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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Hochspannung einer Röntgenröhre, wobei durch die Netzspannung verursachte Störungen kompensiert werden. Die Erfindung betrifft auch einen zugehörigen Röntgengenerator zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung.
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Hintergrund der Erfindung
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Bei der Hochspannungsversorgung von Röntgenröhren, beispielsweise bei der Röntgenbildgebung, ist zur Erzielung einer hohen Bildqualität bei niedriger Röntgenstrahlenbelastung ein sehr konstanter zeitlicher Verlauf der an der Röhre anliegenden Hochspannung erforderlich. Bereits eine geringe Spannungswelligkeit der Hochspannung, verursacht durch einen vorgeschalteten Spannungs- und Stromzwischenkreis, führt zu einer niederfrequenten Welligkeit der Hochspannung und wirkt somit negativ auf die Bildqualität einer Röntgenbildaufnahme.
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In der europäischen Patentschrift
EP 980 196 B1 werden ein Verfahren und ein System zur Kompensation der Hochspannungswelligkeit beschrieben. Mit einer Röntgenröhre ist ein Hochspannungsgenerator verbunden, der eine elektrische Hochspannung zwischen der Kathode und der Anode der Röntgenröhre anlegt, so dass ein Elektronenstrahlenbündel dazwischen fließt, das auf die Anode auftrifft, um Röntgenstrahlung zu erzeugen. Ein Referenzstrahlungsdetektor tastet einen repräsentativen Anteil der von der Röntgenröhre emittierten Röntgenstrahlung ab und erzeugt in Reaktion auf die Intensität der abgetasteten Röntgenstrahlung ein Signal.
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Zwischen dem Referenzstrahlungsdetektor und dem Hochspannungsgenerator befindet sich eine Rückkopplungsschaltung. Die Rückkopplungsschaltung erzeugt in Reaktion auf die erkannte Strahlung ein Fehlersignal und weist den Hochspannungsgenerator an, das der Röntgenröhre zugeführte elektrische Hochspannungspotenzial so anzupassen, dass in der Röntgenstrahlung die Welligkeit in einem bestimmten Frequenzbereich nahezu eliminiert wird. Bildgebungsartefakte durch die Röntgenwelligkeit sollen dadurch vermieden werden.
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Nachteilig darin sind, die ungenaue Nachahmung der spektralen Objektreaktion und ein zusätzlicher Röntgendetektor. Eine exakte Kompensation, insbesondere periodischer Störungen, ist nicht möglich.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Hochspannungsregelung anzugeben, die durch Störungen in der Hochspannungsversorgung verursachte zeitliche Veränderungen (Welligkeit) einer von einer Röntgenröhre abgegebenen Röntgenstrahlung verhindert.
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Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mit dem Verfahren und dem Röntgengenerator der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine in ihrer Frequenz bekannte niederfrequente Störung der Hochspannung eines Röntgengenerators durch eine über einen Beobachtungsfehler gesteuerte Nachbildung der Störung auszugleichen.
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Die Erfindung beansprucht ein Verfahren zur Hochspannungsregelung eines Röntgengenerators mit einer Regelung der Hochspannung durch Vergleich eines gemessenen Istwerts der Hochspannung mit einem vorgebbaren Sollwert und mit einer Störkompensation, wobei eine Nachbildung einer durch Gleichrichtung einer dem Röntgengenerator zugeführten Netzwechselspannung verursachten Störung aufgeschaltet wird. Die Erfindung bietet den Vorteil, dass die Wirkung einer oder mehrere periodische Störungen auf die Hochspannung asymptotisch kompensiert werden kann.
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In einer Weiterbildung kann das Aufschalten vor einer Regelstrecke des Röntgengenerators erfolgen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Störung eine niederfrequente Welligkeit der Hochspannung bewirken.
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Des Weiteren kann die Nachbildung auf Basis einer Schätzung oder Modellierung der gleichgerichteten Netzwechselspannung erfolgen.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens kann die Störkompensation einen Beobachter umfassen.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Nachbildung über einen Beobachtungsfehler kontinuierlich nachgesteuert werden.
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Des Weiteren kann die Nachbildung eine asymptotisch exakte Störkompensation bewirken.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Störung aus einer Zwischenkreiswelligkeit eines Spannungs- oder Stromregelkreises eines 50 Hz oder 60 Hz Stromnetzes stammen.
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Außerdem können Frequenzänderungen der Netzwechselspannung ermittelt werden und bei der Störkompensation berücksichtigt werden.
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Die Erfindung beansprucht auch einen Röntgengenerator zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung mit einer Hochspannungsregeleinheit. Die Hochspannungsregeleinehit umfasst eine Hauptregeleinheit, die die Röntgenröhrenspannung durch einen Vergleich eines gemessenen Istwerts der Hochspannung mit einem vorgebbaren Sollwert regelt, und eine Störkompensationseinheit, die eine durch Gleichrichtung einer dem Röntgengenerator zugeführten Netzwechselspannung verursachte Störung durch Aufschalten einer Nachbildung der Störung kompensiert.
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In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Störkompensationseinheit mindestens einen mit einem Vielfachen der Frequenz der Netzwechselspannung frei schwingenden Oszillator umfassen.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Störkompensationseinheit in Serie zum Ausgang der Hauptregeleinheit geschaltet sein.
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Bevorzugt kann die Störkompensationseinheit parallel zum Ausgang der Hauptregeleinheit geschaltet sein.
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Des Weiteren kann die Störkompensationseinheit als Beobachter ausgebildet sein, wobei der Istwert der Röntgenröhrenspannung und der Ausgang der Hauptregeleinheit der Störkompensationseinheit zugeführt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann die Frequenz der Netzwechselspannung mess- oder schätzbar sein und der Störkompensationseinheit zugeführt werden.
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Außerdem kann der Oszillator durch die zugeführte Frequenz der Netzwechselspannung seine Schwingfrequenz verändern.
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Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung sind aus den nachfolgenden Erläuterungen mehrerer Ausführungsbeispiele anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
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Es zeigen:
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1: ein Blockschaltbild eines Röntgengenerators gemäß dem Stand der Technik,
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2: ein Blockschaltbild der Hochspannungsregelung eines Röntgengenerators gemäß dem Stand der Technik,
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3: ein Blockschaltbild einer Hochspannungsregelung mit paralleler Störkompensation,
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4: ein Blockschaltbild einer Hochspannungsregelung mit serieller Störkompensation,
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5: ein Blockschaltbild einer Hochspannungsregelung mit Beobachter und
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6: ein Zeit-Amplituden Diagramm einer Kompensation einer 300 Hz Störung.
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Detaillierte Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
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In der
DE 102 28 336 C1 wird beispielhaft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung einer Röntgenröhrenspannung offenbart. In den
1 und
2 ist dieser Stand der Technik dargestellt.
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1 zeigt die typischen Komponenten eines Röntgengenerators 1, die bezüglich der Regelung der Röntgenröhrenspannung U1 die Regelstrecke im Sinne der Regelungstechnik darstellen. Hierzu gehören zunächst ein Schwingkreiswechselrichter S1, ein Hochspannungserzeuger S2 sowie eine Röntgenröhre 6.
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Der Wechselrichter S1 weist mehrere Leistungshalbleiter 3 auf, die so geschaltet werden, dass eine Zwischenkreisgleichspannung U2 in eine Hochfrequenzspannung umgewandelt wird. Der Wechselrichter S1 weist außerdem einen Spannungsfrequenzwandler 2 auf, der einen Spannungswert Y(t) in eine Ansteuerfrequenz f umwandelt, mit der die Leistungshalbleiter 3 des Wechselrichters S1 angesteuert werden. Die Eingangsspannung bildet somit die Stellgröße Y(t) der Regelstrecke.
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Der Hochspannungserzeuger S2 besteht zum einen aus einem Transformator 4 mit einem Übertragungsfaktor ü und einer dem Transformator 4 nachgeschalteten Gleichricht- und Glättungseinheit 5. Die am Ausgang der Gleichricht- und Glättungseinheit 5 vorliegenden Röntgenröhrenspannung U1 wird der Röntgenröhre 6 zugeführt.
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2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Hochspannungsregelkreises eines Röntgengenerators 1. Der Wechselrichter S1 aus 1 wird hier schematisch als Block dargestellt. Der Hochspannungserzeuger S2 wird ebenfalls schematisch als Block dargestellt. I1(t) ist der Schwingstrom des Wechselrichters S1, der die Primärwicklung des Hochspannungstransformators des Hochspannungserzeugers S2 versorgt.
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Gemäß dem Stand der Technik wird zur Regelung der Ausgangsspannung V(t) am Hochspannungserzeuger S2 die dort zu einem bestimmten Zeitpunkt t anliegende Ist-Spannung V(t) mit einem Sollwert W(t) verglichen, welcher der gewünschten Röntgenröhrenspannung U1 entspricht, d. h. die Differenz wird einer Spannungsregeleinheit R zugeführt.
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Bei der Spannungsregeleinheit R handelt es sich beispielsweise um einen einfachen PI-Regler oder PID-Regler, der in Abhängigkeit von der Abweichung des Istwerts V(t) vom Sollwert W(t) die Stellgröße Y(t) erzeugt, die dann auf den Eingang des Spannungsfrequenzwandlers des Wechselrichters S1 gelegt wird.
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Zwischen dem Wechselrichter S1 und der Hochspannungserzeugungseinheit S2 ist beispielhaft eine Störung Z(t) additiv aufgeschaltet. Sie kann prinzipiell an jedem Punkt der Regelstrecke auch in anderer als additiver Form angreifen. Sie repräsentiert erfindungsgemäß eine Störung aus der Welligkeit der Zwischenkreisspannung U2 oder des Zwischenkreisstromes eines Spannungs- oder Stromregelkreises des 50 Hz oder 60 Hz Versorgungsnetzes. Erfindungsgemäß gilt es nun, diese niederfrequente Welligkeit (mit einer Frequenz von zum Beispiel 300 Hz) zu kompensieren. Der beschriebene PI- oder PID-Regler ist dazu wegen ungenügend hoher Verstärkung im relevanten Frequenzbereich alleine nicht in der Lage.
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3 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Hochspannungsregelkreises eines Röntgengenerators 1. Die Differenz der Ausgangsspannung V(t) am Hochspannungserzeuger S2 und dem Sollwert W(t) der Röhrenspannung wird einer Hauptregeleinheit 7 zugeführt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Hauptregeleinheit 7 um einen PI- oder PID-Regler.
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Parallel zum Ausgang der Hauptegeleinheit 7 ist eine Störkompensationseinheit 8 geschaltet, die eine Nachbildung der durch Gleichrichtung der dem Röntgengenerator 1 zugeführten Netzwechselspannung verursachten Störung Z(t) ist. Die Summe des Ausgangsignals der Hauptregeleinheit 7 und des Ausgangssignals der Störkompensationseinheit 8 bildet die Stellgröße Y(t), die der Regelstrecke RS bestehend aus Wechselrichter S1 und Hochspannungserzeuger S2 zugeführt wird. Die Störkompensationseinheit 8 umfasst einen oder mehrere frei schwingende Oszillatoren 9 als Störmodell. Sie schwingen mit der Frequenz der Störung Z(t), beispielsweise 300 Hz. Ihre Amplitude wird durch den Beobachtungsfehler (= Ausgangssignal der Hauptregeleinheit 7) automatisch auf die Amplitude der Störung Z(t) eingestellt. Die Hauptregeleinheit 7 und die Störkompensationseinheit 8 bilden zusammen die Hochspannungsregeleinheit R.
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Die Störung Z(t), verursacht durch die Welligkeit der Zwischenkreisspannung eines Spannungs- oder Stromregelkreises des 50 Hz oder 60 Hz Versorgungsnetzes, greift an der Regelstrecke RS an und ist beispielhaft als additive Störung Z(t) zwischen Wechselrichter S1 und Hochspannungserzeigungseinheit S2 dargestellt. Um Frequenzschwankungen der Störung Z(t) nachzubilden, kann die gemessene oder geschätzte Frequenz der Störung Z(t) der Störkompensationseinheit 8 zugeführt werden, was durch den gestrichelten Pfad angedeutet ist.
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4 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Hochspannungsregelkreises eines Röntgengenerators 1. Die Differenz der Ausgangsspannung V(t) am Hochspannungserzeuger S2 und dem Sollwert W(t) der Röhrenspannung wird einer Hauptregeleinheit 7 zugeführt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Hauptregeleinheit 7 um einen PI- oder PID-Regler.
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In Serie zum Ausgang der Hauptegeleinheit 7 ist eine Störkompensationseinheit 8 geschaltet, die eine Nachbildung der durch Gleichrichtung der dem Röntgengenerator 1 zugeführten Netzwechselspannung verursachten Störung Z(t) ist. Das Ausgangssignals der Störkompensationseinheit 8 bildet die Stellgröße Y(t), die der Regelstrecke RS bestehend aus Wechselrichter S1 und Hochspannungserzeuger S2 zugeführt wird. Die Störkompensationseinheit 8 umfasst einen oder mehrere frei schwingende Oszillatoren 9 als Störmodell. Sie schwingen mit der Frequenz der Störung Z(t), beispielsweise 300 Hz. Ihre Amplitude wird durch den Beobachtungsfehler (= Ausgangssignal der Hauptregeleinheit 7) automatisch auf die Amplitude der Störung Z(t) eingestellt. Die Hauptregeleinheit 7 und die Störkompensationseinheit 8 bilden zusammen die Hochspannungsregeleinheit R.
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Die Störung Z(t), verursacht durch die Welligkeit der Zwischenkreisspannung eines Spannungs- oder Stromregelkreises des 50 Hz oder 60 Hz Versorgungsnetzes, greift an der Regelstrecke RS an und ist beispielhaft als additive Störung Z(t) zwischen Wechselrichter S1 und Hochspannungserzeigungseinheit S2 dargestellt. Um Frequenzschwankungen der Störung Z(t) nachzubilden, kann die gemessene oder geschätzte Frequenz der Störung Z(t) der Störkompensationseinheit 8 zugeführt werden, was durch den gestrichelten Pfad angedeutet ist.
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5 zeigt das vereinfachte Blockschaltbild einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Hochspannungsregelkreises eines Röntgengenerators 1. Die Differenz der Ausgangsspannung V(t) am Hochspannungserzeuger S2 und dem Sollwert W(t) der Röhrenspannung wird einer Hauptregeleinheit 7 zugeführt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Hauptregeleinheit 7 um einen PI- oder PID-Regler.
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Parallel zur Regelstrecke RS ist eine Störkompensationseinheit 8 mit einem Beobachter B geschaltet. Dem Beobachter B wird sowohl die Ausgangsspannung V(t) der Regelstrecke RS als auch die Stellgröße Y(t) zugeführt. Mit Hilfe einer Nachbildung der Regelstrecke RS erzeugt der Beobachter ein Ausgangssignal, das vom Ausgangssignal der Hauptregeleinheit 7 subtrahiert wird. Der Beobachter B umfasst einen oder mehrere frei schwingende Oszillatoren 9 als Störmodell. Sie schwingen mit der Frequenz der Störung Z(t), beispielsweise 300 Hz. Ihre Amplitude wird durch den Beobachtungsfehler automatisch auf die Amplitude der Störung Z(t) eingestellt. Die Hauptregeleinheit 7 und die Störkompensationseinheit 8 bilden zusammen die Hochspannungsregeleinheit R.
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Die Störung Z(t), verursacht durch die Welligkeit der Zwischenkreisspannung eines Spannungs- oder Stromregelkreises des 50 Hz oder 60 Hz Versorgungsnetzes, greift an der Regelstrecke RS an und ist beispielhaft als additive Störung Z(t) zwischen Wechselrichter S1 und Hochspannungserzeigungseinheit S2 dargestellt. Um Frequenzschwankungen der Störung Z(t) nachzubilden kann, die gemessene oder geschätzte Frequenz der Störung Z(t) dem Beobachter B zugeführt werden, was durch den gestrichelten Pfad angedeutet ist.
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6 zeigt ein Zeit-Amplituden Diagramm einer Kompensation einer 300 Hz Störung Z(t) mit einer Regelschaltung nach einer der 3 bis 5. In x-Richtung ist die Zeit t in Sekunden dargestellt und in y-Richtung die elektrische Spannung in kV. Dargestellt sind die Stellgröße Y(t), der Sollwert W(t) der Röhrenspannung und die Ausgangsspannung V(t) der Hochspannungserzeugungseinheit S2. Eine 300 Hz Störung Z(t) in der Regelstrecke RS wird angenommen. Deutlich zu erkennen ist die 300 Hz Welligkeit der Stellgröße Y(t), die die an der Regelstrecke RS angreifende Störung Z(t) kompensiert. Die Ausgangsspannung V(t) nimmt in kurzer Zeit den Sollwert W(t) an und weist in Folge der Störkompensation innerhalb kurzer Zeit keine Welligkeit mehr auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Röntgengenerator
- 2
- Spannungsfrequenzwandler
- 3
- Leistungshalbleiter
- 4
- Transformator
- 5
- Gleichricht- und Glättungseinheit
- 6
- Röntgenröhre
- 7
- Hauptregeleinheit
- 8
- Störkompensationseinheit
- 9
- Oszillator
- B
- Beobachter
- f
- Ansteuerfrequenz
- I1(t)
- Schwingstrom
- R
- Hochspannungsregeleinheit
- S1
- Wechselrichter
- S2
- Hochspannungserzeuger
- t
- Zeit
- U1
- Röhrenspannung
- U2
- Zwischenkreisspannung
- V(t)
- Ausgangsspannung am Hochspannungserzeuger S2
- W(t)
- Sollwert der Röhrenspannung U1
- Y(t)
- Stellgröße
- Z(t)
- Störung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 980196 B1 [0003]
- DE 10228336 C1 [0033]
