CT技術(shù)發(fā)展中數(shù)據(jù)傳輸方式的探討

李正祥 葛建新

隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，醫(yī)用CT技術(shù)也有了新的發(fā)展。自從1998年四家大醫(yī)療公司公司同時推出4排螺旋CT以后，僅僅數(shù)年就發(fā)展到16排，64排。現(xiàn)在，最寬的320排CT也于數(shù)年前問世。CT主要部件的技術(shù)參數(shù)都有了明顯的提高和改進，X線管構(gòu)造及熱容量的提高、掃描架旋轉(zhuǎn)方式的改變及速度加快、數(shù)據(jù)傳輸方式的變化帶來的傳輸速率倍增。圖像CT透視、心臟掃描、各種后處理功能也在不斷完善，不僅為臨床診斷與治療提供了更加詳盡的影像信息，也對如何應用多層CT的特點也提出了挑戰(zhàn)。因此，了解數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAS)的數(shù)據(jù)傳輸尤為重要。

1 雙絞線傳輸

20世紀80年代的CT掃描是來復式運動，旋轉(zhuǎn)一周為4～5 s，高壓電纜、控制信號線、電源線以及數(shù)據(jù)線都在掃描架中的旋轉(zhuǎn)槽中，探測器的掃描數(shù)據(jù)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號再由雙絞線直接傳送給圖像處理柜。在無數(shù)的來復運動中，雙絞線經(jīng)常會因碾壓而發(fā)生中斷或短路，引發(fā)數(shù)據(jù)傳輸故障。

每次掃描機架旋轉(zhuǎn)都是起動→加速→勻速(采樣)→減速→停止。這就使得掃描必須是順時針、反時針交替轉(zhuǎn)動，即停止→運行的掃描方式，從而限制了掃描速度，掃描時間較長，對不合作的患者及危重患者極為不利，導致運動偽影明顯，圖像質(zhì)量差；特別是對于強化效果的影響明顯，由于須反復屏氣才能完成掃描，胸腹部的圖像質(zhì)量不能保證，因屏氣深淺不一而常造成重復或漏掃描。

2 碳刷傳輸

20世紀90年代后期螺旋CT誕生了，解決了上述問題。采用滑環(huán)，X線管可以只沿著一個方向連續(xù)快速旋轉(zhuǎn)。螺旋CT包括兩方面的基本內(nèi)容∶①X線管及探測器連續(xù)3600旋轉(zhuǎn)；②患者同時隨檢查床勻速推進完成掃描。如此掃描一段時間，其結(jié)果為X線焦點相對患者來說做螺旋式或蝸牛一樣的運動，收集到的這一范圍內(nèi)的全部掃描數(shù)據(jù)，用線性內(nèi)插法重建圖像。因此，螺旋掃描技術(shù)不再是對人體某一層面所采集的數(shù)據(jù)，而是一種體積掃描，故又稱為螺旋體積掃描。

從90年代開始的螺旋CT，以碳刷傳輸為主，特別是單排螺旋，更是如此?；h(huán)一般分電源供電滑環(huán)和控制信號滑環(huán)，這些供電和信號傳輸依靠滑環(huán)的不同滑道來區(qū)分，電源滑環(huán)是由控制部件的交流供電和高壓發(fā)生器前級的高壓直流供電兩部份組成，信號滑環(huán)分為控制數(shù)據(jù)采集及高壓的輸入信號和輸出的CT掃描原始數(shù)據(jù)兩部分，螺旋CT滑環(huán)系統(tǒng)的電刷采用的是碳刷，由于滑環(huán)的高速旋轉(zhuǎn)以及大電流、高頻率信號的共同作用，滑環(huán)和碳刷的接觸面極易產(chǎn)生氧化、變臟和磨擦變形等變化。碳刷與金屬滑環(huán)長期摩擦會形成碳粉塵附著在碳刷上，而碳粉積累到一定程度就會產(chǎn)生信號短路，使滑環(huán)的接觸性能變差，從而導致電源供電和控制信號傳輸故障，引起掃描中斷、丟失圖像和機器掉電等。另外，碳刷與金屬滑環(huán)長期摩擦會導致在碳刷的摩擦面形成氧化膜，增加接觸電阻，影響導電性，致使信號傳輸不穩(wěn)定，也會引發(fā)上述故障。由于碳粉造成電源短路或信號紊亂的現(xiàn)象常有報道，因此定期做好滑環(huán)系統(tǒng)的維護工作，對機器的正常運轉(zhuǎn)及保持較高的開機率非常重要。

3 射頻耦合傳輸

隨著多排CT的發(fā)展，采集的原始數(shù)據(jù)量成倍增加，碳刷傳輸數(shù)據(jù)的速度和可靠性已經(jīng)不能滿足需求，早期的多層螺旋CT采集數(shù)據(jù)的傳輸依靠碳刷，但是由于碳刷在滑動過程中與滑環(huán)摩擦所產(chǎn)生的碳粉，會夾在碳刷與滑環(huán)之間產(chǎn)生噪聲，降低了信噪比而影響圖像質(zhì)量。為彌補這個不足，4排螺旋CT有許多新型機器采用了射頻傳輸方式，采用特殊的傳輸頻率避免外界射頻的影響，不僅進一步提高了傳輸?shù)谋Ｕ娉潭龋覙O大地提高了傳輸速度。

16排CT及更多排CT的重大改革之一就是探測器與DAS的匹配(更好的解決了采集通道瓶頸)。4排CT由于只有4套通道，如果掃描時采用較厚的層厚，掃描完后不可能再重建出薄層厚。例如4排8 mm層厚，掃描后不可能再獲得2 mm層厚的圖像；以西門子16排CT為例，其探測器有一套獨立的DAS，如果采用0.75 mm探測器掃描，掃描后可以選擇任意層厚重建圖像，如果對第一次重建圖像不滿意，可以選擇用最薄0.75 mm層厚重建出一組新的圖像。把掃描和圖像重建分開處理，可更加靈活地多次處理圖像，不必重新掃描。并且每次掃描時的數(shù)據(jù)需要成倍增加，因此必須提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

在GE16排CT中，LAN電纜線提供控制臺計算機和靜態(tài)掃描架之間的通信，滑環(huán)允許TGP板和旋轉(zhuǎn)組件之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸?？刂骗h(huán)以2.5 Mbaud的速率傳輸數(shù)據(jù)系統(tǒng)使用一個HSDCD環(huán)和9個滑環(huán)，其中5個提供AC和DC電源及地；1個提供HV子系統(tǒng)的互鎖信號；3個提供靜態(tài)和動態(tài)組件之間的通信，即高壓和數(shù)據(jù)采集的控制信號；返回的通信應答信號、滑環(huán)通信連接像TGP和ORP之間的子網(wǎng)絡(luò)，承載數(shù)據(jù)流內(nèi)的DAS觸發(fā)信號和曝光命令信號，控制和狀態(tài)信息利用3個滑環(huán)沿高速串行連接從旋轉(zhuǎn)接口雙向傳輸。一個向外，另一個向內(nèi)，均使用隔離環(huán)作為信號參考。極好地抑制了噪音，碳刷在可導性滑環(huán)材料上，提供對靜態(tài)器件的連接，每一個滑環(huán)背后的螺絲連接了旋轉(zhuǎn)器件，由TGP和ORP板提供串行連接控制和信號的多路轉(zhuǎn)換，這些板上的指示燈顯示了數(shù)據(jù)通路的通信狀態(tài)。

掃描數(shù)據(jù)從旋轉(zhuǎn)器件到靜態(tài)器件，通過HSDCD環(huán)最后到達重建子系統(tǒng)，非接觸通路開始于滑環(huán)結(jié)構(gòu)的HSDCD發(fā)射器，靜態(tài)邊信號獲取是由耦合到一起的天線和接收器完成，HSDCD環(huán)和天線形成電容的兩個極，光纖耦合連接而產(chǎn)生發(fā)射器輸入和接收器輸出，在這個通路中，使用前向校正錯誤以保證極高的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。

射頻耦合器安裝在滑環(huán)的上方，與轉(zhuǎn)動方向相切，以保證耦合距離不變，從而使數(shù)據(jù)耦合具有極高的穩(wěn)定性，通常灰塵不會影響射頻的傳播。保養(yǎng)維修時，只要注意觀察接收器的角度在CT的高速轉(zhuǎn)動中有無發(fā)生變化即可，其微小的角度改變，將會引起原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛唷?/p>

4 光耦合傳輸

4.1 紅外線傳輸

紅外線是可視紅光光譜之外的不可視光，也是光的一種，同樣具有光的特性。紅外線光會從電燈發(fā)出，也可從太陽光發(fā)出。例如，低速紅外線應用在電視機、錄像機、音響等遙控器上，這些遙控器將特定的訊號編碼透過紅外線通訊技術(shù)送出，而設(shè)置在電視上的紅外線接收器收到編碼之后，將其進行譯碼而得到原來的訊號；低速紅外線其傳輸速率在每秒115.2 Kbits，高速紅外線傳輸速率在每秒1～4 Mbits。

紅外線傳輸隨著螺旋CT掃描速度的不斷提高和層厚的不斷增加，需要傳輸?shù)腃T掃描數(shù)據(jù)越來越多。碳刷這種方式的傳輸速度由于可靠性差，維護周期短，壽命短，目前已不再采用。目前大型CT所使用的數(shù)據(jù)傳輸方式為光耦合。例如東芝CT采用光的傳輸方式(MUDAT)，飛利浦64排CT的多路紅外線傳輸?shù)取?/p>

4.2 MUDAT的原理

MUDAT分為旋轉(zhuǎn)單元和固定單元兩部分，并以光的形式在它們之間傳送所有數(shù)據(jù)。由于光是一種傳輸媒介，它的傳送速度遠高于機架的旋轉(zhuǎn)速度，從而保證了機架旋轉(zhuǎn)時數(shù)據(jù)能正確的在二者之間傳送和接受。當數(shù)據(jù)從旋轉(zhuǎn)部分向固定部分傳送時，來自于OPCONTM板的串行數(shù)據(jù)(包括原始數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù))在旋轉(zhuǎn)部分被轉(zhuǎn)化為光信號傳送到固定部分，在固定部分被接受到的光信號被接受單元又還原為電信號并送達GCIFM板處理。當數(shù)據(jù)從固定部分向旋轉(zhuǎn)部分傳送時，來自于GCIFM板的串行數(shù)據(jù)(實質(zhì)為控制信號)在固定部分被轉(zhuǎn)換為光信號并傳送到旋轉(zhuǎn)部分。在旋轉(zhuǎn)部分被接受到的光信號被接受單元又還原為電信號并送達OPCONTM板處理。傳送數(shù)據(jù)的光為紅外光，肉眼可見淡淡的紅色。在數(shù)據(jù)傳送的過程中(雙向)，OPCONTM與GCIFM時時檢測是否有傳輸錯誤的發(fā)生。OPCONTM板檢測是否有包括SOTROT ERR在內(nèi)的多種錯誤發(fā)生，同時把錯誤信息發(fā)給GCIFM板；GCIFM板檢測是否有包括ROTSOT ERR在內(nèi)的多種發(fā)生。

4.3 飛利浦64排螺旋CT的原始數(shù)據(jù)傳輸

飛利浦64排CT的原始數(shù)據(jù)傳輸結(jié)構(gòu)如圖1所示，掃描數(shù)據(jù)經(jīng)電光轉(zhuǎn)換后送到紅外線發(fā)射器上，16個紅外線發(fā)射器分成4組，4個紅外線接收器收到的信號是一樣的，在集成比較后輸出，保證了數(shù)據(jù)的可靠性。4組數(shù)據(jù)在接受部分傳送到主計算機進行圖像處理。由于在每個光路節(jié)點都是紅外線傳輸，光路的整潔就很重要，一定要定期清潔維護，保證光路的暢通。發(fā)射和接受器件的位置是固定好的，一般不會發(fā)射和變化，維護時仔細檢查有無灰塵或其他雜物的妨礙、擋住光線即可。

圖1 飛利浦64排CT的光纖連接圖

[1]王自立，劉利.電磁波干擾東芝CT Asteion Super4螺旋CT數(shù)據(jù)傳輸1例[J].中華現(xiàn)代影像學雜志，2010，7(1)∶56.

[2]徐榮歷，史樸軍.數(shù)據(jù)傳輸與旋轉(zhuǎn)速度[J].實用放射學雜志，2005，21(9)∶925.

[3]趙越桂，竇新民.螺旋CT的滑環(huán)故障及維修[J].中國醫(yī)學裝備，2005，2(5)∶46-47.

[4]李道軍.Philips Mx8000Exp Spirit雙排螺旋CT光路故障維修[J].中國醫(yī)學裝備，2010，7(8)∶41-42.

[5]葛建新.GE16排CT圖像發(fā)生器原理及維修[J].中國醫(yī)學裝備，2010，7(10)∶46-48.

[6]徐躍平，何葉松，李陽.飛利浦TOMOSCANEG CT機Downlink Error通訊故障[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2011，32(5)∶132.

[7]于良寧，趙振平，孫修明.GE雙排螺旋CT數(shù)據(jù)傳輸故障的檢修[J].中國醫(yī)療器械雜志，2009，33(5)∶388.

[8]史冠峰.GE Prospeed AI原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓收戏治鯷J].中國醫(yī)學裝備，2004，1(1)∶27-28.

[9]金鑫，陳志強.基于以太網(wǎng)的錐形CT高速數(shù)據(jù)傳輸方案設(shè)計[J].CT理論與應用研究，2008，17(1)∶41.

[10]史樸軍，袁明泉.Philips Mx 8000Exp雙排螺旋C T故障一則[J].中國醫(yī)學裝備，2004，1(1)∶31.

[11]姚宗碧，王瑤.GE Prospeed CT 故障檢修[J].醫(yī)療設(shè)備信息，2008，23(3)∶118.

[12]許奎瑞.CT-C3000型CT機規(guī)律性故障探討及解決方案[J].中國醫(yī)療設(shè)備，2008，23(5)∶115-116.

[13]馬杰，張民.螺旋CT機的維護與檢修探討[J]. CT理論與應用研究，2011，20(1)∶123.

[14]宋愛軍.PICKER IQ xtra CT機數(shù)據(jù)采集原理分析[J].醫(yī)療裝備，2001，14(7)3-4.