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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Datenübertragungssystem zur Übertragung von Daten zwischen dem rotierenden Teil und dem stationären Teil eines Computertomographen mittels gerichteter Funkübertragung.
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Stand der Technik
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Aus der
US 6,433,631 ist eine Vorrichtung zur Datenübertragung in Computertomographen bekannt. Eine Streifenleitung im rotierenden Teil wird mit dem Sendersignal beaufschlagt. Am stationären Teil ist ein Abgriff vorgesehen, welcher in einem geringen Abstand in einer Größenordnung von ca. 1 mm von der Streifenleitung geführt wird.
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Die aus dem Stand der Technik bekannten Übertragungssysteme sind meist nur mit großem Aufwand in Computertomographen bzw. deren Drehübertrager zu integrieren. So können diese als eigenständige Einheit aufgebaut werden, benötigen hierzu aber einen aufwendigen Träger entlang des Umfangs der Vorrichtung. Bei einer Integration in vorhandene Schleifringe können diese Übertragungssysteme durch die benachbarten Bahnen zur Energieübertragung leicht gestört werden.
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In der
DE 4006007 A1 ist ein kontaktloses Übertragungssystem offenbart. Es zeigt eine kreisförmige Streifenieitung mit 2 gegenüberliegenden Einspeisepunkten. Zum Abschluss sind 2 jeweils gegenüber diesen um 90° versetzte Abschlusspunkte vorgesehen. Ferner sind verschiedene Empfangseinrichtungen offenbart, die jeweils eigene Demodulatoren zur Demodulation der Signale aufweisen. Die demodulierten Signale werden entweder kombiniert oder ausgewählt um ein besseres Ausgangssignal zu erhalten.
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Die
DE 4218692 A1 zeigt ein optisches Übertragungssystem mit optischen Sendern und Empfängern.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Datenübertragungssystem vorzustellen, welches weitgehend unempfindlich gegen mechanische Toleranzen ist und mit geringem mechanischem Aufwand in Computertomographen integrierbar ist.
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Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Übertragung von Daten zwischen dem rotierenden Teil 1 und dem stationären Teil 2 eines Computertomographen umfasst wenigstens eine Datenquelle 4 am rotierenden Teil und wenigstens eine Datensenke 5 am stationären Teil. Eine Datenquelle kann beispielsweise ein Röntgendetektor 103 bzw. dessen DAS (Data Acquisition System), oder auch beliebige andere Steuereinrichtungen oder Rechner sein. Eine Datensenke kann ein Rechner zur Auswertung und Aufbereitung der Daten, aber auch eine andere Steuereinheit sein.
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Weiterhin ist im rotierenden Teil wenigstens eine erste Sendeeinrichtung 8 sowie eine von dieser gespeiste Sendeantennenanordnung 6 vorgesehen. Eine solche erste Sendeeinrichtung empfängt Daten von der Datenquelle und setzt diese zur Ausstrahlung durch die Sendeantennenanordnung um. Weiterhin ist im stationären Teil wenigstens eine erste Empfangseinrichtung 9 vorgesehen, welche von einer Empfangsantennenanordnung gespeist wird. Die Empfangseinrichtung setzt die von der Empfangsantennenanordnung 7 empfangenen Signale zur Weiterleitung an die Datensenke um.
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Die Signale können von der Sendereinrichtung entsprechend dem Stand der Technik moduliert werden. Besonders vorteilhaft ist es aber, diese Signale ausschließlich zu kodieren. Durch eine entsprechende Kodierung mit einer langen Wortlänge können die Signale auch im Basisband übertragen werden, wenn ihre untere Grenzfrequenz über der unteren Grenzfrequenz der Anordnung liegt.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht im stationären Teil wenigstens eine zweite Sendeeinrichtung 10 und im rotierenden Teil wenigstens eine zweite Empfangseinrichtung 11 vor. Durch diese Ausgestaltung ist auch eine Kommunikation von stationären Teil auf das rotierende Teil möglich. Bei den meisten Computertomographen ist die Datenrate in dieser Richtung geringer als vom rotierenden Teil zum stationären Teil, da hier anstelle der Bilddaten nur wenige Steuerdaten übertragen werden müssen.
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Weiterhin ist im stationären Teil wahlweise wenigstens eine zweite Sendeantenneanordnung, gespeist durch eine zweite Sendeeinrichtung 10 vorgesehen. Zudem ist wahlweise im rotierenden Teil wenigstens eine zweite Empfangsantennenanordnung zur Speisung einer zweiten Empfangseinrichtung 11 vorgesehen. Damit sind auch für die Richtung des rotierenden Teils zum stationären Teil getrennte Antennen vorgesehen.
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Alternativ könnten auch die Antennen für beide Richtungen gemeinsam genutzt werden. Dabei ist allerdings durch geeignete Maßnahmen wie Frequenzselektion oder Richtungsselektion für eine Entkopplung zwischen den Übertragungsrichtungen zu sorgen.
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Besonders günstig ist es, für die Übertragung vom stationären zum rotierenden Teil ein anderes Übertragungssystem zu verwenden und so könnte beispielsweise eine vereinfachte Antennenanordnung mit Rundstrahlcharakteristik, eine Modulation mit großer Bandbreite, aber kleiner Datenrate vorteilhaft eingesetzt werden. Durch die große Bandbreite, vorteilhafterweise in Verbindung mit geringer Sendeleistung lassen sich dennoch gute Übertragungseigenschaften in Verbindung mit guten EMV-Eigenschaften erreichen. Besonders günstig wäre eine spread spectrum Modulation wie beispielsweise DSS1.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird wahlweise die Sendeantennenanordnung, besonders bevorzugt aber die Empfangsantennenanordnung als Diversity-Antennensystem ausgeführt. Ein solches Diversity-Antennensystem wählt beispielsweise im Empfangsfall aus mehreren Antennen die am besten geeignete Antenne aus. Als Auswahlparameter können beispielsweise die Signalstärke (elektrische Feldstärke) oder aber der Signal/Rauschabstand herangezogen werden.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines Diversity-Systems besteht darin, dass die Auswahl der Antennen durch die relative Position zwischen dem rotierenden und dem stationären Teil erfolgt. So können beispielsweise die Angaben über die jeweils beste Antenne in einem Speicher abgelegt und positionsabhängig abgerufen werden. Weiterhin könnte durch Messungen in einem Pausezustand die optimale Konfiguration eingelernt werden.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist wahlweise die Sendeantennenanordnung und/oder die Empfangsantennenanordnung als Phased Array ausgeführt. Ein solches Phased Array umfasst mehrere Strahler, welche mit Signalen gespeist werden, die in einer definierten Relation zueinander stehen, um in der Gesamtheit ein bestimmtes Strahlungsdiagramm zu erhalten. Ein solches Phased Array kann mit fest eingestellten Phasenbeziehungen zwischen den einzelnen Strahlern, oder auch mit variablen Phasenverhältnissen betrieben werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform einer Anordnung mit einem Phased Array besteht darin, dass die Diagramme der einzelnen Antennen in Abhängigkeit von der relativen Position des rotierenden zum stationären Teil erfolgt. Somit können beispielsweise positionsabhängig vorprogrammierte Strahlungsdiagramme abgerufen werden. Auch hier ist eine lernende Vorrichtung möglich, die beispielsweise in Übertragungspausen die Übertragungsverhältnisse misst und für spätere Übertragungsaufgaben speichert.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche die Diagramme einzelner Antennen nach vorgegebenen Parametern einstellt bzw. auswählt bzw. bestimmte Antennen aus einer Anordnung mit mehreren Antennen selektiert. Die vorgegebenen Parameter zur Einstellung bzw. Auswahl oder Selektion sind beispielsweise Signalpegel, Signal/Rauschabstand, Bitfehlerrate, Laufzeit und/oder Phasenverschiebung bezogen auf ein Referenzsignal. Alle diese Parameter sind ein Maß für einen bestimmten Aspekt einer Übertragungsqualität. Selbstverständlich können auch andere Parameter bzw. Kombination aus den Parametern ausgewählt werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens wahlweise eine erste Empfangsantennenanordnung und/oder eine zweite Sendeantennenanordnung in den Patiententisch integriert. Die Integration kann beispielsweise in die dem rotierenden Teil zugewandte Seite des Standfußes des Patiententischs erfolgen. Dabei ist es besonders günstig, wenn eine Antennenanordnung möglichst nahe der Rotationsachse des drehenden Teils angeordnet ist. Mit dem Begriff Antennenanordnung wird nachfolgend wahlweise auf eine Sendeantennenanordnung und/oder eine Empfangsantennenanordnung Bezug genommen.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Antennenanordnung in die Liege des Patiententisches integriert ist. Damit kann diese möglichst nahe an der Rotationsachse des rotierenden Teils angebracht werden. Gleichzeitig kann dadurch auch eine Antennenanordnung in die Rotationsebene des rotierenden Teils gebracht werden. Weiterhin wirkt sich die Dämpfung des Körpers des Patienten vorteilhaft aus um Reflexionen der Signale zu unterdrücken. Eine weitere Verbesserung erhält man, wenn der Patiententisch aus elektrisch absorbierendem Material gefertigt ist, oder aber auch mit Absorber-Material umgeben ist. Selbstverständlich können auch Teile des Computertomographen mit Absorber Material beschichtet beziehungsweise ausgefüllt werden.
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Gerade bei einer Anordnung im Patiententisch ist es vorteilhaft, wenn eine Antennenanordnung aus nichtmetallischen Materialien realisiert ist. Somit wird das Strahlungsfeld der Röntgenstrahlung möglichst wenig beeinflusst.
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Vorteilhaft ist es hier, wenigstens eine Antennenanordnung mit nichtmetallischen, elektrisch leitenden Werkstoffen, wie beispielsweise auf Kohle basierenden Materialien zu realisieren.
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Besonders günstig ist es für die Antennenanordnung dielektrische Wellenleiter zu verwenden. Diese können ganz ohne Metall aus Kunststoffmaterialien, welche das Strahlungsfeld kaum beeinflussen, aufgebaut werden. Ebenso kann auch die Zuführung der Signale zur Antennenanordnung mittels dielektrischer Wellenleiter erfolgen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird wenigstens eine Antennenanordnung in ihrem Strahlungsdiagramm gesteuert. Um eine besonders störarme Übertragung zu erreichen, kann wenigstens eine Antennenanordnung im Patiententisch derart angesteuert werden, dass sie ein Antennendiagramm aufweist, dessen Hauptkeule in Richtung des rotierenden Teils und bevorzugt in eine Ebene senkrecht zur Rotationsachse des rotierenden Teils weist. Durch ein solches Strahlungsdiagramm können fremde Störer gut unterdrückt werden. Insbesondere können aber auch Reflexionen gesendeter Signale an Teilen des Computertomographen unterdrückt werden. Würden solche Reflexionen beim Empfang einem direkt empfangenen Nutzsignal überlagert werden, so könnte dies zu erheblichen Störungen des Empfangs führen. Wird beispielsweise ein Signal mit einer Datenrate von 1 GBit/s übertragen, so beträgt die Freiraumlänge eines Bits ca. 30 cm. So würde die Überlagerung einer direkt empfangenen Welle mit nur einer über einen Umweg von nur 30 cm verzögerten Welle bereits zu einer Überlagerung von einem Bit mit dem vorhergehenden Bit führen.
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In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eine Antennenanordnung im Patiententisch derart angesteuert, dass die Hauptkeule des Strahlungsdiagramms unabhängig von Verschiebungen des Patiententisches in Längsrichtung in eine Ebene des rotierenden Teils zeigt. Damit kann unabhängig von der exakten Positionierung des Patiententisches durch Nachführung des Antennendiagramms eine Fokussierung in eine bestimmte Ebene bzw. in eine bestimmte Position des rotierenden Teils erreicht werden.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass wenigstens eine Antennenanordnung im Patiententisch mehrere Elemente aufweist, die sich in Querrichtung des Patiententisches erstrecken und in Längsrichtung des Patiententisches angeordnet sind. Diese können nun durch eine Steuereinheit wahlweise entsprechend der Position des Patiententisches selektiert und/oder mit gegeneinander verschobenen Phasen angesteuert werden. Somit lässt sich das Strahlungsdiagramm in Ebenen senkrecht zur Längsachse des Patiententisches verschieben.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Strahlungsdiagramm wenigstens einer Antennenanordnung im Patiententisch entsprechend der Rotationsbewegung zwischen rotierendem Teil und stationärem Teil steuerbar ist. Damit kann das Strahlungsdiagramm der Rotationsbewegung folgen. Dies ermöglicht ein stärker gebündeltes Strahlungsdiagramm in Form einer Keule anstelle eines Toroiden.
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Weiterhin kann wenigstens eine Antennenanordnung am rotierenden Teil ein Antennendiagramm aufweisen, dessen Hauptkeule auf den Patiententisch gerichtet ist. Es ist hier besonders günstig, die Antenne gewölbt, um die Achse des Computertomographen und einer zusätzlichen Erstreckung, in Richtung der Achse des Computertomographen auszubilden, da hiermit ein Strahlungsdiagramm mit Fokus auf einem Punkt oder eine Linie der Rotationsachse erreicht werden kann.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn wenigstens eine Antennenanordnung am rotierenden Teil aus mehreren Teilstrahlern besteht. Diese können nun abhängig von der Winkelposition des rotierenden Teils derart angesteuert werden, dass vorzugsweise genau eine Hauptkeule eines Teilstrahlers auf eine vorgegebene Achse, vorzugsweise parallel zur Rotationsachse des Computertomographen gerichtet ist. Die Steuerung kann hier durch Selektion eines geeigneten Teilstrahlers, und/oder aber auch durch Phasen gesteuerte Ansteuerung mehrerer Teilstrahler erreicht werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn wenigstens eine Antennenanordnung am rotierenden Teil aus mehreren Teilstrahlern besteht. Diese können nun abhängig von der Winkelposition des rotierenden Teils derart angesteuert werden, dass vorzugsweise genau eine Hauptkeule eines Teilstrahlers auf eine vorgegebene Position des Patiententisches, vorzugsweise auf dessen Unterseite gerichtet ist. Die Steuerung kann hier durch Selektion eines geeigneten Teilstrahlers, und/oder aber auch durch Phasen gesteuerte Ansteuerung mehrerer Teilstrahler erreicht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung umfasst mehrere Antennen einer Antennenanordnung, welche bezogen auf das Modulationssignal gleichphasig gespeist werden und/oder zur gleichphasigen Speisung einer Empfangseinheit ausgebildet sind. Durch die bevorzugte Fokussierung auf die Langsachse des Patiententisches, welche näherungsweise parallel zur Rotationsachse des drehenden Teils verläuft, besser aber auf die Rotationsachse des drehenden Teils ergeben sich von jedem Punkt mit konstantem Radius konstante Signallaufzeiten zu dieser Achse. Daher ergibt sich auch kein Phasensprung im Signal beim Wechsel zwischen Antennensegmenten aufgrund der Drehung. Werden einzelne Antennensegmente am drehenden Teil in unterschiedlichen Abständen zur Empfangsantenne, welche beispielsweise im Patiententisch integriert ist, montiert, so kann die Wegdifferenz durch entsprechende Verringerung oder Verlängerung der Zuleitung zum jeweiligen Antennensegment kompensiert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass zur Steuerung einer bidirektionalen Kommunikation eine zusätzliche Steuereinheit vorgesehen ist. Diese Steuereinheit gibt Zeitrahmen für jene Kommunikationsrichtung vor. Diese werden vorzugsweise entsprechend dem jeweiligen Datenvolumen aufgeteilt. Wird beispielsweise von dem rotierenden Teil 1 zum stationären Teil 2 eine Datenrate von 1 GBit/s und in umgekehrter Richtung nur eine Datenrate von 10 MBit/s benötigt, so ist bevorzugter Weise das Verhältnis der Zeitrahmen ca. 100:1.
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Ein erfindungsgemäßer Computertomograph umfasst wenigstens eine der hier angegebenen Vorrichtungen zur Kommunikation.
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Zur Vereinfachung der Darstellung wird in diesem Dokument auf eine Übertragung von dem rotierenden Teil auf das feststehende Teil eines Computertomographen Bezug genommen. Selbstverständlich ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch in umgekehrter Übertragungsrichtung einsetzbar. Ebenso kann eine erfindungsgemäße Vorrichtung auch in anderen Anwendungen zur Drehübertragung und ebenso zur linearen Übertragung zweier gegeneinander beweglichen Einheiten herangezogen werden.
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Die Übertragungsrichtung entsprechend dem Anspruch 1 wurde vom Rotor zum Stator gewählt, da dies dem häufigsten Einsatzfall entspricht. Allerdings ist ebenso eine Übertragung in entgegengesetzter Richtung oder aber auch bidirektional möglich.
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Entsprechend der in der Antennentechnik geläufigen Terminologie wird der Begriff Antenne bzw. Strahler sowohl für Sendeantennen als auch Empfangsantennen verwendet, da Antennen immer reziproke Bauelemente sind.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt in allgemeiner Form schematisch einen Computertomographen.
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2 zeigt schematisch die Anordnung von Sende/Empfangseinrichtungen und Antennen
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1 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Vorrichtung. Der Computertomograph (CT-Scanner) besteht aus zwei mechanischen Hauptbestandteilen. Ein stationäres Teil 2 dient als Basis und Träger des ganzen Gerätes, in denen sich das rotierende Teil 1 dreht. Der Patient 104 wird auf einer Liege 107 in der Öffnung des rotierenden Teils positioniert. Zur Abtastung des Patienten mittels Röntgenstrahlen 102 ist eine Röntgenröhre 101 sowie ein dieser gegenüberliegend angeordneter Detektor 103 vorgesehen. Röntgenröhre 101 und Detektor 103 sind auf dem rotierenden Teil 1 drehbar angeordnet. Ein Drehübertrager 3 dient zur elektrischen Verbindung zwischen dem rotierenden Teil 1 und dem stationären Teil 2. Hierbei werden einerseits die hohe elektrische Leistung zur Speisung der Röntgenröhre 101 in Richtung des rotierenden Teils 1 und gleichzeitig die Rohdaten des Bildes in der entgegengesetzten Richtung übertragen. Parallel hierzu ist eine Kommunikation von Steuerinformationen in beiden Richtungen vorgesehen. Eine Auswerte- und Steuereinheit 106 dient zur Bedienung des Computertomographen sowie zur Anzeige der erzeugten Bilder. Die Kommunikation mit dem Computertomographen erfolgt über eine bidirektionale Verbindung 105.
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2 zeigt in vereinfachter Form eine beispielhafte Anordnung eines erfindungsgemäßen Computertomografen mit zur Übertragung benötigten Antennen und weiteren Komponenten. Die Daten einer Datenquelle 4 (Detektor 103 mit anschließender Signalverarbeitung bzw. DAS) an dem rotierenden Teil 1 werden mittels einer ersten Sendeeinrichtung 8 aufbereitet und an die Sendeantennenanordnung, welche hier beispielhaft aus drei Teilen 6a, 6b, 6c dargestellt ist, weitergeleitet. Diese Sendeantennenanordnung strahlt nun die hochfrequenten Signale in Richtung der Empfangsantennenanordnung 7 ab. Es ist beispielhaft eine Empfangsantennenanordnung unterhalb der Patientenliege 107 an dem stationären Teil 2 dargestellt. Die von dieser Empfangsantennenanordnung 7 aufgefangenen Signale werden an eine erste Empfangseinrichtung 9 zur Aufbereitung weitergeleitet. Deren Ausgangsignale werden dann zu einer Datensenke 5 geführt. Für den Fall der Kommunikation in umgekehrter Richtung, nämlich von dem stationären Teil zum rotierenden Teil ist weiterhin eine zweite Sendeeinrichtung 10 an dem stationären Teil 2 und eine zweite Empfangseinrichtung 11 an dem rotierenden Teil 1 vorgesehen. In diesem Beispiel erfolgt die Verbindung zwischen Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtungen über die Empfangsantennenanordnung 7 und die Sendeantennenanordnung 6, allerdings in entgegengesetzter Richtung. Hierzu sind geeignete Mittel zur Selektion der Richtungen, beispielsweise durch Richtungsselektion mittels Lichtkoppler, Polarisationsselektion, oder auch Frequenzselektion vorzusehen. Ebenso könnten bestimmte Zeitrahmen für die Kommunikation in jeder Richtung vorgegeben sein. Diese könnten dann auch an die unterschiedlichen Datenmengen angepasst sein.
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Die Teile der Sendeantennenanordnung 6a, 6b, 6c sind hier als beispielhafte Ausführungsform gewölbt dargestellt, um einen Fokus auf einer Achse parallel zur Rotationsachse des Computertomographen zu erhalten. Durch eine zusätzliche Ausdehnung der Anordnung in Richtung der Rotationsachse kann der Fokus auch in der Länge bis hin zu einem Punkt eingeschränkt werden. Da die Position der Empfangsantennenanordnung 7 meist nur in der Nähe, aber nicht auf der Rotationsachse des Computertomographen liegt, könnten die Strahlungsdiagramme der Teile der Sendeantennenanordnung positionsabhängig mechanisch oder elektronisch nachgeführt werden. In den meisten Fällen dürfte jedoch die Abweichung tolerierbar sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotierendes Teil
- 2
- Stationäres Teil
- 3
- Drehübertrager
- 4
- Datenquelle
- 5
- Datensenke
- 6
- Sendeantennenanordnung
- 7
- Empfangsantennenanordnung
- 8
- Erste Sendeeinrichtung
- 9
- Erste Empfangseinrichtung
- 10
- Zweite Sendeeinrichtung
- 11
- Zweite Empfangseinrichtung
- 101
- Röntgenröhre
- 102
- Röntgenstrahlung
- 103
- Detektor
- 104
- Patient
- 105
- bidirektionale Verbindung
- 106
- Auswerte- und Steuereinheit
- 107
- Patientenliege
