Digital Twins of Computed Tomography Systems; Contributions to a Systematic Approach

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2022-11-28
Issue Year
2022
Authors
Wohlgemuth, Florian Andreas
Editor
Abstract

Industrial computed tomography is a valuable measurement technology for dimensional metrology, allowing for holistic part measurement including interior features. The simulation of computed tomography could allow the numerical evaluation of task-specific measurement uncertainties whose lack is currently inhibiting usage in some metrological applications as well as further applications like e.g. systematic error correction based on simulation. This thesis discusses the challenges and necessary developments for this numerical evaluation by simulation. One of the most important developments towards this goal is the construction of a digital twin for a real CT system. This encompasses the parameterisation of a specific real computed tomography system for which a method for effective detector sensitivity determination, characterisation measurements for the detector noise distribution and a method for the determination of the spot intensity profile are presented. For the application of the Monte Carlo method for the numerical evaluation of measurement uncertainty according to the GUM Supplement1, a pre-existing prototype is used for convergence and parameter relevance studies. In an application chapter, the benefits of an idealised simulation are presented with a case study on acceptance and (re-) verification testing in the context of the new ISO 10360-11 standard.

Abstract

Industrielle Röntgencomputertomographie ist eine wertvolle Messtechnologie für die dimensionelle Messtechnik, da sie die holistische Erfassung eines kompletten Bauteils inklusive der innenliegenden Merkmale in einem Scan erlaubt. Die Simulation dieser röntgencomputertomographischen Messungen könnte die numerische Bestimmung von aufgabenspezifischen Messunsicherheiten erlauben, deren Fehlen momentan die Anwendung in metrologischen Kontexten behindert und auch weitere Anwendungen wie z. B. die Korrektur systematischer Messabweichungen auf Simulationsbasis erlauben. Diese Promotionsschrift diskutiert die Herausforderung und notwendigen Entwicklungen für diese simulative numerische Messunsicherheitsbestimmung. Eine der wichtigsten notwendigen Entwicklungen auf dem Weg zu diesem Ziel ist die Erstellung eines digitalen Zwillings für ein konkretes reales CT-System. Dies umfasst die Parametrisierung eines spezifischen realen Röntgencomputertomographiesystems, für welche eine Methode zur Bestimmung einer effektiven Detektorsensitivität, Charakterisierungsmessungen für die Verteilung des Detektorrauschens sowie eine Methode zur Bestimmung des Spotintensitätsprofils vorgestellt werden. Für die Anwendung der Monte-Carlo-Methode zur Messunsicherheitsbestimmung wurde ein vorhandener Prototyp für Konvergenz- und Parameterrelevanz-Untersuchungen verwendent. In einem Anwendungskapitel wird der Nutzen einer idealisierten Simulation anhand einer Fallstudie zur Annahme und (Re-) Verifikationsprüfung im Kontext des neuen ISO 10360-11 Standards vorgestellt.

DOI
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