一種醫(yī)療CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解決方案

　　摘要：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是CT系統(tǒng)的重要組成部分，由于CT掃描時(shí)間短，且掃描信息量大，因此CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作在較高的頻率，且需要短時(shí)間傳輸較大的數(shù)據(jù)量。本文介紹的醫(yī)療CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解決方案采用單片XILINX SPARTAN6完成CT數(shù)據(jù)采集的主要功能，利用基于IEEE802.3Z的光纖以太網(wǎng)傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，經(jīng)實(shí)測(cè)本采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠性高，誤碼率低，達(dá)到了CT數(shù)據(jù)采集的要求。本文將重點(diǎn)介紹CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)方式及編碼技巧。

　　引言

　　伴隨著科技的飛速發(fā)展，人類對(duì)醫(yī)療衛(wèi)生的重視程度也越來(lái)越高，對(duì)醫(yī)療器械的現(xiàn)代化程度要求也越來(lái)越高，然而作為全球高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)領(lǐng)域，我國(guó)的醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)落后，從整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈來(lái)看，我國(guó)醫(yī)療器械基礎(chǔ)薄弱，缺乏核心競(jìng)爭(zhēng)力，與歐美等國(guó)家差距較大;從整個(gè)市場(chǎng)來(lái)看，國(guó)內(nèi)醫(yī)院的大型醫(yī)療器械設(shè)備基本被西門子，GE，東芝等大型跨國(guó)公司壟斷。

　　CT：電子計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù)，由于其較好的成像能力和診斷能力是每個(gè)醫(yī)院不可缺少的醫(yī)療診斷設(shè)備。然而長(zhǎng)期以來(lái)我國(guó)的CT系統(tǒng)都主要依靠進(jìn)口，無(wú)自主研發(fā)能力。本文提出的一種醫(yī)療CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)解決方案是目前國(guó)內(nèi)僅有的幾家能夠自主研發(fā)CT系統(tǒng)的某公司的核心部分。

　　1 系統(tǒng)方案

　　在臨床診斷過(guò)程中要求診斷設(shè)備對(duì)病人的傷害越小越好，CT(計(jì)算機(jī)X射線斷層掃描技術(shù))采用X線成像原理，要求對(duì)病人的輻射劑量越小越好。因此，CT掃描時(shí)間極短，單位時(shí)間內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)量大。CT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就需要在短時(shí)間內(nèi)將大量數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)重建柜進(jìn)行數(shù)據(jù)的重建。由于短時(shí)間內(nèi)要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)傳輸，因此數(shù)據(jù)率就大，整個(gè)系統(tǒng)的頻率就高。本系統(tǒng)采用XILINX SPRTAN6 LXT系列FPGA進(jìn)行整體的方案實(shí)現(xiàn)，采用源同步LVDS差分信號(hào)進(jìn)行近端數(shù)據(jù)傳輸，采用自定制光纖協(xié)議進(jìn)行版級(jí)之間的數(shù)據(jù)傳輸，采用基于IEEE802.3Z的標(biāo)準(zhǔn)UDP以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。整個(gè)系統(tǒng)的主要部分在單塊FPGA內(nèi)純邏輯實(shí)現(xiàn)，不調(diào)用軟核，不外掛芯片，功耗較低，頻率高，速度快。本系統(tǒng)的核心模塊包括：源同步模塊，標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)模塊和自定義光纖通信模塊(如圖1)。本文重點(diǎn)介紹整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理及具體方式。

　　2 源同步模塊

　　2.1 同步方式的選擇

　　在數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中，根據(jù)數(shù)據(jù)和時(shí)鐘的關(guān)系通?？梢詫⑾到y(tǒng)的同步方式分為三種：系統(tǒng)同步方式，自同步方式和源同步方式。系統(tǒng)同步方式指?jìng)鬏敂?shù)據(jù)的雙方工作在同一系統(tǒng)時(shí)鐘下，不需要進(jìn)行復(fù)雜的時(shí)鐘恢復(fù)過(guò)程，因此采用系統(tǒng)同步的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是系統(tǒng)同步不適用于較高數(shù)據(jù)率的傳輸。自同步方式指在數(shù)據(jù)發(fā)送端經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)的編碼調(diào)制將時(shí)鐘嵌入到數(shù)據(jù)中，在接收端通過(guò)CDR電路對(duì)時(shí)鐘和數(shù)據(jù)進(jìn)行再恢復(fù)，自同步方式適用于高數(shù)據(jù)率的遠(yuǎn)距離傳輸，但其實(shí)現(xiàn)過(guò)程較復(fù)雜，成本較高。CT數(shù)據(jù)系統(tǒng)近端的數(shù)據(jù)傳輸采用源同步方式，源同步指發(fā)送端將數(shù)據(jù)和時(shí)鐘對(duì)應(yīng)于某一特定關(guān)系進(jìn)行傳送，在接收端通過(guò)接收相應(yīng)的時(shí)鐘對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再恢復(fù)。源同步的方式通常采用LVDS低壓差分信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，抗干擾能力較好，數(shù)據(jù)率最高能夠達(dá)到1Gbit/s，滿足近端數(shù)據(jù)的傳輸要求。

　　2.2 編碼方式的選擇

　　在高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中由于數(shù)據(jù)率較高，為了保證較低的誤碼率，通常需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和差錯(cuò)控制。本系統(tǒng)采用基于IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)的CRC-32編碼及8B10B編碼。在FPGA中，采用并行CRC算法能夠充分提高數(shù)據(jù)的編碼效率，本系統(tǒng)在采用主頻時(shí)鐘125M的情況下，能在僅有32ns的延遲下將一組任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并傳送。采用串行源同步方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，經(jīng)過(guò)8B10B編碼以后保證了數(shù)據(jù)的直流平衡，并且能夠利用編碼以后的K碼進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的識(shí)別，有效保證了數(shù)據(jù)幀的完整性。