ISO 15708-2:2017
(Main)Non-destructive testing — Radiation methods for computed tomography — Part 2: Principles, equipment and samples
Non-destructive testing — Radiation methods for computed tomography — Part 2: Principles, equipment and samples
ISO 15708-2:2017 specifies the general principles of X-ray computed tomography (CT), the equipment used and basic considerations of sample, materials and geometry. It is applicable to industrial imaging (i.e. non-medical applications) and gives a consistent set of CT performance parameter definitions, including how those performance parameters relate to CT system specifications. ISO 15708-2:2017 deals with computed axial tomography and excludes other types of tomography such as translational tomography and tomosynthesis.
Essais non destructifs — Méthodes par rayonnements pour la tomographie informatisée — Partie 2: Principes, équipements et échantillons
Le présent document spécifie les principes généraux de la tomographie informatisée (TI) par rayonnement X, l'équipement utilisé ainsi que les considérations de base relatives à l'échantillon, aux matériaux et à la géométrie. Il est applicable à l'imagerie industrielle (c'est-à-dire aux applications non médicales) et donne un ensemble cohérent de définitions des paramètres de performance de la TI, y compris la façon dont ces paramètres sont reliés aux spécifications du système TI. Le présent document traite de la tomographie axiale informatisée et exclut les autres types de tomographie, tels que la tomographie par translation et la tomosynthèse.
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INTERNATIONAL ISO
STANDARD 15708-2
Second edition
2017-02
Non-destructive testing — Radiation
methods for computed tomography —
Part 2:
Principles, equipment and samples
Essais non destructifs — Méthodes par rayonnements pour la
tomographie informatisée —
Partie 2: Principes, équipements et échantillons
Reference number
ISO 15708-2:2017(E)
©
ISO 2017
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ISO 15708-2:2017(E)
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ISO 15708-2:2017(E)
Contents Page
Foreword .iv
1 Scope . 1
2 Normative references . 1
3 Terms and definitions . 1
4 General principles . 1
4.1 Basic principles. 1
4.2 Advantages of CT . 2
4.3 Limitations of CT . 2
4.4 Main CT process steps . 3
4.4.1 Acquisition . 3
4.4.2 Reconstruction . 4
4.4.3 Visualization and analysis . 4
4.5 Artefacts in CT images . 4
5 Equipment and apparatus . 5
5.1 General . 5
5.2 Radiation sources . 6
5.3 Detectors . 6
5.4 Manipulation . 7
5.5 Acquisition, reconstruction, visualization and storage system . 7
6 CT system stability . 7
6.1 General . 7
6.2 X-Ray Stability . 8
6.3 Manipulator stability . 8
7 Geometric alignment. 8
8 Sample considerations . 9
8.1 Size and shape of sample . 9
8.2 Materials (including table voltage/thickness of penetration) . 9
Annex A (informative) CT system components .11
Bibliography .17
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ISO 15708-2:2017(E)
Foreword
ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards
bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out
through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical
committee has been established has the right to be represented on that committee. International
organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.
ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of
electrotechnical standardization.
The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are
described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the
different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the
editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www .iso .org/ directives).
Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of
patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of
any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or
on the ISO list of patent declarations received (see www .iso .org/ patents).
Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not
constitute an endorsement.
For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity assessment,
as well as information about ISO’s adherence to the World Trade Organization (WTO) principles in the
Technical Barriers to Trade (TBT) see the following URL: www . i so .org/ iso/ foreword .html.
This document was prepared by the European Committee for Standardization (CEN) (as EN 16016-2)
and was adopted, under a special “fast-track procedure”, by Technical Committee ISO/TC 135, Non-
destructive testing, Subcommittee SC 5, Radiographic testing, in parallel with its approval by the ISO
member bodies.
This second edition of ISO 15708-2 cancels and replaces ISO 15708-1:2002, of which it forms the subject
of a technical revision. It takes into consideration developments in computed tomography (CT) and
computational power over the preceding decade.
A list of all parts in the ISO 15708 series can be found on the ISO website.
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 15708-2:2017(E)
Non-destructive testing — Radiation methods for
computed tomography —
Part 2:
Principles, equipment and samples
1 Scope
This document specifies the general principles of X-ray computed tomography (CT), the equipment used
and basic considerations of sample, materials and geometry.
It is applicable to industrial imaging (i.e. non-medical applications) and gives a consistent set of CT
performance parameter definitions, including how those performance parameters relate to CT system
specifications.
This document deals with computed axial tomography and excludes other types of tomography such as
translational tomography and tomosynthesis.
2 Normative references
The following documents are referred to in the text in such a way that some or all of their content
constitutes requirements of this document. For dated references, only the edition cited applies. For
undated references, the latest edition of the referenced document (including any amendments) applies.
ISO 15708-1:2017, Non-destructive testing — Radiation methods for computed tomography — Part 1:
Terminology
ISO 15708-3:2017, Non-destructive testing — Radiation methods for computed tomography — Part 3:
Operation and interpretation
ISO 15708-4:2017, Non-destructive testing — Radiation methods for computed tomography — Part 4:
Qualification
ISO 9712, Non-destructive testing — Qualification and certification of NDT personnel
3 Terms and definitions
For the purposes of this document, the terms and definitions given in ISO 15708-1 apply.
ISO and IEC maintain terminological databases for use in standardization at the following addresses:
— IEC Electropedia: available at http:// www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: available at http:// www .iso .org/ obp
4 General principles
4.1 Basic principles
Computed tomography (CT) is a radiographic inspection method which delivers three-dimensional
information on an object from a number of radiographic projections either over cross-sectional planes
(CT slices) or over the complete volume. Radiographic imaging is possible because different materials
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ISO 15708-2:2017(E)
have different X-ray attenuation coefficients. In CT images, the X-ray linear attenuation coefficients
are represented as different CT grey values (or in false colour). For conventional radiography the
three-dimensional object is X-rayed from one direction and an X-ray projection is produced with the
corresponding information aggregated over the ray path. In contrast, multiple X-ray-projections of an
object are acquired at different projection angles during a CT scan. From these projection images the
actual slices or volume are reconstructed. The fundamental advantage compared to radiography is the
preservation of full volumetric information. The resulting CT image (2D-CT slice or 3D-CT volume), is a
quantitative representation of the X-ray linear attenuation coefficient averaged over the finite volume
of the corresponding volume element (voxel) at each position in the sample.
The linear attenuation coefficient characterizes the local instantaneous rate at which X-rays are
attenuated as they propagate through the object during the scan. The attenuation of the X-rays as they
interact with matter is the result of several different interaction mechanisms: Compton scattering and
photoelectric absorption being the predominant ones for X-ray CT. The linear attenuation coefficient
depends on the atomic numbers of the corresponding materials and is proportional to the material
density. It also depends on the energy of the X-ray beam.
4.2 Advantages of CT
This radiographic method can be an excellent examination technique whenever the primary goal is
to locate and quantify volumetric details in three dimensions. In addition, since the method is X-ray
based it can be used on metallic and non-metallic samples, solid and fibrous materials and smooth and
irregularly surfaced objects.
In contrast to conventional radiography, where the internal features of a sample are projected onto a
single image plane and thus are superposed on each other, in CT images the individual features of the
sample appear separate from each other, preserving the full spatial information.
With proper calibration, dimensional inspections and material density determinations can also be made.
Complete three-dimensional representations of examined objects can be obtained either by
reconstructing and assembling successive CT slices (2D-CT) or by direct 3D CT image (3D-CT)
reconstruction. Computed tomography is thus valuable in the industrial application areas of non-
destructive testing, 2D and 3D metrology and reverse engineering.
CT has several advantages over conventional metrology methods:
— acquisition without contact;
— access to internal and external dimensional information;
— a direct input to 3D modelling especially of internal structures.
In some cases, dual energy (DE) CT acquisitions can help to obtain information on the material density
and the average atomic number of certain materials. In the case of known materials the additional
information can be traded for improved discrimination or improved characterization.
4.3 Limitations of CT
CT is an indirect test procedure and measurements (e.g. of the size of material faults; of wall thicknesses
must be compared with another absolute measurement procedure, see ISO 15708-3). Another potential
drawback of CT imaging is the possible occurrence of artefacts (see 4.5) in the data. Artefacts limit
the ability to quantitatively extract information from an image. Therefore, as with any examination
technique, the user must be able to recognize and discount common artefacts subjectively.
Like any imaging system, a CT system can never reproduce an exact image of the scanned object. The
accuracy of the CT image is dictated largely by the competing influences of the imaging system, namely
spatial resolution, statistical noise and artefacts. Each of these aspects is discussed briefly in 4.4.1. A
more complete description will be found in ISO 15708-3.
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ISO 15708-2:2017(E)
CT grey values cannot be used to identify unknown materials unambiguously unless a priori information
is available, since a given experimental value measured at a given position may correspond to a broad
range of materials.
Another important consideration is to have sufficient X-ray transmission through the sample at all
projection angles (see 8.2) without saturating any part of the detector.
4.4 Main CT process steps
4.4.1 Acquisition
During a CT scan, multiple projections are taken in a systematic way: the images are acquired from a
number of different viewing angles. Feature recognition depends, among other factors, on the number
of angles from which the individual projections are taken. The CT image quality can be improved if the
number of projections of a scan is increased.
As all image capture systems contain inherent artefacts, CT scans usually begin with the capture of
offset and gain reference images to allow flat field correction; using black (X-rays off) and white (X-rays
on with the sample out of the field of view) images to correct for detector anomalies. The capture of
reference images for distortion correction (pin cushion distortion in the case of camera-based detector
systems with optical distortion), and centre of rotation correction can also take place at this stage. Each
subsequent captured image for the CT data set has these corrections applied to it. Some systems can be
configured to either the X-ray settings or enhance the image to ensure that the background intensity
level of the captured images remains constant throughout the duration of the CT scan.
The quality of a CT image depends on a number of system-level performance factors, with one of the
most important being spatial resolution.
Spatial resolution is generally quantified in terms of the smallest separation at which two features can
be distinguished as separate entities. The limits of spatial resolution are determined by the design and
construction of the system and by the resolution of and number of CT projections. The resolution of the
CT projection is limited by the maximum magnification that can be used while still imaging all parts of
the sample at all rotation angles.
It is important to notice that the smallest feature that can be detected in a CT image is not the same
as the smallest that can be resolved spatially. A feature considerably smaller than a single voxel can
affect the voxel to which it corresponds to such an extent that it appears with a visible contrast so that
it can be easily detected with respect to adjacent voxels. This phenomenon is due to the “partial-volume
effect”.
Although region-of-interest CT (local tomography) can improve spatial resolution in specified regions
of larger objects, it introduces artefacts (due to incomplete data) which can sometimes be reduced with
special processing.
Radiographic imaging as used for CT examination is always affected by noise. In radiography this
noise arises from two sources: (1) intrinsic variation corresponding to photon statistics related to
the emission and detection of photons and (2) variations specific to instruments and processing used.
Noise in CT projections is often amplified by the reconstruction algorithm. In the CT images statistical
noise appears as a random variation superimposed on the CT grey value of each voxel and limits density
resolution.
Although statistical noise is unavoidable, the signal-to-noise ratio can be improved by increasing the
number of projections and/or time of exposure for each of them, the intensity of the X-ray source or the
voxel size. However, some of these measures will decrease spatial resolution. This trade-off between
spatial resolution and statistical noise is inherent in computed tomography.
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ISO 15708-2:2017(E)
4.4.2 Reconstruction
A CT scan initially produces a number of projections of an object. The subsequent reconstruction
of the CT image from these individual projections is the main step in computed tomography, which
distinguishes this examination technique from other radiographic methods.
The reconstruction software may apply additional corrections to the CT projections during
reconstruction, e.g. reduction of noise, correction of beam hardening and/or scattered radiation.
Depending on the CT system, either individual CT slices or 3D CT images are reconstructed.
4.4.3 Visualization and analysis
This step includes all operations and data manipulations, for extracting the desired information from
the reconstructed CT image.
Visualisation can either be performed in 2D (slice views) or in 3D (volume). 2D visualisation allows the
user to examine the data slice-wise along a defined axis (generally it can be an arbitrary path).
For 3D imaging, the CT volume or selected surfaces derived from it, are used for generating the desired
image according to the optical model underlying the algorithm. The main advantage of this type of
visualisation is that the visual perception of the image corresponds well with the natural appearance of
the object for the human eye, although features may appear superimposed in the 2D-representation on
a screen.
During visualisation, additional artefacts of different origin can occur, especially in the 3D imaging
of the CT volume. Such artefacts due to sampling, filtering, classification and blending within the
visualisation software are dependent on the hardware and software used, as well as the visualisation
task at hand. Therefore such artefacts are not included in the definition of artefacts as found in 4.5.
Nevertheless, the user should be aware that misinterpretation of the data might also occur in this
process step.
To highlight features of interest during visualisation different digital filter operations can be performed.
A characteristic of all these operations is that although they enhance one or more properties of the data,
they simultaneously deteriorate other properties (for example: highlighting the edges deteriorates
recognition of inner structures of an object). Therefore digital filters should always be used cautiously
for specific tasks, being aware which benefits and which detriments they are associated with.
A computer used for 3D visualisation should be able to process the complete volume of interest in the
main memory. The corresponding monitor should have a resolution, a dynamic range and settings
sufficient for the given visualisation task. Adequate vision of the personnel is to be ensured in
accordance with ISO 9712.
4.5 Artefacts in CT images
An artefact is an artificial feature which appears on the CT image but does not correspond to a physical
feature of the sample. Artefacts result from different origins; they can be classified into artefacts
arising from the measurement itself and the equipment (artefacts due to a finite beam width, scattered
radiation, instabilities and detector peculiarities) and artefacts inherent to the method (e.g. beam
hardening). Artefacts can also be divided into acquisition artefacts (e.g. scattered radiation, ring
artefacts) and reconstruction artefacts (e.g. cone beam artefacts). Some artefacts can be eliminated
by using an appropriate measurement technique with suitable parameters, while others can only be
reduced in their extent. Artefacts may be detrimental for specific measurement or analysis tasks, but
may have no impact on certain other analyses. With this fact in mind, the type and extent of artefacts in
a data set has to be evaluated in the context of the corresponding analysis task.
Noise and the partial volume effect are not considered as artefacts in this standard.
More details are given in ISO 15708-3:2017, 5.5.
4 © ISO 2017 – All rights reserved
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ISO 15708-2:2017(E)
5 Equipment and apparatus
5.1 General
In relation to performance, a CT system can be considered as comprising four main components: the
X-ray source, detector, sample manipulation stages (the latter including any mechanical structure that
influences image stability) and reconstruction/visualisation system.
Generally the source and detector will be fixed while the sample rotates in the beam to acquire the
necessary set of projections. In scanners for example designed for in vivo animal studies or for imaging
large structures, the source and detector may orbit around the sample, as in medical scanners.
In the majority of micro-/nano- or sub-micro-tomography systems, the resolution is determined
primarily by the X-ray focal spot size. Geometric magnification allows the detector element spacing to
be much larger than the computed voxel size and a thicker and therefore more efficient scintillator to
be used. A disadvantage of this approach is that to obtain high magnification ratios, the sample should
be located very close to the source. This is a particular problem if the sample is to be mounted in some
form of environmental chamber or, for example, an in situ loading stage. This imposes a lower limit on
the source to sample distance, thus reducing X-ray fluence (resulting in a lower signal-to-noise ratio
and/or increased acquisition time) and requiring the detector to be mounted proportionately further
away in order to achieve the same magnification factor. Alternatively, if the sample to detector distance
is low compared with the source to sample distance, the detector resolution becomes the limiting factor,
rather than the spot size. In this case, the increased source to detector distance again means reduced
X-ray fluence and high-resolution detectors tend to require thinner and hence less efficient scintillators.
CT systems may be optimised for resolution, energy, speed of acquisition or simply cost. Although a
particular system may operate over a wide range of conditions, it will operate optimally over a much
smaller range and the user should consider the prime application when selecting one model over
another and not simply over-specify.
For example, a high-resolution CT system (small X-ray focal spot size) may have a considerably lower
flux output at more modest resolution settings than one designed to operate at such resolution.
Furthermore, a high performance rotation stage for a high-resolution scanner will have a much smaller
load limit. Similarly, a system designed for high energy imaging will require a thicker phosphor screen,
giving poorer resolution compared with a thinner screen, which is adequate at lower energies.
Some CT systems can provide interchangeable X-ray target heads (transmission or reflection, see
Annex A) and/or interchangeable detectors, but these will come at a higher price.
When comparing resolution and scan times on different CT systems, it is important to consider the
signal-to-noise ratio (SNR), see ISO 15708-3:2017, 5.1.3. This is dependent on the X-ray exposure and
thus the faster the scan, the worse the SNR. It is also dependent on the sample type and geometry. A
sample with a high void volume fraction (or with a high proportion of relatively low absorbing regions),
such as a foam or cancellous bone sample, will exhibit a better SNR than a more homogeneous sample.
For a given exposure, the best SNR is obtained with the X-ray accelerating voltage set to give
approximately 10 %–20 % transmission through the sample. If the transmission is too low, the low
number of photons detected will give rise to excessive noise. Conversely, if it is too high, the contrast
(signal in SNR) will be too low. The SNR does not vary sharply with voltage however, and simulations
of X-ray attenuation in aluminium indicate that the SNR only drops by 20 % of the peak value if the
voltage is set for 35 % or 40 % transmission. For a given sample size, the required X-ray exposure to
maintain a fixed SNR is proportional to the fourth power of resolution (for a given detector). Thus, for
example, doubling the resolution will require a 16-fold increase in exposure while a 10-fold increase in
resolution will demand a 10,000 fold increase in exposure. There is therefore a critical need to use the
same or similar samples when comparing the image quality from one system with that of another.
© ISO 2017 – All rights reserved 5
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5.2 Radiation sources
Most industrial CT systems will use an electrically generated X-ray source, and these can be subdivided
into three main types:
— open tube (or vacuum demountable) x-ray sets;
— sealed tube constant potential x-ray sets;
— linear accelerators.
Each source type has a speciality; sometimes systems are supplied with more than one source so
they can be used over a broader range of samples. Besides cost considerations, selection of a suitable
X-ray source is dictated by the range of samples (size, composition and material density) that will be
inspected and the resolution at which they are to be inspected.
X-ray set manufacturers will often quote a single focal spot size, this is a “nominal” measurement at a
specific energy setting, the size of the focal spot will vary depending upon the voltage (kV) and current
(μA/mA) settings used, the higher the power the larger the focal spot will become.
Focal spot size and the feature recognition (which is sometimes referred to by system manufacturers)
are not the same as the spatial resolution of the CT system. The feature recognition is the ability of
the complete system to display an image of an object, or feature within an object, of a certain size. For
example, it is entirely possible for a system with an X-ray set being run at an energy that is producing a
focal spot size of around 5 μm to display an image of a dense wire cross-hair made from wire less than
1 μm in diameter. This
...
NORME ISO
INTERNATIONALE 15708-2
Deuxième édition
2017-02
Essais non destructifs — Méthodes par
rayonnements pour la tomographie
informatisée —
Partie 2:
Principes, équipements et
échantillons
Non-destructive testing — Radiation methods for computed
tomography —
Part 2: Principles, equipment and samples
Numéro de référence
ISO 15708-2:2017(F)
©
ISO 2017
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ISO 15708-2:2017(F)
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publication ne peut être reproduite ni utilisée sous quelque forme que ce soit et par aucun procédé, électronique ou mécanique,
y compris la photocopie, ou la diffusion sur l’internet ou sur un intranet, sans autorisation écrite préalable. Une autorisation peut
être demandée à l’ISO à l’adresse ci-après ou au comité membre de l’ISO dans le pays du demandeur.
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Publié en Suisse
ii © ISO 2017 – Tous droits réservés
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ISO 15708-2:2017(F)
Sommaire Page
Avant-propos .iv
1 Domaine d'application . 1
2 Références normatives . 1
3 Termes et définitions . 1
4 Principes généraux . 2
4.1 Principes de base . 2
4.2 Avantages de la TI . 2
4.3 Limites de la TI . 3
4.4 Principales étapes du procédé TI . 3
4.4.1 Acquisition . 3
4.4.2 Reconstruction . 4
4.4.3 Visualisation et analyse . 4
4.5 Artefacts dans les images TI . 5
5 Équipement et appareillage. 5
5.1 Généralités . 5
5.2 Sources de rayonnement . 6
5.3 Détecteurs . 7
5.4 Manipulation . 7
5.5 Système d’acquisition, reconstruction, visualisation et stockage . 7
6 Stabilité du système TI . 7
6.1 Généralités . 7
6.2 Stabilité des rayons X. 8
6.3 Stabilité du manipulateur . 8
7 Alignement géométrique . 9
8 Considérations relatives à l’échantillon . 9
8.1 Taille et forme de l’échantillon . 9
8.2 Matériaux (et tableau tension / épaisseur de pénétration) . 9
Annexe A (informative) Composants d’un système TI .11
Bibliographie .18
© ISO 2017 – Tous droits réservés iii
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ISO 15708-2:2017(F)
Avant-propos
L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes
nationaux de normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est
en général confiée aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude
a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,
gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux.
L'ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui
concerne la normalisation électrotechnique.
Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont
décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier, de prendre note des différents
critères d'approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été
rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voirwww
.iso .org/directives).
L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l'objet de
droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L'ISO ne saurait être tenue pour responsable
de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant
les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de
l'élaboration du document sont indiqués dans l'Introduction et/ou dans la liste des déclarations de
brevets reçues par l'ISO www .iso .org/brevets).
Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données
pour information, par souci de commodité, à l'intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un
engagement.
Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l'ISO liés à l'évaluation
de la conformité, ou pour toute information au sujet de l'adhésion de l'ISO aux principes de l’Organisation
mondiale du commerce (OMC) concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien
suivant: www .iso .org/iso/avant -propos .html.
Le présent document a été élaboré par le Comité européen de normalisation (CEN) (en tant
qu'EN 16016-2) et a été adopté, suivant une procédure par voie express, par le comité technique ISO/
TC 135, Essais non destructifs, SC 5 Contrôle par radiographie, parallèlement à son approbation par les
comités membres de l'ISO.
Cette deuxième édition de l'ISO 15708-2 annule et remplace l'ISO 15708-1:2002, dont elle constitue une
révision technique. Elle prend en compte les avancées réalisées en matière de tomographie informatisée
(TI) et de puissance de calcul au cours des dix dernières années.
Une liste de toutes les parties de la série ISO 15708 peut être consultée sur le site de l’ISO.
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NORME INTERNATIONALE ISO 15708-2:2017(F)
Essais non destructifs — Méthodes par rayonnements pour
la tomographie informatisée —
Partie 2:
Principes, équipements et échantillons
1 Domaine d'application
Le présent document spécifie les principes généraux de la tomographie informatisée (TI) par
rayonnement X, l’équipement utilisé ainsi que les considérations de base relatives à l'échantillon, aux
matériaux et à la géométrie.
Il est applicable à l’imagerie industrielle (c'est-à-dire aux applications non médicales) et donne un
ensemble cohérent de définitions des paramètres de performance de la TI, y compris la façon dont ces
paramètres sont reliés aux spécifications du système TI.
Le présent document traite de la tomographie axiale informatisée et exclut les autres types de
tomographie, tels que la tomographie par translation et la tomosynthèse.
2 Références normatives
Les documents suivants sont cités dans le texte de sorte qu’ils constituent, pour tout ou partie de leur
contenu, des exigences du présent document. Pour les références datées, seule l’édition citée s’applique.
Pour les références non datées, la dernière édition du document de référence s'applique (y compris les
éventuels amendements).
ISO 15708-1:2017, Essais non destructifs — Méthodes par rayonnements pour la tomographie
informatisée — Partie 1: Terminologie
ISO 15708-3:2017, Essais non destructifs — Méthodes par rayonnements pour la tomographie
informatisée — Partie 3: Fonctionnement et interprétation
ISO 15708-4:2017, Essais non destructifs — Méthodes par rayonnements pour la tomographie
informatisée — Partie 4: Qualification
ISO 9712, Essais non destructifs — Qualification et certification du personnel END
3 Termes et définitions
Pour les besoins du présent document, les termes et définitions donnés de l’ISO 15708–1 s'appliquent.
L'ISO et l'IEC tiennent à jour des bases de données terminologiques destinées à être utilisées en
normalisation, consultables aux adresses suivantes:
— IEC Electropedia: disponible à l'adresse http: //www .electropedia .org/
— ISO Online browsing platform: disponible à l'adresse http: //www .iso .org/obp
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ISO 15708-2:2017(F)
4 Principes généraux
4.1 Principes de base
La tomographie informatisée (TI) est une technique d’examen radiographique qui fournit
des informations tridimensionnelles sur un objet à partir d’un certain nombre de projections
radiographiques, soit sur des plans de coupe (coupes TI) ou sur le volume total. L’imagerie
radiographique est possible du fait que des matériaux différents ont des coefficients d’atténuation du
rayonnement X différents. Dans les images TI, les coefficients d’atténuation linéiques du rayonnement X
sont représentés sous la forme de niveaux de gris TI différents (ou en fausse couleur). En radiographie
conventionnelle, l’objet tridimensionnel est irradié selon une direction, et on obtient la projection des
informations correspondantes de l’objet intégrées sur le trajet du rayon. En revanche, au cours d’un
balayage TI, on acquiert plusieurs projections d’un objet à différents angles de vue. À partir de ces images
de projection, les coupes ou le volume complet de l’objet sont reconstruits. L’avantage fondamental
comparé à la radiographie est la préservation des informations volumétriques complètes. L’image TI
obtenue (coupe TI 2D ou volume TI 3D) est une représentation quantitative du coefficient d’atténuation
linéique du rayonnement X, moyenné sur le volume fini de l’élément de volume correspondant (voxel) à
chaque position dans l’échantillon.
Le coefficient d’atténuation linéique caractérise localement le taux d’atténuation des rayons X lors de
leur passage à travers l’objet. L’atténuation des rayons X lorsqu’ils interagissent avec la matière résulte
de plusieurs mécanismes d’interaction distincts: la diffusion Compton et l’absorption photoélectrique
sont les mécanismes prédominants pour la TI aux rayons X. Le coefficient d’atténuation linéique dépend
du numéro atomique des matériaux correspondants et est proportionnel à la densité du matériau. Il
dépend également de l’énergie du faisceau de rayons X.
4.2 Avantages de la TI
Cette technique radiographique peut être une excellente technique d’examen pour localiser et quantifier
la dimension d’éléments volumétriques en trois dimensions. En outre, du fait que la méthode est basée
sur l’emploi de rayons X, elle peut être utilisée sur des échantillons métalliques ou non métalliques, sur
des matières solides ou fibreuses, ainsi que sur des objets de surface lisse ou irrégulière.
Contrairement à la radiographie conventionnelle, dans laquelle les caractéristiques internes d’un
échantillon sont projetées sur un seul plan image et sont donc superposées les unes aux autres, dans les
images TI, les caractéristiques locales de l’échantillon apparaissent distinctement les unes par rapport
aux autres, conservant l’information spatiale complète.
Avec un étalonnage correct, il est également possible de réaliser l’examen des dimensions et de
déterminer la densité du matériau.
Des représentations tridimensionnelles complètes des objets examinés peuvent être obtenues soit par
reconstruction et assemblage de coupes TI successives (TI 2D) soit par reconstruction directe d’image
TI 3D (TI en 3D). La tomographie informatisée est donc intéressante pour les applications industrielles
des essais non destructifs, de la métrologie 2D et 3D et de la rétro-ingénierie.
La TI offre plusieurs avantages par rapport aux méthodes classiques de métrologie:
— une acquisition sans contact;
— un accès aux informations dimensionnelles internes et externes;
— un apport direct à la modélisation 3D, en particulier de structures internes.
Dans certains cas, les acquisitions TI à double énergie (DE) peuvent permettre d’obtenir des
informations concernant la densité des matériaux et le numéro atomique moyen de certains d’entre
eux. Pour des matériaux connus, ces indications supplémentaires peuvent permettre d’améliorer leur
différenciation ou leur caractérisation.
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ISO 15708-2:2017(F)
4.3 Limites de la TI
La TI est un mode opératoire d’essai indirect et les mesures (par exemple de la dimension des défauts
du matériau; des épaisseurs de paroi doivent être comparées à un autre mode opératoire de mesure
absolue, voir l’ISO 15708-3). Un autre inconvénient potentiel de l’imagerie TI est l’apparition possible
d’artefacts (voir 4.5) dans les données. Les artefacts limitent la capacité à extraire des informations
quantitatives d’une image. Ainsi, comme pour n’importe quelle technique d’examen, l’utilisateur doit
savoir reconnaître et ne pas tenir compte des artefacts courants.
Comme dans tout système d’imagerie, un système TI ne peut pas reproduire exactement l’objet examiné.
L’exactitude de l’image TI est largement influencée par les différents paramètres du système d’imagerie,
à savoir la résolution spatiale, le bruit statistique et les artefacts. Chacun de ces aspects est brièvement
traité en 4.4.1. Une description plus complète figure dans l'ISO 15708-3.
Les valeurs de gris TI ne peuvent pas être utilisées pour identifier sans ambiguïté des matériaux
inconnus, sauf si des informations a priori sont disponibles, étant donné qu’une valeur expérimentale
donnée mesurée à une position donnée peut correspondre à une large gamme de matériaux.
Une autre considération importante est le fait d’avoir une transmission de rayons X suffisante à travers
l’échantillon à tous les angles de projection (voir 8.2) sans saturer aucune partie du détecteur.
4.4 Principales étapes du procédé TI
4.4.1 Acquisition
Lors d’un balayage TI, plusieurs projections sont saisies d’une manière systématique: les images sont
acquises à partir d’un certain nombre d’angles de vue différents. La reconnaissance des caractéristiques
dépend, entre autres facteurs, du nombre d’angles auxquels les projections individuelles sont prises. La
qualité de l’image TI peut être améliorée si le nombre de projections est augmenté.
Du fait que tous les systèmes de saisie d’images contiennent des artefacts inhérents, les acquisitions
TI commencent en général par la saisie d’images de référence d’offset et de gain pour permettre une
correction de champ plat en utilisant des images de noir (rayons X désactivés) et blanc (rayons X activés
avec l’échantillon en dehors du champ d’observation) pour corriger les anomalies du détecteur. La saisie
d’images de référence pour la correction de distorsion (distorsion en coussinet dans le cas de systèmes
de détecteur à caméra avec distorsion optique) et la correction du centre de rotation peut également
intervenir à ce stade. Ces corrections sont ensuite appliquées à chaque image saisie pour l’ensemble
de données TI. Certains systèmes peuvent être configurés pour ajuster les paramètres des rayons X
ou par amélioration de l’image pour garantir que le niveau d’intensité du fond des images saisies reste
constant pendant toute la durée du balayage TI.
La qualité d’une image TI dépend d’un certain nombre de facteurs de performance du système dont l’un
des plus importants est la résolution spatiale.
La résolution spatiale est généralement quantifiée par la distance minimale pour laquelle deux
caractéristiques rapprochées peuvent être distinguées comme des entités séparées. Les limites de
résolution spatiale sont déterminées par la conception et la construction du système et par la résolution
et le nombre des projections TI. La résolution de la projection TI est limitée par le grandissement
maximal qui peut être utilisé tout en maintenant l’objet dans le champ de vue à tous les angles de
rotation.
Il est important de noter que le plus petit détail susceptible d’être détecté dans une image TI ne peut
pas être comparé à la plus petite caractéristique susceptible d’être distinguée en résolution spatiale.
Un détail sensiblement plus petit qu’un voxel peut avoir une incidence telle sur le voxel auquel il
correspond que celui-ci est suffisamment contrasté pour être détecté par rapport aux voxels adjacents.
Ce phénomène est dû à « l’effet de volume partiel ».
Bien que la TI de région d’intérêt (tomographie locale) puisse améliorer la résolution spatiale dans des
régions particulières de grands objets, elle introduit des artefacts (dus à des données incomplètes), qui
peuvent parfois être réduits par un traitement spécifique.
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L’imagerie radiographique, telle qu’utilisée pour un examen TI, est toujours affectée par le bruit. En
radiographie, ce bruit provient de deux sources: (1) la variation intrinsèque correspondant aux
fluctuations statistiques liées à l’émission et à la détection de photons et (2) aux variations spécifiques
des instruments et du traitement utilisés. Le bruit dans les projections TI est souvent amplifié par
l’algorithme de reconstruction. Dans les images TI, le bruit statistique apparaît comme une variation
aléatoire ajoutée à la valeur de gris TI de chaque voxel et limite la résolution en densité.
Le bruit statistique est inévitable, mais le rapport signal/bruit peut être amélioré en augmentant le
nombre de projections et/ou la durée d’exposition pour chacune d’elles, l’intensité de la source de
rayons X ou la taille des voxels. Toutefois, prendre certaines de ces mesures peut réduire la résolution
spatiale. Le compromis entre la résolution spatiale et le bruit statistique est inhérent à la tomographie
informatisée.
4.4.2 Reconstruction
Un balayage TI produit initialement un certain nombre de projections d’un objet. La reconstruction
ultérieure de l’image TI à partir de ces projections individuelles est la principale étape de la tomographie
informatisée et distingue cette technique d’examen des autres techniques radiographiques.
Le logiciel de reconstruction peut appliquer différentes corrections supplémentaires aux projections TI
au cours de la reconstruction, par exemple une réduction du bruit, une correction du durcissement de
faisceau et/ou du rayonnement diffusé.
Selon le système TI, des coupes TI individuelles ou des images TI 3D sont reconstruites.
4.4.3 Visualisation et analyse
Cette étape comprend toutes les opérations et manipulations de données permettant d’extraire les
informations souhaitées à partir de l’image TI reconstruite.
La visualisation peut être réalisée soit en 2D (vues en coupe) soit en 3D (volume). La visualisation en 2D
permet à l’utilisateur d’examiner les données par coupe selon un axe défini (généralement, il peut s’agir
d’un axe arbitraire).
Pour l’imagerie 3D, soit le volume TI est directement utilisé, soit des surfaces calculées à partir du
volume sont sélectionnées, pour générer l’image souhaitée correspondant au modèle optique sur lequel
est basé l’algorithme. Le principal avantage de ce type de visualisation est que la perception visuelle
de l’image correspond bien à l’aspect naturel de l’objet pour l’œil humain, même si des caractéristiques
peuvent apparaître superposées dans la représentation 2D sur un écran.
Au cours de la visualisation, des artefacts supplémentaires d’origines diverses peuvent survenir,
en particulier dans l’imagerie 3D du volume TI. Ces artefacts dus à l’échantillonnage, au filtrage, à la
classification et au mélange dans le logiciel de visualisation dépendent du matériel et du logiciel utilisés,
ainsi que de la tâche de visualisation à effectuer. Par conséquent, ces artefacts ne sont pas inclus dans la
définition des artefacts donnée en 4.5. Toutefois, il convient que l’utilisateur sache qu’une interprétation
erronée des données peut également survenir à cette étape du procédé.
Pour mettre en évidence des caractéristiques intéressantes lors de la visualisation, différentes
opérations de filtrage numérique peuvent être réalisées. Toutes ces opérations sont caractérisées par
le fait qu’elles améliorent une ou plusieurs propriétés des données, mais en détériorent simultanément
d’autres (par exemple: la mise en évidence des bords détériore la reconnaissance des structures internes
d’un objet). Par conséquent, il convient de toujours utiliser les filtres numériques avec prudence pour
des tâches spécifiques en ayant à l’esprit les avantages et les inconvénients qui y sont associés.
Il convient que l’ordinateur utilisé pour la visualisation 3D soit capable de traiter le volume d’intérêt
complet dans la mémoire principale. Il convient que l’écran correspondant ait une résolution, une
gamme dynamique et des paramètres suffisants pour la tâche de visualisation donnée. Une vision
adéquate du personnel doit être assurée conformément à l'ISO 9712.
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ISO 15708-2:2017(F)
4.5 Artefacts dans les images TI
Un artefact est une caractéristique artificielle qui apparaît sur l’image TI, mais ne correspond pas à une
caractéristique physique de l’échantillon. Les artefacts ont différentes origines; ils peuvent être classés
en artefacts provenant de la mesure elle-même et de l’équipement (artefacts dus à une largeur de
faisceau finie, au rayonnement diffusé, une instabilité et des particularités du détecteur) et en artefacts
inhérents à la technique (par exemple, le durcissement du faisceau). Les artefacts peuvent également
être répartis en artefacts d’acquisition (par exemple: rayonnement diffusé, artefacts en anneau) et en
artefacts de reconstruction (par exemple: artefacts de faisceau conique). Certains artefacts peuvent être
éliminés en utilisant une technique de mesure adéquate avec des paramètres adaptés, tandis que pour
d’autres, il est uniquement possible de réduire leur importance. Les artefacts peuvent compromettre
des tâches de mesure ou d’analyse spécifiques, mais peuvent n’avoir aucun effet sur certaines autres
analyses. En gardant ce fait à l’esprit, le type et l’importance des artefacts dans un ensemble de données
doivent être évalués dans le cadre de la tâche d’analyse correspondante.
Le bruit et l’effet de volume partiel ne sont pas considérés comme des artefacts dans la présente norme.
Voir le paragraphe 5.5 de l’ISO 15708-3:2017 pour plus de détails.
5 Équipement et appareillage
5.1 Généralités
En termes de performance, un système TI peut être considéré comme comprenant quatre composants
principaux: la source de rayons X, le détecteur, le système de manipulation de l’échantillon (ce dernier
comprenant toute structure mécanique qui a un effet sur la stabilité de l’image) et le système de
reconstruction/visualisation.
En général, la source et le détecteur sont fixes, tandis que l’échantillon est soumis à une rotation dans le
faisceau pour acquérir l’ensemble des projections nécessaires. Dans les systèmes TI conçus par exemple
pour les études animales in vivo ou pour l’imagerie de grandes structures, la source et le détecteur
peuvent tourner autour de l’échantillon, comme dans les scanners médicaux.
Dans la majorité des systèmes de micro-/nano- ou sub-microtomographie, la résolution est déterminée
principalement par la dimension du foyer d’émission des rayons X. Le grandissement géométrique
permet d’avoir une taille de pixel au niveau du détecteur bien plus grande que la taille des voxels
calculée et d’utiliser un scintillateur plus épais et donc plus efficace. Un inconvénient de cette approche
est que pour obtenir un grandissement élevé, il convient que l’échantillon soit placé très proche de
la source. Cela représente un problème particulier si l’échantillon doit être monté dans une chambre
environnementale ou, par exemple, un système de chargement in situ. Cela impose alors de respecter
une distance minimale entre la source et l’échantillon, réduisant ainsi le flux des rayons X (entraînant
un rapport signal/bruit plus faible et/ou un temps d’acquisition accru) et nécessitant le montage du
détecteur proportionnellement plus loin afin d’obtenir le même grandissement. D’un autre côté,
si la distance entre l’échantillon et le détecteur est faible comparée à la distance entre la source et
l’échantillon, la résolution du détecteur devient le facteur limitant plutôt que la dimension du foyer
d’émission. Dans ce cas, la distance accrue entre la source et le détecteur signifie encore un flux de
rayons X réduit et les détecteurs à haute résolution ont tendance à nécessiter des scintillateurs plus
minces et donc moins efficaces.
Les systèmes TI peuvent être optimisés en termes de résolution, d’énergie, de vitesse d’acquisition
ou simplement de coût. Bien qu’un système particulier puisse fonctionner dans une large gamme
de conditions, il fonctionnera de manière optimale dans une gamme plus réduite et il convient que
l’utilisateur prenne en compte l’application principale lors du choix d’un modèle par rapport à un autre
sans fixer trop de critères.
Par exemple, un système TI de haute résolution (foyer d’émission de rayons X de faibles dimensions)
peut avoir un flux de sortie sensiblement plus faible à basse résolution qu’un système conçu pour
fonctionner à cette résolution. De plus, un système de rotation à haute performance conçu pour un
scanner à haute résolution aura une limite de charge bien plus faible. De même, un système conçu pour
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une imagerie à haute énergie nécessitera un écran fluorescent plus épais donnant une moins bonne
résolution comparée à un écran plus mince qui est adapté à des énergies plus faibles.
Certains systèmes TI peuvent fournir des cibles interchangeables
...
Questions, Comments and Discussion
Ask us and Technical Secretary will try to provide an answer. You can facilitate discussion about the standard in here.