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  • 發展入門級X射線計算機斷層掃描系統

    發展入門級X射線計算機斷層掃描系統

    摘要

    高的成本和復雜的商業X射線計算機斷層掃描系統的行為,作為中小型企業采用這種技術的一個障礙。這里介紹的工作,試圖CT三維重建和X射線投影數據集收購負擔得起的解決方案,通過發展來解決這些問題。

    關鍵詞:計算機斷層掃描,CT,重建,

    1。介紹

    精密測量集團SIMTECH X射線檢測服務已提供當地同業超過10年,主要用于隱藏的缺陷和內部結構的可視化的部件和材料,從電子,半導體和精密工程部門。

    一個經常性的評論,從我們的互動與當地產業已經進入成本相對較高的X射線計算機斷層掃描檢查。從硬件和軟件的角度來看,我們走近這個關注。

    在本文的第一部分中,我們討論的初步開發,進一步細化和隨后的軟件包,可提供簡化的訪問二維X射線投影圖像的三維重建斷層。

    包集成了投影圖像的預處理,用戶定義的區域利益的選​​擇,扇束和錐體束重建具有可變的重建濾波和SIMTECH的中央射線測定技術專利。

    性能增強定制實現主機和GPU設備上的反投影過程進行了評價。輸入數據可以來自任何合適的X射線檢查機通過不同的配置選項,該系統提供了一個定義。輸出數據可在一定范圍內的標準格式,或者直接通過附帶的可視化軟件工具可以檢查。

    在本文的第二部分,我們將討論一個低成本的手動控制的二維X射線探傷機通過增加旋轉臺適合投影圖像數據集收購的升級換代。

    計算機控制的旋轉舞臺被安裝在移動平臺上的檢查機內。掃描和校準軟件開發了一系列規定的程序后,運行的系統,而。已經開發了用于校正的圖像增強器所引入的失真的方法,它不需要先驗知識的增強器的幾何形狀。

    升級后的系統可以提供輸入數據包的文件的第一部分中所述的重建和可視化。

    2。 CT重建軟件包開發

    的CT重建軟件包,我們的發展目標是創建一個獨立于硬件的解決方案,可用通用的PC硬件上的重建和可視化。

    該軟件所需的處理投影圖像相關的校準和控制信息,以產生一系列的重建切片圖像投影圖像采集過程中,垂直于旋轉軸線的表示檢查對象的3D模型。

    重建切片圖像的簡單的可視化,須結合的,或緊密耦合的,所需的處理來生成它們??梢暬试S用戶查看部分通過沿著軸向,正面或矢狀面軸重構的體積。

    用戶也必須提供足夠的控制權的過程中,讓軟件操作所產生的任何合適的X射線檢測機的投影圖像。

    2.1理論背景

    正如圖1中所示,計算機斷層掃描的X-射線成像技術,使影像的薄的橫截面的一個部分。只差X射線平面移動通過部分被檢測到。通過所有的點的X射線平面,并從多角度X-射線數據采集。這一過程會產生許多細小的圖像'片'相結合,通過數學運算。

    進行計算機斷層掃描,系統必須收集的所有數據,需要創建一個CT圖像掃描周圍的整個部分。在大多數行業應用的X射線檢測系統,通過簡單地旋轉的一部分操縱轉盤上的部分進行掃描。

    層析成像重建的最簡單的形式是基于扇形束算法[1]。以角度θ表示為它的傅立葉變換是假設一個上的第j個檢測器單元的平行束投影,重建的圖像,然后得到方程式。

    在此方程中的計算機實現的詳細描述可以在[2]中找到。當區域檢測器配合使用時,從在每個投影角度獲得的圖像中提取的像素的單行上的扇形束算法操作。每個切片被單獨重建的軸向位置(相對于X射線源)的影響,一般不認為。

    為了實現在該字段上的視圖的區域檢測器的一個改進的,更一致的質量的重建,有必要使使用的錐束FDK算法[3]。取得錐束重建算法的最簡單方法是從扇形束重構算法開始的,并計算每條射線的幾何形狀的基礎上,如在圖2中示出的物點的貢獻。

    重構的圖像是從

    圖1 - 扇束微的CT幾何圖2 - 錐束幾何。

    2.2軟件實現

    實施的重建算法是使用Microsoft Visual Studio C + +編程的各種開源的支持庫,包括FreeImage的和OpenCV。該包裝包括在五個模塊,如在圖3中示出的約5500行的代碼分割。


    圖3 - 軟件實現的主要模塊

    圖4中所示的圖形用戶界面的屏幕截圖。

    2.3績效評估

    為了表征的重建模塊的性能的一組重建與重建矩陣大小為512×512像素到512片180突起(1888x1408像素,8位tiff格式)。不需要任何預先處理。坡道過濾器被應用在傅立葉域。輸出生成的RAW和TIFF格式的文件。在所有基于主機的例子,即沒有使用多線程的執行上運行一個單一的核心。

    表1顯示了使用扇形束重建的第一代執行性能。

    表1 - 重建性能(扇束)

    系統

    基準

    筆記本電腦:2.0GHz的迅馳/ 2GB 533MHz的DDR2

    28分鐘

    桌面1:3.4GHz的奔騰4HT / 2GB 466MHz DDR

    22分鐘

    桌面2:2.4GHz的酷睿2四核/ 4GB 800MHz的DDR2

    15分鐘

    表2顯示了使用和不使用GPU的處理性能,使用錐束重建的第二代。

    表2 - 重建性能(錐體束)

    系統

    基準

    桌面沒有SSE4:2.4GHz的酷睿2四

    17分鐘

    桌面,SSE4處理器:3.4GHz的Core 2 Duo處理器

    7分鐘

    底座與GPU:NVIDIA GTX295 2GB內存

    4分鐘

    2.4可視化

    雖然全面的可視化解決方案都是現成的商業,醫療和工業支持3D成像,這些工具提供了一組豐富的功能和導航功能,不需要受到很多用戶,特別是在電子和半導體行業。此外,這些包一般有一個很長的學習曲線,需要一支訓練有素,經驗豐富的運營商充分利用的利益的工具。

    為了解決這些問題,我們設計并開發了一個簡化的可視化工具,CTVisual,這是用戶友好和互動。圖5中所示的用戶界面。進一步的細節可以發現[4]。該工具允許檢查從重建的數據中提取的三個正交平面集所支持的范圍內的圖像處理功能,以反白顯示的區域和功能。

    圖5 - 屏幕截圖的CTVisual可視化工具。

    3。二維X射線檢查系統升級

    第二階段需要提供更多的方便CT技術投影圖像的數據集收購的價格合理的硬件平臺的發展。這項工作的出發點是二維X射線檢查系統,如圖6所示從FocalSpot Inc。[5]。

    如圖6所示的附加旋轉單元由SIMTECH設計。在使用本裝置被固定到內側的位置在X射線室中的2D檢測系統。通過USB接口連接到主機電腦提供樣本輪換的步進電機。

    軟件應用程序,它運行在主計算機上(如圖7中所示的圖形用戶界面),CTScan函數來為用戶提供了

    對齊,以確保正確對齊的旋轉軸線相對于圖像增強器/ CCD探測器陣列的旋轉單元
    旋轉和圖像樣本從不同的投影角度來評估相應的X-射線參數
    收集光明和黑暗的現場校準圖像
    修復旋轉角度來看,收購掃描參數的預測數,圖像預處理,處理和集成
    (一)(二)

    圖7 - CTScan用戶界面(一)掃描模式(B)對齊的截圖。

    在設計的硬件,開發的軟件應用和隨后的系統集成,因為要識別的旋轉誤差和軸錯位的效果。類似地,我們的基本系統中使用的不同的圖像增強器所固有的失真被發現對重建質量有顯著的效果,并沒有得到解決。這兩個區域被覆蓋在接下來的兩節。

    3.1實驗評估自轉參數,軸對齊,樣品架

    四組實驗進行了重建結果顯示目標硬件相連的參數的效果。一個標準的幻象被用來允許簡單的目測評估參數變化的影響。前三組實驗審議獲取單個投影圖像的位置,在這些位置中的錯誤的影響。故意引入錯誤的角度位置,角度增量,并在旋轉軸線的方向。

    圖8示出了隨機誤差的影響,到指定的電平上的重建質量。顯然是幾乎沒有差別以高達5%的偏差,角度位置。

    圖8 - 重建與預測誤差角的位置(一)(二)5%的誤差,沒有錯誤,(C)10%的錯誤。

    圖9示出了在相鄰的突起之間的角度增量角位置積聚在掃描期間導致錯誤的錯誤的效果。此實驗表明,累積誤差保持在低于1%,以避免在重建質量的顯著影響。

    圖9 - 累積誤差角位置(0,10%,5%,1%,從左至右)的重建。

    (這里未示出)的第三組實驗表明,它是要能優于0.5度,即整個圖像幀的傾斜應小于1個像素的CCD檢測器的像素行的軸的旋轉軸線對齊。

    第四組實驗的目的是展示給潛在的行業用戶不同的方法安裝在旋轉單元的樣品進行檢查的影響。使用四種不同的方法安裝半導體集成電路封裝的樣本直接粘到安裝桿,嵌入樹脂,之間夾著兩個剛性板,安裝桿用橡皮泥。其目的是要證明,提供樣品被剛性地安裝的安裝方法有邊際影響所產生的結果。

    3.2失真測繪校正

    圖像增強仍然被廣泛使用在許多工業X射線系統作為一個低成本的探測器。在成像性能方面的圖像增強器的主要缺點是其幾何失真(枕形失真)和磁場失真。用于工業應用的許多X射線檢測系統的圖像增強器,因為通常是固定的,并且組件被正確地布置成使得上述磁場失真最小,枕形畸變通常是主要的失真的問題,需要加以糾正。

    的圖像增強器的輸入熒光屏的曲率引起的枕形失真。此問題已被廣泛研究的層析X射線照相組合的和量化的數字血管造影[6]。這些研究進行基于一個假設,即是已知的輸入熒光體窗口的曲率和CCD攝像機的變焦倍率。

    然而,在實踐中,在許多情況下,它們一般不會有圖像增強器或X射線檢查系統的文檔。這將導致難以在執行失真校正的方法在實際的檢查工作。另一個未充分解決的問題是不同的縮放狀態所造成的系統總放大倍數的變化。用CCD,可連續調節,確切的縮放值通常是未知的。使事情變得更加麻煩,有必要考慮CCD攝象機和圖象增強管的光軸的光軸之間的可能的微小的不對中。這導致管中心的圖像上的位置的不確定性。作為合并的結果,實施這些現有的幾何失真技術是相當具有挑戰性的,通常有一個校準每個變化相機變焦放大倍率和管中心位置。

    我們已經開發和實施了枕形失真校正的情況下使用的算法,曲率的管,放大倍數和管中心位置是未知的。 [7]中可以找到詳細的理論背景。圖10顯示了一個例子,使用這種技術的圖像校正。

    圖10 - (a)原始及(b)校正后的圖像失真。

    4。典型的結果

    使用本文中所描述的硬件和軟件產生的結果的例子在圖11和圖12所示。數據集可以從作者。

    圖11 - 軸向,矢狀面和冠狀板塊通過電解電容器。

    圖12 - 軸向,矢狀面和冠狀板塊通過泡沫鋁。

    5??偨Y

    CT三維重建和可視化軟件套件已經研制成功。這個包提供了重建功能的投影圖像從任何來源的數據集。??苹蚋叨说挠布⒉恍枰憩F令人滿意。輸出可以檢查任何可視化工具。

    一個基本的二維X射線檢查系統已升級,這樣它可以被用來收集斷層重建投影圖像的數據集。附加單元包括一個應用軟件,硬件和旋轉定義的一套成功運行的程序。增強功能已納入確定的硬件平臺的限制,包括引入的失真校正所使用的圖像增強處理。

    參考文獻

    [1] AC隔和馬爾科姆斯拉尼,原則計算機層析成像,清華大學出版社,1988
    J.謝,PM114計算機斷層掃描,SPIE出版社專著,2003。[2]
    [3],L.C. L.A.費爾德坎普戴維斯和J.W.“克雷斯,“實用錐形束算法”,J.選項。 SOC。 ,A6,6​​12-619,1984。
    [4] S.J.與Liew AAMalcolm,XMYin CSChong,“用戶友好的可視化的工業X射線CT”,新加坡制造技術研究所的技術報告2009年12月。
    [5] Focalspot公司主頁,http://www.focalspot.com,2010年10月訪問。
    [6] R.寧,十王,D.科諾弗和Y.張,“圖像失真校正圖像增強基于體積CT血管造影”,J. X射線科學。和技術。 9,55-75,2001。
    [7] T.劉,A.A.馬爾科姆,B.S.黃和徐堅,“枕形失真校正X射線成像與圖像增強器”,PROC。國際機場機密。實驗力學,2009年新加坡。


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