CN1886810A - 采用无接触能量传输的计算机层析x射线摄影机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种计算机层析X射线摄影机系统，包括一个用于容纳至少一个伦琴射线管(4)和一个检测装置(5)的转动部件(1)和一个固定部件(2)，所述固定部件包括一个用于可旋转地支撑转动部件的支座(3)和一个用于产生给导体结构(7)馈电的交流电流的反向变换器(6)。此外所述转动部件具有至少一个电感耦合器(8)，它仅仅在位置上相关地与导体结构(7)的整个长度上的一个部件相啮合，并从该导体结构耦出电能量。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用无接触能量传输的计算机层板X射线摄影机。其中伦琴射线管所需能量的传输无接触地在一个固定的电源与旋转安置的伦琴射线管之间进行。同时其它用电设备，如转动部件上的检测器或数据采集系统随射线管一起被供电。
背景技术
在常规的计算机层析X射线摄影机中，固定安置的电源与转动部件之间的电能量传输借助于机械的汇流环系统实现。其中最好由碳构成的电刷在一个例如由黄铜构成的滑轨上滑动。这种结构的缺点在于寿命较短，需要规则的维护周期，其中电刷必须定期更换，以及会由碳粉引起污染。
例如US 4912735公开了一种改进方案。其中计算机层析X射线摄影机系统像一个转动的变压器那样被构造。在固定的一侧设置一个初级绕组，它由初级配置的交流电源馈电。相应地在转动的一侧上安装一个次级绕组。为了改善初级绕组与次组绕组之间的耦合，它们被由软磁材料构成的旋转对称的磁芯所包围。这种装置不适用于传输100千瓦范围内的较高功率，而这是现代伦琴射线管所需要的。其原因在于，由于固定侧和转动侧之间不可避免的气隙，变压器具有高的漏电感量。其在电气上相当于一个串联电感，并且从而对于所传输的电流呈现一个高的串联阻抗，它限制了可传输的功率。
另一个改进方案在US 5608771中公开。其中变压器的漏电感借助于另一个电感和一个电容构成一个谐振回路。同时高压变压器直接连接到转动部件的次级绕组。在此结构中可以允许有一定的漏电感。然而此旋转变压器的一个很高的耦合系数是必要的，因为否则会有一个过大的电流分量作为无功电流流过变压器的初级绕组。此外在高漏电感情况下对高压变压器的合理匹配几乎是不可能的。
以上引用的两种结构的缺点在于大量采用了昂贵的、高导磁铁磁材料。在典型的尺寸下需用数百公斤铁或铁氧体。这将大大提高计算机层析X射线摄影机的总重量。尤其有问题的是转动部件的质量很大，因为这里还必须配备相应承载的支座。另一个缺点在于转动和固定部件之间的旋转对机械公差有很高的要求。固定部件中的初级侧与转动部件中的次级侧之间的气隙理想地应在几个十分之一毫米的范围内。然而在计算机层析X射线摄影机中典型可实现的公差几乎要高出一个数量级。特别是在一个相对于水平轴倾斜的转动部件中工作是困难的，因为这里转动部件相对于固定部件与其正常位置倾斜。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种用于在计算机层析X射线摄影机的固定和转动部件之间无接触地传输电能量的装置，相对于现有技术其成本低廉，并且此装置如此被构造，使得整个装置的质量减小，且允许转动部件与固定部件之间有较大的机械公差。
上述任务的根据本发明的解决方案在独立权利要求中给出。本发明的进一步设计是从属权利要求的主题。
根据本发明的装置包括一个具有转动部件1和固定部件2的计算机层析X射线摄影机。固定部件包括一个支座3，用于可旋转地支撑转动部件1。此外在固定部件上设置有至少一个用于产生交流电流的反向变换器(逆变器)6。此交流电流至少具有第一频率的基波。此外还具有一个导体结构7，它由一个或多个反向变换器6的交流电流供电。此导体结构至少沿一个圆形轨道的一部分排列在固定部件上。本发明所述的导体结构的主要部分由电导体组成，这些电导体位于载体上或支撑体23上。这种导体结构的实现比现有技术已知的转动变压器要简单得多，在已知的转动变压器中不采用简单的导体结构，而是在初级侧必需有一个完整构造的变压器初级。除了绕组和绝缘部分之外这还包括铁芯或铁氧体芯，为了形成初级侧(固定的)与次级侧(转动的)之间形成尽可能小的气隙，它们必须以很小的机械公差来加工。为了从导体结构中耦出电流，在转动部件处设置了一个电感性的耦合器8。这个电感性的耦合器8的长度比导体结构7的长度要短，并且它通过转动部件相对于固定部件的运动而沿着导体结构运动。从电感性的耦合器8耦出的电流可用于给伦琴射线管4或转动部件上的检测装置5等用电设备供电。
在这里的描述中“电流”的概念在普通的电能量概念的含义上使用。也可使用电压或能量的概念来代替它。
另一种根据本发明的装置的结构类似于上述装置。只是导体结构7与耦合器8互换。耦合器8对应于固定部件2，并且由反向变换器6馈给交流电流。相对于耦合器8运动的是设置在转动部件1上的导体结构7。相应地，现在从导体结构7耦出的电流可用于给伦琴射线管或转动部件上的检测装置等用电设备供电。
在本发明的一个特别具有优点的设计中设置了一个导体结构，它包含1，2或3个平行引导的电导体(9a，9b，9c)。此外，电流如此流过这些导体，使得在导体结构的每个角位置上流过所有导体的电流之和等于零。例如如果导体结构被一个径向截面在任意位置处截断，并且测量这些位置上流过的电流，则电流之和为零。这例如可以如此实现：在双导体系统中电流在第一个方向上流过第一个导体，且电流以相同的大小在与第一个方向相反的方向上流过第二个导体。在三导体系统中三个导体的电流有相同幅度，相互间相移120度。通过这样的设计，此结构的电磁辐射明显降低。由于在导体结构的每一段上电流和等于零，外部磁场也等于零。为了达到好的对称性，例如可以使用一个对称变压器或一个同步滤波器。反向变换器中的一个相位移动桥特别适用于多个导体时的控制。
在本发明的另一个具有优点的设计中导体结构7在周边方向上有多个区段(10a，10b，10c)。通过这样的分段，例如高功率的电能可以不同的方式馈送给伦琴射线管，以及通过分开的区段传输辅助电源。也可通过多个区段的并联电路提高总传输功率。当然多个导体结构也可以相互平行地、即例如在轴向方向上彼此相邻地或在径向方向上一圈套一圈地与相应耦合器一起设置。
本发明的另一个具有优点的设计中，设置了多个耦合器(8a，8b，8c)，其中在每个时刻至少一个耦合器与导体结构7相啮合。时刻的概念与转动部件1相对于固定部件2的运动有关。换言之，在转动部件1的每个位置上至少一个耦合器8与导体结构7相啮合。从而在运动的每个时刻或对于每个地点，能量传输都是可能的。
在本发明的另一个具有优点的设计中，至少一个引出头8具有用于集中磁通量的软磁材料。这样，这个引出头可以具有铁材料—最好以铁片形式—或铁氧体材料。这里，尤其具有优点的是采用铁或铁氧体材料的粉末，它通过塑料结合。可选地或附加地也可以使软磁材料设置在导体结构7上，以改善耦合。
本发明的另一个具有优点的设计中设置了多个反向变换器6，其中一个反向变换器6分别可选地为导体结构中的一个导体9和/或一个区段10供电。
在本发明的另一个具有优点的设计中，至少一个用于为导体结构7中的一个导体9和/或一个区段10供电的反向变换器被设计在相应的谐振频率上或其附近。
在本发明的另一个具有优点的设计中，导体结构7和/或至少一个引出头8可选地通过至少一个电容以及可选地通过一个或多个附加电感来补充，构成一个在预定谐振频率上的谐振器。特别有利的是，当导体结构或引出头的电感量不够大时，通过增加一个串联电容以及一个可选的串联电感而构成一个串联谐振器。作为替代，还可以通过增加并联到导体结构7或引出头8上的至少一个并联电容构成并联谐振器。反向变换器6的工作现在可以与不同的谐振条件相适应。例如对输出功率的调整可以通过反向变换器的频率改变来实现。这样当反向变换器在谐振频率上输出电流时保证传输最大的功率，同时与谐振回路的品质因数相关地，在频率偏离谐振频率时传输较小的功率。
特别具有优点的是，在低负载阻抗时将反向变换器6调整到一个串联谐振，因为它具有随负载阻抗下降而提高的品质因数。相反，在高负载阻抗时调整到并联谐振是具有优点的，因为并联谐振时品质因数随负载阻抗增大而提高。合乎目的的是设置一个切换装置，它首先例如由反向变换器6的输出电压与输出电流的关系求出负载阻抗，并且相应地按并联谐振或串联谐振进行反向变换器的频率调整。
原则上由反向变换器6、导体结构7以及引出头8构成的系统可以有选择地用于功率传输并同时用于传输功率的控制和调整，或者只用于纯粹的功率传输。如果传输功率由此系统控制或调整，则例如一个对输出信号脉冲包的脉宽调制或一个偏离谐振频率的频移是必要的。原理上在频率偏移时反向变换器的效率降低。这时高频信号分量的辐射增加。作为替代，反向变换器可以总是工作在谐振频率下最佳效率的工作点上。现在为了控制输出功率，例如在初级侧需要另一个开关电源或一个具有在大限度内可调的输出范围的功率系数校正电路。如果反向变换器工作在谐振频率上，则其效率很高，使得为了测量传输电流不一定要测量高频输出电流，而可以记录反向变换器的直流电流而得出。
在本发明的另一个具有优点的设计中，至少一个反向变换器6被结构成用于识别不同的负载状态，从而可以知道配置给它的导体结构7的区段与至少一个引出头8不啮合。相应地这种识别将切断反向变换6的输出信号或将它控制到空载频率上。
此外，至少一个反向变换器6可以被结构成用于给出在至少一个第二频率上的信号。此外在转动部件1上形成至少一个用于选择这个第二频率的选频装置，使得它有利地耦出以第二频率传输的能量，并且将此能量送到至少一个另外的用电设备，如一台控制计算机或检测装置5。
在本发明的另一个具有优点的设计中，反向变换器6被如此构造，使其输出电流的占空比可由控制单元按需要改变。同时输出频率具有优点地不受影响。通过改变占空比来改变输出电流的频谱分布。百分之五十(50％)占空比对应于一个对称的输出信号，其基频fo的偶倍频分量—即2*fo，4*fo，6*fo等—在理想情况下为零。如果占空比导致不对称的输出电流，例如在49％和48％上微小变化或以较大尺度在40％或30％上变化，则偶倍频分量的幅值增加。通过在转动部件上偶倍频分量的选择性滤波可以有选择地耦出传输功率的某一特定分量，例如用于为控制计算机或检测装置等耗电较小的用电设备供电。具有优点的是还设置一个辅助电源，它在用于输出大功率而配置的反向变换器不工作时—例如因为伦琴射线管不需要供电—负责给耗电较小的用电设备供电。
本发明的另一个具有优点的设计中设置了至少一个反向变换器6，用于给出一个频率调制的输出电流。通过输出频率的调制，使输出信号的各个频谱线展宽，同时其谱线幅值减小。这样使系统的EMV特性得以改善。选择调制频率大于或等于100Hz，使得其大于常用的EMV标准的测量间距。此外，调制包络线，即频率变化应选择得很小，以使得在转动侧上不会出现可察觉到的电流摆动。
附图说明
下面参考附图借助于实施例示例性地说明本发明，本发明的总体思路不受此说明限制。
图1示例性地示出一个本发明所述装置的透视图。
图2是图1所示本发明装置的剖面示意图。
图3示出图2所示本发明装置上部区域的剖面。
图4示出作为示例的一个本发明装置的电气框图。
图5示出具有单个导体的结构。
图6示出具有两个电导体的结构。
图7示出具有三个电导体的结构。
图8示出其上安装有软磁材料片44的载体41。
图9示出具有三个平行引导的导体的结构。
图10示出具有分区段的导体的结构。
图1通过透视图举例示出一个根据本发明的装置。计算机层析X射线摄影机(CT-扫描仪)由两个机械主组成部件构成。一个固定部件2用作整个设备的基础和载体，转动部件1在其中旋转。病人躺在转动部件1的开放部分中的卧床上。支座3用于支撑转动部件1，它被固定部件2的空心型材15固定住。此支座在示例性设计中被构造成球支座。当然这里也可用其它各种形式的支座。对病人的扫描借助于伦琴射线进行，为此设置了一个伦琴射线管4和一个相对于它设置的检测器5。伦琴射线管4和检测器5可旋转地安装在转动部件1上。为了驱动转动部件，设置了一个电机20。一个设置在转动部件1上的滑环16和固定在固定部件2上的滑环引出头21一起用于传输辅助和控制信号。这样例如用于释放伦琴射线的安全信号也可通过机械的滑动接触而被传输，这在目前也是被安全标准所要求的。作为替代，用于伦琴射线管的激活信号也可无接触地被传输。为了满足安全标准，此信号必须以规则的时间间隔被重复。如果此信号没有以该时间间隔被转动部件接收到，则伦琴射线管将被关闭。在机械结构中仍然必要的两个滑动接触由于低电流负载几乎是无需维护的，并且相比至今用于能量传输的触点它们产生较小的磨损和较小的污染。同时用这种结构例如可以在无接触路径上将检测装置5的图像数据传输到固定部件2。为了传输能量，特别是为了传输伦琴射线管所需要的高能量，在固定部件2上设置了一个导体结构7，它由反向变换器(逆变器)6供电。此导体结构7的信号输出借助于旋转部分1上的耦合器8来完成。为了工能的安全性，设置了至少一个耦合器8。当然也可以有多个耦合器8。它们可以选择设计为并联连接或连接到用于对伦琴射线管4、检测装置5或其它电子部件供电的各个引出头。
图2示意性地示出图1所示本发明装置的剖面。其中图1中已示出的部分用同一附图标记表示。
图3示出图2所示本发明装置上部区域的一个剖面。在此图中可以明显看到前面所说明部件的大部分。此外还明显看出这些部件的功能关系。固定部件2在所示区域中被构造成空心型材15，以提高稳定性。转动部件1借助于支座3可旋转地安装在空心型材中。球支座3具有一个外部的、固定的(静止不动的)支座环3a，它借助于多个螺钉14固定在固定部件2上。相对于这个支座环，借助于球3b可转动地安装内部支座环3c。在内部支座环上在一侧(截面右侧)借助于多个固定螺栓13固定一个圆柱11，并且在另一侧固定一个圆盘12。圆盘12承载着设置安装在转动部件1上部件中的大部分，特别是伦琴射线管4和检测装置5。圆柱11承载着一个滑环16，它借助于螺钉17固定在圆柱11上。这里在滑环旁边例如将一个耦合器8设置在一个承载件18上，它借助于螺钉19固定在滑环16上。这里该耦合器8例如具有一个设计成U形的、由软磁材料如铁或铁氧体材料构成的磁芯。为了传输能量，耦合器8与导体结构7相啮合。这里所示的导体结构7例如具有两个平行的导体9a和9b。这些导体借助于支撑体23a和23b固定在固定件2上。为了导体结构7的精确定位和简单安装，还设置有一个载体板22，它最好由软磁材料构成。
图4示出一个示例性的本发明所述装置的电气框图。整个装置的供电最好通过具有常用电网频率—这里例如是50Hz—的三相电网实现。当然也可以是两相或直流馈电。输入电路30具有通常的滤波器以及一个整流电路，它最好具有功率系数校正(PFC)。在输出端31处的整流电流借助于反向变换器(逆变器)32—它典型地具有2、4或更多个半导体功率开关—变换为高频交流电流。这些半导体功率开关例如可以构造成已知的半桥或全桥电路。IGBT或MOSFET特别适合作为半导体开关。经济可用的优选频率范围在人耳听觉门限—即20KHz—以上，并且达到约1MHz的上限频率，直到用于高功率的现代半导体开关的频率。高频交流电流在输出端33处给出，并且借助于串联电感34和串联电容35馈送到导体结构7中。该结构的谐振频率由电感34和导体结构7的电感与电容35一起给出。如果导体结构7的电感足够大，也可以省去电感34。导体结构7的电感由导体自身的电感和耦合器8的被转换的电感以及导体结构7与耦合器8之间的耦合系数一起确定。由耦合器8引出的输出电流可以送到高压发生器38，它产生一个用于为伦琴射线管供电的高电压39。与高压发生器38并行地，也可以给其它用电设备40供电。与耦合器8的连接可以选择直接实现或者用一个串联电容构成的中间电路完成。这样得到了第二个次级侧谐振回路。逆变器的工作符合目的地在系统谐振频率上或在其附近完成。传输功率的控制可以例如通过控制逆变器的工作频率实现，在低功率需求情况下选择偏离谐振频率的一个频率。但是也可以通过输入电路来控制功率，输入电路按照功率需求调节其直流电压31。在此情况下，后接的逆变器能够以最佳的效率工作在回路的谐振频率上。
为了阻抗匹配，可能需要在装置的不同位置处连接变压器。这可能在反向变换器6与导体结构7之间以及在耦合器8与负载之间是特别必要的。如果反向变换器用来给耦合器8供电，则在反向变换器与耦合器之间或者在导体结构与负载之间设置有一个变压器。同样有意义的是：特别是在反向变换器后面或者在导体结构上使用一个对称变压器(具有高品质因数的软磁磁芯)或者一个具有低损耗的软磁磁芯的同相扼流圈(共模滤波器)。
此外在负载侧还可对对输出的电压或输出的电流进行调节，例如通过一个开关电源进行调节。高压发生器38以及辅助电源40肯定具有对输出电压的调节。
图5示出一个具有单个导体的结构。整个导体结构的载体41—它例如由用于屏蔽的金属或由绝缘材料构成—借助于一个支撑体23承载着一个电导体9。为了引出电流，一个耦合器沿着导体走向，该耦合器包含一个由软磁材料构成的磁芯42和用于耦出电流的线圈43。
图6示出具有两个导体的结构。这种导体结构包括一个载体41和位于其上的用于引导磁场的软磁材料44。平行的电导体9a和9b借助于支撑体23a和23b被支撑。这里耦合器具有一个设计成U形的、由软磁材料构成的磁芯42以及至少一个线圈43。
图7示出具有三个导体的相应结构。导体9a、9b、9c借助于支撑体23a、23b、23c固定在载体上。这里耦合器在磁芯42上具有三个线圈43a、43b、43c。
图8示出一个载体41，其上设置有软磁材料片44。通过这种安排可以实现载体用预加工好的薄片块的简单覆盖，这些薄片块可选择为矩形或圆形。符合目的的是不仅仅出于简单起见覆盖图中圆周的一部分，而是整个圆周都用薄片块覆盖。
图9示出本发明具有三个平行导体9a、9b、9c的设计方案。它们被设置在载体41上。开放端由反向变换器馈电。例如这里三个导体在一个端点上相互连接。反向变换器的馈电电流符合目的地相互分别相移120度。当然，除了这里所示的具有三个导体的结构外也可使用其它数量的导体。
图10示出本发明的一个方案，其中导体被分成导体段10a，10b，10c。图中示例性地示出三个导体段，同样也可以采用两个或更多的导体段。这些导体段中的每一个都可以各自由一个或由多个平行引导的导体构成。馈电用一个总的反向变换器实现，或者对每个导体段或对导体段组用一个单独的反向变换器实现。这里在传输中除了可频分复用外还可以实现地点复用。为此符合目的的是采用多个耦合器8。这样可以同时相互分开传输多个供电电流，例如用于伦琴射线管及用于检测装置或者其它用电装置的电流。
附图标记列表
1转动部件
2固定部件
3支座
4伦琴射线管
5检测装置
6反向变换器
7导体结构
8耦合器
9电导体
10导体段
11圆柱体
12圆盘
13固定螺栓
14固定支座的螺钉
15空心型材
16滑环
17固定滑环的螺钉
18耦合器的载体
19固定载体的螺钉
20电机
21滑环引出头
23支撑体
30输出电路
31直流输出端
32逆变器
33高频交流电流输出端
34固定部件的串联电感
35固定部件的串联电容
36耦合器8的电感
37转动部件的串联电容
38高压发生器
39高压输出端
40辅助电源
41导体结构的载体
42软磁材料磁芯
43耦合器的线圈
44软磁材料
Claims (13)
1.计算机层析X射线摄影机系统，包括一个用于容纳至少一个伦琴射线管(4)和一个检测装置(5)的转动部件(1)，以及一个固定部件(2)，所述固定部件包括一个用于可旋转地支撑转动部件(1)的支座(3)和至少一个用于产生第一个频率的交流电流的反向变换器(6)，其特征在于，所述固定部件(2)具有一个导体结构(7)，该导体结构由一个或多个反向变换器(6)的交流电流来馈电，并且所述转动部件(1)具有至少一个电感耦合器(8)，它仅仅在位置上相关地与导体结构(7)的整个长度上的一个部件相啮合，并从该导体结构耦出电能量。
2.如权利要求1的前序部分所述的装置，其特征在于，所述转动部件(1)具有一个导体结构(7)，并从该导体结构耦出电能量，以及所述固定部件(2)具有至少一个电感耦合器(8)，该耦合器由一个或多个反向变换器(6)的交流电流来馈电，并且仅仅在位置上相关地与导体结构(7)的整个长度上的一个部件相啮合。
3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，导体结构(7)包括1个、2个或3个平行的导体(9a，9b，9c)，它们如此流过电流，使得在导体结构的每个位置处流过所有导体的电流之和等于零。
4.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，导体结构(7)在周边方向上具有多个区段(10a，10b，10c)。
5.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置有多个耦合器(8a，8，8)，其中在每一个时刻至少一个耦合器与导体结构(7)相啮合。
6.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个耦合器(8)包括用来集中磁通量的软磁材料。
7.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，设置有多个用于分别为导体结构(7)中的一个导体和/或一个导体段馈电的多个反向变换器(6)。
8.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，用于分别为导体结构(7)中的一个导体或一个区段馈电的至少一个反向变换器(6)被设计在相应的谐振频率上或在其附近。
9.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，可选地将至少一些串联电容与导体结构(7)串联连接或与引出头(8)串联连接和/或可选地将至少一个并联电容与导体结构(7)并联连接或者与引出头(8)并联连接。
10.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个反向变换器(6)被构造为用于识别一个状态，在该状态下导体结构(7)或导体结构(7)的一个区段与至少一个耦合器(8)不形成啮合，并且在没有啮合时关断此反向变换器或控制到空程频率上。
11.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个反向变换器(6)被构造为输出在至少一个第二频率上的交流电流，用于给其它用电设备供电，以及至少一个耦合器(8)或一个耦合器(8)的电路被构造为有频率选择性的，用于选择此第二频率，以及此第二频率的被引出的信号主要被馈送到至少一个另外的用电设备。
12.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个反向变换器(6)被构造为以可变的占空比输出交流电流，此外在转动侧设置有一个滤波器单元，用于选择第一频率的偶倍频分量，并且用选出的频率分量给至少一个另外的用电设备供电。
13.如以上权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个反向变换器(6)被构造为以经过调制的输出频率输出交流电流，其中频率包络线被选择得如此之小，以使得输出电流的幅值不会出现可察觉到的摆动，同时调制频率大于或等于100Hz。
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