REPORTE DE PROYECTO TERMINAL148.206.53.84/tesiuami/UAMI13114.pdf · El desplazamiento de la Mesa de...

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA

CIENCIAS BÁSICAS E INGENIERÍA

REPORTE DE PROYECTO TERMINAL

ANÁLISIS DEL DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE INTERFASE CLUSTER TOMÓGRAFO

POR: RUVALCABA PAREDES ELBA PAMELA

ASESOR: Dr. ALEJANDRO GUZMÁN DE LEÓN

MARZO 2006

A mi familia:

Mis padres por todo el cariño y apoyo que me han brindado siempre, y por que sin ellos este sueño jamás habría sido posible.

Mis hermanos Erika y Sergio por creer en mi y estar a mi lado en cualquier momento por difícil que sea.

Mi compañero incondicional Angel por el amor y confianza que siempre me ha entregado y enseñarme a soñar.

ÍNDICE

AGRADECIMIENTOS.............................................................................iv

IIInnnttteeerrrfffaaassseee cccllluuusssttteeerrr --- tttooommmóóógggrrraaafffooo

EEE... PPPaaammmeeelllaaa RRRuuuvvvaaalllcccaaabbbaaa PPPaaarrreeedddeeesss ii

PLANTEAMIENTO Y JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA .................................v OBJETIVOS.........................................................................................vi 1. MARCO TEÓRICO

1.1 INTRODUCCIÓN.......................................................................1 1.2 FUNDAMENTOS DE TOMOGRAFÍA COMPUTADA.............................2 1.2.1 TOMOGRAFÍA AXIAL COMPUTADA..........................................3 1.2.2 TOMOGRAFÍA HELICOIDAL COMPUTADA.................................4

1.3 HISTORIA DE LA TOMOGRAFÍA COMPUTADA................................5 2. TC TWIN ELSCINT

2.1 NOMENCLATURA......................................................................8 2.2 GENERALIDADES......................................................................9 2.3 MÓDULOS DEL CT TWIN

2.3.1 GANTRY............................................................................11 2.3.2 MESA DE PACIENTE............................................................15 2.3.3 GABINETE DE ALIMENTACIÓN.............................................15 2.3.4 UNIDAD DE ENFRIAMIENTO................................................15 2.3.5 CONSOLA.........................................................................16 2.3.6 UNIDAD DE PROCESAMIENTO..............................................16 3. PROCESAMIENTO DE IMÁGENES

3.1 PROCESO DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE DATOS.........18 3.2 ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN LA ADQUISICIÓN Y

RECEPCIÓN DE DATOS............................................................21

4. ANÁLISIS DE LA UNIDAD DE PROCESAMIENTO 4.1 TARJETA DE ADQUISICIÓN......................................................25 4.1.1 BLOQUES DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN.........................28 4.2 TARJETA DE MEMORIA............................................................30 4.2.1 BLOQUES DE LA TARJETA DE MEMORIA...............................33

4.3 TARJETA DE PROCESAMIENTO.................................................34 4.3.1 BLOQUES DE LA TARJETA DE PROCESAMIENTO....................36

4.4 TARJETA DE DESPLIEGUE........................................................36


EEE... PPPaaammmeeelllaaa RRRuuuvvvaaalllcccaaabbbaaa PPPaaarrreeedddeeesss iii

4.5 TARJETA DE VOZ....................................................................36 5. DISEÑO DE LA INTERFASE

5.1 REQUERIMIENTOS DE LA INTERFASE........................................37 5.2 ANÁLISIS DE CIRCUITERÍA......................................................38 5.3 OBTENCIÓN DE DATOS...........................................................40 5.4 TRANSMISIÓN DE DATOS........................................................43 5.5 RECEPCIÓN DE DATOS............................................................45 5.6 PROTOTIPO...........................................................................46

CONCLUSIÓN....................................................................................48 REFERENCIAS....................................................................................49

AGRADECIMIENTOS


EEE... PPPaaammmeeelllaaa RRRuuuvvvaaalllcccaaabbbaaa PPPaaarrreeedddeeesss iv

A mi Asesor el Dr. Alejandro Guzmán De León por todo el apoyo, confianza y tiempo dedicado a este proyecto.

Al M. En C. Miguel Cadena Méndez por el apoyo y conocimientos transmitidos para realizar este proyecto.

A toda mi familia por lo que me han dado.

A mis amigos, en especial a Jorge el amigo que se fue, por siempre estar conmigo.

A mis compañeros del LERI.

A todos aquellos que en algún momento me brindaron su cariño, criticas y apoyo.

PLANTEAMIENTO Y JUSTIFICACIÓN DEL PROBLEMA


EEE... PPPaaammmeeelllaaa RRRuuuvvvaaalllcccaaabbbaaa PPPaaarrreeedddeeesss v

Los métodos de imagenología se han convertido en herramientas de

diagnostico esenciales en la medicina, al no ser invasivos, proporcionar información inmediata y no requerir de preparación esmerada en las técnicas o equipos a utilizar. Sobresalen entre los métodos diagnósticos por imagenología el ultrasonido, la resonancia magnética, la radiografía y la tomografía, siendo esta última una de las más utilizadas por la cantidad de información que aporta y su flexibilidad para obtener una imagen de cualquier parte del cuerpo en cuestión de segundos, razón por la que científicos e investigadores, concentran su atención en la revolución de la tomografía.

En Laboratorio de Equipos con Radiación Ionizante (LERI) se realiza investigación científica con el fin de innovar y mejorar la técnica de la tomografía computada, desarrollando sistemas que proporcionen imágenes de alta calidad en corto tiempo, lo cual implica el diseño de dispositivos novedosos con alta tecnología capaces de realizar la optimización de esta técnica.

Un claro ejemplo es el desarrollo de un prototipo de interfase cluster-

tomógrafo, es decir, se trata de establecer una vía de comunicación apta para el envío de los datos producidos en el tomógrafo al interactuar una fuente de radiación (Rayos x) con un cuerpo de estudio, a una unidad encargada de efectuar el procesamiento de los datos (cluster), en el cual podremos probar diferentes algoritmos de reconstrucción tomográfica sin interferir con el comportamiento usual del tomógrafo, para finalmente obtener imágenes de alta calidad en periodos breves.

OBJETIVOS


EEE... PPPaaammmeeelllaaa RRRuuuvvvaaalllcccaaabbbaaa PPPaaarrreeedddeeesss vi

Objetivo General

Estudiar la transmisión de los datos adquiridos por el tomógrafo y enviados a la unidad de procesamiento además de proponer como extraerlos y depositarlos en el servidor de un cluster.

Objetivos Particulares

Comprender el proceso de generación y adquisición de imágenes en el

CT Twin Elscint.

Entender el funcionamiento básico de la Unidad de Procesamiento

(Rack) del CT Twin Elscint.

Comprender y detectar los pasos del procesamiento de datos y

generación de imágenes en la Unidad de Procesamiento.

Estudiar y comprender el funcionamiento de los elementos básicos de

las tarjetas de adquisición (ACQ), memoria (RM) y la procesamiento

(RP), que permiten la reconstrucción de la imagen en la unidad de

procesamiento.

Planteamiento de un prototipo para la interfase.

Análisis del prototipo propuesto.

IInntteerrffaassee cclluusstteerr -- ttoommóóggrraaffoo

EE.. PPaammeellaa RRuuvvaallccaabbaa PPaarreeddeess

1

1. MARCO TEÓRICO 1.1 INTRODUCCIÓN

La característica mas importante de la tomografía computada es la capacidad de reconstruir por medio de una unidad de procesamiento los coeficientes de absorción del cuerpo captados por los detectores al ser atravesado por un haz de rayos X cuando se realiza el estudio, datos que serán desplegados en forma de imagen permitiendo visualizar la morfología de los diferentes elementos del tejido por medio de las diferentes densidades que cada uno de estos presenta, por tanto la imagen deberá ser lo más clara, precisa y nítida para efectuar diagnósticos apropiados del cuerpo analizado.

Siendo el propósito de esta investigación el diseño de un elemento que permita la obtención de los datos recabados durante la exploración realizada por el tomógrafo, para posteriormente llevar acabo reconstrucciones de manera simultanea al tomógrafo en una unidad de procesamiento que ofrezca imágenes de mejor calidad en menor tiempo.

Se estudia un Tomógrafo Computado, específicamente el CT Twin

Elscint. Más tarde el estudio se extenderá en diferentes modelos de tomógrafos que finalmente realicen la mejor reconstrucción para aumentar la calidad de la imagen proporcionando parámetros confiables del estudio sin ser un método invasivo.



2

1.2 FUNDAMENTOS DE LA TOMOGRAFÍA COMPUTADA

La palabra Tomografía proviene del griego “tomos” corte y “grafos” imagen, es decir, imagen de un corte, siendo la Tomografía Computada (TC) una técnica que permite la reconstrucción de la imagen por medio de una computadora.

La generación de imágenes a través de TC se realiza cuando un haz de rayos X atraviesa al objeto de estudio, mientras todo el sistema realiza una serie de movimientos y en los detectores se captan los coeficientes de absorción del haz al interactuar con la materia, enviando los valores a un procesador donde el conjunto de datos será procesado para reconstruir la imagen, que finalmente se desplegará en un monitor para realizar el análisis clínico.

Unidad

de Procesamiento

Tubo

de rayos X

Detectores

Sistema de

Medición

Monitor de

Despliegue

Unidad

de Procesamiento

Tubo

de rayos X

Detectores

Sistema de

Medición

Monitor de

Despliegue Figura 1. Obtención de Tomografía Computada.

La calidad de la imagen digital depende de varios factores como la

calidad del haz de rayos X, la calidad y sensibilidad de los detectores, el número datos, los algoritmos que se utilicen en la reconstrucción de las imágenes, etc. Cada corte tomográfico visualizado en la pantalla es como una "rebanada" más o menos delgada según se necesite en el estudio.

La imagen reconstruida puede ser almacenada, para visualizarla cada vez que se desee, también puede ser impresa en una placa radiográfica convencional a través de una impresora láser conectada al monitor de visualización.



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1.2.1 TOMOGRAFÍA AXIAL COMPUTADA (TAC)

La Tomografía Axial Computada (TAC), es la técnica donde se producen

imágenes detalladas del objeto de estudio a través de cortes transversales, este es el tipo de cortes que proporcionan los TC convencionales, no requieren de características especiales más allá de realizar un corte y una reconstrucción de la imagen por medio de algoritmos computacionales.

Durante la selección del tipo del protocolo de estudio se elige el área de análisis, la cantidad de rebanadas o cortes a realizar, el grosor de la rebanada y un conjunto de parámetros con los que se establecerán las características de cada corte realizado, e indicarán a la unidad de control los movimientos mecánicos que deberá realizar el Gantry en conjunto a la mesa de paciente (camilla) para obtener la imagen con los parámetros establecidos.

Movimiento de la camilla

Cortes axiales

Tomógrafo


Cortes axiales

Tomógrafo

Figura 2. Adquisición de Tomografía Axial.

Y

Z

X

Y

Z

X



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1.2.2 TOMOGRAFÍA HELICOIDAL COMPUTADA

En la tomografía helicoidal se cuenta con un TC que tiene un sistema

que permite una rotación continua de los elementos de adquisición del Gantry en coordinación con un desplazamiento de la Mesa de paciente durante el barrido, esto con un solo haz de rayos X de duración prolongada (en el caso del CT Twin de hasta 32 segundos), de tal forma que las rebanadas son adquiridas en forma de espiral consiguiéndose una exploración volumétrica, producto de un complejo proceso matemático.


Cortes continuos en espiral

Tomógrafo


Cortes continuos en espiral

Tomógrafo

Figura 3. Adquisición de Tomografía Helicoidal.

El desplazamiento de la Mesa de paciente en el momento de la adquisición es llamado pitch. Con el pitch se especificará la separación entre cada corte, formando un espiral, si la espiral de cobertura es demasiado alargado se perderá calidad en la imagen y le corresponderá un pitch elevado [1]. Pitch =Movimiento de la mesa en mm x giro (segundo)/Grosor de corte

Y

Z

X

Y

Z

X



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1.3 HISTORIA DE LA TOMOGRAFÍA COMPUTADA

El matemático austriaco Radon en 1917 demostró que los objetos

bidimensionales y tridimensionales pueden ser reproducidos conociendo un conjunto infinito de sus proyecciones.

W. Oldendorf en 1961 utilizó por primera vez una fuente de radiación a partir de un radioisótopo (yodo) y un cristal de centelleo (de sodio) acoplado a una fotomultiplicadora para explorar (en forma de rastreador) estructuras biológicas y obtener sus proyecciones [2]. En 1963 M. Cormack realiza un sistema de exploración experimental, para reconstrucción asimétrica, sin tener impacto en la comunidad científica.

En 1972, se marca el nacimiento de la TC. El Dr. Godfrey Hounsfield describe y pone en práctica la Tomografía Axial Computada a partir de los experimentos de Cormack. Su aportación se basa en utilizar el coeficiente de atenuación que experimenta el haz de rayos X al atravesar la materia y hacer la reconstrucción de la imagen usando la computadora. Para 1979 Cormack y Hounsfield reciben el Premio Nobel de Fisiología y Medicina por la invención del tomógrafo transaxial computado [3]. 2004, son donados a la UAM Iztapalapa 2 equipos de Tomografía computada que permiten comenzar la investigación tomográfica en México.

Desde Hounsfield hasta la actualidad, se han introducido muchos

cambios encaminados casi todos ellos a reducir el tiempo de barrido y mejorar la calidad de imagen. Produciendo así cambios significativos que marcan la pauta para crear divisiones generacionales en los equipos de TC.

Las diferencias entre las diversas generaciones de aparatos de TC:

o 1ª Generación: Translación-Rotación de un par emisor-detector, con un solo haz de radiación llamado lápiz.



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El tubo de rayos X y un detector en posiciones opuestas recorren en translación una zona de 1 grado, realizando los cálculos de atenuación correspondientes a esa zona, rotan ambos 1 grado y vuelven a trasladarse en esa zona sobre el mismo eje realizando los cálculos de esta zona y repiten el proceso hasta conseguir los datos correspondientes a una rotación de 180 grados. Los tiempos de barrido por corte eran de 4 a 5 minutos, y el tiempo de reconstrucción por imagen era de 1.5 a 2 horas por imagen.

o 2ª Generación: Translación-Rotación de un par emisor-detectores con varios haces de radiación.

Treinta detectores opuestos al tubo de rayos X, reducen el

número de rotaciones, utilizando un haz de rayos X en forma de abanico con un ángulo de apertura de 5 grados aproximadamente, lo que a su vez reduce el tiempo total del barrido, de 20 a 60 segundos.

o 3ª Generación: Rotación del par emisor-detectores.

Un conjunto de detectores y el tubo de rayos X en posición opuesta a ellos realizan un movimiento de rotación de 360 grados, con lo que se reduce el barrido a tiempos inferiores a 3 segundos.

o 4ª Generación: Rotación del emisor.

El tubo puede rotar de dos formas, al interior o al exterior de un anillo de detectores fijos que recogen y envían los datos para su cálculo. Aunque así no se desajusta con facilidad la posición de los detectores, el tiempo de barrido viene a ser igual que el de la generación anterior.



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o 5ª Generación: Se procura no tener partes mecánicas en movimiento, lo cual significa el uso de múltiples fuentes de radiación. Debe ser claro que si bien se logran tiempos de rastreo por debajo del segundo sin ningún movimiento mecánico, existe el inconveniente del alto costo de los tubos de rayos x y al sistema de alto voltaje necesario para la alimentación de cada tubo [2]. Esta generación quedó a nivel experimental por sus altos costos.

Los tomógrafos actualmente dejan de clasificarse en generaciones y su

clasificación se basa en el tipo de adquisición: Multicorte: Los tomógrafos multicorte surgen a partir de la tercera generación con la adquisición de dos rebanas con un solo disparo de rayos X. Actualmente se permiten hasta 64 cortes transversales con un solo disparo, con la finalidad de someter a una menor dosis de radiación al paciente y disminuir el tiempo de estudio. Helicoidal: Se realizan modificaciones mecánicas en los componentes de los tomógrafos que permiten la producción de un disparo de rayos x continuo con duración de varios segundos, combinado con el movimiento de la mesa del paciente para realizar una adquisición en forma de espiral. Volumétrico: Equipos tomográficos caracterizados por un haz de rayos x en forma de cono y un arreglo bidimensional de detectores, para obtener imágenes volumetricas.



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2. CT TWIN Elscint [4] 2.1 NOMENCLATURA BCU: Unidad de Control del Haz. CPU: Unidad de Computadora Principal CPS: Tablero de Fuente de Potencia. DFS: Punto Focal Dinámico. FED: Front End Data. FEE: Front End Electronics. GI: Tarjeta Integradora. HCU: Fuente de Alto Voltaje. LRM: Modo de Rotación Lineal. MCU: Unidad de Control de Movimiento. ODL: Vínculo de Datos Ópticos. RDC: Colimador del Detector de Referencia. RPS: Fuente de Potencia del Rack. Rx: Rayos X. TARJETA RM: Tarjeta De Memoria. TARJETA PR: Tarjeta de Procesamiento. TARJETA ACQ: Tarjeta de Adquisición.



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2.2 GENERALIDADES

En el Laboratorio de Equipos con Radiación Ionizante se cuenta con un par de Tomógrafos que son utilizados para realizar investigación científica y en algunas ocasiones para fines didácticos. Uno de los tomógrafos es un CT Twin creado en Israel por la compañía Elscint en el año 1992, y fue utilizado en el LERI para crear la interfase cluster-tomógrafo por lo que será descrito a continuación.

Figura 4. CT Elscint Twin(Gantry, Mesa de paciente y Unidad de Alto Voltaje)

Tras varios años de investigación y con el fin de desarrollar un tomógrafo capaz de generar 2 cortes con un solo haz de rayos X Elscint fue capaz de diseñar el CT TWIN, que ofrece múltiples ventajas como minimizar el tiempo de exploración reduciendo así los tiempos de exposición del paciente a la radiación, siendo esto posible por el doble arreglo de detectores con el que cuenta este modelo.



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El CT TWIN pertenece a la tercera generación de tomógrafos, con una rotación continua de del scanner CT y sus principales características del CT TWIN son: a) Cuenta con 1052 detectores que forman un doble arreglo que permite

la posibilidad de obtener una doble imagen. b) Régimen de rotación continua para realizar estudios helicoidales si es

necesario.

c) Fuente de alto voltaje de 60 kw para la alimentación del equipo. d) Punto focal doble (5 MHu).

e) Consola con monitor de alta resolución.

f) Computadora basada en una EISA 486 (Extended Industry Standard

Architecture) a 33 MHz como computadora central y un TURBO-two como procesador de reconstrucción.

g) Reconstrucción tridimensional. h) Mesa de paciente con movimientos de ascenso, descenso y laterales

hasta de 12°.

i) Movimientos de inclinación del gantry de –25° hasta 30°. j) Intercomunicador para dar instrucciones al paciente.

k) Formas de adquisición simple, dual, helicoidal y fusionado.



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2.3 MÓDULOS DEL CT TWIN

Los módulos principales que forman el CT TWIN son:

• Gantry • Mesa de paciente • Gabinete de alimentación • Unidad de enfriamiento • Consola de control • Rack (Unidad de procesamiento)

Para entender la función de estos módulos se hace una descripción de

estos a continuación. 2.3.1 Gantry

El Gantry es la unidad de mayor volumen y esta formado básicamente por un conjunto de módulos que dentro de un chasis conforman la unidad principal de adquisición de datos y generación de Rayos X, los elementos que existen en el Gantry son los siguientes:

Figura 5. Gantry CT Elscint Twin. Izquierda. Fotografía frontal del Gantry con la carcasa cerrada que permite observar el panel de control en el Gantry. Derecha. Fotografía frontal del Gantry con la carcasa levantada mostrando los elementos internos del Gantry.



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Estator y Rotor: • Elementos electrónicos, concentrados en las siguientes unidades:

MCU. Es la computadora principal localizada en el estator, encargada básicamente de gobernar los movimientos, y sus elementos se encargan de las siguientes tareas:

Control de los movimientos de rotación. Control de los movimientos de inclinación. Control de movimientos de la Mesa de paciente. Paneles de operación de la consola y el Gantry. Control del motor del ánodo. Comunicación entre estator-rotor. Esto con el siguiente grupo de tarjetas:

MCU Tarjeta de CPU. MCU Tarjeta de Conducción y Seguridad. MCU Fuente de Alimentación 1. MCU Fuente de Alimentación 2. MCU Fuente de Poder Auxiliar. Tarjeta de Comunicación de Adquisición.

BCU. Es la computadora principal localizada en el rotor, y su función principal es el control de la calidad y cantidad del haz de Rx y es funcionalmente dividido en dos subunidades : La primera subunidad se encarga del control de colimadores con las siguientes tarjetas:

BCU Tarjeta de CPU. BCU Seguridad y Conducción. BCU Fuente de Alimentación 1. BCU Fuente de Alimentación 2. BCU Fuente de Poder Auxiliar.

La segunda subunidad tiene los elementos encargados de: Control de FEE. Recolección FED. Comunicación entre estator-rotor.



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Y contiene las siguientes tarjetas:

FEE Tarjeta de Control. FEE Tarjeta de Curso de Dato. FEE Tarjeta de COMUNICACIÓN FEE Fuente de Poder.

FEE. Esta unidad realiza las funciones electrónicas necesarias de adquisición de datos, esta localizada cerca de los detectores e incluye los siguientes componentes:

32 tarjetas GI conectadas a los primeros 32 arreglos de detectores. 1 tarjeta GI de referencia conectada al 33avo arreglo de detectores.

3 tarjetas de conexión de tablero.

• WEDGE. Elemento que filtra y colima el haz a la salida del tubo de rayos x, permitiendo obtener una adecuada calidad del haz de rayos x para realizar un buen estudio estudio.

• RDC. Colimador que permite tres posiciones para restringir la

radiación que le llega al paciente en el eje X (izquierda a derecha), además permite en una de sus posiciones las calibraciones de aire.

• Colimador del plano A. Limita la radiación en el eje Z que le llega al

paciente (colimador “ante-paciente”), de cono a abanico.

• Colimador del plano P. Se encarga de limitar la dispersión de la radiación que llega a los detectores (colimador “post-paciente”).

• Colimador de alta resolución. Éste restringe el uso los detectores a

280 (los centrales), para obtener una mayor resolución.

• Detectores (incluyendo un detector de referencia). Son detectores de tungstenato de cadmio (CdWO4), que forman 33 arreglos de tres tipos (1AB ,4D ,8C ,9AB ,9C y 2D) cada uno de estos arreglos contiene 32 detectores, haciendo un total de 1056 detectores, de los cuales durante la adquisición no son utilizados los últimos 2 pares de arreglos de la izquierda del último módulo (por ser utilizados de referencia). Además la tarjeta GI insertada en este módulo está conectada al detector de referencia localizado en el wedge.



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• Z Shifter. Este elemento permite hacer una adquisición simple o dual de imágenes a través de sus cambios de posición.

• Alto voltaje. Provee de alimentación a las unidades.

• Transmisión de Alimentación Rotor-Estator. La alimentación es

transmitida al rotor mecánicamente desde la parte trasera del gantry (componentes localizados en el brush block)

• Transmisión de Señal Rotor-Estator. Basada en dos tarjetas de

comunicación: la ACQ CARD localizada en la unidad MCU, y la FEE COMM localizada en la unidad BCU.

Figura 6. Gantry abierto para observar la mayoría de los elementos que lo compone.

TUBO DE Rx

MCU

FEE

DETECTORES

COLIMADOR PLANO A

COLIMADOR PLANO P

Z

RDC

MOTOR ROT.

ENFRIAMIENTO POR

VENTILADORESINVERSOR AL

ANODO

TRANSFORMADOR DE ALTO

VOLTAJE DEL

MANGUERAS DE ENFRIAMIENTO

(ACEITE)



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2.3.2 Mesa de paciente

La mesa de paciente o camilla se basa en una cama que permite diversos movimientos laterales (de hasta ±12°), descenso y ascenso para la adquisición de imágenes, que serán variables dependiendo del estudio que sea seleccionado. 2.3.3 Gabinete de alimentación

Este es la parte que da la potencia necesaria a los diversos módulos eléctricos-electrónicos del Tomógrafo para que sea posible su funcionamiento.

2.3.4 Unidad de enfriamiento

Como su nombre lo indica esta unidad permite mediante el flujo de agua fría la disminución de la temperatura en el Gantry, a fin de que opere en condiciones optimas (24° C).

Figura 7. Fotografía del Gantry con Mesa de paciente y al fondo se ve la Unidad e Alto Voltaje.



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2.3.5 Consola

La consola de mando es la unidad que permite dirigir todos los

procesos de la adquisición a realizar e incluye lo siguiente: • Monitor para despliegue de imagen adquirida. Pantalla de 21” de alta

resolución 1280x1024, a color, y permite el despliegue multi-magen. • Monitor de control que permite visualizar los protocolos de

adquisición para seleccionar los parámetros necesarios de la exploración, además del despliegue de los parámetros de funcionamiento, mantenimiento y sistema de control general del tomógrafo.

• Panel de consola con teclados de comandos que es subdividido en

secciones de protocolos de exploración, exploración, procesamiento de imágenes, gráficos en la imagen y el control de ventanas desde donde se mandan las ordenes con las características de la exploración deseada.

• Unidad de disco óptico regrabable y Unidad de disco de 3 ½, que

serán las opciones de almacenamiento de la información enviada de la exploración.

2.3.6 Unidad de Procesamiento (Rack)

La unidad de procesamiento es el módulo más importante para los fines de la interfase cluster-tomógrafo, pues aquí se realiza el procesamiento de los datos y consta de los siguientes módulos:

• Computadora central. Unidad basada en una computadora central

INTEL EISA 486.



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• Modulo Principal. Contiene las siguientes tarjetas:

o RP 4 (5 Tarjetas). Tarjetas encargada de el hardware con la información para realizar el procesamiento de los datos.

o Tarjeta RM128. Tarjeta de memoria que se encarga del almacenamiento de la información.

o Tarjeta de Adquisición IRIS. Tarjeta que permite la recepción de la información desde el gantry al modulo principal.

o Tarjeta de Despliegue 1K2. Tarjeta de video con la que se permite el despliegue en pantalla de las imágenes adquiridas y su procesamiento.

o Tarjeta VCOMM. Tarjeta de voz que mediante el intercomunicador permite dar instrucciones de voz al paciente cuando se somete a un estudio.

• Unidad AC. Transformador, aislado de la Electrónica del Rack y se encuentra en la parte superior del modulo.

• RPS. Fuente de potencia del Rack.

Figura 8. Consola de control y unidad de procesamiento (Rack) del CT Twin Elscint.



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3. PROCESAMIENTO DE IMÁGENES

En el capitulo anterior se menciona a grandes rasgos los componentes

que forman el Tomógrafo, y para cumplir con los objetivos del proyecto “Estudio de la transmisión de los datos adquiridos por el tomógrafo y su almacenamiento en un cluster” es importante conocer la etapa de Procesamiento de Datos desde la adquisición, preprocesaminto y procesamiento para la reconstrucción de la imagen tomógrafica. 3.1 PROCESO DE ADQUISICIÓN Y PROCESAMIENTO DE DATOS

El proceso de adquisición y procesamiento de datos es referido al análisis de los módulos que intervienen con tareas específicas en la adquisición de los datos desde la exploración para después someter los datos a un proceso que producirá finalmente una imagen.

El tubo de Rx es alimentado por la Unidad de Alto Voltaje emitiéndose

un haz de rayos x que irradiará al paciente, este cuerpo producirá una absorción parcial del haz conocido como coeficiente de absorción. La radiación atenuada es captada por los detectores en forma de pulsos eléctricos y se amplifica para ser enviada al módulo FEE donde la información es ordenada y modulada. Por medio de las tarjetas de comunicación la información es enviada a la unidad de procesamiento, donde ésta será captada por la tarjeta de adquisición donde los datos serán demodulados y reordenados para ser almacenados en memoria y sometidos a una serie de procesamientos matemáticos (algoritmos) para llegar finalmente a reconstruir la imagen que se despliega en la pantalla, este proceso se llevará a cabo para cada corte hasta obtener la serie de imágenes correspondientes al estudio realizado. Por lo que es importante obtener la información de las proyecciones.

Una proyección se define como la información obtenida por el arco de

detectores en un ángulo fijo proveniente de un abanico de rayos x. Estas proyecciones son procesadas para obtener vistas. Las vistas reordenan la información proveniente de rayos paralelos en un mismo ángulo y varias vistas se combinan en un algoritmo para la obtención de la imagen. Las vistas simplifican los algoritmos de reconstrucción tomógrafica.



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Existen varios algoritmos de reconstrucción tomógrafica de los cuales

hay entre otros dos grandes grupos los analíticos y los aritméticos. Los analíticos se basan en la transformada de Fourier y los aritméticos en la solución de sistemas de ecuaciones de forma iterativa.

Él siguiente esquema muestra el proceso de detección y procesamiento

que se lleva a cabo durante una adquisición de una tomografía realizada por el CT Twin Elscint:

Tubo deRayos X

Fuente de Alto Voltaje

(HCU)

MCU

ComputadoraCentral Perifericos

Paciente

FEE

FEE Comm.

ODL

Acq. Comm.

Acq. Memoria. ProcesamientoReconstruccion.

Tarjeta dedespliegue.

Monitor.

MI Laser.

Tubo deRayos X

Fuente de Alto Voltaje

(HCU)

MCU

ComputadoraCentral Perifericos

PacientePaciente

FEE

FEE Comm.

ODL

Acq. Comm.

Acq. Memoria. ProcesamientoReconstruccion.

Tarjeta dedespliegue.

Monitor.

MI Laser.

Figura 9. Esquema de adquisición y procesamiento de los datos desde el momento en el que inicia la adquisición de datos de un paciente.



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Todo el proceso puede explicarse de la misma forma si se sigue el

proceso de adquisición y procesamiento de datos por las tarjetas que realizan cada una de estas tareas.

Modulox(33)

De Detectores

Comunicac ión de los Detectores con

las Tarjetas GI x(33)

TARJETA GICONTROL

TARJETA GICONTROL

TARJETA GICONTROL

Tarjeta de Curso de los Datos

Comunicac ión delFEE

Vinculode Datos

Óptico

Detector deReferencia

Detecc ión

Comunicac iónde la Tarjeta de

Adquis ic ión

Tarjeta deAdquis ic ión

Tarjeta de Memoria

Tarjeta deProcesamiento

Modulox(33)

De Detectores

Comunicac ión de los Detectores con

las Tarjetas GI x(33)

TARJETA GICONTROL

TARJETA GICONTROL

TARJETA GICONTROL

Tarjeta de Curso de los Datos

Comunicac ión delFEE

Vinculode Datos

Óptico

Detector deReferencia

Detecc ión

Comunicac iónde la Tarjeta de

Adquis ic ión

Tarjeta deAdquis ic ión

Tarjeta de Memoria

Tarjeta deProcesamiento

Figura 10. Detección y procesamiento de datos realizados por las tarjetas

Contenidas en el Gantry y en la Unidad de Procesamiento.



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Los datos captados por los detectores se transmiten al módulo de FEE para obtener así la información de forma analógica (por medio de las tarjetas GI) enseguida se digitalizan los datos para ser enviados a la Unidad de procesamiento (a través de las tarjetas FEE Comm., ODL y ACQ Comm.) para ser procesada mas tarde por el módulo Acq y después de reconstruir la información enviada será finalmente desplegada (recepción en la tarjeta ACQ, almacenada en la tarjeta RM y procesada en la tarjeta RP). Es claro que en cada uno de los procesos anteriores se llevan a cabo tareas ejecutadas por las diferentes tarjetas existentes dentro de cada uno de los módulos. 3.2 ELEMENTOS QUE INTERVIENEN EN LA ADQUISICIÓN Y

PROCESAMIENTO DE DATOS

En el proceso de adquisición y procesamiento de datos intervienen

muchos de los elementos que conforman al tomógrafo como se mencionó en la sección anterior, por lo que se describirán las funciones que realiza cada uno de estos elementos durante el proceso. Flujo de Datos, Reconstrucción (Adquisición de la Exploración)

o Tubo de Rayos X.

Al ser alimentado por la Unidad de Alto Voltaje generará los rayos X que después de ser colimados pasarán a través del paciente y serán absorbidos por este de una forma parcial.

o Detectores.

Convertirán la radiación de los rayos X que pasan a través del paciente en una corriente eléctrica.

Se utiliza un detector de Referencia que es usado para la normalización de los datos (por aire).



22

o FEE.

Las tarjetas de este módulo integran las corrientes de los detectores ocurridas en un tiempo de integración.

Se convierten los valores analógicos a palabras digitales 16 bits. Realiza la llamada de los datos para enviarlos a la tarjeta Acq. a

través de las tarjetas de comunicación (FEE-Comm, ODL & Acq-Comm).

o Acq.

Se realiza la recepción de las proyecciones provenientes de FEE, esto en palabras seriales.

Cada palabra recibida correspondiente a un detector de una proyección es transformada a 16 bits: 2 bits de rango, 14 bits de datos.

Clasificación de los datos en la memoria local, por orden de detectores.

Reorganización de los datos en proyecciones, para la reconstrucción en el modo lineal.

Para cada detector, se hace un promedio de las muestras que vienen de cada abanico, tomando en cuenta los bits de rango.

Uso de la información de los detectores especiales: ∆R [Tiempo de captación de información obtenida de las calibraciones de aire para tomar como referencia] y ∆T (Tiempo de integración). [Tiempo requerido para generar una vista].

Escritura de Datos en bruto en la tarjeta RM (16 bits por muestra). Cada proyección es continua.

Pasar la información de control a FEE (modo de reconstrucción, tiempo de proyección).

Modos de reconstrucción: En línea, fuera de línea y concurrente. Tiempo de proyección: Tiempo entre las banderas de inicio y final

en la adquisición de la proyección.



23

Flujo de Datos, Reconstrucción, (Fases de Reconstrucción)

o Prep (Preprocesamiento de datos en bruto)

Se realiza un preprocesamiento de datos haciendo la sustracción parcial de datos aplicando LN , sustracción de la información de las lecturas de aire, corrección policromática de datos con el uso de los datos de calibración de fantasmas (multi-point), interpolación de cada proyección para hacer iguales los espacios de las muestras (rebinning).

o Filtro (Filtrar los datos de Prep)

Se aplica convolución de cada proyección con un vector de coeficientes de filtración.

Corrección de los datos de la exploración con zoom. o BP (Retroproyección de los datos filtrados)

El filtrado de la proyección se aplica píxel a píxel en la imagen.

o Edición (Normalización de la imagen BP)

Multiplicación por el coeficiente, eliminación de los píxeles fuera del área de exploración, eliminando píxeles fuera del umbral.

o Ringcor (Eliminar artefactos del anillo)

Sustracción de cada píxel con excepción del anillo, debido al filtrado que se le realiza a los datos.



24

Flujo de Datos, Reconstrucción (Despliegue y Archivo)

o Reconstrucción.

Los bloques de la tarjeta de procesamiento trabajan al mismo tiempo cuando la reconstrucción es en forma concurrente.

Si la reconstrucción se ejecuta de una forma diferente a la concurrente los bloques de la tarjeta de procesamiento irán tomando su turno en la reconstrucción al extraer los datos.

o Despliegue de imagen.

Conversión de cada píxel de 12 bits a 8 bits (windowing). Despliegue de la imagen en el monitor, por medio de la tarjeta de

despliegue.

o Archivo.

Almacenamiento de la imagen reconstruida en la tarjeta de memoria. Almacenamiento en la unidad principal (CPU) usando los controles

periféricos (disco óptico y disco magnético de 3 1/2).



25

4. ANÁLISIS DE LA UNIDAD DE PROCESAMIENTO [5]

Como se explicó en los capítulos anteriores la unidad de procesamiento es el elemento del tomógrafo que se encarga de someter a una serie de procesos a los datos que son adquiridos, para lo cual se vale de las diversas tarjetas que contiene y del uso de la computadora principal que en conjunto realizarán el complejo proceso de mostrar los resultados de la detección como una imagen.

A continuación se describirán las formas en las que operan y son divididas las tarjetas a fin de comprender los elementos que las componen e identificar las tareas especificas para lo serán divididas por módulos agrupados por elementos electrónicos, que permitirán se obtenga finalmente como resultado una imagen tomográfica. 4.1 TARJETA DE ADQUISICIÓN

PROCESADORDE BIT

REBANADAFIFO

2Kx18bSRAM8Kx32b

BLOQUEDE

DECISIÓN

CbusI/F

RAM Local1Mx16b

DMAFIFO

512x32b

DMACont.

GAINSHIFTER

CBus012

32

PROCESADORDE BIT

REBANADAFIFO

2Kx18bSRAM8Kx32b

BLOQUEDE

DECISIÓN

CBusI/F

RAM Local1Mx16b

DMAFIFO

512x32b

DMACont.

Ejecución de TurnoPrincipal

Del FEE

Direcciones

Datos

CBus012

32

PROCESADORDE BIT

REBANADAFIFO

2Kx18bSRAM8Kx32b

BLOQUEDE

DECISIÓN

CbusI/F

RAM Local1Mx16b

DMAFIFO

512x32b

DMACont.

GAINSHIFTER

CBus012

32

PROCESADORDE BIT

REBANADAFIFO

2Kx18bSRAM8Kx32b

BLOQUEDE

DECISIÓN

CBusI/F

RAM Local1Mx16b

DMAFIFO

512x32b

DMACont.

Ejecución de TurnoPrincipal

Del FEE

Direcciones

Datos

CBus012

32

Figura 11. Diagrama de la tarjeta de Adquisición.



26

o Procesador del bit de rebanada (BSP). Normalmente se transmiten 16 bits en un ciclo de 150 ns, y para un ciclo crítico es posible transmitir 32 bits en 75 ns.

o SRAM (RAM Estática). Los datos son acomodados en orden de prioridad,

según vayan llegando de FEE. Estos datos de entrada contienen dirección local en RAM, datos acumulados y rango de acumulación.

o Bloque de decisión. Decide si mantiene la acumulación para el detector

utilizado, o escribe el resultado en la memoria local.

o RAM Local. Con 16 componentes DRAM de 256Kx4b, usado como un buffer para convertir los abanicos a vistas. Además se utiliza como un puerto dual para RAM. La escritura de datos de BSP es cada 300 ns.

o CBus I/F (Bus de Interfase). Interfase Maestro & Esclavo, según los

requerimientos.

o Generalidades

Operación en paralelo con la unidad principal (CPU) y las tarjetas de procesamiento.

La rotación para rebanadas duales proporciona información en bruto de un tamaño de 5 MB/sec.

o Características y funcionamiento de la tarjeta de Adquisición.

Genera una tabla de clasificación de los datos. Lleva a cabo el seguimiento del proceso de exploración (inicio y final

de exploración, sensando los pulsos de los abanicos recibidos (proyecciones), etc.).

Recibe los datos de FEE, promedia, guarda los datos ordenados en la memoria local RAM, organiza las vistas para el Modo de Rotación Lineal LMR.

Mueve de los resultados de la RAM local a la tarjeta de memoria (usando DMA).

La RAM local es usada como un buffer cíclico de almacenamiento de datos.

Durante el ciclo de un abanico, 1088 ((33+1)*32) valores de 2 rebanadas son recibidos del FEE.

∆T (tiempo) es medido por el FEE como un detector.



27

Datos recibidos en punto flotante: 2 bits como exponente (rango, que puede ser 0, 1 ó 2), 14 bits de datos (mantisa) Valor = 4rango x Mantisa. (Encriptamiento que después es transformado a palabras seriales de 16 bits).

En formato fijo 14 + 4 = 18 bits son necesarios en vez de utilizar 16 bits.

Cada 300 ns, una palabra llega de FEE a la tarjeta de comunicación Acq’s FIFO.

La Acq es conectada hacia el bus de la EISA a nomentlatura.

La tarea principal como se mencionó anteriormente es la adquisición de los datos que le son enviados por FEE, por lo que a los datos que obtiene la tarjeta se les debe aplicar una demodulación pues han sufrido una modulación previa en las tarjetas de FEE, una vez demodulados los datos son reagrupados en el orden de detectores por los que fueron enviados, con esto tendremos la información adquirida sin ningún tipo de preprocesamiento que permitirá realizar una reconstrucción de estos datos.

Por lo anterior las tareas principales que ejecuta la tarjeta ACQ pueden resumirse en:

• Recepción de Datos de FEE. Se captan los datos de FEE a través de las tarjetas FEE Comm., ODL y ACQ Comm. que permiten establecer una comunicación directa entre el Gantry y la Unidad de Procesamiento. Los datos acumulados en FEE son los obtenidos por los detectores y son recibidos en paquetes de datos modulados debido a las tarjetas de FEE (Tarjetas GI).

• Reorganización de los datos. Existen una serie de componentes

electrónicos que se darán a la tarea de “desempaquetar” los datos, es decir, serán demodulados y organizados nuevamente según se han empaquetado.

• Clasificación de los datos. Reorganización de los datos para

clasificarlos en el orden en que fueron adquiridos por los detectores.

• Comunicación. Permitir el envío de la información ya acomodada a las otras tarjetas para ser utilizada nuevamente.



28

4.1.1 BLOQUES DE LA TARJETA DE ADQUISICIÓN

Para realizar sus tareas la tarjeta de Adquisición es dividida en los siguientes bloques:

Control deDatos

Recepción de Datos

Clasificacíon deDatos

Demodulación

Control deDatos

Recepción de Datos

Clasificacíon deDatos

Demodulación

Figura 12. Diagrama a bloques de las funciones de la Tarjeta de Adquisición. Bloque de Control: Contiene la circuitería de la tarjeta de Adquisición que se encargará de identificar las banderas de los paquetes de datos que provienen de FEE, reconociendo de qué detector se trata, si es una adquisición doble o sencilla de datos, protocolos de estudio, dato procesado, entre otras tareas que permitirán el ajuste de los ciclos de recepción y transmisión de datos. Los datos recibidos llegan en palabras digitales seriales que son transformadas a 16 bits, donde 14 de estos bits contienen datos obtenidos y los 2 bits restantes permiten la identificación y almacenamiento de los datos. Bloque de Recepción: Comprende los elementos electrónicos idóneos para captar la información que es adquirida por los detectores y transformada en el FEE. Es recibida la información en esta sección de la tarjeta cada 300 ns.



29

Bloque de Clasificación: Los dispositivos de almacenamiento que permiten crear registros con los datos obtenidos y acomodados son los contenidos en este bloque, permitiendo crear tablas de orden de prioridad asignando una dirección local en la memoria Ram para registro de los datos de acuerdo al orden del detector que la proporcionó. Bloque de Demodulación: En este bloque se realiza la demodulación de la información para después poder reagruparla, realizando una promediación de los abanicos. Cuando los datos ya fueron demodulados se tiene finalmente los datos “al natural”, es decir, datos en bruto que serán enviados a la tarjeta de memoria en 16 bits por muestra.



30

4.2 TARJETA DE MEMORIA

CBusI/F

Unidad deProtección

Unidad deMapeo

DMAI/F

ComponentesDe Memoria

Reg A Reg B

Direcciones Logicas

Direcciones

CBus

Datos

Canales

DMA

CBusI/F


Unidad deMapeo

DMAI/F

ComponentesDe MemoriaComponentesDe Memoria

Reg A Reg BReg A Reg BReg A Reg B

Direcciones Logicas

Direcciones

CBus

Datos

Canales

DMA

Figura 13. Diagrama de la tarjeta de Memoria.

Tarjeta RM

o Requerimientos de memoria.

Una doble rebanada de cuerpo tiene un tamaño de información en bruto de 5MB.

Con 30 seg. de exploración helicoidal se tiene una imagen en bruto de 150 MB.

3 exploraciones helicoidales generan información en bruto con un tamaño de 450 MB, 512 MB necesarios.

o CBus & DMA I/Fs: Conexión de comunicación entre el bus central y los

3 canales DMA. o Direccionamiento de canales DMA. Permite el Direccionamiento de los

3 Canales DMA hacia las tarjetas de Procesamiento (RP).



31

o Unidad de Mapeo. Mapa de direcciones lógicas a físicas. Permite acceso a diferentes localidades de memoria de forma continua.

o Unidad de Protección. Memoria temporal que permite proteger en

bloques de 16 KB de información a: RP, Acq, entre otras.

o Componentes de Memoria. Cuenta con 256 componentes de almacenamiento de 4M x 1 bit , en cada tarjeta de memoria.

o Registros DMA (Acceso Directo a Memoria). Registros temporales

amplios para acceder a componentes de memoria.

o Características y funcionamiento de la tarjeta de Memoria.

Control principal. Cuenta con 3 ciclos principales de CBus. Sub-Ciclos. Cada ciclo CBus es dividido para dos usos: uno es para

el acceso a los canales DMA y el otro es para el acceso a CBus. La idea principal en lograr un amplio ancho de banda a partir de los

retrasos de memoria es: • Uso amplio de registros (DMA) y acceso a varios componentes de

memoria (128) concurrentemente con un retraso de reloj. • Acceso a registros por una vía de RP en un bus estrecho (16 bits)

y un reloj rápido (150 ns), usando un canal DMA. Cada canal tiene 2 registros DMA (buffers dobles), cada uno del

tamaño de 8 palabras (128 bits, es decir 64 bits por registro), esto retiene temporalmente el dato para/de memoria, según el direccionamiento.

El registro DMA de un canal de memoria puede acceder la memoria cuando se tenga un ciclo principal.

En 1 ciclo de CBus los registros de una (o las dos) tarjeta de memoria (RM) pueden acceder a memoria, esto es, 8 ó 16 palabras para/de 128 (ó 256) en los componentes de memoria son accesadas.

En cada tarjeta RM, los 128 bits son accesados en 2 fases de 64 bits. Implementación de registros DMA en los componentes Altera.



32

Las unidades de almacenamiento son de suma importancia en cualquier aplicación computacional, al permitir respaldar la información que ha sido generada, y al hablar de un Tomógrafo Computado se sabe que se contará forzosamente con una unidad de memoria que permita respaldar la información adquirida y la imagen procesada, pero además se permitirá en esta tarjeta de memoria, el almacenamiento de la información antes y después de ser procesada, siendo así 3 las principales tareas de la tarjeta de memoria:

• Respaldo de Información Adquirida. La tarjeta de Memoria cuenta con dispositivos que permiten respaldar la información más importante de algunos de los módulos de las tarjetas de Adquisición y procesamiento entre otras. Esta información en caso de existir algún error que alteré el complejo proceso que implica la exploración y sus resultados, será almacenada para permitir en un momento posterior seguir con el estudio.

• Registro de Datos. Los datos en bruto que son enviados a la tarjeta de

memoria desde la tarjeta de Acq. serán acumulados en dos registros para después enviarlos y permitir someterlos a procesamiento.

• Almacenamiento de Datos y/o de la Imagen Procesada. Será asignado

un espacio en memoria para guardar la imagen final de la exploración o bien en su defecto los datos procesados que proporcionan esta imagen y además se guardará la información que produzca algún cambio en pantalla o los cambios que se le realicen por software a la imagen.



33

4.2.1 BLOQUES DE LA TARJETA DE MEMORIA Bloque de Escritura de Datos en Bruto. A este bloque pertenecen todos los componentes electrónicos que permiten el almacenamiento de los datos en bruto (en palabras de 16 bits) para posteriormente someterlos a procesamiento. Bloque de Almacenamiento de Imagen: Los datos que han sido procesados tienen la opción de ser guardados en los componentes de memoria para ser utilizados y visualizados posteriormente para ser reprocesados si así se desea. Bloque de Entrada y Salida de datos: Los elementos que permiten que lleguen y salgan los datos de la tarjeta de memoria de/hacia otras tarjetas permiten hacer los ajustes necesarios a los datos de entrada y salida para ser reconocidos por los componentes de la tarjeta de memoria.



34

4.3 TARJETA DE PROCESAMIENTO

Secuenciador

PRAM4K x 16b

RegistroµI

MemoriaCompartida64K x 16 b

CBus I/F

MU-GA

MemoriaLocal

Izquierda16K x 16 b

MemoriaLocal

Derecha16K x 16 b

AU-GA

DMA I/F

Celdas de ALU

Datos Datos

Direcciones Direcciones

Canales

DMABus Compartido

Direcciones

Datos

Secuenciador

PRAM4K x 16b

RegistroµI

MemoriaCompartida64K x 16 b

CBus I/F

MU-GA

MemoriaLocal

Izquierda16K x 16 b

MemoriaLocal

Derecha16K x 16 b

AU-GA

DMA I/F

Celdas de ALU

Datos Datos

Direcciones Direcciones

Canales

DMABus Compartido

Direcciones

Datos

Figura 14. Diagrama de la tarjeta de Procesamiento.

Tarjeta RP

o 4 Celdas dobles de ALU a ejecución concurrente iguales al programa PRAM.

o SIMD (Una sola Instrucción y Múltiples Datos). Mecanismos especiales

para condicionar el código en ejecución. o Procesador de propósito general con adiciones especiales para

reconstrucción en lugar de tarjetas de propósito general.



35

o Diseño modular: De 1 a 5 tarjetas. o Ciclos de 150 ó 75 ns. o De 4 a 8 celdas de ALU (Unidad Aritmética Lógica), con 16 bits por

palabra o Espacio de direccionamiento de 256 MB (4 GB), 28 (32) bits. o 3 tipos de Integración a gran escala de los datos (LSI)–Arreglo de

compuertas lógicas. 2 (1) microtecnología :

4 a 8 x MU-GA (Unidad Múltiple de Arreglo de Compuertas), 16 x 16 bits de señal, 32 bits de acumulación, que permite diversas interconexiones entre las compuertas para proveer las operaciones.

4 a 8 x AU-GA (Unidad Aritmética de Arreglo de Compuertas), ALU & AGS (Generador de direcciones / Selección de filtro y BP). La interconexión entre estos elementos permite realizar cualquier operación.

o Acceso concurrente a memoria local derecha o izquierda. En las etapas

de filtrado y BP. En la etapa de filtrado una copia de cada vista es almacenada en cada una. En la etapa de BP, las muestras par en una y las muestras impar en otra.

o AGS generación de direcciones para memorias locales. o Cada memoria local es de 16K x 16 bit (32 K x 92 bit). o RAM Programable de 4K x 92 bit (32k x16 bit)

o Memoria común 64k x 16 bits (512K x 16 bit)

o ALU permite palabras con tamaño: en modo normal 16 bits (extendido

AMD’s 2901), modo BP 28 bits.



36

4.3.1 BLOQUES DE LA TARJETA DE PROCESAMIENTO Bloque de Sustracción Parcial de Datos: A este bloque pertenecen los componentes electrónicos que permiten hacer un preprocesamiento de los datos para que estén uniformizados (es decir dejarlos todos con las mismas características para que puedan ser procesados con los mismos parámetros) y se les pueda aplicar un procesamiento que permita mostrar una imagen. Bloque de Retroproyección: Los datos que han sido preprocesados son enviados a los componentes electrónicos que permitirán someterlos a procesos matemáticos para realizar la reconstrucción de los datos. Bloque de Entrada y Salida de datos: Consta de elementos que permiten que lleguen y salgan los datos para el procesamiento y despliegue.

4.4 TARJETA DE DESPLIEGUE La Unidad de Procesamiento cuenta con una tarjeta de despliegue que

permite visualizar la imagen reconstruida, realizar ampliaciones de la imagen, ediciones en imagen y permite interfases para imprimir imágenes.

4.5 TARJETA DE VOZ Existe una tarjeta de voz que permite almacenar secuencias de instrucciones vocales para sugerir al paciente maniobras a través del comunicador.



37

5. DISEÑO DE LA INTERFASE

Una vez que se han analizado cada uno de los componentes que intervienen en el proceso de la reconstrucción de una imagen en el CT Twin es posible comenzar con el diseño de la interfase que permitirá realizar una reconstrucción fuera del tomógrafo en el cluster. 5.1 REQUERIMIENTOS DE LA INTERFASE

Para poder realizar la interfase cluster-tomógrafo es necesario

comenzar estableciendo las características con las que deberá contar esta, por tal motivo el primer paso es determinar los requerimientos: Interfase:

Accesibilidad de datos. El punto de adquisición de datos no deberá presentar problemas de obstrucción física que impidan colocar un bus de datos para el envío de la información.

Transferencia fácil y segura de datos. Lo más conveniente será realizar

una conexión con elementos sencillos y que no requieran de una conexión agresiva (como un bus largo o enredado, aplicación de soldadura, o conexiones que produzcan estática en la tarjeta), para garantizar que no existirá alteración o perdida de información durante la transmisión.

Compatibilidad del formato de datos. Los elementos utilizados en la

transferencia de datos deberán ser compatibles con el formato de los datos enviados por la unidad de procesamiento en todas sus características como longitud de palabra, tiempos de escritura / transmisión y amplitud de palabra, con el fin de no existir incongruencia entre datos.

Circuiteria y/o componentes sencillos y efectivos. Uso de componentes

simples que no requieran de parámetros de operación complejos o inaccesibles, pero que por su sencillez sean perfectamente óptimos para realizar una interfase cluster tomógrafo.



38

Datos:

Sin codificación. Para garantizar que no existirá una perdida de información o alteración en los datos al realizar una decodificación errónea y esto proporcione una imagen falsa, lo más conveniente será garantizar que la información transmitida no este codificada.

Información en bruto. Para poder realizar un procesamiento de datos

deberá ser necesario que la información transmitida no presente ningún tipo de preprocesamiento que altere el nuevo procesamiento al que serán sometidos los datos.

Una vez que se hayan determinado los o el punto en donde los datos del

tomógrafo cumpla con todas estas características la interfase podrá ser realizada.

5.2 ANÁLISIS DE CIRCUITERÍA El primer paso para comenzar con el diseño de la interfase es

determinar el lugar de donde podrán ser obtenidos los datos que cumplan con las características necesarias, de forma que no implique una alteración o interferencia con el proceso que siguen los datos desde su adquisición hasta desplegar una imagen. Para lo cual se debe analizar la circuitería de los elementos que intervienen en el procesamiento.

En el capitulo de Adquisición y Procesamiento de Datos se analizo que la etapa en donde se tiene una mayor accesibilidad para la obtención de los datos, es cuando éstos han llegado a la unidad de procesamiento, pues la información en algún momento de este proceso se escribe en bruto para ser procesada. Para la ubicación de esta información a continuación se analizarán las tarjetas involucradas:



39

TARJETA DE MEMORIA (RM):

Sus tareas a realizar son cruciales al ser uno de sus módulos el encargado de almacenar la información más importante “los datos en bruto”, debido a que sin esta información sería prácticamente imposible realizar procesamiento alguno a los datos para la obtención de la imagen. Además permitirá guardar la imagen final que se despliega en el monitor. Sus tareas son:

• Escritura de datos en bruto. Cuenta con componentes electrónicos que cuando los datos se encuentran clasificados por la tarjeta de adquisición en el orden de los detectores que los enviaron, son guardados en los registros de memoria en palabras de 16 bits que se escriben cada 150 ns, sin ningún procesamiento previo.

• Almacenamiento de imagen reconstruida. Son asignados 256

componentes electrónicos de memoria para el almacenamiento de la imagen reconstruida con el fin de respaldar información o bien someterla mas tarde a una serie de procesos de edición o reconstrucción .

TARJETA DE PROCESAMIENTO (PR):

Existe una tarjeta capaz de llevar a cabo la función de reconstruir la imagen a partir de los datos en bruto, permitiendo que uno de sus módulos se encargue de uniformizar los datos, es decir dejar los datos en las condiciones que permitan aplicarles un algoritmo de reconstrucción, sean métodos iterativos o bien métodos analíticos para visualizar la imagen.

• Preprocesamiento de datos en bruto. El primer proceso al que serán sometidos los datos será la sustracción parcial de datos, sustracción de lecturas de aire, corrección policromática, usando los datos de calibración con fantasmas, interpolando cada vista para igualar el espacio muéstreal.

• Retroproyección filtrada. Empleo de una técnica para obtener

finalmente la reconstrucción de la imagen.

• Permite el despliegue de datos. Una vez que se tienen los datos reconstruidos permite el despliegue de la imagen en pantalla.



40

5.3 OBTENCIÓN DE DATOS

Una vez estudiadas las tareas que se realizan en la Unidad de Procesamiento se pude reconocer la etapa ideal de la que se tomarán los datos con los requerimientos especificados, es decir, ahora es posible ubicar el punto exacto de donde la información en bruto puede ser obtenida.

Recordando que los datos obtenidos deberán ser: datos que no hayan

sido sometidos previamente a procesamiento y que no requieran de codificación. En la tarjeta de memoria (RM) los datos en bruto ya acomodados son almacenados, para después ser respaldados en el modulo de protección de información que existe en la tarjeta, de tal forma que si la información se estuviera fugando al realizar la interfase y no le permitirá a la unidad de procesamiento realizar una reconstrucción se notificaría por medio de un mensaje de error en la pantalla, sin perder los datos obtenidos en la detección. Para comprender mejor este proceso a continuación se estudiará esta etapa.

La tarjeta de memoria se presenta en forma de diagrama de bloques para comprender su funcionamiento:

RegistrosMemoria


Datos

ACQ

Datos

RM

RegistrosMemoria


Datos

ACQ

Datos

RM

Figura 15. Diagrama a bloques de la tarjeta de Procesamiento.



41

Los datos que llegan cada 150 ns a RM de ACQ sin ninguna codificación

son almacenados en los registros de este modulo que después serán guardados en memoria y respaldados en una unidad de protección, que permitirá poner a salvo de cualquier error a los datos obtenidos, y si esto sucede se mostraran los datos almacenados a RP para ser procesados, de lo contrario los datos de los registros serán enviados la tarjeta de procesamiento y después de ser procesados volverán a ser enviados a los registros hasta que se tiene la imagen reconstruida que es almacenada como imagen finalmente cuando la tarjeta de procesamiento notifique que se ha reconstruido la imagen totalmente.

Lo mas conveniente para extraer los datos en bruto será utilizar los datos provenientes de ACQ que entran a los registros, por lo que debe investigarse el funcionamiento de los elementos electrónicos que conforman está etapa de la tarjeta.

Con el estudio de la tarjeta se obtienen los componentes electrónicos que permiten el almacenamiento de los datos y la multiplexión de los datos de la siguiente forma:

C on ve rt id o r d e N iv e le s

M u lt ip le xo r

R eg is tro s

C on ve rt id o r d e N iv e le s

M u lt ip le xo r

R eg is tro s

Figura 16. Elementos que permiten el almacenamiento de los datos en bruto en los registros de la Tarjeta de Memoria.



42

La forma en la que van viajando los datos es la siguiente:

- Los datos que llegan de la tarjeta ACQ, entran a un componente electrónico que hará los ajustes necesarios para que los parámetros de los datos entrantes sean compatibles con los que serán enviados al resto de los componentes para ser reconocidos y escritos.

- Para poder ser escritos adecuadamente los datos son multiplexados de forma que se eviten conflictos con los diferentes bus de datos.

- Se realiza el almacenamiento de los datos en los registros correspondientes para ser enviados a la memoria principal y a la memoria de respaldo.

- Finalmente cuando los datos han sido respaldados se envían a la tarjeta de procesamiento.

Las primeras etapas en que viajan los datos mencionados

anteriormente permiten realizar la interfase por lo qué deberán de analizarse a continuación los elementos que realizan estas etapas: MC10H125. Funciona como transformador de niveles entre los datos que llegan de ACQ en niveles MECL y los que serán almacenados en los componentes con niveles TTL de RM, con el fin de que estos sean compatibles y los adecuados en sus parámetros de funcionamiento como velocidad y voltaje para cualquiera de los componentes TTL que utiliza la tarjeta de Memoria. SN54ALS245A. Bus octal asíncrono bidireccional que permite la comunicación entre buses de datos que contienen los datos de la tarjeta de adquisición. SN54ALS652. Bus octal y registros. Existen dos de estos componentes que permiten la multiplexión de los datos para ser almacenados en sus flip-flops internos que funcionan como registros.



43

5.4 TRANSMISIÓN DE DATOS Los datos en bruto a transmitir serán tomados del circuito SN74ALS652

(Registros B), debido a que en este elemento los datos son temporalmente almacenados para poder ser enviados más tarde a las memorias. A la entrada de este elemento estarán llegando los datos en bruto que cumplen con las características necesarias para el envío a un procesador externo al sistema (cluster), de forma serial y en palabras de 16 bits cada 300 ns, siendo 14 bits de datos, 2 bits de banderas de reconocimiento.

Para la transmisión de datos será necesario el uso de un componente electrónico llamado PIC, donde serán programados los pines de uno de sus puertos para funcionar como receptores de los datos que se tomarán del circuito SN74ALS652 que tiene una salida que permitirá ajustar los niveles de voltaje manejados en el puerto USB a los niveles de voltaje que son utilizados en el PIC, con el fin de que exista la comunicación sin problemas entre estos dispositivos, pues sin el uso de este componente no existiría un vínculo adecuado entre los elementos.

Los datos del registro B del SN74ALS652 llegarán al puerto de recepción del PIC que permitirá que los datos de los registros lleguen en una sola línea al USB para ser enviados al cluster. Por lo anterior la conexión será realizada de la siguiente forma:

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 13

14

15

16

SN74ALS 652NT

17

18

19

20

21

22

23

24

PIC

Puer

tos

de

entr

ada

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 13

14

15

16

SN74ALS 652NT

17

18

19

20

21

22

23

241

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12 13

14

15

16

SN74ALS 652NT

17

18

19

20

21

22

23

24

PIC

Puer

tos

de

entr

ada

Figura 17. Diagrama de conexión de componentes electrónicos para la transmisión de datos en bruto. NOTA: las conexiones realizadas corresponden únicamente a los pines que intervienen en el proceso de los datos, hay que realizar las conexiones adicionales de cada componente para habilitarlos.



44

Los pines del registro B del SN54ALS652 (del pin 13 al 20) serán

conectados a los pines que fueron elegidos del PIC para funcionar como puerto de entrada o recepción por medio de un cableado fino que se enrosca en cada uno de los pines que desean conectarse, esto con el fin de evitar el uso del cautín y la soldadura que expondrían a los componentes de la tarjeta a temperaturas elevadas que pueden dañarlos o provocar perdida de información.

Finalmente con el cableado establecido anteriormente para cada

componente se tendrán los datos del registro depositados en el PIC de ahí sea enviada a la salida del USB y completar el ciclo de transmisión de datos con la habilitación del puerto del USB del servidor del cluster.



45

5.4 RECEPCIÓN DE DATOS

El puerto USB (Bus Serial Universal), fue creado pensando como su nombre lo indica en un puerto de comunicación universal, capaz de permitir la comunicación de forma serial entre diversos dispositivos de diferentes fabricantes, eliminado casi por completo el uso de varios controladores para un solo dispositivo y permitiendo la multiconexión de hasta 127 puertos en cascada, además se permite el manejo de información a altas velocidades que antes no podían utilizarse, en su versión inicial el USB 1.1 permitia una tasa de transferencia en “bajas velocidades” de 1.5 Millones de bits por segundo (Mbps) y 12 Mbps, evolucionando a la versión actual de “alta velocidad” el USB 2.0 que permite una tasa de transferencia mayor. Característica esencial que se desea en la recepción de datos para evitar conflictos de información por traslape de información [10][11].

Los datos serán recibidos en el cluster por el USB 2.0 de forma serial

en palabras de 16 bits, esto debido a que la velocidad manejada por esta versión de USB es hasta de 480 Mbps, con lo que se permitirá que los datos sean reconocidos en su totalidad por la herramienta MPI, que en un algoritmo nuevo de reconstrucción permitirá someter a un procesamiento diferente al que se lleva a cabo en la unidad de procesamiento a los datos. se llevará a acabo el nuevo procesamiento de datos.

La recepción será llevada acabo por medio de uno de los cuatro protocolos de recepción/transferencia de datos que son soportados por los controladores del USB y según se programe en MPI.

PIC

Puer

to d

e sa

lida

USB

PIC

Puer

to d

e sa

lida

USB

PIC

Puer

to d

e sa

lida

USB

Figura 18. Diagrama de conexión de componentes electrónicos para la recepción de datos en el puerto USB. NOTA: las conexiones realizadas corresponden únicamente a los pines que intervienen en la transmisión de los datos, hay que realizar las conexiones adicionales habilitar los componentes.



46

5.5 PROTOTIPO

Finalmente las conexiones deberán quedar de la siguiente forma: 1. Los pines del registro B de datos del SN74ALS652 tienen que

conectarse a los pines del puerto de entrada seleccionado del PIC18XXXX para que a su salida se conecte al pin de recepción del conector de cable USB para que los datos con parámetros TTL de la tarjeta RM puedan ser reconocidos en el puerto serial por una sola línea de datos.

2. El pin de transmisión de datos (puerto de salida USB del

PIC18XXXX) deberá ser conectado al pin de recepción de datos en el conector del cable USB, de donde los datos serán reconocidos por los controladores de USB 2.0 para ser reconocidos por la herramienta computacional MPI con la que serán procesados.

CLUSTER

PIC18F2455/2550/4455/4550

USB V2.0

12

3456

789101112 13

141516

SN74ALS 652NT

171819

2021

222324

CLUSTER

PIC18F2455/2550/4455/4550

USB V2.0

12

3456

789101112 13

141516

SN74ALS 652NT

171819

2021

222324

Figura 19. Diagrama de conexión de componentes electrónicos para la interfase cluster-tomógrafo.

Las conexiones mostradas en el esquema de la figura 19 deben hacerse únicamente con una técnica de alambrado que garantice que cada pin es sujetado a su conexión correspondiente sin intervenir en lo más mínimo con algún otro pin que está en contacto con algún otro elemento de la tarjeta que pueda provocar algún daño irreparable a los componentes o los datos.



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La salida del puerto USB del PIC y los pines del conector USB podrán de preferencia ser soldados entre ellos para que queden fijos y no se sufran alteraciones posteriores en la interfase. Por ningún motivo deberá de exponerse a altas temperaturas la tarjeta de la unidad de procesamiento al soldar el registro y cuando se está trabajando con la tarjeta deberá colocarse esta sobre material antiestático y utilizar preferentemente una pulsera antiestática para no generar un daño irremediable en la tarjeta debido a sus componentes antiguos y la compleja codificación que tienen algunos de ellos en su programación.



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CONCLUSIÓN

El proceso de Adquisición y Procesamiento de Datos, que se sigue en el

CT Twin Elscint se lleva acabo por una serie de elementos que permiten al ser analizados en detalle y comprender su funcionamiento hacer modificaciones a los datos que generan finalmente una imagen tomográfica, el elemento que contiene estos datos fue determinado durante el análisis que se realizó. Por lo que el elemento propuesto para tomar los datos en bruto permitirá que estos sean manipulados sin interferir con lo procesos propios del tomógrafo.

La realización física de la interfase propuesta permitirá aplicar diferentes y nuevos algoritmos de reconstrucción a los datos en bruto adquiridos por el tomógrafo, en forma paralela a la unidad de procesamiento disminuyendo tiempos de procesamiento y mostrando una imagen de mayor calidad.



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REFERENCIAS

[1] Manual Elscint 4/5. “Tutorial Guide I. Chapter 5: Physics”. [2] Valdés R, Azpiroz J, Hernández E., Cadena M., “Imagenología Médica”,

Universidad Autónoma Metropolitana 1995. [3] Webb S., “From the Watching of Shadows: The Origins of Radiological

Tomography”, IOP Publishing Ltd 1990.

[4] Manual Elscint 4/5. “Tutorial Guide I. Chapter 2: Introduction to CT Twin/Helical”.

[5] Manual Elscint 5/5. “APPENDIX 15-A. CT Console and Rack-Summary .” [6] Wakerly J. “Diseño Digital Principios y Prácticas.”, Edición en Español,

Prentice-Hall Hispanoamericana, S.A., México 1992. [7] MC10H125 Data Sheet. Motorola. [8] SN74ALS245A Data Sheet. Texas Instruments. [9] SN74ALS652A Data Sheet. Texas Instruments. [10] Introducción al Universal Serial Bus.

Disponible en: http://www.usb.org

[11] Romo J., “USB y FIREWIRE, ¿quién es quién en el cable?.”, Mayo 2004. Disponible en:

http://www.enterate.unam.mx/Articulos/2004/mayo/usb.htm [12] Moreno E. “Tutorial USB.”, 1999.

Disponible en: http://dcuesta.alc.upv.es/Projectes/Roque/usb.htm# [13] “Anexo el Puerto USB.” Disponible en: http://www.gshadow.com/PenDrive/Anexo_I_USB.htm



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[14] Axelson J. “USB complete [electronic resource] : everything you need to

develop custom USB peripherals”, second edition. Disponible en: http://www.lvr.com/

[15] PIC18F2455/2550/4455/4550 Data Sheet. Microchip.

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