-
Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Datenübertragungssystem
sowie ein Verfahren zur Überwachung
der Datenübertragung
in einem Computertomographen oder in einem tomographiefähigen Röntgengerät, mit einer
Datenerfassungseinheit, in der Messdaten erfasst, in einen Bitstrom
gewandelt und an eine Sendeeinrichtung an einem rotierenden Teil
des Computertomographen bzw. des Röntgengeräts übermittelt werden, von der
der Bitstrom an einen feststehenden Teil des Computertomographen bzw.
des Röntgengeräts übertragen
wird, und einer Empfangseinrichtung am feststehenden Teil, die den Bitstrom
von der Sendeeinrichtung empfängt
und an eine Bildrekonstruktionseinheit übermittelt, die den von der
Empfangseinrichtung übermittelten
Bitstrom zur Bildrekonstruktion weiterverarbeitet.
-
In der bildgebenden Medizintechnik
kommen häufig
Computertomographen zum Einsatz, in denen eine sehr große Anzahl
von Messdaten gleichzeitig erfasst, an eine Bildrekonstruktionseinheit übermittelt und
zur Rekonstruktion der gewünschten
Bilder weiterverarbeitet werden. Das hierfür erforderliche Datenübertragungssystem
muss einerseits aufgrund der großen Anzahl von pro Zeiteinheit
anfallenden Messdaten eine Hochgeschwindigkeitsübertragung ermöglichen
und andererseits eine möglichst
störungsfreie Übertragung
zwischen dem rotierenden Teil des Computertomographen, der Gantry,
um dem feststehenden Teil gewährleisten. Ähnliche
Anforderungen bestehen bei C-Bogen-Röntgengeräten. Derartige oder andere
tomographiefähige
Röntgengeräte werden
nachfolgend unter dem Begriff "Computertomograph" subsummiert.
-
Für
die Datenübertragung
zwischen dem rotierenden und dem feststehenden Teil sind verschiedene
Techniken bekannt.
-
Die bekannten Techniken lassen sich
in die Übertragungstechniken
mittels kapazitiver Kopplung und mittels optischer Kopplung einteilen.
Bei der Übertragung
durch kapazitive Kopplung werden die Signale von einem am rotierenden
Teil befestigten Sender auf eine am stationären Teil angeordnete Antenne übertragen.
So beschreibt die
DE
100 07 601 A1 eine Einrichtung zur Datenübertragung,
bei welchem als Sender ein Hohlleiter eingesetzt wird. Für die Datenübertragung
werden die Daten auf ein Trägersignal
aufmoduliert und in den Hohlleiter eingekoppelt. Eine in geometrisch
bestimmter Weise relativ zu dem Hohlleiter angeordnete Antenne empfängt das
Trägersignal
berührungslos,
so dass nach einer Demodulation des Trägersignals die Daten am stationären Teil
zur Verfügung
stehen. In der dargestellten Anwendung ist der Hohlleiter entlang
des Umfanges des C-Bogens eines C-Bogen-Röntgengerätes und die Antenne an der
Lagerung dieses C-Bogens befestigt.
-
Die
US 5,140,696 A beschreibt eine Einrichtung
zur Signalübertragung
zwischen relativ zueinander bewegten Elementen, insbesondere in
einem Computertomographen, bei der als Sender eine kreisförmige Stripleitung
am Umfang der Gantry angeordnet und als Empfänger ein kurzer Abschnitt einer
Stripleitung am stationären
Teil in unmittelbarer Nähe
der Sendeleitung vorgesehen ist. Die Datenübertragung erfolgt in gleicher
Weise wie bei der vorangehend genannten Druckschrift.
-
Bei einer Signalübertragung durch optische Kopplung
wird die Übertragung
der Daten über
eine optische Schnittstelle durchgeführt. So beschreibt die
US 4,259,584 A eine
Einrichtung zur Signalübertragung,
insbesondere für
einen Computertomographen, bei dem am stationären Teil ein um das Rotationszentrum
verlaufender Ring aus einem Lichtwellenleiter befestigt ist, an
dessen Auskoppelstelle ein Demodulator angeordnet ist. Am rotierenden
Teil ist gegenüber
dem Lichtwellenleiter eine Lichtquelle befestigt, deren Intensität mit den zu übertragenden
Daten moduliert wird. Die modulierten Lichtsignale werden während der
Relativbewegung aufgrund dieser geometrischen Anordnung ständig in
den Lichtwellenleiterring eingekoppelt und vom Demodulator empfangen,
der die Daten durch Demodulation extrahiert.
-
Die
US 5,535,033 A zeigt eine Signalübertragungseinrichtung,
bei der am rotierenden Teil eines Computertomographen ein Ring aus
einem optisch leitfähigen
Material als Teil einer Sendeeinrichtung befestigt ist, der das
eingekoppelte Licht auch senkrecht zu seiner Längsachse abstrahlt. Die zu übermittelnden
Daten werden in diesen Ring durch Modulation einer Lichtquelle eingekoppelt
und am stationären
Teil über
einen optoelektrischen Detektor empfangen. Durch die ringförmige Ausbildung
der Sendeeinrichtung ist auch hier während nahezu jeder Rotationsphase
ein Empfang der Daten durch den Empfänger möglich.
-
Unabhängig von der eingesetzten Technik der
Datenübertragung
weist ein Computertomograph eine Datenerfassungseinheit auf, die
die von der Vielzahl von Detektorkanälen erhaltenen Messdaten in einen
in der Regel seriellen Bitstrom wandelt und diesen an eine Sendeeinrichtung
an der Gantry übermittelt.
Die Sendeeinrichtung überträgt den seriellen
Bitstrom an eine Empfangseinrichtung am feststehenden Teil des Computertomographen,
die diesen wiederum an die Bildrekonstruktionseinheit weiterleitet, in
der der Bitstrom in der Regel zunächst wieder multiplexiert und
anschließend
zur Bildrekonstruktion weiterverarbeitet wird. Diese Datenverbindung
zwischen der Datenerfassungseinheit und der Bildrekonstruktionseinheit
ist aufgrund der zahlreichen beteiligten Komponenten relativ komplex,
so dass sich möglicherweise
auftretende Übertragungsfehler
nur schwer diagnostizieren lassen. Dies betrifft einerseits die
Design- und Integrationsphase sowie die Herstellungsphase des Systems,
in denen es schwierig ist, die Qualität der Datenverbindung zu überprüfen und sensible
Punkte innerhalb der Datenübertragungskette
zu identifizieren.
-
Andererseits ist es für das Servicepersonal beim
Auftreten von Datenübertragungsfehlern
in der klinischen Umgebung sehr schwierig und zeitintensiv und somit
kostspielig, die fehlerhafte Komponente in der Datenkette aufzufinden.
Der Test der Datenübertragung
wird in Computertomographen dadurch erschwert, dass die Gantry während des
Betriebs des Computertomographen kontinuierlich rotiert, so dass eine
Ankopplung von Testgeräten
an die Datenerfassungseinheit als Datenquelle kaum zu erreichen
ist.
-
Aus der
DE 101 02 323 A1 ist ein
Verfahren für
einen Computertomographen zur fehlerkorrigierten Datenübertragung
speziell zwischen einem Sender und einem Empfänger bekannt, bei dem Übertragungsfehler
erkannt und korrigiert werden. Eine starke Störung der Datenübertragung
zwischen dem Sender und dem Empfänger
kann jedoch trotz einer Fehlererkennung und einer Fehlerkorrektur
zum Ausfall der gesamten Datenverbindung zwischen einer Datenerfassungseinheit
und einer Bildrekonstruktionseinheit führen. Das Servicepersonal bekommt
bei Unterbrechung der Datenverbindung keine Hinweise auf die fehlerhafte
Komponente innerhalb der Datenübertragungskette
zwischen der Datenerfassungseinheit und der Bildrekonstruktionseinheit,
so dass der Datenübertragungsfehler
nur durch die Ankopplung geeigneter Testgeräte in die unterbrochene Datenübertragungskette
identifiziert werden kann.
-
Bei dem bekannten Fall werden die
Daten von dem Sender in Form einzelner Datenpakete fortlaufend an
den Empfänger übermittelt
und gleichzeitig in einen sendeseitigen Zwischenspeicher kopiert. Der
Empfänger
liefert nach dem Empfang eines Datenpaketes ein Bestätigungssignal über den
Status der Datenübertragung
an den Sender zurück.
Der Sender kopiert daraufhin bei einer fehlerhaften Datenübertragung
das entsprechende Datenpaket aus dem Zwischenspeicher heraus und übermittelt
es erneut an den Empfänger.
Wird durch das Bestätigungssignal
hingegen eine fehlerfreie Übertragung signali siert,
wird das entsprechende Datenpaket aus dem Zwischenspeicher gelöscht.
-
Bei einer starken Störung der Übertragung der
Daten zwischen dem Sender und dem Empfänger ist die Anzahl der fehlerhaft übertragenen
Datenpakete pro Zeiteinheit höher
als die Anzahl der erfolgreich übertragenen
Datenpakete, so dass der Zwischenspeicher durch seine begrenzte
Speicherkapazität
nach kurzer Zeit kein zusätzliches
Datenpaket mehr aufnehmen kann. Bei dem bekannten Fall wird in dieser
Situation die kontinuierliche Übertragung zwischen
dem Sender und dem Empfänger
und damit auch notwendigerweise für die gesamte Datenverbindung
zwischen der Datenerfassungseinheit und der Bildrekonstruktionseinheit
unterbrochen. Dem Servicepersonal ist es bei einer auf diese Weise unterbrochenen
Datenverbindung jedoch nicht möglich,
die fehlerhafte Komponente bzw. Datenübertragungskomponente ohne
weitere Tests zu identifizieren.
-
Aus der
EP 0 981 994 A1 ist darüber hinaus ein
Bildsystem zur fehlerkorrigierten Datenübertragung zwischen einem Sender
und einem Empfänger bekannt,
bei dem, im Gegensatz zu dem in der
DE 101 02 323 A1 beschriebenen Verfahren,
auf die Rückübertragung
eines Bestätigungssignals
zur Signalisierung des Übertragungsstatus
zwischen dem Empfänger
und dem Sender verzichtet wird, so dass sich die effektiv übertragene
Datenmenge zwischen dem Sender und dem Empfänger erhöht. Die bei dem bekannten Bildsystem übertragenen
Daten zwischen dem Sender und dem Empfänger weisen Befehlssätze und
Nachrichtensätze
auf, wobei die an den Empfänger übermittelten
Befehlssätze
zur Dekodierung der Nachrichtensätze
eingesetzt werden und die auf diese Weise decodierten Nachrichtensätze sowohl Synchronisationsdaten
als auch CRC Daten beinhalten, die zur Korrektur fehlerhafter Daten
verwendet werden. Auf der Empfangsseite werden fehlerhafte Daten
erkannt und durch einen bei dem Empfänger implementierten CRC Dekodierungs-
bzw. Encodierungs-Algorithmus korrigiert. Eine starke Störung der Übertragung
kann, wie auch bei dem aus der
DE 101 02 323 A1 bekannten Verfahren, trotz
vorgesehener Fehlererkennung und Fehlerkorrektur zu einer Unterbrechung
der Datenverbindung zwischen dem Sender und dem Empfänger und
damit auch zu einer Unterbrechung der gesamten Datenübertragungskette führen, ohne
dass das Servicepersonal Hinweise auf die fehlerhafte Komponente
bekommt.
-
Für
den Test der Qualität
von Datenverbindungen ist aus der Kommunikationstechnik die Erfassung
und Auswertung der Bitfehlerrate (BER: Bit Error Ratio) bekannt,
die die Anzahl von fehlerhaft übertragenen
Bits bezogen auf die Anzahl der in einem vorgegebenen Intervall
insgesamt übermittelten
Bits angibt. Für
den Test von Datenübertragungssystemen
stehen hierbei spezielle Messgeräte
zur Bestimmung der Bitfehlerrate zur Verfügung, die auch als BERT-Systeme
(Bit Error Rate Tester) bekannt sind. Diese Testsysteme beinhalten
einen Bitmuster-Generator,
der eine vordefinierte Bitsequenz über das Datenübertragungssystem
sendet, und eine Fehleranalyseeinheit, die die übertragene Bitsequenz analysiert. Über eine
direkte Verbindung zwischen dem Bitmuster-Generator und der Fehleranalyseeinheit wird
ein Referenztakt übertragen,
um die erhaltene Bitsequenz korrekt auszulesen. 3 zeigt beispielhaft ein derartiges Testsystem 22 mit
dem Bitmuster-Generator 23 und der Fehleranalyseeinheit 24 zum
Test eines Datenübertragungssystems 26.
Die Fehleranalyseeinheit ermöglicht
die Erfassung der Anzahl der Fehler während der Datenübertragung, die
Klassifikation der Fehler sowie die Bestimmung der Position der
Fehlerbits innerhalb des Datenstroms, so dass aus diesen Daten Rückschlüsse über die Fehlerursache gezogen werden können. Beispiele
für eine
derartige Fehleranalyse können den
Veröffentlichungen
G. M. Foster und T. Waschura, „Beyond
Bit Error Ratio – Gain
New Insight from Studying Error Distributions", Agilent Technologies Technical Paper,
Literature No. 5988–8037EN,
September 26, 2002 © 2002
Agilent Technologies, http://literature.agilent.com/litweb/pdf/5988–8037EN.pdf,
und „An
Introduction to Error Location Analysis – Are all your errors truly
random?", Agilem
Technologies Application Note 1550-2, Literature No. 5980–0648E,
April 2000, entnommen werden.
-
Ein derartiges bekanntes Testsystem
lässt sich
bei Computertomographen allerdings nicht einsetzen, da sich die
Datenerfassungseinheit als Datenquelle und die Bildrekonstruktionseinheit
als Datenempfänger
kontinuierlich in Rotation zueinander befinden. Die meisten verfügbaren Testsysteme
beinhalten jedoch den Bitmuster-Generator und die Fehleranalyseeinheit
im gleichen Gehäuse,
so dass eine physikalische Trennung nicht möglich ist. Selbst wenn der
Bitmuster-Generator separat vorliegen würde, so könnte er aufgrund der geringen
Platzverhältnisse
sowie der Störung
des mechanischen Gleichgewichtes kaum zusätzlich an der rotierenden Gantry
befestigt werden. Weiterhin besteht bei einem Computertomographen
nur eine einzige Hochgeschwindigkeitsverbindung zwischen dem rotierenden Teil
und dem festen Teil, so dass keine getrennte Verbindung für die Übermittlung
des Referenztaktes zur Verfügung
steht. Ein weiteres Problem stellt die komplexe Übertragungskette bei einem
Computertomographen dar, bei dem zunächst ein paralleler Datenstrom
in einen seriellen Bitstrom gewandelt wird, die Daten codiert werden,
um das Taktsignal in den Datenstrom zu integrieren, der serielle
Bitstrom zwischen einem kontinuierlich rotierenden Teil und dem feststehenden
Teil übertragen
wird, das enthaltene Taktsignal extrahiert wird, um die Daten mit
dem extrahierten Taktsignal abzutasten, und der serielle Datenstrom
schließlich
in parallele Worte rückgewandelt wird.
Zur Überprüfung einer
derartigen Übertragungskette
sind parallele Testsysteme erforderlich, die eine sehr kostspielige
und komplexe Schnittstelle zum Testsystem erfordern.
-
Bisher werden bei Datenübertragungsfehlern
in Computertomographen in der klinischen Umgebung vom Servicepersonal
da her lediglich nacheinander Einzelkomponenten ausgetauscht, um
die Fehlerursache zu finden. Diese "Trial and Error" Technik ist jedoch sehr zeitaufwendig
und kostspielig, da alle austauschfähigen Teile verfügbar gehalten werden
müssen.
Gerade bei von außen
einwirkenden Fehlerursachen, wie bspw. Fehlern die aufgrund einer
Interferenz zwischen äußeren Störquellen
und der Übertragung
zwischen der Sendeeinrichtung und der Empfängereinrichtung des Computertomographen
auftreten, ist diese Technik zudem nutzlos.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Datenübertragungssystem
sowie ein zugehöriges
Verfahren zur Überwachung
der Datenübertragung
in einem Computertomographen anzugeben, mit denen die Fehlererkennung
und Fehleranalyse erleichtert wird.
-
Die Aufgabe wird mit dem Datenübertragungssystem
gemäß Patentanspruch
1 bzw. dem Verfahren gemäß Patentanspruch
16 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Datenübertragungssystems sowie des
Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche oder lassen sich aus der
nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
-
Das vorliegende Datenübertragungssystem für die Datenübertragung
in einem Computertomographen umfasst in bekannter Weise eine Datenerfassungseinheit,
in der Messdaten erfasst, in einen Bitstrom gewandelt und an eine
Sendeeinrichtung am rotierenden Teil des Computertomographen übermittelt
werden, von der der Bitstrom an den feststehenden Teil des Computertomographen übertragen wird,
und eine Empfangseinrichtung am feststehenden Teil, die den Bitstrom
von der Sendeeinrichtung empfängt
und an die Bildrekonstruktionseinheit übermittelt, die den von der
Empfangseinrichtung übermittelten
Bitstrom zur Bildrekonstruktion weiterverarbeitet. Bei dem vorliegenden
Datenübertragungssystem
umfassen zumindest die Sendeeinrichtung und die Empfangseinrichtung
jeweils ein Fehlererkennungsmodul, das den Bitstrom auf Fehler überprüft und bekann te
Fehler an einen Fehlerprozessor meldet, der die Anzahl und Dauer
oder die Anzahl und Rate oder die Anzahl, Dauer und Rate der erkannten Fehler
bestimmt und für
eine Auswertung in einer Logdatei abspeichert. Diese Überprüfung auf
Fehler erfolgt in Echtzeit während
des normalen Betriebes des Computertomographen, so dass jederzeit
der aktuelle Zustand der Datenübertragungskette
durch Einsicht in die Logdatei überprüfbar ist.
In einer besonderen Ausgestaltung des vorliegenden Datenübertragungssystems
sowie des zugehörigen
Verfahrens wird bei Überschreiten
von vorgebbaren Schwellwerten für
die Fehlerrate, die Fehleranzahl und/oder die Dauer der Fehler eine
Warnmeldung erzeugt. Vorzugsweise enthält auch die Bildrekonstruktionseinheit
ein derartiges Fehlererkennungsmodul und speichert erkannte Fehler
mit deren Anzahl und Rate und/oder Dauer in dem Logfile ab.
-
Durch die getrennte Erfassung von
Fehlern im Bitstrom an den verschiedenen Stellen der Datenübertragungskette
kann beim Auftreten von Fehlern jederzeit erkannt werden, in welchem Übertragungszweig
die Fehler aufgetreten sind. Dies erleichtert die Lokalisierung
der Fehlerursache für
das Servicepersonal erheblich. Durch Bereitstellung eines Fernzugriffs
auf das Logfile, bspw. über
ein geschlossenes Netzwerk oder das Internet, kann auf diese Weise auch
eine Ferndiagnose realisiert oder dem Servicepersonal vor Anreise
bereits eine gezielte Vorbereitung auf die durchzuführenden
weiteren Tests ermöglicht
werden.
-
Bei dem aus der
EP 1 058 191 A1 bekannten Röntgensystem
bzw. bekannten Verfahren zur Übertragung
von Röntgendaten
soll das Servicepersonal bei einer Wartung der Röntgenanlage zwar durch Hinweise
auf einen möglichen
Defekt einer Komponente mittels eines in einem Speicherbereich automatisch
abgespeicherten Fehlerprotokolls unterstützt werden, es sind jedoch
keine Hinweise für
eine Fehlererkennung und Fehlerabspeicherung an mehreren Stellen
innerhalb der Übertragungskette
ge geben, wodurch eine Lokalisierung der Fehlerursachen auf wirkungsvolle
Weise unterstützt
werden würde.
-
Die Fehlererkennung basiert in der
bevorzugten Ausführungsform
des Datenübertragungssystems
bzw. des zugehörigen
Verfahrens auf der Überprüfung von
CRC-Codes, die mit den Daten im Bitstrom übertragen werden. Diese CRC-Codes
stellen Signaturen der zugehörigen
Datenwörter
dar, so dass ein Übertragungsfehler
durch eine abweichende Signatur erkannt werden kann. In einer weiteren Ausbildung
wird alternativ oder zusätzlich
das Taktsignal aus dem Bitstrom rückgewonnen. Ist dies nicht möglich, so
stellt dies einen Fehler dar. Schließ lich kann weiterhin die Signalstärke des
Bitstroms auf eine ausreichende Höhe überprüft werden.
-
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des vorliegenden Datenübertragungssystems
enthält
die Datenerfassungseinheit einen Bitmuster-Generator, der auf eine
Eingabe des Servicepersonals hin auswählbare vorgegebene oder vorgebbare
Bitmuster erzeugt, die in der Datenerfassungseinheit in einen seriellen
Bitstrom gewandelt und in gleicher Weise wie die Messdaten an die Bildrekonstruktionseinheit übermittelt
werden. Auf diese Weise kann das Servicepersonal mit Hilfe eines
in die Bildrekonstruktionseinheit integrierten Fehleranalysemoduls
gezielte Tests durchführen,
um die Fehlerursachen zu finden. Die hierbei erzeugten Bitmuster
sowie die durchführbaren
Auswerteschritte sind aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt
und können
auch hier in gleicher Weise eingesetzt werden. Das vorliegende Datenübertragungssystem
sowie das zugehörige
Verfahren erfordert jedoch nicht den Einsatz eines externen Testsystems,
so dass die hierbei auftretenden Probleme vermieden werden. In den
bevorzugten Ausgestaltungen bestimmt die Fehleranalyseeinheit die
Bitfehlerraten, um bei Überschreiten
einer vorgebbaren Schwelle für
diese Bitfehlerraten weitere Auswerteschritte durchzuführen. Das
Fehleranalysemodul kann hierbei zur Detektion systematischer Bit-
und Burstfehler, zur Detektion zufälliger Bit- und Burstfehler
oder auch zur Fehlerkorrelationsanalyse zur Detektion von positionsbezogenen
oder musterbezogenen Fehlern ausgebildet sein.
-
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des
vorliegenden Datenübertragungssystems
ist jedem Fehlererkennungsmodul eine visuelle Anzeige zugeordnet,
an der ein Erkennen eines Fehlers angezeigt wird. So kann eine derartige
Anzeige bspw. in Form einer oder mehrerer Leuchtdioden im Bereich des
jeweiligen Fehlererkennungsmoduls, d. h. im Bereich der Sendeeinrichtung,
im Bereich der Empfangseinrichtung sowie ggf. im Bereich der Bildrekonstruktionseinheit
am Computertomographen angeordnet sein, die bei auftreten von Fehlern
entsprechend aufleuchten. Durch diese lokale Anordnung der visuellen
Anzeige wird sofort ersichtlich, in welchen Übertragungszweigen Fehler aufgetreten
sind. Selbstverständlich
lässt sich
eine derartige visuelle Anzeige auch am Monitor des Benutzers des
Computertomographen einblenden.
-
Das vorliegende Datenübertragungssystem sowie
das zugehörige
Verfahren werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit
den Zeichnungen nochmals beispielhaft erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 ein
Beispiel für
den Aufbau des vorliegenden Datenübertragungssystems;
-
2 ein
Beispiel für
visuelle Anzeigen innerhalb der Übertragungskette
des vorliegenden Datenübertragungssystems;
-
3 ein
Beispiel eines bekannten BERT-Systems;
-
4 ein
Beispiel für
Histogramme auf Basis der erkannten Fehler;
-
5 ein
Beispiel für
das Auftreten von Fehlern in Korrelation zur Position der Gantry;
-
6 ein
Beispiel für
ein Histogramm, das eine Fehlerkorrelation zur Gantryposition aufzeigt;
-
7 ein
Beispiel für
ein Histogramm der Verteilung der fehlerfreien Intervalle;
-
8 ein
Beispiel für
ein Histogramm zur Anzahl der Fehler in Abhängigkeit von der Fehlerposition
innerhalb eines Wortes;
-
9 ein
Beispiel für
ein Histogramm zur Anzahl der Fehler in Abhängigkeit von der Position des
fehlerhaften Wortes innerhalb eines Datenpaketes;
-
10 ein
Beispiel für
Histogramme der Verteilung der Burstlänge sowie der fehlerfreien
Intervalle; und
-
11 ein
weiteres Beispiel für
Histogramme der Verteilung der Burstlänge sowie der Anzahl der fehlerfreien
Intervalle.
-
Im folgenden Beispiel wird auf ein
konkretes Datenübertragungssystem
eines Computertomographen Bezug genommen, bei dem die Übertragung zwischen
dem rotierenden und dem feststehenden Teil über eine Hochfrequenzverbindung
mit Hilfe eines sog. Slip-Ringes erfolgt, der eine Sendeantenne bildet.
Selbstverständlich
ist dies nur eine spezielle Ausgestaltung eines derartigen Datenübertragungssystems.
Die vorliegende Erfindung lässt
sich auch auf viele andere Übertragungstechniken
zwischen dem rotierenden und dem festen Teil anwenden, wie bspw.
optischen Übertragungstechniken
oder auch nicht kontaktlosen Übertragungstechniken
sowie mit vielfach parallelen oder segmentierten Slip-Ringen.
-
1 zeigt
zunächst
in stark schematisierter Ansicht einen Teil eines Computertomographen
mit dem feststehenden Teil 5 sowie der im feststehenden Teil
rotierenden Gantry 4, an der die nicht dargestellte Röntgenröhre sowie
die der Röntgenröhre gegenüberliegende
Detektorbank 17 angeordnet ist. Die von den einzelnen Detektorkanälen der
Detektorbank 17 erhaltenen Spannungssignale werden von
der Datenerfassungseinheit 1 mit einem Parallel/Seriellwandler
in einen seriellen Bitstrom gewandelt und mit einem elektrooptischen
Konverter als optischer Bitstrom über einen Lichtwellenleiter 20 an
die Sendeeinrichtung 2 übermittelt.
Die Sendeeinrichtung 2 umfasst einen optoelektrischen Konverter
sowie einen Hochfrequenzausgang, über den der serielle Bitstrom
als Hochfrequenzsignal in den Übertragungsring 13 mit
der integrierten Sendeantenne eingespeist wird. Die Hochfrequenzsignale
der rotierenden Gantry 4 werden von der am feststehenden
Teil 5 befestigten Empfangseinrichtung 3 über eine
Empfängerantenne 14 empfangen, über einen
elektrooptischen Konverter in einen optischen Bitstrom gewandelt
und über
den Lichtwellenleiter 20 an die Bildrekonstruktionseinheit 7 übertragen.
Die Bildrekonstruktionseinheit 7 umfasst hierbei einen
optoelektrischen Konverter sowie einen Seriell/Parallelwandler zur
Umwandlung der erhaltenen seriellen Daten in parallele Daten, die
zur Bildrekonstruktion in bekannter Weise weiterverarbeitet werden.
-
Beim vorliegenden Datenübertragungssystem
ist nun im vorliegenden Beispiel zusätzlich ein Bitmuster-Generator 11 in
der Datenerfassungseinheit 1 integriert. Durch die Implementierung
dieses Bitmuster-Generators 11 in die Datenerfassungseinheit 1 wird
der Einsatz eines externen Testsystems vermieden. Der vorliegende
Bitmuster-Generator 11 steht dem Testpersonal damit jeder
Zeit am Ort des Computertomographen zur Verfügung. Ein Vorteil dieses integrierten
Generators besteht auch darin, dass damit direkt die Parallel/Seriell-,
Seriell/Parallel- und Parallel-Segmente der Datenverbindung getestet
werden können.
Der Bitmuster-Generator wird vom Servicepersonal über ein
auf der Bildrekonstruktionseinheit laufendes Softwareprogramm konfiguriert
und gestartet, um ein auswählbares
vorgegebenes oder vorgebbares Test-Bitmuster zu erzeugen. Dieses
Test-Bitmuster wird in der Datenerfassungseinheit 1 in
einen seriellen Bitstrom gewandelt und über die Übertragungskette an die Bildrekonstruktionseinheit 7 übertragen.
Dort wird sie, wie die Messdaten während des Normalbetriebes des
Computertomographen, in einem Speicher abgespeichert. Die Bildrekonstruktionseinheit 7 umfasst
ein Fehleranalysemodul 12 in Form eines Softwaremoduls,
das die erhaltenen bzw. abgespeicherten Daten in bekannter Weise
auswertet, um durch die Bestimmung der Bitfehlerraten eine quantitative
Vorhersage über
die Qualität
der Datenverbindung in unterschiedlichen Betriebsmoden des Computertomographen
zu machen. Falls die ermittelten Bitfehlerraten oberhalb vorgebbarer
Schwellwerte liegen, so werden die erhaltenen Bitmuster zur Klassifizierung
der Fehler in bekannter Weise ausgewertet. Auf Beispiele für die Auswertung
dieser empfangenen Bitmuster wird in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen
nochmals näher
eingegangen. Das Auswerteergebnis wird dem Benutzer über das
verfügbare
Interface zum Rechner 15 übermittelt.
-
In der vorliegenden Ausgestaltung
des Datenübertragungssystems
werden der serielle Bitstrom sowie die Signalstärke entlang der Datenverbindung
in Echtzeit während
des Normalbetriebes überwacht
und auftretende Fehler hinsichtlich Anzahl und Dauer in eine Logdatei 10 im
Rechner 15 abgelegt. Die Logdatei ist über einen Fernzugriff 16,
bspw. über
das Internet, vom Servicepersonal abfragbar, so dass das Servicezentrum
bereits vor Anreise zahlreiche Informationen über den Ort des Fehlers und
evtl. erforderliche Austauschteile erhält. Für diese Fehlerüberwachung
in Echtzeit enthalten die Sendeeinrichtung 2, die Empfangseinrichtung 3 sowie
die Bildrekonstruktionseinheit 7 jeweils ein Fehlererkennungsmodul 8,
das die jeweils empfangenen Bitströme auf Fehler hin überprüft. Dies
erfolgt auf Basis des CRC-Codes, der von der Datenerfassungseinheit den
Daten im seriellen Bitstrom beigefügt wird. Dieser CRC-Code wird
in der Regel in der Bildrekonstruktionseinheit 7 auf Korrektheit überprüft. Bei
Abweichungen wird das jeweilige Datenpaket als fehlerhaftes Datenpaket
markiert. Die Anzahl der fehlerhaften Pakete bezogen auf die Gesamtzahl
der übermittelten
Pakete kann als Maß für die Qualität der Datenverbindung
eingesetzt werden. Falls die Anzahl der fehlerhaften Datenpakete
einen vorgebbaren Wert überschreitet,
wird eine Warnmeldung erzeugt. In gleicher Weise überprüfen die
Fehlererkennungsmodule 8 der Sendeeinrichtung 2 sowie
der Empfangseinrichtung 3 den seriellen Bitstrom und melden Fehler
an den am rotierenden Teil 4 befindlichen Fehlerprozessor 9a bzw.
an den am feststehenden Teil 5 angeordneten Fehlerprozessor 9b.
Diese Fehlerprozessoren 9a bzw. 9b zählen die
Anzahl der Fehler sowie die jeweilige Dauer der Fehler. Falls diese
Werte vorgebbare Grenzen über-
bzw. unterschreiten, werden ebenfalls Warnmeldungen erzeugt. Die
Anzahl der Fehler sowie die Fehlerdauer werden von den Fehlerprozessoren 9a, 9b jeweils
in der Logdatei 10 abgespeichert. Neben der Fehlererkennung
wird von den Fehlermodulen 8 auch die Signalstärke des
ankommenden optischen Signals im Fall der Sendeeinrichtung 2,
des ankommenden Hochfrequenzsignals im Fall der Empfangseinrichtung 3 sowie
des ankommenden optischen Signals im Fall der Bildrekonstruktionseinheit 7 erfasst.
Weiterhin können
selbstverständlich
auch andere Parameter, wie die Möglichkeit der
Rückgewinnung
des im seriellen Datenstrom enthaltenen Taktsignals überprüft werden.
-
2 zeigt
eine Ausgestaltung des vorliegenden Datenübertragungssystems in stark
schematisierter Ansicht, bei der visuelle Anzeigen 18 für den Status
der jeweiligen Fehlererkennungsmodule 8 eingesetzt werden.
Der von der Datenerfassungseinheit 1 generierte serielle
Bitstrom wird über
den optischen Lichtwellenleiter 20 an die Sendeeinrichtung 2 übermittelt,
in der das Fehlererkennungsmodul den seriellen Bitstrom auf Signalstärke sowie
Fehler überprüft. An dieser
Sendeeinrichtung 2 ist die visuelle Anzeige 18 mit
mehreren Leuchtdioden 19 angebracht, die eine ausreichende
Signalstärke,
die Verfügbarkeit
der Stromversorgung sowie auftretende Fehler durch Aufleuchten anzeigt.
In gleicher Weise ist eine derartige visuelle Anzeige 18 an
der Empfangseinrichtung 3 angebracht die den über die HF-Verbindung 21 empfangenen
seriellen Bitstrom entsprechend überprüft. Das
Gleiche gilt für
die visuelle Anzeige 18 an der Bildrekonstruktionseinheit 7, wie
dies aus der Figur ersichtlich ist. Durch diese Anordnung von visuellen
Anzeigen wird der Fehlerzustand ohne Eingriff in das System sofort
ersichtlich. Dies spart dem Testpersonal Zeit und vermeidet bei bestimmten
groben Fehlern die Notwendigkeit, eine volle Testsequenz durchführen zu
müssen.
-
Das Fehleranalysemodul 12 der
Bildrekonstruktionseinheit ist als Softwaremodul realisiert, das die
von der Bildrekonstruk tionseinheit 7 erhaltenen oder aus
der Logdatei 10 abgerufenen Daten nach bestimmten Vorgaben
analysiert, insbesondere die Fehler innerhalb des seriellen Bitstroms
lokalisiert und klassifiziert. Die Bitfehler in der Datenverbindung eines
Computertomographen können
von unterschiedlichen Fehlerquellen herrühren. Die Kenntnis über die
Fehlerquellen ist wichtig, um die Serviceaktivitäten steuern zu können. So
ist es bspw. wichtig zu unterscheiden, ob die Fehlerursache in einer
defekten Komponente der Datenverbindung besteht oder durch erhöhte Interferenz
mit einer Störquelle
verursacht wird, die außerhalb
oder innerhalb des CT-Systems liegt.
-
Die 4 zeigt
ein Beispiel einer Auswertung der aus der Logdatei erhaltenen Fehlerdaten oder
der durch Auswertung eines übertragenen
vorgegebenen Bitmusters erhaltenen Fehler. Bei diesem Beispiel wird
die Quelle einer asynchronen Interferenz lokalisiert, die zwar außerhalb
der Datenverbindung selbst aber innerhalb des Computertomographen
liegt. Die Hochfrequenzverbindung zwischen der Sendeeinrichtung
und der Empfangseinrichtung ist sehr empfindlich auf Interferenz
zwischen dem HF-Generator und dem Rotationsmotor oder dem Hochleistungs-Frequenzinverter,
der diesen Motor ansteuert. Zur Identifikation dieser Interferenz
werden die beiden in der 4 dargestellten
Histogramme erstellt, die die Verteilung der Fehler-Burst-Länge sowie
die Verteilung der fehlerfreien Intervalle darstellen. Aus diesen
Histogrammen ist ersichtlich, ob eine asynchrone Interferenz mit
einer systematischen Wiederholrate und -dauer vorhanden ist. In Korrelation
mit der Datenrate und der Fehlerrate wird die Frequenz der asynchronen
Interferenz berechnet. Dies gibt einen ersten Hinweis auf die Quelle
der Interferenz. Anschließend
kann das Servicepersonal durch Gegentests feststellen, ob dieser
Hinweis zutrifft.
-
5 zeigt
ein weiteres Beispiel für
die Auswertung der erhaltenen Fehlerdaten. Bei Computertomographen
können
geometrische Abweichungen der Hochfrequenzantenne aufgrund von Toleranzen Fehler
produzieren, die häufig
an derselben Winkelposition der Gantry auftreten. Die Identifizierung
derartiger Fehler wird durch eine Korrelation der Winkelposition
der Gantry, angegeben durch die Position der an der Gantry befestigten
Röntgenröhre, mit
den aufgetretenen Fehlern vorgenommen. Die 5 zeigt hierbei einen Ausschnitt aus
der gemessenen Gantryposition über
einen bestimmten Zeitraum im Vergleich zum zeitlichen Auftreten
von Fehlern innerhalb dieses Zeitraumes. 6 zeigt ein aus dieser Messung abgeleitetes
Histogramm, das die Anzahl der Fehler in Abhängigkeit von der Gantryposition darstellt.
Zeigt ein derartiges Histogramm einen deutlichen Peak bei einer
bestimmten Gantryposition wie im vorliegenden Beispiel, so ist dies
ein Hinweis auf einen Fehler des Übertragungsringes an dieser
Position.
-
Die 7 und 8 zeigen verschiedene Histogramme
zur Identifikation von Fehlern, die durch Parallel/Seriell- und
Seriell/Parallel-Konverter oder durch Parallelprozessoren hervorgerufen
werden. Für
die Identifikation derartiger Fehler werden im vorliegenden Beispiel
Histogramme aus den Fehlerdaten erstellt, die die Verteilung der
fehlerfreien Intervalllänge
(7) sowie die Anzahl
der Fehler in Abhängigkeit
von der Position der Fehler innerhalb eines 32 Bitwortes (8) darstellen. Wenn bei
den Histogrammen Peaks bei Bitintervallen der Wortlänge der
Datenerfassungseinheit 1 (im vorliegenden Beispiel 16 Bit)
oder des Empfängers
der Bildrekonstruktionseinheit 7 (32 Bit im vorliegenden
Beispiel) auftreten, dann ist dies ein konkreter Hinweis darauf, dass
der Fehler in der entsprechenden Komponente vorliegt. Die 7 gibt hierbei einen Hinweis
auf einen internen Zufallsbitfehler im gleichen Bit innerhalb des
16 Bit-Parallelbusses. 8 gibt
einen Hinweis auf einen internen Fehler an zwei Bitpositionen innerhalb
des 32 Bitwortes.
-
9 zeigt
ein weiteres Beispiel eines Histogramms, das die Anzahl der Fehler
in Abhängigkeit von
der Position des Datenwortes innerhalb des übermittelten Datenpaketes angibt.
Durch dieses Histogramm können
Fehler ermittelt werden, die bei der Parallel-Prozessierung innerhalb
eines Datenpaketes auftreten. Bei der parallelen Prozessierung werden
bei Fehlern nur einige Worte innerhalb eines Datenpaketes falsch
prozessiert. Falls im Histogramm ein Peak an einer bestimmten Wortposition auftritt,
dann deutet dies darauf hin, dass die Fehlerquelle innerhalb des
Parallel-Paket-Prozessors liegt.
-
Durch Erzeugen eines Paketes mit
einem sich wiederholenden Bitmuster durch den Bitmuster-Generator
können
auch Fehler erkannt werden, die durch eine bestimmte Bitkombination
hervorgerufen werden, sog. mustersensitive Fehler. Derartige Fehler
können
durch ein Histogramm, wie es in 9 dargestellt
ist, ebenfalls erkannt werden. Diese Fehler werden in der Regel
durch Fehler in elektronischen Schaltungen verursacht.
-
Das vorliegende Fehleranalysemodul
kann auch die Quelle von Zufallsbitfehlern, die durch schlechtes
Signal-Rauschverhältnis
hervorgerufen werden oder von Fehlern durch externe Interferenzquellen
ermitteln. Hierzu werden Histogramme der Verteilung der Fehler-Burstlänge sowie
der Verteilung der fehlerfreien Intervalle erstellt, wie dies in
den 10 und 11 ersichtlich ist. 10 zeigt hierbei Histogramme,
die auf Zufallsbitfehler hinweisen. In diesem Falle wird die Fehlerverteilung
durch isolierte Bitfehler dominiert, da die Wahrscheinlichkeit von zwei
oder mehr aufeinander folgenden Bitfehlern sehr gering ist. Zusätzlich zeigt
das Histogramm der fehlerfreien Intervalllänge eine rampenförmige Verteilung,
die zusätzlich
auf die Zufälligkeit
der Fehler hinweist. Wenn derartige Zufallsbitfehler detektiert werden,
sind sie in der Regel durch ein schlechtes Signal-Rauschverhältnis in
einem Teil der Übertragungskette
bedingt, die das Niederpegelsignal überträgt. Daher kann dies ein Hinweis
darauf sein, dass das optische Eingangssignal der optischen Empfänger oder
der elektrische Signalpegel am Eingang des HF- Empfängers
unterhalb tolerierbarer Grenzwerte liegt. Durch die visuellen Anzeigen
an den entsprechenden Komponenten, wie sie in 2 dargestellt sind, kann diese Vermutung
zusätzlich
bestätigt
werden.
-
Die Histogramme der 11 geben einen Hinweis auf das Vorhandensein
einer externen Quelle der Interferenz. In diesem Fall deuten die
Histogramme der Verteilung der Fehler-Burstlänge und der fehlerfreien Intervalllänge auf
eine Zufalls-Burstfehlerverteilung hin. Derartige Zufalls-Burstfehler sind
ein Hinweis auf eine natürliche,
externe Interferenz, bspw. durch andere medizinische oder nicht medizinische
Geräte,
die in der Nähe
des Computertomographen betrieben werden.
-
Das vorliegende Datenübertragungssystem stellt
ein integriertes Fehlerüberwachungs-
und Diagnosewerkzeug bereit, mit dem die Qualität der Datenverbindung quantitativ
erfassbar ist, auch wenn sich der Computertomograph im normalen
Betriebsmodus befindet, d. h. während üblicher
Patientenaufnahmen, ohne zusätzliche
Testgeräte
einsetzen zu müssen.
Durch ein integriertes Fehleranalysemodul und den integrierten Bitmuster-Generator kann die Fehlersuche
schneller, einfacher und mit reduzierten Kosten innerhalb der klinischen
Umgebung durchgeführt
werden.