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Dokumentenidentifikation DE19623271A1 04.12.1997
Titel Verfahren und Vorrichtung zur dreidimensionalen Computertomographie
Anmelder Maaß, Peter, Prof. Dr., 14129 Berlin, DE;
Louis, Alfred K., Prof. Dr.rer.nat., 66121 Saarbrücken, DE
Erfinder Maaß, Peter, Prof. Dr., 14129 Berlin, DE;
Louis, Alfred K., Prof. Dr.rer.nat., 66121 Saarbrücken, DE
Vertreter Patentanwälte Gulde Hengelhaupt Ziebig, 10785 Berlin
DE-Anmeldedatum 31.05.1996
DE-Aktenzeichen 19623271
Offenlegungstag 04.12.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.12.1997
IPC-Hauptklasse G01N 23/04
IPC-Nebenklasse G06T 5/00   
Zusammenfassung Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Computertomographie und ist anwendbar insbesondere in der Materialdiagnostik, der Werkstoffuntersuchung, der Medizintechnik sowie in der medizinischen Diagnostik und bei Prozeßsteuerungen insbesondere bei Anwendungen im Bereich der Qualitätskontrolle. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Lokalisierung von Rissen, Brüchen und Materialfehlern in größeren industriellen Objekten.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß ein zu untersuchender Körper durchstrahlt wird und die aus dem durchstrahlten Körper austretenden Strahlen empfangen und ausgewertet werden, wobei bei der Auswertung der aus dem durchstrahlten Körper austretenden Strahlen keine Dichtere-konstruktion, sondern eine Kantenrekonstruktion vorgenommen wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Computertomographie gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 6. Die Erfindung ist anwendbar insbesondere in der Materialdiagnostik, der Werkstoffsuntersuchung, der Medizintechnik sowie in der medizinischen Diagnostik und bei Prozeßsteuerungen insbesondere bei Anwendungen im Bereich der Qualitätskontrolle. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Lokalisierung von Rissen, Brüchen und Materialfehlern in größeren industriellen Objekten.

Es sind verschiedene Methoden der Computertomographie mittels Röntgenstrahlen bekannt.

So beschreibt die DE 41 40 621 C1 einen Computertomographen, bei welchem eine Strahlungsquelle um den Körper umläuft, diesen durchstrahlt und zur verbesserten Bildqualität bzw. zur Strahlungsreduzierung bei gleichbleibender Bildqualität, zwei Bewegungen der Quelle zwischen zwei Positionen, in denen sie Strahlen aussendet, überlagert.

Nachteil bei dieser Lösung ist, daß die Strahlungsquelle um das Objekt herumlaufen muß. Dies ist jedoch bei zum Beispiel großflächigen Objekten nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich. Desweiteren ist dieser Ansatz wegen des damit verbundenen Meß- und Rechenaufwandes nicht auf den dreidimensionalen Fall übertragbar.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur dreidimensionalen Computertomographie zu schaffen, welche mit einfachen Mitteln und einer geringen Anzahl von Messungen eine kontrastreiche Darstellung hoher Bildqualität ermöglichen und die Untersuchung auch größerer industrieller Objekte erlauben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 6 in Verbindung mit den Merkmalen im Oberbegriff.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß auch größere und sehr schwer handhabbare industrielle Objekte untersucht werden können, da die Erfindung die Möglichkeit einschließt, daß die Strahlungsquelle lediglich auf einer Kreisbahn über dem Körper geführt wird. Dabei erfolgt bei der Auswertung der aus dem durchstrahlten Körper austretenden Strahlen keine Dichterekonstruktion, sondern eine Kantenrekonstruktion.

Das Verfahren benutzt nur eine Projektion von jeder Position der Strahlungsquelle und ist dann in der Lage, jede beliebige Fläche zu rekonstruieren. Es können also nach einer Messung waagerechte, senkrechte und schräg im Raum liegende Ebenen rekonstruiert werden. Ebenso können vollständige dreidimensionale Volumenrekonstruktionen erzielt werden.

Werden parallele Flächen rekonstruiert und dann diese übereinander gelegt, so erhält man aufgrund der Kantenrekonstruktion einen dreidimensionalen Eindruck des Objektes. Aufgrund des kantenverstärkenden Effektes sind dann Risse und Materialfehler leicht zu lokalisieren.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise des Computertomographen mit einer Strahlungsquelle auf kreisförmiger Bahn

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise des Computertomographen mit einer Strahlungsquelle auf einer spiralförmigen Bahn

Fig. 3 eine klassische Röntgenaufnahme des Werkstückes ohne räumliche Auflösung, wobei nicht erkennbar ist in welchen Ebenen sich die Einschlüsse befinden

Fig. 4 eine Konturrekonstruktion der mittleren Ebene, wobei die vier Einschlüsse in dieser Ebene klar erkennbar sind

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 1 zeigt die Untersuchung eines zu durchstrahlenden Körpers 2, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eines Werkstücks, das - aufgrund seiner Größe oder wegen Einschränkungen an die Meßapparatur - nur von zwei gegenüberliegenden Seiten zugänglich ist (Flugzeugflügel, Förderband mit fortlaufender Produktion, Stranggießen, Gummibänder mit Metallverstärkungen, ect.)

Ist das Werkstück nur von gegenüberliegenden Seiten zugänglich, so kann wie in Fig. 1 dargestellt, die Röntgenquelle dazu lediglich oberhalb und der Detektor 4 unterhalb des Objekts geführt werden.

Die Bestandteile des Untersuchungsgerätes sind:

Röntgenquelle 1, Detektor 4, elektronische Steuerung der Bewegung der Röntgenquelle 1, Rechner zur Aufnahme und Verarbeitung der Meßdaten, Bildschirm zur Visualisierung der Konturen.

Im einfachsten Fall ist der Detektor 4 an einer Stelle fixiert und die Röntgenquelle 1 wird entlang einer Kreisbahn 3 geführt. Die Röntgenquelle 1 würde an N unterschiedlichen Positionen a&sub1;, a&sub2;, . . ., aN angehalten.

Von jeder dieser Positionen werde ein Kegel von Röntgenstrahlen ausgesandt. Auf der gegenüberliegenden Seite werde die Abminderung der Röntgenstrahlen auf einem Schirm eines Detektors 4 in einer Auflösung von M * M Messepunkten aufgenommen.

Aus diesen Daten sollen die inneren Konturen des Werkstücks 2 (Risse, Bereiche unterschiedlicher Dichten) rekonstruiert werden. Diese Rekonstruktion erfolgt gemäß der in den Ansprüchen 8 und 9 dargestellten Vorschrift. Diese Konturen werden dann in Ebenen, die parallel zu der Detektorebene und parallel zu der Ebene der Kreisbahn 3 der Röntgenquelle 1 verläuft, dargestellt.

Die folgende Rekonstruktion wurde mit Daten von 14 Positionen der Röntgenquelle 1 und 64 * 64 Meßpunkten berechnet. Das Werkstück 2 bestand aus mehreren Schichten (Aluminium, Plexiglas) zwischen denen metallische Scheiben, Muttern und Kabelstücke lagen. Alle Schichten waren parallel zu dem Schirm des Detektors 4. Das Ziel der Rekonstruktion war es, die einzelnen Zwischenschichten getrennt zu rekonstruieren. Die Fig. 4 zeigt die Kontur-Rekonstruktion einer Zwischenschicht mit vier Objekten. Fig. 3 zeigt im Vergleich dazu eine klassische Röntgenaufnahme der Werkstücke ohne räumliche Auflösung, wobei nicht erkennbar ist in welchen Ebenen sich die Einschlüsse befinden. Die Dimensionen bei diesem Ausführungsbeispiel waren:

Dicke des Werkstücks 2 insgesamt ca. 4 cm;

Radius der Kreisbahn 3 der Röntgenquelle 1 ca. 20 cm;

Abstand Röntgenquelle 1 - Werkstück 2 ca. 30 cm;

Abstand Werkstück 2 - Schirm des Detektors 4 ca. 20 cm;

Auflösung des Detektors 4 ca. 0,5 cm.

Ausführungsbeispiel 2

Zur Qualitätskontrolle im Produktionsprozeß wird eine Röntgenquelle 1 auf einer Kreisbahn 3 um den zu durchstrahlenden Körper 2 bzw. das Werkstück oder das Objekt geführt. Aus produktionstechnischen Gründen ist es nicht immer möglich, eine vollständige Kreisbahn 3 zu realisieren. Handelt es sich um schnell bewegte Produkte, wie etwa Kunststoff oder Gummi beim Verlassen von Extrudern mit hoher Geschwindigkeit, so tritt eine Spiralbahn in Produktionsrichtung auf. Eine Strahlenquelle 1 auf einer spiralförmigen Bahn 3 ist auch in Fig. 2 dargestellt.

Die Bestandteile des Untersuchungsgerätes sind: Röntgenquelle 1, Detektor 4, elektronische Steuerung der Röntgenquelle 1, Rechner zur Aufnahme und Verarbeitung der Meßdaten, Bildschirm zur Visualisierung der Konturen.

Die Röntgenquelle 1 wird an N unterschiedlichen Positionen a&sub1;, a&sub2;, . . . aN auf einem Kreis, einem Kreisabschnitt oder einer Spirale angehalten. Von jeder Position wird ein Kegel von Röntgenstrahlen angesandt.

Auf der der Röntgenröhre 1 gegenüberliegenden Seite wird die Abminderung der Röntgenstrahlen auf einem Schirm eines Detektors 4 in einer Auflösung von M&sub1; × M&sub2; aufgenommen.

Aus diesen Daten werden die inneren Konturen des Werkstücks 2, wie Zusammensetzung oder korrekte Positionierung der Armierung rekonstruiert. Diese Rekonstruktion erfolgt gemäß der in den Ansprüchen 8 und 9 dargestellten Vorschriften. Die Konturen werden dann in beliebigen Ebenen durch das Objekt dargestellt.

Die folgende Rekonstruktion wurde mit Daten aus N - 400 Richtungen auf einem Kreissegment [0,π] statt [0,2π] und M&sub1;-M&sub2; = 1024 Detektoren gemessen und auf 1024× 1024 Bildpunkten auf einer Ebene parallel zur Bewegung der Röntgenröhre 1 dargestellt. Bei dem Verfahren fällt auf, daß die Artefakte durch die unvollständige Umlaufbahn und durch die nicht vollständige Bestrahlung des gesamten Objektes wesentlich geringer sind, als bei Verfahren, welche die Dichte selbst versuchen zu berechnen, siehe Fig. 2.

Vergleichbare Meßordnungen können auch bei der Positionierung von Patienten in der Strahlentherapie eingesetzt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur dreidimensionalen Computertomographie, bei welchem ein zu untersuchender Körper durchstrahlt wird und die aus dem durchstrahlten Körper austretenden Strahlen empfangen und ausgewertet werden, wobei bei der Auswertung der aus dem durchstrahlten Körper austretenden Strahlen keine Dichterekonstruktion, sondern eine Kantenrekonstruktion vorgenommen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle empfangenen Bereiche konstanter Intensität ausgeblendet bzw. gleich Null gesetzt und nur Bereiche unterschiedlicher Intensität registriert werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausblenden durch einen Differenzfilter realisiert wird und/oder durch mathematische Bildung der zweiten oder höheren Ableitung simuliert wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bereiche unterschiedlicher Intensität zusätzlich geglättet werden.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Glättung durch Tiefpaßfilter erfolgt.
  6. 6. Vorrichtung zur dreidimensionalen Computertomographie mit mindestens einer Strahlungsquelle und mindestens einem Detektor, wobei zwischen der beweglich angeordneten Strahlungsquelle und den Detektoren ein zu durchstrahlender Körper anordenbar ist und die Bewegung von Strahlungsquelle und Detektor durch eine elektronische Schaltung gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Strahlungsquelle (1) und dem Detektor (4) ein zu durchstrahlender Körper (2) angeordnet ist und die Strahlungsquelle (1) sich auf einer festgelegten Bahn (3) über dem Körper (2) oder um den Körper (2) herum bewegt, wobei eine Rekonstruktion dadurch erreicht wird, daß von jeder von der Steuerschaltung bestimmten Position der Strahlungsquelle (1) auf der Bahn (3) alle durch einen Punkt P verlaufenden Strahlen summiert werden und danach mindestens ein Filter zum Ausblenden durch mathematische Bildung von Ableitungen angewendet wird.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn (3) eine parametisierte Kurve im Raum ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kantenrekonstruktion nach folgenden Maßgaben simuliert wird:

    Sei die Kurve Γ der Strahlenquelle, sei a eine Position auf dieser Kurve, sei g(a, θ) der Meßwert desjenigen Röntgenstrahls, der von Position a in Richtung θ abgesandt wird, D sei ein Differenzenoperator der eine dreidimensionale Ableitung gemäß 3. approximiert, dann berechnet sich die Rekonstruktion im Punkt x gemäß



  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltung die Positionierung der Strahlungsquelle (1) nach derartigen Maßgaben steuert, daß die Positionen der Strahlungsquelle (1) eine parametisierte Kurve im Raum beschreiben, wobei die möglichen Positionen beschrieben sind durch



    wobei die Anzahl der Positionen durch n frei wählbar ist und diese Positionierung der Strahlungsquelle (1) eine Kreisbahn mit Radius r in der Höhe h4 über dem Körper (2) mit


    und eine spiralförmige Bahn um den Körper (2) herum


    einschließt.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die parametisierte Kurve eine Kreisbahn über dem Körper (2) oder eine spiralförmige Bahn um den Körper (2) herum ist.






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