Fehlergrößenabhängige Kontrastreduktion und zusätzliche Unschärfe durch

Streustrahlung reduzieren die Bildqualität radiologischer Abbildungen

- Film und digitale Detektoren im Vergleich -

Uwe EWERT, Jörg BECKMANN, Carsten BELLON, Gerd-Rüdiger JAENISCH, Uwe ZSCHERPEL, Mirko JECHOW, Bundesanstalt für

Materialforschung und -prüfung, Berlin Anja GROßER, Technische Fachhochschule Wildau

Kurzfassung. Die radiographische Bildqualität in ihrer klassischen Definition hängt von Kontrast, Rauschen (beim Film: Körnigkeit als Äquivalent zum Bildrauschen) und Unschärfe ab. Diese Parameter werden normalerweise mit Bildgüteprüfkörpern (BPK) gemessen. Die Streustrahlung reduziert im Allgemeinen immer die Bildquali-tät in der Radiographie. Die verschiedenen Einflussgrößen werden analysiert und es werden dabei die verschiedenen Techniken wie Film-Radiographie, Computer-Radiographie mit Speicherfolien und digitale Radiographie mit Matrixdetektoren (englisch: digital detector arrays – DDA) berücksichtigt. In Lehrbüchern und Stan-dards (z.B. ASTM E 1000) werden das Streuverhältnis k und verschiedene Kontras-te definiert. Es handelt sich hierbei z.B. beim radiographischen Kontrast um den spezifischen Kontrast und den relativen Kontrast. Für digitale Medien werden zu-sätzliche Parameter wie das Signal-Rausch-Verhältnis SNR und das Kontrast-Rausch-Verhältnis CNR eingeführt, wobei das inverse CNR der bekannten Kont-rastempfindlichkeit entspricht, die typischerweise mit den BPKs gemessen wird. Es werden auch im Rahmen des Projektes „FilmFree“ die optimalen Bedingungen für den Filmersatz untersucht. In diesem Zusammenhang wird der Einfluss der Streu-strahlung aus dem Messobjekt und dem Detektor bestehend aus Kassette bzw. Ge-häuse und sensitiver Detektorschicht auf die Bildqualität ermittelt. Die numerische Modellierung (Monte-Carlo-Technik) wird eingesetzt, um die Streustrahlung und die Primärstrahlung aus dem Objekt separat zu bestimmen. Die Streustrahlung aus dem Objekt und Detektor erzeugen eine Abbildung des Objektes, die dem Primärs-trahlungsbild überlagert ist, wobei das Streubild eine höhere Unschärfe aufweist. Dieser Effekt tritt bevorzugt bei höheren Strahlenergien auf. Die Streubilder weisen Unschärfen im cm-Bereich auf. Dieser Effekt wirkt sich sowohl bei der klassischen Filmradiographie als auch besonders bei der digitalen Radiographie und Computer-tomographie störend aus. Weiterhin wurde eine zusätzliche Kontrastreduktion, her-vorgerufen durch Streustrahlung, gefunden, wenn der Detektor sich nahe am Objekt befindet (Kontakttechnik). Der Effekt hängt von der Fehlergröße, dem Abstand zwi-schen Detektor und Objekt und der Zwischenfilterung ab.

1 Einführung

Die Europäische Union fördert das Projektkonsortium „FilmFree“ (http://www.filmfree.eu. com), das die Einführung neuer Technologien wie Computer-Radiographie und Radiogra-

DACH-Jahrestagung 2008 in St.Gallen - Di.1.A.1

1

phie mit Matrixdetektoren unterstützt. Diese digitalen Radiographietechniken werden in einem breiten Anwendungsgebiet erprobt, das Bereiche wie Pipelineinspektion, Schweiß-naht- und Gussteilprüfung, Prüfung von elektronischen Baugruppen, Rädern, Schienen, Brücken and vielen anderen Applikationen mit Vorteilen im Bereich Technik, Umwelt, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit beinhaltet. Aufgrund der kürzeren Belichtungszeiten wird die Strahlenbelastung des Personals und der Umgebung reduziert und die Umwelt wird mit weniger chemischen Verbrauchsmaterialien belastet, da kein chemischer Entwicklungspro-zess erforderlich wird. Die relativ geringen operationellen Kosten und die Möglichkeit der Onlineprüfung sind Hauptvorteile der digitalen Radiographie. Ein Konsortium aus 33 Part-nern aus Industrie und Forschung hat sich im Projekt „FilmFree“ zusammengefunden, wo-bei bevorzugt kleinere und mittlere Unternehmen beteiligt sind.

Computer-Radiographie und Matrixdetektoren wurden für medizinische Anwendungen entwickelt, die das Potential haben den Röntgenfilm komplett zu ersetzen und die radiogra-phische Technik zu revolutionieren. Diese Techniken ermöglichen den Einsatz neuer intel-ligenter Computer-basierter Anwendungen, die auch komplizierte Zusammenhänge auto-matisch berücksichtigen können und zuverlässig die Bewertung der Bilder übernehmen. Diese Techniken werden gegenwärtig in die ZfP überführt. Die Grundaufgabe im Projekt ist die Entwicklung der korrekten Prozedur für Industriean-wendungen. Einige Regeln für die Filmradiographie sind für digitale Detektoren ungültig. Die meisten digitalen Detektoren weisen eine größere Bildunschärfe auf als Filme. Bleifo-lien verstärken nur geringfügig im Vergleich zu Film-Bleifolien-Systemen. Der Operator kann digitale Detektoren mit viel höherer oder geringerer Belichtungsdosis als Film benut-zen und erhält trotzdem verwendbare digitale Radiographien. Er kann aber auch grundle-gende Fehler machen und eine unzureichende Bildqualität erhalten.

In der vorliegenden Arbeit wurden Schwächungskoeffizienten für die verschiedenen Detek-toren (Film, Speicherfolien und Matrixdetektoren) bestimmt und es wurden ein Streukont-rast und eine Streuunschärfe gefunden, die durch das Objekt und die Detektorumgebung erzeugt werden.

2 Grundlagen

Der relative Kontrast Cr wird vorwiegend für digitale Systeme genutzt. Es handelt sich hierbei um die Grauwertdifferenz ΔI zwischen Fehleranzeige (der Begriff Fehler wird in diesem Text nicht in der juristisch korrekten Form benutzt sondern nur zur Benennung ei-ner Unregelmäßigkeit im Material verwendet) und Nachbarbereich normiert auf die mittle-re Signalintensität I in dem vorgegebenen Bildbereich (die Grauwerte müssen hierbei pro-portional zur Dosis sein; siehe auch ASTM E 1000) [1]:

Cr = ΔI / I (1) Sowohl die Grauwertdifferenz als auch die Differenz der optische Dichte von Filmen steigt etwa proportional zur Belichtungsdosis (gilt nur für ZfP-Filme mit Bleifolien). Für sehr kleine Materialdickenunterschiede (differentielle) kann das Schwächungsgesetz wie folgt vereinfacht werden (siehe ASTM E 1000), wobei µeff (in 1/mm) der effektive Schwä-chungskoeffizient ist:

C = I Δw µeff (2)

2

Der spezifische Kontrast Cs (nicht der relative spezifische Kontrast!) wird jetzt als Detek-torantwort definiert, die als ΔI pro Dickenänderung (Grauwerte pro mm) angegeben wird:

Cs = C/Δw = I µeff (3) Hierbei ist I der Grauwert eines bestimmten Bildpunktes oder der mittlere Grauwert eines Bildbereiches oder die optische Dichte eines gegebenen Bereiches eines Röntgenfilmes. Der Grauwert eines Detektorelementes wird auch als Antwort-Signal dieses Detektorele-mentes auf eine eingegangene Strahlendosis betrachtet. Daher bestimmt das Detektorsignal S für eine gegebene Dosis (wenn linear zur Dosis) den erreichbaren Kontrast des Fehlerbil-des (Ungänze) bzw. den Kontrast eines bestimmten BPK-Elementes:

Cs = S µeff (4) µeff ist der effektive Schwächungskoeffizient, der von der Röhrenspannung (Strahlenener-gie bzw. Strahlenqualität), dem zu prüfenden Material und der Dicke des Objekts, der Vor-filterung, den detektorseitigen Filtern und der Streustrahlung abhängt. Die Sichtbarkeit ei-nes bestimmten Fehlers oder BPKs in einem Bild hängt nicht nur vom spezifischen Kont-rast Cs sondern auch vom Bildrauschen ab. Materialfehler und BPK-Elemente sind nur un-terscheidbar, wenn der Kontrast höher als das Bildrauschen ist. Rauschen entsteht durch Fluktuationen der Signalintensität der verschiedenen Detektorelemente aufgrund der Quan-tenstatistik und der unterschiedlichen Empfindlichkeit der Detektorelemente. Drähte und Linien werden durch menschliche Bildauswerter erkannt, wenn das Kontrast-Rausch-Verhältnis CNR etwa eins ist (zum Teil schon bei CNR > 0,7). Poren und 1T-Löcher (siehe ASTM E 1025, EN 462-3) werden erkannt, wenn das Kontrast-Rausch-Verhältnis > 2,5 ist. Computeralgorithmen sind teilweise bei Drähten nicht so empfindlich. Eine höhere Belich-tungsdosis erhöht das CNR proportional zur Quadratwurzel der Belichtungsdosis (Belich-tungszeit bzw. mAs) entsprechend der Röntgenphotonen-Quantenstatistik (Poisson-Statistik), wenn der Detektor linear zur Eingangsdosis reagiert und kein anderer Beitrag zum Bildrauschen relevant ist. Das Kontrast-Rausch-Verhältnis, das der essentielle Parameter zur Erkennbarkeit von BPKs und Fehlern ist, kann aus der Detektorantwort auf eine Dosis, also dem Signal-Rausch-Verhältnis SNR, wie folgt berechnet werden (Nährung für kleine Dickenänderung, siehe auch Gleichung 3):

CNR/Δw = SNR ⋅ µeff (5) Die Bildqualität hängt also von dem effektiven Schwächungskoeffizienten µeff und der Detektorantwort, dem SNR, ab. Das gilt für Computer-Radiographie, Matrixdetekto-ren und Film. Figur 1 illustriert den Einfluss des Rauschens auf die Erkennbarkeit. Der äquivalente Begriff für Filme ist das Gradient-Rausch-Verhältnis (GNR). Für Indust-rieröntgenfilme der Klassen C1-C6 kann dieser Wert wie folgt abgeschätzt werden.

GNR ≈ 2.3 ⋅ SNR (6)

3

Da der Grauwert der Bildelemente in digitalen Bildern (nur wenn Grauwert proportional zur Dosis ist) sich in Bezug auf das Sig-nal und das Rau-schen gleichzeitig ändert, wenn Hellig-keit und Kontrast verändert werden, wurde das SNR als Äquivalenzwert zu der optischen Dichte und der Filmsystem-klasse vorgeschla-gen und akzeptiert (siehe EN 14784-1,-2 und ASTM E 2445, E2446). Die folgende Diskussion nimmt auf diese

Äquivalenzbezie-hung Bezug.

Typischerweise bestimmt der Operator in der digitalen Radiographie die Kontrastauflösung durch die Belichtungszeit und den Röhrenstrom bzw. die Aktivität. Die Bildqualität steigt mit der Belichtungsdosis [1-5] entsprechend Gleichung 5. Das SNR steigt mit der Belich-tungszeit, mA⋅s, GBq⋅min, 1/(Quelle-Detektor-Abstand)² und der Detektoreffizienz. Wenn die Poisson-Statistik gilt, steigt das SNR linear mit der Quadratwurzel dieser Parameter. Die Bildqualität (Kontrast-Rausch-Verhältnis pro Dickendifferenz; entspricht der BPK-Erkennbarkeit) steigt außerdem mit steigendem µeff an. Sie hängt dann zusätzlich von dem Material, der Strahlenenergie (keV), dem verwendeten Isotop, der Streustrahlung, den Vor-der- und Hinterfolien sowie Vorfiltern ab. Die folgenden Computersimulationen und Mes-sungen wurden durchgeführt, um zwischen Streubeiträgen und der Primärstrahlung bei der Prüfung von Stahlteilen zu unterscheiden. 3 Röntgen-Simulation von CAD-Objekten mit einem Monte-Carlo-Raytracer 3.1 Monte-Carlo-Model Es werden folgende Annahmen gemacht, um das Monte-Carlo-Modell des Photonentrans-ports zu beschreiben: (i) Die Photonen bewegen sich auf geraden Bahnen zwischen zwei Wechselwirkungsereignissen ohne Energieverlust. (ii) eine Wechselwirkung pro Einheits-länge tritt entsprechend dem linearen Schwächungsquerschnitt µ auf, (iii) die Dauer der Wechselwirkung ist vernachlässigbar gegenüber der Zeitdauer zwischen zwei Wechselwir-kungen. Es werde drei unabhängige und sich gegenseitig ausschließende zufällige Ereignis-se für den Photonentransport berücksichtigt: Absorption τ, Compton-Streuung σCompton und Rayleigh-Streuung σRayleigh . Die Wahrscheinlichkeit pi eines Kollisionsereignisses i wird durch das Verhältnis von Wechselwirkungsquerschnitt des Ereignisses i und dem linearen Schwächungsquerschnitt µ gegeben: p1 = τ/µ, p2 = σCompton/µ, p3 = σRayleigh/µ .

Länge

Inte

nsitä

t

Kontrast

Signal(Grundmaterial)

Länge

Inte

nsitä

t

Kontrast

Signal(Grundmaterial)

Länge

Inte

nsity Kontrast

Signal(Grundmaterial)

Nute sichtbar!

Kontrast/Rauschen ist hochSignal/Rauschen ist hoch

Nute nicht sichtbar!

Kontrast/Rauschen ist niedrigSignal/Rauschen ist niedrig

a) b)

Fig. 1: Einfluss des Rauschens auf die Erkennbarkeit von einer Nut in der Radiographie. a) Die Nut ist sichtbar, wenn der Einfluss des Rauschens ver-

nachlässigbar ist. b) Die Nut ist nicht erkennbar, wenn das Rauschen gleich oder

größer als der Kontrast ist.

4

Das Schwächungsgesetz bestimmt die Kollisionslänge l eines Photons. Unter der Annahme schrittweise konstanter Materialparameter ist die Kollisionslänge gegeben durch:

μξln

−=l (7)

wobei ξ ∈ [0,1] eine gleichverteilte Zufallszahl ist. Das Transportschema besteht aus drei Standardelementen der Monte-Carlo-Technik: Be-stimmung der (i) Initialbedingung (E0,Ω0), (ii) Bestimmung des Ortes der Wechselwirkung aus der Kollisionslänge l und (iii) dem Kollisionsereignis i. Wenn das Photon das Objekt verlässt, werden keine weiteren Wechselwirkungsereignisse berücksichtigt und die Berech-nung wird mit der Registrierung des Ereignisses im Detektor (bei Absorption) beendet. Bei einem Streuereignis folgen die Bestimmung der neuen Flugrichtung und ein möglicher Energieverlust (E,Ω) → (E',Ω'). Danach wird der Vorgang mit den gleichen Ablauf ab dem 2. Schritt bis zum Abschluss wiederholt. Der Gesamtvorgang wird sooft wiederholt bis eine statistisch relevante Anzahl von Ereignissen registriert wurde. 3.2 Objektbeschreibung Zusätzlich zum Modell des Strahlentransportes erfordert die radiographische Simulation eine virtuelle Darstellung des Prüfobjekts. Anders als andere Monte-Carlo-Codes wie z.B. MCNP wurde eine Schnittstelle zu CAD-Daten implementiert. Die Objekte werden durch geschlossene Oberflächen dargestellt, wobei Regionen verschiedenen Materials separat und mit unterschiedlichen Schwächungseigenschaften beschrieben werden. Verschiedenen Ob-jekte können in einer virtuellen Szene zu komplexen Geometrien (kombiniert durch boole-sche Operatoren) angeordnet werden. Die Software gestattet es flexibel verschiedene Fehler zu generieren und an beliebigen Orten im „Gutteil“ zu platzieren. Die Oberfläche eines Objektes wird durch ebene Polygone beschrieben, die es gestatten einfache mathematische Operationen für ein jeweiliges Polygon zu verwenden. Die Größe der Polygone wird durch die lokale Oberflächenkrümmung und die geforderte Genauigkeit der Oberflächenrepräsentation bedingt. Das STL-Format (Stereolithographie) wird zum Datenaustausch verwendet mit der Oberflächendarstellung durch Dreiecke. 3.3 Monte-Carlo-Tracer

Primär- und Streuphotonen werden unabhängig behandelt. Der Beitrag der Primärphotonen wird analytisch mit dem Schwächungsgesetz berechnet:

( ) ( ) ( )0

0d ,

0, , , ,R R E

pI E I E eμ

−− −∫=

r rr

r rΩ ΩΩ

. (8)

Nur die Streuphotonen werden mit der Monte-Carlo-Methode verfolgt und berechnet. Die Wahrscheinlichkeit für ein überlebendes Photon ist gegeben durch ps = µS /µ mit µS = σCompton + σRayleigh. Diese Wichtung beschreibt den mittleren Anteil der Photonen, die keinem Absorptionsereignis unterliegen. Somit folgt die Überlebenswahrscheinlichkeit eines Photons, das n-fach gestreut wird mit:

5

( ) ( ) ( )( )

11

1s

s s

np n p n

nμμ

++ =

+. (9)

Dieses Photon wird in der Detektorebene mit der Wichtung nach Gleichung (9) registriert, wobei die letzte Flugrichtung zum Detektor extrapoliert wird. Der beschriebene Monte-Carlo-Algorithmus wurde zur Berechnung mit Parallel-Prozessorten unter Anwendung von MPI implementiert. Die hier durchgeführten Berech-nungen wurden mit einem Beowulf-Cluster, der aus Standard-PC-Elementen aufgebaut wurde, durchgeführt. Er besteht aus einem 4-Prozessor-Server und 27 Knoten ohne Fest-platten mit Pentium 4 Dual-Core-Prozessorplatinen (108 cores) mit 1 GByte oder 2 GByte Speicher pro Knoten. Das System ist Linux-basiert. Die hier durchgeführten Berechnungen wurden mit 100 Prozessoren durchgeführt und in-sgesamt wurden 109 (bei 0,5 mm Bildelementgröße) und 1011 (bei 0,04 mm Bildelement-größe) Photonenbahnen gestreuter Photonen pro simuliertem Röntgenbild berechnet. Der statistische Fehler betrug etwa 0,02 pro Bildelement (Pixel). Der Abstand zwischen der Strahlenquelle und dem Detektor wurde zu 1000 mm gewählt und es wurde eine mono-chromatische und punktförmige Strahlenquelle vorgegeben. Die Energie der Strahlung bet-rug 100 keV. Der Abstand zwischen Detektor und Objekt wurde zur Simulation mit 0 mm, 5 mm und 55 mm gewählt. Der Detektor wurde als idealer Photonenzähler modelliert. 4 Ergebnisse der Simulation für die Nutenplatte und Verifizierung Radiographien verschiedener Nutenplatten wurden berechnet. Eine reale Nutenplatte wurde mit Nuten von 0,03mm bis 2 mm Breite und variierender Tiefe von 0 – 3 mm (siehe Fig. 2) hergestellt. Die Nutenplatte wurde aus Stahl gefertigt und zur Verifikation der Modellie-rungsrechnungen verwendet. 4.1 Streukontrast und Streuunschärfe

3 mm

10 mm

In den meisten Lehrbüchern wird die Bildqualität durch die Parameter Kontrast, Rauschen (oder Körnigkeit) und Unschärfe beschrieben.

Fig. 2a: Nutenplatte aus Stahl. Fig. 2b: CAD-Model der Nuten-platte mit einer Nut.

6

Der Beitrag durch die Streustrahlung wird typischerweise durch den Aufbaufaktor Bup (eng-lisch: build up factor) beschrieben, der aus dem Streuverhältnis k berechnet wird, wobei k sich aus dem Quotienten von Streustrahlungsintensität und Primärstrahlungsintensität er-gibt (siehe auch ASTM E 1000):

kIIB

p

sup +=+= 11 (10)

Das vereinfachte Schwächungsgesetz ist: (11) up

w BeII ⋅⋅= ⋅−μ0

10 mm 5 mm 2 mm 1 mm 0,5 mm 0,05 mm Nutenbreite10 mm 5 mm 2 mm 1 mm 0,5 mm 0,05 mm Nutenbreite

Primary and Scatter Radiation

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 10 20 30 40 50 60 70 80

mm

Inte

nsity Primary

ScatterTotal

10 mm 5 mm 2 mm 1 mm 0,5 mm 0,05 mm Nutenbreite

30 %

Die Simulationssoftware gestattet die separate Berechnung der Primär- und Streustrahlung. Das Ziel der Untersuchung war die quantitative Bestimmung der Beiträge der Streustrah-lung zum Primärbild. Die Ergebnisse der Simulation zeigen eine erhebliche Kontrastanhe-bung durch den Einfluss der Streustrahlung, die von der Nutenbreite abhängt. Das Streu-bild, das dem Primärbild überlagert ist, trägt mit einer zusätzlichen Unschärfe zum Ge-samtbild bei. Fig. 3 zeigt die Profile der Primär- und Streustrahlungsbeiträge in den Ra-diographien für Detektoren im Kontakt zum Werkstück (glatte Seite der Nutenplatte zum Detektor). Das Streubild generiert eine 30%-ige Kontrastanhebung im Gesamtbild für die breiteste Nut, während die schmalste Nut nur geringfügig im Kontrast angehoben wird. Die Kontrastanhebung durch den Streukontrast ist also abhängig von der Nutenbreite und steigt mit steigender Nutenbreite bei gleicher Nutentiefe. Dieser Effekt tritt unabhängig vom Ein-fluss der Detektorunschärfe und der geometrischen Unschärfe auf, d.h. auch wenn diese vernachlässigbar sind. Der Kontrast kleiner Fehler wird also reduziert im Verhältnis zu großen Fehlern. Dieser Effekt muss berücksichtigt werden, wenn digitale Softwaretools auf der Basis von µ-Kalibrierung an großen Strukturen, wie z.B. Stufenkeilen Flachbodenboh-rungen oder Lochplatten, verwendet werden, um Fehlertiefen (Erstreckung) zu bestimmen.

Unscharfe Streustrahlung

PrimärstrahlungAlle Nuten werden mit gleicher Intensität abgebildet

GesamtstrahlungDie Gesamtintensität schwankt durch die unterschiedliche Intensität der Streuanteile

Fig. 3: Profile der berechneten Beiträge der Streu- und Primärstrahlung. Die Streustrahlung ver-stärkt den Kontrast der breitesten Nuten um ca. 30 % und ist vernachlässigbar für den Kontrast der schmalsten Nuten. Die Simulation erfolgte für eine 10 mm dicke Nutenplat-te aus Stahl mit 2 mm tiefen Nuten.

7

Die Nutenplatte entsprechend Fig. 2a wurde zur Verifikation der Simulationsergebnisse verwendet. Als Detektor wurde eine Speicherfolie HD-IP verwendet und der Speicherfo-lienscanner HD-CR 35 NDT von Dürr wurde zum Auslesen benutzt. Die Speicherfolie wurde mit einer flexiblen Polyäthylenhülle ohne Bleifolien verwendet. Alle Messungen wurden mit einer Konstantpotentialröntgenanlage (Gleichspannungsanlage) von Rich. Sei-fert & Co, AEG MB 450/1 (7 mm Be-Fenster) bei 160 kV ausgeführt. Die Nutenplatte und die Speicherfolie wurden exakt senkrecht zum Zentralstrahl in 4 m Abstand zur Röhre posi-tioniert, um den Beitrag der geometrischen Unschärfe zu vernachlässigen. Die Speicherfo-lien wurden mit 21 µm Pixelgröße des Dürr-Scanners ausgelesen. Fig. 4 zeigt den Vergleich von gemessenen und berechneten Profilen. Die Streuunschärfe ist gut erkennbar in der Krümmung in den Fußbereichen und der bogenartigen Linienform in de oberen Bereichen der Profillinien. Die experimentellen und berechneten Profillinien zeigen gute Übereinstimmung nach der Normierung zur Berücksichtigung der Speicherfo-lienempfindlichkeit. Der Vergleich wurde für 2 mm tiefe Nuten mit 2 mm, 1 mm und 0,5 mm Breite ausgeführt. Sehr schmale Nuten mit Breiten unter 0,05 mm werden nicht signi-fikant durch den Streukontrast angehoben. Das heißt, sie erscheinen im Röntgenbild mit ca. 30 % weniger Kontrast im Vergleich zu großen bzw. breiten Fehlern.

Berechnete Profile:• Primärstrahlung• Gesamtstrahlung

2 mm 1 mm 0,5 mm Gemessene Profile der Abbildung der Nutenplatte

HD CR-System von DÜRR

Fig. 4: Vergleich der simulierten und gemessenen Profile der Radiographien der Nutenplatte für 2 mm, 1 mm und 0,5 mm Nutenbreite und 2 mm Nutentiefe.

Der Effekt von zusätzlichem Streukontrast und zusätzlicher Streuunschärfe hängt von dem Abstand zwischen Detektor und Objekt ab (siehe Fig. 5). Dieser Effekt wurde ebenfalls untersucht. Der Detektor wurde im Kontakt mit der Nutenplatte sowie in 5 mm und 55 mm Abstand zur Nutenplatte angeordnet. Ein Abstand zwischen Detektor und Nutenplatte ist typisch für radioskopische Untersuchungen bzw. die Verwendung von Matrixdetektoren und Messanordnungen der Computer-Tomographie. Matrixdetektoren müssen typischer-weise in einem bestimmten Abstand zum Objekt angeordnet werden, da sie sich im Allge-meinen in einem Schutzgehäuse befinden. Filme und Speicherfolien werden vorwiegend im Kontakt zum Objekt benutzt. Die beobachtete Veränderung des Streukontrastes muss bei der Wahl der Belichtungszeit berücksichtigt werden. Zur Verifikation wurde ein Flachde-tektor (Matrixdetektor) von Hamamatsu, C7940DA-02, sorgfältig kalibriert und positioniert (Messung v. D. Fratzscher). Eine Mehrstufenkalibrierung wurde eingesetzt, um den Hoch-kontrastempfindlichkeits-Modus zu erreichen, der an anderer Stelle beschrieben wurde [2-

8

4]. Fig. 5 zeigt die gute Übereinstimmung zwischen Berechnung und Messung. Die expe-rimentellen Daten wurden unterschiedlich normiert, um die Empfindlichkeitsunterschiede zwischen Speicherfolien und Matrixdetektor zu kompensieren.

30000

32000

34000

36000

38000

40000

42000

44000

46000

48000

20 25 30 35 40 45 50 55 60

mm

Inte

nsity

4.2 Variation des effektiven Schwächungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Wand-

dicke Die Nutenplatte wurde als repräsentatives Testobjekt für die Röntgenprüfung von Schweiß-nähten verwendet. Im Unterschied dazu sind Gussteile durch größere Wanddickenunter-schiede gekennzeichnet. Daher ist es notwendig, die Veränderung des Einflusses der Streu-strahlung in Abhängigkeit von der Wanddicke zu betrachten. Ein Stufenkeil aus Stahl wur-de als dafür repräsentatives Testobjekt ausgewählt. Das Streuverhältnis hängt von der Wanddicke und dem Detektor ab. Es wird durch die Wahl von Zwischen- und Vorfiltern bzw. Vorder- und Hinterfolien beeinflusst. Das Streuverhältnis wurde für Film und Spei-cherfolien in verschiedenen Kassetten mit unterschiedlichen Bleifoliendicken gemessen [9]. Fig. 6 zeigt die Messergebnisse. Das Agfa-Filmsystem C3 (D4, Vacupac) zeigt eine nahezu lineare Abhängigkeit von der Wanddicke. Das Streuverhältnis wurde mit k ≈ 0,06 ⋅ w für einen Wanddickenbereich von 0 bis 35 mm Stahl bestimmt (siehe Fig. 6 mit exakten Wer-ten). Jeder k-Wert in dem Diagramm von Fig. 6 wurde für eine gegebene Materialdicke bei der entsprechenden Grenzenergie für Stahl nach Fig. 1 der Norm EN 444 bestimmt. Der k-Wert hängt vorrangig von der Materialdicke bei Stahl ab und zeigt nur eine geringe Abhän-gigkeit von der Röntgenstrahlungsenergie. Der Anstieg der Bleivorderfoliendicke von 0,03 mm auf 0,1 mm reduziert die k-Werte für Film um ca. 15 %. Alle weiteren Experimente wurden mit Speicherfolien vom Typ ST-VI von FujiFilm und dem Scanner XG-1 der glei-chen Firma ausgeführt. Die Daten des XG1-Systems wurden mit einer selbstgeschriebenen Software mit 12 bit ausgelesen. Die Datenanalyse wurde mit dem Programm ISee (www.kb.bam.de/~alex/ic.html) durchgeführt. Die Speicherfolien wurden in verschie-denen Kassetten und Polyäthylenhüllen untersucht. Das niedrigste Streuverhältnis wurde für die AGFA CR-Kassette mit 250 µm Blei als Vorderfolie in Kontakt mit der Speicherfo-lie und einem Rückstreuschutz von 150 µm Blei hinter einer magnetischen Halteschicht in

Distance 0 mmDistance 55 mmDistance 5 mmCalculated

Vergleich der berechneten Daten mitden gemessenen Daten

Abstand Detektor Objekt:0 mm 5 mm 55 mm

SpeicherfolieDÜRR

Flachdetektor HamamatsuMessung v. D. Fratscher im HCS-Mode

Nut: 2 mm breit, 2 mm tiefFig. 5: Kontrast- und Unschärfereduktion von simulierten und gemessenen Nutenplattenprofilen

bei verschiedenen Abständen zwischen Nutenplatte und Detektor. Der Kontrast verändert sich um 20 %.

9

der Kassette gemessen. Das höchste Streuverhältnis ergab sich für die Speicherfolie in Po-lyäthylenhülle ohne Bleifolien. Die Messergebnisse zeigen, dass Speicherfolien deutlich empfindlicher auf Streustrahlung reagieren als Film, wenn keine zusätzlichen Bleifolien verwendet werden. Die Verwendung von Speicherfolien ohne Bleifilterung führt daher auch zu einem größeren Unterschied des Kontrastes von kleinen und größeren Fehlern als bei Verwendung von Filmen.

Bleivorderfolien verstärken nicht sig-nifikant die radio-graphische Abbil-dung auf Speicherfo-lien, aber sie filtern die Streustrahlung. Als Nebeneffekt kann eine zusätzli-che Unschärfe beo-bachtet werden, die sich auf die Streu-strahlung und Rönt-genfluoreszenz aus dem Blei zurückfüh-ren lässt. Bleihinter-

folien tragen auch zur Bildintensität bei, was wiederum mit Rückstreuung und Röntgen-fluoreszenz erklärbar ist. Die Verstärkung durch Bleihinterfolien oder Bleirückstreufilter beträgt bei 220 kV Röhrenspannung etwa 40 %. Diese Verstärkung trägt nicht signifikant zur Kontrastverbesserung bei, aber sie führt zu einer erhöhten Unschärfe. Es wird empfoh-len, die Speicherfolien mit Stahl oder Kupferfolien zwischen Blei und Speicherfolienrück-seite abzuschirmen.

Film Film+2*0,1mm Pb ST-VI in Fuji ST-Vi in Agfa ST-VI in PE

yPE = 0,0006x2 + 0,0888x

R2 = 0,9845

yFuji = 0,0017x2 + 0,0497x

R2 = 1

yFilm = -0,0002x2 + 0,0603x

R2 = 0,9919yFilm Pb = 0,0002x2 + 0,0485x

R2 = 0,9991

yAgfa = 0,0012x2 + 0,0239x

R2 = 0,9914

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

0 5 10 15 20 25 30 35d[mm]

k

2 * 0.02 mm Pb

IP without filter

IP in Cassette without filter

IP in Cassett

Film 0,1 mm PbFilm 0,027 mm Pb

k = 0.06 w

e with Pb-filter

(Agfa)

w

Fig. 6: Streuverhältnis k in Abhängigkeit von der Materialdicke und der Röntgenenergie für Filme und Speicherfolien in verschiedenen Kassetten

Die k-Werte wurden durch Auswertung von Stufenkeilbelichtungen a) im Kontakt mit dem Detektor und einem Detektor-Röhrenabstand (SDD) von 1200 mm sowie b) in einem Ab-stand von 600 mm vom Detektor (Vergrößerung 2) bei gleichem SDD ermittelt. Wenn der Stufenkeil bei gleicher Anordnung von Röhre und Detektor vom Detektor zur Röhre ver-schoben wird, reduziert sich die Gesamtintensität Itotal in dem radiographischen Bild des Stufenkeils, da die Intensität der Streustrahlung verringert wird. Bei einem Abstand von 600 mm zwischen Stufenkeil und Detektor kann bei einer kollimierten Aufnahme der Streuanteil vernachlässigt werden. k wird fast auf Null reduziert und die Gesamtintensität im Röntgenbild ist auf den Anteil der Primärstrahlung Iprimary reduziert. Das Streuverhältnis k kann nun für eine gegebene Wanddicke und Röntgenenergie bestimmt werden:

primary

primarytotal

III

Ewk−

=),( (12)

Wenn kleine Dickenänderungen angenommen werden, kann das Schwächungsgesetz ent-sprechend Gleichung 3 angenähert werden und der relative spezifische Kontrast ergibt sich zu:

effspC (13) = μ Die Berechnung des relativen spezifischen Kontrastes hängt nun von der zu berücksichti-genden Anwendung ab. So kann für die Inspektion von Stumpfschweißnähten angenom-

10

men werden, dass die Wanddicke etwa konstant ist (ideale Bedingungen). Der Materialfeh-ler ist eine Ausnahme und er ist immer klein. Der Aufbaufaktor ist konstant und die Streu-strahlung trägt nicht zum Fehlerkontrast bei. Gleichung (14) in Fig. 7a beschreibt die Kont-rastreduktion bei sehr kleinen Fehlern (wird so auch allgemein in Lehrbüchern beschrieben) in Abhängigkeit vom Streuverhältnis (Csp1 = µeff1). Fehlende Streustrahlfilterung durch Bleifolien führt zu einem signifikanten Abfall des spezifischen Kontrastes. Dieser Effekt tritt bei Stahl üblicherweise oberhalb von 10 mm Dicke auf. Bei diesem Wert übertrifft die Kontrastverbesserung durch Verringerung von k den störenden Aufhärtungseffekt durch Bleifolien.

Bei Gussteilen mit Bereichen verschiedener Wanddicke kann Gleichung (14) nicht verwen-det werden, da die Streustrahlung bei Kontakttechnik zum Gesamtkontrast, wie oben ge-zeigt, beiträgt. Gleichung (15) in Fig. 7b zeigt die bessere Beschreibung für die Berechnung des relativen spezifischen Kontrastes, der Csp2 = µeff2 entspricht und für unterschiedliche Wanddicken sowie große Fehler gilt. Gleichung (15) konnte zur exakten Beschreibung von Stufenkeilaufnahmen verwendet werden (Anordnung nach Fig. 6). Die Kantenunschärfe, hervorgerufen durch die Streustrahlung des Objektes, erreicht mehrere mm wie in Fig. 3 und 4 gezeigt. 5 Schlussfolgerungen Die Sichtbarkeit von Fehlern (besser Ungänzen) und BPKs in der digitalen Radiologie hängt vom Produkt aus Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) im radiographischen Bild und dem effektiven Schwächungskoeffizienten ab. Das SNR hängt von der Quantenstatistik ab und steigt mit zunehmender Belichtungszeit, Röhrenstrom oder Aktivität einer Gamma-quelle für einen gegebenen Quelle-Detektorabstand. Das SNR sättigt bei Speicherfolien und Matrixdetektoren im Hochdosisbereich. Matrixdetektoren erreichen ein deutlich höhe-res SNR bei geeigneter Kalibrierung als Speicherfolien [1,5]. Monte-Carlo-Simulationen wurden ausgeführt, um die Beiträge von Streustrahlung und Primärstrahlung in radiographischen Abbildungen zu separieren. Die Berechnungen erfolg-ten für Stahl-Nutenplatten. Die Streustrahlung aus dem Objekt ist bei Kontakttechnik (Ob-jekt im Kontakt mit Detektor) bildgebend. Das Streu- und das Primärstrahlungsbild überla-gern sich additiv zum Gesamtbild. Das Streustrahlungsbild ist unscharf und erzeugt im Ge-samtbild eine Streuunschärfe. Die berechneten Röntgenbilder wurden erfolgreich durch

Schweißnaht mit Riss

Iprimary

IScatter

Intensität I

Länge

Stufenkeil

Iprimary

IScatter

Länge

Intensität I

IScatter= f(w) IScatter=const

)(1)(

1 wkw

C primarysp +

=μ

(14) ))(1ln(1)(2 wkw

wC primersp +⋅−= μ(15)

Fig. 7a: Modell zur Berechnung des “relativen spezifischen Kontrastes 1“ für feine Risse in Schweißnähten.

Fig. 7b: Modell zur Berechnung des „relativen spezifischen Kontrastes 2“ für große Bereiche unterschiedlicher Dicke und Gussteile

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experimentelle Aufnahmen einer Stahl-Nutenplatte mit Film, Speicherfolien und einem Matrixdetektor verifiziert. Die effektiven Schwächungskoeffizienten variieren aufgrund von Aufhärtung und Streu-strahlung. Speicherfolien sind empfindlicher gegenüber Streustrahlung als Film mit Bleifo-lien und zeigen höhere k-Werte. Zusätzliche Bleivorderfolien können verwendet werden, um die k-Werte zu reduzieren. Um die Filmwerte zu erreichen werden dickere Vorderfolien als beim Film benötigt. Bleivorderfolien verstärken bei Speicherfolien nur geringfügig im Vergleich zum Film. Der Verstärkungseffekt für Speicherfolien bei mittleren Röhrenspan-nungen liegt unter 20 %. Durch Streuung und Röntgenfluoreszenz tragen die Bleifolien zu erhöhter Unschärfe bei. Der effektive Schwächungskoeffizient, der auch als spezifischer Kontrast beschrieben wer-den kann, ändert sich signifikant in Abhängigkeit von der Fehlergröße (Ungänze). Zwei Gleichungen (Gl. 14, 15) wurden abgeleitet, um den Kontrast und den effektiven Schwä-chungskoeffizienten für kleine und große Fehler getrennt zu beschreiben. Praktiker sollten berücksichtigen, dass die Streustrahlung den Kontrast von Anzeigen ab-hängig von der Fehlergröße beeinflusst. Für eine Stahl-Nutenplatte von 10 mm Dicke wur-den Kontrastvariationen durch den Streukontrast von 30 % in Abhängigkeit von der Nuten-breite bei gleicher Nutentiefe gefunden. 6 Literatur [1] U. Ewert, U. Zscherpel, K. Bavendiek: Strategies for Film Replacement in Radiography - a compara-

tive study -, PANNDT 2007, 22nd-26th Oct. 2007, Buenos Aires, Argentina, http://www.ndt.net/article/panndt2007/papers/142.pdf

[2] U. Ewert, BAM Berlin, U. Zscherpel, BAM Berlin, K. Bavendiek, YXLON International, Hamburg: Digitale Radiologie in der ZfP - Belichtungszeit und Kontrastempfindlichkeit - Der Äquivalenzwert zur optischen Dichte des Films, DGZfP-Jahrestagung, Rostock, 2.-4.5.2005, Proceedings CD, v23.pdf und ZfP-Zeitung 97, 2005, S. 41 – 47

[3] U. Zscherpel, BAM Berlin, U. Ewert, BAM Berlin, K. Bavendiek, YXLON International, Hamburg: Bildschärfe digitaler radiologischer Detektoren für ZfP-Anwendungen, Poster auf der DGZfP-Jahrestagung, Rostock, 2.-4. 5. 2005, Proceedings CD, p38.pdf

[4] U. Ewert, BAM Berlin, U. Zscherpel, BAM Berlin, K. Bavendiek, YXLON International X-Ray, Hamburg: REPLACEMENT OF FILM RADIOGRAPHY BY DIGITAL TECHNIQUES AND EN-HANCEMENT OF IMAGE QUALITY, annual conference of Indian NDT society, Kalkutta, 4.-6.12.2005, V.S. Jain-Lecture, Proceedings, S. 3 - 15

[5] Klaus BAVENDIEK, Uwe HEIKE, YXLON International, Hamburg, Germany, William D. MEADE, BOEING Commercial Airplane Group, Seattle, USA, Uwe ZSCHERPEL, Uwe EWERT, BAM, Ber-lin, Germany: New Digital Radiography Procedure Exceeds Film Sensitivity Considerably in Aero-space Applications, 9th ECNDT, Berlin, 25.-29.9.2006, Proceedings CD, Th.3.2.1.pdf (eingeladener Vortrag)

[6] G.-R. Jaenisch, C. Bellon, M. Zhukovsky, S. Podoliako: Numerical Simulation of X-Ray Scattering Process during Radiographic Inspection of Materials. The Russian Journal of NDT 42 6, 382-391, 2006

[7] G.-R. Jaenisch, C. Bellon, U. Samadurau, M. Zhukovskiy, S. Podoliako: Monte Carlo Radiographic Model with CAD-based Geometry Description. Insight 48 10, 618-623 (2006)

[8] M. Zhukovsky, S. Podoliako, M. Skatchkov, G.-R. Jaenisch: On Modelling Experiments with Ionizing Radiation (in Russian). Mathematical Modelling 19 5, 72-80 (2007)

[9] A. Großer, Optimierung der Bildqualität von Speicherfolien in der zerstörungsfreien Prüfung in Ab-hängigkeit von Röntgenenergie und Stahl-Wanddicke. Diplomarbeit 2007 (Reg.-Nr.: P03/05/SS2007) an der THF Wildau, Fachbereich Ingenieurwesen, physikalische Technik

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