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
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Einführung in die CT
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mathematische Grundbegriffe
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Inhalte der Vorlesung
Teil 1: Techniken der Computertomographie
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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
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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
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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
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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
;<=<>[email protected]
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
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angle of rotation
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detector
detector
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detector
detector
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angle of rotation
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detector
detector
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angle of rotation
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detector
detector
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angle of rotation
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detector
detector
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angle of rotation
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detector
detector
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angle of rotation
angle of rotation
detector
detector
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angle of rotation
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detector
detector
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angle of rotation
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detector
detector
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angle of rotation
angle of rotation
detector
detector
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angle of rotation
angle of rotation
detector
detector
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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
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•
Mehrphasendynamik in Chemiereaktoren (Rührkessel, Festbettreaktor, Monolithreaktor, Rieselbettreaktor)
Strömungen in Rohrleitungen
Schüttguttransport
Flotationszellen
Elektrolysezellen
Blasensäulen
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Prozessdiagnostik
Zielstellung: Vermessung/Visualisierung von
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•
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
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