Industrieel micro-CT scannen is een niet-destructieve beeldvormingstechniek waarbij röntgenstralen (X-rays) worden gebruikt om gedetailleerde 3D-afbeeldingen te maken van de interne en externe structuren van objecten met een resolutie op micrometerniveau.
Algemeen
2D vlakke röntgenbeelden (X-ray beelden) worden vastgelegd en gereconstrueerd in 2D dwarsdoorsnedes. Deze doorsnedes, of slices, worden verder verwerkt tot een volumetrische dataset (3D-model). Het volume van het object wordt omgezet in eenheden die voxels worden genoemd. Een voxel kan worden gezien als een 3D pixel.
De technologie wordt breed ingezet binnen tal van industrieën. Denk hierbij aan de algemene maakindustrie, de materiaalwetenschappen, binnen ruimtevaart en defensie voor o.a. kwaliteitscontroles, het opsporen van defecten en het uitvoeren van structurele analyses, enz…
Verschillende materialen hebben een verschillende dichtheid, dewelke wordt weergegeven door verschillende grijstinten. Als je inzoomt op een onderdeel, kun je focussen op het gewenste interessegebied en bepaalde kenmerken markeren en analyseren.
Transmissie van X-rays
Wanneer X-rays door een object gaan, worden sommige geabsorbeerd of verzwakt, terwijl andere worden doorgelaten.
Wat er doorheen komt kun je zien als een schaduw. De materiaaleigenschappen van het object beïnvloeden de demping.
- Hoe hoger de densiteit van een voorwerp, hoe meer röntgenstralen (X-rays) worden geabsorbeerd.
- Dikkere objecten absorberen ook meer X-rays.
Door verschillende afbeeldingen te maken onder verschillende hoeken kan de scanner het verschil zien tussen een meer dens materiaal of juist een dikker materiaal.
Daarna worden de verzamelde beelden gereconstrueerd tot een stapel tomografische beelden (slices). Tijdens deze reconstructie worden de waarden geïnverteerd zodat lucht zwart wordt en de meer dense objecten lichter van kleur.
Machine werking
De drie belangrijkste onderdelen van de CT-scanner zijn:
- De detector
- De rotatietafel
- De X-ray tube
Er zijn verschillende soorten tubes mogelijk, maar laten we ons richten op een transmissie-tube. Hierbij gaat een elektronenbundel door een doelvenster dat X-rays genereert. Dankzij de mogelijke beweging van het onderdeel kan het dichter bij het doel of de lichtbronnen worden gepositioneerd, waardoor een grotere vergroting mogelijk is.
Het vermogen van de straal kan worden opgesplitst in 2 componenten:
- Spanning
- Stroom
De spanning bepaalt de energie van de fotonen die worden uitgezonden. Hoe meer energie een foton heeft, hoe gemakkelijker het door dichte voorwerpen gaat (= hoge densiteit). De bundel is polychromatisch, wat betekent dat hij een aantal golflengtes heeft en dus niet alle fotonen hetzelfde energieniveau hebben. De spanning bepaalt het maximale energieniveau, maar minder krachtige fotonen maken ook deel uit van de bundel. Deze fotonen zullen zich anders gedragen.
Hogere energiestralen gaan door de meer dense objecten heen, terwijl lagere energiestralen aan het oppervlak worden tegengehouden. Omdat het detectorpaneel het verschil niet kan zien, kan dit leiden tot artefacten (beam hardening).
De stroom regelt de hoeveelheid fotonen die worden uitgezonden. Je kunt het zien als de helderheid van de straal. Als je de stroom verhoogt, neemt het signaal van de straal toe.
De rotatietafel
De rotatietafel is de basis van de houder voor uw onderdelen, die horizontaal, verticaal en in de richting van de beam kan worden bewogen. De afstand tussen het onderdeel enerzijds, en de detector en X-ray tube anderzijds, bepaalt de vergroting en ruimtelijke resolutie van de scan.
- Als de draaitafel dichter bij de X-ray tube staat, zal deze een groter beeld met een hogere resolutie op het detectorpaneel projecteren.
- Als de draaitafel verder van de X-ray tube staat, zal deze een kleiner beeld met een lagere resolutie op het detectorpaneel projecteren.
Resolutie is een manier om te beschrijven hoeveel details er in een bepaald gebied zijn. Dit wordt aangeduid als voxelgrootte, wat de werkelijke hoeveelheid ruimte is die wordt vertegenwoordigd door elke voxel. Voor de meeste industriële CT-scanners zijn de voxels isometrisch, wat betekent dat ze kubusvormig zijn met gelijke X-, Y- en Z-dimensies. Als je meer wilt weten over dit onderwerp, kun je altijd onze blogpost over Resolutie vs. Nauwkeurigheid bekijken .
Voorbeeld:
Als de detector 2000 x 2000 pixels is, en het object dat je scant 200 mm hoog is, komt elke pixel overeen met 100 micron. Deze pixels worden gereconstrueerd in voxels van dezelfde grootte.
=> 200mm/2000 pixels = 0,1mm = 100µm
Als je nu inzoomt voor een scan met een hogere resolutie, met een gezichtsveld (hoogte van het object) van 100 mm, neemt de voxelgrootte af tot 50 micron.
=> 100mm/2000 pixels = 0,05mm = 50µm
Hogere resolutie = lagere voxelgrootte
De detector
Het detectorpaneel registreert de geprojecteerde beelden. Het kan de acquisitietijd voor het vastleggen van een enkel beeld aanpassen. Een langere tijd zorgt ervoor dat er meer fotonen worden vastgelegd en vergroot het signaal zonder de kracht van de bundel te vergroten. Dezelfde bundel, beter signaal.
Op de afbeelding rechts zie je een voorbeeld van een X-ray projectie op de detectorplaat.
Kwaliteit – Snelheid – Resolutie
Het definiëren van de gewenste scanparameters vereist het afwegen van een reeks compromissen tussen kwaliteit, scantijd en resolutie. De belangrijkste aspecten die van invloed zijn op de kwaliteit zijn:
- Contrast: Dit kan worden verbeterd door een hoge stroomsterkte en een goed signaal.
Spanning, stroom en timing verhogen allemaal het signaal.
- Ruis: Dit kan worden verbeterd door meerdere projecties vast te leggen en het gemiddelde daarvan te nemen. Hoe meer gemiddelden, hoe minder ruis.
- Artefacten: Deze kunnen worden verminderd door filters te gebruiken. Filters verminderen beam hardening, maar verhogen de hoeveelheid ruis in een scan.
Verschillende zaken die de kwaliteit kunnen verbeteren, verhogen ook de scantijd.
De resolutie kan ook het vermogen van de bundel beperken. Als het vermogen toeneemt, neemt ook de spotgrootte van de bundelbron toe. Het zou te gevaarlijk zijn om een sterke bundel door een smalle spot te persen. Daarom neemt de spotgrootte automatisch toe naarmate het vermogen toeneemt.
- Als de spot kleiner is dan het object, is er weinig tot geen vervaging van de schaduw die op de detector valt.
- Wanneer de spot groter wordt, zal het beeld waziger worden. Door het object van de bron weg te bewegen en dus de resolutie te verlagen, wordt de onscherpte verminderd.
Samengevat: Hoe hoger de resolutie, hoe beperkter het vermogen van de bundel om een scherp beeld te krijgen.
Als je op zoek bent naar een scan met een hoge resolutie, wordt het maximale vermogen dat je kunt gebruiken zonder een wazig beeld te krijgen, verlaagd. Vermindering van het vermogen vermindert ook het signaal. De enige manier om het signaal te verhogen zonder het vermogen te verhogen, is door een langere opnametijd te gebruiken. Dit vergroot de lengte van de scan. Dit betekent dat indirect de resolutie de scantijd kan beïnvloeden.
