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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Dualenergiedetektoren, die
in Röntgenstrahlenabbildungsausrüstungen,
die Bilder erzeugen und die zwischen zahlreichen Ausgangsmaterialien
unterscheiden, verwendet werden können. Solche Systeme finden
in medizinischen Systemen, so z.B. in Knochendichtemessgeräten, sowie
in industriellen Inspektionssystemen wie Gepäcks-Scannern am Flughafen ein
Einsatzgebiet.
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Die
Messung von Röntgenstrahlenenergie, die
durch ein abgebildetes Objekt abgeschwächt wird, in zwei unterschiedlichen
Energiebändern
kann verwendet werden, um Information über das Material zu ergeben,
aus welchem sich das abgebildete Objekt zusammensetzt. Im Allgemeinen
ist die Abschwächung
eine Funktion der Röntgenstrahlenenergie,
entsprechend der zwei Abschwächungsmechanismen
der photoelektrischen Absorption und der Compton'schen Streuung. Diese zwei Mechanismen sind
bei Materialien mit unterschiedlicher Anzahl von Atomen verschieden.
Aus diesem Grund können Messungen
mithilfe zweier Energienhöhen
verwendet werden, um zwei unterschiedliche Ausgangsmaterialien zu
unterscheiden.
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Dualenergie-Röntgenstrahlentechniken
können
z.B. zur Trennung des knochigen Gewebes von weichem Gewebe bei der
medizinischen Abbildung verwendet werden, oder um gefährliche
Materialien, wie etwa beim Scannen von Gepäckstücken, zu identifizieren.
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In
einem Dualenergie-Röntgenstrahlensystem
im Schaltbetrieb wird die Spannung auf der Röntgenstrahlenröhre periodisch
von einer hohen zu einer niedrigen Spannung geändert, wobei das Energiespektrum
der erzeugten Röntgenstrahlen
verschoben wird. Ein einzelner Satz von Halbleiter-Detektoren, die
durch den Strahl beleuchtet werden, sammelt die Messungen des abgebildeten
Objekts bei den unterschiedlichen Energieausgangsleistungen. Hier
werden Röntgenstrahlendetektoren
mit einer Breitbandempfindlichkeit gegenüber verschiedenen Energiehöhen verwendet.
Ein sogenannter K-Kantenfilter kann im Strahl vor dem Röntgenstrahlendetektor
angeordnet werden, um das Ausgabespektrum der Röntgenstrahlen bei den unterschiedlichen
Energiehöhen
zu schärfen.
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In
einem alternativen Ansatz kann ein Breitband-Röntgenstrahl erzeugt werden,
der zahlreiche Energiehöhen
aufweist, und die Unterscheidung zwischen. den Röntgenstrahlenenergien kann
durch den Detektor erfolgen, der für die erhaltenen hohen und niedrigen
Röntgenstrahlenenergien
getrennte Ausgabesignale bereitstellt. Eine Art der in diesem Ansatz
verwendeten Detektoren ist ein Detektor mit gestapelter Anordnung,
in welchem zwei Detektorelemente auf einander gestapelt sind. Gewöhnlich misst ein
vorderster Detektor den gesamten Röntgenstrahlenfluss, während ein
hinterer Detektor nur die Röntgenstrahlenphotonen
mit höherer
Energie misst, die von einem dazwischenliegenden Filter nicht gestoppt werden.
Niedrigenergiephotonen können
aus diesen zwei Messungen abgeleitet werden.
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In
einer alternativen Seite-an-Seite angeordneten Detektorkonstruktion,
wie sie in Vorgängeranmeldungen
zu dieser Anmeldung beschrieben ist, sind zwei Zeilen von Detektorelementen
Seite an Seite angeordnet und werden entlang des abgebildeten Objekts
in eine Richtung orthogonal auf die Zeilen gescannt. Die Detektorelemente
der ersten Zeile besitzen eine andere Energieempfindlichkeit als
jene der zweiten Zeile. Das Scannen des abgebildeten Objekts bewirkt,
dass die zwei Zeilen über
die gesamte Fläche
des abgebildeten Objekts gleiten, wobei jede dieser Messungen vornimmt.
Hoch- und Niedrigenergiemessungen für eine bestimmte Position im
abgebildeten Objekt werden zu geringfügig unterschiedlichen Zeitpunkten
vorgenommen.
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Während diese
Detektorkonstruktion eine Reihe von Vorteilen aufweist, kann die
Tatsache, dass die Hoch- und Niedrigenergieablesungen zu unterschiedlichen
Zeitpunkten erfolgen, kleinere Abbildungsartefakte erzeugen, wenn
sich der Patient zwischen den Messungen bewegt, selbst wenn die
Zeitspanne zwischen den Messungen nur winzig ist. Bewegungen umfassen
unfreiwillige Muskelbewegung im Falle eines Patienten und/oder Vibrationen
von elastischen Elementen im Falle von nichtlebenden Objekten.
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Die
Interpolation zwischen zahlreichen Hoch- oder Niedrigenergiemessungen,
die zu verschiedenen Zeitpunkten zur Erzeugung der virtuellen Messungen
von Hoch- und Niedrigenergien zu einem einzelnen gemeinsamen Zeitpunkt
und an einer einzelnen gemeinsamen Position erfolgt, ist mit dieser Detektor-Konstruktion
nicht möglich.
Dies geht darauf zurück,
dass zwei beliebige Messungen, von entweder Hoch- oder Niedrigenergie,
die für
die Interpolation zu einem gemeinsamen Zeitpunkt und mit einer gemeinsamen
Position verwendet werden könnten, sich
gegenüber
jener Zeit und jener Position in einem unterschiedlichen Ausmaß versetzt
sind, wodurch die Verwendung eines gemeinsamen Interpolationsfaktors
verhindert wird. Kurz gesagt, die Architektur des Detektors verhindert
eine Verwendung der Interpolation zur Eliminierung der Bewegungs-Artefakte.
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US-A-5778045
offenbart eine Densitometrievorrichtung zum Scannen eines Patienten
mit Röntgenstrahlen,
um einzelne und duale Energieabbildungen zu erhalten. Die Vorrichtung
besitzt eine Röntgenstrahlungsquelle
und einen Detektor zum Empfangen der Röntgenstrahlen, die durch den
Patienten hindurchgegangen sind. Die Quelle und der Detektor werden
von Aktuatoren bewegt, die von einem Computer gesteuert werden.
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Ein
Artikel mit dem Titel "Right
and Left Proximal Femur Analyses: Is There a Need to do Both" von S. L. Bonnick
et al., veröffentlicht
in Calcified Tissue international, Band 58, Nr. 5, Seiten 307 bis
310, berichtete von einer Studie zur Bestimmung, ob die Messungen
auf einem Oberschenkelknochen zur Voraussage der Knochendichte des
anderen Oberschenkelknochens verwendet werden könnte. Für Knochenmineralmessungen wurden
beide Oberschenkelknochen von Patienten benötigt, diese wurden dann verglichen.
Die Studie kam zu dem Schluss, dass die Knochenmineraldichte eines
Oberschenkelknochens auf der Grundlage der Messungen des anderen
Oberschenkelknochens vorhergesagt werden konnte, und somit war es
nicht erforderlich, beide Oberschenkelknochen zu messen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Projektionsdensitometriesystem
nach Anspruch 1 bereit. Eine Ausführungsform stellt eine neue
Architektur für Seite-an-Seite
angeordnete Dualenergiedetektoren bereit, die in einer Scan-Vorrichtung
verwendet werden. Es werden einzelne Hoch- und Niedrigenergiedetektorelemente
innerhalb der Zeilen des Detektors abwechselnd angeordnet, so dass
mit der jeweiligen Detektorart (Hoch- oder Niedrigenergie-) vorgenommene
Messungen auf einen gemeinsamen Zeitpunkt und eine gemeinsame Position
mit den Messungen, die vom anderen Detektortyp durchgeführt werden, interpoliert
werden. In einem Fall erfordert die Konfiguration eine Interpolation
von entweder Zeit oder Ort, nicht aber beidem. In einer zweiten
Konfiguration ist eine Interpolation von sowohl Zeit als auch Ort
erforderlich, es kann aber auch ein einzelner Interpolationsfaktor
für jede
Messung verwendet werden.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
sind Hoch- und Niedrigenergiedetektorelemente in jeder Zeile und
in jeder Spalte angeordnet, so dass Hoch- und Niedrigenergiedetektorelemente
andere ähnliche
Detektorelemente nur an den Ecken berühren.
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Insbesondere
der Dualenergiedetektor weist erste Niedrigenergiedetektorelemente
auf, die einfallende Niedrigenergiephotonen detektieren, jedes über einer
vorbestimmten Detektorfläche,
sowie Hochenergiedetektorelemente, die einfallende Hochenergiephotonen
jeweils über
einer vorbestimmten Fläche
detektieren, wobei die Hoch- und Niedrigenergiedetektorelemente
in zumindest einer Zeile aus abwechselnden Hoch- und Niedrigenergiedetektorelementen
angeordnet sind. Der Detektor kann eine Scan-Anordnung umfassen,
die den Detektor orthogonal zu den Zeilen bewegt. Die Spalten können auch
so angeordnet werden, dass Hoch- und Niedrigenergiedetektorelemente
abwechselnd angeordnet sind.
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Somit
kann die vorliegende Erfindung in einer oder mehreren Ausführungsformen
die Vorteile eines Seite-an-Seite angeordneten Strahlungsdetektors
mit reduzierter Wahrscheinlichkeit von Bewegungsartefakten und von
Randartefakten bereitstellen. Randartefakte sind solche, die durch
eine räumliche
Interpolation bewirkt werden, worin das abgebildete Material sich
abrupt ändert,
wodurch eine räumliche
Interpolation ungenau wird.
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Bewegungsartefakte
werden reduziert, indem die Interpolation auf einen gemeinsamen
Zeitpunkt der Messungen, die an verschiedenen räumlichen Positionen vorgenommen
werden, ermöglicht wird.
Diese Interpolation wird durch die obige Staffelung der Hoch- und
Niedrigenergiedetektorelemente zugelassen.
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Randartefakte
werden durch die gestaffelte Spaltenkonstruktion reduziert, welche
Dreipunktinterpolaton ermöglicht
und welche sicherstellt, dass zumindest eine Detektorart der Interpolation
genau dieselbe Position wie die komplementäre Detektorart aufweist.
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In den Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Instruments zur Verwendung in
der vorliegenden Erfindung, die eine erste Ausführungsform veranschaulicht,
welche einen schmal gebündelten
Strahl und einen Raster-Scan verwendet, sowie eine zweite Ausführungsform,
die einen Fächerstrahl
und einen linearen Scan einsetzt;
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Instruments zur Verwendung in
der vorliegenden Erfindung, die eine zweite Ausführungsform veranschaulicht,
in welcher der Patient in einer stehenden Position gescannt wird;
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3 ist
eine Darstellung einer Vorder-hinter-Ansicht eines Oberschenkelknochens,
welche die Bestimmung der Achse des Oberschenkelknochens und die
Identifizierung der Justierpunkte an den proximalen und distalen
Enden veranschaulicht;
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4 ist
eine Vorder-Hinter-Ansicht der Schnittfläche zwischen dem Oberschenkelknochenkopf
und der Hüftgelenkspfanne,
welche die Anordnung der Schnittlinien veranschaulicht, um den Gelenksabstand
wie mit einem Diagramm, das die Änderungsrate
in einer Röntgenstrahlenabschwächung entlang
der für
die Berechnung des Gelenkabstands verwendeten einen Schnittlinie
darstellt, zu bestimmen;
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5 ist
ein Flussdiagramm, welches das Verfahren der vorliegenden Erfindung
bei der Messung von Schenkellänge
und Gelenksabstand veranschaulicht;
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6 ist
eine ähnliche
Figur wie 1, welche die Anordnung einer
Filmkassette unter dem Patiententisch veranschaulicht, wodurch gleichzeitig
ein digitales Abbild der Dualenergiedichte und ein analoges radiographisches
Bild mithilfe eines Scan-Fächerstrahls
erzeugt werden;
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7 ist ein vereinfachter Aufriss entlang der
Linie 18-18 der 6, der die Position der radiographischen
Filmkassette zwischen dem Dualenergiedetektor und dem Patienten
während
des Scannens veranschaulicht;
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8 ist
eine AP-Ansicht in strichliierten Linien der Hüftregion eines Patienten, die
ein Scan-Muster veranschaulicht, das durch die vorliegende Erfindung
für die
proximalen Abschnitte des linken und rechten Oberschenkelknochens
erzeugt wird;
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9 ist
ein Flussdiagramm, das die Schritte der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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Densitometrie-Hardware
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In 1 ist
eine vereinfachte schematische Abbildung einer digitalen Röntgenstrahlenvorrichtung
auf Röntgenstrahlenbasis 10 von
dem Typ dargestellt, der in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschrieben ist. Die digitale Röntgenstrahlenvorrichtung 10 umfasst
eine Dualenergie-Röntgenstrahlen-Strahlungsquelle 12 und
einen Detektor 13, wobei beide auf einem drehbaren C-Arm 14 montiert
sind, der sich auf jeder Seite eines Patienten in Rückenlage 16 erstreckt,
um so die Strahlung entlang einer Strahlungsachse 24 durch den
Patienten 16 zu lenken und zu empfangen. Der C-Arm 14 ist
so ausgebildet, dass er in einer vertikalen Ebene gedreht werden
kann, wie dies durch die Pfeile 9 verdeutlicht ist, da
er durch einen Kragen 15 getragen wird, um auf diese Weise
eine Vorder-Hinter-("AP")-Ansicht des Rückgrats
oder anderer Knochen oder eine Seitenansicht derselben zu ermögli chen.
Der C-Arm 14 kann auch in die Längsrichtung entlang des Körpers des
Patienten in eine Scan-Richtung 19 bewegt werden, und er
kann auch durch Steuerung mit Servomotoren, wie dies in der Technik
verständlich
ist, positioniert werden.
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Die
digitale Röntgenstrahlenvorrichtung 10 der
bevorzugten Ausführungsform
ist imstande, von einem Dualenergie-Röntgenstrahlen- zu einem Einzelenergie-Röntgenstrahlenmodus
zu schalten. "Einzelenergie-Röntgenstrahlung" bezieht sich auf
ionisierende Strahlung bei einem engen Energieband von einigen keV
im Bereich der diagnostischen Abbildung (20-100 keV). "Dualenergie-Röntgenstrahlung" oder "polychromatische
Röntgenstrahlung" bezieht sich auf
Strahlung bei zwei oder mehr Energiebändern, die gleichzeitig oder
in schneller Abfolge emittiert werden, oder auf eine einzelne Breitbandenergie von
mehr als einigen keV über
den diagnostischen Abbildungsbereich.
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Das
Umschalten von Dualenergie zu Einzelenergie kann entweder dadurch
erfolgen, dass dabei die Quelle betroffen ist, so etwa durch das
Entfernen oder Zugeben eines K-Kanten-Filters, oder durch das Steuern
der Energieumschaltung, d.h. das Wechseln zwischen hoher und niedriger
Röntgenstrahlenröhrenspannung,
oder dass dabei der Detektor betroffen ist, so etwa indem nur ein
Energiewert während
einer bestimmten Studie ausgewählt
wird, oder durch eine Kombination von Quelle und Detektor.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
wird ein Dualenergie-Röntgenstrahl
zur Messung von Knochencharakteristiken (z.B. BMC und BMD) verwendet,
während
ein Einzelenergie-Röntgenstrahl
für automatisierte
morphometrische Messungen eingesetzt wird. Es wurde bestimmt, dass
der Einzelenergiestrahl eine höhere
Genauigkeit (d.h. höhere
Datendichte pro Pixel) im resultierenden Scan liefert als ein Dualenergiesystem.
Die neuen Merkmale der Erfindung können aber auch mit den Merkmalen
von Densitometern auf reiner Dualenergie-Röntgenstrahlenbasis kombiniert
werden, um die Messung der Knochendichte des Individuums zu erlauben.
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Die
digitale Röntgenstrahlenvorrichtung 10 der
bevorzugten Ausführungsform
ist auch dazu imstande, zwischen einem Fächerstrahl 23 aus
Röntgenstrahlen,
der gebündelt
und zu den Wirbeln hin ausgerichtet ist, so dass die Ebene des Fächerstrahls 23 orthogonal
zur Längsachse
der Wirbelsäule
liegt, oder einem gebündelten
Strahl, der im Wesentlichen der mittigste Strahl nur des Fächerstrahls 23 entlang der
Strahlungsachse 24 ist, auszuwählen. Wird die Konfiguration
des Fächerstrahls
gewählt,
so ist der Detektor 13 eine lineare Anordnung von Detektorelementen,
die den Fächerstrahl 23 schneiden,
um auf diese Weise gleichzeitige Messungen entlang einer Anzahl
von Strahlen des Fächerstrahls 23 bereitzustellen,
die mit jedem solchen Detektorelement assoziiert sind. Wird die
Konfiguration des gebündelten Strahls
angenommen, so wird nur eine begrenzte Anzahl von Detektorelementen 13' verwendet,
und die Messung erfolgt nur entlang des einzelnen Strahls des gebündelten
Strahls. Es kann auch ein Kegelstrahl (in 1 nicht
dargestellt) verwendet werden, wobei in diesem Fall der Detektor 13 eine
Matrix aus Zeilen und Spalten von Detektorelementen ist, die die Fläche des
Fächerstrahls 23 gegenüber dem
Patienten 16 bedecken.
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Der
Fächerstrahl 23 wird
bei Verwendung entlang der Längsachse
des Rückgrats
oder in eine Scan-Richtung 19 gescannt. Die Verwendung
eines engen Fächerstrahls 23,
der orthogonal zur Wirbelsäule
verläuft,
ermöglicht
die Abbildung der Wirbelsäule
oder anderer langer Knochen, die im Allgemeinen mit dem Rückgrat ausgerichtet
sind, so etwa der Oberschenkelknochen, wobei es nur eine minimale Verzerrung
entlang der Längsachse
gibt, was dazu führt,
dass die Dimensionen der Wirbel in dieser Achse mit größerer Genauigkeit
gemessen werden können,
als dies mit einem Kegelstrahl der Fall ist. Für eine größere Genauigkeit in der horizontalen
Achse kann der Fächerstrahl 23 auch
so ausgerichtet sein, dass der Wirbelkörper oder ein anderer Knochen durch
den Mittelabschnitt des Strahls und nicht nur die Ränder, an
welchen es zu einer Verzerrung kommt, bestrahlt wird. Da die Mitte
eines Fächerstrahls 23 nur
geringe Winkelstellung zeigt, sind die resultierenden Daten mit
jenen vergleichbar, die mithilfe eines gebündelten Strahls erzielt werden
können,
und dennoch ist in diesem Fall ein Scan viel schneller erhältlich.
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Alternativ
dazu wird, wenn der gebündelte Strahl
verwendet wird, ein Raster-Scan 17 der Seitenansicht des
Wirbelkörpers
vorgenommen. Der Raster-Scan bewegt die Strahlungsachse in der Vorder-Hinter-Richtung
entlang aufeinanderfolgender Scan-Linien, die in der Längsrichtung getrennt sind, nach
vor und zurück,
so dass sich die Strahlungsachse im Allgemeinen entlang der Scan-Richtung 19 bewegt.
Der Raster-Scan 17 resultiert
in einer langsameren Datenerfassung, liefert aber auch die geringste
Parallaxen-Verzerrung.
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Wird
ein Kegelstrahl verwendet, so muss die digitale Ausgabe reformatiert
werden, um die Strahlenausrichtung zu kompensieren, um auf diese
Weise eine genauere Dimensionsmessung zu ermöglichen. Die Kegelstrahlerfassung
kann an diskreten stationären
Positionen durchgeführt
werden, oder sie kann kontinuierlich erfasst werden, wenn die Strahlungsachse 24 entlang
der Scan-Richtung 19 gescannt wird.
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Der
drehbare C-Arm 14, der die Strahlungsquelle 12 und
den Detektor 13 trägt,
ist mit einem digitalen Universalrechner 18 verbunden und
wird von diesem gesteuert, der spezifisch zur Verwendung für den Betrieb
der digitalen Röntgenstrahlenvorrichtung 10 und
für die
Analyse der Daten programmiert ist und spezialisierte Algorithmen
umfasst, um die für
die vorliegende Erfindung erforderlichen Berechnungen durchführen zu
können.
Zusätzlich
dazu umfasst die vorliegende Erfindung ein Datenerfassungssystem ("DAS") sowie eine Datenspeichervorrichtung
(die beide nicht dargestellt sind) und kann im Computer 18 und
einer Anzeige 22 für
die Ausgabe der Datenanalyse umfasst sein.
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Mit
Bezug nun auf 2 verbleibt in einer zweiten
Ausführungsform
der digitalen Röntgenstrahlenvorrichtung 10' der Patient
in einer stehenden Position, wobei die Hände eine horizontale Greifstange 21 ergreifen,
die sich über
dem Kopf des Patienten befindet. Die Greifstange 21 dient
dazu, den Patienten zwischen der Quelle 12 und dem Detektor 13 zu
positionieren und zu stabilisieren. In dieser Ausführungsform
drehen sich die Quelle 12 und der Detektor 13 um
eine vertikale Achse, und der C-Arm 14,
auf welchem sie montiert sind, dreht sich in einer horizontalen
Ebene, wie dies durch die Pfeile 9' dargestellt ist.
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Der
C-Arm 19 kann vertikal entlang des Körpers des Patienten bewegt
werden, wie dies durch die Scan-Richtung 19' veranschaulicht ist, und er kann
in eine horizontale Ebene übersetzt
werden, wie dies durch den Pfeil 33 verdeutlicht ist, um
vollständige
Flexibilität
zu liefern, damit sich dadurch die Scans des Patienten 16 für Studien überlappen
können,
die einen breiteren Pfad umfassen als jene, die durch den Detektor 13 geschnitten
werden. In anderer Hinsicht wird die vertikal ausgerichtete digitale
Röntgenstrahlenvorrichtung 10' analog zu ihrem
in 1 dargestellten horizontalen Gegenstück betrieben.
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Es
kann eine einzelne digitale Röntgenstrahlenvorrichtung 10 günstigerweise
sowohl für
Studien eines stehenden oder sich in liegender Position befindenden
Patienten 16 verwendet werden, indem in der Trägerstruktur
der digitalen Röntgenstrahlenvorrichtung 10 ein
Drehgelenk (nicht dargestellt) aufgenommen ist, so dass diese von
der vertikalen Position der 2 in die
horizontale Position der 1 schwingen kann, um somit unterschiedliche
Arten von Studien zu ermöglichen.
Es ist für
Fachleute auf dem Gebiet der Technik nur verständlich, dass die anderen Komponenten
der Vorrichtungen in den 1 und 2 in beiden
Maschinen gleich sind und dass diese schwingende/drehende Konfiguration
eine flexible, kosteneffektive Einzelmaschine bereitstellen kann.
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Im
Allgemeinen bedeutet dies, dass die Strahlungsquelle 12 Strahlung
eines gewissen Energiewerts oder Energiewerten entlang der Strahlungsachse 24 an
definierten Positionen entlang des Scans emittiert. Die Strahlung
geht durch die Wirbel 20, die gescannt werden, hindurch
und wird danach vom Detektor 13 empfangen. Die analoge
Ausgabe des Detektors 13 wird gesammelt und digitalisiert,
um auf diese Weise ein Signal, das aus diskreten Datenelementen
besteht, mithilfe eines Datenerfassungssystems ("DAS")
zu erzeugen, welches danach die digitalisierten Daten an den Computer 18 übertragen kann,
der die Daten im Computerspeicher (nicht dargestellt) oder auf einer
Massenspeichervorrichtung speichert.
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Filmkassette
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Mit
Bezug auf die 6 und 7(a) und 7(b) besteht der Tisch 26 aus mit Epoxy
imprägnierter
Kohlefaser, die über
einem Schaumplastikkern oder einem ähnlichen Material, das eine
extrem leichte Struktur liefert, die im Allgemeinen strahlungsdurchlässig und
steif ist, laminiert ist. Es ist wichtig, dass der Tisch 26 eine
extrem gleichmäßige Abschwächung bereitstellt,
so dass auf diese Weise die Einführung
von Artefakten in ein radiographes Bild, das durch den Tisch, insbesondere
dabei in die vertikale oder Vorder-Hinter-Richtung, aufgenommen wird,
verhindert wird.
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Eine
Filmkassette 25 ist auf der Unterseite des Tisches 26 montiert,
um einen radiographischen Film 27 in einer im Allgemeinen
horizontalen Ebene zu halten. Die Kassette 25 ist mithilfe
von strahlungsdurchlässigen
Haltelaschen 29 befestigt, die erlauben, dass die Kassette 25 sowohl
leicht am Tisch 26 befestigt als auch vom Tisch 26 entfernt
werden kann, um zur Dunkelkammer getragen zu werden, um dort den
Film 27 zu entfernen, so dass dieser Film 27 dort
entwickelt werden kann. Um der Bodenfläche des Tisches 26,
die nach unten hin konvex ist, zu entsprechen, ist die Kassette 25 einer
Box mit einer zylindrisch konkaven oberen Oberseite ähnlich,
die genau in den Tisch 26 eingepasst werden kann. Indem eine
Verschiebung der Kassette weg vom Tisch 26 reduziert wird,
wird ein größerer Abstand
zwischen der Kassette 25 und dem Detektor 13 bereitgestellt.
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Der
Film 27 ist, wenn er innerhalb der Kassette 25 positioniert
ist, in einem strahlungsdurchlässigen
aber lichtundurchlässigen
Außengehäuse eingefasst,
das ermöglicht,
dass mit dem Film 27 bei normalem Raumlicht hantiert werden
kann. Vorzugsweise bestehen die Wände der Kassette 25 aus
einem dünnen
Aluminium, um einen undurchlässigen und
haltbaren Einschluss bereitzustellen, der die Abschwächung der
durch die Kassette 25 hindurchgehenden Röntgenstrahlen
minimiert. Es ist wichtig, dass die gesamte Kassette 25 so
konstruiert ist, dass sie sowohl minimale als auch gleichmäßige Abschwächung der
Röntgenstrahlen,
die durch den Patienten und den Tisch 26 hindurchgehen,
liefert, so dass der Strahl, der aus der Kassette 25 austritt,
mithilfe des Detektors 13 weiter detektiert werden kann. Auf
diese Weise um fasst die Kassette 25 keine strahlenanhaltende
Struktur auf ihrer Unterwand, wie sie in einigen kommerziellen Röntgenstrahlenkassetten vorhanden
sein kann.
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Ein
herkömmliches
Röntgenstrahlengitter 31 kann über dem
Film 27 positioniert werden, um den Kontrast dadurch zu
verbessern, dass die Streuung, wie sie in der Technik allgemein
bekannt ist, reduziert wird. Ein solches Gitter kann Lamellen (nicht
dargestellt) aufweisen, die abgeschrägt sind, um dem allgemeinen
Winkel der Strahlen des Fächerstrahls 23 von
der Quelle 12 folgen.
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Nachdem
der Fächerstrahl 23 durch
die Kassette 25 hindurchgegangen ist, wird er vom Detektor 13,
der eine am C-Arm 14 befestigte Röntgenstrahlen absorbierende
Bremsplatte 35 umfasst, aufgenommen. Die Bremsplatte 35 stellt,
wenn der C-Arm 14 in der Vorder-Hinter-Richtung ausgerichtet
ist, eine im Allgemeinen horizontale Ebene dar. Auf der Oberseite
der Bremsplatte 35, zum Patienten hin gerichtet, befinden
sich Niedrig- und Hochenergie-Detektorelemente 37(a) und 37(b),
die Teile der linearen Ausrichtung des Detektors bilden und gemeinsam
die Dicke des Fächerstrahls 23 schneiden.
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Ist
der Fächerstrahl 23 polyenergetisch,
so kann die Unterscheidung zwischen Hoch- und Niedrigenergieabschwächung der
Röntgenstrahlen
durch den Patienten durch den Detektor 13 erfolgen, welcher
die lineare Seite-an-Seite-Anordnung der Detektoren veranschaulicht.
Die Detektorelemente 37(a) sind selektiv gegenüber niedrigen
Energiepegeln und die Detektorelemente 37(b) selektiv gegenüber hohen
Energiepegeln empfindlich. In diesem Fall bildet während des
Scans entlang der Scan-Richtung 19 jede
Anordnung der Detektorelemente 37(a) und 37(b) entweder
ein Niedrig- oder Hochenergiebild, und diese zwei Bilder werden
ausgerichtet und mathematisch kombiniert, um die notwendige Information über die
Knochendichte entsprechend der in der Technik bekannten mathematischen
Algorithmen zu erzeugen.
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Ein
in 7(b) dargestelltes alternatives
Design kann ein Detektor in gestapelter Anordnung sein, wie dies
durch den Detektor 13' veranschaulicht wird.
In dieser Anordnung sind die Elemente 37(a)' und 37(b)' gegenüber Niedrig- bzw. Hochenergie spektren
empfindlich. Ein besonderer Vorteil des Detektors mit gestapelter
Anordnung liegt darin, dass dieser leicht eine multilineare Anordnung
oder ein Flächendetektor-Design
aufnehmen kann. Solche gestapelten Detektoren sind in Barnes, US-Patente Nr. 4.626.688
und 5.138.167, beschrieben und beansprucht.
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Während des
Scannens des polyenergetischen Röntgenstrahlen-Fächerstrahls 23 über den Patienten
wird auch der Röntgenstrahlenfilm 27 fortschreitend über seiner
Oberfläche
durch den gleichmäßigen und
stark gebündelten
Fächerstrahl 23 belichtet.
Die Bündelung
des Fächerstrahls 23 reduziert die
Streuung und liefert eine genaue Definition der Wirbelränder 20.
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Im
Allgemeinen werden die Hochenergie-Röntgenstrahlen, die den Niedrigenergie-Strahlungsdetektor 37(a) treffen,
und die Niedrigenergie-Röntgenstrahlen,
die den Hochenergie-Detektor 37(b) treffen, zurückgeworfen
und bilden keinen zweckdienlichen Teil des Knochendichtebildes. Nichtsdestotrotz
belichten alle diese Strahlen den Film 27 und werden somit
in der Filmabbildung zur Gänze
verwendet. Es ist wichtig, dass bei der vorliegende Erfindung erkannt
wurde, dass in Anbetracht der Quantenwirkungsgrade des Detektors 13 und des
Films 27 die Zwischenstellung von Film 27 und Kassette 25 die
Belichtungszeit, die erforderlich ist, um das Bild der Knochendichte
zu erfassen, nicht beträchtlich
erhöht,
und dass auf diese Weise der Film die Abbildungsinformation, die
für eine
bestimmte Dosis für
den Patienten während
eines Knochendichte-Scans erfasst werden kann, erhöht.
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Ist
der Scan abgeschlossen, werden die vom Detektor 13 bereitgestellten
Signale in einem Bild auf dem Computer 18 rekonstruiert,
und die Kassette 25 wird entfernt, so dass der Film 27 entwickelt
werden kann. Da der Film 27 gleichzeitig mit der Datensammlung
durch den Detektor 13 belichtet wird, kann das Filmbild
dazu verwendet werden, den Betrieb des Scanners und die Positionierung
des Patienten zu bestätigen.
Anders als das aus den Daten vom Detektor 13 gewonnene
Knochendichtebild besitzt das Filmbild ein breites Spektrum und
entspricht in Hinblick auf Kontrast und Auflösung sehr gut den Eigenschaften
eines herkömmlichen
Röntgenbilds. Aus
diesem Grund könnte
das Filmbild von gelernten Röntgenärzten für gewisse
Diagnosen bevorzugt werden. Insbesondere ist anzumerken, dass, da
der Detektor 13 notwendigerweise einen Niedrigenergiebereich
detektiert, selbst ein simuliertes Breitspektralbild, das aus den
Daten vom Detektor 13 erzeugt wird, nicht mit dem Bild
auf dem Film 27 identisch ist.
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Der
Film kann auch für
Archivzwecke verwendet werden, wobei sich hier der Bedarf für einen teuren
Filmdrucker zur Erzeugung der Archivbilder erübrigt. Auch kann das Filmbild
für morphometrische
Messungen verwendet werden, in welchen der Arzt relevante Dimensionen
direkt auf dem Film, der gewöhnlich
auf einem Lichttisch beleuchtet wird, vermisst.
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Die
oben beschriebene Erfindung des Kombinierens einer Filmkassette
mit einem Festzustand-Dualenergie unterscheidenden Detektor unterliegt
vielen Modifikationen und Variationen, die für Fachleute auf dem Gebiet
der Technik offensichtlich werden, am allerwenigsten dabei die Substitution
einer Computer erzeugten Radiographie oder einer stimulierbaren
Phosphorplatte, wie sie für
den Film von Fuji entwickelt wurde. Demgemäß ist es ein Ziel, dass die
hierin illustrierte Ausführungsform
alle solche modifizierten Formen umfasst, die innerhalb des Schutzumfangs
der Ansprüche
liegen, wie dies durch die Beschreibung und die Zeichnungen interpretiert ist.
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Dual-Oberschenkelknochen-Studien
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Obwohl
zu erwarten wäre,
dass die Knochendichte in zwei Oberschenkelknochen eines Individuums
sehr ähnlich
ist, und da sie tatsächlich
hoch korrelieren, wurde durch einige Forscher bewiesen, dass die
Abweichung zwischen den Oberschenkelknochen groß ist. Normalerweise gibt es
eine fünf- bis
zehnprozentige Standardfehlerschätzung
mit fallweise Unterschieden von bis zu 20 Prozent zwischen den Seiten.
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In
Anbetracht des großen
möglichen
Seitenunterschieds in der Oberschenkel-BMD ist erwünscht, dass
beide Seiten (a) gemessen werden, um eine Schätzung jenes Oberschenkels mit
dem größten Bruchrisiko
sicherzustellen, (b) dass der Genauigkeitsfehler der Schätzung reduziert
wird und dass (c) ein Oberschenkelknochen mit dem anderen verglichen
wird. Idealerweise sollten, wenn die klinische Betreuung eines Patienten
ihren Anfang nimmt, die Basislinienmessungen beider Oberschenkelknochen
genommen und die schwächste
davon identifiziert werden. Nachfolgende Messungen könnten auf allein
diesem Oberschenkelknochen durchgeführt werden, oder es können vorzugsweise
linke und rechte Messungen fortgesetzt werden, um einen kleineren
Genauigkeitsfehler und eine verlässlichere Schätzung der
Knochendichteänderung
zuzulassen. Diese würde
auch dem Arzt ermöglichen
sicherzustellen, dass beide Oberschenkelknochen gleich auf eine
therapeutische Anwendung zum Anhalten des Knochenverlusts reagieren.
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Es
kann sehr schwierig und zeitraubend sein, genaue Messungen sowohl
des linken als auch des rechten Oberschenkelknochens vorzunehmen. Bei
einigen Knochendensitometern muss ein vorheriger Scan zur Visualisierung
dieses Oberschenkelknochens durchgeführt werden, um vor der Durchführung der
densitometrischen Bestimmung eine richtige Positionierung des Oberschenkelknochens zu
gewährleisten.
Für die
Messung der beiden Oberschenkelknochen sind somit zwei Lokalisierungs-Scans zusätzlich zu
den zwei Densitometer-Scans erforderlich. Damit der Oberschenkelknochenhals
sich etwa entlang der Bildebene erstreckt, muss der Patient so positioniert
sein, dass der Fuß derart
nach innen gedreht ist, dass die normale Anteversion des Oberschenkelknochens
beseitigt werden kann. Werden beiden Oberschenkelknochen getrennt
voneinander gescannt, so ist eine getrennte Positionierung jedes
Oberschenkelknochens für
jeden Scan wie auch eine getrennte Drehung des Fußes nach
innen erforderlich. Weiters ist zusätzliche Technikerzeit erforderlich,
um jeden des linken und rechten Oberschenkelknochens zu lokalisieren
und die Strahlungsachse mit Bezug auf den Oberschenkelknochen für den Scan
zu positionieren. Sollen aussagekräftige Vergleiche der zwei Messungen
angestellt werden können,
so hat die Positionierung so zu erfolgen, dass dieselbe Region von
Interesse, d.h. derselbe Teil des Oberschenkelknochens, gemessen wird.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein automatisiertes System zur Messung
von sowohl linkem als auch rechtem Oberschenkelknochen nach Erstlokalisierung
der Bestimmung auf einem Oberschenkelknochen bereit. Nachdem eine
erste Bestimmung z.B. des linken Oberschenkelknochens durchgeführt ist,
wird die Erstlokalisierungsinformation unter Steuerung eines Computerprogramms
verwendet, um bei der Lokalisierung des gegenüberliegenden Oberschenkelknochens
zu helfen. Es kann vorprogrammierte Information über anatomische Standardabstände zusätzlich dazu
verwendet werden, um eine Schätzung
der Scan-Position für
den gegenüberliegenden
Oberschenkelknochen zu liefern. Die Strahlungsachse des Scanners
wird daraufhin automatisch nahe des gegenüberliegenden Oberschenkelknochens
positioniert, gewöhnlich
in einer Position zwischen dem ersten und dem zweiten Oberschenkelknochen.
Es wird eine erste Scan-Linie genommen, um die Positionierung für den zweiten
Oberschenkelknochen zu bestätigen
und um die Positionierung bei Bedarf zu korrigieren. Die Korrektur
kann durch eine Bedienperson vorgenommen werden, oder sie kann zur
Gänze automatisiert
unter Computersteuerung ablaufen. Es wird danach ein Scan erfasst,
und die Justierpunkte des Oberschenkelknochens werden identifiziert
und dazu verwendet, um eine Bestätigung
dafür zu
erhalten, dass die Region von Interesse, über welcher die Messung vorgenommen
wurde, der Region von Interesse entspricht, die für den ersten
Oberschenkelknochen verwendet wurde.
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Alternativ
dazu stellt die vorliegende Erfindung ein automatisiertes System
zur Messung von sowohl linkem als auch rechtem Oberschenkelknochen
nach einem Erstlokalisierungs-Scan der beiden Oberschenkelknochen
bereit. Ein schneller, niedrigdosierter Scan über den Bereich von Interesse
stellt Erstlokalisierungsinformation über die beiden Oberschenkelknochen
bereit, die dazu verwendet wird, unter Steuerung eines Computerprogramms,
jeden Oberschenkelknochen für
die Densitometro-Scans zu
lokalisieren.
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Somit
ist es ein Ziel der Erfindung, die für die manuelle Positionierung
der Strahlungsachse bei der Erfassung von Dual-Oberschenkelknochen-Scans erforderliche
Zeit zu minimieren und eine genaue Anordnung der Regionen von Interesse
sicherzustellen.
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Ein
zweites Ziel der Erfindung besteht darin, einen speziellen Beinpositionierer
bereitzustellen, um die Zehen beider Füße des Patienten nach innen gerichtet
zu hal ten, um auf diese Weise die Oberschenkefknochenhälse in etwa
einer horizontalen Ebene zu erstrecken. Technisch gesprochen bedeutet
dies, dass dabei die normale Anteversion der Oberschenkelknochen
beseitigt wird.
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Somit
ist es ein weiteres Ziel der Erfindung, den Bedarf an Repositionierung
des Patienten zwischen den Scans des linken und des rechten Oberschenkelknochens
zu eliminieren.
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Mit
Bezug nun auf die 6 kann die digitale Röntgenstrahlenvorrichtung 10,
wie sie zuvor beschrieben wurde, so positioniert werden, dass sich die
Strahlungsachse 24 vertikal durch den Tisch 26 erstreckt,
während
der Patient mit dem Gesicht nach oben auf der horizontalen Tischoberfläche liegt.
Wie bereits ausgeführt
wurde, kann der Patient sich auch in einer aufrechten Position befinden,
wenn die Oberschenkelknochen gescannt werden, wie dies in der alternativen
Ausführungsform
der 2 dargestellt ist. In den bevorzugten Ausführungsformen
wird entweder ein gebündelter
Strahl oder ein kleiner Strahlungsdetektor verwendet, oder es wird
ein Strahlungsfächerstrahl
mit einer linearen Detektoranordnung verwendet (wie in den 3 bis 5).
Der Detektor oder die Detektoranordnung kann einen Kombinationsszintillator,
eine Photodiode oder einen anderen Photosensor, wie beschrieben,
verwenden, oder er/sie kann aus einem Material gefertigt sein, das
Röntgenstrahlen
direkt in ein elektrisches Signal umwandelt, wie dies in der Technik
allgemein bekannt ist.
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Die
Strahlungsquelle 12 kann eine Röntgenstrahlenröhre oder
ein Radioisotop sein, wie dies allgemein zu verstehen ist, und im
Fall einer Röntgenstrahlenröhre können dadurch
Computer-gesteuerte Einstellungen des Röhrenstroms möglich sein,
wodurch die Fluenz der durch die Röntgenstrahlenquelle 12 als
eine Funktion der Absorption durch den Patienten 16, wie
dies durch den Detektor 13 bestimmt ist, erzeugten Strahlung
gesteuert werden kann.
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Die
Strahlungsachse 24 kann unter Computersteuerung positioniert
werden, so dass sie frei entlang einer Ober-/Unterachse und einer
Mittel-/Seitenachse des Patienten mithilfe von Motoren und gekoppelten
Positionssensoren entsprechend den in der Technik bekannten Techniken
und wie oben beschrieben bewegt werden kann.
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Mit
Bezug nun auf die 6, 8 und 9 kann
der Computer ein Programm 330 ausführen, das in einem ersten Prozessblock 332 die
Eingabe von Patientendaten, einschließlich dabei Größe und Gewicht
des Patienten, mithilfe der Tastatur des in 6 dargestellten
Computers zulässt.
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In
einem nachfolgenden Prozessblock 334 kann eine Bedienperson
die Strahlungsachse am in 8 dargestellten
Punkt 336 mithilfe von Befehlen positionieren, die in den
Computer 18 oder in eine an den Computer 18 angeschlossenen
Tastatur (nicht dargestellt) eingegeben werden, wodurch die Maschinenkomponenten
gesteuert oder manuell bewegt werden. Der Punkt 336 befindet
sich medial zum langen Schaft des linken Oberschenkelknochens des Patienten
leicht unterhalb des Oberschenkelhalses.
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Wurde
die Strahlungsachse 24 derart positioniert, so wird, wie
dies durch den Prozessblock 336 verdeutlicht wird, ein
vorbestimmter Raster-Scan 338 des oberen Abschnitts des
Oberschenkelknochens vorgenommen, wobei die Strahlungsachse 24 dem Raster-Scan 338 folgt,
zu Beginn über
den Schaft des Oberschenkelknochens von medial zu lateral und danach
in kleinen Schritten in eine obere Richtung und danach in die umgekehrte
Richtung von lateral zu medial, wobei dieser Vorgang auf diese Weise über der
gesamten Fläche
des oberen Oberschenkelknochens fortgesetzt wird, bis der Punkt 340 erreicht
wird. Der Punkt 340 befindet sich oberhalb des am weitesten
ausgestreckten Oberschenkelknochens 134 und medial zu diesem.
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In
einem nachfolgenden Prozessblock 342 werden metrische Daten
aus dem Scan unter Zuhilfenahme der obig beschriebenen Techniken
mit Bezug auf die obigen 3 und 4 extrahiert,
und es wird ein Bereich von Interesse identifiziert, in welchem
Daten bezüglich
Knochendichte und Masse evaluiert werden können. Der Bereich von Interesse kann
sich z.B. in Bezug auf einen identifizierten Punkt auf dem Oberschenkelknochen 134 befinden,
so etwa als das mediale Epicondylus, und sie kann das Ward'sche Dreieck, den
Oberschenkelhals, den Schaft des Oberschenkelknochens und den Trochanter
umfassen.
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In
einem nachfolgenden Prozessblock 334 wird ein Punkt 346,
der das Spiegelbild des Punkts 336 um die Mittelachse des
Patienten ist und sich somit medial unterhalb des oberen Abschnitts
des rechten Oberschenkelknochens 134' befindet, basierend auf einem
Standard-Anatomiemodell (Beckenbreite) oder jenen Abmessungen, die
durch eine mit der Informationseingabe über Größe und Gewicht des Patienten
im Prozessblock 332 skaliert und dadurch modifiziert sind,
identifiziert. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die identifizierte
Metrik des Prozessblocks 342, welche die Größe des linken
Oberschenkelknochens 134 bestätigt, einen Maßstab für einen Satz
von standardisierten Hüftdimensionen
liefern.
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Wurde
die Strahlungsachse 24 in die Position 346 bewegt,
was ohne Intervention durch die Bedienperson erfolgen kann, so wird
der rechte Oberschenkelknochen 134' gescannt, wie dies durch den Prozessblock 348 unter
Vervendung des Rasters 338' dargestellt
ist, der ein Spiegelbild des Rasters 338 ist.
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Anfänglich wird
eine einzelne Scan-Linie 350, die sich medial bis lateral über den
Schaft des rechten Oberschenkelknochens 134' erstreckt, erstellt, und es werden
die Knochenränder
detektiert, um die axiale Ausrichtung des Scans mit dem Oberschenkelknochen 134' zu bestätigen. Zu
diesem Zeitpunkt können
noch zusätzliche
Korrekturen zur Lokalisierung des Rastermusters 338' gemacht werden, wie
dies durch den Prozessblock 352 angezeigt wird, um auf
diese Weise dieselbe relative Fläche
des Oberschenkelknochens 134' abzudecken,
wie der Oberschenkelknochen 134 durch den Raster 338 bedeckt
war.
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Zum
Abschluss des Raster-Scans 338' können im Prozessblock 354 Daten
für den
linken und den rechten Oberschenkelknochen mithilfe von obig beschriebenen
Techniken berechnet und an die Bedienperson entweder als einzelne
Ablesungen für
den linken und rechten Oberschenkelknochen, als Vergleiche zwischen
linkem und rech tem Oberschenkelknochen oder als Mittelwerte der
Daten für
den linken und rechten Oberschenkelknochen ausgegeben werden.
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Alternativ
dazu ist anzumerken, dass die obig beschriebene und in den 8 und 9 dargestellte
Erfindung dadurch ausgeführt
werden kann, dass zuerst die Strahlungsachse am rechten Oberschenkelknochen 134' im Prozessblock 334 positioniert
wird. Danach werden die übrigen
Prozesse der 9 zuerst mit dem rechten Oberschenkelknochen 134' und anschließend mit
dem linken Oberschenkelknochen 134 durchgeführt.
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In
noch einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung positioniert die Bedienperson im Prozessblock 334 die
Strahlungsachse am linken oder rechten Oberschenkelknochen und führt einen schnellen,
niedrig-dosierten Raster-Scan aus, um die Position der beiden Oberschenkelknochen
zu bestimmen. Danach wird entsprechend der aus dem ersten Scan abgeleiteten
Positionen jeder Oberschenkelknochen 134, 134' nacheinander
gescannt, um Messungen zur Knochendichte zu erhalten.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann der Scan der Oberschenkelknochen auch mit einer Strahlung im
Fächerstrahl
und einem Detektor mit linearer Anordnung erfolgen. Der Fächerstrahl
und die lineare Anordnung können
parallel zur Längsachse des
Patienten angeordnet sein, so dass die Scan-Bestimmung den Oberschenkelknochen
schneidet. Es ist auch möglich,
dass der Fächerstrahl
orthogonal auf die Längsachse
des Patienten ausgerichtet ist, so dass die Scan-Bestimmung entlang
der Längsachse des
Oberschenkelknochens erfolgt. In beiden dieser alternativen Ausführungsformen
basiert die Lokalisierung der Bestimmung auf dem zweiten Oberschenkelknochen
auf den anatomischen Beziehungen, die aus der Position und/oder
Anatomie des ersten Oberschenkelknochen-Scans gezogen wurden.
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Somit
gibt es die Vorstellung, dass die vorliegende Erfindung vielen Modifikationen
unterliegt, die für
Fachleute auf dem Gebiet der Technik offensichtlich werden. Demgemäß besteht
die Absicht, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die besondere, hierin
illustrierte Ausführungsform
beschränkt
ist, sondern vielmehr alle davon modifizierten Formen, die innerhalb
des Schutzumfanges der nachfolgenden Ansprüche liegen, wie sie durch die
Beschreibung und die Zeichnungen interpretiert sind, umfasst.