CN104335317A - 具有基于碳复合物的材料的x射线管转子 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于X射线管的转子。为提供用于提供旋转频率的增加的X射线管中的减重的其它可能性，提供一种用于X射线管的转子(10)，所述转子包括具有多个导电元件(14)的旋转结构(12)，所述多个导电元件的端部彼此连接并且被设置成使得由定子产生的外部定子磁场在所述导电元件中感应电流，所述电流产生与所述定子磁场相互作用的转子磁场。至少所述多个导电元件由基于碳复合物的材料制成。
Description
发明领域
本发明涉及一种用于X射线管的转子、X射线管、X射线成像系统、用于旋转X射线管的阳极的方法和计算机程序元件以及计算机可读介质。
背景技术
为驱动X射线管的可旋转阳极，将感应电压的定子设置到联接到阳极的转子中。在将电压感应到(举例来说)由铜制作的转子中时，产生与定子的磁场相互作用的磁场。然而，已显示，铜的热力机械性能还对较低旋转频率范围提供了限制。此外，由于对计算机断层摄影术的领域的需求增加，举例来说，为提供较高扫描频率，X射线管的减重也变得越来越重要。阳极盘可因此至少部分地设置有(举例来说)如美国2011/0129068 A1中所描述的重量轻的材料，例如，纤维加强的陶瓷材料。
发明内容
因此，需要提供进一步的可能性以用于X射线管中的减重以便提供旋转频率的增加。
本发明的目标由独立权利要求的主题来解决，其中其它实施例包含于从属权利要求中。
应注意，本发明的以下所描述的方面还适用于转子、X射线管、X射线成像系统、方法和计算机程序元件以及计算机可读介质。
根据本发明的第一方面，提供一种用于X射线管的转子，所述转子包括具有多个导电元件的旋转结构，所述导电元件的端部彼此连接并且被设置成使得由定子产生的外部定子磁场在导电元件中感应电流，所述电流产生与定子磁场相互作用的转子磁场。至少所述多个导电元件由基于碳复合物的材料制成。
基于碳复合物的材料也被称为C/C基材料。C/C基材料的磁性能类似于铜的磁性能；关于电性能，存在对所使用类型的纤维的巨大依赖性。举例来说，碳纤维可被提供为HM纤维，即，高模量碳纤维，即，具有较高程度的导电性刚度的碳纤维。举例来说，HM纤维具有1,610-6欧姆m的典型电阻，在高温度下处理的HM纤维具有类似于铜的电性能。然而，在较高温度下，其电性能甚至比铜的电性能要好，而铜的电性能随增加的温度而降低。
举例来说，导电元件由不含铜的材料制成。作为另一实例，导电元件由不含金属的材料制成。
根据实例性实施例，基于碳复合物的材料包括碳纤维加强的碳。碳纤维以高模量纤维将所感应的电流优化而高强度纤维提供所需强度的方式来定向。
举例来说，碳纤维被提供为被定向成使得可在导电元件中感应电流的初级纤维绕组。初级绕组可包括HM纤维。
高强度纤维也被称为具有(举例来说)大约230GPa的值的HT纤维。
举例来说，碳纤维还被提供为在拉伸承载的方向上定向的次级纤维绕组。次级绕组可包括HT纤维。次级纤维绕组被布置用于机械支撑。
初级绕组可在轴向和切向方向上定向，所述方向还包括平行于或倾斜于旋转轴线的定向。
碳纤维加强的碳也被称为CFC。
根据实例性实施例，旋转结构是围绕转子轴布置的圆柱形结构，阳极可安装到所述轴。
根据另一实例，旋转结构被设置为在阳极盘上且在与设置焦点轨迹(focal track)的侧相反的侧上的圆柱形轴环。
初级绕组可在轴向方向上定向，所述轴向方向还包括上文所提及的平行于或倾斜于旋转轴线的定向。
在另一实例中，旋转结构被设置为距阳极盘一定距离地布置的转子盘。转子盘设置于与焦点轨迹侧相反的侧上(在阳极盘下方)。
根据另一实例性实施例，旋转结构与阳极盘结构一体地设置。阳极盘至少部分地由碳纤维加强的碳制成。阳极盘包括初级绕组结构以使得转子磁场可由定子磁场产生。
初级绕组相对于旋转轴线在径向和切向方向上定向。
根据另一实例，旋转结构设置于阳极盘的在与焦点轨迹的侧相反的侧上的阶梯式突出部中。阶梯式突出部设置有边缘以使得定子可在所述边缘上相互作用。
根据本发明的第二方面，提供一种包括可旋转阳极结构、轴承构造、定子和转子的X射线管。可旋转阳极结构由轴承构造支撑。转子被设置为根据上文所提及实例中的一个的用于X射线管的转子。定子设置有电线圈以产生定子磁场以便与转子相互作用而使得在转子中产生电流，从而产生用于使阳极结构旋转的转子磁场。
作为实例，可旋转阳极结构被设置为阳极盘。轴承构造可由定子支撑。可设置包封真空管容腔(volume)的壳体结构，阳极结构、轴承构造、定子和转子设置于所述容腔内部，并且在所述容腔内部提供用于产生X射线的真空。定子和/或轴承构造连接到壳体。
根据实例性实施例，定子包括围绕其设置绕组的多个C形状的铁芯。旋转结构部分地布置于C形状的铁芯的端部之间。
部分地包封提供由定子产生的定子磁场的闭合。
在与阳极盘结构一体地设置的旋转结构的情形中，定子可沿着阳极盘结构的边缘设置。
根据另一实例性实施例，包括围绕其设置绕组的多个C形状的铁芯的定子被分段。旋转结构部分地布置于C形状的铁芯的端部之间。定子的C形状的铁芯以至少一个间隙布置以使得焦点设置于阳极盘结构上，电子束可撞击到所述焦点上。
根据本发明的第三方面，提供一种包括X射线源、X射线检测器和处理单元的X射线成像系统。X射线源被设置为根据前述实例的X射线管。处理单元被设置成通过转子控制旋转。
根据本发明的第四方面，提供一种用于旋转X射线管的阳极的方法，所述方法包括以下步骤：
a)将第一电流施加到定子绕组；
b)产生定子磁场；
c)定子磁场在转子上作用，其中转子包括具有由基于碳复合物的材料制成的多个导电元件的旋转结构，所述导电元件的端部彼此连接；
d)通过定子磁场在导电元件中感应次级电流，借此产生转子磁场；
e)转子磁场与定子磁场相互作用；和
f)由于相互作用而驱动阳极旋转。
根据本发明的各方面，X射线管马达的通常所应用的铜的至少一部分由特别设计的C/C基材料来替换。这导致具有相同效率但适合于高得多的旋转频率并且还具有减小的重量的马达。举例来说，将C/C基旋转结构整合到阳极盘中提供紧凑的X射线管架构。在这情形中，分段式定子可围绕旋转结构放置并且以实现磁场的闭合。
参照下文中所描述的实施例将明了本发明的这些和其它方面且将参考所述实施例来阐明所述方面。
附图说明
下文中参考以下附图描述本发明的实例性实施例：
图1在图1A中以侧视图并且在图1B中以横截面示出用于X射线管的转子的实例性实施例；
图2以纵向横截面示出用于X射线管的转子的另一实例；
图3以横截面示出转子的另一实例；
图4以俯视透视图示出X射线管的实例；
图5以横截面示出转子的另一实例；
图6示出X射线成像系统的实例；和
图7示出方法的实例的基本步骤。
具体实施方式
图1A示出用于X射线管的转子10的侧视图。转子10包括具有多个导电元件的旋转结构12，所述导电元件的端部彼此连接并且被设置成使得由定子产生的外部定子磁场在导电元件14中感应电流，所述电流产生与定子磁场相互作用的转子磁场。这还从示出俯视图的图1B可见。所述定子在图1A和1B中用虚线16指示。至少所述多个导电元件14由基于碳复合物的材料制成。
此外，旋转轴线18与指示旋转方向的旋转箭头20一起示出。
注意，导电元件14用平行于旋转轴线的线来指示，而根据本发明，还可提供倾斜于旋转轴线的线。
基于碳复合物的材料可包括碳纤维加强的碳。碳纤维以高模量纤维使所感应的电流优化而高强度纤维提供所需强度的方式来定向。
碳纤维可被提供为被定向成使得在导电元件中可感应电流的初级纤维绕组。
如呈沿着纵向轴线(即，旋转轴线)的横截面的图2中可见，旋转结构12可被设置为围绕转子轴24布置的圆柱形结构22，阳极26可安装到所述轴。另外进一步地，围绕圆柱形结构22的定子28也被指示。内部同心圆柱形结构30将提供磁场的闭合。
轴能够由轴承可旋转地支撑，所述轴承未予以进一步示出。转子是定子(举例来说，定子28)的对应体，以用于驱动可旋转阳极26。
举例来说，至少旋转结构(举例来说，圆柱形结构22)的圆周由不含铜的材料制成。圆周部分可由基于碳的材料制成。举例来说，圆周部分由不含铜的材料(举例来说，由不含金属的材料)制成。
次级纤维(未予以进一步示出)绕组可被布置用于圆柱形结构的机械支撑。
根据图3中示出的实例，旋转结构12被设置为在阳极盘34上且在与设置焦点轨迹36的侧相反的侧上的圆柱形轴环32。虚线38指示提供了磁场的闭合。此外，定子40以及轴承构造42、44也示意性地示出，轴承构造至少部分地围绕阳极轴46。根据图4中所示出的另一实例，旋转结构12与阳极盘结构48一体地设置。
阳极盘至少部分地由碳纤维加强的碳制成，并且阳极盘48包括初级绕组结构以使得转子磁场可由定子磁场产生。初级绕组相对于旋转轴线在径向和切向方向上定向。
为更好地理解，图4还示出属于X射线管50的实例的其它部件，所述其它部件包括：可旋转阳极结构，例如，图2中的阳极盘26或图3中所示出的阳极34或图4中所示出的阳极48；以及轴承构造，所述轴承构造具有轴承，例如，图3中的轴承42、44；和定子，举例来说，图3中的定子40；和转子10，如上文实例中所论述。可旋转阳极结构由轴承构造支撑并且转子被设置为用于根据上文所提及实例中的一个的用于X射线管的转子。定子设置有电线圈以产生定子磁场以便与转子相互作用而使得在转子中产生电流，从而产生用于使阳极结构旋转的转子磁场。
根据另一实例，可旋转阳极结构被设置为阳极盘。轴承构造由定子支撑。此外，可设置包封管容腔(未予以进一步示出)的壳体，阳极结构、轴承构造、定子和转子设置于所述容腔内部，并且用于产生X射线的真空在所述容腔内部提供。根据另一实例，定子和/或轴承构造连接到壳体。
如图4中所指示，定子可包括围绕其设置绕组54的多个C形状的铁芯52。转子部分地布置于C形状的铁芯52的端部56之间。
举例来说，如图4中所示出，转子10和其旋转结构12与阳极盘结构(例如，图4中的盘48)一体地设置。定子沿着阳极盘结构的边缘58设置。如图5中所指示，转子可被设置为阳极盘48的在与焦点轨迹的侧相反的侧上的阶梯式突出部60。阶梯式突出部60设置有边缘62以使得定子可在边缘62上相互作用。举例来说，设置多个C形状的铁芯64作为定子，围绕所述铁芯设置绕组。
图4中还示出另一方面：定子40可设置为分段的，包括围绕其设置绕组54的多个定子元件，例如C形状的铁芯52。转子部分地布置于C形状的铁芯的端部之间，并且定子的C形状的铁芯以至少一个间隙64布置以使得焦点设置于阳极盘结构上，电子束可撞击在所述焦点上。
分段式定子还提供到其它实例。然而，分段式定子仅在定子被布置成使得焦点轨迹由定子元件覆盖时是必须的。取决于焦点轨迹的位置，举例来说，图4的实例还可被设置为其中不具有间隙的连续定子。当然，举例来说，可针对不同分段设置不同数目的间隙。
提供处于C的端部之间的转子的布置(即，阳极)以供闭合由定子产生的定子磁场。C形状的铁芯可设置至少两个群组，每一群组包括多个C形状的铁芯。作为实例，图4示出各自具有三个C形状的铁芯的三个群组。
每一群组的定子包括至少一对具有绕组的C形状的铁芯，其中上部C形状的芯具有布置于C的端部之间的阳极的上部外边缘，并且下部C形状的芯具有布置于C的端部之间的阳极的下部外边缘。
必须注意，独立于管在空间中的实际布置，术语“上部”涉及阳极的其上产生X射线辐射的侧，并且“下部”涉及相反的侧。图6示出包括X射线源110、X射线检测器112和处理单元114的X射线成像系统100。X射线源110被设置为根据上文所提及的实例的X射线管。处理单元14被设置用以通过转子控制旋转。
举例来说，X射线成像系统100被设置为具有C形臂118的所谓的C形臂结构116，X射线源和X射线检测器安装到所述C的端部。此外，设置允许围绕目标122自由移动的可移动支撑结构120，所述可移动支撑结构布置于患者工作台124上。此外，除照明128之外，还设置显示构造126。
图7示出用于旋转X射线管的阳极的方法200，所述方法包括以下步骤：在第一步骤210中，将第一电流施加到定子绕组。在第二步骤212中，产生定子磁场。在第三步骤214中，定子磁场在转子上作用，其中转子包括具有由基于碳复合物的材料制成的多个导电元件的旋转结构，导电元件的端部彼此连接。在第四步骤216中，通过定子磁场在导电元件中感应次级电流，借此产生转子磁场。在第五步骤218中，转子磁场与定子磁场相互作用。在第六步骤220中，因为相互作用而驱动阳极旋转。
第一步骤210也被称为步骤a)，第二步骤212也被称为步骤b)，第三步骤214也被称为步骤c)，第四步骤216也被称为步骤d)，第五步骤218也被称为步骤e)，并且第六步骤220也被称为步骤f)。
在本发明的另一实例性实施例中，提供一种计算机程序或计算机程序元件，其特征在于其适于在适当的系统上执行根据前述实施例中的一个的方法的方法步骤。
计算机程序元件可因此存储于计算机单元上，所述计算机单元可能也是本发明的实施例的一部分。这个计算单元可适于执行或引起上文所描述的方法的步骤的执行。此外，其可适于操作上文所描述的设备的部件。所述计算单元可适于自动地操作和/或执行用户的指令。计算机程序可加载到数据处理器的工作存储器中。可因此配备数据处理器来实施本发明的方法。
本发明的这个实例性实施例涵盖从一开始使用本发明的计算机程序和借助于更新将现有程序变成使用本发明的程序的计算机程序两者。
更进一步地，计算机程序元件可能够提供所有必要步骤来完成如上文所描述的方法的实例性实施例的程序。
根据本发明的另一实例性实施例，提出一种计算机可读介质(例如，CD-ROM)，其中计算机可读介质具有存储于其上的计算机程序元件，所述计算机程序元件由前一章节予以描述。
计算机程序可存储/分布于适合介质(例如，光学存储介质或与其它硬件一起供应或作为其它硬件的一部分的固态介质)上，但也可以以其它方式分布，例如，经由因特网或其它有线或无线电信系统。
然而，所述计算机程序也可以存在于网络(如万维网)上并且可被从这网络下载到数据处理器的工作存储器中。根据本发明的另一实例性实施例，提供用于使计算机程序元件可用于下载的介质，所述计算机程序元件被布置成执行根据先前所描述的本发明实施例中的一个的方法。
不得不注意，参考不同主题描述本发明的实施例。特定来说，参考方法类型权利要求描述一些实施例，而参考装置类型权利要求描述其它实施例。然而，所属领域的技术人员将从以上和以下说明中获悉，除非特别通知，否则除属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，与不同主题相关的特征之间的任何组合也被视为揭示于本申请案内。然而，所有特征可组合，从而提供大于所述特征的简单总和的协同效应。
虽然已在附图及前述说明中详细地图示并描述了本发明，但这图示及说明应被视为图示性或例示性而非限制性。本发明并不限于所揭示的实施例。根据对附图、揭示内容及随附权利要求书的研究，所属领域的技术人员在实践所主张的发明中可理解并达成所揭示实施例的其它变化形式。
在权利要求书中，词语“包括”并不排除其它元件或步骤，且不定冠词“一(a)”或“一(an)”并不排除多个。单个处理器或其它单元可完成权利要求书中所陈述的数个物项的功能。在互不相同的从属权利要求中陈述某些措施的单纯事实并不指示不能有利地利用这些措施的组合。权利要求书中之任何参考符号皆不应解释为限制所述范围。
Claims (15)
1.一种用于X射线管的转子(10)，包括：
旋转结构(12)，所述旋转结构具有多个导电元件(14)，所述导电元件的端部彼此连接并且被设置成使得由定子产生的外部定子磁场在所述导电元件中感应电流，所述电流产生与所述定子磁场相互作用的转子磁场；
其中至少所述多个导电元件由基于碳复合物的材料制成。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述基于碳复合物的材料包括碳纤维加强的碳；并且
其中所述碳纤维以高模量纤维使所感应的电流优化而高强度纤维提供所需强度的方式来定向。
3.根据权利要求1或2所述的转子，其特征在于，所述旋转结构是围绕转子轴(24)布置的圆柱形结构(22)，阳极能够安置到所述转子轴。
4.根据权利要求1、2或3所述的转子，其特征在于，所述旋转结构被设置为在阳极盘(34)上且在与设置焦点轨迹(36)的侧相反的侧上的圆柱形轴环(32)。
5.如前述权利要求中的一项所述的转子，其特征在于，所述旋转结构与阳极盘结构(48)一体地设置；
其中所述阳极盘至少部分地由碳纤维加强的碳制成；并且
其中所述阳极盘包括初级绕组结构以使得所述转子磁场能够由所述定子磁场产生。
6.根据权利要求5所述的转子，其特征在于，所述旋转结构被设置为所述阳极盘(48)的在与所述焦点轨迹的所述侧相反的侧上的阶梯式突出部(60)；其中所述阶梯式突出部设置有边缘(62)以使得定子能够在所述边缘上相互作用。
7.一种X射线管(50)，包括：
可旋转阳极结构(34)；
轴承构造(42、44)；
定子(40)；和
转子(10)；
其中所述可旋转阳极结构由所述轴承构造支撑；并且
其中所述转子被设置为根据前述权利要求中的一项所述的用于X射线管的转子；并且
其中所述定子设置有电线圈以产生定子磁场以便与所述转子相互作用使得在所述转子中产生电流，从而产生用于使所述阳极结构旋转的转子磁场。
8.根据权利要求7所述的X射线管，其特征在于，所述旋转结构被设置为所述圆柱形轴环；并且
其中所述定子被设置成至少部分地包封所述轴环。
9.根据权利要求7或8所述的X射线管，其特征在于，所述定子包括多个C形状的铁芯(52)，绕组(54)围绕所述C形状的铁芯设置；并且
其中所述旋转结构部分地布置于所述C形状的铁芯的端部(56)之间。
10.根据权利要求7、8或9所述的X射线管，其特征在于，所述旋转结构与所述阳极盘结构一体地设置；并且
其中所述定子沿着所述阳极盘结构的边缘(58)设置。
11.根据权利要求7到10中的一项所述的X射线管，其特征在于，所述定子是分段的，包括多个C形状的铁芯(52)，绕组(54)围绕所述C形状的铁芯设置；
其中所述旋转结构部分地布置于所述C形状的铁芯的所述端部之间；并且
其中所述定子的所述C形状的铁芯以至少一个间隙(64)布置以使得焦点设置于所述阳极盘结构上，电子束能够撞击到所述焦点上。
12.一种X射线成像系统(100)，包括：
X射线源(110)；
X射线检测器(112)；和
处理单元(114)；
其中所述X射线源被设置为根据所述权利要求7到11所述的X射线管；并且
其中所述处理单元被设置成通过所述转子控制旋转。
13.一种用于旋转X射线管的阳极的方法(200)，包括以下步骤：
a)施加(210)第一电流到定子绕组；
b)产生(212)定子磁场；
c)所述定子磁场在转子上作用(214)；其中所述转子包括具有由基于碳复合物的材料制成的多个导电元件的旋转结构，所述导电元件的端部彼此连接；
d)通过所述定子磁场在所述导电元件中感应(216)次级电流，借此产生转子磁场；
e)所述转子磁场与所述定子磁场相互作用(218)；和
f)由于所述相互作用而驱动(220)所述阳极旋转。
14.一种用于控制根据权利要求1到12中的一项所述的设备的计算机程序元件，所述计算机程序元件在由处理单元执行时适于执行根据权利要求13所述的方法。
15.一种已存储根据权利要求14所述的计算机程序元件的计算机可读介质。
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