CN111340751A - X射线ct中的ct体积的表面提取方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种X射线CT中的CT体积的表面提取方法和装置。该X射线CT中的CT体积的表面提取方法和装置从通过X射线CT获取到的体数据中提取CT值固定的体素来生成等值面网格(M)，在网格(M)的各顶点(p)处计算顶点(p)的CT值的梯度向量(g)，在计算出的梯度向量(g)的正负方向上生成多个采样点(S)，计算所生成的各采样点(S)处的CT值的梯度范数(N)，使顶点移动至计算出的梯度范数为最大值(Nm)的采样点(Sm)，由此修正等值面的顶点(p)。
Description
技术领域
本发明涉及一种X射线CT中的CT体积的表面提取方法和装置。特别地，涉及一种能够抵抗CT值波动并实现高精度的表面提取的、X射线CT中的CT体积的表面提取方法和装置。
背景技术
在1970年代，医疗用X射线CT装置进入实用阶段，以该技术为基础，从1980年代初期开始出现一种用于工业用产品的X射线CT装置。此后，工业用X射线CT装置被用于观察、检查从外观上难以确认的铸造部件的气孔、焊接部件的焊接不良、电路部件的电路图案的缺陷等。另一方面，近年来，伴随3D打印机的普及，不仅对利用3D打印机得到的加工品内部进行观察、检查的需求不断增加，而且对内部构造的3D尺寸测量及其高精度化的需求也不断增加。
针对上述的技术趋势，测量用X射线CT装置(参照日本特开2002-71345号公报、日本特开2004-12407号公报)以德国为中心开始普及。在该测量用X射线CT装置中，将测定对象配置于旋转台中心，一边使测定对象旋转一边进行X射线照射。
在图1中示出在测量中使用的通常的X射线CT装置1的结构。在用于遮蔽X射线的罩10之中具有：X射线源12，其照射锥束状的X射线13；X射线检测器14，其检测X射线13；旋转台16，其用于放置测量对象物(例如工件)W，使工件W旋转以进行CT摄像；以及XYZ移动机构部18，其用于对映在X射线检测器14中的工件W的位置、倍率进行调整，并且，通常的X射线CT装置1还由控制这些设备的控制器20、通过用户操作向控制器20提供指示的控制PC22等构成。
控制PC 22除了控制各设备以外，还具有对映在X射线检测器14中的工件W的投影像进行显示的功能、根据工件W的多个投影像来重建断层图像的功能。
如图2所示，从X射线源12照射出的X射线13透过旋转台16上的工件W后到达X射线检测器14。一边使工件W旋转一边通过X射线检测器14得到所有方向的工件W的透视像(投影像)，使用反投影法、逐次逼近法等CT重建算法进行重建，由此生成工件W的断层图像。
通过控制所述XYZ移动机构部18的XYZ轴和旋转台16的θ轴，能够使工件W的位置移动，从而能够调整工件W的摄影范围(位置、倍率)、摄影角度。
为了得到作为X射线CT装置1的最终目的工件W的断层图像或体数据(工件W的立体像或断层图像的在Z轴方向上的集合)，进行工件W的CT扫描。
CT扫描由工件W的透视像(投影像)获取和CT重建这两种处理构成，在透视像获取处理中，在X射线照射期间使载置有工件W的旋转台16以固定速度连续地旋转或以固定步长间歇地旋转，来获取整周方向(固定间隔)的工件W的透视像。使用反投影法、逐次逼近法等CT重建算法对得到的整周方向(固定间隔)的透视像进行CT重建，由此生成如图3所例示那样的工件(在图3中为标准球(master ball)B)的断层图像或体数据。
能够根据所生成的体数据生成期望的表面形状的网格，来进行评价、分析(参照日本特开2018-40790号公报)。
发明内容
发明要解决的问题
关于根据体数据来生成表面形状的网格的基本方法，存在提取固定的CT值的体素来生成网格的方法(等值面网格生成)，但一般来说体数据的表面形状存在由于伪像(噪声)产生的CT值的波动，在该方法中，直接受到由于伪像等引起的CT值波动的影响，因此存在仅通过根据固定的CT值来决定表面的等值面无法高精度地提取表面形状的问题。
用于解决问题的方案
本发明是为了解决所述以往的问题点而完成的，其课题在于抵抗CT值波动并实现高精度的表面提取。
在本发明中，在进行X射线CT中的CT体积的表面提取时，从通过X射线CT获取到的体数据中提取CT值固定的体素来生成等值面网格，在网格的各顶点处，使用CT值的梯度信息来修正等值面的顶点，由此解决所述课题。
在此，能够通过以下方式进行所述等值面的顶点的修正：计算顶点的CT值的梯度向量，在计算出的梯度向量的正负方向上生成多个采样点，计算所生成的各采样点处的CT值的梯度范数，使顶点移动至计算出的梯度范数最大的采样点。
另外，能够使用费尔德坎普(Feldkamp)法通过下式来计算所述顶点的CT值。
在此，系数α(θ，p)＝dsod/(dsod+dz)
θ：旋转角度
dsod：线源-旋转中心间距离
Sfiltered(θ，p)；滤波器校正投影值(利用shepp-logan滤波器)
另外，本发明提供一种用于进行X射线CT中的CT体积的表面提取的装置，该装置的特征在于，具备：从通过X射线CT获取到的体数据中提取CT值固定的体素来生成等值面网格的单元；以及在网格的各顶点处使用CT值的梯度信息来修正等值面的顶点的单元。
在此，修正所述等值面的顶点的单元能够具备：
计算顶点的CT值的梯度向量的单元；
在计算出的梯度向量的正负方向上生成多个采样点的单元；
计算所生成的各采样点处的CT值的梯度范数的单元；以及
使顶点移动至计算出的梯度范数最大的采样点的单元。
发明的效果
根据本发明，通过使用CT值的梯度信息来校正等值面，能够实现高精度的表面提取。
根据以下对优选的实施例的详细描述，本发明的这些特征、优点以及其它特征、优点将变得明确。
附图说明
参照附图来描述优选的实施例，在所有附图中，对相同的要素标注相同的附图标记，其中，
图1是表示在测量中使用的现有技术的X射线CT装置的整体结构的截面图。
图2是表示该现有技术的X射线CT装置的主要部分配置的立体图。
图3是表示该现有技术的X射线CT装置的CT重建的概要的图。
图4是表示本发明的实施方式的处理过程的流程图。
图5是用于说明本发明的实施方式的CT值梯度的分析计算方法的一例的立体图。
图6是表示本发明的实施方式的在梯度±g方向上提取出多个采样点的例子的图。
图7是表示本发明的实施方式的使顶点移动至采样点的情形的图。
图8是表示现有技术的作为测定对象的一例的步进缸的立体图。
具体实施方式
下面，参照附图来详细地说明本发明的实施方式。此外，本发明并不限定于以下的实施方式和实施例中记载的内容。另外，以下所记载的实施方式和实施例中的构成要件包括本领域人员能够容易地想到的构成要件、实质上相同的构成要件、所谓同等范围的构成要件。并且，可以将以下记载的实施方式和实施例中公开的构成要素适当进行组合来使用，也可以适当地进行选择来使用。
在本发明的算法中，将通过X射线CT生成的体数据作为输入，将进行表面提取所得到的网格数据作为输出。
在图4中示出本发明的实施方式中的处理过程的概要。
首先，在步骤100中根据体数据生成等值面网格M。
体数据的各体素具有CT值，能够提取具有固定的CT值的体素来生成等值面网格。作为CT值的选择方法，存在确认体数据的CT值的直方图来进行选择的方法。该直方图通常分别具有各工件材质和空气的峰(peak)，例如在想要提取工件外形表面(空气与工件的边界面)的情况下，在直方图上选择空气与工件外形表面材质的峰的中间值(CT值)。而且，使用与选择出的体数据中的期望的表面形状相当的恰当的CT值来生成等值面网格。
接着，进入步骤110，提取构成网格M的一个顶点p。
接着，进入步骤120，计算提取出的网格顶点p的梯度向量g。能够如以下那样进行梯度向量g的计算。
首先，例如使用通常使用的作为一种反投影法的费尔德坎普法(FDK法)，通过下式来计算顶点p(x，y，z)处的CT值f(p)(参照图5)。在图5中，30是进行计算的计算机。
【数1】
在此，系数α(θ，p)＝dsod/(dsod+dz)
θ：旋转角度
dsod：线源-旋转中心间距离
Sfilteered(θ，p)：滤波器校正投影值(利用shepp-logan滤波器)
此外，在求出滤波器校正投影值时，除了Shepp-Logan滤波器以外还能够利用Ram-Lak滤波器、Kak-Slaney滤波器。
接着，使用下式来计算点p(x，y，z)处的CT值的梯度向量g(p)。在此，为了使计算简单，能够假设为α(θ，p)＝α(θ)(α不取决于p)。
【数2】
在此，R-θ：角度-θ的三维旋转矩阵
此外，可以将点p视作连续值，在投影值的计算等计算中恰当地进行插值处理。
接着，进入步骤130，如图6所例示的那样，在通过网格顶点p的梯度向量±g上提取多个采样点S。例如能够以体素尺寸为基准任意地设定提取范围、提取间隔，例如能够将采样范围设定为±4体素左右，能够将采样间隔设定为体素尺寸的0.1倍～0.2倍左右。
接着，进入步骤140，如图7所例示的那样，通过下式，根据梯度向量g的绝对值来计算提取出的全部的采样点S的梯度范数N。
【数3】
N＝|g(S)|···(3)
接着，进入步骤150，导出在采样点S的梯度范数N中成为最大值Nm的采样点Sm。
接着，进入步骤160，使顶点p移动至采样点Sm。这是因为在工件与空气的边界、或者不同的工件材质的边界处采样点S的偏离大。
在步骤160结束后，进入步骤170，检查是否结束了对全部的顶点p的修正。
在修正未结束时，返回步骤110，修正下一个顶点p。
另一方面，当在步骤170中判定为结束了关于全部的顶点p的修正时，结束处理。
根据发明人们进行的模拟，对如图8所例示的那样的第一层的外径为20mm、第五层的外径为60mm的步进缸进行测定值的评价，结果是，在以往的等值面网格法中，第一层、第二层的误差特别大，但根据本发明，第一层、第二层的误差减半。
另外，对图3所例示的标准球B的红宝石球进行了评价，在以往的方法中，球的直径的实际测量值与拟合时的直径的差为8μm～9μm，但根据本发明法能够降低至0μm～2μm。关于全部的球能够确认到同样的倾向。
在本实施方式中，使用了FDK法，因此能够简单地求出对用于求出CT值的式子进行微分所得的结果，从而能够容易地得到CT值的梯度信息。此外，得到CT值的梯度信息的方法不限定于FDK法。
另外，在所述实施方式中，将梯度信息设为梯度范数，但梯度信息不限定于此。测定对象物也不限定于工件。
对于本领域技术人员来说显而易见的是，以上描述的实施例只是例示，表示本发明在原理上的应用。本领域技术人员能够在不脱离本发明的主旨和范围的情况下容易地设计出各种其它方式。
关于2018年11月30日提交的日本专利申请No.2018-226040的包括说明书、附图及权利要求书的公开内容，在此通过参照来引用其全部内容。
Claims (5)
1.一种X射线CT中的CT体积的表面提取方法，其特征在于，
在进行X射线CT中的CT体积的表面提取时，
从通过X射线CT获取到的体数据中提取CT值固定的体素来生成等值面网格，
在网格的各顶点处，使用CT值的梯度信息来修正等值面的顶点。
2.根据权利要求1所述的X射线CT中的CT体积的表面提取方法，其特征在于，通过以下方式进行所述等值面的顶点的修正：
计算顶点的CT值的梯度向量，
在计算出的梯度向量的正负方向上生成多个采样点，
计算所生成的各采样点处的CT值的梯度范数，
使顶点移动至计算出的梯度范数最大的采样点。
3.根据权利要求2所述的X射线CT中的CT体积的表面提取方法，其特征在于，
使用费尔德坎普法，通过下式来计算所述顶点的CT值，
在此，系数α(θ，p)＝dsod/(dsod+dz)
θ：旋转角度
dsod：线源-旋转中心间距离
Sfiltered(θ，p)：滤波器校正投影值(利用shepp-logan滤波器)。
4.一种X射线CT中的CT体积的表面提取装置，用于进行X射线CT中的CT体积的表面提取，所述X射线CT中的CT体积的表面提取装置的特征在于，具备：
从通过X射线CT获取到的体数据中提取CT值固定的体素来生成等值面网格的单元；以及
在网格的各顶点处使用CT值的梯度信息来修正等值面的顶点的单元。
5.根据权利要求4所述的X射线CT中的CT体积的表面提取装置，其特征在于，修正所述等值面的顶点的单元具备：
计算顶点的CT值的梯度向量的单元；
在计算出的梯度向量的正负方向上生成多个采样点的单元；
计算所生成的各采样点处的CT值的梯度范数的单元；以及
使顶点移动至计算出的梯度范数最大的采样点的单元。
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