Untersuchungen zur Qualität von Prüfkörpern in der ... · Womit prüfen wir eigentlich unsere...

Womit prüfen wir eigentlich unsere Röntgenanlagen?

Untersuchungen zur Qualität von Prüfkörpern in der Röntgendiagnostik

Das Vorhaben wurde vom Bundesamt für Strahlenschutz unter der Kennnummer3608S20001 gefördert

• M. Borowski / S. Wrede

• AG 5.25 (Rastersondenmetrologie): H.-U. Danzebrink

• AG 5.34 (Multisensor Koordinatenmesstechnik): U. Neuschaefer-Rube

• AG 6.25 (Dosimetrie für die Röntgendiagnostik):L. Büermann

• AG 7.11 (Röntgenradiometrie): M. Krumrey

• H. Kreienfeld / J. Feldmann

• J. Goebbels / J. Nötel / Y. Onel

Beteiligte Arbeitsgruppen

Quelle: ReferenzzentrumMammographie Südwest

Motivation

• In der Röntgendiagnostik soll eine ausreichende Bildqualität bei minimaler Strahlenexposition erreicht werden

• Vor Inbetriebnahme einer Röntgenanlage ist eine Abnahmeprüfung, danach sind regelmäßig Konstanzprüfungen unter Verwendung von Prüfkörpern durchzuführen

• Die verwendeten Prüfkörper sind in zugeordneten Normen spezifiziert

Aufbau von Prüfkörpern

Relevante Komponenten

• Strukturkörperdicke

• Dynamiktreppe

• Bleistrichraster

• Niedrigkontrastdicke

• Raster

Aufbau von Prüfkörpern

Motivation

• Aufgrund der zentralen Rolle von Prüfkörpern innerhalb der technischen Qualitätssicherung können Mängel an Prüfkörpern systematische Fehlentscheidungen nach sich ziehen

• Aktuell unterliegen die Prüfkörper, die auf dem deutschen Markt verfügbar sind keiner unabhängigen Prüfung

• Es gibt Hinweise darauf, dass nicht in allen Fällen die Norm‐Spezifikation von den verfügbaren Exemplaren der Prüfkörper mit ausreichender Genauigkeit eingehalten wird

Zielstellung des Vorhabens1. Entwicklung von Methoden zur Überprüfung der

Normkonformität von Prüfkörpern der Röntgendiagnostik welche

1. zerstörungsfrei

2. ausreichend genau

3. Routine tauglich

sind.

2. Anwendung der Methoden an einer Stichprobe von auf dem Markt verfügbaren Prüfkörpern

3. Kritische Sichtung der aktuellen Norm‐Spezifikationen

Das Wesentliche vorab• Eine zerstörungsfreie, ausreichend genaue Prüfung der Norm‐Konformität von Prüfkörpern der Röntgendiagnostik ist mit akzeptablem Aufwand möglich und wurde im Rahmen des Vorhabens entwickelt

• Es gibt diverse, teilweise gravierende Mängel an untersuchten Prüfkörpern, welche auf systematische oder zufällige Abweichungen von den Norm‐Spezifikationen zurückzuführen sind

• Es gibt diverse Mängel an den Prüfkörpern, welche auf die aktuellen Spezifikationen in den Normen zurückzuführen sind

Untersuchte PrüfkörpertypenPrüfkörper nach

• DIN 6868‐4 (Durchleuchtung)

• DIN 6868‐13 (Projektionsradiographie)

• DIN EN 60601‐2‐44 (Computertomographie)

sowie CDMAM / Testeinsatz AP (Mammographie)

Untersuchung der Prüfkörper für die konventionelle Radiographie

Relevante Prüfkörperparameter sind

• Materialdicken / ‐reinheiten

• Bohrungstiefen

• Laterale geometrische Ausdehnungen

Erstellung der Messprozedur für konventionelle Prüfkörper

Problemstellung:

Die meisten Komponenten der Prüfkörper sind von außen nicht im Zugriff!

Lösungsweg:1. Definition von repäsentativen, unabhängigen Prüfkörpern

(Referenz‐Prüfkörper)

2. Genaue geometrische Charakterisierung der Referenz‐Prüfkörper

3. Erstellung von Röntgenprojektionsaufnahmen der Referenz‐Prüfkörper und deren quantitative Analyse

4. Quantitativer Vergleich der Röntgenprojektionsaufnahmen unbekannter Prüfkörper im Vergleich zu denen der Referenz‐Prüfkörper

1. Untersuchung der Dicken durch Punktmessungen

2. Untersuchung der Formabweichungen durch linien‐ oder flächenhafte Messungen

Entwicklung der Prüfprozeduren für die konventionellen Prüfkörper

1. Quantitative Röntgenbildgebung unter Verwendung medizinischer Röntgenanlagen

2. Prüfung der Stabilität und Linearität des bildgebenden Systems

3. Erstellung / Anwendung von Homogenitätskorrekturmatrizen

4. Berücksichtigung „toter“ Pixel

20,000

40,000

60,000

80,000

100,000

120,000

140,000

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

Röhrenstrom / mA

Dos

is /

µG

y

nach Totpixel-korrektur

RAW vor Totpixelkorrektur nach Totpixel-korrektur

nach Totpixel-korrektur

RAWRAW vor Totpixelkorrekturvor Totpixelkorrektur

Entwicklung der Prüfprozeduren für die konventionellen Prüfkörper

1. Weitgehende Verhinderung von Signaleinstrahlungen

2. Aufnahme‐individuelle Definition von ROI

Erstellung der Korrelationsfunktionen für die konventionellen Prüfkörper

1. Auswertung des Kontrastesmit für Niedrigkontrastobjekte sowie partiell Dynamiktreppen

2. Auswertung der Absolutwerte für Schwächungskörper, Strukturkörper sowie partiell Dynamiktreppen

3. Bei mehreren Materialien hintereinander Zuordnung der Abweichung zu der am meisten schwächenden Komponente (Grund: 1 mm PMMA entspricht 3,75 μm Cu)

4. Bei Abweichung des Referenzprüfkörpers von der Norm‐Spezifikation Korrektur auf Norm‐Vorgabe

5. Bei Rasterabständen Messung des Abstands in Bildpunkten

0

ln SSK

µdeSS 0

-0,090

-0,080

-0,070

-0,060

-0,050

-0,040

-0,030

-0,020

-0,010

0,000

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

Materialdicke / mmAl

-µ*d

= ln

(S/S

_0)

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

0 0,5 1 1,5 2 2,5

Materialdicke / mmCu

-µd

= ln

S/S

0

Anpassungals Polynom2. Grades

Messunsicherheiten (k=2)

Konventionelle Prüfkörper: 1. Teilweise, z.B. bei Niedrigkontrastbohrungen im PK nach

DIN 6868-4, Unsicherheit durch Referenzprüfkörper limitiert

2. Betrachtung der Reproduzierbarkeit als zusammenfassende Größe für alle Unsicherheitsbeiträge

3. Relative Messunsicherheit

• meist kleiner 5%, oftmals kleiner 2,5%

• bei kleinster Niedrigkontrastbohrung DIN 6868-4 nahezu 10% (Grund: Einstrahlung)

• Niedrigkontrastbohrungen im Bereich der Kupfertreppe DIN 6868-4 bis 7% (Grund: a. kleine Fläche, b. Rauheit der Cu-Stufen)

• 50 µm Al-Streifen im DSA-Prüfkörper 30% (Grund: a. kleine Fläche, b. zu geringer Anzahl an Mittelungsaufnahmen)

Qualitative Resultate

Untersucht wurden:

27 PK nach DIN 6868‐4

24 DSA‐PK

31 PK nach DIN 6868‐13

Bleistrichraster jeweils an 10 Exemplaren untersucht

Quantitative ResultateDIN 6868‐4

Niedrigkontrastbohrungen im Zentralbereich:

• Niedrigkontrastbohrungen um mehr als 300 μm abweichend vom Nominalwert

• systematische Abweichungen in Richtung flacherer bzw. tieferer Bohrungen erkennbar

4 3,4 2,4 1,7 1,2 0,8 0,6 0,4

Mittelwert 4,01 3,41 2,44 1,72 1,16 0,80 0,59 0,41Minimum 3,89 3,36 2,39 1,60 1,07 0,69 0,52 0,34Maximum 4,11 3,52 2,50 1,85 1,31 0,88 0,69 0,47Spanne 0,22 0,16 0,11 0,25 0,24 0,18 0,16 0,13rel. Spanne 5% 5% 5% 15% 20% 23% 28% 31%Mittelwert 4,03 3,42 2,41 1,69 1,16 0,85 0,61 0,38Minimum 3,94 3,35 2,34 1,62 1,04 0,81 0,55 0,17Maximum 4,09 3,52 2,52 1,75 1,26 0,88 0,68 0,43Spanne 0,14 0,17 0,18 0,13 0,22 0,08 0,13 0,26rel. Spanne 4% 5% 8% 8% 19% 9% 22% 70%Mittelwert 4,30 3,62 2,66 1,85 1,40 1,06 0,84 0,72Minimum 4,16 3,51 2,57 1,76 1,36 1,01 0,64 0,54Maximum 4,38 3,73 2,76 1,91 1,45 1,16 0,94 0,80Spanne 0,22 0,22 0,18 0,15 0,08 0,15 0,30 0,26rel. Spanne 5% 6% 7% 8% 6% 14% 36% 36%Mittelwert 3,80 3,28 2,43 1,73 1,29 0,82 0,69 0,47Minimum 3,79 3,27 2,42 1,67 1,25 0,82 0,66 0,42Maximum 3,81 3,29 2,43 1,80 1,34 0,83 0,72 0,52Spanne 0,02 0,02 0,01 0,13 0,09 0,01 0,06 0,10rel. Spanne 1% 1% 0% 7% 7% 1% 9% 21%

Materialdicke / mmPMMA

Hersteller IV

Hersteller III

Hersteller II

Hersteller I

nominelle Materialdicke

Gelb: Abweichung > 10%

Rot: Abweichung > 20%

-0,30

-0,20

-0,10

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

nominelle Materialdicke / mm

Abw

eich

ung

/ mm





Niedrigkontrastbohrungen im Bereich der Kupfertreppe:

• deutliche Überlagerung mit Einflüssen der Kupfertreppe

Mittelwert Minimum Maximum Spanne2,41 2,15 2,70 0,552,41 2,15 2,73 0,582,39 2,25 2,58 0,332,50 2,23 2,82 0,592,50 2,33 2,67 0,352,49 2,23 2,73 0,502,50 2,22 2,67 0,452,49 2,23 2,63 0,402,57 2,42 2,74 0,322,55 2,44 2,69 0,252,55 2,36 2,72 0,352,49 2,34 2,63 0,292,33 2,07 2,67 0,602,29 2,00 2,48 0,482,36 2,12 2,69 0,572,29 2,11 2,47 0,362,48 2,32 2,75 0,432,46 2,32 2,62 0,302,45 2,31 2,61 0,302,49 2,25 2,85 0,602,42 2,23 2,63 0,392,52 2,19 2,97 0,782,52 2,15 3,00 0,852,57 2,19 2,95 0,762,54 -0,57 3,56 4,142,40 -1,27 3,44 4,702,56 1,13 3,30 2,16

Soll: 2,40





Niedrigkontrastbohrungen im Bereich der Kupfertreppe:

• deutliche Überlagerung mit Einflüssen der Kupfertreppe

Kupfertreppe:

• systematische Verschiebungen und Herstellungsstreuung

• allgemein weniger Abweichungen als bei den Bohrungen

3,48 3,22 2,96 2,7 2,45 2,21 1,96 1,73

Mittelwert 3,304 3,094 2,888 2,639 2,415 2,180 1,947 1,736Minimum 3,242 3,022 2,782 2,540 2,341 2,106 1,885 1,673Maximum 3,403 3,196 2,988 2,720 2,535 2,248 2,012 1,793Spanne 0,162 0,174 0,206 0,179 0,194 0,142 0,127 0,120rel. Spanne 5% 6% 7% 7% 8% 7% 7% 7%Mittelwert 3,437 3,187 2,951 2,684 2,436 2,196 1,960 1,738Minimum 3,321 3,120 2,877 2,634 2,392 2,159 1,924 1,700Maximum 3,521 3,214 2,995 2,703 2,466 2,209 1,986 1,756Spanne 0,200 0,094 0,118 0,070 0,074 0,050 0,063 0,056rel. Spanne 6% 3% 4% 3% 3% 2% 3% 3%Mittelwert 3,430 3,229 2,932 2,678 2,409 2,183 1,932 1,706Minimum 3,408 3,193 2,921 2,653 2,380 2,149 1,913 1,678Maximum 3,454 3,291 2,950 2,721 2,424 2,203 1,947 1,720Spanne 0,047 0,098 0,029 0,067 0,044 0,055 0,034 0,042rel. Spanne 1% 3% 1% 3% 2% 3% 2% 2%Mittelwert 2,689 2,532 2,338 2,142 1,970 1,848 1,726 1,588Minimum 2,655 2,498 2,267 2,043 1,875 1,799 1,704 1,574Maximum 2,723 2,566 2,410 2,241 2,066 1,898 1,748 1,602Spanne 0,069 0,069 0,143 0,199 0,191 0,099 0,044 0,028rel. Spanne 3% 3% 6% 9% 10% 5% 3% 2%

nominelle Materialdicke

Hersteller I

Hersteller II

Hersteller III

Hersteller IV


Quantitative ResultateDSA‐Prüfkörper

Aluminium‐Niedrigkontrastobjekte:

• vergleichsweise große Abweichungen

Kupfertreppe:

• mit Ausnahme der Stufe mit 200 μm Dicke unauffällig

• einige Exemplare mit offensichtlich fehlerhaftem Zusammenbau

Nominaldicke 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2DSA1 1,58 1,38 1,18 0,99 0,78 0,41 0,21DSA2 1,52 1,32 1,12 0,75 0,55 0,36 0,16


0,4 0,2 0,1 0,05

Mittelwert 0,417 0,198 0,097 0,043Minimum 0,403 0,172 0,075 0,022Maximum 0,447 0,221 0,112 0,056Spanne 0,044 0,049 0,037 0,034rel. Spanne 10% 25% 38% 80%Mittelwert 0,418 0,210 0,097 0,053Minimum 0,401 0,205 0,084 0,038Maximum 0,433 0,220 0,107 0,063Spanne 0,032 0,015 0,023 0,025rel. Spanne 11% 14% 17% 8%

Materialdicke / mmAlnominelle Materialdicke

Hersteller I

Hersteller II

Untersuchung der Mammographie‐Prüfkörper

Relevante Prüfkörperparameter sind

• Materialdicke der Goldobjekte

• Ausdehnung der Goldobjekte

Entwicklung einer Messprozedur für die Mammographie‐Prüfkörper

Problem: große Oberflächenrauheit des CDMAM‐Prüfkörpers (RZ bis 2 μm)

HF 50x ca. 114 µm x 85 µm

CAu

Cr

Au

Pos1 Pos2

CAu

Cr

Au

Pos1 Pos2

Entwicklung der Prüfprozedur für die Mammographie‐Prüfkörper

1. Durchstrahlungsmessungen mit Mikrofokus‐Röntgenröhre

2. Auswertung des Summenbildes aus 3000 bzw. 14000 Teilbildern mit je 2,5 s Aufnahmezeit

Messunsicherheiten (k=2)

Mammographie-Prüfkörper:

1. Anteil durch Röntgenfluoreszenzmessung: 7%

2. Unsicherheit der Steigung der Korrelationsgeraden: 4%

3. Unsicherheit aus Reproduzierbarkeit der Messung: 10 nm (lange Messungen) bzw. 30 nm (kurze Messungen)

4. Unsicherheit der Messung der Durchmesser: 10 µm

Qualitative Resultate

Untersucht wurden:

10 CDMAM

8 Testeinsatz AP

Quantitative ResultateStatistische Daten der Mammographie‐Prüfkörper

Golddicken des CDMAM‐Prüfkörpers:

• unterhalb von 100 nm Materialdicke keine nachweisbaren Abweichungen

• ab 1 μm Materialdicke signifikante Abweichungen vom Nominalwert, bei gepoolterAnalyse ab 360 nm

•die Objekte mit 80 μm Durchmesser sind systematisch kleiner als entsprechende Objekte mit 100 μm Durchmesser

1,771,842,00

1,271,311,42

Durchmesser: 80 µmDurchmesser: 100 µm

Gemessene Golddicke / µmNominelle Materialdicke / µm

Nominaldicke / µm 0,04 0,05 0,06 0,08 0,1 0,13 0,16 0,25 0,36 0,71 1 1,42 2Mittelwert der Dicke / µm 0,04 0,05 0,06 0,08 0,10 0,13 0,16 0,24 0,35 0,67 0,95 1,29 1,81Median der Dicke / µm 0,04 0,05 0,06 0,08 0,10 0,13 0,16 0,25 0,36 0,67 0,96 1,31 1,84Spannbreite der Verteilung / µm 0,01 0,01 0,01 0,01 0,02 0,03 0,03 0,04 0,06 0,08 0,13 0,20 0,23relative Spannbreite 20% 16% 18% 15% 18% 20% 19% 14% 16% 11% 13% 15% 12%


Golddicken des Testeinsatzes AP:

• allgemein große Fertigungsstreuung (zwischen 45% und 65%)

Nominaldicke / µm 0,12 0,15 0,25 0,5 1,8

Mittelwert der Dicke / µm 0,13 0,16 0,25 0,52 1,74

Median der Dicke / µm 0,13 0,16 0,25 0,50 1,74

Spannbreite der Verteilung / µm 0,06 0,07 0,16 0,14 0,22

relative Spannbreite 45% 43% 65% 27% 13%


Golddicken des Testeinsatzes AP:

• allgemein große Fertigungsstreuung (zwischen 45% und 65%)

Objektgrößen‐Untersuchung CDMAM:

• bis zu 1 μm nomineller Materialdicke keine nachweisbaren Abweichungen

• bei 1,42 μm bzw. 2 μm Dicke z.T. deutliche Abweichung von der Kreisform

Nominaldicke / µm 0,12 0,15 0,25 0,5 1,8

Mittelwert der Dicke / µm 0,13 0,16 0,25 0,52 1,74

Median der Dicke / µm 0,13 0,16 0,25 0,50 1,74

Spannbreite der Verteilung / µm 0,06 0,07 0,16 0,14 0,22

relative Spannbreite 45% 43% 65% 27% 13%

CDMAMKennung

Position

nom. Dicke /

µmnom. Durchmesser

/ mm Lage Durchmesser / mm rel. FlächeDurchmesser /

mm rel. FlächeDurchmesser /

mm rel. Fläche

M8 2,00 0,08 r H0,060;V0,070 0,66 H0,090;V0,065 0,91 H0,070;V0,070 0,772,00 0,08 m H0,065;V0,070 0,66 H0,090;V0,065 0,91 H0,065;V0,070 0,71




CDMAMKennung

Position

nom. Dicke /

µmnom. Durchmesser

/ mm Lage Durchmesser / mm rel. FlächeDurchmesser /

mm rel. Fläche

M8 2,00 0,08 r H0,070;V0,080 0,88 H0,070;V0,080 0,882,00 0,08 m H0,070;V0,080 0,88 H0,070;V0,080 0,88

M9 2,00 0,10 r H0,095;V0,105 1,00 H0,090;V0,100 0,902,00 0,10 m H0,095;V0,105 1,00 H0,090;V0,100 0,90

M10 1,42 0,08 r H0,075;V0,080 0,94 H0,070;V0,080 0,881,42 0,08 m H0,075;V0,080 0,94 H0,070;V0,080 0,88

M11 1,42 0,10 r H0,095;V0,100 0,95 H0,090;V0,095 0,861,42 0,10 m H0,095;V0,100 0,95 H0,090;V0,095 0,86

1452

1584 1002 1544

1305

Zusammenfassung

• Eine zerstörungsfreie, ausreichend genaue Prüfung der Norm‐Konformität von Prüfkörpern der Röntgendiagnostik ist mit akzeptablem Aufwand möglich und wurde im Rahmen des Vorhabens entwickelt

• Es gibt diverse, teilweise gravierende Mängel an untersuchten Prüfkörpern, welche auf systematische oder zufällige Abweichungen von den Norm‐Spezifikationen zurückzuführen sind

• Es gibt diverse Mängel an den Prüfkörpern, welche auf die aktuellen Spezifikationen in den Normen zurückzuführen sind

ZusammmenfassungEinschränkungen

• Für etliche Komponenten gibt es aktuell keine Angabe zur Fertigungstoleranz in der zugehörigen Norm

• Etliche der untersuchten Prüfkörper werden für Konstanzprüfungen eingesetzt, bei denen ein Verlauf beurteilt wird und keine quantitativen Werte erhoben werden

• Jede Erhöhung der Anforderungen oder externe Kontrolle führt zu erhöhten Kosten der Hersteller, welche diese an die Kunden weitergeben

Schlussfolgerung

• Eine unabhängige Kontrolle der Prüfkörper erscheint, zumindest als Stichprobenprüfung, sinnvoll

• Die Normung sollte überlegen, in welchem Umfang die auffällig gewordenen Probleme bei den Prüfkörper‐spezifikationen in Zukunft verhindert werden können

• Über die aktuell untersuchten Prüfkörpertypen hinaus sollten unbedingt

1. Sämtliche Prüfkörper der Abnahmeprüfungen

2. Prüfkörper der Zahnmedizin

begutachtet werden.

Untersuchungen zur Qualität von Prüfkörpern in der ... · Womit prüfen wir eigentlich unsere...

Documents

Transcript of Untersuchungen zur Qualität von Prüfkörpern in der ... · Womit prüfen wir eigentlich unsere...