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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Lagerung und zum Antrieb eines um eine Kippachse kippbaren Teils einer die Kippachse aufweisenden Gantry eines Computertomographiegerätes relativ zu einem Standfuß der Gantry des Computertomographiegerätes. Die Erfindung betrifft außerdem ein Computertomographiegerät, das eine solche Vorrichtung umfasst.
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Computertomographiegeräte der dritten Generation weisen eine Gantry mit einem stationären Teil und einem relativ zu dem stationären Teil um eine Systemachse der Gantry rotierbaren Teil auf. Der rotierbare Teil hat die Form einer Trommel, an der Komponenten des Computertomographiegerätes wie die Röntgenstrahlenquelle, der Röntgenstrahlendetektor, ein Steuerungssystem etc. angeordnet sind, welche sich im Betrieb des Computertomographiegerätes um einen längs der Systemachse in einem Messfeld angeordneten Patienten drehen. Eine komplett bestückte Trommel erreicht bei einem System mit nur einer Röntgenstrahlenquelle und einem Röntgenstrahlendetektor eine Masse von ca. 800 kg bis 900 kg und rotiert im Betrieb mit einer Umdrehungsgeschwindigkeit von bis zu 240 U/min.
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Für bestimmte Untersuchungen ist es erforderlich, das Röntgensystem um eine rechtwinklig zu der Systemachse angeordnete, im Wesentlichen horizontal verlaufende Kippachse zu kippen bzw. zu schwenken. Der Kippwinkel beträgt maximal ca. +/– 30° aus der Ausgangslage heraus. Der rotierbare Teil und der stationäre Teil der Gantry werden dabei in der Regel relativ zu einem Standfuß der Gantry gekippt. Die Kippung muss präzise bis auf Winkelminuten genau erfolgen können. Gegenwärtig werden Wälzlager oder Gleitlagerbuchsen zur Lagerung des stationären und rotierbaren Teils relativ zu dem Standfuß der Gantry verwendet, welche einem gewissen Verschleiß unterliegen und regelmäßig gewartet, z. B. nachgeschmiert werden müssen. Der Antrieb umfasst beispielsweise einen mit einem Schneckengetriebe zusammenwirkenden Motor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Computertomographiegerät der eingangs genannten Art derart anzugeben, dass die Lagerung und der Antrieb eines um eine Kippachse kippbaren Teils einer Gantry eines Computertomographiegerätes relativ zu einem Standfuß der Gantry des Computertomographiegerätes verbessert ist.
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Nach der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zur Lagerung und zum Antrieb eines um eine Kippachse kippbaren Teils einer die Kippachse umfassenden Gantry eines Computertomographiegerätes relativ zu einem Standfuß der Gantry des Computertomographiegerätes aufweisend Mittel zur magnetischen Lagerung des kippbaren Teils der Gantry relativ zu dem Standfuß der Gantry und Mittel zum elektromagnetischen Antrieb des kippbaren Teils der Gantry relativ zu dem Standfuß der Gantry.
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Durch die magnetische Lagerung des kippbaren Teils der Gantry relativ zu dem Standfuß der Gantry treten keine mechanischen Berührungen mehr zwischen Lagerteilen auf. Die magnetische Lagerung ist reibungs- und verschleißfrei, so dass ein Nachschmieren oder ein Nachfetten wie bei Wälzlagern nicht nötig ist.
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Vorzugsweise sind die Mittel zum elektromagnetischen Antrieb des kippbaren Teils der Gantry relativ zu dem Standfuß der Gantry und die Mittel zur magnetischen Lagerung des kippbaren Teils der Gantry relativ zu dem Standfuß der Gantry in einer Einheit, insbesondere einer Baueinheit, kombiniert.
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Nach einer Variante der Erfindung bilden die Mittel zur magnetischen Lagerung des kippbaren Teils der Gantry relativ zu dem Standfuß der Gantry wenigstens ein Radiallager und wenigstens ein Axiallager in Bezug auf die Kippachse aus.
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Nach einer weiteren Variante der Erfindung umfassen die Mittel zur magnetischen Lagerung des kippbaren Teils der Gantry relativ zu dem Standfuß der Gantry wenigstens einen Permanentmagneten, wenigstens einen eine Spule aufweisenden Elektromagneten und/oder wenigstens ein Element aus einem ferromagnetischen Material und die Mittel zum elektromagnetischen Antrieb des kippbaren Teils der Gantry relativ zu dem Standfuß der Gantry wenigstens einen eine Spule aufweisenden Elektromagneten. Das Radial- und das Axiallager können prinzipiell als rein passive Magnetlager unter entsprechender Anordnung von Permanentmagneten und Elementen aus einem ferromagnetischen Material auf dem kippbaren Teil und dem Standfuß der Gantry relativ zueinander realisiert werden, wobei entweder die zwischen Permanentmagneten auftretenden abstoßenden oder anziehenden Kräfte oder die Anziehungskräfte zwischen Permanentmagneten und ferromagnetischen Materialien ausgenutzt werden. Bevorzugt weisen das Radial- und das Axiallager aber auch Spulen umfassende Elektromagnete auf, um zur Stabilisierung der Magnetlager durch Variation der durch die Spulen der Elektromagnete fließenden Ströme das Magnetfeld und damit die aktuell wirkenden Kräfte in dem jeweiligen Magnetlager verändern zu können. Hierzu ist eine entsprechende Regelung erforderlich, die dafür sorgt, dass die jeweils benötigten Lagerkräfte zur Verfügung stehen.
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Die in der Regel mehreren, jeweils wenigstens eine Spule aufweisenden Elektromagnete der Mittel zum elektromagnetischen Antrieb des kippbaren Teils der Gantry relativ zu dem stationären Teil der Gantry sind zur Erzeugung eines elektromagnetischen Drehfeldes zum Kippen des kippbaren Teils relativ zu dem Standfuß der Gantry erforderlich und müssen hierzu entsprechend angesteuert werden. Die Mittel zum elektromagnetischen Antrieb können im Übrigen auch Permanentmagnete und/oder Elementen aus einem ferromagnetischen Material aufweisen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung weisen das Radiallager und/oder die Mittel zum elektromagnetischen Antrieb eine erste, radial außenliegende ringförmige Radialanordnung von Permanentmagneten, Elektromagneten und/oder Elementen aus einem ferromagnetischen Material, welche dem Standfuß der Gantry zugeordnet ist, und eine zweite radial innenliegende ringförmige Radialanordnung von Permanentmagneten, Elektromagneten und/oder Elementen aus einem ferromagnetischen Material, welche dem kippbaren Teil der Gantry zugeordnet ist, auf, wobei sich zwischen der ersten und der zweiten ringförmigen Radialanordnung ein ringförmiger Radiallagerspalt befindet.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das wenigstens eine Axiallager wenigstens eine erste ringförmige Axialanordnung von Permanentmagneten, Elektromagneten und/oder Elementen aus einem ferromagnetischen Material, welche dem Standfuß der Gantry zugeordnet ist, und wenigstens eine zweite ringförmige Axialanordnung von Permanentmagneten, Elektromagneten und/oder Elementen aus einem ferromagnetischen Material oder ein ringförmiges Element aus einem ferromagnetischen Material, welche bzw. welches dem kippbaren Teil der Gantry zugeordnet ist, auf, welche wenigstens eine erste und wenigstens eine zweite Axialanordnung oder welche wenigstens eine erste Axialanordnung und welches ringförmiges Element aus einem ferromagnetischen Material unter Einschluss eines ringförmigen Axiallagerspalts axial in Richtung der Kippachse relativ zueinander versetzt sind.
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Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung bzw. die Baueinheit aus Mitteln zur magnetischen Lagerung und Mitteln zum elektromagnetischen Antrieb des kippbaren. Teils relativ zu dem Standfuß der Gantry Messmittel zur Ermittlung der Änderung der Weite des ringförmigen Radiallagerspalts und/oder des ringförmigen Axiallagerspalts aufweist. Um eine funktionelle und störungsfreie magnetische Lagerung realisieren zu können, müssen die Weiten der Lagerspalte im Wesentlichen konstant sein bzw. gehalten werden. Die Weite eines Lagerspaltes ist quasi die Regelgröße bei der Regelung der Lagerkräfte. Die Weite wird dabei vorzugsweise berührungslos mit den Messmitteln bestimmt. Die Weite wird in der Regel mindestens an zwei, vorzugsweise um ca. 90° relativ zueinander versetzten Stellen der ringförmigen Lagerspalte bestimmt. Die Weite eines Lagerspaltes muss im Übrigen konstruktionsbedingt nicht über den ganzen Lagerspalt immer gleich sein. Vielmehr kann der Lagerspalt eine Art Profil aufweisen, so dass sich an verschiedenen Stellen des Lagerspaltes verschiedene Weiten des Lagerspaltes ergeben. In einem solchen Fall wird die Weite des Lagerspaltes jeweils an einer bestimmten Stelle des Lagerspaltes ermittelt und zur Regelung verwendet.
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Vorzugsweise weisen die Messmittel wenigstens einen Hall-Sensor und/oder einen induktiv oder kapazitiv arbeitenden Sensor auf.
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Gemäß einer Variante der Erfindung erfolgt im Falle der Verwendung von Elektromagneten für die magnetische Lagerung die Ermittlung der Änderung der Weite des Radiallagerspalts und/oder des Axiallagerspalts basierend auf der Beeinflussung der Induktivität der Spule eines oder mehrerer Elektromagnete. So beeinflusst beispielsweise eine Positionsänderung der innenliegenden Radialanordnung von Permanentmagneten, Elektromagneten und/oder Elementen aus einem ferromagnetischen Material des kippbaren Teils der Gantry relativ zu der außenliegenden Radialanordnung die Induktivitäten der Elektromagnete der außenliegenden Radialanordnung. Dadurch ändern sich Strom- und Spannungswerte an den Elektromagneten der außenliegenden Radialanordnung, welche Änderungen zur Ermittlung der Weite des jeweiligen Lagerspalts ausgewertet werden.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Radiallager in einer ersten Ebene und die Mittel zum elektromagnetischen Antrieb des kippbaren Teils der Gantry relativ zu dem Standfuß der Gantry in einer zweiten, in Richtung der Kippachse relativ zu der ersten Ebene versetzten Ebene angeordnet sind.
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Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Mittel zum elektromagnetischen Antrieb des kippbaren Teils der Gantry relativ zu dem Standfuß der Gantry in das Radiallager integriert sind.
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Nach einer ersten solchen Variante der Integration weisen die erste, radial außenliegende ringförmige Radialanordnung Elektromagnete und die zweite radial innenliegende ringförmige Radialanordnung Permanentmagnete und/oder Elementen aus einem ferromagnetischen Material auf, wobei eine Gruppe von Elektromagneten der ersten Radialanordnung derart ansteuerbar ist und angesteuert wird, dass ein elektromagnetisches Drehfeld zum elektromagnetischen Kippen des kippbaren Teils der Gantry erzeugt wird.
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Nach einer zweiten solchen Variante der Integration weisen die erste, radial außenliegende ringförmige Radialanordnung Permanentmagnete und/oder Elementen aus einem ferromagnetischen Material und die zweite radial innenliegende ringförmige Radialanordnung Elektromagnete auf, wobei eine Gruppe von Elektromagneten der zweiten Radialanordnung derart ansteuerbar ist und angesteuert wird, dass ein elektromagnetisches Drehfeld zum elektromagnetischen Antrieb des kippbaren Teils der Gantry erzeugt wird.
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Nach einer weiteren Variante der Erfindung weisen die erste, radial außenliegende ringförmige Radialanordnung und die zweite radial innenliegende ringförmige Radialanordnung Elektromagnete auf, wobei eine Gruppe von Elektromagneten der ersten und/oder der zweiten Radialanordnung derart ansteuerbar ist und angesteuert wird, dass ein elektromagnetisches Drehfeld zum elektromagnetischen Antrieb des kippbaren Teils der Gantry erzeugt wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die zum elektromagnetischen Antrieb und/oder die zur magnetischen Lagerung vorgesehenen Elektromagnete der ersten und/oder der zweiten Radialanordnung jeweils in Segmenten gruppiert. Die Elektromagnete können jeweils in zwei oder mehr Segmenten gruppiert sein. Beispielsweise können die zum elektromagnetischen Antrieb vorgesehenen Elektromagnete in drei jeweils ca. 60° des Radiallagers abdeckenden Segmenten gruppiert sein, die jeweils durch ein ebenfalls einen 60°-Winkel abdeckendes Segment voneinander getrennt sind, in dem zur magnetischen Lagerung vorgesehene Elektromagnete gruppiert sind. Bei einer Vier-Segmentanordnung decken die zum elektromagnetischen Antrieb vorgesehenen Elektromagnete und die zur magnetischen Lagerung vorgesehenen Elektromagnete abwechselnd jeweils einen 45°-Winkel des Radiallagers ab, so dass vier Segmente für den Antrieb und vier Segmente für die Lagerung vorhanden sind. Weitere Segmentierungen sind ebenfalls möglich.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung wenigstens eine Magnetbremse aufweist. Vorzugsweise umfasst die Magnetbremse wenigstens einen in Richtung der Kippachse beweglichen Flansch und wenigstens einen mit dem Flansch zusammenwirkenden Magneten. Der Flansch kann beispielsweise ringförmig ausgeführt und durch eine oder mehrere Passfedern in Richtung der Kippachse geführt sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird der Flansch bei Kippbewegungen des kippbaren Teils der Gantry durch das Magnetfeld wenigstens eines Elektromagneten, in der Regel durch die Magnetfelder mehrerer Elektromagnete der Magnetbremse eingriffsfrei gehalten, so dass er keine Bremswirkung entfaltet. Zur Fixierung des kippbaren Teils der Gantry wirkt der Flansch hingegen derart mit dem Radiallager und/oder mit den Mittel zum elektromagnetischen Antrieb zusammen, dass der Flansch durch das Magnetfeld wenigstens eines Permanentmagneten, in der Regel durch die Magnetfelder mehrerer Permanentmagnete des Radiallagers und/oder der Mittel zum elektromagnetischen Antrieb gegen eine Bremsfläche gepresst wird.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Vorrichtung bzw. die Baueinheit ein Wälzlager als Stützlager aufweist. Im Falle eines Stromausfalls übernimmt das Stützlager die Tragfunktion, so dass Beschädigungen der Vorrichtung vermieden werden.
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Alternativ oder auch zusätzlich kann der Vorrichtung eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) zugeordnet sein.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch gelöst durch ein Computertomographiegerät aufweisend wenigstens eine vorstehend beschriebene Vorrichtung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
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1 ein Computertomographiegerät,
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2 eine Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer Lager- und Antriebseinheit des Computertomographiegerätes aus 1,
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3 eine Ansicht in Richtung der Pfeile III des Schnitts aus 2,
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4 eine Ansicht in Richtung der Pfeile III des Schnitts aus 3 für eine alternative Ausführungsform und
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5 eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer Lager- und Antriebseinheit des Computertomographiegerätes aus 1.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente durchwegs mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht zwingend maßstabsgetreu. Auf das Computertomographiegerät 1 wird im Folgenden und ohne Einschränkung der Allgemeinheit nur insoweit eingegangen als es zum Verständnis der Erfindung für erforderlich erachtet wird.
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Das in 1 gezeigte Computertomographiegerät 1 umfasst eine Gantry 2 mit einem stationären Teil 3 und mit einem um eine Systemachse S rotierbaren Teil 4. Der rotierbare Teil 4 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung ein Röntgensystem auf, welches eine Röntgenstrahlenquelle 6 und einen Röntgenstrahlendetektor 7 umfasst, die an dem rotierbaren Teil 4 einander gegenüberliegend angeordnet sind. Im Betrieb des Computertomographiegerätes 1 geht von der Röntgenstrahlenquelle 6 Röntgenstrahlung 8 in Richtung des Röntgenstrahlendetektors 7 aus, durchdringt ein Messobjekt und wird vom Röntgenstrahlendetektor 7 in Form von Messdaten bzw. Messsignalen erfasst.
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Das Computertomographiegerät 1 weist des Weiteren eine Patientenliege 9 zur Lagerung eines zu untersuchenden Patienten P auf. Die Patientenliege 9 umfasst einen Liegensockel 10, an dem eine zur eigentlichen Lagerung des Patienten P vorgesehene Patientenlagerungsplatte 11 angeordnet ist. Die Patientenlagerungsplatte 11 ist derart relativ zu dem Liegensockel 10 in Richtung der Systemachse S verstellbar, dass sie zusammen mit dem Patienten P in die Öffnung 12 der Gantry 2 zur Aufnahme von 2D-Röntgenprojektionen von dem Patienten P, z. B. in einem Spiralscan, eingeführt werden kann. Die rechnerische Verarbeitung der mit dem Röntgensystem aufgenommenen 2D-Röntgenprojektionen bzw. die Rekonstruktion von Schichtbildern, 3D-Bildern oder eines 3D-Datensatzes basierend auf den Messdaten bzw. den Messsignalen der 2D-Röntgenprojektionen erfolgt mit einem Bildrechner 13 des Computertomographiegerätes 1, welche Schichtbilder oder 3D-Bilder auf einer Anzeigevorrichtung 14 darstellbar sind.
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Die Gantry 2 umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung außerdem einen Standfuß 5, an dem der stationäre Teil 3 und der rotierbare Teil 4 der Gantry 2 angeordnet sind. Der stationäre Teil 3 und der rotierbare Teil 4 der Gantry 2 sind zusammen relativ zu dem Standfuß 5 um eine Kippachse K in die Richtungen des Doppelpfeils a verkippbar bzw. verschwenkbar. Die Kippachse K der Gantry 2 ist rechtwinklig zu der Systemachse S angeordnet und verläuft im Wesentlichen horizontal. Um den stationäre Teil 3 und den rotierbare Teil 4 der Gantry 2 relativ zu dem Standfuß 5 um die Kippachse K kippen zu können, ist in dem Standfuß 5 wenigstens einseitig eine in 1 schematisch angedeutete Lager- und Antriebseinheit 15 angeordnet.
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Eine Ausführungsform einer solchen Lager- und Antriebseinheit 15, welche Mittel zur magnetischen Lagerung und Mittel zum elektromagnetischen Antrieb des stationären Teils 3 und des rotierbaren Teils 4 relativ zu dem Standfuß 5 aufweist, ist in einer Schnittdarstellung in 2 schematisch veranschaulicht. Die Mittel zur magnetischen Lagerung und die Mittel zum elektromagnetischen Antrieb können grundsätzlich Permanentmagnete, Elektromagnete und/oder Elemente aus einem ferromagnetischen Material umfassen.
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Die Lager- und Antriebseinheit 15 umfasst im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung ein erstes ringförmiges Trägerelement 16, welches am Standfuß 5 angeordnet ist bzw. wird, und ein zweites ringförmiges Trägerelement 17, welches an einem Lagerzapfen 43 des stationären Teils 3 angeordnet ist bzw. wird. Der Lagerzapfen 43 ist fest mit dem stationären Teil 3 verbunden. Ein zweiter solcher Lagerzapfen befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des stationären Teils 3, welcher in den Figuren nicht dargestellt ist, wobei die Kippachse K unter anderem durch die beiden Lagerzapfen verläuft.
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An den ringförmigen Trägerelementen 16, 17 sind Mittel zur magnetischen Lagerung und Mittel zum elektromagnetischen Antrieb angeordnet, welche im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung zwei magnetische Axiallager 18, 19 und ein magnetisches Radiallager 20 bilden, wobei in letzterem der elektromagnetische Antrieb integriert ist.
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3 zeigt die Ansicht des Schnitts durch das Radiallager 20 in Richtung der Pfeile III aus 2. Das Radiallager 20 und die in das Radiallager 20 integrierten Mittel zum elektromagnetischen Antrieb weisen im Falle des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung eine erste, radial außenliegende ringförmige Radialanordnung 21 von Elektromagneten 22 auf, welche jeweils wenigstens eine nicht explizit gezeigte Spule umfassen. Des Weiteren weisen das Radiallager 20 und die in das Radiallager 20 integrierten Mittel zum elektromagnetischen Antrieb eine zweite radial innenliegende ringförmige Radialanordnung 23 von Permanentmagneten 24 auf. Im Falle des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung dienen 50% der Elektromagnete 22 der magnetischen Lagerung und 50% der Elektromagnete 22 dem elektromagnetischen Antrieb des stationären Teils 3 und des rotierbaren Teils 4 relativ zu dem Standfuß 5. Vorliegend ist jeder zweite Elektromagnet 22 der radial außenliegenden ringförmigen Radialanordnung 21 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Drehfeldes vorgesehen, welche Elektromagnete 22 durch in 3 nicht explizit gezeigte Steuermittel derart angesteuert werden, dass in Zusammenwirken mit den Permanentmagneten 24 der stationäre Teil 3 und der rotierbare Teil 4 relativ zu dem Standfuß 5 gekippt bzw. geschwenkt werden kann. Die übrigen Elektromagnete 22 dienen in Zusammenwirken mit den Permanentmagneten 24 der magnetischen Lagerung des stationären Teils 3 und des rotierbaren Teils 4 relativ zu dem Standfuß 5, wobei der stationäre Teil 3 und der rotierbare Teil 4 relativ zu dem Standfuß 5 in einen Schwebezustand infolge der Magnetfelder versetzt werden.
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An Stelle der Permanentmagnete 24 kann insbesondere die zweite Radialanordnung auch Elementen aus einem ferromagnetischen Material oder Permanentmagnete und Elementen aus einem ferromagnetischen Material aufweisen.
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Nach einer alternativen Ausführungsform des mit Mitteln zum elektromagnetischen Antrieb versehenen Radiallagers 20 kann die radial außenliegende ringförmige Radialanordnung 21 Elementen aus einem ferromagnetischen Material und/oder Permanentmagnete und die radial innenliegende ringförmige Radialanordnung 23 Elektromagneten aufweisen, wobei, wie bereits zuvor beschrieben, jeder zweite Elektromagnet zur Erzeugung eines elektromagnetischen Drehfeldes vorgesehen ist, um bei entsprechender Ansteuerung mit Strom in Zusammenwirken mit den Elementen aus einem ferromagnetischen Material und/oder den Permanentmagneten den stationären Teil 3 und den rotierbaren Teil 4 relativ zu dem Standfuß 5 für die Kippbewegung in Drehung zu versetzen. Die übrigen Elektromagnete dienen in Zusammenwirken mit den Elementen aus einem ferromagnetischen Material und/oder den Permanentmagneten wiederum der magnetischen Lagerung des stationären Teils 3 und des rotierbaren Teils 4 relativ zu dem Standfuß 5. Bei dieser Variante müssen die für die Erzeugung des Drehfeldes erforderliche elektrische Energie sowie die Steuerungs- und Regelungssignale, ggf. beispielsweise über Schleifringe auf den stationären Teil 4 übertragen werden.
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Eine weitere alternative Ausführungsform des mit Mitteln zum elektromagnetischen Antrieb versehenen Radiallagers 20 besteht darin, dass sowohl die radial außenliegende ringförmige Radialanordnung 21 als auch die radial innenliegende ringförmige Radialanordnung 23 Elektromagnete aufweist, wobei zumindest ein Teil der Elektromagnete der ersten und der zweiten Radialanordnung für die magnetische Lagerung vorgesehen sind und eine Gruppe von Elektromagneten der ersten und/oder der zweiten Radialanordnung derart ansteuerbar ist, dass ein elektromagnetisches Drehfeld zum elektromagnetisches Antrieb des stationären Teils 3 und des rotierbaren Teils 4 der Gantry 2 erzeugt wird. Auch in diesem Fall kann es erforderlich sein, die für die Erzeugung des Drehfeldes erforderliche elektrische Energie sowie ggf. die Steuerungs- und Regelungssignale z. B. über Schleifringe auf den stationären Teil 4 zu übertragen.
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Die für den elektromagnetischen Antrieb vorgesehenen Elektromagneten 22 sowie die für die magnetische Lagerung vorgesehenen Elektromagnete 22 des Radiallagers 20 können auch jeweils in Segmenten gruppiert werden. 4 zeigt eine derartige Segmentierung in Weiterentwicklung des in 3 gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Im Falle des in 4 gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung sind die zum Antrieb vorgesehenen Elektromagnete 22 in drei, jeweils einen 60°-Winkel abdeckenden Segmenten 25 angeordnet, wobei sich zwischen jedem Segment 25 ebenfalls ein 60°-Winkel befindet. Die in diesen Zwischensegmenten 45 angeordneten Elektromagnete 22 sind für die magnetische Lagerung vorgesehen. Andere Segmentanordnungen mit anderen Winkeln sind ebenfalls möglich. Eine derartige Segmentierung ist auch für die beschriebenen alternativen Ausführungsformen des mit Mitteln zum elektrischen Antrieb versehenen Radiallagers möglich.
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Wie bereits erwähnt weist die Lager- und Antriebseinheit 15 zwei Axiallager 18 und 19 auf. Das Axiallager 18 weist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung eine erste ringförmige Axialanordnung 26 von Elektromagneten 30 und ggf. von Permanentmagneten und/oder von Elementen aus einem ferromagnetischen Material auf, welche an dem ersten ringförmigen Trägerelement 16 befestigt sind und dem Standfuß 5 zugeordnet sind. Die Elektromagneten 22 der ersten Axialanordnung 26 wirken mit einem ringförmigen Flansch 27 aus einem ferromagnetischen Material zusammen, der an dem Trägerelement 17 befestigt ist und dem stationären Teil 3 und dem rotierbaren Teil 4 zugeordnet ist.
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Der Aufbau des Axiallagers 19 entspricht dem Aufbau des Axiallagers 18. Das Axiallager 19 weist auch eine erste ringförmige Axialanordnung 28 von Elektromagneten 30 und ggf. von Permanentmagneten und/oder von Elementen aus einem ferromagnetischen Material auf, welche an dem ersten ringförmigen Trägerelement 16 befestigt sind und dem Standfuß 5 zugeordnet sind. Die Elektromagnete 22 der ersten Axialanordnung 28 wirken ebenfalls mit dem ringförmigen Flansch 27 zusammen.
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Die Axiallager 18 und 19 versetzen das stationäre Teil 3 und das rotierbare Teil 4 relativ zu dem Standfuß 5 in Richtung der Kippachse K in einen Schwebezustand.
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Um einen störungsfreien Betrieb der Magnetlager gewährleisten zu können, müssen stets die Weite des Radiallagerspaltes 31 und wenigstens die Weite eines der Axiallagerspalte 32 und 33 ermittelt werden. Hierzu sind im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung Messmittel in Form von Hallsensoren vorgesehen. Die Weite eines Lagerspaltes muss dabei nicht direkt ermittelt werden, vielmehr kann diese aus der radialen bzw. axialen Position des ringförmigen Trägerelements 17 berechnet werden. Weicht die Weite eines Lagerspaltes von ihrer Sollweite ab, muss die Weite wieder auf die Sollweite durch eine entsprechende Regelung der Spulenströme der hierfür relevanten Elektromagnete einstellt werden. Im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels der Erfindung sind zur Bestimmung der Weite des Radiallagerspaltes 31 zwei um ca. 90° radial versetzt zueinander angeordnete Hallsensoren 34 vorgesehen, von denen in 2 nur einer dargestellt ist. Aus den Messwerten der Hallsensoren 34 kann aufgrund des definierten und bekannten Aufbaus der Lager- und Antriebeseinheit 15 die Weite des Radiallagerspaltes 31 durch eine Steuerungs- und Regelungseinheit ermittelt und zur Steuerung- und Regelung der Spulenströme der für die radiale Lagerung relevanten Elektromagnete verwendet werden.
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In entsprechender Weise werden die Weiten der Axiallagerspalte 32 und 33 ermittelt. In 2 ist eine Anordnung von Hallsensoren 35 gezeigt. Bevorzugt sind wenigstens zwei derartiger Anordnungen von Hallsensoren 35 um ca. 90° relativ zueinander radial versetzt zur Aufnahme von Messwerten vorhanden. Aus den Messwerten der Hallsensoren 35 können die Weite des Axiallagerspaltes 32 sowie die Weite des Axiallagerspaltes 33 durch eine Steuerungs- und Regelungseinheit ermittelt und zur Steuerung- und Regelung der Spulenströme der für die axiale Lagerung relevanten Elektromagnete verwendet werden.
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Alternativ erfolgt die Ermittlung der Weiten der Lagerspalte 31 bis 33 ohne zusätzliche Sensorik nur durch die Auswertung der Änderungen von Strom- und Spannungswerten von Elektromagneten. In Folge einer Lageänderung des ringförmigen Trägerelementes 17 relativ zu dem ringförmigen Trägerelement 16 werden die Induktivitäten der für die magnetische Lagerung relevanten Elektromagnete beeinflusst, wodurch sich die Strom- und Spannungswerte an den relevanten Elektromagneten ändern. Durch die Auswertung dieser Strom- und Spannungswerte können jeweils die Weiten der Lagerspalte ermittelt und für die Steuer- und Regelung der Spulenströme der relevanten Elektromagnete verwendet werden.
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Im Falle des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels weist die Lager- und Antriebseinheit 15 des Weiteren eine Magnetbremse 36 auf. Vorliegend umfasst die Magnetbremse 36 einen in Richtung der Kippachse K beweglichen, ringförmigen Flansch 37 aus einem ferromagnetischen Material und eine ringförmige Anordnung von mit dem Flansch 37 zusammenwirkenden Elektromagneten 38. Der Flansch 37 ist an dem Trägerelement 17 befestigt und somit dem stationären Teil 3 zugeordnet. Die Anordnung des Flansches 37 an dem Trägerelement 17 ist derart, dass er durch wenigstens eine, in Richtung der Kippachse K verlaufende Passfeder 39 in Richtung der Kippachse K geführt wird. Die Elektromagnete 38 sind an dem Trägerelement 16 an- und somit dem Standfuß 5 zugeordnet. Ein Bremsring 40 bzw. ein Ring 40 mit einem Bremsbelag 41 ist den Elektromagneten 38 in Richtung auf den Flansch 37 zu vorgelagert. Die Magnetbremse 36 ist im Falle des vorliegenden Ausführungsbeispiels derart relativ zu dem Radiallager 20 angeordnet, dass sich der Flansch 37 noch in dem Magnetfeld der Permanentmagneten 24 befindet.
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Im Betrieb der Lager- und Antriebseinheit 15 versetzen das Radiallager 20 und die Axiallager 18, 19 das Trägerelement 17 zur magnetischen Lagerung in einen Schwebezustand relativ zu dem Trägerelement 16. Eine zusätzliche Drehung des Trägerelementes 17 relativ zu dem Trägerelement 16 um die Kippachse K erfolgt mit Hilfe der beschriebenen elektromagnetischen Antriebsmittel, welche vorliegend in das Radiallager 20 integriert sind. In dieser Situation werden die Elektromagnete 38 der Magnetbremse 36 derart betrieben, dass sie durch Erzeugung eines entsprechenden Magnetfeldes den Flansch 37 in einem bestimmten Abstand von dem Bremsring 40 halten. Zur Fixierung bzw. Arretierung des Trägerelementes 17 relativ zu dem Trägerelement 16 werden die Elektromagnete 38 stromlos geschaltet. Der Flansch 37 wird daraufhin von den Permanentmagneten 24 des Radiallagers 20 angezogen und gegen den Bremsbelag 41 des Bremsrings 40 gepresst. Die Magnetbremse 36 kann wieder gelöst werden, indem die Elektromagnete 38 bzw. deren Spulen wieder entsprechend mit Strom beaufschlagt werden.
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Vorstehend wurde die in 1 schematisch dargestellte Lager- und Antriebseinheit 15 beschrieben. Um den stationären Teil 3 und den rotierbaren Teil 4 um die Kippachse K schwenken zu können, benötigt das Computertomographiegerät 1 wenigstens eine zweite Lagereinheit 115. Diese Lagereinheit 115 muss nicht notwendigerweise Antriebsmittel und eine Magnetbremse aufweisen. Die Lagereinheit weist aber wenigstens ein magnetisches Radiallager und wenigstens ein magnetisches Axiallager auf. Die Lagereinheit 115 kann aber auch wie die Lager- und Antriebseinheit 15 aufgebaut sein. In diesem Fall erfolgen der Antrieb für die Kipp- bzw. Schwenkbewegung des stationären Teils 3 und des rotierbaren Teils 4 um die Kippachse K sowie die Fixierung des stationären Teils 3 und des rotierbaren Teils 4 relativ zu dem Standfuß 5 beidseitig. Entsprechende mit der Lager- und Antriebseinheit 15 und der Lagereinheit 115 verbundene Steuer- und Regelungsmittel in Form einer mit einer entsprechenden Software betriebenen Recheneinheit 42 sind in 1 schematisch veranschaulicht.
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Die Kippung des stationären Teils 3 und des rotierbaren Teils 4 relativ zu dem Standfuß 5 erfolgt bevorzugt in einem Winkelbereich von +/– 30° um die Kippachse K aus der in 1 gezeigten Ausgangslage heraus.
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5 zeigte eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Lager- und Antriebseinheit 215, welche sich von der Lager- und Antriebseinheit 15 dahingehend unterscheidet, dass das Radiallager 200 und die elektromagnetische Antriebseinheit 300 voneinander getrennt und in Richtung der Kippachse K relativ zueinander versetzt angeordnet sind. Außerdem weist die Lager- und Antriebseinheit 215 ein Stützlager 400 auf. Die übrigen Komponenten der Lager- und Antriebseinheit 215 entsprechen in Aufbau und Funktion ggf. mit an die Bauform der Lager- und Antriebseinheit 215 angepassten Abmessungen den Komponenten der Lager- und Antriebseinheit 15, weshalb diese mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Das Radiallager 200 ist im Falle des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels der Erfindung in einer ersten Ebene E1 angeordnet und weist wie das Mittel zum elektromagnetischen Antrieb umfassende Radiallager 20 eine radial außenliegende ringförmige Radialanordnung 21 von Elektromagneten 22 und eine radial innenliegende ringförmige Radialanordnung 23 von Permanentmagneten 24 auf.
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Die elektromagnetische Antriebseinheit 300 ist in einer in Richtung der Kippachse K relativ zu der Ebene E1 versetzten Ebene E2 angeordnet und weist ebenfalls eine radial außenliegende ringförmige Radialanordnung 321 von Elektromagneten 22 und eine radial innenliegende ringförmige Radialanordnung 323 von Permanentmagneten 24 auf.
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Im Unterschied zu dem Mittel zum elektromagnetischen Antrieb umfassenden Radiallager 20 sind alle Elektromagnete 22 und Permanentmagnete 24 des Radiallagers 200 für die magnetische Lagerung vorgesehen. Des Weiteren sind alle Elektromagnete 22 und Permanentmagnete 24 der elektromagnetischen Antriebseinheit 300 zum elektromagnetischen Antrieb vorgesehen.
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Wie bereits erwähnt weist die Lager- und Antriebseinheit 215 zudem ein Stützlager 400 in Form eines konventionellen Wälzlagers auf. Das Stützlager 400 übernimmt die Tragfunktion in der Lager- und Antriebseinheit 215, wenn beispielsweise im Falle eines Stromausfalls das von den Elektromagneten erzeugte Magnetfeld zu schwach wird. Auf diese Weise wird auch eine Beschädigung der Magnetlager der Lager- und Antriebseinheit 215 vermieden. Um diesen Zweck zu erfüllen ist die Weite des Spaltes 120 zwischen dem an dem Trägerelement 16 angeordneten Stützlager 400 und dem Trägerelement 17 kleiner als der Radiallagerspalt 121 und kleiner als der Antriebsspalt 123. Im normalen Betrieb berührt das an dem ringförmigen Trägerelement 16 befestigte Stützlager 400 das ringförmige Trägerelement 17 nicht. Erst im Fehlerfall berührt das Stützlager 400 das ringförmige Trägerelement 17 und übernimmt die Tragfunktion, wodurch eine Beschädigung des Radiallagers 200 und der elektromagnetischen Antriebseinheit 300 vermieden wird.
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Die Magnetbremse 36 ist im Übrigen derart konstruiert, dass der Flansch 37 bei Stromausfall von den Permanentmagneten 24 angezogen und somit gegen den Bremsbelag 41 gepresst wird, wodurch eine Fixierung erfolgt.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Vorrichtung bzw. das Computertomographiegerät eine unterbrechungsfreie Stromversorgung 124 aufweisen, wie dies in 1 angedeutet ist. Ein Stützlager ist dann, wie für die Lager- und Antriebseinheit 15 sowie für die Lagereinheit 115 gezeigt nicht notwendig, da die Strom- und Spannungsversorgung für die Magnetlagerung bei einem Netzausfall durch die unterbrechungsfreie Stromversorgung 124 sichergestellt wird.
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Wie bereits erwähnt kann die Lager- und Antriebseinheit 215 die Lager- und Antriebseinheit 15 und/oder die Lagereinheit 115 ersetzen.
