DGZfP-JAHRESTAGUNG 2003

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Unschärfeprobleme beim Einsatz digitaler Detektoren in der Durchstrahlungsprüfung

U. Zscherpel, K. Osterloh, U. Ewert, BAM Berlin
Kontakt: Zscherpel Uwe Dr.rer.nat.

Zusammenfassung

Bei der Untersuchung der Eigenschaften neuer digitaler Detektoren für die Durchstrahlungsprüfung einschließlich der Computer-Radiographie (Speicherfolien-technik) und Computer-Tomographie wurden energieabhängige Unschärfeeffekte beobachtet. Diese Bildunschärfe hat essentielle Auswirkungen auf Anwendungen in der ZfP. Bei der Analyse der Kantenabbildung stellte sich eine Überlagerung von zwei Unschärfeeffekten heraus. Es handelt sich hierbei um eine Unschärfefunktion mit kurzer Reichweite (kleine Unschärfe) und eine mit langer Reichweite (große Unschärfe). Dadurch ergeben sich erhebliche Abweichungen in den Messwerten zur Unschärfe, die mit einer Kanten- oder Spaltabbildung ermittelt wurden, sowie in den MTF-Berechnungen. Am deutlichsten fiel ein Abfall der MTF-Kurven im niederfrequenten Ortsbereich auf, d.h der Unschärfeeinfluss wirkt sich im Röntgenbild über weite Entfernungen aus. Bei hohen Ortsfrequenzen ist keine Abweichung vom detektorbedingten Verlauf der MTF festzustellen, d.h., der beobachtete Effekt beeinträchtigt nicht die Grenzauflösung der Strahlendetektoren (auch gemessen mit Linienpaar-Testkörpern / Spalttestkörpern). Dieser Effekt ist sowohl für digitalisierte Filme, für Speicherfolien als auch Flachdetektoren nachweisbar, jedoch visuell mit dem Auge auf dem Film kaum sichtbar.

MTF- und Kantenmessungen zur Bestimmung der zusätzlichen Unschärfefunktion durch Streustrahlung von detektornahen Materialien, wie z.B. Flachdetektorgehäuse, Film- und CR-Kassetten, werden beschrieben.

Versuchsaufbau


Abb 1: Versuchsaufbau: a) Schema, 200 mm Abstand Stufenkeil-Detektor, 3m Abstand Röhre-Detektor b) Photo des Stufenkeilaufbaus (Film direkt hinter den Stufenkeilen).

In Abb. 1 ist der verwendete Versuchsaufbau dargestellt. Eine 420 kV Seifert Isovolt 420/10 Röntgenröhre (nominaler Brennfleck 1,8 mm) wurde als Strahlenquelle benutzt. Der Film-Fokus-Abstand betrug immer 3 m, um die geometrische Unschärfe bei einem Objekt-Filmabstand von 200 mm hinreichend klein zu halten. Alle Untersuchungen wurden bei zwei verschiedenen Strahlenqualitäten durchgeführt :

  1. 100 kV Röhrenspannung ohne Vorfilter (nur Eigenfilterung der Röhre)
  2. 220 kV Röhrenspannung und 8 mm Cu-Vorfilter direkt am Röhrenfenster

Die resultierenden Röntgenspektren sind in Abb. 4a dargestellt.

Die untersuchten Objekte, Seitenkanten von Stufenkeilen aus Al, Fe, Pb, Sn und Pt, befanden sich entweder direkt am oder in 200 mm Entfernung vor dem Detektor. Stufenkeile wurden ausgewählt, um den Einfluss der durchstrahlten Wanddicken auf die Kantenabbildung mit berücksichtigen zu können.

Als Strahlendetektoren wurden AGFA D4 Film, Vacupac (digitalisiert mit 50 mm Pixelgröße), ein Speicherfoliensystem FUJI XG-1 (100 mm Pixelgröße) und der AGFA DirectRay Flachdetektor (139 mm Pixelgröße, Direktumsetzung basierend auf amorphen Selen, am-Se) verwendet.

Streueffekte aus dem Objekt

In Abb. 2 sind die Kantenprofile für Aluminium in Abhängigkeit des Abstandes zwischen Objekt und Detektor dargestellt, Abb. 3 dient der Ursachenerklärung.

Abb 2: Profile digitalisierter Filme (Grauwert proportional der Filmschwärzung und invertiert, d.h. dosisproportional) von Al-Stufenkeilen (5 - 25 mm dick),
a) - c) Stufenkeil direkt vor dem Film,
d) - f) 200 mm vor dem Film, FFA 3 m,
b), e) Stufenprofile,
c), f) Kantenprofile.
Abb 3: Phänomenologische Erklärung der gemessenen Intensitätsprofile an Kanten in Abb.2 (Keil detektornah),
a) nur Absorption (ohne Streustrahlung),
b) nur Streustrahlenanteil,
c) resultierende Gesamtintensität.

Der Detektor (egal ob Film, Speicherfolie oder Flachdetektor) registriert sämtliche Strahlung aus allen Raumrichtungen, ohne zwischen Primär- und Sekundärstrahlung zu unterscheiden. Letztere ist an der Objektoberfläche am intensivsten und nimmt vom Objekt weg, d.h. ausgehend von jedem Punkt der Oberfläche, in alle Richtungen mit dem Quadrat der Entfernung ab. Daher macht sich die Sekundärstrahlung in detektornaher Position besonders bemerkbar. Der Effekt lässt sich an Kanten gut messen. Auf der Seite neben dem Objekt trifft die Strahlung der Röntgenröhre ungehindert auf den Detektor, zusätzlich zur Streustrahlung aus dem Objekt. Im kantennahen Bereich direkt unter dem Objekt fehlt die Streustrahlung aus dem massefreien Außenraum. Dadurch kommt es zu einer Kantenanhebung, so wie sie im experimentellen Resultat zu sehen ist (Abb. 2 a - c). Vergrößert man den Abstand zwischen Objekt und Detektor (in Abb.2 d - f 200 mm), dann wird die Streustrahlungsintensität aus dem Objekt nach dem 1/R²-Abstandsquadratgesetz soweit verringert, dass sie auf dem Detektor keinen merklichen Einfluss mehr hat.

Folgende Abhängigkeiten für diesen Effekt lassen sich beobachten:

  • Er nimmt mit zunehmender Strahlungsenergie zu (da sich das Verhältnis aus Photoabsorption und Comptonstreuung mit zunehmender Energie zugunsten der Comptonstreuung verschiebt)
  • Er ist materialabhängig, bei Al ist er am größten, bei Stahl und Cu kleiner, bei Pb und Sn war er nicht nachweisbar (d.h. bei niedrigabsorbierenden Materialen überwiegt der Streuanteil)
  • Er ist wanddickenabhängig und nimmt mit größerer Wanddicke ab
  • Er ist für alle Detektoren (Film, Speicherfolie, Flachdetektor) vergleichbar, da er nur vom Objekt und dem Abstand zwischen Objekt und Detektor abhängt.

In [1] wird dieser Effekt genauer theoretisch beschrieben.

Als Konsequenz aus diesem Effekt ist ein Mindestabstand zwischen Objekt und Detektor oder eine geeignete Zwischenfilterung zu fordern, um eine Störung von Kantenabbildungen durch Streustrahlung (Reichweite im cm-Bereich!) aus dem Objekt zu reduzieren.

Streueffekte im Detektor

Zusätzlich zur Streustrahlung aus dem Objekt können auch Streustrahlungsanteile aus der direkten Nachbarschaft der sensitiven Elemente im Detektor selbst die Kantenabbildung beeinflussen. In Abb. 4 ist die Änderung der Abbildung einer Pt- oder Cu-Kante (200 mm vor dem Detektor) in Abhängigkeit von der Strahlungsqualität gezeigt. Als Detektor wurde ein AGFA D4 Vacupac Film verwendet. Da der Detektor insgesamt sehr dünn ist (Gesamtdicke von 0,6mm: Plastikhülle, 2 papierkaschierte Bleifolien sowie der Röntgenfilm selbst) ist der Effekt durch Streuung im Detektor sehr klein und in Abb. 4 kein wesentlicher Unterschied zwischen 100 kV und 220 kV + 8 mm Cu sichtbar.

Abb 4: Abbildung einer Cu-Kante (1,4mm bzw. 9,8mm, c und f) und einer Pt-Kante (7 mm, d und g) bei 100 kV (b - d) bzw. 220 kV + 8 mm Cu-Vorfilter (e - g). a) dazugehörige gemessene Röntgenspektren (von 0 bis 250 keV).
Abb 5: Profile einer Pt-Kante bei identischen Versuchsbedingungen wie in Abb. 4, anstatt Film wird der AGFA DirectRay Flachdetektor verwendet, a) Röntgenaufnahme mit Lage des Profils, b) Versuchsaufbau, FFA 3000 mm, c) 100 kV, d) 220 kV, 8 mm Cu.

Im Gegensatz dazu fallen beim AGFA DirectRay Flachdetektor (siehe Abb. 5) starke Veränderungen beim Übergang von 100 kV auf 220 kV + 8 mm Cu auf. Symmetrische Ausläufer über mehrere cm entstehen bei höheren Strahlungsenergien. Die Dicke des Detektors beträgt ca. 45 mm (4 mm CFK-Schutzplatte, 0,5 mm Se-Detektorschicht, dahinter noch diverse andere SiO2-Schichten mit Detektorelektronik sowie Leiterplatten und eine millimeterdicke Pb-Schicht zur Abschirmung der Elektronik von der Röntgenstrahlung).

Ein ähnlicher Effekt ist bei Speicherfolien zu beobachten, wenn sie sich in Kassetten aus CFK-Material ohne Bleifolien befinden (siehe Abb. 6). Auch dort lassen sich symmetrische Ausläufer an der Kante im cm-Bereich nachweisen, die vorrangig durch Streueffekte in der anliegenden Folienkassette entstehen, die für eine praktische Handhabung zusammen mit dem zugehörigen Auslesegerät vorgesehen ist.

Abb 6: Profile einer Pt-Kante bei identischen Versuchsbedingungen wie in Abb.4 und 5 (nur 220 kV + 8 mm Cu), aber jetzt wurde das Speicherfoliensystem FUJI XG-1 mit der Speicherfolie ST-VI verwendet (a) - b) nackte Folie im dunklen Raum, c) - d) Folie in der FUJI-Kassette, optimiert für die Medizinanforderungen).

Zur Kontrolle wurde deshalb die Pt-Kantenabbildung auf D4 Vacupac-Film hinter der abmontierten CFK-Schutzplatte des DirectRay-Flachdetektors untersucht (siehe Abb. 7). Es ist eine Zunahme der weit reichenden Ausläufer an der Kante nachweisbar, wie sie auch bei Speicherfolien (CR) durch die dort verwendete Kassette erzeugt wurden. Flachdetektoraufnahmen mit und ohne CFK-Schutzplatte zeigten keinen Unterschied, d.h. die CFK-Schutzplatte zeigt hier keinen zusätzlichen Einfluss, die Streueffekte müssen also durch im Detektor selbst befindliche Schichten erzeugt werden.

Abb. 7 zeigt den Einfluss von Kassetten und detektornahen Objekten auf die Kantenprofile. Es handelt sich hierbei um einen einfachen Test zur Bestimmung der zusätzlichen Streuunschärfe aus der nahen Detektorumgebung.


Abb 7: Vergleich der Pt-Kantenprofile bei 220 kV + 8 mm Cu-Vorfilter ohne detektornahem Streuer (blaue Kurven) bzw. mit detektornahem Streuer (rote Kurven, bei Film und DR eine 4mm CFK-Schutzplatte bzw. die CFK-Kassette des FUJI CR-Systems) für verschiedene Röntgendetektoren: a) Film, b) Speicherfolie und c) Flachdetektor.

Während die Abbildungsschärfe der Kante (auch: Steilheit der Kantenfunktion) durch Streueffekte in der Detektorschicht selbst bestimmt wird (innere Detektorunschärfe, Abb. 8 a), erzeugt eine zusätzliche, detektornahe, streuende Materialschicht (z.B. eine Schutzplatte) ein zusätzliches, stark "verschmiertes" Abbild des Strahlenprofils in der Detektorebene (Abb. 8b). Die Überlagerung beider Streueffekte ergibt ein Profil, das der gemessenen Kantenfunktion (Abb. 8c) gleicht, d.h., eine steile Kante mit Ausläufern langer Reichweite.

Abb 8: Phänomenologische Erklärung der gemessenen Intensitätsprofile an Kanten in Abb.7 (Streuer detektornah), a) nur Absorption (ohne Streustrahlung), b) nur Streustrahlenanteil, c) resultierende Gesamtintensität.

Ein Summeneffekt dieser Art wurde bisher nicht in der Literatur beschrieben. Eine theoretische Beschreibung, z.B. mittels Monte-Carlo-Simulation der Streustrahlung (in Anlehnung an [2]) steht ebenso noch aus. Der gleiche Effekt lässt sich ebenso bei den Flachdetektoren von anderen Herstellern mit anderer Funktionsweise als hier beschrieben nachweisen (z.B. indirekt wandelnde Flachdetektoren von Perkin-Elmer oder Varian mit Fluoreszenzschirmen als Strahlungsdetektor).

Auswirkung auf die MTF-Bestimmung

Während der Effekt der weit reichenden Ausläufer in der Kantenverteilungsfunktion (siehe Abb. 9a) gut erkennbar ist, ist er in der dazugehörigen Linienverteilungsfunktion (siehe Abb. 9b, erzeugt durch Differentiation der Kantenverteilungsfunktion) aufgrund der Differenzbildung benachbarter Punkte deutlich reduziert wahrnehmbar.


Abb 9: a) Angleichkurve der Pt-Kantenabbildung auf dem Flachdetektor mit 2 Anteilen: mit steilem Anstieg für geringe Detektorunschärfe und flach ansteigender Anteil für den Streubeitrag aus dem Detektorgehäuse;
b) Angleichkurve für die Spaltabbildung, d.h. der 1. Ableitung der Kantenabbildung (a).

Im normierten Betragsspektrum der Fouriertransformierten der Spaltabbildung (die sog. Modulationsübertragungsfunktion MTF, siehe Abb. 10) spiegelt sich der Anteil der weit reichenden Ausläufer der Kantenverteilungsfunktion als schnell abfallende Komponente bei niedrigen Ortsfrequenzen wider. Bei der Bestimmung der Ortsauflösung des Detektors wird üblicherweise der Wert des 20%-Abfalls vom Maximum der MTF benutzt. Damit wird (üblicherweise) die innere Detektorunschärfe (d.h. der steile Kantenanstieg) charakterisiert. Durch den zusätzlichen Streuanteil verschiebt sich der 20% Wert der MTF jedoch deutlich zu niedrigeren Ortsfrequenzen, d.h. die Ortsauflösung des Detektors wird dadurch formal schlechter.


Abb 10: MTF-Berechnung durch Fouriertransformation der beiden Teilanpassungen aus Abb. 9 (Spaltabb., a), im Vergleich dazu oben rechts die gemessenen MTF's des Flachdetektors bei 100 kV (b, rot) bzw. 220 kV + 8 mm Cu (b, grün).

Auswirkung auf die CT-Rekonstruktion

Die weit reichenden Ausläufer an den Kanten durch detektornahe streuende Schichten erzeugen zusätzliche Artefakte in den rekonstruierten Bildern von 3D-CT-Anlagen, wenn sie mit Flachdetektoren bei höheren Röhrenspannungen (> 200 kV; typisch für industrielle Anwendungen) eingesetzt werden. Dabei werden im Ergebnis der CT-Rekonstruktion verschwommen (nebelige) Materialschichten neben den wahren Objektgrenzen generiert (siehe Abb. 11), bzw. umgekehrt in dünnen Wänden werden scheinbar transparenteres Material bzw. Hohlräume erzeugt. Ansätze zur Lösung dieses Problems werden in [3,4] diskutiert.


Abb 11: Entstehung von zusätzlichen Artefakten bei der 3D-CT mit Flachdetektoren durch Intensitätsübertragung zwischen den Rekonstruktionsschichten aufgrund von Streueffekten langer Reichweite im Flachdetektor. In der dargestellten Rekonstruktionsschicht ist nur ein Zylinder tatsächlich vorhanden!.

Die Korrektur der weit reichenden Anteile der Unschärfe durch detektornahe Materialien kann z.B. durch Entfaltung nur dann erfolgen, wenn sich die Strahlenqualität (Spektrum) nicht oder nur unwesentlich in Abhängigkeit von der Position auf dem Detektor ändert.

Schlussfolgerungen

Zwei unterschiedliche Streueffekte sind additiv überlagert nachgewiesen worden. Sie werden in Bezug auf ihre Entstehung an unterschiedlichen Orten (im Objekt und im Strahlendetektor) diskutiert. Sie lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Durch die Energie- und Wanddickenabhängigkeit können sich beide Streueffekte durch Überlagerung verstärken, kompensieren oder asymmetrisch werden.
  • Die Interpretation der experimentellen Ergebnisse widerspricht der Hypothese eines stark vergrößerten "virtuellen" Brennflecks durch das verwendete Vorfilter.
  • Der Film in der Vacupac-Verpackung ist eine vorteilhafte Detektorkonstruktion mit wenig detektornahem, streuenden Material, aber CR-Kassetten und die Flachdetektorgehäuse müssen insbesondere für höhere Energien optimiert werden, da ein deutlich störender Streuanteil aus detektornahem Material registriert wird.
  • MTF-Kurven sind geeignet zum Nachweis von detektornahen Streuquellen. Die erhaltenen Unschärfewerte, die detektornahe Streuquellen einschließen, sind dann allerdings nicht mehr mit Resultaten anderer Messmethoden vergleichbar
  • Die Bewertung der Ortsauflösung mit Doppeldrahtstegen nach EN 462-5 ist, im Gegensatz zu MTF-Kurven, unempfindlich gegenüber Streueffekten aus detektornahem Material.
  • 3D-CT-Rekonstruktionen werden durch Streueffekte aus detektornahem Material gestört. Artefakte entstehen bei höheren Röhrenspannungen und Strahlaufhärtung.
  • Es sind weiterführende Untersuchungen zum detaillierten und quantitativen Verständnis und folglich zur numerischen Korrektur dieser Effekte notwendig.

Literatur

  1. G.-R. Tillack, Simulation und Rekonstruktion für strahlendiagnostische Verfahren, Habilitationsschrift, 2001, Fakultät für Maschinenwesen der TU Dresden
  2. G.-R. Tillack, C. Bellon, Special Features in Radiography accessed by 3D Monte Carlo Model, Review of Progress in Quantitative NDE, Vol. 22A, AIP, USA, 2002
  3. Y. Onel, B. Illerhaus, J. Goebbels, 320 kV Mikrofocusröntgenröhre und Flachdetektor, eine Kombination für die 3D-CT ?, DGZfP-Jahrestagung Mainz 2003, Berichtsband auf dieser CD, Vortrag 27
  4. S. Kasperl, R. Hanke, U. Hassler, G. Payer, Optimised Surface Extraction using Artefact Reduction in Cone-Beam CT, CT-IP Symposium der DGZfP, Berlin 2003, Berichtsband CD, Vortrag 6

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