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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Computertomographie,
wie sie in der Medizin zur Untersuchung von Patienten Anwendung findet.
Dabei bezieht sich die vorliegende Erfindung insbesondere auf ein
Verfahren zur Vereinfachung bzw. zur Verbesserung der Fehleranalyse
im Messsystem von CT-Geräten.
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Mit
modernen medizinischen Diagnoseverfahren, wie beispielsweise der
Röntgen-Computertomographie
(CT) können
Bilddaten eines zu untersuchenden Messobjektes gewonnen werden.
In der Regel handelt es sich bei dem untersuchten Messobjekt um
einen Patienten.
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Die
Röntgen-Computertomographie – im nachfolgenden
kurz mit CT bezeichnet – ist
ein spezielles Röntgenaufnahmeverfahren,
das sich im Bildaufbau grundsätzlich
von den klassischen Röntgenschichtaufnahmeverfahren
unterscheidet. Bei CT-Aufnahmen erhält man Transversalschnittbilder, also
Abbildungen von Körperschichten,
die im Wesentlichen senkrecht zur Körperachse orientiert sind. Die
im Bild dargestellte gewebespezifische physikalische Größe ist die
Verteilung des Schwächungswertes
von Röntgenstrahlung μ(x,y) in
der Schnittebene. Das CT-Bild erhält man durch Rekonstruktion
der vom verwendeten Messsystem gelieferten eindimensionalen Projektionen
der zweidimensionalen Verteilung von μ(x,y) aus zahlreichen verschiedenen
Blickwinkeln.
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Die
Projektionsdaten ermitteln sich aus der Intensität I eines Röntgenstrahls nach seinem Weg durch
die abzubildende Schicht und seiner ursprünglichen Intensität I
0 an der Röntgenquelle gemäß dem Absorptionsgesetz
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Der
Integrationsweg L repräsentiert
die Bahn des betrachteten Röntgenstrahls
durch die zweidimensionale Schwächungsverteilung μ(x, y). Eine Bildprojektion
setzt sich dann aus den mit den Röntgenstrahlen einer Blickrichtung
gewonnenen Messwerten der Linienintegrale durch die Objektschicht zusammen.
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Man
erhält
die aus verschiedensten Richtungen stammenden Projektionen – charakterisiert durch
den Projektionswinkel α – durch
ein kombiniertes Röntgenröhren-Detektor-System,
das in der Schichtebene um das Objekt rotiert. Die derzeit gebräuchlichsten
Geräte
sind sogenannte „Fächerstrahlgeräte", bei denen Röhre und
ein Array aus Detektoren (eine lineare Anordnung von Detektoren)
in der Schichtebene gemeinsam um ein Drehzentrum, welches auch Mitte
des kreisförmigen
Messfeldes ist, rotieren. Die mit sehr langen Messzeiten behafteten „Parallelstrahlgeräte" werden hier nicht
erläutert.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass eine Transformation von Fächern – auf Parallelprojektionen
und umgekehrt – möglich ist,
so dass die vorliegende Erfindung, die anhand eines Fächerstrahlgerätes erklärt werden
soll, ohne Einschränkung
auch für
Parallelstrahlgeräte
anwendbar ist.
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Generell
können
im Messsystem eines CT-Gerätes
Fehler auftreten. Das Messsystem besteht aus der Röntgenstrahlungsquelle
(Röhre),
den röhrenseitigen
Blenden zur Kollimierung des Röntgenstrahlfächers und
dem Detektor. Der Detektor besteht bei modernen CT-Geräten meist
aus Keramikdetektorelementen und nachgeschalteter Elektronik zur
Signalaufbereitung (Integration und Verstärkung) sowie zur Analog-Digitalwandlung.
Fehler verschiedener Ursachen im Messsystem machen sich im später rekonstruierten
CT-Bild durch störende,
beispielsweise ringförmige
Bildartefakte bemerkbar, die es schon allein aus diagnostischer
Sicht – um
Fehldiagnosen zu vermeiden – zu
un terdrücken
gilt. Insbesondere im Servicefall ist es daher notwendig, die Fehlerquelle
zu ermitteln.
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Dazu
mussten bisher im Stand der Technik beispielsweise zum Ausschluss
des Detektors als Fehlerquelle im Rahmen zusätzlich ausgelöster Scans
spezielle Messdaten aufgenommen, die gemessenen Daten auf Datenträger gespeichert
und an den Detektorhersteller zur Auswertung übermittelt werden (zumeist
auf nicht elektronischem Weg). Eine Methode zur Prüfung der
Funktionstüchtigkeit
der Röntgenquelle
gibt es derzeit nicht. Bei Verdacht auf einen Röhrenfehler muss die Röhre ausgetauscht, zerlegt
und mechanisch untersucht werden.
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Eine
solche Vorgehensweise ist nicht nur zeitaufwendig sondern auch kostenintensiv.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren bereitzustellen,
welches insbesondere Fehlerquellen im Bereich der Röhre – speziell
zwischen Fokus und äußerer Verblendung
im Austrittbereich – ohne
großen
Aufwand ermittelt.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
die Merkmale der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Die
abhängigen
Ansprüche
bilden den zentralen Gedanken der Erfindung in besonders vorteilhafter
Weise weiter.
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Erfindungsgemäß wird daher
ein Verfahren zum Ermitteln und Lokalisieren eines eine Störung verursachenden
Objektes im Strahlengang eines Computertomographie-Gerätes beansprucht,
aufweisend die folgenden Schritte:
- – Aufnehmen
einer ersten Kalibriertabelle in einem ersten Springfokusmodus,
- – Aufnehmen
einer zweiten Kalibriertabelle in einem zweiten Springfokusmodus,
- – Bilden
zweier Differenztabellen auf Basis der ersten und zweiten Kalibriertabelle
jeweils mit einer entsprechenden, bereits vorhandenen im gleichen
Springfokusmodus und im störungsfreien Betrieb
aufgenommenen Kalibriertabelle, und
- – Ermitteln
der Position des die Störung
verursachenden Objektes im Strahlengang auf Basis der Differenztabellen.
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Dabei
erfolgt das Ermitteln der Position des Objektes vorteilhafter Weise
in einer gekoppelten Darstellung beider Differenztabellen auf Basis
des horizontalen Abstandes zweier durch die Störung verursachter, über einem
Mindestwert liegenden Extremalpunkte.
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Ferner
wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
das Aufnehmen von Kalibriertabellen und der auswertende Vergleich
der daraus erstellten Differenztabellen mit störungsfreien Kalibriertabellen
routinemäßig während des
laufenden Betriebes des CT-Gerätes
zwischen Patientenmessungen durchgeführt.
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Weiterhin
wird eine Vorrichtung beansprucht zur Durchführung eines Verfahrens nach
einem der eben genannten Ansprüche.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung
werden nun anhand von Ausführungsbeispielen
bezugnehmend auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt eine schematische
Darstellung der Aufnahmegeometrie und der wesentlichen Komponenten
eines CT-Messsystems
in der Aufsicht (x-y-Ebene) und in der seitlichen Ansicht (y-z-Ebene),
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2 zeigt ein CT-Röhrendetektorsystem
im Springfokusbetrieb,
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3a zeigt zwei störungsbehaftete
Kalibriertabellen, die jeweils bei unterschiedlichen Springfokuspositionen
akquiriert wurden,
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3b zeigt zwei störungsfreie
Kalibriertabellen, die jeweils bei unterschiedlichen Springfokuspositionen
akquiriert wurden, und
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3c zeigt eine Differenztabelle,
die auf Basis der ersten und zweiten störungsbehafteten Kalibriertabelle
jeweils mit einer bereits vorhandenen, im entsprechend gleichen
Springfokusmodus aufgenommenen störungsfreien Kalibriertabelle
erstellt wurde.
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Ein
CT-Gerät
besitzt unterschiedliche Kollimatoren, Blenden, Filter und Abschirmungen
bzw. Dichtungen, die der Filterung des Röntgenspektrums, der Definition
der Aufnahmeschicht, der Abschirmung des Detektors gegen Streustrahlung,
dem Strahlenschutz dienen sowie ein Eindringen von Fremdkörpern in
die Röhre
verhindern. In 1 sind die
wesentlichen Komponenten des Messsystems eines CT-Gerätes in der
Aufsicht und in der seitlichen Ansicht dargestellt. Der Fokus 2 der
Röntgenröhre 1 bestimmt
den Ausgangspunkt des Fächerstrahles. Eine
erste grobe Einblendung erfolgt in einem ersten Schritt fokusnah
durch einen Formfilter 6, um den emittierten Strahlkegel
auf den für
den jeweiligen Detektor 5 maximal notwendigen Strahlenfächer zu
reduzieren. In einem zweiten Schritt wird der maximal erlaubte Fächer durch
eine feste Blende 7 exakt definiert. Eine zusätzliche
einstellbare Blende 8 ermöglicht die variable Einblendung
auf die jeweils gewünschten
Schichtdicken. Schichtbreite und Schichtprofil werden somit durch
Fokusgröße, Filter
und Blendengeometrie festgelegt. Auch durch den Einsatz einer detektorseitigen
beweglichen Blende 9 sowie einer detektorseitigen festen
Blende 10 wird das Schichtprofil günstig beeinflusst. Um ein Eindringen von
Fremdkörpern
(beispielsweise Kontrastmittel) in den röhrenseitigen Strahlengang zu
vermeiden, befindet sich unmittelbar vor den einstellbaren Blenden 8 und 9 ein
Dichtungsstreifen aus Plexiglas.
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Dennoch
kann es sein, dass in das Messsystem (röhrenseitig oder detektorseitig)
ein Fremdkörper
(Span, Öltropfen,
Kontrastmittel usw.) gelangt, entweder bereits während der Fertigung oder aber während des
betrieblichen Einsatzes. Wenn ein solcher Fremdkörper in den Strahlengang gelangt
(beispielsweise durch die Drehung des Messsystems), kann dieser
insofern ein störendes
Objekt darstellen, als dass er im ungünstigen Falle durch seine Schwächung die
Signalhöhe
beeinflusst. „Ungünstiger
Fall" soll heißen, dass
der Störkörper im
Strahlengang während
der Rotation des Messsystems entweder seine Position verändert oder
dass sich die Schwächungseigenschaft
des Störkörpers an
gleicher Position ändert.
Der erste Fall – die
wechselnde An- und Abwesenheit – stellt
den am häufigsten
auftretenden Fehler dar, in dem zum Beispiel ein Span im Hohlraum
der Röhre
umherwandert und gelegentlich im Strahlengang landet. Der zweite
Fall kann zum Beispiel auftreten, wenn ein Öl- oder Kontrastmitteltropfen
in der Röntgenröhre durch
Erwärmung
seine Form verändert.
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Im
Normalfall, wenn während
der gesamten Rotation des Messsystems (360°-Umdrehung) das Störobjekt
seine Position oder Schwächungseigenschaft
nicht verändert,
macht sich die Schwächung auch
nicht im rekonstruierten CT-Bild (in Form von Bildartefakten) bemerkbar,
da die Schwächung
in allen Projektionen gleichermaßen sichtbar ist. Nur eine Variation
der Messdaten während
der Rotation – mit oder
ohne Patient (Absorber) – führt zu entsprechenden
Abbildungs- und damit Bildfehlern nach der Bildrekonstruktion.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
besteht nun darin, den Störkörper zu
identifizieren, in dem letztendlich dessen Position relativ zum
Fokus ermittelt wird. Dabei nutzt das erfindungsgemäße Verfahren
die vom Detektorhersteller mit dem gesamten CT-System mitgelieferten
Kalibriertabellen, die zum einen die Unterschiedlichkeit der einzelnen
Detektorelemente beinhalten, auf deren Basis das Detektorarray kalibriert
wurde und zum anderen eine ordnungsgemäße und fehlerfreie Funktionswei se
des Messsystems, insbesondere des Detektor-Arrays dokumentieren
sollen. Derartige Kalibriertabellen werden üblicherweise vor Auslieferung
des CT-Systems ermittelt, in dem in einem azimutalen Projektionsabstand
von 36° insgesamt
1000 Projektionsmessungen im Springfokusbetrieb durchgeführt werden,
und zwar ohne Absorber (ohne Patienten). Die Kalibriertabellen liegen
in der Regel in CT-Speicher- und Recheneinheiten vor.
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Springfokusbetrieb
(Funktionsweise ist in 2 dargestellt)
bedeutet, dass der Fokus auf der in der Röntgenröhre integrierten Anode gegen
die Bewegungsrichtung der Röhre
verfahren wird und somit während
der Zeit zweier aufeinander folgender Messungen im Bezugssystem
des Raumes ortsfest gehalten wird. Danach springt der Fokus elektromagnetisch
gesteuert auf seine Ausgangsposition auf der Anode zurück und der
Vorgang wiederholt sich. Da sich der Detektor kontinuierlich weiterbewegt,
ergeben sich durch dieses Verfahren für jede Fokusposition im Bezugssystem
des Raumes zwei gemessene, ineinander um a/2 (Detektorbreite a)
versetzte Projektionen. Sinn des Springfokusbetriebes ist eine Verdoppelung
der Abtastrate, wodurch die Ortsauflösung erhöht werden kann.
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Die
auf jeweils zehn Projektionen aufgeteilten 1000 Projektionsmessungen
im Springfokusbetrieb liefern insgesamt 20 Kalibriertabellen, wobei
bei einer jeden jeweils 50 Messwerte pro Kanal (pro Detektorelement)
gemittelt werden. Üblicherweise
werden die jeweils zu einer Fokusposition zugehörigen beiden Kalibriertabellen
in einem Diagramm zusammengefasst.
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Ein
solches Diagramm, welches gemäß einer
jeweiligen einzigen Fokusposition eine erste 11 und eine
zweite 12 Kalibriertabelle enthält, ist in 3a abgebildet. Dargestellt sind 672 gemessene Kanäle, die
(zweifach) zu einem Zeitpunkt gemessen wurden – möglicherweise vor Auslieferung
des CT-Gerätes – als sich
kein Störkörper im
Strahlengang befand. Insofern werden solche Kalibriertabellen im
weiteren Verlauf der Beschreibung als Basiskalibrier-Tabellen bezeichnet,
da sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung für einen Vergleich mit störkörperbehafteten
Kalibriertabellen herangezogen werden.
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Störkörperbehaftete
Kalibriertabellen sind in 3b dargestellt,
das heißt,
Kalibriertabelle 13 sowie Kalibriertabelle 14 wurden
aufgenommen, als sich ein Störkörper im
Strahlengang befand bzw. nachdem im Bild Ringartefakte sichtbar
wurden. Die zugrundeliegende Fokusposition des Diagramms in 3b ist die gleiche wie die
des Diagramms aus 3a,
so dass beide Diagramme direkt miteinander verglichen werden können. Scheinbar
sind die Kalibriertabellen beider Diagramme gleich. Erst die Darstellung
der Differenzbildung der jeweiligen Kalibriertabellen in einem Differenzdiagramm
(3c: |Kalibriertabelle 12 – Kalibriertabelle 14|;
|Kalibriertabelle 11 – Kalibriertabelle 13|)
zeigt einen deutlichen Unterschied: Zwischen der Kanalzahl 300 und 400 sind zwei
offensichtliche Extremalpunkte 17, 18 zu erkennen,
die auf unterschiedliche Abbildungspositionen eines Störkörpers im
Strahlengang zurückzuführen sind.
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Beide
Extremalpunkte (in diesem Fall Minima) sind auf eine Signalschwächung der
Kalibriertabellen 13 und 14 durch den Störkörper zurückzuführen. Der
horizontale Abstand beider Extremalpunkte A beträgt in diesem Falle ca. 13 Einheiten
(Einheiten angegeben in Kanalzahlen). Der horizontale Versatz bzw.
Abstand beider Extremalpunkte ist auf die Fokusbewegung durch den
Springfokusbetrieb zurückzuführen: Da
im Springfokusbetrieb eines CT-Gerätes der Fokus schrittweise
gegenüber
der Bewegungsrichtung der Röhre
festgehalten wird, wird ein sich im Strahlengang befindliches Objekt
auf dem Detektor-Array
nach dem Fokusversatz auf einer anderen Stelle des Detektor-Arrays
abgebildet als vor dem Versatz.
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Aufgrund
der Abbildungsvorschrift, die sich mathematisch mittels Strahlensatz
beschreiben lässt,
lässt sich
aus diesem Versatz auf dem Detektor-Array die radiale Entfernung
des Störkörpers zum Fokus
bestimmen.
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Es
können
drei charakteristische Entfernungen auftreten:
- 1.
Entfernung des Fokus 2 zum Formfilter 6,
- 2. Entfernung des Fokus 2 zur einstellbaren röhrenseitigen
Blende 8,
- 3. Entfernung des Fokus 2 zur einstellbaren detektorseitigen
Blende 9.
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Entspricht
der auf Basis des Differenzdiagrammes ermittelte Abstand des Störobjektes
zum Fokus einer der drei charakteristischen Entfernungen 1., 2.
Oder 3., so ist die Position des Störobjektes im Messsystem identifiziert.
Im Falle 1., das heißt
im Falle, dass das Störobjekt
am oder im Formfilter 9 hängt, muss in der Regel das
röhrenseitige
Messsystem eingeschickt werden, um den Formfilter auszutauschen
bzw. säubern
zu lassen. Im Falle 2. oder 3., das heißt im Falle, dass sich das
Störobjekt
an einem der beiden einstellbaren Blenden 8 oder 9 befindet, können diese
ohne großen
technischen Aufwand ausgetauscht und somit der Fehler behoben werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel
für die
Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
in bzw. an einem CT-Gerät
wird im Folgenden zusammengefasst:
- A) Bei Auftreten
von Ringartefakten im rekonstruierten Bild werden auf Initiative
des Anwenders im Springfokusmodus des CT-Gerätes ohne Absorber zwei Sätze Kalibriertabellen
gemessen und im CT-Rechner abgelegt.
- B) Ebenfalls auf Initiative des Anwenders oder automatisch unmittelbar
nach der Messung dieses Satzes von Kalibriertabellen werden diese
beiden Sätze
Kalibriertabellen mit den bereits vom Messsystem-Hersteller mitgelieferten
und auf dem CT-Rechner vorliegenden störungsfreien Basiskalibriertabellen
rechnerisch verglichen in dem beispielsweise mittels Diffe renzbildung
durch den CT-Rechner eine Differenztabelle erstellt wird.
- C) Bei zeitweisem Vorliegen eines signifikanten Störobjektes
im Strahlengang des CT-Messsystems erscheinen in der Differenztabelle
signifikante Extremwerte deren horizontaler Abstand (Distanz in
Detektoreinheiten) vom CT-Rechner automatisch oder durch den Anwender
per Mausklick rechnerisch erfasst wird. Auf Basis dieses Abstandwertes
und der bekannten Geometrie des Messsystems kann durch den CT-Rechner
die radiale Position des Störköper im Strahlengang
(relativ zum Fokus) ermittelt werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
somit eine schnelle, unkomplizierte Lokalisierung eines im Messsystem
befindlichen Störobjektes, so
dass im günstigsten
Fall die Störung
auf einfachste Weise – nämlich durch
Austauschen einer Messsystemkomponente (zum Beispiel eine der beiden einstellbaren
Blenden) – beseitigt
werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
stützt
sich auf vorhandene bzw. beim störungsfreien
Betrieb der CT-Anlage akquirierte (Basis-)Kalibriertabellen, die mit
störungsbehafteten
Kalibriertabellen auf einfache Weise verglichen werden. Das Messen
von Kalibriertabellen jedweder Art (störungsbehaftet oder störungsfrei)
ist unkompliziert und im Aufwand mit einer Rohdatenspeicherung,
einem Einsenden des Datenträgers
der Rohdaten zum Detektorhersteller und deren Auswertung gemäß dem Stand
der Technik nicht vergleichbar.
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So
kann die Messung von störungsbehafteten
und/oder störungsfreien
Kalibriertabellen sowie deren Vergleich im Rahmen einer softwaregestützten Auswertung
während
des eigentlichen Messbetriebes erfolgen, wenn sich im Messbild gerade
kein Absorber (Patient) befindet. Überschreitet die störobjektbedingte
Signalschwächung
eine Toleranzschwelle, wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung der
Erfindung eine Warnmeldung ausgegeben, die gleichzeitig auf die
fehlerbehaftete (Mess)Systemkomponente hinweist. Falls die Fehleranalyse
die fehlerbehaftete Komponente nicht erkennt, wäre es möglich, die ermittelten störungsbehafteten
Kalibriertabellen auf elektronischem Wege schnell und unkompliziert
dem Detektorhersteller zu übermitteln und
dort eine genauere Untersuchung der Störung vornehmen zu lassen.
