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Die
Erfindung betrifft ein C-Bogen Gerät.
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C-Bogen-Geräte sind
heute in der medizinischen Technik weit verbreitet. An einem C-förmigen Grundkörper ist
hierbei ein Diagnose- oder Behandlungsgerät befestigt. Aufgrund seiner
Form lässt
sich der C-Bogen und mit ihm das Diagnose- bzw. Behandlungsgerät orbital
um einen zu untersuchenden beziehungsweise zu behandelnden Punkt
eines Patienten verfahren, um so verschiedene Winkelstellungen zwischen
Patient und Diagnose- bzw. Behandlungsgerät zu erreichen, ohne den Patienten
umlagern zu müssen.
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Als
Diagnosegeräte
sind vor allem Röntgenvorrichtungen
weit verbreitet, bei denen an einem Ende des C-Bogens eine Röntgenquelle
und am gegenüberliegenden
Ende ein Röntgenempfänger bzw. Bildverstärker angebracht
sind. Ein derartiger Röntgen-C-Bogen weist ein
nicht unerhebliches Eigengewicht auf.
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Ist
bei einem C-Bogen-Gerät
sichergestellt, dass bei Orbitalfahrt das Diagnose- bzw. Behandlungsgerät in jeder
Winkelstellung auf den selben Punkt ausgerichtet ist, spricht man
von einem isozentrischen C-Bogen-Gerät. Vor allem bei derart ausgelegten
Röntgen-C-Bögen, bei
dem der Zentralstrahl des Röntgensystems
durch das auf der Orbitalachse (Drehachse der Orbitalbewegung) liegende
Isozentrum der Anordnung verläuft,
liegt der Gesamtschwerpunkt der Anordnung wegen der Gewichtsverhältnisse
naturgemäß außerhalb
des Isozentrums, also radial zur Orbitalachse beabstandet. Deshalb
bewirkt das Eigengewicht der Gesamtanordnung ein Drehmoment auf
den C-Bogen. Der Schwerpunkt der Anordnung strebt nämlich zu
seiner stabilen Gleichgewichtslage, also zum tiefsten Punkt unterhalb
der Orbitalachse hin, der durch die Orbitalbewegung erreichbar ist.
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Zum
Halten des C-Bogens in einer bestimmten Position oder beim Verfahren
muss somit Kraft gegen das Eigendrehmoment der Anordnung aufgewendet
werden. Z.B. muss der C-Bogen in einer bestimmten Lage durch eine
geeignete Bremsvorrichtung an der Lagervorrichtung fixiert werden.
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Wünschenswert
ist jedoch, einen Gewichtsausgleich am C-Bogen zu schaffen, dass
der C-Bogen in jeder Verfahrposition kraftfrei ist, d.h. keinerlei Drehmoment
bezüglich
der Drehachse auf den C-Bogen wirkt. Um einen Gewichtsausgleich
zu bewerkstelligen, werden bisher mehrere Ansätze verfolgt.
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Ein
erster Ansatz ist, die Röntgenquelle
und den Bildverstärker
so zu platzieren, dass der Gesamtschwerpunkt von C-Bogen und Röntgenvorrichtung
auf der Drehachse liegt. Wegen der schweren Röntgenkomponenten müssen diese
als Ausgleich zum Gewicht des C-Bogens weiter zu dessen Enden hin
versetzt werden. Dadurch verläuft
der Zentralstrahl des Röntgensystems
nicht mehr durch das Isozentrum der Anordnung, was bei Verschwenken
des C-Bogens eine ständige
Neuplatzierung des zu behandelnden Patientenbereiches bzw. des ganzen Patienten
erfordert.
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In
einem zweiten Ansatz wird das Röntgensystem
so platziert, dass dessen Zentralstrahl durch das Isozentrum tritt.
Zusätzlich
werden an den C-Bogen-Enden Zusatzgewichte angebracht, um so den Gesamtschwerpunkt
der Anordnung wieder ins Isozentrum zu verlagern. Die schweren Zusatzgewichte erhöhen jedoch
das Gesamtgewicht der Anordnung signifikant und belasteten den C-Bogen
mechanisch derart, dass dieser unter Eigenverformung leidet.
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Ein
dritter Ansatz besteht darin, auf den C-Bogen mit Bremsen und einem
elektrischen Motorantrieb derart einzuwirken, dass das vom Schwerpunkt
des C-Bogens durch die Schwerkraft erzeugte Drehmoment durch den
elektrischen Antrieb und die Bremsen kompensiert wird. Ein Nachteil
hierbei ist jedoch, dass der C-Bogen zum Verfahren elektrischen Strom
benötigt.
Bei einem Stromausfall könnte
hierdurch eine Gefahrensituation für den Patienten entstehen,
da z.B. kein Zugangsraum zu diesem durch Verfahren des C-Bogens
geschaffen werden kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein C-Bogen-Gerät vorzuschlagen,
bei dem der Gewichtsausgleich verbessert ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein C-Bogen-Gerät,
insbesondere ein Röntgen-C-Bogen-Gerät, mit einem
um eine senkrecht zur C-Bogen-Ebene verlaufende
Orbitalachse verfahrbaren C-Bogen. Am C-Bogen sind Zusatzkomponenten,
insbesondere ein eine Röntgenquelle
und einen Bildverstärker
umfassendes Röntgensystem
angebracht. Der Gesamtschwerpunkt von C-Bogen und Zusatzkomponenten übt ein erstes
Drehmoment auf den C-Bogen aus. Das C-Bogen-Gerät enthält eine Ausgleichsvorrichtung
zur Erzeugung eines zweiten Drehmoments, welches das erste Drehmoment
zumindest teilweise kompensiert. Die Ausgleichsvorrichtung enthält ein Gegengewicht,
welches mit dem C-Bogen über
ein Getriebe bewegungsgekoppelt ist.
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Wegen
der zumindest teilweisen Kompensation des ersten Drehmoments durch
das zweite Drehmoment wirkt auf den C-Bogen ein geringeres von der
Schwerkraft erzeugtes Gesamtdrehmoment. Zum orbitalen Verfahren
des C-Bogens ist dadurch weniger Kraft notwendig und zum Feststellen
des C-Bogens in einer bestimmten Position weniger Haltekraft durch
eine Bremse notwendig. In Drehstellungen, in denen erstes und zweites
Drehmoment entgegengesetzt gleich groß sind ist der C-Bogen eigenstabil,
also gewichtsausgeglichen. So ist z.B. eine Grundposition definierbar
in die der C-Bogen durch die Schwerkraft zurückkehrt, so lange keine äußere Kraft
auf ihn ausgeübt
wird, z.B. wenn eine den C-Bogen arretierende Bremse gelöst wird.
Wirkt das zweite dem ersten Drehmoment so weit entgegen, dass die
verbleibenden Drehmomente nur gering sind, kann der C-Bogen mühelos von
Hand verfahren werden. Das Gegendrehmoment (zweites Drehmoment) wird
die das erste alleine durch die am Gegengewicht angreifende Schwerkraft
erzeugt. Für
den Gewichtsausgleich ist also keinerlei Energiezufuhr am C-Bogen-Gerät nötig. Insbesondere
ist ein Motorantrieb zum Gewichtsausgleich am C-Bogen nicht notwendig,
der C-Bogen kann also stromlos verfahren werden. Natürlich kann
zur Steigerung des Bedienkomforts ein Motorantrieb am C-Bogen vorgesehen
sein, der z.B. reibschlüssig
an diesem angreift, aber bei Stromausfall die Bedienbarkeit des
C-Bogens nicht einschränkt,
da er außer
Eingriff gebracht werden kann, ohne die Verfahrbarkeit des C-Bogens
zu beeinträchtigen.
Die Ausgleichsvorrichtung einschließlich des Gegengewichts ist
nicht am C-Bogen selbst angebracht, weswegen dessen Eigengewicht
nicht erhöht
wird. Somit bleiben die zu verschwenkenden Massen bei Orbitalfahrt
des C-Bogens so gering wie möglich.
Für die
Ausgleichsvorrichtung bzw. die Bewegungskopplung zwischen Gegengewicht
und C-Bogen sind verschiedenste mechanische Ausführungen in Form von Hebeln,
Getrieben, Seilzügen oder
Wellen denkbar, die eine Übertragung
von Drehmomenten erlauben.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Gegengewicht derart um eine Drehachse drehbar
gelagert, dass eine Winkeländerung am
C-Bogen die gleiche Winkeländerung
am Gegengewicht bewirkt. Aufgrund der orbitalen Bahn des Gesamtschwerpunktes
von C-Bogen und Zusatzkomponenten um die Orbitalachse besitzt das
Eigendrehmoment des C-Bogens eine Kosinusabhängigkeit vom Drehwinkel. Ist
das Gegengewicht ebenfalls um eine Drehachse drehbar, so erzeugt
dieses ein ebenfalls von seinem Drehwinkel kosinusabhängiges Drehmoment.
Ist nun die Bewegungskopplung zwischen Gegengewicht und C-Bogen
im Verhältnis
1:1 ausgeführt,
d.h. bewirkt eine Winkeländerung
am C-Bogen die gleiche Winkeländerung
am Gegengewicht, so sind die Kosinusabhängigkeiten beider Drehmomente
gleich. So ist erreichbar, dass das zweite auf den C-Bogen ausgeübte Drehmoment stets
entgegengesetzt gleich groß dem
ersten ist, der C-Bogen also in jeder Orbitalposition, d.h. vollständig gewichtsausgeglichen
ist. Aufgrund der 1:1-Übersetzung
sind hierzu keine veränderlichen
Hebelarme am Gegengewicht nötig, die
Konstruktion ist vereinfacht. Der C-Bogen ist in jeder Orbitalposition
kraftfrei. Eine Feststellbremse zur sicheren Arretierung des C-Bogens
muss nur geringe Kraft ausüben.
Bereits eine leichte Reibungskraft, z.B. im Getriebe, am C-Bogen oder am Gegengewicht
reicht aus, dass der C-Bogen in jeder Position auch ohne zusätzliche
Bremse stabil verharrt.
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Ist
das Gegengewicht in der Orbitalebene (C-Bogen-Ebene) des C-Bogens
verschwenkbar, so kann eine platzsparende Konstruktion des Gesamtsystems
erreicht werden, welche kaum Ausladung seitlich aus der Orbitalebene
erfordert. Die mechanische Kraftübertragung
zwischen Gegengewicht und C-Bogen kann auf einfache Weise stattfinden,
da keine Winkelumlenkung zwischen der Bewegung des C-Bogens und
der des Gegengewichts erforderlich ist.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist der C-Bogen
um eine die Orbitalachse rechtwinklig schneidende Angulationsachse
verschwenkbar. Durch diesen zusätzlichen
Freiheitsgrad für
die C-Bogen-Bewegung und die Zusatzkomponenten kann durch deren
Gesamtschwerpunkt ein weiteres durch die Schwerkraft verursachtes
Drehmoment bezüglich
der Angulationsachse auf den C-Bogen wirken. Auch dieses ist über die
Ausgleichsvorrichtung und das Gegengewicht ausgleichbar. Somit kann
erreicht werden, dass der C-Bogen auch bezüglich seiner Angulationsachse
vollständig
gewichtsausgeglichen ist oder zumindest teilweise eigenstabil in
eine Grundposition zurückkehrt
aus welcher er mit geringer Verstellkraft wieder heraus bewegt werden
kann. Der angulare Gewichtsausgleich kann durch gleich- oder gegensinnige
Rotation von C-Bogen und Gegengewicht um die Angulationsachse erreicht
werden.
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Besonders
einfach ist der angulare Gewichtsausgleich zusätzlich zum orbitalen Gewichtsausgleich
zu realisieren, wenn der C-Bogen an einer die Ausgleichsvorrichtung
enthaltenden Lagervorrichtung verfahrbar gelagert ist. Ist die Ausgleichsvorrichtung
direkt an bzw. in der Lagervorrichtung ange bracht, ergeben sich
kurze Wege zur Kraftübertragung
und somit ein kleiner Bauraum des Gesamtsystems. Das Gegengewicht
wird z.B. bei einer bezüglich
der Angulationsachse starren Konstruktion automatisch mitverschwenkt,
wenn der C-Bogen verschwenkt wird. So ist noch nicht einmal eine
gesonderte Mechanik für
den angularen Gewichtsausgleich nötig. Durch entsprechende Dimensionierung
der Masse und der Bewegungsbahn des Gegengewichts bzw. seiner Abstände bezüglich der
angularen und orbitalen Drehachse sind verschiedene Grade bis zum
vollständigen
Gewichtsausgleich realisierbar.
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Die
Lagervorrichtung kann die Ausgleichsvorrichtung mit einem Gehäuse umfassen.
Ausgleichs- und Lagervorrichtung zusammen mit dem Gegengewicht sind
also in einem Gehäuse
unterbringbar. So entsteht ein kompaktes C-Bogen-Gerät, dessen
Getriebe geschützt
vor Staub ist, keinen Schmutz abgeben kann, und im sterilen Bereich,
z.B. dem Behandlungsraum eines Krankenhauses eine einfache Säuberung
und Desinfektion des gesamten C-Bogen-Gerätes erlaubt.
Durch das Gehäuse
sind die beweglichen Teile des C-Bogens vor Berührung geschützt, wodurch das Verletzungsrisiko
des Bedienpersonals wesentlich beschränkt ist.
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C-Bogen
und Gegengewicht können über ein
an der Lagervorrichtung angebrachtes, zur Orbitalebene parallel
angeordnete Komponenten enthaltendes mehrstufiges Zahnradgetriebe
gekoppelt sein. Die Momentenübersetzung
zwischen dem Gesamtschwerpunkt und Gegengewicht beträgt hierbei 1:1.
Ein Zahnradgetriebe ist mechanisch sehr einfach und robust aufgebaut.
Durch die parallel angeordneten Zahnräder, Ritzel oder sonstigen
Getriebeteile ist eine flache Bauweise des Getriebes bezüglich der Orbitalebene
möglich.
Die 1:1-Übersetzung
ist durch die Mehrstufigkeit des Zahnradgetriebes und verschiedene Über- bzw.
Untersetzungen leicht erreichbar, wobei hierdurch bei einem mindestens
zweistufigen Zahnradgetriebe bezüglich
Masse und Hebelarm des Gegengewichtes ein Freiheitsgrad entsteht.
So kann z.B. zur Gewichtsreduzierung des Gesamtsystems das Gegengewicht
die Hälfte
der Gesamtmasse von C-Bogen und Zusatz komponenten betragen, aber
mit einem Hebelarm wirken, der doppelt so lang ist wie der Hebelarm,
mit dem die Gesamtmasse auf die Orbitalachse wirkt. Die Drehmomente
heben sich auch dann vollständig
auf.
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Besonders
platzsparend wird das Getriebe dadurch, dass das Abtriebsteil des
Zahnradgetriebes ein Ausleger ist, an dessen einem Ende das Gegengewicht
angebracht ist und der eine Innenverzahnung aufweist. Durch die
Innenverzahnung ist eine Ineinanderschachtelung des Getriebes und
somit kleinstmöglicher
Bauraum erreichbar. Bei einem durch den Ausleger entstehenden Hebelgetriebe
ist eine Feinjustierung des zweiten Drehmoments z.B. durch eine
Feinjustierung der Länge
des Auslegers und damit des Hebelarmes für das Gegengewicht möglich. Hierdurch
kann das zweite Drehmoment so eingestellt werden, dass es exakt
gegengleich groß dem
ersten Drehmoment ist. Sollten während
der Lebensdauer des C-Bogen-Gerätes
Komponenten ausgetauscht werden, so kann das zweite Moment an die
neuen Gewichtsverhältnisse
in der Anlage angepasst werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung umfassen Getriebe und Gegengewicht einen Hohlraum,
in dem eine Kabeltrommel zur Aufnahme eines Versorgungskabels für den C-Bogen
angeordnet ist. Der Gewichtsausgleich und die Verkabelung des C-Bogens,
also sämtliche
beweglichen Teile, Verbindungskabel, Schläuche etc. des C-Bogens sind
somit von außen
unzugänglich.
Ein Verhaken oder Verschlingen beweglicher Teile in der Umgebung
des C-Bogens ist hierdurch verhindert. Das Verletzungsrisiko für Bedienpersonal
durch bewegliche Teile ist minimiert.
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Für eine weitere
Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen.
Es zeigen, jeweils in Prinzipdarstellung:
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1 die
Seitenansicht eines Röntgen-C-Bogens
mit Gewichtsausgleich in 90°-Orbital- und
0°-Angular-Position,
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2 einen
Schnitt durch den C-Bogen aus 1 in Blickrichtung
des Pfeils II,
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3 ein
Massenmodell des angular verschwenkten C-Bogens aus 1,
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4 den
C-Bogen aus 1 in 0°-Orbital-Position in einer Darstellung
gemäß 1,
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5 ein
Massenmodell des angular verschwenkten -C-Bogens aus 4 in
einer Darstellung gemäß 3,
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6 eine
alternative Ausführung
einer Lagervorrichtung mit Ausgleichsvorrichtung in einer Darstellung
gemäß 1,
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7 einen
Schnitt durch die Vorrichtung aus 6 in Blickrichtung
des Pfeils VII.
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1 zeigt
ein Röntgen-C-Bogen-Gerät 2. Dargestellt
ist der das Röntgensystem 4 tragende C-Bogen 6 und
die Lagervorrichtung 8 für den C-Bogen 6. Nicht
dargestellt ist der die Gesamtanordnung an einer Lagerachse 10 tragende
Standfuß des C-Bogen-Gerätes 2.
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Das
Röntgensystem 4 umfasst
eine Röntgenquelle 12 und
einen Röntgenempfänger bzw. Bildverstärker 14.
Der Zentralstrahl 16 eines von der Röntgenquelle 12 ausgesandten,
nicht dargestellten Röntgenstrahlkegels
verlässt
die Röntgenquelle 12 mittig
und trifft mittig auf den Bildverstärker 14 auf.
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Der
C-Bogen 6 ist an einem Rollenlager 18, welches
fest an der Lagervorrichtung 8 angebracht ist, orbital
verfahrbar gelagert. Die Verfahrrichtung des C-Bogens 6 an
der Lagervorrichtung 8 ist durch den Doppelpfeil 20 dargestellt.
Bei einer derartigen Bewegung beschreiben C-Bogen 6 und
Röntgensystem 4 Orbitalbewegungen
um eine die Zeichenebene in 1 senkrecht
durchstoßende
Orbitalachse 22. Orbitalachse 22 und Zentralstrahl 16 schneiden
sich im Isozentrum 24. In 1 befindet
sich der C-Bogen 6 in der 90°-Position, das heißt, der
Zentralstrahl 16 schließt mit einer die Lagerachse 10 zentral
durchsetzenden, waagerecht verlaufenden Angulationsachse 26 einen
Winkel 28 von 90° ein.
Bei Fahrt in Richtung 20 gleitet der C-Bogen 6 auf
einer am C-Bogen 6 angebrachten kreisbahnförmigen Lauffläche 30 auf
den Rollen 32 des Rollenlagers 18 entlang.
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Zusätzlich zur
Orbitalbewegung des C-Bogens 6 bezüglich der Lagervorrichtung 8 sind
C-Bogen 6, Lagervorrichtung 8 und die daran befestigte Lagerachse 10 um
die Angulationsachse 26 in einem zum nicht dargestellten
Standfuß des
C-Bogengerätes 2 gehörenden Wellenlager 34 in
Richtung des Pfeils 36 verschwenkbar. In jeglicher orbitalen
und angularen Verschwenkposition des C-Bogen-Geräts 2 schneiden sich
Orbitalachse 22 und Zentralstrahl 16 im rechten
Winkel und durchstoßen
das Isozentrum 24, welches ortsfest ist, so lange der Standfuß des C-Bogen-Geräts 2 ortsfest
ist.
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Die
Gesamtmasse von C-Bogen 6 und Röntgensystem 4 ist
in deren Gesamtschwerpunkt 38 als virtuelle Gesamtmasse 40 mit
Masse M sinnbildlich dargestellt. Die auf die Gesamtmasse 40 wirkende Schwerkraft 42 bewirkt über den
sich vom Isozentrum 24 zum Gesamtschwerpunkt 38 erstreckenden virtuellen
Hebelarm 44 der Länge
L ein Drehmoment 46 bezüglich
der Orbitalachse 22 auf den C-Bogen 6. Das Drehmoment 46 beträgt in 1 T
= M·L.
Wird der C-Bogen 6 aus der in 1 gezeigten
Position orbital verschwenkt, nimmt das Drehmoment kosinusförmig mit
dem entsprechenden Drehwinkel ab, da die Schwerkraft 42 nicht
mehr im rechten Winkel zum Hebelarm 44 wirkt.
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In
der Lagervorrichtung 8 ist eine Ausgleichsvorrichtung 9 enthalten
(siehe hierzu auch 2). Diese umfasst ein Zahnrad 48,
zwei parallele Ausleger 50 und ein die Ausleger 50 endseitig
U-förmig verbindendes
Gegengewicht 52. Das Zahnrad 48 umfasst eine am
Gehäuse 56 der
Lagervorrichtung 8 gelagerte Welle 54, einen mittig
auf der Welle 54 befestigten Zahn kranz 58 und
zwei nahe den Wellenenden angebrachte Ritzel 60. Die radial
außen
gelegene Verzahnung des Zahnkranzes 58 greift in eine auf der
Lauffläche 30 fest
angebrachte Verzahnung 104. Die Ausleger 50 sind
mit ihrem, dem Gegengewicht 52 gegenüberliegenden Enden auf zur
Welle 54 und Orbitalachse 22 parallelen, am Gehäuse 56 drehbar gelagerten
Wellen 62 befestigt. Nahe der Welle 62 und konzentrisch
zu diesen sind in den Auslegern 50 C-förmige Aussparungen 64 vorhanden.
Die radial äußeren Ränder der
Aussparung 64 sind mit Innenverzahnungen 66 versehen,
in die die Ritzel 60 eingreifen. An den Freienden der Ausleger 50 ist
das die Masse 2M aufweisende Gegengewicht 52 befestigt. Der
fiktive Hebelarm 68 des Gegengewichtes 52 bezüglich der
Wellen 62 beträgt
L/2, so dass dieses durch die Schwerkraft 74 ein Drehmoment 76 von
T = 2M·L/2
= M·L
erzeugt, welches gleich groß dem
auf den C-Bogen wirkenden Drehmoment ist und die gleiche Kosinusabhängigkeit
vom Drehwinkel aufweist.
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Über die
Bewegungskopplung zwischen Verzahnung 104, Zahnkranz 58,
Ritzel 60, Innenverzahnung 66, und Ausleger 50 bewirkt
eine Orbitalfahrt des C-Bogens 6 in Richtung 20 einen
Orbitalschwenk des Gegengewichts 52 um die Welle 62 in
Richtung des Pfeils 69. Die Getriebeübersetzung ist hierbei so gewählt, dass
eine Winkeländerung
des Winkels 28 die betragsmäßig gleiche Winkeländerung
des Winkels 70 zwischen Mittellängsachse der Ausleger 50 und
der Senkrechten 72 bewirkt. Darüber hinaus ist in 1 das
Getriebe, also die Ausgleichsvorrichtung 9 derart justiert,
dass eine 90°-Position
des Winkels 28 einer 90°-Position
des Winkels 70 entspricht.
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Ohne
Aufbringung einer Gegenkraft, also ohne an die Verzahnung 104 angekoppelte
Ausgleichsvorrichtung 9 würde aufgrund der Schwerkraft der
C-Bogen 6 in Richtung des Pfeils 49 in der Lagervorrichtung 8 nach
unten gleiten, bis der Winkel 28 0° beträgt und der Gesamtschwerpunkt 38 in
Schwerkraftrichtung unterhalb des Isozentrums 24 eine stabile
Gleichgewichtsposition findet.
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Die
Ausgleichsvorrichtung erzeugt bezüglich der Orbitalachse 22 das
gegengleiche Drehmoment am C-Bogen 6. Das Drehmoment 76 wird über die
Innenverzahnung 66 und das Ritzel 60 auf das Zahnrad 48 und über dieses über die
Verzahnung 104 der Lauffläche 30 auf den C-Bogen 6 übertragen
und wirkt so dem Drehmoment 46 entgegen. In 1 sind
die Maße
der Getriebekomponenten derart aufeinander abgestimmt, das diese
Momentenübersetzung
vom Drehmoment 76 zum Drehmoment 46 eins zu eins
beträgt.
Die beiden Drehmomente sind entgegengesetzt gleich groß und zwar
für jeden
Verfahrwinkel des C-Bogens 6 und heben sich deshalb auf der
Orbitalachse 22 zu Null auf. Bezüglich der Orbitalbewegung 20 ist
somit der C-Bogen 6 vollständig gewichtsausgeglichen und
bleibt in jeder Drehstellung drehmomentfrei.
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Auch
sämtliche
Komponenten der Lagervorrichtung 8 und der Ausgleichsvorrichtung 9 sind
nicht masselos. Nimmt man das Gegengewicht 52 (strenggenommen
zusammen mit den ebenfalls beweglichen, und den Schwerpunkt bei
Bewegung veränderndern
Auslegern 50 – der
Einfachheit halber wird im weiteren nur vom Gegengewicht 52 gesprochen) aus
dieser Betrachtung aus, besitzen Lagervorrichtung 8 und
Ausgleichsvorrichtung 9 zusammen eine virtuelle Gesamtmasse 78 im
Gesamtschwerpunkt 80. Da Lagervorrichtung 8 und
Ausgleichsvorrichtung 9 synchron mit dem C-Bogen 6 um
die Angulationsachse 26 verschwenkbar sind, bewirkt die
Gesamtmasse 78 ein Drehmoment um die Angulationsachse 26,
wobei der virtuelle Hebelarm 86 hierbei der radiale Abstand
des Gesamtschwerpunkts 80 von der Angula tionsachse 26 ist.
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2 zeigt
das C-Bogen-Gerät 2 aus 1 in
Richtung des Pfeils II im Schnitt auf Höhe der Welle 62. Der
C-Bogen 6 weist ein etwa halbkreisförmiges Hohlprofil auf, wobei
dessen Wand 100 an der der Lagervorrichtung 8 zugewandten
Seite abgeflacht und in einem zentralen Bereich 102 ausgespart
ist. Dort ist die Wand 100 zum Inneren des C-Bogens 6 hin
geführt und
bildet die Lauffläche 30,
auf der die am Gehäuse 56 gelagerten
Rollen 32 laufen. Mittig auf der Lauffläche 30 ist die Verzahnung 104 angebracht,
in die die Verzahnung des Zahnkranzes 58 eingreift. Der
Zahnkranz 58 ist zusammen mit den Ritzeln 60 auf
der Welle 54 fest montiert, wobei die Welle 54 im
Gehäuse 56 endseitig
drehbar gelagert ist. Die das Gegengewicht 52 tragenden
Ausleger 50 sind über
die Wellen 62 ebenfalls im Gehäuse 56 drehbar gelagert.
Die Innenverzahnung 66 an der Aussparung 64 greift
in die beiden Ritzel 60 ein. Am dem C-Bogen 8 gegenüberliegenden
Ende der Lagervorrichtung 8 ist im Gehäuse 56 eine Aufnahme 106 zur
um die Angulationsachse 26 drehbaren Lagerung der in 2 nicht
dargestellten Lagerachse 10 vorgesehen.
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Der
Zahnkranz 58 verläuft
etwa mittig im Gehäuse 56,
wobei die Ausleger 50 und Ritzel 60 nahe am Innenrand
des Gehäuses 56 liegen.
So entstehen Freiräume 108 zur
Aufnahme zusätzlicher,
nicht dargestellter Komponenten des C-Bogen-Gerätes 2 wie Kabelführungen,
Antriebsmotoren oder ähnliches. Die
mechanisch stabile Verbindung zwischen den Auslegern 50 wird
durch das Gegengewicht 52 erreicht. Eine Abdeckplatte 110 dichtet
den Innenraum des Gehäuses 56 gegen
die Aufnahme 106 ab.
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3 zeigt
die Draufsicht auf die Massen- und Hebelverhältnisse des C-Bogen-Geräts 2 aus 1 in
Richtung des Pfeils III. Allerdings ist das C-Bogen-Gerät in der
gezeigten 90°-Orbital-Position zusätzlich angular
um ca. 45° im
Gegenuhrzeigersinn um die Angulationsachse 26 gegenüber der Senkrechten 72 verkippt.
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3 ist
eine Prinzipskizze, in der als einzige reale Komponente der gesamten
Anordnung das Gegengewicht 52 dargestellt ist. Sämtliche
anderen realen Komponenten des C-Bogens 6 und des Röntgensystems 4 sind
durch deren virtuelle Gesamtmasse 40 dargestellt. Sämtliche
realen Komponenten der Lager vorrichtung 8 und der Ausgleichsvorrichtung 9 mit
Ausnahme des Gegengewichts 52 durch deren virtuelle Gesamtmasse 78.
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Orbitalachse 22 und
Zentralstrahl 16 sind wegen der angularen Verkippung ebenfalls
um ca. 45° gegenüber 1 verkippt.
Die Angulationsachse 26 verläuft weiterhin waagerecht und
durchstößt in 2 die
Zeichenebene senkrecht. Orbitalachse 22, Zentralstrahl 16 und
Angulationsachse 26 schneiden sich weiterhin im Isozentrum 24.
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In
der betrachteten orbitalen 90°-Position des
C-Bogens 6 liegt die Gesamtmasse 40 mit ihrem Gesamtschwerpunkt 38 auf
der Angulationsachse 26 und übt bezüglich dieser kein Drehmoment
aus. Angulare Drehmomente werden nur von den an der Gesamtmasse 78 und
am Gegengewicht 52 angreifenden Schwerkräften 84 und 74 mit
den Hebelarmen 86 und 88 bezüglich der Angulationsachse 26 erzeugt. Der
Hebelarm 88 ist hierbei der Radialabstand des Schwerpunkts 53 des
Gegengewichts 52 von der Angulationsachse 26,
der wegen der 90°-Position
(Winkel 70) des Gegengewichts hier dem Abstand der Welle 62 von
der Angulationsachse 26 entspricht. Der Hebelarm 86 ist
der Radialabstand des Gesamtschwerpunktes 80 von der Angulationsachse 26.
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Für die folgende
Drehmomentbetrachtung wird die Kosinusabhängigkeit der Drehmomente vom Angulationswinkel,
welche hier für
alle betrachteten Größen stets
gleich ist, der Einfachkeit halber weggelassen.
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Wegen
der Größe der Gesamtmasse 78 von M/2
und dem Hebelarm 86 der Länge H bewirkt die Gesamtmasse 78 ein
Drehmoment T = M/2·H
= M·H/2.
Der Hebelarm 88 ist deshalb zu H/4 dimensioniert. Somit
erzeugt das Gegengewicht 52 ein Drehmoment T = 2M·H/4 =
M·H/2
und kompensiert so das Drehmoment der Gesamtmasse 78 beträgt zu Null. Sämtliche
Drehmomente bezüglich
der Angulationsachse 26 sind also ausgeglichen und das
C-Bogen-Gerät 2 ist
auch bezüglich
dieser Achse gewichtsausgeglichen.
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Es
verharrt in jeder beliebigen Angulationsposition kraftfrei.
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4 zeigt
das C-Bogen-Gerät 2 aus 1 mit
um 90° nach
unten verschwenktem C-Bogen 6, also in 0°-Position
Der Zentralstrahl 16 fällt
dann mit der Angulationsachse 26 zusammen, so dass der Winkel 28 0° beträgt. Der
Gesamtschwerpunkt 38 befindet sich in Schwerkraftrichtung,
also lotrecht unter dem Isozentrum 24, weshalb der C-Bogen 6 auch ohne
Gegendrehmoment eine stabile Gleichgewichtsposition einnimmt. Die
Ausgleichsvorrichtung 9 übt ebenfalls kein Drehmoment
auf den C-Bogen 6 aus.
Das Gegengewicht 52 befindet sich nämlich bezüglich der Welle 62 in
einer instabilen Gleichgewichtsposition, das heißt der Winkel 70 bezüglich der Senkrechten 72 beträgt 180°. Die Ausleger 50 sind also
gegenüber 1 um
90° nach
oben geschwenkt.
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Der
Ausleger 50 ist meist massiv ausgeführt und besitzt ein nicht unerhebliches
Gewicht, welches ebenfalls als Ausgleichsmasse für den Gewichtsausgleich zu
betrachten ist. Strenggenommen zählt
also, wie bereits oben erwähnt,
bei Gewichtsbetrachtungen der Ausleger 50 zum Gegengewicht 52 dazu.
Die restlichen Getriebeteile sind so konzipiert, dass sich bei deren
Bewegung die Lage des Gesamtschwerpunkts 80 nicht in Bezug
auf 1 ändert,
da das Gegengewicht 52 selbst zusammen mit dem Ausleger 50 von
dieser Betrachtung ausgenommen ist.
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Beim
Verfahren des C-Bogens 6 aus der Position nach 1 in
die Position nach 4 vollführt der C-Bogen 6 einen
90°-Schwenk. Wegen des
Eingreifens der Verzahnung 104 in den Zahnkranz 58 vollführt das
Zahnrad 4 hierbei etwa eineinhalb Umdrehungen in Richtung
des Pfeils 90 durch die Übersetzung zwischen den beiden
Wirkradien der Verzahnungen (Radialabstand der Verzahnung 104 von
der Orbitalachse 22 zu Durchmesser des Zahnkranzes 58).
Das Ritzel 60 durchläuft
die gleiche Winkeländerung
wie der Zahnkranz 58. Durch das Zusammenwirken des Ritzels 60 mit
der Innenverzahnung 66 und der damit einhergehenden Untersetzung
(Durchmesser des Ritzels 60 zu Radialabstand der Innenverzahnung 66 von
der Welle 62) durchläuft
der Ausleger 50 die selbe 90°-Winkeländerung wie der C-Bogen 6,
d.h. die Gesamtübersetzung
des Getriebes ist 1:1. In beliebigen Zwischenstellungen zwischen 3 und 4 sind
deshalb die Kosinusabhängigkeiten
der von der Gesamtmasse 40 und dem Gegengewicht 52 erzeugten
Drehmomente gleich, weshalb der C-Bogen 6 in jeder beliebigen,
auch über
die in den Figuren gezeigten Fälle
hinausgehenden Orbitalwinkelstellung gewichtsausgeglichen ist.
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5 zeigt
das C-Bogen-Gerät 2 aus 3 in
0°-Orbital-Position in Richtung
des Pfeils V, im Gegensatz zu 3 allerdings
um etwa 60° im
Gegenuhrzeigersinn angular verkippt. Wie in 3 sind mit Ausnahme
des Gegengewichts 52 wieder nur die virtuellen Gesamtmassen 40 und 78 der
Anordnung dargestellt. Die Gesamtmasse 78 mit unverändertem Abstand
zur Angulationsachse 26 erzeugt hierbei wieder unter Auslassung
der Kosinusabhängigkeiten das
gleiche Drehmoment T = M/2·H
= M·H/2.
Da der Schwerpunkt 38 nun nicht mehr auf der Angulationsachse 26 liegt,
entsteht auch durch die Gesamtmasse 40 ein zusätzliches
Drehmoment mit Hebelarm 92 bezüglich der Angulationsachse 26.
Der Hebelarm 92 entspricht dem Radialabstand des Schwerpunkts 38 von
der Angulationsachse 26, welcher im gezeigten Beispiel
gleich dem Hebelarm 44 aus 1 entspricht.
Hiermit entsteht das zusätzliche
Drehmoment T = M·L.
Somit wirkt durch die Massen 78 und 40 T = M·H/2 +
M·L bezüglich der
Angulationsachse 26.
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Da
das Gegengewicht 52 nun an seinem Ausleger 50 verschwenkt
ist, beträgt
dessen Hebelarm bezüglich
der Angulationsachse 26 die Summe aus dem Abstand 88 der
Welle 62 von der Angulationsachse 26 und dem Hebelarm 68,
nämlich
dem Abstand des Gegengewichts 52 von der Welle 62. Das
Gegendrehmoment durch das Gegengewicht 52 beträgt demnach
T = 2M·(H/4
+ L/2) = M·H/2
+ M·L, was
genau der Summe der anderen beiden Drehmomente entspricht.
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Auf
Grund der Massen- und Längenverhältnisse
im C-Bogen-Gerät 2 ist
dieses also in jeder Orbital- und Angularposition vollständig gewichtsausgeglichen.
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6 zeigt
eine alternative Ausführungsform
für die
Lagervorrichtung 8 mit Ausgleichsvorrichtung 9.
Anstelle der Verzahnung 104 ist auf der Lauffläche 30 des
C-Bogens 6 ein Zahnriemen 112 geführt. Dieser
ist an den in 6 nicht sichtbaren Enden des
C-Bogens 6 mit diesem fest verbunden, und liegt nahezu
auf der gesamten C-Bogenlänge
auf der Lauffläche 30 auf.
Lediglich in einem zwischen Umlenkrollen 114a und 114b liegenden
Bereich 116 ist der Zahnriemen 112 von der Lauffläche 30 weggeführt. Er
verläuft
von der Umlenkrolle 114a über eine Kabeltrommel 118a und
eine Umlenkrolle 114c zurück zur Umlenkrolle 114b am
C-Bogen 6. Die Kabeltrommel 118a weist eine umfangsseitige
Verzahnung 120a auf, in die der Zahnriemen 112 eingreift. Auf
einer die Kabeltrommel 118a durchsetzenden, und am Gehäuse 56 gelagerten
Welle 122 sind nahe den Wellenenden zwei Ritzel 124 angebracht
(siehe auch 7). Diese greifen je in die
Verzahnung zweier auf einer Welle 126 nahe der Wellenenden
gelagerter Zahnkränze 128 ein.
Auf der Welle 126 ist endseitig noch je ein Ausleger 132 befestigt,
der an seinem Freiende je ein Gegengewicht 130 trägt.
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Auf
den Kabeltrommeln 118a, b sind nicht dargestellte Versorgungsleitungen
aufgewickelt, welche von der Kabeltrommel 118a entlang
des C-Bogens 6 zum in 6 nicht
sichtbaren Bildverstärker 14,
und von der Kabeltrommel 118b zur nicht sichtbaren Röntgenquelle 12 führen.
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Bei
einer Orbitalfahrt des C-Bogens 6 an der Lagervorrichtung 8 in
Richtung des Pfeils 49 wird der Zahnriemen 112 über die
oben beschriebene Rollenanordnung in Richtung des Pfeils 134 geführt und versetzt
hierbei die Kabeltrommel 118a in Richtung des Pfeils 136 in
Rotation. Die Kabeltrommel 118a wickelt hierdurch das vom
Bildverstärker 14 her
in Richtung 49 näher
kommende Versorgungskabel auf. Die Rolle 118a versetzt
die Kabeltrommel 118b in Richtung 138 in Rotation,
welche wiederum das nichtdargestellte Versorgungskabel abspult und
in Richtung 49 zur Röntgenquelle 12 hin
freigibt. Gleichzeitig mit der Kabeltrommel 118b versetzt
die Kabeltrommel 118a über
das Ritzel 124 das Zahnrad 128 in Richtung 140 in
Bewegung. Hierdurch wird gleichzeitig der Ausleger 132 und
das Gegengewicht 130 um die Achse 126 verschwenkt.
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Die
Dimensionierung der Massen- und Hebelverhältnisse ist entsprechend zur
Ausführungsform
nach 1 bis 5 ausgeführt. Lediglich veränderte Größen von
Gesamtmasse 78 und Lage des Schwerpunkts 80 (und
damit des Hebelarms 86) von Lagervorrichtung 8 und
Ausgleichsvorrichtung 9 würde zu einem anderen Maß für den Hebelarm 88 führen, also
zu einer anderen Platzierung der Welle 62. Die Übersetzung
der einzelnen Getriebestufen ist wieder derart abgestimmt, dass
eine Winkeländerung
bei Orbitalfahrt des C-Bogens 6 die gleiche Winkeländerung
des Gegengewichts 103 bewirkt. Die Momentenverhältnisse
in 6 entsprechen so denen in 1. Lediglich
die Masse des Gegengewichts 52 von 2M ist auf zwei Teilmassen
von je M der beiden Gegengewichte 130 aufgeteilt.
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7 zeigt
die Anordnung aus 6 in Blickrichtung des Pfeils
VII im Schnitt oberhalb der Welle 126. Im Innenraum 108 der
Lagervorrichtung 8 befinden sich im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel
nach 5 im wesentlichen die Kabeltrommeln 118a und 118b.
Die mit der Kabeltrommel 118a verbundenen Ritzel 124 sind
beidseitig außen
an der Lagervorrichtung 8 angebracht, wie auch die Zahnräder 128,
Ausleger 132 und Gegengewichte 130. Die Synchronbewegung
der Gegengewichte 130 ist über die starre Verbindung durch
die Achse 126 sichergestellt. Ein Nachteil der Ausführungsform
gemäß 1 bis 5 liegt
darin, dass die teilweise in der Umgebung des C-Bogen-Geräts 2 verlaufenden, nicht
dargestellten Versorgungsleitungen stören und unfallträchtig sind,
da diese sich leicht verhaken oder verschlingen. Die in der Ausführungsform
gemäß 6 und 7 statt
dessen außen
am C-Bogengerät 2 verschwenkenden
Gegengewichte 130 sind wesentlich weniger störend und
können
gegebenenfalls in einem zusätzlichen,
die Ausgleichsvorrichtung 9 gesamt umschließenden,
nicht dargestellten Gehäuse
untergebracht werden, wodurch sich wiederum ein nach außen hin
völlig
geschlossenes C-Bogengerät 2 ergibt.