无声是力量：计算机断层扫描的磁轴承

今天的计算机断层扫描会产生背景噪音，许多患者会觉得很不舒服。蒂森克虏伯公司推出的一种新型磁轴承可以缓解不适：X射线相机可以在它上面近乎无声地移动。

检查开始了。“请尽可能平静地躺下来。”放射科医生关上门，只留下患者。伴随着嗡鸣声，检查台一毫米一毫米地通过检查隧道，X射线相机围绕隧道旋转。尽管计算机断层扫描（CT）完全不会与患者接触，但很多人依然觉得检查的压力很大。当他们独自一人被高科技设备包围时，仿佛度秒如年。保持平静是很困难的，嗡鸣声折磨着他们的神经——如果他们害怕即将到来的诊断，神经早已紧张了。

无声是一种竞争优势

“CT制造商有很大的兴趣，将尽可能安静的扫描仪推向市场。。低噪音是一个可测量的质量标准，患者可以体验到，”蒂森克虏伯研发团队负责人Bernd Lüneburg解释道。同样的道理也适用于速度：相机旋转得越快，检查的时间就越短。此外，速度降低了辐射暴露量并减少了费用。

“磁轴承技术作为一种‘数字轴承解决方案’，为CT的发展以及CT扫描仪的操作和服务提供了广泛的可能性。”Lüneburg说。例如，由于受力的可控性，相机可以精确定位。更多的优势在于可以集成驱动单元和使用传感器信息来维护系统。

这就是蒂森克虏伯的Lüneburg团队为未来的CT扫描仪开发“数字轴承解决方案”的原因。原型机位于利普施塔特测试大楼的墙上，这个重约300公斤的转子环绕一个CT“隧道”大小的内环无声地转动，没有任何嗡鸣声。“无声轴承”由数十块电磁铁稳定住。

计算机断层扫描：磁轴承优于滚动接触轴承

利普施塔特的磁轴承是目前世界上最大最强的轴承之一，它将为计算机断层扫描设备制造商开辟新的可能性。到目前为止，设备制造商一直致力于生产直径滚动接触轴承。在这些巨大的轴承中，当静止环和旋转环相向移动时，滚珠和滚轴减少了摩擦。例如，在CT扫描仪中，轴承可以确保连接在旋转环上的重型X射线相机在患者周围高速旋转，并对其进行X射线检查。在环的另一侧，探测器捕捉到尚未被患者组织或骨骼吸收的X射线。根据这些信号，计算机生成三维横截面图像，借助这些图像，放射科医生可以诊断骨折、关节疾病或器官肿瘤病变。

在高端设备中，旋转环上的相机以每分钟300次的频率绕着患者旋转，这不可避免地会产生噪音。。当轴承中的滚动元件转动时，它会发出嗡鸣声。根据速度的不同，患者在计算机断层扫描中所承受的的噪音可能和大型割草机一样强烈和烦人。

“无声轴承”项目

为了克服噪音问题，蒂森克虏伯公司几年前启动了“无声轴承”项目。“我们的目标只有一个：开发出一种尽可能无磨损、低噪音、微摩擦的轴承。”Lüneburg宣布。其想法是，在这种创新的轴承中，静止的定子环和旋转的转子环将通过磁力而不是滚动元件分开。这个想法本身并不新颖。在离心机、机床、泵和压缩机中，电磁轴承长期以来一直确保高速运转的旋转部件不会磨损。然而，对于目前使用大直径轴承的大规模应用而言，复杂的控制技术和生产所需的高标准意味着电磁轴承在其中的使用非常有限。

磁悬浮技术在计算机断层扫描中的应用

为此，蒂森克虏伯工程师开发了一种新概念。灵感来自于TransRapid（一种高速磁悬浮列车）。这列高速列车在一个移动磁场上悬浮，磁场抵消了地球的重力。这个磁场是由电磁铁产生的，它确保底盘系统不接触铁轨，但在其上方平稳滑动。

Lüneburg的团队现在也在利用这一原理使医疗设备在空中悬浮起来。数十块电磁铁集成在定子中，产生一个磁场，吸引由可磁化钢制成的转子。通过智能控制，定子和转子之间形成了约1.5毫米的薄气隙。“控制磁场以使气隙持续打开是一个很大的挑战，即使转子的一侧承载着一个重型X射线相机的重量。”Lüneburg回忆道。轴向和径向总共有48块电磁铁，它们沿旋转方向和与旋转方向成直角，并且必须集成到定子中。此外，还有一些传感器在运行过程中不断测量气隙的大小。

连接的计算机对数据进行评估，并将命令发送给每块电磁铁。这些电磁铁必须以千分尺的精度对准转子，无论转子是否在旋转或已停止，或是否承载重量。蒂森克虏伯公司的工程师与齐陶应用技术大学合作开发了无声轴承的控制系统。

应急安全轴承

在蒂森克虏伯罗特艾德测试大楼墙上无声旋转着的样机上，它们的实际作用得到了证明。它单侧能承受高达750公斤的重量，即CT扫描仪的理论最大承载量，电磁铁使其始终处于正确位置。如果停电了怎么办？这种尺寸轴承中的转子，如果仅仅靠电磁力保持平衡，就会突然掉到定子上，造成很大的损失。因此，为了应对紧急情况，工程师们在定子上安装了一个安全轴承，这是一个铜环，如果电磁铁意外关闭，它会减慢运转速度。

专利技术

蒂森克虏伯已经为这种新型磁轴承申请了专利。“我们现在的技术已经非常成熟，已经可以在所有应用程序中测试它了。”Bernd Lüneburg说。这对计算机断层扫描设备制造商来说是个好消息：将来，他们将能够制造出无声的机器，使患者的神经放松下来。

蒂森克虏伯公司的工程师们也致力于在未来加快无声轴承的速度。该样机目前达到每分钟150转，而目标是通过进一步改进控制系统，达到300转甚至更快。这将使磁轴承比目前使用抗摩擦轴承的高端设备更快。提高转速会有很多好处：计算机断层扫描检查会更快，患者接受到的辐射量也会更低，放射科医生将能够实时监测动态过程，例如心脏瓣膜的打开和关闭。

最好的一点在于：正如Lüneburg解释的那样，不仅医学可以从新技术中获益。“凡是必须避免噪音和润滑剂，同时要保持最大精度的地方，非接触式磁轴承是传统轴承的有潜力的替代品。很好的例子是控制天文台的望远镜，船上的雷达天线或者在无尘室中的卫星组装。”