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WO2017133845A1 - Verfahren zur rekonstruktion eines prüfobjekts bei einem röntgen-ct-verfahren in einer röntgen-ct-anlage ohne manipulator - Google Patents

Verfahren zur rekonstruktion eines prüfobjekts bei einem röntgen-ct-verfahren in einer röntgen-ct-anlage ohne manipulator Download PDF

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WO2017133845A1
WO2017133845A1 PCT/EP2017/000139 EP2017000139W WO2017133845A1 WO 2017133845 A1 WO2017133845 A1 WO 2017133845A1 EP 2017000139 W EP2017000139 W EP 2017000139W WO 2017133845 A1 WO2017133845 A1 WO 2017133845A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ray
test object
markers
projection
ray detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2017/000139
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Herold
Philipp Klein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Comet Yxlon GmbH
Original Assignee
Yxlon International GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yxlon International GmbH filed Critical Yxlon International GmbH
Priority to PCT/EP2017/000139 priority Critical patent/WO2017133845A1/de
Priority to DE112017000657.0T priority patent/DE112017000657A5/de
Publication of WO2017133845A1 publication Critical patent/WO2017133845A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
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    • G01N23/04—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by transmitting the radiation through the material and forming images of the material
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    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2211/00—Image generation
    • G06T2211/40—Computed tomography
    • G06T2211/416—Exact reconstruction

Definitions

  • the invention relates to a method for the reconstruction of a
  • Test object in an X-ray CT method in an X-ray CT system which has an X-ray source with focus, an X-ray detector but no manipulator.
  • Test objects taking account of a certain projection geometry from projections are known from the field of computed tomography. For such a reconstruction of a test object from projections of different projection directions in an X-ray CT apparatus, an exact knowledge of the projection geometry of each individual projection is required.
  • the projection geometry describes the relative position of the test object to the focus of the X-ray source and the X-ray detector.
  • Markers are special objects with known properties.
  • a marker is understood to mean an object that has at least one image feature that is unique in each projection performed
  • the markers To determine the projection geometry from a projection, at least three image features must be able to be determined. For this purpose, the markers must be determined in at least three positions within a projection, which are not in a trajectory belonging plane.
  • Image features may be present either within a single object (e.g., the corners of a triangle) or formed on multiple objects be (for example, three balls). Even small errors in the position determination can lead to large errors in the reconstructed
  • the projections used lie on a circle around the test object.
  • X-ray source is here as a trajectory or more precisely as
  • Projections directions are included. Depending on how completely the test object has been imaged along the so-called trajectory in the sense of the Tuy-Smith theorem (all planes through a test object have to intersect the trajectory of the x-ray source in at least one point), the more detailed the image of the reconstructed volume.
  • Computed tomography from an array of orthogonal linear axes and usually at least one axis of rotation to rotate the test object can.
  • a standard circular trajectory and a detector of 1,000 pixels wide typically requires more than 1,000 projections to reconstruct the volume.
  • the circle trajectory fulfills the Tuy-Smith theorem only for the middle layer, so more complex trajectories are preferable. The more different details from as few
  • Projection geometry the test object can be mapped within the projection surface.
  • the projection geometry must be at the time of reconstruction be known to allow an unambiguous assignment of the images to the projection geometry under which it was recorded, and then from a known reconstruction algorithm
  • the object of the invention is to provide a method with which a
  • the projection geometry can not be prepared with the help of such a manipulator beforehand. Therefore, it is also possible to have a test object too
  • X-ray detector moves.
  • the test object can be in free fall, for example on a helical path (analogous to a helix trajectory) or on a trajectory or roll down a ramp.
  • X-ray source and X-ray detector must be arranged fixedly in space. The projection geometry to everyone
  • Projection is calculated by an external observer from the respective X-ray image based on the known relative positions of the markers to one another.
  • the test object or the projection geometry are still unknown at the time of the individual recording.
  • This problem is solved in that a fixed arrangement of markers are fixedly connected during the preparation of the recordings with the test object.
  • the position of the markers can be chosen randomly. Only the distances to each other must not be variable. This means that the markers are also in fixed positions to the test object during the measurement.
  • the object with the markers for it is measured by means of a coordinate measuring system. The positions of each projected marker on the screen are recorded in each shot
  • the exact position of the test object in three-dimensional space can be subsequently determined. Then, by means of an algorithm known from the prior art (for example in the context of the use of the software "CERA Xplorer” of the company Siemens Healthcare GmbH), a three-dimensional reconstruction of the test object is carried out With the method according to the invention, it is no longer necessary to use a manipulator in X-ray -CT method to use and the cost factor manipulator is eliminated.
  • test object is fixed in a vessel, in particular a mesh basket or a hollow body, which in particular has the shape of a cylinder, and the markers are attached to the vessel.
  • the vessel must be suitable for fixing the test object.
  • fixation of the test object can be done for example by positive or negative pressure or by appropriate filler or
  • a cylinder is an advantageous shape; this can be designed as a barrel-shaped vessel.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the vessel made of a material with the lowest possible
  • Mass attenuation coefficient exists. As a result, the smallest possible superimposition of the image of the test object through the vessel is achieved.
  • a further advantageous development of the invention provides that the material of the marker has a mass attenuation coefficient which is significantly different from that of the test object, in particular deviates from this by at least 20%. This will ensure that you are in the
  • the fluoroscopic image recognizes a clear difference between the image of the marker (s) and the structures of the test object.
  • a further advantageous development of the invention provides that all markers are made of the same material and / or balls. If all markers are made of the same material, the segmentation of the markers within the projection can be simplified, as only a certain gray scale range has to be searched for.
  • the spherical shape is an extremely suitable shape for a marker, because the center of gravity of a sphere due to the point symmetry of all
  • Projection directions can be accurately determined and balls can be machined very precisely. It is therefore particularly preferable if all markers are spheres. By incorporating the properties of the markers as spherical, this can be exploited as prior knowledge, because due to the symmetry of the center of gravity of the sphere is always mapped to the same point in space in the projection.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the arbitrary web is a free fall, a screw path, a ballistic web, in particular a trajectory, or a roll on a ramp.
  • a further advantageous cost-saving development of the invention provides that the X-ray source and the X-ray detector are fixed to each other in space and their alignment with each other not with the highest precision must be done because the projection geometry can be calculated from the arrangement of the marker.
  • a further advantageous development of the invention provides that the motion blurring directly dependent on the exposure time of the X-ray detector is determined in each case by the evaluation of the markers. Through a generally iterative approach, the motion blur can be modeled and eliminated and thus the detail resolution can be increased. All specified in the dependent claims features of advantageous
  • the method according to the invention runs in a conventional X-ray CT system (for example the model "Y.MU56TB” from YXLON International GmbH), the manipulator used hitherto being omitted, for example the model "Y.TU-225- D04 "of the company YXLON International GmbH and as X-ray detector, for example, the model” XRD 0822 AP18 IND "from PerkinElmer used.
  • the inventive method is based on the use of a three-dimensional array of markers, which are visible in the X-ray projection and attached to a cylindrical vessel. Balls are used as markers, because the center of gravity of a sphere can be determined exactly from all projection directions due to the point symmetry, and balls can be made very precisely mechanically.
  • the markers and the vessel are made of materials whose mass attenuation coefficients are significantly different from the mass attenuation coefficient of the test object, for example, the mass attenuation coefficients differ by more than 50% from each other.
  • the fluoroscopic image shows a clear difference between the image of the marker or the vessel and the structures of the test object.
  • their size and number must also be taken into account.
  • the choice of a suitable size and the material are highly dependent on each other.
  • the number of markers should be based on the size, shape and magnification of the volume to be reconstructed. Since there is only a limited space available for the markers, their size and number can also compete with each other.
  • an unfavorable choice of material may entail unwanted side effects, such as X-ray scattering, and must therefore also be matched to the application.
  • a general rule for the correct choice of the three factors can not be formulated. Instead, the choice should be made individually for each application.
  • the arrangement of the markers must ensure that a sufficient number of markers are imaged in each projection image of a CT scan.
  • the arrangement of the markers takes place around the test object on the vessel.
  • the distribution of the markers can be done completely arbitrarily, as long as the previously this condition is not violated.
  • the number of markers may not be less than a minimum of three markers, but may be any size, provided that the
  • test object can be superimposed on its structures with the marker projections. Should the result of the reconstruction be adversely affected, this can be reduced by a clever arrangement of the markers.
  • the relative position of the markers relative to one another is determined by means of a known, highly accurate surveying method, for example by means of a coordinate measuring device, prior to the taking of the images.
  • a test object is set, so that the test object during the entire recording of the same in the X-ray CT system is fixed to the vessel and thus to the markers.
  • the fixation of the test object can be done for example by positive or negative pressure or by
  • the markers In the projection images, the markers must be found and identified.
  • marker projection The structure resulting from the imaging of a marker in the X-ray image is referred to below as marker projection.
  • the result is a binary image of the same size, which classifies each pixel as foreground or background. Due to the spherical shape of the markers, some assumptions about the mapping by this generated structure can be used in the projection image for identification. So it can be assumed that a minimal enclosing rectangle, which is spanned along the axes in the image coordinate system around a marker structure, is almost square. Accordingly, its aspect ratio is almost equal to one. In addition, the entire structure must be within a maximum radius of the center of the structure, with no background pixels within that radius. The area of the structures can also be used to evaluate whether it can be a marker structure. It should be noted, however, that the markers are located at different positions in the room and are therefore displayed differently magnified. So it makes sense to define the permissible area in an interval, as long as their position in the room can be limited accordingly.
  • the focus is determined for each structure that represents a marker.
  • the information extracted from the projection image then corresponds to a set of image coordinates, which respectively represent the position of a marker projection in the X-ray image. This is followed by an optimization calculation in order to determine the position of the markers in three-dimensional space.
  • the projection geometry is known for each projection image and thus also the exact position and orientation of the test object in the X-ray CT system.
  • the test object moves in the X-ray CT system on a completely freely selectable - possibly determined by chance - web.
  • the object - together with the vessel in which it is fixed - can be thrown on a trajectory through the X-ray CT system.
  • a ramp could also be installed between the x-ray tube and the x-ray detector, on which the cylindrical vessel rolls. It is particularly advantageous if the vessel by means of suitable guides and the gravity following a helical path.

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Abstract

Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Rekonstruktion eines Prüfobjekts bei einem Röntgen-CT-Verfahren in einer Röntgen-CT-Anlage, die eine Röntgenquelle mit Fokus, einen Röntgendetektor aber keinen Manipulator aufweist, wobei vorab die Positionen von mindestens drei Markern, die fest mit einem Objekt verbunden sind, präzise bestimmt werden, danach wird das Prüfobjekt mittels geeigneter Maßnahmen ortsfest am Objekt festgelegt, wobei diese Festlegung für die Dauer der Erstellung von Aufnahmen des Prüfobjekts erfolgt, danach wird das Objekt mit dem Prüfobjekt auf einer beliebigen Bahn zwischen Röntgenquelle und Röntgendetektor durch die Röntgen-CT-Anlage bewegt und während dieser Bewegung Aufnahmen erstellt, die Projektionsgeometrie jeder einzelnen Aufnahme wird aus den bekannten relativen Positionen der Marker zueinander in der jeweiligen Aufnahme berechnet, danach wird anhand der Zuordnung der einzelnen Aufnahmen zu der jeweiligen Projektionsgeometrie eine CT-Rekonstruktion des Prüfobjekts mittels eines geeigneten Algorithmus durchgeführt.

Description

Verfahren zur Rekonstruktion eines Prüfobjekts bei einem Röntgen-CT-Verfahren in einer Röntgen-CT-Anlage ohne Manipulator
Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren zur Rekonstruktion eines
Prüfobjekts bei einem Röntgen-CT-Verfahren in einer Röntgen-CT-Anlage, die eine Röntgenquelle mit Fokus, einen Röntgendetektor aber keinen Manipulator aufweist.
Verfahren zur dreidimensionalen Rekonstruktion von röntgentransparenten
Prüfobjekten unter Berücksichtigung einer bestimmten Projektionsgeometrie aus Projektionen sind aus dem Bereich der Computertomographie bekannt. Für eine solche Rekonstruktion eines Prüfobjekts aus Projektionen unterschiedlicher Projektionsrichtungen in einer Röntgen-CT-Vorrichtung ist eine exakte Kenntnis der Projektionsgeometrie jeder einzelnen Projektion erforderlich. Im Sinne der Röntgen-Bildgebung beschreibt die Projektionsgeometrie die relative Lage des Prüfobjekts zum Fokus der Röntgenquelle und dem Röntgendetektor. Zur
Überprüfung der tatsächlichen Projektionsgeometrie in jeder Projektion müssen markante Punkte des Prüfobjekts in Projektionen unterschiedlicher
Projektionsrichtungen exakt wiedergefunden werden. Bei transparenten
Prüfobjekten können diese Punkte durch unbekannte Objektstrukturen überlagert werden, so dass im schlimmsten Fall die Punkte gar nicht erkannt werden, beziehungsweise deren Position nicht fehlerfrei bestimmbar ist.
Marker sind spezielle Objekte mit bekannten Eigenschaften. Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter einem Marker ein Objekt verstanden, das mindestens ein Bildmerkmal aufweist, das bei jeder durchgeführten Projektion eindeutig
lokalisierbar ist. Zur Bestimmung der Projektionsgeometrie aus einer Projektion müssen mindestens drei Bildmerkmale bestimmt werden können. Dazu müssen die Marker in mindestens drei Positionen innerhalb einer Projektion bestimmt werden, die nicht in einer zur Trajektorie gehörenden Ebene liegen. Diese
Bildmerkmale können entweder innerhalb eines einzelnes Objekts vorhanden (beispielsweise die Ecken eines Dreiecks) oder an mehreren Objekten ausgebildet sein (beispielsweise drei Kugeln). Dabei können schon kleine Fehler in der Positionsbestimmung zu großen Fehlern in der rekonstruierten
Projektionsgeometrie führen. Typischerweise liegen die verwendeten Projektionen auf einem Kreis um das Prüfobjekt. Die Strecke des Fokuspunktes der
Röntgenquelle wird hierbei als Trajektorie beziehungsweise genauer als
Kreistrajektorie bezeichnet. Es sind aber auch andere Trajektorien möglich, wie beispielsweise Helix-Trajektorien.
Die Projektionen müssen wie oben ausgeführt - aus verschiedenen
Projektionsrichtungen aufgenommen werden. Je nachdem, wie vollständig das Prüfobjekt entlang der sogenannten Trajektorie im Sinne des Tuy-Smith Theorems (alle Ebenen durch ein Prüfobjekt müssen die Trajektorie der Röntgenquelle in mindestens einem Punkt schneiden) abgebildet wurde, desto detaillierter ist die Abbildung des rekonstruierten Volumens.
Daher wird nach dem Stand der Technik zur Rekonstruktion ein möglichst präziser Manipulator verwendet, um eine bestimmte Trajektorie abzufahren. Das Problem hierbei ist jedoch, dass je präziser so ein Manipulator-System ist, desto
kostenintensiver ist die Herstellung, wobei der Anstieg exponentiell angesetzt werden kann. Klassischer Weise besteht ein Manipulator zur industriellen
Computertomographie aus einer Anordnung orthogonaler Linearachsen und in der Regel mindestens einer Rotationsachse, um das Prüfobjekt rotieren zu können. Bei einer standardmäßigen Kreistrajektorie und einem Detektor mit 1.000 Pixeln Breite werden typischer Weise mehr als 1.000 Projektionen benötigt, um das Volumen zu rekonstruieren. Allerdings erfüllt die Kreistrajektorie das Tuy-Smith Theorem nur für die mittlere Schicht, so dass komplexere Trajektorien vorzuziehen sind. Je mehr unterschiedliche Details aus möglichst wenigen
Projektionsrichtungen abgebildet werden, desto weniger Projektionen werden benötigt, um ein Volumen hoher Qualität abzubilden. Um eine Projektion für die Rekonstruktion des Prüfobjekts verwenden zu können, muss aufgrund der
Projektionsgeometrie das Prüfobjekt innerhalb der Projektionsfläche abgebildet werden. Die Projektionsgeometrie muss zum Zeitpunkt der Rekonstruktion bekannt sein, um eine eindeutige Zuordnung der Aufnahmen zu der Projektionsgeometrie, unter der sie jeweils aufgenommen wurde, zu ermöglichen und daraus dann mit einem bekannten Rekonstruktionsalgorithmus die
dreidimensionale Wiedergabe des Prüfobjekts zu berechnen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem eine
Rekonstruktion eines Prüfteils, zumindest eines Teilbereichs desselben, mit einem möglichst geringen apparativen Aufwand erreicht werden kann. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt ein Röntgen-CT-Verfahren zur dreidimensionalen Rekonstruktion eines Prüfteils in einer Röntgen-CT-Anlage. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die einen möglichst präzisen Manipulator benötigen, muss beim erfindungsgemäßen
Verfahren die Projektionsgeometrie nicht mit Hilfe eines solchen Manipulators vorher hergestellt werden. Daher ist es möglich, auch ein Prüfobjekt zu
rekonstruieren, das sich auf einer freien Bahn zwischen Röntgenröhre und
Röntgendetektor bewegt. Beispielsweise kann sich das Prüfobjekt im freien Fall, beispielsweise auf einer Schraubenbahn (analog zu einer Helix-Trajektorie) beziehungsweise auf einer Schussbahn befinden oder eine Rampe herunterrollen. Bei der Röntgen-Bildgebung müssen Röntgenquelle und Röntgendetektor fix zueinander im Raum angeordnet sein. Die Projektionsgeometrie zu jeder
Projektion wird durch einen externen Betrachter aus dem jeweiligen Röntgenbild anhand der bekannten relativen Positionen der Marker zueinander berechnet. Das Prüfobjekt beziehungsweise die Projektionsgeometrie sind zum Zeitpunkt der einzelnen Aufnahme noch unbekannt. Dieses Problem wird dadurch gelöst, dass eine fixe Anordnung von Markern ortsfest während der Erstellung der Aufnahmen mit dem Prüfobjekt verbunden sind. Durch die Verwendung der Marker wird somit nachträglich die exakte Position des Prüfobjektes im dreidimensionalen Raum bestimmt. Dabei kann die Position der Marker zufällig gewählt sein. Lediglich die Abstände zueinander dürfen nicht veränderlich sein. Dies bedeutet, dass sich die Marker während der Messung auch in fixen Positionen zum Prüfobjekt befinden. Erfindungsgemäß ist es nötig, vorab die Positionen der Marker am Objekt präzise zu bestimmen. Bevorzugt wird das Objekt mit den Markern dafür mittels eines Koordinatenmess-Systems vermessen. Die Positionen jedes einzelnen projizierten Markers auf der Projektionsfläche werden in jeder einzelnen Aufnahme
(Projektion) bestimmt. Mit Hilfe einer geeigneten Optimierungsrechnung unter Einbeziehung des Projektionsmodells kann daraus die Position der Marker im dreidimensionalen Raum bestimmt werden. Es müssen nicht alle Marker in jeder Projektion sichtbar sein, aber es müssen von allen Markern genügend Positionen in der Projektionsebene ermittelt worden sein. Hierbei ist darauf zu achten, dass für verschiedene Projektionsrichtungen die Marker korrekt wiedererkannt werden. Dies kann durch eine zufällige Anordnung der Marker erleichtert werden, da es bei symmetrischer Lageverteilung der Marker je nach Perspektive leichter zu
Überlagerungen und damit zu Verwechslungen kommen kann. Durch die
Verwendung der Marker kann nachträglich die exakte Position des Prüfobjektes im dreidimensionalen Raum (Projektionsgeometrie) bestimmt werden. Anschließend erfolgt dann mittels eines aus dem Stand der Technik bekannten Algorithmus (beispielsweise im Rahmen der Verwendung der Software„CERA Xplorer" der Firma Siemens Healthcare GmbH) eine dreidimensionale Rekonstruktion des Prüfobjekts. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es nicht mehr nötig überhaupt einen Manipulator in Röntgen-CT-Verfahren zu verwenden und der Kostenfaktor Manipulator wird eliminiert.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Prüfobjekt in einem Gefäß, insbesondere einem Gitterkorb oder einem Hohlkörper, der insbesondere die Form eines Zylinders aufweist, festgelegt ist und an dem Gefäß die Marker befestigt sind. Das Gefäß muss geeignet sein, das Prüfobjekt zu fixieren. Die Fixierung des Prüfobjekts kann beispielsweise durch Über- oder Unterdruck geschehen oder durch entsprechendes Füllmaterial oder
konventionelle Befestigungsvorrichtungen wie Greifer, Klammern, Gurte oder Spannvorrichtungen. Für eine Kreistrajektorie ist ein Zylinder eine vorteilhafte Form; dieser kann als tonnenförmiges Gefäß ausgebildet sein. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Gefäß aus einem Material mit einem möglichst geringen
Massenschwächungskoeffizienten besteht. Dadurch wird eine möglichst geringe Überlagerung der Abbildung des Prüfobjekts durch das Gefäß erreicht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Material der Marker einen Massenschwächungskoeffizienten aufweist, der deutlich verschieden von demjenigen des Prüfobjekts ist, insbesondere um mindestens 20% von diesem abweicht. Dadurch wird gewährleistet, dass man im
Durchleuchtungsbild einen deutlichen Unterschied zwischen der Abbildung des Markers/der Marker und den Strukturen des Prüfobjekts erkennt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass alle Marker aus demselben Material und/oder Kugeln sind. Wenn alle Marker aus demselben Material sind, kann die Segmentierung der Marker innerhalb der Projektion vereinfacht werden, da nur nach einem bestimmten Grauwertbereich gesucht werden muss. Die Kugelform ist eine äußerst geeignete Form für einen Marker, da der Schwerpunkt einer Kugel aufgrund der Punktsymmetrie aus allen
Projektionsrichtungen exakt bestimmt werden kann und Kugeln mechanisch sehr präzise gefertigt werden können. Besonders bevorzugt ist es deshalb, wenn alle Marker Kugeln sind. Durch die Einbeziehung der Eigenschaften der Marker als kugelförmig, kann dies als Vorwissen ausgenutzt werden, da aufgrund der Symmetrie der Schwerpunkt der Kugel immer auf denselben Raumpunkt in der Projektion abgebildet wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die beliebige Bahn ein freier Fall, eine Schraubenbahn, eine ballistische Bahn, insbesondere eine Schussbahn, oder ein Abrollen auf einer Rampe ist. Eine weitere vorteilhafte kostensparende Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Röntgenquelle und der Röntgendetektor fix zueinander im Raum angeordnet sind und deren Ausrichtung zueinander nicht mit höchster Präzision erfolgen muss, da die Projektionsgeometrie sich aus der Anordnung der Marker berechnen lässt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Marker einen möglichst weiten Abstand voneinander aufweisen aber während der
Erstellung der Aufnahmen so im Strahlengang der Röntgenröhre liegen, dass sie noch im Röntgendetektor erfasst werden. Die Positionsbestimmung der Marker wird robuster, je weiter einzelne Marker voneinander entfernt sind. Je größer der Abstand zwischen zwei Markern ist, desto genauer kann der Abstand der Marker auf der Projektion gemessen werden. Idealerweise werden die Marker daher nahe den Rändern der Projektion abgebildet und somit die relativen Abstände von weitentfernten Markern verwendet.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die direkt von der Belichtungszeit des Röntgendetektors abhängende Bewegungsunschärfe in den Aufnahmen durch die Auswertung der Marker jeweils bestimmt wird. Durch einen in der Regel iterativen Ansatz kann die Bewegungsunschärfe modelliert und herausgerechnet und somit die Detailauflösung erhöht werden. Alle in den Unteransprüchen angegebenen Merkmale der vorteilhaften
Weiterbildungen sind sowohl für sich jeweils einzeln als auch in beliebigen Kombinationen zur Erfindung gehörig.
Im Folgenden wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren läuft in einer konventionellen Röntgen-CT- Anlage (beispielsweise dem Modell„Y.MU56TB" der Firma YXLON International GmbH) ab, wobei der bislang verwendete Manipulator weggelassen wird. Als Röntgenröhre wird beispielsweise das Modell„Y.TU-225-D04" der Firma YXLON International GmbH und als Röntgendetektor beispielsweise das Modell„XRD 0822 AP18 IND" der Firma PerkinElmer verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren basiert auf der Verwendung einer dreidimensionalen Anordnung von Markern, die in der Röntgenprojektion sichtbar sind und an einem zylinderförmigen Gefäß angebracht sind. Als Marker werden Kugeln verwendet, da der Schwerpunkt einer Kugel aufgrund der Punktsymmetrie aus allen Projektionsrichtungen exakt bestimmt werden kann und Kugeln mechanisch sehr präzise gefertigt werden können. Die Marker und das Gefäß sind aus Materialien, deren Massenschwächungskoeffizienten deutlich verschieden von dem Massenschwächungskoeffizienten des Prüfobjekts sind, beispielsweise differieren die Massenschwächungskoeffizienten um über 50% voneinander.
Dadurch erkennt man im Durchleuchtungsbilds einen deutlichen Unterschied zwischen der Abbildung der Marker beziehungsweise des Gefäßes und den Strukturen des Prüfobjekts. Neben dem Material der Marker ist auch deren Größe und Anzahl zu beachten. Insbesondere die Wahl einer geeigneter Größe und des Materials hängen stark voneinander ab. Die Anzahl der Marker sollte sich an der Größe, Form und der genutzten Vergrößerung des zu rekonstruierenden Volumens orientieren. Da auch für die Marker nur ein begrenzter Raum zur Verfügung steht, kann auch deren Größe und Anzahl miteinander konkurrieren.
Eine ungünstige Materialwahl kann darüber hinaus ungewollte Nebeneffekte, wie beispielsweise Röntgenstreuung mit sich bringen und muss daher ebenfalls auf den Anwendungsfall abgestimmt sein. Eine allgemeine Regel zur korrekten Wahl der drei Faktoren lässt sich nicht formulieren. Stattdessen sollte die Wahl für jeden Anwendungsfall individuell erfolgen.
Die Anordnung der Marker muss sicherstellen, dass in jedem Projektionsbild eines CT-Scans ausreichend viele Marker abgebildet werden. Um diese Anforderung unabhängig vom Prüfobjekt gewährleisten zu können, erfolgt die Anordnung der Marker, wie oben ausgeführt, um das Prüfobjekt herum an dem Gefäß. Die Verteilung der Marker kann dabei völlig willkürlich erfolgen, so lange die zuvor genannte Bedingung dadurch nicht verletzt wird. Je nach Anwendungsfall kann es sinnvoll sein, einen Mindestabstand zwischen benachbarten Markern nicht zu unterschreiten, um Überlagerungen mehrere Marker im Projektionsbild möglichst zu vermeiden. Die Anzahl der Marker darf ein Minimum von drei Markern nicht unterschreiten, kann aber beliebig groß sein, sofern dadurch die
vorangegangenen Kriterien nicht verletzt werden. In Projektionsbildern mit
Prüfobjekt können sich dessen Strukturen mit den Markerprojektionen überlagern. Sollte das Ergebnis der Rekonstruktion dadurch negativ beeinflusst werden, kann dies durch eine geschickte Anordnung der Marker reduziert werden.
Die relative Lage der Marker zueinander wird vor Erstellung der Aufnahmen mittels eines bekannten, hochgenauen Vermessungsverfahrens, beispielsweise mittels einer Koordinatenmessvorrichtung, ermittelt. In dem Gefäß ist ein Prüfobjekt festgelegt, so dass das Prüfobjekt während der gesamten Erstellung der Aufnahmen desselben in der Röntgen-CT-Anlage ortsfest zu dem Gefäß und somit zu den Markern ist. Die Fixierung des Prüfobjekts kann beispielsweise durch Über- oder Unterdruck geschehen oder durch
entsprechendes Füllmaterial oder konventionelle Befestigungsvorrichtungen, wie Greifer, Klammern, Gurte oder Spannvorrichtungen.
In den Projektionsbildern müssen die Marker gefunden und identifiziert werden.
Die durch die Abbildung eines Markers entstehende Struktur im Röntgenbild wird im Folgenden als Markerprojektion bezeichnet. Zur Bestimmung der
Bildkoordinate einer solchen zweidimensionalen Markerprojektion ist es
notwendig, dass ein eindeutiger Ankerpunkt für diese definiert werden kann.
Ermöglicht wird dies durch die Verwendung kugelförmiger Marker. Die
perspektivische Projektion einer kugelförmigen Struktur resultiert immer in einer kreisförmigen Abbildung. Dies gilt unabhängig von der Lage oder Orientierung des kugelförmigen Markers. Als Ankerpunkt für die Markerprojektion bietet sich daher deren Schwerpunkt an. Die Bestimmung des Schwerpunktes einer kreisförmigen Fläche liefert auch auf digitalen Bilddaten robuste Ergebnisse, sofern sich die Markerprojektion über ausreichend viele Bildpunkte erstreckt. Die eigentliche Auflösung des Röntgendetektors und damit des gesamten Röntgen-CT-Systems spielt dann eine untergeordnete Rolle. Dank der Sub-Pixel-genauen Bestimmung des Schwerpunktes einer Markerprojektion befinden sich Abweichungen in einer Größenordnung, die äußerst gering, quasi zu vernachlässigen sind.
Um aus der Position der Marker Rückschlüsse auf die Position und Lage des Prüfobjekts in der Röntgen-CT-Anlage - und somit die Projektionsgeometrie - ziehen zu können, muss sichergestellt werden, dass sich die relative Position der Marker zum Prüfobjekt nicht verändert. Dies erfolgt durch die oben genannte Fixierung des Prüfobjekts in dem Gefäß.
Nur wenn bekannt ist, wo ein Marker im Projektionsbild zu sehen ist, kann dessen Lage im Raum festgestellt und später zur Zuordnung der Projektionsgeometrie zu der jeweiligen Aufnahme genutzt werden. Die Herausforderung bei der Extraktion der Markerprojektionen besteht in der Unterscheidung zwischen diesen und anderen im Projektionsbild abgebildeten Strukturen. So befinden sich Teile des Gefäßes ebenfalls innerhalb des auf den Röntgendetektor projizierten Volumens. Die Extraktion der Markerprojektionen erfolgt dabei in zwei Schritten. Zunächst werden alle im Bild abgebildeten Strukturen separat erfasst. Danach wird anhand geeigneter Kriterien festgelegt, welche dieser Strukturen einer Markerprojektion entspricht und welche nicht. Der Algorithmus zur Bestimmung der sichtbaren Marker in einem Projektionsbild lässt sich in drei logische Schritte gliedern. Zunächst werden die sichtbaren Strukturen vom Hintergrund separiert. Dabei entsteht ein Binärbild gleicher Größe, welches jeden Pixel als Vordergrund oder Hintergrund klassifiziert. Aufgrund der sphärischen Form der Marker können einige Annahmen über die Abbildung durch diese erzeugte Struktur im Projektionsbild zur Identifizierung genutzt werden. So kann davon ausgegangen werden dass ein minimal umschließendes Rechteck, welches entlang der Achsen im Bildkoordinatensystem um eine Marker-Struktur aufgespannt wird, nahezu quadratisch ist. Demnach entspricht dessen Seitenverhältnis nahezu dem Wert eins. Darüber hinaus muss die gesamte Struktur innerhalb eines maximalen Radius um das Strukturzentrum liegen, ohne dass sich als Hintergrund klassifizierte Pixel innerhalb dieses Radius befinden. Auch die Fläche der Strukturen kann genutzt werden, um zu evaluieren, ob es sich um eine Marker-Struktur handeln kann. Dabei ist jedoch zu beachten, dass sich die Marker an unterschiedlichen Positionen im Raum befinden und demnach unterschiedlich stark vergrößert abgebildet werden. Es ist also sinnvoll, die zulässige Fläche in einem Intervall zu definieren, sofern deren Lage im Raum entsprechend eingegrenzt werden kann.
Anhand dieser Kriterien lässt sich überprüfen, ob eine Struktur eine
Markerprojektion darstellt oder nicht. Alle anderen Strukturen sind für den weiteren Verlauf der Positionsbestimmung nicht relevant und können verworfen werden.
Danach wird für jede Struktur, die einen Marker darstellt, der Schwerpunkt ermittelt. Die aus dem Projektionsbild extrahierte Information entspricht dann einer Menge an Bildkoordinaten, die jeweils die Position einer Markerprojektion im Röntgenbild repräsentieren. Hiernach schließt sich eine Optimierungsrechnung an, um die Position der Marker im dreidimensionalen Raum zu bestimmen. Somit ist für jedes Projektionsbild die Projektionsgeometrie bekannt und somit auch die genaue Position und Ausrichtung des Prüfobjekts in der Röntgen-CT-Anlage. Das Prüfobjekt bewegt sich in der Röntgen-CT-Anlage auf einer vollkommen frei wählbaren - eventuell auch vom Zufall bestimmten - Bahn. So kann das Objekt - samt des Gefäßes, in dem es fixiert ist - auf einer Wurfbahn durch die Röntgen- CT-Anlage geworfen werden. Dabei kann es um verschiedene Rotationsachsen gleichzeitig - was einer seine Raumrichtung ändernden Rotationsachse entspricht - rotieren (quasi eine Taumelbewegung vollführen). Es könnte auch eine Rampe zwischen Röntgenröhre und Röntgendetektor installiert sein, auf dem das zylinderförmige Gefäß rollt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Gefäß mittels geeigneter Führungen und der Schwerkraft folgend eine Schraubenbahn durchläuft. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Rekonstruktion des Prüfobjekts, das sich auf jeder beliebigen Trajektorie durch die Röntgen-CT- Anlage bewegt, möglich.
Da sich das Prüfobjekt während der Aufnahmen ständig in Bewegung befindet, ist auch eine gewisse Unschärfe bezüglich der tatsächlichen Projektionsgeometrie vorhanden. Diese ist nicht eindeutig, da sie sich aufgrund der Bewegung während der Aufnahmedauer, die eine gewisse zeitliche Ausdehnung hat, ändert. Diese Unschärfe wird geringer, je kürzer die Belichtungszeit des Röntgendetektors ist. Eine Korrektur kann aber auch durch die Auswertung der Marker erfolgen, indem diese Unschärfe bestimmt wird und durch einen in der Regel iterativen Ansatz die Bewegungsunschärfe bezüglich des Prüfobjekts modelliert und herausgerechnet und somit die Detailauflösung erhöht wird.
Schlussendlich kann anhand der bekannten Projektionsgeometrien in Verbindung mit den zugeordneten Projektionsbildern durch Anwendung aus dem Stand der Technik bekannter Methoden und Algorithmen eine sehr gute dreidimensionale Rekonstruktion des Prüfobjekts erfolgen - beispielsweise mittels der Software „CERA Xplorer" der Firma Siemens Healthcare GmbH.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Rekonstruktion eines Prüfobjekts bei einem Röntgen-CT-
Verfahren in einer Röntgen-CT-Anlage, die eine Röntgenquelle mit Fokus, einen Röntgendetektor aber keinen Manipulator aufweist,
wobei vorab die Positionen von mindestens drei Markern, die fest mit einem
Objekt verbunden sind, präzise bestimmt werden,
danach wird das Prüfobjekt mittels geeigneter Maßnahmen ortsfest am
Objekt festgelegt, wobei diese Festlegung für die Dauer der Erstellung von
Aufnahmen des Prüfobjekts erfolgt,
danach wird das Objekt mit dem Prüfobjekt auf einer beliebigen Bahn zwischen Röntgenquelle und Röntgendetektor durch die Röntgen-CT- Anlage bewegt und während dieser Bewegung Aufnahmen erstellt, die Projektionsgeometrie jeder einzelnen Aufnahme wird aus den
bekannten relativen Positionen der Marker zueinander in der jeweiligen Aufnahme berechnet,
danach wird anhand der Zuordnung der einzelnen Aufnahmen zu der jeweiligen Projektionsgeometrie eine CT-Rekonstruktion des Prüfobjekts mittels eines geeigneten Algorithmus durchgeführt.
Verfahren nach Patentanspruch 1 , wobei das Objekt ein Gefäß ist, insbesondere ein Gitterkorb oder ein Hohlkörper, der insbesondere die Form eines Zylinders aufweist.
Verfahren nach Patentanspruch 2, wobei das Gefäß aus einem Material mit einem möglichst geringen Massenschwächungskoeffizienten besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei das Material der Marker einen Massenschwächungskoeffizienten aufweist, der deutlich verschieden von demjenigen des Prüfobjekts ist, insbesondere um mindestens 20% von diesem abweicht.
5. Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die Marker alle aus demselben Material und/oder Kugeln sind.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die
beliebige Bahn ein freier Fall, eine Schraubenbahn, eine ballistische Bahn, insbesondere eine Schussbahn, oder ein Abrollen auf einer Rampe ist.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die
Röntgenquelle und der Röntgendetektor fix zueinander im Raum
angeordnet sind und deren Ausrichtung zueinander nicht mit höchster Präzision erfolgt ist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die
Marker einen möglichst weiten Abstand voneinander aufweisen aber während der Erstellung der Aufnahmen so im Strahlengang der
Röntgenröhre liegen, dass sie noch im Röntgendetektor erfasst werden.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Patentansprüche, wobei die direkt von der Belichtungszeit des Röntgendetektors abhängende
Bewegungsunschärfe in den Aufnahmen durch die Auswertung der Marker jeweils bestimmt wird.
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