CN104545981A - 利用缓存简化ct系统的数据传输链路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用缓存简化CT系统的数据传输链路和方法，其包括：射线管，其产生X射线束，经过被检测目标衰减后，照射在探测器上；探测器，用来采集X射线并将其转换为数据信息，传输到图像重建系统；图像重建系统，将探测器传回的数据进行图像重建得到图像作为检测结果；数据传输链路，数据由探测器传输到图像重建系统。发明的数据传输链路由旋转链路和固定链路等多段不同介质的传输路径组成。通过发明技术方案的实施，可以使用5G bps的数据链路，支持需求达到50G bps的系统应用。

Description

利用缓存简化CT系统的数据传输链路和方法

技术领域

本发明涉及CT系统数据采集传输链路及其数据传输方法，具体涉及采用缓存结构简化多层CT系统的数据采集及传输链路。

背景技术

计算机断层扫描系统(Computed Tomography，简称CT系统)是与传统辐射成像完全不同的成像方法。传统的辐射成像是将三维物体投影到二维平面成像，所投影的各层面影像互相重叠，容易相互干扰，从而使得成像图像模糊，还会损失大量的深度信息。

CT系统是通过X线管环绕人体某一层面进行扫描，测得该层面中各点吸收X线的数据，也即X线的衰减系数。然后利用电子计算机的高速运算能力及图像重建原理，求得该层面的横断面和冠状面的图像。CT系统的这种扫描方式及成像原理实际上是把被测物体所要检测的断层孤立出来分立成像，从而避免各个部分的相互干扰和影响，以使所成图像质量高，能够清晰、准确地显示出所检测部位内部的结构关系、物质组成及缺陷状况。图1示出了具有单层探测器的CT系统扫描结构示意图，以下结合图1对CT系统扫描及图像重建具体过程进行分析。

如图1所示，X射线管和探测器对称地配置在待扫描物体的两侧，一层探测器由连续排列的多个探测器点组成，一次采样可以得到相应数量的数据。使X射线管与探测器共同围绕物体进行连续旋转。每旋转一周，360度被分为多个等份，每个等份称为一个采集周期。探测器在每个采集周期内进行一次数据采集，并将采集到的X射线衰减值传输到外部计算机用于图像重建。计算机将旋转一周后采集到的所有数据按图像重建算法进行运算，得到该物体的切片图像，其切片厚度与探测器的厚度相关。

当前CT系统的数据传输链路采用实时传输模式：在与探测器相连的数据采集环节只对数据进行简单处理，然后实时传输给建像计算机。探测器在每个采集周期内采集的数据在下一个采集周期内就全部传输到建像计算机中。图2示出了现有技术中单层CT系统的数据采集和传输链路的结构示意图。结合图2来看，现有技术中CT系统的影像链路主要由X光射线管1、CT探测器2、图像重建系统3和数据传输链路4组成。其中CT探测器2负责数据采集并进行数据传输。

随着CT系统层数由单层、双层发展到目前的上百层，相应CT探测器采集传输的数据量也上百倍地增加。具有多层探测器的CT系统(也即多层CT系统)是指，将探测器的层数由一层增加到多层(一般为2/4/8/16/32/64/128/256层)，这样，旋转一周最多可以得到与探测器层数相等数量的多幅图像。

图3是现有技术中具有多层探测器的CT系统数据扫描采样单元的结构示意图，如图中所示，CT探测器层数为1到N，每层探测器由M个探测器点组成，每个探测器点可形成1个通道，每层1到M个探测器点可形成1至M个通道。N层探测器共形成M xN个通道。其中，N可以为1,2,4,8,16,32,64,128,256等，M一般有上千个。X光射线管1和CT探测器围绕旋转中心旋转一圈进行P个采样周期的采样，每次采样将会得到N层的数据。如此，每圈将得到N x P层的数据。图4显示出N层CT系统传输链路在每个样周期中数据传输顺序流程图。一圈中同一层的P次采样数据可以用来重建出被扫描物体的一个切片图像，所以旋转一圈可以同时得到N层连续的切片图像。

现有技术的上述模式优势在于：其一，数据存储在计算机中，即使系统发生故障，已采集的数据不会丢失，保障了数据的安全性；其二，建像计算机使用得到数据实时进行建像，供医生进行参考，如果未能得到预期的扫描结果(例如因为病人躁动或扫描参数设置不理想)，可以马上中止当前扫描，避免病人受到不必要的照射，保障了数据的有效性。

由于探测器绕物体连续旋转，所以采集的数据无法通过常见电缆连接方式传输，一般需要通过滑环组件进行传输。然而，随着CT系统探测器层数的增加及旋转速度的提升，滑环负载的数据传输速率会急剧增加，在现有的CT系统中滑环负载数据的传输速率已经达到接近50Gbps甚至更高。其技术难度之大和成本之高昂使得滑环的使用严重受限，而能够提供这样高性能滑环的厂家，全世界目前还只有寥寥几家。

此外，其相应的如此海量的数据需要传输到图像重建系统上，其技术难度及成本甚至以几何级数增加。图像重建系统将如此庞大的数据存储在非易失性介质上，其存储速度的需要也同样巨快，即使目前最高端的存储技术，也不得不采取多个并行储存的结构，这样就造成极其成本高昂的弊端，也造成系统复杂度格外高。

发明内容

鉴于现有技术的上述不足，本发明提供一种利用缓存简化CT的数据传输链路系统，其针对现有技术中高端多层CT结构的数据采集和传输应用的需要，通过增加缓冲层来缓存数据从而降低数据传输与带宽之间存在矛盾的瓶颈问题，并且解决了由此带来的图像非实时及数据安全性的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

利用缓存简化CT系统的数据传输链路，包括：射线管，其产生X射线束，经过被检测目标衰减后，照射在探测器上；探测器，用来采集X射线并将其转换为数据信息，传输到图像重建系统；图像重建系统，将探测器传回的数据进行处理，得到图像作为检测结果；数据传输链路，其由旋转链路部分和固定链路部分多段不同介质的传输路径构成；数据缓存器，其用于缓存探测器采集到的数据，所述数据缓存器由多个分布在不同区域的小缓存器组成，包含易失性的动态/静态RAM和/或非易失性的固态存储器。

其中，所述数据缓存器将一次完整扫描所采集的数据部分或全部存储在数据采集系统中，同时将其中一部分有代表性的数据与采集同步，实时传输给图像重建系统；并在扫描结束后或扫描的间隙，再将剩余的数据逐步传给图像重建系统。

进一步地，所述探测器层数为1到N，每层探测器由M个探测器点组成，每个探测器点形成1个通道，每层1到M个探测器点形成1至M个通道，N层探测器共形成M xN个通道，其中，N可以为1,2,4,8,16,32,64,128,256，M一般有上千个。

所述射线管和所述探测器围绕旋转中心旋转一圈进行P个采样周期的采样，每次采样将会得到N层的数据，每圈得到N x P层的数据；将每个采样周期的采样都存贮在数据采集系统的数据缓存器中；同时在下一个采样周期中，把上一个采样周期的采样数据传输出去。

当所述数据缓存器是易失性存储器时，还包括蓄能式供电系统，其在系统出现故障进行重启或供电系统故障时，为易失性数据缓存系统提供持续电能供应；或者预留适当大小的非易失性存储器，用于故障时将扫描数据备份。当所述数据缓存器使用flash或SSD的非易失性存储器时，采取如下措施保障在存储器发生损坏时数据的安全性：

a)对写入数据马上进行读出校验，避免由于电压外部环境因素造成的存储器写入错误；

b)采用ECC校验可以对发生几率最大的单bit错误进行纠正；

c)采用插值或其它的恢复算法，在多bit错误时对数据进行恢复，虽然会造成一定的数据失真，但是仍然足以保证图像质量；

d)根据储存器的写入寿命及实际使用情况，提醒用户进行提前更换储存器或存储单元。

利用缓存简化CT系统的数据传输方式，较佳地，该方式的数据传输流程如下：

步骤11从每个采样周期的数据中平均抽取n层数据进行实时传输，其余数据缓存在采集系统中；

步骤12等到整个扫描过程完成之后，再将缓存在采集系统中的其余数据传输给建像计算机；

在扫描过程中，建像计算机只对抽取出的所述n层数据进行图像重建，并将重建的图像显示出来供操作者参考。

其中，步骤11还包括：根据实际的扫描模式，抽取其中特定的数据传给图像重建系统，使其能够实时重建扫描范围内中心层及边缘层的图像，以使操作者实时观察扫描结果，避免造成无效照射；扫描完成后，有足够的间隙时间，此时可以将扫描中缓存的数据发回给图像重建系统进行完整的图像重建。

步骤12还包括：采取分布式存储方案将数据按采集区域，分别储存在多个存储介质中；再由系统根据需要依次进行读取，并传输给图像重建系统。

将每个采样周期得到数据进行一定的预处理，较佳地，利用缓存简化CT系统的数据传输方式的数据传输流程如下：

步骤21将从第1层到第a-1层的数据对应相加，得到处理后的第1层数据，即：Post1.1(处理后的第1层第1个数据)＝1.1(第1层第1个数据)+2.1(第2层第1个数据)+……+a.1(第a层第1个数据)，Post1.2＝1.2+2.2+……+a.2，……，Post1.N＝1.M+2.M+……+a.M；

步骤22按此方式将其余数据每a层进行相加，得到n层处理后数据；

步骤23再将处理后的数据实时依次传输给建像计算机；

步骤24待扫描结束后，再将未处理的数据依次传输给建像计算机进行重新建像；

其中，在扫描过程中，建像计算机使用实时得到的所述处理后的数据进行图像重建，并将重建出来的图像显示供操作者参考。

本发明的有益效果：

其一，采用数据缓存技术将数据缓存在数据采集系统，可以使用较低速率的物理传输链路，支持高层数大数据量的实时扫描，降低本发明系统对数据传输链路的传输速度需求，减少设计难度降低系统成本，提高系统的稳定性和可靠性；同时还保障了数据的安全性和有效性。

其二，由于数据传输速度降低，同时也降低了图像重建系统的数据存储速度要求，图像重建系统的存储带宽压力也得到了缓解，使得图像重建系统也可以采用速度更低，可靠性更高的存储方案，同时也降低了设计及制作成本。

其三，本发明可以将仅有5G bps的数据链路应用在数据传输需求为50G bps的系统中,极大的降低了系统设计难度，节约了系统设计成本。

附图说明

图1示出了现有技术中具有单层探测器的CT系统的数据采集扫描部分的结构示意图；

图2示出了现有技术中具有单层探测器的CT系统的数据采集和传输链路的结构示意图；

图3示出了现有技术中现有技术中具有多层探测器的CT系统数据扫描采样单元的结构示意图；

图4示出了现有技术中具有N层CT系统传输链路在每个样周期中数据传输顺序流程图

图5示出了根据本发明的具有N层CT系统的数据采集和传输链路的结构示意图；

图6示出了根据本发明的具有N层CT系统的数据采集和传输链路的一个较佳实施例中数据采样和传输顺序流程图；

图7示出了根据本发明的具有N层CT系统的数据采集和传输链路的另一个较佳实施例中数据采样和传输顺序流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明揭示了利用缓存简化CT系统的数据传输链路，包括：射线管1，其产生X射线束，经过被检测目标衰减后，照射在探测器上；探测器2，用来采集X射线并将其转换为数据信息，传输到图像重建系统；图像重建系统3，将探测器传回的数据进行处理，得到图像作为检测结果；数据传输链路4，由旋转链路部分和固定链路部分多段不同介质的传输路径。数据由探测器传输到图像重建系统，一般由多段不同介质的传输路径组成，其中以旋转系统和固定系统间的传输路径设计最为复杂，成本和难度也最高。

与传统CT系统上数据采集和传输模式实时地将采集到的数据传输到图像重建系统不同，本发明采用了用于数据缓存器5，其用于缓存探测器采集到的数据，可以是易失性/非易失性存储器。有多个分布在不同区域的小缓存器组成。如图5所示，该数据缓存器5将一次完整扫描所采集的数据部分或全部存储在采集系统中，同时将其中一部分有代表性的数据与采集同步，实时传输给图像重建系统。在扫描结束后或扫描的间隙，再将剩余的数据逐步传给图像重建系统。同时采用了多种措施，以保障数据的安全性。所述数据缓存器可以是但不限于：易失性的动态/静态RAM，非易失性的固态存储器如Flash/SSD等。

结合图3来说明图5所示的根据本发明的数据采集和传输过程。从图3中可以看出，CT探测器层数为1到N，每层探测器由M个探测器点组成，每个探测器点可形成1个通道，每层1到M个探测器点可形成1至M个通道。N层探测器共形成M x N个通道。其中，N可以为1,2,4,8,16,32,64,128,256等，M一般有上千个。X光射线管1和CT探测器围绕旋转中心旋转一圈进行P个采样周期的采样，每次采样将会得到N层的数据。如此，每圈将得到N x P层的数据。在结合图5来看，本发明的P个采样周期中，每个采样周期的采样都存贮在采集系统的数据缓存器5中；同时在下一个采样周期中，把上一个采样周期的采样数据传输出去。

在一个优选实施例中，优化的数据传输方式具体传输流程如图6所示，

步骤11从每个采样周期的数据中平均抽取n层数据进行实时传输，其余数据缓存在采集系统中；

步骤12等到整个扫描过程完成之后，再将缓存在采集系统中的其余数据传输给建像计算机。

在扫描过程中，建像计算机只对抽取出的所述n层数据进行图像重建，并将重建的图像显示出来供操作者参考。这种方式相当于从扫描的结果中平均进行抽样，用于监控并保障扫描数据的有效性。

上述数据传输流程实施方式的设计中需要考虑如下技术细节：

(1)数据不能实时传输到图像重建系统，致使操作者无法根据实时扫描的图像判断扫描效果，及时中止错误的扫描。所以需要根据实际的扫描模式，抽取其中特定的数据传给图像重建系统，使其能够实时重建扫描范围内中心层及边缘层的图像，确保操作者能够实时观察扫描结果，做出判断。以免造成无效照射。

(2)扫描完成后，有足够的间隙时间，此时可以将扫描中缓存的数据发回给图像重建系统进行完整的图像重建。

(3)考虑实时存储海量扫描数据所需的带宽较大，在考虑当前技术条件和经济性原则下，找不到合适的数据吞吐率能达到如此高的存储介质。所以在具体实施方式的实际设计中采取了分布式存储的方案，将数据按采集区域，分别储存在多个存储介质中。再由系统根据需要依次进行读取，并传输给图像重建系统。

较佳地，如果缓存使用易失性存储器，还包括蓄能式供电系统6，其在系统出现故障进行重启或供电系统故障时，为易失性数据缓存系统提供持续电能供应，以保障数据的安全性。具体地，如果扫描过程中或扫描刚刚结束时系统发生故障，则会造成数据丢失。此时需要备有适当的蓄能式供电设备6以便无缝切换，保障缓存系统的电源供应。同时在数据存储系统中预留备用的数据读取接口，用于系统发生故障时，数据的备份。或者预留适当大小的非易失性存储器，用于故障时将扫描数据备份。备份完成后，可以断开备用电源供电。根据系统的空间及其它方面特点，可以采用聚合物锂电池、大容量电容或UPS，安置旋转或固定系统上。

如果缓存使用了非易失性存储器如flash或SSD，则需采取必要的措施保障在存储器发生损坏时，数据的安全性，包括但不限于以下所列：

a)对写入数据马上进行读出校验，可以避免由于电压等外部环境因素造成的存储器写入错误；

b)采用ECC校验可以对发生几率最大的单bit错误进行纠正；

c)采用插值或其它的恢复算法，可以在多bit错误时对数据进行恢复，虽然会造成一定的数据失真，但是仍然足以保证图像质量；

d)根据储存器的写入寿命及实际使用情况，提醒用户进行提前更换储存器或存储单元。

在另一个优选实施例中，优化的数据传输方式需要将每个采样周期得到数据进行一定的预处理，具体传输流程如图6所示，结合图6说明如下：

步骤21将从第1层到第a-1层的数据对应相加，得到处理后的第1层数据，即：Post1.1(处理后的第1层第1个数据)＝1.1(第1层第1个数据)+2.1(第2层第1个数据)+……+a.1(第a层第1个数据)，Post1.2＝1.2+2.2+……+a.2，……，Post1.M＝1.M+2.M+……+a.M。

步骤22按此方式将其余数据每a层进行相加，得到n层处理后数据。

步骤23再将处理后的数据实时依次传输给建像计算机。

步骤24待扫描结束后，再将未处理的数据依次传输给建像计算机进行重新建像。

扫描过程中，建像计算机使用实时得到的处理后数据进行图像重建，并将重建出来的图像显示供操作者参考。

这种方式相当于将每a层探测器的结果当做一层来建像，得到一个层厚较大的图像结果，做为监控并保障数据的有效性。

以上是对本发明的描述，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和替换，均应落入本发明的权利要求确定的保护范围内。

Claims (10)

1.利用缓存简化CT系统的数据传输链路，包括：射线管，其产生X射线束，经过被检测目标衰减后，照射在探测器上；探测器，用来采集X射线并将其转换为数据信息，传输到图像重建系统；图像重建系统，将探测器传回的数据进行处理，得到图像作为检测结果；其特征在于，还包括：数据传输链路，其由旋转链路部分和固定链路部分多段不同介质的传输路径构成；数据缓存器，其用于缓存探测器采集到的数据，所述数据缓存器由多个分布在不同区域的小缓存器组成，包含易失性的动态/静态RAM和/或非易失性的固态存储器。

2.根据权利要求1所述的利用缓存简化CT系统的数据传输链路，其特征在于，所述数据缓存器将一次完整扫描所采集的数据部分或全部存储在数据采集系统中，同时将其中一部分有代表性的数据与采集同步，实时传输给图像重建系统；并在扫描结束后或扫描的间隙，再将剩余的数据逐步传给图像重建系统。

3.根据权利要求1或2所述的利用缓存简化CT系统的数据传输链路，其特征在于，所述探测器层数为1到N，每层探测器由M个探测器点组成，每个探测器点形成1个通道，每层1到M个探测器点形成1至M个通道，N层探测器共形成M x N个通道，其中，N可以为1,2,4,8,16,32,64,128,256，M一般有上千个。

4.根据权利要求3所述的利用缓存简化CT系统的数据传输链路，其特征在于，所述射线管和所述探测器围绕旋转中心旋转一圈进行P个采样周期的采样，每次采样将会得到N层的数据，每圈得到N x P层的数据；将每个采样周期的采样都存贮在数据采集系统的数据缓存器中；同时在下一个采样周期中，把上一个采样周期的采样数据传输出去。

5.根据权利要求1所述的利用缓存简化CT系统的数据传输链路，其特征在于，当所述数据缓存器是易失性存储器时，还包括蓄能式供电系统，其在系统出现故障进行重启或供电系统故障时，为易失性数据缓存系统提供持续电能供应；或者预留适当大小的非易失性存储器，用于故障时将扫描数据备份。

6.根据权利要求1所述的利用缓存简化CT系统的数据传输链路，其特征在于，当所述数据缓存器使用flash或SSD的非易失性存储器时，采取如下措施保障在存储器发生损坏时数据的安全性：

a)对写入数据马上进行读出校验，避免由于电压外部环境因素造成的存储器写入错误；

b)采用ECC校验可以对发生几率最大的单bit错误进行纠正；

c)采用插值或其它的恢复算法，在多bit错误时对数据进行恢复，虽然会造成一定的数据失真，但是仍然足以保证图像质量；

d)根据储存器的写入寿命及实际使用情况，提醒用户进行提前更换储存器或存储单元。

7.利用缓存简化CT系统的数据传输方式，其特征在于，数据传输流程如下：

步骤11从每个采样周期的数据中平均抽取n层数据进行实时传输，其余数据缓存在采集系统中；

步骤12等到整个扫描过程完成之后，再将缓存在采集系统中的其余数据传输给建像计算机；

在扫描过程中，建像计算机只对抽取出的所述n层数据进行图像重建，并将重建的图像显示出来供操作者参考。

8.根据权利要求7所述的利用缓存简化CT系统的数据传输方式，其特征在于，步骤11还包括：根据实际的扫描模式，抽取其中特定的数据传给图像重建系统，使其能够实时重建扫描范围内中心层及边缘层的图像，以使操作者实时观察扫描结果，避免造成无效照射；扫描完成后，有足够的间隙时间，此时可以将扫描中缓存的数据发回给图像重建系统进行完整的图像重建。

9.根据权利要求7所述的利用缓存简化CT系统的数据传输方式，其特征在于，步骤12还包括：采取分布式存储方案将数据按采集区域，分别储存在多个存储介质中；再由系统根据需要依次进行读取，并传输给图像重建系统。

10.利用缓存简化CT系统的数据传输方式，其特征在于，将每个采样周期得到数据进行一定的预处理，数据传输流程如下：

步骤21将从第1层到第a-1层的数据对应相加，得到处理后的第1层数据，即：Post1.1(处理后的第1层第1个数据)＝1.1(第1层第1个数据)+2.1(第2层第1个数据)+……+a.1(第a层第1个数据)，Post1.2＝1.2+2.2+……+a.2，……，Post1.N＝1.M+2.M+……+a.M；

步骤22按此方式将其余数据每a层进行相加，得到n层处理后数据；

步骤23再将处理后的数据实时依次传输给建像计算机；

步骤24待扫描结束后，再将未处理的数据依次传输给建像计算机进行重新建像；

其中，在扫描过程中，建像计算机使用实时得到的所述处理后的数据进行图像重建，并将重建出来的图像显示供操作者参考。