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Die Erfindung betrifft eine Röntgeneinrichtung, welche eine Röntgenröhre und einen zur Detektion von Röntgenstrahlung vorgesehenen Detektor, welcher sich relativ zur Röntgenröhre in nicht ortsfester Position befindet, umfasst, wobei zur Bestimmung der Lage des Detektors relativ zur Röntgenröhre eine Referenzstruktur in den Strahlengang zwischen der Röntgenröhre und dem Detektor eingebracht ist.
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Eine derartige Röntgeneinrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 036 285 A1 bekannt. Diese Röntgeneinrichtung ist als tragbares System mit batteriebetriebenen Röntgensystemkomponenten, nämlich einer mobilen Röntgenquelle und einem mobilen Röntgenbilddetektor, ausgebildet, wobei die Lage des Röntgenbilddetektors relativ zur Röntgenquelle unter Nutzung einer bekannten, ortsfest relativ zur Röntgenquelle ange-ordneten Referenzstruktur beispielsweise mit Hilfe eines Laptops berechnet wird. Als mögliche Referenzstrukturen sind in der
DE 10 2005 036 285 A1 Kreuz- oder Kreisformen sowie vier unsymmetrisch angebrachte röntgenologisch erkennbare, als Muster auf einer Röntgenmaske angebrachte Punkte genannt. Nach der Aufnahme eines Röntgenbildes kann die Abbildung der Referenzstruktur aus dem Röntgenbild wieder eliminiert werden. Um eine Serie von eine 3D-Rekonstruktion ermöglichenden Röntgenbildern zu erzeugen, ist beispielsweise eine durch ein einfaches und leichtes Stativ unterstützte Verschwenkung der Röntgenquelle bei ortsfest angeordnetem Röntgenbilddetektor vorgesehen.
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Eine nicht starre Kopplung zwischen einem Röntgenstrahler und einem zugehörigen Detektor ist beispielsweise auch bei einem aus der
DE 10 2006 046 692 B3 bekannten Röntgenbildgebungssystem gegeben. In diesem Fall weist ein nach Art eines U-Profils ausgebildeter Träger zwei einander gegenüberliegende Schenkel auf, an denen eine Röntgenquelle beziehungsweise ein Röntgendetektor befestigt ist. Die beiden Schenkel sind bezüglich eines Zentralelements des Trägers linear beweglich, so dass der Abstand zwischen dem Röntgendetektor und der Röntgenquelle verstellbar ist.
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In der
DE 103 41 541 A1 ist eine Vorrichtung zur Detektion der Relativ-Position eines Röntgenstrahlers und eines Röntgenbildempfängers beschrieben. Eine Steuerungseinrichtung steuert die Position des Röntgenstrahlers und des Röntgenbildempfängers. Darüber hinaus ist ein Projektor zum Projizieren eines vorbestimmten Musters vorgesehen, dessen Ausrichtung und Abstand zum Röntgenstrahler fest vorgegeben sind. Der Röntgenbildempfänger detektiert eine Projektion des Musters, wobei deren Verzerrungen auf die Ausrichtung und deren Abmessungen auf den Abstand zwischen der Röntgenstrahlquelle und dem Röntgenbildempfänger schließen lassen.
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Aus der
US 5,315,630 ist ein Verfahren zur Soll-/Ist-Regelung eines an einer Roboterhand geführten medizinischen Geräts zu Kalibrierzwecken zu entnehmen. Die gemessene Differenz zwischen der Soll- und der Istlage wird mittels einer Jacobi-Matrix in das Robotersystem übertragen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb einer eine Röntgenquelle und einen relativ zu dieser nicht ortsfesten Röntgendetektor umfassenden Röntgeneinrichtung, welche eine zur Bestimmung der Lage des Röntgendetektors relativ zur Röntgenquelle nutzbare Referenzstruktur umfasst, gegenüber dem Stand der Technik zu optimieren.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine insbesondere zur Verwendung als medizintechnisches Diagnosegerät geeignete Röntgeneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Betrieb einer Röntgeneinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Im Folgenden im Zusammenhang mit der Röntgeneinrichtung erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile gelten sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
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Die Röntgeneinrichtung umfasst eine Röntgenröhre und einen relativ zu dieser verstellbaren, zur Detektion von Röntgenstrahlung vorgesehenen Detektor, sowie eine Referenzstruktur, welche zur Bestimmung der Lage des Detektors relativ zur Röntgenröhre in den Strahlengang zwischen der Röntgenröhre und dem Detektor eingebracht ist. Die örtliche Relation zwischen der Referenzstruktur, beispielsweise einem durch eine Röntgenmaske gegebenen Muster, und der Röntgenquelle wird hierbei als bekannt vorausgesetzt. Theoretisch könnte statt einer solchen starr mit der Röntgenquelle verbundenen Referenzstruktur auch eine Referenzstruktur verwendet werden, welche eine bekannte örtliche Relation zum Röntgendetektor aufweist. Auch die gleichzeitige Verwendung einer relativ zur Röntgenquelle ortsfesten Referenzstruktur und einer detektorfesten Referenzstruktur ist möglich. Die mindestens eine Referenzstruktur kann auswechselbar oder dauerhaft mit einer Komponente der Röntgeneinrichtung verbunden sein. In jedem Fall ist mit dem Detektor datentechnisch eine eine Komponente der Röntgeneinrichtung bildende Regelungseinheit verknüpft, welche mit einem Aktuator zusammenwirkt, der eine weitere Komponente der Röntgeneinrichtung bildet und dazu vorgesehen ist, die Position des Detektors relativ zur Röntgenröhre zu verstellen. Die Regelung der Position des Detektors relativ zur Position der Röntgenquelle erfolgt unter Nutzung mindestens eines Referenzbildes, welches zumindest Teile der Referenzstruktur abbildet. Das Referenzbild wurde in beliebigem zeitlichem Abstand vor dem Vorgang der automatischen Regelung gewonnen. Vorzugsweise wird eine Vielzahl von Referenzbildern, die jeweils einer bestimmten örtlichen Relation zwischen der Röntgenröhre und dem Detektor zugeordnet sind, bereitgehalten.
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Im grundsätzlichen Unterschied zum Stand der Technik, nach welchem lediglich eine Messung der Relativlage zwischen einem Röntgenstrahler und einem zugehörigen Detektor unter Nutzung einer starr mit dem Röntgenstrahler verbundenen Referenzstruktur vorgesehen ist, sieht die Erfindung somit eine Lageregelung vor. Von besonderem Vorteil ist hierbei die Tatsache, dass die Regelungsschritte durchgeführt werden, ohne die Lage der relativ zueinander verstellbaren Röntgenkomponenten, das heißt der Röntgenquelle und des Röntgendetektors, direkt in die Datenverarbeitung einzubeziehen.
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Während in herkömmlicher Weise eine Bildinformation, die durch ein eine Referenzstruktur abbildendes Röntgenbild gegeben ist, zunächst in eine Lageinformation, nämlich eine Information über die Relativlage zwischen Röntgenquelle und Röntgendetektor, transformiert werden muss, ist ein solcher Schritt nach der Erfindung nicht zwingend erforderlich. Vielmehr ist es möglich, die Bildinformation direkt zur Lageregelung zu verwenden, ohne als Zwischenschritt eine Lageberechnung vorzunehmen. Ob im Einzelfall eine Lageberechnung notwendig oder zweckmäßig ist, hängt insbesondere von der Anzahl der gespeicherten Referenzbilder sowie von der Abweichung zwischen einem Referenzbild und einem bei nicht definierter Positionierung des Detektors relativ zur Röntgenröhre akquirierten Bild ab. Letztgenanntes Bild, welches im die Relativlage von Röntgenröhre und Detektor regelnden Regelkreis iterativ aufgenommen wird, wird als Momentanbild bezeichnet. Das Momentanbild gibt ebenso wie das Referenzbild zumindest Teile der Referenzstruktur, vorzugsweise die gesamte Referenzstruktur, wieder.
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Die Referenzstruktur, welche dazu verwendet wird, Abweichungen zwischen einem gespeicherten Referenzbild und einem Momentanbild zu erfassen, um hieraus ein Signal für die Verstellung der Röntgenröhre und/oder des Detektors mittels des mindestens einen Aktuators zu generieren, umfasst mindestens drei, vorzugsweise mindestens vier, definierte Punkte. Ist die Referenzstruktur als in die Röntgenquelle integrierte oder starr an dieser befestigte Blende ausgebildet, so sind beispielsweise deren Ecken als zusammen eine Referenzstruktur bildende Referenzpunkte verwendbar. Befinden sich Referenzstrukturen innerhalb eines mit einer Röntgenaufnahme erfassten Abbildungsbereiches, so ist die Möglichkeit gegeben, die Röntgenstrukturen nachträglich softwaretechnisch aus der Röntgenaufnahme zu eliminieren.
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Eine extrem hohe Güte des Regelungsverhaltens ist erreichbar, wenn an jedem Arbeitspunkt, das heißt bei jeder im Betrieb der Röntgeneinrichtung auftretenden Kombination von Position der Röntgenröhre und Position des Detektors, eine Relativlageschätzung oder -bestimmung, gestützt auf die Auswertung des Momentanbildes und den Vergleich mit einem Referenzbild, erfolgt, um eine für diesen Arbeitspunkt spezifische Bildjacobimatrix zu adaptieren. Eine besonders schnelle Regelung ist realisierbar, indem zumindest zwei aufeinander folgende, die Relativposition des Detektors zur Röntgenröhre mittels des Aktuators beeinflussende Regelungszyklen, vorzugsweise eine Vielzahl von Regelungszyklen, unter Verwendung einer konstanten Bildjacobimatrix durchgeführt werden. Die Bildjacobimatrix, im Folgenden kurz auch als Jacobimatrix bezeichnet, wird unabhängig davon, ob sie während der durchgeführten Regelung konstant gehalten oder verändert wird, dazu verwendet, eine lineare Abbildung zu beschreiben, mit der das Systemverhalten der Röntgeneinrichtung approximiert wird. Hierbei gibt die Jacobimatrix die Transformation zwischen verschiedenen Koordinatensystemen, nämlich dem Koordinatensystem der Röntgenröhre und dem Koordinatensystem des Detektors, an.
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Unter Verwendung der das Systemverhalten der Röntgeneinrichtung beschreibenden, vorzugsweise arbeitspunktadaptierten, am jeweiligen Arbeitspunkt konstanten Jacobimatrix wird ein Signal generiert, mit dem der Aktuator angesteuert wird, um die Positionierung des Detektors relativ zur Röntgenröhre automatisch in der gewünschten Weise zu beeinflussen. In bevorzugter Ausgestaltung sind die Röntgenröhre und der Detektor an einem gemeinsamen, mittels des Aktuators verstellbaren Träger gehalten, wobei der Träger zusammen mit der Röntgenröhre und dem Detektor eine C-Bogen-Anordnung bildet. Alternativ sind auch Ausführungsformen realisierbar, bei denen die Röntgenröhre einerseits und der Detektor andererseits mittels separater Handlingvorrichtungen, welche beispielsweise jeweils als Knickarmroboter ausgebildet sind, verstellbar sind. In einem solchen Fall sind sowohl zur Verstellung der Röntgenröhre als auch zur Verstellung des Detektors mehrere datentechnisch mit der Regelungseinheit verknüpfte Aktuatoren vorgesehen.
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Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass bei einer Röntgeneinrichtung mit einem relativ zu einer Röntgenröhre verstellbaren Detektor eine mit Hilfe einer eine bekannte Geometrie sowie Anordnung in einem von mehreren Koordinatensystemen aufweisenden Referenzstruktur gewonnene Bildinformation unmittelbar zur Regelung der Relativlage zwischen Röntgenröhre und Detektor genutzt wird.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen in stark vereinfachter Darstellung:
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1 eine medizintechnische Röntgeneinrichtung mit einer Röntgenröhre und einem relativ zu dieser ortsveränderlichen Detektor,
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2 eine starr mit der Röntgenröhre der Röntgeneinrichtung nach 1 gekoppelte Referenzstruktur, und
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3 in einem Flussdiagramm ein mit der Röntgeneinrichtung nach 1 durchführbares Verfahren.
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Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Röntgeneinrichtung ist beispielsweise für die interoperative Bildgebung bei Angiographieanwendungen vorgesehen. Die Röntgeneinrichtung 1 weist eine Röntgenröhre 2 als Röntgenstrahler und einen zugehörigen Detektor 3, nämlich einen Halbleiter-Flachdetektor, auf. Die Röntgenröhre 2 und der Detektor 3 sind an einem Träger 4 gehalten, welcher mittels eines Aktuators 5 verstellbar ist, so dass der Abstand zwischen der Röntgenröhre 2 und dem Detektor 3 variabel ist. Insgesamt bildet der Träger 4 zusammen mit der Röntgenröhre 2 und dem Detektor 3 eine C-Bogen-Anordnung, welche um mindestens eine, vorzugsweise um mehrere, Achsen verschwenkbar ist.
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Mit der Röntgenröhre 2 ist eine Referenzstruktur 6, welche im in 1 durch gestrichelte Pfeile angedeuteten Strahlengang der Röntgeneinrichtung 1 angeordnet ist, starr verbunden. Ein mit der Röntgeneinrichtung 1 untersuchter Patient, allgemein als Untersuchungsobjekt 7 bezeichnet, befindet sich auf einem Liegenbrett 8, welches in nicht dargestellter Weise verstellbar gelagert ist.
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Der Detektor 3 ist, wie durch eine gestrichelte Linie angedeutet, datentechnisch mit einer Regelungseinheit 9 gekoppelt, welche sich im dargestellten Ausführungsbeispiel innerhalb einer Maschinenkomponente 10 befindet, an welcher der Träger 4 verstellbar, insbesondere verschwenkbar, angelenkt ist. Weiter befindet sich im Ausführungsbeispiel nach 1 innerhalb der beispielsweise verfahrbaren Maschinenkomponente 10 ein Datenspeicher 11, auf welchen nachfolgend nach näher eingegangen wird. Der Datenspeicher 11 ist über die Regelungseinheit 9 an den mindestens einen Aktuator 5 angebunden und muss keinen bestimmten räumlichen Zusammenhang mit den relativ zueinander verstellbaren Komponenten der Röntgeneinrichtung 1, das heißt mit der Röntgenröhre 2 oder mit dem Detektor 3, aufweisen. Eine Röntgenaufnahme, welche unter bekannter örtlicher Relation zwischen der Röntgenquelle 2 und dem Detektor 3 akquiriert wurde, wird als Referenzbild RB bezeichnet und ist im Datenspeicher 11 gespeichert.
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Vor einer mit der Röntgeneinrichtung 1 durchgeführten Untersuchung des Untersuchungsobjekts 7 wird in der Regel eine Mehrzahl an Referenzbildern RB gewonnen und gespeichert. Im Unterschied zu einem Referenzbild RB, bei dessen Aufnahme eine exakte Information zumindest über die Relativlage von Röntgenquelle 2 und Detektor 3 vorliegt, wobei vorzugsweise die absolute Position sowohl der Röntgenquelle 2 als auch des Detektors 3 bekannt ist, wird ein so genanntes Momentanbild MB ohne zwingendes Vorliegen einer derartigen Ortsinformation während der Untersuchung des Untersuchungsobjekts 7 aufgenommen. Jedes Momentanbild MB wird ebenso wie das mindestens eine Referenzbild RB im Datenspeicher 11 abgelegt. In der Regel ist bei der Aufnahme keines Momentanbildes MB exakt diejenige örtliche Relation zwischen der Röntgenquelle 2 und dem Detektor 3 gegeben, die bei der Aufnahme eines Referenzbildes RB gegeben war und diesem logisch zugeordnet ist.
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Ein Beispiel einer Referenzstruktur 6, welche sich im Strahlengang zwischen der der Röntgenquelle 2 und dem Detektor 3 befindet, ist in 2 nicht maßstäblich veranschaulicht. Hierbei sind innerhalb einer rahmenförmigen Blende 12 in der Nähe deren Ecken vier Referenzpunkte RP angeordnet, die unter Röntgendurchstrahlung gut detektierbar sind. Wie aus 2 weiter hervorgeht, ist es auch möglich, die vier Eckpunkte EP der Blende 12 als Referenzpunkte RP zu verwenden. Unabhängig davon, wo die Referenzpunkte RP genau angeordnet sind, sind diese sowohl auf dem Referenzbild RB als auch auf dem Momentanbild MB detektierbar. Um durch Auswertung der Lage der Referenzpunkte RP auf dem Momentanbild MB die Position des Detektors 3 relativ zur Röntgenquelle 2 rechnerisch zu ermitteln, sind drei Referenzpunkte RP notwendig. Mit der tatsächlich höheren Anzahl an Referenzpunkten RP, was einer Überbestimmung entspricht, wird eine verringerte Rauschempfindlichkeit erzielt.
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Im in 3 wiedergegebenen Flussdiagramm, welches das mit der Röntgeneinrichtung 1, insbesondere der eine Komponente dieser Röntgeneinrichtung 1 bildenden Regelungseinheit 9, durchführbare Regelungsverfahren veranschaulicht, ist mit S1 der Start des Verfahrens bezeichnet. Hierbei wird davon ausgegangen, dass sich der Detektor 3 in einer Position relativ zur Röntgenquelle 2 befindet, welche eine Detektion aller Referenzpunkte RP auf dem mit dem Detektor 3 aufgenommenen Röntgenbild, das heißt auf dem Momentanbild MB, ermöglicht. Weder die Absolutposition der Röntgenquelle 3 noch die Absolutposition des Detektors 3 sind dabei notwendigerweise bekannt. Unabhängig hiervon können Messsysteme vorhanden sein, mit denen die Absolutpositionen von Röntgenquelle 2 und Detektor 3 oder die Relativposition des Detektors 3 in Bezug zur Röntgenquelle 2 messbar sind. Beispielsweise ist es möglich, ein Längen- und/oder Winkelmessgerät als Teil eines solchen Messsystems in den Aktuator 5 oder in verschiedene, zur separaten Verstellung von Detektor 3 und Röntgenröhre 2 vorgesehene Aktuatoren zu integrieren. Die im Weiteren erläuterten Schritte des mit Hilfe der Regelungseinheit 9 durchführbaren Regelungsverfahren zur Regelung der Relativposition von Detektor 3 und Röntgenquelle 2 beinhalten jedoch nicht die Verwendung eines derartigen Messsystems.
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Eine Voraussetzung für die Durchführung des Regelungsverfahrens ist das Bereitstellen mindestens eines Referenzbildes RB, wobei zur Feststellung der Positionen des Detektors 3 und der Röntgenquelle 2, zumindest der Relativposition der genannten Komponenten 2, 3 zueinander, die bei der Akquirierung des Referenzbildes RB erforderlich ist, ein in die Röntgeneinrichtung 1 integriertes Messsystem und/oder ein externes Messsystem genutzt werden kann.
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Nachdem die für die Durchführung des Regelungsverfahrens notwendigen Voraussetzungen geschaffen wurden, wird im Schritt S2 ein Momentanbild MB bei nicht bekannter oder nur mit eingeschränkter Genauigkeit bekannter örtlicher Relation zwischen dem Detektor 3 und der Röntgenquelle 2 aufgenommen.
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Diesem Momentanbild MB wird im Schritt S3 ein gespeichertes Referenzbild RB, welches – im Fall verschiedener aus dem Datenspeicher 11 abrufbarer Referenzbilder RB – eine möglichst geringe Abweichung vom Momentanbild MB aufweist, zugeordnet. Das Referenzbild RB gibt einen Arbeitspunkt der Röntgeneinrichtung 1 an, welcher einen Sollzustand der Konfiguration von Detektor 3 und Röntgenquelle 2 bei der aktuellen Datenaufnahme darstellt.
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Im Schritt S4 wird auf Basis der ermittelten Differenz zwischen dem Momentanbild MB und dem Referenzbild RB eine automatische Entscheidung betreffend die weiteren Schritte bei der Durchführung des Regelungsverfahrens getroffen:
Ist die Abweichung zwischen dem Momentanbild MB und dem Referenzbild RB Null oder unterhalb einer bestimmten Schwelle, so wird erneut ein Momentanbild MB bei zwischenzeitlich möglicherweise leicht veränderter örtlicher Relation zwischen dem Detektor 3 und der Röntgenquelle 2 aufgenommen.
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Wird dagegen eine relevante Abweichung zwischen dem Momentanbild MB und dem Referenzbild RB detektiert, so erfolgt im Schritt S5 eine Korrektur der aktuellen Relativlage zwischen dem Detektor 3 und der Röntgenquelle 2 mit Hilfe des Aktuators 5. Die Beschreibung der geometrischen Gegebenheiten sowie die Bestimmung eines Korrekturvektors, der eine erforderliche Anpassung der Relativpositionierung von Detektor 3 und Röntgenquelle 2 angibt, erfolgt automatisch, wobei der durchzuführende Algorithmus mit einer für den Arbeitspunkt, das heißt den Sollzustand im laufenden Regelungsverfahren, spezifischen Bildjacobimatrix arbeitet. Die Verstellung der Position des Detektors 3 und/oder der Röntgenröhre 2 mittels des mindestens einen Aktuators 5 erfolgt nach Möglichkeit, das heißt sofern dies beim aktuellen Zustand der Röntgeneinrichtung 1 möglich ist, derart, dass die Positionsänderung geradlinig auf die Sollposition zu gerichtet ist.
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Nach der Durchführung der automatisch ermittelten Korrektur im Schritt S5 wird das Verfahren mit dem Schritt S2, das heißt der Aufnahme eines neuen Momentanbildes MB mit geringem zeitlichem Abstand zur Akquirierung des zuletzt aufgenommenen Momentanbildes MB, fortgesetzt. Der Regelkreis ist damit geschlossen und kann iterativ beliebig oft, bis zum Abschluss des Verfahrens im Schritt S6, fortgesetzt werden.
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Bei einer aufwändigeren Variante des Verfahrens wird, beispielsweise um den zeitlichen Verlauf der Schleppfehlerkompensation einzubeziehen, im Unterschied zur vorstehend erläuterten Variante die Relativlage von Detektor 3 und Röntgenquelle 2 zumindest näherungsweise automatisch ermittelt. Diese Lageermittlung oder -schätzung, mit welcher die Bildjacobimatrix am aktuellen Arbeitspunkt adaptiert wird, wird nicht für die Durchführung der Regelung selbst, sondern ausschließlich für die aktuelle Linearisierung, welche angenähert durch die Bildjacobimatrix beschrieben ist, verwendet. Der eigentliche Regelungsvorgang erfolgt, wie im vorstehend anhand der 3 erläuterten Verfahren, ohne Bestimmung der Position des Detektors 3 in Relation zur Röntgenröhre 2 und damit mit hoher Geschwindigkeit sowie hoher Güte des Regelungsverhaltens. Ergänzend zu einer vorhergehenden Kalibrierung der kinematischen Parameter der Röntgeneinrichtung 1 trägt somit das mit Hilfe der Regelungseinheit 9 durchgeführte Verfahren maßgeblich zur Akquirierung von Röntgenbildern hoher Qualität bei gleichzeitig sehr ausgeprägter Flexibilität der eine nicht starre Kopplung von Röntgenröhre 2 und Detektor 3 aufweisenden Röntgeneinrichtung 1 bei. Zudem ist das Regelungsverfahren, bei welchem während der Regelungszyklen keine Relativlagebestimmung von Röntgenröhre 2 und Detektor 3 erfolgt, mit einem sehr günstigen Verhältnis zwischen Regelungsqualität und -geschwindigkeit einerseits und apparativem Aufwand andererseits durchführbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Röntgeneinrichtung
- 2
- Röntgenröhre
- 3
- Detektor
- 4
- Träger
- 5
- Aktuator
- 6
- Referenzstruktur
- 7
- Untersuchungsobjekt
- 8
- Liegenbrett
- 9
- Regelungseinheit
- 10
- Maschinenkomponente
- 11
- Datenspeicher
- 12
- Blende
- EP
- Eckpunkt
- MB
- Momentanbild
- RB
- Referenzbild
- RP
- Referenzpunkt
- S1, ...S6
- Schritt
