DE19722221A1 - Elektrische Anlage, insbesondere diagnostisches Magnetresonanzgerät - Google Patents
Elektrische Anlage, insbesondere diagnostisches MagnetresonanzgerätInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Anlage, insbesondere
ein diagnostisches Magnetresonanzgerät, mit mindestens einer
ersten, innerhalb einer Hochfrequenz-Abschirmkabine angeord
neten Komponente, mit mindestens einer zweiten, außerhalb der
Hochfrequenz-Abschirmkabine angeordneten Komponente und mit
einem Steuerrechner, der über Steuerleitungen mit den Kompo
nenten verbunden ist.
Eine elektrische Anlage der eingangs genannten Art in Form
eines diagnostischen Magnetresonanzgeräts ist in einer Über
sicht beschrieben in dem Buch von Heinz Morneburg
(Herausgeber): Bildgebende Systeme für die Medizinische Dia
gnostik, 3. Auflage, 1995, Publicis MCD Verlag auf den Seiten
501-503. Grob unterteilt umfaßt das Magnetresonanzgerät
Komponenten, die innerhalb einer Hochfrequenz-Abschirmkabine
angeordnet sind, und Komponenten, die außerhalb der Hochfre
quenz-Abschirmkabine angeordnet sind. Das diagnostische Ma
gnetresonanzgerät wird von einem außerhalb der Hochfrequenz-Ab
schirmkabine angeordneten Steuerrechner gesteuert. Um Stö
rungen beim Betrieb des Magnetresonanzgeräts zu vermeiden,
werden die innerhalb der Hochfrequenz-Abschirmkabine angeord
neten Komponenten entweder über Lichtwellenleiter mit Steuer
signalen versorgt oder während einer Meßsequenz abgeschaltet.
Die Lichtwellenleiter sind bislang sternförmig von dem Steu
errechner zu den einzelnen Komponenten in der Hochfrequenz-
Abschirmkabine verlegt. Diese Verlegung ist aufwendig und
komplex. Zudem ist der Steuerrechner neben der Bereitstellung
der einzelnen Steuersignale auch durch die Kommunikation mit
den einzelnen Komponenten belastet.
Eine bekannte Buslösung zur Steuerung aller Komponenten des
Magnetresonanzgeräts, die an sich den Steuerrechner von Kom
munikationsaufgaben entlasten würde, kann hier nicht einge
setzt werden, da jede Zuführung elektrischer Datenleitungen
in die Hochfrequenz-Abschirmkabine die hochempfindliche Ma
gnetresonanz-Messung stören würde. Eine Filterung und Ab
schirmung eines derartigen Datenbusses wäre aufwendig und
würde die Datenübertragungsrate stark begrenzen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Steuerrech
ner von Kommunikationsaufgaben zu entlasten, ohne gleichzei
tig innerhalb der Hochfrequenz-Abschirmkabine Störungen zu
erzeugen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Steuerleitungen als
serieller Sensor/Aktorbus ausgebildet sind, daß der Sen
sor/Aktorbus einen ersten Bus-Abschnitt mit elektrischen Bus
leitungen und einem zweiten Bus-Abschnitt mit optischen Bus
leitungen umfaßt, daß die optischen Busleitungen in die Hoch
frequenzkabine geführt und dort mit der ersten Komponente
verbunden sind und daß der erste Bus-Abschnitt über eine
elektro-optische Schnittstelle mit dem zweiten Bus-Abschnitt
verbunden ist.
Damit kann zur Steuerung der Komponenten ein gemeinsamer Bus
verwendet werden, der Steuerrechner ist von Kommunikations
aufgaben entlastet. Gleichzeitig nutzt man die Vorteile des
elektrischen Bus-Abschnitts, der im geringen Aufwand besteht,
im unkritischen Raum außerhalb der Hochfrequenz-
Abschirmkabine und vermeidet die oben angeführten EMV-
Probleme in der Hochfrequenz-Abschirmkabine durch Verwendung
von Lichtleitern. Durch die elektro-optische Schnittstelle
wird der elektrische Abschnitt des Busses in den optischen
Abschnitt überführt und umgekehrt.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zeichnet sich da
durch aus, daß der Sensor/Aktorbus als Controller-Area-
Network (CAN-Bus) ausgebildet ist. Der CAN-Bus ist einfach
aufgebaut und störunempfindlich. Zudem sind Bauelemente, die
die CAN-Bus Spezifikationen erfüllen, von mehreren Herstel
lern erhältlich.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteran
sprüche gekennzeichnet.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an
hand von vier Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in einer Übersichtsdarstellung wesentliche Kompo
nenten eines diagnostischen Magnetresonanzgeräts,
Fig. 2 in einem Blockschaltbild den Aufbau eines elektro
optischen Mischbusses,
Fig. 3 in einem Blockschaltbild eine elektro-optische
Schnittstelle und
Fig. 4 in einem Blockschaltbild ein optisches
Doppel-T-Stück.
Obwohl der Aufbau eines diagnostischen Magnetresonanzgeräts
andersorts vielfach beschrieben ist, sollen zunächst die zu
einer derartigen Anlage gehörenden wesentlichen Komponenten
skizziert werden. Innerhalb einer Hochfrequenz-Abschirmkabine
2 befindet sich das eigentliche Untersuchungsinstrument des
diagnostischen Magnetresonanzgeräts. Es umfaßt als größte
Baueinheit einen Magneten 3 zur Erzeugung eines homogenen
statischen Magnetfeldes. Innerhalb eines ringförmigen Gefäßes
4 befinden sich supraleitende Feldspulen 6, die im zylindri
schen Innenraum ein in axialer Richtung des Magneten 3 ausge
richtetes Hauptmagnetfeld erzeugen. Im Innenraum des Magneten
(warm bore) ist zunächst ein Gradientenspulensatz 8 einge
baut, woran sich innen eine Ganzkörper-Hochfrequenzantenne 10
anschließt, die zur Aufnahme eines Patienten 12 ausgebildet
ist. Zur Lagerung und zum Transport des Patienten 12 in den
Innenraum ist eine verfahrbare Patientenliege 14 vorgesehen.
Zur Untersuchung spezieller Körperbereiche sind Lokalantennen
16 vorhanden.
Als weitere Komponenten sind innerhalb der Abschirmkabine 2
eine Sendeempfangsweiche 18 und ein Umschalter 20 zum Betrieb
der Hochfrequenzantenne 10, Lokalantenne 16 oder auch von Ar
ray-Antennen angeordnet. Die Hochfrequenzantenne 10 ist mit
tels einer Anpaß- und Abstimmschaltung 21 abstimmbar und an
den Leitungswiderstand anpaßbar. Außerhalb der Hochfrequenz-
Abschirmkabine 2 befinden sich Komponenten zur Ansteuerung
des Gradientenspulensatzes 8, die Gradientenverstärker 22 und
einen Gradienten-Pulsformgenerator 24 umfassen. Der ebenfalls
außerhalb der Hochfrequenz-Abschirmkabine 2 angeordnete Hoch
frequenzteil zum Senden und Empfangen der hochfrequenten Ma
gnetresonanzsignale umfaßt im Sendeteil Leistungsverstärker
26, einen Modulator 28 und einen Digitalanalogwandler 30. Der
Hochfrequenz-Empfangskanal umfaßt zum einen Vorverstärker 32,
einen Quadraturdemodulator 34 und einen Analogdigitalwandler
36. Der Modulator 28 und der Demodulator 34 sind mit einem
Hochfrequenzgenerator 38 verbunden. Der Digitalanalogwandler
30, der Analogdigitalwandler 36 und der Gradienten-Puls
formgenerator 24 werden von einer Pulssequenzsteuerung 40
mit Steuersignalen versorgt. Ein Anlagen-Steuerrechner 42
steuert über einen zentralen Bus 44 die außerhalb der Hoch
frequenz-Abschirmkabine 2 angeordneten Komponenten, wie z. B.
den Gradienten-Pulsformgenerator 24, den Digitalanalogwandler
30, den Analogdigitalwandler 36 und die Pulssequenzsteuerung
40. Zudem sind noch ein Bildrechner 46, ein Videospeicher 48
und ein Massenspeicher 50 am zentralen Bus 44 angeschlossen.
Zur Bedienung und Steuerung des Magnetresonanzgeräts ist ein
Bedienpult mit Monitor 51 über den Videospeicher 48 mit dem
zentralen Bus 44 verbunden.
Während der zentrale Bus 44 außerhalb der Hochfrequenz-Ab
schirmkabine 2 als elektrischer Bus-Abschnitt mit elektri
schen Busleitungen realisiert ist, sind die innerhalb der
Hochfrequenzkabine angeordneten Komponenten, wie z. B. die
Patientenliege 14, die Sendeempfangsweiche 18, der Umschalter 20
und die Anpaß- und Abstimmschaltung 21, über einen zweiten
Bus-Abschnitt 52 mit optischen Busleitungen verbunden. Der
elektrische Bus-Abschnitt 44 und der optische Bus-Abschnitt
52 sind über eine elektro-optische Schnittstelle 54 miteinan
der gekoppelt, so daß beide Bus-Abschnitte einen einheitli
chen Sensor-Aktor-Bus bilden.
Fig. 2 zeigt in einem übersichtlichen Blockschaltbild die
zur Steuerung des Magnetresonanzgeräts verwendete Busstruk
tur. Der Bus ist als Controller-Area-Network (CAN-Bus) reali
siert. Die an dem Bus angeschlossenen Komponenten stellen
Knoten dar, die die Daten auf dem Bus abhören und - wenn ein
Akzeptanztest auf dem mit einem Datenpaket verbundenen Iden
tifizierer positiv ist - übernehmen oder auch selbst Daten
auf den Bus bringen. Obwohl der CAN-Bus prinzipiell einen
Multimaster-Bus-Betrieb erlaubt, werden die daran angeschlos
senen Komponenten hier im wesentlichen nur durch den Anlagen-
Steuerrechner 42 gesteuert. Der Anlagen-Steuerrechner 42 ist
als erster Knoten hier als CAN-MASTER bezeichnet. Vom Anla
gen-Steuerrechner 42 beginnt ein rechter elektrischer Bus-
Abschnitt 44A und ein linker elektrischer Bus-Abschnitt 44B.
Der rechte elektrische Bus-Abschnitt 44A ist zunächst mit ei
nem zweiten Knoten, der den Datenaustausch mit dem Sender 30
bewerkstelligt, und dann mit der elektro-optischen Schnitt
stelle 54 verbunden. Die elektro-optische Schnittstelle 54
überführt den elektrischen CAN-Bus in den optischen Bus, der
den CAN-Spezifikationen genügt. Der für den VAN-Bus typische
dominante Bit-Pegel ist durch "Licht an" und der typische re
zessive Bit-Pegel ist durch "Licht aus" realisiert. Dieser
optische Bus-Abschnitt 52 ist nacheinander zu den einzelnen
Komponenten innerhalb der Abschirmkabine 2 geführt. Als er
ster Knoten 60 im optischen Bus-Abschnitt 52 ist die Sen
deempfangsweiche 18 und der Umschalter 20 an dem Bus ange
schlossen. Über einen zweiten Knoten 62 ist die Anpaß- und
Abstimmeinheit 21 für die Ganzkörper-Antenne 10 an den Bus
angeschlossen. Über einen dritten Knoten 64 ist die Patien
tenliege 14 mit dem Bus verbunden. Der optische Bus-Abschnitt
52 ist über den Knoten 64 noch erweiterbar. Am linken Teil
des elektrischen Bus-Abschnitts 44B ist an einem weiteren
Knoten der Gradienten-Pulsformgenerator 24 sowie weitere ex
terne Komponenten angeschlossen. Auch der elektrische Bus-
Abschnitt 44B ist erweiterbar.
Der elektrische Bus-Abschnitt 44, 44A, 44B ist in bekannter
Weise als verdrillte Zweidrahtleitung ausgeführt. Der opti
sche Bus-Abschnitt 52 verwendet eine Doppel-Licht
wellenleitung. Ausgehend von der elektro-optischen
Schnittstelle 54 werden bis zum ersten Knoten 60 und dann
nacheinander zu den weiteren Knoten 62, 64 usw. jeweils zwei
Lichtleiterstücke 66, 68 verwendet. Der Datenfluß auf den
Lichtleiterstücken 66, 68 ist durch Pfeile 70 gekennzeichnet.
Die Pfeile 70 zeigen jeweils von einem optischen Sender zu
einem optischen Empfänger, die in optischen Doppel-T-Kopplern
71 angeordnet sind. Jedem Knoten 60, 62, 64 im optischen Bus-
Abschnitt 52 ist ein Doppel-T-Koppler 71 zugeordnet.
In Fig. 3 ist in einem Blockschaltbild der Aufbau der elek
tro-optischen Schnittstelle 54 dargestellt, die den elektri
schen Bus-Abschnitt 44 in dem optischen Bus-Abschnitt 52
überführt und umgekehrt. Die Schnittstelle 54 ist hier so
ausgebildet, daß sie in einem optischen Bus-Abschnitt einge
fügt werden könnte. Wenn die elektro-optische Schnittstelle
in dem optischen Bus eingefügt ist, können zwei benachbarte
Knoten 60 und 60' angeschlossen werden.
Die elektro-optische Schnittstelle 54 umfaßt einen Anschluß
72, für den elektrischen Bus-Abschnitt 44 bzw. 44A. Der An
schluß 72 ist zum einen mit einem CAN-Controller-Baustein 74,
z. B. in Form eines 57C360-Bausteins, und zum anderen mit ei
nem modifizierten RS-485-Treiberbaustein 76 verbunden. Ein
Ausgang des RS-485-Treiberbausteins 76 ist mit einem Eingang
78 eines UND-Gatters 80 und eines UND-Gatters 82 verbunden.
Der Ausgang des UND-Gatters 80 ist mit einem ersten optischen
Sender 84 und der Ausgang des UND-Gatters 82 ist mit einem
zweiten optischen Sender 86 verbunden. Ein erster optischer
Empfänger 88 ist mit einem zweiten Eingang 90 des UND-Gatters
82 und einem ersten Eingang 92 eines weiteren UND-Gatters 94
verbunden. Der elektrische Ausgang eines weiteren optischen
Empfängers 96 ist mit einem zweiten Eingang 98 des UND-Gat
ters 80 und einem zweiten Eingang 100 des UND-Gatters 94
verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters 94 ist mit einem Ein
gang des modifizierten RS-485-Treibers 76 verbunden. Die drei
UND-Gatter 80, 82 und 94 bilden zusammen eine Logik 102, mit
der ein Signalaustausch mit dem Knoten 60 und einem evtl. an
geschlossenen weiteren Knoten 60' möglich ist. Weiterhin be
wirkt die Logik 102 zusammen mit dem modifizierten RS-485-Trei
ber 76 einen Signalaustausch mit dem elektrischen Bus-Ab
schnitt 44, 44A und dem optischen Bus-Abschnitt 52, der vom
CAN-Controller 74 unterstützt wird.
Fig. 4 zeigt den Aufbau eines optischen Doppel-T-Kopplers
71, der bis auf den elektrischen Bus-Anschluß 72 dem Aufbau
der elektro-optischen Schnittstelle 54 entspricht. Der opti
sche Doppel-T-Koppler 71 erlaubt einen Datenaustausch mit be
nachbarten Knoten, wobei noch eine Repeaterfunktion ausge
führt wird. Ist z. B. der Dopppel-T-Koppler 71 dem Knoten 62
zugeordnet, dann ist über die beiden benachbarten
Doppel-T-Koppler 71 ein Datenaustausch mit den Knoten 60 und 64 durch
führbar. Der dem Knoten 60 zugeordnete Doppel-T-Koppler 71
führt einen Datenaustausch mit Repeaterfunktion mit dem be
nachbarten Doppel-T-Koppler 71 des Knotens 62 und der elek
tro-optischen Schnittstelle 54 durch.
Claims (9)
1. Elektrische Anlage, insbesondere diagnostisches
Magnetresonanzgerät, mit mindestens einer ersten, innerhalb
einer Hochfrequenz-Abschirmkabine (2) angeordneten Komponente
(14, 18, 20, 21), mit mindestens einer zweiten, außerhalb der
Hochfrequenz-Abschirmkabine (2) angeordneten Komponente (24,
30) und mit einem Steuerrechner (42), der über
Steuerleitungen mit den Komponenten (14, 18, 20, 21, 24, 30)
verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerleitungen als serieller
Sensor/Aktorbus ausgebildet sind, daß der Sensor/Aktorbus
einen ersten Bus-Abschnitt (44, 44A, 44B) mit elektrischen
Busleitungen und einen zweiten Bus-Abschnitt (52) mit
optischen Busleitungen umfaßt, daß die optischen Busleitungen
(52) in die Hochfrequenz-Abschirmkabine (2) geführt und dort
mit der ersten Komponente (14, 18, 20, 21) verbunden sind und
daß der erste Bus-Abschnitt (44A) über eine elektro-optische
Schnittstelle (54) mit dem zweiten Bus-Abschnitt (52)
verbunden ist.
2. Elektrische Anlage nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß in der Hochfrequenz-
Abschirmkabine (2) mehrere erste Komponenten (14, 18, 20, 21)
angeordnet sind und daß die ersten Komponenten (14, 18, 20,
21) über optische Doppel-T-Koppler (71) mit den optischen
Busleitungen (52) verbunden sind.
3. Elektrische Anlage nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die optischen
Doppel-T-Koppler (71) eine Repeaterfunktion besitzen.
4. Elektrische Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß der
zweite Bus-Abschnitt (52) jeweils ein erstes und zweites
Lichtleiterstück (66, 68) umfaßt, die benachbarte erste
Komponenten (z. B. 62, 64) miteinander und die elektro
optische Schnittstelle mit seiner benachbarten ersten
Komponente (z. B. 60) miteinander verbinden.
5. Elektrische Anlage nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß jeweils ein Ende der
ersten Lichtwellenleiterstücke (66) jeweils mit einem
optischen Sender (86) und ein gleiches Ende des zweiten
Lichtwellenleiterstücks (68) jeweils mit einem optischen
Empfänger (88) verbunden und daß das andere Ende des ersten
Lichtwellenleiters (66) jeweils mit einem optischen Empfänger
und das andere Ende der zweiten Lichtwellenleiterstücke (68)
jeweils mit einem optischen Sender verbunden sind, wobei die
optischen Sender (84, 86) und Empfänger (88, 96) jeweils zu
entsprechenden Doppel-T-Kopplern (71) oder der elektro
optische Schnittstelle gehören.
6. Elektrische Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der erste
Bus-Abschnitt (44, 45A, 44B) als differentieller
Zweidrahtbus ausgebildet ist.
7. Elektrische Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß der
Sensor/Aktorbus als Multimasterbus ausgebildet ist.
8. Elektrische Anlage nach Anspruch 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Sensor/Aktorbus als
Controller-Area-Network ausgebildet ist.
9. Elektrische Anlage nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, daß im zweiten Bus-Abschnitt
(52) ein dominanter Bit-Pegel durch "Licht an" und ein
rezessiver Bit-Pegel durch "Licht aus" realisiert ist.
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