DE102008017819B3

DE102008017819B3 - Magnetresonanzanlage und Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzanlage

Info

Publication number: DE102008017819B3
Application number: DE102008017819A
Authority: DE
Inventors: Rudi Baumgartl; Nikolaus Demharter; Georg Pirkl; Roland Werner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2028-04-09
Also published as: CN101556316A; US20090251141A1; US7977945B2; CN101556316B

Abstract

Es wird eine Magnetresonanzanlage (1) mit einer Mehrzahl von Komponenten (3, 4, 5, 6, 7, 8), umfassend eine Grundmagnetfelderzeugungseinheit (3), Gradientenspulen (4) sowie eine Hochfrequenzspulenanordnung (5), beschrieben. Die Komponenten (3, 4, 5, 6, 7, 8) sind jeweils durch wenigstens eine Digitalbaugruppe (30, 30M) und wenigstens eine Analogbaugruppe (40) gemäß einer Steuersequenz ansteuerbar, wobei die Analogbaugruppen (40) extern zu einem die Digitalbaugruppen (30, 30M) ansteuernden Steuerrechner (10) angeordnet sind. Die Digitalbaugruppen (30, 30M) sind ebenfalls extern zum Steuerrechner (10) angeordnet und der oder den darüber angesteuerten Analogbaugruppe(n) (40) zugeordnet. Dabei sind die Digitalbaugruppen (30, 30M) zur Kommunikation der Digitalbaugruppen (30, 30M) untereinander und/oder mit dem Steuerrechner (10) durch folgende Netzwerke vernetzt: - ein synchrones erstes Netzwerk (SN) zur Synchronisierung der Digitalbaugruppen (30, 30M), - ein isochrones oder teil-isochrones zweites Netzwerk (IN), - ein drittes Netzwerk (MN), wobei die Digitalbaugruppen (30, 30M) über serielle Peripheriekomponenten-Schnittstellen (18, 34) mit dem Steuerrechner (10) verbunden sind und dabei eine Signalübermittlung zwischen der Peripheriekomponenten-Schnittstelle (34) der jeweiligen Digitalbaugruppe (30, 30M) und der zugehörigen Peripheriekomponenten-Schnittstelle (18) des Steuerrechners (10) auf optischem Wege erfolgt. Darüber hinaus wird ein Verfahren ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetresonanzanlage mit einer Mehrzahl von Komponenten, umfassend eine Grundmagnetfelderzeugungseinheit, Gradientenspulen sowie eine Hochfrequenzspulenanordnung. Dabei sind die Komponenten jeweils durch wenigstens eine Digitalbaugruppe und wenigstens eine Analogbaugruppe gemäß einer Steuersequenz ansteuerbar, wobei die Analogbaugruppen extern zu einem die Digitalbaugruppen ansteuernden Steuerrechner angeordnet sind und wobei die Digitalbaugruppen extern zum Steuerrechner angeordnet und der oder den darüber angesteuerten Analogbaugruppe(n) zugeordnet sind. Die Digitalbaugruppen sind dabei zur Kommunikation der Digitalbaugruppen untereinander und/oder mit dem Steuerrechner durch ein synchrones erstes Netzwerk zur Synchronisierung der Digitalbaugruppen und ein isochrones oder teil-isochrones zweites Netzwerk vernetzt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer entsprechenden Magnetresonanzanlage.
Die Magnetresonanztomographie ist ein inzwischen weit verbreitetes Verfahren zur Gewinnung von Bildern vom Inneren eines Körpers. Bei diesem Verfahren wird der zu untersuchende Körper einem relativ hohen Grundmagnetfeld, beispielsweise von 1,5 Tesla, oder bei neueren so genannten Hochmagnetfeldanlagen sogar von 3 Tesla, ausgesetzt. Es wird dann mit einer geeigneten Antenneneinrichtung ein hochfrequentes Anregungssignal (das sog. B₁-Feld) ausgesendet, welches dazu führt, dass die Kernspins bestimmter durch dieses Hochfrequenzfeld resonant angeregter Atome um einen bestimmten Flipwinkel gegenüber den Magnetfeldlinien des Grundmagnetfelds verkippt werden. Das bei der Relaxation der Kernspins abgestrahlte Hochfrequenzsignal, das sog. Magnetresonanzsignal, wird dann mit geeigneten Antenneneinrichtungen, welche auch identisch mit der Sendeantenneneinrichtung sein können, aufgefangen.
Die so akquirierten Rohdaten werden schließlich genutzt, um die gewünschten Bilddaten zu rekonstruieren. Zur Ortskodierung werden dem Grundmagnetfeld während des Sendens und des Auslesens bzw. Empfangens der Hochfrequenzsignale jeweils definierte Magnetfeldgradienten überlagert.
Es ist klar, dass solche Magnetresonanzanlagen eine Vielzahl von Komponenten umfassen, die im Rahmen eines Messvorgangs innerhalb einer vorgegebenen Messsequenz unter Beachtung fester zeitlicher Zusammenhänge angesteuert werden müssen. Zu diesen Komponenten zählen z. B. die o. g. Grundmagnetfeld-Erzeugungseinheit, die zur Erzeugung des Grundmagnetfelds dient, die Gradientenspulen, die zur Erzeugung der Magnetfeldgradienten genutzt werden, sowie die Hochfrequenzspulenanordnung, welche in der Regel mehrere Hochfrequenzspulen zum Senden und/oder Empfangen der Hochfrequenzsignale aufweist. All diese Komponenten werden üblicherweise analog betrieben. Die Ansteuerung erfolgt jedoch digital. Daher werden auf dem Ansteuerungsweg zu diesen Komponenten i. d. R. zumindest eine Digitalbaugruppe und zumindest eine Analogbaugruppe benötigt.
Für den beispielhaften Fall der Hochfrequenzspulenanordnung muss man zwischen Sendebaugruppen und Empfangsbaugruppen unterscheiden. Im Sendezweig wird als Sende-Analogbaugruppe u. a. ein Hochfrequenzverstärker benötigt, welcher ein zuvor in einer Sende-Digitalbaugruppe erzeugtes Hochfrequenzsignal in das analog an die Antenne zu sendende Hochfrequenzsignal umwandelt und dabei für eine ausreichende Leistung sorgt. Auf der Empfangsseite wird in einer Empfangs-Analogbaugruppe zunächst mit einer geeigneten Elektronik das empfangene Signal demoduliert und durch einen A/D-Wandler in ein Empfangsdigitalsignal umgewandelt. Dieses wird an eine Empfangs-Digitalbaugruppe gesendet, welche das Digitalsignal digital weiter demoduliert und verarbeitet. Zurzeit können bekannte Empfangsbaugruppen eine bestimmte Anzahl von Empfangskanälen bearbeiten, d. h. sie können Signale von einer bestimmten vorgegebenen Anzahl von Einzelantennen demodulieren und weiterverarbeiten. Sowohl auf der Sendeseite, d. h. zur Erzeu gung des Hochfrequenzsignals durch die digitalen Modulatoren, als auch auf der Empfangsseite zur digitalen Demodulation ist das Signal einer Frequenzerzeugungseinheit, meist eines so genannter NCO (Numerical Controlled Oscillator = Numerisch kontrollierter Oszillator), nötig, welcher eine geeignete Zwischenfrequenz liefert.
Da es für das Messverfahren essentiell ist, dass der vorgegebene Zeitplan der Aussendung der einzelnen aufeinander abgestimmten Signale, beispielsweise der Hochfrequenzsignale, der Gradientenpulse und der Auslesebefehle, genau eingehalten werden muss und hierzu jede Komponente zu einer genau bestimmten Zeit eine ganz bestimmte Aktion durchführen muss, wurde bisher ein zentrales Steuerungskonzept genutzt, bei dem die verschiedenen Digitalbaugruppen in den Steuerungsrechner integriert sind. Mit Hilfe des Systemtakts des Steuerungsrechners und ggf. einer Uhr oder einer Zeitmarke ist es dann möglich, die Synchronität und Isochronität unter den einzelnen Komponenten herzustellen. Dabei sind die Digitalbaugruppen üblicherweise als Module ausgebildet, die an einen Bus innerhalb des Steuerrechners anschließbar sind. Bei diesem zentral organisierten Steuerungssystem muss beim Entwurf bereits ein zukünftiger Maximalausbau berücksichtigt werden, da die Kapazitäten des zentralen Steuerrechners sowohl räumlich als auch leistungsbezogen beschränkt sind. Das heißt, es muss beispielsweise bei der Planung der Anlage berücksichtigt werden, ob ggf. noch weitere Sendespulen oder Empfangsspulen hinzukommen. Zum Zeitpunkt des Entwurfs ist dieser Maximalausbau jedoch nicht für alle Systemfunktionalitäten exakt planbar, da die technischen Entwicklungen schnell voranschreiten. Daher kommt es häufig vor, dass aktuelle Steuerungen derzeit entweder minder bestückt sind oder im ungünstigsten Fall Engpässe vorliegen, da bestehende Erweiterungsmöglichkeiten nicht ausreichen.
Zur Lösung dieser Problematik wurden bereits einige Nischenlösungen offenbart. So wurde beispielsweise vorgeschlagen, auf der Anregungsseite ein Klonkonzept zu realisieren, bei welchem der Steuerrechner mehrfach vorhanden ist und einer der Steuerrechner als Master und die anderen als Clients verschaltet sind. Diese Lösung ist technisch sehr aufwändig und unwirtschaftlich und bezieht sich lediglich auf einen Teilaspekt einer Komponente, nämlich die Sendeseite. Auch für die Empfangsseite ist eine solche Einzellösung bekannt, wobei letztlich eine aus dem Steuerrechner ausgelagerte Buserweiterung vorgeschlagen wird. Auch damit liegt aber keine vollständige und wirtschaftliche Lösung des Problems vor. Hinzu kommt, dass zwischen den einzelnen Komponenten untereinander und dem Steuerrechner nicht nur exakte Zeitabläufe synchronisiert werden müssen, sondern auch hohe Datenraten zu übertragen sind, wie beispielsweise auf der Sendeseite die genauen Informationen über auszusendende Pulssequenzen, insbesondere eine Vielzahl von genauen Hüllkurven für die Hochfrequenzpulse und/oder Gradientenpulse, und auf der Empfangsseite eine erhebliche Anzahl an akquirierten Messrohdaten.
In der DE 10 2006 052 437 A1 wird zudem eine Magnetresonanzanlage der eingangs genannten Art beschrieben, bei der nicht nur die Analogbaugruppen, sondern auch die diesen zugeordneten Digitalbaugruppen extern zum Steuerrechner angeordnet sind. Die Kommunikation zwischen den Digitalbaugruppen und/oder dem Steuerrechner erfolgt durch zwei Netzwerke, wobei ein erstes Netzwerk zur Synchronisierung der Digitalbaugruppen und ein zweites Netzwerk zum Austausch der übrigen Daten dient. Durch die externe Anordnung der Digitalbaugruppen wird eine größere Flexibilität, insbesondere eine kostengünstige und schnelle Ausbaubarkeit der Magnetresonanzanlage erreicht.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine noch weiter verbesserte Magnetresonanzanlage sowie ein Verfahren zum Betrieb einer entsprechenden Magnetresonanzanlage der eingangs genannten Art anzugeben.
Diese Aufgabe wird zum einen durch eine Magnetresonanzanlage gemäß Patentanspruch 1 und zum anderen durch ein Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzanlage gemäß Patentanspruch 13 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage sind die Digitalbaugruppen ebenfalls extern zum Steuerrechner angeordnet und der oder den darüber angesteuerten Analogbaugruppe(n) zugeordnet, wobei die Digitalbaugruppen zur Kommunikation der Digitalbaugruppen untereinander und/oder mit dem Steuerrechner durch verschiedene Netzwerke vernetzt sind.
Zum einen wird ein synchrones erstes Netzwerk zur Synchronisierung der Digitalbaugruppen und des Steuerrechners verwendet. Über dieses Netzwerk werden die notwendigen Synchronisationsinformationen, beispielsweise ein Systemtakt und ggf. Zeitmarken, übertragen. Dieses synchrone erste Netzwerk wird im Folgenden auch als „Synchronisationsnetzwerk” bezeichnet.
Weiterhin erfolgt eine Verbindung zumindest der Digitalbaugruppen untereinander durch ein isochrones oder zumindest teil-isochrones zweites Netzwerk. Unter einem teil-isochronen Netzwerk ist dabei ein Netzwerk zu verstehen, in dem für bestimmte übertragene Befehle bzw. Daten und/oder für bestimmte Komponenten des Netzwerks eine Isochronität nicht erforderlich ist. Als isochrones Netzwerk bzw. isochroner Teil eines teil-isochronen Netzwerks wird ein Netzwerk bezeichnet, in dem die Daten innerhalb eines bestimmten, beispielsweise periodisch auftretenden Zeitfensters ihren Bestimmungsort – hier ihre Bestimmungs-Digitalbaugruppe bzw. den Steuerrechner, wenn dieser auch innerhalb des isochronen oder teil-isochronen Netzwerks angeschlossen ist – erreicht haben. Beispielsweise kann ein solcher Zeittakt 10 μs oder 10 ms betragen. Innerhalb eines solchen Zeitfensters müssen dann alle vorhandenen Digitalbaugruppen ihre entsprechenden Informationen aus dem Netzwerk erhalten. Das heißt, durch das isochrone bzw. teilisochrone Netzwerk wird sichergestellt, dass gewisse Daten innerhalb eines bestimmten Zeitraums zwischen den verschiedenen Netzwerkknoten ausgetauscht werden können, so dass diese mit Sicherheit an den betreffenden Baugruppen vorhanden sind, wenn gemäß diesen Informationen bestimmte Aktionen auszuführen sind. Da über dieses Netzwerk insbesondere Steuerbefehle bzw. Steuerinformationen übertragen werden, wird dieses isochrone oder teil-isochrone zweite Netzwerk im Folgenden auch als „Steuerbefehlsnetzwerk” bezeichnet.
Außerdem erfolgt eine Vernetzung der Digitalbaugruppen mit dem Steuerrechner über ein drittes Netzwerk. Innerhalb dieses dritten Netzwerks erfolgt die Übermittlung der Daten zwischen den Digitalbaugruppen und dem Steuerrechner mit Hilfe von seriellen Peripheriekomponenten-Schnittstellen, wobei die Signalübermittlung zwischen der Peripheriekomponenten-Schnittstelle der jeweiligen Digitalbaugruppe und der zugehörigen Peripheriekomponenten-Schnittstelle des Steuerrechners auf optischem Weg, d. h. per Lichtleiter, erfolgt. Unter einer seriellen Peripheriekomponenten-Schnittstelle wird dabei eine Standard-Hochgeschwindigkeitsschnittstelle verstanden, welche dazu geeignet ist, Peripheriekomponenten mit einem Hauptprozessor zu verbinden.
Bevorzugt können die Peripheriekomponenten-Schnittstellen sog. „PCI-Express”-Schnittstellen (PCI = Peripheral Component Interconnect; Peripherkomponentenverbindung) sein. Hierbei handelt es sich um einen Erweiterungsstandard zur Verbindung von Peripheriegeräten mit dem Chipsatz eines Hauptprozessors innerhalb eines Rechners. Standardisierte Schnittstellen hierfür sind bereits seit einiger Zeit auf dem Markt. Üblicherweise erfolgt im PCI-Express-Standard die Datenübertragung über sog. „Lanes”, wobei jedoch bei dem „normalen” PCI-Express jeder Lane aus einem elektrischen Leitungspaar für das Senden und einem zweiten Paar für das Empfangen besteht. Gemäß der Erfindung ist hier jedoch vorgesehen, anstelle von elektrischen Leitungen Lichtleiter zu verwenden, d. h. die normalen PCI-Express-Schnittstellen dahingehend abzuwandeln, dass die ausgehenden Signale zunächst in Lichtsignale konvertiert werden und umgekehrt die empfangenen Lichtsignale in entsprechende elektrische Signale umgewandelt werden, wobei im Übrigen der gesamte Datenaustausch gemäß dem vorgegebenen Protokoll der PCI-Express-Schnittstelle durchgeführt wird. Die Verwendung von Lichtleitern für das Massendatennetzwerk hat den Vorteil, dass eine galvanische Trennung zwischen den einzelnen Digitalbaugruppen und dem Steuerrechner erfolgen kann. Grundsätzlich ist es möglich und je nach konkretem Aufbau der Magnetresonanzanlage gegebenenfalls sogar bevorzugt, auch das Synchronisationsnetzwerk und/oder das Steuerbefehlsnetzwerk technisch mit Hilfe von Lichtleitern zu realisieren.
Anstelle einer solchen PCI-Express-Schnittstelle können aber auch andere serielle Peripheriekomponenten-Schnittstellen verwendet werden, die in ähnlicher Weise arbeiten, beispielsweise mögliche Nachfolgestandards für PCI-Express. Über dieses dritte Netzwerk werden in erster Linie Massendaten ausgetauscht, d. h. komplexe Datenstrukturen mit erheblichen Bandbreitenanforderungen, die meist in Form von Datenarrays vorliegen, wie beispielsweise Hüllkurven für zu erzeugende Hoch frequenzpulse oder auf der Empfangsseite akquirierte Rohdaten. Dieses dritte Netzwerk wird daher im Folgenden auch als „Massendatennetzwerk” bezeichnet. Dabei ist aber nicht ausgeschlossen, dass beispielsweise auch Steuerdaten über dieses Massendatennetzwerk übermittelt werden.
Mittels des Synchronisationsnetzwerks und des isochronen weiteren Netzwerks ist eine ideale Einhaltung aller zeitlichen Bedingungen möglich. Durch das isochrone Netzwerk können alle kritischen Steuerbefehle an die Digitalbaugruppen in etwa zeitgleich versendet werden. Über das spezielle Massendatennetzwerk können zusätzlich auch größere Datenmengen in zeitkritischen Situation schnell und sicher ausgetauscht werden. Die endgültige Synchronisation kann dann durch das Synchronisationsnetzwerk gewährleistet werden. Insbesondere ist es bei einem solchen System auch möglich, dass die verschiedenen Frequenzerzeugungseinheiten in den einzelnen Digitalbaugruppen, beispielsweise die NCOs, so angesteuert werden, dass die Frequenz- und Phasenbedingungen der Hochfrequenzsignale, also die benötigten Kohärenzbedingungen, sicher eingehalten werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Konzept ist es möglich, sämtliche magnetresonanzrelevanten Funktionen aus dem Steuerrechner heraus auf externe Komponenten zu verlagern. Der Steuerungsrechner kann damit im Extremfall auf einen Kommunikationsknoten reduziert werden, der z. B. eine vorgegebene Steuersequenz dekodiert und auf die verschiedenen Komponenten bzw. deren zugehörige Digitalbaugruppen verteilt.
Dadurch wird eine nahezu unbegrenzte und gleichzeitig sehr einfache und somit kostengünstige Ausbaubarkeit des gesamten Systems geboten. Die Größe eines solchen Magnetresonanzsystems ist nur durch die Bandbreite der verwendeten Peripheriekomponenten-Schnittstellen begrenzt. Vorzugsweise kann aber das gesamte Netzwerk auch skalierbar ausgelegt werden, so dass sogar diese Limitation aufgehoben ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzanlage, welche eine Mehrzahl von Komponenten, umfassend eine Grundmagnetfeld-Erzeugungseinheit, Gradientenspulen sowie eine Hochfrequenzspulen-Anordnung, aufweist, werden die Komponenten mittels eines Steuerrechners jeweils durch wenigstens eine Digitalbaugruppe und wenigstens eine Analogbaugruppe gemäß einer Steuersequenz angesteuert, wobei die Analogbaugruppen extern zu dem die Digitalbaugruppen ansteuernden Steuerrechner angeordnet sind. Dabei sind erfindungsgemäß auch die Digitalbaugruppen extern zum Steuerrechner angeordnet und der oder den darüber angesteuerten Analogbaugruppe(n) zugeordnet. Die Ansteuerung der Digitalbaugruppen erfolgt dann über die oben beschriebenen verschiedenen Netzwerke, wobei eine Synchronisation der Digitalbaugruppen mittels eines zeitsynchronen ersten Netzwerks, eine Steuerbefehlverteilung an die Digitalbaugruppen unter Nutzung eines isochronen oder teil-isochronen zweiten Netzwerks und eine Massendatenübermittlung zwischen den Digitalbaugruppen und dem Steuerrechner über ein drittes Netzwerk erfolgen, wobei dieses dritte Netzwerk wie beschrieben mit Hilfe von seriellen Peripheriekomponenten-Schnittstellen aufgebaut ist und dabei die Signalübermittlung zwischen den Peripheriekomponenten-Schnittstellen auf optischem Wege erfolgt.
Die abhängigen Ansprüche enthalten jeweils besonders vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung, wobei das erfindungsgemäße Verfahren auch analog zu den abhängigen Ansprüchen der erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage weitergebildet sein kann und umgekehrt.
Wie bereits erläutert, weisen die Peripheriekomponenten-Schnittstellen bevorzugt PCI-Express-Schnittstellen auf bzw. bestehen im einfachsten Fall aus für den optischen Datentransfer ausgerüsteten PCI-Express-Schnittstellen. Dies hat den Vorteil, dass bereits standardisierte Komponenten zur Verfügung stehen, welche lediglich mit entsprechenden elektrooptischen Wandlern versehen werden müssen, um das gewünschte dritte Netzwerk aufzubauen. Über PCI-Express oder einen ähnlichen Standard können die verschiedenen Digitalbaugruppen auch mittels sogenanntem DMA (Direct Memory Access = Direkter Speicherzugriff) zum Datenaustausch mit dem Steuerrechner jeweils direkt auf einen ihnen zugeordneten Speicherbereich des Steuerrechners zugreifen. Es entsteht so ein für alle Komponenten identisches Zugriffsmodell für die Systemsoftware, das heißt z. B. das Betriebssystem und die Treiber, auf die einzelnen Digitalbaugruppen, welches durch PCI-Express (oder den vergleichbaren Standard) definiert ist. Dabei sind alle Komponenten über den PCI-Express-Adressraum direkt adressierbar, das heißt, nicht nur die internen Komponenten des Steuerrechners, sondern auch die externen, über das dritte Netzwerk angeschlossenen Digitalbaugruppen. Somit wird auch die Latenzzeit bei der Datenübertragung vom Speicher des zentralen Steuerrechners zu den dezentralen Komponenten minimiert, da die Umsetzung auf ein anderes Protokoll entfällt. Weiterhin stehen alle durch den PCI-Express-Standard definierten Systemmanagement-Funktionen wie eine Nummerierung, Plug-and-Play-Funktionen, Powermanagement etc. automatisch zur Verfügung.
Sämtliche Netze können prinzipiell in verschiedenen Topologien aufgebaut werden.
Um unterschiedliche Laufzeiten in dem synchronen Netzwerk zu verhindern, ist dieses jedoch vorzugsweise als Sterntopologie ausgebildet. Realisiert werden kann eine solche Sterntopologie beispielsweise durch einen oder mehrere Splitter, über den oder die das Signal zeitgleich auf verschiedene Leitungen gegeben werden kann. Dabei kann durch eine Kaskadenschaltung solcher Splitter auch eine kaskadierte Sterntopologie aufgebaut werden.
Das isochrone bzw. teil-isochrone zweite Netzwerk ist dagegen vorzugsweise in Form einer Ringtopologie aufgebaut. Eine bevorzugte Variante hiervon wird später noch erläutert. Eine Ringtopologie hat den Vorteil, dass der Verbindungsaufwand erheblich geringer als bei einer anderen Topologie ist.
Das dritte Netzwerk, das Massendatennetzwerk, wird dagegen vorzugsweise ebenfalls in Form einer Sterntopologie aufgebaut. Dabei ist jede einzelne Digitalbaugruppe mit einer Peer-to-Peer-Verbindung über PCI-Express-Schnittstellen (bzw. eine ähnliche Peripheriekomponenten-Schnittstelle) und über Lichtleiter mit dem Steuerrechner verbunden. Ggf. kann dieses Netzwerk auch in Form einer kaskadierten Sterntopologie aufgebaut sein.
Vorzugsweise ist das Steuerbefehlsnetzwerk so aufgebaut, dass es nur die einzelnen Digitalbaugruppen untereinander, nicht aber die Digitalbaugruppen selbst mit dem Steuerrechner verbindet. Eine Verteilung der vom Steuerrechner an die Digitalbaugruppen zu übergebenden Steuerinformationen bzw. Steuerbefehle kann dann so erfolgen, dass diese zunächst nur an eine der Digitalbaugruppen übersendet werden, welche als Master-Digitalbaugruppe ausgebildet – beispielsweise entsprechend mit geeigneter Software konfiguriert – sind. Von dieser Master-Digitalbaugruppe werden dann über das zweite Netzwerk die jeweiligen Steuerbefehle an die anderen Digitalbaugruppen übermittelt.
Besonders bevorzugt erhält diese Master-Digitalbaugruppe die entsprechenden Steuerbefehle vom Steuerrechner über das dritte Netzwerk, das Massendatennetzwerk. Ist das dritte Netzwerk beispielsweise mit Hilfe von PCI-Express-Schnittstellen aufgebaut worden, so führt dieser Standard dazu, dass die Digitalbaugruppen ohnehin vom Steuerrechner wie interne Rechnerkomponenten erkannt werden, so dass eine sehr schnelle Übermittlung zu der betreffenden Master-Digitalbaugruppe erfolgen kann. Die Verwendung einer Master-Digitalbaugruppe anstelle einer Verbindung des Steuerbefehlsnetzwerks mit dem Steuerrechner selbst hat den Vorteil, dass auf eine zusätzliche Schnittstelle innerhalb des Steuerrechners für das Steuerbefehlsnetzwerk verzichtet werden kann.
Bei diesem Konzept ist es prinzipiell auch möglich, dass nicht immer dieselbe Digitalbaugruppe als Master-Digitalbaugruppe zur Weiterverteilung der Steuerbefehle über das Steuerbefehlsnetzwerk verwendet wird, sondern dass diese Funktionalität, ggf. auch zeitabhängig oder in Abhängigkeit von bestimmten Steuerbefehlen, wechselt. Prinzipiell können auch gleichzeitig mehrere Digitalbaugruppen als Master-Digitalbaugruppe ausgebildet sein.
Wie bereits oben erläutert, ist das zweite Netzwerk, das Steuerbefehlsnetzwerk, vorzugsweise in Form einer Ringtopologie aufgebaut, d. h. es sind sämtliche Digitalbaugruppen in einem Ring untereinander verbunden. In diesem Netzwerk können dann permanent Datenpakete innerhalb des Netzwerk-Rings durchgereicht werden, wobei die Durchlaufzeit eines Datenpakets durch den gesamten Ring den Zeittakt des Steuerbefehlsnetzwerks bilden kann. Es ist bei dieser Ringtopologie dann sichergestellt, dass ein bestimmter Steuerbefehl, welcher beispielsweise von der Master-Digitalbaugruppe im Ring versendet wird, mit Sicherheit innerhalb des vorgegebenen Zeittakts alle anderen Digitalbaugruppen erreicht hat.
Dabei ist es möglich, an die einzelnen Digitalbaugruppen oder bestimmte Gruppen von Digitalbaugruppen jeweils individuelle Steuerbefehle zu versenden, indem beispielsweise ein Datenpaket verschiedene Datenabschnitte enthält, die in genau definierter Weise im Datenpaket positioniert und/oder kodiert sind, so dass jeweils die Digitalbaugruppe erkennen kann, welcher Steuerbefehl für sie gedacht ist. Ebenso ist es auch möglich, in einem Broadcast-Verfahren an sämtliche Digitalbaugruppen denselben Steuerbefehl zu versenden, der dann von allen Digitalbaugruppen verwendet wird. Weiterhin können auch die einzelnen Digitalbaugruppen selber Steuerinformationen über das Steuerbefehlsnetzwerk versenden, indem sie in genau definierter Weise, beispielsweise in einem bestimmten Abschnitt eines Datenpakets und/oder mit einer genau definierten eindeutigen Kodierung, ihre Daten hinterlegen, die dann von den anzusprechenden anderen Digitalbaugruppen und/oder einem Steuerrechner ausgelesen werden können.
Vorzugsweise umfasst das erste Netzwerk eine im Steuerrechner angeordnete Synchronisationsbaugruppe, welche über das erste Netzwerk in den Digitalbaugruppen angeordnete Synchronisationseinheiten ansteuert. Die Synchronisationsbaugruppe des Steuerrechners kann dann die Signale vorgeben, die über das Synchronisationsnetzwerk an die entsprechenden Synchronisationseinheiten der digitalen Baugruppen verteilt werden. Über das Synchronisationsnetzwerk kann dabei besonders bevorzugt ein von der Synchronisationsbaugruppe erzeugter Systemtakt übertragen werden. Ein solcher Systemtakt kann beispielsweise 10 MHz betragen. Auch bei den bereits im Stand der Technik verwendeten zentralen Anordnungen wird ein solcher Systemtakt genutzt. Sind der Steuerrechner und die Digitalbaugruppen auf denselben Systemtakt synchronisiert, so kann die auch bisher genutzte Elektronik so weiterverwendet werden, als wenn sie noch innerhalb des Steuerrechners angeordnet wäre.
Ganz besonders bevorzugt kann ein Zeittakt des Steuerbefehlsnetzwerks ein ganzzahliges Vielfaches des Systemtakts sein. Dadurch können durch das Steuerbefehlsnetzwerk bedingte Störsignale leichter unterdrückt werden. Zudem kann innerhalb des Steuerbefehlsnetzwerks kein Datenschlupf zwischen der sendenden und der empfangenden Einheit entstehen. Insbesondere ist es auch möglich, dass die Taktrate des Steuerbefehlsnetzwerks genau dem Systemtakt entspricht. Dann können beispielsweise Steuerbefehle innerhalb eines Systemtakts an die verschiedenen Digitalbaugruppen ausgeliefert werden, die während des darauf folgenden Systemtakts gültig sind. Weitere Zeitreferenzen neben dem Systemtakt wären in diesem Fall nicht mehr nötig, da der Systemtakt selber als eine Zeitmarke dient.
Um eine Zeitreferenz zu schaffen, durch die sichergestellt ist, dass die Steuerbefehle auch zum richtigen Zeitpunkt ausgeführt werden, sind verschiedenste Verfahrensvarianten möglich.
Dabei kann zwischen zwei grundsätzlichen Verfahren unterschieden werden.
Bei einem ersten bevorzugten Verfahren wird zusätzlich zu dem Systemtakt eine Zeitmarke zur Markierung eines Referenzzeitpunkts übertragen. Die Übertragung einer solchen Zeitmarke kann in regelmäßigen periodischen Abständen erfolgen. Die genaue Art der Übertragung kann auf unterschiedliche Art realisiert werden. Zum einen kann die Zeitmarke beispielsweise auf den Systemtakt aufmoduliert werden. In diesem Fall ist in der Empfängerbaugruppe ein entsprechender Filter notwendig, um die Zeitmarke wieder aus dem Systemtakt zu demodulieren. Ebenso ist es auch möglich, die Zeitmarke durch eine Amplitudenerhöhung des Systemtakts zu signalisieren. Dies hat den Vorteil, dass die Phase des Systemtakts ungestört bleibt. Um solche Störeinflüsse ganz zu vermeiden, könnte das Synchronisationsnetzwerk auch mehrere parallele Leitungen aufweisen, wobei eine zur Übertragung des Systemtakts und die zweite zur Übertragung der Zeitmarke dient. Gemäß einer weiteren Alternative kann die Zeitmarke auch über das Massendatennetzwerk versendet werden, sofern sichergestellt ist, dass die Zeitmarke die einzelnen Digitalbaugruppen zeitgleich erreicht. Wenn das Steuerbefehlsnetzwerk ebenfalls als Sterntopologie aufgebaut ist, wäre auch eine zeitgleiche Versendung der Zeitmarke über das Steuerbefehlsnetzwerk möglich.
In einem grundsätzlich anderen Verfahren können die Digitalbaugruppen bzw. deren Synchronisationseinheiten sowie die Synchronisationsbaugruppe des Steuerrechners jeweils einen Zeitgeber umfassen, wobei alle Zeitgeber synchronisiert und auf die gleiche Zeit eingestellt werden können. Dadurch wird im gesamten System sozusagen eine globale Zeit festgelegt und die in den Steuerbefehlen enthaltenen Gültigkeitszeitpunkte können anhand dieser Zeit definiert werden. Dabei kann vorzugsweise die Synchronisierung der Zeitgeber über das Synchronisationsnetzwerk und die Einstellung der Zeitgeber auf die gleiche Zeit über das zweite und/oder dritte Netzwerk er folgen. Beispielsweise kann über eines der Netzwerke ein Reset-Signal zum synchronen Neustarten aller Zeitgeber übertragen werden. Die Übertragung der notwendigen Signale kann dabei in gleicher Art wie bei der Übertragung der oben beschriebenen Zeitmarke erfolgen, d. h. beispielsweise durch eine Amplitudenerhöhung des Systemtakts, durch zusätzliche Signalleitungen oder durch Nutzung des Massendatennetzwerks.
Bei einer weiteren Variante ist der Steuerrechner zum Abgleich der Zeitgeber über einen das Netzwerk nutzenden Angleichungsalgorithmus ausgebildet. Bei solchen Angleichungsalgorithmen handelt es sich um konvergente Algorithmen, die dazu führen, dass alle Zeitgeber im System einen identischen Wert annehmen. So kann gemäß einem Beispielalgorithmus zunächst beim Einschalten der Magnetresonanzanlage bzw. der zugehörigen Netzwerke eine Lernphase gestartet werden, in der der Steuerrechner bzw. der Zeitgeber zunächst einen aktuellen Zeitgeberstand an die Digitalbaugruppen versendet. Die Digitalbaugruppen setzen ihre Zeitgeber auf die ankommende Zeit und schicken ihre aktuelle Zeit an den Steuerrechner zurück. Dieser vergleicht die ankommende Zeit mit seiner und ermittelt die Differenz, wonach die Hälfte Differenz auf die aktuelle Zeit des Steuerrechners addiert wird und der erhaltene Wert wieder an die Digitalbaugruppen verschickt wird. Diese setzen wiederum ihre Zeitgeber auf die ankommende Zeit und schicken die aktualisierte Zeit an den Steuerrechner zurück. Der addiert daraufhin die oben ermittelte Differenz und vergleicht diese mit seiner aktuellen Zeit. Sofern immer noch eine Differenz vorliegt, wird wieder die Hälfte der Differenz auf die Zeit addiert und der Wert an die Digitalbaugruppen verschickt. Nach einigen Iterationen sind so alle Zeitgeber synchronisiert und sollten den identischen Wert anzeigen.
Neben den eingangs beschriebenen Komponenten, der Grundmagnetfelderzeugungseinheit, der Gradientenspulen sowie der Hochfrequenzspulenanordnung können in der gleichen Weise auch andere Komponenten der Magnetresonanzanlage wie insbesondere ein Shim-System und/oder ein Überwachungssystem und/oder ein Spuleninterface und/oder die Patiententisch-Steuerung der Magnetresonanzanlage angesteuert werden. Auch weitere Zubehör-Komponenten, die im Rahmen des Betriebs der Magnetresonanzanlage angesteuert oder ausgelesen werden, beispielsweise externe Messgeräte wie EKGs etc., können problemlos in das erfindungsgemäße Steuerungssystem integriert werden, indem diesen Systemen entsprechende Digitalbaugruppen zugeordnet werden, die innerhalb der Netzwerke mit angeschlossen werden.
Besonders bevorzugt ist dabei wenigstens eine Digitalbaugruppe gemeinsam mit zumindest einer darüber angesteuerten Analogbaugruppe in ein externes Arbeitsgerät eingebaut. Dies gilt insbesondere auf der Senderseite für einen Leistungsverstärker, der gemeinsam mit der zugehörigen Sende-Digitalbaugruppe in einem Gerät integriert sein kann, und auf der Empfangsseite für einen für die Magnetresonanzsignal-Akquisition benötigten Signalvorverstärker, der gemeinsam mit der zugehörigen Empfangs-Digitalbaugruppe in einem Gerät integriert sein kann. Eine Kombination in einem Gerät führt zu Kosteneinsparungen, da die Analogbaugruppen ohnehin meist in ausreichend großen Gehäusen untergebracht sind und lediglich noch eine Karte mit der zugehörigen Digitalbaugruppe eingebaut werden müsste.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand eines Ausführungsbeispiels noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Magnetresonanzanlage,
2 eine detailliertere schematische Darstellung des Steuerungssystems der Magnetresonanzanlage gemäß 1 mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten Netzwerk, und
3 eine schematische detailliertere Darstellung des dritten Netzwerks der Magnetresonanzanlage gemäß den 1 und 2.
In 1 ist grob schematisch eine erfindungsgemäße Magnetresonanzanlage 1 dargestellt.
Sie umfasst zum einen den eigentlichen Magnetresonanzscanner 2, in welchem auf einer Patientenliege in einem Untersuchungsraum bzw. Patiententunnel ein Patient P oder Proband während einer Untersuchung gelagert wird. In diesem Magnetresonanzscanner 2 gibt es eine Vielzahl von Komponenten 3, 4, 5, 6, 7, 8, die hier nur schematisch eingezeichnet sind. Diese Komponenten 3, 4, 5, 6, 7, 8 umfassen zum einen eine Grundmagnetfelderzeugungseinheit 3, welche dafür sorgt, dass innerhalb des Patiententunnels ein möglichst homogenes Grundmagnetfeld vorliegt. Weiterhin enthält der Magnetresonanzscanner 2 sogenannte Gradientenspulen 4, mit denen ein Magnetfeldgradient in definierter Weise innerhalb des Patiententunnels angelegt werden kann, sowie eine Hochfrequenzspulenanordnung 5, beispielsweise eine Ganzkörperantenne, über die Hochfrequenzfelder in den Patiententunnel ausgesendet werden können. Weiterhin gehören zu den Komponenten ein Shim-System 6 zur Verbesserung der Homogenität des Grundmagnetfelds, ein Überwachungssystem 7 für allgemeine Überwachungsaufgaben sowie ein Spuleninterface 8, an dem beispielsweise weitere Spulen wie auf den Patienten auflegbare Lokalspulen, Kopfspulen oder dergleichen angeschlossen werden können, um mit diesen Spulen dann Magnetresonanzsignale zu akquirieren.
Es wird an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewiesen, dass ein solcher Magnetresonanzscanner noch eine Vielzahl weiterer Komponenten aufweist oder aufweisen kann, die z. T. in gleicher Weise mit dem Steuerungssystem angesteuert werden können.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist sämtlichen Komponenten jeweils ein Arbeitsgerät 9 zugeordnet.
Daneben sind auch Konstellationen möglich, in denen mehrere Komponenten einem gemeinsamen Arbeitsgerät zugeordnet sind oder mehrere Arbeitsgeräte einer Komponente. Die Arbeitsgeräte 9 enthalten hier verschiedene Einheiten, beispielsweise Steuerungseinheiten, Versorgungseinheiten, Messeinheiten und dergleichen. Insbesondere sind in jedem der Arbeitsgeräte 9 jeweils zumindest eine Digitalbaugruppe 30 und eine dieser Digitalbaugruppe 30 zugeordnete Analogbaugruppe 40 enthalten, welche die zugehörige Komponente 3, 4, 5, 6, 7, 8 im Magnetresonanzscanner 2 gemäß einer vorgegebenen Steuersequenz ansteuern. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist als Beispiel lediglich bei einem der Arbeitsgeräte 9 gezeigt, dass dieses auch mehrere Digitalbaugruppen 30 und Analogbaugruppen 40 aufweisen kann.
Die Arbeitsgeräte 9 können insbesondere auch ganz spezielle weitere Funktionen erfüllen. Beispielsweise können die Analogbaugruppen 40 in den Arbeitsgeräten 9 für die Hochfrequenzspulenanordnung 5 und/oder die Gradientenspulen 4 als geeignete Leistungsverstärker ausgebildet sein. Die Analogbaugruppen 40 in dem Arbeitsgerät 9 für das Spuleninterface 8 können beispielsweise auch als Vorverstärker ausgebildet sein, um Magnetresonanzsignale zu erfassen. Die Verwendung mehrerer Digitalbaugruppen 30 und Analogbaugruppen 40 innerhalb eines Arbeitsgeräts 9 bietet sich – wie in 1 gezeigt – insbesondere bei der Hochfrequenzspulenanordnung 5 an, da diese ja sowohl zum Senden von Hochfrequenzpulsen als auch zum Empfangen von MR-Signalen verwendet werden kann. In diesem Fall könnte das Arbeitsgerät 9 z. B. jeweils eine Digitalbaugruppe 30 und eine zugehörige Analogbaugruppe 40 für den Sendezweig und eine Digitalbaugruppe 30 und eine Analogbaugruppe 40 für den Empfangszweig enthalten.
Weiterhin weist die Magnetresonanzanlage gemäß 1 einen Steuerrechner 10 auf, der beispielsweise die durchzuführende Steuersequenz von einer Bedieneinheit 11 oder einem externen Rechner 12 enthält. Dieser Steuerrechner 10 kann auch mit einem Netzwerk 13 verbunden sein, über das eine durchzuführende Sequenz an den Steuerrechner 10 übermittelt wird. Ebenso können auf der Bedieneinheit 11 oder dem externen Rechner 12 aufgenommene Bilddaten dargestellt werden. Weiterhin können solche Bilddaten auch über das Netzwerk 13 an andere Rechner, beispielsweise Befundungsstationen und/oder an Massenspeicher zur Archivierung versendet werden.
Der Aufbau möglicher Steuerungssequenzen sowie die grundlegende Funktionsweise von Magnetresonanzanlagen 1 sind dem Fachmann bekannt und brauchen daher hier nicht weiter erläutert zu werden. Kernpunkt der Erfindung ist die Kommunikation zwischen dem Steuerrechner 10 und den einzelnen Arbeitsgeräten 9, wobei es wesentlich ist, dass die Digitalbaugruppen 30 extern zu dem Steuerrechner 10 angeordnet und den von ihnen angesteuerten Analogbaugruppen 40 zugeordnet sind. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise sind sie wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 mit den zugehörigen Analogbaugruppen in einem gemeinsamen Arbeitsgerät 9 integriert.
2 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für eine mögliche Kommunikationsarchitektur zwischen dem Steuerrechner 10 und den einzelnen Digitalbaugruppen 30, 30_M .
Demnach sind die Digitalbaugruppen 30, 30_M über drei verschiedene Netzwerke SN, IN und MN untereinander bzw. mit dem Steuerrechner 10 verbunden. Ein erstes Netzwerk ist das Synchronisationsnetzwerk SN, welches sternförmig den Steuerrechner 10 mit den einzelnen Digitalbaugruppen 30, 30_M verbindet. Über ein zweites, ringförmiges isochrones Netzwerk IN, das Steuerbefehlsnetzwerk IN, sind dann die einzelnen Digitalbaugruppen 30, 30_M untereinander verbunden. Zusätzlich sind alle Digitalbaugruppen 30, 30_M noch über ein sternförmiges, drittes Netzwerk, das Massendatennetzwerk MN, mit dem Steuerrechner 10 verbunden. Der genaue Aufbau und die genaue Funktionsweise dieser Netzwerke SN, IN und MN werden nachfolgend erläutert.
Innerhalb des Steuerrechners 10 werden bestimmte Funktionalitäten erfüllt, um die einzelnen Digitalbaugruppen 30, 30_M in der richtigen Weise und zum richtigen Zeitpunkt anzusteuern. Hierzu müssen die einzelnen Digitalbaugruppen 30, 30_M mit verschiedensten Parameterwerten oder umfangreicheren komplexen Daten versorgt werden bzw. es müssen zum geeigneten Zeitpunkt entsprechende Parameter oder Daten von den einzelnen Digitalbaugruppen 30, 30_M abgeholt werden. All diese Parameterwerte und Daten wie beispielsweise Überwachungssignale, Rohdaten, Hüllkurven für Hochfrequenzpulse oder Gradientenpulse, Schaltzeiten zum Auslesen von Hochfrequenzsignalen, Statusdaten, Patientensicherheitssignale etc. werden im Folgenden als „Objekte” 14 bezeichnet. Diese Objekte 14 müssen vom Steuerrechner 10 über die Netzwerke rechtzeitig an die Digitalbaugruppen 30, 30_M gesendet werden, so dass dort entsprechende Objekte 31 auf den passenden Digitalbaugruppen 30, 30_M , in denen sie benötigt werden, hinterlegt und zum genau richtigen Zeitpunkt die damit verbundenen Funktionalitäten ausgeführt werden können. Die Digitalbaugruppen 30, 30_M steuern dann über geeignete Schnittstellen 39, welche hier als einfache Pfeile dargestellt sind, die zugehörigen Analogbaugruppen 40 (siehe 1) an.
Der Steuerrechner 10 weist zur Kommunikation mit den Digitalbaugruppen 30, 30_M eine Kommunikationsschnittstelle 15 auf, die u. a. eine Synchronisationsbaugruppe 16 mit einem Zeitgeber 18 umfasst. Diese Synchronisationsbaugruppe 16 ist über das Synchronisationsnetzwerk SN mit Synchronisationseinheiten 33 in den Digitalbaugruppen 30, 30_M verbunden. Über das Synchronisationsnetzwerk SN wird ein geeigneter Systemtakt von der Synchronisationsbaugruppe 16 vorgegeben. Dieser Systemtakt beträgt beispielsweise 10 MHz. Aufgrund der Sterntopologie des Synchronisationsnetzwerks SN kommt dieser Systemtakt zu den gleichen Zeitpunkten bei den Synchronisationseinheiten 33 der Digitalbaugruppen 30, 30_M an. Die Synchronisationseinheiten 33 sind hier in den Digitalbaugruppen 30, 30_M eingezeichnet. Grundsätzlich kann aber auch vorgesehen sein, dass, falls mehrere Digitalbaugruppen beispielsweise in einem Ar beitsgerät 9 vorhanden sind, das jeweilige Arbeitsgerät 9 nur eine einzige gemeinsame Synchronisationseinheit 33 aufweist. Die Sterntopologie des Synchronisationsnetzwerks SN wird hier durch einen nicht dargestellten Splitter ermöglicht. Dabei können auch mehrere Splitter kaskadiert werden, um größere Netzwerke aufzubauen.
Zur Kommunikationsschnittstelle 15 des Steuerrechners 10 gehört außerdem eine spezielle PCI-Schnittstelle 17, um die einzelnen Digitalbaugruppen 30 über ein Massendatennetzwerk MS mit dem Steuerrechner 10 zu verbinden. Über dieses Massendatennetzwerk MN können komplexe Datenstrukturen mit erheblichen Bandbreitenanforderungen, die meist als Datenarrays vorliegen, vom Steuerungsrechner 10 an die Digitalbaugruppen 30, 30_M gesendet werden und umgekehrt. Beispielsweise können hierüber komplexe Hüllkurven im Sendezweig an die entsprechenden Digitalbaugruppen gesendet werden, welche die Leistungsverstärker für die Aussendung von Hochfrequenzpulsen oder Gradientenpulsen ansteuern, oder es können über diese Schnittstelle 17 von einer Digitalbaugruppe, welche für das Auslesen von empfangenen Magnetresonanzsignalen zuständig ist, die akquirierten Rohdaten übernommen werden.
Der genauere Aufbau und die Funktionsweise dieses Netzwerks MN sind in 3 etwas detaillierter dargestellt. Gezeigt sind hier auf der rechten Seite jeweils die entsprechenden Schnittstellen 34 in den einzelnen Digitalbaugruppen. Die für dieses Netzwerk zuständige Schnittstelle 17 im Steuerrechner 10 umfasst mehrere sog. PCI-Express-Bridges 18, welche jeweils vier Ausgänge aufweisen. Das heißt, an jede PCI-Express-Bridge 18 sind vier entsprechende PCI-Express-Schnittstellen 34 und somit vier verschiedene Digitalbaugruppen angeschlossen.
Die PCI-Express-Schnittstellen 34 auf Seiten der Digitalbaugruppen weisen hier jeweils lokale DMA-Module 35 auf. Mit Hilfe dieser DMA-Module 35 sind die Schnittstellen 34 und somit die jeweiligen Digitalbaugruppen 30, 30_M in der Lage, di rekt über die PCI-Express-Verbindung auf einen hierfür vorgesehenen Speicherbereich innerhalb des Steuerrechners 10 zuzugreifen und Daten abzulegen oder zu übernehmen. In den PCI-Express-Bridges 18 befinden sich für jeden Kanal in üblicher Weise Pufferspeicher 23, die zur Überbrückung der Hauptspeicherverzögerungen dienen.
In Abweichung zu den üblichen PCI-Express-Verbindungen weisen hier sowohl die PCI-Express-Bridges 18 als auch die PCI-Express-Schnittstellen 34 in den einzelnen Digitalbaugruppen optische Transceiver 20, 36 auf, welche jeweils über Lichtleiter 38 miteinander verbunden sind, um auszusendende elektrische Signale in optische Signale umzuwandeln und über den jeweiligen Lichtleiter 38 auszusenden bzw. um über den Lichtleiter 38 ankommende Signale in elektrische Signale zurückwandeln. Auf diese Weise wird hier ein optisches PCI-Express-Netzwerk aufgebaut.
Wie bereits erläutert, wird von einer Mess-Software 22, welche auf einem entsprechenden Prozessor des Steuerrechners 10 realisiert ist, zur Ansteuerung der Magnetresonanzanlage eine bestimmte Steuersequenz generiert. Diese enthält eine Vielzahl von Objekten O_T1, ..., O_TN, O_G1, ..., O_GN, O_R1, ..., O_RN. Von diesen Objekten enthalten einige die wesentlichen Informationen zur Aussendung von Hochfrequenzpulsen wie die Objekte O_T1, ..., O_TN. Beispielsweise kann es sich hierbei um die Hüllkurven handeln. Weitere Objekte O_G1, ..., O_GN sind Objekte für die Ansteuerung der Gradientenspulen und wieder andere Objekte O_R1, ..., O_RN dienen zur Ansteuerung von Ausleseeinheiten, d. h. diese Objekte müssen zu den Digitalbaugruppen gesendet werden, welche die analogen Receivereinheiten zur Vorverstärkung und ersten Verarbeitung der empfangenen Magnetresonanzsignale ansteuern. Alle diese Objekte O_T1, ..., O_TN, O_G1, ..., O_GN, O_R1, ..., O_RN müssen jeweils rechtzeitig zu den richtigen Digitalbaugruppen gesendet werden, die die betreffenden Objekte O_T1, ..., O_TN, O_G1, ..., O_GN, O_R1, ..., O_RN benötigen.
Hierzu weist die Schnittstelle 17 zusätzlich eine Treibersoftware 21 auf, welche ebenfalls auf einem geeigneten Prozessor im Steuerrechner realisiert ist und welche die Objekte den jeweiligen Zielen (im Allgemeinen auch „Targets” genannt) zuordnet. Dies kann beispielsweise erfolgen, indem die verschiedenen Objekte in bestimmten Speicherbereichen in einem Speicher des Steuerrechners 10 hinterlegt werden, die den jeweiligen Targets, d. h. den passenden Digitalbaugruppen, zugeordnet sind. Über die passende PCI-Express-Bridge 18 wird ein Signal an den lokalen DMA 35 der jeweiligen PCI-Express-Schnittstelle 34 der entsprechenden Digitalbaugruppe gesendet, welche dadurch veranlasst wird, die Daten aus dem Speicher auszulesen. Durch die Verbindung über die PCI-Express-Schnittstellen mit DMA-Funktionalität sind also die einzelnen Digitalbaugruppen genauso ansteuerbar wie im Steuerrechner vorhandene interne Komponenten.
In 3 ist beispielhaft ein Fall dargestellt, in dem ein für die Versendung der Hochfrequenzpulse erforderliches Objekt O_TN an eine Schnittstelle 34 gesendet wird, welche hier zu einer Digitalbaugruppe gehört, die die Hochfrequenzsendespulen bzw. deren Analogbaugruppe ansteuert.
Zusätzlich sind, wie in 2 dargestellt, die verschiedenen Digitalbaugruppen 30, 30_M auch noch über ein isochrones Netzwerk IN über entsprechende Schnittstellen 32 in den Digitalbaugruppen 30, 30_M untereinander verbunden. Dieses isochrone Netzwerk IN ist ein Ringnetzwerk, in dem in einem bestimmten Zeittakt, welcher ein ganzzahliges Vielfaches des Systemtakts ist, Datenpakete ringförmig umlaufen. Über dieses isochrone Ringnetzwerk IN können Steuerbefehle bzw. Steuerinformationen unter den einzelnen Digitalbaugruppen 30, 30_M ausgetauscht werden.
Eine der Digitalbaugruppen 30_M ist hierbei eine Master-Digitalbaugruppe 30_M . Soll von dem Steuerrechner 10 ein bestimmter Steuerbefehl an alle Digitalbaugruppen 30, 30_M verteilt werden, so wird dieser Steuerbefehl zunächst über die PCI-Express-Schnittstelle, welche die Master-Digitalbaugruppe 30_M mit dem Steuerrechner 10 verbindet, übermittelt. Die Master-Digitalbaugruppe 30_M leitet diesen Steuerbefehl dann in unveränderter Form, oder gegebenenfalls in einer auf ein anderes Protokoll umgesetzten Form, über das isochrone Netzwerk IN an die anderen Digitalbaugruppen 30 weiter. Über dieses isochrone Netzwerk IN können sich die einzelnen Digitalbaugruppen auch ohne Einwirken des Steuerrechners 10 untereinander verständigen und notwendige Informationen austauschen.
So können über das isochrone Ringnetzwerk IN jeweils an die Sende- und Empfangssysteme, die einen NCO enthalten, rechtzeitig vorher Steuerbefehle bezüglich des NCOs, dessen Parametrisierung und der Zeitpunkt, an dem diese Parametrisierung gestartet werden soll, übergeben werden. Dabei wird darauf geachtet, dass die Steuerbefehle über das isochrone Netzwerk IN so verschickt werden, dass sie in jedem Fall die entsprechende Digitalbaugruppe vor dem Zeitpunkt ihrer Ausführung bzw. ihrer Gültigkeit erreichen. Dies wird durch die Isochronität des Datennetzwerks IN sichergestellt, bei dem in einem Ringdurchlauf grundsätzlich innerhalb eines periodisch wiederkehrenden Zeitintervalls der gesamte Datenaustausch abgeschlossen ist.
Typische Steuerinformationen, die isochron, d. h. innerhalb eines bestimmten Übertragungszeitraums sicher unter bestimmten Digitalbaugruppen, ausgetauscht werden müssen, sind beispielsweise Informationen zum Nachführen der HF-Frequenz bei der Veränderung des Gradientenfeldes. Ungünstigerweise wird nämlich das Grundmagnetfeld durch die Spulen des Gradientensystems etwas verfälscht. Dadurch wird die Resonanzfrequenz leicht verschoben. Daher ist eine Nachführung des Hochfrequenzwerts erforderlich, um Bildartefakte zu vermeiden. Eine solche Nachführung muss gesichert immer innerhalb eines Taktes von ca. 10 μSek. erfolgen. Dies kann vorteilhafterweise bei dem dargestellten Magnetresonanzsystem über das isochrone Netzwerk IN vollständig unter den einzelnen Digitalbaugruppen 30, 30_M erfolgen, ohne dass der Steuerrechner 10 hierdurch belastet wird.
Damit die einzelnen über das isochrone Ringnetzwerk IN ausgetauschten Steuerbefehle oder die über das Massendatennetzwerk MN übergebenen Daten, wie beispielsweise die Hüllkurven, auch zum richtigen Zeitpunkt ausgeführt werden, kann mit den Daten jeweils eine Zeitmarke T übertragen werden. Diese stellt einen Referenzzeitpunkt dar, anhand dessen sich bestimmen lässt, wann die jeweiligen Daten- bzw. Steuerbefehle gültig werden. Die Zeitmarke kann in dem dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich über das Synchronisationsnetzwerk SN übertragen werden, wobei sie entweder dem Systemtakt aufmoduliert werden kann oder durch eine Amplitudenveränderung des Systemtakts kodiert werden kann.
In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel umfassen die Synchronisationsbaugruppe 16 im Steuerrechner 10 und die Synchronisationseinheiten 33 in den Digitalbaugruppen 30, 30_M jeweils einen Zeitgeber 19, 37. Das gesamte System 1 ist so ausgebildet, dass die Zeitgeber 19, 37 miteinander synchronisiert sind und dieselbe Zeit anzeigen. Hierzu können beispielsweise über das Synchronisationsnetzwerk SN ein Reset-Signal und ein Zeitsignal übertragen werden, welche beispielsweise wieder dem Zeittakt wieder aufmoduliert werden. Alternativ können auch über die PCI-Express-Schnittstellen entsprechende Daten übertragen werden. Weisen alle Digitalbaugruppen 30, 30_M und der Steuerrechner 10 synchron und zeitgleich laufende Zeitgeber auf, so können die Zeiten, an denen bestimmte Steuerbefehle bzw. sonstige Steuerdaten wie Hüllkurven oder dergleichen gültig werden, auch anhand einer mit Hilfe der Zeitgeber feststellbaren Zeitangabe definiert werden.
Wie das oben beschriebene Ausführungsbeispiel zeigt, wird mit Hilfe der verschiedenen Netzwerke SN, IN, MN der Steuerungsrechner 10 soweit entlastet, da er letztlich nur noch einen Kommunikationsknoten bildet, der eine vorgegebene Steuerse quenz dekodiert und auf die verschiedenen Einheiten verteilt. Durch das hoch leistungsfähige Massendatennetzwerk, welches insbesondere durch die speziellen optischen PCI-Express-Schnittstellen zur Verfügung gestellt wird, kann dafür gesorgt werden, dass z. B. mittels des DMA-Zugriffs die für die Anregung relevanten Informationen rechtzeitig an die verschiedenen Knoten verteilt werden bzw. die Empfangsinformationen rechtzeitig zurückgeliefert werden, ohne dass überhaupt ein zentraler Prozessor des Steuerungsrechners eingreifen muss. Die erfindungsgemäße Steuerungsarchitektur führt also nicht nur dazu, dass eine leichtere Skalierbarkeit der gesamten Anlage erzielt wird, sondern dass grundsätzlich auch ein Steuerungsrechner 10 verwendet werden kann, der erheblich weniger leistungsfähig sein muss als die bisher verwendeten Steuerungsrechner. Im einfachsten Fall könnte hierfür ein simpler PC genutzt werden. Insbesondere durch das dritte Netzwerk ist die gesamte „Intelligenz” der Magnetresonanzanlage 1 auf eine Vielzahl von untereinander vernetzten, schnell miteinander wechselwirkenden Komponenten, nämlich den Steuerungsrechner und die verschiedenen anschließbaren Digitalbaugruppen verteilt.
Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Aufbauten lediglich um Ausführungsbeispiele handelt und dass das Grundprinzip auch in weiten Bereichen vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein” bzw. „eine” nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit” nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.

Claims

Magnetresonanzanlage (1) mit einer Mehrzahl von Komponenten (3, 4, 5, 6, 7, 8), umfassend eine Grundmagnetfelderzeugungseinheit (3), Gradientenspulen (4) sowie eine Hochfrequenzspulenanordnung (5), welche Komponenten (3, 4, 5, 6, 7, 8) jeweils durch wenigstens eine Digitalbaugruppe (30, 30_M ) und wenigstens eine Analogbaugruppe (40) gemäß einer Steuersequenz ansteuerbar sind, wobei die Analogbaugruppen (40) extern zu einem die Digitalbaugruppen (30, 30_M ) ansteuernden Steuerrechner (10) angeordnet sind, wobei die Digitalbaugruppen (30, 30_M ) extern zum Steuerrechner (10) angeordnet und der oder den darüber angesteuerten Analogbaugruppe(n) (40) zugeordnet sind, und wobei die Digitalbaugruppen (30, 30_M ) zur Kommunikation der Digitalbaugruppen (30, 30_M ) untereinander und/oder mit dem Steuerrechner (10) durch folgende Netzwerke vernetzt sind: – ein synchrones erstes Netzwerk (SN) zur Synchronisierung der Digitalbaugruppen (30, 30_M ), – ein isochrones oder teil-isochrones zweites Netzwerk (IN), gekennzeichnet durch ein drittes Netzwerk (MN), wobei die Digitalbaugruppen (30, 30_M ) über serielle Peripheriekomponenten-Schnittstellen (18, 34) mit dem Steuerrechner (10) verbunden sind und dabei eine Signalübermittlung zwischen der Peripheriekomponenten-Schnittstelle (34) der jeweiligen Digitalbaugruppe (30, 30_M ) und der zugehörigen Peripheriekomponenten-Schnittstelle (18) des Steuerrechners (10) auf optischem Wege erfolgt.
Magnetresonanzanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Peripheriekomponenten-Schnittstellen (18, 34) PCI-Express-Schnittstellen (18, 34) umfassen.
Magnetresonanzanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das synchrone erste Netzwerk (SN) eine Sterntopologie aufweist.
Magnetresonanzanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das isochrone oder teil-isochrones zweite Netzwerk (IN) eine Ringtopologie aufweist.
Magnetresonanzanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Netzwerk (MN) eine Sterntopologie aufweist.
Magnetresonanzanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Netzwerk (IN) die Digitalbaugruppen (30, 30_M ) nicht mit dem Steuerrechner (10) verbindet.
Magnetresonanzanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Digitalbaugruppen (30, 30_M ) als Master-Digitalbaugruppe (30_M ) ausgebildet ist, so dass sie im Betrieb Steuerbefehle über das dritte Netzwerk (MN) vom Steuerrechner (10) erhält und über das zweite Netzwerk (IN) entsprechende Steuerbefehle an die anderen Digitalbaugruppen (30) übermittelt.
Magnetresonanzanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Netzwerk (SN) eine im Steuerrechner (10) angeordnete Synchronisationsbaugruppe (16) umfasst, welche über das erste Netzwerk (SN) in den Digitalbaugruppen (30, 30_M ) angeordnete Synchronisationseinheiten (33) ansteuert.
Magnetresonanzanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Betrieb über das erste Netzwerk (SN) ein von der Synchronisationsbaugruppe (16) erzeugter Systemtakt übertragen wird.
Magnetresonanzanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zeittakt des isochronen oder teil-isochronen zweiten Netzwerks (IN) ein ganzzahliges Vielfaches des Systemtakts ist.
Magnetresonanzanlage nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisationseinheiten (33) und die Synchronisationsbaugruppe (16) einen Zeitgeber (19, 37) umfassen und so ausgebildet sind, dass im Betrieb alle Zeitgeber (19, 37) synchronisiert und auf die gleiche Zeit einstellbar sind.
Magnetresonanzanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Digitalbaugruppe (30) gemeinsam mit wenigstens einer darüber angesteuerten Analogbaugruppe (40) in ein externes Arbeitsgerät (9), insbesondere einen Leistungsverstärker oder einen Signalvorverstärker, eingebaut ist.
Verfahren zum Betrieb einer Magnetresonanzanlage (1), welche einer Mehrzahl von Komponenten (3, 4, 5, 6, 7, 8), umfassend eine Grundmagnetfelderzeugungseinheit (3), Gradientenspulen (4) sowie eine Hochfrequenzspulenanordnung (5), aufweist, wobei die Komponenten (3, 4, 5, 6, 7, 8) mittels eines Steuerrechners (10) jeweils durch wenigstens eine Digitalbaugruppe (30, 30_M ) und wenigstens eine Analogbaugruppe (40) gemäß einer Steuersequenz angesteuert werden, wobei die Analogbaugruppen (40) extern zu dem die Digitalbaugruppen (30, 30_M ) ansteuernden Steuerrechner (10) angeordnet sind, wobei die Digitalbaugruppen (30, 30_M ) extern zum Steuerrechner (10) angeordnet und der oder den darüber angesteuerten Analogbaugruppen (40) zugeordnet sind, und die Ansteuerung der Digitalbaugruppen (30, 30_M ) über verschiedene Netzwerke (SN, IN, MN) erfolgt, wobei – eine Synchronisation der Digitalbaugruppen (30, 30_M ) mittels eines synchronen ersten Netzwerks (SN), – eine Steuerbefehlverteilung an die Digitalbaugruppen (30, 30_M ) unter Nutzung eines isochronen oder teil-isochronen zweiten Netzwerks (IN), dadurch gekennzeichnet, dass eine Massendatenübermittlung zwischen den Digitalbaugruppen (30, 30_M ) und dem Steuerrechner (10) über ein drittes Netzwerk (MN) erfolgt, wobei die Digitalbaugruppen (30, 30_M ) zum Aufbau des dritten Netzwerks (MN) über serielle Peripheriekomponenten-Schnittstellen (18, 34) mit dem Steuerrechner (10) verbunden sind und dabei eine Signalübermittlung zwischen der Peripheriekomponenten-Schnittstelle (34) der jeweiligen Digitalbaugruppe (30, 30_M ) und der zugehörigen Peripheriekomponenten-Schnittstelle (18) des Steuerrechners (10) auf optischem Wege erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalbaugruppen (30, 30_M ) zum Datenaustausch mit dem Steuerrechner über die Peripheriekomponenten-Schnittstellen (18, 34) jeweils direkt auf einen ihnen zugeordneten Speicherbereich des Steuerrechners (10) zugreifen.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass vom Steuerrechner (10) über das dritte Netzwerk (MN) an eine der Digitalbaugruppen (30_M ) als Master-Digitalbaugruppe (30_M ) Steuerbefehle übermittelt werden und von der Master-Digitalbaugruppe (30_M ) über das zweite Netzwerk (IN) entsprechende Steuerbefehle an die anderen Digitalbaugruppen (30) übermittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass über das erste Netzwerk (SN) ein von einer Synchronisationsbaugruppe (16) des Steuerrechners (10) erzeugter Systemtakt übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass über zumindest eines der Netzwerke (SN) eine Zeitmarke zur Markierung eines Referenzzeitpunktes übermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Digitalbaugruppen (30, 30_M ) Synchronisationseinheiten (33) und der Steuerrechner (10) eine Synchronisationsbaugruppe (16) umfassen, welche jeweils einen Zeitgeber (19, 37) aufweisen, und dass alle Zeitgeber (19, 37) synchronisiert und auf die gleiche Zeit eingestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitgeber (19, 37) über das erste Netzwerk (SN) synchronisiert werden und über das zweite und/oder dritte Netzwerk (IN) auf die gleiche Zeit eingestellt werden.