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Die
Erfindung bezieht sich auf ein medizinisches Bildaufnahmeverfahren
zur Erstellung eines Bilddatensatzes des Nerzes und/oder der Blutgefäße eines
Patienten mittels einer röntgentomographischen Untersuchungsmethode,
insbesondere auf einen so genannten Cardio-Scan im Rahmen einer computertomographischen
Bildaufnahme oder auf ein so genanntes Rotations-Angiographie-Verfahren.
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Bei
medizinischen Bildaufnahmeverfahren zur Abbildung des Nerzes und
der insbesondere herznahen Blutgefäße besteht
generell das Problem, dass der aufzunehmende Körperbereich
infolge des Herzschlags einer ständigen Bewegung unterliegt, aufgrund
der nur Bilder, die einem gemeinsamen Bewegungszustand des Körperbereichs
entsprechen, unmittelbar miteinander vergleichbar sind. Dieser Umstand
ist insbesondere bei röntgentomographischen Aufnahmeverfahren
problematisch, bei denen der zu erstellende Bilddatensatz (Tomogramm)
durch numerische Rückprojektion (auch: Rekonstruktion) einer
Vielzahl von aus unterschiedlichen Projektionswinkeln aufgenommenen
Projektionsbildern errechnet wird. Diese Rückprojektion
gelingt nur dann störungsfrei, wenn die zugrunde gelegten
Projektionsbilder einen identischen räumlichen Körperbereich
abbilden. Wird der Körperbereich jedoch, insbesondere aufgrund
der Herzbewegung, während der Aufnahme der Projektionsbilder
bewegt, so äußert sich dies im resultierenden
Tomogramm in Bewegungsartefakten (auch als „Blurring-Effekte"
bezeichnet), die die Qualität des Tomogramms in der Regel
erheblich einschränken.
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Es
ist deshalb bei röntgentomographischen Aufnahmen des Nerzes
und/oder der herznahen Blutgefäße üblich,
die Aufnahme der Projektionsbilder mit dem Herzrhythmus des Patienten
derart zu synchronisieren, dass die Bildaufnahme jeweils in der
Ruhephase des Herzzyklus vorgenommen wird. Die Aufnahme der Projektionsbilder
wird hierbei anhand eines gleichzeitig aufgenommenen EKG(Elektrokardiogramm,
englisch: ECG)-Signals des Patienten „getriggert". Die
EKG-gestützte Steuerung der Bildaufnahme wird auch als „ECG-Gating"
bezeichnet.
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Herkömmliches
ECG-Gating ist aber insbesondere bei Infarkt-Patienten zur Kompensation
der Bewegungsartefakte häufig unbefriedigend. Ursache hierfür
ist, dass das vom Infarkt betroffene Gewebe, insbesondere erkrankte
Bereiche der Herzwand sich in „willkürlicher"
Weise, d. h. in vom gesunden Gewebe unterschiedlicher Weise bewegen.
Insbesondere kommt es bei größeren erkrankten
Gebieten des Myokards zu einer „Flatterbewegung" des kranken
Gewebes, die anhand des EKG-Signals nicht identifizierbar ist. Eine
präzise, d. h. artefaktlose Rekonstruktion ist ohne Kenntnis
der Bewegung des Myokards kaum oder zumindest nur mit einem großen zeitlichen
Aufwand möglich. Die Koronararterien, die direkt mit dem
Myokard verwachsen sind, können somit auch nicht befriedigend
rekonstruiert werden. Dies ist vor allem beim so genannten „Calcium scoring"
unerwünscht. Unter „Calcium scoring" versteht
man eine computertomographische Untersuchungstechnik, mittels der
Weichteilgewebe und Plaques (kalkhaltige Ablagerungen) direkt dargestellt werden
können. Eine Computeranalyse ermöglicht es, das
Ausmaß der Verkalkungen zu berechnen und damit ein direktes
Maß für die Plaque-Belastung der Herzkranzgefäße
zu gewinnen.
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Bisher
wurde im Wesentlichen durch „try and error" anhand des
EKG-Signals versucht, möglichst gut das für die
Aufnahme der Projektionsbilder geeignete Zeitfenster innerhalb der
Herzphase eines Patienten zu finden. Beim Calcium scoring ist es
hierbei wesentlich, möglichst das Herzfenster der Herzphase
zu treffen, indem im zu analysierenden Körperbereich (auch
als „region of interest", ROI bezeichnet) möglichst
wenig Bewegung stattfindet. Bei Infarkt-Patienten ist dieses Zeitfenster
infolge der Pathologie individuell verschieden, so dass für
jeden Patienten die Aufnahmezeitpunkte für die Pro jektionsbilder
eigens gesucht werden müssen. Dieser Prozess ist sehr zeitaufwändig.
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Aus
der Druckschrift
US
2005/0177044 A1 ist ein modifiziertes „Gating"-Verfahren
bekannt. Hierbei wird die Bildaufnahme nicht oder zumindest nicht
nur anhand des EKG-Signals, sondern (gegebenenfalls auch) anhand
eines Ultraschall-Echo-Signals „getriggert". Dieses Ultraschall-Echo-Signal
beinhaltet – im Gegensatz zu dem EKG-Signal – eine Information über
die tatsächliche Bewegung des zu analysierenden Körperbereichs.
Das Ultraschall-Echo-Signal wird entweder gleichzeitig mit der Aufnahme
der Projektionsbilder erfasst und hierbei zur Echtzeit-„Tiggerung” der
röntgentomographischen Aufnahme verwendet. Alternativ wird
in einem der röntgentomographischen Aufnahme vorausgehenden
Schritt durch Vergleich des Ultraschall-Echo-Signals und des EKG-Signals
ein zur Aufnahme der Projektionsbilder geeigneter Zeitraum innerhalb
der Herzphase des Patienten bestimmt. Die Aufnahme der Röntgenprojektionsbilder
erfolgt dann anhand einer individuell modifizierten Triggerung durch
das EKG-Signal.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Bildaufnahmeverfahren
der oben genannten Art dahingehend zu verbessern, dass auf schnelle
und leicht handhabbare Weise eine besonders präzise Bilddarstellung
ermöglicht wird. Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe
zugrunde, eine zur Durchführung des Verfahrens besonders
geeignete Vorrichtung anzugeben.
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Bezüglich
des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst
durch die Merkmale des Anspruches 1. Danach ist vorgesehen, von
einem zu analysierenden Körperbereich eines Patienten eine Serie
von röntgentomographischen Projektionsbildern aufzunehmen,
wobei gleichzeitig mindestens ein Messsignal, das für die
herzschlagbedingte Bewegung des Körperbereichs charakteristisch
ist, aufgenommen wird. Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass
sowohl erfasste Signalwerte des oder jeden Messsignals als auch
die Projektionsbilder mit einem den jeweiligen Erfassungszeitpunkt
kennzeichnenden Zeitstempel ver sehen werden. Nach abgeschlossener
Aufnahme der Projektionsbilder werden dann durch Analyse des zumindest
einen Messsignal Zeitfenster, die einem gemeinsamen – d.
h. für alle Zeitfenster weitestmöglich gleichen – Bewegungszustand
des zu analysierenden Körperbereichs entsprechen, ausgewählt.
Die diesen Zeitfenstern entsprechenden Projektionsbilder, d. h.
die innerhalb dieser Zeitfenster aufgenommenen Projektionsbilder, werden
anschließend ausgewählt und für eine
Rückprojektion zur Erstellung des Bilddatensatzes (Tomogramm)
des Körperbereichs herangezogen.
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Erfindungsgemäß wird
das für die herzschlagbedingte Bewegung des Körperbereichs
charakteristische Messsignal also nicht – wie bei einem herkömmlichen „Gating"-Verfahren – als
Trigger für die Aufnahme der Projektionsbilder verwendet.
Vielmehr werden diese Projektionsbilder zunächst ohne Rücksicht
auf die Bewegung des Körperbereichs aufgenommen, wobei
die Auswahl der für die Rückprojektion geeigneten
Projektionsbilder erst retrospektiv durch nachträgliche
Analyse des Messsignals erfolgt.
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Das
erfindungsgemäß retrospektive „Gating" hat
den großen Vorteil, dass die Auswahl der geeigneten Aufnahmezeitpunkte
nicht im Rahmen der eigentlichen Untersuchung, und damit auch nicht
direkt an Patienten stattfindet. Hierdurch wird in entscheidendem
Umfang Untersuchungszeit, d. h. die Zeitspanne, während
der die bildgebende Modalität durch einen bestimmten Patienten
belegt ist, eingespart. Dies kommt zum einen dem untersuchten Patienten
zugute. Zum anderen ermöglicht dies eine wesentlich verbesserte
Auslastung der bildgebenden Modalität. Auch bei der Auswahl
der geeigneten Zeitfenster und der Rückprojektion der entsprechend
selektierten Projektionsbilder wird im Vergleich zu dem prospektiven
Gating wesentlich an Zeit eingespart, zumal ausschließlich
auf bereits vorhandene Daten zurückgegriffen werden kann.
Insbesondere kann das Verfahren zur Auswahl der Zeitfenster und
die anschließende Rückprojektion einfach ganz
oder teilweise automatisiert werden.
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Als
für die herzschlagbedingte Bewegung des Körperbereichs
charakteristisches Messsignal wird bevorzugt ein EKG-Signal oder
ein Ultraschall-Signal, insbesondere Ultraschall-Echo-Signal des
zu analysierenden Körperbereichs aufgenommen, wobei insbesondere
das letztere Signal den Vorteil hat, dass es die tatsächliche
Bewegung des Körperbereichs, gegebenenfalls also auch die
pathologische Abweichung von dem normalen Bewegungsmuster des gesunden
Körpergewebes wiedergibt. Bevorzugt werden das EKG-Signal
und das Ultraschall-Signal parallel aufgenommen und mit Zeitstempeln
versehen, wobei die Zeitfenster anhand einer Kombination der in
beiden Messsignalen enthaltenen Information ausgewählt
werden.
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Insbesondere
für den Zweck des so genannten Calcium scoring werden zweckmäßigerweise Zeitfenster
ausgewählt, zu denen die Bewegung des Körperbereichs
besonders gering, insbesondere minimal, ist.
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Bezüglich
der Vorrichtung wird die obige Aufgabe erfindungsgemäß gelöst
durch die Merkmale des Anspruchs 4. Die Vorrichtung umfasst danach eine
röntgentomographische Bildaufnahmeeinheit. Bei dieser Bildaufnahmeeinheit
handelt es sich insbesondere um einen Computertomographen oder einen
C-Bogen, wie er in der so genannten Rotations-Angiographie herangezogen
wird. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Messeinheit, mit der gleichzeitig
zu der Aufnahme der Röntgenprojektionsbilder ein Messsignal
im Sinne der vorstehenden Ausführungen erfassbar ist. Als
Messeinheit sind entsprechend insbesondere ein EKG-Messeinheit und/oder
eine Ultraschall-Messeinheit vorgesehen. Die Ultraschall-Messeinheit
ist insbesondere zur Erfassung der bewegungsbedingten Doppler-Verschiebung
des von dem Körperbereich des Patienten wiedergegebenen
Ultraschall-Echos ausgebildet.
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Um
das oder jedes Messsignal und die gleichzeitig aufgenommenen Röntgenprojektionsbilder
mit Zeitstempeln zu versehen, umfasst die Vorrichtung weiterhin
eine entsprechend ausgebil dete Synchronisationseinheit. Die Vorrichtung
umfasst des Weiteren Mittel zur Auswahl der einem gemeinsamen Bewegungszustand
des Körperbereichs geeigneten Mitteln. Diese Mittel umfassen
insbesondere Software, mit welcher der zeitliche Verlauf des Messsignals
bzw. der Messsignale analysierbar ist.
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In
einer einfachen Variante der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sind diese Mittel dazu ausgebildet, dass die Zeitfenster
manuell, insbesondere durch Mausklick, an einem Bildschirm ausgewählt werden
können. Alternativ hierzu nehmen die Auswahlmittel die
Auswahl der geeigneten Zeitfenster anhand hinterlegter Auswahlbedingungen
automatisch vor. Beispielsweise wird anhand des Ultraschall-Signals
ein Zeitabschnitt dann als Zeitfenster im obigen Sinne ausgewählt,
in dem die Dopplerverschiebung der Frequenz des Ultraschall-Echos
einen vorgegebenen Schwellwert unterschreitet.
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Die
Vorrichtung umfasst weiterhin Mittel, mit denen die innerhalb der
ausgewählten Zeitfenster liegenden Projektionsbilder insbesondere
automatisch ausgewählt werden. Die Vorrichtung umfasst
schließlich eine Rückprojektionseinheit zur Durchführung der
Rückprojektion auf Basis der ausgewählten Projektionsbilder.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer
Zeichnung nähr erläutert. Darin zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung eine röntgentomographische Vorrichtung
zur Erzeugung eines Bilddatensatzes des Nerzes und/oder der Blutgefäße
eines Patienten,
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2 in
Darstellung gemäß 1 eine alternative
Ausführung der Vorrichtung sowie
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3 in
einem vereinfachten Flussdiagramm ein von der Vorrichtung gemäß 1 oder 2 durchgeführtes
Verfahren.
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Einander
entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren
stets mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
eine röntgentomographische Vorrichtung 1 zur Erzeugung
eines insbesondere dreidimensionalen Bilddatensatzes B (oder Tomogramms)
des Nerzes oder der Blutgefäße eines Patienten 2.
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Die
Vorrichtung 1 umfasst im Wesentlichen eine Bildaufnahmeeinheit 3,
eine EKG-Einheit 4, eine Ultraschall-Einheit 5,
eine Steuereinheit 6, eine Synchronisationseinheit 7,
eine Auswerteeinheit 8 sowie Mittel zur Dateneingabe- und
-ausgabe, insbesondere einen Bildschirm 9 sowie ferner
Tastatur, Maus, etc.
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Die
Bildaufnahmeeinheit 3 umfasst einen Röntgenstrahler 10 und
einen Röntgendetektor 11, die in Gegenüberstellung
an einem C-Bogen 12 (oder einer so genannten Gantry) befestigt
sind. Der C-Bogen 12 ist dabei derart drehbar gelagert,
dass unter Drehung des C-Bogens 12 der Röntgenstrahler 10 und
der Röntgendetektor 11 um eine gemeinsame isozentrische
Achse 13 rotiert werden.
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Zur
Lagerung des Patienten 2 umfasst die Vorrichtung 1 ferner
einen Patiententisch 14 (von dem aus Gründen der
besseren Übersichtlichkeit lediglich eine Auflagefläche
gezeigt ist). Auf dem Patiententisch 14 ist der Patient 2 für
die Bildaufnahme derart gelagert, dass ein zu untersuchender Körperbereich 15 – insbesondere
also das Herz oder die zu untersuchenden Blutgefäße – zwischen
dem Röntgenstrahler 10 und dem Röntgendetektor 11 und
damit insbesondere im Strahlengang 16 der von dem Röntgenstrahler 10 in
Richtung auf den Röntgendetektor 11 emittierten
Röntgenstrahlung positioniert ist.
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Im
Zuge der Bildaufnahme werden durch die Bildaufnahmeeinheit 3 unter
Drehung des C-Bogens 12 eine Vielzahl von Röntgenprojektionsbildern
P aus unterschiedlicher Projektionsrichtung aufgenommen.
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Gleichzeitig
mit der Aufnahme der Röntgenprojektionsbilder P werden
durch die EKG-Einheit 4 ein EKG-Signal E sowie durch die
Ultraschallsignal 5 ein Ultraschall-Signal U des zu analysierenden
Körperbereichs 15 aufgenommen. Das Ultraschall-Signal
U enthält hierbei eine Information über die bewegungsbedingte
Doppler-Verschiebung der Frequenz eines im Körperbereich 15 reflektierten
Ultraschall-Echos.
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Sowohl
die Projektionsbilder P, als auch die Messwerte des EKG-Signals
als auch die Messwerte des Ultraschall-Signals U werden einer Synchronisationseinheit 7 zugeführt,
in welcher diese Bilder bzw. Messwerte mit einem Zeitstempel versehen
werden. Als Zeitstempel wird hierbei eine Dateninformation verstanden,
die es ermöglicht, jedem erfassten Projektionsbild bzw.
Messwert des EKG-Signals E oder des Ultraschall-Signals U den Erfassungszeitpunkt, zu
dem dieses Projektionsbild P bzw. dieser Messwert erfasst wurde,
entnommen werden kann.
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Die
mit dem Zeitstempel versehenen Projektionsbilder P' bzw. Signale
E' und U' werden der Auswerteeinheit 8 zugeleitet.
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Eine
in der Auswerteeinheit 8 in Form eines Softwaremoduls implementierte
Gating-Einheit 17 analysiert den zeitlichen Verlauf des
EKG-Signals E' sowie den zeitlichen Verlauf des Ultraschall-Signals U'
und wählt nach vorgegebenen Auswahlkriterien automatisch
Zeitfenster, in denen das EKG-Signal E' und das Ultraschall-Signal
U' auf eine besonders geringe Bewegung im Körperbereich 15 hinweisen,
anhand der diesen Signalen E' und U' jeweils zugeordneten Zeitstempel
aus. Die Gating-Einheit 17 wählt weiterhin diejenigen
Projektionsbilder P', deren Zeitstempel eine innerhalb eines der
ausgewählten Zeitfenster liegenden Erfassungszeitpunkt
ausweist, aus und führt diese ausgewählten Projektionsbilder
P' einer ebenfalls in Form eines Softwaremoduls in der Auswerteeinheit 8 implementieren
Rückprojektionseinheit 18 zu. Die Rückprojektionseinheit 18 erstellt dann
aus den ausgewählten Projektionsbildern P' nach an sich
gängiger Rekonstruktionstechnik den Bilddatensatz B.
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Um
die gleichzeitige Erfassung der Projektionsbilder P, des EKG-Signals
E und des Ultraschall-Signals U zu ermöglichen, werden
die Bildaufnahmeeinheit 3, die EKG-Einheit 4 und
die Ultraschall-Einheit 5 von der Steuereinheit 6 durch
Abgabe von Steuersignalen C entsprechend angesteuert.
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Die
in 2 dargestellte Variante der Vorrichtung 1 gleicht
im Wesentlichen der vorstehend beschriebenen Ausführung.
Sie unterscheidet sich aber von letzterer darin, dass die Projektionsbilder
P, das EKG-Signal E und das Ultraschall-Signal U bereits in der
jeweils erfassenden Einheit, nämlich der Bildaufnahmeeinheit 3 bzw.
der EKG-Einheit 4 bzw. der Ultraschall-Einheit 5 mit
dem Zeitstempel versehen werden. Die Bildaufnahmeeinheit 3,
die EKG-Einheit 4 und die Ultraschall-Einheit 5 werden hierzu
von der in dieser Ausführung in die Steuereinheit 6 integrierten
Synchronisationseinheit 7 durch Abgabe eines Zeitsignals
T miteinander synchronisiert.
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Bei
beiden Varianten der Vorrichtung 1 können die
Steuereinheit 6 und/oder die Synchronisationseinheit 7 auch
in die Auswerteeinheit 8 – gegebenenfalls auch
im Rahmen eines einzigen Software-Produktes integriert sein.
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3 zeigt
vereinfacht das von der Vorrichtung 1 durchgeführte
Verfahren. Hierzu wird nach dem Verfahrensstart (Schritt 30)
zunächst in einem vorbereitenden Schritt 31 zunächst
mittels der EKG-Einheit 4 das EKG-Signal des Patienten 2 aufgenommen
und überprüft. Weiterhin wird mittels der Ultraschall-Einheit 5 ein
Ultraschall-Bild des zu untersuchenden Körperbereichs 15 aufgenommen.
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In
einem folgenden Schritt 32 werden die Bildaufnahmeeinheit 3,
die EKG-Einheit 4 und die Ultraschall-Einheit 5 durch
ein Handshake-Verfahren aufeinander synchronisiert und in Wartezustand
auf den Begin der Untersuchung gebracht.
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Hierauf
erfolgt eine Datenerfassungsphase 33, in der durch die
Bildaufnahme-Einheit 3, die EKG-Einheit 4 und
die Ultraschall-Einheit 5 zeitlich parallel die Projektionsbilder
P aufgenommen (Schritt 34) bzw. das EKG-Signal E erfasst
(Schritt 35) bzw. das Ultraschall-Signal U erfasst (Schritt 36)
werden. Zu Beginn der Datenerfassung gemäß Schritt 34 bis 36 werden
die Bildaufnahmeeinheit 3, die EKG-Einheit 4 und
die Ultraschall-Einheit 5 durch die Steuereinheit 6 bzw.
die Synchronisationseinheit 7 auf einen gemeinsamen Anfangszeitpunkt
synchronisiert (Schritt 37). Weiterhin werden während
der Datenaufnahme im Schritt 38 die erfassten Projektionsbilder
P sowie die Messwerte der Signale E und U auf die vorstehend beschriebene
Weise mit Zeitstempeln versehen.
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In
einem auf die Datenerfassungsphase 33 folgenden Auswertephase 39 wird
zunächst der zeitliche Verlauf des Ultraschall-Signals
U' analysiert (Schritt 40) und die geeigneten Zeitfenster
ausgewählt (Schritt 41).
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In
einem auf die Auswertephase 39 abschließenden
Schritt 42 wird schließlich durch die Rückprojektionseinheit 18 der
Bilddatensatz B des zu analysierenden Körperbereichs 15 anhand
der in den ausgewählten Zeitfenstern liegenden Projektionsbilder P'
rekonstruiert.
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Vor
dem Verfahrensende (Schritt 43) wird der auf diese Weise
erstellte Bilddatensatz B auf dem Bildschirm 9 angezeigt
(Schritt 44).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2005/0177044
A1 [0006]