發(fā)展入門級(jí)X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)

發(fā)展入門級(jí)X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)

摘要

高的成本和復(fù)雜的商業(yè)X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描系統(tǒng)的行為，作為中小型企業(yè)采用這種技術(shù)的一個(gè)障礙。這里介紹的工作，試圖CT三維重建和X射線投影數(shù)據(jù)集收購(gòu)負(fù)擔(dān)得起的解決方案，通過發(fā)展來解決這些問題。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)斷層掃描，CT，重建，

1。介紹

精密測(cè)量集團(tuán)SIMTECH X射線檢測(cè)服務(wù)已提供當(dāng)?shù)赝瑯I(yè)超過10年，主要用于隱藏的缺陷和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的可視化的部件和材料，從電子，半導(dǎo)體和精密工程部門。

一個(gè)經(jīng)常性的評(píng)論，從我們的互動(dòng)與當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)已經(jīng)進(jìn)入成本相對(duì)較高的X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描檢查。從硬件和軟件的角度來看，我們走近這個(gè)關(guān)注。

在本文的第一部分中，我們討論的初步開發(fā)，進(jìn)一步細(xì)化和隨后的軟件包，可提供簡(jiǎn)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(yù)處理，用戶定義的區(qū)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(cè)定技術(shù)專利。

性能增強(qiáng)定制實(shí)現(xiàn)主機(jī)和GPU設(shè)備上的反投影過程進(jìn)行了評(píng)價(jià)。輸入數(shù)據(jù)可以來自任何合適的X射線檢查機(jī)通過不同的配置選項(xiàng)，該系統(tǒng)提供了一個(gè)定義。輸出數(shù)據(jù)可在一定范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)低成本的手動(dòng)控制的二維X射線探傷機(jī)通過增加旋轉(zhuǎn)臺(tái)適合投影圖像數(shù)據(jù)集收購(gòu)的升級(jí)換代。

計(jì)算機(jī)控制的旋轉(zhuǎn)舞臺(tái)被安裝在移動(dòng)平臺(tái)上的檢查機(jī)內(nèi)。掃描和校準(zhǔn)軟件開發(fā)了一系列規(guī)定的程序后，運(yùn)行的系統(tǒng)，而。已經(jīng)開發(fā)了用于校正的圖像增強(qiáng)器所引入的失真的方法，它不需要先驗(yàn)知識(shí)的增強(qiáng)器的幾何形狀。

升級(jí)后的系統(tǒng)可以提供輸入數(shù)據(jù)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(fā)

的CT重建軟件包，我們的發(fā)展目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)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(guān)的校準(zhǔn)和控制信息，以產(chǎn)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(zhuǎn)軸線的表示檢查對(duì)象的3D模型。

重建切片圖像的簡(jiǎn)單的可視化，須結(jié)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(gòu)的體積。

用戶也必須提供足夠的控制權(quán)的過程中，讓軟件操作所產(chǎn)生的任何合適的X射線檢測(cè)機(jī)的投影圖像。

2.1理論背景

正如圖1中所示，計(jì)算機(jī)斷層掃描的X-射線成像技術(shù)，使影像的薄的橫截面的一個(gè)部分。只差X射線平面移動(dòng)通過部分被檢測(cè)到。通過所有的點(diǎn)的X射線平面，并從多角度X-射線數(shù)據(jù)采集。這一過程會(huì)產(chǎn)生許多細(xì)小的圖像'片'相結(jié)合，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算。

進(jìn)行計(jì)算機(jī)斷層掃描，系統(tǒng)必須收集的所有數(shù)據(jù)，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)CT圖像掃描周圍的整個(gè)部分。在大多數(shù)行業(yè)應(yīng)用的X射線檢測(cè)系統(tǒng)，通過簡(jiǎn)單地旋轉(zhuǎn)的一部分操縱轉(zhuǎn)盤上的部分進(jìn)行掃描。

層析成像重建的最簡(jiǎn)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(shè)一個(gè)上的第j個(gè)檢測(cè)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)描述可以在[2]中找到。當(dāng)區(qū)域檢測(cè)器配合使用時(shí)，從在每個(gè)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(gè)切片被單獨(dú)重建的軸向位置（相對(duì)于X射線源）的影響，一般不認(rèn)為。

為了實(shí)現(xiàn)在該字段上的視圖的區(qū)域檢測(cè)器的一個(gè)改進(jìn)的，更一致的質(zhì)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(jiǎn)單方法是從扇形束重構(gòu)算法開始的，并計(jì)算每條射線的幾何形狀的基礎(chǔ)上，如在圖2中示出的物點(diǎn)的貢獻(xiàn)。

重構(gòu)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(shí)現(xiàn)

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

圖3 - 軟件實(shí)現(xiàn)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(jī)效評(píng)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(yù)先處理。坡道過濾器被應(yīng)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(jī)的例子，即沒有使用多線程的執(zhí)行上運(yùn)行一個(gè)單一的核心。

表1顯示了使用扇形束重建的第一代執(zhí)行性能。

表1 - 重建性能（扇束）

系統(tǒng)

基準(zhǔn)

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(tǒng)

基準(zhǔn)

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(nèi)存

4分鐘

2.4可視化

雖然全面的可視化解決方案都是現(xiàn)成的商業(yè)，醫(yī)療和工業(yè)支持3D成像，這些工具提供了一組豐富的功能和導(dǎo)航功能，不需要受到很多用戶，特別是在電子和半導(dǎo)體行業(yè)。此外，這些包一般有一個(gè)很長(zhǎng)的學(xué)習(xí)曲線，需要一支訓(xùn)練有素，經(jīng)驗(yàn)豐富的運(yùn)營(yíng)商充分利用的利益的工具。

為了解決這些問題，我們?cè)O(shè)計(jì)并開發(fā)了一個(gè)簡(jiǎn)化的可視化工具，CTVisual，這是用戶友好和互動(dòng)。圖5中所示的用戶界面。進(jìn)一步的細(xì)節(jié)可以發(fā)現(xiàn)[4]。該工具允許檢查從重建的數(shù)據(jù)中提取的三個(gè)正交平面集所支持的范圍內(nèi)的圖像處理功能，以反白顯示的區(qū)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(tǒng)升級(jí)

第二階段需要提供更多的方便CT技術(shù)投影圖像的數(shù)據(jù)集收購(gòu)的價(jià)格合理的硬件平臺(tái)的發(fā)展。這項(xiàng)工作的出發(fā)點(diǎn)是二維X射線檢查系統(tǒng)，如圖6所示從FocalSpot Inc。[5]。

如圖6所示的附加旋轉(zhuǎn)單元由SIMTECH設(shè)計(jì)。在使用本裝置被固定到內(nèi)側(cè)的位置在X射線室中的2D檢測(cè)系統(tǒng)。通過USB接口連接到主機(jī)電腦提供樣本輪換的步進(jìn)電機(jī)。

軟件應(yīng)用程序，它運(yùn)行在主計(jì)算機(jī)上（如圖7中所示的圖形用戶界面），CTScan函數(shù)來為用戶提供了

對(duì)齊，以確保正確對(duì)齊的旋轉(zhuǎn)軸線相對(duì)于圖像增強(qiáng)器/ CCD探測(cè)器陣列的旋轉(zhuǎn)單元
旋轉(zhuǎn)和圖像樣本從不同的投影角度來評(píng)估相應(yīng)的X-射線參數(shù)
收集光明和黑暗的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)圖像
修復(fù)旋轉(zhuǎn)角度來看，收購(gòu)掃描參數(shù)的預(yù)測(cè)數(shù)，圖像預(yù)處理，處理和集成
（一）（二）

圖7 - CTScan用戶界面（一）掃描模式（B）對(duì)齊的截圖。

在設(shè)計(jì)的硬件，開發(fā)的軟件應(yīng)用和隨后的系統(tǒng)集成，因?yàn)橐R(shí)別的旋轉(zhuǎn)誤差和軸錯(cuò)位的效果。類似地，我們的基本系統(tǒng)中使用的不同的圖像增強(qiáng)器所固有的失真被發(fā)現(xiàn)對(duì)重建質(zhì)量有顯著的效果，并沒有得到解決。這兩個(gè)區(qū)域被覆蓋在接下來的兩節(jié)。

3.1實(shí)驗(yàn)評(píng)估自轉(zhuǎn)參數(shù)，軸對(duì)齊，樣品架

四組實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了重建結(jié)果顯示目標(biāo)硬件相連的參數(shù)的效果。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的幻象被用來允許簡(jiǎn)單的目測(cè)評(píng)估參數(shù)變化的影響。前三組實(shí)驗(yàn)審議獲取單個(gè)投影圖像的位置，在這些位置中的錯(cuò)誤的影響。故意引入錯(cuò)誤的角度位置，角度增量，并在旋轉(zhuǎn)軸線的方向。

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

圖8 - 重建與預(yù)測(cè)誤差角的位置（一）（二）5％的誤差，沒有錯(cuò)誤，（C）10％的錯(cuò)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(dǎo)致錯(cuò)誤的錯(cuò)誤的效果。此實(shí)驗(yàn)表明，累積誤差保持在低于1％，以避免在重建質(zhì)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(shí)驗(yàn)表明，它是要能優(yōu)于0.5度，即整個(gè)圖像幀的傾斜應(yīng)小于1個(gè)像素的CCD檢測(cè)器的像素行的軸的旋轉(zhuǎn)軸線對(duì)齊。

第四組實(shí)驗(yàn)的目的是展示給潛在的行業(yè)用戶不同的方法安裝在旋轉(zhuǎn)單元的樣品進(jìn)行檢查的影響。使用四種不同的方法安裝半導(dǎo)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(gè)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(chǎn)生的結(jié)果。

3.2失真測(cè)繪校正

圖像增強(qiáng)仍然被廣泛使用在許多工業(yè)X射線系統(tǒng)作為一個(gè)低成本的探測(cè)器。在成像性能方面的圖像增強(qiáng)器的主要缺點(diǎn)是其幾何失真（枕形失真）和磁場(chǎng)失真。用于工業(yè)應(yīng)用的許多X射線檢測(cè)系統(tǒng)的圖像增強(qiáng)器，因?yàn)橥ǔＪ枪潭ǖ模⑶医M件被正確地布置成使得上述磁場(chǎng)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(qiáng)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(shù)字血管造影[6]。這些研究進(jìn)行基于一個(gè)假設(shè)，即是已知的輸入熒光體窗口的曲率和CCD攝像機(jī)的變焦倍率。

然而，在實(shí)踐中，在許多情況下，它們一般不會(huì)有圖像增強(qiáng)器或X射線檢查系統(tǒng)的文檔。這將導(dǎo)致難以在執(zhí)行失真校正的方法在實(shí)際的檢查工作。另一個(gè)未充分解決的問題是不同的縮放狀態(tài)所造成的系統(tǒng)總放大倍數(shù)的變化。用CCD，可連續(xù)調(diào)節(jié)，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(jī)和圖象增強(qiáng)管的光軸的光軸之間的可能的微小的不對(duì)中。這導(dǎo)致管中心的圖像上的位置的不確定性。作為合并的結(jié)果，實(shí)施這些現(xiàn)有的幾何失真技術(shù)是相當(dāng)具有挑戰(zhàn)性的，通常有一個(gè)校準(zhǔn)每個(gè)變化相機(jī)變焦放大倍率和管中心位置。

我們已經(jīng)開發(fā)和實(shí)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(shù)和管中心位置是未知的。 [7]中可以找到詳細(xì)的理論背景。圖10顯示了一個(gè)例子，使用這種技術(shù)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(jié)果

使用本文中所描述的硬件和軟件產(chǎn)生的結(jié)果的例子在圖11和圖12所示。數(shù)據(jù)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。總結(jié)

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

一個(gè)基本的二維X射線檢查系統(tǒng)已升級(jí)，這樣它可以被用來收集斷層重建投影圖像的數(shù)據(jù)集。附加單元包括一個(gè)應(yīng)用軟件，硬件和旋轉(zhuǎn)定義的一套成功運(yùn)行的程序。增強(qiáng)功能已納入確定的硬件平臺(tái)的限制，包括引入的失真校正所使用的圖像增強(qiáng)處理。

參考文獻(xiàn)

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