Image-based Control and Automation of High-speed X-ray Imaging Experiments
Creators: name: Faragó, Tomáš
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2017
Subjects: X-ray imaging
X-ray imaging simulation
GPU computing
control system

description: Moderne Röntgenbildgebung gibt Aufschluss über die innere Struktur von Objekten aus den verschiedensten Materialien. Der Erfolg solcher Messungen hängt dabei entscheidend von einer geeigneten Wahl der Aufnahmebedingungen ab, von der mechanischen Instrumentierung und von den Eigenschaften der Probe oder des untersuchten Prozesses selbst. Bisher gibt es kein bekanntes Verfahren für autonome Datenakquise, welches auch für sehr verschiedene Röntgenbildgebungsexperimenten die Steuerung über bildbasiertes Feedback erlaubt. Die vorliegende Arbeit setzt sich als Ziel, diese Lücke zu schließen, indem gezielt die hierbei auftretenden Probleme angegangen und gelöst werden: die Auswahl der experimentellen Startparameter, eine schnelle Verarbeitung der aufgenommenen Daten und ein automatisches Feedback zur Korrektur der laufenden Messprozedur.

Um die am besten geeigneten experimentellen Bedingungen zu bestimmen, gehen wir von den Grundlagen der Bildentstehung aus und entwickeln ein Framework für dessen Simulation. Dieses ermöglicht uns eine große Bandbreite an virtuellen Röntgenbildgebungsexperimenten durchzuführen, wobei die entscheidenden physikalischen Prozesse auf dem Weg der Röntgenstrahlung von der Quelle bis zum Detektor berücksichtigt werden. Darüber hinaus betrachten wir verschiedene Probenformen und bewegungen, was uns die Simulation von Experimenten wie etwa 4D (zeitaufgelöster) Tomographie ermöglicht.

Außerdem entwickeln wir eine autonome Prozedur für die Datenakquise, welches die Startbedingungen des Versuchs dann während der schon laufenden Messung auf Basis schneller Bildanalyse das nachjustiert und auch andere Parameter des Experiments steuern kann. Besonderes Augenmerk legen wir hier auf Hochgeschwindigkeitsexperimente, welche hohen Anforderungen an die Geschwindigkeit der Datenverarbeitung stellen, vor allem wenn die Steuerung auf rechenintensiven Algorithmen wie etwa für die tomographische 3D Rekonstruktion der Probe basiert. Um hierzu einen effizienten Algorithmus zu implementieren, verwenden wir ein hochgradig parallelisiertes Framework. Dessen Ausgabe kann dann zur Berechnung verschiedener Bildmetriken verwendet werden, um quantitative Information über die aufgenommenen Daten zu erhalten. Diese bilden die Grundlage zur Entscheidungsfindung  in einem geschlossenen Regelkreis, in dem die Hardware für die Datenakquise betrieben wird.

Die Genauigkeit des entwickelten Simulationsframeworks zeigen wir, indem wir virtuelle und reale Experimente vergleichen, die auf Gitterinterferometrie basieren und damit spezielle optische Elemente für die Kontrastbildung einsetzen. Außerdem untersuchen wir im Detail den Einfluss der Bildgebungsbedingungen auf die Genauigkeit des implementierten Algorithmus für gefilterte Rückprojektion, und inwiefern unter dessen Berücksichtigung eine Optimierung der experimentellen Bedingungen möglich ist.

Wir demonstrieren die Fähigkeiten des von uns entwickelten Systems zur autonomen Datenakquise anhand eines in-situ Tomographieexperiments, bei dem es basierend auf 3D-Rekonstruktion die Framerate der Kamera optimiert und damit sicherstellt, dass die aufgezeichneten Datensätze ohne Artefakte rekonstruiert werden können. Außerdem nutzen wir unser System, um ein Tomographieexperiment mit hohem Probendurchsatz durchzuführen, bei dem viele ähnliche biologische Proben gescannt werde: Für jede davon wird automatisch die tomographische Rotationsachse bestimmt und schließlich zur Sicherstellung der Qualität schon während der Messung ein komplettes 3D Volumen rekonstruiert. Darüber hinaus führen wir ein in-situ Laminographieexperiment durch, welches die Rissbildung in einer Materialprobe untersucht. Hierbei führt unser System die Datenakquise durch und rekonstruiert einen zentral gelegenen Querschnitt durch die Probe, um dessen korrekte Ausrichtung und die Qualität der Daten sicherzustellen.

Unsere Arbeit ermöglicht - basierend auf hochgenauen Simulationen - die Wahl der am besten geeigneten Startbedingungen eines Experiments, deren Feinabstimmung während eines realen Experiments und schließlich dessen automatische Steuerung basierend auf schneller Analyse der gerade aufgezeichneten Daten. Ein solches Vorgehen bei der Datenakquise ermöglicht neuartige in-vivo und in-situ Hochgeschwindigkeitsexperimente, die bedingt durch die hohen Datenraten nicht mehr von einer menschlichen Bedienperson gehandhabt werden könnten.