Raphael Mischler
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Dichtemessung mit Röntgen-Computertomographie
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- Titel
- Dichtemessung mit Röntgen-Computertomographie
- Autor/in
- Datierung
- 11.06.2021
- Beschreibung
- Bei der Röntgencomputertomographie (XCT) werden aus den Bildern der Absorption von Röntgen-strahlen durch das Objekt virtuelle Schnitte mit Grauwerten, die der spezifischen Absorption entspre-chen berechnet. Die spezifische Absorption ist eine Überlagerung von Material und Dichte. Soll nur die Dichte einer Materialprobe gemessen werden, um beispielsweise die Knochendichte zu bestimmen, muss die Materialinformation von der Dichteinformation getrennt werden. Ein Verfahren, um nur die Dichte bestimmen zu können, ist Dual-Energie-XCT. Bei der Dual-Energie-XCT werden Messungen mit zwei unterschiedlichen Energien durchgeführt. Das Ziel der Bachelorarbeit ist es, ein Verfahren zu im-plementieren, das aus zwei Messungen mit unterschiedlichen Spannungen und Filtern ein Dual-Ener-gie-CT berechnet. Des Weiteren ist es das Ziel, über die Graustufenmessung die Dichte eines Objekts mit einem oder mehreren Materialien zu bestimmen. Die Graustufen werden über die rekonstruierten Bilder der Röntgen-Computertomographie (XCT) gemessen. Es gibt bereits einige Verfahren die Dichte eines Objektes zu bestimmen, das einfachste ist wohl, indem die Masse des Objekts durch das Volu-men des Objekts dividiert wird. Ein weiteres Verfahren ist, das Archimedische Prinzip, welches sich die Auftriebskraft zu Nutze macht. Die Densitometrie, die Dichtemessung findet ihre Anwendung unter anderem in der Medizin, z.B. der Osteodensitometrie. Die Osteodensitometrie, wird für die Diagnose von Osteoporose verwendet. Bei der Osteoporose handelt es sich um eine Erkrankung des Knochens, bei dem Knochenschwund auftritt. Um die Diagnose feststellen zu können gibt es zwei Verfahren: die Doppel-Energie-Röntgen-Absorptiometrie und die quantitative Computertomographie. Um das Dual-Energie-XCT zu implementieren, werden die zwei Studien «Methodology for attainment of density and effective atomic number through dual energy technique using microtomographic images» und «Mine-ralogy evaluation and segmentation using dual-energy microtomography» gelesen und weitestge-hend, reproduziert. Beim ersten Messdurchlauf werden acht Materialstäbe Aluminium, Eisen und Kup-fer verwendet und eine Spannung von 80 kV und 120 kV. Der zweite Messdurchlauf gleicht dem ersten Durchlauf, jedoch werden dabei mehrere Materialien verwendet. Der dritte Messdurchlauf beinhaltet dieselben Materialien wie der zweite Durchlauf, dabei beträgt die Spannung 120 kV und 180 kV. Die erste und zweite Graustufenmessung entsteht durch die rekonstruierten Bilder des ersten Messdurch-laufs. Dabei unterscheiden sich die Graustufen, obwohl es sich um dieselben rekonstruierten Bilder handeln sollte. Die dritte und vierte Graustufenmessung entsteht durch die rekonstruierten Bilder des zweiten Messdurchlaufs. Für die dritte Graustufenmessung werden die Bilder mit anderen Rekonstruk-tionsparameter rekonstruiert, ebenso die Bilder für die vierte Graustufenmessung. Bei der fünften Graustufenmessung werden die Bilder auf dieselbeweise rekonstruiert wie die Bilder für die vierte Graustufenmessung. Jedoch stammen die Messdaten für die fünfte Graustufenmessung aus dem drit-ten Messdurchlauf. Für die bisherigen Rekonstruktionen der Bilder wird das Rekonstruktionspro-gramm «Cera» verwendet. Bei der sechsten Graustufenmessung wird das Rekonstruktionsprogramm «X-AID» verwendet dabei stammen die Messdaten aus dem zweiten Messdurchlauf. Anhand der Grau-stufen wird der Massenschwächungskoeffizient errechnet. Mit dem Massenschwächungskoeffizient und der Ordnungszahl3.8 der jeweiligen Materialien, werden über die lineare Regression die Winkel-konstante und die Linearkonstante für die jeweiligen Energien ermittelt. Anhand der beiden Konstan-ten wird die Dichte und Ordnungszahl mittels zweier Gleichungen ermittelt und mit der theoretischen Dichte und Ordnungszahl verglichen. Die Dichte und Ordnungszahl für die erste und zweite Graustu-fenmessung sind innerhalbe der ±5 % Toleranz, jedoch liegt die Ordnungszahl von Aluminium aus-serhalb der Toleranz. Bei der dritten Graustufenmessung sind die meisten Werte ausserhalb der Tole-ranz. Wenn jedoch bei der Kalibrierung nur die drei Materialien Al, Fe und Cu verwendet werden und die Dichte und Ordnungszahl bestimmt werden, ist das Resultat dasselbe wie bei der ersten und zwei-ten Graustufenmessung. Die Resultate für die vierte und fünfte Graustufenmessung sind nicht doku-mentiert, da während der Graustufenmessung bereits aufgefallen ist, dass diese nicht korrekt sind. Da im Moment mit keinem Verfahren die Dichte und Ordnungszahl ermittelt werden kann, müssen wei-tere Versuche mit unterschiedlichen Rekonstruktionsparametern durchgeführt werden.
In X-ray computed tomography (XCT), virtual sections with grey values corresponding to the specific absorption are calculated from the images of the absorption of X-rays by the object. The specific ab-sorption is a superposition of material and density. If only the density of a material sample has to be measured, for example, to determine the bone density, the material information must be separated from the density information. One method to be able to determine only the density is dual-energy XCT. In dual-energy XCT, measurements are performed with two different energies. The bachelor thesis aims to implement a method that calculates a dual-energy CT from two measurements with different voltages and filters. Furthermore, the aim is to determine the density of an object with one or more materials via the greyscale measurement. The grey levels are measured via the recon-structed X-ray computed tomography (XCT) images. There are already a few methods to determine the density of an object, the simplest is probably by dividing the mass of the object by the volume of the object. Another method is Archimedes' principle, which makes use of the buoyancy force.
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Densitometry, the measurement of density, is used in medicine, for example in osteodensitometry. Osteodensitometry is used for the diagnosis of osteoporosis. Osteoporosis is a disease of the bone in which bone loss occurs. There are two methods to determine the diagnosis: dual-energy X-ray ab-sorptiometry and quantitative computed tomography. To implement the dual-energy XCT, the two studies "Methodology for attainment of density and effective atomic number through dual energy technique using microtomographic images" and "Mineralogy evaluation and segmentation using dual-energy microtomography" are read and reproduced as far as possible. The first measurement run uses eight material rods of aluminium, iron and copper and a voltage of 80 kV and 120 kV. The second measurement run is similar to the first run, but several materials are used. The third meas-urement run contains the same materials as the second run, but the voltage is 120 kV and 180 kV. The first and second greyscale measurements are created from the reconstructed images of the first measurement run. Thereby the grey levels differ, although they should be the same reconstructed images. The third and fourth greyscale measurements are taken from the reconstructed images of the second measurement run. For the third greyscale measurement, the images are reconstructed with different reconstruction parameters, as are the images for the fourth greyscale measurement. For the fifth greyscale measurement, the images are reconstructed in the same way as the images for the fourth greyscale measurement. However, the measurement data for the fifth greyscale measure-ment comes from the third measurement run. For the previous reconstructions of the images, the reconstruction programme "Cera" is used. For the sixth greyscale measurement, the reconstruction programme "X-AID" is used, and the measurement data originate from the second measurement run. The mass attenuation coefficient is calculated based on the grey levels. Using the mass attenua-tion coefficient and the atomic number3.8 of the respective materials, the angular constant and the linear constant for the respective energies are determined via linear regression. Using the two con-stants, the density and atomic number are determined utilizing two equations and compared with the theoretical density and atomic number. The density and atomic number for the first and second greyscale measurements are within the ±5 % tolerance, but the atomic number of aluminium is out-side the tolerance. For the third greyscale measurement, most of the values are out of tolerance. However, if only the three materials Al, Fe and Cu are used in the calibration and the density and atomic number are determined, the result is the same as in the first and second greyscale measure-ment. The results for the fourth and fifth greyscale measurement are not documented. Since the density and atomic number cannot be determined with any method, further experiments with differ-ent reconstruction parameters must be carried out.
- Bei der Röntgencomputertomographie (XCT) werden aus den Bildern der Absorption von Röntgen-strahlen durch das Objekt virtuelle Schnitte mit Grauwerten, die der spezifischen Absorption entspre-chen berechnet. Die spezifische Absorption ist eine Überlagerung von Material und Dichte. Soll nur die Dichte einer Materialprobe gemessen werden, um beispielsweise die Knochendichte zu bestimmen, muss die Materialinformation von der Dichteinformation getrennt werden. Ein Verfahren, um nur die Dichte bestimmen zu können, ist Dual-Energie-XCT. Bei der Dual-Energie-XCT werden Messungen mit zwei unterschiedlichen Energien durchgeführt. Das Ziel der Bachelorarbeit ist es, ein Verfahren zu im-plementieren, das aus zwei Messungen mit unterschiedlichen Spannungen und Filtern ein Dual-Ener-gie-CT berechnet. Des Weiteren ist es das Ziel, über die Graustufenmessung die Dichte eines Objekts mit einem oder mehreren Materialien zu bestimmen. Die Graustufen werden über die rekonstruierten Bilder der Röntgen-Computertomographie (XCT) gemessen. Es gibt bereits einige Verfahren die Dichte eines Objektes zu bestimmen, das einfachste ist wohl, indem die Masse des Objekts durch das Volu-men des Objekts dividiert wird. Ein weiteres Verfahren ist, das Archimedische Prinzip, welches sich die Auftriebskraft zu Nutze macht. Die Densitometrie, die Dichtemessung findet ihre Anwendung unter anderem in der Medizin, z.B. der Osteodensitometrie. Die Osteodensitometrie, wird für die Diagnose von Osteoporose verwendet. Bei der Osteoporose handelt es sich um eine Erkrankung des Knochens, bei dem Knochenschwund auftritt. Um die Diagnose feststellen zu können gibt es zwei Verfahren: die Doppel-Energie-Röntgen-Absorptiometrie und die quantitative Computertomographie. Um das Dual-Energie-XCT zu implementieren, werden die zwei Studien «Methodology for attainment of density and effective atomic number through dual energy technique using microtomographic images» und «Mine-ralogy evaluation and segmentation using dual-energy microtomography» gelesen und weitestge-hend, reproduziert. Beim ersten Messdurchlauf werden acht Materialstäbe Aluminium, Eisen und Kup-fer verwendet und eine Spannung von 80 kV und 120 kV. Der zweite Messdurchlauf gleicht dem ersten Durchlauf, jedoch werden dabei mehrere Materialien verwendet. Der dritte Messdurchlauf beinhaltet dieselben Materialien wie der zweite Durchlauf, dabei beträgt die Spannung 120 kV und 180 kV. Die erste und zweite Graustufenmessung entsteht durch die rekonstruierten Bilder des ersten Messdurch-laufs. Dabei unterscheiden sich die Graustufen, obwohl es sich um dieselben rekonstruierten Bilder handeln sollte. Die dritte und vierte Graustufenmessung entsteht durch die rekonstruierten Bilder des zweiten Messdurchlaufs. Für die dritte Graustufenmessung werden die Bilder mit anderen Rekonstruk-tionsparameter rekonstruiert, ebenso die Bilder für die vierte Graustufenmessung. Bei der fünften Graustufenmessung werden die Bilder auf dieselbeweise rekonstruiert wie die Bilder für die vierte Graustufenmessung. Jedoch stammen die Messdaten für die fünfte Graustufenmessung aus dem drit-ten Messdurchlauf. Für die bisherigen Rekonstruktionen der Bilder wird das Rekonstruktionspro-gramm «Cera» verwendet. Bei der sechsten Graustufenmessung wird das Rekonstruktionsprogramm «X-AID» verwendet dabei stammen die Messdaten aus dem zweiten Messdurchlauf. Anhand der Grau-stufen wird der Massenschwächungskoeffizient errechnet. Mit dem Massenschwächungskoeffizient und der Ordnungszahl3.8 der jeweiligen Materialien, werden über die lineare Regression die Winkel-konstante und die Linearkonstante für die jeweiligen Energien ermittelt. Anhand der beiden Konstan-ten wird die Dichte und Ordnungszahl mittels zweier Gleichungen ermittelt und mit der theoretischen Dichte und Ordnungszahl verglichen. Die Dichte und Ordnungszahl für die erste und zweite Graustu-fenmessung sind innerhalbe der ±5 % Toleranz, jedoch liegt die Ordnungszahl von Aluminium aus-serhalb der Toleranz. Bei der dritten Graustufenmessung sind die meisten Werte ausserhalb der Tole-ranz. Wenn jedoch bei der Kalibrierung nur die drei Materialien Al, Fe und Cu verwendet werden und die Dichte und Ordnungszahl bestimmt werden, ist das Resultat dasselbe wie bei der ersten und zwei-ten Graustufenmessung. Die Resultate für die vierte und fünfte Graustufenmessung sind nicht doku-mentiert, da während der Graustufenmessung bereits aufgefallen ist, dass diese nicht korrekt sind. Da im Moment mit keinem Verfahren die Dichte und Ordnungszahl ermittelt werden kann, müssen wei-tere Versuche mit unterschiedlichen Rekonstruktionsparametern durchgeführt werden.
- Urheberrechtshinweis
- Mischler Raphael, Hochschule Luzern - Departement Technik & Architektur
- Departement
- Studiengang
- Art der Arbeit
- Betreuer/Betreuerin
- Importiert am
- 10.11.2021
- Übergeordnete Sets
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