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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Röntgengerät, insbesondere
ein computertomographisches bildgebendes System, einen Detektor
für ein solches System sowie ein Verfahren zur Auswertung
der Signale des Detektors.
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Stand der Technik
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In
der
US 5,828,408 ist
ein Röntgendetektor offenbart, welcher unter Ausnutzung
der TDI (Time Delayed Integration) ausgelesen wird. Dadurch kann eine
längere Integrationszeit und somit ein höherer Signal/Rauschabstand
bei bewegten Objekten erreicht werden. Hierbei werden die Bildinformationen synchron
zur Bewegung in den Pixel-Zellen verschoben. Ein einzelner Sensor
ist jeweils auf einen Chip begrenzt.
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Die
US 5,744,806 offenbart ein
Verfahren zur Anordnung mehrerer Sensorchips, um größere
Sensoren zu erhalten. Es werden hier die Sensoren schräg
zu Bewegungsrichtung angeordnet, wobei der Informationsverlust der
Fläche zwischen den Sensoren durch Bildverarbeitung ausgeglichen
wird.
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Die
US 2004/0017224 A1 offenbart
in
24 eine rampenförmige
Detektoranordnung, wobei die Detektormodule schräg angeordnet
sind. Die Time Delayed Integration erfolgt in einem direkt mit dem Detektor
verbundenen ASIC. Die hier vorgestellte Technologie ist relativ
aufwändig und wird wie beschrieben bevorzugt bei Weltraummissionen
eingesetzt.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Röntgengerät,
einen Detektor sowie ein Verfahren zum Betrieb des Detektors zu
schaffen, wobei das Verfahren der Time Delayed Integration auf einer großen
Detektorfläche, welche mehrere Detektormodule umfasst,
durchgeführt werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach den unabhängigen
Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Zur
Rekonstruktion eines Schichtbildes in einem computertomografischen
bildgebenden System werden Projektionsaufnahmen aus verschiedenen Richtungen
mit Hilfe einer Röntgenquelle und eines geeigneten Detektors
erzeugt. Jedes abzubildende Volumenelement (Voxel) muss für
eine vollständige Rekonstruktion in einem Winkelbereich
von mindestens 180° in einer Projektion erfasst worden
sein.
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Das
aufzunehmende Objekt, meist ein Patient, wird üblicherweise
fixiert gehalten, während Röntgenquelle und Detektor
auf einer starren Achse verbunden um das Objekt kreisen. Mit einem
fächer- oder kegelförmigen Röntgenstrahl
werden dabei kontinuierlich Projektionsbilder aufgenommen.
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Je
nach Rotationsgeschwindigkeit, Belichtungszeit und Bildausleserate
des Detektors geht damit eine entsprechend hohe Bewegungsunschärfe
in den Rohdatenbildern einher. Speziell bei zeitkritischen Aufnahmen,
in der die tolerierbare Dauer des Scanvorgangs begrenzt ist, werden
hohe Rotationsgeschwindigkeiten erreicht. Um diese auszugleichen, muss
der Detektor eine seiner Auflösung angemessene Bildrate
zur Verfügung stellen. Desweiteren ist es möglich,
den Fokuspunkt der Röntgenstrahlung während einer
einzelnen Aufnahme ortsfest zu halten (sog. Springfokus, oder auch
Springfokus Alpha oder Z-Flying Focal Spot genannt), wodurch die
Unschärfe aufgrund der sich bewegenden Aufnahmegeometrie
auf den Detektor reduziert wird.
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Eine
weitere Reduzierung der Unschärfe lässt sich durch
zeitverzögerte Integration, auch Time Delayed Integration
genannt, erreichen. Diese wird bevorzugt mit dem zuvor beschriebenen
Springfokus kombiniert. Besonders vorteilhaft ist es, diese zeitverzögerte
Integration auf dem Aufnahmechip (On-Chip TDI) zu realisieren. Hierzu
werden die Bildinformationen bzw. Ladungen der einzelnen Pixelzeilen
synchron zur Bewegung in dem Aufnahmechip verschoben. Große
aktive Detektorflächen erfordern oftmals die Kombination
von mehreren Einzelelementen (Kacheln) zu einer gekachelten Anordnung. Ein
Nachteil zusammengesetzter Detektoren ist die je nach verwendetem
Material aktuell noch begrenzte Größe der einzelnen
Detektormodule. Dadurch entstehen je nach Fertigung Lücken,
die in den Projektionsbildern interpoliert werden müssen.
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Aus
technischen Gründen ist bei zusammengesetzten Detektoren
On-Chip TDI über die Grenzen eines Detektormodules (Detektorchips)
hinaus nur schwer zu realisieren, da hierfür die einzelnen
Detektormodule noch an den Rändern verbunden werden müssen.
Dies hätte unter anderem eine Verbreiterung der Lücken
zwischen den Detektormodulen und damit eine Vergrößerung
der zu interpolierenden Bereiche in den Projektionsbildern zur Folge.
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Entsprechend
der Erfindung werden die Lücken zwischen den einzelnen
Detektormodulen eliminiert, indem die einzelnen Detektormodule überlappend
angeordnet werden. Bevorzugt wird eine Überlappung gewählt,
die der gewünschten TDI Verschiebung pro Aufnahme entspricht.
Bevorzugt erfolgt diese Überlappung über der gesamten
Länge des Detektors einheitlich an derselben Seite eines
jeden Detektormoduls. Besonders günstig ist es, wenn die
Detektormodule hierzu leicht schräg angeordnet werden.
Die Überlappung kann dabei sowohl in horizontaler, als
auch in vertikaler Richtung erfolgen. Die Richtung, in der während
des TDI-Vorgangs die Pixelwerte geschoben werden, sollte bevorzugt
mit der Überlappungsrichtung übereinstimmen. Vertikale Überlappung
würde also TDI in vertikaler Richtung nach sich ziehen.
Durch die Überlappung entsteht ein Puffer, der die am Rand
andernfalls verlorengehenden Pixelwerte zwischenspeichern kann.
Sobald hier ein Pixelwert den Anfang des Pufferbereichs erreicht hat,
liegt dieser im Röntgenschatten und wird durch das davor
gelagerte Detektormodul und eventuelle zusätzliche Abschirmung
von weiteren Röntgenquanten geschützt. Nach erfolgter
Aufnahme wird der Puffer ebenfalls ausgelesen. Die in ihm gespeicherten
Werte werden anschließend in einem Nachbearbeitungsschritt
auf die entsprechenden Pixelspalten des angrenzenden Detektormodules
addiert.
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Bei
konstanter Detektorgeschwindigkeit erlaubt dieses Verfahren somit,
den vollen Funktionsumfang der zeitverzögerten Integration
auch mit modular aufgebauten, zusammengesetzten Detektoren nutzen
zu können, ohne dass dabei einzelne Detektormodule zum
Austausch von Pixelwerten elektrisch verbunden werden müssten.
Dies ermöglicht eine deutlich bessere Auflösung,
als ohne oder nur mit auf Detektormodule begrenztem TDI möglich
wäre.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Detektor für
einen Computertomographen gewölbt ausgeführt,
so dass der Zentralstrahl des Strahlenbündels von der Röntgenröhre
und auch weitere seitlich oberhalb bzw. unterhalb von diesem verlaufenden
Strahlen senkrecht auf die Fläche des Detektors auftreffen.
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Besonders
günstig ist es, wenn sich einzelne Detektormodule dachziegelartig überlappen.
Der Detektorträger 78 ist bevorzugt in seiner
Wölbung derart angepasst, dass die darauf befestigten Detektormodule
eine Wölbung mit einem Radius entsprechend dem Abstand
des Detektors zur Röntgenröhre haben. Ein solcher
erfindungsgemäßer Röntgendetektor kann
auch in einem erfindungsgemäßen Röntgengerät
eingesetzt werden.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Röntgengerät,
insbesondere einen Computertomographen mit einem Detektor, wie in
diesem Dokument beschrieben.
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Ein
weiterer Aspekt Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung
der Time Delayed Integration bei einem aus mehreren Detektormodulen
zusammengesetzten Detektor, bei dem die einzelnen Detektormodule überlappend
angeordnet sind. Es erfolgt hier zur Auswertung die Addition der
erfassten Werte der überlappenden Bereiche.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Vorrichtung
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2 zeigt
ein Detektormodul einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
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3 zeigt
mehrere nebeneinander angeordnete Detektormodule in der Draufsicht
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4 zeigt
mehrere, sich überlappend angeordnete Detektormodule
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5 zeigt
mehrere schräg angeordnete, sich überlappende
Detektormodule
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6 zeigt
den zeitlichen Ablauf der TDI
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7 zeigt
eine Draufsicht auf einen zusammengesetzten Rund-Detektor.
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8 zeigt
einen Detektorhalter im Schnitt.
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9 zeigt
eine Draufsicht auf Detektormodule.
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10 zeigt
die Ansicht eines Runddetektors mit mehreren Detektorreihen.
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11 zeigt
einen einstückigen Detektorträger.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Detektor, der mehrere
sich überlappend angeordnete Detektormodule 61a bis 61g umfasst.
Die Auswertung der Signale erfolgt mittels zeitverzögerter
Integration. Die zeitverzögerte Integration (Engl.: Time Delayed
Integration, TDI) ist eine Technik zur Reduktion von Bewegungsunschärfe
bei digital aufgenommenen Bildern, d. h. bei pixelierten Detektoren,
die bei Röntgendetektoren besonders bevorzugt implementiert
werden kann. Die Auswertung der Signale aus den einzelnen Detektormodulen
entsprechend der Erfindung erfolgt durch eine Auswerteeinheit 64.
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2 zeigt
ein einzelnes Detektormodul eines erfindungsgemäßen
Detektors. Die einzelnen Pixel 16 sind vorzugsweise in
einer rechteckigen Matrix angeordnet. Zur TDI werden immer die Bildinformationen
einzelner Spalten 19 in der TDI Integrationsrichtung 18 verschoben.
Die Verschiebung in Integrationsrichtung wird vorzugsweise durch
einen Takt gesteuert, der synchron zur Bewegung des Detektors und
somit auch des Detektormoduls in der Bewegungsrichtung 17 ist.
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Die
Bewegung 17 des Detektors nach links gegenüber
einem hier nicht dargestellten Objekt, entsprechend einer Bewegung
des Objekts gegenüber dem De tektor nach rechts wird durch
Verschiebung 18 der Pixelzeilen 19 nach rechts
elektronisch ausgeglichen. Dabei gibt jeder Pixel 16 seinen
aktuellen Pixelwert (z. B. Intensität oder Anzahl an Photonen oder
auch Ladung oder Spannung) an den jeweiligen rechten Nachbarn ab
und übernimmt gleichzeitig seinen neuen Wert vom linken
Nachbarn. So gibt Pixel 14 seinen Pixelwert an Pixel 15 ab
und übernimmt dann den Pixelwert von Pixel 13.
Bei entsprechender zeitlicher Synchronisation der Verschiebung mit
der Bewegung des Objektes oder Detektor ergibt sich so ein virtuell
ortsfestes Aufnahmesystem.
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Die
Effizienz von TDI ist abhängig von der Homogenität
der relativen Bewegung von Detektor und Aufnahmeobjekt, sowohl zeitlich
als auch örtlich. Schwankt diese Geschwindigkeit in einer
von diesen Dimensionen, entstehen je nach Stärke der Abweichung
Unschärfeartefakte.
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Nachteilig
an einer TDI entsprechend dem Stand der Technik ist der Verlust
einer gewissen Anzahl von Intensität bzw. Zählereignissen
in den Detektorpixeln. Verschiebt man beispielsweise zeilenweise
um 5 Pixel nach rechts während einer Aufnahme, so verliert
man am rechten äußeren Rand 5 Werte, während
man am linken Rand 5 Werte mit von rechts nach links stufenweise
verringerter Intensität bzw. Zählständen
erhält.
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3 zeigt
einzelne nebeneinander angeordnete Detektormodule 10, 11 und 12.
Hier sind die einzelnen Spalten 19 dargestellt. Entsprechend
der Erfindung werden die Detektormodul überlappend angeordnet,
wie in den nachfolgenden Figuren dargestellt. In dieser Figur sind
sie zur besseren Veranschaulichung in der Draufsicht nebeneinander
ohne Überlappung dargestellt. Die Überlappungsbereiche 20, 21, 22, 23, 24 und 25 umfassen
jeweils eine vorgegebene Anzahl von Spalten.
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4 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung mit überlappend
angeordneten Detektormodulen 10, 11 und 12.
Hierbei liegen die Überlappungsbereiche 21 und 22 sowie 23 und 24 jeweils
exakt übereinander.
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In 5 ist
eine leicht schräg gestellte Detektoranordnung mit einer Überlappung
der einzelnen Detektormodule dargestellt. Hier liegt in Verschiebungsrichtung,
entsprechend der Integrationsrichtung das Ende eines Detektormodules
unter dem Anfang des nächsten Detektormodules.
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6 zeigt
den Ablauf der TDI in einer erfindungsgemäßen
Detektoranordnung. In 6a ist ein erstes
Detektormodul 10 mit den einzelnen Detektorspalten 40 bis 48 sowie
ein zweites Detektormodul 11 mit den Detektorspalten 50 bis 57 dargestellt.
Es überlappen sich jeweils drei Detektorspalten. So liegen
die Detektorspalten 50 bis 52 über den Detektorspalten 46 bis 48.
Die 6b zeigt den Zustand nach einem
ersten Integrationszeitintervall. Die Detektorspalten 40 bis 45 sowie 50 bis 57 enthalten die
entsprechenden Strahlungswerte des ersten Integrationsintervalls.
Die Detektorspalten 46 bis 48 haben noch kein
Signal erhalten, da diese unter den Detektorspalten 50 bis 52 des
zweiten Detektormoduls 11 liegen und durch diese abgeschirmt
werden. Um diesen Effekt zu verbessern kann noch eine zusätzliche
Abschirmung zwischen diesen Detektorspalten vorgesehen sein. Den
Zustand nach einem zweiten Integrationszeitintervall zeigt die 6c. Zu Beginn des zweiten Integrationszeitintervalls
werden die einzelnen Werte der Detektorspalten in Integrationsrichtung 18,
das heißt nach rechts verschoben. Somit stehen die vorhergehenden
Werte aus den Detektorspalten 40 bis 45 nun in
den Spalten 41 bis 46. Von einer nicht dargestellten
weiter links von der Detektorspalte 40 angeordneten Detektorspalte
wird ein weiterer Wert eins in die Detektorspalte 40 übertragen.
Die Werte der Detektorspalten 50 bis 56 werden nun
in die Detektorspalten 51 bis 57 übertragen.
Der Wert der Detektorspalte 57 wird in eine weiter rechts von
dieser angeordneten und nicht dargestellten Detektorspalte übertragen.
Nach dieser Über tragung wird das Signal im zweiten Integrationszeitintervall aufintegriert.
Somit erhalten nun wieder die Detektormodule 40 bis 45 und 50 bis 57 das
aktuelle Signal des zweiten Integrationsintervalls. In der 6d sind die einzelnen Detektorspalten
am Ende des dritten Integrationsintervalls dargestellt. Ebenso wie
zuvor beschrieben wurde zu Beginn des dritten Integrationsintervalls
eine Verschiebung nach rechts durchgeführt und danach für
die Dauer des Integrationsintervalls die Messwerte 3 auf
integriert. In der 6e ist noch der
Zustand nach dem vierten Integrationsintervall dargestellt. In der 6f ist nun das Ergebnis einer erfindungsgemäßen
TDI dargestellt. So wird erfindungsgemäß das Signal
aller Detektoren an einer bestimmten Position addiert. Die Spalten 40 bis 45 des
ersten Detektormoduls welche jeweils alle Werte der Integrationsintervalle
eins bis vier enthalten, werden direkt übernommen. Im Bereich
der Überlappung werden die Werte der Detektorspalten 46 und 50, 47 und 51, 48 und 52 jeweils
miteinander addiert. Wie zu erkennen ist, in enthalten somit diese
Spalten auch den vollständigen Satz der Integrationswerte
der Intervalle 1 bis 4. Die Spalten 53 bis 57 werden
wieder ohne Addition übernommen, da hier keine weiteren verfügbaren
Detektorspalten parallel angeordnet sind. Entsprechend der Erfindung
erfolgt somit auch die Addition ausschließlich im Überlappungsbereich.
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7 zeigt
eine Draufsicht auf einen Rund-Detektor 60, der aus mehreren
Detektormodulen zusammengesetzt ist. Dieser Detektor hat einen Detektorträger 78,
auf dem eine Vielzahl von ebenen Detektormodulen 61a–61g angebracht
sind. Diese Detektormodule umfassen jeweils wenigstens einen hochauflösenden
Halbleiter-Röntgendetektor. Der Detektorträger 78 gibt
die gewölbte Grundform des Detektors vor. Vorzugsweise überlappen
sich die Detektormodule geringfügig, so dass die Anschlussbereiche
am Rand eines Detektormoduls unter dem benachbarten Detektormodul
liegen. Damit ist eine lückenlose Abbildung möglich.
Die einzelnen Detektormodule 61a–61g sind
mit Detektorhaltern 70a–70g an dem Detektorträger 78 befestigt.
Die Detektorhalter sind vorzugsweise jus tierbar ausgeführt.
Durch diese Detektorhalter kann eine einfache Justage der Anordnung
erfolgen.
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8 zeigt
einen Detektorhalter 70 im Schnitt. Der Detektorhalter
verbindet ein Detektormodul 61 mit dem Detektorträger 78.
hierzu ist eine Spannplatte 74 mittels der Schrauben 72 an
dem Detektorträger 78 befestigt. Diese Spannplatte
lässt sich aufgrund der Langlöcher 77 geringfügig
gegenüber dem Detektorträger drehen. Zwischen
dem Detektormodul und der Spannplatte ist ein Gummiring 75,
vorzugsweise ein O-Ring eingesetzt. Gegen den elastischen Gummiring
wird das Detektormodul 61 mittels weiterer Schrauben, welche
durch ein Halteprofil 71 an dem Detektormodul befestigt
sind und den Muttern 73 verspannt. Es werden hier vorzugsweise
drei Schrauben eingesetzt, so dass das Detektormodul 61 in
alle Richtungen ausgerichtet werden kann. Nach der Montage kann
der Detektorhalter beispielsweise durch Klebstoff fixiert werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn hierbei ein Zweikomponentenkleber
in den Detektorhalter eingebracht wird.
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9 zeigt
eine Draufsicht auf Detektormodule 61 des Runddetektors 60.
Die Detektormodule weisen jeweils in dieser Darstellung horizontal
verlaufende Detektorzeilen 62 und vertikal verlaufende Detektorspalten 63 aus
einzelnen Detektormodulen auf. Die Größe eines
solchen Detektormoduls liegt typischerweise in einem Bereich von
10 Mikrometer bis 500 Mikrometer, bevorzugt bei 100 Mikrometer.
Da die einzelnen Detektormodule Fertigungstoleranzen haben, müssen
diese individuell ausgerichtet beziehungsweise positioniert werden.
Zudem müssen sich die Detektormodule geringfügig überlappen.
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10 zeigt
die Ansicht eines weiteren Runddetektors 60 aus der Perspektive
der Röntgenröhre 15. Hierin sind drei übereinander
angeordnete Reihen aus Detektormodulen vorgesehen. Die obere Reihe
mit den Detektormodulen 61o–61u ist gegenüber
der mittleren Reihe mit den Detektormodulen 61h–61n verkippt.
Gleiches gilt für die untere Reihe mit den Detektormodulen 61a–61g.
Durch die verkippte obere und untere Reihe ergibt sich eine Annäherung
an eine gewölbte Bauform
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11 zeigt
einen Detektorträger, welcher beispielsweise aus Aluminium
hergestellt ist. Dieser Träger weist Aufnahmeflächen
zur Befestigung der einzelnen Detektormodule auf.
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- 1
- Messwerte
des ersten Integrationsintervalls
- 2
- Messwerte
des zweiten Integrationsintervalls
- 3
- Messwerte
des dritten Integrationsintervalls
- 4
- Messwerte
des vierten Integrationsintervalls
- 10
- erstes
Detektormodul
- 11
- zweites
Detektormodul
- 12
- drittes
Detektormodul
- 13–16
- Pixel
- 17
- Bewegungsrichtung
- 18
- TDI
Integrationsrichtung
- 19
- Detektorspalte
- 20–25
- Überlappungsbereiche
- 40–48
- Detektorspalten
des ersten Detektormoduls 10
- 50–57
- Detektorspalten
des zweiten Detektormoduls 11
- 61
- Detektormodule
- 62
- Detektorzeile
- 63
- Detektorspalte
- 64
- Auswerteeinheit
- 70
- Detektorhalter
- 71
- Halteprofil
- 72
- Schraube
- 73
- Mutter
- 74
- Spannplatte
- 75
- Gummiring
- 77
- Langloch
- 78
- Detektorträger
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5828408 [0002]
- - US 5744806 [0003]
- - US 2004/0017224 A1 [0004]