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Hintergrund
der Erfindung
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Die Erfindung und deren Ausführungsformen
betreffen ein medizinisches Gebiet und zwar insbesondere das Gebiet
radiologischer bildgebender Vorrichtungen. Diese Vorrichtungen verfügen über Mittel
zur Aussendung einer Strahlung, wie etwa eine Röntgenstrahlquelle und über Mittel,
um ein Bild zu erfassen oder zu akquirieren, wie etwa einen Bilddetektor,
die jeweils an einem Ende eines C-förmigen Armes angebracht sind, wobei
das Objekt, von dem ein Bild aufgenommen werden soll zwischen die
beiden Seiten des Armes gelegt wird. Die Bilder werden von dem Detektor
aufgenommen während
der Arm um das Objekt umläuft,
und demgemäß entsprechen
die einzelnen Akquisitionen verschiedenen Blickpunkten auf das Objekt.
Verarbeitungsmittel erlauben es, aus den akquirierten zweidimensionalen
Bildern ein dreidimensionales Modell des Objekts zu rekonstruieren.
Diese Rekonstruktion geht von der Voraussetzung aus, dass sowohl
die verschiedenen Stellungen der Vorrichtung als auch deren wesentliche
geometrischen Merkmale präzise
bekannt sind.
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Das so erhaltene dreidimensionale
Modell kann von einem Heilkundigen, wie einem Chirurgen, vor einer
Operation dazu benutzt werden, sich mit dem Teil der Anatomie vertraut
zu machen, an dem die Operation beabsichtigt ist. Das dreidimensionale
Modell kann auch während
der Operation benutzt werden. Zu diesem Zwecke verfügt der Heilkundige über Geräte, die
es erlauben die zweidimensionalen Ansichten des jeweiligen Teils
der Anatomie in Echtzeit darzustellen, wobei diese Ansichten aus
dem dreidimensionalen Modell berechnet werden.
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Die Rekonstruktion des dreidimensionalen
Modells setzt voraus, dass die bildgebende Vorrichtung vorher „geometrisch
kalibriert" wird.
Diese Kalibrierung erlaubt es, den dreidimensionalen Raum mit der
von den verschiedenen zweidimensionalen Projektionen gelieferten
zweidimensionalen Information zu verknüpfen. Ist die Kalibrierung
unpräzis,
kommen diese Unvollkommenheiten in der Qualität des rekonstruierten dreidimensionalen
Modells zum Ausdruck.
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Bei einer bekannten Kalibrierungstechnik
werden Markierungen innerhalb eines auf ein Geist- oder Phantombild
aufgelegten Röntgenstrahlfeldes
angebracht, die als Markierungen im Raum wirken, und es wird außerdem eine
Reihe von Akquisitionen durchgeführt.
Da die jeweilige Position dieser Markierungen in dem dreidimensionalen
Raum bekannt ist, kann die Geometrie der Akquisition bei jeder Projektion
durch Umkehrung (Inversion) eines Gleichungssystems ermittelt werden,
das aus der Stellung der Markierungen auf den projizierten Bildern
abgeleitet ist. Eine Technik dieser Art ist z.B. in der
US-A 5,442,674 beschrieben.
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Allgemein wird bei der Aufnahme eines
Bildes eines Teils der Anatomie die Vorrichtung veranlasst, eine
Serie von Akquisitionen unter den gleichen geometrischen Bedingungen
wie bei der Serie von Kalibrierungsakquisitionen auszu führen, so
dass die Geometrie jeder Akquisition genau bekannt ist. Dies ist
deshalb möglich,
weil die Bewegungen des C-förmigen
Armes wiederholt werden können.
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Wenn jedoch die Akquisitionen des
Teils der Anatomie nicht unter den gleichen geometrischen Bedingungen
wie bei den Kalibrierungsakquisitionen (Zahl der Ansichten, Winkelstellungen,
Umlaufgeschwindigkeit, Anfangs- und Endposition) vorgenommen werden,
muss eine neue Kalibrierung ausgeführt werden, die die Zahl der
für die
Kalibrierung erforderlichen Ansichten erhöht.
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Darüberhinaus hängt die Zahl der Akquisitionen,
die zur Erzielung eines dreidimensionalen Modells guter Qualität erforderlich
sind, von der Art der abzubildenden anatomischen Struktur ab. Typischerweise
erfordert die dreidimensionale Konstruktion der Knochenstrukturen
etwa 120 Ansichten, während
die dreidimensionale Rekonstruktion eines Blutgefäßes etwa
40 Ansichten notwendig macht.
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Als Ergebnis gilt, dass immer so
viel Kalibrierungsakquisitionen wie möglich durchgeführt werden
müssen,
so dass die Kalibrierung für
die Bildgebung jeder beliebigen Art von Strukturen gültig ist.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft
die Minimierung der Zahl von Akquisitionen, die zum Kalibrieren
der Vorrichtung erforderlich sind. Eine Ausführungsform der Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung einer
radiologischen bildgebenden Vorrichtung mit einer Quelle und einem
Detektor, die aufweist: Bewegen der Vorrichtung bezüglich eines
Kalibrierungsobjektes und Ausführung einer
Reihe von Akquisitionen, wobei jede Akquisition einer Kalibrierungsstellung
der Vorrichtung zugeordnet ist;
auf der Basis der aufgeführten Akquisitionen
Bestimmen der Projektionsparameter, die jeder Kalibrierungsstellung
der Vorrichtung zugeordnet sind;
für eine zusätzliche Stellung, die von der
Vorrichtung während
des Akquisitionsschrittes nicht eingenommen wurde Bestimmen der
dieser zusätzlichen
Stellung zugeordneten Projektionsparameterwerte entsprechend den
den Kalibrierungsstellungen sonst zugeordneten Parameter.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Eine Ausführungsform der Erfindung, die
lediglich zur Veranschaulichung dient und die nicht beschränkend ist,
ist aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren
einfacher zu verstehen, in denen:
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1 schematisch
eine bildgebende Vorrichtung einer Bauart mit einem C-förmigen Arm
veranschaulicht;
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2 einen
C-förmigen
Arm veranschaulicht, der eine Quelle und einen Detektor trägt;
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3 die
verschiedenen Stellungen (Positionen) veranschaulicht, die von der
Quelle während
der Kalibrierungsakquisitionen eingenommen werden;
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4 die
zusätzlichen
Positionen veranschaulicht, die bei der Durchführung einer Ausführungsform des
Verfahrens überdeckt
werden können;
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5 ein
Blockdiagramm ist, das schematisch die verschiedenen Schritte einer
Variante der Ausführungsform
nach 5 darstellt; und
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7 ein
Schaubild ist, das das Ergebnis nach dem Glätten der mit einer Ausführungsform
des Verfahrens berechneten Projektionsparameter veranschaulicht.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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In 1 weist
die bildgebende Vorrichtung eine Grundplatte 1 auf, die
an dem Fußboden
befestigt und auf der ein C-förmiger
Arm 2 gelagert ist. Der C-förmige Arm trägt an seinen
beiden Enden eine durch eine Röntgenstrahlröhre gebildete
Quelle 3 und einem Bilddetektor 4. Diese Elemente
sind so angeordnet, dass der Brennfleck (Fokus) der Quelle 3 und
die Ebene 6 des Detektors 4 auf dem C-förmigen Arm
diametral einander gegenüberliegen.
Die Vorrichtung ist nahe einem Tisch 5 angeordnet, auf
dem ein Patient gelagert wird. Die Ebene des Tisches 5 verläuft zwischen
den beiden Armteilen des C-förmigen
Armes, d.h. zwischen der Quelle 3 und dem Detektor 4.
Der C-förmige
Arm 2 kann um die X- oder die Y-Achse gedreht werden, wobei
diese beiden Achsen sich in dem Punkt O, dem Rotationszentrum des
C-förmigen
Arms, schneiden.
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Während
der Kalibrierungsphase der Vorrichtung wird ein Geister- oder Phantombild,
das Markierungen aufweist, auf dem Tisch 5 zwischen der
Quelle 3 und dem Detektor 4, mehr oder weniger
auf der Höhe des
Punktes 0 angeordnet. Während
dieser Phase wird der C-förmige
Arm in Umdrehung versetzt, wobei die Vorrichtung eine Folge von
n Akquisitionen ausführt.
Jedes akquirierte Bild ist eine Projektion der Markierungen des
dreidimensionalen Raums auf die Ebene 6 des Detektors 4.
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In 2 sind
jeweils schematisch der C-förmige
Arm 2, der Brennpunkt S der Quelle 3 und die Ebene 6 des
Detektors 4 wie auch ein Objekt 10 veranschaulicht,
von dem ein dreidimensionales Modell angefertigt werden soll.
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Die geometrischen Akquisitionsparameter
der Vorrichtung sind z.B. wie folgt:
Sechs äußere (extrinsische) Parameter
(drei Translationen, drei Rotationen), die die Stellung des C-förmigen Armes
im Raum in einem dreidimensionalen Bezugssystem (X,Y,Z) definieren;
fünf innere
(intrinische) Parameter, die die Projektion in der Detektorebene
definieren: zwei Zoomfaktoren (αu, αv) längs
zweier Achsen eines mit der Ebene verknüpften zweidimensionalen Bezugssystems
(u,v), die Koordinaten (u0, v0)
der Projektion s des Brennpunkts S der Quelle 3, ebenso
wie ein Abweichungswinkel, der normalerweise als nicht vorhanden
betrachtet wird.
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Angenommen sei ein Punkt M des abzubildenden
Objekts mit den Raumkoordinaten (X
M, Y
M, Z
M) und m als
dessen projiziertes Bild mit den Koordinaten (U
M,
V
M) in der Detektorebene. Dies ergibt:
wobei R und T die Rotations-
bzw. die Translationsmatrix ist, die die Stellung des C-förmigen Armes
in dem dreidimensionalen Bezugssystem (X,Y,Z) definieren und s ein
Maßstabs faktor
ist.
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Die Projektionsmatrix P ist deshalb
eine 3x4 Matrix, deren 12 Koeffizienten das Ergebnis von Kombinationen
der 11 Parameter (sechs äußere Parameter
und fünf
innere Parameter) und eines Maßstabsfaktors sind.
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5 veranschaulicht
die verschiedenen Schritte eines dreidimensionalen Rekonstruktionsverfahrens.
Dieses Verfahren beinhaltet vorab eine Kalibrierungsphase 100 und
eine Akquisitionsphase 200 des abzubildenden anatomischen
Teils.
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In dem Schritt 110 der Kalibrierungsphase
wird ein Geister- oder Phantombild auf den Tisch aufgelegt, und
der C-förmige
Arm wird in Umdrehung versetzt.
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3 veranschaulicht
die Ansichten in den verschiedenen Stellungen x1,
x2, xn, die von
der Quelle 3 während
der Folge von Kalibrierungsakquisitionen um das Geister- oder Phantombild 7 herum
aufgenommen werden.
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In dem in 5 veranschaulichten Schritt 120 berechnen
Verarbeitungsmittel für
jede Stellung X1, X2, X3,... Xn der Quelle 3 eine
Projektionsmatrix PX (die durch die oben stehende Gleichung (1)
definiert ist.) Die einer Stellung x1 der
Quelle zugeordnete Projektion P wird aus der Konfiguration der Markierungen
auf dem akquirierten Bild bestimmt, wobei die Position der Markierungen
im Raum bekannt ist. Ein von den Verarbeitungsmitteln benutzter
Kalibrierungsalgorithmus erlaubt es, jede Kalibrierungsstellung
X1, X2, X3 ... Xn einer Projektion
PX1 , PX2 , PX3 ,... PXn zuzuordnen.
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In dem Schritt 130 bestimmen die
Berechnungsmittel die geometrischen Parameter ax1,
ax2,... axn der Akquisition
durch die Vorrichtung. Für
jede Projektion PX1 gibt es 11 solche Parameter
ax1 (sechs äußere Parameter und fünf innere
Parameter), wie vorher definiert.
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In dem Schritt 140 schätzen die
Verarbeitungsmittel die geometrischen Akquisitionsparameter ay1, ay2.... ayn–1 für diese
zusätzlichen
Stellungen yi.
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Wie in 4 veranschaulicht,
wird eine Reihe zusätzlicher
Stellungen y0, y1,
y2... yn betrachtet,
die über den
Bewegungsweg der Quelle verteilt sind. Die Stellung y0 liegt
z.B. vor der x1-Stellung und die yn-Stellung liegt hinter der xn-Stellung.
Jede Stellung yi (i = 1 ... n – 1) ist
auf dem Bewegungsweg der Quelle zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Kalibrierungsstellungen xi und xi+1 (i < n)
angeordnet.
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Die Schätzung der geometrischen Akquisitionsparameter
ay1, ay2,... ayn–1,
ist deshalb möglich,
weil der Bewegungsweg der Quelle kontinuierlich ist. Als Ergebnis
folgt, dass auch die Veränderung
der Akquisitionsparameter kontinuierlich ist.
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Die Verarbeitungsmittel führen eine
Interpolation der für
die Stellungen x
1, x
2,...
x
n bestimmten geometrischen Parametern a
x1... a
xn, durch.
Jeder geometrische Parameter a
y1 ist deshalb
eine Kombination der a
xi-Parameter:
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Diese Interpolation berücksichtigt
lediglich eine begrenzte Zahl von Kalibrierungsstellungen und zwar weniger
als fünf.
Die Verarbeitungsmittel können
z.B. lediglich die beiden Stellungen xi und
xi+1 der Quelle berücksichtigen, die unmittelbar
die yi-Stellung umgeben. Für die Extremstellungen
y0, yn führen die
Verarbeitungsmittel eine Extrapolation der für die Stellungen x1,
x2,... xn bestimmten
geometrischen Parameter ax1, ax2 ...
axn durch. In gleicher Weise berücksichtigt
diese Extrapolation lediglich eine begrenzte Anzahl von Kalibrierungsstellungen
und zwar weniger als fünf.
Die Verarbeitungsmittel können
z. B. die beiden Stellungen xi und xi+1 der Quelle berücksichtigen, die der Stellung
yi am nächsten
liegen.
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Die von den beiden Stellungen aus
jeweils durchgeführten
Interpolationen und Extrapolationen können vorzugsweise linear sein.
Bei einer größeren Zahl
von zu berücksichtigenden
Stellungen, können
die Interpolationsfunktionen polynome, rationale oder andere Arten
von Funktionen sein.
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In dem Schritt 150 ziehen die Verarbeitungsmittel
von diesen Parametern die Korrektionsmatrizen Py1, Py2,... Pyn, ab, die
den zusätzlichen
Stellungen y0, y1,
y2,... yn zugeordnet
sind.
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Die Wirkung der Kalibrierungsphase 100 besteht
darin, die Zahl der erhaltenen Kalibrierungsstellungen bezüglich der
ursprünglichen
Zahl n der Akquisitionsstellungen zu erhöhen. Die bildgebende Vorrichtung wird
dann veranlasst, während
der Akquisitionsphase 200 ein Bild der anatomischen Struktur
eines Patienten zu erzeugen.
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In dem Schritt 210 wird ein Patient
auf dem Tisch gelagert und der C-förmige Arm wird in Umdrehung versetzt.
Die Bildakquisition kann für
alle oder für
einen Teil der Kalibrierungsstellungen y0,
x1, x2, y2, x3... xn, yn der Quelle
durchgeführt
werden.
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In dem Schritt 220 rekonstruieren
die Verarbeitungs mittel ein dreidimensionales Modell der anatomischen
Strukturen des Patienten aus den akquirierten Bildern und den diesen
Bildern zugeordneten Projektionen Px1, Py1, Px2, Py2, Px3... Pxn, Pyn. 6 veranschaulicht eine Variante
des dreidimensionalen Rekonstruktionsverfahrens der 5.
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Das Verfahren ist ähnlich jenem
nach 6, mit der Ausnahme,
dass die Koeffizienten py0 , py1,...
pyn usw. der Projektionsmatrizen py1, py2 , py3,... pyn, durch
Interpolation oder Extrapolation der Koeffizienten px1, Px2,... Pxn der py0, py1,... pyn-Matrizen direkt bestimmt werden.
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In dem Schritt 150 führen deshalb
die Verarbeitungsmittel eine Interpolation der bei dem Schritt 120 für die Stellungen
x
1, x
2, x
3 ... x
n bestimmten
Matrizen p
x1 p
x2,
p
x3, ... p
xn durch.
Jede P
y-Matrix ist deshalb eine Kombination
dieser P
x-Matrizen:
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In gleicher Weise wie im Vorstehenden
erläutert
kann diese Interpolation lediglich eine begrenzte Zahl von Kalibrierungsstellungen,
und zwar weniger als fünf
berücksichtigen.
So können
z.B. die Verarbeitungsmittel lediglich die beiden Positionen xi und Xi+1 berücksichtigen,
die unmittelbar die Position xi umgeben.
Für die Extrempositionen
y0, yn führen die
Verarbeitungsmittel eine Extrapolation der für die Stellungen x1,
x2,... xn bestimmten
geometrischen Parameter ax1, ax2,...
axn durch. In gleicher Weise berücksichtigt
diese Extrapolation lediglich eine beschränkte Zahl Kalibrierungsstellungen,
und zwar weniger als fünf.
So können
z.B. die Verarbeitungsmittel lediglich die beiden Quellenstellungen
xi und xx+1 berücksichtigen,
die der Stellung yi am nächsten liegen.
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Die von zwei Stellungen aus durchgeführten Interpolationen
und Extrapolationen können
linear sein.
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Die in 6 veranschaulichte
Variante des Bildrekonstruktionsverfahrens erfordert keinen Schritt
130 zur Berechnung der geometrischen Projektionsparameter, weil
die Interpolation unmittelbar aus den während der Kalibrierung bestimmten
Projektionsmatrixen px1, px2,
px3 ... pyn ausgeführt wird.
Demgemäß ist diese
Variante im Vergleich mit dem Verfahren nach 5 vereinfacht, was bedeutet, dass die
Verarbeitungszeit kürzer ist.
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Das in 5 veranschaulichte
verfahren erlaubt aber einen Zugriff auf die geometrischen Parameter ax1, ax2 ... axn. Insbesondere ermöglicht es das Verfahren diese
Parameter zu glätten.
Deshalb ist es wie in 5 gestrichelt
angedeutet möglich
gewissen, von dem Kalibrierungsalgorithmus berücksichtigten Parametern Beschränkungen
aufzuerlegen, die es ermöglichen,
die geometrischen Kalibrierungsakquisitionsparameter zu bestimmen.
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So wird z.B. eine Vorschrift auferlegt,
die bestimmte, von dem Algorithmus berücksichtigte Parameter definiert.
Diese Vorschrift kann beinhalten, dass bestimmte Parameter festgesetzt
oder durch eine komplexere Funktion, abhängig von zuvor bekannter Information
und/oder von anderen geometrischen Projektionsparametern, definiert
werden. Zum Beispiel kann auferlegt werden, dass die Position der
Projektion der Projektion der Quelle s immer im Zentrum des jeweiligen
Detektors liegt, die der Einstellung (u0,
v0) äquivalent
ist. Es ist auch möglich
die Fokal-Entfernung zu dem Brennpunkt der Quelle einzustellen,
was gleichwertig mit der Einstellung der Zoomfaktoren (αU, αV)
ist.
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Die Einstellung eines oder mehrerer
oder dieser Parameter kann das erhaltene Ergebnis genauer machen
und demgemäß die darin
enthaltenden parasitären
Erscheinungen eliminieren.
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7 veranschaulicht
die Änderung
eines Koeffizienten ty der T-Matrix, der
die Translation des C-förmigen
Armes längs
der Y-Achse für
eine Gruppe von Stellungen definiert, die jeweils durch den Drehwinkel des
C-förmigen
Armes angegeben sind. Die Kurve A veranschaulicht die Ergebnisse,
die erhalten werden, wenn keine geometrischen Parametern eingestellt
sind. Die Kurve B veranschaulicht die Ergebnisse, die erhalten werden,
wenn die Parameter (u0, v0)
eingestellt worden waren.
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Das beschriebene Rekonstruktionsverfahren
erlaubt es die Projektionsparameter für zusätzliche Quellenstellungen zu
berechnen für
die keine Kalibrierungsakquisition durchgeführt worden ist. Abhängig von
den Anforderungen der endgültigen
dreidimensionalen Rekonstruktion, kann jede beliebige Zahl von zusätzlichen Stellungen,
die irgendwo auf dem Bewegungsweg der Quelle liegen, auftreten.
Insbesondere ist es möglich, so
viel zusätzliche
Stellungen y1 zwischen die Kalibrierungsstellungen
x1 einzufügen wie jeweils erforderlich sind.
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Dieses Verfahren kann auf jede beliebige
Zahl von zusätzlichen,
gegenüber
den Kalibrierungsstellungen unterschiedlichen Stellungen angewandt
werden. Die Wirkung besteht darin, dass die Zahl der erhaltenen Kalibrierungsstellungen
durch Rechnung vermehrt wird. Demgemäß macht dieses Verfahren es
möglich,
lediglich eine begrenzte Zahl von Akquisitionen durchzuführen. Darüberhinaus
vermeidet das Verfahren, dass neue Kalibrierungsakquisitionen in
dem Fall durchgeführt
werden müssen,
dass die Zahl der ausgeführten Akquisitionen
unzureichend ist. Die Projektionsparameter können geometrische Parameter
sein, die für
die jeweilige Stellung der Vorrichtung im Raum (äußere Parameter) kennzeichnend
sind oder geometrische Parameter, die für die Quelle und den Detektor
(innere Parameter) charakteristisch sind. Diese Parameter können auch Koeffizienten
einer umfassenden Matrix sein, die die Projektion eines Objektes
im dreidimensionalen Raum in der Ebene des Detektors definiert.
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Der Fachmann kann eine Reihe von Änderungen
des Aufbaus, der Bauweise und/oder Funktion und/oder der Ergebnisse
der geoffenbarten Ausführungsformen
und deren Äquivalente
ausführen
oder vorschlagen, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen.