DE102010050949A1

DE102010050949A1 - Messanordnung für einen Computertomographen

Info

Publication number: DE102010050949A1
Application number: DE102010050949A
Authority: DE
Inventors: Dr. Weiß Daniel
Original assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2010-11-10
Filing date: 2010-11-10
Publication date: 2012-05-10
Also published as: US20130230150A1; EP2637564A1; WO2012062543A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Messanordnung für einen Computertomographen, die eine Strahlungsquelle (2) invasiver Strahlung und einen Flach-Bilddetektor (3; 13) mit Szintillationsschicht (15) und einem Fotozellen-Feld aus Fotozellen (4) zur Detektion von Strahlung aus der Strahlungsquelle (2) aufweist, wobei ein Kalibrierobjekt (16) zwischen der Strahlungsquelle (2) und dem Flach-Bilddetektor (3; 13) angeordnet wird und mit dem Flach-Bilddetektor (3; 13) zumindest ein Durchstrahlungsbild des Kalibrierobjekts (16) aufgenommen wird und aus bekannten Abmessungen des Kalibrierobjekts (16) und aus dem zumindest einen Durchstrahlungsbild ein Verzeichnungsfehler, der aufgrund einer Verzeichnung des Flach-Bilddetektors (3; 13) entstanden ist, als Funktion des Ortes in dem Fotozellen-Feld ermittelt wird (Einrichtung 6). Insbesondere wird ein mit dem Flach-Bilddetektor (3; 13) von einem zu vermessenden Objekt aufgenommenes Durchstrahlungsbild unter Berücksichtigung des ermittelten Verzeichnungsfehlers korrigiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Messanordnung für einen Computertomographen, wobei die Messanordnung eine Strahlungsquelle invasiver Strahlung und einen Flach-Bilddetektor aufweist. Die Erfindung betrifft ferner auch eine solche Messanordnung. Die Erfindung betrifft das Gebiet der Bilderzeugung, insbesondere zur Vermessung bzw. Bestimmung von Koordinaten eines Messobjektes, mit einer Strahlungsquelle, die invasive Strahlung erzeugt, d. h. Strahlung (z. B. Röntgenstrahlung oder Partikelstrahlung), die ein Messobjekt durchdringt, dabei durch Absorption und/oder Streuung geschwächt wird und auf eine Bilderzeugungseinrichtung trifft.
Ferner betrifft die Erfindung das Gebiet der Computertomographen, insbesondere solcher Computertomographen, bei denen ein sich kegelförmiges Strahlungsbündel von der Strahlungsquelle (z. B. einer Mikrofokusröntgenröhre) durch das Messobjekt hindurch auf die Bilderzeugungseinrichtung ausbreitet. Um das Messobjekt zu vermessen, werden solche Strahlungsbündel aus verschiedenen Richtungen nacheinander durch das Messobjekt hindurchgestrahlt, üblicherweise indem das Messobjekt um eine Drehachse gedreht wird. Der Computertomograph berechnet daraus ein dreidimensionales Bild des Messobjektes durch so genannte Rekonstruktion (z. B. gefilterte Rückprojektion).
Früher wurden Durchstrahlungsbilder, die das Resultat einer Durchstrahlung eines Messobjektes mit invasiver Strahlung sind, mit Hilfe eines so genannten Bildverstärkers sichtbar gemacht. Dabei trifft die zu detektierende Strahlung auf eine Kombination aus einem Szintillator und einer Fotokathode, die Fotoelektronen erzeugt, welche mittels eines elektrischen Feldes auf einen Bildschirm oder ein Feld aus Fotozellen abgebildet werden. Durch die Umwandlung der auftreffenden Strahlung zunächst in sichtbares Licht und dann in Fotoelektronen kommt es einer Streuung, die die Schärfe und die Auflösung der Bilder verschlechtert. Auch eine Verzeichnung, d. h. systematische Abweichung des Ortes im erzeugten Bild von dem Ort, der bei geradem Weg von der Strahlungsquelle bis zum Bildschirm erreicht worden wäre, ist zu beobachten. Die Stärke der Verzeichnung schwankt dabei in der Regel in erheblicher Weise mit dem Ort auf dem Bildschirm oder Fotozellenfeld, sodass sich abhängig von der relativen Lage des Messobjektes zu der Detektoranordnung unterschiedliche Abmessungen des Messobjektes im Durchstrahlungsbild ergeben. Daher ist es üblich, die Detektoranordnung zu kalibrieren und die Verzeichnung zu korrigieren.
Dagegen trifft die invasive Strahlung gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem Hindurchtreten durch das Messobjekt auf einen Flach-Bilddetektor. Der Flach-Bilddetektor weist insbesondere in bekannter Weise eine Szintillationsschicht auf, die vorzugsweise von einem Fotozellen-Feld aus Fotozellen zur Detektion der Strahlung getragen wird. Zumindest ist die Szintillationsschicht dem Fotozellen-Feld unmittelbar benachbart, worauf auch die Bezeichnung Flach-Bilddetektor hinweist, und grenzt vorzugsweise an das Fotozellen-Feld an.
Im Gegensatz zu den oben genannten Bildverstärkern ist der Weg, den die von dem Szintillatormaterial (z. B. Cäsiumiodid) erzeugten Licht-Photonen bis zu der zugeordneten Fotozelle zurücklegen, sehr klein und erstreckt sich vorzugsweise ausschließlich durch das Material des Szintillators und das angrenzende Material der Fotozelle. Die Szintillationsschicht bei dem Flach-Bilddetektor kann z. B. aus einer Vielzahl von Szintillatorkörpern (z. B. nadelförmigen Körpern) bestehen. In diesem Fall sind auf jeder Fotozelle viele solche Szintillatorkörper angeordnet, deren Durchmesser in Richtungen quer zur Strahlungsrichtung jeweils 5 bis 10 μm beträgt. Dagegen beträgt die Kantenlänge der zugeordneten Fotozelle und damit die Pixelgröße des erzeugten Bildes z. B. 100 bis 150 μm. Solche Flach-Bilddetektoren werden allgemein als frei von Verzeichnungsfehlern angesehen.
Durch Versuche, die der Erfinder ausgewertet hat, hat sich jedoch herausgestellt, dass auch bei einer Messanordnung mit Flach-Bilddetektor der oben beschriebenen Art eine Verzeichnung auftritt, bei der der Ort in dem aufgezeichneten Durchstrahlungsbild von dem bei Strahlungsausbreitung und Strahlungsdetektion in geradliniger Richtung erwarteten Ort abweicht, wobei die Stärke der Verzeichnung von dem Ort im aufgezeichneten Durchstrahlungsbild abhängt. Die Stärke der Verzeichnung liegt in dem ausgewerteten Fall bei bis zu 20 μm und variiert über die Fläche des Bilddetektors in einer Weise, die zu Schwankungen von gemessenen Längen in dem Messobjekt führen, die bis zu 5 um betragen können, d. h. je nach relativer Lage des Messobjekts und des Bilddetektors kann die Meßlänge um bis zu 5 μm variieren.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messanordnung der eingangs genannten Art derart zu betreiben, dass möglichst genaue Messergebnisse, insbesondere bei der Bestimmung von Koordinaten eines Messobjektes und Abmessungen eines Messobjektes, erzielt werden. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Messanordnung anzugeben.
Zunächst liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die beobachtete Verzeichnung zwar deutlich kleiner ist als die übliche Kantenlänge eines Pixels des Flach-Bilddetektors (die Kantenlänge beträgt typischerweise 100 bis 150 μm, aber auch bis zu 400 μm). Jedoch ist es insbesondere bei der Kegelstrahl-Computertomographie dennoch von Bedeutung, Fehler im Sub-Pixelbereich zu vermeiden. Insbesondere tragen die verschiedenen für die Rekonstruktion aufgenommenen Durchstrahlungsbilder insgesamt zu dem dreidimensionalen Bild bei, das von dem Computertomographen berechnet wird. Innerhalb der einzelnen Durchstrahlungsbilder befinden sich z. B. Informationen über den Verlauf von Außenoberflächen und Materialgrenzen des Messobjektes, das in dem bevorzugten Anwendungsbereich der Erfindung ein handwerklich oder industriell hergestellter Gegenstand ist. Zwar kann ein einzelner Punkt des Messobjektes nicht mit einer Auflösung im Sub-Pixelbereich lokalisiert werden, jedoch ist dies z. B. durch lokale Interpolation oder Ausgleichsrechnung für Strukturen des Messobjektes möglich. Ein systematischer Fehler aufgrund von Verzeichnung wirkt sich daher bereits bei einer etwaigen Vorverarbeitung einzelner Durchstrahlungsbilder aus (z. B. um durch die genannte Interpolation oder Ausgleichsrechnung Strukturen zu ermitteln) und wirkt sich insbesondere insgesamt auf das dreidimensionale Bild aus, das aus den einzelnen Durchstrahlungsbildern durch Rekonstruktion berechnet wird. Insbesondere kann auch anhand des dreidimensionalen Bildes die genannte Interpolation oder Ausgleichsrechnung durchgeführt werden.
Die Tatsache, dass die Stärke der Verzeichnung im Sub-Pixelbereich liegt, ist ein möglicher Grund dafür, dass die Verzeichnung bisher nicht entdeckt wurde, zumal bei Messanordnungen von Computertomographen auch andere systematische Fehler entstehen, z. B. aufgrund des Effektes der so genannten Strahlaufhärtung, aufgrund von Artefakten bei der Rekonstruktion (z. B. so genannte Feldkamp-Artefakte) und Fehlausrichtungen der Drehachse, um die das Messobjekt gedreht wird, um Durchstrahlungsbilder bei unterschiedlicher Durchstrahlungsrichtung zu erhalten. Tatsächlich konnte der Erfinder den Effekt der Verzeichnung erst feststellen, nachdem alle anderen möglichen Ursachen ausgeschlossen worden waren. Die geometrische Verzeichnung konnte erst durch Analyse einer Mehrzahl von dreidimensionalen Gesamtbildern ermittelt werden, die dasselbe Messobjekt in verschiedenen Relativpositionen zum Detektor abbilden. Insbesondere war dazu ein Messobjekt mit genau bekannten Maßen erforderlich, z. B. ein Messobjekt mit einer Mehrzahl von charakteristischen Strukturen, deren relative Positionen bekannt sind (insbesondere eine Anordnung mit einer Mehrzahl von Kugeln, deren Kugelmittelpunkte an bekannten Orten liegen).
Es gibt verschiedene mögliche Gründe für die Verzeichnung auf Sub-Pixelniveau. Ein möglicher Grund ist eine mechanische Verbiegung des Flach-Bilddetektors. Auch könnte die innere Struktur des Szintillatormaterials für die Verzeichnung verantwortlich sein. Ferner könnte eine von den Szintillatorstrukturen verursachte mechanische Spannung der Grund für die Verzeichnung sein. Auch Kombinationen der genannten möglichen Ursachen kommen als Grund für die Verzeichnung in Frage.
Es wird nun vorgeschlagen, die Verzeichnung als Funktion des Ortes in dem Fotozellen-Feld des Flach-Bilddetektors zu ermitteln. Hierzu wird ein Kalibrierobjekt mit bekannten Abmessungen verwendet.
Insbesondere wird vorgeschlagen: Ein Verfahren zum Betreiben einer Messanordnung für einen Computertomographen, die eine Strahlungsquelle invasiver Strahlung und einen Flach-Bilddetektor mit Szintillationsschicht und einem Fotozellen-Feld aus Fotozellen zur Detektion von Strahlung aus der Strahlungsquelle aufweist, wobei ein Kalibrierobjekt zwischen der Strahlungsquelle und dem Flach-Bilddetektor angeordnet wird und mit dem Flach-Bilddetektor zumindest ein Durchstrahlungsbild des Kalibrierobjekts aufgenommen wird und wobei aus bekannten Abmessungen des Kalibrierobjekts und aus dem zumindest einen Durchstrahlungsbild ein Verzeichnungsfehler, der aufgrund einer Verzeichnung des Flach-Bilddetektors entstanden ist, als Funktion des Ortes in dem Fotozellen-Feld ermittelt wird. Vorzugsweise wird mit dem Flach-Bilddetektor von einem zu vermessenden Objekt ein Durchstrahlungsbild aufgenommen und unter Berücksichtigung des ermittelten Verzeichnungsfehlers korrigiert.
Vorzugsweise wird das Kalibrierobjekt unmittelbar an dem Flach-Bilddetektor angrenzend angeordnet. Insbesondere kann das Kalibrierobjekt so angeordnet werden, dass sich Strukturen des Kalibrierobjekts an dem Flach-Bilddetektor entlang erstrecken und in dem von dem Flach-Bilddetektor erzeugten zumindest einen Durchstrahlungsbild des Kalibrierobjekts als nebeneinander liegende und/oder teilweise einander überlappende Strukturbilder erscheinen.
Dabei kann das Kalibrierobjekt vorzugsweise eine Anordnung mit einer Vielzahl von separaten Strukturen aufweisen, deren Größe und deren Lage relativ zueinander bekannt sind. Die Größe und relative Lage wird bei der Ermittlung des Verzeichnungsfehlers genutzt. Die Nutzung einer Mehrzahl von Strukturen, die über die Fläche des Fotozellen-Feldes verteilte Strukturbilder erzeugen, ermöglicht es, die Verzeichnung zumindest an entsprechend vielen Stellen des Fotozellen-Feldes zu bestimmen. Darüber hinaus kann angenommen werden, dass die Stärke der Verzeichnung nicht sprunghaft über den Verlauf der Fläche des Fotozellen-Feldes variiert, sondern stetig variiert. Daher ist es möglich, die Verzeichnung nicht nur an Stellen des Fotozellen-Feldes zu bestimmen, an denen Strukturbilder aufgenommen wurden, sondern auch an Stellen, die zwischen den aufgenommenen Strukturbildern liegen. Dabei kann z. B. interpoliert werden, beispielsweise durch lineare Interpolation, oder es kann eine Modellfunktion durch Ausgleichsrechnung angepasst werden. Im Ergebnis erhält man z. B. eine zweidimensionale Karte der Verzeichnung, wobei jeder Ort auf der Karte einem Ort in dem Fotozellen-Feld und damit einem Bildort entspricht. Vorzugsweise existiert zumindest für jede Fotozelle des Feldes und damit für jedes Pixel eines Durchstrahlungsbildes ein Wert des Verzeichnungsfehlers. Der Verzeichnungsfehler ist ein zweidimensionaler Vektor und besteht aus einer x- und einer y-Komponente. Insbesondere kann das Kalibrierobjekt in verschiedener Position und/oder Ausrichtung relativ zu dem Flach-Bilddetektor angeordnet werden und jeweils zumindest ein Durchstrahlungsbild aufgezeichnet und ausgewertet werden. Aus den Durchstrahlungsbildern der verschiedenen Relativpositionen und relativen Ausrichtungen kann der Verzeichnungsfehler mit höherer Auflösung ermittelt werden. Insbesondere erhält man dadurch eine höhere Anzahl von Stützstellen für die Interpolation oder Ausgleichsrechnung, mit der der Verzeichnungsfehler für beliebige Orte des Fotozellen-Feldes bestimmt werden kann.
Unter einem Kalibrierobjekt mit einer Mehrzahl von Strukturen wird insbesondere auch eine Anordnung von mehreren Gegenständen verstanden, deren relative Lage festgelegt ist. Bevorzugt wird eine Anordnung mit einer Mehrzahl von Objekten, die voneinander beabstandet sind und die einen ersten Schwächungskoeffizienten haben. Der Schwächungskoeffizient ist der Materialkoeffizient, der die Schwächung der durch das Material hindurchtretenden invasiven Strahlung beschreibt. Die Objekte sind wie erwähnt voneinander beabstandet, wobei der Zwischenraum ganz oder teilweise von Material ausgefüllt sein kann, das einen anderen Schwächungskoeffizienten hat. Z. B. kann der erste Schwächungskoeffizient (der Koeffizient der Objekte) sehr groß sein, so dass die durch die Objekte hindurchtretende Strahlung zu einem sehr hohen Prozentsatz absorbiert und/oder in andere Richtungen als in Richtung des Fotozellen-Feldes gestreut wird. Z. B. handelt es sich bei den Objekten um Stahlkugeln. Dagegen wird es bevorzugt, dass das Material (z. B. Glas) in den Zwischenräumen zwischen den Objekten einen Schwächungskoeffizienten hat, der sich deutlich von dem Schwächungskoeffizienten des Materials der Objekte unterscheidet. Glaskeramik ist gut geeignet, da seine Form über lange Zeit und bei Temperaturveränderungen stabil bleibt. Im Ergebnis erhält man als Bild der gesamten Anordnung von Objekten ein Projektionsbild mit abwechselnd dunklen und hellen Flächen, wobei die Außenränder der dunklen Flächen den Außenkonturen der Objekte mit hohem Schwächungskoeffizienten entsprechen.
Bei einer konkreten Ausgestaltung einer solchen Anordnung können die Objekte Kugeln sein, die vorzugsweise entsprechend einem regelmäßigen Raster in Zeilen und Spalten mit jeweils gleichen Abständen zwischen den Kugeln verteilt sind. Dabei erstreckt sich vorzugsweise sowohl die Zeilenrichtung als auch die Spaltenrichtung parallel zu der Fläche des Fotozellen-Feldes. Die Projektionsbilder von Kugeln, die von einem kegelartig divergierenden Strahlungsbündel erzeugt werden, sind im allgemeinen Fall Ellipsen und lediglich in speziellen Fällen Kreise, die wiederum ein Spezialfall von Ellipsen sind. Aus den Außenkonturen der entsprechenden Strukturbilder (d. h. der Ellipsen) lässt sich auf einfache Weise das Zentrum der Ellipse bestimmen. Unter dem Begriff ”Ellipse” wird in dieser Beschreibung daher nicht die Umrisslinie verstanden, sondern die Fläche mit elliptischer Umrisslinie.
Kugeln ermöglichen es andererseits, auf einfache Art, z. B. durch ein Koordinatenmessgerät, das die Kugeln taktil, d. h. unter Berührung der Oberfläche, antastet, die relativen Positionen der Kugeln in der Kugelanordnung zu bestimmen. Insbesondere können so die Lagen der Kugelmittelpunkte der Anordnung in einem Koordinatensystem bestimmt werden, das der Anordnung zugeordnet ist. Diese Bestimmung gelingt mit einer Genauigkeit von weniger als einem Mikrometer. Hinzu kommt, dass Kugeln mit sehr geringem Rundheitsfehler hergestellt werden können, d. h. die Kugeloberfläche liegt mit hoher Genauigkeit in konstantem Abstand zum Kugelmittelpunkt. Nach einer Korrektur aufgrund der Tatsache, dass der projizierte Kugelmittelpunkt nicht mit dem Zentrum der Ellipse zusammenfällt, kann daher ein Vergleich durchgeführt werden, der mit hoher Präzision den Verzeichnungsfehler ergibt.
Vorzugsweise wird nicht nur für die separate Vermessung einer solchen Anordnung aus Kalibrierkugeln, sondern auch für etwaige andere Kalibrierobjekte ein Koordinatenmessgerät eingesetzt, das die Oberfläche von Objekten der Anordnung antastet, um daraus die benötigten Informationen über die Form, relative Lage und Anordnung der Objekte zu ermitteln. Es sind jedoch auch andere Methoden der Gewinnung der Koordinaten der Kalibrieranordnung möglich. Z. B. kann auch ein Koordinatenmessgerät mit einem optisch abtastenden Sensor eingesetzt werden.
Statt Kugeln kann auch eine andere Art von Objekten zu einer Kalibrieranordnung zusammengestellt werden. Auch ist es möglich, verschiedenartige Objekte zu einer Kalibrieranordnung zusammenzustellen. Außer Kugeln sind z. B. Zylinder, Hohlzylinder, kreisförmige Scheiben und/oder schachbrettartige Strukturen geeignet. Bei den schachbrettartigen Strukturen wechseln sich entsprechend der Anordnung von weißen und schwarzen Feldern beim Schachbrett Bereiche mit hohem und niedrigem Schwächungskoeffizienten ab. Im Durchstrahlungsbild des Schachbretts können die Orte, an denen vier Felder aufeinander treffen, robust und mit Subpixel-Genauigkeit bestimmt werden. Insbesondere kann bei verschiedenen Kalibrieranordnungen auch die Anzahl, das Material und/oder die Größe der verwendeten Objekte variiert werden sowie deren relative Anordnung und möglicherweise relative Ausrichtung.
Insbesondere müssen die Objekte der Kalibrieranordnung nicht, wie es bei Kugeln der Fall ist, eine räumliche Ausdehnung in Richtung der Ausbreitungsrichtung der invasiven Strahlung haben, die in derselben Größenordnung liegt wie die quer zur Strahlungsausbreitungsrichtung verlaufende Breite und Höhe der Objekte. Vielmehr kann eine geeignete Kalibrieranordnung eine Anordnung mit einer Mehrzahl von flachen Objekten sein. Z. B. können solche Kalibrierobjekte aus einer Materialschicht bestehen, die auf der Oberfläche eines Trägermaterials angeordnet ist. Dabei haben das Material der Materialschicht und das Material des Trägers unterschiedliche Schwächungskoeffizienten für die invasive Strahlung. Insbesondere ist dabei die Materialschicht derart strukturiert, dass sich die einzelnen Objekte der Anordnung ergeben. Ein geeigneter Träger für eine solche strukturierte Materialschicht ist insbesondere ein plattenförmiger Träger. Ein solcher plattenförmiger Träger mit einer ebenen Oberfläche, auf der die strukturierte Materialschicht aufgebracht ist, kann sehr dicht an dem Flach-Bilddetektor angeordnet werden. Eine solche Anordnung, bei der die strukturierte Materialschicht auf der Seite des plattenförmigen Trägers angeordnet ist, die dem Flach-Bilddetektor zugewandt ist, wird bevorzugt. Z. B. kann dabei die strukturierte Materialschicht die Oberfläche des Flach-Bilddetektors berühren oder – wenn eine Berührung die strukturierte Materialschicht beschädigen könnte – wird bevorzugtermaßen ein geringer Abstand von mindestens einem Hundertstel Millimeter und höchstens einem Millimeter zwischen der strukturierten Materialschicht und der Oberfläche des Flach-Bilddetektors vorgesehen.
Bevorzugtermaßen wird eine strukturierte Materialschicht als Kalibrieranordnung auf einem plattenförmigen Träger ähnlich wie bei Herstellungsverfahren zur Herstellung von strukturierten Halbleiterbauelementen für mikroelektronische Bauteile durch Ausführung von zumindest einem lithographischen Prozess hergestellt. Unter Verwendung von zumindest einer Maske, die zumindest jeweils einem Teil der Außenumrisse eines Objekts entspricht, und unter Verwendung von Strahlung, die die Form der jeweiligen Maske auf die Oberfläche des Trägermaterials abbildet, werden die Strukturen der strukturierten Materialschicht definiert. Ein geeignetes Material für die strukturierte Materialschicht ist z. B. Chrom, das auf einem plattenförmigen Träger aus Glas oder Glaskeramik aufgebracht werden kann. Z. B. eignen sich als Strukturen Kreuze aus dem Material. Für jedes Kreuz kann dann analog zu der Bestimmung des projizierten Kugelmittelpunktes bei dem o. g. kugelförmigen Kalibrierobjekt der Mittelpunkt des Kreuzes bzw. der Mittelpunkt der Projektion des Kreuzes bestimmt werden. Auch alle anderen Schritte, die in dieser Beschreibung bezüglich einer Anordnung von Kugeln zur Bestimmung des Verzeichnungsfehlers beschrieben werden, können in analoger Weise bei einem Kalibrierobjekt mit einer Mehrzahl von Kreuzen ausgeführt werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für ein Kreuz als Kalibrierobjekt und für eine Kalibrieranordnung mit einer Mehrzahl von Kreuzen, die angrenzend an einen Flach-Bilddetektor angeordnet ist, wird noch in der Figurenbeschreibung beschrieben.
Insbesondere kann das Kalibrierobjekt bzw. die Kalibrieranordnung an einer Bewegungseinrichtung befestigt sein, die derart angeordnet und ausgestaltet ist, dass die Bewegungseinrichtung das Kalibrierobjekt relativ zu dem Flach-Bilddetektor bewegen kann. Auf diese Weise kann das Kalibrierobjekt in verschiedene Relativpositionen zu dem Flach-Bilddetektor gebracht werden.
Zum Umfang der Erfindung gehört optional auch die Korrektur des durch die Verzeichnung verursachten Fehlers in zumindest einem Durchstrahlungsbild eines Messobjektes. Durch Ausführung der Korrektur wird daher die Verzeichnung korrigiert.
Bei der Korrektur eines Durchstrahlungsbildes, das von einem zu vermessenden Messobjekt aufgenommen wurde, kann insbesondere das gesamte Durchstrahlungsbild entsprechend dem Verzeichnungsfehler korrigiert werden, z. B. jedes Pixel des Durchstrahlungsbildes.
Bei der Korrektur muss aber nicht zwingend das gesamte Durchstrahlungsbild entsprechend dem Verzeichnungsfehler korrigiert werden. Zum Beispiel gibt es Anwendungen, bei denen in dem Durchstrahlungsbild eines Messobjektes lediglich einzelne Punkte zu identifizieren sind. In diesem Fall wird es bevorzugt, lediglich die einzelnen Punkte entsprechend dem Verzeichnungsfehler zu korrigieren. Zum Beispiel kann ein Messobjekt mit einer Anordnung einer Mehrzahl von Kugeln nicht nur als Kalibrierobjekt zur Bestimmung des Verzeichnungsfehlers genutzt werden, sondern auch zur Einstellung der gesamten Messanordnung.
Insbesondere kann (wie in DE 10 2005 033 187 A1 beschrieben) bei der Kalibrierung einer Messanordnung, die mittels invasiver Strahlung Bilder von Messobjekten erzeugt, z. B. einer Computertomografie(CT)-Messanordnung, zumindest ein Durchstrahlungsbild eines Kalibrierobjektes aufgenommen werden. Bei dieser Messanordnung kann es sich z. B. um dieselbe Messanordnung und optional auch um dasselbe Kalibrierobjekt handeln, mit der/dem der Verzeichnungsfehler des Flach-Bilddetektor ermittelt wird. Das Kalibrierobjekt weist bekannte Abmessungen auf, wobei durch Auswertung des zumindest einen Durchstrahlungsbildes Geometrieparameter eines geometrischen Modells, das eine Geometrie der Messanordnung beschreibt, bestimmt werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens weist das Kalibrierobjekt zumindest ein Kalibrierelement mit einer kugelförmigen Oberfläche (Kugeloberfläche) und/oder ein Kalibrierelement auf, dessen Oberfläche zumindest einen Teil einer Kugeloberfläche bildet. Das Kalibrierelement wird als Ellipse in dem Durchstrahlungsbild abgebildet und der Mittelpunkt der Kugelprojektion bestimmt, indem aus dem Durchstrahlungsbild der Ellipsenmittelpunkt ermittelt wird und optional auch eine Abweichung von der Lage des projizierten Kugelmittelpunktes aufgrund der Projektion korrigiert wird (z. B. wie unten in der Figurenbeschreibung). Geometrische Informationen über den Mittelpunkt in dem Durchstrahlungsbild, also z. B. die Position, die Relativposition und/oder der Abstand werden dann bei der Bestimmung der Geometrieparameter des Modells verwendet. Erfindungsgemäß handelt es sich bei dem Mittelpunkt um einen Punkt, der durch Korrektur des Verzeichnungsfehlers erhalten wurde. Zur Bestimmung der Geometrieparameter müssen daher nur einzelne Punkt, hier Mittelpunkte, bestimmt und korrigiert werden, nicht das gesamte Durchstrahlungsbild.
Allgemein formuliert kann von dem Flach-Bilddetektor zumindest ein Durchstrahlungsbild des Kalibrierobjekts oder eines anderen Messobjekts aufgenommen werden, können in dem Durchstrahlungsbild einzelne Punkte ermittelt werden, die jeweils einer Struktur des Kalibrierobjekts oder Messobjekts entsprechen, und kann der Verzeichnungsfehler lediglich bezüglich dieser einzelnen Punkte korrigiert werden, sodass eine Anordnung korrigierter einzelner Punkte gebildet wird.
Der Flach-Bilddetektor, das Kalibrierobjekt oder Messobjekt und eine Strahlungsquelle der invasiven Strahlung sind Teil der Messanordnung. Insbesondere kann die Anordnung korrigierter einzelner Punkten dann dazu verwendet werden, Geometrieparameter eines geometrischen Modells, das eine Geometrie der Messanordnung beschreibt, zu bestimmen.
Vorzugsweise wird bei der Kalibrierung, wie bereits beschreiben, eine Karte der Verzeichnungsfehler ermittelt. Darunter wird auch verstanden, dass für jeden Ort des Fotozellen-Feldes die Information über den Verzeichnungsfehler und/oder die entsprechend auszuführende Korrektur des Verzeichnungsfehlers vorliegt. Die Information über den Verzeichnungsfehler kann beispielsweise in Form eines Vektors vorliegen, d. h. einer Länge und einer Richtung. Dabei zeigt der Vektor von dem jeweiligen Ort in dem Durchstrahlungsbild auf den Ort, den der Bildpunkt ohne den Effekt der Verzeichnung eingenommen hätte. Für die Ausführung der Korrektur ist jedoch auch der inverse Verzeichnungsfehlervektor von Vorteil, d. h. ein Vektor mit gleicher Länge und entgegengesetzter Orientierung, der von dem Ort eines Pixels eines durch Korrektur zu erhaltenden Bildes auf denjenigen Ort im Durchstrahlungsbild zeigt, dessen zugeordneter Bildwert in das korrigierte Bild zu übernehmen ist. Dabei kann der inverse Verzeichnungsfehlervektor in der Regel auf einen Punkt im Koordinatensystem des aufgezeichneten Durchstrahlungsbildes zeigen, der zwischen bekannten Bildpunkten liegt (jeder Bildpunkt entspricht z. B. einem Pixel). Der Bildwert (z. B. Grauwert), der in das korrigierte Bild übernommen wird, wird dann vorzugsweise durch Interpolation aus den benachbarten Bildpunkten in dem Durchstrahlungsbild ermittelt. Bei einer bilinearen Interpolation werden in den beiden Koordinatenrichtungen des Koordinatensystems des Durchstrahlungsbildes jeweils die nächst benachbarten Bildpunkte für die Interpolation genutzt. Im Fall einer bikubischen Interpolation werden auch nicht unmittelbar benachbarte Bildpunkte in die Interpolation mit einbezogen, d. h. eine Umgebung mit 4 × 4 Bildpunkten. In jedem Fall wird durch die Interpolation ein entsprechend dem Abstand des Ortes von den benachbarten Bildpunkten gewichteter Bildwert ermittelt. Das Verfahren der Interpolation trägt dem Umstand Rechnung, dass der Verzeichnungsfehler im Sub-Pixelbereich liegt.
Allgemeiner formuliert wird zur Korrektur des Verzeichnungsfehlers für einen Bildpunkt des korrigierten Bildes ein dem Verzeichnungsfehler entsprechender Ort in einem aufgenommenen Durchstrahlungsbild ermittelt und wird der zugehörige Bildwert (z. B. Grauwert) des Ortes durch Interpolation der Bildwerte von benachbarten Stützstellen in dem Durchstrahlungsbild ermittelt. Die Stützstellen sind insbesondere die als punktförmig angenommenen Orte der Pixel des Durchstrahlungsbildes (z. B. der Mittelpunkt des jeweiligen Pixels).
Die Ermittlung der Verzeichnung, insbesondere die Ermittlung der oben genannten Verzeichnungskarte, und/oder die Korrektur der Verzeichnung kann insbesondere von einem Computer ausgeführt werden, der ein entsprechendes Computerprogramm abarbeitet. Zum Umfang der Erfindung gehört daher ein Computerprogramm, das von einem Computer ausführbare Schritte aufweist, mit denen aus Bilddaten, die zumindest einem Durchstrahlungsbild entsprechen und aus Informationen über Strukturen eines Kalibrierobjekts, die in dem zumindest einen Durchstrahlungsbild abgebildet sind, der Verzeichnungsfehler in einer Weise ermittelt wird, die in dieser Beschreibung beschrieben ist.
Ferner gehört zum Umfang der Erfindung ein Computerprogramm, das von einem Computer ausführbare Schritte aufweist, mit denen die Bilddaten zumindest eines Durchstrahlungsbildes hinsichtlich des Verzeichnungsfehlers in einer Weise korrigiert werden, die in dieser Beschreibung beschrieben ist.
Außerdem gehört zum Umfang der Erfindung eine Messanordnung für einen Computertomographen, die eine Strahlungsquelle invasiver Strahlung und einen Flach-Bilddetektor mit Szintillationsschicht und einem Fotozellen-Feld aus Fotozellen zur Detektion von Strahlung aus der Strahlungsquelle aufweist. Die Messanordnung weist außerdem eine Fehler-Ermittlungseinrichtung auf, die mit dem Flach-Bilddetektor verbunden ist und ausgestaltet ist, aus zumindest einem Durchstrahlungsbild des Kalibrierobjekts, das zwischen der Strahlungsquelle und dem Flach-Bilddetektor angeordnet ist, und aus bekannten Abmessungen des Kalibrierobjekts einen Verzeichnungsfehler zu ermitteln, der aufgrund einer Verzeichnung des Flach-Bilddetektors entstanden ist, wobei der Verzeichnungsfehler als Funktion des Ortes in dem Fotozellen-Feld ermittelt wird.
Ausgestaltungen der Messanordnung ergeben sich aus der Beschreibung des Verfahrens und seiner Ausgestaltungen. Insbesondere kann die Messanordnung außerdem eine Fehler-Korrektureinrichtung aufweisen, die mit der Fehler-Ermittlungseinrichtung verbunden ist und ausgestaltet ist, ein von einem zu vermessenden Objekt aufgenommenes Durchstrahlungsbild unter Berücksichtigung des von der Fehler-Ermittlungseinrichtung ermittelten Verzeichnungsfehlers zu korrigieren.
Ferner kann die Messanordnung auch das Kalibrierobjekt und/oder ein taktiles Koordinatenmessgerät aufweisen, das ausgestaltet ist, das Kalibrierobjekt anzutasten und daraus Größe und Lage von Strukturen des Kalibrierobjekts zu bestimmen und für die Ermittlung des Verzeichnungsfehlers bereitzustellen.
Auch kann die Fehler-Ermittlungseinrichtung ausgestaltet sein, aus Strukturbildern, die von den separaten Strukturen in dem zumindest einen Durchstrahlungsbild entstanden sind, zumindest jeweils (insbesondere für jede Struktur) einen Ort in dem Durchstrahlungsbild zu ermitteln, so dass eine erste Anordnung der ermittelten Orte erhalten wird, und die erste Anordnung mit einer dem Kalibrierobjekt entsprechenden zweiten Anordnung von Orten, die den ermittelten Orten entsprechen, zu vergleichen und aus Abweichungen der beiden Anordnungen den Verzeichnungsfehler als Funktion des Ortes in dem Fotozellen-Feld und/oder in dem Durchstrahlungsbild zu ermitteln. Bei der Funktion kann es sich insbesondere um die oben erwähnte Verzeichnungskarte, z. B. eine Karte der oben erwähnten Verzeichnungsvektoren oder der oben erwähnten inversen Verzeichnungsvektoren handeln.
Die zweite Anordnung, die dem Kalibrierobjekt entspricht, kann insbesondere durch eine mathematische Berechnung erhalten werden. Dabei entspricht die Berechnung insbesondere einer möglichen Projektion des Kalibrierobjekts in die Bildebene des Durchstrahlungsbildes. Bei dieser Ausgestaltung wird daher die erste Anordnung u. a. durch eine Projektion mittels invasiver Strahlung und die zweite Anordnung durch eine Berechnung einer Projektion erhalten. In die Berechnung gehen Informationen über die Geometrie des Kalibrierobjekts ein, zum Beispiel Informationen über die relative Position von Kugelmittelpunkten, die insbesondere mittels des taktilen Koordinatenmessgerätes erhalten wurden.
Weiter kann die Fehler-Ermittlungseinrichtung ausgestaltet sein, für den Vergleich der beiden Anordnungen die Lage und Orientierung der Orte in der zweiten Anordnung (insbesondere bestmöglich, z. B. durch einen Optimierungsalgorithmus) an die Lage und Orientierung der Orte in der ersten Anordnung anzupassen. Dies dient dazu, dass unterschiedliche mögliche Relativpositionen und -orientierungen des Kalibrierobjektes und des Flach-Bilddetektors berücksichtigt werden. Die Orte in der zweiten Anordnung können durch Ermittlung der bestmöglichen zweiten Anordnung, z. B. durch Variation der berechneten Projektion entsprechend unterschiedlicher Relativpositionen und -orientierungen des Kalibrierobjektes und des Detektors erhalten werden. Nach der Anpassung werden verbliebene Abweichungen der Orte in der ersten Anordnung von entsprechenden Orten in der zweiten Anordnung als Verzeichnungsfehler identifiziert, da die verbliebene Abweichung aufgrund der Anpassung nicht mehr auf falsch angenommene Relativpositionen bzw. -orientierungen des Kalibrierobjektes und des Detektors zurückgeführt werden kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
1 schematisch die Geometrie einer Messanordnung mit einer Röntgenstrahlungsquelle, einem Messobjekt und einer zweidimensional ortsauflösenden Detektoreinrichtung,
2 schematisch einen Flach-Bilddetektor mit einer Szintillationsschicht und einem Fotozellen-Feld hinter der Szintillationsschicht, wobei in Strahlungsrichtung vor der Szintillationsschicht eine Kalibrieranordnung angeordnet ist, mit einer Mehrzahl von in Zeilen und Spalten regelmäßig angeordneten Kugeln (zum Beispiel Stahlkugeln), die zum Beispiel von einer Glasmatrix gehalten werden,
3 schematisch die Abbildung einer Kugel auf ein ellipsenförmiges Strukturbild der Kugel, die durch ein kegelförmiges Strahlungsbündel bewirkt wird,
4 die Darstellung einer aus einem Durchstrahlungsbild-Ausschnitt erhaltenen, rauschbehafteten Umrisslinie sowie der ausgleichenden Ellipse, mit Darstellung der mittleren Ablage,
5 ein stark vereinfachtes Beispiel für eine Anordnung von aus einem Durchstrahlungsbild ermittelten korrigierten Ellipsenmittelpunkten, wobei in der Darstellung außerdem eine bestmöglich an die Anordnung angepasste zweite Anordnung von Kugelmittelpunkten dargestellt ist,
6 eine Darstellung zur Erläuterung, dass der projizierte Kugelmittelpunkt nicht mit dem Zentrum der durch die Projektion erhaltenen Ellipse zusammenfällt,
7 ein Kreuz, das durch eine dünne Materialschicht gebildet wird, die auf einen plattenförmigen Träger mit ebener Oberfläche aufgebracht werden kann und
8 eine Anordnung mit einem plattenförmigen Träger, auf dessen Rückseite eine Mehrzahl von Kreuzen aufgebracht ist, und mit einem angrenzenden Flach-Bilddetektor.
Die in 1 dargestellte Messanordnung weist ein Messobjekt 1 auf, das im geradlinigen Strahlengang zwischen einer Strahlungsquelle 2, insbesondere einer Röntgen-Strahlungsquelle (z. B. einer Mikrofokus-Röntgenröhre), und einer Detektionseinrichtung 3 angeordnet ist. Ein Strahl ist mit S bezeichnet, ein Mittelpunktsstrahl mit MS. Der Mittelpunktsstrahl trifft im Punkt Z auf die Detektionseinrichtung 3 auf. Die Detektionseinrichtung 3 weist eine Vielzahl von Detektionselementen 4 (z. B. Fotozellen mit in Strahlungsrichtung davor liegendem Szintillationsmaterial) auf, so dass eine örtlich aufgelöste Detektion von Strahlung möglich ist. Die Detektionssignale der Detektionselemente 4 werden einer Einrichtung 6 zugeleitet, die ein Durchstrahlungsbild des Messobjekts 1 jeweils in einer gegebenen Drehstellung des Messobjekts 1 ermittelt. Das Messobjekt 1 ist mit einer Dreheinrichtung 7 kombiniert, beispielsweise einem Drehtisch. Die Drehachse der Dreheinrichtung 7 ist mit T bezeichnet. Außerdem ist optional eine Positioniereinrichtung 5 mit Haltebacken 8, 9 vorgesehen, die es ermöglicht, das Messobjekt 1 relativ zu der Dreheinrichtung zu positionieren. Die Einrichtung 6 ist z. B. ein Computer, der vorzugsweise auch digitale Bilddaten zumindest eines Durchstrahlungsbildes der Einrichtung 3 auswertet und/oder verarbeitet um den Verzeichnungsfehler zu bestimmen und/oder zu korrigieren.
Vorzugsweise ist die Positioniereinrichtung 5 so ausgestaltet, dass sie separat die Positionierung des Messobjekts 1 in Richtung von drei Koordinatenachsen x, y, z eines kartesischen Koordinatensystems ermöglicht. Alternativ oder zusätzlich kann die Positioniereinrichtung 5 weitere Positionierbewegungen ermöglichen, z. B. Rotationsbewegungen um eine Drehachse, die nicht mit der Drehachse T der Dreheinrichtung 7 zusammenfällt. Auf diese Weise kann die Positioniereinrichtung 5 auch dazu genutzt werden, ein Kalibrierobjekt (nicht in 1 gezeigt) unmittelbar vor der Detektionseinrichtung 3 zu positionieren.
2 zeigt einen Flach-Bilddetektor 13, der eine Szintillationsschicht 15 und eine dahinter angeordnete Schicht 14 aufweist, die durch ein Feld von Fotozellen gebildet wird. Die Schicht 14 trägt vorzugsweise die Schicht 15, die keine homogene Schicht ist, sondern zum Beispiel aus einer Vielzahl von nadelförmigen Szintillationskörpern besteht. Stattdessen kann jedoch eine homogene Schicht verwendet werden, z. B. mit Szintillationsmaterial (wie zum Beispiel Gadoliniumoxid), das zum Beispiel in eine Polymermatrix eingebettet ist.
2 zeigt außerdem in Strahlungsrichtung (ein Strahl aus invasiver Strahlung ist durch einen Pfeil angedeutet) vor der Szintillationsschicht 15 ein Kalibrierobjekt 16, das ein regelmäßiges Raster mit in Zeilen und Spalten angeordneten Kugeln aufweist, von denen einige mit dem Bezugszeichen 17 bezeichnet sind. Wie der Strahl aus invasiver Strahlung andeutet, wird eine der Kugeln 17 von dem Strahl getroffen, wird die Intensität des Strahls geschwächt und im Ergebnis ein ellipsenförmiges Bild 18 in dem Fotozellen-Feld 14 hinter der Szintillationsschicht 15 erzeugt. Bei dem in 2 dargestellten Flach-Bilddetektor 13 handelt es sich zum Beispiel um den in der Anordnung gemäß 1 dargestellten Detektor 3.
3 zeigt eine Strahlungsquelle 2 für invasive Strahlung (zum Beispiel die Strahlungsquelle gemäß 1), eine der Kugeln 17 aus der Anordnung gemäß 2 und das elliptische Strahlungsbild 18, das in einem Bild 19 entsteht, welches durch das Fotozellen-Feld 14 erzeugt wird. Da der Mittelpunktsstrahl, welcher von der Strahlungsquelle 2 aus das Kugelzentrum MK durchstrahlt, nicht senkrecht zu der Detektionsfläche des Fotozellen-Feldes verläuft, ist die Abbildung 18 elliptisch. Das durch den Mittelpunktsstrahl projizierte Kugelzentrum MK in der elliptischen Abbildung 18 ist mit dem Bezugszeichen MK_P bezeichnet.
4 zeigt einen Ausschnitts-Bereich 20 aus einem Durchstrahlungsbild, z. B. des in 2 dargestellten Kalibrierobjekts mit einer Vielzahl von Kalibrierkugeln, wobei der Bereich 20 eine rauschbehaftete Umrisslinie 21 von einer der Kugeln enthält. Wie erkennbar ist, zeigt die Umrisslinie 21 einen gezackten Verlauf mit einer Vielzahl von nach außen gerichteten Spitzen 22 und mit einer Vielzahl von nach innen gerichteten Spitzen 23, an denen jeweils ein Stützpunkt liegt. Weitere Stützpunkte liegen zwischen den Spitzen 22, 23. Jeder Stützpunkt entspricht einem aus dem Durchstrahlungsbild ermittelten Punkt auf dem Rand des Bildes der Kugel. ME bezeichnet den Ellipsenmittelpunkt der z. B. durch Ausgleichsrechnung gefitteten Ellipsenlinie 28. Die Ablage der Stützpunkte von der Ellipsenlinie 28 ist in der Abbildung stark vergrößert dargestellt.
In gleicher Weise können die Mittelpunkte der Ellipsen der anderen Kugelbilder der in 2 dargestellten Kalibrieranordnung bestimmt werden. Ferner wird in einem weiteren Schritt die Gesamtanordnung der aus dem Durchstrahlungsbild ermittelten und korrigierten Ellipsenmittelpunkte mit der bekannten Anordnung der Kugelmittelpunkte des Kalibrierobjektes verglichen.
Allgemein formuliert weist das Kalibrierobjekt eine Vielzahl von separaten Strukturen auf, deren Größe und deren Lage relativ zueinander bekannt ist, und wobei die Größe und relative Lage bei der Ermittlung des Verzeichnungsfehlers genutzt wird. Aus Strukturbildern, die von den separaten Strukturen in dem Durchstrahlungsbild entstanden sind, wird zumindest jeweils ein Ort in dem Durchstrahlungsbild bestimmt. Die Anordnung der bestimmten Orte wird dann mit einer dem Kalibrierobjekt entsprechenden Anordnung verglichen.
In dem konkreten hier beschriebenen Beispiel (Kalibrieranordnung mit einer Vielzahl von Kugeln) wird für den Vergleich die Anordnung der Kugelmittelpunkte (insbesondere durch eine berechnete Projektion der Kalibrieranordnung) in das Koordinatensystem der ermittelten Ellipsenmittelpunkte (die die erste Anordnung bilden) eingebracht und durch Ausgleichsrechnung hinsichtlich Position und Ausrichtung angepasst.
Allerdings wird vor der Durchführung des eigentlichen Vergleichs des in dem Durchstrahlungsbild bestimmten Ortes mit dem entsprechenden Ort des Kalibrierobjekts optional noch eine Korrektur durchgeführt, die geometrische Effekte der Projektion berücksichtigt. Diese optionale Korrektur wird vor Ausführung der Ausgleichsrechnung durchgeführt. Eine solche Ausgleichsrechnung kann nicht nur bei einer Kalibrieranordnung mit einer Vielzahl von Kugeln ausgeführt werden, sondern auch bei anderen Kalibrierobjekten, die mehrere Formmerkmale aufweisen bzw. aus mehreren einzelnen Objekten zusammengesetzt sind. Für den Fall einer Kugel wird das Konzept der Korrektur aufgrund geometrischer Effekte der Projektion im Folgenden erläutert.
6 zeigt in einer zweidimensionalen Darstellung die Projektion einer Kugel 17 mit einem Mittelpunkt MK auf einen Bildschirm oder ein Detektorfeld 13, z. B. den Detektor 3 aus 1 oder den Detektor 13 aus 2. Die Projektion entspricht dem Fall eines kegelförmigen Strahlungsbündels KS, das von einer punktförmigen Strahlungsquelle 2, z. B. der Quelle 2 aus 1, ausgeht.
Das Strahlungsbündel KS trifft in dem Bereich zwischen den in vertikaler Richtung voneinander beabstandeten Punkten 66 und 68 auf den Schirm auf. Die Punkte 66 und 68 entsprechen Strahlen 65 und 67 des Strahlungsbündels KS, die tangential zu der Kugel 17 verlaufen. Da die Darstellung in 6 so gewählt ist, dass die Abstandslinie AL der Strahlungsquelle 2 von dem Schirm 13 sich in horizontaler Richtung erstreckt und damit senkrecht zu der in 6 dargestellten vertikalen Linie des Verlaufs des Schirms 13 ist, ist der Abstand der projizierten Punkte 66, 68 auch gleich der Länge der Hauptachse der projizierten Ellipse. Eingezeichnet ist in 6 daher auch der Mittelpunkt ME der Ellipse, der gleich große Abstände zu den Punkten 66, 68 hat. Ebenfalls ist in 6 die Lage des projizierten Mittelpunktes MK_P des Kugelmittelpunktes MK dargestellt. Man erkennt, dass der Mittelpunkt der Ellipse ME zu diesem projizierten Mittelpunkt der Kugel MK_P beabstandet ist um eine Länge δ. Diese Ortsabweichung wird korrigiert, bevor der Vergleich der Anordnung der projizierten Kugelmittelpunkte mit der Anordnung der ermittelten Ellipsenmittelpunkte ME durchgeführt wird. Insbesondere kann unter Nutzung von Informationen über die Geometrie der Messanordnung (d. h. insbesondere der Lage der als punktförmig angenommenen Strahlungsquelle relativ zu dem Fotozellen-Feld) zunächst der jeweilige aus dem Durchstrahlungsbild ermittelte Ellipsenmittelpunkt ME so korrigiert werden, dass er mit dem projizierten Kugelmittelpunkt zusammenfällt, wobei bei dieser Korrektur der Effekt der Verzeichnung noch außer Acht gelassen wird. Für diese Korrektur wird daher angenommen, dass die Situation exakt der in 6 dargestellten Situation entspricht.
Der Abstand des Ellipsenmittelpunkts ME von dem projizierten Kugelmittelpunkt MK_P kann insbesondere wie folgt berechnet werden: δ = d/[sinα(cot²αcot²β – 1)]
Dabei bezeichnet d den Abstand der Strahlungsquelle vom projizierten Kugelmittelpunkt MK_P (d. h. die Länge des Mittelpunktsstrahls). α bezeichnet den Winkel zwischen der Abstandslinie AL und dem Mittelpunktsstrahl, β den Winkel zwischen dem tangentialen Strahl 67 und dem Mittelpunktsstrahl. „cot” ist der Kotangens und „sin” der Sinus.
Wird die Korrektur für alle Ellipsenmittelpunkte ausgeführt entsteht eine korrigierte erste Anordnung. Im Folgenden wird mit „erste Anordnung” insbesondere die korrigierte erste Anordnung bezeichnet. In Bezug auf das Kalibrierobjekt 16 aus 2 kann nun die Ausgleichsrechnung ausgeführt werden, zum Beispiel indem die Summe der Beträge der Abweichungen oder die Summe der quadrierten Abweichungen zwischen jedem korrigierten ermittelten Ellipsenmittelpunkt und dem zugehörigen (insbesondere durch Berechnung projizierten) Kugelmittelpunkt minimiert wird. In einem weiteren Schritt wird die nach dieser Minimierung verbliebene Abweichung (auch Ablage genannt) zwischen jedem der korrigierten ermittelten Ellipsenmittelpunkte und dem zugehörigen Kugelmittelpunkt als Ergebnis der Verzeichnung ermittelt. Diese Abweichung, die auch als Verzeichnungsfehler bezeichnet werden kann, liegt dann zum Beispiel in Bezug auf das Koordinatensystem des Durchstrahlungsbildes vor.
Allgemein formuliert wird für den Vergleich der ersten und zweiten Anordnung die Lage und Orientierung der Orte in der zweiten Anordnung (die dem Kalibrierobjekt entspricht) (insbesondere bestmöglich) an die Lage und Orientierung der Orte in der ersten Anordnung Orte angepasst (wobei die tatsächliche Anordnung der Strukturen des Kalibrierobjektes und daraus resultierende mögliche Abbildungen in dem Durchstrahlungsbild berücksichtigt werden) und werden verbliebene Abweichungen der Orte der zweiten Anordnung von entsprechenden Orten in der ersten Anordnung als Verzeichnungsfehler identifiziert.
Es bestehen sechs Freiheitsgrade der Pose (Position und Orientierung) des Kalibrierobjektes relativ zu dem Bilddetektor und sind daher durch die Anpassung anzupassen und können insbesondere durch Ausgleichsrechnung bestimmt werden. Daher wird es bevorzugt, dass das Kalibrierobjekt zumindest vier und vorzugsweise mindestens 10 separate Strukturen hat, zu denen daher zumindest vier bzw. 10 Punkte mit jeweils zwei Koordinaten (d. h. acht bzw. 20 Werte für die Bestimmung der Pose) in dem Durchstrahlungsbild ermittelt werden können.
5 zeigt für ein stark vereinfachtes Beispiel mit vier korrigierten Ellipsenmittelpunkten E1, E2, E3, E4 und vier Kugelmittelpunkten K1, K2, K3, K4 den Zustand nach Ausführung der Ausgleichsrechnung. In 5 ist der Außenrand des Bildes mit dem Bezugszeichen 59 bezeichnet. Man erkennt, dass jeweils zwischen den Paaren zugeordneter korrigierter Ellipsenmittelpunkte und Kugelmittelpunkte E1, K1; E2, K2; E3, K3; E4, K4 ein Abstand verbleibt, der die Ablage bzw. der Verzeichnungsfehler ist. Es ist ersichtlich, dass die Ablage unterschiedlich groß sein kann und in unterschiedlicher Richtung wirken kann.
In noch einem weiteren, optionalen Schritt kann nun eine Verzeichnungskarte angefertigt werden, indem für andere Orte in dem Durchstrahlungsbild, die nicht Orte eines korrigierten Ellipsenmittelpunktes sind, durch Interpolation der Verzeichnungsfehler an zumindest drei Orten von korrigierten Ellipsenmittelpunkten jeweils der Verzeichnungsfehler für den anderen Ort bestimmt wird. Insbesondere entsprechen die drei Orte den Ecken eines Dreiecks und kann daher innerhalb des Dreiecks jedem Ort durch Interpolation ein interpolierter Wert (und insbesondere Vektor) des Verzeichnungsfehlers zugeordnet werden. Insbesondere kann ein Teilbereich oder das gesamte Durchstrahlungsbild eine Mehrzahl solcher Dreiecke aufweisen, die den Teilbereich oder das Durchstrahlungsbild vollständig abdecken, so dass durch Interpolation eine vollflächige Verzeichnungskarte des Teilbereichs oder des Durchstrahlungsbildes erhalten wird. Verzeichnisfehler an Orten außerhalb der durch die Dreiecke abgedeckten Fläche können durch Extrapolation ermittelt werden.
Die Messanordnungen mit angeschlossenem Computertomographen können zum Beispiel die Röntgen-Computertomographen METROTOM 800 oder METROTOM 1500 sein, die von der Carl-Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH, Deutschland angeboten und vertrieben werden.
Die Erfindung ermöglicht es insbesondere, Abmessungen wie Längen, Breiten, Durchmesser, Krümmungsradien von handwerklich oder industriell hergestellten Gegenständen präzise und unabhängig von der relativen Lage und Orientierung des Messobjektes und des Detektors zu ermitteln.
7 zeigt ein Kreuz 73 in Draufsicht. Die Dicke des Kreuzes 73 (gemessen in der Richtung senkrecht zur Figurenebene) beträgt beispielsweise nur wenige hundert Mikrometer, wenn das Kreuz aus Chrom oder Blei hergestellt wird und auf einem plattenförmigen Glaskeramikträger angeordnet ist.
Die vier Arme 72a, 72b, 72c, 72d des Kreuzes 73 haben keine konstante Breite, wenn ihre Erstreckung vom Mittelpunkt MC bis zu den freien Enden der Arme 72 betrachtet wird, sondern die Breite der Arme 72 nimmt stufenförmig in Richtung freies Ende ab. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Dicke dreistufig, d. h. es existieren drei Abschnitte bei jedem Arm 72, die eine verschiedene Breite haben. Der Mittelpunkt des Projektionsbildes eines solchen Kreuzes kann mit hoher Präzision aus einem Durchstrahlungsbild ermittelt werden.
8 zeigt schematisch eine Anordnung eines plattenförmigen Trägers 71, z. B. aus Glaskeramik, auf dessen Rückseite eine Mehrzahl von Kreuzen 73 aufgebracht ist, die durch eine strukturierte Materialschicht gebildet sind. Bei den Kreuzen 73 in 8 kann es sich z. B. jeweils um ein Kreuz handeln, wie es in 7 gezeigt ist. Vorzugsweise sind die Kreuze 73 so angeordnet, dass ihre Mittelpunkte in Reihen nebeneinander und in Spalten übereinander angeordnet sind.
Die Rückseite des Trägers 71 grenzt unmittelbar an die Oberfläche eines Flach-Bilddetektors 13 an, der z. B. wie der in 2 dargestellte Flach-Bilddetektor 13 aufgebaut ist. Bei der Erzeugung eines Durchstrahlungsbildes der Anordnung der Kreuze 73 durchdringt die invasive Strahlung zunächst die Seite des Trägers 71, auf der sich keine Kreuze 73 befinden, durchdringt das Material des Trägers 71, wird an den Stellen, an denen sich die Kreuze befinden, zusätzlich geschwächt und tritt an der angrenzenden Oberfläche des Flach-Bilddetektors 13 in diesen ein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005033187 A1 [0027]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Messanordnung für einen Computertomographen, die eine Strahlungsquelle (2) invasiver Strahlung und einen Flach-Bilddetektor (3; 13) mit Szintillationsschicht (15) und einem Fotozellen-Feld aus Fotozellen (4) zur Detektion von Strahlung aus der Strahlungsquelle (2) aufweist, wobei – ein Kalibrierobjekt (16) zwischen der Strahlungsquelle (2) und dem Flach-Bilddetektor (3; 13) angeordnet wird und mit dem Flach-Bilddetektor (3; 13) mindestens ein Durchstrahlungsbild des Kalibrierobjekts (16) aufgenommen wird und – aus bekannten Abmessungen des Kalibrierobjekts (16) und aus dem mindestens einem Durchstrahlungsbild ein Verzeichnungsfehler, der aufgrund einer Verzeichnung des Flach-Bilddetektors (3; 13) entstanden ist, als Funktion des Ortes in dem Fotozellen-Feld ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei mit dem Flach-Bilddetektor (3; 13) von einem zu vermessenden Objekt ein Durchstrahlungsbild aufgenommen wird und unter Berücksichtigung des ermittelten Verzeichnungsfehlers korrigiert wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei • von dem Flach-Bilddetektor (3; 13) zumindest ein Durchstrahlungsbild des Kalibrierobjekts (16) oder eines anderen Messobjekts (1) aufgenommen wird, • in dem Durchstrahlungsbild einzelne Punkte ermittelt werden, die jeweils einer Struktur des Kalibrierobjekts (16) oder Messobjekts (1) entsprechen, und der Verzeichnungsfehler lediglich bezüglich dieser einzelnen Punkte korrigiert wird, sodass eine Anordnung korrigierter einzelner Punkte gebildet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Flach-Bilddetektor (3), das Kalibrierobjekt (16) oder Messobjekt (1) und eine Strahlungsquelle (2) der invasiven Strahlung Teil der Messanordnung sind und wobei die Anordnung korrigierter einzelner Punkten dazu verwendet wird, Geometrieparameter eines geometrischen Modells, das eine Geometrie der Messanordnung beschreibt, zu bestimmen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kalibrierobjekt (16) unmittelbar an dem Flach-Bilddetektor (13) angrenzend angeordnet wird, sodass sich Strukturen des Kalibrierobjekts (16) an dem Flach-Bilddetektor (13) entlang erstrecken und in dem zumindest einen von dem Flach-Bilddetektor (13) erzeugten Durchstrahlungsbild des Kalibrierobjekts (16) als nebeneinander liegende und/oder teilweise einander überlappende Strukturbilder erscheinen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Kalibrierobjekt (16) eine Vielzahl von separaten Strukturen (17) aufweist, deren Größe und deren Lage relativ zueinander bekannt ist, und wobei die Größe und relative Lage bei der Ermittlung des Verzeichnungsfehlers genutzt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei aus Strukturbildern, die von den separaten Strukturen (17) in dem zumindest einen Durchstrahlungsbild entstanden sind, zumindest jeweils ein Ort in dem Durchstrahlungsbild ermittelt wird, so dass eine erste Anordnung der ermittelten Orte erhalten wird, und die erste Anordnung mit einer dem Kalibrierobjekt (16) entsprechenden zweiten Anordnung von Orten, die den ermittelten Orten entsprechen, verglichen wird und aus Abweichungen der beiden Anordnungen der Verzeichnungsfehler als Funktion des Ortes in dem Fotozellen-Feld und/oder in dem Durchstrahlungsbild ermittelt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei für den Vergleich der Anordnungen die Lage und Orientierung der Orte in der zweiten Anordnung an die Lage und Orientierung der Orte in der ersten Anordnung angepasst wird, um unterschiedliche mögliche Relativpositionen und -orientierungen des Kalibrierobjektes (16) und des Flach-Bilddetektors (13) zu berücksichtigen, und verbliebene Abweichungen der Orte in der ersten Anordnung von entsprechenden Orten in der zweiten Anordnung als Verzeichnungsfehler identifiziert werden.
Messanordnung für einen Computertomographen, die eine Strahlungsquelle (2) invasiver Strahlung und einen Flach-Bilddetektor (3; 13) mit Szintillationsschicht (15) und einem Fotozellen-Feld aus Fotozellen (4) zur Detektion von Strahlung aus der Strahlungsquelle (2) aufweist, wobei die Messanordnung außerdem eine Fehler-Ermittlungseinrichtung (6) aufweist, die mit dem Flach-Bilddetektor (3; 13) verbunden ist und ausgestaltet ist, aus zumindest einem Durchstrahlungsbild des Kalibrierobjekts (16), das zwischen der Strahlungsquelle (2) und dem Flach-Bilddetektor (3; 13) angeordnet ist, und aus bekannten Abmessungen des Kalibrierobjekts (16) einen Verzeichnungsfehler zu ermitteln, der aufgrund einer Verzeichnung des Flach-Bilddetektors (3; 13) entstanden ist, wobei der Verzeichnungsfehler als Funktion des Ortes in dem Fotozellen-Feld ermittelt wird.
Messanordnung nach Anspruch 9, wobei die Messanordnung außerdem eine Fehler-Korrektureinrichtung (6) aufweist, die mit der Fehler-Ermittlungseinrichtung (6) verbunden ist und ausgestaltet ist, ein von einem zu vermessenden Objekt aufgenommenes Durchstrahlungsbild unter Berücksichtigung des von der Fehler-Ermittlungseinrichtung ermittelten Verzeichnungsfehlers zu korrigieren.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messanordnung auch das Kalibrierobjekt (16) aufweist und das Kalibrierobjekt (16) unmittelbar an dem Flach-Bilddetektor (3; 13) angrenzend angeordnet ist, sodass sich Strukturen (17) des Kalibrierobjekts (16) an dem Flach-Bilddetektor (3; 13) entlang erstrecken und in dem zumindest einen von dem Flach-Bilddetektor (3; 13) erzeugten Durchstrahlungsbild des Kalibrierobjekts (16) als nebeneinander liegende und/oder teilweise einander überlappende Strukturbilder erscheinen.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messanordnung auch das Kalibrierobjekt (16) aufweist und wobei das Kalibrierobjekt (16) eine Vielzahl von separaten Strukturen (17) aufweist, deren Größe und deren Lage relativ zueinander bekannt ist, und wobei die Größe und relative Lage bei der Ermittlung des Verzeichnungsfehlers genutzt wird.
Messanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Fehler-Ermittlungseinrichtung (6) ausgestaltet ist, aus Strukturbildern, die von den separaten Strukturen (17) in dem zumindest einen Durchstrahlungsbild entstanden sind, zumindest jeweils einen Ort in dem Durchstrahlungsbild zu ermitteln, so dass eine erste Anordnung der ermittelten Orte erhalten wird, die erste Anordnung mit einer dem Kalibrierobjekt (16) entsprechenden zweiten Anordnung von Orten, die den ermittelten Orten entsprechen, zu vergleichen und aus Abweichungen der beiden Anordnungen den Verzeichnungsfehler als Funktion des Ortes in dem Fotozellen-Feld zu ermitteln.
Messanordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Fehler-Ermittlungseinrichtung (6) ausgestaltet ist, für den Vergleich der Anordnungen die Lage und Orientierung der Orte in der zweiten Anordnung an die Lage und Orientierung der Orte in der ersten Anordnung anzupassen, um unterschiedliche mögliche Relativpositionen und -orientierungen des Kalibrierobjektes (16) und des Flach-Bilddetektors (13) zu berücksichtigen, und verbliebene Abweichungen der Orte in der ersten Anordnung von entsprechenden Orten in der zweiten Anordnung als Verzeichnungsfehler zu identifizieren.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messanordnung außerdem ein taktiles Koordinatenmessgerät aufweist, das ausgestaltet ist, das Kalibrierobjekt (16) anzutasten und daraus Größe und Lage von Strukturen des Kalibrierobjekts (16) zu bestimmen und für die Ermittlung des Verzeichnungsfehlers bereitzustellen.