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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Bilderfassung, und zwar insbesondere der kombinierten optischen und nuklearen Bilderfassung, und betrifft eine Vorrichtung zu solcher Bilderfassung, insbesondere eine solche Vorrichtung mit einem Nuklearbilderfassungs-Modul zum Erfassen einer Intensitätsverteilung einer Nuklearstrahlung und einem Referenzbilderfassungs-Modul zum Erfassen einer Intensitätsverteilung einer optischen Strahlung. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Bilderfassung.
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Nukleare Bildgebungsverfahren haben sich als äußerst nützlich in verschiedenen Bereichen erwiesen, insbesondere in nuklearmedizinischen Anwendungen sowie bei der Suche nach radioaktiv belastetem Material wie Nuklearmüll. Bei den nuklearen Bildgebungsverfahren wird die aus einem Raumbereich kommende Nuklearstrahlung in einem zwei- oder dreidimensionalen Bild visualisiert und somit für den Menschen wahrnehmbar gemacht. Der Raumbereich, in dem die räumliche Verteilung der Nuklearstrahlung hinreichend zuverlässig detektiert werden kann, wird auch als Nuklear-Blickfeld bezeichnet. Auch in Fällen, in denen die Grenzen dieses Raumbereiches fließend sind, lässt sich das Nuklear-Blickfeld sinnvoll z. B. durch einen vorgegebenen Empfindlichkeits-Schwellwert für die Strahlungsintensität und/oder für die Ortsauflösung des Detektors definieren: Das Nuklear-Blickfeld ist dann der Raumbereich, dessen Strahlung durch den Detektor mit einer den Empfindlichkeits-Schwellwert überschreitenden Empfindlichkeit detektiert werden kann.
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Trotz ihres erheblichen Nutzens ist die Auswertung der generierten Nuklear-Bilder schwierig. Das liegt auch daran, dass die im Nuklear-Bild erkennbaren Strukturen nicht leicht den mit bloßem Auge wahrnehmbaren Strukturen zugeordnet werden können. So sind beispielsweise in einem typischen medizinischen Nuklearbild kaum anatomische Strukturen sichtbar.
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Dieses Problem kann gelindert werden, indem radioaktive Marker an bekannten anatomischen Positionen angebracht werden. Die Marker können dann im Nuklearbild erkannt werden, um zumindest grobe Anhaltspunkte zu erhalten. Auch sind Systeme zur hybriden SPECT/CT- oder PET/CT-Aufnahme bekannt, um CT-Bilder, die anatomische Informationen enthalten, mit Nuklearbildern zu überlagern. Auch werden derzeit Verfahren entwickelt, um dreidimensionale Nuklearbilder in geeigneter Perspektive darzustellen und mit einem Videobild zu überlagern, um auf diese Weise anatomische und Nuklearbild-Informationen gemeinsam zu erfassen.
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Auch sind Vorrichtungen zur kombinierten Erfassung von Röntgen- und optischen Bildern bekannt, etwa aus
DE 10049103 ,
JP 61057804 ,
US 2007/0019787 ,
US 6,447,163 und
US 3,679,901 . Allerdings sind die dort verwendeten Ansätze nicht leicht auf die Visualisierung von Nuklearstrahlung übertragbar, da die Röntgen- und die nuklearen Bildgebungsverfahren auf unterschiedlichen Grundprinzipien beruhen. In
US 2007/0019787 müssen die Röntgen- und die optischen Bildern zudem zeitversetzt aufgenommen werden. Bewegte Proben können daher nicht optimal erfasst werden.
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In
EP 0 743 538 wird eine Vorrichtung zur Fernlokalisierung von radioaktiven Quellen in einer Beobachtungszone beschrieben. Die Vorrichtung hat einen Spiegel und eine optische Kamera zum Liefern eines Bildes der Beobachtungszone, und Mittel zum Detektieren radioaktiver Strahlen. Die Mittel zum Detektieren radioaktiver Strahlen weisen einen Kollimator mit einer einzigen Kollimator-Öffnung (Pinhole-Kollimator) auf, der die Aufnahme eines ortsaufgelösten Nuklearbilds erlaubt. Das Nuklearbild kann dann mit dem Bild der optischen Kamera kombiniert werden. Allerdings ist die erreichbare Bildqualität des Nuklearbilds durch den Pinhole-Kollimator in einem bestimmten Zeitrahmen beschränkt.
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Vor diesem Hintergrund wird daher eine Vorrichtung zur kombinierten optischen und nuklearen Bilderfassung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Bilderfassung gemäß Anspruch 13 vorgeschlagen. Weitere Vorteile, Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung sowie bevorzugte Ausführungen und besondere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zur kombinierten optischen und nuklearen Bilderfassung vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst ein, also mindestens ein, Nuklearbilderfassungs-Modul; und ein Referenzbilderfassungs-Modul. Das Nuklearbilderfassungs-Modul ist zum Erfassen einer Intensitätsverteilung einer von einem Nuklear-Blickfeld kommenden Nuklearstrahlung eingerichtet, d. h. einer Information, ob und optional wie viele Nuklearstrahlungspartikel pro Ort detektiert wurden. Das Nuklearbilderfassungs-Modul weist einen Nuklearstrahlungsdetektor, und einen zwischen dem Nuklear-Blickfeld und dem Nuklearstrahlungsdetektor angeordneten Kollimator mit einer Mehrzahl von Kollimator-Öffnungen auf, wobei die oder sogar jede der Kollimator-Öffnungen zum Durchlassen einer aus einem jeweiligen Nuklear-Teilblickfeld des Nuklear-Blickfelds kommenden Teilstrahlung der Nuklearstrahlung angeordnet sind. Das Referenzbilderfassungs-Modul ist zum Erfassen einer Intensitätsverteilung einer von einem Referenz-Blickfeld kommenden optischen Strahlung eingerichtet und weist auf: einen optischen Bild-Sensor; und ein optisches Abbildungs-System zum Lenken der optischen Strahlung von dem Referenz-Blickfeld zu dem Bild-Sensor, wobei das optische Abbildungs-System einen (bezogen auf den Strahlengang) zwischen dem Referenz-Blickfeld und dem optischen Bild-Sensor angeordneten Spiegel für die optische Strahlung umfasst. Auf dem Bild-Sensor ist zu mindestens einem, zu mehreren, oder sogar zu jedem der Nuklear-Teilblickfelder ein jeweiliger Bildbereich zugeordnet, und zwar erfolgt die Zuordnung im Wesentlichen durch das optische Abbildungs-System und seine Anordnung: Das optische Abbildungs-System ist nämlich angeordnet, um die aus einem jeweiligen des mindestens einen Nuklear-Teilblickfelds oder sogar aus jedem der Nuklear-Teilblickfelder kommende optische Strahlung im Wesentlichen genau zu dem jeweils zugeordneten der Bildbereiche zu lenken. Demnach ist das Abbildungs-System auf den Kollimator und die Mehrzahl der Kollimator-Öffnungen abgestimmt.
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Insbesondere dank der Mehrzahl der Kollimator-Öffnungen ist die Aufnahme eines ortsaufgelösten Nuklearbilds hoher Qualität möglich. Zudem ermöglicht das optische Abbildungs-System, dem Nuklearbild auf einfache Weise und in Echtzeit ein optisches Bild zuzuordnen. Die Zuordnung kann für verschiedene Raumtiefen, d. h. in drei Dimensionen korrekt durchgeführt werden, da die Nuklear-Teilblickfelder einschließlich ihrer Bildtiefe den jeweiligen Bildbereichen des optischen Bildsensors zugeordnet sind.
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Die optische Kamera kann ein Laparoskop, Endoskop, eine oder mehrere allgemeine Kamera(s) oder dergleichen umfassen. Auch Kameras, die nur schmale (Narrow-Band) und/oder mehrere getrennte Frequenzbänder aufnehmen können, z. B. Multispektrale Kameras, oder die zur Bilderfassung selbst Licht emittieren, wie Fluoreszenz Kameras, Interferenz-Kameras oder Time-of-Flight Kameras, können als optische Kameras eingesetzt werden. Unter optischer Strahlung wird hierin irgendeine durch einen Spiegel ablenkbare elektromagnetische Strahlung verstanden. Dies ist üblicherweise in einem Wellenlängenbereich zwischen 100 nm und 10 μm Wellenlänge möglich. Der Spiegel ist dementsprechend geeignet, die optische Strahlung zumindest zu einem beachtlichen Teil zu reflektieren, aber er kann durchlässig für Nuklearstrahlung sein. Die Nuklearstrahlung kann beispielsweise Neutronen-, Alpha-, Beta-, und/oder Gamma-Strahlen mit z. B. mehr als 15 keV umfassen. Entsprechend kann der Nuklearstrahlungsdetektor ein Gamma-, Beta-, Compton-Detektor sein. Der Nuklearstrahlungsdetektor kann auch einen dem Nuklearblickfeld gegenüberliegenden weiteren Nuklearstrahlungsdetektor umfassen, um z. B. rauscharme PET-Signale zu erfassen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Vorrichtung für die medizinische Bildgebung, insbesondere für nuklear geführte Chirurgie, Nuklearmedizin, und Zelldetektion vorteilhaft einsetzbar; Zusätzlich ist die Erfindung auch zur Detektion radioaktiven Abfalls verwendbar.
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Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Ausführen der offenbarten Verfahren und umfasst auch Vorrichtungsteile zum Ausführen jeweils einzelner Verfahrensschritte. Diese Verfahrensschritte können durch Hardwarekomponenten, durch einen mittels entsprechender Software programmierten Computer, durch eine Kombination von beiden, oder in irgendeiner anderen Weise ausgeführt werden. Die Erfindung ist des Weiteren auch auf Verfahren gerichtet, gemäß denen die jeweils beschriebenen Vorrichtungen arbeiten. Sie beinhaltet Verfahrensschritte zum Ausführen jeder Funktion der Vorrichtungen.
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Im Weiteren soll die Erfindung anhand von in Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden, aus denen sich weitere Vorteilteile und Abwandlungen ergeben. Dazu zeigen:
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2–6 zeigen jeweilige schematische Seitenansichten von Vorrichtung gemäß einer zweiten bis sechsten Ausführungsform der Erfindung;
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7a zeigt schematische Diagramme weiterer Ausführungsformen mit Modulen zur Bildkalibrierung und -generierung;
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8a zeigt eine perspektivische Darstellung eines Kalibrier-Elements, und 8b zeigt ein durch die Vorrichtung generiertes Abbild dieses Kalibrier-Elements; und
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9a und 9b zeigen verschiedene Kollimator-Öffnungen in Frontalansicht.
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In den Figuren sind einander ähnliche oder entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Hierin beschriebene einzelne Aspekte und Eigenschaften, auch wenn sie im Zusammenhang mit einzelnen Ausführungsformen beschrieben sind, können beliebig mit anderen Aspekten, Eigenschaften oder Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu erhalten.
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1 dient zur Illustration einiger allgemeiner Aspekte der Erfindung, die im Folgenden erläutert werden. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur kombinierten optischen und nuklearen Bilderfassung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Vorrichtung 1 hat ein Nuklearbilderfassungs-Modul 30 und ein Referenzbilderfassungs-Modul 60. Das Nuklearbilderfassungs-Modul 30 hat einen Kollimator 50 und einen Nuklearstrahlungsdetektor 40, der z. B. der in 2 genauer dargestellte Nuklearstrahlungsdetektor sein kann. Das Referenzbilderfassungs-Modul 60 umfasst einen optischen Bild-Sensor 70 und ein optisches Abbildungs-System 80 mit einem Spiegel 82, der die optische Strahlung reflektiert, für Nuklearstrahlung dagegen durchlässig ist.
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Der Kollimator 50 hat mehrere Kollimator-Öffnungen und ist als Diverging-Holes-Kollimator ausgeführt: Die Kollimator-Öffnungen sind zur von einem gemeinsamen in etwa punktartigen Zentrum 32 weg und zu einem Nuklearblickfeld 36 hin gerichtet. Das Zentrum 32 wird auch als perspektivisches Nuklearstrahlungs-Zentrum 32 bezeichnet. Für einen hinreichend langen Kollimator 50 erlaubt diese Geometrie des Kollimator 50, durch den Detektor 40 ein perspektivisches ortsaufgelöstes Nuklearstrahlungs-Bild der Nuklearstrahlung in dem Nuklearblickfeld 36 zu erhalten: Nämlich definiert jede der Kollimator-Öffnungen ein zum Zentrum 32 hin gerichtetes Teilblickfeld des Nuklearblickfelds 36, so dass der Detektor 40 in einem entsprechenden Bild-Bereich des Nuklearstrahlungs-Bildes die aus dem entsprechenden Teilblickfeld kommende Strahlung erfasst. Dadurch wird ein ortsaufgelöstes perspektivisches Nuklear-Bild mit perspektivischem Zentrum 32 erzeugt. Demnach hat auch das Nuklearblickfeld 36 insgesamt eine im Wesentlichen zum Zentrum 32 hin gerichtete seitliche Begrenzung. Für eine endliche Kollimator-Länge wird ein solches perspektivisches Bild zumindest näherungsweise erzeugt.
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Das optische Abbildungs-System 80 ist angeordnet, um optische Strahlung von dem Referenz-Blickfeld 66 zu dem Bild-Sensor 70 zu lenken. Auch das optische Abbildungs-System 80 ist eingerichtet, um ein perspektivisches Bild zu erzeugen, d. h. die optische Strahlung wird so von dem Referenz-Blickfeld 66 auf den Bild-Sensor 70 gelenkt, dass aus jeweiligen auf ein virtuelles optisches Zentrum 62' zulaufenden Teilvolumina kommende optische Strahlung auf jeweilige Bildbereiche des Bild-Sensors gelenkt werden. Die Position des Zentrums 62' ist durch das ungespiegelte perspektivische Zentrum 62 und den Spiegel 82 vorgegeben. Das ungespiegelte perspektivische Zentrum 62 ist wiederum durch eine zu dem Bild-Sensor 70 zugehörige Kamera-Optik (mit Linsen und Apertur) und ggf. sonstige optische Elemente vorgegeben. In 1 ist das ungespiegelte perspektivische Zentrum 62 hinter dem Bild-Sensor 70 liegend dargestellt, je nach optischen Elementen kann es jedoch auch vor dem Bild-Sensor 70 liegen. Das Referenz-Blickfeld 66 hat eine im Wesentlichen zum virtuellen optischen Zentrum 62' hin gerichtete seitliche Begrenzung. In 1 ist auch eine willkürlich gewählte vordere Begrenzung des Referenz-Blickfeld bzw. des Nuklearblickfeld dargestellt. Ebenso kann es eine hintere Begrenzung geben. Diese Begrenzungen können beispielsweise durch die Zugänglichkeit des Messraums, die Empfindlichkeit des Nuklearstrahlungsdetektors 40 und dergleichen bestimmt sein. Hierin wird unter einer Begrenzung im Wesentlichen die seitliche Begrenzung in dem vor dem äußersten Spiegel oder sonstigen optischen Element liegenden Bereich verstanden.
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In 1 ist die Position und Orientierung des Bild-Sensor 70, des Spiegels 82 und ggf. weiterer optischer Elemente so gewählt, dass die Position des virtuellen optischen Zentrums 62' im Wesentlichen mit der Position des Nuklearbild-Zentrums 32 übereinstimmt. Um eine übereinstimmende Position der beiden Zentren 32, 62' zu erreichen, ist insbesondere vorzusehen, dass das (reale) Zentrum 62 und das Zentrum 32 den gleichen Abstand von einer Mitte des Spiegels 82 hat. Durch die Übereinstimmung der Zentren 32, 62' vermag das Referenzbilderfassungs-Modul 60 ein optisches Bild mit der gleichen Perspektive wie ein von dem Nuklearbilderfassungs-Modul 30 erfasstes Nuklear-Bild zu erfassen. Die gemeinsame Perspektive ermöglicht eine gute räumliche Zuordnung des Nuklearbilds mit dem optischen Bild in dem gesamten Raumbereich innerhalb des Referenz-Blickfeld bzw. des Nuklearblickfeld. In 1 sind der Nuklearblickfeld 36 und der Referenz-Blickfeld 66 sogar gleich gewählt. Dies ist jedoch keine notwendige Bedingung. Beispielsweise könnte alternativ auch der Nuklearblickfeld 36 in dem Referenz-Blickfeld 66 enthalten sein oder umgekehrt oder Nuklearblickfeld 36 und Referenz-Blickfeld 66 sich auf andere Weise überlappen.
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2 zeigt eine ähnliche wie die in 1 dargestellte Vorrichtung mit einigen weiteren Details. Die Beschreibung von 1 gilt auch für 2 entsprechend, und im Folgenden sollen lediglich die weiteren Details beschrieben werden. In 2 sind weitere Details des Nuklearstrahlungsdetektors 40 dargestellt, der einen Szintillator 46 und ein Array von Fotodioden 48 umfasst. Der Kollimator 50 ist in Strahlrichtung vor dem Szintillator 46 angeordnet und hat mehrere Kollimator-Öffnungen 52. Als weitere Details des Referenzbilderfassungs-Moduls 60 sind neben dem optischen Bild-Sensor 70 auch eine Linsenanordnung 86 dargestellt. Die Linsenanordnung bestimmt die Lage des ungespiegelten perspektivischen Zentrums 62. Zusätzlich sind in 2 seitliche Begrenzungen 34, 35 des Nuklear-Blickfelds 36 und seitliche Begrenzungen 64, 65 des optischen Referenz-Blickfelds 66 dargestellt.
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Weiter ist in 2 für eine der Kollimator-Öffnungen 52 des Kollimators 50 beispielhaft das entsprechende Teilblickfeld 37, seitlich begrenzt durch die Begrenzungen 34, 34a, dargestellt. Die Kollimator-Öffnungen 52 ist so angeordnet, dass sie die aus dem Nuklear-Teilblickfeld 37 kommende Nuklearstrahlung durchlässt. Der Kollimator-Öffnung 52 bzw. dem Teilblickfeld 37 ist ein entsprechender Bild-Bereich des Szintillators 46 zugeordnet, so dass der Szintillator 46 und somit der Detektor 40 in diesem Bild-Bereich die aus dem Teilblickfeld 37 kommende Strahlung erfasst. Da die übrigen Kollimator-Öffnungen auf entsprechende Weise gestaltet sind, wird insgesamt ein ortsaufgelöstes perspektivisches Nuklear-Bild mit perspektivischem Zentrum 32 und einer durch den Kollimator 50 vorgegebenen Auflösung erzeugt. In dieser Beschreibung ist eine Unschärfe des Nuklearbilds aufgrund der endlichen Länge des Kollimators vernachlässigt. Diese Vernachlässigung soll im Folgenden beibehalten werden. Insbesondere wenn bestimmte Relationen also „im Wesentlichen” erfüllt beschrieben sind, soll dies eine Vernachlässigung derartiger Unschärfen beinhalten.
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Durch die Übereinstimmung des Nuklearstrahlungs-Zentrums 32 und dem virtuellen optischen Zentrum 62' vermag das Referenzbilderfassungs-Modul 60 ein optisches Bild mit der gleichen Perspektive wie das Nuklearbilderfassungs-Modul 30 zu erfassen. Daher gibt es ein dem Nuklear-Teilblickfeld 37 entsprechendes optisches Teil-Blickfeld, nämlich das durch die seitlichen Begrenzungen 64 und 64a begrenzte Teil-Blickfeld. Die aus diesem optischen Teil-Blickfeld kommende optische Strahlung wird auf einem Bildbereich 75 des optischen Bild-Sensors 70 erfasst. Somit ist der Bildbereich 75 dem Nuklear-Teilblickfeld 37 zugeordnet. Diese Zuordnung erfolgt im Wesentlichen durch das optische Abbildungs-System 80 und seine Anordnung: Das optische Abbildungs-System 80 ist angeordnet, um die aus dem Nuklear-Teilblickfeld 37 kommende optische Strahlung im Wesentlichen genau zu dem Bildbereich 75 zu lenken.
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Damit die Zentren 32 und 62' übereinstimmen, ist es zweckmäßig, dass der Abstand 1o des optischen Zentrums 62 von einer Mitte des Spiegels 82 und der Abstand 1n des Nuklearstrahlungs-Zentrums 32 von der Mitte des Spiegels 82 gleich sind. Weiter ist es zweckmäßig, dass die Apertur ao bzw. der Winkel αo des optischen Bild-Sensors 70 bzw. der zugehörigen optischen Anordnung 86 größer oder gleich wie die durch den Kollimator 50 vorgegebene Apertur an (auf den gleichen Abstand vom Zentrum 32 bezogen wie die Apertur ao) bzw. der Winkel an. In 2 sind die Aperturen bzw. Winkel gleich gewählt, so dass Nuklearblickfeld 36 und Referenz-Blickfeld 66 übereinstimmen.
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Weiter ist in 2 ein optionaler starrer Rahmen 10 schematisch dargestellt. Der Rahmen 10 verbindet den optischen Bild-Sensor 70 und den Nuklearstrahlungsdetektor 40 starr miteinander. Die starre Verbindung schließt nicht aus, dass der optischen Bild-Sensor 70 und den Nuklearstrahlungsdetektor 40 etwa durch Kalibrier-, Justierelemente oder dergleichen gegeneinander bewegbar sind. Jedoch ermöglicht der Rahmen 10 eine starre und zuverlässige Verbindung zumindest während des Betriebs. Somit ist die Zuordnung zwischen dem Bildbereich 75 und dem Nuklear-Teilblickfeld 37 sicher gewährleistet. Auch der Spiegel 82 und weitere optische Elemente können mit dem Rahmen 10 starr verbunden sein.
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3 zeigt eine zu 2 ähnliche Ausführungsform. Bis auf die untenstehend beschriebenen Unterschiede gilt die Beschreibung der 1 und 2 auch für 3. Im Gegensatz zu 2 weist in 3 der Kollimator 50 parallele Öffnungen 52 auf. Ein perspektivisches Zentrum 32 wie in 2 existiert daher nicht bzw. ist ins Unendliche verschoben. Die von den jeweiligen Kollimator-Öffnungen 52 definierten Nuklear-Teilblickfelder 37 verlaufen parallel zueinander und weiten sich im Wesentlichen, d. h. unter Vernachlässigung der endlichen Kollimator-Länge, nicht auf. Somit hat das Nuklearbilderfassungs-Modul 30 von 3 keine perspektivischen, sondern telezentrische Abbildungseigenschaften.
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Entsprechend weist auch das Referenzbilderfassungs-Modul 60 bzw. das optische Abbildungs-System 80 telezentrische Abbildungseigenschaften auf, so dass die aus den Nuklear-Teilblickfeldern 37 kommende optische Strahlung im Wesentlichen genau zu einem jeweils zugeordneten der Bildbereiche 75 gelenkt wird, analog wie zu 2 beschrieben. Die telezentrischen Abbildungseigenschaften des optischen Abbildungs-System 80 können beispielsweise mittels einer telezentrischen Objektivlinse erreicht werden. Alternativ kann auch ein Kollimator für optische Strahlung mit einem dahinter angeordneten ortsaufgelösten optischen Detektor 70 verwendet werden, um die telezentrischen Abbildungseigenschaften in analoger Weise wie das Nuklearbilderfassungs-Modul zu realisieren. Als ortsaufgelöster optischer Detektor 70 kommt etwa eine CCD-Kamera (evtl. ohne weitere Objektivoptik) oder ein Array von Fotodioden niedriger Empfindlichkeit in Betracht. Ein Array von Lichtleitern kann in diesem Fall das Licht von einem Ende des optischen Kollimators zu dem optischen Detektor leiten.
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4 zeigt eine weitere Abwandlung der in 2 dargestellten Ausführungsform. Wiederum gilt bis auf die untenstehend beschriebenen Unterschiede die Beschreibung der 1 und 2 auch für 4 entsprechend. In 4 umfasst das Referenzbilderfassungs-Modul neben dem (ersten) Bild-Sensor 70 noch einen zweiten Bild-Sensor 74, und das optische Abbildungs-System 80 umfasst neben dem (ersten) Spiegel 82 noch einen zweiten Spiegel 84. Das optische Blickfeld des ersten Bild-Sensors 70 ist seitlich durch die Linien 64, 65 begrenzt, und der erste Spiegel 82 ist angeordnet, um dieses Blickfeld 66a so zu spiegeln, dass es eine (die obere) Partie des Nuklearblickfelds 36 abdeckt. Das optische Blickfeld des zweiten Bild-Sensors 74 ist seitlich durch die Linien 68, 69 begrenzt, und der Spiegel 84 ist angeordnet, um dieses Blickfeld 66b so zu spiegeln, dass es eine weitere (die untere) Partie des Nuklearblickfelds 36 abdeckt. Gemeinsam bilden die Blickfelder 66a und 66b das Blickfeld 66 des Referenzbilderfassungs-Modul. In 4 ist das Blickfeld 66 des Referenzbilderfassungs-Modul mit dem Nuklearstrahlungs-Blickfeld 36 im Wesentlichen gleich. Das Blickfeld 66 kann das Nuklearstrahlungs-Blickfeld 36 aber auch lediglich überlappen. Der starre Rahmen 10 ist neben dem ersten Bild-Sensor 70 und dem Nuklearstrahlungsdetektor 40 auch mit dem zweiten Bild-Sensor 74 und den Spiegeln 82, 84 starr verbunden.
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Somit lenkt der zweite Spiegel 82 die optische Strahlung von dem Referenz-Blickfeld 66, genauer von dem Teil 66a des Referenz-Blickfelds 66, zu dem zweiten Bild-Sensor 74. Ähnlich wie bereits zu den 1 und 2 beschrieben, stimmen auch in 4 die virtuellen Zentren der Bild-Sensoren 70, 74 und das perspektivische Zentrum des Kollimators 50 überein. Durch die Übereinstimmung der Zentren haben die von den Bild-Sensoren 70, 74 erfassten optischen Bilder die gleiche Perspektive wie das von dem Nuklearbilderfassungs-Modul 30 erfasste Nuklear-Bild. Dies ermöglicht wiederum eine gute räumliche Zuordnung des Nuklearbilds mit den jeweiligen optischen Bildern bzw. mit einem zusammengesetzten optischen Bild der Bild-Sensoren 70 und 74.
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Auch in 5 ist eine Vorrichtung 1 mit zwei Bild-Sensoren 70, 74 dargestellt, und die Beschreibung der 1, 2 und 4 gilt auch für 5 entsprechend, abgesehen von den im Folgenden beschriebenen Unterschieden. Der erste Bild-Sensor 70 und der erste Spiegel 82 sind wie in 1 und 2 dargestellt angeordnet. Der erste Bild-Sensor 70 ist eingerichtet, um optische Strahlung einer ersten Art, z. B. einer ersten Polarisation oder eines ersten Wellenlängenbereichs, zu erfassen. Der erste Spiegel 82 ist eingerichtet, um die optische Strahlung der ersten Art wie in 1 und 2 beschrieben zu spiegeln. Der zweite Bild-Sensor 74 ist eingerichtet, um optische Strahlung einer zweiten Art, z. B. einer zweiten Polarisation oder eines zweiten Wellenlängenbereichs, zu erfassen. Der zweite Spiegel 84 ist eingerichtet, um die optische Strahlung der zweiten Art wie in 1 und 2 beschrieben zu spiegeln, aber die optische Strahlung der ersten Art durchzulassen. Auch in 5 stimmen die jeweiligen virtuellen Zentren der Bild-Sensoren 70, 74 und das perspektivische Zentrum des Kollimators 50 überein. Durch die Übereinstimmung der Zentren haben die von den Bild-Sensoren 70, 74 erfassten optischen Bilder und das von dem Nuklearbilderfassungs-Modul 30 erfasste Nuklear-Bild eine einzige gemeinsame Perspektive. Dies ermöglicht wiederum eine gute räumliche Zuordnung des Nuklearbilds und der optischen Bilder der Bild-Sensoren 70 und 74 untereinander. Alle drei Bilder können mit gleicher räumlicher Zuordnung miteinander überlagert werden. Durch die Möglichkeit, optische Strahlung verschiedener Art selektiv zu erfassen, kann zusätzliche Information über das Referenz-Blickfeld 66 gewonnen werden und ein optisches Bild mit verbessertem Kontrast erhalten werden.
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6 zeigt eine Vorrichtung, für welche wiederum die Beschreibung der 1 und 2 entsprechend gilt, abgesehen von den im Folgenden beschriebenen Unterschieden. In 6 ist statt nur einem einzigen Spiegel 82 eine Anordnung mit mehreren Spiegeln 82, 84 dargestellt. Die von dem Referenz-Blickfeld 66 kommende optische Strahlung wird zunächst vom Spiegel 82 und sodann vom Spiegel 84 zu dem Bild-Sensor 70 hin reflektiert. Die Position und Orientierung der Spiegels 82, 84 und ggf. weiterer optischer Elemente ist so gewählt, dass die Position des virtuellen optischen Zentrums 62' im Wesentlichen mit der Position des Nuklearbild-Zentrums 32 übereinstimmt. Durch den weiteren Spiegel 84 kann die Position des Bild-Sensor 70 freier gewählt und somit insgesamt eine kompaktere Anordnung der Elemente des Referenzbilderfassungs-Moduls 60 erreicht werden.
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Die in 1 bis 6 dargestellten Vorrichtungen können noch weiter variiert werden. So ist beispielsweise bei einigen der dargestellten Vorrichtungen nur ein Kollimator mit divergierenden Öffnungen dargestellt. Es ist jedoch auch ein Kollimator mit parallelen Öffnungen möglich. In diesem Fall hat das Referenzbilderfassungs-Modul 60 entsprechend angepasste telezentrische Abbildungseigenschaften, wie mit Bezug auf 3 beschrieben. Weiter kann auch eine noch andere Öffnungs-Geometrie des Kollimators gewählt werden, z. B. Multipinhole Kollimatoren, Converging Kollimatoren, Aperture Coded Kollimatoren, etc., und auch in diesem Fall sind die Abbildungseigenschaften des Referenzbilderfassungs-Moduls 60 entsprechend anzupassen, so dass die aus einem jeweiligen der Nuklear-Teilblickfelder kommende optische Strahlung im Wesentlichen genau zu einem jeweils zugeordneten Bildbereiche des optischen Bild-Sensor 70 gelenkt wird.
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In 7a ist eine weitere Ausführungsform mit einem Modul zur Bildkalibrierung und -generierung dargestellt. Ein Kalibrier-Modul 90 ist mit dem Bild-Sensor 70 und dem Nuklearstrahlungsdetektor 40 verbunden. Das Kalibrier-Modul 90 erlaubt das Zuordnen räumlich übereinstimmender Bildkoordinaten eines von dem Nuklearstrahlungsdetektor 40 erfassten Nuklearstrahlungs-Bilds und eines von dem Bild-Sensor 70 erfassten optischen Bilds. Im einfachsten Fall kann das Kalibrier-Modul einfach eine z. B. bei der Herstellung der Vorrichtung generierte Tabelle oder Rechenvorschrift umfassen, die diese Zuordnung vornimmt. In anderen Ausführungsformen ist es jedoch gewünscht, eine solche Zuordnung durch den Benutzer zu erlauben. Für diesen Fall kann das Kalibrier-Modul eine durch den Benutzer vornehmbare Kalibrier-Routine umfassen. Eine solche Kalibrier-Routine ist im Folgenden mit Bezug auf 8a und 8b dargestellt.
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8a zeigt ein Kalibrier-Element 2. Das Kalibrier-Element weist acht Marker 3 auf, die in einem festen räumlichen Verhältnis zueinander angeordnet sind (etwa durch einen starren Verbindungsrahmen, wie in 8a durch Linien angedeutet). Die in 8a dargestellte räumliche Anordnung ist besonders vorteilhaft: Vier der Marker 3 sind planar in einer ersten Ebene (unteren Ebene) in einer ersten Rechtecks-Anordnung angeordnet, und vier weitere der Marker 3 sind planar in einer zweiten Ebene (oberen Ebene) in einer zweiten Rechtecks-Anordnung angeordnet, wobei die zweite Rechtecks-Anordnung eine kleinere Rechtecks-Fläche als die erste Rechtecks-Anordnung definiert. Die erste und die zweite Ebene sind parallel zueinander angeordnet, und die beiden Rechtecks-Anordnungen sind um eine gemeinsame zu der ersten und zweiten Ebene senkrechte Mittelachse angeordnet.
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Die Marker 3 senden Strahlung aus, die sowohl durch den optischen Bild-Sensor 70 als auch durch den Nuklearstrahlungsdetektor 40 erkennbar ist. Die Marker 3 können in einer weiteren Ausführungsform auch optische Strahlung reflektieren. Diese Strahlung kann in Ausführungsformen näherungsweise durch eine Punktstrahlungsquelle idealisiert werden. Die Signale der acht Marker 3 werden somit durch den Nuklearstrahlungsdetektor 40 sowie durch den Bild-Sensor 70 erfasst und an das Kalibrier-Modul 90 übermittelt. 8b zeigt ein durch das Nuklearstrahlungsdetektor 40 bzw. durch den Bild-Sensor 70 aufgenommenes Abbild des Kalibrier-Elements 2 mit den Marker 3. Die Marker 3 können, aber müssen nicht Punktstrahlungsquellen sein. So können die Marker 3 in einer weiteren Ausführungsform, sondern auch als Linien, Muster, oder Flächen, etc ausgebildet sein.
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Das Kalibrier-Modul 90 weist eine Bildauswertungs-Funktion auf, die die jeweiligen Bildkoordinaten der acht Marker 3 (siehe 8b) in dem von dem Nuklearstrahlungsdetektor 40 erfassten Nuklearstrahlungs-Bild sowie in dem von dem Bild-Sensor 70 erfassten optischen Bild ermittelt. Dadurch ist eine Zuordnung zumindest dieser Bildkoordinaten möglich. Aufgrund dieser Bildkoordinaten können auch die übrigen Bildkoordinaten des Nuklearstrahlungs-Bilds und des optischen Bilds durch Interpolation zugeordnet werden. Zur Zuordnung genügen eigentlich bereits die Positionen von drei Marker. Durch die insgesamt acht Marker ist das Problem der Zuordnung überbestimmt. Diese zusätzliche überbestimmte Information kann durch einen geeigneten Interpolations-Algorithmus zur Fehlerkorrektur und zum Erreichen einer zuverlässigeren Zuordnung verwendet werden. Auch können mehrere Aufnahmen des Kalibrier-Elements 2 etwa in verschiedenen Orientierungen in ähnlicher Weise verwendet werden, um eine noch robustere und zuverlässigere Zuordnung räumlich übereinstimmender Bildkoordinaten des Nuklearstrahlungs-Bilds und des optischen Bilds zu erhalten. Diese Kalibrierung ist aufgrund der besonderen oben beschriebenen Abbildungseigenschaften des Referenzbilderfassungs-Modul ermöglicht. Nur dank der besonderen oben beschriebenen Abbildungseigenschaften – nämlich dass die aus einem jeweiligen der Nuklear-Teilblickfelder kommende optische Strahlung im Wesentlichen genau zu dem jeweils zugeordneten der Bildbereiche gelenkt wird – sind die dreidimensional angeordneten Marker 3 widerspruchsfrei kalibrierbar. Formell äußert sich dies darin, dass das überbestimmte Gleichungssystem zur Zuordnung der Bildkoordinaten lösbar ist (bzw. dass dennoch bestehende unlösbare Gleichungen des Gleichungssystems auf Ungenauigkeiten beruhen müssen und somit kompensiert werden können).
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Das Kalibriermodul erlaubt auch einen manuellen Betrieb. Hier werden die beiden Bilder, das optische Bild und das Nuklearstrahlungsbild, als Teilbilder überlagert und können manuell gegeneinander bewegt und verzerrt werden, bis alle Marker-Positionen sich mit genügender Genauigkeit überdecken.
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In einer weiteren Ausführungsform kann das Kalibrier-Element 2 auch zur Positionierung des Referenzbilderfassungs-Moduls 60 oder Elementen desselben relativ zu Elementen des Nuklearbilderfassungs-Moduls 30 verwendet werden (siehe z. B. 2). Beispielsweise kann der Bild-Sensor 70 oder der Spiegel 82 so positioniert werden, bis alle Marker 3 sich mit genügender Genauigkeit überlagern. Diese Kalibrierung kann manuell erfolgen oder in einer Positions-Kalibrier-Routine des Kalibrier-Moduls enthalten sein, die entsprechende Anweisungen zur Positionierung von Elementen des Referenzbilderfassungs-Moduls 60 relativ zu Elementen des Nuklearbilderfassungs-Moduls 30 ausgibt.
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Weiter ist in 7a ein Überlagerungs-Modul 92 dargestellt. Das Überlagerungs-Modul 92 empfangt die Bildinformationen von dem Nuklearstrahlungsdetektor 40 und dem Bild-Sensor 70 und empfängt Zuordnungs-Information von dem Kalibrier-Modul 90. Mittels diesen Informationen überlagert das Überlagerungs-Modul 92 das Nuklearstrahlungs-Bilds (erstes Teilbild) mit dem optischen Bild (zweites Teilbild) zu einem gemeinsamen überlagerten Bild, in dem räumlich einander zugeordnete Bildbereiche der jeweiligen Teilbilder miteinander überlagert sind. Das Überlagerungs-Modul 92 gibt das überlagerte Bild sodann an ein Bild-Display 98 aus. Der jeweilige Bildanteil der Teilbilder kann durch einen Regler einstellbar oder fest vorgegeben sein. Auch kann das Überlagerungs-Modul 92 zwischen der Ausgabe beider Teilbilder umschaltbar sein, um entweder das eine oder das andere Teilbild oder ggf. ein überlagertes Bild auszugeben. Ein Vorteil der Ausführungsform liegt darin, dass eine Kalibration nur dann erforderlich ist, wenn Veränderungen an dem Nuklearbilderfassungs-Modul und/oder an dem Referenzbilderfassungs-Modul vorgenommen werden. In Abwesenheit solcher Veränderungen kann die Vorrichtung sofort und ohne weitere Kalibrierung verwendet werden.
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In 9a und 9b sind verschiedene Gestalten der Kollimator-Öffnungen des Kollimators 50 in Frontalansicht (in 1 aus Richtung des Nuklearblickfeld 36, also von links her, betrachtet) beispielhaft dargestellt. Diese Kollimator-Öffnungen können divergierend oder parallel angeordnet sein. In 9a ist eine Anordnung als eine regelmäßige quadratische Matrix von Bildelementen dargestellt, die zu einem Pixel-artigen Bild führt. In 9b haben die Kollimator-Öffnungen 50 jeweils längliche Gestalt und erstrecken sich in verschiedenen Richtungen. Dadurch lassen sich insbesondere anisotrope Strukturen gut erkennen. Der Kollimator 50 von 9b kann rotierbar sein. Auch eine andere z. B. wabenartige Anordnung sechseckiger Kollimator-Öffnungen ist möglich.
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Das Referenzbilderfassungs-Modul ist in entsprechender Weise an die Gestalt der Kollimator-Öffnungen angepasst, so dass entsprechende Bildbereiche auf dem Bildsensor definiert sind, auf welche die aus den jeweiligen Nuklear-Teilblickfeldern kommende optische Strahlung gelenkt wird. Im Fall, dass der Bildsensor ein Pixel-Sensors ist, unterscheidet sich lediglich die Zugehörigkeit der einzelnen Pixel des Pixel-Sensors zu den jeweiligen den Kollimator-Öffnungen zugeordneten Bildbereichen. Alternativ kann das Referenzbilderfassungs-Modul auch z. B. mit einem optischen Kollimator ausgestattet sein. In diesem Fall kann der optische Kollimator entsprechend dem Kollimator 50 gestaltet sein.
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Im Folgenden werden einige weitere allgemeine Aspekte von Ausführungsformen geschildert, die mit beliebigen der hierin beschriebenen Ausführungsformen kombinierbar sind. Gemäß einem Aspekt ist der optische Bild-Sensor ein Pixel-Sensor, und der Bildbereich ein Pixelbereich. Gemäß einem weiteren Aspekt enthält das Referenz-Blickfeld das Nuklear-Blickfeld im Wesentlichen vollständig. Gemäß einem weiteren Aspekt ist zu mehreren der Nuklear-Teilblickfelder oder sogar zu jedem der Nuklear-Teilblickfelder auf dem Bild-Sensor ein jeweiliger Bildbereich zugeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Nuklearstrahlungsdetektor z. B. eine Gamma-, Beta-, Compton-Kamera, und/oder ein PET-Detektor. Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst der Nuklearstrahlungsdetektor einen Kollimator, einen Szintillator und ein Fotodioden-Array, oder äquivalente Nuklearstrahlungsdetektoranordnungen, wie z. B., Halbleiterdetektoren zur direktem Nachweis von Strahlung, Szintillatoren mit angeschlosenen Photomultiplier Tubes (PMT), Szintillatoren mit angeschlossenen Silicon Photomultipliers (SiPM), usw. Gemäß einem weiteren Aspekt hat das Nuklearbilderfassungs-Modul zwei einander gegenüberliegende Nuklearstrahlungsdetektoren zum Erfassen von Positronen-Emittern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Kollimator ein Diverging-Holes-Kollimator, und das optische Abbildungs-System ist fokussierend. Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Kollimator ein Parallel-Hole-Kollimator ist, und das optische Abbildungs-System ist im Wesentlichen telezentrisch, umfasst also z. B. eine telezentrische Linsenanordnung oder Parallel-Hole-Kollimator mit telezentrischen Abbildungseigenschaften. Hierin wird auch eine nur näherungsweise telezentrische Linse als telezentrisch angesehen: Telezentrisch kann auch bedeuten, dass ein perspektivisches Zentrum der Linsenanordnung nicht im Unendlichen liegt, sondern lediglich mehr als fünfmal, vorzugsweise aber mehr als zehnmal weiter von dem Spiegel entfernt ist als der optische Bildsensor. Gemäß einem weiteren Aspekt ist der Kollimator ein Multipinhole-Kollimator, ein Coverging-Holes-Kollimator, ein Slanted-Holes-Kollimator oder ein Aperture-Coded-Kollimator, und das optische System ist gestaltet, um entsprechende Abbildungseigenschaften zu haben (z. B. ebenfalls durch Verwendung eines entsprechenden Kollimators).
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Gemäß einem weiteren Aspekt definiert das Nuklearbilderfassungs-Modul ein perspektivisches Nuklearstrahlungs-Zentrum für die Nuklearstrahlung und das Referenzbilderfassungs-Modul definiert ein virtuelles perspektivisches optisches Zentrum für die optische Strahlung, wobei das Nuklearstrahlungs-Zentrum und das virtuelle optische Zentrum an im Wesentlichen, d. h. im Rahmen üblicher Genauigkeit, gleicher Position angeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Bild-Sensor ein erster Bild-Sensor und der Spiegel ein erster Spiegel, und das Referenzbilderfassungs-Modul hat einen zweiten optischen Bild-Sensor und einen zweiten Spiegel zum Lenken der optischen Strahlung von dem Referenz-Blickfeld zu dem zweiten Bild-Sensor. Gemäß einem weiteren Aspekt sind die Spiegel so angeordnet, dass erster Teil der optischen Strahlung von dem ersten Spiegel auf den ersten Bild-Sensor, und ein zweiter Teil der optischen Strahlung von dem zweiten Spiegel auf den zweiten Bild-Sensor gelenkt wird. Gemäß einem weiteren Aspekt sind der Nuklearstrahlungsdetektor und der Bild-Sensor auf der gleichen Seite des Referenz-Blickfelds angeordnet.
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Gemäß einem weiteren Aspekt hat die Vorrichtung einen starren Rahmen, der den optischen Bild-Sensor und Nuklearstrahlungsdetektor starr miteinander verbindet (bei Benutzung), aber z. B. Kalibrierschrauben oder andere außerhalb der eigentlichen Benutzung bewegliche Elemente enthalten kann. Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Vorrichtung ausgestattet, um überlagerte Bilder als Echtzeit-Bilder und/oder bewegte Bilder auszugeben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Vorrichtung weiter ein Kalibrier-Modul zum Zuordnen räumlich übereinstimmender Bildkoordinaten eines von dem Nuklearstrahlungsdetektor erfassten Nuklearstrahlungs-Bilds und eines von dem Bild-Sensor erfassten optischen Bilds. Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Vorrichtung weiter ein Überlagerungs-Modul zum Überlagern des Nuklearstrahlungs-Bilds und des optischen Bilds zu einem gemeinsamen überlagerten Bild. Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Vorrichtung weiter ein Bildgebungs-System für räumliche Bildgebung, zur Rekonstruktion eines dreidimensionalen Rekonstruktions-Bildes aus Nuklear-Bilddaten, etwa mittels bekannten Verfahren zur 3d-Bild-Rekonstruktion, und zum Ablegen des dreidimensionalen Rekonstruktions-Bildes in einem Bildspeicher. Insbesondere können die Nuklear-Bilddaten von dem Nuklearsensor generierte Daten umfassen. Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Vorrichtung ein virtuelles-Bild-Generierungs-System zum Generieren eines virtuellen perspektivischen Bildes aus in dem Bildspeicher gespeicherten Daten, so dass das virtuelle perspektivische Bild die gleiche Perspektive wie das optische Bild hat. Gemäß einem weiteren Aspekt ist das virtuelles-Bild-Generierungs-System programmiert, um das virtuelle Bild und das optische Bild einander zuzuordnen, etwa mittels Zuordnung von in dem optischen Bild enthaltenen optischen Markern. Gemäß einem weiteren Aspekt ist das virtuelle Bild ein Nuklearbild.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Vorrichtung ein Bild-Display. Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Vorrichtung eine medizinische Bildgebungs-Vorrichtung zur Ermittlung einer Tracer-Konzentration im Körper eines Lebewesens, z. B. eines Menschen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10049103 [0005]
- JP 61057804 [0005]
- US 2007/0019787 [0005, 0005]
- US 6447163 [0005]
- US 3679901 [0005]
- EP 0743538 [0006]
