專利名稱：計算x線斷層攝影掃描儀驅動系統(tǒng)和軸承的制作方法
背景技術：
在現(xiàn)代第三代計算X線斷層攝影掃描儀中，X射線源和探測器陣列圍繞一個主體或要被掃描的物體進行旋轉。在一次掃描中，該射線源和探測器陣列以遞增的掃描角成像該物體。一個稱為重建的過程利用所捕獲的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一系列二維圖像或該物體的一部份。
該射線源、探測器和相關的部件被安裝到一個由剛性固定機架支撐的旋轉支架上。當該支架旋轉時，一個通過支架內的中心孔徑的傳送裝置相對于傳感器平移該物體。在一個固定系統(tǒng)中，該物體在每一次掃描中保持固定；而在一個平移或“螺旋”系統(tǒng)中，在掃描期間該物體連續(xù)地平移。在固定和平移系統(tǒng)中，支架的角速度的精度或旋轉率對于最小化重建誤差是非常必要的。
調速帶或齒輪帶在以前有過應用以獲得一個較高精度的旋轉速率。標準的調速帶由安裝在固定機架上的電機進行驅動。在該帶的主軸橫斷方向的周期側向凹槽與電機上驅動鏈齒輪和安裝到該支架盤的更大的鏈齒輪上的齒進行嚙合，該驅動鏈齒輪必須足夠大以避免與該支架的中央孔徑互相干擾，并由此具有空間以便一個物體從中通過。因此，在這些系統(tǒng)中，必須使用特別大的調速帶。
一個典型的先有技術的掃描儀要求至少有六米的調速帶，這種大尺寸的調速帶是非常貴的，因為它們難以制造，且經(jīng)常是客戶定制，或者是以大批量的購買。而且，要專門使用大的驅動鏈齒輪因此也很昂貴，根據(jù)其直徑，大約在$4000-6000。在驅動鏈齒輪與驅動鏈齒輪之間必須精確對齊以避免該帶相對于該鏈齒輪側向滑動。調速帶一般快速磨損，因此必須經(jīng)常進行替換，例如，對于一個醫(yī)療掃描儀一年一次。替換是一個關聯(lián)過程，要求停止掃描系統(tǒng)的運行一段延長期，大約幾天。這是基于這樣的事實在先有技術的配置中，驅動鏈齒輪定位在環(huán)形支架和該固定機架中。為了移除和替換而對該調速帶的操作，要求將該支架完全地從該機架上移除。將該齒輪鏈定位在該支架的部件側是不切實際的，因為調速帶會與該旋轉支架部件相干擾。
在CT系統(tǒng)中調速帶的另一個缺點是其以齒或嚙合齒的頻率來調整支架的旋轉頻率的趨向性。這種調整導致了在所獲得的圖像中的出現(xiàn)了人為的東西，這是必須由圖像處理系統(tǒng)所解決和糾正的。
發(fā)明概述本發(fā)明是關于能減緩和/或消除與上面描述的先有技術掃描儀驅動組件相關的缺陷的CT掃描儀驅動組件。本發(fā)明的設備包括一個最好為圓盤形的圓環(huán)，且圍繞其周邊被制成槽輪以便該圓環(huán)作為圍繞要掃描的物體旋轉的驅動皮帶輪運行。電子裝置安裝到該圓環(huán)上用于執(zhí)行對物體的X線斷層攝影掃描。一個電機包括一個類似的被制成槽輪的驅動皮帶輪。一個張緊在該電機的驅動皮帶輪和該圓環(huán)的驅動皮帶輪之間的皮帶將電機的旋轉運動轉換給該圓環(huán)，用于在掃描期間驅動該圓環(huán)圍繞該物體旋轉。
在一個實施例中，該皮帶包括一個V形帶或多V形帶。一個可調的張緊器將電機驅動皮帶輪拉向或拉離該圓環(huán)，以便調節(jié)該皮帶的張力。該圓環(huán)最好包括一個具有第一和第二表面的圓盤。通過使該圓盤與該機架具有一定的間距，支架部件就可以安裝到該圓盤的第一和第二表面，或通過圓盤內的孔徑減輕把部件安裝到該圓盤的空間限制，并平衡圓盤平面附近的盤質量中心。
圓盤的軸承最好布置在或靠近該盤的質量中心，并且安裝到剛性地耦合到該系統(tǒng)機架的間隔器。這種配置降低了該軸承和盤的質量中心間的力矩臂，提高了該軸承的壽命并允許使用低價的、更簡單的軸承，如美國專利5071264中描述的Frank四線軸承，在這里引用作為參考。
以這種方式，本發(fā)明提供了一種簡單、有效技術，用于驅動圓環(huán)圍繞要掃描的物體，該V形帶提供了精確調整-即最小化滑動、最大化能量的傳送。而且該V形帶具有長壽命的優(yōu)點，一般在五年內是不用考慮替換的。大的V形帶費用較低為$100。
這種配置較好地適用于機場的包裹掃描應用中的連續(xù)運行以及一天連續(xù)18小時的系統(tǒng)。通過很方便地將皮帶定位在圓環(huán)或圓盤的外邊緣，皮帶的維護將是相當?shù)睾唵巍⒀杆?，一般?-2小時內，而不需要象先有技術中那樣要拆裝整個支架。V形帶一般相對靈活，不需要象先有技術那樣要求嚴格的對齊進行安裝。該皮帶的靈活性以及它的縱向凹槽提供了一個平滑的接觸面，用于驅動該圓盤連續(xù)運轉而不需要調整旋轉速度。該驅動系統(tǒng)因此不會產(chǎn)生人為的圖像缺點。
附圖的簡要描述本發(fā)明的前述及其它目標、特點及優(yōu)點通過參照附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例的詳細描述會變得更加清楚，其中在不同的圖中相同的標號表示同一部件。這些附圖僅僅是用于說明本發(fā)明的基本原理而并不是起定制、強調及限制的作用。


圖1是按照本發(fā)明的一個計算X線斷層攝影包裹掃描儀系統(tǒng)的外部控制臺的視圖；圖2是按照本發(fā)明的一個掃描儀機架和支架圓盤配置的前透視圖；圖3是按照本發(fā)明的圖2的掃描儀機架和支架圓盤配置的后透視圖；圖4是圖2和圖3的一部份支架和機架的側面橫斷面視圖，用于說明按照本發(fā)明的支架圓盤的被制成槽輪的外邊緣及一個優(yōu)選的軸承配置；圖5是本發(fā)明的改善的優(yōu)選軸承配置的近視切開側視圖；圖6A和6B是按照本發(fā)明的電機和驅動皮帶輪張緊器設備的另外實施例的擴大透視圖；圖7是按照本發(fā)明的V形帶和支架圓盤被制成槽輪的外周邊之間的接觸面的近視透視圖。
優(yōu)選實施例的詳細描述圖1是X射線計算斷層攝影(CT)包裹掃描系統(tǒng)外部控制臺100的示意說明?？刂婆_100包括多個安裝到剛性機架上的面板104，該剛性機架垂直放在基座33上。面板104鉸接到該機架或其它可移動方式以提供對掃描儀內部件的操作。傳送裝置102將要掃描的物體如人或機場包裹傳送進該掃描區(qū)。
圖2是按照本發(fā)明的CT掃描儀的主要部件的前部透視圖，一剛性垂直機架32垂直安在基座33上，該基座包括多個高度可調的支腳34用于水平化該系統(tǒng)。
最好由輕質、剛性材料如鋁、鎂鋁合金等制成的圓環(huán)或圓盤30可旋轉地安裝在機架32上。圓環(huán)30可以是實體或空心的，最好在橫截面方向及質量方面是均勻的，并且一般是徑向對稱，且最好是圓盤形或鼓形。為確保該圓盤的顆粒或晶體結構在結構上是均勻的，最好該圓盤作為一個單獨的單元精確澆鑄、退火及機械加工而成。
一個X射線源管或射線源36被放置在圓盤30上，用于引導X射線束沿著圓盤30的平面穿過基本垂直于旋轉軸37的孔徑35。類似地，X射線探測器陣列40被安裝在與源36相對的盤30上，用于檢測所發(fā)射的X射線38。其它部件，如針對探測器陣列40的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)42、X射線電源陰極41和陽極43、空調或冷卻系統(tǒng)45以及相關的電氣裝置同樣地安裝在支架圓盤30的前、后表面上。盤30旋轉地安裝到軸承59處的垂直機架32上，下面將描述具體的細節(jié)。
電機46和耦合到其上的相關驅動皮帶輪80(見圖6A和6B)驅動皮帶64。皮帶依次地耦合到支架盤30的外周邊以旋轉作為驅動皮帶輪運行的該盤。皮帶64最好包括一個V形帶，如一個多V形帶，以實現(xiàn)說明中所描述的各種優(yōu)點，包括低成本、長壽命以及對對齊方式的低靈敏性。這種的皮帶可從很多銷售商處獲得。如Browning Inc.，Gates Inc.，Goodyear Inc.，和Jason Inc.。
盤30的外邊緣65被制成槽輪以便與多V形帶64的縱向凹槽相接觸。皮帶的V形橫截面幾何形狀以及大的圓盤圓周有助于最小化皮帶滑動、最大化旋轉盤定位及旋轉率的精度。由張緊器66控制皮帶64的張力，該張緊器調整電機驅動皮帶輪80(見圖6)和驅動圓盤30間的距離。在這種配置中皮帶的替換僅涉及放松張緊器66處的皮帶64，并在盤的前表面71處移掉和替換皮帶64。在本配置中，對于皮帶的更換是不必要從機架32上移掉盤30的，因此幾分鐘內就可完成皮帶的移掉和更換。
圖6A是根據(jù)本發(fā)明的電機和驅動皮帶輪系統(tǒng)以及相應的皮帶張緊器的擴大透視圖。電機46在樞軸112處耦合到基座33。一個錐形軸襯84將一個槽輪安裝到電機輪軸上。安裝到電機盤且可由螺母67調節(jié)的張緊器66調整驅動皮帶輪80和支架盤30間的距離，由此調整皮帶64的張力。張緊器桿66的桿被刻以螺紋以便相對于桿擰緊螺母67來使電機46旋轉離開支架盤30，由此張緊皮帶64。為了在作業(yè)中去掉皮帶64，松開螺母67，取消皮帶的張力，以便在支架盤30的前表面很容易地去掉該皮帶。
圖6B是另一個皮帶張緊器配置的透視圖。在該實施例中，電機被裝到可移動的盤81上，該盤可相對于固定盤89進行移動，張緊栓87是可調的，用于將電機46相對于支架盤30移動，由此張緊皮帶64。
圖3是支架盤30和機架32的后面透視圖，安裝在支架盤30的后表面73上的支架部件在該視圖中是可見的，例如，X射線源36的后部份，而相關的冷卻系統(tǒng)19，以及功率分配組件、通信單元、油泵等則從視圖中隱去。為了提供空間供支架盤30與機架32間的后表面部件旋轉，用機架間隔器或添加物52將軸承59與垂直機架分開一定的距離。在支架盤30內提供孔徑82以便通過該盤安裝部件；例如，X射線源36通過孔徑48并從兩個盤表面71、73延伸開來。另外一個孔徑82允許信號、電源纜線以及在支架盤30的兩個相對表面上的組件間的冷卻液通過。
滑動環(huán)及相應的刷子(未示出)在機架32與支架盤30的部件間傳送電源信號和高帶寬數(shù)據(jù)信號。微波發(fā)送器/接收器對進一步提供低帶寬控制信號的通信。該信號被傳送給一個將信號變換成圖像的處理單元83，空調系統(tǒng)45提供空氣的循環(huán)和維持系統(tǒng)的溫度。
圖4是支架盤30、軸承59和垂直機架32的組合關系的側視圖。垂直機架32在豎直的位置支撐支架系統(tǒng)30。機架間隔器或添加物52將支架軸承59的位置重新定位于距機架32距離d處，以便各種支架部件可安裝在支架盤30的后表面，而不會在盤旋轉過程中與垂直機架32相干擾。圈結構54作為軸承59的一個安裝件。
在支架盤30的外周邊上的縱向槽輪50與在多V形皮帶64上的匹配縱向凹槽在圖4的側視圖中是可見的。該接觸面的近視透視圖示于圖7中，該多V形帶和槽輪配置用于增加接觸面的表面區(qū)域，并由此降低皮帶的滑動。
盡管間隔器52與軸承59的相互位置可以顛倒，即間隔器52放在支架盤30表面上，而軸承59安裝在垂直機架32，這種配置可以增加該軸承和該盤的質量中心間的力矩臂，由此增加了軸承上的負載，這將要求更加經(jīng)久耐用也因此更貴的軸承單元。通過把軸承59布置在支架的質量中心或其附近，本發(fā)明將允許使用較廉價的軸承配置。這種配置，結合將部件安裝到支架盤30的兩側，將取得相對于軸承的該盤動態(tài)平衡，并降低了軸承上的懸臂負載。
圖5是軸承59的接觸面的近視組合視圖，最好被配置成仿效眾所周知的Frank軸承接觸面，如在美國專利4797008和5071264中所提示的，在此結合作為參考。一個固定的外軸承罩61由栓91安裝到圈結構54上。外部軸承線72沉積在軸承凸起77的每個內角側，用于分離軸承的行程。一個內部軸承罩(分別包括第一和第二內環(huán)60、62)由栓93安裝到支架盤30。該內部罩包括內部軸承線74，該線沿內部軸承罩的外角布置，如所說明的。懸浮于軸承線72和74的外部和內部線座圈間的是球軸承75，當支架盤30旋轉時，其以最小的阻力滑過該線。側向分離器或球間隔器76防止相鄰的球接觸或彼此干擾，軸承的預置是由預置栓95控制的。
本發(fā)明的軸承配置提供了幾個優(yōu)點，軸承/線接觸面比起傳統(tǒng)的軸承座圈來說是以很小的磨擦運行，因為該線為軸承提供一個平滑和有效的軌跡，不需要客戶定制軸承罩，因為該罩是由座圈的內表面提供的。對于直徑為6英尺、重為1500 lbs的支架盤，本發(fā)明的軸承配置要求10ft-lbs的轉矩，而先有技術中一般要求50ft-lbs的轉矩，因此可以使用較小的電機如0.5馬力來旋轉該支架。而且這種軸承配置具有輕質、靜音和相對廉價的特點。
在一個試驗性設備中，支架盤包括一個6ft直徑、重1500lbs的鋁盤，一個市場有售的具有5個凹槽的、且價格為$150美元的多V形帶，利用1.5馬力的電機就足以以90RPM旋轉該支架，而角速度的精度超過0.1％，超過精確掃描所要求的精度。
盡管本發(fā)明已參照優(yōu)選實施例進行了特定的描述和說明，但本技術領域內的人明白，可以在形式和細節(jié)上進行各種變化而不會偏離由所附權利要求聲明的本發(fā)明的精神和范疇。例如，盡管在附圖中示出的實施例是說明第三代類型的CT掃描儀，本發(fā)明也可以用于第四代類型的CT掃描儀器器。
權利要求
1.一種計算X線斷層攝影掃描系統(tǒng)，包括一個圓環(huán)，具有用于容納要被掃描的物體的中心孔徑，所述的圓環(huán)具有一個被制成槽輪的外邊緣以便該圓環(huán)作為圍繞所述物體旋轉的驅動皮帶輪運行；電子裝置，安裝到所述的圓環(huán)上，用于對所述的物體執(zhí)行X線斷層攝影掃描；一臺電機，具有一個被制成槽輪的驅動皮帶輪；以及一個皮帶，安裝在所述的驅動皮帶輪和驅動皮帶輪之間，用于將所述電機的旋轉運動傳送給所述的圓環(huán)，以便在X線斷層攝影掃描期間驅動所述的圓環(huán)圍繞所述的物體進行旋轉運動。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是該皮帶包括一個V形帶。
3.如權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征是該V形帶是一個多V形帶。
4.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是還包括一個用于調整皮帶張力的張緊器。
5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是該圓環(huán)槽輪嵌入在該圓環(huán)的外周邊內。
6.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是該圓環(huán)包括一個具有第一和第二表面的圓盤。
7.如權利要求6所述的系統(tǒng)，其特征是所述的電子裝置安裝在所述圓盤的第一和第二表面上。
8.如權利要求7所述的系統(tǒng)，其特征是所述圓盤還包括部件孔徑以便所述的電子裝置可以安裝通過所述的圓盤。
9.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是還包括一個旋轉地支撐所述圓環(huán)的軸承。
10.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征是所述的軸承包括一個四線軸承。
11.如權利要求9所述的系統(tǒng)，其特征是所述的軸承定位于靠近圓環(huán)的質量中心。
12.一種X射線斷層攝影掃描系統(tǒng)，包括一個剛性機架；一個圓盤，具有用于容納要掃描的物體的中心孔徑；安裝到所述圓盤的第一和第二表面、用于對所述物體執(zhí)行X線斷層攝影掃描的電子裝置；以及一個環(huán)形軸承系統(tǒng)，安裝在所述機架和所述圓盤之間，所述軸承系統(tǒng)具有成旋轉關系的第一和第二軸承罩，所述第一和第二相對的軸承罩包括各自的彈力線圈，作為多個圓形軸承的座圈，這些圓形軸承隨著圓盤相對于機架的旋轉而在座圈上的罩之間滾動。
13.如權利要求12所述的系統(tǒng)，其特征是所述的圓盤還包括部件孔徑以便所述的電子裝置可安裝通過所述的圓盤。
14.如權利要求12所述的系統(tǒng)，其特征是所述的軸承包括一個四線Frank軸承。
15.如權利要求12所述的系統(tǒng)，其特征是所述的圓盤包括一個被制成槽輪的外周邊以便所述的圓盤作為一個驅動皮帶輪運行。
16.如權利要求15所述的系統(tǒng)，其特征是還包括一臺安裝到所述機架上的電機，所述的電機包括一個被制成槽輪的驅動皮帶輪；以及一條皮帶，張緊在所述的驅動皮帶輪與驅動皮帶輪之間，用于將所述的電機的旋轉運動傳送給所述的圓盤以便驅動所述的圓盤圍繞所述物體旋轉運動。
17.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其特征是該皮帶是一個多V形帶。
全文摘要
要改善的計算X線斷層攝影掃描儀驅動系統(tǒng)和軸承負載中,一個支架盤(30)被圍繞其外周邊(65)被制成槽輪以便該支架作為一個圍繞要掃描的物體旋轉的驅動皮帶輪運行。安裝到一個固定機架(33)上的電機(46)組件包括一個類似的被制成槽輪的驅動皮帶輪(80),一個張緊在電機組件的驅動皮帶輪和支架盤(30)的驅動皮帶輪間的皮帶(64)傳送該電機的旋轉運動以便驅動支架圍繞物體旋轉。在一個優(yōu)選實施例中,該皮帶包括一個V形帶或多V形帶(64),軸承包括一個位于支架質量中心的附近線軸承(59)。以這種方式,本發(fā)明提供了驅動支架圍繞物體的支柱的簡單有效的技術、同時提供了可靠而又成本合理的驅動系統(tǒng)中的足夠精確的角定位。
文檔編號H05G1/02GK1270697SQ9880913
公開日2000年10月18日 申請日期1998年8月19日 優(yōu)先權日1997年10月10日
發(fā)明者安德魯·P·季賓科夫斯基, 麥克爾·J·達菲, 吉爾伯特·W·麥克納 申請人:模擬技術有限公司