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Die Erfindung bezieht sich auf einen Computertomographen, insbesondere einen Computertomographen mit einem Halterahmen und einem Drehkranz, der rotierbar an dem Halterahmen gelagert ist und an dem eine Röntgenstrahlenquelle sowie ein Röntgenstrahlendetektor in Gegenüberstellung zu einander gehaltert sind.
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Computertomographen sind häufig ringartig (oder tunnelartig) aufgebaut. Ein Computertomograph (kurz: CT) umfasst dabei ein als Halterahmen bezeichnetes Gerüst, das einen als Drehkranz bezeichneten Ring trägt. Dieser Drehkranz ist um seine Ringachse rotierbar an dem Halterahmen gelagert. An dem Drehkranz sind wiederum eine Röntgenstrahlenquelle sowie in Gegenüberstellung dazu ein Röntgenstrahlendetektor gehaltert. Zur Erzeugung einer Röntgenbildaufnahme wirft die Röntgenstrahlenquelle einen Röntgenstrahl durch ein etwa auf der Ringsachse (auch als isozentrische Achse bezeichnet) angeordnetes Messobjekt (z. B. einen Patienten) auf den Röntgenstrahlendetektor. Für die Bildaufnahme wird der Drehkranz rotiert, so dass die Röntgenstrahlenquelle und der Röntgenstrahlendetektor sich um das Messobjekt herum bewegen.
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Um insbesondere bei medizinischen Anwendungen die Strahlenbelastung für den Patienten möglichst gering zu halten, rotiert der Drehkranz möglichst schnell, derzeit etwa mit 0,5 bis zu 4 Umdrehungen pro Sekunde. Die Masse des Drehkranzes (sowie der daran gehalterten Bauteile) beträgt dabei bis zu 2 Tonnen. Aufgrund der vergleichsweise großen Massen und der hohen Rotationsgeschwindigkeit können bereits geringe Unwuchten zu unerwünschten Bewegungen des Drehkranzes selbst oder des gesamten Computertomographen führen. Solche Bewegungen können wiederum zu einer Verschlechterung der Bildqualität oder gar zu einer Beschädigung des Computertomographen führen.
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Aus diesem Grund weisen herkömmliche Computertomographen meist ein Wuchtsystem zur Bestimmung der Lage und Größe einer gegebenenfalls vorhandenen Unwucht am Drehkranz auf. Aufgrund der ermittelten Lage und Größe der Unwucht kann dieser herkömmlicherweise durch Anbringen von Ausgleichsgewichten („Wuchtgewichten”) am Drehkranz entgegengewirkt werden. Computertomographen mit einem Wuchtsystem sind beispielsweise aus
US 2009/017 74 19 A1 und
DE 10 2004 004 301 B4 bekannt.
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Eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Unwucht an rotierenden Bauteilen im Allgemeinen ist aus
US 5 627 762 A bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstige Auswuchtung eines Computertomographen zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Computertomographen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und teils für sich erfinderische Ausführungsformen und Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Der erfindungsgemäße Computertomograph umfasst einen Halterahmen sowie einen (vorzugsweise ringförmigen) Drehkranz, der (um seine Ringachse, auch isozentrische Achse) rotierbar an dem Halterahmen gelagert ist. Desweiteren umfasst der Computertomograph einen Wuchtsensor, zur Detektion einer Unwucht des Drehkranzes. Zur Auswertung eines von dem Wuchtsensor ausgegebenen Wuchtsignals (d. h. vorzugsweise zur Bestimmung der Lage und Größe einer Unwucht) umfasst der Computertomograph außerdem eine Steuer- und Auswerteinheit. Desweiteren umfasst der Computertomograph ein Audiointerface, über das das (elektrische) Wuchtsignal der Steuer- und Auswerteeinheit zugeführt ist. Mit anderen Worten ist das Audiointerface dem Wuchtsensor und der Steuer- und Auswerteeinheit zwischengeschaltet. Vorzugsweise ist das Wuchtsignal dabei über einen analogen Eingangskanal des Audiointerfaces auf dieses aufgeschaltet.
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Unter dem Begriff „Audiointerface” wird hier im Folgenden eine Signalschnittstelle verstanden, die zur Verarbeitung (insbesondere zum Empfang und/oder zur Ausgabe) von Audiosignalen, d. h. von elektrischen Signalen mit einem Frequenzbereich zwischen 0 Hz und 50 kHz („Niederfrequenzbereich”), insbesondere in einem Personal Computer (im Folgenden unabhängig von dessen Betriebssystem als PC bezeichnet) eingerichtet und vorgesehen ist. Regelmäßig umfasst das Audiointerface dabei einen Analog-Digital-Wandler, der zur Wandlung niederfrequenter Signale ausgelegt ist.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit ist vorzugsweise dazu eingerichtet, das empfangene Wuchtsignal nach Betrag und Phase – insbesondere mittels einer Fourieranalyse – auszuwerten. Die Information über die Lage und Größe einer Unwucht ist erkanntermaßen in der Phase des Wuchtsignals bzw. in der Amplitude desselben enthalten. Mittels Fourieranalyse können hierbei die Grundschwingung sowie die Oberschwingungen des Wuchtsignals ausgewertet werden und somit Lage und Größe einer oder gegebenenfalls auch mehrerer Unwuchten präzise bestimmt werden. Aus diesen Informationen werden von der Steuer- und Auswerteeinheit nachfolgend eine Position und eine Masse eines Wuchtgewichts (bei mehreren Unwuchten auch mehrerer Wuchtgewichte) zum Ausgleich der Unwucht („Auswuchten”) abgeleitet und (bspw. über einen Bildschirm) an das Bedienpersonal des Computertomographen ausgegeben.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Wuchtsignal – aufgrund der Drehfrequenz des Drehkranzes von bis zu 4 Hz, insbesondere von 0,5 bis 2 Hz – regelmäßig ebenfalls niederfrequent ist. Insbesondere stimmt die Grundfrequenz des Wuchtsignals mit der Drehfrequenz des Drehkranzes überein. Bei einem Audiointerface handelt es sich erkanntermaßen um ein Bauteil, das einerseits ohnehin zur Verarbeitung derart niederfrequenter Signale eingerichtet und vorgesehen ist, und das andererseits aufgrund seiner meist großserienmäßigen Herstellung (für Audioanwendungen bei nahezu allen kommerziell erhältlichen PC's) einfach zu beschaffen und im Vergleich zu speziell an die Wuchtsensoren angepassten Signalschnittstellen besonders kostengünstig ist. Die Verwendung des Audiointerfaces ermöglicht somit eine kostengünstige und einfache Auswuchtung des Drehkranzes des Computertomographen.
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In bevorzugter Ausführung handelt es sich bei Wuchtsensor um einen Beschleunigungssensor oder um einen Kraftsensor. Der Beschleunigungssensor ist dabei beispielsweise als piezo-elektrischer Beschleunigungssensor oder als Mikro-Elektro-Mechanisches System (sogenanntes MEMS, insbesondere nach kapazitivem Messprinzip arbeitend) ausgeführt. Der Kraftsensor ist beispielsweise als Dehnungsmessstreifen ausgeführt, der anhand einer Verformung des Trägers, auf dem er montiert ist, die durch die Unwucht hervorgerufene Kraft ermittelt. Insbesondere der Beschleunigungssensor gibt nur bei Vorhandensein einer Unwucht (und bei Rotation des Drehkranzes) ein Messsignal aus, das in seiner Grundfrequenz der Drehfrequenz des Drehkranzes entspricht.
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Um den Drehkranz auf einfache Weise in zwei Ebenen (beispielsweise radial und axial zur isozentrischen Achse) auswuchten zu können, umfasst der Computertomograph zwei Wuchtsensoren. Diese Wuchtsensoren sind insbesondere dazu eingerichtet, eine Beschleunigung (oder eine Kraft) jeweils in lediglich einer Richtung zu erfassen. Somit ist von den beiden Wuchtsensoren jeweils einer zur Bestimmung der Unwucht in einer separaten Ebene eingerichtet und vorgesehen. Um die jeweiligen Wuchtsignale der beiden Wuchtsensoren getrennt voneinander an die Steuer- und Auswerteeinheit übergeben zu können, weist das Audiointerface zweckmäßigerweise zwei (Signal-)Eingangskanäle auf. Ein jeder der beiden Wuchtsensoren ist dabei auf jeweils einen der beiden Eingangskanäle des Audiointerfaces aufgeschaltet. Die beiden Eingangskanäle können dabei – je nach Ausführung des Audiointerfaces – auf einen gemeinsamen Signal-Anschluss zur Erfassung eines Stereo-Audiosignals (als „Stereo-Anschluss” oder „Live-In” bezeichnet) zusammengeführt sein. Alternativ ist jeder der Eingangskanäle mit einem separaten Signal-Anschluss ausgestattet.
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Desweiteren umfasst der Computertomograph einen Lagesensor zur Erfassung einer Messgröße („Lage-Messgröße”), die für die rotatorische Lage des Drehkranzes charakteristisch ist. Charakteristisch bedeutet hier und im Folgenden, dass die Lage-Messgröße eine quantitative Information über die Lage des Drehkranzes beinhaltet, so dass sich dessen Lage eindeutig aus der Lage-Messgröße ablesen lässt. Die Lage-Messgröße kann hierbei im Rahmen der Erfindung die Lage bspw. in Form eines Dreh-Winkels des Drehkranzes unmittelbar angeben. Durch die Erfassung der Lage-Messgröße kann auf einfache Weise die Phase des Wuchtsignals mit der tatsächlichen Lage des Drehkranzes verknüpft (d. h. in einen definierten Zusammenhang gesetzt) werden. Der Phase des Wuchtsignals wird also die tatsächliche (rotatorische) Lage des Drehkranzes zugeordnet, womit wiederum die tatsächliche (physische) Lage der gegebenenfalls vorhandenen Unwucht auf dem Drehkranz werden kann. Der Lagesensor ist beispielsweise in einen Drehkranzantrieb, der eine Antriebskraft für die Rotation des Drehkranzes erzeugt, integriert. Alternativ ist der Lagesensor als separater Sensor, beispielsweise als Hallsensor oder optischer Sensor ausgeführt.
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In einer Variante ist die Lage-Messgröße (enthalten in einem Lagesignal) über einen dritten Eingangskanal des Audiointerfaces auf die Steuer- und Auswerteeinheit geführt. Mit anderen Worten ist das Audiointerface dem Lagesensor und der Steuer- und Auswerteeinheit zwischengeschaltet. Dadurch, dass das Lagesignal ebenfalls über das Audiointerface auf die Steuer- und Auswerteeinheit aufgeschaltet ist, wird auf einfache Weise eine gemeinsame (insbesondere synchrone) Verarbeitung des Lagesignals sowie des Wuchtsignals (bzw. gegebenenfalls beider Wuchtsignale) ermöglicht.
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Erfindungsgemäß weist der Computertomograph ein zweites Audiointerface auf, wobei das Lagesignal über einen Eingangskanal des zweiten Audiointerfaces auf die Steuer- und Auswerteinheit geführt ist. Dies ist insbesondere für den Fall zweckmäßig, dass das erste sowie das zweite Audiointerface nur mit jeweils zwei Eingangskanälen (insbesondere mit nur einem Stereo-Eingang) ausgestattet sind. Derart ausgestattete (Stereo-)Audiointerfaces sind dabei häufig kostengünstiger als ein mit mehr als zwei Eingangskanälen ausgestattetes Audiointerface.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit kann im Rahmen der Erfindung als nicht-programmierbare elektronische Schaltung ausgebildet sein und hierbei beispielsweise in eine Steuerung des Computertomographen integriert sein. Vorzugsweise ist die Steuer- und Auswerteeinheit allerdings durch einen Rechner (Computer) – bevorzugt durch einen Personal Computer (PC), insbesondere einen Industrie-PC – gebildet, in dem die Funktionalität zur Auswertung des Wuchtsignals (bzw. der Wuchtsignale sowie des Lagesignals) in Form eines Softwaremoduls implementiert ist. Das Audiointerface kann im Rahmen der Erfindung dabei als externes (d. h. von dem Computer separates) Audiointerface an den Rechner angeschlossen sein. Bei dem Audiointerface handelt es sich allerdings um eine in den PC integrierte Soundkarte (eine „Onboard-Soundkarte” oder eine „dezidierte Soundkarte”). PC's sind regelmäßig ohnehin mit einer Soundkarte ausgestattet, so dass diese erfindungsgemäß besonders kostengünstig zur Erfassung des oder jeden Wuchtsignals sowie gegebenenfalls des Lagesignals verwendet werden kann.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
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1 ein alternatives Ausführungsbeispiel und 2 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Computertomographen mit einem Halterahmen, einem Drehkranz, zwei Wuchtsensoren zur Bestimmung einer Unwucht des Drehkranzes sowie mit einer Steuer- und Auswerteeinheit für die Wuchtsensoren.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Computertomograph 1 dargestellt. Der Computertomograph 1 umfasst einen Halterahmen 2 sowie einen Drehkranz 3. An dem Drehkranz 3 sind eine Röntgenstrahlenquelle (Röntgenquelle 4) und ein Röntgenstrahlendetektor (Detektor 5) gehaltert. Der Drehkranz 3 ist um eine Drehachse (auch als isozentrische Achse, kurz Iso-Achse 6 bezeichnet) in einer Rotationsrichtung R rotierbar an dem Halterahmen 2 gelagert. Zum Antrieb des Drehkranzes 3 umfasst der Computertomograph 1 einen schematisch dargestellten Drehkranzantrieb 7.
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Zur Steuerung des Drehkranzantriebs 7, der von der Röntgenquelle 4 ausgehenden Röntgenstrahlungsleistung sowie zur Auswertung der mittels des Detektors 5 empfangenen Strahlungsintensität umfasst der Computertomograph 1 eine Steuerung, die in Form einer Recheneinheit, konkret in Form eines (Industrie-)Personal Computers (kurz: PC 10) ausgebildet ist.
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Im Rahmen der Erfassung eines Tomographiebildes (einer röntgentomographischen Aufnahme) rotiert der Drehkranz 3 um die Iso-Achse 6, wobei die Röntgenquelle 4 Röntgenstrahlung auf ein auf der Iso-Achse 6 angeordnetes Messobjekt (einen Patienten) abstrahlt. Mittels des Detektors 5 werden dabei fortlaufend Intensitätsprofile der durch das Messobjekt abgeschwächten Röntgenstrahlung ermittelt. Aus diesen Intensitätsprofilen wird anschließend das Tomographiebild berechnet. Aufgrund von Fertigungsungenauigkeiten kann der Drehkranz 3 eine oder mehrere Unwuchten, d. h. eine unsymmetrisch um die Iso-Achse 6 verteilte Masse und/oder eine Unrundheit aufweisen, die bei Rotation des Drehkranzes 3 zu unerwünschten Bewegungen des Drehkranzes 3 und gegebenenfalls des Halterahmens 2 führen. Diese unwuchtbedingten Bewegungen können dabei senkrecht oder axial zur Iso-Achse 6 gerichtet sein. Die Unwuchten können mithilfe von Wuchtgewichten, die meist an einer der Unwucht diametral gegenüberliegenden Position angeordnet werden, ausgeglichen („ausgewuchtet”) werden.
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Zur Auswuchtung umfasst der Computertomograph 1 einen ersten Wuchtsensor 20 und einen zweiten Wuchtsensor 22, die als Beschleunigungssensoren ausgebildet sind und somit bereits geringe Lageänderungen des Drehkranzes 3 und gegebenenfalls des Halterahmens 2 detektieren können. Der erste Wuchsensor 20 gibt dabei ein erstes (elektrisches) Wuchtsignal W1 und der zweite Wuchtsensor ein zweites (elektrisches) Wuchtsignal W2 aus. Bei einer Unwucht des Drehkranzes 3 weist das jeweilige Wuchtsignal W1 bzw. W2 einen zyklischen Verlauf mit einer Grundfrequenz auf, die der Rotations-(oder Dreh-)Frequenz des Drehkranzes 3 entspricht. Konkret handelt es sich bei den Wuchtsignalen W1 und W2 – aufgrund der Drehfrequenz des Drehkranzes 3 von 0,5 bis 4 Hz – jeweils um niederfrequente Wechselspannungen. Die Information über die Lage und Größe einer Unwucht ist dabei in der Amplitude und der Phase des jeweiligen Wuchtsignals W1 bzw. W2 (konkret in der Grundschwingung und ggf. deren Oberschwingungen) enthalten. Die Wuchtsignale W1 und W2 sind also mit niederfrequenten Audiosignalen (bestehend aus einer Grundschwingung und mehreren Oberschwingungen) vergleichbar. Die Wuchtsignale W1 und W2 sind zur Auswertung über ein Audiointerface 30, das (als Soundkarte) in den PC 10 integriert ist, auf den PC 10 aufgeschaltet. Die Funktionalität der Auswertung der Wuchtsignale W1 und W2 ist dabei in einem auf dem PC 10 installierten Softwaremodul 34 implementiert, dem die Wuchtsignale W1 und W2 zugeführt werden. Der PC 10 dient somit als Steuer- und Auswerteeinheit für die Wuchtsignale W1 und W2. Das erste Wuchtsignal W1 ist dabei auf einen ersten analogen Eingangskanal 40 und das zweite Wuchtsignal W2 auf einen zweiten analogen Eingangskanal 42 des Audiointerfaces 30 aufgeschaltet.
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Im Rahmen der Erfindung sind der erste und der zweite Eingangskanal 40 bzw. 42 in einem gemeinsamen Signal-Anschluss („Line-In”) zusammengefasst (nicht näher dargestellt).
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Um die Phase der Wuchtsignale W1 bzw. W2 mit der tatsächlichen Position (d. h. der tangential zur Iso-Achse 6 angeordneten Position) auf dem Drehkranz 3 abgleichen zu können, ist in dem Drehkranzantrieb 7 ein Lagesensor integriert (nicht näher dargestellt). Mittels des Lagesensors wird eine Lage-Messgröße erfasst, die für die Drehstellung des Drehkranzes 3 charakteristisch ist. Diese Lage-Messgröße wird über ein Lagesignal L auf einen dritten analogen Eingangskanal 44 des Audiointerfaces 30 aufgeschaltet und von dem Audiointerface 30 an das Softwaremodul 34 übergeben. Letzteres ermittelt nunmehr (im Rahmen eines Auswuchtmodus) anhand der Wuchtsignale W1 und W2 (mittels Fourieranalyse), sowie anhand des Lagesignals L die Position und Größe der oder jeder Unwucht des Drehkranzes 3. Über einen Bildschirm 50 des PC's 10 gibt das Softwaremodul 34 anschließend Informationen aus, an welcher Stelle des Drehkranzes 3 ein Wuchtgewicht mit welcher Masse anzubringen ist.
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Gemäß 2 umfasst der PC 10 ein zweites Audiointerface 52. Beide Audiointerfaces 30 bzw. 52 sind dabei gleichartig und mit jeweils nur zwei Eingangskanälen 40 und 42 bzw. 54 und 56 ausgeführt. Die Wuchtsignale W1 und W2 sind dabei über die Eingangskanäle 40 und 42 des Audiointerfaces 30 und das Lagesignal L über den Eingangskanal 54 des zweiten Audiointerfaces 52 auf den PC 10 und damit auf das Softwaremodul 34 geführt.
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Des Weiteren ist der Lagesensor gemäß 2 nicht in den Drehkranzantrieb 7 integriert sondern als separater Sensor (Hallsensor 58) ausgeführt.
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Der Gegenstand der Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung von dem Fachmann aus der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
