在x射线计算机断层扫描的偏差

在x射线计算机断层扫描的偏差

总结

X射线计算机断层扫描（CT）微聚焦源正越来越多地用于工件的尺寸测量。作为坐标测量机（CMM）的X-射线CT必须满足若干要求，其中包括测量的可重复性，以及小型妈妈探测再现的形状的工件。在VDI / VDE二千六百三十○分之二千六百一十七的的标准DIN EN ISO 10360合适的试验对象和方法确定指定这些参数。在X射线CT扫描仪使用不同的X射线源，所有源的共同点是它们所产生的功率消耗在操作过程中，加热并有一个源位置的温度引起的运动。这个运动，这取决于不同的设计原理和操作参数的源。当改变操作参数，例如加速电压和电子束电流也可以是源位置的移动。重建的三维图像的三维测量，精确的知识的图像规模是必需的，除其他事情。但它依赖于源位置的对象轴和到检测器的距离。为了达到最大的重复测量的再现性，因此，有必要以补偿undÄnderungen在CT测量的源位置进行监测。此外，无偿源产生运动伪影测量的形状特征，例如球。补偿可以防止源的运动，并允许测量这些工件具有探测几微米和几十微米的移动的源。

关键词：尺寸测量，探测，长度偏差，重复性好，运动焦点，VDI / VDE二千六百三分之二千六百十七

1引言
在工业环境中，x射线计算机断层扫描可用于无损检测产品多年。这是必要的，例如在制造过程中，内部缺陷发生的风险必需（如铝铸造的空隙），或测试几个部分组成的现有的组件。随着几​​分钟到几个小时的时间，一个完整的三维图像的被调查对象可以得到。的图像的空间分辨率是有限的大多数对象时由检测器的分辨率和1/1000至1/2000的对象的大小，较小的物体，它可以被附加地有限的最小可实现的光斑尺寸的X射线源。根据对象的大小和材料的工件可以发生，即在3D图像的结构，其中有没有对应的对象。的三维图像数据上手动或自动的制造和装配误差检查。除了排除故障，它是研究对象的兴趣，也可以使用3D图像，即三维测量，以验证是否符合制造公差。在3D图像上可以测量没有引进的力测量原理，所有可能的外部和内部的测量功能。比较与CAD数据的部分可以生产，目标实际比较过压和过小的颜色编码在一个单一的部分代表出席，并已本地化。在三维测量精度的能达到的高度依赖的大小和材料的测试对象，但经常是远低于的三维图像，特别是当许多单独的触摸点在三维图像测量一个单一的措施可以被使用的分辨率，作为的情况下广泛的几何元素。

2精度符合VDI / VDE二千六百三十〇分之二千六百十七的
除其他外，标准DIN EN ISO 10360定义确定坐标测量机的精度的方法。 VDI / VDE 2617/2630交易三坐标测量机的特殊情况，根据X射线CT。探测偏差“形式”（探测错误的形式，PF）和“措施”（探测误差的大小，PS）和该长度测量误差E.按照指令决定探测偏差可以忽略不计粗糙度和形状误差的球是最重要的参数，对设备精度。它是一种形式的探测计算球体的测量点的径向偏差的范围内（图1a）和探测的测量差

图1：定义一些参数根据VDI / VDE 2617 /第二千六百三， （三）（a）中的测量点是黑色实线和由此计算刺破球体黑，红点所示，测量球心距离LKA黑色，校准值颇。

如果由测量确定的球体中心的距离的长度测量偏差E，所以仍然要添加到的错误的球体中心的距离，这两个探测偏差，以获得更加真实的估计误差（图1.C）。另外，E可以被确定为触觉的三坐标测量机，使用双点测量探测偏差，在这种情况下，不需要作进一步考虑的压力表。由于问题Durchstrahlbarkeit长量块和文物发生在3D图像（束硬化）阵列的球形或球形帽然而，大多被用于电子商务的决心。

3源码运动在滨松L9181-02
检查时，在以下的X射线源的型号L9181-02的制造商滨松光子学。这是一个封闭（密封）和最多为130千伏的加速电压和最大的电子束电流为300微安的微焦点源。由此，是维护 - 自由通，不同的是开放的X射线源，有没有活性水冷却。因此，在操作中，，有一个z.T.的显着的变暖和随之而来的运动的源位置。源可以工作在3不同的模式，焦点光斑大小：“小”（8微米，高达8 W），“中间”（20微米，多达16 W）和“大”（40微米，高达39 W）。对于安装位置与顶部排列的电子源（z轴指向上方，见图）是以下三种模式的确定（图2）的运动的来源。的源操作后，在每种情况下两个小时的一个小时的降温。

图2：（一）的X射线源的内部结构使用滨松L9181-02根据[1]与一个阳极5和一个电子源11和（二）源130千伏和8，16和39 W管的性能测量的运动。

所有的三个模式的移动源的形状是相似的。的源点向正x方向移动（即，检测器），而该电子源。在8瓦功率的移动在x方向上为15微米，在16 W 28微米，54微米和39瓦的结果。对于长度测量误差E是键（第4节）在x方向上的运动，而在y和z方向上的运动的影响，探测形式（第5章）。

4的3D图像缩放错误
适用。这会导致错误的3D图像的缩放，这是真实的比例，假设增加
在此表示源运动应被理解为随时间变化的dS的。
随着的METROTOM 800（卡尔蔡司）是支票METROTOM微“，图3.A），这符合指令要求，一共有十次在一排CT测量上述测试参数不变的源（22球的安排。在这种情况下，进行了五次测量用管8瓦的功率，则源两小时，然后再进一步进行了五个样品，在8瓦特。在图3.B被测源运动在整个测量时间为14小时左右。移动的源的两个测量阶段结束时比开始时更大。几个小时后，才可以被称为源在x-方向运动停止。在两个小时的休息时间，源位置返回几乎完全回到了起点。总体而言，源移动过程中的前五个在28微米的测量和十二五期间测量在检测器上（在一个像素的大小为45微米）24微米。在球重建angefittet的理想的球体，其特征在于最小化误差的平方的总和（最小平方误差，LSE）。球心的距离，从而获得触觉CMM（卡尔蔡司UPMC）测量值进行了比较。根据该指令，测量必须在两个不同的放大倍率为七种不同方向的长度测量误差e五个测试长度的决心。的7个不同的方位实现的星形排列的22个球的测试样品中，并在一个单一的CT测量检查。球体相应的触觉目标基准值的5×7 = 35个测试长度测试长度的函数的（3.C图）作为中心从的CTgemessenen的距离的偏差。被给定为一个恒定值（这里为4.5微米）的总和的长度依赖的项（这里L/100与L以毫米为单位）中的最大允许偏差。可以看出，一个单一的测试长度的偏差的变化相对较小（最多至2微米），而每个测试长度的平均偏差是很好的近似的标距长度成正比。这种行为是最容易解释为缩放的3D图像的源和检测器（见方程（1））的位置所产生的不正确的测定误差。在这种情况下，定标误差
E = 1-8⋅10-5（-4.5微米至56.5毫米）。仅当这样一个标度误差是再现的，它可以被补偿以用户窗体可以接受的方式，否则将有以被校正，每个CT测量结果与不同比例因子和重复测量中的三维的成交量的化身的基础已知长度（如球头杆）应确定。

图3：（一）校准测试标本“METROTOM支票微球中心的距离的测量，（二）在10测量在130千伏和8 W管功率源议案，（三）错误的CT-测量的球体中心的距离为第一次测量，和（四）再现性的三个选定的测试长度的重复测量过程中的错误。

图3.D球心的距离在三个选定的试验长度和所有10个CT测量的误差如图所示。而不进行校正，其特征在于，该错误的x分量的源程序，使长的测试长度为2.5微米（56.5毫米）的变化，补偿的移动源的移动时间变化到0.3微米。这证实了解释，它主要是一个比例误差如图3.C CT和触觉CMM之间的偏差，而且偏差是不是由于束硬化，文物重建（费尔德坎普），或造成未知的影响。这里也可以观察到的变化估计：一组769 XS = -15，
XO = 270，XD = 788 234和平均源位移测量通过测量1至5
从20微米（强大的开源运动在第一次测量，见图3.B），我们得到的相对规模测量1测量5，根据公式（1）E = 1 + 4.511·10-5。的源运动dS的= -0.02，必须考虑到，为检测器是无移位
接受。此相对缩放对应于标距长度为56.5毫米，长度为
2:55微米，2.5微米（3.D图）的实验值吻合良好。

5错误提取的对象表面

5.1测试对合成预测
，以确定物体表面的移动源的影响，计算的数字射线跟踪的源位置移动的同时从第一个到最后一个投影在一个或多个方向上均匀地照射图像的单球。然后提取10,000表面的重建点球体，这LSE angefittet的的用球。检测的最佳拟合的球体的表面点的存储可显示的颜色编码中的目标实际比较的形式。为了查看球体的整个表面上，所有的表面点被转换成一个球坐标系中的最佳拟合的球体的中心处的原点。在此图中，每个表面点的坐标为（θ，φ），和存储的最合适的球体可以例如在图中所示为（φ，θ）平面
是。图4示出的例子不同的源所提取的表面为球面的活动的影响和由此产生的探测PF。有一个线性源运动是由每一个像素的大小（在第3节所示，实际的源运动往往更大）模拟。在移动过程中（即是，到检测器）只稍微改变球在x方向上测得的半径，但导致的形状没有变化（图4顶部的权利），在y轴和Ž-方向运动（平行于检测器）的特性与所提取的面（中心）的几微米的行程的“签名”。的表面上的左下角显示的效果的源程序中的y和z的组合运动补偿运动的结果，在重建的右侧。然而，如果一个用途，它是清晰无源运动，一个参考的形式误差3.5微米，开源运动在上升，在这种情况下，可达8.6微米，几乎完全抵消代价重建源运动可以全部10000提取面点未经过滤的确定形状误差。的噪声滤波器的体积由于在实践中的确定的灰度值，以合适的方式的表面点的形状误差。

图4：存储所提取的表面（包括10000点），从最适合的领域用于重建720合成256×256突起的球体半径为1毫米，SE = 36毫米，SD = 800毫米，像素大小0.254毫米，和不同的线性源运动。球是在赤道θ=π/ 2 = 1:57。

5.2实验研究
球体直径为3毫米的CT测量的探针在130千伏和8瓦的功率管1440约1.5小时的预测。球重建表面angefittet与8000点（排除债券支持手写笔）。存储所提取的表面为球面，在图5中，所表示的最佳拟合的球体。对应于图2b中所示的源运动期间发生的CT测量。通过实验确定的形状偏差对应很好地在图4中所示z方向移动的源的情况下（右）。正如我所说，在x方向的同时运动的形式没有影响。肿胀是由于在实验中的移动，超过一个体素，由此产生的误差较大比合成的突起的形式。由于这样的事实，在合成的投影否定的，在实验中较正z轴的旋转轴线的合成倒置的托盘中的情况下。即使在主动运动或校正的源检测到一个缓慢变化的形状误差约1微米的振幅，所产生的残余误差的补偿，在旋转工作台的摆动误差。

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图5：存储所提取的表面重建1440试验探针球的半径为1.5毫米，SE = 53毫米，SD =804毫米，像素大小的突起（8000点）从最适合的领域
0.127毫米。

6小结
中使用的X射线计算机断层扫描，示出了不同的设计，取决于源位置的强烈的运动，无论是在CT测量的工作参数的变化，以及由通过加热的来源。的源位置检测器表面垂直的运动创建一个缩放重建的三维图像，而不进行校正，从而影响测量数据的重复性误差。生成的错误检测器的表面的形状特征的物体表面上的平行的动作。两种类型的错误，可以几乎完全校正的测量的光源，和一个合适的位置在重建。

证书
[1]，T.，冈田和T. Inazuru（2008年）。 X射线管和X射线源，其中包括联合。欧洲专利申请EP 1944789 A1，16.07.2008出版。