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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Korrektur von Trunkierungsartefakten
in einem Tomographieverfahren, bei dem:
- – von einer
Strahlungsquelle divergente Strahlung emittiert wird,
- – mit
der divergenten Strahlung ein zu untersuchendes Objekt in unterschiedlichen
Projektionsrichtungen durchleuchtet wird,
- – die
durch das zu untersuchende Objekt hindurchgedrungene Strahlung von
einem Detektor erfasst wird, und
- – vom
Detektor aufgenommene Projektionsbilder durch Extrapolation erweitert
werden, indem ein Äquivalentkörper bestimmt
wird, der im Randbereich des Projektionsbildes die von der Strahlungsquelle
ausgehende Strahlung entsprechend dem zu untersuchenden Objekt schwächt, und
indem ferner für
extrapolierte Bildpunkte die vom Äquivalentkörper hervorgerufene Schwächung der
Strahlung außerhalb
des Projektionsbildes bestimmt wird.
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Ein
derartiges Verfahren ist aus ZELLERHOFF, M. et. al., "Low contrast 3D-reconstruction from
C-Arm data", Proceedings
of SPIE, Medical Imaging 2005, Vol. 5745, Seiten 646 bis 655 bekannt. Das
bekannte Verfahren dient dazu, Trunkierungsartefakte zu vermeiden,
die dann auftreten, wenn sich das zu untersuchende Objekt in Bereiche
außerhalb des
so genannten Messfeldbereichs erstreckt. Die dabei entstehenden
Projektionsbilder werden als abgeschnitten oder trunkiert bezeichnet.
Trunkierte Projektionsbilder erzeugen bei der Rekonstruktion der Schnittbilder
Artefakte. Insbesondere sind in der Regel die randnahen Bildwerte
in den Schnittbildern zu hoch und in einem mittleren Bereich zu
niedrig. Die mit Trunkierungsartefakten behafteten Schnittbilder lassen
sich daher diagnostisch nur beschränkt verwerten.
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Bei
dem bekannten Verfahren wird im Randbereich eines Projektionsbildes,
wenn dort eine Schwächung
vorliegt, ein Äquivalentkörper konstruiert,
der im Randbereich dieselbe Schwächung
wie das zu untersuchende Objekt hervorruft. Der Äquivalentkörper wird dann unter Annahme
einer Parallelstrahlgeometrie auf dem Bereich außerhalb des Projektionsbildes
projiziert. Dadurch wird das Projektionsbild in einem Bereich außerhalb
des Projektionsbildes fortgesetzt.
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Die
Projektion des Äquivalentkörpers auf
Bereiche außerhalb
des Projektionsbildes erfolgt mit Parallelstrahlgeometrie, obwohl
tatsächlich
eine divergente Strahlgeometrie, zum Beispiel ein aufgefächerter
Strahl, vorliegt. Auch die Anpassung des Äquivalentkörpers an die Bildwerte im Randbereich des
Projektionsbildes erfolgt unter der Annahme von Parallelstrahlgeometrie.
Insofern können
Fehler bei der Korrektur der Trunkierungsartefakte induziert werden.
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Das
bekannte Verfahren bietet jedoch den Vorteil, dass kein Umsortieren
der Fächerstrahl-
in Parallelstrahldaten erforderlich ist. Das Umsortieren der Fächerstrahl-
in Parallelstrahldaten wird auch als Rebinning bezeichnet. Das so
genannte Rebinning ist sehr rechenintensiv und kann nicht in jedem
Fall eingesetzt werden. Insbesondere bei Computertomographie-Aufnahmen
mit C-Bögen
stehen die hierfür
erforderlichen Warte- und Rechenzeiten wegen der ohnehin sehr langen
Bildrekonstruktionszeiten nicht zur Verfügung.
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Ein
Verfahren, bei dem die Umsortierung von Fächerstrahl- in Parallelstrahldaten
durchgeführt wird,
ist aus HSIEH, J. et al., "A
novel reconstruction algorithm to extend the CT scan field-of-view", MED. PHYS. 31 (9),
September 2004, Seiten 2385 bis 2391 bekannt. Nach der Umsortierung
wird ein Äquivalentkörper rekonstruiert
und der Äquivalentkörper mit
Parallelstrahlgeometrie auf Bereiche außerhalb des Projektionsbildes
projiziert. Insofern handelt es sich um ein vom theoretischen Standpunkt
korrektes Verfahren.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe
zugrunde, ein hinsichtlich der Reduzierung von Trunkierungsartefakten
verbessertes und mit vergleichsweise geringem Rechenaufwand durchführbares
Verfahren zur Korrektur von Trunkierungsartefakten anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs
gelöst.
In davon abhängigen
Ansprüchen
sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Bei
dem Verfahren wird der Äquivalentkörper im
Bereich des zu untersuchenden Objekts angeordnet. Zur Bestimmung
der Bildwerte von extrapolierten Bildpunkten außerhalb des Projektionsbildes
wird die Schwächung
der Stahlen betrachtet, die von der Strahlungsquelle zu den Bildpunkten
verlaufen. Bei dem Verfahren ist somit keine Umsortierung von Fächerstrahldaten
in Parallelstrahldaten notwendig. Da die Projektion des Äquivalentkörpers auf
die Fläche des
Detektors entsprechend der tatsächlichen
Strahlgeometrie erfolgt, werden die Trunkierungsartefakte in der
Praxis wirksam reduziert. Der Rechenaufwand ist dabei geringer als
die Umrechnung von einem divergenten Strahl zugeordneten Daten in
Parallelstrahldaten.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
bildet die auf eine Reihe von Detektorelementen einfallende Strahlung
einen Strahlfächer.
In diesem Fall wird dann in eine Richtung entlang der Reihe von
Detektorelementen extrapoliert, wenn die Bildwerte am Ende der Reihe
von Detektorelementen eine Schwächung
anzeigen. Auf diese Weise wird lediglich bei Bedarf extrapoliert.
Außerdem
kann die Extrapolation für
jede Reihe einzeln an die Bildwerte der jeweiligen Reihe angepasst
werden.
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Bei
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weist der Äquivalentkörper einen
in der Ebene des Strahlfächers
liegenden kreisförmigen Querschnitt
auf. Die Lage des Äquivalentkörpers und sein
Radius können
dann anhand des Wertes und der Steigung der Bildwerte am Rand des
Projektionsbildes bestimmt werden. Dies setzt allerdings voraus, dass
der Mittelpunkt des kreisförmigen
Querschnitts des Äquivalentkörpers nur
mit einem Freiheitsgrad in der Fächerebene
verschoben werden kann.
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Daneben
ist es auch möglich,
einen Äquivalentkörper mit
einem ellipsenförmigen
Querschnitt zu verwenden und den Querschnitt des Äquivalentkörpers anhand
des Wertes, der Steigung und der Krümmung der Bildwerte am Rand
des Projektionsbildes anzupassen. Auch dieser Fall setzt voraus,
dass der ellipsenförmige
Querschnitt des Äquivalentkörpers in der
Ebene des Fächers
nur mit einem Freiheitsgrad verschoben werden kann.
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Vorzugsweise
handelt es sich bei dem Verfahren um ein Verfahren zur Korrektur
von Trunkierungsartefakten von Projektionsbildern, die im Rahmen
der Computertomographie mit Hilfe von Röntgenstrahlung aufgenommen
werden. Wenn mit Hilfe des Verfahrens menschliche oder tierische
Körper untersucht
werden, wird vorzugsweise Wasser als Material für den Äquivalentkörper gewählt.
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Mit
dem Verfahren kann ein Projektionsbild in der Fächerebene in Richtung der Reihe
von Detektorelementen extrapoliert werden. Das Verfahren kann aber
auch für
nebeneinander liegende Reihen von Detektorelementen angewendet werden,
zum Beispiel, wenn es sich bei dem Strahl um einen kegelförmigen Strahl
handelt.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand der beigefügten
Zeichnung im Einzelnen erläutert
werden. Es zeigen:
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1 eine
Ansicht der Bahn eines Detektors und einer Strahlungsquelle um ein
zu untersuchendes Objekt in axiale Blickrichtung;
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2 eine
Querschnittsansicht eines für
die Überprüfung der
Abbildungsqualität
verwendeten Phantomkörpers
in axiale Blickrichtung;
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3 eine
Darstellung eines Korrekturverfahrens zur Unterdrückung von
Artefakten gemäß dem Stand
der Technik;
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4 eine
Darstellung eines Korrekturverfahrens gemäß der Erfindung;
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5 und 6 jeweils
Rekonstruktionen einer mittleren Kontrastschicht des Phantomkörpers aus 2 mit
Hilfe des Verfahrens gemäß dem Stand
der Technik und dem Verfahren gemäß der Erfindung;
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7 und 8 jeweils
Rekonstruktionen einer Niederkontrastschicht des Phantomkörpers aus 2 mit
Hilfe des Verfahren gemäß dem Stand
der Technik und dem Verfahren gemäß der Erfindung; und
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9 und 10 jeweils
Rekonstruktionen einer trunkierten Schädelaufnahme eines Patienten gemäß dem Stand
der Technik und dem Verfahren gemäß der Erfindung.
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1 zeigt
eine Aufsicht in axiale Richtung auf eine Umlaufbahn 1 einer
Röntgenstrahlungsquelle 2 sowie
eine Umlaufbahn 3 eines Röntgendetektors 4 um
ein zu untersuchendes Objekt 5. Der Röntgendetektor 4 ist
vorzugsweise ein digitaler Flachbilddetektor oder Flächendetektor.
Bei dem zu untersuchenden Objekt 5 kann es sich beispielsweise
um einen tierischen oder menschlichen Körper handeln.
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Die
Röntgenstrahlungsquelle 2 emittiert
einen von einem Strahlfokus ausgehenden Strahlfächer 6, dessen Randstrahlen 7 auf
Ränder 8 des Röntgendetektors 4 treffen.
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Die
Röntgenstrahlungsquelle 2 und
der Röntgendetektor 4 laufen
jeweils so um das Objekt 5 um, dass sich die Röntgenstrahlungsquelle 2 und
der Röntgendetektor 4 auf
entgegengesetzten Seiten des Objekts 5 gegenüberliegen.
Bei der gemeinsamen Bewegung von Röntgendetektor 4 und
Röntgenstrahlungsquelle 2 definieren
die Randstrahlen 7 des Strahlfächers 6 einen Messfeldkreis 9,
der bei zu großer
Ausdehnung des Objekts 5 teilweise oder auch vollständig innerhalb
des zu untersuchenden Objekts 5 liegt. Die außerhalb
des Messfeldkreises 9 liegenden Bereiche des Objekts 5 werden
daher nicht auf den Röntgendetektor 4 abgebildet.
Vom Röntgendetektor 4 werden
folglich unter Umständen
trunkierte Projektionsbilder vom Objekt 5 aufgenommen. Aus
den trunkierten Projektionsbildern werden von einer in der Zeichnung
nicht dargestellten Auswerteeinheit, die dem Röntgendetektor 4 nachgeschaltet ist,
Schnittbilder des zu untersuchenden Objekts 5 rekonstruiert.
Die trunkierten Projektionsbilder führen bei der Rekonstruktion
von in der Fächerebene 6 gelegenen
Schnittbildern des durchleuchteten Objekts 5 zu Trunkierungsartefakten.
Insbesondere sind Bildwerte des rekonstruierten Schnittbildes in
Randbereichen zu hoch, während
die Bildwerte im Inneren des Schnittbildes zu niedrig sind. Selbst
wenn das zu untersuchende Objekt 5 die von der Röntgenstrahlungsquelle
ausgehenden Strahlen des Strahlfächers 6 gleichmäßig schwächt, zeigt
ein quer über
das Schnittbild verlaufendes Bildwerteprofil daher einen in etwa
schüsselartigen
Verlauf.
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Zu
hohe Bildwerte bedeuten, dass im rekonstruierten Schnittbild eine
zu große
Schwächung
der von der Röntgenstrahlungsquelle 2 emittierten
Röntgenstrahlung
durch das Objekt 5 angezeigt wird, während zu niedrige Bildwerte
eine zu geringe Schwächung
durch das Objekt 5 anzeigen.
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Um
das Auftreten von Trunkierungsartefakten im rekonstruierten Schnittbild
zu reduzieren, wird das aufgenommene Projektionsbild an den Rändern 8 des
Röntgendetektors 4 auf
eine erweiterte Detektorfläche 10 extrapoliert.
Anschließend
wird die Rekonstruktion anhand der ergänzten Projektionsbilder vorgenommen.
Dadurch können
Trunkierungsartefakte im rekonstruierten Schnittbild wirksam reduziert werden.
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Dies
sei anhand des in 2 dargestellten Objekts 5 näher erläutert.
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Bei
der Darstellung des in 2 gezeigten Objekts 5 handelt
es sich um einen Querschnitt durch einen Phantomkörper 11,
der zur Untersuchung von Computertomographie-Geräten verwendet werden kann.
Der Phantomkörper 11 weist
drei verschiedene Kontrastschichten auf, die jeweils Einsätze 12 unterschiedlicher
Dichte aufweisen. Eine Niederkontrastschicht verfügt über Einsätze 12 mit
den Werten 3 HU, 5 HU, 10 HU und 15 HU. Eine mittlere Kontrastschicht
weist Einsätze 12 mit
Dichten von 20 HU, 25 HU, 30 HU und 40 HU auf. Der Außendurchmesser
d des Phantomkörpers 11 ist
so bemessen, dass die äußeren Einsätze 12 teilweise
außerhalb
des Messfeldkreises 9 liegen.
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3 zeigt
ein Extrapolationsverfahren gemäß dem Stand
der Technik.
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Die
vom Fokus der Röntgenstrahlungsquelle 2 ausgehende
Strahlung durchdringt das zu untersuchende Objekt 5 und
trifft auf den Röntgendetektor 4. Der
Röntgendetektor 4 erfasst
mit Detektorelementen einer Zeile, die mit dem Spaltenindex i indexiert sind,
Projektionswerte pi, die zwischen den Rändern 8 des
Röntgendetektors 4 in
Zeilenrichtung ein Projektionswertprofil 13 bilden.
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Um
das Projektionswertprofil 13 auf die erweiterte Detektorfläche 10 in
Zeilenrichtung zu extrapolieren, wird am Rand 8 des Röntgendetektors 4 ein Wasserzylinder 14 bestimmt,
der unter Parallelstrahlgeometrie an den Rändern 8 jeweils die
gleich Schwächung
hervorruft, wie das Objekt 5 im Bereich des Randstrahls 7.
Da Parallelstrahlgeometrie vorausgesetzt wird, ist der Ort des Wasserzylinders 14 in Strahlrichtung
y unerheblich.
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Die
Mittelpunktlage x des Wasserzylinders 14 quer zur Strahlrichtung
y sowie der Radius r des Wasserzylinders 14 werden so gewählt, dass
der Projektionswert pR und die Steigung
s des Projektionswertprofils 13 am Rand 8 mit
dem Projektionswert und der Steigung eines extrapolierten Projektionswertprofils 15 übereinstimmt,
das sich aus der Parallelprojektion des Wasserzylinders 14 auf
die erweiterte Detektorfläche 10 ergibt.
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Anhand
des Wasserzylinders 15 können dann Extrapolationswerte 16 bestimmt
werden.
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Die
Höhe der
Wasserzylinder 14 wird gleich dem Abstand der Detektorzeilen
in Spaltenrichtung gewählt.
Damit wird das Objekt 5 scheibchenweise fortgesetzt.
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Wie
nachfolgend noch im Einzelnen erläutert wird, ist das Extrapolationsverfahren
gemäß dem Stand
der Technik nicht in jedem Fall geeignet, Trunkierungsartefakte
ausreichend zu reduzieren.
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In 4 ist
ein Extrapolationsverfahren dargestellt, mit dem Trunkierungsartefakte
im Vergleich zum Stand der Technik besser reduziert werden können. Bei
dem in 4 veranschaulichten Verfahren wird ein im Bereich
des Objekts 5 angeordneter Wasserzylinder 17 bestimmt
und entsprechend der Geometrie des Strahlfächers 6 auf die erweiterte
Detektorfläche 10 projiziert.
Die Lage des Wasserzylinders 17 in Strahlrichtung y wird
vorzugsweise in der Nähe einer
Mittellinie des Objekts 5 gewählt. Die Mittelpunktslage x
quer zur Strahlrichtung y und der Radius des Wasserzylinders 17 werden
derart bestimmt, dass ein Projektionswert pR und
die Steigung des Projektionswertprofils 13 am Rand 18 des
Röntgendetektors 4 mit
dem Projektionswert und der Steigung des extrapolierten Projektionswertprofils 18 übereinstimmt.
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Durch
die Projektion des Wasserzylinders 17 auf die erweiterte
Detektorfläche 10 können dann
Extrapolationswerte 19 bestimmt werden.
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Dass
das anhand 4 beschriebene Extrapolationsverfahren
zu einer im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich besseren
Reduzierung von Trunkierungsartefakten führt, wird insbesondere anhand
der 5 bis 10 deutlich.
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5 zeigt
die rekonstruierte trunkierte mittlere Kontrastschicht des Phantomkörpers 11 aus 2 bei
einer Anwendung des Extrapolationsverfahrens gemäß 3. Deutlich
ist die Überhöhung der
Projektionswerte in den Randbereichen des Schnittbildes erkennbar.
Bei dem Schnittbild in 6 wurde der Phantomkörper 11 dagegen
unter Anwendung des in 4 dargestellten Extrapolationsverfahrens
rekonstruiert. In 6 sind die Umrisse der Einsätze 12 auch
in Randbereichen des Projektionsbildes deutlich erkennbar.
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Auch
im Niederkontrastbereich ergeben sich deutliche Unterschiede. 7 zeigt
die Rekonstruktion der trunkierten Niederkontrastschicht des Phantomkörpers 11 bei
Anwendung des Extrapolationsverfahrens aus 3. Hierbei
sind wiederum die Randbereiche des rekonstruierten Schnittbilds
deutlich überhöht. Bei
dem in 8 dargestellten Schnittbild, das unter Anwendung
des in 4 erläuterten Extrapolationsverfahrens
erstellt wurde, sind dagegen keine Überhöhungen in den Randbereichen
erkennbar.
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Eine
Zusammenschau der 5 bis 8 zeigt
auch, dass bei Anwendung des in 3 dargestellten
herkömmlichen
Verfahrens die Bildwerte des Schnittbilds im Bereich des Isozentrums
abgesenkt sind.
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Dies
wird auch anhand der 9 und 10 deutlich,
die Schnittbilder mit identischer Fensterung enthalten.
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9 zeigt
ein trunkiertes Schnittbild durch den Schädel eines Patienten, das unter
Verwendung des in 3 dargestellten herkömmlichen
Extrapolationsverfahrens erstellt wurde. Im Bereich der Gehirnmasse
sind in 9 keine weiteren Details erkennbar.
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Bei
dem in 10 dargestellten Schnittbild, das
unter Verwendung des in 4 dargestellten Verfahrens erstellt
wurde, sind dagegen auch in Bereich der Gehirnmasse Details erkennbar,
die auf eine Gehirnblutung hindeuten.
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Diese
Details sind in 9 erst bei Absenkung der Fenstermitte
sichtbar. Dies zeigt, dass infolge der Trunkierungsartefakte zu
geringe Bildwerte in der Bildmitte rekonstruiert worden sind.
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Es
sei angemerkt, dass bei dem in 4 dargestellten
Verfahren anstelle des Wasserzylinders 17 mit kreisförmigem Querschnitte
auch Wasserzylinder mit ellipsenförmigem Querschnitt verwendet werden
können.
In diesem Fall ist auch eine Anpassung an die Krümmung des Projektionswertprofils 13 möglich.
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Ferner
sei angemerkt, dass das Projektionswertprofil 13, das zur
Anpassung der Wasserzylinder 17 verwendet wird, vorzugsweise
mit Hilfe eines Mittelungsverfahrens erstellt wird, um rauschbedingte Ausschläge zu eliminieren.
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Da
bei dem in 4 dargestellten Verfahren keine
Umsortierung von Fächerstrahl-
in Parallelstrahldaten erforderlich ist, hält sich der Rechenaufwand in
Grenzen. Das in 4 dargestellte Verfahren kann
daher auch bei der Computertomographie mit C-Bogen-Systemen verwendet
werden.