Background and aims In the early diagnosis of breast cancer, mammography has been the established imaging technique for years. To improve both specificity and sensitivity of early diagnosis of breast cancer, the Institute of Medical Physics, in collaboration with the company CT Imaging GmbH, is developing a dedicated breast CT scanner. Due to the novel components being used for this approach, prior art concepts for controlling clinical CT scanners are not applicable. Instead a new controlling concept is needed, which fulfills the special requirements of breast CT imaging and distinguishes itself from state-of-the-art concepts. Methods To control the breast CT scanner, a hierarchical three layered control architecture, based on the layers used in process automation, was developed. It consists of the layers coordination, control and command layer. Because of real-time requirements, the control units of the control layer were realized with FPGA-based embedded systems (SOPC) including an instantiated NIOSII softcore processor. The performance of different kinds of real-time operating systems was tested on this type of processor with respect to their reaction times. In addition an evaluation was performed using further operating system properties, which are relevant regarding to the development of the breast CT scanner. As means of communication between the three layers, deterministic protocols, “CT_Control_CAN“ and “CT_Control_Ethernet“, were developed by the author. They are based on the second level of the OSI model of CAN and Ethernet technology. For dose-efficient operation of the breast CT scanner, the position tracking system, x ray tube and detector, as well as their dead times, must be synchronized exactly. Therefore a synchronization is presented which, in contrast to the state-of-the art, is integrated in the control units of the control layer and uses the RS485 interface standard. To evaluate the precision of the synchronization, measurements on a synchronization signal of the control units were performed, measuring signal propagation time and its’ Jitter. The high resolution and high frame rate of the dedicated breast CT scanner lead to high requirements on the systems data transmission rate. In order to transmit the image data from the detector via slipring to a reconstruction server, a specially designed communication protocol “CT_Data_Ethernet”, based on 10-GBit/s-Ethernet technology, is introduced. It can be realized by using standard components and is adapted to the data format of the breast CT scanners projection data. 10 Gbit/s Ethernet components have a theoretical data throughput of 10 Gbit/s, however numerous papers report lower data transfer rates. Safety-critical aspects are also considered. To avoid injury to humans as well as damage to the system, a safety concept is presented. It includes different levels of escalation for error messaging, an interlock circuit and a safe x-ray release and disabling mechanism. Results and Observations The performance measurements carried out on various real-time operating systems instantiated on the used NIOSII processor all show satisfactory results. Taking this fact into account and balancing further criteria, e.g. certification according relevant standards, FreeRTOS is recommended for use in the breast CT scanner. The integration of the synchronization function in the FPGA based control units is an improvement over the single synchronization units used in the state of the art. The results of the measurements on a synchronization signal sent over RS485 show a signal propagation time of about 85 ns and a jitter of 3 ns. The control unit’s synchronization signals thereby fulfill the system requirement of a jitter of less than 1 µs and a signal propagation time of less than 10 µs. For the transfer of the projection data a 10 GBit/s Ethernet transmission, based on standard components, was developed. Measurements performed by the author on such a 10 GBit/s Ethernet transmission, designed with standard components, showed data rates up to 9,9 GBit/s and that the required data transfer rate of the breast CT scanner can be achieved. Practical Conclusions A novel, hierarchical control concept for the dedicated breast CT scanner was developed. The presented control concept fulfills all relevant requirements and is particularly characterized by its high flexibility. As a result of the realization of the control units based on FPGAs and well-known, open interface technology, it is possible to respond quickly to changes in requirements without modifying the whole control concept. Due to the integration of the synchronization functionality in the control units, the imaging components can be provided with high-precision synchronization signals. Thus technologically caused dead times can be minimized and thereby the dose efficiency of the entire scanner increased. Contrary to prior art control concepts, the presented control concept is well adapted and optimized for the components of the breast CT scanner. It can thus make an essential contribution to the success of the scanner in the diagnosis of breast cancer. Due to its high flexibility and modularity it is furthermore easily portable to other medical-technology systems.Hintergrund und Ziele Zur Brustkrebsfrüherkennung ist seit Jahren die Mammografie als Bildgebungsverfahren etabliert. Um die Spezifität und Sensitivität bei der Brustkrebsfrüherkennung zu steigern, entwickelt das Institut für medizinische Physik zusammen mit der Firma CT Imaging GmbH einen dedizierten Brust-CT-Scanner. Aufgrund der neuartigen verwendeten Komponenten können aus dem Stand der Technik bekannte Konzepte zur Steuerung von klinischen CT-Scannern nicht verwendet werden. Stattdessen wird ein neues Steuerungskonzept benötigt, das die speziellen Anforderungen der Brust-CT-Bildgebung erfüllt und sich vom Stand der Technik abhebt. Methoden Zur Steuerung des Brust-CT-Scanners wird ein an die Prozessautomatisierung angelehntes, hierarchisches Ebenenmodell vorgestellt, das aus den drei Ebenen Leit-, Steuer¬ungs- und Kontrollebene besteht. Da harte Echtzeitanforderungen für die Steuerungsebene bestehen, wurden als Steuerungseinheiten FPGA-basierte eingebettete Systeme (SOPCs) gewählt, auf denen ein NIOSII-Softcore-Prozessor instanziiert ist. Auf diesem Prozessortyp wurden verschiedene Echtzeitbetriebssysteme und deren Leistung anhand ihrer Reaktionszeiten getestet. Ferner erfolgte eine Bewertung mittels weiterer Betriebssystemeigenschaften, die für die Entwicklung des Brust-CT-Scanners relevant sind. Zur Kommunikation zwischen den drei Ebenen wurden eigene deterministische Protokolle „CT_Control_CAN“ und „CT_Control_Ethernet“ entwickelt, die auf der zweiten Schicht des OSI-Modells der Technologien CAN und Ethernet aufsetzen. Für den dosiseffizienten Betrieb des Brust-CT-Scanners müssen Positionserfassung, Röntgenröhre und Detektor, sowie deren Totzeiten exakt miteinander synchronisiert sein. Anders als im Stand der Technik wird hierfür eine Synchronisation vorgestellt, die in die Steuerungseinheiten der Steuerungsebene integriert ist und den Schnittstellenstandard RS485 nutzt. Um die Genauigkeit der Synchronisation zu bewerten, wurden Messungen zur Signallaufzeit und -fluktuation (Jitter) an einem Synchronisationssignal der Steuerungseinheiten durchgeführt. Aufgrund der hohen Auflösung und der hohen Bildrate des dedizierten Brust-CT-Scanners ergeben sich hohe Anforderungen an die Datenübertragung im System. Zur schnellen Übertragung der Bilddaten vom Detektor über einen Drehübertrager auf einen Rekonstruktionsserver wird das eigens hierfür entwickelte Kommunikationsprotokoll „CT_Data_Ethernet“ auf Basis der 10-GBit/s-Ethernet-Technologie vorgestellt, das mit Standard-Komponenten realisierbar ist und an das Datenformat der Projektionsdaten des Brust-CT-Scanners angepasst ist. 10 GBit/s-Ethernet-Komponenten weisen einen theoretischen Datendurchsatz von 10 GBit/s auf, jedoch zeigen zahlreiche Veröffentlichungen geringere Datenraten. Ebenfalls Betrachtung finden sicherheitskritische Aspekte. Um Verletzungen an Menschen sowie Schäden an Material ausschließen zu können, wird ein Sicherheitskonzept eingeführt, das über verschiedene Eskalationsstufen zur Meldung von Fehlern, einen Interlockkreis und ein sicheres Auslösen und Abschalten von Röntgenstrahlung verfügt. Ergebnisse und Beobachtungen Die Leistungsmessungen an verschiedenen Echtzeitbetriebssystemen, die auf dem eingesetzten NIOSII-Prozessor instanziiert waren, zeigen zufriedenstellende Ergebnisse. Für den Brust-CT-Scanner wird nach Abwägung weiterer Kriterien, wie z.B. die Zertifizierung nach einschlägigen Normen, FreeRTOS bzw. SafeRTOS empfohlen. Die Integration der Synchronisationsfunktion in die Steuerungseinheiten auf Basis eines FPGAs stellt eine Verbesserung zu den im Stand der Technik verwendeten einzelnen Synchronisationseinheiten dar. Die Ergebnisse der Messungen an einem Synchroni-sationssignal über RS485 zeigen eine Signallaufzeit von ca. 85 ns bei einem Jitter von 3 ns. Damit erfüllen die von den Steuerungseinheiten bereitgestellten Signale die Systemspezifikation eines Jitters kleiner als 1 µs und einer Signallaufzeit von unter 10 µs. Zur Übertragung der Projektionsdaten wurde eine 10 GBit/s-Ethernet-Übertragung mit zugehörigem Protokoll entwickelt, die Standard-Ethernet-Komponenten verwendet. Eigene Messungen an einer solchen aus Standard-Komponenten aufgebauten 10 GBit/s Übertragungsstrecke ergaben Datenraten von bis zu 9,9 GBit/s und zeigten, dass die für den Brust-CT-Scanner geforderte Datenrate erreicht werden kann. Praktische Schlussfolgerungen Es wurde ein neuartiges, hierarchisches Steuerungskonzept für den dedizierten Brust-CT-Scanner entwickelt. Das vorgestellte Steuerungskonzept erfüllt alle wesentlichen Anforderungen und zeichnet sich besonders durch seine hohe Flexibilität aus. Durch die Realisierung der Steuerungseinheiten auf Basis von FPGAs und bekannten, offenen Schnittstellentechnologien kann auf Änderungen von Anforderungen schnell reagiert werden, ohne das gesamte Steuerungskonzept ändern zu müssen. Durch die in die Steuerungseinheiten integrierte Synchronisationsfunktion können hochgenaue Synchronisationssignale für die Bildgebungskomponenten bereitgestellt werden. Dadurch lassen sich technologisch bedingte Totzeiten minimieren und somit die Dosiseffizienz des gesamten Scanners steigern. Anders als Steuerungskonzepte für CT-Scanner, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, ist das vorgestellte Steuerungskonzept auf die Komponenten des Brust-CT-Scanners angepasst und optimiert. Es kann damit wesentlich zum Erfolg dieses Scanners in der Diagnose von Brustkrebs beitragen, ist aber durch seine hohe Flexibilität und Modularität auch auf andere Systeme der Medizintechnik übertragbar
