DE102018219878B3

DE102018219878B3 - Steuereinheit für eine medizinische Bildgebungsanlage mit einem Prozessor und einem Logikgatter; Bildgebungsanlage sowie Verfahren zum Steuern einer medizinischen Bildgebungsanlage

Info

Publication number: DE102018219878B3
Application number: DE102018219878.0A
Authority: DE
Inventors: Georg Weber; Philipp Kutzer
Original assignee: Siemens Healthcare GmbH
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2020-02-27
Anticipated expiration: 2038-11-21
Also published as: CN111198520A; US20200160990A1; US11699520B2; CN111198520B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit (1) für eine medizinische Bildgebungsanlage, mit- einem programmierbaren Logikgatter (3) ausgebildet zur Regelung und/oder Steuerung zumindest einer Komponente der medizinischen Bildgebungsanlage,- einem Mikroprozessor (2), der über eine erste Schnittstelle (7) mit dem programmierbaren Logikgatter (3) verbunden ist, und- einer Signalleitung (9) zum Verbinden des Mikroprozessors (2) mit einem außenseitig an der Steuereinheit (1) angeordneten Kontaktfeld (4), wobei- der Mikroprozessor (2) zur Bereitstellung einer zweiten Schnittstelle (6) über die Signalleitung (9) sowie zum Steuern des programmierbaren Logikgatters (3) entsprechend einem über die zweite Schnittstelle (6) empfangenen Befehlssignal ausgebildet ist.Zur Verringerung von Verzögerungen bei der Regelung und/oder Steuerung der medizinischen Bildgebungsanlage, ist vorgesehen, dass- die Signalleitung (9) zumindest partiell durch das programmierbare Logikgatter (3) bereitgestellt ist, und- das programmierbare Logikgatter (3) eine Empfangseinheit (32) zum Auslesen des Befehlssignals aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuereinheit für eine medizinische Bildgebungsanlage. Die Erfindung betrifft außerdem eine medizinische Bildgebungsanlage sowie ein Verfahren zum Steuern einer medizinischen Bildgebungsanlage.
In Kontrollsystemen für medizinische Bildgebungsanlage werden häufig gattungsgemäße Steuereinheiten in Form eines Ein-Chip-Systems („System-on-a-chip“, kurz SoC) eingesetzt. Die Steuereinheit kann einen Mikroprozessor sowie ein programmierbares Logikgatter aufweisen. Ein Beispiel für eine solche medizinische Bildgebungsanlage ist eine Röntgen-Anlage. Die Hauptaufgabe solcher Kontrollsysteme besteht beispielsweise in der Regelung und/oder Steuerung von Strom und Spannung einer Röntgenröhre der Röntgen-Anlage sowie in einer Drehzahlregelung einer rotierenden Anode der Röntgenröhre. Für diese Aufgaben weist die Steuereinheit beispielsweise das programmierbares Logikgatter („Field Programmable Gate Array“, kurz FPGA) auf. In dem programmierbaren Logikgatter können entsprechende digitale Regler und Filter zur Durchführung der Steuerung und/oder Regelung implementiert werden.
Die DE 20 2018 002 830 U1 beschreibt einen Röntgengenerator für ein medizinisches Röntgengerät.
Die Steuerung einer Komponente einer medizinischen Bildgebungsvorrichtung ist beispielsweise der DE 10 2016 218 138 A1 zu entnehmen. Dabei sind eine Steuerungseinheit und ein mobiles Steuergerät derart gekoppelt, dass ein Betätigen eines Bedienelements des mobilen Steuerungsgeräts das Ausgeben eines Steuersignals an die Komponente mittels der Steuerungseinheit bewirkt.
In der DE 20 2015 002 867 U1 ist beispielsweise die Nutzung eines FPGA als Datenwandler in einem medizinischen Bildgebungsgerät offenbart.
Nominalwerte für die Regelung und/oder Steuerung, insbesondere für Regelkreise der Regelung, werden üblicherweise von einem externen Steuerrechner an die Steuereinheit übermittelt. Beispielsweise werden die Nominalwerte für eine Bildaufnahme vor Beginn der Bildaufnahme übermittelt. Bei manchen Aufnahmemodi werden die Nominalwerte während der Bildaufnahme aktualisiert beziehungsweise verändert. Beispiele hierfür sind eine Nachführung eines Soll-Signals oder ein Ablaufen einer Signalform.
Das Kontrollsystem, insbesondere die Steuereinheit, ist an den externen Steuerrechner über eine Schnittstelle, insbesondere eine Standardschnittstelle, beispielsweise CAN oder Ethernet, angebunden. Diese Standardschnittstelle wird insbesondere durch den Mikroprozessor bereitgestellt. Eine entsprechende Steuersoftware, welche auf dem Mikroprozessor läuft und die medizinische Bildgebungsanlage mittelbar steuert, greift auf die oben genannte Schnittstelle mit dem externen Steuerrechner mittels Gerätetreibern, die von einem Betriebssystem auf dem Mikroprozessor zur Verfügung gestellt werden, zu. Anschließend wird das programmierbare Logikgatter durch den Mikroprozessor entsprechend einem über die Schnittstelle empfangenen Befehlssignal angesteuert und/oder gesteuert. Durch das programmierbare Logikgatter wiederum wird die Bildgebungsanlage gesteuert und/oder geregelt, wobei die zuvor genannte Ansteuerung und/oder Programmierung des programmierbaren Logikgatters berücksichtigt wird. Als Teil des Befehlssignals können die einleitend beschriebenen Nominalwerte durch die Steuereinheit aus dem externen Steuerrechner empfangen werden. Mit anderen Worten umfasst das Befehlssignal die Nominalwerte. Durch das Betriebssystem, die Treiber und/oder die Steuersoftware ergeben sich Verzögerungen beziehungsweise Latenzen, durch welche eine im Einzelfall notwendige Echtzeitverarbeitung des Befehlssignals nicht gewährleistet ist. Der Mikroprozessor ist also dazu ausgebildet, das programmierbare Logikgatter entsprechend dem Befehlssignal anzusteuern. Hierbei muss das Befehlssignal zunächst durch den Mikroprozessor empfangen und verarbeitet werden, was zu den beschriebenen Verzögerungen beziehungsweise Latenzen führen kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Latenz einer Steuerung und/oder Regelung einer medizinischen Bildgebungsanlage mittels einer einleitend beschriebenen Steuereinheit zu verringern.
Die vorliegende Erfindung geht somit aus von einer einleitend beschriebenen Steuereinheit für eine medizinische Bildgebungsanlage, insbesondere einer Röntgen-Anlage, mit

- einem programmierbaren Logikgatter ausgebildet zur Regelung und/oder Steuerung zumindest einer Komponente der medizinischen Bildgebungsanlage,
- einem Mikroprozessor, der über eine erste Schnittstelle mit dem programmierbaren Logikgatter verbunden ist, und
- einer Signalleitung zum Verbinden des Mikroprozessors mit einem außenseitig an der Steuereinheit angeordneten Kontaktfeld, wobei
- der Mikroprozessor zur Bereitstellung einer zweiten Schnittstelle über die Signalleitung sowie zum Steuern des programmierbaren Logikgatters entsprechend einem über die zweite Schnittstelle empfangenen Befehlssignal ausgebildet ist.

Die zweite Schnittstelle ist insbesondere zur Kommunikation mit einem externen Steuerrechner vorgesehen. Daher kann die zweite Schnittstelle auch als externe Schnittstelle bezeichnet werden. Die erste Schnittstelle ist zur Kommunikation zwischen dem Mikroprozessor und dem programmierbaren Logikgatter vorgesehen. Dementsprechend kann die erste Schnittstelle auch als interne Schnittstelle bezeichnet werden.
Um nun die Latenz zu verringern beziehungsweise Verzögerungen zu vermeiden, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass

- die Signalleitung zumindest partiell durch das programmierbare Logikgatter bereitgestellt ist und
- das programmierbare Logikgatter eine Empfangseinheit zum Auslesen des Befehlssignals aufweist.

Die Signalleitung ist zumindest teilweise durch das programmierbare Logikgatter hindurch geführt. Mit anderen Worten ist die Signalleitung zumindest partiell durch Leiterbahnen und/oder Schaltelemente, beispielsweise Transistoren oder logische Bausteine, des programmierbaren Logikgatter bereitgestellt. Bei den logischen Bausteinen kann es sich beispielsweise um Und-Gatter, Oder-Gatter, exklusive Oder-Gatter oder Nicht-Gatter handeln. Bei dem programmierbaren Logikgatter kann es sich um ein sogenanntes Field Programmable Gate Array (FPGA) handeln. Die Signalleitung ist zumindest teilweise durch das programmierbare Logikgatter beziehungsweise das Field Programmable Gate Array (FPGA) hindurch geführt beziehungsweise geroutet. Durch das Kontaktfeld und/oder die Signalleitung sind der Mikroprozessor und/oder das programmierbare Logikgatter kontaktierbar. Zusätzlich kann über das Kontaktfeld eine Stromversorgung der Steuereinheit vorgesehen sein. Die Empfangseinheit ist insbesondere dazu ausgebildet, das Befehlssignal direkt, also ohne dass der Mikroprozessor dazwischen geschaltet wäre, zu empfangen.
Der Mikroprozessor und das programmierbare Logikgatter können ein gemeinsames Chipgehäuse, auch als „Package“ bezeichnet, aufweisen. Das Kontaktfeld kann außenseitig an dem gemeinsamen Chipgehäuse angeordnet sein. Durch das Kontaktfeld sind insbesondere der Mikroprozessor und das programmierbare Logikgatter von außerhalb des gemeinsamen Chipgehäuses kontaktierbar. Das Kontaktfeld kann jeweilige Kontakte, auch als Pins bezeichnet, für den Mikroprozessor und das programmierbare Logikgatter aufweisen. Dabei sind die jeweiligen Kontakte des Mikroprozessors und des programmierbaren Logikgatter insbesondere ausschließlich mit der jeweiligen Steuerkomponente, also dem Mikroprozessor oder dem programmierbaren Logikgatter, verbunden. Die Kontakte können als Allzweckeingabe/-ausgabe, auch mit dem englischen Fachbegriff „general purpose input/output“ (kurz GPIO) bezeichnet, jeweils des Mikroprozessors oder des programmierbaren Logikgatters ausgeführt sein. Beispielsweise ist die Signalleitung an dem Kontaktfeld an Kontakte des programmierbaren Logikgatters angeschlossen und insbesondere elektrisch nicht mit Kontakten des Mikroprozessors verbunden. Die Signalleitung kann dann von den Kontakten des programmierbaren Logikgatters durch das programmierbare Logikgatter hindurch zu dem Mikroprozessor geführt sein. Beispielsweise ist die Steuereinheit als Ein-Chip-System ausgeführt. Ein solches Ein-Chip-System wird auch im Deutschen mit dem englischen Fachbegriff „System-on-a-Chip“, kurz „SOC“ bezeichnet.
Die Empfangseinheit kann zumindest zum teilweisen Auslesen des Befehlssignals ausgebildet sein. Teilweise bedeutet insbesondere, dass nur bestimmte Befehle des Befehlssignals durch die Empfangseinheit ausgelesen werden. Alternativ kann es auch vorgesehen sein, dass die Empfangseinheit alle Befehle des Befehlssignals ausliest. Beispielsweise ist das Logikgatter dazu ausgebildet, die oben genannten Nominalwerte aus dem Befehlssignal auszulesen. Aus dem Befehlssignal ausgelesene Befehle, insbesondere die Nominalwerte, können durch das programmierbare Logikgatter direkt zur Regelung und/oder Steuerung der medizinischen Bildgebungsanlage angewendet werden. Auf diese Weise kann die Latenz verringert beziehungsweise Verzögerungen vermieden werden.
Die Kommunikation über die zweite Schnittstelle nach außen (in Bezug auf die Steuereinheit) wird insbesondere zumindest im Wesentlichen oder ausschließlich durch den Mikroprozessor durchgeführt. Mit anderen Worten kommuniziert die Empfangseinheit nicht mit dem Mikroprozessor oder einer weiteren Buskomponente, welche an der zweiten Schnittstelle angebunden ist, beispielsweise dem externen Steuerrechner. Die Empfangseinheit kann ausschließlich zum passiven Auslesen von über die zweite Schnittstelle ausgetauschten Datenpaketen und/oder Befehlssignalen ausgebildet sein. Das Befehlssignal kann Teil solcher Datenpakete sein. Passiv bedeutet dabei insbesondere, dass hierzu keinerlei Kommunikation mit der weiteren Buskomponente und/oder dem Mikroprozessor erfolgt. Bildlich gesprochen kann das Auslesen des Befehlssignals für die weitere Buskomponente unmerklich erfolgen. Selbstverständlich kann es auch mehr als eine weitere Buskomponente geben. In manchen Ausführungsformen ist die Empfangseinheit zusätzlich dazu ausgebildet eine Fehlerkorrektur und/oder Plausibilitätsprüfung für das Befehlssignal und/oder Datenpakete durchzuführen. In diesem Fall können unplausible oder als fehlerhaft erkannte Datenpakete und/oder Befehlssignale verworfen werden. Im Allgemeinen können hierfür Fehlerkorrekturdaten genutzt werden, welche als Teil der Datenpakete und/oder des Befehlssignals ausgelesen werden. Beispielsweise erfolgt dies im Rahmen einer zyklischen Redundanzprüfung, auch mit der englischen Abkürzung „CRC“ bezeichnet. Die Empfangseinheit kann dazu ausgebildet sein, ein Fehlersignal an den Mikroprozessor auszugeben, wenn ein Fehler erkannt wird. Die wird auch als „Interrupt“ bezeichnet.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Mikroprozessor zur Kommunikation mit einem Endgerät eines Nutzers über die zweite Schnittstelle ausgebildet ist. Bei dem Endgerät des Nutzers kann es sich beispielsweise um den externen Steuerrechner handeln. Das Befehlssignal kann aus einer Nutzereingabe des Nutzers abgeleitet sein. Mit anderen Worten ermöglicht die zweite Schnittstelle eine Steuerung der Steuereinheit und somit indirekt der medizinischen Bildgebungsanlage durch einen Nutzer.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Mikroprozessor zur Bereitstellung der zweiten Schnittstelle zusätzlich eine direkte Signalleitung, welche nicht über das Logikgatter geführt ist, aufweist, wobei die direkte Signalleitung in zumindest einem Betriebszustand der Steuereinheit zu Gunsten einer Kommunikation über die Signalleitung gesperrt ist.
Beispielsweise handelt es sich bei der direkten Signalleitung um eine Signalleitung, welche von dem Mikroprozessor zu Kontakten des Mikroprozessors am Kontaktfeld geführt ist. Mit anderen Worten kann die direkte Signalleitung über Kontakte des Mikroprozessors direkt zum Mikroprozessor geführt werden. Demgegenüber wird die Signalleitung, welche auch als indirekte Signalleitung bezeichnet werden könnte, beispielsweise von Kontakten des programmierbaren Logikgatters durch das programmierbare Logikgatter hindurch zum Mikroprozessor geführt. Auf diese Weise kann je nach Anforderung ein unterschiedlicher Betriebsmodus gewählt werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Mikroprozessor zum Zwecke des Steuerns des programmierbaren Logikgatters und/oder der Bereitstellung einer zweiten Schnittstelle dazu ausgebildet ist, ein Betriebssystem und/oder einen Gerätetreiber auszuführen. Beispielsweise ist der Mikroprozessor durch den Gerätetreiber dazu konfigurierbar, die zweite Schnittstelle auszubilden. Beispielsweise ist der Mikroprozessor durch das Betriebssystem dazu konfigurierbar, das programmierbare Logikgatter zu steuern. In Abgrenzung zu dem Mikroprozessor kann vorgesehen sein, dass das programmierbare Logikgatter durch eine programmierte Hardwareschaltung funktioniert. Mit anderen Worten erfolgt das Steuern beziehungsweise Regeln der medizinischen Bildgebungsanlage durch das programmierbare Logikgatter „in Hardware“.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Mikroprozessor dazu eingerichtet ist, durch das Steuern des programmierbaren Logikgatters die Regelung und/oder Steuerung der medizinischen Bildgebungsanlage zu beeinflussen. Mit anderen Worten kann der Mikroprozessor durch das Steuern des programmierbaren Logikgatters ein Prinzip der Regelung und/oder Steuerung der medizinischen Bildgebungsanlage verändern. Dies erfolgt durch den Mikroprozessor insbesondere auf eine Weise, die durch das Befehlssignal vorgegeben wird. Beispielsweise wird die Hardwareschaltung des programmierbaren Logikgatters parametrisiert. Dadurch kann über die zweite Schnittstelle, beispielsweise durch den externen Steuerrechner, indirekt das programmierbare Logikgatter parametrisiert und/oder konfiguriert werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Signalleitung aus Sicht des Mikroprozessors eine Sendeleitung und eine Empfangsleitung umfasst, wobei die Empfangseinheit ausschließlich mit einer der beiden Leitungen, insbesondere der Empfangsleitung, verbunden ist. Mit anderen Worten weist die Signalleitung eine Sendeleitung auf, mit welcher der Mikroprozessor Datenpakete über die zweite Schnittstelle aussenden kann, und eine Empfangsleitung auf, mit welcher der Mikroprozessor Datenpakete und/oder Befehlssignale über die zweite Schnittstelle empfangen kann. Insbesondere ist die Empfangseinheit mit der Empfangsleitung verbunden. Insbesondere ist die Empfangseinheit mit der Sendeleitung nicht verbunden. Auf diese Weise kann die Empfangseinheit besonders ressourcenschonend ausgeführt sein.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass es sich bei der zweiten Schnittstelle um eine Ethernet-Schnittstelle oder einen Teil eines CAN-Buses handelt. Beispielsweise ist der Mikroprozessor zum Aufbau einer Internet-Verbindung über die zweite Schnittstelle ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich ist der Mikroprozessor zum Aufbau einer CAN-Verbindung über die zweite Schnittstelle ausgebildet. Beispielsweise sind der Mikroprozessor und der externen Steuerrechner Teilnehmer des CAN-Busses. Demgegenüber ist die Empfangseinheit vorteilhafterweise kein Teilnehmer des CAN-Busses, sondern liest über den CAN-Bus geleitete Datenpakete und/oder Befehlssignale passiv mit. Beispielsweise ist die Empfangseinheit als sogenannte „Schnüffeleinheit“ ausgeführt. Eine solche Schnüffeleinheit wird auch mit dem Fachbegriff „Sniffer“ bezeichnet. Im Speziellen kann die Empfangseinheit als „CAN-Sniffer“ ausgeführt sein.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das programmierbare Logikgatter dazu ausgebildet ist, einzelne in dem Befehlssignal enthaltene Befehle direkt, insbesondere ohne Einbeziehung des Mikroprozessors, auszuführen. Insbesondere ist das programmierbare Logikgatter dazu ausgebildet, das Regeln und/oder Steuern der medizinischen Bildgebungsanlage zumindest teilweise direkt in Abhängigkeit von dem Befehlssignal, beispielsweise in Abhängigkeit von einzelnen darin enthaltenen Befehlen, zu beeinflussen oder zu verändern. Einzelne Befehle können somit annähernd verzögerungsfrei, insbesondere unter Verzicht auf den Umweg über den Mikroprozessor, angewendet werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das programmierbare Logikgatter dazu ausgebildet ist, ein für den Mikroprozessor abrufbares Register mit Fehlerinformationen über Fehler, die bei dem passiven Auslesen des Befehlssignals auftreten, bereitzustellen. Alternativ oder zusätzlich kann das programmierbare Logikgatter dazu ausgebildet sein, ein allgemeines Register für den Mikroprozessor abrufbar bereitzustellen. Das programmierbare Logikgatter kann dann dazu ausgebildet sein, in dem Register für die Funktion des programmierbaren Logikgatters und/oder der Empfangseinheit wesentliche Daten oder Logbücher („Logs“) bereitzustellen. Durch die genannten Maßnahmen ist der Mikroprozessor in die Lage versetzt, die Funktionsfähigkeit des programmierbaren Logikgatters und das Empfangen, Auslesen und/oder Anwenden des Befehlssignals durch die Empfangseinheit beziehungsweise das programmierbare Logikgatter zu überwachen. Dies ist insbesondere daher nötig, da im Gegensatz zum Stand der Technik das programmierbare Logikgatter das Befehlssignal zumindest teilweise eigenständig, also ohne Interaktion mit dem Mikroprozessor, empfangen und/oder anwenden kann.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Mikroprozessor dazu ausgebildet ist, das direkte Ausführen der einzelnen Befehle für das programmierbare Logikgatter freizugeben oder zu sperren. Beispielsweise weist die Steuereinheit zumindest einen Betriebsmodus auf, in welchem das programmierbare Logikgatter durch ein Freigabesignal des Mikroprozessors in die Lage versetzt ist, einzelne Befehle direkt auszuführen. Beispielsweise weist die Steuereinheit zumindest einen Betriebsmodus auf, in welchem das programmierbare Logikgatter durch ein Sperrsignal des Mikroprozessors nicht die Lage versetzt ist, einzelne Befehle direkt auszuführen. In letztgenannten Betriebsmodi ist die direkte Ausführung von Befehlen aus dem Befehlssignal für das programmierbare Logikgatter gesperrt. Auf diese Weise kann die Steuereinheit an unterschiedliche Rahmenbedingungen angepasst werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Befehlssignal Echtzeitbefehle, welche in Echtzeit zu befolgende Befehle zur Regelung und/oder Steuerung der medizinischen Bildgebungsanlage sind, und davon verschiedene Administrationsbefehle umfasst, wobei die Empfangseinheit nur zum Auslesen der Echtzeitbefehle ausgebildet ist. Die Echtzeitbefehle können beispielsweise die oben genannten Nominalwerte umfassen. Beispielsweise werden ausschließlich die Echtzeitbefehle durch das Befehlssignal ausgelesen und innerhalb des programmierbaren Logikgatters zur Verarbeitung weitergegeben. Beispielsweise ist die Empfangseinheit dazu ausgebildet, die Administrationsbefehle zu verwerfen. In diesem Fall kann ein kurzzeitiges Auslesen der Administrationsbefehle durch die Empfangseinheit möglich sein, wobei die Empfangseinheit dazu ausgebildet ist, die Administrationsbefehle direkt nach dem Auslesen wieder zu verwerfen, insbesondere ohne diese weiterzugeben. Die Administrationsbefehle können dann durch den Mikroprozessor empfangen und/oder angewendet werden.
Gemäß einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das programmierbare Logikgatter zum Regeln und/oder Steuern einer Röntgenröhre der medizinischen Bildgebungsanlage ausgebildet ist. Insbesondere ist das programmierbare Logikgatter zum Regeln und/oder Steuern einer Beschleunigungsspannung, eines Stroms und/oder einer Rotation einer rotierenden Anode der Röntgenröhre ausgebildet. Dabei handelt es sich um besonders zeitkritische Größen, welche durch programmierbare Logikgatter besonders zuverlässig steuerbar beziehungsweise regelbar sind.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine medizinische Bildgebungsanlage, insbesondere eine Röntgen-Anlage, mit der im Rahmen der vorliegenden Anmeldung beschriebenen Steuereinheit. Zweckmäßige Weiterbildungen sowie Vorteile von Ausführungsformen der Steuereinheit gelten analog auch für die medizinische Bildgebungsanlage, insbesondere die Röntgen-Anlage, und sind aus Gründen der Knappheit hier nicht erneut beschrieben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer medizinischen Bildgebungsanlage mit einer Steuereinheit, mit den Schritten:

- Bereitstellen einer zweiten Schnittstelle über eine Signalleitung durch einen Mikroprozessor der Steuereinheit, wobei die Signalleitung den Mikroprozessor mit einem außenseitig an der Steuereinheit angeordneten Kontaktfeld verbindet,
- Empfangen eines Befehlssignals über die zweite Schnittstelle durch den Mikroprozessor,
- Steuern eines programmierbaren Logikgatters, welches zumindest eine Komponente der medizinischen Bildgebungsanlage steuert und/oder regelt, der Steuereinheit entsprechend dem über die zweite Schnittstelle empfangenen Befehlssignal durch den Mikroprozessor.

Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass

- die Signalleitung zumindest partiell durch das programmierbare Logikgatter bereitgestellt wird, und
- das Befehlssignal durch eine Empfangseinheit des programmierbaren Logikgatters ausgelesen wird.

Insbesondere wird das Steuern und/oder Regeln der zumindest einen Komponente durch das programmierbare Logikgatter durch das ausgelesene Befehlssignal beeinflusst. Mit anderen Worten kann das programmierbare Logikgatter anhand des Befehlssignals das Steuern und/oder Regeln selbst beeinflussen.
Zweckmäßige Weiterbildungen sowie Vorteile der Steuereinheit und der Bildgebungsanlage gelten analog auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.

1 ein Blockschaltbild einer Steuerungsanordnung zum Steuern einer medizinischen Bildgebungsanlage mit einer Steuereinheit;
2 eine schematische Übersicht über einen Verarbeitungsablauf der Steuereinheit;
3 ein Blockschaltbild einer Steuerungsanordnung zum Steuern einer medizinischen Bildgebungsanlage mit einer weiterentwickelten Steuereinheit;
4 eine schematische Übersicht über einen Verarbeitungsablauf der weiterentwickelten Steuereinheit; und
5 ein Blockschaltbild einer Empfangseinheit der weiterentwickelten Steuereinheit.

In 1 ist eine Steuerungsanordnung zum Steuern einer medizinischen Bildgebungsanlage, insbesondere einer Röntgen-Anlage, gezeigt. Die Steuerungsanordnung umfasst eine Steuereinheit 1, welche einen Mikroprozessor 2 sowie ein programmierbares Logikgatter 3 umfasst. Das programmierbare Logikgatter 3 ist insbesondere ein Field Programmable Gate Array, kurz FPGA. Das programmierbare Logikgatter 3 ist dazu ausgebildet, die medizinische Bildgebungsanlage zu steuern und/oder zu regeln. Insbesondere ist das programmierbare Logikgatter 3 zum Steuern einer Beschleunigungsspannung, Stromstärke und/oder Drehzahl einer rotierenden Anode der als Röntgen-Anlage ausgeführten Bildgebungsanlage eingerichtet. Vorteil der Steuerung durch das programmierbare Logikgatter 3 eine geringe Verzögerung, da das programmierbare Logikgatter 3 die Steuerung und/oder Regelung „in Hardware durchführen kann“.
Zum Steuern des programmierbaren Logikgatters 3 ist der Mikroprozessor 2 vorgesehen. Der Mikroprozessor 2 ist dazu ausgebildet, eine Softwareumgebung 21 bereitzustellen. Die Softwareumgebung 21 kann ein Betriebssystem und/oder Gerätetreiber umfassen. Alternativ oder zusätzlich ist der Mikroprozessor 2 dazu ausgebildet, ein Softwareprogrammprodukt zum Steuern des programmierbaren Logikgatters 3 als Teil der Softwareumgebung 21 bereitzustellen. Dabei handelt sich insbesondere um eine sogenannte Software-Applikation.
Zum Steuern des programmierbaren Logikgatters 3 durch den Mikroprozessor 2 ist eine erste Schnittstelle 7 vorgesehen. Die erste Schnittstelle 7 kann auch als interne Schnittstelle bezeichnet werden, da der Mikroprozessor 2 und das programmierbare Logikgatter 3 vorliegend Teil eines Ein-Chip-Systems sind und daher insbesondere im selben Chipgehäuse, auch Package genannt, angeordnet sind. Zur Bereitstellung der ersten Schnittstelle 7 weisen der Mikroprozessor 2 und das programmierbare Logikgatter 3 eine jeweilige Buskomponente 22, 30 zum Bereitstellen der ersten Schnittstelle 7 auf.
Zusätzlich ist der Mikroprozessor 2 dazu ausgebildet, eine zweite Schnittstelle 6 bereitzustellen. Die zweite Schnittstelle 6 kann auch als externe Schnittstelle bezeichnet werden, da der Mikroprozessor 2 zur Kommunikation mit einem externen Steuerrechner 8 über die zweite Schnittstelle 6 ausgebildet ist. Die zweite Schnittstelle 6 wird über eine Signalleitung 9 zu einem Kontaktfeld 4 geführt, welches außenseitig an der Steuereinheit 1 angeordnet ist. Vorliegend ist die Signalleitung durch zwei Einzelleitungen, nämlich eine Sendeleitung (TX) und eine Empfangsleitung (RX), bereitgestellt. Über die Signalleitung 9 ist der Mikroprozessor 2 direkt mit Kontakten 12 des Kontaktfeldes 4 verknüpft, wobei die Kontakte 12 ausschließlich dem Mikroprozessor 2 zugeordnet sind. Über den Steuerrechner 8 kann die medizinische Bildgebungsanlage indirekt, nämlich über die Steuereinheit 1, gesteuert werden. Insbesondere ist der Mikroprozessor 2 dazu eingerichtet, einen Steuerbefehl aus dem externen Steuerrechner 8 über die zweite Schnittstelle 6 zu empfangen. Zur Kommunikation über die zweite Schnittstelle 6 ist ein Bussystem 5 vorgesehen. Durch das Bussystem 5 sind der externe Steuerrechner 8 und die Steuereinheit 1 beziehungsweise der Mikroprozessor 2 miteinander verbunden. Neben der Steuereinheit 1 und dem externen Steuerrechner 8 können noch weitere Teilnehmer 10 an dem Bussystem 5 angeschlossen sein. Beispielsweise handelt es sich bei dem Bussystem 5 um einen CAN-Bus oder eine Ethernetverbindung. Zum Bereitstellen der zweiten Schnittstelle 6 umfasst der Mikroprozessor einen Buscontroller 20. Bei dem Buscontroller 20 kann sich beispielsweise einen CAN-Controller oder einen Ethernet-Controller, beispielsweise einen sogenannten MAC, handeln.
2 zeigt einen beispielhaften Verarbeitungsablauf zur Steuerung des programmierbaren Logikgatters 3. Das programmierbare Logikgatter 3 kann basierend auf dieser Steuerung wiederum die medizinische Bildgebungsanlage steuern und/oder regeln.
Ein Befehlssignal wird durch den Buscontroller 20 aus dem Bussystem 5 beziehungsweise aus dem externen Steuerrechner 8 empfangen. Durch die Softwareumgebung 21 wird das Befehlssignal ausgewertet. Insbesondere können aus dem Befehlssignal jeweilige Steuerbefehle und/oder Regelbefehle abgeleitet werden, mit denen das Steuern und/oder Regeln der medizinischen Bildgebungsanlage durch das programmierbare Logikgatter 3 erfolgen soll. Alternativ oder zusätzlich können Nominalwerte für die Steuerung und/oder Regelung aus dem Befehlssignal abgeleitet werden. Über die erste Schnittstelle 7 beziehungsweise die entsprechende Buskomponente 22 des Mikroprozessors 2 wird anschließend das programmierbare Logikgatter 3 entsprechend angesteuert. Beispielsweise werden die Nominalwerte für die Steuerung und/oder Regelung an das programmierbare Logikgatter 3 übermittelt. Die Nominalwerte können beispielsweise jeweilige Werte für die Beschleunigungsspannung, die Stromstärke und/oder die Drehzahl der drehbaren Anode der Bildgebungsanlage aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können die Steuerbefehle und/oder Regelbefehle an das programmierbare Logikgatter 3 übermittelt werden und/oder das programmierbare Logikgatter 3 mittels entsprechend den Steuerbefehlen und/oder Regelbefehlen programmiert werden.
Beispielsweise erfolgt anschließend ein Steuern und/oder Regeln der medizinischen Bildgebungsanlage entsprechend den Steuerbefehlen und/oder Regelbefehlen und/oder unter Berücksichtigung der Nominalwerte durch das programmierbare Logikgatter 3. Beispielsweise weist das programmierbare Logikgatter 3 hier für einen Controller 31 auf beziehungsweise ist in durch das programmierbare Logikgatter 3 ein solcher Controller 31 implementiert. Entsprechende Steuerungssignale und/oder Regelungssignale können über entsprechende Ausgänge 33 des programmierbaren Logikgatters 3 ausgegeben werden.
Problematisch ist, dass es durch die in 2 gezeigte Befehlskette Probleme durch Verzögerungen geben kann. Insbesondere können solche Verzögerungen durch die Softwareumgebung 21 hervorgerufen werden, die durch den Mikroprozessor 2 bereitgestellt ist. Durch die Verarbeitung des Befehlssignals aus dem externen Steuerrechner 8 durch den Mikroprozessor 2 unter Zuhilfenahme der Softwareumgebung 21 kann es zu einer erhöhten Latenz beziehungsweise zu Verzögerungen kommen. Eine Echtzeitfähigkeit bei der Weiterreichung des Befehlssignals zum programmierbaren Logikgatter 3 ist nicht gewährleistet.
3 zeigt eine verbesserte Ausführungsform der Steuereinheit 1. Im Gegensatz zu der Ausführungsform aus 1 ist die Signalleitung 9 hier nicht direkt von dem Kontaktfeld 4 zum Mikroprozessor 2 geführt. Stattdessen ist die Signalleitung 9 bereichsweise durch das programmierbare Logikgatter 3 geführt. Mit anderen Worten ist die Signalleitung 9 zumindest teilweise durch das programmierbare Logikgatter 3 bereitgestellt. Durch die Signalleitung 9 ist der Mikroprozessor 2 beziehungsweise dessen Buscontroller 20 mit Kontakten 11 des programmierbaren Logikgatters 3 verbunden. Bei den Kontakten 11 des programmierbaren Logikgatters 3 handelt es sich um Kontakte, welche dem programmierbaren Logikgatter 3 zugeordnet sind. Beispielsweise sind die Kontakte 11 elektronisch oder logisch ausschließlich mit dem programmierbaren Logikgatter 3 verknüpft. Die Kontakte 11 können Pins des programmierbaren Logikgatters 3 zur Allzweckeingabe/-ausgabe, auch mit dem englischen Fachbegriff „general purpose input/output“ (kurz GPIO) bezeichnet, sein. Die Signalleitung 9 ist vorliegend zumindest teilweise durch Leiterbahnen des programmierbaren Logikgatters 3 und/oder durch Schaltelemente des programmierbaren Logikgatters 3 bereitgestellt.
Optional kann eine weitere Signalleitung 13, auch als direkte Signalleitung bezeichnet, vorgesehen sein. Die weitere Signalleitung 13 verbindet den Mikroprozessor 2 beziehungsweise dessen Buscontroller 20 mit den Kontakten 12 des Mikroprozessors 2. Diese weitere Signalleitung 13 kann jedoch in einem Normalzustand hardware- oder softwaremäßig unterbrochen sein (siehe Bezugszeichen 23).
Die Signalleitung 9 weist eine Sendeleitung 36 eine Empfangsleitung 35 auf. Die Bezeichnung als Sendeleitung 36 beziehungsweise Empfangsleitung 35 ist vorliegend auf den Mikroprozessor 2 beziehungsweise dessen Buscontroller 20 bezogen. Der Mikroprozessor 2 beziehungsweise dessen Buscontroller 20 ist dazu ausgebildet, Datenpakete beziehungsweise Befehlssignale über die Empfangsleitung 35 zu empfangen. Der Mikroprozessor 2 beziehungsweise dessen Buscontroller 20 ist dazu ausgebildet, Datenpakete beziehungsweise Befehlssignale über die Sendeleitung 36 auszusenden.
An die Empfangsleitung 35 ist eine Empfangseinheit 32 des programmierbaren Logikgatters angeschlossen. Darin liegt ein Vorteil der vorliegenden Ausführungsform gegenüber der Ausführungsform aus 1. Durch das Routing der Signalleitung 9 über das programmierbare Logikgatter 3, kann die Empfangseinheit 32 an der Signalleitung 9 beziehungsweise an der Empfangsleitung 35 angeschlossen werden.
Die Empfangseinheit 32 ist dazu ausgebildet, über die Empfangsleitung 35 an den Mikroprozessor 2 beziehungsweise dessen Buscontroller 20 übermittelte Datenpakete beziehungsweise Befehlssignale auszulesen. Handelt es sich bei dem Bussystem 5 um einen CAN-Bus, so kann die Empfangseinheit 32 als „CAN-Schnüffler“, auch mit dem englischen Fachbegriff „CAN-Sniffer“ bezeichnet, ausgeführt sein. Die Empfangseinheit 32 ist dazu ausgebildet, das Befehlssignal aus dem externen Steuerrechner 8 zumindest teilweise auszulesen. Beispielsweise ist die Empfangseinheit 32 dazu ausgebildet, bestimmte Befehle, beispielsweise Echtzeitbefehle, welche in Echtzeit zur Regelung und/oder Steuerung der Bildgebungseinheit zu befolgen sind, auszulesen und direkt anzuwenden. Alternativ oder zusätzlich kann die Empfangseinheit 32 dazu ausgebildet sein, die oben genannten Nominalwerte zur Steuerung der Bildgebungseinheit aus dem Befehlssignal zu extrahieren. Die Nominalwerte können dann direkt angewendet werden. Selbstverständlich können die Nominalwerte Teil der Echtzeitbefehle sein.
4 zeigt einen beispielhaften Verarbeitungsablauf in der verbesserten Ausführungsform gemäß 3. Einige Befehle werden weiterhin über den Mikroprozessor 2, also den Buscontroller 20, die Softwareumgebung 21 sowie Buskomponente 22, an das programmierbare Logikgatter 3 übermittelt. Insbesondere handelt es sich hierbei um allgemeine Administrationsbefehle. Im Gegensatz dazu werden die Echtzeitbefehle und/oder die Nominalwerte direkt durch die Empfangseinheit 32 des programmierbaren Logikgatters 3 ausgelesen. Die Echtzeitbefehle und/oder die Nominalwerte können dann direkt, also unter Umgehung des Mikroprozessors 2, an den Controller 31 weitergegeben werden. Durch den Controller 31 können die Echtzeitbefehle und/oder die Nominalwerte beim Steuern und/oder Regeln der Bildgebungsanlage berücksichtigt beziehungsweise angewendet werden.
Auf diese Weise können Verzögerungen beziehungsweise Latenzen verringert werden, da die Empfangseinheit 32 im Vergleich zum Mikroprozessor 2 geringere Verzögerungen hervorruft. Dies gilt insbesondere daher, da die Empfangseinheit 32 zur Funktion keine derart umfangreiche Softwareumgebung 21 benötigt, wie der Mikroprozessor 2. Insbesondere arbeitet die Empfangseinheit 32 „in Hardware“.
Abschließend zeigt die 5 ein Blockdiagramm der Empfangseinheit 32. Das Befehlssignal wird aus der Empfangsleitung 35 empfangen. Eingangsseitig weist die Empfangseinheit 32 einen Eingangsfilter 44 auf. Der Eingangsfilter 44 kann zur Aufbereitung des Eingangssignals ausgebildet sein. Daran anschließend ist eine Extraktionseinheit 40 vorgesehen, welche Daten zur Weiterverarbeitung aus dem Befehlssignal extrahiert. Es kann vorgesehen sein, dass die Extraktionseinheit 40 für die Empfangseinheit 32 nicht zu verarbeitenden Befehle und/oder Datenpakete verwirft. Dabei handelt es sich beispielsweise um die Administrationsbefehle. Die Extraktionseinheit 40 kann zur Prüfung der aus dem Befehlssignal extrahierten Daten ausgebildet sein. Beispielsweise erfolgt dies anhand von Fehlerkorrekturdaten, welche als Teil der Datenpakete und/oder des Befehlssignals ausgelesen werden. Insbesondere erfolgt dies im Rahmen einer zyklischen Redundanzprüfung, auch mit der englischen Abkürzung „CRC“ bezeichnet.
Die Daten zur Weiterbearbeitung können beispielsweise die Nominalwerte und/oder Echtzeitbefehle umfassen. Insbesondere ist die Extraktionseinheit 40 zur Weitergabe der Daten an den Controller 31 ausgebildet. Das Weitergeben der Daten an den Controller 31 erfolgt insbesondere nur dann, wenn im Rahmen der Fehlerkorrektur deren Korrektheit festgestellt wurde. Mit anderen Worten werden aufgrund der Fehlerkorrektur gültige Daten zur Weiterbearbeitung an den Controller 31 übermittelt.
Ein optionaler Fehlermelder 41, beispielsweise ein Interrupt Controller kann zur Ausgabe eines Fehlersignals 43 ausgebildet sein, wenn bei der Fehlerkorrektur ein Fehler erkannt wird. Mit anderen Worten ist die Empfangseinheit 32 zur Ausgabe des Fehlersignals 43 ausgebildet. Insbesondere erfolgt eine Übermittlung des Fehlersignals 43 an den Mikroprozessor 2.
Zusätzlich kann die Empfangseinheit 32 ein Register 42 bereitstellen. Dieses Register 42 kann allgemeine Statusinformationen beinhalten. Beispielsweise ist die Empfangseinheit 32 dazu ausgebildet, Fehlermeldungen, Fehler im Rahmen der Fehlerkorrektur oder allgemeine erfasste („geloggte“) Betriebsdaten der Empfangseinheit 32 in dem Register 42 bereitzustellen.
Insgesamt ist gezeigt, wie durch das Führen der Signalleitung 9 über das programmierbare Logikgatter 3 in Verbindung mit der Empfangseinheit 32 Verzögerungen beim Steuern und/oder Regeln der medizinischen Bildgebungsanlage reduziert werden können.

Claims

Steuereinheit (1) für eine medizinische Bildgebungsanlage, mit - einem programmierbaren Logikgatter (3) ausgebildet zur Regelung und/oder Steuerung zumindest einer Komponente der medizinischen Bildgebungsanlage, - einem Mikroprozessor (2), der über eine erste Schnittstelle (7) mit dem programmierbaren Logikgatter (3) verbunden ist, und - einer Signalleitung (9) zum Verbinden des Mikroprozessors (2) mit einem außenseitig an der Steuereinheit (1) angeordneten Kontaktfeld (4), wobei - der Mikroprozessor (2) zur Bereitstellung einer zweiten Schnittstelle (6) über die Signalleitung (9) sowie zum Steuern des programmierbaren Logikgatters (3) entsprechend einem über die zweite Schnittstelle (6) empfangenen Befehlssignal ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Signalleitung (9) zumindest partiell durch das programmierbare Logikgatter (3) bereitgestellt ist, und - das programmierbare Logikgatter (3) eine Empfangseinheit (32) zum Auslesen des Befehlssignals aufweist.
Steuereinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (2) zur Kommunikation mit einem Endgerät (8) eines Nutzers über die zweite Schnittstelle (6) ausgebildet ist.
Steuereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (2) zur Bereitstellung der zweiten Schnittstelle (6) zusätzlich eine direkte Signalleitung (13), welche nicht über das programmierbare Logikgatter (3) geführt ist, aufweist, wobei die direkte Signalleitung (13) in zumindest einem Betriebszustand der Steuereinheit (1) zu Gunsten einer Kommunikation über die Signalleitung (9) gesperrt ist.
Steuereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (2) zum Zwecke des Steuerns des programmierbaren Logikgatters (3) und/oder der Bereitstellung einer zweiten Schnittstelle (6) dazu ausgebildet ist, ein Betriebssystem (21) und/oder einen Gerätetreiber (21) auszuführen.
Steuereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (2) dazu eingerichtet ist, durch das Steuern des programmierbaren Logikgatters (3) die Regelung und/oder Steuerung der medizinischen Bildgebungsanlage zu beeinflussen.
Steuereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signalleitung (9) aus Sicht des Mikroprozessors (2) eine Sendeleitung (36) und eine Empfangsleitung (35) umfasst, wobei die Empfangseinheit ausschließlich mit einer der beiden Leitungen (35, 36), insbesondere der Empfangsleitung (35), verbunden ist.
Steuereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der zweiten Schnittstelle (6) um eine Ethernet-Schnittstelle oder einen Teil eines CAN-Buses handelt.
Steuereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das programmierbare Logikgatter (3) dazu ausgebildet ist, ein für den Mikroprozessor (2) abrufbares Register (42) mit Fehlerinformationen über Fehler, die bei dem Auslesen des Befehlssignals auftreten, bereitzustellen.
Steuereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das programmierbare Logikgatter (3) dazu ausgebildet ist, einzelne in dem Befehlssignal enthaltene Befehle direkt, insbesondere Einbeziehung des Mikroprozessors (2), auszuführen.
Steuereinheit (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikroprozessor (2) dazu ausgebildet ist, das direkte Ausführen der einzelnen Befehle für das programmierbare Logikgatter (3) freizugeben oder zu sperren.
Steuereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Befehlssignal Echtzeitbefehle, welche in Echtzeit zu befolgende Befehle zur Regelung und/oder Steuerung der medizinischen Bildgebungsanlage sind, und davon verschiedene Administrationsbefehle umfasst, wobei die Empfangseinheit (32) nur zum Auslesen der Echtzeitbefehle ausgebildet ist.
Steuereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das programmierbare Logikgatter (3) zum Regeln und/oder Steuern einer Röntgenröhre der medizinischen Bildgebungsanlage ausgebildet ist.
Medizinische Bildgebungsanlage, insbesondere Röntgen-Anlage, mit einer Steuereinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Steuern einer medizinischen Bildgebungsanlage durch eine Steuereinheit (1), mit den Schritten: - Bereitstellen einer zweiten Schnittstelle (6) über eine Signalleitung (9) durch einen Mikroprozessor (2) der Steuereinheit (1), wobei die Signalleitung (9) den Mikroprozessor (2) mit einem außenseitig an der Steuereinheit (1) angeordneten Kontaktfeld (4) verbindet, - Empfangen eines Befehlssignals über die zweite Schnittstelle (6) durch den Mikroprozessor (2), - Steuern eines programmierbaren Logikgatters (3), welches zumindest eine Komponente der medizinischen Bildgebungsanlage steuert und/oder regelt, der Steuereinheit (1) entsprechend dem über die zweite Schnittstelle (6) empfangenen Befehlssignal durch den Mikroprozessor (2), dadurch gekennzeichnet, dass - die Signalleitung (9) zumindest partiell durch das programmierbare Logikgatter (3) bereitgestellt wird, und - das Befehlssignal durch eine Empfangseinheit (32) des programmierbaren Logikgatters (1) ausgelesen wird.