Röntgenanalyse XXL: Riesen-Computertomograph durchleuchtet sogar Frachtcontainer

| Redakteur: Michael Eckstein

Computertomographie im Großformat: Erstmals sind Objekte mit einem Durchmesser von 3,20 Meter und fünf Meter Höhe mit Röntgenstrahlen erfassbar.
Computertomographie im Großformat: Erstmals sind Objekte mit einem Durchmesser von 3,20 Meter und fünf Meter Höhe mit Röntgenstrahlen erfassbar. (Bild: Kurt Fuchs)

Inhalte von Frachtcontainern checken, ohne die Türen zu öffnen: Per Computertomographie durchleuchten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Schaltungen IIS sehr große Objekte und generieren hochauflösende 3D-Bilder.

Die Computertomographie mit Röntgenstrahlung spielt inzwischen auch abseits der Medizin eine wichtige Rolle. Beispielsweise bei der Produktentwicklung in der Industrie. Doch bislang war die Computertomographie insbesondere im Hochenergiebereich aufgrund von nicht verfügbaren geeigneten Rekonstruktions- und Korrekturalgorithmen und Sensoren beschränkt auf kleinere und einfache Objekte. Die vorhandenen großen CT-Anlagen sind in ihrem Funktionsumfang für große Objekte stark eingeschränkt. Zumindest bisher.

Forschern vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS ist jetzt ein bedeutender Fortschritt gelungen. Michael Salamon, Nils Reims und Dr. Michael Böhnel haben eine Technologie entwickelt, die nach eigenen Angaben auch sehr große Objekte durchleuchten und hochauflösende 3D-Bilder generieren kann.

Größter Computertomograph der Welt

Als Röntgenquelle nutzen die Forscher einen Linearbeschleuniger mit neun Megaelektronenvolt (MeV) und kombinieren ihn mit einer Röntgenkamera, die mit einer sensitiven Länge von vier Metern und 10.000 Pixeln arbeitet. Die Objekte rotieren auf einem Schwerlastdrehteller. Kamera und Strahlenquelle tasten das Objekt synchron in vertikalen Bewegungen Zeile für Zeile ab. Durch die Rotation erfasst die Kamera viele Betrachtungswinkel und schafft so die Basis für die dreidimensionale Darstellung.

Mithilfe dieser Apparatur sind erstmals Objekte mit einem Durchmesser von 3,20 Meter und fünf Meter Höhe mit Röntgenstrahlen erfassbar. Eine spezielle Technik, die ein Großobjekt in Teilen aufnimmt, ermöglicht sogar das Scannen noch größerer Objekte. Damit ist die Anlage die zurzeit größte CT-Anlage der Welt.

Ohne Zerlegen: Crashtest im Röntgenbild

Mit dem XXL-CT lassen sich beispielsweise Elektroautos nach einem Crashtest analysieren. Bisher musste man Objekte zeitaufwändig zerlegen, um Aufbau und Innenleben analysieren zu können. Durch die zerstörungsfreie Röntgenprüfung lassen sich jetzt Struktur und Materialien des Objekts im Detail analysieren, die bislang unzugänglich waren, zum Beispiel ganze Batteriemodule. Die starke Röntgenstrahlung macht sogar Strukturen in den dicht gepackten Akkus sichtbar.

Die Qualität der 3D-Bilder hat laut Gruppeleiter Salamon auch Skeptiker überzeugt: „Man hat früher geglaubt, dass Strukturen im Hochenergiebereich nicht mehr erkennbar seien, weil Materialien mit niedriger Absorptionsrate von den mit hoher Absorptionsrate sozusagen überschattet werden. Viel kV macht grau, das war die landläufige Meinung. Mit unserer Entwicklung haben wir das Gegenteil bewiesen.“

Für ein qualitativ hochwertiges 3D-Röntgenbild waren neben dem Linearbeschleuniger und der großen Zeilenröntgenkamera weitere Innovationen erforderlich. Gemeinsam mit dem Industriepartner MT Mechatronics entstand beispielsweise eine Konstruktion, die auch bei tonnenschweren Objekten eine extrem präzise Positionierung ermöglicht. Auch die Verarbeitung der Röntgendaten mussten die Wissenschaftler so optimieren und automatisieren, dass sie möglichst wenig Interaktion mit dem Bediener erfordert. Dies sei die Voraussetzung für eine Nutzung im industriellen Umfeld.

Kontrolle von Frachtcontainern – auch Details werden sichtbar

Ein weiteres Anwendungsbeispiel ist die Kontrolle von Seefrachtcontainern. Schon jetzt werden in Häfen viele Frachtcontainer geröntgt, allerdings zweidimensional. Durch die 3D-Röntgentechnik werden auch kleine Objekte im Inneren der Container deutlich sichtbar. Gerade für Sicherheitsbehörden, die Frachtcontainer nach Sprengstoff oder Waffen durchsuchen, aber auch für Zollbehörden, die nach Schmuggelware suchen, liefert die IIS-Technologie einen entscheidenden Mehrwert.

Neben dem Einsatz in der Industrie eröffnet die XXL-Computertomographie viele weitere Anwendungen. So lassen sich historische Objekte wie etwa Musikinstrumente durchleuchten, bei denen ein Aufschneiden und Zerlegen nicht infrage kommt. In einer besonders spektakulären Aktion haben die Fraunhofer-Spezialisten auch einen 65 Millionen Jahre alten Dinosaurierschädel gescannt. Der Schädel des Tyrannosaurus Rex blieb während der Röntgenprozedur in einer Kiste mitsamt dem ihn umgebenden Erdreich, in dem Paläontologen ihn gefunden hatten.

Das Fraunhofer-Forscherteam plant schon den nächsten Schritt: In einer Gantry-CT sollen Linearbeschleuniger und Kamera um das Objekt kreisen. Dieses selbst steht still und muss auch nicht vertikal aufgerichtet werden. Ein Prototyp entsteht derzeit in Zusammenarbeit mit MT Mechatronics.

Für ihre am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS durchgeführten Arbeiten zum Thema „XXL-Computertomographie – Unsichtbares sichtbar machen in einer bisher nicht da gewesenen Dimension“ wurden Michael Salamon, Nils Reims und Dr. Michael Böhnel mit dem Joseph-von-Fraunhofer-Preis des Jahres 2018 ausgezeichnet.

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