DE10223309A1 - Datenerfassungssystem - Google Patents

Abstract

Ein Datenerfassungssystem mit Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheiten (1a, 1b, 1c), die jeweils eine Datenquelle (3a¶1¶, 3a¶2¶, 3b¶1¶, 3c¶1¶) aufweisen, die zur Erzeugung von Daten dient. Die jeweils erzeugten Daten werden mittels zugehöriger Datenverarbeitungsmittel (2a, 2b, 2c, 11a¶1¶, 11a¶2¶, 12a¶1¶, 12a¶2¶, 13a¶1¶, 13a¶2¶) derart verarbeitet, dass je ein mindestens zwei Bit umfassendes Digitaldatenwort zur Ausgabe bereitgestellt wird. Die Digitaldatenworte werden in Abhängigkeit von ersten Steuersignalen (4, 5) synchron-parallel ausgegeben. Miteinander zu einer Kette gekoppelte Schieberegister (6a, 6b, 6c) leiten die Digitaldatenworte in Abhängigkeit von zweiten Steuersignalen (7, 8) jeweils synchron-parallel weiter und sind mit je einer zugehörigen Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheit (1a, 1b, 1c) gekoppelt.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Datenerfassungssystem.
• Datenerfassungssysteme werden in Geräten eingesetzt, die in größerer Anzahl bzw. in schneller Reihenfolge Daten generieren und bei denen erforderlich ist, dass die Daten vom Ort bzw. den Orten der Erzeugung zum Ort der Weiterverarbeitung in definierter, störungsfreier Art übertragen werden. Ein solches Gerät ist z. B. ein Bildgebungsgerät, etwa ein medizinisches Röntgengerät, bei dem auf einem Detektor ankommende Röntgenstrahlung etwa mittels Szintillator-Photodioden-Einheiten in elektronische Signale umgewandelt wird, die dann z. B. mittels eines Analog-Digital-Konverters (ADC) digitalisiert werden. Typischerweise ist ein solcher Detektor in kleinere Bildeinheiten, sogenannte Pixel unterteilt. Das Datenerfassungssystem wird dann dazu benutzt, die von den Detektorpixel erzeugten und mittels eines oder mehrerer ADCs digitalisierten Daten einem anderen Geräteelement zuzuführen. Ein solches zum Empfang dienendes Geräteelement ist z. B. eine die Daten weiterverarbeitende Elektronikeinheit, eine Datenschnittstelle, die die Daten weiterleitet, oder ein Datenspeicher. Im Medizinbereich kann ein solcher Detektor unter anderem ein hochauflösender Digitaldetektor für radiographische Aufnahmen sein oder ein Röntgenstrahlungs-sensitiver Detektor, wie er in der Computertomographie verwendet wird.
• Ein in einem solchen Gerät eingesetztes Datenerfassungssystem ist z. B. von Ein-Linien- Computertomographen bekannt. Bei einem solchen CT-Gerät rotiert der Detektor, mechanisch fest mit der Röntgenstrahlungsquelle verbunden, um das zu untersuchende Objekt, wobei von möglichst ausreichend vielen Winkelpositionen aus Projektionsbilder aufgenommen und ausgelesen werden müssen. Ein Ein-Linien-Detektor hat bis etwa 1000 Pixel und wird etwa 1000 Mal pro Sekunde ausgelesen. Bei einer typischen Digitalisierungstiefe der Pixeldaten von 16 Bit kommt man hierbei auf eine Datenrate von 1.6.10⁷ Datenbits pro Sekunde. Zu einzelnen Detektormodulen oder definierten Pixelgruppen gehörige Analog-Digital-Konverter-Karten, die typischerweise in einiger Entfernung zum Detektor selbst montiert sind, bekommen unverstärkte Analogdaten von den Pixel mittels Analogdatenleitungen zugeführt, verstärken und digitalisieren diese und schreiben die Digitaldaten dann auf den Digitaldatenbus mittels dessen die digitalisierten Daten übertragen werden. Stand der Technik bei den erwähnten Datenraten ist der Einsatz klassischer (random-access) Bussysteme, z. B. PCI oder SCSI.
• Besondere Anforderungen an ein Datenerfassungssystem ergeben sich dann, wenn der Detektor besonders viele Pixel aufweist, die in einer kurzen Zeit ausgelesen werden müssen. Moderne und insbesondere künftige Detektoren erfordern sehr hohe Datenraten. Flache, digitale Röntgendetektoren können beispielsweise 2000 × 2000 Pixel auf einer Fläche von 40 × 40 cm² beinhalten, die etwa alle 30 ms ausgelesen werden müssen. Ein Datenerfassungsgerät muss dann 1.33.10⁸ Pixeldaten pro Sekunde übertragen, also bei einer Digitalisierungstiefe von etwa 12 Bit insgesamt ungefähr 1.6.10⁹ Datenbits pro Sekunde. Kleinere Röntgendetektoren (etwa ein 20 × 20 cm² Detektor für Herzuntersuchungen) haben dann nur etwa ein Viertel der Pixel, was die Datenrate auch auf ein Viertel, also 0.4.10⁹ Datenbits pro Sekunde, reduziert. Bei einem modernen Computertomographen (CT) ist die Anzahl der Pixel deutlich niedriger (z. B. kann ein Vielzeilen- CT-Detektor etwa 1000 × 24 Pixel aufweisen, wobei der Trend eher zu noch mehr Zeilen geht), dafür müssen diese Daten aber etwa 1000-1500 Mal pro Rotation des Detektorsystems ausgelesen werden, so dass man hier bei einer angestrebten Rotationszeit von etwa 0.7-0.33 s und einer typischen Digitalisierungstiefe von circa 16 Bit auf eine Rate von etwa 0.5-1.5.10⁹ Datenbits pro Sekunde kommt.
• Bei einem Datenerfassungssystem für einen Computertomographen kommt als wesentliche zusätzliche Anforderung hinzu, dass der entsprechende Detektor eine Länge von etwa einem Meter hat, d. h. die Erzeugungsorte, von denen die Daten letztendlich zu einem Bestimmungsort übertragen werden müssen, liegen entsprechend weit auseinander. Ein CT-Detektor kann also mehr als doppelt so lang sein wie ein flacher Röntgendetektor.
• Die Verwendung von langen Analogkabeln wird daher immer problematischer. So hat man bei Vielzeilendetektoren nicht nur das Problem der immer größer werdenden Dichte an Kabeln, mittels derer die Analogdaten vom Detektor zum Verstärker und ADC übertragen werden, zu bewältigen, sondern auch die Frage von problematischen Störungen, verursacht z. B. durch eine relativ große Kabelkapazität im Vergleich zu einer kleinen Pixelkapazität (bedingt durch eine kleine Fläche des Pixels), Mikrophonie durch Kabelbewegung und Einstreuungen durch elektromagnetische Felder zu beantworten.
• Klassische Bussystemkonzepte wie bei Ein-Linien-Detektoren stoßen auch an ihre Grenzen, da an den Kontaktierungsstellen der Datenleitungen Reflexionen (Oberwellen- Ringing) auftreten, die insbesondere bei langen Datenleitungen den Dateninhalt überdecken können, sodass viele Störungen dem Datenstrom überlagert werden und die Datenübertragung gänzlich unmöglich werden kann. Die Entstehung von Reflexionen durch sogenanntes Oberwellen-Ringing kann durch Verwendung von besonderen, Wellenwiderstands-angepassten Leitungen unterdrückt werden. Allerdings sind solche Leitungen sehr teuer. Auch differentielle Treiber wären denkbar, jedoch erhöht sich dadurch die Kabeldichte (durch die Notwendigkeit, twisted-pair Kabel zu verwenden) und der Abschluss der Kabel muss weiterhin angepasst werden.
• Aus dem Dokument US 6,081,576 A ist ein skalierbares Datenerfassungssystem für einen Ein- bzw. Mehrzeilen-Computertomographen bekannt. Dabei werden Analogdaten von Detektormodulen mittels Kabeln auf eine Datenerfassungssystemrückwandplatine übertragen. Auf dieser Rückwandplatine werden die Analogdaten umgeordnet, so dass nur Daten von einer Detektorzeile auf jeweils eine Konverterkarte gekoppelt werden. Auf dieser Konverterkarte werden die Analogdaten digitalisiert und in einen Bitstrom verwandelt. Für eine typische Detektorzeile sind hierbei zwölf Konverterkarten vorgesehen. Jede Konverterkarte führt ihre Daten dem Bitdatenstrom an definierten Zeitpunkten zu. Der Bitstrom wird mittels einer seriellen Schieberegisterkette von Konverterkarte zu Konverterkarte übertragen und am Ende einer Transmissionseinheit zugeführt.
• Dieses Datenerfassungssystem ist skalierbar, aber die Anzahl von Konverterkarten und 1-Bit Schieberegisterketten nimmt linear mit der Anzahl der Detektorzeilen zu. Bei 20 Detektorzeilen kämen 240 Konverterkarten und 20 serielle Schieberegisterketten zusammen. Diese Lösung verbraucht viel Platz und die Kosten steigen linear.
• Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes und kostengünstiges Datenerfassungssystem für räumlich verteilte Datenquellen und hohe Datenraten zur Verfügung zu stellen. Es ist weiterhin Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren für die Datenerfassung bei räumlich verteilten Datenquellen und hohen Datenraten zu definieren. Es ist auch Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Röntgengerät mit einem Datenerfassungssystem für räumlich verteilte Datenquellen und hohe Datenraten zur Verfügung zu stellen.
• Die Aufgabe wird gelöst durch ein Datenerfassungssystem mit Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheiten, die jeweils eine Datenquelle zur Erzeugung von Daten aufweisen, zur Verarbeitung der Daten vorgesehene Datenverarbeitungsmittel aufweisen, die dazu vorgesehen sind, ein mindestens zwei Bit umfassendes Digitaldatenwort zur Ausgabe bereit zu stellen, und zur synchron-parallelen Ausgabe der Digitaldatenworte in Abhängigkeit von ersten Steuersignalen vorgesehen sind, und mit miteinander zu einer Kette gekoppelten Schieberegistern, die jeweils zur synchron-parallelen Weiterleitung der Digitaldatenworte in Abhängigkeit von zweiten Steuersignalen vorgesehen sind und mit einer der Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheiten gekoppelt sind.
• Hierbei bedeutet "synchron-parallel", dass die Bits eines mehrere Bits umfassenden Digitaldatenwortes parallel (also gleichzeitig) ausgegeben oder weitergeleitet werden und dass dieses Ausgeben bzw. Weiterleiten zeitlich synchronisiert für alle beteiligten Datenerzeugungs- und -erfassungseinheiten abläuft.
• Die von den Datenquellen gelieferten "Daten" können sowohl digital als auch analog oder gemischt digital-analog sein.
• Ein derart aufgebautes Datenerfassungssystem erlaubt kurze Analogleitungen, da die Datenerfassungs- und -verarbeitungseinheiten an die Schieberegisterkette nur mittels Digitalleitungen gekoppelt sind. Hohe Bitstromtaktraten werden durch parallele Übertragung auf niedrigere Digitalworttaktraten reduziert und die Synchronisierung der Anordnung sorgt für sichere Datenübertragung. Die Reduktion der Digitalkopplungsstrecke auf die Kopplung zwischen den Schieberegistern erlaubt auch eine kostengünstige Realisierung der Digitaldatenleitungen und der Treiber.
• Nach Anspruch 2 weist mindestens eine Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheit als Verarbeitungsmittel einen Analog-Digital-Konverter auf, der mit der Datenquelle dieser Einheit gekoppelt ist. Dieser ist dann vorteilhaft einzusetzen, wenn die Datenquelle gänzlich oder teilweise Analogdaten liefert, die noch digitalisiert werden müssen. Der ADC wird erfindungsgemäß nah an der Datenquelle platziert, was kurze Analogverbindungen ermöglicht.
• Nach Anspruch 3 weist mindestens eine Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheit als Verarbeitungsmittel ein Register auf. Hat dieses Register einen parallelen Ausgang zum gleichzeitigen Weiterleiten aller Bits eines Digitaldatenwortes, ist damit das parallele Ausgeben der Digitaldatenworte realisierbar. Außerdem kann Nutzen aus den Speichereigenschaften eines Registers gezogen werden. So kann ein Digitaldatenwort an den Ausgang des Registers geleitet werden, während im nächsten Schritt ein zweites Digitaldatenwort in dem Register gespeichert wird.
• In Anspruch 4 wird eine weitere spezielle erfindungsgemäße Anordnung beschrieben, bei der eine Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheiten zwei Datenquellen aufweist, die jeweils an ein zugeordnetes Verarbeitungsmittel (einen ADC) gekoppelt sind und in der das Verarbeitungsmittel Register abwechselnd von den ADCs die erzeugten digitalen Daten liest. Die digitalen Daten müssen nicht notwendigerweise bereits das vollständige zur Ausgabe vorgesehene Digitaldatenwort sein.
• Die Ausgestaltung nach Anspruch 5 bietet den Vorteil, dass auf einen Kontrolldatenbus verzichtet werden kann, wenn die Schieberegisterkette dazu vorgesehen ist, auch Kontrolldaten weiterzuleiten. Das spart Kosten und Platz.
• In dem Fall, dass physikalische Messgrößen detektiert werden sollen, ist nach dem Anspruch 6 eine Datenquelle als eine Sensoreinheit auszugestalten.
• In dem Fall, dass beispielsweise Licht oder Röntgenstrahlung zur Erzeugung von Daten dienen sollen, ist nach Anspruch 7 eine Datenquelle zur Detektierung von elektromagnetischer Strahlung auszugestalten.
• Die Ausgestaltung nach Anspruch 8 ist besonders vorteilhaft, wenn es sehr viele Detektierungselemente gibt. Die einer Datenquelle zugeordneten Verarbeitungselemente können dann die Daten mehrerer Detektierungselemente bearbeiten
• Die Erfindung betrifft weiterhin ein Röntgengerät, das mit einem erfindungsgemäßen Datenerfassungssystem versehen ist. Bei großen Abmessungen (etwa > 20 cm) und/oder bei hohen Taktraten (etwa > 100 Mbit) ist so ein Datenerfassungssystem besonders vorteilhaft einzusetzen.
• Insbesondere betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zur Erfassung von Daten aus räumlich verteilten Datenquellen. Dieses Verfahren ist in Anspruch 10 beschrieben.
• Die Erfindung wird im folgenden durch mehrere Ausführungsbeispiele und anhand von Figuren detailliert beschrieben. Es zeigen
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Datenerfassungssystems mit Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheiten und einer Kette von Schieberegistern,
• Fig. 2 eine Ausführungsform einer Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheit,
• Fig. 3 eine alternative Ausführungsform einer Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheit,
• Fig. 4 das Zeitablaufdiagramm für ein Datenerfassungssystem nach der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform,
• Fig. 5 das Zeitablaufdiagramm für ein Datenerfassungssystem nach der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform,
• Fig. 6 einen Ausschnitt aus dem Takt-Signalverlauf der Schieberegister und
• Fig. 7 schaubildlich ein beispielhaftes CT-Detektormodul.
• In Fig. 1 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Datenerfassungssystems schaubildlich gezeigt. Es sind drei Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheiten 1a, 1b, 1c, im weiteren Einheiten genannt, und drei parallele Schieberegister 6a, 6b, 6c gezeigt. Die Schieberegister sind hierbei die Einkopplungspunkte für von den Einheiten ausgegebene Digitaldatenworte in die Schieberegisterkette. Ein Datenerfassungssystem ist auch mit nur zwei Schieberegistern denkbar oder mit sehr vielen Schieberegistern, etwa 10 oder 20 oder 120. Die Anzahl der Schieberegister wird durch die Anforderungen, wie Ausdehnung des Datenerfassungssystems oder Taktrate bestimmt. Bei einem CT- Detektor beträgt die lineare Ausdehnung entlang der die Daten erfasst werden müssen etwa 1 m und die Datenrate beträgt bei typischen Mehrzeilendetektoren etwa 2.10⁶ -3.10⁸ Datenworte pro Sekunde, bei 1000 Detektorspalten, 24 Detektorzeilen, 1200 Projektionen pro Umdrehung und 2 Umdrehungen pro Sekunde also 57.6.10⁶ Datenworte pro Sekunde, was einer Taktzeit von etwa 17.4 ns entspricht. Jede der Einheiten 1a, 1b, 1c weist eine Datenquelle 3a₁, 3b₁, 3c₁ auf. Eine solche Datenquelle kann etwa ein Teil eines Röntgendetektors mit einer an die realisierbare Taktrate angepassten Anzahl von Pixel sein. Weiterhin gibt es Register 2a, 2b, 2c, die zur Speicherung von Digitaldatenworten dienen, die insbesondere parallel ausgeführt sind, wobei gleichzeitig die beispielsweise zwei bis 24 Bit eines Digitaldatenwortes gespeichert werden, ohne die einzelnen Bit seriell einzuladen. Zusätzlich sind die Einheiten 1a, 1b, 1c dazu vorgesehen, erste Steuersignale 4, 5, etwa Takt-Signale 4 und Schaltsignale 5, zu empfangen, in deren Abhängigkeit die Digitaldatenworte weitergeleitet werden. Die Einheiten selbst sind hier nicht miteinander verbunden. In einer strukturell einfachen Ausführungsform ist die Datenquelle 3a₁ einer Einheit eine Digitaldatenquelle, etwa ein Speichermittel, von dem in Abhängigkeit der ersten Steuersignale 4, 5 die Digitaldatenworte ausgelesen und über etwa ein Register 2a ausgegeben werden. Auslesen der Daten aus der Datenquelle 3a₁ ist durch interne oder externe Adressierung möglich. Die ersten Steuersignale 4, 5 erlauben durch ein vollsynchrones Zuführungsdesign (beispielsweise durch eine sternförmige Zuführung) ein zeitlich synchronisiertes Weiterleiten der Digitaldatenworte mehrerer Einheiten über die parallelen Ausgänge 2a, 2b, 2c dieser Einheiten. Die Steuersignale 4, 5 erlauben definiert einzelne Einheiten anzusprechen, synchron mehrere Einheiten anzusprechen oder synchron alle Einheiten des Datenerfassungssystems anzusprechen. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform umfasst ein Digitaldatenwort vier Bit. Die Breite der Kopplungsmittel 9a, 9b, 9c zwischen den Einheiten 1a, 1b, 1c und den Schieberegistern 6a, 6b, 6c entspricht hier dieser Bitbreite der Digitaldatenworte. Sollen zusätzliche Hand-Shake-Signale oder andere Kontrollsignale mit übertragen werden, wird ein Kopplungsmittel 9a, 9b, 9c verwendet, das breiter ist als ein Digitaldatenwort. Solche Kopplungsmittel können etwa durch sogenannte Flexfoils realisiert sein. Die Schieberegister sind mit Datenbussen 10ab, 10bc zu einer Kette gekoppelt. Die Schieberegisterkette weist hier weiterhin einen Anfangs-Datenbus 10' und einen End-Datenbus 10" auf, die zur Ein- und Auskopplung von Daten der Schieberegisterkette dienen. So koppelt der End-Datenbus 10" die Schieberegisterkette an einen Datenempfänger 20, etwa ein Speichermedium oder eine elektronische Weiterverarbeitungseinheit. Der Anfangs-Datenbus 10' koppelt einen Datensender 21 an die Schieberegisterkette. Der Datensender kann etwa zum Einkoppeln von Kontrolldaten in die Schieberegisterkette dienen. Die von den verschiedenen Einheiten 1a, 1b, 1c weitergeleiteten Digitaldatenworte müssen nicht wie in Fig. 1 dargestellt auf gleiche Breite beschränkt sein. In einer besonderen Ausführungsform leitet eine Einheit ein vier Bit breites Datenwort weiter und eine andere ein acht Bit breites Datenwort. Die Kopplungsmittel 9a, 9b, 9c sind dann entsprechend auszulegen. In diesem Fall sind die Schieberegister 6a, 6b, 6c mindestens so breit wie das breiteste weiterzuleitende Digitaldatenwort. Da das synchron-parallele Weiterleiten in definierter Weise in Abhängigkeit von zweiten Steuersignalen 7, 8 erfolgt, kann der Datenempfänger 20 die unterschiedlich breiten Datenworte auseinanderhalten. Bei einem CT-Detektor sind die Projektionsdaten am Detektorrand typischerweise von geringerer Dynamik als im Detektorzentrum, und eine unterschiedlich breite Ausführung reduziert Kosten und spart Platz. In der dargestellten Ausführungsform sind zum Übertragen von Hand-Shake- Signalen oder anderen Kontrollsignalen die Datenbusse 10ab, 10bc breiter realisiert als das breiteste zu übertragende Digitaldatenwort (hier als fünf Bit breiter Datenbus). Die Schieberegister 6a, 6b, 6c sind dazu vorgesehen, zweite Steuersignale 7, 8, etwa Takt- Signale 7 und Schaltsignale 8, zu empfangen, in deren Abhängigkeit die Digitaldatenworte synchron-parallel durch die Kette weitergeleitet werden. Alternativ zur in Fig. 1 gezeigten Realisierung mit einer eindeutigen Kopplung zwischen einer Einheit und einem Schieberegister ist es möglich, beispielsweise zwei Einheiten mit einem Schieberegister zu koppeln. Werden zwei Einheiten auf den gleichen Eingang eines Schieberegisters gekoppelt, ist es beispielsweise möglich in zeitlichem Wechsel auf die Einheiten zuzugreifen. Das ist von Vorteil, wenn eine höhere Taktrate auf der Schieberegisterkette realisierbar ist, als die Datenerzeugungsdauer. Dadurch wird eine weitere Schieberegisterkette gespart. In einer weiteren alternativen Ausführungsform koppeln die Einheiten jeweils auf mindestens zwei Digitaldatenworte breite Schieberegister. Dadurch können je zwei Digitaldatenworte gleichzeitig pro Schieberegister weitergeleitet werden. Es sind aber auch teilweise überlappende Kopplungsdesigns möglich und/oder mehr als zwei Einheiten pro Schieberegister.
• Bei einem Mehrzeilendetektor eines Computertomographen können beispielsweise 14- Bit oder 16-Bit breite Digitaldaten erzeugt werden. Das zu übertragende Digitaldatenwort beinhaltet oft auch zusätzliche Skalierungsbits, die angeben, welche Verstärkungsstufe gewählt wurde. Um etwa einen dynamischen Bereich von 20 Bit zu überdecken, werden kleinere Signale erst verstärkt, bevor sie einer Digitalisierungseinheit zugeführt werden. Beispielsweise gibt es abhängig von der Signalhöhe 1, 4, 16 und 64-fache Verstärkungen. Um 4 Verstärkungsbereiche zu indizieren, benötigt man zusätzliche 2 Bit. Diese zwei Bit sind den etwa 14-16 Bit Digitalisierungstiefe zuzuschlagen, sodass das weiterzuleitende Digitaldatenwort dann 16-18 Bit umfasst. Bei nur zwei Verstärkungsbereichen reicht ein Verstärkungsbit. Zusätzliche Paritätsbits oder Fehlerkorrekturbits sind denkbar. Bei anderen Röntgendetektoren sind niedrigere Datenwortbreiten als in der Computertomographie üblich. Etwa 8-12 Bit bei Radiographie- Detektoren (etwa Bildverstärker oder digitale Flachdetektoren). Wird das Datenerfassungssystem etwa auf digitale Musikdaten angewandt, sind Digitalwortbreiten von 24 Bit denkbar.
• Ein CT-Detektor wird typischerweise in Längsrichtung aus Detektormodulen zusammengesetzt, etwa Module, die bei einem 24-Zeilen-Detektor 16 Spalten umfassen. Jedes Detektormodul weist dann 384 Pixel auf. Weist der Detektor 64 Module auf, summiert sich die Anzahl der Spalten auf 1024. Die typische Breite eines CT-Detektor-Pixels beträgt 1 mm, also ist die Länge eines solchen Detektors etwa 1 m. Werden die Daten eines Moduls auf ein Schieberegister gekoppelt, weist die Schieberegisterkette in diesem Fall 64 Schieberegister auf.
• In Fig. 2 ist schaubildlich eine detaillierte Ausführungsform eines Schieberegisters 6a in der Schieberegisterkette mit einer zugeordneten Einheit 1a gezeigt. Die Einheit weist eine Datenquelle 3a₁ auf, die mit einer Digitalisierungseinheit 11a₁ gekoppelt ist, die den Analogdatenstrom der Datenquelle 3a₁ in Digitaldatenworte konvertiert. Die Digitalisierungseinheit 11a₁, etwa ein Analog-Digital-Konverter, ist mit der Datenquelle über Analogdatenleitungen 12a₁ und mit dem Register 2a gekoppelt. In einer erweiterten Ausführungsform gibt es zusätzlich eine Kopplung zwischen der Datenquelle 3a₁ und dem Register 2a mittels einer Datenleitung 13a₁, die die Digitalisierungseinheit 11a₁ umgeht. Dies ist dann vorteilhaft, wenn die Datenquelle 3a₁ neben den Analogdaten auch Digitaldaten liefert, etwa die beschriebenen Verstärkungsbits. Bei einer Realisierung in einem Mehrzeilen-Computertomographen ist die Datenquelle 3a₁ etwa eine Photodiodenanordnung mit darüber angeordneten Szintillatorkristallen zur Konversion von Röntgenquanten in optische Lichtquanten, die von den Photodioden in ein Stromsignal konvertiert werden. Weiterhin gehört in dieser Ausführungsform eine den Photodioden zugeordnete Verstärkereinheit zur Datenquelle. Die Verstärkereinheit wandelt etwa das Stromsignal in ein Spannungssignal. Es ist möglich, die Verstärkereinheit für eine automatische Verstärkung kleiner Signale auszulegen. Der Verstärkungsfaktor kann dann mittels Verstärkerbereichsbits digital weitergeleitet werden. Mittels der ersten Steuersignale 4, 5 und einem nicht dargestellten Zwischenspeichermittel ist es möglich, die Kopplung des Digitalsignals synchron mit dem digitalisierten Analogsignal an das Register 2a zu realisieren. Eine vorteilhafte Ausführungsform ist die Anordnung der Digitalisierungseinheit 11a₁ nahe der Datenquelle 3a₁, etwa auf der gleichen Platine außerhalb oder geschützt vor dem Röntgenstrahl. Dann sind die Analogleitungen 12a₁ sehr kurz und beispielsweise als gedruckte Leitungen mit einer Länge von wenigen Millimetern bis wenige Zentimeter realisierbar.
• In Fig. 3 wird eine weitere Ausgestaltung der einem Schieberegister 6a zugeordneten Einheit 1a gezeigt. In dieser Ausgestaltung umfasst die Einheit 1a zwei Datenquellen 3a₁, 3a₂ und zwei jeweils mit diesen Datenquellen über Analogdatenleitungen 12a₁, 12a₂ gekoppelte Digitalisierungseinheiten 11a₁, 11a₂. Die Digitalisierungseinheiten 11a₁, 11a₂ sind jeweils mit dem Register 2a gekoppelt. Diese Ausgestaltung ist dann sinnvoll, wenn die Dauer zur Digitalisierung der von den Datenquellen 3a₁, 3a₂ erzeugten Daten mit einer Digitalisierungseinheit die angestrebte Auslesezeit überschreitet. In einer Ausführungsform entsprechen die Datenquellen 3a₁, 3a₂ der oberen und der unteren Hälfte eines Moduls eines Mehrzeilen-Detektors. Bei einem 24-Zeilen-Detektor also die oberen 12 Zeilen und die unteren 12 Zeilen. Wie für Fig. 2 beschrieben, sind erweiterte Ausführungsformen vorstellbar, bei denen von den Datenquellen 3a₁, 3a₂ gelieferte Digitaldaten durch Datenleitungen 13a₁, 13a₂ synchron auf das Register 2a geleitet werden. Das Register ist bei hochohmig schaltbaren Analog-Digital-Konverter-Ausgängen durch deren Ausgang realisierbar. Ist die Ausgabe der Digitaldatenworte über ein Register realisiert, hat diese Ausgestaltung den Vorteil, dass die Speichereigenschaften des Registers genutzt werden können, beispielsweise um ein Digitaldatenwort an die Schieberegister weiterzuleiten und kurz danach ein zweites Digitaldatenwort zu speichern, sodass die ADCs bereits eine weitere Konversion durchführen können. Ein Register kann auch vorteilhaft die Daten einer Digitalisierungseinheit 11a₁, 11a₂ und synchron dazu die zugehörigen Digitaldaten über die Datenleitungen 13a₁, 13a₂ empfangen. Die angesprochenen Register (auch die Schieberegister) können sowohl flanken- wie auch pegelgesteuert sein.
• In Fig. 4 ist der Beginn des Zeitablaufdiagramms einer Einheit 1a und des zugeordneten Schieberegisters 6a für die Ausgestaltung nach Fig. 2 mit einem Register 2a und einem ADC 11a₁ dargestellt. Die Datenquelle 3a₁ besteht in diesem Fall aus mehreren Pixel, die etwa durch Detektierung von Röntgenstrahlung und Konversion des Röntgensignals in ein elektrisches Signal Messdaten erzeugen. Zeile 1-1 gibt das aktive Detektorpixel an. Die Adressierung kann durch eine Adressierungseinheit innerhalb der Einheit erfolgen oder durch externe Adressierung, wobei dann die ersten Steuersignale 4, 5 zusätzlich die Adressierungsinformation umfassen. Mit dem Signal aus Zeile 2-1 wird der Konversionsstart des Analogsignals aus dem aktiven Detektorpixel in ein digitales Signal mittels des ADCs 11a₁ initiiert (C-0 startet die Konversion des Signals aus dem Pixel mit dem Index 0, C-1 entsprechend die Konversion des Signals des mit 1 indizierten Pixels). Mit dem Auslesesignal 3-1 wird das ADC-Resultat vom Register 2a gelesen (mit R-0 wird das digitalisierte Signal aus Pixel 0 gelesen usw.). Im nächsten Schritt wird durch das Takt- Signal 5-1 der Wert am Eingang des Registers 2a auf den Ausgang gelegt (S-0 initiiert das Schreiben des digitalisierten Wertes von Pixel 0 auf den Registerausgang usw.) und danach wird durch das Signal 4-1 der Ausgang aktiviert (A-0 aktiviert den Ausgang für den Wert aus Pixel 0 usw.). Dabei folgen die Signale 2-1, 3-1, 4-1 und 6-1 in der gezeigten Ausführungsform einer inversen Logik, d. h. das gewünschte Ereignis wird durch nicht aktives Signal initiiert. Während der Ausgang der Einheit 1a aktiv ist, ist der Ausgang des zugeordneten Schieberegisters 6a inaktiv, was infolge der inversen Logik des Signals 6-1 erfolgt (I-0 setzt den Ausgang des Schieberegisters inaktiv, während der Wert von Pixel 0 auf das Schieberegister übertragen wird usw.). Das Aktivieren des Ausgangs des Registers 2a erfolgt zeitlich synchronisiert für alle Einheiten 1a, 1b, 1c des Datenauslesesystems. Über die Kopplungsmittel 9a, 9b, 9c werden die Digitaldatenwort- Bits parallel, also gleichzeitig, übertragen. Danach liegen an den Eingängen aller Schieberegister 6a, 6b, 6c Digitaldatenworte an. Im nächsten Schritt wird der Ausgang des Schieberegisters 6a aktiviert und mittels des Takt-Signals 7-1 wird bis zur nächsten Aktivierung der Ausgänge 2a, 2b, 2c der Einheiten 1a, 1b, 1c der Inhalt der Schieberegisterkette synchronisiert weitergeleitet, sodass alle Daten zum Datenempfänger 20 weitergeleitet wurden. Die Schieberegisterkette ist dann leer und erneut können Digitaldatenworte an die Eingänge der Schieberegister gelegt werden. Falls nach dem kompletten Auslesen aller Detektormodulpixel die Ausleseprozedur wiederholt werden soll, was je nach CT-Scanner bis zu etwa 3000 mal pro Rotation angestrebt wird, kann die weitere Ausleseprozedur sich kontinuierlich anschließen. In dieser Realisierung sind die Signale 1-1, 2-1, 3-1, 4-1 und 5-1 als erste Steuersignale 4, 5 zu verstehen und die Signale 6-1 und 7-1 als zweite Steuersignale 7, 8.
• In Fig. 5 ist der Beginn des Zeitablaufdiagramms gezeigt, falls eine Ausführungsform nach Fig. 3 mit zwei ADCs 11a₁, 11a₂ für alle Einheiten und je einem Register 2a, 2b, 2c vorliegt. Die Signale bezeichnen mit 1-2 den Adressierungsindex des aktiven Pixels, mit 2-2 den Konversionsstart (synchron für beide ADCs), mit 3-2 und 4-2 das Auslesesignal für den ersten und den zweiten ADC, mit 5-2 das Aktivierungssignal für den Ausgang des Registers 2a, mit 6-2 das Takt-Signal für das Weiterleiten des Signals an den Ausgang, mit 7-2 das Aktivierungssignal für den Ausgang der Schieberegister 6a, 6b, 6c und mit 8-2 das Takt-Signal für die Schieberegister 6a, 6b, 6c. Die Signale 2-2, 3-2, 4-2, 5-2 und 7-2 werden in inverser Logik betrieben. In dieser Ausführungsform konvertieren die ADCs ihre Eingangssignale synchron (so startet C-0 die Konversion des mit 0 indizierten Pixels der ersten Datenquelle 3a₁ und synchron die Konversion des mit 0 indizierten Pixels der zweiten Datenquelle 3a₂), allerdings wird der ADC 11a₁ zuerst ausgelesen (initiiert durch das Auslesesignal R1-0 für das Konversionsresultat von Pixel 0), dessen Resultat an den Ausgang des Registers 2a gelegt wird (für Pixel 0 mittels Signal S-0/0). Nachdem dieses Resultat durch Aktivieren des Ausgangs des Registers 2a weitergeleitet wurde (für Pixel 0 durch das Signal A-0/0), wird das Resultat des zweiten ADCs 11a₂ auf den Ausgang des Registers 2a gelegt (für Pixel 0 mittels Signal S-0/1). Der Ausgang des Registers 2a wird nach Leerschieben der Schieberegisterkette wieder aktiviert (mittels des Signals A-0/1 für Pixel 0). Hier sind die Signale 1-2, 2-2, 3-2, 4-2, 5-2 und 6-2 erste Steuersignale 4, 5 und die Signale 7-2 und 8-2 sind zweite Steuersignale 7, 8. Die Ansteuerung, also Aktivieren der Ausgänge der Register 2a, 2b, 2c und Inaktivieren und Takten der Schieberegister 6a, 6b, 6c, erfolgt synchron.
• Fig. 6 ist eine Vergrößerung des mit M bezeichneten Ausschnittes aus dem Taktsignal aus Fig. 5. Der Abstand zwischen zwei Taktpulsen wird mit T_C bezeichnet. In der Ausführungsform nach Fig. 4 ist der Abstand T_A1 zwischen zwei synchron erfolgenden Weiterleitungen von Digitaldatenworte der Einheiten 1a, 1b, 1c auf die Schieberegister 6a, 6b, 6c so zu wählen, dass die im Abstand T_C erfolgenden Weiterleitungen durch die Schieberegisterkette die Daten aus der Kette herausgeleitet haben, sodass ein erneutes Speichern keine alten Daten überschreibt. In der Ausführung nach Fig. 5 ist der Abstand T_A2 zwischen zwei synchron erfolgenden Einkopplungen der Digitaldatenworte von den Einheiten 1a, 1b, 1c auf die parallelen Schieberegister 6a, 6b, 6c entsprechend zu wählen. In der gezeigten Ausführungsform ist die Anzahl der Takt-Signale 8-2 zwischen den einzelnen Aktivierungen (z. B. zwischen A-0/0 und A-0/1) nur halb so groß wie in der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform. Das Datenerfassungssystem nach Fig. 5 hat also nur halb so viele Schieberegister wie die Ausführungsform nach Fig. 4. Die Anzahl der ausgelesenen Daten ist bei gleicher Takt-Signal-Dauer aber genauso hoch, allerdings werden in dieser Realisierung die Hälfte der Kopplungsmittel 9a, 9b, 9c gespart. Wird die Auslesedauer durch die Konversionsdauer, also den erforderlichen Abstand T_D zwischen den Konversionsstarts (etwa zwischen C-0 und C-1), bestimmt, so kann in der Ausführungsform nach Fig. 5 die Konversionsdauer T_D doppelt so lang sein wie die Auslesedauer T_A2.
• Da die Schieberegister 6a, 6b, 6c zu einer Kette gekoppelt sind, werden die Digitaldatenworte unidirektional zum Datenempfänger 20 weitergeleitet. Der Anfangs- Datenbus 10' der Kette ist in einer günstigen Ausführungsform dazu benutzbar, Kontrolldaten einzuspeisen, etwa mittels eines Datensenders 21. Die Kontrolldaten werden ebenfalls durch die Kette weitergeleitet, etwa vor oder nach einem Datenauslesezyklus oder etwa während eines Datenauslesezyklus, wobei dann das Einspeisen von Kontrolldaten und das Auslesen von Digitaldatenworten über ein entsprechendes Zeitablaufdiagramm geregelt wird. Durch Erkennungsbits in den Kontrolldaten oder etwa ein vorangeschicktes Erkennungsdigitaldatenwort ist dann eine definierte Ansteuerung des Zielortes möglich, sodass entsprechende Lesemittel, die auf die Schieberegisterkette zugreifen, etwa durch einen Abgriff am Ausgang der Schieberegister, erkennen, dass das nächste Datum für sie bestimmt ist oder ein gewisser Satz von Daten für sie bestimmt ist. Damit ist letztendlich Kontrolle und/oder Konfiguration von zugeordneten Einheiten möglich. Durch Verwendung der Schieberegisterkette zur Zuführung von Kontrolldaten (diese können lokale Programm-Updates, Kalibrationsdaten, Aufrufe für einen Selbst-Check etc. umfassen) wird ein zusätzlicher Kontrolldatenbus unnötig, was Kosten reduziert und Platz spart.
• In Fig. 7 ist schaubildlich ein beispielhaftes CT-Detektormodul gezeigt. Werden solche Module an ihren Längsseiten aneinandergereiht, dann bildet die hier zur Detektierung von Röntgenstrahlung ausgestatteten Datenquelle 3a₁ einen mehrzeiligen Röntgendetektor. In der dargestellten Ausführungsform wird der röntgensensitive Sensor aus mehreren röntgensensitiven Pixel gebildet (beispielhaft ist das Pixel aus Spalte 8 und Zeile 6 mit 3a₁-8/6 bezeichnet). Die von den Pixel durch Konversion der Röntgenstrahlung erzeugten Ladungsträger werden während eines Integrationszeitraums auf der Pixelkapazität oder in zusätzlichen Kapazitäten gespeichert und entweder direkt ausgelesen oder zu einem Zeitpunkt in einen Sample&Hold Zwischenspeicher übertragen. Mittels Vorverstärkern 14a₁ werden die Ladungssignale verstärkt und in Spannungssignale überführt, welche in dieser Ausführungsform dann mittels eines Multiplexers 15a₁ einem ADC 11a₁ zugeführt werden, von welchem die digitalisierten Daten parallel an ein Register 2a₁ weitergeleitet werden. Bei aktivem Registerausgang werden die Digitaldatenworte dann mittels eines Steckers 16a₁ und eines daran angeschlossenen flexiblen Kabels der Schieberegisterkette zugeführt. Ein CT-Detektormodul enthält typischerweise noch weitere elektronische Bauelemente, etwa um die Steuersignale zu empfangen, die hier nicht gezeigt sind.
• In einer beispielhaften Ausführungsform sind die Einheiten räumlich begrenzt, etwa kleiner als 100 cm². Bei einem 16-spaltigen CT-Detektor-Modul wäre die Einheit etwa 1,6 cm breit und müsste nicht tiefer sein als etwa 10 cm, sodass eine Fläche von 16 cm² resultiert. Dann sind die Analogdatenleitungen zwischen Vorverstärkung und ADC auf maximal wenige Zentimeter beschränkt.
• Die Taktrate zur Datenweiterleitung in der Schieberegisterkette ist sehr hoch realisierbar. Bei entsprechend hoher Anzahl von Schieberegistern beträgt der Abstand zwischen diesen nur wenige Zentimeter. Eine solche Transmissionsstrecke ist auch bei hohen Taktraten ohne teure Kabel oder aufwändige Treiber möglich. Die Taktrate zwischen den Einheiten 1a, 1b, 1c und den Schieberegistern 6a, 6b, 6c ist etwa entsprechend der Anzahl der Schieberegister niedriger als die Taktrate auf der Schieberegisterkette. Dies erlaubt längere Kopplungsmittel 9a, 9b, 9c zwischen den Einheiten und den Schieberegistern (10-20 cm sind realisierbar). Damit kann die Schieberegisterkette in einiger Entfernung zu den Einheiten angeordnet werden, etwa unterhalb des Detektors.
• Durch Verwendung einer Schieberegisterkette und einer vollsynchronen Ansteuerung der Schieberegister und der Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheiten werden hohe Taktraten bei räumlich verteilten Datenquellen erlaubt.

Claims (10)

1. Ein Datenerfassungssystem mit

- Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheiten (1a, 1b, 1c), die jeweils

- eine Datenquelle (3a₁, 3a₂, 3b₁, 3c₁) zur Erzeugung von Daten aufweisen,

- zur Verarbeitung der Daten vorgesehene Datenverarbeitungsmittel (2a, 2b, 2c, 11a₁, 11a₂, 12a₁, 12a₂, 13a₁, 13a₂, 14a₁, 15a₂) aufweisen, die dazu vorgesehen sind, ein mindestens zwei Bit umfassendes Digitaldatenwort zur Ausgabe bereit zu stellen, und

- zur synchron-parallelen Ausgabe der Digitaldatenworte in Abhängigkeit von ersten Steuersignalen (4, 5) vorgesehen sind, und mit

- miteinander zu einer Kette gekoppelten Schieberegistern (6a, 6b, 6c), die jeweils

- zur synchron-parallelen Weiterleitung der Digitaldatenworte in Abhängigkeit von zweiten Steuersignalen (7, 8) vorgesehen sind und

- mit einer der Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheiten (1a, 1b, 1c) gekoppelt sind.

2. Ein Datenerfassungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsmittel (2a, 2b, 2c, 11a₁, 11a₂, 12a₁, 12a₂, 13a₁, 13a₂, 14a₁, 15a₂) einer der Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheiten (1a) einen Analog-Digital- Konverter (11a₁) aufweisen.

3. Ein Datenerfassungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsmittel (2a, 2b, 2c, 11a₁, 11a₂, 12a₁, 12a₂, 13a₁, 13a₂, 14a₁, 15a₂) einer der Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheiten (1a) ein zum Speichern der mindestens zwei Bit umfassenden Digitaldatenworte vorgesehenes Register (2a) aufweisen.

4. Ein Datenerfassungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsmittel (2a, 2b, 2c, 11a₁, 11a₂, 12a₁, 12a₂, 13a₁, 13a₂, 14a₁, 15a₂) einer der Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheiten (1a, 1b, 1c) zwei mit je einer der Datenquellen (3a₁, 3a₂) gekoppelte Analog-Digital-Konverter (11a₁, 11a₂) und ein Register (2a), das dazu vorgesehen ist, in zeitlichem Wechsel von je einem der Analog-Digital-Konverter digitale Daten zu laden, aufweisen.

5. Ein Datenerfassungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kette der Schieberegister (6a, 6b, 6c) dazu vorgesehen ist, Kontrolldaten weiterzuleiten.

6. Ein Datenerfassungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Datenquellen (3a₁, 3a₂, 3b₁, 3c₁) eine Sensoreinheit ist.

7. Ein Datenerfassungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Datenquellen (3a₁, 3a₂, 3b₁, 3c₁) dazu ausgestattet ist, elektromagnetische Strahlung, insbesondere Röntgenstrahlung, zu detektieren.

8. Ein Datenerfassungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Detektierung von elektromagnetischer Strahlung ausgestattete Datenquelle (3a₁, 3a₂, 3b₁, 3c₁) mehrere Detektierungselemente aufweist.

9. Ein Röntgengerät mit einem Datenerfassungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8.

10. Ein Verfahren zur Erfassung von Daten beinhaltend die Schritte

- Erzeugung von Daten in einer Mehrzahl von Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheiten (1a, 1b, 1c) mittels je einer Datenquelle (3a₁, 3a₂, 3b₁, 3c₁),

- Bereitstellen von mindestens zwei Bit umfassenden Digitaldatenworten mittels zu den Datenerzeugungs- und -verarbeitungseinheiten (1a, 1b, 1c) gehörigen Datenverarbeitungsmitteln (2a, 2b, 2c, 11a₁, 11a₂, 12a₁, 12a₂, 13a₁, 13a₂, 14a₁, 15a₂),

- synchron-paralleles Ausgeben der Digitaldatenworte in Abhängigkeit von ersten Steuersignalen (4, 5),

- synchron-paralleles Speichern der Digitaldatenworte in miteinander zu einer Kette gekoppelten Schieberegistern (6a, 6b, 6c), in Abhängigkeit von zweiten Steuersignalen (7, 8) und

- synchron-paralleles Weiterleiten der Digitaldatenworte durch die Kette der Schieberegister (6a, 6b, 6c) in Abhängigkeit von den zweiten Steuersignalen (7, 8).