用于通过X射线计算机断层扫描装置确定位于待检查物体中的结构位置的方法和评估设备

摘要

在用于通过X射线计算机断层扫描装置确定位于待调查的物体中的结构位置的方法和评估设备中，从物体的体数据记录确定对切割平面中的物体进行成像的切割数据记录。二值化切割数据记录以形成二进制数据记录，在其中，确定对结构进行成像的结构体素（s）和对物体表面进行成像的表面体素（f）。为了确定所述位置，以如下方式产生距离数据记录（A）：将表征从所述表面体素（f）到各个距离体素（a）的最小距离的距离值（w）分配到距离数据记录（A）的各个距离体素（a）。然后确定对应于结构体素（s）的距离体素（a）并评估相关联的距离值（w）。通过确定距离值（w）的最小值，例如可确定从活塞表面到冷却通道的最小距离。

说明书

技术领域

本发明涉及用于通过X射线计算机断层扫描装置确定位于待调查物体 中的结构位置的方法和评估设备。

背景技术

通过X射线计算机断层扫描装置的物体或部件的自动和无破坏测试在 质量保证中的重要性日益增长。该挑战在于，一方面可靠地识别材料缺陷， 诸如孔或裂缝。另一方面，部件的三维测量是非常重要的。然而，用于检 查是否符合所需制造公差的部件测量很困难。虽然在原则上，在两个选定 点之间的距离，例如用于可以从使用X射线计算机断层扫描装置确定的待 调查部件的体数据记录中确定部件中内部结构的位置，通过干扰，例如噪 音、散射辐射或束硬化等的影响，让这个距离确定变得更加困难，因为这 些干扰影响改变或篡改体数据记录中的体素（voxel）的灰度值。此外，在 两种不同的介质（例如，物体材料和位于内部腔室中的空气）之间的过渡 中产生使部件的三维尺寸测量更困难的灰度值涂片。

发明内容

本发明基于提供一种用于通过X射线计算机断层扫描装置确定位于待 调查物体或部件中的结构位置的简单、准确和自动的方法的目的。

所述目的通过具有权利要求1的特征的方法实现。首先以传统的方式从 通过X射线计算机断层扫描装置确定的待调查的物体或部件的投影数据记 录重构体数据记录。然后定义切割平面，所述切割平面穿过位于物体中的 结构并关于它的空间位置来确定。该结构例如是腔体。原则上，切割平面 可以自由选择，并且从测量任务中产生。借助所定义的切割平面，从体数 据记录确定对切割平面中的物体进行成像的切割数据记录。为了能够容易 且精确地确定相对于物体表面的结构位置，首先二值化切割数据记录，由 此产生二进制数据记录。为了实现高精确度，二值化必须尽可能精确地进 行，这样尽可能没有错误地将二进制数据记录的体素分配给或不分配给物 体。因此，二进制数据记录包含具有表征物体的第一二进制值的体素，和 具有不表征物体的第二二进制值的体素，换言之，即相对于其位置，在结 构周围待确定的背景，人工制品（artefacts），以及不关注的结构。

然后从具有第二二进制值的二进制数据记录的体素来确定专门对关注 的结构成像的体素。这些体素被称为结构体素。这些体素例如以这样的方 式确定：关于它们的形状，大小，位置和/或周围环境来分析全部具有第二 二进制值的互相相邻的体素，由此可以明确地确定关注的结构或各个结构 体素。为了能够确定相对于物体表面的关注的结构位置，另外在二进制数 据记录中确定对物体表面成像的体素。这些体素被称为表面体素。在具有 表征物体的第一二进制值的体素和具有不表征该物体的第二二进制值的体 素之间的过渡中，在二进制数据记录中产生表面体素。位于该过渡处的具 有第一二进制值的体素是表面体素。

然后借助于所确定的表面体素来确定距离数据记录。距离数据记录的 体素被称为距离体素。将表征从表面体素到各个距离体素的最小距离的距 离值分配给每个距离体素。根据不同的度量，例如通过欧几里德度量或曼 哈顿（Manhattan）度量或城市街区（Cityblock）度量来计算最小距离。 优选地，将用于表征距离全部体素中的表面体素的最小距离的距离值分配 给所述距离体素。

从距离数据记录开始，可以很容易地确定相对于物体表面的结构的空 间位置，在其中对应于结构体素的距离体素从距离数据记录和它们的评估 的距离值中选择。例如，如果最小值从这些距离值中确定，则该最小值表 征从物体表面到结构的最小距离。相应地，距离值中的最大值表征从物体 表面到结构的最大距离。

根据本发明的方法不基于确定在两个选定点或体素之间的距离，而是 确定关注结构的空间位置，例如距离物体表面的最小距离，而不管结构如 何设置在物体中。由于制造公差，物体中的结构位置可能会变化，所以静 态或手动选定的两个点或体素的距离确定导致不精确的位置确定。与此相 反，在根据本发明的方法中，由于所述方法独立于位置并自动地提供所期 望的距离值，通过距离数据记录的计算和评估，可以完成关注的结构位置 的简单、精确和动态的确定。通过对已知体素的大小进行偏移，距离值可 以转换成度量纵向测量值，因此与构建数据的直接比较可以检查制造公差 的符合。

根据权利要求2所述的方法确保简单准确的位置确定，因为基于表面体 素的取向，可以很容易地确定距离数据记录。在取向的基础上，可以线和/ 或列进行所需的计算操作。

根据权利要求3所述的方法很容易允许物体相对于笛卡尔评估坐标系 的位置校正。尤其是，体数据记录的校正或变换允许在任何期望的切割平 面中相对于坐标系的物体的位置校正。仅采用一次变换，物体因此可以对 准相对于坐标系的任意期望的切割平面。对于位置校正，首先二值化体数 据记录。例如，这通过将体数据记录的体素布置成两类的阈值二值化进行， 在其中将属于物体的灰度值与不属于该物体的灰度值分离的阀值通过属于 体素的灰度值分布函数来计算。然后通过阈值进行体数据记录的二值化。 为了识别相对于坐标系的物体的位置，首先定义穿过物体的两个不同的校 正切割平面。对于这些校正切割平面，从二进制体积数据记录来确定相关 联的二进制校正切割数据记录，所述二进制校正切割数据记录在各个切割 平面中对物体成像。表征对相对于一个坐标轴的物体表面进行成像的表面 体素的位置的倾斜角由每个校正切割数据记录来确定。取决于校正切割平 面的定义，用于位置校正的表面体素可能不同于用于确定距离数据记录的 表面体素，并且如果需要区分的话，用于位置校正的表面体素也被称为校 正表面体素。从位于表面的校正切割平面的交点以及从所述倾斜角，明确 地确定相对于坐标系的物体的位置。使用交点和倾斜角进行体数据记录的 仿射变换，并且由物体体素成像的物体通过相对于坐标系的旋转和平移对 齐。

根据权利要求4的方法允许切割数据记录的极其精确的二值化。首先检 测到物体边缘，并通过数字图像处理中已知的Canny算法确定相关联的边 缘体素。从确定的边缘开始，以这样的方式进行二值化：多条虚拟和不同 的已对齐直线通过切割数据记录的每个体素放置，并确定各个直线与边缘 的交点数量。当大多数直线与边缘有奇数个交点时，二进制数据记录中的 各个体素接收表征物体的第一二进制值。相应地，当大多数直线与边缘有 偶数个交点时，二进制数据记录中的各个体素接收不表征物体的第二二进 制值。偶数还包括零。下文中，该二值化方法也将被称为Canny二值化。

根据权利要求5的方法很容易确保对结构成像的结构体素的确定。首 先，基于二进制数据记录进行连接分析，由此确定并定义连通区域。连通 区域也称为二进制大物体（binary large object，blob）。为了这个目的， 具有均匀的二进制值的连接或相邻体素每个都被分配到区域中，并且在列 表中标记所确定的区域和相关联的体素。然后，为了能够明确地标识对所 述结构进行成像的区域，关于它们的属性评估所确定的区域。可评估的典 型性能例如是形状，大小，位置和/或区域的周围环境。为了这个目的，例 如评估被分配到区域的体素数量，以及该区域的高度和宽度。使用这些评 估的属性，对区域进行分类，因此通过相关联的结构体素明确地确定对结 构进行成像的区域。

根据权利要求6的方法有助于距离数据记录的估计，因为这可以容易地 被偏移以确定相对于结构二进制数据记录的结构位置。

根据权利要求7所述的方法允许相对于已经确定结构的位置的表面的 简单确定。对表面成像的表面体素以这样的方式确定：在二进制数据记录 中的体素穿过各个行进方向，换句话说，取决于待确定的表面的位置的行 或线。如果当穿过在运行方向上的体素时第一次检测到被分配给物体并具 有第一二进制值的体素，那么该体素是表面体素并被相应地标记。

根据权利要求8所述的方法简化了距离数据记录的计算。由于在表面二 进制数据记录中，只有表面体素具有第一二进制值，容易预定距离数据记 录的计算的起点。

根据权利要求9的方法确保距离数据记录的简单计算。从在其中表面体 素只具有第一二进制值的表面二进制数据记录开始，在每种情况下，表征 从表面体素到各个体素的最小距离的距离值可以被分配到所有其他体素。 通过这种分配，表面二进制数据记录逐步转换成距离数据记录。因此，距 离数据记录包含具有零距离值的表面体素，和具有各个分配的距离值的距 离体素。因此，表面二进制数据记录通过距离变换被转换成距离数据记录。

根据权利要求10所述的方法很容易允许对应于结构体素的距离体素的 计算。通过来自距离数据记录的结构二进制数据记录设备可以清楚地冲压 出结构，在其中后者被乘以结构二进制数据记录。

根据权利要求11所述的方法很容易确保符合制造公差的检查。特别地， 通过确定最小值，例如可确定最小的壁厚度，这对于质量保证特别重要。

根据权利要求12所述的方法允许环状结构的检查，特别是环形的空腔 或通道。借助中心切割，即穿过共同轴的切割面，进行位置的确定。因此， 在预定义的角距离处，可以确定物体中的结构位置。例如这可有利地应用 于活塞中，特别是具有其位置待检查的环形冷却通道的气缸活塞。

根据权利要求13所述的方法确保沿着环形结构的所确定极值的简单精 确的评估。由于极值作为切割平面的位置函数示出，因此可以很容易识别 位置变化。通过极值的再次使用，特别是减少了测量误差。再次使用例如 以这样的方式进行：平滑所确定的极值，或在此基础上近似连续曲线。此 外，通过已知的体素大小，从确定的极值可以计算公制距离。

此外，本发明基于提供用于通过X射线计算机断层扫描装置的位于待 调查物体中的结构位置的简单、准确和自动确定的评估设备的目的。

此目的通过具有权利要求14的特征的评估设备实现。根据本发明的评 估设备的优点对应于根据已经描述的本发明方法的优点。特别是，根据权 利要求2至13也可以开发评估设备。

根据权利要求15的X射线计算机断层扫描装置允许待调查的物体在产 生后立即被测试，因此可获得内联测试。相应的内联测试系统例如具有生 产设备和相关联的处理装置，通过这些装置，可从生产设备中移除所产生 的物体或部件并提供到X射线计算机断层扫描装置。X射线计算机断层扫描 装置以已知的方式产生物体的投影数据记录，然后从物体的投影数据记录 重建体数据记录。被细分成体素并具有各个的相关联灰度值的体数据记录 是根据本发明方法的基础。将体数据记录提供给评估设备，所述评估设备 以所描述的方式确定待测试的结构位置。通过评估所确定的距离值或极值， 则可以作出关于部件是否符合质量要求的决定。

附图说明

本发明的其它特征，优点和细节从以下的实施例描述中展现。在附图 中：

图1示出具有X射线计算机断层扫描装置的内联测试系统的示意图， 所述X射线计算机断层扫描装置具有用于通过X射线计算机断层扫描装置 确定位于待调查的物体中的结构位置的评估设备，

图2示出通过被配置为具有沿切割面S₁的冷却通道的结构的活塞的物 体的剖视图，

图3示出属于切割平面S₁的活塞的切割数据记录的示意图，

图4示出属于具有关于评估坐标系对准的活塞的切割平面S₁的切割数 据记录的示意图，

图5示出用于确定相对于活塞表面的冷却通道位置的距离数据记录的 示意图。

具体实施方式

内联测试系统1具有生产设备2，处理装置3和X射线计算机断层扫 描装置4。内联测试系统1用于测试以直接在它们生产之后的活塞形式的 物体5或部件。例如，活塞5是气缸活塞。生产设备2中产生的活塞5可 以通过处理装置3馈送到在产生的活塞5上进行测试的X射线计算机断层 扫描装置4。

X射线计算机断层扫描装置4具有X射线源6和相关联的X射线检测 器7。在X射线源6和X射线检测器7之间布置的是物体托架8，通过物 体托架8可以定位待调查的活塞5。

X射线源6用来产生活塞5的方向上圆锥形地发射的X射线9。X射 线9关于X射线计算机断层扫描装置4的中心纵向轴10大体上对称。例 如，X射线源6被配置成具有其结构已知的X射线管或线性加速器。

X射线检测器7大体上在xy平面上延伸，xy平面通过朝其垂直行进 的x方向和y方向定义。中心纵向轴10定义大体上垂直于xy平面的z方 向。在x方向和y方向上的X射线检测器7具有大量的像素p，所述像素 p由p（x，y）详细指定，其中使x=1到n_x和y=1到n_y。例如将X射线 检测器7配置为其结构已知的平面图像检测器。

通过电驱动电机11可以绕平行于y方向的旋转轴12旋转物体托架8。 物体托架8的旋转位置以及因此在其上布置的活塞5由旋转角表征，所 述旋转角定义投影方向。X射线源6，X射线检测器7和驱动电机11由 信号线13连接到评估设备14。一方面，使用评估设备14以控制X射线源 6和驱动电机11，另一方面，估计通过X射线检测器7检测到的X射线9。

待调查活塞5具有活塞头15和在其上设置的活塞杆16，该活塞杆16 相对于中央活塞轴17大体类似对称地配置。活塞5具有浇铸在槽18中并 且由奥氏体铸铁组成的环形托架19。在活塞5的内部配置的是以环形周边 冷却通道20形式的内部结构20。冷却通道20可相对于活塞头15倾斜地 布置，所以其相对于活塞头15的最小距离A_B和其沿冷却通道20的相对于 活塞杆16的最小距离A_S通常变化。X射线计算机断层扫描装置4和相关 联的评估设备14用于确定活塞杆16中的冷却通道20的位置，换句话说， 确定最小距离A_B和A_S，特别作为它们的周边位置或旋转角度的函数。

下面将描述活塞5的测试。通过处理装置3将活塞5从生产设备2移 出并放置在物体托架8上。通过X射线源6以常规方式用X射线9照射 活塞5。X射线检测器7检测撞击在其上的X射线9。对每一个像素p（x， y），检测到的X射线9被转换成对应的灰度值。具有灰度值的对应的投 影数据记录被发送到评估设备14用于评估。该照射过程在大量的旋转角下重复。通过评估设备14关于旋转角从投影数据记录重构活塞5的体 数据记录。三维体数据记录对活塞5进行成像并具有大量体单元指定的体 素，其具有各个灰度值。该体数据记录形成用于冷却通道20的位置确定的 起点。

首先，相对于笛卡尔评价坐标系K进行活塞5的位置识别和位置校 正，所述笛卡尔评价坐标系K由相互垂直的坐标轴形成。下文中，将坐标 轴表示为u，v和w。为了校正位置，定义在活塞轴17相交的两个校正切 割平面S₁和S₂。这些切断平面S₁和S₂彼此垂直，并在图2中示出。首先 二值化体数据记录以形成二进制体数据记录。这通过阈值二值化来进行， 所述阈值二值化将体数据记录的体素分配到活塞5或不分配到活塞5。可 靠地将灰度值分成这些类的阈值，关于体数据记录的体素从所有灰度值的 分布函数中计算得出。然后从二进制体积数据记录中提取在各个切割平面 S₁和S₂上对活塞5进行成像的两个校正切割数据记录。

图3示出用于校正切割平面S₁的校正切割数据记录，为了图像更清晰， 对活塞5自身成像而不是体素对活塞5成像。为了更便于说明，校正切割 数据记录只有小的分辨率，即小数量的体素。在校正切割数据记录中，对 活塞5进行成像的体素具有第一二进制值。下文中这些体素被称为物体体 素o。不对活塞5进行成像的体素，换句话说，对背景和冷却通道20进行 成像的体素具有第二二进制值。下文中，这些体素将被称为背景体素h。 此外，表征活塞5的表面的物体体素被称为表面体素f。使用活塞头15的 表面体素f确定相对于坐标轴u的倾斜角α。相应地，在切割平面S₂的校 正切割数据记录中确定相对于坐标轴w的倾斜角α。从倾斜角α和活塞头 15的中心点M明确地确定在笛卡尔坐标系K中的活塞5的位置。在倾斜 角α和中心点M的辅助下，通过体数据记录的仿射变换，将体数据记录以 这样的方式转换：活塞头15的表面体素f平行于坐标轴u和w。因此，活 塞5或对活塞5进行成像的物体体素o在评估坐标系K中对齐。这在图4 中示出。

为了确定冷却通道20的位置，现在进行大量的中心切割。出于这个目 的，将切割平面S₁至S_n放置在通过活塞轴17的预定角距离处。例如，将 切割平面定义在1°的角距离处，那么产生360个切割平面S₁至S₃₆₀以测 试冷却通道20。然后从被转换以校对位置的体数据记录中的各个切割平面 S₁到S_n确定或提取在该切割平面S₁至S_n中对活塞5进行成像的切割数据 记录。按照图3，用于切割平面S₁的切割数据记录在图4中示出。

首先，该切割数据记录二值化成二进制数据记录。为了实现尽可能精 确的二值化，首先通过已知的Canny算法确定在切割数据记录中的活塞5 的边缘。该边缘实质上从活塞5的表面产生，铁环19被设置在槽18和冷 却通道20中。活塞5的边缘由没有详细示出的边缘体素来表征。穿过切削 数据记录的各个体素放置多个不同排列的直线G₁到G₈，并确定直线G₁到G₈与边缘的交点数目。图4中，在每种情况下，用八条直线G₁到G₈对背景体素h和物体体素o进行说明。

属于背景体素h的直线G₁到G₈要么没有交点或与边缘具有偶数个交 点。与此相比，在各种情况下属于物体体素o的直线G₁到G₈与边缘有奇 数个交点。其结果是，可以将体素明确地分配到活塞5或者不分配到活塞 5。因为借助大多数的直线G₁到G₈做出决定，所以甚至边缘场（edge  course）的缺陷也可以得到补偿。第一二进制值被分配给二进制数据记录 中的物体体素o，而第二二进制值被分配给背景体素h。

然后从二进制数据记录确定对冷却通道20进行成像的体素。下文中， 这些体素被指定为结构体素s。出于这个目的，进行所谓的连接分析。在 各种情况下，具有均匀的二进制值的连接体素被分配给一个区域。这些区 域也被称为二进制大物体。区域和相关联体素在列表中标记。然后关于它 们的形状，大小，位置和/或周围环境来评估该区域。典型的区域是活塞5， 冷却通道20，由于铁环19和环绕活塞5的背景的伪影。通过评估这些区 域的形状，尺寸，位置和/或周围环境，可以确定属于冷却通道20的结构 体素s。为了评估所述区域，例如仅使用设置到活塞轴17的左侧的一半活 塞5，因此只确定一个被归类为冷却通道20的区域。然后为该区域产生结 构二进制数据记录，其中结构体素s具有第一二进制值，而所有其他体素 具有第二二进制值。

然后从二进制数据记录确定活塞5表面的表面体素f。由于要确定距离 A_B和A_S，一方面活塞头15的表面体素f，和另一方面活塞杆16的表面体 素f都必须确定。为了确定活塞头15的表面体素f，从与坐标轴u相对的 一侧开始的各个行进方向中的行穿过二进制数据记录。如果在穿过的行中 的一个中第一次确定体素，所述体素是物体体素o并且因此属于活塞5， 那么该物体体素o同时也是表面体素f。相应地，为了确定活塞杆16的表 面，二进制数据记录以从坐标轴v开始的线穿过。如果在一行中第一次确 定体素，该体素是物体体素o并属于活塞5，那么该物体体素o同时也是 表面体素f。为每个确定的表面产生表面二进制数据记录，其中表面体素f 具有第一二进制值，而所有另外的体素具有第二二进制值。

下文中，从关于活塞杆16的表面二进制数据记录开始，将描述距离 A_S的确定。相应地，从关于活塞头15的表面体素f的表面二进制数据记录 开始，确定距离活塞头15的距离A_B。

从表面二进制数据记录开始，以这样的方式确定距离数据记录A：表 征从表面体素f到各个距离体素a的最小距离的距离值w_i（其中i=1，2， 3…等）被分配给距离数据记录A的每个体素或每个距离体素。该方法步 骤被称为距离变换。距离值w例如可以根据欧几里德度量或曼哈顿或城市 街区度量进行计算。相比于图3和4，图5示出具有高分辨率的活塞杆16 的表面体素f的距离数据记录A。从表面体素f开始，距离体素a具有距 离值w₁，w₂，w₃等，它描述整个体素中的距离。同样在图5中示出，通过 结构体素s对冷却通道20进行成像。结构体素s的位置从结构二进制数据 记录中获知，因此借助来自距离数据记录A的结构二进制数据记录，可以 很容易地确定相关联的距离值w₃至w₅.

最小距离值w₃是从活塞杆16的表面到冷却通道20的距离A_S的测量 值。如果距离值w₃乘以体素大小，生成的最小距离A_S具有公制单位。

为了更简单的图示，图3至5中示出的数据记录只具有少量体素。位 置测定的精确度越高，数据记录的体素数量越大。然后通过大量的结构体 素s对冷却通道20进行成像，所述结构体素s具有不同的距离值w。关于 相关联的距离值，结构体素s必须以所描述的方式进行估计。为了确定最 小距离A_S，最小值必须从属于结构体素的距离值w中确定。

对所有切割平面S₁至S_n和对距离A_B至A_S进行所述的评估。如果将 距离A_B或A_S的确定的最小值和在所有切割平面S₁至S_n上绘图，可以在 每种情况下产生曲线，所述曲线仍可以通过数学方法修改。例如，异常值 的单独的值可被消除和/或是通过最小值近似的连续曲线。

使用根据本发明的方法和根据本发明的评估设备不进行在两个预定义 的点或体素之间的距离测量。根据本发明的方法和根据本发明的评估设备， 简单、精确并自动地提供从活塞头15或活塞杆16的表面到冷却通道20 的最小距离A_S或A_B，无论冷却通道20如何设置在活塞5中。如果下降可 允许的距离，可通过内联测试系统1拒绝相应的活塞5。