从系统的旋转部分向静止部分传输数据的方法及装置

摘要

在用于从系统的旋转部分向静止部分传送数据的方法和布置中，由彼此相对的静止部分中的光学反射半通道和旋转部分中的光学反射半通形成光传输通道，每个半通道具有抛物形截面，并且半通道取向为使得两个半通道的各个焦点和各个顶点共线。向光发射器提供将要传送的数据，光发射器设置在旋转部分中的半通道壁中，并沿两个相反的方向向光通道内发射表示数据的已调制光。由设置在静止部分半通道壁中的光检测器检测这些光束中的至少一束，然后，检测光束中的数据变得可用，以从静止部分传送。通常在光通道内设置挡光板，以阻挡一束光束，使得通常每次由光检测器检测仅一束光束。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于从产生数据的系统的旋转部分向静止部分传输数据的方法及装置，并且特别涉及这样一种用于传输表示辐射衰减值的数据的方法和装置，该辐射衰减值在相对于静止框架转动活动环的同时在可算式层析成像(CT)装置中获得，其中该数据从静止框架传输至计算机以产生图像。

背景技术

可算式层析成像(CT：computed tomography)系统是一种熟知的成像形式，其中诸如已知的活动环(live ring)或托台(gantry)的旋转部分携带着测量系统围绕旋转轴相对于装置的静止部分旋转。测量系统通常由X射线源和辐射检测器构成。电力从静止部分通常经滑动环(slip ring)供应至旋转部分上的部件，并且旋转部分在X射线测量数据产生并被传输至静止部分的同时持续地旋转。数据通常从静止部分传输至计算机，在计算机中重建了测量系统围绕其旋转的检查对象的图像。

可算式层析成像技术近期的发展是多切片(multi-slice)CT系统，其产生了大量必须在较短时间内在测量系统与图像重建系统之间传输的数据。例如，以最大为120转/分钟旋转的四切片CT系统需要约200MBaud(兆波特)容量的数据链路(data link)。以相同的旋转速度，将切片数量增大至16将需要的传输速率增大至800MBaud。若旋转的更快，传输速率可超过1GBaud。以传统技术实现按此速率在旋转部分与静止部分之间对这些数据的实时传输十分困难。

传统的可算式层析成像系统无需如此高的传输速率，其采用以带状线技术(strip-lined technology)形成的旋转传送天线与相对接近传送天线安装的静止接收天线之间基带传输。例如，在美国专利No.5,140,692中介绍了这样一种系统。在对这种传统布置的变动中，美国专利No.4,794,796和4,796,183介绍了这样一种系统，其中数据经旋转波导从旋转部分传输至精致部分。

由于波长变短并且因此旋转部分与静止部分之间的间隔与四分之一波长可比，这些传统技术越来越难以在数据传输速率达到GHz范围时实施。随着波长变短，对于机械加工的精度和部件对准的要求变得愈加严格，由此增大了总体成本。另外，随着数据速率增大，更加难以解决与限制寄生辐射和提供抗外界干扰能力两者相关的电磁兼容(EMC)问题。

为解决这些与基带传输相关的问题，已采用了已调制光作为替代的传输介质。为此目的而采用已调制光的系统可分为四种类型如下。

在第一种方式中，采用了多个发射向一个或多个静止光接收器传播的交叠光束的旋转光源。例如，美国专利No.4,996,435中公开了一种光学系统，其用于在静止部分与旋转部分之间传输数据，在一个部分上布置有多个光发送器，而在另一部分上设置了单个光接收器。美国专利No.5,229,871公开了一种用于静止部件与旋转部件之间进行数据通信的光学数据链路，以及一种采用了这种光学数据链路的X射线可算式层析成像装置，其中一个或多个传送器与单个接收器配合使用，并且以椭圆反射器使由接收器俘获的光最大化。美国专利No.5,469,488公开了一种X射线可算式层析成像扫描仪，其具有多个光发射元件和一个光接收元件，并以光收集器将光会聚至接收器。

典型的可算式层析成像装置采用具有约1.5m的相对大直径的托台。当在这种可算式层析成像装置中使用时，此第一类型系统的缺点在于，在GBaud范围的数据传输中，位持续时间小于1ns，而空气中信号的传播速度约为3ns/m。这就意味着从旋转部分上的不同传送器传送的信号相对于静止的接收器以各自不同的量延迟，而此差异大于位持续时间，从而导致了模式色散和脉冲展宽。这使得此第一种方式不适合用于在高速下传送数据。

第二种已知方式是与旋转部分一起旋转调制光源，并且侧向地将已调制光耦合入静止光纤环。光接收器轴向地与光纤耦合。

这种方式由德国PS 44 21 616、以及美国专利No.6,043,916例示。在美国专利No.6,043,916中，用单个光发射器传送信息信号，并且接收器是在圆环构造中行进的荧光纤维光学连接器，并且其具有至少一个安装于光纤中或其附近的一个检测器。发射器将信息信号以近似垂直于光纤中心轴的角度射入荧光纤维光学连接器。

此第二种已知方式的缺点是将光侧向耦合入光纤中的效率非常有限。上述荧光光纤材料的使用改善了耦合，然而，荧光效应相对较慢，并且因此限制了光调制速率，并且还限制了最大数据传输速率。实际应用中，该速率被这种荧光纤维限制在约100MBaud。还已知利用具有特殊覆层的塑料(即，非荧光)纤维以允许将要注入纤维的光直接从外部进入光纤的芯。然而，耦合效率仍然很低，并且塑料纤维中光的传播衰变非常高。

在第三种已知方式中，来自旋转光源的调制光以轴向注入旋转光纤环。静止的光接收器检测沿整个纤维长度侧向射出的光。

此项技术的示例在美国专利No.5,535,033中公开，其中光导体由具有透明覆层的光纤束形成，使得光导体对应耦合入光导体的数据信号沿整个纤维长度侧向发射光。

此项技术的另一示例在美国专利No.4,259,584中公开，其中光传导材料环围绕旋转部分的旋转中心弯曲，并且光射至此材料的表面。光在传导环中基本沿其整个长度传播，并且环具有至少一个中断点，其上设置了光接收器。

此第三种已知方式的缺点是信号沿光纤的高衰减，这既是由于芯损失也是因为侧向发射。仅具有暴露的芯的塑料纤维可以使用，使得沿塑料纤维的衰减很高。另外，光衰减由于侧向发射而沿塑料纤维指数地增大。由于这些缺点，此第三种方式不适合考虑用于更高的传输速率。

第四种已知方式是形成空心光通道，其中一半的光通道在旋转部分中，而另一半光通道在静止部分中，两个半通道彼此面对。载有数据的已调制光在光通道的壁间经历几次反射而从光发射器的位置传送至光检测器或接收器的位置。

这种类型的系统在美国专利No.4,555,631中公开，其仅采用了具有镜面内表面的空心筒形式的单个反射表面。光源在空心筒内产生了两束以相反方向朝光接收器环流(circulating)的光，光经历发生在内筒面上的多次反射，直至光束最终经溢出窗口离开圆筒。通过采用光束在圆筒内表面上的尽可能小的掠射角(grazing angle)，这种系统通过使光源与光接收器之间的反射次数最小化而降低光衰减。然而，使用小掠射角意味着从光源射出的光的发射角(launch angle)必须十分接近圆筒表面的切线。这就意味着光在沿圆筒的圆形断面传播时将发生多次反射，直至其到达检测器。这种已知系统的另一缺点在于，依据光源与溢出窗口之间的相对位置，光检测器必须以相对复杂而精确的光学系统为前提，从而捕获从圆筒沿两个方向几乎切向地射出的光。另外，圆筒内的光沿着随同光源一起旋转的多边形的路径行进。因此，多边形路径的顶点相对于捕获窗口在圆筒表面上移动，并且从此窗口射出的光因此而将具有变化的强度以及变化的入射角度，这使得光接收器的结构和电路十分复杂。此外，为了在持续旋转期间于光检测器处捕获足够的光，光束必须具有相对大的直径，这增大了模式发散并导致了脉冲展宽。

采用此第四种方式的另一系统具有带反射内表面并具有矩形截面的弓形空心光传导器。光传导器的一半或一部分与托台的旋转部分一起旋转，而另一部分或另一半则固定至托台的定子。载有数据的光束传送入此传导器，并且穿过传导器的至少一部分传播后，随后从传导器射出。

这种在美国专利No.5,134,639中公开的系统具有几个缺点。公开中没有讨论如何解决由散射和反射产生的损失所导致的接收信号的高动态范围。因此，矩形截面必须非常精确地构造，从而降低光散射。如果没有这样的精确构造，由于光可穿过旋转与静止部分之间的不需要的缝隙反射出空心传导器，因此光衰减很高。因此，这种已知系统使用高度发散的光源(LED)，其增大了光散射，并且由于光束中的光线沿着不同长度的各种不同路径行进，使得其表现出不同的传播时间，因此也增大了模式干涉。因此，这种已知系统的数据传输速率限制在约10MBaud。

另一种布置从德国OS 2 113 690中获知，其中光传导通道由两个相对的半通道形成，一个半通道形成在旋转部分中，而另一个半通道形成在静止部分中。这些各个半通道具有抛物形截面，从而每个抛物形截面都具有焦点。光发射二极管设置在一个抛物形半截面的焦点上，而光检测器设置在另一个半截面的焦点上。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于从系统的旋转部分向静止部分传送数据的方法和布置，其允许精确地以至少200MBaud的数据传输速率传输数据，从而提供了一种适于用于四切片CT系统的方法和布置。

本发明的另一目的在于提供一种方法和布置，其允许精确地以超过1GBaud的数据传输速率传输数据。

上述目的根据本发明的原理，在一种用于从系统的旋转部分向静止部分传送数据的方法和布置中实现，其中用彼此相对的静止部分中的光学反射半通道和旋转部分中的光学反射半通道形成光传输通道，每个半通道具有抛物形截面，并且半通道取向为使得两个半通道的各个焦点和各个顶点共线。为光发射器提供将要传送的数据，光发射器设置在旋转部分中的半通道壁中，并沿两个相反的方向向光通道内发射表示数据的已调制光。由设置在静止部分半通道壁中的光检测器检测这些光束中的至少一束，然后，检测光束中含有的数据变得可用，以从静止部分传送。通常在光通道内设置挡光板以阻挡光束中的一束，使得通常每次由光检测器检测仅一束光束。

优选在光通道内设置至少一个挡光板，使得沿相反方向传播的两束光束中仅一束到达检测器。然而，当光发射器和光检测器彼此相对180°取向时，两束光束都可以到达检测器，检测器处的光强将作为旋转角度的函数逐渐平缓地变化，由此信号电平中的跃变变得平滑。

两个半通道的抛物形截面形状，以及两个半通道焦点和顶点线性对齐的取向，最小化了光散射和由于光从通道经旋转部分与静止部分之间的缝隙逃离所导致的光衰减。两个半通道的镜面化的内壁以及抛物形截面使任何的散射光会聚回传播路径的中央区域。这还可用于由于两个半通道中的表面缺陷引起的光散射。

在实施例中，一个或多个光吸收缝隙位于围绕光通道的各个位置处。选择这些光吸收缝隙的各个位置为等于光传播中不期望模式的各个波长，使得仅确定的光传播模式是允许的。这减少了光检测器的模式散射或脉冲展宽，从而有利于实现更高的数据传输速率。光发射器优选发射不发散光束，例如激光器。光检测器优选形成为光电二极管阵列，具有设置在阵列前的单色滤光片和光导。光发射器设置在开向旋转部分中设置的半通道的壁中的非反射空腔中，而光检测器设置在开向静止部分中设置的半通道的非反射空腔中。

为沿两个方向将光射入光通道中，光发射器具有诸如前述激光器的光源，其发射穿过半透镜的光束，半透镜优选具有50％的透射率，从而使沿相反方向行进的两束强度基本相等的光束射入光通道内。

附图说明

图1示意地示出其中可结合根据所发明的方法操作的创造性的数据传输布置的可算式层析成像装置的基本部件；

图2为沿垂直于托台旋转部分的旋转方向的平面截取的、穿过图1中所示系统中的托台的截面图；

图3为穿过图1系统中的托台的侧截面图，其示出了根据本发明的光发射器的实施例；

图4为穿过图1系统中的托台的侧截面图，其示出了根据本发明的光检测器的实施例；

图5示意地示出了根据本发明的托台的旋转部分和静止部分，其示出了光束在其间的光通道中传播的方式；

图6为图1的托台的侧截面图，其示出了根据本发明的光发射器的另一实施例；以及

图7为穿过图1系统中的托台的侧截面图，其示出了光吸收器间隙的布置如何选择在光通道内准许传播的光传播模式。

具体实施方式

已知可算式层析成像(CT)系统的基本部件在图1中示出。该系统具有从焦点11发射X射线束的X射线源1。图1中示出了X射线束的边缘2。X射线束穿过置于检查空间6中的患者台5上的患者4后，打在辐射接收器或检测器3上。由辐射接收器3按已知方式产生的衰减值被提供给计算机7，计算机7同样按已知方式从中重建出患者4的图像，显示在监视器8上。

在获得衰减值的同时，由X射线源1和辐射接收器3形成的测量系统围绕旋转轴10旋转(旋转轴10在图1的实施例中还是系统轴)。为此目的，X射线源1和辐射接收器3安装在托台14上由驱动单元15驱动的旋转部分12上(见图2)。旋转部分12相对于托台的静止部分13(见图2)旋转，静止部分具有数据输出部，在扫描患者4期间，衰减值持续地抵达该数据输出部，以实时地供给计算机7。

辐射接收器3包括多行检测器单元，从而形成用于多切片检查的多行检测器。如上所述，在此种多切片检查中，当旋转部分12以120转/分钟旋转时，数据以约200MBaud的传输速率产生。为按此以及更高的传输速率传送数据，在图1所示的系统中采用根据本发明构造并操作的布置，如图2、3和4所示。

如图2所示，旋转部分12在球轴承14上相对于静止部分13旋转，而在旋转部分12与静止部分13之间形成光通道16。此光通道16由静止部分13中的半通道16a和旋转部分12中的半通道16b形成。每个半通道16a和16b具有带有焦点的抛物形截面，并且每个半通道16a和16b还具有顶点。半通道16a和16b的各个焦点和顶点共线，即，它们全设置在直线L上。在图2所示的实施例中，半通道16a和16b彼此关联地设置，使得它们的各自的焦点在指定的点FP重合，然而，这种焦点重合不是必须的；仅须使各个焦点共线，并使各个顶点共线。

图3中示出了发射基本不发散的光17的光发射器的实施例。在此实施例中，光源为激光器18，并设置在侧壁涂覆有非反射材料的空腔19中。激光器18由合适的电路(未示出)连接至辐射接收器的输出部，使得所发射的光17依据辐射接收器3的输出的信息内容调制。通过在半通道16a和16b的表面多次反射，从激光器18发射的光17在光通道16中沿着两个相反的方向传播。由设置在从激光器18发射的光的通路中的半透镜20产生指向相反方向的光束。半透镜20优选具有50％的反射率，从而产生了方向相反的近似相等强度的光束。

图3还示出了光吸收器缝隙21，其目的将在下面详细描述。

图4示出了设置在静止部分13中的光检测器的实施例。在此实施例中，由光电检测器阵列22形成光检测器，其前面有调谐到由激光器18发射的光17的波长的单色滤光片和光导23。滤光片和光导23以及光电检测器阵列22设置在侧壁涂覆有光吸收材料的空腔24中。

光在根据本发明的光通道16中传播的基本路径在图5中示意地示出，其中还示意地示出了光发射器26和光检测器27。光发射器26与光检测器27之间的光束的路径以28表示。由图5可见，尽管光从光发射器26以相反的方向射出，仅逆时针行进的光束28到达了光检测器27。挡光板25防止了另一光束到达光检测器27。随着旋转部分12相对于静止部分13旋转，因此，对于绝大多数的部分，光束射出的两束光束中仅一束将到达光检测器27。当光发射器26和光检测器27在旋转期间正好彼此以180°取向时，两束光都可达到光检测器27，但由于光在此取向下沿两个方向上穿过相同的距离传播，因此信号电平中的跃变将被抹平。

如上所述，为了最小化模式发散，所采用的光源具有很小的初始发散，而光通道16的抛物截面形状通过使任何可能出现的散射束朝向抛物面的焦点反射回去而使光散射最小化来控制传播路径。

为进一步最小化模式发散，多个光吸收缝隙21位于光通道16周围，要么在静止部分13上(如图3所示)，要么在旋转部分12(如图6和7所示)。光吸收缝隙21根据光17的不需要的传播模式的波长而位于各个位置上，使得以那些模式传播的光由光吸收缝隙21吸收。进而保留期望的模式，使得模式发散得到控制。

光电检测器阵列22可以是雪崩光电二极管的二维阵列，并联至限制/AGC放大器的输入。此放大器的增益为自动调整的，从而使输出信号与标准P-ECL(正射极耦合电路)电平的峰对峰值匹配。增益控制电路的时间常数设定为大到足以容纳位流中连续的0和1的长序列，但是小到足以追踪由于旋转导致的信号幅度的变化。使用已知的调制方法以传统的托台旋转速率，来提供DC平衡，这很容易实现。

可以向挡光板25的自由边缘提供刷毛(bristle)，从而去除可能积累在通道16内的灰尘。如图2所示，尽管缝隙必须不可避免地存在于旋转部分12与静止部分13之间，可在此缝隙的外部开口处设置盖子，从而帮助缝隙不会积存碎屑。

尽管本领域技术人员可建议各种改动和变化，发明人的意图在于在以上的授权专利内包括在本发明的范围内合理并恰当地得到的所有的变化和改动。