DE102007014830B3 - Method for transferring data, from detector to data processing system, involves arranging slip ring between detector and data processing system and data from passing slip ring is compressed by compression method - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Medizintechnik und betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Übertragen von Daten, von zumindest einem Detektor hin zu zumindest einer Datenverarbeitungsanlage, wobei zwischen dem Detektor und der Datenverarbeitungsanlage zumindest ein Schleifring vorgesehen ist, wie durch die Oberbegriffe der unabhängigen Ansprüche definiert.The The present invention is in the field of medical technology and relates to a method and apparatus for transmitting data, at least a detector towards at least one data processing system, wherein between the detector and the data processing system at least a slip ring is provided as defined by the preambles of the independent claims.
Im Stand der Technik ist es bekannt, Daten, die mittels Detektoren, die in einem rotierenden System eingebaut sind, über einen so genannten Schleifring (engl. slip-ring) an eine verbundene Datenverarbeitungsanlage zu übermitteln.in the It is known in the prior art to use data obtained by means of detectors, which are installed in a rotating system, via a so-called slip ring (slip-ring) to be transmitted to a connected data processing system.
Unter einem Schleifring ist ein Drehverbindungs-System für die Übertragung von elektrischer Leistung oder von Daten zu verstehen. Mit Hilfe eines beispielsweise in einem Computertomographen eingebauten Schleifrings werden zum einen die Röntgenquelle mit Energie versorgt, zum anderen werden die digitalen Detektordaten an eine verbundene Datenverarbeitungsanlage übermittelt. Die Datenverarbeitungsanlage berechnet anschließend aus den übertragenen Detektordaten ein bekanntes Schwächungsbild.Under A slip ring is a rotary joint system for transmission of electrical power or data. With help a built-in example in a computed tomography slip ring become the X-ray source the other hand, the digital detector data transmitted to a connected data processing system. The data processing system then calculate from the transferred Detector data a known attenuation picture.
Ein bekannter Schleifring weist eine physikalische maximale Datenübertragungsrate auf, die einer Übertragung in Echtzeit dann entgegensteht, wenn mehr Daten anfallen, als maximal übertragen werden können. Derzeit handelsübliche Schleifringe weisen beispielsweise Datenraten von 100 MBit/s bis zu 2,5 GBit/s auf.One known slip ring has a physical maximum data transfer rate on, that's a transmission in real time then opposes when more data is generated, as a maximum transfer can. Currently commercial Slip rings, for example, have data rates of 100 Mbps up to 2.5 GBit / s.
Um auch bei größeren Datenmengen eine Echtzeitübertragungen bereitstellen zu können, wurde bisher die Anzahl der verwen deten Schleifringe erhöht, bis die bereitgestellte Datenübertragungsrate eine Echtzeitübertragung ermöglicht.Around even with larger amounts of data a real-time transmissions to be able to provide So far, the number of used slip rings has been increased until the provided data transfer rate Real-time transmission allows.
Diese Vorgehensweise erlaubt zwar eine Echtzeitübertragung, jedoch ist der Fachmann bestrebt, möglichst wenig Datenströme bzw. Datenbahnen im Allgemeinen zu verwenden, um eine möglichst hohe elektromagnetische Verträglichkeit zu gewährleisten.These Although the procedure allows a real-time transmission, however, the Specialist endeavors as possible few data streams or in general to use data paths to one as possible high electromagnetic compatibility to ensure.
Darüber hinaus ist der Einbau von weiteren Schleifringen mit zusätzlichen Kosten, Wartungsbedarf und Ausfallrisiko verbunden, was nach Möglichkeit ebenfalls vermieden werden sollen.Furthermore is the installation of additional slip rings with additional Cost, maintenance and risk of failure associated, as far as possible should also be avoided.
Die vorliegende Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, in den benannten Systemen eine kontinuierliche Echtzeitübertragung zu gewährleisten oder zumindest zu verbessern, ohne dabei notwendigerweise einen weiteren Schleifring bzw. eine weiter Datenbahn vorsehen zu müssen.The The present invention therefore has the object, in the named systems a continuous real-time transmission to ensure or at least improve, without necessarily one have to provide another slip ring or a wider highway.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst, wobei zweckmäßige Weiterbildungen durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche beschrieben sind.These The object is solved by the features of the independent claims, wherein expedient developments by the characteristics of dependent claims are described.
Insbesondere schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Übertragen von Daten, von zumindest einem Detektor hin zu zumindest einer Datenverarbeitungsanlage vor, wobei zwischen dem Detektor und der Datenverarbeitungsanlage zumindest ein Schleifring vorgesehen ist und die Daten vor dem Passieren des Schleifrings mittels eines Kompressionsverfahrens komprimiert werden.Especially beats the present invention is a method of transmitting data, at least a detector towards at least one data processing system, wherein between the detector and the data processing system at least a slip ring is provided and the data before passing the Slip ring are compressed by a compression method.
Dadurch besteht auf einfache Art und Weise die Möglichkeit, die durch den Schleifring bereitgestellte Datenrate optimal auszunutzen und eine Echtzeitübertragung in einem wesentlich größeren Anwendungsbereich bereitzustellen.Thereby There is a simple way of passing through the slip ring optimally exploited data rate and a real-time transmission in a much wider scope provide.
Aus
der
Es ist darüber hinaus darauf hinzuweisen, dass der Durchschnittsfachmann ein gewisses Vorurteil hat, bereits unmittelbar nach dem Detektor eine Datenkompression bzw. eine Datenreduktion vorzunehmen. Der Durchschnittsfachmann bevorzugt eine Datenmanipulation erst nach Sichtung der Informationstiefe, um erkennen und bestimmen zu können, welche Daten entfernt bzw. geglättet werden müssen.It is about it It should also be pointed out that the average person skilled in the art has a certain Prejudice already has data compression immediately after the detector or to make a data reduction. The average expert prefers data manipulation only after viewing the depth of information, to be able to recognize and determine which Data removed or smoothed Need to become.
Vorteilhafterweise können die Daten wahlweise verlustfrei oder verlustbehaftet übertragen werden. Bei einer verlustfreien Komprimierung kann auch von einer Datenreduktion gesprochen werden.advantageously, can the data can be transmitted either lossless or lossy. At a lossless compression can also by a data reduction to be spoken.
Generell wird unter einer verlustfreien Datenkompression verstanden, dass keine erkennbaren Bilddaten durch die Datenkompression verloren gehen, also im Wesentlichen alle sichtbaren Bildinformationen erhalten bleiben. Optimalerweise werden nur Daten entfernt bzw. geglättet, die sich in der Größenordnung des Rauschanteils des Detektors befinden. In diesem Fall wird durch das erfindungsgemäße Verfahren die Bandbreite bzw. Datenrate des Schleifrings optimal ausgenutzt, ohne dabei relevante Bildinformationen zu verlieren.As a general rule is understood by a lossless data compression that no recognizable image data lost due to data compression go, so essentially get all the visible image information stay. Optimally, only data is removed or smoothed in the order of magnitude the noise component of the detector are located. In this case is through the inventive method optimally utilized the bandwidth or data rate of the slip ring, without losing relevant image information.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die beschriebene verlustfrei Kompression auch im mathematischen Sinne verlustfrei, d. h. die Originaldaten können in bitgenauer exakter Form wiederhergestellt werden.In a preferred embodiment, the lossless compression described loss-free in the mathematical sense, ie the original data can be restored in bit-accurate exact form.
Eine verlustfreie Datenkompression weist in der Regel einen Kompressionsfaktor (CF) zwischen 1,4 bis 4 auf. Bei höheren Kompressionsfaktoren spricht man von einer fast verlustfreien Datenkompression (CF zwischen 4 bis 10) und einer verlustbehafteten Datenkompression (CF zwischen 10 bis 100).A lossless data compression usually has a compression factor (CF) between 1.4 to 4. At higher compression factors speaks one of an almost lossless data compression (CF between 4 to 10) and lossy data compression (CF between 10 to 100).
In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt eine Übertragung mit einem Kompressionsfaktor zwischen 1,5 und 3.In a preferred embodiment a transfer takes place with a compression factor between 1.5 and 3.
Unter dem Kompressionsfaktor (CF) ist der Quotient aus dem Umfang der Ausgangsdaten zum Umfang der komprimierten Daten zu verstehen.Under The compression factor (CF) is the quotient of the scope of Understand output data on the amount of compressed data.
Als verlustbehaftete Kompression wird ein Verfahren verstanden, bei dem ein Teil der Daten zum Zwecke der Komprimierung verloren geht. Die Originaldaten sind dann in der Regel nicht mehr aus dem Kompressionsergebnis zurückrechenbar.When lossy compression is understood to mean a process some of the data is lost for the purpose of compression. The original data is then usually no longer from the compression result zurückrechenbar.
Durch die Möglichkeit wahlweise zwischen einer verlustfreien Datenkompression und einer verlustbehafteten Datenkompression zu wechseln kann die durch den Schleifring bereitgestellte Datenrate bzw. Datenübertragungsrate in optimalerweise ausgenutzt werden bzw. kann durch die Bereitstellung einer verlustbehafteten Kompression sichergestellt werden, dass immer eine Übertragung möglich ist, unabhängig von der Art des Scanobjekts und damit der Zusammensetzung der zu übertragenden Daten.By the possibility optionally between a lossless data compression and a lossy data compression can be changed by the Slip ring provided data rate or data transfer rate in optimal manner be exploited or can by providing a lossy Compression ensures that there is always a transmission possible is, independent on the type of scanning object and thus the composition of the transferred Dates.
Vorteilhafterweise umfasst das Kompressionsverfahren einen Schritt zur Festlegung eines Kompressionsgrades bzw. -faktors für die Übertragung.advantageously, For example, the compression method includes a step of determining a degree of compression or factor for the transfer.
Bekanntermaßen weist jeder Kompressionsalgorithmus zumindest eine Variable auf, von der der Kompressionsgrad abhängig ist. Diese zumindest eine Variable wird entsprechend zur Festlegung des Kompressionsgrades beeinflusst. Zur Auswahl des Kompressionsgrades stehen in der Regel zwei Möglichkeiten zur Verfügung. Eine Möglickeit gemäß der Erfindung besteht darin, dem Detektor einen Zwischenspeicher beizuordnen, um dann den Kompressionsgrad in Abhängigkeit von der Auslastung des Zwischenspeichers festzulegen.As is known, points Each compression algorithm includes at least one variable from which the degree of compression depends is. This at least one variable is set accordingly the degree of compression. To select the degree of compression There are usually two options to disposal. A possibility according to the invention is to attach a cache to the detector, then the degree of compression depending on the load of the cache.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, den Kompressionsgrad anhand der bei der Datenverarbeitungsanlage ankommenden Daten festzulegen, beispielsweise durch Überwachung der Vollständigkeit der empfangenen Daten. Eine derartige Überwachung kann beispielsweise durch die Übertragung von Prüfsummen oder einer so genannten Headerüberwachung bereitgestellt werden.Furthermore it is possible, the degree of compression on the basis of the data processing system incoming data, for example by monitoring the completeness the received data. Such monitoring can, for example through the transmission of checksums or a so-called header monitoring to be provided.
Durch diese dynamische Festlegung des Kompressionsgrades besteht die Möglichkeit, soweit möglich, eine verlustfreie Übertragung bereitzustellen und nur alternativ und falls aktuell notwendig auf eine fast verlustfreie bzw. verlustbehaftete Kompression umzustellen. Dadurch ist gewährleistet, dass immer die maximal möglichen Bilddaten übertragen wird.By this dynamic determination of the degree of compression makes it possible to as far as possible, a lossless transmission to provide and only as an alternative and if necessary to one to switch almost lossless or lossy compression. This ensures that that always the maximum possible Image data is transmitted.
Eine andere Möglichkeit zur Steuerung des Kompressionsgrades für Audiodaten und Videodaten ist in der Kodierungstechnik aus dem MPEG-2 Standard bekannt, bescrieben z. B. in ISO/IEC 13818-7:1997(E): „Coding of Moving Pictures and Audio".A different possibility for controlling the degree of compression for audio data and video data in the coding technique known from the MPEG-2 standard, scribed z. In ISO / IEC 13818-7: 1997 (E): "Coding of Moving Pictures and audio ".
Es ist zu verstehen, dass die Festlegung des Kompressionsgrades in beiden Richtungen dynamisch erfolgt, mit anderen Worten, dass der Kompressionsgrad sowohl erhöht, als auch verkleinert werden kann, beispielsweise in Abhängigkeit der Speicherauslastung des Zwischenspeichers. Die Bestimmung des Kompressionsgrades erfolgt also anhand von aktuellen Systemparametern und ist variabel.It is to be understood that the determination of the degree of compression in both directions are dynamic, in other words, that of Increased compression both as well as can be made smaller, for example, depending the memory usage of the cache. The determination of the Compression degree is thus based on current system parameters and is variable.
Ferner ist es von Vorteil, wenn der Kompressionsgrad in Abhängigkeit der maximalen Datenübertragungsrate des Schleifringes festgelegt wird.Further it is advantageous if the degree of compression in dependence the maximum data transfer rate the slip ring is set.
Wie bereits beschrieben, stellt der Schleifring die Übertragungsstrecke mit der geringsten Datenübertragungsrate im System dar, so dass eine Festlegung des Kompressionsgrades in Abhängigkeit der maximalen Datenübertragungsrate des Schleifringes einen Datenstau („bottleneck") verhindert. Es besteht zudem die Möglichkeit, auch dem Schleifring einen Zwischenspeicher zuzuordnen und diesen zur Festlegung des Kompressi onsgrades zu überwachen. Wenn beispielsweise in einem System bekannt ist, welchen Umfang das zu erwartende Datenaufkommen aufweist, kann auch ein fester Kompressionsgrad festgelegt werden.As already described, the slip ring provides the transmission path with the lowest data transfer rate in the system, allowing a determination of the degree of compression in dependence the maximum data transfer rate of the slip ring prevents a bottleneck there is also the possibility also assign the slip ring a cache and this to determine the degree of compression. If, for example in a system is known, what extent the expected data volume Also, a fixed degree of compression can be specified.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Daten für das Kompressionsverfahren mittels einer Golomb/Rice Kodierung dargestellt bzw. übertragen. In dieser Ausführungsform liegen die Ausgangsdaten in einer 16-Bit logarithmierten Form vor.In a preferred embodiment will the data for the compression method represented by a Golomb / Rice coding or transferred. In this embodiment the output data are in a 16-bit logarithmic form.
Beide Kodierungen – Golomb und Rice – stellen so genannte Entropie Kodierungen dar. Diese sind bekanntermaßen optimal zur Datenreduktion bzw. -kompression von Bilddaten geeignet. Diese Verfahren setzen zum optimalen Betrieb eine exponentiell abfallende Verteilung der Eingangswerte voraus und eine solche Verteilung bei Bilddaten ist auf einfach Art und Weise bereitzustellen, indem eine Übertragung von Differenzwerten bzw. Entropiewerten erfolgt. Zur Ermittlung der zu übertragenden Differenzwerte wird vom Detektorwert ein so genannter Referenzwert abgezogen, so dass alle Daten als Differenz von entsprechend gewählten Referenzpunkten bzw. -bereichen vorliegen und übertragen werden. Bekanntermaßen können die Differenzwerte auch als Positiv-P-Werte dargestellt werden, beispielsweise, indem alle negativ vorliegenden Werte mit ((–)2) multipliziert werden.Both codings - Golomb and Rice - represent so-called entropy codings. These are known to be optimally suited for data reduction or compression of image data. These methods provide for exponential decaying distribution of the input values for optimal operation and such distribution of image data is easily provided by transmitting difference values or entropy values. In order to determine the difference values to be transmitted, a so-called reference value is subtracted from the detector value, so that all data are present and transmitted as a difference of correspondingly selected reference points or regions. As is known, the difference values can also be represented as positive P values, for example by multiplying all negative values by ((-) 2).
Eine Golomb/Rice Kodierung teilt ein zu übertragendes Datenwort in einen Teil, der unär kodiert wird und in einen Rest, der binär kodiert wird, auf. Unter einer unären (oder auch: römischen) Kodierung versteht man, eine natürliche Zahl als Folge von Einsen, gefolgt von einer Null darzustellen. Die Null kann dabei als Trennungszeichen zwischen dem Teil, der unär kodiert wird und dem Teil, der binär kodiert wird, dienen.A Golomb / Rice coding divides a data word to be transferred into one Part, the unär and encoded into a remainder that is binary coded. Under a unary (or: Roman) Coding is understood to be a natural one Number as a sequence of ones, followed by a zero. The zero can be used as a separator between the part, the coded unary and the part that is binary is coded serve.
Der Fachmann kennt eine Vielzahl von unterschiedlichen Ausführungen einer Golomb/Rice Kodierung. Lediglich beispielhaft werden im Folgendem zwei Ausführungen angeführt. DA ist dabei bereits der oben beschriebene Differenzwert.Of the A person skilled in the art knows a large number of different designs a Golomb / Rice coding. By way of example only, in the following two versions cited. DA is already the difference value described above.
Den
Kodierungen gemeinsam ist die Aufteilung des Datenwortes in
q
stellt dabei den ganzzahligen Anteil des folgenden Quotienten dar
Der ganzzahlige Anteil des Quotienten q wird dann unär kodiert und übertragen.Of the integer part of the quotient q is then coded and transmitted unary.
Der Rest RE stellt den nach dem Komma abgeschnittenen Anteil des Quotienten dar. Dieser wird dann mit einer bestimmten Bitanzahl binär übertragen. Dabei ist die Darstellung umso genauer, je größer die Bitanzahl ist, mit der der Rest RE übertragen wird beziehungsweise legt der Wert b fest, wie viel Bit nötig sind um RE ohne Verluste kodieren zu können. Eine Reduktion dieser Bitzahl zugunsten der Kompression ist möglich.Of the Rest RE represents the fraction of the quotient cut off after the comma This is then transmitted in binary with a certain number of bits. The representation is the more accurate, the greater the number of bits, with the remainder RE is transmitted or the value b determines how many bits are needed to encode RE without loss. A reduction of this Number of bits in favor of compression is possible.
Die Kompressionsvariable b und der Referenzwert können zudem im so genannten Header unkomprimiert übertragen werden, so dass die Datenverarbeitungsanlage in der Lage ist, ein entsprechendes Bild zu rekonstruieren. Dies erfolgt wenn b konstant für alle Datenworte ist. In der bevorzugten Ausführungsform wird b dynamisch aus den Datenworten selbst berechnet.The Compression variable b and the reference value can also be in the so-called Transfer header uncompressed so that the data processing system is able to to reconstruct the corresponding picture. This happens when b is constant for all Data words is. In the preferred embodiment, b becomes dynamic calculated from the data words themselves.
In
einer besonderen Ausführungsform
wird der Quotient q folgendermaßen
dargestellt und wie oben beschrieben unär übertragen:
In der besonderen Ausführungsform wird der binäre Anteil des Datenwortes dann mit k-Stellen übertragen, so dass sowohl der binäre, als auch der unäre Anteil des Datenwortes vom Parameter k abhängig sind. Dadurch lässt sich auf besonders einfache Art und Weise der Kompressionsgrad festlegen, da, wie zu erkennen, in dieser Ausführungsform der Kompressionsgrad unmittelbar vom ausgewählten k-Wert abhängig ist.In the particular embodiment becomes the binary Portion of the data word then transmitted with k-digits, so that both the binary, as well as the unary Proportion of the data word depends on the parameter k. This can be done set the degree of compression in a particularly simple way, since as can be seen, in this embodiment the degree of compression is directly dependent on the selected k value.
Der k-Wert wird dabei dynamisch angepasst, indem der auf eine ganze Zahl gerundete Mittelwert des Logarithmus zur Basis 2 der letzten 16 Differenzwerte ermittelt wird. Dadurch ergibt sich ein annähernd optimaler k-Wert. Dadurch wird eine näherungsweise optimale Kodierung der Daten DA erreicht. Wenn q in unärer Form codiert wird und anschließend der Rest RE in binärer Form als k-Bit Zahl, so ist dieser Wert exakt zurückrechenbar, ohne Verluste. Nur wenn zur Kodierung des Restes RE weniger als k-Bit verwendet werden, tritt eine verlustbehaftete Datenkompression ein. Die Werte werden dabei aus dem Zwischenspeicher erhalten.Of the k-value is adjusted dynamically by adding to a whole Number of rounded mean of the logarithm to the base 2 of the last one 16 difference values is determined. This results in an approximately optimal k-value. This will approximate optimal coding of the data DA achieved. If q is in unary form is coded and subsequently the rest RE in binary Form as a k-bit number, this value can be calculated exactly without losses. Only if less than k bit, lossy data compression occurs one. The values are obtained from the buffer.
Bei Auswahl einer verlustbehafteten Übertragung erfolgt die Festlegung eines maximalen k-Wertes, kmax. Sollte der, wie oben beschrieben, ermittelte k-Wert größer sein als kmax werden vom Rest RE (k – kmax) Bits gestrichen, so dass sich ein zu übertragender Wert RE' mit kmax Bits ergibt. Das Streichen der Bits beginnt dabei beim 2.Bit, um eine eventuell vorhandene Vorzeicheninformation im 1.Bit zu erhalten.at Selection of a lossy transmission the determination of a maximum k-value, kmax. Should that, As described above, k values determined to be greater than kmax are from Remainder RE (k - kmax) Bits are stripped, resulting in a value RE 'to be transmitted with kmax bits. The stroking of the bits starts with the 2.bit, if necessary to obtain existing sign information in the 1st bit.
Beispielsweise
ergibt sich folgender zu übertragender
Wert RE' für k = 8
kmax = 5 und RE = 11101011 (binär):
- RE' = 11101011 = 11101 (binär)
- RE '= 11101011 = 11101 (binary)
Nach der Übertragung zu einem Rekonstruktionsrechner einer Datenverarbeitungsanlage wird der Rest RE' mit (k – kmax) Bits erweitert. Dadurch wird die Abweichung zwischen dem Originalwert RE und dem gekürzten Wert RE' verringert. Dadurch wird ein Wert RE'' erhalten, der der folgenden Bildverarbeitung zugrunde gelegt wird.To the transmission to a reconstruction computer of a data processing system is the Remainder RE 'with (k - kmax) bits extended. This will change the deviation between the original value RE and the abridged Value RE 'reduced. This gives a value RE '' which is the following image processing is used.
Im
obigen Beispiel wird RE' um
3 Bits erweitert, so dass sich folgender Wert RE'' ergibt:
- RE' = 11101011 = 11101 (binär)
- RE'' = 11100001 (binär)
- RE '= 11101011 = 11101 (binary)
- RE '' = 11100001 (binary)
Somit ergibt sich für das hier beschriebene Beispiel folgende Abweichung von RE zu RE'', also vom Originalwert zum Rekonstruktionswert:
- RE = 11101011 (binär) = 235 (dezimal)
- RE'' = 11100001 (binär) = 225 (dezimal)
- Abweichung = 10 (dezimal)
- RE = 11101011 (binary) = 235 (decimal)
- RE '' = 11100001 (binary) = 225 (decimal)
- Deviation = 10 (decimal)
Wie zu erkennen, wirkt sich die Abweichung umso weniger aus, je größer der zu übertragende Differenzwert ist.As The greater the deviation, the less pronounced the deviation to be transferred Difference value is.
Darüber hinaus ist anzumerken, dass große Differenzwerte darauf hin deuten, dass die Abweichungen zur Referenz sehr groß sind und aus diesem Grund große k-Werte zur Kompression verwendet werden müssen. In einer bevorzugten Implementierung wird als Referenz eine ganze Zeile eines mehrzelligen Detektors verwendet und anschließend die Differenz aller Zeilen zur Referenzzeile berechnet und kodiert. Im Fall geringer Abweichungen über die Zeilen und somit hoher Homogenität ergeben sich nur kleine Werte, die sich gut mit k-Werten im Bereich von 7-9 komprimieren lassen. Grosse Abweichungen zur Referenz deuten auf starke Schwankungen hin, was im Normalfall gleichbedeutend mit einem Rauschen der Daten ist.Furthermore It should be noted that large difference values suggest that the deviations from the reference are very large and that's why big k values must be used for compression. In a preferred Implementation will reference a whole row of a multicellular Detector uses and then the difference of all lines calculated and coded to the reference line. In case of small deviations over the lines and thus high homogeneity result in only small values that work well with k values in the range of 7-9 compress. Significant deviations from the reference to strong fluctuations, which is usually synonymous with a noise of the data is.
Mit anderen Worten wirkt sich die vorgeschlagene Kompression am geringsten auf Bereiche aus, in denen die größte Bildinformation enthalten ist. Die wirkt sich sehr vorteilhaft auf die Übertragungsqualität insgesamt aus. Dadurch dass die verlustbehaftete Kompression fast nur bei großen Differenzen erfolgt und diese große Differenzen nur bei stark rauschenden Daten erzeugt werden, ist ein Verlust in diesem Fall im Wesentlichen nicht störend, da diese Daten fast keine relevante Bildinformation tragen.With in other words, the proposed compression has the least effect to areas where the largest image information included is. This has a very beneficial effect on the overall transmission quality out. Because the lossy compression almost only at huge Differences occur and these big differences only at strong rushing data is a loss in this case essentially not disturbing, because these data carry almost no relevant image information.
Wie aus den Gleichungen ersichtlich, wird dadurch die benötigte Datenrate zur Übertragung eines Datenwortes beschränkt, da der binär übertragene Rest RE' nur noch mit kmax Bits übertragen wird. Je größer dabei kmax gewählt wird, umso genauer ist der übertragene Wert RE', umso größer ist jedoch auch die benötigte Datenrate zur Übertragung des Datenwortes. kmax hat in einer bevorzugten Ausführungsform einen Wert zwischen 1 und 16. Der größte kmax Wert in einem Messaufbau sollte dabei in Abhängigkeit des Signal-Rausch-Verhältnisses ermittelt werden, so dass gewährleistet werden kann, dass bei größtem kmax Wert eine im Wesentlichen verlustfreie Datenreduktion bzw. eine fast verlustfreie Datenkompression erfolgt, wobei zu erkennen ist, dass bei einem kmax = 16 und zugrunde liegenden 16-Bit Daten eine verlustfreie Datenreduktion ermöglicht wird.As can be seen from the equations, thereby the required data rate for transmission a data word restricted, since the binary transmitted Rest RE 'only transmitted with kmax bits becomes. The bigger there kmax chosen becomes, the more accurate is the transferred one Value RE ', the greater but also the needed Data rate for transmission of the data word. kmax has in a preferred embodiment a value between 1 and 16. The largest kmax value in a test setup should be dependent on the signal-to-noise ratio be determined so that guaranteed can be that at maximum kmax Value a substantially lossless data reduction or a almost lossless data compression takes place, whereby it can be seen that at a kmax = 16 and underlying 16-bit data one lossless data reduction is possible.
Auch kmax, und damit der Kompressionsgrad, wird während einer Messung dynamisch angepasst. Hierfür wird erfindungsgemäß die Auslastung des Zwischenspeichers überwacht. Sollte der Zwischenspeicher eine festgelegte Auslastung erreichen, wird kmax um 1 gesenkt, kmax wird dabei solange um 1 gesenkt, bis die festgelegte Auslastung des Zwischenspeichers nicht mehr überschritten wird. Im umgekehrten Fall, wenn also eine festgelegte Auslastung des Zwischenspeichers unterschritten wird, wird kmax um 1 erhöht.Also kmax, and thus the degree of compression, becomes dynamic during a measurement customized. Therefor According to the invention, the utilization of the Cached monitors. Should the cache reach a fixed load, kmax is lowered by 1, kmax is reduced by 1 until, until the specified utilization of the buffer is no longer exceeded. In the opposite case, so if a fixed utilization of the cache kmax is increased by 1.
Durch die Einführung von kmax mit der oben beschriebenen dynamischen Anpassung und dem oben beschriebenen Wechsel von verlustfreier Datenreduktion zur fast verlustfreien Datenkompression kann auf überraschend einfache Art und Weise eine stetig optimale Auslastung der vorhandenen Datendurchsatzrate und damit eine optimierte Echtzeitdarstellung gewährleistet werden.By the introduction of kmax with the dynamic adjustment described above and above described change from lossless data reduction to almost lossless data compression can be done in a surprisingly simple way and Way a constantly optimal utilization of the existing data throughput rate and thus ensures an optimized real-time representation become.
Ferner schlägt die vorliegende Erfindung insbesondere eine Vorrichtung zum Übertragen von Daten von zumindest einem Detektor hin zu zumindest einer Datenverarbeitungsanlage vor, wobei zwischen dem Detektor der Datenverarbeitungsanlage zumindest ein Schleifring vorgesehen ist und wobei zwischen dem Detektor und dem Schleifring eine Komprimierungseinrichtung vorgesehen ist.Further beats the present invention in particular a device for transmitting from data from at least one detector to at least one data processing system before, wherein between the detector of the data processing system at least a slip ring is provided and wherein between the detector and the slip ring is provided a compression device.
Eine weitere erfindungsgemäße Lösung besteht auch in einem System zum Übertragen von Daten, insbesondere von Bilddaten eines medizintechnischen Gerätes, von zumindest einem beweglichen Detektor eines medizinischen Gerätes an eine stationäre Datenverarbeitungsanlage, wobei zwischen dem Detektor der Datenverarbeitungsanlage zumindest ein Schleifring vorgesehen ist und wobei zwischen dem Detektor und dem Schleifring eine Komprimierungseinrichtung vorgesehen ist.A there is another solution according to the invention also in a system for transmitting of data, in particular of image data of a medical device, of at least one movable detector of a medical device to a stationary Data processing system, being between the detector of the data processing system at least one slip ring is provided and wherein between the Detector and the slip ring a compression device provided is.
Die erfindungsgemäßen Vorteile lassen sich durch die Beiordnung einer Komprimiereinrichtung, die ein oben beschriebenes Verfahren ausführt, auf besonders einfache Art und Weise bereitstellen. Zudem kann die Komprimiereinrichtung, soweit der Detektor selbst noch keinen Zwischenspeicher umfasst, einen solchen vorsehen. Dadurch besteht die Möglichkeit auf einfachste Art und Weise ein Detektorsystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aufzurüsten bzw. nachzurüsten.The Advantages of the invention can be achieved by the addition of a compression device, the performs a method described above, particularly simple Provide fashion. In addition, the compression device, as far as the detector itself does not yet comprise a buffer, a to provide such. This makes it possible in the simplest way and way a detector system with a device according to the invention upgrade or to retrofit.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Detektor ein Detektor eines Computertomographen. Bekanntermaßen drehen sich bei einem Computertomographen ein Detektor und eine Strahlenquelle um ein Messobjekt bzw. -subjekt. Somit bedingt ein derartiger Aufbau den Einsatz eines Schleifrings, um die Da ten vom rotierenden oder beweglichen System hin zum stationären Rekonstruktionsrechner zu übertragen.In a preferred embodiment, the detector is a detector of a computer tomograph. As is known, in a computer tomograph, a detector and a radiation source rotate about a measurement object or object. Thus, such a structure requires the use of a slip ring to data from the rotating or movable system towards stationary reconstruction computer.
Der Detektor in einem Computertomographen misst während einer Messung die radioaktive Strahlung, die von der gegenüberliegenden Strahlungsquelle emittiert wird und das Messobjekt bzw. -subjekt passiert hat.Of the Detector in a computer tomograph measures the radioactive radiation during a measurement, from the opposite Radiation source is emitted and the measurement object or subject happened.
Optimalerweise wird durch das vorgeschlagene Datenkompressionsverfahren bzw. -reduktionsverfahren nur der Datenanteil nicht übertragen bzw. geglättet, der sich in der Größenordnung des Rauschanteils befindet. Dieser Anteil ist bei einem Detektor für einen Computertomographen relativ gut messbar und ist unter anderem von folgenden Faktoren abhängig, wie z. B. von der Quanteneffizienz, der Strahlungsdrift, dem Abklingverhalten, dem Nachleuchten, der Szintillationseffizienz etc.optimally, is determined by the proposed data compression method or reduction method only the data portion is not transmitted or smoothed, which is on the order of magnitude of the noise component is located. This proportion is at a detector for one Computed tomography is relatively easy to measure and is among others dependent on the following factors, such as From quantum efficiency, radiation drift, decay, afterglow, scintillation efficiency, etc.
Somit ist das vorgeschlagene Verfahren und die Vorrichtung optimal geeignet, für die Übertragung von Daten, die an einem Detektor eines Computertomographen anfallen und auf einen Rekonstruktionsrechner übertragen werden müssen, da eine Datenreduktion bzw. sogar eine Datenkompression ohne Verlust von relevanter Bildinformation erfolgen kann.Consequently the proposed method and apparatus are optimally suited for the transmission of Data generated at a detector of a computer tomograph and must be transferred to a reconstruction computer because a data reduction or even a data compression without loss can be done by relevant image information.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden deutlicher beim Lesen der folgenden, lediglich beispielhaften und nicht einschränkend angeführten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung, in welcher gilt:Further Features and advantages of the invention will become clearer in reading the following, by way of example only, and not by way of limitation a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings, in which:
Als Ausführungsbeispiel wird eine Datenübertragung von einem Detektor D eines Computertomographen hin zu einem so genannten Rekonstruktionsrechner R beschrieben. Der Detektor D registriert dabei die Röntgenstrahlung, die nach dem Durchgang durch das Messobjekt bzw. -subjekt in diesen einfällt. Dadurch besteht bekanntermaßen die Möglichkeit ein so genanntes Schwächungsprofil darzustellen. Während einer Messung wird von der Röntgenquelle und dem Detektor D eine Rotation um 360° [DEG] vollzogen und dies führt zur Notwendigkeit einen Schleifring S einzusetzen, da sich ein feststehendes Kabel eindrehen würde.When embodiment becomes a data transfer from a detector D of a computer tomograph to a so-called Reconstruction computer R described. The detector D registered while the X-rays, after passing through the measuring object or subject in this incident. As a result, it is known the possibility to represent a so-called attenuation profile. While a measurement is taken from the X-ray source and the detector D is rotated 360 ° [DEG] and this leads to Need to use a slip ring S, as a fixed Would screw in cable.
Typischerweise werden als Detektoren D Xenon-Ionisationskammern, Halbleiter oder Szintillationskristalle eingesetzt.typically, are used as detectors D xenon ionization chambers, semiconductors or Scintillation crystals used.
Die vom Detektor D registrierten Schwächungsprofile werden analog/digital gewandelt und an den Rekonstruktionsrechner R übertragen. Dabei wird der Datenstrom über den Schleifring S versandt.The Weakening profiles registered by detector D become analog / digital converted and transferred to the reconstruction computer R. The data stream is over the Slip ring S shipped.
Die analog/digital Wandlung erfolgt unmittelbar nach Erhalt der Daten, in einem dem Detektor D benachbarten bzw. diesem zugeordneten A/D-Wandler. Zu diesem Zweck und um kleinere Fehler auf der Datenbahn ausgleichen zu können, ist dem Detektor D ein kleinerer Zwischenspeicher zugeordnet. Der Zwischenspeicher weist in der Regel eine Größe auf, um 50 bis 100 so genannte Readings zwischenspeichern zu können. Unter einem Reading ist dabei ein Detektorwert eines Detektorkanals zu verstehen. Je nach Detektorart weist der Detektor D eine unterschiedliche Vielzahl von Detektorkanälen auf.The analog / digital conversion takes place immediately after receiving the data, in an adjacent to the detector D or this associated A / D converter. For this purpose and to compensate for minor errors on the highway to be able to the detector D is assigned a smaller buffer. The cache usually has a size to 50 to 100 so-called readings to cache. Under In this case, a detector value is a detector value of a detector channel understand. Depending on the type of detector, the detector D has a different one Variety of detector channels on.
Dem Detektor D ist zudem eine erfindungsgemäße Komprimierungs- bzw. Kompressionseinrichtung zugeordnet, die die digitalen Daten aus dem Zwischenspeicher komprimiert. Dabei wird vorausgesetzt, dass eine Komprimierung vor dem Schleifring S erfolgen soll. Der genaue Einbauort der Kompressionseinrichtung ist somit unerheblich für die vorliegende Erfindung.the Detector D is also a compression or compression device according to the invention associated with compressing the digital data from the cache. It is assumed that a compression before the slip ring S should be done. The exact location of the compression device is therefore irrelevant to the present invention.
Soweit die Datenrate des Schleifrings S nicht ausgeschöpft ist, erfolgt eine verlustfreie Datenkompression mittels einer Golomb/Rice Codierung. Beschrieben wird, wie ein einzelnes Datenwort DA übertragen wird.So far the data rate of the slip ring S is not exhausted, there is a lossless Data compression by means of a Golomb / Rice coding. described becomes how a single data word DA is transmitted.
Von den Detektorrohdaten werden ausgewählte Referenzdaten subtrahiert, so dass sich jeweils nur Differenzwerte ergeben. Es werden also mit dem vorliegenden Verfahren keine Absolutwerte, sondern nur Differenzwerte, so genannte Entropiewerte übertragen. Die Referenzwerte werden dabei einmalig unkomprimiert übertragen, da diese zur Rekonstruktion der Bilddaten im Rekonstruktionsrechner R notwendig sind.From the detector raw data is subtracted selected reference data, so that only difference values result. So it will be with the present method no absolute values, but only difference values, transfer so-called entropy values. The reference values are transmitted once uncompressed, since this for the reconstruction of the image data in the reconstruction computer R are necessary.
Ferner wird durch folgendes Vorgehen gewährleistet, dass der zu übertragende Wert DA nur einen positiven Wert aufweisen kann. Sollte DA bereits einen positiven Wert aufweisen, wird DA mit (+2) multipliziert. Sollte DA einen negativen Wert aufweisen, wird DA mit ((–)2) multipliziert und von diesem erhaltenen Wert 1 subtrahiert.Further is ensured by the following procedure, that is to be transferred Value DA can only have a positive value. Should DA already have a positive value, DA is multiplied by (+2). If DA has a negative value, DA is multiplied by ((-) 2) and subtracting 1 from this value.
DA
wird anschließend
durch den ganzzahligen Teil eines Quotienten q und einem abgeschnittenen
Rest RE wie folgt dargestellt:
Für den Quotienten
q gilt:
Der
ganzzahlige Teil des Quotienten q wird anschließend unär mit
Der Rest RE stellt den abgeschnittenen Teil des Quotienten q dar. Der Rest RE wird binär codiert, wobei dieser mit einer Länge von k Bits codiert wird. Somit ist einerseits q, als auch die übertragene Länge des Restes RE von der Variablen k abhängig. Wie zu erkennen, muss die Variable k kontinuierlich an die DA Werte angepasst werden, um ein optimales Reduktionsverhältnis der Daten erhalten zu können.Of the Rest RE represents the truncated portion of quotient q Rest RE becomes binary encoded with a length of k bits. Consequently is on the one hand q, as well as the transmitted one Length of the Remaining RE depends on the variable k. How to recognize, must the variable k is continuously adapted to the DA values, for an optimal reduction ratio to be able to receive the data.
Ein hinreichend optimaler k Wert ergibt sich aus: A sufficiently optimal k value results from:
Es werden also die letzten 16 DA Werte aus dem Zwischenspeicher ausgelesen, jeweils der Logarithmus zur Basis 2 von DA berechnet und anschließend der Mittelwert berechnet. Zur besseren Handhabbarkeit der Folgeoperationen kann auch der auf die nächste ganze Zahl gerundete Wert zur weiteren Berechnung verwendet werden.It So the last 16 DA values are read from the cache, in each case the logarithm to base 2 of DA is calculated and then the Average calculated. For better handling of follow-up operations can also be the next one integer rounded value to be used for further calculation.
Zum besseren Verständnis wird folgendes Beispiel angegeben:
- DA = 400
- k = 7
- DA = 400
- k = 7
Der ganzzahlige Anteil von q beträgt 3 und ergibt unär dargestellt:
- 110
- 110
Der abgeschnittene Rest RE des Quotienten beträgt 125 und ergibt binär mit 7 Bits dargestellt
- 1111101
- 1111101
Somit
ergibt sich für
das zu übertragende Datenwort:
Wie zu erkennen, stellt die bisher beschriebene Vorgehensweise eine verlustfreie Datenreduktion bereit. Im Folgenden wird nunmehr eine verlustbehaftete bzw. eine noch fast verlustfreie Datenübertragung beschrieben.As to recognize, sets the procedure described so far lossless data reduction ready. The following will now be a lossy or almost lossless data transmission described.
Zunächst wird eine Variable kmax eingeführt. In der hier angeführten Ausführungsform ist kmax ausgewählt zwischen 1 und 16. Je größer dabei kmax ist, desto genauer wird der Detektorwert übertragen.First, will introduced a variable kmax. In the one listed here embodiment kmax is selected between 1 and 16. The larger this kmax is, the more accurately the detector value is transmitted.
Erst wenn der oben berechnete k-Wert größer ist, als kmax erfolgt eine verlustbehaftete Datenkompression. Die verlustbehaftete Datenkompression beschränkt sich dabei auf den Rest RE des Datenwortes, um eine Abweichung des wahren Detektorwertes vom übertragenen Wert möglichst gering zu halten.First if the k-value calculated above is greater than kmax is a lossy data compression. The lossy data compression limited thereby referring to the remainder RE of the data word, to a deviation of the true detector value from the transmitted Value as possible to keep low.
Wie
oben beschrieben, wird der Rest RE grundsätzlich mit k Bits übertragen.
Sollte der berechnete k-Wert nunmehr größer als kmax sein, werden (k – kmax)
Bits aus dem Rest RE gestrichen. Hat beispielsweise k den Wert 8
und kmax den Wert 5 werden 3 Stellen von RE gestrichen und ein Wert
RE' erhalten. Der
Wert RE' wird zum
Rekonstruktionsrechner R übertragen
und von diesem wieder um so viele Bits erweitert, wie gestrichen
wurden. Zum besseren Verständnis
wird folgendes Beispiel angegeben:
Wie zu erkennen, ergibt sich somit eine Abweichung des Detektorwertes vom Rekonstruktionswert von 10 (dezimal). Diese Abweichung wirkt sich dabei auf große Übertragungswerte weniger aus, als auf niedrigere Übertragungswerte. Mit anderen Worten hat die beschriebene Datenkompression nur eine geringe Aus wirkung auf den relevanten Informationsgehalt des Schwächungsprofils.As To detect, thus results in a deviation of the detector value from the reconstruction value of 10 (decimal). This deviation works thereby on large transmission values less than on lower transmission values. In other words, the data compression described has only a small Effect on the relevant information content of the attenuation profile.
kmax wird während der Übertragung dynamische angepasst. Hierfür wird der dem Detektor D zugeordnete Zwischenspeicher überwacht. Sollte der Zwischenspeicher eine festgelegte Auslastung überschreiten, wird kmax um 1 gesenkt. Umgekehrt wird kmax um 1 erhöht, sobald die Auslastung des Zwischenspeichers einen bestimmten festgelegten Wert unterschreitet. Wie zu erkennen, erfolgt dadurch eine stetig optimale Auslastung der zur Verfügung stehenden Übertragungsrate.kmax is during the transmission dynamic adjusted. Therefor the latch associated with the detector D is monitored. Should the cache exceed a specified load, kmax is lowered by 1. Conversely, kmax is increased by 1 as soon as the utilization of the cache set a specific Value falls below. As you can see, this is a steady optimal utilization of the available standing transmission rate.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorangehend unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform vollständig beschrieben wurde, sollte der Fachmann erkennen, dass verschiedene Veränderungsmöglichkeiten im Rahmen der beiliegenden Ansprüche möglich sind, ohne von dem erfindungsgemäßen Konzept und dem beanspruchten Schutz abzuweichen. Insbesondere erkennt der Fachmann, dass eine Datenkompression bzw. -reduktion auch durch andere Algorithmen bereitgestellt werden kann. Insbesondere wird der Fachmann, da es sich vorliegende bevorzugt um Bilddaten handelt, eine so genannte Entropie Kodierung vorziehen, wie beispielsweise eine so genannte Huffmann Kodierung.Although the present invention has been fully described above with reference to a preferred embodiment, it should be apparent to those skilled in the art that various changes are possible within the scope of the appended claims without departing from the inventive concept and the protection claimed. In particular, those skilled in the art will recognize that data compression and reduction may also be provided by other algorithms. In particular, the skilled person, since it is This is preferably image data, preferring a so-called entropy coding, such as a so-called Huffman coding.
Die Beschreibung der Erfindung ist nicht einschränkend in Hinblick auf eine bestimmte physikalische Realisierung zu verstehen. Für einen einschlägigen Fachmann ist es insbesondere offensichtlich, dass die Erfindung teilweise oder vollständig in Soft- und/oder Hardware ausgeführt sein kann, sowie auf ein oder mehrere physikalische Produkte – dabei insbesondere auch Computerprogrammprodukte – verteilt sein kann.The Description of the invention is not limiting with regard to a to understand certain physical realization. For one relevant It is particularly obvious to a person skilled in the art that the invention partially or completely can be executed in software and / or hardware, as well as on a or more physical products - in particular also computer program products - distributed can be.
Claims (9)
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