DE19623271C2 - Verfahren zur dreidimensionalen Computertomographie - Google Patents
Verfahren zur dreidimensionalen ComputertomographieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur
dreidimensionalen Computertomographie, bei welchem ein
zu untersuchender Körper durchstrahlt wird und die aus
dem durchstrahlten Körper austretenden Strahlen
empfangen und ausgewertet werden, wobei bei der
Auswertung der aus dem durchstrahlten Körper
austretenden Strahlen eine Kantenrekonstruktion
vorgenommen wird.
Die Erfindung ist anwendbar insbesondere in der
Materialdiagnostik, der Werkstoffsuntersuchung, der
Medizintechnik sowie in der medizinischen Diagnostik
und bei Prozeßsteuerungen insbesondere bei Anwendungen
im Bereich der Qualitätskontrolle. Ein bevorzugtes
Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Lokalisierung
von Rissen, Brüchen und Materialfehlern in größeren
industriellen Objekten.
Es sind verschiedene Methoden der Computertomographie
mittels Röntgenstrahlen bekannt. So beschreibt die DE 41 40 631 C1
einen Computertomographen, bei welchem
eine Strahlungsquelle um den Körper umläuft, diesen
durchstrahlt und zur verbesserten Bildqualität bzw. zur
Strahlungsreduzierung bei gleichbleibender Bild
qualität, zwei Bewegungen der Quelle zwischen zwei
Positionen, in denen sie Strahlen aussendet,
überlagert.
Nachteil bei dieser Lösung ist, daß die
Strahlungsquelle um das Objekt herumlaufen muß. Dies
ist jedoch bei zum Beispiel großflächigen Objekten
nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand möglich.
Desweiteren ist dieser Ansatz wegen des damit
verbundenen Meß- und Rechenaufwandes nicht auf den
dreidimensionalen Fall übertragbar.
Weitere tomographische Verfahren, die zur
Kantenrekonstruktion dienen oder dazu benutzt werden
könnten sind bekannt aus
- - R. P. Kruger et al., The Applikation of Computed Tomography, Boundary Detection, and Shaded Graphics Reconstruction to Industrial Inspection, Materials Evaluation, April 1978, p. 75-80
- - DE 42 35 183 A1
- - T. A. Siewert et al., The Contributions of Out-of- Plane Material to a Scanned-Beam Laminography Image, Materials Evaluation, October 1994, p. 1194-1198
- - DE 44 38 988 A1
Nachteil dieser Verfahren ist, daß in allen Fällen eine
aufwendige Berechnung der Dichtefunktion des
untersuchten Körpers vorgenommen werden muß.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren zur dreidimensionalen Computertomographie zu
schaffen, welches mit einfachen Mitteln und einer
geringen Anzahl von Messungen eine kontrastreiche
Darstellung hoher Bildqualität ermöglicht und die
Untersuchung auch größerer industrieller Objekte
erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die
Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 in
Verbindung mit den Merkmalen im Oberbegriff.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen enthalten.
Das Verfahren erlaubt eine Kantenrekonstruktion ohne
eine vorherige Rekonstruktion der Dichtefunktion.
Bei dem Berechnungsverfahren werden von jeder Position
der Strahlungsquelle auf einer festgelegten Bahn alle
durch einen Punkt verlaufenden Strahlen summiert
(Berechnung des Integrals) und anschließend durch
Bilden der zweiten oder einer höheren Ableitung alle
Bereiche konstanter Intensität ausgeblendet (Berechnen
des Differenzenoperators), wodurch schließlich eine
Konturfunktion, d. h. darstellbare Grauwerte für eine
Ebene des untersuchten Körpers, gewonnen wird.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß
auch größere und sehr schwer handhabbare industrielle
Objekte untersucht werden können, da die Erfindung die
Möglichkeit einschließt, daß die Strahlungsquelle
lediglich auf einer Kreisbahn über dem Körper geführt
wird. Dabei erfolgt bei der Auswertung der aus dem
durchstrahlten Körper austretenden Strahlen keine
Dichterekonstruktion, sondern eine Kanten
rekonstruktion.
Das Verfahren benutzt nur eine Projektion von jeder
Position der Strahlungsquelle und ist dann in der Lage,
jede beliebige Fläche zu rekonstruieren. Es können also
nach einer Messung waagerechte, senkrechte und schräg
im Raum liegende Ebenen rekonstruiert werden. Ebenso
können vollständige dreidimensionale Volumenrekon
struktionen erzielt werden.
Werden parallele Flächen rekonstruiert und dann diese
übereinander gelegt, so erhält man aufgrund der
Kantenrekonstruktion einen dreidimensionalen Eindruck
des Objektes. Aufgrund des kantenverstärkenden Effektes
sind dann Risse und Materialfehler leicht zu
lokalisieren.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von
Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es
zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur
Erläuterung der Funktionsweise des
Computertomographen mit einer
Strahlungsquelle auf kreisförmiger
Bahn
Fig. 2 eine schematische Darstellung zur
Erläuterung der Funktionsweise des
Computertomographen mit einer
Strahlungsquelle auf einer
spiralförmigen Bahn
Fig. 3 eine klassische Röntgenaufnahme des
Werkstückes ohne räumliche Auflösung,
wobei nicht erkennbar ist, in welchen
Ebenen sich die Einschlüsse befinden
Fig. 4 eine Konturrekonstruktion der mittleren
Ebene, wobei die vier Einschlüsse in
dieser Ebene klar erkennbar sind
Fig. 1 zeigt die Untersuchung eines zu durchstrahlenden
Körpers 2, im vorliegenden Ausführungsbeispiel eines
Werkstücks, das - aufgrund seiner Größe oder wegen
Einschränkungen an die Meßapparatur - nur von zwei
gegenüberliegenden. Seiten zugänglich ist
(Flugzeugflügel, Förderband mit fortlaufender
Produktion, Stranggießen, Gummibänder mit
Metallverstärkungen, ect.)
Ist das Werkstück nur von gegenüberliegenden Seiten
zugänglich, so kann wie in Fig. 1 dargestellt, die
Röntgenquelle dazu lediglich oberhalb und der Detektor
4 unterhalb des Objekts geführt werden.
Die Bestandteile des Untersuchungsgerätes sind:
Röntgenquelle 1, Detektor 4, elektronische Steuerung der Bewegung der Röntgenquelle 1, Rechner zur Aufnahme und Verarbeitung der Meßdaten, Bildschirm zur Visualisierung der Konturen.
Röntgenquelle 1, Detektor 4, elektronische Steuerung der Bewegung der Röntgenquelle 1, Rechner zur Aufnahme und Verarbeitung der Meßdaten, Bildschirm zur Visualisierung der Konturen.
Im einfachsten Fall ist der Detektor 4 an einer Stelle
fixiert und die Röntgenquelle 1 wird entlang einer
Kreisbahn 3 geführt. Die Röntgenquelle 1 würde an N
unterschiedlichen Positionen a1, a2 , . . . ., aN angehalten.
Von jeder dieser Positionen wird ein Kegel von
Röntgenstrahlen ausgesandt, wobei jeder abzubildende
Punkt x des Körpers 2 von einem Röntgenstrahl unter dem
Winkel θ durchstrahlt wird. Auf der gegenüberliegenden
Seite wird die Abminderung der Röntgenstrahlen auf
einem Schirm eines Detektors 4 in einer Auflösung von
M.M Meßpunkten aufgenommen.
Aus diesen Daten sollen die inneren Konturen des
Werkstücks 2 (Risse, Bereiche unterschiedlicher
Dichten) rekonstruiert werden. Diese Rekonstruktion
erfolgt gemäß der im Anspruch 1 dargestellten
Vorschrift. Diese Konturen werden dann in Ebenen, die
parallel zu der Detektorebene und parallel zu der Ebene
der Kreisbahn 3 der Röntgenquelle 1 verläuft,
dargestellt.
Die folgende Rekonstruktion wurde mit Daten von 14
Positionen der Röntgenquelle 1 und 64.64 Meßpunkten
berechnet. Das Werkstück 2 bestand aus mehreren
Schichten (Aluminium, Plexiglas), zwischen denen
metallische Scheiben, Muttern und Kabelstücke lagen.
Alle Schichten waren parallel zu dem Schirm des
Detektors 4. Das Ziel der Rekonstruktion war es, die
einzelnen Zwischenschichten getrennt zu rekonstruieren.
Die Fig. 4 zeigt die Kontur-Rekonstruktion einer
Zwischenschicht mit vier Objekten. Fig. 3 zeigt im
Vergleich dazu eine klassische Röntgenaufnahme der
Werkstücke ohne räumliche Auflösung, wobei nicht
erkennbar ist, in welchen Ebenen sich die Einschlüsse
befinden. Die Dimensionen bei diesem
Ausführungsbeispiel waren:
Dicke des Werkstücks 2 insgesamt ca. 4 cm;
Radius der Kreisbahn 3 der Röntgenquelle 1 ca. 20 cm;
Abstand Röntgenquelle 1 - Werkstück 2 ca. 30 cm;
Abstand Werkstück 2 - Schirm des Detektors 4 ca. 20 cm;
Auflösung des Detektors 4 ca. 0,5 cm.
Dicke des Werkstücks 2 insgesamt ca. 4 cm;
Radius der Kreisbahn 3 der Röntgenquelle 1 ca. 20 cm;
Abstand Röntgenquelle 1 - Werkstück 2 ca. 30 cm;
Abstand Werkstück 2 - Schirm des Detektors 4 ca. 20 cm;
Auflösung des Detektors 4 ca. 0,5 cm.
Zur Qualitätskontrolle im Produktionsprozeß wird eine
Röntgenquelle 1 auf einer Kreisbahn 3 um den zu
durchstrahlenden Körper 2 bzw. das Werkstück oder das
Objekt geführt. Aus produktionstechnischen Gründen ist
es nicht immer möglich, eine vollständige Kreisbahn 3
zu realisieren. Handelt es sich um schnell bewegte
Produkte, wie etwa Kunststoff oder Gummi beim Verlassen
von Extrudern mit hoher Geschwindigkeit, so tritt eine
Spiralbahn in Produktionsrichtung auf. Eine
Strahlenquelle 1 auf einer spiralförmigen Bahn 3 ist
auch in Fig. 2 dargestellt.
Die Bestandteile des Untersuchungsgerätes sind:
Röntgenquelle 1, Detektor 4, elektronische Steuerung der Röntgenquelle 1, Rechner zur Aufnahme und Verarbeitung der Meßdaten, Bildschirm zur Visualisierung der Konturen.
Röntgenquelle 1, Detektor 4, elektronische Steuerung der Röntgenquelle 1, Rechner zur Aufnahme und Verarbeitung der Meßdaten, Bildschirm zur Visualisierung der Konturen.
Die Röntgenquelle 1 wird an N unterschiedlichen
Positionen a1, a2, . . . aN auf einem Kreis, einem
Kreisabschnitt oder einer Spirale angehalten. Von jeder
Position wird ein Kegel von Röntgenstrahlen ausgesandt.
Auf der der Röntgenröhre 1 gegenüberliegenden Seite
wird die Abminderung der Röntgenstrahlen auf einem
Schirm eines Detektors 4 in einer Auflösung von M1 × M2
aufgenommen.
Aus diesen Daten werden die inneren Konturen des
Werkstücks 2, wie Zusammensetzung oder korrekte
Positionierung einer Armierung rekonstruiert. Diese
Rekonstruktion erfolgt gemäß der im Anspruch 1
dargestellten Vorschrift. Die Konturen werden dann in
beliebigen Ebenen durch das Objekt dargestellt.
Die folgende Rekonstruktion wurde mit Daten aus N = 400
Richtungen auf einem Kreissegment [0,π] statt [0,2π]
und M1 = M2 = 1024 Detektoren gemessen und auf 1024 ×
1024 Bildpunkten auf einer Ebene parallel zur Bewegung
der Röntgenröhre 1 dargestellt. Bei dem Verfahren fällt
auf, daß die Artefakte durch die unvollständige
Umlaufbahn und durch die nicht vollständige Bestrahlung
des gesamten Objektes wesentlich geringer sind, als bei
Verfahren, welche die Dichte selbst versuchen zu
berechnen, siehe Fig. 2.
Vergleichbare Meßanordnungen können auch bei der
Positionierung von Patienten in der Strahlentherapie
eingesetzt werden.
Claims (4)
1. Verfahren zur dreidimensionalen Computertomogra
phie, bei welchem ein zu untersuchender Körper
durchstrahlt wird und die aus dem durchstrahlten
Körper austretenden Strahlen empfangen und
ausgewertet werden,
wobei bei der Auswertung der aus dem durchstrahlten Körper austretenden Strahlen eine Kantenrekonstruktion vorgenommen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kantenfunktion IΓf(x) im Punkt x des Körpers für die Kantenrekonstruktion ohne vorherige Rekonstruktion der Dichtefunktion nach folgender Gleichung simuliert wird:
wobei
Γ die Kurve der Strahlenquelle auf einer festgelegten Bahn über dem Körper oder um den Körper herum,
a eine Position auf dieser Kurve,
g(a, θ) der Meßwert desjenigen Röntgenstrahls, der von Position a in Richtung θ abgesandt wird,
θ der Winkel zwischen x und a, gegeben durch
und
D ein Differenzenoperator ist, der eine dreidimensionale zweite oder höhere Ableitung approximiert.
wobei bei der Auswertung der aus dem durchstrahlten Körper austretenden Strahlen eine Kantenrekonstruktion vorgenommen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Kantenfunktion IΓf(x) im Punkt x des Körpers für die Kantenrekonstruktion ohne vorherige Rekonstruktion der Dichtefunktion nach folgender Gleichung simuliert wird:
wobei
Γ die Kurve der Strahlenquelle auf einer festgelegten Bahn über dem Körper oder um den Körper herum,
a eine Position auf dieser Kurve,
g(a, θ) der Meßwert desjenigen Röntgenstrahls, der von Position a in Richtung θ abgesandt wird,
θ der Winkel zwischen x und a, gegeben durch
und
D ein Differenzenoperator ist, der eine dreidimensionale zweite oder höhere Ableitung approximiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlenquelle auf einer frei parametisierten Kurve im Raum geführt wird, so daß die möglichen Positionen der Strahlungsquelle beschrieben werden durch
wobei die Anzahl n der Positionen frei wählbar ist.
daß die Strahlenquelle auf einer frei parametisierten Kurve im Raum geführt wird, so daß die möglichen Positionen der Strahlungsquelle beschrieben werden durch
wobei die Anzahl n der Positionen frei wählbar ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Positionierung der Strahlungsquelle (1) eine Kreisbahn mit Radius r in der Höhe h über dem Körper (2) mit
beschreibt.
die Positionierung der Strahlungsquelle (1) eine Kreisbahn mit Radius r in der Höhe h über dem Körper (2) mit
beschreibt.
4. Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Positionierung der Strahlungsquelle (1) eine spiralförmige Bahn um den Körper (2) herum mit
beschreibt.
die Positionierung der Strahlungsquelle (1) eine spiralförmige Bahn um den Körper (2) herum mit
beschreibt.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1996123271 DE19623271C2 (de) | 1996-05-31 | 1996-05-31 | Verfahren zur dreidimensionalen Computertomographie |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE1996123271 DE19623271C2 (de) | 1996-05-31 | 1996-05-31 | Verfahren zur dreidimensionalen Computertomographie |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE19623271A1 DE19623271A1 (de) | 1997-12-04 |
| DE19623271C2 true DE19623271C2 (de) | 2002-06-13 |
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| DE1996123271 Expired - Fee Related DE19623271C2 (de) | 1996-05-31 | 1996-05-31 | Verfahren zur dreidimensionalen Computertomographie |
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| Country | Link |
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Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4235183A1 (de) * | 1992-10-19 | 1995-03-09 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur Erzeugung von Schichtaufnahmen eines dreidimensionalen Objektes |
| DE4438988A1 (de) * | 1993-11-08 | 1995-05-11 | Gen Electric | Projektionsbereich-Rekonstruktionsverfahren für eine wendelförmig abtastende Computertomographie-Vorrichtung mit einem vielspaltigen Detektorfeld, das überlappende Bündel verwendet |
-
1996
- 1996-05-31 DE DE1996123271 patent/DE19623271C2/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4235183A1 (de) * | 1992-10-19 | 1995-03-09 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur Erzeugung von Schichtaufnahmen eines dreidimensionalen Objektes |
| DE4438988A1 (de) * | 1993-11-08 | 1995-05-11 | Gen Electric | Projektionsbereich-Rekonstruktionsverfahren für eine wendelförmig abtastende Computertomographie-Vorrichtung mit einem vielspaltigen Detektorfeld, das überlappende Bündel verwendet |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| KRUGER, R.P., et. al.: The Applikation of Computed Tomography, Boundary Detection, and Shaded Graphics Reconstruction to Industrial Inspection, Materials Evaluation, April 1978, p. 75-80 * |
| SIEWERT, T.A., et. al.: The Contributions of Out-of-Plane Material to a Scanned-Beam Laminography Image, Materials Evaluation, October 1994, p. 1194-1198 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE19623271A1 (de) | 1997-12-04 |
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