发展入门级X射线计算机断层扫描系统

发展入门级X射线计算机断层扫描系统

摘要

高的成本和复杂的商业X射线计算机断层扫描系统的行为，作为中小型企业采用这种技术的一个障碍。这里介绍的工作，试图CT三维重建和X射线投影数据集收购负担得起的解决方案，通过发展来解决这些问题。

关键词：计算机断层扫描，CT，重建，

1。介绍

精密测量集团SIMTECH X射线检测服务已提供当地同业超过10年，主要用于隐藏的缺陷和内部结构的可视化的部件和材料，从电子，半导体和精密工程部门。

一个经常性的评论，从我们的互动与当地产业已经进入成本相对较高的X射线计算机断层扫描检查。从硬件和软件的角度来看，我们走近这个关注。

在本文的第一部分中，我们讨论的初步开发，进一步细化和随后的软件包，可提供简化的访问二维X射线投影图像的三维重建断层。

包集成了投影图像的预处理，用户定义的区域利益的选​​择，扇束和锥体束重建具有可变的重建滤波和SIMTECH的中央射线测定技术专利。

性能增强定制实现主机和GPU设备上的反投影过程进行了评价。输入数据可以来自任何合适的X射线检查机通过不同的配置选项，该系统提供了一个定义。输出数据可在一定范围内的标准格式，或者直接通过附带的可视化软件工具可以检查。

在本文的第二部分，我们将讨论一个低成本的手动控制的二维X射线探伤机通过增加旋转台适合投影图像数据集收购的升级换代。

计算机控制的旋转舞台被安装在移动平台上的检查机内。扫描和校准软件开发了一系列规定的程序后，运行的系统，而。已经开发了用于校正的图像增强器所引入的失真的方法，它不需要先验知识的增强器的几何形状。

升级后的系统可以提供输入数据包的文件的第一部分中所述的重建和可视化。

2。 CT重建软件包开发

的CT重建软件包，我们的发展目标是创建一个独立于硬件的解决方案，可用通用的PC硬件上的重建和可视化。

该软件所需的处理投影图像相关的校准和控制信息，以产生一系列的重建切片图像投影图像采集过程中，垂直于旋转轴线的表示检查对象的3D模型。

重建切片图像的简单的可视化，须结合的，或紧密耦合的，所需的处理来生成它们。可视化允许用户查看部分通过沿着轴向，正面或矢状面轴重构的体积。

用户也必须提供足够的控制权的过程中，让软件操作所产生的任何合适的X射线检测机的投影图像。

2.1理论背景

正如图1中所示，计算机断层扫描的X-射线成像技术，使影像的薄的横截面的一个部分。只差X射线平面移动通过部分被检测到。通过所有的点的X射线平面，并从多角度X-射线数据采集。这一过程会产生许多细小的图像'片'相结合，通过数学运算。

进行计算机断层扫描，系统必须收集的所有数据，需要创建一个CT图像扫描周围的整个部分。在大多数行业应用的X射线检测系统，通过简单地旋转的一部分操纵转盘上的部分进行扫描。

层析成像重建的最简单的形式是基于扇形束算法[1]。以角度θ表示为它的傅立叶变换是假设一个上的第j个检测器单元的平行束投影，重建的图像，然后得到方程式。

在此方程中的计算机实现的详细描述可以在[2]中找到。当区域检测器配合使用时，从在每个投影角度获得的图像中提取的像素的单行上的扇形束算法操作。每个切片被单独重建的轴向位置（相对于X射线源）的影响，一般不认为。

为了实现在该字段上的视图的区域检测器的一个改进的，更一致的质量的重建，有必要使使用的锥束FDK算法[3]。取得锥束重建算法的最简单方法是从扇形束重构算法开始的，并计算每条射线的几何形状的基础上，如在图2中示出的物点的贡献。

重构的图像是从

图1 - 扇束微的CT几何图2 - 锥束几何。

2.2软件实现

实施的重建算法是使用Microsoft Visual Studio C + +编程的各种开源的支持库，包括FreeImage的和OpenCV。该包装包括在五个模块，如在图3中示出的约5500行的代码分割。

图3 - 软件实现的主要模块

​

图4中所示的图形用户界面的屏幕截图。

2.3绩效评估

为了表征的重建模块的性能的一组重建与重建矩阵大小为512×512像素到512片180突起（1888x1408像素，8位tiff格式）。不需要任何预先处理。坡道过滤器被应用在傅立叶域。输出生成的RAW和TIFF格式的文件。在所有基于主机的例子，即没有使用多线程的执行上运行一个单一的核心。

表1显示了使用扇形束重建的第一代执行性能。

表1 - 重建性能（扇束）

系统

基准

笔记本电脑：2.0GHz的迅驰/ 2GB 533MHz的DDR2

28分钟

桌面1：3.4GHz的奔腾4HT / 2GB 466MHz DDR

22分钟

桌面2：2.4GHz的酷睿2四核/ 4GB 800MHz的DDR2

15分钟

表2显示了使用和不使用GPU的处理性能，使用锥束重建的第二代。

表2 - 重建性能（锥体束）

系统

基准

桌面没有SSE4：2.4GHz的酷睿2四

17分钟

桌面，SSE4处理器：3.4GHz的Core 2 Duo处理器

7分钟

底座与GPU：NVIDIA GTX295 2GB内存

4分钟

2.4可视化

虽然全面的可视化解决方案都是现成的商业，医疗和工业支持3D成像，这些工具提供了一组丰富的功能和导航功能，不需要受到很多用户，特别是在电子和半导体行业。此外，这些包一般有一个很长的学习曲线，需要一支训练有素，经验丰富的运营商充分利用的利益的工具。

为了解决这些问题，我们设计并开发了一个简化的可视化工具，CTVisual，这是用户友好和互动。图5中所示的用户界面。进一步的细节可以发现[4]。该工具允许检查从重建的数据中提取的三个正交平面集所支持的范围内的图像处理功能，以反白显示的区域和功能。

图5 - 屏幕截图的CTVisual可视化工具。

3。二维X射线检查系统升级

第二阶段需要提供更多的方便CT技术投影图像的数据集收购的价格合理的硬件平台的发展。这项工作的出发点是二维X射线检查系统，如图6所示从FocalSpot Inc。[5]。

如图6所示的附加旋转单元由SIMTECH设计。在使用本装置被固定到内侧的位置在X射线室中的2D检测系统。通过USB接口连接到主机电脑提供样本轮换的步进电机。

软件应用程序，它运行在主计算机上（如图7中所示的图形用户界面），CTScan函数来为用户提供了

对齐，以确保正确对齐的旋转轴线相对于图像增强器/ CCD探测器阵列的旋转单元
旋转和图像样本从不同的投影角度来评估相应的X-射线参数
收集光明和黑暗的现场校准图像
修复旋转角度来看，收购扫描参数的预测数，图像预处理，处理和集成
（一）（二）

图7 - CTScan用户界面（一）扫描模式（B）对齐的截图。

在设计的硬件，开发的软件应用和随后的系统集成，因为要识别的旋转误差和轴错位的效果。类似地，我们的基本系统中使用的不同的图像增强器所固有的失真被发现对重建质量有显着的效果，并没有得到解决。这两个区域被覆盖在接下来的两节。

3.1实验评估自转参数，轴对齐，样品架

四组实验进行了重建结果显示目标硬件相连的参数的效果。一个标准的幻象被用来允许简单的目测评估参数变化的影响。前三组实验审议获取单个投影图像的位置，在这些位置中的错误的影响。故意引入错误的角度位置，角度增量，并在旋转轴线的方向。

图8示出了随机误差的影响，到指定的电平上的重建质量。显然是几乎没有差别以高达5％的偏差，角度位置。

图8 - 重建与预测误差角的位置（一）（二）5％的误差，没有错误，（C）10％的错误。

图9示出了在相邻的突起之间的角度增量角位置积聚在扫描期间导致错误的错误的效果。此实验表明，累积误差保持在低于1％，以避免在重建质量的显着影响。

图9 - 累积误差角位置（0，10％，5％，1％，从左至右）的重建。

（这里未示出）的第三组实验表明，它是要能优于0.5度，即整个图像帧的倾斜应小于1个像素的CCD检测器的像素行的轴的旋转轴线对齐。

第四组实验的目的是展示给潜在的行业用户不同的方法安装在旋转单元的样品进行检查的影响。使用四种不同的方法安装半导体集成电路封装的样本直接粘到安装杆，嵌入树脂，之间夹着两个刚性板，安装杆用橡皮泥。其目的是要证明，提供样品被刚性地安装的安装方法有边际影响所产生的结果。

3.2失真测绘校正

图像增强仍然被广泛使用在许多工业X射线系统作为一个低成本的探测器。在成像性能方面的图像增强器的主要缺点是其几何失真（枕形失真）和磁场失真。用于工业应用的许多X射线检测系统的图像增强器，因为通常是固定的，并且组件被正确地布置成使得上述磁场失真最小，枕形畸变通常是主要的失真的问题，需要加以纠正。

的图像增强器的输入荧光屏的曲率引起的枕形失真。此问题已被广泛研究的层析X射线照相组合的和量化的数字血管造影[6]。这些研究进行基于一个假设，即是已知的输入荧光体窗口的曲率和CCD摄像机的变焦倍率。

然而，在实践中，在许多情况下，它们一般不会有图像增强器或X射线检查系统的文档。这将导致难以在执行失真校正的方法在实际的检查工作。另一个未充分解决的问题是不同的缩放状态所造成的系统总放大倍数的变化。用CCD，可连续调节，确切的缩放值通常是未知的。使事情变得更加麻烦，有必要考虑CCD摄象机和图象增强管的光轴的光轴之间的可能的微小的不对中。这导致管中心的图像上的位置的不确定性。作为合并的结果，实施这些现有的几何失真技术是相当具有挑战性的，通常有一个校准每个变化相机变焦放大倍率和管中心位置。

我们已经开发和实施了枕形失真校正的情况下使用的算法，曲率的管，放大倍数和管中心位置是未知的。 [7]中可以找到详细的理论背景。图10显示了一个例子，使用这种技术的图像校正。

图10 - （a）原始及（b）校正后的图像失真。

4。典型的结果

使用本文中所描述的硬件和软件产生的结果的例子在图11和图12所示。数据集可以从作者。

图11 - 轴向，矢状面和冠状板块通过电解电容器。

图12 - 轴向，矢状面和冠状板块通过泡沫铝。

5。总结

CT三维重建和可视化软件套件已经研制成功。这个包提供了重建功能的投影图像从任何来源的数据集。专科或高端的硬件并不需要表现令人满意。输出可以检查任何可视化工具。

一个基本的二维X射线检查系统已升级，这样它可以被用来收集断层重建投影图像的数据集。附加单元包括一个应用软件，硬件和旋转定义的一套成功运行的程序。增强功能已纳入确定的硬件平台的限制，包括引入的失真校正所使用的图像增强处理。

参考文献

[1] AC隔和马尔科姆斯拉尼，原则计算机层析成像，清华大学出版社，1988
J.谢，PM114计算机断层扫描，SPIE出版社专着，2003。[2]
[3]，L.C. L.A.费尔德坎普戴维斯和J.W.“克雷斯，“实用锥形束算法”，J.选项。 SOC。 ，A6，6​​12-619，1984。
[4] S.J.与Liew AAMalcolm，XMYin CSChong，“用户友好的可视化的工业X射线CT”，新加坡制造技术研究所的技术报告2009年12月。
[5] Focalspot公司主页，http://www.focalspot.com，2010年10月访问。
[6] R.宁，十王，D.科诺弗和Y.张，“图像失真校正图像增强基于体积CT血管造影”，J. X射线科学。和技术。 9，55-75，2001。
[7] T.刘，A.A.马尔科姆，B.S.黄和徐坚，“枕形失真校正X射线成像与图像增强器”，PROC。国际机场机密。实验力学，2009年新加坡。