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Dokumentenidentifikation DE60034622T2 27.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001041785
Titel Amplitudendemodulator für Computertomographsysteme
Anmelder General Electric Co., Schenectady, N.Y., US
Erfinder Pearson, Phil E. Jr., Hartland, Wisconsin 53029, US;
Harris, Michael H., Blacksburg, Virginia 12060, US
Vertreter Rüger und Kollegen, 73728 Esslingen
DE-Aktenzeichen 60034622
Vertragsstaaten DE, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.03.2000
EP-Aktenzeichen 003026697
EP-Offenlegungsdatum 04.10.2000
EP date of grant 02.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse H04L 27/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse G01N 24/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   A61B 6/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H03G 3/30(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Computertomographievorrichtungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Empfangen einer hohen Datenrate in einer Kommunikationsverbindung einer CT-Vorrichtung.

CT-Vorrichtungen werden verwendet, um nicht invasiv Schnittbilder eines Testobjekts, insbesondere innere Bilder eines menschlichen Gewebes, zum Zwecke der medizinischen Analyse und Behandlung zu erhalten. Gegenwärtige CT-Vorrichtungen positionieren das Testobjekt, wie beispielsweise einen Patienten, auf einem Tisch innerhalb einer zentralen Apertur eines rotierenden Rahmens oder einer Gantry, die von einem stationären Rahmen unterstützt und gehaltert wird. Die Gantry enthält eine Röntgenquelle und ein Detektorarray, die auf den gegenüberliegenden Seiten der Apertur innerhalb einer x-y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems (im allgemeinen wird diese als die Bildgebungsebene bezeichnet) so positioniert sind, dass beide mit der Gantry um das bildgebend darzustellende Testobjekt rotieren. An jeder der verschiedenen Winkelpositionen entlang des Rotationspfades der Gantry (auch als „Projektion" bezeichnet) emittiert die Röntgenquelle einen fächerähnlichen kollimierten Strahl, der die bildgebend darzustellende Schicht des Testobjektes durchquert, durch das Testobjekt abgeschwächt wird und von einem Detektorarray aufgenommen wird. Jedes Detektorelement in dem Detektorarray erzeugt ein separates elektrisches Signal, das die abgeschwächte Röntgenstrahlintensität anzeigt, den Strahl, der von der Röntgenröhre zu dem speziellen Detektorelement projiziert wird und auf seine Sensoroberfläche trifft. Die elektrischen Signale von allen Detektorelementen werden durch Schaltkreise innerhalb des rotierenden Rahmens erfasst, um einen Projektionsdatensatz bei jedem Winkel der Gantry oder jeder Projektion zu erzeugen. Jeder Projektionsdatensatz wird auch als eine „Ansicht" bezeichnet, und ein „Scan" ist ein Satz von derartigen Ansichten unter verschiedenen Winkeln der Gantry während einer Umdrehung der Röntgenquelle und des Detektorarrays. Der Scan wird dann mittels eines Computers in dem stationären Rahmen weiterbearbeitet, um die Projektionsdatensätze in ein CT-Bild der Schicht oder des Querschnitts des Testobjektes zu rekonstruieren.

Um die Projektionsdatensätze für die Rekonstruktion des Bildes aus dem rotierenden Rahmen in den stationären Rahmen zu transferieren, sind unterschiedliche Kommunikationsverbindungen gegenwärtig verwendet, wie beispielsweise ein Versorgungskabel, eine optische Datenverbindung, ein Schleifring mit einer kontaktierenden Bürste und ein Gleitring mit einem kontaktlosen Koppler. Neuere CT-Vorrichtungen verwenden typischerweise einen Schleifring, der auf einem rotierenden Rahmen mit einem kontaktlosen Koppler angeordnet ist, der verschiedene Luftspalte bezogen auf den Schleifring aufweist, der auf dem stationären Rahmen als Kommunikationsverbindung zwischen dem rotierenden und dem stationären Rahmen angeordnet ist. Der Schleifring weist einen unterbrochenen Kreis von eines Drahtes oder einer Übertragungsleitungen auf, die die Apertur des rotierenden Rahmens so einschließen, dass jede Hälfte des unterbrochenen Kreises des Drahtes einen Bogen von exakt derselben Länge bildet. Datensignale, beispielsweise die Projektionsdatensätze, werden kodiert und von dem ersten Enden der zwei Drähte zu den zweiten Enden der zwei Drähte an den gegenüberliegenden Seiten des unterbrochenen Kreises so übertragen, dass beide Datensignale an den zweiten Enden zur selben Zeit ankommen, im allgemeinen als der Abschlussspalt bezeichnet. Der kontaktlose Koppler, der auf dem stationären Rahmen angeordnet ist, liegt nahe bei dem Schleifring und erfasst die übertragenen kodierten Datensignale über eine elektromagnetische Kopplung. Da jeder Projektionsdatensatz sowie dieser akquiriert ist (nach dem Kodieren) übertragen wird, beispielsweise während der rotierende Rahmen noch rotiert, um den nächsten Projektionsdatensatz für den nächsten Gantrywinkel aufzunehmen, tritt die Ausbreitung der Datensignale entlang der Drähte des Schleifrings auf und eine elektromagnetische Kopplung des Schleifrings mit dem kontaktlosen Koppler tritt auf, während der rotierende Rahmen und somit der Schleifring sich in Drehung befinden.

Unglücklicherweise, obwohl der Schleifring und der kontaktlose Koppler viele Vorteile gegenüber den anderen Arten der Kommunikationsverbindungen haben, wie beispielsweise eine höhere Geschwindigkeit der Datenübertragung, kürzere Bildakquisitionszeiten, erhöhten Komfort für den Patienten und weniger mechanische Abnutzung und mechanischen Verschleiß, leidet dieser ebenfalls unter den Problemen, die mit der Kontrolle der Signaldatenstärke zusammenhängen, die bei einem kontaktlosen Koppler auftreten. Die Datensignale, die durch den kontaktlosen Koppler empfangen werden, können eine Leistungsschwankung bis zu zwischen 15 und 20 dB um ihren im Zentrum wirksamen Leistungspegel haben. Es wurde herausgefunden, dass zahlreiche Quellen zu der Signalstärkenvariabilität beitragen, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt: (1) axiale und/oder radiale Unrundheit der Rotationsanordnung; (2) axiale und/oder radiale Drehungsfehlausrichtung des kontaktlosen Kopplers; (3) Variabilität der gedruckten Schaltungsplatine innerhalb der Kanalgräben; (4) nominale Luftspaltverluste; (5) Genauigkeit der Dimensionen der verschiedenen Komponenten der rotierenden Anordnung, wie beispielsweise die Kanalgräben; Skin-Effekt und dielektrische Verluste in der Ringschaltungsplatinenspur; und (7) Verstärkerverstärkungsschwankung, die aus jeder der betragenden Quellen herrührt, ist es schwierig, zeitaufwendig und Kosten verursachend, die Abweichungen zu korrigieren, die durch alle diese beitragenden Quellen, die die Wechselwirkung dieser Quellen in den CT-Vorrichtungen ergeben.

Die WO 97/38290 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum drahtlosen Übertragen und Empfangen der digitalen Information unter Verwendung eines analogen Trägers, wobei die verlangte Bandbreite begrenzt ist auf die ungefähre Frequenz des analogen Trägersignals. Weitere Beispiele der Computertomographievorrichtungen sind in NL-A-7707414, US-A-5646962 und US-A-4035651 beschrieben.

Die US-A-5646962 betrifft eine Vorrichtung zur Reduzierung der elektromagnetischen Strahlung von einer differentiell gesteuerten Übertragungsverbindung zum Schaffen einer Kommunikationsverbindung mit hoher Datenübertragungsrate in einer Computertomographievorrichtung. Die Kommunikationsverbindung mit hoher Datenübertragungsrate ist kontaktlos zwischen einem rotierende Rahmen und einem stationären Rahmen durch eine Funkverbindung zwischen den verschieden gesteuerten Übertragungsleitungen und einem verschiedenen Koppler geschaffen.

Die NL-A-7707414 offenbart eine Tomographievorrichtung mit einem Analog-Digital-Konverter, der in Reihe mit einem dynamischen Signaladapter verbunden ist, der die gemessenen Signale innerhalb eines bestimmten Amplitudenbereichs bringt. Der Adapter weist einen Verstärker mit variabler Verstärkung und einen Komparator auf, der jedes gemessene Signal mit einer Referenz vergleicht, wobei der Komparatorausgang die Verstärkung ermittelt.

Die US-A-4035651 offenbart eine Tomographievorrichtung mit einem Verstärker mit steuerbarer Verstärkung.

Folglich gibt es einen Bedarf für eine Vorrichtung und ein Verfahren, die in der Lage sind große Variationen in der Datensignalstärke anzupassen, die von einem kontaktlosen Koppler in einer CT-Vorrichtung empfangen werden. Darüber hinaus gibt es einen Bedarf dafür, dass eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren effizient, kostengünstig, flexibel im Bereich der Signalschwankungen sind und dafür, dass die vorteilhaften Fähigkeiten einer Kommunikationsverbindung, die ein Schleifring mit einem kontaktlosen Koppler in einer CT-Vorrichtung aufweist, verstärkt werden oder mindestens nicht verschlechtert werden.

Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine Computertomographie-CT-Vorrichtung mit einer Einrichtung zum Hochfrequenz-HF-Amplitudenmodulationskodieren der digitalen Bilddaten und elektromagnetischen Koppeln der Daten von einem auf einem rotierenden Rahmen der CT-Vorrichtung angeordneten HF-Schleifring an einen auf einem stationären Rahmen der CT-Vorrichtung angeordneten berührungslosen Koppler, die aufweist:

  • (a) eine Einrichtung zum Empfangen eines kodierten HF-Amplitudenmodulierten digitalen seriellen Datensignals mit einem breiten Bereich von Leistungspegeln aus dem HF-Schleifring;
  • (b) eine Einrichtung zum Bandbreitenfiltern des kodierten Datensignals, was eine Ausfilterung unerwünschter Frequenzkomponenten bewirkt;
  • (c) eine Einsichtung zum Abschwächen der Amplitude des kodierten Datensignals teilweise in Reaktion auf eine Steuerspannung;
  • (d) eine Einrichtung zum Verstärken der Amplitude des kodierten Datensignals, was eine Verstärkung der gewünschten Datenkomponenten des kodierten Datensignals bewirkt;
  • (e) eine Einrichtung zum Digitalisieren des kodierten Datensignals durch Ausfiltern der enthaltenen HF-Komponente;
  • (f) eine Einrichtung zum Erzeugen eines digitalen Signalpegels proportional zu der Amplitude des digitalisierten kodierten Datensignals;
  • (g) eine Einrichtung zum Filtern des kodierten Datensignals, um restliche unerwünschte Signalkomponenten aus der HF-Amplitudenmodulationskodierung zu entfernen, wodurch die digitalen Bilddaten aus dem kodierten Datensignal zur CT-Bildverarbeitung bei dem stationären Rahmen zum Erzeugen eines CT-Bildes daraus rekonstruiert worden sind;
  • (h) eine Einrichtung zum Steuern des Abschwächungsgrades der Amplitude des kodierten Datensignals im Schritt (c) durch eine Rückkopplungsschleife derart, dass die rekonstruierten digitalen Bilddaten des Schrittes (g) innerhalb eines gewünschten Signalpegels liegen; und
  • (i) eine Einrichtung, um die Erzeugungseinrichtung und die Steuereinrichtung zu veranlassen, iterativ den gewünschten Signalpegel aufrechtzuerhalten.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rekonstruieren digitaler Bilddaten in einer Computertomographie-CT-Vorrichtung, wobei die digitalen Bilddaten mittels Hochfrequenz-HF-Amplitudenmodulation kodiert sind, um elektromagnetisch von einem auf einem rotierenden Rahmen der CT-Vorrichtung angeordneten HF-Schleifring an einen auf einem stationären Rahmen des CT-Systems angeordneten berührungslosen Koppler gekoppelt zu werden, mit den Schritten:

  • (a) Empfangen eines kodierten HF-Amplitudenmodulierten digitalen seriellen Datensignals mit einem breiten Bereich von Leistungspegeln aus dem HF-Schleifring;
  • (b) Bandbreitenfiltern des kodierten Datensignals, was eine Ausfilterung unerwünschter Frequenzkomponenten bewirkt;
  • (c) Abschwächen der Amplitude des kodierten Datensignals teilweise in Reaktion auf eine Steuerspannung;
  • (d) Verstärken der Amplitude des kodierten Datensignals, was eine Verstärkung der gewünschten Datenkomponenten des kodierten Datensignals bewirkt;
  • (e) Digitalisieren des kodierten Datensignals durch Ausfiltern der HF-Komponente darin;
  • (f) Erzeugen eines digitalen Signalpegels proportional zu der Amplitude des digitalisierten kodierten Datensignals;
  • (g) Filtern des kodierten Datensignals, um restliche unerwünschte Signalkomponenten aus der HF-Amplitudenmodulationskodierung zu entfernen, wodurch die digitalen Bilddaten aus dem kodierten Datensignal zur CT-Bildverarbeitung bei dem stationären Rahmen zum Erzeugen eines CT-Bildes daraus rekonstruiert worden sind;
  • (h) Steuern des Abschwächungsgrades der Amplitude des kodierten Datensignals im Schritt (c) durch eine Rückkopplungsschleife derart, dass die rekonstruierten digitalen Bilddaten des Schrittes (g) innerhalb eines gewünschten Signalpegels liegen; und
  • (i) Wiederholen der Erzeugungs- und Steuerungsschritte, um iterativ den gewünschten Signalpegel aufrechtzuerhalten.

Die Erfindung wird nachfolgend genauer an Hand von Beispielen in Bezug auf die Zeichnung beschrieben.

Die Erfindung wird besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung verständlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnung betrachtet wird, worin gleiche Bezugszeichen gleiche Teile betreffen und in der:

1 eine perspektivische Ansicht einer CT-Vorrichtung ist, die die vorliegende Erfindung verwendet;

2 ein schematisches Blockdiagramm von Teilen der CT-Vorrichtung von 1 ist; und

3 ein Blockdiagramm eines Bereichs des Empfängers ist, der Teile der CT-Vorrichtung von 1 bildet.

Bezugnehmend auf 1 enthält eine Computertomographie-CT-Vorrichtung 10 im Allgemeinen einen kreisförmigen rotierenden Rahmen 12 oder eine Gantry und einen stationären Rahmen 13, der den rotierenden Rahmen 12 unterstützt und haltert. Der rotierende Rahmen 12 enthält eine Röntgenquelle 14, die einen stark kollimierten Röntgenstrahls 16 in Richtung auf ein Detektorarray 18 emittiert, das auf der gegenüberliegenden Seite einer Apertur 19 angeordnet ist. Die Apertur 19 erlaubt es, dass ein Testobjekt 20, wie beispielsweise ein Patient, auf einer Plattform 21 platziert wird, die bewegbar sein kann, beispielsweise durch Translation, entlang einer Rotationsachse 22 des rotierenden Rahmens 12. Die Bewegung der Plattform 21 erlaubt es verschiedene interessierende Bereiche des Testobjekts 20 innerhalb der Bildgebungsebene des rotierenden Rahmens 12 zu positionieren.

Sobald das Testobjekt 20 wie gewünscht innerhalb der Apertur 19 positioniert ist, wird durch Bewegung des Testobjekts 20 und/oder der Plattform 21 der rotierende Rahmen 12 um die Rotationsachse 22 gedreht und bei jeder der mehreren Winkelpositionen entlang des Rotationspfades emittiert die Röntgenquelle 14 den Röntgenstrahl 16, der das Testobjekt 20 durchquert und auf die empfangende Oberfläche der mehreren der Detektorelemente (nicht einzeln gezeigt) des Detektorarrays 18 trifft. Als Antwort erzeugt jedes Detektorelement des Detektorarrays 18 ein elektrisches Signal von einer Höhe, die proportional der Intensität der empfangenen Strahlung ist, und folglich entsprechend des Betrages der Abschwächung des Röntgenstrahls nachdem dieser das Testobjekt 20 durchquert hat. Wie genauer nachfolgend beschrieben werden wird, sind die Signale von jedem der Detektorelemente des Detektorarrays 18, die die Projektionsdaten repräsentieren, durch die Leitungen 23 zu einem Steuerungs- und Array-Prozessor 24 dargestellt, der die empfangenen Projektionsdaten in ein radiales Bild des Testobjekts 20 bei der ausgewählten radialen oder Winkel-Position verarbeitet, die als Ansicht bezeichnet wird. Dann wird die Gesamtheit der Ansichten, die über eine vollständige Umdrehung des rotierenden Rahmen 12 aufgenommen wurden, die allgemein als Scan bezeichnet werden, unter Verwendung bekannter Algorithmen der Bildbearbeitung weiter verarbeitet, in ein Querschnittsbild des interessierenden Bereiches des Testobjekts 20, das in der Bildgebungsebene war.

Nachfolgend bezugnehmend auf 2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Bereiches der CT-Vorrichtung 10 von 1 gezeigt. Es sollte verstanden werden, das nur die funktionalen Elemente, die für eine Lehre der vorliegenden Erfindung in 2 gezeigt sind, und nur die relativen Verbindungen zwischen funktionalen Elementen gezeigt sind. Die Signale des Detektorarrays 18 sind durch die Leitungen 26 mit einer Datenakquisitionseinrichtung (data acquisition system: DAS) 28, das auf einem rotierenden Rahmen 12 angeordnet ist, die jedes Signal von einem Detektorelement des Detektorarrays 18 von einem analogen Signalformat in ein digitales binäres Signalformat konvertiert, das typischerweise ein 16 Bit Digitalwert ist, der die abgeschwächte Röntgenstrahlintensität repräsentiert. Das DAS 28 multiplext die konvertierten Detektorkanalsignale zusammen mit einem Datentaktsignal und einer Fehlerprüfsignalfunktion in ein serielles digitales Bit-Signal. Das digitale Bit-Signal ist dann durch den Empfänger 32 empfangen, der auf dem rotierenden Rahmen 12 über der Leitung 30 angeordnet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform kodiert der Transmitter 32 digital das serielle digitale Bit-Signal mit Amplitudenmodulation unter Verwendung eines Hochfrequenz (HF) Trägersignals, um ein HF-Amplitudenmoduliertes digitales serielles Datensignal zu erzeugen. Beispielsweise kann ein derartiges kodiertes Datensignal invertiertes NRZ-Format, das heißt ein invertiertes nicht in regelmäßigen Intervallen auf Nullpotential zurückfallendes Format (non-return to zero inverted: NRZI) haben.

Als nächstes wird das kodierte Datensignal von dem Transmitter 32 zu den Transmissionsleitungssegmenten 36, 38 eines HF-Schleifrings 34 geleitet. Wie genauer nachfolgend beschrieben wird, pflanzt sich das kodierte Datensignal entlang der Transmissionsleitungssegmente 36, 38 fort, um elektromagnetisch in einen Koppler 50 eingekoppelt zu werden, der auf dem stationären Rahmen 13 angeordnet ist. Der HF-Schleifring 34 kann ausgelegt sein, um eine oder mehrere Transmissionsleitungen zu enthalten, die auf dem rotierenden Rahmen 12 angeordnet sind. Abhängig von dem Abstand zwischen dem Koppler 50 und den Transmissionsleitungssegmenten 36, 38 , der allgemein als Luftspalt bezeichnet wird, können mehr Transmissionsleitungssegmente notwendig sein, um sicherzustellen, dass der Koppler 50 stets in ausreichender räumlicher Nähe zu mindestens einer der Transmissionsleitungssegmente steht, um das kodierte Datensignal zu empfangen. Wenn mehr als ein Segment notwendig ist, wird jedes Segment eine Länge haben, die einen Teilbereich einer Bogenlänge des Umdrehungspfads des rotierenden Rahmens 12 ist. Die Segmente sind, Ende zu Ende um die Rotationsachse 22 des rotierenden Rahmens 12 (siehe 1) kaskadiert, typischerweise entlang des Umfangs der Apertur 19, so dass die gesamte Segmentlänge im Wesentlichen einen 360° Bogen bildet, beispielsweise den rotierenden Rahmen 12 einschließt.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei Transmissionsliniensegmente 36, 38 mit jeweils erste Enden 40, 41 und zweite Enden 42, 43 kontinuierlich auf dem rotierenden Rahmen 12, die die Apertur 19 einschließen, so angeordnet, dass eine im Wesentliche kontinuierliche elektromagnetische Kopplung entlang des gesamten Rotationspfad des rotierenden Rahmens möglich ist. Die ersten Enden 40, 41 sind mit dem Transmitter 32 verbunden und die zweiten Enden 42, 43 sind jeweils durch die Terminalimpedanzen 44, 46 mit der elektrischen Masse 48 verbunden. Die Terminalimpedanzen 44, 46 haben einen vorbestimmten Widerstandswert, der gewählt ist, um die Reflektionen der Energie in jeder der Transmissionsleitungssegmente 36, 38 zu minimieren.

Der Koppler 50 ist so auf dem stationären Rahmen 13 (nicht gezeigt in 2) angeordnet, dass die physikalische Umgebung zwischen dem Koppler 50 und mindestens einem der Transmissionsleitungssegmente 36, 38 während der Rotation des rotierenden Rahmens 12 aufrechterhalten wird. In einem bevorzugten Ausführungsform beträgt der Luftspalt zwischen dem Koppler 50 und der Transmissionsleitungen 36, 38 des Schleifrings 34 im Bereich von 0.05 bis 0.08 Inches und der Koppler 50 ist ein kurzes Stück Draht oder Transmissionsleitung mit ungefähr 2 Inch Länge. Der Koppler 50 kann alternativ eine Pick-up Antenne, ein HF-Schuh, eine kontaktlose Bürste oder eine elektromagnetische Kopplungseinrichtung sein, die in der Lage ist kodierte Datensignale von dem HF-Schleifring 34 über eine Transmissionsentfernung im Bereich von 0.05 bis 0.06 Inch zu empfangen.

Der Transmitter 32 überträgt jeweils das kodierte Datensignal auf die ersten Enden 40, 41 der Transmissionsleitungen 36, 38 und das kodierte Datensignal breitet sich von dem ersten Enden 40, 41 zu den zweiten Enden 42, 43 aus, um in der elektrischen Masse 48 geerdet zu werden. Bevor das kodierte Datensignal sich auf die Masse ausbreitet, wird das kodierte Signal jedoch elektromagnetisch mit dem Koppler 50 verbunden werden und dabei den Transfer aus dem rotierenden Rahmen 12 zu dem stationären Rahmen 13 zur Signalverarbeitung vervollständigen.

Auf der Seite des stationären Rahmens wird das eingekoppelte kodierte Daten-Signal, das auch als eingekoppeltes moduliertes Daten-Signal bezeichnet wird, zu einem Empfänger 54 gesendet, der in dem Steuerungs- und Array-Prozessor 24 mittels einer Leitung 52 angeordnet ist. Wie nachfolgend genauer zu 3 beschrieben werden wird, dekodiert der Empfänger 54 das eingekoppelte modulierte Daten-Signal in seinen Zustand vor der Kodierung und stellt dieses dekodierte Signal einem Signalprozessor 58 mittels einer Leitung 56 zur Verfügung. Der Signalprozessor 58 enthält einen Computer und einen Signalspeicher (nicht gezeigt) zum Speichern des Programmalgorithmus, der die CT-Bearbeitung der empfangenen Daten als Antwort auf Bedieneranweisungen und Scanning-Parameter ausführt, die von einer Bedienerkonsole 60 empfangen wurden, wie beispielsweise einem Keyboard, einer Maus, einem Trackball, oder einem Schalter. Obwohl nicht gezeigt, werden die Bedienerbefehle und Parameter durch den Signalprozessor 58 verwendet, um Steuerungs- oder Kontroll-Signale und Informationen an den DAS 28, einen Röntgenstrahlenkontroller (nicht gezeigt), den Kontroller des Gantrymotors (nicht gezeigt) sowie der Bewegungskontrolle der Plattform 21 weitergeleitet. Auf diese Art und Weise ordnet der Signalprozessor 58 die kodierten Signale, beispielsweise die Projektionsdaten, in ein zusammengesetztes Bild, das zu einer bestimmten Winkelposition des rotierenden Rahmens 12 gehört. Jede zusammengesetzte Ansicht wird in einer Massenspeichereinrichtung 62 gespeichert und wird nach Bedarf während der Bearbeitung der anderen zusammengesetzten Ansichten abgefragt, um weiter bearbeitet zu werden, um ein endgültiges Bild des gewünschten Querschnitts des Testobjekts 20 zu schaffen. Dieses endgültige Bild, das auch als ein rekonstruiertes Bild bezeichnet wird, kann dann auf einem Display 64 dargestellt werden, beispielsweise einem konventionellen Kathodenstrahlröhren (CRT)-Display, einem Flüssigkristalldisplay oder einem anderen Displayeinrichtung oder es kann in einen Film oder ein gedrucktes Medium mittels einer geeigneten computergesteuerten Kamera oder einem Drucker (nicht gezeigt) konvertiert werden. Darüber hinaus können die rekonstruierten Bilder in einem Massenspeicher 62 gespeichert werden und gespeicherte rekonstruierte Bilder und/oder andere Daten können als durch den Bediener über die Bedienerkonsole 60 eingegeben und den Signalprozessor 58 abgefragt werden.

Nachfolgend bezugnehmend auf 3 ist ein Blockdiagramm eines Bereichs des Empfängers gezeigt, der Teile von der CT-Vorrichtung von 1 bildet. Das eingekoppelte kodierte Datensignal, das auch als das eingekoppelte modulierte Datensignal 102 bezeichnet wird, wird auf der Leitung 52 (siehe 2) für eine automatische HF-Abschwächungsschleife 100 innerhalb des Empfängers 54 bereitgestellt. In der bevorzugten Ausführungsform enthält die Abschwächungsschleife einen HF-Bandbreitenfilter 104, einen HF spannungsgesteuerten variablen Abschwächer 108, eine HF hochverstärkende Verstärkerstufe 112, einen HF amplitudenmodulierten (AM) digitalen Hüllkurvendetektor 116, eine digitale Hystereseschaltung 120, einen digitalen Signalpegeldetektor 126, eine digitale Ausgangsschaltung mit einer optischen Faser 130 und eine Schaltung 136 mit einer digitalen den Signalpegeldetektorstatus angebenden Licht emittierenden Diode (light emitting Diode: LED). Ebenfalls in einer bevorzugten Ausführungsform weist das eingekoppelte modulierte Datensignal 102 einen Leistungspegelbereich von bis zu 50 dBm (Dezibel bezogen auf 1 Milliwatt) um einen zentralen Betriebsleistungspegel von – 13.6 dBm auf. Alternativ kann das eingekoppelte modulierte Datensignal 102 einen Leistungspegelbereich von bis zu 40 dBm um einen zentralen Betriebsleistungspegel haben.

Das eingekoppelte Signal 102 wird von einen HF-Bandbreitenfilter 104 empfangen und erzeugt ein Bandbreiten gefiltertes Signal 106. Der Bandbreitenfilter 104 filtert das eingekoppelte Datensignal 102 in einem Bandbreitenbereich von 500 MHz (Megahertz) bis 1 GHz (Gigahertz), um die Signalkomponenten aus den Frequenzen außerhalb des Bandbreitenbereichs zu entfernen, wie beispielsweise Rauschen.

Das bandbreitengefilterte Signal 106 wird von dem gesteuerten variablen Abschwächer 108 empfangen, um ein amplitudenstabilisiertes Signal 110 zu erzeugen. Der Betrag der Abschwächung, die auf das bandbreitengefilterte Signal 106 angewendet wird, wird durch ein Rückkopplungskontrollspannungssignal 128 bestimmt, das ebenfalls durch den gesteuerten variablen Abschwächer 108 empfangen wird. In Abhängigkeit von dem Rückkopplungssignal 128 wird das amplitudenstabilisierte Signal 110 dieselbe Amplitude haben oder bis zu 40 dB (Dezibel) kleiner in der Amplitude sein, als das bandbreitengefilterte Signal 106. Folglich schwächt der gesteuerte variable Abschwächer 108 selektiv die Amplitude des empfangenen Signals ab, aber erhält die Frequenzkomponenten darin.

Das amplitudenstabilisierte Signal 110 wird durch eine Verstärkerstufe 112 empfangen, um ein Amplitudenverstärkungssignal 114 zu erzeugen. Die Verstärkerstufe 112 verstärkt die Amplitude des amplitudenstabilisierten Signals 110 durch eine Verstärkung von bis zu ungefähr 45 dB. Ähnlich wie der gesteuerte variable Abschwächer 108 erhält die Verstärkerstufe 112 die Frequenzkomponenten des empfangenen Signals. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Verstärkerstufe 112 drei hintereinander geschaltete Verstärker auf, wobei jeder Verstärker eine Verstärkung von bis zu ungefähr 15 dB bereitstellt, was zu einer totalen Verstärkung von ungefähr 45 dB führt. Derartige Verstärker können eine Chipeinrichtung sein, wie sie von Minicircuits hergestellt wird, und es ist im Stand der Technik bekannt, dass eine Verstärker-Chip-Einrichtung verschiedene andere Steuerkomponenten aufweist, wie beispielsweise Kondensatoren, andere Schaltkreise, Spulen, usw., um eine Vorspannung (biasing) und andere Funktionalitäten, die für die Eingänge notwendig sind, schafft, Das amplitudenverstärkte Signal 114 wird von dem digitalen Hüllkurvendetektor 116 empfangen, um ein digitalisiertes Signal 118 zu erzeugen. Der digitale Hüllkurvendetektor 116 entfernt die HF-Komponente des amplitudenverstärkten Signals 114 und digitalisiert hierbei das Signal 114. Vor dem digitalen Hüllkurvendetektor 116 ist das Signal immer noch mit einem HF-Trägersignal amplitudenmoduliert und obwohl es ein digitales Signal ist enthält es eine Sinus-Kurvenform. Aber nach dem digitalen Hüllkurvendetektor 116 weist das Signal 114 im Wesentlichen eine digitale Rechteckkurve auf. Der digitale Hüllkurvendetektor 116 ist als eine Minicircuit-Einrichtung verfügbar und könnte alternativ eine Modulatorschaltung als einen Amplitudenmodulationsdetektor implementieren.

Das digitalisierte Signal 118 wird von der digitalen Hystereseschaltung 120 empfangen, um ein rauschgefiltertes digitalisiertes Signal 124 und ein Amplitudensignal 122 zu erzeugen. Das digitalisierte Signal 118, das in die Hystereseschaltung 120 eingegeben wird, wird eine Rechteckkurve, die dieselben Rauschekomponenten enthält, da der digitale Hüllkurvendetektor 116 typischerweise nicht in der Lage ist alle HF-Komponenten aus der Amplitudenmodulation zu entfernen. Folglich dient die Hystereseschaltung 120 dazu, den Rest der unerwünschten Signalkomponenten, wie Rauschen, das nach dem digitalen Hüllkurvendetektor 116 in dem Signal verbleibt, zu entfernen, indem die Hysterese zu dem digitalen Signal 118 hinzugefügt wird, was im Stand der Technik wohlbekannt ist, um das rauschgefilterte digitalisierte Signal 124 zu erzeugen. Obwohl dies nicht gezeigt ist, werden die Hystereseschaltung 120 zugeordnete Widerstände und Kondensatoren aufweisen, die hiermit verbunden sind, um eine bestimmte Ein- und Abschalthysterese zu schaffen. Alternativ kann die Hystereseschaltung 120 ein digitales Puffer-Gate, eine digitale Rauschfilterschaltung oder ein NRZI-Datenbildschirm sein. Die Hystereseschaltung 120 dient dadurch, dass das digitalisierte Signal 118 verwendet wird, ebenfalls als zweifache Funktion, um das Amplitudensignal 122 zu erzeugen, das ein Spannungssignal ist, das seine Amplitude bezogen auf die Amplitude des digitalisierten Signals 118 aufweist.

Das Amplitudensignal 122 wird durch einen digitalen Signalpegeldetektor 126 empfangen, um ein Rückkopplungs- oder Feedback-Kontrollsignal 128 und ein Statussignal 134 zu erzeugen. Der digitale Signalpegeldetektor 128 konvertiert das Amplitudensignal 122 in ein Rückkopplungssignal 128, das ein niederfrequentes Spannungssignal ist (nahezu ein direktes Strom(DC)-Signal), das das digitalisierte Signal 118 repräsentiert. Die Antwortrate des Rückkopplungssignals 128 ist ungefähr 100 Millisekunden, was Größenordnungen langsamer als die Antwortrate des Rests der Abschwächerschleife 100 ist. Das Rückkopplungssignal 128 wird durch den gesteuerten variablen Abschwächer 108 empfangen, der die Rückkopplungsschleife vervollständigt, um die Amplitude des digitalisierten Signals 118 bei ungefähr demselben Pegel oder Bereich aufrecht zu halten, indem der Betrag der Abschwächung in dem gesteuerten variablen Abschwächer 108 bereitgestellt wird, wobei der Betrag der Abschwächung repräsentativ für den Pegel des Rückkopplungssignals 128 ist.

Das Statussignal 134, das von der Status-LED-Schaltung 136 des digitalen Signalpegeldetektors empfangen wird, ist ein Anzeigesignal des Spannungspegels innerhalb der Abschwächerschleife 100, insbesondere des Pegel des digitalisierten Signals 118. Die Statusschaltung 136 enthält eine Anzeigeeinrichtung zum Darstellen oder Anzeigen des relativen Bereichs dieses Betriebsspannungspegels. Beispielsweise kann die Statusschaltung einen Satz von Balkendiagramm-LEDs (nicht gezeigt) enthalten, die den relativen Bereich dieser Betriebsspannung anzeigt. Wenn die Spannung an ihrer maximalen Grenze ist, was bedeutet, dass der gesteuerte variable Abschwächer 108 das bandbreitengefilterte Signal 106 ohne Abschwächung durchlässt, werden alle LEDs der Balkendiagrammanzeige erleuchtet sein.

Umgekehrt, wenn die Spannung sehr niedrig ist, das heißt, dass der gesteuerte variable Abschwächer 108 eine maximale Abschwächung des bandbreitengefilterten Signals 108 geleistet hat, werden nur eine oder zwei der LEDs an einem Ende erleuchtet sein. Optimal wird der Spannungspegel ein mittlerer Verstärkungspegel sein, so dass bei den LEDs des Balkendiagramms, das zehn LEDs in einer Reihe aufweist, die mittleren fünf oder sechs derartiger LEDs erleuchtet sein werden. Auf diese Art und Weise kann die Anzahl der erleuchteten LEDs in der Statusschaltung 136 sich erhöhen oder erniedrigen, um kontinuierlich den Signalpegel, mit dem der Abschwächerschleife 100 betrieben wird, wiederzugeben. Alternativ kann die Statusschaltung 136 ein numerisches Display, eine LCD-Anzeige oder ein andere Anzeigeeinrichtung sein, die in der Lage ist, eine relative Signalpegelinformation bereitzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Balkendiagramm-LEDs in der Statusschaltung 136 mit dem Empfänger in demselben Gehäuse angeordnet, um dem im Bereich arbeitenden Personal eine diagnoseähnliche Information so zu geben, dass der CT-Vorrichtungsbediener oder der Endbenutzer typischerweise diese Balkendiagramm-LEDs nicht bemerkt oder er diese nicht sieht.

Letztendlich wird das rauschgefilterte digitalisierte Signal 124 durch die digitale faseroptische Ausgangsschaltung 130 zum Konvertieren des Signals 124, empfangen, was in diesem Zustand vor der Kodierung oder vor der Modulation ähnlich dem seriellen digitalen Datensignal, das durch den DAS 28 (siehe 2) in ein digitales faseroptisches Signal 132 ausgegeben wird, das zur Übertragung in ein faseroptische Kabel geeignet ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die digitale faseroptische Ausgangsschaltung 130 eine Chipeinrichtung, die im Stand der Technik bekannt ist. Dann kann das digitale faseroptische Signal 132 zu einem Signalprozessor 58 (siehe 2) mittels der Leitung 56 übertragen werden oder das Signal 132 kann weiter verarbeitet werden, bevor es zu dem Signalprozessor 58 mittel der Leitung 56 übertragen wird. Folglich schafft die vorliegende Erfindung einen Datensignalempfänger, der einen ausgedehnten dynamischen Eingangsbereich aufweist und der ebenfalls eine elegante Einrichtung für die Korrektur oder Kompensation der unterschiedlichen Signalvariationen auf der Basis der empfangenen Signalstärke schafft. Auf diese Art und Weise ist die Qualität der HF-Kommunikation ohne den Bedarf zusätzlicher mechanischer Feinabstimmung sehr verbessert, wie beispielsweise eine spezielle Testausrüstung, um wiederholt zu kalibrieren und den mittleren Betriebsleistungspegel in der Schleifringanordnung zu zentrieren.

Während diese Ausführungsformen und die Anwendung der Erfindung, die in den Figuren dargestellt und vorstehend beschrieben wurde gegenwärtig bevorzugt wird, sollte es klar sein, dass diese Ausführungsformen nur als Beispiel dargestellt wurden. Beispielsweise kann das HF-Trägersignal, das hierin beschrieben wurde, eine unterschiedliche Frequenz aufweisen, oder das Modulationsschema, das hierin beschrieben wurde, kann eine Modulation eines von der Amplitudenmodulation verschiedenen Typs sein. Der Schleifring und der Koppler können unter Verwendung einer kapazitiven Art der Kopplung kommunizieren, die auch bis zu einem gewissen Grad unter den Signalschwankungen leidet, anstelle der elektromagnetischen Kopplung, so dass der hierin beschriebene Empfänger durch Einschließen anderer Kombinationen oder Arten von Signalbearbeitungseinrichtungen implementiert werden kann. Ferner, obwohl alle der Kommunikationen zwischen dem rotierenden Rahmen und dem stationären Rahmen in der bevorzugten Ausführungsform nacheinander dargestellt sind, beispielsweise Konvertieren von parallelen in serielle Daten zur Übertragung und umgekehrt bei dem Empfangen die Verwendung wohlbekannter Multiplexingtechniken, ist dies so durchgeführt worden, dass nur ein einziger Datenstrom übertragen werden muss. Es sollte klar sein, dass vielfache parallele Pfade ebenso verwendet werden könnten unter Verwendung von Kodierungstechniken mit Vielfachpegeln oder Vielfachbasen, um den Transfer mit maximaler Datenrate noch weiter zu steigern.

Darüber hinaus kann das kodierte Signal einen noch breiteren Signalvariationsbereich als die 40 dBm oder 50 dBm, wie er hierin beschrieben wurde, umfassen, so dass der gesteuerte variable Abschwächer demzufolge einen angepassten Bereich der Abschwächung und der Verstärkerstufen bereitstellen müssten, die eine größere Verstärkung als die hierin beschriebene aufweisen würde. Darüber hinaus wird in Erwägung gezogen, dass die Erfindung auch für andere als medizinische System und Vorrichtungen angewendet werden kann, die von der Verwendung der Rückkopplungsbasierten Signalabschwächung profitieren können.


Anspruch[de]
Computertomographie-CT-Vorrichtung (10) mit einer Einrichtung zum Hochfrequenz-HF-Amplitudenmodulationskodieren der digitalen Bilddaten und elektromagnetischen Koppeln der Daten von einem auf einem rotierenden Rahmen (12) der CT-Vorrichtung (10) angeordneten HF-Schleifring (34) an einen auf einem stationären Rahmen (13) der CT-Vorrichtung (10) angeordneten berührungslosen Koppler (50) , aufweisend:

(a) eine Einrichtung zum Empfangen eines kodierten HF-amplitudenmodulierten digitalen seriellen Datensignals (102) mit einem breiten Bereich von Leistungspegeln aus dem HF-Schleifring (34);

(b) eine Einrichtung (104) zum Bandbreitenfiltern des kodierten Datensignals (102), was eine Ausfilterung unerwünschter Frequenzkomponenten bewirkt;

(c) eine Einrichtung (108) zum Abschwächen der Amplitude des kodierten Datensignals (102) teilweise in Reaktion auf eine Steuerspannung (128);

(d) eine Einrichtung (112) zum Verstärken der Amplitude des kodierten Datensignals (102), was eine Verstärkung der gewünschten Datenkomponenten des kodierten Datensignals (102) bewirkt;

(e) eine Einrichtung (116) zum Digitalisieren des kodierten Datensignals (102) durch Ausfiltern der enthaltenen HF-Komponente;

(f) eine Einrichtung zum Erzeugen eines digitalen Signalpegels (118) proportional zu der Amplitude des digitalisierten kodierten Datensignals;

(g) eine Einrichtung (120) zum Filtern des kodierten Datensignals (102), um restliche unerwünschte Signalkomponenten aus der HF-Amplitudenmodulationskodierung zu entfernen, wodurch die digitalen Bilddaten aus dem kodierten Datensignal (102) zur CT-Bildverarbeitung bei dem stationären Rahmen (13) zum Erzeugen eines CT-Bildes daraus rekonstruiert worden sind;

(h) eine Einrichtung zum Steuern des Abschwächungsgrades der Amplitude des kodierten Datensignals (102) im Schritt (c) durch eine Rückkopplungsschleife derart, dass die rekonstruierten digitalen Bilddaten des Schrittes (g) innerhalb eines gewünschten Signalpegels liegen; und

(i) eine Einrichtung, um die Erzeugungseinrichtung und Steuereinrichtung zu veranlassen, iterativ den gewünschten Signalpegel aufrechtzuerhalten.
Computertomographievorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Rückkopplungsschleife (100) aufweist:

einen gesteuerten variablen Abschwächer (108), der dafür konfiguriert ist, zwei Eingangssignale, das gekoppelte modulierte Datensignal (102) und ein Rückkopplungs-Steuerspannungssignal (128) zu empfangen, um ein amplitudenstabilisiertes Signal (110) zu erzeugen;

einen digitalen Hüllkurvendetektor (116), der dafür eingerichtet ist, das amplitudenstabilisierte Signal (110) zu empfangen und ein digitalisiertes Signal (118) auszugeben, wobei das digitalisierte Signal (118) das durch die Ausfilterung der HF-Komponente darin digitalisiert amplitudenstabilisierte Signal (110) aufweist;

eine digitale Rauschfilterstufe (120), die dafür eingerichtet ist, das digitalisierte Signal (118) aus dem digitalen Hüllkurvendetektor (116) zu empfangen und ein rauschgefiltertes digitalisiertes Signal (124) und ein Amplitudensignal (122) auszugeben, wobei das rauschgefilterte digitalisierte Signal (124) das zum Entfernen des restlichen Rauschens darin gefilterte digitalisierte Signal (118) aufweist und das Amplitudensignal (122) zum Teil auf die Amplitude des digitalisierten Signals (118) reagiert; und

einen digitalen Signalpegeldetektor (126), der dafür eingerichtet ist, das Amplitudensignal (122) aus der digitalen Rauschfilterschaltung (120) zu empfangen und das Rückkopplungs-Steuerspannungssignal (128) zu erzeugen, wobei das Rückkopplungs-Steuerspannungssignal (128) ein niederfrequentes Signal ist, dessen Amplitude proportional zu dem digitalisierten Signal (118) ist, wodurch das die Rückkopplungsschleife in den gesteuerten variablen Abschwächer (108) vervollständigende Rückkopplungs-Steuerspannungssignal (128) den Grad der Amplitudenabschwächung steuert, der durch den gesteuerten variablen Abschwächer (108) bereitgestellt wird.
Computertomographievorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Rückkopplungsschleife (100) ferner aufweist:

ein HF-Bandbreitenfilter (104), das dafür eingerichtet ist, das gekoppelte modulierte Datensignal zu empfangen und ein bandbreitengefiltertes Signal (106) auszugeben, wobei das bandbreitengefilterte Signal (104) einen Bandbreitenbereich von 500 MHz bis 1 GHz aufweist; und

eine Filterstufe (112), die dafür eingerichtet ist, das amplitudenstabilisierte Signal aus dem gesteuerten variablen Abschwächer aufzunehmen und ein Amplitudenverstärkungssignal (114) zu erzeugen.
Computertomographievorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Rückkopplungsschleife (100) ferner eine digitale faseroptische Stufe aufweist, die dafür eingerichtet ist, das rauschgefilterte digitalisierte Signal aus der digitalen Rauschfilterschaltung aufzunehmen, um die digitale faseroptische Stufe zu veranlassen, ein digitales faseroptisches Signal zur Übertragung in einem faseroptischen Kabel auszugeben. Computertomographievorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Rückkopplungsschleife (100) ferner einen Statusindikator aufweist, der dafür eingerichtet ist, ein Statussignal aus dem digitalen Signalpegeldetektor zu empfangen und relativ den digitalisierten Signalpegel innerhalb der Abschwächungsschleife (100) anzuzeigen. Computertomographievorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Statusindikator eine Schaltung (136) mit einer Einrichtung zum Anzeigen den relativen Signalpegel repräsentierender sichtbarer Indizien aufweist, wobei die sichtbaren Indizien Stellen in dem eine allgemeinen Skalierung verwendenden Statusindikators zugeordnet sind. Verfahren zum Rekonstruieren digitaler Bilddaten in einer Computertomographie-CT-Vorrichtung (10), wobei die digitalen Bilddaten mittels Hochfrequenz-HF-Amplitudenmodulation kodiert sind, um elektromagnetisch von einem auf einem rotierenden Rahmen (12) der CT-Vorrichtung (10) angeordneten HF-Schleifring (34) an einen auf einem stationären Rahmen (13) der CT-Vorrichtung (10) angeordneten berührungslosen Koppler (50) gekoppelt zu werden, mit den Schritten:

(a) Empfangen eines kodierten HF-amplitudenmodulierten digitalen seriellen Datensignals (102) mit einem breiten Bereich von Leistungspegeln aus dem HF-Schleifring (34);

(b) Bandbreitenfiltern des kodierten Datensignals (102), was eine Ausfilterung unerwünschter Frequenzkomponenten bewirkt;

(c) Abschwächen der Amplitude des kodierten Datensignals (102) teilweise in Reaktion auf eine Steuerspannung (128);

(d) Verstärken der Amplitude des kodierten Datensignals (102), was eine Verstärkung der gewünschten Datenkomponenten des kodierten Datensignals (102) bewirkt;

(e) Digitalisieren des kodierten Datensignals (102) durch Ausfiltern der HF-Komponente darin;

(f) Erzeugen eines digitalen Signalpegels (118) proportional zu der Amplitude des digitalisierten kodierten Datensignals;

(g) Filtern des kodierten Datensignals (102), um restliche unerwünschte Signalkomponenten aus der HF-Amplitudenmodulationscodierung zu entfernen, wodurch die digitalen Bilddaten aus dem kodierten Datensignal (102) zur CT-Bildverarbeitung bei dem stationären Rahmen (13) zum Erzeugen eines CT-Bildes daraus rekonstruiert worden sind;

(h) Steuern des Abschwächungsgrades der Amplitude des kodierten Datensignals (102) im Schritt (c) durch eine Rückkopplungsschleife derart, dass die rekonstruierten digitalen Bilddaten des Schrittes (g) innerhalb eines gewünschten Signalpegels liegen; und

(i) Wiederholen der Erzeugungs- und Steuerungsschritte, um iterativ den gewünschten Signalpegel aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 7, welcher ferner den Schritt der Umwandlung der rekonstruierten digitalen Bilddaten im Schritt (g) in ein digitales faseroptisches Signal (132) zur Übertragung entlang einem faseroptischen Kabel aufweist.






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