CN110286135A - 用于产生测量用x射线ct的测量计划的方法和设备 - Google Patents

用于产生测量用x射线ct的测量计划的方法和设备 Download PDF

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Abstract

在让测试目标旋转的同时对执行X射线照射的测量用X射线CT产生测量计划，且如此，获取投影图像数据，从投影图像数据重构体数据，且测量体数据中的目标测量部位，本发明基于包括在测试目标的CAD数据中的公差信息和通过测量操作者提前限定的测试目标上的测量部位而计算所需的测量准确性和测量视野范围，并从该信息自动产生使得测量次数最小化的优化测量计划。

Description

用于产生测量用X射线CT的测量计划的方法和设备
技术领域
本发明涉及为测量用X射线CT产生测量计划的方法和设备。具体说，本发明涉及为测量用X射线CT产生测量计划的方法和设备，其能自动地计算测量视野倍率，以确保测量准确性，且其能自动地产生优化的测量计划，包括与尽可能多的目标测量部位匹配的测量视野。
背景技术
在用于非破坏性地获取测试目标的体数据(或断层扫描图像)的测量用X射线CT设备中，如日本已公开专利No.2016-205899所述，例如，在旋转测试目标的同时执行X射线照射，且如此，获取投影图像数据，并从投影图像数据重构体数据(volume data)。测量操作者测量体数据中的目标测量部位。基于测量视野产生体数据。然而，尽管测量视野较小时可准确地测量该测量部位，但是不是所有目标测量部位都能匹配在测量视野中且会需要多次捕捉X射线图像。
在下文描述一般的测量用X射线CT设备的构造和对工件的测量过程。
如图1所示，用于测量的一般的X射线CT设备配置为具有屏蔽X射线的外壳10、控制器30、和控制PC40。外壳10在其中包括：X射线管12，其发出X射线13；X射线检测装置14，其检测X射线13；旋转台16，测试目标(例如工件)W被置于其上且该旋转台让测试目标W旋转，用于CT成像；和XYZ位移机构18，其调整被投影到X射线检测装置14上的测试目标W的位置或倍率。控制器30控制上述装置，且控制PC40从用户操作向控制器30发出指令。
X射线CT控制程序42在控制PC40上运行，且X射线CT控制程序42控制每一个装置，显示投影到X射线检测装置14上的测试目标W的投影图像，且从测试目标W的多个投影图像产生作为体数据的断层扫描图像。
此外，已知的是，在X射线13经过物体时，产生沿与照射方向不同的方向反射的不可忽略量的散射X射线，且散射的X射线在X射线CT成像结果中作为噪声出现。为了抑制散射X射线，X射线准直仪20设置在X射线管12附近。X射线准直仪20配置为具有X射线不可穿透的材料(例如钨)制造的上部件和下部件，以便限制X射线13的照射范围，且这些部件可分别沿上下方向移动。X射线准直仪20可根据测试目标W的图像捕捉范围通过控制PC40调整。
如图2(在测试目标为圆柱体时的透视图)和图3(在测试目标为矩形柱时的平面图)所示，从X射线管12(X射线源)发出的X射线13经过旋转台16上的测试目标W并到达X射线检测装置14。通过在旋转测试目标W的同时用X射线检测装置14获得测试目标W的沿各个方向的透射图像来产生测试目标W的断层扫描图像。
此时，通过控制XYZ位移机构18的XYZ轴线和旋转台16的θ轴线，可让测试目标W的位置移动，并可调整测试目标W的图像捕捉范围(位置，倍率)或图像捕捉角度。
使用这种测量用X射线CT设备进行测量通常是通过以下两个过程执行的。
(i)通过CT扫描产生体数据
(ii)体数据的测量
具体测量过程如下所述。
(i)通过CT扫描产生体数据
例如，考虑测量图4的(A)所示的工件(测试目标)W。工件W具有圆柱形外形且在其内部具有圆柱形中空空间H，且测量中空空间H的圆柱直径D。对于测量过程，中空空间的表面(材料和空气之间的边界)被首先检测且获得多个测量点(检测点)。基于这些测量点中的一组，针对中空空间的圆柱形状形成最佳拟合的中空圆柱体，且随后计算直径D。
对于要获得该组测量点的测量部位，更好的是鉴于圆柱形中空空间选择没有偏差的测量部位，且因此针对圆柱体的相应上部部分和下部部分沿周向方向选择三个测量部位总共六个部位)，如图4的(B)所示。可在一个测量部位获得多个测量点。
这里，必须确定用于每一个测量部位的测量倍率，且使用公差信息来推导测量倍率。
在最终计算的圆柱直径D的公差为±0.1mm时，用在圆柱直径D的计算中的测量点必须具有高于0.1mm的更高准确性(0.01mm)。此外，在体数据上执行这些测量，且因此体数据必须具有测量所需的准确性。在该例子中，体数据的准确性通过体素(voxel size)[mm]表达，且应考虑产生具有0.01mm体素的体数据。
在从X射线源12到旋转台16的中心的距离限定为fcd(焦点至中心的距离)且从X射线源12到X射线检测装置14的距离限定为fdd(焦点至检测器的距离)时，mag(倍率)表达式如下。
[公式1]
在X射线检测装置14的宽度限定为DetectorWidth[mm]时，所产生的体数据的宽度限定为VolumeWidth[pixel]，且体素限定为VoxelSize[mm/pixel]，修改表达式如下。
[公式2]
针对mag求解如上所述的公式得出以下结果。
[公式3]
在如上所述产生具有0.01mm体素的体数据时，对于被限定为1000mm的从X射线源12到X射线检测装置14的距离fdd，被限定为400mm的X射线检测装置14的宽度DetectorWidth，和被限定为2000像素的体数据的宽度VolumeWidth，所需倍率为20倍。可通过改变旋转台16的位置或角度、进行调整使得工件W的测量部位以20倍的倍率显示、且执行CT扫描，从而产生期望的体数据。
在存在多个测量部位时，每一个测量部位所需的倍率被分别计算且与最大倍率(最高分辨率)相一致。
(ii)体数据的测量
如上述过程中所述，中空空间的表面(材料和空气之间的边界)被首先检测且获得多个测量点(检测点)。基于该组测量点，对于中空空间的圆柱形状形成最佳拟合的中空圆柱体，且随后计算直径D。
然而，在如上所述的方法中，测量操作者需要在提前考虑测量部位和测量准确性之后执行CT扫描，且在形成针对多个测量部位实现最小次数CT扫描的计划来说存在困难。
MiCAT Planner的产品目录
<http://www.mitutoyo.co.jp/products/zahyou/auto.html>(其是用于协调测量装置产品组)描述了从具有公差信息的CAD数据自动地产生测量计划，但是在其当前的形式下，该技术不能用于测量用X射线CT设备。
发明内容
构思了本发明以便解决如上所述的常见情况，且本发明配置为用于测量用X射线CT设备，以从例如包括在测试目标的CAD数据中的公差这样的信息自动计算出可确保适当测量准确性的测量视野倍率，和自动产生优化的测量计划，包括匹配尽可能多的目标测量部位的测量视野。
本发明通过产生用于测量用X射线CT的测量计划的方法解决了如上所述的问题，该测量用X射线CT在让测试目标旋转的同时执行X射线照射，且如此，获取投影图像数据，从投影图像数据重构体数据，和测量体数据中的目标测量部位。该方法基于包括在测试目标的CAD数据中的公差信息和通过测量操作者提前限定的测试目标上的测量部位来计算所需的测量准确性和测量视野范围，和从该信息自动产生使得测量次数最小化的优化测量计划。
在该例子中，可通过使用任意测量部位作为标准来执行测量计划的自动产生。验证是否可使用相同测量倍率作为标准来测量每一个其他任意测量部位；形成可按相同测量倍率测量的组；确定CT扫描位置，用于针对每一组产生体数据；和为位置指定顺序。
本发明通过产生用于测量用X射线CT的测量计划的设备类似地解决了如上所述的问题，该测量用X射线CT在让测试目标旋转的同时执行X射线照射，且如此，获取投影图像数据，从投影图像数据重构体数据，和测量体数据中的目标测量部位。该设备设置有测量计划自动产生程序，其基于包括在测试目标的CAD数据中的公差信息和通过测量操作者提前限定的测试目标上的测量部位来计算所需的测量准确性和测量视野范围，和
在该例子中，测量计划自动产生程序通过使用任意测量部位作为标准可产生测量计划；验证是否可使用相同测量倍率作为标准来测量每一个其他任意测量部位；形成可按相同测量倍率测量的组；确定CT扫描位置，用于针对每一组产生体数据；和为位置指定顺序。
在测量用X射线CT中，可使用CAD数据自动执行调整难以调整的测量视野的任务，且可自动产生记录了调整结果的测量计划。因而，用于每一个测量部位所需的倍率计算和用于测量部位的优化测量计划(其他通过测量操作者处理)可被自动产生，且测量操作者的工作可以更高效。
附图说明
通过本发明示例性实施例的非限制性例子参考多个附图，进一步在下文详细描述本发明，其中相同附图标记在附图的几幅图中代表相似零件，且其中：
图1是显示了一般的测量用X射线CT设备的总体构造的正视图；
图2是显示了在测试目标是圆柱体时一般的测量用X射线CT设备的相关部分的构造的透视图；
图3是显示了在测试目标为矩形柱时一般的测量用X射线CT设备的相关部分的构造的平面图；
图4的(A)和(B)是显示了测试目标和测量部位例子的透视图；
图5是显示了根据本发明的测量用X射线CT设备的总体构造的正视图；
图6是示例性测量计划的透视图；
图7是显示了根据本发明实施例的程序流程的流程图；
图8是显示了根据本发明实施例的用于产生测量计划的流程的流程图；
图9是显示了标准测量部位例子的透视图；
图10是显示了示例性组重构区域的透视图；
图11是显示了组重构区域的另一例子的透视图；和
图12是显示了组重构区域的又一例子的透视图。
具体实施方式
本文所示的细节是示例性的且目的是仅对本发明的实施例进行示例性描述，且目的是提供被认为最有用且易于理解的本发明原理和原则的内容。在这方面，不会试图比对本发明进行基本理解所必要的更详细地显示本发明的结构细节，对附图的描述使得本领域技术人员理解可以如何实施本发明的形式。
此后，参考附图详细描述本发明实施例。而且，本发明不受到实施例中所述的内容和随后例子的限制。以下实施例和例子中的构造需求也可以包括本领域技术人员容易想到的内容，其基本上是相似的，且涵盖等同范围。进而，以下实施例和例子公开的构造需求可以适当组合，或可以选择性地被适当采用。
图5示出了根据本发明的测量用X射线CT设备的实施例。
在该实施例中，测量计划自动产生程序44被新添加到类似图1的设备构造。测量计划自动产生程序44执行测量计划(本发明的主要组成部分)的自动产生。
通过测量计划自动产生程序44产生的测量计划包括工件W的CT扫描位置(多个)，通过CT扫描产生的体数据(volume data)的测量部位(多个)，和用于位置和部位的测量顺序的信息。
例如针对图4A和4B所示的工件W产生如图6所示的测量计划。
C1、C2和C3分别显示了CT扫描位置，且通过CT扫描位置唯一地确定测量倍率。进一步地，该计划显示了，CT扫描按的顺序执行，且显示了要相对于通过每一次CT扫描产生的体数据进行测量的部位(location)。
此后，参考图7在下文描述本发明的具体实施例。
首先，在步骤110，测量操作者向测量计划自动产生程序44输入具有公差信息的CAD数据。在X射线CT控制程序42能使用CAD数据执行其他过程时，CAD数据可以从X射线CT控制程序42输入到测量计划自动产生程序44。
接下来，在步骤120，使用CAD数据的公差信息确定测量部位。
随后，在步骤130，使用针对每一个测量部位的公差信息，计算用于执行测量所需的最小倍率(测量下限倍率)。首先，从公差信息得到所需的体素(voxel)且从体素计算所需倍率。
在公差准确性定义为precision时，使用调整参数k(小于1.0)，并计算VoxelSize[mm/pixel]，如下所示。
[公式4]
VoxelSize＝k×precision…(4)
在X射线检测装置14的宽度定义为DetectorWidth[mm]且体数据的宽度定义为VolumeWidth[pixel]时，计算测量下限倍率(mag)，如下所示。
[公式5]
接下来，在步骤140，产生测量计划，如图8所示。
作为用于产生测量计划的方法，该方法使用任意测量部位作为标准；验证是否可使用相同体数据(即，相同测量倍率)作为标准来测量其他任意测量部位；和形成可使用相同体数据来测量的组。在测量部位被分离成组时，确定用于针对每一组产生体数据的CT扫描位置，且对其指定顺序。
此后，参考图8描述具体实施过程。
在步骤210中选择标准测量部位时，从不属于任何组的测量部位中选择将用作标准(标准测量部位)的测量部位。因为在产生测量计划的初始阶段没有组，所以从所有测量部位中选择测量部位。
作为选择方法，选择位于一端上的目标测量部位。例如，最靠近X射线源12的测量部位被限定为参考标准。
在图9所示的例子中，p4最靠近X射线源12且被选择作为标准测量部位。
在选择标准测量部位之后，针对包括标准测量部位的组限定以下信息：
-组识别符：Gn*n是数量
-组测量倍率：Gn_Mag
-组重构区域：Gn_Range
-组测量部位列表：Gn_MeasList
处于同一组中意味着可使用相同体数据测量这些测量部位，且最终形成的组的数量等于测量所需的体数据的数量(换句话说，是CT扫描位置的数量)。
组测量倍率是包括在对应体数据中的工件倍率，且其初始值被设置为标准测量部位的测量下限倍率。
组重构区域显示了对应体数据的实际空间中的范围。通常，重构区域被作为矩形平行六面体或圆柱体处理，但是，为了容易计算，在该例子中仅使用圆柱体。在圆柱体的情况下，圆柱直径和圆柱高度被用作表明重构区域的值。初始值是通过组测量倍率唯一获得的重构区域。在X射线检测装置14的宽度定义为DetectorWidth[mm]，体数据的宽度定义为VolumeWidth[pixel]，且体数据的高度定义为VolumeHeight[pixel]时，可计算表明重构区域的圆柱直径(直径)和圆柱高度(高度)，如下所示
[公式6]
Diameter＝VoxelSize×VolumeWidth…(7)
Height＝VoxelSize×VolumeHeight…(8)
在步骤220选择验证测量部位时，从不属于任何组的测量部位选择除了标准测量部位以外的任意测量部位，且其被限定为验证测量部位。
为了在步骤230验证是否可以进行分组，执行验证以判断是否可用与标准测量部位相同的体数据测量该验证测量部位。具体地，执行验证以判断测量倍率是否可匹配并包括在相同重构区域中。
在考虑验证测量部位被包括在该组中的情况时，组测量倍率可以与验证测量部位的测量下限倍率和当前值中的较大者匹配。此外，在组测量倍率此时改变时，组重构区域也改变。在验证测量部位可被包括在新的组重构区域中时，可以进行分组。
例如，图10显示了，在标准测量部位被限定为p4且验证测量部位被限定为p6，且p4的测量下限倍率为×10且p6的测量下限倍率为×5时，p6被包括在重构区域中(可以进行分组)。
另一方面，图11显示了，在标准测量部位被限定为p4且验证测量部位被限定为p5，且p4的测量下限倍率为×10且p5的测量下限倍率为×15时，p5被不包括在重构区域中(不可以进行分组)。在包括p5时，组测量倍率增加到×15，且组重构区域因而变得更小。
在如上所述的实施例中，在假设重构区域的位置可按期望限定的推测下执行验证，但是，由于取决于设备构造的各种限制条件，必须考虑这些限制条件。例如，重构区域的中心(圆柱轴线)与旋转中心(旋转轴线)匹配。因此，除非存在改变旋转中心的特殊机构等，否则旋转轴线和直接置于旋转台16上的工件W的每一个测量部位之间的相对关系是固定的。替换地，重构区域的位置由于旋转台16的位移的上下限而受到限制。
图12示出了在p6的测量下限倍率为×15时重构区域的中心被固定在工件W旋转轴线处的视图。
在步骤240确定CT扫描位置时，重复步骤220和230的过程直到没有用于验证测量部位的其他候选时，组测量倍率或组测量部位的列表被最终敲定，并确定CT扫描位置。
在X射线源和X射线检测装置之间的方向限定为X轴线时，可通过测量倍率确定CT扫描期间旋转台16的X位置。在被包括在该组中的所有测量部位被包括在重构区域中时，可按照期望在旋转台16可移位的范围内限定Y/Z位置。
例如，被包括在该组中的所有测量部位的重心可以设置为定位在重构区域的中心上。
在步骤250确定CT扫描顺序时，重复步骤210到步骤240的过程，直到所有测量部位被包括在任何组中，此后针对从每一组获得的CT扫描位置确定执行顺序。
从避免不必要的位移的观点来看，顺序应该设置为对旋转台16向每一个CT扫描位置的移位实现最短路线。从总体测量时间的观点来看，旋转台16的位移时间比CT扫描执行时间短得多，且因此，位移时间被认为对总体测量时间没有影响。
以上，描述了圆柱形体中的中空空间的测量的例子，但是，测试目标的外部形状或内部形状并不限于此。
应注意，前述例子仅出于说明的目的提供且不是为了构成对本发明的限制。尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应理解本文已经使用的词语是描述和说明性的词语，而不是限制性的词语。可以在所陈述和所修改的所附权利要求的范围内可以做出改变，而在其一些方面，不脱离本发明的范围和精神。虽然已经参考具体结构、材料和实施例在本文描述了本发明，但是本发明不应被限制为所公开的具体形式；相反，本发明涵盖虽有功能等同的结构、方法、和用途，例如在所附权利要求的范围内。
本发明并不限于如上所述的实施例，且可以在不脱离本发明范围的情况下做出各种变化和修改。
相关申请的交叉引用
本申请根据35 U.S.C.§119要求2018年3月19日提交的日本申请No.2018-051551的优先权，该申请的内容通过引用全部合并于本文。

Claims (6)

1.一种用于对测量用X射线CT产生测量计划的方法，该测量用X射线CT在让测试目标旋转的同时执行X射线照射，且如此获取投影图像数据，从投影图像数据重构体数据，且测量体数据中的目标测量部位，该方法包括：
基于包括在测试目标的CAD数据中的公差信息和通过测量操作者提前限定的测试目标上的测量部位来计算所需的测量准确性和测量视野范围，和
从公差信息自动产生使得测量次数最小化的优化测量计划。
2.如权利要求1所述的方法，其中自动产生测量计划包括：
使用任意测量部位作为标准；
验证是否可使用相同测量倍率作为标准来测量每一个其他任意测量部位；
形成可按相同测量倍率测量的组；
确定CT扫描位置，用于针对每一组产生体数据；和
为所述位置指定顺序。
3.一种用于对测量用X射线CT产生测量计划的设备，该测量用X射线CT在让测试目标旋转的同时执行X射线照射，且如此获取投影图像数据，从投影图像数据重构体数据，且测量体数据中的目标测量部位，该设备包括：
测量计划自动产生程序，其存储在至少一个实体非瞬时计算机可读介质中，其中，该程序在被计算机处理器执行时使得计算机处理器执行以下操作：
基于包括在测试目标的CAD数据中的公差信息和通过测量操作者提前限定的测试目标上的测量部位来计算所需的测量准确性和测量视野范围，和
从公差信息自动产生使得测量次数最小化的优化测量计划。
4.如权利要求3所述的设备，其中自动产生测量计划包括：
使用任意测量部位作为标准；
验证是否可使用相同测量倍率作为标准来测量每一个其他任意测量部位；
形成可按相同测量倍率测量的组；
确定CT扫描位置，用于针对每一组产生体数据；和
为所述位置指定顺序。
5.至少一个实体非瞬时计算机可读介质，其存储用于运行测量计划自动产生程序的可执行指令集，其中该指令集在被计算机处理器执行时使得计算机处理器执行以下操作：
基于包括在测试目标的CAD数据中的公差信息和通过测量操作者提前限定的测试目标上的测量部位来计算所需的测量准确性和测量视野范围，和
从公差信息自动产生使得测量次数最小化的优化测量计划。
6.如权利要求5所述的程序，其中自动产生测量计划包括：
使用任意测量部位作为标准；
验证是否可使用相同测量倍率作为标准来测量每一个其他任意测量部位；
形成可按相同测量倍率测量的组；
确定CT扫描位置，用于针对每一组产生体数据；和
为所述位置指定顺序。
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