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.

Ergebnisse: 

Ende 2018 ersetzt die automatisierte Kalibrierung von Prüfkörpern für Mikrocomputertomographen erfolgreich das bisherige, händische Messverfahren. Die Reflexionen der exzentrischen LEDs werden genutzt, um automatische Theodolitzielungen zur Bestimmung der Kugelabstände vorzunehmen. In der theoretischen und praktischen Betrachtung hatte sich bereits 2016 abgezeichnet, dass die Modellierung alle relevanten systematischen Abweichungen durch das exzentrische Anbringen der LEDs hinsichtlich der präzisen Winkelbestimmung auf die Kugelmittelpunkte wirkungsvoll eliminiert: Das Ergebnis der Verifizierung zeigte einen Streckenunterschied von 7μm. Die wiederholte Messung mit Positionsveränderung des Prüfkörpers zeigte eine erreichte Standardabweichung des Mittelwertes von ±2μm.

Eckdaten

Zeitraum:     01.12.2018 - 31.01.2019
  • – Stefan Boes, Hochschule Mainz
  • – Jens Grünke, Hochschule Mainz
  • – Stefan Hauth, Hochschule Mainz
  • – Arno Heidelberg, Hochschule Mainz
  • – Martin Heppe, Hochschule Mainz
  • – Sebastian Kuhlke, Hochschule Mainz
  • – Matthias Mayer, Hochschule Mainz
  • – Torsten Walter, Hochschule Mainz
Kooperation:
  • – Bruker-microCT, Kontich, Belgien
Titelbild:
  • Beispiel eines Phantoms, Foto: Margaritha Vogt
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