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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Datenund Signalübertragung
zwischen unterschiedlichen Teileinheiten einer medizintechnischen
Anlage, insbesondere einer CT-Anlage,
sowie eine medizintechnische Anlage, in die das Verfahren implementiert
ist.
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Medizintechnische
Anlagen, insbesondere moderne CT-Anlagen, weisen eine Vielzahl von
Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Teileinheiten auf, über die
zum einen Steuersignale für
die Ansteuerung von Komponenten der Anlage und zum anderen digitale
Daten wie beispielsweise Messdaten übertragen werden. Aufgrund
der ständigen
Weiterentwicklung erfordern CT-Anlagen eine flexible und skalierbare
Architektur, die auf eine hohe Zuverlässigkeit sowie auf eine einfache
Durchführung
von Servicearbeiten hin ausgerichtet sein sollte und zudem den Kostenaufwand
für Erweiterungen
begrenzt.
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Die
Architektur von gegenwärtig
eingesetzten CT-Anlagen beruht ebenso wie die von anderen medizintechnischen
Anlagen, beispielsweise auf dem Gebiet der Magnetresonanz-Tomographie,
auf der Nutzung eines Standard-Kontroll-Netzwerkes, wie beispielsweise
CAN (Controller Area Network), für
die Übertragung von
digitalen Daten mit geringer Geschwindigkeit. Weiterhin werden zahlreiche
zusätzliche
Verbindungsleitungen eingesetzt, über die jeweils auf Basis eines
eigenen Protokolls und einer eigenen Spezifikation in der Regel
logische Signale in analoger Form übertragen werden. Über diese
letztgenannten Verbindungsleitungen werden insbesondere Signale übertragen,
die während
des Anlagenbetriebes häufig
und sehr schnell aktualisiert werden müssen, wie beispielsweise Steuersignale.
Dies führt
jedoch zu einer Vielzahl von Verbindungen mit jeweils unterschiedlichen
Protokollen, die eine zu künftige
Verbesserung und Erweiterung einer derartigen Anlage erschweren.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren
zur Daten- und Signalübertragung
zwischen unterschiedlichen Teileinheiten einer medizintechnischen
Anlage anzugeben, das ohne großen
Aufwand eine Skalierbarkeit für
spätere
Weiterentwicklungen an der Anlage ermöglicht und zudem die Anzahl
der erforderlichen Verbindungen deutlich reduziert.
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Die
Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Patentanspruch
15 gibt eine medizintechnische Anlage an, in die das erfindungsgemäße Verfahren
implementiert ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie
der Anlage sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der
nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Bei
dem vorliegenden Verfahren zur Daten- und Signalübertragung zwischen unterschiedlichen
Teileinheiten einer medizintechnischen Anlage werden digitalisierte
analoge und/oder logische Signale und digitale Daten gemeinsam auf
einer Übertragungsleitung
mittels seriellem Multiplexing übertragen.
Die digitalisierten analogen und/oder logischen Signale und die
digitalen Daten werden dabei in einzelnen Paketen zusammengefasst übertragen,
deren Länge
so klein gewählt
ist, dass die Einhaltung einer vorgegebenen Aktualisierungsrate
der logischen Signale erreicht wird.
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Mit
dieser Lösung
ist es möglich,
alle zwischen den einzelnen Teileinheiten auszutauschenden Signale,
insbesondere Steuersignale, und Daten über eine einzige Übertragungsleitung – gegebenenfalls
mit einer gesonderten Rückleitung
für die
entgegengesetzte Kommunikation, die allerdings auch auf der gleichen Übertragungsleitung
erfolgen kann – zu übertragen.
Durch die bidirektionale Übertragung
sowohl der analogen und/oder logischen Signale in digitalisierter
Form als auch der digitalen Daten mittels seriellem Multiplexing über eine
oder zwei Übertragungsleitungen
mit hoher Geschwindigkeit lassen sich prinzipiell alle weiteren
Verbindungsleitungen mit Ausnahme der Leitung für die elektrische Spannungsversorgung
vermeiden. Dies verringert die Problematik der elektromagnetischen
Verträglichkeit
bei elektrischen Signalleitungen und verbessert die Zuverlässigkeit
der Übertragung
aufgrund der geringeren Anzahl von Komponenten, die für jede Schnittstelle
erforderlich sind. Durch die Reduktion der Anzahl physikalischer
Komponenten sowie Verbindungen für
jede Schnittstelle auf ein Minimum vereinfachen sich auch die Herstellung,
die Überprüfung sowie
der Service der Anlage. Werden alle in der Anlage zu übertragenden
analogen und logischen Signale mit dem vorliegenden Verfahren übertragen,
so wird aufgrund der erforderlichen Digitalisierung dieser Signale
auch eine galvanische Isolierung zwischen den einzelnen Teileinheiten
auf Signalebene erreicht. Ein besonderer Vorteil des vorliegenden
Verfahrens besteht in der leichten Erweiterbarkeit einer das Verfahren
nutzenden Anlage, da weitere Signale oder Daten ohne weiteres in
die zu übertragenen
Pakete implementiert werden können.
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In
der bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens sowie
der zugehörigen
Anlage sind die für
die Übertragung
erforderlichen Datenübertragungs-
und Kontrolleinrichtungen jeder Teileinheit in eine programmierbare
logische Einheit, vorzugsweise ein FPGA (Field Programmable Gate
Array), implementiert, das jederzeit durch ein Software-Update des
Programmspeichers geändert
bzw. an neue Erfordernisse angepasst werden kann. Auf diese Weise
lassen sich der Anlage neue Funktionen hinzufügen, bei der neue digitalisierte Signale
oder Daten zwischen den einzelnen Teileinheiten ausgetauscht werden
müssen,
ohne zusätzliche Hardware
installieren oder Hardware austauschen zu müssen. Dies lässt sich
auch nach der Auslieferung einer Anlage beim Kunden in einfacher
Weise durchführen.
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Das
Verfahren ermöglicht
weiterhin einen einfacheren Aufbau der jeweiligen Anlagen und reduziert
deren Gewicht durch Vermeidung einer umfangreichen Kupferverkabelung
und anderer elektrischer Verbindungselemente. Dieser Vorteil spielt
insbesondere bei CT-Anlagen eine wichtige Rolle, bei denen durch
Einsatz des Verfahrens das Gewicht der Daten- und Signalübertragungseinrichtungen
auf der rotierenden Gantry deutlich verringert werden kann.
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Die Übertragung
auch der bisher auf analogem Wege übertragenen Signale auf der
gleichen Übertragungsleitung
wie die digitalen Daten wird beim vorliegenden Verfahren durch die
paketweise Übertragung
mit einer kurzen Paketlänge
ermöglicht,
die die Einhaltung einer vorgegebenen, für die ordnungsgemäße Funktion der
Anlage erforderlichen Aktualisierungsrate der Signale ermöglicht.
Vorzugsweise werden hierbei Paketlängen gewählt, die bei der eingesetzten Übertragungsgeschwindigkeit
eine Aktualisierung der Signale in Zeitabständen im Bereich von 0,25 μs oder darunter
ermöglichen.
Die Übertragungsgeschwindigkeit
wird dabei vorzugsweise bei ca. 1 Gbps (Gigabits per second) oder
darüber
gewählt.
Derartige Übertragungsraten
lassen sich ohne weiteres mit kommerziell erhältlichen Standard-SERDES-Komponenten
(SERSDES: Serializer & Deserializer)
realisieren, mit denen die Daten beispielsweise mittels 8B/10B-Modulation übertragen
werden können.
Der Einsatz derartiger Standardkomponenten für jede Schnittstelle der Teileinheiten
der Anlage ermöglicht
für alle
Schnittstellen der Anlage die Nutzung der gleichen Testwerkzeuge
für das
Service-Personal.
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Vorzugsweise
wird jedes einzelne Datenpaket mit einem Fehler-Detektionscode, beispielsweise einem
Reed-Solomon-Code, versehen, um auf Empfängerseite eine Fehlerkorrektur
vornehmen zu können.
Der Einsatz optischer Übertragungsleitungen
löst das
Problem der galvanischen Isolation und ermöglicht insbesondere auch problemlos
längere Übertragungswege
zwischen den einzelnen Teileinheiten. Durch optische Übertragungsleitungen wird
das Problem der Strahlungsemission von Hochfrequenzstrahlung, das
bei üblichen
elektrischen Übertragungsleitungen
auftritt, vollständig
vermieden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens werden
jeweils mehrere aufeinander folgende Pakete zu einem Frame zusammengefasst,
wobei jeweils aufeinander folgende Pakete eines Frames in dem entsprechenden
Block mit den digitalen Daten einen anderen Übertragungskanal repräsentieren.
Auf diese Weise können
bspw. bei Zusammenfassung von jeweils von fünf Paketen zu einem Frame fünf unterschiedliche
Kanäle
mit dem Frame übertragen
werden, die unterschiedlichen Funktionen der Anlage zugeordnet sein
können.
Beispiele für
eine derartige Ausgestaltung können
den nachfolgenden Ausführungsbeispielen entnommen
werden.
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Die
vorliegende medizintechnische Anlage umfasst dementsprechend in
den einzelnen Teileinheiten Datenübertragungs- und Kontrolleinrichtungen,
die das erfindungsgemäße Verfahren
bei der Übertragung
von eingehenden Signalen und digitalen Daten ausführen.
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Das
vorliegende Verfahren sowie die zugehörige medizintechnische Anlage
werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung
mit den Zeichnungen nochmals näher
erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 ein
Beispiel für
Hauptverbindungen zwischen einzelnen Teileinheiten des rotierenden
Teils einer CT-Anlage;
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2 ein
Beispiel für
Hauptverbindungen innerhalb des stationären Teils einer CT-Anlage;
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3 ein
Beispiel für
unterschiedliche Übertragungsleitungen
bei einer CT-Anlage gemäß dem Stand der
Technik;
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4 ein
Beispiel für
die Übertragung
zwischen zwei Teilsystemen einer CT-Anlage gemäß der vorliegenden Erfindung;
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5 ein
erstes Beispiel für
das Übertragungssystem
der vorliegenden Erfindung;
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6 ein
zweites Beispiel für
das Übertragungssystem
der vorliegenden Erfindung;
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7 ein
drittes Beispiel für
das Übertragungssystem
der vorliegenden Erfindung; und
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8 ein
viertes Beispiel für
das Übertragungssystem
der vorliegenden Erfindung.
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Das
vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand einer CT-Anlage näher beschrieben,
die in den 1 und 2 in schematischer
Darstellung zu erkennen ist.
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1 zeigt
hierbei die Gantry 2 der CT-Anlage 1 mit dem rotierenden
Teil 3 sowie dem stationären Teil 4. Innerhalb
des rotierenden Teils 3 sind die Röntgenröhreneinheit 6 sowie
die dieser gegenüber
liegende Messeinrichtung 5 zu erkennen. Die Röntgenröhreneinheit 6 umfasst
die Röntgenröhre, einen
Kollimator, eine Fokuskontrolleinrichtung sowie eine Einrichtung
zur Anodenrotation. Die Messeinrichtung 5 umfasst die Röntgendetektoren
sowie die zugehörige
Auswerteeinheit. Weiterhin sind am rotierenden Teil 3 der
Gantry 2 ein Master-Controller 7 für den rotierenden
Teil und die Dosismodulation sowie eine Spannungsversorgung 9 mit
einem Hochfrequenzgenerator sowie einer Spannungsquelle für die Rotation
angeordnet. Die einzelnen Steuersignale und/oder Daten werden vom
Master-Controller 7 an
die jeweiligen Teileinheiten übertragen
oder von diesen empfangen, wie dies in der 1 durch
die Pfeile angedeutet ist. Der Master-Controller 7 am rotierenden Teil 3 steht
in Verbindung mit einem Master-Controller 8 am stationären Teil 4 der
Gantry 2. Die Signal- und Datenübertragung zwischen beiden
Master-Controllern kann beispielsweise über ein korrespondierendes Schleifringpaar
erfolgen, das am rotierenden und stationären Teil der Gantry befestigt
ist.
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2 zeigt
wiederum die Gantry 2 der CT-Anlage 1, diesmal
mit dem verschiebbaren Patiententisch 10, dem Bildrekonstruktionssystem 12 sowie
der Einheit 11 mit der Spannungsverteilung. Auch hier ist
der stationäre
Master-Controller 8 mit den entsprechenden Teileinheiten über Verbindungsleitungen
verbunden, über die
Steuersignale sowie digitale Daten übertragen bzw. ausgetauscht
werden, wie dies mit den Pfeilen veranschaulicht ist. Die einzelnen
Pfeile repräsentieren
hierbei in der Regel eine Vielzahl von Leitungen, beispielsweise
analoge Signalleitungen für
die Steuerung der einzelnen Teilsysteme sowie eine CAN-Netzwerkverbindung
für die Übertragung
der digitalen Messdaten.
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Die
Vielzahl der bei gegenwärtigen
CT-Anlagen zum Einsatz kommenden Verbindungsleitungen zwischen zwei
Teilsystemen, im Folgenden als Master-Teilsystem 13, das
den Master-Controller 7 bzw. 8 repräsentiert,
und Slave-Teilsystem 14 bezeichnet, kann der 3 entnommen
werden. Über
die Übertragungsleitungen 15 werden
hierbei N bzw. M differentielle, optisch isolierte logische Signale,
wie beispielsweise enable_xray, xxx_error bzw. xray_on, dose_ok,
xxx_error, usw. übertragen.
Die Übertragungsleitungen 16 repräsentieren
elektrische Leitungen für
die Übertragung
von K differentiellen Analogsignalen in einer bzw. L differentiellen
Analogsignalen in der anderen Richtung. Weiterhin ist in der Regel
eine CAN-Verbindung 17 für die direkte Übertragung
digitaler Daten vorgesehen. Neben der Vielzahl an Versorgungsleitungen 18 für die unterschiedlichen
Spannungen von beispielsweise 230 VAC, 5
VDC, –5
VDC, 24 VDC usw.
ist mit Bezugszeichen 19 auch eine zusätzliche Verkabelung angedeutet,
die für
eine spätere
Implementierung weiterer Signale bei Ausbau der CT-Anlage erforderlich
werden.
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Diese
Vielzahl von Verbindungsleitungen mit den unterschiedlichen Verbindungsprotokollen,
die bei einer CT-Anlage nicht nur zwischen dem Mastercontroller 7 bzw. 8 und
einem der Teilsysteme, sondern auch zwischen einzelnen Teilsystemen
auftreten, erfordert eine Vielzahl von Übertragungskomponenten und
führt zudem
zu einer nur sehr aufwendigen Erweiterbarkeit der CT-Anlage. Demgegenüber wird
bei Einsatz der vorliegenden Verfahrens die Anzahl an Verbindungsleitungen
drastisch reduziert, wie dies anhand der 4 schematisch
dargestellt ist. Bei der Realisierung dieses Verfahrens sind zwischen
dem Master-Teilsystem 13 und dem Slave-Teilsystem 14 lediglich
ein oder zwei Übertragungsleitungen 20 sowie
eine einzelne Versorgungsleitung 21 für 230 VAC oder
24 VDC erforderlich. Die jeweils auf Seiten
dieser Teilsysteme benötigten
Datenübertragungs-
und Kontrolleinrichtungen 22 setzen sich in diesem Beispiel
aus bekannten SERDES-Komponenten 23 mit den zugehörigen Sendern 24 und
Empfängern 25 zusammen.
Die SERDES-Komponenten 23 senden die zu übermittelnden
Signale und Daten in der durch das Verfahren vorgesehenen Form bzw.
geben die empfangenen Signale und Daten an die entsprechenden Komponenten
der jeweiligen Teileinheit weiter.
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Im
vorliegenden Beispiel erfolgt die Übermittlung mit einer Geschwindigkeit
von 1,25 Gbps in beiden Richtungen in kleinen Datenpaketen. Die Übertragung
erfolgt mit der bekannten 8B/10B-Modulation, die in vielen anderen
bekannten Übertragungsprotokollen,
wie beispielsweise 100 Mbps Ethernet, Gigabit Ethernet, Infiniband,
usw. zum Einsatz kommt. Die 8B/10B-Modulation bettet die Daten und das
Taktsignal in einen gleichspannungsfreien Bitstrom, der dem Empfänger die
Synchronisation mit dem Takt, eine zuverlässige Decodierung der einzelnen
Bits sowie eine Detektion der Byte-Grenzen ermöglicht.
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Das
Format der Datenpakete ist beim vorliegenden Verfahren frei wählbar und
wird an die jeweiligen Anforderungen angepasst. Durch Implementierung
der Datenübertragungs-
und Kon trolleinrichtungen in jedem der beteiligten Teileinheiten
in ein FPGA lassen sich jederzeit Aktualisierungen und Änderungen
des verwendeten Datenformats wie des eingesetzten Übertragungsprotokolls
vornehmen.
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Ein
Beispiel für
ein mögliches
Datenformat ist im Folgenden gezeigt. Das Format der Datenpakete
wird in beiden Übertragungsrichtungen
gleich gewählt.
Ein Datenpaket enthält
sowohl die gemultiplexten digitalisierten Signale als auch digitale
Datenwerte, die frei, bspw. in Byte-Form, als 16-Bit-Wörter oder
als 32-Bit-Wörter,
festgelegt sein können.
Jedes Datenpaket ist durch einen vorangehenden Kontrollcode (Komma – K28.5)
selbstsynchronisierend, trägt
eine Identifikation sowie einen 1-Byte-CRC-Code zur Fehlerdetektion. Der
Aufbau eines derartigen Datenpaketes ist in der folgenden Tabelle
dargestellt:
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Ein
Datenpaket enthält
somit 12 Bytes mit einem zusätzlichen
Idle-Byte, auch Sync oder Komma genannt, zwischen den einzelnen
Paketen, um eine automatische Byte-Synchronisation am Empfänger zu
ermöglichen.
Die Byte-Rate beträgt
hierbei 125 Mbyte/s bei 1,25 Gbps. Die Paketrate bei der Übertragung
beträgt
somit 1 Paket alle 104 ns oder 9,6 MPakete/s.
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Jedes
Paket transportiert hierbei gemultiplexte digitalisierte Signale
sowie digitale Daten. Unter den digitalisierten Signalen sind hierbei
vor allem alle bisher über
gesonderte Leitungen übertragenen,
insbesondere analogen, Signale zu verstehen, die sich relativ schnell ändern können und
somit eine hohe Aktualisierungsrate erfordern. Im vorliegenden Beispiel
wird jedes dieser Signale alle 104 ns mit einer Latenzzeit von ca. 77
bis 150 Bit-Perioden aktualisiert. Die maximale Verzögerung bei
der Aktualisierung dieser Signale beträgt daher 224 ns (150 × 0,8 ns
= 120 ns; 120 ns + 104 ns = 224 ns). Dies ist für die bei einer CT-Anlage erforderlichen
Steuersignale ausreichend.
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Im
vorliegenden Beispiel wird mit jedem Paket alle 104 ns ein 32-Bit-Block
mit digitalen Daten zwischen den jeweiligen Teileinheiten bewegt.
Dieser Block mit digitalen Daten kann abhängig vom Übertragungsformat zusätzlich gemultiplext
werden, um eine Vielzahl von virtuellen Übertragungskanälen für digitale
Daten oder auch für
digitalisierte analoge Signale zu erhalten. Ein Beispiel für eine derartige
Vielkanalübertragung wird
im Folgenden näher
erläutert.
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Bei
diesem Beispiel werden jeweils acht aufeinander folgende Pakete
zu einem Frame zusammengefasst. Jedes Paket repräsentiert hierbei einen Zeitschlitz
der Datenübertragung,
in dem ein anderer Kanal übertragen
wird. Hierzu repräsentieren
die digitalen Daten des jeweiligen Blocks in jedem der acht Datenpakete
die Daten eines anderen Kanals, so dass die Daten jedes Kanals nach
der Übertragung
von jeweils acht Datenpaketen, einem Frame, wieder aktualisiert
werden. Sollte eine schnellere Aktualisierungsrate eines einzelnen
Kanals erforderlich sein, so kann selbstverständlich der entsprechende Kanal
im gleichen Frame auch mehrfach übertragen
werden, bei spielsweise mit jedem zweiten Datenpaket. Die folgende
Tabelle zeigt die Struktur eines Vielkanal-Frames mit acht Zeitschlitzen.
Die Daten jedes Kanals werden dabei alle 0,84 μs aktualisiert, so dass sich
diesbezüglich
eine Nettoübertragungsrate
von 32 Bit/μs
für jeden
Kanal ergibt.
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Im
Falle einer CT-Anlage können
die einzelnen Kanäle
beispielsweise mit der Übertragung
der folgenden Daten und Signale belegt werden:
- – ein Röntgenstrahlkanal
für die Übermittlung
des Hochspannungswertes, des Dosiswertes, usw.;
- – ein
Patientenüberwachungskanal
für die Übertragung
der EKG-Signale,
des Pulses sowie von Atmungsdaten;
- – ein
Gantry-Kanal für
die Übertragung
der Tischpositionen, der Gantry-Neigung und der Rotationsgeschwindigkeit,
usw.;
- – ein
virtueller logischer Analysator- und Debug-Kanal (gemultiplexte
Information);
- – ein
Kontrollinformationskanal, d.h. das gesamte CAN-Protokoll;
- – ein
Kanal für
die Übertragung
des Echtzeittaktes des CT-Systems;
- – ein
Speicherkanal für
den lesenden bzw. schreibenden Zugriff auf 65536 × 16-Bit
virtuelle Register;
- – ein
Kanal für
die Übertragung
von Fehlerdetektionscodes zur Korrektur von Übertragungsfehlern.
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Die
Einrichtung eines Speicherkanals ermöglicht den Zugriff auf einen
virtuellen 16-Bit Adress × 16-Bit Datenraum.
Das zugehörige
Protokoll kann auf Basis von drei Paketidentifikatoren und einem
auf dem Handshake-Prinzip basierenden Datenaustausch die erforderlichen
Lese- und Schreibvorgänge
in dem 65536 × 16-Bit
virtuellen Register ermöglichen.
Ein Beispiel für
den Zugriff ist in den folgenden beiden Tabellen, die die Lesesequenz
sowie die Schreibsequenz zeigen, veranschaulicht.
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Ein
Speicherzugriff erfordert zwischen zwei und drei Zeitschlitze, so
dass der Speicherzugriff abhängig von
der Phasenverschiebung zwischen den Zeitschlitzen in den beiden
Verbindungsrichtungen innerhalb etwa 2 bis 2,5 μs erfolgen kann.
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Dieser
Zugriff ist im Mittel wesentlich schneller als ein Zugriff über ein
CAN, der etwa 0,5 bis 1 ms für die
Ausführung
eines schnellen Befehls erfordert.
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In
gleicher Weise wie die Bereitstellung eines Speicherkanals kann
auch die bisher über
ein CAN-Netzwerk erfolgte Kommunikation über einen der virtuellen Kanäle erfolgen.
Die Geschwindigkeit bei einer Datenverbindung, die wie im vorliegenden
Fall mit 1,25 Gbps (32-Bit jede μs)
erfolgt, ermöglicht
die Implementierung der CAN-Information (32-Bit in 33 ms bei einem
CAN 250 kHz) in einen virtuellen Kanal, so dass die getrennte, parallele
CAN-Verbindung zwischen Master und Slave entfallen kann. In der
vorliegenden Konfiguration wird damit die CAN-Information etwa 33000
mal schneller übermittelt
als in einer speziell dafür
vorgesehenen CAN-Übertragungsleitung,
wie sie derzeit eingesetzt werden.
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Selbstverständlich lässt sich
die CAN-Information auch zusammen mit dem mit jedem Paket übermittelten
Block von digitalisierten Signalen übertragen, so dass sich eine
noch schnellere Übertragung
ergibt. In einer derartigen Ausgestaltung lassen sich auch weitere
Bussysteme, wie beispielsweise JTAG, TCP/IP über die vorliegende Verbindung übertragen.
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Die
Datenübertragungs-
und Kontrolleinrichtung dient der Implementierung des Übertragungsprotokolls
sowie dem Senden und dem Empfang sowie der Verteilung der Signale
und digitalen Daten. In der bevorzugten Ausgestaltung ist die Datenübertragungs-
und Kontrolleinrichtung in einen programmierbaren FPGA implementiert,
um eine leichte Rekonfiguration oder Änderungen im Übertragungsprotokoll
zu ermöglichen. Für die Rekonfiguration
sind unterschiedliche Vorgehensweisen möglich.
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Falls
in der Anlage noch eine parallele, unabhängige CAN-Verbindung zwischen dem Master und den Slave-Teilsystemen
vorhanden ist, erfolgt die Aktualisierung der FPGA-Konfiguration über CAN.
Der Master übermittelt
die neue FPGA Konfiguration mittels CAN zum Slave Mikrokontroller.
Die neue Konfiguration wird in einem lokalen, nicht-flüchtigen
Speicher gesichert. Mit jeder PowerUp-Sequenz lädt der Mikrokontroller jedes
FPGA mit der jeweils letzten gültigen
Konfiguration.
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Falls
keine unabhängige
CAN-Verbindung verfügbar
ist, beispielsweise weil die Übertragung
der CAN-Informationen über
die vorliegende Verbindung erfolgt, so kann die Aktualisierung der
FPGA-Konfiguration über
spezielle Signale auf der vorliegenden Verbindung erfolgen. Dies
erfordert jedoch in der Regel eine gleichzeitige Aktualisierung
der jeweils an der Verbindung beteiligten Teileinheiten.
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Eine
vorteilhafte Möglichkeit
der Durchführung
einer derartigen Aktualisierung der Konfiguration besteht darin,
bei der Implementierung des Systems eine Basis-FPGA-Konfiguration
vorzugeben, die zumindest das Aktualisierungsprotokoll unterstützt. Das
Aktualisierungsprotokoll ist unabhängig vom Paketformat und wird
während
der gesamten Lebensdauer des Systems nicht verändert. Beim Aktualisierungsprozess
wird dann das Slave-Teilsystem in den Konfigurationsmodus gesetzt,
indem vom Master eine vordefinierte Sequenz von Kontrollcodes über die
Verbindung übertragen
wird. Das Slave-Teilsystem bestätigt
den Wechsel in den Konfigurationsmodus durch Rücksendung einer definierten
Sequenz von Kontrollcodes. Bei der Aktualisierung wird sichergestellt,
dass das Konfigurationsprotokoll auch durch alle zukünftigen
FPGA-Konfigurationen eingehalten wird.
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Nach
dem Wechsel des Slave-Teilsystems in den Konfigurationsmodus sendet
der Master anstelle von gewöhnlichen
Paketen nur Konfigurationsdaten. Nach der Überprüfung der Unversehrtheit der
Konfigurationsdaten, beispielsweise über eine Check-Summe, CRC, usw.,
speichert das Slave-Teilsystem die neue Konfiguration im Flash-Speicher
oder in lokalen Konfigurations-PROMs. Nach dem anschließenden Aus-
und Einschalten oder einer Reset-Sequenz ist die neue Konfiguration
auf beiden Seiten der Verbindung eingerichtet.
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Im
vorliegenden Beispiel wird für
die schnelle Verbindung eine 8B/10B-SERDES-Komponente mit PLL eingesetzt,
um eine Synchronisation auf den Übertragungstakt
zur zuverlässigen
Dekodierung des seriellen Bitstroms zu erreichen. Für die Implementierung
dieser SERDES-Komponente ist eine Lösung unter Einsatz eines ASIC
vorteilhaft, da dieser üblicherweise
einen Analog-PLL eingebunden hat, der für derartige Anwendungen feinabgestimmt
ist. Allerdings beinhaltet diese Lösung eine lange Latenzzeit.
Alternativ kann daher ein FPGA mit integriertem SERDES eingesetzt
werden, der eine kürzere
interne Latenzzeit aufweist.
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Für die Ausgestaltung
der Datenübertragungs-
und Kontrolleinrichtung sowie auch die Ausgestaltung der Übertragungsleitungen
ergeben sich unterschiedliche Möglichkeiten,
von denen in den folgenden vier 5 bis 8 beispielhaft
vier Ausgestaltungen veranschaulicht sind.
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So
zeigt 5 eine Ausgestaltung, bei der ein Teil der Datenübertragungs-
und Kontrolleinrichtung 22 in jeder Teileinheit in einen
FPGA 26 implementiert und mit einem mittels ASIC realisierten
SERDES 23 verbunden ist. Die jeweiligen Sender und Empfänger sind
als optischer Sender 24a und optischer Empfänger 25a ausgebildet,
wobei die Übertragung über optische
Leitungen 20a erfolgt. Diese Ausgestaltung reduziert elektromagnetische
Interferenzen, ermöglicht
die Aufrüstung
auf Datenübertragungsraten
von bis zu 2,5 Gbps und darüber,
und ermöglicht
lange Leitungswege sowie eine galvanische Isolation. Insgesamt ist
ein derartiges System sehr unempfindlich gegenüber Störungen.
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Aufgrund
der höheren
Kosten optischer Sender und Empfänger
ist selbstverständlich
auch eine Ausgestaltung mit Sendern und Empfängern 24b/25b gemäß 6 möglich, die über elekt rische
Leitungen empfangen und senden. Die Übertragung erfolgt hierbei über Twinax-
oder Koax-Kabel 20b. Diese Ausgestaltung lässt sich
kostengünstiger
realisieren als die Ausgestaltung der 5 bei ansonsten
gleichen weiteren Komponenten.
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7 zeigt
eine Ausgestaltung, bei der die Übertragung über Gigabit-Ethernet-Kabel
und -Adapter realisiert wird. Bei dieser Ausgestaltung, bei der
ein Teil der Datenübertragungsund
Kontrolleinrichtung wie bei den vorangehenden Ausgestaltungen in
einen FPGA 26 implementiert ist, wird ein Gigabit-Ethernet PHY-Adapter 27 für die Datenübertragung
eingesetzt, wobei die Übertragung über ein
einziges CAT5-Kabel 20c über bekannte RJ45-Schnittstellen
erfolgt. Die galvanische Isolation erfolgt in bekannter Weise über die
magnetische Komponente 28. Diese Ausgestaltung lässt sich
aufgrund der gängigen
Komponenten sehr kostengünstig
realisieren.
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Bei
der Verbindung zwischen einigen CT-Teileinheiten kann es erforderlich
sein, mehr als eine schnelle Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung
für die Übertragung
einzusetzen. In einem derartigen Fall wird die Datenübertraguns-
und Kontrolleinrichtung (22) oder ein Teil davon ebenfalls
durch Implementierung in ein FPGA (26) realisiert, der
mehrere SERDES-bildende Blöcke
mit mehreren Sendern/Empfängern
(24/25) aufweist, wie dies in der 8 veranschaulicht
ist. Die Ausgestaltung der Sender bzw. Empfänger sowie der Verbindungsleitung
kann dabei in bekannter Weise, beispielsweise wie bei den vorangehenden
Ausführungsbeispielen
erläutert,
erfolgen. Als geeignete Komponenten kommen hierbei beispielsweise
Komponenten der Altera Stratix GX-Familie, Xilinx Virtex-II Pro
mit 24 I/O-Transceivern oder Lattice ORCA 82G5 mit acht Transceivern
in Frage. Für
die schnelle Verbindung über
Gigabit-Ethernet-Kabel können
beispielsweise die BCM5402 (dual-port) oder BCM5421 (quad-port)
Transceiver von Broadcom eingesetzt werden.