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Einfluss von Signal-Rausch-Verhältnis und Binning auf die - NDT.net

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DACH-Jahrestagung 2008 in St.Gallen - Poster 11<br />

<strong>Einfluss</strong> <strong>von</strong> <strong>Signal</strong>-<strong>Rausch</strong>-<strong>Verhältnis</strong> <strong>und</strong><br />

<strong>Binning</strong> <strong>auf</strong> <strong>die</strong> Formmesseigenschaft eines<br />

CT-Messsystems<br />

− Vergleich <strong>von</strong> Messergebnis<br />

<strong>und</strong> Simulationen<br />

Uwe HILPERT, Markus BARTSCHER, Physikalisch-Technische B<strong>und</strong>esanstalt, Braunschweig<br />

<strong>und</strong> Berlin, Braunschweig<br />

Carsten BELLON, Gerd-Rüdiger JAENISCH, Andreas STAUDE, Jürgen GOEBBELS<br />

B<strong>und</strong>esanstalt für Materialforschung <strong>und</strong> -prüfung, Berlin<br />

1 Einleitung<br />

Kurzfassung. Industrielle Computertomographie (CT) mit Röntgenstrahlung ermöglicht<br />

<strong>die</strong> vollständige <strong>und</strong> zerstörungsfreie Erfassung <strong>von</strong> inneren <strong>und</strong> äußeren Oberflächen<br />

mit sehr hoher Messpunktdichte <strong>und</strong> damit <strong>die</strong> Geometriebestimmung technischer<br />

Objekte. Die Analyse der komplexen <strong>Einfluss</strong>größen stellt dabei jedoch eine Herausforderung<br />

dar. Simulationen des Messprozesses bieten hier einen viel versprechenden<br />

Ansatz. Eine Simulation des Messprozesses ist besonders dann vorteilhaft, wenn es<br />

kein geschlossenes Modell des Gesamtprozesses gibt, aber Teilmodelle der Einzelmessprozesse<br />

existieren. Das Fehlen eines Modells des Gesamtmessprozesses bedeutet<br />

u.a., dass es kein geschlossenes Messunsicherheitsbudget mit allen <strong>Einfluss</strong>größen gibt.<br />

Die Simulation kann hier helfen, in GUM konformer Weise [1, 2] Messunsicherheiten<br />

auch bei komplexen Messprozessen anzugeben. Auch in den Fällen, wie aktuell bei der<br />

CT, bei denen <strong>die</strong> Simulation aller Schritte in einer Messkette noch nicht quantitativ<br />

genau genug ist, um belastbare Messunsicherheiten angeben zu können, kann <strong>die</strong> Simulation<br />

schon sinnvoll genutzt werden, um prinzipielle Effekte <strong>und</strong> Abhängigkeiten zu<br />

untersuchen [3]. Zusätzlich bietet <strong>die</strong> Simulation auch aktuell schon wirtschaftliche<br />

Vorteile, wenn sich Mess<strong>auf</strong>gaben häufig ändern. In <strong>die</strong>sem Betrag wird gezeigt, dass<br />

es durch Simulation möglich ist, Messparameter für ein gegebenes Messobjekt zu optimieren.<br />

Hierzu wird in Analogie zu bestehenden Richtlinien der taktilen <strong>und</strong> optischen<br />

Koordinatenmesstechnik (Reihe ISO 10360 <strong>und</strong> VDI/VDE 2617) <strong>die</strong> Kenngröße<br />

PF für <strong>die</strong> Antastabweichung Form verwendet. Es zeigt sich, dass insbesondere der<br />

<strong>Einfluss</strong> des <strong>Signal</strong>-<strong>Rausch</strong>-<strong>Verhältnis</strong>ses <strong>und</strong> des <strong>Binning</strong>s, <strong>die</strong> Zusammenfassung <strong>von</strong><br />

mehren Voxel zu einem effektiven Voxel, konkurrierende Parameter für eine Optimierung<br />

der Formmesseigenschaft eines CT-Systems sind.<br />

Das Problem beim Einsatz der CT als Koordinatenmesstechnik ist <strong>die</strong> Vielzahl <strong>und</strong> <strong>die</strong><br />

Komplexität der <strong>Einfluss</strong>größen <strong>auf</strong> <strong>die</strong> CT-Messeigenschaften. Daher ist für <strong>die</strong> CT wie bei<br />

jeder komplexen Koordinatenmesstechnik für <strong>die</strong> meisten Mess<strong>auf</strong>gaben kein geschlossenes<br />

modellbasiertes Messunsicherheitsbudget verfügbar.<br />

In der klassischen Koordinatenmesstechnik existiert ein empirisches Verfahren (ISO/TS<br />

15530-3), bei dem <strong>die</strong> <strong>auf</strong>gabenspezifische Messsicherheit mit Hilfe eines kalibrierten Werkstückes<br />

durch Wiederholungsmessungen bestimmt wird. Bei <strong>die</strong>sem Verfahren müssen zusätzliche<br />

Unsicherheitseinflüsse aus der Streuung der Werkstückeigenschaften durch weitere<br />

experimentelle Untersuchungen, aus Vorwissen oder durch analytische Betrachtung berück-<br />

1


sichtigt werden. Der Ansatz der ISO/TS 15530-3 zur empirischen Bestimmung der Messunsicherheit<br />

ist relativ zeit- <strong>und</strong> kostenintensiv <strong>und</strong> daher wirtschaftlich nur schwer bzw. nur in<br />

Einzelfällen durchführbar [4]. Zudem existiert noch wenig Erfahrung in der konkreten Umsetzung<br />

<strong>und</strong> der Berücksichtigung aller relevanten Unsicherheitsbeiträge für <strong>die</strong> CT. Aktuell<br />

wird außerdem der in der ISO/TS 15530-3 gewählte Ansatz zur Berücksichtigung unkorrigierter<br />

systematischer Abweichungen kritisch diskutiert [5].<br />

Als Lösungsansatz wird aus <strong>die</strong>sem Gr<strong>und</strong> <strong>die</strong> numerische Simulation des Messprozesses<br />

favorisiert. Sie bietet im Gegensatz zur Messung <strong>die</strong> Möglichkeit, relevante Parameterbereiche<br />

<strong>von</strong> <strong>Einfluss</strong>faktoren vollständig <strong>und</strong> mit einer ausreichenden statistischen Signifikanz zu<br />

berücksichtigen. Die Simulation ist als Monte-Carlo Methode mittlerweile zur Messunsicherheitsbestimmung<br />

akzeptiert <strong>und</strong> in ihrem Einsatz beschrieben [2, 6]. Auch unter wirtschaftlichen<br />

Gesichtspunkten ist <strong>die</strong> Simulation komplexer Messungen interessant, da Simulationen<br />

bei der heute verfügbaren Rechnerperformance deutlich geringere Kosten im Hardware <strong>und</strong><br />

Personalbereich verursachen als reale Wiederholungsmessreihen.<br />

Das hier verfolgte Ziel ist es, im Voraus <strong>die</strong> Messeigenschaften für reale CT-Mess<strong>auf</strong>gaben<br />

zu bestimmen <strong>und</strong> <strong>die</strong> Messparameter soweit zu optimieren, dass <strong>die</strong> Genauigkeit der Messung<br />

gesteigert <strong>und</strong> Fehlmessungen nach Möglichkeit vermieden werden.<br />

2 Untersuchungsansatz <strong>und</strong> Methodik<br />

Im Bereich der industriellen digitalen Radiologie (DR) kommt dem <strong>Signal</strong>-<strong>Rausch</strong>-<strong>Verhältnis</strong><br />

(SNR) eine besondere Bedeutung zu. Es wird vermutet, dass das SNR, welches im Bereich<br />

der DR <strong>die</strong> Detailerkennbarkeit bestimmt, auch im Bereich der CT eine wichtige <strong>Einfluss</strong>größe<br />

darstellt <strong>und</strong> sich <strong>auf</strong> <strong>die</strong> Formmesseigenschaft auswirkt.<br />

Im Wesentlichen wird das SNR <strong>von</strong> der Strahlungsdosis bestimmt. Diese ist jedoch in der<br />

Praxis durch endlich Messzeiten <strong>und</strong> Detektoreinflüsse begrenzt. Eine Erhöhung der Strahlungsdosis<br />

hinter dem Objekt wirkt sich positiv <strong>auf</strong> das SNR aus. Dies kann z.B. bei gleicher<br />

Messzeit durch eine Erhöhung der Beschleunigungsspannung erreicht werden, da <strong>die</strong> Durchdringungsfähigkeit<br />

der Röntgenstrahlung steigt. Jedoch steht dem eine Erniedrigung des Materialkontrastes<br />

bzw. der Detailerkennbarkeit in den Projektionen entgegen. Weiterhin wird<br />

<strong>die</strong> Detailerkennbarkeit in der DR durch <strong>die</strong> relative Größe der Pixel in den Durchstrahlungsbildern<br />

bestimmt.<br />

Allerdings sind <strong>die</strong> Ergebnisse der DR <strong>auf</strong> <strong>die</strong> CT, wegen der Bildgebung durch Rekonstruktion,<br />

nicht direkt übertragbar <strong>und</strong> daher Gegenstand der durchgeführten Untersuchung. Die im<br />

Folgenden verwendete Simulation der CT-Messung basiert <strong>auf</strong> einer Simulation <strong>von</strong> Röntgen-<br />

Durchstrahlungen (Radiographien) als wichtigstem Bestandteil der CT-Messung [7]. Hier<br />

werden <strong>die</strong> genannten Effekte in geeig<strong>net</strong>er Weise berücksichtigt <strong>und</strong> modelliert. Aus <strong>die</strong>sem<br />

Gr<strong>und</strong> wird <strong>die</strong> erstellte Simulationssoftware verwendet, um <strong>die</strong> Formmesseigenschaft des<br />

CT-Systems zu charakterisieren.<br />

Als Methode zur Untersuchung der genannten Einflüsse werden exemplarische Untersuchungen<br />

an einem kalibrierten Prüfkörper durchgeführt, da hier <strong>die</strong> Untersuchung quantitativ auswertbar<br />

<strong>und</strong> wirtschaftlich durchführbar ist. Kriterium <strong>und</strong> wesentlicher Vorteil bei der Verwendung<br />

geeig<strong>net</strong>er (prismatischer) Prüfkörper ist es, dass sie kalibrierfähig sind <strong>und</strong> damit<br />

<strong>die</strong> Messunsicherheit der Kalibrierung angegeben werden kann. Durch <strong>die</strong> Verwendung der<br />

Kalibrierdaten können zusätzlich handhabbare CAD-Geometrien als Primitive konstruiert<br />

werden, mit denen sich <strong>die</strong> Untersuchung einfach <strong>und</strong> automatisierbar durchführen lässt.<br />

Zur Untersuchung der <strong>Einfluss</strong>größen wurden bereits spezielle Prüfkörper entwickelt, gefertigt<br />

<strong>und</strong> kalibriert, welche <strong>die</strong> Bestimmung <strong>von</strong> normgerechten Kenngrößen erlauben. Die<br />

Prüfkörper <strong>und</strong> –konzepte wurden dabei <strong>von</strong> 1D (Kugelstäbe) über 2D (Kugelplatte) <strong>auf</strong> 3D<br />

weiterentwickelt <strong>und</strong> dabei zugleich miniaturisiert. Aktuell können damit <strong>die</strong> CT-<br />

2


Messeigenschaften <strong>von</strong> Abständen, Durchmessern <strong>und</strong> Form charakterisiert werden. Vorraussetzung<br />

dafür ist, dass <strong>die</strong> Messung an einem kalibrierten Prüfkörper <strong>und</strong> <strong>die</strong> Simulation unter<br />

Verwendung rückgeführter Kalibrierdaten des Prüfkörpers durchgeführt werden, da nur dann<br />

Simulationsergebnisse <strong>und</strong> Eingangsdaten quantitativ sinnvoll vergleichbar sind.<br />

2.1 Erstellung eines Referenzmodells als Eingangsgröße der Simulation<br />

Bei einer realen Messung wird zu deren Durchführung ein Messobjekt benötigt. Das Messobjekt<br />

stellt gewissermaßen <strong>die</strong> Eingangsgröße für das abbildende Messsystem, hier der CT dar.<br />

Wie <strong>die</strong> reale Messung benötigt <strong>die</strong> Simulation des Messprozesses ebenfalls als Eingangsgröße<br />

Daten, <strong>die</strong> das Messobjekt beschreiben. Am Beispiel eines 2D Prüfkörpers, der Kugelkalottenplatte<br />

aus Zerodur, wurde bereits dargestellt [3], wie zur Simulation geeig<strong>net</strong>e Eingangsdaten<br />

erzeugt werden können. Für <strong>die</strong> im Folgenden beschriebenen Untersuchungen soll<br />

jedoch im Unterschied dazu ein Kugelkalottenwürfel (KKW) aus Titan [8, 9] als Prüfkörper<br />

verwendet werden, da er durch seine 3D-Struktur wesentlich mehr Information enthält als ein<br />

2D-Prüfkörper wie <strong>die</strong> Kugelkalottenplatte. Durch den größeren räumlichen Informationsgehalt<br />

des KKW kann eine quantitativ bessere Beurteilung des Messprozesses erreicht werden.<br />

Der KKW erlaubt durch seine im Vergleich zur Kugelkalottenplatte verringerte maximale<br />

Dimension <strong>von</strong> (10 mm) 3 <strong>und</strong> seine Einzelkalottengröße <strong>von</strong> nur 0,8 mm Durchmesser auch<br />

Untersuchungen <strong>von</strong> technologisch interessanten CT Messsystemen für den Mikrobereich.<br />

mm<br />

3<br />

Bild 1: Konstruktion <strong>und</strong> Bestimmung<br />

der Abweichungen<br />

einer CAD-Geometrie aus den<br />

taktilen Kalibrierdaten.<br />

Links oben: Punktewolke der<br />

taktilen Kalibrierdaten.<br />

Rechts oben: Aus den Kalibrierdaten<br />

konstruierte CAD-<br />

Geometrie.<br />

Links unten: Soll-Ist Vergleich<br />

der konstruierten CAD-<br />

Geometrie mit den zugr<strong>und</strong>e<br />

liegenden taktilen Kalibrierdaten.


Der KKW wurde mittels eines taktilen KMG kalibriert [9]. In <strong>die</strong> resultierende Punktewolke<br />

(Bild 1 links oben) wurden Regelgeometrien, d.h. halbkugelförmige Kalotten <strong>und</strong> ebene Flächen,<br />

zur Erzeugung der Oberfläche unter Verwendung des Algorithmus der Minimierung der<br />

Abstandsquadrate eingepasst (Ausgleichsverfahren nach Gauß). Es wird dadurch eine CAD-<br />

Geometrie erhalten, in der alle fertigungsbedingten Gestaltabweichungen, d.h. <strong>die</strong> Kalottendurchmesser,<br />

-abstände <strong>und</strong> <strong>die</strong> Rechtwinkligkeiten <strong>und</strong> Parallelitäten der Flächen des Bezugsstandards<br />

beschrieben sind (Bild 1 rechts oben). Lediglich Formabweichungen <strong>und</strong> Rauheit<br />

werden nicht erfasst. Die so erzeugte CAD-Geometrie kann in der Form polygonaler<br />

Oberflächen im STL-Format gespeichert werden. Der Gesamtvorgang stellt einen Reverse-<br />

Engineering (RE) Prozess der Geometrie des Prüfkörpers aus der Punktewolke der taktilen<br />

Messung dar. Zur Qualitätssicherung <strong>und</strong> Beurteilung des RE-Prozesses müssen <strong>die</strong> Abweichungen<br />

der erzeugten Polygonoberfläche zu dem Realkörper analysiert werden. Dieses erfolgt<br />

durch einen Soll-Ist-Vergleich mit den Kalibrierdaten des Realkörpers (Bild 1 unten<br />

links).<br />

Das Histogramm der Abweichungen, das neben der Farbtabelle in Bild 1 links unten dargestellt<br />

ist, zeigt, dass 95 % aller Abweichungen kleiner als 4 µm sind. Zusätzlich tritt ein Offset<br />

der Abweichungen <strong>von</strong> 1 µm zu positiven Werten hin <strong>auf</strong>. Unter Berücksichtigung der Kalibrierunsicherheit<br />

für <strong>die</strong> Form der Kalotten <strong>von</strong> 1,5 µm sind <strong>die</strong> bestimmten Restfehler des<br />

CAD-Modells verträglich mit der Formabweichung des realen Prüfkörpers aus Titan. Es kann<br />

hieraus geschlossen werden, dass erstens <strong>die</strong> fertigungsbedingten Formabweichungen des<br />

Bezugsstandards <strong>von</strong> den Regelgeometrien niedrig sind <strong>und</strong> zweitens, dass <strong>die</strong> CAD-<br />

Geometrie <strong>die</strong> Wirklichkeit bis <strong>auf</strong> <strong>die</strong> genannten Restabweichungen darstellt.<br />

Es muss allerdings angemerkt werden, dass <strong>die</strong> erzielten Resultate nur in der Nähe der taktilen<br />

Antastpunkte exakt gelten. Aus dem Vorwissen über das Fertigungsverfahren des KKW, der<br />

Draht- <strong>und</strong> Senkerosion, können jedoch massive Abweichungen zwischen den taktil erfassten<br />

Messpunkten ausgeschlossen werden. Die farbko<strong>die</strong>rten Abweichungen zwischen der Punktewolke<br />

<strong>und</strong> dem CAD-Modell zeigen somit hauptsächlich <strong>die</strong> Formabweichungen der Regelgeometrien<br />

an. Bei der Darstellung in Bild 1 links unten muss weiter beachtet werden, dass<br />

<strong>die</strong> farbmarkierten Dreiecke <strong>auf</strong> den Seitenflächen durch <strong>die</strong> Facetten der polygonalen CAD<br />

Oberfläche <strong>auf</strong> den ebenen Seitenflächen entstehen.<br />

2.2 Vergleich CT-Messung <strong>und</strong> Simulation<br />

In Bild 2 ist ein Soll-Ist-Vergleich der CT-Messung mit einer Simulation des Messprozess bei<br />

gleicher Wahl der Parameter dargestellt. Die CT-Messung wurde <strong>von</strong> der BAM <strong>auf</strong> einem<br />

Mikrofokus-CT-System mit 180 kV Beschleunigungsspannung <strong>und</strong> einer Rekonstruktionsmatrix<br />

<strong>von</strong> 1024 3 Voxel durchgeführt. Durch <strong>die</strong> maximale Ausdehnung des Messobjekts<br />

ergibt sich hieraus eine Voxelgröße <strong>von</strong> 18,4 µm. Der Soll-Ist-Vergleich <strong>und</strong> <strong>die</strong> dar<strong>auf</strong> folgende<br />

Auswertung erfolgte mit der Software VG Studio Max 2.0. Es zeigt sich, dass <strong>die</strong> Simulation<br />

im Mittelbereich der Seitenflächen <strong>und</strong> im Bereich der Kugelkalotten mit der realen<br />

CT-Messung im Bereich einer halben Voxelkantenlänge übereinstimmt. An den Kanten des<br />

KKW treten Abweichungen zwischen Simulation <strong>und</strong> realer Messung <strong>von</strong> maximal der einfachen<br />

Voxelkantenlänge <strong>auf</strong>. Zum derzeitigen Zeitpunkt kann jedoch letztendlich nicht festgestellt<br />

werden, in wie weit <strong>die</strong> festgestellten Abweichungen an den Kanten der Simulation, der<br />

Messung oder den Herstellungsbedingten Formabweichungen zuzuschreiben sind. Mit Sicherheit<br />

resultieren Sie zum Teil aus einer fertigungsbedingten Verr<strong>und</strong>ung der Kanten. Eine<br />

Verr<strong>und</strong>ung der Kanten wurde in dem CAD-Model nicht berücksichtigt, d.h. <strong>die</strong> Kanten sind<br />

exakt scharf ausgebildet.<br />

4


Bild 2: Soll-Ist-Vergleich der CT-Simulation mit der Messung, bei 180 kV Beschleunigungsspannung<br />

<strong>und</strong> 1024 3 Rekonstruktionsmatrix. Die Voxelgröße beträgt 18,4 µm.<br />

Zur quantitativen Beurteilung der Leistungsfähigkeit der Simulation werden im Folgenden<br />

Kenngrößen aus der Koordinatenmesstechnik herangezogen. Mit den gleichen Kenngrößen<br />

wird standardmäßig <strong>die</strong> messtechnische Leistungsfähigkeit <strong>von</strong> Koordinatenmessgeräten beurteilt<br />

<strong>und</strong> verglichen.<br />

Da es sich bei der untersuchten Eigenschaft, der messtechnischen Abbildung der Kugelkalotten,<br />

um eine lokale Eigenschaft handelt <strong>und</strong> zudem <strong>die</strong> Abweichungen der Oberfläche <strong>von</strong> der<br />

Idealform untersucht werden soll, bietet es sich an, <strong>die</strong> Kenngröße Antastabweichung Form<br />

PF an den Kalotten zu untersuchen. Diese Kenngröße ist in VDI/VDE 2617-6.1 <strong>und</strong> -6.2 für<br />

optische Koordinatenmessgeräte definiert. Der Wert der Kenngröße ergibt sich als Spanne der<br />

radialen Abweichungen der Messpunkte gegenüber dem Ausgleichselement (hier Kugel eingepasst<br />

nach dem Gaußverfahren bzw. Verfahren der Minimierung der Abweichungsquadrate).<br />

Die Kenngröße wurde sowohl für <strong>die</strong> Simulation, als auch für <strong>die</strong> Messung für alle 75<br />

Kalotten <strong>auf</strong> den drei Seiten des KKW ermittelt. Das Ergebnis für eine Beschleunigungsspannung<br />

<strong>von</strong> 180 kV <strong>und</strong> eine Rekonstruktionsmatrix <strong>von</strong> 1024 3 Voxel ist im folgenden Bild 3<br />

dargestellt.<br />

Antastabweichung Form PF<br />

µm<br />

18<br />

16<br />

14<br />

12<br />

10<br />

8<br />

6<br />

4<br />

Seite 1<br />

Seite 2<br />

Seite 3<br />

100 150 200 250 300 350<br />

Kalottenindex<br />

1024 3 180kV simuliert<br />

1024 3 180kV gemessen<br />

Bild 3: Vergleich der Antastabweichung Form PF bei 180 kV Beschleunigungsspannung<br />

<strong>und</strong> 1024 3 Rekonstruktionsmatrix gemessen (�) <strong>und</strong> simuliert (�).<br />

5


Der Vergleich der gemessenen Antastabweichung Form PF mit den simulierten Ergebnissen<br />

bei 180 kV erlaubt eine Aussage zur Größe des systematischen Fehlers des Simulationsprozesses.<br />

Im Mittel werden bei der Simulation <strong>auf</strong> allen drei Seiten des KKW ca. 6 µm Antastabweichung<br />

Form PF erreicht. Hingegen werden bei der Messung im Mittel ca. 10 µm festgestellt.<br />

Als Ergebnis der begleitenden CT-Messung kann festgehalten werden, dass mit der<br />

Simulation <strong>auf</strong> Basis CAD-Models (vgl. Bild 1) <strong>die</strong> Antastabweichung Form PF leicht, um<br />

ca. 4 µm, unterschätzt wird. Als Gr<strong>und</strong> für <strong>die</strong>se Differenz werden <strong>die</strong> im CAD-Model fehlenden<br />

fertigungsbedingten Formabweichungen der Kalotten vermutet. Im Vergleich zur Voxelgröße<br />

<strong>von</strong> 18,4 µm ist <strong>die</strong>s eine gute Übereinstimmung im Subvoxelbereich.<br />

2.3 Auswirkung des <strong>Rausch</strong>en <strong>und</strong> des <strong>Binning</strong>s <strong>auf</strong> <strong>die</strong> Formmesseigenschaft<br />

Im Folgenden wurde mit Hilfe der Simulation <strong>die</strong> Formmesseigenschaft des CT-Messsystems<br />

abgeschätzt. Hierzu wurde zusätzlich zu der bereits dargestellten Simulation mit 180 kV Beschleunigungsspannung<br />

eine weitere Simulation mit 90 kV Beschleunigungsspannung durchgeführt.<br />

Anschließend wurden <strong>die</strong> beiden Simulationen nach der Rekonstruktion jeweils „gebinnt“.<br />

<strong>Binning</strong> bedeutet in <strong>die</strong>sem Zusammenhang, dass jeweils acht benachbarte Voxel zu einem<br />

effektiven Voxel zusammengefasst werden. Bei <strong>die</strong>sem Prozess wird der Grauwert der betroffenen<br />

Voxel gemittelt. Die Rekonstruktionsmatrix verkleinert sich somit um den Faktor 2 3 .<br />

Das bedeutet, dass aus einem Datensatz der Größe 1024 3 Voxel ein Datensatz mit 512 3 Voxeln<br />

erzeugt wird. Der Speicherplatz reduziert sich hierbei um den gleichen Faktor.<br />

simulierte Antastabweichung Form PF<br />

µm<br />

18<br />

16<br />

14<br />

12<br />

10<br />

8<br />

6<br />

4<br />

Seite 1<br />

Seite 2<br />

Seite 3<br />

100 150 200 250 300 350<br />

Kalottenindex<br />

1024 3 180kV<br />

1024 3 90kV<br />

512 3 180kV<br />

512 3 90kV<br />

Bild 4: Ergebnisse für <strong>die</strong> simulierte Antastabweichung Form PF bei Variation der Beschleunigungsspannung<br />

(90 kV <strong>und</strong> 180 kV) <strong>und</strong> der Rekonstruktionsmatrix durch<br />

<strong>Binning</strong> (512 3 <strong>und</strong> 1024 3 ). Niedrigere Werte <strong>von</strong> PF bedeuten eine Verbesserung der<br />

Kenngröße.<br />

Es verw<strong>und</strong>ert nicht, dass bei einem Würfel aus Titan-Vollmaterial bei den gegebenen Dimensionen<br />

unabhängig <strong>von</strong> der Rekonstruktionsmatrix <strong>die</strong> Ergebnisse mit 180 kV Beschleunigungsspannung<br />

jeweils geringere Abweichungen <strong>auf</strong>weisen als bei 90 kV. Dies ist <strong>auf</strong> <strong>die</strong><br />

höhere Absorption des Messobjekts bei niedrigeren Röntgenenergien <strong>und</strong> das damit verb<strong>und</strong>en<br />

schlechtere SNR zurückzuführen.<br />

Interessant ist jedoch ein Vergleich der Antastabweichungen Form PF der gebinnten mit der<br />

ungebinnten Rekonstruktionsmatrix. Im Fall <strong>von</strong> 180 kV Beschleunigungsspannung<br />

(� 1024 3 ;� 512 3 Rekonstruktionsmatrix) weist <strong>die</strong> größere Rekonstruktionsmatrix geringere<br />

Abweichungen <strong>auf</strong>. Der Gr<strong>und</strong> ist hierfür <strong>die</strong> kleinere Voxelgröße.<br />

6


Im Fall <strong>von</strong> 90 kV Beschleunigungsspannung hingegen (� 1024 3 ; � 512 3 Rekonstruktionsmatrix)<br />

weist <strong>die</strong> kleinere Rekonstruktionsmatrix <strong>die</strong> geringeren Abweichungen <strong>auf</strong>. Dies ist<br />

im Bezug <strong>auf</strong> <strong>die</strong> Voxelgröße nicht direkt zu verstehen, da <strong>die</strong>smal der CT-Messdatensatz mit<br />

der größeren Voxelgröße <strong>die</strong> kleineren Abweichungen <strong>auf</strong>weist. Dies wird <strong>auf</strong> eine Verbesserung<br />

des SNR durch das <strong>Binning</strong> zurückgeführt.<br />

Eine weitere Möglichkeit des <strong>Binning</strong>s ist <strong>die</strong> Anwendung <strong>auf</strong> <strong>die</strong> Projektionen vor der Rekonstruktion.<br />

Diese Anwendungsmöglichkeit wurde in dem vorliegenden Artikel nicht untersucht.<br />

Der hier verfolgte Weg erlaubt auch nachträglich, für den Fall, dass keine Projektionen<br />

mehr vorhanden sind, schlechte bzw. suboptimale CT-Messergebnisse zu verbessern. Es wird<br />

jedoch erwartet, dass sich durch <strong>Binning</strong> <strong>von</strong> Röntgenprojektionen vor der Rekonstruktion<br />

vergleichbare Ergebnisse erzielen lassen.<br />

Das beobachtete Verhalten beim <strong>Binning</strong> ist analog der digitalen Fotographie mit hoher ISO-<br />

Zahl, d.h. schlechtem SNR. Im Fall der digitalen Fotographie wird das <strong>Binning</strong> teilweise bereits<br />

automatisiert durchgeführt. Das <strong>Binning</strong> bei schlechtem SNR ist also schon Bestandteil<br />

des Expertensystems des Herstellers. Die Ergebnisse legen nahe, eine ähnliche Entwicklung<br />

auch im Fall der CT anzustreben, da hierdurch <strong>die</strong> Genauigkeit der Messung gesteigert <strong>und</strong><br />

Fehlmessungen vermieden werden.<br />

3 Zusammenfassung <strong>und</strong> Ausblick<br />

Durch <strong>die</strong> Verwendung der Simulation des CT-Messprozesses konnte der <strong>Einfluss</strong> des <strong>Signal</strong>-<br />

<strong>Rausch</strong>-<strong>Verhältnis</strong>ses <strong>und</strong> des <strong>Binning</strong>s, d.h. <strong>die</strong> Zusammenfassung <strong>von</strong> mehreren Voxeln<br />

nach der Rekonstruktion, <strong>auf</strong> <strong>die</strong> Formmesseigenschaft eines CT-Messsystems nachgewiesen<br />

werden.<br />

Die Untersuchungen wurden am Beispiel des Kugelkalottenwürfels aus Titan als kalibriertes<br />

Messobjekt durchgeführt. Als Gr<strong>und</strong>lage der Simulation <strong>die</strong>nten <strong>die</strong> rückgeführten Kalibrierdaten<br />

des Messobjekts, da sie eine Aussage zur Größe der Abweichung in Bezug zur Messunsicherheit<br />

erlauben. Die Bewertung wurde anhand einer Kenngröße in Analogie zu bestehenden<br />

Richtlinien der Koordinatenmesstechnik durchgeführt.<br />

Am Beispiel des Kugelkalottenwürfels als kalibriertes Messobjekt wurde dabei festgestellt,<br />

dass <strong>die</strong> Verwendung <strong>von</strong> <strong>Binning</strong> bei hoher Beschleunigungsspannung, d.h. für das Messobjekt<br />

hinreichend guter Wahl der Messparameter, zu einer Verschlechterung der Kenngröße für<br />

<strong>die</strong> Antastabweichung Form führt. Dies wird durch den <strong>Einfluss</strong> der größeren Voxelgröße <strong>auf</strong><br />

<strong>die</strong> Formmesseigenschaft des CT-Messsystems erklärt. Im Fall einer Reduktion der Beschleunigungsspannung<br />

wurde hingegen durch das <strong>Binning</strong> eine Verbesserung der Kenngröße erzielt.<br />

Dies wird mit einer Verbesserung des <strong>Signal</strong>-<strong>Rausch</strong>-<strong>Verhältnis</strong>ses erklärt, <strong>die</strong> den Effekt<br />

der Verschlechterung der Formmesseigenschaft durch <strong>die</strong> Vergrößerung der Voxelgröße<br />

überkompensiert.<br />

Die CT-Simulationen wurden durch eine Messung unterstützt, um <strong>die</strong> Größe <strong>von</strong> systematischen<br />

Abweichungen der Simulationsergebnisse abzuschätzen. Es werden weitere Entwicklungen<br />

angestrebt, um <strong>die</strong> systematischen Abweichungen zwischen CT-Simulation <strong>und</strong> Messung<br />

weiter zu reduzieren.<br />

Danksagung<br />

Die durchgeführten Arbeiten wurden durch <strong>die</strong> Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) mit<br />

der Projektnummer NE 757/2-1 gefördert.<br />

7


Referenzen<br />

[1] GUM: „Guide to the expression of uncertainty in measurement“ ISBN 92-67-10188-9, 1995<br />

[2] Supplement 1 to GUM: „Evaluation of measurement data – Propagation of distributions using a Monte<br />

Carlo method“, in Druck 2008<br />

[3] U. Hilpert, M. Bartscher, M. Neugebauer, J. Goebbels, G. Weidemann, C. Bellon:<br />

Simulation-aided computed tomography (CT) for dimensional measurements.<br />

Proceedings of the DIR 2007 – International Symposium on Digital Radiology and Computed Tomography,<br />

June 25-7, 2007, Lyon, France<br />

[4] M. Bartscher, U. Hilpert, D. Fiedler: Ermittlung der Messunsicherheit <strong>von</strong> Computertomographie-<br />

Messungen am Beispiel eines Zylinderkopfs. tm - Technisches Messen, Volume 75, Issue 3, S. 178 - 186<br />

[5] H. Schwenke, M. Franke: Bestimmung der Messunsicherheit mit KMG – Status <strong>und</strong> Ausblick PTB Mitteilungen<br />

4/2007, S. 363 - 371<br />

[6] VDI/VDE 2617 Blatt 7, Genauigkeit <strong>von</strong> Koordinationsmessgeräten - Kenngrößen <strong>und</strong> deren Prüfung -<br />

Ermittlung der Unsicherheit <strong>von</strong> Messungen <strong>auf</strong> Koordinatenmessgeräten durch Simulation. Technische<br />

Regel, 2006-04<br />

[7] C. Bellon, G.-R. Jaenisch: aRTist – Analytical RT Inspection Simulation Tool.<br />

Proceedings of the DIR 2007 – International Symposium on Digital industrial Radiology and Computed<br />

Tomography, June 25-27, 2007, Lyon, France<br />

[8] M. Neugebauer, U. Hilpert, M. Bartscher, N. Gerwien, S. Kunz, F. Neumann, J. Goebbels, G. Weidemann:<br />

Ein geometrisches Normal zur Prüfung <strong>von</strong> Röntgen-Mikro-Computertomografiemesssystemen. tm<br />

- Technisches Messen Volume 74, Issue 11, S. 565 - 571<br />

[9] M. Neugebauer, U. Hilpert, M. Bartscher, N. Gerwien, M. Krystek, C. Schwehn, M. Trenk, J. Goebbels,<br />

G. Weidemann: Untersuchungen zur Messung <strong>von</strong> Mikrogeometrien mit großen taktilen KMGs <strong>und</strong> Anwendung<br />

bei einem Prüfkörper für Mikro-CT-Messsysteme. tm - Technisches Messen, Volume 75, Issue<br />

3, S. 187 – 198<br />

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