由微计算机断层扫描装置上的三维测量的微对象的影响

由微计算机断层扫描装置上的三维测量的微对象的影响

1介绍

在最近几年里，发展微型计算机断层扫描（μCT）从纯粹的定性测试仪发生了对三维测量工具。鉴于越来越多的认可和采纳的方法在工业和研究越来越多地利用新的问题和新的应用领域。特别是，多组分相反的或几乎相同的吸收特性的测量对象的三维测量任务，这仍然是一个特别的挑战，利用CT过其他坐标测量技术（触觉和光学方法）是具有高的分辨率来检测内部结构。三维测量的要求是表面和界面的​​精确测量。
CT测量，而不是直接触觉表面的方法，但是这是一个函数的决议只有离散DAR。表面确定的阈值方法只能代表第一个办法，因为他们没有提供信息质量的初始表面积测定。然而，与尺寸标准的基础上的球体中心的测试对象，主要是不敏感的错误，可在测量表面，因此特别适用于成像和重构误差的测定。

2标本

本研究中形成了一系列四个球的直径为0.5毫米，分别为（图1）组成的微四面体的标本。调查材料性能的参考材料，并确定图像的规模是：红宝石（主要是氧化铝与外加剂CR）。三球的四面体，上球（A）和两个球较低组（C，D）由红宝石。作为第四个球（B），下球组被分配一个不同的球体材料特性。
每个四面体生产钢球，一个Siliziumnitridkugel（氮化硅）或Zirkoniumdioxidkugel的氧化锆（ZrO2）为研究对象。四面体球的安排，允许直接在朝着这个方向以及外部吸收材料的影响调查。此外，一个参考四面体的四个红宝石球。所用的球的特点（3-5级）的形状和直径明显小于1微米的偏差很小。

图1试样的结构（例如：四面体的三个红宝石球和氮化硅球在侧视图和顶视图）。

基础上，参考四面体不同的特性可以形成。这四个球，6个独立的部分定义在空间六个不同的方向。个体之间的有孔玻璃珠在几微米的范围内的距离形成其他功能。的球面的形状被假定为在近乎理想的程度的测量不确定性。

2.1制造

本研究的所有四面体在客运大楼。在PTB显微操作器使用的科学设备，可以实现在制造和高精度定位和剂量的胶点的精确导向的球[1]（图2，左）。的粘结，使用了一种双组分粘合剂。作为进一步的调查的一部分可以用显微操作器的帮助下，已经四面体球体与直径为0.2mm。
注册成立，直接分配在触觉的参考测量和CT测量，球破压扁一个CFRP对称的支撑杆。的支承杆的支承面是用垂直于杆的轴线的精度最高的四面体，便于精确对准。微四面体的稳定性已经过测试，不同的负载测试和清洁程序。

图2左：定位300微米的球体，中心：微F25（卡尔蔡司），右：红宝石四面体，同时投影图像的CT测量参考测量触觉拼接的例子。

2.2参考测量

触觉的参考测量，以确定球体参数进行使用微F25坐标的测量机（卡尔蔡司）。对于测量，使用由氮化硅制成的300微米直径的探针尖端。在上球750个测量点，每420个测量点下方的三个球。的接触力范围内变化的可能范围从0.6 mN 1 MN和外推所得到的结果几乎为零的接触力测量值序列，以确定接触的力的影响，。
在0.2微米和0.4微米之间的球的形状，并在除了微三坐标测量机，扫描球的形状偏差的偏差的测量的差异。通过附加的测量上的四面体球在每个90°的偏移位置的球四面体的个体差异，扫描球，如确定了颗粒，并考虑到评估。之间的距离球体和球体的中心的直径扩展不确定度U（k = 2时）被确定为从0.30微米和0.25微米。

2.3 CT测量

的标本中所计算的吸收，在BAM上的μCT系统（225千伏）。该标本测量根据下列记录配置：
-1。配置：电压/电流：40 UA kV/200，无过滤器
-2。配置：电压/电流：60 UA kV/133，0.25 mm铜过滤器900预测与辐射分辨率16位的基础上，用一个像素的大小约（2.4m的）3卷数据集重建。影像缩放的参考四面体四个红宝石球（直径0.5毫米）的基础上的两个记录配置用于确定和校正。

3评估

计算出的体积的图像表示被测物体的结构中的穿透X射线dar的衰减，在这种情况下的每个体素的灰度值的形式表示本地衰减。由图像坐标系中的每个体素被定义几何形状确定。拓扑地图，让报表是否一个像素是一个对象的一部分，它属于哪个对象，目前尚未有可测得的体积图像。
在本工作中的图像分析的数据是评价后的方案如图3所示。

图3评价方案

图像分析的第一个目的是想要的对象的结构，其余的图像内容之间的分离。多个对象的分化与分配给一个特定的对象，也应采取。这种划分和分配过程中进行检测。检测的对象是不准确地确定所期望的结构或特性的对象，但在可靠和明确的关联和分离的图像信息。为了这个目的，如知识为基础的图像分割方法的算法，Hough变换和互相关存在。对于目前的问题，一个简单的球发现算法[2]。
然后根据需要上接近的数据的对象的几何形状的检测subvoxelgenaue建模。这种灰度值的档案内插的基础上约已知参数球中的图像数据集。通过测量边拟合模型假定边缘点的灰度值的档案才能确定。除了表面点的档案分析提供了一个质量度量来表征物体表面，进入的表面点的调整权重的形式。图像和对象空间之间的尺寸关系是通过使用图像的规模。此距离是从相应的比较确定。

在物体表面3.1建模

建模的物体表面上的基础上的分析表面轮廓。这些配置文件的表面垂直插补沿着轮廓线的卷映像出的灰度值。内插是根据一个Interpolationskernes根据以下方案：
 
在文献[3，4]，双三次，兰克泽斯和布莱克曼知的插值Interpolationskerne。在这些不同的的Interpolationfensters和其近似的sinc函数的大小。在对比文献中，对称的插值内核被选中，是可以预期的，否则较大的模型误差，特别是在三维内插。
对于测定的表面的过程中的边缘点被假定为单调的和对称的。然后，将表面的点对应的点的最大上升，这是最大的第一零点衍生工具2衍生的轮廓线。推导决定：
 
比n条边的宽度的值的一半被选中。要确定边缘的位置是一号耗散模型由高斯函数。 [5]中描述了这种方法。另一种可能的方法是2的建模衍生物与一条直线。
零点的直线相对应的边缘的位置。高斯的方法，可以期望更高的精度一般。使用这两种方法，以增加的可靠性。高斯建模方法的边缘点。

3.2评价表面

计算机断层记录和再现原理的前提的理论条件下无法实现的实际条件下的一组。出于这个原因，在重建的体积的体素值总是仅代表真实的当地衰减值的近似值，是更强大的伪影的影响。的系统误差和工件中所述的摄像人工创造的，并不来自记录的对象的结构的结构和现象，但有他们的起源的记录技术和方法中的缺陷。根据CT测量的尺寸测量，这需要认识到文物的形象和体积资格。由于表面提取的过程中，直接访问的体素值时，评价过程在这个过程中发生。

在建模是基于内插的轮廓点的表面模型上的一个理想的灰度值边缘（图4左）和用于确定表面点。如果在表面点的测定，采用以下的假设：边缘的形状是单调的。最大上升点对应的表面点（最大的一阶导数或二阶导数的零点）。开头和结尾的Kantenhubes严重对称的（对称的转折点，最大值和最小值的二阶导数相同的表达）。在这项研究中的表面点的测量来表征表面质量是最大的第一使用衍生工具。的高清晰的本地Grauhub沉淀的最大值越大。的灰度值边缘的干扰的最大有负面影响，因此，可以检测到（图4，右侧）。

图4左：模型理想的灰度值边缘，右：两个真正的灰度值型材各自的第一衍生工具。

3.3表面点的参数设置 - 加权Kugelausgleichung的

每个特定的表面点的一个球体，必须满足下面的公式：
 
关于中介最小二乘法调整：分钟PVV

球体参数（中心坐标XM，YM，ZM和半径为r）的最可能的值是确定的。这里每个表面点的质量值与权重P调整中的一个。详细描述的例子Ausgleichungsrechung [6]中进行。

4结果

4.1结果的评价面

基准四面体的四个红宝石球（左）和四面体与一个Zirkoniumdioxidkugel（中，右）上的测量的基础上的表面特征，不同的材料组合物和记录参数的结果如图5所示。为清楚起见，示出，球体人工分离为Zirkoniumdioxidkugel在中间和右边的图像的每一个，其结果。
（参考文献四面体和四面体Zirkoniumdioxidkugel），这些对象中，只有表面部分的滚珠的接触表面上消除或接近于零的权重。此外，在该地区的表面位于粘合点，是模糊的区域，由于不充分的稳定的旋转轴线，每个额定坏。其余区域称重接近一个完全进入Kugelausgleichung的。可测量的区别上的球和低球是不会被检测到（表1，立柱表面）。
图5中，左，不妨碍身体上的参考四面体的四个红宝石球通过示例的方式示出了对象。中间和右边的图5示出了对象，测量发生体，列举四面体与氧化锆球40千伏和60千伏。位的四面体中，每个与钢或Zirkoniumdioxidkugel区域的显示Störkugel特别适用于测量作为表面无法评估的40千伏。 Störkugel本身，但是，可测量几乎是100％（表1，立柱表面）。

​

图5彩色编码表示的权重：左：参考四面体表面评价提出的红宝石在40千伏，中间：正四面体的三个红宝石球氧化锆球为40 kV，右：在3红宝石球四面体与一个氧化锆球在60千伏。

4.2目标实际比较的结果

之间的参考和触觉的CT测量的比较结果列于表1中。球间距比较，直径是没有系统的差异，因此，仅对不同示装置的各自的间距和直径四面体。由参考四面体（鲁宾），因此，在这个四面体的距离的偏差是相对较小的规模。
的三个四面体用钢，氮化硅或Zirkoniumdioxidkugel的，触觉的参考结果的偏差的结果是约0.10至0.15的距离为半径的约0.05的体素的体素。由于这是大致相当于指定的参考测量的不确定性，不能被设置的单个值的讨论（体素大小约（2.4米）3）。
在表1中，未过滤的表面点的差异（100％）相比，在离群值滤波偏离表面点的1％或5％的最大偏差，确定。已经离群值的百分之一的最高点偏离表面过滤到显着减少的公差小于1微米。然而，这样一个离群值滤波器的使用必须进行考虑这些最大偏差的原因下，其他数据操作可能会导致失真的测量结果。

表1的结果

理想的球满心欢喜参考四面体，四面体都是与Zirkoniumdioxidkugel所示的表面点的变化。与图5类似，Zirkoniumdioxidkugel结果被人为地除去分别在中间和右边的图像。最大的偏差，得到了不安在Zirkoniumdioxidkugel红宝石球。这些偏差主要在不可测的表面周围地区发现。但是，它们在球体上的参数的影响是很低​​的，因为它们进入只有一个小的权重的调整。

图6平衡球左：面点参考四面体在40千伏，中间的四面体的三个红宝石球氧化锆球在40千伏，右：与Zirkoniumdioxidkugel在60千伏三个红宝石球的四面体的偏差。

5总结与展望

调查表明，它是可能的，尽管μCT实现高精度的三维测量的强干扰物质组成。这就需要一个客观的分析和评价的物体表面上的目的是检测不可测量或干扰的表面积和评估根据它们的质量作进一步的评估。表面评价所提出的标准是适合于所研究的标本，但在发展的评价标准在CT Dar代表只是第一步。报表有关几何和辐射文物，仍然在这里失踪。应的角度来看，不确定性估计每个像素的重建过程中 - 如预测中的贡献的像素信号的信噪比，通过的工件或标记的局部分布在重建成交量的灰度值的计算。

致谢

作者感谢德国研究基金会DFG促进相关工作的优先方案，最高人民检察院1159“新战略的测量和测试技术，微系统和纳米结构生产”内。我们也感谢先生：哈拉尔拉里赛姆斯（PTB）为协助生产Prüfkörperserie。

证书

[1]MeeßR，洛夫勒F：精密6自由度微组装设备的设计。
第六届国际会议上，欧洲精密工程与纳米技术协会：5月28日 - 2006年6月1日维也纳，维也纳，巴登北路的诉讼。第2卷（2006），64-67
[2]Nöthe男，舒尔茨中号，GRUPPŗ，Kieback乙海贝尔单颗粒重排在烧结过程中通过微焦点计算机断层扫描分析。材料科学论坛534-536页。 493-496（2007），加拿大温哥华，2006年Thermec
[3]汉堡W，比尔格MJ：数字图像处理 - 使用Java的介绍。施普林格出版社，海德堡，柏林，纽约，1 2006年第一版，
[4] Thevenaz P，蓝光Ť，安瑟中号：：插值再访。 IEEE跨医学影像，第一卷。 19页。 2000年7月739 758
[5] Meijering E：A插补年表：从古代天文学现代化的信号和图像处理。 PROC。 IEEE，第一卷。 90，2002年3月，
[6] REISSMANN G：调整理论 - 基础和大地测量中的应用。 VEB出版社大厦，柏林，5 1980年版，