DE3546219A1 - Computertomograph und verfahren zum betreiben desselben - Google Patents

Computertomograph und verfahren zum betreiben desselben

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Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Strahlungstomographiegerät zur Gewinnung eines Tomogramms eines Untersuchungsobjekts mittels Strahlung und zur Durchführung von Prüfungen/Messungen am Untersuchungsobjekt auf der Grundlage des gewonnenen Tomographiebilds oder Tomogramms.
Ein rechnergestützter oder Computer-Tomographieabtaster (im folgenden auch als CT-Gerät bezeichnet) stellt einen typischen bisherigen Strahlungstomographen dar. Mit einem solchen Gerät können Untersuchungsobjekte zerstörungsfrei auf innere Fehler, Zusammensetzung, Aufbau usw. untersucht und genaue Messungen vorgenommen werden.
Ein CT-Gerät umfaßt normalerweise eine Strahlungsquelle oder einen Strahler und einen Strahlungsdetektor. Erstere(r) strahlt ein fächerförmiges Röntgen-Strahlungsbündel aus, das in einer Sektorebene divergiert. Der Detektor ist dem Strahler mit dazwischen befindlichem Untersuchungsobjekt gegenüberstehend angeordnet. Der Detektor weist eine Vielzahl von längs der Divergenzrichtung des Rontgenflachenstrahlenbundels angeordneten Strahlungssensor- oder -fühlerelementen auf. Der Strahler und der Detektor mit dem dazwischen angeordneten Untersuchungsobjekt werden in der einen Richtung über einen Winkelbereich von 180 - 360° in Drehung versetzt. Nach der Gewinnung von Röntgenabsorptionsdaten einer Scheibe oder Schicht (slice) des Untersuchungsobjekts aus zahlreichen Richtungen führt eine Verarbeitungseinheit, wie ein elektronischer Rechner, eine Bildrekonstruktionsoperation aus, mit welcher ein tomographisches Bild bzw. Tomogramm erhalten wird.
Beim CT-Gerät kann für jede Schicht des Untersuchungsobjekts ein Bild in einer Größenordnung von 4000 Grada-
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tionsstufen entsprechend der Zusammensetzung des Untersuchungsobjekts rekonstruiert werden. Anhand dieses Bilds kann der Zustand der (Untersuchungs-)Objektschicht im Detail untersucht werden.
Bei dem vorstehend beschriebenen CT-Gerät handelt es sich um ein solches der sog. "dritten Generation". Weiterhin sind auch CT-Geräte der ersten, der zweiten und der vierten Generation bekannt.
Ein CT-Gerät der ersten Generation weist einen Röntgenstrahier zur Erzeugung eines Bleistift- oder Nadelröntgenstrahls und einen dem Strahler gegenüberstehenden Detektor auf. Röntgenstrahier und -detektor führen eine Traversalabtastung (parallele und geradlinige Abtastung mittels des Röntgenstrahls) längs der betreffenden Schicht des Untersuchungsobjekts durch. Nach jedesmaliger Durchführung einer Traversal- oder Durchlaufabtastung werden Röntgenstrahier und -detektor über einen vorbestimmten Winkel gedreht. Sodann erfolgt eine ähnliche Durchlaufabtastung.
Ein CT-Gerät der zweiten Generation stellt eine Verbesserung gegenüber dem Gerät der ersten Generation dar. Dabei wird anstelle des Nadelröntgenstrahls ein schmales Fächerröntgenstrahlenbündel verwendet. Der Detektor weist dabei nur eine kleine Zahl an Sensoroder Fühlerelementen auf. Röntgenstrahier und Detektor gO führen dabei eine Durchlaufabtastung (traverse scanning) mit Drehung aus.
Ein CT-Gerät der vierten Generation enthält einen Detektor mit Sensorelementen, die um den Gesamtumfang gg eines Untersuchungsobjekts angeordnet sind, und einen Röntgenstrahier zum Abstrahlen eines Weitwinkel-Fächerröntgenstrahlenbündels. Bei diesem Gerät wird nur der Röntgenstrahier gedreht.
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Auf industriellem Gebiet werden häufig Erzeugnisse zerstörungsfrei auf innere Fehler geprüft. Für diesen Zweck wurde in neuerer Zeit der Einsatz eines CT-Geräts als erfolgversprechend angesehen. Die Fig. IA bis IC veranschaulichen jeweils schematisch den Aufbau von CT-Geräten der ersten, zweiten bzw. dritten Generation mit einer Strahlungsquelle 1 unter Verwendung einer Röntgenröhre oder eines Radioisotops ("RI") und einem Detektor 2. Ein Untersuchungsobjekt wird auf einen Tisch 3 ggf. einfacher Bauart aufgelegt, der drehbar oder parallel verschiebbar ist, um ohne weiteres die Prüfung und Messung auch großer Untersuchungsobjekte zuzulassen.
Das in Fig. IA dargestellte CT-Gerät der ersten Generation weist eine Strahlungsquelle 1 und einen Detektor 2 auf, die einander gegenüberliegend feststehend angeordnet sind. Die Strahlungsquelle 1 emittiert Strahlung in Form eines Nadelstrahls Bl. Der Detektor 2 enthält ein einziges Sensorelement zur Erfassung der Strahlung Bl. Zwischen Strahlungsquelle 1 und Detektor 2 ist der Tisch 3 angeordnet. Ein nicht dargestelltes, auf dem Tisch 3 befestigtes Untersuchungsobjekt wird durchlaufend oder geradlinig (traversely) in Richtung des Pfeils A abgetastet. Der Tisch 3 wird in Richtung des Pfeils B gedreht, wobei bei Durchführung jeder Durchlaufabtastung Daten gewonnen werden.
Gemäß Fig. IB besitzt das CT-Gerät der zweiten Generation grundsätzlich denselben Aufbau wie das Gerät nach Fig. IA. Dabei strahlt jedoch die Strahlungsquelle 1 anstelle des Nadelstrahls Bl ein Fächerstrahlenbündel B2 aus. Der Detektor 2 umfaßt zahlreiche Sensorelemente in einer Zahl entsprechend der Spreizungsweite oder -breite des Fächerstrahlenbündels B2.
Bei dem in Fig. IC dargestellten CT-Gerät der dritten Generation erzeugt die Strahlungsquelle 1 ein Fächer-
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strahlenbündel B3 einer vorgegebenen Spreizungsbreite, welche die Gesamtfläche des Tisches 3 zu bestreichen vermag. Der Detektor 2 enthält zahlreiche Sensorelemente in einer Zahl entsprechend der Spreizungsbreite des Strahlenbündels B3. Strahlungsquelle 1 und Detektor 2 sind mit dazwischen angeordnetem Tisch 3 einander gegenüberstehend festgelegt. Der Tisch wird zur Gewinnung von Bilddaten gedreht.
Industrielle CT-Geräte dieser Art verwenden üblicherweise Röntgenröhren als Strahlungsquellen oder Strahler. Wenn jedoch Erzeugnisse aus Werkstoffen mit großen Strahlungsabsorptionskoeffizienten oder solche großer Abmessungen mittels Röntgenröhren untersucht werden sollen, lassen sich schwierig genaue, störsignalfreie Daten gewinnen. In solchen Fällen wird ein Radioisotop (RI) einer hohen Ausgangsenergie eingesetzt.
Es sei von einem Untersuchungsobjekt, etwa einem Reifen, ausgegangen, das Stoffe mit sowohl großen als auch kleinen Strahlungsabsorptionskoeffizienten, z.B. Stahl und Gummi, enthält. Wenn das Untersuchungsobjekt mit für den Stoff des kleineren Strahlungsabsorptionskoeffizienten geeigneter Röntgenenergie bestrahlt wird, ist das Ausmaß der Strahlungsabsorption durch den genannten Stoff zu groß. Die resultierende Differenz zwischen den Röntgenstrahlungsabsorptionen der Stoffe des kleinen und großen Absorptionskoeffizienten ruft ein deutliches
QQ Artefakt vom Stoff des großen Koeffizienten hervor.
Dieses Artefakt stört die Betrachtung eines Bilds spezieller Teile mit dem kleinen Absorptionskoeffizienten.
Zur Vermeidung eines solchen Artefakts kann ein Untersuchungsobjekt mit einer größeren Energiemenge bestrahlt werden, die dem größeren Absorptionskoeffizienten an-,gepaßt ist. In diesem Fall wird jedoch die Größe der Röntgenstrahlungsdämpfung durch den Stoff des kleineren
Röntgenstrahlungsabsorptionskoeffizienten nahezu zu Null. Infolgedessen ist eine Bildinformation dieses Stoffs schwierig zu erzielen.
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Das obige Problem trifft auch auf den Fall zu, in welchem ein Radioisotop als Strahler verwendet wird. Theoretisch kann dieses Problem dadurch berücksichtigt werden, daß Daten für Stahl (mit großem Röntgenstrahlungskoeffizienten) aus den in einem Sinogramm (oder auch Kurvendiagramm) angeordneten Projektionsdaten gesucht und ausgezogen werden. Sodann werden gegebene interpolierte Daten an den spezifischen Stellen des Sinogramms, aus denen die gesuchten Daten ausgezogen worden sind, eingesetzt. Es ist jedoch sehr schwierig, Daten für Stahl in einem Sinogramm zu erfassen oder festzustellen; dieses Verfahren ist daher in der Praxis kaum zu realisieren.
In der Praxis steht mithin kein brauchbares Verfahren zur Durchführung einer genauen Untersuchung der Zusammensetzung eines Untersuchungsobjekts zur Verfügung, das Stoffe oder Bereiche (z.B. Stahl- und Gummiteile) stark verschiedener Strahlungsabsorptionskoeffizienten enthält.
Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung eines Computertomographen bzw. CT-Geräts, mit dessen Hilfe mit hoher Auflösung die Zusammensetzung eines Stoffs bzw. Untersuchungsobjekts, der bzw. das Bereiche sehr verschiedener Strahlungsabsorptionskoeffizienten aufweist, gemessen (bestimmt) oder untersucht werden kann.
Im Zuge dieser Aufgabe bezweckt die Erfindung auch die Schaffung eines Verfahrens zum Betreiben eines solchen CT-Geräts.
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Die obige Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Zur Lösung der genannten Aufgabe wird eine spezifische Schicht (slice) eines Untersuchungsobjekts (z.B. eines Fahrzeug-Reifens) im erfindungsgemäßen CT-Gerät einer Strahlung hoher Energie ausgesetzt, die zur Lieferung von Projektionsdaten für Bereiche eines großen Strahlungsabsorptionskoeffizienten (z.B. Teile aus Stahl) im Reifen vorgesehen ist. Die gewonnenen Projektionsdaten für die Stahlteile werden in einem Sinogramm (sinogram) angeordnet, dessen Projektionsdaten dann zur Lieferung von Bilddaten rekonstruiert werden. Der Signalpegel der Bilddaten wird begrenzt (sliced) zwecks Gewinnung von Lagendaten für die Stahlteile. Nach Maßgabe der gewonnenen Lagendaten wird das Sinogramm für die Stahlteile reproduziert. Dieses reproduzierte Sinogramm zeigt die Lage jedes einzelnen Stahlteils an.
Andererseits wird dieselbe spezifische Schicht einer Strahlung niedriger Energie ausgesetzt, die für die Gewinnung von Projektionsdaten von Bereichen eines kleinen Strahlungsabsorptionskoeffizienten (z.B. Teile aus Gummi) vorgesehen ist. Die dabei gewonnenen Projektionsdaten für die Gummiteile werden in einem anderen Sinogramm (Gummi-Sinogramm) arrangiert, das nicht nur die Daten der Gummiteile, sondern auch die Daten der Stahlteile enthält. Die betreffenden Stahlteile-Daten, die mit der niederenergetischen Strahlung gewonnen wurden und das Artefakt hervorrufen, werden aus dem Gummi-Sinogramm beseitigt.
Dies bedeutet, daß die Stahlteile-Daten im Stahl-Sinogramm von den betreffenden Stahlteile-Daten im Gummi-Sinogramm subtrahiert werden. Hierauf werden die subtrahierten Bereiche im Gummi-Sinogramm mit vorgegebenen,
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den Gummiteile-Daten ähnlichen Daten ausgefüllt, so daß ein neues Sinogramm des Reifens, das nur die Projektionsdaten der Gummiteile enthält, erhalten wird. Anhand der Daten dieses neuen Sinogramms werden Bilddaten des Reifens, die nur die Gummiteile enthalten und frei sind von Artefakten aufgrund der Stahlteile, rekonstruiert.
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. IA bis IC schematische Darstellungen des Aufbaus bzw. der Wirkungsweise verschiedener
CT-Geräte, auf welche die Erfindung anwendbar ist,
Fig. 2 ein Blockschaltbild eines CT-Geräts gemäß der Erfindung,
Fig. 3 ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des Geräts nach Fig. 1 bzw. 2,
Fig. 4 ein den Ablauf nach Fig. 3 zusammenfassendes Funktionsblockdiagramm,
Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Durchführung der in Fig. 3 angegebenen Wieder- oder Rückprojektion,
Fig. 6 ein Flußdiagramm einer anderen Betriebsart des Geräts nach Fig. 1 bzw. 2 und
gg Fig. 7 eine schematische Darstellung der Aufstellung des Durchdringungsweg-Sinogramms (penetration-path sinogram).
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Die Fig. IA bis IC sind eingangs bereits erläutert worden .
Obgleich das CT-Gerät, auf das die Erfindung angewandt ist, ein solches einer beliebigen Generation sein kann, wird für die zu beschreibende Ausführungsform beispielhaft das in Fig. IC dargestellte CT-Gerät der dritten Generation vorausgesetzt^.
Fig. 2 zeigt in einem Blockschaltbild den Aufbau des genannten CT-Geräts. Gemäß Fig. 2 emittiert eine Röntgenröhre 1 ein Facherrontgenstrahlenbundel B3 mit einem gegebenen Divergenzwinkel. Der Betrieb der Röntgenröhre 1 wird durch eine herkömmliche Steuereinheit (nicht dargestellt) gesteuert. Ein Abtastmechanismus 2 enthält einen nicht dargestellten Tisch zum Festhalten (Aufspannen) und Drehen eines nicht dargestellten Untersuchungsobjekts. Der Mechanismus 2 vermag den Tisch zu drehen und lotrecht anzuheben und ihn zudem längs der Mittelachse des Fächerstrahlenbündels zu bewegen oder zu verschieben.
Die Röntgenröhre 1 ist unter Zwischenfügung des Abtastmechanismus 2 einem Detektor 3 gegenüberstehend angeordnet, der eine Vielzahl von nicht dargestellten Strahlungs-Fühler- oder -Sensorelementen umfaßt, die mit einem festen gegenseitigen Abstand längs der Divergenzrichtung des Fächerstrahlenbündels B3 ange- QQ ordnet sind und die mit einer gewissen räumlichen Auflösung auf die Intensität der Röntgenstrahlung, d.h. des Fächerstrahlenbündels B3, ansprechen. Röntgen-Absorptionsdaten für das Untersuchungsobjekt werden von jedem Strahlungs-Sensorelement als Strom erfaßt oder gg abgegriffen, und der erfaßte Strom wird integriert und in ein Spannungssignal E3 umgesetzt.
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Ein Datenerfassungssystem (im folgenden auch als DE-System bezeichnet) 4 integriert getrennt jedes Signal E3 von den Sensorelementen des Detektors 3 zum Umwandeln des integrierten Signals (E3) in Digitaldaten, die als Projektionsdaten (Röntgenabsorptionsdaten) E4 dienen.
Ein Vorrechner 5 führt eine Vorverarbeitung der einzelnen, vom DE-System 4 gelieferten Daten E4 aus. Die im Vorrechner 5 ausgeführte Vorverarbeitung besteht aus logarithmischer Umwandlung, Verstärkungskorrektur, Versatzkorrektur, usw..
Eine Faltungseinheit (convolver) 6 bewirkt ein Falten (convolves) der vom Vorrechner 5 gelieferten vorverarbeiteten Daten E5, d.h. eine Faltungsintegration an den Daten E5 mittels einer vorgeschriebenen Filterfunktion .
Ein Durch- oder Rückprojektor (back projector) 7 nimmt die gefalteten Daten E6 von der Faltungseinheit 6 ab und rekonstruiert durch Rückprojektion der gefalteten Daten längs der Richtung des Fächerstrahlenbündels B3 ein' Bild der Untersuchungsobjekt-Schicht nach Maßgabe des Inhalts der Daten E6.
Ein Speicher 8 nimmt die rückprojizierten Daten E7 vom Rückprojektor 7 ab und speichert Daten E7 entsprechend dem rekonstruierten Bild. Ein(e) CT-Größe oder -Wert (d.h. den Grad der Strahlungsabsorption angebende Daten) E8 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs wird aus dem Speicher 8 ausgelesen und z.B. in einem monochromatischen Bild auf einer nicht dargestellten Kathodenstrahlröhren-Anzeigeeinheit wiedergegeben.
Dae CT-Gerät gemäß Fig. 2 enthält einen Prozessor bzw. eine Zentraleinheit (CPU) 9, der bzw. die den Gesamt-
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betrieb des Geräts steuert und der bzw. die mit einem Pegel-Doppelbegrenzer (level slicer) 10, einer Wiederprojektionseinheit (reprojection unit) 11, einer Binäreinheit 12, einer Sino-Subtrahiereinheit 13 und einem Dateninterpolator 17 verbunden ist. Das CT-Gerät enthält ferner einen Hauptspeicher 15 sowie Sino-Speicher 14 und 16.
Jeder Sino-Speicher 14 und 16 ist in Zeilen und Spalten unterteilt, deren Kombination einen spezifischen Adreßplatz im betreffenden Speicher definiert. Die Zeilen des Sino-Speichers entsprechen der Linearanordnung (Kanal) der Strahlungssensorelemente im Detektor 3.
Die Spalten des Sino-Speichers entsprechen dem Drehwinkel der paarigen Anordnung aus Röntgenröhre 1 und Detektor 3. Die Sino-Speicher 14, 16 speichern nichtrekonstruierte Projektionsdaten, und in jedem dieser Speicher 14, 16 wird ein Sinogramm (oder auch Kurvendiagramm) gebildet.
Wenn die Röntgenröhre 1 einen Röntgenimpuls einer vorbestimmten Intensität emittiert, werden die Daten E3 für eine Zeile vom Detektor 3 erhalten oder geliefert. Sino-Daten werden durch Verknüpfung dieser Ein-Zeilendaten E3 mit dem Adreßplatz des Sino-Speichers erhalten.
Vor Betriebsbeginn des CT-Geräts wird ein nicht dargestellter, Stahlteile enthaltender Reifen aus Gummi (bzw. Kautschuk) auf dem zwischen Röntgenröhre 1 und Strahlungsdetektor 3 angeordneten Tisch des Abtastmechanismus 2 aufgespannt. Wenn eine Bedienungsperson an einer nicht dargestellten Bedienkonsole des CT-Geräts einen Startbefehl eingibt, beginnt ein(e) nicht dargestellte(r) Röntgenregier oder -Steuereinheit unter der Steuerung der Zentraleinheit 9 zu arbeiten. Sodann
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wird eine Hochspannung einer vorgegebenen Dauer wiederholt von einem nicht dargestellten Hochspannungsgenerator an die Röntgenröhre 1 angelegt, so daß diese ein pulsierendes Fächerröntgenstrahlenbündel erzeugt und somit die Röntgenprojektion einsetzt.
Jedes dieser pulsierenden Fächerstrahlenbündel wird von den betreffenden Sensorelementen des Detektors 3 abgegriffen. Die abgegriffenen Strahlenbündel werden in Form von Stromsignalen (E3) vom Detektor 3 ausgegeben. Die von den jeweiligen Sensorelementen des Detektors 3 erhaltenen Stromsignale werden im Datenerfassungssystem oder DE-System 4 getrennt integriert.
Die integrierten (analogen) Stromsignale werden einer Analog/Digital- bzw. A/D-Umwandlung unterworfen, und die umgewandelten Digitalsignale werden dem Vorrechner 5 zugeführt, von dem die vorverarbeiteten Daten zur Faltungseinheit (convolver) 6 ausgegeben werden.
Wenn vollständige vorverarbeitete Daten für eine Projektion gewonnen wurden, werden diese in einem Bildspeicher zwischengespeichert, worauf der Abtastmechanismus 2 seinen Tisch unter der Steuerung der Zentraleinheit (CPU) 9 über einen vorbestimmten Winkel dreht. Anschließend beginnt die nächste Röntgenprojektion unter Wiederholung der oben beschriebenen Operation. Auf diese Weise werden die schrittweise Tisch-Drehung und Röntgenausstrahlung abwechselnd wiederholt, um die Datenerfassung des CT-Bilds des Reifens (als Untersuchungsobjekt) zu vervollständigen.
Wenn die Erfassung der Röntgenabsorptionsdaten für den Reifen bezüglich der Strahlungsrichtungen von 180° bis 360° abgeschlossen ist, werden alle erfaßten Daten gefaltet (convolved) und hierauf durch den Rückprojektor 7 rückprojiziert, um damit ein tomographisches Bild oder Tomogramm des Reifens zu rekonstruieren. Diese
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Rückprojektionsoperation erfolgt im Bildspeicher 8 in der Weise, daß die gefalteten (convolved) Daten im Speicher 8 längs der Anordnung der Speicher-Pixels oder ° -Bildpunkte, welche jeden Röntgenstrahlenpfad oder
-gang der Projektionsrichtung darstellen, zugewiesen werden. Die zugewiesenen (allocated) Daten werden sodann im Speicher 8 zur Bildung eines Tomogramms des Reifens integriert oder aufgespeichert. Das gesamte, 1^ auf diese Weise gewonnene Tomogramm wird im Bildspeicher 8 (zurückgehalten.
Die Arbeitsweise des CT-Geräts gemäß Fig. 2 ist nachstehend anhand des Ablauf- oder Flußdiagramms von Fig. 3 beschrieben. Das Untersuchungsobjekt kann zwei oder mehr verschiedene Bereiche verschiedener Röntgen-(strahlungs)absorptionskoeffizienten aufweisen. Beispielsweise kann das Untersuchungsobjekt ein Gummiblock sein, der Keramik- und Stahlgebilde enthält.
Für die folgenden Erläuterungen sei jedoch ein Gummireifen vorausgesetzt, der nur Stahlteile enthält.
In einem ersten Bildrekonstruktionsprozeß (STl - ST7) wird eine spezifische Schicht des Reifens einer Hochenergiebestrahlung unterworfen (STl). Die Größe dieser Hochenergiestrahlung wird so bestimmt, daß genügend Projektionsdaten des Stahlgebildes oder der Stahlteile mit gutem Signal/Rauschen-Verhältnis bzw. Rauschabstand gewonnen werden können. Da im ersten Bildrekonstruktionsprozeß keine Projektionsdaten für die Gummiteile benötigt werden, kann die Strahlungsenergie für Gummi zu groß sein.
Nach der Gewinnung von Projektionsdaten für die Stahlteile werden die gewonnenen Daten gefaltet (convolved) (ST2) und rückprojiziert (ST3), um ein rekonstruiertes Bild der Stählteile zu liefern.
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Das rekonstruierte Bild wird binär verarbeitet (binarized) oder digitalisiert durch Doppelbegrenzung oder Beschneiden (slicing) des (analogen) CT-Werts des rekonstruierten Bilds auf einen vorgeschriebenen Schwellenwertpegel (ST4). Diese binäre Digitalisierung erfolgt durch den Pegel-Doppelbegrenzer 10. Das binäre begrenzte (sliced) Bild enthält die Information für die Stahlteile im Reifen.
Das binäre begrenzte Bild wird im Hauptspeicher 15 zwischengespeichert. Unter der Steuerung der Zentraleinheit 9 werden die im Speicher 15 enthaltenen binären Bilddaten zum Sino-Speicher 16 geliefert, in welchem das Sinogramm (oder auch Kurvendiagramm) der Stahlteile reproduziert wird (ST5). Wenn beispielsweise ein bestimmter Stahlteil durch das n-te Strahlungs-Sensorelement unter dem m-ten Drehwinkel des Paars aus dem Röntgenstrahier und dem Detektor erfaßt wird, werden die Binärdaten für diesen Stahlteil an der η-ten Zeile und m-ten Spalte des Sino-Speichers 16 gespeichert. Auf diese Weise werden die ursprünglichen Sinogramm-Anordnung der Projektionsdaten für Stahl(teile) im Speicher 16 reproduziert oder wiederprojiziert (reprojected). Diese Wiederprojektion erfolgt durch Operation der Wiederprojektionseinheit 11 unter der Steuerung der Zentraleinheit 9. (Die Wiederprojektionsoperation kann unmittelbar durch die Zentraleinheit 9 durchgeführt werden.) Im Speicher 16 bleiben nur die Daten für Stahlteile gespeichert.
Auch wenn die Projektionsdaten Informationen für eine Substanz (Stahl) eines großen Strahlungsabsorptionskoeff izienten und für eine andere Substanz (Gummi) eines wesentlich kleineren Strahlungsabsorptionskoeffizienten enthalten, können dann, wenn ein zweckmäßiger Schwellenwertpegel für die binäre Digitalisierung ge-
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wählt wird, Projektionsdaten, die nur den großen Strahlungsabsorptionskoeffizienten betreffen, durch die Binäreinheit 12 ausgezogen werden (ST6). Die ausgezogenen binären Projektionsdaten für Stahl werden sodann zum Sino-Speicher 16 geliefert (ST7).
Nach Abschluß des Prozesses der Schritte STl bis ST7 enthält der Sino-Speicher 16 Positionsdaten für Stahl in Form eines binären Bilds. Diese Positionsdaten geben die Lage der Stahlteile im Reifen an.
In einem zweiten Bildrekonstruktionsprozeß (ST8 - ST15) wird die spezifische, für den ersten Bildrekonstruktionsprozeß (STl - ST7) benutzte Schicht erneut Strahlung, diesmal niedriger Energie unterworfen (ST8). Da bei diesem Prozeß Projektionsdaten für die Gummiteile benötigt werden, darf die Strahlungsenergie für Gummi nicht zu groß sein. Mit anderen Worten: die Strahlungsenergie sollte oder muß für Gummi optimal sein. Die Größe dieser niederenergetischen Strahlung wird so bestimmt, daß selbst dann, wenn Informationen für Stahlteile in den gewonnenen Projektionsdaten enthalten sind, optimale Projektionsdaten für die Gummiteile gewonnen werden können. Die so gewonnenen Projektionsdaten für die Gummiteile werden vorverarbeitet und danach im Sino-Speicher 14 abgespeichert (ST9).
Die Anordnung des Sinogramms (oder auch Kurvendiagramms) im Sino-Speicher 14 (für Gummi) ist demjenigen im Sino-Speicher 16 (für Stahl) identisch (oder entsprechend). Die Stahlteile betreffenden Daten im Speicher 14 werden gelöscht, nämlich durch Subtrahieren der Stahlprojektionsdaten im Speicher 16 von den entsprechenden Stahlprojektionsdaten im Speicher 14. Beispielsweise werden die an der Adresse [n, m] des Speichers 16 gespeicherten Stahldaten von den an der gleichen Adresse [n, m ] (oder an der entsprechenden Adresse
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[η1, m1]) des Speichers 14 gespeicherten Stahldaten subtrahiert. Diese Datensubtraktion bezüglich der Stahlprojektionsdaten erfolgt durch die Sino-Subtrahiereinheit 13 (STlO).
Nach dieser Datensubstraktion entstehen an einem oder mehreren Speicherplätzen, wo die vorher gespeicherten Stahldaten nunmehr gelöscht sind, ein oder mehrere von Daten unbesetzte Plätze oder Leerplätze (data-empty portion(s)), wobei die entsprechenden Leerplätze des Sino-Speichers 14 mit vorgeschriebenen Daten gefüllt werden (STIl), was im folgenden als "Dateninterpolation" bezeichnet wird. Eine einfache Möglichkeit für diese Dateninterpolation besteht darin, einen die Projektionsdaten der Gummiteile repräsentierenden digitalen CT-Wert in den Daten-Leerplatz zu setzen. Wenn - genauer gesagt - die Adresse des Daten-Leerplatzes z.B. [n, m] ist, werden der mittlere CT-Wert der an der Adresse [(n-1), m] gespeicherten Gummidaten und derjenige an der Adresse [(n+1), m] in den Daten-Leerplatz gesetzt, oder es können der mittlere CT-Wert der an der Adresse [(n-1), m] gespeicherten Daten, derjenigen an der Adresse [(n+1), m], derjenigen an der Adresse [n, (m-1)] und derjenigen an der Adresse [n, (m+1)] zum Ausfüllen des Daten-Leerplatzes benutzt werden.
Die erwähnte Dateninterpolation erfolgt durch den Interpolator 17. Sodann wird im Sino-Speicher 14 ein neues Sinogramm (oder auch Kurvendiagramm), das nur die Projektionsdaten für die Gummiteile enthält, gebildet (ST12). Nach Maßgabe der Projektionsdaten in diesem neuen Sinogramm werden Bilddaten des Reifens, die nur die Gummiteile enthalten und die frei sind von Artefakten aufgrund der Stahlteile, durch die Faltungseinheit (convolver) 6 und den Rückprojektor 7 rekonstruiert (ST13, ST14). Auf diese Weise werden die rekon-
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struierten Bilddaten des Reifens (als Untersuchungsobjekt) gewonnen (ST15).
Die obige Operation läßt sich wie folgt zusammenfassen: Gemäß Fig. 4 erfolgt zunächst eine Hochenergie-Bestrahlung (STl) zur Gewinnung von Stahlbilddaten (ST2 - ST4). Letztere werden wiederprojiziert (reprojected), so daß ein Sinogramm für Stahl reproduziert wird (ST5 - ST7).
Die wiederprojizierten Stahldaten werden von anderen wiederprojizierten Daten (STlO) subtrahiert, die getrennt mit niedriger, für Gummi geeigneter Strahlungsenergie gewonnen werden (ST8, 5Τ9). Der subtrahierte Teil (oder Platz) im Sinogramm wird mit gegebenen Gummidaten ausgefüllt, bei denen es sich um vorgewählte Daten handeln kann oder die durch zweckmäßige Interpolation aufgestellt worden sein können (STlI, ST12). Die auf diese Weise gewonnenen Projektionsdaten werden zum Rekonstruieren eines die Gummiteile enthaltenden Bilds des Untersuchungsobjekts benutzt (ST13 - ST15), so daß damit ein Artefakt aufgrund des Vorhandenseins von Stahl vermieden wird.
Mit dieser Anordnung wird der ungünstige Einfluß von Stahl mit großem Strahlungsabsorptionskoeffizienten (d.h. die Erzeugung oder Entstehung eines Artefakts) praktisch ausgeschaltet, so daß ein rekonstruiertes Bild ausgezeichneter Güte für Gummi mit kleinem Strahlungsabsorptionskoef fizienten gewonnen werden kann.
Fig. 5 verdeutlicht die Wiederprojektion (reprojection) im Schritt ST5 gemäß Fig. 3. Es Bei angenommen, daß das Untersuchungsobjekt eine kreisförmige Schicht oder Scheibe eines Reifens ist. Gemäß Fig. 5 werden Originalbilddaten der Untersuchungsobjekt-Schicht im zweidimensionalen X-Y-Bereich eines Bildspeichers zugewiesen. Zur Verbesserung der Genauigkeit einer zwei-
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dimensionalen schnellen Fourier-Transformation (oder FFT) wird oder ist der X-Y-Bereich MM des Bildspeichers verdoppelt (doppelt ausgelegt), so daß die FFT im zweidimensionalen 2X-2Y-Bereich ausgeführt wird.
Die durch schnelle Fourier-Transformation (FFT) gewonnenen transformierten Untersuchungsobjekt-Schichtdaten werden in einem Bildspeicher arrangiert. Die im 2X-2Y-Bereich des Bildspeichers angeordneten Daten werden mittels einer linearen inversen Fourier-Transformation zu einer Polarkoordinate umgeordnet. Die Projektionsdaten bezüglich des Projektionswinkels θ in dieser Polarkoordinate werden durch jedes Strahlungs-Sensorelement des Detektors 3 gemäß Fig. 2 abgetastet oder abgegriffen. Die so abgegriffenen Daten werden hierauf in der Zeile des Winkels θ und in der Spalte jedes Kanals eines Sino-Speichers gespeichert. Auf ähnliche Weise werden die Projektionsdaten bezüglich (with respect to) des Projektionswinkels θ + δ θ abgegriffen (sampled) und in der Zeile des Winkels θ + Δθ sowie in der Spalte jedes Kanals des Sino-Speichers (ab)gespeichert. Auf diese Weise werden die Projektionsdaten des gesamten Projektionswinkels in der Polar- koordinate abgegriffen und im Sino-Speicher (ab)gespeichert, so daß dann die Wiederprojektion der Untersuchungsobjekt-Schicht abgeschlossen ist.
Fig. 6 veranschaulicht ein gegenüber Fig. 3 abgewandeltes Flußdiagramm, das sich von letzterem dadurch unterscheidet, daß dabei die neuen Schritte ST31 - ST34 speziell vorgesehen sind. Fig. 7 zeigt, wie das Durchdringungsweg-Sinogramm (penetration-path sinogram) im Schritt ST32 aufgestellt wird.
Nach Abschluß der Rückprojektion für die Kontur des Reifens (ST3) wird die Kontur der Reifenbilddaten
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digitalisiert (ST31). Die Digitalumsetzungs- oder Digitalisierungsoperation des Schritts ST31 kann ähnlich sein wie im Schritt ST6» Diese Konturdaten werden in einer im Bildspeicherbereich (Fig. 7) gebildeten Polarkoordinate angeordnet. Bilddaten (AL1+AL2, AL3 usw.) des durch die jeweilige Strahlungs-Sensorelemente (Kanäle) abgegriffenen Winkels Θ, welche den Durchdringungsweg der Strahlung angeben, werden in einem Durchdringungsweg-Sinogramm (oder -Kurvendiagramm) angeordnet (ST32), wobei die in letzterem enthaltenen Daten die Dicke des Reifens in der Untersuchungsobjekt-Schicht angeben.
Ein(e) gegebene(r) Projektionsdatenwert oder -größe für die Reifendicke wird in jeder Position der Reifendicke im Durchdringungsweg-Sinogramm gesetzt, so daß (damit) ein Bezugs-Sinogramm aufgestellt wird (ST33). Diese, gegebene Projektionsdatengröße kann eine vor(her)bestimmte sein, die vor Ablaufbeginn des Flusses nach Fig. 6 gewonnen wurde (ST34). Beispielsweise kann eine tatsächlich gemessene Projektionsdatengröße des Reifenabschnitts des Untersuchungsobjekts (Reifen) als die gegebene Projektionsdatengröße benutzt werden. Das so erhaltene Bezugs-Sinogramm wird zum Interpolieren (STlI) der vom Subtrahierschritt STlO gelieferten Sino-Daten benutzt.
Nebenbei bemerkt: Wenn die zu interpolierenden Daten einen massigen (bulky) Abschnitt oder Bereich in der Untersuchungsobjekt-Schicht darstellen, können mittels des Ablaufs nach Fig. 6 ungünstige Artefakte effektiv ausgeschaltet werden.
Mit der Erfindung wird somit ein CT-Gerät geschaffen, mit dem ein Bild hoher Auflösung und ohne Artefakt auch für ein Untersuchungsobjekt, das Substanzen oder Stoffe
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sowohl eines großen als auch einen kleinen Strahlungsabsorptionskoeffizienten enthält, wiedergegeben werden kann.
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Die Erfindung ist keineswegs auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern verschiedenen Änderungen und Abwandlungen zugänglich. Beispielsweise sei ein Fall betrachtet, in welchem das Untersuchungsobjekt ein Gummiblock (niedriger Röntgenstrahlungsabsorptionskoeffizient) ist, der Teile oder Gebilde aus Keramik (mittlerer Röntgenstrahlungsabsorptionskoeffizient) und Stahl (hoher Röntgenstrahlungsabsorptionskoeffizient ) enthält, wobei das Keramikgebilde ohne Artefakt aufgrund des Stahlgebildes untersucht werden soll. In diesem Fall wird im Schritt ST8 (Fig. 3 oder 6) Strahlung mittlerer Energie angewandt, die für Keramik geeignet ist. Die letztlich gewonnenen Bilddaten (ST15) enthalten nur das Bild für das Keramikgebilde, weil nämlich die Intensität der Strahlung mittlerer Intensität für Gummi zu groß ist, so daß der (die) CT-Wert oder -Größe des Gummiteils praktisch Null beträgt, während die Projektionsdaten für den Stahlteil im Subtraktionsschritt STlO eliminiert werden. Wenn die Schritte STl - ST7 gemäß Fig. 3 nicht angewandt werden und im Schritt ST8 eine für Stahl geeignete Strahlung hoher Energie angewandt wird, enthalten die letztlich gewonnenen Bilddaten (ST15) nur das Bild für Stahl, weil nämlich die Energie der hochenergetischen Strahlung sowohl für Gummi als auch für Keramik zu groß ist.
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Claims (7)

  1. Patentansprüche
    -',(I- Computertomograph, bei dem Strahlung bzw. Strahlungsbündel von einer Strahlungsquelle für jede Schicht eines Untersuchungsobjekts in zahlreichen Richtungen ausgestrahlt werden, bei dem Projektionsdaten der Untersuchungsobjekt-Schicht durch einen Strahlungsdetektor abgegriffen und mit einer gegebenen räumlichen Auflösung erfaßt (oder gesammelt) werden und bei dem ein Bild der Untersuchungsobjekt-Schicht aus den erfaßten Projektionsdaten rekonstruiert wird, gekennzeichnet durch eine an den Strahlungsdetektor (3) angeschlossene erste Rekonstruktionseinrichtung (STl - ST3; 4-9) zum Rekonstruieren eines Bilds einer Substanz eines großen Strahlungsabsorptionskoeffizienten aus mittels Strahlung hoher Energie gewonnenen Projektionsdaten und zum Liefern rekonstruierter Bilddaten der Substanz eines großen Strahlungsabsorptionskoeffizienten,
    eine mit der ersten Rekonstruktionseinrichtung (ST3; 9) gekoppelte erste Sino-Einrichtung (sino means) (ST4 - ST7; 10 - 12, 16) zum Erzeugen erster Bilddaten der Substanz eines großen Strahlungsabsorptionskoef f izienten aus den rekonstruierten Bilddaten und zum Reproduzieren eines ersten Sinogramms (oder auch Kurvendiagramms) der Substanz eines großen Strahlungsabsorptionskoeffizienten aus den ersten Bilddaten,
    eine mit dem Strahlungsdetektor (3) verbundene Untersuchungseinrichtung (ST8; 4, 5, 9) zum Untersuchen (inspecting) der Untersuchungsobjekt-Schicht
    gg mit Strahlung niedriger Energie und zum Liefern zweiter Bilddaten entsprechend Projektionsdaten einer Substanz eines kleinen Strahlungsabsorptionskoef f izienten,
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    eine mit der Untersuchungseinrichtung (ST8; 9) gekoppelte zweite Sino-Einrichtung (ST9; 14) zum Reproduzieren eines zweiten Sinogramms der Substanz eines kleinen Strahlungsabsorptionskoeffizienten aus den zweiten Bilddaten,
    eine mit der ersten
    Sino-Einrichtung (ST7; 16) und der zweiten Sino-Einrichtung (ST9; 14) verbundene Eliminiereinrichtung (STlO; 13) zum Eliminieren von Daten des ersten Sinogramms aus positionsmäßig den ersten Sinogrammdaten entsprechenden Daten des zweiten Sinogramms und zum Liefern neuer Projektionsdaten und eine mit der Eliminiereinrichtung (STlO; 13) verbundene zweite Rekonstruktionseinrichtung (STIl ST15; 6-9, 14-17) zum Rekonstruieren eines Bilds der Untersuchungsobjekt-Schicht nach Maßgabe der neuen Projektionsdaten.
  2. 2. Computertomograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rekonstruktionseinrichtung
    eine mit der Eliminiereinrichtung (STlO; 13) gekoppelte Interpolationseinheit (STlI; 17) zum Interpolieren der neuen Projektionsdaten mit vorbestimmten, den Daten der Substanz eines kleinen Strahlungsabsorptionskoef f izienten ähnlichen Daten, derart, daß der Daten-eliminierte Bereich im zweiten Sinograrnm mit den vorbestimmten Daten ausgefüllt ist oder wird, aufweist.
  3. 3. Computertomograph nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rekonstruktionseinrichtung weiterhin
    eine mit der Interpolationseinheit (STlI; 17) verbundene dritte Sino-Einrichtung (ST12; 14) zum Reproduzieren eines dritten Sinogramms der Substanz eines kleinen Strahlungsabsorptionskoeffizienten
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    ■ - ΐ
    aus den interpolierten neuen Projektionsdaten und
    eine mit der dritten Sino-Einrichtung (ST12; 14) verbundene Einrichtung (ST13 - ST14; 6-9) zum Rekonstruieren des Bilds der Untersuchungsobjekt-Schicht aus den Daten in der dritten Sino-Einrichtung (ST12; 14) aufweist.
  4. 4. Computertomograph nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die rekonstruierten Bilddaten eine(n) gegebenen CT-Wert oder -Größe aufweisen und die erste Sino-Einrichtung
    eine Doppelbegrenzereinheit (slicer means) (ST4; 10)
    je zum (Doppel-)Begrenzen oder Beschneiden (slicing) des CT-Werts der rekonstruierten Bilddaten auf einen vorbestimmten Schwellenwertpegel zwecks Erzeugung der ersten Bilddaten aufweist.
    2Q
  5. 5. Computertomograph nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sino-Einrichtung weiterhin eine an die Doppelbegrenzereinheit (ST4; 10) angeschlossene Wiederprojektionseinheit (reprojection means) (ST5; 11) zum Wiederprojizieren der ersten Bilddaten zwecks Lieferung von wiederprojizierten Daten,
    eine an die Wiederprojektionseinheit (ST4; 11) angeschlossene Binäreinheit (ST6; 12) zum binären Digitalumsetzen oder Digitalisieren der wiederproji-
    „0 zierten Daten zwecks Lieferung von binären viederprojizierten Daten und
    eine mit der Binäreinheit (ST6; 12) verbundene Sinogrammeinheit (ST7; 16) zum Reproduzieren des ersten Sinogramms (oder auch Kurvendiagramms) nach Maßgabe der binären wiederprojizierten Daten aufweist.
  6. 6. Computertomograph nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Interpolationseinheit
    BAD ORIGINAL
    eine mit der ersten Rekonstruktionseinrichtung (ST3; 6-9) verbundene Kontureinheit (ST31; 12) zum binären Digitalisieren der Kontur des rekonstruierten Bilds der Substanz eines großen Strahlungsabsorptionskoef fizienten zwecks Lieferung von Konturdaten, welche die Position oder Isge der Substanz eines großen Strahlungsabsorptionskceffizienten angeben, eine Bezugsdateneinheii (ST34; 8) zur Lieferung von Bezugsdaten, deren Grc2e oder Wert den CT-Wert der Substanz eines kleinen Strahlungsabsorptionskoeffizienten angibt, und eine mit der Kontureinheit (ST31; 12) und der Bezugsdateneinheit (ST34; 8) verbundene Bezugssinogrammeinheit (ST32 - ST33; 16) zum Reproduzieren der vorbestimmten Daten in einem Bezugs-Sinogramm, dessen Anordnung derjenigen des zweiten Sinogramms entspricht, aufweist, wobei die Lage der vorbestimmten Daten im Bezugs-Sinogramm durch die Konturdaten definiert ist und ihr CT-Wert durch die Bezugsdaten definiert ist.
  7. 7. Verfahren zum Betreiber, eines Computertomographen, bei dem Strahlung bzw. Strahlungsbündel von einer Strahlungsquelle für jede Schicht eines Untersuchungsobjekts in zahlreichen Richtungen ausgestrahlt werden, bei der. Projektionsdaten der Untersuchungsobjekt-Schicht durch einen Strahlungsdetektor abgegriffen und mit einer gegebenen räumlichen Auflösung erfaßt (oder gesammelt) werden und bei dem ein Bild der Untersuchungsobjekt-Schicht aus den erfaßten Projektionsdaten rekonstruiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß
    a) die Untersuchungsobjekt-Schicht einer Strahlung
    hoher Energie, die für die Gewinnung von Projekgg tionsdaten von Bereichen eines großen Strahlungs
    absorptionskoef fizienten vorgesehen ist, ausgesetzt wird und die gewonnenen Projektionsdaten
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    von Bereichen eines großen Strahlungsabsorptionskoef fizienten in einem ersten Sinogramm (oder auch Kurvendiagramm) angeordnet werden (STl),
    b) die angeordneten Projektionsdaten im ersten Sinogramm rekonstruiert werden zur Lieferung erster Bilddaten (ST2 - ST3},
    c) ein durch die ersten Bilddaten definierter Signalpegel (doppel)begrenzt oder beschnitten (slicing) wird zur Lieferung von Positionsdaten von Be
    reichen eines großen Strahlungsabsorptionskoeffizienten (ST4),
    d) die Positionsdaten von Bereichen eines großen Strahlungsabsorptionskoeffizienten zum Reproduzieren des ersten Sinogramms wiederprojiziert
    (reprojecting) werden (ST5),
    e) die Untersuchungsobjekt-Schicht einer Strahlung niedriger Energie, die für die Gewinnung von Projektionsdaten von Bereichen eines kleinen Strahlungsabsorptionskoeffizienten vorgesehen
    ist, ausgesetzt wird (ST8),
    f) die gewonnenen Projektionsdaten von Bereichen eines kleinen Strahlungsabsorptionskoeffizienten in einem zweiten Sinogramm (ST9) angeordnet werden, das nicht nur Daten von Bereichen eines
    kleinen Strahlungsabsorptionskoeffizienten, sondern auch Daten von Bereichen eines großen Strahlungsabsorptionskoef fizienten enthält,
    g) die Daten im ersten Sinogramm von den entsprechenden Daten im zweiten Sinogramm eliminiert werden
    (STlO),
    h) der Abschnitt subtrahierter Daten im zweiten Sinogramm mit gegebenen Daten ausgefüllt wird (STIl) und
    gg i) die angeordneten Daten im zweiten Sinogramm zur Lieferung von Bilddaten der Untersuchungsobjekt-Schicht rekonstruiert werden (ST12 - ST15).
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    Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die gegebenen Daten zum Ausfüllen des Abschnitts subtrahierter Daten den Projektionsdaten der Bereiche eines kleinen Strahlungsabsorptionskoeffizienten entsprechen.
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