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Die Erfindung betrifft ein Röntgen-Computertomographie-Verfahren zur röntgencomputertomographischen Erfassung eines Objektes sowie eine mobile Röntgen-Computertomographie-Vorrichtung, die zur Durchführung des Röntgen-Computertomographie-Verfahrens geeignet ist.
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Die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung (Abkürzung ZfP), insbesondere die Röntgen-Computertomographie (Abkürzung CT), von schwerbeweglichen und/oder großdimensionierten Bauteilen spielt eine immer wichtigere Rolle. Aufgrund der Größe bestimmter Bauteile, beispielsweise Brückenpfeiler oder Windturbinen, ist es nicht möglich die genannten großdimensionierten Bauteile mittels einer Röntgen-Computertomographie-Anlage zu röntgencomputertomographieren, da die Bauteile schlicht aufgrund ihrer Größe typischerweise nur sehr schwer beweglich oder gar unbeweglich sind.
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Nach dem Stand der Technik kann für großdimensionierte oder schwer bewegliche Bauteile, welche auch schwer zugänglich sein können, lediglich eine zweidimensionale Radiographie, beispielsweise mittels mobiler Röntgenröhren, am Ort des Bauteils durchgeführt werden. Gegebenenfalls kann nach dem Stand der Technik eine teilweise röntgencomputertomographische zerstörungsfreie Werkstoffprüfung eines großdimensionierten Bauteils dadurch ermöglicht werden, indem das Bauteil in nicht zusammenhängende Unterbauteile zerlegt oder zerstört wird. Die einzelnen Unterbauteile können dann, nach einem entsprechenden Transport, innerhalb einer nach dem Stand der Technik bekannten Röntgen-Computertomographie-Anlage positioniert und geprüft werden. Eine zerstörungsfreie Röntgen-Computertomographie-Prüfung eines großdimensionierten Bauteils am Ort des Bauteils ist bisher nur unzureichend oder nicht umsetzbar.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Röntgen-Computertomographie-Verfahren zu schaffen, das eine röntgencomputertomographische Erfassung eines Objektes, insbesondere eines großdimensionierten Objektes, am Ort des Objektes ermöglicht oder verbessert.
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Die Aufgabe wird durch ein Röntgen-Computertomographie-Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 sowie durch eine mobile Röntgen-Computertomographie-Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 11 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Das erfindungsgemäße Röntgen-Computertomographie-Verfahren zur röntgencomputertomographischen Erfassung eines Objektes, insbesondere eines Bauteils, umfasst die folgenden Schritte:
- – Bereitstellen einer mobilen Röntgenquelle, eines mobilen Röntgendetektors und einer Recheneinheit;
- – Aufnahme einer Mehrzahl von Röntgenprojektionsbildern des Objektes aus einer Mehrzahl von verschiedenen räumlichen Positionen der Röntgenquelle;
- – Bestimmung der zu den jeweiligen räumlichen Positionen zugehörigen räumlichen Koordinaten der Röntgenquelle; und
- – Ermittlung eines röntgencomputertomographischen Abbildes des Objektes mittels der Recheneinheit unter Berücksichtigung der aufgenommenen Röntgenprojektionsbilder und der bestimmten räumlichen Koordinaten.
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Erfindungsgemäß werden die räumlichen Koordinaten mittels eines dreidimensionalen optischen Triangulationsverfahrens bestimmt. Insbesondere werden die Koordinaten eines Fokuspunktes der Röntgenquelle mittels des dreidimensionalen optischen Triangulationsverfahrens bestimmt.
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Die erfindungsgemäße mobile Röntgen-Computertomographie-Vorrichtung umfasst eine mobile Röntgenquelle, einen mobilen Röntgendetektor und eine Recheneinheit, wobei die Röntgenquelle und der Röntgendetektor zur Aufnahme einer Mehrzahl von Röntgenprojektionsbildern eines zu röntgencomputertomographierenden Objektes ausgebildet sind. Erfindungsgemäß umfasst die mobile Röntgen-Computertomographie-Vorrichtung eine optische Triangulationsvorrichtung, die zur Ermittlung der räumlichen Koordinaten der Röntgenquelle ausgebildet ist.
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Es ergeben sich zum bereits genannten erfindungsgemäßen Röntgen-Computertomographie-Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile der mobilen Röntgen-Computertomographie-Vorrichtung. Insbesondere ist die mobile Röntgen-Computertomographie-Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Röntgen-Computertomographie-Verfahrens geeignet.
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Zusätzlich zu den Koordinaten der Röntgenquelle können weitere geometrische Größen, beispielsweise Richtungen, Winkel und/oder Abstände, insbesondere die Koordinaten des Röntgendetektors und/oder der Abstand zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor, ermittelt werden. Weiterhin kann mittels des dreidimensionalen optischen Triangulationsverfahrens ein Oberflächenmodell des Objektes, beispielsweise mittels der Recheneinheit, ermittelt werden. Mit anderen Worten ist die optische Triangulationsvorrichtung zur optischen dreidimensionalen topographischen Erfassung des Objektes ausgebildet.
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Das erfindungsgemäße Röntgen-Computertomographie-Verfahren ermöglicht eine mobile röntgencomputertomographische Erfassung eines Objektes oder Bauteils, insbesondere eines schwerbeweglichen und großdimensionierten Objektes oder Bauteils. Das ist deshalb der Fall, da die Koordinaten der Röntgenquelle, die für die Ermittlung des röntgencomputertomographischen Abbildes erforderlich sind, mittels des dreidimensionalen optischen Triangulationsverfahrens bestimmt werden. Dadurch wird vorteilhafterweise ein Zuordnungsproblem verbessert oder bestenfalls gelöst, da für die Rekonstruktion des Objektes, das heißt für die Ermittlung eines röntgencomputertomographischen Abbildes des Objektes, eine Zuordnung zwischen den aufgenommenen Röntgenprojektionsbildern und den jeweiligen räumlichen Position der Röntgenquelle erforderlich ist. Für die Zuordnung ist weiterhin die Ermittlung der Koordinaten des Röntgendetektors und/oder des Objektes von Vorteil.
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Bei bekannten nicht mobilen Röntgen-Computertomographie-Verfahren ist es nicht erforderlich die Koordinaten der Röntgenquelle und/oder des Röntgendetektors zu ermitteln, da diese Koordinaten durch die feste und vorher bekannte Geometrie oder Anordnung der Röntgenquelle und des Röntgendetektors in einfacher Weise bestimmt oder von vornherein bekannt sind. Lediglich Feinabstimmungen und gegebenenfalls Fehlstellungen von Verfahrachsen werden durch Einmessen eines Kalibrierungskörpers korrigiert.
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Die erfindungsgemäße Ermittlung der Koordinaten der Röntgenquelle ermöglicht es, dass die Röntgenquelle und/oder der Röntgendetektor frei positionierbar sind/ist. Mit anderen Worten gibt es nur geringe bestenfalls keine Einschränkungen in Bezug auf den Abstand zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor oder der räumlichen Position der Röntgenquelle und/oder des Röntgendetektors. Damit können nicht bewegliche Objekte, insbesondere nicht bewegliche und großdimensionierte Bauteile, vor Ort, das heißt am Ort des Objektes beziehungsweise am Ort des nicht beweglichen und großdimensionierten Bauteiles, röntgencomputertomographisch erfasst werden. Insbesondere wird durch die Erfindung ein handgeführtes Röntgen-Computertomographie-Verfahren ermöglicht.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Röntgen-Computertomographie-Verfahrens ist, dass nach jeder einzelnen Aufnahme eines Röntgenprojektionsbildes das bis zu diesem Zeitpunkt mittels der Recheneinheit rekonstruierte Objekt betrachtet werden kann und – falls erforderlich – weitere Aufnahmen von Röntgenprojektionsbildern aufgenommen werden können.
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Besonders bevorzugt wird zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten der Röntgenquelle ein optischer 3D-Scanner, insbesondere ein tragbarer optischer 3D-Scanner, verwendet.
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Der optische 3D-Scanner ist deshalb von Vorteil, da dieser kostengünstig ist und eine Erstellung des optischen dreidimensionalen Oberflächenmodells des zu röntgencomputertomographierenden Objektes ermöglicht. Weiterhin ermöglicht der tragbare optische 3D-Scanner eine Handführung durch einen Benutzer, sodass dieser für einen mobilen Einsatz besonders geeignet ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden ein Lichtschnittverfahren, ein Verfahren mittels eines codierten Lichtansatzes und/oder ein Phasenshiftverfahren als dreidimensionales optisches Triangulationsverfahren verwendet.
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Vorteilhafterweise ermöglichen die genannten dreidimensionalen optischen Verfahren die Ermittlung eines annähernd vollständigen dreidimensionalen Oberflächenmodells des zu röntgencomputertomographierenden Objektes. Hierbei werden die Koordinaten der Röntgenquelle und/oder die Richtung der aufgenommenen Röntgenprojektionsbilder mittels der Recheneinheit so bestimmt, dass eine Außenkontur der rückprojizierten Röntgenprojektionsbilder möglichst gut mit dem ermittelten dreidimensionalen Oberflächenmodell des zu röntgencomputertomographierenden Objektes übereinstimmt.
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Besonders bevorzugt wird ein aktives dreidimensionales optisches Verfahren als dreidimensionales optisches Triangulationsverfahren verwendet.
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Vorteilhafterweise kann dadurch die Bestimmung der räumlichen Koordinaten der Röntgenquelle und/oder die Ermittlung des optischen dreidimensionalen Oberflächenmodells des Objektes verbessert werden. Insbesondere weisen aktive dreidimensionale optische Verfahren den Vorteil, dass sie im Wesentlichen unabhängig von einer Umgebungsbeleuchtung am Ort des Objektes durchgeführt werden können. Dies ist insbesondere bei der mobilen Röntgencomputertomographie am Ort des Objektes von Vorteil, da die Umgebungsbeleuchtung vor Ort nur schwer oder nur mit deutlichem Mehraufwand zu beeinflussen ist.
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Alternativ sind passive dreidimensionale optische Verfahren als dreidimensionales optisches Triangulationsverfahren denkbar.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zur Bestimmung der räumlichen Koordinaten weiterhin ein CAD-Modell des Objektes herangezogen.
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Mit anderen Worten wird das Zuordnungsproblem durch die Verwendung eines CAD-Modells des Objektes verbessert. Hierbei kann das CAD-Modell des zu röntgencomputertomographierenden Objektes beispielsweise in einem Speicher der Recheneinheit vorliegen. Das ermittelte röntgencomputertomographische Abbild des Objektes kann mit dem CAD-Modell verglichen werden, sodass das Zuordnungsproblem verbessert oder gelöst wird.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das röntgencomputertomographische Abbild mittels eines iterativen Verfahrens durch die Recheneinheit ermittelt.
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Mit anderen Worten wird als Rekonstruktionsmethode zur Rekonstruktion des röntgencomputertomographischen Abbildes mittels der Recheneinheit ein iteratives Verfahren verwendet. Hierbei haben iterative Verfahren gegenüber Standardverfahren den Vorteil, dass sie auch bei einer geringen Mehrzahl von Röntgenprojektionsbildern hinreichend das röntgencomputertomographische Abbild ermitteln oder erzeugen können. Weiterhin kann vorteilhafterweise Vorwissen, beispielsweise über die geometrische Anordnung der Röntgenquelle, des Röntgendetektors und/oder des Objektes, durch iterative Verfahren bei der Ermittlung des röntgencomputertomographischen Abbildes mit berücksichtigt werden.
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Ein weiterer Vorteil iterativer Verfahren ist, dass nach jedem aufgenommenen Röntgenprojektionsbild eine röntgencomputertomographische Rekonstruktion des Objektes ermittelt und vorläufig betrachtet werden kann, da iterative Verfahren in Bezug auf Standardverfahren wesentlich schneller in ihrer Verarbeitung sind. Es kann folglich unmittelbar entschieden werden, ob gegebenenfalls weitere Röntgenprojektionsbilder zur Erhöhung der Genauigkeit oder zur Erhöhung der Bildqualität erforderlich sind.
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Weiterhin können bevorzugt statistische Verfahren zur Erzeugung des röntgencomputertomographischen Abbildes herangezogen werden.
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Ein Beispiel für ein statistisches Verfahren ist die Maximum-Likelihood-Methode. Weiterhin ist eine Kombination aus Algorithmen, insbesondere aus Algorithmen des Compressed Sensing und iterativer Algorithmen, beispielsweise die Algebraische-Rekonstruktion (ART) und/oder die Simultane-Algebraische-Rekonstruktion (SART) von Vorteil.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird eine mobile Röntgenblitzröhre als Röntgenquelle verwendet.
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Insbesondere ist eine batteriebetriebene Röntgenblitzröhre vorgesehen. Vorteilhafterweise ermöglichen Röntgenblitzröhren Energien bis zu 300 kV (Kilovolt) und sind besonders für mobile röntgencomputertomographische Verfahren geeignet. Bei batteriebetriebenen Röntgenblitzröhren muss vorteilhafterweise kein zusätzliches Kabel mitgeführt werden. Dadurch wird die freie Beweglichkeit der Röntgenblitzröhre, das heißt der Röntgenquelle, weiter verbessert.
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Typischerweise sind wenigstens fünf, insbesondere zehn Röntgenblitze zur ausreichenden Ermittlung des röntgencomputertomographischen Abbildes des Objektes vorgesehen. Allerdings kann für die Aufnahme eines Röntgenprojektionsbildes nur ein Röntgenblitz vorgesehen sein. Hierfür ist ein geringer Abstand zwischen der Röntgenblitzröhre und dem Röntgendetektor erforderlich. Eine Verringerung des Abstandes zwischen der Röntgenblitzröhre und dem Röntgendetektor führt zu einer quadratischen Verringerung der Belichtungsdauer. Wird beispielsweise der Abstand zwischen der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor gegenüber einem ursprünglichen Abstand halbiert, so kann die erforderliche Belichtungsdauer auf ein Viertel der ursprünglichen Belichtungsdauer reduziert werden. Zusätzlich wird dadurch eine Volumenauflösung von etwa 0,5 mm (Millimeter) ermöglicht.
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Besonders bevorzugt wird ein mobiler Flachdetektor als Röntgendetektor verwendet.
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Ein mobiler Flachdetektor ist deshalb von Vorteil, da dieser Pixelgrößen im Bereich von höchstens 0,5 mm aufweist. Dadurch kann vorteilhafterweise eine zufriedenstellende Volumenauflösung, beispielsweise von etwa 0,5 mm, erreicht werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden optische Markierungen an der Röntgenquelle und/oder am Objekt angeordnet.
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Vorteilhafterweise wird die Ermittlung des röntgencomputertomographischen Abbildes des Objektes durch die Anbringung der Markierungen an der Röntgenquelle und/oder am Objekt verbessert. Hierbei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Markierungen, beispielsweise falls diese am Objekt angeordnet werden, auf den Röntgenprojektionsbildern erkennbar sind. Es sind daher röntgenoptische Markierungen vorgesehen. Von besonderem Vorteil sind kugelförmige Markierungen, die am Objekt und/oder an der Röntgenquelle angeordnet sind.
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Weiterhin können Initialsensoren zur Bestimmung von Beschleunigung und/oder Drehungen der Röntgenquelle und/oder des Röntgendetektors vorgesehen sein. Dadurch wird vorteilhafterweise die Ermittlung der räumlichen Koordinaten der Röntgenquelle und/oder des Röntgendetektors unterstützt oder verbessert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Röntgenquelle oder der Röntgendetektor die optische Triangulationsvorrichtung.
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Dadurch wird vorteilhafterweise eine besonders kompakte und mobile Röntgen-Computertomographie-Vorrichtung bereitgestellt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen schematisiert:
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1 eine mobile Röntgen-Computertomographie-Vorrichtung; und
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2 ein Flussdiagramm eines erfindungsgemäßen Röntgen-Computertomographie-Verfahrens.
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Gleichartige oder äquivalente Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt eine mobile Röntgen-Computertomographie-Vorrichtung 1. Hierbei ist der Aufbau der mobilen Röntgen-Computertomographie-Vorrichtung 1 schematisch dargestellt. Die mobile Röntgen-Computertomographie-Vorrichtung 1 umfasst eine Röntgenquelle 4, einen Röntgendetektor 6, der als Flachdetektor ausgebildet ist, und eine Recheneinheit 8. Die Recheneinheit 8 kann ein Computer oder ein Tabletcomputer sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Röntgenquelle 4 als Röntgenblitzröhre ausgebildet. Weiterhin umfasst die mobile Röntgen-Computertomographie-Vorrichtung 1 einen optischen 3D-Scanner 10, der an der Röntgenquelle 4 angeordnet ist.
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Gemäß 1 wird die Röntgenquelle 4 sowie der Röntgendetektor 6 an wenigstens zwei verschiedenen räumlichen Positionen 41, 42 beziehungsweise 61, 62 angeordnet. Aus jeder räumlichen Position 41, 42 der Röntgenquelle 4 und aus jeder räumlichen Position 61, 62 des Röntgendetektors 6 wird wenigstens ein Röntgenprojektionsbild eines zu röntgencomputertomographierenden Objektes 2 mittels des Röntgendetektors 6 aufgenommen. Hierzu kann wenigstens ein Röntgenblitz aus jeder der Positionen 41, 42 oder eine Mehrzahl von Röntgenblitzen, beispielsweise wenigstens zehn Röntgenblitze, vorgesehen sein. Insbesondere sind für jede Position 41, 42 zehn bis fünfzehn Röntgenblitze vorgesehen.
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Zur Ermittlung eines röntgencomputertomographischen Abbildes 12 des Objektes 2 mittels der Recheneinheit 8 ist es erforderlich, die Koordinaten, die zu den räumlichen Positionen 41, 42 der Röntgenquelle 4 korrespondieren, zu bestimmen. Weiterhin kann es vorgesehen sein, die zu den räumlichen Positionen 61, 62 des Röntgendetektors 6 zugehörigen Koordinaten zu bestimmen. Zur Bestimmung der Koordinaten der jeweiligen Position 41, 42, 61, 62 ist der optische 3D-Scanner 10 vorgesehen. Hierbei werden die Koordinaten bezüglich eines vorher festgelegten Koordinatensystems 100 bestimmt.
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Weiterhin ist es vorgesehen ein annähernd vollständiges dreidimensionales Oberflächenmodell des Objektes 2 mittels des an der Röntgenquelle 4 angeordneten dreidimensionalen optischen 3D-Scanners 10 zu ermitteln. Durch die Bestimmung der Koordinaten und/oder durch die Ermittlung des dreidimensionalen Oberflächenmodells des Objektes 2 mittels des optischen 3D-Scanners 10 ist die Röntgenquelle 4 frei um das Objekt 2 anordenbar. Dadurch wird eine vorteilhafte mobile Röntgen-Computertomographie des Objektes 2 ermöglicht. Insbesondere können mittels der Röntgen-Computertomographie-Vorrichtung 1 Brückenpfeiler und/oder Windräder röntgencomputertomographisch geprüft werden. Die in 1 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Röntgen-Computertomographie-Vorrichtung 1 ist daher nur schematisch und nicht maßstabsgetrau dargestellt.
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Typischerweise korrespondiert zu jeder räumlichen Position 41, 42 der Röntgenquelle 4 eine Richtung 101, 102, die der hauptsächlichen Ausstrahlrichtung der Röntgenstrahlung beziehungsweise des Röntgenblitzes entspricht. Der Röntgendetektor 6 ist bezüglich der genannten Strahlungsrichtungen 101, 102 hinter dem Objekt 2 angeordnet. Die Strahlungsrichtungen 101, 102 sowie der Abstand zwischen der Röntgenquelle 4 und dem Röntgendetektors 6 können mittels des optischen 3D-Scanners 10 ermittelt werden. Generell können mittels des optischen 3D-Scanners 10 Abstände, Winkel, Richtungen und/oder weitere geometrische Größen, die insbesondere zur Ermittlung des röntgencomputertomographischen Abbildes des Objektes 2 herangezogen werden können, ermittelt werden.
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2 zeigt ein schematisches Flussdiagramm des erfindungsgemäßen Röntgen-Computertomographie-Verfahrens.
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In einem ersten Schritt S1 des Röntgen-Computertomographie-Verfahrens wird eine mobile Röntgenquelle 4, ein mobiler Röntgendetektor 6 und eine Recheneinheit 8 bereitgestellt. Hierbei beziehen sich die genannten Bezugszeichen auf die Elemente der 1.
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In einem zweiten Schritt S2 wird eine Mehrzahl von Röntgenprojektionsbildern des Objektes 2 aus einer Mehrzahl von verschiedenen räumlichen Positionen 41, 42 der Röntgenquelle 4 aufgenommen. Weiterhin kann für jede Aufnahme die räumliche Position 61, 62 des Röntgendetektors 6 verändert oder an die räumlichen Postionen 41, 42 der Röntgenquelle zweckmäßig angepasst werden.
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In einem weiteren Schritt S3 werden die zu den räumlichen Positionen 41, 42 zugehörigen räumlichen Koordinaten der Röntgenquelle 4 bestimmt. Weiterhin können die zu den räumlichen Positionen 61, 62 zugehörigen Koordinaten des Röntgendetektors 6 bestimmt werden.
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In einem vierten Schritt S4 wird ein röntgencomputertomographisches Abbild 12 des Objektes 2 mittels der Recheneinheit 8 unter Berücksichtigung der aufgenommenen Röntgenprojektionsbilder und bestimmten räumlichen Koordinaten 41, 42, 61, 62 ermittelt, wobei die genannten räumlichen Koordinaten 41, 42, 61, 62 mittels eines dreidimensionalen optischen Triangulationsverfahrens bestimmt werden.
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Es ist daher eine dreidimensionale optische Bestimmung der räumlichen Koordinaten der Röntgenquelle 4 und des Röntgendetektors 4 vorgesehen. Weiterhin kann eine dreidimensionale Ermittlung eines Oberflächenmodells des zu röntgencomputertomographierenden Objektes 2 vorgesehen sein.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
