DE102022129970A1 - Verfahren zur Erzeugung von Durchleuchtungsbildern für die Rekonstruktion eines Volumens in einem flachen Objekt mittels einer Röntgenanlage - Google Patents

Verfahren zur Erzeugung von Durchleuchtungsbildern für die Rekonstruktion eines Volumens in einem flachen Objekt mittels einer Röntgenanlage Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Durchleuchtungsbildern für die Rekonstruktion eines Volumens 5 in einem flachen Objekt 2 mittels einer Röntgenanlage, die drei Abbildungskomponenten aufweist, nämlich eine Röhre 1, einen Detektor 3 und einen dazwischen befindlichen Manipulator, an dem das Objekt 2 festgelegt ist, wobei sich das Objekt 2 in zwei Dimensionen um ein Vielfaches weiter erstreckt als in seiner dritten Dimension, wobei die Röhre 1 einen Fokus 2 aufweist, der in einer zentralen Position der Röhre 1 den Koordinatenursprung eines kartesischen Koordinatensystems bildet, und die einen Röntgenstrahl 10 emittiert, wobei der Vektor von der Röhre 1 durch das Volumen 5 die X-Achse des Koordinatensystems bildet und die Z-Achse senkrecht auf einem durch die Dicke gebildeten Vektor steht. Erfindungsgemäß wird der Manipulator um eine Rotationsachse 4 gedreht, die senkrecht auf der X-Achse steht, parallel zur Z-Achse verläuft und parallel zur X-Achse verschiebbar ist, sich die Rotationsachse (4) bei jeder Erzeugung eines Durchleuchtungsbildes durch das Volumen (5) erstreckt, der Abstand zwischen der Röhre 1 und der Rotationsachse 4 so geändert wird, dass bei einer Rotation des Objekts 2 um die Rotationsachse 4 das Objekt 2 unter jedem Drehwinkel Θ einen möglichst geringen Abstand zur Röhre 1 hat, wobei der Abstand einen festlegbaren Minimalabstand nicht unterschreitet. Dabei werden Durchleuchtungsbilder unter vorgebbaren Drehwinkeln Θ gemacht und die Winkelinkremente dr° sind zwischen benachbarten vorgebbaren Drehwinkeln Θ bei kleineren Abständen der Rotationsachse 4 von der Röhre 1 größer als bei größeren Abständen der Rotationsachse 4 von der Röhre 1.Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren unter Verwendung der kinematischen Umkehr zum vorgenannten Verfahren bezüglich der Bewegung von Röhre 1 und Detektor 3 bei feststehendem Objekt 2.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Durchleuchtungsbildern für die Rekonstruktion eines Volumens in einem flachen Objekt mittels einer Röntgenanlage, die eine Röhre, einen Detektor und ein dazwischen befindliches Objekt aufweist.
  • Der Einsatzbereich für die Erfindung ist die röntgenbasierte Materialprüfung. Industrielle Unternehmen wie die Autoindustrie oder Elektronikhersteller nutzen Röntgensysteme im Rahmen der röntgenbasierten Materialprüfung, um Objekte (insbesondere Bauteile) auf Eigenschaften zu prüfen. Die Verwendung von Röntgenstrahlen zur Bildgebung bietet hierbei die Möglichkeit, verborgene Strukturen zu untersuchen, ohne das Objekt zu zerstören.
  • Die Prüfung wird in einer Röntgenanlage durchgeführt, die eine Röntgenröhre (im Folgenden Röhre genannt) und einen Röntgendetektor (im Folgenden Detektor genannt) als bildgebendes System aufweisen. Dazwischen ist das zu untersuchende Objekt an einem Manipulator angeordnet. Einige oder alle der drei vorgenannten Komponenten sind - je nach Röntgenanlage - translatorisch und/oder rotatorisch bewegbar. Die gesamte Vorrichtung befindet sich in einer Strahlenschutzkabine (im Folgenden Kabine genannt). Da es für die Geometrie der mit der Röntgenanlage gemachten Aufnahmen auf den Fokus der Röhre ankommt, wird die Röhre im Folgenden auch nur noch als Fokus bezeichnet.
  • Bei der zerstörungsfreien Prüfung von großen flachen Bauteilen, wie beispielsweise Leiterplatinen, kann in 2D-Aufnahmen eine sehr hohe Vergrößerung und somit Auflösung erreicht werden. Da es sich dabei jedoch lediglich um Projektionen durch das gesamte Objekt handelt, überlappen sich im aufgenommenen Bild alle im Objekt enthaltenen Strukturen und es kann keine Aussage über die Position der einzelnen Komponenten in der Tiefe gemacht werden. Eine Möglichkeit, zusätzliche Tiefeninformation zu erhalten, bietet die klassische Computer-Tomographie, in welcher das Objekt aus vielen unterschiedlichen Winkel verteilt über 360° betrachtet wird. Aus diesen Aufnahmen wird dann das dreidimensionale Objekt rekonstruiert, so dass die Lage aller Komponenten im Raum bestimmt werden kann. Da das Objekt während dieser Aufnahme jedoch einmal gedreht werden muss, ohne dass es dabei zu Kollisionen mit den Komponenten des Systems kommt, kann keine so hohe Vergrößerung M wie in der 2D-Prüfung erreicht werden, da diese durch den Fokus-Detektor-Abstand (FDD) sowie den Fokus-Objekt-Abstand (FOD) bestimmt ist (M = FDD / FOD). Für die 2D-Prüfung ist somit die Dicke des Objekts für die erreichbare Auflösung entscheidend, während bei den CT-Aufnahmen vor allem die Breite des Objekts begrenzend wirkt.
  • Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter einem Objekt ein Gegenstand verstanden, der sich in zwei Dimensionen (der Fläche, die die vorgenannte Breite in einer Richtung umfasst) um ein Vielfaches weiter erstreckt als in seiner dritten Dimension - vorstehend als Dicke bezeichnet -, die in dieser Anmeldung als Tiefe bezeichnet wird.
  • Um eine bessere Vergrößerung des Objekts - in der Regel werden nur Informationen aus besonders interessierenden Bereichen (den ROI = Region of Interest), die im Rahmen dieser Anmeldung als Volumen bezeichnet werden - gegenüber der klassischen CT zu ermöglichen, sind aus dem Stand der Technik Laminographie-Verfahren bekannt:
    • Bei der rotatorischen Laminographie wird das flache Objekt einmal komplett um eine Achse gedreht, welche senkrecht auf der Objektfläche steht, und welche relativ zur optischen Achse geneigt ist (entweder durch tatsächliche Kippung der Rotationsachse oder durch Kippung des Detektors). Dadurch kann gegenüber der klassischen CT ein kleinerer FOD und somit eine höhere Vergrößerung erreicht werden. Allerdings ist der dadurch entstehende Datensatz nicht komplett und es kommt zu Artefakten (sogenannte Hütchen) im rekonstruierten Volumen, welche in der Tiefe zu einer schlechteren Auflösung als in lateraler Richtung führen. Je größer der Laminographie-Winkel ist, desto besser ist die Tiefenauflösung. Gegenüber der klassischen CT werden für ein gutes Sampling weniger Projektionen (Aufnahmen) benötigt, so dass eine geringere Dosis und mehr Durchsatz möglich ist.
  • Weitere Laminographieverfahren sind die zirkuläre/elliptische Laminographie, die translatorische Laminographie, die Swing-Laminographie und die lineare Laminographie.
  • Aus dem Stand der Technik ist es ebenfalls bekannt, ein CT-Verfahren mit veränderlicher Vergrößerung zur Prüfung von Komposit-Materialien durchzuführen. In diesem Fall kann die bei der klassischen CT zu geringe Vergrößerung dadurch kompensiert werden, dass bei den Durchstrahlungswinkeln, bei welchen es zu einer Kollision zwischen Röhre und Objekt kommen würde, der FOD soweit auf Kosten der Vergrößerung vergrößert wird, dass die Kollision verhindert werden kann. Somit kommt es während des Scans je nach Projektion zu unterschiedlichen Vergrößerungen, was dann in der Rekonstruktion des Volumens aus diesen Projektionen beachtet werden muss. Im Gegensatz zur Laminographie wird hier der gesamte Fourier-Raum gesamplet, so dass die typischen Hütchen-Artefakte verhindert werden können. Die Änderung des FOD erfolgt in diesem Fall entlang einer Sinuskurve, welche durch die maximalen Ausmessungen des Objekts definiert ist und es werden in gleichmäßigen Winkelinkrementen Projektionen aufgenommen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem sowohl eine hohe Auflösung, vergleichbar der 2D-Prüfung, erreicht werden kann als auch gleichzeitig Informationen über die Position der einzelnen Komponenten des Objekts in der Tiefe gewonnen werden kann, vergleichbar der klassischen CT, und darüber hinaus aber der Durchsatz gegenüber der klassischen CT erhöht und die Dosisbelastung verringert werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß sowohl durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 als auch des Patentanspruchs 4 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben, insbesondere handelt es sich bei dem Objekt um ein Elektronikbauteil, wie beispielsweise eine Leiterplatine.
  • Gemäß Patentanspruch 1 wird die Aufgabe durch eine Kombination von Merkmalen gelöst, zu denen unter anderem gehört, dass der Abstand zwischen der Röhre und der Rotationsachse so geändert wird, dass bei einer Rotation des Objekts um die Rotationsachse das Objekt unter jedem Drehwinkel einen möglichst geringen Abstand zur Röhre hat, wobei der Abstand einen festlegbaren Minimalabstand nicht unterschreitet. Dies entspricht der oben beschriebenen Methode mit veränderlicher Vergrößerung, die aus dem Stand der Technik zur Prüfung von Komposit-Materialien bekannt ist. Dadurch wird gegenüber der klassischen CT die Vergößerung verbessert. Durch das weitere Merkmal, dass die Durchleuchtungsbilder unter vorgebbaren Drehwinkeln gemacht werden und die Winkelinkremente zwischen benachbarten vorgebbaren Drehwinkeln bei kleineren Abständen der Rotationsachse von der Röhre größer sind als bei größeren Abständen der Rotationsachse von der Röhre, wird gegenüber der Methode mit veränderlicher Vergrö-ßerung die Anzahl der Durchleuchtungsbilder und damit die für die Aufnahme der für die Rekonstruktion des Volumens benötigte Zeit verringert, was zu einem höheren Durchsatz führt, und zugleich die auf das Objekt einwirkende Dosislast verringert, wodurch die Gefahr von Schäden am Objekt verringert wird. Die Qualität der Rekonstruktion des Volumens wird durch die genannte Verteilung der Winkelinkremente gegenüber einem vollständigen Sampling nicht signifikant verringert. Die Geometrie und Bewegungsmöglichkeit der einzelnen Abbildungskomponenten der Röntgenanlage entspricht der klassischen CT. Das Volumen ist bei Erstellung eines jeden Durchleuchtungsbild auf der Rotationsachse angeordnet.
  • Die alternative Lösung der Aufgabe durch Patentanspruch 4 ist im Wesentlichen die kinematische Umkehr zu Patentanspruch 1. Anstatt der Bewegung des Objekts mittels eines Manipulators bei feststehender Röhre und Detektor, werden bei feststehendem Objekt das Abbildungssystem aus Röhre und Detektor bewegt. Dabei ändern sich die relative Position und Ausrichtung der Röhre zum Detektor nicht. Das Abbildungssystem wird um eine Drehachse gedreht, die senkrecht auf der X-Achse - die durch den Vektor vom Fokus der Röhre durch das zu untersuchende Volumen gebildet wird - steht und parallel zur Z-Achse - die senkrecht auf einen durch die Dicke des Objekts gebildeten Vektor steht - verläuft. Dazu ist das Abbildungssystem parallel zur X-Achse verschiebbar. Wie die Rotationsachse in der ersten alternativen Lösung, erstreckt sich auch die Drehachse bei jeder Erzeugung eines Durchleuchtungsbildes durch das Volumen.
  • Bei der ersten alternativen Lösung ist als weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Objekt vor Beginn des Verfahrens so an dem Manipulator festgelegt wird, dass die daraus entstehende effektive Rotationsachse im Volumen liegt. Dadurch kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einer sehr einfachen Trajektorie des Manipulators durchgeführt werden, der nur translatorisch entlang der X-Achse und rotatorisch um seine Rotationsachse bewegt werden muss.
  • Eine hierzu alternative vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Volumen für jedes Winkelinkrement mittels einer Bewegung des Manipulators entlang der X-Achse und/oder der Y-Achse so positioniert wird, dass es sich immer an derselben Stelle befindet. Dadurch muss der Manipulator auf einer komplizierteren Trajektorie bewegt werden, bei der translatorische Bewegungen entlang der X-Achse und parallel zur Y-Achse und eine rotatorische Bewegung um seine Rotationsachse erfolgen müssen, um den gleichen Effekt wie bei der vorbeschriebenen Ausführungsform zu erzielen. Dies entspricht einer Bewegung des Objekts um eine virtuelle Rotationsachse.
  • Bei der zweiten alternativen Lösung ist hingegen nur eine der im voranstehenden Absatz erläuterte Bewegung vorteilhaft. Hierbei wird das Volumen für jedes Winkelinkrement mittels einer Bewegung des Abbildungssystems entlang der X-Achse so positioniert wird, dass die daraus entstehende effektive Drehachse im Volumen, insbesondere in dessen Zentrum, liegt. Dies entspricht einer Bewegung des Abbildungssystems um eine virtuelle Rotationsachse.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der zweiten alternativen Lösung sieht vor, dass die Röhre und der Detektor an einem Gestell festgelegt sind, das um eine parallel zur Z-Achse ausgerichteten Achse drehbar und entlang der X-Achse verschiebbar ist. Ein vergleichbarer Aufbau ist aus der Medizintechnik bekannt, wo das Abbildungssystem bei CT-Verfahren meist an einer Gantry angebracht ist.
  • Die im Folgenden genannten vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung beziehen sich auf beide alternativen Lösungen.
  • Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Zentralstrahl des Röntgenstrahls auf der X-Achse liegt und den Detektor in einer zentralen Position senkrecht trifft. Dadurch kann das zu untersuchende Volumen optimal ausgeleuchtet werden, ohne dass Informationen auf der Seite verloren gehen würden, auf der die Fläche des Detektors bezogen auf den Zentralstrahl geringer ist.
  • Eine alternative vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zu der im vorstehenden Absatz genannten Weiterbildung sieht vor, dass die X-Achse den Detektor nicht zentral trifft. Damit kann auch ein sogenannter Half-Beam-Scan durchgeführt werden, bei dem das Volumen fast am Rand des Detektors abgebildet wird - sich die Rotationsachse beziehungsweise die Drehachse somit fast auf einem Randstrahl des Röntgenstrahls befindet. Außerdem kann eine größtmögliche ROI bei vorgegebener Vergrößerung rekonstruiert werden.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Verhältnis zwischen dem maximalen und minimalen Winkelinkrement dem Verhältnis der Objektbreite zur Objekttiefe, insbesondere bei einem Objekt mit im Wesentlichen rechteckiger Fläche dem Verhältnis der längeren Kante zur kürzeren Kante der Fläche, entspricht. Als Referenz für das minimale Winkelinkrement kann dabei das Winkelinkrement verwendet werden, welches ein erfahrener Fachmann für einen regulären Scan, also einer vollen Drehung des Objekts, einstellen würde.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Winkelinkremente anhand der Abstände der Rotationsachse beziehungsweise der Drehachse von der Röhre geändert werden. Bevorzugt ist hierbei, dass sie invers zu den Abständen der Rotationsachse beziehungsweise der Drehachse zur Röhre geändert werden. Der Zusammenhang zwischen Winkelinkrement und Abstand könnte zum Beispiel linear oder exponentiell gewählt werden. Es ist auch möglich, die Winkelinkremente über eine Cosinusfunktion entlang der vom Nutzer definierten langen und kurzen Seite des Objekts zu verteilen. Bevorzugt liegt die effektive Rotationsachse im Zentrum des Volumens. Dadurch wird eine möglichst gute Ausleuchtung des Volumens erreicht und die Rekonstruktion des Volumens hat die bestmögliche Qualität.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Abstand zwischen dem Objekt und der Röhre für jedes Winkelinkrement zwischen 0,1 und 20 mm, bevorzugt 1 mm, beträgt. Dadurch wird gewährleistet, dass das Objekt einen geringen „Sicherheitsabstand“ zur Röhre aufweist und die Röhre keinesfalls durch das Objekt bei dessen Rotation beschädigt werden kann. Gleichzeitig wird aufgrund des sehr geringen „Sicherheitsabstands“ die Vergrößerung nicht signifikant gegenüber der größtmöglichen Vergrößerung (was einem Abstand von 0 mm entspräche) verringert.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass ein vorgebbarer Mindestabstand zwischen Röhre und Rotationsachse/Drehachse nicht unterschritten wird. Damit kann sichergestellt werden, dass das Volumen über den ganzen Scan hinweg vollständig abgebildet wird, auch wenn bei der theoretisch größtmöglichen Vergrößerung aufgrund des kleinstmöglichen Abstands zwischen Röhre und Objekt der Detektor nicht ausreichen würde, um das ganze Volumen zu erfassen. Dieser Mindestabstand wird dann so vorgegeben, dass auch beim kleinstmöglichen Abstand zwischen Röhre und Volumen der Detektor das Durchleuchtungsbild des Volumens vollständig auf dem Detektor liegt.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Minimalabstand mindestens so groß gewählt wird, dass das Volumen immer vollständig ausgeleuchtet ist. Somit wird bei jeder Projektion das gesamte Volumen abgebildet und es wird sichergestellt, dass unter jedem Durchstrahlungswinkel Bilddaten für jedes Volumenelement - auch als Voxel bezeichnet - entstehen und das gesamte Volumen so möglichst vollständig gesampelt wird.
  • Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Wahl des Minimalabstands und/oder des Mindestabstands vor Beginn der Rotation festgelegt wird, wodurch mindestens das beim Minimalabstand/Mindestabstand abgebildete Volumen über alle Projektionen hinweg vollständig abgebildet wird.
  • Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nun anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbesipiels, bei dem die Ausrichtung der Abbildungskomponenten für konkrete, äquidistante Drehwinkel gezeigt ist;
    • 2 - 4 erläuternde Darstellungen, wie die unterschiedlichen Winkelinkremente motiviert sind;
    • 5 Gegenüberstellung des FOD in Abhängigkeit vom Drehwinkel bei einer bekannten CT mit variabler Vergrößerung und einem erfindungsgemäßen Verfahren.
  • In 1 ist schematisch eine Röntgenanlage zu sehen, bei der ein zu untersuchendes Objekt 2 in sechs verschiedenen Positionen gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt ist. Die Röntgenanlage weist eine Röhre mit einem Fokus auf, die einheitlich mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet werden, da es - wie oben schon ausgeführt - für die Abbildungseigenschaften bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und der nachfolgenden Rekonstruktion eines untersuchten Volumens 5 (wird auch bezeichnet als ROI = Region of Interest) des Objekts 2 nicht auf eine Unterscheidung dieser beiden ankommt.
  • Die Röntgenanlage, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird, ist aus dem Stand der Technik bekannt, so dass hier nur auf die für die Erfindung einschlägigen Bestandteile und deren Funktion eingegangen wird.
  • Vom Fokus 1 geht ein Röntgenstrahl 10 in der Form eines Fächer- oder Kegelstrahls aus, der einen in einem festen Abstand zum Fokus angeordneten Detektor 3 trifft. Dieser feste Abstand wird als FDD bezeichnet. Der Detektor 3 wird von einem Zentralstrahl 11 des Fächer- oder Kegelstrahls 10 senkrecht getroffen. Ob ein Fächstrahl 10 oder ein Kegelstrahl 10 verwendet wird, hängt davon ab, ob Informationen nur in einer Dimension oder in zwei Dimensionen erhalten werden sollen. Der Detektor 3 ist dabei auf die Art des Röntgenstrahls abgestimmt: Bei einem Fächerstrahl 10 wird ein Zeilendetektor verwendet und bei einem Kegelstrahl 10 ein Flächendetektor.
  • Der Fokus 1 bildet den Urspung eines kartesischen Koordinatensystems, wobei die X-Achse dem Zentralstrahl 11 entspricht (also sich in 1 horizontal erstreckt), die Y-Achse sich in 1 vertikal nach oben erstreckt und die Z-Achse senkrecht auf der Blattebene steht und aus dieser heraus nach oben weist.
  • Das zu untersuchende Objekt 2 ist an einem Manipulator (nicht dargestellt) festgelegt. Der Manipulator kann sich entlang der X-Achse translatorisch bewegen und um eine parallel zur Z-Achse ausgerichtete Rotationsachse 4 rotieren. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist es nicht nötig, dass sich der Manipulator auch parallel zur Y-Achse translatorisch bewegen lässt, da das Objekt 2 so am Manipulator festsgelegt ist, dass sein zu untersuchendes Volumen um die Rotationsachse 4 des Manipulators angeordnet ist. Um das Volumen 5 bei der Erstellung jedes einzelnen Durchleuchtungsbildes während der Durchführung des gesamten erfindungsgemäßen Verfahrens um den Zentrahlstrahl 11 herum zu platzieren, muss die Rotationsachse 4 dementsprechend nicht in Y-Richtung verschoben werden.
  • Da es sich bei dem Objekt 2 - wie oben ausgeführt - um ein flaches Gebilde handelt (das Objekt erstreckt sich in zwei Dimensionen um ein Vielfaches weiter als in seiner dritten Dimension), kann der Abstand zwischen Fokus 1 und Objekt 2 auf der X-Achse (also dem zu untersuchenden Volumen) in Abhängigkeit vom Drehwinkel Θ der Rotationsachse 4 (dies ist der Winkel zwischen der Erstreckung des Objekts 2 in seiner Fläche parallel zur XY-Ebene und der X-Achse) variiert werden. Dies folgt daraus, dass sich bei der Drehung des Objekts 2 um die Rotationsachse 4 keine Kollision mit der Röhre 1 ergeben darf und aufgrund der geringen Ausdehnung in Richtung seiner Tiefe das Objekt 4 im Bereich des Drehwinkels Θ = 90° näher an den Fokus 1 herangebracht werden kann als im Bereich des Drehwinkels Θ = 0°. Der variable Abstand zwischen Fokus 1 und Drehachse 4 des Objekts 2 wird als FOD bezeichnet. Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass die Vergrößerung (FDD / FOD) des Volumens 5 bei jedem einzelnen Drehwinkel Θ möglichst groß ist. In 1 ist daraus resultierend exemplarisch für sechs Drehwinkel von Θ = 90° bis Θ = 0° bei konstanten Winkelinkrementen von 18° die Variation des FOD gezeigt.
  • Dieses im Stand der Technik als CT-Verfahren mit variabler Vergrößerung, bei dem konstante Winkelinkremente zwischen der Erstellung aufeinanderfolgender Durchleuchtungsbilder verwendet werden (siehe linker Teil der 5), bezeichnete Verfahren wird durch das erfindungsgemäße Verfahren modifiziert. Um die Idee, die hinter der erfindungsgemäßen Modifikation steht, besser zu verstehen, sind die 2-4 gedacht.
  • In diesen Figuren wird beispielhaft ein Voxel 6 - also ein Volumenelement - des Volumens 5 deutlich außerhalb der Rotationsachse 4 dargestellt, damit die zugrundeliegenden geometrischen Zusammenhänge besser erkennbar sind.
  • In 2 ist die Situation bei der Erstellung von zwei aufeinanderfolgenden Durchleuchtungsbildern eines Voxels 6 desselben Volumens 5 bei einer Drehung um ein Winkelinkrement dr° um die Rotationsachse 4 gezeigt. Der Drehwinkel θ liegt im Bereich von 90°, entsprechend der Darstellung im linken oberen Bild der 1. Die Struktur des Detektors 3 ist näher gezeigt, so dass seine Detektorelemente 30 zu erkennen sind. Die Position der Projektion des Voxels 6 in den beiden dargestellten Positionen auf dem Detektor 3 ändert sich kaum, insbesondere liegen die beiden Projektionen in demselben Detektorelement 30.
  • In 3 ist im Gegensatz zu 2 eine Situation dargestellt, wie sie sich bei der Erstellung von zwei aufeinanderfolgenden Durchleuchtungsbildern um ein gleichgroßes Winkelinkrement dr° wie in 2 um die Rotationsachse 4 ergibt. Der Drehwinkel θ liegt hier jedoch im Bereich von 0°, entsprechend der Darstellung im rechten unteren Bild der 1. Trotz identischer absoluter Änderung des Drehwinkels Θ aufgrund des gleichen Winkelinkrements dr° wie in 2, liegt ein viel grö-ßerer Effekt auf die Projektion des Voxels 6 vor; die Projektionen liegen hier nicht auf demselben Detektorelement 30, sondern mehrere Detektorelemente 30a, 30b auseinander.
  • Um in dem in 3 gezeigten Drehwinkelbereich eine gleichartige Abtastung wie in dem in 2 gezeigten Drehwinkelbereich zu erreichen, müsste im in 3 dargestellten Fall (Bereich um Θ = 0) ein kleineres Winkelinkrement dr° verwendet werden. Dies ist in 4 dargestellt. Bei der klassischen CT orientiert sich die Auswahl der Winkelinkremente dr° immer an dem Fall gemäß 3, da unter jedem Drehwinkel Θ Teile des Volumens 5 in diesem vorderen Bereich liegen. Bei flachen Objekten 2, wie beispielsweise Leiterplatinen, - dasselbe gilt auch ganz allgemein für nicht runde Objekte 2 - können daher umgekehrt Projektionen und somit Zeit und Dosis für die Erstellung von Durchleuchtungsbildern eingespart werden, wenn sich das Objekt 2 in dem in 2 gezeigten Bereich des Drehwinkels Θ (also bei 90°) befindet.
  • Damit können erfindungsgemäß die Winkelinkremente dr° im Bereich des Drehwinkels Θ von 90° und 270° signifikant größer gewählt werden als im Bereich des Drehwinkels Θ von 0° und 180°. Dies ist in 5 dargestellt. Im linken Teil ist der FOD in Abhängigkeit vom Drehwinkel Θ für das aus dem Stand der Technik bekannte und oben schon beschriebene CT-Verfahren mit variabler Vergrößerung für ein Objekt 2 gemäß der Definition im Rahmen dieser Anmeldung (Erstreckung in zwei Dimensionen um ein Vielfaches weiter als in der dritten Dimension) wiedergegeben. Im rechten Teil der 5 ist dagegen das Entsprechende für ein erfindungsgemäßes Verfahren für dasselbe Objekt 2 dargestellt. Jeder Punkt in den Abbildungen entspricht einer Position, in der die Erzeugung eines Durchleuchtungsbildes erfolgt. Es ist gut zu erkennen, dass beim erfindungsgemäßen Verfahren zwar für Drehwinkel Θ, die in den Bereichen um 0° und 180° liegen, annähernd gleiche Winkelinkremente dr° wie im rechten Teil verwendet werden, jedoch in den anderen Winkelbereichen, insbesondere für Drehwinkel Θ, die in den Bereichen um 90° und 270° liegen, die Winkelinkremente dr° beim erfindungsgemäßen Verfahren signifikant größer als im Stand der Technik sind. Dies führt dazu, dass bedeutend weniger Durchleuchtungsbilder gemacht werden müssen, um eine Rekonstruktion des Volumens 5 des Objekts zu ermöglichen. Dadurch wird zum einen Zeit eingespart, da weniger Positionen angefahren werden müssen, in denen Durchleuchtungsbilder erzeugt werden müssen (und die Zeit für die Erstellung derselben ebenfalls entfällt), und auch weniger Dosisbelastung auf das Volumen 5 auftrifft, so dass die Gefahr von Beschädigungen des Objekts 2 verringert wird. Die Qualität der Rekonstruktion des Volumens 5 leidet gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hingegen kaum.
  • Für das in 5 dargestellte erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel wurden die Durchleuchtungsbilder unter folgenden Winkelinkrementen dr° ausgehend vom Drehwinkel Θ = 0° (jeweils unter Weglassen der Maßangabe °) erstellt: 0.701000, 0.701000, 0.700000, 0.701000, 0.700000, 0.700000, 0.700000, 0.700000, 0.699000, 0.698000, 0.698000, 0.697000, 0.697000, 0.696000, 0.695000, 0.695000, 0.693000, 0.693000, 0.692000, 0.690000, 0.690000, 0.688000, 0.687000, 0.685000, 0.685000, 0.683000, 0.681000, 0.680000, 0.679000, 0.677000, 0.675000, 0.673000, 0.672000, 0.670000, 0.668000, 0.666000, 0.664000, 0.662000, 0.660000, 0.658000, 0.655000, 0.654000, 0.651000, 0.648000, 0.647000, 0.644000, 0.641000, 0.639000, 0.636000, 0.634000, 0.631000, 0.628000, 0.626000, 0.623000, 0.620000, 0.617000, 0.614000, 0.611000, 0.608000, 0.605000, 0.602000, 0.599000, 0.596000, 0.592000, 0.589000, 0.586000, 0.583000, 0.579000, 0.576000, 0.572000, 0.569000, 0.566000, 0.562000, 0.558000, 0.555000, 0.551000, 0.548000, 0.544000, 0.540000, 0.537000, 0.532000, 0.529000, 0.525000, 0.522000, 0.517000, 0.514000, 0.509000, 0.506000, 0.502000, 0.498000, 0.493000, 0.490000, 0.486000, 0.482000, 0.478000, 0.473000, 0.470000, 0.466000, 0.461000, 0.457000, 0.453000, 0.449000, 0.445000, 0.441000, 0.437000, 0.432000, 0.428000, 0.424000, 0.420000, 0.416000, 0.411000, 0.408000, 0.403000, 0.398000, 0.395000, 0.391000, 0.386000, 0.382000, 0.378000, 0.374000, 0.369000, 0.365000, 0.362000, 0.357000, 0.353000, 0.348000, 0.345000, 0.341000, 0.336000, 0.332000, 0.328000, 0.325000, 0.320000, 0.316000, 0.312000, 0.308000, 0.304000, 0.300000, 0.296000, 0.292000, 0.289000, 0.284000, 0.281000, 0.276000, 0.273000, 0.269000, 0.266000, 0.261000, 0.258000, 0.254000, 0.251000, 0.247000, 0.243000, 0.240000, 0.236000, 0.233000, 0.230000, 0.225000, 0.223000, 0.219000, 0.216000, 0.212000, 0.209000, 0.206000, 0.203000, 0.200000, 0.197000, 0.193000, 0.191000, 0.187000, 0.185000, 0.181000, 0.179000, 0.176000, 0.174000, 0.170000, 0.168000, 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0.338000, 0.335000, 0.330000, 0.326000, 0.322000, 0.318000, 0.314000, 0.310000, 0.306000, 0.302000, 0.299000, 0.294000, 0.290000, 0.286000, 0.283000, 0.278000, 0.275000, 0.271000, 0.267000, 0.264000, 0.260000, 0.256000, 0.252000, 0.249000, 0.245000, 0.242000, 0.238000, 0.234000, 0.231000, 0.228000, 0.224000, 0.221000, 0.217000, 0.214000, 0.211000, 0.208000, 0.204000, 0.202000, 0.198000, 0.195000, 0.192000, 0.189000, 0.186000, 0.183000, 0.180000, 0.178000, 0.174000, 0.172000, 0.169000, 0.167000, 0.164000, 0.161000, 0.159000, 0.156000, 0.154000, 0.152000, 0.149000, 0.147000, 0.145000, 0.142000, 0.141000, 0.138000, 0.136000, 0.135000, 0.132000, 0.131000, 0.129000, 0.127000, 0.125000, 0.123000, 0.123000, 0.120000, 0.119000, 0.118000, 0.116000, 0.115000, 0.113000, 0.112000, 0.112000, 0.110000, 0.109000, 0.108000, 0.107000, 0.106000, 0.106000, 0.104000, 0.104000, 0.104000, 0.102000, 0.103000, 0.101000, 0.102000, 0.101000, 0.101000, 0.100000, 0.100000, 0.100000, 0.101000, 0.100000, 0.100000, 0.100000, 0.101000, 0.100000, 0.101000, 0.102000, 0.101000, 0.103000, 0.102000, 0.104000, 0.104000, 0.104000, 0.106000, 0.106000, 0.107000, 0.108000, 0.109000, 0.110000, 0.112000, 0.112000, 0.114000, 0.114000, 0.117000, 0.117000, 0.119000, 0.121000, 0.122000, 0.123000, 0.126000, 0.127000, 0.128000, 0.131000, 0.132000, 0.135000, 0.136000, 0.138000, 0.141000, 0.142000, 0.145000, 0.147000, 0.149000, 0.152000, 0.154000, 0.156000, 0.159000, 0.161000, 0.164000, 0.167000, 0.169000, 0.172000, 0.175000, 0.177000, 0.180000, 0.183000, 0.186000, 0.189000, 0.192000, 0.195000, 0.199000, 0.201000, 0.204000, 0.208000, 0.211000, 0.214000, 0.217000, 0.221000, 0.224000, 0.228000, 0.231000, 0.234000, 0.238000, 0.242000, 0.245000, 0.249000, 0.252000, 0.256000, 0.260000, 0.264000, 0.267000, 0.271000, 0.275000, 0.278000, 0.283000, 0.286000, 0.290000, 0.295000, 0.298000, 0.302000, 0.306000, 0.310000, 0.314000, 0.318000, 0.322000, 0.326000, 0.331000, 0.334000, 0.338000, 0.343000, 0.347000, 0.350000, 0.355000, 0.360000, 0.363000, 0.367000, 0.372000, 0.376000, 0.380000, 0.384000, 0.388000, 0.393000, 0.397000, 0.401000, 0.405000, 0.409000, 0.414000, 0.417000, 0.422000, 0.427000, 0.430000, 0.434000, 0.439000, 0.443000, 0.447000, 0.451000, 0.455000, 0.459000, 0.464000, 0.467000, 0.472000, 0.476000, 0.480000, 0.483000, 0.488000, 0.492000, 0.496000, 0.500000, 0.504000, 0.507000, 0.512000, 0.515000, 0.520000, 0.523000, 0.527000, 0.531000, 0.534000, 0.539000, 0.542000, 0.546000, 0.549000, 0.553000, 0.557000, 0.560000, 0.563000, 0.568000, 0.570000, 0.575000, 0.577000, 0.581000, 0.584000, 0.588000, 0.591000, 0.594000, 0.597000, 0.601000, 0.603000, 0.607000, 0.609000, 0.613000, 0.616000, 0.618000, 0.621000, 0.625000, 0.627000, 0.629000, 0.633000, 0.635000, 0.637000, 0.640000, 0.643000, 0.645000, 0.648000, 0.650000, 0.652000, 0.654000, 0.657000, 0.659000, 0.661000, 0.663000, 0.665000, 0.667000, 0.669000, 0.671000, 0.672000, 0.675000, 0.676000, 0.677000, 0.680000, 0.680000, 0.683000, 0.683000, 0.685000, 0.687000, 0.687000, 0.689000, 0.690000, 0.691000, 0.692000, 0.693000, 0.694000, 0.695000, 0.696000, 0.696000, 0.697000, 0.698000, 0.698000, 0.699000, 0.699000, 0.700000, 0.700000, 0.700000, 0.701000, 0.700000, 0.701000; hingegen wurde bei dem im linken Teil der 5 dargestellten Verfahren ein konstantes Winkelinkrement von 0.8° verwendet.
  • Für den Fachmann versteht es sich von selbst, dass die oben beschriebene Bewegung des Objekts 2 und der Rotationsachse 4 bei feststehender Röhre 1 und feststehendem Detektor 3 mit demselben Ergebnis durch eine kinematische Umkehr erreicht werden kann. Hierbei steht das Objekt 2 fest und das Abbildungssystem aus Röhre 1 und Detektor 3 bewegen sich entsprechend um das Objekt 2, wie dies als alternative Lösung in der allgemeinen Beschreibung der Erfindung und in den Patentansprüchen 4 bis 6 beschrieben ist. Nähere Ausführungen zu einem entsprechenden Ausführungsbeispiel benötigt der Fachmann nicht, da er solche Ausgestaltungen aus der Medizintechnik bei CT-Systemen kennt, wobei hierbei aber eine Modifikation dahingehend erfolgt, dass die Drehung eines dort als Gantry bezeichneten Gestells bei der vorliegenden Erfindung nicht um eine immer gleiche Drehachse erfolgt, sondern um eine virtuelle Drehachse, die sich entsprechend der obigen Ausführungen und den Angaben in den Patentansprüchen 4 und 6 bewegt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    (Röntgen-)Röhre/Fokus
    2
    Objekt
    3
    (Röntgen-)Detektor
    4
    Rotationsachse
    5
    Volumen
    6
    Voxel
    10
    Röntgenstrahl (Fächer- oder Kegelstrahl)
    11
    Zentralstrahl
    30
    Detektorelement
    30a
    Detektorelement
    30b
    Detektorelement
    30'
    Detektorelement
    30"
    Detektorelement
    Θ
    Drehwinkel
    dr°
    Winkelinkrement

Claims (15)

  1. Verfahren zur Erzeugung von Durchleuchtungsbildern für die Rekonstruktion eines Volumens (5) in einem flachen Objekt (2) mittels einer Röntgenanlage, die drei Abbildungskomponenten aufweist, nämlich eine Röhre (1), einen Detektor (3) und einen dazwischen befindlichen Manipulator, an dem das Objekt (2) festgelegt ist, wobei sich das Objekt (2) in zwei Dimensionen - Fläche genannt - um ein Vielfaches weiter erstreckt als in seiner dritten Dimension - Dicke genannt -, wobei die Röhre (1) einen Fokus (2) aufweist, der in einer zentralen Position der Röhre (1) den Koordinatenursprung eines kartesischen Koordinatensystems bildet, und die einen Röntgenstrahl (10) emittiert, wobei der Vektor von der Röhre 1 durch das Volumen 5 die X-Achse des Koordinatensystems bildet und die Z-Achse senkrecht auf einem durch die Dicke gebildeten Vektor steht, wobei der Manipulator um eine Rotationsachse (4) gedreht wird, die senkrecht auf der X-Achse steht, parallel zur Z-Achse verläuft und parallel zur X-Achse verschiebbar ist, wobei sich die Rotationsachse (4) bei jeder Erzeugung eines Durchleuchtungsbildes durch das Volumen (5) erstreckt, wobei der Abstand zwischen der Röhre (1) und der Rotationsachse (4) so geändert wird, dass bei einer Rotation des Objekts (2) um die Rotationsachse (4) das Objekt (2) unter jedem Drehwinkel (Θ) einen möglichst geringen Abstand zur Röhre (1) hat, wobei der Abstand einen festlegbaren Minimalabstand nicht unterschreitet, wobei Durchleuchtungsbilder unter vorgebbaren Drehwinkeln (Θ) gemacht werden und die Winkelinkremente (dr°) zwischen benachbarten vorgebbaren Drehwinkeln (Θ) bei kleineren Abständen der Rotationsachse (4) von der Röhre (1) größer sind als bei größeren Abständen der Rotationsachse (4) von der Röhre (1).
  2. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei das Objekt (2) vor Beginn des Verfahrens so an dem Manipulator festgelegt wird, dass das Volumen (5) auf der Rotationsachse (4) des Manipulators liegt.
  3. Verfahren nach Patentanspruch 1, wobei das Volumen für jedes Winkelinkrement (dr°) mittels einer Bewegung des Manipulators entlang der X-Achse und/oder der Y-Achse so positioniert wird, dass die daraus entstehende effektive Rotationsachse (4) im Volumen (5), insbesondere in dessen Zentrum, liegt.
  4. Verfahren zur Erzeugung von Durchleuchtungsbildern für die Rekonstruktion eines Volumens (5) in einem flachen Objekt (2) mittels einer Röntgenanlage, die drei Abbildungskomponenten aufweist, nämlich eine Röhre (1), einen Detektor (3) und einen dazwischen befindlichen Objekthalter, an dem das Objekt (2) festgelegt ist, wobei sich das Objekt (2) in zwei Dimensionen - Fläche genannt - um ein Vielfaches weiter erstreckt als in seiner dritten Dimension - Dicke genannt -, wobei die Röhre (1) einen Fokus (2) aufweist, der in einer zentralen Position der Röhre (1) den Koordinatenursprung eines kartesischen Koordinatensystems bildet, und die einen Röntgenstrahl (10) emittiert, wobei der Vektor von der Röhre 1 durch das Volumen 5 die X-Achse des Koordinatensystems bildet und die Z-Achse senkrecht auf einem durch die Dicke gebildeten Vektor steht, wobei die relative Position und Ausrichtung von Röhre (1) und Detektor (3) zueinander immer gleich bleiben und die Kombination aus Röhre (1) und Detektor (3) als Abbildungssystem bezeichnet wird, wobei das Abbildungssystem um eine Drehachse gedreht wird, die senkrecht auf der X-Achse steht, parallel zur Z-Achse verläuft und parallel zur X-Achse verschiebbar ist, wobei sich die Drehachse bei jeder Erzeugung eines Durchleuchtungsbildes durch das Volumen (5) erstreckt, wobei der Abstand zwischen der Röhre (1) und der Drehachse so geändert wird, dass bei einer Drehung des Abbildungssystems um die Drehachse das Objekt (2) unter jedem Drehwinkel (Θ) einen möglichst geringen Abstand zur Röhre (1) hat, wobei der Abstand einen festlegbaren Minimalabstand nicht unterschreitet, wobei Durchleuchtungsbilder unter vorgebbaren Drehwinkeln (Θ) gemacht werden und die Winkelinkremente (dr°) zwischen benachbarten vorgebbaren Drehwinkeln (Θ) bei kleineren Abständen der Drehachse von der Röhre (1) größer sind als bei größeren Abständen der Drehachse von der Röhre (1).
  5. Verfahren nach Patentanspruch 4, wobei die Röhre (1) und der Detektor (3) an einem Gestell festgelegt sind, das um eine parallel zur Z-Achse ausgerichtete Achse drehbar und entlang der X-Achse verschiebbar ist.
  6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 4 oder 5, wobei das Volumen für jedes Winkelinkrement (dr°) mittels einer Bewegung des Abbildungssystems entlang der X-Achse so positioniert wird, dass die daraus entstehende effektive Drehachse im Volumen (5), insbesondere in dessen Zentrum, liegt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Zentralstrahl (11) des Röntgenstrahls (10) auf der X-Achse liegt und den Detektor (3) in einer zentralen Position senkrecht trifft.
  8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, wobei die X-Achse den Detektor (3) nicht zentral trifft.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Verhältnis zwischen dem maximalen und minimalen Winkelinkrement (dr°) dem Verhältnis der Objektbreite zur Objekttiefe, insbesondere bei einem Objekt (2) mit im Wesentlichen rechteckiger Fläche dem Verhältnis der längeren Kante zur kürzeren Kante der Fläche, entspricht
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Winkelinkremente (dr°) invers zu den Abständen der Rotationsachse (4) beziehungsweise der Drehachse von der Röhre (1) geändert werden.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Abstand zwischen dem Objekt (2) und der Röhre (1) für jedes Winkelinkrement (dr°) zwischen 0,1 und 20 mm, bevorzugt 1 mm, beträgt.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei ein vorgebbarer Mindestabstand zwischen Röhre (1) und Rotationsachse (4) beziehungsweise zwischen Röhre (1) und Drehachse nicht unterschritten wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Minimalabstand mindestens so groß gewählt wird, dass das Volumen (5) immer vollständig ausgeleuchtet ist.
  14. Verfahren nach Patentanspruch 11, wobei die Wahl des Minimalabstands und/oder des Mindestabstands vor Beginn der Rotation festgelegt wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Objekt (2) ein Elektronikbauteil, insbesondere eine Leiterplatine, ist.
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