WO2013004788A1 - Verfahren zum betreiben einer rotierbaren vorrichtung, insbesondere medizinisches bildgebendes system, sowie eine solche vorrichtung - Google Patents

Verfahren zum betreiben einer rotierbaren vorrichtung, insbesondere medizinisches bildgebendes system, sowie eine solche vorrichtung Download PDF

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WO2013004788A1 PCT/EP2012/063161 EP2012063161W WO2013004788A1 WO 2013004788 A1 WO2013004788 A1 WO 2013004788A1 EP 2012063161 W EP2012063161 W EP 2012063161W WO 2013004788 A1 WO2013004788 A1 WO 2013004788A1
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distances
deviation
data
rotary body
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PCT/EP2012/063161
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Christian Willming
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • F16C2316/00—Apparatus in health or amusement
    • F16C2316/10—Apparatus in health or amusement in medical appliances, e.g. in diagnosis, dentistry, instruments, prostheses, medical imaging appliances

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a device having the features of the preamble of claim 1 and such a device.
  • the device comprises a magnetic bearing for supporting a rotating body about a rotation axis rotatable ⁇ ren.
  • Magnetic bearings in medical technology is known in principle, for example from DE 10 2009 043 221 AI ⁇ known.
  • a magnetic bearing is used in this case, the storage of an anode plate of an X-ray source.
  • the invention has for its object to expand the comparatively- opportunities of magnetic bearings, especially in medical technology, compared to the prior art, as well as to increase the precision of storage.
  • the device in particular a medical imaging system, preferably a computer tomograph, generally comprises a rotatable around a rotation axis rotary body wel ⁇ cher is supported via a plurality of bearing elements ⁇ by means of a magnetic bearing.
  • the rotary body defines with its peripheral surface a surface line, the distances between see the bearing elements and this surface line of the
  • Rotary body can be controlled by means of a control unit.
  • the surface line is usually approximately a circle, which refers to a result for example from Vietnamesesto ⁇ tolerances in the manufacture of the rotary body by an IDEA len circular line, as a target line, differs.
  • Such a deviation of the geometry of the surface line from the reference line is dependent on the angle of rotation stored as compensation data.
  • the distances are now regulates overall in consideration of these compensation data to compensate for this deviation, so that thus the rotating body on an off ⁇ is guided equal to curve around the rotation axis aware.
  • the position control takes place in such a way that the axis of rotation remains unchanged in its position.
  • the invention proceeds from the consideration that a magnet mounted part, in particular a shaft, typically egg ⁇ NEN approximately, but not necessarily completely, rota ⁇ tion symmetrical, in particular cylindrical cross-section.
  • a magnet mounted part in particular a shaft
  • typically egg ⁇ NEN approximately, but not necessarily completely
  • rota ⁇ tion symmetrical, in particular cylindrical cross-section.
  • the starting point of the present process is a pre ⁇ accurate detection of geometric characteristics of the magnetically levitated rotating body as compensation data.
  • a Ro ⁇ tationsachse of the rotating body enclosing, approximately circular-shaped surface ⁇ line is measured.
  • the covered surface area of the rotation ⁇ body may beispiels- as at this surface area also be a cylinder jacket-shaped or conical top ⁇ surface.
  • wel ⁇ cher interacts with the magnetic bearing elements.
  • the absolute coordinates of the detected surface area or the deviation from the geometrically ideal shape, typically circular, is stored.
  • the regulation of the distances between the surface line and the magnetic bearing elements during operation of the magnetic bearing to the change in the to minimize spatial position of the rotary body during its rotation If the angular adjustment of the kelpare to be controlled to the distances deviating from the circular shape of the surface line in this case preferably with a pitch of at most 30 °, that is with at least twelve to position correction USAGE ⁇ Deten values per revolution.
  • the magnetic bearing is configured as a radial bearing, and compensated radial deviations, for example, unbalances, which are stored in the Kom ⁇ pensations poetic.
  • the bearing elements are arranged in the radial direction to the axis of rotation.
  • the magnetic bearing is designed as a thrust bearing or as a combined radial-axial bearing.
  • the bearing elements of the magnetic bearing are spaced apart from each other in the axial direction and include at least a part of the rotating body between them in order to support it in the axial direction.
  • the quality of the patient's condition requires that the fluoroscopic images taken by the patient during one revolution take place exactly at the same axial position (cutting plane or scan plane).
  • the axial compensation is provided.
  • a medical imaging system therefore preferably takes place a radial compensation in combination with an axial compensation.
  • separate radial and axial bearings or combined radial thrust bearings can be provided.
  • each group of bearing elements consists of at least two individual bearing elements, which in act in opposite directions.
  • the magnetic bearing accordingly comprises a total of at least four bearing elements. Even in the case of a larger number of bearing elements, these are preferably symmetrical, in the case of a radial bearing in particular point-symmetrically arranged about the axis of rotation of the rotating body.
  • the method is preferably used in medical imaging devices, in particular in computer tomographs. In this case, ensures the regulated, corrected
  • Magnetic storage for the fact that the isocenter of the arrangement of X-ray source and detector occupies an unchanged, in particular not angle-dependent, position during the rotation of this Anord ⁇ tion.
  • image data of a test specimen are determined by means of an imaging unit which is connected to the rotary body in order to determine the compensation data recorded and compared with desired geometry data of the test specimen.
  • the operation of the device is virtually simulated, ie with the aid of the imaging unit, a large number of images of the test body are recorded during the rotation about the axis of rotation.
  • the geometry of the specimen is known with high precision, for example, by a previous high-precision measurement of the specimen with another optical measuring system.
  • the specimen is here in particular studied in three dimensions under ⁇ retired union spatial directions and to determine the deviations in all spatial directions.
  • the imaging unit itself is Be ⁇ part of the device, which is thus required for the normal operation of the device.
  • This is particularly Medizi ⁇ nisch imaging systems the case, including, for example, arranged on a rotatable gantry imaging units.
  • the device itself for normal operation no imaging unit, so conveniently such a picture ⁇ imaging unit is attached to the rotating body and be twisted for the Anferti ⁇ supply of shots from the test piece with the rotary body for the determination of the compensation data.
  • the compensation data is determined during normal operation and updated as needed.
  • normal operation it is understood that in the case of a normal measuring operation of the device with the aid of the imaging unit, for example in the case of a normal scan of a patient, the compensation data are determined or at least checked and, if necessary, corrected.
  • the combination data ⁇ example, after a certain number regularly recorded in operating hours and updated as required. This can be done as described during a normal measuring process or alternatively also during a separate adjustment process.
  • the determination of the compensation data by the comparison between the recorded image data and the stored nominal geometry data of the test specimen takes place either immediately immediately (online) or downstream in a central computer unit.
  • imaging unit insbesonde ⁇ re is conveniently an X-ray used genetic unit in a medical imaging system having an x-ray source and an X-ray detector opposite DIE ser.
  • X-ray source and X-ray detector are usually attached to a gantry rotatable about the axis of rotation.
  • the test body used is preferably a body whose geometric data (surface data) are known with high precision.
  • the accuracy of the geometry data is preferably greater than or equal to the maximum resolution of the imaging unit. These geometric data have been determined, for example, with another high-precision measuring system.
  • the test piece may be a special test piece which is used only for the purpose of determining the compensation data.
  • the test gauge is itself part of the device, so it is during the Nor ⁇ mal réelles present anyway.
  • the test body is in this case, for example, a patient table or else a beam opening for the beam path of the imaging unit in a housing lining. In both cases, this makes it possible to save the compensation data during normal len scans and, if necessary, to check.
  • the beam opening in the housing cover forms a kind of diaphragm for the beam path, so that a local variation of the axis of rotation causes a shift of the radiation source of the imaging unit in relation to the beam opening, which manifests itself in a displacement of the beam relative to the beam opening, which is then captured in the image.
  • the test specimen is placed in the region of the isocenter, ie in the region of the center of rotation of the device. This makes it easiest to detect deviations from the desired isocentric rotation.
  • FIG 1 mounted rotary body, 3, 4 in each case a diagram, the angular dependence of sensor signals during operation of the magnetic bearing without position correction,
  • FIGS. 3, 4 show a locus of the positional deviation of the geometric center of the rotating body resulting from the sensor signals according to FIGS. 3, 4
  • FIG. 6 shows in a symbolized illustration a medical device working with the magnetic bearing according to FIG. 1, FIG.
  • FIG. 1 A in Fig 1 with the reference numeral 1 gekennzeichne ⁇ tes magnetic bearing, with respect to its basic function is referred to the cited prior art, the storage of a rotational axis A having a shaft 2, generally referred to as a rotary body, by means of several, im Embodiment four, magnetic bearing elements 3,4,5,6. Each bearing element 3,4,5,6 is assigned a sensor S ⁇ .
  • the rotary body 2 has a substantially circular cross section; a lying in Figure 1 in the plane of the circumference of the
  • Rotary body 2 is referred to as surface line 7.
  • the ge ⁇ entire magnetic bearing 1 is constructed as a radial bearing.
  • the surface line 7 has a not exactly circular shape.
  • a conceivable cross-sectional ⁇ form of the rotary body 2 is shown in Figure 2 in an exaggerated manner and a circular target line 7 ⁇ represents practicege.
  • the surface line 7 of the rotating body 2, that is, the magnetic bearing rotor, in this case by the following function f ( ⁇ ) described to be the problem mathematically / analytically be to be able to The real surface line 7 will belie ⁇ big irregular.
  • f ( ⁇ p) 1 - 0.1 * (0.8 cos ( ⁇ p) + 0.2 cos (11 ⁇ p))
  • the sensors S which are shown in FIG. 1 and detect the position of the rotary body 2 in the x direction, have the distance 1,2 from the axis of rotation A.
  • the position of these sensors approximately corresponds to the position of the actuators 3, 4, 5, 6.
  • the maximum radius of the locus P M ( ⁇ ) is 0.1, ent ⁇ speaking the maximum radial radial occurring on opposite sides of the rotary body 2 on the one hand to the inside and the other outward deviations of the surface line 7 from the unit circle (target line 7 ⁇ ) ,
  • the computed tomography 8 has a gantry 9, wherein an X-ray source 10 and this opposing Detek- gate 11 constitute a rotatable imaging system in whose center the isocenter IS is that ideally with the axis of rotation A of the magnetic bearing 1, the La ⁇ delay of the entire imaging system, should coincide.
  • the magnetic bearing 1 is not exactly rotationally symmetrical, but for example arranged eccentrically.
  • the angular position of the x-ray source 10 and the Detek ⁇ tor 11 comprising the imaging system is detected by means of an angle sensor 12 which is arranged at a suitable point of the Compu ⁇ tertomographen 8 and as well as the bearing elements connected to a control unit 13 3,4,5,6 which in the exemplary embodiment includes a data memory 14 and a Auswer ⁇ teatti 15th
  • the locus P M ( ⁇ ) is then again divided into its x and y vectors P Mx ( ⁇ ) and P My ( ⁇ ), as illustrated in FIGS. 7, 8, so as to cancel the equalization curves A x ( x ) by simply negating.
  • FIG. 9 shows a schematic, fragmentary representation of the gantry 9 of the computer tomograph 8.
  • the gantry 9 itself is part of the rotary body 2 or connected in a rotationally fixed manner with it.
  • the test body 16 is provided, which in the exemplary embodiment of FIG. 9 is represented schematically by a patient table. Alternatively, a separate test piece can also be used can be used or it can be attached to the patient table a defined geometry as a test specimen.
  • the Pati ⁇ ducks table is usually in the gantry 9 moved, but necessarily part of the apparatus, since the patient is tiententisch stored for a diagnostic examination on this patent.
  • a multiplicity of images are now taken from the test body 16 from different, preferably all, spatial directions during rotation of the gantry 9 and image data are acquired as a function of the angle.
  • the images / image data thus obtained are compared with corresponding desired data or images of the test specimen, which were previously recorded by means of a high-precision measuring device, and examined with regard to deviations. Deviations of the images from the known geometry of the test specimen then allow a direct conclusion to the deviation of the surface line 7 from the nominal line 7 ⁇ .
  • angle-dependent correction factors are preferably derived for both a radial correction and an axial correction.
  • compensation or compensation data for the individual radial or axial axes of the magnetic bearing are determined, which are used for the control of the magnetic bearing.
  • the compensation data K are stored either as a data table or as a mathematical function.

Abstract

Bei dem Verfahren zum Betreiben einer rotierbaren Vorrichtung, insbesondere ein rotierbares medizinisches bildgebendes System, ist ein Drehkörper (2) mittels eines Magnetlagers (1) über eine Mehrzahl an Lagerelementen (3, 4, 5, 6) gelagert. Zwischen den Lagerelementen und einer Oberflächenlinie (7) des Drehkörpers (2) gebildete Abstände (Sx1, SX2, Sy1, Sy2) werden geregelt, wobei eine Abweichung der Geometrie der Oberflächenlinie (7) von einer Solllinie drehwinkelabhängig als Kompensationsdaten (K) hinterlegt ist. Die Abstände werden dabei unter Berücksichtigung der Kompensationsdaten (K) zum Ausgleich der Abweichung geregelt, so dass ein Isozentrum (IS) oder eine Scanebene ortsfest ist. Die Kompensationsdaten (K) werden dabei vorzugsweise ermittelt, indem mit Hilfe einer bildgebenden Einheit (10, 11), die mit dem Drehkörper (2) verbunden ist, Bilddaten eines Prüfkörpers (16) ermittelt und mit Soll-Geometriedaten des Prüfkörpers (16) verglichen werden.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer rotierbaren Vorrichtung, insbesondere medizinisches bildgebendes System, sowie eine solche Vorrichtung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine solche Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst ein Magnetlager zur Lagerung eines um eine Rotationsachse drehba¬ ren Drehkörpers .
Aus der DE 10 2005 001 494 AI ist ein Regelverfahren für eine Magnetlagerung sowie eine hiermit korrespondierende Einrich- tung bekannt. Mittels einer Erfassungseinrichtung werden dabei Radialauslenkungen eines Drehelementes erfasst, welches mit Hilfe einer Magnetlagerung um eine Drehachse drehbar gelagert ist. Zusätzlich zu den Radialauslenkungen wird auch eine Drehfrequenz des Drehelements erfasst und ausgewertet. Die in der DE 10 2005 001 494 AI offenbarte Magnetlagerung ist beispielsweise bei elektrischen Maschinen, Turbinen oder Kompressoren anwendbar.
Die Verwendung von Magnetlagern in der Medizintechnik ist prinzipiell beispielsweise aus der DE 10 2009 043 221 AI be¬ kannt. Eine Magnetlagerung dient in diesem Fall der Lagerung eines Anodentellers einer Röntgenstrahlenquelle .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einsatzmöglich- keiten von Magnetlagerungen, insbesondere in der Medizintechnik, gegenüber dem Stand der Technik zu erweitern, sowie die Präzision der Lagerung zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrich¬ tung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung und umge¬ kehrt .
Die Vorrichtung, insbesondere ein medizinisches bildgebendes System, vorzugsweise ein Computertomograph, weist allgemein einen um eine Rotationsachse drehbaren Drehkörper auf, wel¬ cher mittels eines Magnetlagers über eine Mehrzahl von Lager¬ elementen gelagert ist. Der Drehkörper definiert mit seiner Umfangsfläche eine Oberflächenlinie, wobei die Abstände zwi- sehen den Lagerelementen und dieser Oberflächenlinie des
Drehkörpers mit Hilfe einer Steuereinheit geregelt werden. Die Oberflächenlinie ist üblicherweise näherungsweise eine Kreislinie, welche aufgrund beispielsweise von Fertigungsto¬ leranzen bei der Herstellung des Drehkörpers von einer idea- len Kreislinie, auch als Solllinie bezeichnet, abweicht. Eine solche Abweichung der Geometrie der Oberflächenlinie von der Solllinie ist drehwinkelabhängig als Kompensationsdaten hinterlegt. Die Abstände werden nunmehr unter Berücksichtigung dieser Kompensationsdaten zum Ausgleich dieser Abweichung ge- regelt, so dass also der Drehkörper bewusst auf einer Aus¬ gleichskurve um die Rotationsachse herum geführt wird. Die Lageregelung erfolgt dabei derart, dass die Rotationsachse in ihrer Lage unverändert bleibt. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass ein magnetgelagertes Teil, insbesondere eine Welle, typischerweise ei¬ nen annähernd, jedoch nicht notwendigerweise absolut, rota¬ tionssymmetrischen, insbesondere zylindrischen Querschnitt, aufweist. Beim Betrieb eines Magnetlagers wird üblicherweise von einer perfekt symmetrischen Gestalt des gelagerten Teils ausgegangen. Von daher wird es bei herkömmlichen Magnetlagerungen als ausreichend angesehen, die Abstände zwischen dem rotierenden Teil und außerhalb dieses Teils angeordneten, ei¬ nander gegenüberliegenden magnetischen Lagerelementen auf ei- nen möglichst konstanten Wert zu regeln.
Nach dem Stand der Technik sind Optimierungen der Präzision von Magnetlagerungen vorstellbar, indem die Rotationssymme- trie des gelagerten Teils, etwa durch materialabtragende Be¬ arbeitung, insbesondere durch Schleifen, verbessert wird. Von diesem herkömmlichen Weg der Lageroptimierung wendet sich die Erfindung bewusst ab. Stattdessen wird eine von der Rota- tionssymmetrie abweichende Form des gelagerten Teils gezielt in die Regelung der Magnetlagerung einbezogen.
Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine prä¬ zise Erfassung geometrischer Merkmale des magnetgelagerten Drehkörpers als Kompensationsdaten. Hierbei wird eine die Ro¬ tationsachse des Drehkörpers umschließende, annähernd kreis¬ förmige Oberflächenlinie vermessen. Im Fall einer größeren Ausdehnung des erfassten Oberflächenbereichs des Rotations¬ körpers kann es sich bei diesem Oberflächenbereich beispiels- weise auch um eine zylindermantelförmige oder konische Ober¬ fläche handeln. In jedem Fall handelt es sich um die Oberflä¬ che desjenigen Teils des magnetgelagerten Drehkörpers, wel¬ cher mit den magnetischen Lagerelementen zusammenwirkt. Die absoluten Koordinaten des erfassten Oberflächenbereichs oder die Abweichung von der geometrisch idealen Form, typischerweise Kreisform, wird gespeichert.
Auf Basis der gespeicherten, beispielsweise in einer Tabelle oder als Funktion abgelegten Kompensationsdaten, welche Auf- schluss über die tatsächliche Form der Oberflächenlinie ge¬ ben, erfolgt beim Betrieb des Magnetlagers die Regelung der Abstände zwischen der Oberflächenlinie und den magnetischen Lagerelementen, um die Veränderung der räumlichen Lage des Drehkörpers während dessen Rotation zu minimieren. Die win- kelabhängige Anpassung der zu regelnden Abstände an die von der Kreisform abweichende Form der Oberflächenlinie erfolgt hierbei vorzugsweise mit einer Schrittweite von höchstens 30°, das heißt mit mindestens zwölf zur Lagekorrektur verwen¬ deten Werten pro Umdrehung. Möglich sind auch deutlich feine- re Auflösungen der zur Lagekorrektur verwendeten, winkelabhängigen Korrekturwerte, beispielsweise eine Auflösung von maximal 10°, 5°, 2°, 1°, oder nur wenigen Winkelminuten oder Winkelsekunden . Bevorzugt sind für die Lagekorrektur des Magnetlagers verwen¬ dete, die tatsächliche Geometrie mindestens eines Lagerteils berücksichtigende Ausgleichskurven drehzahlabhängig, wobei beispielsweise bei höherer Drehzahl eine geringere Anzahl an Korrekturpunkten, das heißt eine größere Schrittweite der La¬ gekorrektur, vorgesehen ist.
In bevorzugter erster Ausgestaltung ist das Magnetlager als Radiallager ausgebildet und es werden radiale Abweichungen, beispielsweise Unwuchten kompensiert, wobei diese in den Kom¬ pensationsdaten hinterlegt sind.
Bei einem Radiallager sind die Lagerelemente in radialer Richtung zur Rotationsachse angeordnet.
Gemäß einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung ist das Magnetlager als Axiallager oder als kombiniertes Radial-Axial- Lager ausgebildet. Bei einem Axiallager sind die Lagerelemente des Magnetlagers in Axialrichtung voneinander beanstandet und schließen zwischen sich zumindest einen Teil des Drehkörpers ein, um diesen in axialer Richtung zu lagern.
Im Fall einer Axiallagerung wird die von der Winkellage des Drehkörpers abhängige Einstellung der Abstände zwischen ro- tierenden und feststehenden Komponenten der Lagerung dazu genutzt, eine Verlagerung des Dreh- oder Rotationskörpers in axialer Richtung während der Rotation zu minimieren. Sowohl die Kompensation der radialen Abweichung von der Solllinie als auch die Kompensation der axialen Abweichungen von der Solllinie sind bei einem medizinischen bildgebenden System von besonderer Bedeutung. Bei derartigen Systemen wird eine bildgebende Einheit, beispielsweise ein Röntgensystem zur Er¬ zeugung von Schnittbildern um den Patienten herum geführt. Für eine hohe Bildgebungsqualität ist dabei zum Einen ge- wünscht, dass die Drehachse exakt mit dem sogenannten Iso¬ zentrum zusammenfällt. Um dies zu gewährleisten ist die radi¬ ale Kompensation vorgesehen. Insbesondere bei der Erzeugung beispielsweise von Schnittbildern ist es für eine hohe Bild- gebungsqualität zudem erforderlich, dass die während einer Umdrehung aufgenommenen Durchleuchtungsbilder des Patienten exakt an der gleichen axialen Position erfolgen (Schnittebene bzw. Scanebene) . Um dies zu gewährleisten ist die axiale Kom- pensation vorgesehen. Bei einem derartigen medizinischen bildgebenden System erfolgt daher in bevorzugter Weise eine radiale Kompensation in Kombination mit einer axialen Kompensation. Hierzu können getrennte Radial- und Axiallager oder auch kombinierte Radial-Axiallager vorgesehen sein.
Die Grundzüge des Regelverfahrens zur Kompensation der Abwei¬ chungen der Oberflächenlinie des Drehkörpers von der Sollli¬ nie werden nachfolgend ohne Beschränkung der Allgemeinheit anhand eines Radiallagers beschrieben.
Bei dem Magnetlager ist eine erste Gruppe an Lagerelementen zur Lageregelung des Drehkörpers in x-Richtung ausgebildet, während eine zweite Gruppe an Lagerelementen zur Lageregelung in hierzu orthogonaler y-Richtung ausgebildet ist, wobei jede Gruppe an Lagerelementen aus mindestens zwei einzelnen Lagerelementen besteht, die in einander entgegengesetzte Richtung wirken. Die Magnetlagerung umfasst demnach insgesamt mindestens vier Lagerelemente. Auch im Fall einer größeren Anzahl an Lagerelementen sind diese vorzugsweise symmetrisch, im Falle eines Radiallagers insbesondere punktsymmetrisch um die Rotationsachse des Drehkörpers angeordnet.
Das Verfahren wird vorzugsweise bei bildgebenden medizintechnischen Geräten, insbesondere bei Computertomographen an- gewendet. In diesem Fall sorgt die geregelte, korrigierte
Magnetlagerung dafür, dass das Isozentrum der Anordnung aus Röntgenquelle und Detektor während der Rotation dieser Anord¬ nung eine unveränderte, insbesondere nicht winkelabhängige, Position einnimmt.
In zweckdienlicher Weiterbildung werden zur Ermittlung der Kompensationsdaten mit Hilfe einer bildgebenden Einheit, die mit dem Drehkörper verbunden ist, Bilddaten eines Prüfkörpers aufgenommen und mit Geometrie-Solldaten des Prüfkörpers verglichen. Durch diese Maßnahmen wird daher quasi der Betrieb der Vorrichtung simuliert, d.h. mit Hilfe der bildgebenden Einheit werden bei der Rotation um die Rotationsachse eine Vielzahl von Bildern des Prüfkörpers aufgenommen. Die Geometrie des Prüfkörpers ist hochgenau bekannt, beispielsweise durch eine vorhergehende hochgenau Ausmessung des Prüfkörpers mit einem weiteren optischen Messsystem. Durch Vergleich der aufgenommenen Bilddaten mit den bekannten Geometrie-Solldaten des Prüfkörpers werden dann für jeden Winkel in vorgegebenen Stufen die Abweichungen der in den Bilddaten dargestellten Geometrie des Prüfkörpers von seiner tatsächlichen, bekannten Geometrie ermittelt. Aus diesen Abweichungen lassen sich dann direkte Rückschlüsse auf die radialen und axialen Abweichun- gen der Oberflächenlinie des Drehkörpers von seiner Solllinie ermitteln und somit die Kompensationsdaten quasi als Korrekturfaktoren für die Lageregelung (axial und/oder radial) des Magnetlagers erzeugen. Zweckdienlicherweise wird der Prüfkörper hierbei in unter¬ schiedlichen Raumrichtungen und insbesondere dreidimensional untersucht, um die Abweichungen in allen Raumrichtungen zu ermitteln . Vorzugsweise ist dabei die bildgebende Einheit selbst Be¬ standteil der Vorrichtung, die also für den Normalbetrieb der Vorrichtung benötigt wird. Dies ist insbesondere bei medizi¬ nisch bildgebenden Systemen der Fall, die beispielsweise an einer rotierbaren Gantry angeordnete bildgebende Einheiten umfassen. Weist die Vorrichtung selbst für den Normalbetrieb keine bildgebende Einheit auf, so wird für die Ermittlung der Kompensationsdaten zweckdienlicherweise eine derartige bild¬ gebende Einheit am Drehkörper befestigt und für die Anferti¬ gung der Aufnahmen vom Prüfkörper mit dem Drehkörper ver- dreht.
Zweckdienlicherweise werden die Kompensationsdaten während des normalen Betriebs ermittelt und bei Bedarf aktualisiert. Unter Währen des Normalbetriebs wird hierbei verstanden, dass bei einem normalen Messvorgang der Vorrichtung mit Hilfe der bildgebenden Einheit, beispielsweise bei einem normalen Scan eines Patienten, die Kompensationsdaten ermittelt oder zumin- dest überprüft und gegebenenfalls berichtigt werden.
Generell werden die Kombinationsdaten regelmäßig beispiels¬ weise nach einer bestimmten Anzahl an Betriebsstunden erfasst und bei Bedarf aktualisiert. Dies kann wie beschrieben wäh- rend eines normalen Messvorgangs erfolgen oder alternativ auch während eines separaten Justiervorgangs. Die Ermittlung der Kompensationsdaten durch den Vergleich zwischen den aufgenommenen Bilddaten und den hinterlegten Soll-Geometriedaten des Prüfkörpers erfolgt wahlweise unmittelbar sofort (Online) oder nachgeschaltet in einer zentralen Rechnereinheit.
Als bildgebende Einheit wird zweckdienlicherweise insbesonde¬ re bei einem medizintechnischen Bildgebungssystem eine Rönt- geneinheit eingesetzt, die eine Röntgenquelle und einen die- ser gegenüberliegenden Röntgendetektor aufweist. Röntgenquelle und Röntgendetektor sind dabei üblicherweise an einer um die Rotationsachse rotierbaren Gantry befestigt.
Als Prüfkörper wird vorzugsweise ein Körper verwendet, dessen Geometriedaten (Oberflächendaten) hochgenau bekannt sind. Die Genauigkeit der Geometriedaten ist dabei vorzugsweise größer gleich der maximalen Auflösung der bildgebenden Einheit. Diese Geometriedaten sind beispielsweise mit einem weiteren hochgenauen Messsystem ermittelt worden. Bei dem Prüfkörper kann es sich um einen speziellen Prüfkörper handeln, der nur zum Zwecke der Ermittlung der Kompensationsdaten eingesetzt wird. In bevorzugter Alternative ist der Prüfkörper jedoch selbst Bestandteil der Vorrichtung, ist also während des Nor¬ malbetriebs sowieso vorhanden. Insbesondere ist der Prüfkör- per hierbei beispielsweise ein Patiententisch oder auch eine Strahlöffnung für den Strahlengang der bildgebenden Einheit in einer Gehäuseverkleidung. In beiden Fällen besteht dadurch die Möglichkeit, die Kompensationsdaten während eines norma- len Scans zu ermitteln und gegebenenfalls zu überprüfen. Die Strahlöffnung in der Gehäuseverkleidung bildet quasi eine Art Blende für den Strahlengang, so dass bei einer örtlichen Variation der Rotationsachse eine Verschiebung der Strahlen- quelle der bildgebenden Einheit in Relation zu der Strahlöffnung erfolgt, was sich in einer Verschiebung des Strahlbündels relativ zur Strahlöffnung äußert, welche dann im Bild erfassbar ist.
Vorzugsweise wird der Prüfkörper im Bereich des Isozentrums, also im Bereich des Drehzentrums der Vorrichtung platziert. Dadurch lassen sich Abweichungen von der gewünschten iso- zentrischen Rotation am einfachsten erfassen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
FIG 1 ein Magnetlager in einer schematischen Schnitt- darstellung,
FIG 2 einen Querschnitt eines mit dem Magnetlager nach
FIG 1 gelagerten Drehkörpers, FIG 3, 4 in jeweils einem Diagramm die Winkelabhängigkeit von Sensorsignalen bei Betrieb der Magnetlagerung ohne Lagekorrektur,
FIG 5 eine sich aus den Sensorsignalen nach den FIG 3, 4 ergebende Ortskurve der Positionsabweichung der geometrischen Mitte des Drehkörpers,
FIG 6 in symbolisierter Darstellung ein mit dem Magnetlager nach FIG 1 arbeitendes medizintechnisches Ge- rät,
FIG 7, 8 beim Betrieb des Magnetlagers innerhalb der Anord¬ nung nach FIG 6 verwendete Ausgleichskurven, und FIG 9 eine symbolische ausschnittsweise Darstellung einer
Gantry eines medizinischen bildgebenden Systems zur Erläuterung der Ermittlung der Kompensationsdaten. Ein in FIG 1 insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichne¬ tes Magnetlager, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird, dient der Lagerung einer eine Rotationsachse A aufweisenden Welle 2, allgemein als Drehkörper bezeichnet, mittels mehre- rer, im Ausführungsbeispiel vier, magnetischer Lagerelemente 3,4,5,6. Jedem Lagerelement 3,4,5,6 ist ein Sensor S zuge¬ ordnet .
Ein erstes Paar an Lagerelementen 3,4, auch als x-Aktuatoren bezeichnet, dient dabei der Positionierung des Drehkörpers 2 in x-Richtung, während ein zweites Paar an Lagerelementen 5, 6, die so genannten y-Aktuatoren, den Drehkörper 2 in hierzu orthogonaler y-Richtung positioniert. Der Drehkörper 2 weist einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf; eine in FIG 1 in der Zeichenebene liegende Umfangslinie des
Drehkörpers 2 wird als Oberflächenlinie 7 bezeichnet. Das ge¬ samte Magnetlager 1 ist als Radiallager aufgebaut.
Zwischen der Oberflächenlinie 7 und den als Elektromagneten ausgebildeten x-Aktuatoren 3,4 sind Abstände Sxi,SX2 gebildet. In analoger Weise sind zwischen der Oberflächenlinie 7 und den y-Aktuatoren 5,6 Abstände Syi,Sy2 gebildet. Hätte der Drehkörper 2 einen perfekt kreisförmigen Querschnitt, so würden sämtliche Abstände Sxi , SX2 , Syi , Sy2 während der Rotation des Drehkörpers 2 konstant bleiben.
Tatsächlich weist die Oberflächenlinie 7 jedoch eine nicht exakt kreisförmige Gestalt auf. Eine denkbare Querschnitts¬ form des Drehkörpers 2 ist in FIG 2 in übertriebener Weise dargestellt und einer kreisförmigen Solllinie 7 λ gegenüberge stellt. Die Oberflächenlinie 7 des Drehkörpers 2, das heißt des Magnetlager-Rotors, ist hierbei durch folgende Funktion f (φ) beschrieben, um das Problem mathematisch/analytisch be trachten zu können. Die reale Oberflächenlinie 7 wird belie¬ big unregelmäßig sein. f ( <p ) = 1 - 0,1 * (0,8 cos ( <p ) + 0,2 cos (11 <p ) )
Fertigungstechnische Einflüsse, die für die Abweichung der Oberflächenlinie 7 von einer idealen Kreisform 7 λ verantwort¬ lich sind, sind beispielsweise unbeabsichtigte, teilweise ge¬ ringste Veränderungen der Position eines Zerspanungswerk- zeugs, welche unregelmäßig oder regelmäßig, vielfach pro Um¬ drehung des Werkstücks, hier des Drehkörpers 2, auftreten können, sowie Ungenauigkeiten, insbesondere Exzentrizitäten, bei der Montage. Der Radius des Drehkörpers 2 im Bereich des dargestellten, durch die Funktion f ( φ ) beschriebenen Querschnitts ist auf Eins normiert. Die durch die Funktion f ( φ ) gegebenen Abweichungen gegenüber einem Kreis mit Radius Eins (Einheitskreis) von +/-0,1 liegen noch innerhalb der zulässigen Toleranz.
Würde die Regelung beim Betrieb des Magnetlagers 1 derart er¬ folgen, dass die jeweils gegenüberliegenden Abstände Sxi,SX2 beziehungsweise Syi,Sy2 möglichst konstant gehalten werden, so würde dies zu einer permanenten Schwankung der Lage der geo- metrischen Mittelachse des Drehkörpers 2 führen.
Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass die in Figur 1 dargestellten Sensoren S, welche die Position des Drehkörpers 2 in x-Richtung detektieren, von der Rotationsachse A den Ab- stand 1,2 haben. In der Schnittdarstellung nach FIG 1 entspricht die Lage dieser Sensoren etwa der Lage der Aktuatoren 3,4,5, 6.
Würde der Drehkörper 2 um seinen geometrischen Mittelpunkt rotieren, so lieferten diese Sensoren, die so genannten x- Sensoren, die in FIG 3 dargestellten Signale. Hierbei wird das Signal des beim x-Aktuator 3 angeordneten Sensors durch die Funktion Sxi (φ) und das Signal des gegenüberliegenden, zweiten x-Sensors durch die Funktion SX2 (φ) beschrieben:
Sxi (φ) := 1,2 - | f (φ)|
Sx2 (φ) := 1,2 - I f (φ + 180°)|
Auf Basis dieser Signale Sxi (φ) und SX2 (φ) würde ein her¬ kömmlicher Regler einer Magnetlagerung eine Mittelwertbildung vornehmen, um den Drehkörper 2 mit vermeintlich kreisförmigem Querschnitt zu zentrieren. Da jedoch tatsächlich keine Kreisform des Querschnitts gegeben ist, ergibt sich folgende Posi¬ tionsabweichung PMx (φ) der geometrischen Mitte des Drehkör¬ pers 2 in x-Richtung:
PMx (<p) := 0, 5 * (I Sxi (φ)| - I Sx2 (<p)| )
In analoger Weise liefern längs der y-Achse, in der Darstel¬ lung nach FIG 1 etwa bei den y-Aktuatoren 5, 6, angeordnete Sensoren folgende Signale Syi (φ) beziehungsweise Sy2 (φ) , die den Abstand des jeweiligen Sensors von der Oberflächenlinie 7 angeben :
Syi (<p) := Sxi (<p + 90°)
Syi (<p) := Sxi (φ + 90°)
Die Positionsabweichung PMy (φ) der geometrischen Mitte des Drehkörpers 2 in y-Richtung nach Ausgleich der von den gege- nüberliegenden y-Sensoren gemessenen Abstände ist damit:
Figure imgf000013_0001
Durch vektorielle Addition der Abweichungen in x-Richtung und in y-Richtung erhält man die in FIG 5 dargestellte Ortskurve PM (φ) der winkelabhängigen Positionsabweichung der geometrischen Mitte des Drehkörpers: PM (φ) := (Ρ (φ) + PMy (φ) )
Der maximale Radius der Ortskurve PM (φ) beträgt 0,1, ent¬ sprechend der maximalen, auf gegenüberliegenden Seiten des Drehkörpers 2 zum einen radial nach innen und zum anderen radial nach außen auftretenden Abweichungen der Oberflächenlinie 7 vom Einheitskreis (Solllinie 7λ) .
Die Auswirkungen der Lageregelungen der Magnetlagerung 1 in einem medizintechnischen Gerät 8, nämlich einem Computertomographen, werden im Folgenden anhand FIG 6 erläutert.
Der Computertomograph 8 weist eine Gantry 9 auf, wobei eine Röntgenquelle 10 und ein dieser gegenüberliegender Detek- tor 11 ein rotierbares bildgebendes System darstellen, in dessen Zentrum das Isozentrum IS liegt, welches idealerweise mit der Rotationsachse A des Magnetlagers 1, welches der La¬ gerung des gesamten bildgebenden Systems dient, zusammenfallen sollte. Wie in FIG 6 übertrieben dargestellt ist, ist das Magnetlager 1 jedoch nicht exakt rotationssymmetrisch, sondern beispielsweise exzentrisch angeordnet. Hinsichtlich einer möglichen komplexeren Form eines Teils, nämlich des Drehkörpers 2, des Magnetlagers 1, wird auf FIG 2 verwiesen. Die Winkelposition des die Röntgenquelle 10 sowie den Detek¬ tor 11 umfassenden bildgebenden Systems wird mittels eines Winkelsensors 12 erfasst, der an geeigneter Stelle des Compu¬ tertomographen 8 angeordnet und ebenso wie die Lagerelemente 3,4,5,6 an eine Steuereinheit 13 angeschlossen ist, welche im Ausführungsbeispiel einen Datenspeicher 14 sowie eine Auswer¬ teeinheit 15 umfasst.
Bei der Inbetriebnahme und vorzugsweise auch beim laufenden Einsatz des Computertomographen 8 werden Kompensationsdaten K ermittelt und im Datenspeicher 14 abgelegt, wobei noch keine Lagekorrektur vorgenommen wird. Die Datenaufnahme erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines im Drehzentrum des Computertomographen 8 positionierten Prüfkörpers 16, etwa eines Draht- oder Kugelphantoms. Aus den da¬ mit röntgentechnisch gewonnenen Bilddaten wird durch Bildaus- wertung die Ortskurve PM (φ) abgeleitet, welche die Winkelab¬ hängigkeit der Lage des Isozentrums, das heißt der geo¬ metrischen Mitte des Drehkörpers 2, beschreibt.
Die Ortskurve PM (φ) wird nun wieder, wie in den Figuren 7,8 veranschaulicht, in ihre x- und y-Vektoren PMx (φ) und PMy (φ) aufgeteilt, um durch einfaches Negieren die Ausgleichskurven Ax (φ) und Ay (φ) der x-Achse sowie der y-Achse zu erhalten:
Ax (φ) = - PMx (φ)
Ay (φ) = - PMy (φ)
Diese Ausgleichskurven bilden daher Kompensationsdaten K, die für die Lageregelung zum Ausgleich der Abweichung der Ober- flächenlinie 7 von der Solllinie 7λ verwendet werden. Bei der Rotation des Drehkörpers 2 und damit des gesamten bildgebenden Systems des Computertomographen 8 im bestimmungsgemäßen, korrigierten Betrieb wird im Zuge der Regelung der Lagerelemente 3,4,5,6 die jeweils gespeicherte Ausgleichskurve Ax (φ) und Ay (φ) abgefahren und damit durch Kompensation der Abweichungen von Komponenten des Magnetlagers 1 oder mindestens eines mit diesem verbundenen Teils von der idealen, rotationssymmetrischen Form eine optimierte Bildqualität erzielt. FIG 9 zeigt in einer schematisierten, ausschnittsweisen Darstellung die Gantry 9 des Computertomographen 8. Die Gantry 9 selbst ist Teil des Drehkörpers 2 bzw. mit diesem drehfest verbunden. An der Gantry 9 sind die Röntgenquelle 10 sowie dieser gegenüberliegend der Detektor 11 befestigt, die mit der Gantry 9 rotieren. Zur Ermittlung der Kompensationsdaten K ist der Prüfkörper 16 vorgesehen, der im Ausführungsbeispiel der FIG 9 schematisiert durch einen Patiententisch dargestellt ist. Alternativ kann auch ein separater Prüfkörper verwendet werden oder es kann auf dem Patiententisch eine definierte Geometrie als Prüfkörper angebracht sein. Der Pati¬ ententisch ist üblicherweise in die Gantry 9 verfahrbar, jedoch zwingend Bestandteil der Vorrichtung, da auf diesem Pa- tiententisch der Patient für eine diagnostische Untersuchung gelagert ist.
Mit Hilfe des Röntgensystems 10, 11 werden zur Datenaufnahme nunmehr vom Prüfkörper 16 aus verschiedenen, vorzugsweise al- len Raumrichtungen bei einer Rotation der Gantry 9 eine Vielzahl von Bildern angefertigt und Bilddaten winkelabhängig ak- quiriert. Die so gewonnenen Bilder /Bilddaten werden mit korrespondierenden Solldaten oder auch Bildern des Prüfkörpers, die mittels einer hochgenauen Messeinrichtung zuvor erfasst wurden, verglichen und im Hinblick auf Abweichungen untersucht. Abweichungen der Aufnahmen von der bekannten Geometrie des Prüfkörpers lassen dann unmittelbar einen Rückschluss auf die Abweichung der Oberflächenlinie 7 von der Solllinie 7 λ zu. Aus den Abweichungen der Bilddaten des Prüfkörpers (16) von seinen Solldaten werden daher winkelabhängige Korrekturfaktoren vorzugsweise sowohl für eine radiale Korrektur als auch eine axiale Korrektur abgeleitet. Dadurch werden also Kompensations- oder Ausgleichsdaten für die einzelnen radialen oder axialen Achsen des Magnetlagers ermittelt, die für die Regelung des Magnetlagers herangezogen werden. Die Kompensationsdaten K werden dabei wahlweise als Datentabelle oder auch als mathematische Funktion hinterlegt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Betreiben einer rotierbaren Vorrichtung, insbesondere ein rotierbares medizinisches bildgebendes Sys- tem, wobei die Vorrichtung einen Drehkörper (2) aufweist, der mittels eines Magnetlagers (1) mit einer Mehrzahl an Lager¬ elementen (3,4,5,6) gelagert ist, wobei zwischen den Lager¬ elementen (3,4,5,6) und einer Oberflächenlinie (7) des Dreh¬ körpers (2) gebildete Abstände (Sxi , SX2, Syi , Sy2) (13) gere- gelt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung der Geometrie der Oberflächenlinie (7) von einer Solllinie (7λ) drehwinkel- abhängig als Kompensationsdaten (K) hinterlegt ist und die Abstände (Sxi , SX2, Syi , Sy2) unter Berücksichtigung der Kom- pensationsdaten (K) zum Ausgleich der Abweichung geregelt werden .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der zu regelnden Abstände (Sxi , SX2, Syi , Sy2) drehzahlabhängig erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetlager (1) zur Radi¬ allagerung ausgebildet ist, die Kompensationsdaten (K) radia- le Abweichungen zur Solllinie enthalten und die Abstände
( Sxi , SX2, Syi , Sy2) zum Ausglich einer radialen Abweichung ge¬ regelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetlager (1) zur Axial¬ lagerung ausgebildet ist, die Kompensationsdaten (K) axiale Abweichungen zur Solllinie enthalten und die Abstände (Sxi , SX2, Syi , Sy2) zum Ausglich einer axialen Abweichung geregelt werden .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer bildgebenden Einheit (10, 11), die mit dem Drehkörper (2) verbunden ist, Bilddaten eines Prüfkörpers (16) aufgenommen werden und zur Ermittlung der Kompensationsdaten (K) die Bilddaten mit bekannten Solldaten des Prüfkörpers (16) verglichen werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die bildgebende Einheit (10, 11) Bestandteil der Vorrichtung in einem Normalbetrieb ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsdaten (K) während des Normalbetriebes ermittelt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass als bildgebende Einheit (10, 11) eine Röntgeneinheit mit einer Röntgenquelle (10) und ei¬ nem gegenüberliegenden Röntgendetektor (11) verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (16) Bestand- teil der Vorrichtung bei einem Normalbetrieb ist.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (16) ein Pati¬ ententisch oder eine Strahlöffnung für einen Strahlengang der bildgebenden Einheit (10, 11) in einer Gehäuseverkleidung ist .
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (16) im Bereich eines Isozentrums (IS) positioniert wird.
12. Vorrichtung, insbesondere ein rotierbares medizinisches bildgebendes System, umfassend einen Drehkörper (2), der mittels eines Magnetlagers (1) mit einer Mehrzahl an Lagerele- menten (3,4,5,6) gelagert ist, wobei zwischen den Lagerele¬ menten (3,4,5,6) und einer Oberflächenlinie (7) des Drehkör¬ pers (2) gebildete Abstände (Sxi, SX2, Syi, Sy2) mit Hilfe ei¬ ner Steuereinheit (13) regelbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abweichung der Geometrie der Oberflächenlinie (7) von einer Solllinie (7λ) drehwinkel- abhängig als Kompensationsdaten (K) hinterlegt ist und die Steuereinheit (13) derart ausgebildet ist, dass im Betrieb die Abstände (Sxi, SX2, Syi, Sy2) unter Berücksichtigung der
Kompensationsdaten (K) zum Ausgleich der Abweichung geregelt werden .
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass eine bildgebende Einheit (10, 11) drehfest mit dem Drehkörper (2) verbunden ist und eine Auswerteeinheit (15) zur Ermittlung der Kompensationsdaten (K) vorgesehen ist, die hierzu für einen Vergleich von mit der bildgebenden Einheit aufgenommenen Bilddaten eines Prüf- körpers (16) mit Solldaten des Prüfkörpers (16) ausgelegt ist .
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass der Prüfkörper (16) Bestand- teil der Vorrichtung im Normalbetrieb ist und die Auswerte¬ einheit (15) zur Ermittlung der Kompensationsdaten (K) insbesondere während des Normalbetriebs ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass sie als ein medizinisches bildgebendes System, insbesondere als Computertomograph aus¬ gebildet ist.
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