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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von Bildstörungen bei
einer digitalen Strahlungsbildaufnahme, die durch eine eine Strahlungsquelle,
einen Streustrahlenraster und einen digitalen Röntgendetektor wie einen Bildverstärker oder
Festkörperbilddetektor
umfassende Röntgenanlage
erzeugt worden ist, welche Bildstörungen durch Dezentrierung,
Defokussierung oder Defekte des Streustrahlenrasters oder den Heel-Effekt
hervorgerufen werden und eine Abschwächung der auf den Röntgendetektor
einfallenden Primärstrahlung
bewirken.
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Streustrahlenraster
werden in Röntgenanlagen
eingesetzt, damit bei der Durchleuchtung eines Untersuchungsobjekts
mit Röntgenstrahlung
nur direkte informationstragende Primärstrahlung von der Röntgenröhre zum
Detektor gelangt. Die bildverrauschende Streustrahlung wird durch
das Streustrahlenraster geblockt, um die Qualität der Strahlungsbildaufnahme
zu verbessern. Streustrahlenraster bestehen aus sehr dünnen Bleistreifen,
die in Papier eingebettet sind, wobei bis zu 80 Streifen pro Zentimeter
verwendet werden.
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Diese
Bleistreifen des Streustrahlenraster sind nicht parallel angeordnet,
sondern um einen kleinen Winkel gegeneinander gedreht und auf einen
bestimmten, optimalen Fokusabstand zwischen der Röntgenröhre und
dem Detektor, zum Beispiel 1500 mm, ausgerichtet. In der Praxis
werden Röntgenanlagen
jedoch bei unterschiedlichen Röhren-Detektor-Abständen betrieben,
sodass sie defokussiert sind, wodurch sich Abschattungen im Randbereich
der Strahlungsbildaufnahme ergeben. Abschattungen können auch
dadurch entstehen, dass die Röhre
dezentriert ist, also nicht genau über dem Mittelpunkt des Streustrahlenrasters
steht. Als Heel-Effekt wird die Abschwächung von Strahlen auf der
Anodenseite durch die Röntgenröhre selbst
bezeichnet. Abschattungen können
auch durch falsch positionierte oder defekte Raster auftreten. Diese
Abschattung nimmt üblicherweise
zum Rand hin senkrecht zur Richtung der Bleilamellen zu, während sie
in Richtung der Bleilamellen konstant ist.
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Problematisch
ist dabei, dass die Abschwächung
am Rand der Strahlungsbildaufnahme maximal 40 % betragen darf, festgelegt
durch die ICE (Convention 606271978). Dadurch wird der zulässige Abstandsbereich
zwischen der Röhre
und dem Detektor, in dem die Anlage betrieben werden darf, limitiert.
Ferner wirken die Abschattungen selbst dann störend, wenn die Anlage in dem
gültigen
Bereich betrieben wird. Außerdem können die
Abschattungen die Diagnose von Krankheitsbildern erschweren.
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Es
ist bereits vorgeschlagen worden, diese Abschwächungen durch ein theoretisches
Modell zu korrigieren. Die Formel von Boldingh beschreibt die Abschwächung in
Abhängigkeit
von bestimmten Rasterkenngrößen, zum
Beispiel dem Schachtverhältnis
r, sowie dem Abstand zwischen der Röntgenröhre und dem Detektor und der
Dezentrierung. Es hat sich allerdings gezeigt, dass dieses Modell
das Abschwächungsverhalten von
Streustrahlenrastern nur ungenau wiedergeben kann. Die sich bei
der Anwendung der Formel ergebenden Abweichungen werden darauf zurückgeführt, dass
unbekannte Größen wie
falsche Rasterpositionierung, Rasterdefekte oder der Heel-Effekt
von Boldinghs Formel nicht berücksichtigt
werden können.
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Der
Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Kompensation
der oben beschriebenen Bildstörungen
bei einer Strahlungsbildaufnahme anzugeben, dessen Genauigkeit erhöht ist.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art
erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die tatsächliche
Abschwächung
der Primärstrahlen
durch das Streu strahlenraster bestimmt wird und anhand der erfassten
Messwerte Korrekturparameter ermittelt werden, mit denen die Strahlungsbildaufnahme
korrigiert wird.
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Anders
als bei dem bekannten Verfahren, das auf der Formel von Boldingh
beruht, wird die Korrektur der Strahlungsbildaufnahme nicht alleine
auf der Grundlage eines theoretischen Modells durchgeführt, sondern
das tatsächliche
individuelle Abschwächungsprofil
des Streustrahlenrasters in der betriebenen Durchleuchtungsanlage
wird bestimmt, um die Strahlungsbildaufnahme entsprechend zu korrigieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren
weist den Vorteil auf, dass sämtliche
Einflussfaktoren, die die Strahlungsbildaufnahme beeinflussen, berücksichtigt
werden können.
Das Verfahren kann auch dann durchgeführt werden, wenn die einzelnen
Einflussfaktoren und deren Auswirkung auf die Strahlungsbildaufnahme
nicht im Detail bekannt sind. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorgesehen, dass die tatsächliche
Abschwächung
gemessen wird, in die sämtliche
Einflussfaktoren eingehen. Auf diese Weise können auch unbekannte Parameter,
zum Beispiel eine fehlerhafte Lagerung des Streustrahlenrasters
oder asymmetrische Effekte wie der Heel-Effekt oder eine Dezentrierung
erfasst und korrigiert werden. Das erfindungsgemäße „datengetriebene Modell" gibt daher die tatsächlichen
Gegebenheiten wesentlich genauer als ein theoretisches Modell wieder.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass
zur Messung der Abschwächung
Leerbilder aufgenommen werden, bei denen sich zwischen der Strahlungsquelle
und dem Streustrahlenraster kein Objekt befindet. Diese Leerbilder
dienen dazu, das Abschwächungsverhalten
der gesamten Röntgenanlage,
bestehend aus Strahlungsquelle, Streustrahlenraster und Festkörperbilddetektor
zu erfassen. Anhand der Leerbilder kann das individuelle Abschwächungsverhalten
bestimmt werden, weiterhin lassen sich die erforderlichen Korrekturparameter
ermitteln, mit denen die Strahlungsbildauf nahme anschließend korrigiert werden
kann. Die Anfertigung der Leerbilder ist somit eine Art Kalibriermessung.
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Bei
dem Verfahren wird es besonders bevorzugt, dass die Strahlungsbildaufnahme
als digitale Bildmatrix mit Spalten und Reihen erfasst wird und
eine die Abschwächung
beschreibende Profillinie berechnet wird. Die Strahlungsbildaufnahme
liefert als Ergebnis eine Matrix mit Einzelwerten für jeden
strahlungssensitiven Pixel des Röntgendetektors,
zum Beispiel eines Festkörperbilddetektors.
Hierbei können
zum Beispiel niedrige Pixelwerte des digitalen Bildes hohen Strahlungseinfall
repräsentieren
und umgekehrt. Die aufgenommenen Leerbilder von Streustrahlenrastern
zeigen, dass die Abschwächung
der Primärstrahlung
von der Mitte des Streustrahlenrasters, über der sich die Strahlungsquelle
befindet, zu den Seiten hin zunimmt. In der dazu senkrechten Richtung
in der Ebene des Streustrahlenrasters parallel zur Richtung der
Bleilamellen, repräsentiert
durch die Spalten des Bildes, kann die Abschwächung in erster Näherung als
konstant angenommen werden. Dementsprechend kann aus der Bildmatrix,
die ein Flächenprofil
der Abschwächung
darstellt, durch Aufsummieren der Pixelwerte innerhalb einer Bildspalte
eine die Abschwächung
beschreibende Profillinie berechnet werden, die repräsentativ
für das
Streustrahlenraster und die gesamte Röntgenanlage ist.
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Die
aufsummierten Werte der einzelnen Spalten, die einen eindimensionalen
Vektor bilden, können durch
mehrfache Tiefpassfilterung geglättet
werden. Auf diese Weise können
einzelne Extremwerte herausgefiltert werden.
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Bei
dem Verfahren wird es ferner bevorzugt, dass die als Vektor ausgebildete
Profillinie auf Werte zwischen 0 und 1 normiert wird. Zur Normierung
wird der Vektor durch seinen Maximalwert geteilt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass
das Minimum der Profillinie bestimmt wird. Dieses Minimum, das in
der Nähe
des Zentrums des Streustrahlenrasters liegt, ist der Ort der maximalen
Transmission. Es muss jedoch nicht notwendigerweise exakt in der
Mitte liegen, sondern es kann zum Beispiel durch eine Dezentrierung
der Röhre
oder den Heel-Effekt verschoben sein.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann es vorgesehen sein, dass für
die links und rechts des Minimums liegenden Abschnitte der Profillinie
die Geradengleichungen der Ausgleichsgeraden der entsprechenden
Teile der Profillinie bestimmt werden. Um eine einheitliche Beschreibung
des Profils zu erhalten, können
die Mittelwerte der Steigungen und Achsenabschnitte der beiden Einzelgeraden
bestimmt werden. So können
durch eine einzige Ausgleichsgerade die beiden Bereiche rechts und
links des Zentrums näherungsweise
beschrieben werden.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
kann es weiter vorgesehen sein, dass die Strahlungsbildaufnahme
anhand des Minimums der Profillinie und der Steigung der Geradengleichungen
korrigiert wird. Das ermittelte Minimum und die Steigungen dienen
als Korrekturparameter für
die Intensitäten
der Strahlungsbildaufnahme. Die Dezentrierung, das heißt die Verschiebung
des Strahlermittelpunkts ist bereits bekannt. Ebenso ist die Steigung
der Geraden bekannt. Mit diesen Korrekturparametern werden die einzelnen
Spalten der Bildmatrix multipliziert, sodass sich korrigierte Bildaufnahmen
ergeben, bei denen sich keine Abschwächungseffekte mehr zeigen.
Anhand der Korrekturparameter kann eine Korrektur der Bildhelligkeit
durchgeführt
werden.
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Erfindungsgemäß kann es
auch vorgesehen sein, dass mehrere Leerbilder bei verschiedenen
Fokusabständen
zwischen der Strahlungsquelle und dem Festkörperbilddetektor und/oder verschiedenen
Dezentrierungen aufgenommen werden, um den Zusam menhang zwischen
dem Abstand Strahlungsquelle-Festkörperbilddetektor
sowie der Dezentrierung und den Geradenparametern einschließlich des
Profilminimuns zu ermitteln. Wenn dieser Zusammenhang bekannt ist,
kann die Ausgleichsgerade anschließend für jeden beliebigen Abstand
zwischen der Strahlungsquelle und dem Detektor bestimmt werden.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Röntgenanlage
zur Aufnahme von Strahlungsbildaufnahmen, umfassend eine Strahlungsquelle,
einen Streustrahlenraster und einen Röntgendetektor. Erfindungsgemäß ist die Röntgenanlage
zur Kompensation von Bildstörungen
mittels des beschriebenen Verfahrens ausgebildet.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische
Darstellungen und zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Röntgenanlage;
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2 ein
Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens;
und
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3a bis 3c Diagramme
mit gemessenen und berechneten Abschwächungsprofilen für verschiedene
Abstände
zwischen Strahlungsquelle und Detektor.
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Die
in 1 dargestellte Röntgenanlage 1 besteht
aus einer schematisch dargestellten Röntgenröhre 2, einem Streustrahlenraster 3 und
einem unterhalb des Streustrahlenrasters angeordneten Detektor 4.
Bei der Durchleuchtung eines Objekts 5, das sich zwischen
der Röntgenröhre 2 und
dem Streustrahlenraster 3 befindet, gelangt direkte informationstragende
Primärstrahlung 6 durch
das Objekt 5 auf den Detektor 4. Ein Teil der Röntgenstrahlung
wird jedoch durch Inhomogenitäten,
zum Beispiel Knochen, im Objekt abgelenkt und wird so zu bildverrauschender
Streustrahlung. Diese wird anschließend durch die Bleilamellen
des Streustrahlenrasters 3 abgeblockt. Auf diese Weise
wird verhindert, dass die bildverrauschende Streustrahlung 7 zum
Detektor 4 gelangt.
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Bei
der Röntgenanlage 1 ist
die Röntgenröhre 2 vertikal
verstellbar, sodass unterschiedliche Abstände zwischen der Röntgenröhre 2 und
dem Detektor 4 eingestellt werden können. Da die einzelnen Bleistreifen, aus
denen der Streustrahlenraster aufgebaut ist, um einen kleinen Winkel
geneigt sind, ist das Streustrahlenraster 3 nur bei einer
bestimmten Fokuslänge,
die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
1500 mm beträgt, optimal
auf die Röntgenröhre 2 ausgerichtet.
Wenn die Röntgenanlage
mit einem anderen Abstand zwischen der Röntgenröhre 2 und dem Detektor 4 betrieben
wird, sodass sie defokussiert ist, entstehen bei dem herkömmlichen
Bildaufnahmeverfahren Abschattungen im Randbereich.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das
Verfahren zur Korrektur von Bildstörungen beruht auf der Berechnung
des Abschwächungsprofils des
Streustrahlenrasters 3. Dazu werden in dem Schritt 8 verschiedene
Leerbilder aufgenommen. Bei einer Leerbildaufnahme befindet sich
zwischen der Röntgenröhre 2 und
dem Streustrahlenraster 3 kein Objekt. Die Leerbilder spiegeln
daher die Abschwächung
der Röntgenstrahlung
durch das Streustrahlenraster 3 wieder. Für einen
bestimmten Abstand zwischen der Röntgenröhre 2 und dem Streustrahlenraster 3 bzw.
dem Detektor 4 genügt
es, eine einzige Leerbildaufnahme anzufertigen. Das Verfahren sieht
jedoch vor, mehrere Leerbilder bei unterschiedlichen Fokuslängen f und/oder
bei unterschiedlichen seitlichen Auslenkungen der Röhre (Defokussierung)
anzufertigen, sodass die Korrektur sämtlicher Strahlungsbilder möglich ist,
unabhängig
von dem jeweiligen Fokusabstand.
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Nachfolgend
wird die Berechnung des Abschwächungsprofils
für einen
festen Fokusabstand f erläutert.
Das digitale Bild liegt als Matrix mit x Spalten und y Zeilen von
Intensitätswerten
m(ij) vor.
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Durch
die folgende Gleichung werden die Spalten der Bildmatrix vertikal
summiert und man erhält
einen eindimensionalen Vektor, der durch mehrfache Tiefpassfilterung
geglättet
wird (Verfahrensschritte
9,
10):
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In
dem Verfahrensschritt
11 wird der Vektor normiert, sodass
sämtliche
Werte zwischen 0 und 1 liegen. Diese Werte entsprechen der prozentualen
Abschwächung.
Dabei wird angenommen, dass die Abschwächung im Zentrum 0 % und an
den abgeschirmten Seiten 100 % beträgt. Das Abschwächungsprofil
lautet:
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Die
Normierung des Vektors ist in dem Flussdiagramm von 2 als
Verfahrensschritt 11 angegeben. Das daraus resultierende
Abschwächungsprofil
besitzt in der Nähe
des Zentrums des Streustrahlenrasters 3 sein Minimum, das
im Verfahrensschritt 13 durch die folgende Gleichung bestimmt
werden kann: xm ≔ ARGMIN(p(x)) (3)
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Im
Verfahrensschritt 14 wird das Abschwächungsprofil in einen rechten
und einen linken Teil aufgeteilt und es wird eine lineare Regression
von beiden Teilen berechnet, anschließend werden die entsprechenden Parameter
der beiden Einzelglei chungen gemittelt. Auf diese Weise kann das
Abschwächungsprofil
durch eine Geradengleichung ausgedrückt werden. Die Gleichung der
Profillinie lautet: V(x)
= M·|x – xm| + Bd (4)
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In
dieser Gleichung ist M die Steigung des linearen Abschwächungsprofils.
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Mit
der Formel von Boldingh kann die erwartete Abschwächung der
Strahlung in Abhängigkeit
des Abstands f zwischen der Röntgenröhre und
dem Detektor bei bekannter Dezentrierung (Verschiebung) z für jeden Punkt
c berechnet werden:
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Durch
Umformen erhält
man:
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In 1 ist
unterhalb des Detektors 4 das Abschwächungsprofil V(x) qualitativ
dargestellt.
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Wobei
r eine Kenngröße des Streustrahlenrasters
ist, die das sogenannte Schachtverhältnis, die Höhe zur Breite
des Papierstreifens, beschreibt.
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Der
Faktor
ist eine Größe, die
die Anwendung der Formel auf Pixel statt auf „Millimeter" erlaubt. Dieser
Wert ist der Kehrwert der Pixeldichte. Mit Gleichung (6) und Gleichung
(3) kann die Dezentrierung in Millimeter bestimmt werden (Verfahrensschritt
15)
z(xm)=F·(xm – Xc)·|1-f/fo| (8) -
Wesentlich
ist dabei, dass es keine Rolle spielt, wodurch die Verschiebung
hervorgerufen wird. Da das Rechenverfahren von dem tatsächlichen
Abschwächungsverhalten
ausgeht, können
sowohl die Einflüsse
des Heel-Effekts als auch die Dezentrierung der Röntgenröhre 2 oder
andere Einflüsse
berücksichtigt
werden.
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Nach
der Bestimmung der Größen x
m und M kann die Bildkorrektur im Verfahrensschritt
16 durchgeführt werden,
indem jede Spalte mit dem Korrekturfaktor:
multipliziert
wird. Mit dieser Formel kann eine Korrektur der Bildhelligkeit durchgeführt werden.
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Nachfolgend
wird beschrieben, wie das Abschwächungsprofil
für beliebige
Abstände
f zwischen der Röntgenröhre und
dem Detektor berechnet werden kann. Damit unterschiedliche Abstände f bei
der Bildkorrektur berücksichtigt
werden können,
wird nacheinander eine Reihe von Kalibrierbildern bei verschiedenen
Abständen
f aufgenommen, anschließend
werden die erforderlichen Korrekturparameter berechnet.
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Um
die Dezentrierung xm für beliebige Abstände f zu
berechnen, werden mit einem Streustrahlenraster mehrere Leerbilder
aufgenommen und xm und z bestimmt. Die Bilder
können
bei unterschiedlichen Dosen aufgenommen werden. Es wurde herausgefunden,
dass zwischen der Dezentrierung und dem Abstand f zwischen der Röntgenröhre und
dem Detektor ein linearer Zusammenhang besteht. Anhand der Leerbilder
für die Kalibrierung
wird für
jedes Leerbild die Dezentrierung z(f) bestimmt sowie anschließend die
lineare Anpassung der Dezentrierung über dem Abstand f festgelegt.
Mit dieser linearen Anpassung kann nun die Dezentrierung xm für
jeden beliebigen Abstand f bestimmt werden, auch zwischen den Kalibrierpunkten.
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Um
die Bildkorrektur vornehmen zu können,
muss auch die Steigung des Abschwächungsprofils für beliebige
Abstände
f berechnet werden. Für
die Berechnung der Profilsteigung stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung.
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Bei
der ersten Variante wird die Formel von Boldingh zugrunde gelegt
und anhand der Messdaten kalibriert. Die Kalibrierung besteht darin,
den linearen Zusammenhang MB ≈ K·MD (10)zu errechnen,
wobei MD die Steigung der Messdaten ist.
K ist ein Kalibrierfaktor und gibt den Zusammenhang zwischen dem
aus den gemessenen Daten errechneten Profil und der Formel von Boldingh
an. Dabei ist die Randbedingung zu berücksichtigen, dass MD = 0 für
f = f0 gelten soll. Für beliebige Abstände f wird
das Abschwächungsprofil
errechnet, indem zunächst
die Dezentrierung ermittelt wird. Anschließend wird die Abschwächung nach
der Formel von Boldingh berechnet und mit K multipliziert. Dadurch
ergibt sich das Abschwächungsprofil
für den
jeweiligen Abstand f. Die Bildkorrektur des Strahlungsbilds erfolgt
dann mit Gleichung (9).
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Bei
der zweiten Variante wird die Formel von Boldingh nicht verwendet,
sondern das Modell beruht vollständig
auf den gemessenen Daten. Aus den verschiedenen Kalibrierbildern
werden die Steigungen für
die rechte und linke Hälfte
MR und ML durch
eine lineare Approximation getrennt für f < f0 und f > f0 berechnet.
Falls die Röntgenröhre sich
im optimalen Fokus befindet gilt die Randbedingung MR(f0) = ML(f0) = 0, das heißt es ist keine Korrektur erforderlich.
Für einen
beliebigen Abstand f wird das Abschwächungsprofil durch Berechnung der
Dezentrierung bestimmt. Anschließend wird die Steigung des
Abschwächungsprofils
aus der linearen Approximation der Kalibrierbilder berechnet. Dadurch
ergibt sich das Abschwächungsprofil
für diesen
Abstand f. Die Bildkorrektur der Strahlungsbilds kann wiederum mit
Gleichung (9) vorgenommen werden.
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Die 3a bis 3c zeigen
das gemessene und berechnete Abschwächungsprofil für verschiedene Abstände zwischen
der Röntgenröhre und
dem Detektor. Die horizontale Achse entspricht der x-Achse von 1.
Auf der vertikalen Achse ist die Abschwächung eingetragen, die zwischen
0 und 1 betragen kann. In den 3a bis 3c sind
jeweils drei Kurven eingezeichnet. Die Kurve a stellt das geglättete Profil
(Ix) dar. Die Kurve b stellt die Abschwächung nach der Formel von Boldingh
dar. Die Kurve c zeigt die gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
berechnete Abschwächung.
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In 3a beträgt der Fokusabstand
f = 1500 mm. Es ist zu erkennen, dass die Unterschiede zwischen dem
auf den Messwerten beruhenden Profil der Kurve a und den Kurven
b und c vergleichsweise gering sind.
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3b stellt
den Fall dar, wenn der Fokusabstand f = 1150 mm beträgt. Es ist
zu erkennen, dass die Kurve c eine wesentlich bessere Approximation
der Abschwächung
als die Formel von Boldingh (Kurve b) liefert.
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Dasselbe
gilt für
den Fokusabstand f = 1000 mm, der in 3c dargestellt
ist. Die Unterschiede zwischen den Kurven a und c betragen lediglich
wenige Prozent.
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Da
die Streustrahlenraster derzeit aus Bleistreifen aufgebaut sind
und die Abschwächung
somit in einer Richtung, der Richtung der Bleilamellen, konstant
ist, genügt
die beschriebene eindimensionale Korrektur in Richtung der Spalten.
Das Verfahren kann jedoch sinngemäß auf zwei Dimensionen erweitert
werden, wenn eine andere Rasterart, zum Beispiel ein Gitter, dies
erfordert.
