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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verringerung
von Artefakten in Objektbildern, die mit Hilfe von Messsignalen
erfasst wurden, welche von einer Quelle durch das Objekt zu einem
Detektor gesandt wurden, wobei das Verfahren die folgenden Schritte
umfasst: a) adaptives Filtern der durch den Detektor empfangenen
Datensignale in Abhängigkeit
von dem Datenwert; b) Verarbeiten der Datensignale, um die Abschwächung der
das Objekt durchquerenden Messsignale anzugeben; und c) Rekonstruieren
eines Bildes des Objekts basierend auf den gefilterten und verarbeiteten
Datensignalen.
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Die
Erfindung bezieht sich auch auf eine Computertomographie-Vorrichtung.
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Ein
Verfahren und eine Computertomographie-Vorrichtung dieser Art sind
aus der US-amerikanischen Patentschrift 5 416 815 bekannt.
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Die
bekannte Computertomographie-Vorrichtung umfasst eine Röntgenquelle
und einen Röntgendetektor,
die sich gemeinsam um das zu untersuchende Objekt, genauer gesagt
um einen Patienten, drehen können.
Bei Verwendung des bekannten Verfahrens erfasst die bekannte Computertomographie-Vorrichtung
eine Vielzahl von Querschnittbildern des Objekts entlang parallel
zueinander verlaufenden Ebenen mit vorgegebener Ausrichtung. Genauer gesagt,
werden die Querschnittbilder entlang einer Reihe von parallel zueinander
verlaufenden Ebenen erfasst. Dies wird erreicht, indem die Röntgenquelle und
der Röntgendetektor
um das Objekt gedreht werden, während
das Objekt und der Röntgendetektor und
die Röntgenquelle
relativ zueinander verschoben werden. Auf diese Weise wird erreicht,
dass jedes Mal ein Querschnittbild entlang der Ebene erfasst wird,
in der sich der Röntgendetektor
und die Röntgenquelle
um das Objekt drehen. Anschließend werden
die Röntgenquelle
mit dem Röntgendetektor und
das Objekt relativ zueinander verschoben, so dass die Ebene, in
der sich die Röntgenquelle
und der Röntgendetektor
um das Objekt drehen, verschoben wird und ein nächstes Querschnittbild erfasst wird.
Die Querschnittbilder beziehen sich auf ein (Teil-)Volumen des Objekts.
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Gemäß dem bekannten
Verfahren werden zuerst die Datensignale verarbei tet, um die Abschwächung der
das Objekt durchquerenden Messsignale anzugeben. Üblicherweise
beinhaltet dieser Schritt eine logarithmische Justierung, indem
man den negativen Logarithmus der Datensignale berechnet. Als nächstes werden
die von dem Detektor empfangenen Datensignale adaptiv in Abhängigkeit
des Datensignalwerts gefiltert.
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Das
bekannte Verfahren hat den Nachteil, dass sehr kleine Datensignale
dadurch als Streifenartefakte bekannte Fehler einführen, die
zu so genanntem „gefrorenem
Rauschen" führen.
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In
dem Artikel „Adaptive
Streak Artifact Reduction in Computed Tomography Resulting From Excessive
X-Ray Photon Noise" von
J. Hsieh, Medical Physics, American Institute of Physics, New York, US,
Band 25, Nr. 11, November 1998, Seite 2139–2147, ist das Reduzieren von
Streifenartefakten durch adaptives Filtern der Detektordaten beschrieben.
Um diese adaptive Filterung durchzuführen, wird ein Rauschmodell
der gemessenen Detektordaten so transformiert, dass es für die verarbeiteten
Daten gültig
ist, wo die Verarbeitung die Berechnung des Logarithmus des gemessenen
Signals umfasst. Die adaptive Filterung wird für die verarbeiteten Daten durchgeführt.
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Die
Erfindung hat zur Aufgabe, ein Verfahren und eine Computertomographie-Vorrichtung
der in der Einleitung genannten Art zu schaffen, bei dem/der Streifenartefakte
wesentlich reduziert werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, dass Schritt b) für adaptiv gefilterte Daten
durchgeführt
wird, die aus Schritt a) resultieren.
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Die
erfindungsgemäße Computertomographie-Vorrichtung
umfasst eine Verarbeitungseinheit zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die
Erfindung bezieht sich weiterhin auf ein Computerprogramm zum Ausführend des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben.
Es zeigen:
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1 schematisch
eine Computertomographie-Vorrichtung, in der die Erfindung angewendet wird,
und
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2 ein
schematisches Blockschaltbild der wesentlichen Funktionen der Verarbeitungseinheit der
CT-Vorrichtung gemäß 1 zur
Ausführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße Computertomographie-Vorrichtung graphisch
dargestellt. In Zusammenarbeit mit einem schlitzförmigen Kollimator 8 erzeugt
eine Röntgenquelle 2 ein
divergierendes, fächerförmiges oder
konisches Röntgenstrahlenbündel zum
Bestrahlen des Objekts 4, zum Beispiel eines zu untersuchenden
Patienten. Der Röntgendetektor 3 ist
so angeordnet, dass er der Röntgenquelle 2 gegenüberliegt.
Der Röntgendetektor
ist in der vorliegenden Ausführungsform
ein positionsempfindlicher, zweidimensionaler Röntgendetektor, der eine Matrix
aus zum Beispiel einer Vielzahl von parallelen Reihen einzelner
Detektorzellen 5 umfasst. Die Detektorzellen 5 sind
zum Beispiel gasgefüllte
(Xenon) Detektoren oder Festkörperdetektoren. Allgemein
gesagt beträgt
die Dicke des konischen Röntgenstrahlenbündels auf
halbem Weg zwischen der Röntgenquelle
und dem Röntgendetektor
5 mm bis 20 mm. Die Intensität
der Strahlung, die nach dem Durchqueren des Patienten auf den Röntgendetektor auftrifft,
wird hauptsächlich
durch die Absorption in dem Patienten 4 bestimmt, der auf
einem Tisch 6 zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor positioniert
ist. Die Absorption entlang einer großen Anzahl von Linien wird
aus einer großen
Anzahl von axialen Richtungen gemessen, indem die Röntgenquelle 2 und
der Röntgendetektor 3 mit
Hilfe eines Rahmens 7 gemeinsam um den Patienten gedreht werden.
Die kombinierte Drehung der Röntgenquelle und
des Röntgendetektors
kann kontinuierlich oder auch intermittierend erfolgen.
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Außerdem kann
der Patient während
der Bestrahlung und Rotation entlang der Rotationsachse verschoben
werden, d.h. in der Längsrichtung,
so dass der Röntgendetektor
Daten von einem signifikanten dreidimensionalen Volumen des Patienten
erfasst. 1 zeigt die Röntgenquelle
und den Röntgendetektor
in einem Querschnitt durch die Ebene in axialer Richtung, in der
sich die Röntgenquelle
und der Röntgendetektor
um den Patienten drehen. Die axiale Richtung in der momentanen Orientierung
von Röntgenquelle
und Röntgendetektor
ist in der Figur mit dem Bezugszeichen (a) bezeichnet. Die tangentiale
Richtung (t) liegt in der Ebene, in der sich die Röntgenquelle 8 und
der Röntgendetektor 3 um
den Patienten 4 drehen, und verläuft senkrecht zur axialen Richtung
(a). Die Längsrichtung
(1) verläuft
senkrecht zu der Ebene der Zeichnung. Wenn die Röntgenquelle und der Röntgendetektor
um den Patienten gedreht werden und die Röntgenquelle mit dem Röntgendetektor
und der Patient auf dem Patiententisch 6 gleichzeitig in
Längsrichtung
verschoben werden, beschreiben die Röntgenquelle und der Röntgendetektor
einen spiralförmigen
Pfad. In diesem Fall verläuft
die momentane Ebene, in der sich die Röntgenquelle und der Röntgendetektor
um den Patienten drehen, an den momentanen Positionen der Röntgenquelle
und des Röntgendetektors
durch den spiralförmigen
Pfad und senkrecht zu der Längsrichtung.
Die Computertomographie-Vorrichtung kann nicht nur mit einem drehbaren
System mit einer Röntgenquelle
und einem Röntgendetektor
ausgestattet sein, sondern auch mit einem Detektionssystem, das
nicht drehbar ist, sondern (im Wesentlichen) vollständig um
den Umfang des Patienten herum angeordnet ist. Allgemein gesagt
werden die Röntgenquelle
und der Röntgendetektor
gemeinsam vollständig
um den Patienten gedreht, also um 360°. Alternativ kann ein Detektionssystem
um den gesamten Umfang des Patienten herum angeordnet sein, wobei
in diesem Fall die Röntgenquelle
komplett um den Patienten gedreht wird. Außerdem kann eine Röntgenquelle
in Form einer Ringanode eingesetzt werden, die um den Patienten
herum angeordnet ist; der Zielfleck eines Elektronenstrahlenbündels, durch
das Röntgenstrahlen
aus dem Anodenmaterial erzeugt werden, bewegt sich dann zusammen
mit der Ringanode um den Patienten herum. Es ist auch zu beachten,
dass es im Prinzip ausreicht, ein fächerförmiges oder konisches Strahlenbündel einzusetzen,
das sich über
einen Winkel um den Patienten dreht, der der Summe von 180° und dem
Aperturwinkel des fächerförmigen oder
konischen Strahlenbündels
entspricht.
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Weiterhin
umfasst die erfindungsgemäße Computertomographie-Vorrichtung vorzugsweise
einen zweidimensionalen Röntgendetektor.
Ein derartiger zweidimensionaler Röntgendetektor enthält eine große Anzahl
von röntgenempfindlichen
Detektorelementen, die in einem zweidimensionalen Muster angeordnet
sind, zum Beispiel in einer Vielzahl von Reihen von Detektorelementen,
wobei die genannten Reihen in Längsrichtung
aneinander angrenzen. Wenn ein mehr oder weniger konisches Röntgenstrahlenbündel eingesetzt
wird, können
an den jeweiligen Längspositionen
gleichzeitig Dichteprofile erfasst werden. Das konische Strahlenbündel und
der zweidimensionale Detektor ergeben genauer gesagt einen Objektdatensatz
mit einer hohen gleichmäßigen räumlichen
Auflösung,
wobei die für
die Erfassung der Dichteprofile erforderliche Zeit nicht wesentlich
länger
ist als bei Verwendung eines fächerförmigen Strahlenbündels und
eines Röntgendetektors
mit einer einzigen Reihe von Detektorelementen.
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An
jeder Position oder Ausrichtung der Röntgenquelle und des Röntgendetektors
wird die Intensität
der durch die einzelnen Detektorzellen empfangenen Röntgenstrahlen
digitalisiert und einer Verarbeitungseinheit 20 zugeführt. Die
Verarbeitungseinheit 20 wandelt die gemessenen Daten in
die Datenwerte des zu untersuchenden Patienten um. Die Verarbeitungseinheit
rekonstruiert die Datenwerte an einzelnen Positionen innerhalb des
Patientenkörpers aus
den Dichteprofilen für
aufeinander folgende Richtungen, aus denen der Patient bestrahlt
wurde. Die Verarbeitungseinheit 20 bildet auf diese Weise Objekt datensätze von
Datenwerten aus den mit Hilfe des Röntgendetektors gemessenen Dichteprofilen. Hohe
und niedrige Datenwerte in dem Objektdatensatz entsprechen zum Beispiel
Teilen des Patienten, an denen die Röntgenabsorption stark bzw.
schwach ist. Die Verarbeitungseinheit umfasst zum Beispiel einen
Computer, der programmiert ist, um den Objektdatensatz zu rekonstruieren
und auch die Querschnittverteilung abzuleiten. Eine derartige Querschnittverteilung
kann zum Beispiel einen Querschnitt des zu untersuchenden Patienten
darstellen. Die Verarbeitungseinheit ist auch eingerichtet, um ein Bildsignal,
zum Beispiel ein elektronisches Videosignal, zu bilden, das die
Querschnittverteilung darstellt. Die Signalpegel eines derartigen
Bildsignals stellen die Dichtewerte der Querschnittverteilung dar.
Die Querschnittverteilung kann somit als ein Bild auf einem Monitor 30 angezeigt
werden, der mit der Verarbeitungseinheit verbunden ist. Das Bild
kann auch als eine digitale Bildmatrix gespeichert oder zur weiteren Verarbeitung
an eine Bildverarbeitungseinheit weitergeleitet werden.
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In 2 sind
schematisch die wesentlichen Teile der CT-Vorrichtung aus 1 zur
Durchführung der
Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
dargestellt. Das Datenerfassungssystem ist schematisch bei 10 dargestellt.
Es umfasst im Allgemeinen alle Elemente, die erforderlich sind,
um Datensignale zu erhalten, die einen (Teil des) Patienten 4 darstellen,
zum Beispiel die Röntgenquelle 2 und
den Röntgendetektor 3.
Die Verarbeitungseinheit 20 führt die erfindungsgemäßen Schritte
aus, die mit 21 bis 28 bezeichnet sind und im
Folgenden ausführlich
beschrieben werden. Die aus der Verarbeitungseinheit resultierenden
Objektbilder werden auf dem Monitor 30 angezeigt.
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Bei
dem Datenerfassungssystem 10 werden die Datensignale, die
die durch Absorption des Patientenkörpers abgeschwächten Röntgenstrahlen
darstellen, empfangen und an die Verarbeitungseinheit 20 weitergeleitet.
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Die
Verarbeitungseinheit bildet im Allgemeinen Objektbilder basierend
auf den vom Datenerfassungssystem 10 empfangenen Datensignalen.
Bei Schritt 21 wird eine Offset-Korrektur durchgeführt. Die
Datensignale werden hinsichtlich des Offset korrigiert, der durch
die Messvorrichtung auf in der Technik bekannte Weise eingeführt wurde.
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Bei
Schritt 22 wird eine Rauschanalyse für die Datensignale durchgeführt, um
ein Maß für das vorhandene
Rauschen zu ermitteln. Vorzugsweise wird die Standardabweichung σ bestimmt.
In der Technik sind verschiedene Verfahren zur Durchführung einer
Rauschanalyse, entweder in der Zeit oder im Raum, bekannt. Vorzugsweise
wird die Rauschanalyse in Echtzeit oder während der Messungen durchgeführt. Es
ist zu beachten, dass das Ausmaß des
Rauschens in der Zeit variiert. Das Rauschen variiert auch pro Detektor.
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Bei
Schritt 23 werden die offset-korrigierten Datensignale
aus Schritt 21 mit einem bestimmten Höchstwert verglichen, der mit
der Standardabweichung σ in
Zusammenhang steht. Vorzugsweise ist der Höchstwert ca. 3σ. Datensignale,
deren Wert unter dem Höchstwert
liegt, werden in Schritt 24 verarbeitet. Datensignale mit
einem Wert über
dem Höchstwert
werden in Schritt 25 verarbeitet.
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In
Schritt 24 werden die aus Schritt 23 hervorgehenden
Datensignale erneut gefiltert und das Originalsignal wird subtrahiert.
In der Technik sind verschiedene geeignete Filterverfahren bekannt. Vorzugsweise
umfasst die Filterung die Mittelwertbildung jedes der Datensignale
mit Datensignalen von benachbarten Detektorelementen 5.
Benachbarte Datensignale sind in lateraler oder tangentialer Richtung
t des Detektors zu finden. Wenn ein zweidimensionaler Detektor verwendet
wird, sind benachbarte Datensignale auch in Längsrichtung 1 des
Detektors oder in jeder anderen zweidimensionalen Richtung (jede
Kombination aus 1 und t) entlang des Detektors zu finden. Ein geeigneter
Typ eines zweidimensionalen Detektors ist in der US-amerikanischen
Patentschrift 6 324 248 beschrieben.
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Ein
Beispiel für
einen geeigneten Tiefpassfilter umfasst einen „punktmittelwertbildenden
Filter", zum Beispiel
einen punktmittelwertbildenden Filter mit kubischer Splinefunktion.
Dieser Filter kann ebenso in einer wie auch in zwei Dimensionen
angewendet werden. Ein weiteres Beispiel für einen geeigneten Tiefpassfilter
ist ein Begrenzungsalgorithmusfilter, der zur Eliminierung von Rauschspitzen vorgesehen
ist. Noch ein weiteres Beispiel für einen geeigneten Tiefpassfilter
ist ein in dem Dokument
US 5
416 815 beschriebener Medianfilter. Es ist zu beachten,
dass verschiedene andere geeignete Filter in der Technik bekannt
sind.
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In
der obigen Beschreibung wurden die vom Detektor empfangenen Datensignale
bisher adaptiv in Abhängigkeit
von ihrem Datenwert und der Größe des Signalrauschens
gefiltert. Dadurch werden die Datensignale vorzugsweise in Gruppen
von einer bestimmten Anzahl von Detektormesswerten, z.B. 30, verarbeitet.
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In
Schritt 25 wird das Ergebnis aus Schritt 24 zu
dem aus Schritt 21 resultierenden Originalsignal addiert.
Als Alternative kann das Ergebnis aus Schritt 24 das aus
Schritt 21 resultierende Originalsignal ersetzen, was zur
Folge hat, dass diese Summierung aus dem Diagramm entfernt werden
kann.
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Als
nächstes
werden in Schritt 26 die Datensignale verarbeitet, um die
Men ge des abschwächenden
Materials in dem Patienten 4 anzugeben. In der Technik
werden zu diesem Zweck die Datensignale logarithmisch justiert,
indem ihr negativer Logarithmus berechnet wird. Da die Datensignale
gefiltert werden, bevor der Logarithmus berechnet wird, werden Streifenartefakte
aus Kleinsignalen, die das so genannte „gefrorene Rauschen" zur Folge haben,
erfolgreich vermieden.
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In
Schritt 27 werden die Datensignale bezüglich verschiedener bekannter
Fehler korrigiert, zum Beispiel Schwankungen beim Detektor und Kanalverstärkung. Schließlich werden
die Datensignale in Schritt 28 auf bekannte Weise rekonstruiert,
um Objektbilder zu ergeben, zum Beispiel in Form von Schichtbildern.
Diese Schichtbilder können
weiter verarbeitet und auf dem Monitor 30 angezeigt werden.
Ein Beispiel für
ein Verfahren zur Verarbeitung der resultierenden Schichtbilder
ist in der US-amerikanischen
Patentschrift 6 324 248 beschrieben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich zur Anwendung in medizinischen Systemen, zum Beispiel
zum Erlangen von Bildern eines Patienten für Diagnosezwecke oder während der
Behandlung des Patienten. Es können
verschiedene Arten von Messsignalen verwendet werden, zum Beispiel Schallwellen
oder Röntgenstrahlen.
Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Verfahren in eine Computertomographie-Vorrichtung
eingebunden. Die obige Beschreibung liefert dem fachkundigen Leser
sicherlich alle erforderlichen Informationen zur Justierung ihrer
Verarbeitungseinheit, so dass sie die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens
ausführen
kann. Hierzu können
der Entwurf und das Schreiben eines Computerprogramms gehören.
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Es
ist zu beachten, dass die Erfindung in keiner Weise auf die in 1 dargestellte
Ausführungsform
beschränkt
ist. In der Tat eignet sich die Erfindung für alle Arten von Computertomographie-Vorrichtungen.
Der Röntgendetektor
kann zum Beispiel entweder aus einer Reihe von Detektorelementen (d.h.
in einem Einzelschicht-Scanner) oder aus zwei oder mehr Reihen von
Detektorelementen (d.h. in einem Mehrschicht-Scanner) bestehen, wie oben angegeben.
Beide Arten von CT-Scannern sind in der US-amerikanischen Patentschrift 6 324 248
beschrieben. Wie aus der obigen Beschreibung folgt, kann das Röntgenstrahlenbündel eine
Fächerform oder
eine Kegelform haben. Ein Beispiel eines Kegelstrahlenbündel-Scanners
ist in der internationalen Anmeldung WO 9936885 zu finden. Theoretisch kann
die Röntgenquelle
auch eine Punktquelle sein und der Röntgendetektor kann ein Punktdetektor sein.
Außerdem
kann die Bewegung der Röntgenquelle
und des Röntgendetektors
in Bezug auf den Patiententisch von der spiralförmigen Bewegung der Ausführungsform
aus 1 abweichen. Der CT-Scanner kann für die schrittweise
Bewegung des Patiententischs relativ zu dem Röntgengerät vorgesehen sein, um somit
Schicht-für-Schicht-Scans
zu erzeugen. Alternativ kann der Patiententisch feststehend in Bezug
auf das Röntgengerät sein,
wie dies bei der Erzeugung eines dynamischen Scans oder der CT-Fluoroskopie
der Fall ist. Diese Liste der Abweichungen erhebt keinen Anspruch
auf Vollständigkeit,
und zweifellos wird ein Fachkundiger in der Lage sein, andere Abweichungen
zu erdenken.
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Zusammengefasst
liefert die Erfindung die Einsicht, dass bei dem hier beschriebenen
Verfahren durch die Verarbeitung der gemessenen Datensignale vor
der Filterung Streifenartefakte oder gefrorenes Rauschen eingeführt werden.
Der Schritt der Verarbeitung umfasst üblicherweise das Verarbeiten
der Daten auf eine derartige Weise, dass sie Informationen über die
Abschwächung
der Datensignale preisgeben. In der Technik umfasst dies die logarithmische
Justierung der Datensignale. Derartige Artefakte können vermieden
werden, indem die Reihenfolge umgekehrt wird und die Verarbeitung
der Daten erst nach der Filterung erfolgt. Basierend auf diesen
Erkenntnissen werden mehrere Filterverfahren eingeführt, die
im Allgemeinen zu einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis in
den resultierenden Schichtbildern führen.
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Die
Erfindung ist natürlich
nicht auf die beschriebene oder dargestellte Ausführungsform
beschränkt,
sondern erstreckt sich im Allgemeinen auf jede Ausführungsform,
die in den Rahmen der beigefügten
Ansprüche
fällt,
die im Licht der vorhergehenden Beschreibung und der Zeichnung zu
sehen sind.
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Text in der
Zeichnung
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2
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- DAS Datenerfassungsystem
- Temporal noise analysis zeitliche Rauschanalyse
- Offset correction Offset-Korrektur
- Signal is too low Signal ist zu niedrig
- Filter signal with neighbor signals and substract original signal
Signal mit Nachbarsignalen filtern und Originalsignal subtrahieren
- Correction & calibration
Korrektur & Kalibrierung
- reconstructor Rekonstruktion
- slice images Schichtbilder