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Die Erfindung betrifft einen Detektor zur Detektion von Röntgenstrahlung, die ein zu untersuchendes Objekt durchdringen, eine Röntgenbildgebungsvorrichtung, ein Strahlentherapiegerät sowie ein Verfahren zur Aufzeichnung von Röntgenbilddaten. Derartige Geräte finden insbesondere im medizinischen Umfeld Einsatz.
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Im Rahmen der medizinischen Bildgebung ist es bekannt, mit Röntgenstrahlung diagnostische Abbilder von einem Patienten anzufertigen, um eine morphologische Darstellung der Anatomie des Patienten zu gewinnen. Ziel ist es, die Anatomie des Patienten möglichst aussagekräftig darzustellen.
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Auch im Rahmen der Strahlentherapie ist es üblich, diagnostische Abbildungen eines Patienten anzufertigen, beispielsweise um den Patienten bei einer Bestrahlungssitzung korrekt zu positionieren und/oder die Positionierung vor oder während der Bestrahlung zu verifizieren.
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Eine Möglichkeit, derartige diagnostische Abbildungen zu gewinnen, ist es, die therapeutische Röntgenstrahlung zu verwenden. Aufgrund der Photonenenergien im MeV-Strahlentherapie-Energiebereich weisen die angefertigten Abbildungen einen Kontrast auf, der nicht immer die gewünschte Detailwiedergabe ermöglicht.
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Es ist bekannt, bei Strahlentherapiegeräten eine zweite Bildgebungsvorrichtung mit diagnostischer Röntgenstrahlung, also Röntgenstrahlung im keV-Bereich, vorzusehen. Aufgrund der zusätzlichen mechanischen Justagefreiheitsgrade dieser Bildbebungsvorrichtung können Abbilder mit einem zusätzlichen Ortsfehler behaftet sein.
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Eine andere Möglichkeit ist es, das Target eines Linearbeschleunigers in einem Strahlentherapiegerät derart zu modifizieren, dass die von dem Target ausgesendete Bremsstrahlung wahlweise für die Bildgebung in einen niedrigeren MeV-Bereich geschoben wird.
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Die
US 2008/0011960 A1 beschreibt eine Röntgenbildgebungsvorrichtung zum Aufnehmen von Röntgenbildern eines Objekts. Zur Verbesserung der Bildqualität wird die Verwendung mehrerer asymmetrischer Schichten in Flatpanels vorgeschlagen. Die Röntgenbildgebungsvorrichtung hat Mittel zum Kombinieren der Signale der Röntgenbilder, um ein zusammengesetztes Röntgenbild zu erzeugen.
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Aus der
US 2006/0151708 A1 ist bekannt, dass Röntgendetektoren mehrere Schichten aufweisen. Dabei wird ein Teil der Röntgenstrahlung, die eine Schicht passiert, in einer anderen Schicht erfasst. Sowohl hochenergetische Röntgenstrahlen als auch Röntgenstrahlen mit niedrigerer Energie können erfasst werden.
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Gemäß der
DE 10325335 A1 wird vorgeschlagen, die Untersuchung von weichen Gewebeteilen mit gleichzeitig zwei Röntgenaufnahmen in unterschiedlichen Energiebereichen durchzuführen. Dazu sind im Strahlengang der Röntgenphotonen wenigstens zwei Szintillatoren angeordnet, die optische Photonen zu zugeordneten Detektoren senden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Detektor bereitzustellen, der einen guten Bildkontrast bei geringer Dosisbelastung des Patienten ermöglicht. Weiterhin ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Röntgenbildgebungsvorrichtung und ein Strahlentherapiegerät und ein Verfahren zur Aufzeichnung von Röntgenbilddaten mit einem derartigen Detektor bereitzustellen.
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Der erfindungsgemäße Detektor zur Detektion von Röntgenstrahlung, mit der ein zu untersuchendes Objekt durchstrahlbar ist, umfasst eine erste auslesbare Schicht zur Messung der einfallenden Röntgenstrahlung und zur Gewinnung von ersten Messdaten, aus denen eine erste Abbildung von dem zu untersuchenden Objekt rekonstruierbar ist, eine in Einstrahlrichtung der einfallenden Strahlung hinter der ersten Schicht angeordneten Aufbauschicht, welche aus einem Material besteht, derart, dass bei Durchtritt von Röntgenstrahlung durch die Aufbauschicht die Röntgenstrahlung aufgehärtet wird, und eine zweite auslesbare Schicht zur Messung der einfallenden Röntgenstrahlung und zur Gewinnung von zweiten Messdaten, aus denen eine zweite Abbildung von dem zu untersuchenden Objekt rekonstruierbar ist. Durch die Aufbauschicht können niederenergetische Anteile der Röntgenstrahlung herausgefiltert werden, so dass die Röntgenstrahlung dadurch aufgehärtet wird.
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Die erste auslesbare Schicht liegt in Einstrahlrichtung zuerst im Röntgenstrahlengang wird folglich zuerst von der einfallenden Röntgenstrahlung getroffen. Die mit der ersten auslesbaren Schicht detektierten Röntgenstrahlen liefern erste Messdaten, die einen ersten Bildkontrast aufweisen. Dies bedeutet, dass eine aus den ersten Messdaten rekonstruierte Abbildung diesen Bildkontrast widerspiegelt.
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Die zweite auslesbare Schicht liegt - bezogen auf die Einstrahlrichtung - hinter der ersten auslesbaren Schicht und hinter der Aufbauschicht. Wenn sie von Röntgenstrahlung getroffen wird, hat die Röntgenstrahlung bereits die erste auslesbare Schicht und die Aufbauschicht durchdrungen. Demzufolge ist das Energiespektrum der Röntgenstrahlung verschoben und aufgehärtet. Die Messdaten, die mithilfe der zweiten auslesbaren Schicht gewonnen werden, weisen demzufolge einen zweiten Bildkontrast auf, der unterschiedlich zum ersten Bildkontrast ist.
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Es können auch mehr als zwei auslesbare Schichten, z.B. drei auslesbare Schichten, jeweils durch eine Aufbauschicht voneinander getrennt hintereinander angeordnet werden. Es können dann entsprechend der Schichtzahl mehrere Abbildungen gewonnen werden, die aus einer einzigen Röntgendurchstrahlung erzeugt werden, und die jeweils ein unterschiedliches Energiespektrum aufweist, wenn sie auf die unterschiedlichen auslesbaren Schichten trifft.
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Erfindungsgemäß weist der Detektor eine in Einstrahlrichtung der einfallenden Röntgenstrahlung hinter der zweiten auslesbaren Schicht angeordnete weitere Aufbauschicht auf, welche aus einem Material besteht derart, dass bei Durchtritt von Röntgenstrahlung die Röntgenstrahlung durch die weitere Aufbauschicht aufgehärtet wird, sowie eine dritte auslesbare Schicht zur Messung der einfallenden Röntgenstrahlung und zur Gewinnung von dritten Messdaten, aus denen eine dritte Abbildung von dem zu untersuchenden Objekt rekonstruierbar ist.
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Vorteil eines solchen Detektors ist eine Verringerung der Patientendosis für die Bildbebung bei gleichzeitigem Informationsgewinn, da im Wesentlichen gleichzeitig zwei oder mehrere Abbildungen (bei mehr als zwei auslesbaren Schichten) gewonnen werden können. Dabei besteht keine Notwendigkeit mehr, die Abbildungen aus den Einzelschichten für ein optimales Zusammenpassen zueinander zu registrieren, da die auslesbaren Schichten räumlich fest zueinander stehen bzw. gegeneinander räumlich fixiert sein können. Es können dann mit den angefertigten Abbildungen vergleichsweise einfache Bildoperationen durchgeführt werden, z.B. auf Pixel-/Grauwert-Ebene, um zusätzliche Informationen zu gewinnen. Beispielsweise kann auf sehr einfache Weise ein Differenzbild angefertigt werden. Die beiden oder mehreren Bildkontraste können durch die Bildoperationen verarbeitet werden und es kann eine einzige Abbildung gewonnen werden, die auf beiden bzw. mehreren Bildkontrasten beruht.
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Die erste auslesbare Schicht und die zweite auslesbare Schicht können jeweils eine Szintillator-Schicht und eine Ausleseschicht umfassen. Ein Teil der Röntgenstrahlung wird in der Szintillatorschicht in Licht umgewandelt. Die Ausleseschicht erzeugt hieraus elektronische Signale, die letztlich Messdaten darstellen, aus denen die Abbildung rekonstruiert werden kann. Die auslesbaren Schichten können pixelweise mit auslesbaren Detektorpixeln aufgebaut sein.
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Die mehreren auslesbaren Schichten können prinzipiell gleich aufgebaut sein, d.h. sie unterscheiden sich in ihrer Szintillatorschicht und/oder in ihrer Ausleseschicht nicht. Der unterschiedliche Bildkontrast beruht auf dem unterschiedlichen Energiespektrum der Röntgenstrahlung, das durch die Aufbauschicht erzeugt wird.
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Der Aufbauschicht kommt dabei eine entscheidende Rolle zu. Durch diese Aufbauschicht und das in ihr eingesetzte Material wird eine Strahlaufhärtung zwischen einer vorangehenden und der jeweils folgenden auslesbaren Schicht genutzt, um die gewünschte Verschiebung des Spektrums zu erreichen. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass beim Durchtritt durch die Aufbauschicht niederenergetische Photonen stärker absorbiert werden als höherenergetische Photonen. Dadurch verschiebt sich das Maximum im Photonenenergie-Spektrum zu höheren Energien hin.
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Als Aufbauschicht können Metalle eingesetzt werden, z.B. Wolfram, Kupfer, Aluminium, Blei, Eisen oder andere Materialien oder Legierungen, die Metalle, insbesondere die genannten Metalle enthalten.
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Beispielsweise kann ein Wolframblech mit einer Dicke von zwischen 0,5 mm bis 3,0 mm eingesetzt werden. Die Dicke kann insbesondere 0,7 mm bis 2,0 mm betragen und höchst insbesondere 1 mm bis 1,5 mm, z.B. 1,2 mm.
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Bei einem Blech aus Blei die Dicke 2 mm bis 6 mm betragen, insbesondere 3 mm bis 5 mm und höchst insbesondere 4 mm.
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Bei leichteren Metallen wie Aluminium oder Kupfer kann die Dicke 6 mm bis 15 mm betragen, insbesondere 8 mm bis 12 mm und höchst insbesondere 10 mm.
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Die Röntgenbildgebungsvorrichtung umfasst eine Röntgenquelle und einen Detektor wie er vorstehend beschrieben wurde. Das zu untersuchende Objekt ist zwischen Röntgenquelle und Detektor angeordnet.
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Die Röntgenbildgebungsvorrichtung kann derart ansteuerbar sein, dass die erste auslesbare Schicht und die zweite auslesbare Schicht im Wesentlichen zeitgleich auslesbar sind, sodass bei Betrieb der Röntgenbildgebungsvorrichtung die erste Abbildung und die zweite Abbildung das zu untersuchenden Objekt im Wesentlichen zum gleichen Zeitpunkt mit unterschiedlichem Kontrast abbilden. Dies kann bedeuten, dass die Röntgenquelle nur einmal aktiviert wird und bei demselben Aktivierungsvorgang die beiden oder mehreren auslesbaren Schichten ausgelesen werden. Das abzubildende Objekt wird in den von den Schichten gelieferten Messdaten zum gleichen Zeitpunkt abgebildet.
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Insbesondere kann die Röntgenquelle eine MV-Röntgenquelle sein. Hier wirken sich Ausführungsformen der Erfindung besonders vorteilhaft aus, da Röntgenstrahlung im MeV-Bereich oftmals nur einen mäßigen Bildkontrast zulässt. Nun werden von den unterschiedlichen Schichten verschiedene Bildkontraste geliefert und erhöhen damit den Informationsgehalt der aufgezeichneten Messdaten.
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Insbesondere kann ein Strahlentherapiegerät mit einer derartigen Röntgenbildgebungsvorrichtung ausgestattet sein. Die MV-Röntgenquelle kann gleichzeitig die therapeutische Strahlenquelle des Strahlentherapiegeräts sein.
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Bei dem Verfahren zur Aufzeichnung von Röntgenbilddaten werden folgende Schritte durchgeführt:
- - Positionieren eines zu untersuchenden Objekts derart, dass eine aufzuzeichnende Röntgenstrahlung das Objekt durchdringt,
- - Durchstrahlen des Objekts mit Röntgenstrahlung
- - Detektieren der das Objekt durchdringenden Röntgenstrahlung mit einer ersten auslesbaren Schicht und Gewinnung von ersten Messdaten, aus denen eine erste Abbildung von dem zu untersuchenden Objekt rekonstruierbar ist,
- - Verändern des Energiespektrums der in Strahlrichtung hinter der erste auslesbare Schicht austretenden Röntgenstrahlung mit einer Aufbauschicht,
- - Detektieren der die Aufbauschicht durchdringende Röntgenstrahlung mit einer zweiten auslesbaren Schicht und Gewinnung von zweiten Messdaten, aus denen eine zweite Abbildung von dem zu untersuchenden Objekt rekonstruierbar ist.
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Gegebenenfalls kann das Energiespektrum mit weiteren, im Strahlengang folgenden Aufbauschichten weiter verändert werden, und es können eine oder mehrere weitere auslesbare Schichten folgen zur Gewinnung von weiteren Messdaten, aus denen jeweils weitere Abbildungen rekonstruierbar sind.
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Bei dem Verfahren kann insbesondere ein vorstehend beschriebener Detektor eingesetzt werden.
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Die vorangehende und die folgende Beschreibung der einzelnen Merkmale, deren Vorteile und deren Wirkungen bezieht sich sowohl auf die Vorrichtungskategorie als auch auf die Verfahrenskategorie, ohne dass dies im Einzelnen in jedem Fall explizit erwähnt ist; die dabei offenbarten Einzelmerkmale können auch in anderen als den gezeigten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
- 1 einen Detektor mit einem mehrschichtigen Aufbau,
- 2 ein Strahlentherapiegerät mit einem derartigen Detektor zur Detektion der therapeutischen Röntgenstrahlung, und
- 3 ein schematisches Diagramm zur Darstellung von Verfahrensschritten bei einer Ausführungsform des Verfahrens.
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1 zeigt den Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektors 11.
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Die einfallende Röntgenstrahlung 13 trifft zunächst auf eine erste auslesbare Schicht 15. Die erste auslesbare Schicht weist ihrerseits einen schichtweisen Aufbau auf. Sie umfasst eine Szintillatorschicht 17 und eine Ausleseschicht 19. Die erste auslesbare Schicht 15 enthält eine Vielzahl von auslesbaren Detektorpixeln. Zunächst wird ein Teil der Röntgenstrahlung 13 in der Szintillatorschicht 17 in Licht umgewandelt, das dann über eine Ausleseschicht 19 und die darin enthaltene Elektronik in elektronische Signale umgewandelt wird. Es lassen sich so erste Messdaten 21 erhalten, aus denen eine erste rekonstruiert werden kann.
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Ein Teil der Röntgenstrahlung 13 durchdringt die erste auslesbare Schicht 15. Anschließend befindet sich eine Aufbauschicht 25 im Strahlengang der Röntgenstrahlung 13. Während die Röntgenstrahlung 13 diese Aufbauschicht 25 durchdringt, wird die Röntgenstrahlung 13 aufgehärtet und weist dadurch anderes Energiespektrum auf als vor dem Durchgang durch die Aufbauschicht 25. Die Aufbauschicht 25 kann dabei verschiedene Materialien wie zum Beispiel Eisen, Kupfer und/oder Aluminium umfassen.
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In Strahlrichtung hinter der Aufbauschicht 25 angeordnet ist eine zweite auslesbare Schicht 27, die analog zur ersten auslesbaren Schicht aufgebaut ist. Mit der zweiten auslesbaren Schicht 27 lassen sich zweite Messdaten 29 aufzeichnen, aus denen eine zweite rekonstruiert werden kann, die einen anderen Bildkontrast aufweist als die mit der ersten auslesbaren Schicht 15 aufgezeichnete erste .
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Dieser Aufbau (auslesbare Detektorschicht und Aufbauschicht) kann sich in Strahlrichtung auch mehrfach wiederholen. Hier strichliert eingezeichnet ist eine weitere Aufbauschicht 25' und eine weitere auslesbare Schicht 27', aus denen sich weitere Messdaten 29' aufzeichnen lassen, aus denen wiederum eine weitere rekonstruiert werden kann, die einen weiteren Bildkontrast aufweist.
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Der Detektor 11, der ein Flatpanel sein kann, umfasst folglich mehrere aktive Detektorschichten mit einer Aufbauschicht als Trennung zwischen jeweils zwei Detektorschichten zur Aufhärtung der Photonenenergie nach Verlassen der vorangegangenen Detektorschicht. Dies führt zu einer Bilderzeugung in einer nachfolgenden Detektorschicht mit einer von der vorangegangenen Detektorschicht unterschiedlichen Energieverteilung. Dadurch ist es möglich, gleichzeitig mehrere Abbildungen (entsprechend der verwendeten Zahl von Detektorschichten) aus unterschiedlichen Anteilen des Ursprungsspektrums zu generieren.
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Die unterschiedlichen Schichten und Komponenten des Detektors sind in einen Detektorgehäuse 33 angeordnet.
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2 zeigt einen schematischen Aufbau eines Strahlentherapiegeräts 41, in welchem ein derartiger Detektor 11 zum Einsatz kommt. Das Strahlentherapiegerät 41 verfügt über eine Standvorrichtung 43, an der über eine Lagerung eine drehbar gelagerte Gantry 45 angeordnet ist. Mithilfe eines nicht näher dargestellten Rotationsmechanismus kann die Gantry 45 um die Lagerung um eine horizontale Achse um 360° gedreht werden.
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Die Gantry 45 weist einen auskragenden Arm 47 auf. In dem auskragenden Arm 47 befinden sich Komponenten des Beschleunigers 49, der zur Stahlerzeugung verwendet wird, sowie des Kollimators 51, der zur Strahlformung und Strahlbegrenzung verwendet wird.
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Der Beschleuniger erzeugt Röntgenstrahlung 13 im MeV-Bereich, die therapeutisch eingesetzt werden kann.
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Gegenüberliegend zum auskragenden Arm 47 ist ein EPID 53 (für engl.: „electronic portal imaging device“) angeordnet, das den in 1 beschriebenen Detektor 11 enthält. Das EPID 53 kann dazu eingesetzt werden, eine Abbildung von dem Patienten 55 mit Hilfe des Röntgenstrahls 13 im MeV-Bereich aufzuzeichnen.
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Eine Datenverarbeitungseinheit 57 erzeugt aus den vom Detektor aufgezeichneten Messdaten eine oder mehrere Abbildungen, die die Anatomie des Patienten morphologisch wiedergeben, und zwar mit einem größeren Informationsgehalt als bei einer Abbildung, die mit einem herkömmlichen Detektor, der nur eine auslesbare Detektorschicht umfasst, aufgezeichnet worden ist.
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3 zeigt eine Übersicht über Verfahrensschritte, die bei einer Ausführungsform des Verfahrens ausgeführt werden.
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Zunächst wird das zu untersuchende Objekt, beispielsweise ein Patient, im Strahlengang des Geräts positioniert (Schritt 71) .
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Anschließend wird das Objekt mit Röntgenstrahlung durchstrahlt (Schritt 73).
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Die Röntgenstrahlung trifft auf die erste Detektorschicht, welche dadurch Messdaten liefert, aus denen sich eine erste Abbildung rekonstruieren lässt (Schritt 75).
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Ein Teil der Röntgenstrahlung tritt durch die erste Detektorschicht hindurch. Diese Röntgenstrahlung tritt weiterhin durch eine Aufbauschicht hindurch, und wird dadurch aufgehärtet (Schritt 77).
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Hinter der Aufbauschicht ist eine weitere Detektorschicht angeordnet, die die durch die Aufbauschicht hindurchtretende Röntgenstrahlung detektiert und zweite Messdaten liefert. Aus diesen Messdaten lässt sich eine zweite Abbildung rekonstruieren, die nun einen anderen Bildkontrast im Vergleich zur ersten Abbildung aufweist (Schritt 79).
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In einem weiteren Verarbeitungsschritt können die ersten und die zweiten Messdaten dann dazu verwendet werden, eine oder mehrere Abbildungen zu erzeugen (Schritt 81). Beispielsweise können aus den ersten und den zweiten Messdaten eine einzige Abbildung erzeugt werden, derart, dass die eine Abbildung mehr Bildinformation enthält als eine Abbildung, die mit lediglich Messdaten einer einzigen Detektorschicht erzeugt worden wäre.
