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Die
Erfindung betrifft ein Wasserphantom zum Vermessen einer in Wasser
eindringenden ionisierenden Strahlung.
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In
der Medizintechnik werden Phantome verwendet, um ionisierende und
somit potentiell zellschädigende
Strahlung, wie z.B. zur Strahlentherapie verwendete Röntgen- bzw.
Gammastrahlung sowie hochenergetische Elektronen-, Protonen- und
Ionenstrahlung, hinsichtlich ihrer Strahlungsparameter und ihrer
Wirkung auf den menschlichen Körper
zu vermessen.
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Da
der menschliche Körper überwiegend aus
Wasser besteht, ist ein Wasserphantome, mit dem die Strahlung bei
einem Eindringen in einen mit Wasser befüllten Behälter vermessen wird, zur Bestimmung
der Wirkung der Strahlung auf den menschlichen Körper besonders geeignet. Zum
Vermessen der Strahlung ist ein Detektor oder eine Anordnung von
mehreren Einzeldetektoren mithilfe einer Positioniervorrichtung
an verschiedene Messpositionen innerhalb des Wassers positionierbar.
Im Folgenden wird ein Wasserphantom mit nur einem Detektor beschrieben,
wobei dieser Begriff aber auch eine Anordnung von mehreren Einzeldetektoren
mit einschließen
soll.
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Mit
dem Detektor ist z.B. eine von der Strahlung hervorgerufene lokale
Ionisierung des Wassers messbar, durch die auch auf die jeweilige
lokale Energieabgabe der Strahlung an das Wasser geschlossen werden
kann. Einerseits ist es möglich,
durch ein Positionieren des Detektors auf verschiedene Messpositionen
entlang der Strahlungsrichtung ein Strahlungsprofil der Eindringtiefe
zu bestimmen, und andererseits ist es möglich, durch ein Positionieren
des Detektors auf verschiedene Messpositionen auf einer Geraden
senkrecht zur Strahlungsrichtung das Strahlungsprofil der Ausbreitung
zu bestimmen. Die Strahlungsprofile sowie weitere die Strahlung
cha rakterisierende Parameter werden im Folgenden unter dem Begriff
Strahlungsparameter zusammengefasst.
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Die
Strahlungsparameter werden in regelmäßigen Zeitintervallen, typischer
Weise einmal pro Tag, ermittelt und mit Soll-Werten für die Strahlungsparameter verglichen,
um eine gleich bleibende Qualität
der Strahlung zu gewährleisten
und die Strahlungsquelle ggf. neu zu kalibrieren. Häufig werden besonders
umfassende regelmäßige Kontrollen
der Strahlungsparameter gesetzlich vorgeschrieben; solche Kontrollen
können
von einem halben Tag bis zu mehreren Tagen andauern.
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Je
nach der Strahlungsquelle trifft die Strahlung entweder mit einer
horizontalen oder einer vertikal nach unten gerichteten Strahlungsrichtung
auf das Wasserphantom. Wasserphantome haben meistens einen nach
oben geöffneten
Behälter
für das Wasser,
so dass die Strahlung bei einer vertikal nach unten gerichteten
Strahlungsrichtung direkt von oben in das Wasser eindringt. In diesem
Fall wird die Eindringtiefe der Strahlung in das Wasser durch den
Abstand des Detektors zur Wasseroberfläche bestimmt; dieser Abstand
muss daher möglicht
genau bekannt sein, um eine Verfälschung
der Strahlungsparameter, insbesondere des Strahlungsprofils der
Eindringtiefe, und somit zu eine Gefährdung eines Patienten, der mit
dieser Strahlungsquelle untersucht bzw. behandelt wird, zu vermeiden.
Bei einer horizontalen Strahlungsrichtung durchdringt die Strahlung
zunächst
die Außenwand
des Behälters,
bevor die Strahlung in das Wasser in dem Behälter eindringt, wobei der Einfluss
der Außenwand
auf die Strahlung bei dem Ermitteln der Strahlungsparameter berücksichtigt
wird. In diesem Fall besteht bei einer zu niedrigen Wasserstandshöhe die Gefahr,
dass es bei einer nahe an der Wasseroberfläche verlaufende Strahlung zu
einer Streuung der Strahlung an der Wasseroberfläche kommt, so dass die Strahlungsparameter
verfälscht ermittelt
werden. Darüber
hinaus muss die Positioniervorrichtung in Bezug auf die Strahlungsrichtung ausgerichtet
werden, um die Strahlungsparameter der Strahlung möglichst
genau räumlich
zuordnen zu können.
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Vor
dem Vermessen der Strahlung wird die Positioniervorrichtung in Bezug
auf die Wasseroberfläche
ausgerichtet, um den jeweiligen Abstand des Detektors von der Wasseroberfläche bei
dem Ermitteln der Strahlungsparameter berücksichtigen zu können. Typischer
Weise ist der Behälter
des Wasserphantom quaderförmig
und der Detektor kann mithilfe der Positioniervorrichtung sowohl
entlang der unteren Kanten des Behälters in zwei aufeinander senkrechten
Bewegungsrichtungen im Wesentlichen horizontal als auch entlang
der seitlichen Kanten des Behälters
in eine weitere Bewegungsrichtung im Wesentlichen vertikal auf die
verschiedenen Messpositionen bewegt werden. Wenn die Positioniervorrichtung
derart ausgerichtet wird, dass einerseits die beiden im Wesentlichen
horizontalen Bewegungsrichtungen exakt waagerecht und somit parallel
zur Wasseroberfläche
sind und dass andererseits die vertikale Bewegungsrichtung exakt
lotrecht und somit senkrecht zur Wasseroberfläche ist, dann ist durch eine Bestimmung
des Abstands des Detektors zur Wasseroberfläche an einer beliebigen Messposition
der Abstand des Detektors zur Wasseroberfläche auch an jeder anderen Messposition
ermittelbar. Bei einer horizontalen Strahlungsrichtung verläuft die
Strahlung parallel zur Wasseroberfläche und bei einer vertikalen
Strahlungsrichtung verläuft
die Strahlung senkrecht zur Wasseroberfläche, so dass die Positionierungsvorrichtung
durch deren Ausrichtung in Bezug auf die Wasseroberfläche jeweils
auch in Bezug auf die Strahlungsrichtung ausgerichtet wird.
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Häufig ist
die Positioniervorrichtung fest mit dem Behälter verbunden, wobei die drei
Bewegungsrichtungen genau entlang der Kanten des Behälters verlaufen.
Der Behälter
ist zusammen mit der Positioniervorrichtung um zwei horizontale
Achsen kippbar gelagert, so dass die Positioniervorrichtung relativ zur
Wasseroberfläche
unter Beachtung von zumindest zwei an den Seitenwänden vertikal
angeordneten Messskalen zum Ermitteln der jeweiligen Wasserstandshöhe ausgerichtet
werden kann. Beim Ablesen des jeweiligen Wasserstands mithilfe einer
der Messskalen kann es, z.B. durch eine blickwinkelabhängige Parallaxe
oder durch einen Meniskus, den das Wasser an den Seitenwänden des
Behälters
bildet, leicht einem Messfehler kommen. Zum Verkippen des Behälters ist
dieser z.B. auf Füßen gelagert, die
jeweils mittels eines Schraubgewindes in ihrer Höhe eingestellt werden können. Es
sind auch Wasserphantome bekannte, deren Ausrichtung durch den Benutzer
fremdkraftbetrieben, z.B. durch Elektromotoren, einstellbar ist.
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Durch
das Wasserphantom „Blue
Phantom" der Firma
Scanditronix Wellerhöfer
GmbH ist es bekannt, die Wasserstandshöhe mittels eines oberhalb der
Wasseroberfläche
an einer Ecke des Behälters angeordneten
Abstandssensor zu messen, der nach dem Echo-Puls-Prinzip funktioniert.
Für das
Wasserphantom „Blue
Phantom" ist ein
mit dessen Behälter über eine
Zuleitung verbindbares Wasserreservoir mit einer Wasserpumpe bekannt,
die abhängig
von der durch den Abstandssensor ermittelten Wasserstandshöhe geregelt
wird, derart dass diese ein vorgesehenes Niveau trotz eine möglichen
Verdunstung des Wassers beibehält.
Darüber
hinaus sind durch das Wasserphantom „Blue Phantom" auch Stellschrauben
zur manuellen Ausrichtung der Positioniervorrichtung relativ zu
dem Behälter
bekannt.
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Mit
den nach dem Stand der Technik bekannten Mitteln ist die Positioniervorrichtung
in Bezug auf die Wasseroberfläche
in aufwendiger Weise ausrichtbar. Es besteht die Gefahr, dass die
Ausrichtung ungenau erfolgt, so dass die Ermittlung der Strahlungsparameter
verfälscht
wird; dadurch kann es zu einer Gefährdung eines Patienten kommen,
der mit der jeweils Vermessenen Strahlungsquelle untersucht bzw.
behandelt wird. Darüber
hinaus ist das Ermitteln und Einstellen der Ausrichtung der Positioniervorrichtung
durch den Benutzer zeitaufwendig; die dazu benötigte Zeit verringert die verbleibende
Zeit für
die diagnostische bzw. therapeutischen Anwendung der jeweiligen
Strahlungsquelle.
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Aus
der
US5621214A ist
ein direkt unter der Strahlungsquelle zu positionierendes Wasserphantom
bekannt, bei dem der Abstand der Wasseroberfläche zur Strahlungsquelle durch
Laser messgeräte ("horizontal alignment
lasers"), die typischerweise auch
zur Bestimmung des Abstands eines zu behandelnden Bereichs eines
Patienten von der Strahlungsquelle genutzt werden, oder durch Einstellen
eines an der Strahlungsquelle angebrachten, herabhängenden
Zeigers bekannter Länge,
derart dass dieser die Wasseroberfläche soeben berührt, bestimmt
wird. Es wird darüber
hinaus darauf hingewiesen, dass die Strahlungsquelle derart ausgerichtet werden
sollte, dass die von dieser ausgehende Strahlung senkrecht auf die
Wasseroberfläche
trifft.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrund, ein Wasserphantom anzugeben,
das es bei geringem Zeitaufwand ermöglicht, bei einem Vermessen
einer Strahlung Messfehler zu vermeiden, die durch eine Positionierungsungenauigkeit
des Detektors in Bezug auf die Wasseroberfläche verursacht werden können.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt durch ein Wasserphantom gemäß Patentanspruch
1 bzw. gemäß Patentanspruch
9; vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
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Durch
die jeweils in vorbestimmten Weise relativ zu der Positionierungsvorrichtung
räumlich
angeordneten Sensoren – gemäß Patentanspruch
1 die zumindest zwei Abstandssensoren zum Ermitteln von Abständen zu
jeweils einer anderen Stelle der Wasseroberfläche bzw. gemäß Patentanspruch
9 der zumindest eine Neigungssensor zum Ermitteln einer Neigung
relativ zur Richtung der Schwerkraft – ist in einfacher Weise die
Ausrichtung der Positioniervorrichtung in Bezug auf die Wasseroberfläche genau ermittelbar;
da sich die Neigung der Wasseroberfläche nach der Schwerkraft richtet,
liegt sowohl der Erfindung gemäß Patentanspruch
1 als auch der Erfindung gemäß Patentanspruch
9 der gleiche Erfindungsgedanke zugrunde.
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Basierend
auf Abständen
zur Wasseroberfläche,
die jeweils von den zumindest zwei Abstandssensoren des Wasserphantoms
gemäß Patentanspruch
1 ermittelbar sind, ist es möglich,
die Ausrichtung der Positioniervorrichtung für den Detektor direkt in Bezug
auf die Wasseroberfläche
zu ermitteln; beispielsweise ist es mit genau zwei Abstandssensoren,
die jeweils ihren Abstand senkrecht zur Wasseroberfläche messen,
möglich,
die Ausrichtung mit elementarer Trigonometrie in Form einer Neigung
um eine horizontale Neigungsachse senkrecht zu einer Verbindungslinie
zwischen den beiden Abstandssensoren zu ermitteln.
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Basierend
auf der zumindest einen Neigung, die relativ zur Richtung der Schwerkraft
jeweils von dem zumindest einen Neigungssensor gemäß Patentanspruch
9 ermittelbar ist, ist es möglich,
die Ausrichtung der Positioniervorrichtung indirekt in Bezug auf
die Wasseroberfläche
zu ermitteln, deren Lage von der Richtung der Schwerkraft abhängt; durch
den zumindest einen Neigungssensor ist die Neigung um jeweils eine
horizontale Neigungsachse ermittelbar.
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Das
Ermitteln der Ausrichtung, insbesondere in Form einer Neigung, erfolgt,
z.B. mit den Sensoren als Teil einer elektrischen Messvorrichtung,
automatisch und erlaubt somit ein besonders schnelles Einstellen
der Ausrichtung. Sowohl zwei Abstandssensoren als auch ein Neigungssensor
stellen jeweils eine Messvorrichtung zum Ermitteln einer Neigung dar.
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Mithilfe
von genau drei, zusammen ein Dreieck aufspannenden Abstandssensoren
wird es ermöglicht,
die Ausrichtung der Positioniervorrichtung in Form einer Neigung
um zwei verschiedene Neigungsachsen zu ermitteln und somit die Neigung
der Positioniervorrichtung relativ zur Wasseroberfläche vollständig zu
charakterisieren. Zweckmäßig werden die
drei Abstandssensoren derart angeordnet, dass sie ein rechtwinkliges
Dreieck bilden; in diesem Fall kann mit den beiden Abstandssensoren
an den Enden der einen Kathete des Dreiecks die Neigung um eine
horizontale Neigungsachse senkrecht zu der einen Kathete und mit
den beiden Abstandssensoren an den Enden der anderen Kathete des
Dreiecks die Neigung um eine horizontale Neigungsachse senkrecht
zu der anderen Kathete ermittelt werden.
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Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung sind die zumindest zwei Abstandssensoren
zum mechanischen Ermitteln des jeweiligen Abstands ausgebildet; dadurch
sind die Abstände
jeweils besonders einfach ermittelbar. Diese Abstandssensoren können z.B.
jeweils einen auf der Wasseroberfläche schwimmenden Hohlkörper mit
einer Stange umfassen, die vertikal nahe an einem in Höhe der Positioniervorrichtung angeordneten
optischen Sensor geführt
ist, der anhand einer Skala auf der Stange die jeweilige Schwimmhöhe des Hohlkörpers ermittelt.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die zumindest zwei
Abstandssensoren zum Ermitteln des jeweiligen Abstands basierend
auf einer jeweiligen Laufzeit von an der Wasseroberfläche reflektierten
Ultraschallwellen ausgebildet; dadurch wird ein berührungsloses
und besonders exaktes Ermitteln des jeweiligen Abstands ermöglicht. Diese
Abstandssensoren können
z.B. jeweils über
einen senkrecht in Richtung auf die Wasseroberfläche ausgerichteten Ultraschallsender
und über
ein den jeweils senkrecht reflektierten Ultraschall empfangenen
Ultraschallempfänger
verfügen;
durch die bekannte Schallgeschwindigkeit kann aufgrund der Laufzeit
zwischen dem Aussenden und dem Empfangen der Ultraschallwellen der
jeweilige Abstand ermittelt werden.
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Nach
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die zumindest zwei
Abstandssensoren zum Ermitteln des jeweiligen Abstands basierend
auf an der Wasseroberfläche
reflektiertes Licht, insbesondere Laserlicht, ausgebildet; dadurch
wird ebenfalls ein berührungsloses
und besonders exaktes Ermitteln des jeweiligen Abstands ermöglicht.
Geeignete Abstandssensoren nach dem Prinzip der Laser-basierten
Interferometrie oder der Laser-basierten Triangulierung sind allgemein
bekannt.
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Mithilfe
von genau zwei, zueinander in einem Winkel angeordneten Neigungssensoren
wird es ermöglicht,
die Ausrichtung der Positioniervorrichtung in Form einer Neigung
um zwei verschiedene horizontale Neigungsachsen zu ermitteln und
somit die Neigung der Positioniervorrichtung relativ zur Wasseroberfläche vollständig zu
charakterisieren. Zweckmäßig werden
die zwei Neigungssensoren derart angeordnet, dass die beiden Neigungsachsen senkrecht
zueinander ausgerichtet sind; in diesem Fall kann mit einem der
beiden Neigungssensor die Neigung um eine erste horizontale Neigungsachse und
mit dem verbleibenden der beiden Neigungssensoren die Neigung um
eine zweite horizontale Neigungsachse ermittelt werden, die zu der
ersten Neigungsachse senkrecht ist. Anstelle von zwei Neigungssensoren
mit jeweils einer Neigungsachse ist es äquivalent auch möglich, einen
Neigungssensor mit zwei Neigungsachsen zu verwenden.
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Sowohl
durch eine Ausbildung des zumindest einen Neigungssensors mit zumindest
teilweise in eine elektrisch leitende Flüssigkeit eingetauchte Elektroden
zum Ermitteln der jeweiligen Neigung basierend auf einen von der
neigungsbedingten Lage der Flüssigkeit
abhängigen
elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden als auch durch eine
Ausbildung des zumindest einen Neigungssensor mit zumindest teilweise
mit einer elektrisch leitenden oder dielektrischen Flüssigkeit
gefüllten
Kondensator zum Ermitteln der jeweiligen Neigung basierend auf einen von
der neigungsbedingten Lage der Flüssigkeit abhängigen elektrischen
Kapazität
des Kondensators ist die Neigung aufwandsarm und zuverlässig ermittelbar.
Ein Vielzahl solcher Neigungssensoren sind kostengünstig verfügbar und
können
auf einfache Weise in das Wasserphantom integriert werden, ohne
dessen Funktion zum Vermessen der Strahlung zu behindern. Ein kapazitiver
Neigungssensor ist an sich z.B. aus der
DE 41 41 324 A1 bekannt.
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Durch
einen mikromechanischen Neigungssensor zum Ermitteln der jeweiligen
Neigung basierend auf der, insbesondere kapazitiv ermittelten, neigungsbedingten
Lage einer seismischen Masse ist die Neigung besonders genau ermittelbar;
ein solcher Neigungssensor mit seismischen Masse in Form eines Rotors,
dessen Lage kapazitiv ermittelbar ist, ist an sich z.B. aus der
DE 41 06 932 A1 bekannt.
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Zum
Ermitteln der Neigung des Wasserphantoms geeignete Neigungssensoren
sind z.B. auch von System zum Diebstahlschutz von Kraftfahrzeugen
bekannt. Über
die genannten Neigungssensoren hinaus sind auch thermodynamische
Neigungssensoren, wie sie z.B. von dem Institut für Mikro-
und Informationstechnik der Hahn-Schickard-Gesellschaft e.V. (HSG-IMIT)
und der Vogt electronic AG entwickelt wurden, zum Ermitteln der
Neigung einsetzbar.
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Die
Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung
gemäß Merkmalen
der Unteransprüche
werden im Folgenden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbei spielen
in der Zeichnung näher
erläutert,
ohne dass dadurch eine Beschränkung
der Erfindung auf dieses Ausführungsbeispiel
erfolgt; es zeigen:
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1 in
perspektivischer Ansicht ein Wasserphantom mit einem an dessen mit
Wasser gefüllten
Behälter
eine Positionierungsvorrichtung für einen Detektor befestigt
ist, deren Ausrichtung in Bezug auf die Wasseroberfläche mithilfe
von drei an dem Boden des Behälters
angeordneten akustischen Abstandssensoren ermittelbar ist;
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2 in
eine Seitenansicht ein Wasserphantom gemäß 1, wobei
die Ausrichtung der Positioniervorrichtung mithilfe eines Neigungssensors
ermittelbar ist und mithilfe von höhenverstellbaren Füßen einstellbar
ist;
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3 in
einer Seitenansicht ein Wasserphantom gemäß 2, wobei
die Ausrichtung der Positioniervorrichtung mithilfe von an der Positioniervorrichtung
angeordneten Abstandssensoren ermittelbar und mithilfe von höhenverstellbaren
Befestigungselemente relativ zu dem Behälter einstellbar ist;
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4 in
einer Seitenansicht ein Wasserphantom gemäß 3, wobei
die Ausrichtung der Positioniervorrichtung mithilfe von an dem Behälter angeordneten
mechanischen Abstandsensoren ermittelbar ist.
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1 zeigt
in perspektivischer Ansicht ein Wasserphantom 1 mit einem
an dessen mit Wasser 2 gefüllten, nach oben geöffneten,
quaderförmigen
Behälter 3 eine
Positionierungsvorrichtung 4 befestigt ist, mit dem ein
Detektor 5 zum Vermessen einer in das Wasser 2 eindringenden
Strahlung innerhalb des Wassers 2 auf verschiedene Messpositionen
3D-positionierbar ist. Zur Angabe der jeweiligen Messposition dienen
drei Koordinaten x, y und z, deren Koordinatenachsen 6–8 parallel
zu den Kanten 9–11 des Behälters 3 verlaufen.
Die Positionier vorrichtung 4 ist mit vier Befestigungselementen 12–15 an
den oberen Ecken des Behälters 3 befestigt.
Von je zwei der Befestigungselemente 12, 13 bzw. 14, 15 wird
auf gegenüberliegenden
Seiten des Behälters 3 eine
erste Schiene 16 bzw. eine zweite Schiene 17 gehalten, auf
denen ein erstes Halteelement 18 bzw. ein zweites Halteelemente 19 zueinander
parallel in Richtung der x-Achse 6 verschiebbar ist. Die
beiden Haltelemente 18, 19 werden von einer dritten,
horizontal über
das Wasser hinwegreichenden Schiene 20 verbunden, auf dem
ein drittes Haltelement 21 in Richtung der y-Achse 7 verschiebbar
ist. Von dem dritten Halteelement 21 wird eine Stange 22 vertikal
gehalten, die in Richtung der z-Achse 8 verschiebbar ist. An
einem in das Wasser 2 hineinragenden Ende der Stange 22 ist
der Detektor 5 befestigt, mit dem die lokale Strahlungsdosis
gemessen werden kann. Um eine vertikal vom oben in das Wasser 2 eindringende Strahlung
zu messen, ist es zweckmäßig, den
Detektor 5 etwas seitlich entfernt von der Stange 22 z.B. mittels
eines Verbindungsfortsatzes anzuordnen, damit die Stange 22 bzw.
das dritte Halteelemente 21 keine Strahlung absorbiert,
bevor sie zu den Detektor 5 erreicht.
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Die
Ausrichtrichtung der Positioniervorrichtung 4 in Bezug
auf die Wasseroberfläche 23 ist
mithilfe von drei Abstandssensoren 24–26 messbar, die ein
rechtwinkliges Dreieck aufspannen. Durch die konstruktiv besonders
einfache Anordnung der Abstandssensoren 24–26 an
dem Behälter 3,
an dem die Positioniervorrichtung 4, in diesem Ausführungsbeispiel
mit den vier Befestigungselementen 12–15, in einer vorbestimmten
relativen Lage angeordnet ist, ist es möglich, die Ausrichtung der
Positioniervorrichtung 4 in Bezug auf die Wasseroberfläche 23 zu
bestimmen, ohne die Bewegungsfreiheit des Detektors 5,
z.B. durch zusätzliche
Komponenten an der Positioniervorrichtung 4, zu beeinträchtigen.
In diesem Ausführungsbeispiel
sind die drei Abstandssensoren 24–26 in drei der vier
unteren Ecken des Behälters 3 unterhalb
der Wasseroberfläche 23 angeordnet.
Es ist ebenso möglich,
die Abstandssensoren 24–26 oberhalb der Wasseroberfläche 23 z.B.
nahe bei den Befestigungselementen 12–15 anzuordnen.
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Die
Abstandssensoren 24, 25 und 26 ermitteln
ihren jeweiligen Abstand a, b bzw. c zur Wasseroberfläche 23 basierend
auf einer jeweiligen Laufzeit von an der Wasseroberfläche 23 reflektierten
Ultraschallwellen. Diese werden jeweils von einem Ultraschallsender 27, 28 bzw. 29 der
Abstandssensoren 24, 25 und 26 vertikal
nach oben zur Wasseroberfläche 23,
z.B. gepulst, ausgesendet, treffen dort auf eine jeweils andere
Stelle 30, 31 bzw. 32 auf und werden
wenigstens teilweise von der Wasseroberfläche 23 vertikal nach
unten reflektiert. Die von der Wasseroberfläche 23 reflektierten
Ultraschallwellen werden jeweils von einem Ultraschallempfänger 33, 34 bzw. 35 der
Abstandssensoren 24, 25 und 26 empfangen,
so dass anhand der jeweiligen Laufzeit zwischen dem Senden und dem
Empfangen der Ultraschallwellen unter Berücksichtigung der bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeit
der Ultraschallwellen in dem Wasser 2 der jeweilige Abstand
a, b bzw. c zur Wasseroberfläche 23 ermittelbar
ist.
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Basierend
auf den beiden Abständen
a und c, die von den Abstandssensoren 24 bzw. 26 gemessen
werden, die an der Seitenwand des Behälters 3 parallel zur
y-Achse 7 angeordnet sind, ist eine Neigung der Positioniervorrichtung 4 um
eine horizontale Neigungsachse 36 senkrecht zu einer Verbindungslinie 37 zwischen
den jeweiligen beiden Abstandssensoren 24 bzw. 26 ermittelbar;
diese Neigungsachse 36 ist parallel zur x-Achse 6.
Dementsprechend ist basierend auf den beiden Abständen a und
b, die von den Abstandssensoren 24 bzw. 25 gemessen
werden, die an der Seitenwand des Behälters 3 parallel zur
x-Achse 6 angeordnet
sind, eine Neigung der Positioniervorrichtung 4 um eine
horizontale Neigungsachse 38 senkrecht zu einer Verbindungslinie 39 zwischen
den jeweiligen beiden Abstandssensoren 24 bzw. 25 ermittelbar;
diese Neigungsachse 38 ist parallel zur y-Achse 7.
Als Beispiel wird eine Neigung um die letzt genannte Neigungsachse 38 basierend
auf denjenigen Abständen
a und b ermittelt, die von den Abstandssensoren 24 bzw. 25 an
der parallel zur x-Achse 6 angeordneten Seitenwand des
Behälters 3 gemessen
werden; falls der weiter hinten ent lang der x-Achse 6 angeordnete
Abstandssensor 25 den Abstand b misst und der weiter vorne
entlang der x-Achse 6 angeordnete Abstandssensor 24 den
Abstand a misst, dann gilt für
den Neigungswinkel a der Positioniervorrichtung 4 um die
zur y-Achse 7 parallelen
Neigungsachse 38 tan α =
(b – α)/d, wobei
d der Abstand zwischen den beiden Abstandssensoren 24 bzw. 25 ist.
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Anstelle
der Ultraschall-basierten Abstandssensoren 24–26 ist
es möglich
Licht-, insbesondere Laserlicht-, basierte Abstandssensoren zu verwenden,
durch welche die jeweiligen Abstände
a–c basierend
auf von der Wasseroberfläche 23 reflektiertes Licht,
z.B. in Form von Laserlicht, ermittelbar sind; die Ermittlung der
jeweiligen Abstände
a–c erfolgt
dabei z.B. nach dem Prinzip der Interferometrie. In den meisten
praktischen Anwendungen ist es ausreichend, die Neigung der Positioniervorrichtung 4 einmalig
vor dem Vermessen der Strahlung zu ermitteln.
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Besonders
vorteilhaft ist nicht nur die Ausrichtung in Form einer Neigung
um eine oder zwei Neigungsachsen 36 bzw. 38 ermittelbar,
sondern auch die vertikale Position der Positioniervorrichtung 4 relativ
zu der Wasseroberfläche 23;
damit ist es unter Berücksichtigung
einer leicht bestimmbaren Ausfahrlänge des Stabes 22 auf
einfache Weise möglich, die
jeweilige Eintauchtiefe e des Sensors 5 bezogen auf die
Wasseroberfläche 23 zu
bestimmen. Die Ausfahrlänge
kann z.B. mittels eines in dem dritten Halteelement 21 integrierten
Potentiometers oder mittels eines in dem dritten Halteelement 21 integrierten
optischen Sensors zum Erfassen von Markierungen bestimmt werden,
die auf der Stange 22 verschiedene Ausfahrlängen markieren.
Die vertikale Position kann basierend auf einen der drei Abstände a, b
oder c oder basierend auf einem Mittelwert m = (a + b + c)/3 der
drei Abstände
a–c bestimmt
werden. Zusammen mit der Neigung um die zwei Neigungsachsen 36, 38 ist
es möglich,
die Eintauchtiefe e des Detektors 5 an Messpositionen mit
beliebiger x- und y- Koordinate zu bestimmen. Durch ein Ermitteln
der vertikalen Position auch während
des Vermessens der Strahlung ist die jeweils aktuelle Wasserstandshöhe h bestimmbar,
die ggf. im Verlauf der Messung durch Verdunstung abnehmen oder
durch thermische Ausdehnung zunehmen kann.
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Die
genaue Kenntnis über
der jeweiligen Eintauchtiefe e des Detektors 5 zur Wasseroberfläche 23 ist
besonders wichtig im Fall einer vertikal nach unten gerichteten
Strahlungsrichtung. Bei einer fehlerhaft angenommen Eintauchtiefe
e zur Wasseroberfläche 23 kann
es zu einem unerwünschten
Offset im Strahlungsprofil der Eindringtiefe kommen; dies kann bei
einer dem Vermessen der Strahlung nachfolgenden Behandlung eines
Patienten mit der jeweiligen Strahlungsquelle zu einer fehlerhaften
und somit möglicherweise
für den
Patienten schädlichen Einstellung
der Strahlungsquelle führen.
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Mithilfe
der Positioniervorrichtung 4 ist der Detektor 5 motorisch
auf die jeweilige Messposition verschiebbar. Im Verlauf des Vermessens
der Strahlung wird der Detektor 5 nacheinander auf verschiedene
Messpositionen positioniert, um an der jeweiligen Messposition eine
Messung der lokalen Dosis mit dem Detektor 5 vorzunehmen.
Aufwandsarm werden Messfehler durch eine Positionierungsungenauigkeit
des Detektors 5 in Bezug auf die Wasseroberfläche 23 durch
eine nicht dargestellte Steuereinheit zum selbsttätigen Positionieren
des Detektors 5 in Abhängigkeit
von der Ausrichtung der Positionierungsvorrichtung 4 des
Detektors 5 in Bezug auf die Wasseroberfläche 23 vermieden.
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Als
Beispiel wird der Fall einer Ausrichtung der Positioniervorrichtung 4 in
Form einer Neigung mit dem Neigungswinkel α in der eingezeichneten Neigungsrichtung 40 um
diejenige Neigungsachse 38 betrachtet, die zur y-Achse 7 parallel
ist. Mit der Annahme, dass sich der Ursprung des Koordinatensystem
am Boden des Behälters 3 an
dem Schnittpunkt der beiden Neigungsachsen 36 und 38 befindet,
kann die vorgenannte Ausrichtung bei einer ursprünglich vorgesehenen Positionierung
von einer Ausgangsposition im Ursprung des Koordinatensystem auf die
Messposition mit den Koordinaten x, y und z durch eine an die jeweilige
Neigung angepasste Positionierung auf die Messposition mit den Koordinaten
x' = cos(α) x – sin(α) z, y' = y und z' = cos(α) z + sin(α) x berücksichtigt
werden. Eine Berücksichtigung
einer Neigung mit dem Neigungswinkel β in der eingezeichneten Neigungsrichtung 41 um
diejenige Neigungsachse 36 die zur x-Achse 6 parallel
ist, erfolgt in analoger Weise.
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Über eine
bloße
Berücksichtigung
der Ausrichtung in Form einer Neigung hinaus ist eine Ausbildung
der Steuereinheit zur zusätzlichen
Berücksichtigung
der vertikalen Position der Positioniervorrichtung 4 relativ
zu der Wasseroberfläche 23 bei
dem selbsttätigen
Positionieren vorteilhaft.
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Besonders
aufwandsarm werden Messfehler durch eine Positionierungsungenauigkeit
des Detektors 5 in Bezug auf die Wasseroberfläche 23 durch eine
nicht dargestellte Auswerteeinheit zum Auswerten der vermessenen
Strahlung in Abhängigkeit
von der Ausrichtung der Positionierungsvorrichtung 4 vermieden;
dadurch kann das Vermessen der Strahlung in unveränderter
Weise durchgeführt
werden. Beispielweise ist bei einem 3D-Raster von vorgesehenen Messpositionen
bei der Auswertung die durch die jeweilige Ausrichtung veränderte Lage
der tatsächlichen
Messpositionen gegenüber
den vorgesehenen Messpositionen zu berücksichtigen.
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Über eine
bloße
Berücksichtigung
der Ausrichtung in Form einer Neigung hinaus ist eine Ausbildung
der Auswerteeinheit zur zusätzlichen
Berücksichtigung
der vertikalen Position der Positioniervorrichtung 4 relativ
zu der Wasseroberfläche 23 bei dem
Auswerten vorteilhaft.
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2 zeigt
in einer Seitenansicht ein Wasserphantom 1 gemäß 1,
wobei die Ausrichtung des Behälters 3 – und somit
auch der fest mit dem Behälter 3 verbundenen
Positioniervorrichtung 4 – in Bezug auf die Wasseroberfläche 23 durch
zwei unterhalb an dem Behälters 3 angeordnete
Neigungssenso ren der ermittelbar ist. Von den zwei Neigungssensoren
ist in dieser Seitenansicht nur derjenige Neigungssensor 42 dargestellt,
durch den die Neigung der Positioniervorrichtung 4 um die
parallel zur x-Achse 6 ausgerichtete Neigungsachse 36 ermittelbar
ist. Darüber
hinaus ist an dem Behälter 3 noch
ein zweiter, in dieser Zeichnung nicht dargestellter Neigungssensor
angeordnet, der die Neigung der Positioniervorrichtung 4 um
die andere Neigungsachse 38 ermittelt. Aufgrund der Seitenansicht
sind auch die beiden Halteelemente 18 und 19 durch
die weiter im Vordergrund liegenden Befestigungselemente 12 und 14 verdeckt.
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Über die
beiden Neigungssensoren 42 hinaus ist dem Wasserphantom 1 ein
Abstandssensor 43 in einer vorbestimmten räumlichen
Anordnung relativ zu der Positioniervorrichtung 4 zum Ermitteln
der Ausrichtung in Form einer vertikalen Position der Positioniervorrichtung 4 relativ
zu der Wasseroberfläche 23 basierend
auf einen durch den Abstandssensor 43 ermittelbaren Abstand
f zu einer Stelle 44 der Wasseroberfläche 23 zugeordnet.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Abstandssensor 43 an der Stange 22 der
Positioniervorrichtung nahe bei dem Detektor 5 angeordnet.
Der Abstand f zwischen diesem Abstandssensor 43 und der
Wasseroberfläche 23 ist mithilfe
eines von dem Abstandsensor 43 in Richtung zu einer Stelle 44 auf
der Wasseroberfläche 23 ausgesendeten
und von dort wieder zu dem Abstandssensor 43 reflektierten
Laserstrahls ermittelbar. Basierend auf diesen Abstand f kann einerseits
unter Berücksichtigung
der Distanz zwischen dem optischen Abstandssensor 43 und
dem Detektor 5 die vertikale Position in Form der jeweiligen
Eintauchtiefe e und andererseits unter Berücksichtigung der jeweiligen
Lage der Stange 22 relativ zu der dritten Haltevorrichtung 21 die
vertikale Position in Form eines Abstands g von der dritten Haltevorrichtung 21 zur Wasseroberfläche 23 ermittelt
werden. Wie bereits zuvor beschrieben, ist die Kenntnis der vertikalen
Position, insbesondere bei einer vertikalen Strahlungsrichtung von
oben, für
die Auswertung der jeweiligen bei dem Vermessen der Strahlung gewonnenen
Messergebnisse relevant; durch die Anordnung des Abstandssensors 43 direkt
an der Positioniervorrichtung 4 ist dessen vertikale Position,
insbesondere in Form der jeweiligen Eintauschtiefe e, relativ zur
Wasseroberfläche 23 besonders
genau ermittelbar. Darüber hinaus
ermöglicht
die Kenntnis des jeweiligen Abstands f von dem Abstandsdetektor 43 zur
Wasseroberfläche 23 auch
eine Kontrolle der Wasserstandshöhe
h.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist das Wasserphantom 1 mit
einem Anzeigemittel 45 zum Anzeigen der jeweils ermittelten
Ausrichtung ausgestattet; dadurch ist die jeweilige Ausrichtung
für einen
Benutzer des Wasserphantoms 1 auf einfache Weise erkennbar,
so dass der Benutzer die Ausrichtung korrigieren oder die Messergebnisse
unter Berücksichtigung
der Ausrichtung auswerten kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Ausrichtung
in Form einer Neigung von dem Neigungssensor 42 über ein
Datenverbindungskabel 46 zu dem Anzeigemittel 45 übermittelbar
und dort auf einem LC-Display 47 anzeigbar. Darüber hinaus
ist das Anzeigemittel 45 zusätzlich zum Anzeigen der vertikalen
Position der Positioniervorrichtung 4 relativ zu der Wasseroberfläche 23 ausgebildet;
auf die zeichnerische Darstellung eines entsprechenden weiteren
Datenverbindungskabels zu dem Abstandssensor 43 wurde im
Sinne einer möglichst übersichtlichen
Zeichnung verzichtet.
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Durch
zumindest ein Ausrichtmittel 48 und 49 zum Ausrichten
der Positionierungsvorrichtung 4 relativ zu der Wasseroberfläche 23 auf
eine vorgesehene Ausrichtung in Abhängigkeit von der ermittelten Ausrichtung
ist die Ausrichtung bereits vor dem Vermessen der Strahlung aufwandsarm
auf eine vorgesehene Ausrichtung einstellbar. Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das zumindest eine Ausrichtmittel
zum Ausrichten der Positioniervorrichtung 4 durch das Ausrichten
des Behälters 3 ausgebildet,
an dem die Positioniervorrichtung 4 in einer vorbestimmten
relativen Lage, in diesem Ausführungsbeispiel
durch die Befestigungselemente 12–15, angeordnet ist;
dadurch sind gemeinsam mit der Positionierungsvorrichtung 20 auch
die Seitenwände
des Behälters 3 ausricht bar.
Beispielsweise werden bei einem Ausrichten der dritten Schiene 20 parallel
zur Wasseroberfläche 23 gleichzeitig
auch die Außenwände des
Behälters 3 vertikal
ausgerichtet, so dass eine horizontal auf eine der Seitenwände auftreffender
Strahlung in aufwandsarm beim Vermessen zu berücksichtigender Weise senkrecht
auf die jeweilige Seitenwand trifft.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist das zumindest eine Ausrichtmittel in Form von vier unterhalb
des Behälters 3,
nahe an dessen Ecken angeordnete höhenverstellbaren Füßen ausgebildet,
von denen in dieser Zeichnung nur die vorderen beiden Füße 48 und 49 abgebildet
sind. Besonders einfach sind diese Ausrichtmittel 48, 49 zum
manuellen Ausrichten der Positioniervorrichtung 4 in Abhängigkeit von
der in diesem Ausführungsbeispiel
mithilfe des Anzeigemittels 45 angezeigten Ausrichtung
ausgebildet. Dazu umfassen die Füße 48 und 49 jeweils
einen an dem Behälter 3 befestigten
Rahmen 50 bzw. 51, die an ihrer Unterseite jeweils
eine kreisförmige Öffnung mit
einem Schraubgewinde aufweist. In dieses Schraubgewinde ist eine
Schraube 52 bzw. 53 hineingeschraubt, an deren
unteren Ende jeweils ein Standuntersetzer 54 bzw. 55 angeordnet
ist, der das Gewicht des Wasserphantoms 1 jeweils auf einen Teil
einer Standfläche 56 verteilt.
Durch eine Hinein- bzw. Hinausschrauben der Schrauben 52 bzw. 53 ist die
jeweilige Ausfahrlänge 57 bzw. 58 der
Schrauben 52 bzw. 53 aus den Rahmen 48 bzw. 49 und
somit die Ausrichtung des Behälters 3 bzw.
der Positioniervorrichtung 4 in Abhängigkeit von der jeweils angezeigten
Ausrichtung einstellbar. Darüber
hinaus ist durch ein gemeinsames hinein- bzw. hinausschrauben der aller
Schrauben 52, 53 vorteilhaft auch die vertikale Position
der Positioniervorrichtung 4 relativ zur Wasseroberfläche 23 einstellbar.
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3 zeigt
in einer Seitenansicht ein Wasserphantom 1 gemäß 1,
wobei die akustischen Abstandssensoren 26 und 24 gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung an der Positioniervorrichtung 4 angeordnet
sind; dadurch kann die Ausrichtung der Positioniervorrichtung 4 direkt
und damit besonders genau ermittelt werden. In diesem Ausführungsbeispiel
sind die zwei Abstandssensoren 26 und 24 nahe
bei den Enden der dritten Schiene 20 angeordnet, so dass
basierend auf den durch die Abstandssensoren 26 und 24 jeweils
gemessenen Abständen c
bzw. a zu den jeweiligen Stellen 32 bzw. 30 auf
der Wasseroberfläche 23 die
Ausrichtung z.B. in Form einer Neigung um die zur x-Achse 6 parallelen
Neigungsachse 36 ermittelbar ist. Darüber hinaus können in ähnliche
Weise an der Positionierungsvorrichtung 4 weitere Abstandssensoren
z.B. an der zweiten Schiene 17 angeordnet sein, um auch
die Neigung um die zur y-Achse 7 parallelen Neigungsachse 38 zu
ermitteln.
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Im
Gegensatz zum Ausführungsbeispiel,
das in 2 dargestellt ist, ruht der Behälter 2 in
seiner Ausrichtung unveränderbar
lediglich mit seinen unterhalb an den Ecken des Behälters 3 angeordneten Standuntersetzern 54, 55 auf
der Standfläche 56. Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung ist das zumindest eine Ausrichtmittel
zum Ausrichten der Positioniervorrichtung durch deren Ausrichten
relativ zu dem Behälter 3 ausgebildet;
im Gegensatz zum in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
wird dadurch vermieden, dass das zumindest eine Ausrichtmittel auch
das gesamte Gewicht des mit Wasser 2 gefüllten Behälters 3 ausrichten
und ggf. auch tragen muss, so dass das zumindest eine Ausrichtmittel konstruktiv
einfach ausgeführt
sein kann.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
sind die Ausrichtmittel in Form von vier Hubelementen ausgeführt, die
anstelle der Befestigungselemente 12–14 an den oberen
Ecken des Behälters 3 angeordnet sind.
Von den vier Hubelementen sind in dieser Seiteansicht nur die vorderen
zwei Hubelemente 59 und 60 jeweils im Querschnitt
dargestellt. Die Hubelemente 59 und 60 umfassen
jeweils einen unteren Teil 61 bzw. 62, der jeweils
an einer Ecke des Behälters 3 befestigt
ist, und jeweils einen oberen Teil 63 bzw. 64.,
an dem entweder die erste Schiene 16 oder die zweite Schiene 17 des
Positioniervorrichtung 4 befestigt ist. Der untere Teil 61 bzw. 62 jedes
Hubelements 59 bzw. 60 greift mit je zwei vertikal
nach oben gerichtete Füh rungsbolzen 65 bzw. 66 in
entsprechende Bohrungen 67 bzw. 68 des oberen
Teils 61 bzw. 62; durch dieses formschlüssige Ineinandergreifen
werden beiden Teile 61, 63 bzw. 62, 64 vertikal geführt und
sind jeweils nur in Ihrer Hubhöhe
verstellbar. Durch eine Ausbildung der Ausrichtmittel 59, 60 jeweils
in Form eines Antriebsmittels zum selbsttätigen Ausrichten der Positioniervorrichtung 4 ist
die Ausrichtung der Positioniervorrichtung 4 in einfacher Weise
besonders schnell einstellbar; in dieser Ausgestaltung sind die
Hubelemente 59 und 60 in Ihrer jeweiligen Hubhöhe durch
motorisch von dem jeweils oberen Teil 61 bzw. 61 in
Richtung auf den jeweils unteren Teil 63 bzw. 64 ausfahrbare
Hubbolzen 69 bzw. 70 einstellbar. Das jeweilige
Antriebsmittel kann z.B. mit einem Elektromotor, einer Hydraulik
oder einer Pneumatik ausgestattet sein.
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In
Abhängigkeit
von der jeweils ermittelten Ausrichtung der Positioniervorrichtung 4 kann
mithilfe der Hubelemente 59, 60 die Ausrichtung
der Positioniervorrichtung 4 automatisch vor dem Vermessen der
Strahlung auf eine vorgesehen Ausrichtung eingestellt werden; dazu
ist an der Positioniervorrichtung 4 eine Steuereinheit 71 angeordnet,
die die jeweils ermittelten Abstände über Datenverbindungskabel 46 von
den Abstandssensoren 24, 26 empfängt und
entsprechende Steuersignale an die Hubelemente 59, 60 über weitere
Datenverbindungskabel 46 sendet.
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4 zeigt
in einer Seitenansicht ein Wasserphantom 1 gemäß 3 mit
an dem Boden des Behälters 3 angeordneten
mechanischen Abstandssensoren 72, 73 anstelle
der an der Positioniervorrichtung 4 angeordneten akustischen
Abstandssensoren 26, 24. Die mechanischen Abstandssensoren 72 und 73 umfassen
jeweils ein Seilzugpotentiometer 74 bzw. 75, dessen
Seil 76 bzw. 77 jeweils durch einen endseitig
an dem jeweiligen Seil 76 bzw. 77 befestigten
Schwimmer 78 bzw. 79 bis an die Wasseroberfläche 23 ausziehbar
ist. Die jeweils ermittelten Abstände c bzw. a sind über Datenverbindungskabel 46 an
die außerhalb
des Behälters 3 angeordneten Auswerteeinheit 80 übermittelbar,
durch welche die jeweils von dem Detektor 5 gemessenen
und über ein
Datenverbindungskabel 46 an die Auswerteeinheit 80 übermittelbaren
Messwerte unter Berücksichtigung
der jeweils basierend auf den Abständen ermittelten Ausrichtung
der Positioniervorrichtung 4 auswertbar sind. Die ausgewerteten
Messdaten sind über
eine Schnittstelle 81 an einen Computer, einen Datenspeicher
oder eine Datenausgabegerät übermittelbar.
Um ein seitliches Abdriften des Schwimmers 78 zu vermeiden,
kann der Schwimmer zusätzlich
durch eine vertikal ausgerichtete Röhre geführt werden, die für jeden
beliebigen Abstand c mit seiner Innenwand an dem Schwimmer anliegt,
ohne den Schwimmer an seine vertikalen Bewegung zu hindern.
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Die
Erfindung lässt
sich grundsätzlich
wie folgt zusammenfassen: Die Erfindung betrifft ein Wasserphantom
mit einem zum Vermessen einer ionisierenden Strahlung in einem mit
Wasser gefüllten Behälter auf
verschiedene Messpositionen positionierbaren Detektor, wobei das
Wasserphantom zumindest einen Sensor zum Ermitteln einer Ausrichtung
einer zum Positionieren des Detektors vorgesehenen Positioniervorrichtung
in Bezug auf die Wasseroberfläche
aufweist, so dass mit geringem Zeitaufwand Messfehler beim Vermessen
vermeidbar sind, die durch eine Positionierungsungenauigkeit des
Detektors in Bezug auf die Wasseroberfläche verursacht werden können; diese
Ausrichtung ist entweder direkt basierend auf mit zumindest zwei
Abstandssensoren gemessenen Abständen
in Bezug auf die Wasseroberfläche
oder indirekt basierend auf jeweils mit zumindest einem Neigungssensor
gemessenen Neigungen in Bezug auf die Schwerkraft ermittelbar.