参数依赖二维X射线计算机层析扫描阈值

参数依赖二维X射线计算机层析扫描阈值

1。介绍

计算机断层扫描（CT）是众所周知的医疗应用。此外，CT机已在工业上使用了几十年的材料检查和定性的质量控制。几年以来，其应用领域已扩大到包括三维测量。此应用领域获得利益，因为到现在为止CT在非破坏性的方式来衡量的内部结构和复杂的对象是唯一的出路。然而，CT测量的准确性和可重复性是依赖于各种参数，但在很大程度上仍然不确定。除了硬件（光斑大小，检测器的像素尺寸，...）和软件（重建算法，束硬化校正算法，...）中，工件本身（材质，大小，...），将决定的测量精度[1]。
通过模拟尺寸测量的准确性和可重复性的几个参数的影响进行了研究[2,3]或实验[4,5,6]。本文着重对电源设置（电压和电流）和材料厚度的影响。此外，机硬件（检测器的灵敏度）和数据分析程序（阈值化方法）的灵敏度的结论是简要讨论。

2。测量设备，软件和程序

在CT测量的第一步是对数据的采集。取自某些数百甚至数千的二维X射线图像中的对象的不同方位。使用的CT装置的X射线源的规格总结于表1。

表1中。对CT-使用的设备的规格

随后，在二维X射线图像重建成三维体素模型。任选地，束硬化校正或降噪算法可以应用到改善的体素模型的视觉质量，尽管它仍然不确定在何种程度上也提高了尺寸精度。本文中给出的结果是基于使用对CT-Pro软件中获得的重建，并示出的线性束硬化校正算法既利用了束硬化校正的数据，而无需使用。
已执行VG Studio Max中的体素模型的进一步的数据处理。一个可靠的校准的像素大小（重新调整）和正确的边缘检测精确的三维CT测量，在测量过程中是必不可少的步骤。
首先，一个定义的对象模型的表面的边缘与背景之间的像素的材料：。一般情况下，50％的等值面决定，考虑到一个灰度值（背景和对测量材料的灰度值直方图的峰峰值之间的中间），作为一个全球性的阈值（全局阈值）。其他方法定义的阈值的寻找，例如本地最高灰度值梯度（局部阈值）。的边缘检测的准确度直接关系到测量的准确度。使用这两种类型的阈值方法的例子说明了本文所研究的影响。
除了边缘检测，一个像素的校准步骤是需要的定义在模型中的体素的大小。对象的距离越近，源，较高的放大率和较小的体素大小。但是，使用作为参考用于校准的倍率轴线上的位置并不总是足够精确的。已经提出了一些校准对象重新定标为正确的体素大小和确定的边缘的阈值[7,8,9]。本文使用边缘独立的距离（例如两个球的中心点之间的距离），以执行体素校准所描述的实验。的体素大小的重新定标因子RS，然后计算：
CTA，B代表独立的边缘REFA，b表示距离上的体素模型，而这个距离的参考值例如使用计量CMM或由制造商保证。基准距离尽可能大，以减少随机的或剩余的系统误差倍率的影响。本文报道的结果是重新缩放后的值。估计的不确定性引起的调整方法的结果是约。 0.1％。

3。 X射线源的设置（电压和电流）的影响

通常定义的X射线源（电压和电流）的设置，使用一些经验法则。必须有足够的电压，在每个方向上穿透工件，以最大限度地提高图像的对比度，而不饱和的背景电流选择。在这些限制，电压和电流的不同组合是可能的。设置的最终选择是强烈依赖于用户的喜好。本节调查是否有显着差异，可以发现之间的允许的设置。

测试对象1：仙人掌步距规

第一个测试对象是通过在“仙人掌”（图1）的形状的槽具有平行立方体的铝（45x45x45毫米）。飞机的编号（1到8），并分为不同的区域（A到F）。两个连续的平面之间的距离为5mm。本文所报道的测量功能区D.飞机之间的水平距离

图1。仙人掌步距规的前视图和3D模型[10]

由于在这个区域的墙壁都具有同等的材料厚度，大小没有影响（参见第4节）的预期。此外，在测试对象的几何形状允许两个体素的校准基于边缘的独立的距离（图2b）和边缘偏移确定的基础上边缘的距离依赖的（图2a）[10]。

（二）图2。独立的距离取决于边缘（a）和边缘（二）

仙人掌步距规测量已与13个不同的设置，使用CT设备在Varian 2520探测器。基于最大梯度的局部阈值的线性束硬化校正算法的组合与已使用的体素模型的重构。所有的5毫米的模型上的区域D中的相邻平面之间的距离的测量和基于独立的边缘距离重新调整，以尽量减少重新定标因素引起的误差，平均1-7和2-8的距离已经被用来确定RS 。重新缩放的CT测量值与的CMM参考测量之间的差别示于图3。该图表明，偏离依赖于使用的电压和电流设置：设置越高，意味着较大偏差。

而且显示了图3中，有一个显着的边缘偏移误差的CT模型，空气间隙太宽，而壁过薄。因此，每次测量结果校正使用4-5为一个设定的依赖校正术语的距离，后的CT୧，୨RS和CT୧​​，୨Ç୭୰୰分别代表平面之间的重新调整的距离i和平面Ĵ前和后的边缘校正，和Ref4，5表示三坐标测量机测量的平面4和5之间的距离。优选用于边缘校正的距离是一个小的，以减少的边缘上残留的比例误差修正项的影响。边缘偏移校正后，减少偏差的三坐标测量机的测量（图4）的不确定度范围内的水平。此外，无显着差异或趋势仍然有不同的设置，得到的结果之间。因此，一个可靠的边缘校正方法似乎消除了设置对测量精度的依赖，以提高可重复性。
由于这两种材料的被测体的形状是重要的参数，在CT
（例如，一个平面上，会导致更比球体的散射和衍射），第二个实验是在一个测试对象组成的镀铬钢球：直径3mm和9感人的球体的直径为6mm（图5）8感人领域。球体被插入到聚合物载体的圆柱钻孔。所有的球的直径精度为±2μm的。还请注意，此测试对象包括边缘依赖距离（球体的直径）和边缘独立的距离（两个相邻的球体的中心点之间的距离）。
由较厚的载体材料的存在下，对CT图像的底部球的影响。此外，非对称的情况下，由于在顶部的球形偏差，观察。因此，结果仅基于中间的球体（在图5中由红色矩形标记）。

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图5。测试对象铬钢球

这第二个测试对象的测量都是用类似的源同上，但用Perkin Elmer公司1621检测器。
球体的直径，测量的电压和电流，并重新缩放的中心点之间的距离的5种不同的组合。图6示出了偏离，再次依赖于所使用的设置。找到的全局阈值的基础上的50％的异的表面，以及局部阈值的依赖关系的设置上的偏差。此外，设置依赖束硬化校正的使用或不存在（图7），不论观察。然而，一个告示记录偏离的幅度，甚至符号都强烈地依赖于所施加的数据处理算法。
由于六个3毫米的球体和七个6毫米球体分别测定测试对象2，图6和7上的误差棒表示为每个直径测量的范围。在这些范围内给申请时，可以达到类似的仙人掌量块遵循的程序的修正项的测量重复性和准确性的指示。很明显，施加设置依赖边缘修正项，可以显着提高了测量的准确度，将在很大程度上消除的设置的影响。重新调整的CT值和标称的球体的直径为不同的全局（左）以及电压和电流设置为本地（右）的阈值化的参考值之间的偏差，重建步骤中使用的线性束硬化校正方法

4。材料厚度

在第3节的结果表明，不仅设置的影响，而且还影响对象的材料厚度：领域的3mm和6mm的产生不同的偏差。因此，本节介绍分析测量系列使用测试对象包括多个领域的不同直径。从两个不同的机器，不同的探测器的测量结果，并简要比较。

测试对象3：五个铬钢球

第一组由5球标称直径范围从1到5毫米（图8）。球体被安装在光的聚合物泡沫材料。这个对象是测量一个225KV机上，用Varian 2520检测器（170KV - 45μA）。重新调整（体素大小校准）测量的校准对象，包括两个红宝石球，在一个已知的距离内彼此通过。无束硬化校正测量已重建。重新缩放后的偏差随着直径的增加倾向于增加。结果示局部阈值，以及为不同的全局阈值策略。

测试对象：10个铬钢球

甲最后一组包括一个更广泛的范围的直径，1和10毫米之间（图9左）。这种设置是不同的225KV机上测量的，具有相同的源，而是用Perkin Elmer公司1621检测器（138KV - 15μA）。对于这样的体素模型，在两个相邻的球体直径为3毫米的距离，在右手侧的图像中的相同的安排，和可见光测量的调整，也已被使用。以前的测量同样地，没有束硬化校正已被使用。

图9所示。 Perkin Elmer公司1621探测器测量之间重新调整CT值与标称值的领域不同直径的偏差

讨论

上述实验的结果表明，在一定直径范围之内，几乎呈线性的直径和重新缩放后的剩余误差之间的关系是明显的。 ，但是，该曲线的斜率是不同的两个测量似乎依赖于阈值方法，机器（检测器），束硬化校正，滤波，但是，它是正确的阈值取决于材料的厚度。唯一的例外是局部阈值后，第二次测量，偏差似乎只有很轻微的变化的结果。

5。结论

本文示出了设置和对象的厚度CT测量的准确性的影响的实验研究的结果。结果再次确认，许多不同的因素影响，这样的精度，目前，这些因素之间的相互作用。
所取得的成果，CT偏差依赖于源设置使用仙人掌步距规秀。在应用设置依赖边缘校正，但测量的精度和可重复性显着提高。需要设置相关的修正项被证实在实验中使用的钢球。此外，这一结论被证明是正确的，不论从应用的边缘检测（50％等值面的全局或局部阈值）和束硬化校正方法（带或不带边缘校正）。然而，所需的边缘修正项的大小和符号是不同的那些参数的不同组合。
随后，在CT精度的材料厚度的影响，研究了使用具有不同直径的两个准确的球体的设置窗口。两个测量确认，重新缩放后的偏差的大小而定，可以观察到偏差和尺寸之间的线性关系。然而，这条曲线的斜率依赖于其他参数。
因此该调查的结论是，确定一个正确的边缘应该是依赖于机器的设置以及使用的材料厚度。

参考文献

[1] Welkenhuyzen楼Kiekens，K.，Pierlet，M.，机Dewulf，W.，Bleys，P.，KRUTH，J.-P.，VOET，A.尺寸计量，工业电脑tomografie：概述影响因素及改进策略，2009年OPTIMESS。
[2] Wenig，体育，S. Kasperl，三维测量的X射线计算机体层摄影术2006年ECNDT，测量不确定度检验。
[3 J.希勒，Kasperl，S.，分析冯Einflussgrössen的BEIM dimensionellen MESSEN mittels的röntgencomputertomographie2007年的DGZfP，。
[4] Weckenmann A.，克莱默，P.，测量不确定度造成测量IMEKO世界congressFundamental的计算机断层扫描，十九和应用计量，9月6-11日，里斯本，葡萄牙，2009年在编制评估。
[5]安德鲁，五，Lettenbauer，H.，Yagüe，JA，计算机断层扫描机的误差来源分析。可通过：http://www.iberprecis.es/docs/Paper_CT.pdf。
[6]谭，Y.，Kiekens，K.，KRUTH，J.-P.，VOET，A.，机Dewulf，W.，数字工业放射学和计算机二维X射线计算机断层扫描，国际研讨会材料依赖阈值断层扫描，6月20日至22日，德国柏林，2011。
[7 BARTSCHER HILPERT，U.，戈培尔，J.，魏德曼，G.，增强和工业计算机断层扫描（CT）测量，通志的CIRP卷的准确性证明。 56/1/2007。
[8] Lettenbauer，H.，格奥尔基B.魏斯，D.，CT系统来验证其准确性计量应用（在既定的国际标准的情况下），数字工业放射学和计算机断层扫描，6月25日国际研讨会-27日，法国里昂，2007年。
[9] Heinzl，C.，卡斯特纳，J.，格奥尔基，B.，Lettenbauer，H.，表面检测方法的比较评估锥束CT三维计量学国际研讨会数字工业放射学和计算机断层扫描数据， 6月25日至27日，法国里昂，2007年。
[10] Kiekens，K.，Welkenhuyzen，楼，谭，Y.，Bleys，P.，VOET，A.，机Dewulf，W.，KRUTH，J.-P.，校准和精度评估测试对象X射线计量，测量和质量控制，第10届国际研讨会9月5日至9日，大阪，日本2010年。