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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung
elektrischer Signale zwischen zwei relativ zueinander rotierbaren
Gantryteilen eines Computertomographiesystems, wobei an einem Gantryteil
mindestens ein ringförmig umlaufendes Sendeelement zum
Senden der elektrischen Signale angebracht ist, und an dem anderen
Gantryteil mindestens ein Empfangselement zum Empfangen der vom
Sendeelement ausgesendeten Signale angeordnet ist
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Es
ist allgemein bekannt, dass in der Computertomographie bei CT-Systemen
mit endlos rotierender Gantry die Notwendigkeit besteht, sowohl
elektrische Leistung als auch elektrische Signale zwischen dem stationären
Anteil einer Gantry und dem rotierenden Anteil einer Gantry zu übertragen.
In der Regel werden dabei hohe elektrische Leistungen mit Hilfe
von Schleifkontakten übertragen, während elektrische
Signale, wie sie bei der Datenübertragung von Detektordaten
oder von Zeitsignalen genutzt werden, mit Hilfe kontaktloser Datenübertragung übermittelt werden.
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Bezüglich
solcher Systeme zur kontaktlosen Übertragung elektrischer
Signale wird beispielsweise auf die europäische Patentanmeldung
EP 1 337 001 A1 oder
die US-Patentschrift
US
6,301,324 B1 verwiesen.
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Bei
der Übertragung von elektrischen Signalen mit hoher Frequenz
besteht häufig das Problem, dass durch die Übertragungswege
ein großer, teilweise zu großer, Anteil Störstrahlung
entsteht, so dass es zum Teil schwer fällt, die gesetzlichen
Anforderungen einzuhalten, insbesondere wenn die übertragene
Datenrate stark ansteigt.
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Häufig
wird zur kontaktlosen Datenübertragung ein umlaufender
Ring mit einer darauf angebrachten speziellen Leiterstruktur, die
zwei spiegelbildlich angeordnete Bahnen bildet, verwendet. Zur Datenübertragung
werden diese beiden differentiellen Leiterbahnen abwechselnd mit
unterschiedlich polarisierter Spannung, zum Beispiel +5 Volt und –5 Volt,
beaufschlagt, wobei das Anlegen der einen Polarität einer
binären Null, während das Anlegen der entgegen
gesetzten Polarität einer binären Eins entspricht.
Sollen nun größere Datenraten übertragen werden,
so werden zum Teil aufgrund der begrenzten Übertragungskapazität
eines solchen Leiterstrukturpaars mehrere spiegelbildliche Leiterstrukturpaare nebeneinander
verwendet. Hierbei hat sich gezeigt, dass unerwartet ein überproportional
starker Anstieg von EMV-Strahlung (= Störstrahlung) entsteht.
Es wird vermutet, dass die Positionierung der Leiterstrukturpaare
auf der umlaufenden Basisstruktur der Grund für den unerwarteten
Anstieg von EMV-Strahlung darstellt.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, die Ausgestaltung einer Vorrichtung
zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale zwischen
zwei relativ zueinander rotierbaren Gantryteilen eines Computertomographiesystems
anzugeben, welche auch bei der Verwendung einer Vielzahl von Leiterstrukturpaaren
zur Übertragung der Datensignale keine überhöhte
elektromagnetische Störstrahlung aussendet.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass beim Aufbau und der Platzierung der
Vorrichtungen zur kontaktlosen Datenübertragung unter Verwendung
von mehrfachen Leiterstrukturpaaren mit mehrfachen Datenübertragungswegen
zwei wesentliche Fehler aufgetreten sind, die zu einer stark überhöhten
Störstrahlung führten.
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Zum
Einen wurde teilweise beim Aufbau der ringförmigen Struktur
des Senders je Sender eine separate Grundplatte als elektrische
Bezugsmasse verwendet, wodurch bei der Montage des gesamten Systems
Unregelmäßigkeiten auftreten konnten, die aufgrund
der hierdurch herbeigeführten Asymmetrie zu Problemen führten.
Hier hat sich gezeigt, dass die ursprünglich beabsichtigten
Kosteneinspaarungen durch Anwendung modularer Bauweise – je
Leiterstrukturpaar ein Modul mit mehreren Modulen bei mehreren Leiterstrukturpaaren – unbeabsichtigt
ungünstige Auswirkungen zeigen.
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Zum
Anderen hat sich gezeigt, dass ein zu nahes Anbringen der Leiterstruktur
am Rand der Basisplatte ebenfalls zu Problemen im Bereich des symmetrischen
Aufbaus führen kann, insbesondere wenn randseitig zusätzlich
Bauteile angesetzt werden, die in irgendeiner Weise als Bezugsmasse
dienen konnten. Auch wurden letztendlich aus Kostengründen
möglichst viele Leiterstrukturbahnen immer enger nebeneinander
und nahe am Gantryrahmen angeordnet, was zu den oben beschriebenen
Nachteilen führte.
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Es
wird daher im Wesentlichen von den Erfindern gefordert, dass die
Ringstruktur, die als Sender für die Datenübertragung
dient und mehrere Leiterstrukturpaare zur Datenübertragung
aufweist, über die gesamte Breite, auf der die Leiterstrukturen angebracht
sind, einstückig ausgebildet ist, so dass hier keine Symmetrie-Störungen
auftreten können. Des Weiteren wird gefordert, dass die
Leiterstrukturen, die mit einem Dielektrikum als Zwischenlage auf der
Basisplatte aufgebracht sind, vom Rand der Basis einen Abstand von
mindestens 10 mm aufweisen. Gleichzeitig soll dieser Abstand mindestens
dem halben freien Abstand zwischen dem randseitigen Leiterstrukturpaar
und dem nächstgelegenen Leiterstrukturpaar betragen.
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Werden
diese oben genannten Bedingungen gemeinsam eingehalten, so können
wirksam starke Störstrahlungen vermieden werden.
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Entsprechend
diesem Grundgedanken schlagen die Erfinder einen Aufbau zur Vorrichtung zur
kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale zwischen
zwei relativ zueinander rotierbaren Gantryteilen eines Computertomographiesystems
vor, wobei:
- – an einem Gantryteil
mindestens ein ringförmig umlaufendes Sendeelement zum
Senden der elektrischen Signale angebracht ist,
- – und an dem anderen Gantryteil mindestens ein Empfangselement
zum Empfangen der vom Sendeelement ausgesendeten Signale angebracht ist,
wobei das Sendeelement besteht aus:
- – einem einzigen auf einer Fläche verlaufenden Leiter,
der eine elektrischen Bezugsmasse (= Nullpotential) darstellt,
- – mindestens einem unmittelbar an die Fläche
anschließenden Dielektrikum, und
- – mehreren auf dem mindestens einen Dielektrikum aufgebrachten
leitenden und spiegelbildlich zweiteilig ausgeführten Leiterstrukturpaaren,
welche zur Signalerzeugung wechselseitig und alternierend mit gleicher
Spannung von umgekehrter Polarität beaufschlagt werden,
- – wobei der freie Abstand randseitig angeordneter Leiterstrukturen
vom Rand der Fläche der Bezugsmasse eine Größe
aufweist, die sowohl mindestens 10 mm beträgt, als auch
mindestens dem halben freien Abstand zwischen den beiden spiegelbildlich
und randseitig angeordneten Leiterstrukturen zur nächstgelegenen
Leiterstruktur entspricht.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Vorrichtung kann zusätzlich
der freie Abstand der randseitig angeordneten Leiterstruktur vom
Rand der Fläche der Bezugsmasse eine Größe
aufweisen, die zwischen 10 mm und dem freien Abstand zwischen dem
spiegelbildlich und randseitig angeordneten Leiterstrukturpaar zum
nächstgelegenen Leiterstrukturpaar liegt.
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Eine
weitere Verbesserung der Ausgestaltung dieser erfindungsgemäßen
Vorrichtung kann dadurch geschehen, dass die Ebene, auf der die
Leiterstrukturpaare, das mindestens eine Dielektrikum und die Bezugsmasse
angeordnet sind, eine Zylinderoberfläche darstellt oder
alternativ als Kreisring ausgebildet ist.
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Durch
diese oben genannten Maßnahmen wird sichergestellt, dass
die Abstrahlung elektromagnetischer Störstrahlung auch
bei geringen Montagedifferenzen nicht auftritt, da diese Montagedifferenzen
unter diesen Umständen ausreichend weit entfernt vom Bereich
der sich ausbildeten elektrischen Felder der Leiterstrukturpaare
angeordnet sind.
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Im
Rahmen der Erfindung wird nicht nur die Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung
elektrischer Signale – wie oben beschrieben – beansprucht, sondern
es wird auch ein Computertomographiesystem mit einer Gantry zur
Aufnahme von um eine Systemachse rotierenden Bauteilen beansprucht,
wobei zwischen den rotierenden Bauteilen und stationär
angeordneten Funktionselementen elektrische Signale ausgetauscht
werden und erfindungsgemäß zum Signalaustausch
eine Vorrichtung wie oben beschrieben verwendet wird.
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Im
Folgenden wird die Erfindung mit Hilfe der Figuren näher
beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung
notwendigen Merkmale dargestellt sind. Hierbei werden die folgenden
Bezugszeichen und Kurzbezeichnungen verwendet: 1: CT-System; 2:
erste Röntgenröhre; 3: erster Detektor; 4:
zweite Röntgenröhre; 5: zweiter Detektor; 6: Gantrygehäuse; 7:
Patient; 8: Patientenliege; 9: Systemachse; 10:
Computer; 11: Stator; 12: Rotor; 13: Empfangsantenne; 14:
Empfänger; 15: Sender; 16: Sendeantenne; 16.1:
leitende Bezugsmasse; 16.2: Dielektrikum; 16.3.1.1, 16.3.1.2, 16.3.2.1, 16.3.2.2, 16.3.3.1, 16.3.3.2:
Leiterstrukturen; 17: Gantry-Bauteil; 18: Randbereich; 19:
elektrische Feldlinien; a: Abstand; b: Abstand; Prg1 bis
Prgn: Computerprogramme.
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Es
zeigen im Einzelnen:
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1 ein
erfindungsgemäßes CT-System,
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2 einen
schematischer Querschnitt durch eine Gantry,
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3 eine
Aufsicht auf einen Teilausschnitt einer zylinderförmig
ausgebildeten Fläche mit drei darauf befindlichen Leiterstrukturpaaren
zur Datenübertragung,
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4 einen
Querschnitt durch eine Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung
elektrischer Signale mit zu stark randseitig angeordneten Leiterstrukturpaaren,
und
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5 einen
Querschnitt gemäß 4, jedoch
mit erfindungsgemäß definiertem Abstand der Leiterstrukturpaare.
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Die 1 zeigt
ein erfindungsgemäßes Computertomographiesystem 1 mit
einem Gantrygehäuse 6, in dem sich eine rotierende
Gantry befindet, auf der ein erstes Röhren-/Detektor-System,
bestehend aus einer Röntgenröhre 2 und
einem Detektor 3, angeordnet ist. Alternativ kann ein oder
mehrere zusätzlich angeordnete Röhren-/Detektor-Systeme angebracht
werden, wie sie hier optional mit der Röntgenröhre 4 und
dem gegenüber liegenden Detektor 5 dargestellt
sind. Zur Untersuchung wird ein Patient 7 mit Hilfe einer
entlang der Systemachse 9 verschiebbaren Patientenliege 8 in
ein Messfeld eingefahren, so dass die Absorption der Röntgenstrahlung
aus unterschiedlichen Projektionswinkeln gemessen werden kann. Zur
Steuerung des Systems dient ein Computer 10, der als Steuer-
und Recheneinheit ausgelegt ist. Im Computer 10 befinden
sich Computerprogramme Prg1 bis Prgn, die die Steuerung und die Datenauswertung,
gegebenenfalls einschließlich der Rekonstruktion der gewünschten
tomographischen Bilddaten, durchführen.
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Insbesondere
bei der Übertragung der Detektordaten aus dem mindestens
einen Detektor auf dem rotierenden Anteil der Gantry ist es notwendig die
große Masse der anfallenden Daten über einen kontaktlosen
Weg zu übertragen. Hierzu wird auf der Gantry eine erfindungsgemäße
Vorrichtung zur kontaktlosen Übertragung elektrischer Signale
angebracht, so dass diese zwischen den beiden relativ zueinander
rotierbaren Gantryteilen übertragen werden können.
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Eine
detaillierte Ansicht ist in der 2 dargestellt.
Diese zeigt einen Querschnitt senkrecht zur Systemachse 9 des
CT-Systems durch das Gantrygehäuse 6. Darin ist
der Stator 11 der Gantry und der darin rotierende Rotor 12 der
Gantry schematisch dargestellt. Auf dem Rotor 12 befindet
sich eine Röntgenröhre 2 mit einem gegenüber
liegenden Detektor 3. Die Daten des Detektors 3 werden über
einen Sender 15 an eine oder mehrere ringförmig
auf dem Rotor 12 angeordneten Sendeantennen übertragen.
Die ausgesendeten Signale dieser Sendeantenne können durch
die Empfangsantenne 13, die am stationären Teil 11 der
Gantry angebracht ist, empfangen werden und über den Empfänger 14 ausgewertet
und zu dem hier nicht dargestellten Computersystem 10 weitergeleitet
werden.
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Als
Sendeantennen dienen in der erfindungsgemäßen
Ausgestaltung dieses CT-Systems Leiterstrukturen, wie sie in der 3 näher
dargestellt sind. Die 3 zeigt einen Ausschnitt aus
der erfindungsgemäßen, hier zylindrisch ausgebildeten, Sendeantenne 16,
neben einem geerdeten Bauteil 17 der rotierenden Gantry.
Die Sendeantenne 16 besteht aus einer in dieser Draufsicht
nicht erkennbaren Platte, als elektrische Bezugsmasse, die zumindest auf
einer Seite durch ein anschließendes Dielektrikum als Nichtleiter
bedeckt ist, auf der sich wiederum spiegelbildlich ausgebildete
Leiterstrukturen befinden. Diese spiegelbildlich ausgebildeten Leiterstrukturen
treten jeweils paarweise mit dem Bezugszeichen 16.3.1.1 und 16.3.1.2, 16.3.2.1 und 16.3.2.2, 16.3.3.1 und 16.3.3.2 auf und
bilden im Sinne der Erfindung jeweils ein Leiterstrukturpaar, das
als Sender wirkt.
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Die
beiden links angeordneten spiegelbildlichen Strukturen übertragen
zum Beispiel Datensignale mit 2 × 2,5 Gbps, während
das rechts angeordnete spiegelbildliche Leiterstrukturpaar zur Übertragung
eines Echtzeitsignals mit 1,5 Gbps dient.
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Ein
Querschnitt hierzu ist in der 4 dargestellt.
Hier ist links das geerdete Bauteil 17 der Gantry zu erkennen
und rechts daneben ein Querschnitt durch die zylindrisch ausgebildete
Fläche, bestehend aus leitender Bezugsmasse 16.1,
dem darüber liegenden Dielektrikum 16.2 und darauf
angeordneten Leiterstrukturen 16.3.1.1 bis 16.3.2.2.
Aus Platzgründen ist hier die Leiterstruktur für
das Echtzeitsignal nicht dargestellt.
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Zum
besseren Verständnis sind in dieser 4, ausgehend
von den Leiterstrukturen, elektrische Feldlinien 19 angezeigt,
die im Großen und Ganzen über die Leiterstrukturen
symmetrisch ausgebildet sind. Lediglich im Randbereich 18 zeigt
sich, dass die Feldstruktur der elektrischen Feldlinien aufgrund
der Nähe des Bauteiles 17 gestört ist.
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Durch
diese Störung der Symmetrie des elektrischen Feldes im
Bereich 18 werden überproportional hohe elektromagnetische
Störstrahlungen ausgestrahlt. Die Begründung liegt
darin, dass unter normalen Umständen, also wenn zwischen
den spiegelbildlichen Leiterstrukturhälften jeweils unterschiedliche
Spannungen im Wechsel angelegt werden, zwar im Nahbereich ein messbares
elektromagnetisches Feld vorliegt, jedoch aufgrund der umgekehrt
symmetrisch angeordneten Polarität aus weiter Entfernung
bei symmetrischer Ausbildung des elektromagnetischen Feldes keine
Strahlung gemessen werden kann. Wird diese Symmetrie aufgrund irgendwelcher
Maßnahmen, dies kann beispielsweise ein zu nahe kommendes
externes Bauteil 17 sein oder es kann auch eine Störung
aufgrund einer nicht einheitlich angelegten elektrischen Bezugsmasse unter
den Leiter strukturen sein, gestört, so wird auch in entfernte
Bereiche Störstrahlung abgegeben.
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Entsprechend
der Erfindung wird also dafür gesorgt, dass wie in der 5 dargestellt,
einerseits die elektrische Bezugsmasse 16.1 einheitlich
und durchgehend unter den Leiterbahnen ausgebildet ist und andererseits
der Abstand a zwischen der randseitig angeordneten Leiterbahn 16.3.1.1 im
Randbereich 18 mindestens 10 mm beträgt, jedoch
gleichzeitig auch größer als der halbe Abstand
b zwischen dem randseitig angeordneten Leiterstrukturpaar 16.3.1.1 und 16.3.1.2 und
dem dazu benachbarten Leiterstrukturpaar 16.3.2.1 und 16.3.2.2 ist.
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Es
hat sich gezeigt, dass mit Hilfe dieser Bauweise zuverlässig
das Auftreten elektromagnetischer Strahlung aufgrund möglicher
Asymmetrien im elektromagnetischen Feld um die Leiterstrukturen vermieden
werden kann, so dass die gesetzlichen Erfordernisse bezüglich
der elektromagnetischen Verträglichkeit auch bei der Verwendung
mehrer Datenübertragungselemente mit einer Vielzahl von
Leiterstrukturen vermieden werden kann.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der Erfindung zu verlassen. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung eine
mechanische Umkehr der Funktionen der einzelnen mechanischen Elemente
zu bewirken.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1337001
A1 [0003]
- - US 6301324 B1 [0003]