DE102022114355A1

DE102022114355A1 - Vorrichtung, verfahren und programm zur schätzung eines winkelfehlers

Info

Publication number: DE102022114355A1
Application number: DE102022114355.4A
Authority: DE
Inventors: Takumi Ota
Original assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Current assignee: Rigaku Denki Co Ltd; Rigaku Corp
Priority date: 2021-06-28
Filing date: 2022-06-08
Publication date: 2022-12-29
Also published as: JP2023005078A; US20220414955A1

Abstract

Die Winkelfehlerschätzvorrichtung 310 umfasst einen Speicherabschnitt 315 zum Speichern einer Reihe von Projektionsdaten einer Röntgen-CT und von Steuerwerten von Projektionswinkeln, die jeweils mit den Projektionsdaten assoziiert sind, einen Temporäre-Korrektur-Abschnitt 330 zum Korrigieren der Steuerwerte der Projektionswinkel auf temporäre Korrekturwerte mit einem Fehlermodell unter Verwendung eines angenommenen Parameters, einen Temporäre-Rekonstruktion-Abschnitt 332 zum Rekonstruieren mehrerer temporär korrigierter Bilder unter Verwendung der temporären Korrekturwerte der Projektionswinkel für jeden der unterschiedlichen Projektionsdatensätze, die aus einem Teil der Reihe von Projektionsdaten bestehen, einen Konsistenzevaluierungsabschnitt 340 zum Evaluieren der Konsistenz der mehreren temporär korrigierten Bilder, und einen Parameterbestimmungsabschnitt 345 zum Bestimmen eines optimalen Parameters, der für das Fehlermodell verwendet wird, basierend auf der evaluierten Konsistenz.

Description

VERWANDTE TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein Programm zur Schätzung eines Fehlers eines Projektionswinkels eines projizierten Bildes, das durch eine Röntgen-CT-Vorrichtung erfasst wird.
Beschreibung der verwandten Technik
Bei einer Röntgen-CT wird ein Winkel einer Gantry, die aus einem Röntgenbestrahlungsabschnitt und einem Detektionsabschnitt besteht, bezüglich einer Probe gesteuert und ein projiziertes Bild wird bei jedem Winkel erfasst. Dann kann durch das Rekonstruieren eines Bildes mit den erfassten projizierten Bildern eine interne Struktur einer Probe beobachtet werden. Falls jedoch der tatsächliche Projektionswinkel vom Steuerwert abweicht, verschlechtert sich die Qualität des rekonstruierten Bildes.
Daher ist eine Technik zum Messen der Projektionswinkelposition unter Verwendung eines Encoders oder eines Sensors und Korrigieren der Abweichung des Projektionswinkels bekannt (siehe zum Beispiel Patentdokument 1). In der in Patentdokument 1 beschriebenen Röntgen-CT-Vorrichtung wird ein tatsächlicher Projektionswinkel unter Verwendung einer optischen Kamera geschätzt.
Techniken zum Spezifizieren einer Abweichung eines Projektionswinkels unter Verwendung eines rekonstruierten Bildes sind auch bekannt (siehe zum Beispiel Patentdokument 2 und Nicht-Patentdokument 1). Gemäß Patentdokument 2 wird in einer CT-Bilderzeugungsvorrichtung für eine Strahlentherapie mit geladenen Teilchen das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines bogenförmigen Artefakts visuell bestimmt und eine Abweichung eines Projektionswinkels wird detektiert.
Gemäß Nicht-Patentdokument 1 wird ein Gesamtvariationswert (TV-Wert; TV: Total Variation) als ein Index zum Schätzen eines Fehlers eines Projektionswinkels verwendet, der durch einen 180-Grad-Scan mit einem Synchrotron gemessen wird. Somit ist es möglich, die gleichmäßige Abweichung des Projektionswinkelschritts zu korrigieren.
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP-A-2012-112790
Patentdokument 2: JP-A-2014-018522

Nicht-Patentdokument
[Nicht-Patentdokument 1] „Correction of center of rotation and projection angle in synchrotron X-ray computed tomography“, C-C. Cheng et al., Wissenschaftliche Berichte Band 8, Artikelnummer: 9884 (2018), https://www.nature.com/articles/s41598-018-28149-8
Das Design, das Encoder und Sensoren in die Vorrichtung integriert, ist jedoch kostspielig. Zusätzlich hängt das Ergebnis, wenn das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Artefakts visuell bestimmt wird, von einer Fertigkeit des Bedieners ab und ist nicht stabil. In dem Fall des Verwendens eines TV-Werts ist es schwierig, nach dem minimalen Wert zu suchen, da die Zunahme von Artefakten aufgrund von Unschärfe eines Bildes und die Abnahme des Kontrastes von Rändern zur gleichen Zeit detektiert werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde hinsichtlich solcher Umstände vorgenommen, und ein Ziel von dieser besteht darin, eine Winkelfehlerschätzvorrichtung, ein Verfahren und ein Programm bereitzustellen, die in der Lage sind, den Fehler des Projektionswinkels mit hoher Genauigkeit und geringen Kosten zu schätzen.
(1) Um das obige Ziel zu erreichen, umfasst die Winkelfehlerschätzvorrichtung der vorliegenden Erfindung einen Speicherabschnitt zum Speichern einer Reihe von Projektionsdaten einer Röntgen-CT und von Steuerwerten von Projektionswinkeln, die jeweils mit den Projektionsdaten assoziiert sind; einen Temporäre-Korrektur-Abschnitt zum Korrigieren der Steuerwerte der Projektionswinkel auf temporäre Korrekturwerte mit einem Fehlermodell unter Verwendung eines angenommenen Parameters; einen Temporäre-Rekonstruktion-Abschnitt zum Rekonstruieren mehrerer temporär korrigierter Bilder unter Verwendung der temporären Korrekturwerte der Projektionswinkel für jeden unterschiedlicher Projektionsdatensätze, die aus einem Teil der Reihe von Projektionsdaten bestehen; einen Konsistenzevaluierungsabschnitt zum Evaluieren der Konsistenz der mehreren temporär korrigierten Bilder; und einen Parameterbestimmungsabschnitt zum Bestimmen eines optimalen Parameters, der für das Fehlermodell verwendet wird, basierend auf der evaluierten Konsistenz.
(2) Ferner entsprechen in der Winkelfehlerschätzvorrichtung der vorliegenden Erfindung Abschnitte, zu denen die Steuerwerte der Projektionswinkel gehören, die mit den unterschiedlichen Projektionsdatensätzen assoziiert sind, einem Paar, bei dem eine Winkeldifferenz von Zentren der jeweiligen Abschnitte maximal ist.
(3) Ferner gehören in der Winkelfehlerschätzvorrichtung der vorliegenden Erfindung die Steuerwerte der Projektionswinkel, die mit den unterschiedlichen Projektionsdatensätzen assoziiert sind, zu drei oder mehr unterschiedlichen Abschnitten.
(4) Ferner korrigiert der Temporäre-Korrektur-Abschnitt in der Winkelfehlerschätzvorrichtung der vorliegenden Erfindung den Steuerwert des Projektionswinkels auf einen temporären Korrekturwert für den angenommenen Parameter, der mittels eines vorbestimmten Algorithmus geändert wird, der Konsistenzevaluierungsabschnitt wiederholt das Evaluieren der Konsistenz für jeden der geänderten angenommenen Parameter und der Parameterbestimmungsabschnitt bestimmt den angenommenen Parameter, der verwendet wird, wenn die Evaluierung der Konsistenz am höchsten ist, als einen optimalen Parameter.
(5) Ferner variiert in der Winkelfehlerschätzvorrichtung der vorliegenden Erfindung das Fehlermodell einen Fehler ungleichmäßig bezüglich der Zeit.
(6) Ferner ist in der Winkelfehlerschätzvorrichtung der vorliegenden Erfindung das Fehlermodell eine periodische Funktion, die einen Fehler bezüglich der Zeit definiert.
(7) Ferner rekonstruiert der Temporäre-Rekonstruktion-Abschnitt in der Winkelfehlerschätzvorrichtung der vorliegenden Erfindung das temporär korrigierte Bild in einem zentralen Querschnitt der Röntgen-CT.
(8) Ferner bestimmt der Parameterbestimmungsabschnitt in der Winkelfehlerschätzvorrichtung der vorliegenden Erfindung den optimalen Parameter unter Verwendung von A-priori-Informationen bezüglich der Variation von Pixelwerten in dem temporär korrigierten Bild, wenn es mehrere Kombinationen von Parametern gibt, die einer optimalen Lösung im Fehlermodell entsprechen.
(9) Ferner umfasst die Winkelfehlerkorrekturvorrichtung der vorliegenden Erfindung einen Korrekturausführungsabschnitt zum Korrigieren des Steuerwerts des Projektionswinkels bezüglich eines Fehlers, der mittels des Fehlermodells unter Verwendung des optimalen Parameters berechnet wird, der durch die Winkelfehlerschätzvorrichtung gemäß einem beliebigen von (1) bis (8) bestimmt wird.
(10) Ferner umfasst das Winkelfehlerschätzverfahren der vorliegenden Erfindung die Schritte des Erfassens einer Reihe von Projektionsdaten einer Röntgen-CT und von Steuerwerten von Projektionswinkeln, die jeweils mit den Projektionsdaten assoziiert sind; des Korrigierens der Steuerwerte der Projektionswinkel auf temporäre Korrekturwerte mit einem Fehlermodell unter Verwendung eines angenommenen Parameters; des Rekonstruierens mehrerer temporär korrigierter Bilder unter Verwendung der temporären Korrekturwerte der Projektionswinkel für jeden unterschiedlicher Projektionsdatensätze, die aus einem Teil der Reihe von Projektionsdaten bestehen; des Evaluierens der Konsistenz der mehreren temporär korrigierten Bilder; und des Bestimmens eines optimalen Parameters, der für das Fehlermodell verwendet wird, basierend auf der evaluierten Konsistenz.
(11) Ferner bewirkt das Winkelfehlerschätzprogramm der vorliegenden Erfindung, dass ein Computer Prozesse ausführt zum Erfassen einer Reihe von Projektionsdaten einer Röntgen-CT und von Steuerwerten von Projektionswinkeln, die jeweils mit den Projektionsdaten assoziiert sind; Korrigieren der Steuerwerte der Projektionswinkel auf temporäre Korrekturwerte mit einem Fehlermodell unter Verwendung eines angenommenen Parameters; Rekonstruieren mehrerer temporär korrigierter Bilder unter Verwendung der temporären Korrekturwerte der Projektionswinkel für jeden unterschiedlicher Projektionsdatensätze, die aus einem Teil der Reihe von Projektionsdaten bestehen; Evaluieren der Konsistenz der mehreren temporär korrigierten Bilder; und Bestimmen eines optimalen Parameters, der für das Fehlermodell verwendet wird, basierend auf der evaluierten Konsistenz.
Figurenliste

1A bis 1C sind eine Perspektivansicht, die einen Steuermechanismus für den Projektionswinkel zeigt, ein Graph, der einen Fehler bezüglich des Steuerwerts zeigt, bzw. ein Graph, der den Projektionswinkel bezüglich der Antriebszeit (t) zeigt.
2A und 2B sind ein schematisches Diagramm, das den Projektionswinkel bezüglich des Steuerwinkels zeigt, bzw. ein Graph, der den Projektionswinkel (θ) bezüglich der Antriebszeit (t) zeigt.
3A und 3B sind Diagramme, die jeweils Bereiche von Steuerwinkeln der Projektionsdatensätze zeigen.
4 ist ein schematisches Diagramm, das das Röntgen-CT-System zeigt.
5 ist ein Blockdiagramm, das eine Winkelfehlerschätzvorrichtung zeigt.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein Winkelfehlerschätzverfahren zeigt.
7 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Winkelfehlerschätzverfahren zeigt.
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für einen Eingabebildschirm zeigt.
9A und 9B sind Diagramme, die jeweils Beispiele für Anzeigebildschirme zeigen.
10 ist ein schematisches Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Index und A-priori-Informationen bezüglich eines Parameters zeigt.
11 ist ein Graph, der einen Konsistenzindex bezüglich Parametern zeigt.
12A und 12B sind ein rekonstruiertes Bild bzw. ein Graph des CT-Werts bezüglich der Position vor der Korrektur.
13A und 13B sind ein rekonstruiertes Bild bzw. ein Graph des CT-Werts bezüglich der Position nach der Korrektur.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Als Nächstes werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Um das Verständnis der Beschreibung zu erleichtern, werden in den jeweiligen Zeichnungen die gleichen Bezugsziffern den gleichen Komponenten zugewiesen, und duplizierte Beschreibungen werden weggelassen.
[Prinzip]
Eine Röntgen-CT-Vorrichtung bestrahlt eine Probe mit einem Kegel- oder Parallelstrahl von Röntgenstrahlen von einem beliebigen Winkel aus und erfasst eine Verteilung von Absorptionskoeffizienten der Röntgenstrahlen, das heißt ein projiziertes Bild, mittels eines Detektors. Um Röntgenstrahlen von einem beliebigen Winkel aus auszustrahlen, ist die Röntgen-CT-Vorrichtung dazu ausgelegt, einen Probentisch bezüglich der festen Röntgenstrahlenquelle und des Detektors zu rotieren oder die Gantry, in der die Röntgenstrahlenquelle und der Detektor integriert sind, zu rotieren. Die Rotation ist relativ, und ein Rotationswinkel bezeichnet einen Winkel zwischen der Gantry und der Probe und wird auch als ein Projektionswinkel bezeichnet. Im Übrigen ist der Rotationswinkel im Grunde proportional zu der Rotationsantriebszeit.
Somit wird eine Projektion von verschiedenen Winkeln aus durchgeführt und die Verteilung des linearen Absorptionskoeffizienten der Probe kann aus dem Kontrast der projizierten Bilder der erfassten Probe geschlussfolgert werden. Dann wird es eine Rekonstruktion genannt, bei der eine dreidimensionale lineare Absorptionskoeffizientenverteilung aus zweidimensionalen projizierten Bildern erfasst wird. Im Grunde wird eine Rückprojektion der projizierten Bilder durchgeführt.
Für Messungen mit dem Parallelstrahlverfahren beträgt der Bereich der Projektionswinkel, die für die Rekonstruktion erforderlich sind, 180°. Wenn mit einem 360°-Scan gemessen wird, falls die Konsistenz gewährleistet wird, werden rekonstruierte Bilder beliebiger 180°-Abschnitte identisch sein. Der tatsächliche Projektionswinkel unterscheidet sich jedoch von dem idealen Steuerwinkel (Steuerwert des Projektionswinkels), wenn eine Fehlerfortpflanzung aufgrund der Antriebskomponenten der Vorrichtung oder der elektrischen Signale auftritt.
Da die Informationen der Steuerwinkel für die Rekonstruktion der projizierten Bilder verwendet werden, die jeweils mit den Projektionswinkeln erfasst werden, ist das rekonstruierte Bild unscharf, da die Rückprojektion bei Winkeln durchgeführt wird, die sich von den tatsächlichen Projektionswinkeln unterscheiden, wenn die Rekonstruktion in einen Zustand mit einem Fehler durchgeführt wird. In einem Korrekturverfahren zum Evaluieren der Konsistenz wird im Grunde das Parallelstrahlverfahren angenommen. In einem Fall, bei dem eine Vorrichtung das Kegelstrahlverfahren verwendet, kann die Konsistenz am zentralen Querschnitt des rekonstruierten Bildes so gut wie die im Fall des Parallelstrahlverfahrens evaluiert werden.
1A bis 1C sind eine Perspektivansicht, die einen Steuermechanismus für den Projektionswinkel zeigt, ein Graph, der einen Fehler bezüglich des Steuerwerts zeigt, bzw. ein Graph, der den Projektionswinkel bezüglich der Antriebszeit (t) zeigt. Wie in 1A gezeigt, überträgt die Röntgen-CT-Vorrichtung 200 die Antriebskraft des Motors 230 mittels des Riemens 235 auf die Gantry 240. Während die Gantry 240 rotiert, rotieren der Röntgenbestrahlungsabschnitt 260 und der Detektionsabschnitt 270 um die Probe. In 1A sind die Z-Achse als die CT-Rotationsachse, die V-Achse als die Richtung parallel zu der CT-Rotationsachse am Detektor und die U-Achse als die Richtung senkrecht zu der V-Achse ausgedrückt, daher wird der zentrale Querschnitt des rekonstruierten Bildes (Querschnitt Z=0) auf der U-Achse projiziert.
Im Fall eines solchen Mechanismus, selbst wenn der Motor 230 einen gleichmäßigen Rotationsbetrieb durchführt, variieren die Projektionswinkel aufgrund mechanischer Fehler, die aus Zahnrädern, Riemen und dergleichen entstehen, ungleichmäßig. Beispielsweise können Verzögerungen bei der Übertragung von Antriebskräften durch wie etwa einen Gummiriemen bewirken, dass die Winkel ungleichmäßig abweichen. 1A zeigt die Umgebung von θ = 180° (der Zustand, bei dem sich die Quelle vertikal auf der oberen Seite befindet), wenn der Rotationswinkel der Gantry als θ ausgedrückt wird. In dem Fall kann der tatsächliche Rotationswinkel als kleiner als der ideale Rotationswinkel geschlussfolgert werden, wenn der Röntgenbestrahlungsabschnitt 260 zu der vertikalen oberen Seite (θ = 0 bis 180°) rotiert wird, und der tatsächliche Rotationswinkel kann als größer als der ideale Rotationswinkel geschlussfolgert werden, wenn der Röntgenbestrahlungsabschnitt 260 zu der vertikalen unteren Seite (θ = 180 bis 360°) rotiert wird.
Die Abweichung (Δθ) des Projektionswinkels bezüglich des Steuerwinkels (θ) der Gantry in dem Fall kann so in 1B gezeigt werden. Ferner ist der tatsächliche Projektionswinkel (θ(t)) bezüglich der Antriebszeit (t) der Gantry ein Wert, der durch die Abweichung des Projektionswinkels bezüglich des Steuerwerts (θ_ideal(t)) der Gantry beeinflusst wird, wie mit einer gestrichelten Linie in 1C angegeben.
2A und 2B sind ein schematisches Diagramm, das den Projektionswinkel bezüglich des Steuerwinkels zeigt, bzw. ein Graph, der den Projektionswinkel (θ) bezüglich der Antriebszeit (t) zeigt. Die grafischen Darstellungen (Punkte) auf den Linien in 2B entsprechen den Winkeln, die die Projektionsdaten in 2A erfassen. Beispielsweise ist in dem Projektionsdatensatz M1 ohne Fehler zwischen dem Steuerwinkel und dem tatsächlichen Projektionswinkel die Beziehung des Projektionswinkels bezüglich des Steuerwinkels durch eine gerade Linie M1 auf dem Graphen repräsentiert. Im Gegensatz dazu ist in dem Projektionsdatensatz M2, bei dem der Projektionswinkel gleichmäßig vom Steuerwinkel abweicht, die Beziehung durch eine gerade Linie M2 auf dem Graphen repräsentiert, aber die Steigung der geraden Linie M2 ist kleiner als die Steigung der geraden Linie M1. Ferner ist in dem Projektionsdatensatz M3, bei dem der Projektionswinkel ungleichmäßig vom Steuerwinkel abweicht, die Beziehung als eine periodische Kurve repräsentiert, die an der geraden Linie M1 auf dem Graphen zentriert ist.
In der vorliegenden Erfindung wird eine ungleichmäßige Variation in einem solchen Projektionswinkel mittels eines Fehlermodells repräsentiert. Beispielsweise wird bevorzugt, das Fehlermodell mit einer periodischen Funktion wie einer Fourier-Reihenentwicklung zu approximieren. Falls beispielsweise die tatsächliche Winkelposition um Δθ von der idealen Winkelposition abweicht, ist Δθ in einer Fourier-Reihenentwicklung wie in der folgenden Gleichung gegeben. Zusätzlich zu der Fourier-Reihenentwicklung können die Potenzreihenentwicklung und Spline-Funktion als das Fehlermodell verwendet werden.
$Δ θ (t) = \sum_{j = 1}^{j_{max}} A_{j} sin j θ_{ideal} (t) + \sum_{k = 0}^{k_{max}} B_{k} cos k θ_{ideal} (t)$
Hier repräsentieren der Parameter A_j und B_k des Fehlermodells die Amplituden der periodischen Funktionen, und durch das Optimieren der beiden Parameter kann eine Funktion zum Berechnen des Winkelfehlers bestimmt werden. j_max und k_max repräsentieren Ordnungen der periodischen Funktionen und sind feste Werte, die willkürlich mittels des angenommenen Fehlermodells bestimmt werden können.
Falls der Hauptfaktor des Fehlers des Projektionswinkels die Dehnung und Kontraktion des Riemens ist, erhöht sich der Fehler mit der Zunahme der Last am Riemen im Projektionswinkel etwa 90° und 270°. Wenn solche Annahmen zutreffen, ist es angemessen, die Fehlermodelle als periodische Funktionen erster Ordnung festzulegen, wobei j_max und k_max auf 1 gesetzt werden, wie in Gleichung (2). Die Projektionswinkel können Schrittwinkel diskreter Winkel (θ_ideal,_i) korreliert mit der Anzahl projizierter Bilder sein, wobei i die Kennzeichnung des projizierten Bildes ist und np die Anzahl projizierter Bilder ist. Zusätzlich kann eine Randbedingung festgelegt werden, um zu definieren, dass es keinen Fehler zur Anfangszeit gibt. Durch das Spezifizieren der Fehlerfaktoren, die in der verwendeten Röntgen-CT-Vorrichtung auftreten können, und Beschränken des Fehlermodells ist es somit möglich, die Parameter zu reduzieren. Infolgedessen kann die Berechnungszeit verkürzt werden.
$Δ θ_{i} = - A sin θ_{ideal, i} - B (cos θ_{ideal, i} - 1)$
$θ_{i d e a l, i} = i * 360 ° / n p$
$i = 0,1, \dots n_{p} - 1$
$G r e n z b e d i n g u n g Δ θ_{i = 0} = 0$
Parameter des Fehlermodells, wie durch die Gleichungen (1) und (2) repräsentiert, werden unter Verwendung eines Index (Evaluierungsfunktion) des Konsistenzgrades zwischen den rekonstruierten Bildern, die aus den projizierten Bildern jeweils für die Abschnitte der Projektionswinkel erhalten werden, geändert und optimiert. Durch das Bestimmen der Parameter des Fehlermodells bei der Optimierung, wird der Abweichungsbetrag des Projektionswinkels berechnet. Dann wird der Projektionswinkel zu der Zeit der Messung durch Korrigieren des Abweichungsbetrags, der mit Bezug auf den Steuerwinkel berechnet wird, geschätzt.
Insbesondere wird der Winkelbereich des Projektionswinkels, mit dem das rekonstruierte Bild gebildet wird, mit dem angenommenen Fehler bestimmt. Die Konsistenz des Sinogramms wird unter Verwendung der Differenz der rekonstruierten Bilder für die Evaluierungsfunktion unter Verwendung mehrerer unterschiedlicher 180°-Abschnitte aus dem Winkelbereich von 360° evaluiert. Beispielsweise wird eine Rekonstruktion (Halbrekonstruktion) unter Verwendung der projizierten Bilder durchgeführt, die in dem Winkelbereich von 180° + Fächerwinkel erfasst werden. Dann wird das rekonstruierte Bild unter Verwendung des projizierten Bilddatensatzes, der in dem festgelegten Abschnittsbereich enthalten ist, erzeugt.
3A und 3B sind Diagramme, die jeweils Bereiche von Steuerwinkeln der Projektionsdatensätze zeigen. Die Bereiche R1 bis R3 werden basierend auf den Steuerpositionen gesetzt, und die rekonstruierten Bilder werden mit den Projektionsdatensätzen entsprechend den gesetzten Bereichen R1 bis R3 basierend auf dem angenommenen Fehler erzeugt.
Eine Evaluierungsfunktion kann verwendet werden, um das Fehlermodell zu optimieren. Beispielsweise für Projektionswinkel über 360° werden mehrere rekonstruierte Bilder entsprechend den unterschiedlichen Abschnitten in dem gleichen Winkelbereich erzeugt, und zwei der mehreren rekonstruierten Bilder werden als ein Paar verwendet. Der Konsistenzgrad des Paares wird berechnet und ein Wert, der durch Addieren der Konsistenzgrade von allen Paaren erfasst wird, kann als eine Evaluierungsfunktion verwendet werden. Das heißt, die Evaluierungsfunktion kann durch die Addition von MSE wie folgt definiert werden. In der vorliegenden Erfindung wird eine Evaluierungsfunktion wie etwa ein Konsistenzindex (KI) als ein Evaluierungsindex des Fehlermodells verwendet.
$Konsistenzindex = \sum_{i < j}^{n} M S E (i, j)$
$M S E (i, j) = \frac{1}{M} \sum_{m = 1}^{M} {(ƒ_{m}^{i} - ƒ_{m}^{j})}^{2}$
Im Übrigen ist n in Gleichung (3) die Anzahl von Abschnitten, die Summe bedeutet, nur für die Anzahl der Kombinationen zu addieren (_nC₂ = n (n-1)/2). Außerdem geben i und j in Gleichung (4) die Anzahl der projizierten Bilddatensätze zum Erzeugen der rekonstruierten Bilder an. Ein MSE (Mean Squared Error - mittlerer quadratischer Fehler) gibt auch den quadratischen Mittelwert der Differenzen von Pixelwerten f für alle Pixel (Gesamtanzahl von Pixeln M) rund um den zentralen Querschnitt des rekonstruierten Bildes an, das mit dem angenommenen Fehler korrigiert wird. Im Übrigen können eine SSIM (Structure Similarity - Strukturähnlichkeit), eine Fläche und eine MI (Mutual Information - gegenseitige Information) anstelle des MSE beim Definieren der Evaluierungsfunktion verwendet werden.
Die Parameter des Fehlermodells, bei dem die oben erwähnte Evaluierungsfunktion einen minimalen Wert annimmt, werden gesucht. Als ein Optimierungsverfahren kann eine Bereichssuche, ein Simplex-Verfahren, ein Gradientenverfahren oder dergleichen adoptiert werden. Wenn beispielsweise die Bereichssuche durchgeführt wird, werden Suchbereiche für die Parameter A und B des Fehlermodells festgelegt. Der Suchbereich kann zum Beispiel durch Spezifizieren des minimalen Werts, des maximalen Werts und des Schritts des Parameters festgelegt werden. Der Konsistenzgrad wird mittels einer Evaluierungsfunktion für jede Kombination der Parameter A und B berechnet. Falls es keinen Fehler im Projektionswinkel gibt, nimmt die Evaluierungsfunktion einen Extremwert an. Die Kombination, für die der Konsistenzgrad einen minimalen Wert annimmt, wird für Parameter des Fehlermodells bestimmt.
Die Parameter des Fehlermodells können geändert werden, bis sie mittels des Gradientenverfahrens passen, aber die Suche kann auf eine lokale optimale Lösung konvertieren. Wenn es mehrere Kombinationen von Parametern entsprechend der optimalen Lösung der mittels der Suche extrahierten Parameter gibt, koexistieren die lokale optimale Lösung und die globale optimale Lösung. In diesem Fall wird bevorzugt, eine angemessene Lösung als eine globale optimale Lösung zu bestimmen, indem auch auf A-priori-Informationen Bezug genommen wird.
Beispielsweise ergibt eine Optimierung mit Termen hoher Ordnung einer Fourier-Reihenerweiterung in nur zwei Winkelbereichen, 0-180° und 180-360°, mehrere Lösungen mit dem gleichen Wert der Evaluierungsfunktion. Durch das Verwenden von A-priori-Informationen kann die Instabilität solcher Ergebnisse vermieden werden, und die Lösungen können unterschieden werden.
[Gesamtsystem]
4 ist ein schematisches Diagramm, das ein Röntgen-CT-System 100 zeigt. Das Röntgen-CT-System 100 umfasst eine Röntgen-CT-Vorrichtung 200 und eine Verarbeitungsvorrichtung 300. Die Verarbeitungsvorrichtung 300 fungiert als eine Winkelfehlerschätzvorrichtung und eine Winkelfehlerkorrekturvorrichtung. Hier ist die in 5 gezeigte Röntgen-CT-Vorrichtung 200 dazu ausgelegt, die Gantry, in der der Röntgenbestrahlungsabschnitt 260 und der Detektionsabschnitt 270 integriert sind, bezüglich der Probe zu rotieren, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und kann dazu ausgelegt sein, die Probe zu rotieren.
Die Verarbeitungsvorrichtung 300 (Winkelfehlerschätzvorrichtung) ist mit der Röntgen-CT-Vorrichtung 200 verbunden und führt eine Verarbeitung der Steuer- und erfassten Daten der Röntgen-CT-Vorrichtung 200 durch. Die Verarbeitungsvorrichtung 300 kann ein PC-Terminal oder ein Server in der Cloud sein. Die Eingabevorrichtung 410 ist zum Beispiel eine Tastatur oder eine Maus und führt eine Eingabe in die Verarbeitungsvorrichtung 300 durch. Die Ausgabevorrichtung 420 ist zum Beispiel eine Anzeige und wird zum Anzeigen eines Ergebnisses der Verarbeitung durch die Verarbeitungsvorrichtung 300 für einen Benutzer mittels eines Anzeigebildschirms oder dergleichen verwendet.
[Röntgen-CT-Vorrichtung]
Wie in 5 gezeigt, umfasst die Röntgen-CT-Vorrichtung 200 eine Probenpositionssteuereinheit 210, eine Rotationssteuereinheit 220, einen Probentisch 250, einen Röntgenbestrahlungsabschnitt 260 und einen Detektionsabschnitt 270. Der Röntgenbestrahlungsabschnitt 260 und der Detektionsabschnitt 270 sind in einer Gantry installiert, und eine Röntgen-CT-Bildgebung wird durch Rotieren der Gantry bezüglich einer Probe, die an dem Probentisch 250 befestigt ist, durchgeführt.
Die Röntgen-CT-Vorrichtung 200 rotiert die Gantry mit einem Timing, das durch die Verarbeitungsvorrichtung 300 angewiesen wird, und erfasst projizierte Bilder der Probe. Die Messdaten werden zu der Verarbeitungsvorrichtung 300 übertragen. Obwohl die Röntgen-CT-Vorrichtung 200 für die Verwendung für Präzisionsindustrieprodukte wie etwa Halbleitervorrichtungen geeignet ist, kann sie bei einer Vorrichtung für Tiere sowie einer Vorrichtung für Industrieprodukte angewendet werden.
Der Röntgenbestrahlungsabschnitt 260 strahlt Röntgenstrahlen in Richtung des Detektionsabschnitts 270 aus. Der Detektionsabschnitt 270 ist ein zweidimensionaler Detektor, weist eine Empfangsfläche zum Empfangen von Röntgenstrahlen auf und kann die Intensitätsverteilung von Röntgenstrahlen, die durch die Probe übertragen werden, mittels einer großen Anzahl von Pixeln messen. Die mittels Röntgen-CT projizierten Bilder werden vorzugsweise mit einem zweidimensionalen Detektor erfasst, der Detektionselemente von 50 µm oder weniger, z. B. Pixel von 50×50 µm oder weniger, aufweist.
Beispielsweise, wenn das Vergrößerungsverhältnis das 50-fache wird, wird die Größe eines Pixels 1 µm. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere für die Röntgen-CT-Vorrichtung des Industrieprodukts effektiv, in dem die Analyse mit der Präzision in der Ordnung von Mikrometern ausgeführt wird, da ein Fehler beim Erkennen der Form und Messen der Abmessungen auftritt, wenn eine Bildunschärfe in der Ordnung von Mikrometern durch den Winkelfehler verursacht wird.
Die Probenpositionssteuereinheit 210 steuert die Probenposition vor der CT-Messung durch Anpassen der Position des Probentisches 250. Die Rotationssteuereinheit 220 rotiert die Gantry mit einer Geschwindigkeit, die zu der Zeit der CT-Messung festgelegt wird.
[Verarbeitungsvorrichtung]
5 ist ein Blockdiagramm, das die Winkelfehlerschätzvorrichtung zeigt. Die Verarbeitungsvorrichtung 300 wird durch einen Computer konfiguriert, der durch Verbinden einer CPU (Zentralverarbeitungseinheit), eines ROM (Nurlesespeicher), eines RAM (Direktzugriffsspeicher) und eines Speichers mit einem Bus gebildet wird. Die Verarbeitungsvorrichtung 300 ist mit der Röntgen-CT-Vorrichtung 200 verbunden und empfängt Informationen.
Die Verarbeitungsvorrichtung 300 umfasst einen Speicherabschnitt 315, einen Eingabeverarbeitungsabschnitt 320, einen Ausgabeverarbeitungsabschnitt 325, einen Temporäre-Korrektur-Abschnitt 330, einen Temporäre-Rekonstruktion-Abschnitt 332, einen Schleifenbedingungsbestimmungsabschnitt 335, einen Konsistenzevaluierungsabschnitt 340, einen Parameterbestimmungsabschnitt 345, einen Korrekturausführungsabschnitt 360 und einen Rekonstruktionsabschnitt 380. Jeder der Abschnitte kann Informationen über den Steuerbus L übertragen und empfangen. Die Eingabevorrichtung 410 und die Ausgabevorrichtung 420 sind über eine zweckmäßige Schnittstelle mit der CPU verbunden.
Der Speicherabschnitt 315, der Eingabeverarbeitungsabschnitt 320, der Ausgabeverarbeitungsabschnitt 325, der Temporäre-Korrektur-Abschnitt 330, der Temporäre-Rekonstruktion-Abschnitt 332, der Schleifenbedingungsbestimmungsabschnitt 335, der Konsistenzevaluierungsabschnitt 340 und der Parameterbestimmungsabschnitt 345 bilden die Winkelfehlerschätzvorrichtung 310. Der Korrekturausführungsabschnitt 360 und der Rekonstruktionsabschnitt 380 bilden die Winkelfehlerkorrekturvorrichtung 350. Die Winkelfehlerschätzvorrichtung 310 und die Winkelfehlerkorrekturvorrichtung 350 können als separate Verarbeitungsvorrichtungen bereitgestellt werden. In jedem Fall sind die Vorrichtungen miteinander verbunden, sodass Informationen übertragen und empfangen werden können.
Der Speicherabschnitt 315 speichert eine Reihe von Projektionsdaten der Röntgen-CT und die Steuerwerte des Projektionswinkels, der mit jedem der Projektionsdaten assoziiert ist. Der Speicherabschnitt 315 speichert auch die Bedingungen des Fehlerschätzprozesses, die optimalen Parameter, die Winkelfehler und die rekonstruierten Bilder. Der Eingabeverarbeitungsabschnitt 320 führt eine Verarbeitung an Eingabeinformationen in die Verarbeitungsvorrichtung 300 durch. Der Ausgabeverarbeitungsabschnitt 325 führt eine Verarbeitung an Ausgabeinformationen aus der Verarbeitungsvorrichtung 300 durch.
Der Temporäre-Korrektur-Abschnitt 330 berechnet einen Fehler mittels des Fehlermodells unter Verwendung des angenommenen Parameters und korrigiert den Steuerwert des Projektionswinkels auf den temporären Korrekturwert. Der Temporäre-Korrektur-Abschnitt 330 berechnet die Fehler unter Verwendung von Parametern, die sich jeweils für Schleifen unterscheiden, durch Ändern der Parameter in einem vorbestimmten Algorithmus zu der Zeit der Schleife.
Der Temporäre-Rekonstruktion-Abschnitt 332 erzeugt mehrere rekonstruierte Bilder (temporär korrigierte Bilder) unter Verwendung der temporären Korrekturwerte der Projektionswinkel für jeden der unterschiedlichen Projektionsdatensätze, die aus einem Teil einer Reihe von Projektionsdaten bestehen. Die Abschnitte, zu denen die Steuerwinkel gehören, die mit den unterschiedlichen Projektionsdatensätzen assoziiert sind, sind vorzugsweise ein Paar, in dem die Differenz der jeweiligen Winkelzentren maximiert ist. Durch das Paaren der Projektionsdatensätze, um die Anzahl von überlappenden projizierten Bildern zu reduzieren, kann die Konsistenz innerhalb des Bereichs von Projektionswinkeln effizient evaluiert werden.
Die Steuerwerte der Projektionswinkel, die mit den unterschiedlichen Projektionsdatensätzen assoziiert sind, können so festgelegt werden, dass sie zu drei oder mehr unterschiedlichen Abschnitten gehören. Falls beispielsweise der Winkelfehler in dem Zyklus von 180° auftritt und die Periode mit dem Abschnitt der beiden Projektionsdatensätze übereinstimmt, tritt die gleiche Winkelabweichung in den rekonstruierten Bildern auf, die jeweils mittels der Projektionsdatensätze erzeugt werden. In diesem Fall, falls nur zwei Abschnitte verwendet werden, erscheint es so, als ob die Pixelwerte der verglichenen rekonstruierten Bilder konsistent sind, da die gleiche Winkelabweichung auftritt. Daher können mehrere Lösungen mit dem gleichen Wert der Evaluierungsfunktion abgeleitet werden. Da der Effekt unterschiedlicher Winkelabweichungen durch das Einstellen der drei Abschnitte beurteilt werden kann, können die Lösungen mittels der verwendeten Evaluierungsfunktion unterschieden werden. Somit ist es durch das Erhöhen der Anzahl von Datensätzen möglich, zwischen optimalen Lösungen zu unterscheiden, die nicht zwischen zwei Projektionsdatensätzen unterschieden werden können.
Der Temporäre-Rekonstruktion-Abschnitt 332 rekonstruiert vorzugsweise das temporär korrigierte Bild im zentralen Querschnitt der Röntgen-CT. In der Röntgen-CT-Vorrichtung, die einen Kegelstrahl verwendet, ist der Fehler, der von dem Kegelstrahl stammt, umso größer, je weiter entfernt er sich vom Rotationszentrum befindet. Durch das Verwenden eines temporär korrigierten Bildes des zentralen Querschnitts kann der Fehler, der von dem Kegelstrahl stammt, unterdrückt werden und der Winkelfehler kann genau geschätzt werden. Obwohl der Konsistenzevaluierungsabschnitt 340 die Konsistenz unter Verwendung des zentralen Querschnitts des dreidimensionalen temporär korrigierten Bildes evaluieren kann, ist es effizienter, nur das temporär korrigierte Bild des zentralen Querschnitts zu rekonstruieren.
Wenn das Parallelstrahlverfahren (Fächerstrahlverfahren) verwendet wird, kann ein Bild einer beliebigen Position genauso wie ein Bild des zentralen Querschnitts verwendet werden.
Der Schleifenbedingungsbestimmungsabschnitt 335 bestimmt, ob die Schleife abgeschlossen ist oder nicht, gemäß dem Optimierungsverfahren. Wenn die Schleife nicht abgeschlossen ist, ändert der Schleifenbedingungsbestimmungsabschnitt 335 die Parameter gemäß der Einstellung und bewirkt, dass jeder der Abschnitte die Fehlerberechnungs- und Konsistenzevaluierungsverarbeitung ausführt. Wenn die Schleife abgeschlossen ist, bewirkt der Schleifenbedingungsbestimmungsabschnitt 335, dass der Parameterbestimmungsabschnitt 345 einen optimalen Parameter bestimmt.
Der Konsistenzevaluierungsabschnitt 340 evaluiert die Konsistenz mehrerer temporär korrigierter Bilder. Der Konsistenzevaluierungsabschnitt 340 wiederholt die Konsistenzevaluierung für jeden der Parameter, die für jede Schleife angenommen werden. Da die Konsistenz der temporär korrigierten Bilder in den Abschnitten der unterschiedlichen Projektionswinkel evaluiert wird, ist die vorliegende Ausführungsform somit geeignet, wenn das Fehlermodell, das den Fehler ungleichmäßig bezüglich der Zeit variiert, angewendet werden kann. Beispielsweise wird auf den Fall hingewiesen, dass ungleichmäßige mechanische Fehler aus Zahnrädern, Riemen oder dergleichen auftreten können.
Im obigen Fall wird bevorzugt, eine periodische Funktion des Fehlers bezüglich der Zeit als das Fehlermodell zu verwenden. Somit kann die Anzahl von Parametern reduziert werden und die Berechnungszeit kann durch das Schätzen der Fehlerfaktoren zum Einstellen des Fehlermodells verkürzt werden. Die Verwendung der periodischen Funktion ist insbesondere in dem Fall effektiv, bei dem der periodische Fehler ungleichmäßig ist, und selbst in dem Fall, bei dem die Variation des Fehlers eine hohe Frequenz aufweist, die behandelt werden kann, indem die Ordnung (j_max, k_max) der Gleichung (1) bis zu einer hohen Ordnung angenommen wird.
Der Parameterbestimmungsabschnitt 345 bestimmt einen optimalen Parameter, der für das Fehlermodell verwendet wird, basierend auf der evaluierten Konsistenz. Der Parameterbestimmungsabschnitt bestimmt den angenommenen Parameter, der verwendet wird, wenn die Konsistenzevaluierung am höchsten ist, als den optimalen Parameter. Somit können die optimalen Parameter sicher bestimmt werden.
Mit jedem der obigen Abschnitte kann der Fehler des Projektionswinkels mittels einer Berechnung unter Verwendung einer Reihe von Projektionsdaten ohne die Verwendung eines Encoders oder eines Senders erfasst werden. Beispielsweise kann der Projektionswinkel nur durch Softwarekorrektur für die Vorrichtung korrigiert werden, wenn es schwierig ist, einen Encoder zu installieren.
Da der Fehler durch das Evaluieren der Konsistenz basierend auf den mehreren temporär korrigierten Bildern geschätzt wird, wird ferner jedes Mal ein stabiles Ergebnis erhalten. Infolgedessen kann der Fehler des Projektionswinkels mit hoher Genauigkeit und geringen Kosten geschätzt werden. Dann kann ein hochqualitatives rekonstruiertes Bild mit weniger Unschärfe unter Verwendung der Projektionswinkel, die mit den Fehlern korrigiert sind, erfasst werden.
Der Parameterbestimmungsabschnitt 345 bestimmt vorzugsweise den optimalen Parameter unter Verwendung von A-priori-Informationen bezüglich der Variation des Pixelwerts in dem temporär korrigierten Bild gemäß der Situation. Beispielsweise ist dieses Verfahren effektiv, wenn es mehrere Kombinationen von Parametern gibt, die den optimalen Lösungen im Fehlermodell entsprechen. Durch die ergänzende Verwendung von A-priori-Informationen kann eine angemessene Lösung als eine globale optimale Lösung ausgewählt werden, wenn es mehrere lokale optimale Lösungen gibt.
Der Korrekturausführungsabschnitt 360 korrigiert den Steuerwert des Projektionswinkels unter Verwendung des optimalen Parameters im Fehlermodell. Dann wird das korrigierte Bild aus der Reihe von Projektionsdaten rekonstruiert. Somit wird der durch Korrigieren des Fehlers erfasste Projektionswinkel verwendet, um ein hochqualitatives korrigiertes Bild mit weniger Unschärfe bereitzustellen.
Der Rekonstruktionsabschnitt 380 rekonstruiert ein dreidimensionales CT-Bild basierend auf einem Projektionsdatensatz, der aus einer Reihe projizierter Bilder und den damit assoziierten Projektionswinkeln besteht. Ferner erzeugt der Rekonstruktionsabschnitt 380 ein Querschnittsbild des dreidimensionalen CT-Bildes als Reaktion auf eine Anweisung.
[Messverfahren]
Eine zu messende Probe wird in die Röntgen-CT-Vorrichtung 200 platziert. Die Probenposition wird angepasst, Röntgenstrahlen werden ausgestrahlt und ein CT-Scan wird durchgeführt. Der erfasste Projektionsdatensatz, der aus einer Reihe projizierter Bilder und den damit assoziierten Projektionswinkeln besteht, wird zu der Verarbeitungsvorrichtung 300 gesendet und die Verarbeitungsvorrichtung 300 speichert den Datensatz.
[Prozess]
(Betrieb der Verarbeitungsvorrichtung)
Ein Winkelfehlerschätzverfahren durch den Betrieb der Verarbeitungsvorrichtung 300, die wie oben beschrieben konfiguriert ist, wird später beschrieben. 6 ist ein Flussdiagramm, das ein Winkelfehlerschätzverfahren zeigt. Zuerst erfasst die Verarbeitungsvorrichtung 300 die Projektionsdaten und die Steuerwinkel, die diesen entsprechen (Schritt S101). Dann werden das Fehlermodell und das Optimierungsverfahren, das beim Schätzen des Fehlers des Projektionswinkels verwendet wird, festgelegt (Schritte S102 und S103). Beispielsweise wird die Einstellung durch akzeptierte Benutzereingaben durchgeführt. Wenn das Optimierungsverfahren eingestellt ist, wird jeder 180°-Abschnitt aus der Anzahl von Abschnitten festgelegt und wird auch eine Evaluierungsfunktion festgelegt. Die Einstellung zum Ändern von Parametern wird auch durchgeführt.
Dann wird der Korrekturbetrag mittels des eingestellten Fehlermodells berechnet und der Projektionswinkel wird temporär korrigiert (Schritt S104). Der temporär korrigierte Projektionswinkel wird zum Rekonstruieren des temporär korrigierten Bildes mit den Projektionsdaten des Abschnitts der eingestellten Projektionswinkel verwendet (Schritt S105). In diesem Fall wird vom Standpunkt der Effizienz aus bevorzugt, eine Rekonstruktion von nur dem zentralen Querschnitt der Röntgen-CT durchzuführen.
Der Index wird unter Verwendung der Evaluierungsfunktion basierend auf dem erfassten temporär korrigierten Bild berechnet (Schritt S106). Es wird bestimmt, ob die Schleife abgeschlossen ist oder nicht (Schritt S107). Wenn die Schleife verarbeitet wird, während die Parameter mittels eines vorbestimmten Algorithmus geändert werden, kann der Abschluss der Schleife durch Bestimmen bestimmt werden, ob der Algorithmus abgeschlossen ist oder nicht.
Falls die Schleife nicht abgeschlossen ist, kehrte Prozess zum Schritt S104 zurück. Wenn die Schleife abgeschlossen ist, wird der optimale Parameter durch Verweisen auf die bislang berechneten Indizes bestimmt (Schritt S108). Dann wird der Fehler mit dem Fehlermodell unter Verwendung des optimalen Parameters berechnet und der Projektionswinkel wird durch Eliminierung des Fehlers korrigiert (Schritt S109). Das CT-Bild wird mit allen Projektionsdaten mittels der korrigierten Projektionswinkel rekonstruiert (Schritt S110) und die Reihe von Operationen wird beendet.
(Informations-E/A und -verarbeitung)
Als Nächstes wird der Betrieb von jeder der oben beschriebenen Vorrichtungen mit dem Schwerpunkt auf die Eingabe und Ausgabe von Informationen beschrieben. 7 ist ein Ablaufdiagramm, das das Winkelfehlerschätzverfahren zeigt. Zuerst wird in der Röntgen-CT-Vorrichtung 200 die Probe gemessen (Schritt S201). Die Verarbeitungsvorrichtung 300 erfasst Messdaten, die aus einer Reihe von Projektionsdaten bestehen, die durch eine Messung erfasst werden (Schritt S202). Andererseits empfängt die Eingabevorrichtung 410 die Angabe der Messdaten vom Benutzer (Schritt S203) und die Verarbeitungsvorrichtung 300 empfängt die Angabeinformationen von der Eingabevorrichtung 410 (Schritt S204) und liest die angegebenen Messdaten aus.
Die Verarbeitungsvorrichtung 300 rekonstruiert das CT-Bild mit den gelesenen gemessenen Daten (Schritt S205), sendet die rekonstruierten Daten zu der Ausgabevorrichtung 420 (Schritt S206), und die Ausgabevorrichtung 420 gibt das rekonstruierte Bild als ein unkorrigiertes Bild aus (Schritt S207).
Der Benutzer bestätigt das ausgegebene rekonstruierte Bild und weist eine Korrektur an, wenn es Unschärfe oder dergleichen im Bild gibt. Zuerst empfängt die Eingabevorrichtung 410 eine Eingabe einer Bedingungseinstellung vom Benutzer (Schritt S208) und sendet Bedingungsinformationen zu der Verarbeitungsvorrichtung 300 (Schritt S209). Die Verarbeitungsvorrichtung 300 startet die Schleifenverarbeitung gemäß der Bedingung.
Die Verarbeitungsvorrichtung 300 berechnet den Fehler mit dem Fehlermodell unter Verwendung der angenommenen Parameter und korrigiert temporär den Steuerwinkel mit dem Fehler (Schritt S210). Die Verarbeitungsvorrichtung 300 sendet die Konvergenzinformationen der Schleifen zu der Ausgabevorrichtung 420 (Schritt S211) und die Ausgabevorrichtung 420 gibt die Konvergenzinformationen aus (Schritt S212). Der Benutzer kann die Situation der Fehlerschätzung mittels der Konvergenzinformationen bestätigen.
Das temporär korrigierte Bild wird unter Verwendung der korrigierten Projektionswinkel und gemessenen Daten, die mittels der temporären Korrektur erfasst werden, korrigiert (Schritt S213), und die Konsistenz wird evaluiert (Schritt S214). Das Evaluierungsergebnis der Konsistenz wird als ein Index erfasst. Dann wird bestimmt, ob die Bedingung zum Abschließen der Schleife erfüllt ist oder nicht (Schritt S215). Falls die Bedingung zum Abschließen der Schleife nicht erfüllt ist, kehrt der Prozess zum Schritt S210 zurück, um die Schleife zu wiederholen. Falls die Bedingung zum Abschließen der Schleife erfüllt ist, wird der optimale Parameter bestimmt (Schritt S216).
Unter Verwendung der bestimmten optimalen Parameter werden die Projektionswinkel korrigiert, sodass die mittels des Fehlermodells berechneten Fehler eliminiert werden, und das rekonstruierte Bild wird mit den korrigierten Projektionswinkeln erzeugt (Schritt S217). Die Verarbeitungsvorrichtung 300 sendet das rekonstruierte Bild, das mittels der Korrektur erfasst wird, zu der Ausgabevorrichtung 420 (Schritt S218) und die Ausgabevorrichtung 420 gibt das rekonstruierte Bild aus (Schritt S219). Die Verarbeitungsvorrichtung 300 speichert die optimalen Parameter (Schritt S220). Die optimalen Parameter werden gespeichert, da sie auch für andere Messungen verwendet werden können. Ferner können die korrigierten Projektionswinkel gespeichert werden. Auf diese Weise wird eine Verarbeitungsreihe abgeschlossen.
(Eingabeinformationen)
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für einen Eingabebildschirm zeigt. In dem oben beschriebenen Schritt S208 kann der Benutzer die Bedingungseinstellung auf dem Eingabebildschirm eingeben. Insbesondere können die Spezifikation der Messdaten, die Anzahl von Abschnitten der Projektionswinkel zum Erzeugen des temporär korrigierten Bildes, der mathematische Ausdruck des Fehlermodells und das Optimierungsverfahren eingegeben werden.
Als der mathematische Ausdruck des Fehlmodells wird bevorzugt, das Spezifizieren der Ordnung einer Fourier-Reihe zu ermöglichen oder den mathematischen Ausdruck direkt einzugeben. Als ein Optimierungsverfahren wird zum Beispiel bevorzugt, das Auswählen von einem aus dem Bereichssuchverfahren, dem Simplex-Verfahren oder dem Gradientenverfahren und das Eingeben detaillierter Bedingungen des ausgewählten Verfahrens zu ermöglichen.
(Ausgabeinformationen)
9A und 9B sind Diagramme, die jeweils Beispiele für Anzeigebildschirme zeigen. Auf dem Anzeigebildschirm werden beispielsweise die rekonstruierten Bilder a1 und b1 vor und nach der Korrektur, die geschätzten Projektionswinkelinformationen c1 und die Konvergenzinformationen d1 und d2 ausgegeben. Es wird bevorzugt, gleichzeitig das rekonstruierte Bild a1 vor der Korrektur und das rekonstruierte Bild b1 nach der Korrektur anzuzeigen, um zu ermöglichen, den Effekt der Korrektur zu bestätigen.
Die geschätzten Projektionswinkelinformationen c1 sind leicht zu verstehen, wenn sie als ein Projektionswinkel bezüglich der Zeit angezeigt werden, wie in den 9A und 9B gezeigt. Der Winkelfehler kann am Umfang grob oder dicht dargestellt werden. In diesem Fall ist es leicht zu verstehen, bei welcher Winkelposition die Abweichung groß ist.
Als die Konvergenzinformationen kann ein Graph angezeigt werden, der den Konvergenzgrad zeigt. Wenn beispielsweise die Bereichssuche als ein Optimierungsverfahren durchgeführt wird, kann ein Index der Konsistenz bezüglich eines Parameters wie etwa die Konvergenzinformationen d1 angezeigt werden. Wenn das Simplex-Verfahren als das Optimierungsverfahren durchgeführt wird, kann ein Index der Konsistenz bezüglich der Anzahl von Wiederholungen wie etwa die Konvergenzinformationen d2 angezeigt werden.
(A-priori-Informationen)
Wenn die Konsistenz evaluiert und der optimale Parameter bestimmt wird, wird nicht nur eine Evaluierungsfunktion wie etwa ein Konsistenzindex als ein Evaluierungsindex des Fehlermodells verwendet, sondern kann auch auf A-priori-Informationen verwiesen werden. Beispielsweise wird bevorzugt, Informationen wie etwa eine große Anzahl von geradlinigen Anteilen und eine große Anzahl von flachen Anteilen des rekonstruierten Bildes als A-priori-Informationen zu verwenden. A-priori-Informationen beinhalten eine TV (Total Variation - Gesamtvariation), ein Histogramm und eine Querschnittsfläche der Probenform.
Die TV wird groß, wenn die Grenze der Probenform deutlich ist. Das Histogramm ändert sich stark, wenn die Grenze der Probenform deutlich ist. Die Querschnittsfläche der Probenform entspricht der Anzahl von Pixeln, die zu der Fläche beitragen, und nimmt zu, wenn Unschärfe im Bild auftritt.
10 ist ein schematisches Diagramm, das eine Beziehung zwischen einem Index und A-priori-Informationen bezüglich eines Parameters zeigt. Wie in 10 gezeigt, wenn eine Evaluierungsfunktion wie etwa MSE für einen bestimmten Parameter als ein Evaluierungsindex des Fehlermodells berechnet wird, können mehrere optimale Parameterkandidaten A1 bis A3 als Extremwerte erzeugt werden. In dem Fall, da A-priori-Informationen wie etwa eine TV am kleinsten mit dem Parameter A1 unter den Kandidaten A1 bis A3 ist, kann der Parameter A1 als der optimale Parameter bestimmt werden. Da der Extremwert von A-priori-Informationen jedoch nicht der Lösung entspricht, kann der Parameter nicht unter Verwendung von nur der A-priori-Informationen optimiert werden.
[Beispiel 1]
Der Chart für die Röntgen-CT wurde als ein Gegenstand gemessen, und die Konsistenz des temporär korrigierten Bildes wurde unter Verwendung von Gleichung (2) als ein Fehlermodell zum Schätzen des Fehlers evaluiert, und die rekonstruierten Bilder vor und nach der Korrektur wurden verglichen. Bei der CT-Messung wurde für einen Bereich von Projektionswinkeln von 0 bis 360° die Anzahl von projizierten Bildern auf 803 (np=803) eingestellt, und die projizierten Bilder wurden erfasst. Die Einheit der Parameter A und B ist der Schrittwinkel (360°/803). Für jede Kombination der Parameter A und B in Gleichung (2) wurde der Konsistenzindex in Gleichung (3) berechnet, und die Verteilung der Indexwerte wurde als eine Farbkarte ausgegeben.
11 ist ein Graph, der den Konsistenzindex bezüglich der Parameter zeigt. Wie in 11 gezeigt, als ein Ergebnis der Evaluierung der Konsistenz mehrerer temporär korrigierter Bilder für jede Schleife, war der Index ein minimaler Wert, wenn der Parameter A 1,0 war und der Parameter B -0,2 war. Die optimierten Parameter A und B wurden in die Gleichung (2) eingesetzt, um die Funktion zum Berechnen des Winkelfehlers zu bestimmen. Ferner wurde der Korrekturbetrag des rekonstruierten Bildes unter Verwendung der bestimmten Funktion berechnet.
12A und 12B sind das rekonstruierte Bild bzw. ein Graph des CT-Werts bezüglich der Position vor der Korrektur. Das Liniensegment 12b in 12A entspricht der horizontalen Achse in 12B. 13A und 13B sind das rekonstruierte Bild bzw. ein Graph des CT-Werts bezüglich der Position nach der Korrektur. Das Liniensegment 13b in 13A entspricht der horizontalen Achse in 13B.
In dem rekonstruierten Bild vor der Korrektur, das in 12A gezeigt ist, sind die Ränder der Charts unscharf. Das Vorhandensein von Unschärfe kann auch durch die Tatsache bestätigt werden, dass sich die Steigung von Distanz 30 zu Distanz 45 in 12B fortsetzt und ein kleiner Peak des CT-Werts an der Position von Distanz 35 auftritt.
Andererseits sind in dem rekonstruierten Bild nach der Korrektur, das in 13A gezeigt ist, die Ränder der Charts deutlich angezeigt, und Unschärfe kann nicht bestätigt werden. In 13B setzte sich ebenso die Steigung von Distanz 35 zu Distanz 42 fort. Aus dem Obigen wurde bewiesen, dass das rekonstruierte Bild, bei dem der Fehler eliminiert wird, durch Schätzen des Fehlers des Projektionswinkels mit hoher Genauigkeit mittels des Winkelfehlerschätzverfahrens der vorliegenden Erfindung erfasst werden kann.
Im Übrigen beansprucht diese Anmeldung die Priorität der japanischen Patentanmeldung mit Nr. 2021-106771, eingereicht am 28. Juni 2021, und der gesamte Inhalt der japanischen Patentanmeldung mit Nr. 2021-106771 wird durch Bezugnahme in diese Anmeldung einbezogen.
[Beschreibung von Symbolen]

100: Röntgen-CT-System
200: Röntgen-CT-Vorrichtung
210: Probenpositionssteuereinheit
220: Rotationssteuereinheit
230: Motor
235: Riemen
240: Gantry
250: Probentisch
260: Röntgenbestrahlungsabschnitt
270: Detektionsabschnitt
300: Verarbeitungsvorrichtung
310: Winkelfehlerschätzvorrichtung
315: Speicherabschnitt
320: Eingabeverarbeitungsabschnitt
325: Ausgabeverarbeitungsabschnitt
330: Temporäre-Korrektur-Abschnitt
332: Temporäre-Rekonstruktion-Abschnitt
335: Schleifenbedingungsbestimmungsabschnitt
340: Konsistenzevaluierungsabschnitt
345: Parameterbestimmungsabschnitt
350: Winkelfehlerkorrekturvorrichtung
360: Korrekturausführungsabschnitt
380: Rekonstruktionsabschnitt
L: Steuerbus
410: Eingabevorrichtung
420: Ausgabevorrichtung
a1, b1: rekonstruiertes Bild
c1: Projektionswinkelinformationen
d1, d2: Konvergenzinformationen
M1 bis M3: Projektionsdatensatz (Sammlung von Datenpunkten auf jedem Graphen)
R1 bis R3: Bereich von Projektionswinkeln

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2012112790 A [0005]
JP 2014018522 A [0005]
JP 2021106771 [0089]

Claims

Winkelfehlerschätzvorrichtung, umfassend: einen Speicherabschnitt zum Speichern einer Reihe von Projektionsdaten einer Röntgen-CT und von Steuerwerten von Projektionswinkeln, die jeweils mit den Projektionsdaten assoziiert sind, einen Temporäre-Korrektur-Abschnitt zum Korrigieren der Steuerwerte der Projektionswinkel auf temporäre Korrekturwerte mit einem Fehlermodell unter Verwendung eines angenommenen Parameters, einen Temporäre-Rekonstruktion-Abschnitt zum Rekonstruieren mehrerer temporär korrigierter Bilder unter Verwendung der temporären Korrekturwerte der Projektionswinkel für jeden von unterschiedlichen Projektionsdatensätzen, die aus einem Teil der Reihe von Projektionsdaten bestehen, einen Konsistenzevaluierungsabschnitt zum Evaluieren der Konsistenz der mehreren temporär korrigierten Bilder, und einen Parameterbestimmungsabschnitt zum Bestimmen eines optimalen Parameters, der für das Fehlermodell verwendet wird, basierend auf der evaluierten Konsistenz.
Winkelfehlerschätzvorrichtung nach Anspruch 1, wobei Abschnitte, zu denen die Steuerwerte der Projektionswinkel gehören, die mit den unterschiedlichen Projektionsdatensätzen assoziiert sind, einem Paar entsprechen, bei dem eine Winkeldifferenz von Zentren der jeweiligen Abschnitte maximal ist.
Winkelfehlerschätzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerwerte der Projektionswinkel, die mit den unterschiedlichen Projektionsdatensätzen assoziiert sind, zu drei oder mehr unterschiedlichen Abschnitten gehören.
Winkelfehlerschätzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Temporäre-Korrektur-Abschnitt den Steuerwert des Projektionswinkels auf einen temporären Korrekturwert für den angenommenen Parameter, der mittels eines vorbestimmten Algorithmus geändert wird, korrigiert, der Konsistenzevaluierungsabschnitt die Konsistenzevaluierung für jeden der geänderten angenommenen Parameter wiederholt, und der Parameterbestimmungsabschnitt den angenommenen Parameter, der verwendet wird, wenn die Evaluierung der Konsistenz am höchsten ist, als einen optimalen Parameter bestimmt.
Winkelfehlerschätzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Fehlermodell einen Fehler ungleichmäßig bezüglich der Zeit variiert.
Winkelfehlerschätzvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Fehlermodell eine periodische Funktion ist, die einen Fehler bezüglich der Zeit definiert.
Winkelfehlerschätzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Temporäre-Rekonstruktion-Abschnitt das temporär korrigierte Bild in einem zentralen Querschnitt der Röntgen-CT rekonstruiert.
Winkelfehlerschätzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Parameterbestimmungsabschnitt den optimalen Parameter unter Verwendung von A-priori-Informationen bezüglich der Variation von Pixelwerten in dem temporär korrigierten Bild bestimmt, wenn es mehrere Kombinationen von Parametern gibt, die einer optimalen Lösung im Fehlermodell entsprechen.
Winkelfehlerkorrekturvorrichtung, die einen Korrekturausführungsabschnitt zum Korrigieren des Steuerwerts des Projektionswinkels bezüglich eines Fehlers, der mittels des Fehlermodells unter Verwendung des optimalen Parameters berechnet wird, der durch die Winkelfehlerschätzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bestimmt wird, umfasst.
Winkelfehlerschätzverfahren, das die folgenden Schritte umfasst: Erfassen einer Reihe von Projektionsdaten einer Röntgen-CT und von Steuerwerten von Projektionswinkeln, die jeweils mit den Projektionsdaten assoziiert sind, Korrigieren der Steuerwerte der Projektionswinkel auf temporäre Korrekturwerte mit einem Fehlermodell unter Verwendung eines angenommenen Parameters, Rekonstruieren mehrerer temporär korrigierter Bilder unter Verwendung der temporären Korrekturwerte der Projektionswinkel für jeden der unterschiedlichen Projektionsdatensätze, die aus einem Teil der Reihe von Projektionsdaten bestehen, Evaluieren der Konsistenz mehrerer temporär korrigierter Bilder, und Bestimmen eines optimalen Parameters, der für das Fehlermodell verwendet wird, basierend auf der evaluierten Konsistenz.
Winkelfehlerschätzprogramm, das bewirkt, dass ein Computer die folgenden Prozesse ausführt: Erfassen einer Reihe von Projektionsdaten einer Röntgen-CT und von Steuerwerten von Projektionswinkeln, die jeweils mit den Projektionsdaten assoziiert sind, Korrigieren der Steuerwerte der Projektionswinkel auf temporäre Korrekturwerte mit einem Fehlermodell unter Verwendung eines angenommenen Parameters, Rekonstruieren mehrerer temporär korrigierter Bilder unter Verwendung der temporären Korrekturwerte der Projektionswinkel für jeden der unterschiedlichen Projektionsdatensätze, die aus einem Teil der Reihe von Projektionsdaten bestehen, Evaluieren der Konsistenz mehrerer temporär korrigierter Bilder, und Bestimmen eines optimalen Parameters, der für das Fehlermodell verwendet wird, basierend auf der evaluierten Konsistenz.