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Die
Erfindung betrifft ein Röntgen-CT-System mit statischem
Anoden/Kathoden-Ringsystem mit einem Laser-System zur Emissionsanregung
einer Elektronenquelle mit einer Vielzahl von Detektorelementen,
durch welche die Schwächung der Strahlen der Strahlenbündel
beim Durchtritt durch das Untersuchungsobjekt messbar ist, und4
einer Rechen- und Steuereinheit mit Computerprogrammen die im Betrieb
das Röntgen-CT-System steuern.
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Ähnliche
Röntgen-CT-Systeme sind allgemein bekannt. Beispielhaft
wird auf die Patentanmeldung
DE 10 2006 006 840 A1 verwiesen. In dieser Schrift
wird ein Röntgen-CT-System beschrieben, welches einen stationären
Röntgendetektor aufweist, der ein Untersuchungsvolumen
in einer Ebene teilweise umschließt, und einem stationären
Anoden/Kathoden-System, welches zur Erzeugung von Röntgenstrahlung
das Untersuchungsvolumen ebenfalls teilweise in der o. g. Ebene
umschließt. Die Positionierung und Anregung einer Elektronenquelle und
Erzeugung eines zugeordneten Fokus wird mit zwei gesteuerten Laser-Systemen
erzeugt, wobei diese nur alternativ eingesetzt werden. Nachteil
dieses Systems ist, dass aus geometrischen Gründen keine
vollständige Kreisabtastung möglich ist, außerdem
wird nur ein einziges Röntgenenergiespektrum erzeugt.
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Weiterhin
wird auf die nicht vorveröffentlichte Patentanmeldung mit
dem Aktenzeichen
DE 10 2007 035
177.3-35 verwiesen. Diese offenbart Computertomographie-Systeme
mit einer feststehenden und 360° umlaufenden Röntgenröhre,
welche einen Anodenring und mindestens einen Kathodenring aufweist,
wobei zwischen Anode und dem mindestens einen Kathodenring ein Vakuumbereich
vorgesehen ist, der teilweise durch ein licht- und/oder infrarotdurchlässiges
Vakuumfenster begrenzt wird. Weiterhin weist dieses Computertomographie-System
einen parallel zur Systemebene um die Systemachse rotierbaren Trag rahmen
auf, an dem in mindestens einer Winkelposition ein System mit einem
Laser und gegebenenfalls ein Filter befestigt ist. Der Laser erzeugt
lokal die Aktivierung einer Elektronenemission am Kathodenring und
damit die Röntgenstrahlung. Gegenüberliegend zum
Filter ist ein Detektor angeordnet, der die Schwächung
der Strahlung misst.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung ein verbessertes und einfach zu realisierendes
Röntgen-CT-System vorzuschlagen, welches gleichzeitig ein
Untersuchungsobjekt mit zwei oder drei Röntgenenergiebereichen
abtasten kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches
1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand untergeordneter Ansprüche.
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Demgemäß schlagen
die Erfinder ein Röntgen-CT-System vor, mit:
- – einem statischen Anoden/Kathoden-Ringsystem zur gleichzeitigen
Erzeugung von N = 2 oder N = 3 bezüglich einer Systemachse
winkelversetzt zueinander positionierten Fokussen, die jeweils ein
aufgefächertes Strahlenbündel zur Abtastung eines
zentral angeordneten Untersuchungsobjektes aus einer Vielzahl von
Positionen aussenden,
- – einer Gantry zur Aufnahme von zumindest N Laser-Systemen,
die auf der Gantry entlang des Anoden/Kathoden-Ringsystems rotieren,
wobei
- – das Anoden/Kathoden-Ringsystem in M × N Ringsegmente,
vorzugsweise mit M = 2 oder 3, aufgeteilt ist,
- – benachbarte Ringsegmente abwechselnd an insgesamt
N unterschiedliche Beschleunigungsspannungen angelegt sind, und
- – jedes Laser-System durch Bestrahlung einer Kathode
einen Fokus auf einer Anode im Anoden/Kathoden-Ringsystem erzeugt,
wobei
- – einer Vielzahl von, den Fokussen gegenüberliegend
positionierten, Detektorelementen – die in der Summe einen
Detektor bilden –, durch welche die Schwächung
der Strahlen der Strah lenbündel beim Durchtritt durch das
Untersuchungsobjekt messbar ist, und
- – einer Rechen- und Steuereinheit mit einem Speicher,
der Computerprogramme aufweist, die im Betrieb das Röntgen-CT-System
steuern.
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Durch
diese Ausführung des Röntgen-CT-Systems wird erreicht,
dass in Verbindung mit einer stationären Ringröhre
für alle verwendeten Röntgenenergiebereiche das
gleiche Anoden/Kathoden-System verwendet werden kann und dabei eine gleichzeitige
und winkelversetzte Abtastung des Untersuchungsobjektes möglich
ist. Hierbei werden in jedem der Ringsegmente an einer Vielzahl
von Umfangspositionen Fokusse erzeugt. Alternativ kann auch ein
Fokus erzeugt werden, der mit der Umdrehung der Laser-Systeme kontinuierlich
bewegt wird, also im Grunde einer unendlichen Anzahl von nebeneinander
liegenden Fokussen entspricht, die fortlaufend über den
Umfang erzeugt werden. Auf jedem Ringsegment wird dabei eine Vielzahl
von Fokussen erzeugt.
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Vorteilhaft
kann es sein, wenn die Gantry im Strahlungsbereich mindestens eines
Fokus ein Spektralfilter für das von diesem Fokus ausgehende Strahlenbündel
trägt. Hierdurch wird eine verbesserte Einflussmöglichkeit
auf das benutzte Röntgenenergiespektrum durch Aufhärtung
der Strahlung ermöglicht.
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Das
erfindungsgemäße Röntgen-CT-System kann
in einer ersten Ausführungsvariante so ausgestaltet sein,
dass die Vielzahl an Detektorelementen ringförmig in einem
stationären Detektorring angeordnet ist. Dies entspricht
einer Detektorausführung von CT-Systemen der 4. Generation.
Es kann somit die Gantry gegenüber Systemen der 3. Generation einfacher
gestaltet werden. Im Wesentlichen trägt die Gantry dann
nur noch die Laser-Systeme und gegebenenfalls den Laser-Systemen
zugeordnete Systemeinheiten, wie Spektralfilter und/oder Kollimatoren. Solche
Detektorsysteme können ein- oder mehrzeilig ausgeführt
werden.
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Eine
andere Ausführung des Röntgen-CT-Systems besteht
darin, in bekannter Weise eine Vielzahl von Detektorelementen in
N Detektorsystemen zusammenzufassen und die Detektorsysteme an der
Gantry dem jeweils vom Laser-System erzeugten Fokus gegenüberliegend
um die Systemachse rotierbar anzuordnen. Hierdurch können
bekannte ein- oder vielzeilige Detektorsysteme verwendet werden,
wobei die Summe an notwendigen Detektorelementen geringer ist als
bei ringförmig angeordneten Detektoren. Obwohl der Aufbau
der Gantry aufgrund des höheren Gewichtes der zu tragenden Elemente
etwas aufwendiger ist, ergibt sich jedoch der Vorteil einer einfacheren
detektorseitigen Abschirmung gegen Streustrahlung. Außerdem
kann der Detektor einfach auf einem Kreisbogen um den Fokus konstruiert
werden, so dass jedes Detektorelement den gleichen Abstand zum Fokus
aufweist. Grundsätzlich ist bei dieser Bauweise allerdings
auch ein ebener Detektor ohne Krümmung einsetzbar, der bautechnisch
etwas einfacher herzustellen ist, allerdings etwas höheren
Normierungsaufwand bei der Schwächungsmessung erfordert.
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Bezüglich
der Ausgestaltung der Ringsegmente schlagen die Erfinder einerseits
vor, möglichst identische Module zu verwenden, so dass
die M × N Ringsegmente die gleiche Länge aufweisen.
Hierdurch wird die Fertigungstechnik vereinfacht. Allerdings ergibt
sich durch diesen symmetrischen Aufbau, dass an den Berührungsstellen
der Ringsegmente – an denen konstruktionsbedingt kein Fokus erzeugt
werden kann – kleine komplementäre Winkelbereiche
nicht abgetastet werden. Da diese Winkelbereiche jeweils komplementär
angeordnet, also um 180° versetzt sind, kann dieser Effekt
auch nicht durch gegenläufige Strahlen ausgeglichen werden.
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Eine
Möglichkeit diesen Nachteil zu vermeiden, besteht darin,
dass die M × N Ringsegmente mindestens N unterschiedliche
Längen aufweisen und derart angeordnet sind, dass kein
Projektionswinkel – gemeint ist hiermit die Winkelstellung
des Fokus um die Systemachse, also der Fächerprojektionswinkel – mit
gegenüberliegenden Übergängen zwischen
zwei Ringsegmenten existiert. Durch diesen Aufbau wird sichergestellt,
dass über den gesamten Umfang keine Winkelposition existiert,
in der nicht mindestens aus einer Richtung eine Abtastung des Untersuchungsobjektes
ermöglicht wird. Es werden dabei durch asymmetrische Anordnung
der Ringsegmente die Berührungspunkte der Ringsegmente
so gesetzt, dass diese niemals gegenüberliegend angeordnet
sind – gegenüberliegend entspricht in diesem Sinne
einer Spiegelung an der Systemachse –. Sinnigerweise sollte
bei dieser Ausführung auch der Winkelversatz bei zwei Laser-Systemen
größer sein als 360°/(2 × 2),
also bei 2 Laser-Systemen mit 4 Ringsegmenten größer
90°. Der zusätzliche Versatz sollte dabei ausreichen,
damit jedes Ringsegment immer nur von einem Laser-System getriggert wird.
Anders ausgedrückt heißt dies, das der kleinste Winkelabstand
der Laser-Systeme größer sein muss als der größte überstrichene
Umfangswinkel eines Ringsegments. Damit hier keine zu große
Einschränkung bezüglich der Messfeldgröße
entsteht, wird der zusätzliche Versatz nicht zu groß gewählt.
Werden die Segmente stärker unterteilt, ist kein größerer
Winkelversatz notwendig.
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Aufgrund
der meist gegenläufigen Anordnung der Laser-Systeme bei
der Verwendung von drei Laser-Systemen mit einem Standard-Versatz von
120° tritt dieses oben geschilderte Problem nicht auf,
so dass der Winkelversatz bei 3 Laser-Systemen mit 6 Ringsegmenten
weiterhin bei 120° bleiben kann.
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Die
Aufteilung des Anoden/Kathoden-Ringsystems in Ringsegmente kann
unterschiedlich erfolgen, wobei die unterschiedlichen konstruktiven
Ausführungen jeweils verschiedene konstruktive und steuerungstechnische
Vor- und Nachteile aufweisen, die im Einzelfall berücksichtigt
werden müssen.
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Gemäß einer
Variante kann das Anoden/Kathoden-Ringsystem vollständig,
also sowohl anodenseitig als auch kathodenseitig geteilt ausgeführt
werden. Dies ermöglicht eine einfache modulare Bauweise,
die allerdings bezüglich ihrer Stabilität nicht optimal
ist und erdungsseitig relativ viele Anschlüsse erfordert.
Hierbei kann das Nullpotential der Röntgenröhre
anodenseitig oder kathodenseitig angelegt werden. Entsprechend werden
dann die verwendeten Beschleunigungsspannungen segmentweise kathodenseitig
beziehungsweise anodenseitig angelegt.
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Alternativ
zu dieser vollständig segmentierten Ausführung
kann die Aufteilung des Anoden/Kathoden-Ringsystems in Ringsegmente
auch ausschließlich anodenseitig oder ausschließlich
kathodenseitig erfolgen. Entsprechend ist dann das Nullpotential
kathodenseitig beziehungsweise anodenseitig angelegt und die Beschleunigungsspannungen werden
anodenseitig beziehungsweise kathodenseitig angelegt.
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Die
Erfinder schlagen weiterhin vor, dass N Spannungsgeneratoren für
die Beschleunigungsspannungen vorgesehen sind, wobei nacheinander jeder
Spannungsgenerator an jedes N-te Ringsegment angeschlossen ist und
N unterschiedliche Beschleunigungsspannungen im Wechsel und synchronisiert
mit den N auf der Gantry angeordneten Laser-Systemen anlegbar sind.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele
mit Hilfe der Figuren näher beschrieben, wobei nur die
zum Verständnis der Erfindung notwendigen Merkmale dargestellt sind.
Hierbei werden die folgenden Kurzbezeichnungen verwendet: D1, D2:
Detektoren; F1, F2: Fokusse; HV-A, HV-B: Hochspannungsgeneratoren;
L1, L2: Laser; P: Patient; S: Systemachse; SF: Spektralfilter; S1–S4:
Ringsegmente; t: Zeit; U: Beschleunigungsspannung; α: Projektionswinkel,
Rotationswinkel der Gantry.
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Es
zeigen im Einzelnen:
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1:
Querschnitt durch ein Röntgen-CT-System mit statischem
Anoden/Kathoden-Ringsystem mit vier symmetrisch angeordneten Ringsegmenten
und zwei Laser-Systemen;
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2:
Querschnitt durch das Röntgen-CT-System aus 1 mit
um 90° gedrehten Laser-Systemen;
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3:
Schematisches Schaltschema zum Anschluss der Hochspannungsversorgung
an die Ringsegmente des Anoden/Kathoden-Ringsystems;
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4:
Verlauf der Beschleunigungsspannung zur Zeit und Rotationswinkel
der Gantry;
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5:
Querschnitt durch ein Röntgen-CT-System mit statischem
Anoden/Kathoden-Ringsystem mit vier Ringsegmenten und zwei Laser-Systemen,
die Ringsegmente paarweise mit unterschiedlicher Länge.
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Die 1 zeigt
einen Querschnitt durch ein schematisch gezeigtes Röntgen-CT-System
mit statischem Anoden/Kathoden-Ringsystem bestehend aus vier symmetrisch
angeordneten Ringsegmenten S1 bis S4, bei denen sowohl die Anode
als auch die Kathode segmentiert sind. Diese als Röntgenröhre fungierende
Anordnung wird durch zwei Laser-Systeme L1 und L2 getriggert, wobei
durch punktförmige Anregung einer Elektronenemission auf
der Kathode anodenseitig ein Fokus entsteht, an dem punktförmig Röntgenstrahlung
ausgesandt wird. Diese Röntgenstrahlung wird nach dem Durchtritt
durch einen im Messfeld des Röntgen-CT-Systems angeordneten Patienten
P gemessen. Hierzu liegt dem Laser L1 der Detektor D1 und dem Laser
L2 der Detektor D2 gegenüber. Sowohl die Laser L1 und L2
als auch die Detektoren D1 und D2 sind auf einer um den Patienten
P rotierenden Gantry angeordnet. Somit rotiert auch die Position
des Fokus um den Patienten und der Patient kann durch die Strahlung
aus allen Projektionswinkeln α abgetastet werden.
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Aufgrund
der Segmentierung des Anoden/Kathoden-Ringsystems kann nun abwechselnd eine
unterschiedliche Beschleunigungsspannung an die Segmente S1 bis
S4 angelegt werden. Im vorliegenden Beispiel und zum gezeigten Zeitpunkt
ist das Segment S1 mit 140 kV Beschleunigungsspannung und das Segment
S2 mit 80 kV Bescheunigungsspannung beaufschlagt. Entsprechend wird
bei einer Erzeugung eines Fokus im Bereich der Segmente S1 und S2
eine Röntgenstrahlung mit maximal 140 keV beziehungsweise
80 keV erzeugt. Zusätzlich wird hier mit dem Laser L2 noch
ein Spektralfilter SF an der Gantry mitgeführt, welches
zusätzlich die durch den Laser L2 getriggerte Strahlung
aufhärtet.
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Rotiert
nun die Gantry so weit, das die Laser L1 und L2 das Ende des jeweiligen
Segmentes erreichen, so erfolgt eine Umschaltung der Beschleunigungsspannung
an den Segmenten derart, dass der jeweilige Laser auch beim nächsten
Segment wieder die ihm zugeordnete und immer gleiche Spannung sieht.
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Die 2 zeigt
das gleiche Röntgen-CT-System aus der 1,
allerdings sind beide Laser L1 und L2 einschließlich der
Detektoren D1 und D2 und dem Spektralfilter SF um 90° im
Uhrzeigersinn um die Systemachse S gedreht dargestellt. Der Laser
L2 bestrahlt nun das Segment S2 und der Laser L1 das Segment S3.
Entsprechend liegt am Segment S2 auch eine Beschleunigungsspannung von
140 kV und am Segment S3 eine Beschleunigungsspannung von 80 kV
an. Im dargestellten Beispiel sind zusätzlich die jeweils
gegenüberliegenden Segmente bezüglich der angelegten
Beschleunigungsspannung gekoppelt, hierdurch kann die Schaltung
gegenüber einer vollständig individuellen Ansteuerung
der Segmente etwas vereinfacht werden.
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Das
hier dargestellte Beispiel eines erfindungsgemäßen
Röntgen-CT-Systems weist aufgrund der symmetrischen Ausgestaltung
eine vorteilhaft sehr einfache Bauweise auf, die durch die Baugleichheit
der vier Ringsegmente des Anoden/Kathoden-Ringsystems bedingt ist.
Fertigungstechnisch ist dies von großem Vorteil. Allerdings
ergibt sich ein Nachteil bezüglich der lückenlosen
Abtastung des Untersuchungsobjektes. Aufgrund der symmetrischen
Anordnung der Ringsegmente stehen sich die Nahtstellen der einzelnen
Segmente immer gegenüber, wobei an den Naht- oder Berührungsstellen
der Segmente kein Fokus erzeugbar ist und damit auch an diesen jeweiligen
Projektionswinkeln keine Fächerstrahlung entstehen kann.
Da auch gegenüberliegend am um 180° komplementären
Projektionswinkel kein Fokus gebildet werden kann, kommt es hier
zu einer Abtastlücke, die auch durch gegenläufige
Strahlen nicht geschlossen werden kann. Eine Lösung dieses
Problems wird später in Verbindung mit der 5 gezeigt.
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Eine
beispielhafte elektrische Ansteuerung der einzelnen Segmente des
Anoden/Kathoden-Ringsystems mit Hochspannung ist in der 3 dargestellt.
Diese zeigt ein schematisches Schaltschema zum Anschluss der Hochspannungsversorgung
an die Ringsegmente des Anoden/Kathoden-Ringsystems, entsprechend
der Ausführung der 1 und 2.
Der dazugehörige Verlauf der Beschleunigungsspannung über
die Zeit t und entsprechend auch über die Rotationswinkel α der
Gantry ist in der 4 gezeigt.
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Gemäß 3 sind
die Hochspannungsgeneratoren HV-A und HV-B abwechselnd mit den Segmenten
S1 und S3 beziehungsweise S2 und S4 verbunden, so dass jeweils auf
benachbarten Segmenten unterschiedliche Beschleunigungsspannungen angelegt
werden können. Das zeitliche Verhalten der Hochspannungsgeneratoren
HV-A und HV-B bei der gezeigten Schaltungsanordnung ist in der 4 gezeigt.
Hierbei schalten die Hochspannungsgeneratoren HV-A und HV-B jeweils
abwechseln zwischen den Beschleunigungsspannungen – hier
80 kV und 140 kV – der beiden Strahlungssysteme um. Da
in dem Beispiel der 1 und 2 zwei Laser-Systeme
verwendet werden entspricht die Dauer zwischen einer Umschaltung
einer Umdrehung der Gantry um 360° geteilt durch die Anzahl
der Ringsegmente oder 180°/N mit N der Anzahl der Laser-Systeme.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die hier gezeigte Schaltung lediglich
ein bevorzugtes Beispiel darstellt, jedoch keinesfalls die einzig
mögliche Schaltung im Zusammenhang mit einem erfindungsgemäßen
Röntgen-CT-System ist. Beispielsweise könnten
auch Hochspannungsgeneratoren, die jeweils dauerhaft auf eine bestimmte
Beschleunigungsspannung eingestellt sind, durch entsprechende Schalter
abwechselnd mit unterschiedlichen Ringsegmenten verbunden werden.
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In
der 5 ist schließlich eine erfindungsgemäße
Variante eines Röntgen-CT-Systems mit statischem Anoden/Kathoden-Ringsystem
mit vier Ringsegmenten S1 bis S4 und zwei Laser-Systemen L1 und
L2, ähnlich den 1 und 2, gezeigt.
Im Unterschied zu der oben beschriebenen Ausführung weisen
allerdings die Ringsegmente S1, S3 und S2, S4 paarweise unterschiedliche
Längen auf. Dabei sind die Ringsegmente so auf dem Umfang
angeordnet, dass deren gegenüberliegende Übergänge
von einem zum anderen Segment etwas winkelversetzt angeordnet sind.
Die Übergänge liegen also nicht auf gegenläufigen
Strahlen durch die Systemachse S, so dass nun zu jedem Winkel α zwischen
0° und 180° auf der Gantry mindestens ein Röntgenstrahl
in mindestens eine Richtung vorliegt, dessen Schwächung beim
Durchgang durch das Untersuchungsobjekt gemessen werden kann. Durch
diese Maßnahme werden Artefakte in der Rekonstruktion von
CT-Bildern, die durch nicht vollständige Abtastung des
Untersuchungsobjektes entstehen können, vermieden. Es muss
dabei zwar davon ausgegangen werden, dass die Schwächung
von Röntgenstrahlung in gegenläufiger Richtung
identisch ist, allerdings kann dies hier vernachlässigt
beziehungsweise durch Korrekturmaßnahmen ausgeglichen werden.
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Ergänzend
sei noch erwähnt, dass in der hier gezeigten Ausführung
der Winkelversatz der Laser-Systeme mindestens so groß ist,
wie der überstrichene Umfangswinkel des längsten
Ringsegments. Hierdurch wird vermieden, dass zwei Lasersysteme zur
gleichen Zeit das gleiche Ringsegment aktivieren.
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Insgesamt
beschreibt also die Erfindung ein Röntgen-CT-System mit
feststehendem Anoden/Kathoden-Ringsystem, welches mindestens zwei
umlaufende Laser-Systeme aufweist, die jeweils in dem Anoden/Kathoden-System
Röntgenstrahlung anregen. Das Anoden/Kathoden-Ringsystem
ist dabei so segmentiert und die Laser-Systeme derart auf dem Umfang
des Anoden/Kathoden-Ringsystems verteilt angeordnet, dass jedes
Laser-System in Verbindung mit einer anderen Beschleunigungsspannung
am gerade angeregten Anoden/Kathoden-Ringsystem betrieben werden
kann.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale der Erfindung
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der Erfindung zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006006840
A1 [0002]
- - DE 102007035177 [0003]