DE102014008671A1

DE102014008671A1 - Verfahren zur optimalen Anordnung eines Objekts in einer Vorrichtung und Vorrichtung zur Darstellung einer inneren räumlichen Struktur des Objekts

Info

Publication number: DE102014008671A1
Application number: DE102014008671.2A
Authority: DE
Inventors: Lutz Hagner; Franz Mnich
Original assignee: Microvista GmbH
Current assignee: Microvista GmbH
Priority date: 2014-06-14
Filing date: 2014-06-14
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Anordnung eines Objekts innerhalb einer Vorrichtung zur Darstellung einer inneren räumlichen Struktur des Objekts. Das Verfahren weist die Schritte des Ermittelns von optimalen Durchstrahlungsrichtungen und optimalen Projektionswerten als Weglängen von Strahlen durch das Objekt in Form von Gleichungen zur Berechnung variabler Werte von Volumenelementen des Objekts bei Veränderung der Anordnung des Objekts bezüglich einer Scanebene, das Bestimmen von Qualitätsfaktoren (Qi) und Relevanzvektoren (qi) einzelner Projektionen sowie das Ermitteln und Lösen eines Gleichungssystems der Projektionswerte unter Nutzung der Qualitätsfaktoren (Qi), Relevanzvektoren (qi) und berechneter Scanpositionen auf. Ein weiterer das Verfahren betreffender Schritt ist das Übertragen ermittelter Ortsinformationen und elektrischer Parameter der Scanebene an eine Manipulatorsteuerung eines Manipulators, welcher die Anordnung des Objekts bezüglich der Scanebene verändert. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Vorrichtung zur Aufnahme von Schnittbildern mit einem Strahler und einem dem Strahler gegenüberliegend angeordneten Detektor. Das Objekt ist zwischen dem Strahler und dem Detektor anordenbar. Die vom Strahler ausgesendeten Strahlen durchdringen das Objekt in der Scanebene und werden vom Detektor aufgenommen. Zur Veränderung der Anordnung des Objekts zwischen dem Strahler und dem Detektor sowie bezüglich der Scanebene ist ein Manipulator ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optimalen Anordnung eines Objekts innerhalb einer Vorrichtung zur Darstellung einer inneren räumlichen Struktur des Objekts.
Die Erfindung betrifft zudem eine Vorrichtung zur Aufnahme von Schnittbildern und zur Darstellung der inneren räumlichen Struktur des Objekts mit einem Strahler und einem dem Strahler gegenüberliegend angeordneten Detektor. Das aus Volumenelementen ausgebildete Objekt ist dabei zwischen dem Strahler und dem Detektor anordenbar. Die vom Strahler ausgesendeten Strahlen können als Fächer oder als Kegel ausgeprägt sein, durchdringen das Objekt als Fächerstrahl in einer Scanebene oder als Kegelstrahl in einer Schar von Scanebenen und werden vom Detektor aufgenommen.
Die Scanebenen eines Kegelstrahls treffen sich in einer Gerade, welche senkrecht zu einem Zentralstrahl ausgerichtet ist, und breiten sich mit einem Winkel zur Zentralebene, welche durch den Abstand der Detektorzeilen vorgegeben ist, in Richtung des Detektors aus. Alternativ ist ein Einzelstrahler verwendbar, welcher nur mit einem einzelnen Detektorelement interagiert.
Der Begriff der Scanebene wird synonym für die Nutzung von Kegelstrahlgeometrie, Fächerstrahlgeometrie und Einzelstrahlgeometrie der vom Strahler abgegebenen Strahlung verwendet. Trotz einer Implikation einer Fächerstrahlgeometrie des Strahlers sind andere Strahlgeometrien sinngleich einsetzbar.
Aus dem Stand der Technik ist der Computertomograph oder Röntgencomputertomograph, auch als CT abgekürzt, als Mittel für eine zerstörungsfreie Prüfung bekannt und findet zumindest im Zusammenhang mit hochwertigen Objekten zunehmend auch Eingang in die Serienprüfung. Infolge der ansteigenden Komplexität der Untersuchungsobjekte, deren Produzierbarkeit anspruchsvoller wird und deren Qualitätsmerkmale von herkömmlichen Prüfverfahren nicht mehr im erforderlichen Umfang kontrolliert werden können, steigt auch die Nachfrage nach verbesserten Mitteln für eine zerstörungsfreie Prüfung.
Gattungsgemäße Röntgencomputertomographen sind aus einem Röntgenstrahler und einem dem Röntgenstrahler gegenüberliegenden Röntgendetektor ausgebildet, wobei das zu untersuchende Objekt zwischen dem Röntgenstrahler und dem Röntgendetektor anordenbar ist. Der Röntgendetektor ist aus einer Anzahl von Sensoren ausgebildet, welche in einer Zeile oder einer Matrix angeordnet und geeignet sind, die Intensität auftretender Röntgenstrahlen zu ermitteln. Die Sensoren können dabei auch in einem Kreissegment um den Strahler angeordnet sein. Die von dem Röntgenstrahler ausgesendeten Strahlen durchdringen das zu untersuchende Objekt in Form eines ebenen Strahlenfächers oder mehrerer ebener Strahlenfächer. Die Strahlen eines Strahlenfächers verlaufen in einer gemeinsamen Ebene. Diese Ebene, welche den Strahlenfächer des Zentralstrahls enthält, wird auch Scanebene genannt. Der Begriff „Zentralstrahl” bezeichnet die direkte Verbindung zwischen der punktförmig gedachten Strahlenquelle und dem Mittelpunkt der Detektorfläche.
Die das Objekt durchdringenden, unterschiedlich abgeschwächten Strahlen werden von den Sensoren des Röntgendetektors aufgenommen, wobei der Vorgang in verschiedenen Durchstrahlungsrichtungen wiederholt wird. Das Verhältnis der durch die Detektorsensoren erfassten Strahlenintensitäten zur Intensität des Röntgenstrahls an der Strahlenquelle werden als Projektion bezeichnet. Die Schwächung der Röntgenstrahlen hängt dabei im Wesentlichen von der Strecke beziehungsweise Weglänge, welche die Röntgenphotonen im Material durchlaufen müssen, und von den Materialeigenschaften ab.
Bei den zu untersuchenden Objekten kann es zumindest partiell vorkommen, dass die Energie und/oder die Intensität der Röntgenstrahlung nicht ausreicht, um an den Sensoren des Röntgendetektors ein auswertbares Signal zu erzeugen. Dem wird herkömmlich begegnet, indem im Rahmen der Vorbereitung eine optimale Lage für das gesamte Objekt oder die zu untersuchende Region des Objekts gefunden wird. Bei einem aus einem einzelnen Material ausgebildeten Monomaterialkörper wird die optimale Lage bestimmt, indem über alle Durchstrahlungen beziehungsweise Projektionen des Objekts hinweg die kumulierte Strecke, welche die Röntgenphotonen im Objekt durchlaufen, minimiert wird.
Bei herkömmlichen, sogenannten Gantry-Systemen sind der Röntgenstrahler und der Röntgendetektor in einem festen Abstand zueinander um das Untersuchungsobjekt angeordnet und rotieren auf einer Kreisbahn um das Objekt. Die durch Strahlenprojektion erzeugte Vergrößerung des Objekts ist konstant und im Rotationszentrum immer zweifach. Das Objekt wird senkrecht zur Scanebene verschoben. Das Ende des teilkreisförmig um den Röntgenstrahler als Strahlenquelle ausgebildeten Strahlenfächers, welcher im Zentrum einen Zentralstrahl aufweist, bilden die Sensoren des Röntgendetektors. Die Position der Scanebene bleibt in Bezug auf das Koordinatensystem des Computertomographen konstant.
In der DE 10 2008 013 613 A1 werden eine Tomographieanlage sowie ein Verfahren und eine Steuerungsvorrichtung zur Lageoptimierung einer Anzahl von Untersuchungsobjekten in der Tomographieanlage offenbart. Bei dem Verfahren folgt auf eine automatische Positions- und/oder Formbestimmung der Untersuchungsobjekte die Ermittlung eines Ziel-Fokusbereichs aus Positionen und/oder Formen der Untersuchungsobjekte sowie eine automatisierte Veränderung der Lage der Untersuchungsobjekte mindestens in einer Veränderungsrichtung relativ zu einer Aufnahmeeinheit der Tomographieanlage. Dabei wird der Ziel-Fokusbereich relativ in Richtung eines gerätespezifischen Fokusbereichs der Tomographieanlage bewegt und ein automatischer Abgleich zwischen dem Ziel-Fokusbereich und dem gerätespezifischen Fokusbereich durchgeführt. Auf Basis der Form und/oder der Position der Untersuchungsobjekte wird somit die optimale, feste Lage des Objekts im Scanbereich der Tomographieanlage für eine qualitätsoptimierte Bildgebung während eines Tomographiedurchlaufs ermittelt.
Die optimale Positionierung des Objekts in einer, während der gesamten Aufnahmedauer voreingestellten, festen Lage bedingt jedoch ein nicht optimales Erfassen einzelner Objektbereiche.
Bei alternativen, insbesondere in der Industrie eingesetzten Computertomographen kann sowohl der Abstand vom Röntgenstrahler zum Röntgendetektor als auch die relative Position des Objekts zwischen dem Röntgenstrahler und dem Röntgendetektor und damit die Vergrößerung des Objekts verändert werden. Röntgenstrahler und Röntgendetektor verfahren entlang einer vertikalen Längsachse des Untersuchungsobjekts. Das Untersuchungsobjekt rotiert dabei um seine Rotationsachse. Die Position der Scanebene wird in Bezug auf das Objekt und das Koordinatensystem des Computertomographen mit dem Scanfortschritt verschoben.
Anhand der bestimmten Projektionsdaten wird beim Scannen ein Schnittbild durch das Objekt erzeugt, das Objekt wird rekonstruiert. Durch das relative Verschieben des Computertomographen in Bezug zum Objekt werden aufeinanderfolgende Schnittbilder erstellt, aus welchen ein dreidimensionales Abbild des Objekts erzeugt wird.
Seit der Einführung des Computertomographen in der medizinischen Diagnostik gibt es eine Vielzahl von Verbesserungen der Komponenten der Prozesskette zur Bilderfassung und zur Rekonstruktion. Die Qualität der mit dem Computertomographen erzeugten Bilder ist dabei von zahlreichen Einflussfaktoren abhängig, beispielsweise hängt der Maßstab des tomographierten Gegenstands von Positionierfehlern der mechanischen Manipulatoren des Computertomographen ab und kann nur mit einem Restfehler bestimmt werden oder es tritt eine Vielzahl von Bildfehlern auf, welche auch als Artefakte bezeichnet werden. Die Artefakte schränken die Nutzbarkeit des Prüfverfahrens ein, insbesondere wenn sie die zu prüfenden Merkmale derart stark überlagern, dass diese nicht mehr ausgewertet werden können.
Für die CT-Analyse von Objekten stehen überwiegend polychromatische Röntgenstrahler mit begrenzter Energie und Intensität zur Verfügung, dabei weisen reale Detektoren einen begrenzten Dynamikbereich auf.
Als eine wesentliche Verbesserung werden herkömmlich Scanparameter, insbesondere die Energie und/oder die Intensität der emittierten Röntgenstrahlung, aber auch die Aufnahmedauer, zunächst von den ungünstigsten Bereichen des zu untersuchenden Objekts ermittelt. Die von der medizinischen Anwendung her bekannten Dosismodulationen sind im Zusammenhang mit den hohen Dynamikanforderungen, das heißt mit einem sehr schnellen Umschalten der Dosis, nicht nutzbar.
Bei Kombinationen aus einer langen Weglänge des Strahls durch das Objekt und einer hohen Absorption ist auf Grund der begrenzten Detektordynamik die Intensität nicht mehr messbar, sodass nicht nur im Bereich der hohen Absorption, sondern auch in anderen Bildbereichen störende Artefakte auftreten.
Aus der EP 1 325 471 B1 geht ein Verfahren zur Darstellung eines Objekts mittels einer zur Durchstrahlung des Objekts geeigneten Messeinrichtung hervor. Dabei werden bereitgestellte simulierte Daten, welche einer simulierten Durchstrahlung des Objekts entsprechen, zum Messen der Durchstrahlung verwendet. Als Vorabinformationen werden beispielsweise die Röntgenintensitäten und Röntgenenergien, definiert aus Strom und Spannung, die Belichtungszeiten und die Durchstrahlungsrichtungen verwendet. Die zur Einstellung eines Messparameters der Messeinrichtung simulierten Daten werden ausgewertet, um geeignete gemessene Daten für eine tomographische Rekonstruktion des Objekts zu erhalten. Die Auswertung der simulierten Daten zur Einstellung des Messparameters erfolgt dabei derart, dass die Anzahl an Durchstrahlungsrichtungen mit einer hohen Absorption möglichst gering ist. Die simulierten Daten werden somit bereits vor einer Rekonstruktion zum Messen der Durchstrahlung des Objekts und/oder zum Erzeugen der Darstellung aus einer gemessenen Durchstrahlung verwendet. Durch die Verwendung der simulierten Daten zum Ergänzen und Ersetzen schlechter oder gegebenenfalls nicht gemessener Daten vor der Rekonstruktion werden Artefakte innerhalb der Rekonstruktion, welche von einer zu hohen Objekt-Absorption oder einer mangelnden Detektordynamik herrühren, verringert. Bei der Bestimmung der Durchstrahlungsrichtungen werden diejenigen Richtungen mit besonders hoher Absorption wegen der beschränkten Dynamik des Röntgendetektors möglichst vermieden.
Die Qualität der CT-Analyse hängt zudem wesentlich vom personengebundenen Erfahrungswissen des Bedieners des Röntgentomographen ab, da die Aufnahmeparameter vom Operateur bestimmt werden.
Aus dem Stand der Technik ist ein Verfahren bekannt, bei welchem auf der Basis von vorab bekannten Informationen optimale Aufnahmeparameter bestimmt werden. Dabei werden die optimale Position und die optimale Lage des Objekts zwischen Röntgenquelle und Röntgendetektor ermittelt.
Bei industriellen CT-Analysen mit einem rotierendem Objekt kann durch die Position des Objekts zwischen Quelle und Detektor eine Vergrößerung derart eingestellt werden, dass die Abbildung auf dem Detektor möglichst optimal ist, wobei unter der Annahme einer punktförmigen Quelle ein Objektschatten auf dem Detektor erzeugt wird, welcher 90% der aktiven Fläche des Detektors einnehmen sollte.
Ausgangspunkt für die Ermittlung der optimalen Lage des Objekts ist die Weglänge der Röntgenphotonen durch das Objekt. Die maximale Weglänge bestimmt alle weiteren Parameter. Ziel ist es, eine Lage zu ermitteln, in welcher die maximale Weglänge über alle möglichen Projektionen hinweg minimal ist. Für eine bestimmte Objektlage wird dabei entlang des Strahls von der Quelle zu jedem Detektorpixel die Strecke zwischen Eintritt und Austritt aus dem Objekt ermittelt. Dieser Schritt wird für jede Projektion wiederholt.
Anschließend wird auf Basis des Schwächungsgesetzes für die maximale Weglänge eine minimal notwendige Intensität am Röntgendetektor ermittelt, um die Einstellungen an der Röntgenquelle zu optimieren. Daraus ergibt sich ein Kontrast, welcher als Verhältnis der minimalen Intensität zur Intensität bei einer Weglänge von Null, das heißt eines ungeschwächten Röntgenstrahls, definiert ist.
Die Scanparameter werden auf objektivierter Grundlage ermittelt. Bekannte Ausgangsgrößen sind das Material mit den Materialeigenschaften und die Geometrie des zu untersuchenden Objekts. Die optimale Objektlage wird auf Grundlage einer Vielzahl von möglichen Positionen und der maximalen Weglänge als Durchstrahlungsweg ermittelt. Dabei sind sämtliche Projektionen über eine 180°-Drehung des Objekts bei einem Einzelstrahl und über eine 180°-Drehung plus Öffnungswinkel des Fächerstrahls beziehungsweise des Kegelstrahls bei einer Fächerstrahlnutzung beziehungsweise einer Kegelstrahlnutzung auszuwerten, um sich in einem Verfahren der sukzessiven Approximation dem optimalen Ergebnis anzunähern.
Den aus dem Stand der Technik bekannten CT-Analyse-Verfahren und Röntgentomographen ist zu eigen, dass bei einer optimalen Positionierung des Objekts in einer, während der gesamten Aufnahmedauer voreingestellten, festen Lage kein optimales Erfassen einzelner Objektbereiche möglich ist sowie Röntgenstrahler und Röntgendetektor entlang einer Längsachse des Untersuchungsobjekts und senkrecht zur Scanebene verfahren, wobei entweder das Objekt oder die Strahler-Detektorkombination um eine Längsachse rotiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes CT-Analyse-Verfahren und eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Aufnahme von Schnittbildern und zur Darstellung einer inneren räumlichen Struktur eines Objekts zur Verfügung zu stellen. Es soll ermöglicht werden, für die jeweilige Aufgabenstellung ausreichend gute Projektionen von zu untersuchenden Objekten zu erzeugen und das Auftreten von Artefakten zu minimieren. Das Verfahren soll zudem mit verfügbaren Röntgentomographen und mit speziellen Ausführungen neu konstruierter Röntgentomographen interagieren.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur optimalen Anordnung eines Objekts innerhalb einer Vorrichtung zur Darstellung einer inneren räumlichen Struktur des Objekts gelöst. Das Verfahren weist konzeptionsgemäß folgende Schritte auf:

– Übermitteln von Informationen über die Vorrichtung, eine Prüfaufgabe und das zu untersuchende Objekt an einen Scanplaner,
– Aufteilen des Objekts in Volumenelemente,
– Ermitteln von optimalen Durchstrahlungsrichtungen und optimalen Projektionswerten als Weglängen von Strahlen durch das Objekt in Form von Gleichungen zur Berechnung variabler Werte der Volumenelemente bei Veränderung der Anordnung des Objekts bezüglich einer Scanebene sowie
– Bestimmen von Qualitätsfaktoren (Q_i) und Relevanzvektoren (q_i) einzelner Projektionen,
– Ermitteln und Lösen eines Gleichungssystems der Projektionswerte innerhalb eines Rekonstruktionssimulators unter Nutzung der Qualitätsfaktoren (Q_i), Relevanzvektoren (q_i) und berechneter Scanpositionen sowie Erstellen und Übermitteln eines Scanplanes an den Scanplaner,
– Übertragen ermittelter Ortsinformationen und elektrischer Parameter der Scanebene vom Scanplaner an eine Manipulatorsteuerung eines Manipulators,
– Veränderung der Anordnung des Objekts bezüglich der Scanebene mit dem Manipulator und
– Erstellen von Projektionen,
– Übertragen der Projektionen an eine Datenaufbereitungseinrichtung und Normieren der Projektionen,
– Übertragen der normierten Projektionen von der Datenaufbereitungseinrichtung an eine Rekonstruktionseinrichtung,
– Berechnen von Projektionswerten und Abschwächungen eines Strahls beim Durchstrahlen der Volumenelemente sowie Übertragen der Projektionswerte an eine Auswerteeinheit.

Die Informationen über das zu untersuchende Objekt beziehen sich insbesondere auf das Material und die Geometrie. Die Informationen zur Vorrichtung sind insbesondere auf Abmessungen und elektrische Einstellparameter gerichtet.
Beim Verfahrensschritt des Aufteilens des Objekts in Volumenelemente wird vorteilhaft eine Rekonstruktionsmatrix mit Matrixelementen erzeugt.
Unter der Veränderung der Anordnung des Objekts bezüglich der Scanebene ist eine projektionsbezogene Manipulation der Scanebene oder/und eine Veränderung der Lage des Objekts gegenüber einer fest positionierten Scanebene zu verstehen.
Das Bestimmen der Qualitätsfaktoren einzelner Projektionen umfasst die Zuordnung eines Gütekennwertes zur Auswahl einer Gleichung für jeden Projektionswert zur Bestimmung der Schwächung des Strahls beim Durchstrahlen eines Volumenelements. Der Gütekennwert ergibt sich beispielsweise aus der im Material durchlaufenen Strecke beziehungsweise aus Fehlereinflussgrößen, wie einem Multimaterial oder einer Streustrahlung.
Als Projektion wird, wie oben erwähnt, das Verhältnis einer am Detektor ermittelten Strahlenintensität, als ein bestimmter Wert pro Detektorelement, zur Intensität des Strahls am Strahler betrachtet. In bekannten Scannern stehen die Scanebene und die Translationsbewegung des Objektes beziehungsweise der Strahler-Detektor-Kombination senkrecht aufeinander.
Nach der Konzeption der Erfindung wird die Lage des Objekts in Bezug zur Scanebene derart verändert, dass für jedes Volumenelement Projektionswerte für minimale Weglängen der Strahlen durch das Objekt ermittelt werden. Dabei werden Projektionswerte ausreichender Anzahl von solchen Objektpositionen erfasst, bei denen die Weglänge der Strahlen durch das Objekt minimal ist.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Anordnung des Objekts bezüglich der Scanebene mit dem Manipulator während einer Aufnahmedauer verändert. Dabei wird das Objekt derart relativ zur Scanebene bewegt, dass ein Zentralstrahl eines Strahlers eine zuvor definierte Freiformfläche überstreicht. Die Freiformfläche ist aus einer Schar von Geradenstücken ausgebildet, welche der Zentralstrahl innerhalb der matrixförmig angeordneten Volumenelemente der Rekonstruktionsmatrix erzeugt.
Das Objekt ist somit auf einer beliebigen Raumkurve bewegbar. Die Freiformfläche beziehungsweise die Raumkurve sind dabei derart zu definieren, dass ein lösbares Gleichungssystem entsteht. Das Objekt kann bei einer feststehenden Scanebene als einer feststehenden Lage des Zentralstrahls in Richtung aller Freiheitsgrade bewegt werden.
Eine Optimierung der Scanergebnisse kann durch die Manipulation der Scanebene und/oder des Objektes in allen sechs Freiheitsgraden der Bewegung, drei Translationsfreiheitsgrade und drei Rotationsfreiheitsgrade, erreicht werden, wobei vorteilhaft Bewegungen durchgeführt werden, bei welchen nicht alle Freiheitsgrade zur Lageoptimierung zu nutzen sind. Dabei ist zwischen der Rotation des Objektes und der wirkungsgleichen Rotation der Strahler-Detektor-Kombination um das Objekt zu unterscheiden.
Nach einer ersten Alternative wird das Objekt in einer Translationsbewegung relativ zur Scanebene in einer Richtung bewegt.
Nach einer zweiten Alternative wird die Scanebene entlang des Objektes bewegt, wobei es von besonderem Vorteil ist, den Systemfokus entlang des Flächenschwerpunktes der Schnittfläche von Scanebene und Objekt zu bewegen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das Objekt um eine in Richtung einer Translationsbewegung ausgerichtete Achse rotiert, um die Anordnung des Objekts bezüglich der Scanebene mit dem Manipulator während einer Aufnahmedauer zu verändern.
Von besonderem Vorteil ist, wenn die Rotationsbewegung und die Translationsbewegung zwischen Objekt und Scanebene gleichzeitig erfolgen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Richtung der Translationsbewegung zwischen dem Objekt und der Scanebene sowie die Richtung der Achse der Rotationsbewegung zur Scanebene in einem Winkel im Bereich von größer als 0° und kleiner als 90° ausgerichtet.
Besonders vorteilhaft ist es, dass die Projektionswerte aus einem Integral
berechnet werden. Dabei sind

I(d_i): eine gemessene Intensität eines i-ten Strahls des Strahlenfächers an einem Detektorelement i ohne ein Objekt im Strahlengang,
I₀(d_i): eine bekannte Intensität des i-ten Strahls des Strahlenfächers am Strahler,
μ(s_i α_k): eine vom Material, dem Strahlenspektrum (α_k) und dem Strahlenweg (s_i) abhängige Schwächung des Strahls,
ds: ein differenziell kleines Wegelement entlang des Strahlenverlaufs und
d_i: eine Position eines i-ten Detektorelements.

Unter der Annahme einer konstanten Abschwächung des Strahls beim Durchstrahlen eines Volumenelements werden die Projektionswerte vorteilhaft aus einer Summe p_i = Σμ(x ⇀_i(s))·δ(x ⇀_i(s)) mit der Raumdiagonalen in einem durchstrahlten Volumenelement, δ(x ⇀_i(s)) der Abschwächung in einem durchstrahlten Volumenelement μ_i = μ(x ⇀_i(s)) und dem Pfad des Strahls in Parameterdarstellung
berechnet. Der Index i steht wiederum für den i-ten Strahl eines Strahlenfächers, welcher an der Position d_i auf ein Detektorelement trifft.
Die Abschwächung des Strahls beim Durchstrahlen der Volumenelemente entspricht dabei der Abschwächung des Strahls beim Durchdringen eines Matrixelements der Rekonstruktionsmatrix.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird unter Ermitteln von Koeffizienten ein Gleichungssystem für die Berechnung einer Abschwächung aufgestellt. Innerhalb des Gleichungssystems wird jeder Projektionswert durch eine Gleichung repräsentiert. Das Gleichungssystem weist eine bestimmte Anzahl an Variablen der Abschwächung und eine gleiche Anzahl ermittelbarer Koeffizienten auf.
Wenn ein Strahl einen langen Weg durch das Material durchläuft, präsentiert der Projektionswert p_i die Abschwächung einer größeren Anzahl an Volumenelementen als bei einem kürzeren Weg durch das Material. Auf Grund physikalischer Effekte, wie der Strahlaufhärtung, und der endlichen Größe der Volumenelemente, das heißt die Volumenelemente sind entgegen der Annahme nicht unendlich klein, ist zu schlussfolgern, dass ein Projektionswert p_i beim Durchlaufen einer Vielzahl von Volumenelementen und damit einem langen Durchstrahlungsweg stärker fehlerbehaftet ist als ein Projektionswert p_i beim Durchlaufen einer geringeren Anzahl von Volumenelementen und damit einem kürzeren Durchstrahlungsweg.
Entsprechend der Länge des Strahls durch das Material und weiteren Faktoren, wie bei der Ausbildung des Objekts aus einem Multimaterial, ist die Qualität einer Projektion beziehungsweise eines Projektionswertes p_i ermittelbar. Der Qualitätsfaktor Q_i, welcher für einen Projektionswert p_i am i-ten Detektorelement als
mit l_i als der Strahllänge durch das Material und l_max als maximale Strahllänge durch das Material über alle l_i definiert ist, wird vorteilhaft bei einer näherungsweisen Lösung des Gleichungssystems zur Berechnung der Schwächung pro Volumenelement für eine bessere Konvergenz herangezogen.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist zusammenfassend folgende Vorteile auf:

– Lageänderung des zu untersuchenden Objekts beziehungsweise Veränderung der Ausrichtung des Koordinatensystems des Objekts gegenüber dem Scanner während des Scans, was bestmögliche Projektionen von zu untersuchenden Objekten ermöglicht und das Auftreten von Artefakten minimiert,
– kürzere Messzeiten und eine längere Lebensdauer des Strahlers und damit der Vorrichtung infolge der Scanlageoptimierung für kleinste Objektpartien sowie
– interagieren mit verfügbaren und speziellen Ausführungen neu konstruierter Tomographen.

Unter Tomographie werden verschiedene bildgebende Verfahren verstanden, welche die innere räumliche Struktur eines Objekts ermitteln und in Form von Schnittbildern, auch als Schichtbilder oder Tomogramme bezeichnet, darstellen. Ein Schnittbild gibt die inneren Strukturen einer Schicht in Form einer dünnen Scheibe des Objekts wieder. Dabei handelt es sich um eine überlagerungsfreie Darstellung der entsprechenden Objektschicht.
Die Aufgabe wird zudem durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Aufnahme von Schnittbildern und zur Darstellung einer inneren räumlichen Struktur eines Objekts gelöst. Die Vorrichtung weist einen Strahler und einen dem Strahler gegenüberliegend angeordneten Detektor auf. Das aus den Volumenelementen ausgebildete Objekt ist dabei zwischen dem Strahler und dem Detektor anordenbar. Die vom Strahler ausgesendeten Strahlen durchdringen das Objekt in einer Scanebene und werden vom Detektor aufgenommen.
Nach der Konzeption der Erfindung ist zur Veränderung der Anordnung des Objekts zwischen dem Strahler und dem Detektor sowie bezüglich der Scanebene ein Manipulator vorgesehen. Der Manipulator ist derart ausgebildet, das Objekt während des Scans des Objekts zu bewegen beziehungsweise die Lage des Objekts bezüglich der Scanebene zu variieren. Der Manipulator ermöglicht zudem, dass je nach Ausbildung des Strahlers, eine Menge von Strahlenfächern, ein einzelner Strahlenfächer oder wenigstens ein einzelner Strahl jedes Volumenelement des Objekts durchstrahlen kann.
Mittels des Manipulators als Element eines Manipulationssystems der Vorrichtung ist die Scanebene in jede, durch einen Lageoptimierungsschritt ermittelte Lage zu bewegen beziehungsweise der Strahler, der Detektor und das Objekt derart zueinander positionierbar, dass alle gewünschten Volumenelemente durchstrahlt werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Anordnung des Objekts bezüglich der Scanebene mit dem Manipulator während einer Aufnahmedauer veränderbar. Dabei ist die Lage des Objekts relativ zur Scanebene derart veränderbar, dass ein Zentralstrahl des Strahlers eine zuvor definierte Freiformfläche überstreicht, welche aus einer Schar von Geradenstücken ausgebildet ist, welche der Zentralstrahl innerhalb der matrixförmig angeordneten Volumenelemente der Rekonstruktionsmatrix erzeugt.
Das Objekt ist somit auf einer beliebigen Raumkurve bewegbar, wobei die Freiformfläche beziehungsweise die Raumkurve derart definiert sind, dass ein lösbares Gleichungssystem entsteht. Das Objekt ist bei einer feststehenden Scanebene als einer feststehenden Lage des Zentralstrahls vorteilhaft in Richtung aller Freiheitsgrade bewegbar.
Eine Optimierung der Scanergebnisse ist durch die Manipulation der Scanebene und/oder des Objektes in den sechs Freiheitsgraden der Bewegung erreichbar, wobei vorteilhaft Bewegungen durchführbar sind, bei welchen nicht alle Freiheitsgrade zur Lageoptimierung genutzt werden. Es ist zwischen der Rotation des Objektes und der wirkungsgleichen Rotation der Strahler-Detektor-Kombination um das Objekt zu unterscheiden.
Die Lage des Objekts ist bevorzugt in einer Translationsbewegung relativ zur Scanebene in einer Richtung veränderbar oder die Scanebene ist entlang des Objektes bewegbar, wobei es von besonderem Vorteil ist, dass der Systemfokus entlang des Flächenschwerpunktes der Schnittfläche von Scanebene und Objekt bewegbar ist.
Zudem ist das Objekt während der Aufnahmedauer vorteilhaft um eine in Richtung der Translationsbewegung ausgerichtete Achse rotierbar.
Die Richtung der Translationsbewegung zwischen dem Objekt und der Scanebene, welche der Richtung der Achse der Rotationsbewegung zur Scanebene entspricht, ist vorteilhaft in einem Winkel im Bereich von größer als 0° und kleiner als 90° ausgerichtet.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Strahler teilweise oder ganz innerhalb des Objekts angeordnet. Dabei kann sich der Detektor außerhalb des Objekts oder innerhalb des Objekts befinden.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Detektor teilweise oder ganz innerhalb des Objekts angeordnet, während sich der Strahler außerhalb des Objekts oder innerhalb des Objekts befindet.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: Objekt mit umgebender Rekonstruktionsmatrix und einer durch das Objekt erzeugten diskreten Schwächung entlang eines Stahls,
2: Translationsbewegung und Rotationsbewegung eines Objekts beim Scan in einer Vorrichtung zur Computertomographie aus dem Stand der Technik und
3: variierte Translationsbewegung und Rotationsbewegung eines Objekts beim Scan in einer Vorrichtung zur Computertomographie,
4: Schnitt durch ein Objekt mit Rekonstruktionsschichten, Volumenelementen und optimalen Durchstrahlungsrichtungen für die Erfassung von Projektionen,
5: Objekt mit umgebender Rekonstruktionsmatrix angeordnet zwischen Strahler und Detektor,
6: Schema zum Ablauf des Verfahrens zur Optimierung der Anordnung des Objekts innerhalb der Vorrichtung zur Computertomographie und
7a: Objekt mit in einem Hohlraum angeordnetem Strahler und außerhalb des Objekts angeordnetem Detektor sowie
7b: Objekt mit in einem Hohlraum angeordnetem Detektor und außerhalb des Objekts angeordnetem Strahler.
In 1 ist ein zu untersuchendes Objekt 5 mit einer das Objekt 5 umgebenden Rekonstruktionsmatrix 7 und einer durch das Objekt 5 erzeugten diskreten Schwächung eines Strahls 6, insbesondere eines Röntgenstahls 6, einer Vorrichtung 1 zur Computertomographie dargestellt.
Das zu untersuchende Objekt 5 ist zwischen einem Röntgenstrahler 2, im Weiteren auch als Strahler bezeichnet, und einem Röntgendetektor 3, im Weiteren auch als Detektor bezeichnet, angeordnet. Der Detektor 3 ist derart ausgebildet, die vom Strahler 2 ausgesendeten und auf seiner Oberfläche auftreffenden Röntgenphotonen quantitativ zu erfassen. Der Detektor 3 weist eine Vielzahl an als Sensoren ausgebildete Detektorelemente 4 auf, welche in einer Linie oder als Matrix angeordnet sind. Die Sensoren können alternativ auch in einem Kreisbogen angeordnet sein, zudem kann die Detektor-Matrix auch von einer ebenen Ausbildung abweichen.
Zum Scan beziehungsweise zur Aufnahme des Objekts 5 durchdringen Strahlen 6 aus einer großen Anzahl von unterschiedlichen Einzelpositionen das Objekt 5. Die Strahlen 6 werden vom Detektor 3 erfasst. Die am Detektor 3 ermittelte Röntgenintensität, als ein bestimmter Wert der Strahlen 6 pro Detektorelement 4, wird mit der Intensität der Strahlen 6, welche am Strahler 2 ohne zwischen Strahler 2 und Detektor 3 angeordnetem Objekt 5 ermittelt werden, ins Verhältnis gesetzt und als Projektion bezeichnet.
Jede Projektion liefert abhängig von der Art der Detektorelemente einen Vektor oder eine Matrix von Projektionswerten, welche die Schwächung des Strahls 6 entlang seines Weges durch das zu untersuchende Objekt 5 beschreibt. Auf Grund der Anlagengeometrie und der Positionserfassung von Strahler 2, auch als Röntgenquelle bezeichnet, Objekt 5 und Detektor 3 ist der Verlauf des Strahls 6 bekannt.
Aus den Projektionen werden mittels unterschiedlicher Rekonstruktionsverfahren Schwächungswerte für einzelne, entlang des Verlaufes des Strahls 6 angeordneter Volumenelemente ausgerechnet.
Neben einer angemessenen Apertur der Detektorelemente 4 wird die Dimension der Volumenelemente durch die Anzahl der lageverschiedenen Projektionswerte, in welchen ein Volumenelement erfasst wird, bestimmt. Je kleiner die Apertur der Detektorelemente 4 ist und je mehr Projektionswerte erfasst werden, umso kleiner kann die Kantenlänge der Volumenelemente gewählt werden. Die Größe der Volumenelemente bestimmt wiederum die geometrische Auflösung der Aufnahme, das heißt des CT-Scans.
CT-Verfahren akquirieren entlang der Strahlenfächer eine Anzahl von Projektionen, wobei der radial durch das Rotationszentrum verlaufende Zentralstrahl des Strahlers 2 seine Position bezüglich des zu untersuchenden Objekts 5 jeweils um ein Winkelelement verändert.
Mit Hilfe der Rekonstruktionsverfahren wird für jedes in einer Scanebene angeordnete Volumenelement ein Schwächungswert berechnet. Es wird ein Schwächungsbild der Schnittebene beziehungsweise Scanebene dargestellt. Die Höhe einer solchen Schicht wird durch Systemparameter, wie die Höhe der Apertur der Detektorelemente 4, vorgegeben, kann alternativ aber auch durch Interpolation zwischen den Volumenelementen verschiedener Ebenen manipuliert werden.
Die Volumenelemente aller Schnittebenen ergeben ein dreidimensionales Modell des Objekts 5. Dieses Volumenmodell der Abschwächung wird in der Computertomographie zur Analyse und Bewertung der zu untersuchenden Objekte verwendet. Ein einzelnes Volumenelement wird dabei als Voxel bezeichnet.
Für jedes Volumenelement des Objekts 5 wird aus einer Anzahl von Projektionswerten die Schwächung ermittelt. Dabei werden die Projektionswerte bevorzugt, bei welchen der Strahl 6 das Volumenelement optimal durchlaufen hat.
Mit 1, in welcher ein Schnitt durch ein Objekt 5 mit einer Rekonstruktionsmatrix 7 der Größe 3×3 gezeigt ist, wird ein algebraisches Rekonstruktionsverfahren erläutert, dessen Nutzung für das vorliegende Prinzip ohne Anpassungsschritte möglich ist. Die Größe der Rekonstruktionsmatrix 7 wird zur besseren Übersicht sehr grob verwendet und entspricht nicht der in der Praxis verwendeten Auflösung.
Jedes Matrixelement der Rekonstruktionsmatrix 7 symbolisiert die Abschwächung des Strahls 6 im Objekt 5 für ein Volumenelement mit der Grundfläche aus einem Anteil der Breite B und einem Anteil der Höhe H beziehungsweise B/l und H/k sowie der Schichthöhe h. Es wird angenommen, dass die Abschwächung des Strahls 6 in einem Volumenelement μ(x ⇀_i(s)) konstant ist. Diese Modellvorstellung nähert sich dem realen Objekt 5 für infinit kleine Abmessungen der Volumenelemente an.
Für jeden zwischen dem Strahler 2 als Strahlenquelle und dem Detektor 3 verlaufenden Strahl 6, sind exemplarisch zwei Verläufe der Strahlen 6 dargestellt, wird ein Projektionswert p_i ermittelt, welcher sich aus folgendem Integral ergibt:
Dabei sind

I(d_i): eine gemessene Intensität eines i-ten Strahls des Strahlenfächers an einem Detektorelement i ohne ein Objekt im Strahlengang,
I₀(d_i): eine bekannte Intensität des i-ten Strahls des Strahlenfächers an der Strahlenquelle,
μ(s_i α_k): eine vom Material, dem Strahlenspektrum (α_k) und dem Strahlenweg (s_i) abhängige Schwächung des Strahls,
ds: ein differenziell kleines Wegelement entlang des Verlaufs des Strahls und
d_i: die Position des i-ten Detektorelements.

Unter der oben erwähnten Annahme, dass in jedem durch die Rekonstruktionsmatrix 7 definierten Voxel die Schwächung konstant ist, wird das Integral zu folgender Summe: p_i = Σμ(x ⇀_i(s))·δ(x ⇀_i(s)) mit der Raumdiagonalen in einem durchstrahlten Volumenelement δ(x ⇀_i(s)) der Abschwächung in einem durchstrahlten Volumenelement μ_i = μ(x ⇀_i(s)) und
dem Pfad des Strahls in Parameterdarstellung
Unter Ermittlung der Koeffizienten δ(x ⇀_i(s)) entsteht ein Gleichungssystem für die Berechnung der Abschwächung μ(x ⇀_i(s)), in welchem jeder Projektionswert p_i eine Gleichung repräsentiert und in welchem eine bestimmte Anzahl von Variablen der Abschwächung μ(x ⇀_i(s)) und eine gleiche Anzahl bekannter beziehungsweise ermittelbarer δ(x ⇀_i(s)) Koeffizienten enthalten sind.
Zur Ermittlung aller Variablen müssen mindestens ebensoviele, voneinander unabhängige Projektionswerte p_i bestimmt werden. Unter Beachtung dieser Bedingung kann sich die Scanebene zur Erfassung der Projektionen in beliebiger Weise verändern.
Zwischen dem Strahler 2 und dem Detektor 3 wird die Lage der Ebene zwischen den einzelnen Akquisitionen oder sogar für einzelne Projektionen derart variiert, dass für jedes Volumenelement eine ausreichende Anzahl an Projektionswerten p_i mit möglichst kurzen kumulierten Materialstrecken, das heißt Weglängen der Röntgenphotonen durch das Objekt 5, verfügbar sind.
Unter einer Akquisition ist dabei die Summe aller Projektionen, welche für eine Rekonstruktion verwendet wird, zu verstehen. Die Qualität der Rekonstruktion wird durch die Anzahl der Projektionen pro Akquisition bestimmt. Bei entsprechend klein gewählter Rekonstruktionsmatrix 7 kann die Rekonstruktion jedoch auch mit wenigen Projektionen erfolgen. Die Akquisition ist eine Anzahl von Projektionen, welche ein mindestens vollständig bestimmtes Gleichungssystem für alle in der Rekonstruktionsmatrix 7 enthaltenen Volumenelemente 11 ergibt.
Um die Volumenelemente 11 des Objekts 5 optimal zu durchstrahlen, wird innerhalb einer Akquisition die Lage des Objekts 5 relativ zur Scanebene 10 verändert. Die relative Lage des Objekts 5 zur Scanebene 10 kann dabei nach einer vorgegebenen Anzahl von Projektionen verändert werden, wobei das Minimum der Anzahl eins ist. Neben der Optimierung der Scanqualität ist zudem die Scangeschwindigkeit zu beachten, welche bei der minimalen Anzahl der Projektionen von eins ein Maximum erreicht, da das Objekt 5 nach jeder Projektion zunächst neu zu positionieren ist.
Mit einem Strahler 2 mit einem Einzelstrahl und einem einzigen, dem Strahler 2 gegenüberliegenden Detektorelement 4 wären Bedingungen erfüllt, unter denen die Optimierung des Durchstrahlungsweges idealtypisch erfolgen könnte. Bei einer relativen Änderung zwischen Objekt 5 und Scanebene 10 pro Projektion könnte jedes Volumenelement 11 derart durchdrungen werden, dass die Qualitätsfaktoren im Gleichungssystem optimal sind.
Die Verwendung eines Strahlers 2 mit einem Fächerstrahl beziehungsweise einem Kegelstrahl mit entsprechenden Detektorelementen 4 ermöglicht das gleichzeitige Erfassen mehrerer Projektionen, um beispielsweise einerseits die Messzeit zu verringern. Andererseits werden dabei die meisten Projektionswerte nicht aus einer optimalen Durchstrahlung entstehen.
Die 2 und die 3 zeigen die Translationsbewegung 8 und die Rotationsbewegung 9 eines Objekts 5 beim Scan in einer industriellen Vorrichtung 1 zur Computertomographie aus dem Stand der Technik nach 2 und im Vergleich zum Stand der Technik variiert nach 3.
Bei der Lageoptimierung über das gesamte Objekt 5 sind lange Weglängen der Strahlen 6 durch das Objekt 5 nicht vollständig zu vermeiden, wenn das Objekt 5 gemäß dem Stand der Technik nach 2 senkrecht zur Scanebene 10 rotiert. Die Scanebene 10 ist in den Richtungen der Koordinaten x, y aufgespannt. Das Objekt 5 rotiert um eine in z-Richtung ausgerichtete Achse.
Das Objekt 5 ist beispielhaft als ein rotationssymmetrischer Körper 5 ausgebildet und weist Bereiche mit unterschiedlichen Weglängen beziehungsweise Durchstrahlungslängen auf. Aus diesem Grund wird das Objekt 5 in geneigter Position bezüglich der Scanebene 10 gescannt, sodass bei einer Rotation des Objekts 5 um die in z-Richtung ausgerichtete Achse nicht alle Projektionen im Bereich des maximalen Materials und damit maximaler Durchstrahlungslänge angeordnet sind. Allerdings sind auch dabei Projektionen, bei welchen die Röntgenphotonen das Material über den kompletten Außendurchmesser des Objekts 5 passieren müssen, nicht vollständig zu vermeiden.
Ein um 90° gegenüber der Projektion mit minimaler Durchstrahlungslänge gedrehter Strahl 6 erzeugt eine Projektion, bei welcher der Strahl 6 das Material über eine Strecke, welche dem Außendurchmesser des Objekts 5 entspricht, passieren muss. Reicht auf Grund der starken Schwächung des Strahls 6 die Detektordynamik nicht aus, so wird der Projektionswert p_i fälschlicherweise zu Null bestimmt, was bei jedem Rekonstruktionsverfahren zwangsläufig zu Fehlern und damit zu Artefakten führt. Das ist insbesondere im Automobilbau relevant, da durch Funktionsintegration die permanente Tendenz zu größeren Bauteilen besteht. Die Bauteile zeichnen sich dabei häufig zudem durch sehr ungleiche Seitenverhältnisse, insbesondere zwischen Länge oder Breite zur Höhe, aus. Bei derartigen Bauteilen ist der beschriebene Effekt bei fixer Lage des Objekts 5 gegenüber der Scanebene 10 nicht zu vermeiden.
Durch eine Veränderung der Lage des Objekts 5 zwischen den Projektionen können auch zu den Volumenelementen, welche im Bereich der größten Materialanhäufung angeordnet sind, Projektionen mit kurzen Weglängen durch das Material erfasst werden. Der beispielhafte rotationssymmetrische Körper 5 wird gemäß 3 bei gleichzeitigem Vorschub als Translationsbewegung 8 entlang der Symmetrieachse um die Symmetrieachse als Rotationsbewegung 9 rotiert. So werden sämtliche Volumenelemente über kurze Weglängen durch das Material erfasst.
Der Winkel zwischen der Scanebene 10 und der Rotationsachse des Objekts 5 ist derart einzustellen, dass der Durchstrahlungsweg des durch die Schnittfläche des Objekts 5 und der Scanebene 10 begrenzten Zentralstrahles minimal ist. 3 verdeutlicht, dass die Optimierung im mittleren Bereich des Objekts 5 zu einem anderen Ergebnis führt als im oberen und im unteren Bereich des Objekts 5, welche jeweils einen wesentlich geringeren Durchmesser aufweisen.
4 zeigt einen Schnitt durch ein Objekt 5 mit angedeuteten Rekonstruktionsschichten beziehungsweise der Rekonstruktionsmatrix 7, Volumenelementen 11 und den dazugehörigen optimalen Durchstrahlungsrichtungen 12 für die Erfassung von Projektionen. Die optimale Durchstrahlungsrichtung 12 ergibt sich als Weg durch das Volumenelement 11 mit der kürzesten Weglänge des Strahls 6 durch das Material des jeweiligen Bereiches des Objekts 5. Das Schnittbild zeigt, dass es für jedes Volumenelement 11 verschiedene, für den CT-Scan optimale Raumlagen des Strahls 6 gibt.
Um beim Scannen alle Volumenelemente 11 in ausreichendem Umfang und in optimaler Lage zu erfassen, werden mehr Projektionswerte p_i erfasst, als zur Lösung des Gleichungssystems erforderlich wären. Auf Grund unterschiedlich langer Weglängen, welche der Strahl 6 durch das Material zurücklegt, können einige der Gleichungen des Gleichungssystems bezüglich des gemessenen Projektionswertes p_i stärker fehlerbehaftet sein als andere. Aus diesem Grund wird jedem Projektionswert p_i ein Gütekennwert zugeordnet, welcher sich aus der im Material durchlaufenen Strecke ergibt. Auch andere Kriterien, welche sich aus Fehlereinflussgrößen, wie einem Multimaterial oder einer Streustrahlung, ableiten, können in den Gütekennwert als Qualitätsfaktor mit einbezogen werden. Auf Basis des Gütekennwertes kann entschieden werden, welche Gleichungen für die Bestimmung der Schwächung in einem bestimmten Volumenelement 11 herangezogen werden.
5 zeigt das Objekt 5 mit umgebender Rekonstruktionsmatrix 7, angeordnet zwischen dem Strahler 2 und dem Röntgendetektor 3. Der Strahl 6 ist als Fächer beziehungsweise Kegel dargestellt.
Wie aus 5 hervorgeht, ist der Strahl 6 zum einen als Kegel ausgeprägt und zum anderen wird nicht jedes Volumenelement 11 durch einen Strahl 6 vollständig getroffen, was Qualitätsunterschiede innerhalb einer Projektion bewirkt. Die Abschwächung des Strahls 6 beim Durchstrahlen des Volumenelements 11 mittels des gemessenen Projektionswertes p_i wird nur unvollständig beschrieben, da der Strahl 6 das Volumen des Volumenelements 11 nicht immer vollständig durchdringt. Damit enthält auch der Projektionswert p_i lediglich unvollständige Informationen zur Schwächung des Volumenelements 11. Aus diesem Grund wird ein Vektor q_i pro Projektionswert p_i gebildet, welcher die Relevanz pro durchlaufenem Volumenelement 11 wiedergibt und für jedes vom Strahl 6 durchdrungene Volumenelement 11 der Rekonstruktionsmatrix 7 einen Parameter enthält. Das Vektorelement wird mit
beschrieben, wobei V_klm das Volumen des gesamten Volumenelements 11 und V'_klm den vom Strahl 6 durchdrungenen Teil des Volumenelements 11 darstellt. Bei einem am i-ten Detektorelement 4 fehlerbehaftet gemessenen Projektionswert p_i können die darin enthaltenen Variablen nicht exakt berechnet werden, sodass sämtliche Projektionswerte p_i Fehler aufweisen. Für eine Lösung des Gleichungssystems als Näherungslösung ist damit eine gewisse Ungenauigkeit gestattet.
Die numerische Lösung der Gleichungssysteme erfolgt zumeist iterativ, wobei in jedem Iterationsschritt die Lösungen hin zu einem ausreichend genauen Endergebnis korrigiert werden. Die Messfehler und Ungenauigkeiten werden berücksichtigt, indem bei jedem Berechnungsschritt der Qualitätsfaktor Q_i für einen Projektionswert p_i und der Relevanzvektor q_i mit Elementen für jedes vom Strahl 6 durchdrungene Volumenelement der Projektionswerte p_i zu Korrekturen genutzt wird.
Da das gebildete Gleichungssystem auf Grund der enthaltenen Ungenauigkeiten durch Messfehler nicht exakt lösbar ist, wird demzufolge die Kenngröße der Relevanz pro durchlaufenem Volumenelement 11 für die Ermittlung von Korrekturfaktoren herangezogen.
Zudem ist es von Vorteil, das Objekt 5 auch bei ungleichmäßigen Querschnitten für jede Projektion oder Folge von Projektionen möglichst im Zentrum zwischen dem Strahler 2 und dem Detektor 3 anzuordnen.
Aus 6 geht das Verfahren zur Optimierung der Anordnung des Objekts 5 innerhalb einer Vorrichtung 1 zur Computertomographie anhand eines Ablaufschemas hervor.
Ziel ist entweder die projektionsbezogene Manipulation der Scanebene 10 oder die Veränderung der Lage des Objekts 5 gegenüber einer festen Position der Scanebene 10. Beide Varianten können parallel eingesetzt werden.
Das Manipulationssystem der Vorrichtung 1 ist derart ausgebildet, die Scanebene 10 in jede, durch einen Lageoptimierungsschritt ermittelte Lage zu bewegen beziehungsweise den Strahler 2, den Detektor 3 und das Objekt 5 derart zueinander zu positionieren, dass die gewünschten Volumenelemente 11 durchstrahlt werden.
Sowohl über das zu untersuchende Objekt 5 als auch über die Vorrichtung 1 zur Computertomographie beziehungsweise das CT-System und die Prüfaufgabe liegen Informationen vor, welche an den Scanplaner übermittelt werden.
Zur Vorrichtung 1 sind beispielsweise die Geometrie des Systems sowie die eingestellten oder einstellbaren Systemparameter, wie die Röhrenspannung, der Röhrenstrom des Strahlers 2 oder die Integrationszeit des Detektors 3, bekannt. Zudem liegen Informationen zum Material und zur Geometrie des CAD-Modells des Objekts 5, welche eine gute Näherung für die realen Abmaße des Objekts 5 ergeben, vor. Aus der Prüfaufgabe leiten sich zum einen die zu scannende Region des Objekts 5 und zum anderen die erforderliche Genauigkeit beziehungsweise die geometrische Auflösung ab.
Innerhalb des sogenannten Scanplaners werden diese Information genutzt, um für jedes Volumenelement 11 eine optimale Durchstrahlungsrichtung 12 zu ermitteln. Außerdem werden zu jedem variablen Wert, beispielsweise der Schwächung des Strahls 6 beim Durchstrahlen der Volumenelemente 11, ausreichend Projektionswerte p_i und damit Gleichungen erfasst, um alle Variablen zu berechnen. Neben den Informationen zum CT-System und zum zu untersuchenden Objekt werden auch Informationen zur erforderlichen und gewünschten geometrischen Auflösung verwendet, welche einer formal beschriebenen Prüfaufgabe entnommen werden.
Der Scanplaner bestimmt die Qualitätsfaktoren Q_i und Relevanzvektoren q_i der einzelnen Projektionen und Projektionswerte p_i.
Innerhalb des Rekonstruktionssimulators, welcher in bidirektionaler Verbindung mit dem Scanplaner steht, wird das Gleichungssystem aufgrund der Informationen zum Material und der Geometrie des Objekts 5 sowie der elektrischen Einstellparameter des CT-Systems unter Nutzung der berechneten Scanposition, der Qualitätsfaktoren Q_i und Relevanzvektoren q_i ermittelt und gelöst. Wenn das Gleichungssystem nicht konvergiert oder Ergebnisse ermittelt werden, welche eine Lösung der Prüfaufgabe nicht erlauben, wird das als Information an den Scanplaner zurückgemeldet. Der Scanplaner führt eine erneute Positionsbestimmung für die Scanebene 10 beziehungsweise die Projektionen durch. Der Prozess des Planens und Simulierens kann dabei mehrfach ausgeführt werden. Nach einer vorgegebenen Anzahl an Iterationsschritten liegt entweder ein Plan vor, welcher die Prüfaufgabe zu lösen vermag, oder die Prüfaufgabe wird als unlösbar zurückgewiesen.
Nach dem Ermitteln des Planes übergibt der Scanplaner die ermittelten Ortsinformationen an ein Steuersystem für die Manipulation der Scanebene 10, auch als Manipulatorsteuerung bezeichnet. Zusätzlich können auch Informationen zu den elektrischen Parametern, jeweils passend zur Scanebene 10 übergeben werden. Damit wird abgesichert, dass jede Projektion mit der optimalen Strahlungsenergie und der optimalen Strahlungsintensität erfasst wird. Die elektrischen Parameter und die Ortsinformation zu den Scanebenen 10 werden in synchroner Form an den Manipulator des CT-Systems übergeben. Das CT-System ist dabei in der Lage, einen Scan auf Basis dieser Informationen durchzuführen.
Die erstellten Projektionen werden anschließend vom CT-System an eine Datenaufbereitungseinrichtung übergeben. Die Datenaufbereitungseinrichtung hat die Aufgabe, die Projektionsdaten zu normieren. Die Normierung ist insbesondere erforderlich, wenn zwischen den einzelnen Projektionen elektrische Parameter verändert wurden.
Die Datenaufbereitungseinrichtung übergibt die normierten Projektionen an die Rekonstruktionseinrichtung. Die Rekonstruktionseinrichtung berechnet unter Einbeziehung der Qualitätsfaktoren Q_i und Relevanzvektoren q_i aus den normierten Projektionen p_i die Schwächung des Strahls 6 in allen Volumenelementen 11 und übergibt die berechneten Werte an eine externe Auswerteeinheit.
Das Verfahren ist mit verschiedenen CT-Systemen anwendbar.
Bei einem ersten CT-System sind der Strahler 2 und der Detektor 3 derart gegenüberstehend angeordnet, dass der Zentralstrahl des fächerförmigen Strahls 6 auf ein mittleres Detektorelement 4 eines Zeilendetektors oder eines Flächendetektors auftrifft, was beispielsweise aus 5 hervorgeht. Der Abstand zwischen dem Strahler 2 und dem Detektor 3 kann manipulierbar sein, um Objekte 5 unterschiedlichster Größe zu scannen.
Das Objekt 5 wird mittels eines Manipulators, zum Beispiel eines Industrieroboters, zwischen dem Strahler 2 und dem Detektor 3 positioniert. Während des Scans kann der Manipulator das Objekt 5 in jede beliebige Stellung bewegen und so mit der fixen Scanebene 10 jedes beliebige Volumenelement 11 innerhalb des Objekts 5 durchstrahlen. Die Objektaufnahme des Manipulators ist dabei derart ausgebildet, dass die Beweglichkeit des Objekts 5 und die Positionierung des Objekts 5 im Strahlengang des Strahls 6 nicht eingeschränkt ist.
Der Strahler 2 kann einen Strahlenkegel, einen Fächerstrahl oder einen Einzelstrahl aussenden. Der Detektor 3 kann aus einer einzelnen Zelle oder in beliebiger Form angeordneter Zellen, wie in einer Linie oder in einer Matrix, ausgebildet sein.
Dabei ist die Ausbildung verschiedener Anordnungen möglich. Mehrere Strahler 2 als Quellen senden Strahlen aus, welche das Objekt 5 unabhängig voneinander durchstrahlen. Die Strahlen 6 können dabei von einem oder von mehreren Detektoren 3 erfasst werden.
Wie in 7a gezeigt wird, kann der Strahler 2 als Strahlenquelle auch teilweise oder ganz in ein über entsprechende Hohlräume 13 verfügendes Objekt 5 eingeführt und dort angeordnet werden. Der Detektor 3 ist außerhalb des Objekts 5 angeordnet. Dadurch können die Strecken, die der Strahl 6 innerhalb eines Objekts 5 zurücklegt, weiter reduziert werden. Ein typischer Einsatzfall ist die Untersuchung von Zylinderkurbelgehäusen.
Nach 7b ist alternativ der aus einem oder wenigen Detektorelementen 4, als Empfänger der Röntgenstrahlung ausgebildete Detektor 3 durch das Manipulationssystem in den mindestens einen Hohlraum 13 des Objekts 5 verbringbar, um optimale Durchstrahlungsbedingungen zu ermöglichen. Der Strahler 2 befindet sich außerhalb des Objekts 5.
Zudem besteht die Möglichkeit der Kombination der beiden vorgenannten Ausführungsformen, indem sowohl der Strahler 2 als Röntgenquelle als auch der Detektor 3 in Hohlräume 13 des zu untersuchenden Objekts 5 verbracht werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Computertomographie
2: Röntgenstrahler, Strahler
3: Röntgendetektor, Detektor
4: Sensor, Detektorelement
5: Objekt, rotationssymmetrischer Körper
6: Röntgenstahl, Strahl
7: Rekonstruktionsmatrix
8: Translationsbewegung in Richtung der Symmetrieachse des Objekts 5
9: Rotationsbewegung um die Symmetrieachse des Objekts 5
10: Scanebene
11: Volumenelement
12: optimale Durchstrahlungsrichtung
13: Hohlraum
k, l, m: Anzahl der Matrixelemente in einer Dimension
B, H: Breite, Dimension der Grundfläche eines Volumenelements
H: Höhe, Dimension der Grundfläche eines Volumenelements
x, y, z: Koordinaten

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008013613 A1 [0010]
EP 1325471 B1 [0018]

Claims

Verfahren zur optimalen Anordnung eines Objekts (5) innerhalb einer Vorrichtung (1) zur Darstellung einer inneren räumlichen Struktur des Objekts (5), aufweisend folgende Schritte: – Übermitteln von Informationen über die Vorrichtung (1), eine Prüfaufgabe und das Objekt (5) an einen Scanplaner, – Aufteilen des Objekts (5) in Volumenelemente (11), – Ermitteln von optimalen Durchstrahlungsrichtungen (12) und optimalen Projektionswerten (p_i) als Weglängen von Strahlen (6) durch das Objekt (5) in Form von Gleichungen zur Berechnung variabler Werte der Volumenelemente (11) bei Veränderung der Anordnung des Objekts (5) bezüglich einer Scanebene (10) sowie – Bestimmen von Qualitätsfaktoren (Q_i) und Relevanzvektoren (q_i) einzelner Projektionen, – Ermitteln und Lösen eines Gleichungssystems der Projektionswerte (p_i) innerhalb eines Rekonstruktionssimulators unter Nutzung der Qualitätsfaktoren (Q_i), Relevanzvektoren (q_i) und berechneter Scanpositionen sowie Erstellen und Übermitteln eines Scanplanes an den Scanplaner, – Übertragen ermittelter Ortsinformationen und elektrischer Parameter der Scanebene (10) vom Scanplaner an eine Manipulatorsteuerung eines Manipulators, – Veränderung der Anordnung des Objekts (5) bezüglich der Scanebene (10) mit dem Manipulator und Erstellen von Projektionen, – Übertragen der Projektionen an eine Datenaufbereitungseinrichtung und Normieren der Projektionen, – Übertragen der normierten Projektionen von der Datenaufbereitungseinrichtung an eine Rekonstruktionseinrichtung, – Berechnen von Projektionswerten (p_i) und Abschwächungen eines Strahls (6) beim Durchstrahlen der Volumenelemente (11) sowie Übertragen der Projektionswerte (p_i) an eine Auswerteeinheit.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des Objekts (5) bezüglich der Scanebene (10) mit dem Manipulator während einer Aufnahmedauer verändert wird, wobei das Objekt (5) derart relativ zur Scanebene (10) bewegt wird, dass ein Zentralstrahl eines Strahlers (2) eine Freiformfläche überstreicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des Objekts (5) bezüglich der Scanebene (10) mit dem Manipulator während einer Aufnahmedauer verändert wird, wobei die Scanebene (10) derart relativ zum Objekt (5) bewegt wird, dass ein Zentralstrahl eines Strahlers (2) eine Freiformfläche überstreicht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Projektionswerte (p_i) aus einem Integral
berechnet werden, wobei I(d_i) eine gemessene Intensität eines i-ten Strahls (6) eines Strahlenfächers an einem Detektorelement i ohne ein Objekt im Strahlengang, I₀(d_i) eine bekannte Intensität des i-ten Strahls (6) des Strahlenfächers am Strahler (2), μ(s_i α_k) eine vom Material, dem Strahlenspektrum (α_k) und dem Strahlenweg (s_i) abhängige Schwächung des Strahls (6), ds ein differenziell kleines Wegelement entlang des Verlauf des Strahls (6) und d_i eine Position eines i-ten Detektorelements sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abschwächung des Strahls (6) beim Durchstrahlen eines Volumenelements (11) als konstant angenommen wird, sodass die Projektionswerte (p_i) aus einer Summe p_i = Σμ(x ⇀_i(s))·δ(x ⇀_i(s)) berechnet werden, wobei (x ⇀_i(s)) eine Raumdiagonale in einem durchstrahlten Volumenelement, μ_i = μ(x ⇀i(s)) eine Abschwächung in einem durchstrahlten Volumenelement und
sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass unter Ermitteln von Koeffizienten δ(x ⇀_i(s)) ein Gleichungssystem für die Abschwächung μ(x ⇀i(s)) aufgestellt wird, – in welchem jede Gleichung einen Projektionswert (p_i) repräsentiert und – welches eine bestimmte Anzahl an Variablen der Abschwächung μ(x ⇀_i(s)) und eine gleiche Anzahl ermittelbarer Koeffizienten δ(x ⇀_i(s)) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Projektionswert (p_i) ein Vektor gebildet wird, welcher die Relevanz beim Durchstrahlen pro Volumenelement (11) wiedergibt, und aus der Kenngröße der Relevanz pro durchstrahltem Volumenelement (11) Korrekturfaktoren ermittelt werden.
Vorrichtung (1) zur Aufnahme von Schnittbildern und zur Darstellung einer inneren räumlichen Struktur eines Objekts (5), aufweisend einen Strahler (2) und einem dem Strahler (2) gegenüberliegend angeordneten Detektor (3), wobei das aus Volumenelementen (11) ausgebildete Objekt (5) zwischen dem Strahler (2) und dem Detektor (3) anordenbar ist und die vom Strahler (2) ausgesendeten Strahlen das Objekt (5) in einer Scanebene (10) durchdringen und vom Detektor (3) aufgenommen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Veränderung der Anordnung des Objekts (5) zwischen dem Strahler (2) und dem Detektor (3) sowie bezüglich der Scanebene (10) ein Manipulator ausgebildet ist, wobei der Manipulator während des Scans des Objekts (5) das Objekt (5) bewegend ausgebildet ist und jedes Volumenelement (11) des Objekts (5) durchstrahlt werden kann.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass – der Strahler (2) teilweise oder ganz innerhalb des Objekts (5) angeordnet ist, wobei der Detektor (3) außerhalb des Objekts (5) oder innerhalb des Objekts (5) angeordnet ist oder dass – der Detektor (3) teilweise oder ganz innerhalb des Objekts (5) angeordnet ist, wobei der Strahler (2) außerhalb des Objekts (5) oder innerhalb des Objekts (5) angeordnet ist.