集成错误监控和诊断工具的数据传输系统及方法 【技术领域】
本发明涉及一种数据传输系统以及一种用于在计算机断层造影或可以进行断层造影的X射线设备中监控数据传输的方法，该数据传输系统具有数据采集单元，其中采集测量数据、转换为比特流，并发送到计算机断层造影设备或X射线设备的旋转部件的发送装置上，将比特流从该发送装置传送到计算机断层造影设备或X射线设备的固定部件上，所述数据传输系统还在该固定部件上具有接收装置，其从发送装置接收比特流并传送到图像再现单元，由该图像再现单元对接收装置传送的比特流进行再处理以便图像再现。
背景技术
在成像医疗技术中，经常采用计算机断层造影设备，其中同时采集非常大量的测量数据，发送到图像再现单元，并为了再现所期望的图像对该数据进行再处理。为此所需的数据传输系统必须一方面根据每时间单位积累的大量测量数据而能进行高速传输，另一方面必须保证，在计算机断层造影设备的围绕固定部件旋转的部件、即支架之间进行尽可能无干扰的传输。对于C弧形X射线设备也有类似的要求。这种或其它可以进行断层造影的X射线设备在下面都纳入概念“计算机断层造影设备”中。
对于在旋转和固定部件之间的数据传输有不同的公知技术。
这些公知技术可以根据电容耦合和光耦合在传输技术中进行划分。在通过电容耦合传输时，信号从一个安装在旋转部件上的发送器传送到一个设置在固定部件上地天线。DE10007601A1描述了这样一种用于数据传输的装置，其中波导管用作发送器。为了进行数据传输，将数据调制到一个载波信号上并耦合到该波导管中。一个以几何学上确定的方式相对于波导管设置的天线无接触地接收该载波信号，从而在解调该载波信号之后将数据提供在固定部件上。在上述应用中，波导管沿着C弧形X射线设备的C弧形的轮廓安装，而天线安装在该C弧形的支架上。
US5140696A描述了一种用于在相对移动的部件之间进行信号传输的装置，尤其是在计算机断层造影设备中，其中一个圆形的带状导线作为发送器设置在支架的轮廓上，一个带状导线的较短的一段作为接收器设置在直接位于发送导线附近的固定部件上。数据传输按照与前面提到的出版物中相同的方式进行。
在通过光耦合进行信号传输时，通过光学接口进行数据传输。US4259584A描述了这样一种用于信号传输的装置，尤其适用于计算机断层造影设备，其中在固定部件上安装了一个由光波导体制成的、围绕旋转中心的环，在该环的输出耦合位置设置了一个解调器。在旋转部件上，在该光波导体对面安装了一个光源，用待传输的数据对该光源的强度进行调制。在相对运动期间，所调制的光信号由于该几何上的结构始终耦合到光波导体环中，并由通过解调提取出数据的解调器接收。
US5535033A展示了一种信号传输装置，其中在计算机断层造影设备的旋转部件上安装了一个由光导材料制成的环作为发送装置的一部分，该发送装置将输入耦合的光也垂直于其纵向轴辐射出去。待传送的数据通过对光源的调制耦合到环中，并通过光电检测器接收到固定部件上。这里，通过发送装置的环形布置，也可以在几乎每个旋转周期内通过接收器接收数据。
与所采用的数据传输技术无关，计算机断层造影设备具有一个数据采集单元，其将由多个探测器信道获得的测量数据转换为一般串行的比特流，并将该比特流传送到支架上的发送装置中。该发送装置将串行的比特流传送到计算机断层造影设备的固定部件的接收装置中，该接收装置又将该比特流传递到图像再现单元中，在那里一般首先将该比特流多路复用，接着进行再处理以便图像再现。在数据采集单元和图像再现单元之间的数据连接由于大量参与的部件而相对复杂，从而可能很难诊断出可能出现的传输错误。这一方面关系到系统的设计和集成阶段以及制造阶段，其中难以检查数据连接的质量，也难以鉴别在数据传输链内存在的灵敏的点。另一方面，在临床环境下出现数据传输错误时，维护人员很难发现在数据链中的故障部件，而且为此要花费大量的时间和金钱。由于支架在计算机断层造影设备运行期间不断旋转，从而无法将测试设备耦合到作为数据源的数据采集单元上，因此，难以在计算机断层造影中进行数据传输测试。
对于数据连接质量的测试公知有，通信技术中误码率(BER)的采集和处理，该误码率给出了在预先给定的时间间隔内总共发送的比特数中的错误传输的比特数。在此，对于数据传输系统的测试，提供了用于确定误码率的特定测量装置，其也公知为BERT(误码率测试器)系统。该测试系统包括一个比特模式发生器，其通过数据传输系统发送预先定义的比特序列，以及一个错误分析单元，其分析所传输的比特序列。通过比特模式发生器和错误分析单元之间的直接连接发送一个基准脉冲，以便正确读取所获得的比特序列。图3示例性地示出了这种用于测试数据传输系统26的测试系统22，其具有比特模式发生器23和错误分析单元24。错误分析单元可以对数据传输期间的错误数进行采集，对错误进行分类以及确定错误比特在数据流中的位置，从而可以从该数据中推断出引起错误的原因。这种错误分析的例子可以参见出版物G.M.Foster und T.Waschura，“Beyond BitError Ratio-Gain New Insight from Studying Error Distributions”，AgilentTechnologies Technical Paper.Literature No.5988-8037EN，September 26，20022002 Agilent Technologies，http：//literature.agilent.com/litweb/pdf/5988-8037EN.pdf，以及“An Introduction to Error Location Analysis-Are all yourerrors truly random？”，Agilent Technologies Application Note 1550-2，LiteratureNo.5980-0648E，April 2000。
但是，这种公知的测试系统不能在计算机断层造影设备中采用，因为作为数据源的数据采集单元和作为数据接收器的图像再现单元处于相对连续旋转中。然而，多数可用的测试系统在同一机壳中包括比特模式发生器和错误分析单元，从而不可能物理分离。即使比特模式发生器分开设置，由于占据空间的比例很小以及机械平衡的干扰也几乎不能将其另外安装在旋转的支架上。此外，在计算机断层造影设备中，在旋转部件和固定部件之间只存在一条唯一的高速连接，从而没有分开的连接供传输基准脉冲使用。另一个问题在于计算机断层造影设备中的复杂传输链，其中首先将并行的数据流转换为串行的比特流，对该数据进行编码以便将脉冲信号集成到数据流中，在连续旋转部件和固定部件之间传输串行比特流，提取出所包含的脉冲信号以便用提取出的脉冲信号扫描该数据，最后将串行数据流重新转换为并行字。为了检查这种传输链需要并行的测试系统，这很耗费金钱，而且需要与测试系统的复杂接口。
因此，目前在临床环境下在计算机断层造影设备中出现数据传输错误时，只能由维护人员一个接一个地更换各部件，以便找到错误原因。但是，这种“试验和错误”技术耗费大量时间和金钱，因为所有可更换的部件必须保持可用。此外，如果是由外部引起的错误原因，例如由于在外部干扰源和计算机断层造影设备的发送装置与接收装置间的传输之间的干扰而出现的错误，则该技术就毫无用处。
【发明内容】
基于这样的现有技术，本发明要解决的技术问题是，提供一种数据传输系统以及一种用于监控计算机断层造影设备中数据传输的方法，利用该方法可以简化错误识别和错误分析。
本发明的用于在计算机断层造影设备中进行数据传输的数据传输系统按公知方式包括数据采集单元，其中采集测量数据，转换为比特流并传送到计算机断层造影设备的旋转部件上的发送装置中，由该发送装置将比特流传送到计算机断层造影设备的固定部件上，所述数据传输系统还在该固定部件上具有接收装置，其接收来自发送装置的比特流并发送到图像再现单元，该图像再现单元对接收装置传送的比特流进行再处理以便图像再现。在本发明的数据传输系统中，至少发送装置和接收装置各包括一个错误识别模块，该模块检查比特流的错误并向错误处理器通知已知错误，该错误处理器确定识别出的错误的数量和持续时间或数量和比率或数量、持续时间和比率，并存储在日志文件中用于处理。对错误的检查实时地在计算机断层造影正常运行期间进行，从而随时都可以通过查看日志文件来检查数据传输链的当前状态。在本发明的数据传输系统及其方法的一个特别实施方式中，在错误率、错误数量和/或错误持续时间超过预先给定的阈值时，产生警告消息。优选的，图像再现单元也包含这种错误识别模块，并在日志文件中存储识别出的错误及其数量和比率和/或持续时间。
通过在数据传输链的不同位置分开采集比特流中的错误，可以随时在错误出现时识别，在哪个传输分支上出现了错误。这为维护人员显著简化了对引起错误原因的查找。通过提供日志文件的远程访问，例如通过连接的网络或互联网，可以通过这种方式实现远程诊断，或者维护人员在到达之前就已经可以对待实施的进一步测试作出针对性的准备。
在该数据传输系统及其方法的优选实施方式中，错误识别基于对与比特流中的数据一起传输的CRC代码的检查。该CRC代码表示所属数据字的署名，从而通过偏差的署名识别传输错误。在另一结构中，作为另一种选择或另外从比特流中恢复脉冲信号。如果这不可能，则表示出现了错误。最后还可以检查比特流的信号强度所达到的高度。
在本发明的数据传输系统的一个特别优选的实施方式中，数据采集单元包括比特模式发生器，其通过维护人员的输入产生可以选择预定或可以预定的比特模式，该比特模式在数据采集单元中转换为串行比特流，并按与测量数据相同的方式传送到图像再现单元。通过这种方式，维护人员可以借助集成在图像再现单元中的错误分析模块实施针对性的测试，以便找到引起错误的原因。在此产生的比特模式以及可实施的处理步骤由本文开头提到的现有技术公开，可以在此按照相同方式应用。但是，本发明的数据传输系统及其方法不需要采用外部测试系统，从而避免其中出现的问题。在该优选实施方式中，错误分析单元确定误码率，以便在误码率超过可预先给定的阈值时进行其它处理步骤。在此，错误分析模块可以构造为用于检测系统的比特错误和突发错误(Burstfehler)，用于检测随机的比特错误和突发错误，或者也用于错误校正分析，以检测涉及位置或模式的错误。
在本发明的数据传输系统的另一优选实施方式中，每个错误识别模块都配置了一个可视化显示器，可以显示对错误的识别。这样，这种显示器例如按照一个或多个发光二极管的形式设置在计算机断层造影设备的各错误识别模块区域，即发送装置区域、接收装置区域以及可能时图像再现单元区域中，这些发光二极管在出现错误时相应点亮。通过可视化显示器的本地设置，可以立即看见哪个传输分支上出现了错误。当然，这种可视化显示器可以置入计算机断层造影设备的使用者的监视器。
【附图说明】
下面，借助结合附图的实施方式再次示例性地说明本发明的数据传输系统及其方法。在此示出了：
图1是本发明的数据传输系统结构的例子；
图2是在本发明的数据传输系统的传输链内的可视化显示器例子；
图3是公知的BERT系统的例子；
图4是基于识别的错误的直方图的例子；
图5是出现与支架位置相关的错误的例子；
图6是显示与支架位置相关的错误的直方图例子；
图7是无错误时间间隔的分布的直方图例子；
图8是取决于一个字内错误位置的错误数的直方图例子；
图9是取决于一个数据分组内错误字的位置的错误数的直方图例子；
图10是突发错误长度(Burstlaenge)以及无错误的时间间隔的分布直方图的例子；
图11是突发错误长度分布以及无错误的时间间隔数的另一个直方图例子。
【具体实施方式】
在下面的例子中，涉及一个具体的计算机断层造影设备的数据传输系统，其中借助形成发送天线的所谓集电环，通过高频连接在旋转部件和固定部件之间进行传输。这当然只是一个这种数据传输系统的特定实施方式。本发明也可以在旋转部件和固定部件之间采用许多其它传输技术，例如光传输技术或接触的传输技术，以及具有多重并行或分段的集电环。
图1首先以高度示意图的方式示出了计算机断层造影设备的一部分，具有固定部件5以及在该固定部件上旋转的支架4，其上设置了未示出的X射线管以及设置在其对面的探测器组17。由探测器组17的各探测器信道获得的电压信号由数据采集单元1用并行/串行转换器转换为串行比特流，并用电光变换器作为光比特流通过光波导体20传送到发送装置2。发送装置2包括一个光电变换器以及一个高频输出，通过该高频输出将串行比特流作为高频信号用集成的发送天线输入传输环13中。旋转支架4的高频信号由安装在固定部件5上的接收装置3通过一个接收天线14接收，通过一个电光变换器转换为光比特流，并通过光波导体20传送到图像再现单元7。在此，图像再现单元7包括一个光电变换器以及一个串行/并行转换器，用于将所获得的串行数据转换为并行数据，对该数据以公知方式进行再处理以便图像再现。
对于本发明的数据传输系统，在该例中另外在数据采集单元1中集成了一个比特模式发生器11。通过将该比特模式发生器11实现在数据采集单元1中，避免了采用一个外部测试系统。由此，该比特模式发生器11供测试人员随时在计算机断层造影设备现场使用。该集成发生器的优点还在于，由此可以直接测试数据连接的并行/串行分段、串行/并行分段和并行分段。该比特模式发生器由维护人员通过在图像再现单元上运行的软件程序配置和启动，以便产生一个可选择预先给定或可预先给定的测试比特模式。该测试比特模式在数据采集单元1中转换为串行比特流，并通过传输链传送到图像再现单元7。在那里，该比特流和计算机断层造影设备正常运行期间的测试数据一样，存储在一个存储器中。图像再现单元7包括一个按照软件模块形式的错误分析模块12，其将所获得或所存储的数据按照公知方式处理，以便通过确定误码率定量地预测数据连接在计算机断层造影设备不同运行模式下的质量。如果所获得的误码率超过预先给定的阈值，则按照公知方式处理所获得的比特模式，以便对错误进行分类。对该接收的比特模式的处理例子将在下面的实施方式中再次详细解释。处理结果通过可用的、与计算机15的接口传送给使用者。
在该数据传输系统的实施方式中，在正常运行期间实时地监控沿着数据连接的串行比特流以及信号强度，并将所出现的错误的数量和持续时间存储在计算机15的日志文件10中。日志文件可以由维护人员通过远程访问16、例如通过互联网查询，从而维护人员在到达之前就已经获得大量关于错误位置和可能需要的更换部件的信息。对于该实时的错误监控，发送装置2、接收装置3以及图像再现单元7分别包含一个错误识别模块8，其检查各接收比特流的错误。这是基于由数据采集单元添加到串行比特流的数据中的CRC代码进行的。一般在图像再现单元中检查该CRC代码的正确性。如果发生偏差，则将有关数据分组标记为发生错误的数据分组。错误分组的数量与所发送分组的总数的关系可以作为衡量数据连接的质量的度量。如果错误数据分组的数量超过一个预先给定的值，则产生一条警告消息。按照相同的方式，发送装置2以及接收装置3的错误识别模块8检查串行比特流，并向设置在旋转部件上的错误处理器9a和设置在固定部件5上的错误处理器9b通知错误。该错误处理器9a和9b计算错误数以及各错误的持续时间。如果这些值超过或低于预先给定的界限，则同样产生警告消息。错误数以及错误持续时间由错误处理器9a、9b分别存储在日志文件10中。除了错误识别之外，错误模块8还采集到达发送装置2的光信号、到达接收装置3的高频信号以及到达图像再现单元7的光信号的信号强度。此外，当然也可以检查其它参数，例如对恢复包含在串行数据流中的脉冲信号的可能性进行检查。
图2按照高度示意图的形式示出本发明的数据传输系统的一个实施方式，其中采用可视化显示器18用于显示各错误识别模块8的状态。由数据采集单元1产生的串行比特流通过光波导体20传送到发送装置2，在其中错误识别模块检查串行比特流的信号强度以及错误。在该发送装置2上，设置了具有多个发光二极管19的可视化显示器18，通过点亮二极管显示足够的信号强度、电源的可用性以及出现的错误。按照相同的方式，在接收装置3上也设置了这种可视化显示器18，其相应地检查通过高频连接21接收的串行比特流。同样适用于在图像再现单元7上的可视化显示器18，如图中所示。通过可视化显示器的设置，可以立即看见错误状态而无需访问系统。这节省了测试人员的时间，并避免在确定粗略错误时实施完整的测试序列的必要性。
图像再现单元的错误分析模块12实现为软件模块，其根据确定的预定参数分析图像再现单元7获得的或从日志文件10调用的数据，尤其是查找在串行比特流中的错误位置并对错误进行分类。在计算机断层造影的数据连接中的比特错误可以由不同的错误源引起。对错误源的认识很重要，以便能控制维护行为。这样，例如这是很重要的，即区分引起错误的原因是在于数据连接的缺陷部件还是通过干扰源的增加的干扰引起的，所述干扰源位于CT系统外部或CT系统内部。
图4示出了一个从日志文件获得错误数据或通过处理传送的预定比特模式获得错误的进行分析的例子。在该例中，查找一个异步干扰源的位置，该干扰源虽然在数据连接本身之外，但位于计算机断层造影设备内。在发送装置和接收装置之间的高频连接对高频发生器和旋转电机或控制该电机的高功率-频率反转器之间的干扰非常敏感。为了鉴别该干扰，产生在图4中示出的两个直方图，其显示了突发错误长度(Fehler-Burst-Laenge)的分布，以及没有错误的时间间隔的分布。由该直方图可以看见，是否具有与系统重复率和重复持续时间的异步干扰。在该数据率和错误率的关联中计算异步干扰的频率。这给出了关于干扰源的第一提示。接着维护人员可以通过反测试确定，该提示是否正确。
图5示出了处理所获得错误数据的另一个例子。对于计算机断层造影设备，可以由于容差产生在几何上偏离高频天线的错误，该错误通常出现在支架的同一角位置。鉴别这种错误要通过支架的角位置与出现的错误的关联进行，其中支架的角位置由安装在支架上的X射线管的位置给定。在此，图5示出了在一确定时间区域上所测量的支架位置与该时间区域中出现的错误相比较的一段。图6示出了根据该测量导出的直方图，其表示取决于支架位置的错误数。如果这种直方图在该例中的确定支架位置时具有一个明显的尖峰，则说明在该位置传输环出现了错误。
图7和8示出了不同的直方图，用于鉴别由并行/串行变换器和串行/并行变换器或由并行处理器引起的错误。对于这种错误的鉴别，在该例中从错误数据中产生直方图，其显示了没有错误的时间间隔长度的分布(图7)，以及取决于在一个32比特字内错误位置的错误数量(图8)。如果在直方图中，在数据采集单元1的字长(在本例中是16位)或图像再现单元7的接收器的字长(在本例中是32位)的比特间隔中出现尖峰，则这具体提示了在相应的部件中存在错误。在此，图7给出了在16位的并行总线内在同一比特中出现内部随机比特错误的提示。图8给出了在32比特字内在两个比特位置处出现内部错误的提示。
图9示出一个直方图的另一例子，其给出取决于在所传送的数据分组内数据字位置的错误数量。通过该直方图可以确定在并行处理时出现在一个数据分组内的错误。在并行处理时，出现错误时只错误地处理一个数据分组内的几个字。如果在直方图中在一个确定的字位置出现尖峰，则说明错误源就在该并行分组处理器内。
通过用比特模式发生器产生的重复的比特模式产生一个分组，也可以识别由确定的比特组合引起的错误，即所谓的对模式敏感的错误。这种错误同样可以通过一个如图9所示的直方图识别。该错误一般由电路中的故障引起。
本发明的错误分析模块也可以确定由较差的信噪比引起的随机比特错误或者由外部干扰源引起的错误的源头。为此，产生突发错误长度分布以及没有错误的时间间隔分布的直方图，如图10和11所示。在此，图10示出说明随机比特错误的直方图。在这种情况下，由孤立的比特错误支配错误分布，因为两个或多个相互跟随的比特错误的概率很小。另外，无错误的时间间隔长度的直方图示出了一个斜坡形分布，其另外说明错误的随机性。如果检测到这种随机比特错误，则这些错误一般是由一部分传送低电平信号的传输链中较差的信噪比引起的。因此，这说明光接收器的光输入信号或在高频接收器的输入端的电信号电平在能容许的边界值之下。通过对应部件上的可视化显示器可以另外证明这种猜测，如图2所示。
图11的直方图给出是否具有外部干扰源的提示。在这种情况下，这些突发错误长度分布以及无错误的时间间隔长度分布的直方图表示随机突发错误分布。这种随机突发错误表明自然的外部干扰，例如由在计算机断层造影设备附近运行的其它医疗或非医疗仪器引起的。
本发明的数据传输系统提供一种集成的错误监控和诊断工具，即使计算机断层造影设备在正常运行模式下运行，也就是在通常的患者拍摄期间也可以定量地获得数据连接的质量，而无需采用额外的测试仪器。通过集成的错误分析模块和集成的比特模式发生器，可以更快、更简单和更低廉地在临床环境中进行错误的查找。