DE2602587A1

DE2602587A1 - Verfahren und vorrichtung zum untersuchen eines koerpers durch ein strahlenbuendel aus roentgenstrahlen oder anderer durchdringender strahlung

Info

Publication number: DE2602587A1
Application number: DE19762602587
Authority: DE
Inventors: Leonard Geary Rich
Original assignee: Gerber Scientific Instrument Co
Current assignee: Gerber Systems Corp
Priority date: 1975-08-04
Filing date: 1976-01-21
Publication date: 1977-02-17
Also published as: US4032784A; CA1047656A; GB1500849A; FR2320550A1; JPS5219988A

Description

erkörner& Qi^ey

BERLIN-DAHLEM 33 · PODBIELSKIALLEE 68 8 MÜNCHEN 22 · WIDENMAYERSTRASSE 49

BERLIN: DIPL.-ING. R. MÜLLER-BÖRNER

THE GERBER SCIENTIFIC

INSTRUMENT COMPANY München: dipl.-ing.hans-h.wey

25 886 Berlin, den 21. Januar 1976

Verfahren und Vorrichtung zum Untersuchen eines Körpers durch ein Strahlenbündel aus Röntgenstrahlen oder anderer

durchdringender Strahlung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung, die von Röntgenstrahlen oder anderer durchdringender Strahlung Gebrauch machen, um einen Körper zwecks Erzeugens von Bildern oder anderer graphischer Anzeigen zu untersuchen, die Einzelheiten von inneren Körperteilen aufdecken, und behandelt insbesondere ein derartiges Verfahren und eine Vorrichtung, wobei ein Körper durch die Verwendung eines schmalen Strahlenbündels untersucht wird, das in einer Abtastbewegung mit Bezug auf den Körper bewegt wird, um die Durchlässigkeit des Körpers entlang einer großen Anzahl von geraden durch den Körper gehenden Linienbahnen zu messen, und die Durchlässigkeitsmaße dann zum punktweisen Zusammensetzen eines Bildes oder einer anderen graphischen Anzeige verwendet werden.

Eine lange bekannte und allgemein übliche Art der Untersuchung eines Körpers mittels Röntgenstrahlen besteht darin, einen relativ breiten Körperbereich einem Röntgenstrahlenfeld zu

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BERLIN: TELEFON (03O) 8312088 MÖNCHEN: TELEFON (O811) S2 SS 85

KABEL: PROPINDUS -TELEX O184O57 KABEL: PROPINDUS · TELEX OO 24244

unterwerfen und einen fotographischen Film denjenigen Strahlen auszusetzen, die durch den Körper gehen und aus seiner anderen Seite austreten. Der bei diesem Verfahren verwendete Film hat im allgemeinen ein sehr hohes Kontrastverhältnis, damit er Unterschiede in der Röntgenstrahldichte eines speziellen Gewebes, Organs oder anderen gerade untersuchten Objekts anzeigen kann. Daraus ergibt sich, daß außerhalb des dynamischen Bereichs des Films liegende Informationen verlorengehen. Es ist beispielsweise fast völlig unmöglich, mit diesem Verfahren sowohl weiches Gewebe als auch Knochen in dem gleichen Röntgenfoto sichtbar zu machen, und zwar wegen ihrer bedeutend unterschiedlichen Durchschnittsdichten oder Röntgenstrahlenabsorptions- und Durchlässigkeitskoeffizienten. Wenn im gleichen Abschnitt des Körpers liegende, aber unterschiedliche Dichten aufweisende Körperteile untersucht werden sollen, ist es deshalb üblicherweise notwendig, eine Anzahl von Aufnahmen des gleichen Bereichs bei verschiedenen Röntgenstrahlenintensitätsniveaus zu machen, wodurch die dem Patienten zugeführte Röntgenstrahlendosis unerwünscht erhöht wird.

In neuerer Zeit wurden verschiedene von Röntgenstrahlen Gebrauch machende Abtastsysterne zur Körperuntersuchung entwickelt. Diese Systeme benutzen üblicherweise einen Detektor, dessen dynamischer Bereich größer als der von Röntgenstrahlfilmen ist, und folglich können diese Systeme im allgemeinen Bilder oder andere Anzeigen erzeugen, die viel mehr Einzelheiten oder Schärfe herausbringen als die von fotographischen Filmen gelieferten. Oftmals liegt die von derartigen Abtastsystemen geschaffene Verbesserung darin, daß durch sie Körper-

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Studien ermöglicht werden, ohne auf die Verwendung von Farbkontrast und ähnlichen Mitteln zurückgreifen zu müssen, die oft zur Qualitätsverbesserung von Röntgenfotos verwendet werden und die sich auf den Patienten unangenehm auswirken und eine Gefahr für ihn darstellen können. Bei einem Abtastsystem wird der untersuchte Körperbereich ebenfalls punktweise untersucht, und die im Verlauf eines Abtastens erhaltene Information kann in Digitalform umgewandelt und mittels eines Rechners durch verschiedene Techniken verarbeitet werden, wie durch solche, die von Wissenschaftlern für die Raumfotographie entwickelt wurden, um das endgültige Bild auf zahlreiche verschiedene Arten qualitativ zu verbessern, beispielsweise durch Beseitigen von Hintergrundgeräusch, nicht erwünschten Merkmalen, Abtastfehlern u. dgl..

Abgesehen davon, daß mit diesen Röntgenstrahlabtastsystemen durch die Verwendung von die Arbeitsweise des Rechners verbessernden Algorithmen und Techniken eine Verbesserung der von diesen Systemen gelieferten Daten ermöglicht wird, so begrenzen doch die dynamischen Begrenzungen der in derartigen Systemen verwendeten Detektoren letzten Endes den Bereich und die Bildauflösungen des Systems, soweit dessen Fähigkeit des Erzeugens genauer Einzelheiten und großer Schärfe über einen sehr breiten Bereich von Röntgenstrahldichten und Dicken von Fleisch, Knochen, vom Organ, Tumor, Fett und von anderem Körpermaterial davon betroffen sind.

Deshalb ist es Hauptaufgabe dieser Erfindung, ein System und ein diesbezügliches Verfahren zum Untersuchen eines Körpers durch Röntgenstrahlen oder ähnliche durchdringende Strahlung zu schaffen, wobei das System eine Verbesserung

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der gegenwärtig bekannten Abtastsysterne ist, insbesondere insoweit, als es einen außergewöhnlich breiten dynamischen Bereich hat, der die Erzeugung von Bildern oder anderer graphischer Anzeigen mit hoher Bildauflösung und klar erkennbaren Einzelheiten ermöglicht. Wegen dieses außergewöhnlich breiten dynamischen Bereiches wird die Ausgabe des Systems der Erfindung bezüglich ihres Informationsgehalts weit verbessert, und deshalb sind qualitätserhöhende Techniken viel wirksamer und gestatten eine bessere Anwendung von qualitätserhöhenden Algorithmen.

Außerdem soll mit dieser Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren der vorbeschriebenen Eigenart geschaffen werden, wobei die vom Patienten während der Untersuchung aufgenommene Strahlungsdosis auf einem absoluten Minimum gehalten werden kann. Insbesondere arbeitet das System so, daß die vom Detektor ermittelte Strahlungsintensität konstant gehalten wird, indem es die aus dem Körper austretende oder in ihn einfallende Strahlung variiert. Da der Detektor bei einem sehr niedrigen Niveau ermittelter Intensität arbeiten kann, braucht die in den Körper einfallende Strahlung nur zur Aufrechterhaltung eines derartigen niedrigen ermittelten Niveaus ausreichend zu sein. Da der zweckmäßige Bereich des Systems sehr groß ist, kann die aus einer einzigen Abtastung abgeleitete Information auch verarbeitet werden, um eine Anzahl von verschiedenen Bildern zu erzeugen, die jeweils Körperteile mit verschiedenen Röntgenstrahldxchten sichtbar machen. Das heißt, dass diesem System zugeordnete Rechnerprogramme jeden beliebigen Dichtebereich in dem sich ergebenden Bild oder der Anzeige prüfen, in der Qualität verbessern oder zurückweisen können.

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Beim System der Erfindung wird ein in den Körper einfallendes Strahlenbündel dynamisch variiert, und zwar entweder hinsichtlich der Intensität oder hinsichtlich der Intensität und der Wellenlänge, wenn das Strahlenbündel wegen seiner Abtastbewegung auf Bereiche unterschiedlicher Durchlässigkeit oder Rontgenstrahldichte trifft, um die aus dem Körper austretende Strahlung bei gleichbleibender Intensität zu halten. Grundsätzlich wird die Intensität des in den Körper einfallenden Strahlenbündels erhöht, wenn die Durchlässigkeit der Strahlenbündelbahn durch den Körper abnimmt. Die Intensität des in aen Körper einfallenden Strahlenbündels ist der einzige Faktor, der in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung variiert wird. Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die mittlere Wellenlänge des Strahlenbündels zusammen mit der Intensität des in den Körper einfallenden Strahlenbündels dermaßen variiert, daß die Wellenlänge verkürzt wird, wenn die Intensität zunimmt. Dasheißt, daß beim Gehen durch weichere oder weniger rontgenstrahldichte Gewebe weichere Röntgenstrahlen und daß beim Gehen durchhärtere oder mehr rontgenstrahldichte Gewebe härtere Röntgenstrahlen verwendet werden. Dies kann in einigen Fällen vorteilhaft angewendet werden, um noch mehr Einzelheiten in dem sich ergebenden Bild oder der anderen Anzeige herauszubringen.

Gegenstand der Erfindung ist ein System zur untersuchung eines Körpers durch ein gerichtetes Strahlenbündel aus durchdringender Strahlung, wobei dieses Strahlenbündel in bezug auf einen zu untersuchenden Körper derart bewegt wird, daß es eine Aufeinanderfolge von verschiedenen geradlinigen durch den Körper gehenden Bahnen hat, und wobei

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ein Detektor die Intensität des Strahlenbündels nach dem Durchgang durch den Körper ermittelt und ein entsprechend ermitteltes Intensitätssignal erzeugt, das sich erfindungsgemäß auszeichnet durch eine auf das ermittelte Intensitätssignal zum Verändern der ausgesandten Intensität des Strahlenbündels ansprechende Einrichtung, das ermittelte Intensitätssignal auf einen im wesentlichen konstanten Wert zu halten, durch eine Einrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das einen Wert entsprechend de^i Wert der Intensität des ausgesandten Strahlenbündels hat; und durch eine Einrichtung, die das Ausgangssignal als Informationsquelle über die Durchlässigkeit des Körpers entlang jeder der verschiedenen geradlinigen Bahnen verwendet.

Die Erfindung betrifft demnach ein Verfahren und eine Vorrichtung zum untersuchen eines Körpers durch die Verwendungeines Strahlenbündels aus Röntgenstrahlen oder anderer durchdringender Strahlung, wobei das Strahlenbündel in einer Abtastbewegung mit Bezug auf den Körper bewegt wird und die Intensität des in den Körper einfallenden Strahlenbündels oder die Intensität des in den Körper einfallenden Strahlenbündels und dessen Wellenlänge über eine dynamische Rückkoppelungsschleife gesteuert wird, um die Intensität der aus den Körper austretenden Strahlung, wie sie von einem zugeordneten Detektor ermittelt wurde, auf einem konstanten Wert zu halten.

Der augenblickliche Wert des Steuersignals, das die Intensität des ausgesandten Strahlenbündels oder die Intensität des ausgesandten Strahlenbündels und seine Wellenlänge steuert, ist somit eine Funktion der Durchlässigkeit der

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augenblicklichen Bahn des Strahlenbündel durch den Körper, und ein derartiges Steuersignal oder ein anderes es vertretendes Signal wird einem Rechner oder einer anderen Ausnutzungseinrichtung zugeführt, um Information über die Durchlässigkeit des Körpers entlang einer großen Anzahl von geradlinigen Bahnen zur Verwendung beim Zusammensetzen eines Bildes oder einer anderen innere Körperteile aufdeckenden Anzeige zu liefern.

Die Erfindung besteht insbesondere aus einem Verfahren und einem System, bei dem ein Strahlengenerator, ein Kollimator und ein Abtaster ein Bündel aus Röntgenstrahlen in abtastender Weise über einen zu untersuchenden Körperbereich bewegen. Ein Detektor auf der anderen Seite des Körpers ermittelt die Intensität der durch den Körper gehenden und aus ihn austretenden Strahlung. Diese ermittelte Intensität wird mit einem Bezugssignal verglichen, und ein auf diese Weise erzeugtes Fehlersignal wird zur Steuerung des Röntgenstrahlengenerator s verwendet, um die Intensität oder die Intensität und die Wellenlänge seines ausgesandten Strahlenbündels in solcher Richtung zu variieren, daß das Fehlersignal vermindert und dadurch die ermittelte Intensität des in den Körper einfallenden Strahlenbündels auf dem durch das Bezugssignal eingestellten Niveau gehalten wird. Die offene-Schleifen-VerStärkung A und der Rückkoppelungskoeffizient B sind von solchen Vorzeichen und Werten, daß die Rückkoppelung negativ und der absolute Wert des Rückkoppe lungsfaktors JABJ sehr viel größer als Eins ist, wodurch die Intensität des in den Körper einfallenden Strahlenbündels veranlaßt wird, eine lineare oder andere gewünschte

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Funktion des Rückkoppelungskoeffizienten genau darzustellen, der seinerseits eine Funktion der gemessenen Durchlässigkeit ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und aus der einen Teil derselben bildenden Zeichnung hervor. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisehes Diagramm eines Systems zum Abtasten mittels Röntgenstrahlen gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Röntgenstrahlengenerator, rait Kollimator und Abtastvorrichtung, die im System von Fig. 1 verwendet werden können;

Fig. 3 eine Seitenansicht von Fig. 2, wobei diese Ansicht auch den Detektor und einen zugeordneten Positionierung smechanismus zeigt?

Fig. 4 einen vereinfachten Vertikalschnitt durch den Röntgenstrahlengenerator und den Kollimator von Fig. 2 auf der Linie 4-4 von Fig. 2:

Fig. 5 eine Ansicht einer representativen Abtastbahn für das Strahlenbündel des Systems von Fig. 1;

Fig. 6 eine schematische Ansicht, die im allgemeinen der der Fig. 1 ähnlich ist, in der jedoch die in ihr dargestellten Teile so angeordnet sind, daS die geschlossene Schleifen-Beschaffenheit des Systems besser ersichtlich wird;

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Fig. 7 eine der Fig. 6 ähnliche Ansicht, die jedoch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, bei dem ein nicht lineares Netzwerk im Rückkoppelungsschaltkreis enthalten ist, um der charakteristischen Kurve des Ausgangssignals eine lineare oder andere gewünschte Form zu verleihen;

Fig. 8 eine graphische Darstellung mit einer typischen Antwortkurve für einen Röntgenstrahlendetektor, wie er im System von Fig. 1 verwendet.wird?

Fig. 9 eine weitere schematische Darstellung des Systems von Fig. l;die die Einrichtung zum Variieren der Intensität des in den Körper einfallenden Strahlenbündels genauer zeigt;

Fig.10 eine der Fig. 9 ähnliche schematische Darstellung, die jedoch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;

Fig.11 eine der Fig. 9 ähnliche schematische Darstellung, die noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt; und

Fig.12 eine der Fig. 9 ähnliche schematische Darstellung, die jedoch wiederum ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.

Das in Fig. 1 dargestellte System eines Ausführungsbexspiels gemäß der Erfindung umfasst eine aus einem Röntgenstrahlengenerator, einem Kollimator und einem Abtaster bestehende

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Einrichtung 10 zum Erzeugen eines Bündels 12 aus gerichteten Röntgenstrahlen, die auf einen diesbezüglichen Detektor 14 zu gerichtet sind. Der Raum zwischen dem Mechanismus 10 und dem Detektor 14 ist ein Untersuchungsraum, in dem ein Körper 16 oder ein Körperteil dermaßen " untergebracht werden kann, daß das Strahlenbündel von demselben unterbrochen wird. Der Detektor 14 setzt die ermittelte Strahlungsintensität zu einem diesbezüglichen ermittelten Intensitätsspannungssignal E um. Der Detektor kann verschiedenartig ausgebildet sein, ohne daß dadurch von der Erfindung abgewichen wird, und kann beispielsweise aus einem Fluoreszenzschirm mit kurzer Nachleuchtdauer und einer den gesamten Schirm visuell erfassenden Fotoelektronenvervielfältigerröhre bestehen. Der Detektor 14 ist nachstehend als kleinflächige Einheit beschrieben, die vereint mit der Abtastbewegung des Strahlenbündels 12 bewegt wird, aber dies ist ebenfalls nicht wesentlich, und er könnte stattdessen genausogut eine befestigte Einheit mit einer ausreichend großen Fühlfäche sein, um das Strahlenbündel während seiner gesamten Abtastbewegung zu unterbrechen.

Fig. 1 zeigt außerdem zwei Abschnitte des Strahlenbündels 12, Der erste ist ein ausgesandter oder in den Körper einfallender Abschnitt 18, der aus dem Mechanismus 10 ausgesandt wird und auf den Körper 16 auftrifft. Der zv/eite ist ein aus dem Körper austretender Abschnitt 2O, der vom Körper zum Detektor läuft. Da das Strahlenbündel 12 durch den Körper läuft, wird ein Teil des Bündels von den Körperteilen absorbiert, auf die es trifft, und verschiedene Körperteile haben unterschiedliche Absorptions- oder Durchlässigkeit skoeffizienten. Somit ist der Unterschied zwischen

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der Intensität des in den Körper einfallenden Strahlenbündels 18 und der der aus dem Körper austretenden Strahlung 2O ein Mass für die gesamte Absorbierbarkeit oäer Durchlässigkeit der augenblicklichen Bahn des Strahlenbündels durch den Körper. Die Abtastbewegung des Strahlenbündel wird durch eine Abtastbewegungssteuereinheit 17 gesteuert, die auf Information aus einem auf der Leitung 19 gespeisten Rechner 34 anspricht.

Das ermittelte Intensitätssignal E wird mit einem Bezugssignal E verglichen, das durch eine Bezugssignalquelle 22 geliefert wird, die vorzugsweise ein von Hand bewegbares Teil 24 hat, durch das das Bezugssignal E₀ auf jeden ge-

XV

wünschten Wert eingestellt werden kann. Die Vergleichseinrichtung weist eine Summierschaltung 26 auf, die die beiden Signale E und E summiert, um ein an einen Ver-

D JK.

stärker 28 geliefertes Fehlersignal j= zu erzeugen. Der Verstärker 28 ist ein Funktionsverstarker mit einem hohen Verstärkungsgrad A. Das ermittelte Intensitätssignal E und das Bezugssiganl E„ sind von entgegengesetzten Vorzeichen, so daß diese beiden Signale in der Summierschaltung 26 tatsächlich subtrahiert werden, um das Fehlersignal ^ zu erzeugen. Zum Zwecke der Erläuterung sind die Summierschaltung 26 und der Verstärker 28 getrennt voneinander dargestellt, aber es versteht sich von selbst, daß, falls erwünscht, die Funktion dieser beiden Teile bequem von einem einzigen Funktionsdifferentialverstärker bewirkt' werden können, der als Eingabe die beiden Signale E und E

D R

Die Ausgabe des Verstärkers 28 ist ein Ausgangsspannungssignal E , das als Steuersignal an eine Einrichtung 30 zum Steuern der Intensität des Strahlenbündels geliefert

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wird, die bei Ansprechänderungen in der Ausgabe E entsprechende Änderungen im Röntgenstrahlengenerator bewirkt, um die Intensität des ausgesandten oder in den Körper einfallenden Strahlenbündels 18 zu variieren. Das Signal E wird auch als eine Durchlässigkeitsinformation enthaltendes Signal verwendet, das an eine Ausnutzungseinrichtung 32 geliefert wird. Die Art der Ausnutζungseinrichtung 32 kann in breiten Grenzen variieren, ist jedoch irr. vorliegenden Falle als beispielsweise eine einen Quantifizierer 33 und Rechner 34 enthaltende Einrichtung zum Quantifizieren des Signals E_Q dargestellt, um digitale Daten zu erhalten, die die Körperdurchlässigkeit entlang verschiedener gerader Linienbahnen durch den Körper darstellen, und zur Verarbeitung solcher Daten zwecks Darbietung auf einen Bild-Terminal 36, um ein Bild oder eine andere graphische Anzeige zusammenzusetzen.

Der Quantifizierer 33 ist ein mit hoher Geschwindigkeit arbeitender Analog-Digital-Umwandler, der das Signal E wiederholt prüft und jeden geprüften Wert in eine digitale Darstellung umwandelt. Diese Information wird dann dem Speicher des Rechners 34 zugeführt. Während das Prüfen stattfindet, ist Information auch im Rechner, befohlen über die Leitung 19, erhältlich, die die Stellung des Strahlenbündel während jeder Prüfperiode identifiziert. Eine derartige die Stellung des Strahlenbündels angebende Information wird ebenfalls dem Speicher des Rechners oder einer Speichereinrichtung zugeführt und als abgetasteter Raster der Strahlenbündelstellung und -durchlässigkeit gespeichert. Diese gespeicherte Information wird dann durch den Rechner in Übereinstimmung mit den Wünschen und Be-

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fehlen des Benutzers verarbeitet, um eine graphische
Anzeige an dem Bild-Terminal 36 zusammenzusetzen, die
Einzelheiten von inneren Körperteilen aufdeckt. Der Speicher des Rechners kann natürlich ein Magnetband, eine Magnettrommel oder eine andere Aufzeichnungseinrichtung zum
permanenten Speichern der Information sein. Ebenfalls versteht sich von selbst, daß der Rechner von verschiedenen Programmen, und zwar entweder von automatisch oder vom
Benutzer befohlenen, Gebrauch machen kann und daß er
Algorithmen zum besseren Herausstellen, Löschen oder Scharfstellen von Bildteilen ausführt. Auch wegen der durch den großen dynamischen Bereich des Systems erhältlich gemachten großen Informationsmenge kann der Rechner dazu verwendet werden, um aus einer einzigen Aufnahme eine Zahl verschiedener Bilder oder anderer graphischer Anzeigen zu erzeugen, die denen zum gegenwärtigen Zeitpunkt durch Herstellen von Fotos während aufeinanderfolgender Aufnahmen unterschiedlicher Niveaus von Röntgenstrahlenintensität
erhaltenen entsprechen. Eine sehr zweckmäßige Form einer eine graphische Anzeige bewirkenden Einrichtung ist eine Kathodenstrahlröhre, die sofort Bilder anzeigt, die durch Bildsignale geschaffen werden, welche vom Rechner geliefert werden und welche durch die in den Rechner eingegebenen Anforderungen des Benutzers bezüglich der besseren Herausstellung, der Löschung von Teilen usw. verändert werden
können. Wenn ein wünschenwertes Bild erhalten wird, kann dann ein dauerhaftes Foto vom Anzeigeschirm zwecks weiterer Analyse gemacht werden.

Die Konstruktion und die besondere Art der zur Ausstattung des Röntgenstrahlengenerators, des Kollimators und des
Abtasters des Mechanismus von Fig. 1 benutzten Bauteile

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können in breiten Grenzen variieren,ohne von der Erfindung abzuweichen. Fig. 2, 3 und 4 zeigen eine Form, die ein derartiger Aufbau beispielsweise annehmen könnte. In diesen Figuren besitzt der Mechanismus IO einen Abtaster in Form eines X-Y-Koordinatenpositionierungsmechanismus 39, der im allgemeinen dem gewöhnlich in X-Y-Kurvenschreibern ^nd Zeichenmaschinen gefundenen ähnlich ist. Insbesondere zeigt Fig. 2, daß der Mechanismus 39 zwei parallele Schienen oder Führungen 38, 38 aufweist, die einen Hauptwagen 40 zwecks Bewegens in die veranschaulichte X-Koordinatenrichtung tragen. Der Wagen 40 wird seinerseits durch eine von einem Motor 44 angetriebene Führungsschraube 42 in der X-Koordinatenrichtung angetrieben und positioniert. Auf dem Hauptwagen wird ein kleinerer Arbeitswagen 46 "getragen, der mit Bezug auf den Wagen 40 in die veranschaulichte Y-Koordinatenrichtung bewegbar ist, wobei eine derartige Bewegung durch eine weitere Führungsschraube 48 und einem ihr zugeordneten Antriebsmotor 50 bewirkt wird.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, trägt der Arbeitswagen 4O eine Röntgenstrahlröhre 52, die von einem Gehäuse 54 aus geeignetem strahlungsabschirmendem Material umschlossen ist. Dieses Gehäuse besitzt einen länglichen Stutzen 56 mit einer geraden Bohrung 58. Die Röhre 52 ist dermaßen ausgestaltet und positioniert, daß die durch sie erzeugten Röntgenstrahlen im allgemeinen auf die Bohrung 58 zu gerichtet werden, und der stutzen 56 ist ausreichend lang bemessen, daß die aus ihm austretenden Strahlen in einem Bündel 12 von verhältnismäßig gut gerichteten Strahlen enthalten sind.

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Der in Fig. 3 und 4 dargestellte Detektor 14 ist eine Einheit mit einer verhältnismäßig kleinen Fühlfläche und wird zusammen mit dem Strahlenbündel 12 bewegt, damit er zu jeder Zeit unmittelbar in Linie mit ihm liegt. Zu diesem Zweck ist der in Fig. 3 dargestellte Detektor auf dem Arbeitswagen 60 eines X-Y-Positionierungsmechanismus 61 angebracht, der dem zum Bewegen des Strahlenbündelgenerators verwendeten Mechanismus 39 ähnlich ist. Die Abtastbewegung des Strahlenbündels 12 wird durch die Abtastbewegungssteuereinheit 17 und den Rechner von Fig. 1 gesteuert, der Positionierungsantriebssignale an die Antriebsmotoren 44 und 50 des Mechanismus 39 liefert. Die gleichen Signale werden auch den entsprechenden Motoren des Detektorpositionierungsmechanismus 61 zugeführt, um ein gemeinsames Arbeiten derbeiden Positionierungsmechanismen zu bewirken.

Fig. 5 zeigt eine typische Abtastbahn für das Strahlenbündel 12. In dieser Figur stellen die Linien 62, 62 die Zeilen dar, entlang derer das Strahlenbündel nach und nach durch den Abtaster bewegt wird. Diese Zeilen sind im Abstand voneinander über eine Entfernung angeordnet, die im wesentlichen dem Durchmesser des Strahlenbündels entspricht, und wenn das Strahlenbündel entlang jeder einzelnen Linie 62 bewegt wird, wird der Wert des Ausgangssignals E_Q wiederholt von dem Quantifizierer 33 geprüft, wobei die Zeit jeder Prüfung ungefähr gleich der Zeit ist, die das Strahlenbündel zum Bewegen eines Strahlenbundeldurchmessers entlang der Linie benötigt. Deshalb beschreibt die während der Abtastbewegung des Strahlenbündels abgeleitete Information die Durchlässigkeit des Körpers an allen Stellen einer Positionsmatrix, aus der eine graphische Anzeige zusammengesetzt werden kann.

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Es sollte jedoch besonders verstanden werden, das die Erfindung nicht notwendigerweise auf die vorbeschriebene Art der Abtastbewegung begrenzt ist und daß sie rait verschiedenen Arten von Abtastverfahren verwendet werden kann. Die US-PS 3 778 614 beschreibt beispielsweise eine Vorrichtung zum Erzeugen einer graphischen Anzeige aus Informationen, die aus einer Mehrzahl von Abtastungen herrühren, welche in verschiedenen Winkeln um einen Körper oder ein Körperteil herum vorgenommen wurden, und das System dieser Erfindung kann angepaßt und zur Durchführung solcher Abtastungsarten verwendet werden.

Ein wichtiges Merkmal dieser Erfindung ist, daß das Abtastsystem ein Steuersystem in geschlossener Schleife ist, wodurch ein außergewöhnlich großer dynamischer Bereich im Ausgangssignal möglich gemacht wird. Dies geht aus Fig. 6 hervor, in der die Bauteile von Fig. 1 so angeordnet wurden, daß sie deutlicher die Beschaffenheit des Systems in geschlossener Schleife zeigen. Aus dieser Figur wird ersichtlich, daß der Rückkoppelungsschaltkreis für den Verstärker aus der Röntgenstrahlröhre oder -generator 52, ihrer diesbezüglichen Intensitätssteuerung 30, dem in Untersuchung befindlichen Körper 16 und dem Detektor 14 besteht. Der Generator 52 und der Detektor 14 sind durch das Strahlenbündel 12 verbunden, das durch den Körper geht und dessen Intensität in Übereinstimmung mit der Durchlässigkeit desjenigen Körperabschnitts verändert wird, durch den es hindurchgeht. Der gesamte Rückkoppelungsschaltkreis ist bei 64 angedeutet und hat einen Rückkoppelungskoeffizienten B, der eine Rückkoppelungsspannung BE_n zur Summierschaltung 26 erzeugt. Der Rückkoppelungsfaktor B ist bedeutend, und der Verstärkungsgrad des Verstärkers 28 ist sehr groß, so daß AB sehr viel größer ist als Eins. Da dies so ist, versteht es sich von

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selbst, daß das System arbeitet, um die Rückkoppelungsspannung im wesentlichen gleich der Bezugsspannung zu halten. Deshalb ist Ε_ = E., . Das heißt, E- ist umgekehrt

proportionel dem Rückkoppelungskoeffizienten B. Der Rückkoppelungskoeffizient B seinerseits ist allein eine Funktion der Durchlässigkeit des Körpers 16, da er die einzige Variable im Rückkoppelungsschaltkreis 64 ist, weil die Eigenschaften des Röntgenstrahlengenerators 52, der Intensitätssteuerung und des Detektors 14 festliegen.

Der Rückkoppelungskoeffizient B des Systems von Fig. 6 kann eine nicht lineare Funktion der Durchlässigkeit der Strahlenbünde lbahn sein, und deshalb ist das Ausgangssignal E₀ ebenfalls eine nicht lineare Funktion der Durchlässigkeit. In einigen Fällen kann es erwünscht sein, diese Nichtlinearität zu beseitigen oder sie neu zu formen, und dies kann dadurch erreicht werden, daß dem Rückkoppelungsschaltkreis 64, wie in Fig. 7 dargestellt ist, ein Verstärker, Netzwerk oder anderes Bauteil 66 hinzugefügt wird, das eine Übertragungsfunktion besitzt, die absichtlich zum Kompensieren der Nichtlinearität ausgebildet wurde und den Rückkoppelungskoeffizienten veranlasst, eine lineare, logarithmische oder andere gewünschte Funktion der Durchlässigkeit zu sein.

Fig. 8 zeigt die allgemeine Beschaffenheit einer Antwortkurve für einen Strahlungsdetektor wie den Detektor 14, welcher im System dieser Erfindung verwendet werden kann, und unter Bezugnahme auf die Figur zum weiteren Verstehen des vergrößerten dynamischen Bereichs des vom System dieser Erfindung erzeugten Ausgangssignals beitragen kann. Die horizontale Achse stellt die Intensität I des auf den Detektor auftreffenden Strahlenbündels und die vertikale Achse die entsprechende

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Ausgangsspannung E_n dar. Bei einem zum Stand der Technik gehörenden System, in dem ein Körper einem Strahlenbündel oder einem Strahlungsfeld konstanter Intensität ausgesetzt wird, kann der Detektor lediglich diejenigen Röntgenstrahlabsorptions- oder -durchlässigkeitswerte ermitteln, die ein Fallen der ermittelten Intensität zwischen dem Mindestwert A und dem Höchstwert B von Fig. 8 bewirken. Falls ein Körperteil beispielsweise einer gegebenen Strahlungsintensität ausgesetzt wird und einen Rcntgenstrahlenabsorptionsfaktor Eins hat, der ein Höchstmaß an ermittelter Intensität B erzeugt, und falls ein anderes Körperteil, das einen Absorptionsfaktor Fünfzig hat, wenn es der gleichen Strahlungsintensität ausgesetzt wird, ein Mindestmaß an ermittelter Intensität B bewirkt, beläuft sich der Systembereich von einem Absorptionsfaktor Eins bis zu einem Absorptionsfaktor Fünfzig. Außerhalb dieses Bereichs liegende Absorptionsfaktoren können nicht voneinander unterschieden werden. Weiterhin ist die Kurve von Fig. 8 an ihrem unteren und oberen Ende nicht linear, was die Ermittlungen der Intensität im Bereich dieser Endabschnitte relativ ungenau macht.

Beim System dieser Erfindung wird jedoch nur von einem sehr kleinen Abschnitt der Antwortkurve von Fig. 8 Gebrauch gemacht. Das heißt, das System arbeitet, um die ermittelte Intensität relativ konstant zu halten, und die ermittelte Intensität variiert tatsächlich nur um kleine Beträge. Das System kann beispielsweise mit ermittelten Intensitätsänderungen arbeiten, die lediglich innerhalb des sehr kleinen Bereichs C der Kurve von Fig.8 vorkommen, und das System

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ist vorzugsweise so ausgebildet, daß dieser Bereich innerhalb des linearen Abschnitts der Kurve gelegen ist und auch am unteren Ende eines derartigen linearen Abschnitts, damit das zugeordnete Niveau der Intensität des in den Körper einfallenden Strahlenbündels so niedrig wie möglich gehalten wird. Da nur ein kleiner Abschnitt der Antwortkurve verwendet wird, begrenzt der begrenzte Bereich des Detektors nicht den Bereich des Systems. Wenn das Strahlenbündel durch ein Körperteil mit einem Absorptionsfaktor Eins geht, wird die Intensität des Strahlenbündels gesteuert, um ein Verbleiben der.ermittelten Intensität innerhalb des kleinen Bereichs C von Fig. 8 zu bewirken. Wenn das Strahlenbündel durch ein Körperteil mit einem Absorptionsfaktor Eintausend geht, so wird die Intensität des Strahlenbündels wiederum eingestellt, um eine ermittelte Intensität innerhalb des Bereichs C von Fig. 8 aufrechtzuerhalten. Dementsprechend ist der dynamische Bereich des Systems der Erfindung nur durch die Grenzen begrenzt, zwischen denen die Intensität des in den Körper einfallenden Strahlenbündels variiert werden kann, und dieser Bereich möglicher Strahlenbündelintensitäten ist sehr groß.

Bei der praktischen Anwendung dieser Erfindung kennen mehrere verschiedene Einrichtungen verwendet werden, um die Intensität des ausgesandten oder in den Körper einfallenden Strahlenbündels dynamisch zu variieren und das Strahlenbündelsteuersignal zu erzeugen, das als Informationsquelle über die Strahlungsdurchlässigkeit oder -absorption des Körperteils verwendet wird, durch das das Strahlenbündel augenblicklich ' geht. Einige verschiedene derartige Einrichtungen sind in Fig. 9, 10, 11 und 12 dargestellt.

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Fig. 9 zeigt ein System, bei dem die Intensität des ausgesandten oder in den Körper einfallenden Abschnitts des Strahlenbündels 12 durch Variieren der Spannung von der Anode zur Kathode der RöntgenstrahlrÖhre 52 variiert. Die Strahlenbünde!intensitätssteuerung 30 ist in diesem Fall ein variierbarer Hochspannungsgenerator 68, der auf die Ausgangs- oder Steuerspannung E anspricht, um eine der Anode der Röhre 52 zugeführte Hochspannung E, zu

Ja

schaffen. E, ist eine Funktion von E_n, und zwar Vorzugsweise eine lineare Funktion, so daß E, = KS ist, wobei K eine Konstante ist. Weiterhin ist es wohlbekannt, daß durch ein Verändern der Spannung von der Anode zur Kathode einer RöntgenstrahlrÖhre nicht nur die Intensität des ausgesandten Strahlenbündels, sondern auch dessen mittlere Wellenlänge variiert wird, wobei die mittlere Wellenlänge bei Erhöhung der Spannung von der Anode zur Kathode und der Strahlenbünde!intensität abnimmt. Auf diese Weise wird bei Erhöhung der intensität des ausgesandten Strahlenbündels, wenn es auf dichteres Material trifft, dieses gleichzeitig erhärtet, um ihm eine erhöhte Fähigkeit zürn Durchdringen zu verleihen. Von dieser Tatsache kann in einigen Situationen vorteilhaft Gebrauch gemacht werden, um noch mehr ins Detail gehende Einzelheiten in der sich ergebenden graphischen Anzeige herauszubringen.

Beim System von Fig. lO wird die Intensität des ausgesandten oder in den Körper einfallenden Abschnitts 18 des Strahlenbündels dadurch variiert, daß von einer RöntgenstrahlrÖhre 52a Gebrauch gemacht wird, die zusätzlich zu einer Anode 70 und einer Kathode 72 ein Steuergitter 74 aufweist. Die an das Steuergitter 74 angelegte Spannung wird ihrerseits in Übereinstimmung mit Veränderungen in

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der Ausgangsspannung E_n durch einen Verstärker 76 variiert. Die Spannung von der Anode zur Kathode wird durch einen zugeordneten Hochspannungsgenerator 78 auf einem festen Wert gehalten. Deshalb bleibt während des Betriebs des Systems die mittlere Wellenlänge des ausgesandten Strahlenbündels aufgrund der festen Spannung von der Anode zur Kathode fest, und nur die Intensität des ausgesandten Strahlenbündels wird mittels des Steuergitters 74 variiert.

Fig. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispxel der Erfindung, bei dem nur die Intensität und nicht die Wellenlänge des ausgesandten oder in den Körper einfallenden Strahlenbündels variiert wird. Das in dieser Figur dargestellte System macht von einer Röntgenstrahlröhre 52b mit einer Anode 80 und einem aufgeheizten elektronenaussendenden Teil 82 Gebrauch. Das Teil 82 ist ein Heizfaden, der im veranschaulichten Fall auch als Kathode dient. Über der Anode 80 und dem aus einem Heizfaden bestehenden Kathodenteil 82 wird durch einen Hochspannungsgenerator 84 eine feste Hochspannung angelegt. Der zwischen der Anode 80 und dem Teil 82 fließende Elektroneηstrahlstrom und dementsprechend die Intensität des ausgesandten Strahlenbündels werden durch Variieren des an das Teil 82 gelieferten Heizstroms gesteuert. Diese Steuerung des Heizstroms kann auf verschiedene Arten durchgeführt werden und wird im veranschaulichten Fall mittels eines Steuerverstärkers 86 und eines Transformators 88 erreicht. In Beantwortung von Änderungen im Ausgangssignal E ändert der Steuerverstärker 86 den der Primärseite des Transformators 88 zugeführten Strom und den sich daraus ergebenden und in der Sekundärseite induzierten Strom zum Erregen des Teils 82,

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Vorzugsweise ist das Teil 82 eines mit einer schnellen Wärmeansprechzeit, um eine schnelle Antwort für das gesamte System zu gestatten, und aus dem gleichen Grunde ist die Frequenz der dem Steuerverstärker 86 zugeführten · Eingangsleistung vorzugsweise ebenfalls relativ hoch.

Bei all den in Fig. 9, 10 und 11 dargestellten Systemen wird das Ausgangssignal aus dem Verstärker 28 als Strahlenbünde1-steuersignal verwendet, das auch der Ausnutzungseinrichtung zur Extrahierung von Durchlässigkeitsinformation zugeführt wird. Fig. 12 zeigt andererseits ein System, bei dem die Strahlenbündelintensität durch Variieren der Spannung von der Anode zur Kathode einer Röntgenstrahlröhre 52 wie in Fig. 9 variiert wird, aber bei dem das Ausgangssignal zur Ausnutzungseinrichtung der Ausgangsseite des Hochspannungsgenerators entnommen wird. Die Ausgangsschaltung beinhaltet insbesondere einen Spannungsteiler 90, der mit der Röhre 52 parallelgeschaltet ist und der eine Spannungsanzapfstelle hat, von der ein sehr kleiner Teil der über dem Spannungsteiler erscheinenden Spannung entzogen und als das der Ausnutzungseinrichtung 32 zugeführte Signal verwendet wird.

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Claims

Patentansprüche

j System zur Untersuchung eines Körpers durch ein gerichtetes Strahlenbündel aus durchdringender Strahlung, wobei dieses Strahlenbündel in bezug auf einen zu untersuchenden Körper derart bewegt wird, daß es eine Aufeinanderfolge von verschiedenen geradlinigen durch den Körper gehenden Bahnen hat, und wobei ein Detektor die Intensität des Strahlenbündels nach dem Durchgang durch den Körper ermittelt und ein entsprechend ermitteltes Intensitätssignal erzeugt, gekennzeichnet durch eine auf das ermittelte Intensitätssignal zum Verändern der ausgesandten Intensität des Strahlenbündels ansprechende Einrichtung (22,26,28,30,76,86); um das ermittelte Intensitätssignal auf einen im wesentlichen konstanten Wert zu halten, durch eine Einrichtung (28) zum Erzeugen eines Ausgangssignals, das einen Wert entsprechend dem Wert der Intensität des ausgesandten Strahlenbündels hat, und durch eine Einrichtung (32), die das Ausgangssignal als Informationsquelle über die Durchlässigkeit des Körpers entlang jeder der verschiedenen geradlinigen Bahnen verwendet.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß die das Ausgangssignal verwendende Einrichtung (32) eine Einrichtung (33,34,36) zum Erzeugen einer graphischen Anzeige von inneren Körperteilen aus dem Ausgangssignal ist.

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3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Ausgangssignal verwendende Einrichtung ein Analog-Digital-Quantifizierer (33) zum Quantifizieren des Ausgangssignals in digitale Daten, ein Bild-Terminal (36) und ein Rechner (34) zum Verarbeiten der digitalen Daten ist, um daraus eine graphische Ausgabe aus dem Bild-Terminal zu schaffen.
4. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (68,52) zum Verändern der mittleren Wellenlänge des Strahlenbündels durchdringender Strahlung gleichzeitig mit der Änderung seiner ausgesandten Intensität ,und zwar so, daß die mittlere Wellenlänge abnimmt, wenn die Intensität des ausgesandten Strahlenbündels zunimmt.
5. System durchdringender Strahlen zum Untersuchen eines innerhalb eines Untersuchungsraums in Lage gebrachten Körpers, wobei ein Strahlenbündel durchdringender Strahlung aus einem Strahlengenerator abtastend so bewegt wird, daß seine Bahn nacheinander durch verschiedene Abschnitte des Körpers geht, und wobei ein Detektor in der Bahn des Strahlenbündels, der auf der vom Strahlengenerator abgewandten Körperseite angeordnet ist, betätigt werden kann, um eine Ausgangsspannung E_n zu erzeugen, die eine Funktion der Intensität der auf ihn auftreffenden Strahlen ist, gekennzeichnet durch einen Spannungsverstärker (28) mit einer Ausgangsspannung E_n; eine Einrichtung zum Erzeugen einer Bezugsspannung E₀, wobei

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der Strahlengenerator (52) ein Strahlenbündel (12) durchdringender Strahlung mit einer ausgesandten Intensität

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erzeugt, die eine Funktion der Ausgangsspannung E₀ ist, wobei der Strahlengenerator (52) und der Detektor (14) einen Rückkoppelungsschaltkreis bilden, der an den Ausgang des Verstärkers angeschlossen ist und einen Rückkoppelungskoeffizienten B hat, um eine Rückkoppelungsspannung BE zu erzeugen; eine Einrichtung (26) zum Summieren der Bezugsspannung Ep und der Rückkoppelungsspannung BE_n, um eine sich ergebende Fehler spannung e^ = E_ + BE_n zu erhalten und diese Fehler spannung e_ dem Verstärker als Eingabe in diesen zuzuführen; und eine Einrichtung (32), die die Ausgangsspannung E als Informationsquelle über die Durchlässigkeiten derjenigen Abschnitte des Körpers verwendet, durch die die Bahn des Strahlenbündels nacheinander geht.
6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker einen Verstärkungsgrad A hat und daß dieser Grad A und der Rückkoppelungskoeffizient B derartige Relativwerte besitzen, daß |ab| viel größer als Eins ist.
7. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückkoppelungsschaltkreis ein Bauteil (66) mit einer absichtlich derart ausgebildeten übertragungsfunktion aufweist, daß der Rückkoppelungskoeffxzxent B eine gewünschte funktioneile Beziehung zur Durchlässigkeit der Bahn des Strahlenbündels durch den Körper hat.
8. Verfahren zur Untersuchung eines Körpers durch die Verwendung eines Strahlenbündels durchdringender über ihn abtastend geführter Strahlung, gekennzeichnet durch dynamisches Variieren der Intensität des in den Körper einfallenden Strahlenbündels, um die Intensität des aus den Körper austretenden Strahlenbündels auf einem konstanten Wert

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zu halten? durch dynamisches Erzeugen einer Messung der Intensität des in den Körper einfallenden Strahlenbündels; und durch Verwenden des augenblicklichen Werts der Messung der Intensität des in den Körper einfallenden Strahlenbündels als Anzeige der Durchlässigkeit desjenigen Abschnitts des Körpers, durch den das Strahlenbündel im Augenblick geht.
9. Verfahren zur Untersuchung eines Körpers durch die Verwendung eines Strahlenbündels durchdringender über ihn abtastend geführter Strahlung, gekennzeichnet durch dynamisches Variieren eines Signals zum Steuern des Strahlenbündels, um die Intensität des aus dem Körper austretenden Strahlenbündels auf einen konstanten Wert zu halten; durch wiederholtes Prüfen des Wertes dieses Steuersignals während der Abtastung des Strahlenbündels; und durch Verwenden der wiederholt geprüften Werte dieses Steuersignals als Darstellungen der Durchlässigkeiten derjenigen Abschnitte des Körpers, durch die das Strahlenbündel während der entsprechenden Prüfperioden geht.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verwendung der geprüften iferte des Steuersignals durch Erzeugung einer graphischen Anzeige von inneren Körperteilen aus den geprüften Werten erfolgt.
11. Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch gleichzeitiges Variieren sowohl der ausgesandten Intensität als auch der mittleren Wellenlänge des Strahlenbündels, um die Intensität des aus dem Körper austretenden Strahlenbündels auf einen konstanten Wert zu halten.

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