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Die
Erfindung betrifft einen Rotor für
eine Gantry eines Computertomographiegerätes und Computertomographiegerät mit einem
solchen Rotor.
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Computertomographiegeräte ermöglichen die
Rekonstruktion von dreidimensionalen Schicht- oder Volumenbildern
eines Untersuchungsbereiches für
diagnostische Zwecke. Die Rekonstruktion eines Bildes erfolgt dabei
auf der Grundlage von Projektionen, die von dem Untersuchungsbereich
aus unterschiedlichen Projektionsrichtungen durch Rotation einer
Aufnahmevorrichtung gewonnen werden, so dass zur Rekonstruktion
eines Bildes Messdaten für Parallelprojektionen
aus einem Winkelbereich von mindestens 180 Grad plus Fächerwinkel
vorliegen. Zur Realisierung der Rotation der Aufnahmevorrichtung
weist das Computertomographiegerät
eine Gantry auf, welche einen stationären Drehrahmen und einen über eine
Drehlagerungsvorrichtung rotierbar angeordneten Rotor umfasst, auf
welchem die Aufnahmevorrichtung gehaltert ist. Der Rotor wird bislang
als Gussteil aus einer Aluminiumlegierung AlZn10SiMg hergestellt
und weist eine Rotorwand in Form einer Ringscheibe und einen an
dessen Außenumfang
umlaufenden Halterungsring zur Halterung der Komponenten der Aufnahmevorrichtung
auf. Die Wandstärken
des Rotors variieren zwischen 15 und 20 mm.
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Zur
Vermeidung von Bewegungsartefakten in dem rekonstruierten Bild,
die aufgrund von Patienten- oder Organbewegungen entstehen können, ist man
bestrebt, das Zeitfenster zur Erfassung der zur Rekonstruktion benötigten Projektionen
durch Wahl von hohen Rotationsgeschwindigkeiten so klein wie möglich zu
wählen.
Bei den aktuellen Computertomographiegeräten werden Drehzahlen von 210 U/min
erreicht. In Zukunft sollen die Drehzahlen jedoch auf mindestens
300 U/min angehoben werden.
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Durch
Kombination von hoher Drehzahl, großem Rotationsradius und hoher
Rotationsmasse stellt der Rotor ein mechanisch hochbelastetes Bauteil
dar, das neben der Aufnahme der auftretenden Spannungen auch die
Einhaltung der Positionen von Röntgenröhren und
Detektor garantieren muss, da Positionsverschiebungen der Komponenten
von über 0,15
mm bereits zu einer signifikanten Beeinträchtigung der Bildqualität führen können.
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Wesentliche
Hauptanforderungen an den Rotor einer Gantry sind demnach nicht
nur eine hohe Festigkeit zur Übertragung
der Kräfte,
sondern auch eine hohe Steifigkeit, um Verformungen des Rotors und
somit die Positionsverschiebungen der Komponenten der Aufnahmevorrichtung
unterhalb der zulässigen
Grenzen zu halten bei gleichzeitig geringem Gewicht.
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Zur
Realisierung von Drehzahlen von 300 U/min und mehr wäre ein zusätzliches
Aufdicken der bestehenden Konstruktion unter Beibehaltung des Werkstoffes
notwendig. Die Folge wäre
eine Gewichtszunahme des Rotors. Dadurch müssten auch Bauteile zum Antrieb
des Rotors und der stationäre Teil
der Gantry den größeren Gewichtskräften angepasst
werden. Dieser Ansatz hat den Nachteil, dass es zu einer empfindlichen
Gewichts- und Volumenzunahme der gesamten Gantry kommt.
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Aus
der
DE 10 2005
044 655 A1 ist zwar ein Rotor für ein Computertomographiegerät bekannt, bei
dem die Rotorwand zur Erhöhung
der Steifigkeit abschnittsweise zusätzlich mit Rippen und/oder
Stegen ausgestattet wird. Auch diese Maßnahme ist jedoch mit einem
zusätzlichen
Materialeinsatz verbunden und führt
somit zu einer Zunahme des Gesamtgewichts des Rotors.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Rotor einer Gantry
eines Computertomographiegerätes
mit einer hohen Steifigkeit und einer hohen Festigkeit bei gleichzeitig
geringem Gewicht des Rotors derart auszugestalten, dass hohe Rotordrehzahlen
ohne Beeinträchtigung
der Bildqualität
erzeugter Bilder realisierbar sind. Aufgabe der Erfindung ist es
außerdem,
eine Gantry und ein Computertomographiegerät mit einem solchen Rotor bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Rotor gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Rotors sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis
16. Die Aufgabe wird weiterhin durch ein Computertomographiegerät gemäß den Merkmalen
des unabhängigen
Anspruchs 17 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Rotor
für eine
Gantry eines Computertomographiegerätes ist zumindest abschnittsweise
in Differentialbauweise aus balkenförmigen Grundelementen hergestellt.
Die Differentialbauweise des Rotors zeichnet sich gegenüber einer
Integralbauweise insbesondere durch einen geringen Materialeinsatz
und somit durch ein geringes Gesamtgewicht des Rotors aus. Aufgrund
der erzielten Reduktion des Gewichts und der mit dem Gewicht verbundenen
Rotationsmasse, die bei Drehung des Rotors beschleunigt werden muss,
sind höhere Drehzahlen
des Rotors bei vergleichsweise geringer Dimensionierung des Antriebs
realisierbar. Selbst komplexe Rotorstrukturen können mit der Differentialbauweise
durch Zusammenfügen
einfach gestalteter Grundelemente aufgebaut werden, so dass die Herstellkosten
in einem erheblichen Maße
herabgesetzt sind. Punktverbindungen können auch in einfacher Form
wieder gelöst
werden, so dass nicht nur der Aufbau, sondern auch der Abbau und
das Recyceln des Rotors durch die vorhandene Segmentierung des Rotors
einfach durchführbar
sind. Durch die Gewichtsreduktion kann der Rotor auch auf einfacherer
Form transportiert werden, was die Transportkosten deutlich herabsetzt.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Grundelemente
zumindest abschnittsweise in Richtung von bei Rotation des Rotors
entstehenden Kräftepfaden
ausgerichtet und können
daher die im Rotor entstehenden Kräfte und die mit den Kräften verbundenen
Spannungen in verbesserter Form aufnehmen und weiterleiten.
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Die
Grundelemente sind vorzugsweise über einfach
zu realisierende Punktverbindungen miteinander mechanisch gekoppelt.
Als Punktverbindungen werden vorteilhaft Nietverbindungen eingesetzt, die
sich mit geringem Aufwand maschinell herstellen lassen und mit denen
besonders feste Verbindungen erzeugbar sind. Vorzugsweise sind die
Grundelemente an Punktverbindungen zusätzlich miteinander verklebt.
Ein Verkleben erhöht
zusätzlich
die Stabilität
der Verbindung. Darüber
hinaus kann der zum Verkleben eingesetzte Klebstoff zusätzlich schwingungsdämpfende
Eigenschaften aufweisen, so dass Vibrationen des Rotors wirkungsvoll
reduziert werden.
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Zur
weiteren effizienten Materialeinsparung weisen die Grundelemente
ein Hohlprofil auf. Zumindest in einigen der Grundelemente ist in
einer vorteilhaften Ausgestaltung zumindest teilweise ein Füllstoff
eingelagert. Dadurch sind zusätzlich
schwingungsdämpfende
Eigenschaften realisierbar. Eine besonders wirkungsvolle Dämpfung kann
dabei erreicht werden, wenn der Füllstoff aus Aluminiumschaum
hergestellt ist.
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Die
Grundelemente weisen vorzugsweise ein I-Profil mit einer Steghöhe, einer
Stegdicke und einer Flanschfläche
auf, welche in Abhängigkeit
von bei Rotation des Rotors entstehenden lokalen Kräften dimensioniert
sind. Der Rotor verfügt
aufgrund des I-Profils der Grundelemente über eine hohe Steifigkeit und
Festigkeit, so dass es auch bei hohen Drehzahlen des Rotors zu keiner
die Bildqualität
beeinträchtigenden
Verformung des Rotors und damit Verschiebung der Scanebene kommt.
Aufgrund der flächigen
Ausdehnung der Flanschfläche
ist es möglich,
an dieser Fläche
Komponenten der Aufnahmevorrichtung besonders einfach zu befestigen.
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Auch
mit einem Kastenprofil der Grundelemente lässt sich ein Rotor mit hoher
Steifigkeit und Festigkeit realisieren.
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Die
Grundelemente bilden in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
eine Fachwerkstruktur mit einer Rotorwand und einen an dessen Außen- oder
Innenumfang vorgesehenen umlaufenden Halterungsring zur Halterung
von Komponenten einer Aufnahmevorrichtung. In zumindest einem Bereich der
Rotorwand und/oder in einem Bereich des Halterungsrings ist eine über die
Grundelemente fixierte Befestigungsplatte vorgesehen. An der Befestigungsplatte
sind Komponenten der Aufnahmevorrichtung und/oder der Drehlagerungsvorrichtung
auf einfache Weise anordbar. Durch zusätzliche Integration von den
Befestigungsplatten werden Lücken
in der Fachwerkstruktur geschlossen, so dass die Stabilität des Rotors
zusätzlich
erhöht
wird. Befestigungsplatten können
beispielsweise aus einem Blech hergestellt werden.
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Die
notwendige Steifigkeit und Festigkeit des Rotors kann insbesondere
dann erzielt werden, wenn die Grundelemente aus einer Stahllegierung,
einer Aluminiumknetlegierung oder aus einem Verbundwerkstoff mit
Metall- oder Polymermatrix hergestellt sind. Es wäre selbstverständlich auch
denkbar, dass zum Aufbau des Rotors Grundelemente eingesetzt werden,
die aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Unteransprüchen sind
in den folgenden schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 in
perspektivischer Ansicht einen erfindungsgemäßen Rotor in Differentialbauweise
mit einer Rotorwand und einem an dessen Außenumfang vorgesehenen umlaufenden
Halterungsring zur Halterung von Komponenten einer Aufnahmevorrichtung
und
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2 in
perspektivischer Ansicht einen erfindungsgemäßen Rotor in Differentialbauweise
in einem zweiten Ausführungsbeispiel
mit einem im Unterschied zu 1 an dem
Innenumfang der Rotorwand vorgesehenen umlaufenden Halterungsring.
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In 1 ist
ein erfindungsgemäßer Rotor 1 für eine Gantry
eines Computertomographiegeräts perspektivisch
dargestellt, welcher aus balkenartigen Grundelementen 2 in
Differentialbauweise hergestellt ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur einige der
Grundelemente mit einem Bezugszeichen versehen. Durch die fachwerkstrukturartige
Anordnung der Grundelemente 2 kann eine erhebliche Reduktion des
Gewichts bzw. der Rotationsmasse im Vergleich zu einer Integralbauweise
des Rotors 1 bewirkt werden. Auf diese Weise sind bei Erhaltung
der Steifigkeit und der Festigkeit des Rotors 1 bei vergleichsweise
geringer Dimensionierung eines Antriebs des Rotors 1 hohe
Rotordrehzahlen realisierbar.
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Durch
die fachwerkstrukturartige Anordnung der Grundelemente 2 werden
in diesem Ausführungsbeispiel
eine Rotorwand 5 in Ringscheibenform und ein an dessen
Außenumfang
vorgesehener umlaufender Halterungsring 4 zur Halterung
von Komponenten einer Aufnahmevorrichtung des Computertomographiegeräts gebildet.
Die Grundelemente 2 zwischen der Außen- und Innenkontur der Rotorwand 5 verlaufen
in radialer Richtung und sind somit in Richtung von bei Rotation
des Rotors 1 entstehenden Kräftepfaden ausgerichtet. Somit
können
die im Rotor 1 bei Rotation entstehenden Kräfte wirkungsvoll über eine
an der Innenkontur der Rotorwand 5 vorgesehene Drehlagerungsvorrichtung
auf den in diesem Ausführungsbeispiel
nicht dargestellten stationären
Teil der Gantry geleitet werden, ohne dass destabilisierende Spannungen
im Rotor 1 erzeugt werden.
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Wie
aus der 1 ersichtlich, sind zwischen dem
Halterungsring 4 und der Rotorwand 5 zusätzliche
durch Grundelemente 2 gebildete Verstrebungen vorhanden,
wodurch zusätzlich
die Steifigkeit des Rotors 1 erhöht wird.
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Zum
Aufbau des in diesem Ausführungsbeispiel
gezeigten Rotors 1 sind insgesamt lediglich fünf unterschiedlich
dimensionierte Grundelemente 2 notwendig. Die Grundelemente 2 unterscheiden
sich dabei nur hinsichtlich ihrer Längsausdehnung. So werden nur
zwei unterschiedlich dimensionierte Grundelemente 2 zum
Aufbau des Halterungsrings 3 und der Außenkontur der Rotorwand 5 benötigt. Zwei
weitere Grundelemente 2 mit einer unterschiedlichen Dimensionierung
ergeben sich aus der gebildeten Innenkontur der Rotorwand 5 und
den zwischen der Innen- und
der Außenkontur
verlaufenden radialen Verstrebungen. Darüber hinaus ist zur Herstellung
der Verstrebung zwischen Halterungsring 4 und der Rotorwand 5 ein
weiteres dazu unterschiedlich dimensioniertes Grundelement 2 notwendig.
Somit sind sehr komplexe Rotorstrukturen nur mit wenigen unterschiedlich
dimensionierten bzw. geformten Grundelementen 2 zu realisieren.
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Die
Grundelemente 2 sind über
Punktverbindungen 3 mechanisch miteinander gekoppelt, wobei lediglich
nur eine der Verbindungen mit einem Bezugszeichen versehen ist.
Punktverbindungen 3 besitzen insbesondere den Vorteil,
dass einerseits sehr feste Verbindungen herstellbar sind und dass
andererseits die Verbindungen für
Reparatur, Demontage oder Recyclingzwecke auf einfache Weise auch
wieder lösbar
sind. Als Fügetechnologie
für die
Differentialbauteile bietet sich insbesondere das Nieten an. Nietverbindungen
sind maschinell leicht herstellbar. Durch die eingebrachten Nieten
findet zudem eine wirkungsvolle Kraftübertragung zwischen den Bauteilen
statt.
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Zusätzlich zum
Nieten sind die Bauteile vorteilhaft miteinander verklebt. Das Verkleben
hat dabei nicht nur eine stabilisierende, sondern auch eine schwingungsdämpfende
Funktion. Durch Wahl des entsprechenden Klebstoffs, welcher eine
gewisse Elastizität
aufweist, kann bewirkt werden, dass mechanische Schwingungen zwischen
den Grundelementen 2 aufgrund einer akustischen Impedanz
des verwendeten Klebstoffs gedämpft
werden.
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Bei
einer Verbindung von Grundelementen 2 in Längsrichtung
ist eine einfache Verbindung durch Ineinanderschieben der Grundelemente 2 möglich. Bedingung
hierfür
ist, dass an der Verbindungsstelle die Innenabmaße des Profils des ersten Grundelements 2 den
Außenabmaßen des
Profils des zweiten Grundelements 2 entsprechen.
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Bei
Verbindungsstellen, bei denen mehrere Grundelemente 2 zusammenlaufen,
muss dagegen ein sogenannter Knotenpunkt 6 vorgesehen werden. Dieser
kann als Gussstück
aus beispielsweise Gusseisen oder Stahlguss ausgeführt sein.
Form und Größe eines
Knotenpunkts 6 hängen
vom gewählten Werkstoff
und der Anzahl der Profile ab, die miteinander verbunden werden
sollen.
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Eine
sehr effiziente Materialeinsparung ist dann möglich, wenn die Grundelemente 2 ein
Hohlprofil aufweisen. Zur weiteren Dämpfung von Vibrationen wäre es denkbar,
dass zumindest ein Teil des Hohlprofils oder ein Teil der Grundelemente 2 einen Füllstoff
mit schwingungsdämpfenden
Eigenschaften aufweist. Eine besonders wirkungsvolle Dämpfung kann
beispielsweise erreicht werden, wenn als Füllstoff Aluminiumschaum verwendet
wird.
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Die
Grundelemente 2 können
ganz unterschiedliche Profile aufweisen. Besonders hervorzuheben
ist hierbei das I-Profil, welches eine Steghöhe, eine Stegdicke und eine
Flanschfläche
aufweist. Mit einem solchen Profil kann ein Rotor realisiert werden, der
eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweist. Dabei bietet es sich
an, dass in Abhängigkeit
von bei Rotation des Rotors 1 entstehenden lokalen Kräften Steghöhe, Stegdicke
und Flanschfläche
unterschiedlich dimensioniert werden. Auf diese Weise ist es möglich, Grundelemente 2 an
die lokal vorliegenden Erfordernisse hinsichtlich der mechanischen
Belastung zu adaptieren. Es können
selbstverständlich auch
andere Profile, wie beispielsweise Kastenprofile der Grundelemente 2,
gewählt
werden, mit denen eine ebenso hohe Steifigkeit und Festigkeit erzielbar ist.
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Prinzipiell
gilt, dass je mehr Grundelemente 2 bzw. Verstrebungen innerhalb
der Fachwerkstruktur vorgesehen werden, umso steifer wird die Konstruktion
und umso mehr Verbindungsstellen werden benötigt. Gleichzeitig sinkt die
Belastung auf die Schnittstelle. Eine Querschnittsschwächung wird durch
die Nietlöcher
kompensiert. Dabei gilt es, durch Auswahl eines ausgewogenen Verhältnisses
zwischen Steifigkeit und Gesamtgewicht des Rotors eine optimale
Anzahl von zur Herstellung des Rotors eingesetzten Grundelementen 2 zu
finden. Sowohl Anordnung der Grundelemente 2 als auch Dichte
der Fachwerkstruktur können
entweder experimentell oder mithilfe von numerischen Modellen durch
eine Simulation bestimmt werden.
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Komponenten
der Aufnahmevorrichtung des Computertomographiegeräts können unmittelbar
an den Grundelementen 2 befestigt, z. B. verschraubt, werden.
Hierzu ist es in der Regel notwendig, an den Stellen der herzustellenden
Verbindung die Grundelemente 2 durch eine Materialzugabe
zu verstärken. Durch
eine Materialzugabe kann insbesondere eine spanende Bearbeitung
z. B. durch Einbringen von Gewinden, möglich sein. Darüber hinaus
wäre es denkbar,
zwischen den Grundelementen 2 Befestigungsplatten anzubringen,
auf denen anschließend die
Komponenten der Aufnahmevorrichtung, insbesondere der Röntgenstrahler
und der Röntgendetektor,
gehaltert werden. Um ein Herausschleudern der Komponenten aus dem
Rotorbereich im Versagensfall der hergestellten Verbindung zu verhindern,
kann der Halterungsring zusätzlich
durch zusätzliche
Befestigungsplatten geschlossen werden, die darüber hinaus auch die Steifigkeit
der Gesamtstruktur erhöhen.
Derartige Befestigungsplatten können
beispielsweise Bleche sein, die mit den Grundelementen 2 vernietet
sind.
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Zur
Herstellung der Grundelemente 2 können Aluminiumknet- oder Stahllegierungen
verwendet werden, die eine hohe Festigkeit und Steifigkeit als Konstruktionswerkstoff
aufweisen. Es wäre
aber ebenso denkbar, die Grundelemente 2 aus Verbundwerkstoffen
herzustellen. Dabei eignen sich Verbundwerkstoffe sowohl mit Metall-
als auch mit Polymermatrix. Als Verstärkungsmaterial kommen Fasern oder
Partikel in Frage oder auch ein Gemisch aus beidem. Der Rotor 1 kann
aus Grundelementen 2 aufgebaut werden, die aus unterschiedlichen
Werkstoffen hergestellt sind.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßer Rotor 1 in
Differentialbauweise in einem zweiten Ausführungsbeispiel in perspektivischer
Ansicht dargestellt. Im Unterschied zur 1 ist der
Halterungsring 4 nicht an dem Außenumfang der Rotorwand 5,
sondern an dem Innenumfang der Rotorwand 5 umlaufend angeordnet.
Mit dieser Grundform der Rotorstruktur kann eine höhere Bauteilsteifigkeit
erzielt werden. Grund hierfür
sind die kürzeren
Kraftflussverläufe
innerhalb des Rotors 1. Über den am Innenring angeordneten
Halterungsring 4 wird ein Teil der Fliehkräfte lagerungsnah
in die Drehlagerungsvorrichtung eingeleitet. Idealerweise sind die
Komponenten der Aufnahmevorrichtung in Bezug zu der ebenfalls auf
dem Halterungsring 4 angeordneten Drehlagerungsvorrichtung
zentriert angeordnet. Die Rotorwand 5 steht zusätzlich für Verschraubungen der
Komponenten zur Verfügung.
Dadurch kann die Struktur auch eine aussteifende Funktion für die Komponenten übernehmen.
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Die
Grundelemente 2 auf dem Halterungsring 4 können so
angeordnet werden, dass für
zumindest eine der Komponenten der Aufnahmevorrichtung eine Aussparung 7 gebildet
wird, welche so dimensioniert ist, dass die Komponente in von einem Drehzentrum 8 des
Rotors 1 wegführender
Radialrichtung einsetzbar und über
ein an der Komponente vorgesehenes Anschlagmittel mit dem Rotor
formschlüssig
verbindbar ist. Auf diese Weise kann bei Versagen einer Schraubverbindung
zur Halterung der Komponente verhindert werden, dass die Komponente
außerhalb
des Rotorbereichs herausgeschleudert wird.
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Zusammenfassend
kann Folgendes gesagt werden:
Die Erfindung betrifft ein Computertomographiegerät und einen
Rotor 1 für
ein Computertomographiegerät,
wobei der Rotor 1 sich dadurch auszeichnet, dass er zumindest
abschnittsweise in Differentialbauweise aus balkenartigen Grundelementen 2 hergestellt
ist. Durch die Differentialbauweise des Rotors 1 wird die
Rotationsmasse bei gleichzeitig erhaltender Steifigkeit und Festigkeit
des Rotors 1 in einem erheblichen Maße reduziert, so dass bei vergleichweise
geringer Dimensionierung des Rotorantriebs hohe Drehzahlen realisierbar
sind.
