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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Röntgenbildes gemäß dem Patentanspruch 1 sowie ein Röntgensystem zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 10.
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In der röntgenbasierten Bildgebung werden häufig Röntgenröhren mit Anoden wie z. B. Drehanodenröhren als nahezu punktförmige Röntgenquellen verwendet. Bei diesen wird im Vakuum ein Elektronenstrahl in einem elektrischen Feld beschleunigt. Der Elektronenstrahl trifft unter einem bestimmten Winkel α auf die flächige Anode aus Schwermetall (z. B. Wolfram, Molybdän, Rhodium). Dabei entsteht die charakteristische Bremsstrahlung, welche die Anode unter einem Winkel von 90 Grad verlässt und als bildgebende Strahlung verwendet werden kann. Der Winkel α wird als Kompromiss zwischen den folgenden beiden Kriterien optimiert: Der Winkel sollte möglichst groß sein, damit eine große Fläche damit ausgeleuchtet werden kann; der Winkel sollte möglichst klein sein, denn je kleiner der Winkel ist, desto größer darf bei gleicher optischer Fokusgröße die elektrische Brennfleckgröße sein, was höhere Pulsleistungen erlaubt. Der Winkel wird im Allgemeinen so gewählt, dass er gerade die benötigte Fläche ausleuchten kann.
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Die optische Fokusgröße ist endlich und führt zu einer Verunschärfung von Röntgenbildern. Winkel-Anodenröhren haben zudem den Nachteil, dass durch ihre spezielle geometrische Anordnung der optische Fokus je nach Blickrichtung vom Röntgendetektor aus gestaucht oder verzerrt erscheint. In der 2 ist eine Ansicht der Variation der Fokusgeometrie in verschiedenen Ausstrahlrichtungen zum Zentralstrahlpunkt des Röntgenstrahls gezeigt. Dieser sogenannte Fokus-Astigmatismus führt zu unterschiedlichen, lokal abhängigen Verunschärfungen auf dem Röntgendetektor bzw. dem Röntgenbild.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Bearbeitung eines Röntgenbildes bereitzustellen, welches eine Verbesserung der Qualität eines Röntgenbildes ermöglicht. Es ist außerdem Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein für die Durchführung des Verfahrens geeignetes Röntgensystem bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Bearbeitung eines Röntgenbildes gemäß dem Patentanspruch 1 sowie durch ein Röntgensystem zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Patentanspruch 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der zugehörigen Unteransprüche.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Bearbeitung eines Röntgenbildes, wobei eine mathematische Korrektur des Röntgenbildes durchgeführt wird, wobei die Korrektur eine lokal abhängige, durch eine projektionsrichtungsabhängige wirksame optische Fokusgröße eines optischen Fokus einer zur Aufnahme des Röntgenbildes verwendeten Röntgenröhre hervorgerufene Verunschärfung aus dem Röntgenbild zumindest teilweise entfernt, kann ein in allen Bildbereichen einheitlicher Bildeindruck bei Röntgenbildern erreicht werden. Dadurch wird neben einer deutlich verbesserten und einheitlichen Bildqualität auch die Gefahr von Fehldiagnosen durch unklare Bildinformationen gesenkt. Außerdem wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine weitere Prozessierung und Bearbeitung des Röntgenbildes maßgeblich erleichtert und damit auch beschleunigt. Insbesondere kann nach der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Bearbeitung des Röntgenbildes im Ortsfrequenzraum erfolgen, da das Röntgenbild nun keine relevante ortsvariante Verunschärfung mehr aufweist. Mathematisch gesehen wird durch das Verfahren eine ortsvariante Punktspreizfunktion korrigiert. Beispielsweise kann hierzu die Korrektur einer Ortsvarianten Punktspreizfunktion auf die Korrektur einer Ortsinvarianten Punktspreizfunktion zurückgeführt werden, wobei letztere deutlich einfacher zu bearbeiten ist. Das ermöglicht unter anderem auch eine Bearbeitung mittels des bekannten, sehr effizienten FFT-(Fast Fourier-Transformation) Algorithmus.
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Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird vor der Korrektur ein projektionsrichtungsabhängiges Fokusprofil des wirksamen optischen Fokus der verwendeten Röntgenröhre ermittelt oder aus einer Speichervorrichtung abgerufen. Die Ermittlung des Fokusprofils kann zum Beispiel einmalig bei der Installation oder Inbetriebnahme des die Röntgenröhre aufweisenden Röntgensystems, also zur Verwendung bei einer Vielzahl von Röntgenbildern, oder aber wiederholt zu Kalibrierzwecken durchgeführt werden; das ermittelte Fokusprofil kann anschließend gespeichert werden.
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In vorteilhafter Weise wird ein Korrekturalgorithmus zur mathematischen Korrektur der fokusbedingten Verunschärfung des Röntgenbildes bestimmt, so dass die mathematische Korrektur durch einen Korrekturalgorithmus unter Berücksichtigung des Fokusprofils des optischen Fokus durchgeführt werden kann. Dies kann auch aus dem ermittelten und gespeicherten projektionsrichtungsabhängigen Fokusprofil bestimmt werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die mathematische Korrektur derart ausgebildet, dass eine Neuabtastung des aufgenommenen Röntgenbildes zur Entfernung der Ortsvarianz der Fokusgröße des optischen Fokus durchgeführt wird.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die mathematische Korrektur derart ausgebildet, dass eine Korrektur der fokusbedingten Verunschärfung des Röntgenbildes unter Verwendung von Wavelet-Transformationen durchgeführt wird. Wavelet-Transformationen haben den Vorteil, dass mit ihnen auf einfache Weise ortsabhängige Frequenzinformationen korrigiert werden können.
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Mathematisch kann auch eine punktweise Berechnung der Korrektur durch Lösung eines großen Gleichungssystems durchgeführt werden.
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Zweckmäßigerweise wird für eine besonders einfache Bestimmung des Fokusprofils des Fokus mit einer Lochblende oder einem Schlitz die optische Fokusgröße im Zentralstrahl der Röntgenröhre gemessen. Insbesondere können auf diese Weise auch die optischen Fokusgrößen außerhalb des Zentralstrahles gemessen werden. Alternativ können die optischen Fokusgrößen außerhalb des Zentralstrahles auch mathematisch aus der optischen Fokusgröße des Fokus im Zentralstrahl berechnet werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird nach Entfernung der Verunschärfung das Röntgenbild anschließend auf bekannte Weise weiterverarbeitet, insbesondere mittels einer Filterung und/oder einer weiteren Korrektur. Die Filterung und/oder weitere Korrektur können zum Beispiel eine Rauschkorrektur und/oder eine Kontrastkorrektur und/oder eine Fensterung und/oder eine Gammakorrektur und/oder eine Harmonisierung und/oder eine Kantenanhebung umfassen.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ein Röntgensystem, aufweisend eine Röntgenröhre und einen Röntgendetektor zur Aufnahme eines Röntgenbildes und eine Bildverarbeitungs- und Recheneinheit zur Bearbeitung des Röntgenbildes, vorgesehen, wobei die Bildverarbeitungs- und Recheneinheit zur Durchführung einer mathematischen Korrektur des Röntgenbildes ausgebildet ist, wobei die Korrektur die lokal abhängige, durch eine projektionsrichtungsabhängige wirksame optische Fokusgröße der verwendeten Röntgenröhre hervorgerufene Verunschärfung aus dem Röntgenbild zumindest teilweise entfernt.
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Eine erfindungsgemäße Bildverarbeitungs- und Recheneinheit zur Bearbeitung von aufgenommenen Röntgenbildern eines Röntgendetektors enthält dabei einen Programmspeicher zur Speicherung von Programmcode, wobei in dem Programmspeicher ein Programmcode vorliegt, der zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist. Ebenso wird ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um das Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird, beansprucht. Außerdem wird ein Computerprogrammprodukt, umfassend auf einem computerlesbaren Datenträger gespeicherte Programmcode-Mittel eines Computerprogramms, um das Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird, beansprucht.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele in der Zeichnung näher erläutert, ohne dass dadurch eine Beschränkung der Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele erfolgt. Es zeigen:
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1 eine Ansicht der Strahlgeometrie einer Röntgenröhre mit Anode,
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2 eine Ansicht der Variation der Brennfleckgeometrie in verschiedene Ausstrahlrichtungen zum Zentralstrahl des Röntgenstrahls,
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3 eine Abfolge einer Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
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4 eine Ansicht eines erfindunggemäßen Röntgensystems.
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In der 1 ist ein Abschnitt einer Anode 10 einer Winkel-Anodenröhre mit einem auf die Anode 10 unter einem Auftreffwinkel α auftreffenden Elektronenstrahl 11 und einem dadurch erzeugten Röntgenstrahl 12 mit einem Zentralstrahl 12.1. gezeigt. Der Röntgenstrahl 12 ist neben dem Zentralstrahl 12.1 aus einer Vielzahl von mehr oder weniger von dem Zentrahlstrahl entfernten Strahlen zusammengesetzt. Beispielhaft sind ein erster Seitenstrahl 12.2, der in der vertikalen Ausstrahlrichtung um einen Winkel β0 relativ zum Zentralstrahl gekippt ist, und ein zweiter Seitenstrahl 12.3, der in die Gegenrichtung ebenfalls um denselben Winkel β0 gekippt ist, gezeigt. In der 2 ist eine Ansicht des Fokusprofils, also der Variation der Fokusgeometrie (Fokus-Astigmatismus) in verschiedene Ausstrahlrichtungen zum Zentralstrahl, gezeigt, wobei die Fokusgrößen in den Richtungen des Zentralstrahls 12.1 und des ersten Seitenstrahls 12.2 und des zweiten Seitenstrahls 12.3 gezeigt sind. In Richtung des Zentralstrahles ist der Brennfleck quadratisch; anodenseitig verkleinert er sich zum Strich, kathodenseitig vergrößert er sich zum Rechteck. Da der Röntgenstrahl auch in der horizontalen Ausstrahlrichtung variiert, kommen die gezeigten Verzerrungen zustande. Hierdurch wird die Qualität der Röntgenaufnahmen beeinflusst.
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Die Röntgenbilder sind auf der Anodenseite relativ scharf, haben hier aber ein geringeres Signal-zu-Rausch-Verhältnis, da der Heel-Effekt etwas Dosis abfängt und die Strahlung insgesamt etwas härter ist. Auf der Kathodenseite haben die Röntgenbilder ein hohes Signal-zu-Rausch-Verhältnis, da die Röntgenstrahlung die Anode leicht verlassen kann und eine relativ weiche Röntgenstrahlung emittiert wird. Allerdings sind die Bilder hier sehr unscharf, da die optische Länge des Fokus sehr groß ist. In den Ecken der Kathodenseite nimmt der optische Fokus eine parallelogrammförmige Struktur an. Damit wird eine bestimmte Richtung extrem verunschärft.
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Das ursprünglich aufgenommene Röntgenbild weist also eine durch den Fokus-Astigmatismus erzeugte, im Allgemeinen ortsvariante Verunschärfung auf. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Lösung des genannten Problems umfasst nun eine Entfernung der von dem Fokus-Astigmatismus hervorgerufenen, insbesondere lokal abhängigen, Verunschärfung aus dem aufgenommenen Röntgenbild. Dies kann einerseits mathematisch mittels eines Korrekturalgorithmus oder andererseits anhand des gemessenen oder ermittelten Fokusprofils durchgeführt werden. Durch die Korrektur entsteht ein einheitlicher Schärfeeindruck des Röntgenbildes.
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Mathematisch kann zum Beispiel eine punktweise Berechnung der Korrektur durchgeführt werden. Da die punktweise Berechnung jedoch rechenaufwändig sein kann, kann mathematisch gesehen das aufwendige Problem der sogenannten Ortsvarianten Punktspreizfunktion auch auf das einfacher zu behandelnde Problem einer Ortsinvarianten Punktspreizfunktion zurückgeführt werden, um mit der schnellen Fouriertransformation effizient rechnen zu können. Eine andere Möglichkeit zur Reduzierung des Rechenaufwandes besteht darin, mittels einer Wavelet-Transformation die Ortsvarianz direkt zu berücksichtigen. Effiziente Algorithmen werden heute noch wegen der Anforderung an die Latenz in Echtzeitanwendungen wegen der begrenzten Rechenkapazitäten benötigt. Diese Limitierungen sind in der Zukunft voraussichtlich nicht mehr relevant.
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Der Korrekturalgorithmus wird auf dem Hintergrund bestimmt, dass er die ortsvariante Unschärfe durch das Fokusprofil zumindest teilweise, insbesondere zu mindestens 50% und bevorzugt zu mindestens 80%, beseitigt. Im Stand der Technik existieren verschiedene bekannte Lösungsmethoden, mittels derer ortvariantes Blurring (also eine ortsvariante Verunschärfung) aus Bildern korrigiert werden kann. Zur Bestimmung eines Korrekturalgorithmus, mittels dessen das Röntgenbild korrigiert werden kann, kann zum Beispiel die Verzerrungsfunktion und deren inverse Funktion bestimmt werden. Um die Verunschärfung zu entfernen, kann dann ein Korrekturalgorithmus zur regularisierten Rückfaltung verwendet werden.
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Eine Ausführung einer geeigneten Transformation zur Korrektur von Ortsvarianz einer Verunschärfung ist zum Beispiel aus dem Artikel
"Nonlinear Shape Restoration of Distorted Images with Coons Transformation", S.-W. Lee, E.-S. Kim, Y. Y. Tang, Proceedings of the Third International Conference an Document Analysis and Recognition, Vol. 1, Seite 235 ff., 1995, bekannt. Hier wird eine sogenannte Coons-Transformation zur Invertierung der zur Ortsvarianz führenden Abbildungsfunktion verwendet, wobei Umrissverzerrungen als Randbedingungen einbezogen werden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung wird nach einer derart bestimmten Coons-Transformation eine Neuabtastung des aufgenommenen Bildes erhalten und die Ortsvarianz des Fokus, also der Punktspreizfunktion, ausgeglichen.
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Ein weiteres Beispiel ist aus
"Restoration of Space-Variant Blurred Image Using a Wavelet Transform" von S. Hashimoto, H. Saito, Systems and Computers in Japan, Vol. 27, No. 14, 1996, Seiten 76–84, bekannt. Hier werden Wavelet-Transformationen bestimmt, so dass eine Korrektur einer Ortsvarianten Verunschärfung effizient berechnet werden kann. Entsprechend kann für das erfindungsgemäße Verfahren eine Wavelet-Transformationbenutzt und für eine Korrekur des aufgenommenen Röntgenbildes verwendet werden. Ein weiteres Beispiel zur Restauration von ortvariantem Blurring in Bildern ist aus
„Restoring images degraded by spatially-variant blur" von J. G. Nagy, D. P. O'Leary, SIAM Journal an Scientific Computing, Vol. 19, Issue 4, 1998, Seiten 1063 bis 1082, bekannt. Hier wird ein Bild in Regionen mit ausreichend ortsinvariantem Blur unterteilt. Auf diese Weise kann eine effiziente Rückfaltung mittels der schnellen Fouriertransformation durchgeführt werden, um die fokusbedingte Verunschärfung im Röntgenbild zu korrigieren.
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Andererseits kann für eine Korrektur auch der Fokus-Astigmatismus zusätzlich zum Fokenprofil im Zentralstrahl entweder messtechnisch erfasst oder modelliert werden, damit die Variationen des Fokus, also der Punktspreizfunktion, abhängig von den Ausstrahlrichtungen korrekt ermittelt sind. In der 3 ist eine derartige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. In einem ersten Schritt 15 wird das Fokusprofil für eine bestimmte Röntgenröhre einmalig oder wiederholt bestimmt, zum Beispiel gemessen oder berechnet. Das Fokusprofil kann dann zum Beispiel gespeichert werden. In einem zweiten Schritt 16 wird das Fokusprofil zur Bestimmung eines Korrekturalgorithmus zur Korrektur der Ortsvarianz verwendet. In einem dritten Schritt 17 wird ein zum Beispiel zuvor mittels der bestimmten Röntgenröhre aufgenommenes Röntgenbild 18 mittels regularisierter Rückfaltung korrigiert. Daraus ergibt sich dann ein qualitativ verbessertes Röntgenbild, welches einfacher weiterverarbeitet werden kann und eine besonders fehlerfreie Diagnose des aufgenommenen Untersuchungsobjekts erlaubt. Die Bestimmung des Fokusprofils und des Korrekturalgorithmus kann zum Beispiel einmalig erfolgen und anschließend für alle von der Röntgenröhre erzeugten Röntgenbilder verwendet werden. Es können auch Bildserien korrigiert werden.
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Zur Bestimmung des Fokusprofils kann beispielsweise zuerst die optische Fokusgröße zumindest im Zentralstrahl gemessen werden, zum Beispiel mit Hilfe einer Schlitzblende oder einer Lochblende, die röhrennah aufgestellt wird. Ist der Schlitz oder das Loch klein genug, bildet sich auf einem weit entfernten Detektor oder Bildempfänger das Fokusprofil des Zentralstrahles ab. Anschließend kann das Fokusprofil außerhalb des Zentralstrahles entweder auf ähnliche Weise gemessen oder aus der Zentralstrahlmessung mathematisch abgeleitet werden. Zusätzlich kann aus einem gemessenen Fokusprofil der Einfluss der Lochblende beispielsweise durch eine regularisierte inverse Filterung mit der Sesselfunktion verringert werden, um die Exaktheit des Fokusprofils zu erhöhen. Für jedes Fokenprofil kann zusätzlich eine zweidimensionale Fouriertransformation durchgeführt werden. Nachdem diese normiert wurde, kann man damit jedes fouriertransformierte Bild filtern und erhält bei regularisierter Filterung eine Fokuskorrektur. Anhand des bestimmten oder berechneten Fokusprofils und Fokus-Astigmatismus wird zumindest ein Korrekturalgorithmus bestimmt, durch den das Röntgenbild korrigiert werden kann, um die in der Regel ortsvariante Verunschärfung zu entfernen.
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Anschließend kann das Röntgenbild in gewohnter Weise weiterbearbeitet werden, im Allgemeinen mittels Korrektur oder Filterung, um Rauschen, Kanteneindruck oder Bildkontraste optimal einzustellen. Insbesondere können weitere Bearbeitungen auch im Ortsfrequenzraum durchgeführt werden, wodurch die Bearbeitungen einfacher werden.
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In der 4 ist ein erfindungsgemäßes Röntgensystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt. Das Röntgensystem weist eine Röntgenröhre 19 und einen Röntgendetektor 20 auf, wobei die Röntgenröhre 19 ein Fokusprofil, wie in 1 und 2 beschrieben, aufweist. Die Röntgenröhre 19 und der Röntgendetektor 20 können zum Beispiel an einem C-Bogen 21 gemeinsam angeordnet sein. Das Röntgensystem weist eine Systemsteuerung 22 zur Ansteuerung des Gesamtsystems sowie eine Bildverarbeitungs- und Recheneinheit 23 zur Bearbeitung des Röntgenbildes auf. Die Bildverarbeitungs- und Recheneinheit 23 ist dazu ausgebildet, aus dem Fokusprofil der Röntgenröhre eine Transformation zur mathematischen Korrektur des Röntgenbildes zu bestimmen und das Röntgenbild mittels der Transformation zu korrigieren, entsprechend dem Verfahren der Erfindung. Die Systemsteuerung kann zur Ansteuerung des Verfahrens einschließlich der Bestimmung des Fokusprofils oder dessen Abruf aus einer Speichervorrichtung vorgesehen sein. Systemsteuerung und Bildverarbeitungs- und Recheneinheit können gemeinsam von einem Computer mit entsprechendem Computerprogramm und Programmcode gebildet werden.
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Die Erfindung lässt sich in folgender Weise kurz zusammenfassen: Zur Verbesserung der Qualität von Röntgenbildern ist ein Verfahren zur Bearbeitung eines Röntgenbildes, wobei eine mathematische Korrektur des Röntgenbildes durchgeführt wird, wobei die Korrektur die lokal abhängige, durch eine projektionsrichtungsabhängige wirksame optische Fokusgröße einer zur Aufnahme des Röntgenbildes verwendeten Röntgenröhre hervorgerufene Verunschärfung aus dem Röntgenbild zumindest teilweise entfernt, vorgesehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Nonlinear Shape Restoration of Distorted Images with Coons Transformation”, S.-W. Lee, E.-S. Kim, Y. Y. Tang, Proceedings of the Third International Conference an Document Analysis and Recognition, Vol. 1, Seite 235 ff., 1995 [0026]
- ”Restoration of Space-Variant Blurred Image Using a Wavelet Transform” von S. Hashimoto, H. Saito, Systems and Computers in Japan, Vol. 27, No. 14, 1996, Seiten 76–84 [0027]
- „Restoring images degraded by spatially-variant blur” von J. G. Nagy, D. P. O'Leary, SIAM Journal an Scientific Computing, Vol. 19, Issue 4, 1998, Seiten 1063 bis 1082 [0027]
