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Folie 1 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 Folie 2 Historisches Grundlagen der Computertomographie Anlagentechnik Anwendungsgebiete der Computertomographie Überblick DGZfP-Jahrestagung 2007 - Vortrag 15 1

Grundlagen und Anwendungen industrieller Computertomographie · Folie 1 Grundlagen und Anwendungen industrieller Computertomographie Fraunhofer EZRT, eine gemeinsame Abteilung der

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Folie 1

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

Folie 2

HistorischesGrundlagen der Computertomographie AnlagentechnikAnwendungsgebiete der Computertomographie

Überblick

DGZfP-Jahrestagung 2007 - Vortrag 15

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Folie 3

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)

Folie 4

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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Folie 5

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

Folie 6

0

1

2

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0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Energie [keV]

Inte

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Zahl der Photonen/Zeit

Wenig durchdringend Stark durchdringend

Mittlere Energie

Röntgenspektrum

Bremsstrahlung

Charakteristische Strahlung

Grundlagen

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Folie 7

xμeII �� 0

Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie

Exponentielles Schwächungsgesetz

ppincohcohph μμμμZEμ �),,( �

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x

Grundlagen

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Folie 8

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

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Folie 9

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

Folie 10

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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Folie 11

� �1�� MfU

Geometrische Auflösung

Systemunschärfebeschreibt Einflüsse von

• Brennfleckdurchmesser,

• Detektor,

• Geometrie und

• Rekonstruktion

222 3.1 wUUU DBsys �

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Mf

MUUB

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MdUD �

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Fokusdurchmesser f

Objekt

Detektor d Unschärfe U

a

b

Grundlagen

Folie 12

• Strahlaufhärtung

• Streustrahlung

• Detektoreffekte

• Teilvolumenartefakte • Kreisartefakte• (Bewegungsartefakte)

Artefakte in der CT Grundlagen

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Folie 13

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)

Folie 14

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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Folie 15

• 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

Folie 16

• 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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Folie 17

• 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

Folie 18

• 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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Folie 19

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

Folie 20

• 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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Folie 21

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

Folie 22

• 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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Folie 23

• 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

Folie 24

Vielen Dank!

Fragen?

Stefan Kasperl

Fraunhofer EZRTDr.-Mack-Str. 81 90762 Fürth

Tel: 0911 58061-7550 E-Mail: [email protected]

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