunki powlekanego acetalu delrin 100 TL i 500 MP spełniają wymagania odnośnie smarowności, którym nie mogą sprostać najwyższej jakości produkty eksploatacyjne oferowane przez firmę. Zarówno delrin 100 TL, jak i 500 MP, stosują teflonowy mikroproszek fluoropolimerowy polepszający smarowność, podczas gdy inne gatunki oferowane przez firmę stosują włókna teflonowe. Hesser mówi, że oba te gatunki zapewniają wysoki współczynnik redukcji tarcia w porównaniu ze standardowym acetalem, ale ich koszt stanowi mniej więcej połowę kosztów gatunków wypełnionych włóknami teflonowym. Mówi, że sprzęt biurowy, któremu nie zaszkodziłoby ograniczyć trochę skrzypienia byłby dobrym kandydatem do zastosowania nowych gatunków. Tak samo jest w przypadku każdej przekładni zębatej, której obciążenie wytrzymałby standardowy acetal, ale wymagany jest gatunek powlekany, by ograniczyć hałas lub rozwiązać problemy, jakie sprawiają tworzywa współpracujących kół zębatych. 26 DESIGN NEWS Polska [ grudzień 2006

2 Automatyka I/O wkracza w dziedzinę ruchu Urządzenia zyskują dodatkową zdolność sterowania silnikami krokowymi, serwomotorami oraz silnikami prądu stałego Produkty I/O poszerzają swoje możliwości w dziedzinie kontroli ruchu. Tendencja ta jest naturalnym rozszerzeniem rozwiązań I/O, które w ciągu kilku ostatnich lat obejmowały dystrybuowane produkty I/O, urządzenia sterujące oraz lokalne szeregowe sieci telekomunikacyjne. Zdaniem Marka DeCramera, kierownika produktu w firmie WAGO Corp., przejście na rozproszoną inteligencję przyczynia się do powstawania nowych urządzeń sterujących ruchem, takich jak nowy kontroler silnika krokowego firmy WAGO. Ponieważ nie jest już konieczne sprowadzanie całej telekomunikacji z powrotem do głównego procesora, dostawcy I/O wykorzystują w nowych produktach dostępną moc przetwórczą oraz zdolność ujednolicenia środowiska produkcji oprogramowania do sterowania ruchem i I/O. MODUŁ I/O zamiast kontrolera sterującego ruchem Nowy moduł I/O firmy WAGO Corp. zapewnia kontrolę silników krokowych oraz serwonapędów w zwartej obudowie o szerokości 12 mm. Poprzez integrację kontroli silnika krokowego i serwonapędu z węzłem magistrali polowej fieldbus (PLC lub PC), klienci mogą wyeliminować konieczność nabycia oddzielnego kontrolera sterującego ruchem. Moduł obsługuje dwuimpulsowe wzorce wyjściowe, tryb krok/kierunek lub kodownik przyrostowy, które skonfigurowane są przez blok funkcyjny w urządzeniu programującym IEC WAGO. Komunikacja nawiązywana jest przez interfejs RS-422 i sterowana jest zmienną częstotliwością wyjściową (0 do 500 khz). Do obsługi uniwersalnych sygnałów ruchu takich jak start/stop, praca impulsowa/uruchamianie, prawy/ lewy, odniesienie, następna pozycja, ogranicznik oraz zegar główny, mogą być skonfigurowane dwa wejścia cyfrowe. TRENDY ROZWIĄZANIE DLA KONTROLI WIELOOSIOWYCH SILNIKÓW KROKOWYCH Produkty kontroli ruchu SNAP firmy Opto-22 zapewniają zwięzłą, prostą w użyciu metodę sterowania wieloosiowymi silnikami krokowymi. Moduł komunikacji host kontroli ruchu (SNAP-SCM-MCH16) osadza się na stojaku Opto I/O z kontrolerem programowalnej automatyzacji SNAP PAC, umożliwiającym kontrolę do 16 osi. Kontroler ten sprzęga płyty zaciskowe SNAP-SCM-BB4, z których każda sprawuje kontrolę nad maksymalnie czterema silnikami krokowymi. Rozwiązanie to połączone ze SNAP PAC oraz oprogramowaniem do sterowania ioproject zapewnia zintegrowane środowisko rozwoju aplikacji wymagających kontroli ruchu, sterowania analogowo-cyfrowego oraz możliwości przyłączania urządzeń szeregowych. TERMINAL I/O STERUJE SILNIKAMI PRĄDU STAŁEGO Moduły I/O Beckhoff KL2532 i KL2542 zapewniają tanią i niezmiernie ścisłą kontrolę silników prądu stałego. Terminale te są opłacalną alternatywą tradycyjnych systemów napędowych do silników prądu stałego, dostępne są również rozwiązania do sterowania silnikami krokowymi, zaworami hydraulicznymi, uchwytami elektromagnetycznymi, jak i innymi urządzeniami. Dwa silniki prądu stałego 24W mogą być zasilane mocą do 1A z terminala magistrali KL2532, która ma tylko 12 mm szerokości. Większy model terminala magistrali (KL2542) dla dwóch silników o mocy do 175W uwzględnia fazę wejściową do 50V napięcia roboczego z możliwością dostarczenia prądu ciągłego 2 x 3,5A. Dozwolone są krótkotrwałe wartości szczytowe prądu, co umożliwia szybkie przyspieszenie. [ DESIGN NEWS Polska 27

3 AUTOMATYKA WYKORZYSTUJĄC zamontowaną na przodzie pojazdu kamerę oraz oprogramowanie przetwarzające obraz, systemy ostrzegawcze zmiany pasa ruchu ostrzegają kierowców w przypadku nieumyślnego zjazdu ze swego pasa ruchu (Zdjęcie dzięki uprzejmości Delphi) Zarządzanie... wypadkami Bez względu na to, czy producenci samochodów stosują system inteligentny na drogach, czy układ czujników wewnątrz pojazdu, ostateczny cel zapewniający bezpieczeństwo jest ten sam: eliminacja wypadków TEKST: CHARLES J. MURRAY Już od ponad dziesięciu lat pojęcia bezpieczeństwa aktywnego i biernego w przemyśle motoryzacyjnym są równoznaczne z minimalizowaniem ryzyka obrażeń odniesionych w wyniku wypadków. Poduszki powietrzne, klatki bezpieczeństwa i strefy zgniotu nie tyle służyły zapobieganiu wypadkom, co rozwiązywaniu problemów związanych z ogromną energią wyzwalaną w ciągu milisekund po zderzeniu. Teraz to się zmienia. Zamiast dyskutować na temat klatek bezpieczeństwa i stref zgniotu, producenci samochodów i ustawodawcy zaczęli popierać wizję... unikania kolizji. Zamiast mówić o poduszkach powietrznych i pasach bezwładnościowych, mówią o... braku wypadków. Zero wypadków. Czyżbyśmy byli świadkami narodzin nowej dziedziny, którą możnaby nazwać zarządzaniem wypadkami? Zdają sobie teraz sprawę, że najlepszym sposobem na przeżycie wypadku jest jego uniknięcie zauważa Glenn Widmann, główny inżynier ds. zaawansowanych zintegrowanych produktów bezpieczeństwa w Delphi Automotive, dostawcy pojazdów samochodowych. Poświęcamy obecnie tyle uwagi kolizjom, ile tylko jesteśmy w stanie dodaje rzecznik Krajowego Wydziału Transportu Ruchu Drogowego (NHTSA) w USA. W przyszłości zamierzamy ratować życie poprzez zapobieganie wypadkom. Faktycznie, zapobieganie to obecnie gorący temat w przemyśle motoryzacyjnym nie tylko w USA, ale również w Eu- 28 DESIGN NEWS Polska [ grudzień 2006

4 AUTOMATYKA ropie i Japonii. W Szwecji rząd wspólnie z producentem samochodowym Saab opracowuje program Wizja Zero, który ma na celu całkowite (!) wyeliminowanie kolizji. W Niemczech Daimler-Chrysler omawia wizję bezwypadkowej jazdy, podczas gdy Siemens VDO Automotive przyjął program Zero Wypadków. A tymczasem Japonia przygotowuje się podobno do budowy inteligentnych dróg, które faktycznie wyeliminowałyby wypadki. Aby nie pozostawać w tyle Stany Zjednoczone rozważają własną imponującą koncepcję. Z jednej strony Amerykański Wydział Transportu bada możliwości umieszczenia inteligentnego systemu elektronicznego przy znakach stop, sygnalizacji świetlnej i poboczach na terenach miejskich o ludności powyżej 400 mieszkańców oraz wzdłuż km wiejskich dróg międzystanowych. Z drugiej strony producenci samochodów snują wizję kokonu bezpieczeństwa wewnątrz pojazdu, pełnego radarów, laserów, systemów wizyjnych i czujników ultradźwiękowych. W istocie obie te idee mają jeden i ten sam cel: pozwolić, by pojazdy widziały swoje otoczenie, Trzy obecnie wykorzystywane sposoby ograniczenia liczby wypadków Na dłuższą metę kluczem do osiągnięcia zerowego poziomu wypadków są zaawansowane czujniki i inteligentne drogi. Specjaliści twierdzą jednak, że istniejące techniki mogłyby mieć wpływ na redukcję wypadków drogowych, które co roku mają miejsce w samych Stanach Zjednoczonych: 1. Elektroniczna kontrola stabilności. Istnieje już od około 10 lat, jest popularna w Europie, szczególnie w Niemczech, ale stosowana jest jako standard jedynie w około 35 procentach pojazdów sprzedawanych w USA. Instytut Ubezpieczeniowy Bezpieczeństwa Drogowego szacuje, że technika ta mogłaby uratować istnień ludzkich w USA każdego roku. 2. Alkoholowa blokada zapłonu. Chociaż Instytut Ubezpieczeniowy Bezpieczeństwa Drogowego z pewnością nie poleca blokad wszystkim kierowcom, stwierdził jednak, że można by uratować istnień ludzkich, gdyby powstrzymać kierowców przed siadaniem za kierownicą pod wpływem alkoholu. 3. Pasy bezpieczeństwa. Sondaże pokazały, że 82 procent pasażerów samochodów korzysta z pasów bezpieczeństwa. Podnieśmy ten współczynnik do 100 procent, a liczba wypadków (śmiertelnych) może spaść o kolejne 5800 rocznie. ostrzegały kierowcę, a nawet w nagłych wypadkach przejmowały kontrolę nad hamulcami i układem kierowniczym. (Jako ciekawostka warto nadmienić, iż plany budowy takiej infrastruktury drogowej, a także masowej produkcji pojazdów mogący automatycznie w niej się poruszać, powstawały już w latach 50. i 60. POJAZDY wyposażone w technologię zapobiegania kolizjom będą stosowały schematy kontroli z potężnymi procesorami centralnymi na szczycie hierarchii. ABS, poduszki powietrzne, silnik oraz moduły skrzyni biegów będą instruowane przez procesory centralne Sterownik układu przeniesienia napędu Sterownik multimediów Sterowniki systemów wyposażenia wnętrza System stabilizacji Kontroler silnika Sieć FlexRay TM Radar (77 GHz) Kontroler sygnałów tablicy przyrządów Bazujący na kamerze system anty-kolizyjny System kontroli hamulców Kontroler Airbagów [ DESIGN NEWS Polska 29

5 AUTOMATYKA POJAZDY samochodowe niższej klasy takie jak Chevrolet Aveo mogą skorzystać z infrastruktury dróg inteligentnych, ponieważ ich cena prawdopodobnie nigdy nie pozwoli na zamontowanie kosztownego pokładowego systemu zapobiegania kolizjom ubiegłego stulecia. Przedruki amerykańskich publikacji można znaleźć w polskich tygodnikach motoryzacyjnych z tamtego okresu przyp. redakcji). Twierdzimy, że 95% wypadków można uniknąć zauważa wybitny konsultant przemysłowy, David Cole, dyrektor Centrum Badań Samochodowych. Zawsze będą kolizje, którym nie można zapobiec, ale w dzisiejszych czasach możemy gwałtownie zredukować liczbę śmiertelnych wypadków na drogach. Następny krok: inteligentna droga Inteligentna droga to koncepcja, która przykuwa coraz więcej uwagi. Gwoli przypomnienia, świat motoryzacji już wcześniej spotkał się z problemem tak zwanych inteligentnych dróg. Osiem lat temu na skutek współpracy przemysłowo-rządowej wprowadzono w życie wizję inteligentnej drogi poprzez umieszczenie czujników pod powierzchnią chodnika wzdłuż drogi szybkiego ruchu w San Diego, co pozwoliło na poruszanie się masy pojazdów w skoordynowany sposób. Nowa wizja jest jednak całkiem inna. Nie wymaga już niszczenia infrastruktury ani konstrukcji drogi. A po jej ostatecznym urzeczywistnieniu będzie dostępna dla każdego pojazdu poruszającego się po drodze, dlatego Amerykański Wydział Transportu ma podobno zainwe- Czujniki przyszłej generacji Aby spełnić wymagania systemów bezpieczeństwa przyszłej generacji, dostawcy pojazdów samochodowych wprowadzają na rynek nowe typy czujników, począwszy od laserów, po radary i żyroskopy. 77-GHz czujnik radarowy firmy TRW wychwytuje dane do 200 metrów. Firma stosuje go w systemie tempomatu adaptacyjnego, który automatycznie wciska hamulec, gdy z przodu pojawia się wolniejszy pojazd. Mikrochemicznie wyprodukowany czujnik żyroskopowy DRS MM3 firmy Bosch Automotive umożliwia wykrywanie prędkości kątowej dla elektronicznej kontroli stabilności, zapobiega przewróceniu się pojazdu oraz pozwala na aktywne kierowanie pojazdem. Czujnik laserowy LMS 291 firmy Sick Optic wykorzystany był w autonomicznym pojeździe, który wygrał 2 miliony dolarów w wyścigu DARPA Grand Challenge. Maluje trójwymiarowy obraz terenu znajdującego się przed pojazdem. 30 DESIGN NEWS Polska [ grudzień 2006

6 AUTOMATYKA [ DESIGN NEWS Polska 31

7 AUTOMATYKA stować w ciągu najbliższych pięciu lat 50 milionów dolarów w budowę floty demonstracyjnej wykorzystującej tę koncepcję. Zasadniczo nowa inteligentna droga jest produktem ubocznym świata komputerów osobistych, dlatego też jej stworzenie leży w gestii przedsiębiorstw specjalizujących się w elektronice i oprogramowaniu, które nie mają najmniejszego doświadczenia w dziedzinie motoryzacji. Kluczowym elementem tej koncepcji jest specjalny system komunikacji krótkiego zasięgu (DSRC), który zasadniczo składa się z radiowego urządzenia nadawczo-odbiorczego, anteny i odpowiedniego okablowania. Federalna Komisja Komunikacji już przeznaczyła na cel projektu pasmo o częstotliwości transmisji 5,9 GHz, a inżynierowie z branży motoryzacyjnej zaczęli opracowywać oprogramowanie oraz sprzęt komputerowy dla tego systemu. Specjaliści szacują, że koszt wprowadzenia takiej technologii do wnętrza pojazdu nie przekroczy 50 dolarów na jeden pojazd, ponieważ trzeba będzie jedynie dodać do GPSa urządzenie nadawczo-odbiorcze oraz dodatkowy mikrokontroler. Koszty sprzętu instalowanego na drodze również będą kształtowały się na minimalnym poziomie. Można by zamontować jedno z tych urządzeń radiowych przy sygnalizacji świetlnej, znaku stop, lub skrzyżowaniu, by nadawało informacje dla zbliżających się pojazdów zauważa Bob Lange, dyrektor wykonawczy ds. struktury i integracji bezpieczeństwa firmy General Motors Corp. W przypadku zagrożenia kolizją, mogłoby ostrzegać kierowców. W skrajnych sytuacjach mogłoby być nawet na tyle autonomiczne i ofensywne, by interweniować i nacisnąć hamulec, bądź nawet przejąć kontrolę nad układem kierowniczym. System mógłby dokonywać takich wyczynów, dzięki zastosowaniu GPSa oraz urządzenia nadawczo-odbiorczego, które pozwoliłoby pojazdom rozmawiać ze sobą. W istocie elementy techniczne tworzyłyby bezprzewodową sieć lokalną (LAN) z kwaterą główną zlokalizowaną na poboczu. Znając liczbę, położenie oraz prędkość uczestników sieci LAN, połączony system mógłby przewidywać potencjalne zagrożenia korzystając z doświadczenia zdalnej komputerowej bazy danych połączonej z przydrożnymi urządzeniami. Inżynierowie twierdzą, że możliwości bezpieczeństwa takich systemów są niemalże nieograniczone. Sieć LAN, mogłaby na przykład ostrzegać pojazdy przy sygnalizacji świetlnej, że kierowca przejedzie na czerwonym świetle, mogłaby informować kierowców włączających się do ruchu na autostradzie, że powinni przyspieszyć lub zwolnić; mogłaby ostrzegać kierowców zmieniających pas ruchu, że ktoś znajduje się w ich martwym polu; mogłaby ostrzegać o rychłej kolizji, o zbliżaniu się pojazdów uprzywilejowanych, niskich wiaduktach, pracach drogowych, drogach jednokierunkowych, a nawet o złych warunkach panujących na drodze. Zdaniem zwolenników piękno tego systemu polega na tym, że nie wymaga on, aby władze miast zrywały nawierzchnie dróg. Nie ma też ryzyka, że po jakimś czasie system stanie się przestarzały, gdyż cała Bezpieczny odstęp elektronika nie jest zakopana pod grubymi warstwami asfaltu. Zamiast tego, korzysta z ciągłego postępu technik elektronicznych oraz z wiedzy i doświadczenia inżynierów przemysłowego oprogramowania, którzy muszą zakodować mnóstwo danych opisujących wyniki scenariuszy potencjalnych wypadków. Jeśli naprawdę zamierza się uczynić wielki krok w kierunku zapobiegania wypadkom, należy brać również w rachubę drogi mówi Cole z firmy CAR. Cała idea samochodu połączonego z drogą jest fantastyczną sprawą, a teraz stoi ona na progu urzeczywistnienia dodaje. Inteligentny system pokładowy Podczas gdy Wydział Transportu USA bada koncepcję połączenia samochodu z drogą, czołowi producenci przygotowują własny plan: ograniczyć liczbę śmiertelnych wypadków poprzez umieszczenie na pokładzie pojazdu niezależnego od infrastruktury drogowej inteligentnego systemu. W przeciwieństwie do systemu DRSC, który polega na tym, że pojazdy orientują się w otoczeniu, na podstawie przydrożnych komunikatorów, techniki pokładowe umożliwiają pojazdom spoglądanie we wszystkich kierunkach oraz podejmowanie w każdej sytuacji uzasadnionych (teoretycznie) decyzji. Niektóre takie systemy już są dostępne. Elektroniczna Kontrola Stabilności (ESC) łącząca czujniki odchylenia kierunkowego z hamulcami nie blokującymi się jako środek zapobiegania poślizgom jest obecnie szeroko uznawana jako jedna z najskuteczniejszych metod ograniczania wypadków śmiertelnych (zobacz pasek z boku). OSTRZEGAWCZA Inteligentna Kontrola Jazdy firmy Delphi Automotive wykorzystuje czujnik radarowy zamontowany za przednim zderzakiem, w celu zachowania bezpiecznej odległości od pojazdu znajdującego się z przodu, nawet jeśli pojazd ten zwalnia. W czerwcu Instytut Ubezpieczeniowy Bezpieczeństwa Drogowego oszacował, że stosowanie ESC na pokładzie pojazdu może wyeliminować rocznie w USA śmiertelnych wypadków. Jednak zamiar osiągnięcia stabilnego poziomu zera wypadków wymaga wiele większych środków. Dostawcy i producenci samochodów pracują wspólnie nad tymi środkami i położyli podwaliny pod progresywny plan, który rozpoczyna się od tempomatu adaptacyjnego, następnie przechodzi do autonomicznego utrzymywania pasa ruchu oraz zapobiegania kolizjom. Wszystkie te techniki wymagają użycia zaawansowanych czujników. A skoro o czujnikach mowa, warto nadmienić, iż np. TRW Automotive wprowadza na rynek tempomat adaptacyjny, który wykorzystu- 32 DESIGN NEWS Polska [ grudzień 2006

8 AUTOMATYKA je 77-GHz czujnik radarowy o dalekim zasięgu. Dla producentów samochodów nieodłącznym wyzwaniem związanym z instalacją takich systemów jest konieczność scalenia ogromnych ilości danych pochodzących z radarów, laserów, zapisów magnetowidowych, czujników stopnia obrotu samochodu oraz urządzeń GPS. Oczywiście, w miarę jak łączymy te wszystkie dane, wymagania dotyczące systemów komputerowych rosną zauważa Phil Cunningham, dyrektor ds, planowania produktu w TRW Chassis Systems. Faktycznie, inżynierowie stoją przed dylematem przetwarzania danych, nie tylko z powodu ich ogromnej ilości pochodzącej z czujników, ale z powodu samej złożoności tego procesu. Aby to wszystko miało sens, producenci samochodów łączą dane wejściowe czujników w celu stworzenia modelu oprogramowania, który daje holistyczny obraz zewnętrznego otoczenia. Jest to ważne, mówią specjaliści, bo skoro pojazdy będą mogły w przyszłości unikać potencjalnych wypadków, będą musiały najpierw wiedzieć co znajduje się wokół nich. W ten sposób unikając jednego wypadku, nie spowodują drugiego, gorszego... Z tej przyczyny inteligencja pojazdu ewoluuje w sposób hierarchiczny. Na szczycie tej hierarchii potężne centralne procesory będą zarządzały danymi wejściowymi pochodzącymi z układu napędowego, podwozia, programów informacyjnych oraz wewnętrznych systemów zasilania. Te centralne procesory będą na ogół stosowały klaster czterech bądź pięciu mikroprocesorów typu PowerPC, które będą badać niezbędne dane z podsystemów. System ten mógłby pobierać dane wejściowe z urządzeń nawigacyjnych i, wiedząc, że przed pojazdem jest zakręt, mógłby nakazać skrzyni biegów zredukować bieg mówi Peter Schulmeyer, dyrektor strategii i marketingu grupy Freescale Semiconductor s Transportation and Standard Products Group. Nie zastępuje on systemu nawigacyjnego ani kontrolera skrzyni biegów, ale za to nadbudowuje nad nimi inteligentnie funkcjonujący system. W hierarchii tej warstwa podsystemów obsługiwałaby ABS, poduszki powietrzne, silnik i skrzynię biegów, pobierając instrukcje z procesorów centralnych. Pod tą warstwą czujniki poduszek powietrznych, systemów wizyjnych oraz systemów nawigacyjnych zaopatrzone w mikrokontrolery gromadziłyby dane. Wymagałoby to zupełnie innego przetwarzania niż to, które mamy dziś wyjaśnia Schulmeyer. Sporo przetwarzania odbywałoby się w systemie radarowym lub wizyjnym. Ale decyzje byłyby podejmowane przez procesory centralne. W jaki sposób mogą pomóc inteligentne drogi Kwestia kosztów Czynnikiem decydującym o tym, czy producenci samochodów będą optować za inteligentnymi drogami, czy inteligentnym systemem pokładowym, będą najprawdopodobniej koszty. Wielu obserwatorów wątpi, że pojazdy niższej klasy będą mogły sobie kiedykolwiek pozwolić na duże zestawy kosztownych czujników laserowych, wizyjnych czy radarowych. Z kolei większość obserwatorów twierdzi również, że wiele pojazdów średniej i wyższej klasy wykorzysta taką technologię. Aby uzyskać 360 stopniowe pole widzenia wokół pojazdu, potrzeba 10, 11 lub 12 czujników i dodatkowych procesorów CPU na pokładzie samochodu, które zarządzałyby wszystkimi danymi wejściowymi zauważa Lange z GM. Bez względu na to, jak skuteczne może być połączenie tych czujników, trudno sobie wyobrazić, by wiele takich 10 dolarowych Korzystając z doświadczenia potężnej bazy danych potencjalnych scenariuszy wypadków, inteligentne drogi mogłyby ostrzegać kierowców przed mnóstwem potencjalnych zagrożeń. Oto kilka z nich: Ostrzeżenie o możliwości niedostosowania się do sygnalizacji świetlnej: przewiduje, czy kierowca przejedzie na czerwonym świetle. Pomoc przy skręcie w lewo: pomaga kierowcom zdecydować, kiedy skręcić w lewo i włączyć się do ruchu, a kiedy zaniechać tego manewru. Ostrzeżenie o możliwości kolizji na skrzyżowaniu: ostrzega kierowców, czy zanosi się na kolizję z pojazdami na drodze poprzecznej. W swej ostatecznej formie system ten mógłby przejąć kontrolę nad hamulcami i zapobiegać wypadkom. Ostrzeżenie o zbliżającym się pojeździe uprzywilejowanym: przesyła wiadomość zawierającą informacje o prędkości, lokalizacji, pasie ruchu i zaplanowanej drodze przejazdu pojazdów uprzywilejowanych. Ostrzeżenie o niskich wiaduktach: ostrzega pojazdy dostawcze o zbliżaniu się do niskich wiaduktów. czujników montowano w niższej klasy Chevrolecie Aveo. Dodaje jednak, że producenci samochodów byliby skłonni zastosować tę technologię w pojazdach wyższej klasy. Tak też się stanie mówi. Już to robimy. Ford, DaimlerChrysler i Toyota wszyscy pracują nad tego typu technologiami. Specjaliści utrzymują, że dzięki zastosowaniu którejkolwiek z tych metod można zapobiec znacznej ilości zdarzających się dziś śmiertelnych wypadków. Dlatego oczekuje się, że NHTSA podniesie poprzeczkę już tej jesieni, proponując poprawkę do ustawy nakazującą stosowanie technologii kontroli stabilności w USA w ciągu najbliższych trzech lat. Równolegle konsorcjum, w którego skład wchodzi 12 producentów, pracuje nad bezpiecznymi przypadkami stosowania modeli oprogramowania dla inteligentnych dróg bazujących na DSRC. Osiągnięcie zerowego poziomu wypadków jest nierealne nawet w ciągu najbliższych 20 lat zauważa Adrian Lund, prezes Instytutu Ubezpieczeniowego Bezpieczeństwa Drogowego. Ważne jest jednak, aby zdać sobie sprawę z tego, że pewnego dnia wszystkie wypadki śmiertelne będą wypadkami możliwymi do uniknięcia. Musimy tylko zrozumieć, jak one powstają, a następnie musimy opracować metodę ich zapobiegania... [ DESIGN NEWS Polska 33

9 PROGRAMY Elementarz modelowania powierzchniowego (cz. II) TEKST I RYSUNKI: ANDRZEJ WEŁYCZKO Kontynuując temat rozpoczęty w poprzednim numerze Design News, proponuję kilka uwag na temat analizy jakości modelu powierzchniowego Podobnie jak w przypadku krzywych model powierzchniowy części można analizować pod kątem różnych rodzajów ciągłości: ciągłość geometryczna (G0): dwie powierzchnie mają wspólną krawędź i ponadto w obszarze wspólnym nie ma żadnych szczelin; ciągłość styczności (G1): dwie powierzchnie ciągłe według kryterium G0 są wzajemnie styczne w każdym punkcie krawędzi wspólnej; ciągłość krzywizny (G2): dwie powierzchnie ciągłe według kryterium G1 mają taki sam promień krzywizny w każdym punkcie krawędzi wspólnej; ciągłość gradientu zmian krzywizny (G3): dwie powierzchnie ciągłe według kryterium G2 mają w obszarach przyległych do krawędzi wspólnej podobny charakter (gradient) zmian krzywizny. Zanim jednak rozważymy metody analizy jakości powierzchni warto zastanowić się chwilę nad metodami definiowania modelu powierzchniowego, bo jakość powierzchni, a także możliwości analizy jej jakości są wprost powiązane z jej przeznaczeniem. Nie ma przecież uzasadnienia, aby klasyczne powierzchnie mechaniczne, na przykład takie, które definiują kształt odkuwki, miały ciągłość typu G2. Z drugiej strony trudno zaakceptować powierzchnię, która określa kształt obudowy zewnętrznej odkurzacza bez ciągłości typu G2, bo jeśli będzie ona ciągła tylko w zakresie G1, to estetyczne walory obudowy wykonanej w oparciu o taką powierzchnię będą co najmniej wątpliwe. W tym kontekście możemy więc mówić o przynajmniej dwóch rodzajach projektowanych powierzchni: powierzchniach mechanicznych i powierzchniach stylistycznych. W projektowaniu powierzchni mechanicznych czyli wtedy, gdy istotna jest jedynie ciągłość typu G0 i G1 walory estetyczne takie jak na przykład rozkład krzywizny, nie mają praktycznego uzasadnienia. W przypadku powierzchni stylistycznych, dla których estetyka jest kryterium najważniejszym, ciągłość typu G1 to za mało i dlatego zazwyczaj ciągłość typu G2 (tylko czasami G3) musi być zapewniona. Z powodów wymienionych powyżej różne rodzaje analizy jakości powierzchni są dostępne w różnych środowiskach projektowania powierzchniowego Procedura analizy jakości powierzchni jest taka sama jak w przypadku analizy jakości krzywych (patrz Elementarz modelowania powierzchniowego cz. I ). W pierwszym kroku trzeba sprawdzić ciągłość modelu powierzchniowego, a potem rozkład krzywizny analizowanej powierzchni. Ciągłość geometryczna (G0) może być oceniona wzrokowo, ale zazwyczaj obszary nieciągłości są tak małe, że trudno jest je zauważyć gołym okiem. Zakładam oczywiście, że konstruktor przykłada się do swojej pracy i nie tworzy modelu powierzchniowego na oko. Weźmy na przykład dwie powierzchnie, które na oko mają wspólną krawędź, RYS. 1 czyli na oko są ciągłe według kryterium G0. Dlaczego ciągłość geometryczna modelu powierzchniowego jest tak ważna? Otóż dlatego, że model powierzchniowy części jest zazwyczaj wykorzystany na kolejnych etapach procesu projektowego, na przykład w modelowaniu bryłowym lub definiowaniu technologii obróbki na obrabiarce CNC. Jeśli powierzchnia nie jest ciągła, to bryła zbudowana na takiej powierzchni może być również nieciągła lub w najgorszym przypadku definicja takiej bryły może okazać się niemożliwa (Rys. 1). Podobnie tor ruchu freza jest wprost związany z jakością definicji powierzchni obrabianej. Czy zawsze trzeba dążyć do perfekcyjnej definicji krzywych i powierzchni? Niektóre systemy CAD oferują możliwość korygowania niewielkich defektów geometrycznych w zakresie tolerancji zdefiniowanej przez użytkownika (Tolerant Modeling), a rezultat operacji połączenia dwóch płatów powierzchni w jeden obiekt może być różny, w zależności od ustawień. Załóżmy, że te dwie powierzchnie nie mają wspólnej krawędzi, a maksymalna odległość sąsiadujących krawędzi (szerokość szczeliny) to 0,096 mm (Rys. 2). Jeśli tolerancja połączenia tych dwóch powierzchni (Merging distance) jest równa 38 DESIGN NEWS Polska [ grudzień 2006

10 PROGRAMY RYS. 3 RYS. 2 0,001mm, to rezultat połączenia (Join) ma krawędź wewnętrzną, czyli szczelinę. Jeśli ta tolerancja jest większa od 0,096mm (na przykład 0,1mm), to rezultat połączenia dwóch powierzchni nie ma krawędzi wewnętrznej, bo wszystkie szczeliny, których szerokość jest mniejsza od wartości parametru Merging distance są automatycznie korygowane. Trzeba jednak zaznaczyć, że jest to jedynie operacja topologiczna, a definicja powierzchni składowych pozostaje niezmieniona. Lepiej więc zmodyfikować geometrię jednej lub obu powierzchni tak, aby uzyskać żądaną ciągłość. Jak poprawić niedoskonałości modelu powierzchniowego? Odpowiedź zależy od tego, jak powierzchnie zostały zdefiniowane. Jeśli są to powierzchnie mechaniczne, które zazwyczaj są zbudowane na krzywych parametrycznych, to można odpowiednio zmienić wartości parametrów krzywych i powierzchni. Jeśli powierzchnie zdefiniowano w środowisku modelowania swobodnego (FreeStyle), to stosowne modyfikacje mogą być uzyskane na przykład przez modyfikację punktów kontrolnych krzywych/powierzchni lub wprost przez zadanie rodzaju wymaganej ciągłości i ustalenie wszystkich dodatkowych ograniczeń (polecenia typu Match Surface Rys. 3). W niektórych systemach możliwe jest też zdefiniowanie rodzaju wymaganej ciągłości, maksymalnej dopuszczalnej deformacji powierzchni i jej globalna lub lokalna naprawa (Healing), a nie modyfikacja parametrów powierzchni zastosowanych w jej definicji. Analizę ciągłości modelu powierzchniowego wspomagają narzędzia typu Connect Checker (Rys. 4). Tu jeszcze raz podkreślam, że jest to tylko analiza, czyli wskazanie niezgodności z wybranym (Distance=G0, Tangency=G1, Curvature=G2) kryterium ciągłości. Rolą konstruktora jest ustalić czy, w jakim zakresie i jak należy zmodyfikować model powierzchniowy. Jeśli model powierzchniowy jest ciągły, to można przystąpić do analizy jakości rozkładu krzywizny. Także i tu można wizualnie ocenić jakość powierzchni (Rys. 5), na przykład ostre krawędzie (brak ciągłości RYS. 5 RYS. 4 [ DESIGN NEWS Polska 39

11 PROGRAMY typu G1) lub niepożądane wgniecenia (lokalne zmiany znaku krzywizny). Analiza wizualna to oczywiście za mało do oceny rozkładu krzywizny modelu powierzchniowego. Zanim jednak przejdę do omówienia niektórych metod oceny rozkładu krzywizny, należy zdefiniować, czym jest krzywizna powierzchni. W teorii modelowania powierzchniowego stosujemy najczęściej wartość średnią nazywaną krzywizną Gaussa, którą znajdujemy stosując następującą procedurę: W każdym punkcie powierzchni można zdefiniować prostą do niej prostopadłą. Przez tak wyznaczoną linię można poprowadzić nieskończenie wiele płaszczyzn. Płaszczyzny te mogą posłużyć do wyznaczenia nieskończenie wielu krzywych = przekrojów powierzchni, a każda z tych krzywych ma określony rozkład krzywizny. Dla każdego punktu powierzchni (dla różnych przekrojów) można znaleźć RYS. 6 RYS. 7 największy promień krzywizny (R1) i najmniejszy promień krzywizny (R2). Krzywizna Gaussa (KG) może być obliczona zgodnie z równaniem: KG = RYS. 8 RYS. 9 Ponadto, jeśli promienie R1 i R2 mają środki po tej samej stronie analizowanej powierzchni, to krzywizna jest dodatnia, a w przeciwnym przypadku ujemna (Rys. 6). Narzędzia, które w systemach CAD wspomagają analizy rozkładu krzywizny powierzchni (na przykład Surfacic Curvature Analysis) umożliwiają zazwyczaj badanie rozkładu krzywizny Gaussa. W tym przypadku nie jest istotna wartość krzywizny jako takiej, ale charakter zmian krzywizny na całej powierzchni. Dobra powierzchnia to taka, na której nie występują nagłe zmiany, czyli małe (wąskie) obszary przejścia z małej krzywizny do dużej krzywizny. Trzeba też zauważyć, że nagła zmiana znaku krzywizny w pewnym obszarze powierzchni oznacza, że powierzchnia ma wgłębienie lub wybrzuszenie, co z reguły oznacza defekt, który powinien zostać naprawiony (Rys. 7). W tym zakresie możliwa jest uproszczona analiza krzy- 40 DESIGN NEWS Polska [ grudzień 2006

12 PROGRAMY RYS. 10 wizny (Inflection Area), której rezultatem jest identyfikacja obszarów z krzywizną dodatnią (kolor niebieski) i ujemną (kolor zielony) - patrz Rys. 8. Czasami zachodzi potrzeba szczegółowej analizy nie tylko przebiegu zmian krzywizny, ale także wartości krzywizny lub promienia krzywizny. Można to zrobić w dowolnie wskazanym punkcie lub wykonać taką analizę dla krzywej = przekroju powierzchni. Parametryzacja położenia płaszczyzny przekroju umożliwia analizę krzywizny powierzchni w każdym z możliwych przekrojów. Funkcja Porcupine Analysis (Rys. 9) zastosowana do takiej analizy została omówiona w poprzednim odcinku. Jeśli konieczna jest analiza zmian krzywizny wzdłuż kilku krzywych (przekrojów powierzchni), to można zastosować funkcję Cutting Planes. Rezultat jest podobny do tego, jaki można uzyskać wykonując polecenie Porcupine Analysis, tyle że możliwe jest łatwe (bo kontrolowane położeniem kompasu) ustalenie położenia płaszczyzn tnących, ich liczby oraz odległości między nimi (Rys. 10). I wreszcie dla tych, którzy tworzą powierzchnie stylistyczne, dostępnych jest kilka bardziej zaawansowanych możliwości analizy ciągłości typu G2. Najbardziej typowa z nich to analiza refleksów świetlnych na powierzchni. Liniowe źródła światła, których liczbę i odległość, a także położenie w przestrzeni 3D można swobodnie zmieniać znajdują swoje odbicie na analizowanej powierzchni. Jeśli dwie powierzchnie są ciągłe według kryterium G2, to także krzywe refleksów świetlnych (odbicia liniowych świetlówek ) są na tej powierzchni ciągłe (Rys. 11) Ostatnią z analiz jakości powierzchni, potwierdzającą jej walory estetyczne może być analiza typu Environment Mapping, w której model powierzchniowy jest umieszczony w wirtualnym środowisku. To środowisko jest zdefiniowane jako dowolny obraz płaski, a analizowana powierzchnia jak lustro odbija obraz tego środowiska. Rezultat takiej analizy pozwala bardzo intuicyjnie ocenić estetyczną jakość powierzchni i jednocześnie wskazać potencjalne obszary wymagające korekty (Rys. 12). RYS. 12 RYS. 11 Podsumowanie 1. Perfekcyjny na oko model powierzchniowy może być zupełnie nieprzydatny. 2. Wybór funkcji, ustalenie wartości parametrów i zdefiniowanie ograniczeń wpływa nie tylko na jakość modelu powierzchniowego, ale także na możliwości jego modyfikacji. 3. W procesie tworzenia modelu powierzchniowego nie można zapomnieć o analizie jego jakości. 4. Wymagana jakość modelu powierzchniowego (rodzaj ciągłości oraz rozkład krzywizny) wynika wprost z rodzaju projektowanej części. [ DESIGN NEWS Polska 41

13 ARTYKUŁ SPONSOROWANY Total Modelling - profesjonalne i nieograniczone modelowanie 3D CAD w środowisku PowerSHAPE Dystrybucja i serwis techniczny TORUS Spółka z o.o., ul. Rydygiera 12, Warszawa, tel./fax (22) Firma DELCAM jeden ze światowych liderów w dziedzinie dostarczania oprogramowania CAD/CAM posiada w swojej bogatej ofercie programowej aplikację PowerSHAPE do projektowania CAD. Aplikacja ta zawiera zintegrowane środowisko pracy Total Modelling, które umożliwia szybką i wygodną współpracę programów ArtCAM i CopyCAD RYS. 1. Efekt wykorzystania nawijania 360 przy ozdabianiu butelki Potężne narzędzia, jakie posiada oprogramowanie Power Solution firmy DELCAM, wykraczają poza typowe modelowanie krawędziowo-powierzchniowo-bryłowe. Środowisko Total Modelling, dostępne w aplikacji CAD PowerSHAPE stanowi jedyne w swoim rodzaju, w pełni zintegrowane połączenie tradycyjnego projektowania 3D w środowisku CAD z modelowaniem elementów 3D utworzonych w geometrii opisanej trójkątami (triangle modeling) i możliwościami inżynierii odwrotnej (reverse eginnering). Szeroki zakres technik modelowania pozwala projektantowi na łatwiejsze, dużo szybsze i niemal nieograniczone możliwości tworzenia nowych produktów o innowacyjnych kształtach. Total Modelling pozwala na pracę z wykorzystaniem modeli o geometrii przybliżonej trójkątami, również tych stworzonych w aplikacjach ArtCAM i CopyCAD i utrwalonych w formatach DMT Delcam Machining Triangle lub STL Stereolitografy. Znakomita integracja oprogramowania pozwala projektantowi na płynną zmianę środowiska pracy, co z kolei pociąga za sobą skrócenie czasu oczekiwania na wyniki i pozwala na łatwiejszą edycję poszczególnych elementów. Praca w środowisku Total Modelling umożliwia łatwe i szybkie dodawanie oraz usuwanie elementów takich jak: loga firmowe, tekstury czy inne elementy dekoracyjne charakterystyczne dla danej lini produktów, co wykorzystywane jest do poprawy identyfikacji marki na rynku. Ułatwia to również późniejsze zmiany tych elementów na potrzeby np: promocji lub reklamy produktu. Dzięki potężnemu narzędziu do wpełni foto-realistycznego renderingu, jakie posiada aplikacja PowerSHAPE, możliwe jest tworzenie katalogów produktów jeszcze w fazie ich projektowania oraz zaprezentowanie różnych wariantów końcowego projektu. Narzędzia, jakimi dysponuje Total Modelling, umożliwiają rownież tworzenie bibliotek zawierających zbiory cech takich jak np: logo czy inne elementy właściwe dla danej marki. Wykorzystując zapisane wcześniej informacje, w postaci RYS. 2. Model wykonany przy wykorzystaniu technik Total Modelling geometrii przybliżonej trójkątami, dotyczące charakterystycznych elementów marki, można je nanieść na nowy produkt edytując ich parametry takie jak: wielkość, proporcje czy położenie, w bardzo krótkim czasie. W ten sam sposób można dodawać elementy ozdobne i nadawać fakturę na powierzchni. Total Modelling wykorzystywany jest głównie przy tworzeniu produktów takich jak: opakowania, obuwie czy sprzęt sportowy, ale również w takich branżach jak protetyka i urządzenia medyczne. Możliwe jest dostosowanie właściwości danego produktu w oparciu o możliwości techniki reverse engineering dla potrzeb indywidualnego klienta, przy zachowaniu cech charakterystycznych dla linii produktów. Firma DELCAM jest właścicielem patentu potwierdzajacego wyjątkowe możliwości Total Modellingu przez co jest jedyną firmą oferujacą tak zaawansowane i wygodne w użyciu rozwiązania dotyczące projektowania 3D CAD. Adam Barycki [ DESIGN NEWS Polska 43

14 TEMAT NUMERU TEKST: JOSEPH OGANDO Ethicon obniża koszt urządzeń medycznych o 63% Poniżej opisujemy sposób, w jaki to robi Mniej części, nowe techniki łączenia i lepiej (sprytniej) opracowany projekt przyczyniają się do znacznych oszczędności finansowych PROJEKTANCI firmy Ethicon stworzyli aplikator jednorazowego użytku do wprowadzania klamer chirurgicznych, składający się tylko z jedenastu części z tworzyw sztucznych i metalu, mając na względzie możliwości łączenia tych części. Na przykład, mechanizm wyzwalający aplikatora integruje człon napędzany przez krzywkę, który porusza się trasą wymodelowaną w obudowie. Ta krzywka zapewnia odpowiedni opór mechaniczny, zabezpieczając przed przedwczesnym wprowadzeniem klamry. Mechanizm wyzwalający posiada także wymodelowany otwór, który łączy go z mechanizmem wyzwalającym aplikatora Urządzenia medyczne nie stwarzają wielu możliwości znacznej obniżki kosztów, ponieważ podlegają zbyt wielu wymaganiom prawnym, a także ograniczeniom technicznym. Ale w końcu, nie bez pewnych dodatkowych wysiłków projektowych Faceci od lecznictwa stają się nowatorscy i dochodzą do rozwiązań, zapewniających maksymalną funkcjonalność przy minimalnych kosztach jak powiedział Mike Stoddard, Dyrektor Projektu w Phillips Plastics, odpowiedzialny za modelowanie medyczne. Jedno z takich rozwiązań opracowali inżynierowie, z działu Ethicon, stanowiącego część firmy Johnson & Johnson. Udało im się znacznie zmniejszyć koszty produkowanego przez firmę aplikatora, używanego do zszywaczy chirurgicznych Gynecare Profix. Klamry, produkowane w technologii mikromodelowania z wszczepialnego rodzaju polipropylenu, w sposób trwały łączą siatkę chirurgiczną z wiązadłami podczas leczenia operacyjnego dolnych części miednicy, co jest częścią operacji ginekologicznych przepukliny. Ethicon przystosował rozwiązanie klamer bazując na wcześniejszym typie klamer, używanych do leczenia chirurgicznego uszkodzeń łękotki w kolanie. Dla operacji dolnej części miednicy, klamry wymagały pewnych modyfikacji w celu utrzymania na miejscu siatki chirurgicznej. Kształt rozwiązania do leczenia łękotki przypomina pojedynczą stopę i nogę, co wspaniale się sprawdza przy uszkodzeniach łękotki wyjaśnia Mark Howansky, projektant z działu badań i rozwoju firmy Ethicon. Chirurdzy używają specjalnego aplikatura do wprowadzenia klamry w chrząstkę łękotki, przylegającą do uszkodzenia, aby zespolić luźne krawędzie. Niestety, oryginalna klamra nie ma możliwości trwałego zablokowania siatki chirurgicznej na miejscu. Tam właśnie siatka wyślizguje się spod klamry o jednej nóżce mówi Howansky. Tak, więc projektanci Ethicon opracowali nową klamrę z dwiema równoległymi nóżkami, połączonymi ramieniem w kształcie litery U. W zasadzie skopiowaliśmy wcześniejszy projekt klamry wyjaśnia Howansky. Dwie stopki są zakotwiczone w tkance, natomiast ramię przytrzymuje siatkę. Można to sobie wyobrazić, jako elastyczną, plastikową zszywkę. Wiele pracy poświęcono optymalizacji geometrii klamry oraz jej wytwarzaniu metodą mikroformowania. Geometria nowej klamry wymusiła na projektantach Ethicon nowe rozwiązanie aplikatora do jej wprowadzania. Podczas, gdy aplikator pozornie wygląda na prawie identyczny w porównaniu ze stosowanym dla klamer w łękotce, w rzeczywistości został on całkowicie zmodyfikowany pod kątem działania równoważącego, a także w aspekcie kosztów produkcji. Aplikator ten jest urządzeniem jednorazowego użytku, produkowanym w małych seriach, a więc musieliśmy utrzymać jego całkowity koszt pod kontrolą mówi Howansky. Operacje przepukliny są także refundowane w znacznie niższym stopniu, niż operacje kolana, a więc sprawa kosztów nabrała jeszcze większego znaczenia. Projektanci z Ethicon, korzystając z pewnego wsparcia specjalistów od wdrażania projektów do produkcji z firmy Phillips Plastics, podjęli mądre decyzje na etapie projektowania, które w końcowym 44 DESIGN NEWS Polska [ grudzień 2006

15 TEMAT NUMERU ZE WZGLĘDU na fakt, że aplikator musi być precyzyjnie zlokalizowany w jednej linii z magazynkiem, aby móc załadować klamry, suma tolerancji stała się czynnikiem krytycznym. Phillips Plastics, który montuje magazynki, stosuje tanie dopasowanie za pomocą prasy, gdzie tolerancje nie są zbyt ścisłe tak jak łączenie dwóch połówek tego symetrycznego zestawu. Niemniej firma zastosowała spawanie ultradźwiękowe tam, gdzie tolerancje mogłyby mieć wpływ na efekt dopasowania części wbudowanych w urządzenie. Na przykład spawanie ultradźwiękowe łączy zewnętrzne i wewnętrzne części, ponieważ one łącznie tworzą drogę dopasowania, która prowadzi aplikator podczas ładowania. Tutaj tolerancje mieszczą się w granicach 0,0508 mm REKLAMA rezultacie umożliwiły im dostarczenie nowego aplikatora za... jedną trzecią kosztów aplikatora używanego w operacjach łękotki. Poniżej opisujemy, jak im się to udało. Cechy modelowania Ze względu na to, że składający się z jedenastu części aplikator jest wykonany z tworzyw sztucznych, a części produkowane są w formach wtryskowych, zastosowanie cech modelowania w celu umożliwienia ich połączenia pokazało oczywistą drogę do obniżenia kosztów. Tym niemniej, wcale nie było to łatwe. Howansky zauważa, że to urządzenie medyczne, tak jak większość jemu podobnych, podlega pewnym wymaganiom odnośnie materiału, oraz wymaganiom funkcjonalnym, które zawężają dobór materiałów. Na przykład, wszystkie tworzywa sztuczne muszą wytrzymać sterylizację ETO, oraz muszą wchodzić w skład bazy danych tworzyw biokompatybilnych firmy Ethicon.

16 TEMAT NUMERU KLAMRA Profix, która mierzy tylko 7,62 mm od dołu nóżki, jest używana do łączenia siatki chirurgicznej z mięśniem i tkanką wiązadła podczas operacji przepukliny. Ta mikromodelowana część, będąca adaptacją klamry jednostronnej, używanej w operacjach kolana, uległa zmianom od fazy projektowej aż po jej wyprodukowanie. Na przykład, ramię łączące dwie stopki tej części zostało pogrubione o kilka tysięcznych cala w celu dostosowania się do niepożądanych naprężeń, wynikających z nacinania przekroju tej malutkiej części Warunki te muszą oczywiście zostać spełnione, zanim aplikator zostanie wprowadzony do wnętrza ciała pacjenta. Być może, najbardziej innowacyjną częścią, wykonaną z tworzywa, jest zespół wyzwalający, który charakteryzuje się cechą, określaną przez Howansky ego jako pasywna blokada. Jej zadaniem jest zapobieżenie przypadkowemu zwolnieniu klamry przez chirurga podczas wprowadzania aplikatora do ciała pacjenta. Myśleliśmy o tradycyjnej, mechanicznej blokadzie, ale zdaniem chirurgów sprawia ona więcej kłopotu, niż jest tego warta mówi Howansky. Blokada urządzenia wyzwalającego wiąże się także z dodatkowymi częściami, a więc i z dodatkowymi kosztami całego zestawu. A zatem zamiast tego Howansky zastosował krzywkę, tworzącą profil siły oporowej dla mechanizmu wyzwalającego, której zadaniem jest utrudnienie przypadkowego zwolnienia klamry podczas wprowadzania do ciała pacjenta. Opór ten nie może być jednak zbyt silny, aby umożliwić zwolnienie klamry we właściwym czasie. Krzywka, napinana przez sprężynę, powoduje powrót mechanizmu wyzwalającego do położenia gotowości po zwolnieniu klamry. O ile krzywki, same w sobie, nie są niczym specjalnym, o tyle Howansky znalazł sprytny sposób zintegrowania jednej z nich w aplikatorze, minimalizując w ten sposób liczbę części mianowicie zaprojektował prowadnicę krzywki w obudowie aplikatora. Człon napędzany przez krzywkę jest po prostu elastycznym ramieniem, wymodelowanym w mechanizmie wyzwalającym i zbudowanym z poliwęglanu. Pasywna blokada została wprowadzona w dwóch częściach, które już tam były powiedział Howansky. Aby zrealizować geometrię, zapewniającą właściwy opór, Howansky stworzył modele komputerowe i fizyczne, a te z kolei przetestowali chirurdzy, wydając o nich swoje opinie na temat profilu siły. Jednakże konieczne okazało się dokonanie kilku ustępstw kosztowych, związanych z częściami. Początkowo Howansky, biorąc pod uwagę ceny, chciał zastosować tworzywo ABS na obudowę i mechanizm wyzwalający. W końcu musiał jednak zmienić je na droższy poliwęglan z wypełnieniem szklanym. ABS ma odpowiednią elastyczność, ale odkształca się bardziej niż poliwęglan stwierdził. Potrzebowaliśmy wyższej odporności, aby zabezpieczyć elastyczne ramię przed pękaniem. Na początku poliwęglan sprawiał pewne problemy, związane z tarciem. Poliwęglan na poliwęglanie to rozwiązanie zwiększające tarcie zauważył Howansky, stwierdzając jednocześnie, że problem został rozwiązany przez zamianę mechanizmu wyzwalającego na droższy, z wewnętrznym smarowaniem. Chcąc wymodelować mechanizm wyzwalający bez linii podziału w miejscu, w którym spoczywa palec chirurga, Howansky poprosił firmę Phillips Plastics, która modeluje i montuje aplikator, by stworzyła bardziej skomplikowane narzędzie o obustronnym działaniu. To z kolei spowodowało pewne zwiększenie kosztów, ale za to pozwoliło na przesunięcie linii podziału w miejsce bardziej ergonomiczne, na krawędź mechanizmu wyzwalającego. Kolejną, ważną częścią aplikatora okazała się długa, plastikowa osłona, zabezpieczająca podobny do igły mechanizm wyzwalający, podczas wprowadzania go do ciała pacjenta. Długa na 25,4 mm, cienka i w kształcie paska część, wykonana z polietylenu, także zawiera maleńkie szczegóły lokalizacyjne i zatrzaskowe łączniki na każdym końcu. Howansky określa to jako wymagającą precyzji lokalizację przedzieloną dziesięcioma calami plastiku. Zastosowanie pojedynczego, długiego elementu spowodowało zmniejszenie liczby części. Niemniej stwarzało to dla Phillips Plastics problemy z formami było to wyzwanie, które stało się jeszcze trudniejsze z uwagi na znaczną kurczliwość tworzywa sztucznego, wybranego jako surowiec dla tej części. Stoddard z Phillips Plastics znalazł sposób na obrócenie tej negatywnej cechy w zaletę dzięki prostej obserwacji kurczenia się i powstawania maleńkich wypukłości na wierzchniej części osłony. Gdy patrzył na projekt oprzyrządowania, wyglądało, że wypukłości pozostają zamknięte w stali, z której zbudowana jest forma. Ale Stoddard doszedł do wniosku, że kurczenie (wynoszące 0,508 mm / 25,4 mm) może spowodować uwolnienie wypukłości. To już wystarczyło, aby oczyścić stal narzędziową z wypukłości o wymiarze 1,27 mm po lekkim schłodzeniu powiedział Stoddard. Howansky dodaje, że zmiana efektu kurczenia na zjawisko pozytywne przyczyniła się do zaoszczędzenia wielkich kosztów na oprzyrządowanie. Oczekiwaliśmy kosztownych działań, związanych z oprzyrządowaniem, których celem byłoby usunięcie wypukłości dodał. Phillips dostarczył inny projekt produkcji części projekt, który przyczyniał się do jeszcze większych oszczędności. Na przykład, do montażu obudowy aplikatora, projektanci Phillipsa zalecili połączenie spawania ultradźwiękowego z kołkami dopasowującymi, wymodelowanymi w prasie. Rozważałem projekty jednej, lub drugiej metody łączenia, natomiast Phillips zasugerował połączenie tych dwóch metod w jedno wspomina Howansky. Zdaniem Stoddarda, spawanie ultradźwiękowe całego połączenia mogłoby wymagać drogiego i skomplikowanego projektu ukształtowania aplikatora. Co więcej, taki aplikator może wymagać rozlicznych zmian ustawień urządzenia spawającego, przyczyniając się w ten sposób do zwiększenia kosztów montażu przyrządu. Wymagałoby to także sterowania przepływem ciepła w formie, co z kolei miałoby wpływ na zwiększenie stopnia złożoności oprzyrządowania narzędziowego. 46 DESIGN NEWS Polska [ grudzień 2006

17 TEMAT NUMERU Całkowite oparcie się na wprasowanych połączeniach mogłoby się nie sprawdzić, ponieważ nie starczyłoby miejsca we wszystkich segmentach aplikatora szczególnie na jego końcówce do przystosowania niezbędnych kołków i wypukłości. Tak, więc Phillips stworzył model montażu urządzenia, w którym końcówka aplikatora jest spawana ultradźwiękowo, podczas gdy bardziej przestrzenne sekcje uchwytu są łączone przez wprasowanie. To było najlepsze z tych dwóch rozwiązań, z punktu widzenia montażu urządzenia powiedział Stoddard. Korzyści, płynące z zastosowania metalu Nie wszystkie prace projektowe, obniżające koszty, były związane z tworzywami sztucznymi. W rzeczywistości, największe oszczędności uzyskano dzięki zastosowaniu mechanizmu wyzwalającego aplikatora, wykonanego z metalu. Przed wprowadzeniem stopki klamry chirurgiczne wprowadzają do wnętrza równoległe igły z otworami na końcówce aplikatora. Wtedy metalowy pręt wewnątrz rurek wyciska klamry na zewnątrz do tkanki, jeszcze przed włączeniem mechanizmu wyzwalającego. Howansky ograniczył na kilka sposobów koszt takich, zwykle robionych na zamówienie i drogich urządzeń z metalu. W przypadku pręta włączającego, zrezygnował z drogiej metody produkcji, stosowanej dla aplikatora, który poprzednio instalował klamry wzmacniające łękotkę. Pomimo swojej skuteczności, wcześniejsze rozwiązanie pręta składało się ze zwiniętego drutu przyspawanego przy użyciu lasera do prostego, stalowego pręta ze sformowaną plastikową częścią na końcu, której zadaniem było zabezpieczenie połączenia z pozostałą częścią aplikatora. Taki zestaw kosztował ok. 15 dolarów, a Howansky potrzebowałby dwóch takich, żeby je przystosować do nowej zdwojonej klamry. Tak doszedł do nowego pręta włączającego, opartego na pojedynczej długości zwiniętego drutu, częściowo ukrytego w rurce ze stali nierdzewnej (używanej do wyrobu strzykawek). Dostawca metalu dla firmy Ethicon zaproponował proces gięcia w połowie tej długiej rurki z drutem wewnątrz, przy czym każdy z końców służył jako osobny pręt włączający. Wygięcie, Analiza FEA. Kolor czerwony wskazuje na obszary, które nie wytrzymają obciążenia igła 2 0,10 blacha stalowa 304 S.S. igła 2 0,10 (spawana) blacha stalowa 304 S.S. ETHICON obniżył znacznie koszty aplikatora, upraszczając skomplikowaną budowę mechanizmu spustowego, w którym zastosowano pręt włączający do wypchnięcia klamry z otworu w igle. Ethicon zbadał kilka sposobów takiej konstrukcji urządzenia, by móc obniżyć koszty przy jednoczesnym utrzymaniu walorów użytkowych, wśród których znajduje się odpowiednia sztywność, zapewniająca przeniesienie siły dla aplikacji klamry oraz częściowo elastyczny pręt, włączany przez wygięty przód aplikatora. Na początku projektanci firmy sądzili, że rozwiązania wytłaczanych igieł będą w stanie połączyć obie te cechy, ale wygięcie ich było zbyt duże, co udowodniły analizy FEA. Na koniec stworzyli trzy rozwiązania, w których rurki od strzykawek są przyspawane do tłoczonej płyty tylnej. Taki zestaw prowadzi pręt włączający urządzenia, który składa się z nawiniętego drutu, włożonego w długą, zdwojoną rurkę strzykawki samo w sobie też znalazło zastosowanie. Przechodziło przez otwór, wymodelowany w mechanizmie zwalniającym, tworząc w ten sposób połączenie bez potrzeby stosowania dodatkowych części i bez skomplikowanych operacji montażowych. I znowu istniejące części przejęły na siebie dodatkowe funkcje mówi Howansky. Z punktu widzenia własności użytkowych, takie rozwiązanie rurki zapewnia mechanizmowi zwalniającemu wymaganą sztywność, a jednocześnie pozostawia elastyczność nawiniętego drutu. Ta właśnie elastyczność jest tutaj elementem kluczowym. Drut musi przebyć drogę włączania po łuku poprzez igły, które tworzą zakończenie instrumentu i mają styczność z tkanką podczas operacji. Ethicon stworzył te igły z dwóch zaostrzonych rurek strzykawkowych, dospawanych do tłoczonej płyty tylnej. igła 2 0,10 blacha stalowa 17-4 (H 900) igła 2 0,10 (spawana) blacha stalowa 17-4 (H 900) Całkowity koszt nowego mechanizmu zwalniającego nie przekracza dziesięciu dolarów, w porównaniu z rujnującą budżet sumą trzydziestu dolarów za dwa mechanizmy zwalniające starego typu. To rozwiązanie pozwoliło upiec dwie pieczenie przy jednym ogniu powiedział Howansky. Wyeliminowało kosztowne spawanie końcówek, nadmierne formowanie i operacje montażowe. Obniżanie kosztów polega właśnie na eliminacji poszczególnych etapów produkcji oraz liczby części. Więcej informacji na temat produktów firmy Ethicon, służących do operacji dolnej części miednicy, można uzyskać pod adresem: Więcej informacji na temat Phillips Plastics, jest pod adresem [ DESIGN NEWS Polska 47

18 MEDYCYNA TEKST: ANDRZEJ CZERWIEC Techniki obrazowania w medycynie nuklearnej Atomowe podglądanie Inżynieria medyczna łączy dziedziny szczególnie szybko rozwijające się jak biologia, medycyna i technika. Jej istotą jest stosowanie środków technicznych w specyficznych warunkach kontaktu materiałów i urządzeń z żywym organizmem, w celach diagnostycznych, terapeutycznych i do wspomagania lub zastępowania funkcji narządów. Zajmuje się także modelowaniem procesów fizjologicznych, planowaniem procedur diagnostycznych, zabiegów chirurgicznych oraz naświetlania promieniowaniem jonizującym i niejonizującym Medycyna nuklearna jest prężnie rozwijającą się dziedziną nauki. Jedną z jej gałęzi jest diagnostyka z wykorzystaniem izotopów promieniotwórczych. Osiągnięcia w jej zakresie dają możliwość przeprowadzania szeroko rozumianych badań diagnostycznych, zarówno ilościowych i jakościowych, jak również czynnościowych. Bazując na wiedzy z wielu innych dziedzin nauki, diagnostyka ta stale poszerza swe możliwości, dając wielkie nadzieje na przyszłość. Diagnostyka radioizotopowa ma głównie charakter czynnościowy służy ona badaniu różnych funkcji organizmu poprzez pomiary przepływu, przenikania, wchłaniania, wychwytywania, gromadzenia, wydzielania i wydalania różnych substancji promieniotwórczych. Metody radioizotopowe charakteryzują się niezwykłą czułością, pozwalającą wykryć już kilka pojedynczych atomów, są także metodami nisko inwazyjnymi pomiar promieniowania może zachodzić poza układem biologicznym bez jego uszkodzenia. Dodatkowo czas analizy jest stosunkowo krótki. Postępy w dziedzinie diagnostyki obrazowej są ściśle związane z osiągnięciami techniki. Nic więc dziwnego, że dwa najbardziej dynamicznie rozwijające się obszary nauki: elektronika i biotechnologia mają największy wpływ na poziom ultrasonografii, rentgenodiagnostyki, tomografii rezonansu magnetycznego i medycyny nuklearnej. Diagnostyka obrazowa z wykorzystaniem izotopów pojawiła się jako eksperymentalna technologia w latach 50-tych ubiegłego wieku. Systemy umożliwiające wdrożenie tej technologii do praktyki medycznej znalazły się na rynku urządzeń medycznych w następnym dziesięcioleciu jako urządzenie pod nazwą kamery scyntylacyjnej (w Polsce funkcjonowała nazwa scyntygraf ). Współczesne urządzenia diagnostyki nuklearnej nazywane są gamma kamerami. Umożliwiają uzyskiwanie obrazów statycznych i dynamicznych, konkurencyjnych lub uzupełniających w stosunku do innych technologii diagnostyki obrazowej. Gamma kamery pozwalają na tworzenie obrazów dwuwymiarowych lub trójwymiarowych, łącznie z możliwością obrazowanie przekrojów. Gamma kamery, podobnie jak i inne urządzenia diagnostyki obrazowej nie są wolne od wad. Zasadniczym problemem jest uzyskanie liniowości obrazu. Drobne różnice w czułości fotodetektorów mogą powodować geometryczne zniekształcenia obrazu. Szczególnym problemem jest uzyskanie liniowości na obrzeżach badanego obszaru, gdyż efekt kaskady jest tu zakłócany bliskością obudowy głowicy. Najprostsze rozwiązania tego problemu idą w kierunku pewnego pomniejszenia pola widzenia głowicy. Także brak wysokiej jednorodność struktury kryształu głowicy wpływa na wierność obrazu. Oddzielnym zagadnieniem, wpływającym na wartość diagnostyczną uzyskiwanego w czasie badania obrazu jest odpowiedni dobór kolimatora. Do tej samej kategorii problemów technicznych zaliczyć trzeba efektywność fotopowielaczy (możliwość zarejestrowania przez fotopowielacz kolejnych rozbłysków występujących po sobie w krótkim czasie). Czas eksploatacji gamma kamery uzależniony jest nie tylko od trwałości elementów składowych (przede wszystkim kryształów głowicy i fotopowielaczy), ale także od możliwości przetwarzania danych. Gamma kamera jest urządzeniem drogim. Koszt zakupu systemu należy szacować na około zł, a roczne koszty eksploatacji (łącznie z utrzymaniem pracowni izotopowej) mogą zbliżać się do tej kwoty. Zapewne z tego powodu, popularność gamma kamer (ich liczba) 48 DESIGN NEWS Polska [ grudzień 2006

19 MEDYCYNA jako systemów diagnostyki obrazowej jest w Polsce dość ograniczona. Zmiany konstrukcyjne kolejnych generacji gamma kamer idą przede wszystkim w kierunku całkowitej eliminacji sygnału analogowego, jako łatwo podatnego na zniekształcenia. Podejmowane są także próby zasadniczej modyfikacji struktury głowicy gamma kamery. Zamiast kryształów i współpracujących z nimi fotopowielaczy, głowica zawierać będzie elementy półprzewodnikowe, generujące sygnał elektryczny w wyniku uderzenia w nie fotonu. Gamma kamery znajdują się ciągle w fazie rozwoju pod względem możliwych zastosowań oraz pod względem konstrukcji. Intensywne prace rozwojowe koncentrują się na rozszerzeniu możliwości diagnostyki kardiologicznej, onkologicznej i neurologicznej. W fazie prób klinicznych znajduje się scynty-mammografia z użyciem Tc99m, przydatna w diagnostyce sutka o dużej gęstości tkanki. Technologia ta pozwala na łatwiejszą niż standardowa mammografia diagnostykę nowotworów złośliwych. Duże możliwości diagnostyczne stwarza wykorzystanie nowych radiofarmaceutyków. Możliwości stosowania gamma kamer poszerzane są poprzez nakładanie obrazów diagnostycznych uzyskanych z gamma kamery na obrazy wykonane techniką CT lub MR. W zależności od konstrukcji, gamma kamery dzielą się na jednogłowicowe i wielogłowicowe. Technika obrazowania wykorzystująca ruch głowicy nazwana została SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography). Systemy SPECT zbierają dane obrazowe po ustawieniu się głowicy w kolejnych położeniach, różniących się od siebie o kilka stopni, aż do uzyskania pełnego obrotu wokół pacjenta, zwykle powtarzanego kilkakrotnie. Czas akwizycji danych może być skrócony o połowę dzięki zastosowaniu gamma kamery dwugłowicowej. Na rynku dostępne są już także systemy trójgłowicowe, a nawet wielogłowicowe, z detektorami umieszczonymi na obwodzie pierścienia (gantry). Do diagnostyki obrazowej z użyciem gamma kamery najczęściej stosowane są izotopy technetu lub jodu. Dawka promieniowania jonizującego pochłonięta w czasie standardowego badania obrazowego z użyciem gamma kamery porównywalna jest z dawką pochłoniętą podczas badania radiologicznego. Innym urządzeniem do diagnostyki obrazowej z obszaru medycyny nuklearnej o dużym podobieństwie w zasadzie działania, a także konstrukcji do systemów SPECT i wizualnym podobieństwie do systemów CT są systemy tomografii emisji pozytronu. Tomografia emisji pozytonowej (Positron Emission Tomography PET) jest technologią o bardzo niskim rozpowszechnieniu mimo szerokich możliwości diagnostycznych, w zasadzie niedostępnych dla innych technologii obrazowania. Na świecie stosowany jest od lat 80. ubiegłego wieku. System PET składa się z modułu diagnostycznego (gantry), w który wbudowany jest zespół detektorów, stołu pacjenta i konsoli operatora zawierającej komputer. Celem badania prowadzonego z użyciem systemu PET jest uzyskanie diagnostycznego obrazu badanego organu. Obraz tworzony jest na drodze komputerowej rekonstrukcji danych uzyskanych z detektorów, które wykrywają zjawiska anihilacji (zjawisko anihilacji występuje na przykład wtedy, gdy dwie cząstki o przeciwnym ładunku elektrycznym znikają po spotkaniu) zachodzące w organizmie pacjenta po podaniu mu preparatu radiofarmaceutycznego. W substancjach tych powstają pary fotonów rozchodzące się w przeciwnych kierunkach i podlegające rejestracji za pomocą obróconych w stosunku do siebie o 180 stopni dwóch detektorów. Detektory stosowane w systemach PET zbudowane są w formie pierścieni otaczających pacjenta. Liczba takich pierścieni wynosi w zależności od systemu od 6 do 16, a każdy pierścień zawiera od 220 do 512 kryształów tlenku bizmutowo germanowego, aktywowanego talu, fluorku baru lub cezu. Systemy PET umożliwiają pomiary biochemicznej i fizjologicznej aktywności komórek badanego organu. Takie badanie funkcjonalne pozwala na ocenę procesów RYS. 1. Discovery VCT firmy GE Healthcare pierwszy na świecie tomograf PET/CT RYS. 2. GE Advanced PET RYS. 3. Philips Gemini pierwszy i jedyny otwarty (wg firmy Philips) tomograf PET/CT. Otwarta obudowa poprawia komfort u pacjentów redukując uczucie efektu klaustrofobii [ DESIGN NEWS Polska 49

20 MEDYCYNA RYS. 4. Siemens Biograph - łączy w sobie zalety techniki PET i CT. Badanie pacjenta biographem polega na wykonaniu skanu CT, po którym bezpośrednio, w trakcie tej samej sesji wykonywany jest skan PET, dając w rezultacie obraz, na którym zarejestrowano zarówno obraz anatomiczny, jak i molekularny badanych tkanek i organów RYS. 5. Fuzja obrazów MR i PET RYS. 6. Zasada wykonywania badania przez aparat PET CT RYS. 7. Dopasowanie zapewnione sprzętowo w kombinowanym tomografie PET CT metabolicznych i przepływu krwi. Zmiana poziomu aktywności biochemicznej komórek, obserwowana na obrazie w postaci zmian kolorystycznych, może wskazywać na występowanie zmian chorobowych. Dzięki temu, możliwe jest wykrycie takich zmian istotnie wcześniej, w porównaniu z innymi technikami obrazowania, ukierunkowanymi na wykrywanie zmian anatomicznych wywołanych chorobą. Systemy PET znajdują zastosowanie w kardiologii (ocena pracy serca), neurologii (badanie funkcjonalne mózgu) i onkologii (wykrywanie zmian nowotworowych). Problemem technicznym jest eliminacja przypadkowych fotonów, które mogłyby zakłócić obraz uzyskiwany w czasie badania. Rozwiązanie tego problemu wykorzystuje naturę promieniowania powstającego w czasie anihilacji. Jeżeli dwa, odpowiadające sobie geometrycznie kryształy, umieszczone po przeciwnych stronach pierścienia, nie zostaną kolejno wzbudzone przez powstającą w czasie anihilacji parę fotonów w określonym przedziale czasu, to pojedynczy rozbłysk uznany zostaje przez system za zjawisko przypadkowe. Jednak nawet w takich warunkach mogą wystąpić zjawiska, które dają szum. Redukcja szumów możliwa jest poprzez odseparowanie od siebie kolejnych pierścieni detektora i dokładne dostrojenie progu energii wykrywanych fotonów. Kryteriami jakości diagnostycznej systemu PET są między innymi czas rekonstrukcji obrazu, rozdzielczość przestrzenna oraz wymiary geometryczne otworu gantry i zakres ruchu stołu pacjenta. Oddzielnym zagadnieniem jest zaopatrzenie systemów PET w radiofarmaceutyki. Krótki czas połowicznego rozpadu stosowanych izotopów wymaga instalacji w najbliższym sąsiedztwie systemu PET cyklotronu, w którym izotopy te są wytwarzane. Oznacza to praktycznie przymus funkcjonowania systemu PET w bezpośrednim sąsiedztwie samowystarczalnej pracowni medycyny nuklearnej. Zasadniczą różnicą pomiędzy badaniem PET a obrazowaniem z użyciem gamma kamery jest właśnie wiązanie się izotopów stosowanych w PET z substancjami znajdującymi się normalnie w organizmie. Ponadto, izotopy stosowane w PET mają bardzo krótki czas połowicznego rozpadu (od 75 sekund do 110 minut), co w zasadniczym stopniu zmniejsza dawkę promieniowania pochłanianego. Metody takie jak rtg, USG, CT czy MRI dają informacje jedynie o charakterze morfologicznym. Często jednak powiększenie narządów nie jest równoważne z zajęciem ich przez dany proces chorobowy i odwrotnie, ustępowanie zmian widocznych w badaniach obrazowych nie wyklucza istnienia czynnych ognisk chorobowych. Pozytonowa tomografia emisyjna jest metodą będącą w stanie zobrazować szeroką różnorodność procesów metabolicznych w stosunkowo wysokiej rozdzielczości. W takich przypadkach diagnostyka radioizotopowa ma znaczenie decydujące. Ponieważ wyniki badań za pomocą PET nie zawsze pozwalają precyzyjnie umiejscowić ognisko chorobowe, detektor w postaci gammakamery rotacyjnej sprzężono z tomografią komputerową. Odpowiedni program komputerowy integruje badanie topograficzne (TK) z badaniem czynnościowym (PET) tak, że można dokładnie określić, gdzie występuje wzrost lub obniżenie gromadzenia podanego radiofarmaceutyku. Połączony system skanowania typu PET i CT został wprowadzony na rynek w 2001 roku. Ten system połączonego obrazowania obecnie gwałtownie wypiera tomografię typu PET i reprezentuje najszybciej rozwijającą się metodę obrazowania we współczesnym świecie. System ten pozwala na zastosowanie obrazu PET i CT w czasie jednego badania, bez potrzeby przemieszczania pacjenta. Wyniki badania przedstawiane są w postaci przekrojowego obrazu komputerowego. Na sukces tego systemu złożyło się kilka przyczyn. Wykrycie zmian chorobowych oraz zlokalizowanie raka w czasie jednego badania są kluczowymi informacjami w zdiagnozowaniu fazy rozwoju nowotworu. PET potrzebuje jednak dodatkowego skanowania (tzw. attenuation scan), które może zostać zastąpione przez znacznie szybsze CT. W rezultacie metoda 50 DESIGN NEWS Polska [ grudzień 2006