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Die Erfindung bezieht sich auf einen Computertomographen, insbesondere zum Einsatz in der medizinischen Bildgebung.
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Ein medizintechnischer Computertomograph umfasst üblicherweise ein stehendes (d.h. ortsfest montiertes oder translatorisch horizontal verschiebbares, jedenfalls aber nicht rotierbares) Gehäuse, in dem ein Drehkranz um eine Drehachse rotierbar gelagert ist. In dem – auch als „Gantry“ bezeichneten Drehkranz sind üblicherweise in Gegenüberstellung zueinander eine Röntgenquelle und ein Röntgendetektor angeordnet, so dass von einem in einem Tunnel des Drehkranzes eingeschobenen Patienten unter Rotation des Drehkranzes aus unterschiedlichen Richtungen Röntgenprojektionsbilder aufgenommen werden können.
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Bei herkömmlichen Computertomographen ist der Drehkranz üblicherweise über mechanische Wälzlager in dem Gehäuse gelagert und über einen – meist in dem Gehäuse angeordneten – Elektromotor drehangetrieben. Die erforderliche elektrische Leistung zum Betrieb der Röntgenquelle und des Röntgendetektors sowie weiterer Peripheriebauteile im Drehkranz (Kühlung, Steuereinheiten, etc.) wird dem Drehkranz üblicherweise über Schleifringe zugeführt, die in einem zwischen dem Drehkranz und dem Gehäuse angeordneten Ringspalt angeordnet sind. Auch die Datenübertragung zwischen dem Gehäuse und dem Drehkranz erfolgt üblicherweise über Schleifringe. Ferner umfasst ein herkömmlicher Computertomograph regelmäßig einen Lagesensor zur Erfassung der Drehstellung des Drehkranzes relativ zu dem Gehäuse, wobei dieser Lagesensor wahlweise auf einem mechanischen, elektrischen oder optischen Messprinzip beruhen kann, sowie ein Auswuchtsystem zum Ausgleichen von Unwuchten des Drehkranzes, wobei das Unwuchtsystem regelmäßig eine Sensorik zur Unwuchterkennung, eine Logik sowie Mittel zum Gewichtsausgleich umfasst.
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Insbesondere aufgrund der Vielfalt der – vorstehend aufgezählten – Funktionsgruppen ist die Herstellung des Rotationssystems für einen Computertomographen aufwändig und teuer. Zudem ist auch die Wartung eines Computertomographen aufwändig, zumal für alle vorstehend aufgezählten Funktionsgruppen Ersatzteile vorgehalten werden müssen und verschiedenartiges, spezielles Fachwissen zur Wartung dieser unterschiedlichen Funktionsgruppen erforderlich ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung und Wartung eines Computertomographen zu vereinfachen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße Computertomograph umfasst in an sich herkömmlicher Weise ein stehendes Gehäuse sowie einen Drehkranz, der darin um eine Drehachse rotierbar ist. Der Computertomograph umfasst weiterhin eine Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem zwischen dem Gehäuse und dem Drehkranz angeordneten Ringspalt. Die Felderzeugungseinrichtung ist hierbei derart eingerichtet, dass das von ihr erzeugte Magnetfeld einerseits eine magnetischen Lagerung des Drehkranzes in dem Gehäuse bewirkt, und andererseits zum Drehantrieb des Drehkranzes nutzbar ist.
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Erfindungsgemäß werden somit die Richtung und Stärke des Magnetfeldes genutzt zum Aufbau von Kräften zwischen dem rotierenden und stationären Teil des Computertomographen, also dem Drehkranz bzw. dem Gehäuse, um die Lagerung und den Drehantrieb des Drehkranzes zu realisieren. Radiale (also senkrecht zur Drehachse und zum Außenumfang des Drehkranzes gerichtete Kräfte) werden hierbei zur Lagerung des Drehkranzes genutzt. Für den Drehantrieb werden mittels des Magnetfeldes Tangentialkräfte zwischen dem Drehkranz und dem Gehäuse erzeugt. Die Zur Lagerung und zum Drehantrieb erforderlichen Kräfte werden im Rahmen der Erfindung wahlweise durch Reluktanzänderung (also Änderung des magnetischen Widerstandes, insbesondere durch Verkleinern von Luftspalten in einem oder mehreren Magnetkreisen) oder durch Nutzung des Lorentz-Effekts (also der auf einen stromdurchflossenen Leiter in einem Magnetfeld wirkende Kraft) erzeugt.
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Die Idee, sowohl die Lagerung als auch den Drehantrieb des Drehkranzes auf demselben pyhsikalischen Wirkprinzip, nämlich der magnetischen Wechselwirkung zwischen dem Gehäuse und dem Drehkranz basierend zu realisieren, ermöglicht eine wesentliche Vereinfachung des Rotationssystems bei einem Computertomographen. Insbesondere entfallen die bei einem herkömmlichen Computertomographen üblicherweise zur Lagerung und zum Drehantrieb eingesetzten mechanischen Komponenten, nämlich die üblicherweise eingesetzten Wälzlager und der üblicherweise eingesetzte Elektromotor. Vielmehr können beide Funktionen – Lagerung und Drehantrieb – durch dieselben oder zumindest gleichartige Bauteile realisiert werden, was sowohl einer rationellen Herstellung des Computertomographen als auch einer einfachen Wartung entgegen kommt.
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Ein besonderer Vorteil der magnetischen Lagerung und des magnetischen Drehantriebs liegt hierbei darin, dass die zur Magnetfelderzeugung eingesetzte Felderzeugungseinrichtung keine sich bewegenden Teile aufweist. Hierdurch ist ein besonders geräuscharmer und robuster (d.h. fehlerunanfälliger) Betrieb des Computertomographen möglich.
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In vorteilhaften Weiterentwicklungen der Erfindung werden das im Ringspalt zwischen dem Drehkranz und dem Gehäuse erzeugte Magnetfeld nicht nur zur Lagerung und zum Drehantrieb des Drehkranzes genutzt. Vielmehr wird darüber hinaus durch die Felderzeugungseinrichtung die magnetische Kopplung zwischen dem Gehäuse und dem Drehkranz auch zur Übertragung von Leistung (d.h. Energie pro Zeit) an den Drehkranz und/oder zur monolateralen oder bilateralen Datenübertragung zwischen dem Gehäuse und dem Drehkranz (insbesondere zur Übertragung von Steuerdaten von dem Gehäuse zum Drehkranz und/oder zur Übertragung von Messdaten von dem Drehkranz an das Gehäuse) genutzt. Hierzu entfallen ganz oder teilweise die bei einem herkömmlichen Computertomographen zur Leistungs- und Datenübertragung üblicherweise eingesetzten Schleifringe, so dass eine weitere Vereinfachung der Herstellung und Wartung des Computertomographen ermöglicht wird.
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Zur Übertragung von Leistung und Daten wird vorzugsweise mittels der Felderzeugungseinrichtung die Stärke des Magnetfeldes im Ringspalt zwischen dem Drehkranz und dem Gehäuse zeitlich variiert. Insbesondere wird durch die Felderzeugungseinrichtung in dem Ringspalt ein magnetisches Wechselfeld erzeugt. Die Leistungs- und Datenübertragung beruht hierbei auf dem pyhsikalischen Effekt der magnetischen Induktion, also dem Transformatorprinzip. Zur Leistungs- und Datenübertragung werden hierbei durch die Felderzeugungseinrichtung insbesondere hochfrequente Wechselsignale (mittels Amplitudenmodulation, Phasenmodulation und/oder Frequenzmodulation) auf das zur Lagerung und Drehantrieb vorgesehene magnetische Grundfeld aufmoduliert. Als hochfrequent werden hierbei magnetische Wechselsignale bezeichnet, deren Frequenz groß (insbesondere um mindestens das Zehnfache größer) gegenüber der Umlauffrequenz des Drehkranzes sind, so dass die Lagerung und der Drehantrieb durch die Leistungs- und Datenübertragung nicht gestört werden. Für die Datenübertragung von dem Drehkranz auf das Gehäuse wird insbesondere die Leistungsaufnahme des Drehkranzes mittels der Felderzeugungseinrichtung variiert. Die variierende Leistungsaufnahme des Drehkranzes wird hierbei mittels eines stationären Teils der Felderzeugungseinrichtung als Datensignal detektiert.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung wird auch zur Auswuchtung des Drehkranzes das im Ringspalt zwischen dem Gehäuse und dem Drehkranz erzeugte Magnetfeld genutzt. Hierbei wird durch die Felderzeugungseinrichtung die Stärke des Magnetfelds, insbesondere die radiale Komponente dieses Magnetfeldes dynamisch (zweckmäßigerweise mit der Umlauffrequenz des Drehkranzes) variiert, so dass unwuchtbedingte Radialkräfte auf dem rotierenden Drehkranz kompensiert werden. Vorzugsweise werden die gegebenenfalls vorhandenen Unwuchten auch über die magnetische Kopplung zwischen dem Gehäuse und dem Drehkranz erfasst. Insbesondere ist die Felderzeugungseinrichtung hierbei dazu eingerichtet, zur Erkennung von Unwuchten die sogenannte gegenelektromotorische Kraft (Back Electro-Motive Force – BEMF) zu messen und auszuwerten, die von dem rotierenden Drehkranz im stationären Teil der Felderzeugungseinrichtung erzeugt wird.
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In einer weiteren Weiterentwicklung der Erfindung wird schließlich auch zur Erfassung der Drehstellung des Drehkranzes auf die magnetische Kopplung zwischen dem Gehäuse und dem Drehkranz zurückgegriffen. Hierzu umfasst der Computertomograph vorzugsweise einem magnetischen Lagesensor, zum Beispiel in Form eines Hall-Sensors. Alternativ zu einem Hall-Sensor kann auch ein Wirbelstromsensor oder ein magnetoresistiver Sensor als Lagesensor eingesetzt werden.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante des Computertomographen beruhen dabei alle Wechselwirkungen zwischen dem Drehkranz und dem Gehäuse (nämlich insbesondere Lagerung, Drehantrieb, Leistungs- und Datenübertragung, Auswuchtung und Drehstellungsdetektion) auf dem in dem Ringspalt erzeugten Magnetfeld. Es werden somit alle Funktionen, die die Wechselwirkungen zwischen dem Gehäuse und dem Drehkranz betreffen, auf pyhsikalischer Basis zusammengelegt. Weiterhin werden insbesondere auch alle vorgenannten Funktionen von demselben Subsystem des Computertomographen, nämlich der Felderzeugungseinrichtung, bereitgestellt. Hierdurch ergibt sich eine wesentliche Vereinfachung in der Hardware-Produktion, Logistik und der Wartung eines Computertomographen.
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In bevorzugter Ausführung umfasst die Felderzeugungseinrichtung mehrere elektromagnetische Einzelsegmente, die jeweils aus einem Magnetkern und einer darauf aufgewickelten Magnetspule gebildet sind. Diese Einzelsegmente sind hierbei zweckmäßigerweise über den Innenumfang des Gehäuses und/oder über den Außenumfang des Drehkranzes verteilt angeordnet.
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Der Magnetkern hat hierbei insbesondere eine Hufeisen- oder U-Form, wobei die Freienden der Schenkel der Hufeisen- bzw. U-Form jeweils auf den Ringspalt ausgerichtet sind.
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Vorzugsweise sind in Gegenüberstellung zueinander sowohl am Gehäuse als auch am Drehkranz elektromagnetische Einzelsegmente der Felderzeugungseinrichtung angeordnet. Um bei einem auf einer Reluktanzänderung beruhenden Drehantrieb des Computertomographen Totpunkte (also Drehstellungen des Drehkranzes, in denen letzterer durch das Magnetfeld allein nicht in Rotation versetzt werden könnte) zu vermeiden, sind in einer zweckmäßigen Variante der Erfindung die Einzelsegmente an dem Gehäuse bzw. dem Drehkranz derart angeordnet, dass in jeder Drehstellung des Drehkranzes mindestens ein Einzelsegment des Drehkranzes mit Umfangsversatz (also Versatz in Tangential- oder Umfangsrichtung) zu allen Einzelsegmenten des Gehäuses angeordnet ist. Mit anderen Worten sind die Einzelsegmente an dem Gehäuse bzw. dem Drehkranz derart angeordnet, dass in jeder Drehstellung des Drehkranzes mindestens ein Einzelsegment des Drehkranzes nicht radial mit einem der an dem Gehäuse angeordneten Einzelsegmente fluchtet.
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Diese Ausgestaltung wird im Rahmen der Erfindung insbesondere dadurch erzielt, dass an dem Gehäuse bzw. an dem Drehkranz unterschiedlich viele Einzelsegmente angeordnet sind. Insbesondere trägt hierbei das Gehäuse mehr Einzelsegmente (z.B. zwei Einzelsegmente mehr) als der Drehkranz. Alternativ hierzu sind die Einzelsegmente an einem der beiden Bestandteile des Computertomographen (zum Beispiel dem Gehäuse) symmetrisch (mit gleichen Winkelabständen) verteilt, während an dem jeweils anderen Teil des Computertomographen (beispielsweise dem Drehkranz) die Einzelsegmente ungleichmäßig über den Umfang verteilt sind.
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In einer weiteren Ausgestaltung sind die Einzelsegmente derart über den Innenumfang des Gehäuses und/oder über den Außenumfang des Drehkranzes verteilt, dass die Felderzeugungseinrichtung (bei unbewegtem Drehkranz) bezüglich einer Drehung um die Drehachse eine N-zählige Drehysymmetrie (mit N = 2, 3, ...) aufweist. Mit anderen Worten ist die Felderzeugungseinrichtung derart ausgestaltet, dass sie bezüglich einer Drehung um 360°/N (also um 180° bei N = 2, 120° bei N = 3, ...) exakt auf sich selbst abgebildet wird. Die drehsymmetrische Ausbildung der Felderzeugungseinrichtung (oder zumindest die drehsymmetrische Ausbildung des stationären Teils oder des rotierenden Teils der Felderzeugungseinrichtung) hat hierbei den Vorteil, dass dynamische Änderungen der Magnetfeldstärke (sei es zum Zweck des Drehantriebs, der Leistungsübertragung oder der Datenübertragung) einfach in drehsymmetrischer Weise erzeugt werden (können und bevorzugt auch erzeugt werden), so dass durch die Feldänderungen die in Summe auf den Drehkranz wirkenden Radialkräfte nicht verändert werden.
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In einer zweckmäßigen Ausgestaltung umfasst die Felderzeugungseinrichtung, insbesondere zusätzlich zu einer Mehrzahl von elektromagnetischen Einzelsegmenten der vorstehend beschriebenen Art, einen oder mehrere Permanentmagnete. Der oder jeder Permanentmagnet ist hierbei vorzugsweise derart ausgerichtet, dass er eine zwischen dem Drehkranz und dem Gehäuse wirkende Radialkraft erzeugt und somit die Lagerung des Drehkranzes bewirkt oder zumindest unterstützt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind hierbei ein oder mehrere Permanentmagnete derart an dem Gehäuse angeordnet, dass sie die auf den Drehkranz wirkende Schwerkraft durch eine nach oben gerichtete Summenkraft ganz oder zumindest teilweise ausgleichen.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 In einem grob schematisch vereinfacht dargestellten Querschnitt einen Computertomographen mit einem Gehäuse, einem darin um eine Drehachse rotierbaren Drehkranz und einer Felderzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem Ringspalt zwischen dem Gehäuse und dem Drehkranz,
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2 in schematischer, nämlich zu einer Gerade aufgebogener Darstellung das Gehäuse und den Drehkranz des Computertomographen,
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3 in Darstellung gemäß 1 eine Ausführungsform des Computertomographen, bei der die Felderzeugungseinrichtung unterschiedliche Funktionseinheiten für die Lagerung, den Drehantrieb, die Leistungsübertragung, die Datenübertragung und die Drehstellungserfassung aufweist,
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4–6 in einem schematischen Querschnitt entlang der Drehachse verschiedene Anordnungen der Felderzeugungseinrichtung.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in 1 dargestellte Computertomograph 1 weist ein stehendes Gehäuse 2 sowie einen Drehkranz 3 auf. Der Drehkranz 3 ist hierbei in dem Gehäuse 2 um eine (auch als isozentrische Achse bezeichnete) Drehachse 4 rotierbar gelagert. Zwischen dem Gehäuse 2 und Drehkranz 3 ist ein ringförmiger Lagerspalt (nachfolgend als Ringspalt 5 bezeichnet) gebildet.
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Der Computertomograph 1 umfasst weiterhin eine Felderzeugungseinheit 6. Die Felderzeugungseinheit 6 dient hierbei zur Erzeugung eines Magnetfeldes M in dem Ringspalt 5. Das Magnetfeld M bewirkt einerseits eine magnetische Lagerung des Drehkranzes 3 in dem Gehäuse 2, indem es Radialkräfte zwischen dem Gehäuse 2 und dem Drehkranz 3 erzeugt, unter Wirkung derer der Drehkranz 3 zur Drehachse 4 ausgerichtet wird.
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Das Magnetfeld M dient des Weiteren auch zum Drehantrieb des Drehkranzes 3. Das Magnetfeld M wird hierbei durch die Felderzeugungseinheit 6 derart erzeugt, dass Tangentialkräfte zwischen dem Gehäuse 2 und dem Drehkranz 3 erzeugt werden, unter deren Wirkung der Drehkranz 3 in Rotation versetzt wird. Für den Drehantrieb wird einem zur Lagerung dienenden, radial ausgerichteten magnetischen Grundfeld ein magnetisches Drehfeld überlagert, das mit der gewünschten Drehfrequenz um die Drehachse 4 rotiert. Dieses Drehfeld wird hierbei mit einer mindestens zweizähligen, vorzugsweise drei- oder vierzähligen Drehsymmetrie erzeugt, so dass sich radiale Anteile der durch das Drehfeld erzeugten Kraft gegenseitig aufheben.
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Weiterhin wird das Magnetfeld M auch zur berührungslosen Übertragung von Leistung von dem Gehäuse 2 an den Drehkranz 3 genutzt. Hierbei wird dem zur Lagerung dienenden Grundfeld und dem gegebenenfalls darauf zum Drehantrieb des Drehkranzes 3 aufgebrachten Drehfeld gehäuseseitig ein hochfrequentes Wechselfeld ausmoduliert. Ein gehäuseseitiger, stationärer Teil 7 der Felderzeugungseinheit 6 und ein an dem Drehkranz 3 angeordneter, rotierender Teil 8 der Felderzeugungseinheit 6 wirken hierbei nach Art eines Transformators zusammen. Die gehäuseseitig in das Magnetfeld M eingespeiste Leistung wird somit durch Induktion seitens des Drehkranzes 3 mittels des rotierenden Teils 8 der Felderzeugungseinheit 6 aufgenommen. Das zur Leistungsübertragung auf das Magnetfeld M aufmodulierte Wechselsignal wird vorzugsweise mit einer Frequenz erzeugt, die die Nenn-Umlauffrequenz des Drehkranzes um einen Faktor 10–100 übersteigt, um eine Störung des Rundlaufes des Drehkranzes 3 durch die Leistungsübertragung aufgrund von Resonanzeffekten auszuschließen. Ebenfalls, um den Rundlauf des Drehkranzes 3 nicht zu stören, wird der zur Leistungsübertragung genutzte Wechselanteil des Magnetfeldes M vorzugsweise in rotatiossymmetrischer Form, d.h. mit in Umfangsrichtung des Ringspalts 5 konstanter Amplitude und Phasenlage erzeugt.
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Überdies wird das Magnetfeld M auch zur bilateralen Datenübertragung zwischen dem Gehäuse 2 und dem Drehkranz 3, nämlich zur Übertragung von Steuerdaten von dem Gehäuse 2 an den Drehkranz 3 sowie zur Übertragung von Zustands- und Messdaten von dem Drehkranz 3 an das Gehäuse 2 genutzt. Hierzu wird dem Magnetfeld M durch die Felderzeugungseinheit 6 ein weiteres, hochfrequentes Wechselsignal aufmoduliert. Um dieses Datensignal von dem vorstehend beschriebenen Leistungssignal trennen zu können, wird dieses Datensignal vorzugsweise mit einer Frequenz erzeugt, die die Frequenz des Leistungssignals nochmals um mindestens einen Faktor 10 übersteigt, und somit insbesondere etwa das Hundert- bis Tausendfache der Nenn-Umlauffrequenz des Drehkranzes 3 entspricht. Die Datenübertragung von dem Gehäuse 2 an den Drehkranz 3 erfolgt hierbei durch aktive Einspeisung von Leistung in das Magnetfeld M. Für die Datenübertragung in Gegenrichtung, also von dem Drehkranz 3 auf das Gehäuse 2 wird dagegen vorzugsweise die Leistungsaufnahme des Drehkranzes variiert. Das von dem Drehkranz 3 gesendete Datensignal wird somit passiv durch variierenden Leistungsentzug aus dem Magnetfeld M erzeugt. Diese variierende Leistungsaufnahme wird durch den stationären Teil der Felderzeugungseinheit 6 als Datensignal detektiert.
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Die bilaterale Datenübertragung kann nach einem Zeit-Multiplex-Schema organisiert sein, indem die Übertragungsrichtung des Datensignals in vorgegebenen Zeitschlitzen alterniert wird. Alternativ hierzu sind für die an den Drehkranz 3 gerichteten Steuerdaten und die an das Gehäuse 2 gerichteten Zustands- und Messdaten verschiedene Frequenzbereiche vorgesehen. Letzteres ermöglicht eine simultane bilaterale Datenübertragung zwischen dem Gehäuse 2 und dem Drehkranz 3.
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Ferner wird das durch die Felderzeugungseinrichtung 6 im Ringspalt 5 erzeugte Magnetfeld M auch zur Auswuchtung sowie zur Drehstellungsdetektion des Drehkranzes 3 herangezogen.
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Für die Auswuchtung wird zunächst mittels des stationären Teils 7 der Felderzeugungseinrichtung 6 die gegenelektromotorische Kraft, die von dem rotierenden Drehkranz 3 induziert wird, gemessen und auf Schwankungen untersucht, die periodisch mit der Umlauffrequenz des Drehkranzes 3 oder einem kleinen Vielfachen hiervon variieren. Werden solche Schwankungen detektiert, so erzeugen die Felderzeugseinrichtung 6 ein magnetisches Wuchtsignal, das dem im Ringspalt 5 herrschenden Magnetfeld M überlagert wird und die gemessene Schwankung der gegenelektromotorischen Kraft kompensiert. Das Wuchtsignal bewirkt hierbei eine Verlagerung des Drehkranzes 3 relativ zu der Drehachse 4, so dass der Drehkranz 3 nicht länger um seinen geometrischen Mittelpunkt, sondern um seinen – gegebenenfalls geringfügig von dem geometrischen Mittelpunkt abweichenden – Schwerpunkt rotiert wird, wodurch zuvor bestehende Unwuchten aufgehoben werden.
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Zur Detektion der Drehstellung wird mittels des stationären Teils 7 der Felderzeugungseinrichtung 6 wiederum die von dem Drehkranz 3 induzierte gegenelektromotorische Kraft gemessen. Die Umlauffrequenz des Drehkranzes 3 wird hierbei durch die Felderzeugungseinrichtung 6 insbesondere durch Auswertung der – durch die Geometrie des Drehkranzes 3 bedingten – Welligkeit der gegenelektromotorischen Kraft ermittelt.
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Somit beruhen bei dem Computertomographen 1 alle Funktionen, die die Wechselwirkungen zwischen dem Gehäuse 2 und dem Drehkranz 3 betreffen, nämlich die Lagerung, den Drehantrieb des Drehkranzes 3, die Leistungs- und Datenübertragung, die Auswuchtung und die Drehstellungsdetektion auf dem im Ringspalt 5 erzeugten Magnetfeld M. Alle vorstehend beschriebenen Funktionen werden hierbei durch ein einzelnes Subsystem des Computertomographen, nämlich die Felderzeugungseinrichtung 6 bereitgestellt.
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Die Felderzeugungseinrichtung 6 umfasst in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 eine Anzahl von elektromagnetischen Einzelsegmenten 10, die um den (den Ringspalt 5 außenseitig begrenzenden Innenumfang) des Gehäuses 2 herum angeordnet sind. Die Felderzeugungseinrichtung 6 umfasst weitere Einzelsegmente 11, die um den (den Ringspalt 5 innenseitig begrenzenden) Außenumfang des Drehkranzes 3 herum angeordnet sind.
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Die Einzelsegmente 10 und 11 sind qualitativ gleich ausgebildet. So umfasst jedes Einzelsegment 10 bzw. 11 einen Hufeisen- oder U-förmigen Magnetkern 12 sowie eine darauf aufgewickelte Magnetspule 13. Die Einzelsegmente 10 und 11 sind jeweils derart angeordnet, dass die freien Enden der Schenkel des jeweiligen Magnetkerns 12 dem Ringspalt 5 zugewandt sind. Die jeweiligen Magnetkerne 12 der Einzelsegmente 10 und 11 haben hierbei in Umfangsrichtung des Ringspaltes 5 exakt oder zumindest näherungsweise die gleiche Ausdehnung, so dass sich die Schenkelenden der Magnetkerne 12 zweier Einzelsegmente 10 und 11 bei entsprechender Drehstellung des Drehkranzes 3 fluchtend gegenüberstehen. In dieser Stellung bilden das jeweilige Einzelsegment 10 und das jeweilige Einzelsegment 11 einen, nur durch den Ringspalt 5 getrennten Magnetkreis, der zur Leistungs- und Datenübertragung als Transformator, und zum Drehantrieb des Drehkranzes 3 als Reluktanzmotor wirkt.
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Wie aus 1 zu erkennen ist, sind die Einzelsegmente 10 über den Innenumfang des Gehäuses 2 gleichverteilt, wohingegen die Verteilungsdichte der Einzelsegmente 11 (also der Winkelabstand zwischen zwei Einzelsegmenten 11) um den Außenumfang des Drehkranzes 3 periodisch variiert ist. Dieses Prinzip ist in der 2, in der das Gehäuse 2 und der Drehkranz 3 zu Veranschaulichungszwecken zu einer Gerade aufgebogen sind, noch besser zu erkennen.
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Durch die Ungleichverteilung der Einzelsegmente 11 über den Außenumfang des Drehkranzes 3 wird erreicht, dass in jeder Drehstellung des Drehkranzes 3 stets nur einige der Einzelsegmente 11 unmittelbar radial fluchtend zu einem der Einzelsegmente 10 angeordnet sind. Zwischen den übrigen Einzelsegmenten 11 und den nächstliegenden Einzelsegmenten 10 ist dagegen stets ein Versatz in Umfangsrichtung des Ringspaltes 5 gebildet. Hierdurch werden Totpunkte des Drehkranzes vermieden. Vielmehr kann der Drehkranz 3 aufgrund der Ungleichverteilung der Einzelsegmente 11 aus jeder Drehstellung allein durch magnetische Wechselwirkung mit den Einzelsegmenten 10 in Rotation versetzt werden.
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In der in den 1 und 2 dargestellten Ausführung entspricht die Anzahl der an dem Drehkranz 3 vorgesehenen Einzelsegmente 11 der Anzahl der am Gehäuse 2 vorgesehenen Einzelsegmente 10.
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In alternativer Ausführung unterschreitet – ebenfalls zur Vermeidung von Totpunkten – die Anzahl der an dem Drehkranz 3 vorgesehenen Einzelsegmente 11, die Anzahl der am Gehäuse 2 vorgesehenen Einzelsegmente 10 um zwei. Die Einzelsegmente 10 und 11 sind hierbei jeweils gleichverteilt und dem Umfang des Ringspalts angeordnet.
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Die Einzelsegmente 10 können einzeln und unabhängig voneinander an und ausgeschaltet werden. Hierdurch lässt sich nicht nur eine rotatorische Bewegung des Drehkranzes 3 sondern auch eine translatorische Bildbewegung des Drehkranzes 3 erzeugen.
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Wie aus 1 erkennbar ist, hat die Anordnung der Einzelsegmente 10 und 11 am Gehäuse 2 bzw. am Drehkranz 3 eine mehrzählige (hier exemplarisch vierzählige) Drehsymmetrie bezüglich einer Drehung um die Drehachse 4, was die Erzeugung von drehsymmetrischen Wechselanteilen des Magnetfeldes 4 vereinfacht.
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In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 und 2 umfasst die Felderzeugungsrichtung 6 zur Erzeugung des Magnetfeldes M ausschließlich die Einzelsegmente 10 und 11, wobei diese Einzelsegmente 10 und 11 entweder vollständig baugleich oder zumindest gleichartig gestaltet sind. Diese Einzelsegmente 10 und 11 werden hierbei auch unterschiedslos für die Bereitstellung aller vorstehend beschriebenen Funktionen (Lagerung, Drehantrieb, Leistungs- und Datenübertragung, Auswuchtung sowie Drehstellungsdetektion) herangezogen.
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Hierin unterscheidet sich die in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsform des Computertomographen von der Ausführungsform gemäß 3. Dort sind im Rahmen des stationären Teils 7 der Felderzeugungseinrichtung 6 verschiedene Funktionseinheiten 14a–14c für verschiedene der vorstehend beschriebenen Funktionen vorgesehen, nämlich
- – drei Funktionseinheiten 14a für die magnetische Lagerung des Drehkranzes 3,
- – drei Funktionseinheiten 14b für den Drehantrieb des Drehkranzes 3,
- – insgesamt zwanzig Funktionseinheiten 14c, die zur Übertragung von Leistung und Daten dienen. Optional können diese Funktionseinheiten 14c wiederum differenziert sein in Funktionseinheiten 14, die lediglich für die Leistungsübertragung dienen, und andere Funktionseinheiten 14c, die lediglich der Datenübertragung dienen.
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Die magnetische Auswuchtung kann hierbei wahlweise von den Funktionseinheiten 14a oder den Funktionseinheiten 14b übernommen werden.
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Bei den Funktionseinheiten 14a–14c handelt es sich vorzugsweise um elektromagnetische Einheiten mit einem Magnetkern und einer darauf gewickelten Magnetspule. Die Funktionseinheiten 14a–14c sind somit qualitativ gleich gestaltet. Hinsichtlich der konkreten Ausbildung, insbesondere hinsichtlich der Form und Größe des Magnetkerns sowie hinsichtlich der Leistung, für die die jeweilige Funktionseinheit 14a–14c ausgelegt ist, können die Funktionseinheiten 14a–14c allerdings erhebliche Unterschiede aufweisen. So sind insbesondere die Funktionseinheiten 14a und 14b zweckmäßigerweise auf wesentlich größere Leistung ausgelegt als die Funktionseinheiten 14c.
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Weiterhin umfasst der stationäre Teil 7 der Felderzeugungseinrichtung 6 im Ausführungsbeispiel gemäß 3 einen magnetischen Lagesensor 15 in Form eines Hall-Sensors, eines Wirbelstromsensors oder eines magnetoresistiven Sensors.
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Der rotierende Teil 8 der Felderzeugungseinrichtung 6 umfasst im Beispiel gemäß 3 verschiedene Funktionseinheiten 16a und 16b für die Leistungsaufnahme bzw. für die Datenübertragung, wobei auch die Funktionseinheiten 16a und 16b ähnlich zu den Einzelsegmenten 10, 11 und den Funktionseinheiten 14a–14c durch Elektromagnete gebildet sind. Des Weiteren ist an dem Drehkranz 3 mindestens ein magnetischer Marker 17 vorgesehen, der als Impulsgeber zur Übermittlung einer Drehstellungsinformation mit dem Lagesensor 15 zusammenwirkt.
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Anders als beim Ausführungsbeispiel gemäß 1 umfasst die Felderzeugungseinrichtung 6 im Ausführungsbeispiel gemäß 3 zusätzlich zu den elektromagnetischen Funktionseinheiten 14a–14c und 16a, 16b eine Anzahl von (hier zwei) Permanentmagneten 18, die die Lagerung des Drehkranzes 3 unterstützen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 3 sind die Permanentmagnete 8 ausschließlich im oberen Teil des Gehäuses 2, und somit über dem Drehkranz 3 angeordnet. Die Permanentmagnete 18 üben hierbei auf den Drehkranz 3 eine nach oben gerichtete, anziehende Summenkraft aus, die die auf den Drehkranz 3 wirkende Schwerkraft zumindest teilweise ausgleicht.
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Zumindest hinsichtlich der Anordnung der Funktionseinheiten 14a und 14b weist der stationäre Teil 7 der Felderzeugungseinrichtung 6 auch im Ausführungsbeispiel gemäß 3 eine – hier allerdings dreizählige – Drehsymmetrie auf. Die Funktionseinheiten 16a und 16b sind hingegen im Ausführungsbeispiel gemäß 3 exemplarisch nur an einer Seite des Drehkranzes angeordnet.
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In beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen des Computertomographen 1 weist die Felderzeugungseinrichtung 6 zusätzlich im stationären Teil 7 und im rotierenden Teil 8 jeweils mindestens eine (nicht näher dargestellte) Steuereinheit auf, die Steuerströme für die elektromagnetischen Einheiten des jeweiligen Teils 7 (also im Beispiel gemäß 1 die Einzelsegmente 10 bzw. 11, sowie im Beispiel gemäß 3 die Funktionseinheiten 14a–14c bzw. die Funktionseinheiten 16a und 16b) erzeugt. Hierbei kann jeweils eine einzige Steuereinheit am Gehäuse 2 sowie am Drehkranz 3 vorgesehen sein, die jeweils alle dort lokalisierten Funktionen implementiert. Im Rahmen der Erfindung können allerdings auch unterschiedliche Steuereinheiten für unterschiedliche Funktionen vorgesehen sein. So kann beispielsweise eine Steuereinheit für die Lagerung und gegebenenfalls Auswuchtung des Drehkranzes, eine andere Steuereinheit für den Drehantrieb, wiederum andere Steuereinheiten für die Leistungs- und Datenübertragung, etc. vorgesehen sein. Im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß 3 können die jeweiligen Steuereinheiten auch in den Funktionseinheiten 14a–14c bzw. in den Funktionseinheiten 16a und 16b integriert sein.
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Vorzugsweise umfasst die Felderzeugungseinrichtung 6 in ihrem stationären Teil 7 elektromagnetische Funktionseinheiten (im Ausführungsbeispiel gemäß 1 zum Beispiel die Einzelsegmente 10 und im Ausführungsbeispiel gemäß 3 beispielsweise die zur Lagerung des Drehkranzes 3 vorgesehenen Funktionseinheiten 14a) die gemäß 4 bis 6 in zwei axial voneinander beabstandeten ringförmigen Strukturen um die Drehachse 4 herum angeordnet sind, wobei der Drehkranz 3 entweder zwischen diesen ringförmigen Strukturen aufgenommen ist (4 und 5) oder diese Ringe axial außenseitig umgreift (6). Dies ermöglicht, dass durch die Felderzeugungseinrichtung 6 nicht nur unwuchtbedingte Radialkräfte kompensiert werden können, sondern dass auch Pendelbewegungen des Drehkranzes 3 ausgeglichen werden können. Insbesondere kann durch die beiden ringförmigen Strukturen der Felderzeugungseinrichtung 6 die geometrische Achse des Drehkranzes 3 zur besseren Auswuchtung geringfügig gegenüber der Drehachse 4 gekippt werden. In den Ausführungsbeispielen gemäß 4 und 6 werden durch die dargestellten Komponenten des stationären Teils 7 der Felderzeugungseinrichtung jeweils ausschließlich radial wirkende Kräfte zwischen dem Drehkranz 3 und dem Gehäuse 2 erzeugt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind die Komponenten der Felderzeugungseinrichtung 6 dagegen gegenüber der Drehachse 4 schräg gestellt, so dass auch axial wirkende Kraftkomponenten erzeugbar sind.
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Anhand der beschriebenen Ausführungsbeispiele wird die Erfindung besonders deutlich. Gleichwohl ist die Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele nicht beschränkt. Vielmehr können zahlreiche weitere Ausführungsformen aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden. Insbesondere können die anhand der Ausführungsbeispiele beschriebenen Einzelmerkmale der Erfindung auch in anderer Form beliebig miteinander kombiniert werden, ohne von der Erfindung abzuweichen. So können beispielsweise die in den Ausführungsbeispielen für den rotierenden Teil 8 der Felderzeugungseinrichtung 6 offenbarten Merkmale auch am stationären Teil 7 verwirklicht werden und umgekehrt.
