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Grundlagen und Anwendungen industrieller Computertomographie
Fraunhofer EZRT, eine gemeinsame Abteilung der Fraunhofer-Institute IIS Erlangen and IZFP Saarbrücken
Stefan Kasperl
DGZfP Jahrestagung
14. – 16. Mai 2007
Fürth
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HistorischesGrundlagen der Computertomographie AnlagentechnikAnwendungsgebiete der Computertomographie
Überblick
DGZfP-Jahrestagung 2007 - Vortrag 15
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Historisches
Röntgen, Wilhelm Conrad(1845 -1923)
1895 Entdeckung der X-Strahlen (Röntgenstrahlen)
1899 Rutherford identifiziert �����und ��Strahlung
1896 Entdeckung der natürlichen Radioaktivitätdurch Curie und Becquerel
1979 G.N. Hounsfield und A.M. Cormack erhalten den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die ab 1967 geleistete Entwicklung der „Computer-gestützten Tomographie“
1917 J. Radon entwickelt das mathematische Prinzipder Tomographie (Radontransformation)
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Mess- PCObjektFlächendetektor
Prinzipieller Aufbau einer CT-Anlage
Röntgenröhre mitHochspannungsgenerator
Röntgenröhre, Objekt und Detektor werden durch
Manipulatoren in die richtige Position gefahren.
Anlagentechnik
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Entstehung:Energieverlust von Elektronen —> X-Strahlung
mögliche Strahlungs - Quellen:
- Synchrotron- Linearbeschleuniger
oder Elektronen-Röhren: - Elektronenbeschuss von schwerem Anoden-Material
- ca. 30 - 450 kV Beschleunigungsspannung- bis zu 2 kW Leistung
Kinetische Energie von mit 1 kV beschleunigten Elektronen:
Schematischer Aufbau einer Röntgenröhre;11106022,1 19 keVkVCbUqEkin ��� �
Erzeugung von Röntgenstrahlung Grundlagen
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0
1
2
3
4
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450
Energie [keV]
Inte
nsit
ät I
Zahl der Photonen/Zeit
Wenig durchdringend Stark durchdringend
Mittlere Energie
Röntgenspektrum
Bremsstrahlung
Charakteristische Strahlung
Grundlagen
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xμeII �� 0
Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie
Exponentielles Schwächungsgesetz
ppincohcohph μμμμZEμ �),,( �
μI0I
x
Grundlagen
dEeEIIE
z
dzEzμ
���
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0
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Schwächungskurven verschiedener Werkstoffe
0,0001
0,001
0,01
0,1
1
0 1 2 3 4 5 6 7
D [cm]
I/Io
Cu Fe
Al
Plastik
Grundlagen
4
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Zwei Detektor-Grundprinzipien:
Direkte Detektion:
Erzeugung und Nachweis freier Ladungsträger im Detektor- Gasdetektoren: Ionisation - Halbleiter- Materialien: Ge,GaAs, CdTe
Indirekte Detektion:
Szintillation: Anregung eines Fest-körpers zur Emission von sichtbarem Licht, z.B.: CsJ, GdOS:Tb, CdWO;Licht detektiert mittels optoelektrischen Sensoren
X-Quant
PhotonenSzintillator
Detektor-Pixel
E
x
h+
e-Lb
Vb
X-Quant
I
t
n
p
GrundlagenDetektoren — Nachweis von Röntgenstrahlung
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Bestimmung der Linienintegrale über den Schwächungskoeffizienten einer Objektschicht
Eine Funktion f(x,y) ist durch die Menge derLinienintegrale über diese Funktion bestimmt
Radon, 1917
Messziel
Linienintegral ����
���
��s
dsIIP 0ln
Projektion Gesamtzahl der Linienintegrale einer Durchstrahlungsrichung
Rekonstrukion Voxelvolumen des Objektes, dessen Grauwerte den Schwächungskoeffizienten repräsentieren.
y
x
D
Q
s
GrundlagenPrinzip Computertomographie
• Transformationsverfahren (Fourierverfahren, Rückprojektionsverfahren)
• Algebraische Verfahren (direkte Matrix Inversion, iterative Verfahren)
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� �1�� MfU
Geometrische Auflösung
Systemunschärfebeschreibt Einflüsse von
• Brennfleckdurchmesser,
• Detektor,
• Geometrie und
• Rekonstruktion
222 3.1 wUUU DBsys �
���
��� ���
Mf
MUUB
11
MdUD �
abM �
Fokusdurchmesser f
Objekt
Detektor d Unschärfe U
a
b
Grundlagen
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• Strahlaufhärtung
• Streustrahlung
• Detektoreffekte
• Teilvolumenartefakte • Kreisartefakte• (Bewegungsartefakte)
Artefakte in der CT Grundlagen
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Parallelstrahlgeometrie Fächerstrahlgeometrie
x
y
s
Röntgen-quelle
DetektorObjekt
�
Parallelstrahl
x
ys
Röntgen-quelle
Detektor
Objekt�
Fächerstrahl
Prinzip axiale 2D-CT Anlagentechnik
wenigstens 180 ° + � Projektionen (� = Apertur des Röntgenstrahls)
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Prinzip axiale 3D-CT
Detektor
Quelle
Volumen
x
y
z
KegelstrahlObjekt
Drehachse
• Kegelstrahl
• Flächendetektor statt Zeile
• 1 Objektumdrehung genügt
• üblicherweise 200 – 1600Projektionen
• Voxelvolumen32 MB bis 14,5 GB
Mikrofokus CTkleine Objekte (einige mm - cm) Auflösung > 5 μm
Makro-CTObjekte (< 50cm)Auflösung > 200 μm
Anlagentechnik
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• flache und ausgedehnte Objekte, z.B. elektronische Flachbaugruppen.
• Durchstrahlung aus eingeschränktenWinkelpositionen
• typische Projektionswinkel bis zu 50 °;
• Rekonstruktion aus unvollständigen Datensätzen
• Unvollständige Daten erzeugen Artefakte
• Region of Interest (ROI) Rekonstruktionen möglich
Prinzip planare CT PCT (Laminographie oder Tomosynthese)
X-ray tube Object
Detector
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• Röntgenröhre
Comet 225 kVThales 450 kV
• Flächendetektor
RIDs Perkin Elmer5122 / 10242 Pixel
• Manipulator
6 Translations-1 Rotationsachse
• 3 Rechnersysteme
MessrechnerRekonstruktionsclusterVisualisierungsstation
Realisierung einer 3D-CT
Seifert DP 424 Scanner
EZRT - Technikum Fürth
Anlagentechnik
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• Sichtbarmachen von Defekten wie Lunkern, Poren und Fremdkörpern
• Generierung von exakter Information von Lage und Form
• Quantitative Analyse möglich
• Trennung verschiedener Materialien bzw. Dichten
Quelle: Fraunhofer EZRT
CT in der ZfP Anwendungsgebiete
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• Saatgut
• Überprüfung der Keimfähigkeit durch Volumenbestimmung der verschiedenen Bestandteile
• Holz
• Sicherstellung der Astfreiheit für hochwertige Möbel und Parkettböden
• Tierbiologie
• Untersuchung von Käfern, Wanzen und anderen Kleintieren
Quelle: Fraunhofer EZRT
CT für biologische Proben Anwendungsgebiete
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SkelettKnochenfrakturen und Degeneration der Gelenke
Herzbildgebung
Ziel: Darstellung des schlagenden Herzens mit < 50 ms zeitlicher Auflösung
Gefäße
Durchblutungsstörungen im arteriellen / venösen System
Weitere Anwendungen
zB Planung und Kontrolle in der Strahlentherapie
Hochkontrast-Auflösung bis zu 300 μm
Quelle: Uni Erlangen
Iodhaltiges Kontrastmittel(Mehrphasen-Technik)
Quelle: Uni Erlangen
CT in der Medizin Anwendungsgebiete
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• Metallische Schäume
• Keramische Schäume
• Kunststoff
• Offenporig / Geschlossenporig
• Untersuchung der Zellstruktur
• Penetration bei Sandwichstrukturen oder eingebetteten Strukturen
• Porengröße und -verteilung
Quelle: Fraunhofer EZRT / Fraunhofer ITWM
AnwendungsgebieteCT an Schäumen
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Quelle: Fraunhofer EZRT
AnwendungsgebieteCT und Metrologie
• Geometriekontrolle:Verifikation von Einzelmaßen
• Bohrungen,
• Wandstärken,
• Winkel...
• Geometrievergleich:globale Abweichungen
• Schwindung und Verzug
• Form- und Lageanalyse
• Flächenrückführung:
• Reverse Engineering,
• Rapid Prototyping
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• Überprüfung auf Echtheit / Alter / Funktion
• Tonskulpturen
• Schwerter
• Helme („Goldhelm“)
• Schlösser
• Mumien
• Versteinerungen
Quelle: Fraunhofer EZRT
AnwendungsgebieteCT an Kulturgütern, Fossilien und Antiquitäten
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• Hochgeschwindigkeitsröntgen
• Simulation
• Verwendung von a priori Wissen
• Inline CT
• Nano CT
• Multisensor-Anlagen
• Datenfusion
• Sehr große Objekte
AnwendungsgebieteTrends in der CT
QuelleObjekt
DetektorVISION 2010
CT am kompletten Auto
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Vielen Dank!
Fragen?
Stefan Kasperl
Fraunhofer EZRTDr.-Mack-Str. 81 90762 Fürth
Tel: 0911 58061-7550 E-Mail: [email protected]
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