DE4325351C2

DE4325351C2 - Device and method for determining the position of the projection of the axis of rotation of a computer tomography system on its detector unit

Info

Publication number: DE4325351C2
Application number: DE4325351A
Authority: DE
Inventors: Michael Maisl; Detlef Loock; Rudolf Karos
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1993-06-26
Filing date: 1993-07-28
Publication date: 1998-09-10
Anticipated expiration: 2013-07-29
Also published as: DE4325351A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Lage der Projektion der Rotationsachse eines Computer-Tomographie-Systems auf dessen Detektoreinheit.The invention relates to an apparatus and method for determining the Location of the projection of the axis of rotation of a computer tomography system its detector unit.

In der Röntgen-Computer-Tomographie (CT) beeinflussen die Abbildungseigen schaften des radiographischen Systems, also des Detektors und der Quellenapertur, und die Justierung des Probenmanipulators die geometrische Auflösung der rekon struierten Querschnitte. Bei geometrisch hochauflösenden Röntgen-Computer- Tomographiesystemen mit Pixelbreiten von w < 50 µm im rekonstruierten Quer schnitt, einer Mikrofokusröntgenröhre als Quelle und Röntgendetektoren mit einem Pitch d größer als die Pixelbreite w muß der Brennfleckdurchmesser fD kleiner als die Pixelbreite w sein. Falls dies nicht der Fall ist, wird die geometrische Auflösung des Tomogramms nicht durch das Samplingtheorem und die Abbildungseigenschaf ten des Detektors, sondern überwiegend durch den Brennfleckdurchmesser fD der Röntgenröhre bestimmt.In X-ray computer tomography (CT) influence the imaging properties the radiographic system, i.e. the detector and the source aperture, and the adjustment of the sample manipulator the geometric resolution of the recon structured cross sections. With geometrically high-resolution X-ray computer Tomography systems with pixel widths of w <50 µm in the reconstructed cross cut, a microfocus X-ray tube as a source and X-ray detectors with one Pitch d larger than the pixel width w, the focal spot diameter fD must be smaller than be the pixel width w. If this is not the case, the geometric resolution of the tomogram is not due to the sampling theorem and the imaging properties th of the detector, but mainly by the focal spot diameter fD X-ray tube determined.

Zur Definition sei bemerkt, daß der Pitch der Abstand der Einzeldetektoren ist und auch als Samplingintervall bezeichnet wird und den Betrag d hat. Die Pixelbreite w beträgt d/m, wobei m die mittlere geometrische Vergrößerung ist. Bei diesen Syste men wird die Direktvergrößerungstechnik benutzt, d. h. es wird eine geometrische Vergrößerung um den Faktor m << 1 erreicht.For definition, it should be noted that the pitch is the distance between the individual detectors and is also called the sampling interval and has the amount d. The pixel width w is d / m, where m is the mean geometric magnification. With this system The direct magnification technique is used, i. H. it will be a geometric one Magnification by the factor m << 1 reached.

Eine Bestimmung der Lage der Projektion der Rotationsachse auf das Detektorsys tem auf mindestens 2/10 der Pixelbreite w ist eine Voraussetzung für die tomo graphische Rekonstruktion eines Querschnittes aus Projektionen. Falls die Projektion der Rotationsachse PD' auf das Detektorsystem PD nicht genau ermittelt wird, ver mindert sich die geometrische Auflösung und es entstehen Artefakte.A determination of the position of the projection of the axis of rotation on the detector system a minimum of 2/10 of the pixel width w is a prerequisite for tomo graphic reconstruction of a cross section from projections. If the projection the axis of rotation PD 'on the detector system PD is not exactly determined, ver the geometric resolution is reduced and artefacts arise.

In der Dissertationsschrift von K. Engelke, Mikrotomographie mit Synchrotron strahlung zur quantitativen Darstellung des Mineralgehaltes in Knochen, Universität Hamburg 1989, werden solche Artefakte, wie sie bei der Rekonstruktion eines Zylinders in der FAN-BEAM-Geometrie und bei Translations-Rotationsscannen ent stehen, beschrieben. Insbesondere wird auf Seite 46 der Dissertationsschrift genauer ausgeführt, daß zur Bestimmung der Lage der Rotationsachse einer Computer- Tomographieanordnung, die mit einem parallelem Strahlungsfeld betrieben wird, aufgrund der vorherrschenden Symmetrieverhältnisse in der Abbildungsgeometrie ein Faltungsintegral verwendet wird. Ein derartiges Vorgehen ist jedoch bei CT-Systemen, die mit divergenten Strahlungsfeldern arbeiten, nicht möglich.In K. Engelke's dissertation, Microtomography with Synchrotron radiation for quantitative representation of the mineral content in bones, university Hamburg 1989, artifacts such as those found in the reconstruction of a Cylinders in the FAN-BEAM geometry and in translational rotation scans stand, described. In particular, page 46 of the dissertation will be more precise explained that to determine the position of the axis of rotation of a computer Tomography arrangement, which is operated with a parallel radiation field, due to the prevailing symmetry relationships in the imaging geometry a convolution integral is used. Such an approach is however with CT systems that work with divergent radiation fields are not possible.

Hochauflösende CT-Systeme mit Mikrofokusröntgenröhren als Quelle und Detekto ren mit einer Detektorapertur d, die größer als die Pixelbreite w im rekonstruierten Querschnitt ist, erfordern für hohe geometrische Auflösungen einen Brennfleck, des sen Lage auf dem Target und dessen Durchmesser sich über lange Zeit nicht ändern. Dabei kann die Meßzeit je Querschnitt bei kleiner Pixelbreite bis zu mehre ren Stunden betragen.High-resolution CT systems with microfocus X-ray tubes as a source and detector ren with a detector aperture d that is larger than the pixel width w in the reconstructed Cross-section requires a focal spot for high geometric resolutions Its position on the target and its diameter have not changed for a long time to change. The measurement time per cross-section can be up to several with a small pixel width hours.

Nach jeder Änderung der Anodenspannung muß jedoch die Projektion der Rotation sachse auf das Detektorsystem PD und der Brennfleckdurchmesser neu ermittelt werden, da die Lage und der Durchmesser des Brennflecks bei einer Änderung der Anodenspannung variiert.After each change in the anode voltage, however, the projection of the rotation must be made axis on the detector system PD and the focal spot diameter newly determined as the location and diameter of the focal spot change when the Anode voltage varies.

Es ist daher erforderlich bei einmal eingestellten Betriebsparametern die Rotati onsachse eines CT-Systems möglichst genau zu ermitteln.The Rotati is therefore necessary if the operating parameters are set once to determine the axis of a CT system as precisely as possible.

Die Projektion der Rotationsachse auf dem Detektor PD kann bei Translationsrota tionsscannern infolge der Symmetrieeigenschaften der Projektionsdaten aus zwei Projektionen, die unter dem Winkel Φ und Φ+π gemessen wurden, mittels Kreuzkor relation bestimmt werden. (Vergleiche hierzu auch die vorstehend zitierte Disserta tion von Engelke). Diese Methode ist bei reinen Rotationsscannern infolge des diver genten Strahlenganges nicht anwendbar, da sie zu ungenau ist. PD wird also iterativ ermittelt. Dabei werden mehrere Tomogramme aus Projektionen einer Messung re konstruiert. Bei jeder Rekonstruktion wird der angenommene Projektionspunkt der Rotationsachse auf dem Detektor PD variiert, und das Tomogramm wird visuell be wertet. Die Projektion der Rotationsachse auf den Detektor PD wird aus dem Tomo gramm mit der höchsten Auflösung für die nachfolgenden Rekonstruktionen berück sichtigt. Diese Methode ist natürlich zeitaufwendig und zusätzlich ungenau.The projection of the axis of rotation on the detector PD can be done with translational rota tion scanners due to the symmetry properties of the projection data from two Projections that were measured at the angles Φ and Φ + π using cross cords relation can be determined. (See also the Disserta cited above tion by Engelke). This method is due to the diver in pure rotary scanners The beam path cannot be used because it is too imprecise. So PD becomes iterative determined. Several tomograms are projected from projections of a measurement constructed. With each reconstruction, the assumed projection point becomes the Rotation axis on the detector PD varies, and the tomogram is visually be evaluates. The projection of the axis of rotation onto the detector PD is obtained from the tomo with the highest resolution for subsequent reconstructions inspects. Of course, this method is time-consuming and also imprecise.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Lage der Projektion der Rotationsachse eines Com puter-Tomographie-Systems auf dessen Detektoreinheit anzugeben, daß bei CT-Systemen, die mit einem kegelförmigen, d. h. divergenten Strahlungsfeld betrie ben werden, die Lage ihrer Rotationsachse bzw. die Lage der Projektion der Rotationsachse auf den Detektor mit einer sehr hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit bestimmt werden kann. Die hierfür erforderli chen apparativen Mittel sollen von nur geringem konstruktivem und finanziellen Auf wand sein.The present invention has for its object a device and a Method for determining the position of the projection of the axis of rotation of a Com computer tomography system to indicate on its detector unit that at CT systems with a conical, i.e. H. divergent radiation field ben, the position of their axis of rotation or the position of the projection of the Axis of rotation on the detector with a very high accuracy and Reliability can be determined. The necessary for this Apparatus resources should be of little constructive and financial expense be wall.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 6.A device according to the invention for solving this problem is in claim 1 specified. Further developments of the invention are the subject of dependent claims 2 until 6.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung der Lage der Projektion der Rotationsachse eines Computer-Tomographie-Systems auf dessen Detektoreinheit, mit einem kegelförmigen Röntgenstrahlenfeld, das von der Rotationsachse des Computer-Tomographie-Systems senkrecht zur Strahlrichtung durchsetzt ist, weist einen um die Rotationsachse drehenden Drehtisch auf, der senkrecht zur Strahlrichtung und parallel zu einer Ebene, in der die Detektoreinheit verschiedene Meßpunkte aufnimmt, bewegbar ist und auf dem ein länglicher Testgegenstand angeordnet ist.The inventive device for determining the position of the projection of the Axis of rotation of a computer tomography system on its detector unit, with a cone-shaped X-ray field that extends from the axis of rotation of the Computer tomography system is penetrated perpendicular to the beam direction, has a rotary table rotating about the axis of rotation, which is perpendicular to the Beam direction and parallel to a plane in which the detector unit is different Records measuring points, is movable and on which an elongated test object is arranged.

Als Testgegenstand eignet sich besonders ein runder, homogener Draht oder Stab, der vorzugsweise senkrecht auf dem Drehtisch aufgebracht ist und sich senkrecht zum Strahlenfeld erstreckt.A round, homogeneous wire or rod is particularly suitable as a test object, which is preferably applied vertically on the turntable and vertically extends to the radiation field.

Der Drehtisch selbst ist auf einem Verschiebetisch montiert, der parallel zur Erstreckung der Detektoreinheit verschiebbar ist.The turntable itself is mounted on a sliding table that is parallel to the Extension of the detector unit is displaceable.

Das erfindungsgemäße Verfahren, vergl. Anspruch 7, zur Bestimmung der Lage der Projektion der Ro tationsachse eines Computer-Tomographie-Systems verwendet die er findungsgemäße Vorrichtung und sieht folgende Schritte vor:
Der vorzugsweise als Draht ausgebildete längliche Testgegenstand wird in einer ersten Position S1' auf der Detektoreinheit abgebildet. Anschließend erfolgt eine zweite Abbildung des Testgegenstandes in einer zweiten Position S2', die sich durch Drehung des Drehtisches um die Rotationsachse um 180° aus der ersten Position S1' ergibt. Dann werden die Projektionsschwerpunkte PS1 und PS2 beider Abbildungen auf der Detektoreinheit mittels nachfolgend beschriebener Analysetechnik sowie die durch die Projektion verursachten Vergrößerungsfaktoren m1 und m2 für die Abbil dungen des länglichen Testgegenstandes jeweils in den Positionen S1' und S2', durch Verschieben des Drehtisches parallel zur Detektoreinheit um einen bestimm ten Betrag bestimmt. Schließlich wird die Projektion PD der Rotationsachse auf der Detektoreinheit nach folgender Formel ermittelt:
The method according to the invention, cf. claim 7, for determining the position of the projection of the rotation axis of a computer tomography system uses the device according to the invention and provides the following steps:
The elongate test object, which is preferably designed as a wire, is imaged in a first position S1 'on the detector unit. This is followed by a second image of the test object in a second position S2 ', which results from the first position S1' by rotating the turntable about the axis of rotation by 180 °. Then the projection focal points PS1 and PS2 of both images on the detector unit by means of the analysis technique described below, as well as the magnification factors m1 and m2 caused by the projection for the images of the elongated test object in the positions S1 'and S2', respectively, by moving the rotary table parallel to the detector unit determined by a certain amount. Finally, the projection PD of the axis of rotation on the detector unit is determined using the following formula:

Zur Projektionsschwerpunktsbestimmung, vergl. Anspruch 8, wird nach folgendem Verfahren vorgegangen:
Die mit der Detektoreinheit aufgenommene Intensitätsverteilung I_n(x) des Abbildes des länglichen Testgegenstandes auf der Detektoreinheit wird normiert und mit einem Polynom 2. Ordnung in der Form
The following method is used to determine the center of gravity of the projection, cf. claim 8:
The intensity distribution I _n (x) of the image of the elongated test object recorded on the detector unit is normalized and with a 2nd order polynomial in the form

I_p(x) = ax² + bx + c
I _p (x) = ax ² + bx + c

angenähert. Die Koeffizienten a, b, c werden nach der Methode der kleinsten Fehler quadrate bestimmt, wobei der Projektionsschwerpunktes PS nach der Minimumsbil dung des Polynoms gemäß
approximated. The coefficients a, b, c are determined according to the method of least squares, the center of projection PS according to the minimum formation of the polynomial

PS = -b/2a
PS = -b / 2a

erhalten wird.is obtained.

Die Erfindung näher beschreibende Ausführungen werden in Zusammenhang mit den folgenden Figuren gemacht: Embodiments descriptive of the invention are related to made the following figures:

Fig. 1 Projektionsgeometrie der Computer-Tomographie und Fig. 1 projection geometry of computer tomography and

Fig. 2 eine Anordnung zur Ermittlung der Lage der Projektion der Rotations achse auf der Detektoreinheit. Fig. 2 shows an arrangement for determining the position of the projection of the axis of rotation on the detector unit.

In den Figuren sind jeweils gleiche oder entsprechende Teile mit den sel ben Bezugszeichen bezeichnet.In the figures, the same or corresponding parts with the sel ben reference numerals.

In den Fig. 1 und 2 sind dar gestellt der Brennfleck auf einer Röntgenröhre (1) mit einem Brennfleckdurchmesser fD und ein untersuchter Bereich, in dessen Mitte die Rotationsachse PD' in y-Richtung zeigt. Der zu untersuchende Bereich wird durch die Pixelbreite w des rekonstruierten Querschnitts gerastert. Außerdem wird ein Detektor (5) mit einem Samplingintervall d und der Projektion der Rotationsachse PD' auf den Detektor PD gezeigt.In Figs. 1 and 2 are provided is the focal spot on an X-ray tube (1) with a focal spot diameter fD and an examined region in the center of which the axis of rotation PD 'in the y direction FIG. The area to be examined is rastered by the pixel width w of the reconstructed cross section. In addition, a detector ( 5 ) with a sampling interval d and the projection of the axis of rotation PD 'onto the detector PD is shown.

Ein runder homogener Draht oder Stab (3) der Dicke D steht senkrecht auf einer Hauptebene, die durch den Brennfleck und die Linie, entlang der die Projektionswerte digitalisiert werden, begrenzt wird. Dabei wird der Draht auf den Detektor projiziert. Die Trans mission der Röntgenstrahlung durch den Draht oder Stab sollte größer als 5% und kleiner als 90% sein.A round homogeneous wire or rod ( 3 ) of thickness D is perpendicular to a main plane, which is delimited by the focal spot and the line along which the projection values are digitized. The wire is projected onto the detector. The transmission of X-rays through the wire or rod should be greater than 5% and less than 90%.

Die Intensitätsverteilung I(x) der Röntgenstrahlung wird entlang einer Geraden an n Stützstellen im Abstand d gemessen. Der Stab (3) steht dabei senkrecht auf der Ebene, die durch den Brennfleck und die detektierte Linie be grenzt wird. Der Stab (3) wird um den Faktor m geometrisch vergrößert auf den De tektor projiziert. Dabei sollte die geometrische Anordnung so gewählt werden, daß m.D/d < 20 und 10 < d/fD < 20 ist. The intensity distribution I (x) of the X-rays is measured along a straight line at n support points at a distance d. The rod ( 3 ) is perpendicular to the plane that is delimited by the focal spot and the detected line. The rod ( 3 ) is projected geometrically enlarged by a factor of m onto the detector. The geometric arrangement should be chosen so that mD / d <20 and 10 <d / fD <20.

Die gemessene Intensitätsverteilung I(x) wird wie folgt normiert:
The measured intensity distribution I (x) is standardized as follows:

Nun werden die linke und die rechte Position R1 und R2 der Projektion des Drahtes auf die Projektionslinie ermittelt. Der Intensitätsverlauf der Projektion des Stabes oder Drahtes wird durch ein Polynom 2. Ordnung näherungsweise beschrieben:
Now the left and right positions R1 and R2 of the projection of the wire on the projection line are determined. The intensity curve of the projection of the rod or wire is approximately described by a 2nd order polynomial:

I_p(x) = ax² + bx + cI _p (x) = ax ² + bx + c

Die Koeffizienten a, b, c werden so bestimmt, daß das Fehlerquadrat F (a,b,c) mini mal wird:
The coefficients a, b, c are determined so that the square of error F (a, b, c) becomes mini times:

Also genügt das Fehlerquadrat der folgenden Bedingung:
So the square of error satisfies the following condition:

Der Projektionsschwerpunkt PS ergibt sich aus dem Extremwert der Parabel
The projection center of gravity PS results from the extreme value of the parabola

PS = -b/2a.PS = -b / 2a.

Falls der Brennfleck parallel zur Detektorlinie um δx wandert, so wandert der Projek tionsschwerpunkt um δx.m. Der Projektionsschwerpunkt kann mit einer besseren Auflösung als d/10 bestimmt werden.If the focal spot moves by δx parallel to the detector line, the project will move focal point around δx.m. The focus of projection can be with a better resolution than d / 10 can be determined.

Zur genauen Vermessung eines Objektes ist es bei der Röntgen-Computer- Tomograpie sinnvoll, daß die Rotationsachse des Computer-Tomographie-Systems senkrecht zur Hauptebene steht. Zur Justage sollte der Probenmanipulator relativ zur Röntgenröhre und zum Detektor lateral (parallel zum Detektor in x-Richtung wie in Fig. 1 dargestellt) um einen bestimmten Betrag positioniert werden können, indem z. B. der Rotationstisch auf einem Verschiebetisch montiert wird, oder Röhre und Detektor in x-Richtung verschoben werden können.For the precise measurement of an object in X-ray computer tomography, it makes sense that the axis of rotation of the computer tomography system is perpendicular to the main plane. For adjustment, the sample manipulator should be able to be positioned laterally relative to the X-ray tube and to the detector (parallel to the detector in the x-direction as shown in FIG. 1) by z. B. the rotary table is mounted on a sliding table, or tube and detector can be moved in the x direction.

Um also die Projektion der Drehachse eines Drehtisches zu bestimmen, wird gemäß Fig. 2 der runde, homogene Stab (3) senkrecht stehend auf dem Drehtisch (16) in Position S1' befestigt, so daß die Projektion des Stabes nach einer Drehung des Drehtisches um 180° ebenfalls auf den Detektor (5) erfolgt. Der Stab wird in der Stellung S1' des Drehtisches geometrisch um den Faktor m1 vergrößert und auf den Detektor bei PS1 projiziert. Der Projektionsschwerpunkt PS1 wird, wie vorhergehend beschrieben, ermittelt. Das gleiche geschieht mit der Er mittlung des Projektionsschwerpunktes für andere Stellungen des Stabes, z. B. S2'.In order to determine the projection of the axis of rotation of a turntable, the round, homogeneous rod ( 3 ) is fixed vertically on the turntable ( 16 ) in position S1 'as shown in FIG. 2, so that the projection of the rod after rotation of the turntable 180 ° also on the detector ( 5 ). The rod is geometrically enlarged by the factor m1 in position S1 'of the turntable and projected onto the detector at PS1. The center of projection PS1 is determined as described above. The same happens with the determination of the center of gravity for other positions of the rod, for. B. S2 '.

Um die geometrischen Vergrößerungen m1 und m2 des Stabes in der Drehtischposi tion Φ und Φ+π zu ermitteln, wird der Draht in den Drehtischpositionen Φ und Φ+π jeweils um den Betrag δx' in x-Richtung verschoben. Dadurch verändert sich die Po sition des Projektionspunktes PS1 bzw. PS2 um m1.δx' bzw. m2.δx', und gestattet somit die Bestimmung von m1 und m2.To the geometric enlargements m1 and m2 of the rod in the rotary table posi tion Φ and Φ + π, the wire is in the rotary table positions Φ and Φ + π each shifted by the amount δx 'in the x direction. This changes the bottom sition of the projection point PS1 or PS2 by m1.δx 'or m2.δx', and thus allows the determination of m1 and m2.

Nun ergibt sich die Projektion der Drehachse auf den Detektor PD aus
The projection of the axis of rotation onto the detector PD now results

Claims

1. Device for determining the position of the projection of the axis of rotation of a computer tomography system on its detector unit, with one cone-shaped x-ray field that is from the axis of rotation of the computer Tomography system is penetrated perpendicular to the beam direction, a rotary table rotating about the axis of rotation is provided, which is vertical to the beam direction and parallel to a plane in which the detector unit differs whose measuring points record, is movable and on which an elongated test object is arranged.

2. Device according to claim 1, characterized in that the mobility of the turntable by means of a Ver sliding table is given.

3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the elongate test object is a round, homogeneous Is wire or rod.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the minimum transmission of X-rays is greater than 5% and less than 90% due to the elongated test object.

5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the x-ray field by a microfocus X-ray tube is generated.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the detector unit is a flat X-ray detector or has at least one detector line.

7. Method for determining the position of the projection of the axis of rotation of a computer tomography system using the device according to one of claims 1 to 6, characterized by the combination of the following method steps:

- Imaging of the elongated test object on the detector unit in a first position S1 ',
- Imaging of the elongate test object on the detector unit in a second position S2 ', which results from the first position S1' by rotating the rotary table about the axis of rotation by 180 °,
- Determination of the focal points of projection PS1 and PS2 of both images on the detector unit
- Determination of the magnification factors m1 and m2 caused by the projection for the images of the elongated test object in the positions S1 'and S2', by moving the rotary table parallel to the detector unit by a certain amount,
- Calculation of the projection PD of the axis of rotation on the detector unit according to:

8. The method according to claim 7, characterized in that the following steps are carried out for determining the center of gravity of the projection:

- Recording and normalization of the intensity distribution I _n (x), the projected onto the detector unit images of the elongated test object
- Formation of a 2nd order polynomial for the approximate description of the intensity distribution I _p (x), the shape
I _p (x) = ax ² + bx + c,
- Determination of the coefficients a, b, c by formation using the - least squares method,
- Determination of the focus of projection PS after
PS = -b / 2a.