钢丝的杨氏模量一般多少(杨氏模量测量实验)「建议收藏」

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“拆解”系列之二，讨论CT的骨头:机架。考虑到我们一直在研究或者CT发展史，本文讨论的是进入螺旋时代后的框架，整个CT系列也是围绕螺旋CT展开的。文中所有例子的图片部分为原创，部分来自公开资料。

俗话说，为时已晚。每当医院的CT新装或者搬家，最头疼的就是那个庞然大物:机架。虽然翻译成“龙门”更符合其霸气气质，但我们通常称之为:龙门。宏观来看，所有的机架都差不多；从具体设计来看，所有的衣架都不一样。

一、框架:CT骨骼

与其他影像设备相比，CT的特殊之处在于它是在高速旋转的情况下采集数据，这离不开机架的支撑。根据构成，框架可分为主骨架和滑环:

01.主机

主骨架包括静止部分和转动部分，它们通过轴承连接在一起。其中，定子部分，即车架固定部分、车架控制电路、部分通讯电路、驱动电机、动力分配、倾斜液压、通风等。都位于定子中；转子部分，也就是车架的旋转部分，高压发生器、灯泡、探测器等像链核心及其辅助控制都位于转子内。

随着临床对扫描速度的要求越来越高，对主骨架的性能要求也越来越高。需要注意的是，安装在主骨架中的高压、球管、探测器等部件高达几百公斤。如此巨大的负载，仍然需要保持足够的角度精度和位置精度。毕竟现在临床实际应用需要的扫描层厚度都是亚毫米级的，可见CT的研发和制造是非常复杂的。

[1]角度精准，框架仍保持高速匀速旋转。

[2]位置精度。在所有方向上(即旋转平面(即XY轴)和垂直旋转平面(即Z轴))，在高转速下没有明显的框架振动。

2.滑环

滑环的出现是CT技术的一次革命，不仅使CT高速旋转，而且解决了旋转部分和机架静止部分之间的进给和信号传输问题。滑环负责连接定子和转子。转子的供电、信号控制和数据传输都依赖于滑环，所以有电能环(强电和弱电)和数据环。有许多方法可以将滑环与定子连接起来。供电部分主要依靠电刷和非接触耦合，通信部分主要依靠射频传输。

特别是由于CT采集的数据量是惊人的，为了避免在CT的旋转部分配置大量的内存，CT的数据生成和数据传输速度必须保持同步，滑环必须有足够的传输带宽，本文后面会详细说明。

其实滑环是转子的一部分，之所以单独拿出来，是因为太重要了。在这里，感谢佳能和西门子:

1985年，佳能推出了世界上第一台基于工业滑环技术的滑环CT，使CT能够在一个方向上连续旋转；

1989年，西门子推出了世界上第一台基于滑环和连续进给技术的螺旋CT，扩大了CT的扫描范围。

二、核心表现

作为金字塔的基石，改变框架意味着整机必须重新设计，光圈大小、驱动方式、零部件排列、重建算法等。是紧密相连的。

虽然现在已经看不到单排和双排的CT了，但是还是有一些在售的CT使用的是单排和双排的时代机架。比如葛太行(Brivo)CT用的就是经典的单排和双排时代机架(Prospeed/Hispeed系列)。这是因为CT机架的机械设计非常“保守”，其生命周期一旦确立，就会持续十几年甚至二十几年。对于任何一个厂商来说，有“娃娃”都是正常的。毕竟CT架的稳定性是第一位的。

对于机架，我们通常关心它的转速、孔径、滑环类型、机架倾斜模式和机架冷却模式等关键参数。以西门子force为例，转速0.25s/r，光圈78cm，无触点静音滑环，水冷，数字倾斜。我们将在下面详细讨论上述指数参数。

三。指标1:转速

整个CT机械运动系统由轴承、传动、电机、控制和反馈部件组成，每个部件都必须有极高的精度。是速度框架的硬性指标，我国采用国际标准单位，即s/r(秒/圈)；以及日本、欧洲等。以rpm(圈数/分钟)表示。具体换算方法请参考百度，比如0.25 s/r等于240rpm。

高速的好处毋庸置疑，CT对它的追求也从未停止，尤其是2007年RSNA之后，超高端CT遍地开花。比如飞利浦的Air Glide气垫挂架系统，0.272s/r的高速，率先做出0.3秒内的CT速度；比如西门子、佳能、GE、UIH、东软、明丰、安科等品牌的高端CT都做到了0.2X的转速；比如GE最新的APEX平台已经做到了0.23s/r..然而，随着0.2秒的接近，速度增加的好处的边际效应减少。器官追踪、深度学习等创新技术也是提高动态器官成像能力的手段。

[3]s/r为0.23的APEX目前正在申请FDA批准。

电流互感器的转速与其机械质量和驱动方式密切相关:

01.主轴承

主轴承的核心技术在于材料科学和加工精度，直接决定了能否承受高转速，长期使用后等中心ISO位置不会偏移。CT轴承分为接触球轴承和非接触气垫轴承。目前除飞利浦外都采用机械滚珠轴承。

气垫轴承是一种高成本技术。需要配备单独的空气体压缩机，用高压空气体托起转子，使定子和转子之间有5微米空的间隙，大大降低摩擦力，从而支持超高转速。

另外，在CT的整个寿命周期内，轴承不会被修理，所有的机械轴承都有润滑油入口。目前现有轴承可以终身免维护。

根据CT转速，目前包括第二代(60 ~ 90 rpm，即1~0.67s/r)、第三代(120 ~ 180 rpm，即0.5~0.33s/r)、第四代(240 ~ 300 rpm，即0.25~0.2 s/r)的主轴承。

很长一段时间，CT主轴承只能进口。洛阳LYC打破了我国CT主轴承长期依赖进口的局面，成为第一家具备量产能力的制造商。其第三代主轴承已广泛应用于国产CT。目前第4代主轴承仍以进口为主。

01.驾驶模式

目前CT的电机驱动方式主要有数字钢带驱动和直线电机驱动。

一、数字钢带传动

很容易理解，CT主机发出适当的脉冲信号驱动电机，电机随钢带运动，钢带与CT轴承转子的外齿啮合，进而带动CT转动。

这是一种成本低但可靠性高的方法，其一般支持的转速为1 ~ 0.35 s/r，目前除了超高端CT，大部分采用16-64排CT。

数字磁带机

B.线性电机驱动

很多年了，我们知道有一种磁悬浮挂架，感觉很爽。其实在轴承支撑方面只有上面提到的机械球轴承和气垫轴承。那么为什么会有磁悬浮的说法呢？

业内确实有磁力轴承，但是CT这么大的轴承，很难埋永磁体，利用磁体的斥力来托起轴承。再者，轴承一般是垂直于地面的，各个方向的力都不相等。怎么能磁悬浮呢？

实际采用的是直线电机驱动，摒弃钢带，将感应线圈嵌入转子表面。在驱动和旋转的能量传递上，驱动电机根据控制信号产生电磁斥力来驱动，电磁斥力听起来接近磁悬浮。

线性电机驱动

一般来说，0.35 s/r以下的转速都是直线电机驱动，目前超高端CT采用了这种技术。除了转速高的优点外，其旋转产生的噪音也会更小。以GE Revolution为例，其静音驱动结合无刷结构可以使噪音低于70db。

值得一提的是，十几年来，超高端CT和部分64排CT在机架方面属于同一系列，如西门子Flash和AS+/Edge，飞利浦iCT和iCT sp，佳能Aquilion One和Prime，东软Epoch和Prime，UIH uCT960+和uCT820等这是基于主要部件的历史演变和成本摊薄。

目前，直线电机驱动的64排CT在64排CT市场中的比重正在迅速下降。这是因为:1)出于成本考虑，各厂商基本都以生产非线性电机平台CT为主，转速集中在0.35 ~ 0.5s/r；2)超高端CT越来越普及，但直线电机高速64排CT的应用性价比不高。所以，如果你的医院购买了一台直线电机驱动的64排CT，就意味着你“意外”得到了一个更好的平台。

c、离心力

我们经常听到一种说法，就是齿条高速旋转时要承受多少g的离心力，这是指相对离心力(RCF)，与齿条的速度和灯泡到旋转中心的距离有关。具体配方请再次百度。

举个例子，假设灯泡质心到旋转中心的距离是60cm(大部分CT都是60cm左右)，转速是0.25s/r，这时框架要承受38.6G的载荷，这就是为什么我们要求灯泡至少能承受40G的加速度。毕竟灯泡旋转阳极的轴承也在高速旋转。

假设我们进一步把机架的速度提高到0.2s/r，那么它所承受的载荷将达到惊人的60G，这是业界的“天然屏障”挑战。

我们知道，机架转速越快，离心力越大，尤其考验转子高速旋转的重要部件的续航能力，尤其是灯泡。这是因为灯泡的旋转阳极的轴承方向垂直于离心力方向。车架转速越高，灯泡轴承承受的载荷越大，这也是为什么CT端越高越容易损坏灯泡，尤其是机械滚珠轴承灯泡。

转子架上各部件的合理布局非常重要，结构设计需要反复讨论和模拟。最后，许多组件配置巧妙，它们的位置、形状和重量很容易无法调整。如果更换新的灯泡，即使它的总重量不变，它的质心仍然会轻微移动。框架静止时，对静平衡影响不大；但在高速旋转时，容易出现杨氏模量偏心，导致轴承旋转过程中各个方向受力不均匀。比如GE Optima CT660稍微升级为Optima CT680时，球管由6.3MHu改为7MHu，其边框的动平衡也做了微调。

因此，在更换转子上的大型部件(灯泡、高压、检测器等)后。)，必须做动平衡试验，否则不允许使用CT。我们知道，转子上可以增加或减少配重的地方很多，通常很少操作，但一旦工程师需要进行现场调整，那将是一个非常耐心的过程。还是那句话，机架设计很复杂，一旦确定，很少调整。

四。指标2:孔径

一般CT孔径决定了旋转半径、扇束算法模型、几何效率、X线利用率、患者舒适度等。目前CT的光圈大多集中在70~75cm，超高端CT集中在78-80cm。更大的孔径意味着可以容纳更多的备件，也意味着更小的锥角和更低的X射线发射利用率。其中有相当多的取舍和平衡，每个厂商在设计时都会考虑各种因素。

对于医院来说，CT光圈其实就是患者的舒适度。更大的光圈可以减少幽闭恐惧症，适合更特殊的设置。比如80cm孔径的CT，通过替代专业放射治疗，满足TG66标准，也可以作为放射治疗模拟定位CT。例如，某医院在Revolution CT ES上配备了TG66病床，专门用于模拟定位。当然，这是比较本土化的做法。

相同孔径下，更好的几何设计可以提高X射线的应用效率；但如果灯泡与ISO中心的距离过大，就需要更高功率的球来弥补。因此，扫描条件、图像质量和辐射剂量的综合计算是一项系统的、极其复杂的工作。不同的设备，即使具有相同的高压参数，对于扫描中心也具有不同的剂量分布。

另外，不能说小光圈图像好，大光圈图像就不好。图像质量是一个系统的最终结果，要通过图像质量参数和视觉评价系统来综合评判。

动词 （verb的缩写）指示器3:滑环

滑环的出现是CT技术的一次革命，不仅使CT高速旋转，而且解决了旋转部分和机架静止部分之间的进给和信号传输问题。滑环负责连接定子和转子。转子的供电、信号控制和数据传输都依赖于滑环，所以有电能环(强电和弱电)和数据环。

在应用于CT之前，滑环已经应用于工业的各个方面。如前所述，滑环负责CT框架旋转部分和静止部分之间的供电和信号传输。其原理不难理解。难的是如何以更低的成本获得更稳定的性能，以便于批量生产和各种类型CT的适配。从这个角度来看，改变框架设计意味着滑环这一关键部件的成本需要再次量产才能摊薄。

通常CT机厂商会委托专业厂商定制滑环，如MOOG、Schleifring等世界知名的滑环。基本上所有CT厂家都在用这两个滑环。

根据滑环的排列方式，可分为水平滑环和垂直滑环。水平滑环不代表CT需要躺着。厂家在选择滑环时，首先要考虑零件的合理分布:垂直滑环会使框架更厚，病人入口孔径更深；水平滑环会使框架厚度变小，容易适应整机，也容易受到厂商的青睐。

滑环为多通道同心环，其结构包括强电环、弱电环和信号环。以水平滑环为例，高压环负责给高压发生器供电，比如380VAC；弱电回路负责给探测器、控制电路等部件供电，如115VAC、信号控制；信号回路负责信号传输，如急停和数据采集。

我们最需要了解的是信号回路，它负责将探测器采集的原始数据以高速串行的方式发送回重建机柜。根据信号传输方式，可分为激光传输和射频传输:

1)激光传输，即光通信。飞利浦华晨系列CT采用激光传输，使得机架内部环境更高，因为光路会被灰尘等因素干扰，影响传输。

2)射频传输，一种电容耦合技术，也被大多数CT采用。比如GE CT所有系列都采用射频传输。实现逻辑是滑环外面的一圈金属箔是发射端发射信号，接收端接收并转换信号，通过光纤传输到CT重建柜。

一般超过256行数据的CT通常配备一组以上的发射天线。下图以飞利浦ICT为例。它有四个射频发射天线，保证了短时间内巨大数据的传输。

无触点电源逻辑

“非接触滑环”有意义，其他数值暂且不提。最起码不再需要清洗可能导致设备故障的墨粉，不再需要更换碳刷。

不及物动词指示器4:机架倾斜

机架倾斜通常是指CT机架可以实现30°的机械倾斜，可以有效实现特殊体位的扫描，避免患者体位的频繁调整，带来更好的检查体验。

±30°机械倾30°机械倾斜

以前30°机械倾斜基本是CT的标配，但近年来出现了“数字倾斜”的概念。目前有一半的高端CT和少量64排CT采用了数字倾斜。那么技术是什么，更先进吗？

所谓数字倾斜，是指机架本身不具备机械倾斜功能，而是通过软件实现。数字倾斜在一定程度上降低了CT制造成本，但对医院和患者并不友好:

1)灯泡的成本更高。由于X射线无法指向患者接受检查的器官，数字倾斜ct只能通过增加扫描范围来覆盖重建所需的角度。原本需要的倾斜角度越大，额外的扫描范围就越大，浪费了球管更多的曝光秒。因为头颈部是医院扫描最频繁的部位，所以数字斜位CT其实更贵。

2)辐射多。数字倾斜CT扫描范围的增加使患者承受了过多的辐射剂量。比如扫描颅骨的时候，在没有机械倾斜的情况下，患者的眼睛和鼻窦一起扫进去，这样就受到了不必要的辐射。

不同倾斜下患者承受的辐射对比不同倾斜角度下患者受照情况的比较

但是国内大部分医院的CT扫描量都太大了。为了提高效率，往往来不及做角度。相反，它是通过让病人有一个特殊的位置来实现的。例如，在头部扫描时，为了保护患者的眼睛，让他们降低下巴。

所以数字倾斜也有一定的优势，相当于“我预测你的预测”，也在一定程度上降低了ct的使用难度。

相对来说，我推荐带机械倾斜功能的CT，因为机械倾斜CT也有数字倾斜功能，可以根据实际情况使用。例如，Anko ANATOM 64既有30°机械倾斜，也有50°数字倾斜。怎么用又是另一个故事了，反正最好有，万一你想做个角度。

七。指示器5:冷却模式

我们知道，CT运行时，灯泡和各种元器件会产生大量的热量，尤其是灯泡产生的热量最多，所以必须考虑机架的散热。目前有两种散热方式:风冷与水冷:

1)风冷，绝大多数CT采用更经济的“风冷”散热方式，即机架中的风扇通过空空气将热量传递给整个扫描室，最后通过空调节将热量带走，这也是CT扫描室必须长时间保持适宜温度的原因。风冷CT安装极其简单，不需要独立的机房。

2)水冷。只有部分高端的西门子CT(如袁爽CT)采用“水冷”方式散热，即利用外置水冷器通过水循环散热。其封闭的框架保证了良好的散热，同时灰尘等污染物引入较少。CT水冷的安装有点复杂，需要独立的机房。

需要注意的是，风冷CT和水冷CT没有优劣之分。最好根据医院机房的情况选择CT。如果你们医院的CT室没有预留的设备间，就算你再想要袁爽CT，也不可能现实。

八。摘要

至此，台架篇正式结束，应该是目前对CT台架最系统的介绍了。了解机架是深入了解CT的基础。下次见。。。