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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Signalübertragungseinrichtung zur Übertragung
von Signalen zwischen zwei relativ zueinander bewegten Elementen,
insbesondere zur Übertragung
von Mess- und/oder Steuerdaten zwischen einem rotierenden Teil und
einem stationären
Teil eines Computertomographen, bei der auf einem ersten der beiden Elemente
eine Sendeeinrichtung mit einer HF-Streifenleitung, auf der die
Signale geführt
werden, und auf einem zweiten der beiden Elemente eine Empfangseinrichtung
mit einer Abtasteinheit befestigt ist, wobei die Streifenleitung
und die Abtasteinheit so auf den ersten und zweiten Element angeordnet
sind, dass sich die Abtasteinheit zumindest während eines Bewegungsabschnittes
der Relativbewegung der beiden Elemente entlang eines Längsabschnittes
der Streifenleitung bewegt.
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In
vielen Bereichen der Technik sind heutzutage große Datenmengen zwischen in
geringem Abstand relativ zueinander bewegten Elementen, beispielsweise
zwischen einzelnen Geräteteilen
einer Messeinrichtung, zu übertragen.
Die Daten werden dabei in der Regel mit einem bewegten Geräteteil erfasst
und müssen
noch während
der Datenerfassung an eine Auswerteeinrichtung an einem stationären Geräteteil übertragen
werden. Ein konkretes Beispiel für
eine derartige Anwendung stellt die medizinische Bildgebung und
hierbei insbesondere die Computertomographie dar, bei der von einem
rotierenden Teil der so genannten Gantry während der Rotation eine große Menge
an Messdaten in Echtzeit an den stationären Teil der Gantry übertragen
werden muss. Die verfügbare Übertragungsrate
stellt ein wichtiges Kriterium für
die in Echtzeit übertragbare
Datenmenge dar.
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Bisher
sind unterschiedliche Techniken zur Signalübertragung zwischen zwei in
geringem Abstand relativ zueinander bewegten Elementen bekannt,
die sich im Bereich der Computertomographie einsetzen lassen. Bei
der bisher kostengünstigsten und
zuverlässigsten
Lösung
erfolgt die Übertragung der
Signale durch kapazitive Kopplung von einem am rotierenden Teil
befestigten Sender auf eine am stationären Teil angeordnete Antenne.
So beschreibt die
DE
100 07 601 A1 eine Einrichtung zur Datenübertragung,
bei der als Sender ein Hohlleiter eingesetzt wird. Für die Datenübertragung
werden die Daten auf ein Trägersignal
aufmoduliert und in den Hohlleiter eingekoppelt. Eine in geometrisch
bestimmter Weise relativ zu dem Hohlleiter angeordnete Antenne empfängt das
Trägersignal
berührungslos,
so dass nach einer Demodulation des Trägersignals die Daten am stationären Teil
zur Verfügung
stehen. In der dargestellten Anwendung ist der Hohlleiter entlang
des Umfanges des C-Bogens eines C-Bogen-Röntgengerätes und die Antenne an der
Lagerung dieses C-Bogens befestigt.
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Die
gattungsbildende Druckschrift
US 5 140 696 A beschreibt eine Einrichtung
zur Signalübertragung
zwischen relativ zueinander bewegten Elementen, insbesondere in
einem Computertomographen, bei der als Sender eine kreisförmige Streifenleitung am
Umfang des rotierenden Teils der Gantry angeordnet und als Empfänger am
stationären
Teil ein kurzer Abschnitt einer Streifenleitung in unmittelbarer Nähe der Sendeleitung
vorgesehen ist. Die Datenübertragung
erfolgt in gleicher Weise wie bei der vorangehend genannten Druckschrift.
Derartige Streifenleitungen werden bei diesen Anwendungen häufig in
PCB-Technik (PCB: Printed Circuit Board) hergestellt.
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Die
vor allem im Bereich der Computertomographie ständig zunehmende Datenmenge
führt jedoch
bei dieser Übertragungstechnik
in absehbarer Zukunft zu Problemen. Moderne Mehrschicht-Computertomographen
erzeugen bereits Datenraten von vielen Gigabit pro Sekunde (Gbps).
Durch den Anstieg der Datenrate sinkt die physikalische Bitlänge. Die
Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle in einer Streifenleitung
ist gerin ger als die Geschwindigkeit in Luft, so dass die Bitlänge in der
Streifenleitung noch kürzer
ist. Während
die Empfangsantenne in bestehenden Systemen im Bereich von 6 bis
22 cm Länge
aufweist, muss sie bei Datenübertragungsraten
von 10 Gbps bereits kürzer
als 2 cm ausgebildet sein. Dies reduziert die Kopplungskapazität und damit
das Signal-Rausch-Verhältnis,
so dass das Übertragungssystem
empfindlicher auf externe Interferenzen reagiert.
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Neben
dieser kapazitiven Übertragungstechnik
sind auch einzelne Lösungen
für eine
optische Übertragung
der Signale zwischen den beiden relativ zueinander bewegten Elementen
bekannt. So zeigt beispielsweise die
US 5 535 033 A eine Signalübertragungseinrichtung, bei
der am rotierenden Teil eines Computertomographen ein Ring aus einem
optischen Wellenleiter als Teil einer Sendeeinrichtung befestigt
ist, der das eingekoppelte Licht auch senkrecht zu seiner Längsachse
abstrahlt. Die zu übermittelnden
Daten werden in diesen Ring durch Modulation einer Lichtquelle eingekoppelt
und am stationären
Teil über
einen optoelektronischen Detektor empfangen. Durch die ringförmige Ausbildung
der Sendeeinrichtung ist auch hier während nahezu jeder Rotationsphase
ein Empfang der Daten durch den Empfänger möglich. Optische Datenübertragungstechniken,
bei denen das Signal in einer Lichtleitfaser geführt wird, sind jedoch aufgrund
von Selbstphasenmodulation und Gruppengeschwindigkeitsdispersion in
der Faser ebenfalls in der erreichbaren Übertragungsrate beschränkt.
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Die
DE 102 40 228 A1 offenbart
eine Vorrichtung zur optischen Signalübertragung zwischen zwei gegeneinander
beweglichen Einheiten, bei der Licht mittels eines optischen Senders über ein
Licht leitendes Medium, bspw. einen Lichtwellenleiter, an einen Empfänger gesendet
wird. Das Licht leitende Medium besteht bspw. aus einem elektrooptischen
Material, so dass die optischen Eigenschaften dieses Materials über elektrische
oder elektromagnetische Felder beeinflusst werden können. Zur
Modulation des übertragenen
Lichtes wird eine Sonde eingesetzt, durch die das zu übertragende
Signal auf die durch den Lichtwellenleiter propagierende Lichtwelle
aufmoduliert wird. Eine ähnlich
aufgebaute Signalübertragungseinrichtung
ist auch in der
DE
103 10 801 A1 offenbart.
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Die
DE 41 37 032 A1 befasst
sich mit einer Einrichtung zur optischen Datenübertragung, bei der der Sender
einen geringen Energiebedarf aufweisen soll, um einen Einsatz in
einem mobilen Gerät
zu ermöglichen.
Bei dieser Druckschrift geht es somit nicht um eine Übertragung
von Signalen zwischen zwei relativ zueinander bewegten Elementen
mit einer sehr hohen Datenübertragungsrate.
Zur Verringerung des Energiebedarfs wird der Sender als Retroreflektor
für vom
Empfänger
ausgesandte Lichtstrahlen ausgebildet, wobei an dem Retroreflektor
ein optischer Modulator für
die Signalübertragung
gekoppelt ist.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung
zur Übertragung
von Signalen zwischen zwei relativ zueinander bewegten Elementen
anzugeben, die eine Datenübertragung mit
einer Datenrate im Bereich ≥ 10
Gbps ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird mit der Signalübertragungseinrichtung
gemäß dem Patentanspruch
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Signalübertragungseinrichtung sind
Gegenstände
der Unteransprüche
oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Die
vorgeschlagene Signalübertragungseinrichtung
zur Übertragung
von Signalen zwischen zwei relativ zueinander bewegten Elementen,
insbesondere zur Übertragung
von Mess- und/oder Steuerdaten zwischen einem rotierenden Teil und
einem stationären
Teil eines Computertomographen, weist in bekannterWeise auf dem
ersten der beiden Elemente eine Sendeeinrichtung mit einer HF-Streifenleitung,
auf der die Signale geführt
werden, und auf dem zweiten der beiden Elemente eine Empfangseinrichtung
mit einer Abtasteinheit auf. Die Streifenleitung und die Abtasteinheit
sind dabei so auf dem ersten und zweiten Element angeordnet, dass
sich die Abtasteinheit zumindest während eines Bewegungsabschnittes
der Relativbewegung der beiden Elemente entlang eines Längsabschnittes
der Streifenleitung bewegt. Die vorgeschlagene Signalübertragungseinrichtung
zeichnet sich zum einen dadurch aus, dass sich die Streifenleitung
aus einer dielektrischen Schicht mit elektrooptischen Eigenschaften
zwischen zwei Streifen bzw. Schichten aus einem elektrisch leitenden
Material zusammensetzt. Zum anderen umfasst die Abtasteinheit zumindest eine
Lichtquelle, vorzugsweise einen Laser, und einen optoelektronischen
Detektor und ist so ausgebildet, dass während der Bewegung der Abtasteinheit entlang
des Längsabschnittes
der Streifenleitung der Lichtstrahl der Lichtquelle auf die dielektrische Schicht
der Streifenleitung gerichtet ist und durch Erfassen von reflektierten
oder transmittierten oder gebeugten Strahlanteilen mit dem optoelektronischen Detektor
eine lokale zeitliche Änderung
optischer Eigenschaften der dielektrischen Schicht der Streifenleitung,
insbesondere einer Mikrostrip-Leitung, erfasst wird.
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Bei
dem zugehörigen
Verfahren zur Übertragung
der Signale werden diese in die Streifenleitung auf dem ersten Element
eingespeist. Dies erfolgt durch geeignete Modulation eines HF-Trägersignals, wie
dies auch aus dem in der Beschreibungseinleitung genannten Stand
der Technik zur kapazitiven Kopplung bekannt ist. Da die dielektrische
Schicht der Streifenleitung elektro-optische Eigenschaften aufweist,
werden die optischen Eigenschaften dieser Schicht durch die über die
Streifenleitung laufenden Signale bzw. durch deren elektrisches
Feld örtlich und
zeitlich moduliert. Die durch die Signale in der dielektrischen
Schicht induzierten lokalen zeitlichen Änderungen der optischen Eigenschaften
werden mit einem Lichtstrahl, vorzugsweise einem Laserstrahl, der
Abtasteinheit zumindest während
eines Bewegungsabschnittes der Relativbewegung der beiden Elemente,
vorzugsweise während
der gesamten Bewegung, abgetastet. Je nach induzierten optischen Änderungen
wird hierbei der durch die Schicht transmittierte, in der Schicht
reflektierte oder durch die Schicht gebeugte Lichtstrahl für die Erfassung
der Änderungen
der optischen Eigenschaften genutzt. Durch Umsetzung der erfassten Änderungen
mittels eines optoelektronischen Detektors werden die übertragenen
Signale bzw. Daten als elektrische Signal- bzw. Datenfolge wiedergewonnen.
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Bei
der vorliegenden Signalübertragungseinrichtung
sowie dem zugehörigen
Verfahren werden damit in gleicher Weise wie bei der in der Beschreibungseinleitung
erläuterten
kapazitiven Technik zunächst
die zu übertragenden
Signale in eine Streifenleitung eingekoppelt. Hierbei wird allerdings
eine Streifenleitung mit einem besonderen Material der dielektrischen
Schicht, das elektro-optische Eigenschaften aufweist, eingesetzt.
Weiterhin werden im Gegensatz zur Technik der kapazitiven Kopplung
die über
die Streifenleitung laufenden Signale nicht mit einer Antenne empfangen,
sondern mit einem Licht strahl abgetastet bzw. ausgelesen, der auf
die dielektrische Schicht der Streifenleitung gerichtet ist. Durch den
Lichtstrahl werden Änderungen
der optischen Eigenschaften in der dielektrischen Schicht sichtbar gemacht,
die aufgrund der elektro-optischen Eigenschaften der Schicht durch
die in der Amplitude modulierten elektrischen Felder der über die
Streifenleitung laufenden Signale in der Schicht induziert werden.
Das Auslesen dieser Änderungen
erfolgt in Verbindung mit zumindest einem optoelektronischen Detektor,
auf den transmittierte, reflektierte oder gebeugte Strahlanteile
des Lichtstrahls treffen. Das über
die Streifenleitung laufende Bitmuster kann auf diese Weise berührungslos
ausgelesen werden.
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Im
Folgenden werden einzelne Ausgestaltungen der Erfindung mit einem
Laser als Lichtquelle erläutert.
Selbstverständlich
können
jedoch je nach Anforderungen an die Strahleigenschaften und die Übertragungsrate
auch andere Lichtquellen, beispielsweise Leuchtdioden, zum Einsatz
kommen.
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Da
sich bei dem Verfahren unterschiedliche elektro-optische Effekte
nutzen lassen, können
sich auch unterschiedliche Anordnungen von Lichtquelle und Detektor
ergeben, die in den Ausführungsbeispielen
näher erläutert sind.
Dies betrifft auch den Strahlengang des Lichtstrahls quer zur Längserstreckung
der Streifenleitung. Dieser Strahlengang kann je nach ausgenutztem
elektro-optischen Effekt, der sich aus der Wahl des Materials und
des Aufbaus der dielektrischen Schicht ergibt, durch ein oder beide Streifen
aus dem elektrisch leitfähigen
Material oder auch zwischen diesen Streifen hindurch verlaufen. Im
ersten Fall wird dabei zumindest einer der Streifen aus elektrisch
leitfähigem
Material aus einem für
den Lichtstrahl transparenten Material, wie beispielsweise einem
transparenten, elektrisch leitfähigen
Oxid (TCO), gebildet. Derartige transparente, elektrisch leitfähige Oxide
sind beispielsweise die Oxide von Zinn, Indium, Cadmium, Gallium,
Kupfer oder Zink, wie sie aus dem Bereich der Flüssigkristallanzeigen, Solarzellen
und thermisch isolierenden Glä ser
für Fensterflächen bereits
bekannt sind. Vorzugsweise bestehen beide elektrisch leitfähigen Streifen
der Streifenleitung aus einem derartigen Material.
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Selbstverständlich wird
das Material der dielektrischen Schicht des Streifenleiters bei
der vorgeschlagenen Signalübertragungseinrichtung
und dem zugehörigen
Verfahren hinsichtlich seiner elektro-optischen Eigenschaften so
gewählt,
dass die durch die eingekoppelten Signale in der Schicht induzierten Änderungen
der optischen Eigenschaften mit der Abtasteinrichtung, d. h. der
Lichtquelle und dem optischen Detektor, erfassbar sind. Als elektro-optische Materialien
können
dabei beispielsweise in ein Polymer dispergierte Flüssigkristalle
oder polymere oder ferro-elektrische Materialien mit nichtlinearen
optischen Effekten eingesetzt werden. Beispiele für die letztgenannten
Materialien sind ADP (NH4H2PO4), KDP (KH2PO4), LiNBO3, LiTaO3 oder CdTe. Auch ein Aufbau der dielektrischen
Schicht aus unterschiedlichen Teilschichten elektro-optischer Materialien,
um dadurch ein elektrisch induziertes Bragg-Gitter zu erzeugen,
ist gemäß einer
Ausgestaltung der vorliegenden Einrichtung sowie des zugehörigen Verfahrens
vorgesehen.
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Grundsätzlich lässt sich
die vorliegende Signalübertragungseinrichtung
für unterschiedliche
Bewegungsformen der relativ zueinander bewegten Elemente einsetzen.
So kann bei einer geradlinigen Bewegung die Streifenleitung geradlinig
am stationären
oder bewegten Teil verlaufen, so dass sie über einen möglichst großen Abschnitt der Bewegung
ausreichend nahe an der Abtasteinrichtung vorbeigeführt wird.
Bei einer Rotationsbewegung des bewegten Elementes verläuft die
Streifenleitung zumindest abschnittsweise vorzugsweise auf einer
Kreisbahn um das Rotationszentrum. Selbstverständlich können sich bei der Relativbewegung
auch beide Elemente bewegen. Eine Signalübertragung ist nur in dem Abschnitt
der Relativbewegung möglich,
in dem der Licht- bzw. Laserstrahl der Abtasteinrichtung auf die dielektrische
Schicht der Streifenleitung trifft. In den restlichen Abschnitten
der Bewegung ist die Datenübertragung
unterbrochen. Eine unterbrechungsfreie Datenübertragung kann beispielsweise
dadurch realisiert werden, dass sich die Streifenleitung über den gesamten
Streckenabschnitt der Relativbewegung erstreckt oder dass mehrere
Streifenleitungen geeignet versetzt zueinander angeordnet werden,
um zu jedem Zeitpunkt der Bewegung eine entsprechende Abtastmöglichkeit
durch den Laserstrahl zu schaffen, wobei auch mehrere Abtasteinheiten
vorgesehen sein können.
Die ein oder mehreren Streifenleitungen der vorliegenden Sendeeinrichtung
sind an ihrem dem Einkoppelpunkt der Signale gegenüberliegenden
Ende mit einer Impedanz abgeschlossen, um Reflexionen der Signale
an diesem Ende zu vermeiden.
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Die
vorliegende Signalübertragungseinrichtung
sowie das zugehörige
Verfahren ermöglichen eine
zumindest nahezu kontinuierliche Signal- bzw. Messdatenübertragung
mit einer Übertragungsrate, die
den bekannten Lösungen überlegen
ist. Beim Einsatz in einem Computertomographen ist die Streifenleitung
vorzugsweise am rotierenden Teil der Gantry befestigt, um eine Übertragung
der Messdaten an den stationären
Teil der Gantry zu ermöglichen.
Selbstverständlich
lässt sich
auch eine Sendeeinrichtung mit zumindest einer Streifenleitung am stationären Teil
anordnen, um eine Übertragung
von Steuerdaten an den rotierenden Teil zu ermöglichen, der dann eine entsprechende
Abtasteinrichtung trägt. Durch
den Einsatz eines Halbleiterlasers lässt sich die gesamte Abtasteinrichtung
sehr gewichts- und raumsparend ausbilden.
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Weiterhin
ermöglicht
die vorliegende Signalübertragungseinrichtung
den Einsatz mehrerer nebeneinander liegender Streifenleitungen für die parallele Übertragung
von Signalen. Diese nebeneinander verlaufenden Streifenleitungen
werden dann mit unterschiedlichen Laserstrahlen mit der Abtasteinrichtung
simultan abgetastet. Die Breite der Streifenleitungen bei der vorliegenden
Signalübertragungseinrichtung
sowie dem zugehörigen
Verfahren kann unterhalb von einem Zentime ter, beispielsweise im Bereich
von nur 1 mm, liegen, da sich auch derart schmale Streifenleitungen
mit einem fokussierten Laserstrahl ohne weiteres abtasten lassen.
Dadurch können
mehrere Streifenleitungen mit ausreichendem Abstand (zur Vermeidung
des Übersprechens) nebeneinander
angeordnet werden, um die übertragbare
Datenrate entsprechend zu erhöhen.
Selbst wenn die auf einer Streifenleitung propagierenden Datenbits
aufgrund der hohen Datenraten Längen von
kleiner als 1 cm aufweisen, lassen sich diese Bitsignale mit einem
fokussierten Laserstrahl ebenfalls ohne weiteres abtasten. Auch
die Anforderungen an die Einhaltung eines ausreichend geringen Abstandes
zwischen der Streifenleitung und der Abtasteinrichtung sind deutlich
geringer als bei der bekannten Technik der kapazitiven Kopplung.
Die vorliegende Signalübertragungseinrichtung
ist damit deutlich weniger empfindlich gegenüber mechanischen Toleranzen.
Die Komponenten der Sende- und der Empfangseinrichtung sind galvanisch
isoliert und vollkommen potentialfrei. Daher sind das vorliegende
Verfahren sowie die zugehörige
Einrichtung unempfindlich gegenüber
Gleichtaktstörungen
zwischen dem rotierenden und dem stationären Teil eines Computertomographen
und ebenso gegenüber
externer elektrischer Interferenz.
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Die
vorliegende Signalübertragungseinrichtung
sowie das zugehörige
Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des
durch die Patentansprüche
vorgegebenen Schutzbereichs nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Computertomographen mit dem zugehörigen Signalübertragungssystem;
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2 ein
Beispiel für
eine Signalübertragungseinrichtung
eines Computertomographen gemäß dem Stand
der Technik in schematischer Darstellung;
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3 ein
Beispiel für
den Aufbau der HF-Streifenleitung der Sendeeinrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 zwei
Beispiele für
die Anordnung von Laser und optoelektronischem Detektor der Abtasteinheit
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 ein
Beispiel für
die Abtastung der Streifenleitung gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
6 ein
weiteres Beispiel für
die Abtastung der Streifenleitung gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
7 ein
weiteres Beispiel für
die Abtastung der Streifenleitung gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
8 ein
weiteres Beispiel für
die Abtastung der Streifenleitung gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
9 zwei
weitere Beispiele für
die Abtastung der Streifenleitung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt
in schematisierter Darstellung einen Computertomographen mit einer
Signalübertragungseinrichtung
zur Übertragung
von Messdaten vom rotierenden Teil auf den stationären Teil
der Gantry. Ein Computertomograph umfasst unter anderem eine Röntgenröhre 3,
zeilenförmig
angeordnete Röntgendetektoren 4 und
einen Patientenlagerungstisch 9. Die Röntgenröhre 3 und die Röntgendetektoren 4 sind
am rotierenden Teil 1 einer Gantry angeordnet, der um den
Patientenlagerungstisch 9 bzw. eine parallel zu diesem
verlaufende Untersuchungsachse Z rotiert. Der Patientenlagerungstisch 9 ist
in der Regel relativ zur Gantry entlang der Untersuchungsachse verschiebbar.
Die Röntgenröhre 3 erzeugt
ein in einer Schichtebene senkrecht zur Untersuchungsachse fächerförmig aufgeweitetes
Röntgenstrahlenbündel, das
bei Untersuchungen in der Schichtebene eine Schicht eines Objektes,
beispielsweise eine Körperschicht
eines Patienten, der auf dem Patientenlagerungstisch 9 gelagert
ist, durchdringt und auf die der Röntgenröhre 3 gegenüberliegenden
Röntgendetektoren 4 auftrifft.
Der Winkel, unter dem das Röntgenstrahlbündel die
Körperschicht
des Patienten durchdringt, und gegebenenfalls die Position des Patientenlagerungstisches 9 relativ
zur Gantry verändern
sich während
der Bildaufnahme mit dem Computertomographen kontinuierlich. Während der
Bildaufnahme liefern die Röntgendetektoren 4 daher
eine große
Menge an Messdaten, die zur Rekonstruktion eines zweidimensionalen Schnittbildes
oder eines dreidimensionalen Bildes des Körpers des Patienten ausgewertet
werden müssen.
Diese Auswertung erfolgt in der Regel in einem stationären Rechnersystem 8,
das mit dem Computertomographen verbunden ist. Während der Messdatenerfassung
rotiert der rotierende Teil 1 der Gantry innerhalb des
stationären
Teils 2. Die von den Röntgendetektoren 4 erfassten
Messdaten werden mit einer rotierenden Sendeeinrichtung 5,
die am rotierenden Teil 1 der Gantry befestigt ist, an
eine stationäre
Empfangseinrichtung 6 am stationären Teil 2 des Computertomographen übertragen.
Von der stationären
Empfangseinrichtung 6 werden die Daten dann in der Regel über eine
Kabelverbindung einem Empfänger 7 des
Bildrechners 8 zur Auswertung zugeführt.
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2 zeigt
beispielhaft eine Ausgestaltung einer bekannten Übertragungseinrichtung des
Standes der Technik in schematisierter Darstellung, wie sie bei
zahlreichen Computertomographen zum Einsatz kommt. Bei dieser Datenübertragungseinrichtung
werden die Messdaten durch kapazitive Kopplung vom rotierenden Teil 1 zum
stationären
Teil 2 der Gantry übertragen.
Hierfür
ist am rotierenden Teil 1 eine kreisförmige HF-Streifenleitung 11 als Sendeantenne
befestigt, in die die Messdaten von der Datenquelle 10 eingekoppelt
werden. Die Streifenleitung 11 ist auf der dem Einspeisungspunkt
gegenüberliegenden
Seite durch eine geeignete Impedanz abgeschlossen (Abschluss 12).
Die von der Datenquelle 10 in die Strei fenleitung 11 eingespeisten
Datenbits propagieren in den beiden Ästen der Streifenleitung 11 bis
zum Abschluss 12. Die hierbei gewählte Aufspaltung in zwei sich
gegenläufig
erstreckende Äste ermöglicht eine
kontinuierliche Datenübertragung während der
Rotation der Gantry. Die Pfeile in der Figur zeigen die Ausbreitungsrichtung
der Datensignale in den beiden Ästen
der Streifenleitung 11. Am stationären Teil 2 der Gantry
ist ein kurzer Abschnitt einer HF-Streifenleitung 13 als
Empfangsantenne angeordnet, die Teil der Empfangseinrichtung 6 des
stationären
Teils 2 ist. Bei der Rotation des rotierenden Teils 1 der
Gantry befindet sich die Empfangsantenne (Streifenleitung 13)
in unmittelbarer Nähe
der als Sendeantenne eingesetzten Streifenleitung 11 des rotierenden
Teils 1, so dass die in die Streifenleitung 11 eingekoppelten
Datensignale durch kapazitive Kopplung von der Empfangsantenne empfangen werden.
Diese Art der Datenübertragung
stößt jedoch
bei größeren Datenraten
und der dadurch erforderlichen Verkürzung der Empfangsantenne auf
Probleme, wie dies im einleitenden Teil der vorliegenden Beschreibung
bereits erläutert
wurde.
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Bei
der gemäß der vorliegenden
Erfindung vorgeschlagenen Signalübertragungseinrichtung wird
ebenfalls eine HF-Streifenleitung, insbesondere eine Mikrostrip-Leitung,
als Teil der Sendeeinrichtung eingesetzt. Beim Einsatz in einem
Computertomographen kann diese Streifenleitung in gleicher Weise im
rotierenden Teil 1 der Gantry angeordnet werden, wie dies
in der 2 dargestellt ist. Die Streifenleitung, in die
in gleicher Weise die Datensignale eingekoppelt werden wie bei den
bekannten Systemen mit kapazitiver Kopplung, ist ebenfalls an ihren
dem Einkopplungspunkt gegenüberliegenden
Enden geeignet abgeschlossen, um Reflexionen der Signale an diesen
Enden zu vermeiden.
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3 zeigt
ein Beispiel für
den Aufbau der bei der vorliegenden Erfindung eingesetzten HF-Streifenleitung.
Die Signale, die in Form einzelner Datenbits 44 vorliegen,
werden von der Datenquelle 10 in die Streifenleitung 20 eingekoppelt
und propagieren in der Streifenleitung 20 bis zum gegenüberliegenden
Ende und dem dort vorgesehenen Abschluss 24. Die Ausbreitungsrichtung 40 der
Datenbits 44 bzw. des diese bildenden modulierten elektrischen Feldes
ist mit dem lang gestreckten Pfeil der Figur veranschaulicht. Die
Streifenleitung 20 setzt sich aus zwei dünnen Streifen 25 eines
elektrisch leitfähigen Materials,
beispielsweise Kupfer, zusammen, zwischen denen eine dielektrische
Schicht 26 aus einem Material mit elektro-optischen Eigenschaften
angeordnet ist. In der Figur ist die Wirkung der auf der Streifenleitung 20 propagierenden
Datenbits 44 durch ihre elektrischen Felder 41, 42 auf
die dielektrische Schicht 26 veranschaulicht. Hierbei wird
beispielhaft eine Codierung der Datenbits angenommen, bei der das
elektrische Feld 41 für
ein Datenbit mit dem logischen Wert ”1” in entgegengesetzter Richtung
wie das elektrische Feld 42 eines Datenbits mit dem logischen
Wert ”0” gerichtet
ist. Mit dem Bezugszeichen 43 ist die Länge eines propagierenden Datenbits 44 in
der Streifenleitung angedeutet. Aus der Figur ist ersichtlich, dass
das mit den Datenbits 44 modulierte elektromagnetische
Feld, das sich in der Streifenleitung ausbreitet, bei einer dielektrischen Schicht 26 aus
einem Material mit elektro-optischen Eigenschaften die optischen
Eigenschaften der dielektrischen Schicht beeinflusst, die dem Datenmuster im
Wesentlichen folgen.
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Dieser
physikalische Effekt wird bei der vorliegenden Signalübertragungseinrichtung
sowie dem zugehörigen
Verfahren ausgenutzt, um die auf der Streifenleitung propagierenden
Signale bzw. Datenbits 44 optisch auszulesen. Hierbei wird
am stationären
Teil 2 eine Empfangseinrichtung mit einer Abtasteinheit 21 eingesetzt,
die zumindest einen Laser 22 sowie einen Photodetektor 23 umfasst,
wie dies beispielsweise der 4 zu entnehmen
ist. Das Auslesen der Datenbits über
die lokale zeitliche Änderung
der optischen Eigenschaften der dielektrischen Schicht 26 der
Streifenleitung 20 kann in einer Anordnung erfolgen, wie
sie im linken Teil der 4 zu erkennen ist. Der Laserstrahl
des Lasers 22 durchleuchtet dabei die dielektrische Schicht
der rotierenden Streifenleitung 20, wobei der Photodetektor 23 auf
der dem Laser 22 gegenüberliegenden
Seite der Streifenleitung 20 angeordnet ist. In einer anderen Ausgestaltung,
wie sie im rechten Teil der Figur erkennbar ist, sind sowohl der
Laser 22 als auch der Photodetektor 23 auf der
gleichen Seite der Streifenleitung 20 angeordnet, wobei
der in die dielektrische Schicht eindringende Laserstrahl in Strahlrichtung hinter
der Schicht reflektiert wird, die dielektrische Schicht erneut durchdringt
und dann auf den Photodetektor 23 trifft. Diese Reflexion
kann durch eine Spiegelfläche
hinter der Streifenleitung oder durch Einsatz eines reflektierenden
elektrisch leitfähigen Materials
für den
rückseitigen
Streifen der Streifenleitung realisiert werden. Als Laser kann bei
dieser und auch allen anderen Ausgestaltungen ein Halbleiterlaser
eingesetzt werden, vorzugsweise ein VCSEL (Vertical Cavity Surface
Emiting Laser).
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Die
folgenden Ausführungsbeispiele
zeigen unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten des Lasers sowie
des Photodetektors innerhalb der Abtasteinheit 21 in Abhängigkeit
von unterschiedlichen elektro-optischen Materialien und einem unterschiedlichen
Aufbau der dielektrischen Schicht 26 der Streifenleitung 20.
In diesen Ausführungsbeispielen
wird beispielhaft eine Codierung der Datenbits angenommen, bei der
ein Datenbit mit dem logischen Wert ”1” durch einen Zeitabschnitt
mit einem elektrischen Feld bestimmter Größe (Um = 1) und ein Datenbit
mit dem logischen Wert ”0” durch
einen Zeitabschnitt ohne elektrisches Feld (Um = 0) im Datenstrom
repräsentiert
wird.
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In 5 wird
hierbei ein Material für
die dielektrische Schicht 26 eingesetzt, das sich aus einer Polymermatrix
zusammensetzt, in der Flüssigkristalle 27 dispergiert
sind. Die beiden elektrisch leitfähigen Streifen 25,
zwischen denen die dielektrische Schicht 26 ausgebildet
ist, bestehen in diesem Beispiel aus einem optisch transparenten
Material. Die Figur zeigt hierbei eine Abtasteinheit, bei der der
Laser 22 und der Photodetektor 23 auf gegenüberliegenden
Seiten der Streifenleitung 20 angeordnet sind und der Laserstrahl
die Streifenleitung 20 senkrecht zu ihrer Längserstreckung
und zu den elektrisch leitfähigen
Streifen 25 durchdringt. Liegt nun an der Stelle, an der
der Laserstrahl die dielektrische Schicht 26 durchdringt,
ein elektrisches Feld zwischen den beiden Streifen 25 an,
so richten sich die Flüssigkristalle
an dieser Stelle aus, so dass die Schicht für den Laserstrahl transparent
ist (Um = 1; linke Abbildung). Liegt kein elektrisches Feld an dieser
Stelle an (Um = 0; rechte Abbildung), so ist das Material für den Laserstrahl
nicht transparent. Bei der oben erläuterten Codierung der Datenbits
wird durch die in der Streifenleitung propagierenden Datenbits somit
die Transmission der dielektrischen Schicht für den Laserstrahl zeitlich
geändert.
Die elektro-optischen Eigenschaften dieses dielektrischen Materials bilden
somit die durch die Streifenleitung übertragenen Datenbits auf die
optische Transmission des Materials ab. Die vom Photodetektor 23 erfasste
Modulation der Transmission des Laserstrahls entspricht somit dem über die
Streifenleitung übertragenen
Datenmuster.
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Bei
Einsatz eines derartigen elektro-optischen Materials als dielektrisches
Material 26, bei dem sich die Transmission mit dem anliegenden elektrischen
Feld ändert,
kann auch eine andere Anordnung von Laser 22 und Photodetektor 23 in
der Abtasteinheit gewählt
werden, wie sie in der 6 veranschaulicht ist. Hier
wird der Laserstrahl an dem, in Strahlrichtung gesehen, rückseitigen
elektrisch leitfähigen
Streifen, der als Spiegel 28 für die Laserstrahlung ausgebildet
ist, rückreflektiert,
so dass er die dielektrische Schicht 26 zweifach durchläuft. Durch
einen halbdurchlässigen
Spiegel 32 im Strahlengang des Laserstrahls kann der rücklaufende Strahlanteil
auf den Photodetektor 23 gerichtet werden. Auch mit dieser
Anordnung wird die durch die propagierenden Daten bits modulierte
optische Transmission der dielektrischen Schicht 26 erfasst.
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7 zeigt
eine weitere Möglichkeit
einer Ausgestaltung der Streifenleitung 20 der vorliegenden
Signalübertragungseinrichtung,
bei der die Beugung des Laserstrahls durch ein in der dielektrischen Schicht 26 elektro-optisch
induziertes Bragg-Gitter genutzt wird. Die dielektrische Schicht 26 ist
dabei aus mehreren transversalen, d. h. senkrecht zu den Streifen 25 verlaufenden,
Teilschichten eines nichtlinearen elektro-optischen Materials aufgebaut,
wobei aufeinander folgende Teilschichten jeweils umgekehrte Kristallorientierung
aufweisen und die Dicke der Teilschichten an die Kohärenzlänge der
Laserstrahlung angepasst ist (Phasenanpassung). Als Materialien
für die
Teilschichten können
beispielsweise Lithiumniobat (LiNbO3) oder
andere für
diese Anwendung geeignete ferroelektrische Materialien eingesetzt
werden. Während
ohne Anlegen eines elektrischen Feldes über der dielektrischen Schicht
kein Bragg-Gitter ausgebildet wird, erzeugt ein elektrisches Feld
eines Datenbits mit dem logischen Wert ”1” ein Bragg-Gitter an dieser
Stelle (Um = 1), wie dies in der 7 veranschaulicht
ist. Der an dieser Stelle auf die Schicht auftreffende Laserstrahl
wird dann in unterschiedliche Beugungsordnungen gebeugt. Wird der
Photodetektor 23 an einer Stelle angeordnet, an der die
erste oder eine höhere
Beugungsordnung entsteht, so wird nur dann Laserintensität gemessen,
wenn ein elektrisches Feld gerade an dieser Stelle anliegt. Liegt
kein elektrisches Feld an (Um = 0; vgl. rechter Teil der Figur),
so wird der Laserstrahl nicht gebeugt, so dass kein Strahlanteil
auf den Photodetektor 23 auftrifft.
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Bei
dem Beispiel der 7 wird ausgenutzt, dass das
zwischen den optisch leitfähigen
Streifen 25 der Streifenleitung anliegende und entlang
der Streifenleitung propagierende elektrische Feld den lokalen Brechungsindex
der transversalen Teilschichten entsprechend dem übertragenen
Bitmuster ändert. Auch
in diesem Beispiel sind die elektrisch leitfähigen Streifen 25 aus
transparenten Oxiden gebildet. Ein Datenbit mit dem logischen Wert ”1” erzeugt
ein elektrisches Feld, durch das eine momentane Gitterstruktur in
der dielektrischen Schicht 26 gebildet wird, die mehrere
Beugungsordnungen gemäß der Laue-Gleichung:
sinθm = m·λ/d erzeugt,
wobei θ dem
Beugungswinkel, λ der
kohärenten
Wellenlänge
des Lasers und d der Gitterkonstante entsprechen und m = 0, 1, ... ≤ d/λ ist. Zur
Verbesserung der Richtungsselektivität des eingesetzten Photodetektors 23 kann ein
zusätzlicher
Kollimator 29, beispielsweise in Form einer Blende, eingesetzt
werden, durch den im Photodetektor Interferenzen mit zufälligen Lichtreflexionen
vermieden werden. Ein Datenbit mit dem logischen Wert ”0” erzeugt
kein elektrisches Feld über der
dielektrischen Schicht 26 und ändert somit die Eigenschaften
des Schichtmaterials nicht. Der Laserstrahl tritt bei einem homogenen
optischen Material in diesem Fall ohne Beugung durch die dielektrische Schicht 26.
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Die Änderung
des Brechungsindex durch den modulierenden Datenbitstrom kann sehr
klein sein. Eine Brechungsindexänderung
von 0,0001 ist ausreichend, um ein effektives Bragg-Gitter zu erzeugen,
da innerhalb der Länge
eines Datenbits bzw. des dadurch induzierten Gitters eine sehr große Anzahl
von Perioden liegen. So weist beispielsweise bei einer Übertragungsrate
von 20 Gbps ein 1 cm langes Gitter mehr als 10000 Wellenlängenperioden
für Laserstrahlung
mit einer Wellenlänge
von 660 nm auf, wie sie für
das Auslesen der dielektrischen Schicht eingesetzt werden kann.
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Selbstverständlich kann
auch bei dieser Ausgestaltung der dielektrischen Schicht die Abtasteinheit
in Rückreflexionsanordnung
betrieben werden, wobei dann der Laser und der Photodetektor auf
der gleichen Seite angeordnet sind. Der Photodetektor muss hierbei
lediglich an der Stelle der jeweils nachzuweisenden Beugungsordnung
für das
zurückgebeugte
Licht positioniert sein.
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8 zeigt
ein weiteres Beispiel für
den Aufbau des dielektrischen Materials der Streifenleitung 20,
bei dem ebenfalls ein Bragg-Gitter in der dielektrischen Schicht
induziert wird. In diesem Beispiel ist die dielektrische Schicht 26 so
aufgebaut, dass die einzelnen Teilschichten longitudinal, d. h.
parallel zu den Streifen 25, verlaufen. Die Schichtdicke
ist wiederum an die Kohärenzlänge des
eingestrahlten Laserlichtes angepasst (Phasenanpassung). Ansonsten
gelten die gleichen Ausführungen
wie in Verbindung mit 7. 8 zeigt
eine Anordnung des Lasers sowie des Photodetektors, bei der eine
Messung Rückreflexion
erfolgt. Selbstverständlich
lässt sich
jedoch auch eine Anordnung von Laser und Photodetektor wählen, wie
sie in der 7 dargestellt ist.
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9 zeigt
zwei weitere Beispiele für
die Ausbildung der Streifenleitung und der Abtasteinheit. In diesen
Beispielen ist das Material der dielektrischen Schicht 26 so
gewählt,
dass der Pockels-Effekt bei Anlegen eines elektrischen Feldes auftritt.
Durch das elektrische Feld der transmittierten Datenbits wird somit
die Polarisationsrichtung des durch die Schicht laufenden, polarisierten
Laserstrahls geändert.
Diese durch die Datenbits modulierte zeitliche Änderung der Polarisation kann
durch entsprechend eingestellte lineare Polarisatoren 30 mit
dem Photodetektor 23 nachgewiesen werden.
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Bei
der Ausgestaltung gemäß der linken
Abbildung der 9 wird mit dem linearen Polarisator 30 zunächst eine
definierte lineare Polarisation des Laserstrahls eingestellt. Der
linear polarisierte Laserstrahl durchdringt die dielektrische Schicht 26 zwischen
den elektrisch leitfähigen
Streifen 25, wobei sich die Polarisation in Abhängigkeit
vom Anliegen oder Nichtanliegen eines elektrischen Feldes zwischen
den elektrisch leitfähigen
Streifen 25 ändert. Für einen
logischen Bitwert von ”1” rotiert
die Polarisationsebene um 90°,
so dass bei Anordnung eines zweiten linearen Polarisators 30 vor
dem Photodetektor 23 kein Laserlicht am Detektor 23 ankommt.
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Der
Detektor gibt somit den logischen Wert ”0” aus. Ein Datenbit mit dem
logischen Wert ”0” ändert die
Polarisationsebene des eingestrahlten Laserlichts nicht, so dass
das Licht den Detektor 23 erreicht und somit einen logischen
Wert von ”1” erzeugt.
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Bei
der Ausgestaltung gemäß dem rechten Teil
der 9, bei der die Rückreflexion an einem Spiegel 31 für den doppelten
Durchlauf des Laserstrahls durch die dielektrische Schicht 26 genutzt wird,
ist die für
die Erzeugung des Pockels-Effektes erforderliche elektrische Feldstärke geringer.
In beiden dargestellten Ausgestaltungen wird eine Anordnung eines
transversalen Pockelsmodulators genutzt, bei der die Elektroden
bzw. elektrisch leitfähigen
Streifen 25 nicht mit dem Laserstrahl interferieren. Die
Phasenverschiebung ist proportional zum Produkt aus dem elektrischen
Feld und der Länge des
optischen Weges durch die dielektrische Schicht. Daher kann die
Modulationsspannung bis auf wenige Volt herabgesetzt werden, indem
die optische Weglänge
verlängert
wird.
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In
einer Weiterbildung wird dieser Zusammenhang ausgenutzt, um eine
Schwächung
des elektrischen Feldes der Datenbits über die Länge der Streifenleitung hinsichtlich
der erzeugten Phasenverschiebung zu kompensieren. Hierzu wird eine
mit dem Abstand vom Einkoppelpunkt der Datenbits in die Streifenleitung
zunehmende Breite der dielektrischen Schicht gewählt, um an jeder Stelle der
Streifenleitung eine konstante Phasenverschiebung durch den Pockels-Effekt
zu erhalten.
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Neben
dieser transversalen Konfiguration lässt sich die Streifenleitung
auch als longitudinaler Pockelsmodulator aufbauen. Longitudinale
Modulatoren weisen eine Größe der Phasenverschiebung (Pockels-Effekt)
auf, die unabhängig
von der Dicke der dielektrischen Schicht oder der optischen Weglänge durch
die dielektrische Schicht ist. Die Phasenverschiebung ist lediglich
proportional zur Modulationsspannung, die in diesem Falle größer als
bei der transversalen Konfiguration sein muss. Weiterhin müssen bei
einer derartigen Ausgestaltung die elektrisch leitfähigen Streifen
für die
Laserstrahlung optisch transparent sein. Die Streifenleitung kann
in diesem Fall beispielsweise aus einem die dielektrische Schicht
bildenden Kristall bestehen, dessen Oberfläche auf beiden Seiten mit einer
Schicht aus Zinnoxid beschichtet ist. Die longitudinale Anordnung
hat den Vorteil eines höheren
Löschungsverhältnisses
gegenüber
einem transversalen Modulator.