JP2007163254A

JP2007163254A - Ｘ線ｃｔ装置

Info

Publication number: JP2007163254A
Application number: JP2005358869A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kamegawa; 正之亀川; Taketo Kishi; 武人岸
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-12-13
Filing date: 2005-12-13
Publication date: 2007-06-28

Abstract

【課題】精度を維持してＣＴ画像の合成を行うことができ、試料を部分的に拡大して撮影する場合等においても、複数の３次元画像を高い精度のもとに合成して試料全体の３次元情報を正確に得ることのできるＸ線ＣＴ装置を提供する。
【解決手段】回転テーブル３上に試料Ｗを収容する筒状の枠体２０を配置し、その枠体２０には、回転テーブル３上への搭載状態で回転軸Ｒに略直交する方向に伸びる少なくとも１本の溝を２１ａ，２１ｂ，２１ｃを形成しておき、各部分撮影に際しては溝２１ａ，２１ｂ，または２１ｃのいずれかを含む領域を各撮影領域の重複領域に収まるようにすることで、各３次元画像の合成に際しては各溝２１ａ，２１ｂ，または２１ｃが合致するように画像を合成することによって、合成精度を向上させることを可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は産業用のＸ線ＣＴ装置に関する。

例えば工業製品や部品の全体の３次元形状を正確に把握して、製造上のさまざまなプロセスに利用しようとする試みが活発になってきいる。これは、現物の３次元情報をデジタル化して利用しようというもので、「現物融合型エンジニアリング」とも言われている。

３次元形状を計測するには、接触式の３次元計測装置が従来から知られているが、測定ポイントが限定されるばかりでなく、内部形状を形成できない、時間が掛かる、などという問題がある。近年、光切断法やモアレ法などの光学式の形状測定が普及してきたが、全体の形状を撮るには画像合成が不可欠であり、また、内部形状が計測できないという問題もある。

これに対し、ＣＴスキャナーは内部形状を計測することができるという他の方式にはない大きな特徴があり、試料の表、裏、内部構造を含む完全な３次元データが一度のオペレーションで簡単に取得できるという手法は、現在のところＸ線ＣＴが最も有力である（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−２２６２０２号公報

ところで、Ｘ線ＣＴによりある程度の空間分解能を得ようとする場合には、試料を部分的に拡大して撮影することが有効である。また、検出器の大きさの制約を越えて大きなサイズの試料を計測する場合にも、試料を部分的に撮影することになる。このように試料の部分撮影により得られたＸ線投影データから、試料全体の３次元像を得るには、各部分的な撮影により得られるそれぞれの３次元画像を合成することになる。現状のＸ線ＣＴ装置においては、画像合成はサポートされていない。それぞれの部分的撮影によるデータを再構成して得られた画像のマッチングを取ることで合成することも可能であるが、総合的に精度を議論する場合には、その精度が試料の画像の形状的特徴の有無に起因してしまうという問題がある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、精度を維持してＣＴ画像の合成を行うことができ、大きな試料で１回の撮影に収まらない場合や、試料を部分的に拡大して撮影する場合でも、複数の３次元画像を高い精度のもとに合成して試料全体の３次元情報を正確に得ることのできるＸ線ＣＴ装置の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明のＸ線ＣＴ装置は、互いに対向配置されたＸ線発生装置とＸ線検出器の間に、試料を搭載してＸ線発生装置のＸ線焦点とＸ線検出器の中心とを結ぶ線に直交する回転軸を中心として回転する回転テーブルが設けられ、その回転テーブルの駆動により試料に回転を与えつつその微小回転角度ごとに取り込んだ試料のＸ線投影データを用いて、上記回転軸に直交する面に沿った試料の断層像を構築する再構成演算手段を備えたＸ線ＣＴ装置において、上記回転テーブル上で試料を収容する筒状の枠体を備え、その枠体は、試料を収容すべく上記回転テーブル上に配置された状態で、上記回転中心軸に略直交する方向に伸びる少なくとも１本の溝が形成されていることによって特徴づけられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記枠体のＸ線投影データに基づく画像情報から、撮影された試料の断層像の倍率を与える変換係数を算出する変換係数演算手段を備えた構成（請求項２）を好適に採用することができる。

また、本発明においては、当該Ｘ線ＣＴ装置が、上記回転テーブルを１回転させて得たＸ線投影データを用いて、試料の３次元情報を得ることのできるＸ線ＣＴ装置であって、１回の撮影後に上記Ｘ線発生装置とＸ線検出器の対と回転テーブルとを回転軸に沿った方向に相対移動させ、移動後の撮影範囲が先の撮影範囲とが回転軸方向に一部重複するように撮影する機能を備えるとともに、その各撮影範囲の重複部分に上記枠体の溝が含まれ、複数回の撮影により得られた各Ｘ線投影データを用いて再構成した各３次元断層像を結合して一つの３次元データを得るに当たり、上記溝の形状情報を利用する画像処理手段を備えた構成（請求項３）を採用することができる。

本発明は、回転テーブル上の試料を筒状の枠体に収容した状態でＣＴ撮影を行い、その枠体を含めたＸ線投影データを採取し、試料と枠体を併せた断層像を再構成演算により構築し、枠体の形状情報を用いて部分撮影時における画像の合成を高精度に行うとするものである。

すなわち、試料は筒状の枠体内に収容した状態で回転テーブル上に搭載し、枠体には回転テーブル上に搭載した状態で回転軸に略直交する方向に伸びる溝を少なくとも１本形成しておく。ＣＴ撮影により得られる断層像は、試料と枠体を併せたものとなる。多数回のＣＴ撮影による多数の断層像からなる３次元断層像を構築するに際して、枠体の溝が合致するように画像を合成することで、画像の合成精度を向上させることができる。

あるいは請求項３に係る発明のように、１回のＣＴ撮影で３次元断層像が得られるＣＴ装置にあっては、１回の撮影後にＸ線発生装置とＸ線検出器の対と回転テーブルとを回転軸に沿う方向に相対的に移動させ、移動前後の撮影範囲が枠体の溝を含んだ領域で一部重複するようにする。これにより、各回の撮影により得られる各３次元断層像は、互いに隣接するものどうしにおいて枠体の同じ溝含むことになり、その溝が枠体の像において一致するように画像を合成することにより、画像の結合精度が向上する。

また、請求項２に係る発明のように、枠体の形状（寸法）情報を用いることにより、得られた断層像が倍率を与える変換係数（ピクセル等量）を容易に算出することができる。

本発明によれば、筒状の枠体内に試料を収容した状態で回転テーブルの上に搭載し、ＣＴ撮影により試料とともに枠体のＸ線投影データを取り込み、枠体には回転テーブルへの搭載状態においてその回転軸と略直交する方向に伸びる溝を形成しているため、試料を部分的に拡大したＣＴ撮影を複数回行ったり、あるいはサイズの大きな試料を部分的にＣＴ撮影し、それぞれの撮影により得られたＸ線投影データを用いて再構成されたそれぞれの３次元断層像を合成するに当たり、溝を含む枠体の画像情報を利用して合成することによって、その合成の精度が向上し、現物融合型エンジニアリングに十分に供することのできる３次元情報を得ることができる。

また、枠体の溝を含む形状・寸法情報を用いることによって、試料の画像上の寸法と実寸法とを求めるために必要な画像の倍率の変換係数（ピクセル等量）を簡単な計算によって求めることができる。

筒状の枠体は、回転テーブル上で試料を固定する役割を担い、その試料の固定は枠体内部に挿入するだけでよく、また、試料は枠体の内側に収容された状態で撮影に供されるため、試料とＸ線発生装置とが直接的に干渉することを防止することができるという利点もある。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図とシステム構成の要部を表すブロック図とを併記して示す図である。

Ｘ線発生装置１に水平方向に対向してＸ線検出器２が配置されており、これらの間に回転テーブル３が設けられている。Ｘ線発生装置１は水平方向にコーンビーム状のＸ線を発生することができ、Ｘ線検出器２は例えばフラットパネルディテクタであって２次元のＸ線検出器である。

回転テーブル３は、Ｘ線発生装置１からのＸ線の照射方向（Ｘ線光軸Ｌ方向、ｘ軸方向とする）に直交する鉛直方向（ｚ軸方向とする）の回転軸Ｒを中心として回転することができる。この回転テーブル３の上には、ｘ，ｙ軸方向に移動するＸＹテーブル４が配置されており、そのＸＹテーブル４の上に試料Ｗが載せられる。また、回転テーブル３はテーブル昇降機構５によってｚ軸方向に移動させることができる。

前記したＸ線検出器２からの画素出力はデータ取り込み回路１１を介してパーソナルコンピュータ１２に取り込まれる。また、回転テーブル３は回転テーブルドライバ１３からの駆動信号によって駆動制御され、ＸＹテーブル４はＸＹテーブルドライブ１４からの駆動信号によって駆動制御され、更にテーブル昇降機構５は昇降ドライバ１５からの駆動信号によって駆動制御される。こられの各ドライバ１３，１４および１５はパーソナルコンピュータ１２の制御下に置かれている。パーソナルコンピュータ１２には、マウスやキーボードあるいはジョイスティック等からなる操作部１６が接続されており、この操作部１６の操作によって回転テーブル３に回転を与え、ＸＹテーブル４をｘ，ｙ軸方向任意の向きに移動させ、更には回転テーブル３をｚ軸方向に昇降させることができる。なお、Ｘ線発生装置１は高圧発生装置（図示せず）から管電圧および管電流が供給される。

ＣＴ撮影時の動作は、ＸＹテーブル４上の試料Ｗをｘ，ｙ，ｚ軸方向所要位置に位置決めした状態で、Ｘ線発生装置１からＸ線を照射しつつ、回転テーブル３をあらかじめ設定されている微小角度ずつ回転させ、その各回転位置においてＸ線検出器２からの出力、つまりＸ線投影データをデータ取り込み回路１１を介してパーソナルコンピュータ１２に取り込み、各画素データを記憶する、という公知の動作である。

ＣＴ撮影により取り込まれたＸ線投影データは、パーソナルコンピュータ１２にインストールされているプログラムに従った公知の再構成演算により試料Ｗの３次元断層像の構築に供される。その断層像は表示器１７に表示される。

さて、この実施の形態の特徴は、ＸＹテーブル４上に試料Ｗのみを載せるのではなく、試料Ｗは筒状の枠体２０内に収容された状態でＸＹテーブル４上に載せられる点である。

枠体２０は、図２に平面図（Ａ）および部分断面正面図（Ｂ）を示すように、円筒体であってその外周に３本の溝２１ａ，２１ｂ，２１ｃが形成された形状をしており、これらの各溝２１ａ，２１ｂ，２１ｃはそれぞれ円筒体の軸線に対して直交する方向に伸びてそれぞれ一周している。また、枠体２０の両端面についても軸線に直交している。従って、この枠体２０をＸＹテーブル４上に載せたときには、各溝２１はＸＹテーブル４の上面に対して平行となり、ひいては回転テーブル３の回転軸Ｒに対して直交した状態となる。また、この例において、各溝２１ａ，２１ｂ，２１ｃの幅並びに深さはそれぞれ周方向に一定であり、かつ、各溝２１ａ，２１ｂ，２１ｃどうしも同一である。このような枠体２０内に試料Ｗが収容された状態でＸＹテーブル４上に載せられる。この枠体２０の材質は、Ｘ線の透過度がある程度良好な材質、例えばアクリル樹脂等を用いるのが適している。

このような枠体２０を用いてその内部に試料Ｗを収容し、部分ＣＴ撮影を行う。その際、図３に縦断面図を用いて例示するように、１回のＣＴ撮影後に昇降機構５を駆動してｚ軸方向に回転テーブル３を移動させ、次のＣＴ撮影を行う。このとき、各溝２１ａ，２１ｂ，２１ｃのいずれかが各回のＣＴ撮影における撮影領域で重複する領域に含まれるように、昇降機構５を駆動制御する。この撮影動作を自動的に行う場合には、例えば操作部１６から各溝２１ａ，２１ｂ，２１ｃのピッチと幅をあらかじめ入力することにより、溝の幅よりも規定寸法だけｚ軸方向に余裕を持たせて移動前後の撮影領域が重複するように昇降機構５を駆動制御すればよい。

図３の例では、３本の溝２１ａ，２１ｂ，２１ｃを備えた枠体２０を用いて、４回の部分撮影を行っている。各部分撮影により採取されたＸ線投影データには、試料Ｗとともに枠体２０のＸ線投影データが含まれ、各回の部分撮影で得られたＸ線投影データを用いてそれぞれに３次元断層像を構築したとき、それぞれの部分撮影で得られる３次元データをブロックＢ１〜Ｂ４すると、その各ブロックＢ１〜Ｂ４には、試料Ｗの３次元データＷ′と、枠体２０の３次元データ２０′が含まれる。そして、これらの各ブロックＢ１〜Ｂ４では、互いに隣接するものどうしにおいてブロックの一部が重複したものとなる。具体的には、ブロックＢ１とＢ２ではＶ１（１）とＶ１（２）が重複し、Ｂ２とＢ３ではＶ２（２）とＶ２（３）が、Ｂ３とＢ４ではＶ３（３）とＶ３（４）が、それぞれ重複し、その各重複領域Ｖ１〜Ｖ３には、枠体２０に形成されている溝２１ａ，２１ｂ，２１ｃの像２１ａ′，２１ｂ′，２１ｃ′が含まれることになる。

これらの各ブロックＢ１〜Ｂ４を結合して試料Ｗの全体の３次元データを得るときには、パーソナルコンピュータ１２は以下の手法によって各ブロックどうしを結合する。
すなわち、ブロックＢ１とＢ２を結合する場合を例にとると、図４に示すように座標をとったとき、枠体２０の像２０′が半径ｒ_iの円の外で、半径ｒ_oの円の内側に収まるような円ｒ_i，ｒ_oを考える。ブロックＢ１とＢ２の互いの重複領域Ｖ１（１）とＶ１（２）のｚ軸方向への厚みをｔとすると、領域Ｖ１（１），Ｖ１（２）は、いずれも
｛ｒ_i ²＜（ｘ²＋ｙ²）＜ｒ_o ²、かつ、０＜ｚ＜ｔ｝
と示すことかできる。このＶ１（１）とＶ１（２）をオーバーラップさせてブロックＢ１とＢ２を最も高い精度のもとに結合させる。

Ｖ１（１）とＶ１（２）とのｘ，ｙ，ｚ軸方向への相対的なずらせ量をδｘ，δｙ，δｚとしたとき、

について、δｘ，δｙ，δｚをそれぞれ、δｘ_min＜δｘ＜δｘ_max、δｙ_min＜δｙ＜δｙ_max、およびδｚ_min＜δｚ＜δｚ_maxの範囲で変化させたとき、最大のＳＵＭが得られるδｘ，δｙ，δｚを求める。ここで、Ｄ₁（ｘ，ｙ，ｚ）およびＤ₂（ｘ，ｙ，ｚ）は、それぞれＶ１（１）およびＶ２（２）の座標（ｘ，ｙ，ｚ）における画素の濃度値である。

実際のピーク値は、図５にｘを例にとってグラフで示すようなものとなるが、グラフを放物線で近似することで、サブピクセルオーダーでピーク値を与えるδｘ，δｙ，δｚを求めることができる。よって、各ブロックＢ１〜Ｂ４を、サブピクセルオーダーのもとに結合することが可能となる。

また、枠体２０の外径寸法や内径寸法、あるいは各溝２１ａ，２１ｂ，２１ｃの幅寸法等の実寸法をあらかじめ入力しておくことにより、３次元断層像上で対応する寸法との比から、３次元断層像のピクセル等量を簡単に求めることができ、ひいては試料Ｗの内部構造の実寸法を知ることができる。

また、枠体２０は試料Ｗを保持する役割や、試料ＷとＸ線発生装置１とが直接的に衝突することを防止する役割をも担っており、試料Ｗは単に枠体２０内に挿入するだけで実質的に回転テーブル３（ＸＹテーブル４）上に保持された状態となり、作業性も良好なものとなる。

なお、以上の実施の形態においては、コーンビーム状のＸ線を発生して一度のＣＴ撮影により３次元情報を得ることのできるＸ線ＣＴ装置に本発明を適用した例を示したが、他のＸ線ＣＴ装置、例えばマルチスライスタイプのＸ線ＣＴ装置にも本発明を適用し得ることは勿論である。

また、枠体２０の形状としては、上記した実施の形態のように断面円形の円筒体を用いた例を示したが、断面形状については特に限定されるものではなく、角筒体や楕円筒体等を用いることも可能である。更に、溝の本数は１本以上あればよいことは言うまでもない。

本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図とシステム構成の要部を表すブロック図とを併記して示す図である。本発明の実施の形態に用いられる枠体の平面図（Ａ）および部分断面正面図（Ｂ）である。本発明の実施の形態により部分撮影を行う場合の撮影領域の分割の仕方の例を縦断面図を用いて示す説明図である。本発明の実施の形態において各ブロックを結合して一体化する際の計算方法の例の説明図である。図４を用いて説明した計算方法により求められるピーク値とピクセルとの関係を表すグラフである。

符号の説明

１Ｘ線発生装置
２Ｘ線検出器
３回転テーブル
４ＸＹテーブル
５昇降機構
１１データ取り込み回路
１２パーソナルコンピュータ
１３回転テーブルドライバ
１４ＸＹテーブルドライバ
１５昇降ドライバ
１６操作部
１７表示器
２０枠体
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ溝
Ｗ試料

Claims

互いに対向配置されたＸ線発生装置とＸ線検出器の間に、試料を搭載してＸ線発生装置のＸ線焦点とＸ線検出器の中心とを結ぶ線に直交する回転軸を中心として回転する回転テーブルが設けられ、その回転テーブルの駆動により試料に回転を与えつつその微小回転角度ごとに取り込んだ試料のＸ線投影データを用いて、上記回転軸に直交する面に沿った試料の断層像を構築する再構成演算手段を備えたＸ線ＣＴ装置において、
上記回転テーブル上で試料を収容する筒状の枠体を備え、その枠体は、試料を収容すべく上記回転テーブル上に配置された状態で、上記回転中心軸に略直交する方向に伸びる少なくとも１本の溝が形成されていることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
上記枠体のＸ線投影データに基づく画像情報から、撮影された試料の断層像の倍率を与える変換係数を算出する変換係数演算手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
当該Ｘ線ＣＴ装置が、上記回転テーブルを１回転させて得たＸ線投影データを用いて、試料の３次元情報を得ることのできるＸ線ＣＴ装置であって、１回の撮影後に上記Ｘ線発生装置とＸ線検出器の対と回転テーブルとを回転軸に沿った方向に相対移動させ、移動後の撮影範囲が先の撮影範囲とが回転軸方向に一部重複するように撮影する機能を備えるとともに、その各撮影範囲の重複部分に上記枠体の溝が含まれ、複数回の撮影により得られた各Ｘ線投影データを用いて再構成した各３次元断層像を結合して一つの３次元断層像を得るに当たり、上記溝の形状情報を利用する画像処理手段を備えていることを特徴とする請求項１または２に記載のＸ線ＣＴ装置。