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Die Erfindung betrifft ein Röntgenaufnahmesystem und ein Verfahren zum Röntgen eines Objektes.
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Bei röntgenbasierten Systemen ist es immer ein Ziel, die Strahlendosis möglichst niedrig zu halten. Dies gilt insbesondere in der medizinischen Röntgentechnik, bei der Patienten einer möglichst niedrigen Strahlenbelastung ausgesetzt werden sollen. Aber auch im Bereich der Materialuntersuchung ist es sinnvoll, die Dosis möglichst gering zu halten, um die Lebensdauer der Apparatur, welche auch von durch Röntgenstrahlen an der Elektronik verursachten Schäden abhängt, nicht zu beeinträchtigen.
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In typischen Röntgensystemen werden Röntgenstrahlen von einer Strahlenquelle emittiert und bei der Transmission durch ein untersuchtes Objekt (z.B. Patienten) abgeschwächt. Die abgeschwächten Röntgenstrahlen werden von einem Detektor aufgenommen, und aus der detektierten Intensität der Röntgenstrahlen wird auf die im Zuge der Transmission durch das Objekt erfolgte Schwächung der Röntgenstrahlen geschlossen. Die Schwächung wiederum ist ein Maß für die Dichte des durchstrahlten Gewebes bzw. Materials.
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Die Röntgenanlage wird üblicherweise so eingestellt, daß nur der interessierende Bereich bestrahlt wird. In diesem Zusammenhang spricht man auch von dem „field of interest (FOI)“. Dieses relevante Feld wird möglichst so festgelegt, dass der relevante Bereich (z.B. Organ oder Körperextremität) des zu untersuchenden Objektes (hier ist der Begriff „region of interest“ bzw. ROI üblich) erfaßt wird, aber nicht relevante Bereiche ausgespart werden. Zu diesem Zweck werden derzeit verschiedene Anordnungen eingesetzt, wie z.B. Filter und Blenden bzw. Kollimatoren, welche die Röntgenstrahlen begrenzen. Verschiedene Blenden kollimieren den Strahl und beschränken die Röntgenstrahlen auf einen bestimmten Bereich. Heutige Blenden erlauben meist aber nur eine rechteckige, symmetrische Kollimierung.
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Bei Untersuchungen mit Hilfe von Röntgenstrahlen kommt es häufig vor, daß der Patient bzw. dessen Organe im zu untersuchenden Bereich ein stark unterschiedliches Absorptionsverhalten hinsichtlich der applizierten Röntgenstrahlung aufweisen. Beispielsweise ist bei Thoraxaufnahmen die Schwächung im Mediastinum, also im Bereich vor den Lungenflügeln, sehr groß. Dies ist bedingt durch die dort angeordneten Organe. Dagegen ist die Schwächung im Bereich der Lungenflügel selbst sehr klein. Sowohl für einen Erhalt einer aussagekräftigen Aufnahme, als auch insbesondere zur Schonung des Patienten ist es sinnvoll, die applizierte Dosis bereichsabhängig derart einzustellen, daß nicht mehr Röntgenstrahlung als nötig zugeführt wird. Das heißt, in den Bereichen mit großer Schwächung ist eine größere Dosis als in Bereichen mit geringerer Schwächung zu applizieren. Daneben gibt es Anwendungen, bei denen nur ein Teil des untersuchten Bereichs mit großer diagnostischer Qualität, das heißt mit geringem Rauschen, aufgenommen werden muß. Die umgebenden Teile sind für die Orientierung, nicht aber für die eigentliche Diagnose wichtig. Diese umgebenden Bereiche können also mit einer geringeren Dosis abgebildet werden, um auf diese Weise die gesamte applizierte Dosis zu reduzieren.
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Bei bestimmten Röntgenuntersuchungen ist es erforderlich, Veränderungen der Dicke des menschlichen Körpers auszugleichen und damit die Gleichförmigkeit der Strahlung für die Bildgebung zu erhöhen. Dies kann durch ein Filter geschehen, das so konstruiert ist, daß sich seine Materialdicke kontinuierlich oder in Stufen verändern läßt, um damit die Intensitätsverteilung der Röntgenstrahlung anpassen zu können.
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Bei der Röntgenuntersuchung entstehen u. a. auch hautschädigende weiche und mittelweiche Strahlen, die oft nur wenig diagnostische Relevanz haben, da sie großteils vom Gewebe des Patienten absorbiert werden und nicht am Bildempfänger ankommen. Aus diesem Grund muß die Strahlung "aufgehärtet" werden, das heißt, die weicheren, also langwelligeren und weniger durchdringungsfähigen Strahlen müssen mit einem Röntgenfilter herausgefiltert werden.
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Es besteht daher ein Bedarf an Filtern, welche flexibel bezüglich ihrer Form sind, so daß das Absorptionsverhalten angepaßt werden kann. Dabei soll hier und im Folgenden der Begriff „Filter“ in einer allgemeinen Weise benutzt werden und insbesondere auch Blenden oder Kollimatoren einschließen. Ein Filter wird somit als eine Vorrichtung verstanden, welche sowohl eine teilweise Abschwächung als auch eine vollständige Ausblendung oder beides kombiniert in verschiedenen Bereichen bewerkstelligen kann.
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Diese Lösungen haben den Nachteil, daß sie auf nicht festen Filtermaterialien oder Materialien, die relativ einfach durch äußere Beeinflussung (z.B. Anlegen eines Feldes) den Aggregatszustand wechseln können, basieren. Diese Lösungen sind einerseits aufwendig, weil Mittel zu entsprechender Formanpassung bzw. Formänderung vorgesehen werden müssen, zum anderen gibt es gewisse Materialeinschränkungen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine flexible Filterung von Röntgenstrahlen zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Röntgenaufnahmesystem nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Röntgen eines Objekts nach Anspruch 10.
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Erfindungsgemäß wird ein Röntgenaufnahmesystem vorgeschlagen, welches ein Röntgengerät und einen 3D-Drucker umfaßt. Unter einem 3D-Drucker wird dabei eine Maschine verstanden, welche 3-dimensionale Werkstücke bildet. Die Bildung erfolgt typischerweise durch einen Aufbau mittels Ablagerung von Material kann aber auch in Form einer Abtragung von Material eines Materialblocks realisiert sein. Bei einem Aufbau kann dieser computergesteuert aus einem oder mehreren pulverförmigen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen durchgeführt werden. Beim Aufbau können auch physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse stattfinden. Bei dem vorliegenden Röntgenaufnahmesystem ist der 3D-Drucker für das Bilden (typischerweise Drucken) eines Röntgenfilters für das Röntgengerät ausgestaltet bzw. ausgebildet. Zudem ist das Röntgenaufnahmesystem für die Positionierung des Röntgenfilters an einer Aufnahmeposition, welche zu einer Filterung von durch das Röntgengerät emittierten Röntgenstrahlung geeignet ist, ausgestaltet bzw. ausgebildet.
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Die Erfindung erlaubt die Kollimierung des Strahlenfeldes auf beliebige Formen und ist so anpaßbar, daß auch die Intensität des Primärstrahls durch die individuell einstellbare Filterdicke beeinflußt werden kann. Einsatzgebiete sind beispielsweise die Radiologie, Kardiologie und Angiographie, Chirurgie und Computertomographie, ebenso wie die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung.
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Gemäß einer Ausgestaltung ist der 3D-Drucker in das Röntgengerät integriert. Hierbei soll der Begriff „integriert“ breit verstanden sein, d.h. auch Fälle einschließen, in denen der 3D-Drucker und das Röntgengerät in dem Sinne eine Einheit bilden, daß der 3D-Drucker an dem Röntgengerät befestigt ist und mit diesem funktionell zusammenwirkt.
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Für die genannte Positionierung des Röntgenfilters an einer Aufnahmeposition gibt es unter anderem die beiden folgenden möglichen Realisierungen. Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist das Röntgensystem für ein Drucken des Röntgenfilters an einer sich von der Aufnahmeposition unterscheidenden Druckposition (evtl. auch außerhalb eines für den Filter vorgesehenen Blendenkastens) ausgestaltet. Bei dieser Lösung umfaßt das Röntgenaufnahmesystem eine Transportvorrichtung zum Transport des Röntgenfilters von der Druckposition zur Aufnahmeposition. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, daß das Röntgensystem für ein Drucken des Röntgenfilters an der Aufnahmeposition ausgestaltet ist, so daß kein dezidierter Transport des Filters erfolgen muß.
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Für das Bilden bzw. Drucken des Röntgenfilters kann ein röntgentransparenter Träger zur Unterstützung von Filtermaterial des Röntgenfilters vorgesehen sein. Der Begriff Röntgentransparenz ist dabei so zu verstehen, daß durch den Träger möglichst wenig Röntgenstrahlung absorbiert werden soll.
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Gemäß einer Ausgestaltung umfaßt das Röntgengerät einen Blendenkasten, wobei entweder der Blendenkasten den 3D-Drucker vollständig oder teilweise aufnimmt oder der 3D-Drucker ist außerhalb des Blendenkastens angeordnet und der Blendenkasten für einen Transport des Röntgenfilters von außerhalb des Blendenkastens in den Blendenkasten ausgestaltet ist. Dies kann beispielsweise mittels einer Öffnung im Blendenkasten realisiert werden, wobei diese Öffnung für die Röntgenaufnahme wieder verschließbar ist, so daß ein Austreten von Röntgenstrahlen vermieden wird.
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Der erfindungsgemäß eingesetzte 3D-Drucker kann mit einem Druckerkopf und Schienen gebildet sein, wobei der Druckerkopf für ein Bewegen entlang der Schienen ausgebildet ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung können wenigstens zwei 3D-Drucker vorgesehen sein, die so angeordnet sind, daß ein möglichst effizienter Arbeitsablauf gegeben ist. Für einen optimierten Arbeitsablauf wird auch eine Ausgestaltung vorgeschlagen, welche eine Drehscheibe für den Transport des Röntgenfilters zur Aufnahmeposition vorsieht.
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Schließlich umfaßt der Erfindungsgegenstand auch ein Verfahren zum Röntgen eines Objektes. Zu diesem Verfahren werden Daten nach Maßgabe einer durchzuführenden Röntgenbestrahlung für das Bilden eines geeigneten Röntgenfilters generiert. Es wird dann ein Röntgenbild mit Hilfe eines 3D-Druckers nach Maßgabe der generierten Daten gebildet. Schließlich erfolgt eine Durchführung einer Röntgenstrahlung des Objektes mit Hilfe des gebildeten Röntgenfilters.
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Der Erfindungsgegenstand wird im Folgenden anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen
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1: die prinzipielle Vorgehensweise am Beispiel einer Lungenaufnahme,
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2: ein erfindungsgemäßes Röntgensystem,
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3: eine schematische Darstellung eines 3D-Druckers mit einem erfindungsgemäßen Röntgensystem,
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4: eine andere Variante des erfindungsgemäßen Röntgensystems,
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5: verschiedene Realisierungen des Erfindungsgegenstandes mit einem 3D-Drucker, der außerhalb des Blendenkastens positioniert ist, wobei das System für einen möglichst effizienten Transport des Filters an den Aufnahmeplatz ausgestaltet ist, und
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6: eine Illustration der Vorteile des Erfindungsgegenstandes.
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1 zeigt prinzipiell die Bedeutung eines Filters für den klinischen Einsatz am Bild am Beispiel einer Lungenaufnahme. Dort ist es durch den 3D-Filter möglich, den Bereich an der Wirbelsäule und um das Herz so zu filtern, daß die Strahlenbelastungen in diesem Bereich reduziert werden. Die Lungenflügel sind hierbei komplett sichtbar und die Bildqualität der Lungenaufnahme wird durch den 3D-Filter nicht beeinträchtigt.
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Bezugszeichen 1 bezeichnet die Position des Fokus der Strahlenquelle. Bezugszeichen 21 den erfindungsgemäßen 3-dimensionalen Röntgenfilter, welcher eine Modulation der Intensität und eine Adaption der Kollimierung erlaubt, und schließlich Bezugszeichen 3 die Röntgenaufnahme.
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2 zeigt ein Röntgensystem mit einem durch einen 3D-Drucker gebildeten bzw. hergestellten Filter. 3D-Drucker sind derzeit schon für viele Anwendungen üblich. Typischerweise erfolgt die Herstellung eines 3-dimensionalen festen Objekts einer praktisch beliebigen Form auf Basis eines digitalen Modells. Meist wird der Druckprozeß durch ein additives Vorgehen realisiert, bei welchem aufeinanderfolgend Schichten von Material in verschiedenen Formen aufgetragen werden. Die Modulierung erfolgt dabei häufig auf Basis von Blueprints, die mit Computer-added-Design (CAD) erstellt wurden und ist häufig im Format eines sog. STL-Files abgespeichert. Im Zuge des Druckvorgangs liest die druckende Maschine von dem das herzustellende Objekt beschreibenden File und prägt sukzessive Schichten von Flüssigkeit, Pulver, Papier oder Blechen auf. Auf diese Weise wird ein Werkstück durch eine Serie von Querschnitten aufgebaut. Typische Schichtdicken sind dabei im Bereich von 100 µm, wobei teilweise auch dünnere Schichtdicken im Bereich von 16 µm erreicht werden können. Verschiedene Prozesse sind bekannt, mittels derer die verschiedenen Schichten aufgebaut werden können, wobei neben dem Zusammenfügen von Schichten auch Schmelzmethoden (z.B. mit Hilfe von Lasern) beschrieben wurden.
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3D-Druck ist für verschiedenste Materialien beschrieben worden und erlaubt unter anderem auch die Herstellung von Gegenständen aus Kupfer, Blei oder Aluminium, welche typischerweise Materialien sind, die für die Herstellung von Röntgenfiltern zur Anwendung kommen. Diese oder andere Materialien können auf ein Trägermaterial aufgetragen werden, welches erfindungsgemäß vorzugsweise aus röntgentransparentem Material besteht. Damit die Partikel, die die Röntgenstrahlung schwächen, aneinander haften, können sie vorab bearbeitet werden. Hier können z.B. Nanopartikel zum Einsatz kommen, so daß ähnliche Eigenschaften wie z.B. bei technischen Anwendungen in der Fotoindustrie bestehen, wo Farbpartikel auf ein Trägermaterial (z.B. Papier) aufgetragen werden. Die Oberfläche der Partikel kann so verändert werden, daß die Partikel z.B. auf Oberflächen haften, die eine bestimmte elektrische Polarität haben. Ähnliche Methoden werden auch in der Automobil- und Schifffahrtsindustrie benützt, um Oberflächen zu lackieren. Hierbei hat die Oberfläche eine elektrische Polarität (z.B. negativ) und die Partikel die entgegengesetzte Polarität, so daß die Partikel an der Oberfläche beim Aufsprayen haften bleiben. Eine ähnliche Implementierung für den formangepaßten Röntgenfilter gemäß der Erfindung ist denkbar, d.h. das Trägermaterial kann z.B. eine elektrische Polarität haben, um die Partikel anzuziehen und bei Bedarf durch eine Umkehr der Polarität abstoßen.
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In 2 ist eine Ausgestaltung der Erfindung gezeigt. Ein Röntgenstrahler 1 mit einem Fokus 11 ist oberhalb eines Blendenkastens 2 mit einem erfindungsgemäß mittels 3D-Drucker hergestellten Filter an der vertikalen Position 21 versehen. Zusätzlich weist dieser Blendenplatten 22 auf, welche das Feld des Röntgenstrahls 3 begrenzen. Alternativ wäre vorstellbar, daß Blendenplatten und Filter als Einheit mittels 3D-Druck hergestellt wurden. Mit der Röntgenstrahlung 3 wird ein Patient 4 bestrahlt, welcher auf einem Tisch 5 liegt. Die durch den Patienten 4 abgeschwächten Röntgenstrahlen werden mittels Detektor 6 aufgenommen. Auf der rechten Seite ist schematisch der Fokus 11 gezeigt, sowie die Filterposition 21. Da der Filter in drei Dimensionen strukturiert ausgeführt werden kann, wird er im Folgenden auch als 3D Filter bezeichnet. Die Röntgenstrahlung 3 wird nach Durchdringen des Objektes eine Intensitätsverteilung 71 aufweisen, die Rückschlüsse auf das bestrahlte Objekt zuläßt.
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In 3 und 4 sind zwei Varianten des Erfindungsgegenstandes dargestellt. In 3 befindet sich der Druckerkopf auf einem Schienensystem und fährt auf diesen Schienen über das Trägermaterial. Dabei druckt er die Formen, die für die Diagnose relevant sind. Dies wird z.B. auch in 1 noch einmal veranschaulicht. Die Schwächung des Röntgenstrahls wird durch die Dicke der aufgetragenen Partikel definiert. Der links in 3 schematisch gezeigte 3D-Drucker 8 ist mit einem Druckerkopf 82 an Schienen 83 gebildet. Der Drukkerkopf bewegt sich entlang dieses Schienensystems und trägt Schwächungsmaterial bzw. Filtermaterial auf einen Träger 81 auf. Die Bewegung ist mit dem Pfeil 84 verdeutlicht. Der Druckerkopf, das Schienensystem und das Trägermaterial befinden sich bei dieser Lösung im Blendenkasten 2, wie auf der rechten Seite dargestellt ist. In dem dort gezeigten Blendenkasten 2 ist gestrichelt der Bereich des Druckers 8 angedeutet, welcher über den Träger 81 und den Druckerkopf 82 verfügt.
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In 4 ist wiederum auf der linken Seite der 3D-Drucker 8 schematisch angedeutet, welcher mit einem Träger 81 und einem Druckerkopf 82 gebildet ist. Hierbei erfolgt eine Bewegung des Trägers entlang eines Schienensystems. Das Schwächungsmaterial wird auf einem Träger 81 mit einem stationären Drukkerkopf 82 aufgetragen. D.h. der Träger 81 wird zwecks Auftragung des Schwächungs- bzw. Trägermaterials bewegt. Bei dieser Lösung befindet sich der Druckerkopf 82 außerhalb des Blendenkastens 2, wie auf dem Bild auf der rechten Seite dargestellt ist. Dort ist der Druckerkopf 82 außerhalb des Blendenkastens 2 angeordnet. Bezugszeichen 811 zeigt eine Stellung des Trägers 81. Das Bezugszeichen 81 bezieht sich auf den mit Filtermaterial versehenen Träger 81, nachdem er in der Aufnahmestellung positioniert wurde. Bezugszeichen 21 zeigt wiederum die Position des Röntgenfilters relativ zur Strahlungsrichtung.
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In 5 sind drei Varianten des Erfindungsgegenstands gezeigt. In der ersten Variante (a) links wird der Filter in der Position 811 unter den Druckerkopf 82 gefahren und auf Position 812 im Blendenkasten 2 weitertransportiert. Nach Beendigung der Untersuchung wird der Filter auf die ursprüngliche Position 811 zurückgefahren. (Der Transport in beide Richtungen wird durch die Pfeile 9 verdeutlicht.) In Position 811 wird der Filter dann gereinigt und für den nächsten Einsatz vorbereitet.
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In der mittleren Variante (b) werden zwei Druckerköpfe benutzt. Der Filter in der Position 811 wird unter den Druckerkopf 821 gefahren und auf Position 812 im Blendenkasten 2 weitertransportiert. Während der Untersuchung kann ein zweiter Filter mit einer unterschiedlichen Form generiert werden (Position 813). Nach Beendigung der Untersuchung wird der Filter von Position 812 auf die ursprüngliche Position 811 zurückgefahren und der zweite Filter von Position 813 auf Position 812 gebracht. Die Pfeile 9 verdeutlichen dabei wieder die Transportvorgänge.
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Schließlich wird in der rechten Variante (c) ein Druckerkopf 82 und eine Drehscheibe 10 benutzt, wobei der Filter in Position 811 unter einen Druckerkopf 82 gefahren wird und danach auf die Drehscheibe in Position 812 transportiert wird. Die Drehscheibe 10 rotiert dann und bringt den Filter auf Position 813 bringt. Während der Untersuchung kann ein zweiter Filter mit einer unterschiedlichen Form generiert werden und auf die nächste Position auf der Drehscheibe 10 gefahren werden. Wenn der zweite Filter auf Position 812 ist, kann der erste Filter herausgefahren, gereinigt und mit einer neuen Form wieder auf die Drehscheibe 10 gebracht werden. Die Rotation der Drehscheibe 10 wird mit Pfeil 9 verdeutlicht.
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6 zeigt links die heute übliche rechteckige symmetrische Kollimierung und links die erfindungsgemäße mögliche frei wählbare Kollimierung. Der Träger kann aus einem Material bestehen, das keine allzu hohe Eigenschwächung des Röntgenstrahls verursacht. Hierzu können z.B. Kohlenstoffmaterialien (Carbon Composites) eingesetzt werden, die röntgentransparent und gleichzeitig elektrisch leitfähig sind. Spezielle Nanostrukturen können dafür verwendet werden.
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Die Erfindung erlaubt die Kollimierung des Strahlenfeldes auf beliebige Formen. Dadurch wird das Strahlenfeld so eingeschränkt, daß nur relevante Regionen und Patienten belichtet werden. Die Patientendosis wird für den Patienten erheblich minimiert, da ein entsprechend angepaßter 3D-Filter erlaubt, lokal die Dosis anzupassen. Es ist zudem möglich, durch Modulierung der lokalen Röntgenintensität und durch die sanfte Änderung des Filterprofils scharfe Kantenbildung im Röntgenbild zu vermeiden. Kollimierung und Filterung kann hier im selben Schritt erfolgen. Limitierung der machbaren Formen bestehen praktisch nicht. Dies wird noch mal aus 6 deutlich. Es ist möglich, individuell auf die Anatomie eines Patienten angepaßte Filter sozusagen pro Untersuchung bereitzustellen, so daß auch bzgl. der Patientenanatomie eine Optimierung der Strahlendosis erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10227808 B4 [0009]
- DE 102013209150 B3 [0009]
- DE 1020122072627 B3 [0009]
- DE 102021206953 B3 [0009]
