DE102013214361A1 - Method for reducing quantization artifacts - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Bildfehlern in einem digitalisierten Bildsignal eines Bilddetektors mit in einer Matrix angeordneten Pixeln, insbesondere zur Reduktion von Quantisierungsartefakten, mit folgenden Schritten: S1) Erzeugung eines Bilddatensatzes durch Digitalisierung von analogen Bildsignalen der Pixel des Bilddetektors (4) zur Bildung einer wenigstens ersten Projektion, S2) Erstellung einer ersten Rekonstruktion aus den Bilddaten des Bilddatensatzes zur Erzeugung rekonstruierter Bilddaten im Rekonstruktionsraum, S3) Unterdrückung von Bildfehlern in der ersten Rekonstruktion durch Filterung der rekonstruierten Daten im Rekonstruktionsraum zur Erzeugung von gefilterten Bilddaten, S4) Abbildung der gefilterten Daten in den Projektionsraum zur Erzeugung wenigstens einer gefilterten Projektion, S5) Ermittlung wenigstens eines Schwellenwerts, der einen maximal möglichen Unterschied der Bildsignale der Pixel aufgrund des Bildfehlers kennzeichnet, S6) Ermittlung der Größe von Differenzen der Bildsignale der Pixel in der ersten und der gefilterten Projektion, S7) Berechnung eines neuen verbesserten Projektionsdatensatzes aus der Fusion der Bildsignale der Pixel in der ersten und der gefilterten Projektion, wobei eine Entfernung der gefilterten Projektionsdaten durchgeführt wird, wenn die gemäß Verfahrensschritt S6 ermittelten Differenzen einen größeren Wert als den Schwellenwert ergeben. S8) Erstellung einer zweiten Rekonstruktion mit dem verbesserten Projektionsdatensatz und S9) Wiedergabe der zweiten Rekonstruktion mit verbesserter Bildqualität.The invention relates to a method for reducing image aberrations in a digitized image signal of an image detector with pixels arranged in a matrix, in particular for reducing quantization artifacts, comprising the following steps: S1) generating an image data record by digitizing analog image signals of the pixels of the image detector (4) Formation of an at least first projection, S2) creation of a first reconstruction from the image data of the image data set for generating reconstructed image data in the reconstruction space, S3) suppression of image defects in the first reconstruction by filtering the reconstructed data in the reconstruction space to produce filtered image data, S4) filtered data into the projection space to produce at least one filtered projection, S5) determining at least one threshold value indicative of a maximum possible difference of the image signals of the pixels due to the image defect, S6) Erm calculating the size of differences of the image signals of the pixels in the first and the filtered projection, S7) calculating a new improved projection data set from the fusion of the image signals of the pixels in the first and the filtered projection, wherein a removal of the filtered projection data is performed determined according to step S6 differences greater than the threshold. S8) creation of a second reconstruction with the improved projection data set and S9) reproduction of the second reconstruction with improved image quality.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Bildfehlern in einem digitalisierten Bildsignal eines Bilddetektors mit in einer Matrix angeordneten Pixeln, insbesondere zur Reduktion von Quantisierungsartefakten. The invention relates to a method for reducing image errors in a digitized image signal of an image detector with pixels arranged in a matrix, in particular for reducing quantization artifacts.
Ein derartiges Verfahren zur Reduktion von Bildfehlern in einem digitalisierten Bildsignal eines Bilddetektors lässt sich beispielsweise in einem Angiographiesystem zur angiographischen Untersuchung eines Patienten einsetzen, das beispielsweise aus der
Die
Mittels des beispielsweise aus der
Der bekannte Knickarmroboter weist ein Grundgestell auf, welches beispielsweise auf einem Boden fest montiert ist. Daran ist drehbar um eine erste Drehachse ein Karussell befestigt. Am Karussell ist schwenkbar um eine zweite Drehachse eine Roboterschwinge angebracht, an der drehbar um eine dritte Drehachse ein Roboterarm befestigt ist. Am Ende des Roboterarms ist drehbar um eine vierte Drehachse eine Roboterhand angebracht. Die Roboterhand weist ein Befestigungselement für den C-Bogen
Die Realisierung der Röntgendiagnostikeinrichtung ist nicht auf den Industrieroboter angewiesen. Es können auch übliche C-Bogen-Geräte Verwendung finden. The realization of the X-ray diagnostic device is not dependent on the industrial robot. It can also find common C-arm devices use.
Der Röntgenbilddetektor
Im Strahlengang des Röntgenstrahlers
Anstelle des in
Anstelle des beispielsweise dargestellten C-Bogens
Bei der Radiographie oder Fluoroskopie mittels einer derartigen Röntgendiagnostikeinrichtung werden die medizinischen 2-D-Daten des Röntgenbilddetektors
In dieser sogenannten Flachdetektor-Computertomographie werden die auf den Röntgenbilddetektor
In der Literatur finden sich viele Ansätze zur Reduktion von Rauschen, insbesondere Bildrauschen. Dafür werden beispielsweise Struktur−gesteuerte Filter, wie von
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Verfahren zur Reduktion von Quantisierungsartefakten der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass auf einfache Weise eine gute Rauschunterdrückung erreicht wird. The invention is based on the object to form a method for the reduction of quantization artifacts of the type mentioned in such a way that a good noise reduction is achieved in a simple manner.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß für ein Verfahren der eingangs genannten Art durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. The object is achieved for a method of the type mentioned by the features specified in claim 1. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Die Aufgabe wird für ein Verfahren zur Reduktion von Quantisierungsartefakten erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte gelöst:
- S1) Erzeugung eines Bilddatensatzes durch Digitalisierung von analogen Bildsignalen der Pixel des Bilddetektors (
4 ) zur Bildung einer wenigstens ersten Projektion, - S2) Erstellung einer ersten Rekonstruktion aus den Bilddaten des Bilddatensatzes zur Erzeugung rekonstruierter Bilddaten im Rekonstruktionsraum,
- S3) Unterdrückung von Bildfehlern in der ersten Rekonstruktion durch Filterung der rekonstruierten Bilddaten im Rekonstruktionsraum zur Erzeugung von gefilterten Bilddaten,
- S4) Abbildung der gefilterten Bilddaten in den Projektionsraum zur Erzeugung wenigstens einer gefilterten Projektion,
- S5) Ermittlung wenigstens eines Schwellenwerts, der einen maximal möglichen Unterschied der Bildsignale der Pixel aufgrund des Bildfehlers kennzeichnet,
- S6) Ermittlung der Größe von Differenzen der Bildsignale der Pixel in der ersten und der gefilterten Projektion,
- S7) Berechnung eines neuen verbesserten Projektionsdatensatzes aus der Fusion der Bildsignale der Pixel in der ersten und der gefilterten Projektion, wobei eine Entfernung derjenigen gefilterten Projektionsdaten durchgeführt wird, wenn die gemäß Verfahrensschritt S6 ermittelten Differenzen einen größeren Wert als den Schwellenwert ergeben. Es werden also alle Bildsignale der Pixel mit Differenzen größer als der Schwellenwert aus der ursprünglichen Projektion ermittelt, während alle Bildsignale der Pixel, die sich weniger unterscheiden, aus der gefilterten Projektion bestimmt werden können.
- S8) Erstellung einer zweiten Rekonstruktion mit dem verbesserten Projektionsdatensatz,
- S9) Wiedergabe der zweiten Rekonstruktion mit verbesserter Bildqualität.
- S1) generating an image data set by digitizing analog image signals of the pixels of the image detector (
4 ) for forming at least a first projection, - S2) creation of a first reconstruction from the image data of the image data set for generating reconstructed image data in the reconstruction space,
- S3) suppression of image defects in the first reconstruction by filtering the reconstructed image data in the reconstruction space to produce filtered image data,
- S4) mapping the filtered image data into the projection space to produce at least one filtered projection,
- S5) determining at least one threshold characterizing a maximum possible difference of the image signals of the pixels due to the image defect,
- S6) determining the size of differences of the image signals of the pixels in the first and the filtered projection,
- S7) calculating a new improved projection data set from the fusion of the image signals of the pixels in the first and the filtered projection, wherein a removal of those filtered projection data is performed if the differences determined according to method step S6 result in a value greater than the threshold value. Thus, all the image signals of the pixels having differences greater than the threshold value from the original projection are determined, while all the image signals of the pixels which differ less can be determined from the filtered projection.
- S8) creating a second reconstruction with the improved projection data set,
- S9) Reproduction of the second reconstruction with improved picture quality.
Erfindungsgemäß können die Bildfehler aufgrund der Digitalisierung der analogen Bildsignale bewirkte Quantisierungsartefakte sein. According to the invention, the image errors due to the digitization of the analog image signals can be caused quantization artifacts.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zur Unterdrückung von Bildfehlern gemäß Verfahrensschritt S3 wenigstens ein Entrauschungsverfahren aus der Gruppe von Median-Filter, Gauß-Filter, Bilateral-Filter, Minimierung der TV−Norm und/oder Struktur−gesteuerte Filter einsetzt wird. It has proved to be advantageous if at least one denoising method from the group of median filters, Gaussian filters, bilateral filters, minimization of the TV standard and / or structure-controlled filters is used to suppress image errors according to method step S3.
In vorteilhafter Weise kann zur Ermittlung wenigstens eines Schwellenwerts gemäß Verfahrensschritt S5 die bei der Digitalisierung von analogen Bildsignalen verwendeten Quantisierungsstufen verwendet werden. In an advantageous manner, to determine at least one threshold value according to method step S5, the quantization stages used in the digitization of analog image signals can be used.
Erfindungsgemäß kann zur Berechnung eines neuen verbesserten Projektionsdatensatzes gemäß Verfahrensschritt S7 eine gewichtete Summe beider Bilder erfolgen, wobei das Gewicht der gewichteten Summe wenigstens ein Kriterium aus der Gruppe von Stärke des Unterschieds, Stärke des lokalen Rauschens an dem aktuellen Pixel und Stärke des Unterschieds in einer lokalen Nachbarschaft enthalten kann. According to the invention, a weighted sum of the two images can be used to calculate a new improved projection data set according to method step S7, where the weight of the weighted sum is at least one criterion from the group of magnitude of the difference, strength of the local noise at the current pixel and strength of the difference in a local Neighborhood may contain.
Vorteilhaft kann das Verfahren zur Digitalisierung der Detektorsignale gemäß Verfahrensschritt S1 bei einer nicht−lineare Quantisierung durchgeführt werden. Advantageously, the method for digitizing the detector signals according to method step S1 in a non-linear quantization can be performed.
Um eine weitere Bildverbesserung zu erreichen, können die Verfahrensschritte S3 bis S8 mehrfach wiederholt werden. In order to achieve a further image improvement, the method steps S3 to S8 can be repeated several times.
In vorteilhafter Weise kann die Erstellung einer zweiten Rekonstruktion gemäß Verfahrensschritt S7 mit anderen zwei− oder mehrschritt Verfahren wie Metallartefakt-Reduktion oder iterativen Rekonstruktionsverfahren kombiniert werden. Advantageously, the creation of a second reconstruction according to method step S7 can be combined with other two-step or multi-step methods, such as metal artifact reduction or iterative reconstruction methods.
Erfindungsgemäß kann der Bilddatensatz gemäß Verfahrensschritt S1 ein 3-D-Bilddatensatz und/oder eine zeitliche Sequenz aufeinanderfolgender Bilddaten sein. According to the invention, the image data set according to method step S1 can be a 3-D image data set and / or a temporal sequence of successive image data.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Verfahren zur Reduktion von Bildfehlern in einem digitalisierten Bildsignal eines Bilddetektors mit in einer Matrix angeordneten Pixeln eines Angiographiesystems zur angiographischen Untersuchung oder Behandlung eines Organs, Gefäßsystems oder anderer Körperregionen als Untersuchungsobjekt eines Patienten eingesetzt wird, wobei das Angiographiesystem einen Röntgenstrahler, den Röntgenbilddetektor, die an den Enden eines C-Bogens angebracht sind, einen Patientenlagerungstisch mit einer Tischplatte zur Lagerung des Patienten, eine Systemsteuerungseinheit, ein Bildsystem und einen Monitor aufweist. It has proven to be advantageous if the method for reducing image aberrations in a digitized image signal of an image detector with pixels arranged in a matrix of an angiography system for angiographic examination or treatment of an organ, vascular system or other body regions is used as the examination subject of a patient, the angiography system an X-ray source, the X-ray image detector, attached to the ends of a C-arm, a patient support table having a table top for supporting the patient, a system control unit, an imaging system, and a monitor.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen: The invention is explained in more detail with reference to embodiments shown in the drawing. Show it:
In der
Die
Eine Unterdrückung des Bildrauschens im Bildraum oder Rekonstruktionsraum ist zwar möglich. Jedoch werden dabei auch Kanten verwischt. Das Ergebnis einer solchen Filterung
Eine erfindungsgemäße Reduktion der Quantisierungsartefakte im Rekonstruktionsraum kann nun gemäß folgenden, anhand der
- S1) Der beispielsweise durch die Röntgendiagnostikeinrichtung gemäß
1 erzeugte Bilddatensatz einer ersten Projektion bzw. eines ersten Röntgenbildes12 durch Digitalisierung von analogen Bildsignalen desBilddetektors 4 wird abgespeichert. - S2) Aus diesem ersten Bilddatensatz wird eine erste oder initiale
Rekonstruktion 14 im Bildraum oder Rekonstruktionsraum erstellt, die jedoch mit den erwähnten, oben genannten Bildfehlern behaftet ist (siehe3 ). - S3) Die Bildfehler, insbesondere das Bildrauschen, beispielsweise hervorgerufen durch äquidistante Quantisierungsfehler, werden durch Filterung
16 der Rekonstruktion im Bildraum oder Rekonstruktionsraum stark unterdrückt. Im dargestellten Beispiel wurde ein bilateraler Filter verwendet. Es kann aber auch jedes andere 2-D/3-D-Entrauschungsverfahren Anwendung finden. - S4) Das gefilterte bzw. entrauschte Bild im Rekonstruktionsraum wird dann in
den Projektionsraum 18 abgebildet. - S5) Da die Höhen der bei der Digitalisierung verwendeten Quantisierungsstufen bekannt sind, kann ein maximal bedingt durch die Quantisierung möglicher Unterschied der Pixelsignale als Schwellenwert ermittelt werden.
- S6) Alle Pixelwerte der gefilterten Projektion, die sich mehr als diesen Unterschied von der ursprünglichen Projektion, bzw.
dem Röntgenbild 12 , unterscheiden, d. h. die einen Unterschied aufweisen, der größer als der Schwellenwert ist, werden aus der ursprünglichen Projektion,dem Röntgenbild 12 , ermittelt bzw. übernommen. Es kann in diesem Falle davon ausgegangen werden, dass bei diesen Pixelwerten beispielsweise eine relevante Kante durch die Filterung verwischt wurde. Alle Pixelwerte der gefilterten Projektion, die sich weniger unterscheiden, d. h. die einen kleineren Unterschied als der Schwellenwert aufweisen, werden aus der neuen rauschreduzierten gefilterten Projektion ermittelt. Es liegt dabei die Überlegung zugrunde, dass dieser Unterschied bzw. die Differenz auf einem von einer Quantisierungsstufe stammenden Bildfehler beruht. - S7) Aus der Fusion der beiden Datensätze gemäß der im Verfahrensschritt S6 festgelegten und beschriebenen Regel, nach der gefilterte Projektionsdaten mit Differenzen größer als der Schwellenwert entfernt wurden, wird ein neuer verbesserter
Projektionsdatensatz im Projektionsraum 18 bestimmt. - S8) Der verbesserte Projektionsdatensatz wird erneut rekonstruiert, so dass man als Ergebnis eine zweite Rekonstruktion mit verbesserter Bildqualität erhält.
- S9) Diese zweite Rekonstruktion mit verbesserter Bildqualität, wie sie beispielsweise anhand der
9 bis 11 demonstriert wird, wird wiedergegeben. Die Kanten bleiben erhalten und dasBildrauschen ist mit 5 HU halb so groß, wie das in der originalen ersten Rekonstruktion.
- S1) The example by the X-ray diagnostic device according to
1 generated image data set of a first projection or afirst x-ray image 12 by digitizing analog image signals of theimage detector 4 is saved. - S2) This first image data set becomes a first or
initial reconstruction 14 created in the image space or reconstruction space, but which is subject to the above-mentioned image errors (see3 ). - S3) The image errors, in particular the image noise, caused, for example, by equidistant quantization errors, are produced by filtering
16 Reconstruction in the image space or reconstruction space strongly suppressed. In the example shown a bilateral filter was used. However, it can also be any other 2-D / 3-D Entrauschungsverfahren apply. - S4) The filtered or noisy image in the reconstruction space is then placed in the
projection space 18 displayed. - S5) Since the heights of the quantization steps used in the digitization are known, a maximum possible difference of the pixel signals due to the quantization can be determined as a threshold value.
- S6) All pixel values of the filtered projection, which is more than this difference from the original projection, or the
X-ray image 12 , ie, which have a difference greater than the threshold, become the original projection, theX-ray image 12 , determined or accepted. In this case, it can be assumed that, for example, a relevant edge was blurred by the filtering in the case of these pixel values. All pixel values of the filtered projection which differ less, ie which have a smaller difference than the threshold, are determined from the new noise reduced filtered projection. It lies thereby the Consideration that this difference or difference is based on an image error originating from a quantization step. - S7) From the fusion of the two data records according to the rule defined and described in method step S6, after which filtered projection data having differences greater than the threshold value has been removed, a new improved projection data set is obtained in the
projection space 18 certainly. - S8) The improved projection data set is reconstructed again, resulting in a second reconstruction with improved image quality.
- S9) This second reconstruction with improved image quality, as shown for example by the
9 to11 is demonstrated is played back. The edges are preserved and the image noise is half the size of 5 HU, as in the original first reconstruction.
Zu diesen erfindungsgemäßen Verfahrensschritten gibt es eine Vielzahl von Ausführungsalternativen. Einige sind nachfolgend aufgezählt, wobei die Aufzählung nur beispielhaft, nicht abschließend ist:
- – Im Verfahrensschritt S3 können verschiedene Entrauschungsverfahren einsetzt werden: Median-Filter, Gauß-Filter, Bilateral-Filter, Minimierung der TV−Norm und/oder Struktur−gesteuerte Filter.
- – Im Verfahrensschritt S6 kann eine "weiche" Entscheidung getroffen werden. Statt einer "harten" Entweder−Oder−Wahl, kann beispielsweise auch eine gewichtete Summe beider Bilder im Verfahrensschritt S6 erfolgen. Das Gewicht der Summe kann dabei verschiedene Kriterien enthalten: – Stärke des Unterschieds, – Stärke des lokalen Bildrauschens an dem aktuellen Pixel und/oder – Stärke des Unterschieds in einer lokalen Nachbarschaft.
- – Alternativ zu einer äquidistanten Quantisierung bei der Erzeugung eines ersten Projektionsdatensatzes durch Digitalisierung von analogen Bildsignalen des
Bilddetektors 4 kann auch eine nicht−lineare, beispielsweise eine logarithmische Quantisierung angenommen werden. Üblicherweise werden die Bilddaten in einer Domäne aufgenommen, die erst mit einem negativen Logarithmus verarbeitet werden muss. Dadurch ergeben sich lokal unterschiedliche Quantisierungsstufen, die von der Stärke des Signals abhängig sind. Die Verfahrensschritte S5 bis S7 müssen dann entsprechend angepasst werden. - – Die Verfahrensschritte S3 bis S8 können mehrfach wiederholt werden, um eine weitere Bildverbesserung zu erreichen.
- – Eine Kombination mit anderen zwei− oder mehrschritt Verfahren, wie Metallartefakt-Reduktion oder iterativen Rekonstruktionsverfahren ist möglich und sinnvoll, da somit Gesamtrechenzeit eingespart werden kann.
- In method step S3, various denoising methods can be used: median filter, Gaussian filter, bilateral filter, minimization of the TV standard and / or structure-controlled filters.
- In method step S6, a "soft" decision can be made. Instead of a "hard" either-or-choice, for example, a weighted sum of both images in step S6 can take place. The weight of the sum may include several criteria: strength of the difference, strength of the local noise at the current pixel, and / or strength of the difference in a local neighborhood.
- - As an alternative to an equidistant quantization in the generation of a first projection data set by digitizing analog image signals of the
image detector 4 It is also possible to assume a non-linear, for example a logarithmic, quantization. Usually, the image data is recorded in a domain that first needs to be processed with a negative logarithm. This results in locally different quantization levels, which are dependent on the strength of the signal. The method steps S5 to S7 must then be adapted accordingly. - - The process steps S3 to S8 can be repeated several times to achieve a further image enhancement.
- - A combination with other two- or multi-step method, such as metal artifact reduction or iterative reconstruction method is possible and useful, since thus total computing time can be saved.
Anhand der
Die
Eine Schwellenwertbildung
Übersteigen die Differenzwerte der Projektionen den Schwellenwert, werden die Pixelwerte
Diese derart ermittelten Pixelwerte
Bei der pixelweisen Abfrage
Bisher werden Quantisierungsfehler in Rekonstruktionsmethoden nicht explizit modelliert. Der Quantisierungsfehler, der durch die Digitalisierung des Ausgangssignals des Röntgenbilddetektors
Durch die anhand der
Leider erfordert die Methode mindestens einen zweiten Rekonstruktionslauf. Dies wird aber auch in anderen Prototypen, in einer anderen lauffähigen Software oder konkreten Modellierung einer Teilkomponente des Zielsystems, genutzt, wie beispielsweise die Metallartefakt-Reduktion. Daher ist eine Kombination mit diesen sinnvoll. Unfortunately, the method requires at least a second reconstruction run. However, this is also used in other prototypes, in other executable software or concrete modeling of a subcomponent of the target system, such as the reduction of metal artefacts. Therefore, a combination with these makes sense.
Literatur literature
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[1]
Andreas Maier, Lars Wigström, Hannes G. Hofmann, Joachim Hornegger, Lei Zhu, Norbert Strobel and Rebecca Fahrig, "Three−dimensional Anisotropic Adaptive Filtering of Projection Data for Noise Reduction in Cone Beam CT," Med. Phys., to appear 2011 Andreas Maier, Lars Wigström, Hannes G. Hofmann, Joachim Hornegger, Lei Zhu, Norbert Strobel, and Rebecca Fahrig, "Three-dimensional Anisotropic Adaptive Filtering of Projection Data for Noise Reduction in Cone Beam CT," Med. Phys., To appear 2011 -
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Anna Gabiger, Robert Weigel, Steven Oeckl, Peter Schmitt, "Enhancement of CT Image Quality via Bilateral Filtering of Projections," The First International Conference on Image Formation in X−Ray Computed Tomography, Salt Lake City, United States, 2010, pp. 140–143 Anna Gabiger, Robert Weigel, Steven Oeckl, Peter Schmitt, "Enhancement of CT Image Quality via Bilateral Filtering of Projections," The First International Conference on Image Formation in X-Ray Computed Tomography, Salt Lake City, United States, 2010, p. 140-143 -
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C. Tomasi, R. Maduchi, "Bilateral Filtering for Gray and Color Images," ICCV '98: Proceedings of the Sixth International Conference on Computer Vision, Washington, DC, United States, 1998, pp. 839–846 C. Tomasi, R. Maduchi, "Bilateral Filtering for Gray and Color Images," ICCV '98: Proceedings of the Sixth International Conference on Computer Vision, Washington, DC, United States, 1998, p. 839-846 -
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 7500784 B2 [0002, 0004] US 7500784 B2 [0002, 0004]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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- Anna Gabiger et al. [0013] Anna Gabiger et al. [0013]
- C. Tomasi et al. [0013] C. Tomasi et al. [0013]
- Jing Wang et al. [0013] Jing Wang et al. [0013]
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