多分辨X射线CT成像纤维增强复合材料

多分辨X射线CT成像纤维增强复合材料

1。介绍

纤维增强复合材料的表征是原始的发展阶段，尤其是当新的制造技术和新材料的使用。通常采用光学技术及其表征，但这些是破坏性的，可能是耗时的。使用X射线计算机断层扫描（CT）的3D特性，是一个很好的选择，因为它是一种快速和非破坏性的技术。但直接用工业X射线CT设备可能没有得到预期的结果，因为不同大小的样品的高度复杂性。
我们开发了一种方法，该方法适应采集和重建，以便我们回收允许感兴趣的区域（ROI）的更准确的分析，因为它具有更高的空间分辨率的多分辨率图像。下一节详细信息我们的方法一起重建算法，并在第4节，我们提出两个样品的实验结果。

2。方法

在变焦在CT设置[1-4]我们获得了两套预测数据，我们分别表示P1和P2。这两个位置中使用的符号，在下面的图所示。 1。

图1。不缩变焦设置两个收购仓。

2.1的近似一个细节图像重建算​​法（ASDIR）

我们的重建算法[4]采用滤波反​​投影（FBP）的想法，包括四个步骤：
＃1正弦图创作。通过与其他方法相结合的二维投影，我们将两个数据集的处理的窦腔X线照相图形表示为p1的（β1中，s1）和p2（β2，s2）中。我们建立一个更大的窦腔X线照相，由p表示，而这个过程可以被视为获取缩放位置的截头凸起的延伸。假设N1像素检测器，我们创建了一个虚拟的检测器N2的像素，用N2 = zr·的N1和其中r z表示的放大系数在两个位置之间的比率。的扩展的窦腔X线照相P的中央部分由来自与几何参数的关系，而外部点计算从p1点复制的窦腔X线照相p2是要点。用于创建放大的窦腔X线照相的公式是：扩展的正弦图进行加权，并过滤FBP算法的第一部分，同样地。
＃2小波变换的正弦。第二步包括扩展的正弦与一维离散小波变换（DWT）应用于逐行的转换。
＃3多尺度backprojections。在先前步骤中获得的近似小波系数的一组背投影和获得的第一子图像执行机构。甲第二子图像IROI，得到通过逆投影扩展的窦腔X线照相的部分对应的ROI。
＃4决赛的图像恢复。在最后一个步骤中，我们从两个子图像的前一步骤中创建的多分辨率图像。我们首先创建一个二维可分离小波分解使用IA和设置细节系数为零。该图像被变换的二维逆DWT和第二子图像的ROI的位置重叠。

2.2算法验证

我们验证了我们的方法模拟生成的数据与CIVA 10 [5]两个CAD对象。估计对内部和外部的投资回报率的重建图像的空间分辨率和对应的期望。由于近似的窦腔X线照相图形中的组合系统误差是非常小的。与嘈杂的数据进行了详细的分析，结果是系统性的错误相比是微不足道的光子噪声。

3。实验数据结果

我们提出我们的两个对象，两个样品的纤维增强复合材料。我们只执行一个基本的分析，以证明我们的方法的功能的重建图像。

3.1样品

第一个样品表示为“SN1”，并显示在图1（一）是一个平行六面体的测量10.0×11.2×7.2毫米的平均密度为1.73 g/cm3。这是一个涂层的陶瓷基体中的碳纤维材料制成。

（一），（二）图。 2。 （一）SN1样品;（二）SA样品。

称作“Sa的”第二个样品制成的SiC纳米粒子与基体的碳纤维增强的组织。该纤维的直径为7μm，它们都装在所谓约2000纤维丝束。纤维束编织的多层交错安排。图图1（b）中显示的成像的样品被固定在树脂中并切成一个平行六面体为0.60×0.75×3.45毫米，平均密度达到1.29 g/cm3。

3.2 X射线CT系统

由于这两个样品中含有不同尺寸和为了测试我们的方法在各种系统中，我们使用了两个图所示的CT设备。 3。 SN1的示例，成像上一个微型CT装置或微聚焦X射线发生器的（FXE 160.50），一个精确的转盘，平板检测器，包括耦合到的CsI闪烁体的光电二极管阵列组成的。它的尺寸为12×12厘米，标称的像素尺寸为50微米左右。
所述第二设备是一个nanotomograph（2011年SKYSCAN）组成的一个子千分尺的X射线源，一个非常高的精确度转台和一个增强型CCD检测器的1280×1024像素为10μm。

（一），（二）图。 3。 （一）微型CT（二）纳米CT。

3.3实验结果及分析

SN1样品成像显微CT系统在加速电压为60 kV。甲数360突起购入倍率为5和1440的突起20的缩放率在第二位置位于第一位置。该预测被裁剪为1536×512像素，因此完整的重建体积为6144×6144×512像素2.5微米大小。中心的投资回报率，并有一个直径为3.84毫米。与这些参数的计算到对象的体素的比例为1:4880。
ASDIR重建是非常不错的，清晰的图像内的投资回报率能识别奇异或群体的纤维，例如在图2（b）条的箭头。

（一）二）

图4。 ASDIR重建SN1样品：（一）通过音量;斜剪（二）裁剪ROI内的CT片。

我们计算了孔隙率的面积比率为32 CT切片重建成交量。它是独立计算整个卷，金额为17.9±0.2％和17.5±0.4％的投资回报率只有它的价值计算。这两个值之间良好的一致性证明的是低分辨率的，足​​够的估计的投资回报率获得更高的空间分辨率，诸如纤维的孔隙率，但更小的细节可以进行分析。
萨样品上成像纳米CT装置，使用加速电压为40kV的。在以前的情况下被收购，但360和1440的预测放大系数分别为8.5和34。突起的有效面积为1280×256像素，在整个重构的体积为5120×5120×256像素为0.3μm。在ROI的直径为381微米的，因为它被选择了偏离中心，的对象voxelto比一个较小的值比前面的示例中，用一个值约为1:3300。

​

（一），（二）图。 5。 ASDIR萨样品：（一）延长正弦重建;（二）ASDIR图像。

由于本示例输精管固定在树脂中获得的对比度是差比为SN1样品。的较小直径的碳纤维和制造过程使样品难以成像和分析。但是我们能够个性独立纤维内的投资回报率。计算孔隙率超过32 CT片前面的情况同样地。它相当于25.4％±0.1％的整体形象和37.7％±1.0％高分辨率区域。如此高的差异是正常的，因为非均匀样品，我们特意选了填充物的基质材料具有较低的投资回报率。输出图像可以不仅用于计算的孔隙率，同时也为类似的形式因素或其他参数的方位分布估计。

4。结论

我们介绍了复杂样品的X射线CT成像的原始方法。我们的方法的特殊性表示的组合中的两套数据的分析公式和随后的子波处理，其中有几个优点。一个重要的方面是，我们需要背面投射放大的正弦的总点数只有一小部分，因此，我们是非常大的量能够重建一个快速的方式。因为最终图像恢复是一个快速的操作，可以做到对飞，一个重要的减少存储需求可以得到。另一个重要方面是，我们的的小波处理是相当于一个低通滤波器，因此在实验数据的情况下，噪声被减小。我们的方法的一个限制是，这种形式的组合进行平行的平面上，作为一个整体的重建仅仅是伪3D。

最重要的方面是，与我们的方法中，我们获得一个像素到对象的比为约1:5000，这是优于具有标准的工业CT装置获得的比例约5倍。此外，该算法是灵活的，通过调整采集参数，可以得到更高的比例。

参考文献

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[5] 2011年http://www-civa.cea.fr。