接触式与非接触式传输：为何电容耦合非接触数据传输对CT滑环至关重要

在CT扫描仪中，固定部件与旋转部件之间精准且快速的数据传输至关重要。随着图像分辨率和扫描速度的提升，接触式滑环已难以满足需求，而电容耦合非接触传输则成为实现低维护、高性能CT成像的必要技术。它有助于消除噪声和磨损，从而实现干净的信号传输。

接触式（电刷式）滑环：是什么与为什么？

结构与工作原理

接触式滑环设计简单，且以高效著称。金属电刷负责与导电环保持接触。当导电环旋转时，电刷沿其表面滑动，从而实现电能或信号通过旋转界面的传输。

这种设计确保电力和信号通过直接电接触进行传输。它广泛应用于需要中等速度、可靠电传输及旋转功能的行业领域。

接触式滑环的优势

接触式滑环的优势如下：

● 接触式滑环可处理高电流和高电压，因此适用于电力传输。CT系统通常使用接触式滑环进行电力传输。

● 这是一种成熟的方法，在稳定条件下可靠性高，通常因其坚固性和简易性而用于工业应用。 

在CT应用中的劣势

在CT应用中的劣势如下：

● 由于导电环与电刷之间持续摩擦，会产生磨损，进而产生碎屑，需要及时维护。

● 电刷老化会导致电噪声，增加信号损耗，并造成医用CT系统故障。

● 部分设计的转速最高可达300转/分。大多数接触式滑环在高速和连续旋转方面存在机械限制，因此不适用于下一代CT系统。

非接触式滑环：概述

什么是非接触式滑环？

非接触式滑环 无需物理接触即可传输信号和电力。其主要类型包括：

● 感应式滑环：利用磁场传输电力。

● 射频式滑环：利用射频进行数据传输。

● 电容耦合滑环：依靠高频电场耦合工作。

在所有这些滑环中，电容耦合滑环最适合高速数据传输，能提供高信号完整性、低延迟且干扰最小。

电容耦合传输的工作原理

电容耦合滑环由两个电极板构成，一个位于定子上，另一个位于转子上。这些电极板之间存在微小的介质间隙，高频信号通过电场跨越该间隙进行传输，无需任何物理接触。

由于不存在运动接触表面，因此不会产生电刷磨损和摩擦，非常适合高速数据传输和连续旋转场景。

为何电容耦合非接触式滑环是CT滑环的理想选择

高数据速率与低误差

电容耦合滑环可实现CT成像所需的可靠且快速的传输。许多商用系统支持每通道5 Gbit/s的数据速率，部分系统甚至可达10 Gbit/s。

超低延迟与实时支持

电容耦合传输的延迟低至＜1µs，支持Profinet和EtherCAT等实时协议，这对精准的图像重建和响应式控制至关重要。

支持连续高速旋转

CT机架转速可达300转/分，电容耦合滑环无固有的速度限制，能在高速扫描期间实现稳定且不间断的数据流传输。

模块化、可定制的外形尺寸

现代电容耦合滑环采用可扩展直径设计，部分产品的自由内径甚至超过1300毫米，可集成到CT环形系统中。它们还支持协议多路复用和多数据通道，因此能适应不断发展的CT扫描仪设计。

对比表：CT滑环中的接触式与非接触式（电容耦合）滑环

电容耦合滑环支持的CT特定应用场景

支持先进临床模式的连续机架旋转

滑环CT的问世彻底改变了扫描方式，它允许机架连续旋转，从而支持螺旋CT、灌注研究、心脏成像、CT透视和肺部门控扫描等先进临床模式。

电容耦合非接触传输使这些模式具备可靠性和可扩展性，提供高速和实时数据流，满足现代系统的需求。

大容量图像数据传输

容积CT扫描仪每旋转一圈会生成大量图像数据集。电容耦合滑环支持高带宽和不间断传输，确保低延迟和低伪影图像采集。这对放射学诊断的准确性至关重要。

医疗环境中的可靠性

在临床环境中，可靠性至关重要。电容耦合滑环无需电刷，可消除颗粒污染，而颗粒污染可能导致图像质量下降。这种密封且无摩擦的设计还能减少非计划停机时间。

技术规格

● 数据传输速率从800 Mbit/s到120 Gbit/s不等，具有可扩展的模块化10 Gb/s通道。

● 机械间隙公差根据系统设计在2毫米至3.5毫米之间。

● 延迟＜1µs，适用于实时成像。

● HTL/TTL正交输出，角分辨率为0.1°

● 低误码率，达10⁻¹²，支持医疗级信号保真度。

● 设计使用寿命为10年，可稳定运行。

● 可支持高达300转/分的旋转速度。

● 尺寸可定制，直径可达约1800毫米。

实际考虑因素与工程技巧

间隙与对准的工程设计

电容耦合滑环需要特别关注转子与定子之间的间隙，该间隙通常保持在2至4毫米，以确保最佳信号完整性。像NBG单元这样的先进模块设计可处理高达3.5至4毫米的间隙。

它们通过保持性能稳定提供机械灵活性。安装时评估对准情况对于避免信号衰减至关重要。

信号接口与集成

为确保在CT系统中实现无缝集成，电容耦合模块配备了标准化接口（如RJ45），支持以太网、EtherCAT等工业实时协议。

这使得它们能够与现有的网络化成像平台实现即插即用兼容性，并减少定制工程所需的工作量。

冗余与堆叠

如果需要更高带宽或故障安全运行，电容耦合系统具有可堆叠性和模块化特点。组合多个分段有助于提高吞吐量并整合冗余功能，确保在关键扫描时实现不间断运行。

混合系统

尽管数据传输无需接触，但大多数CT系统使用混合式滑环，其中包含用于传输大电流电力的接触式轨道以及非接触式数据通道。这确保了稳定的电力传输和无阻碍的数据通信，从而实现系统的全面功能。

结论

电容耦合非接触滑环具有低延迟、高速率和免维护性能，这对现代CT成像至关重要。它们提供可扩展、洁净且可靠的传输，使其成为医疗环境中连续旋转和长期系统高效运行的理想选择。