X射线机计算机断层扫描传输的图像质量优化评价

X射线机计算机断层扫描传输的图像质量优化评价

，马可，克里斯托弗Kuhn3迈克尔·Reiter1，迈克尔Krumm4，斯特凡Kasperl2 Erler3，Weiß3丹尼尔，克里斯托弗Heinzl1，基督教Gusenbauer1，约翰Kastner1

应用科学上奥地利州韦尔斯校园，Stelzhamerstrasse 23，4600韦尔斯，1University奥地利，电子邮件：michael.reiter @ FH-wels.at，christoph.heinzl @ FH-wels.at，christian.gusenbauer @ FH-韦尔斯。在johann.kastner @ FH-wels.at

2Fraunhofer IIS EZRT，博士麦克-STR。 81，90762菲尔特，德国，电子邮件：stefan.kasperl @ iis.fraunhofer.de

，卡尔蔡司大街22 3Carl蔡司公司，73446科亨，德国，电子邮件：c.kuhn zeiss.de，m.erler zeiss.de，d.weiss @ zeiss.de

“4RayScan技术有限公司”，Klingleweg 8“，88709梅尔斯堡，德国，电子邮件：m.krumm rayscan.eu

摘要
本文提出了一种工业X射线机计算机断层扫描（XCT）扫描参数的优化研究。为一个特定的应用程序的选择和优化的扫描参数通常是由系统操作员，这导致主观的，往往是次优的扫描结果。 XCT标准提出的参数优化的基础上的最小的扫描过程中发生的透视传输。该EN 16016标准提出了一个最小的传输的约10％至20％，而ISO 15708标准中提出了14％的最小的传输。有利的是，传输的参数选择，不需要任何预备知识相比，基于模拟的方法对试样的几何形状和材料。在这项工作中，具有不同的最小的传输，对选定的样本的XCT扫描工业微XCT的移动设备上完成，测试和验证基于发送参数选择的适用性。每个数据集的质量进行量化，通过计算的措施，信号对噪声和对比度噪声比的不同区域和功能。之后被示出和讨论的那些质量度量之间的相关性和最小的传输。

关键词：X射线计算机断层扫描，传输，优化扫描，参数优化

1引言
XCT设备的扫描参数通常是由用户选择和优化。这往往导致一个次优的扫描质量，从而主观评价结果。由于特定的扫描任务的参数优化是非常耗时的，XCT仿真工具，可以优化自动采集[3-6]。然而，如果检体的几何形状和材料的初步信息是不可用的基于传输的优化是可取的，因为在扫描过程中的最小的传输可以被确定实际XCT扫描之前一些努力。一方面的EN 160162标准为约10～20％为最佳的信噪比和测量结果的[1]提出了一种最小的传输。另一方面，ISO 15708-2表明14％为最佳的对比度敏感性最小的传输。此外，在标准状态下，用户应进行优化试验[2]。我们工作的主要目标是，以验证传输的参数选择建议在上述标准的适用性。

2说明调查
第2.1章描述传输扫描参数的优化，这将是测试2.2的扫描选定的标本一系列背后的理论。微XCT系统上使用的扫描参数，这些试样在2.3列出。关于重建图像质量之间的相关性和最小的投影图像中的透视传输的评价程序的详细描述，示出在第2.4节。
2.1以获得最佳曝光条件与理想的探测器理论
传输值背后的理论[7]中提到的标准[1,2]是根据朗伯 - 戴比尔斯法方程1中给出。 I0是之前和IP所定义的线性衰减系数μ和穿透长度d的吸收后的主要强度的辐射强度。公式2是第一导数的相对于d，它被进一步用于计算的穿透长度ΔD（等式3），一个无限小的变化所造成的对比度的IP。

μ（E）·Ð
我= I·E（1）
P0
∂IΔI
PP-μ（E）·Ð
==-IP⋅μ（E）=-I0⋅Ë⋅μ（E）（2）
∂DΔD
μ（E）·Ð
C =ΔIP= I0⋅Ë⋅μ（E）⋅δD（3）

通过结合由一个理想的检测器检测到的光子的噪声（方程4）公式3与对比度噪声比（公式5）可以被计算为一个小的的穿透长度变化ΔD。

关于μ是零。这样的结果中的最大理论值在约14％的透过率。

∂CNR
μ（E）·Ð2
=Δ⋅E。⎜1 - ⎟= 0⇒μ（E）=（6）
∂μ2ð

IP-μ（E）·D -2
= E = E≈0.14（7）
I0
2.2的描述所用的XCT设备和选定的标本
所有扫描完成一个RayScan 250E锥束XCT设备的。该系统由一个的Viscom 225千伏微聚焦管与钨反射目标和在Perkin Elmer平板探测器XRD 1620 AN14（2048×2048像素，像素尺寸为200μm）。所选择的标本适合于典型的部分频谱的这条微XCT设备。要覆盖的范围内的可能的X-射线的吸收，第一注射成型部件（A部分），由橡胶制成的，厚度约2毫米和低透视吸收已被选择（图1a）的壁。此外，由5个步骤组成的铝步进缸（B部分），每一个10毫米高，已被选定。的外直径增加，从15毫米到55毫米，10毫米（图1b）的步骤。中央钻孔有一个直径为8毫米的[6]。此外，调查已经进行了注射成型的多材料的组分（C部分）由塑料，橡胶密封件和金属销，如图1c所示。

图1：照片选定的标本部分A（A）制成的橡胶EN AW-7075（b）和多材料C（C），B部分。
2.3 XCT系列微扫描的扫描参数的选择
表1列出了扫描参数，以达到不同的最小透视期间XCT扫描测试部分A，B和C，通过增加的X-射线管的加速电压，一般来说，可以增加传输的传输。使用过滤板的前面的管的透视窗口还增加了传输，同时减少束硬化文物由于硬化的多色的X-射线谱。此外，过滤板减少的光子数，导致较低的信号噪声比（SNR）的值。这个SNR的降低可以通过增加曝光时间来补偿。在这项工作中，在加速电压40/80/120/160/200千伏和铜预滤器板与厚度0/0.5/1.0毫米用于实现了宽范围的传输值，同时限制曝光时间约2.5小时。为最小的透视传输的值不对应于一个独特的X-射线谱。由加速电压和预过滤器板，这可能会导致不同的图像质量的不同组合，可以得到类似的传输值。为了确保关于源自焦斑的X射线机管的图像模糊的类似条件，的电功率保持恒定。这是可能的，因为共同的微焦点管的电子束散焦成比例的电功率，以防止从热破坏的目标。被选择的电压值，以达到不同的传输，从而使X射线机管电流的选择，以保证一个恒定的功率为40瓦。这导致了类似的模糊扫描，这应该是可以忽略不计。

图2：A（A），B部分（B）和C（C）部分的第一个图像的投影。蓝色空气区域被用于计算SNRproj。红色的区域被用来计算最小greyvalues​​>公司>每步传输。

部分体素的大小[微米] U [千伏]铜[毫米] [μA] P [W] T [MS]平均曝光时间[分钟]表示SNRproj最小的传输
40 0 1000 40 3900 94 234 0.142
80 0 500 40 1900 1 46 230 0.241
一个82.35 120 0 333 40 1500 1 36 234 0.291
160 0 250 40 1350 1 33 233 0.317
200 0 200 40 1260 1 31 229 0.337
80 0 500 40 1900 1 46 234 0.016
120 0 333 40 1500 1 36 235 0.031
乙45.00 160 0 250 40 1350 1 33 233 0.042
200 0 200 40 1260 1 31 235 0.050
200 0.5 200 40 3300 1 80 220 0.081
200 1.0 200 40 3200 2 154 207 0.096
80 0 500 40 1900 1 46 235 0.030
120 0 333 40 1500 1 36 237 0.058
Ç45.00 160 0 250 40 1350 1 33 234 0.081
200 0 200 40 1260 1 31 230 0.100
200 0.5 200 40 3300 1 80 212 0.162
200 1.0 200 40 3200 2 154 205 0.199
表1：不同的最小透视传输的扫描参数，并保证一个恒定的平均SNR值超过所有的投影图像的区域中含有空气。其他参数：1440的预测，检测器的增益为0.5 pF的Shepp洛根过滤，FDK重建，重建的数据映射从FLOAT32到UINT16，距离源检测器= 1530毫米。
在这项工作中，我们集中在不考虑曝光时间的情况下的图像质量优化。因此，检测器的积分时间和平均化图像的数目已被选择，以获得一个恒定的SNR在一个小的投影图像的区域与强度I0。图2示出了其中所提到的区域被标记为蓝色（50x50像素）的每一个部分的第一凸起。在下面的所有投影图像的平均SNR被称为到SNRproj。为不同的电压的常数SNRproj值和预过滤器的组合允许得出结论XCT图像质量的影响最小的透视传输。表1示出了恒定SNRproj约230，用于广泛的传输。只有具有最高的曝光时间的扫描显示轻微下跌SNRproj由于在X射线管中的热效应。刊登位置的部分A和C上的旋转工作台被选择关于由A. Amirkhanov等人提出的配置技术优化。 [8]。相反，对于B部分的位置已被选定为创建地区知名的最大的渗透长度不同范围的渗透长度来分析质量的措施。详细地传输值计算除以最小greyvalue后的投影图像的3×3的中值过滤的空气（在图2中的蓝色区域）的区域中的平均greyvalue。图2b示出额外的标记为红色的区域为B部分被用来计算每步最小greyvalues​​>公司>传输在表1中列出的最小传输XCT扫描试样的最低的传输过程中，具有最高的旋转位置处发生吸收。
2.4评价程序
本评价的主要目标是显示XCT图像质量和最小的投影图像中的透视传输之间的相关性。此外，基于发送的参数的选择和所建议的10至20％的最小传输值标准中提出的适用性，[1,2]，以获得最佳的扫描结果被验证。在2.2节中描述的部分，因此，一些XCT扫描完成。所使用的扫描参数和达到最小的传输值被列于表1中。 XCT图像质量的每一个数据集进行量化计算的几个区域和区域组合的SNR和CNR值。公式7和8示出的质量的定义测量的SNR和CNR [1,2]，而μ是的平均greyvalue和σ是标准偏差在一个限定的区域的μ。

μ
SNR =（7）
σ

μforeground-μbackground
（8）
CNR =
背景，前景
σ
背景

SNR一般描述嘈杂的和非均匀的图像区域内的检测能力结构。后者通常是由人工制品，例如束硬化。 CNR值相比这个区域或附近的特定结构的对比度不被考虑。有两种方法来使用的措施的CNR，根据公式8中的前景和背景的分配。例如，如果有材料和空气的区域，一个可以使用空气greyvalues​​的标准偏差来计算它描述的能力来检测材料旁边空气的CNR。另一方面，人们可以使用的材料greyvalues​​的描述能力来检测材料内的空气的标准偏差。在这项工作中，我们集中于使用的是标准偏差的情况下的更高的吸收材料为式（8），它给出的较高的吸收材料greyvalue分布是受像束硬化和散射的光子噪声和人造机制的行为洞察。 Greyvalue，修改文物在空气或周围的材料被认为是对比长期的CNR。图3中显示的效果图XCT图像的所有部分来计算的SNR和CNR曲线第3章评价区域。在细节图3a中显示了两个部分区域A，使用XCT的40千伏扫描图像。的材料区域（绿色）被创建，通过施加ISO50阈本XCT图像。此外，这一地区由矩形7x7的侵蚀运营商的侵蚀。被放置，在试样的中心区域（蓝色）的圆筒状的空气121在直径和高度1401的体素的体素。 B部分的SNR和CNR分析在每个直径的5步骤中，通过使用圆筒形和环形区（绿色），每个101的高度（图3b）的体素分开。评价区域的圆柱形表面设置，以保证试样的表面的距离为约10体素。 C部分分析的矩形区域着色为黄色区域中的空气，塑料，橡胶密封件和金属销（图3c和3d）。对准错误的的标本在XCT数据集是小于一个体素。这样的错误可从试样的热运动的原点和试样保持器在扫描期间串联或

图3：被用来计算在XCT图像的SNR和CNR值的评价区域的渲染
（a）为绿色和蓝色中的A部分，（b）为绿色，B部分（c）和（d）为黄色与XCT数据以灰色的部分C。

3结果

3.1 A部分：橡胶绑腿
图4显示了的XCT片的一部分A.放大的切口进行可视化描述，橡胶最小的传输与类似的对比，从14.2％到33.7％不等。橡胶和橡胶和空气之间的最小的传输（图5）的CNR的SNR的图谋确认的视觉印象，但显示了轻微的图像质量的劣化，实现更高的传输。特别是空气区域地块的SNR指出，例如非常低的吸收结构的聚苯乙烯泡沫安装（图4b，丙，丁）可以可视化稍好具有较低的传输值。因此，从10至20％的结果良好XCT此应用程序的图像，但它是不可能的，以确定在该传输范围内的SNR或CNR的局部最大值的最小传输。实际上它是不使用的XCT系统的14％以下，可以得到最小的传输，因为低于40千伏的电压会导致非常高的曝光时间。

图4：（一）重建ZX-片的部分切割出一个橡胶（B）40千伏无预过滤器和14.2％，最小的传输，（C）120千伏无预过滤器和29.1％，最小的传输和收购（ D）200千伏无预过滤器和33.7％，最小的传输。

图5：XCT图像在投影图像的最小传输testpart A.剧情的SNR和CNR
3.2 B部分：铝步进缸
图6显示了片图像的部分Β，其中最小的传输范围从1.6％至9.6％。对于这种应用需要高曝光时间至少达到最少10％的传输和保存约230 SNRproj。摄影图像指出，束硬化文物减少通过增加所使用的X-射线谱，这是成比例，本实验的设置增加了传输的有效能量。 SNR和CNR图（图7）的形状是类似的，导致在相同的扫描参数选择，虽然不是全局不同的整个数据集的优化的选择是，它取决于本地的渗透长度XCT扫描期间发生。为每个单独的数据点在图7中的步骤是不连续的，由于使用离散预滤器板的厚度，因此，在数据点之间的内插是至关重要的。绘制的SNR和CNR值对最小的传输的每个步骤中，指示最高的图像质量在36和50％之间的渗透长度至多约​​7毫米（步骤1）在发送值。为渗透长度可达17毫米（步骤2）中，约20％的最小的传输（步骤3）在28和31％之间的最小的传输和穿透长度高达27毫米预期的最佳。对于更高的穿透长度（步骤4和5）的判断的一个局部最大值的时间是不可能的，由于接受的最大曝光时间为约2.5小时。
此应用程序的限制，主要拔罐文物造成的的不均匀性greyvalue分布的图像质量。由于这些文物强度依赖于渗透长度，获得最佳的参数的组合和最小的透视传输是每步和范围的穿透长度只适合。此铝部分所确定的信号传输达到最佳值可能会有所不同之间不同的XCT系统配置。

重构ZX-铝（一）80千伏未经预滤器和1.6％的最小的传输，（二）200千伏，无预滤器和5.0％的最小的传输及（c）200千伏获取与1 mm的铜制成的B部分的切片预过滤器和9.6％，最小的传输。

在XCT图像每投影图像的步骤，在最小的传输部分B从点4至5中每步的传输间隙的使用所造成的一个0.5毫米的铜预滤器板中的SNR和CNR图解。
3.3 C：多材料部件
图8示出了通过XCT配备橡胶密封件和金属接触塑料制成的连接器的数据集的切片。使用zoom-out的绿色固体的区域示出的塑料制品具有孔隙和橡胶密封。增加发送的查询结果中的损失，这些功能之间的对比度，这是造成能量的X射线衰减系数的依赖性。塑料和橡胶的总衰减系数之间的差异越来越小的较高的光子能量，这使得这些材料的分离困难。除此之外，使用zoom-out的蓝色虚线区域表示，越来越传输之间的金属接触导致更少的文物。这些文物透视之间的衰减和高吸收材料的穿透长度非非线性主要是由，并诱导使用多色的X-射线。 SNR图9a描绘的情节，低吸收材料的SNR损失，提高了传输，而高吸收材料受益于不断增加的传输。橡胶和塑料之间的对比，只表示在图9b的CNR情节的损失。当CNR值下降超过3结构变得很难区分[1]。因此，检查低吸收部分的试样的最小传输的临界上限是10％左右。

（A）（B）（C）（A）（B）（C）
重构ZX-片的C部与1（一）80千伏未经预滤器和3.0％的最小的传输，（二）200千伏，无预滤器和10.0％的最小的传输及（c）200千伏收购多材料组件毫米铜粗滤器和20.0％的最小的传输。

介SNR和CNR在XCT图像超过4～5每一步的是，0.5毫米的铜预过滤器板的使用所造成的从点C部分的传输间隙的投影图像的最小的传输。

4结论
的优化的基础上最小透视传输中的投影图像中所提出的标准[1,2]显然可能只工作在最高的吸收区域。与次优的图像质量，更高的传输的图像区域可能被收购。这是记录由铝步进缸，其中加速电压和预过滤器板的最佳的组合示出了依赖于本地发生的渗透长度的评价结果​​。此外，必须考虑到由加速电压和预过滤器板，这可能会导致不同的图像质量的不同组合，可以得到透射数值。如果在低吸收的试样从10％至20％的最小传输导致不错，但不是最好的XCT图像。 SNR和CNR是在很宽的范围内所造成的不同的扫描参数组合的最小传输值几乎恒定。扫描优化为多材料组分是一个折衷，无论是高的CNR值的区域具有低的吸收材料是可能的，或周围的高吸收原料，被最小化的人工制品。该EN 16016，旁边的优化的基础上的最小的传输，因为它可能是需要调整的加速电压，以最大限度地提高，以区分不同的材料之间的[1]之间的差的线性衰减系数。总结起来，这是不可能，批准一个明确的地方之间最大的SNR和CNR 10和20％，最小的传输选定的扫描任务。这可能是由于用于XCT机制不被视为最优的最小传输的X光片（公式（6））的理论模型中。此外，其他重要的影响的原因可能是由所使用的重建算法，试样材料及其分布在扫描的体积以及它们的不同的能量依赖的衰减系数。最后，设置在10和20％保证该标本是可穿透的由X-射线在所有的投影图像，这是一个重要的要求，成功XCT之间的最小的传输。

致谢
这项工作是由“K-非破坏性检测项目和断层”的授权号，820492。此外，我们要感谢G. Schmee（FCI）提供真实世界的测试部分。

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