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Technisches
Gebiet und Stand der Technik
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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Problem der Verarbeitung des
Röntgenbilds
eines bewegten Objekts.
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In
der Radioskopie sind die Belichtungszeiten bei bewegten Objekten
im Allgemeinen kurz. Dies führt zu
sehr verrauschten Bildern, denn die Anzahl der Photonen, die während der
Belichtung detektiert werden konnten, ist klein. Um dieses Problem
zu beseitigen, werden vor allem zwei Techniken angewandt.
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Wenn
die Bewegung des Objekts langsam ist, besteht die einfachste Technik
dann, eine kleine Anzahl sukzessiver Röntgenbilder zu summieren (gleitende
Kumulierung), wobei diese Bilder als identisch betrachtet werden.
In diesem Fall akzeptiert man einen Verlust bei der geometrischen
Auflösung,
um die Verrauschung der Bilder zu reduzieren. Diese Funktion gibt
es bei den meisten Echtzeit-Bildverarbeitungssystemen. Wenn für jedes
Röntgenbilden
Photonen pro Pixel auf dem Detektor eintreffen, beträgt das Signal-/Rauschverhältnis des
Röntgenbilds: √n. Wenn
man m sukzessive Bilder summiert, um ein weniger verrauschtes Bild
zu erzeugen, beträgt
das Signal-/Rauschverhältnis
dieses Bildes: √n·m. Jedoch
verliert man bei der geometrischen Auflösung. Wenn das Objekt sich
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Röntgenbilder um Δx verschiebt,
beträgt
die Auflösung
des Systems m·Δx.
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Im
Falle von schnell bewegten Objekten besteht eine andere Technik
dann, eine kleine Anzahl sukzessiver Röntgenbilder zu summieren, wobei
man sie verschiebt, um der Bewegung des Objekts Rechnung zu tragen.
Diese Technik wird in der CDD-Technologie üblicherweise TDI ("Transfer Delay Integration") genannt. Bei den
Vorrichtungen wird TDI im Allgemeinen auf Detektorebene realisiert.
Im Falle von CCD-Detektoren verschieben sich die Ladungen in den
Detektoren gleichzeitig mit den Bildpunkten. Dies ermöglicht eine analoge
Summierung zu realisieren und einerseits die Anzahl der zu transferierenden
Daten und andererseits die Anzahl der von der CPU auszuführenden
Operationen zu begrenzen.
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Das
Dokument EP-A-0 814 430 veröffentlicht
eine andere Lösung.
Man erzeugt eine restaurierte Bildersequenz eines bewegten Objekts
aufgrund von Geräuschmessungen.
Die Verschlechterung aufgrund des Geräusches ist größer im Falle
eines bewegten Objekts, denn es entsteht eine kinetische Verschwommenheit bzw.
Unschärfe.
Das Dokument schlägt
vor, das Geräusch
zu reduzieren, indem man folgende Schritte ausführt:
- – Herstellung
von wenigstens einer Sequenz primitiver Bilder des bewegten Körpers;
- – Ermittlung
eines Bewegungsgesetzes des Objekts;
- – Modifikation
der primitiven Bilder, um restaurierte Bilder zu erhalten, indem
gleichzeitig ein Kriterium zur Adäquation der restaurierten Bilder
an die Messungen, ein Kriterium zur räumlichen Regularisation der
restaurierten Bilder und ein Kriterium zu zeitlichen Regularisation
der Sequenz der restaurierten angewendet wird, wobei das Bewegungsgesetz
des Körpers
berücksichtigt
wird.
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Das
vorgeschlagene Verfahren ermöglicht,
eine große
Anzahl Röntgenbilder
zu kombinieren, um das Geräusch
der Bilder zu begrenzen, dabei aber den Verlust an geometrischer
Auflösung
zu begrenzen. Der andere Vorteil dieses Verfahrens besteht dann,
dass es mit derselben Software-Architektur angewendet werden kann
wie die Tomosynthese. Dieses Verfahren kann folglich in der Radioskopie
in Echtzeit benutzt werden.
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Die
Erfindung hat zunächst
ein Radiographieverfahren nach Anspruch 1 zu Gegenstand.
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Der
Kombinationsschritt kann ein Summierschritt der der Projektion der
Projektionsebene entsprechenden Werte sein.
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Nach
einer Ausführungsart
bewegt sich das Objekt translatorisch entsprechend einer Richtung
(D) und weist eine Dicke 1 gemäß der Richtung
der Projektionsebene auf, und die Anzahl kombinierter Pixel zur
Erzeugung eines Pixels des resultierenden Bildes wird nach folgender
Formel berechnet:
wobei p die Größe eines
Pixels darstellt und FG und FGd jeweils den Abstand zwischen der
Quelle und dem Objekt und den Abstand zwischen der Quelle und dem
Detektor darstellen und m die Anzahl der aufeinanderfolgenden, durch
einen Abstand Δx
getrennten Positionen des Objekts ist, für die ein Bild realisiert wird.
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Die
Bewegung des Objekts kann auch kreisförmig sein, wobei die Projektionsebene
eine radiale Ebene des Objekts ist.
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Eine
Zuordnungstabelle kann erstellt werden, die jedes Pixel des Röntgenbildes
einem Pixel der Projektionslinie der Projektionsebene verknüpft.
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Man
kann also eine Tabelle Tab(k, Ie, Je) = Js definieren,
die das Pixel (Ie, Je)
des Bilds N + k – wobei
k eine positive oder negative ganze Zahl ist –, dem Pixel Js der
Projektion der Projektionsebene zuordnet.
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Die
Erfindung hat auch Verfahren zum Röntgen eines Objekts zum Gegenstand,
das sich zwischen einer Quelle und einem Detektor bewegt, umfassend:
- – die
Festlegung einer Fläche
So für
eine bestimmte Position des Objekts, wobei diese Fläche entsprechend
einer Kurve (C1) auf den Detektor projiziert
wird und ihre Projektion in ihren anderen Positionen entsprechend
einer Fläche
SP erfolgt,
- – die
Realisierung von Röntgenbildern
des Objekts im Laufe seiner Bewegung mit Hilfe der Quelle und dem Detektor,
- – die
Verarbeitung der Projektion gemäß (C1), wobei diese Verarbeitung die folgenden
Schritte umfasst:
- a) Aufgliedern der Fläche
So, einerseits gemäß den Linien
1, die die Strahlung von der Quelle zum Detektor durchläuft, Strahlungsdämpfungslinien
genannt, andererseits gemäß Linien
mit Richtungen, die sich von denen den Linien 1 unterscheiden, wobei
jeder Punkt der aufgegliederten Fläche mit seinen Koordinaten (Ie, Je) versehen wird,
- b) für
jede Position k des Objekts die Berechnung der Position (Id, Jd), in SP, der Projektion auf den Detektor von jedem
mit seinen Koordinaten (Ie, Je)
versehenen Punkt, wobei in SP der Wert der
Messung in (Id, Jd) f(Id, Jd) ist,
- c) Berechnen der Projektion von So in C1 in
Abhängigkeit
von Id für
die Gesamtheit der Positionen der Fläche So während der Bewegung des Objekts,
ausgehend von verschiedenen Positionen k der Fläche, und Definition einer Funktion:
- d) Durchlaufen bzw. Bewegen des Objekts, wobei man die neue
Position von So in dem Objekt festlegt, das sich um eine elementare
Position verschoben hat, dann Rückkehr
zu Schritt c),
- e) Erstellen des Röntgenbildes
Zeile für
Zeile, wobei jede abgespeichert wird.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Die
Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor. Diese Beschreibung betrifft erläuternde
und nicht einschränkende
Ausführungsbeispiele
und bezieht sich auf die beigefügten
Zeichnungen:
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die 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Ausführungsart,
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die 3 ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung für
den Fall einer Triebwerk- bzw.
Propellermassenuntersuchung, in radialer Tomographie,
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die 4 zeigt schematisch ein
Propellerphantom,
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die 5A und 5B sind Schnitte entsprechend den Strukturen,
jeweils in dem TDI-Bild (in 35 Röntgenaufnahmen)
und in dem erfindungsgemäßen radialen
Röntgenbild
(in 35 sukzessiven Ansichten).
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Detaillierte Beschreibung
von Ausführungsarten
der Erfindung
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Die 1 zeigt eine erste Ausführungsart
der Erfindung. Man nimmt ein rechteckiges Objekt 2 mit
der Dicke 2 an, in Translation zwischen einer Quelle 4 und
einem Detektor 6. Als Projektionsebene P nimmt man eine
zu der Richtung D der Verschiebung J des Objekts senkrechte Ebene
an.
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Die 2 zeigt zwei verschiedene
Positionen P1 und P2 der
Projektionsebene während
der Bewegung des Objekts 2.
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Wenn
man annimmt, dass die Dämpfung
des Objekts 1 beträgt
und die eines Defekts bzw. Fehlers
5 des Durchmessers e
2 beträgt, beträgt der Kontrast
des Fehlers auf dem Röntgenbild
(in Dichte)
mit einem Signal-/Rauschverhältnis von √n, wenn
n die Anzahl der Photonen ist, die nach dem Durchqueren des Objekts
detektiert werden.
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Um
das Signal-/Rauschverhältnis
des finalen Röntgenbildes
zu verbessern, kombiniert man die verschiedenen Beiträge der Projektionen
der Projektionsebene in der Bilderserie. Tatsächlich summiert man entsprechend
der Richtung D der Verschiebung des Objekts die der Projektion der
Projektionsebene entsprechenden Werte. Man erzeugt so ein Röntgenbild,
das einem Röntgenbild
entspricht, das man mit einem Detektor erhält, der die Form der kleinsten
Projektion der Projektionsebene hat und das Objekt sich vorbeibewegen
sieht.
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Die
Verbesserung des Signal-/Rauschverhältnisses kann folgendermaßen berechnet
werden: wenn x der Abstand zwischen der Projektionsebene P
2 und der durch die Quelle
4 verlaufenden
Senkrechten Δ ist
und a die Breite der Projektion der Projektionsebene, dann bekommt
man für
einen bestimmten x:
wo FGd den Abstand zwischen
der Quelle und dem Detektor darstellt und FG den Abstand zwischen
der Quelle und dem Objekt.
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Wenn
a kleiner ist als die Größe p des
Pixels, benutzt man die Werte der Linien, in denen sich die Projektionsebene
projiziert. Wenn der Translationsverschiebungsschritt Δx ist und
man m sukzessive Positionen benützt,
beträgt
die Anzahl kombinierter Pixel N
PS zur Erzeugung
eines resultierenden Pixels:
N
PS ist
weit größer als
m; folglich ist die Messstatistik bei einem rekonstruierten Bild
immer besser als die Statistik, die man durch einfache gleitende
Kumulierung oder durch TDI erhält.
Eine Bewertung dieses Gewinns bei dem Signal-/Rauschverhältnis wird
in der Folge im Falle der Raketentriebwerkspropellerprüfung bzw.
-untersuchung beschrieben.
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Nach
einer Durchführungsart
ermöglicht
die erfindungsgemäße Verarbeitung,
eine Zuordnungstabelle zu erstellen, die jedes Pixel des Röntgenbildes
mit einem Pixel der Projektionslinie einer radialen Ebene verknüpft.
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Eine
Anwendungsart kann die folgende sein.
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Für die Radialebene,
die sich senkrecht auf das Bild N projiziert, definiert man eine
Tabelle Tab(k, Ie, Je) = Js, die das Pixel (Ie, Je) des Bilds N
+ k, wobei k negativ sein kann, mit dem Pixel Js der Projektion
der Radialebene verknüpft.
Derart kann man Zeile für
Zeile ein Röntgenbild
konstruieren, bei dem jede Spalte eine Projektion einer radialen
Ebene ist.
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Diese
Lösung
wurde im Rahmen der Triebwerk- bzw. Propellermassenuntersuchung
gewählt
(3). Für die Untersuchung
(radiales Röntgenbild)
befindet sich – im
Gegensatz zum tangentialen Röntgenbild – ein Detektor 12 im
Innern der Führung
bzw. Zuführung
eines Propellers 10. Die Projektion der Defekte bzw. Fehler verschiebt
sich folglich schneller über
den Detektor als im Falle des tangentialen Röntgenbildes. Die 3 zeigt ein Schema der Installation.
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Im
Falle dieser Anwendung ist die Projektionsebene eine radiale Ebene 13.
Man summiert die Beiträge der
Projektionen dieser Projektionsebene auf dem Detektor. Der Propeller
dreht sich zum Beispiel im Uhrzeigersinn (Φ zunehmend). Er könnte sich
auch im Gegenuhrzeigersinn drehen.
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Die
Relation, die die Breite a der Projektion auf dem Detektor mit der
Geometrie des Systems verknüpft,
ist die folgende:
wo ρ
min und ρ
max jeweils
den inneren und äußeren Durchmesser
des Propellers
10 bezeichnet. Wie in den vorhergehenden
Beispielen bezeichnet
4 die Strahlungsquelle und FGd den
Abstand Quelle-Detektor.
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Wenn
man voraussetzt, dass die Quelle weit vom Detektor entfernt ist,
kann man annehmen, dass cosΦ ≈ 1. Wenn man
eine Auflösung über 10 mm
garantieren will, das heißt,
dass man die Beiträge
der Punkte nicht berücksichtigt,
die sich mehr als 10 mm von der Projektionsebene entfernt befinden,
deren Projektion man berechnet, muss man a begrenzen. Mit a = 10
mm, ρmin = 500 mm, ρmax =
1500 mm und FGd = 3000 mm findet man, dass Φ = 0,238° beträgt.
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Man
kann folglich die Verarbeitung durchführen, indem man die Projektionen
während
der Rotation des Propellers kumuliert über einen Winkelsektor von
2 × 0,238° = 0,476°, wobei man
eine geometrische Auflösung
von mehr als 10 mm beibehält.
Die Breite des Bildpixels beträgt
ungefähr
0,8 mm, wobei jeder Beitrag der Summierung von 10 Zeilen entspricht.
Außerdem
bewegt man sich zwischen zwei Videobildern um 0,025° und akkumuliert
folglich 20 Winkelpositionen. Da die Winkel klein sind, ergibt die
Summe der Beiträge
den gleichen Kontrast wie die rohe Projektion, das heißt in der
Größenordnung
mit einer Summierung von
ungefähr
200 identischen Beiträgen,
das heißt
mit einem um den Faktor 14 verbesserten Signal-/Rauschverhältnis.
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Die
Leistungen der TDI-Technik und das vorgeschlagene Verfahren wurden
bei einer Serie von Testphantomen mit den simulierten und experimentellen
Daten verglichen.
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Bei
den Experimenten für
einen Tangentialradiographietest wurde eine Serie von Messungen
an einem Propellerphantom aus Sand durchgeführt. Diese Messserie hat ermöglicht,
eine vorausgehende experimentelle Validation zu realisieren.
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Das
für diese
Erfassung benutzte Phantom (4)
wird gebildet durch zwei Serien 20, 22 von 5 Einsätzen aus
Polyethylen mit variablen Durchmessern. Jede der Serien wurde mit
einem bestimmten ρ angeordnet.
Die beiden Serien von Einsätzen
haben einen Abstand von 20 cm.
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Der
Abstand zwischen der Quelle und dem Detektor beträgt 4 m und
der Detektor misst 30 × 40
cm; der Außendurchmesser
des Propellers beträgt
3 m und der Innendurchmesser 1 m. Der Propeller rotiert mit 1° pro Sekunde.
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Zunächst wurde
davon ausgegangen, dass die Defekte bzw. Fehler a priori in der
zentralen Zone des Propellers lokalisiert sind, und man hat eine
auf diesen Bereich fokussierte TDI-Verarbeitung realisiert. Man hat
die TDI auf das Kombinieren von 35 Bildern begrenzt. Den resultierenden
Schnitt entsprechend den Strukturen in dem TDI-Bild über 35 Röntgenbilder
liefert die 5A.
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Man
hat auch die erfindungsgemäße Radialradiographie-Verarbeitung
durchgeführt,
indem 35 sukzessive Bilder kombiniert wurden und als Projektionsebenen
die radialen Ebenen genommen wurden. Den resultierenden Schnitt
entsprechend den Strukturen in dem radialen Radiographie-Bild über 35 sukzessive
Bilder liefert die 5B.
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Mit
dem vorgeschlagenen Verfahren stellt man also in Bezug auf die TDI-Technik
eine deutliche Verbesserung des Signal-/Rauschverhältnisses
fest. Die geometrische Auflösung
zwischen den beiden Verfahren bleibt im Wesentlichen dieselbe.
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Ein
erfindungsgemäßes Radiographieverfahren
mit verbessertem Signal/Rauschverhältnis für ein bewegtes Objekt lässt sich
wie folgt realisieren.
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Zunächst kalibriert
man die Geometrie in Abhängigkeit
von einer ersten Serie von Erfassungsbedingungen, um die Bewegung
des Objekts mit seiner Bewegung auf dem Bild zu verknüpfen. Man
erfasst also Kalibrierungsbilder (zum Beispiel mit Hilfe von Kugeln
oder Gittern). Man erhält
also charakteristische Parameter der Ertassungsgeometrie, intrinsische
Parameter genannt, die die Geometrie des Messsystems beschreiben,
und extrinsische Parameter, die die Bahn des Objekts in dem Mess-Bezugssystem
beschreiben.
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Anschließend definiert
man Erfassungsbedingungen, spezifisch für die Erfassungsbedingungen
ohne Modifikation der geometrischen Parameter.
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Aufgrund
der geometrischen Parameter und der Erfassungsbedingungen kann man
Zuordnungstabellen berechnen, um die Pixel zwischen den Bildern
zu verknüpfen.
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Anschließend wir
eine Erfassung einer Serie von Bildern des Objekts realisiert.
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Für eine bestimmte
Stellung des Objekts wird eine Fläche So des Objekts gewählt. Diese
Fläche
wird auf den Detektor projiziert, entsprechend einer Kurve C1; in seinen anderen Stellungen erfolgt die
Projektion gemäß einer
Fläche
SP.
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Dann
wird eine Verarbeitung der Projektion gemäß C1 realisiert:
- a) Aufgliederung der Fläche So, einerseits gemäß den Linien
1 (Strahlungsdämpfungslinien
genannt), die die Strahlung von der Quelle zum Detektor durchläuft, andererseits
gemäß Linien
mit Richtungen, die sich von denen den Linien 1 unterscheiden, wobei
jeder Punkt der aufgegliederten Fläche mit seinen Koordinaten
(Ie, Je) versehen
wird,
- b) für
jede Position k des Objekts die Berechnung der Position (Id, Jd), in SP, der Projektion auf den Detektor von jedem
mit seinen Koordinaten (Ie, Je)
versehenen Punkt, wobei der Wert der Messung in (Id,
Jd) in SP f(Id, Jd) ist,
- c) Berechnung der Projektion von So in C1 – abhängig von
Id – für die Gesamtheit
der Positionen der Fläche So
während
der Bewegung des Objekts, ausgehend von verschiedenen Positionen
k der Fläche,
und Definition einer Funktion:
- d) Fortbewegung des Objekts, wobei man die neue Position von
So in dem Objekt festlegt, das sich um eine elementare Position
verschoben hat, dann Rückkehr
zu Schritt c) (Schritte a und b werden nur einmal ausgeführt),
- e) Erstellen des Röntgenbildes
Zeile für
Zeile, wobei jede abgespeichert wird.
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Zum
Beispiel umfasst die Erfassungsgeometrie für Röntgenstrahlen die folgenden
extrinsischen und intrinsischen Parameter:
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- – für die intrinsischen
Parameter:
- – den
Abstand Quelle-Detektor,
- – den
Abtastschritt (Pixelgröße genannt),
- – die
Position der rechtwinkligen Projektion des Fokalpunkts der Quelle
auf dem Detektor;
- – für die extrinsischen
Parameter:
- – die
Euler-Winkel, die ermöglichen,
die Ausrichtung der Rotationsachse in dem Quelle-Detektor-Bezugssystem zu definieren,
- – die
Position des Nullpunkts und die Achse in dem Quelle-Detektor-Bezugssystem.
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Die
Erfassungsbedingungen sind:
- – die Bewegungsgeschwindigkeit
des Objekts und seine Position (zum Beispiel Radius, wenn es sich
um eine Kreisgeometrie handelt; oder gekrümmte bzw. nichtlineare Abszisse
bei einer beliebigen Bahn). Man kann daraus eine Konstruktion der
Bahn des Objekts in dem Quelle-Detektor-Bezugssystem ableiten,
- – die
Bahn,
- – die
Erfassungsfrequenz,
- – die
Größe der Bilder.
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Bei
den Infrarotstrahlen ist zum Beispiel die Kamera die Strahlungsquelle
und man sucht die Bahn des Objekts in dem Bezugssystem der Kamera.
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Alle
in der vorliegenden Anmeldung präsentierten
Datenverarbeitungen können
mit einem speziell für diesen
Zweck programmierten Computer realisiert werden. Die entsprechenden
Programminstruktionen können
auf einer Magnetplatte oder in konventionellen RAM- oder ROM-Einheiten
abgespeichert werden.