DE102011075978B4

DE102011075978B4 - Anordnung und Verfahren zur aktiven Schwingungsdämpfung eines Röntgenstrahlers innerhalb des Röntgenstrahlers

Info

Publication number: DE102011075978B4
Application number: DE102011075978.6A
Authority: DE
Inventors: Berthold Baumann; Andreas Körner; Christian Obst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Healthineers Ag De
Priority date: 2011-05-17
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2014-08-14
Anticipated expiration: 2031-05-18
Also published as: US8948343B2; DE102011075978A1; CN102783957A; US20120294412A1; JP2012239902A; CN102783957B

Abstract

Anordnung mit: – einem Röntgenstrahler (5), gekennzeichnet durch: – eine innerhalb des Röntgenstrahlers (5) angeordnete Gegenschwingungserzeugungseinheit (1) zur Reduzierung einer bei Betrieb des Röntgenstrahlers entstehenden Schwingung (8), wobei die Gegenschwingungserzeugungseinheit (1) in Wirkverbindung mit dem Röntgenstrahler (5) steht und eine um 180 Grad zu der Schwingung (8) phasenverschobene Gegenschwingung (9) erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur aktiven Schwingungsdämpfung eines Röntgenstrahlers mit Hilfe einer auf den Röntgenstrahler einwirkenden Gegenschwingung.
Mit Tomographiegeräten werden zwei- oder dreidimensionale Bilder von einem Untersuchungsbereich eines Patienten für Diagnose oder Therapiezwecke erstellt. Beispielsweise werden mit einem Computertomographiegerät dreidimensionale Schichtbilder erzeugt. Der Aufbau eines Computertomographiegerätes umfasst eine Gantry (= Trageportal) mit einem stationären Tragrahmen, in dem ein Drehrahmen um eine Achse rotierbar gelagert ist. Auf dem Drehrahmen ist ein Aufnahmesystem angeordnet, das einen Röntgenstrahler und einen dem Röntgenstrahler gegenüberliegend angeordneten Detektor umfasst. Durch Rotation des Drehrahmens bei gleichzeitigem kontinuierlichem Vorschub eines auf einer Liegevorrichtung gelagerten Patienten in Richtung der Systemachse werden Projektionen spiralförmig aus einer Vielzahl von unterschiedlichen Projektionsrichtungen erfasst. Da die bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung des Röntgenstrahlers eingesetzte elektrische Energie zu 99% in Wärmeenergie umgewandelt wird, weist das Computertomographiegerät eine Kühlvorrichtung auf, um eine Überhitzung der elektronischen Komponenten zu vermeiden.
Bei Betrieb der mechanischen und elektrischen Komponenten des Tomographiegerätes entsteht ein Geräuschpegel, der sowohl vom Patienten als auch vom Bedienpersonal als unangenehm empfunden wird. So entstehen beispielsweise störende Körperschall- und Luftschallwellen durch Rotation des Drehrahmens, durch Rotation der Anode innerhalb des Röntgenstrahlers oder durch den Betrieb der Kühlvorrichtung. Durch eine Verkleidung des Röntgenstrahles wird ein Resonanzkörper gebildet, der die Schallamplituden verstärkt. Gerade in der Tunnelöffnung der Gantry, durch die der Patient bei der Abtastung geschoben wird, ist der Patient einem besonders hohen Geräuschpegel ausgesetzt.
Ein wichtiger Aspekt bei der Auslegung eines Tomographiegerätes ist daher die Minimierung des bei Betrieb des Tomographiegerätes entstehenden Störschalls. Um die Ausbreitung störender Körperschall- und Luftschallwellen bei einem Tomographiegerät zu unterbinden oder zu minimieren, gibt es zwei unterschiedliche Ansätze. Zum einen besteht die Möglichkeit, die Störschallerzeugung unmittelbar durch Optimierung der Schall verursachenden Komponente zu reduzieren. Beispielsweise wäre es möglich, durch Einsatz eines geräuschoptimierten Drehlagers die Körperschallwellenausbreitung bei Rotation des Drehrahmens oder bei Rotation der Anode zu minimieren. Eine derartige Optimierung ist jedoch mit einem hohen Kostenaufwand verbunden und die erzielte Reduzierung des Störschalls ist in der Regel nicht ausreichend.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Schallausbreitung durch Einsatz von Geräuschdämmmatten zu unterbinden. Zur Reduzierung der Luftschallausbreitung werden beispielsweise an der Innenseite des Gehäuses des Tomographiegerätes die Geräuschdämmmatten aufgeklebt. Die Körperschallausbreitung lässt sich darüber hinaus auch durch Einsatz entsprechender passiver Dämpfungsmaterialien an den zur Halterung der Komponenten vorgesehenen Kontaktstellen minimieren. Eine wirkungsvolle Reduzierung der Schallausbreitung wird jedoch erst ab einer bestimmten Dicke des Dämmmaterials erzielt. Das für die Dämmung verwendbare Bauvolumen ist jedoch sehr begrenzt, so dass diese Maßnahmen in der Regel nicht ausreichen, um den Störschall auf ein gewünschtes Niveau zu reduzieren.
Daher wird in der Anmeldeschrift DE 10 2008 047 814 A1 ein Tomographiegerät mit einer Gegenschalleinrichtung und ein Verfahren zur Reduzierung eines bei Betrieb des Tomographiegerätes entstehenden Störschalls angegeben. Die Gegenschalleinrichtung umfasst eine Steuereinheit zur Bereitstellung eines Gegenschallsignals und eine Schallerzeugungseinheit zur Umwandlung des Gegenschallsignals in einen um 180 Grad zu dem Störschall in der Phase verschobenen Gegenschall. Auf diese Weise kann der Störschall bei Betrieb des Tomographiegerätes wirkungsvoll reduziert werden.
Die Patentanmeldung US 2005/0281391 A1 offenbart einen Computertomographen, bei dem eine Schwingung eines Tragerahmens ermittelt wird und aufgrund der Schwingung Maßnahmen zur Aufhebung dieser Schwingung getroffen werden.
Die Patentschrift US 7 534 037 B2 offenbart ein mobiles Röntgenbildgebungssystem, dass eine Bewegungssteuerung für die Beschleunigung mechanischer Komponenten des Bewegungssystems umfasst.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine weitere Anordnung und ein weiteres Verfahren zur Reduktion von Störschall (Systemgeräuschen) einer Röntgenanlage anzugeben.
Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit der Anordnung und dem Verfahren der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine den Störschall verursachende Schwingung eines Röntgenstrahlers durch eine mechanische gegenphasige Gegenschwingung zu kompensieren. Durch Interferenz bzw. Überlagerung von Schwingung und Gegenschwingung kommt es zur Auslöschung.
Die Erfindung beansprucht eine Anordnung mit einem Röntgenstrahler und mit einer innerhalb des Röntgenstrahlers angeordneten Gegenschwingungserzeugungseinheit zur Reduzierung einer bei Betrieb des Röntgenstrahlers entstehenden Schwingung. Die Gegenschwingungserzeugungseinheit steht in Wirkverbindung mit dem Röntgenstrahler, beispielsweise mit der Drehanode, und erzeugt eine um 180 Grad zu der Schwingung phasenverschobene Gegenschwingung. Durch die Anbringung von aktiven Gegenschwingern in unmittelbarer Nähe des Schwingungserzeugers können von dem Röntgenstrahler erzeugte Schwingungen direkt am Entstehungsort reduziert werden, wodurch eine weitere Schwingungsübertragung auf andere Anlagenteile verringert bzw. verhindert wird.
In einer Weiterbildung kann die Gegenschwingungserzeugungseinheit mindestens einen elektrodynamischen Wandler, einen piezoelektrischen Wandler oder einen elektromotorischen Wandler umfassen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Anordnung eine Schwingungsmesseinheit umfassen, die die Amplitude, die Frequenz und die Phasenlage der Schwingung ermittelt.
Des Weiteren kann die Schwingungsmesseinheit einen Beschleunigungssensor oder ein Mikrofon umfassen oder Schwingungsparameter aus der Drehzahl einer Drehanode des Röntgenstrahlers ermitteln.
Die Anordnung kann außerdem eine Steuereinheit umfassen, die ein Gegenschwingungssignal aus der ermittelten Amplitude, der Frequenz und der Phasenlage ermittelt und damit die Gegenschwingungserzeugungseinheit ansteuert.
Die Erfindung beansprucht auch eine Tomographieanlage mit einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Die Erfindung beansprucht auch ein Verfahren zur aktiven Schwingungskompensation eines Röntgenstrahlers, wobei eine Gegenschwingung innerhalb des Röntgenstrahlers erzeugt wird, die um 180 Grad zu einer bei Betrieb des Röntgenstrahlers entstehenden Schwingung phasenverschoben ist, und wobei die Gegenschwingung auf den Röntgenstrahler aufgebracht wird. Die Summe aus Schwingung und Gegenschwingung soll minimal sein.
In einer Weiterbildung werden die Amplitude, die Frequenz und die Phasenlage der Schwingung ermittelt.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Gegenschwingungssignal aus der ermittelten Amplitude, der Frequenz und der Phasenlage der Schwingung ermittelt und die Gegenschwingung mit Hilfe des Gegenschwingungssignals angesteuert.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
Es zeigen:
1: einen C-Bogen mit einem Röntgenstrahler und einer Gegenschwingungserzeugungseinheit,
2: ein Schaubild einer Schwingung und Gegenschwingung,
3: ein Blockschaltbild einer Röntgenröhre mit einer Gegenschwingungserzeugungseinheit und
4: ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur aktiven Schwingungskompensation eines Röntgenstrahlers.
1 zeigt einen Teil einer C-Bogen-Röntgenanlage. Dargestellt ist ein C-Bogen 6, an dessen beiden Enden zueinander gegenüberliegend ein Röntgenstrahler 5 und ein Röntgendetektor 7 angeordnet sind. Der Röntgenstrahler 5 wird beispielsweise durch eine nicht dargestellte rotierende Drehanode in Schwingung versetzt, die sich auf den C-Bogen 6 überträgt und zu störenden Schallwellen führt. Die Kurve 8 des Diagramms von 2 zeigt den zeitlichen Verlauf der so entstehenden Schwingung. Erfindungsgemäß werden nun mit Hilfe einer mit dem Röntgenstrahler 5 in Wirkverbindung stehen Schwingungsmesseinheit 3, beispielsweise mit einem Beschleunigungsmesser, die Amplitude, Phase und Frequenz der störenden Schwingung in allen relevanten Richtungen ermittelt.
Mit Hilfe einer Gegenschwingungserzeugungseinheit 1, die beispielsweise vier in unterschiedliche Richtungen angeordnete piezoelektrische Wandler 2 umfasst, wird nun eine um 180° phasenverschobene Gegenschwingung gleicher Frequenz und gleicher Amplitude dem Röntgenstrahler 5 innerhalb des Röntgenstrahlers 5 beaufschlagt. Durch Überlagerung der störenden Schwingung und der so beaufschlagten Gegenschwingung gelingt es, die resultierende Schwingung zu minimieren, oder im Idealfall auszulöschen. Mit Hilfe eines Regelkreises können Änderungen der störenden Schwingung verfolgt werden. Die Schwingungsparameter von störenden Schwingungen können auch über Mikrofone im Raum, in dem das C-Bogen-Röntgengerät aufgestellt ist, ermittelt werden.
2 zeigt ein Diagramm des erfindungsgemäßen Überlagerungsprinzips. Dargestellt ist die normierte Amplitude A in Abhängigkeit der Zeit t in Millisekunden innerhalb eines Intervalls von 10 ms. Die Kurve 8 zeigt eine störende Schwingung eines Röntgenstrahlers. Die Kurve 9 zeigt eine gleichfrequente Gegenschwingung einer mit dem Röntgenstrahler in Wirkverbindung stehenden Gegenschwingungserzeugungseinheit. Die Gegenschwingung 9 weist nahezu die gleiche Amplitude A wie die störende Schwingung 8 auf. Durch eine 180° Phasenverschiebung ergibt sich bei einer Überlagerung eine resultierende Schwingung gemäß Kurve 10. Zu sehen ist, dass die Amplitude A der resultierenden Schwingung 10 nahezu Null ist. Dieses Phänomen ist in der Wellentheorie als Interferenz bekannt.
3 zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung. Mit einem Röntgenstrahler 5 sind vier Wandler 2 einer innerhalb des Röntgenstrahlers angeordneten Gegenschwingungserzeugungseinheit 1 verbunden. Eine mit dem Röntgenstrahler 5 in Wirkverbindung stehende Schwingungsmesseinheit 3 erfasst die Schwingungen des Röntgenstrahlers 5 und leitet den Messwert an eine Steuereinheit 4 weiter. Diese ermittelt die Amplitude, die Frequenz und die Phasenlage der Schwingung und errechnet daraus ein Gegenschwingungssignal 11, das die Gegenschwingungserzeugungseinheit 1 ansteuert. Die vier Wandler 2 der Gegenschwingungserzeugungseinheit 1 bringen die Gegenschwingung in unterschiedlichen Richtungen auf den Röntgenstrahler 5 auf. Die resultierende Schwingung ist dadurch minimiert.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur aktiven Schwingungskompensation eines Röntgenstrahlers. Im Schritt 100 werden die Amplitude, die Frequenz und die Phasenlage einer Schwingung eines Röntgenstrahlers ermittelt. Im nachfolgenden Schritt 101 wird daraus ein Gegenschwingungssignal ermittelt, das im Schritt 102 die Amplitude, die Frequenz und die Phasenlage einer Gegenschwingung steuert. Im Schritt 103 wird die Gegenschwingung anhand des Gegenschwingungssignals erzeugt und im Schritt 104 dem Röntgenstrahler von innen beaufschlagt. Das Verfahren läuft in einer Regelschleife, die Änderungen berücksichtigt.
Bezugszeichenliste

1: Gegenschwingungserzeugungseinheit
2: Wandler/Aktuator
3: Schwingungsmesseinheit
4: Steuereinheit
5: Röntgenstrahler
6: C-Bogen
7: Röntgendetektor
8: Schwingung des Röntgenstrahlers 5
9: Gegenschwingung
10: resultierende Schwingung
11: Gegenschwingungssignal
100: Ermitteln der Amplitude, der Frequenz und der Phasenlage der Schwingung
101: Ermitteln eines Gegenschwingungssignals
102: Steuern der Gegenschwingung
103: Erzeugen einer Gegenschwingung
104: Aufbringen der Gegenschwingung auf den Röntgenstrahler
A: Amplitude
t: Zeit

Claims

Anordnung mit: – einem Röntgenstrahler (5), gekennzeichnet durch: – eine innerhalb des Röntgenstrahlers (5) angeordnete Gegenschwingungserzeugungseinheit (1) zur Reduzierung einer bei Betrieb des Röntgenstrahlers entstehenden Schwingung (8), wobei die Gegenschwingungserzeugungseinheit (1) in Wirkverbindung mit dem Röntgenstrahler (5) steht und eine um 180 Grad zu der Schwingung (8) phasenverschobene Gegenschwingung (9) erzeugt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenschwingungserzeugungseinheit (1) mindestens einen elektrodynamischen Wandler (2) umfasst.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenschwingungserzeugungseinheit (1) mindestens einen piezoelektrischen Wandler (2) umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenschwingungserzeugungseinheit (1) mindestens einen elektromotorischen Wandler (2) umfasst.
Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch: – eine Schwingungsmesseinheit (3), die die Amplitude (A), die Frequenz und die Phasenlage der Schwingung (8) ermittelt.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsmesseinheit (3) einen Beschleunigungssensor und/oder ein Mikrofon umfasst.
Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsmesseinheit (1) die Amplitude (A), die Frequenz und die Phasenlage der Schwingung (8) aus der Drehzahl einer Drehanode des Röntgenstrahlers (5) ermittelt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch: – eine Steuereinheit (4), die ein Gegenschwingungssignal (11) aus der ermittelten Amplitude (A), der Frequenz und der Phasenlage ermittelt und damit die Gegenschwingungserzeugungseinheit (1) ansteuert.
Tomographieanlage mit einer Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Tomographieanlage nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch: – einen C-Bogen oder eine Gantry.
Verfahren zur aktiven Schwingungskompensation eines Röntgenstrahlers (5), gekennzeichnet durch: – ein Erzeugen (103) einer Gegenschwingung (9) innerhalb des Röntgenstrahlers (5), die um 180 Grad zu einer bei Betrieb des Röntgenstrahlers (5) entstehenden Schwingung (8) phasenverschoben ist, und – ein Aufbringen (104) der Gegenschwingung (9) auf den Röntgenstrahler (5), wobei die Summe (10) aus Schwingung (8) und Gegenschwingung (9) minimal ist.
Verfahren nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch: – ein Ermitteln (100) der Amplitude (A), der Frequenz und der Phasenlage der Schwingung (8).
Verfahren nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch: – ein Ermitteln (101) eines Gegenschwingungssignals (11) aus der ermittelten Amplitude (A), der Frequenz und der Phasenlage der Schwingung (8) und – ein Steuern (102) der Gegenschwingung (9) mit Hilfe des Gegenschwingungssignals (11).