Monte-Carlo Methoden zur Beschreibung der physikalischen Wechselwirkungen von Röntgenstrahlung mit Probe und Detektor in der Computertomographie

Abstract

Bei der Erstellung von Projektionsbildern zur Werkstoffprüfung in der Computerunterstützten Tomographie (CT) kommt häufig die Kegelstrahlgeometrie in Verbindung mit einem Matrixdetektor zur Anwendung. Der Vorteil dabei ist die wesentlich bessere Ausnützung des Röntgenstrahls und die schnellere Erfassung von Projektionsaufnahmen im Gegensatz zu einem kollimierten Strahl bei 2D-Erfassung (Parallelstrahlgeometrie). Das Fehlen von Kollimatoren am Detektor führt jedoch dazu, dass die Projektion durch Streuung der uellstrahlung in der Probe verfälscht wird und bei der Rekonstruktion zu einer 3D-Abbildung Artefakte verursacht.<br />Zur Untersuchung solcher Abbildungsfehler wurde ein Simulationsprogramm entwickelt, das in der Lage war, Projektionsbilder unter Einbeziehung von Fluoreszenzstrahlung sowie kohärenter und inkohärenter Streustrahlung zu erstellen. Die Messwerte an jedem Detektorpixel konnten dabei in mehrere Energiekanäle aufgeteilt und die Wechselwirkungshistorie der primären Photonen bis zu sekundärer Streuung aufgezeichnet werden. Berechnungen wurden zum Vergleich und als Erweiterung auch mit einem in der Neutronen- und medizinischen Physik etablierten Programm (MCNP) durchgeführt.<br />Es wurden detaillierte Untersuchungen an allen Abschnitten der Entstehung von Projektionsaufnahmen erstellt: Erzeugung von Röntgenstrahlung in Röntgenröhren unter Berücksichtigung der vom Abstrahlungswinkel abhängigen spektralen Häufigkeitsverteilung, kohärente und inkohärente Streuung von Photonen in der Probe, an der Luft und im Detektor sowie Einbeziehung der Sekundärwechselwirkungen von Photoelektronen.<br />Als wesentliche Einflussfaktoren auf das Projektionsbild wurden neben der Abschwächung der Strahlung bei der Durchdringung der Probe die Streuung an Luft im Strahlungsweg und die detektorinhärente Streuung ermittelt. Die möglichst genaue Kenntnis der Detektoreffizienz war ein weiterer wichtiger Faktor. Die unter diesen Aspekten erstellten Simulationen wurden mit Messungen an einer CT Anlage verglichen, wobei gute Übereinstimmung erzielt werden konnte.<br />

Computed tomography (CT) in cone beam geometry has become a common method for material testing in industry. The advantage of this setup compared to parallel beam geometry is the fast acquisition of projection images on a flat panel detector and the optimized utilization of the x-ray beam. The lack of collimators, on the other hand, leads to unwanted measurement of scattered radiation due to interactions of the beam with the sample, which causes artefacts in the reconstructed 3D image.<br />Simulation software was developed for investigation of possible image defects arising from fluorescence as well as coherent and incoherent scattered radiation. Interaction histories of scattered photons could be stored up to secondary level with a definable energy resolution.<br />For comparison and in addition to the self-developed software simulations were also calculated using MCNP, which is a well known program used for neutron physics and medical physics. Detailed investigations were made for all stages of the creation of projection images in CT: modelling of tube spectra including angle dependent spectral distribution, coherent and incoherent scattering of photons by the sample and by the air, detector inherent scattering and secondary interactions of photoelectrons. In addition to attenuation of radiation by the sample the main impact factors on the projection image were identified as scattering in air in combination with detector inherent scattering. Also the exact knowledge of the detector response was of high importance. Simulations made according to these influences were in good agreement with measurements made on an available CT device.