JP4257121B2 - 空気力学式ロータベアリング - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

[発明の背景]
本発明は、医療診断用撮像の分野に係る。本発明は、ＣＴ(computed
tomography)スキャナに関連して適用を見出せ、特にそれを参考して説明される。しかし、本発明は、他の回転ガントリ用途にも適用できることは認識されるべきである。

一般的に、ＣＴスキャナは、患者若しくは撮像される対象が配置される所定の検査領域若しくは走査円を有する。放射線の薄い扇状ビームは、Ｘ線管のような放射線源から検査領域を横断して、対向配置された放射線検出器のアレイに送信される。Ｘ線管及び関連する電源及び冷却装置は、データが放射線検出器により収集されている間、検査領域まわりに回転される。放射線源の回転は、しばしば、固定ガントリ上で回転する回転ガントリに放射線源を搭載することによって実現される。

サンプリングされたデータは、典型的には、適切な再現プロセッサを介して処理され、人間可視形態で表示される対象の画像表現が生成される。種々のハードウェア形状がこのプロセスで使用されている。第３世代のスキャナでは、源及び検出器が対象まわりを回転する。第４世代のスキャナでは、Ｘ線源が回転し、検出器は固定される。検出器アレイは、典型的には、Ｘ線管の軌跡の環状外側で対象まわりに３６０度で延在する。

従前に開発されたＣＴスキャナでは、通常的に、回転ガントリは、２つのレースウェイ間に設けられる回転要素若しくはボールを含む大径の機械的ベアリングを介して、固定ガントリ上に支持される。ベアリングは、典型的には、直径で３／４メートルから２メートルのオーダーであった。機械的ベアリングは、典型的には、レースと回転要素の間に僅かな量の遊び若しくは隙間を有する。機械的な遊びは、第３世代のスキャナのＸ線管及び検出器が軸方向及び径方向に移動することを許容し、傾斜する回転面を許容する。典型的にはミリメートルのオーダーの分解能での正確な再現は、源及び検出器の正確な分解位置からの取得データに依存する。

螺旋状の３次元走査、ＣＴ・Ｘ線透視法若しくは他の実時間撮像技術、及び、高速撮像では、Ｘ線管ガントリは、高速で連続的に回転する。しかし、回転ガントリの回転速度の増加により、機械的ベアリングに関連する騒音レベルが許容不能なレベルに到達する。連続回転システムでは、摩擦関連の熱は、走査の長さの制約となる。更に、付随する摩擦は、相互間の物理的接触での部品の磨耗を引き起こし、これにより、遊び及び騒音の増加、不利な整備要件、寿命の低減を招く。

本発明は、上述の問題点及び他の問題点を克服する新規で改善されたガントリ懸架技術を想到する。

[発明の概要]
本発明の一局面では、診断用撮像装置が提供される。複数の個々のベアリングパッドは、固定ガントリ上に搭載され、その少なくとも幾つかのベアリングパッドが個々の径方向調節のために搭載される。少なくとも１つの環状のベアリングレースを含む回転ガントリは、回転する際、ベアリングパッドから薄い空気層だけ離間する。Ｘ線管は、回転ガントリ上に設けられる。

本発明のその他の局面では、診断用撮像方法が提供される。回転ガントリは、撮像領域まわりに回転される。流体ベアリングは、回転ガントリと複数の流体ベアリングパッドとの間に生成される。少なくとも幾つかのベアリングパッドの付勢力が調整される。撮像領域内の対象の画像表現は、対象を照射し、検出した放射線を再現することによって再現される。

本発明のその他の局面では、診断用撮像装置が提供される。Ｘ線源は、回転ガントリ上に搭載される。回転ガントリ若しくは固定ガントリは、少なくとも１つの円滑な環状ベアリングレースを含む。流体ベアリングパッドは、他方のガントリに搭載され、円滑な環状ベアリングレースに接触する多孔質面を有する。ポンプは、パッドにベアリング流体を供給し、流体がパッドから放出されるようにする。

本発明の一の効果は、より早いＣＴスキャナ速度と、これに対応して減少された走査時間である。

本発明のその他の効果は、より静かなＣＴスキャナ動作である。

本発明のその他の効果は、ベアリング寿命の延長と共に、整備性の低減である。

本発明のその他の効果は、支持構造の簡易化である。

本発明の更なるその他の効果は、次の好ましい実施例の詳細な説明を読んで理解したときに当業者に明らかになるだろう。

[好ましい実施例の詳細な説明]
本発明は、種々の構成要素及び構成要素の配列の形態、及び、種々のステップ及びステップの配列の形態をとりうる。図面は、単に好ましい実施例の説明上のものであり、本発明を減縮することが意図されていない。

図１を参照するに、ＣＴスキャナ１０は、検査領域１６を画成する固定ガントリ１２及び回転ガントリ１４を含む。回転ガントリ１４は、固定ガントリ１２から懸架され、検査領域１６まわりに回転可能である。Ｘ線管のような放射線源２０は、回転ガントリ１４上に配設され、共に回転する。放射線源２０は、回転ガントリ１４が外部モータ(図示せず)により検査領域１６の長手軸まわりに回転する際に、検査領域１６を貫通する放射線ビーム２２を生成する。コリメータ及びシャッター組立体２４は、貫通する放射線ビーム２２を薄い扇形の形成し、選択的にビーム２２をオン及びオフにゲート制御する。或いは、放射線ビーム２２は、源２２で電気的にオン及びオフにゲート制御されてよい。いずれの場合においても、長いす等のような対象支持台３０は、検査領域１６内で少なくとも部分的に検査若しくは撮像される対象を吊るすか若しくは保持し、薄い扇形の放射線ビーム２２が、関心の対象の領域を通る断面スライスを切るようにする。

任意的に、対象は、連続的に再配置され、隣接する断面スライスが連続した態様で取られ、３次元ボリュームのスライスが生成される。或いは、連続的な螺旋型ＣＴの場合のように、回転ガントリ１４の回転に同期して、支持体３０及び結果としてその上の対象は、検査領域１６の中心水平軸に沿って移動されてもよい。この態様では、源２０は、対称に対して螺旋経路をたどる。

図示した第３世代ＣＴスキャナでは、放射線検出器４０のアレイは、回転ガントリ上の源から横断して周辺側に搭載される。或いは、第４世代ＣＴスキャナは、固定ガントリ１２上に搭載される放射線検出器の固定リング（図示せず）が採用される。構成に関係なく、放射線検出器は、源２０から放出された放射線を、検査領域１６を横断した後に受信するように配設される。

放射線検出器４０は、検出した放射線を電気投射データに変換する。即ち、各放射線検出器４０は、受信した放射線の強度に応じた出力信号を生成する。各放射線検出器４０は、視野（ビュー）内の対応する放射線に沿った投影に一致するデータ要素を生成する。投影若しくはデータラインの各データ要素は、再現されている対象を通過する対応する放射線に沿って取られる線積分に関連する。

源の視野図形により、第３世代スキャナで典型的なものであるが、各視野若しくはデータラインは、放射線の扇形に亘る全ての放射線検出器４０の同時サンプリングによって収集される、源２０で頂点を有する扇形の放射線を表わす。

収集メモリ５０は、放射線検出器４０からサンプリングデータを受信する。収集メモリ５０は、任意的に、対象の画像表現を構築する再現プロセッサ６０にデータを渡す前にフィルタリング若しくは他の処理を実行する。

再現プロセッサ６０は、収集メモリ板５０からのデータを処理し、それを画像メモリ７０にバックプロジェクト（逆投影）する。好ましい実施例の再現プロセッサ６０は、データラインを畳み込み（コンボルブ）するコンボルバー６２、及び、各畳み込みデータラインを画像メモリ７０にバックプロジェクトするバックプロジェクタ６４を含む。画像プロセッサ８０は、選択的に、スライス、投影、３次元（３Ｄ）描画、及び他の情報を画像メモリ７０から取り出し、ビデオモニタ、ＣＣＤディスプレイ、アクティブマトリックスディスプレイ等のような、人間が見ることができるディスプレイ９０上での表示用に画像表現を適切にフォーマットする。

図２を参照するに、回転ガントリ１４は、固定ガントリ１２から複数の流体ベアリングパッドによって支持されている。好ましい実施例では、２つの別の種類のベアリングパッドが利用される。ラジアルパッド１００は、回転ガントリの外側の研磨された外周ベアリング面若しくはレース１０２に接触する。アキシアルパッド１０４は、回転ガントリ１４の近い側及び遠い側の平らな外周面若しくはレース１０６に接触する。供給マニフォールドは、圧力リザーバー１１０からベアリングパッド１００，１０４に流体を供給する。リザーバー１１０からの流体は、パッド１００，１０４とレース１０２，１０６との間に流体ベアリングを生成するために使用され、これにより、微小薄さの流体クッション（流体緩衝材）上の回転ガントリを効果的に浮き上がらせる。好ましい実施例では、流体は空気である。水や油のような流体も考えられる。好ましくは、リザーバー１１０は、流体コンプレッサ１１２によって、約４００ｋＰａに維持される。好ましい実施例の空気ベアリング層は、約０．５ｍｍの厚さを持つ。好ましい実施例の空気ベアリングは、メインロータに対して回転するための略摩擦の無い表面を提供する。

好ましい実施例では、空気ベアリングは、それぞれ、圧力マニフォールド及び圧力リザーバー１１０に接続されるエア流通路１２２を画成する金属製ハウジング１２０を有する。多孔性パッド１２４は、エアが、多孔性パッドとレース１０２（１０６）の間の約０．５ｍｍの流体層を維持する速度で抜け出るのを許容する。ベアリングパッド１２４を劣化させうる（ダスト、ほこり等のような）パーティクルがシステム内に案内される可能性を最小化するため、コンプレッサに取り込まれたエアは、エアフィルタ１３０により先ず濾過処理される。エアコンプレッサに関する一般的な問題は、エアが圧縮されたときにエア内の水分が凝縮しやすいことである。ベアリングシステム内に案内される水分を最小限にするため、エアラインウォータトラップ１３２が、圧縮エアを脱湿する。

万一動作中のシステムへの電力ロスが生じた場合、リザーバー１１０は、回転ガントリ１４を減速させるのに十分な継続時間ベアリングを持続させるための十分なバッファー（緩衝域）を提供する。この特徴は、停電に対してシステムが受ける影響を小さくし、ベアリングパッドの寿命を延長する役割を果たす。

好ましい実施例では、４つのラジアルパッド１００が、メインロータに、その外周面１０２で接触する。これらの４つのベアリングパッド１００は、図２に示すように、回転ガントリ１０４がｘ及びｙ方向に固定された状態に維持する。任意の荷重が与えられると、ベアリングは、荷重を打ち消すように積極的に反応する。回転ガントリ１４を一若しくはそれ以上のパッドに向けて押す力は、レース１０２とパッド１００の間のエアギャップを狭くする。ベアリングの厚さが減少するにつれて、圧力が増加して、ベアリングが堅くなり、荷重を打ち消す。同様に、荷重方向の反対でロータに配置されるベアリングは、厚さが増加し、その圧力が減少する。従って、荷重は、ベアリングによって打ち消される傾向となる。

典型的な荷重は、また、Ｘ線管、その電源、その冷却システム、検出器等を含む回転ガントリ１４の重量を含む。この荷重は常に存在するので、ラジアルパッド間のエアベアリングを非相称的に分散させることが想到された。任意的に、重力を打ち消すため、より多くのベアリング流体若しくはより高いベアリング圧力が下側の２つのラジアルベアリングパッド１００に供給されてよい。

ラジアルベアリングパッド１００と同様に、アキシアルベアリングパッド１０４は、図２及び図３に示すように、ｚ方向の力を打ち消す。回転ガントリの長手方向及び傾斜移動は、一若しくはそれ以上のアキシアルベアリングパッド１０４にｚ方向の圧力を付与する。その結果、対応するベアリングが圧縮され、その圧力が増加し、移動力を打ち消す。好ましい配置のベアリングパッド１００，１０４によって、回転ガントリ１４に印加される荷重は、一若しくはそれ以上の流体ベアリングによって打ち消される。かかる移動によって誘起されるベアリングの対抗圧力は、回転ガントリ１４を元の位置の位置的な釣合い状態に戻す。

ベアリングパッド１００，１０４は、必ずしも固定式でなくてもよい。代替実施例では、図４に示すように、ベアリングパッド１００’、１０４’は、回転ガントリ１４’に取り付けられ、それ共に回転する。この代替実施例の固定ガントリ１２’は、内側のレース１０２’及び対向配置された側面レース１０６’を支持する。ラジアルパッド１００’は、内周レース１０２’との間に流体ベアリングを形成し、アキシアルパッド１０４’は、側面レースに沿って流体ベアリングを形成する。

図２及び図３を参照しつつ、図５Ａを参照するに、ラジアルベアリングパッド１００は、図５Ａに詳細に示すように、ラジアル固定具組立体で固定される。ラジアルパッド１００は、ラジアルボールスタッド１４０で固定ガントリ１２に固定される。ラジアルパッドとラジアルボールスタッド１４０との間には、ベルビル（Belville）ワッシャー１４２のような、スプリング要素がある。ベルビルワッシャー１４２は、可撓性があり、好ましい実施例では、選択された一定のばね定数を有する。機械セットアップ中、ラジアルパッド１００は、元の構成で回転ガントリレース１０２の近傍に配置される。ラジアルパッド１００は、ラジアルボールスタッド１４０によって所定位置に保持される。スタッドは、所望の張力まで締め付けられ、予荷重ロックナット１４４でロックされる。ラジアルパッド１００のセットアップは、回転ガントリ１４に対するベアリングの剛性を決定し、流体ベアリングの動作特性を決める。ベアリングの剛性は、少なくとも３．５×１０^９Ｐａであり、７．０×１０^９Ｐａが好ましい。

或いは、ベルビルワッシャーは、省略されてよく、ボールスタッドに加わるトルクが正確に制御される。更に代替的に、トーションスプリング、コイルスプリング、流体スプリング等のような他のスプリング式付勢機構が考えられる。

好ましい実施例では、４つのラジアルパッド１００の２つは、ベルビルワッシャー若しくは他の上述のスプリングで固定される。残りの２つのパッド１００は、スプリング無しに固定位置で支持される。

図２及び図３を参照続けるに、アキシアルベアリングパッド１０４は、図５Ｂに詳細に示すように、アキシアル固定具組立体で固定される。各アキシアルパッド１０４は、アキシアルボールスタッド１５２で支持アーム１５０に固定される。ベルビルワッシャー１５４は、アキシアルパッド１０４とアキシアルボールスタッド１５２の間に配置される。ベルビルワッシャー１５４は、ラジアル支持組立体で使用されるワッシャーと類する。同様に、他のスプリング及び圧力制御装置が考えられる。機械セットアップ中、アキシアルパッド１０４は、レース１０６の近傍に配置される。一方の側のアキシアルパッド１０４は、ベルビルワッシャー無しでアキシアルボールスタッド１５２によって移動され、回転面が決定される。他方の側のスタッドは、ベルビルワッシャーによって設定された張力まで締め付けられ、アキシアル予荷重ロックナット１５６でロックされる。

任意的に、荷重測定センサが、各アキシアル及びラジアル支持組立体内に含められてよい。かかるセンサによって収集されたデータは、荷重を打ち消すためのベアリング分散を調整するために使用される。或いは、かかるデータは、操作者によってチェックされるガントリ制御として使用されてよく、ＣＴスキャナが許容可能な荷重制限内で動作していることを保証する。

Ｘ線管２０及び検出器アレイ４０に加えて多くの他の装置が回転ガントリ１４上に搭載される。これらは、Ｘ線管用の冷却水循環システム、高電圧発生器を含む。回転ガントリ１４の歪を最小化するため、装置は、それらの重心が走査ビーム２２の面内であり、且つ、それらの全体の重心が、回転ガントリの図心にあるように、ガントリ上に搭載される。回転ガントリは高速（５００−６００ＲＰＭ）に近づいているので、向心加速の応力は、構成要素が適切にバランス化されていないと、ベアリングレースを歪ませうる。

本発明の局面によるＣＴスキャナの図である。 本発明の局面による、メインロータ及びガントリ支持構造の前面図である。 メインロータ及びガントリ支持構造の側面図である。 ＣＴスキャナ及びロータの代替実施例を示す図である。 本発明の局面による、ラジアルベアリングパッド支持体の詳細図である。 本発明の局面による、アキシアルベアリングパッド支持体の詳細図である。

Claims (15)

1. 固定ガントリと、
   固定ガントリ上に搭載される複数の個々のベアリングパッドであって、その少なくとも幾つかのベアリングパッドが個々の径方向調節のために搭載されている、複数のベアリングパッドと、
   少なくとも１つの環状のベアリングレースを有する回転ガントリであって、ベアリングレースは、回転ガントリが固定ガントリに対して回転する際、ベアリングパッドに対して近傍に薄い空気層だけ離間して配置されている、回転ガントリと、
   回転ガントリ上に設けられるＸ線管とを含む、装置。
2. 各個々のベアリングパッドは、
   圧縮エア入口及びエア流通路を有するハウジングと、
   ベアリングレースに対向し、前記エア流通路と連通する通気性のある通気面とを含み、通気面を通過するエアが、通気面とベアリングレースの間に薄い空気層を確立する、請求項１記載の装置。
3. 少なくとも１つのベアリングレースが、回転ガントリの両側面に向く対の同心の環状レースを含み、複数のベアリングパッドが、各対のレースの近傍に配設されている、請求項２記載の装置。
4. 少なくとも３．５×１０^９Ｐａの力でベアリングレースに少なくとも幾つかのパッドを付勢する付勢手段を更に含む、請求項２又は３記載の装置。
5. 付勢手段は、ベルビルワッシャーである、請求項４記載の装置。
6. ベアリングレースに隣接して配置される多孔性の接触部をそれぞれ有し、回転ガントリ及び固定ガントリの一方に搭載される複数のベアリングパッドと、
   流体を流体ベアリングパッドに供給する流体ポンプとを更に含み、該流体は、多孔性の接触部から放出され、ベアリングレースとベアリングパッドとの間に回転ガントリを支持する流体層を形成する、請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
7. ベアリング流体として使用される流体を収容するリザーバーを更に含む、請求項６記載の装置。
8. 少なくとも１つのベアリングレースは、
   外側の環状ベアリング表面と、
   外側のベアリング表面と共通の中心軸を備えた第１及び第２の平行な表面とを含む、請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
9. 少なくとも外側の環状ベアリング表面、第１の平行なベアリング表面、及び、第２の平行なベアリング表面は、円滑に機械加工されている、請求項８記載の装置。
10. 複数の流体ベアリングパッドは、外側のベアリング表面に対応して湾曲された第１のパッド群を含む、請求項８又は９記載の装置。
11. 流体ベアリングパッドは、前記平行なベアリング面に対応して平らな多孔性の接触部を持つ第２のパッド群を含む、請求項１０記載の装置。
12. 第１のパッド群は、４つのパッドを含み、第２のパッド群は、６つのパッドを含む、請求項１１記載の装置。
13. 撮像領域まわりに回転ガントリを回転させるステップと、
    流体リザーバー、及び、流体ベアリングパッドに流体を送り、流体ベアリングパッドから流体を放出することによって、回転ガントリと複数の流体ベアリングパッドとの間に流体ベアリングを生成するステップと、
    前記流体ベアリングパッドの少なくとも幾つかに関する付勢力を調整するステップとを含む、回転ガントリ回転方法。
14. 流体リザーバー内を一定圧に維持するステップを更に含む、請求項１３記載の方法。
15. エア供給に障害が生じた場合にベアリングの堅さを保持するため、回転ガントリが減速している間に流体リザーバーを枯渇させるステップを更に含む、請求項１４記載の方法。

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