DE4235183C2 - Verfahren zur Erzeugung von Schichtaufnahmen von einem Meßobjekt mittels Röntgenstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeu­ gung von Schichtaufnahmen eines dreidimensionalen Ob­ jektes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Konstruktion mit modernen Werkstoffen erlaubt in vielen Fällen eine Verringerung der Masse bzw. eine höhere Einsatzbelastung des Bauteils. Allerdings setzt das eine hohe Qualität des Werkstoffes und des Bauteils voraus. Demzufolge werden zunehmend höhere Anforderun­ gen an die Qualitätssicherung gestellt, insbesondere unter dem Aspekt eines sicherheitsrelevanten Bauteils. Beispiele sind die Faserverbundwerkstoffe im Fahrzeug- und Flugzeugbau.

Weitere Beispiele für moderne Bauteile, deren Qualität die Funktion und die Sicherheit von Systemen wesentlich mitbestimmt, sind die aus mehrlagigen Schichten auf­ gebauten Halbleiterplatinen.

Es handelt sich also um flächig ausgebildete, konstruk­ tiv belastete Bauelemente, die vor ihrem Einsatz bzw. auch wiederkehrend zwischen den Einsätzen z. B. bei der Flugzeugwartung auf Fehlerfreiheit geprüft werden müs­ sen. Zu diesem Zweck sind zerstörungsfreie Prüfverfah­ ren mit ausreichend hohem Nachweis- und Auflösungsver­ mögen erforderlich.

Im Röntgenbereich, sowohl in der Medizintechnik als auch in der zerstörungsfreien Materialprüfung, ist die Laminographie (auch Tomosynthese genannt) ebenso wie die Durchstrahlungsprüfung und die Computertomographie ein bildgebendes Verfahren. Abgebildet wird das Absor­ ptionsprofil eines Objektes in einzelnen Schichten.

Gegenüber der Durchstrahlungsprüfung liegt der Vorteil der Laminographie darin, daß einzelne Ebenen getrennt scharf abgebildet werden, wohingegen bei der Durch­ strahlungsprüfung die Schichten nur überlagert darge­ stellt werden können. Die Vorteile der Laminographie gegenüber der Computertomographie zeigen sich insbeson­ dere bei der Untersuchung von flächigen Bauteilen wie beispielsweise bei den oben bereits erwähnten Halblei­ terplatinen. Hier können mit Hilfe der Laminographie Schichten parallel zur Flächenausdehnung abgebildet werden; dabei wird das Objekt senkrecht zur Flächenaus­ dehnung, also mit dem kürzesten Absorptionsweg, durch­ strahlt.

Mit der Computertomographie ist eine derartige Abbil­ dung und Auswertung meist nicht möglich. Eine Durch­ strahlung parallel zur Flächenausdehnung wäre hierzu erforderlich. Das bedeutet wegen der großen Absor­ ptionsweglänge in der Fläche stark reduzierte Signal­ pegel bzw. es gelangen überhaupt keine Signale mehr zum Detektor.

Ein weiterer Vorzug der Laminographie besteht darin, daß sich das Objekt nicht vollständig im Strahlenfeld des Systems befinden muß, d. h. es kann theoretisch unendlich lang ausgedehnt sein.

Die bereits realisierten laminographischen Verfahren der konventionellen Laminographie geben die Quer­ schnittsbilder des Objektes wieder und arbeiten in der Weise, daß gegenüber dem ortsfesten Objekt sich Rönt­ genstrahlenquelle und -detektoren in der entgegengesetz­ ten Richtung auf unterschiedlichen Bahnen bewegen. Bekannte Verfahren bzw. Vorrichtungen, die einen derar­ tigen prinzipiellen Aufbau nutzen, wurden in folgenden Literaturstellen beschrieben:

S.F. Buchele, H. Ellinger, F. Hopkins, Materials Evalua­ tion 48, May 1990; R.J. Kruse, R.H. Bossi, Review of Progress in Quantitative Nondestruktive Evaluation Vol. 10B, 1991; D.G. Grant, IEEE Transactions on Biomedical Engineering 19, Jan. 1972; U.E. Ruttimann, X. Qi, L. Weber, Medical Physics 16 (3), May/June 1989.

Auch eine Bewegung von Objekt und Röntgendetektoren gegenüber einer stationären Röntgenstrahlenquelle wurde bereits in Y. Segel, B. Cohen, NDT International Vol, 23, Nr. 3 June 1990 vorgeschlagen.

Durch diese koordinierten Rotations- oder Translations­ bewegungen werden die Punkte einer im Fokus liegenden Schicht bei allen Aufnahmen auf derselben Position und die aus anderen Schichten auf verschiedenen Positionen der Detektoren abgebildet, vgl. H.H. Barret, W. Swindell, Radiological Imaging, 1981.

Als Detektoren werden beispielsweise ein Röntgenfilm, eine röntgenempfindliche Zeile oder ein Array einge­ setzt. Auf ein in dieser Weise aufgenommenes Röntgen­ bild wird die vorher gewählte Schicht scharf darge­ stellt, überlagert mit anderen Schichten, die unterhalb und oberhalb der vor der Aufnahme selektierten Schicht liegen und verschmiert als Hintergrund abgebildet wer­ den. Um mehrere Schichten gleichzeitig untersuchen zu können, müssen z. B. mehrere Filmkassetten in einem Stapel verwendet werden. Die so abgebildeten Schichten liegen senkrecht zur Durchstrahlungsrichtung und haben bei flächigen Bauteilen somit den kürzesten Absor­ ptionsweg.

Aus WO 89/04477 ist weiterhin eine Vorrichtung zur automatischen Qualitätsprüfung von elektronischen Bau­ gruppen bekannt, mit der Röntgenschichtbilder erzeugt, digitalisiert und automatisch analysiert werden können.

Zur Erzeugung der Schichtbilder werden die Röntgen­ strahlen synchron zu den rotierenden Detektoren abge­ lenkt, anstelle einer mechanischen Bewegung der Rönt­ genstrahlenquelle wie bei der konventionellen Lamino­ graphie.

Derartige aus dem Stand der Technik bekannte, koordi­ nierte Rotations- oder Translationsbewegungen bedeuten einen aufwendigen und komplizierten mechanischen Aufbau des Meßsystems.

Aus der GB 2 084 832 A geht eine tomographisch arbeitende Vorrichtung hervor, bei der die durch das Meßobjekt hindurchgehenden, abgeschwächten Röntgen­ strahlen auf eine fluoriszierende Platte treffen, an der ein im sichtbaren Bereich liegendes Schichtbild entsteht, das über weitere optische Elemente verarbeitet werden kann. Wesentlich hierbei ist, daß die Strahlungsquelle aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Einzelstrahlungs­ quellen besteht, die für sich jeweils kegelzylindrische Strahlungsfelder erzeugen. Zur Analyse unterschiedlicher Schichtebenen innerhalb des Meßobjektes ist dieses parallel zu den Strahlenfeldern zu verschieben, d. h. der Abstand zwischen Strahlenquellen und Meßobjekt ist zu variieren. Zwar ist mit dieser Technik eine Schichtbildherstellung in verschiedenen Ebenen des Meßobjektes auch nur mit einer Translationsbewegung möglich, die parallel und nicht senkrecht zum Strahlengang erfolgt, doch bedarf es ferner eines sehr aufwendigen Beleuchtungskörpers, der eine Vielzahl von Strahlenquellen beinhaltet.

In der US 4 118 629 wird ein weiteres tomogra­ phisches System beschrieben, das über eine Punkt­ strahlenquelle verfügt, die ein kegelförmiges Strahlen­ feld erzeugt. Zur Erzeugung einzelner Schichtbilder durch das Meßobjekt, das in dem beschriebenen Fall ein menschlicher Körper ist, sind jedoch Rotationsbewegungen von Strahlenquelle und Strahlendetektor um das Meßobjekt erforderlich sowie eine zusätzliche Translationsbewegung des Meßobjektes relativ zum kegelförmigen Strahlenfeld. Zwar sind bei der Rekonstruktion der einzelnen Schichtbilder keine Zerlegung oder Umsortierung der aufge­ nommenen Projektionsdaten erforderlich, da mit dieser Anordnung Projektionswerte verschiedener Energien mitein­ ander kombiniert werden können, doch bildet die komplizierte Kinematik der gesamten Anlage einen er­ heblichen Konstruktiven Aufwand, der gegenüber der in Rede stehenden Erfindung als nachteilhaft anzusehen ist.

Aus diesem Stand der Technik und den vorgesehenen tech­ nischen Anwendungsgebieten ergibt sich als Aufgabe der Erfindung die Weiterentwicklung der konventionellen Laminographie im Sinne der Vereinfachung des Verfah­ rensablaufs und des damit konform gehenden technischen Aufbaus bei höchster Qualität der Schichtaufnahmen.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Erzeugung von Projektionsdaten bzw. -bildern und daraus die Re­ konstruktion von Schichtbildern eines dreidimensionalen Objektes mittels einer einzigen Röntgenstrahlungsquelle und den dem Meßobjekt gegenüberliegend angeordneten Röntgendetektoren, s. Anspruch 1.

Es werden also Querschnittsbilder eines Meßobjektes aus dessen Röntgenprojektionen rekonstruiert.

Dabei wird nur eine Translationsbewegung des Meßobjek­ tes relativ zum Röntgenstrahlenfeld benötigt. Zum Dete­ ktieren der Röntgenstrahlen wird ein röntgenstrahlem­ pfindliches Detektorensystem dem Objekt gegenüberlie­ gend angeordnet. Die Translationsbewegung des Objektes wird senkrecht zum Strahlengang und parallel zum Detektor durchgeführt. Für jede Meßposition während der Translationsbewegung durch das kegelförmige Strahlen­ feld wird vom Detektorarray das Absorptionsprofil des Meßobjektes ermittelt. Aus jeder Meßposition resultiert eine Projektion. Jede Projektion wird entsprechend der Anzahl der Detektorelemente in einzelne Projektionswer­ te zerlegt. Es erfolgt nun eine Umsortierung der Pro­ jektionswerte nach der zeitlichen, räumlichen Aufnahme­ reihenfolge. Diese neu gebildete Projektion ist dann identisch mit der Aufnahme aus der Computertomographie mit paralleler Strahlengeometrie. Damit sind durch diese Umsortierung die allgemein bekannten, in der Computertomographie verwendeten, Rekonstruktionsalgo­ rithmen wie z. B. die gefilterte Rückprojektion für die Rekonstruktion der Computerlaminographie anwendbar.

Der gesamte Meßablauf wird von einem Steuerrechner kontrolliert. Dazu gehört die Einstellung der Auf­ nahmeparameter, die Aufnahme der Projektionsdaten durch das Detektorsystem, die Abspeicherung und Übertragung der Meßdaten zum Rekonstruktionsrechner und die Neu­ positionierung des Meßobjektes.

Das für den Meßprozeß erforderliche kegelförmige Rönt­ genstrahlenfeld wird beispielsweise von einer Mikrofokus-Röntgenröhre erzeugt.

Die Translationsbewegung des Meßobjektes relativ zum Röntgenstrahlenfeld kann einmal durch Translationsbewe­ gung des Meßobjektes selbst und zum anderen dadurch realisiert werden, daß die Röntgenstrahlenquelle und das Detektorsystem eine Translationsbewegung in der gleichen Richtung durchführen. Dabei erfolgt die Translationsbewegung des Meßobjektes senkrecht zum Strahlengang der Röntgenstrahlenquelle.

Bei der ausschließlichen Bewegung des Meßobjektes sind Röntgenstrahlenquelle und Detektorsystem ortsfest ange­ ordnet mit der Konsequenz, daß sich das Meßobjekt zwi­ schen Röntgenstrahlenquelle und Detektorsystem hin­ durchbewegt. Die Aufgabe der Positionierung und Translationsbewegung des Meßobjektes kann re­ chnergesteuert von Manipulatoren übernommen werden.

Der Rekonstruktionsrechner rekonstruiert das Meßobjekt mittels der aus der Computertomographie bekannten Algorithmen und stellt es beispielsweise auf einem Rechnerbildschirm mit Graphiksystem dar.

Als Detektorsystem kann eine röntgenstrahlempfindliche Zeile oder ein Array eingesetzt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren der Computerlaminogra­ phie weist außer den bereits beschriebenen Vorteilen der konventionellen Laminographie weitere Vorzüge auf.

So wird das Meßobjekt aus den Projektionsdaten rekon­ struiert, wohingegen bei der konventionellen Laminogra­ phie das Objekt nur aus den Aufnahmen überlagert ab­ gebildet und keine Rekonstruktion durchgeführt wird. Ein weiterer Unterschied zur konventionellen Laminogra­ phie, wo Schichten senkrecht zum Strahlenfeld ab­ gebildet werden, besteht darin, daß mit Anwendung des Linienverfahrens die Schichten parallel zur Durchstrah­ lungsrichtung rekonstruiert werden. Mit einem 2D Dete­ ktorsystem kann ein Objekt in einem einzelnen Meß- und Auswertevorgang dreidimensional rekonstruiert werden. Dies führt zu dem Vorteil, daß die Schichten in belie­ bigem Winkel zur Durchstrahlungsrichtung nach der Re­ konstruktion selektiert dargestellt werden können. Bei der konventionellen Laminographie müssen die zu unter­ suchenden Schichten aufgrund der Aufnahmetechnik schon vorher gewählt werden. Bei flächigen Bauteilen ist dies insbesondere interessant zur Darstellung von Ebenen in der größten Ausdehnungsrichtung des Bauteils.

Die Erfindung soll im weiteren an Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 die Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 2 eine Meßanordnung zur Demonstration des Verfahrens­ ablaufs.

Mit dem Meßverfahren nach Fig. 1 wird ein Rekonstrukti­ onsalgorithmus eingesetzt, der die Rekonstruktion der Computerlaminographie durch Verwendung allgemein be­ kannter Rekonstruktionsalgorithmen für die Computer­ tomographie ermöglicht. Vor Anwendung der Algorithmen müssen jedoch die Projektionen umsortiert werden. Jede Projektion wird entsprechend der Anzahl der Detektor­ elemente in einzelne Projektionswerte zerlegt. Die vom gleichen Detektor aufgenommenen Projektionswerte werden nach der zeitlichen Aufnahmereihenfolge zusammengesetzt und führen dann zu einer neuen Projektion. Ein so ge­ wonnener Datensatz entspricht genau der tomographischen Aufnahme mit paralleler Strahlengeometrie, bei der das Meßobjekt eine Rotationsbewegung unter dem Winkel des Fächerstrahles durchführt.

In Fig. 1 sind ausgehend von einer Translationsbewegung des Meßobjektes 1 im Röntgenstrahlenfeld 3 von links nach rechts zwei entsprechend zeitlich nacheinander erfolgte Projektionen P₁ und P₂ dargestellt.

Die Projektionen bilden schichtweise ausgehend von einer Röntgenstrahlenquelle 2 die Absorptionsprofile der einzelnen Schichten, beispielsweise einer oberen Schicht O, einer mittleren Schicht M und einer unteren Schicht U, auf dem Aufnahmemedium/Detektorsystem 4 ab.

Bei Projektion P₁ wird der Punkt M der Schicht M auf PM₁ abgebildet, mit den Punkten O₂ und U₁ überlagert, die zur oberen bzw. unteren Schicht O bzw. U gehören. Die Punkte O₁ und U₂ werden auf PO₁ bzw. PU₂ ab­ gebildet.

Bei Projektion P₂ wird der Punkt M auf PM₂ abgebildet, aber mit den Punkten O₁ und U₂ überlagert. Die Punkte O₁ und U₁ werden auf die anderen Positionen PO₂ bzw. auf PU₁ abgebildet.

Die Projektion der Objektpunkte aus unterschiedlichen berechenbaren Positionen auf dem Detektor ermöglicht die Rekonstruktion der Objektpunkte aus den Projektionen.

Fig. 2 zeigt eine Meßanordnung zur Demonstration des Verfahrensablaufs.

Eine Röntgendetektorzeile oder ein 2D-Röntgendetektor­ array wird mit der Funktion eines Bildwandlers 4 so positioniert, daß die aus einer Röntgenröhre 2 erzeug­ ten Fächerstrahlen vollständig detektiert werden kön­ nen. Rechnergesteuert wird das Meßobjekt von Manipula­ toren 8 (beispielsweise ein x-Tisch mit Schrittmotor­ steuerung 10) zwischen die Röntgenstrahlenquelle 2 und -detektoren 4 positioniert und in einer Translationsbe­ wegung senkrecht zum Strahlengang 3 hindurchbewegt. Das Röntgenbild wird durch die Röntgendetektoren 4, z. B. einen Bildwandler mit einem anschließenden Kamerasystem 9, in ein elektronisches Signal umgewandelt. Ein Steu­ errechner 7 kontrolliert den gesamten Meßablauf, d. h. er stellt die Aufnahmeparameter ein, nimmt die Projek­ tionsdaten durch das Detektorsystem auf, speichert sie ab, überträgt sie zu einem Rekonstruktionsrechner 5 und positioniert das Objekt neu. Der Rekonstruktionsrechner rekonstruiert das Objekt aus den aufgenommenen Bildern nach entsprechender Umsortierung der Daten mit Algo­ rithmen, die aus der Computertomographie bekannt sind. Mittels eines Bildverarbeitungssystems, beispielsweise einem Rechnerbildschirm mit Graphiksystem können die rekonstruierten Bilder dargestellt werden.

Gegenüber der konventionellen Laminographie, wo die Röntgenröhre und -detektoren sich gegenüber dem Objekt rotationsmäßig oder translationsmäßig in der entgegen­ gesetzten Richtung bewegen, führen bei der erfindungs­ gemäßen Computerlaminographie die Röhre und Detektoren eine Translationsbewegung in der gleichen Richtung durch. Das bedeutet für die experimentelle Durchfüh­ rung, daß Röntgenröhre und Detektoren ortsfest angeord­ net sein können, lediglich das Objekt wird in einer Translationsbewegung zwischen Röhre und Detektoren hindurchbewegt.

Mit diesem Meßverfahren ist es auch möglich, das Objekt während der Translationsbewegung sehr nahe, d. h. in Abhängigkeit von der Röhrenbauart einige Millimeter bis einige Zentimeter, am Fokus entlang zu bewegen. Dadurch kann aufgrund der Direktvergrößerung eine wesentlich kleinere Pixelgröße bzw. bessere Auflösung erzielt werden. Gegenüber der 3D Computertomographie hat das Verfahren den Vorteil, daß auch in den Randbereichen der Rekonstruktionsmatrix die gleiche Auflösung erreicht wird wie im Zentrum.

Claims (9)

1. Verfahren zur Erzeugung von Schichtaufnahmen von einem Meßobjekt mittels Röntgenstrahlung unter Ver­ wendung

• - einer Röntgenstrahlenquelle, die ein einziges kegelförmiges Strahlungsfeld erzeugt,
• - einer Vielzahl von röntgenempfindlichen Detektorelementen, die ortsfest zur Röntgenstrahlungsquelle angeordnet sind,
• - einer Steuereinrichtung für den gesamten Meßablauf sowie
• - Speicher- und Auswerteeinrichtungen für die Ver­ arbeitung der Meßdaten, wobei eine Relativbewegung zwischen Meßobjekt relativ zu Röntgenstrahlungsquelle und Detektorelementen erfolgt und auf diese Weise Röntgenprojektionen P₁ . . . P_n von dem Meßobjekt aufgenommen werden, indem von den Detektorelementen während der Relativ­ bewegung des Meßobjektes (1) durch das Strahlungsfeld das Absorptionsprofil des Meßobjektes ermittelt wird,

dadurch gekennzeichnet,
daß ausschließlich eine Translationsbewegung des Meßobjektes (1) im wesentlichen senkrecht zum Strahlengang und parallel zu den Detektorelementen relativ zum Röntgenstrahlenfeld (3) durchgeführt wird,
daß die Schichtaufnahmen des Meßobjektes (1) aus den Röntgenprojektionen P₁ . . . P_n derart rekonstruiert werden, daß jede Projektion P₁ . . . P_n entsprechend der Anzahl der Detektorelemente in einzelne Pro­ jektionswerte zerlegt wird, und daß die von gleichen Detektorelementen aufgenommenen Projektionswerte nach der zeitlichen Aufnahmereihenfolge zusammengesetzt werden und zu einer neuen Projektion derart führen, daß diese identisch mit der Aufnahme aus der Computertomographie mit paralleler Strahlengeometrie ist, so daß die hierfür bekannten Rekonstruktionsalgorithmen anwendbar sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rekonstruktionsalgorithmus eine gefilterte Rückprojektion ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2. dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Meßablauf, d. h.

• a) die Einstellung der Aufnahmeparameter,
• b) die Aufnahme der Projektionsdaten durch das Detektorsystem (4) sowie
• c) die Abspeicherung und Übertragung zum Rekonstruktions­ rechner (5) und
• d) die Neupositionierung des Meßobjektes (1) von einem Steuerrechner kontrolliert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das kegelförmige Röntgen­ strahlenfeld (3) von einer Mikrofokus- Röntgenröhre (2) erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Translationsbewegung durch die Bewegung des Meßobjektes (1) selbst oder durch die Bewegung von Röntgenstrahlenquelle (2) und Detektorelemente (4) in der gleichen Richtung realisiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierung und Translationsbewegung des Meßobjektes (1) rechnergesteu­ ert von Manipulatoren (8) durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das mittels Rekonstrukti­ onsrechner (5) aus den aufgenommenen Schichtbildern rekonstruierte Meßobjekt (1) mittels eines Bildverar­ beitungssystems mit Graphikmonitor (6) dargestellt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorelemente (4) ein ein- oder zweidimensionales Array bilden.