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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von zweidimensionalen Projektionsbildern eines mittels Röntgenstrahlung durchstrahlten Objekts und einen Computertomographen. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Vermessen und/oder Überprüfen eines Objektes.
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Beim Vermessen von Objekten, beispielsweise von Werkstücken, mittels der Computertomographie wird ein Messobjekt mit Röntgenstrahlung durchstrahlt. Von dem zu vermessenden Objekt werden Durchstrahlungsbilder aus unterschiedlichen Durchstrahlungsrichtungen mittels eines Röntgendetektors erfasst. Dies erfolgt üblicherweise, indem das zu vermessende Objekt auf einem Drehtisch des Computertomographen angeordnet und schrittweise gedreht wird, während eine Anordnung einer Röntgenstrahlungsquelle und des Röntgendetektors hinsichtlich einer Position fixiert bleibt. Wird ein Objekt jeweils in unterschiedlichen Durchstrahlungsrichtungen erfasst, kann aus den erfassten Durchstrahlungsbildern ein dreidimensionales Objektvolumen des Objekts rekonstruiert werden.
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Das rekonstruierte dreidimensionale Objektvolumen eignet sich jedoch nur bedingt dazu, um das darin abgebildete Objekt, beispielsweise ein Werkstück, zu vermessen und/oder zu überprüfen. Insbesondere sind viele Industrienormen nur für zweidimensionale Prüfverfahren ausgelegt, sodass nur für zweidimensionale Messungen Anforderungen zum Prüfen definiert sind. Andererseits eignen sich zweidimensionale Durchstrahlungsbilder ebenfalls nur bedingt dazu, das abgebildete Objekt, beispielsweise ein Werkstück, zu vermessen und/oder zu überprüfen. Insbesondere kann eine jeweils gewählte Durchstrahlungsrichtung ungeeignet sein, um ein zu vermessendes Merkmal und/oder eine zu überprüfende Eigenschaft des Objekts vollständig in dem erfassten Durchstrahlungsbild abzubilden. Insbesondere kann eine aufgrund einer kegelförmigen Röntgenstrahlung ungleichmäßige Vergrößerung zu einer nicht maßstabsgerechten Abbildung des Objekts in dem Durchstrahlungsbild führen.
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Aus der
US 2012/0051626 A1 sind dreidimensionale Vorwärts- und Rückwärtsprojektionsverfahren bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und einen Computertomographen anzugeben, mit denen die vorgenannten Probleme gelöst werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einen Computertomographen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Einer der Grundgedanken der vorliegenden Erfindung ist es, aus einem rekonstruierten dreidimensionalen Objektvolumen mindestens ein zweidimensionales Projektionsbild zu erzeugen. Dies erfolgt durch Vorwärtsprojektion des rekonstruierten dreidimensionalen Objektvolumens. Auf diese Weise können nahezu beliebige zweidimensionale Projektionsbilder geschaffen werden, welche speziell zum Vermessen und/oder Überprüfen eines Objekts verwendet werden können und insbesondere eine Anwendung von bekannten zweidimensionalen Mess- und Prüfverfahren, wie diese insbesondere in der industriellen Messtechnik verwendet werden, erlauben. Da moderne Computertomographen in der Lage sind, in kurzer Zeit (etwa fünfzehn Sekunden) von Objekten, wie beispielsweise Werkstücken, vollständige Rotationscans durchzuführen, können auf diese Weise ohne großen Messaufwand auch im Nachhinein noch beliebige zweidimensionale Projektionsbilder erzeugt werden.
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Insbesondere wird ein Verfahren zum Bereitstellen von zweidimensionalen Projektionsbildern eines mittels Röntgenstrahlung durchstrahlten Objekts, insbesondere für ein Verfahren zum Vermessen und/oder Überprüfen des Objekts, zur Verfügung gestellt, wobei Durchstrahlungsbilder des Objekts für unterschiedliche Durchstrahlungsrichtungen erfasst und/oder empfangen werden, wobei ein dreidimensionales Objektvolumen aus den für die unterschiedlichen Durchstrahlungsrichtungen erfassten Durchstrahlungsbilder rekonstruiert wird, und wobei mindestens ein zweidimensionales Projektionsbild durch Vorwärtsprojektion aus dem rekonstruierten dreidimensionalen Objektvolumen erzeugt und bereitgestellt wird.
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Ferner wird insbesondere ein Computertomograph geschaffen, umfassend eine Röntgenstrahlungsquelle, eingerichtet zum Erzeugen von Röntgenstrahlung, einen Röntgendetektor, eingerichtet zum Erfassen von Röntgenstrahlung, und eine Auswerteeinrichtung, wobei die Auswerteeinrichtung dazu eingerichtet ist, ein dreidimensionales Objektvolumen für ein mittels der Röntgenstrahlung durchstrahltes Objekt aus Durchstrahlungsbildern, die für unterschiedliche Durchstrahlungsrichtungen mittels des Röntgendetektors erfasst wurden, zu rekonstruieren, und mindestens ein zweidimensionales Projektionsbild durch Vorwärtsprojektion aus dem rekonstruierten dreidimensionalen Objektvolumen zu erzeugen und bereitzustellen.
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Ein Vorteil des Verfahrens und des Computertomographen ist, dass ein Signal-zu-Rauschverhältnis des dreidimensionalen Objektvolumens aufgrund der Vielzahl an Durchstrahlungsbildern, die zu dessen Erzeugung verwendet wurden, gegenüber einem Signal-zu-Rauschverhältnis in den einzelnen Durchstrahlungsbildern verbessert ist. Anders ausgedrückt haben mehr Photonen zur Bildentstehung des rekonstruierten dreidimensionalen Objektvolumens beigetragen als zur Bildentstehung jedes einzelnen Durchstrahlungsbildes, sodass ein Beitrag des Rauschens im rekonstruierten dreidimensionalen Objektvolumen reduziert ist. Die mittels des in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahrens erzeugten zweidimensionalen Projektionsbilder weisen daher ebenfalls ein besseres Signal-zu-Rauschverhältnis auf.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass eine Ausgestaltung der erzeugten Projektionsbilder unabhängig vom Erfassen der Durchstrahlungsbilder erfolgen kann. Dies bietet insbesondere die Möglichkeit, das Erfassen durch Anordnen und/oder Orientieren des zu untersuchenden Objektes dahingehend auszugestalten, dass Messartefakte, wie beispielsweise eine Strahlungsaufhärtung und/oder Streustrahlung, minimiert sind. Die hierzu üblicherweise gewählte Anordnung bzw. Orientierung des Objektes ist in der Regel jedoch nachteilig für eine Vermessung und/oder Überprüfung des Objektes anhand der erfassten Durchstrahlungsbilder, da durch das kegelförmige Strahlprofil der Röntgenstrahlung hervorgerufene unterschiedliche Vergrößerungen zu unterschiedlichen Abbildungsverhältnissen einzelner Details des Objektes im Durchstrahlungsbild führen. Mittels des in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahrens können jedoch ausgehend von dem rekonstruierten dreidimensionalen Objektvolumen zweidimensionale Projektionsbilder erzeugt werden, in denen die Details unverzerrt abgebildet werden können und daher verbessert vermessen und/oder überprüft werden können.
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Die Rekonstruktion des dreidimensionalen Objektvolumens aus den erfassten Durchstrahlungsbildern erfolgt beispielsweise mittels gefilterter Rückprojektion oder mittels statistischer iterativer Verfahren in Verbindung mit Compressend Sensing (z.B. mit Minimierung der totalen Variation). Das rekonstruierte dreidimensionale Objektvolumen ist insbesondere ein tomographisches Objektvolumen des Objektes.
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Die Vorwärtsprojektion zum Erzeugen des mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes erfolgt mittels an sich bekannter Verfahren, wie diese beispielsweise auch während einer (iterativen) Rekonstruktion des dreidimensionalen Objektvolumens verwendet werden. Hierbei entspricht die (numerische) Vorwärtsprojektion mathematisch im Wesentlichen der Radontransformation, welche eine Abbildung zwischen dem (rekonstruierten) dreidimensionalen Objektvolumen und einer materialbedingten Abschwächung bzw. Absorption der Röntgenstrahlung durch das Objekt darstellt. Ausgehend von dem rekonstruierten dreidimensionalen Objektvolumen lässt sich mittels der Radontransformation eine materialbedingte Abschwächung einer Intensität für einzelne, an unterschiedlichen Stellen durch das Objekt hindurchtretende, Röntgenstrahlen berechnen und hieraus ein zweidimensionales Projektionsbild berechnen, wie es sich unter gleichen Abbildungsbedingungen auf dem Röntgendetektor ergeben würde.
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Die Vorwärtsprojektion zum Erzeugen des mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes wird insbesondere an dem vollständig rekonstruierten dreidimensionalen Objektvolumen durchgeführt, das heißt das Rekonstruieren des dreidimensionalen Objektvolumens ist vollständig abgeschlossen. Insbesondere sind Werte der Voxel des rekonstruierten dreidimensionalen Objektvolumens im Rahmen des Rekonstruierens bereits vollständig konvergiert, bevor die Vorwärtsprojektion durchgeführt wird.
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Das Verfahren wird insbesondere mittels einer Auswerteeinrichtung eines Computertomographen ausgeführt. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Verfahren, zumindest teilweise, mittels einer Datenverarbeitungseinrichtung ausgeführt wird.
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Die Auswerteeinrichtung kann einzeln oder zusammengefasst als eine Kombination von Hardware und Software ausgebildet sein, beispielsweise als Programmcode, der auf einem Mikrocontroller oder Mikroprozessor ausgeführt wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass Teile einzeln oder zusammengefasst als anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) ausgebildet sind.
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Das Erzeugen des mindestens einen Projektionsbildes umfasst insbesondere das Erzeugen von entsprechenden Bilddaten und/oder eines entsprechenden Bildsignals, welches die Bilddaten, insbesondere Werte für einzelne Bildelemente des mindestens einen Projektionsbildes, kodiert.
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Ein Computertomograph ist insbesondere ein Computertomograph aus der industriellen Messtechnik, wie dieser beispielsweise bei der Werkstückprüfung eingesetzt wird.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Erzeugen des mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes für mindestens eine vorgegebene Projektionsrichtung und/oder für mindestens eine vorgegebene Projektionsgeometrie erfolgt. Die Vorgaben können insbesondere durch einen Nutzer erfolgen. Eine Projektionsgeometrie definiert insbesondere einen Verlauf von Projektionsgeraden, die von einer Röntgenstrahlungsquelle durch das Objekt hindurchtreten und auf eine Projektionsfläche treffen, auf der das Projektionsbild entsteht. Hierdurch kann über die Projektionsgeometrie, analog zur Durchstrahlungsgeometrie beim Erfassen von Durchstrahlungsbildern, eine Vergrößerung des Objektes bzw. des dreidimensionalen Objektvolumens festgelegt werden. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Projektionsgeometrie sich an einer Geometrie bzw. einem Aufbau eines Strahlengangs des Computertomographen orientiert, das heißt, dass eine von einem Brennfleck der Röntgenstrahlungsquelle ausgehende divergente Röntgenstrahlung zugrunde gelegt wird. Es kann jedoch für die Projektionsgeometrie auch ein paralleler Verlauf der Röntgenstrahlen zugrunde gelegt werden. Prinzipiell können eine Projektionsrichtung und/oder eine Projektionsgeometrie bei der Vorwärtsprojektion frei gewählt werden und müssen hierbei nicht den Durchstrahlungsrichtungen und/oder den Durchstrahlungsgeometrien entsprechen, in denen die zweidimensionalen Durchstrahlungsbilder erfasst wurden oder die mit einem Computertomographen realisierbar sind. Da die Projektionsrichtung und die Projektionsgeometrie für ein erzeugtes Projektionsbild keiner Beschränkung unterliegen, können diese jeweils frei vorgegeben werden. Insbesondere können die Projektionsrichtung und/oder die Projektionsgeometrie für ein spezifisches Messszenario und/oder Überprüfungsszenario zum Vermessen und/oder Überprüfen des zu untersuchenden Objektes ausgewählt werden, sodass ein für die Messung und/oder Überprüfung maßgeschneidertes Projektionsbild erzeugt und bereitgestellt werden kann.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Projektionsrichtung und/oder eine Projektionsgeometrie und/oder ein Parameter des mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes derart gewählt werden oder gewählt sind, dass das erzeugte mindestens eine Projektionsbild zumindest in Bezug auf eine Eigenschaft optimiert wird oder optimiert ist. Beispielsweise kann ein Kontrast des erzeugten Projektionsbildes hinsichtlich bestimmter Kriterien optimiert werden oder eine Projektionsgeometrie kann derart gewählt werden, dass eine parallel verlaufende Röntgenstrahlung bei der Vorwärtsprojektion verwendet wird, sodass es bei der Projektion zu keiner Verzerrung von einzelnen Bereichen innerhalb des Objektes kommt. Hierdurch können insbesondere dimensionelle Messungen, aber auch ein Kontrast verbessert werden. Ferner kann eine Projektionsrichtung derart gewählt sein oder gewählt werden, dass beispielsweise bestimmte Einzelheiten, wie beispielsweise einzelne Komponenten oder Elemente, in dem erzeugten Projektionsbild verbessert abgebildet werden und hierdurch einer Messung und/oder Überprüfung besser zugänglich sind. Das Optimieren kann hierbei durch iteratives Verändern der Projektionsrichtung und/oder der Projektionsgeometrie und/oder des mindestens einen Parameters und Erzeugen von jeweils zugehörigen zweidimensionalen Projektionsbildern erfolgen, solange bis die mindestens eine Eigenschaft optimiert ist.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Projektionsrichtung und/oder eine Projektionsgeometrie und/oder mindestens ein Parameter des mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes hierzu derart gewählt werden oder gewählt sind, dass in dem dreidimensionalen Objektvolumen identifizierte Defekte in dem mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbild einen optimalen Kontrast aufweisen. Ein optimaler Kontrast bezeichnet hierbei insbesondere einen möglichst großen Kontrast zwischen Bereichen in dem erzeugten Projektionsbild, die die identifizierten Defekte abbilden, und Bereichen, die eine Umgebung der identifizierten Defekte abbilden. Hierdurch können die identifizierten Defekte, wie beispielsweise Poren, Blasen oder Lunker verbessert charakterisiert werden, beispielsweise können diese im Hinblick auf eine Größe und/oder hinsichtlich einer Dichte besser vermessen werden. Beispielsweise kann durch einen optimalen Kontrast eine lokale Porosität in einem Werkstück verbessert bestimmt werden. Das Identifizieren der Defekte erfolgt hierbei mittels an sich bekannter Verfahren, beispielsweise mittels Verfahren des Maschinenlernens.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Projektionsrichtung und/oder eine Projektionsgeometrie und/oder mindestens ein Parameter des mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes hierzu derart gewählt werden oder gewählt sind, dass eine totale Variation des erzeugten mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes minimiert wird oder minimiert ist. Das Minimieren der totalen Variation bezeichnet hierbei insbesondere das Minimieren einer Summe von Gradienten zwischen Grauwerten der Bildelemente innerhalb des erzeugten Projektionsbildes. Insbesondere ist bzw. wird eine Projektionsrichtung derart gewählt, dass eine totale Variation des erzeugten mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes minimiert wird oder minimiert ist. Hierdurch kann eine möglichst parallele Projektion entlang des Objektes, insbesondere des Werkstückes, erreicht werden, welche sich besonders gut für ein Vermessen und/oder Überprüfen des Objektes eignet.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Projektionsrichtung und/oder eine Projektionsgeometrie und/oder mindestens ein Parameter des mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes hierzu derart gewählt werden oder gewählt sind, dass eine Variation von Grauwerten innerhalb des erzeugten mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes minimiert wird oder minimiert ist.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass auf dem erzeugten mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbild mindestens eine Filteroperation ausgeführt wird. Eine solche Filteroperation ist insbesondere eine aus der Prüfung von Werkstücken anhand von zweidimensionalen Durchstrahlungsbildern bekannte Filteroperation. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein Defekt in dem Projektionsbild optisch hervorgehoben werden kann und daher für einen Betrachter besser erkennbar ist. Insbesondere kann hierdurch ausgenutzt werden, dass ein Röntgendetektor Intensitätswerte sehr viel feiner auflösen kann als ein Computermonitor oder das menschliche Auge. Mittels der Filteroperationen können insbesondere auch geringe Unterschiede in den mittels des Röntgendetektors erfassten Intensitäten sichtbar gemacht werden. Eine Filteroperation kann beispielsweise eine kantenverstärkende Filteroperation umfassen, beispielsweise durch Anwenden von Laplace-, Sobel- und/oder Gradientenfiltern. Es kann auch vorgesehen sein, dass mehrere Filteroperationen in Kombination miteinander durchgeführt werden, wobei ein Einfluss der jeweiligen Filteroperationen hierbei beispielsweise über Gewichte eingestellt und optimiert werden kann. Ferner können die Filteroperationen auch Ausgangspunkt für eine automatisierte, das heißt maschinelle, Auswertung des mindestens einen Projektionsbildes sein, beispielsweise im Rahmen des in dieser Offenbarung auch beschriebenen Verfahrens zum Vermessen und/oder Überprüfen von Objekten.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass aus dem dreidimensionalen Objektvolumen ein Teilbereich ausgewählt wird, wobei beim Erzeugen des mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes nur der ausgewählte Teilbereich berücksichtigt wird. Hierdurch können einzelne Teilbereiche des zu untersuchenden Objekts gezielt vermessen bzw. überprüft werden, wobei andere, den Teilbereich umgegebene Teile des Objektes bei der Vorwärtsprojektion nicht berücksichtigt werden und hierdurch keinen (störenden) Einfluss auf das erzeugte Projektionsbild haben. Hierzu wird ein solcher Teilbereich beispielsweise für eine vorgegebene Projektionsgeometrie, die beispielsweise eine Vergrößerung des Teilbereichs beinhaltet, und eine vorgegebene Projektionsrichtung auf eine zweidimensionale Projektionsfläche projiziert bzw. ein resultierendes Projektionsbild durch Vorwärtsprojektion berechnet. Insbesondere können eine Projektionsgeometrie und/oder eine Projektionsrichtung und/oder mindestens ein Parameter des mindestens einen Projektionsbildes speziell für den Teilbereich gewählt werden, sodass dieser bestmöglich vermessen und/oder überprüft werden kann. Für einen anderen Teilbereich kann dann wiederum eine andere Projektionsgeometrie und/oder Projektionsrichtung und/oder andere Parameter gewählt werden, welche zum Vermessen und/oder Überprüfen dieses Teilbereichs am besten geeignet sind. Ein Teilbereich kann prinzipiell eine beliebige Form aufweisen, z.B. eine Quaderform, eine Kugelform, eine Schicht- oder Scheibenform, oder auch komplexer ausgebildet sein (z.B. Ringform etc.). Zum Erzeugen des zweidimensionalen Projektionsbildes wird das dreidimensionale Objektvolumen insbesondere auf den Teilbereich beschnitten bzw. trunkiert.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass zweidimensionale Projektionsbilder zumindest für einen Teilbereich des dreidimensionalen Objektvolumens in unterschiedlichen Projektionsgeometrien und/oder Projektionsrichtungen und/oder Parameter erzeugt werden. Hierdurch können verschiedene Aspekte zumindest desselben Teilbereichs gezielt hervorgehoben werden. Insbesondere können hierdurch verschiedene dimensionelle Messungen und/oder Überprüfungen verbessert durchgeführt werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass in dem dreidimensionalen Objektvolumen erkannte Defekte in dem erzeugten mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbild gekennzeichnet werden und/oder eine Abbildung der erkannten Defekte im erzeugten mindestens einen Projektionsbild mit zusätzlichen Informationen angereichert wird. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein erkannter Defekt in dem erzeugten mindestens einen Projektionsbild mit einer oder mehreren der folgenden Informationen versehen wird: eine Positionsangabe, ein Volumen, ein Durchmesser und/oder Abmessungen des Defektes. Auch eine farbliche Markierung, beispielsweise zur Markierung einer Außenkontur des erkannten Defektes kann vorgesehen sein, um das mindestens eine Projektionsbild anzureichern. Das Erkennen von Defekten in dem dreidimensionalen Objektvolumen erfolgt hierbei mittels an sich bekannter Verfahren.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das rekonstruierte dreidimensionale Objektvolumen mittels mindestens eines Korrekturverfahrens bearbeitet wird, wobei die Vorwärtsprojektion auf Grundlage des korrigierten Objektvolumens durchgeführt wird. Ein Korrekturverfahren kann beispielsweise ein an sich bekanntes Korrekturverfahren zum Reduzieren von Streustrahlungs-, Strahlungsaufhärtungs- und/oder Bewegungsunschärfeartefakten sein. Hierdurch kann erreicht werden, dass Messartefakte auch in dem erzeugten mindestens einen Projektionsbild reduziert sind.
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Weitere Merkmale zur Ausgestaltung des Computertomographen ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen des Verfahrens. Die Vorteile des Computertomographen sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen des Verfahrens.
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Ferner wird auch ein Verfahren zum Vermessen und/oder Überprüfen eines Objektes zur Verfügung gestellt, wobei ein Verfahren gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt wird, wobei an dem erzeugten und bereitgestellten mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbild mindestens ein Mess- und/oder Prüfverfahren zum Messen und/oder Überprüfen von mindestens einer Eigenschaft des Objekts durchgeführt wird, und wobei ein aus einem Ergebnis abgeleitetes Mess- und/oder Prüfsignal erzeugt und bereitgestellt wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Ausführungsform des Verfahrens zum Bereitstellen von zweidimensionalen Projektionsbildern eines mittels Röntgenstrahlung durchstrahlten Objekts;
- 2 schematische Darstellungen von erfassten zweidimensionalen Durchstrahlungsbildern eines als Werkstück ausgebildeten Objekts, wobei das Objekt in Bezug auf die Hauptachsen bezüglich einer Detektorfläche gekippt angeordnet ist;
- 3 schematische Darstellungen von erfassten zweidimensionalen Durchstrahlungsbildern des Objektes, wobei das Objekt entlang der Hauptachsen parallel zur Detektorfläche orientiert ist;
- 4 schematische Darstellungen von mittels des in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahrens erzeugten Projektionsbildern des Objektes;
- 5 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Bereitstellen von zweidimensionalen Projektionsbildern eines mittels Röntgenstrahlung durchstrahlten Objekts.
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In 1 ist eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung einer Ausführungsform des Verfahrens zum Bereitstellen von zweidimensionalen Projektionsbildern 30 eines mittels Röntgenstrahlung 4 durchstrahlten Objekts 10 gezeigt. Dargestellt ist eine in einem Computertomographen 1 von einem Brennfleck 3 einer Röntgenstrahlungsquelle 2 ausgehende Röntgenstrahlung 4. Die Röntgenstrahlung 4 ist divergent und weitet sich daher entlang des Strahlenganges auf. Die Röntgenstrahlung 4 trifft auf eine Detektorfläche 5 eines Röntgendetektors 6, und durchstrahlt vorher ein in dem Strahlengang angeordnetes Objekt 10. Das Objekt 10 ist hierbei beispielsweise derart orientiert, dass Messartefakte, wie beispielsweise eine Strahlungsaufhärtung und/oder eine Streustrahlung, in einem erfassten Durchstrahlungsbild 7 minimiert sind.
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Die gezeigte Darstellung entspricht dem Erfassen eines Durchstrahlungsbildes 7 für eine einzige Durchstrahlungsgeometrie, das heißt einer konkreten Anordnung von Brennfleck 3, Objekt 10 und Detektorfläche 5, und einer Durchstrahlungsrichtung, das heißt einer Richtung, aus bzw. in der das Objekt 10 durchstrahlt wird.
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Das Verfahren sieht nun vor, dass jeweils Durchstrahlungsbilder 7 des Objekts 10 für unterschiedliche Durchstrahlungsrichtungen erfasst oder empfangen werden. Hierzu wird das Objekt 10 auf einem Drehteller (nicht gezeigt) des Computertomographen 1 schrittweise gedreht, wobei die Anordnung von der Röntgenstrahlungsquelle 2 und dem Röntgendetektor 6 ortsfest bestehen bleibt. Insbesondere wird ein Satz aus Durchstrahlungsbildern 7 für Durchstrahlungsrichtungen erfasst, die mit Drehwinkeln des Drehtellers von 0 bis 360° korrespondieren.
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Anschließend wird aus den für die unterschiedlichen Durchstrahlungsrichtungen erfassten Durchstrahlungsbilder 7 ein dreidimensionales Objektvolumen 20 rekonstruiert. Dies erfolgt mittels einer Auswerteeinrichtung (nicht gezeigt) des Computertomographen 1. Das rekonstruierte Objektvolumen 20 korrespondiert mit dem im Strahlengang angeordneten Objekt 10.
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Aus dem rekonstruierten dreidimensionalen Objektvolumen 20 wird durch Vorwärtsprojektion mindestens ein zweidimensionales Projektionsbild 30 erzeugt und bereitgestellt. In der 1 dargestellt ist zur Verdeutlichung jeweils eine Parallelprojektion 31 für zwei aufeinander senkrecht stehende Projektionsrichtungen 34. Parallelprojektion 31 bedeutet hierbei, dass zugehörige Projektionsgeraden, die durch das Objekt 10 bzw. das dreidimensionale Objektvolumen 20 hindurch zu einer jeweiligen Projektionsfläche 32 verlaufen, parallel zueinander ausgerichtet sind.
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In den 2, 3 und 4 sind jeweils drei schematische Darstellungen, jeweils bezeichnet mit den Buchstaben (a), (b) und (c), zur Verdeutlichung des Verfahrens gezeigt.
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Hierbei zeigt die 2 jeweils schematische Darstellungen von erfassten zweidimensionalen Durchstrahlungsbildern 7 eines als Werkstück ausgebildeten Objekts 10, wie diese zum Rekonstruieren eines dreidimensionalen Objektvolumens in einem Computertomographen erfasst werden. Die Durchstrahlungsbilder 7 sind jeweils mittels einer kegelförmigen Durchstrahlungsgeometrie erfasst worden, wobei eine Orientierung des Objekts 10 jeweils derart gewählt wurde, dass Messartefakte minimiert sind. Insbesondere ist das Objekt 10 hierzu in Bezug auf seine Hauptachsen (umfassend z.B. eine Rotationsachse oder Achsen auf Symmetrieebenen etc.) und eine Drehachse des Drehtellers im Computertomographen gekippt angeordnet bzw. orientiert. Ein Vermessen und/oder Überprüfen des Objekts 10, das heißt des Werkstücks, auf Grundlage der erfassten Durchstrahlungsbilder 7 ist aufgrund der gekippten Orientierung und der kegelförmigen Durchstrahlungsgeometrie nicht möglich, da Bereiche des Objekts 10, die näher an der Röntgenquelle liegen, stärker vergrößert werden als weiter entfernt liegende Bereiche im Objekt 10. Dies führt zu einer Verzerrung der Maße einzelner Bereiche. Darüber hinaus sind Defekte in den erfassten Durchstrahlungsbildern 7 nur schwer zu erkennen. Eine Auswertung kann erst nach der Rekonstruktion anhand des rekonstruierten dreidimensionalen Objektvolumens erfolgen.
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Die 3 zeigt analog hierzu schematische Darstellungen von erfassten zweidimensionalen Durchstrahlungsbildern 7 des gleichen Objektes 10. Die Durchstrahlungsbilder 7 wurden ebenfalls mit einer kegelförmigen Durchstrahlungsgeometrie erfasst. Jedoch wurden die Durchstrahlungsbilder 7 erfasst, während das Objekt 10 jeweils bezüglich seiner Hauptachsen parallel zur Detektorfläche 5 (vgl. 1) orientiert war. In den erfassten Durchstrahlungsbildern 7 sind Defekte erkennbar. Ein Vermessen und/oder Überprüfen des Objekts 10, das heißt des Werkstücks, auf Grundlage der erfassten Durchstrahlungsbilder 7 ist jedoch aufgrund der kegelförmigen Durchstrahlungsgeometrie ebenfalls nicht möglich, da Bereiche des Objekts 10, die näher an der Röntgenquelle liegen, stärker vergrößert werden als weiter entfernt liegende Bereiche. Dies führt zu einer Verzerrung der Maße einzelner Bereiche im Objekt 10.
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Die 4 zeigt schematische Darstellungen von mittels des in dieser Offenbarung beschriebenen Verfahrens erzeugten Projektionsbildern 30. Hierbei wurde eine parallele Projektionsgeometrie gewählt. Ferner wurden die jeweiligen Projektionsrichtungen derart gewählt, dass das rekonstruierte dreidimensionale Objektvolumen bzw. das hiermit korrespondierende Objekt 10 jeweils bezüglich seiner Hauptachsen parallel zur Projektionsfläche 32 (vgl. 1) orientiert sind. Die zweidimensionalen Projektionsbilder 30 sind aufgrund der parallelen Projektionsgeometrie verzerrungsfrei und maßstabsgetreu, Defekte 33 sind gut zu erkennen. Die Defekte 33 sind in der 4 jeweils markiert, wobei die Markierung ebenfalls Teil der Projektionsbilder 30 sein kann.
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In 5 ist ein schematisches Ablaufdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zum Bereitstellen von zweidimensionalen Projektionsbildern eines mittels Röntgenstrahlung durchstrahlten Objekts gezeigt. Das Objekt ist beispielsweise ein zu vermessendes und/oder zu überprüfendes Werkstück.
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In einem Verfahrensschritt 100 wird ein zu vermessendes und/oder zu überprüfendes Objekt in einem Computertomographen auf einem Drehteller angeordnet. Hierbei erfolgt das Anordnen derart, dass Messartefakte, wie beispielsweise eine Strahlungsaufhärtung und/oder eine Streustrahlung, minimiert sind. Beispielsweise kann das Objekt hierzu in Bezug auf seine Hauptachsen gekippt auf dem Drehteller angeordnet werden.
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In einem Verfahrensschritt 101 werden im Rahmen eines vollständigen Rotationsscans, bei dem der Drehteller zusammen mit dem Objekt schrittweise vollständig gedreht wird, Durchstrahlungsbilder aus unterschiedlichen Durchstrahlungsrichtungen erfasst.
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In einem Verfahrensschritt 102 wird mittels der Auswertungseinrichtung des Computertomographen aus den erfassten Durchstrahlungsbildern ein dreidimensionales Objektvolumen, insbesondere vollständig, rekonstruiert. Dies kann beispielsweise mittels gefilterter Rückprojektion oder mittels statistischer iterativer Verfahren in Verbindung mit Compressend Sensing (z.B. mit Minimierung der totalen Variation) erfolgen.
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In einem Verfahrensschritt 103 werden gewünschte Projektionsgeometrien und/oder Projektionsrichtungen festgelegt. Beispielsweise können diese von einem Nutzer des Computertomographen abgefragt werden oder auf Grundlage von in dem rekonstruierten dreidimensionalen Objektvolumen identifizierten Defekten festgelegt werden. Beispielsweise kann zumindest eine Projektionsgeometrie und/oder eine Projektionsrichtung zur bestmöglichen Darstellung eines identifizierten Defektes gewählt werden. Ferner können sonstige Parameter für eine nachfolgende Projektion festgelegt werden.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Projektionsrichtung und/oder eine Projektionsgeometrie und/oder ein Parameter des mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes derart gewählt werden oder gewählt sind, dass das erzeugte mindestens eine Projektionsbild zumindest in Bezug auf eine Eigenschaft optimiert wird oder optimiert ist. Das Optimieren kann hierbei durch iteratives Verändern der Projektionsrichtung und/oder der Projektionsgeometrie und/oder des mindestens einen Parameters und Erzeugen von jeweils zugehörigen zweidimensionalen Projektionsbildern erfolgen, solange bis die mindestens eine Eigenschaft optimiert ist.
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Es kann hierbei vorgesehen sein, dass eine Projektionsrichtung und/oder eine Projektionsgeometrie und/oder mindestens ein Parameter des mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes hierzu derart gewählt werden oder gewählt sind, dass in dem dreidimensionalen Objektvolumen identifizierte Defekte in dem mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbild einen optimalen Kontrast aufweisen.
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Es kann hierbei auch vorgesehen sein, dass eine Projektionsrichtung und/oder eine Projektionsgeometrie und/oder mindestens ein Parameter des mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes hierzu derart gewählt werden oder gewählt sind, dass eine totale Variation des erzeugten mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes minimiert wird oder minimiert ist.
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Weiter kann hierbei vorsehen sein, dass eine Projektionsrichtung und/oder eine Projektionsgeometrie und/oder mindestens ein Parameter des mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes hierzu derart gewählt werden oder gewählt sind, dass eine Variation von Grauwerten innerhalb des erzeugten mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes minimiert wird oder minimiert ist.
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In einem Verfahrensschritt 104 wird mittels der Auswerteeinrichtung aus dem rekonstruierten dreidimensionalen Objektvolumen mindestens ein zweidimensionales Projektionsbild durch Vorwärtsprojektion unter Verwendung der festgelegten Projektionsgeometrie(n) und/oder der festgelegten Projektionsrichtung(en) und/oder des mindestens einen festgelegten Parameters erzeugt.
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Es kann hierbei vorgesehen sein, dass aus dem dreidimensionalen Objektvolumen ein Teilbereich ausgewählt wird, wobei beim Erzeugen des mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbildes nur der ausgewählte Teilbereich berücksichtigt wird. Dies eignet sich insbesondere für den Fall, in dem beispielsweise einzelne Defekte vergrößert und/oder isoliert dargestellt werden sollen, ohne dass andere Bereiche des Objektes in der Projektion abgebildet werden. Hierzu wird das dreidimensionale Objektvolumen insbesondere entsprechend beschnitten bzw. trunkiert und die Projektion nur ausgehend von dem beschnittenen bzw. trunkierten dreidimensionalen Objektvolumen durchgeführt.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass in dem dreidimensionalen Objektvolumen erkannte Defekte in dem erzeugten mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbild gekennzeichnet werden und/oder eine Abbildung der erkannten Defekte im erzeugten mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbild mit zusätzlichen Informationen angereichert wird. Dies können beispielsweise Informationen zu den erkannten Defekten sein, wie beispielsweise eine Position, eine Größe, ein Volumen und/oder eine Dichte der Defekte.
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In einem Verfahrensschritt 105 wird das erzeugte mindestens eine zweidimensionale Projektionsbild bereitgestellt, insbesondere ausgegeben, beispielsweise als Bilddatei, die ein kodiertes Bildsignal umfasst.
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Anschließend kann das ausgegebene mindestens eine zweidimensionale Projektionsbild zum Vermessen und/oder Überprüfen des Objektes verwendet werden. Insbesondere kann in einem Verfahrensschritt 106 vorgesehen sein, dass an dem erzeugten und bereitgestellten mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbild mindestens ein Mess- und/oder Prüfverfahren zum Messen und/oder Überprüfen von mindestens einer Eigenschaft des Objekts durchgeführt wird, wobei ein aus einem Ergebnis abgeleitetes Mess- und/oder Prüfsignal erzeugt und bereitgestellt wird. Das Mess- und/oder Prüfsignal umfasst beispielsweise Informationen über Abmessungen bestimmter Merkmale des Objektes und/oder eine Anzahl und/oder ein Volumen und/oder eine Größe und/oder eine Dichte von Defekten im Objekt.
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Das Messen und/oder Überprüfen kann insbesondere auch auf Grundlage einer Kennzeichnung und/oder zusätzlichen Informationen erfolgen, die dem mindestens einen zweidimensionalen Projektionsbild ausgehend von einem in dem dreidimensionalen Objektvolumen erkannten Defekt hinzugefügt wurden.
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Das Mess- und/oder Prüfsignal kann anschließend beispielsweise zur Prozesssteuerung bei der Weiterverarbeitung des Objekts, insbesondere des Werkstücks, verwendet werden. Beispielsweise kann entschieden werden, ob und wie das vermessene und/oder überprüfte Objekt, weiterverarbeitet wird. Die Entscheidung erfolgt dann in Abhängigkeit des bereitgestellten Mess- und/oder Prüfsignals.
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Auf diese Weise wird auch ein Verfahren zum Vermessen und/oder Überprüfen eines Objektes bereitgestellt. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass ein solches Verfahren vollständig automatisiert in eine Prozesskontrolle einer Fertigungslinie etc. integriert ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Computertomograph
- 2
- Röntgenstrahlungsquelle
- 3
- Brennfleck
- 4
- Röntgenstrahlung
- 5
- Detektorfläche
- 6
- Röntgendetektor
- 7
- Durchstrahlungsbild
- 10
- Objekt
- 20
- dreidimensionales Objektvolumen
- 30
- zweidimensionales Projektionsbild
- 31
- Parallelprojektion
- 32
- Projektionsfläche
- 33
- Defekt
- 34
- Projektionsrichtung
- 100-106
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2012/0051626 A1 [0004]
