增强经济实惠的计算机X射线扫描解决方案

增强经济实惠的计算机X射线扫描解决方案

介绍

在SIMTECH的精密测量组已经提供X射线检查当地的行业服务超过10年,主要是隐藏的缺陷和内部结构的可视化组件和材料的电子,半导体,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一直是比较高的入门成本,X射线和计算机断层扫描检查。 ,我们走近这个从既是一个的的硬件和软件的角度来看的的关注。
在本文的第一部分中,我们讨论的初步开发,并随后进行进一步的细化的一个软件包,可提供三维断层的二维X射线投影图像重建的简化访问。
该软件包包含投影图像前处理,用户定义的区域利益的选​​择,扇束和锥束重建与可变重建滤波和SIMTECH专利的中央射线测定技术。
性能增强使用定制实现主机和GPU设备上的背面投影过程进行了评价。输入数据可以来自任何合适的X射线探伤机的定义,该系统通过提供不同的配置选项。输出数据被提供在标准格式的范围,或直接由一个随附的可视化软件工具可以检查。
在本文的第二部分中,我们讨论一个低成本的升级换代手动控制的二维X射线探伤机加入适合的投影图像数据集收购的旋转舞台。
被安装在一个可移动的平台内验机的计算机控制的旋转舞台。扫描,并开发了一系列规定的程序操作该系统,同时比对软件。用于校正的由所述图像增强器引入的的失真外的方法已被开发了,其中不要求事先的增强器的几何形状的的知识的。
升级后的系统可以到的重建和的可视化软件包在纸张的在第一部分中所述的,向您提供输入数据。
1。 CT重建软件包开发

在我们的的发展的一个CT重建软件的程序包的客观的是一个为,这是可用的上的一般的的目的PC的硬件的的的的重建和可视化的硬件是相互独立的的解决方案的的创建的。
软件所需的处理投影图像和相关的校准和控制信息,以产生重建的切片图像的一系列垂直于旋转轴线的投影图像采集过程中,表示根据检查对象的三维模型。
重建切片图像需要简单的可视化集成在一起,紧密地结合,生成它们所需要的处理。的可视化允许用户查看通过重构体沿着轴向,额叶或矢状的轴的部分。
也该用户是,以被提供的与了足够的的控制权的过程,,以允许的软件来操作与通过任何合适的的X-射线验布机生成的的的投影图像过程的。
1.1理论背景

正如图1中所示,计算机断层扫描是满分薄的横截面的一部分,使得图像的X-射线成像技术。只有通过部分薄的透视平面的运动被检测到。透视数据中收集通过的透视平面上的所有的点,并从多角度。此过程中会产生许多细小的影像片“相结合的数学运算。
在执行计算机断层扫描,系统必须收集所需的所有数据创建一个CT图像扫描周围的一个整体部分。在大多数X射线检查系统,行业应用,通过简单地旋转部分机械手转盘的部分进行扫描。
层析成像重建的最简单的形式,是基于上的扇形束算法[1]。假设一个上的第j个检测器单元在平行束投影的角度θ被表示为和它的傅里叶变换是,重构的图像,然后得到

该方程的计算机实施的详细描述,可以发现在[2]中。一起使用时,与区域检测器的扇形束算法从每个投射角处获取的图像中提取的像素的单行上操作。每个切片被单独重建和一般不认为的轴向位置的影响(相对于X射线源)。
为了实现在该字段的视图,区域检测器,它是一种改进的和更稳定的质量的重建需要使的锥束或FDK算法[3]中的使用。的最简单的的的的方式来获得的圆锥-束重建算法是到从所述风扇-束重建算法中后启动,,,并计算的每条射线到一个的对象点,如在图2中示出,基于在几何体上的,的中的贡献。
重构的图像获得从
 
图1 - 扇束微型CT几何图2 - 锥束几何。
1.2软件实现

重建算法的实现是使用Microsoft Visual Studio C + +编程的各种开源支持包括freeimage的和OpenCV的库。该包装包括约5500行的代码分割跨越五个模块,如在图3中所示。
图3 - 主要模块的软件实现


图4中所示的图形用户界面的屏幕截图。

 
(A)(B)
图4 - 重建模块的截图表现(a)结构(b)输出。

1.3绩效评估

为了表征的重建模块的性能的一组180突起(1888x1408像素,8位tiff格式)进行重建与重建矩阵大小为512×512像素到512个片。使用无预处理。一个斜坡滤波器,适用于傅立叶域。 RAW和TIFF格式的输出文件中生成的。在的所有主机-基础的的的的例子,没有的多-线程的被用来的的的即执行上运行的一个单一的的的核心执行。
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)

System

Benchmark

Laptop : 2.0 GHz Centrino / 2Gb 533MHz DDR2

28 minutes

Desktop 1 : 3.4GHz Pentium 4HT / 2Gb 466MHz DDR

22 minutes

Desktop 2 : 2.4GHz Core 2 Quad / 4Gb 800MHz DDR2

15 minutes


表2示出了使用锥形束重建和GPU的处理,而无需使用的第二代的性能。
表2 - 重建性能(锥束)

System

Benchmark

Desktop without SSE4 : 2.4GHz Core 2 Quad

17 minutes

Desktop with SSE4 processor : 3.4GHz Core 2 Duo

7 minutes

Base with GPU : NVIDIA GTX295 with 2Gb Memory

4 minutes

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,不需要的许多用户,尤其是在电子和半导体行业。此外,这些包一般有很长的学习曲线,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,这是用户友好互动的。是图5中所示的用户界面。在[4]中,进一步的的细节可以被发现。该工具允许从重构的数据中提取的三个正交平面集检查所支持的范围内的图像处理功能,以突出显示区域和所关注的特征。
 
图5 - CTVisual可视化工具的截图。


2。升级的二维X射线检测系统

第二阶段需要提供更多的无障碍CT技术发展的一个负担得起的硬件平台,投影图像的数据集收购。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公司[5]。
   
二维X射线检查系统(由股份有限公司的FocalSpot)和弹簧加载的样品支架旋转单元表示。
:中还显示了图6,是的附加-上的的的的旋转单元,设计由SIMTECH。在使用中,该单元被固定到位置的2D检测系统内的透视室。步进电机,它提供了样本轮换是通过USB接口连接到主机。
的软件应用程序,CTScan,它运行在主计算机上(如图7中所示的图形用户界面),为用户提供了功能,以

 CTScan用户界面(a)扫描模式(b)​​校准的截图。

在设计的硬件的过程的,的的软件应用程序和随后的的的系统集成它,因为必要的,,以确定的:旋转,的错误和轴误配准的的效果的发展的。类似地,我们的基本系统中使用的类型的图像增强器中的固有的失真被发现对重建质量有显着的效果,必须得到解决。这两个区域被覆盖在接下来的两节。
2.1实验,以评估自转参数,轴校准和样品架

四套实验进行的重建结果证明某些硬件关联参数的效果。使用一个标准的幻象,让简单的​​视觉评估中的参数变化的影响。第一三组实验审议的误差影响在个别投影图像的位置处获得。在该角度位置,角度增量的旋转轴的取向被故意引入错误。
随机误差的影响,对重建质量到指定的水平。显然是有几乎没有差别高达5%的误差角度位置。

重建与误差的角度位置的预测(一)没有错误,5%的误差(二),(三)10%的误差。
相邻的突起之间的角度增量导致积聚在扫描期间的角位置中的错误的错误的效果。该实验表明,必须保持在1%以下,以避免显着的影响,在重建质量累积误差。
     
重建与累积误差的角度位置(0,10%,5%,1%,由左到右)。
(这里未示出)的第三组实验表明,它是必要的是能够与优于0.5度,即整个图像帧的倾斜应该是小于1个像素的像素行的CCD检测器的轴的旋转轴线对齐。
第四组实验的目的是要展示给潜在的行业用户不同的方法安装在旋转单元的样本进行检查的影响。半导体IC封装的样本,用四种不同的方法安装,直接粘到安装杆,嵌入树脂,夹在两个刚性板,连接到安装杆用橡皮泥。其目的是要表明提供了样品被刚性地安装,安装方法有边际影响产生的结果。
2.2失真映射和修正

图像增强仍然被广泛使用在许多工业X射线系统作为一种低成本的检测。在的成像性能的条款,的图像增强器的主要的缺点的顷它的几何的(枕形)的失真和磁性的磁场失真。用于工业应用的许多X射线检查系统,因为在图像增强通常是固定的,和组件都正确配置,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。此问题已得到广泛的研究为数位层析X射线乳房造影术和定量数字化血管造影[6]。这些研究是基于一种假设,即输入荧光体窗口的曲率和CCD摄像机的变焦倍率的是已知的进行。
然而,在实践中中,在许多情况下,,他们一般都是不提供从任一的图像增强器或的X-射线检查系统的文档的。这导致难以在执行失真校正的方法在实际的检查工作。另一种未充分解决的的的的问题是的的总的的放大倍率的由不同的缩放状态引起的的系统的的变化。用CCD,可连续调节,确切的变焦值通常是未知的。为了使事情更加麻烦的是必要考虑可能的轻微的CCD相机和图像增强管的光轴之间的光轴未对准。这将导致管中心的位置在图像上的不确定性。作为共同作用的结果,执行这些现有的几何失真技术是相当具有挑战性的,通常有一个校准的每一个变化的相机变焦放大倍率和管中心位置。
我们已经开发并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。 [7]中可以找到详细的理论背景。图10示出的图像校正的使用这种技术的一个例子。

3。典型结果

使用本文中描述的技术的硬件和软件产生的结果示于图11和图12的实施例。数据集可以从作者。
       
通过电解电容器的轴向,矢状面和冠状面。
泡沫铝的轴向,矢状面和冠状面通过。
4。总结

CT三维重建和可视化的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。专门或高的的-结束的的硬体是不是必需的为令人满意的的性能的。可以检查任何可视化工具的输出。
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投影图像的数据集断层重建。附加单元包括一个应用软件,旋转的硬件和成功运作程序定义的一组。已纳入增强以便解决所识别的硬件平台的限制,包括由图像增强器的使用引入的失真校正。


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