用于医学成像系统高速数据传输的近场磁场耦合滑环装置

技术领域

本发明涉及医学成像系统数据传输技术领域，尤其是涉及一种用于医学成像系统高速数据传输的近场磁场耦合滑环装置。

背景技术

医学成像系统在疾病的预防与治疗方面发挥重大作用，随着医学成像系统不断更新与发展，医学成像系统的开发与研制，已经成了人们关注的焦点，目前常见的成像系统有X射线成像、CT成像、核磁共振(MRI)成像以及超声成像系统。其中，用于高速数据传输的滑环在X射线成像、CT成像、MRI成像中起到关键作用，通常，滑环系统包括两个部分，即旋转部分和静止部分，旋转部分包括X射线管和相应的探测器、以及数据采集系统(DAS)；静止部分则设置有图像重建系统(IRS)。X射线管发射的X射线经过成像空间后，被探测器接收，探测器将探测到的能量转换成可供记录的电信号传递给数据采集系统，然后数据采集系统将来自探测器的模拟信号转换成用来重建图像的数据信号，这些数据信号最后由数据采集系统传送到图像重建系统以获得图像。然而随着技术的进步，探测器采集的数据量与日俱增，扫描的速度也在不断加快，这就对滑环数据传输速率和质量提出了更高的要求。

现阶段，高速旋转滑环数据传输方式从技术特点上可将分为接触式和非接触式两大类。

一、接触式的数据传输通常采用传统集流器来完成，常见的包括拉线式、水银式和电刷式等。例如，中国专利CN106329267A公开一种用于旋转电滑环组件的等压式电刷架，这些电刷架布置在且稳定在滑环组件的定子部件上，与具有圆形截面的所述杆相对应，并且适于将这些刷保持为与导电环的外部径向表面以滑动接触方式接合，从而进行用于电力和信号电流传输。但这种方式无法在较高转速或较长时间情况下使用，而且制造和维护成本较高、传输的信号速率较低，这也严重限制了接触式数据传输方式在高速旋转结构部件中的应用。

二、非接触式的数据传输则包括无线电传输、近场耦合传输和光电数据传输三种方式。其中，(1)常用的无线传输技术包括蓝牙数据传输、红外数据传输、无线局域网(WIFI)数据传输以及超宽带(UWB)数据传输等，例如，中国专利CN212996463U公开了一种无接触式CT机架加装调节设备，其包括机械手、图像采集装置以及控制终端。机械手的控制器以及图像采集装置均通过局域网或广域网与控制终端通信连接实现数据交互。但这种无线传输方式不适宜用来传输动辄达到Gbps数据量的CT高速数据传输。(2)光电数据传输是这三种方式中上限数据传输速率最高的，例如，在公开号为CN1989905A的专利申请中，公开了一种基于光纤的数据传输系统，其在旋转体上设置了一个电光转换元件和聚焦透镜作为信号发射部分，在固定体上沿圆周方向布满光纤来接收发射的光信号并传送到光电转换元件。这种系统具有较高的数据传输速率，但其采用了较多的激光器或光纤，成本较高，在一些低成本使用场景中的实用性受到限制。(3)近场耦合数据传输方式主要是通过环绕于旋转部分外沿的柔性信号部分与固定端的接收信号部分之间的近场耦合来实现信号的传输。例如，中国专利CN216525535U公开了一种CT检测装置中，所采用的就是近场耦合式滑环。与光传输电滑环相比，近场耦合式滑环具有体积小、重量轻、占用空间较小、成本较低的优点，但是其容易受到动线圈发射信号部分和静线圈接收信号部分之间的距离变化影响，进而影响到数据的采集，导致数据传输速率难以满足要求。由此可知，现有的利用近场耦合进行数据传输的数据滑环系统中，大都存在着受振动影响大、旋转部分和固定部分的距离公差小等问题，这不仅会降低检测设备的传输信号效率，同时也增加了设备的制造难度。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种用于医学成像系统高速数据传输的近场磁场耦合滑环装置，能够有效减少发射信号部分与接收信号部分的距离变化所产生的不良影响，提高数据传输效率。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种用于医学成像系统高速数据传输的近场磁场耦合滑环装置，包括旋转部和固定部，所述固定部位于旋转部的外侧，所述旋转部上沿周向设置有发射信号单元，所述固定部上设置有接收信号单元，所述发射信号单元包括金属凹槽，所述金属凹槽的正上方设置有金属走线。

进一步地，所述金属凹槽包括相对设置且等高的第一金属侧壁和第二金属侧壁，所述第一金属侧壁和第二金属侧壁的底部通过槽底相连接，所述金属走线设置在第一金属侧壁与第二金属侧壁之间。

进一步地，所述金属走线与槽底之间的垂直距离等于第一金属侧壁或第二金属侧壁的高度。

进一步地，所述金属凹槽内填充有介质，所述金属走线印刷于介质表面。

进一步地，所述金属走线的截面形状包括但不限于圆形、方形。

进一步地，所述发射信号单元布置在旋转部的边沿。

进一步地，所述接收信号单元均匀布设在固定部。

进一步地，所述接收信号单元安装于PCB板、LCP板或PFC板。

进一步地，所述接收信号单元包括但不限于微带线、槽线、“8”字形金属圆环。

进一步地，所述接收信号单元的横向尺寸与金属凹槽的槽宽相一致，所述接收信号单元与发射信号单元之间存在耦合间距。

与现有技术相比，本发明通过在旋转部上沿周向设置发射信号单元，发射信号单元由金属凹槽及其正上方的金属走线构成，当发射信号单元在馈电后，会在金属凹槽与金属走线形成的两个缝隙中产生反相的磁场，并在金属走线上方较大范围内稳定辐射，利用磁场耦合将信号传送给固定部分的接收信号单元。由此利用金属凹槽与金属走线的组合结构来代替传统的双线传输结构，能够明显减小对电场的局限、扩大近场范围，从而有效降低随着发射信号单元与滑环中定子端接收信号单元之间距离变化所产生的损耗，能够很好地解决传统双线传输方案的公差问题。

本发明中，将金属走线设置在金属凹槽两个侧壁之间，通过控制金属走线到金属凹槽侧壁的间距，即可相应控制辐射量大小，此外，将接收信号单元固定于PCB板、LCP板或PFC板，不仅能保证结构的安装可靠性，同时也能适应于不同应用场景，比如有超长、柔性发射信号部分需求的应用场景。

附图说明

图1为实施例中近场磁场耦合滑环结构示意图；

图2a和图2b为发射信号单元在水平方向的正面简化结构示意图；

图3为发射信号单元在垂直方向的正面简化结构示意图；

图4为实施例中“8”字形圆环接收信号单元的结构示意图；

图5a为发射信号单元与“8”字形圆环接收信号单元的放置效果示意图(hgap为二者间的耦合间距)；

图5b为发射信号单元与微带线接收信号单元的放置效果示意图(hgap为二者间的耦合间距)；

图5c为发射信号单元与槽线接收信号单元的放置效果示意图(hgap为二者间的耦合间距)；

图6a和图6b为实施例中发射信号单元与接收信号单元的尺寸示意图(单位均为mm)；

图7为传统双线传输系统的传输系数随耦合间距Cgap的变化示意图；

图8为实施例中近场磁场耦合滑环的发射信号单元的电场分布；

图9为实施例中近场磁场耦合滑环的发射信号单元的磁场分布；

图10为实施例中近场磁场耦合滑环的发射信号单元的传输系数随耦合间距的变化示意图；

图中标记说明：1、旋转部，2和3、发射信号单元，4和5、接收信号单元，6、固定部，7、第一金属侧壁，8、第二金属侧壁，9、槽底、10、金属走线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1、图2a、图2b和图3所示，一种用于医学成像系统高速数据传输的近场磁场耦合滑环装置，包括旋转部1和固定部6，固定部6位于旋转部1的外侧，本实施例中，设置两个发射信号单元以及两个接收信号单元，即在旋转部1上沿周向设置发射信号单元(2、3)，在固定部6上设置接收信号单元(4、5)，在实际应用时，发射信号单元(2、3)可在旋转部1内表面周向设置，发射信号单元个数不做限制，具体根据所传输数据量决定，本实施例包含两段发射信号部分。

其中，发射信号单元(2、3)包括金属凹槽，金属凹槽的正上方设置有金属走线10，金属凹槽包括相对设置且等高的第一金属侧壁7和第二金属侧壁8，第一金属侧壁7和第二金属侧壁8的底部通过槽底9相连接，金属走线10设置在第一金属侧壁7与第二金属侧壁8之间，通过控制金属走线10到两侧壁的间距，即可相应控制辐射量大小，金属走线10与槽底9之间的垂直距离等于第一金属侧壁7或第二金属侧壁8的高度，即金属走线10与金属侧壁的顶部处于同一水平面，此外，在实际应用时，可在金属凹槽内填充介质，金属走线10则印刷于介质表面，金属走线10的截面形状包括但不限于圆形、方形。

接收信号单元(4、5)均匀布设在固定部6，具体可等间距地布置在固定部6上，接收信号单元(4、5)包括但不限于微带线、槽线、“8”字形金属圆环(如图4所示)等形式。本实施例采用“8”字形金属圆环作为接收信号单元的形式，接收信号单元的横向尺寸与金属凹槽的槽宽相一致，接收信号单元与发射信号单元之间存在耦合间距(如图5a～图5c中hgap所示)，发射信号单元和接收信号单元根据所传输的数据量选择传输的通道数，本实施例采用单通道传输。此外，接收信号单元可安装于PCB板、LCP板或PFC板。

如图6a和图6b所示为实施例中发射信号单元尺寸示意。其中，金属凹槽由两块相距7毫米的80mm*4mm*7mm的金属长方体(作为金属侧壁)和一块金属板(作为槽底)组成，金属走线采用截面为矩形金属(宽度1mm)，并位于金属凹槽上方；金属走线与金属凹槽内壁的距离为3mm，此外，馈电端口采用波导端口模式馈电。

本技术方案的工作过程为：基于近场磁场耦合传输原理，旋转部的发射信号单元在馈电后，在金属凹槽与金属走线形成的两个缝隙中产生反相的磁场，并在金属走线上方较大范围内稳定辐射，利用磁场耦合将信号传送给固定部的接收信号单元。本技术方案利用金属凹槽加金属走线的结构代替传统的双线传输结构，以此减小对电场的局限，扩大近场范围(从图8和图9可知，本技术方案中发射信号单元的近场范围较大，在近场范围内能量分布较为均匀)，从而降低随着发射信号部分与滑环中定子端接收信号部分之间距离变化所产生的损耗，能够很好地解决传统双线传输方案的公差问题。

为验证本技术方案的有效性，发射信号单元与接收信号单元工作时，其传输系数随耦合间距的变化如图10所示，传输系数随耦合间距在1mm到6mm的变化过程中仅损失15dB，而图7所示的传统双线传输方案的传输系数在耦合间距从1mm到5mm变化的过程中就损失了32dB，由此可见，本技术方案能有效解决公差问题。

需要说明的是，本发明的技术方案不限于本实施例的尺寸范围，不限制金属走线的形式，不限制金属走线的高度、位置及固定方式，不限制工作频段，不限制发射信号部分与接收信号部分的传输通道数，不限制接收信号部分的个数与尺寸，也不限制接收信号部分的形式。凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

采用本技术方案，利用金属凹槽加金属走线的结构作为滑环的转子端发射信号单元，以代替传统的双线传输线结构，对电场的局限不多、且近场范围较大，所以随着与滑环中固定部接收信号单元之间距离变化所产生的损耗不多，从而能够很好地解决传统双线传输方案的公差问题。