DE19845756A1 - Computertomographie-Anlage mit gekühlter Gantry - Google Patents

Abstract

Computertomographie-Anlage mit einer in einem feststehenden Gantrygehäuse um einen Patientenaufnahmeraum rotierenden Gantry, die eine mit einer Kühleinrichtung verbundene Röntgenröhre trägt, wobei die Röntgenröhre (3) eine direkt gekühlte Drehkolbenröhre ist, deren als Wärmezwischenspeicher dienendes Kühlmittel über eine Kühlmittelpumpe (11) in Stillstandsperioden der Gantry (2) durch einen ebenfalls mitrotierenden Wärmetauscher (10) abkühlbar ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Computertomographie- Anlage mit einer in in einem feststehenden Gantrygehäuse um einen Patientenaufnahmeraum rotierenden Gantry, die eine mit einer Kühleinrichtung verbundene Röntgenröhre trägt.

Die bei der Erzeugung von Röntgenstrahlung eingesetzte Ener­ gie wird zu 99% in Wärme umgewandelt, deren Abführung, be­ sonders bei modernen Untersuchungsanlagen wie der Computerto­ mographie oder der Angiographie, wo sehr hohe Leistungen ge­ fahren werden, ganz erhebliche Probleme bereitet. Bei der Computertomographie ergibt sich ein besonderes Problem aus der Tatsache, daß die Röntgenröhre auf einer sich kontinuier­ lich drehenden Gantry befindet, bei der die Drehachse, wegen des notwendigen Freiraums zum Durchschieben des Patienten, nicht für Drehdurchführungen zugänglich ist. Zwar kann die elektrische Energie leicht über Schleifringe zugeführt wer­ den, die Abwärme kann jedoch nicht durch direkte Kühlung mit Flüssigkeiten während der Drehbewegung abgeführt werden.

Bei Computertomographie-Anlagen verwendet man bisher grund­ sätzlich Drehanodenröntgenröhren, welche die anfallende Wärme im Anodenteller zwischenspeichern und sie permanent vorwie­ gend über Wärmestrahlung an das umgebende Kühl- und Isolations­ öl abgeben. Nach dem Erreichen der Anodengrenztemperatur müssen jedesmal lange Zwangspausen eingelegt werden, um über diesen relativ schlechten Weg der Wärmeübertragung durch Strahlung den Anodenteller wieder genügend abkühlen zu kön­ nen. Das Öl zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf auch durch einen mitrotierenden Wärmetauscher, der die Wärme an die Luft im Gantrygehäuse abgibt. Ein weiterer feststehender Wärmetauscher im Gantrygehäuse kühlt die erwärmte Gantryluft und führt die Wärme z. B. an ein fest installiertes Kühlwas­ sersystem ab. Bei diesem bekannten Aufbau liegen zwangsläufig zwei hohe Wärmewiderstände in Serie: der vorwiegende Strah­ lungstransport von der Drehanode durch das Röhrenvakuum in das Kühlöl und die beiden Wärmetauscher, die die Gantrydre­ hung entkoppeln.

Der Strahlungstransport ist wegen des T⁴-Gesetzes zwar bei hohen Tellertemperaturen (um 2000°C) recht effektiv, läßt aber bei zurückgehender Temperatur sehr stark nach und nutzt die vorhandene Wärmekapazität des Tellers aus Zeitgründen nur unvollständig aus. Die beiden seriellen Öl/Luft- und Luft/Wasserwärmetauscher müssen wegen der geringen Wärmekapa­ zität der Luft und wegen des nur geringen zulässigen Tempera­ turhubes der Luft recht voluminös sein.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Compu­ tertomographie-Anlage der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Kühlung auszubilden, die mit nur kurzen Still­ standszeiten nach einer Untersuchung auskommt, um die Anlage wieder auf die gewünschten Ausgangstemperaturen zurückzufüh­ ren.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Röntgenröhre eine direkt gekühlte Drehkolbenröhre ist, deren als Wärmezwischenspeicher dienendes Kühlmittel über ei­ ne Kühlmittelpumpe in Stillstandsperioden der Gantry durch einen, ebenfalls mitrotierenden, Wärmetauscher abkühlbar ist.

Die Erfindung baut dabei auf dem Konzept der Drehkolbenröhren auf, bei denen die Anode durch direkten Kontakt mit dem Öl sehr effektiv gekühlt wird. Nach dem Ende einer Belastung ist die Anode in ca. 30 Sekunden wieder auf der Temperatur des Öls. In diesem Fall ist die Röhrenanode nicht mehr der Wärme­ zwischenspeicher, wie bei den bislang bekannten Computertomo­ graphie-Anlagen mit Drehanodenröntgenröhren, sondern das Kühlmittel, im allgemeinen das Öl. Die Röhrenanode dient al­ lenfalls als Kurzzeitspeicher.

Entscheidend ist dabei, daß der ebenfalls an der Gantry mon­ tierte und daher mitrotierende Wärmetauscher bei der erfin­ dungsgemäßen Anlage nicht ständig arbeitet, was es notwendig machen würde, daß er sekundärseitig mit Luftkühlung arbeitet, also die Gantryinnenraumluft erwärmt, sondern nur während der Stillstandsperioden der Gantry in Betrieb genommen wird, so daß eine Flüssigkeitskühlung auf der Sekundärseite dieses Wärmetauschers vorgesehen sein kann. So soll der vorzugsweise mit Wasser betriebene Sekundärkreislauf des Wärmetauschers an der Gantry mit einem stationären, außerhalb des Gantrygehäu­ ses angeordneten Kühler verbindbar sein.

Bevorzugt ist zu diesem Zweck vorgesehen, daß an der Gantry und am Gantrygehäuse Schnellkupplungen zur Verbindung der Leitungen vom Wärmetauscher mit den Leitungen des äußeren Kühlers in einer festen Drehposition des Innenteils vorgese­ hen sind. Jedesmal wenn nach Durchführung einer Untersuchung die Röntgenröhre und die Rotation der Gantry abgeschaltet wird, wird diese automatisch in die Position verfahren, in welcher durch die Schnellkupplung ein Anschluß des äußeren Wasserkühlers an den mit der Gantry rotierenden Wärmetauscher möglich ist, so daß durch diese effektive Art der Wasserküh­ lung die in der Isolierflüssigkeit gespeicherte, bei der Un­ tersuchung angefallene Wärmeenergie innerhalb eines sehr kur­ zen Zeitraums abgeführt werden kann. Dadurch ergeben sich praktisch keine Stillstandszeiten einer Computertomographie- Anlage, da die auf jeden Fall notwendige Zeit zum Herausfah­ ren eines Patienten und zum Positionieren des nächsten Patien­ ten auf der verfahrbaren Liege meist schon ausreicht, um diese Abkühlung des als Wärmezwischenspeicher dienenden Kühl­ mittels zu erreichen.

Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, zusätzlich eine vorzugweise druckluftunterstützte Wasserablaßeinrichtung zur Entleerung des Wärmetauschers und der gantryseitigen Leitun­ gen des Sekundärkreislaufes vorzusehen.

Nach erfolgter Abkühlung des Kühlmittels wird zunächst das Kühlwasser im Sekundärkreislauf unterbrochen und der gantry­ seitige Wasseranteil durch die Druckluft ausgeblasen, so daß bei der anschließenden Untersuchung und der dabei auftreten­ den Erhitzung des Kühlmittels der Drehkolbenröhre auf mehrere 100° im Sekundärkreislauf kein Wasser mehr ist, das dabei ja wegen der starken Überhitzung ein Platzen der Kühlschlangen zur Folge haben könnte.

Schließlich liegt es auch noch im Rahmen der Erfindung, der Drehkolbenröhre einen zusätzlichen in die Gantry mitinte­ grierten Kühlmittelspeichertank zur Erhöhung der Wärmespei­ cherkapazität zuzuordnen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er­ geben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausfüh­ rungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Computertomo­ graphie-Anlage mit einer erfindungsgemäßen Gantry­ kühlung und

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Magnetkupplung zur Verbindung der Kühlleitungen der Gantry mit den feststehenden Leitungen des Außenkühlers.

Im feststehenden Gantrygehäuse 1 ist die eigentliche Gantry 2, die eine Röntgenröhre 3 und üblicherweise auch ihr gegen­ überstehend einen Strahlungsempfänger 4 trägt, rotierend ge­ lagert, so daß sie durch den Gantryantrieb 5 mit der An­ triebsrolle 6 in Richtung des Pfeils 7 rotierend angetrieben werden kann. Die verwendete Röntgenröhre 3 ist dabei eine Drehkolbenröhre, deren Anode durch direkten Kontakt mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt wird. Diese Kühlflüssigkeit dient da­ bei während der Untersuchungen als Wärmezwischenspeicher. Nach dem Abschluß einer Untersuchung wird die Drehung der Gantry 2 abgeschaltet, wobei beim Abschalten automatisch im­ mer eine Position angefahren wird, in der die Leitungen 8 des Sekundärkreislaufs 9 eines Wärmetauschers 10, der mit der Gantry mitrotiert und deren Primärkreislauf durch eine Kühl­ mittelpumpe 11 mit der Röntgenröhre 3 verbunden ist, fluch­ tend zu den feststehenden Leitungen 12 einer stationären Au­ ßenkühlung angeordnet sind. Die Verbindung der Leitungen 8 und 12 in der in Fig. 1 gezeigten Ruhestellung der Gantry er­ folgt mit Hilfe einer in Fig. 2 angedeuteten Magnetschnell­ kupplung. Am Ende der Leitungen 12 ist jeweils ein Well­ schlauch 13, der gleichzeitig eine Rückstellfeder bildet, vorgesehen, an die der eine Magnetspule 14 enthaltende Dicht­ kopf 15 angeschlossen ist. Durch Erregen der Spule 14 wird der Kopf 15 mit dem O-Ring 16 an den gantryseitigen Flansch 17 am jeweiligen Ende einer der Leitungen 8 dichtend angezo­ gen. Durch Abschalten des Stroms der Spule 14 erfolgt automa­ tisch durch die Rückstellfedereigenschaft des Wellschlauchs 13 eine Entkupplung und Trennung des Dichtkopfs 15 vom Flansch 17, so daß die Gantry unbehindert wieder rotieren kann.

Im Betrieb, während einer Computertomographie-Untersuchung, bei der ein Patient im Patientenaufnahmeraum 18 verfahren wird, um den die Gantry rotiert - die beidends der Gantry am Gantrygehäuse gelagerten Schienen für die Patientenliege sind dabei der Übersichtlichkeit halber nicht mit dargestellt wor­ den -, wird die beim Betrieb der Röntgenröhre 3 anfallende Wärme ausschließlich vom in direktem Kontakt mit der Anode stehenden Kühlmittel aufgenommen und zwischengespeichert. Ge­ gebenenfalls kann zur Erhöhung der Wärmespeicherkapazität deshalb auch noch ein Kühlmittelspeichertank in die Gantry integriert sein, so daß ein größeres Flüssigkeitsvolumen zur Wärmespeicherung zur Verfügung steht. Nach dem Abschluß einer Untersuchung und dem Verfahren der Gantry 2 in die in Fig. 1 gezeigte Position wird die Kühlmittelpumpe 11 in Betrieb ge­ setzt, so daß das erhitzte Kühlmittel durch den Wärmetauscher 10 strömt, wo es durch das gleichzeitig angekoppelte äußere Kühlsystem durch das Kühlwasser von einem äußeren Kühler in den Sekundärkreislauf 9 eingepumpt wird, sehr wirksam und rasch abgekühlt werden kann. Nach dem Abkühlen des Kühlmit­ tels der Drehkolbenröhre wird das Wasser im Sekundärkreislauf 9 wieder abgelassen, was bevorzugt durch eine bei 19 angedeu­ tete Druckluftanordnung in einem Mehrwegeventil 20 erreicht wird. Der Sekundärteil des Wärmetauschers 10 einschließlich der Leitungen 8 und der vom Mehrwegeventil 20 zu der Magnet­ schnellkupplung 21 führenden Leitungen 12 wird völlig wasser­ frei gemacht. Dies hat den Vorteil, daß zum einen das Wasser nicht bei der Drehung der Gantry mitbewegt werden muß und daß nicht gesonderte Leitungsverschlüsse im Bereich der Magnet­ schnellkupplung 21 vorgesehen zu sein brauchen. Darüber hin­ aus wird auf diese Art und Weise verhindert, daß sich Wasser während der Untersuchung und während des Aufheizens des Kühl­ mittels der Drehkolbenröhre auf Temperaturen von mehreren 100° im Wäremtauscher 10 befindet und ungewollt ebenfalls auf derart hohe Temperaturen aufgeheizt werden kann, weil sonst ggf. ein Platzen der durch das überhitzte Wasser belasteten Rohrschlangen zu befürchten wäre.

Claims (6)

1. Computertomographie-Anlage mit einer in einem festste­ henden Gantrygehäuse um einen Patientenaufnahmeraum rotieren­ den Gantry, die eine mit einer Kühleinrichtung verbundene Röntgenröhre trägt, dadurch gekennzeich­ net, daß die Röntgenröhre (3) eine direkt gekühlte Dreh­ kolbenröhre ist, deren als Wärmezwischenspeicher dienendes Kühlmittel über eine Kühlmittelpumpe (11) in Stillstandsperio­ den der Gantry (2) durch einen ebenfalls mitrotierenden Wär­ metauscher (10) abkühlbar ist.

2. Computertomographie-Anlage nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß der Röntgen­ röhre (3) ein zusätzlicher in die Gantry (2) integrierter Kühlmittelspeichertank zur Erhöhung der Wärmespeicherkapazi­ tät zugeordnet ist.

3. Computertomographie-Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der vor­ zugsweise mit Wasser betriebene Sekundärkreislauf (9) des Wärmetauschers (10) mit einem stationären außerhalb des Gan­ trygehäuses (1) angeordneten Kühler verbindbar ist.

4. Computertomographie-Anlage nach Anspruch 3, da­ durch gekennzeichnet, daß an der Gantry (2) und am Gantrygehäuse (1) Schnellkupplungen (21) zur Ver­ bindung der Leitungen (8) vom Wärmetauscher (10) mit den Lei­ tungen (12) des äußeren Kühlers in einer festen Drehposition der Gantry (2) vorgesehen sind.

5. Computertomographie-Anlage nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schnellkupplungen Magnetkupplungen mit stromdurchflossenen Magnetspulen sind.

6. Computertomographie-Anlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch eine vor­ zugsweise druckluftunterstützte Wasserablaßeinrichtung zur Entleerung des Wärmetauschers (10) und der gantryseitigen Leitungen (8) des Sekundärkreislaufs (9).