Institut für Raumbezogene Informations- und Messtechnik
Hochschule Mainz - University of Applied Sciences

Automatisierte Kalibrierung von Prüfkörpern für die Röntgen-Mikrocomputertomographie

Die automatisierte Kalibrierung von Prüfkörpern für die Röntgen-Mikrocomputertomographie gelingt mittels berührungsloser optischer Vermessung unter Rückgriff auf Computer Vision Verfahren.
Motivation und Ziele: 

Die Mikrocomputertomographie ist eine 3D-Röntgenbildgebung. Die Methode entspricht den in Kliniken eingesetzten CT-Scans, wobei die vergleichsweise kleineren Systeme der Mikrocomputertomographie eine stark erhöhte Auflösung aufweisen. Sie stellen die interne Struktur von Objekten zerstörungsfrei als dreidimensionales Bild mit sehr feiner Auflösung dar. Zur geometrischen Kalibrierung dieser Tomographen werden Prüfkörper, sogenannte Phantoms verwendet. Die Phantoms bestehen aus einem Kunststoffträger mit daran befestigten, spiegelnden, metallischen Kugeln. Relevant sind die Raumstrecken zwischen den Kugelmittelpunkten mit einer Genauigkeit im Mikrometerbereich und die Rückführbarkeit auf ein international genormtes Längennormal. Die berührungslose Bestimmung der Abstände der Kugelmittelpunkte gelingt mittels Industrietheodoliten nach dem Prinzip des Vorwärtsschneidens. Die bisher händisch durchgeführten Kalibrierungen der Phantoms werden nun durch modulare Digitalkameratheodolite auf Basis der Motortheodoliten Leica TM5100 automatisiert durchgeführt. Mit Hilfe der digitalen Bildverarbeitung werden auf den spiegelnden, metallischen Kugeln gezielte Reflexionen bzw. ihr virtuelles Bild, stützend auf der geometrischen Optik, hochgenau bestimmt.

Aktivitäten: 

Die modularen Digitalkameratheodolite werden durch exzentrisch am Fernrohr montierte LED-Leuchten erweitert. Diese gezielte Beleuchtung der Kugeln ermöglicht eine automatische Detektion und Zentrumsbestimmung. Das händische Anzielen der Kugelmittelpunkte ist nicht notwendig. Um die automatische Kalibrierung verifizieren zu können, wurde ein Laboraufbau so konzipiert, dass ein zweites unabhängiges Messverfahren angewandt werden konnte. Zusätzlich wurde für die Betrachtung der Wiederholgenauigkeit ein Prüfkörper angefertigt, der eine Veränderung der Lage des Phantoms ermöglicht ohne den Abstand der Kugeln zueinander zu ändern. Exemplarisch wurden für die Untersuchungen Kugeln mit den Durchmessern 38,1mm und 3,0mm verwendet.

Ergebnisse: 

Die Analyse der Ergebnisse seitens Kira Zschiesche M.Sc. zeigt, dass die automatisierte Kalibrierung von Prüfkörpern für Mikrocomputertomographen erfolgreich durchgeführt werden kann. Die Reflexionen der exzentrischen LEDs können genutzt werden um die optische Achse der Theodoliten zur Kugel automatisch zu bestimmen und somit die Kugelabstände. In der theoretischen und praktischen Betrachtung zeigt sich, dass die derzeitige Modellierung alle relevanten systematischen Abweichungen durch das exzentrische Anbringen der LEDs hinsichtlich der präzisen Winkelbestimmung auf die Kugelmittelpunkte wirkungsvoll eliminiert. Das Ergebnis der Verifizierung zeigt einen Streckenunterschied von 7μm. Die wiederholte Messung mit Positionsveränderung des Prüfkörpers zeigt eine erreichte Standardabweichung des Mittelwertes von ±2μm.

Eckdaten

Zeitraum:     01.03.2016 - 31.08.2016
  • – Stefan Boes
  • – Jens Grünke
  • – Stefan Hauth
  • – Arno Heidelberg
  • – Martin Heppe
  • – Sebastian Kuhlke
  • – Matthias Mayer
  • – Torsten Walter
  • – Kira Zschiesche
Kooperation:
  • – Bruker-microCT, Kontich, Belgien
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