材料相关的阈值二维X射线计算机断层扫描

材料相关的阈值二维X射线计算机断层扫描

1。介绍

使用X射线计算机断层扫描(CT)在医疗成像领域的历史可以追溯到20世纪70年代初,自1980年的CT已经成为越来越受欢迎的材料分析和非破坏性测试。因为它的功能,以提供内部和隐藏的结构,例如几何信息添加剂制造或组装的零件,CT最近获得了在该地区的维计量的兴趣。然而,CT本身容易许多有影响力的因素。例如,束硬化效应,而产生由于多色的字符所使用的X射线谱,使拔罐和条纹伪影,并强烈影响成像质量。此外,由一个有限的分辨率,造成部分容积效应,材料和背景之间的分割,这是至关重要的精确的尺寸测量的复杂性。
为了开发CT三维测量到一个强大的工具,在文献中找到了一些尝试量化的CT测量所能达到的精度。克拉克提出一个简单的,但一般来说,用于计算一个工业微焦点CT系统,这是约1/3的体素大小[1]的准确性。 carmignato等。已经开发出一种测试试件的轴和孔结构,以确定阈值,并且报告的尺寸偏差在±4m为一个像素大小为9m的[2]。

suppes和Neuser根据权利要求适当的束硬化校正和表面提取方法减少直径的偏差小于10%的体素的大小,而距离偏差低于体素的大小的1/50 [3]。所有上述结果表明CT在计量领域的前景一片光明。然而,大多数测试使用工件与目标的“容易”的功能,如平行的平面内,圆筒状的轴孔,和领域。由于大量的影响因素,包括工件材料特性,可变的穿透深度,散射噪声,束硬化,过滤器的使用,分辨率,放大,X射线功率等,它仍然是一个重大的挑战,直接把测量精度真正的工业工件的测试对象。
一个非常重要的选择时作出分析CT数据的阈值方法。阈值化直接决定所提取的表面,因此强烈地影响测量精度。全局阈值方法使用灰度值直方图上的信息,选择一个特定的灰度值表示被测对象的边缘(图1)。此外,许多“高级”局部阈值的方法已经开发出来。 abutaleb等。建议局部阈值的方法,该方法依赖于像素邻里[4,5]的联合熵(2D)。同样,白色和Rohrer开发了一种方法,在该方法中,在其邻近地区的平均灰度值的像素的灰度值是相对于[6]。尼布拉克这种局部阈值方法已经适应了在一个滑动窗口[7],使用本地的均值和标准差。许多文章都声称,使用局部阈值方法可以显着提高图像质量的CT三维模型以及测量精度全局阈值方法相比。尽管如此,其他作者的状态,可以发现本地和全局阈值方法所能达到的精度(如Kerckhofs [8])之间没有系统性的改善。此外,为多材料被测量或重建文物时,是不容忽视的,最自适应阈值方法进行全局阈值方法相比,更糟糕,因为前者更容易从这些文物的局部变化[9]。

2。局部阈值和全局阈值之间的比较

图1。 (一)50%等值面全局阈值方法(二):重建幻灯片局部阈值法的工作原理

到现在为止,没有一个单一的阈值方法已被证明是适用于所有情况。在我们的研究中,经常使用的两个阈值的方法:“简单”的全球和本地的自适应方法。 50%的等值面全局阈值法定义了中间的灰度值直方图作为材料边界(图1a)的灰度值与背景间的重大峰。局部自适应方法从全局阈值算法确定了初步的表面。随后,算法搜索预定义的搜索区域内的任一侧的初步表面垂直,同时寻找在灰度级表示的急剧变化的边缘(图1b)。子体素插值的方法来提高分辨率。一般来说,局部阈值的方法是比全局阈值方法耗费更多的时间。在本节中,这两种方法都使用两个标准:三维模型的图像质量和精度的尺寸测量进行比较。

2.1图像质量

如前所述,局部阈值法重新解释边界灰度值不同,具体取决于周围的体素。从理论上说,用这种方法确定物体表面可以比全局阈值法确定的表面光滑,因为由于束硬化或其他器物的局部偏差,将在很大程度上补偿。这已被证明由特征合身,距离和厚度测量的可重复性。如果CT扫描非压倒性的工件,测量相同的距离上的等值面的20倍到约变化。 1m的体素的分辨率为30m的距离为35mm;应用局部自适应阈值的方法时,变异是无法检测的。然而,在许多应用中,多材料对象,不可忽略的工件,或低信号噪声比,由于有限的X射线功率的扫描处理,局部阈值法进一步增加的噪声,而不是改善图像质量(图2 ,3)。

图2。氧化锆(ZrO2)陶瓷量块(顶部)和钢块规(底部)一起扫描不同厚度。左:局部阈值;右:全局阈值。

2。2测量精度

在许多情况下,局部自适应阈值方法导致更好的精度相比,50%的等值面全局阈值法。然而,等值面转移至更低或更高的灰度值(图1a)时,精度的改进可以被检测,如在图4中示出。 3个不锈钢球(直径:2。5mm,4毫米,6毫米,保证公差+ / - 2微米)一起在一个设置扫描范围。上的直径的偏差分段CT模型减去标称尺寸(测量值)作为阈值的值的函数作图。该图表明,局部阈值比全球50%的阈值给出更精确的结果。然而,通过适应的灰度值直方图中的等值面,测量误差可以降低到±3在约m的,如果被选择的灰度值的等值面。在直方图中的80%。在这种情况下,这是类似的,或什至更好的局部阈值的比对结果。图上的线之间的距离。图4是,然而,依赖于对象,设置和机械特性。

图4。本地和全局阈值方法的测量结果,23m的像素大小比较

3。调查材料的全局阈值法

图4显示了50%的等值面使不锈钢球对CT-模型上比他们的实际尺寸放大显示。本节探讨这是否适用于所有的材料和几何形状。

3.1测量钢或ZrO2对象

图5。 (一)重建幻灯片不锈钢缸(b)靠近的边缘。红点代表由50%的等值面定义的边缘的位置;(三)灰度值分布沿绿线“”(四)3D模型Ø4mm不锈钢缸阈值后,
图5显示了一个不锈钢圆筒,直径4mm和保证公差为±1μm的范围内的CT测量的结果。由于严重的束硬化伪影,钢铁是一个比较“困难”材料CT计量。的边缘附近的体素,其特征在于由比在对象模型内部的体素的灰度值高得多。这通常被称为作为罐效果(图5c)。其结果是,材料边缘附近的周围的空气的灰度值也显着提出的由于非零的体素大小和线性内插。当搜索周围50%的等值面材料的边缘,对象模型将出现较大的比它是在现实中。图5c中示出的“准确”材料边缘(基于气缸直径的标称值)的灰度值高于50%之间的值的材料和背景峰;为10的钢管,即灰度值的实际边界更接近于材料的峰值。这是根据图4。

二氧化锆,氧化锆(ZrO2)是一种陶瓷材料,用于制造准确的量块。 ZrO2的密度比钢低一些,但实际上由于其较大的分子ZrO2的X-射线衰减。因此,氧化锆部分还患有严重的束硬化。此外,氧化锆块规由于其平面CT扫描已检测到大量的散射和衍射引起的噪声。图6示出的CT 600氧化锆块规,厚度范围从3mm到8mm的测量结果。每个量块(电压,电流,放大倍率等)相同的条件下分别进行扫描。可以预料,所有测得的厚度是申请时,全球50%的阈值比实际值大。由于周围的平面散射噪声,局部阈值法不允许测量。由于噪声的灰度值的主要是更接近真实材料边缘的背景峰比,表面质量提高换挡时朝向的材料峰值阈值的灰度值。 “准确”的边缘,可以发现在100%左右(材料直方图中的峰值),在这个级别,所有偏差在±10m的。

陶瓷量块的CT测量,体素大小为21m的

3。2铝对象的测量

由于铝的X射线衰减明显低于钢,铝零件遭受更少束硬化工件,如果选择适当的设置。因此,边界周围的体素的灰度值显着升高(比较图8c,图5c)。铝工件的实际的边缘位置,因此非常不同的钢。
在同一台机器设置:X射线电压电流,放大倍率等四个铝缸,直径范围从10mm至25mm和10微米以下的精度测定,但对不同的CT机,配备了类似的225KV源,但不同的探测器: Varian 2520型(图7a),其检测从40千电子伏至150千电子伏,Perkin Elmer公司制1621(图7b),这是适合于X射线的能量从20千电子伏至450的X-射线能量。而前者产生的小的束硬化(图7a),后者则可以获得更严重的束硬化(图7b)。
对钢材的结论相反,所有的气瓶出现小于实际尺寸时,应用50%的等值面阈值法。为了搜寻的灰度值的等值面为精确的边缘,已转移

对背景直方图中的峰值。所有曲线收敛于15%左右,

(一),(二)图7。 CT测量4个铝缸:(一)无明显beamhardening的;及(b)具有明显的beamhardening;体素大小为23m的
线交叉的重建滑动的气缸的灰度值的档案。很明显,实际材料边缘位于内的第1体素的灰度值开始迅速增加。对于其他三个铝瓶,已经发现了类似的结果。

(一)重建幻灯片的铝圆筒测量束硬化无明显;(二)关闭的边缘。右侧上的红点表示定义的50%的等值面边缘的位置;(三)灰度值轮廓沿绿线(一)(四)关闭边界的过渡(c)中

(一)具有明显的束硬化重建幻灯片的铝圆筒测量;(二)关闭的边缘;(三)沿绿线的灰度值分布(一),(d)本边界过渡(三)

但是,如果使用较低的X-射线探测器具有较高的灵敏度,低能量的光子权力或扫描铝制零件,也可以找到明显的罐效果(图9)。人注意到,在这种情况下,实际材料的边缘位置是类似于钢(图7b)。

3.3同时测量钢铁和铝对象

前面的章节中,假设的是,在严重的束硬化的存在下,精确的边缘位置更接近的材料直方图中的峰值,而在没有拔罐效果的是精确的边缘更接近背景峰。本节将讨论是否可以证实这一假说,分析测量时,在一个单一的设置同时具有钢铁和铝对象。在图7的情况类似,图10和图11的测量也已在不同的机器上进行。 One配有Perkin Elmer公司1621检测器(图10)用Varian 2520型检测器(图11),另一种。

钢和铝部件上表现出明显的拔罐效果。当确定的灰度值对应到正确的边缘,无论是材料的边缘靠近到各自的材料峰。此外,当利用全局

使用铝作为等值面边缘阈值的方法,可以精确地测量铝工件而钢工件的表面包围的大量的噪音。应用局部阈值甚至增加了噪音。另一方面,与钢边的特征的灰度值的阈值时,在铝工件完全消失和钢工件的表面变得光滑和准确。如图11中所示的测量,其特征在于只有钢拔罐效果明显,而铝不能。当寻找正确的边缘的铝部分,分割灰度值需要被转移到左侧,
即更接近于背景直方图中的峰值。这证实了假设3.2节所述。表征钢结构部分的灰度值仍然接近直方图钢峰。

4。结论与讨论

已经开发了许多本地的阈值方法,以改善图像质量和CT计量的准确性。然而,局部阈值方法还不可移动的文物是非常脆弱的,在许多情况下没有被证明是比全局阈值更准确。另一方面,虽然50%的等值面是在大多数情况下是不准确的,精度可以显着改善通过移动的阈值值,本文中提到的所有的实验中,阈值可以发现区域10米范围内的所有错误。此外,研究表明,精确的边缘位置主要是重大依赖,甚至束硬化依赖。严重的束硬化的存在下,实际的边缘保持接近的材料峰。如果不衰减材料扫描设备和设置造成在非显而易见beamhardening文物,实际的边缘经常出现在体素的灰度值开始快速增长。多材料的情况下,这也适用。虽然单等值面阈值法的多材料对象不能创建漂亮的3D模型,但它确实提供了一种方法来精确测量不同材料的组件分开。进一步的研究是必要的,以确认目前的研究结果,并实现它们分割成有用的算法。此外,本地和全局阈值方法可以被组合,首先通过使用全局阈值取决于材料类型和束硬化水平定位的边缘,和其后施加的局部阈值,提高图像质量。

参考文献

[1]吉姆·克拉克。计算机断层扫描成为主流。 2010年10月。质量(全球版)。 16-20
[2] Carmignato S,马里内洛曼奇尼łDreossi D,F,葡式ĝ和2009年萨维奥大肠杆菌。 X-raymicro断层扫描系统,使用可追溯的标准几何测试。 Meas.Sci.Technol。 20 084021
[3] Suppes A和Neuser的E. 2008。计量与CT:精密的挑战。 PROC。 SPIE 7078 70791G
[4] A.S. Abutaleb。 1989。利用二维熵的灰度级图像的自动阈值。模式识别47。 22-32
[5]公元布林克。 1992年。使用二维熵阈值的数字图像。 25,模式识别。 803-808
[6] J.M.白色,罗勒G.D.。 1983年光学字符识别图像阈值和其他应用程序需要字符图像提取。 IBM中国研究与发展27(4),P。 400

[7] W.尼布拉克。 1986年图像处理。恩格尔伍德悬崖,纽约。
[8] 2009年G. Kerckhofs。多孔结构的形态和机械定量通过显微CT鲁汶大学,博士论文 - MTM。
[9] K.J. BATENBURG,J. Sijbers的。 2009。断层图像投影距离最小化的自适应阈值。模式识别,成交量:42第10期


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