JP2004347384A

JP2004347384A - Ｘ線ｃｔ装置及びｘ線ｃｔ装置による画像作成方法

Info

Publication number: JP2004347384A
Application number: JP2003142817A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kamimura; 博上村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】Ｘ線ＣＴ装置により計測された被検体全体画像の品質を向上する。
【解決手段】Ｘ線センサの測定による第一の減衰率データに基づき被検体の形状データを作成する手段を有するＸ線ＣＴ装置であって、推定又は計算された被検体の第二の減衰率データに基づき、該被検体の計測部位の少なくとも一部の形状データを作成可能に構成する。或いは、Ｘ線ＣＴ装置により測定された第一の減衰率データに基づき被検体の形状データを作成する第一の工程と、推定又は計算された被検体の第二の減衰率データに基づき該被検体の計測部位の少なくとも一部の形状データを作成する第二の工程と、該第二の工程により作成された該被検体の計測部位の少なくとも一部の形状データ及び該第一の工程で作成された形状データに基づき画像を作成する工程とを含む。
【効果】Ｘ線ＣＴ装置により計測された被検体全体画像の品質が向上できる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｘ線ＣＴ装置及びＸ線ＣＴ装置による画像作成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
Ｘ線ＣＴ装置による計測や画像作成方法については、例えば、特許文献１及び特許文献２があげられる。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−８５３９７号公報
【特許文献２】
特表２００２−５２８２１６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、Ｘ線ＣＴ装置により計測されたデータに基づく画像構成に関して、画像精度については考慮されていない。
【０００５】
本発明の目的は、Ｘ線ＣＴ装置により計測された被検体全体画像の品質を向上することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
推定又は計算された被検体の減衰率データに基づき、該被検体の計測部位の少なくとも一部の形状データを作成可能に構成する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
産業用Ｘ線ＣＴ装置は、物体の内部形状を観察，計測するために、非常に有用な装置である。このため、最近では自動車会社を中心に開発品の形状計測や、鋳造品の巣の分布計測などに適用される。
【０００８】
Ｘ線ＣＴ装置は、物体の断層像を得るための装置で、Ｘ線源から照射され被検体で吸収され減衰したＸ線量をセンサアレイで測定して、計測データとして使用する。このため、厚い被検体になるとＸ線が透過せず、センサで測定できないため、測定データから断層像を再構成することが困難な場合がある。
【０００９】
また、産業用Ｘ線ＣＴ装置で撮影される物体は様々であるが、その中には非常に扁平な形状を持つものも多い。たとえば、図８に熱交換器の断面形状の一例を示す。熱交換器は、筐体２１の内部に伝熱管２２と、その周囲に溶接されたフィン２３とを備えている。熱交換器内には多数の伝熱管２２とフィン２３が実際には配置されるが、伝熱管２２とフィン２３が正確な形状を保ち溶接されているかどうかの確認は性能上非常に重要である。このため、Ｘ線ＣＴ装置で内部の断面形状を検査することは非常に有効な方法である。しかしながら、熱交換器の断面は筐体２１や伝熱管２２のように非常に長い直線状の部分が存在する。このような形状はＸ線ＣＴ装置による断層像の撮影には課題が多い。
【００１０】
図９は、産業用Ｘ線ＣＴ装置の構成を示す。Ｘ線ＣＴ装置１３は、Ｘ線ファンビーム２を出力する電子線加速器１と、被検体１４を設置するスキャナ３，被検体１４を透過してきたＸ線を検出するＸ線センサ４（Ｘ線センサ４−１からＸ線センサ４−５１２）と、Ｘ線センサ４のＳ／Ｎ比を向上させるためＸ線センサ４への散乱Ｘ線の入射を抑える役割をするコリメータ５，Ｘ線センサ４の出力信号を増幅し、デジタル信号に変換する信号処理装置１０、および信号処理装置１０からのデジタルデータを収集すると共に装置全体を制御する制御装置６，画像の再構成を行う画像再構成装置７，画像再構成により作成された画像やその他の情報を表示する表示装置８，制御装置６からの制御指令により電子線加速器１とスキャナ３の動作を制御するコントローラ９を備えている。
【００１１】
図９のＸ線ＣＴ装置１３は、被検体１４を回転させて１断面を撮影する第３世代のＸ線ＣＴ装置１３を示しており、スキャナ３は回転機能のほかに、被検体の各高さの断面撮影を行うために上下に動作する機能を備えている。
【００１２】
電子線加速器１は、制御用ケーブル１６によりコントローラ９に接続されている。コントローラ９によりＸ線ファンビーム２の発生・停止が制御される。スキャナ３も同様に制御ケーブル１５でコントローラ９に接続されている。コントローラ９によりスキャナの回転・上下位置の調整が可能である。
【００１３】
Ｘ線センサ４は、Ｘ線ファンビーム２の発生点を見込むように一列に複数配置されている。このセンサ数が多いほど撮影解像度が向上する。本例では、このＸ線センサ４を５１２個（Ｘ線センサ４−１からＸ線センサ４−５１２）設置している。Ｘ線センサ４は、電子線加速器１からスキャナ３の回転と同期して所定角度ごとにＸ線パルスが出力される毎に、被検体１４を透過してきたＸ線を検出する。
【００１４】
制御装置６には、Ｘ線センサ４からの出力されたＸ線量に対応する信号が、Ｘ線センサ４から送られてくる。また、この制御装置６からコントローラ９に種々の指示信号が伝達される。また、Ｘ線センサ４からの出力されたＸ線量に対応する信号は、増幅されデジタル信号に変換された後、信号ケーブル１７を通して制御装置６を経由して画像再構成装置７に送られる。
【００１５】
上記信号によって画像再構成装置７で、画像の再構成が行われ、表示装置８にて画像が表示される。
【００１６】
本例では、被検体を１回転する間に１９２０回データを測定する。すなわち、０．１８７５度ごとにＸ線量を測定する。５１２個のセンサがあるため、１断層を再構成するためのデータは５１２×１９２０個のデータ量になる。
【００１７】
センサに入るＸ線量は被検体１４で吸収され減衰した量となる。すなわち、センサで測定されるＸ線量Ｉと線源の強さＩ_０の関係は（１）式で表される。
【００１８】
Ｉ＝Ｉ_０ ×ｅｘｐ（−μρｔ） …（１）
ここで、μはＸ線の全減衰係数（ｃｍ^２／ｇ）、ρは物質の密度（ｇ／ｃｍ^３）、ｔは物質の透過厚さ（ｃｍ）である。
【００１９】
１ＭｅＶ電子線加速器を使用した場合、発生するＸ線のエネルギーは１ＭｅＶを上限として低エネルギーにまで分布する。平均エネルギーを３００ｋｅＶとし、一例として熱交換器に使用される銅の場合、μは０．０５８９、ρは８．９である。したがって、この値を（１）式に代入すると、（２）式となる。
【００２０】
Ｉ＝Ｉ_０ ×ｅｘｐ（−０．５２４ｔ） …（２）
センサに入るＸ線量は被検体の厚さにより指数的に減少する。Ｘ線は粒子的性質を持つので、センサに入るＸ線量は１回測定あたりのフォトン数で考えることができ、１ＭｅＶ電子線加速器を使用した場合のセンサに入るフォトン数は１万個程度である。被検体が厚くなると（２）式に従い、センサに入るフォトン数は減少する。測定系が理想的であってもフォトン１個未満の計測はできないので、この場合のＸ線ＣＴ装置のダイナミックレンジはフォトン１００００個から１個の４桁となる。
【００２１】
この場合の実際の銅の厚さを考えると、（２）式より、
Ｉ_０／１００００＝Ｉ_０ｅｘｐ（−０．５２４ｔ）
ｔ＝ｌｎ（１００００）／０．５２４＝１７．５７（ｃｍ） …（３）
従って、（３）式に示すように、銅の厚さ１７ｃｍ以上の被検体ではデータが取得できないことになる。現実のＸ線ＣＴ装置では測定系のノイズなどの要素が加わるため、さらに制限される。
【００２２】
Ｘ線ＣＴ装置で被検体の断層像を再構成する場合にはその元データとして、減衰率が使われる。減衰率は、次式で与えられる。
【００２３】
減衰率＝ｌｎ（Ｉ_０／Ｉ）＝μρｔ＝０．５２４ｔ（銅の場合） …（４）
すなわち、被検体のない場合には０、たとえば上記の銅厚さ１７．５７ｃｍでは９．２となり、それが測定限界である。
【００２４】
以上に示したＸ線ＣＴ装置１３を用いて、図８の熱交換器の断層像を撮影しようとすると、銅製の非常に厚い部分を透過するＸ線を測定しなくてはならない場合が生じることがわかる。図１０ではそれを模式図で示してある。スキャナ３のターンテーブルの回転中心がＰ点にある場合の、中心付近のセンサが測定するＸ線の通過経路を回転角度θが０，４５，９０度の３つについて示している。
【００２５】
熱交換器の厚さは長辺２０ｃｍ，短辺７ｃｍである。０度と４５度方向では銅の厚さ（経路上にある銅製部分の厚さの合計）は２ｃｍ弱であるが、９０度方向では伝熱管をＸ線が通過する方向のため、２０ｃｍの厚さがある。これを（４）式で減衰率に換算すれば、約１と１０．５である。しかし、本例のＸ線ＣＴ装置１３では銅２０ｃｍの厚さの減衰率１０．５は測定できないのは明らかである。
【００２６】
このような場合のＸ線センサの測定データを図示すると図１１のようになる。図１１は熱交換器をＸ線ＣＴ装置１３で撮影した場合のあるセンサデータから得られた減衰率を示している。横軸は回転角度θである。測定された減衰率データ３３は前述のような銅の厚い部分では測定限界３２を超えるため、測定が困難である。ただし、このような部分は通常の被検体１４では測定データのごく一部分である。この部分では、通常測定系のノイズの影響で、Ｘ線量Ｉは非常に０に近くなったり、場合によってはマイナスになったりするため、減衰率は非常に大きな値や値がとれないような状態になる。
【００２７】
このような測定データを用いて画像再構成をした結果を図１２に示す。再構成された画像２４には熱交換器の筐体の画像２５，フィンの画像２７，伝熱管の画像２６と同時に、被検体の厚い部分にそってアーチファクトと呼ばれる偽の画像２８，２９，３０，３１が強く現れる。このようなアーチファクトは画質を非常に劣化させ、たとえばフィン２３と伝熱管２２の接合面の検査は困難になる。すなわち、測定限界３２を超えるような厚さ部分が被検体１４の一部にでもあると被検体全体の断層画像を大きく劣化させるという課題がある。
【００２８】
以上のように、産業用Ｘ線ＣＴ装置では測定限界を超えるような厚さ部分が被検体の一部にでもあると被検体全体の断層画像を大きく劣化させるという課題がある。
【００２９】
被検体の一部分の透過厚さがＸ線ＣＴ装置の測定限界厚さを超えても、被検体の断層画像品質の劣化を抑えることが望ましい。
【００３０】
本発明の実施の形態では、被検体の断面設計データから求めたＸ線ＣＴ測定不能位置の減衰率に基づき、該Ｘ線ＣＴ測定不能位置の形状データを作成する手段を備えているので、Ｘ線ＣＴ装置の計測被検体全体画像の品質を向上することができる。また、Ｘ線ＣＴ装置に被検体の設計データから求めた断面設計データを供給する手段と、減衰率測定不能位置の減衰率を、該断面設計データから求めた減衰率で代用する機能を有する画像再構成装置とを設けることにより、被検体の一部分の透過厚さがＣＴ装置の測定限界厚さを超えても、被検体の断層画像品質の劣化を抑えることができる。
【００３１】
また、本発明の実施の形態では、測定された各センサの減衰率データ中の測定限界を超えた部分を求め、その前後データから該部分の減衰率を推定してその推定値を挿入する機能を有する画像再構成装置とを設けることにより、被検体の一部分の透過厚さがＣＴ装置の測定限界厚さを超えても、被検体の断層画像品質の劣化を抑えることができる。
【００３２】
また、本発明の実施の形態では、測定された各センサの減衰率データ中の測定限界を超えた部分を求め、該部分に既定の減衰率を挿入する機能を有する画像再構成装置とを設けることにより、被検体の一部分の透過厚さがＣＴ装置の測定限界厚さを超えても、被検体の断層画像品質の劣化を抑えることができる。
【００３３】
また、本発明の実施の形態では、Ｘ線ＣＴ装置のＸ線センサにより測定された第一の減衰率データに基づき被検体の形状データを作成する第一の工程と、推定又は計算された被検体の第二の減衰率データに基づき該被検体の計測部位の少なくとも一部の形状データを作成する第二の工程と、該第二の工程により作成された該被検体の計測部位の少なくとも一部の形状データ及び該第一の工程で作成された形状データに基づき画像を作成する工程とを含むことにより、Ｘ線ＣＴ装置の計測被検体全体画像の品質を向上することができる。
【００３４】
（実施例１）
以下、より具体的に、本発明の実施例を図１を用いて説明する。図１は本発明の一実施例の構成を示す図である。本図を用いて概要を説明する。
【００３５】
図１において、図９と同じ番号の機器は同様の機器である。本実施例では画像再構成装置の代わりに画像劣化防止機能のついた画像再構成装置１１と被検体の設計データから求めた断面設計データを供給する断面設計データ供給装置１２を設けた。断面設計データ供給装置１２には被検体の設計データ（３次元ＣＡＤデータなど）をあらかじめ格納しておく。
【００３６】
撮影者は、制御装置６にあらかじめ被検体の撮影位置（スキャナ３からの高さ），断層撮影枚数，断面設計データ供給装置１２から取得する被検体のデータの名称などの撮影条件を入力した後、断層撮影をＸ線ＣＴ装置に開始させる。これらのデータは撮影開始前に制御装置６から画像再構成装置１１に送信される。断層撮影が開始され、被検体１４断面分のデータ（以下、断層測定データ）が測定されると、画像再構成装置１１に断層測定データが送信され、画像再構成装置１１は断層測定データを用いて断層像の再構成を開始する。
【００３７】
画像再構成装置１１は、断層測定データに対応する断面設計データを断面設計データ供給装置１２に要求（１９）し、断面設計データ供給装置１２は断面設計データを送信する（２０）。これにより、画像再構成装置１１は被検体の断層測定データと対応する断面設計データを用いて、画質のよい断層像を再構成し、表示装置８に表示することができる。
【００３８】
図２は、画像再構成装置１１の動作を示すフローチャートである。断層撮影が開始されると、制御装置６から断層測定データを取得する（Ｌ１）。次に、断層測定データから減衰率（ｌｎ（Ｉ_０／Ｉ））を計算し減衰率データ（実測値，第一の減衰率データ）を求める。
【００３９】
また、センサ間の感度補正や、ハードニング補正が従来と同様に行われる（Ｌ２）。
【００４０】
次に、断面設計データ供給装置１２から測定高さでの断面設計データを取得する（Ｌ３）。測定高さはあらかじめ入力された撮影位置や撮影枚数から計算できるので、被検体の位置（設置方向や回転中心）を決めておけば、断面設計データ供給装置１２は被検体のＣＡＤデータから断面設計データを容易に作成できる。断面設計データは、２次元のビットマップ画像であり、被検体が設計どおりにできていれば、被検体の断層画像と同じものになる。
【００４１】
画像再構成装置１１は、断面設計データを用いて、各センサの各角度による減衰率（第二の減衰率）を計算する。回転中心や設置方向をあらかじめ決定してあるので、図１０に示したように各角度でのＸ線透過直線上の被検体の厚さを足して、（４）式を適用することにより、計算された減衰率の推定値が求まる。減衰率の推定値がＸ線ＣＴ装置の性能から決まる測定限界を超えた領域については、実測の減衰率データを対応する推定値に置き換えて補正する（Ｌ５）。
【００４２】
補正された減衰率データは、再構成処理に必要なデータを得るための補間（Ｌ６），画像再構成処理（Ｌ７）により断層像に再構成される。
【００４３】
図３はあるセンサに対応する減衰率データを模式的に示した図である。実測の減衰率データ３３が測定限界３２を超えた部分、４０と４１は設計データ等からの計算又は推定値に置き換えることにより、データの質が向上する。つまり、被検体の断面設計データから求めたＸ線ＣＴ測定不能位置の減衰率に基づき、該Ｘ線ＣＴ測定不能位置の形状データを作成する手段を備えたことによりデータの質が向上する。
【００４４】
以上のように、Ｘ線センサの測定による第一の減衰率データに基づき被検体の形状データを作成する手段を有するＸ線ＣＴ装置であって、推定又は計算された被検体の第二の減衰率データに基づき、被検体の計測部位の少なくとも一部の形状データを作成可能に構成しているので、実測の減衰率データ３３が測定限界
３２を超えた部分４０と４１を、設計データ等からの計算又は推定値に置き換えることが可能となり、データの質が向上し、全体画像の品質を向上することが可能となる。
【００４５】
図４は、比較例での被検体例（図８）を本実施例で撮影した場合の断層画像
４３であり、測定限界以上の減衰率が、被検体の設計データから推定され、補正値として使用されているので、アーチファクトのない品質のよい断層像が得られる。
【００４６】
以上述べたように、本実施例によれば、Ｘ線ＣＴ装置に被検体の設計データから求めた断面設計データを供給する手段と、減衰率測定不能位置の減衰率を、該断面設計データから求めた減衰率で代用する機能を有する画像再構成装置とを設けているので、被検体の一部分の透過厚さがＣＴ装置の測定限界厚さを超えても、アーチファクトのない品質のよい断層像が得られる。
【００４７】
（実施例２）
次に第２の実施例について説明する。本実施例のＸ線ＣＴ装置の構成は図１の実施例から断面設計データ供給装置１２を除いた構成であり、また画像再構成装置１１の機能が異なる。図５に画像再構成装置１１の動作のフローチャートを示す。Ｌ１，Ｌ２，Ｌ６からＬ８は図２と同様の動作であるので、Ｌ２１，Ｌ２２のみ説明する。
【００４８】
本実施例では、被検体の設計データを用いずに、実測の減衰率データの中で減衰率が閾値（測定限界）を超えている領域をサーチし（Ｌ２１）、各センサの減衰率データごとに前後のデータから減衰率を推定し、閾値を超えている減衰率データはその推定値で置き換える（Ｌ２２）。
【００４９】
図６は減衰率データと補正した結果を示している。測定限界３２を超えた領域では前後のデータからの推定値を使用する。直線４４，４５は両側のデータから直線で外装した場合、曲線４６と４７は２次曲線で推定値を求めた場合である。
【００５０】
本実施例では、推定値の精度は第一の実施例には劣るが、測定限界を超えた部分の減衰率の推定値を決定でき、再構成した断層画像の品質を向上させることができ、また、被検体のＣＡＤデータがない場合にも適用できる効果がある。
【００５１】
以上のように、本実施例２では、測定された各センサの減衰率データ中の測定限界を超えた部分を求め、その前後データから該部分の減衰率を推定してその推定値と置き換える機能を有する画像再構成装置により、測定限界を超えた部分の減衰率の推定値を決定でき、再構成した断層画像の品質を向上させることができ、さらに被検体の設計データがない場合にも適用できる効果がある。
【００５２】
（実施例３）
次に第３の実施例について説明する。図７は画像再構成装置１１の動作のフローチャートを示す。本実施例では被検体の設計データを用いずに、実測の減衰率データの中で減衰率が閾値（測定限界）を超えている領域をサーチし（Ｌ１１）、該領域の減衰率をデフォルト値に置き換える（Ｌ１２）。デフォルト値は測定限界の減衰率である。
【００５３】
閾値は測定限界でなく、それよりも少し低い値（たとえばノイズを考慮して
２０％低い値等）に設定することもよい。デフォルト値は１つでなく、該領域の前後での減衰率データの変化が急な場合には測定限界よりもかなり高いデフォルト値，変化が緩やかな場合には測定限界に近い低いデフォルト値というように、２つ以上にすることもよい。
【００５４】
本実施例では、推定値の精度は第一の実施例には劣るが、測定限界を超えた部分の減衰率の推定値を決定でき、再構成した断層画像の品質を向上させることができ、また、被検体のＣＡＤデータがない場合にも適用できる効果がある。
【００５５】
本実施例３では、被検体として銅製の熱交換器を例に挙げたが、無論被検体はどのような材質でも、形でもよい。複数の材質から構成されていても、減衰率はそれぞれの厚さに対応して計算できるので、同様に補正が可能であることは無論である。
【００５６】
また、以上の実施例では電子線加速器をＸ線源に用いたが、より低エネルギーのＸ線を発生するＸ線管を用いたＸ線ＣＴ装置にも同様に適用できる。
【００５７】
また、実施例３では、測定された各センサの減衰率データ中の測定限界を超えた部分を求め、その部分に既定の減衰率を挿入する機能を有する画像再構成装置により、測定限界を超えた部分の減衰率の推定値を決定でき、再構成した断層画像の品質を向上させることができ、また、被検体のＣＡＤデータがない場合にも適用できる効果がある。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によると、Ｘ線ＣＴ装置により計測された被検体全体画像の品質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のＸ線ＣＴ装置構成図。
【図２】画像再構成装置の動作を示すフローチャート。
【図３】あるセンサに対応する減衰率データの模式図。
【図４】熱交換器を本実施例で撮影した場合の断層画像図。
【図５】実施例２の画像再構成装置の動作のフローチャート。
【図６】実施例２における減衰率データと補正結果を示す図。
【図７】実施例３の画像再構成装置の動作のフローチャート。
【図８】熱交換器の断面形状図。
【図９】産業用Ｘ線ＣＴ装置の構成図。
【図１０】熱交換器の断面形状におけるＸ線透過経路の模式図。
【図１１】あるセンサデータから得られた減衰率曲線と被検体角度の関係を示す図。
【図１２】熱交換器をＸ線ＣＴで計測し画像化した断面画像図。
【符号の説明】
１…電子線加速器、２…Ｘ線ファンビーム、３…スキャナ、４…Ｘ線センサ、５…コリメータ、６…制御装置、７，１１…画像再構成装置、８…表示装置、９…コントローラ、１０…信号処理装置、１２…断面設計データ供給装置、１３…Ｘ線ＣＴ装置、１４…被検体、１５…制御ケーブル、１６…制御用ケーブル、
１７…信号ケーブル、２１…筐体、２２…伝熱管、２３…フィン、２４，２５，２６，２７，２８，２９，３０，３１…画像、３２…測定限界、５５…記憶媒体。

Claims

Ｘ線センサの測定による第一の減衰率データに基づき被検体の形状データを作成する手段を有するＸ線ＣＴ装置であって、
推定又は計算された被検体の第二の減衰率データに基づき、該被検体の計測部位の少なくとも一部の形状データを作成可能に構成したＸ線ＣＴ装置。
被検体の断面設計データから求めたＸ線ＣＴ測定不能位置の減衰率に基づき、該Ｘ線ＣＴ測定不能位置の形状データを作成する手段を備えたことを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
測定されたＸ線センサの減衰率データ中の測定限界減衰率を超えた部分を求め、その前後データから該部分の減衰率を推定してその推定値と置き換える機能を有する画像再構成装置を設けたことを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
測定されたＸ線センサの減衰率データ中の測定限界減衰率を超えた部分を求め、該部分に既定の減衰率を挿入する機能を有する画像再構成装置を設けたことを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
Ｘ線ＣＴ装置による画像作成方法であって、
Ｘ線ＣＴ装置のＸ線センサにより測定された第一の減衰率データに基づき被検体の形状データを作成する第一の工程と、
推定又は計算された被検体の第二の減衰率データに基づき該被検体の計測部位の少なくとも一部の形状データを作成する第二の工程と、
該第二の工程により作成された該被検体の計測部位の少なくとも一部の形状データ及び該第一の工程で作成された形状データに基づき画像を作成する工程と、を含むことを特徴とするＸ線ＣＴ装置による画像作成方法。