CT技术发展中数据传输方式的探讨

2011-01-31李正祥葛建新

中国医学装备 2011年11期

李正祥葛建新

随着现代科学技术的发展，医用CT技术也有了新的发展。自从1998年四家大医疗公司公司同时推出4排螺旋CT以后，仅仅数年就发展到16排，64排。现在，最宽的320排CT也于数年前问世。CT主要部件的技术参数都有了明显的提高和改进，X线管构造及热容量的提高、扫描架旋转方式的改变及速度加快、数据传输方式的变化带来的传输速率倍增。图像CT透视、心脏扫描、各种后处理功能也在不断完善，不仅为临床诊断与治疗提供了更加详尽的影像信息，也对如何应用多层CT的特点也提出了挑战。因此，了解数据采集系统(DAS)的数据传输尤为重要。

1 双绞线传输

20世纪80年代的CT扫描是来复式运动，旋转一周为4～5 s，高压电缆、控制信号线、电源线以及数据线都在扫描架中的旋转槽中，探测器的扫描数据经AD转换，变成数字信号再由双绞线直接传送给图像处理柜。在无数的来复运动中，双绞线经常会因碾压而发生中断或短路，引发数据传输故障。

每次扫描机架旋转都是起动→加速→匀速(采样)→减速→停止。这就使得扫描必须是顺时针、反时针交替转动，即停止→运行的扫描方式，从而限制了扫描速度，扫描时间较长，对不合作的患者及危重患者极为不利，导致运动伪影明显，图像质量差；特别是对于强化效果的影响明显，由于须反复屏气才能完成扫描，胸腹部的图像质量不能保证，因屏气深浅不一而常造成重复或漏扫描。

2 碳刷传输

20世纪90年代后期螺旋CT诞生了，解决了上述问题。采用滑环，X线管可以只沿着一个方向连续快速旋转。螺旋CT包括两方面的基本内容∶①X线管及探测器连续3600旋转；②患者同时随检查床匀速推进完成扫描。如此扫描一段时间，其结果为X线焦点相对患者来说做螺旋式或蜗牛一样的运动，收集到的这一范围内的全部扫描数据，用线性内插法重建图像。因此，螺旋扫描技术不再是对人体某一层面所采集的数据，而是一种体积扫描，故又称为螺旋体积扫描。

从90年代开始的螺旋CT，以碳刷传输为主，特别是单排螺旋，更是如此。滑环一般分电源供电滑环和控制信号滑环，这些供电和信号传输依靠滑环的不同滑道来区分，电源滑环是由控制部件的交流供电和高压发生器前级的高压直流供电两部份组成，信号滑环分为控制数据采集及高压的输入信号和输出的CT扫描原始数据两部分，螺旋CT滑环系统的电刷采用的是碳刷，由于滑环的高速旋转以及大电流、高频率信号的共同作用，滑环和碳刷的接触面极易产生氧化、变脏和磨擦变形等变化。碳刷与金属滑环长期摩擦会形成碳粉尘附着在碳刷上，而碳粉积累到一定程度就会产生信号短路，使滑环的接触性能变差，从而导致电源供电和控制信号传输故障，引起扫描中断、丢失图像和机器掉电等。另外，碳刷与金属滑环长期摩擦会导致在碳刷的摩擦面形成氧化膜，增加接触电阻，影响导电性，致使信号传输不稳定，也会引发上述故障。由于碳粉造成电源短路或信号紊乱的现象常有报道，因此定期做好滑环系统的维护工作，对机器的正常运转及保持较高的开机率非常重要。

3 射频耦合传输

随着多排CT的发展，采集的原始数据量成倍增加，碳刷传输数据的速度和可靠性已经不能满足需求，早期的多层螺旋CT采集数据的传输依靠碳刷，但是由于碳刷在滑动过程中与滑环摩擦所产生的碳粉，会夹在碳刷与滑环之间产生噪声，降低了信噪比而影响图像质量。为弥补这个不足，4排螺旋CT有许多新型机器采用了射频传输方式，采用特殊的传输频率避免外界射频的影响，不仅进一步提高了传输的保真程度，而且极大地提高了传输速度。

16排CT及更多排CT的重大改革之一就是探测器与DAS的匹配(更好的解决了采集通道瓶颈)。4排CT由于只有4套通道，如果扫描时采用较厚的层厚，扫描完后不可能再重建出薄层厚。例如4排8 mm层厚，扫描后不可能再获得2 mm层厚的图像；以西门子16排CT为例，其探测器有一套独立的DAS，如果采用0.75 mm探测器扫描，扫描后可以选择任意层厚重建图像，如果对第一次重建图像不满意，可以选择用最薄0.75 mm层厚重建出一组新的图像。把扫描和图像重建分开处理，可更加灵活地多次处理图像，不必重新扫描。并且每次扫描时的数据需要成倍增加，因此必须提高数据传输速率。

在GE16排CT中，LAN电缆线提供控制台计算机和静态扫描架之间的通信，滑环允许TGP板和旋转组件之间的双向数据传输。控制环以2.5 Mbaud的速率传输数据系统使用一个HSDCD环和9个滑环，其中5个提供AC和DC电源及地；1个提供HV子系统的互锁信号；3个提供静态和动态组件之间的通信，即高压和数据采集的控制信号；返回的通信应答信号、滑环通信连接像TGP和ORP之间的子网络，承载数据流内的DAS触发信号和曝光命令信号，控制和状态信息利用3个滑环沿高速串行连接从旋转接口双向传输。一个向外，另一个向内，均使用隔离环作为信号参考。极好地抑制了噪音，碳刷在可导性滑环材料上，提供对静态器件的连接，每一个滑环背后的螺丝连接了旋转器件，由TGP和ORP板提供串行连接控制和信号的多路转换，这些板上的指示灯显示了数据通路的通信状态。

扫描数据从旋转器件到静态器件，通过HSDCD环最后到达重建子系统，非接触通路开始于滑环结构的HSDCD发射器，静态边信号获取是由耦合到一起的天线和接收器完成，HSDCD环和天线形成电容的两个极，光纤耦合连接而产生发射器输入和接收器输出，在这个通路中，使用前向校正错误以保证极高的数据稳定性。

射频耦合器安装在滑环的上方，与转动方向相切，以保证耦合距离不变，从而使数据耦合具有极高的稳定性，通常灰尘不会影响射频的传播。保养维修时，只要注意观察接收器的角度在CT的高速转动中有无发生变化即可，其微小的角度改变，将会引起原始数据传输的中断。

4 光耦合传输

4.1 红外线传输

红外线是可视红光光谱之外的不可视光，也是光的一种，同样具有光的特性。红外线光会从电灯发出，也可从太阳光发出。例如，低速红外线应用在电视机、录像机、音响等遥控器上，这些遥控器将特定的讯号编码透过红外线通讯技术送出，而设置在电视上的红外线接收器收到编码之后，将其进行译码而得到原来的讯号；低速红外线其传输速率在每秒115.2 Kbits，高速红外线传输速率在每秒1～4 Mbits。

红外线传输随着螺旋CT扫描速度的不断提高和层厚的不断增加，需要传输的CT扫描数据越来越多。碳刷这种方式的传输速度由于可靠性差，维护周期短，寿命短，目前已不再采用。目前大型CT所使用的数据传输方式为光耦合。例如东芝CT采用光的传输方式(MUDAT)，飞利浦64排CT的多路红外线传输等。

4.2 MUDAT的原理

MUDAT分为旋转单元和固定单元两部分，并以光的形式在它们之间传送所有数据。由于光是一种传输媒介，它的传送速度远高于机架的旋转速度，从而保证了机架旋转时数据能正确的在二者之间传送和接受。当数据从旋转部分向固定部分传送时，来自于OPCONTM板的串行数据(包括原始数据和控制数据)在旋转部分被转化为光信号传送到固定部分，在固定部分被接受到的光信号被接受单元又还原为电信号并送达GCIFM板处理。当数据从固定部分向旋转部分传送时，来自于GCIFM板的串行数据(实质为控制信号)在固定部分被转换为光信号并传送到旋转部分。在旋转部分被接受到的光信号被接受单元又还原为电信号并送达OPCONTM板处理。传送数据的光为红外光，肉眼可见淡淡的红色。在数据传送的过程中(双向)，OPCONTM与GCIFM时时检测是否有传输错误的发生。OPCONTM板检测是否有包括SOTROT ERR在内的多种错误发生，同时把错误信息发给GCIFM板；GCIFM板检测是否有包括ROTSOT ERR在内的多种发生。

4.3 飞利浦64排螺旋CT的原始数据传输

飞利浦64排CT的原始数据传输结构如图1所示，扫描数据经电光转换后送到红外线发射器上，16个红外线发射器分成4组，4个红外线接收器收到的信号是一样的，在集成比较后输出，保证了数据的可靠性。4组数据在接受部分传送到主计算机进行图像处理。由于在每个光路节点都是红外线传输，光路的整洁就很重要，一定要定期清洁维护，保证光路的畅通。发射和接受器件的位置是固定好的，一般不会发射和变化，维护时仔细检查有无灰尘或其他杂物的妨碍、挡住光线即可。