DE102009038505A1

DE102009038505A1 - Konzept zum Ermitteln von Korrekturwerten für eine Reduktion von Artefakten bei einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs eines Prüfkörpers

Info

Publication number: DE102009038505A1
Application number: DE102009038505A
Authority: DE
Inventors: Matthias Franz; Stefan Kasperl; Michael Krumm
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-08-21
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2011-03-03
Also published as: DE102009038505A8

Abstract

Bei dem Verfahren zum Ermitteln von Korrekturwerten für eine Reduktion von Artefakten bei einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs eines Prüfkörpers wird zunächst der Prüfkörper an einer ersten Position zwischen einer Röntgenstrahlungsquelle und einem Detektor angeordnet, wobei ein Durchstrahlungsbild des Prüfkörpers vollständig auf eine Oberfläche des Detektors abgebildet wird. Dann wird eine Ausrichtung des Prüfkörpers an der ersten Position basierend auf zumindest einem vollständigen Durchstrahlungsbild des Prüfkörpers ermittelt. Dann wird der Prüfkörper an eine zweite Position zwischen der Röntgenstrahlungsquelle und dem Detektor bewegt, wobei eine vorgegebene geometrische Beziehung zwischen dem sich an der ersten Position und danach an der zweiten Position befindlichen Prüfkörper vorhanden ist, wobei ein vergrößertes Durchstrahlungsbild des zu untersuchenden Teilbereichs des Prüfkörpers auf die Oberfläche des Detektors abgebildet wird. Schließlich werden Korrekturwerte basierend auf einer Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs des Prüfkörpers an der zweiten Position und unter Berücksichtigung der vorgegebenen geometrischen Beziehung ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Konzept zum Ermitteln von Korrekturwerten für eine Reduktion von Artefakten bei einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs eines Prüfkörpers. Insbesondere beziehen sich Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung auf ein Verfahren zur Korrektur von Nichtlinearitäten des Abbildungssystems bei Durchstrahlungsaufnahmen unter erschwerten Bedingungen.
In der Computertomographie (CT) wird die Wechselwirkung zwischen Röntgenstrahlung und der Materie eines zu untersuchenden Objekts erfasst. Die Computertomographie wird insbesondere in der zerstörungsfreien Materialprüfung eingesetzt.
Das technische Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise die industrielle Qualitätskontrolle an Prüflingen im Hinblick auf quantitative Aussagen, wie z. B. dimensionellen Messaufgaben. Als einer der wichtigsten Anwendungsfälle sei die Gussteilefertigung in der Automobilindustrie genannt. Die Qualitätskontrolle bei Gussteilen beinhaltet vor allem das Auffinden von Fehlstellen und das Prüfen von Abmessungen. Hauptaufgaben in der Vorserienentwicklung sind die schnelle Überprüfung der Maßhaltigkeit von Gussteilen mit komplexer Geometrie sowie die Analyse von Abweichungen der Geometriedaten von den Solldaten.
Eine typische Messaufgabe ist beispielsweise der Soll/Ist-Vergleich. Dabei wird ein mittels der Computertomographie rekonstruierter Datensatz (Ist-Datensatz) eines realen Objekts mit einem Referenzdatensatz (Solldatensatz), der typischerweise als CAD-Modell vorliegt, verglichen. Die Abweichungen zwischen dem rekonstruierten Datensatz und dem Referenzdatensatz werden dann gemessen und beispielsweise in einer farbcodierten Darstellung angezeigt.
Im Allgemeinen kann bei der Computertomographie aus mehreren, unter verschiedenen Winkeln aufgenommen Röntgendurchstrahlungsaufnahmen eines Objekts eine zweidimensionale oder dreidimensionale Darstellung desselben rekonstruiert werden. Hierbei können in den CT-Rekonstruktionen verschiedene Artefakte, wie z. B. Streifen, unscharfe Kanten, tonnenförmige Verzeichnungen und sog. Cupping-Effekte (Tiefungseffekte), vorkommen, was die Darstellung des Objekts deutlich verschlechtern kann. Damit jedoch insbesondere dimensionelle Messaufgaben mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden können, ist es erforderlich, dass die Artefakte in den CT-Rekonstruktionen weitestgehend reduziert werden.
Die Artefakte in den CT-Rekonstruktionen können durch verschiedene Effekte, wie z. B. Strahlaufhärtung, Streustrahlung und/oder Nichtlinearitäten des Detektors (Partial-Volume-Artefakte bzw. Partielle Volumen Artefakte), verursacht werden.
Bei der CT-Rekonstruktion kann eine Darstellung des Objekts mittels eines Rekonstruktionsverfahrens, wie z. B. einer gefilterten Rückprojektion, erzeugt werden. Insbesondere lassen sich mit einer dreidimensionalen Computertomographie (3D-CT) zerstörungsfrei hochgenaue Volumendatensätze von Industriebauteilen erstellen. Eine Bedingung für die Anwendbarkeit der 3D-CT ist hierbei die Durchstrahlbarkeit des zu untersuchenden Objekts mit Röntgenstrahlung, was die Größenordnung desselben einschränkt. Die räumliche Abmessung des zu untersuchenden Objekts bzw. Bauteils wird aber auch durch andere Einflüsse begrenzt. So verlangt die gefilterte Rückprojektion einen Objektschatten, der horizontal vollständig in der Röntgendurchstrahlungsaufnahme bzw. Projektion enthalten ist. Das bedeutet, dass herkömmliche Verfahren für die Computertomographie auf Objekte begrenzter Größe beschränkt sind, die mit Röntgenstrahlung durchstrahlt werden können und deren Objektschatten horizontal vollständig auf die Oberfläche des Detektors abgebildet werden können.
In der Patentveröffentlichung EP 1 415 179 B1 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erstellen einer Korrekturkennlinie für eine Reduktion von Artefakten bei einer Tomographie beschrieben. Dabei werden zunächst aus den Projektionsdaten eines aus einem einzigen Material bestehenden Objekts artefaktbehaftete Darstellungsdaten für das Objekt berechnet. In weiteren Verfahrensschritten wird dann daraus eine Korrekturkennlinie erzeugt, um durch iteratives Wiederholen der obigen Schritte artefaktreduzierte Darstellungsdaten des Prüfkörpers zu erhalten. Dieses Verfahren wird auch als iterative Artefaktreduktion (IAR) bezeichnet.
Ferner wird in der Patentveröffentlichung WO 2006/094493 A2 ein Verfahren zur Online (sofortigen)-Korrektur von Nichtlinearitäten des Abbildungssystems während der Datenaufnahme in der industriellen Computertomographie (CT) beschrieben. Dabei wird ein Verfahren zur Bereitstellung von korrigierten Projektionsdaten als eine verbesserte CT-Rekonstruktion beschrieben, wobei die folgenden Schritte vorgesehen sind. Zunächst findet eine erste Initialisierung statt, wobei eine erste Orientierung des Prüfkörpers mit einer ersten schnellen Registrierung nicht mehr als grob bestimmt wird. Dann wird eine Registrierung durchgeführt, wobei die Positionierung des Prüfkörpers genauer bestimmt wird, insbesondere über Merkmalspunktepaare. Dann wird basierend auf einer erfolgreich durchgeführten Registrierung eine Simulation durchgeführt, die Eingangsdaten für ein zu erfolgendes Korrekturverfahren der CT-Rekonstruktion liefert. Dann wird eine Korrektur vorgenommen, wobei während der Datenaufnahme aus den Korrekturdaten Parameter bestimmt werden und eine Korrektur erfolgt. Schließlich findet eine Rekonstruktion statt, wobei im zeitlichen Bereich des Endes des Aufnahmeprozesses als Datenaufnahme korrigierte Projektionsdaten als verbesserte CT-Rekonstruktion vorliegen. Dieses Verfahren wird auch als Einsatzsynchrone Artefakt Reduktion (EAR) bezeichnet. Für weitere Details im Zusammenhang mit der EAR wird auf die folgende Referenz verwiesen: Matthias Franz, Doktorarbeit, „EAR – Einsatzsynchrone Artefakt Reduktion", Technische Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen (2008)
Die Bedingung, dass bei der gefilterten Rückprojektion der Objektschatten horizontal vollständig in der Projektion enthalten sein muss, wirkt sich weiter auf die Anwendung der Artefaktkorrektur aus. So setzt die iterative Artefakt Reduktion (IAR) gemäß der EP 1 415 179 B1 einen horizontal vollständigen Volumendatensatz voraus, während die Einsatzsynchrone Artefaktreduktion (EAR) den vollständig sichtbaren Umriss des Objektsschattens vorsetzt.
Ein generelles Problem der obigen Verfahren ist somit, dass deutlich größere Objekte, deren Schatten bei einer geforderten Vergrößerung nicht auf einen Detektor abgebildet werden kann, nicht sinnvoll korrigiert und damit auch rekonstruiert werden können.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Konzept zum Ermitteln von Korrekturwerten für eine Reduktion von Artefakten bei einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs eines Prüfkörpers zu schaffen, das den Einsatz der EAR für Objekte, deren Schatten bei der geforderten Vergrößerung nicht mehr vollständig auf den Detektor abgebildet werden kann, ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Ermitteln von Korrekturwerten für eine Reduktion von Artefakten bei einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs eines Prüfköpers nach Anspruch 1, ein Verfahren zum Durchführen einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs eines Prüfkörpers unter Verwendung von Korrekturwerten nach Anspruch 17, eine Anordnung zum Ermitteln von Korrekturwerten für eine Reduktion von Artefakten bei einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs eines Prüfkörpers nach Anspruch 20 und eine Anordnung zum Durchführen einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs eines Prüfkörpers unter Verwendung von Korrekturwerten nach Anspruch 22 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren, bei dem zum Ermitteln von Korrekturwerten für eine Reduktion von Artefakten bei einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs eines Prüfkörpers zunächst das Objekt bzw. der Prüfkörper beispielsweise mittels eines Manipulators einer CT-Anlage an einer ersten Position zwischen einer Röntgenstrahlungsquelle und einem Detektor angeordnet wird, wobei ein Durchstrahlungsbild des Prüfkörpers vollständig auf eine Oberfläche des Detektors abgebildet wird. An dieser ersten Position wird nun zumindest ein vollständiges Durchstrahlungsbild aufgenommen oder es werden mehrere vollständige Durchstrahlungsbilder des Prüfkörpers, beispielsweise drei Projektionen mit einem Winkelinkrement von 120°, aufgenommen. Aus diesen Projektionen kann nun das Objekt, z. B. ein Bauteil, mit dem gleichen Registrierungsverfahren bzw. der gleichen Ausrichtungsbestimmung wie in der EAR registriert werden. In anderen Worten, es wird eine Ausrichtung des Prüfkörpers bezüglich des Strahlengangs an der ersten Position basierend auf beispielsweise drei vollständigen Projektionen des Prüfkörpers ermittelt. Nun wird der Prüfkörper oder z. B. das Bauteil, beispielweise mittels des Manipulators, an eine zweite Position zwischen der Röntgenstrahlungsquelle und dem Detektor bewegt, wobei eine vorgegebene geometrische Beziehung (bzw. eine mit ausreichender Präzision bekannte geometrische Beziehung) zwischen dem sich an der ersten Position und danach an der zweiten Position befindlichen Prüfkörper vorhanden ist, wobei ein vergrößertes Durchstrahlungbild des zu untersuchenden Teilbereichs des Prüfkörpers auf die Oberfläche des Detektors abgebildet wird, wenn sich der Prüfkörper an der zweiten Position befindet. Schließlich können Korrekturwerte basierend auf einer Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zumindest des zu untersuchen Teilbereichs des Prüfkörpers an der zweiten Position und unter Berücksichtigung der vorgegeben geometrischen Beziehung ermittelt werden. Diese Korrekturwerte können optional beispielsweise zum Durchführen einer artefaktreduzierten CT des zu untersuchenden Teilbereichs des Prüfkörpers verwendet werden.
Es ist der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung, dass eine Ermittlung von Korrekturwerten für die Computertomographie besonders vorteilhaft erreicht werden kann, indem zunächst eine Ausrichtung des Prüfkörpers basierend auf einem oder mehreren vollständigen Durchstrahlungsbildern bestimmt wird, und indem anschließend ein vergrößertes Durchstrahlungsbild des zu untersuchenden Teilbereichs des Prüfkörpers aufgenommen wird, da somit einerseits die gesamte Information des vollständigen Durchstrahlungsbildes für die präzise Bestimmung der Ausrichtung ausgenutzt werden kann und andererseits die erhöhte Auflösung des vergrößerten Ausschnitts-Durchstrahlungsbildes für eine präzise Bestimmung der Korrekturwerte herangezogen werden kann. Gleichzeitig ist bei dem genannten Verfahren die Ausrichtung des Prüfkörpers auch an der zweiten Position mit hoher Genauigkeit bekannt, da zwischen der ersten Position und der zweiten Position eine vorgegebene bzw. mit hoher Genauigkeit bekannte geometrische Beziehung besteht, deren Einhaltung bzw. Ermittlung in einem Computertomographiesystem beispielsweise mit Hilfe eines präzisen Prüfkörper-Manipulators erreicht werden kann. Somit kann die aufgrund des einen oder der mehreren vollständigen Durchstrahlungsbilder erhaltene präzise Ausrichtungsinformation auch bei der Bestimmung der Korrekturwerte genutzt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1a eine Prinzipdarstellung einer CT-Anlage zur Veranschaulichung eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
1b eine Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung der Definition eines Schwächungskoeffizienten;
2 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Ermitteln von Korrekturwerten für eine Reduktion von Artefakten bei einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs eines Prüfkörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ermitteln von Korrekturwerten für eine Reduktion von Artefakten bei einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs eines Prüfkörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1a zeigt eine beispielhafte Anordnung einer CT-Anlage 100, die z. B. als 3D-Kegelstrahl-CT ausgebildet ist, und eine Röntgenstrahlungsquelle 110, einen Prüfkörper 120 und einen für Röntgenstrahlung empfindlichen Detektor 130 aufweist, in zwei verschiedenen Betriebszuständen (1) und (2). Die von der Röntgenstrahlungsquelle 110 austretende Röntgenstrahlung 112 durchstrahlt zumindest einen zu untersuchenden Teilbereich 122 des Prüfköpers 120 (Betriebszustand 1) bzw. den gesamten Prüfkörper 120 (Betriebszustand 2) und trifft auf den röntgenempfindlichen Detektor 130 auf. Wie in 1a gezeigt, umfasst der Bereich 122, der mittels der CT zu untersuchen ist, lediglich einen im Vergleich zum Prüfkörper 120 kleineren Bereich. Zum Erreichen einer gewünschten Auflösung in dem zu untersuchenden Teilbereich 122 ist der Prüfkörper 120 bzw. das Bauteil an einer Position 140 im Strahlengang 150 zwischen der Röntgenstrahlungsquelle 110 und dem röntgenempfindlichen Detektor 130 zu positionieren. Genauer gesagt, im ersten Fall (Betriebszustand 1) wird eine hohe Auflösung erreicht, während im zweiten Fall (Betriebszustand 2) eine geringe Auflösung erreicht wird, wobei sich im ersten Fall der Prüfkörper näher an der Röntgenstrahlungsquelle 110 befindet und sich im zweiten Fall der Prüfkörper weiter entfernter von der Röntgenstrahlungsquelle 110 befindet.
In der in 1a gezeigten beispielhaften 3D-Kegelstrahl-Geometrie weist der sich aufweitende Strahlengang 150 die von der näherungsweise punktförmigen Röntgenstrahlungsquelle 110 kegelförmig bzw. divergent aussendbare Röntgenstrahlung 112 auf. Hierbei weist der röntgenempfindliche Detektor 130 typischerweise einen Festkörperdetektor auf, wobei der röntgenempfindliche Detektor 130 beispielsweise als Mehrzeilendetektor bzw. Flächendetektor ausgebildet ist. Insbesondere weist die Oberfläche des Detektors 130 beispielsweise ein zweidimensionales Pixelraster von z. B. 512 × 512 Kanälen auf.
Bei der Durchstrahlung zumindest des Teilbereichs 122 des Prüfkörpers 120 wird das dreidimensionale Volumen desselben auf die zweidimensionale Oberfläche des röntgenempfindlichen Detektors 130 abgebildet, wodurch ein Röntgendurchstrahlungsbild (Projektion) zumindest des Teilbereichs 122 des Prüfkörpers 120 auf dem 2D-Pixelraster entsteht. Die Röntgenprojektion weist dabei eine zweidimensionale Verteilung von Projektionswerten bzw. Durchstrahlungswerten über das 2D-Pixelraster des röntgenempfindlichen Detektors 130 auf, wobei die Projektionswerte als Intensitätswerte oder Schwächungswerte vorliegen. Die Intensitätswerte weisen beispielsweise 16 Bit-Grauwerte auf, die zur weiteren Verarbeitung in z. B. 128 Blöcke mit jeweils 512 Grauwerten diskretisiert werden können. Ferner ergeben sich die Schwächungswerte P_ij aus den Intensitätswerten I_ij beispielsweise über die folgende Relation:
wobei I₀ die Anfangsintensität der Röntgenstrahlung 112 vor dem Durchstrahlen des Prüfkörpers 120 ist.
Um mehrere Röntgenprojektionen unter verschiedenen Winkeln zu erhalten, wird der Prüfkörper 120 beispielsweise mit einer Winkelschrittweite Δα in einer x, y-Ebene um eine Rotationsachse 160 parallel zur z-Achse gedreht (s. 1a). Ein vollständiger Projektionsdatensatz für eine CT-Rekonstruktion kann beispielsweise 800 Projektionen aus jeweils 2048 × 2048 Schwächungswerten P_ij mit einer entsprechenden Winkelschrittweite von 0,45° aufweisen.
Wie oben erläutert, kann bei der CT-Rekonstruktion die Darstellung des Prüfkörpers mittels eines Rekonstruktionsverfahrens, wie z. B. einer gefilterten Rückprojektion, erzeugt werden. Im folgenden wird das allgemeine Prinzip der CT-Rekonstruktion kurz erläutert. Ferner wird hierbei auf die folgende Literaturstelle verwiesen: Thorsten M. Buzug, „Computed Tomography – From Photon Statistics to Modern Cone-Beam CT", Kap. 8, S. 304-401, Kap. 9, S. 403-404, Kap. 5, S. 151-200, Kap. 6, S. 201-221, Springer (2008).
Jede Röntgendurchstrahlungsaufnahme bzw. Projektion weist Intensitätswerte oder davon abgeleitete Schwächungswerte in Form einer 2D-Matrix von Durchstrahlungswerten auf. Mittels einer rechnerbasierten Auswertung, die beispielsweise auf Basis der inversen Radon-Transformation durchgeführt werden kann, kann aus einer Vielzahl von Projektionen beispielsweise ein 3D-Bild rekonstruiert werden, wobei jedem Volumenelement bzw. Voxel des 3D-Bildes ein Schwächungskoeffizient bzw. Absorptionsgrad zugeordnet wird.
1b zeigt zur Veranschaulichung die Definition des Schwächungskoeffizienten. Der Schwächungskoeffizient μ(x) bzw. Absorptionsgrad wird typischerweise über die exponentielle Schwächung der Intensität I(x) eines Röntgenstrahls beim Durchgang durch einen Prüfkörper definiert (vgl. 1b):
wobei I₀ die Anfangsintensität der Röntgenstrahlung und wobei x die durchstrahlte Weglänge ist und
ein Linienintegral der Schwächung darstellt. Die obige Beziehung gilt im Fall von monochromatischer Röntgenstrahlung. Ist die Röntgenstrahlung jedoch polychromatisch, so kann die obige Beziehung beispielsweise im Fall einer Strahlaufhärtung folgendermaßen verallgemeinert werden:
wobei I = I(R) die Intensität in Abhängigkeit von der durchstrahlten Länge R („Strahlensumme” bzw. „Raysum”), μ = μ(E) der energieabhängige (totale) Schwächungskoeffizient sind und
die Normierung über das energieabhängige Spektrum S = S(E) der Röntgenstrahlung darstellt. Die Formel 4 kann beispielsweise als Korrekturkennlinie für eine Reduktion von Artefakten bei der CT-Rekonstruktion verwendet werden, wie später beschrieben wird.
In der Praxis wird der Schwächungskoeffizient μ üblicherweise in der sog. Hounsfield-Skala als CT-Zahl angegeben, die folgendermaßen definiert ist:
wobei μ(Wasser) der Schwächungskoeffizient von Wasser ist.
Auf der Hounsfield-Skala hat z. B. Luft einen Schwächungskoeffizient von –1000, Wasser von 0 und Metall von über 1000. Nach oben ist die Hounsfield-Skala offen, wobei sie jedoch in der praktischen Anwendung auf 12 Bit (–1024 bis 3071) begrenzt ist. Üblicherweise wird in der Computertomographie jeder CT-Zahl ein Grauwert in den Bildinformationen der Röntgendurchstrahlungsaufnahme 160 zugeordnet.
In der Computertomographie stellen die auf einem für Röntgenstrahlung empfindlichen Detektor auftreffenden Röntgenstrahlen nach Durchgang durch einen Prüfkörper jeweils die Radon-Transformierte R{μ(r)} des räumlich verteilten Schwächungskoeffizienten μ = μ(r) dar.
Beispielsweise kann mittels einer gefilterten Rückprojektion, einer Radon-Rücktransformation bzw. inversen Radon-Transformation R^–1 oder eines anderen Rekonstruktionsverfahren nun aus einer Vielzahl von Projektionen das 3D-Bild des Prüfkörpers in Form einer räumlichen Verteilung von Schwächungskoeffizienten μ = μ(r) berechnet werden.
Die CT-Anlage 100 weist beispielsweise einen Manipulator auf, der ausgebildet ist, um den Prüfkörper 120 z. B. an einer ersten Position 140' bezüglich des Strahlengangs 150 anzuordnen.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung weist der CT-Manipulator einen mechanischen Schieber mit einer Haltevorrichtung für den Prüfkörper 120 auf, wobei der mechanische Schieber beispielsweise rechnergesteuert und mit hoher Präzision den Prüfkörper 120 von der Position 140' über eine lineare Verschiebung 170 senkrecht zur Oberfläche des Detektors 130 und/oder auf einer Verbindungslinie zwischen Röntgenstrahlungsquelle 110 und dem Detektor 130 an eine zweite Position 140 bezüglich des Strahlengangs 150 bewegen kann.
Dabei weist die Toleranz bei der Bewegung des Manipulators beispielsweise einen Wert kleiner als 1%, 1‰, 0,1‰ oder 0,01‰, bezogen auf den direkten Abstand zwischen den beiden Positionen auf, was beispielsweise einem Wert kleiner als 10 mm/m, 1 mm/m, 0,1 mm/m oder 0,01 mm/m entspricht. Darüber hinaus kann der CT-Manipulator mit dessen Haltevorrichtung ausgebildet sein, um den Prüfkörper 120 z. B. in die x-Richtung (in Richtung senkrecht zur Detektoroberfläche tangential zur Bildebene), y-Richtung (in Richtung parallel zur Detektoroberfläche tangential zur Bildebene) oder z-Richtung (in Richtung senkrecht zur Bildebene) oder jeglicher Kombination einer dieser drei Raumrichtungen zu verschieben (Translation) und/oder z. B. bezüglich der x-Achse, der y-Achse oder der z-Achse zu drehen (Rotation), um eine vorgebbare Ausrichtung des Prüfkörpers 120 bezüglich des Strahlengangs 150 zu erhalten.
Die Rotation kann dabei beispielsweise durch drei Eulerwinkel in einer 3 × 3 Rotationsmatrix oder z. B. durch sog. Einheitsquaternionen dargestellt werden. Insbesondere liegt die Rotation beispielsweise in der Menge aller dreidimensionalen Rotationen SO(3, R), die sich aus den orthogonalen 3 × 3 Matrizen A mit det(A) = 1 zusammensetzt.
Insbesondere ist festzustellen, dass bei einer Bewegung des Prüfkörpers 120 mittels des CT-Manipulators die geometrische Beziehung z. B. zwischen einer Ausrichtung an der ersten Position 140' und einer Ausrichtung an der zweiten Position 140 innerhalb obiger Toleranz vorgebbar oder bestimmbar ist. Ferner ist die geometrische Beziehung zwischen dem sich an der ersten Position 140' und danach an der zweiten Position 140 befindlichen Prüfkörper 120 beispielsweise innerhalb eines Toleranzbereichs abstandsmäßig kleiner als 1%, 1‰, 0,1‰ oder 0,01‰ hinsichtlich der Translation und winkelmäßig kleiner als 10, 0,1° oder 0,0 1° hinsichtlich der Rotation bekannt.
Die Ausrichtung des Prüfkörpers 120 kann z. B. über die x-, y-, z-Koordinaten des Schwerpunkts des Prüfkörpers 120 in einem Koordinatensystem bezüglich der geometrischen Anordnung der CT-Anlage 100, zusammen mit einer Drehung oder Verkippung bezüglich einer Rotationsachse, wie beispielsweise der z-Achse, oder z. B. über die x-, y-, z-Koordinaten einer Mehrzahl von Merkmalspunkten, wie beispielsweise den vier Eckpunkten eines quaderförmigen Objekts, definiert werden.
Die geometrische Beziehung zwischen einer ersten Position r₁ = (x₁, y₁, z₁) und einer zweiten Position r₂ = (x₂, y₂, z₂) ist im einfachsten Fall beispielsweise über den direkten Abstand
definiert. Hierbei sind (x₁, y₁, z₁) und (x₂, y₂, z₂) die jeweiligen Koordinaten der beiden Positionen r₁ und r₂, wobei jene beispielsweise eine erste Lage und eine zweite Lage eines charakteristischen Punktes (zum Beispiel Schwerpunkts) des Objekts darstellen.
2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens 200 zum Ermitteln von Korrekturwerten für eine Reduktion von Artefakten bei einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs eines Prüfkörpers gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Verfahren 200 weist beispielsweise die folgenden Schritte auf.
Gegeben sei ein Prüfkörper 120. Der zu untersuchende Bereich ist ein Teilbereich 122 des Prüfkörpers 120. Um die vorgegebene Auflösung in dem zu untersuchenden Teilbereich 122 des Prüfkörpers 120 zu erreichen, ist es erforderlich, dass der Prüfkörper 120 an einer Position 140 im Strahlengang angeordnet wird. In dieser geometrischen Situation passt der Schatten des Prüfkörpers 120 bzw. des Bauteils nicht mehr vollständig auf die Oberfläche des Detektors 130. Aufgrund des unvollständigen Schattens des Prüfkörpers 120 kann die erste Translation des Prüfkörpers 120 nicht ermittelt werden (s. 1a (1)). Als „erste Translation” wird hierbei der Ausgangszustand der Translation, also die erste ermittelte Position des Prüfkörpers 120, bezeichnet.
Wie in 1a (2) gezeigt, wird daher zunächst der Prüfkörper 120 an der ersten Position 140 im Strahlengang 150 angeordnet (Schritt 210), so dass ein Durchstrahlungsbild des Prüfkörpers 120 vollständig auf die Oberfläche des Detektors 130 abgebildet wird. In dieser Aufnahmegeometrie wird die Vergrößerung bei der Abbildung des Prüfkörpers 120 auf die Oberfläche des Detektors 130 durch die Abstände des Prüfkörpers 120 von der Röntgenstrahlungsquelle 110 und dem röntgenempfindlichen Detektor 130 festgelegt. Die erste Position 140' bzw. die Vergrößerung wird so gewählt, dass sich im Betrieb der CT-Anlage 100 der Prüfkörper 120 an der ersten Position 140' vollständig in dem sich aufweitenden, divergenten bzw. kegelförmigen Strahlengang 150 befindet. In diesem Fall wird das vollständige Volumen des Prüfkörpers 120 auf die Oberfläche des Detektors 130 projiziert. Der Prüfkörper 120 kann dabei beispielsweise einen Zylinder mit einem Durchmesser von 10 cm und einer Höhe von 10 cm aufweisen. Das gesamte Volumen des Prüfkörpers 120 ist hierbei durch die Aufnahmegeometrie und insbesondere die Oberfläche des Detektors 130 beschränkt.
Nun wird eine erste Ausrichtung des Prüfkörpers 120 bezüglich des Strahlengangs 150 an der ersten Position 140 basierend auf zumindest einem Durchstrahlungsbild des Prüfkörpers 120 ermittelt (Schritt 220). Bevorzugt werden dafür aber mehrere Durchstrahlungsbilder des Prüfkörpers 120 verwendet, wobei diese beispielsweise dadurch erzeugt werden, dass drei vollständige Durchstrahlungsbilder jeweils mit einer Winkelschrittweite von 120° aufgenommen werden. Dazu wird beispielsweise der Manipulator oder dessen Haltevorrichtung, wobei jene beispielsweise einen drehbar gelagerten Drehteller mit dem sich darauf befindlichen Prüfkörper 120 aufweist, um eine feststehende Achse (z. B. die Rotationsachse 160 parallel zur z-Achse und senkrecht zur Bildebene) mit einer vorgegebenen Winkelschrittweite von 120° rotiert. Ferner können auch zumindest drei vollständige Durchstrahlungsbilder mit Winkelschrittweiten Δα_i (i = 1, 2, 3) verwendet werden, wobei die Winkelschrittweiten Δα_i (i = 1, 2, 3) in einem Bereich von 90° bis 150° liegen.
Aus obigen Durchstrahlungsbildern kann beispielsweise mittels einer Bestimmung von Schwerpunktsgeraden eine grobe translatorische Ausrichtung des Prüfkörpers 120 ermittelt werden. Dabei stellen die Schwerpunktsgeraden Verbindungsgeraden zwischen der Röntgenstrahlungsquelle 110 und den Detektorschwerpunkten für verschiedene Durchstrahlungsbilder dar. Als „Detektorschwerpunkte” werden hierbei die Schwerpunkte des sich auf dem Detektor 130 ergebenden Durchstrahlungbilder bezeichnet, wobei für die zweidimensionalen Detektorschwerpunkte beispielweise die aus den gemessenen Intensitätswerten bestimmten Schwächungswerte als Gewichtsfunktion verwendet werden können. Insbesondere weist der Schwerpunkt des Prüfkörpers 120 näherungsweise einen Punkt (x₀, y₀, z₀) auf, bei dem der summierte quadrierte Abstand zu den Schwerpunktsgeraden minimal ist. Zur Definition des Schwerpunkts des Prüfkörpers 120 kann hierbei beispielsweise der Schwächungskoeffizient als Gewichtsfunktion verwendet werden. Durch obige Schwerpunktsbestimmung kann die Ausrichtung des Prüfkörpers 120 an der ersten Position 140' grob bestimmt werden. Genauer gesagt wird hierbei als Ausrichtung die ermittelte Position, wie beispielsweise die ermittelte Lage des Schwerpunkts oder die Lage eines charakteristischen Punktes des Prüfkörpers 120, bezeichnet. Die Ausrichtung umfasst ferner allgemein die Rotation bzw. Orientierung des Prüfkörpers 120, wobei jene beispielsweise mittels einer merkmalsbasierten Ausrichtungsbestimmung bzw. Registrierung oder einer intensitätsbasierten Ausrichtungsbestimmung bzw. Registrierung ermittelt werden kann.
Im Allgemeinen ist die Registrierung von Bildern bzw. die Bildregistrierung ein Verfahren, bei dem eine geometrische Transformation bestimmt wird, bei der z. B. zwei Bilder räumlich übereinstimmen, wobei bei der Transformation die Punkte von einem Bild auf korrespondierende Punkte des anderen Bildes abgebildet werden.
Eine Registrierung von Bildern, die verschiedene Dimensionen aufweisen, wie beispielsweise bei einer Registrierung von einem dreidimensionalen Oberflächenmodell des Prüfkörpers 120 mit einem oder mehreren seiner zweidimensionalen Röntgendurchstrahlungsbildern, wird als multidimensionale Registrierung, in diesem Fall als 2D-3D-Registrierung, bezeichnet.
Bei der merkmalsbasierten Registrierung werden besondere Merkmalspunkte, wie z. B. die Endpunkte eines quaderförmigen Prüfkörpers 120, ausgewählt. Diese Merkmalspunkte und die zugeordneten Merkmalspunkte in der Projektion des Prüfkörpers 120 bilden Merkmalspunktepaare. Falls nun zumindest drei Merkmalspunktepaare bekannt sind, so lässt sich aus diesen mittels eines Registrierungsalgorithmus die gesuchte Ausrichtung des Prüfkörpers 120 ermitteln.
Bei der intensitätsbasierten Registrierung ist die gesuchte Ausrichtung des Prüfkörpers 120 diejenige, bei der z. B. die mittels eines Registrierungsalgorithmus ermittelte Ähnlichkeit zwischen einem Referenzbild und einem simulierten Vergleichsbild am größten ist. Dies setzt jedoch voraus, dass von dem Prüfkörper 120 in der jeweiligen Konfiguration ein Modell vorhanden ist, womit das Vergleichsbild simuliert werden kann.
Bei der groben Ausrichtung weist die gesuchte Transformation einen Translationsanteil und einen Rotationsanteil auf, wobei der Translationsanteil beispielsweise mit obigem Konzept der Schwerpunktsgeraden und der Rotationsanteil mittels einer merkmalsbasierten Registrierung oder einer intensitätsbasierten Registrierung ermittelt werden kann.
Ferner kann beispielsweise an der ersten Position 140' eine gegenüber der groben Ausrichtung feinere Ausrichtung bestimmt werden. Die feinere Ausrichtung wird dabei auf Basis der ermittelten groben Ausrichtung beispielsweise dadurch bestimmt, dass die gesuchte Transformation wiederum in einen Translationsanteil und einen Rotationsanteil zerlegt werden kann. Hierbei kann zum Ermitteln sowohl des Translationsanteils als auch des Rotationsanteils der feineren Ausrichtung beispielsweise eine sog. 3D-Downhill-Simplex-Methode verwendet werden.
Nach Bestimmung der Ausrichtung unter Verwendung zumindest eines vollständigen Durchstrahlungsbildes wird der Prüfkörper 120 an die zweite Position 140 bezüglich des Strahlengangs 150 bewegt (Schritt 230), wobei sich an der zweiten Position 140 zumindest der zu untersuchende Teilbereich 122 des Prüfkörpers 120 vollständig im Strahlengang 150 befindet. Hierbei wird ein vergrößertes Durchstrahlungsbild des zu untersuchenden Teilbereichs 122 des Prüfkörpers 120 auf die Oberfläche des Detektors 230 abgebildet. Dabei ist es von Bedeutung, dass die Translation bzw. Verschiebung und ggf. die Rotation zwischen der ersten Position 140' und der zweiten Position 140 mit hoher Präzision (d. h. innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereichs) bekannt sind. Die geometrische Beziehung weist beispielsweise eine lineare Verschiebung 170 senkrecht zur Oberfläche des Detektors 130 und/oder auf der Verbindungslinie zwischen der Röntgenstrahlungsquelle 110 und dem Detektor 130 auf.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Prüfkörper 120 beispielsweise mittels eines CT-Manipulatorsystems von der Position 140' in der Mitte des Kegels des Strahlengangs 150 geradlinig in Richtung der Röntgenstrahlungsquelle 110 um eine vorgegebene Distanz im Bereich zwischen 1 und 500 cm, zwischen 10 und 100 cm oder zwischen 25 und 50 cm verschoben werden.
Bei besonderen Ausführungsbeispielen der Erfindung weist das Bewegen (Schritt 230) des Prüfkörpers 120 eine präzise Translation zwischen den beiden Positionen 140', 140, jedoch keine Rotation des Prüfkörpers 120 auf, d. h. der Rotationsanteil der Transformation bleibt bestehen, so dass eine Ausrichtung an der zweiten Position 140 unmittelbar aus der Ausrichtung an der ersten Position 140' über den direkten Abstand zwischen den beiden Positionen 140', 140 ermittelt werden kann.
Ferner kann die geometrische Beziehung zwischen der Ausrichtung an der ersten Position 140' und der Ausrichtung an der zweiten Position 140 auch ermittelt werden, falls der Prüfkörper 120 beispielsweise zusätzlich zu seiner Translation verkippt bzw. beispielsweise um die x-Achse, y-Achse oder z-Achse verdreht wird. In diesem Fall kann beispielsweise zusätzlich zu einer Berechnung des Abstands der Schwerpunkte des Prüfkörpers 120 an den beiden Positionen 140', 140 der Rotationsanteil, der z. B. eine mittels des Manipulators erzeugte Verkippung/Verdrehung bezüglich der z-Achse aufweist, berechnet werden.
Nun werden Korrekturwerte, basierend auf einer Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs 122 des Prüfkörpers 120 an der zweiten Position 140 und unter Berücksichtigung der bekannten geometrischen Beziehung zwischen der Ausrichtung an der ersten Position 140' und der Ausrichtung an der zweiten Position 140 ermittelt (Schritt 240). Hierbei ist insbesondere festzuhalten, dass letztlich die Ausrichtung an der zweiten Position 140 aus der Kenntnis der Ausrichtung an der ersten Position 140' und der zwischen der ersten Position 140' und der zweiten Position 140 liegenden Translation und ggf. Rotation bestimmt wird.
Dabei werden mehrere Durchstrahlungsbilder aus einem hinreichend großen Winkelbereich, wie beispielsweise einem Bereich zwischen 120° und 360° aufgenommen. Hierfür können z. B. sieben Projektionen an den Winkelpositionen 0°, 45°, 90°, 120°, 135° und 180° bezüglich der Rotationsachse 160 verwendet werden. Ferner können auch zumindest drei Durchstrahlungsbilder mit Winkelschrittweiten Δβ_i (i = 1, 2, 3) verwendet werden, wobei deren Summe zumindest einen Winkelbereich ≥ 120° aufweist, so dass die daraus ermittelten Korrekturwerte eine repräsentative Auswahl darstellen.
Wie oben beschrieben, ist bei der Aufnahme der Durchstrahlungsbilder an der zweiten Position 140 zumindest der zu untersuchende Teilbereich 122 des Prüfkörpers 120 vollständig auf die Oberfläche des Detektors 130 abbildbar. Hierbei tritt der nicht zu untersuchende Teilbereich des Prüfkörpers 120 zumindest teilweise aus dem kegelförmigen bzw. divergenten Strahlengang 150 heraus, was bei einem bezüglich der Rotationsachse 160 nicht symmetrisch geformten Prüfkörper 120, wie beispielsweise in 1a gezeigt, zumindest für einige Winkelpositionen der Fall ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann beim Schritt 240 des Ermittelns von Korrekturwerten an der zweiten Position 140 beispielsweise basierend auf den Projektionen mit den Winkelschrittweiten Δβ_i (i = 1, 2, 3), deren Summe zumindest einen Winkelbereich ≥ 120° aufweist, eine repräsentative Auswahl von Korrekturwerten für eine CT-Rekonstruktion ermittelt werden.
Beim Schritt des Ermittelns 240 von Korrekturwerten wird pixelweise für jeden Intensitätswert bzw. Schwächungswert der einzelnen Projektionen eine zugeordnete durchstrahlte Länge ermittelt. Als durchstrahlte Länge bezeichnet man diejenige Weglänge, die ein Röntgenstrahl auf dem Weg von der Röntgenstrahlungsquelle 110 zum Detektor 130 innerhalb des Prüfkörpers 120 zurückgelegt. Um die durchstrahlten Längen zu ermitteln, kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ein Oberflächenmodell des Prüfkörpers 120, wie beispielsweise ein sog. STL (Surface Tesselation Language bzw. Oberflächen-Mosaik-Programmiersprache)-Modell, verwendet werden.
Bei dem STL-Modell kann die Oberfläche des Prüfkörpers 120 beispielsweise vollständig mit einer Mehrzahl von Dreiecken beschrieben werden. Dabei liegt das Oberflächenmodel z. B. als digitales Modell in einer Simulation vor, wobei die Ausrichtung des Oberflächenmodells bezüglich eines simulierten Strahlengangs mit der Ausrichtung des Prüfkörpers 120 an der zweiten Position 140 bezüglich des realen Strahlengangs 150 bestimmt werden kann, z. B. dadurch, dass der Schwerpunkt des Oberflächenmodells auf die Koordinaten des Schwerpunkts des Prüfkörpers 120, möglicherweise unter Berücksichtigung einer zusätzlichen Verdrehung oder Verkippung des Prüfkörpers 120, platziert wird.
Beim Schritt 240 des Ermittelns von Korrekturwerten kann beispielsweise mittels eines sog. „Raytracers” bzw. Strahlverfolgungsalgorithmus die durchstrahlte Länge ermittelt werden, indem die simulierte Weglänge zwischen einem Eintrittspunkt eines Strahls in das Oberflächenmodell und einem Austrittspunkt des Strahls aus dem Oberflächenmodell bestimmt wird. Ganz allgemein können mit einem Raytracer (Strahlverfolger) die Längen berechnet werden, die ein Strahl mit einem Objekt gemeinsam hat, indem durch eine Strahlverfolgung der Eintrittspunkt und der Austrittspunkt des Strahls in dem Objekt bestimmt werden.
Nach Durchführung des Strahlverfolgungsalgorithmus können die Intensitätswerte bzw. Schwächungswerte und deren zugeordnete durchstrahlte Längen als Wertepaare in einem Diagramm zur Darstellung von Korrekturparametern aufgetragen werden. In dem Korrekturdiagramm zur Darstellung der Schwächung (Ordinate) als Funktion der Durchstrahlungslänge (Abszisse) werden beispielsweise die ermittelten Schwächungswerte über die zugeordneten durchstrahlten Längen, z. B. in Zentimetern, aufgetragen. Aus den Korrekturwertepaaren in dem Korrekturdiagramm kann nun beispielsweise eine reale Korrekturkennlinie bzw. eine Korrekturfunktion ermittelt werden.
Im Allgemeinen weist eine ideale Kennlinie einen linearen Verlauf auf, wobei die Schwächung linear proportional zur Durchstrahlungslänge ist, d. h. je länger die Weglänge eines Röntgenstrahls im Prüfkörper ist, desto höher ist auch die dadurch verursachte Schwächung der auf dem Detektor ankommenden Intensität.
Eine reale Kennlinie hingegen weist aufgrund von nichtlinearen Effekten, wie beispielsweise der Strahlaufhärtung bei polychromatischer Röntgenstrahlung, eine gegenüber der idealen Kennlinie langsamer ansteigenden Verlauf auf. Insbesondere bei einer Strahlaufhärtung sinkt die durchschnittliche Schwächung der Strahlung auf ihrem Weg durch die Materie.
Die Abweichung zwischen einer realen Korrekturkennlinie und einer idealen Kennlinie kann z. B. dazu verwendet werden, die Durchstrahlungswerte von aufgenommenen Durchstrahlungsbildern bei einer Computertomographie zu korrigieren, um daraus in einem späteren Schritt 250 eine artefaktreduzierte 3D-Darstellung eines Objekts zu erhalten, wobei diese Darstellung korrigierte Schwächungskoeffizienten aufweist, und beispielsweise mittels einer gefilterten Rückprojektion rekonstruiert werden kann.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Korrekturkennlinie bzw. Korrekturfunktion beispielsweise dadurch ermittelt werden, dass die ermittelten Korrekturwertepaare mit einer physikalisch geeigneten Funktion (z. B. Formel 4) gefittet oder z. B. interpoliert werden.
Nach dem Schritt des Ermittelns 240 von Korrekturwerten kann (optional) eine CT-Rekonstruktion, basierend auf einer weiteren Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs 122 des Prüfkörpers 120 an der zweiten Position 140 und unter Verwendung der ermittelten Korrekturwerte durchgeführt werden (Schritt 250). Daraus kann eine Reduktion von Artefakten in der rekonstruierten Darstellung zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs 122 des Prüfkörpers 120 erhalten werden.
In anderen Worten, nach dem Schritt 240 des Ermittelns von Korrekturwerten findet beispielsweise der eigentliche CT-Scan statt, wobei eine Vielzahl von Durchstrahlungsbildern des Teilbereichs 122 des Prüfkörpers 120 mit einer Winkelschrittweite, wie z. B. im Bereich zwischen 0,01° und 3°, zwischen 0,1° und 1° oder zwischen 0,2° und 0,5°, erzeugt wird. Aus den korrigierten Durchstrahlungswerten der Durchstrahlungsbilder kann nun beispielsweise mittels einer gefilterten Rückprojektion die artefaktreduzierte Darstellung des Teilbereichs 122 des Prüfkörpers 120 rekonstruiert werden. Dabei weist die dreidimensionale Darstellung des Teilbereichs 122 eine räumliche Verteilung von korrigierten Schwächungskoeffizienten auf.
Obwohl die vorhergehenden Aspekte der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben worden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung darstellen. Im folgenden wird kurz auf diese entsprechende Vorrichtung eingegangen.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 zum Ermitteln von Korrekturwerten für eine Reduktion von Artefakten bei einer Computertomographie des zu untersuchenden Teilbereichs 122 des Prüfkörpers 120.
Die Vorrichtung 300 zum Ermitteln von Korrekturwerten weist eine Einrichtung 310 zum Anordnen und Bewegen des Prüfkörpers 120 in einer CT-Anlage 100 und eine Verarbeitungseinrichtung 330 zum Ermitteln von Korrekturwerten auf.
Die Einrichtung 310 zum Anordnen und Bewegen des Prüfkörpers 120 weist beispielsweise den im Vorhergehenden beschrieben CT-Manipulator 310 auf. Die Einrichtung 310 ist ausgebildet, um den Prüfkörper 120 an der ersten Position 140' anzuordnen, wobei ein Durchstrahlungsbild des Prüfkörpers 120 vollständig auf die Oberfläche des Detektors 130 abbildbar ist. Ferner ist die Einrichtung 310 ausgebildet, um den Prüfkörper 120 an die zweite Position 140 zu bewegen, wobei wie im Vorhergehenden beschrieben eine vorgegebene und bekannte geometrische Beziehung zwischen dem sich an der ersten Position 140' und an der zweiten Position 140 befindlichen Prüfkörper 120 vorhanden ist. Hierbei, ist ein vergrößertes Durchstrahlungbild des zu untersuchenden Teilbereichs 122 des Prüfkörpers 120 (also ein Durchstrahlungsbild, bei dem das Abbild des zu untersuchenden Teilbereichs größer auf die Oberfläche des Detektors 130 abgebildet wird als wenn sich der Prüfkörper 120 an der ersten Position 140' befindet) auf die Oberfläche des Detektors 130 abbildbar, wenn sich der Prüfkörper 120 an der zweiten Position 140 befindet.
Ferner weist die CT-Anlage 100 die Röntgenquelle 110 und den Detektor 130 auf, die ausgebildet sind, um eine erste Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zu erzeugen, wenn der Prüfkörper 120 sich an der ersten Position 140' befindet, und um eine zweite Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zu erzeugen, wenn der Prüfkörper 120 sich an der zweiten Position 140 befindet.
Schließlich ist die Verarbeitungseinrichtung 330 ausgebildet, um die Korrekturwerte (300-2) aus Schwächungswerten und zugeordneten durchstrahlten Längen basierend auf der zweiten Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs 122 des Prüfkörpers 120 an der zweiten Position 140 und unter Berücksichtigung der vorgegebenen geometrischen Beziehung zu ermitteln.
Ferner kann (optional) eine CT-Rekonstruktion basierend auf einer weiteren Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs 122 des Prüfkörpers 120 an der zweiten Position 140 und unter Verwendung der ermittelten Korrekturwerte 300-2 durchgeführt werden, um eine Reduktion von Artefakten in der rekonstruierten Darstellung zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs 122 des Prüfkörpers 120 zu erhalten.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können die ermittelten Korrekturwertepaare und die daraus ermittelte Korrekturfunktion auf einem Display 340 dargestellt und (optional) für die Reduktion von Artefakten bei der CT-Rekonstruktion des zu untersuchenden Teilbereichs 122 des Prüfkörpers 120 verwendet werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnung und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
Im Allgemeinen schafft die Erfindung somit ein Konzept zum Ermitteln von Korrekturwerten für eine Reduktion von Artefakten bei einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs eines Prüfkörpers. Dabei ermöglicht die hier beschriebene Erfindung den Einsatz der EAR für Objekte, deren Schatten bei der geforderten Vergrößerung nicht mehr vollständig auf den Detektor abgebildet werden kann, was mit Hilfe eines Oberflächenmodells des zu untersuchenden Objekts geschieht, welches nur noch bei minimaler Vergrößerung vollständig abgebildet sein muss.
Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist, dass deutlich größere Objekte sinnvoll rekonstruiert und korrigiert werden können. Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung Verbesserungen bei Messaufgaben an Objekten, deren Schatten nicht vollständig auf den Detektor abgebildet ist, wobei die Erfindung explizit Gebrauch macht von einem Registrierungsverfahren, das im Rahmen der Einsatzsynchronen Artefakt Reduktion (EAR), wie in der WO 2006/09FF493 A2 beschrieben, entwickelt worden ist.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen ist in der geometrischen Situation, bei der der Schatten eines Prüfkörpers nicht mehr vollständig auf den Detektor passt, allgemein eine Region-of-Interest-CT (ROI-CT) bzw. Untersuchungsbereich-CT notwendig, wofür sich z. B. eine sog. Two-Steg-Hilbert-Rekonstruktion (Zwei-Schritt-Hilbert-Rekonstruktion) oder eine Multi-Scan-ROI-CT (Vielfach-Abtastung-Untersuchungsbereich-CT) anbieten. Für das zweite Verfahren bietet sich die Rekonstruktion der tiefen Frequenzen (grobe Auflösung) für eine Artefaktkorrektur an, wobei es im ersten Fall problematischer um die Artefaktkorrektur steht.
Die IAR benötigt die Kenntnis der Weglängen, welche die Röntgenstrahlen im Objekt zurücklegen. Da bei einer ROI-CT kein Wissen über die Regionen außerhalb des ROI vorhanden ist, fällt die Benutzung eines Binärvolumens bei der IAR, wie in der EP 1 415 179 B1 beschrieben, zur Berechnung der durchstrahlten Längen aus. Eine Benutzung der EAR, wie in der vorliegenden Erfindung beschrieben, ist hingegen möglich, da trotz des unvollständigen Schattens in der vorgegebenen geometrischen Situation die erste Translation des Prüfkörpers ermittelt werden kann. Ferner können die durchstrahlten Längen aus einem Oberflächenmodell berechnet werden, da die Transformation dieses Modells während des CT-Scans bekannt ist.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung kurz zusammengefasst. Gegeben sei ein Prüfobjekt G (120). Der Bereich, der mittels der CT zu untersuchen ist, umfasst lediglich den kleineren Bereich G' (122) (siehe (1)). Zum Erreichen der gewünschten Auflösung in G' (122) ist das Bauteil G in der Position 140 im Strahlengang zu positionieren. In dieser geometrischen Situation passt der Schatten des Bauteiles nicht mehr vollständig auf den Detektor. Allgemein ist für einen solchen Fall eine Region-of-Interest-CT (ROI-CT) bzw. Untersuchungsbereich-CT notwendig, wofür sich z. B. die Two-Steg-Hilbert-Rekonstruktion (Zwei-Schritt-Hilbert-Rekonstruktion) oder Multi-Scan-ROI-CT (Vielfach-Abtastung-Untersuchungsbereich-CT) anbieten. Für das zweite Verfahren bietet sich die Rekonstruktion der tiefen Frequenzen (grobe Auflösung) für eine Artefaktkorrektur an. Problematischer steht es im ersten Fall um die Artefaktkorrektur. Die IAR benötigt die Kenntnis der Weglängen, welche die Röntgenstrahlen im Objekt zurücklegen. Da bei einer ROI-CT kein Wissen über die Regionen außerhalb des ROI vorhanden ist, fallt die Benutzung eines Binärvolumens (IAR) zur Berechnung der durchstrahlten Längen aus. Eine Benutzung der EAR in der bisherigen Form ist auch nicht möglich, da wegen des unvollständigen Schattens die erste Translation nicht ermittelt werden kann. Um die durchstrahlten Längen aus einem Oberflächenmodell zu berechnen, muss die Transformation dieses Modells während des CT-Scans (CT-Abstastung) bekannt sein. Da der Manipulator einer CT-Anlage genau genug arbeitet, reicht es, die Transformation des Objekts an einem beliebigen Ort im Strahlengang zu kennen. Deswegen wird das Objekt nun in die Position 140' gefahren, so dass der Schatten des Objekts vollständig auf den Detektor passt. In dieser Position sind nun drei Projektionen mit einem Winkelinkrement von 120° aufzunehmen. Aus diesen kann das Bauteil mit dem gleichen Registrierungsverfahren wie in der EAR registriert werden. Anschließend wird das Bauteil wieder in die Position 140 gefahren, und der eigentliche CT-Scan beginnt. Wegen des hochgenauen Manipulatorsystems bleibt die Transformation des Bauteils während der eigentlichen CT bekannt. Dies kann dazu genutzt werden, um entsprechend der EAR aus den Projektionswerten zusammen mit den simulierten zugehörigen durchstrahlten Längen eine Korrekturfunktion zu bestimmen. Die veranschaulicht das Konzept bzw. die Idee der vorliegenden Erfindung. In der für die Prüfaufgabe benötigten Vergrößerung (Position 140) passt der Schatten des Prüflings nicht vollständig auf den Detektor (1a (1)). Um trotzdem noch das vorhandene Oberflächenmodell verwenden zu können, müssen vor der eigentlichen Prüfaufgabe Radiographien in Position 140' aufgenommen werden. Mit der Kenntnis der Transformation in Position 140' und der Translation T (170) gelingt die Berechnung der Transformation in Position 140.
Zusammenfassend ermöglicht die vorliegende Erfindung Verbesserungen bei tomographischen Messaufgaben an Objekten, deren Schatten nicht vollständig auf den Detektor abgebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1415179 B1 [0008, 0010, 0080]
WO 2006/094493 A2 [0009]
WO 2006/09493 A2 [0078]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Matthias Franz, Doktorarbeit, „EAR – Einsatzsynchrone Artefakt Reduktion”, Technische Fakultät der Universität Erlangen-Nürnberg, Erlangen (2008) [0009]
Thorsten M. Buzug, „Computed Tomography – From Photon Statistics to Modern Cone-Beam CT”, Kap. 8, S. 304-401, Kap. 9, S. 403-404, Kap. 5, S. 151-200, Kap. 6, S. 201-221, Springer (2008) [0025]

Claims

Verfahren (200) zum Ermitteln von Korrekturwerten (300-2) für eine Reduktion von Artefakten bei einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs (122) eines Prüfkörpers (120), mit folgenden Schritten: Anordnen (210) des Prüfkörpers (120) an einer ersten Position (140') zwischen einer Röntgenstrahlungsquelle (110) und einem Detektor (130), wobei ein Durchstrahlungsbild des Prüfkörpers (120) vollständig auf eine Oberfläche des Detektors (130) abgebildet wird; Ermitteln (220) einer Ausrichtung des Prüfkörpers (120) an der ersten Position (140') basierend auf zumindest einem vollständigen Durchstrahlungsbild des Prüfkörpers; Bewegen (230) des Prüfkörpers (120) an eine zweite Position (140) zwischen der Röntgenstrahlungsquelle (110) und dem Detektor (130), wobei eine vorgegebene geometrische Beziehung zwischen dem sich an der ersten Position (140') und danach an der zweiten Position (140) befindlichen Prüfkörper (120) vorhanden ist, wobei ein vergrößertes Durchstrahlungbild des zu untersuchenden Teilbereichs (122) des Prüfkörpers (120) auf die Oberfläche des Detektors (130) abgebildet wird, wenn sich der Prüfkörper (120) an der zweiten Position (140) befindet; und Ermitteln (240) der Korrekturwerte (300-2) basierend auf einer Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs (122) des Prüfkörpers (120) an der zweiten Position (140) und unter Berücksichtigung der vorgegebenen geometrischen Beziehung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene geometrische Beziehung eine Translation in eine der drei Raumrichtungen und/oder eine Rotation bezüglich einer beliebigen Rotationsachse umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Translation eine lineare Verschiebung senkrecht zur Oberfläche des Detektors (130) und/oder auf einer Verbindungslinie zwischen der Röntgenstrahlungsquelle (110) und dem Detektor (130) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die geometrische Beziehung innerhalb eines Toleranzbereichs abstandsmäßig kleiner als 1%, 1‰, 0,1‰ oder 0,01‰ hinsichtlich der Translation und winkelmäßig kleiner als 1°, 0,1° oder 0,01° hinsichtlich der Rotation vorgegeben ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Schritt (240) des Ermittelns von Korrekturwerten (300-2) basierend auf der Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern Intensitätswerte oder Schwächungswerte und zugeordnete durchstrahlte Längen ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die durchstrahlten Längen mittels eines Oberflächenmodels des Prüfkörpers (120) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Oberflächenmodell eine Beschreibung der Oberfläche des Prüfkörpers (120) mit Dreiecken darstellt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit folgendem Schritt: Ermitteln einer Korrekturfunktion aus den Korrekturwerten (300-2), wobei die Korrekturwerte Wertepaare mit den Intensitätswerten oder Schwächungswerten und den zugeordneten durchstrahlten Längen aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei beim Schritt (240) des Ermittelns der Korrekturfunktion eine Funktion an die Korrekturwertepaare (300-2) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prüfkörper (120) ein homogenes Material aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Schritt (220) des Ermittelns der Ausrichtung eine grobe Ausrichtung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Schritt (220) des Ermittelns der Ausrichtung eine im Vergleich zur groben Ausrichtung feinere Ausrichtung ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt (220) des Ermitteln der Ausrichtung mittels einer Bestimmung von Schwerpunktsgeraden und einer merkmalsbasierten Ausrichtungsbestimmung oder einen intensitätsbasierten Ausrichtungsbestimmung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schwerpunktsgeraden Verbindungsgeraden zwischen der Röntgenstrahlungsquelle (110) und Detektorschwerpunkten basierend auf der Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern darstellen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Schritt (220) des Ermitteln der Ausrichtung die Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zumindest drei Durchstrahlungsbilder mit Winkelschrittweiten Δα_i (i = 1, 2, 3) aufweist, wobei die Winkelschrittweiten Δα_i (i = 1, 2, 3) in einem Bereich von 90° bis 150° liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Schritt (240) des Ermittelns von Korrekturwerten die Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zumindest drei Durchstrahlungsbilder mit Winkelschrittweiten Δβ_i (i = 1, 2, 3) aufweist, wobei deren Summe zumindest einen Winkelbereich ≥ 120° aufweist, so dass die ermittelten Korrekturwerte eine repräsentative Auswahl darstellen.
Verfahren (250) zum Durchführen einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs (122) eines Prüfkörpers (120) unter Verwendung von Korrekturwerten (300-2), mit folgenden Schritten: Anordnen (210) des Prüfkörpers (120) an einer ersten Position (140') zwischen einer Röntgenstrahlungsquelle (110) und einem Detektor (130), wobei ein Durchstrahlungsbild des Prüfkörpers (120) vollständig auf eine Oberfläche des Detektors (130) abgebildet wird; Ermitteln (220) einer Ausrichtung des Prüfkörpers (120) an der ersten Position (140') basierend auf zumindest einem vollständigen Durchstrahlungsbild des Prüfköpers (120); Bewegen (230) des Prüfkörpers (120) an eine zweite Position (140) zwischen der Röntgenstrahlungsquelle (110) und dem Detektor (130), wobei eine vorgegebene geometrische Beziehung zwischen dem sich an der ersten Position (140') und danach an der zweiten Position (140) befindlichen Prüfkörper (120) vorhanden ist, wobei ein vergrößertes Durchstrahlungbild des zu untersuchenden Teilbereichs (122) des Prüfkörpers (120) auf die Oberfläche des Detektors (130) abgebildet wird, wenn sich der Prüfkörper (120) an der zweiten Position (140) befindet; Ermitteln (240) der Korrekturwerte (300-2) basierend auf einer Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs (122) des Prüfkörpers (120) an der zweiten Position (140) und unter Berücksichtigung der vorgegebenen geometrischen Beziehung; und Durchführen (250) einer CT-Rekonstruktion basierend auf einer weiteren Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs (122) des Prüfkörpers (120) an der zweiten Position (140) und unter Verwendung der ermittelten Korrekturwerte (300-2), um eine Reduktion von Artefakten in der rekonstruierten Darstellung zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs (122) des Prüfkörpers (120) zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt (250) des Durchführen der CT-Rekonstruktion mittels einer inversen Radon-Transformation, einer iterativen CT-Rekonstruktion oder einer CT-Rekonstruktion mit gefilterter Rückprojektion durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder Anspruch 18, wobei die artefaktreduzierte Darstellung eine räumliche Verteilung von korrigierten Schwächungskoeffizienten aufweist.
Anordnung (300) zum Ermitteln von Korrekturwerten (300-2) für eine Reduktion von Artefakten bei einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs (122) eines Prüfkörpers (120), mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung (320), die ausgebildet ist, um den Prüfkörper (120) an einer ersten Position (140') zwischen einer Röntgenstrahlungsquelle (110) und einem Detektor (130) anzuordnen, wobei ein Durchstrahlungsbild des Prüfkörpers (120) vollständig auf eine Oberfläche des Detektors (130) abbildbar ist, und den Prüfkörper (120) an eine zweite Position (140) zwischen der Röntgenstrahlungsquelle (110) und dem Detektor (130) zu bewegen, wobei eine vorgegebene geometrische Beziehung zwischen dem sich an der ersten Position (140') und danach an der zweiten Position (140) befindlichen Prüfkörper (120) vorhanden ist, wobei ein vergrößertes Durchstrahlungbild des zu untersuchenden Teilbereichs (122) des Prüfkörpers (120) auf die Oberfläche des Detektors (130) abbildbar ist, wenn sich der Prüfkörper (120) an der zweiten Position (140) befindet; einer Röntgenquelle (110) und einem für Röntgenstrahlung (112) empfindlichen Detektor (130), die ausgebildet sind, um eine erste Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zu erzeugen, wenn der Prüfkörper sich an der ersten Position (140') befindet, und um eine zweite Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zu erzeugen, wenn der Prüfkörper sich an der zweiten Position (140') befindet; und einer Verarbeitungseinrichtung (330), die ausgebildet ist, um Korrekturwerte (300-2) basierend auf einer Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs (122) des Prüfkörpers (120) an der zweiten Position (140) und unter Berücksichtigung der vorgegebenen geometrischen Beziehung zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei die Einrichtung (320) zum Bewegen des Prüfkörpers (120) einen Manipulator (310) aufweist, und wobei die Toleranz einen Wert kleiner als 1%, 1‰, 0,1‰ oder 0,01‰, bezogen auf den direkten Abstand zwischen den beiden Positionen aufweist.
Anordnung (300) zum Durchführen einer Computertomographie eines zu untersuchenden Teilbereichs (122) eines Prüfkörpers (120) unter Verwendung von Korrekturwerten (300-2), mit folgenden Merkmalen: einer Einrichtung (320), die ausgebildet ist, um den Prüfkörper (120) an einer ersten Position (140') zwischen einer Röntgenstrahlungsquelle (110) und einem Detektor (130) anzuordnen, wobei ein Durchstrahlungsbild des Prüfkörpers (120) vollständig auf eine Oberfläche des Detektors (130) abbildbar ist, und den Prüfkörper (120) an eine zweite Position (140) zwischen der Röntgenstrahlungsquelle (110) und dem Detektor (130) zu bewegen, wobei eine vorgegebene geometrische Beziehung zwischen dem sich an der ersten Position (140') und danach an der zweiten Position (140) befindlichen Prüfkörper (120) vorhanden ist, wobei ein vergrößertes Durchstrahlungbild des zu untersuchenden Teilbereichs (122) des Prüfkörpers (120) auf die Oberfläche des Detektors (130) abbildbar ist, wenn sich der Prüfkörper (120) an der zweiten Position (140) befindet; einer Röntgenquelle (110) und einem für Röntgenstrahlung (112) empfindlichen Detektor (130), die ausgebildet sind, um eine erste Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zu erzeugen, wenn der Prüfkörper (120) sich an der ersten Position (140') befindet, und um eine zweite Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zu erzeugen, wenn der Prüfkörper (120) sich an der zweiten Position (140') befindet; und einer Verarbeitungseinrichtung (330), die ausgebildet ist, um Korrekturwerte (300-2) basierend auf einer Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs (122) des Prüfkörpers (120) an der zweiten Position (140) und unter Berücksichtigung der vorgegebenen geometrischen Beziehung zu ermitteln, und um eine CT-Rekonstruktion basierend auf einer weiteren Mehrzahl von Durchstrahlungsbildern zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs (122) des Prüfkörpers (120) an der zweiten Position (140) und unter Verwendung der ermittelten Korrekturwerte (300-2) durchzuführen, um eine Reduktion von Artefakten in der rekonstruierten Darstellung zumindest des zu untersuchenden Teilbereichs (122) des Prüfkörpers (120) zu erhalten.