DE102016220096B3 - Verfahren zur Generierung von Röntgenbilddaten - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung von Röntgenbilddaten mittels einer Röntgenanlage (2), welche eine Röntgenstrahlungsquelle (4) sowie einen Röntgendetektor (6) mit einer Anzahl regelmäßig angeordneter Pixel (8) aufweist, wobei ein mathematisches Streustrahlungs-Modell mit einer Anzahl Parameter vorgegeben wird (A), wobei ein Testobjekt (14) zur Generierung eines ersten Rohdatensatzes mittels der Röntgenanlage gescannt wird (B1), wobei das Testobjekt (14) zur Generierung eines zweiten Rohdatensatzes mittels der Röntgenanlage gescannt wird, wobei für die Generierung des zweiten Rohdatensatzes eine Röntgenmaske (12) mit zumindest einem für Röntgenstrahlung durchlässigen Bereich (16) und mit zumindest einem für Röntgenstrahlung undurchlässigen Bereich (18) zwischen der Röntgenstrahlungsquelle (4) und dem Testobjekt (14) eingebracht wird (B2), wobei auf der Basis des ersten Rohdatensatzes einerseits und des zweiten Rohdatensatzes andererseits Parameterwerte für die Parameter des Streustrahlungs-Modells ermittelt werden, mit denen das Streustrahlungs-Modell kalibriert wird (B3), wobei ein Untersuchungsobjekt (14) zur Generierung eines dritten Rohdatensatzes mittels der Röntgenanlage (2) gescannt wird (C1), wobei der dritte Rohdatensatz zur Generierung eines korrigierten dritten Rohdatensatzes mittels des kalibrierten Streustrahlungs-Modells aufbereitet wird (C2) und wobei auf der Basis des korrigierten dritten Rohdatensatzes ein Satz Röntgenbilddaten vom Untersuchungsobjekt (14) generiert wird (C3).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Generierung von Röntgenbilddaten mittels einer Röntgenanlage, welche eine Röntgenstrahlungsquelle sowie einen Röntgendetektor mit einer Anzahl regelmäßig angeordneter Pixel aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung eine Röntgenanlage sowie eine Datenverarbeitungseinheit, die zur Ausführung eines entsprechenden Verfahrens eingerichtet sind.
• Bei Verfahren zur Generierung von Röntgenbilddaten, also bei bildgebenden Verfahren mittels Röntgenstrahlung, wird in der Regel der Umstand ausgenutzt, dass die Intensität von Röntgenstrahlung beim Durchdringen eines Untersuchungsobjektes einerseits in Abhängigkeit des materiellen Aufbaus des Untersuchungsobjektes und andererseits in Abhängigkeit der Länge der Wegstrecke durch das Untersuchungsobjekt aufgrund von Absorption abnimmt.
• Die bei der Wechselwirkung mit Materie ebenfalls auftretende Streuung von Röntgenstrahlung bedingt bei diesen Verfahren typischerweise eine signifikante Reduzierung der Qualität der generierbaren Bilder. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, den Einfluss der gestreuten Röntgenstrahlung, auch Streustrahlung genannt, auf ein solches bildgebendes Verfahren zu verringern.
• Ein bekannter Lösungsansatz ist der Einsatz sogenannter Kollimatoren oder Streustrahlraster, mit deren Hilfe ein Großteil der gestreuten Strahlung nach dem Durchdringen des Untersuchungsobjektes und vor einer möglichen messtechnischen Erfassung absorbiert und somit aus dem Strahlungsfeld herausgefiltert wird. Nachteilig hierbei ist einerseits, dass solche Kollimatoren oder Streustrahlraster einen mitunter großen Raumbedarf aufweisen, und andererseits, dass auch ein Anteil der ungestreuten Röntgenstrahlung absorbiert wird und somit für eine messtechnische Erfassung nicht mehr zur Verfügung steht.
• Ein anderer Lösungsansatz sieht vor, die messtechnische Erfassung der Röntgenstrahlung mittels Detektor in so großer Entfernung zum Untersuchungsobjekt vorzunehmen („air gap”), dass ein Hauptanteil der gestreuten Röntgenstrahlung aufgrund der gegenüber der ungestreuten Röntgenstrahlung abweichenden gerichteten Ausbreitung am Detektor vorbei geht. In vielen Fällen lässt sich der Abstand zwischen dem Detektor und dem Untersuchungsobjekt jedoch nicht ohne weiteres beliebig wählen.
• Eine weitergehende Beschreibung der genannten Lösungsansätze ist beispielsweise aus den folgenden Veröffentlichungen zu entnehmen:
• [1] American Journal of Roentgenology – September 1974, Volume 122, Number 1 – ”CONTROL OF SCATTERED RADIATION BY AIR GAP TECHNIQUES: APPLICATIONS TO CHEST RADIOGRAPHY” ROBERT G. GOULD, M. S. and JOHN HALF, PH. D.
• [2] Med Phys. 1996 Jul; 23(7): 1263–70 – ”Scatter reduction in mammography with air gap.” Krol A1, Bassano DA, Chamberlain CC, Prasad SC.
• [3] iCT 2012, ”Scatter Correction Methods in Dimensional CT”, Matthias Baer et al, Institute of Medical Physics, Friedrich-Alexander-University (FAU)
• Weiterhin befassen sich die Druckschriften DE 10 2011 006 400 A1 und DE 100 55 739 B4 mit dem Thema Streustrahlung, also der Streuung von Röntgenstrahlung. In beiden Fällen werden dabei Ansätze verfolgt, bei denen ein Streustahlungsanteil ermittelt wird.
• Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vorteilhaftes Verfahren zur Generierung von Röntgenbilddaten anzugeben sowie eine Röntgenanlage und/oder eine Datenverarbeitungseinheit, die zur Ausführung eines entsprechenden Verfahrens eingerichtet sind.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Röntgenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie durch eine Datenverarbeitungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen enthalten. Die im Hinblick auf das Verfahren angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Röntgenanlage und/oder die Datenverarbeitungseinheit übertragbar und umgekehrt.
• Ein entsprechendes Verfahren dient dabei zur Generierung von Röntgenbilddaten und ist vorzugsweise an industrielle Anwendungen angepasst. Es dient also insbesondere dazu, Produkte oder Zwischenprodukte auf Qualitätsmängel hin zu prüfen. Hierbei ist das Verfahren vorteilhafterweise dahingehend ausgelegt, eine Vielzahl sehr ähnlicher Objekte auf möglichst einfache Weise und in verhältnismäßig kurzer Zeit mittels Röntgenstrahlung zu untersuchen.
• Die Generierung von Röntgenbilddaten erfolgt dabei mittels einer Röntgenanlage, beispielsweise mittels eines Computertomographen, welche eine Röntgenstrahlungsquelle sowie einen Röntgendetektor aufweist sowie typischerweise eine Datenverarbeitungseinheit. Der Röntgendetektor ist hierbei bevorzugt als sogenannter indirekt-konvertierender Röntgendetektor ausgebildet und weist weiter bevorzugt eine Anzahl regelmäßig angeordneter Pixel auf, die typischerweise in Zeilen einerseits und Spalten andererseits angeordnet sind.
• Weiter dient das Verfahren zur Generierung von qualitativ relativ hochwertigen Röntgenbilddaten, bei denen ungünstige und daher unerwünschte Einflüsse durch sogenannte Streustrahlung, also durch die eingangs beschriebene gestreute Röntgenstrahlung, reduziert sind. Hierzu wird im Rahmen des Verfahrens ein mathematisches Streustrahlungs-Modell mit einer Anzahl Parameter vorgegeben, welches der Generierung von Röntgenbilddaten zugrundegelegt wird und hierfür beispielsweise in der Datenverarbeitungseinheit, zumindest sofern vorhanden, hinterlegt wird.
• Dabei geschieht die Vorgabe des mathematischen Streustrahlungs-Modells typischerweise einmalig, beispielsweise bei der Einrichtung der Röntgenanlage und/oder der zuvor genannten Datenverarbeitungseinheit und dementsprechend ist das Streustrahlungs-Modell zum Beispiel Teil eines Betriebssystems der zuvor genannten Röntgenanlage, das vorzugsweise lediglich im Rahmen von Wartungsarbeiten angepasst oder aktualisiert wird. Im normalen Betrieb werden dagegen in der Regel lediglich die Parameterwerte der Parameter des Streustrahlungs-Modells angepasst, wobei auch diese Anpassung bevorzugt nicht für jede Untersuchung eines zu untersuchenden Objektes mittels der Röntgenanlage vorgenommen wird, sondern üblicherweise im Rahmen eines Kalibrierungsvorgangs, dem dann typischerweise die Untersuchung mehrerer üblicherweise ähnlicher Objekte ohne eine Anpassung der Parameterwerte nachfolgt.
• In jedem Fall aber wird gemäß dem hier vorgestellten Verfahren zunächst ein mathematisches Streustrahlungs-Modell vorgegeben. Nachfolgend wird im Rahmen eines Kalibrierungsvorganges ein Testobjekt zur Generierung eines ersten Rohdatensatzes mittels der Röntgenanlage gescannt und zudem wird dieses Testobjekt zur Generierung eines zweiten Rohdatensatzes ein weiteres Mal gescannt, wobei für die Generierung des zweiten Rohdatensatzes eine Röntgenmaske mit zumindest einem für Röntgenstrahlung durchlässigen Bereich und mit zumindest einem für Röntgenstrahlung undurchlässigen Bereich zwischen der Röntgenstrahlungsquelle und dem Testobjekt in die Röntgenanlage eingebracht wird.
• Hierbei ist es für das Verfahren als solches prinzipiell nicht von Bedeutung, ob zunächst der Scan ohne Röntgenmaske oder zunächst der Scan mit Röntgenmaske durchgeführt wird und dementsprechend ist die Reihenfolge gemäß einer alternativen Ausführungsvariante des Verfahrens umgekehrt.
• Jene Röntgenmaske ist dabei typischerweise plattenartig ausgestaltet und bevorzugt parallel zum Röntgendetektor ausgerichtet. Hierbei dient die Röntgenmaske dazu, die Ausbreitung von Röntgenstrahlung in bestimmte Richtungen zu blockieren und auf diese Weise bestimmte Bereiche auf dem Röntgendetektor abzuschatten, so dass davon ausgegangen werden kann, dass auf die abgeschatteten Bereiche des Röntgendetektors lediglich gestreute Röntgenstrahlung auftreffen kann, da eben der direkte Weg von der Röntgenstrahlungsquelle hin zu den abgeschatteten Bereichen auf dem Röntgendetektor blockiert ist. Mittels einer solchen Röntgenmaske lassen sich nach an sich bekanntem Prinzip statistische Daten über die Streustrahlung generieren, die für das Testobjekt charakteristisch sind und eine solche charakteristische Streustrahlung soll durch das mathematische Streustrahlungs-Modell beschrieben werden.
• Auf der Basis des ersten Rohdatensatzes einerseits sowie des zweiten Rohdatensatzes andererseits werden weiter Parameterwerte für die Parameter des Streustrahlungs-Modells ermittelt, wobei durch diese das Streustrahlungs-Modell kalibriert und somit an die statistischen Daten, die für das Testobjekt charakteristisch sind, angepasst wird. Die Ermittelung der Parameterwerte erfolgt hierbei gemäß einer Ausführungsvariante teilautomatisiert mit Hilfe eines Auswerte-Tools der Datenverarbeitungseinheit oder vollautomatisiert durch die Datenverarbeitungseinheit. Nachfolgend wird das kalibrierte Streustrahlungs-Modell für die Untersuchung zumindest eines Untersuchungsobjektes, also eines zu untersuchenden Objektes, welches zwar in der Regel vom Testobjekt verschieden jedoch typischerweise diesem ähnlich ist, zugrundegelegt, wobei ein entsprechendes Untersuchungsobjekt zur Generierung eines dritten Rohdatensatzes mittels der Röntgenanlage gescannt wird. Hierbei wird die Röntgenmaske für die Generierung des dritten Rohdatensatzes wieder aus dem Strahlengang herausgenommen. Alternativ wird das Untersuchungsobjekt auch als Testobjekt genutzt.
• Jener dritte Rohdatensatz wird dann zur Generierung eines korrigierten dritten Rohdatensatzes mittels des kalibrierten Streustrahlungs-Modells aufbereitet und auf der Basis des korrigierten dritten Rohdatensatzes wird schließlich ein Satz Röntgenbilddaten vom Untersuchungsobjekt generiert.
• Wie bereits zuvor erwähnt, wird ein so kalibriertes Streustrahlungs-Modell vorteilhafterweise nicht nur einer Untersuchung eines Untersuchungsobjekts zugrundegelegt, sondern einer Vielzahl von Untersuchungen oder Scans, wobei die verschiedenen Untersuchungsobjekte bevorzugt einander ähnlich sind. Es werden also zum Beispiel mehrere gefertigte Bauteile oder Baugruppen einer Charge nach und nach mittels der Röntgenanlage auf Qualitätsmängel untersucht, wobei für jede dieser Untersuchungen derselbe Satz Parameterwerte verwendet wird, da die entsprechenden Bauteile bzw. Baugruppen einander so ähnlich sind, dass davon ausgegangen werden kann, dass bei all diesen eine sehr ähnliche Streustrahlungsverteilung auftritt und diese durch das kalibrierte Streustrahlungs-Modell mit dem ermittelten Satz Parameterwerte recht gut beschrieben wird. Dabei wird für jedes weitere Untersuchungsobjekt ein weiterer Rohdatensatz mittels der Röntgenanlage generiert, also ein vierter, ein fünfter usw., und jeder weitere Rohdatensatz wird zur Generierung eines dazugehörigen korrigierten Rohdatensatzes mittels des zuvor kalibrierten Streustrahlungs-Modells aufbereitet. Schließlich wird dann auf der Basis eines jeden korrigierten Rohdatensatzes ein dazugehöriger Satz Röntgenbilddaten vom entsprechenden Untersuchungsobjekt generiert. Insbesondere in einem solchen Fall wird dann bevorzugt eines der Untersuchungsobjekte auch als Testobjekt genutzt, also beispielsweise eines der gefertigten Bauteile oder eine der gefertigten Baugruppen aus der Charge.
• Weiter bevorzugt bildet eine Korrektur-Funktion das mathematische Streustrahlungs-Modell aus, mit der eine mit einem Pixel des Röntgendetektors mit den Koordinaten u und v zur Gewinnung eines Rohdatensatzes gemessene Intensität I(u, v) korrigiert wird, wobei die so korrigierte Intensität I_K(u, v) zur Generierung des entsprechenden korrigierten Rohdatensatzes genutzt wird. Der entsprechende korrigierte Rohdatensatz wird dabei nicht zwingend sofort zur Generierung von Röntgenbilddaten herangezogen, sondern beispielsweise zunächst in einem permanenten Speicher abgespeichert. Die Generierung des zugehörigen Satzes Röntgenbilddaten erfolgt dann je nach Bedarf mitunter zu einem deutlich späteren Zeitpunkt.
• Jene Korrektur-Funktion weist gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante einen Korrekturterm K_S(u, v) auf, der einen bei der Korrektur abzuziehenden Anteil der gemessenen Intensität I(u, v) beschreibt, der durch von außerhalb des Röntgendetektors auf das Pixel mit den Koordinaten u und v auftreffende Streustrahlung hervorgerufen wird.
• In vorteilhafter Weiterbildung ist dieser Korrekturterm K_S(u, v) durch eine Funktion f(p1(G_P2·I) (u, v)) gegeben, wobei als Funktionsargument ein Produkt aus einem ersten Parameter P1 und einer Faltung einer normierten 2D-Gaußfunktion G_P2(u, v) mit der gemessenen Intensität I(u, v) gegeben ist und wobei ein zweiter Parameter P2 der Standardabweichung der 2D-Gaußfunktionen entspricht.
• Für die Funktion f ist hierbei weiter bevorzugt eine einfache lineare Funktion vorgegeben, also eine Funktion vom Typ f(p1(G_P2·I)(u, v)) = P3(p1(G_P2·I)(u, v)) + P4 mit den Parametern P3 und P4.
• Günstig ist des Weiteren eine Korrektur-Funktion, die einen Korrekturterm K_U(u, v) aufweist, der einen bei der Korrektur abzuziehenden Anteil der gemessenen Intensität I(u, v) beschreibt, der durch den Einfluss des Umfeldes im Röntgendetektor, also insbesondere durch benachbarte Pixel, auf das Pixel mit den Koordinaten u und v hervorgerufen wird. Dieser Korrekturterm K_U(u, v) beschreibt somit das sogenannte Übersprechen, welches insbesondere bei indirekt-konvertierenden Röntgendetektoren mit Szintillator auftritt.
• Der entsprechende Korrekturterm K_U(u, v) = P1(G_P2·I)(u, v) ist dabei weiter bevorzugt durch das Produkt aus einem ersten Parameter P1 und einer Faltung einer normierten 2D-Gaußfunktion (G_P2)(u, v) mit der gemessenen Intensität I(u, v) gegeben, wobei ein zweiter Parameter P2 der Standardabweichung der 2D-Gaußfunktion entspricht.
• Außerdem ist das mathematische Streustrahlungs-Modell und dementsprechend auch die Korrektur-Funktion bevorzugt möglichst einfach gehalten, und dementsprechend besteht die Korrektur-Funktion gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung, genau aus den zuvor genannten zwei Korrekturtermen K_S(u, v) und K_U(u, v). In diesem Fall ist dann I_K(u, v) = I(u, v) – K_S(u, v) – K_U(u, v) = I(u, v) – P3(p1(G_P2·I)(u, v)) + P4 – P1(G_P2·I)(u, v).
• Wie bereits zuvor erwähnt, werden im Rahmen der Kalibrierung des mathematischen Streustrahlungs-Modells bevorzugt Parameterwerte für die Parameter des Streustrahlungs-Modells ermittelt, also ein Satz Parameterwerte bei jeder Kalibrierung. Die Anzahl der zu ermittelnden Parameterwerte in einem Satz Parameterwerte wird dabei bevorzugt möglichst gering gehalten, also zum Beispiel kleiner als 10 und bevorzugt kleiner als 6. Ist das Streustrahlungs-Modell durch die zuvor genannte Korrektur-Funktion mit den beiden Korrekturtermen K_S(u, v) und K_U(u, v) gegeben, so sind beispielsweise vier Parameterwerte zu ermitteln, nämlich P1, P2, P3 und P4.
• Zur Bestimmung von P1 wird dann beispielsweise die bei der Generierung des zweiten Rohdatensatzes gemessene Intensität mit Röntgenmaske I_mRM über der bei der Generierung des ersten Rohdatensatzes gemessene Intensität ohne Röntgenmaske gemessenen Intensität I_oRM aufgetragen. Dabei werden alle abgeschatteten Pixel, und nur diese, berücksichtigt, also alle Pixel auf die bei einliegender Röntgenmaske lediglich gestreute Röntgenstrahlung von außerhalb des Röntgendetektors auftreffen kann. Dabei ergibt sich eine Art Punktewolke mit einem Punkt für jede Richtung, aus der im Rahmen eines Scans eine Röntgenaufnahme gemacht worden ist, einerseits und jedes berücksichtigte Pixel andererseits. Als P1 wird dann ein gemitteltes Minimum von I_mRM/I_oRM, im Bereich der maximalen Intensität ermittelt oder ein robuster Schätzwert dieses Quotienten.
• Der Parameterwert für den Parameter 22 wird weiter beispielsweise ermittelt, indem über verschiedene Punktspreizfunktionen gemittelt wird, mit denen sich die Intensitätsverteilung auf dem Röntgendetektor im Übergangsbereich zwischen einem abgeschatteten Bereich und einem nicht abgeschatteten Bereich beschreiben lässt. Die Ermittlung erfolgt zudem weiter bevorzugt nach folgendem Prinzip: Zunächst wird das Projektionsbild I_oRM innerhalb der in I_mRM abgeschatteten Bereiche auf 0 gesetzt, so dass ein Bild I₂ entsteht. I₂ wird dann mit der Punktspreizfunktion gefaltet, wodurch wiederum Intensitäten auf den vorher auf 0 gesetzten Bereich transferiert werden. Schließlich wird diejenige Punktspreizfunktion gesucht, für die eine größtmögliche Übereinstimmung zwischen gefaltetem I₂ und I_mRM innerhalb der abgeschatteten Bereiche entsteht. Die Suche erfolgt durch einfache Koordinatensuche.
• Die Ermittlung der Parameter P3 und P4 erfolgt außerdem beispielsweise auf der Basis einer Abbildung, bei der die gemessene Intensität I_mRM mit einliegender Röntgenmaske über einer angepassten Intensität I_A aufgetragen wird, wobei die angepasste Intensität I_A der gemessenen Intensität I_oRM ohne einliegende Röntgenmaske abzüglich des Korrekturterms K_U entspricht. Auch hier ergibt sich wiederum eine Punktewolke, in die zur Bestimmung der Parameter P3 und P4 bevorzugt eine Gerade gelegt wird, die die äußeren Enden der Punktewolke als Stützpunkte schneidet. Aus der Steigung der entsprechenden Gerade sowie deren Schnittpunkt mit der Achse I_A ergeben sich dann die Werte für die Parameter P₃ bzw. P₄.
• Desweiteren weist die für die Kalibrierung des mathematischen Streustrahlungs-Modells benötigte Röntgenmaske je nach Ausführungsvariante und Anforderungsprofil typischerweise mehrere, insbesondere regelmäßig angeordnete und bevorzugt regelmäßig über eine Fläche verteilte für Röntgenstrahlung undurchlässige Bereiche auf. Die Anzahl der entsprechenden für Röntgenstrahlung undurchlässigen Bereiche und/oder die Dichte der Anordnung entsprechender Bereiche ist dabei üblicherweise umso größer, je komplexer die Geometrie der Untersuchungsobjekte, also der zu untersuchenden Objekte, ist, welche mittels der Röntgenanlage und auf Basis des hier vorgestellten Verfahrens untersucht werden sollen.
• Die Röntgenmaske selbst ist hierbei beispielsweise aus einem für Röntgenstrahlung durchlässigen Material gefertigt und weist zur Ausbildung der für Röntgenstrahlung undurchlässigen Bereiche Ausnehmungen auf, in die Elemente aus einem für Röntgenstrahlung undurchlässigen Material eingesetzt sind.
• Die Begriffe undurchlässig und durchlässig sind dabei im Sinne dieser Anmeldung so zu verstehen, dass ein durchlässiger Bereich Röntgenstrahlung nur in geringem Maße absorbiert, also beispielsweise aus Kunststoff oder einem anderen Material mit relativ geringer Dichte gefertigt ist, und dass ein undurchlässiger Bereich Röntgenstrahlung in starkem Maße absorbiert, also beispielsweise aus einem Metall oder einem anderen Material mit relativ hoher Dichte gefertigt ist.
• Das zugrundeliegende Prinzip lässt sich dabei jedoch auch umkehren und dementsprechend ist dann die Röntgenmaske aus einem für Röntgenstrahlung undurchlässigen Material gefertigt und weist mehrere, insbesondere regelmäßig angeordnete für Röntgenstrahlung durchlässige Bereiche auf oder ist einfach als eine Art Lochmaske ausgebildet. Das mathematische Streustrahlungs-Modell ist dann entsprechend angepasst.
• Zudem sind die regelmäßig angeordneten Bereiche bevorzugt streifenförmig, rechteckförmig oder oval, also zum Beispiel auch kreisförmig, ausgebildet und im Falle einer rechteckförmigen Ausgestaltung sind diese weiter bevorzugt nach Art eines Schachbrettmusters angeordnet.
• Günstig ist außerdem eine Ausgestaltung der Röntgenmaske, bei der diese weniger als 200, bevorzugt weniger als 100 und insbesondere weniger als 50 regelmäßig angeordnete Bereiche aufweist, die zudem bevorzugt gleichmäßig über eine Fläche verteilt angeordnet sind.
• Auch die Art und Weise, in der ein Rohdatensatz generiert wird, wird typischerweise an den jeweiligen Anwendungszweck und insbesondere an die Komplexität der Geometrie der zu untersuchenden Objekte angepasst. In den meisten Fällen werden dabei für die Generierung eines jeden Rohdatensatzes, also im Zuge eines Scans, mehrere Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Richtungen gemacht, so wie dies bei der 3D-Bildgebung üblich ist.
• Bevorzugt werden dabei zur Generierung eines jeden Rohdatensatzes weniger als 100, weiter bevorzugt weniger als 60 und insbesondere weniger als 40 Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Richtungen gemacht. In besonders einfachen Fällen, beispielsweise, wenn rotationssymmetrische Körper, also Körper bei denen sich die Projektion über unterschiedliche Richtungen hinweg nicht wesentlich ändert, oder plattenartige Körper auf Qualitätsmängel untersucht werden sollen, genügt jedoch auch eine einzige Aufnahme aus einer Richtung.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
• 1 in einem Blockschaltbild eine Röntgenanlage,
• 2 in einem Blockschaltbild Verfahrensschritte eines Verfahrens,
• 3 in einem Diagramm eine erste Intensitätsverteilung sowie
• 4 in einem Diagramm eine zweite Intensitätsverteilung Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• Eine nachfolgend exemplarisch beschriebene und 1 skizzierte Röntgenanlage 2 weist eine Röntgenstrahlungsquelle 4, einen Röntgendetektor 6 mit einer Vielzahl Pixel 8 sowie eine Datenverarbeitungseinheit 10 auf und ist als Computertomograph für industrielle Anwendungen ausgebildet. Hierbei ist der Röntgendetektor 6 als indirekt-konvertierender Röntgendetektor 6 ausgebildet, dessen Pixel 8 flächendeckend in Zeilen einerseits und Spalten andererseits angeordnet sind. Weiter weist die Röntgenanlage 2 eine Röntgenmaske 12 auf, die je nach Bedarf aus dem Strahlkegel der Röntgenstrahlungsquelle 4 heraus- oder hinein bewegbar ist.
• Jene Röntgenmaske 12 ist dabei, sofern im Strahlkegel der Röntgenstrahlungsquelle 4 positioniert, dem Röntgendetektor 6 einerseits sowie einer Aufnahme für Objekte 14, sowohl Testobjekte als auch Untersuchungsobjekte, andererseits vorgelagert und dient zur Abschattung einer Anzahl Bereiche auf dem Röntgendetektor 6. Hierzu ist die Röntgenmaske 12 plattenartig ausgestaltet sowie aus einem für Röntgenstrahlung durchlässigen Basismaterial 16, wie beispielsweise Kunststoff, gefertigt und weist regelmäßig angeordnete Aufnahmen auf, in die Absorptionselemente 18 eingesetzt sind, welche aus einem für Röntgenstrahlung undurchlässigen Material, beispielsweise einem Metall, hergestellt sind. Dabei ist durch die regelmäßige Anordnung der Absorptionselemente 18 im Basismaterial 16 eine Art Schachbrettmuster ausgebildet.
• Mit der so ausgestalteten Röntgenanlage 2 lassen sich Röntgenbilddaten und somit Röntgenbilder von zu untersuchenden Objekten, also Untersuchungsobjekten, generieren, um diese beispielsweise auf Qualitätsmängel hin zu überprüfen. Dabei erlaubt die Röntgenanlage 2 die Generierung von Röntgenbilddaten, bei denen die ungünstigen und unerwünschten Einflüsse von sogenannter Streustrahlung, also gestreuter Röntgenstrahlung, auf die Bildqualität reduziert sind. Ermöglicht wird diese Reduzierung der unerwünschten Einflüsse durch die Nutzung eines mathematischen Streustrahlungs-Modells, welches in der Datenverarbeitungseinheit 10 hinterlegt ist und bei der Generierung von Röntgenbilddaten von zu untersuchenden Objekten berücksichtigt wird.
• Bei dem mathematischen Streustrahlungs-Modell handelt es sich bevorzugt um ein verhältnismäßig einfaches Modell, das quasi einmalig, beispielsweise bei der Konfiguration der Datenverarbeitungseinheit 10 oder im Rahmen einer Wartung der Röntgenanlage 2 und/oder der Datenverarbeitungseinheit 10, vorgegeben wird und nachfolgend im Betrieb der Röntgenanlage 2 genutzt wird. Das entsprechende mathematische Streustrahlungs-Modell weist dabei eine Anzahl Parameter auf, durch die sich das mathematische Streustrahlungs-Modell kalibrieren und somit auf einfache Weise an verschiedene zu untersuchende Objekte anpassen lässt.
• Bei industriellen Anwendungen wird dabei typischerweise mit geringer Häufigkeit eine Kalibrierung vorgenommen, da hier meist eine große Anzahl sehr ähnlicher Objekte zu untersuchen ist. In solchen Fällen wird dann einmalig eine Kalibrierung vorgenommen und nachfolgend werden dann mehrere Objekte 14 mittels der Röntgenanlage 2 untersucht, wobei bei jeder Untersuchung, also bei jeder Generierung von Röntgenbilddaten von einem entsprechenden zu untersuchenden Objekt, dieselbe Kalibrierung zugrunde gelegt. Soll also eine Charge eines Produkts mittels der Röntgenanlage 2 auf Qualitätsmängel überprüft werden, so wird einmalig eine Kalibrierung für die Charge vorgenommen sowie ein Satz Parameterwerte für die Parameter des mathematischen Streustrahlungs-Modells ermittelt und nachfolgend wird dieser Satz Parameterwerte und das damit kalibrierte mathematische Streustrahlungs-Modell allen Untersuchungen der Produkte dieser Charge zugrunde gelegt.
• Für die Kalibrierung des mathematischen Streustrahlungs-Modells wird dabei zunächst ein Testobjekt in der Röntgenanlage 2 positioniert, wobei das Testobjekt entweder eines der zu untersuchenden Objekte ist oder aber diesen sehr ähnlich ist. Nachfolgend werden zwei Scans durchgeführt und dementsprechend zwei Rohdatensätze generiert, wobei bei einem der Scans, also bei der Generierung eines Rohdatensatzes die Röntgenmaske 12 zum Einsatz kommt und hierfür in den Strahlkegel der Röntgenstrahlungsquelle 4 eingefahren wird.
• Anschließend werden die beiden Rohdatensätze ausgewertet und basierend auf diesen beiden Rohdatensätzen ein Satz Parameterwerte ermittelt. Mit diesen Parameterwerten wird dann das Streustrahlungs-Modell kalibriert und daran anschließend werden Röntgenbilddaten von mehreren zu untersuchenden Objekten generiert, um diese Objekte auf Qualitätsmängel hin zu untersuchen. Dabei werden diese zu untersuchenden Objekte nacheinander in der Röntgenanlage 2 positioniert und mittels der Röntgenanlage 2 gescannt, wobei für jedes zu untersuchenden Objekt 14 ein Satz Rohdaten, also ein Rohdatensatz, generiert wird. Die entsprechenden Rohdatensätze von diesen zu untersuchenden Objekten werden dann jeweils mit Hilfe des zuvor kalibrierten mathematischen Streustrahlungs-Modells aufbereitet, und dementsprechend wird auf der Basis eines jeden Rohdatensatzes von den zu untersuchenden Objekten ein korrigierter Rohdatensatz generiert. Auf der Basis der korrigierten Rohdatensätze schließlich werden Röntgenbilddaten generiert, bei denen der Einfluss der Streustrahlung reduziert ist.
• Ein entsprechender Scan beinhaltet dabei je nach Anwendungszweck und insbesondere je nach Komplexität der Geometrie der zu untersuchenden Objekte eine oder mehrere Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Richtungen.
• Das mittels der Röntgenanlage 2 umgesetzte Verfahren ist außerdem in 2 in einer Art Blockschaltbild dargestellt. Es umfasst als wesentliche Verfahrensteile A, B, C und D, also die Vorgabe eines mathematischen Streustrahlungs-Modells A die Kalibrierung des mathematischen Streustrahlungs-Modells mit Hilfe eines Testobjekts B, die Generierung von Röntgenbilddaten von zumindest einem Untersuchungsobjekt C sowie gegebenenfalls eine Bildnachbearbeitung oder Bildauswertung D.
• Die Kalibrierung B umfasst hierbei zumindest die Generierung eines ersten Rohdatensatzes von einem Testobjekt B1, die Generierung eines zweiten Rohdatensatzes vom Testobjekt B2, wobei für die Generierung des zweiten Rohdatensatzes B2 die Röntgenmaske 12 zwischen der Röntgenstrahlungsquelle und dem Testobjekt eingebracht wird, die Kalibrierung des mathematischen Streustrahlungs-Modells durch die gemeinsame Auswertung des ersten Rohdatensatzes und des zweiten Rohdatensatzes B3 sowie die Zwischenspeicherung des kalibrierten mathematischen Streustrahlungs-Modells oder zumindest der im Rahmen der Kalibrierung ermittelten Parameterwerte für die Parameter des mathematischen Streustrahlungs-Modells B4.
• Die Generierung der Bilddaten C wiederum umfasst zumindest die Generierung eines dritten Rohdatensatzes von einem Untersuchungsobjekt C1, die Aufbereitung des dritten Rohdatensatzes mit Hilfe des kalibrierten Streustrahlungs-Modells und die Generierung eines korrigierten dritten Rohdatensatzes C2 sowie die Generierung eines Satzes Röntgenbilddaten vom Untersuchungsobjekt auf der Basis des korrigierten dritten Rohdatensatzes C3.
• Wie bereits zuvor erwähnt, werden im Rahmen der Kalibrierung des mathematischen Streustrahlungs-Modells Parameterwerte für die Parameter des Streustrahlungs-Modells ermittelt, also ein Satz Parameterwerte bei jeder Kalibrierung. Im Ausführungsbeispiel ist das mathematische Streustrahlungs-Modell durch eine Korrekturfunktion gegeben, die vier Parameter P1, P2, P3 und P4 aufweist.
• Zur Bestimmung von P1 wird dann die gemessene Intensität I_mRM mit Röntgenmaske 12 über der gemessenen Intensität I_oRM ohne Röntgenmaske 12 aufgetragen. Dabei werden alle abgeschatteten Pixel 8 berücksichtigt, also alle Pixel 8, auf die bei einliegender Röntgenmaske 12 lediglich gestreute Röntgenstrahlung von außerhalb des Röntgendetektors 6 auftreffen kann. Dabei ergibt sich eine Art Punktewolke mit einem Punkt für jede Richtung, aus der eine Röntgenaufnahme gemacht worden ist, einerseits und jedes berücksichtigte Pixel 8 andererseits. Das dazugehörige Diagramm ist in 3 wiedergegeben. Als P1 wird dann ein gemitteltes Minimum von I_mRM/I_oRM ermittelt. In 3 weist die gestrichelte Linie die Steigung P1 auf und schneidet die Punktewolke im Bereich der maximalen Intensität ohne einliegende Röntgenmaske 12.
• Der Parameterwert für den Parameter P2 wird weiter beispielsweise ermittelt, indem über verschiedene Kopfspreizfunktionen gemittelt wird, mit denen sich die Intensitätsverteilung auf dem Röntgendetektor 6 im Übergangsbereich zwischen einem abgeschatteten Bereich und einem nicht abgeschatteten Bereich beschreiben lässt.
• Die Ermittlung der Parameter P3 und P4 erfolgt außerdem beispielsweise auf der Basis einer Abbildung, wie sie in 4 dargestellt ist. Hier ist die gemessene Intensität I_mRM mit einliegender Röntgenmaske 12 über einer angepassten Intensität I_A aufgetragen, wobei die angepasste Intensität I_A der gemessenen Intensität I_oRM ohne einliegende Röntgenmaske 12 abzüglich des Korrekturterms K_U(u, v,) = P1(G_P2·I)(u, v) entspricht, wobei u und v die Positionen der Pixel 8 beschreiben. Auch hier ergibt sich wiederum eine Punktewolke, in die zur Bestimmung der Parameter P3 und P4 im Ausführungsbeispiel eine Gerade gelegt wird, die die äußeren Enden der Punktewolke schneidet. Die entsprechende Gerade ist in 4 gestrichelt dargestellt. Aus der Steigung der entsprechenden Gerade sowie deren Schnittpunkt mit der Achse I_A ergeben sich dann die Werte für die Parameter P3 und P4.
• Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Claims (15)

1. Verfahren zur Generierung von Röntgenbilddaten mittels einer Röntgenanlage (2), welche eine Röntgenstrahlungsquelle (4) sowie einen Röntgendetektor (6) mit einer Anzahl regelmäßig angeordneter Pixel (8) aufweist, wobei – ein mathematisches Streustrahlungs-Modell mit einer Anzahl Parameter vorgegeben wird (A), – ein Testobjekt (14) zur Generierung eines ersten Rohdatensatzes mittels der Röntgenanlage gescannt wird (B1), – das Testobjekt (14) zur Generierung eines zweiten Rohdatensatzes mittels der Röntgenanlage gescannt wird, wobei für die Generierung des zweiten Rohdatensatzes eine Röntgenmaske (12) mit zumindest einem für Röntgenstrahlung durchlässigen Bereich (16) und mit zumindest einem für Röntgenstrahlung undurchlässigen Bereich (18) zwischen der Röntgenstrahlungsquelle (4) und dem Testobjekt (14) eingebracht wird (B2), – auf der Basis des ersten Rohdatensatzes einerseits und des zweiten Rohdatensatzes andererseits Parameterwerte für die Parameter des Streustrahlungs-Modells ermittelt werden, mit denen das Streustrahlungs-Modell kalibriert wird (B3), – ein Untersuchungsobjekt (14) zur Generierung eines dritten Rohdatensatzes mittels der Röntgenanlage (2) gescannt wird (C1), – der dritte Rohdatensatz zur Generierung eines korrigierten dritten Rohdatensatzes mittels des kalibrierten Streustrahlungs-Modells aufbereitet wird (C2) und – auf der Basis des korrigierten dritten Rohdatensatzes ein Satz Röntgenbilddaten vom Untersuchungsobjekt (14) generiert wird (C3).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei – zumindest ein weiteres Untersuchungsobjekt zur Generierung eines weiteren Rohdatensatzes mittels der Röntgenanlage (2) gescannt wird (C1), – jeder weitere Rohdatensatz zur Generierung eines dazugehörigen korrigierten Rohdatensatzes mittels des kalibrierten Streustrahlungs-Modells aufbereitet wird (C2) und – ausgehend von jedem korrigierten Rohdatensatz ein dazugehöriger Satz Röntgenbilddaten vom entsprechenden Untersuchungsobjekt (14) generiert wird (C3).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Korrektur-Funktion das mathematische Streustrahlungs-Modell ausbildet, mit der eine mit einem Pixel (8) des Röntgendetektors (2) mit den Koordinaten u und v zur Gewinnung eines Rohdatensatzes gemessene Intensität I(u, v) korrigiert wird und dass die so korrigierte Intensität I_K(u, v) zur Generierung des entsprechenden Rohdatensatzes genutzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Korrektur-Funktion einen Korrekturterm K_S(u, v) aufweist, der einen bei der Korrektur abzuziehenden Anteil der gemessenen Intensität I(u, v) beschreibt, der durch von außerhalb des Röntgendetektors (6) auf das Pixel (8) mit den Koordinaten u und v auftreffende Streustrahlung hervorgerufen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Korrekturterm K_S(u, v) = f(P1(G_P2·I)(u, v)) durch eine Funktion f gegeben ist, wobei als Funktionsargument ein Produkt aus einem ersten Parameter P1 und einer Faltung einer 2D-Gaußfunktion G_P2(u, v) mit der gemessenen Intensität I(u, v) gegeben ist und wobei ein zweiter Parameter P2 der Standardabweichung der 2D-Gaußfunktion entspricht.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Funktion f eine lineare Funktion ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Korrektur-Funktion einen Korrekturterm K_U(u, v) aufweist, der einen bei der Korrektur abzuziehenden Anteil der gemessenen Intensität I(u, v) beschreibt, der durch den Einfluss des Umfeldes im Röntgendetektor (2) auf das Pixel (8) mit den Koordinaten u und v herum hervorgerufen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Korrekturterm K_U(u, v) = P1(G_P2·I)(u, v) durch das Produkt aus einem ersten Parameter P1 und einer Faltung einer 2D-Gaußfunktion G_P2(u, v) mit der gemessenen Intensität I(u, v) gegeben ist, wobei ein zweiter Parameter P2 der Standardabweichung der 2D-Gaußfunktion entspricht.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Röntgenmaske (12) mehrere, regelmäßig angeordnete für Röntgenstrahlung undurchlässige Bereiche (18) aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die regelmäßig angeordneten Bereiche (18) streifenförmig, rechteckförmig oder oval ausgebildet sind.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Röntgenmaske (12) weniger als 200 und insbesondere weniger als 100 regelmäßig angeordnete Bereiche (18) aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei zur Generierung eines jeden Rohdatensatzes mehrere Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Richtungen gemacht werden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei zur Generierung eines jeden Rohdatensatzes weniger als 100 und insbesondere weniger als 60 Röntgenaufnahmen aus unterschiedlichen Richtungen gemacht werden.
14. Röntgenanlage (2) aufweisend eine Röntgenstrahlungsquelle (4), einen Röntgendetektor (6) mit einer Anzahl regelmäßig angeordneter Pixel (8) sowie Datenverarbeitungseinheit (10), welche zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche eingerichtet ist.
15. Datenverarbeitungseinheit (10), welche zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 13 eingerichtet ist.

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