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Die Erfindung betrifft eine Medizinanlage, insbesondere eine Diagnose- oder eine Therapieanlage, umfassend eine feststehende Basiseinheit mit einer Steuerungseinheit und eine bewegliche, insbesondere drehbar an der Basiseinheit gelagerte, Baugruppe, wobei die Basiseinheit und die Baugruppe zum Austausch von Daten eingerichtet sind.
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Bei einem Computertomographen besteht einerseits die Notwendigkeit Bilddaten von der so genannten Gantry, welche während einer Untersuchung mit mehreren Umdrehungen pro Sekunde rotiert, auf eine stationäre Struktur oder eine feststehende Basiseinheit zu übertragen und andererseits muss die Möglichkeit gegeben sein, Steuerungsdaten zwischen diesen beiden Baugruppen, also der Gantry und der Basiseinheit, auszutauschen.
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Häufig werden für den Austausch der Daten drei unidirektionale Übertragungswege genutzt. Einer für die Übermittelung der Bilddaten, einer für die Übertragung von Steuerungsdaten an die Gantry und einer für die Übermittelung von Steuerungsdaten an die Basiseinheit. Alternativ erfolgt die Übertragung der Bilddaten unidirektional mit einer typischen Datenrate > 1 GBit/s und die Übermittelung der Steuerungsdaten erfolgt bidirektional zwischen der stationären Struktur und der rotierenden Gantry, wobei hier eine Datenrate zwischen 250 kBit/s und einem GBit/s gängig ist.
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Aufgrund der Rotation der Gantry gegenüber der stationären Struktur während einer Untersuchung wird für den Datenaustauch an der Schnittstelle keine einfache Verkabelung verwendet. Stattdessen erfolgt die Datenübertragung über Schleifkontakte, beispielsweise kontaktbehaftete Schleifringe, oder über kontaktlose Datenübertragungsstrecken (CDTs), z.B. durch eine kapazitive Koppelung eines Senders und eines Empfängers im Nahfeld.
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Eine derartige Gestaltung der Datenübertragung findet sich nicht nur bei Computertomographen, sondern auch bei anderen Medizinanlagen, die eine bewegliche Baueinheit und eine feststehende Basiseinheit umfassen, also beispielsweise auch bei Therapiegeräten für die Onkologie, bei denen zum Teil ebenfalls eine rotierende Gantry eingesetzt wird.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine alternativ gestaltete Medizinanlage anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Medizinanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die rückbezogenen Ansprüche beinhalten teilweise vorteilhafte und teilweise für sich selbst erfinderische Weiterbildungen dieser Erfindung.
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Bei der Medizinanlage handelt es sich insbesondere um eine Diagnose- oder Therapieanlage, welche eine feststehende Basiseinheit mit einer Steuerungseinheit und einer beweglichen, insbesondere drehbar an der Basiseinheit gelagerten, Baugruppe umfasst. Dabei sind die Basiseinheit und die Baugruppe zum Austausch von Daten derart eingerichtet, dass die Übermittelung von ersten Steuerungsdaten von der Steuerungseinheit an die bewegliche Baugruppe über einen ersten Übertragungsweg erfolgt und dass die Übermittelung von zweiten Steuerungsdaten an die Steuerungseinheit und die Übermittelung von Messdaten von der beweglichen Baugruppe über einen zweiten Übertragungsweg erfolgt. Durch ein gemeinsames Übertragen der zweiten Steuerungsdaten und der Messdaten über einen gemeinsamen Übertragungsweg oder einen gemeinsamen Übertragungskanal lässt sich die Anzahl der notwendigen Übertragungswege bzw. Übertragungskanäle reduzieren, was zu einer Verringerung der Herstellungskosten für eine entsprechende Medizinanlage und zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit selbiger führt.
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Unter einem Übertragungsweg bzw. Übertragungskanal ist hierbei beispielsweise eine kontaktlose Datenübertragungsstrecke mit einer kapazitiven Koppelung oder ein Schleifkontakt zu verstehen, wobei im Falle der Nutzung von Schleifkontakten nach dem Stand der Technik für die Übermittelung der ersten Steuerungsdaten hin zur beweglichen Baugruppe und der zweiten Steuerungsdaten von der beweglichen Baugruppe jeweils ein eigener Schleifkontakt vorgesehen ist. Bei der hier vorgestellten Medizinanlage hingegen ist für die zweiten Steuerungsdaten kein eigener Übertragungsweg, und insbesondere kein eigener Schleifkontakt, vorgesehen.
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Einer sehr zweckmäßigen Ausgestaltung der Medizinanlage entsprechend umfassen die Messdaten Bilddaten eines bildgebenden Systems. Die Menge an pro Zeiteinheit zu übertragenden Bilddaten, also die Datenrate, liegt dabei typischerweise über 1 GBit/s, während die Menge an pro Zeiteinheit zu übertragenden Steuerungsdaten typischerweise zwischen 250 kBit/s und 1 GBit/s liegt. Die Menge an zu verarbeitenden und zu übertragenden Steuerungsdaten ist also in der Regel wesentlich kleiner als die Menge an zu verarbeitenden Messdaten, wobei die Steuerungsdaten keinerlei Bilddaten enthalten, sondern tatsächlich zur Steuerung der steuerbaren Funktionseinheiten der Baugruppen dienen. Im Falle eines Computertomographen beispielsweise werden mittels der ersten Steuerungsdaten u.a. die Bewegung der Gantry und die Röntgenstrahlungsquelle angesteuert und die zweiten Steuerungsdaten enthalten Sensordaten, die für die Steuerung der Gantry relevant sind, also beispielsweise Sollwerte für Regelkreise. Infolgedessen bedarf es zumindest im Falle der Messdaten eines Übertragungsweges, der für relativ hohe Datenraten ausgelegt ist. Legt man nun die Übermittelung der zweiten Steuerungsdaten mit der Übermittelung der Messdaten zusammen, so ändern sich, aufgrund der verhältnismäßig geringen Datenrate bei den Steuerungsdaten, die Anforderungen an diesen Übertragungsweg kaum. Der Übertragungsweg für die ersten Steuerungsdaten hingegen lässt sich einfacher ausführen, da dieser lediglich für eine relativ geringe Datenrate ausgelegt werden muss. Im Vergleich dazu sind die Anforderungen an einen bidirektionalen Übertragungsweg bei einer Zusammenlegung der Übermittelung der ersten Steuerungsdaten mit der Übermittelung der zweiten Steuerungsdaten deutlich höher.
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Bevorzugt wird weiter eine Ausführungsvariante der Medizinanlage bei der die beiden Übertragungswege als unidirektionale Übertragungswege eingerichtet sind. Unidirektionale Kommunikationsverbindungen gelten im Vergleich zu bidirektionalen Kommunikationsverbindungen als leistungsfähiger und lassen sich zudem einfacher realisieren. Sie sind allerdings in bestimmten Fällen auch anfälliger für Fehler bei der Datenübertragung, da hierüber keinerlei Rückmeldung erfolgen kann. Im Falle der hier vorgestellten Medizinanlage werden zwar zwei unidirektionale Übertragungswege bevorzugt, jedoch erfolgt die Übermittelung der Steuerungsdaten richtungsgebunden verteilt auf zwei unidirektionale Übertragungswege, sodass zusammengenommen zumindest für die Steuerungsdaten effektiv ein bidirektionaler Datenaustausch vorgenommen wird. Es liegt also quasi eine bidirektionale Datenübertragung bei Nutzung zweier unidirektionaler Übertragungswege vor. Hierdurch lassen sich für die Steuerungsdaten der Medizinanlage die Vorteile der unidirektionalen Kommunikation mit den Vorteilen der bidirektionalen Kommunikation teilweise kombinieren.
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Zudem ist es von Vorteil, wenn die Übermittelung der Daten über zumindest einen der Übertragungswege kontaktlos und insbesondere mittels kapazitiver Koppelung erfolgt. Im Vergleich zu einer Ausführung eines Übertragungsweges unter Ausnutzung eines Schleifkontaktes ist ein kontaktloser Übertragungsweg in der Regel weniger defektanfällig und es lassen sich wesentlich einfacher größere Datenmengen übertragen. Infolgedessen werden weiter bevorzugt vor allem die zweiten Steuerungsdaten und die Messdaten über einen kontaktlosen und insbesondere mittels kapazitiver Koppelung hergestellten Übertragungsweg übermittelt.
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Zweckmäßig ist zudem eine Ausführung der Medizinanlage, bei der die zweiten Steuerungsdaten und die Messdaten frequenzversetzt über den zweiten Übertragungsweg übermittelt werden. Hierbei ist für die zweiten Steuerungsdaten und die Messdaten jeweils ein Frequenzband vorgesehen und die Datenübertragung der entsprechenden Daten erfolgt bevorzugt permanent. Auf diese Weise werden die zweiten Steuerungsdaten im Wesentlichen ununterbrochen übertragen, wodurch eine Zeitverzögerung durch Datenrückstau vermieden wird. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die zweiten Steuerungsdaten Sensordaten enthalten, die zur Bestimmung einer Regelabweichung in einem Regelkreis herangezogen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Medizinanlage ist es zudem vorgesehen, die zweiten Steuerungsdaten für die Übermittelung über den zweiten Übertragungsweg auf eine Trägerfrequenz aufzumodulieren. Dabei werden die Messdaten weiter bevorzugt unmoduliert übertragen, wodurch sich der technische Aufwand, der mit einer Modulation und Demodulation verbunden ist, reduzieren lässt. Eine Modulation und Demodulation, wie sie bei der kontaktlosen Datenübertragung üblich ist, wird in diesem Fall lediglich für die zweiten Steuerungsdaten vorgenommen, wobei dies vor allem der frequenztechnischen Trennung der beiden Datenströme dient.
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Einer weiteren Ausgestaltungsvariante der Medizinanlage entsprechend werden die zweiten Steuerungsdaten und die Messdaten zeitversetzt über den zweiten Übertragungsweg übermittelt, wobei die Datenübermittelung bevorzugt ohne einen erzwungenen Frequenzversatz zwischen den zweiten Steuerungsdaten und den Messdaten erfolgt. Hierdurch lässt sich die benötigte Frequenzbandbreite für den zweiten Übertragungsweg reduzieren, was eine einfachere technische Umsetzung begünstigt.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung werden die zweiten Steuerungsdaten und die Messdaten jeweils in Datenpakete aufgespalten und die Übermittelung der Datenpakete erfolgt in entsprechend vorgesehenen Zeitfenstern, wobei in jedem Zeitfenster genau ein Datenpaket übermittelt wird. Dabei werden bevorzugt für die zeitversetzte Übermittelung der Daten zwei Zeitfenster-Typen mit unterschiedlicher Ausdehnung in einer periodischen Abfolge und insbesondere im Wechsel aneinandergereiht, wobei ein erster Zeitfenster-Typ für die zweiten Steuerungsdaten und wobei ein zweiter Zeitfenster-Typ für die Messdaten vorgesehen ist. Es wird also beispielsweise im Wechsel ein Datenpaket mit zweiten Steuerungsdaten und ein Datenpaket mit Messdaten übermittelt. Hierbei weist ein jedes Zeitfenster für die Datenpakete mit Steuerungsdaten eine größere zeitliche Ausdehnung auf, als die Zeitfenster für die Datenpakete mit Messdaten, so dass hierdurch der typischerweise unterschiedlichen Datenraten Rechnung getragen wird.
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Alternativ werden für die zeitversetzte Übermittelung Zeitfenster gleicher Ausdehnung vorgesehen und die Datenpakete mit zweiten Steuerungsdaten werden in einer periodischen Abfolge übermittelt. Das bedeutet, dass beispielsweise jedes dritte Zeitfenster für Datenpakete mit zweiten Steuerungsdaten vorgesehen ist, während die übrigen Zeitfenster für die Messdaten reserviert sind.
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Darüber hinaus wird eine Ausführungsvariante der Medizinanlage bevorzugt, bei der die zweiten Steuerungsdaten und die Messdaten jeweils in einem Puffer-Speicher zwischengespeichert werden, auf die ein Datenpaket-Generator derart zugreift, dass in einer periodischen Abfolge entweder Daten aus dem Puffer-Speicher für die zweiten Steuerungsdaten oder Daten aus dem Puffer-Speicher für die Messdaten zu einem Datenpaket zusammengefasst werden, welches dann in einem Zeitfenster mit gegebener Ausdehnung übermittelt wird. Bevorzugt wird hierbei ein steuerbarer Datenpaket-Generator, bei dem die periodische Abfolge variiert werden kann, um so die tatsächlich anfallenden und eventuell variierenden Datenmengen sowohl im Falle der zweiten Steuerungsdaten als auch im Falle der Messdaten berücksichtigen zu können.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:
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1 in einer Prinzipdarstellung eine Medizinanlage nach dem Stand der Technik mit einer feststehenden Basiseinheit und einer drehbaren Baugruppe,
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2 in einer Prinzipdarstellung eine Medizinanlage mit einer feststehenden Basiseinheit und einer drehbaren Baugruppe nach dem hier vorgestellten Konzept,
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3 in einer Blockschaltbilddarstellung eine Ausführungsvariante eines zweiten Übertragungsweges und
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4 in einer Blockschaltbilddarstellung eine alternative Ausführungsvariante des zweiten Übertragungsweges.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei der nachfolgend beschriebenen Medizinanlage 2 handelt es sich exemplarisch um einen Computertomographen mit einer feststehenden Basiseinheit 4 und einer drehbar an der Basiseinheit 4 gelagerten Baugruppe, der sogenannten Gantry 6.
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Die Basiseinheit 4 umfasst dabei eine Steuerungseinheit 8, mit deren Hilfe die Medizinanlage 2 gesteuert wird und der über eine nicht dargestellte Bedienkonsole durch einen Bediener Befehle zugeführt werden können, sowie eine Bildverarbeitungs-Einheit 10, die zur Verarbeitung von Bilddaten BD, die mittels einer Bilderzeugungs-Einheit 12, welche eine Röntgenstrahlungsquelle und einen Röntgenstrahlungsdetektor umfasst, während einer jeden Untersuchung gewonnen werden.
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Die Bilddatengenerierung mittels der Bilderzeugungs-Einheit 12 erfolgt hierbei in der Gantry 6, die den Röntgenstrahlungsdetektor sowie die Röntgenstrahlungsquelle beherbergt.
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Zur Erzeugung von Bilddaten BD im Rahmen einer jeden Untersuchung eines Patienten müssen u.a. die Röntgenstrahlungsquelle sowie der Röntgenstrahlungsdetektor gesteuert werden, damit die Bilddatengenerierung in gewünschter Weise erfolgt. Infolgedessen besteht die Notwendigkeit, Daten zwischen der Gantry 6 und der Basiseinheit 4 auszutauschen, wobei Bilddaten BD von der Gantry 6 an die Basiseinheit 4 zu übermitteln sind und wobei Steuerungsdaten ESD, ZSD einerseits von der Basiseinheit 4 hin zur Gantry 6 und andererseits von der Gantry 6 hin zur Basiseinheit 4 zu transferieren sind. Im Falle der Steuerungsdaten ESD, ZSD erfolgt also ein Datenaustausch in beide Richtungen, wodurch sich zum Beispiel Regelkreise zur Vorgabe von Parametern realisieren lassen. Dabei wird der Sollwert von der Steuerungseinheit 8 in der Basiseinheit 4 vorgegeben und der Istwert mittels einer Steuerungsdaten-Einheit 14 in der Gantry 6 sensorisch erfasst.
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Eine derzeit übliche Lösung zur Datenübertragung zwischen der Basiseinheit 4 und der Gantry 6 ist in 1 prinzipartig dargestellt. Dabei ist für die Bilddatenübertragung von der Gantry 6 hin zur Basiseinheit 4, für den Datentransfer von ersten Steuerungsdaten ESD von der Basiseinheit 4 hin zur Gantry 6 und für die Übermittelung von zweiten Steuerungsdaten ZSD von der Gantry 6 hin zur Basiseinheit 4 jeweils ein eigener Übertragungsweg oder Übertragungskanal vorgesehen. Die signaltechnische Koppelung zwischen der Gantry 6 und der Basiseinheit 4 erfolgt wie angedeutet über ringförmig um die Gantry 6 laufende Schleifkontakte 16, wobei jeder Übertragungsweg einen eigenen Schleifkontakt 16 umfasst.
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Im Gegensatz dazu sind bei einer hier vorgestellten Medizinanlage 2 für den Datenaustausch zwischen der Basiseinheit 4 und der Gantry 6 nur zwei Übertragungswege bzw. Übertragungskanäle vorgesehen, so dass ein Übertragungsweg oder eine Übertragungsstrecke eingespart wird, was zu einer Reduzierung des technischen Aufwandes bei der Realisierung einer entsprechenden Medizinanlage 2, einer Verringerung der Herstellungskosten und einer Erhöhung der Zuverlässigkeit im Betrieb führt.
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Eine entsprechende Ausgestaltung einer solchen Medizinanlage 2, hier ein Computertomograph, ist in 2 skizziert. Entsprechend der Darstellung ist ein erster Übertragungsweg zur Übertragung von ersten Steuerungsdaten ESD von der Steuerungseinheit 8 der Basiseinheit 4 an die Steuerungsdaten-Einheit 14 der Gantry 6 eingerichtet und ein zweiter Übertragungsweg ist zur Übermittelung von Daten von einer Koppelungs-Einheit 18 der Gantry 6 hin zu einer Entkoppelungs-Einheit 20 der Basiseinheit 4 vorgesehen. Mit Hilfe der Koppelungs-Einheit 18 werden die zweiten Steuerungsdaten ZSD von der Steuerungsdaten-Einheit 14 der Gantry 6 und die Bilddaten BD von der Bilderzeugungs-Einheit 12 gekoppelt und so über einen einzigen Übertragungsweg, den zweiten Übertragungsweg, an die Entkoppelungseinheit 20 der Basiseinheit 4 übermittelt, wo der Datenstrom wieder entkoppelt wird, also in zweite Steuerungsdaten ZSD und Bilddaten BD separiert wird. Die zweiten Steuerungsdaten ZSD werden nachfolgend an die Steuerungseinheit 8 weitergeleitet und die Bilddaten BD werden an die Bildverarbeitungs-Einheit 10 weitergeleitet.
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Eine vorteilhafte Realisierung des zweiten Übertragungsweges ist in 3 nach Art eines Blockschaltbildes gezeigt. Bei diesem Übertragungsweg erfolgt die Übermittelung der Daten kontaktlos mittels einer kapazitiven Koppelung und der Datentransfer erfolgt frequenzversetzt. Das bedeutet, dass die zweiten Steuerungsdaten ZSD und die Bilddaten BD parallel übertragen werden, wobei für jeden der beiden Datenströme ein eigenes Frequenzband vorgesehen ist. Je nachdem, auf welche Weise die Daten zum zweiten Übertragungsweg gelangt sind, wird zunächst eine Aufbereitung der beiden Datenströme nach an sich bekanntem Prinzip mit Hilfe einer Taktrückgewinnungs-Einheit 22 (Clock/Data Recovery kurz CDR) und einem Tiefpassfilter 24 vorgenommen. Nachfolgend werden die zweiten Steuerungsdaten ZSD mittels einer Modulator-Einheit 26 auf eine Trägerfrequenz aufmoduliert. Dieses modulierte Signal wird dann auf das Signal der Bilddaten BD aufsummiert und das Summensignal wird über die kapazitive Koppelung an die Basiseinheit 4 übertragen. Die Übermittelung der Basisdaten BD erfolgt dementsprechend im sogenannten Basisband. Die Separation der Daten in Bilddaten BD und moduliertes Signal erfolgt auf Seiten der Basiseinheit 4 mittels eines Tiefpassfilters 28 einerseits sowie eines Bandpassfilters 30 andererseits. Nachfolgend wird das modulierte Signal mit Hilfe einer Demodulator-Einheit 32 demoduliert und abschließend erfolgt erneut eine Aufbereitung der beiden Datenströme durch Taktrückgewinnungs-Einheiten 34 und Tiefpassfilter 36.
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Eine alternative Gestaltung des zweiten Übertragungsweges ist in 4 skizziert. Hier gelangen die Bilddaten BD und die zweiten Steuerungsdaten ZSD jeweils zunächst in einen Puffer-Speicher 38, der nach dem „First In – First Out“ (kurz FIFO) oder auch „First-Come First-Served“ (kurz FCFS) Prinzip arbeitet. In der Folge werden die beiden Datenströme mit Hilfe eines Multiplexers in periodischer Abfolge ausgelesen, nachfolgend über eine kapazitive Koppelung an die Basiseinheit 4 übermittelt und schließlich mit Hilfe eines Demultiplexers zwei weiteren Puffer-Speichern 38 zugeführt, so dass die Bilddaten BD und die zweiten Steuerungsdaten ZSD schlussendlich als separate Datenströme in der Basiseinheit 4 zur Verfügung stehen.
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Der Multiplexer umfasst dabei einen Datenpaket-Generator 40, der eine vorgesehene Datenmenge aus einem der Puffer-Speicher 38 entnimmt und einer Serializer/Deserializer-Einheit 42 (kurz SerDes) zuführt, welche die Daten des Datenpakets in einen seriellen Datenstrom umwandelt. Zur Übermittelung dieses Datenstroms ist abhängig von der Größe des Datenpakets, also der Menge an Daten, eine bestimmte Zeit notwendig, weswegen für ein jedes Datenpaket ein entsprechendes Zeitfenster für die Übertragung vorgesehen ist. Einer besonders einfachen Ausgestaltung entsprechend werden stets Datenpakete von gleicher Größe durch den Datenpaket-Generator 40 erzeugt, so dass jedes Zeitfenster dieselbe zeitliche Ausdehnung aufweist. Die typischerweise höhere Datenrate bei den Bilddaten BD wird in diesem Fall dadurch berücksichtigt, dass zum Beispiel lediglich jedes dritte Zeitfenster zur Übermittelung eines Datenpakets mit zweiten Steuerungsdaten ZSD genutzt wird, während die übrigen Zeitfenster für Datenpakete mit Bilddaten BD reserviert bleiben. Der Demultiplexer in der Basiseinheit 2 umfasst schließlich eine weitere Serializer/Deserializer-Einheit 42 zur Wiederherstellung des ursprünglich parallelen Datenstroms und eine Empfangs-Steuerung 44, die die Datenpakete den entsprechenden Puffer-Speichern 38 zuweist.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Medizinanlage
- 4
- Basiseinheit
- 6
- Gantry
- 8
- Steuerungseinheit
- 10
- Bildverarbeitungs-Einheit
- 12
- Bilderzeugungs-Einheit
- 14
- Steuerungsdaten-Einheit
- 16
- Schleifkontakt
- 18
- Koppelungs-Einheit
- 20
- Entkoppelungs-Einheit
- 22
- Taktrückgewinnungs-Einheit
- 24
- Tiefpassfilter
- 26
- Modulator-Einheit
- 28
- Tiefpassfilter
- 30
- Bandpassfilter
- 32
- Demodulator-Einheit
- 34
- Taktrückgewinnungs-Einheit
- 36
- Tiefpassfilter
- 38
- Puffer-Speicher
- 40
- Datenpaket-Generator
- 42
- Serializer/Deserializer-Einheit
- 44
- Empfangs-Steuerung
- ESD
- erste Steuerungsdaten
- ZSD
- zweite Steuerungsdaten
- BD
- Bilddaten
