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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft allgemein eine Computertomografie-(CT)-Bildgebungsvorrichtung und im Besonderen die Reduktion der während eines CT-Scans auf einen Patienten angewendeten Strahlungsdosis ohne beträchtliche Beeinflussung der Bildqualität.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die Strahlenbelastung von Patienten ist in Radiologenkreisen im Zeitalter der Multidetektor-Computertomografie (CT) zu einem Bedenken geworden. Mit der Einführung schnellerer Mehrdetektor-CT-Scanner wurden verschiedene Methoden zur Reduktion der an einen Patienten abgegebenen Strahlungsdosis entwickelt.
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Die selektive Abschirmung strahlungsempfindlicher Gewebe und Organe während des CT-Scans wird im Stand der Technik beschrieben. Die Verwendung von Produkten, die diese Technologie implementieren, wird aber allgemein nicht empfohlen, weil die von den Produkten bereitgestellte Reduktion der Strahlungsdosis leicht durch Verringern des Röntengenröhrenstroms erzielt werden kann, wodurch weder Rauschen erzeugt wird noch Strahlhärtungsartefakte vergrößert werden.
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Ein weiterer Stand der Technik schlägt die Verwendung von Schirmen aus dünnen Folien aus flexiblem Latex vor, die mit Bismut imprägniert und zur Abdeckung von beispielsweise der Augenlinse, der Schilddrüse oder der Brüste während CT-Untersuchungen des Gehirns, der Halswirbelsäule oder des Brustkastens gestaltet sind. Die Verwendung derartiger Schirme soll aber angeblich zu Artefakten in der Nähe der Schirme führen. Außerdem überschätzen diese Schirme die Organdosisreduktionen, indem sie davon ausgehen, dass die Organdosen gleich den gemessenen Hautdosisreduktionen sind.
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Noch ein weiterer Stand der Technik schlägt die Verwendung selektiver in-plane-Abschirmung vor. Eines der mit selektiver in-plane-Abschirmung verbundenen Probleme ist, dass sie nicht kosteneffektiv ist und die Bildqualität reduziert.
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Es besteht daher ein Bedarf für ein Verfahren, dass die Strahlungsdosis reduziert, die während Computertomografie-(CT)-Bildgebung auf Patienten angewendet wird, und gleichzeitig die Bildqualität optimiert.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die oben erwähnten Mängel, Nachteile und Probleme werden hierin angesprochen, was durch Lesen und Erfassen der folgenden Patentbeschreibung verständlich wird.
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In einer Ausführungsform ist ein Verfahren zur Reduktion der durch ein Bildgebungssystem gelieferten Strahlungsdosis vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Auswählen einer virtuellen Maskendarstellung, die auf der Form eines zu maskierenden Organs basiert, Anzeigen der virtuellen Maskendarstellung auf einer Übersichtsaufnahme und Manipulieren der zu liefernden Strahlungsdosis, um die virtuelle Maskendarstellung zum Erhalten eines optimalen Dämpfungsprofils zu modifizieren.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Reduktion der durch ein Bildgebungssystem gelieferten Strahlungsdosis die folgenden Schritte: Auswählen einer virtuellen Maskendarstellung, die auf der Form eines zu maskierenden Organs basiert, Beschaffen eines Bilddatensatzes für die virtuelle Maskendarstellung, Berechnen der zu liefernden Strahlungsdosis als eine Funktion des Bilddatensatzes, Manipulieren der zu liefernden Strahlungsdosis, um die virtuelle Maskendarstellung zum Erhalten eines optimalen Dämpfungsprofils zu modifizieren, und Regeln der Strahlmodulation in Abhängigkeit von der virtuellen Maskendarstellung.
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In noch einer weiteren Ausführungsform ist ein System zur Reduktion einer durch ein Bildgebungssystem gelieferten Strahlungsdosis vorgesehen. Das System umfasst eine Anzeigeeinheit, die zum Anzeigen einer Übersichtsaufnahme zusammen mit einer von einem Benutzer ausgewählten virtuellen Maskendarstellung konfiguriert ist, und eine mit der Anzeigeeinheit gekoppelte Verarbeitungseinheit. Die Verarbeitungseinheit ist zur Durchführung von Strahlmodulation auf Basis der virtuellen Maskendarstellung konfiguriert, so dass die Strahlmodulation die von einem Bildgebungssystem gelieferte Strahlungsdosis beeinflusst. Die Verarbeitungseinheit umfasst ein Auswählmodul zur Auswahl von Scanparametern auf der Basis der auf der Übersichtsaufnahme angezeigten virtuellen Maskendarstellung und ein Steuermodul zur Verwendung der Scanparameter zum Anlegen von Steuersignalen an einen Quellencontroller und eine Gantry-Motorsteuerung, um eine Strahlmodulation auf Basis der virtuellen Maskendarstellung durchzuführen.
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Hierin werden Systeme und Verfahren mit verschiedenem Umfang beschrieben. Zusätzlich zu den in dieser Kurzdarstellung beschriebenen Aspekten und Vorteilen werden durch Bezugnahme auf die Zeichnungen und mit Bezug auf die ausführliche Beschreibung, die folgt, noch weitere Aspekte und Vorteile offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Reduktion einer durch ein Bildgebungssystem gelieferten Strahlungsdosis darstellt, wie in einer Ausführungsform der Erfindung beschrieben,
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2 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Manipulieren der zu liefernden Strahlungsdosis, wie in 1 beschrieben, darstellt,
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3 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Reduktion einer durch ein Bildgebungssystem gelieferten Strahlungsdosis, wie in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung beschrieben, darstellt, und
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4 zeigt ein Blockdiagramm, das ein System zur Reduktion einer durch ein Bildgebungssystem gelieferten Strahlungsdosis zeigt, wie in einer Ausführungsform der Erfindugn beschrieben.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die Begleitzeichnungen Bezug genommen, die Teil davon bilden und in denen veranschaulichend spezifische Ausführungsformen gezeigt werden, die ausgeführt werden können. Diese Ausführungsformen werden mit ausreichenden Details beschrieben, um den Fachmann zur Ausführung der Ausführungsformen zu befähigen, und es versteht sich, dass andere Ausführungsformen genutzt werden können und dass logische, mechanische, elektrische und andere Änderungen durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Ausführungsformen abzuweichen. Die folgende ausführliche Beschreibung darf daher nicht begrenzend angesehen werden.
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Ein allgemeines Computertomografie-(CT)-System hat eine Strahlungsquelle, die einen gebündelten, fächerförmigen Strahl durch einen Patienten auf eine Reihe von Strahlungsdetektoren projiziert. Die Quelle und die Detektoren befinden sich an einer Gantry, die sich um den Patienten dreht. Der Patiententisch kann in der Röhre verlagert oder verschoben werden. Der Winkel und die Position, in dem/der der Röntgenstrahl den Körper durchkreuzt, kann kontinuierlich modifiziert werden. Jeder Detektor erzeugt ein Signal, das ein Maß für die globale Transparenz des Körpers von der Quelle bis zum Detektor ist. Der für eine jeweilige Quellenposition erfasste Satz von Detektorenwerten wird als eine „Projektion” bezeichnet. Ein „Scan” umfasst einen Satz von Projektionen, die an verschiedenen Gantry- oder Tischpositionen gemacht wurden. Während einer 360-Grad-Umdrehung der Gantry um den Patienten erfasst das CT-System viele Projektionen, um ein zweidimensionales Bild oder „Schnittbild” durch den Körper erstellen zu können. Einige der CT-Systeme erstellen mithilfe mehrerer Detektorzeilen gleichzeitig viele Schnittbilder. Für jede Projektion misst ein Referenzdetektor die Intensität des ungedämpften Strahls. Diese Referenzdaten werden in der anschließenden Verarbeitung der Röntgenprojektionsdaten verwendet, um sie auf eine gemeinsame Referenzdosis zu normalisieren.
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Dieses Verfahren erfasst die Daten für eine vollständige Gantryumdrehung mit dem Patienten in einer fixierten Lage. Zwischen aufeinanderfolgenden Schnittbildern wird der Patient auf eine neue Lage bewegt, in der das nächste Schnittbild gescannt werden kann. Dieses Verfahren wird fortgesetzt, bis alle geplanten Schnittbilder gescannt worden sind. Die schnittbildweise Erfassung von Bilddaten vom Patienten wird zur Erzeugung von CT-Bildern verwendet.
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In einer Ausführungsform, wie in 1 gezeigt, ist ein Verfahren 100 zur Reduktion der durch das CT-Bildgebungssystem gelieferten Strahlungsdosis vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Auswählen einer virtuellen Maskendarstellung, die auf der Form eines zu maskierenden Organs basiert, in Schritt 102, Anzeigen der virtuellen Maskendarstellung auf einer Übersichtsaufnahme in Schritt 104 und Manipulieren der zu liefernden Strahlungsdosis, um die virtuelle Maskendarstellung zum Erhalten eines optimalen Dämpfungsprofils zu modifizieren, in Schritt 106.
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Das Anzeigen der virtuellen Maskendarstellung auf der Übersichtsaufnahme ermöglicht es dem Benutzer, genau zu sehen, von wo ein Bild in Bezug auf die Anatomie des Patienten erstellt werden soll. Der Bereich oder die Region, der/die von der virtuellen Darstellungsmaske abgedeckt wird, kann zum Erzeugen von Steuersignalen verwendet werden, die zum Bereitstellen von Strahlmodulation verwendet werden, wodurch die Röntgenstrahlung pro Drehwinkel variiert wird.
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Dementsprechend weist das Verfahren 100 ferner das Regeln der Strahlmodulation in Abhängigkeit von der virtuellen Maskendarstellung auf. Die Strahlmodulation funktioniert durch Ändern der Ausgabeleistung der Röntgenröhre während des CT-Scans im Verhältnis zu der sich ändernden effektiven Dicke des Patienten. Zum Beispiel wird zum Durchdringen der Lungenfelder (auf Grund der geringeren Dichte der Lungen) weniger Strahlung benötigt, während zum Durchdringen des dickeren Unterleibs höhere Strahlungspegel benötigt werden.
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2 beschreibt den in 1 gezeigten Schritt 106. Dementsprechend umfasst in einer Ausführungsform das Verfahren 200 des Manipulierens der Strahlungsdosis die folgenden Schritte: Erfassen eines Projektionsdatensatzes aus jedem Schnittbild, wobei der Projektionsdatensatz die Strahlungsdämpfung durch den Patienten andeutet, in Schritt 202, Berechnen einer relativen Dämpfungsfunktion anhand des erfassten Projektionsdatensatzes, wobei die relative Dämpfungsfunktion die erwartete Strahlungsdämpfung an jeder Schnittbildposition relativ zur Strahlungsdämpfung eines bekannten Referenzobjekts andeutet, in Schritt 204, Berechnen eines Strahlstrombefehls für jedes Schnittbild unter Verwendung des entsprechenden Werts der relativen Dämpfungsfunktion und eines Referenzstrahlstrombefehls, der die gewünschte Strahlungsdosis in dem bekannten Refererenzobjekt erzeugt, in Schritt 206 und Erfassen eines Bilddatensatzes für jedes Schnittbild unter Verwendung der von dem Strahlstrombefehl für dieses Schnittbild ermittelten Strahlungsdosis in Schritt 208.
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Der Bilddatensatz kann zum individuellen Berechnen der Strahlungsdosis für jeden Patienten verwendet werden, solange einige grundlegende Informationen über die Konfiguration des CT-Scanners und seiner Röntgenleistungseigenschaften bekannt sind. Des Weiteren kann, weil die CT-Bilddaten Informationen über die Gestalt des Patienten in θ und der z-Achse enthalten, die Dosis unter Berücksichtigung der von den meisten Scannern eingesetzten θ- und z-Achsen-Modulation berechnet werden.
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Das hierin beschriebene Verfahren ermöglicht es dem Radiologen, einen Patienten aus mehreren Winkeln zu behandeln, während die Form und Dosis des Strahlungsstrahls variiert wird, wodurch eine erheblich verbesserte Fähigkeit zur Abgabe von Strahlung auf ein Zielorgan bereitgestellt wird, während eine zu starke Bestrahlung von benachbartem gesundem Gewebe oder empfindlichen Organen vermieden wird.
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In noch einer weiteren Ausführungsform, wie in 3 gezeigt, wird ein weiteres Verfahren 300 zur Reduktion der durch ein Bildgebungssystem gelieferten Strahlungsdosis beschrieben. Des Verfahren 300 umfasst die folgenden Schritte: Auswählen einer virtuellen Maskendarstellung, die auf der Form eines zu maskierenden Organs basiert, in Schritt 302, Beschaffen eines Bilddatensatzes für die virtuelle Maskendarstellung in Schritt 304, Berechnen der zu liefernden Strahlungsdosis als eine Funktion des Bilddatensatzes in Schritt 306, Manipulieren der zu liefernden Strahlungsdosis, um die virtuelle Maskendarstellung zum Erhalten eines optimalen Dämpfungsprofils zu modifizieren, in Schritt 308 und Regeln der Strahlmodulation in Abhängigkeit von der virtuellen Maskendarstellung in Schritt 310.
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In noch einer weiteren, in 4 gezeigten Ausführungsform ist ein System 400 zur Reduktion einer durch ein Bildgebungssystem gelieferten Strahlungsdosis vorgesehen. Das System 400 umfasst eine Anzeigeeinheit 402, die zum Anzeigen einer Übersichtsaufnahme zusammen mit einer von einem Benutzer ausgewählten virtuellen Maskendarstellung konfiguriert ist, wobei die Übersichtsaufnahme die Position des zu erstellenden Bilds in Bezug auf die Anatomie des Patienten anzeigt, und eine mit der Anzeigeeinheit 402 gekoppelte Verarbeitungseinheit 404. Die Verarbeitungseinheit 404 ist zur Durchführung von Strahlmodulation auf Basis der virtuellen Maskendarstellung konfiguriert, so dass die Strahlmodulation die von dem Bildgebungssystem gelieferte Strahlungsdosis beeinflusst. Die Verarbeitungseinheit 404 umfasst ein Auswählmodul 406 zur Auswahl von Scanparametern auf der Basis der auf der Übersichtsaufnahme angezeigten virtuellen Maskendarstellung und ein Steuermodul 408 zur Verwendung der Scanparameter zum Anlegen von Steuersignalen an einen Quellencontroller und eine Gantry-Motorsteuerung, um eine Strahlmodulation auf Basis der virtuellen Maskendarstellung durchzuführen. Die Verarbeitungseinheit 404 umfasst ferner ein Manipulationsmodul 410, das zum Manipulieren der zu liefernden Strahlungsdosis konfiguriert ist, um die virtuelle Maskendarstellung zum Erhalten eines optimalen Dämpfungsprofils zu modifizieren.
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Die Drehung der Gantry und der Betrieb der Strahlungsquelle werden von einem Steuermechanismus des CT-Systems gesteuert. Der Steuermechanismus beinhaltet einen Quellencontroller, der Leistungs- und Zeitsteuerungssignale an die Strahlungsquelle anlegt, und eine Gantry-Motorsteuerung, die die Umdrehungsgeschwindigkeit und die Position der Gantry regelt. Ein Datenerfassungssystem (DAS) im Steuermechanismus tastet Analogdaten von Detektorelementen ab und wandelt die Daten in Digitalsignale um zur anschließenden Verarbeitung. Eine Bildrekonstruktionseinrichtung empfängt abgetastete und digitalisierte Röntgendaten aus dem DAS und führt eine hochschnelle Bildrekonstruktion durch. Das rekonstruierte Bild wird als eine Eingabe an einen Computer angelegt, der das Bild in einem Massenspeicher speichert.
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Der Computer ist funktionell mit der Verarbeitungseinheit 404 gekoppelt, die von einem Bediener über eine Konsole mit einer Tastatur Befehle und Scanparameter erhält. Eine zugeordnete Anzeigeeinheit 402 ermöglicht es dem Bediener, das rekonstruierte Bild und andere Daten aus der Verarbeitungseinheit 404 zu betrachten. Die vom Bediener eingegebenen Befehle und Parameter werden von der Verarbeitungseinheit 404 zum Anlegen von Steuersignalen und Informationen an das DAS, die Quellensteuerung und die Gantry-Motorsteuerung verwendet. Außerdem betreibt die Verarbeitungseinheit 404 eine Tischmotorsteuerung, die einen motorisierten Tisch zum Positionieren des Patienten in der Röhre steuert.
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In einer Ausführungsform wird die Übersichtsaufnahme auf der Anzeigeeinheit 402 angezeigt. Auf der Übersichtsaufnahme wird die virtuelle Maskendarstellung angezeigt. Die Scanparameter werden auf der Basis der auf der Übersichtsaufnahme angezeigten virtuellen Maskendarstellung angezeigt. Die Scanparameter werden von der Verarbeitungseinheit 404 zum Anlegen von Steuersignalen und Informationen an den Quellencontroller und die Gantry-Motorsteuerung verwendet. Die Steuersignale beinhalten die Modulation des Stroms (mA) im Strahlungsstrahl, die die an den Patienten zu liefernde Strahlungsdosis beeinflusst.
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Die Verarbeitungseinheit 404, wobei speziell auf 4 Bezug genommen wird, weist die Bildgebungssystembauteile an, einen vorgeschriebenen Scan gemäß gespeicherter Programme durchzuführen. Der erste Schritt ist die Erfassung von Übersichtsdaten. Die Übersichtsdaten umfassen zwei orthogonale Ansichten von jedem Schnittbild in dem vorgeschriebenen Scan, eine bei einem Gantrywinkel von 0 Grad und die andere bei einem Winkel von 90 Grad.
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Für jedes Schnittbild wird ein relativer Dämpfungswert RAF berechnet und zusammen definieren diese eine relative Dämpfungsfunktion, die die an jedem Schnittbild in dem Scan erwartete Röntgenstrahlendämpfung andeutet. Die relativen Dämpfungswerte können mithilfe einer Anzahl von Verfahren ermittelt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Außerdem werden die Patientenprojektionsdaten mithilfe eines Übersichtsscans erfasst.
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Der nächste Schritt im Prozess ist die Berechnung der Röhrenstrombefehle mA für jedes Schnittbild in dem Scan unter Verwendung der RAF-Werte. Sobald der Scan gestartet worden ist, bleibt das System in einer Schleife, bis das letzte Schnittbild erfasst worden ist. Für jedes Schnittbild lädt die Verarbeitungseinheit 404 den berechneten Strombefehl mA in den Quellencontroller herunter und weist den Steuermechanismus an, die Dämpfungsdaten für ein Schnittbild zu erfassen. Dieser Zyklus wird für jedes Schnittbild in dem Scan wiederholt, wobei die Röntgendosis für jedes Schnittbild von dem berechneten Strombefehl mA für das Schnittbild geregelt wird. Zum Beispiel ist der Strombefehl bei Schnittbildern, die durch die Lunge des Patienten erfasst werden, relativ niedrig, während er bei Schnittbildern durch die Hüfte des Patienten hoch ist. Das hierin beschriebene Verfahren erhält die Bildqualität durch den gesamten Scan hindurch aufrecht.
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Die resultierenden Strombefehle werden überprüft, um sicherzustellen, dass keiner von ihnen die Ober- oder Untergrenze des Quellencontrollers überschreitet. Bei einer Grenzwertüberschreitung können sie auf die Controllergrenze eingestellt werden oder es wird dem Bediener mitgeteilt. Mithilfe der Übersichtsdaten kann auch ermittelt werden, ob Signale während des Scans eine unzureichende Größe haben werden oder zu groß sein werden und gegenüber den Detektorkanälen einen Messbereichsüberlauf haben werden.
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Wenn das Ergebnis größer als die Obergrenze ist, würden die mA reduziert und/oder der Techniker würde benachrichtig werden. Die Obergrenze ist das maximale Signal, das das DAS messen kann, abzüglich einer gewissen Auslegungsreserve.
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Wenn das Signal kleiner als die Untergrenze ist, wird der Benutzer darüber benachrichtigt, dass eine beträchtliche Rauschverbesserung der Bildqualität erzielt werden kann, wenn die Untersuchungs-kV und/oder die Schnittbilddicke vergrößert werden. Die Untergrenze ist ein vorbestimmter Punkt, an dem das Verhältnis des Gesamtrauschens im Rohsignal relativ zum Quantenrauschen im Rohsignal größer als 1,1 ist.
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Auch kann die Röntgenröhrenerhitzung auf Basis der Strombefehle (mA) vorhergesagt werden. Wenn Probleme festgestellt werden, können die mA-Befehle gegen diejenigen Schnittbilder ausgetauscht werden, bei denen das Signal (Dosis) am höchsten ist, bevor der Scan durchgeführt wird.
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Das System und das Verfahren zur Reduktion einer durch ein Bildgebungssystem gelieferten Strahlungsdosis, wie sie in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden, sehen eine Anzahl von Vorteilen vor. In einer Ausführungsform erhöht das Verfahren die Modulation des vom Bildgebungssystem erzeugten Strahlungsstrahls. Im Allgemeinen ist eine gesteigerte Modulation mit einer besseren Dosisverteilung im bestrahlten Bereich assoziiert. Im Besonderen ermöglicht eine gesteigerte Modulation allgemein einen besseren Schutz von gesundem Gewebe im bestrahlten Beeich und erlaubt auch eine bessere Dosiverteilung im Zielorgan.
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Das hierin beschriebene Verfahren erlaubt dem Benutzer die grafische Anzeige und Modifikation der virtuellen Maskendarstellung. Die Modifikation der virtuellen Maskendarstellung kann durchgeführt werden, bis sie mit der Form des zu maskierenden Organs übereinstimmt. Anschließend kann der Benutzer die virtuelle Maskendarstellung des empfindlichen Organgs präzise platzieren.
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In einer Ausführungsform ermöglicht das Verfahren dem Benutzer das Anzeigen der Modifikationen an der virtuellen Maskendarstellung in AP-(anteroposterioren) und in lateralen Übersichtsaufnahmen.
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Diese schriftliche Beschreibung verwendet Beispiele, um den Gegenstand hierin, einschließlich der besten Ausführung, zu beschreiben und um dem Fachmann die Herstellung und Verwendung des Gegenstands zu ermöglichen. Der patentfähige Umfang des Gegenstands wird von den Ansprüchen definiert und kann andere Beispiele beinhalten, die fachkundigen Personen einfallen. Es ist vorgesehen, dass derartige andere Beispiele im Umfang der Ansprüche liegen, wenn sie strukturelle Elemente beinhalten, die sich nicht von der wörtlichen Bedeutung der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle Elemente mit unwesentlichen Unterschieden von den wörtlichen Bedeutungen der Ansprüche beinhalten.
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In einer Ausführungsform ist ein Verfahren zur Reduktion der durch ein Bildgebungssystem gelieferten Strahlungsdosis vorgesehen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Auswählen einer virtuellen Maskendarstellung 102, die auf der Form eines zu maskierenden Organs basiert, Anzeigen der virtuellen Maskendarstellung 104 auf einer Übersichtsaufnahme und Manipulieren der zu liefernden Strahlungsdosis 106, um die virtuelle Maskendarstellung zum Erhalten eines optimalen Dämpfungsprofils zu modifizieren.
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Bezugszeichenliste
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- 402
- Anzeigeeinheit
- 404
- Verarbeitungseinheit
- 406
- Auswählmodul
- 408
- Steuermodul
- 410
- Manipulationsmodul
