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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung und Verarbeitung von Messdaten, welche als Datenströme zwischen zwei relativ zueinander bewegter Teile übertragen werden, zumindest aufweisend: einen statischen Teil als Stator, einen im Stator gelagerten beweglichen Teil als Rotor oder Lineator, wobei im Rotor oder Lineator ein, vorzugsweise überwiegender, Anteil der Messdaten entsteht und mindestens eine berührungslose Datenübertragungsverbindung mit mindestens einer elektromagnetischen Kopplungsvorrichtung zwischen Stator und Rotor beziehungsweise Lineator vorliegt, durch welche die Datenströme in mindestens eine Richtung übertragen werden, und wobei die mindestens eine elektromagnetische Kopplungsvorrichtung je einen statorseitigen und einen rotor-/lineatorseitigen Koaxialleiter mit Außenleiter, Innenleiter und dazwischen angeordnetem Dielektrikum aufweist, welcher über eine Teilstrecke verfügt, in welcher der Außenleiter den Innenleiter nur teilweise umfasst, um die gegenseitige elektromagnetische Kopplung zu erzeugen und als Sende- und/oder Empfangsantenne für die zu übertragenden Daten zu wirken, wobei vorzugsweise eine Empfangsantenne wesentlich kürzer ausgebildet ist als eine Sendeantenne.
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Die Datenübertragung zwischen relativ zueinander bewegter Teile ist oftmals, insbesondere im Bereich hoher Datenströme wie bei CT-Systemen, störanfällig. Zur Lösung dieses Problems ist es bereits bekannt, eine kapazitive Übertragung der Daten mit differentieller Streifenleitung zu verwenden.
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Die Druckschrift
DE 10 2014 206 295 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur berührungslosen Datensignalübertragung. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein längsgeschlitztes koaxiales Leiterelement, mindestens eine Hochfrequenzsendeeinheit, die ein mit einem zu übertragenden Datensignal moduliertes Hochfrequenzträgersignal in das Leiterelement einspeist, mindestens ein längsgeschlitztes koaxiales Koppelleiterelement, das dazu ausgebildet ist, aus dem Nahfeld des Leiterelements das modulierte Hochfrequenzträgersignal zu empfangen, und mindestens eine Hochfrequenzempfangseinheit, die mit dem Koppelleiterelement elektrisch verbunden ist und ausgebildet ist, das Datensignal aus dem empfangenen modulierten Hochfrequenzträgersignal zu extrahieren, wobei das Leiterelement und das Koppelleiterelement zueinander relativ bewegbar angeordnet sind. Diese Art der Datenübertragung wird bevorzugt bei CT-Systemen eingesetzt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung zur Übertragung von Daten zwischen relativ zueinander bewegter Teile bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Die Erfinder haben zuerst einmal erkannt, dass die bekannten Vorrichtungen zur Datenübertragung zwischen relativ zueinander bewegter Teile sowohl bei Systemen mit rotierend zueinander bewegter Teile als auch mit linear beziehungsweise translatorisch zueinander bewegter Teile anwendbar sind. Derartige Systeme können beispielsweise ein CT-, PET-, C-Bogen-System, Windgenerator, Patientenliege, Strahlentherapiesystem, schienengebundenes Fahrzeug, Geschützturm oder Radarsystem sein. Zur Datenübertragung liegt auf dem Stator und dem bewegten Teil, also dem Rotor beziehungsweise Lineator, jeweils mindestens ein Koaxialleiter mit Außenleiter, Innenleiter und dazwischen angeordnetem Dielektrikum vor. Der Außenleiter bedeckt dabei den Innenleiter nicht vollständig, sondern ist über eine bestimmte Teilstrecke offen, an welcher die Datenübertragung mittels gegenseitiger elektromagnetischer Kopplung erfolgt. Gemäß der weiteren Erkenntnis der Erfinder, ist der Koaxialleiter zumindest im Bereich der offenen Teilstrecke in einer Nut angeordnet, welche in den Stator oder Rotor beziehungsweise Lineator eingearbeitet ist.
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Besonders aufgrund dieser einfachen mechanischen Integration der Leitungen in den Stator und Rotor beziehungsweise Lineator ist es möglich, diese Lösung bei verschiedensten Geräten anzuwenden.
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Die Nut kann mittels herkömmlicher subtraktiver Fertigungsverfahren wie beispielsweise Standard-CNC-Fertigungsverfahren in die Teile eingebracht werden. Alternativ ist auch die Anwendung additiver Fertigungsverfahren wie der 3D-Druck möglich.
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Die Übertragung hoher Datenraten ist durch die einfache Skalierbarkeit der Bauteile, insbesondere aufgrund der einfachen geometrischen Anordnungsmöglichkeiten der Nuten beziehungsweise der Leiter, möglich.
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Bei CT-Systemen gibt es für die Nuten verschiedenste Anordnungsmöglichkeiten, beispielsweise am Innen- und/oder Außendurchmesser der rotierenden Drum, des rotierenden Tellers zur Kraftübertragung oder der Wuchtgewichthalter. Alternativ können die Nuten bei CT-Systemen stirnseitig, das heißt beispielsweise an der rotierenden Drum hinten oder vorne, an stationären rotationssymmetrischen Strukturen, an der Rückseite des Tellers zur Kraftübertragung, an der Rückseite des Wuchtgewichthalters etc. angebracht werden.
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Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere, dass ein planarer Abstand einfach justierbar ist, und dass die Genauigkeit der axialen Justage nicht ausschlaggebend für ein gutes Ergebnis bei der Datenübertragung ist.
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Weiterhin ist es mit der Erfindung möglich, den Koppelgrad der Leiter, die als Sende- beziehungsweise Empfangsantenne fungieren, zu erhöhen. Es gilt, dass die Kopplung zwischen den Sende- und Empfangsantennen umso höher ist, je näher die Innenleiter zueinander angeordnet sind. Durch die Anordnung der offenen Teilstrecken in den Nuten können die Innenleiter näher zueinander gebracht werden. Das Dielektrikum des Koaxialleiters muss nicht vollständig im Metall sein, der überstehende Anteil kann abgeschnitten werden. Hierbei ist besonders die Verwendungsmöglichkeit herkömmlicher Standard-Koaxialkabel von wesentlichem Vorteil, insbesondere hinsichtlich der niedrigen Fertigungskosten gegenüber differentiellen Microstrip-Leitern und der einfachen Herstellbarkeit. Es ist einfach möglich, bei den Koaxialkabeln einen Schutzmantel sowie zumindest über eine Teilstrecke Teile des Außenleiters zu entfernen, um eine verbesserte Kopplung zu erreichen. Zudem ist die axiale Toleranz herkömmlicher Standard-Koaxialkabel erheblich besser als bei Microstrip-Leitern, da es kein Übersprechen der invertiert polarisierten Leitung gibt.
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Weiterhin kann durch die einfache Sende-/Empfangsantennenstruktur die komplette Funktion auf einen kostengünstigen, kundenspezifischen integrierten Schaltkreis integriert werden, der dann mit minimalem Platzaufwand auf einer bestehenden digitalen Sende- und Empfangselektronik elektrisch angekoppelt werden kann. Es sind keine zusätzlichen Konverter und Verbindungskabel notwendig.
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Mittels Trägerfrequenzverfahren ist zudem eine effiziente Nutzung des gesamten Frequenzspektrums möglich, aber nicht zwingend notwendig, da ebenso eine breitbandige Nahfeldkopplung möglich ist. Die Kopplung im höheren Frequenzbereich ist auch über dielektrische Wellenleiter oder geschlitzte Hohlleiter möglich. Die erfindungsgemäße Datenübertragung bietet des Weiteren auch eine hohe Störsicherheit.
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Demgemäß schlägt der Erfinder vor, eine Vorrichtung zur Erzeugung und Verarbeitung von Messdaten, welche als Datenströme zwischen zwei relativ zueinander bewegter Teile übertragen werden, zumindest aufweisend: einen statischen Teil als Stator, einen im Stator gelagerten beweglichen Teil als Rotor oder Lineator, wobei im Rotor oder Lineator ein, vorzugsweise überwiegender, Anteil der Messdaten entsteht und mindestens eine berührungslose Datenübertragungsverbindung mit mindestens einer elektromagnetischen Kopplungsvorrichtung zwischen Stator und Rotor beziehungsweise Lineator vorliegt, durch welche die Datenströme in mindestens eine Richtung übertragen werden, und wobei die mindestens eine elektromagnetische Kopplungsvorrichtung je einen statorseitigen und einen rotor-/lineatorseitigen Koaxialleiter mit Außenleiter, Innenleiter und dazwischen angeordnetem Dielektrikum aufweist, welcher über eine Teilstrecke verfügt, in welcher der Außenleiter den Innenleiter nur teilweise umfasst, um die gegenseitige elektromagnetische Kopplung zu erzeugen und als Sende- und/oder Empfangsantenne für die zu übertragenden Daten zu wirken, wobei vorzugsweise eine Empfangsantenne wesentlich kürzer ausgebildet ist als eine Sendeantenne, dahingehend zu verbessern, dass zumindest eine offene Teilstrecke eines Koaxialleiters als metallische Nut ausgebildet und in den Stator oder Rotor beziehungsweise Lineator eingearbeitet ist, wobei der mit dem Dielektrikum umschlossene Innenleiter in die Nut eingepasst ist.
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Vorteilhafterweise ist die Vorrichtung als eines der in der nachfolgenden Liste angegebenen Geräte ausgebildet: CT-, PET, C-Bogen-System, Windgenerator, Patientenliege, Strahlentherapiesystem, schienengebundenes Fahrzeug, Geschützturm oder Radarsystem. Hierbei handelt es sich sowohl um Geräte mit linear zueinander relativ bewegter Teile, also beispielsweise schienengebundenen Fahrzeuge, als auch um Geräte mit rotierend zueinander relativ bewegter Teile, also beispielsweise CT-Systeme. Bei einer linearen Relativbewegung der Teile wird von Stator und Lineator gesprochen, bei einer rotierenden Relativbewegung von Stator und Rotor.
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Für die Nuten gibt es verschiedene Ausführungs- und Anordnungsmöglichkeiten in den Teilen. Je Stator und Rotor beziehungsweise Lineator können mehrere Nuten vorliegen. Vorteilhafterweise sind die Nuten paarweise auf den Bauteilen angeordnet.
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Die folgenden Beschreibung bezieht sich auf Geräte mit rotierend relativ zueinander bewegter Teile. In einer Ausführungsform sind mindestens zwei miteinander elektromagnetisch gekoppelte Koaxialleiter als Nuten ausgebildet, die paarweise auf einem gemeinsamen Umfang relativ zur Rotationsachse des Rotors verlaufen. In einer weiteren Ausführungsform sind mindestens zwei weitere miteinander elektromagnetisch gekoppelte Koaxialleiter durch Nuten ausgebildet, die auf einem anderen gemeinsamen Umfang verlaufen. Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass mindestens zwei miteinander elektromagnetisch gekoppelte Koaxialleiter durch Nuten ausgebildet sind, die paarweise auf einer gemeinsamen Rotationsebene und mit unterschiedlichem Umfang verlaufen. Noch eine Ausführungsform sieht vor, dass mindestens zwei weitere miteinander elektromagnetisch gekoppelte Koaxialleiter durch Nuten ausgebildet sind, die auf einer in Rotationsachsenrichtung versetzt angeordneten Rotationsebene und mit unterschiedlichem Umfang verlaufen.
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Mittels einer Segmentierung der Nuten kann vorteilhafterweise die Datenübertragung noch verbessert werden. Bevorzugt ist hierzu mindestens eine Nut über den Umfang in n > 0 Segmente unterteilt ist. Weiterhin vorteilhaft ist bei zwei miteinander elektromagnetisch gekoppelten Nuten, die eine Nut wesentlich kürzer ausgebildet als die andere Nut.
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Bei dem Gerät mit rotierend relativ zueinander bewegter Teile handelt es sich bevorzugt um ein CT-System. Hier gibt es insbesondere die folgenden Anordnungsmöglichkeiten der Nuten:
- – Anordnung der paarweise ausgebildeten Nuten am Innen- und/oder Außendurchmesser der rotierenden Drum,
- – Anordnung der paarweise ausgebildeten Nuten am Innen- und/oder Außendurchmesser des rotierenden Tellers zur Kraftübertragung,
- – Anordnung der paarweise ausgebildeten Nuten am Innen- und/oder Außendurchmesser des Wuchtgewichthalters, und/oder
- – Anordnung mindestens einer Nut an einer stationären rotationssymmetrischen Struktur, beispielsweise einem stationären Teil der Gantry.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind. Es zeigen im Einzelnen: 1: Kraftübertragungsteller; 2: Drum; 3: Wuchtgewichthalter; 4: stationärer Teil der Gantry; C1: CT-System; C2: erste Röntgenröhre; C3: erster Detektor; C4: zweite Röntgenröhre (optional); C5: zweiter Detektor (optional); C6: Gantrygehäuse; C7: Patient; C8: Patientenliege; C9: System- oder z-Achse; C10: Steuer- und Recheneinheit; Prg1–Prgn: Computerprogramme; da: Außendurchmesser; di: Innendurchmesser; Rx: Empfänger; Sx: Sender; z: Rotationsachse des Rotors;
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1: eine schematische Darstellung eines CT-Systems,
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2: eine schematische Darstellung eines Ausschnitts des CT-Systems gemäß 1 mit einer ersten Anordnungsmöglichkeit der Koaxialleiter,
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3: eine schematische Darstellung des Ausschnitts des CT-Systems gemäß 1 mit einer weiteren Anordnungsmöglichkeit der Koaxialleiter,
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4: eine schematische Darstellung des Ausschnitts des CT-Systems gemäß 1 mit einer weiteren Anordnungsmöglichkeit der Koaxialleiter, und
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5: eine schematische Darstellung des Ausschnitts des CT-Systems gemäß 1 mit mehreren Anordnungsmöglichkeiten der Koaxialleiter.
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Die 1 zeigt ein beispielhaftes CT-System C1. Das CT-System C1 umfasst ein Gantrygehäuse C6, in dem sich eine hier nicht näher dargestellte Gantry befindet, an der eine erste Röntgenröhre C2 mit einem gegenüberliegenden ersten Detektor C3 befestigt ist. Optional ist ein zweite Röntgenröhre C4 mit einem zweiten gegenüberliegenden Detektor C5 vorgesehen. Ein Patient C7 befindet sich auf einer in Richtung der Systemachse C9 beziehungsweise z-Achse verschiebbaren Patientenliege C8, mit der er während der Abtastung mit der Röntgenstrahlung kontinuierlich oder sequentiell entlang der Systemachse C9 durch ein Messfeld zwischen den Röntgenröhren C2 und C4 und den jeweils zugeordneten Detektoren C3 und C5 geschoben werden kann. Dieser Vorgang wird durch eine Rechen- und Steuereinheit C10 mit Hilfe von Computerprogrammen Prg1 bis Prgn gesteuert.
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Erfindungsgemäß werden zwischen der rotierenden Gantry und den stationären Bauteilen des CT-Systems C1 berührungslos, mittels elektromagnetischer Kopplung Datenströme übertragen. Hierzu liegt stator- und rotorseitig jeweils mindestens ein Koaxialleiter vor, welche als Empfänger beziehungsweise Sender fungieren. Die Koaxialleiter umfassen jeweils einen Außenleiter, einen Innenleiter und ein dazwischen angeordnetes Dielektrikum, wobei der Außenleiter den Innenleiter zumindest über eine sogenannte offene Teilstrecke nur teilweise umfasst aufweist. Zwischen diesen offenen Teilstrecken erfolgt die elektromagnetische Kopplung. Hierzu können bei einem herkömmlichen Koaxialleiter einfach ein Schutzmantel und zumindest ein Teil des Außenleiters entfernt werden. Die Koaxialleiter sind im Bereich der offenen Teilstrecken in einer metallischen Nut im Stator beziehungsweise Rotor angeordnet.
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Die 2 bis 5 zeigen jeweils eine schematische Darstellung eines Ausschnitts verschiedener rotierender Teile des CT-Systems C1 gemäß der 1 mit unterschiedlichen Anordnungsmöglichkeit der Koaxialleiter beziehungsweise Nuten zur elektromagnetischen Kopplung zur Datenübertragung.
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Gemäß der 2 sind die statorseitigen Koaxialleiter paarweise am Innendurchmesser di und am Außendurchmesser da der rotierenden Drum 2 der Gantry angeordnet. Die Koaxialleiter auf der Drum 2 fungieren als Sender Tx, während weitere auf den gleichen Rotationsebenen um die z-Achse angeordnete Koaxialleiter als Empfänger Rx für die Datenübertragung fungieren
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In der Ausführungsform der 3 sind die Koaxialleiter, welche die rotorseitigen Sender Tx bilden, an dem Kraftübertragungstellers 1 angeordnet. Die die statorseitigen Empfänger Rx bildenden Koaxialleiter sind an stationären Bauteilen des Schleifringes, zum Beispiel der Drum oder dem Kraftübertragungsteller, angeordnet.
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Die 4 zeigt eine weitere Anordnungsmöglichkeit der Koaxialleiter und zwar paarweise jeweils am Innendurchmesser di und am Außendurchmesser da der Wuchtgewichthalter 3.
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Die 5 zeigt mehrere Anordnungsmöglichkeiten der Koaxialleiter. Es werden jeweils stator- und rotorseitig sowohl Empfänger Rx als auch Sender Tx gebildet. Die Koaxialleiter sind jeweils paarweise hinten und vorne an der rotierenden Drum 2, an einem stationären Teil der Gantry, an der Rückseite des Kraftübertragungstellers 1 und an der Rückseite der Wuchtgewichthalter 3 angeordnet.
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Insgesamt wird mit der Erfindung also eine Vorrichtung zur Erzeugung und Verarbeitung von Messdaten, zumindest aufweisend: einen statischen Teil als Stator, einen im Stator gelagerten beweglichen Teil als Rotor/Lineator, wobei im Rotor/Lineator ein Anteil der Messdaten entsteht und mindestens eine berührungslose Datenübertragungsverbindung mit mindestens einer elektromagnetischen Kopplungsvorrichtung zwischen Stator und Rotor/Lineator vorliegt, durch welche die Datenströme in mindestens eine Richtung übertragen werden, und wobei die mindestens eine elektromagnetischen Kopplungsvorrichtung je einen statorseitigen und einen rotor-/lineatorseitigen Koaxialleiter mit Außenleiter, Innenleiter und dazwischen angeordnetem Dielektrikum aufweist, welcher über eine Teilstrecke verfügt, in welcher der Außenleiter den Innenleiter nur teilweise umfasst, um die gegenseitige kapazitive Kopplung zu erzeugen und als Sende- und/oder Empfangsantenne für die zu übertragenden Daten zu wirken, wobei zumindest eine offene Teilstrecke eines Koaxialleiters als metallische Nut ausgebildet und in den Stator oder Rotor beziehungsweise Lineator eingearbeitet ist, wobei der mit dem Dielektrikum umschlossene Innenleiter in die Nut eingepasst ist, vorgeschlagen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Insbesondere beschränkt sich die Erfindung nicht auf die nachfolgend angegebenen Merkmalskombinationen, sondern es können auch für den Fachmann offensichtlich ausführbare andere Kombinationen und Teilkombination aus den offenbarten Merkmalen gebildet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014206295 A1 [0003, 0013]
- DE 102011005910 [0013]
