Einfluss von Metall - Speicherfolien - Kom-

binationen auf die Bildqualität in der

Computer - Radiographie

Jörg BECKMANN, Anja GROßER, Uwe ZSCHERPEL, Uwe EWERT,

Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin

Kurzfassung: Bei der Normgestaltung für Speicherfolien sind die Auswirkungen

von Metallfolien und Metallfolienkombinationen auf die Bildqualität von Speicher-

folienaufnahmen nicht ausreichend berücksichtigt worden. Es ist bekannt, dass bei

Film - Metallfolien - Kombinationen zusätzlich zur Änderung der optischen Dichte

und der Filmgranularität auch Änderungen der inneren Unschärfe durch den seitli-

chen Energietransport in der Film – Metallfolien - Kombination entstehen, welche

überwiegend durch ausgelöste Elektronen und zum Teil durch sekundäre Strahlung

hervorgerufen werden. Gleichzeitig dienen die Metallfolien bei Röntgenaufnahmen

mit Film als Streustrahlfilter und können zur Verbesserung des Bildkontrastes bei-

tragen. Die Mechanismen zur Erzeugung des virtuellen Röntgenbildes und dessen

Visualisierung sind in Speicherfolien nicht mit denen in einem Röntgenfilm iden-

tisch. Demzufolge können die in den Normen festgelegten Vorschriften zum Einsatz

von Metallfolien in der Filmradiographie nicht auf Speicherfolien uneingeschränkt

übertragen werden. Anhand der hier erzielten Ergebnisse lassen sich Empfehlungen

zum zukünftigen Einsatz der Metallfilter und -folienkombinationen für die Speicher-

folientechnik zur Verbesserung der Bildgüte ableiten.

Einleitung

Systeme der Computer-Radiographie mit Speicherfolien werden in der Digitalen Industriel-

len Radiographie (DIR), bei der Korrosionskontrolle von chemischen Anlagen sowie in der

Durchstrahlungsprüfung von z.B. Bauwerken oder anderen sicherheitsrelevanten Objekten

zunehmend eingesetzt. Moderne CR Systeme sind die in Inspektionsfirmen und in Rönt-

genlabors am häufigsten eingesetzte Technologie, weil sie gegenüber anderen digitalen

Detektoren eine vergleichsweise hohe Robustheit und den Vorteil der mobilen Einsetzbar-

keit aufweisen. Anwendungen für die Qualitätsüberwachung von Schweißnähten sind erst

in den letzten Jahren mit Einführung der High-Definition CR möglich geworden.

Die Computer-Radiographie (CR) konvertiert, wie bei der Filmradiographie, die Dosis-

verteilung indirekt. Das in der Speicherfolie (Imaging Plates, Bildplatten, IP) detektierte

Durchstrahlungsbild wird metastabil zwischengespeichert und muss ausgelesen werden,

bevor es auf dem Monitor betrachtet werden kann. CR verwendet dafür Speicherfolien mit

Speicherleuchtstoffen (Speicherphosphore), bestehend aus BaFBr:Eu2+, in denen die durch

das Objekt hindurchtretende Röntgenstrahlung absorbiert wird. Die verwendeten Speicher-

leuchtstoffe zeigen photostimulierte Lumineszenz (PSL), deren Intensität direkt propor-

tional zur detektierten Dosis ist. Beim Auslesen der belichteten Speicherfolie im Scanner

DACH-Jahrestagung 2008 in St.Gallen - Poster 29

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kann mit Hilfe eines für die Anregung benötigten roten Laserlichtstrahls und eines Se-

kundärelektronenvervielfachers (Photomultiplier) die Intensität des blauen Lumineszen-

zlichtes ortsaufgelöst ermittelt und damit die Verteilung der absorbierten Röntgendosis auf

der IP als digitalisiertes Bild im Computer gespeichert werden. Über die Darstellung der

Intensität in Grauwerten erhält man nach dem Auslesen der IP auf dem Monitor ein Grau-

wertbild, das dem eines Röntgenfilmes ähnlich ist.

Die elektronische Gewinnung und die sich anschließende Digitalisierung des

Durchstrahlungsbildes bieten wesentliche Vorteile gegenüber der klassischen Filmradio-

graphie, was letztendlich in den letzten Jahren zu einer Verdrängung bzw. Ablösung der

klassischen Filmradiographie in der Medizin geführt hat. Die digitalen Röntgendetektoren

verfügen über einen großen Dynamikbereich, mit dem ein breites Dosisintervall abgebildet

werden kann. Zudem besteht durch die Veränderung der Hardwareparameter und durch die

Software-Steuerung die Möglichkeit, die Detektionsempfindlichkeit des digitalen Systems

entsprechend der vorliegenden Situation für niedrige oder hohe Dosen anzupassen. Die im

Computer gespeicherten Bilder lassen sich am Monitor betrachten und gleichzeitig durch

Bildverarbeitungsalgorithmen und Filter verbessern. Umgehende quantitative Analysen und

Bewertungen der am Monitor gezeigten Bilder sind automatisch oder durch einen Operator

möglich. Die Digitale Industrielle Radiographie hat von den technischen Entwicklungen in

den medizinischen Bereichen profitiert, weil bestehende Lösungen nach einer leichten

Modifizierung für die industrielle Durchstrahlungsprüfung auf dem Markt angeboten wer-

den. Dies gilt vor allem für die in der medizinischen Radiologie seit den 80-iger Jahren

angebotenen CR-Systeme. Optimierung der Speicherleuchtstoffe, neue Optiken zur PSL-

Detektion und Verbesserungen im Scanverfahren ermöglichten die Entwicklung von CR-

Systemen für den industriellen Gebrauch, die eine Basisortsauflösung (effektive Pixel-

größe) von bis zu 40 µm erreichen. CR ist heutzutage anwenderseitig praktikabler ge-

worden, weil neben den technischen Entwicklungen in den letzten Jahren Europäische (EN

14784) und Amerikanische (ASTM E 2445 and E 2446) Standards verabschiedet wurden,

die einen sachgerechten Umgang mit der CR-Technik und die Herstellung von

Durchstrahlungsbildern mit entsprechenden Bildgüten gewährleisten. Trotz dieser

Fortschritte kann die Diskussion zur Verbesserung und Vereinfachung der Normen für die

Anwendung von CR-Systemen in der DIR nicht abgeschlossen werden, weil, wie im fol-

genden gezeigt werden wird, unter anderem die Auswirkungen von Metallfolienkombina-

tionen auf die Bildgüte von Speicherfolienaufnahmen nicht hinreichend genau bei der

Normgestaltung der EN 14784-2 berücksichtigt wurden.

Auswirkungen von Metallfolien auf die Bildgüte von Speicherfolien

Die Bildgüte einer Durchstrahlungsaufnahme wird durch das Zusammenwirken des Auf-

nahme-Kontrastes, der Abbildungs-Unschärfe und des Bildrauschens bestimmt. Während

die geometrische Unschärfe unabhängig vom Detektortyp durch eine geeignete Aufnah-

meanordnung minimiert werden kann, werden das Kontrast-zu-Rauschverhältnis (CNR)

und die innere Unschärfe vor allem durch die verwendete Speicherfolie und das gewählte

Scannersystem bestimmt. CR-Systeme zeigen eine Begrenzung des Signal-zu-Rausch-

Verhältnises (SNR) infolge des bei höheren PSL Intensitäten (hohe Dosen) dominant wer-

denden Strukturrauschens der Speicherfolie und der bei der PSL-Signalkonvertierung in der

Elektronik auftretenden Fluktuationen. Die innere Unschärfe der CR Systeme wird we-

sentlich von der effektiven Pixelgröße (Basisortsauflösung) bestimmt, die sich vor allem

aus der Laserspot-Größe, der Lichtstreuung in der Speicherfolie und der gewählten Abtast-

Schrittweite des Scanners ergibt. Das SNR und die Basisortsauflösung können entspre-

chend der EN 14784-1 für das jeweilige CR-Gerät experimentell ermittelt werden.

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Beide Größen gehen in das

normierte SNR ein und wer-

den zur Charakterisierung der

Bildgüte im auswertbaren

Bereich des Grauwertbildes

benötigt. In der EN 14784-2

wird auch die Anwendung

von Metallfolien zur Verbes-

serung der Bildgüte empfoh-

len. Metallfolien werden in

der klassischen Radiographie

im direkten Kontakt mit der Film-Emulsion angeordnet, gewöhnlich, wie in Bild 1a sche-

matisch gezeigt, als Vorder- und Hinterfolie des doppelseitig beschichteten Röntgenfilms,

um zwei Effekte auszunutzen. Bei der Wechselwirkung der Primärstrahlung mit der Folie

werden Elektronen emittiert, die zur Filmbelichtung beitragen und die niederenergetische,

aus dem Untersuchungsobjekt heraustretende, ungerichtete Streustrahlung wird gegenüber

der das Bild zeichnenden Primärstrahlung bevorzugt in der Metallfolie absorbiert, was eine

Verbesserung des Kontrastes im Röntgenbild bewirken soll. Obwohl, wie in Bild 1b ge-

zeigt, Speicherfolien sich prinzipiell im Aufbau vom Röntgenfilm unterscheiden, werden in

der EN 14784-2 die Verwendung von Vorder- und Hintermetallfolien gleicher Dicke in der

Durchstrahlungsprüfung empfohlen. Im Vergleich zum Röntgenfilm sind die je nach

Spannungsbereich der Röntgenquelle zu verwendenden Bleifolien bei Speicherfolien (siehe

Tabelle 1) etwas stärker ausgelegt.

(a)

(b)

Bild 1: Schematischer Aufbau des Röntgenfilms (a) und der Speicherfolie (b)

Tabelle 1: Blei-Vorder- und Hinter-Folien für die

Durchstrahlungsprüfung nach Norm

Röntgen-

Strahlenquelle

Spannung / kV

Röntgenfilm

EN 1435

Bleifolien /mm

Speicherfolie

EN 14784-2

Bleifolie /mm

> 100 - 150 0,0 bis 0,15 0,1

> 150 - 250 0,02 bis 0,15 0,1

> 250 - 450 0,02 bis 0,20 0,2 - 0,3

3

Experimentelle Untersuchungen

Um die Bildgüte von Speicherfolienaufnahmen weiter zu optimieren, wurden systemati-

sche Stufenbelichtungsexperimente zur Ermittlung der Dosisempfindlichkeit und der

spektralen Eigenschaften von Metallfolien-Speicherfolien-Kombinationen durchgeführt.

Der Versuchsaufbau ist in Bild 2 schematisch dargestellt. Als Strahlenquelle diente eine

Röntgenröhre Isovolt 320 kV der

Firma Seifert. Durch den röhrenseiti-

gen Einbau zusätzlicher Metallfilter

oder die Wahl der Röhrenspannung

lässt sich die zur Belichtung verwen-

dete Röntgenstrahlung über einen bre-

iten spektralen Bereich variieren. Die

Speicherfolien wurden in einem Ab-

stand von 950 mm unter Verwendung

eines computergesteuerten Belichtung-

stisches vor der Röhre geführt. Die

gewünschte Dosis kann durch den

Röhrenstrom und die Verweilzeit der

IP vor der Blendenöffnung im Röntgenstrahl eingestellt werden. Für die Belichtungsexpe-

rimente wurden eine FujiFilm ST-VI Speicherfolie in Kombination mit dem FujiFilm

Scanner XG-1 NDT eingesetzt.

Ergebnisse

Bild 3 zeigt ein repräsentatives Beispiel für den Einfluss der Bleivorder- und -hinterfolie

auf die Zunahme der optischen Dichte in Abhängigkeit von der Dosis für den Röntgenfilm

MX125 (Filmsystemklasse C3).

Bild 2: Versuchsaufbau zur Stufenbelichtung

Bild 3: Änderung der optischen Dichte des

MX125 (Systemklasse C3) in Abhängigkeit

von der Röntgendosis für unterschiedliche

Bleifolienkombinationen.

Bild 4: Photostimulierte Lumineszenz-

Intensität der ST-VI IP in Abhängigkeit

von der Röntgendosis für unterschiedliche

Bleifolienkombinationen

(Pb: Vorderfolie/Hinterfolie).

4

Wie im Diagramm in Bild 3 verdeutlicht, verursacht die Bleifolie bei der gewählten Röh-

renspannung von 220 kV und Verwendung eines röhrenseitig angeordneten 8 mm starken

Cu-Vorfilters weitgehend unabhängig von der Dosis eine relative Zunahme der optischen

Dichte um etwa 350 % je Emulsionsseite.

Wesentlich geringer fällt dagegen unter den gleichartig gewählten Versuchsbedingungen

der Verstärkungseffekt bei Speicherfolien aus. Bild 4 verdeutlicht beispielgebend die aus

dem linearisierten digitalen Belichtungsbild ermittelte Abhängigkeit des Grauwertes (PSL-

Intensität) von der Dosis (DR). Die System-Empfindlichkeit ergibt sich aus dem linearen

Anstieg der jeweiligen Geraden in Bild 4.

Bild 5: Einfluss des Röntgenspektrums auf

die System-Empfindlichkeit des CR-Systems

Fujifilm XG-1 Scanner und ST-VI IP

(a) absolute Änderungen der System-

Empfindlichkeit in Abhängigkeit der Strah-

lenqualität

(b) relative Empfindlichkeitsänderung bei

Verwendung einer 0,4 mm Pb-Hinterfolie

Bild 6: Einfluss der Bleifolienkombination

auf die relative System-Empfindlichkeit des

CR-Systems Fujifilm XG-1 und ST-VI Spei-

cherfolie in Bezug auf 220kV, 8 mm Cu,

ohne Bleifolien.

Die gewählten Bleifolienkombinationen verändern den Anstieg des linearen Zusammen-

hanges innerhalb des untersuchten Dosisbereiches. Unter Zuhilfenahme der linearen Re-

gression lässt sich dieser quantifizieren und als System-Empfindlichkeit zur weiteren Er-

gebnisbewertung verwenden. Bild 5a verdeutlicht den Einfluss der Röhrenspannungen und

röhrenseitig positionierten Metallvorfiltern auf den Anstieg der PSL Intensität mit der

Dosis für das System Fujifilm XG-1 mit der ST-VI Speicherfolie (System-Empfindlichkeit)

sowohl ohne als auch mit einer 0,4 mm dicken Bleihinterfolie. Bild 5b beschreibt die da-

raus berechnete relative Zunahme der System-Empfindlichkeit. Aus dem Bild 5 wird er-

sichtlich, dass das Speicherfoliensystem eine spektral unterschiedliche Empfindlichkeit in

Abhängigkeit vom gewählten Röntgenspektrum zeigt. Speicherfolien zeigen für niederen-

ergetische Spektren eine höhere System-Empfindlichkeit als für hochenergetische, was mit

den Absorptionseigenschaften der Phosphorschicht im unmittelbaren Zusammenhang steht.

Befindet sich eine 0,4 mm dicke Bleiplatte im Kontakt mit der Speicherfolienrückseite,

dann ist ein relativer Empfindlichkeitsgewinn zu beobachten, der erst oberhalb von 120 kV

eintritt. Infolge der Energieerhöhung und Aufhärtung des Röntgenspektrums lässt sich die

relative Empfindlichkeit bis zu 44% bei Verwendung einer 8 mm Cu gefilterten Röntgen-

strahlung mit einer Grenzenergie von 200 keV steigern. Bild 6 zeigt die relative Empfind-

lichkeitszunahme für unterschiedliche Bleifolienkombinationen unter Beibehaltung des mit

8 mm Cu gefilterten Röntgenspektrums mit einer Grenzenergie von 220 keV. Die Ergeb-

5

nisse in Bild 6 zur systematischen Variation der Bleifolienkombinationen zeigen, dass eine

alleinige Verwendung einer Bleivorderfolie von 0,1 mm Dicke lediglich eine Empfindlich-

keitsverbesserung von 8% verursacht. Eine wirksame Empfindlichkeitszunahme ist mit der

Vergrößerung der Dicke der Bleirückfolie zu erreichen. Wie in Bild 6 zu sehen, konnte die

relative System-Empfindlichkeit mit einer 4 mm dicken Bleirückfolie bis zu 45% gesteigert

werden. Metallrückfolien aus Kupfer und Eisen bewirkten hingegen bei vergleichbaren

Materialdicken wesentlich geringere relative Empfindlichkeitssteigerungen.

Diskussion

Die Ergebnisse in den Bildern 3 und 4 verdeutlichen, dass die in den Bleifolien erzeugten

Elektronen mit unterschiedlicher Effizienz einen Verstärkungseffekt in der empfindlichen

Detektionsschicht von Film und Speicherfolien verursachen. In einem Röntgenfilm (Bild

1a) können die Elektronen aus den jeweiligen Bleifolien leicht in die doppelseitig angeord-

neten im direkten Kontakt stehenden Emulsionsschichten eindringen und einen erheblichen

Beitrag (hier: 700% Verstärkung bei 220kV und 8mm Cu-Filterung) zur Ausbildung des

latenten Bildes leisten. Im Gegensatz dazu müssen in der Speicherfolie (Bild 1b) die Elekt-

ronen mehrere aus Polymermaterial bestehende Schutz- bzw. Trägerschichten durchdrin-

gen, um mit der notwendigen Mindestenergie in den im Binder eingebetteten Speicher-

leuchtstoffkristallen Fehlstellen zu erzeugen. Mit Hilfe des ESTAR [1] Programms wurden

mittlere Elektronenreichweiten in Abhängigkeit von der Energie in Polyethylen-

terephthalat (PET)-Schichten abgeschätzt. Die Berechnungen ergaben, dass PET-Schichten

von 10 µm, 100 µm und 1000 µm von Elektronen durchdrungen werden können, wenn sie

mindestens über eine Energie von 30 keV, 100 keV bzw. 400 keV verfügen.

Ein Vergleich mit den in der IP verwendeten Schutzschichtdicken zeigt, dass in vielen

Fällen die Bewegungsenergie der Elektronen, welche maximal der gewählten Röntgen-

spannungen entsprechen kann, zu gering ist, um aus der Bleirückfolie in die Phosphor-

schicht zu gelangen. Lediglich Elektronen aus der Vorderfolie können wegen der we-

sentlich dünneren Schutzschicht (10 - 50 µm) ab einer hinreichend großen Energie etwas

zur Empfindlichkeitssteigerung beitragen. Wie im Bild 6 gezeigt und bereits beschrieben,

ist der Einfluss einer 0,1 mm dicken Pb-Vorderfolie auf die relative Empfindlich-

keitssteigerung gering. Wesentlich effizienter können oberhalb von 120 keV dagegen die

Bleihinterfolien größerer Dicke sein (Bild 5). Der erhöhte Verstärkungseffekt der Bleirück-

folie in der Speicherfolie ist aus den obigen Gründen nicht auf die Wirkung der freien Elek-

tronen zurückzuführen. Berechnungen zum Absorptionsverhalten von Blei mit dem

XCOM-Programm [2] zeigen eine Absorptionskante bei 88 keV. Eine charakteristische

Röntgenfluoreszenzstrahlung aus der K-Serie kann im Blei von der Kontinuum-Strahlung

der Röntgenröhre angeregt werden, sobald in der polychromatischen Strahlung Photonen

mit einer Energie oberhalb von 88 keV einfallen.

Die Energie der Fluoreszenzstrahlung im Blei ist ausreichend für die Penetration der poly-

meren Trägerschicht und erzeugt eine zusätzliche Dosis für die registrierende Phosphor-

schicht. Zudem wird, wie in Bild 5 zu beobachten ist, die Intensitätsausbeute der Fluo-

reszenzstrahlung von der Strahlenqualität des benutzten Röntgenspektrums beeinflusst.

Die Fluoreszenzstrahlung ist ungerichtet und breitet sich in alle Raumrichtungen aus. Zu-

dem liegen zwischen der Phosphorschicht und der Bleifolienoberfläche eine vergleich-

sweise dicke Laminat- und Trägerschicht (500 -1000 µm), was zur zusätzlichen Erhöhung

der inneren Unschärfe führt. Die Auswirkung der Streuunschärfe auf ein Kantenprofil zei-

gen die Bilder 7a und 7b. Die Verwendung der Bleirückfolien für Speicherfolienaufnahmen

kann das Unschärfeprofil weitreichend vergrößern und damit die Bildgüte zusätzlich ver-

schlechtern.

6

Da Vorderfolien auch zur Streustrahlreduktion eingesetzt werden, wurden deren Auswir-

kungen auf den spezifischen Kontrast von Speicherfolienaufnahmen mit Hilfe von Durch-

strahlungsexperimenten mit Stahlstufenkeilen in einem Spannungsbereich zwischen 100 kV

und 370 kV untersucht [3]. Bild 8 verdeutlicht anhand repräsentativer Untersuchungen zum

Streuverhältnis, das Speicherfolien aufgrund der spektralen Eigenschaften gegenüber der

Streustrahlung im Vergleich zum Röntgenfilm bei Wanddicken oberhalb von 10 mm Stahl

wesentlich empfindlicher sind. Durch eine geeignete Ausrüstung der Speicherfolienkassette

mit Zwischenfiltern ist es aber möglich, das höhere Streuverhältnis auf einen filmtypischen

Wert zu reduzieren.

Bild 8: Vergleich der Streuverhältnisse von Film und Spei-

cherfolien.

Bild 7: Kantenunschärfe ohne Bleifolie (a) und mit Blei-Hinterfolie (b) für eine ST-VI Spei-

cherfolie.

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Schlussfolgerungen:

Röntgenfilme und Speicherfolien haben einen unterschiedlichen strukturellen Aufbau. Auf-

grund dessen haben Metallfolienkombinationen verschiedene Auswirkungen auf die Bild-

qualität von Film- und Speicherfolienaufnahmen. Die Phosphorschicht ist in der Speicher-

folie so angeordnet, dass ein Verstärkungseffekt durch Elektronen weitgehend behindert

wird. Im Gegensatz zur Filmradiographie dominiert die Fluoreszenzstrahlung der Blei-

hinterfolie den Verstärkungseffekt in Speicherfolien, was zugleich die Bildunschärfe ver-

größert. Der direkte Kontakt von Speicherfolien mit Pb-Hinterfolien ist oberhalb von

120 keV zu vermeiden. Es empfiehlt sich in diesem Fall, Pb-Hinterfolien mit einer 0,5 mm

starken Cu- oder Fe-Folie abzudecken. Bei höheren Wanddicken sind Speicherfolien

wegen ihrer spektralen Empfindlichkeit wesentlich streustrahlempfindlicher als Film-

Folien-Kombinationen. Durch eine geeignete Anordnung von Metallfolien können die

Streustrahlempfindlichkeiten der Speicherfolien soweit reduziert werden, dass sie die von

Filmsystemen erreichen.

Anmerkungen

Die Arbeiten wurden zum Teil im Rahmen des von der EU geförderten Projektes „Film-

free“ (Contract No: NMP2-CT-2005-515746) durchgeführt.

Literatur

[1] M.J. Berger, J.S. Coursey, M.A. Zucker and J. Chang

Database of Stopping-Power and Range Tables for Electrons,

National Institute of Standards and Technology,

http://physics.nist.gov/PhysRefData/Star/Text/contents.html

[2] M.J. Berger, J.H. Hubbell, S.M. Seltzer, J. Chang, J.S. Coursey, R. Sukumar, and D.S. Zucker

XCOM: Photon Cross Sections Database

Database to calculate photon cross sections for scattering, photoelectric absorption and pair produc-

tion, as well as total attenuation coefficients

National Institute of Standards and Technology

http://physics.nist.gov/PhysRefData/Xcom/Text/XCOM.html

[3] A. Großer

Optimierung der Bildqualität von Speicherfolien in der zerstörungsfreien Prüfung in Abhängigkeit

von Röntgenenergie und Stahl-Wanddicke

Diplomarbeit, Technische Fachhochschule Wildau , 2007

8