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Die
vorliegende Erfindung betrifft ganz allgemein das Gebiet der Datenkommunikation
und insbesondere den Datenaustausch in einem Bildgebungssystem.
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In
wenigstens einer bekannten Konfiguration eines Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystems
projiziert eine Röntgenstrahlenquelle
einen fächerförmigen Strahl,
der gebündelt
ist, um innerhalb einer im Allgemeinen als die "Bildgebungsebene" bezeichneten x-y-Ebene eines Kartesischen
Koordinatensystems zu liegen. Der Röntgenstrahl durchstrahlt das
abzubildende Objekt, beispielsweise einen Patienten. Das Strahlbündel trifft,
nachdem es durch das Objekt geschwächt wurde, auf ein Array von
Strahlungsdetektoren auf. Die Intensität der an dem Detektorarray
empfangenen geschwächten
Strahlung hängt
von der Schwächung
des Röntgenstrahlbündels durch
das Objekt ab. Jedes Detektorelement in dem Array erzeugt ein gesondertes
elektrisches Signal, das einen Messwert der Strahlbündelabschwächung an
der Detektorposition kennzeichnet. Die von sämtlichen der Detektoren stammenden
Schwächungsmesswerte
werden getrennt erfasst, um ein Übertragungsprofil
zu erzeugen.
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In
bekannten CT-Systemen der dritten Generation werden die Röntgenstrahlenquelle
und das Detektorarray mittels einer Gantry innerhalb der Bildgebungsebene
und um das abzubildende Objekt herum gedreht, so dass der Winkel,
unter dem der Röntgenstrahl
das Objekt schneidet, sich kontinuierlich ändert.
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Eine
Gruppe von Röntgenstrahlschwächungsmesswerten,
d.h. Projektionsdaten, die unter jeweils einem Gantrywinkel von
dem Detektorarray empfangen werden, wird als eine "Ansicht" bezeichnet. Eine "Scannaufnahme" des Objekts umfasst
einen Satz von Ansichten, die während
einer Umdrehung der Röntgenstrahlenquelle
und des Detektors unter verschiedenen Gantrywinkeln erstellt wurden. Im
Falle eines axialen Scannens werden die Projektionsdaten verarbeitet,
um ein Bild zu konstruieren, das einem zweidimensionalen, durch
das Objekt geführten
Schnitt entspricht. Ein Verfahren zur Rekonstruktion eines Bildes
aus einem Satz von Projektionsdaten ist in der Fachwelt als die
gefilterte Rückprojektionstechnik
bekannt. Dieses Verfahren wandelt die Schwächungsmesswerte einer Scannaufnahme
in als "CT-Zahlen" oder "Hounsfield-Einheiten" bezeichnete ganze
Zahlen um, die verwendet werden, um die Helligkeit eines entsprechenden
Pixels auf einem Kathodenstrahlbildschirm zu steuern.
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Zumindest
ein bekanntes CT-Bildgebungssystem überträgt durch das Detektorarray
gesammelte Bildgebungsdaten über
einen Schleifring, der einen Schuh und einen Kupferringmechanismus
aufweist, während
eines normalen Scannvorgangs mit einer Rate von etwa 1,5 Megabyte
(MB) pro Sekunde. Ein Empfänger
der Bildgebungsdaten überprüft die Daten
und überträgt an einen
Geber, falls die Daten korrekt sind, eine Bestätigung darüber, dass die korrekten Bildgebungsdaten
empfangen wurden. Mittels dieses Verfahrens ist der Schleifring
in der Lage, Daten mit einer Rate von etwa 5,0 MB pro Sekunde zu übertragen,
und verwendet dabei die überschüssige Bandbreite
für eine
erneute Übertragung
der Bildgebungsdaten im Falle eines Fehlers. Allerdings ist es erforderlich,
in dem Maße,
wie Scanngeschwindigkeiten erhöht
und zusätzliche
Daten in dem Detektorarray gesammelt werden, die Daten mit höherer Geschwindigkeit über den
Schleifring zu übertragen. Als
Folge hiervon reicht die Bandbreite nicht aus, um einen Datenübertragungspfad
von dem Empfänger der
Bildgebungsdaten zurück
zu dem Geber bereitzustellen. Darüber hinaus werden Scanngeschwindigkeiten
beschränkt,
da im Falle eines Fehlers korrigierte Daten erneut übertragen
werden müssen.
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Um
die Rate der Datenübertragung
innerhalb des Bildgebungssystems zu erhöhen, ist es erwünscht, ein
Datenkommunikationssystem oder eine Schaltung zu schaffen, das bzw.
die Daten überträgt, ohne
eine von dem Empfänger
an den Geber zu übermittelnde
Bestätigung
zu benötigen.
Es würde ebenfalls
erwünscht
sein, eine solche Schaltung zu schaffen, die Datenfehler korrigiert,
ohne die Bildgebungsdaten erneut zu übertragen.
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Gemäß der Erfindung
gehören
zu einem Bildgebungssystem zum Scannnen eines Objekts ein Geber,
der derart konfiguriert ist, dass er codierte Bilddaten erzeugt,
ein Empfänger,
der derart konfiguriert ist, dass er die codierten Bilddaten decodiert
und korrigiert, sowie ein HF-Schleifring, der mit dem Geber und
dem Empfänger
gekoppelt ist, um die codierten Bilddaten zwischen einem rotierenden
Gantryteil und einem stillstehenden Gantryteil auszutauschen, dadurch
gekennzeichnet, dass das System konfiguriert ist, um codierte Daten
einschließlich
Anweisungscodes, Datenblöcke
und SYNC-Daten zu übertragen,
wobei die Daten mindestens eine Datenansicht umfassen, wobei die
Anweisungscodes von dem Geber benutzt wer den, um einen Beginn einer Bildgebungsdatenansicht
anzuzeigen, und wobei jede Datenansicht durch den Geber unterteilt
wird, um einen Beginn einer Bildgebungsdatenansicht anzuzeigen,
und wobei jede Datenansicht durch den Geber in codierte Botschaftsdaten
unterteilt wird; die codierten Botschaftsdaten unter Benutzung des Schleifringes
von dem Geber zu dem Empfänger
zu übertragen;
die SYNC-Daten zur Synchronisierung des Gebers und des Empfängers zu
verwenden; die Anweisungscodes zu benutzen, um den Empfänger zu
veranlassen, mit einem Decodieren der übertragenen Botschaftsdaten
zu beginnen; und Fehler in empfangenen Botschaftsdaten unter Benutzung
des Empfängers
zu korrigieren.
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Zur Übertragung
der codierten Bildgebungsdaten kann der Schritt gehören, die
codierten Bildgebungsdaten asynchron von dem Geber zu dem Empfänger zu übertragen.
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Zur
Erzeugung der codierten Bildgebungsdaten können die Schritte gehören: Erzeugen
einer Gruppe von Anweisungscodes und Erzeugen einer Gruppe von Botschaftsblöcken.
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Zur
Bildung der Gruppe von Botschaftsblöcken kann der Schritt gehören, Null-Botschaftsblöcke zu erzeugen.
Die Erzeugung der codierten Bildgebungsdaten kann ferner den Schritt
umfassen, SYNC-Daten zu erzeugen. Die Decodierung der codierten
Bildgebungsdaten kann den Schritt beinhalten, SYNC-Daten zu identifizieren.
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Die
Erzeugung der Gruppe von Botschaftsblöcken kann den Schritt umfassen,
dass CRC-Daten erzeugt werden. Eine Bot schaftsblocklänge kann 136
Byte betragen, und eine CRC-Länge
kann 15 Byte betragen.
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Eine
Decodierung der codierten Bildgebungsdaten kann die Schritte umfassen:
Decodieren der Anweisungscodes und Decodieren der Botschaftsblöcke. Die
Decodierung der Botschaftsblöcke
kann den Schritt beinhalten, dass die CRC-Daten deco diert werden.
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Die
Korrektur von Fehlern in den Bildgebungsdaten kann die Schritte
umfassen: Erzeugen von empfangenen CRC-Daten und Ermitteln, ob die CRC-Daten
mit den empfangenen CRC-Daten übereinstimmen.
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In
einer Ausführungsform
des Bildgebungssystems schließt
das System ein Datenkommunikationssystem oder einen Datenkommunikationsschaltkreis
ein, überträgt Bildgebungs-
oder CT-Daten von einem
Datenakquisitionssystem an einen Rechner oder an eine Bildrekonstruktionseinrichtung.
Das Datenkommunikationssystem enthält einen Geber, der dazu dient,
die Bildgebungsdaten zu codieren und zu übertragen, und einen Empfänger, um
Bildgebungsdaten entgegen zu nehmen und zu decodieren.
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In
einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Übertragung
von Bildgebungsdaten über einen
Schleifring mit einer hohen Geschwindigkeitsrate, ohne Informationsdaten
von dem Empfänger
zu dem Geber zu übertragen.
Insbesondere empfängt der
Geber parallele Daten von dem Datenakquisitionssystem und wandelt
die parallelen Bytedaten in einen seriellen Datenstrom um. Die seriellen
Daten werden über
den Schleif ring Bit für
Bit an den Empfänger übertragen.
Der Empfänger
decodiert anschließend
die seriellen Daten in parallele Bytedaten. Insbesondere beinhalten
die codierten Daten Anweisungscodes, Botschaftsblöcke und
SYNC-Daten. Zu den Anweisungscodes gehören Daten, die den Empfänger veranlassen,
mit dem Decodieren der seriellen Daten im richtigen Zeitpunkt zu
beginnen. Zu den Botschaftsdaten gehören die Bildgebungsdaten und Daten
zur zyklischen Redundanzkontrolle oder Blockprüfung (CRC = Cyclic Redundancy
Check), die die übertragenen
Bildgebungsdaten kennzeichnen. Die CRC-Daten werden von dem Empfänger benutzt, um
Fehler in den übertragenen
Bildgebungsdaten zu erfassen und zu korrigieren. Die SYNC-Daten
werden verwendet, um den Empfänger
mit dem Geber zu synchronisieren.
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Der
Datenübertragungsschaltkreis
des oben beschriebenen Bildgebungssystems überträgt Hochgeschwindigkeitsdaten über einen
Schleifring des Bildgebungssystems, ohne eine von den Empfänger an
den Geber zu übertragene
Bestätigung
zu erfordern. Darüber
hinaus korrigiert der Datenübertragungsschaltkreis
Datenfehler, ohne die Daten erneut zu übertragen.
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Die
Erfindung wird nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die Zeichnungen
eingehender beschrieben:
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1 zeigt
eine anschauliche Ansicht eines CT-Bildgebungssystems.
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2 zeigt
ein schematisiertes Blockschaltbild des in 1 veranschaulichten
Systems.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines CT-System-Detektorarrays.
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Detektormoduls.
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5 zeigt
ein Blockschaltbild des Schleifrings.
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6 zeigt
ein Blockschaltbild eines Datenkommunikationssystems gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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7 zeigt
einen exemplarischen CRC-Schaltkreis.
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8 zeigt
einen Kurvenverlauf zur Erfassung des Beginns einer Ansicht in dem
in 2 gezeigten Bildgebungssystem.
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Unter
Bezugnahme auf 1 ist ein Computertomographie-(CT)-Bildgebungssystem 10 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung gezeigt, das eine Gantry 12 aufweist,
wie sie für einen
CT-Scannner der "dritten
Generation" typisch ist.
Die Gantry 12 enthält
eine Röntgenstrahlenquelle 14,
die ein Bündel
von Röntgenstrahlen
in Richtung auf ein Detektorarray 16 projiziert, das auf
der gegenüberliegenden
Seite der Gantry 12 angeordnet ist. Das Detektorarray 16 ist
durch mehrere Detektormodule gebildet, die gemeinsam die projizierten
Röntgenstrahlen
erfassen, die einen Patienten 18 durchdringen. Jedes Detektormodul
erzeugt ein elektrisches Signal, das die Intensität eines
auftreffenden Röntgenstrahlbündels und
folglich die Schwächung kennzeichnet,
die das Strahlbündel
erfährt,
während es
den Patienten 18 durchdringt.
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Während einer
Scannaufnahme zur Akquisition von Röntgenprojektionsdaten, drehen
sich die Gantry 12 und die an dieser angebrachten Komponenten
um einen Rotationsmittelpunkt. Ein motorisch angetriebener Tisch 20 positioniert
den Patienten 18 in Bezug auf die Gantry 12. Insbesondere
bewegt der Tisch 20 während
eines Scanndurchlaufs Bereiche des Patienten 18 durch eine
Gantryöffnung 22 hindurch.
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2 zeigt
ein Blockschaltbild des in 1 veranschaulichten
Systems. Wie in 2 dargestellt, umfasst das System 10 einen
an eine Monitor-Benutzerschnittstelle (UIF = user interface) 26 angeschlossenen
Hostrechner 24, der dazu dient, einem Bediener Bilder und
Meldungen oder Botschaften anzuzeigen. Der Rechner 24 ist
ferner mit einer Tastatur 28 und mit einer Maus 30 verbunden,
um dem Bediener zu ermöglichen,
in den Rechner 24 Eingabedaten und Steuerbefehle einzugeben.
Der Rechner 24 ist mit einer Scann- und Rekonstruktionssteuereinheit (SRU
= Scann and Reconstruction Control Unit) 32 verbunden.
Die SRU 32 enthält
ferner Bilderzeugungssteuerelemente. In einem speziellen Ausführungsbeispiel
enthält
die SRU 32 eine auf SGI-PCI basierende Zentraleinheit,
die auf einem IRIX-Betriebssystem arbeitet. Die SRU 32 enthält ferner
einen Schnittstellenprozessor für
eine Schnittstellenverbindung mit dem (nachstehend beschriebenen) Datenakquisitionssystem
und eine Digitalsignalverarbeitunsplatine zur Korrektur von Scanndaten,
um eine Vorverarbeitung durchzuführen,
die aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die SRU 32 enthält ferner
einen Bildgenerator für
gefilterte Rückpro jektion
und Nachverarbeitungsschritte, wie er aus dem Stand der Technik
bekannt ist.
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Ein
stationärer
Controller oder eine stationäre
Steuerungseinrichtung 34 ist mit der SRU 32 verbunden,
und der Controller 34 ist mit einem Tischcontroller oder
einer Tischsteuerungseinrichtung 36 verbunden. Der stationäre Controller 34 ist
ferner über einen
Schleifring 38 mit einem auf der Leiterplatte befindlichen
Controller oder einer Steuerungseinrichtung 40 und einem
skalierbaren Datenakquisitionssystem (SDAS = Scalable Data Acquisition
System) 42 verbunden. Der Schleifring 38 gestattet
eine kontaktlose Übertragung
von Signalen über
die Schleifringbegrenzung und unterstützt die erforderliche Bandbreite
für eine Übertragung
von Daten und Steuerbefehlen quer über die Begrenzung. Das SDAS 42 tastet
die von dem Detektor 16 stammenden Daten ab und akquiriert
diese und er wandelt die abgetasteten analogen Signale in digitale
Signale um. Das SDAS 42 enthält in einem speziellen Ausführungsbeispiel
achtundvierzig austauschbare Konverterkarten, um eine Vier-Zeilen-Datenakquisition
zu unterstützen.
Für eine
Zwei-Zeilen-Datenakquisition können
vierundzwanzig Karten verwendet werden. In einer speziellen Ausführungsform
sind vierundsechzig Eingangskanäle
pro Konverterkarte vorhanden, und es kann ein Abtasten mit einer
Frequenz von 1408 Hz durchgeführt
werden. Das SDAS 42 enthält ferner einen Front-End-Vorverstärker zur
Verstärkung
der Signale. Weitere das SDAS betreffende Einzelheiten sind nachstehend
dargelegt.
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Der
auf der Leiterplatte angeordnete Controller oder die Steuerungseinrichtung 40 steuert
den Betrieb der Röntgen strahlenquelle 14 und
den Betrieb des SDAS 42. Die Röntgenstrahlenquelle 14 weist
einen Hochspannungsgenerator 44 auf, der an eine Röntgenröhre 46 gekoppelt
ist. Die Röhre 46 kann
beispielsweise durch die aus dem Stand der Technik als Gemini-1-Röhre bekannte
Röhre gebildet sein,
die gegenwärtig
in zumindest einigen CT-Systemen verwendet wird, die im Handel von
General Electric Company, Milwaukee, WI, 53201 bezogen werden können. Durch
die Röntgenröhre 46 projizierte
Strahlbündel
gelangen durch einen vor dem Patienten angeordneten Cam-(Nocken-)Kollimator 48 und
treffen auf dem (als ein 16-Zeilen-Detektor
veranschaulichten) Detektor 16 auf. Der Nockenkollimator 48 ist
ebenfalls durch den auf der Leiterplatte befindlichen Controller 40 gesteuert.
Ausgangssignale des Detektors 16 werden an das SDAS 42 ausgegeben.
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In 2 ist
der Datenstrom durch fettgedruckte Linien veranschaulicht, der Steuerdatenstrom
ist durch normale Linien dargestellt, und der Echtzeitsteuerdatenstrom
ist durch gestrichelte Linien wiedergegeben. Die den Strömen zugeordneten numerischen
Bezeichnungen sind nachstehend angegeben.
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- 1
- Scann-
und Rekonstruktionsanweisung von einem Bediener
- 2
- Scannanweisung
an "Master"-Controller
- 3
- verteilte
Scannparameter
- 3a
- Tischposition
- 3b
- rotierende
Parameter
- 3c
- Auswahl
von kV und mA
- 3d
- Auswahl
von Röntgenstrahlbündelung
und Filter
- 3
- Auswahl
von Detektorschichtbilddicke und Verestärkungsgrad des SDAS
- 4
- Echtzeitsteuersignale
während
des Scannnens
- 5
- Hochspannung
- 6
- nicht
kollimierter Röntgenstrahl
- 7
- kollimierter
Röntgenstrahl
- 8
- analoge
Scanndaten
- 9
- digitale
Scanndaten
- 10
- Patientenbilder
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Die
Rotation der Gantry 12 und der Betrieb der Röntgenstrahlenquelle 14 werden
durch den Controller 34 gesteuert. Der auf der Leiterplatte
befindliche Controller 40 gibt unter der Kontrolle des stationären Controllers 34 Strom-
und Zeittaktsignale an die Röntgenstrahlenquelle 14 aus.
Das SDAS 42 tastet von dem Detektor 16 stammende
analoge Daten ab und wandelt die Daten in digitale Signale für eine anschließende Verarbeitung
um. Das SRU 32 empfängt
abgetastete und digitalisierte Röntgendaten
von dem SDAS 42 und führt
eine Hochgeschwindigkeitsbildrekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild
wird als eine Eingabe dem Rechner 24 zugeführt, der
das Bild in einem Massenspeichergerät speichert.
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Ferner
nimmt der Rechner 24 über
eine Tastatur 28 und eine Maus 30 Steuerbefehle
und Scannparameter von einem Bediener entgegen. Der Monitor 26 ermöglicht es
dem Bediener, das rekonstruierte Bild und andere von dem Rechner 24 ausgegebene
Daten zu beobachten. Die von der Bedienperson eingegebenen Steuerbefehle
und Parameter werden von dem Rechner 24 benutzt, um Steuersignale
und Informationsdaten auszugeben. Darüber hinaus steuert der Controller 36 den
motorisch angetriebenen Tisch 20, um den Patienten 18 (siehe 1)
zu positionieren.
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Wie
in den 3 und 4 gezeigt, enthält das Detektorarray 16 mehrere
Detektormodule 58. Jedes Detektormodul 58 ist
an einem Detektorgehäuse 60 befestigt.
Jedes Modul 58 enthält
ein mehrdimensionales Szintillatorarray 62 und ein (nicht sichtbares)
Halbleiterarray hoher Dichte. Ein dem Patienten nachgeordneter (nicht
gezeigter) Kollimator ist oberhalb des Szintillatorarrays 62 und
benachbart zu diesem positioniert, um Röntgenstrahlen zu bündeln, bevor
derartige Stahlbündel
auf das Szintillatorarray 62 auftreffen. Das Szintillatorarray 62 enthält mehrere
in einem Array angeordnete Szintillatorelemente, und das Halbleiterarray
weist mehrere (nicht sichtbare) Photodioden auf, die in einem identischen
Array angeordnet sind. Die Photodioden sind auf einem Substrat 64 untergebracht
oder ausgebildet, während
das Szintillatorarray 62 oberhalb des Substrats 64 positioniert
und an diesem befestigt ist.
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Das
Detektormodul 58 enthält
ferner eine Schaltervorrichtung 66, die elektrisch an einen
Decoder 68 gekoppelt ist. Die Schaltervorrichtung 66 ist durch
ein mehrdimensionales Halbleiterschalterarray mit ähnlicher
Größe wie das
Photodiodenarray gebildet. In einem Ausführungsbeispiel enthält die Schaltervorrichtung 66 eine
Gruppe von (nicht gezeigten) Feldeffekttransistoren, wobei jeder
Feldeffekttransistor (FET) einen Eingang, einen Ausgang und eine (nicht
gezeigte) Steuerleitung aufweist. Die Schaltervorrichtung 66 ist
zwischen das Photodiodenarray und das SDAS 42 geschaltet.
Insbesondere ist jeder Eingang der Schaltervorrichtung-FETs elektrisch
mit einem Photodiodenarrayausgang verbunden, und jeder Ausgang der
Schaltervorrichtung-FETs ist beispielsweise mit tels flexibler elektrischer
Kabel 70 mit dem SDAS 42 elektrisch verbunden.
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Der
Decoder 68 steuert den Betrieb der Schaltervorrichtung 66,
um die Ausgänge
des Photodiodenarrays gemäß einer
gewünschten
Zahl von Schichtbildern und Schichtbildauflösungen für jedes Schichtbild zu aktivieren,
zu deaktivieren oder zu kombinieren. Der Decoder 68 ist
in einem Ausführungsbeispiel
ein Decoderchip oder ein FET-Controller, wie er aus dem Stand der
Technik bekannt ist. Der Decoder 68 weist mehrere Ausgangs-
und Steuerleitungen auf, die an die Schaltervorrichtung 66 und an
den Rechner 24 gekoppelt sind. Insbesondere sind die Ausgänge des
Decoders elektrisch mit den Steuerleitungen der Schaltervorrichtung
verbunden, um der Schaltervorrichtung 66 zu ermöglichen,
die geeigneten Daten von den Eingängen der Schaltervorrichtung
zu den Ausgängen
der Schaltervorrichtung zu übertragen.
Die Decodersteuerleitungen sind elektrisch mit den Steuerleitungen
der Schaltervorrichtung verbunden und bestimmen, welche der Decoderausgänge aktiviert
werden. Mittels des Decoders 68 werden spezielle FETs innerhalb
der Schaltervorrichtung 66 aktiviert, deaktiviert oder
kombiniert, so dass spezielle Ausgänge des Photodiodenarrays mit
dem SDAS 42 des CT-Systems elektrisch verbunden werden.
In einem als 16-Schichtbild-Modus definierten Ausführungsbeispiel
aktiviert der Decoder 68 die Schaltervorrichtung 66 in
der Weise, dass sämtliche
Zeilen des Photodiodenarrays mit dem SDAS 42 elektrisch
verbunden sind, woraus sich 16 gesonderte, simultane Datenschichten
oder -slices ergeben, die an das SDAS 42 übertragen
werden. Selbstverständlich
sind viele andere Schichtkombinationen möglich.
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In
einer speziellen Ausführungsform
enthält der
Detektor 16 siebenundfünfzig
Detektormodule 58. Das Halbleiterarray und das Szintillatorarray 62 weisen
beide eine Arraygröße von 16 × 16 auf.
Dementsprechend verfügt
der Detektor 16 über
16 Zeilen und 912 Spalten (16 × 57
Module), was es ermöglicht,
mit jeder Rotation der Gantry 12 16 simultane Datenslices
zu akquirieren. Selbstverständlich
ist die vorliegende Erfindung nicht auf irgendeine spezielle Arraygröße beschränkt, und
es wird in Erwägung
gezogen, dass das Array abhängig
von den speziellen Anforderungen des Bedieners größer oder
kleiner sein kann. Außerdem
kann der Detektor 16 in vielen Modi betrieben werden, die
unterschiedliche Schichtbilddicke und Anzahlen aufweisen, beispielsweise
in Ein-, Zwei- und Vier-Schichtbild-Modi.
Die FETs in dem Vier-Schichtbild-Modus können z.B. so konfiguriert sein,
dass für
vier Schichtbilder aus einer oder mehreren Zeilen des Photodiodenarrays
stammende Daten gesammelt werden. Abhängig von der speziellen Konfiguration
der FETs, wie sie durch die Decodersteuerleitungen definiert sind,
können
vielfältige Kombinationen
von Ausgängen
des Photodiodenarrays aktiviert, gesperrt oder zusammengeführt werden,
so dass die Schichtbilddicke beispielsweise 1,25 mm, 2,5 mm, 3,75
mm oder 5 mm betragen kann. Zu weiteren Beispielen zählen ein
Einzel-Schichtbild-Modus, der ein einzelnes Schichtbild mit Schichbildern
einer Dicke im Bereich von 1,25 mm bis 20 mm beinhaltet, und ein
Zwei-Schichtbild-Modus,
der zwei Schichtbilder mit Schichbildern einer Dicke im Bereich
von 1,25 mm bis 10 mm beinhaltet. Weitere Modi, die über die
beschriebenen hinausgehen, sind möglich.
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Es
wird nun auf 5 eingegangen, die ein vereinfachtes,
anschauliches, schematisches Blockschaltbild der Gantry 12 zeigt.
Die von dem Detektorarray 16 stammenden Signale werden über Leitungen 110 dem
Datenakquisitionssystem (SDAS) 42 zugeführt, das jedes Signal von einem
analogen Signalformat in digitale Daten umwandelt, die gewöhnlich zwei
Byte, d.h. 16 Bit aufweisen. Die digitalen Daten werden über Leitungen 112 an
einen an der Gantry 12 angeordneten Datengeber 114 ausgegeben. Der
Datengeber 114 codiert die Daten digital mit einem HF-(Hochfrequenz-)-Pulsmuster,
und das HF-codierte Signal wird einem elektromagnetischen Koppelglied übergeben,
z.B. einem HF-Schleifring 116 der Bauart, wie sie in dem
für Harrison
et al. erteilten US-Patent 5 530 424 offenbart ist, das der Inhaberin
der vorliegenden Patentanmeldung gehört.
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Die
HF-Schleifringkonfiguration des '424-Patents
enthält
ein oder mehrere Übertragungsleitungen,
die auf der rotierenden Seite der Schnittstelle angeordnet sind,
und ein an der weitgehend stationären Seite befestigtes Koppelsegment.
In Abhängigkeit
von dem Abstand zwischen dem stationären Koppelglied und der rotierenden Übertragungsleitung können mehrere Übertragungsleitungssegmente
erforderlich sein, um zu gewährleisten,
dass das Koppelglied sich immer in räumlicher Nähe zu mindestens einem der
Segmente befindet, um das elektromagnetische Signal zu empfangen.
In diesem Fall ist jedes Segment mit einer Länge bemessen, die gleich einem
Bruchteil der Bogenlänge
des Pfades der Gantry in Drehrichtung ist. Die Segmente sind von
einem Ende zum anderen um die Rotationsachse der Gantry in Kaskade
angeordnet, und zwar gewöhnlich
entlang des Umfangs der Öffnung 22,
so dass die Gesamtlänge
ei nen Bogen von im Wesentlichen 360°,. d.h. eine volle Umdrehung
der Gantry, ergibt. Es werden zwei Übertragungsleitungssegmente 118, 120 verwendet,
und diese sind geeignet befestigt, um es zu ermöglichen, erste Enden 122, 124 bzw.
zweite Enden 126, 128 von Übertragungsleitungen 118, 120 jeweils
einander benachbart zu positionieren. Eine aneinander stoßende oder
benachbarte Anordnung der Enden jeder der Übertragungsleitungen führt zu einer
weitgehenden Kontinuität
der elektromagnetischen Kopplung entlang des gesamten Drehpfades der
Gantry.
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Der
Datengeber 114 übergibt
die codierten Daten an die ersten Enden 122, 124 von
jeweiligen Übertragungsleitungen 118, 120.
Die zweiten Enden 126, 128 jeder Übertragungsleitung
sind über
Abschlussimpedanzen 130, 132 mit der Signalmasse 134 verbunden.
Ein Koppelelement 136, das auf dem stationären Rahmen
in einer Weise positioniert ist, um während der Rotation der Gantry
eine physikalische Nähe
des Koppelglieds zu einer und zu beiden der Übertragungsleitungen 118, 120 zu
gewährleisten.
Die codierten Daten werden, wie in der '424-Patentschrift von Harrison et al.
beschrieben, elektromagnetisch zu dem Koppelglied 136 durchgekoppelt.
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Auf
der Seite des stationären
Rahmens wird das gekoppelte Datensignal über eine Leitung 138 an die
SRU 32 ausgegeben. Die codierten Daten werden an einem
Datensignalempfänger 140 empfangen.
Wie im Einzelnen nachstehend mit Bezug auf 6 erläutert, decodiert
der Signalempfänger 140 die
seriellen Daten unter Verwendung eines Vorwärtsfehlerkorrektur-(FEC = Forward Error
Correction)-Algorithmus und gibt die decodierten Daten über Leitungen 142 an
einen Signalprozessor 144 weiter. Der Signalprozessor 144 weist
einen (nicht ge zeigten) Signalspeicher auf, der dazu dient, die Programmalgorithmen
zu Speichern, die die CT-Verarbeitung der empfangenen Daten in Reaktion
auf Anwendersteuerbefehle steuert. Der Signalprozessor 144 vereint
die decodierten Bildgebungsdatensätze zu einer zusammengesetzten
Ansicht, die der speziellen Winkellage der Gantry zugeordnet ist.
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Mit
Bezugnahme auf 6 enthält ein Datenkommunikationssystem
bzw. -schaltkreis 180 einen Geber 114 und einen
Empfänger 140,
der den FEC-Algorithmus verwendet, um Hochgeschwindigkeitsdaten
von dem DAS 42 zu der SRU 32 zu übertragen.
In einem Ausführungsbeispiel
codiert der Geber 114, wie im Folgenden detaillierter beschrieben, die
Daten von dem DAS 42 mittels eines FEC-Gebers 184 und
eines Transparenten Asynchronen Sender/Empfänger-Interface-(TAXI, Transparent Asynchronous
Transmitter/Receiver Interface)-Gebers 200, während der
Empfänger 140 die
von dem Geber 114 über
einen Schleifring 116 übertragenen Daten
mittels eines TAXI-Empfängers 202 und
eines FEC-Empfängers 204 decodiert.
Beispielsweise ist der TAXI-Geber 200 ein bei Advanced
Micro Devices, Inc. (AMD), unter der Artikel-Nr. AMD7968-125JC erhältliches
Teil, und der TAXI-Empfänger 202 wird ebenfalls
von AMD hergestellt, Artikel-Nr. AMD7969-125JC. Insbesondere empfängt der
TAXI-Geber 200 parallele Daten von dem DAS 42 und codiert
die parallelen Daten zu einem seriellen Bitstrom, beispielsweise
einen seriellen 10-Bit-Strom. Der serielle Bitstrom bzw. die Daten
wird bzw. werden anschließend über den
Schleifring 116 Bit für
Bit übertragen.
Der TAXI-Empfänger 202 nimmt
den seriellen Bitstrom von dem Schleifring 116 entgegen und
decodiert den seriellen Bitstrom in ein Datenbyte. Das Datenbyte wird
anschließend
verifiziert und falls erforderlich korrigiert.
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In
einem Ausführungsbeispiel
ist der TAXI-Geber 200, wie im Folgenden detaillierter
beschrieben, eine Vorrichtung mit einem Byte-Eingang und einem seriellen
Ausgang, während
der TAXI-Empfänger 202 durch
eine Vorrichtung mit seriellem Eingang und einem Byteausgang gebildet
ist. Ein Byte der Bildgebungsdaten wird mittels eines 4B/5B-(4 Byte,
anschließend
5 Byte)-Verfahrens zu einem seriellen 10-Bit-Strom codiert, und
die codierten Daten werden mittels eines Standardprotokolls „ohne Rückkehr zur
Null, bei Eins invertiert" (NRZI, Non Return to Zero, Invert
on One) übertragen.
Der Empfänger 202 ist
dazu eingerichtet, von dem Geber 200 lediglich Daten entgegenzunehmen,
und gibt an den Geber 200 keine Bestätigung oder Verifizierung über einen
Empfang korrekter Daten aus. Ein innerhalb des Gebers 200 angeordneter
(nicht gezeigter) Phasenregelkreis (PLL = Phase Lock Loop) dient
dazu, den Geber 200 und den Empfänger 202 miteinander
zu synchronisieren. Der PLL bettet in das NRZI-Bitmuster einen Zeitgeber
ein. Unter Verwendung des Gebers 200 und der 4B/5B-Codierung
der Bildgebungsdaten wird eine maximale Anzahl von Flanken in dem
seriellen Bitstrom angeordnet, so dass der TAXI-Empfänger 202 in
der Lage ist, den übertragenen
Zeitgeber wiederzugewinnen und sich auf den Geber 200 aufzusynchronisieren.
Der TAXI-Geber 200 ist
dazu eingerichtet, während
Perioden, in denen keine Bildgebungsdaten übertragen werden, an den Empfänger 202 automatisch
ein als ein SYNC-Signal-Muster bezeichnetes spezielles Muster von
Einsen und Nullen zu übertragen.
Das SYNC-Signal-Muster oder die Daten bildet bzw. bilden einen seriellen
Datenstrom mit Flanken, die erforderlich sind, um den TAXI-Empfänger 202 mit
dem TAXI-Geber 200 phasenstarr zu halten, und sorgt für eine Bytesynchronisation
zwischen dem TAXI-Geber 200 und dem TAXI-Empfänger 202.
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Im
Einzelnen enthalten die von dem Geber 200 stammenden codierten
Daten Anweisungscodes, Datenblöcke
und SYNC-Daten, wobei die von dem DAS 42 ausgegebenen Daten
wenigstens eine Datenansicht beinhalten. Insbesondere verwendet der
Geber 200 TAXI-Codes oder Anweisungscodes, um ein Signal
oder Daten an den Empfänger 202 zu übertragen,
die einen Beginn einer Bildgebungsdatenansicht anzeigen. Der Geber 200 unterteilt
anschließend
jede Datenansicht in als Meldungs- oder Botschaftsblöcke bezeichnete
Datenblöcke
und hängt
an jeden Botschaftsblock eine zyklische Blockprüfung (CRC = Cyclic Redundancy
Check) an. Die CRC ist eine mathematische Beschreibung der Daten
in dem entsprechenden Botschaftsblock. Der Geber 200 erzeugt
oder fügt
ferner nach einer definierten oder ausgewählten Anzahl von Botschaftsblöcken eine
TAXI-SYNC-Bitfolge
oder TAXI-SYNC-Daten ein.
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Der
TAXI-Empfänger 202 enthält einen Bis-10-Zähler, der
eine definierte Anzahl von Bits, beispielsweise 10 Bits, einschiebt
und anschließend das
Bitmuster in das von dem TAXI-Geber 200 her übertragene
Datenbyte decodiert. Darüber
hinaus enthält
der TAXI-Empfänger 202 eine
(nicht gezeigte) Bytesynchronisationslogik, um den Empfänger 202 daran
zu hindern, nach jeweils einer ausgewählten Zahl von Bytes weiter
Daten zu empfangen, wobei die ausgewählte Zahl von Bytes mit der
ausgewählten
Zahl von Bytes in dem Geber 200 übereinstimmt, um zu ermitteln,
ob nach einem eingeschobenen seriellen Bit ein SYNC-Muster folgt.
In dem Empfänger 202 ankommende
Daten werden zunächst
untersucht, um zu ermitteln oder zu erfassen, ob die Daten eine
Folge von TAXI-Anweisungscodes enthalten, beispielsweise um den
Start einer Datenansicht zu ermitteln. Die Anweisungscodes verhindern,
dass ein beispielsweise durch den Schleifring 116 erzeugtes Rauschen
den Empfänger 202 fälschlich
dazu veranlasst, mit dem Decodieren der übertragenen Daten zu beginnen.
Nach dem Empfang des richtigen Anweisungscodes empfängt der
Empfänger 202 Botschaftsblöcke und
CRC-Blöcke.
Nach dem Trennen der Botschaftsblöcke und der CRC-Blöcke ermittelt der
Empfänger 202 mittels
des nachstehend erörterten
CRC-Algorithmus einen empfangenen CRC-Block oder empfangene CRC-Daten
für die empfangenen
Daten.
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Der
empfangene CRC-Block wird anschließend mit dem übertragenen
CRC-Block verglichen, um zu ermitteln, ob ein Übertragungsfehler aufgetreten
ist. Falls ein Übertragungsfehler
aufgetreten ist, wird der übertragene
CRC-Block verwendet, um den empfangenen Botschaftsblock zu korrigieren,
der den Fehler aufweist. Nach der Vervollständigung der Übertragung
von Ansichtsdaten überträgt der Geber 200 die
SYNC-Bitfolge an den Empfänger 202,
um die Synchronisation zwischen dem Geber 200 und dem Empfänger 202 aufrecht
zu erhalten. Die SYNC-Bitfolge
wird von dem Empfänger 202 benutzt, um
eine Startbit-Position eines übertragenen
Bildgebungsdatenbytes zu ermitteln.
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Im
Folgenden sind Algorithmen zur Durchführung der oben beschriebenen
Funktionen detaillierter erläutert.
Im Einzelnen nutzen in einem Ausführungsbeispiel der Geber 200 und
der Empfänger 202 einen
CRC-Codierung/Decodierungs-Algorithmus und einen Ansichtsstart-Erfassungsalgorithmus.
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CRC-Codierung/Decodierungs-Algorithmus
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Das
CRC-Codierungs- und Decodierungsprotokoll innerhalb des Datenkommunikationssystems 180 und
insbesondere der Geber 184 und Empfänger 204 erfassen
und korrigieren die Arten von Fehlern, die während einer Datenübertragung
unter Verwendung des Schleifrings 116 im Allgemeinen auftreten.
Zu diesen Fehlerarten zählen
gewöhnlich zufällige Fehler
eines ein einzelnes Bit betreffenden Fehlers, der (statistisch)
alle 1012 Bit auftritt, und Burstfehler,
die durch Systemrauschereignisse, wie bspw. eine elektrostatische
Entladung oder Röhrenspratzen
oder -speien (Tube Spits), verursacht werden. Burstfehler treten
gewöhnlich
häufiger
auf als Zufallsfehler und weisen eine längere Dauer auf. Die Dauer
der Burstfehler ist jedoch gewöhnlich
auf weniger als 300 Nanosekunden (ns) begrenzt, und sie treten nicht
häufiger
als alle 25 Mikrosekunden (μs) auf.
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Der
Geber 184 und der Empfänger 204 kompensieren
Burstfehler mittels eines burstspezifischen CRC-Algorithmus. In
einem Ausführungsbeispiel weist
der burstspezifische CRC-Code
oder die burstspezifischen CRC-Daten eine Botschaftsblocklänge von
136 Datenbytes und eine CRC-Blocklänge von 15 Bytes auf, so dass
ein Burstfehler mit einer Länge von
6 Byte oder weniger, beispielsweise 550 ns (6 Byte·91 ns/Byte),
erfasst und im Empfänger 202 korrigiert
wird. Durch Verwendung einer Botschaftsblocklänge von 136 Byte, ist der Empfän ger 204 dazu konfiguriert,
einen Burstfehler alle 15 μs
((136+15) Bytes·91
ns/Byte) zu erfassen und zu korrigieren. Ein beispielhafter CRC-Schaltkreis,
der den CRC-Algorithmus repräsentiert,
ist in 7 veranschaulicht. Eine ähnliche Verwirklichung eines
CRC-Algorithmus und -Schaltkreises wird für den Empfänger 204 eingesetzt.
Darüber
hinaus enthält
der Empfänger 204 jedoch
eine (nicht gezeigte) Vergleichsschaltung, um den empfangenen Daten-CRC-Wert
mit dem übermittelten
CRC-Wert zu vergleichen, um Fehler in den Botschaftsdaten zu erfassen.
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Ansichtsstart-Erfassung
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Der
Geber 184 und der Empfänger 204 enthalten
jeweils einen Ansichtsstart-Erfassungsalgorithmus. Der Ansichtsstart-Erfassungsalgorithmus
ist erforderlich, da der Empfänger 204 dazu
konfiguriert ist, fortlaufend auf Daten zu warten oder diese zu empfangen.
Nach dem Vervollständigen
der Übertragung
einer ausgewählten
Anzahl von Datenbytes überträgt der Geber 200 die
SYNC-Signalfolge an den Empfänger 202.
Unter Verwendung der SYNC-Signalfolge bleibt der Empfänger 202 mit
dem Geber 200 synchronisiert. Insbesondere überträgt der in
dem Geber 184 angeordnete Ansichtsstart-Erfassungsalgorithmus
eine ausgewählte
TAXI-Befehlsfolge oder einen TAXI-Code, die bzw. der eine ausgewählte Anzahl
von Malen wiederholt wird, an den Empfänger 204, so dass
dem Empfänger 204 gemeldet
wird, dass die nächsten übertragenen
codierten Daten den Beginn der Botschaftsdaten darstellen. Der Ansichtsstart-Erfassungsalgorithmus verhindert,
dass ein Rauschereignis den Empfänger 204 dazu
veranlasst, das ankommende Rauschsignal fälschlich in ein Datenbyte zu
decodieren. Der Ansichtsstart-Erfassungsalgorithmus
ist in einem Ausführungsbeispiel,
wie es in 8 gezeigt ist, konfiguriert,
um Rauschereignisse zu tolerieren, die kürzer oder gleich 6 Byte-Taktzyklen
sind.
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Im
Betrieb werden die Intensitätssignale
des Detektorarrays 16 unter Verwendung des DAS 42 umgewandelt.
Die Bildgebungsdaten werden anschließend von dem Geber 114 über den
Schleifring 116 an den Empfänger 140 übertragen.
Insbesondere werden mittels des CRC-Algorithmus und des Ansichtsstart-Erfassungsalgorithmus
codierte Datenansichten an den Empfänger 140 übertragen.
Nachdem der Empfänger 202 eine
ausgewählte
Zahl von Bits, beispielsweise 10 Bits, von dem Geber 200 empfangen
hat, werden die Bits ausgewertet, um zu ermitteln, ob diese durch
den TAXI-Geber 200 erzeugt sein können. Falls ermittelt wird,
dass der Bitcode durch den Geber 200 erzeugt sein kann,
wird das Bitmuster durch den Empfänger 202 entweder
in einen Befehl oder in ein Datenbyte decodiert. Der Befehl oder
das Datenbyte wird anschließend
an den Datenempfänger 204 übertragen,
um durch den FEC-Algorithmus überprüft zu werden.
Falls das empfangene Bitmuster fehlerhaft oder verfälscht ist,
d.h. das durch den Empfänger 202 decodierte
Byte nicht mit dem von dem Geber 200 übertragenen codierten Byte übereinstimmt,
erfasst der Empfänger 204 den
Fehler und korrigiert diesen.
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Falls
insbesondere ermittelt ist, dass das durch den Empfänger 202 empfangene
Bitmuster ein nicht durch den Geber 200 erzeugtes Bitmuster
ist, überträgt der Empfänger 202 ein
Null-Datenmuster an den CRC-Algorithmus und benachrichtigt den Empfänger 204 über das
(als TAXI-Verletzung bezeichnete) falsche Bitmuster. Innerhalb des
Empfängers 204 werden
die Nulldaten als falsch deklariert, und die Daten werden mittels
des CRC-Codierung/Decodierungs-Algorithmus korrigiert. Falls ermittelt
wird, dass das übertragene
Bitmuster ein SYNC-Muster
ist, wird der Bis-Zehn-Zähler
von dem Empfänger 202 zurückgesetzt,
und der Empfänger 202 beginnt
nach gültigen
10-Bit-Mustern zu suchen.
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Das
oben beschriebene Bildgebungssystem verwendet eine Datenübertragungsschaltung,
um über
einen Schleifring Hochgeschwindigkeitsdaten zu übertragen, ohne die Übertragung
einer Bestätigung
von dem Empfänger
an den Geber zu benötigen.
Darüber
hinaus korrigiert der Datenübertragungsschaltkreis
Datenfehler, ohne die Daten erneut zu übertragen.
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Aus
der vorhergehenden Beschreibung vielfältiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden
Erfindung ist es offensichtlich, dass die Ziele der Erfindung erreicht
sind. Obwohl die Erfindung detailliert beschrieben und veranschaulicht
worden ist, ist es ohne weiteres verständlich, dass dies lediglich
der Veranschaulichung und als Beispiel dienen soll und nicht als
beschränkend
zu verstehen ist. Weiter ist das hier beschriebene CT-System ein
System der "dritten
Generation", bei
der sowohl die Röntgenstrahlenquelle
als auch der Detektor gemeinsam mit der Gantry rotieren. Es können viele
andere CT-Systeme,
zu denen Systeme der "vierten
Generation" gehören, bei
der der Detektor ein stationärer
Vollring-Detektor ist und bei der sich lediglich die Röntgenstrahlenquelle
zusammen mit der Gantry dreht, verwendet werden, falls einzelne
Detektorelemente angepasst werden, um auf ein gegebenes Röntgen strahlbündel im
Wesentlichen einheitliche Reaktionen zu erzielen. Darüber hinaus
führt das
hier beschriebene System einen axialen Scanndurchgang durch, während die
Erfindung auch in Verbindung mit einem Spiralscanndurchgang verwendet
werden kann, obwohl dann Daten akquiriert werden, die 360° übertreffen.
Dementsprechend ist der Schutzumfang der Erfindung lediglich durch
den Wortlaut oder Sinngehalt der beigefügten Patentansprüche beschränkt.