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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rekonstruktion einer digitalen Repräsentation von Objektmerkmalen eines Untersuchungsobjekts im Ortsraum eines Röntgensystems, das mindestens eine Röntgenröhre, mindestens einen Röntgendetektor und ein dazwischen angeordnetes Untersuchungsobjekt aufweist, bei dem das Untersuchungsobjekt mittels Röntgenstrahlung durchstrahlt wird.
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Der Einsatzbereich für die Erfindung ist die röntgenbasierte Materialprüfung. Industrielle Unternehmen wie die Autoindustrie oder Elektronikhersteller nutzen Röntgensysteme im Rahmen der röntgenbasierten Materialprüfung, um Bauteile auf Eigenschaften zu prüfen. Zu diesen Eigenschaften gehören unter anderem Maßhaltigkeit, also die Übereinstimmung eines Werkstücks mit dem Computermodell beziehungsweise den Spezifikationen, Unversehrtheit des Bauteils oder Porosität der verarbeiteten Materialien. Die Verwendung von Röntgenstrahlen zur Bildgebung bietet hierbei die Möglichkeit, verborgene Strukturen zu untersuchen. Solche Verfahren sind für Unternehmen interessant, die die räumliche Position, Orientierung und Ausdehnung eines oder mehrerer Objektmerkmale von zu untersuchenden Untersuchungsobjekten unter Zuhilfenahme von bildgebenden Verfahren überprüfen möchten. Diese Messaufgabe soll mit möglichst wenigen Projektionen durchgeführt werden, so dass eine solche Prüfung möglichst wenig Zeit benötigt, um eine Inline-Prüfung aller Prüfobjekte durchführen zu können.
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Die bisher im Einsatz befindlichen Verfahren zur Erkennung und Rekonstruktion von Objektmerkmalen in einem Untersuchungsobjekt sind Computertomographiebasierte Untersuchungen, bei denen mehrere hundert Projektionsbilder aufgenommen werden, aus welchen anschließend volumetrische Schichtbilder (Tomogramme) rekonstruiert werden. Die Grauwerte der volumetrischen Pixel (Voxel) repräsentieren dabei annäherungsweise die verschiedenen Materialien des Untersuchungsobjektes. Objektmerkmale werden in der tomographischen Repräsentation des Untersuchungsobjektes bestimmt und inspiziert. Die Aufnahme der Projektionsbilder, die Rekonstruktion des Tomogramms sowie die Messaufgabe nehmen dabei eine große Zeitspanne in Anspruch.
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Deshalb ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das mittels weniger Röntgen-Projektionsbilder und mit weniger Zeitaufwand gute Ergebnisse bei der Bestimmung von Objektmerkmalen eines Untersuchungsobjekts in einem Röntgensystem liefert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Danach wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, welches eine digitale Repräsentation von Objektmerkmalen eines Untersuchungsobjekts im Ortsraum eines Röntgensystems rekonstruiert, wobei das Röntgensystem mindestens eine Röntgenröhre, mindestens einen Röntgendetektor sowie ein dazwischen angeordnetes Untersuchungsobjekt aufweist und bei dem Verfahren das Untersuchungsobjekt mittels Röntgenstrahlung durchstrahlt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- - Erstellung von mindestens zwei Projektionsbilder des Untersuchungsobjekts unter mindestens zwei unterschiedlichen Systemgeometrien mittels des Röntgensystems;
- - Durchführung einer Mustererkennung zur Lokalisation der Bildbereiche in den Projektionsbildern, die ein vorgebbares Merkmalsmuster beinhalten;
- - Durchführung einer Musterkonvertierung zum Konvertieren der Merkmalsmuster in Merkmalsmusterkoordinaten;
- - Bestimmung der Strahlengänge von der jeweiligen relativen Röntgenröhrenposition zu den Merkmalsmusterkoordinaten unter Berücksichtigung der Systemgeometrien des Röntgensystems bei der Erstellung der Projektionsbilder;
- - Berechnung der Strahlenschnittpunktkoordinaten, die potentielle Merkmalspositionen darstellen, aus den Strahlengängen zweier Systemgeometrien;
- - Durchführung einer Clusteranalyse samt Extraktion der tatsächlichen rekonstruierte/n Merkmalsposition/en aus allen berechneten Strahlenschnittpunktkoordinaten.
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Bestimmte Objektmerkmale werden durch individuelle Muster klar in Projektionsbildern eines Röntgensystems repräsentiert. Zur Inspektion reichen diese Muster gegebenenfalls nicht aus, da die dreidimensionale räumliche Position, Orientierung und Ausdehnung der Objektmerkmale von entscheidender Bedeutung ist. Erfindungsgemäß können solche Merkmale ohne ein Tomogramm aus wenigen Projektionsbildern eindeutig im Ortsraum rekonstruiert werden. Da das Verfahren im Vergleich zum Stand der Technik weniger Projektionsbilder benötigt, bedeutet dies einen großen Zeitgewinn. Zusätzlich wird für das erfindungsgemäße Rekonstruktionsverfahren keine aufwendige Berechnung eines Tomogramms benötigt, was zu einer weiteren Beschleunigung führt. Mit Hilfe der Erfindung wird somit in Prozessen der Qualitätskontrolle oder Inspektion ein wesentlich höherer Durchsatz in der Objektanalyse erzielt.
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Die Erfindung rekonstruiert ein Objektmerkmal eines Untersuchungsobjekts. Ein Untersuchungsobjekt ist als ein physisches Objekt definiert, von dem Projektionsbilder mit Hilfe eines Röntgensystems erstellt werden oder im Vorfeld aufgenommen wurden. Ein Untersuchungsobjekt ist typischerweise auf einem Manipulator positioniert oder an ihm befestigt. Ein Objektmerkmal beschreibt eine Eigenschaft oder Struktur eines Untersuchungsobjektes oder eines Teilbereiches eines Untersuchungsobjektes, welche im Projektionsbild ein erkennbares Merkmalsmuster produziert. Das Objektmerkmal kann an mehreren Stellen, den Merkmalspositionen, im Untersuchungsobjekt auftreten. Beispiele für Objektmerkmale sind die Oberfläche eines Untersuchungsobjektes, Grenzflächen zwischen zwei verschiedenen Materialien, Risse im Material des Untersuchungsobjektes, Porosität des Materials, Einschlüsse im Material oder aber auch ganze Teilstrukturen des Untersuchungsobjektes. Teilstrukturen können zum Beispiel am Untersuchungsobjekt befindliche Drähte, Platinen, Kugeln und/oder Stäbe sein.
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Die Merkmalsrekonstruktion beschreibt den Vorgang, eine digitale Repräsentation eines höherdimensionalen Objektmerkmals ausgehend von niederdimensionalen Projektionen zu berechnen. Dies kann sowohl bedeuten, dass ein dreidimensionales Untersuchungsobjekt aus zweidimensionalen Projektionsbildern rekonstruiert wird, als auch, dass eine zweidimensionale Schnittebene des Untersuchungsobjekts aus eindimensionalen Projektionsbildern rekonstruiert wird.
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Das Röntgensystem besteht aus mindestens einer Röntgenröhre, mindestens einem Röntgendetektor und einem Untersuchungsobjekt - gegebenenfalls können auch mehrere Untersuchungsobjekte zum Röntgensystem gehören. Eigentlich ist nicht das Untersuchungsobjekt Teil des Röntgensystems, sondern ein Manipulator, an dem das Untersuchungsobjekt angebracht ist - da dies jedoch methodisch keinen Unterschied macht, wird das Untersuchungsobjekt als Teil des Röntgensystems definiert. Das Röntgensystem wird zusammen mit einem Auswerte-/Rekonstruktions-Computer und einem Steuer-Computer in einer Röntgenanlage zusammengefasst. Beispiele für Röntgenanlagen sind Computer-Tomographen und Laminographiesysteme.
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Die Systemgeometrie ist durch die Lage der Komponenten des Röntgensystems zueinander, also die relativen Positionen und Orientierungen von Röntgenröhre(n), Untersuchungsobjekt(en) und Röntgendetektor(en) beschrieben. Die Systemgeometrie kann von der Röntgenanlage zur Verfügung gestellt werden, aus den Projektionsbildern berechnet beziehungsweise abgeschätzt werden oder auf andere Weise berechnet oder angenähert werden.
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Röntgenanlagen werden zur Datenaufnahme verwendet um Projektionsbilder des Untersuchungsobjektes aufzunehmen und abzuspeichern. Die Röntgenröhre erzeugt Röntgenstrahlen, deren Intensität in verschiedenen Detektorelementen des Röntgendetektors aufgezeichnet wird. Die Intensität wird dabei auf dem Weg vom Fokus der Röntgenröhre zum Detektorelement basierend auf der Weglänge durch das jeweilige Material, den Absorptionseigenschaften der Materialien des Untersuchungsobjektes und weiteren Effekten abgeschwächt und verändert. Die Röntgenanlage liefert ein Projektionsbild.
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Ein Projektionsbild ist die graphische Darstellung der vom Röntgendetektor gemessenen Intensitäten der Röntgenstrahlen. Dazu sind jedem Pixel numerische Werte zugeordnet, die die Messwerte widerspiegeln. Das Projektionsbild ist in Pixel unterteilt, wobei jeder Pixel einem Detektorelement zugeordnet ist. Unterschiedliche Strukturen im Untersuchungsobjekt führen zu unterschiedlichen numerischen Werten in unterschiedlichen Pixeln, die als Grauwertbilder dargestellt werden können. Die numerischen Werte eines Detektorelements sind abhängig von dessen Distanz zum Fokus der Röntgenröhre und den physikalischen Wechselwirkungen der Röntgenstrahlung mit dem dazwischen durchlaufenen Medium. Von der Erfindung sind die Fälle umfasst, wenn keine 1:1-Zuordnung zwischen Pixeln im Projektionsbild und Detektorelementen stattfindet, sondern das Projektionsbild aus Detektorelementen Inter- oder Extrapoliert wird. Ebenfalls umfasst sind Erfindungsmerkmale, die keine pixelbasierten Projektionsbilder verwenden, sondern aus Blobs aufgebaute Projektionsbilder oder verwandte Formen verwenden. Bei einem Blob handelt es sich um eine Alternative für einen Pixel, wobei jeder Blob ähnlich zu einem Pixel eine Koordinate und eine Intensität besitzt. Im Unterschied zu Pixeln, die den gleichen numerischen Wert für eine rechteckige Grundfläche besitzen, besitzt ein Blob zusätzlich zu der Koordinate eine gaußförmige Beschreibung für den Verlauf der Intensität in radialer Richtung von dieser Koordinate. Die Intensitätsverläufe benachbarter Blobs überlagern sich dabei in einem solchen Projektionsbild, so dass ein geschlossener Bildeindruck entsteht.
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Als Eingabedaten erhält die Methodik der Erfindung eine Liste von Projektionsbildern und der Beschreibungen der jeweiligen Systemgeometrien unter der die Projektionsbilder entstanden sind. Alternativ zur Liste können die Eingabedaten auch in anderer Form, wie zum Beispiel seriell, hinzugefügt werden.
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Die Methodik der Erfindung besteht aus der Wiederholung von Rekonstruktionsschritten. Die nachfolgend beschriebene Methodik ist für jeden Rekonstruktionsschritt identisch. In jedem Rekonstruktionsschritt werden zwei unterschiedliche Projektionsbilder I(GA) und I(GB) und die dazugehörigen Systemgeometrien GA und GB verwendet.
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Während der Datenaufnahme wird ein Objektmerkmal zusammen mit dem Untersuchungsobjekt durchstrahlt. Dadurch existiert eine Abbildung dieses Objektmerkmals in den Grauwerten des Projektionsbildes. Dieser Bestandteil der Erfindung hat die Aufgabe das Merkmalsmuster eines Objektmerkmals in dem Projektionsbild von einem Untersuchungsobjekt zu erkennen. Das Merkmalsmuster bezeichnet dabei ein charakteristisches Muster in den Grauwerten des Projektionsbildes, die die Lage der Projektion des Objektmerkmals im Projektionsbild beschreiben. Merkmalsmuster können Bildausschnitte mit Grauwertgradienten, starken Kontrasten, oder anderen Strukturen sein. Da Untersuchungsobjekte ein Objektmerkmal an mehreren Merkmalspositionen aufweisen können, muss die Mustererkennung alle Bereiche im Projektionsbild, in denen das Merkmalsmuster auftritt, erkennen und separat ausweisen. Die Merkmalserkennung ist nicht auf Grauwert-basierte Projektionsbilder beschränkt. Sofern zusätzliche Informationen, wie die Anzahl der von den Detektorelementen absorbierten Photonen oder das Energiespektrum, zur Verfügung stehen, sind auch solche Mustererkennungen von der Erfindung umfasst, die Merkmalsmuster aus diesen Informationen gewinnen. Die erfindungsgemäße Mustererkennung beinhaltet beliebige Bildverarbeitungsalgorithmen, die die Aufgabe, ein Merkmalsmuster aus einem Projektionsbild zu extrahieren, erfüllen.
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Die Musterkonvertierung hat die Aufgabe, Bildbereiche in denen ein Merkmalsmuster von der Mustererkennung detektiert wurde, in eine mathematische Beschreibung zu überführen. Einige mustererkennende Algorithmen liefern direkt Koordinaten zurück. So liefern zum Beispiel Marching-Squares-Algorithmen die Kontur eines Bildausschnitts als Liste von Koordinaten zurück, wobei jede dieser Koordinaten als eigene Merkmalsmusterkoordinate interpretiert werden kann.
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Gleichsam können beispielsweise die Positionen der Ecken eines projizierten Würfels in den Projektionen durch den Harris-Eckendetektor bestimmt werden. Jede dieser Koordinaten wird in eine Merkmalsmusterkoordinate überführt. Die Merkmalsmusterkoordinate gibt die Position in Detektorkoordinaten an. Andere Algorithmen, wie der Canny-Kantendetektor, liefern ein binäres Grauwertebild zurück, in dem die gesetzten Pixel die Kante repräsentieren, so dass die Pixel während der Musterkonvertierung in Detektorkoordinaten überführt werden müssen. Beispiele für zusätzliche Maße der Merkmalsmusterkoordinaten werden deutlich, wenn Kugeln das zu rekonstruierende Objektmerkmal darstellen. So können aus dem Projektionsbild die Kugelmittelpunkte und die Kugelradien bestimmt und in einer Merkmalsmusterkoordinate zusammengefasst werden.
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Die Rekonstruktion hat die Aufgabe, die Objektmerkmale im Ortsraum eindeutig zu bestimmen. Hierzu wird die Richtung und Position der Strahlen, die vom Fokus der Röntgenröhre auf die Merkmalskoordinaten im Projektionsbild zeigen, bestimmt und in einer Liste von Strahlengängen zusammengefasst. Zunächst werden die projektiven Merkmalsmusterkoordinaten M(I(GA)) und M(I(GB)) - in dem Ausführungsbeispiel der 1 wird dies durch die Systeme mit Strich und ohne Strich dargestellt - aus beiden Projektionsbildern I(GA) und I(GB) entsprechend der zugehörigen Systemgeometrien GA und GB ins Objektkoordinatensystem überführt. Gleichsam werden die Positionen der Röntgenröhren-Foki für beide Systemgeometrien GA und GB in Objektkoordinaten umgerechnet. Virtuell steht somit das Untersuchungsobjekt fest und die Röntgenröhre und der Röntgendetektor sind relativ dazu um das Untersuchungsobjekt positioniert. Alternativ zu der Bestimmung der Strahlengänge über die Konvertierung ins Objektkoordinatensystem für die Berechnung der relativen Wege der Röntgenstrahlen durch das Untersuchungsobjekt kann auch die relative Lage der Strahlen zum Untersuchungsobjekt auf einem anderen Weg, zum Beispiel in einem gesonderten Koordinatensystem oder in homogenen Koordinaten, erfolgen.
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Aufgrund der Unterschiede zwischen den Systemgeometrien GA und GB kreuzen sich die Strahlen aus unterschiedlichen Richtungen im Ortsraum. Diese Kreuzungspunkte werden als Strahlenschnittpunktkoordinaten definiert. Die berechneten Strahlenschnittpunktkoordinaten stellen Positionen dar, an denen sich das Objektmerkmal im Ortsraum befinden könnte. Die Bestimmung der Strahlenschnittpunktkoordinaten kann zum Beispiel auch dadurch erfolgen, dass zwischen dem Fokus der Röntgenröhre und zwei benachbarten Merkmalsmusterkoordinaten eine Fläche aufgespannt wird. Anschließend kann die Koordinate als Strahlenschnittpunktkoordinate bestimmt werden, an dem ein Strahl von einer zweiten Röntgenröhre zu einer Merkmalsmusterkoordinate im zweiten Projektionsbild diese Fläche durchdringt. Die Bestimmung der Strahlenschnittpunktkoordinaten ist dabei nicht auf die Verwendung von zwei Projektionsbildern und zweier Systemgeometrien beschränkt, sondern kann auch aus mehreren solcher Datenpaare erfolgen. In diesen Fällen können die Strahlenschnittpunktkoordinaten nicht mehr durch die simple Berechnung von Strahlenschnittpunkten bestimmt werden, sondern müssen durch geeignete Ansätze, wie zum Beispiel die Methode der kleinsten Quadrate, ermittelt werden.
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Es können neue Systemgeometrien und Projektionsbilder verwendet werden, um weitere Strahlenschnittpunktkoordinaten im Ortsraum zu bestimmen. Von der Erfindung umfasst ist auch, wenn nur ein Rekonstruktionsschritt durchgeführt wird. Dies kann dann der Fall sein, wenn eine Merkmalsposition bereits nach einem Rekonstruktionsschritt eindeutig und ausreichend genau bestimmt werden kann.
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In jedem Rekonstruktionsschritt werden durch die zuvor beschriebenen Methoden Strahlenschnittpunktkoordinaten berechnet. Strahlenschnittpunktkoordinaten entstehen vorwiegend dort, wo sich eine Merkmalsposition im Untersuchungsobjekt befindet. Strahlenschnittpunktkoordinaten können jedoch aus zwei Hauptgründen im Ortsraum auch an Stellen entstehen, wo im physischen Untersuchungsobjekt kein Objektmerkmal positioniert ist: Zum einen sind im Projektionsbild alle Strukturen des Untersuchungsobjektes entlang der Röntgenstrahlen überlagert. Dies macht die Aufgabe der Mustererkennung recht schwierig, so dass Bildstrukturen fälschlicherweise als Merkmalsmuster interpretiert werden können. Zum anderen werden für Untersuchungsobjekte, in denen die gleiche Art von Objektmerkmalen an mehreren Stellen im Untersuchungsobjekt vorkommt, auch mehrere Merkmalskoordinaten im Projektionsbild bestimmt. Somit können bestimmte Systemgeometriepaarungen dazu führen, dass sich Strahlen, die vom Fokus der Röntgenröhre aus auf Merkmalskoordinaten zeigen, sehr nahe passieren und eine Strahlenschnittpunktkoordinate erzeugen, obwohl die Merkmalskoordinaten von zwei verschiedenen Positionen einer Objektmerkmalsart im Objekt erzeugt wurden. Die Strahlenschnittpunktkoordinate ist somit eine falsch-positive. Korrekt positionierte Strahlenschnittpunktkoordinaten treten mit einer höheren Dichte um die tatsächliche Merkmalsposition auf. Falsch-positive Koordinaten treten hingegen isoliert auf. Um diese beiden Gruppen voneinander zu unterscheiden, werden die Koordinaten zunächst in Clustern zusammengefasst. Ein Cluster ist dabei definiert als eine Gruppe von Strahlenschnittpunktkoordinaten, deren Schwerpunkt und einen auf diesen bezogenen Akzeptanzradius. Sofern neue Strahlenschnittpunktkoordinaten aus weiteren Rekonstruktionsschritten in diesem Akzeptanzradius liegen, werden diese ebenfalls dem Cluster zugeordnet. Alle im Cluster enthaltenen Strahlenschnittpunktkoordinaten können in einem Mittelwert zusammengefasst werden. Isoliert liegende Strahlenschnittpunktkoordinaten werden in einem Cluster mit nur einem Element, genauer einer Strahlenschnittpunktkoordinate, überführt.
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Die aus den Strahlenschnittpunktkoordinaten bestimmten Cluster können, genauso wie die zu Grunde liegenden Strahlenschnittpunktkoordinaten, entweder korrekt in der Nähe von Merkmalskoordinaten positioniert sein oder an Positionen im Untersuchungsobjekt, an denen das Merkmal nicht zu finden ist (falsch-positive Funde). Korrekt positionierte Cluster weisen eine höhere Anzahl an Elementen/Strahlenschnittpunktkoordinaten auf und können somit von Falsch-positiven anhand dieser Charakteristik unterschieden werden.
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Wird das Objektmerkmal in den Merkmalsmusterkoordinaten durch weitere Maße beschrieben, werden diese Maße ebenfalls mit in die Strahlenschnittpunktkoordinaten übertragen. Diese Maße können zum einen für die Clusteranalyse verwendet werden und zum anderen kann die Kombination der Maße dazu genutzt werden, das Objektmerkmal im Ortsraum eindeutig zu beschreiben. Diese eindeutige Beschreibung des Objektmerkmals im Ortsraum ist das Rekonstruktionsergebnis der vorliegenden Erfindung.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Schritte gemäß den ersten fünf Spiegelstrichen mehrfach wiederholt werden, bevor sich der Schritt des letzten Spiegelstrichs anschließt. Die Methoden zur Merkmalserkennung sind, da sie auf diskretisierten Projektionsbildern beruhen, nicht beliebig genau, so dass Schnittpunktkoordinaten nicht exakt mit der Merkmalsposition im Untersuchungsobjekt übereinstimmten könnten und somit einen kleinen Fehler aufweisen. Das Wiederholen der Rekonstruktionsschritte und die Verwendung zusätzlicher Systemgeometrien führen dazu, dass mehrere Datenpunkte für eine Position eines Objektmerkmals zur Verfügung stehen. Diese Datenpunkte werden durch das Clustering gemittelt, wodurch der Fehler der Rekonstruktion minimiert wird. Wie zuvor erläutert, kann ein Untersuchungsobjekt bei dem ein Objektmerkmal an mehreren Stellen auftritt, zu falsch-positiven Strahlenschnittpunktkoordinaten während der Rekonstruktion führen. Diese falsch-positiven Funde werden in den einzelnen Rekonstruktionsschritten über den gesamten Ortsraum verteilt, wohingegen echte Strahlenschnittpunktkoordinaten in der Nähe der Position des Merkmals im Untersuchungsobjekt lokalisiert werden. Durch das mehrfache wiederholen der Rekonstruktionsschritte können somit die falsch-positiven Funde während der Clusteranalyse anhand der Dichteverteilung herausgefiltert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Systemgeometrie des Röntgensystems für jedes Projektionsbild bekannt ist, wobei insbesondere die jeweilige Röntgenröhrenposition auf die Position ihres jeweiligen Fokuspunktes reduziert ist. Wenn die Bewegung des Fokus bekannt ist, kann diese Information in die Rekonstruktion eingebunden werden. Da während der Rekonstruktion der physikalische Prozess, also die Abschwächung der Röntgenstrahlen beim ihrem Weg durch das Untersuchungsobjekt und die Erzeugung des Projektionsbildes mit mathematischen Methoden invertiert wird, führt die Reduktion der Position der Röntgenröhre auf ihren Fokus zu einer höheren Genauigkeit des Rekonstru ktionsergebn i sses.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Merkmalsmusterkoordinaten so definiert sind, dass die Merkmalsmuster im Projektionsbild mit mathematischen Methoden eindeutig beschrieben werden und die Position des Merkmalsmusters eindeutig in Detektorkoordinaten angegeben werden. Das Überführen der Merkmalsmuster in eine mathematische Beschreibung bietet die Möglichkeit, eine höhere Genauigkeit zu erzielen, indem nach der Bildverarbeitung zwischen Pixeln interpoliert wird, um eine höhere Genauigkeit und eine bessere Abschätzung der Position des Merkmalsmusters zu erhalten. Eine Angabe der Position des Merkmalsmusters in Detektorkoordinaten bietet die Möglichkeit, die Detektorgeometrie des Röntgendetektors zu berücksichtigen und diese in die Rekonstruktion einfließen zu lassen. Hierdurch kann die Genauigkeit des Rekonstruktionsergebnisses erhöht werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zusätzlich noch Maße in den Merkmalsmusterkoordinaten enthalten sind, die die Form, Größe und Orientierung des Merkmalsmusters beschreiben. Diese weiteren Maße, stellen zum Beispiel den Radius einer detektierten Kugel dar. Während der Berechnung der Strahlenschnittpunktkoordinaten kann diese zusätzlichen Informationen genutzt werden. So kann bei zwei sich kreuzenden Strahlen überprüft werden, ob die Radien der zugehörigen detektierten projizierten Kugel zueinander passen. Passen diese zusammen, wird eine Strahlenschnittpunktkoordinate erzeugt. Passen die Radien nicht zusammen, wird keine Strahlenschnittpunktkoordinate erzeugt. Somit kann die Anzahl der falsch-positiven Strahlenschnittpunktkoordinaten bereits in den Rekonstruktionsschritten reduziert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Schritt der Berechnung der Strahlenschnittpunktkoordinaten umfasst, dass die Strahlenschnittpunktkoordinate von zwei Strahlengängen, die sich nicht schneiden aber eine geringste Distanz voneinander aufweisen, die unter einem vorgebbaren Schwellenwert liegt, als der Mittelpunkt dieser geringsten Distanz definiert wird. Dieser Strahlmittelpunkt, angegeben als Strahlenschnittpunktkoordinate, wird nur bestimmt, sofern die Distanz zwischen den beiden Strahlen unter einem bestimmten Schwellwert liegt. Dies bietet den Vorteil, dass Ungenauigkeiten in der Systemgeometrie oder der Merkmalsfindung kompensiert werden, indem keine exakten Schnittpunkte aber eine gute Annäherung verwendet wird. Die Möglichkeit zur Wahl eines Schnittpunktes bietet zudem die Möglichkeit, die Genauigkeit zu beeinflussen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass bei der Clusteranalyse Cluster definiert werden als Gruppen von Strahlenschnittpunktkoordinaten, die alle innerhalb eines vorgebbaren Akzeptanzradius liegen. Die Gruppierung der Strahlenschnittpunktkoordinaten in Clustern bietet den Vorteil, dass Merkmalspositionen nicht aus einem einzigen Datenpunkt bestehen, sondern aus mehreren Daten in einem Cluster gemittelt werden können. Weiter bieten die Cluster die Möglichkeit, über die Anzahl der enthaltenen Strahlenschnittpunktkoordinaten eine Aussage über die Verlässlichkeit des Merkmals zu machen. Außerdem können einzelne Strahlenschnittpunkte unter Umständen eine unvollständige Beschreibung eines Merkmals darstellen. So kann zum Beispiel die Ausrichtung eines Merkmals als Vektor in Strahlenschnittpunktkoordinaten hinterlegt werden. Einzelne Rekonstruktionsschritte zeigen eine ungefähre Ausrichtung des Merkmals und speichern diese in den Strahlenschnittpunktkoordinaten. Eine eindeutige Beschreibung der Ausrichtung könnte erst zustande kommen, wenn die einzelnen Vektoren der Strahlenschnittpunktkoordinaten durch das Clustering überlagert werden.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass anschließend ein Grenzwert- oder Schwellwertverfahren durchgeführt wird und nur solche Cluster behalten werden, die eine vorgebbare Mindestanzahl von Strahlenschnittpunktkoordinaten aufweisen, wobei diese Mindestanzahl abhängig ist von dem zu rekonstruierenden Merkmal, der Anzahl der verwendeten Projektionen und des verwendeten Röntgensystems. Dadurch wird erreicht, dass nur echte Merkmalspositionen dargestellt werden und die falsch-positiven gelöscht werden. Die Wahl einer Mindestzahl bietet die Möglichkeit, das Rekonstruktionsergebnis zu beeinflussen. Eine hohe Mindestzahl wird gegebenenfalls auch Cluster löschen, die sich an Positionen einer tatsächlichen Merkmalsausprägung befinden, jedoch in manchen Projektionen nicht detektiert wurden. Eine niedrige Mindestanzahl wird eine höhere Anzahl an Clustern zur Auswertung übrig lassen, beinhaltet jedoch die Gefahr, dass falsch-positive Cluster in der Lösungsmenge enthalten sind. Die Möglichkeit hier Einstellungen vorzunehmen, erlaubt es dem Anwender, die beiden Optionen - hohe Datenzahl mit geringerer Sicherheit und hohe Sicherheit mit geringerer Datenzahl - gegeneinander abzuwägen und auf das Untersuchungsobjekt sowie die Messaufgabe abzustimmen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Zentrum der Strahlenschnittpunktkoordinaten innerhalb eines Clusters als rekonstruierte Position des Merkmals definiert wird. Ein Messsystem besitzt eine begrenzte Genauigkeit und ihre Messwerte weisen daher inhärent Fehler auf. Korrekte Strahlenschnittpunktkoordinaten aus unterschiedlichen Rekonstruktionsschritten können somit in der Nähe einer tatsächlichen Merkmalsposition positioniert sein, werden aber stets mit einem gewissen Fehler behaftet sein. Durch das Aufnehmen von mehreren Datenpunkten kann ein mittlerer Datenpunkt berechnet werden, dessen Fehler geringer ist als der von Ausreißern in den Einzelmessungen.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Bestimmung der Strahlengänge von der jeweiligen Röntgenröhre zu den Merkmalsmusterkoordinaten vom Fokus der jeweiligen Röntgenröhre ausgeht. Das Projektionsbild zeigt alle Strukturen des Untersuchungsobjektes in einer Ebene so überlagert, wie es die Röntgenstrahlen vom Fokus der Röntgenröhre zu den Detektorelementen des Röntgendetektors vorgeben. Eine Reduzierung der Röntgenröhrenposition auf die Position ihres Fokus kann somit unter einer genauen Kenntnis der Fokusposition zu einer höheren Genauigkeit des Rekonstruktionsergebnisses führen. Auch die Alternative, wenn in Systemgeometrien die Röntgenröhre nicht auf die Position des Fokuspunktes reduziert wird, ist von der Erfindung umfasst.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass nicht nur die Intensitätswerte des abgeschwächten Röntgenstrahls in den Projektionsbildern verwendet werden, sondern auch noch zusätzliche Informationen eines Photonen-zählenden Röntgendetektors oder eines Energie-auflösenden Röntgendetektors. Die Anzahl der Photonen oder das Energiespektrum liefern weitere strukturelle Informationen über das Untersuchungsobjekt. Einige Objektmerkmale könnten sich gerade in diesen Informationen besonders gut von Bildbereichen ohne diese Merkmale abgrenzen. Bilderkennende Methoden, die diese Informationen berücksichtigen, können zu einer Merkmalserkennung führen, die zuverlässiger ist, als eine rein auf Grauwerten basierende Methode.
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Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Beschreibung der Systemgeometrie in kartesischen Koordinatensystemen, homogenen Koordinatensystemen oder einer vektorbasierten Lagebeschreibung erfolgt. Die Systemgeometrie kann - wie oben aufgeführt - über verschiedene mathematische Prinzipien beschrieben werden, wobei diese Prinzipien den gleichen/einen ähnlichen Informationsgehalt aufweisen. Die unterschiedlichen Prinzipien können in unterschiedlichen Realisierungen der Erfindung jedoch zu einem Geschwindigkeitszuwachs gegenüber anderen Prinzipien führen, indem sie erlauben, notwendige Berechnungen parallel durchzuführen oder unnötige Berechnungen vermeiden. Es versteht sich von selbst, dass neben den oben genannten Koordinatensystemen auch alle anderen Arten von Koordinatensystemen, insbesondere Polarkoordinaten, von der Erfindung umfasst sind.
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Die Aufgabe wird auch durch ein Röntgensystem mit mindestens einer Röntgenröhre, mindestens einem Röntgendetektor und einem dazwischen angeordneten Untersuchungsobjekt gelöst, bei dem das Röntgensystem so ausgestaltet ist, dass es ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführen kann.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nun anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
- 1 Strahlenverhältnisse und Merkmalsbestimmung für ein erstes Untersuchungsobjekt,
- 2 schematische Darstellungen zum Cluster-Verfahren,
- 3 Darstellungen zur Muster- und Koordinatenerkennung für ein zweites Untersuchungsobjekt,
- 4 schematische Darstellung der Merkmalsrekonstruktion für das zweite Untersuchungsobjekt und
- 5 schematische Darstellungen zum Cluster-Verfahren für das zweite Untersuchungsobjekt.
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In 1 ist ein Untersuchungsobjekt 5 dargestellt, das im Ortsraum eines Röntgensystems angeordnet ist. Das Röntgensystem weist zwei Röntgenröhren 1, 1' auf, denen jeweils ein Röntgendetektor 2, 2' gegenüber liegt. Das Röntgensystem ist um eine senkrecht zur Blattebene stehende, durch den Mittelpunkt des Kreises verlaufende Drehachse drehbar. Die Röntgenröhren 1, 1' erzeugen Fächerstrahlen, deren Fächer in der Blattebene verlaufen. Als Röntgendetektoren 2, 2' werden Zeilendetektoren verwendet. Das Untersuchungsobjekt 5 ist ein zweidimensionaler Schnitt eines 3D-Objektes, welches in der Schnittebene im Wesentlichen ein Dreieck aus einheitlichem Material entspricht, welches in der Blattebene liegt.
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Die Systemgeometrie wird durch die relative Position von Röntgenröhre 1, 1' und Röntgendetektor 2, 2' in Verbindung mit der Position des Untersuchungsobjekts 5 zwischen diesen beiden Komponeneten definiert. Prinzipiell kann die Systemgeometrie für die beiden Röntgenröhre-Röntgendetektor-Paare 1-2 und 1'-2' verschieden sein. Die Röntgenstrahlen projizieren das Objektmerkmal 4, die Ecken des Dreiecks, auf die Röntgendetektoren 2, 2'. Bildverarbeitungsmethoden detektieren das projizierte Objektmerkmal 4 in jedem Projektionsbild als drei Merkmalsmusterkoordinaten 3, 3' - außer in dem Spezialfall, dass zwei Ecken des Dreiecks auf einem Strahl liegen. Die Strahlenverhältnisse unterschiedlicher Systemgeometrien werden ins Verhältnis gesetzt, um das Objektmerkmal 4 im Ortsraum zu charakterisieren.
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Die Punkte im Ortsraum, an denen sich zwei Strahlen der beiden Röntgenröhren 1, 1' schneiden, in deren Projektionsbildern Merkmalsmusterkoordinaten 3, 3' vorkommen, geben mögliche Orte im Ortsraum wieder, an denen sich das Objektmerkmal 4 befinden könnte, diese Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 stellen potentielle Merkmalspositionen dar.
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Die Strahlenverhältnisse aus nur zwei Projektionen, wie sie in 1a dargestellt sind, lassen gegebenenfalls mehrere und daher nicht eindeutige Lösungen für die Beschreibung des Objektmerkmals 4 im Ortsraum zu. Die Bestimmung des Objektmerkmals 4 wird somit für mehrere Projektionsgeometrien bestimmt. In 1b ist das Röntgensystem bei festgehaltenem Untersuchungsobjekt 5 um die Drehachse gedreht worden.
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Rekonstruierte Merkmalspositionen 7 werden in verschiedenen Projektionsgeometrien abgebildet und bilden sich durch eine verstärkte Ansammlung der Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 in einer engen Nachbarschaft des Objektmerkmals 4 heraus - dies sind die großen Punkte in 1c. Sie unterscheiden sich von falsch-positiven Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 - dies sind die kleinen Punkte in 1c.
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Anstatt zwei Röntgenröhren 1, 1' und zwei zugeordnete Röntgendetektoren 2, 2' zu verwenden, kann auch nur ein solches Paar verwendet werden. Wenn Objektmerkmale 4 eines dreidimensionalen Untersuchungsobjekts 5 rekonstruiert werden sollen, wird eine Röntgenröhre 1, 1', die einen Kegelstrahl aufweist, und ein zweidimensionaler Röntgendetektor 2, 2' verwendet. Ein solches Verfahren wird weiter unten anhand der 3 bis 5 noch näher erläutert.
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In 2 ist eine zweidimensionale Veranschaulichung des Cluster-Verfahren gezeigt. Dieses wird verwendet, um Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 in Clustern zusammenzufassen und um Cluster in der Nähe von realen Objektmerkmalen von falsch-positiven Clustern zu unterscheiden.
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Linienbeziehungen aus unterschiedlichen Projektionen (die eine Projektion ist in den 2a und 2c gestrichelt und die andere Projektion durchgezogen dargestellt - in 2b sind drei Projektionen dargestellt, von denen eine gestrichelt und die beiden anderen durchgezogen dargestellt sind) stellen eine potentielle Merkmalsposition 6 dar. Diese Strahlenschnittpunktkoordinate 6 wird in ein Cluster mit einem Akzeptanzradius 8 umgewandelt.
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Werden aus anderen Projektionen Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 außerhalb des Clusters lokalisiert, erzeugen diese ein neues Cluster, wie dies in 2b dargestellt ist. Werden in anderen Projektionen Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 berechnet, die innerhalb des Akzeptanzradius 8 lokalisiert sind, werden diese dem Cluster hinzugefügt, wie dies in 2c dargestellt ist. Cluster, die sich in der Nähe eines Objektmerkmals 4 befinden (siehe 2e), stellen korrekt rekonstruierte Merkmalspositionen 7 dar und unterscheiden sich von falsch-positiven Clustern durch eine höhere Anzahl von Elementen und lassen sich somit filtern, wie dies in 2d dargestellt ist.
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In 2e ist das Cluster der 2d gezeigt, nachdem aus den dortigen Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 die rekonstruierte Merkmalsposition 7 (als Kreuz dargestellt) berechnet wurde. Zusätzlich ist noch ein Teil des zweidimensionalen Schnitts des Untersuchungsobjekts 5 (das Dreieck aus 1) mit seinem Objektmerkmal 4 (einer Ecke) eingefügt. Aufgrund von Messungenauigkeiten fallen die rekonstruierte Merkmalsposition 7 und der realer Ort des Objektmerkmals 4 nicht exakt zusammen.
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Im Folgenden wird anhand der 3 bis 5 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, bei dem das Untersuchungsobjekt 5 ein aus einem einzigen Material bestehender Würfel ist. Das zu rekonstruierende Objektmerkmal sind die Ecken des Würfels.
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Die Ecken des dreidimensionalen Würfels im Projektionsbild - wie dies in 3a dargestellt ist - sind in eine Ebene projiziert. In unterschiedlichen Systemgeometrien werden die Ecken an unterschiedliche Stellen im Röntgendetektor 2, 2' abgebildet. Unter Berücksichtigung der Systemgeometrie und der Koordinaten der projizierten Ecken im Projektionsbild (Merkmalsmusterkoordinaten 3) können die dreidimensionalen Positionen der Ecken des Würfels berechnet werden.
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Im beschriebenen Beispiel wird der Würfel von einer Röntgenanlage unter verschiedenen Systemgeometrien gescannt, wobei für jede Systemgeometrie ein Projektionsbild (siehe 3a) aufgezeichnet wird. Die Liste von Projektionsbildern des Würfels, kann unter Systemgeometrien aufgenommen worden sein, bei dem die Röntgenröhre 1 vor dem Würfel und der Röntgendetektor 2 dahinter oder die Röntgenröhre 1' links und der Röntgendetektor 2' rechts vom Würfel positioniert waren. Die Liste der Systemgeometrien beschreibt diese Lagen dann über Koordinaten und Raumwinkel für die Röntgenröhre 1, 1', den Würfel und den Röntgendetektor 2, 2' (siehe 4). Zwischen Röntgendetektor 2, 2' und Projektionsbild wird in den Abbildungen der Einfachheit halber nicht unterschieden, da von einer 1:1-Beziehung zwischen Pixeln und Detektorelementen ausgegangen wird.
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Einige der äußeren Kanten des untersuchten Würfels sind im Projektionsbild der 3a dadurch gut zu erkennen, dass sie das Untersuchungsobjekt vom Hintergrund (schwarz wiedergegeben) abheben. Diese Kanten laufen an den Ecken des Würfels (Projektionen der Merkmalspositionen) zusammen. Die Ecken des Würfels sind das interessierende Objektmerkmal 4. Die detektierbaren Kanten laufen im Projektionsbild dort zusammen (siehe 3b), wo die projizierten Würfelecken liegen, so dass die äußeren Kanten detektierbare Merkmalsmusterkoordinaten 3,3' für dieses Objektmerkmal 4 darstellen. Da der Würfel acht Ecken besitzt, besitzt der Würfel dieses Objektmerkmal 4 an acht Merkmalspositionen im Untersuchungsobjekt 5, so dass die Mustererkennung idealerweise acht Bildbereiche im Projektionsbild kennzeichnet.
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Die Positionen der Ecken des projizierten Würfels können beispielsweise in den Projektionen durch den Harris-Eckendetektor bestimmt werden. Es ist wahrscheinlich, dass die so bestimmten Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 mit einer der Würfelecken übereinstimmen. Aus dem binären Kantenbild der 3b wurden die projizierten Würfelecken in Merkmalsmusterkoordinaten 3 umgewendelt, welche zunächst in Detektorkoordinaten angegeben sind und anschließend in Objektkoordinaten umgewandelt werden, wobei die Objektkoordinaten die relative Lagebeziehung der Merkmalsmusterkoordinaten 3, 3' zum Untersuchungsobjekt 4 beschreiben. Das Ergebnis ist in 3c dargestellt (siehe auch 4).
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Bei dem Würfel könnten so aus zehn Projektionspaaren in der Nähe von jeder Ecke des Würfels jeweils acht bis zehn Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 ermittelt worden sein (siehe 5). Aus Gründen der Messungenauigkeit könnte so auch in der Mitte des Würfels eine Strahlenschnittpunktkoordinate 6 ermittelt worden sein. Beim Clustering - wie es schon prinzipiell in 2 dargestellt und oben beschrieben wurde und nun für vier Ecken des Würfels in 5 nochmals verdeutlicht wird - werden nun die Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 - also die als Kreuze dargestellten potentiellen Merkmalspositionen - an einer Ecke des Würfels zu einem Cluster (durch jeweils einen Kreis in 5 dargestellt) zusammengefasst, da diese sehr nahe beieinander liegen. Dies wird für alle Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 gemacht. Da die falsch-positive Strahlenschnittpunktkoordinate 6 in der Mitte des Würfels isoliert positioniert ist, wird diese in ein eigenes Cluster umgewandelt (nicht in 5 gezeigt).
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Im Beispiel des Würfels wird somit für jedes übrig gebliebene Cluster die mittlere Koordinate aller im Cluster enthaltenen Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 berechnet. Die mittlere Position aller Merkmalspositionen wird als Punkt dargestellt. Diese mittleren Koordinaten beschreiben die rekonstruierten Merkmalspositionen 7 als Messergebnis der Merkmalsrekonstruktion für das Objektmerkmal: Ecken des Würfels. Die idealen Kanten des Würfels sind gestrichelt dargestellt. Die Abweichung der Positionen der Punkte der realen Merkmalspositionen, den Ecken der gestrichelt dargestellten vier Kanten, von den gemessenen Merkmalspositionen 7 ergibt sich daraus, dass eine gewisse Messungenauigkeit im Röntgensystem vorhanden ist. Eine schematiasche Darstellung zur Merkmalsrekonstruktion ist der 4 zu entnehmen.
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Die Ecken des Würfels - als Untersuchungsobjekt 5 - werden durch Liniennachbarschaft zwischen den Wegen der Röntgenstrahlen von der jeweiligen Röntgenröhre 1, 1' zu den Koordinaten der detektierten Würfelecken in der Projektion der Merkmalsmusterkoordinaten 3, 3' auf den beiden Röntgendetektoren 2, 2' in zwei unterschiedlichen Projektionsgeometrien bestimmt.
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Es kann festgehalten werden, dass die Erfindung der clusterbasierten Merkmalsrekonstruktion eine Methodik zur Rekonstruktion einer digitalen Repräsentation von Objektmerkmalen 4 im Ortsraum ist, die wie folgt knapp zusamengefasst werden kann. Beim Scannen eines Untersuchungsobjektes 5 in einer Röntgenanlage werden Objektmerkmale 4 auf einen Röntgendetektor 2, 2' projiziert, wodurch sich Merkmalsmuster in den Grauwerten eines Projektionsbildes widerspiegeln. Zunächst werden mit Mitteln der Mustererkennung diese Merkmalsmuster bestimmt. Die erkannten Merkmalsmuster werden durch eine mathematische Beschreibung, die sognannte Merkmalsmusterkoordinate 3, 3' charakterisiert. Die Merkmalsmusterkoordinate 3, 3' beinhaltet Angaben über die Position und optional weitere Merkmalsmaße, wie zum Beispiel die Orientierung oder die Größe des Merkmalsmusters im Projektionsbild. Die Merkmalsmusterkoordinaten 3, 3' werden für weitere Projektionsbilder unter veränderten Systemgeometrien auf gleiche Weise parametrisiert. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Systemgeometrien werden die Merkmalsmusterkoordinaten 3, 3' ins Objektkoordinatensystem konvertiert. Es werden Strahlengänge vom Fokus der Röntgenröhre 1, 1', ebenfalls in Objektkoordinaten, zu den Merkmalsmusterkoordinaten 3, 3' für alle Systemgeometrien bestimmt. Aus Nachbarschaftsbeziehungen, Schnittpunkten, relativen Positionsbeziehungen oder verwandten Methoden zwischen Strahlengängen von mindestens zwei Systemgeometrien werden Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 bestimmt. Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 stellen mögliche Orte für Merkmalspositionen dar und beinhalten Maße, wie zum Beispiel die Position, Orientierung und Form des Objektmerkmals 4 im Ortsraum. Diese Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 werden in mehreren Rekonstruktionsschritten für unterschiedliche Systemgeometrien bestimmt. Um falschpositionierte Strahlenschnittpunktkoordinaten 6 vom Rekonstruktionsergebnis auszuschließen wird eine Clusteranalyse verwendet, um eine eindeutige Beschreibung für das Objektmerkmal 4 zu erhalten.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Röntgenröhre
- 2, 2'
- Röntgendetektor
- 3, 3'
- Merkmalsmusterkoordinate
- 4
- Objektmerkmal
- 5
- Untersuchungsobjekt
- 6
- Strahlenschnittpunktkoordinate
- 7
- rekonstruierte Merkmalsposition
- 8
- Akzeptanzradius
