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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Der hierin offenbarte Gegenstand betrifft Hochspannungskabelanordnungen und insbesondere Kabelanordnungen mit extrem niedriger Kapazität für CT-Systeme.
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In nicht-invasiven Bildgebungssystemen werden Röntgenröhren in Fluoroskopie-, Projektionsröntgen-, Tomosynthese- und Computertomographie(CT)-Systemen als eine Röntgenstrahlungsquelle verwendet. Gewöhnlich enthält eine Röntgenröhre eine Kathode und ein Target. Ein Glühfaden in der Kathode emittiert einen Elektronenstrom in Richtung auf das Target als Reaktion auf Wärme, die von einem angelegten elektrischen Strom herrührt, wobei die Elektronen schließlich auf das Target auftreffen. Eine Lenkmagnetanordnung innerhalb der Röntgenröhre kann die Größe und Position des Elektronenstrahls, wenn dieser das Target trifft, steuern. Wenn das Target mit dem Elektronenstrom beschossen wird, erzeugt es Röntgenstrahlung.
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Die Röntgenstrahlung durchdringt ein interessierendes Objekt, wie beispielsweise einen menschlichen Patienten, und ein Teil der Strahlung trifft auf einen Detektor oder eine fotographische Platte auf, an dem bzw. der die Bilddaten gesammelt werden. Im Allgemeinen erzeugen Gewebe, die den Fluss der Röntgenphotonen durch das interessierende Objekt unterschiedlich absorbieren oder abschwächen, einen Kontrast in einem resultierenden Bild. In einigen Röntgensystemen wird die fotographische Platte anschließend entwickelt, um ein Bild zu erzeugen, dass durch einen Radiologen oder einen behandelnden Arzt für Diagnosezwecke verwendet werden kann. In digitalen Röntgensystemen erzeugt ein digitaler Detektor Signale, die die empfangene Röntgenstrahlung kennzeichnen, die auf diskrete Pixelregionen einer Detektoroberfläche auftrifft. Die Signale können anschließend verarbeitet werden, um ein Bild zu erzeugen, dass zur Durchsicht angezeigt werden kann. In CT-Systemen erzeugt ein Detektorarray, das eine Reihe von Detektorelementen enthält, ähnliche Signale über verschiedene Positionen hinweg, während eine Gantry rings um einen Patienten verfahren wird.
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Ein Bildgebungsverfahren in CT-Systemen umfasst eine Dual-Energie-Bildgebung. In einer Dual-Energie-Anwendung werden Daten von einem Objekt mit zwei Betriebsspannungen einer Röntgenquelle akquiriert, um zwei Sätze gemessener Intensitätsdaten unter Verwendung unterschiedlicher Röntgenspektren zu erhalten, die für den Röntgenstrahlungsfluss kennzeichnend sind, der auf ein Detektorelement während einer gegebenen Expositionszeit auftrifft. Da Projektionsdatensätze, die zwei gesonderten Energiespektren entsprechen, akquiriert werden müssen, wird die Betriebsspannung der Röntgenröhre gewöhnlich schnell umgeschaltet.
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Eine Hürde, die mit CT-Systemen, die Verfahren mit der schnellen Spannungsumschaltung verwenden, verbunden ist, ist die zum Laden und Entladen des Hochspannungskabels und der Röntgenröhre erforderliche Zeitdauer. Wenn eine Generatorkapazität auf ein annehmbares Maß reduziert ist, wird die Kabelkapazität innerhalb des CT-Systems zu einem Flaschenhals, der die weitere Erhöhung der Umschaltfrequenz begrenzt. Demgemäß besteht ein Bedarf nach Hochspannungskabeln mit niedriger Kapazität für CT-Systeme, die weniger Zeit zum Aufladen und Entladen erfordern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In einer Ausführungsform ist eine Hochspannungskabelanordnung geschaffen, die ein Kabel mit einem ersten und einem zweiten Ende, einen ersten Anschluss, der das erste Ende abschließt, und einen zweiten Anschluss, der das zweite Ende abschließt, enthält. Das Kabel enthält einen Schutzmantel, eine Abschirmungsschicht zur elektromagnetischen Verträglichkeit, die im Inneren des Mantels angeordnet ist, eine äußere halbleitende Schicht, die im Inneren der Abschirmungsschicht zur elektromagnetischen Verträglichkeit angeordnet ist, und eine Hauptkabelisolierschicht, die im Inneren der äußeren halbleitenden Schicht angeordnet ist. Die Hauptkabelisolierschicht enthält ein Isolationsmaterial mit niedriger Permittivität. Eine innere Kabelseelenanordnung ist im Inneren der Hauptkabelisolierschicht angeordnet und enthält eine innere halbleitende Schicht, einen oder mehrere Filamentleiter, einen oder mehrere Vorspannungsleiter und einen oder mehrere gemeinsame Hochspannungsleiter. Die Filamentleiter, die Vorspannungsleiter und die gemeinsamen Hochspannungsleiter sind im Inneren der inneren halbleitenden Schicht angeordnet und voneinander isoliert. In einer anderen Ausführungsform ist eine Hochspannungskabelanordnung geschaffen, die ein Kabel mit einem ersten und einem zweiten Ende, einen ersten Anschluss mit niedriger Kapazität, der das erste Ende abschließt, und einen zweiten Anschluss mit niedriger Kapazitat, der das zweite Ende abschließt, enthält. Das Kabel enthält einen Schutzmantel, eine Abschirmungsschicht zur elektromagnetischen Verträglichkeit, die im Inneren des Mantels angeordnet ist, eine äußere halbleitende Schicht, die im Inneren der Abschirmungsschicht zur elektromagnetischen Verträglichkeit angeordnet ist, eine Hauptkabelisolierschicht, die im Inneren der äußeren halbleitenden Schicht angeordnet ist, und eine innere Kabelseelenanordnung, die im Inneren der Hauptkabelisolierschicht angeordnet ist. Die innere Kabelseelenanordnung enthält eine innere halbleitende Schicht, einen oder mehrere Filamentleiter, einen oder mehrere Vorspannungsleiter und einen oder mehrere gemeinsame Hochspannungsleiter. Die Filamentleiter, die Vorspannungsleiter und die gemeinsamen Hochspannungsleiter sind im Inneren der inneren halbleitenden Schicht angeordnet und voneinander isoliert. Außerdem enthalten die Anschlüsse mit niedriger Kapazität jeweils eine innere Buchse und ein Material mit niedriger Permittivität, das jede Buchse wenigstens teilweise umgibt.
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In einer dritten Ausführungsform ist eine Kabelanordnung geschaffen, die ein Verbindungsrohr und eine Kabelseele enthält, die im Inneren des Verbindungsrohrs angeordnet ist. Die Kabelseele weist ein erstes und ein zweites Ende auf. Die Kabelseele enthält einen oder mehrere Vorspannungsleiter, einen oder mehrere Filamentleiter und einen oder mehrere gemeinsame Hochspannungsleiter. Die Leiter sind voneinander isoliert. Zusätzlich enthält die Kabelanordnung einen ersten Anschluss mit niedriger Kapazität, der das erste Ende der Kabelseele in einer ersten inneren Buchse aufnehmen kann, und einen zweiten Anschluss mit niedriger Kapazität, der das zweite Ende der Kabelseele in einer zweiten inneren Buchse aufnehmen kann. Ein Isoliermedium mit niedriger Permittivität, insbesondere eine Vakuum- oder Gasisolierung, umgibt die erste und die zweite innere Buchse wenigstens teilweise und umgibt die Kabelseele im Inneren des Verbindungsrohrs.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werde besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile überall in den Zeichnungen kennzeichnen, worin zeigen:
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1 eine Seitenansicht einer Kabelanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 eine Querschnittsansicht des in 1 dargestellten Kabels;
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3 eine vergrößerte Ansicht einer inneren Kabelseelenanordnung;
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4 eine schematisierte Darstellung des Querschnittsverhältnisses der Hauptkabelisolierschicht zu der inneren Kabelseelenanordnung; und
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5 eine Ausführungsform einer Kabelanordnung unter Veranschaulichung einer Isolieranordnung mit einem Verbindungsrohr bzw. -schlauch.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Röntgensysteme, die schnelle Spannungsumschalteinrichtungen verwenden, sind manchmal durch die Kabelkapazität des Röntgensystems darin beschränkt, wie schnell eine Spannungsumschaltung erfolgen soll. Wenn Spannungen umgeschaltet werden, kann ein Kabel mit einer hohen Kapazität bewirken, dass das System nicht in der Lage ist, Spannungen rechtzeitig umzuschalten.
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In dem vorliegenden Zusammenhang kann die Verwendung von Materialien mit niedriger Permittivität innerhalb der Kabelanordnung und eine Auslegung eines Kabelquerschnittverhältnisses und einer Kabellänge, die die Kabelkapazität weiter reduziert, den Effekt einer deutlichen Reduktion der Auflade- und Entladezeitdauer innerhalb des Kabels haben und somit die Spannungsumschaltung innerhalb des Röntgensystems beschleunigen. Materialien mit niedriger Permittivität sind Materialien, die sehr niedrige Dielektrizitätskonstanten haben, was die Kapazität reduziert. In bevorzugten Ausführungsformen betragen die Dielektrizitätskonstanten ungefähr 2,1–2,3, können jedoch beliebigen Materialien mit einer Dielektrizitätskonstante von weniger als 2,8 umfassen.
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Indem nun auf die Figuren Bezug genommen wird, zeigt 1 eine Seitenansicht einer angeschlossenen Kabelanordnung 10. Die Kabelanordnung ist über einen Anschluss 12 mit einer Energiequellenanordnung verbunden, die eine Hochspannungs-Energiequelle für das Röntgensystem bereitstellt. Die Kabelanordnung 10 ist ferner mit einer Röntgenröhre über einen Anschluss 14 verbunden. Die Kabelanordnung 10 enthält ein Hochspannungskabel 16 und die Hochspannungsanschlüsse 12 und 14. Wie in größeren Einzelheiten nachstehend erläutert, kann das Hochspannungskabel 16 ein Kabel mit niedriger Kapazität sein, das zum schnellen Spannungsumschalten in der Lage ist. In bevorzugten Ausführungsformen ist die Kabelkapazität des Hochspannungskabels 16 geringer als oder gleich ungefähr 100 pF/m. Eine Weise, in der das Hochspannungskabel 16 eine verringerte Kapazität erhalten kann, ist über eine Reduktion der Kabellänge 18. In bevorzugten Ausführungsformen wird die Kabellänge 18 auf ungefähr 0,5 Meter reduziert, und in weiteren Ausführungsformen könnte die Kabellänge 18 so wenig wie nur 200 Millimeter betragen. Zusätzlich wird das Hochspannungskabel 16 durch die Anschlüsse 12 und 14 abgeschlossen. Die Anschlüsse 12 und 14 enthalten jeweils eine innere Buchse 17, die eingerichtet ist, um die Enden des Kabels 16 aufzunehmen. Die Anschlüsse 12 und 14 können Materialien 19 niedriger Permittivität enthalten, die die inneren Buchsen 17 wenigstens teilweise umgeben. Beispiele für Materialien niedriger Permittivität können Materialien, wie beispielsweise ungefülltes Epoxidharz, mit Glashohlkugeln gefülltes Epoxidharz oder Polydicyclopentadien (DCPD) enthalten. Wenn mit Glashohlkugeln gefülltes Epoxidharz verwendet wird, müssen die Glashohlkugeln aufgrund ihrer geringen Dichte oberflächenbehandelt werden. Ohne eine Oberflächenbehandlung weisen die Glashohlkugeln eine Neigung auf, nach oben zu schwimmen, und werden folglich nicht gut verteilt.
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Verschiedene Elemente in dem Hochspannungskabel 16 können ein Hochspannungskabel mit niedriger Kapazität ergeben. 2 veranschaulicht eine Querschnittsansicht des Hochspannungskabels 16, die einige der Techniken zeigt. Das Hochspannungskabel 16 enthält eine innere Kabelseelenanordnung 20. Die innere Kabelseelenanordnung 20, die in größeren Einzelheiten nachstehend erläutert ist, nimmt eine innere halbleitende Schicht 22 auf. Die innere halbleitende Schicht 22 bietet Schutz für eine Hauptkabelisolierschicht 24, die die innere Kabelseelenanordnung 20 umgibt. Die Hauptkabelisolierschicht 24 besteht aus einem Kautschuk mit niedriger Permittivität. Einige Beispiele für ein derartiges Material umfassen Ethylen-Propylen-Kautschuk mit niedriger Permittivität und fluoriertes Ethylen-Propylen. Der äußere Rand der Hauptkabelisolierschicht 24 macht einen Außendurchmesser 26 der Hochspannungskabelisolierung aus. Die Hauptkabelisolierschicht 24 ist von einer äußeren halbleitenden Schicht 28 umgeben, die der Hauptkabelisolierschicht 24 Schutz bietet. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die äußere halbleitende Schicht 28 eine Dicke von ungefähr 1 Millimeter auf. Die äußere halbleitende Schicht 28 ist von einer Abschirmung 30 zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) umgeben. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die EMV-Abschirmung 30 eine Dicke von ungefähr 0,45 Millimeter auf. Die Abschirmung 30. zur elektromagnetischen Verträglichkeit ist von einem Schutzmantel 32 umgeben. In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schutzmantel 32 eine Dicke von ungefähr 1,5 Millimeter und einen Durchmesser von ungefähr 36 Millimeter auf. Da der Schutzmantel 32 die Außenwand des Hochspannungskabels 16 bildet, beträgt der Durchmesser des Hochspannungskabels 16 in einer bevorzugten Ausführungsform ebenfalls ungefähr 36 Millimeter.
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3 liefert eine Querschnittsansicht der inneren Kabelseelenanordnung 20. Die innere Kabelseelenanordnung 20 enthält einen oder mehrere gemeinsame Hochspannungsleiter 34. Außerdem nimmt die innere Kabelseelenanordnung 20 einen Filamentleiter 36 sowie Vorspannungsleiter 38 auf. Der Filamentleiter 36 ist ein isolierter Draht, der einen Speisestrom den Glühfäden (Filamenten) innerhalb des Röntgensystems zuführt. Der Filamentleiter 36 kann aus einem oder mehrere Drähten bestehen. Die gemeinsamen Hochspannungsleiter 38 sind gewöhnlich blanke Drähte, die einen Rücklaufpfad für den Glühfadenspeisestrom bereitstellen. Die gemeinsamen Hochspannungsleiter 34 können aus einem oder mehreren Drähten bestehen. Die Vorspannungsleiter 38 sind isolierte Drähte, die einige tausende Volt (bis zu 20 kV) zu den Röntgenröhrenelektroden liefern, was eine Gittervorspannung und elektrostatische Steuerung des Brennflecks in der Röntgenröhre ermöglicht. Der Filamentleiter 36 und die Vorspannungsleiter 38 sind mit Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE) isoliert, und die Vorspannungsleiter 38 sind mit einer metallisierten Folie abgeschirmt. Die gemeinsamen Hochspannungsleiter 34, der Filamentleiter 36 und die Vorspannungsleiter 38 sind in der inneren halbleitenden Schicht 22 eingeschlossen. Während die momentane Ausführungsform lediglich einen Filamentleiter 36, zwei Vorspannungsleiter 38 und drei gemeinsame Leiter 34 zeigt, können andere Ausführungsformen wenigere oder mehrere Filamentleiter 36, Vorspannungsleiter 38 und gemeinsame Leiter 34 enthalten.
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Ein weiterer Faktor, der eine Rolle bei der gesamten Kabelkapazität spielt, ist das Querschnittsverhältnis zwischen der Hauptkabelisolierschicht 26 und der inneren Kabelkernanordnung 20, wie in 4 veranschaulicht. Das Querschnittsverhältnis kann als der äußere Durchmesser 24/innere Durchmesser der inneren Kabelseelenanordnung definiert sein. Wenn das Querschnittsverhältnis steigt, wird die Kapazität niedriger. Während in typischen Hochspannungskabelanordnungen das Querschnittsverhältnis innerhalb des Bereichs von 2,5 bis 3 liegt, weist die Kabelanordnung mit extrem niedriger Kapazität, wie sie hierin beschrieben ist, ein Querschnittsverhältnis oberhalb von 3,5 auf. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Hauptkabelisolierschicht 26 ungefähr 30 Millimeter (dick), während die innere Kabelseelenanordnung ungefähr 7 Millimeter (dick) ist. Es hat sich gezeigt, dass dieses Querschnittsverhältnis in Kombination mit den weiteren hierin beschriebenen Techniken ein Kabel mit einer Kapazität von ungefähr 89 pF/m +/– 10% ergibt.
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5 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform einer Hochspannungskabelanordnung 10, die anstelle eines Hochspannungskabels 16 ein Verbindungsrohr (bzw. einen Verbindungsschlauch) 40 verwendet. Die Hochspannungskabelanordnung 10 ist mit einer Energiequellenanordnung und einer Röntgenröhre über Anschlüsse 12 und 14 in einer ähnlichen Weise wie die Hochspannungskabelanordnung 10 nach 1 verbunden. Jedoch stellt das Hochspannungsverbindungsrohr 40 in dieser Ausführungsform eine Isolierung mit niedriger Permittivität über ein Isoliermedium 43 bereit, das sich in den Anschlüssen 12 und 14 und im Inneren der inneren Kammer 42 des Hochspannungsverbindungsrohrs 40 befindet. Das Isoliermedium 43 kann eine Vakuumisolierung, Isolieröl, Druckluft, SF6 oder andere Isoliergase enthalten. Eine Kabelseele 44, die die gemeinsamen Hochspannungsleiter 34, den Filamentleiter 36 und die Vorspannungsleiter 38 führt, ist im Inneren der inneren Kammer 42 angeordnet und von dem Isoliermedium 43 in der inneren Kammer 42 des Verbindungsrohrs 40 umgeben. Die Anschlüsse 12 und 14 schließen die Enden der Kabelseele 44 ab. Die Kabelseele 44 läuft in die inneren Buchsen 46 der Anschlüsse 12 und 14 hinein. Das Isoliermedium 43 umgibt wenigstens teilweise die inneren Buchsen der Anschlüsse 12 und 14.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der besten Ausführungsart, zu offenbaren und auch um jeden Fachmann auf dem Gebiet zu befähigen, die Erfindung in die Praxis umzusetzen, wozu die Schaffung und Verwendung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme und die Durchführung jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die Fachleuten auf dem Gebiet einfallen. Derartige weitere Beispiele sollen in dem Umfang der Ansprüche enthalten sein, wenn sie strukturelle Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit gegenüber dem Wortsinn der Ansprüche unwesentlichen Unterschieden enthalten.
