Was ist ein CT-Scan - Einführung (I.) - 3D-Scan

Computertomographie (Computertomographie – CT) ist ein relativ bekanntes Verfahren aus dem Bereich der Medizin für die breite Öffentlichkeit, wo es im Bereich der Diagnostik Anwendung findet. Die Computertomographie (CT) ermöglicht Ärzten, den Körper des Patienten in Querschnitten darzustellen und eine genauere Diagnose zu stellen. Seit den 70er Jahren des letzten Jahrhunderts, als die CT in die medizinische Praxis Einzug hielt, gab es eine rasante Entwicklung der Computertechnologie und ihrer Verfügbarkeit für andere Bereiche der Wissenschaft und Industrie. Hier tritt die CT als industrielle Tomographie oder CT-Scanning auf und ist heute eine unverzichtbare Methode der zerstörungsfreien Prüfung und Qualitätskontrolle.

Medizinische CT und ihre Büromodifikationen, die heute allgemein für industrielle und wissenschaftliche Zwecke verfügbar sind.

Das Prinzip der Computertomographie

Übersetzt bedeutet Tomographie abschnittsweise Bildgebung (griech. tome-cut, graphein-write). So ermöglicht es uns, ohne Eingriff von außen, buchstäblich in den Körper eines Objekts, einer Probe oder eines 3D-Scans eines optisch unzugänglichen Raums zu sehen. Wie ist es möglich?

Ein CT verwendet eine Röntgenquelle und einen Sensor, um Röntgenbilder aufzunehmen. So wie Sie es von einem Arzt kennen, wenn Sie beispielsweise die Diagnose eines Gliedbruchs stellen. Dieses Abbildungsprinzip wird als Radiographie bezeichnet und entsteht, indem Röntgenstrahlung durch die Probe geleitet und ihr Bild auf dem Bildschirm erfasst wird. Im Gegensatz zu Licht hat Röntgenstrahlung genügend Energie, um ein Objekt ohne Reflexion zu durchdringen. Die Schwächung der Röntgenstrahlung nimmt mit der Dichte des Materials zu, sodass wir auf dem resultierenden Bild dunkle und helle Flecken sehen (je nach Dichte des Materials im Strahlengang). Röntgenstrahlen werden im Detektor in sichtbare Strahlung umgewandelt und digitalisiert. Jedem Pixel on wird entsprechend der Dämpfung ein Graustufenwert mit einer bestimmten Bittiefe zugewiesen.

In dieser ersten Phase der CT, der Röntgenbildgebung, können wir mit diesem einfachen Prinzip der Bildgebung die Probe, Baugruppen, Defekte, aber auch Lebensmittel etc. in Echtzeit inspizieren und die von uns gesuchten Defekte und Defekte aufdecken.

Durch bloßes Beleuchten des Objekts können wir sofort wertvolle Informationen erhalten, die zur Lösung des gegebenen Problems führen können

Wenn wir die Probe auf den Drehtisch legen, können wir mithilfe der Radiographie eine Reihe von 2D-Bildern der Objekte in ihrer 360°-Drehung erhalten. Aus diesen kann dann das resultierende 3D-Modell rekonstruiert werden. Für ein gutes Ergebnis ist es notwendig, Hunderte und manchmal sogar Tausende solcher Bilder aufzunehmen. Der Rotationszustand der Probe in der abgeschirmten Inspektionskammer des Tomographen bestimmt weitgehend die maximale Größe des gescannten Objekts, außerdem muss die Leistung der Röntgenquelle ausreichend sein, um die Probe zu bestrahlen und qualitativ hochwertige Bilder zu erhalten.

Der Inspektionsraum des kleinen Röntgentomographen mit der Quelle (1), der Probe (3) auf dem Drehteller (2) und dem Sensor/Detektor (4). Eine Reihe von Röntgenbildern für den Rekonstruktionsprozess der gefilterten Rückprojektion.

Das Schattenbild auf dem Detektor wird mit der entsprechenden Vergrößerung angezeigt, die die Brennweite des Objekts von der Röntgenquelle bestimmt. Dadurch erreichen wir eine Auflösung im Submikrometerbereich und scannen sehr feine, mikroskopische Strukturen und Objekte für sehr kleine Proben in unmittelbarer Nähe zum Röntgengerät.

Nach der ersten Phase der Gewinnung einer Reihe von Röntgenbildern des Objekts, der sogenannten Akquisition, folgt der Rekonstruktionsprozess, bei dem aus diesen Bildern ein 3D-Modell erstellt wird. Bei der Rekonstruktion ist das Schlüsselprinzip der CT die mathematische Anwendung der sogenannten gefilterten Rückprojektion. Es handelt sich um einen inversen Radon-Transformationsalgorithmus, der mit jeder einzelnen Projektion den gesamten Raum ausfüllt und nach der Addition das Rauschen herausfiltert.

Links ein Objekt mit einer rotierenden Röntgenstrahlungsquelle und einem Detektor, auf dem wir wechselnde Schwächungswerte erkennen können. Dies wird in der Mitte durch das sogenannte Sinogramm dargestellt. Rechts wird aus dem gegebenen Sinogramm mittels gefilterter Rückprojektion (FBP) simultan der Originalausschnitt rekonstruiert. Quelle: Samuli Siltanen (Universität Helsinki)

3D-Objekt nach Rekonstruktion in Schnitten in einzelnen Achsen dargestellt

Nach der Rekonstruktion erhalten wir ein 3D-Objekt mit Schnitten in den einzelnen Achsen X, Y, Z des gegebenen Koordinatensystems. Im Gegensatz zu anderen optischen Verfahren des 3D-Scannens, bei denen die Ausgabe meist ein Polygonnetz (.stl, .obj) ist, also nur Informationen über die sichtbare Oberfläche, wird beim CT-Scannen das Objekt durch sogenannte Voxel (Volumenelemente) dargestellt. Jedem Voxel wird entsprechend der Röntgenabschwächung ein Graustufenwert bei einer gegebenen Bittiefe zugeordnet. Die Grenze (Objekt/Raum), d. h. die Oberfläche des rekonstruierten Modells, bestimmt die Schwellwerteinstellung (Treshhold) für den Oberflächenbestimmungsprozess. Am einfachsten ist es, die Mitte zwischen dem Durchschnittswert des Hintergrunds und des Materials (ISO50) zu verwenden. Es bestimmt dann, was das Objekt und was der Raum sein wird. (Es muss hinzugefügt werden, dass wir in der Praxis fortgeschrittenere Methoden verwenden.) Am Ende erhalten wir ein Modell mit einer präzise erfassten Geometrie einer komplexen Oberfläche, aber wir haben immer noch den gesamten Körper des Objekts, der aus einzelnen Voxeln zusammengesetzt ist, zu unserer Verfügung , die jeweils ihre eigenen Informationen enthalten. Dies macht CT zu einem der leistungsstärksten Werkzeuge für die zerstörungsfreie Analyse und Prüfung.

Anschauliche (vereinfachte) Visualisierung der differentiellen Darstellung mit Voxeln und Polygonnetz. Links ein Volumenmodell aus Voxeln, rechts ein Oberflächenmodell aus einem Dreiecksnetz.

Resultierende Oberfläche nach erweiterter Oberflächenbestimmung unter Verwendung von Werten umgebender Voxel.

Wo CT-Scans verwendet werden

Die Anwendungen der CT sind mehr oder weniger die gleichen wie die des Laser- und optischen Scannens. Es wird daher hauptsächlich in der Maßkontrolle, aber auch im Prototyping und in der Digitalisierung eingesetzt. Bei der industriellen Computertomographie erweitert sich das Einsatzgebiet jedoch um eine ganze Reihe von Bereichen, die sich aus der Nutzung der Voxeldarstellung (Erfassung der inneren Struktur) für spätere Analysen und Simulationen ergeben.

Die so gewonnenen Ergebnisse können zur Auswertung (Visualisierung, Farbkarte, Histogramm, statistische Auswertung ..) Porosität/Einschlüsse, Vergleich mit CAD-Modell, Wandstärke, Faserorientierung, Struktur poröser Materialien, Festigkeits- und Fließsimulationen, aber auch genutzt werden auch beeindruckende Visualisierungen mit Segmentierung.

Erkennung der 3 größten Poren im Programm VG Studio MAX

Die Computertomographie ist ein effektives Werkzeug für Inspektion, Entwicklung und Forschung, zum Beispiel in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie, der additiven Fertigung und verschiedenen Bereichen des Maschinenbaus, wo es auf zerstörungsfreie, nicht-invasive Methoden der Analyse und Qualitätskontrolle ankommt. Unter den naturwissenschaftlichen Disziplinen geht es darum, die Vorteile der Mikrotomographie beispielsweise auch in der Biologie, Geologie, Archäologie oder Paläontologie zu nutzen. In einer Reihe von wissenschaftlichen Experimenten wird auch das In-situ-Scannen verwendet, d. h. das Scannen einer Probe unter bestimmten physikalischen Bedingungen (Temperatur, Druck, Vakuum usw.) in speziell angepassten Präparaten. Wie aus dem oben Gesagten deutlich wird, sind die Möglichkeiten der Computertomographie enorm. Außerdem ist davon auszugehen, dass mit der Entwicklung neuartiger Sensoren und der fortschreitenden Automatisierung industrielle CT immer häufiger in verschiedenen Anwendungen auftauchen wird.