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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Kalibrieren einer bilderzeugenden
Röntgenanlage
mit einem digitalen Röntgenempfänger. Die
Erfindung bezieht sich außerdem
auf ein Verfahren zum Erzeugen eines Röntgenbildes mit einer nach
diesem Verfahren kalibrierten Röntgenanlage
sowie auf eine mit diesen Verfahren betriebene Röntgenanlage.
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Die
von den in einem zweidimensionalen Array angeordneten Detektorelementen
eines digitalen Röntgenempfängers erzeugten
digitalisierten Messsignale – die
sogenannten Rohbilddaten oder Rohbilder – müssen in einer Bildverarbeitungseinrichtung nachbearbeitet
und korrigiert werden, um eine für den
Radiologen diagnostisch optimal verwertbare Wiedergabe des Röntgenbildes
auf einem Wiedergabemedium sicherzustellen. Bei dieser Nachverarbeitung
muss für
jedes einzelne Detektorelement sowohl dessen Dunkelstromanteil (offset)
als auch dessen Empfindlichkeit (gain) berücksichtigt und korrigiert werden.
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Die
Empfindlichkeit der Detektorelemente ist dabei in der Regel über den
gesamten relevanten Dosisbereich (Dynamikbereich), d.h. den Bereich
der Dosiseinstellungen, mit denen die Röntgenanlage betrieben werden
kann, nicht konstant, so dass eine Kalibrierung für mehrere
Dosiseinstellungen, d.h. mehrere Werte des in einer Röntgenröhre zur
Anode fließenden
Stromes (Anodenstrom) bei konstanter Röhrenspannung (gleichbleibendem
Röntgenspektrum)
vorgenommen werden muss, um zu erreichen, dass die Detektorelemente
des digitalen Röntgenempfängers linear
auf die einfallende Röntgenstrahlung
antworten.
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Mit
Hilfe einer solchen sogenannten Mehrpunkt-Kalibrierung ist sichergestellt,
dass bei jeder Dosiseinstellung in Abwe senheit eines Objektes bis auf
das Quanten- und Elektronikrauschen immer ein homogenes belichtetes
Röntgenbild
(Hellbild) vom Röntgenempfänger bereitgestellt
wird.
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Diese
Kalibrierung ist allerdings nur bei einer konstanten Temperatur
exakt gültig.
Besteht zwischen dem Zeitpunkt der Kalibrierung, die in der Regel
nach Ablauf einer Aufwärmphase
durchgeführt wird,
und dem Zeitpunkt der eigentlichen Bildaufnahme, die beispielsweise
kurz nach Einschalten der Röntgenanlage
vorgenommen wird, ein Temperaturunterschied, so ergibt sich für jedes
Detektorelement ein für
dieses Detektorelement spezifischer Fehler, da dessen Empfindlichkeit
nicht mehr mit der Empfindlichkeit übereinstimmt, die es während der
Kalibrierung hatte. Diese Unterschiede führen im zweidimensionalen Röntgenbild
oder bei einer dreidimensionalen Rekonstruktion zu Artefakten. Im
Falle eines zweidimensionalen Bildes sind dies vor allem ein Intensitätsgradient
in Richtung einer Bildkoordinate und Linienartefakte, die sich in
einer 3D-Rekonstruktion als radialer Intensitätsgradient und Ringartefakte bemerkbar
machen.
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Grundsätzlich wäre es nun
möglich,
diese Temperaturabhängigkeit
der Empfindlichkeit der einzelnen Detektorelemente dadurch zu berücksichtigen,
dass in regelmäßigen Zeitabständen eine
Kalibrierung bei unterschiedlichen Temperaturverhältnissen
im oder in der Umgebung des Röntgenempfängers vorgenommen
und die ermittelten Daten in einem Speicher abgelegt werden.
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Zur
Ermittlung jeweils vorliegender Temperaturverhältnisse ist in der Umgebung
des Röntgenempfängers eine
Mehrzahl von Temperatursensoren angeordnet. Aus den an verschiedenen
Messstellen gemessenen Temperaturen, die in der Regel über die gesamte
Fläche
des Röntgenempfängers nicht gleich
sind, sondern ein erhebliches, durch die Abwärme von in der Umgebung des
Röntgenempfängers angeordneten
elektronischen Komponenten verursachtes Gefälle aufweisen können, wird
eine die aktuel len Temperaturverhältnisse im Röntgenempfänger stellvertretend
charakterisierende aktuelle Referenztemperatur gebildet.
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Wird
nun eine Serie von Röntgenbildern noch
während
einer Aufwärmphase
aufgenommen, wird an Hand der jeweils ermittelten aktuellen Referenztemperatur überprüft, ob für diese
eine Kalibrierung existiert.
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Eine
Mehrpunkt-Kalibrierung für
eine Vielzahl von Referenztemperaturen ist in der Praxis jedoch
nahezu unmöglich,
denn mit steigender Anzahl der für
die Kalibrierung bei einer Referenztemperatur verwendeten Messpunkte
(Dosiseinstellungen) steigt auch die Gesamtdauer der Kalibrierung.
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Um
exakt kalibrieren zu können,
muss nämlich
zwischen den einzelnen Dosiseinstellungen eine Zeit in der Größenordnung
von 5 bis 10 Minuten gewartet werden, um Störeffekte, wie beispielsweise Nachleuchten
zu reduzieren.
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So
dauert beispielsweise die reine Messzeit für eine Zehnpunkt-Kalibrierung
mindestens eine Stunde. Während
dieser Zeit kann allerdings nicht von einer konstanten Referenztemperatur
des Röntgenempfängers ausgegangen
werden, so dass im Prinzip für
jede Dosiseinstellung der Aufwärmvorgang
reproduzierbar wiederholt werden muss. Bei einer hierzu notwendigen
Aufwärm-
bzw. Abkühlphase von
etwa vier Stunden könnte
daher nur eine Dosiseinstellung pro Tag aufgenommen werden. Eine Zehnpunkt-Kalibrierung,
die die Temperatureffekte berücksichtigt,
würde somit
10 Tage in Anspruch nehmen. Eine solche Kalibrierung ist in der
Praxis nicht durchführbar.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zum Kalibrieren
einer bilderzeugenden Röntgenanlage
mit einem digitalen Röntgenempfänger zum
Empfangen der Röntgenstrahlung anzugeben,
bei dem eine Mehrpunkt-Kalibrierung mit vertretbarem Aufwand für unterschiedliche
Temperaturen möglich
ist. Außerdem
liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Ver fahren zum Erzeugen
eines Röntgenbildes
mit einer Röntgenanlage
anzugeben, die mit einem solchen Verfahren kalibriert ist. Der Erfindung
liegt außerdem
die Aufgabe zu Grunde, eine nach diesen Verfahren arbeitende Röntgenanlage
anzugeben.
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Hinsichtlich
des Kalibrierverfahrens wird die genannte Aufgabe gemäß der Erfindung
gelöst
mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Das
Verfahren zum Kalibrieren einer bilderzeugenden Röntgenanlage
mit einem digitalen Röntgenempfänger zum
Empfangen der Röntgenstrahlung,
umfasst gemäß der Erfindung
die folgenden Verfahrensschritte:
- a) Erzeugen
eines ersten Dunkelrohbildes bei einer ersten konstanten Referenztemperatur
des Röntgenempfängers,
- b) Erzeugen von ersten Hellrohbildern bei einer Mehrzahl von
ersten Dosiseinstellungen bei dieser ersten Referenztemperatur,
- c) Ermitteln einer Mehrzahl von ersten offset-korrigierten Hellbildern
aus dem ersten Dunkelrohbild und den ersten Hellrohbildern,
- d) Erzeugen von zweiten Dunkelrohbildern bei einer Mehrzahl
von zweiten Referenztemperaturen,
- e) Erzeugen von zweiten Hellrohbildern bei diesen zweiten Referenztemperaturen
bei einer zweiten Dosiseinstellung, die einer der ersten Dosiseinstellungen
entspricht,
- f) Ermitteln eines offset-korrigierten zweiten Hellbildes aus
den zweiten Dunkelrohbildern und den zweiten Hellrohbildern für jede dieser
zweiten Referenztemperaturen,
- g) Ermitteln von Quotientenbildern aus dem zweiten Hellbild
und dem ersten, zur zweiten Dosiseinstellung gehörenden Hellbild für jede dieser
zweiten Referenztemperaturen,
- h) Speichern der Quotientenbilder und der zu diesen gehörenden Referenztemperaturen.
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Die
Verfahrensschritte a)-c) entsprechen einer Mehrpunkt-Kalibrierung bei
der ersten Referenztemperatur, während
die Verfahrensschritte d)-h) einer Temperatur-Kalibrierung bei der
zweiten Dosiseinstellung entsprechen.
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Die
Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass die auf diese Weise
erzeugten Quotientenbilder unabhängig
von der Dosiseinstellung sind, mit der die zweiten Hellbilder erzeugt
worden sind. Mit anderen Worten: Werden Quotientenbilder bei denselben
Referenztemperaturen aber mit zweiten Hellbildern berechnet, die
mit einer anderen zweiten Dosiseinstellung erzeugt worden sind,
so unterscheiden sich diese nicht oder allenfalls geringfügig von
den mit der vorhergehenden zweiten Dosiseinstellung erzeugten Quotientenbildern.
Durch Multiplikation der für
beispielsweise L unterschiedliche erste Dosiseinstellungen erzeugten
ersten Hellbilder mit beispielsweise für K Referenztemperaturen erzeugten
Quotientenbildern kann somit ein Bilddatensatz aus L × K Kalibrierbildern
bereitgestellt werden. Diese können entweder
bereits nach dem Ermitteln der Quotientenbilder berechnet und gespeichert
werden.
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Erfolgt
die Berechnung der Kalibrierbilder erst, wenn mit der Röntgenanlage
bei einer aktuellen Referenztemperatur ein Röntgenbild von einem Objekt
erzeugt und somit nur die zur aktuellen Referenztemperatur gehörenden Kalibrierbilder
gespeichert werden müssen,
ist der Speicherplatzbedarf signifikant verringert, da permanent
nur die Quotientenbilder gespeichert sind.
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Wenn
die zweiten Dunkelrohbilder und die zweiten Hellrohbilder während der
Aufwärmphase der
Röntgenanlage
erzeugt werden, ist eine besonders zeiteffiziente Kalibrierung der
Röntgenanlage möglich.
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Wenn
die ersten und zweiten Hellrohbilder und die ersten und zweiten
Dunkelrohbilder jeweils aus einer Mehrzahl von Hellrohbildern bzw.
Dunkelrohbildern gebildete mittlere Hellrohbilder bzw. Dunkelrohbilder
sind, werden zufällige
Bildfehler verringert.
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Die
zweitgenannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 5, umfassend
folgende Schritte:
- a) Bestimmen einer aktuellen
Referenztemperatur des Röntgenempfängers,
- b) Auswahl der zur aktuellen Referenztemperatur gehörenden Kalibrierbilder,
- c) Erzeugen eines offset-korrigierten Hellbildes von einem Untersuchungsobjekt
bei einer aktuellen Dosiseinstellung und der aktuellen Referenztemperatur,
- d) Korrigieren des offset-korrigierten Hellbildes mit den aktuellen
Kalibrierbildern.
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Alternativ
hierzu können
gemäß Patentanspruch
6 die jeweils benötigten
aktuellen Kalibrierbilder auch erst bei der Röntgenbilderzeugung berechnet
werden, indem zunächst
das zur aktuellen Referenztemperatur gehörende Quotientenbild ausgewählt wird
und danach die notwendigen aktuellen Kalibrierbilder durch Multiplikation
der ersten Hellbilder mit diesem Quotientenbild erzeugt werden.
Dadurch wird der für
die Kalibrierbilder benötigte
Speicherplatz reduziert.
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Hinsichtlich
der Röntgenanlage
wird die Aufgabe gemäß der Erfindung
gelöst
mit einer Röntgenanlage
mit den Merkmalen des Patentanspruches 7, deren Vorteile den zu
den Verfahrensansprüchen
jeweils genannten Vorteilen entsprechen.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf das Ausführungsbeispiel
der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen:
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1 eine
Röntgenanlage
gemäß der Erfindung
in einem schematischen Prinzipbild,
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2 eine
schematische Draufsicht auf einen digitalen Röntgenempfänger,
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3 und 4 jeweils
ein Diagramm, in dem die Empfindlichkeit der Detektorelemente einer Zeile
gegen die Spaltennummer aufgetragen ist,
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5 ein
Flussdiagramm, in dem der Ablauf einer Kalibrierung gemäß der Erfindung
veranschaulicht ist,
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6 ein
Ablaufdiagramm, in dem die Korrektur eines Röntgenbildes mit Hilfe der beim
Kalibrieren gemäß der Erfindung
erzeugten Patientenbilder dargestellt ist.
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Gemäß 1 umfasst
die Röntgenanlage eine
Röntgenquelle 2 sowie
einen digitalen Röntgenempfänger 4,
der aus einer Vielzahl von matrixförmig angeordneten Detektorelementen 6 aufgebaut
ist. Röntgenquelle 2 und
Röntgenempfänger 4 sind
an eine zentrale Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 angeschlossen,
mit der diese gesteuert, und die vom Röntgenempfänger 4 empfangenen
Messsignale ausgewertet werden. Mit einer in der Steuer- und Auswerteeinrichtung 8 implementierten
Hard- und Software kann die Röntgenanlage
nach den nachfolgend erläuterten
Verfahren betrieben und ein korrigiertes, in einem Monitor 10 darstellbares
Röntgenbild
(Korrekturbild) erzeugt werden.
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In
der Umgebung des Röntgenempfängers 4 ist
eine Mehrzahl von Temperatursensoren 12 angeordnet, mit
denen die Temperaturverteilung innerhalb oder in der Umgebung des
Röntgenempfängers 4 gemessen
wird. Aus den von den Temperatursensoren 12, von denen
in der Figur aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nur zwei stellvertretend eingezeichnet sind, gemessenen Temperaturen
T1 und T2 wird eine Referenztemperatur RT ermittelt. Dabei wird
angenommen, dass jeder Referenztemperatur RT eine feste Temperaturverteilung
am Röntgenempfänger 4 entspricht.
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In 2 ist
nun beispielhaft der Röntgenempfänger 4 in
einer Draufsicht dargestellt. Er umfasst N×M Pixel oder Detektorelemente 6,
die in einer Ebene angeordnet sind. Während des Betriebs entsteht über dem
Röntgenempfänger 4 ein
Temperaturgefälle,
im Beispiel veranschaulicht als einfaches Temperaturgefälle von
links nach rechts mit T1 > T2.
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In 3 ist
nun für
die Zeile m = k die Empfindlichkeit der Detektorelemente mit den
Spaltenzahlen 1 bis N für
unterschiedliche Referenztemperaturen RT1 und
RT2 aufgetragen. Auf Grund der großen Anzahl
der Detektorelemente ergeben sich in der Darstellung praktisch kontinuierliche
Kurven. Empfindlichkeitskurve a gehört zu einer niedrigen Referenztemperatur
RT1, wie sie sich nach der Inbetriebnahme
noch während
der Aufwärmphase,
also vor dem Erreichen einer stationären Betriebstemperatur ergibt.
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Der
Figur ist nun zu entnehmen, dass die Empfindlichkeit (gain) G signifikant
von links nach rechts zunimmt. Dies ist eine Folge des sich nach
Inbetriebnahme aufbauenden Temperaturgefälles T1 > T2 und der mit zunehmender Temperatur
abnehmenden Empfindlichkeit G der Detektorelemente.
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Kurve
b zeigt nun eine Situation, wie sie sich nach längerer Betriebsdauer ergibt,
wenn die Referenztemperatur RT2 durch die
innerhalb der Röntgenanlage
erzeugte Verlustwärme
weiter angestiegen ist. Deutlich ist zu erkennen, dass mit zunehmender Referenztemperatur
RT sowohl die Empfindlichkeit jedes der Detektorelemente 1 bis N
als auch die Variation der Empfindlichkeit G verringert ist. Mit
anderen Worten: Der Unterschied der Empfindlichkeit G zwischen dem
Detektorelement (1,k) und dem Detektorelement (N,k) ist bei niedrigen
Referenztemperaturen RT (Kurve a) signifikant größer als bei größeren Referenztemperaturen
RT (Kurve b).
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4 zeigt
nun in Kurve c eine Situation, wie sie sich ergibt, wenn mit der
Röntgenanlage
ein Hellrohbild (Röntgenbild
in Abwesenheit eines Objektes) bei einer Referenztemperatur RT =
RT1 aufgenommen wird und mit der zur selben
Referenztem peratur RT1 gehörenden Empfindlichkeitskurve
a der 3 korrigiert wird.
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In
diesem Falle ergibt sich über
die gesamte Detektorfläche
ein bis auf das Quanten- und Elektronikrauschen praktisch homogenes
Bild, wie dies in der eindimensionalen Darstellung der 4 durch eine
horizontale, lediglich leicht verrauschte Linie c veranschaulicht
ist. Wird nun ein solches Hellrohbild bei der Referenztemperatur
RT2 aufgenommen und mit den zur Referenztemperatur
RT1 gehörenden Empfindlichkeitswerten
der einzelnen Detektorelemente (n,m) korrigiert, so ergibt sich
ein signifikantes Gefälle
von links nach rechts.
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Das
korrigierte Hellbild ist entweder zu dunkel (wenn die bei der Referenztemperatur
RT1 gemessenen Empfindlichkeiten ( 3,
Kurve a) herangezogen werden, wie dies in 4, Kurve
d dargestellt ist) oder zu hell, wenn zur Kalibrierung die Empfindlichkeit
der Detektorelemente bei einer höheren Referenztemperatur
RT2 (3, Kurve
b) verwendet wird. Darüber
hinaus entsteht im Hellbild ein Gradient, der sich bei einer 2D-Darstellung
in Form von Streifen bemerkbar machen und bei einer 3D-Rekonstruktion
zu Ringartefakten führen
würde.
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Gemäß 5 wird
nun in einem ersten Schritt die Röntgenanlage bei einer konstanten
Referenztemperatur RT0, wie sie sich beispielsweise
nach einer längeren
Betriebsdauer, beispielsweise etwa 4 Stunden, bei konstanter Umgebungstemperatur
einstellt, bei unterschiedlichen Dosiseinstellungen D = Di, i = 0, 1, ...,L durchgeführt. Mit
der Dosiseinstellung D0 = 0 wird zunächst ein
erstes Dunkelrohbild I0(n,m) erzeugt. Für L vorgegebene,
von 0 verschiedene Dosiseinstellungen D1,
..., DL > 0
werden nun Hellrohbilder Ii(n,m), i = 1,
..., L erzeugt. Aus dem ersten Dunkelrohbild I0 und
den ersten Hellrohbildern Ii (1 ≤ i ≤ L) werden
nun bei dieser ersten Referenztemperatur RT0 offset korrigierte
Hellbilder IKi = Ii – I0 durch Differenzbildung berechnet. Dieses
Verfahren entspricht der in der Beschreibungseinleitung genannten
Mehrpunkt-Kalibrierung.
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Bei
einer Anzahl K von Referenztemperaturen RTj,
j = 1,..., K, beispielsweise während
der Aufheizphase bei der Inbetriebnahme der Röntgenanlage nach einer längeren Standzeit,
werden nun zweite Dunkelrohbilder I0,j(n,m)
(Dosiseinstellung D = 0) sowie Hellrohbilder Ik,j bei
einer Dosiseinstellung D = Dk erzeugt, die
eine der ersten Dosiseinstellungen Di mit i
= k entspricht. Aus den zweiten Hellrohbildern Ik,j und
den zweiten Dunkelrohbildern I0,j wird nun
für jede
dieser zweiten Referenztemperaturen RTj ein offset-korrigiertes
zweites Hellbild IKk,j = Ik,j – I0,j für jede
dieser Referenztemperaturen RTj ermittelt.
Anschließend
erfolgt die Berechnung eines Quotientenbildes Qj(n,m)
= IKk,j(n,m)/IKk(n,m)
aus den zweiten Hellbild IKk,j (Dividend)
und dem ersten, zur zweiten Dosiseinstellung Dk gehörenden Hellbild
IKk (Divisor). Diese Quotientenbilder Qj werden nun gemeinsam mit den zu diesen
gehörenden
Referenztemperaturen RTj gespeichert.
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Zur
eigentlichen Erzeugung eines Röntgenbildes
von einem Untersuchungsobjekt wird nun gemäß 6 zunächst die
aktuelle Referenztemperatur RT gemessen. Für diese aktuelle Referenztemperatur
RT wird nun diejenige Referenztemperatur RTp aus
dem Speicher ausgewählt,
deren Differenz zur aktuellen Referenztemperatur RT minimal ist.
Anschließend
wird das zur ausgewählten
Referenztemperatur RTp und damit zur aktuellen
Referenztemperatur RT gehörende
Quotientenbild Qp ausgewählt. Aus den ersten korrigierten
Hellrohbildern IKi und dem Quotientenbild
Qp werden nun durch Multiplikation L Kalibrierbilder
Ki,p (n,m) = IKi × Qp berechnet.
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Anschließend werden
bei dieser aktuellen Referenztemperatur RT zum Offsetabgleich ein
Dunkelrohbild sowie bei einer vom Bediener ausgewählten aktuellen
Dosiseinstellung D ein aktuelles offset-korrigiertes Hellbild von
einem Untersuchungsob jekt IK(n,m) erzeugt. Mit Hilfe der vorher
ermittelten aktuellen Kalibrierbilder Ki,p(n,m)
= IKi × Qp werden nun die Bilddaten der aktuellen
offset-korrigierten Hellbilder IK(n,m) in der gleichen Weise korrigiert, wie
dies im Stand der Technik mit dem Standard-Kalibrierdatensatz erfolgt
ist. Ergebnis ist dann ein Korrekturbild IKkor(n,m)
das entsprechend der aktuellen Referenztemperatur korrigiert ist.
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Die
Auswahl der aktuellen Kalibrierbilder Ki,p(n,m)
kann auch aus einem Kalibrierbildspeicher entnommen werden, wenn
die bei den einzelnen Dosiseinstellungen D = De erzeugten
ersten offset-korrigierten Hellbilder IKe bereits
nach Abschluss des Kalibriervorgangs (5) mit den
Quotientenbildern Qj multipliziert werden,
um auf diese Weise aus L Dosiseinstellungen D1,...,L und
K Referenztemperaturen RT1,...,K einen Kalibrierbilddatensatz
mit L·K
gespeicherten Kalibrierbildern Ki,j (entspricht
L × K × n × m gespeicherten
Empfindlichkeitswerten der einzelnen Detektorelemente) zu erzeugen.