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The lack of traceability to meter of X-ray Computed Tomography (CT) measurements still hinders a more extensive acceptance of CT in coordinate metrology and industry. To ensure traceable, reliable, and accurate measurements, the determination of the task-specific measurement uncertainty is necessary. The German guideline VDI/VDE 2630 part 2.1 describes a procedure to determine the measurement uncertainty for CT experimentally by conducting several repeated measurements with a calibrated test specimen. However, this experimental procedure is cost and effort intensive. Therefore, the simulation of dimensional measurement tasks conducted with X-ray computed tomography can close these drawbacks. Additionally, recent developments towards a resource and cost-efficient production (“smart factory”) motivate the need for a corresponding numerical model of a CT system (“digital twin”) as well. As there is no standardized procedure to determine the measurement uncertainty of a CT system by simulation at the moment, the project series CTSimU was initiated, aiming at this gap. Concretely, the goal is the development of a procedure to determine the measurement uncertainty numerically by radiographic simulation. The first project (2019-2022), "Radiographic Computed Tomography Simulation for Measurement Uncertainty Evaluation - CTSimU" developed a framework to qualify a radiographic simulation software concerning the correct simulation of physical laws and functionalities. The most important outcome was a draft for a new guideline VDI/VDE 2630 part 2.2, which is currently under discussion in the VDI/VDE committee. The follow-up project CTSimU2 "Realistic Simulation of real CT systems with a basic-qualified Simulation Software" will deal with building and characterizing a digital replica of a specific real-world CT system. The two main targets of this project will be a toolbox including methods and procedures to configure a realistic CT system simulation and to develop tests to check if this replica is sufficient enough. The result will be a draft for a follow-up VDI/VDE guideline proposing standardized procedures to determine a CT system's corresponding characteristics and test the simulation (copy) of a real-world CT system which we call a "digital twin".
The project series CTSimU was initiated with the goal to develop a set of procedures to enable the determination of the task-specific measurement uncertainty of a CT system numerically by radiographic simulation. The first project (2019-2022) “Radiographic Computed Tomography Simulation for Measurement Uncertainty Evaluation - CTSimU” was focused on the sufficient physical correctness of the radiographic simulation and created as a result a test framework for simulation softwares and a draft of a VDI standard in the series VDI/VDE 2630 for this application. However, for the realistic simulation of a CT system in a simulation software (i.e. a digital twin), not only the correctness of the simulation software itself is crucial, but also the quality of the parameterization of the CT system in the simulation software - this represents the starting point of the 2nd project “Realistic Simulation of real CT systems with a basic-qualified Simulation Software - CTSimU2” (2022-2024).
The parameterization of a CT system in a simulation software can be divided into four steps: after the data acquisition at the real CT system (step 1) follows the evaluation of the acquired data for the generation of general parameter specifications (step 2). It follows the transfer of the parameters into the specific simulation software (step 3) and the validation of the resulting simulation parameters by a suitable test (step 4). The intended result of the project CTSimU2 is a draft VDI standard (for VDI/VDE 2630) for this test, which contains an informative annex on the state of the art regarding the possibilities for parameter determination.
Die Entwicklung von Werkzeugen zur realitätsnahen Nachbildung eines industriellen CT-Systems in einer Simulationssoftware ist derzeit Hauptaufgabe des WIPANO Forschungsprojektes CTSimU2 Realistische Simulation realer Röntgencomputertomografie - Systeme mit basisqualifizierter Simulationssoftware. Als Voraussetzung dienen dabei Simulationssoftwares, die durch das Testframework aus dem Vorprojekt CTSimU1 basisqualifiziert wurden. Das Testframework testet die hinreichende physikalische Korrektheit und Funktionalität einer Simulationssoftware (Basisqualifizierung der Software). Für eine realitätsnahe Nachbildung ist nicht nur die Güte der Simulationssoftware, sondern insbesondere die Güte der Parametrisierung des realen CT-Systems in der Simulationssoftware ausschlaggebend. Dabei kann das Vorgehen der Parametrisierung in vier Schritte unterteilt werden: die Datenaufnahme am realen CT-System (Schritt 1), die Auswertung der aufgenommenen Daten für die Generierung allgemeiner Parameterangaben (Schritt 2), die Übertragung der Parameter in die spezifischen Simulationssoftwares (Schritt 3) und die Validierung der resultierenden Simulationsparameter durch einen geeigneten Test (Schritt 4). Ziel des Projektes ist es daher neben der Erarbeitung eines Werkzeugkastens mit allgemeinen Methoden zur Datenaufnahme und Auswertung der Daten, die Entwicklung eines Tests, auf dessen Basis die ausreichend korrekte Simulation einer realen Anlage beurteilt werden kann. Die erarbeiteten Ergebnisse sollen wie bereits im Vorprojekt CTSimU1 in einen Richtlinienentwurf für die Richtlinienreihe VDI/VDE 2630 übertragen werden. Dieser Beitrag soll einen Überblick über das Projekt und die ersten Ergebnisse geben.
Virtual CT with aRTist
(2023)
The software aRTist is a simulation tool for the generation of realistic radiographs of virtual radiographic superstructures.
With radiographic simulations, virtual component models can be scanned as in a computer tomograph.
Industrial X-ray computed tomography (CT) enables the non-destructive detection of internal and external surfaces as well as inhomogeneities of technical objects. Virtual CT offers new possibilities for the investigation of parameter influences of this complex testing and measuring technique. In addition to the option of switching physical effects on and off, scanning movements can also be tested before their technical realization.
The virtual CT generates projection images from different directions for the subsequent reconstruction of a volume model of the examined object. The reconstruction of the simulated scans is carried out with the algorithms and programs for real scans. Tomographic scans consist of a large number of projections, which practically cannot be generated individually by the user of a simulation. The software offers various options for the automated simulation of tomographic scans. These range from standard CT to scans on free trajectories or with individual projection matrices.
The interest in using computer simulations of dimensional x-ray computed tomography (dXCT) for various metrological purposes—such as measurement planning, performance prediction, performance optimisation and, finally, measurement uncertainty estimation—is increasing along with the ever-growing demand for more reliable measurements with dXCT. However, before a piece of simulation software can be used for tasks related to coordinate metrology, it has to be ensured that it is able to simulate physical laws, characteristic effects and basic CT system functionalities correctly and with sufficient accuracy. In short, the software must be qualified for dimensional metrology tasks. As one part of such a qualification process, a method is presented here for determining conformity intervals of 2D tests (projection-based tests) based on 3D tests (testing based on dimensional evaluations in a reconstructed volume) for the assessment of dXCT simulation software. The method consists of varying relevant parameter values in order to verify their influence on 3D measurement results. The results of the 3D tests with varied parameter values are then transferred to the quantities tested in the 2D tests and used as the basis for determining conformity intervals. Two approaches are applied for determining whether or not a variation of a parameter value is significant: (a) statistical and (b) heuristic. Two examples are presented, each based on simulated images, which show the application of the two different approaches for determining conformity intervals for the results of the 2D tests.
The ability of industrial X-ray computed tomography (CT) to scan an object with several internal and external features at once causes increasing adoption in dimensional metrology. In order to evaluate the quality of a measurement value, the task-specific measurement uncertainty has to be determined. Currently, VDI/VDE 2630 part 2.1 gives a guideline to determine the uncertainty of CT measurements experimentally by conducting repeated measurements. This is costly and time-consuming. Thus, the aim is to determine the task-specific measurement uncertainty numerically by simulations (e. g. according to the guide to expression of uncertainty in measurement (GUM) Supplement 1). To achieve that, a digital twin is necessary. This contribution presents a simple first approach how a digital twin can be built. In order to evaluate this approach, a study comparing measurements and simulations of different real CT systems was carried out by determining the differences between the measurement results of the digital twin and of the measurement results of the real-world CT systems. The results have shown a moderate agreement between real and simulated data. To improve on this aspect, a standardized method to characterize CT systems and methods to implement CT parameters into the simulation with sufficient accuracy will be developed.
Radiografische Simulationswerkzeuge wie aRTist, ScorpiusXLab, SimCT oder CIVA CT verwenden analytische Methoden und physikalische Monte-Carlo-Teilchentransportsimulationen, um die Interaktionsprozesse zwischen Röntgenstrahlung und Materie zu simulieren. Die berechneten Projektionen bilden anschließend unter Berücksichtigung einer definierten Scan-Trajektorie die Basis der Simulation einer röntgencomputertomografischen Untersuchung.
Für den erfolgreichen Einsatz der Computertomografie, sei es als zerstörungsfreie Prüfmethode oder beim dimensionellen Messen, ist es generell notwendig, bekannte Fehler- bzw. Abweichungsquellen des Messverfahrens auszuschließen oder zu reduzieren. Dabei hat sich gezeigt, dass die Auswahl der Messparameter und die Erfahrung des Anwenders direkten Einfluss auf das erzielbare Messergebnis einer computertomografischen Untersuchung nehmen. Es ist daher sinnvoll, die Parameterauswahl in einem virtuellen Simulationsaufbau vorher zu erproben und an die Messaufgabe anzupassen.
Neben der Optimierung von Messparametern finden radiografische Simulationswerkzeuge auch Anwendung für Machbarkeitsstudien und werden zur Schulung von Anwendern im Bereich der Röntgen-Computertomografie verwendet.
Radiografische Simulationswerkzeuge befinden sich in einem stetigen Wandel, beispielsweise durch die Entwicklung neuer Rekonstruktionsmethoden, durch Erweiterung von analytischen Modellen, durch Integration komplexer Trajektorien oder durch Berücksichtigung von prozessbedingten geometrischen Abweichungen. Im laufenden EMPIR-Projekt „AdvanCT“ entsteht deshalb ein „Good Practice Guide“ für die Simulationsumgebung aRTist. Ziel dieses Guides ist es, die mit steigender Komplexität verbundenen Einstiegshürden für Anwender von aRTist zu reduzieren, um damit einen praxisnahen Zugang zur virtuellen Computertomografie zu ermöglichen. Dabei werden anhand von praktisch nachvollziehbaren Beispielen die grundlegenden Mechanismen der Simulationsumgebung erklärt und ein strukturierter Leitfaden zur Simulation röntgencomputertomografischer Untersuchungen mit aRTist vermittelt.
In diesem Beitrag werden erste Auszüge des Guides sowie eine Übersicht der weiteren geplanten Themen für die anschließende Diskussion vorgestellt.
Die industrielle Röntgen-Computertomografie (CT) etabliert sich für die Anwendung in der dimensionellen Messtechnik. Sie bietet als zerstörungsfreies Messverfahren das Potential, sowohl innen- als auch außenliegende Merkmale holistisch zu erfassen. Für die Bestimmung der Güte eines Messwerts muss die dem Messwert zugeordnete Messunsicherheit ermittelt werden. Dabei kann, nach derzeitigem Stand der Technik und Normung, die aufgabenspezifische Messunsicherheit nach VDI/VDE 2630 Blatt 2.1 nur unter hohem Aufwand mit einer Vielzahl an experimentellen Wiederholmessungen ermittelt werden. Ziel diverser Forschungs-projekte zu diesem Thema ist es daher, eine numerische Messunsicherheitsbestimmung zu erreichen. Dafür ist es notwendig, alle signifikanten Einflussgrößen zu erfassen, deren Unsicherheitsbeiträge zu bestimmen und zu bewerten. In diesem Beitrag wird der Einfluss des Bildrauschens auf verschiedene dimensionelle Messgrößen simulativ untersucht. Mithilfe eines prismatischen Prüfkörpers, der eine Vielzahl an Geometrieelementen aufweist, werden verschiedene Messgrößen unterschiedlicher Komplexität betrachtet. Ziel ist es, für diese Messgrößen zu testen, wie diese auf das Bildrauschen reagieren. Dieses wird dabei durch das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der Projektionsgrauwerte beschrieben und variiert. Es werden Wiederholsimulationen durchgeführt, damit eine statistische Aussage über die Verteilung der Messwerte möglich ist und der Einfluss des Rauschens auf verschiedene Messgrößen individuell beurteilt werden kann. Das Simulationsszenario wird so gestaltet, dass lediglich das Bildrauschen Einfluss auf die Messung hat. Die berechneten Verteilungsbreiten lassen mit sinkendem SNR eine deutliche Zunahme erkennen, insbesondere bei der Bestimmung von Formabweichungen. Simuliert wird mit der Software aRTist 2.10 (BAM).
Virtual CT acquisition and reconstruction of complex and noisy scanning trajectories in aRTist
(2019)
In modern CT imaging, simulation has become an important tool to minimize cost- and time-intensive measurements. It is increasingly used to optimize techniques for complex applications, to support the preparation of written procedures, and for educational purposes. We extended the CT simulation software ‘aRTist’ with a module to set-up arbitrary trajectories including disturbing influences during the scan. Moreover, such geometric deviations can be compensated by the internal reconstruction tool.
Simulation becomes more and more important in modern CT imaging. It is increasingly used to optimize techniques for complex applications, to support the preparation of written procedures, and for educational purposes. The radiographic simulator aRTist is a modelling tool which simulates X-ray imaging using a hybrid analytical and Monte Carlo method to efficiently model the radiation transport. In addition to the relevant physical effects such as absorption, scattering and fluorescence, simplified fast models are employed to describe the characteristics of the X-ray source and the detector. aRTist is well equipped to model realistic X-ray imaging setups due to the ability to load exported CAD object descriptions. A simple CT scan module is contained in aRTist which allows the simulation of standard (circular cone beam) scanning trajectories.
TomoSynth is a module for aRTist which allows to set up more complex scanning trajectories by attaching geometrical modification functions to the objects in the radiographic scene. In this way, advanced scanning modes can be realized, for instance helical CT as an overlay of a rotation and a linear motion, or laminography as a motion of the source point. In addition to deterministic motion, also random variations can be introduced. By combining random variations with deterministic motion, non-ideal (realistic) CT scan geometries can be simulated, e.g. focal spot drift and mechanical instability of the axis of rotation. The TomoSynth module conveniently allows to construct these scenarios in a graphical interface and provides a preview before starting the (potentially long running) batch job. Therefore, deviations from ideal CT scan trajectories can be easily adjusted which is a necessary step towards uncertainty determination from simulation.
The inspection of complex-shaped components, such as those enabled by additive manufacturing, is a major challenge in industrial quality assurance. A frequently adopted approach to volumetric non-destructive evaluation is X-ray computed tomography, but this has major drawbacks. Two-dimensional radiography can overcome some of these problems, but does not generally provide an inspection that is as capable.
Moreover, designing a detailed inspection for a complex-shaped component is a labour-intensive task, requiring significant expert input. In response, a computational framework for optimizing the data acquisition for an image-based inspection modality has been devised. The initial objective is to advance the capabilities of radiography, but the algorithm is, in principle, also applicable to alternative types of imaging. The algorithm exploits available prior
information about the inspection and simulations of the inspection modality to allow the Determination of the optimal inspection configuration, including specifically component poses with respect to the imaging system. As an intermediate output, spatial maps of inspection performance are computed, for understanding spatially varying limits of detection. Key areas of innovation concern the defect detectability evaluation for arbitrarily complex indications and the creation of an application-specific optimization algorithm. Initial trials of the algorithm are presented, with good results.
Minimally invasive injection of calcium phosphate cement into bone defects in aged sheep vertebrae has been used as a model for the treatment of osteoporotic vertebral fractures. One of the therapeutic criteria is a compression test of non-treated or treated vertebral bodies. In the present study, an in situ compression test with a stepwise load increase was performed with small spongiosa cylinders from the vertebrae under continuous monitoring by μCT. This allows localization of bone cracks and the visualization of correct placement and form of the bone cylinder. In addition, the effects of an uneven load distribution on the sample due to an irregular shape and a subsequent underperformance of the test sample can be excluded by controlling its shape under increasing load. There was a good agreement between the measured data and those obtained by simulated load-dependent transformation on the basis of a digital volume correlation between consecutive compression tests on the bone surface under the assumption of homogeneous bone material. Mechanic simulation was executed by directly using structural voxel data, resulting in maps of Von Mise stresses and predicted displacements.
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich ältere Schafe gut als Modell für die mi-nimalinvasive Behandlung von Osteoporose eignen [1]. Um einen Behandlungs-effekt nachzuweisen, wird dabei unter anderem die Belastungsfähigkeit des Kno-chens durch Druckversuche an kleinen Zylindern aus den behandelten und unbe-handelten Knochen bestimmt. Diese hatten hier einen Durchmesser von 10 mm und eine Höhe von 13 mm. Für den in-situ Druckversuch wurde eine Deben CT5000 verwendet. In einer Serie von Druckerhöhungen wurden die Proben je-weils tomographiert. Dabei ergab sich zunächst, dass mit der µCT innerhalb der Knochen im oberen und unteren Bereich schon Brüche nachgewiesen werden können, obwohl die gemessene Kraftaufnahmekurve keine Unstetigkeit zeigt. Deswegen wurden die starren Probenaufnehmer der Deben Anordnung durch bewegliche Aufnehmer ergänzt, die eine leichte Verkippung der belasteten Ober-flächen ausgleichen können. Ein Vergleich der gemessenen und der aus den µCT-Daten berechneten Verschiebungsfelder ergab trotz der komplexen Struktur der Knochen gute Übereinstimmungen. Diese Verschiebungen wurden dann mit den aus den µCT Daten simulierten mechanischen Druckversuchen, Von-Mise-Spannungen und daraus berechneten Verschiebungen verglichen. (VGStudioMax Simulation).
Untersuchungen haben gezeigt, dass sich ältere Schafe gut als Modell für die mi-nimalinvasive Behandlung von Osteoporose eignen [1]. Um einen Behandlungs-effekt nachzuweisen, wird dabei unter anderem die Belastungsfähigkeit des Kno-chens durch Druckversuche an kleinen Zylindern aus den behandelten und unbe-handelten Knochen bestimmt. Diese hatten hier einen Durchmesser von 10 mm und eine Höhe von 13 mm. Für den in-situ Druckversuch wurde eine Deben CT5000 verwendet. In einer Serie von Druckerhöhungen wurden die Proben je-weils tomographiert. Dabei ergab sich zunächst, dass mit der µCT innerhalb der Knochen im oberen und unteren Bereich schon Brüche nachgewiesen werden können, obwohl die gemessene Kraftaufnahmekurve keine Unstetigkeit zeigt. Deswegen wurden die starren Probenaufnehmer der Deben Anordnung durch bewegliche Aufnehmer ergänzt, die eine leichte Verkippung der belasteten Ober-flächen ausgleichen können. Ein Vergleich der gemessenen und der aus den µCT-Daten berechneten Verschiebungsfelder ergab trotz der komplexen Struktur der Knochen gute Übereinstimmungen. Diese Verschiebungen wurden dann mit den aus den µCT Daten simulierten mechanischen Druckversuchen, Von-Mise-Spannungen und daraus berechneten Verschiebungen verglichen. (VGStudioMax Simulation).