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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".
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.
Mikrofokus-Röntgenquellen werden in der industriellen CT flexibelverwendet, um mit kleiner Leistung hohe Auflösung zu erzielen oder mit verminderter Auflösung bei höherer Leistung kürzere Messzeiten zu erreichen. Insbesondere Quellen in offener Bauweise benötigen Wartung wie Filamentwechsel und Nachstellen der Fokusparameter. Ziel ist es, einen optimal kleinen Quellfleck bei bekannter Spannung einzustellen und dessen Größe zu bestimmen.
Zur Überprüfung der Quellfleckgröße sind bereits Verfahren unter Verwendung lithographisch hergestellter Masken mit Strichmustern oder Siemenssternen aus Mikrometer dünnen Schichten aus stark absorbierendem Material wie z.B. Gold bekannt. Diese erfordern wegen der geringen Absorption eine lange Messzeit und sind nur kostenintensiv herzustellen. Ihre Verwendung zur regelmäßigen Qualitätsüberprüfung von CT-Anlagen ist daher nicht verbreitet.
Ziel dieser Arbeit ist es, die richtungsabhängige Quellfleckgröße absolut zu bestimmen, wobei nur einfach zu beschaffende Wolframspitzen verwendet werden. Dazu werden radiographische Bilder in hoher Vergrößerung aufgenommen und die Grauwertverteilung parametrisiert. Unter Verwendung der Kenntnis von Targetmaterial und Spannung wird eine eineindeutige Zuordnung zur Quellfleckgröße vorgenommen.
Dieses erfordert eine extensive Simulation für verschiedene Spannungen, Fokusgrößen und andere Einflussgrößen, sowie die experimentelle Verifikation an verschiedenen CT-Anlagen im Vergleich zu einer bekannten Methode. Erste Ergebnisse werden vorgestellt und die praktische Implementierung unter Angabe der Einschränkungen der Verwendbarkeit diskutiert. Die Autoren hoffen, damit einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Qualitätssicherung und zur
Arbeitseffizienz in der Mikrocomputertomographie leisten zu können.