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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Herstellung und Aufbringung eines Streustrahlenrasters
oder Kollimators auf einen Röntgen- oder
Gammadetektor mit matrixförmig
angeordneten Detektorelementen, die eine Detektorfläche mit
für Röntgen- bzw.
Gammastrahlung empfindlichen Detektionsbereichen und weniger empfindlichen
Zwischenbereichen bilden, sowie einen Röntgen- und Gammadetektor mit
einem Streustrahlenraster bzw. Kollimator, der mit diesem Verfahren
hergestellt und aufgebracht wurde.
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In der Röntgenbildtechnik werden heutzutage
hohe Anforderungen an die Bildqualität der Röntgenaufnahmen gestellt. Bei
derartigen Aufnahmen, wie sie insbesondere in der medizinischen
Röntgendiagnostik
durchgeführt
werden, wird ein zu untersuchendes Objekt von Röntgenstrahlung einer annähernd punktförmigen Röntgenquelle
durchleuchtet und die Schwächungsverteilung
der Röntgenstrahlung
auf der der Röntgenquelle
gegenüberliegenden Seite
des Objektes zweidimensional erfasst. Auch eine zeilenweise Erfassung
der durch das Objekt geschwächten
Röntgenstrahlung
kann bspw. in Computertomographie-Anlagen vorgenommen werden. Als
Röntgendetektoren
kommen neben Röntgenfilmen
und Gasdetektoren zunehmend Festkörperdetektoren zum Einsatz,
die in der Regel eine matrixförmige
Anordnung optoelektronischer Halbleiterbauelemente als lichtelektrische
Empfänger
aufweisen. Jeder Bildpunkt der Röntgenaufnahme
sollte Idealerweise die Schwächung
der Röntgenstrahlung
durch das Objekt auf einer geradlinigen Achse von der punktförmigen Röntgenquelle
zu den dem Bildpunkt entsprechenden Ort der Detektorfläche entsprechen. Röntgenstrahlen,
die von der punktförmigen
Röntgenquelle
auf dieser Achse geradli nig auf den Röntgendetektor auftreffen werden
als Primärstrahlen
bezeichnet.
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Die von der Röntgenquelle ausgehende Röntgenstrahlung
wird im Objekt jedoch aufgrund unvermeidlicher Wechselwirkungen
gestreut, so dass neben den Primärstrahlen
auch Streustrahlen, sog. Sekundärstrahlen,
auf den Detektor auftreffen. Diese Streustrahlen, die in Abhängigkeit
von Eigenschaften des Objektes bei diagnostischen Bildern bis über 90%
der gesamten Signal-Aussteuerung eines Röntgendetektors verursachen
können,
stellen eine zusätzliche
Rauschquelle dar und verringern daher die Erkennbarkeit feiner Kontrastunterschiede.
Dieser wesentliche Nachteil der Streustrahlung ist dadurch begründet, dass
aufgrund der Quanteneigenschaft der Streustrahlung ein signifikanter
zusätzlicher
Rauschanteil in der Bildaufnahme verursacht wird.
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Zur Verringerung der auf die Detektoren
auftreffenden Streustrahlungsanteile werden daher zwischen dem Objekt
und dem Detektor sog. Streustrahlenraster eingesetzt. Streustrahlenraster
bestehen aus regelmäßig angeordneten,
die Röntgenstrahlung absorbierenden
Strukturen, zwischen denen Durchgangskanäle oder Durchgangsschlitze
für den
möglichst
ungeschwächten
Durchgang der Primärstrahlung
ausgebildet sind. Diese Durchgangskanäle bzw. Durchgangsschlitze
sind bei fokussierten Streustrahlenrastern entsprechend dem Abstand
zur punktförmigen
Röntgenquelle,
d. h. dem Abstand zum Fokus der Röntgenröhre, auf den Fokus hin ausgerichtet. Bei
nicht fokussierten Streustrahlenrastern sind die Durchgangskanäle bzw.
Durchgangsschlitze über
die gesamte Fläche
des Streustrahlenrasters senkrecht zu dessen Oberfläche ausgerichtet.
Dies führt
jedoch zu einem merklichen Verlust an Primärstrahlung an den Rändern der
Bildaufnahme, da an diesen Stellen ein größerer Teil der einfallenden
Primärstrahlung
auf die absorbierenden Bereiche des Streustrahlenrasters trifft.
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Zur Erzielung einer hohen Bildqualität werden
sehr hohe Anforderungen an die Eigenschaften von Röntgen-Streustrahlenrastern
gestellt. Die Streustrahlen sollen einerseits möglichst gut absorbiert werden,
während
andererseits ein möglichst
hoher Anteil an Primärstrahlung
ungeschwächt
durch den Streustrahlenraster hindurchtreten soll. Eine Verminderung
des auf die Detektorfläche
auftreffenden Streustrahlenanteils lässt sich durch ein großes Verhältnis der
Höhe des
Streustrahlenrasters zur Dicke bzw. dem Durchmesser der Durchgangskanäle oder Durchgangsschlitze,
d. h. durch eine hohes Schachtverhältnis, erreichen. Wegen der
Dicke der zwischen den Durchgangskanälen oder Durchgangsschlitzen liegenden
absorbierenden Struktur- oder Wandelemente kann es jedoch zu Bildstörungen durch
Absorption eines Teils der Primärstrahlung
kommen. Gerade beim Einsatz von Festkörperdetektoren führen Inhomogenitäten der
Raster, d. h. Abweichungen der absorbierenden Bereiche von ihrer
Ideallage, zu Bildstörungen
durch eine Abbildung der Raster im Röntgenbild.
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Zur Minimierung von Bildstörungen durch Streustrahlenraster
ist es bekannt, die Raster während
der Aufnahme in lateraler Richtung zu bewegen. Bei sehr kurzen Belichtungszeiten
von bspw. 1 – 3
ms können
aber auch hier durch ungenügende
Bewegungsgeschwindigkeit der Raster Streifen im Bild auftreten.
Auch bei sehr langen Belichtungszeiten können störende Streifen durch die Umkehr
der Raster-Bewegungsrichtung während
der Belichtung auftreten.
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In letzter Zeit werden für die Röntgenbildaufnahme
zunehmend Festkörperdetektoren
eingesetzt, die aus mehreren matrixförmig angeordneten Detektorelementen
gebildet sind. Die Detektorelemente sind hierbei in einem in der
Regel quadratischen oder rechteckigen Gitter angeordnet. Auch bei
derartigen Festkörperdetektoren
muss durch effektive Unterdrückungsmaßnahmen
das Auftreffen von Streustrahlen auf die durch die Detektorelemente
gebildete Detektorfläche
soweit wie möglich
reduziert werden. Aufgrund der regelmäßigen Strukturierung der durch
die Detektorelemente gebildeten Bildelemente des Detektors besteht
hier zusätzlich
die Gefahr, dass die Strukturen von Bildelementen und Streustrahlenrastern
miteinander interferieren. Dadurch können störende Moire-Erscheinungen auftreten.
Diese können zwar
in bestimmten Fällen
durch eine nachgeschaltete Bildverarbeitungsmaßnahme minimiert oder beseitigt
werden. Dies ist jedoch nur möglich,
wenn ihr Projektionsbild auf dem Detektor absolut unveränderlich
ist.
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Die gleiche Problematik stellt sich
in der Nuklearmedizin, insbesondere bei der Anwendung von Gamma-Kameras,
wie bspw. Anger-Kameras. Auch bei dieser Aufnahmetechnik muss ähnlich wie
in der Röntgendiagnostik
darauf geachtet werden, dass möglichst
wenig gestreute Gammaquanten den Detektor erreichen. Im Gegensatz
zur Röntgendiagnostik
befindet sich bei der Nukleardiagnostik die Strahlungsquelle für die Gamma-Quanten im Inneren
des Objektes. Dem Patienten wird hierbei ein mit bestimmten, instabilen
Nukliden markiertes Stoffwechselpräparat injiziert, das sich dann
organspezifisch anreichert. Durch den Nachweis der entsprechend aus
dem Körper
emittierten Zerfallsquanten wird dann ein Abbild des Organs erhalten.
Der zeitliche Verlauf der Aktivität im Organ lässt Rückschlüsse auf dessen
Funktion zu. Für
den Erhalt eines Bildes des Körperinneren
muss vor dem Gamma-Detektor ein Kollimator eingesetzt werden, der
die Projektionsrichtung des Bildes festlegt. Ein derartiger Kollimator entspricht
von der Funktionsweise und vom Aufbau her dem Streustrahlenraster
in der Röntgendiagnostik.
Nur die durch die Vorzugsrichtung des Kollimators bestimmten Gamma-Quanten
können
den Kollimator passieren, schräg
dazu einfallende Quanten werden in den Kollimatorwänden absorbiert.
Aufgrund der höheren
Energie der Gamma-Quanten im Vergleich zu Röntgenquanten müssen Kollimatoren
um ein Vielfaches höher
ausgeführt
werden als Streustrahlenraster für
Röntgenstrahlung.
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So können gestreute Quanten während der Bildaufnahme
ausselektiert werden, indem nur Quanten einer bestimmten Energie im
Bild berücksichtigt
werden. Allerdings bedingt jedes detektierte Streuquant eine Totzeit
der Gamma-Kamera von bspw. einer Mikrosekunde, während der keine weiteren Ereignisse
registrierbar sind. Wenn daher kurz nach der Registrierung eines
Streuquants ein Primärquant
eintrifft, kann es nicht registriert werden und geht für das Bild
verloren. Auch wenn ein Streuquant zeitlich – innerhalb gewisser Grenzen – mit einem
Primärquant
koinzidiert, tritt ein ähnlicher
Effekt auf. Da die Auswerteelektronik dann beide Ereignisse nicht mehr
trennen kann, wird eine zu hohe Energie ermittelt und das Ereignis
wird nicht registriert. Die beiden angeführten Fälle erklären, dass eine hoch wirksame Streustrahlen-Unterdrückung auch
in der Nukleardiagnostik zu einer verbesserten Quanteneffizienz
führt. Letztlich
wird dadurch eine verbesserte Bildqualität bei gleicher Dosierung des
applizierten Radio-Nuklids erreicht oder bei gleicher Bildqualität eine geringere
Radio-Nuklid-Dosis ermöglicht,
so dass die Strahlenexposition des Patienten gesenkt und kürzere Bildaufnahmezeiten
erreicht werden können.
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In Zukunft werden auch für die Gammabildaufnahme
zunehmend Festkörperdetektoren
eingesetzt werden, die aus mehreren matrixförmig angeordneten Detektorelementen
gebildet sind. Die Detektorelemente sind hierbei in einem in der
Regel quadratischen oder rechteckigen Gitter angeordnet. Auch bei
derartigen Festkörperdetektoren
muss durch effektive Unterdrückungsmaßnahmen
das Auftreffen von Streustrahlen auf die durch die Detektorelemente
gebildete Detektorfläche
soweit wie möglich
reduziert werden. Aufgrund der regelmäßigen Strukturierung der durch
die Detektorelemente gebildeten Bildelemente des Detektors besteht
hier zusätzlich
die Gefahr, dass die Strukturen von Bildelementen und Kollimatoren
miteinander interferieren.
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Kollimatoren für Gamma-Kameras werden im Allgemeinen
aus mechanisch gefalteten Blei-Lamellen herstellt. Dies ist eine
relativ kostengünstige Lösung, hat
aber den Nachteil, dass insbesondere bei Einsatz von Festkörperkameras
mit matrixförmig angeordneten
Detektorelementen, bspw. bei Cadmium-Zink-Tellurid-Detektoren, wegen der dann
relativ groben Struktur dieser Kollimatoren störende Aliasing-Effekte auftreten
können.
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Aus der Veröffentlichung von G. A. Kastis
et al., „A
Small-Animal Gamma-Ray
Imager Using a CdZnTe Pixel Array and a High Resolution Parallel Hole
Collimator", ist ein Verfahren zur Herstellung eines zellenartig
aufgebauten Kollimators für
Gamma-Strahlung bekannt. Der Kollimator wird in diesem Fall aus
laminierten Schichten aus Metallfolien, hier aus Wolfram, hergestellt,
die photochemisch geätzt werden.
Dieses Herstellungsverfahren ist jedoch aufgrund der Vielzahl von
photolitographischen Belichtungs- und Ätzschritten sehr aufwendig
und kostenintensiv.
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In der
US 6,021,173 A wird ein Ansatz beschrieben,
der Moire-Strukturen
beim Betrieb eines Röntgendetektors
mit matrixförmig
angeordneten Detektorelementen in Verbindung mit einem stationär angeordneten
Streustrahlenraster vermeiden soll. Der Streustrahlenraster ist
bei dieser Druckschrift über
der Detektorfläche
direkt auf dem Röntgendetektor
aufgebracht. Die absorbierenden Strukturelemente des Streustrahlenrasters
sind in einem Abstand zueinander ausgebildet, der geringer ist als
die Ausdehnung des kleinsten auflösbaren Details im Röntgenbild.
Die regelmäßig angeordneten
absorbierenden Strukturelemente bilden sich daher mit einer so hohen
Ortsfrequenz ab, dass sie jenseits des Auflösungsvermögens des Röntgentdetektors liegen. Da
der Abstand der Strukturelemente im Streustrahlenraster nicht beliebig
klein gewählt
werden kann, muss ein Detektor mit einer adaptiert eingeschränkten Ortsauflösung eingesetzt
werden. Dies führt
jedoch zu einer nicht wünschenswerten
Verringerung der detektiven Quanteneffizienz (DQE) bei hohen Ortsfrequenzen.
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Aus der nachveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
DE 101 51 568 ist ein Verfahren
zur Aufbringung eines Streustrahlenrasters auf einen Röntgendetektor
bekannt, bei dem eine Grundstruktur für den Streustrahlenraster mittels
einer Rapid-Prototyping-Technik direkt auf der Detektorfläche erzeugt
wird, so dass absorbierende Bereiche des Streustrahlenrasters in
weniger empfindlichen Zwischenbereichen des Röntgendetektors liegen. Bei diesem
Verfahren besteht jedoch die Gefahr der Beschädigung des Röntgendetektors
bei der Erzeugung des Streustrahlenrasters.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht
die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren zur
Herstellung und Aufbringung eines Streustrahlenrasters oder Kollimators
auf einen Röntgen-
oder Gammadetektor mit matrixförmig
angeordneten Detektorelementen anzugeben, mit dem sich eine Anordnung
eines Streustrahlenrasters oder Kollimators auf einem Röntgen- bzw.
Gammadetektor realisieren lässt,
die eine Bildaufnahme ohne Moire-Strukturen bei hoher detektiver
Quanteneffizienz ermöglicht.
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren
gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
Die Patentansprüche
16 und 17 geben einen Röntgen-
und Gammadetektor mit einem gemäß dem Verfahren
hergestellten und aufgebrachten Streustrahlenraster bzw. Kollimator an.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der
Unteransprüche
oder lassen sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen
entnehmen.
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Bei dem vorliegenden Verfahren wird
zunächst
eine Grundstruktur für
den Streustrahlenraster bzw. Kollimator mittels einer Rapid-Prototyping-Technik,
vorzugsweise mit der Technik der Stereolithographie, erzeugt, durch
die Durchgangskanäle
und Zwischenwände
des Streustrahlenrasters bzw. Kollimators gebildet werden, die zumindest
in einer ersten Richtung einen Mittenabstand aufweisen, der gleich
oder ein ganzzahliges Vielfaches des Mittenabstandes der empfindlichen
Detektions bereiche des Detektors ist. Anschließend werden die Zwischenwände mit
einem Röntgen-
bzw. Gammastrahlung stark absorbierenden Material beschichtet, um den
Streustrahlenraster bzw. Kollimator fertig zu stellen. Die auf diese
Weise beschichtete Grundstruktur, d. h. der Streustrahlenraster
bzw. Kollimator, wird anschließend
derart auf die Detektorfläche
aufgebracht und mit dieser verbunden, dass zumindest die senkrecht
zu der ersten Richtung verlaufenden Zwischenwände oder deren Beschichtung über den
weniger empfindlichen Zwischenbereichen der Detektorfläche liegen.
Diese weniger oder nicht empfindlichen Zwischenbereiche der Detektorfläche entsprechen den
Bereichen, in denen die einzelnen Detektorelemente aneinander stoßen. Da
die Detektorelemente zudem in der Regel nicht über die gesamte Fläche strahlungsempfindlich
sind, ergeben sich derartige unempfindliche Zwischenbereiche in
den Randbereichen der einzelnen Detektorelemente.
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Die Grundstruktur für den Streustrahlenraster
bzw. Kollimator wird bei dem vorliegenden Verfahren derart aufgebaut,
dass sich zumindest in einer Richtung die Zwischenwände oder
die an den Zwischenwänden
innerhalb der Durchgangsöffnungen angebrachte
absorbierende Beschichtung auf einer Seite der Zwischenwände über den
Zwischenbereichen auf dem Detektor erstrecken. Können die Zwischenwände aufgrund
besonders schmaler Zwischenbereiche nicht mit einer ausreichend
geringen Dicke erzeugt werden, so können sie im Kontaktbereich
mit der Detektoroberfläche
zumindest teilweise über
den Zwischenbereichen liegen. Die sich in der anderen Richtung erstreckenden
Zwischenwände sind
vorzugsweise ebenfalls derart angeordnet, dass sie oder ihre Beschichtung
auf einer Seite über
den nicht empfindlichen Zwischenbereichen der Detektorfläche liegen.
In beiden Dimensionen können
hierbei die Abstände
der Zwischenwände
den Wert eines ganzzahligen Vielfachen des Mittenabstandes der empfindlichen
Detektionsbereiche des Detektors annehmen. Vorzugsweise stimmen
jedoch die Mittenabstände
der Zwischenwände
in beiden zueinander senkrech ten Richtungen mit den entsprechenden Mittenabständen der
empfindlichen Detektionsbereiche überein.
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Durch den Einsatz einer Rapid Prototyping Technik
beim Aufbau der Grundstruktur können
sehr filigrane Strukturen mit sehr hoher Genauigkeit erzeugt werden.
Bei der Rapid Prototyping Technik werden 3D-CAD-Konstruktionen,
hier die Geometrie der Grundstruktur, in Volumendaten im CAD-System konvertiert.
Das 3D-Volumenmodell für
das Rapid Prototyping wird anschließend in einem Rechner in Querschnitte
aufgeteilt. Die Querschnitte haben eine Schichtdicke von 100 μm oder darunter.
Nach dem Übertragen
der Daten auf eine Rapid Prototyping Anlage wird die ursprüngliche
Form Schicht für
Schicht aufgebaut. Im vorliegenden Verfahren wird dabei eine Rapid
Prototyping Technik eingesetzt, bei der der Schichtaufbau durch
Einwirkung von Strahlung, insbesondere durch Laserstrahlung, erfolgt.
Gerade Laserstrahlung bietet hierbei den Vorteil der Erzeugung sehr
filigraner Strukturen.
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In der bevorzugten Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens wird für den Aufbau der Grundstruktur
die Technik der Stereolithographie eingesetzt. Bei diesem Verfahren
bildet ein computergesteuerter W-Laserstrahl die jeweiligen Konturen
der einzelnen Schichten des 3D-Volumenmodells der Grundstruktur
auf einem flüssigen
Polymerharz ab. Das Harz härtet
durch die Einwirkung des Lasers an den belichteten Stellen bzw.
Flächen
aus. Dann wird die Bauteilplattform der Anlage abgesenkt und eine neue
dünne Schicht
Photopolymer-Harz aufgetragen. Durch Wiederholung dieser Schritte
wird sukzessive die vollständige
Geometrie der Grundstruktur von unten nach oben aufgebaut. In einer
Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens kann auch die Technik der Mikrostereolithographie
zur Erzeugung der Grundstruktur eingesetzt werden.
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Durch das vorliegende Verfahren wird
die Herstellung und Aufbringung eines Streustrahlenrasters bzw.
Kollimators direkt auf den Detektor gegenüber der in der Beschreibungseinleitung angegebenen nachveröffentlichten
Druckschrift vereinfacht und lässt
sich kostengünstiger
realisieren. Durch die Ausgestaltung und vorgeschlagene Aufbringung
des Streustrahlenrasters bzw. Kollimators in der angegebenen Art
und Weise, so dass eine oder zwei der insgesamt vier Zwischenwände oder
deren Beschichtung auf einer Seite mit einer Grenzlinie zwischen den
Detektorpixeln hinreichend übereinstimmen, wird
der Dosisbedarf beim Einsatz dieses Streustrahlenrasters bzw. Kol-limators verringert.
Aufgrund dieser Anordnung in Bereichen, die eine geringere Empfindlichkeit
für die
Röntgen-
bzw. Gammastrahlung aufweisen, wirken die Zwischenwände bzw.
die daran angebrachte absorbierende Beschichtung weniger oder nicht
Primärstrahlen
schwächend.
Die vorgeschlagene Ausgestaltung und das Aufbringen des Streustrahlenrasters
bzw. Kollimators vorwiegend in die genannten Zwischenbereiche schließt zudem
Interferenzen mit der Pixelstruktur des Detektors aus.
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Die Detektoren weisen praktisch immer
einen Füllfaktor
auf, der kleiner als 1 ist. Dies gilt insbesondere für mit Leuchtstoff
beschichtete a-Si-Detektorflächen.
Auch bei mit Selen beschichteten Detektorflächen differiert der Füllfaktor
von 1, besonders bei kleinen Detektionsbereichen oder Pixels. Dadurch
ist die Quanteneffizienz vorwiegend in den Bereichen zwischen den
Pixel-Flächen
reduziert. Wird nun die Primärstrahlung
durch die Streustrahlen absorbierenden Strukturen nur zwischen den
Pixeln geschwächt,
ist dies vorteilhafter zum Erreichen einer hohen Quanteneffizienz
als wenn diese Strukturen beliebig angeordnet sind. Moire-Störungen zwischen den
Pixeln und der absorbierenden Struktur sind hierbei nicht möglich. Die
vorliegende Anordnung des Streustrahlenrasters bzw. Kollimators
ermöglicht
somit ein besseres Nutzbarmachen der Primärstrahlung, da die unvermeidliche
Primärabsorption
des Streustrahlenrasters bzw. Kollimators hauptsächlich in geometrische Bereiche
des Detektors fällt,
die einen reduzierten Beitrag zum Bildsignal leisten.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens werden die Stirnflächen der Zwischenwände von
der absorbierenden Beschichtung freigehalten oder die evtl. aufgebrachte
absorbierende Beschichtung von diesen Stirnflächen entfernt. Unter den Stirnflächen sind
hierbei die dem Detektor zugewandten sowie die dem Detektor abgewandten
Seiten der Zwischenwände
zu verstehen, d. h. die Seiten, die nicht innerhalb der Durchgangskanäle liegen.
Die Freihaltung dieser Stirnflächen
kann bspw. durch entsprechende Masken beim Aufbringen der Beschichtung
erfolgen. Vorzugsweise wird die Beschichtung jedoch auf die gesamte
Grundstruktur aufgebracht und anschließend durch ein geeignetes chemisches
oder mechanisches Verfahren entfernt. Wird außerdem als Material der Grundstruktur
ein für Röntgenstrahlung
bzw. Gammastrahlung im Wesentlichen transparentes Material verwendet,
so wird die Primärstrahlentransmission
des Streustrahlenrasters bzw. Kollimators durch diese Maßnahme erheblich erhöht, da auch
in den Material-Bereichen zwischen den beschichteten Innenflächen der
Zwischenwände entsprechende
Primärstrahlung
ungeschwächt
oder nur leicht geschwächt
hindurchtreten und zum Bildaufbau beitragen kann. Bei Einsatz der
Technik der Stereolithographie zum Aufbau der Grundstruktur lässt sich
durch Wahl eines geeigneten Polymers ohne Probleme eine derartige
Ausgestaltung realisieren. Das Aufbringen der absorbierenden Schicht kann
dabei durch unterschiedliche bekannte Verfahren erfolgen, bspw.
durch Aufdampfen, durch Sputtern oder durch einen galvanischen Prozess.
Eine Möglichkeit
der Aufbringung der Schicht besteht auch darin, zunächst eine
dünne metallische
Schicht durch Sputtern aufzubringen, die dann als Startschicht für eine anschließende galvanische
Schichtabscheidung dient.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des
vorliegenden Verfahrens wird der Streustrahlenraster bzw. Kollimator
derart auf die Detektorfläche aufgebracht
und mit dieser verbunden, dass jeweils ein Eckbereich der Beschichtung
innerhalb eines Durchgangskanals über einem Schaltelement eines Detektorelements
zu liegen kommt. Derartige Schaltelemente, wie Diode oder TFT, weisen
keinerlei Lichtempfindlichkeit auf und tragen somit nicht zur Strahlungsdetektion
bei. Durch die Positionierung der Eckbereiche der Beschichtung über diesen Schaltungselementen
ist daher die Schwächung
der Primärstrahlung
in diesem Bereich ohne großen
Einfluss.
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Für
das justierte Aufbringen des Streustrahlenrasters bzw. Kollimators
auf die Detektorfläche sind
unterschiedliche Techniken einsetzbar. Eine Technik besteht darin,
die genaue Solllage der Grundstruktur bezüglich der darunter liegenden
Pixel des Detektors als Fiducial Markers oder Referenz-Linien auf
der Oberfläche
des Detektors bzw. auf einer Schutzschicht, die auf dem Szintillator
aufgebracht ist, zu markieren. Evtl. kann die Solllage auch optisch aufprojiziert
werden. Die Markierung der Solllage kann mittels Infrarot-Mikroskopie kontrolliert
werden. Anschließend
wird der Streustrahlenraster bzw. Kollimator mit der Detektorfläche verbunden,
bspw. durch Verklebung. Die Verklebung erfolgt hierbei Zug um Zug,
so dass zunächst
eine kleine Teilfläche
verklebt wird, nachdem in diesem Bereich die Lage der Grundstruktur
zu den Pixeln genau eingestellt wurde. Danach wird mit visueller
Unterstützung,
bspw. unter mikroskopischer Kontrolle und/oder Verwendung eines
Projektors, der die Solllage der Grundstruktur auf die Montagefläche projiziert,
die Lage in den angrenzenden Teilflächen korrigiert und Teilfläche für Teilfläche weiter
verklebt. Für
dieses Vorgehen kann der Streustrahlenrasters bzw. Kollimator auch
vor der Aufbringung in kleinere Teilabschnitte zerlegt werden, bspw.
durch Zerschneiden mit einem Laserstrahl. Dies erleichtert die Verklebung,
weil dann jeweils nur kleine Flächen
bei jedem Klebeschritt justiert und aufgebracht werden müssen. Die
durch das Zerschneiden des Streustrahlenrasters bzw. Kollimators
entstandenen Schnitt-Zwischenräume müssen allerdings
so klein ausgeführt
werden, dass sie zu keinen störenden
Artefakten im Bild führen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Aufbringung des
Streustrahlenrasters bzw. Kollimators auf die Detektorfläche besteht
darin, die aus der Halbleitertechnik bekannte Flip-Chip-Technik
einzusetzen. Anstelle des Chips wird hierbei der Streustrahlenraster
bzw. Kollimator auf die Detektorfläche anstelle des Substrates
aufgebracht. Da das aufzuklebende Raster bzw. Teilstück mechanisch
instabil ist, wird vorzugsweise eine stabile mechanische Halterung
für den Streustrahlenraster
bzw. Kollimator oder die Teilstücke
hiervon eingesetzt. Diese Halterung kann bspw. aus einer Teilhöhe des Negativs
der Grundstruktur bestehen. Das Negativ kann bspw. durch Sägeschlitze
in einer Metallplatte erzeugt werden. Auch die Ausführung dieser
Halteplatte mit mehreren in die Durchgangsöffnungen der Grundstruktur
einführbaren
Justagestiften anstatt von Sägeschlitzen
ist möglich.
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Eine weitere Möglichkeit, den Streustrahlenraster
bzw. Kollimator genau in Relation zu den Pixeln des Detektors zu
positionieren besteht darin, diese Justage unter Röntgenstrahlung
oder Gammastrahlung vorzunehmen. Dabei wird ausgenutzt, dass die
Position des Streustrahlenrasters bzw. Kollimators in Relation zur
Pixelanordnung dann optimal ist, wenn das Ausgangssignal des Detektors
in dieser Lage ein Maximum einnimmt. Dazu wird zunächst die Lage
des Streustrahlenrasters bzw. Kollimators in einem kleineren Teilabschnitt
des Detektors justiert und verklebt. Danach werden sukzessive die
weiteren Teilabschnitte justiert und verklebt.
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Bei der vorliegenden Erfindung können unterschiedliche
Klebstoffe eingesetzt werden. So kann bspw. eine Klebeflüssigkeit
im zu fixierenden Bereich auf die Detektorfläche oder auch den Streustrahlenraster
oder Kollimator aufgesprüht
werden, bevor diese miteinander verbunden werden. Eine weitere Möglichkeit
besteht in der Verwendung eines weichen, thermisch aufschmelzbaren
Klebers, der vor der Montage auf die Detektorfläche und/oder den Streustrahlenraster
oder Kollimator aufgebracht wird. Durch Einsatz einer örtlichen
Wärmequelle wie
bspw. Heißluft
wird der Kleber bei richtig positioniertem Streustrahlenraster bzw.
Kollimator nur kurz aufgeschmolzen, um Raster bzw. Kollimator und
Detektor miteinander zu verbinden.
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Als Röntgen- oder Gammadetektoren,
auf die mit dem vorliegenden Verfahren ein Streustrahlenraster bzw.
Kollimator aufgebracht werden kann, sind selbstverständlich beliebige
Detektorarten möglich.
So lassen sich bspw. Detektoren mit einem photoleitenden Material
oder auch Detektoren mit einer aufgebrachten Szintillatorschicht
einsetzen.
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Das vorliegende Verfahren wird nachfolgend anhand
von Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens
nochmals kurz erläutert.
Hierbei zeigen:
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1 die
Verhältnisse
bei einer Röntgenbildaufnahme
eines Objektes unter Einsatz eines Streustrahlenrasters;
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2 die
Verhältnisse
bei einer nuklearmedizinischen Aufnahme des Objektes unter Einsatz
eines Kollimators;
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3 eine
Darstellung der Technik der Stereolithographie beim Aufbau einer
Struktur;
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4 ein
Beispiel für
die Durchführung
des vorliegenden Verfahrens;
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5 ein
Beispiel für
die mit dem Verfahren realisierte Anordnung aus Streustrahlenraster
bzw. Kollimator und Detektor;
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6 ein
zweites Beispiel für
die mit dem Verfahren realisierte Anordnung aus Streustrahlenraster
bzw. Kollimator und Detektor; und
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7 eine
Anlage zum Aufbringen des Streustrahlenrasters bzw. Kollimators.
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Die typischen Verhältnisse
bei einer Röntgenbildaufnahme
eines Objektes 3 in der Röntgendiagnostik sind anhand
der 1 schematisch dargestellt.
Das Objekt 3 befindet sich zwischen dem Röhrenfokus 1 einer
Röntgenröhre, der
als annähernd punktförmige Röntgenquelle
angesehen werden kann, und einer Detektorfläche 7. Die vom Fokus 1 der
Röntgenquelle
ausgehenden Röntgenstrahlen 2 breiten
sich geradlinig in Richtung des Röntgendetektors 7 aus
und durchdringen dabei das Objekt 3. Die auf der Detektorfläche 7 auftreffenden
Primärstrahlen 2a,
die das Objekt 3 vom Röntgenfokus 1 ausgehend
geradlinig durchdringen, ergeben auf der Detektorfläche 7 eine
ortsaufgelöste
Schwächungswertverteilung
für das
Objektes 3. Ein Teil der vom Röntgenfokus 1 ausgehenden
Röntgenstrahlen 2 wird
im Objekt 3 gestreut. Die hierbei entstehenden Streustrahlen 2b tragen
nicht zur gewünschten
Bildinformation bei und verschlechtern beim Auftreffen auf den Detektor 7 das
Signal-Rauschverhältnis
erheblich. Zur Verbesserung der Bildqualität wird daher ein Streustrahlenraster 4 vor
dem Detektor 7 angeordnet. Dieser Streustrahlenraster 4 weist
Durchgangskanäle 5 und
eine Grundstruktur 6 auf, die im dargestellten Fall des
Standes der Technik aus einem absorbierenden Material besteht. Die
Durchgangskanäle 5 sind
in Richtung des Röhrenfokus 1 ausgerichtet,
so dass sie die eintreffende Primärstrahlung 2a auf
geradlinigem Wege auf die Detektorfläche treffen lassen. Nicht in
dieser Richtung einfallende Strahlen, insbesondere die Streustrahlen 2b,
werden durch die absorbierenden Zwischenwände der Grundstruktur 6 blockiert
oder erheblich geschwächt.
Allerdings lassen sich die absorbierende Zwischenwände aufgrund
der bisher bekannten Herstellungstechniken nur mit einer bestimmten
Mindestdicke realisieren, so dass dadurch noch ein erheblicher Teil
der Primärstrahlung 2a absorbiert
wird und nicht zum Bildergebnis beiträgt.
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2 zeigt
die Verhältnisse
bei der Bildaufnahme in der Nukleardiagnostik. In der Figur ist
der zu untersuchende Körper 3 zu
erkennen in dem ein Organ 3a angedeutet ist. Durch Injektion
eines Gammastrahlung emittierenden Mittels, das sich in dem Organ 3a anreichert,
werden aus diesem Bereich Gammaquanten 8a emittiert und
treffen auf den Detektor 7, eine Anger-Kamera, auf. Durch
den vor dem Detektor 7 angeordneten Kollimator 4,
der geradlinig ausgerichtete Durchgangskanäle 5 zwischen Gammastrahlung
absorbierenden Zwischenwänden
der Grundstruktur 6 aufweist, wird die Projektionsrichtung
der jeweiligen Bildaufnahme festgelegt. In andere Richtungen emittierte
oder gestreute Gammaquanten 8b, die nicht auf geradlinigem
Wege aus dieser Projektionsrichtung kommen, werden vom Kollimator 4 absorbiert.
Auch bei dieser Technik wird jedoch aufgrund der nicht beliebig
dünnen
absorbierenden Zwischenwände
der Grundstruktur 6 noch ein beträchtlicher Teil der Primärstrahlung 8a absorbiert.
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Die vorliegende Erfindung lässt sich
mit einem Verfahren realisieren, das eine sehr präzise Fertigung
von Streustrahlenrastern oder Kollimatoren mit sehr dünnen Zwischen-
bzw. Trennwänden
zwischen den Durchgangskanälen 5 ermöglicht.
Hierbei wird zur Herstellung des Streustrahlenrasters oder Kollimators
eine Rapid Prototyping Technik eingesetzt. Ein Beispiel für eine derartige
Technik ist die Stereolithographie, wie sie anhand der Darstellung
in der 3 veranschaulicht
wird. Bei dieser Technik wird ein W-Laserstrahl 12 auf
die Oberfläche
eines flüssigen
UV-vernetzbaren Polymers 10 gerichtet, der sich in einem
Behältnis 9 befindet.
Der UV-Laserstrahl 12 bewegt sich anhand eines dreidimensionalen
Volumenmodells der zu erstellenden Grundstruktur 6 über die
Oberfläche
des flüssigen
Polymers 10, um die Grundstruktur 6 schichtweise
aufzubauen. Nach der Verfestigung einer Schicht wird diese über eine
Bauplattform 11 um eine weitere Schichtdicke abgesenkt,
so dass der UV-Laser 12 die nächste Schicht entsprechend
dem dreidimensionalen Volumenmodell verfestigen kann. Auf diese
Weise wird Schicht für
Schicht die Grundstruktur 6 aus dem vernetzten UV-gehärteten Polymer 10 aufgebaut.
Aufgrund der guten Fokussierbarkeit des UV-Laserstrahls 12 lassen sich
hierbei sehr filigrane Strukturen mit sehr hoher Genauigkeit realisieren.
Die Grundstruktur 6 kann direkt auf der Bauplattform 11 oder auf
einer zusätzlichen
in der Figur nicht dargestellten Trägerplatte aufgebaut werden.
Weiterhin lässt
sich eine Grundplatte auch direkt mit der Technik der Stereolithographie
aufbauen, auf der dann die Grundstruktur 6 entsprechend
der gewünschten
Geometrie gebildet wird.
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4 zeigt
ein Beispiel für
die Durchführung des
vorliegenden Verfahrens. Bei dieser Ausführungsform wird eine Grundstruktur 6 entsprechend für den zu
erstellenden Streustrahlenraster oder Kollimator aus einem für Röntgenstrahlung
im Wesentlichen durchlässigen
Aufbaumaterial, bspw. einem UVgehärteten Polymer, erzeugt. Die
Grundstruktur 6 wird anschließend mit einem absorbierenden
Material hoher Ordnungszahl beschichtet (Beschichtungsschritt 13; 4a). In den einzelnen Teilfiguren 4a – 4d ist
jeweils im oberen Teil ein Ausschnitt aus der Grundstruktur 6 mit
den Durchgangskanälen 5 und den
Zwischenwänden 6a bzw.
aus dem Streustrahlenraster oder Kollimator im Querschnitt und im
unteren Teil in Draufsicht zu erkennen. Aus diesem Beschichtungsschritt 13 resultiert
eine Grundstruktur 6 mit einer stark absorbierenden Beschichtung 14,
die sowohl auf den Innenflächen
der Zwischenwände 6a in
den Durchgangskanälen 5 als
auch an der Ober- und Unterseite 6b der Grundstruktur 6,
d. h. an den Stirnflächen
der Zwischenwände 6a,
aufgebracht ist (4b).
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Die Beschichtung 14 wird
schließlich
an den Stirnseiten der Zwischenwände 6a durch
einen chemischen oder mechanischen Verfahrensschritt, bspw. einen
chemischen Ätzschritt 15,
entfernt (4c). Auf diese
Weise wird ein Streustrahlenraster oder Kollimator mit Durchgangskanälen 5 erhalten,
die zwischen den absorbierenden Beschichtungen 14 der Zwischenwände 6b der
Grundstruktur 6 liegen (4d).
Die Zwischenwände 6b bilden
mit den sie begrenzenden Beschichtungen 14 ebenfalls Durchgangskanäle für die Primärstrahlung,
die ein sehr hohes Schachtverhältnis
aufweisen.
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Für
die Aufbringung der Beschichtung 14 kann bspw. zunächst eine
dünne Kupfer-Schicht durch
Sputtern auf die Oberfläche
der Grundstruktur 6 aufgebracht werden. Die Dicke dieser
Kupfer-Schicht liegt im 10tel μm-Bereich.
Auf diese Schicht wird schließlich
durch galvanische Abscheidung eine Blei-Zinn-Legierung aufgebracht. Die Dicke dieser
Legierung wird so ausgeführt,
dass die nötige
Absorption der Sekundärstrahlung
erreicht wird.
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Nach Fertigstellung des Streustrahlenrasters bzw.
Kollimators wird dieser derart auf den Detektor 7 aufgeklebt,
dass die Zwischenwände 6a über weniger
empfindlichen Zwischenbereichen 16b des Detektors liegen
(4e). In der 4e ist hierbei ein Ausschnitt
aus dem Detektor 7 mit den mit matrixförmig angeordneten Detektorelementen 16 dargestellt. Die
Detektorelemente 16 bilden eine Detektorfläche mit
für Röntgenbzw.
Gammastrahlen empfindlichen Bereichen 16a und unempfindlichen
Zwischenbereichen 16b.
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5 zeigt
ein Ergebnis des in 4 dargestellten
Verfahrens. In der Figur ist in Draufsicht ein Ausschnitt aus einem
Röntgendetektor 7 mit
den matrixförmig
angeordneten Detektorelementen 16 und dem darauf aufgeklebten
Streustrahlenraster zu erkennen. Die Detektorelemente 16 setzen
sich aus den strahlungsempfindlichen Detektorbereichen 16a und
strahlungsunempfindlichen Zwischenbereichen 16b zusammen.
Die Detektorelemente 16 werden auch als Pixel bezeichnet.
Ein derartiger Röntgendetektor 7 kann
bspw. 3000 × 3000
Pixel mit einer Abmessung von 143 × 143 μm aufweisen. Im linken Eckbereich
jeder Detektorfläche
ist hierbei ein Schaltelement 17, bspw. ein TFT, zu erkennen,
der nicht zur Strahlungsdetektion beiträgt. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem eine
Wandstärke
der Zwischenwände 6a der
Grundstruktur 6 des Streustrahlenrasters von etwa 20 μm realisiert
wurde. Wie aus der Figur zu erkennen ist, ist der Streustrahlenraster mit
den Zwischenwänden 6a über den
strahlungsunempfindlichen Be reichen 16b des Detektors 7 positioniert.
Die absorbierende Beschichtung 14 ist dabei nur innerhalb
der Durchgangskanäle 5 vorhanden,
so dass nur an dieser Stelle eine Schwächung der Primärstrahlung
eintritt. Die breiteren Wandbereiche 6a zwischen dieser
Beschichtung 14 weisen eine relativ hohe Transmission für die Primärstrahlung
auf, so dass diese ebenfalls als Durchlassbereiche angesehen werden
können.
Diese Zwischenwände 6a sind im
vorliegenden Beispiel aus einem Polymer gebildet, das die Röntgenstrahlung
nur unwesentlich schwächt.
Am Kreuzungspunkt der strahlungsunempfindlichen Bereiche 16b des
Detektors 7 sind die entsprechenden Schaltelemente 17 angeordnet, über denen
im vorliegenden Beispiel Eckbereiche der absorbierenden Beschichtung 14 liegen.
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Die Herstellung einer derartigen
Anordnung aus Streustrahlenraster oder Kollimator und Detektor ist
einfach und kostengünstig
zu realisieren. Insbesondere ist es dabei von Vorteil, dass ein
Fehler beim Herstellen des Rasters nicht automatisch zur Zerstörung des
gesamten Detektors führt.
Durch Freihalten der Stirnseiten der Zwischenwände 6a von der absorbierenden
Beschichtung 14 ist eine bessere Primärstrahlentransparenz als mit
herkömmlichen
Rastern erreichbar. Durch die feste Verbindung des Rasters und des
Detektors zusammen mit der teilweisen Übereinstimmung der Strukturen
der Zwischenwände 6a und
Pixelgrenzen wird eine verbesserte Empfindlichkeit des Detektors
erreicht, so dass Dosis eingespart werden kann. Durch diese Ausgestaltung werden
in gleicher Weise Moire-Störungen
vermieden. Die in der Figur weiß dargestellte
Durchgangskanäle 5 sind
in der Regel mit Luft oder Gas gefüllt.
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6 zeigt
ein weiteres Beispiel, bei dem die Zwischenwände 6a des Streustrahlenrasters
eine Dicke von etwa 70 μm
aufweisen und somit sehr leicht durch Stereolithographie herstellbar
sind. Auch in diesem Fall wird eine ähnliche Primärstrahlentransparenz
wie bei der Ausgestaltung der 5 erreicht, da
die Absorberbeschichtung 14 an den Stirnflächen der
Zwischenwände 6a entfernt
ist und somit auch an diesen Stellen Primärstrahlung auf den Detektor 7 treffen
kann.
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7 zeigt
eine Anlage zum Aufbringen des fertigen Streustrahlenrasters bzw.
Kollimators auf den Detektor mittels Flip-Chip-Technik. Die exakte Lage
des mit dem Manipulatorarm 18 aufgenommenen Streustrahlenrasters
bzw. Kollimators oder auch eines Teilabschnittes davon wird über ein
Mikroskop 19 kontrolliert, durch das zwei mittels einem
Strahlteiler 20 überlagerte
Bilder der Detektoroberfläche
sowie des Streustrahlenrasters bzw. Kollimators betrachtet und durch
Verschiebung zur Deckung gebracht werden können. Falls erforderlich kann
dazu auch eine limitierte Rotation des Detektors durchgeführt werden.
Wenn die gegenseitige Lage justiert ist, wird der Streustrahlenraster
mittels des Manipulators ortsgenau auf die vorbereitete Verklebung
aufgebracht. Für
die Halterung des Rasters wird vorzugsweise eine entsprechend ausgebildete
Trägerplatte mit
entsprechenden Vertiefungen oder Haltestiften eingesetzt.