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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Detektormoduls für einen Röntgendetektor, wobei für ein erstes Prüfobjekt eine reale Detektorantwort des Detektormoduls bestimmt wird, indem mittels des Detektormoduls wenigstens eine Röntgenmessung des ersten Prüfobjekts durchgeführt wird, und hierbei erste reale Bilddaten erzeugt werden, und wobei anhand der ersten realen Bilddaten eine Korrekturfunktion für das Detektormodul ermittelt wird, und das Detektormodul durch die Korrekturfunktion kalibriert wird. Die Erfindung betrifft außerdem ein Computerprogrammprodukt und eine Vorrichtung zum automatischen Kalibrieren eines Detektormoduls.
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In einem Computertomographen (CT) werden für einen Röntgendetektor üblicherweise einzelne Detektormodule verbaut, sodass sich mit den einzelnen Detektormodulen eine vergleichsweise große Gesamtfläche für den Röntgendetektor erreichen lässt, während die Konstruktion infolge der modularen Bauweise technisch effizient skaliert werden kann.
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Bei der Fertigung einzelner Detektormodule ist zu berücksichtigen, dass unterschiedliche Detektormodule oftmals ein nicht exakt identisches Antwortverhalten gegenüber einfallender Röntgenstrahlung aufweisen. Dies kann einerseits in Unterschieden in einem Detektormaterial zur Konvertierung der einfallenden Röntgenphotonen bedingt sein, wie beispielsweise Untereinheiten oder geringfügig unterschiedlicher Dotierungen eines Halbleitermaterials, aber auch in Fertigungsschwankungen von Elektronik-Komponenten einer Detektorelektronik bedingt sein.
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Nicht zuletzt infolge der komplexen Rücktransformation-Verfahren bei CT-Messungen kann dieses unterschiedlichen Antwortverhalten der einzelnen Detektormodule zu Bildartefakten führen. Um dies zu verhindern, werden derzeit Detektormodule oftmals in einem aufwändigen Prozess jeweils einzelnen hinsichtlich des Antwortverhaltens vermessen und zueinander sortiert, wobei Detektormodule außerhalb eines sehr engen Toleranzbereiches nicht in demselben Röntgendetektor verbaut werden, da die besagten Abweichungen im Antwortverhalten derzeit auch mit nachgelagerten Korrekturalgorithmen noch nicht korrigiert werden können.
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Die Folge ist, dass sich die Fertigung eines Röntgendetektors für ein CT infolge der Vermessung kostenintensiv gestaltet, sowie, dass nur bestimmte Detektormodule einer Produktionsserie für einen ganz konkreten Röntgendetektor überhaupt verwendbar sind, was auch den Lageraufwand für Produktion und für das Vorhalten von Ersatzteilen erheblich erhöht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mittels dessen bzw. derer unterschiedliche Detektormodule mit möglichst geringem Vermessungs- und logistischem Aufwand in einem Detektor verwendet werden können, ohne dass dabei während medizinischer Bildgebungsprozesse übermäßige Artefakte in den erzeugten Bilddaten auftreten.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte und für sich gesehen erfinderische Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Kalibrierung eines Detektormoduls für einen Röntgendetektor, wobei für ein erstes Prüfobjekt eine ideale Detektorantwort eines Prüfmoduls bestimmt wird, welches dem zu kalibrierenden Detektormodul entspricht, und dabei für das erste Prüfobjekt erste Referenz-Bilddaten erzeugt werden, wobei für das erste Prüfobjekt eine reale Detektorantwort des Detektormoduls bestimmt wird, indem mittels des Detektormoduls wenigstens eine Röntgenmessung des ersten Prüfobjekts durchgeführt wird, und hierbei erste reale Bilddaten erzeugt werden, und wobei anhand der ersten realen Bilddaten und der ersten Referenz-Bilddaten eine Korrekturfunktion für das Detektormodul ermittelt wird, mittels derer medizinische Bilddaten korrigierbar sind, welche bei einer Röntgenmessung eines Körperbereichs eines Patienten durch einen das Detektormodul umfassenden ersten Röntgendetektor erzeugt werden, und das Detektormodul durch die Korrekturfunktion kalibriert wird. Vorteilhafte und teils für sich gesehen erfinderische Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche und der nachfolgenden Beschreibung.
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Insbesondere ist das Detektormodul für einen Einsatz bzw. eine Verwendung in einem CT vorgesehen und eingerichtet. Ein solches Detektormodul umfasst hierbei insbesondere ein flächenförmig ausgestaltetes Detektormaterial, auf welchem die zu detektierende Röntgenstrahlung auftrifft, sowie eine Detektorelektronik, welche bevorzugt pixelweise auflösbar ein Auftreffen eines Röntgenphotons auf dem Detektormaterial durch eine entsprechende Ausgabe eines elektrischen Signals registriert. Das Detektormaterial kann dabei insbesondere durch einen Szintillator gegeben sein, welcher ein auftreffendes Röntgenphoton in Licht niedrigerer Energie umwandelt, welches anschließend mittels Photodioden detektierbar ist. Eine Photodiode kann anschließend an eine ASIC oder eine vergleichbare Elektronikkomponente zur Verstärkung des Signals und zur Aufbereitung eines Zählereignisses angeschlossen sein, wobei die ASIC o.ä. dann einen Teil der Detektorelektronik bildet. Ebenso ist möglich, dass das Detektormaterial ein Halbleitermaterial, wie z.B. CdTe oder (Cd,Zn)Te umfasst, in welchem ein einfallendes Röntgenphoton die Bildung eines Elektronen-Loch-Paares hervorruft, welches wiederum durch das Anlegen einer entsprechenden Detektorspannung als ein Stromimpuls detektierbar ist.
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Das Detektormodul weist dabei bevorzugt einen mechanischen Träger auf, auf welchem eine oder mehrere flächenförmige Einheiten des Detektormaterials als sog. „Tiles“ („Kacheln“) angeordnet sind, an welcher bzw. an welchen einzelne Elektronikkomponenten der Detektorelektronik kontaktiert und insbesondere befestigt sind. Ein Detektormodul ist hierbei insbesondere durch eine isoliert verbaubare und austauschbare Baueinheit eines Röntgendetektors, und bevorzugt durch die kleinste derartige Baueinheit gegeben.
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Als erstes Prüfobjekt kann insbesondere ein standardisiertes Prüfobjekt mit bekannten Absorptionseigenschaften gegenüber Röntgenstrahlung verwendet werden, wie dies bei sog. Röntgenphantomen der Fall ist.
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Insbesondere wird eine Mehrzahl an Prüfobjekten verwendet, wobei jeweils für das Prüfmodul und das zu kalibrierende Detektormodul die ideale bzw. reale Detektorantwort bzgl. Der einzelnen Prüfobjekte ermittelt wird, und anhand der die idealen und realen Detektorantworten repräsentierenden Bilddaten die Korrekturfunktion ermittelt. Bevorzugt werden die Prüfobjekte dabei hinsichtlich einer optimalen Charakterisierung der Detektorantworten ausgesucht bzw. verwendet.
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Unter einem Prüfmodul, welches dem zu kalibrierenden Detektormodul entspricht, ist hierbei insbesondere ein weiteres Detektormodul umfasst, welches seiner Bauart nach für dieselbe Verwendung eingerichtet ist wie das zu kalibrierende Detektormodul, und somit bevorzugt einen bis auf Fertigungstoleranzen identischen Aufbau mit denselben Abmessungen sowie derselben Beschaltung und Anzahl an Pixelkanälen aufweist, wie das zu kalibrierende Detektormodul.
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Das Prüfmodul ist dabei für das Ermitteln seiner idealen Detektorantwort bevorzugt in einem Röntgendetektor verbaut, welcher dem ersten Röntgendetektor, für den das zu kalibrierende Detektormodul vorgesehen ist, in seinem Wesentlichen Aufbau gleich ist. Besonders bevorzugt ist dabei das Prüfmodul für das Ermitteln der idealen Detektorantwort an derselben Stelle in besagtem Röntgendetektor verbaut, an welcher im ersten Röntgendetektor der Einsatz des zu kalibrierenden Detektormoduls vorgesehen ist. Hierdurch müssen beim Ermitteln der idealen Detektorantwort auch Effekte des Strahlengangseiner Röntgenstrahlung in der dem jeweiligen Röntgendetektor übergeordneten Vorrichtung, also beispielsweise in einem CT, nicht gesondert berücksichtigt oder korrigiert werden. Das Ermitteln der idealen Detektorantwort des Prüfmoduls erfolgt somit insbesondere durch eine Röntgenmessung des ersten Prüfobjektes mittels des das Prüfmodul umfassenden Röntgendetektors, wobei die Röntgenmessung in bevorzugt in einer einen Röntgenstrahl erzeugenden, übergeordneten Vorrichtung wie z.B. einem CT durchgeführt wird.
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Alternativ oder bei einer Mehrzahl an Prüfobjekten auch zusätzlich dazu kann das Ermitteln der idealen Detektorantwort für das Prüfmodul auch anhand einer numerischen Simulation erfolgen. In diesem Fall ist das Prüfmodul ein Modell des zu kalibrierenden Detektormoduls, wobei der Aufbau, die Abmessungen, eine Beschaltung etc. des Detektormoduls als entsprechende Modellparameter oder Teilgrößen in das Modell eingehen. Das erste Prüfobjekt wird ebenfalls modelliert, sodass die ideale Detektorantwort anhand einer Simulation der Propagation eines Röntgenstrahls durch das erste Prüfobjekt auf das Prüfmodul und einer Simulation der dort erfolgenden physikalischen und daran anschließenden elektronischen Prozesse erfolgt.
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Die ideale Detektorantwort, welche das dem zu kalibrierenden Detektormodul entsprechende Prüfmodul bei einer tatsächlich durchgeführten oder numerisch simulierten Röntgenmessung des ersten Prüfobjekts aufweist, wird nun durch die ersten Referenz-Bilddaten, bevorzugt pixelweise wiedergegeben.
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Für das Bestimmen der realen Detektorantwort des zu kalibrierenden Detektormoduls auf das erste Prüfobjekt wird eine Röntgenmessung des ersten Prüfobjektes durchgeführt, welche in einer einen Röntgenstrahl erzeugenden, übergeordneten Vorrichtung wie z.B. einem CT durchgeführt wird, in dessen Röntgendetektor das Detektormodul verbaut ist. Alternativ oder bei einer Mehrzahl an Prüfobjekten auch zusätzlich dazu kann die Röntgenmessung auch in einem speziellen Prüfstand für das Detektormodul erfolgen, welcher bevorzugt eine eigene, hinsichtlich der Energie und des Strahlengangs möglichst flexibel einstellbare Röntgenquelle umfasst. Bevorzugt wird in diesem Fall die ideale Detektorantwort für das Prüfmodul ebenfalls im Prüfstand gemessen.
Die ersten Referenz-Bilddaten repräsentieren nun für das erste Prüfobjekt die ideale Detektorantwort eines Prüfmoduls, welches zum zu kalibrierenden Detektormodul im Wesentlichen, insbesondere nur bis auf material- und/oder fertigungsbedingte Schwankungen baugleich ist. Die ersten realen Bilddaten repräsentieren für das zu kalibrierende Detektormodul die reale Detektorantwort bei einer Röntgenmessung des ersten Prüfobjektes. Anhand der ersten Referenz-Bilddaten und der ersten realen Bilddaten wird nun die Korrekturfunktion ermittelt, durch welche das Detektormodul kalibriert werden kann, indem bei einem medizinischen Bildgebungsprozess mittels einer übergeordneten Vorrichtung, welche einen Röntgendetektor mit dem Detektormodul aufweist, die durch das Detektormodul erzeugten medizinischen Bilddaten, insbesondere auf der Ebene der Rohdaten, anhand der Korrekturfunktion korrigiert werden.
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Die Korrekturfunktion kann dabei insbesondere durch eine pixelweise Funktion der Bildhelligkeit bzw. -intensität gegeben sein, welche z.B. als Polynom darstellbar ist, sodass bevorzugt die jeweiligen Polynomkoeffizienten in jedem Pixel anhand der Abweichung der entsprechenden realen Bilddaten von den idealen Bilddaten angepasst werden. Insbesondere können jedoch für die Anpassung von Polynomkoeffizienten zu einem Pixel des Detektormoduls auch die realen und idealen Bilddaten unmittelbar benachbarter oder nahe gelegener Pixel herangezogen werden, um räumliche Stetigkeitsbedingungen o.ä. mit einfließen lassen zu können.
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Die Korrekturfunktion kann auch anhand eines maschinellen Lernprozesses, insbesondere durch ein künstliches neuronales Netz, und dabei besonders bevorzugt durch ein viellagiges künstliches neuronales Netz (sog. „Deep Learning“) ermittelt werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn eine Mehrzahl an Prüfobjekten mit den jeweils entsprechenden idealen und realen Detektorantworten für die Kalibrierung verwendet wird.
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Bei der Entwicklung und der Fertigung von Röntgendetektoren, insbesondere zur medizinischen Bildgebung, ist es oftmals schwierig, den Einfluss, welchen alle einzelnen Sub-Komponenten bis auf die Ebene der einzelnen Elektronikkomponenten der Detektorelektronik und der „Tiles“ auf die Bildqualität bei Röntgenmessungen haben können, exakt zu spezifizieren. Allgemein kann es sich hierbei um zu spezifizierende Größen handeln, welche die Signalstabilität und/oder die Signalqualität (also z.B. im Sinne eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses) betreffen. Hierbei können verschiedene in einem Röntgendetektor verbaute Detektormodule je nach Aussteuerungsbereich z.B. ein unterschiedliches Linearitätsverhalten aufweisen, oder bei quantenzählenden Detektoren unterschiedliche Zeitkonstanten und somit unterschiedliche „Pile-Up“-Verhalten aufweisen.
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Je aufwändiger hierbei die Verfahren zur medizinischen Bildrekonstruktion aus den in einzelnen Röntgenmessungen erzeugten „rohen“ Bilddaten ist, desto höher ist dabei das Risiko, dass es infolge von in ihrem Antwortverhalten zu sehr voneinander unterschiedlichen Detektormodulen im Röntgendetektor zu Bildartefakten kommen kann, z.B. bei den Rücktransformationen, welche in einem CT verwendet werden.
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Um eine hohe Bildqualität gewährleisten zu können, sind die technischen Anforderungen an die einzelnen Komponenten (z.B. Rausch- und Linearitätsverhalten von Photodioden oder ASICs) sowie an ihre mechanische Verbauung (z.B. Anordnung und Ausrichtung bei einem Anti-Scatter-Grid) hoch, wodurch die Komplexität der Fertigung zunimmt. Um den Einflüssen durch potentielle Abweichung einzelner Detektormodule infolge von Fertigungs- oder Chargenschwankungen etc. gerecht werden zu können, werden einzelne Detektormodule oftmals einzeln hinsichtlich der relevanten Antworteigenschaften einzeln vermessen, und derart sortiert, dass nur zueinander hinreichend ähnliche Detektormodule im selben Röntgendetektor Verwendung finden. Die Sortierung kann dabei in einzelnen „Chargen-Fenstern“ einer jeweils untersuchten Antwort-Eigenschaft (wie dem Linearitätsverhalten) erfolgen. Durch die besagte Sortierung wird jedoch die Verwendbarkeit eines einzelnen Detektormoduls auf Röntgendetektoren mit ausschließlich ähnlichen Detektormodulen eingeschränkt, was zu einem erheblichen logistischen sowie Lageraufwand führt.
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Die vorliegende Erfindung umgeht die geschilderte Problematik, indem anhand der Korrekturfunktion die besagten Abweichungen im Antwortverhalten des Detektormoduls von einem idealen Referenz-Verhalten bei einer medizinischen Bildgebung korrigierbar werden, sodass das Detektormodul zum Einsatz mit in einem beliebigen Röntgendetektor verwendet werden kann, und die einzige Einschränkung für die Verwendung nun in den Abmessungen und in der Beschaltung des Detektormoduls liegt.
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Bevorzugt wird für ein zweites Prüfobjekt eine ideale Detektorantwort für das Prüfmodul bestimmt und dabei für das zweite Prüfobjekt zweite Referenz-Bilddaten erzeugt, wobei für das zweite Prüfobjekt eine reale Detektorantwort des Detektormoduls bestimmt wird, indem mittels des Detektormoduls wenigstens eine Röntgenmessung des zweiten Prüfobjekts durchgeführt wird, und hierbei zweite reale Bilddaten erzeugt werden, und wobei die Korrekturfunktion anhand der zweiten realen Bilddaten und der zweiten Referenz-Bilddaten ermittelt wird. Besonders bevorzugt werden noch für weitere Prüfobjekte jeweils die ideale sowie die reale Detektorantwort ermittelt, und die Korrekturfunktion anhand der die jeweilige ideale bzw. reale Detektorantwort repräsentierenden Bilddaten ermittelt. Hierdurch erhöht sich die Menge an vorliegenden Bilddaten, sodass eine genauere Bestimmung der Korrekturfunktion möglich ist, und medizinische Bilddaten, welche durch das Detektormodul erzeugt und mittels der Korrekturfunktion korrigiert werden, zunehmend näher an die theoretisch idealen Bilddaten für die durchgeführte Messung konvergieren.
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Günstigerweise wird die Korrekturfunktion durch einen maschinellen Lernprozess, insbesondere durch ein künstliches neuronales Netz ermittelt. Für die Ermittlung der Korrekturfunktion anhand der idealen und der realen Detektorantworten sind maschinelle Lernprozesse besonders vorteilhaft, da hierbei die Korrekturfunktion nicht von Anfang an explizit spezifiziert zu werden braucht. Vielmehr kann diese anhand der verwendeten Bilddaten und insbesondere anhand eines gegebenen Maßes für eine Abweichung der ersten realen Bilddaten von den ersten Referenz-Bilddaten durch ein geeignetes Optimierungsverfahren angepasst werden, wobei mit zunehmender Anzahl an verwendeten idealen und Referenz-Bilddaten - entsprechend einer zunehmenden Anzahl an Prüfobjekten und deren Röntgenmessungen - die Korrekturfunktion weiter verbessert werden kann. Insbesondere besteht hierbei keine Obergrenze für die Anzahl an zu verwendenden Messungen bzw. Prüfobjekten, da keine Gleichungssysteme vorliegen, welche irgendwann überstimmt werden könnten.
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Bevorzugt wird dabei ein künstliches neuronales Netz derart erzeugt, dass seine Eingabeschicht und seine Ausgabeschicht jeweils dieselbe Anzahl an Neuronen aufweisen, wie die Anzahl an Pixeln des Detektormoduls. Die Eingabeschicht ist mit der Ausgabeschicht durch eine Mehrzahl an insbesondere verborgenen Schichten von Neuronen über entsprechende Synapsen verbunden, wobei die Stärke der jeweiligen Verbindungen über entsprechende Gewichtsfaktoren in einem Optimierungsschritt jeweils neu angepasst werden können.
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Das künstliche neuronale Netz kann nun anhand des Maßes für die Abweichung der jeweiligen realen Bilddaten von den zugehörigen Referenz-Bilddaten über eine Back-Propagation des Fehlers trainiert werden, bei einer pixelweisen Eingabe von (ersten) realen Bilddaten an die einzelnen Neuronen der Eingabeschicht an den Neuronen der Ausgabeschicht Bilddaten auszugeben, welche von den entsprechenden (ersten) Referenz-Bilddaten möglichst wenig abweichen. Als Maß für die Abweichung kann dabei beispielsweise eine Summe der Quadrate oder der Beträge der einzelnen pixelweisen Abweichungen der realen von den idealen Bilddaten verwendet werden. Das verwendete Maß ist für das Optimierungsverfahren, mittels dessen die Gewichte der einzelnen Verbindungen im künstlichen neuronalen Netz angepasst werden sollen, dann die Kostenfunktion. Die Optimierung selbst kann z.B. mittels eines stochastischen oder adaptiven Gradientenabstiegsverfahrens oder vergleichbaren Optimierungsmethoden erfolgen.
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Vorteilhafterweise wird dabei die Korrekturfunktion durch ein künstliches neuronales Netz gebildet, welches dazu trainiert wird, bei einer Übergabe der ersten idealen Bilddaten an eine Eingabeschicht des künstlichen neuronalen Netzes die ersten Referenz-Bilddaten an einer Ausgabeschicht des künstlichen neuronalen Netzes auszugeben. Die Korrekturfunktion wird somit insbesondere durch das künstliche neuronale Netz selbst gebildet.
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Bevorzugt wird ein solches Detektormodul kalibriert, welches für einen Betrieb in einem Röntgendetektor eines CT vorgesehen ist. Für Detektormodule eines CT ist das vorgeschlagene Verfahren infolge der hohen Anforderungen an die Bildqualität der Rohdaten bei einem CT besonders vorteilhaft.
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Günstigerweise wird als erstes Prüfobjekt ein erstes Röntgenphantom verwendet. Ein Röntgenphantom ist ein standarisiertes Prüfobjekt, welches sich für die vorliegenden Messungen besonders gut eignet. Insbesondere bei der Verwendung mehrerer Prüfobjekte durch verschiedene Röntgenphantome kann deren Standardisierung hinsichtlich der Abmessungen und sonstiger Absorptionseigenschaften vorteilhaft ausgenutzt werden.
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Als weiter vorteilhaft erweist es sich hierbei, wenn als erstes Röntgenphantom ein zur Untersuchung eines konkreten physikalischen Effektes optimiertes Röntgenphantom verwendet wird. Hierbei kann beispielsweise ein Röntgenphantom verwendet werden, welches infolge seiner Konstruktion für eine Untersuchung von Streustrahlung optimiert ist. Dies erlaubt eine besonders umfassende Charakterisierung des Detektormoduls auch hinsichtlich der jeweils untersuchten physikalischen Effekte.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die ideale Detektorantwort des Prüfmoduls für das erste Prüfobjekt mittels einer Simulation der Propagation einer Röntgenstrahlung durch das erste Prüfobjekt auf das Prüfmodul erzeugt. Prüfmodul ein Modell des zu kalibrierenden Detektormoduls, wobei der Aufbau, die Abmessungen, eine Beschaltung etc. des Detektormoduls als entsprechende Modellparameter oder Teilgrößen in das Modell eingehen. Das erste Prüfobjekt wird ebenfalls modelliert, sodass die ideale Detektorantwort anhand einer Simulation der Propagation eines Röntgenstrahls durch das erste Prüfobjekt auf das Prüfmodul und einer Simulation der dort erfolgenden physikalischen und daran anschließenden elektronischen Prozesse erfolgt.
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Die ideale Detektorantwort, welche das dem zu kalibrierenden Detektormodul entsprechende Prüfmodul bei einer tatsächlich durchgeführten oder numerisch simulierten Röntgenmessung des ersten Prüfobjekts aufweist, wird nun durch die ersten Referenz-Bilddaten, bevorzugt pixelweise wiedergegeben.
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Zweckmäßigerweise wird die ideale Detektorantwort des Prüfmoduls für das erste Prüfobjekt anhand einer Röntgenmessung des ersten Prüfobjekts mittels eines Referenz-Prüfmoduls ermittelt. Das Referenz-Prüfmodul ist dabei für das Ermitteln seiner idealen Detektorantwort bevorzugt in einem Röntgendetektor verbaut, welcher dem ersten Röntgendetektor, für den das zu kalibrierende Detektormodul vorgesehen ist, in seinem Wesentlichen Aufbau gleich ist. Besonders bevorzugt ist dabei das Referenz-Prüfmodul für das Ermitteln der idealen Detektorantwort an derselben Stelle in besagtem Röntgendetektor verbaut, an welcher im ersten Röntgendetektor der Einsatz des zu kalibrierenden Detektormoduls vorgesehen ist. Hierdurch müssen beim Ermitteln der idealen Detektorantwort auch Effekte des Strahlengangseiner Röntgenstrahlung in der dem jeweiligen Röntgendetektor übergeordneten Vorrichtung, also beispielsweise in einem CT, nicht gesondert berücksichtigt oder korrigiert werden. Das Ermitteln der idealen Detektorantwort des Prüfmoduls erfolgt somit insbesondere durch eine Röntgenmessung des ersten Prüfobjektes mittels des das Prüfmodul umfassenden Röntgendetektors, wobei die Röntgenmessung in bevorzugt in einer einen Röntgenstrahl erzeugenden, übergeordneten Vorrichtung wie z.B. einem CT durchgeführt wird.
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Bevorzugt wird die reale Detektorantwort des Detektormoduls für das erste Prüfobjekt bestimmt, indem die wenigstens eine Röntgenmessung des ersten Prüfobjektes in einem das Detektormodul umfassenden Prüfstand durchgeführt wird. Bevorzugt weist dabei der Prüfstand eine eigene, hinsichtlich der Energie und des Strahlengangs möglichst flexibel einstellbare Röntgenquelle auf. Besonders bevorzugt wird in diesem Fall die ideale Detektorantwort für das Prüfmodul ebenfalls im Prüfstand gemessen. Das Durchführen der Röntgenmessung in einem Prüfstand erlaubt infolge der standardisierten Bedingungen eine besonders präzise Erfassung der ersten realen Detektorantwort.
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Zweckmäßigerweise wird die reale Detektorantwort des Detektormoduls für das erste Prüfobjekt bestimmt, indem die wenigstens eine Röntgenmessung des ersten Prüfobjektes mittels des das Detektormodul umfassenden ersten Röntgendetektors durchgeführt wird. Hierdurch kann die Röntgenmessung zum ermitteln der ersten realen Detektorantwort ohne einen Mehraufwand erfolgen, indem das Detektormodul in verbautem Zustand an seinem Anwendungsort vermessen wird. Überdies lassen sich so auch Effekte wie Streustrahlung o.ä. erfassen und entsprechend korrigieren.
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Als weiter vorteilhaft erweist es sich, wenn die wenigstens eine Röntgenmessung des ersten Prüfobjektes in einem das Detektormodul umfassenden Prüfstand durchgeführt wird, und wenn die wenigstens eine Röntgenmessung des zweiten Prüfobjektes mittels des das Detektormodul umfassenden ersten Röntgendetektors durchgeführt wird. Dies bedeutet insbesondere, dass zunächst mittels des Detektormoduls in einem Prüfstand eine Röntgenmessung des ersten Prüfobjektes erfolgt, und durch die hierbei erzeugten ersten realen Bilddaten (und die zugehörigen Referenz-Bilddaten) eine Vor-Kalibrierung möglich ist. Anschließend wird das Detektormodul im ersten Röntgendetektor an der für die dauerhafte Anwendung vorgesehenen Stelle eingebaut, und mit dem ersten Röntgendetektor eine Röntgenmessung des zweiten Prüfobjekts durchgeführt. Die dabei erzeugten zweiten realen Bilddaten (und die zugehörigen Referenz-Bilddaten) können dann für eine Fein-Kalibrierung, also insbesondere für eine Präzisierung der Korrekturfunktion verwendet werden. Vor- und Fein-Kalibrierung können auch nach Abschluss aller Röntgenmessungen unmittelbar hintereinander durchgeführt werden. Dieses Vorgehen ist besonders vorteilhaft für einen Austausch eines Detektormoduls in einem bestehenden Röntgendetektor (z.B. aufgrund eines Defektes oder infolge von Verschleiß). Das neu einzusetzende Detektormodul wird dann, da oftmals am Ort des ersten Röntgendetektors nicht alle Prüfobjekte zur Verfügung stehen, zunächst im Prüfstand vor-kalibriert. Anschließend kann die Kalibrierung des eingebauten Detektormoduls anhand einer oder weniger Röntgenmessungen vor Ort nachjustiert werden („Fein-Kalibrierung“).
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Bevorzugt wird für die Röntgenmessung eine Verschiebung des ersten Prüfobjektes gegenüber einer ersten Referenz-Position und/oder eine Temperatur registriert, bezüglich der die ideale Detektorantwort des ersten Prüfobjektes bestimmt wird, w wobei beim Ermitteln der Korrekturfunktion für das Detektormodul die registrierte Verschiebung des ersten Prüfobjekts und/oder die registrierte Temperatur berücksichtigt werden. Dies erhöht die zu Verfügung stehende Datenmenge, und erlaubt es, eine Temperaturabhängigkeit im Verhalten des Detektormoduls mit zu berücksichtigen.
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Die Erfindung nennt weiter ein Verfahren zum Betrieb eines Röntgendetektors, wobei wenigstens ein Detektormodul des Röntgendetektors mittels des vorbeschriebenen Verfahrens vorhergehenden Ansprüche kalibriert wird und dabei für das wenigstens eine Detektormodul eine Korrekturfunktion erzeugt wird, wobei mittels einer Röntgenmessung eines Körperbereichs eines Patienten durch den Röntgendetektor medizinische Bilddaten erzeugt werden, und wobei die medizinischen Bilddaten anhand der Korrekturfunktion korrigiert werden. Das Verfahren zum Betrieb eines Röntgendetektors teilt die Vorzüge des Verfahrens zur Kalibrierung eines Detektormoduls. Die für das Verfahren zur Kalibrierung eines Detektormoduls und für dessen Weiterbildungen angegebenen Vorteile können dabei sinngemäß auf das Verfahren zum Betrieb eines Röntgendetektors übertragen werden.
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Die Erfindung nennt zudem ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, welches direkt in einen Speicher eines Rechners ladbar ist, für ein Verfahren zum automatischen Kalibrieren eines Detektormoduls, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner ausgeführt wird, wobei das Verfahren zum automatischen Kalibrieren die folgenden Schritte aufweist: Empfang erster Referenz-Bilddaten, welche eine ideale Detektorantwort eines Prüfmoduls, welches dem Detektormodul entspricht, für ein erstes Prüfobjekt repräsentieren, Empfang erster realer Bilddaten, welche eine reale Detektorantwort des Detektormoduls für das erste Prüfobjekt repräsentieren, und Ermitteln einer Korrekturfunktion für das Detektormodul zur Kalibrierung anhand der ersten realen Bilddaten und der ersten Referenz-Bilddaten. Das Computerprogrammprodukt teilt die Vorzüge des Verfahrens zur Kalibrierung eines Detektormoduls. Die für das Verfahren zur Kalibrierung eines Detektormoduls und für dessen Weiterbildungen angegebenen Vorteile können dabei sinngemäß auf das Computerprogrammprodukt übertragen werden. Bevorzugt ist das Computerprogrammprodukt auf einem Datenträger derart gespeichert, dass die den Verfahrensschritten entsprechenden Programmanweisungen durch den Rechner zur Ausführung des Programmcodes ausgelesen werden können.
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Außerdem kann die Erfindung ein computerlesbares Speichermedium betreffen, auf welchem von einem Rechner, auch Recheneinheit genannt, lesbarer und ausführbarer Programmcode für ein Verfahren zum automatischen Kalibrieren eines Detektormoduls gespeichert ist, wenn der Programmcode von dem Rechner ausgeführt wird, wobei das Verfahren zum automatischen Kalibrieren die folgenden Schritte aufweist: Empfang erster Referenz-Bilddaten, welche eine ideale Detektorantwort eines Prüfmoduls, welches dem Detektormodul entspricht, für ein erstes Prüfobjekt repräsentieren, Empfang erster realer Bilddaten, welche eine reale Detektorantwort des Detektormoduls für das erste Prüfobjekt repräsentieren, und Ermitteln einer Korrekturfunktion für das Detektormodul zur Kalibrierung anhand der ersten realen Bilddaten und der ersten Referenz-Bilddaten.
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Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete zum automatischen Kalibrieren eines Detektormoduls auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Programcode gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z.B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, sowie Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum automatischen Kalibrieren eines Detektormoduls, umfassend
- - eine erste Schnittstelle, ausgebildet zum Empfangen erster Referenz-Bilddaten, welche eine ideale Detektorantwort eines Prüfmoduls, welches dem Detektormodul entspricht, für ein erstes Prüfobjekt repräsentieren,
- - eine zweite Schnittstelle, ausgebildet zum Empfangen erster realer Bilddaten, welche eine reale Detektorantwort des Detektormoduls für das erste Prüfobjekt repräsentieren,
- - eine Recheneinheit, ausgebildet zum Ermitteln einer Korrekturfunktion für das Detektormodul zur Kalibrierung anhand der ersten realen Bilddaten und der ersten Referenz-Bilddaten.
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Die erste Schnittstelle kann außerdem ausgebildet sein zum Empfangen zweiter Referenz-Bilddaten, welche eine ideale Detektorantwort für das Prüfmodul, welches dem Detektormodul entspricht, für ein zweites Prüfobjekt repräsentieren. Die zweite Schnittstelle kann außerdem ausgebildet sein zum Empfangen zweiter realer Bilddaten, welche eine reale Detektorantwort des Detektormoduls für das zweite Prüfobjekt repräsentieren. Die Recheneinheit kann dann ausgebildet sein zum Ermitteln der Korrekturfunktion für das Detektormodul zur Kalibrierung anhand der zweiten realen Bilddaten und der zweiten Referenz-Bilddaten.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum automatischen Kalibrieren eines Detektormoduls kann insbesondere dazu ausgebildet sein die zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren und ihre Aspekte auszuführen. Die Vorrichtung zum automatischen Kalibrieren eines Detektormoduls kann dazu ausgebildet sein die Verfahren und ihre Aspekte auszuführen, indem die Schnittstellen und die Recheneinheit, auch Rechner genannt, ausgebildet sind, die entsprechenden Verfahrensschritte auszuführen.
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Die erste und die zweite Schnittstelle können auch als eine Schnittstelle ausgebildet sein.
Bei der Vorrichtung kann es sich insbesondere um einen Computer, einen Mikrocontroller oder um einen integrierten Schaltkreis handeln. Alternativ kann es sich bei der der Vorrichtung SYS um einen realen oder virtuellen Verbund von Computern handeln (ein englischer Fachbegriff für einen realen Verbund ist „Cluster“, ein englischer Fachbegriff für einen virtuellen Verbund ist „Cloud“). Eine Recheneinheit kann Hardware-Element oder Software-Elemente aufweisen, beispielsweise einen Mikroprozessor oder ein sogenanntes FPGA (englisches Akronym für „Field Programmable Gate Array“).
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Die Vorrichtung kann außerdem eine Speichereinheit aufweisen. Diese kann als nicht dauerhafte Arbeitsspeicher (Random Access Memory, kurz RAM) oder als dauerhafter Massenspeicher (Festplatte, USB-Stick, SD-Karte, Solid State Disk) realisiert sein. Die Speichereinheit kann ausgebildet sein, die ersten oder zweiten Referenz-Bilddaten, die ersten oder zweiten realen Bilddaten oder die Korrekturfunktion zu speichern. Die Speichereinheit kann ausgebildet sein, Programmcode für ein Verfahren zum automatischen Kalibrieren eines Detektormoduls zu speichern.
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Bei einer Schnittstelle kann es sich um eine Hardware- oder Softwareschnittstelle handeln (beispielsweise PCI-Bus, USB oder Firewire).
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Optimalerweise kann die Vorrichtung weiterhin eine Ein- und Ausgabeeinheit umfassen, wobei eine Ein- und Ausgabeeinheit wenigstens eine Eingabeeinheit EE und/oder wenigstens eine Ausgabeeinheit AE umfasst. Mittels der Ausgabeeinheit AE in Form einer Darstellungseinheit, beispielsweise eines Displays, kann beispielsweise ein Ergebnis der Kalibration angezeigt werden. Eine Eingabeeinheit ermöglicht beispielsweise die manuelle Interaktion eines Anwenders, beispielweise das Starten oder Stoppen der Kalibration.
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Die Vorrichtung kann außerdem mit einem CT-Gerät verbunden sein. Die Vorrichtung kann über ein Netzwerk mit dem CT-Gerät verbunden sein. Die Vorrichtung kann auch in einer alternativen Ausführung als Teil des CT-Geräts ausgebildet sein.
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Bei einem Netzwerk kann es sich um ein lokales Netzwerk (ein englischer Fachbegriff ist „Local Area Network“, kurz „LAN“) oder um ein großräumiges Netzwerk (ein englischer Fachbegriff ist „Wide Area Network“, kurz „WAN“) handeln. Ein Beispiel für ein lokales Netzwerk ist ein Intranet, ein Beispiel für ein großräumiges Netzwerk ist das Internet. Das Netzwerk kann insbesondere auch drahtlos ausgeführt sein, insbesondere als WLAN (für „wireless LAN“, im englischen ist die Abkürzung „WiFi“ gebräuchlich) oder als Bluetooth-Verbindung. Das Netzwerk kann auch als Kombination der genannten Beispiele ausgeführt sein. Weiterhin kann die Kommunikation zwischen der Vorrichtung und einem CT-Gerät auch offline erfolgen, beispielsweise durch einen Austausch von Datenträgern.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen jeweils schematisch:
- 1 in einer Schnittdarstellung einen CT mit einem Röntgendetektor, welcher einzelne Detektormodule aufweist,
- 2 in einem Blockdiagramm ein Verfahren zum Kalibrieren eines Detektormoduls nach 1 sowie die Anwendung des Verfahrens bei der medizinischen Bildgebung, und
- 3 ein Verfahren zum Kalibrieren eines Detektormoduls, welches bei einem CT ausgetauscht wird.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist schematisch in einer Schnittdarstellung ein Drehkranz 1 eines CT 2 dargestellt, in welchem ein Röntgendetektor 4 angeordnet ist. Der Röntgendetektor 4 umfasst hierbei eine Mehrzahl an Detektormodulen 6a-f, wobei jedes der Detektormodule 6a-f jeweils ein Detektormaterial 8a-f und eine Detektorelektronik 10a-f aufweist. Von jeder der einzelnen Detektorelektroniken 10a-f gehen Signalleitungen 12a-f zu einer zentralen Steuereinheit 14, in welcher ein durch den Röntgendetektor 4 erzeugtes, über die Signalleitungen 12a-f ausgegebenes Signal in nicht näher dargestellter Weise weiterverarbeitet wird.
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Wird nun durch eine Röntgenquelle 16 ein Objekt 18, welches im Innenraum des Drehkranzes 1 angeordnet ist, mit Röntgenstrahlung 20 bestrahlt, und hierdurch eine Röntgenabsorptionsmessung des Objektes 18 durchgeführt, so hängt die Bildqualität der Röntgenabsorptionsmessung insbesondere auch von der Homogenität der einzelnen Detektormodule 6a-f ab. Weisen nämlich diese Detektormodule 6a-f hinsichtlich der von der Röntgenquelle 16 erzeugten Röntgenstrahlung 20 ein unterschiedliches Antwortverhalten auf, sei es hinsichtlich der Linearität zwischen der einfallenden Röntgenstrahlung 20 und einem jeweils ausgegebenen Signal oder auch hinsichtlich eines Signal-zu-Rausch-Verhältnisses, so kann eine erzeugte Bildaufnahme infolge dieser Abweichungen leichte Verfälschungen aufweisen. Derartige, Bildweise Verfälschungen können bei der im CT 2 angewandten Bildgebung durch die komplexen Verfahren der Rücktransformation zu Bildartefakten im fertigen Volumenmodell eines mittels des CT 2 abgebildeten Körperbereiches eines Patienten führen. Diese Bildartefakte können einem Radiologen oder sonstigem behandelnden Mediziner eine Diagnose und auch eine medizinisch korrekte Behandlung erschweren.
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In 2 ist in einem Blockdiagramm schematisch ein Verfahren dargestellt, mittels dessen ein Detektormodul 6 eines Röntgendetektors 8 kalibriert wird, um die in der anhand von 1 geschilderten Situation möglicherweise auftretenden Bildartefakte bestmöglich zu unterdrücken. In einem ersten Schritt S1 ist zunächst ein Prüfmodul 7, welches dem zu kalibrierenden Detektormodul 6 in Aufbau und Abmessungen gleich ist, und sich von diesem also lediglich durch Fertigungs- und Materialschwankungen unterscheidet, in einem Röntgendetektor 5 eines CT 3 angeordnet.
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Mittels des CT 3 wird nun von einem ersten Prüfobjekt 22, welches vorliegend gegeben ist durch ein erstes Röntgenphantom 23, eine Röntgenmessung durchgeführt. Das Prüfmodul 7 ist hierbei in seinen Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Linearität und des Antwortverhaltens auf die anderen Detektormodule im Röntgendetektor 5 abgestimmt, sodass die Abweichungen im Antwortverhalten für den Röntgendetektor 5 in einem sehr engen Toleranzband liegen. Hierfür wurden die Detektormodule des Röntgendetektors 5 vorab umfangreichen Messungen und einer entsprechenden Sortierung unterzogen, wobei gegebenenfalls in Abhängigkeit der besagten Messungen eine geringfügige Kalibrierung der Detektormodule erfolgen kann. Das Antwortverhalten des Prüfmoduls 7 kann insofern als nahezu ideal getrachtet werden. Als Resultat der in Schritt S1 erfolgenden Röntgenmessung des ersten Prüfobjekts 22 durch den CT 3 werden erste Referenz-Bilddaten 24 erzeugt, welche hinsichtlich des ersten Prüfobjekts 22 eine ideale Detektorantwort 26 repräsentieren. In einem Schritt S2 wird nun mittels eines CT 2 eine weitere Röntgenmessung des ersten Prüfobjekts 22 durchgeführt, wobei der CT 2 in seinem Röntgendetektor 4 das zu kalibrierenden Detektormodul 6 aufweist. Das Resultat dieser Röntgenmessung sind erste reale Bilddaten 28, welche hinsichtlich des ersten Prüfobjekts 22 die reale Detektorantwort 30 des zu kalibrierenden Detektormoduls 6 repräsentieren.
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In einem Schritt S3 wird nun anhand der ersten Referenz-Bilddaten 24 und anhand der ersten realen Bilddaten 28 eine Korrekturfunktion 32 für das Detektormodul 6 ermittelt, mittels derer das Detektormodul 6 im normalen medizinischen Betrieb kalibriert ist. Die Korrekturfunktion 32 wird hierbei mittels eines künstlichen neuronalen Netzes 34 ermittelt, wobei das künstliche neuronale Netz 34 dahingehend trainiert wird, bei einer Eingabe der ersten realen Bilddaten 28 in seine Eingabeschicht 36 an seiner Ausgabeschicht 38 über die einzelnen Neuronen Daten auszugeben, welche eine möglichst geringe Abweichung von den ersten Referenz-Bilddaten 24 aufweisen.
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Für ein möglichst wirksames Training des künstlichen neuronalen Netzes 34 ist das Verfahren bevorzugt mit einer Mehrzahl an Prüfobjekten 40 durchzuführen, wobei für jedes verwendete Prüfobjekt 40 mittels des das Prüfmodul 7 umfassenden CT 3 jeweilige Referenz-Bilddaten 42 erzeugt werden, und entsprechend bei einer Röntgenmessung des Prüfobjekts 40 durch den das zu kalibrierenden Detektormodul 6 umfassenden CT 2 reale Bilddaten 44 erzeugt werden. Durch Eingabe der erzeugten realen Bilddaten 44 in die Eingabeschicht 36 des künstlichen neuronalen Netzes 34 kann über eine Abgleich der an der Ausgabeschicht 38 ausgegebenen Daten mit den zugehörigen Referenz-Bilddaten 42 das künstliche neuronale Netz 34 weiter in seiner Funktion verbessert werden. Insbesondere kann hierbei das künstliche neuronale Netz 34 direkt die Korrekturfunktion 32 bilden.
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In einem Schritt S4 wird nun von einem Körperbereich 46 eines ansonsten nicht weiter dargestellten Patienten im das Detektormodul 6 umfassenden CT 2 eine Röntgenmessung durchgeführt. Die hierbei erzeugten medizinischen Bilddaten 48 können nun anhand der Korrekturfunktion 32 korrigiert werden, sodass korrigierte medizinische Bilddaten 50 erzeugt werden, welche eine höhere Bildqualität aufweisen als die direkt erzeugten medizinischen Bilddaten 48 vor der Korrektur.
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in 3 ist schematisch in einem Blockdiagramm eine Möglichkeit zur Kalibrierung eines Detektormoduls 6 für einen Röntgendetektor 4 eines CT 2 angegeben. Im hier dargestellten Fall soll dabei das Detektormodul 6 im Röntgendetektor 4 ein defektes Detektormoduls ersetzen. Da am Ort der Anwendung des CT 2 möglicherweise nicht alle relevanten Prüfobjekte zur Verfügung stehen können, wird, analog zu den Schritten S1 und S2 nach 2, die Erzeugung der ersten Referenz-Bilddaten 24 sowie der ersten realen Bilddaten 28 für das auszutauschende Detektormodul 6 in einem speziellen Prüfstand 52 vorgenommen. In einem Schritt S1' werden für das Prüfmodul 7 nach 2 bezüglich eines zweiten Prüfobjekts 40 die ideale Detektorantwort bestimmt und entsprechend zweite Referenz-Bilddaten 42 erzeugt. In eine Zwischenschritt SZ wird nun das auszutauschende Detektormodul 6 vom Prüfstand 52 entfernt und in den Röntgendetektor 4 des CT 2 eingesetzt. Im anschließenden Schritt S2' wird durch den CT 2 für das zweite Prüfobjekt 40 die reale Detektorantwort bestimmt, welche durch zweite reale Bilddaten 44 repräsentiert wird.
Anhand der ersten Referenz-Bilddaten 24 und der ersten realen Bilddaten 28 kann eine Vor-Kalibrierung des Detektormoduls 6 erfolgen, welche anhand der zweiten Referenz-Bilddaten 42 und der zweiten realen Bilddaten 44 analog zum anhand von 2 dargestellten Vorgehen hinsichtlich des künstlichen neuronalen Netzes 34 verfeinert werden kann. Hierbei kann insbesondere im Prüfstand 52 auch eine Röntgenmessung für eine Mehrzahl an Prüfobjekten erfolgen, und auch die Fein-Kalibrierung des im CT 2 verbauten Detektormoduls 6 kann anhand einer Mehrzahl an Prüfobjekten 40 erfolgen.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht durch dieses Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
