Antriebseinrichtung für den Lüfter eines in einen MR-Tomografen einbringbaren Geräts.

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für den Lüfter eines in einen MR-Tomografen einbringbaren Geräts.

Der Raum, in dem die Untersuchungen mit dem MR-Tomografen vorgenommen werden soll, ist naturgemäß sehr beengt, da es sehr aufwändig ist, das erforderliche hohe Magnetfeld über größere Volumina zu erzeugen und aufrecht zu erhalten. Es ist daher häufig eine Belüftung erforderlich. Dies gilt insbesondere für Inkubatoren, mit denen Frühgeburten für

Untersuchungen in einen MR-Tomografen eingebracht werden. Hier ist ein Lüfter zur Erzeugung des im Patientenraum benötigten kontrollierten Klimas erforderlich.

Ein bisher sehr verbreitetes Konzept zur Erzeugung einer definierten Luftströmung im Inkubator ist der Antrieb eines Radial- oder Tangentiallüfterrads mittels eines elektrodynamischen Motors. Dieser Motor arbeitet meistens mit einer konstanten Drehzahl, entweder durch dessen eigenes Wir- kungsprinzip (z.B. Synchronmotor, Schrittmotor) oder durch

Messung der Drehzahl an der Antriebswelle als Istwert für einen aufgeschalteten Regelkreis (geregelter DC-Motor) .

In jedem Fall beruht die Umsetzung von elektrischer in ki- netische Energie auf zeitlich- und/oder räumlich veränder-

liehen Magnetfeldern. Es überrascht nicht, dass dieses Antriebskonzept in der Umgebung starker äußerer Magnetfelder an seine Grenzen stößt, in der das Nutzfeld des Motors sich mit dem äußeren Störfeld überlagert und die geforderte kon- tinuierliche Drehbewegung gestört bzw. verhindert wird. Genau das ist aber beim Einbringen eines Inkubators mit einem konventionellen Lüfterantrieb in das homogene Feld des MRT- Magneten der Fall.

Bekannte technisch mögliche Lösungen beschränken sich auf z.B. magnetische Abschirmung des Motors sowie auf räumliche Verlagerung des Motors in eine Position geringerer Störfeldstärke, also so weit wie möglich weg vom homogenen Feld und Streufeld des Magneten, um zu versuchen, diese Probleme zu vermeiden. Keine der Maßnahmen liefert jedoch befriedigende Ergebnisse bei der Anwendung eines Inkubators hinsichtlich:

1. MRT Magnetfeldstärken ab 1,5 Tesla 2. Untersuchung z.B. des Spinal-/Abdominalbereichs anstelle des Kopfbereichs des Neonaten und dem damit notwendigen weiteren Hineinfahrens des Inkubators in den Magneten.

3. MRT-Modellen mit „langer" Magnetanordnung und einem damit räumlich aufgeweiteten Streufeld.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Antriebs für einen Lüfter, bei dem die Probleme der magnetischen Komponenten vermieden werden.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass sie auf magnetische Komponenten gänzlich verzichtet und für den Antrieb des Lüfters einen Piezomotor verwendet, der

über ein übersetzungsgetriebe den Lüfter antreibt.

Der bekannte piezoelektrische Effekt beruht auf Verschiebung der räumlichen Kristallstruktur bestimmter Kristalle und Keramiken bei Anlegen einer elektrischen Spannung. Er wird industriell und kommerziell eingesetzt, speziell um schnell und genau zu positionieren, oder als Linearantrieb für relativ langsame Prozesse.

Die Nutzung als universeller, rotatorischer Antrieb war lange nicht realisierbar aufgrund begrenzter Lebenszeit, schlechtem Wirkungsgrad, zu geringer Geschwindigkeit und einem relativ kleinen verfügbaren Drehmoment an der Antriebswelle. Zumeist wurde die Linearbewegung des Piezomo- tors mit mechanischen Elementen in eine Kreisbewegung umgewandelt .

Neueste Entwicklung in Werkstoffen und Technologien konnten alle obigen Limitationen abmildern. Ein industriell verfüg- barer Piezomotor nach dem sog. Ultraschall-Wanderwellen- Prinzip wird von der Firma Shinsei/Japan bereitgestellt. Eine speziell auf den Motor abgestimmte Steuerelektronik und ein optischer Winkelkodierer als Messaufnehmer sorgen für eine Drehzahlstabilisierung unabhängig von Arbeitspunkt und Lastbedingungen. über eine externe Steuerspannung U ₃ lässt sich die Drehzahl der Motorwelle in einem Bereich von 15 bis 150 l/min einstellen. Bei überschreiten von Lastgrenzen schaltet die Steuerung den Motor ab, um dessen Beschädigung durch überhitzung zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wurde nun herausgefunden, dass ein solcher Piezomotor trotz seiner obigen Nachteile in vorteilhafter Weise für den Antrieb eines Lüfters in Geräten verwendet werden kann, die in das Magnetfeld eines MR-Tomografen ein-

geführt werden sollen. Er treibt dabei den Lüfter über ein Getriebe an.

Ein wesentliches Merkmal dieser Erfindung ist die Integra- tion des Piezomotors in einen MR-kompatiblen Inkubator als Ersatz für den bislang verwendeten DC-Motor unter gleichzeitiger Beibehaltung sowohl der MR-Verträglichkeit als auch der Konstanz des Klimas hinsichtlich Temperaturverteilung und Luftströmung im Patientenraum.

Letzteres bedeutet, dass das bisherige, bewährte Strömungsprofil sowie die Geometrie des Lüfteraggregats fordern, dass das Lüfterrad nach wie vor mit einer Nenndrehzahl von N _L = 1280 (±100) l/min angetrieben werden muss.

Konstruktiv lässt sich dies erreichen, indem man die relativ kleine Drehzahl an der Antriebswelle des Piezomotors mithilfe eines Getriebes auf die oben geforderte Nenndrehzahl übersetzt.

Im Folgenden werden der funktionelle Aufbau sowie Abgrenzungen und Unterschiede zu üblichen Standardgetrieben anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielsweise erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau einer vorteilhaften Ausfüh ^¬ rungsform;

Fig. 2 eine elektrische Schaltung mit Quelle und Senke;

Fig. 3 die Schaltung der Fig. 2 mit einem Sperrfilter;

Fig. 4 den Frequenzgang des Sperrfilters der Figur 3;

Fig. 5 eine Anordnung zur Erfassen der Drehzahl an der Pie- zomotorwelle sowie einer Auswertelogik zur Alarmierung bei Fehlfunktion;

Fig. 6 eine Anordnung zur Steuerung der Drehzahl an der Piezomotorwelle;

Fig. 7 den mechanischen Aufbau des dreistufigen Getriebes inklusive des Freilaufs; und

Fig. 8 die schematische und beispielhafte Darstellung der über eine Kombination aus Steckverbindung / Filterung / Schirmung / Erdung herausgeführten Signale.

Die MR-Kompatibilität aus Sicht der elektrischen Eigenschaften wird generell erreicht durch räumliche Trennung der magne- tisch empfindlichen Steuerungseinheit von dem amagnetischen Piezomotor. Das hierbei benötigte Verbindungskabel wird abgeschirmt und geerdet, und die darin geleiteten Signale werden gefiltert. Diese Maßnahmen werden unten im Detail beschrieben.

Erreichen der mechanischen Adaption

Das Getriebe weist die folgenden Eigenschaften auf, um dem

Anforderungen gerecht zu werden:

i. Die Mechanik der Getriebeeinheit wird ohne ferro- magnetische oder elektrisch leitende Wellen, Räder oder sonstige schnell rotierende Komponenten mit diesen Eigenschaften ausgelegt, um somit MR- Bildstörungen durch auftretende Wirbelströme zu ver-

meiden.

ii. Die übersetzung wird so ausgelegt, dass sich bei einer Drehzahl an der Antriebswelle des Piezomotors von Np = 57 l/min die gewünschte Nenndrehzahl von N _L0 = 1280 l/min an der Abtriebswelle des Lüfterrades ergibt. Das Verhältnis wird daher mit n = 1:22,5 festgelegt. Dies hat folgenden Grund. Der Arbeitspunkt des Piezomotors ist in dem Bereich um ca. 60 l/min optimal, d.h. die Stromaufnahme ist bei vergleichbarer Last minimal. Außerdem verlängert sich durch diesen niedertourigen Betrieb die Lebenszeit des Motors erheblich (D > 2000 h, der Hersteller gibt bei einer Maximaldrehzahl von 150 l/min eine Lebensdauer von 1000 h an) .

Bei der Umsetzung ist entscheidend, dass die gesamte übersetzung n in drei Teilstufen aufgeteilt wird:

n = n ₁ x n ₂ x n ₃ = l:3 x l:5 x l:l,5 = l:22,5 = N _P :N _L

Die einzelnen Stufen bilden sich nach dem Prinzip „Zahnrad-Riemen-Zahnrad" und die Kopplung dazwischen nach dem Prinzip „Zahnrad-Welle-Zahnrad" (starre Verbindung) .

Begründung: Die Stufenanordnung wirkt sich verringernd auf Verschleiß und verbessernd auf Wirkungsgrad aus . Die Riemenkopplung verringert die Wälzgeräusche im Vergleich zur direkten Kopplung „ Zahnrad-Zahnrad" .

iii. Eine Umdrehung der Piezomotorwelle erzeugt n Umdrehungen an der Lüfterradwelle. Um Reibung und Träg ^¬ heitsmomente beim Einschalten des Motors schonend zu

überwinden, wird die Drehzahl nicht sprungartig auf Nenndrehzahl gestellt, sondern per linearer Rampenfunktion über eine Zeitdauer von 60 Sekunden hochgefahren .

iv. Der Piezomotor bietet beim Ausschalten (der Versorgungsspannung) sofort das volle Haltemoment bei Np = 0. Um die in dem Lüfterrad und Getriebe gespeicherte Rotationsenergie zerstörungsfrei aufzubrauchen, wird zwischen Antriebswelle und erster Getriebestufe ein Freilauf eingebaut. Auch diese Komponente wird ohne rotierende magnetische bzw. metallische Komponenten aufgebaut .

Die Berechnung des Gesamtwirkungsgrads η setzt die an das Lüfterrad abgegebene mechanische Leistung Pme ins Verhältnis zur konsumierten elektrischen Leistung PeI. Im exemplarischen Arbeitspunkt wird die Abtriebswelle mit einem Moment von M = 0,04 Nm bei der Drehzahl N _L belastet; der Mo- tor beansprucht bei einer VersorgungsSpannung von U = 12 V einen Strom von I = 1,5 A. Daraus ergeben sich:

Pme = M x ω « 0,04 Nm x 2π x 21,33 l/s « 5,36 W PeI = U x I = 12 V x l,5 A = 18 W

η = Pme / PeI « 0,298 -^ 29,8%

Die Systemsteuerung SYSTEM des Inkubators überwacht die gemessene Wellendrehzahl N _P und stellt sicher, dass im norma- len Betrieb der obige Wirkungsgrad weitgehend eingehalten wird. Im Abweichungs- oder Fehlerfall wird SYSTEM alarmieren; im extremen Fall einer dauernden überlast oder einer erzwungenen Blockade von Piezomotor, Lüfterrad oder Getrie ^¬ be schaltet die Steuerelektronik PSTEUER des Piezomotors

diesen ab; die überwachung SYSTEM stellt N _P = 0 fest und alarmiert.

Erreichen der elektrischen Adaption

i. Abschirmung: Als eine grundlegende Maßnahme wird die Abschirmung aller beteiligten Komponenten und deren Verbindungen vorgenommen .

ii . Erdung: Jede umhüllende Abschirmung endet auf einem Erdungspunkt; das Vorhandensein von Erdungsschleifen beeinträchtigt die Bildgebung und ist daher unbedingt zu vermeiden.

iii. Filterung: Als dritte und wichtigste Maßnahme wird eine Filterung der Signale zwischen NETZTEIL, SYSTEM und PMOTOR vorgenommen.

Allgemein: Jedes Signal wird zwischen Quelle (Q) und Senke (S) entlang eines Pfades (i.d.R. ein elektri- sches Kabel) geführt, s. Fig. 2. Auf der linken Seite ist die Quelle, rechts die Senke dargestellt. Die von der MRT applizierten Frequenzspektren sind in der jeweiligen Geräteklasse schmalbandig, so dass man durch Einschleifen eines selektiven Sperrfilters höherer Ordnung entlang jedes Signalpfades zwischen NETZTEIL, SYSTEM und PMOTOR die o.a. Interferenzen minimiert. Solch ein Sperrfilter lässt sich einfach als ein LC- Glied (passives Filter 2. Ordnung), wie in Fig. 3 gezeigt, realisieren. Im Falle der Piezotechnologie kommt vorteilhaft hinzu, dass bei dieser Anwendung der Nutzfrequenzbereich (ca. 40 kHz) weit genug von dem der MRT (42 ... 300 MHz) entfernt ist, somit die Filterung keine Seiteneffekte verursacht. Fig.4 zeigt den Frequenzgang bei Verwendung des Sperrfilters nach Fig.

3. Die Resonanzfrequenz wurde für ein MRT-System mit 1.5T Magnetfeldstärke abgestimmt, dies entspricht einer Lamor-Frequenz von 63,9 MHz. In diesem Bereich ist die Einfüge-Dämpfung besser als 40 dB. Diese Filterung ist nun auf jeden der o.a. Signalpfade auf beiden Enden vom VKABEL anzuwenden und auf dem SYSTEM-seitigen Ende von AKABEL.

Fig. 1 zeigt die Anordnung der oben erwähnten Komponenten und Begriffe. Bei den doppelt umrandeten Elementen in Fig. 1, nämlich NETZTEIL, PSTEUER, SYSTEM, PMOTOR, NKABEL, VKA- BEL und AKABEL ist jeweils durch die äußere Umrandung schematisch die Abschirmung gezeigt.

NKABEL: Geschirmtes Netzanschlusskabel (3-adrig: L, N, PE) Länge ca. 30 cm. Bereits vorhanden, da als AC- Versorgungskabel für den Inkubator notwendig.

NETZTEIL: Geschirmte Box, die das Schaltnetzteil enthält. Ist räumlich vom Rest des Gerätes abgesetzt und wird in einem Bereich betrieben, in dem das Rest-Streufeld des MRT sehr schwach ist (Flussdichte in der Luft B < 20 Gauss) . Somit keine Beeinträchtigung der Funktion des Schaltnetzteils. Ist bereits vorhanden, da als DC-Spannungserzeugung (12V) für den Inkubator notwendig.

PSTEUER: Steuerelektronik für den Piezomotor. Diese enthält - wie das Schaltnetzteil - ferritische Komponenten, die nur einem schwachen Feld ausgesetzt werden dürfen. Diese Elekt- ronik wird direkt vom Netzteil mit 12V versorgt. Der Ausgang via VKABEL sind die Leistungssignale für den Motor (3- adrig: USIN, UCOS, MGND), der Eingang sind die beiden Rechtecksignale vom optischen Winkelkodierer (3-adrig: APHASE, BPHASE, EGND) sowie die Steuerspannung für die Motordreh-

zahl (2-adrig: UMOT ₇ CW) . Alle Leitungen von Ein- und Ausgang werden mit einem Sperrfilter nach Fig. 3 versehen.

VKABEL: Geschirmtes Verbindungskabel, welches die unter NETZTEIL beschriebenen Leitungen beinhaltet. Dieses Kabel weist eine ausreichende Länge auf (L - 4,5 m) , um die räumliche Trennung des NETZTEILS vom Gerät zu erreichen.

PMOTOR: Der eigentliche Piezomotor. Dieser nimmt die Leis- tungssignale (USIN, UCOS, MGND) auf; der auf der Antriebsachse platzierte Winkelkodierer gibt die Drehzahlsignale (APHASE, BPHASE, EGND) für PSTEUER und SYSTEM zurück.

AKABEL: Geschirmtes Anschlusskabel vom Piezomotor. Führt die unter PMOTOR beschriebenen Signale zum SYSTEM.

SYSTEM: Die System-Elektronik des Inkubators. Die von PMO- TOR ankommenden Drehzahlsignale (APHASE, BPHASE) werden ausgewertet, und bei Abweichungen wird der Anwender vom Gerät alarmiert.

Außerdem wird hier über einen vorhandenen Digital/Analogwandler die Steuerspannung UMOT erzeugt und zusammen mit CW (Auswahl der Drehrichtung) an PSTEUER geleitet, um die lineare Spannungsrampe für die Startphase zu realisieren.

Im übrigen werden die Signale zwischen PMOTOR und PSTEUER durchgeschleift und jeweils mit Sperrfiltern nach Fig. 3 versehen.

Fig. 5 zeigt die Anordnung zur Drehzahlerfassung und -

überwachung durch einen optischen Winkelkodierer WK auf der Achse des PMOTOR. Das SYSTEM erhält einen Vergleicher VGL, der bei einer signifikanten Abweichung gemessenen Drehzahl

Np von der Nenndrehzahl N _P0 *n einen akustischen Alarm AA und einen optischen Alarm OA auslöst.

Fig. 6 zeigt die Anordnung zur DrehzahlSteuerung über einen Rampengenerator RG. Dieser erzeugt bei Gerätestart mittels D/A-Wandler eine zeitlinear ansteigende SteuerSpannung, die über die Steuerelektronik PSTEUER und den PMOTOR proportional hierzu einen zeitlinearen Drehzahlanstieg bis zur Nenn ^¬ drehzahl Np ₀ bewirkt .

Fig. 7 zeigt die mechanische Anordnung im GETRIEBE. Dabei bilden die Klauenkupplung KU und die Feder FE den Freilauf. In der Antriebsdrehrichtung blockiert KU, in Gegenrichtung gibt der linke Teil von KU in Richtung δx nach, bedingt durch die angeschrägten Zahnflanken von KU und der Vorbelastung durch FE.

Es folgt der dreistufige Aufbau der übersetzung, jeweils verbunden durch die Zahnriemen ZR.

Fig. 8 zeigt die Anordnung die der herausgeführten Signale - hier Sl ..3 - über jeweilige Sperrfilter SF und eine in das Gehäuse eingebaute BUCHSE zu einem geschirmten STECKER; die Signale Sl ^x ..3' über ein Kabel geschirmt und gefiltert zur Quelle/Senke weitergeleitet werden. Alle schraffiert gezeichneten Schnitte sowie der SCHIRM sind geerdet, liegen also auf dem Potential der Schutzerde PE.