CN1620030A - 在医疗设备的不同组成单元之间传输数据和信号的方法 - Google Patents

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克劳斯·格鲁伯
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Abstract

本发明涉及一种用于在医疗设备(1)、尤其是CT设备的不同组成单元(5，6，7，8，10，11，12，13，14)之间传输数据和信号的方法。在该方法中借助串行多路复用在一个传输导线(20，20a，20b，20c)上共同传输数字化信号以及数字数据，其中，将数字化信号和数字数据组合成单个分组地传输，这些分组的长度选择得这样小，使得可以保持预先给定的信号更新率。利用该方法可以明显减少连线的花费以及将来扩展该医疗设备的花费。

Description

在医疗设备的不同组成单元之间传输数据和信号的方法
技术领域
本发明涉及一种用于在医疗设备、尤其是CT设备的不同组成单元之间传输数据和信号的方法，以及一种在其中实施该方法的医疗设备。
背景技术
医疗设备，尤其是现代CT设备，在各个组成单元之间具有多个连接导线，通过这些连接导线一方面传输控制信号，用于控制该设备的部件，另一方面传输诸如测量数据的数字数据。由于持续不断的发展，CT设备需要一种灵活且可伸缩的结构，它应面向高可靠性和简单实施维护工作的需要，并且还要限制扩展开发的成本。
目前使用的CT设备的结构和其它例如在磁共振断层造影领域的医疗设备一样，都基于标准控制网络(例如控制器域网络CAN)的使用，以较小的速度传输数字数据。此外，还使用了大量的附加连接导线，通过这些导线分别基于自己的协议和自己的特性一般按照模拟的形式传输逻辑信号。通过这些连接导线尤其是传输那些必须在设备运行期间经常和非常快速更新的数据，例如控制信号。但是，这使得大量连接分别具有不同的协议，这些协议加大了将来改善和扩展开发这种设备的难度。
US2003/0214953A1描述了一种用于在医疗设备的不同组成单元之间传输数据和信号的方法，其中在主节点和从节点之间通过网络进行联网。在此，主节点和从节点对应于医疗设备的不同组成单元。为了解决这个技术问题，在该文献中建议在各节点之间采用统一的通信协议用于数据和信号传输。其中建议采用CAN或CAN开放网络。
DE19541441A1公开了一种用于在计算机断层造影设备的旋转部件和静止部件之间传输数据的装置。该装置包括载波产生装置，用于产生相互间具有可匹配的相移角的第一和第二载波信号，该相移角是对从外界获得并施加在该载波产生装置上的控制信号的反应，该装置还包括调制装置，用于接收从外部获得的数据信号，例如图像数据，以便产生具有可选择的相角差的第一和第二调制输出信号。其中，选择该相角差，以避免在旋转运动期间由于耦合器和传输导线之间的误差校正而导致泄漏信号的成像。
H.Taub等人的文献“Principles of Communication System”2.Auflage，Mcgraw-Hill Publishing Company.1986，682-719页，非常概括地给出了通信系统的基本原理，其中还说明了采用时分多路复用技术的可能性。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于在医疗设备的不同组成单元之间传输数据和信号的方法，该方法在没有很大花费的情况下实现了将来后续开发该设备的可伸缩性，并明显减少了所需连接的数量。
在本发明的用于在医疗技术设备的不同组成单元之间传输数据和信号的方法中，在一个传输导线上借助串行多路复用共同传输数字化的模拟和/或逻辑信号以及数字数据。在此，将数字化的模拟和/或逻辑信号以及数字数据组合成单个分组进行传输，这些分组分别包含数字化信号的比特以及数字数据的比特，并且每个分组的关于比特总数的长度选择得如此小，使得可以保持逻辑信号的预定更新率。
利用该解决方案，可以通过一根传输导线(必要时可利用另外一个返回导线进行反向通信，但是该反向通信也可以在同一根传输导线上进行)来传输所有要在各组成单元之间进行交换的信号(尤其是控制信号)和数据。通过借助经过一个或两个高速传输导线的串行多路复用来双向传输数字化形式的模拟和/或逻辑信号以及数字数据，可以在原理上除用于电压供应的导线之外省去所有其它连接导线。这减少了在电信号传导时的电磁相容性的问题，并且由于减少了每个接口所必需的部件的数量而改善了传输的可靠性。通过将物理部件以及用于每个接口的连接的数量减少到最小，还简化了对设备的制造、检验以及维护。如果利用本方法传输所有要在设备中传输的模拟和逻辑信号，则由于需要数字化这些信号还在信号级上在各组成单元之间实现电绝缘。本方法的一个特殊优点在于使用该方法的设备的易扩展性，因为其它信号或数据可以毫无困难地在待传输的分组中实现。
在本方法以及对应设备的优选实施方式中，每个传输所需的组成单元的数据传输和控制装置都实现在一个可编程逻辑组成单元、优选为FPGA(场可编程门阵列)中，该FPGA可以随时通过可编程存储器的软件更新来改变，或与新的要求匹配。通过这种方式可以向所述设备添加新的功能，在该设备中仅须在各组成单元之间交换数字化信号或数据，而不需要安装其它硬件或更换硬件。这也使得在设备交付之后可以在顾客那里以简单方式实施。
该方法还简化了相关设备的结构，并通过避免铺设众多的铜导线和其它电连接元件而减轻了设备的重量。该优点尤其是在CT设备中起着重要作用，在CT设备中通过使用本方法可以明显减轻在旋转支架上的数据和信号传输装置的重量。
在本方法中，通过以短分组长度来进行分组方式的传输，可以将目前经模拟路径传输的信号在传输数字信号的相同传输导线上传输，其中所述短分组长度使得可以保持预定的、设备正常功能所需的信号更新率。优选的，在此这样选择分组长度，使得在采用的传输速度下能以0.25μs或更小范围内的时间间隔来更新信号。其中，优选将传输速度选择为大约1Gbps(每秒千兆比特)或者更大。这种传输速率可以毫无困难地以可在市场上买到的标准SERDES部件(SERDES：串行器和解串行器)实现，利用这些部件可以例如借助8B/10B调制传输数据。对设备各组成单元的每个接口都使用这样的标准部件，可以使维护人员对该设备的所有接口都使用相同的测试工具。
优选的，每个数据分组都具有一个误差检测码，例如里德-所罗门码，以便在接收器端进行误差校正。使用光传输导线解决了电绝缘的问题，并尤其是可以在各组成单元之间不成问题地实现长距离的传输路径。通过光传输导线完全避免了高频射线的辐射问题，该辐射问题出现在通常的电传输导线中。
在本方法的优选实施方式中，将多个相互连续的分组分别组合成一个帧，其中一个帧的相互连续的分组在具有数字数据的相应块中分别代表一个不同的传输信道。通过这种方式，可以例如在分别将5个分组组合成一个帧时用该帧传输5个不同的信道，这些信道可以分配给设备的不同功能。这种实施方式的一个例子可以在随后的实施例中引用。
本发明的医疗设备包括相应的在各组成单元中的数据传输和控制装置，该装置在传输输入信号和数字数据时实施根据本发明的方法。
附图说明
下面借助附图中的实施例详细描述本方法以及对应的医疗设备。其中示出：
图1是CT设备的旋转部件的各组成单元之间的主要连接的例子；
图2是在CT设备的静止部件内的主要连接的例子；
图3是根据现有技术在CT设备中的不同传输导线的例子；
图4是根据本发明在CT设备的两个分系统之间进行传输的例子；
图5是本发明的传输系统的第一例子；
图6是本发明的传输系统的第二例子；
图7是本发明的传输系统的第三例子；
图8是本发明的传输系统的第四例子；
具体实施方式
下面，借助CT设备详细描述本方法，该设备在图1和图2中以示意图示出。
其中，图1示出CT设备的支架2，后者具有旋转部件3和静止部件4。在旋转部件3内可以看见X射线管单元6以及设置在该X射线管单元6对面的测量装置5。X射线管单元6包括X射线管、准直仪、焦点控制装置以及用于阳极旋转的装置。测量装置5包括X射线检测器和对应的分析单元。此外，在支架2的旋转部件3上为该旋转部件和剂量调制设置了主控制器7，并为旋转设置了具有高频发生器和电压源的电压供应器9。各控制信号和/或数据从主控制器7传送到相关的组成单元或者从相关组成单元接收，如在图1中用箭头所示。在旋转部件3上的主控制器7与支架的静态部件4上的主控制器8连接。两个主控制器之间的信号和数据传输可以例如通过对应的汇流环对进行，该汇流环对固定在支架的旋转和静止部件上。
图2又示出CT设备1的支架2，这次CT设备具有可平移的患者卧榻10、图像再现系统12以及分压单元11。在此，静态主控制器8也通过连接导线与相应的组成单元连接，通过连接导线传送或交换控制信号以及数字数据，如用箭头所示。这里各个箭头一般代表多个导线，例如用于控制各分系统的模拟信号导线，以及用于传输数字测量数据的CAN网络连接。
在图3中可以看到在常用的CT设备中在两个分系统之间使用的多个连接导线，这些分系统在以下被称为主分系统13和从分系统14，主分系统13表示主控制器7或8。其中，通过传输导线15传输N和M个不同的、光隔离的逻辑信号，例如enable_xray、xxx_error和xray_on、dose_ok、xxx_error等。传输导线16表示在一个方向传输K个不同的模拟信号、而在另一个方向传输L个不同的模拟信号的电导线。此外，CAN连接17一般用于直接传输数字数据。除了用于诸如230VAC、5VDC、-5VDC、24VDC等不同电压的多个供电导线18之外，附图标记19还表示另外的连线，这些连线在之后扩充CT设备时实现其它信号是必需的。
该多个具有不同连接协议的连接导线在CT设备中不仅出现在主控制器7或8和分系统之一之间，而且出现在各分系统之间，该多个连接导线需要多个传输部件，并且会导致很大的CT设备扩展费用。相反，在使用本方法时，连接导线的数量大大减少，如借助图4所示。在实现本方法时，在主分系统13和从分系统14之间只需要一个或两个传输导线20，以及一个用于230VAC或24VDC的供电导线21。在该例中，在分系统一侧所需的数据传输和控制装置22由公知的具有所属的发送器24和接收器25的SERDES部件23组成。SERDES部件23按照本方法设置的格式发送待传送的信号和数据，或向相关组成单元的对应部件转发所接收的信号和数据。
在本例中，传输在两个方向上都是以1.25Gbps的速度和小数据分组来进行的。该传输利用公知的应用于很多其它公知传输协议中，例如100Mbps以太网、千兆比特以太网、infiniband等中的8B/10B调制进行。8B/10B调制将数据和时钟信号嵌入一个非直流的比特流中，该比特流使接收器实现了利用该时钟进行同步、对各比特进行可靠的解码，以及检测字节边界。
数据分组的格式在本方法中可以任意选择，并与相应的要求匹配。通过将每个有关组成单元中的数据传输和控制装置实施为一个FPGA，可以随时更新和更改所采用的数据格式和传输协议。
下面示出可能的数据格式的一个示例。在两个传输方向上选择相同的数据分组格式。一个数据分组既包含多路复用的数字化信号，也包含可以例如按照字节形式(作为16比特字或32比特字)任意确定的数字数据值。每个数据分组通过一个置于前面的控制码(停顿(Komma)-K28.5)自同步，并携带一个标识以及一个用于误差检测的1字节CRC码。一个这种数据分组的结构在下表中示出：
    字节     主->从     从->主
    0     空闲     空闲
    1     空闲或启动     空闲或启动
    2     类型/子类型     类型/子类型
    3     信号7-0     信号7-0
    4     信号15-8     信号15-8
    5     信号23-16     信号23-16
    6     信号31-25     信号31-25
    7     信号39-33     信号39-33
    8     数据7-0     数据7-0
    9     数据15-8     数据15-8
    10     数据23-16     数据23-16
    11     数据23-16     数据23-16
    12     CRC     CRC
因此，一个数据分组包含12个字节和1个附加的空闲字节，后者也称为Sync或停顿，位于各分组之间，用于在接收器上自动实现字节同步。在此，字节率在1.25Gbps下是125Mbyte/s。因此，在传输时的分组率是每隔104ns 1个分组或9.6M分组/s。
在此，每个分组传送多路复用的数字化信号以及数字数据。其中，数字化信号首先理解为所有迄今为止通过单独导线传输的、尤其是模拟的信号，这些信号可以较快地改变，并由此需要较高的更新率。在本例中，每个这种信号每隔104ns用大约77至150比特周期的等待时间来更新。因此，更新这些信号的最大延迟是224ns(150×0.8ns＝120ns；120ns+104ns＝224ns)。这对CT设备所需的控制信号来说足够了。
在本例中，每隔104ns用一个分组在相关组成单元之间传送一个具有数字数据的32比特块。该具有数字数据的块可以根据传输格式来附加地多路复用，以获得多个虚拟传输信道用于数字数据或也用于数字化的模拟信号。这种多信道传输的例子将在下面详细描述。
在该例中，每8个相互连续的分组组成一个帧。在此，每个分组代表数据传输的一个时隙，在该时隙中传输另一个信道。为此，在这8个数据分组的每一个分组中的各个块的数字数据都代表另一个信道的数据，从而每个信道的数据在分别传输8个数据分组(即一个帧)之后又被更新。如果只需要一个信道的较快的更新率，则当然可以在同一个帧中多次传输该相应信道，例如用每个第二数据分组。下表示出一个具有8个时隙的多信道帧。其中，每隔0.84μs更新每个信道的数据，从而对每个信道给出32比特/μs的有效传输率。
    时隙(分组类型)     数据有效负载主->从     数据有效负载从->主
    0     信道1     信道2
    1     信道2     信道2
    2     信道3     信道3
    3     信道4     信道4
    4     信道5     信道5
    5     信道6     信道6
    6     信道7     信道7
    7     协议信道*     协议信道*
*协议＝存储器访问、CAN报文、TCP/IP帧，...。
在CT设备的情况下，可以例如将各信道用于传输以下数据和信号：
-用于传送高压值、剂量值等等的X射线辐射信道；
-用于传输EKG信号、脉博以及呼吸数据的患者监控信道；
-用于传输患者卧榻位置、支架倾角和旋转速度等等的支架信道；
-虚拟逻辑分析器和调试信道(多路复用的信息)；
-控制信息信道，也就是全部CAN协议；
-用于传输CT系统的实时时钟的信道；
-用于读和写访问65536×16比特虚拟寄存器的存储器信道；
-用于传输校正传输误差的误差检测码的信道。
存储器信道的设置使得可以访问虚拟的16比特地址×16比特的数据空间。对应的协议基于3个分组标识符和一个根据握手原理的数据交换，使得可以在该65536×16比特虚拟寄存器中进行必要的读写过程。这种访问的一个例子在下面两个表中示出，这两个表给出读序列和写序列。
读序列：
方向 分组子类型 数据(低和高16比特字)
服务器->客户机 READ_REQ 寄存器地址+其它信息
服务器<-客户机 ACK 映射地址+寄存器数据
写序列：
方向 分组子类型 数据(低和高16比特字)
服务器->客户机 WRITE_REQ 寄存器地址+寄存器数据
服务器<-客户机 ACK 映射地址或错误码(OK、错误请求...)
一个存储器访问需要2到3个时隙，从而该存储器访问可以根据时隙之间的相移在两个连接方向上在约2到2.5μs内实现。该访问平均明显快于通过CAN进行的访问，后者需要约0.5到1ms来执行一条快命令。
通过与提供存储器信道相同的方式，也可以通过虚拟信道之一进行目前通过CAN网络进行的通信。和在1.25Gbps(每μs32比特)的情况下相同的数据连接的速度使得可以在一个虚拟信道中实现CAN信息(在250kHz的CAN中为33ms内32比特)，从而可以不在主机和从机之间进行分开的、并行的CAN连接。由此，在上述配置中发送CAN信息比在为此特别设置的CAN传输导线(如目前采用的)中快33000倍。
当然，CAN信息也可以与利用每个分组传送的数字化信号块一起传输，从而达到更快的传输。在这种实施方式中，还可以通过现有连接实现其它总线系统，例如JTAG、TCP/IP。
数据传输和控制装置用于实施传输协议、发送和接收以及分布信号和数字数据。在优选实施方式中，数据传输和控制装置在一个可编程FPGA中实现，以便实现对传输协议的轻松再配置或更改。对于再配置可以使用不同的方法。
如果在设备中还存在主机和从分系统之间的一个并行、独立的CAN连接，则通过CAN更新FPGA配置。主机借助CAN向从微控制器传送新的FPGA配置。该新配置存储在本地非易失性存储器中。利用每个PowerUp序列，微控制器对每个FPGA分别加载最新的有效配置。
如果没有独立的CAN可用，例如由于通过已有的连接来传输CAN信息，则可以通过在现有连接上传输特殊信号来更新FPGA配置。但是，这一般需要同时更新参与连接的各组成单元。
实施这种配置更新的优选方法在于，在实施系统时预先给定基本FPGA配置，该基本配置至少支持更新协议。该更新协议与分组格式无关，并且在整个系统寿命期间不会改变。然后在更新过程中，通过由主机经连接传输一个预定的控制码序列，将从分系统设置为配置模式。该从分系统通过返回一个确定的控制码序列确认变换到配置模式。在更新时保证，还通过所有将来的FPGA配置来保持该配置协议。
在从分系统变换到配置模式后，主机不发送常用的分组，而只发送配置数据。在例如通过校验和、CRC等等检查了配置数据的完整性之后，从分系统将新配置存储在闪存中，或本地配置PROM中。在接着断开和接通或一个复位序列之后，就在连接的两端设置好了新配置。
在上述例子中，将具有PLL的8B/10B-SERDES组件用于快速连接，以便同步到用于可靠检测串行比特流的传输时钟上。对于该SERDES组件的实施，优选采用ASIC的解决方案，因为ASIC一般已绑定了一个为这种应用精细调谐的模拟PLL。但是，这种解决方案具有较长的等待时间。因此，还可以采用具有集成SERDES的FPGA，其具有较短的内部等待时间。
对于数据传输和控制装置的实施方式以及传输导线的实施方式给出了不同的可能性，在以下附图5至8四个附图中示例性地示出四种实施方式。
图5示出一个实施方式，其中，每个组成单元中的数据传输和控制装置22部分都实施为一个FPGA26，并与一个借助ASIC实现的SERDES23连接。相关的发送器和接收器构成为光发送器24a和光接收器25a，其中通过光导线20a进行传输。该实施方式减小了电磁干扰，使得可以扩展到最大为2.5Gbps的数据传输率，并由此实现较长的传导路径和电隔离。总之，这种系统对干扰非常不敏感。
由于光发送器和接收器的费用很高，当然也可以采用根据图6的具有发送器和接收器24b/25b的实施方式，该发送器和接收器通过电导线接收和发送。在此，传输通过双扭线或同轴电缆20b进行。在其它部件相同的情况下，该实施方式可以比图5的实施方式更为廉价地实现。
图7示出一个实施方式，其中通过千兆以太网电缆和适配器实现传输。在该实施方式中，其中数据传输和控制装置和前面的实施方式相同都实施为FPGA26，将一个千兆以太网物理适配器27用于数据传输，其中通过一根CAT5电缆20c经公知的RJ45接口进行传输。电隔离按公知方式通过磁部件28实现。该实施方式由于使用常用部件而可以非常廉价地实现。
在几个CT组成单元之间的连接中，需要将多于1个根据本发明的快速连接用于传输。在这种情况下，数据传输和控制装置22或该装置的一部分同样通过实施在一个FPGA26中实现，该FPGA26具有多个包含多个发送器/接收器24/25的、形成SERDES的块，如图8所示。其中，按照公知方式(例如在上述实施例中说明的那样)实现发送器和接收器以及连接导线的实施方式。在此，作为合适的部件，例如可以使用Altera Stratix GX系列、具有24个I/O收发器的Xilinx Virtex-II或具有8个收发器的Lattice ORCA82G5。对于通过千兆以太网电缆的快速连接，可以例如采用Broadcom的BCM5402(双端口)或BCM5421(四端口)收发器。

Claims (19)

1.一种用于在医疗设备(1)、尤其是CT设备的不同组成单元(5，6，7，8，10，11，12，13，14)之间传输数据和信号的方法，该方法借助串行多路复用在一个传输导线(20，20a，20b，20c)上共同传输数字化的模拟和/或逻辑信号以及数字数据，其中，将所述数字化信号和数字数据组合成在一个分组中传输，这些分组分别包含数字化信号的比特和数字数据的比特，并且每个分组关于比特总数的长度选择得这样小，使得能够保持预先给定的信号更新率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述数字化信号和数字数据组合成一个长度的分组，并用一个速度来传输，使得可以按照0.25μs或更低范围内的时间间隔来更新信号。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用至少为1Gbps的速度来传输所述数字化信号和数字数据。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，借助8B/10B调制来传输所述数字化信号和数字数据。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在每个分组中传输一个误差检测码。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，在每个分组中传输一个同步码、一个具有所述数字化信号的块、一个具有所述数字数据的块和一个误差检测码。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，分别将多个分组组合成一个帧，其中在一个帧的每个分组中，具有数字数据的块代表与前面的分组类型不同的传输信道。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述传输信道之一用于访问虚拟存储器。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，将所述传输信道之一用于传输较高的协议，例如CAN或TCP/IP。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述传输双向地在每个方向上以相同的传输协议进行。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其特征在于，作为数据传输和控制装置(22)，采用可编程的逻辑单元、尤其是FPGA(26)，用于发送和接收所述数字化信号和数字数据。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，通过现有的传输导线(20，20a，20b，20c)来更新数据传输和控制装置(22)的组成单元、尤其是FPGA和软件的完整配置。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其特征在于，通过光传输导线(20a)来传输所述数字化信号和数字数据。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其特征在于，采用标准的SERDES部件(23)用于所述传输。
15.一种医疗设备，尤其是CT设备，其中各组成单元(5，6，7，8，10，11，12，13，14)都具有数据传输和控制装置(22)，该装置用于实施根据权利要求1至14中任一项所述的方法，以传输输入的数字化信号和数字数据。
16.根据权利要求15所述的医疗设备，其特征在于，所有组成单元(5，6，7，8，10，11，12，13，14)都具有相同的用于传输的接口。
17.根据权利要求15或16所述的医疗设备，其特征在于，所述数据传输和控制装置(22)在可编程逻辑单元，尤其是FPGA(26)中实现。
18.根据权利要求15至17中任一项所述的医疗设备，其特征在于，所述组成单元(5，6，7，8，10，11，12，13，14)通过传输导线(20a)连接。
19.根据权利要求15至18中任一项所述的医疗设备，其特征在于，所述数据传输和控制装置(22)具有标准的SERDES部件(23)。
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