Bildverarbeitung inspiziert Filmdosimeter

In Deutschland ist es gesetzlich streng geregelt, wie viel radioaktive Strahlung im Jahr ein Mensch am Arbeitsplatz ausgesetzt sein darf. Gemessen wird diese Dosis mit so genannten Filmdosimetern, deren Eichung und Auswertung unter staatlicher Kontrolle stattfindet. Nur eine handvoll Institute sind qualifiziert, die Qualität des gesamten Kontrollablaufs zu garantieren. In dieser Beziehung ist das „Helmholtz-Zentrum“ München europaweit eines der größten Kontrollinstanzen. Hier werden aus mehreren deutschen Bundesländern (Bayern, Baden-Württemberg, Hessen, Hamburg, Schleswig-Holstein) monatlich etwa 120.000 Filmdosimeter ausgewertet.

Es gibt unterschiedliche Filmdosimeter, die eine unterschiedliche Qualität und auch Quantität an Aussagen zulassen (Abb.1). Diesbezüglich ist das so genannte Filmdosimeter GD40 im Moment das aussagekräftigste. Dieses Dosimeter ist moderneren Geräten überlegen, weil es durch die in die Dosimeterkassette eingebauten Filter und das auf dem eigentlich Film entstehende Röntgenbild nicht nur über die Strahlungsdosis Auskunft gibt, sondern auch über die Art der Strahlungsquelle, die Richtung der Strahlung, und von welcher Seite die Trägerperson bestrahlt wurde. Das wiederum ist wichtig für die tatsächliche Bewertung der Strahlenbelastung des menschlichen Körpers und eines möglichen Gesundheitsrisikos.

Das Helmholtz-Zentrum in München wertet auch Dosimeter der neueren Generation aus und entwickelt sogar die Dosimeter der Zukunft. Doch das Filmdosimeter GD40 lässt derzeit die beste Aussage zu, davon ist Markus Figel, Senior Technology Manager bei der Auswertestelle für Strahlendosimeter, überzeugt. Diese GD40-Modelle werden nun zunehmend durch das so genannte Gleitschatten-Dosimeter GD60 ersetzt um neuen gesetzlichen Anforderungen zu genügen.

Filmdosimeter arbeiten im Prinzip mit Aussagen über die optische Dichte eines Trägerfilms. Diese Filme müssen mit höchster Präzision und unter bestens bekannten Bedingungen hergestellt werden. Weltweit werden diese Filme nur noch bei Agfa-Gevaert in Antwerpen (Vertrieb ausschließlich über General Electrics) und bei Foma in Königsgrätz hergestellt. Die bisher größte Herstellfirma Kodak hat die Produktion eingestellt. Bisher wurden die etwa 120.000 monatlich anfallenden Filme per Sichtung durch Mitarbeitende ausgewertet. Um die Mitarbeitende zu entlasten und um die Prüfung zuverlässiger zu gestalten, hat das Helmholtz-Zentrum ein Projekt initiiert, um die Erstsichtung und die Messung mit Bildverarbeitung durchzuführen. Als Projektpartnerfirma wurde die MVTec Software GmbH aus München gewonnen. MVTec ist die entwickelnde und herstellende Firma der Standardsoftware HALCON. HALCON wird weltweit als umfassende Bildverarbeitungsbibliothek in der Industrie und Medizintechnik eingesetzt. Die Bildverarbeitung zur Auswertung der Filmdosimeter sollte auf der Basis von HALCON entwickelt werden. Nach einer Machbarkeitsstudie durch die Abteilung "Solutions + Services" bei MVTec wurde mit dem Projekt im Jahr 2008 begonnen.

In den Dosimetern befinden sich zwei Filme unterschiedlicher Filmempfindlichkeit. In der Regel werden nur die hochempfindlichen Filme entwickelt. Sollte ein solcher Film durch erhöhte Strahlendosis überbelichtet sein, so wird anschließend noch der weniger empfindliche entwickelt, um eine Aussage treffen zu können. Das geschieht jedoch nur etwa bei einem Dosimeter der 120.000 pro Monat. Die Bildverarbeitung Die Bildverarbeitung ist speziell auf die anspruchsvolle Grauwertanalyse zugeschnitten. Die Berechnung läuft auf einem Standard-PC mit Intel Core 2 Duo. Als Graphikkarte wird eine ATIFire GL V3600 verwendet, die speziell für medizinische Zwecke entwickelt wurde. Für die Darstellung wurde ein Eizo FlexScan MX 190 S gewählt, der speziell für hochwertige Grauwertdarstellung geeignet ist. Als Kamera wird eine Kappa DX4 285 FireWire mit einem CCD-Sensor eingesetzt.

Die Bildverarbeitung

Die Bildverarbeitung basiert auf der Bildverarbeitungs-Standardsoftware HALCON 9.0 von MVTec. Das bisherige Mess-System mit Bildverarbeitung nachzurüsten hat für das Helmholtz-Zentrum entscheidende Vorteile: 

• Die Auswertung erfolgt vollautomatisch.
• Der Durchsatz der Bilder ist um ein vielfaches höher als früher.
• Durch das automatische Auslesen der eindeutig zugehörigen Nummern wird die Qualitätssicherung erheblich verbessert.
• Die Erkennung zusätzlicher Belastungsmerkmale wird verbessert.
• Die Filme und die entdeckten Merkmale können als digitale Bilder archiviert werden.

Die Aufgaben der Bildverarbeitung sind vielfältig. Insgesamt können 7 Schritte unterschieden werden:

Im ersten Schritt wird eine geometrische Kalibrierung durchgeführt. Das System verfügt über zwei Messeinheiten: Eine Kamera und ein Densitometer. Bisher wurde die Messung nur mit dem Densitometer durchgeführt. Es misst den Grad der Helligkeit des Films an einem bestimmten Punkt hochgenau über sieben Größenordnungen. Da die Auswertung der einzelnen Filme beschleunigt werden soll, wird künftig mit einer Kamera bis zu einer optischen Dichte von logD = 2,0 gemessen, wobei mehr als 99,995% aller Filme abgedeckt sind. Das Densitometer misst höhere Schwärzungen un dient als Referenz, mit dem jederzeit Kontrollvergleiche machbar sind. Beide Systeme haben ein eigenes Koordinatensystem, die durch die geometrische Kalibrierung in Einklang gebracht werden müssen (geometrische Kamerakalibrierung und geometrische Densitometerkalibrierung).

Im zweiten Schritt erfolgt die radiometrische Kalibrierung. Um den Dynamikbereich der Grauwertpalette zu erhöhen, werden zwei Aufnahmen der Filme mit unterschiedlichen Belichtungszeiten zu einem HDR-Bild (High Dynamik Range) verrechnet. Dadurch können helle und dunkle Grauwerte gleichermaßen sehr präzise bestimmt werden. Voraussetzung für HDR Aufnahmen ist eine radiometrische Kalibrierung. Dabei wird das Antwortverhalten des Sensors ermittelt und eine Look-up Tabelle berechnet, so dass schließlich Helligkeiten und Grauwerte in einem perfekt linearen Zusammenhang stehen.

Das Ziel der Messung ist die optische Dichte an einem bestimmten Punkt des Films zu erfassen. Weil die Hintergrundbeleuchtung nicht homogen ist, also über das gesamte Lichtfeld gesehen variiert, muss im dritten Schritt eine Shading-Korrektur erfolgen, um diesen Einfluss zu kompensieren. Außerdem werden über die Shading-Korrektur die Objektivvignettierung sowie die Inhomogenität des Sensors eliminiert. Die eigentliche online Bildverarbeitungsroutine beginnt mit dem Finden und der Positionsbestimmung der Einzelfilme. Jeder Einzelfilm aus einem Dosimeter wird zuvor in einem automatisierten Verfahren auf ein Plastikband geklebt (gegurtet), das auf eine Spule aufgerollt wird. Diese Gurte können dann automatisch durch die Analyseanlage laufen. Dabei wird für jeden Einzelfilm zuerst überprüft, ob überhaupt ein Film vorhanden ist und wenn ja, wie dieser Film orientiert ist. Mit einer vorgegebenen Toleranz wird diese Aufgabe mit HALCONs formbasiertem Matching (Shape-based Matching) gelöst.

Als nächstes muss jeder Einzelfilm über eine Nummer eindeutig identifiziert werden, um diesen der Person zuordnen zu können, die das entsprechende Dosimeter getragen hat. Die Herausforderung liegt darin, dass die Nummern durch die Lichtschutzverpackung des Films in das Filmträgermaterial eingestanzt wurden. Beim Entwickeln des Films entstehen dann entlang der Stanzkanten Kontrastunterschiede. Das bedeutet die Zeichen bestehen nicht aus einem homogenen Grauwert, z.B. schwarz auf hellem Grund, sondern bilden quasi ein Kantenbild. Da es für derartige Zeichen kein vortrainierter Font vorhanden war, wurde dieser im Vorfeld anhand von etwa 10.000 Bildern trainiert. Obwohl die Lage des Nummernfeldes bekannt ist, gestaltete sich die Segmentierung der Zeichen auf Grund ihres speziellen Aussehens als schwierig. Anstelle einer Standardsegmentierung musste eine angepasste Lösung entwickelt werden. Schließlich werden die Nummern mit der OCR von HALCON ausgelesen.

Nachdem der Film eindeutig identifiziert ist, muss die Bildverarbeitung erkennen, um welchen Dosimeter-Kassettentyp es sich handelt (GD40 oder GD60). Irgendwann sollen nur noch die neueren GD60-Kassetten verwendet werden, daher ist das System bereits darauf vorbereitet zu melden, wenn versehentlich noch alte Kassetten benutzt werden. Das kann an den unterschiedlichen Positionen und Formen der Filterfelder erkannt werden, welche sich durch Kontrastdifferenzen abzeichnen. Diese Detektion von sehr geringen Grauwertdifferenzen ist äußerst schwierig, da diese Differenzen gering und die Signale durch Störungen überlagert sein können. Außerdem kann die Position der Filterfelder variieren. Gelöst wurde das Problem mit einem robusten, statistisch basierten Grauwertvergleich in den Regionen der Filterfelder.

Als siebte Messaufgabe soll das System besondere Merkmale ausfindig machen. Mit dieser Aufgabe müssen so genannte Expositionsparameter erkannt werden. Dabei müssen Entwicklungsartefakte, also Entwicklungsfehler, von Lichteinfällen oder Strahlungskontaminationen unterschieden werden. Werden von der Bildverarbeitung Kontaminationen detektiert, werden diese von Hand nachkontrolliert. Wird eine Kontamination bestätigt, dann ist diese meldepflichtig. Die Strahlendosis, die ein Film abbekommen hat, lässt sich schließlich aus der Umrechnung der optischen Dichte in Photonendosis ermitteln. Dazu ist ein Funktionenfit notwendig, welcher in Form eines Optimierungsproblems mit Hilfe der linearen Algebra-Funktionalität von HALCON, ein Alleinstellungsmerkmal dieser Softwarebibliothek, gelöst wird. „Die Zusammenarbeit mit MVTec hat sich als sehr flexibel erwiesen“, sagt Markus Figel, Senior Technology Manager beim Helmholtz-Zentrum. „Wir haben hier etwas völlig Neues zustande gebracht. Es gab keine Erfahrungen in dem Bereich. HALCON hat sich als optimales Werkzeug erwiesen, um all die Wünsche, die wir hatten bezüglich der Bildverarbeitung auch umsetzen zu können.“

Autor: Andy Wilson Alle Produktnamen sind Warenzeichen. Bilder der Produkte/Marken unterliegen dem Copyright der jeweiligen Inhaber. Alle Rechte vorbehalten.