Computertomographie in der Prozessdiagnostik und Medizin
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Computertomographie in der Prozessdiagnostik und Medizin Uwe Hampel Institut für Sicherheitsforschung Forschungszentrum Dresden-Rossendorf e.V. Inhalte der Vorlesung 1 # " ! Einführung in die CT ,2'( 1& '( 0 - $( . (/ , $ +, )& '(* +'( $ & '( $% mathematische Grundbegriffe - 7 - 1 ,9: ,9: : & % 7 8 /& 52&&&36 % 4 Iterative Verfahren – 2 &3 »1 Inhalte der Vorlesung Teil 1: Techniken der Computertomographie • • • • • • • • • • Röntgen-CT Gammastrahlen-CT SPECT & PET MRT Mikrofokus-CT und Kegelstrahl-CT Elektronenstrahl-CT Elektrische Tomographie Optische Tomographie Diffraktionstomographie Tomographieähnliche inverse Probleme Inhalte der Vorlesung Teil 2: Mathematische Methoden und Algorithmen der Computertomographie • • • • • • • • • • Mathematische Grundbegriffe Sinogramm, Strahlfunktion und Radon-Transformation Gefilterte Rückprojektion Algorithmische Umsetzung der GRP Algebraische Ansätze Iterative Rekonstruktionsverfahren Spezielle Vorwärtsprobleme (Diffusion und Diffraktion) Kegelstrahl-Rekonstruktion Nichtlineare inverse Probleme Tomographie mit eingeschränkten Daten »2 Forschungszentrum Dresden-Rossendorf e. V. Vor 1993: Kernforschungszentrum der DDR Forschungsgebiete: • Kernverfahrenstechnik • Reaktorphysik • Isotopenproduktion heute: • Radiochemie • Radiopharmazie • Ionenstrahl- and Materialphysik • Kern- und Hadronenphysik • Hochfeldlabor • Sicherheitsforschung Thermal hydraulics research group (TOPFLOW) Multi-phase flow Multi-phase flow computing group measurement group Chemical engineering research group »3 TOPFLOW A universal thermal hydraulic test facility TOPFLOW Building Steam Generator (4 MW electrical power) Vertical Test Section Pressure Vessel ROCOM - Rossendorf Coolant Mixing Model »4 Tomography projects in process and multi-phase flow diagnostics X-ray micro tomography electro-conductive tomography gamma ray tomography ultrafast scanned electron beam tomography positron emission tomography (PET) X-ray cone-beam tomography of chemical reactors Rossendorfer Gamma-CT »5 Schwerpunkte der Vorlesung CT-Verfahren • Röntgen-CT • Gammastrahlungs-CT • SPECT und PET • Magnetresonanz-Tomographie • Optische Tomographie, Streulichttomographie • Elektrische Tomographie (EIT, ECT) Schwerpunkte der Vorlesung Theorie und Praxis der tomographischen Bildrekonstruktion • Bildrekonstruktion aus Projektionen • Analytische und algebraische Rekonstruktionsverfahren • Kegelstrahl-CT • Limited-Data-Probleme • Nichtlineare CT-Probleme »6 Was ist Computertomographie ? Gewinnung überlagerungsfreier Schnittbilder eines Objektes durch: 1. Messtechnische Erfassung eines Satzes von Projektionsdaten 2. Verrechnung der Projektionsdaten zu einem Schnittbild mittels Computer ;<=<>?@ABCDE FGHG I NOPQRST I JKBLCMM UKB?DCVDL Klassifikation Computertomographie Transmissions-CT Röntgen-CT EIT/ECT/ERT Ultraschall-Transmissions-CT Optische CT Neutronen-CT Emissions-CT SPECT PET CARPT Anregungs-CT MRT Fluoreszenz-CT Remissions-CT Ultraschall-B-Bild Optische Kohärenz-CT Computertomographie mitionisierender ionisierenderStrahlung: Strahlung: mit Röntgen,Neutronen, Neutronen,SPECT, SPECT,PET, PET,CARPT CARPT Röntgen, ohneionisierende ionisierendeStrahlung: Strahlung: ohne MRT,Elektrische ElektrischeCTs, CTs,Optische OptischeCTs, CTs,Ultraschall-CTs Ultraschall-CTs MRT, »7 Funktionsprinzip Funktionsprinzip Röntgenstrahler Scanbereich Detektorbogen »8 Funktionsprinzip Drehwinkel Detektor Datenmatrix (Sinogramm) E = − log( I / I 0 ) Funktionsprinzip angle of rotation detector »9 angle of rotation angle of rotation detector detector »10 angle of rotation angle of rotation detector detector »11 angle of rotation angle of rotation detector detector »12 angle of rotation angle of rotation detector detector »13 angle of rotation angle of rotation detector detector »14 angle of rotation angle of rotation detector detector »15 angle of rotation angle of rotation detector detector »16 angle of rotation angle of rotation detector detector »17 angle of rotation angle of rotation detector detector »18 angle of rotation angle of rotation detector detector »19 angle of rotation angle of rotation detector detector »20 angle of rotation angle of rotation detector detector »21 Bildrekonstruktion projection angle detector slice image Historische Entwicklung Röntgentechnik »22 Entdeckung der Röntgenstrahlung W.C. Röntgen, 1896 Röntgens Labor in Würzburg »23 Gasentladungskolben Erster Röntgenapparat »24 Röntgenuntersuchung um die Jahrhundertwende Erste Röntgenaufnahmen des Schädels und des Thorax »25 Erster Nobelpreis geht an W.C.Röntgen Röntgenpraxis Anfang des 20. Jh. »26 Tuberkulosescreening in den 30er Jahren Bildgebende Verfahren in der Medizin Röntgendiagnostik W.C. Röntgen Entdeckung der X-Strahlen 1920 Glühkathodenröhre Nuklearmedizinische Diagnostik Ultraschalldiagnostik Röntgen-Computertomographie 1948 Röntgenbildverstärker 1978 Digitale Radiographie 1950 CassenScanner 1958 AngerKamera 1980 SPECT 1965 KuhlECT 1970 PET 1958 HertzCompound 1968 SolderRealtime 1978 ImpulsDoppler 1972 Hounsfield CT 1989 SpiralCT Magnetresonanztomographie 1980 Ganzkörper MRI 1988 Chemical Shift MRI »27 Historische Entwicklung Computertomographie 1917 Johann Radon „Über die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte längs gewisser Mannigfaltigkeiten“ Berichte der Sächsischen Akademie der Wissenschaft 69, S. 262-277 1928 Ziedses des Plantes, Verwischungstomographie »28 1963 Allan Mc Cormack Veröffentlichung erster Ergebnisse einer Schnittbildberechnung aus einem Satz von Absorptionsdaten 1967 Godfrey Newbold Hounsfield Experimentelle Computertomographie mit Am-241-Quelle 1971 Erstes Röntgen-CT im Atkinson-Morley Krankenhaus London (Hounsfield) 1973 Integration eines Mini-Rechners in das CT-Gerät Messzeit: 4,5 Minuten, Rekonstruktionszeit ca. 5 Minuten, 3mm Auflösung) Erste Abdomen-Aufnahmen Hounsfield am EMI Mark 1 »29 Erstes Schädel-CT mit erkennbarer großer Läsion Scanner der ersten Generation »30 Scanner der ersten Generation Scanner der ersten Generation »31 Parallelabtastung mit Rö Röntgenstrahl E. Krestel, “Bildgebende Systeme für die medizinische Diagnostik”, Siemens AG, 1988. Scanner der zweiten Generation »32 Scanner der dritten Generation Scanner der vierten Generation »33 Elektronenstrahltomograph (keine bewegten Teile) 1974: Erster Scanner der Firma Siemens »34 Anwendungsgebiete der CT Medizin Röntgen-CT: Knochen: Blutkreislauf: Tumordiagnostik: Neurologie: Frakturen, Implantatplanung, Densitometrie Angiographie, Gefäßerkrankungen, Kardiologie Lunge, Bauchraumorgane, Hirn Läsionen, Tumoren »35 Medizin MRT: T1/T2-MRT: Funktionales MRT: Bauchraumorgane, Blutkreislauf, Hirn, Läsionen, Tumoren Hirnfunktion Medizin SPECT, PET: • Tumordiagnostik • Stoffwechseldiagnostik • Funktionsdiagnostik Hirn »36 Biologie • Zell- und Gewebediagnostik • Versuchstiere (Pharmazie) • Pflanzenstoffwechsel Prozessdiagnostik • • • • • • Mehrphasendynamik in Chemiereaktoren (Rührkessel, Festbettreaktor, Monolithreaktor, Rieselbettreaktor) Strömungen in Rohrleitungen Schüttguttransport Flotationszellen Elektrolysezellen Blasensäulen »37 Prozessdiagnostik Zielstellung: Vermessung/Visualisierung von • • • • lokalen Phasengehalten Phasenverteilungen Phasengrenzen-Topologie Phasengeschwindigkeiten Prozessdiagnostik »38 Mineralölförderung und -verarbeitung • Mehrphasen-Durchflussmessung (Multiphase Flow Metering) Kerntechnik • Wasser-Dampf-Strömungen in Rohren, Druckgefäßen und Brennelementbündeln • Störfallanalyse • Siedekrise »39 Strömungsmaschinen • • • • Pumpen Turbinen Ventile Strömungskupplungen Strömungsmaschinen »40 Elektroniktechnologie • Defekte in Bauteilen • Packaging • Aufbau- und Verbindungstechnik Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung »41 Zerstörungsfreie Werkstoffprüfung Mineralogie »42 Forstwirtschaft »43
