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Die vorliegende Erfindung betrifft einen hochfesten Rahmen für den rotierbaren Lagerring eines Computertomographiegerätes sowie einen Lagerring und ein Computertomographiegerät mit einem solchen hochfesten Rahmen.
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Ein in der Medizintechnik breit eingesetztes Diagnoseverfahren ist die Computertomographie. In einem solchen Verfahren wird ein zu untersuchender Bereich eines Patienten oder eines Objekts scheibenweise mit Strahlung bestrahlt und Aufnahmen des zu untersuchenden Bereichs des Objektes oder des Patienten werden aus verschiedenen Richtungen aufgenommen. Eine Bildrekonstruktion aus den gewonnenen Aufnahmen ermöglicht anschließend eine zwei- oder dreidimensionale Darstellung des zu untersuchenden Bereichs und trägt zur Herstellung einer Diagnose bei.
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Die hierfür verwendeten Computertomographiegeräte weisen üblicherweise ein Gestell auf, das sich aus einem stationären und gegebenenfalls aus einem kippbaren Teil zusammensetzt. Das Gestell ist als tragende Struktur eines rotierenden Teils des Computertomographiegerätes, auch drum genannt, ausgebildet. Dabei weist der rotierende Teil zumindest ein aus einem Detektor und einer Strahlungsquelle bestehendes Aufnahmesystem auf. Der rotierende Teil des Computertomographiegerätes weist dabei eine zylindrische Form auf mit einer durchgehenden Öffnung und wird im Folgenden auch als Lagerring bezeichnet. Der Lagerring weist eine durchgehende Zentralöffnung oder einen Tunnel auf und ist um die Zentralachse dieser Öffnung oder dieses Tunnels drehbar gelagert. Die Strahlungsquelle und der Detektor definieren dabei einen Messbereich, in welchem ein Objekt oder ein Patient bewegbar positioniert werden kann. Üblicherweise sind der Detektor und die Strahlungsquelle an gegenüberliegende Seiten des Lagerringes diametral angeordnet. Dadurch dreht sich der Detektor zusammen mit der Strahlungsquelle um die Drehachse des Lagerringes.
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Computertomographische Verfahren fordern eine sehr präzise Anordnung des gesamten medizinischen Gerätes, insbesondere der Strahlengeometrie des Aufnahmesystems. Heutige Computertomographiegeräte weisen derzeit Rotationsgeschwindigkeiten des Lagerringes von bis zu etwa 240 rpm (Umdrehungen pro Minute) auf. Dabei sind noch höhere Drehgeschwindigkeiten in Zukunft denkbar, beispielsweise im Bereich von bis zu 400 rpm. Dabei weisen die Hauptkomponenten solcher Aufnahmesysteme typischerweise ein Gesamtgewicht von 400 bis über 1000 kg auf. Die Hauptkomponenten des Aufnahmesystems sind im Wesentlichen die Strahlungsquelle, der Detektor sowie gegebenenfalls Blende- und/oder Kollimator-Systeme. Dabei kann die Hauptkomponente Strahlungsquelle neben der eigentlichen Strahlungsquelle weitere der Strahlungsquelle zugeordnete Bauteile, z.B. Gehäuseteile, stützende Teile, Steuerungselektronik etc. aufweisen. Ebenso können die Hauptkomponenten Detektor, Blende und /oder Kollimator neben dem jeweiligen eigentlichen Detektor, Blende bzw. Kollimator weitere zugeordnete Bauteile, z.B. Gehäuseteile, stützende Teile, Steuerungselektronik etc. aufweisen. Die Beschleunigung dieser Massen auf die oben genannten Rotationsgeschwindigkeiten führt zu Kräften, die über 40 g liegen können und welche besondere Anforderungen an die gesamte mechanische Anordnung des Computertomographiegerätes stellen.
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Dies betrifft insbesondere die das Aufnahmesystem tragende Struktur, also den Lagerring, der bei Rotation wegen den Fliehkräften mechanisch besonders beansprucht wird. Insbesondere können dadurch unter Belastung Verformungen des Lagerringes verursacht werden. Solche Verformungen sind mit einer unerwünschten Änderung der Strahlengeometrie des Aufnahmesystems verbunden, die zu einer Verfälschung der Aufnahmen und einer Verschlechterung der Bildrekonstruktion führt.
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Dieses Problem wird in der Regel dadurch Rechnung getragen, dass die Ausführung des Lagerringes durch eine mechanisch stabile aber schwere Tragestruktur realisiert wird. Insbesondere wird der Lagerring als möglichst steifes Bauteil mit hohen Wandstärken und viel Materialverbrauch konstruiert. Dadurch wird eine möglichst geringe Verformung des Lagerringes im Betrieb erreicht, so dass die Strahlengeometrie im Wesentlichen unverändert bleibt und eine gute Bildaufnahmequalität gewährleistet ist. Diese Lösung hat aber den Nachteil, dass eine solche, schwere Ausführung mit einem hohen Gesamtgewicht des Lagerringes verbunden ist, wobei Krafteinwirkungen mit dem Gewicht und mit zunehmender Drehzahl überproportional steigen. Außerdem muss der Lagerring beschleunigt werden, wofür bei zunehmendem Gewicht mehr Leistung benötigt wird. Schließlich muss der Lagerring gelagert werden, wobei bei zunehmendem Gewicht mehr Belastung und mehr Verschleiß der Drehlager verursacht wird.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung eine Lösung bereitzustellen, mit welcher ein leichterer Bau des Lagerringes ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird durch einen Rahmen nach Anspruch 1, einen Lagerring nach Anspruch 9 und ein Computertomographiegerät nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen näher beschrieben.
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Die Erfinder haben erkannt, dass der Lagerring nebst der Positionierung der Hauptkomponenten, die für die korrekte Strahlengeometrie sorgt, auch für die Fixierung von Hilfskomponenten und von weiteren Umbauteile verwendet wird, wobei die Hilfskomponenten und die weiteren Umbauteile aufgrund ihres geringeren Gewichts von einer leichteren Konstruktion getragen werden können. Außerdem haben die Erfinder erkannt, dass der Lagerring auch Stellen aufweist, die mechanisch weniger belastet und beansprucht werden und die sich auch stärker verformen dürfen, als im Bereich der Strahlengeometrie des Aufnahmesystems.
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Es wird daher einen Rahmen für ein medizinisches Gerät, insbesondere für ein Computertomographiegerät, vorgeschlagen, welcher zumindest eine durchgehende Zentralöffnung sowie eine erste Aufnahme und eine zweite Aufnahme aufweist. Weiterhin weist der Rahmen einen geschlossenen Rand oder Umfang. Der Rahmen ist dabei hochfest, das heißt als möglichst steifes Bauteil ausgebildet, welches sich unter Betriebsbedingungen nicht oder nicht wesentlich verformt. Bevorzugt ist der Rahmen einteilig, d.h., er ist aus einem Stück bzw. Bauteil bestehend aufgebaut. Die Festigkeit des Rahmens wird entsprechend der Eigenschaften des Aufnahmesystems, insbesondere des Gewichts und der maximal zu erreichende Drehzahl, derart dimensioniert, dass keine beziehungsweise im Wesentlichen keine Verformung der Strahlengeometrie des Aufnahmesystems, insbesondere im rotierenden Zustand, verursacht wird. Dabei sind die erste und die zweite Aufnahme um die Zentralöffnung des Rahmens diametral angeordnet und zur Aufnahme von Hauptkomponenten des Aufnahmesystems ausgebildet. Die erste Aufnahme ist zur Aufnahme einer Strahlungsquelle ausgebildet. Die erste Aufnahme ist derart ausgebildet, dass sie zur zumindest teilweise formschlüssigen einer Strahlungsquelle ausgebildet ist. Die zweite Aufnahme ist zur Aufnahme eines Detektors ausgebildet. Die zweite Aufnahme ist derart ausgebildet, dass sie zur zumindest teilweise formschlüssigen Aufnahme eines Detektors ausgebildet ist. Mit teilweise formschlüssiger Aufnahme einer Komponente wird verstanden, dass die Geometrie der jeweiligen Komponente oder die Geometrie einer die jeweilige Komponente enthaltenden Struktur zumindest in eine Richtung mit der Anschlussgeometrie der jeweiligen Aufnahme des hochfesten Rahmen übereinstimmt, so dass durch das Anordnen der jeweiligen Komponente oder der die jeweilige Komponente enthaltenden Struktur in die jeweilige Aufnahme zumindest in diese Richtung einen Formschluss der jeweiligen Komponente oder der die jeweilige Komponente enthaltenden Struktur mit der jeweiligen Aufnahme realisierbar ist. Eine solche Richtung, ist vorzugsweise radial und/oder tangential zur Drehachse des hochfesten Rahmens. Die Strahlungsquelle und der Detektor können in die erste beziehungsweise in die zweite Aufnahme angeordnet beziehungsweise aufgenommen werden und werden durch den Rahmen umrahmt. Dadurch wird erreicht, dass die Strahlungsquelle und der Detektor diametral um die Zentralöffnung des hochfesten Rahmens in einer exakten Anordnung zueinander angeordnet werden können. Durch die passgenaue Anordnung der Hauptkomponenten in den jeweiligen Aufnahmen des hochfesten Rahmens wird daher zum einen für eine exakte Festlegung der Strahlengeometrie gesorgt. Damit wird außerdem ermöglicht, dass eine geeignete und exakte Strahlengeometrie des Aufnahmesystems einfach realisierbar ist. Dadurch wird weiterhin erreicht, dass die Ausrichtung des Detektors bezüglich der Strahlungsquelle oder der Strahlungsquelle bezüglich des Detektors auch im Betrieb, also im rotierenden Zustand des Gerätes, unverändert bleibt. Wegen der hohen Festigkeit des Rahmens ist die so realisierte Strahlengeometrie des Aufnahmesystems daher auch bei Rotation des Systems, also bei Einwirkung von Fliehkräften auf die jeweiligen Hauptkomponenten, insbesondere auf den Detektor und auf die Strahlungsquelle, festgelegt.
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Ein solcher hochfeste Rahmen umfasst zumindest eine Zentralöffnung sowie einen äußeren, geschlossenen Rand oder eine äußere, geschlossene Kontur aus einem geeigneten Material und weist Aufnahmen zur zumindest teilweise formschlüssigen Aufnahme mehrerer Hauptkomponenten des Aufnahmesystems eines Computertomographiegerätes, insbesondere zur Aufnahme einer Strahlungsquelle und eines Detektors. Dabei ist es bevorzugt, dass der Rahmen einen inneren, geschlossenen Rand oder eine innere, geschlossene Kontur aufweist, welche die Aufnahmen definieren bzw. in welchem die Aufnahmen vorgesehen oder definiert sind. Der hochfeste Rahmen weist dabei einen geschlossenen Umfang in radialer Richtung zur Zentralöffnung und ist derart ausgebildet und hergestellt, dass er sich unter Belastung, insbesondere bei Rotation um seine Drehachse mit eingebauten Hauptkomponenten, nicht oder im Wesentlichen nicht verformt. Der geschlossene Umfang oder Rand gewährleistet eine direkte, konstruktive Verbindung zwischen den Hauptkomponenten des Aufnahmesystems, so dass die von der Strahlungsquelle, des Detektors, sowie gegebenenfalls des Blende- und/oder Kollimator-Systems gebildete Strahlengeometrie, auch bei hohe Fliehkraftbelastung, festgelegt ist und erhalten bleibt.
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Ein solcher hochfeste Rahmen wird insbesondere als möglichst steifes Bauteil mit hohen Wandstärken und geeignetem Material konstruiert. Als Material kommen insbesondere Stahllegierungen, Aluminiumlegierungen, faser- und/oder mit Partikeln verstärkte Kunststoffe oder Kunststoffmischungen, CFK-Strukturen sowie metallische und/oder nicht metallische Werkstoffe in Betracht. Vorteilhafterweise ist der hochfeste Rahmen als Rohrrahmen aus Stahl- und/oder Aluminiumlegierungen ausgebildet.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rahmens sieht vor, dass der hochfeste Rahmen eine dritte Aufnahme zur Aufnahme eines Blendesystems und/oder eines Kollimators-Systems aufweist. Diese dritte Aufnahme ist insbesondere zur zumindest teilweise formschlüssigen Aufnahme eines Blendesystems und/oder eines Kollimator-Systems ausgebildet. Dabei ist das Blendesystem und/oder das Kollimator-System in die dritte Aufnahme derart aufnehmbar, dass die Ausrichtung des Blendesystems und/oder des Kollimator-Systems bezüglich des Rahmens und somit der anderen Hauptkomponenten des Aufnahmesystems exakt definierbar beziehungsweise unveränderbar festlegbar und unbeweglich ist. Insbesondere ist die Ausrichtung des Blendesystems und/oder des Kollimator-Systems dadurch bezüglich der von dem Detektor und der Strahlungsquelle definierten Strahlengeometrie festgelegt. Wegen der hohen Festigkeit des Rahmens ist die so realisierte Ausrichtung der Hauptkomponenten des Aufnahmesystems zueinander daher auch bei Rotation des Systems, also bei Einwirkung von Fliehkräften auf die jeweiligen Hauptkomponenten, insbesondere auf den Detektor, die Strahlungsquelle und das Blendesystem und/oder das Kollimator-System, festgelegt.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rahmens sieht vor, dass zumindest eine der Hauptkomponenten in einer kastenförmigen oder andersförmigen Struktur integriert ist, welche mit dem hochfesten Rahmen kraftschlüssig, reibschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden oder integriert ist. Dass eine Hauptkomponente in einer Struktur integriert ist bedeutet, dass die jeweilige Hauptkomponente, insbesondere der Detektor, die Strahlungsquelle oder das Blendesystem und/oder das Kollimator-System, mit dieser Struktur eine Einheit bildet. Vorteilhafterweise sind mehrere Hauptkomponenten derart in jeweiligen Strukturen integriert, welche jeweils mit dem hochfesten Rahmen kraftschlüssig, reibschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden oder integriert sind. Vorteilhafterweise sind alle Hauptkomponenten des Aufnahmesystems in jeweiligen Strukturen integriert, welche jeweils mit dem hochfesten Rahmen kraftschlüssig, reibschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden oder integriert sind. Dadurch wird eine sehr einfache und exakte Positionierung der jeweiligen Hauptkomponenten in das hochfeste Rahmen gewährleistet. Weiterhin wird dadurch eine exakte Positionierung der jeweiligen Hauptkomponenten zueinander realisiert, so dass eine exakte Strahlengeometrie ermöglicht wird. Ferner wird dadurch erreicht, dass die Montage der jeweiligen Hauptkomponenten vereinfacht wird. Eine Hauptkomponente des Aufnahmesystems ist beispielsweise eine Strahlungsquelle, ein Detektor, ein Blendesystem und/oder ein Kollimator-System.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rahmens sieht vor, dass zumindest eine der Hauptkomponenten des Aufnahmesystems im hochfesten Rahmen integriert ist und mit diesem eine Einheit bildet. Vorteilhafterweise sind mehrere Hauptkomponenten im hochfesten Rahmen integriert und bilden mit diesem eine Einheit. Vorteilhafterweise sind alle Hauptkomponenten des Aufnahmesystems im hochfesten Rahmen integriert und bilden mit diesem eine Einheit. Dadurch wird ein Aufnahmesystem mit einer exakten Positionierung der Strahlengeometrie bereitgestellt, welches vormontierbar ist und anschließend am Stück in den Lagerring eines Computertomographiegerätes eingebaut oder transportiert werden kann, wodurch sich die Montage Zeit verringert und die Montage vereinfacht wird.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rahmens sieht vor, dass eine Drehlagerung für die Rotation des Rahmens samt Aufnahmesystems und gegebenenfalls weitere mit dem Rahmen verbundenen Strukturen im Rahmen integriert sind und mit diesem Rahmen eine Einheit bilden. Dadurch wird erreicht, dass alle mechanisch kritischen Komponenten in einem einzigen stabilen und hochfesten Rahmen realisiert sind.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung einen Lagerring mit einem solchen erfindungsgemäßen hochfesten Rahmen. Dabei wird der Lagerring vorteilhafterweise als Leichtbaustruktur realisiert und mit dem hochfesten Rahmen verbunden. Eine solche Verbindung dieser Elemente kann durch Schweißen, Gießen, Schmieden, Schrauben und/oder Kleben realisiert werden. Da die größte mechanische Belastung durch die schwersten Hauptkomponenten verursacht wird und diese von dem hochfesten Rahmen getragen werden, kann der Lagerring leichter und weniger steif gebaut werden, ohne dass die Strahlengeometrie dadurch negativ beeinflusst wird, insbesondere bei Rotation des Lagerringes verändert wird. Insbesondere kann der Lagerring an gering belasteten Stellen mit weniger Material und/oder dünnen Wandstärken konstruiert werden. Dadurch könne Materialkosten reduziert werden. Außerdem reduziert sich dadurch das Gewicht des Lagerringes. Außerdem kann die Leichtbaustruktur weniger genau toleriert werden als der hochfeste Rahmen, so dass die Hilfskomponenten und/oder die Umbauteile ebenfalls weniger streng toleriert werden können, wodurch Kosteneinsparungen resultieren.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lagerringes sieht vor, dass der erfindungsgemäße hochfeste Rahmen im oder mit dem Lagerring integriert ist. Vorteilhafterweise ist der hochfeste Rahmen kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig im oder mit dem Lagerring integriert und bildet mit diesem eine Einheit. Dabei wird der restliche oder übrige Teil des Lagerringes vorteilhafterweise als Leichtbaustruktur realisiert. Insbesondere wird dieser Teil des Lagerringes als filigrane Struktur realisiert. Mit filigraner Struktur wird unter anderem eine Struktur verstanden, die geringere Wandstärken aufweist und die weniger steif, und somit stärker verformbar ist, als der hochfeste Rahmen. Die filigrane Leichtbaustruktur kann weniger genau toleriert werden als der hochfeste Rahmen, so dass die Hilfskomponenten und/oder die Umbauteile weniger streng toleriert werden können, wodurch Kosteneinsparungen resultieren. Die Materialeinsparung und der Leichtbau werden durch eine gezielte Gestaltung der mechanischen Struktur hinsichtlich des optimalen Kraftschlusses erreicht. Insbesondere ist der hochfeste Rahmen derart gestaltet und positioniert, dass er direkt im Hauptkraftschluss, das heißt zwischen der Strahlungsquelle, des Blende- und/oder Kollimator-Systems und dem Detektor, liegt. Dadurch wird ein Maximum an Effektivität hinsichtlich der Materialausnutzung gewährleistet. Dadurch wird außerdem erreicht, dass die Fixierung der mit rotierenden Umbauteile und/oder der Hilfskomponenten, welche ein geringeres Gewicht als die Hauptkomponenten aufweisen, an dieser leichteren, sich stärker verformenden Struktur erfolgen kann. Dadurch kann Material bei der Herstellung des Lagerringes gespart werden, was zu einer Kostenreduzierung führt. Weiterhin ist dadurch der Lagerring insgesamt leichter, so dass eine geringere Antriebsleistung notwendig ist und einen kleineren Antriebsmotor ausreicht, um den Lagerring in Rotation zu bringen und zu halten. Dies führt ebenfalls zu einer Kostenreduzierung. Möglich ist dadurch auch eine Erhöhung der Rotationgeschwindigkeit bei gleichbleibender Motorleistung. Weiterhin reduziert sich dadurch auch das Gesamtgewicht der Gantry beziehungsweise des kompletten Computertomographiegerätes, so dass auch Transportkosten dadurch reduziert werden.
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Schließlich betrifft die Erfindung ein Computertomographiegerät mit einem solchen erfindungsgemäßen Lagerring. Dadurch wird ein leichteres Computertomographiegerät bereitgestellt, der kostengünstiger transportiert werden kann. Ferner können mit diesem Computertomographiegerät höhere Rotationsgeschwindigkeiten erreicht werden, welche eine Voraussetzung für eine schnelle Untersuchung und eine hohe Bildqualität sind. Weiterhin werden die Lager eines solchen Computertomographiegerätes aufgrund des geringeren Gewichts des Lagerringes geschont und sind somit langlebiger oder können kleiner dimensioniert werden.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiel und einer schematisch dargestellten Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf dieses Beispiel erfolgt.
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Es zeigt:
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1 Schematische Darstellung eines Querschnittes eines erfindungsgemäßen Lagerringes eines Computertomographiegerätes.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnittes eines erfindungsgemäßen Lagerringes 1 eines nicht weiter dargestellten Computertomographiegerätes. Der Lagerring 1 weist einen hochfesten Rahmen 2, welcher in einer Leichtbaukonstruktion 3, insbesondere in einer filigranen Struktur, integriert ist. An die Leichtbaukonstruktion 3 sind verschiedene Komponenten 8 angeordnet. Diese Komponenten sind mit rotierende Hilfskomponenten oder Umbauteile, beispielsweise Kühlungselemente, Elektronikboxen, Verkabelung und dergleichen. Der Lagerring ist dabei drehbar als Ganzes um die Rotationsachse (A), welche senkrecht zu den Achsen (B) und (C) angeordnet ist. Der hochfeste Rahmen 2 und der Lagerring 1 weisen eine gemeinsame Zentralöffnung 9 auf. Der hochfeste Rahmen 2 weist eine erste, zweite und eine dritte Aufnahme auf. In die erste Aufnahme ist die Strahlungsquelle 4 angeordnet. In die zweite Aufnahme ist der Detektor 5 angeordnet. In die dritte Aufnahme ist ein Blendesystem 6 angeordnet. Die jeweiligen Aufnahmen sind derart realisiert, dass die Hauptkomponenten des Aufnahmesystems, also die Strahlungsquelle 4, der Detektor 5 sowie das Blendesystem 6, formschlüssig in radialer und tangentialer Richtung in die Aufnahmen aufgenommen sind. Dadurch ist die durch Strahlungsquelle 4, Detektor 5 und Blendesystem 6 definierte Strahlengeometrie 10 festgelegt. Weiterhin umrahmt der hochfeste Rahmen 2 die Hauptkomponenten 4, 5 und 6, so dass eine direkte konstruktive Verbindung zwischen den Hauptkomponenten 4, 5 und/oder 6 realisiert wird. Insbesondere weist der hochfeste Rahmen 2 einen geschlossenen Umfang in radialer Richtung, welcher um die Aufnahmen verläuft und die Hauptkomponenten umschließt. Der hochfeste Rahmen 2 ist dabei als möglichst steifes Bauteil realisiert. Insbesondere bei der durch die Rotation des Lagerringes 1 verursachten Einwirkung von Fliehkräften können dadurch die Hauptkomponenten 4, 5 und/oder 6 nicht auseinander driften, so dass die definierte Strahlengeometrie 10 auch bei Rotation erhalten bleibt. Weiterhin weist der hochfeste Rahmen 2 eine zentral angeordnete Lagerung 7 auf.
