CTSimU2项目开发的工业CT系统数字仿真模型

来源：PTB新闻

德国联邦物理技术研究院（PTB）参与的“CTSimU2”项目（2022–2025）已顺利完成。该项目是德国联邦经济事务与气候保护部（WIPANO）资助计划的一部分，旨在开发具备基础认证资格的仿真软件，用于真实X射线计算机断层扫描（CT）系统的现实仿真。该项目是前期项目CTSimU（2019–2021）的延续，后者专注于工业CT在几何特征测量中的不确定度评估。

为实现CT仿真结果与实际尺寸测量结果的高度可比性，不仅需要准确建模测量过程，还需确保后续的几何评估链（包括断层重建、表面确定和尺寸评估）的正确性。其中，将真实CT系统映射到仿真软件中的参数化质量尤为关键。CTSimU2项目由PTB与12家科研机构和企业合作，研究如何以足够精度构建工业CT系统的数字仿真模型及其参数化策略。这些模型将用于后续项目CTSimU3中，通过数字计量孪生体评估工业CT尺寸测量的不确定度。

仿真软件中CT系统的参数化可分为四个步骤：步骤1：使用校准的参考标准对真实CT系统进行参数评估；步骤2：评估评估数据以生成通用参数规范；步骤3：将参数传输到特定的仿真软件；步骤4：使用合适的测试验证最终的模拟结果。步骤1和2的方法已经在CTSimU项目中进行了一般性描述。步骤3，参数传输，是软件特定的，以现有的仿真软件为例，在CTSimU2中执行。通过新开发的测试在CTSimU2中执行模拟结果的验证（步骤4），在此基础上可以评估真实CT系统的充分正确的模拟。为了进行此评估，根据标准DIN En ISO/IEC 17043制定了一个改编的En标准。为了将其与DIN En ISO/IEC 17043中的En值区分开来，该值在这里被称为En，DM，因此被分配给数字模型（用于待分析的被测对象）：

这里xsim是重复模拟结果的平均值，xref，sim是用于模拟的数字组件表示的参考值，xmess是组件重复CT测量的平均值。xref，mess是组件上考虑的被测对象的参考值或校准值。U2sim是平均值xsim的扩展不确定度，U2mess是CT测量平均值xmess的扩展测量不确定度。只有当模拟和实际测量的参考值对于所考虑的各个被测对象相同时，特性En、DM才等于DIN En ISO/IEC 17043中描述的特性En。在CTSimU2项目中，使用模拟的标准偏差和覆盖因子k将U2sim近似为较低的估计值。U2mess是使用VDI/VDE 2630-2.1中的方法根据经验确定的。

使用通过先前项目CTSimU基本资格认证的仿真软件和评估链，以及真实CT系统的评估参数数据集，对几个工业CT系统的尺寸测量（如孔径和孔中心距离）进行了首次真实模拟。例如，对具有28个孔的铝孔板进行了调查（图1）。

图2显示了一系列10次CT测量和10次CT模拟的En、DM值，以确定典型工业CT系统的28个孔径和35个选定的孔中心距。范围En，DM介于-1和1之间，描述了数字计量孪生体在后续项目CTSimU3中应达到的目标范围。数字模型的当前状态尚不能实现这一点，例如，数字模型中尚未考虑模拟输入参数的概率分布。在7个不同方向上，28个确定的孔直径和35个选定的孔中心距离的结果表明，50%的被测对象已经达到En、DM为-1至+1的目标区间。因此，所实现的数字模型似乎有可能适合形成数字计量孪生体的基础，该数字计量孪生体在执行工业部件的尺寸测量时也映射了真实CT系统的测量不确定度特性。

图2:28个孔径和35个孔中心距离的铝穿孔板（见图1左）的10次测量和10次模拟的En、DM值（见图1右）。区间[-1,1]的极限由红色虚线标记。

CTSimU2项目的最终结果是VDI/VDE 2630系列指南的草案，其中包含一个关于确定影响参数方法的最新技术的信息性附件。

CTSimU2项目由德国联邦经济和气候保护部根据资助准则WIPANO资助，资助代码为03TN0049C，由项目管理Jülich管理。

编译：陈香凝