DE19722221C2 - Elektrische Anlage, insbesondere diagnostisches Magnetresonanzgerät - Google Patents

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 (Herausge­ ber): Bildgebende Systeme für die Medizinische Diagnostik, 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 Hochfrequenz-Ab­ schirmkabine angeordnet sind. Das diagnostische Magnetreso­ nanzgerät wird von einem außerhalb der Hochfrequenz-Abschirm­ kabine angeordneten Steuerrechner gesteuert. Dabei erfolgt die Steuerung der außerhalb der Abschirmkabine angeordneten Komponenten über einen zentralen Bus. Um Störungen beim Be­ trieb des Magnetresonanzgeräts zu vermeiden, werden die in­ nerhalb der Hochfrequenz-Abschirmkabine angeordneten Kompo­ nenten entweder über Lichtwellenleiter mit Steuersignalen versorgt oder während einer Meßsequenz abgeschaltet. Die Lichtwellenleiter sind bislang sternförmig von dem Steuer­ rechner 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.

In der nur bezüglich der Neuheit zu berücksichtigenden DE 196 25 997 A1 ist ein CAN-Bus (Controller Area Network-Bus) zum Ansteuern von Elementen einer Maschine mit mindestens ei­ nem Buskoppelelement beschrieben, woran ein Gerät mittels ei­ ner optischen Übertragungsstrecke anschließbar ist. Die Da­ tenübertragung mit der optischen Übertragungsstrecke gewähr­ leistet eine einfache, zuverlässige und rasche Ein- bzw. Ver­ stellung der jeweiligen Elemente der Maschine. Anstelle der an dem CAN-Bus angeschlossenen Peripheriegeräte können weite­ re Knoten vorgesehen sein, vorzugsweise Sternknoten, von de­ nen wiederum mehrere Lichtleiter zu weiteren Sternknoten und/- oder Peripheriegeräten führen.

Die DE 196 16 753 A1 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfah­ ren zur Steuerung eines Daten-Übertragungskanals oder Daten­ busses, insbesondere eines Datenbusses, auf dem die Daten ge­ mäß eines vorgegebenen Übertragungsprotokolls oder Busproto­ kolls bit-seriell übertragen werden, wie z. B. ein CAN-Bus.

Abschirmkabinen für hochfrequente Magnetfelder, insbesondere für Kernspintomographen in der medizinischen Technik, sind beispielsweise aus der DE 38 09 323 C2 oder dem Gebrauchsmu­ ster DE 90 17 344 U1 bekannt.

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 Sensor/- Aktorbus einen ersten Bus-Abschnitt mit elektrischen Buslei­ tungen und einem zweiten Bus-Abschnitt mit optischen Buslei­ tungen umfaßt, daß die optischen Busleitungen in die Hochfre­ quenzkabine geführt und dort mit der ersten Komponente ver­ bunden sind und daß der erste Bus-Abschnitt über eine elek­ tro-optische Schnittstelle mit dem zweiten Bus-Abschnitt ver­ bunden 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- Pulsformgenerator 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- Abschirmkabine 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 CAN-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- Lichtwellenleitung. 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- Gatters 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- Treiber 76 einen Signalaustausch mit dem elektrischen Bus- Abschnitt 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 gekennzeich­ net, 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, da­ durch 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, da­ durch gekennzeichnet, daß der erste Bus-Abschnitt (44, 45A , 44B) als differentieller Zweidrahtbus ausgebildet ist.

7. Elektrische Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch 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.