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Die Erfindung betrifft ein Ensemble mindestens zweier Röntgenkontrastmittel. Zudem betrifft die Erfindung ein Röntgenbildgebungsverfahren, bei dem das genannte Ensemble mindestens zweier Röntgenkontrastmittel Anwendung findet. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Bildrekonstruktionseinrichtung. Ferner betrifft die Erfindung ein Röntgenbildgebungssystem.
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Mit Hilfe moderner bildgebender Verfahren werden häufig zwei- oder dreidimensionale Bilddaten erzeugt, die zur Visualisierung eines abgebildeten Untersuchungsobjekts und darüber hinaus auch für weitere Anwendungen genutzt werden können.
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Häufig basieren die bildgebenden Verfahren auf der Erfassung von Röntgenstrahlung, wobei sogenannte Projektionsmessdaten erzeugt werden. Beispielsweise können Projektionsmessdaten mit Hilfe eines Computertomographie-Systems (CT-Systems) akquiriert werden.
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Bei einer Röntgenbildaufnahme werden häufig Kontrastmittel eingesetzt, die dem Patienten injiziert werden, um den Kontrast der Bildaufnahme zu erhöhen und damit eine Diagnose zu erleichtern. Ein Beispiel für die Anwendung von Kontrastmitteln ist die Darstellung von Gefäßen mit Röntgenverfahren. Röntgenverfahren können dabei mit konventionellen Systemen, C-Bogensystemen, Angiographie-Systemen oder CT-Systemen durchgeführt werden. Herkömmlich wird bei einer solchen Bildgebung Iod als Röntgenkontrastmittel eingesetzt.
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Es gibt Anwendungen, bei denen es wünschenswert wäre, zusätzlich zu dem intravenös verabreichten Kontrastmittel zur Darstellung einer lokalen Durchblutung noch ein zweites Kontrastmittel zur Bilddarstellung zu verwenden, um simultan, beispielsweise mit Hilfe eines Dual-Energie-Bildgebungsverfahrens, zwei unterschiedliche funktionelle Bereiche bildlich darstellen zu können.
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Eine solche Problematik tritt zum Beispiel bei der Anwendung einer Chemo-Embolisation zur Behandlung von Lebertumoren auf. Bei einer solchen Behandlung erfolgt kurz nach der Chemo-Embolisation eine Darstellung der verbleibenden lokalen Durchblutung in dem Tumor, auch Perfusion genannt. Das Ausmaß der lokalen Durchblutung des Tumors stellt dabei ein Maß für den Erfolg dieses Verfahrens dar. D.h., je geringer die Durchblutung im Tumorbereich ist, desto effektiver ist die Behandlung. Bei der Chemo-Embolisation wird eine Gabe eines Chemotherapeutikums mit einer gleichzeitig gezielten Verstopfung von Arterien der Leber mittels kleiner Teilchen, wie zum Beispiel öliger Tröpfchen, kombiniert. Zur Darstellung des Embolisationsbereichs, also des blockierten Bereichs, umfasst das Material zur Embolisation, wie zum Beispiel Lipiodol, selbst ein Kontrastmittel. Das Kontrastmittel verbleibt mit dem Embolisationsmittel im Bereich der Leber. Wird nun zusätzlich zur Darstellung der lokalen Durchblutung nach der Embolisation ein zweites Kontrastmittel gegeben, so müssen die von den beiden Kontrastmitteln beaufschlagten Bereiche voneinander bildlich getrennt darstellbar sein. Wird nun das jodbasierte Lipiodol zur Embolisation und Jod als zweites Kontrastmittel angewendet, so ist eine Trennung jedoch nicht oder nur schwer möglich, da sich die genannten Kontrastmittel hinsichtlich ihrer Absorption bzw. ihres Absorptionsspektrums gleichartig verhalten.
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Eine Möglichkeit, die beiden Kontrastmittel trotzdem zu trennen, besteht darin, sogenannte Subtraktionstechniken einzusetzen, bei denen eine CT-Voraufnahme eines Patienten nach der Chemo-Embolisation, aber vor der Verabreichung des intravenösen Kontrastmittels erzeugt wird und von einer CT-Aufnahme, welche nach einer Verabreichung des intravenösen Kontrastmittels erfolgt, subtrahiert wird, so dass in der bildlichen Darstellung nur das intravenös verabreichte Kontrastmittel sichtbar bleibt. Allerdings erfordert eine solche Subtraktion eine exakte Registrierung der Bilddaten der beiden Aufnahmen zur Kompensation von Patientenbewegungen. Außerdem ist aufgrund der erhöhten Anzahl von CT-Bildaufnahmen die Strahlendosis für den Patienten erhöht.
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Alternativ kann auch als zweites Kontrastmittel ein Kontrastmittel genutzt werden, welches nicht auf Jod basiert. Allerdings ist herkömmlich nur noch Gadolinium verfügbar. Gadolinium weist eine K-Kante von etwa 50 keV auf und verhält sich spektral sehr ähnlich zu Jod, dessen K-Kante bei 33 keV liegt, so dass eine auf einer Dual-Energie-Bildgebung basierende Zweimaterialzerlegung in ein Jodbild und in ein Gadoliniumbild sehr unpräzise ausfällt und mit sehr starkem Rauschen und einer sehr schlechten Materialtrennung verbunden ist, so dass es in der klinischen Praxis nicht verwendbar ist.
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Eine verbesserte Trennung der durch die beiden Kontrastmittel Jod und Gadolinium dargestellten Bildbereiche kann zum Beispiel durch CT-Aufnahmen mit mehr als zwei Energien, beispielsweise durch die Anwendung photonenzählender Detektoren, erreicht werden. Bei einer solchen Bildgebung kann bei der Wahl von drei Energien eine Zerlegung in ein Jodbild, ein Gadoliniumbild und ein Weichteilbild erfolgen. Allerdings tritt auch bei einer Zerlegung nach drei Materialien ein hohes Bildrauschen auf, was nur durch eine Erhöhung der Strahlendosis für den Patienten kompensiert werden kann. Überdies ist eine Aufnahme mit mindestens drei Energien nur mit CT-Systemen mit photonenzählenden Detektoren möglich, welche aber nicht sehr häufig verfügbar sind.
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Die simultane Anwendung von zwei Kontrastmitteln wird auch bei der gleichzeitigen Darstellung der arteriellen Phase und der venösen oder portalvenösen Phase einer Leber-CT-Untersuchung in getrennten Bildern, die anhand von CT-Daten einer einzigen CT-Aufnahme berechnet werden, genutzt. Für deren simultane Bildaufnahme werden zeitversetzt vor der CT-Aufnahme zwei unterschiedliche Kontrastmittel injiziert. Dabei wird ein erstes Kontrastmittel so früh injiziert, dass es zur Zeit der CT-Aufnahme bereits die venöse bzw. portalvenöse Phase erreicht hat, und ein zweites Kontrastmittel wird entsprechend später injiziert, so dass es zum Zeitpunkt der CT-Aufnahme die arterielle Phase abbildet. Auch bei dieser Anwendung ist es erforderlich, die beiden Kontrastmittel in der Bildaufnahme klar voneinander unterscheiden zu können. Allerdings sind die beiden herkömmlich verfügbaren Kontrastmittel, Jod und Gadolinium, einander in ihrem spektralen Absorptionsverhalten so ähnlich, dass sie mit Dual-Energie-Bildaufnahmen nicht gut voneinander getrennt werden können. Zwar sind Dreimaterialzerlegungen mit Hilfe von CT-Systemen mit photonenzählenden Detektoren möglich, es treten aber ebenfalls die Probleme eines erhöhten Rauschens und einer erforderlichen Erhöhung der Strahlendosis für den Patienten auf.
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Ebenfalls eine simultane Darstellung mit zwei Kontrastmitteln ist bei der Ermittlung der Lungenperfusion bei gleichzeitiger Darstellung der Lungenventilation nötig. Dabei erfolgt eine Bildgebung der lokalen Durchblutung im Lungenparenchym als Maß für die Lungenperfusion durch intravenöse Gabe eines ersten Kontrastmittels und simultan dazu wird die Lungenventilation durch Einatmen eines zweiten Kontrastmittels bildlich veranschaulicht. Üblicherweise wird als Kontrastmittel für die Darstellung der lokalen Durchblutung des Lungenparenchyms Jod verwendet und als Kontrastmittel für die Darstellung der Lungenventilation wird Xenon eingesetzt. Allerdings verhält sich Xenon gegenüber Jod hinsichtlich seines spektralen Absorptionsverhaltens sehr ähnlich, so dass eine Dual-Energie-CT-Bildaufnahme bzw. eine darauf basierende Zweimaterialtrennung in ein Jodbild und ein Xenonbild keine brauchbaren Ergebnisse liefert.
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Es kann also festgestellt werden, dass herkömmlich eine getrennte Darstellung von zwei verschiedenen Kontrastmitteln in CT-Bildern nur durch Subtraktionstechniken oder spektrale CT-Aufnahmen mit mindestens drei Energien, die nur mit CT-Systemen mit photonenzählenden Detektoren ausgeführt werden können, realisierbar ist. Allerdings sind die genannten Verfahren im Vergleich zur Dual-Energie-CT-Bildgebung mit einer höheren Strahlendosis für den Patienten verbunden und die Bilddarstellung, welche auf einer Dreimaterialzerlegung beruht, ist überdies sehr durch Rauschen belastet und daher nur selten sinnvoll einsetzbar.
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Es besteht also das Problem, eine qualitativ gute simultane bildliche Darstellung mehrerer funktioneller Bereiche mit mehreren Kontrastmitteln mit akzeptabler Strahlendosis zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird durch ein Ensemble von Röntgenkontrastmitteln gemäß Patentanspruch 1, ein Röntgenbildgebungsverfahren gemäß Patentanspruch 5, eine Bildrekonstruktionseinrichtung gemäß Patentanspruch 9 und ein Röntgenbildgebungssystem gemäß Patentanspruch 10 gelöst.
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Das erfindungsgemäße Ensemble von Röntgenkontrastmitteln weist ein erstes Röntgenkontrastmittel und ein zweites Röntgenkontrastmittel auf. Das zweite Röntgenkontrastmittel weist eine Röntgenabsorption auf, deren Änderung zwischen mindestens zwei unterschiedlichen Röntgenphotonenenergien sich signifikant von der Änderung der Röntgenabsorption des ersten Kontrastmittels zwischen den mindestens zwei unterschiedlichen Röntgenphotonenenergien unterscheidet. Hierzu ist zu sagen, dass sich die Absorption von Röntgenkontrastmitteln in Abhängigkeit von der Energie der Röntgenphotonen ändern kann. Herkömmliche Kontrastmittel, wie Jod und Gadolinium zeigen allerdings ein sehr ähnliches Änderungsverhalten, so dass sie nicht gut voneinander getrennt darstellbar sind. Erfindungsgemäß sollen zwei Röntgenkontrastmittel für eine simultane Bilddarstellung miteinander kombiniert werden, welche ein unterschiedliches Änderungsverhalten ihrer Absorption in Abhängigkeit von der Energie der eingestrahlten Röntgenphotonen zeigen und daher bei einer Multi-Energie-CT-Bildaufnahme, insbesondere bei einer Dual-Energie-CT-Bildaufnahme, voneinander unterscheidbar sind.
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Unter „signifikant“ soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass die Änderung der Absorption des zweiten Röntgenkontrastmittels weniger als die Hälfte der Änderung des ersten Röntgenkontrastmittels bei den gewählten unterschiedlichen Röntgenphotonenenergien beträgt.
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Vorteilhaft lässt sich das spektral abweichende Verhalten des zweiten erfindungsgemäßen Kontrastmittels dazu nutzen, von dem zweiten Kontrastmittel durchflutete Bereiche von anderen Bildbereichen, die durch das erste Kontrastmittel beaufschlagt sind, getrennt dazustellen. D.h., es wird erreicht, dass beide Kontrastmittel in einer gemeinsamen Bildaufnahme klar voneinander unterschieden werden können. Dadurch ist die Genauigkeit einer simultanen Darstellung von zwei unterschiedlichen funktionellen Bereichen bzw. zwei unterschiedlichen funktionellen Vorgängen in einem Untersuchungsbereich im Vergleich zu herkömmlich angewendeten Kontrastmitteln verbessert.
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Bei dem erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahren erfolgt zunächst eine Wahl eines erfindungsgemäßen Ensembles aus mindestens zwei Röntgenkontrastmitteln. Weiterhin werden Röntgenrohdaten von einem von einem ersten Röntgenkontrastmittel durchfluteten Bereich eines Untersuchungsobjekts und von einem von einem zweiten Röntgenkontrastmittel durchfluteten Bereich des Untersuchungsobjekts mit Hilfe eines Multi-Energie-Aufnahmeverfahrens, vorzugsweise eines Dual-Energie-Aufnahmeverfahrens, erfasst. Wie bereits erwähnt, ist eine Dual-Energie-CT-Bildaufnahme mit einem geringeren Rauscheffekt verbunden als CT-Bildaufnahmen mit einer höheren Anzahl von unterschiedlichen Energien bzw. einer höheren Anzahl von simultanen Aufnahmen mit unterschiedlichem Röntgenspektrum. Dann erfolgt eine Materialzerlegung auf Basis der Röntgenrohdaten bezüglich der beiden Röntgenkontrastmittel. Das erfindungsgemäße Röntgenbildgebungsverfahren kann als Computer-implementiertes Verfahren auf Basis der erfassten Daten durchgeführt werden.
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Bei der prinzipiell bekannten Materialzerlegung wird von der Überlegung ausgegangen, dass ein mittels einer Röntgenbildaufnahmevorrichtung gemessener Röntgenschwächungswert als Linearkombination von Röntgenschwächungswerten von sogenannten Basismaterialien bezüglich der besagten Röntgenquantenenergieverteilung bzw. Röntgenphotonenenergie beschrieben werden kann. Gemessene Röntgenschwächungswerte ergeben sich aus den wenigstens zwei Rohdatensätzen bzw. daraus rekonstruierten Bilddatensätzen zu unterschiedlichen Röntgenquantenenergieverteilungen. Material bzw. Basismaterial sind bei der erfindungsgemäßen Anwendung die beiden Röntgenkontrastmittel. Die Röntgenschwächung eines Basismaterials in Abhängigkeit von der Energie der Röntgenstrahlung ist grundsätzlich bekannt oder kann durch vorherige Messungen an Phantomen bestimmt werden und in Form von Tabellen zum Abruf im Rahmen der Materialzerlegung hinterlegt sein. Ergebnis der Materialzerlegung ist eine räumliche Dichteverteilung der wenigstens zwei Materialien, d.h. der erfindungsgemäßen Röntgenkontrastmittel, woraus sich für jedes Volumenelement in der abzubildenden Körperregion des Patienten die Basismaterialanteile bzw. die Basismaterialienkombination ermitteln lassen.
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Die Materialzerlegung kann sowohl direkt die Rohdaten betreffen als auch anhand von rekonstruierten Bilddaten erfolgen. Jedenfalls werden im Rahmen des Verfahrens mindestens zwei Bilddatensätze auf Basis spektralzerlegter Daten, seien es Rohdaten oder Bilddaten, erzeugt: Die mindestens zwei Bilddatensätze umfassen einen ersten Bilddatensatz, welcher einen durch das erste Kontrastmittel beaufschlagten ersten Bildbereich darstellt, und einen zweiten Bilddatensatz, welcher einen vorzugsweise zu dem ersten Bildbereich komplementären zweiten Bildbereich, welcher durch das zweite Röntgenkontrastmittel beaufschlagt ist, darstellt.
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In jedem Fall werden mindestens zwei Bilddatensätze auf Basis der Materialzerlegung rekonstruiert. Die beiden Bilddatensätze umfassen einen ersten Bilddatensatz, welcher einen durch das erste Kontrastmittel beaufschlagten ersten Bildbereich darstellt, und einen zweiten Bilddatensatz, welcher einen von dem zweiten Kontrastmittel beaufschlagten zweiten Bildbereich darstellt.
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Für den Fall einer komplementären Darstellung des ersten und des zweiten Bilddatensatzes können durch das erste und das zweite Röntgenkontrastmittel beaufschlagte Bereiche gemeinsam in einem Bild, beispielsweise durch eine Überlagerung der beiden Bilddatensätze, veranschaulicht werden, wobei die Relativposition der unterschiedlichen funktionellen Bereiche sowie die räumliche Trennung bzw. Grenzflächen zwischen diesen unterschiedlichen Bereichen gut zu erkennen sind.
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Liegt eine Durchmischung der durch die beiden Bilddatensätze dargestellten unterschiedlichen Materialien bzw. der diese sichtbarmachenden Röntgenkontrastmittel vor, so kann auch zur getrennten Veranschaulichung der unterschiedlichen Röntgenkontrastmittel bzw. der durch diese veranschaulichten Strukturen bzw. körperlichen Funktionen eine jeweils gesonderte Darstellung des ersten und des zweiten Bilddatensatzes in zwei separaten Bildern erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Röntgenbildgebungsverfahren ermöglicht eine präzisere simultane Darstellung mit zwei gleichzeitig angewandten Kontrastmitteln.
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Die erfindungsgemäße Bildrekonstruktionseinrichtung weist eine Ermittlungseinheit zum Ermitteln von mindestens zwei unterschiedlichen Röntgenphotonenenergien auf. Die mindestens zwei unterschiedlichen Röntgenphotonenenergien werden so gewählt, dass bei diesen Energien sich ein erstes Kontrastmittel signifikant von einem zweiten Kontrastmittel hinsichtlich der Änderung der Röntgenabsorption zwischen den mindestens zwei unterschiedlichen Röntgenphotonenenergien unterscheidet.
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Die Wahl der Energiewerte kann zum Beispiel auf der Basis von abgespeicherten energieabhängigen Absorptionswerten der gewählten Kontrastmittel erfolgen. Die Wahl der Energiewerte kann im Rahmen eines Multi-Energie-Aufnahmeverfahrens bei der Wahl der Energien bzw. mittleren Energiewerte der zur Bildgebung verwendeten Röntgenquellen berücksichtigt werden. Werden zählende Detektoren zur Erfassung der Röntgenstrahlung verwendet, so können Energieschwellen bzw. Intervalle so gewählt werden, dass die genannten Energiewerte umfasst sind.
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Teil der erfindungsgemäßen Bildrekonstruktionseinrichtung ist eine Rohdatenempfangseinheit zum Empfangen von Röntgenrohdaten von einem von dem ersten Kontrastmittel durchfluteten Bereich eines Untersuchungsobjekts und von einem von dem zweiten Kontrastmittel durchfluteten Bereich des Untersuchungsobjekts mit Hilfe eines Multi-Energie-Aufnahmeverfahrens, vorzugsweise eines Dual-Energie-Bildgebungsverfahrens.
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Die erfindungsgemäße Bildrekonstruktionseinrichtung umfasst auch eine Zerlegungseinheit zum Durchführen einer Materialzerlegung auf Basis der Röntgenrohdaten bezüglich der beiden Röntgenkontrastmittel. Überdies umfasst die erfindungsgemäße Bildrekonstruktionseinrichtung auch eine Rekonstruktionseinheit zum Rekonstruieren von mindestens zwei Bilddatensätzen auf Basis der Materialzerlegung. Die Bilddatensätze umfassen einen ersten Bilddatensatz, welcher einen durch das erste Röntgenkontrastmittel beaufschlagten ersten Bildbereich darstellt, und einen zweiten Bilddatensatz, welcher einen durch das zweite Röntgenkontrastmittel beaufschlagten zweiten Bildbereich darstellt. Die erfindungsgemäße Bildrekonstruktionseinrichtung teilt die Vorteile des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens.
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Das erfindungsgemäße Röntgenbildgebungssystem weist eine erfindungsgemäße Bildrekonstruktionseinrichtung auf. Das erfindungsgemäße Röntgenbildgebungssystem kann vorzugsweise ein CT-System umfassen.
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Die wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Bildrekonstruktionseinrichtung können zum überwiegenden Teil in Form von Softwarekomponenten ausgebildet sein. Dies betrifft insbesondere die Zerlegungseinheit und die Rekonstruktionseinheit der erfindungsgemäßen Bildrekonstruktionseinrichtung. Grundsätzlich können diese Komponenten aber auch zum Teil, insbesondere wenn es um besonders schnelle Berechnungen geht, in Form von softwareunterstützter Hardware, beispielsweise FPGAs oder dergleichen, realisiert sein. Ebenso können die benötigten Schnittstellen, beispielsweise wenn es nur um eine Übernahme von Daten aus anderen Softwarekomponenten geht, als Softwareschnittstellen ausgebildet sein. Sie können aber auch als hardwaremäßig aufgebaute Schnittstellen ausgebildet sein, die durch geeignete Software angesteuert werden.
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Eine weitgehend softwaremäßige Realisierung hat den Vorteil, dass auch schon bisher verwendete medizintechnische Röntgenbildgebungssysteme bzw. Bildrekonstruktionseinrichtungen auf einfache Weise durch ein Software-Update nachgerüstet werden können, um auf die erfindungsgemäße Weise zu arbeiten. Insofern wird die Aufgabe auch durch ein entsprechendes Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm gelöst, welches direkt in eine Speichereinrichtung eines Röntgenbildgebungssystems ladbar ist, mit Programmabschnitten, um die durch Software realisierbaren Schritte des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens auszuführen, wenn das Programm in dem Röntgenbildgebungssystem ausgeführt wird. Ein solches Computerprogrammprodukt kann neben dem Computerprogramm gegebenenfalls zusätzliche Bestandteile wie z. B. eine Dokumentation und/oder zusätzliche Komponenten, auch Hardware-Komponenten, wie z.B. Hardware-Schlüssel (Dongles etc.) zur Nutzung der Software, umfassen.
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Zum Transport zu dem Röntgenbildgebungssystem und/oder zur Speicherung an oder in diesem Röntgenbildgebungssystem kann ein computerlesbares Medium, beispielsweise ein Memorystick, eine Festplatte oder ein sonstiger transportabler oder fest eingebauter Datenträger dienen, auf welchem die von einer Rechnereinheit einlesbaren und ausführbaren Programmabschnitte des Computerprogramms gespeichert sind. Die Rechnereinheit kann z. B. hierzu einen oder mehrere zusammenarbeitende Mikroprozessoren oder dergleichen aufweisen. Die Rechnereinheit kann zum Beispiel Teil eines Terminals oder einer Steuereinrichtung eines röntgenbildgebenden Systems, wie zum Beispiel einer CT-Anlage, sein, sie kann aber auch Teil eines entfernt positionierten Serversystems innerhalb eines Datenübertragungsnetzes sein, das mit dem röntgenbildgebenden System kommuniziert.
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Die abhängigen Ansprüche sowie die nachfolgende Beschreibung enthalten jeweils besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung. Dabei können insbesondere die Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein. Zudem können im Rahmen der Erfindung die verschiedenen Merkmale unterschiedlicher Ausführungsbeispiele und Ansprüche auch zu neuen Ausführungsbeispielen kombiniert werden.
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In einer Variante des erfindungsgemäßen Ensembles von Röntgenkontrastmitteln ist die Röntgenabsorption des ersten Kontrastmittels für die mindestens zwei Röntgenphotonenenergien signifikant unterschiedlich und die Röntgenabsorption des zweiten Kontrastmittels für die mindestens zwei Röntgenphotonenenergien nicht signifikant unterschiedlich.
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Unter „nicht signifikant unterschiedlich“ soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass die Änderung der Absorption des zweiten Röntgenkontrastmittels weniger als die Hälfte der Änderung der Absorption des ersten Röntgenkontrastmittels bei den gewählten unterschiedlichen Röntgenphotonenenergien beträgt.
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Vorteilhaft unterscheiden sich die beiden erfindungsgemäßen Röntgenkontrastmittel hinsichtlich ihres Absorptionsverhaltens in Abhängigkeit von der Photonenenergie voneinander. Wie bereits erläutert, kann dieses unterschiedliche Absorptionsverhalten dazu genutzt werden, die beiden Röntgenkontrastmittel bei der Bildgebung voneinander zu unterscheiden.
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Besonders bevorzugt ist die Röntgenabsorption des zweiten Röntgenkontrastmittels dem Spektrum der Röntgenabsorption von Wasser oder Weichgewebe ähnlich. Selbstverständlich sollte das zweite Kontrastmittel eine stärkere Absorption aufweisen als es bei Wasser oder Weichgewebe der Fall ist. In diesem Zusammenhang soll die Ähnlichkeit daher nicht auf absolute Werte der Absorption, sondern auf die Änderung der Absorption in Abhängigkeit von der Röntgenphotonenenergie bezogen sein. Denn Wasser oder Weichgewebe weist in einem für die CT-Bildgebung relevanten Energiebereich ein von der Photonenenergie unabhängiges Verhalten auf und lässt sich daher leicht von herkömmlichen Kontrastmitteln, wie zum Beispiel Jod oder Gadolinium trennen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ensembles aus mindestens zwei Röntgenkontrastmitteln weist das erste Kontrastmittel eines der folgenden Materialien auf:
- - Jod,
- - Gadolinium
und weist das zweite Kontrastmittel eines der folgenden Materialien auf:
- - Wolfram,
- - Tantal,
- - Hafnium,
- - Gold.
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Die für das zweite Kontrastmittel ausgewählten Materialien weisen alle vorteilhaft ein wasserähnliches Absorptionsverhalten auf. Aus diesem Grund lassen sich mit dem zweiten Kontrastmittel beaufschlagte bzw. durchflutete Teilbereiche eines Untersuchungsbereichs leicht von Iod-haltigen oder Gadolinium-haltigen Bereichen trennen bzw. getrennt darstellen.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens weist dieses ein Multi-Energie-Bildgebungsverfahren, vorzugsweise ein Dual-Energie-Bildgebungsverfahren, auf, bei dem mindestens zwei unterschiedliche Röntgenröhrenspannungen, bei denen sich die Änderung der Absorption des ersten und des zweiten Kontrastmittels signifikant unterscheidet, festgelegt werden.
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Weiterhin werden mindestens zwei Datensätze von Röntgenbildaufnahmen mit den mindestens zwei unterschiedlichen Röntgenröhrenspannungen zur Akquisition eines ersten Rohdatensatzes und mindestens eines zweiten Rohdatensatzes erfasst. Die Materialzerlegung erfolgt dann auf Basis der mindestens zwei Rohdatensätze. Bei dieser Variante werden mit Hilfe unterschiedlicher Röntgenröhrenspannungen Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Röntgenspektren erzeugt. Diese werden zur Erzeugung von mindestens zwei Rohdatensätzen, welche zur Trennung unterschiedlicher Kontrastmittel bei der Bildgebung verwendet werden, genutzt.
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Bei dieser Ausgestaltung werden mindestens zwei Röntgenbildaufnahmen mit den mindestens zwei unterschiedlichen Röntgenröhrenspannungen durchgeführt.
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In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens werden Röntgenrohdaten, die mit Hilfe eines photonenzählenden Detektors energieaufgelöst aufgenommen wurden, erfasst, wobei die Energieschwellen des photonenzählenden Detektors derart festgelegt werden, dass sich bei diesen die Änderung der Absorption des ersten Kontrastmittels von der Änderung der Absorption des zweiten Kontrastmittels signifikant unterscheidet. Weiterhin erfolgt eine Materialzerlegung auf Basis der energieaufgelösten Rohdaten. Vorteilhaft wird bei dieser Variante nur die Bestrahlung eines Untersuchungsbereichs mit nur einer einzigen Röntgenröhre benötigt, da die spektrale Separation der Röntgenstrahlung im Detektor erfolgt.
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Vorzugsweise umfasst das erfindungsgemäße Röntgenbildgebungsverfahren eines der folgenden CT-Bildgebungsverfahren:
- - eine simultane Darstellung eines Embolisationsmittels und einer lokalen Durchblutung bei einer Chemo-Embolisation,
- - eine simultane Darstellung einer venösen oder portalvenösen Phase und einer arteriellen Phase einer Leber,
- - eine simultane Darstellung einer lokalen Durchblutung eines Lungenparenchyms und einer Lungenventilation.
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Vorteilhaft lassen sich die genannten Untersuchungen mit dem erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahren mit einer geringen Strahlendosis und verbesserter Bildqualität im Vergleich zu der herkömmlichen Vorgehensweise realisieren.
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen noch einmal näher erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Schaubild, welches Absorptionswerte des Kontrastmittels Iod und des Materials Wolfram in Abhängigkeit von der Röhrenspannung eines Röntgengeräts veranschaulicht,
- 2 ein Schaubild, welches Absorptionseigenschaften der Kontrastmittel Iod und Wolfram sowie von Calcium und Wasser in Abhängigkeit von der Energie der Röntgenphotonen darstellt,
- 3 ein Flussdiagramm, welches ein Röntgenbildgebungsverfahren gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht,
- 4 eine schematische Darstellung einer Bildrekonstruktionseinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 5 eine schematische Darstellung eines CT-Systems gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In 1 ist ein Schaubild 10 gezeigt, welches Absorptionswerte Is des Kontrastmittels Iod I und des Materials Wolfram W in Abhängigkeit von der Röhrenspannung VT eines Röntgengeräts veranschaulicht. Während die Röntgenabsorption von Iod I mit zunehmender Energie abnimmt, ändert sich die Röntgenabsorption von Wolfram W mit der Energie nur wenig. Insbesondere bei einer Dual-Energie-Bildaufnahme bei einer niedrigen Energie von 80 kV und einer höheren Energie von 140 kV oder 150 kV mit Zinnfilter verändert sich die Röntgenabsorption Is von Wolfram W im Vergleich zu der Röntgenabsorption von Iod I praktisch nicht. Mithin lassen sich Bildpunkte, bei denen die beiden Einzelaufnahmen mit unterschiedlichen Röhrenspannungen erzeugt werden, leicht einem der beiden Kontrastmittel zuordnen. Beispielsweise ist ein Punkt, bei dem die Absorption in den beiden Bildern gleich ist, eindeutig dem Material Wolfram W zuzuordnen und ein Punkt, bei dem die Absorption in den beiden Bildern stark unterschiedlich ist, eindeutig dem Material Iod I zuzuordnen.
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In 2 ist ein Schaubild 20 dargestellt, welches Absorptionseigenschaften der Kontrastmittel Iod I und Wolfram W sowie von Calcium Ca und Wasser H2O in Abhängigkeit von der Energie EPH der Röntgenphotonen veranschaulicht. Für die genannten Materialien ist jeweils der Massenabsorptionskoeffizient κ in Abhängigkeit von der Energie EPH der Röntgenphotonen aufgetragen. In 2 ist gut zu erkennen, dass die Absorption des Kontrastmittels Iod I und des Knochenmaterials Calcium Ca in den Bereichen von 40 bis 80 keV mit zunehmender Photonenenergie EPH stark abnimmt. Dabei ist zu beachten, dass die Absorption logarithmisch dargestellt ist. Im Gegensatz dazu verhält sich Wolfram W eher wie Wasser H2O. D.h., die Absorption ist für eine erste Photonenenergie E(1), die ungefähr bei 45 keV liegt, gleich der Absorption bei einer zweiten Photonenenergie E(2), welche ungefähr bei 80 keV liegt. Aufgrund des stark unterschiedlichen Verhaltens von Wolfram W gegenüber Calcium Ca, können Bildbereiche, welche mit Wolfram W beaufschlagt sind, leicht von Bereichen, in denen Calcium Ca vorherrscht, getrennt werden bzw. getrennt dargestellt werden.
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In 3 ist ein Flussdiagramm 300 gezeigt, welches ein Röntgenbildgebungsverfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht. In dem in 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel soll eine Bildgebung einer Chemo-Embolisation eines Tumors in der Leber erfolgen.
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Hierfür wird bei dem Schritt 3.I zunächst ein Ensemble aus zwei Kontrastmitteln, nämlich dem jodbasierten Lipiodol und einem auf dem Element Wolfram basierenden intravenösen Kontrastmittel ausgewählt.
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Weiterhin werden bei dem Schritt 3.II Röntgenrohdaten RD von einem von Lipiodol beaufschlagten Bereich, d.h. dem Randbereich des Tumors und einem und von dem intravenösen Kontrastmittel durchfluteten Bereich mit Hilfe eines Dual-Energie-Aufnahmeverfahrens erfasst. In dem in 3 veranschaulichten Verfahren werden dabei Röntgenrohdaten, die mit Röntgenstrahlen mit zwei unterschiedlichen Energiewerten E(1) und E(2) aufgenommen wurden, erfasst. Die Energiewerte werden dabei so gewählt, dass das Absorptionsverhalten des intravenösen Kontrastmittels, in diesem Ausführungsbeispiel ein auf dem Material Wolfram basierendes Kontrastmittel, für beide Energiewerte gleich ist.
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Der Bildaufnahmevorgang kann zum Beispiel durch den Einsatz von zwei räumlich voneinander getrennt angeordneten Detektoren realisiert werden, wobei vor einem der beiden Detektoren in den Strahlengang ein Filter eingebracht ist, der einen Teil des Spektrums der Röntgenstahlen herausfiltert. Es werden also zwei Rohdatensätze mit einem unterschiedlichen Röntgenphotonenspektrum erfasst.
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Bei dem Schritt 3.III erfolgt eine Rekonstruktion von zwei Bilddatensätzen BD1, BD2 auf Basis der zwei Rohdatensätze.
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Die Rekonstruktion erfolgt auf Basis einer Materialzerlegung nach den zwei angewandten Kontrastmitteln.
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Ein erster Bilddatensatz BD1 stellt einen durch das Lipiodol beaufschlagten ersten Bildbereich dar und ein zweiter Bilddatensatz BD2 stellt einen von dem wolframbasierten Kontrastmittel beaufschlagten zweiten Bildbereich dar. Beide Bildbereiche sind aufgrund der stark unterschiedlichen Eigenschaften der genutzten Kontrastmittel in einer gemeinsamen Bilddarstellung leicht voneinander unterscheidbar.
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In 4 wird eine Rekonstruktionseinrichtung 40 gezeigt. Die Rekonstruktionseinrichtung 40 weist eine Ermittlungseinheit 41 auf. Die Ermittlungseinheit 41 empfängt Informationen hinsichtlich der zu verwendenden Kontrastmittel I, K2 und ermittelt Werte E(1), E(2) von zwei unterschiedlichen Röntgenphotonenenergien, bei denen sich ein ausgewähltes Kontrastmittel K2 wie Wasser verhält, d.h. die Absorption ist für beide Energiewerte gleich. Die von dem Kontrastmittel K2 zu trennenden, mit Iod I beaufschlagten Bildbereiche dagegen weisen eine Abhängigkeit der Absorption von der Röntgenphotonenenergie auf und lassen sich aufgrund des unterschiedlichen Absorptionsverhaltens bei den ermittelten Energiewerten E(1), E(2) daher leicht von dem ausgewählten Kontrastmittel K2 unterscheiden. Die Wahl der Energiewerte kann zum Beispiel auf der Basis von abgespeicherten energieabhängigen Absorptionswerten des gewählten Kontrastmittels K2 erfolgen. Die Wahl der Energiewerte E(1), E(2) kann im Rahmen eines Multi-Energie-Aufnahmeverfahrens bei der Wahl der Energie der zur Bildgebung eingesetzten Röntgenquellen berücksichtigt werden. Werden zählende Detektoren zur Erfassung der Röntgenstrahlung verwendet, so können Energieschwellen bzw. Intervalle so gewählt werden, dass die genannten Energiewerte umfasst sind.
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Die Rekonstruktionseinrichtung 40 weist auch eine Rohdatenempfangseinheit 42 zum Empfangen von Röntgenrohdaten RD auf. Die Rohdaten RD wurden mit Hilfe eines Dual-Energie-CT-Verfahrens von einem von den Kontrastmitteln I, K2 zumindest teilweise durchfluteten Bereich eines Untersuchungsobjekts akquiriert.
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Die Rohdaten RD werden an eine Zerlegungseinheit 43 weitergeleitet, welche eine Materialzerlegung auf Basis der Röntgenrohdaten RD bezüglich der beiden Kontrastmittel I, K2 durchführt. Die den einzelnen Absorptionsspektren der unterschiedlichen Materialien zugeordneten Anteile MA1, MA2 werden an eine Rekonstruktionseinheit 44 übermittelt, welche mindestens zwei Bilddatensätze BD1, BD2 auf Basis der unterschiedlichen Anteile MA1, MA2 rekonstruiert. Ein erster Bilddatensatz BD1 veranschaulicht einen mit dem wolframbasieren Kontrastmittel K2 beaufschlagten ersten Bildbereich und ein zweiter Bilddatensatz BD2 veranschaulicht einen zu dem ersten Bildbereich komplementären zweiten Bildbereich, in dem mit Iod kontrastierte Strukturen vorherrschen. Die Bilddaten BD1, BD2 werden schließlich über eine Ausgangsschnittstelle 45 ausgegeben.
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In 5 ist ein Röntgenbildgebungssystem, in diesem Fall ein CT-System 50, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung veranschaulicht.
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Das CT-System 50, welches als Dual-Energie-CT-System ausgebildet ist, besteht dabei im Wesentlichen aus einem üblichen Scanner 9, in welchem an einer Gantry 11 eine Projektionsmessdatenakquisitionseinheit 5 mit zwei Detektoren 16a, 16b und zwei den Detektoren 16a, 16b gegenüberliegenden Röntgenquellen 15a, 15b um einen Messraum 12 umläuft. Vor dem Scanner 9 befindet sich eine Patientenlagerungseinrichtung 3 bzw. ein Patiententisch 3, dessen oberer Teil 2 mit einem darauf befindlichen Patienten O zum Scanner 9 verschoben werden kann, um den Patienten O durch den Messraum 12 hindurch relativ zum Detektorsystem 16a, 16b zu bewegen. Angesteuert werden der Scanner 9 und der Patiententisch 3 durch eine Steuereinrichtung 31, von der aus über eine übliche Steuerschnittstelle 34 Akquisitionssteuersignale AS kommen, um das gesamte System gemäß vorgegebener Messprotokolle in der herkömmlichen Weise anzusteuern. Im Fall einer Spiralakquisition ergibt sich durch eine Bewegung des Patienten O entlang der z-Richtung, welche der Systemachse z längs durch den Messraum 12 entspricht, und den gleichzeitigen Umlauf der Röntgenquellen 15a, 15b für die Röntgenquellen 15a, 15b relativ zum Patienten O während der Messung eine Helixbahn. Parallel laufen dabei immer gegenüber den Röntgenquellen 15a, 15b die Detektoren 16a, 16b mit, um Projektionsmessdaten PMD1, PMD2 zu erfassen, die dann zur Rekonstruktion von Volumen- und/oder Schicht-Bilddaten genutzt werden. Ebenso kann auch ein sequentielles Messverfahren durchgeführt werden, bei dem eine feste Position in z-Richtung angefahren wird und dann während eines Umlaufs, eines Teilumlaufs oder mehrerer Umläufe an der betreffenden z-Position die erforderlichen Projektionsmessdaten PMD1, PMD2 erfasst werden, um ein Schnittbild an dieser z-Position zu rekonstruieren oder um aus den Projektionsmessdaten mehrerer z-Positionen Bilddaten zu rekonstruieren. Das erfindungsgemäße Verfahren ist grundsätzlich auch an anderen CT-Systemen, z.B. mit nur einer Röntgenquelle oder einem einen vollständigen Ring bildenden Detektor, einsetzbar. Beispielsweise lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch auf ein System mit unbewegtem Patiententisch und in z-Richtung bewegter Gantry (einer sogenannten Sliding Gantry) anwenden.
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Die von den Detektoren 16a, 16b akquirierten Projektionsmessdaten PMD1, PMD2 (im Folgenden auch Rohdaten genannt) werden über eine Rohdatenschnittstelle 33 an die Steuereinrichtung 31 übergeben. Diese Rohdaten werden dann, gegebenenfalls nach einer geeigneten Vorverarbeitung in einer Rekonstruktionseinrichtung 40 weiterverarbeitet, die in diesem Ausführungsbeispiel in der Steuereinrichtung 31 in Form von Software auf einem Prozessor realisiert ist. Diese Rekonstruktionseinrichtung 40 rekonstruiert auf Basis der Rohdaten PMD1, PMD2 zwei Bilddatensätze BD1, BD2, von denen ein erster Bilddatensatz BD1 von einem ersten erfindungsgemäßen Röntgenkontrastmittel, wie zum Beispiel einem Wolfram-basierten Kontrastmittel, beaufschlagte Strukturen veranschaulicht und ein zweiter Bilddatensatz BD2 von einem zweiten erfindungsgemäßen Kontrastmittel, wie zum Beispiel Iod, verdeutliche Bildbereiche darstellt.
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Der genaue Aufbau einer solchen Rekonstruktionseinrichtung 40 ist in 4 ausführlich dargestellt.
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Die von der Rekonstruktionseinrichtung 40 erzeugten Bilddaten BD1, BD2 werden dann in einem Speicher 32 der Steuereinrichtung 31 hinterlegt und/oder in üblicher Weise auf dem Bildschirm der Steuereinrichtung 31 ausgegeben. Sie können auch über eine in 5 nicht dargestellte Schnittstelle in ein an das Computertomographiesystem 50 angeschlossenes Netz, beispielsweise ein radiologisches Informationssystem (RIS), eingespeist und in einem dort zugänglichen Massenspeicher hinterlegt oder auf dort angeschlossenen Druckern oder Filming-Stationen als Bilder ausgegeben werden. Die Daten können so in beliebiger Weise weiterverarbeitet und dann gespeichert oder ausgegeben werden.
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Zusätzlich ist in 5 auch eine Kontrastmittel-Injektionseinrichtung 35 eingezeichnet, mit der dem Patienten O die zwei erfindungsgemäßen Kontrastmittel vorab, d.h. vor dem Start des CT-Bildgebungsverfahrens injiziert werden. Die von den Kontrastmitteln durchfluteten Bereiche können dann mit Hilfe des Computertomographiesystems 50 unter Anwendung des erfindungsgemäßen Röntgenbildgebungsverfahrens bildlich erfasst werden.
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Die Komponenten der Rekonstruktionseinrichtung 40 können überwiegend oder vollständig in Form von Softwareelementen auf einem geeigneten Prozessor realisiert sein. Insbesondere können auch die Schnittstellen zwischen diesen Komponenten rein softwaremäßig ausgebildet sein. Erforderlich ist lediglich, dass Zugriffsmöglichkeiten auf geeignete Speicherbereiche bestehen, in denen die Daten geeignet zwischengelagert und jederzeit wieder aufgerufen und aktualisiert werden können.
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Es wird abschließend noch einmal darauf hingewiesen, dass es sich bei den vorbeschriebenen Verfahren und Vorrichtungen lediglich um bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung handelt und dass die Erfindung vom Fachmann variiert werden kann, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, soweit er durch die Ansprüche vorgegeben ist. Es wird der Vollständigkeit halber auch darauf hingewiesen, dass die Verwendung der unbestimmten Artikel „ein“ bzw. ,„eine‟ nicht ausschließt, dass die betreffenden Merkmale auch mehrfach vorhanden sein können. Ebenso schließt der Begriff „Einheit“ nicht aus, dass diese aus mehreren Komponenten besteht, die gegebenenfalls auch räumlich verteilt sein können.
