JP2008292414A

JP2008292414A - Ｘ線ｃｔ装置

Info

Publication number: JP2008292414A
Application number: JP2007140858A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kamegawa; 正之亀川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2007-05-28
Filing date: 2007-05-28
Publication date: 2008-12-04

Abstract

【課題】対象物を適当な姿勢のもとに回転テーブル上に載せてＣＴ撮影を行っても、得られるＭＰＲ画像などの直交する３断層像上で比較的簡単な操作を行うことにより、対象物の基準面とＣＴ装置の直交３軸とを沿わせることができ、高精度の寸法・形状計測が可能なＸ線ＣＴ装置を提供する。
【解決手段】ＣＴデータを用いた直交３断層像上で、対象物Ｗの基準面ＳＲ１とすべき面に相当する境界を含む互いに異なる位置の３つ以上の３次元参照領域を設定することにより、その各３次元参照領域中で像の境界を求め、その境界上の代表点Ａ〜Ｃを決定し、これらの各代表点を通る平面を対象物Ｗの基準面を表す平面とし、その基準面の方向とＣＴ装置の直交３軸のうちの２軸の方向とが一致するように、ＣＴデータの配列方向もしくは直交３軸側をシフトすることで、基準面に直交する断層像などの表示を可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明はＸ線ＣＴ装置に関し、特に物体の３次元形状計測に用いるのに適したＸ線ＣＴ装置に関する。

物体の３次元形状の計測器として、従来、物体の表面にプローブを接触させる接触式の３次元計測器が主として用いられていたが、光学式の非接触式の形状計測器が広まりつつある。非接触式では、接触式の計測で生じ得るプローブの撓みや、試料の変形がなく、また、複雑な形状も高速にスキャンできるという利点がある。しかしながら、非接触式でも接触式と同様に、物体の凹部等が計測できるか否かは、そこにプローブが挿入できるか否か、すなわち光が照射できるか否かに依存し、測定対象に制約がある。そのため、非接触式の３次元計測器でも、実際には物体内部構造の計測はできない。また、表面と裏面の形状計測は同時にできないなどの問題もある。

このような従来の接触式並びに非接触式の３次元計測器における諸問題を解決する３次元計測手法として、近年、Ｘ線ＣＴ装置を用いた３次元形状計測を行う試みが盛んとなりつつある（例えば特許文献１参照）。
特開２００３−２４０５２７号公報

ところで、Ｘ線ＣＴ装置においては、２次元の断層像上で寸法や角度の計測機能を有しており、このような計測は従来から行われてきた。しかし、これまでの問題は、測定している画像が単に２次元の断層像であり、正確に意図をもってあらかじめ調整されている場合を除き、その断層像は対象物の持つ基準面に対して厳密には任意の方向を向いている。

すなわち、Ｘ線ＣＴ装置においては、３次元の空間を格子状に小さく区切り、この区切られた１つ１つの区画で表されるボクセルのそれぞれに、濃度情報を持つＣＴデータを割り当てて３次元像の情報を構築するのであるが、その濃度情報を持つＣＴデータは、対象物を回転させる回転テーブルの回転軸を含む互いに直交する３軸に沿ったボクセルデータとして取り扱われる。そして、そのＣＴ装置における直交３軸（ｘ，ｙ，ｚ軸）の方向と、対象物の基準面の方向とは一般に一致せず、よってその測定結果は、基準面の傾きに由来する誤差を含んでいることになる。卑近な例を挙げると、円柱体はその中心軸に直交する面でスライスした場合には円になるが、中心軸に対して直交しない面でスライスした場合には楕円となる。

より具体的に述べると、例えば図１２に示すような対象物Ｗにおいて、図中ＳＲ１で示される面を基準面として、各部の寸法Ｄ１〜Ｄ４を測定する場合で、この図に示されている姿勢で回転テーブル上に載せてＣＴ撮影をする場合を例にとると、図１３に示すように、回転テーブル３と対象物Ｗとの間に異物が噛み込んだり、あるいは対象物Ｗの回転テーブルＴへの搭載面（底面）の精度が要求されていない場合等には、基準面ＳＲ１が回転テーブルＴの回転軸Ｒ（ｚ軸）と平行とはならない。Ｘ線ＣＴ装置では、ＣＴ撮影によって得られたＸ線透過データから、回転軸Ｒを含む互いに直交する３軸（ｘ，ｙ，ｚ軸）に沿って配列されるボクセル群を構築して３次元情報とするため、寸法Ｄ１〜Ｄ４を計測すべく基準面ＳＲ１に正しく直交する断層像を構築ないしは表示させる術がなく、結局、寸法Ｄ１〜Ｄ４を正確に計測することができない。

また、ＣＴデータからＣＡＤデータ（ＳＴＬなどのポリゴンデータ）に変換し、一般のＣＡＤのソフトが持っている機能で計測する手法もあるが、この場合、ポリゴンデータにするときに誤差を含むので計測精度を向上させることができない。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、対象物を適当な姿勢のもとに回転テーブル上に載せてＣＴ撮影を行っても、得られるＭＰＲ画像などの直交する３断層像上で比較的簡単な操作を行うことによって、対象物の基準面とＣＴ装置の直交３軸とを沿わせることができ、高精度の寸法ないしは形状計測を行うことのできる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、互いに対向するＸ線発生装置とＸ線検出装置の間に、これらのＸ線発生装置とＸ線検出装置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配置され、その回転テーブル上に対象物を搭載して所定角度の回転を与えるごとにＸ線透過データを採取することにより、上記回転軸方向を含む互いに直交する３軸方向に沿ったボクセル群からなる３次元のＣＴデータを得て、任意のスライス面に沿った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、対象物の任意のスライス面に沿った断層像と、その断層像上で指定したスライス面に沿った断層像からなる互いに直交する３つの断層像上で、断層像の境界部分を含む３次元の参照領域を設定する設定手段と、その設定手段により設定された参照領域中における断層像の境界をＣＴデータを用いて求めるとともに、その境界上の点を代表点として決定する境界点決定手段と、上記設定手段により設定された３つ以上の参照領域の各代表点を通る平面を基準面とし、その基準面の方向と、上記３次元のＣＴデータを構成するボクセル群が配列方向である上記３軸のうちの２軸方向とが一致するよう、当該２軸側もしくはボクセル群側をシフトさせるシフト手段を備え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、上記基準面に直交する第２基準面を、上記設定手段により上記各参照領域とは異なる２つ以上の参照領域を設定することにより求め、上記シフト手段は、これら２つの基準面の方向と、上記３次元のＣＴデータを構成するボクセル群の配列方向である上記３軸とが一致するよう、当該３軸側もしくはボクセル群側をシフトさせる構成（請求項２）を採用することができる。

また、本発明においては、上記基準面および／または第２基準面を、上記直交する３つの断層像上に表示する構成（請求項３）を好適に採用することができる。

本発明は、ＣＴ撮影により得られ、回転軸方向を含む直交３軸方向に並ぶボクセル群を用いて構築された直交３画像上で、基準面とすべき対象物の断層像の境界上の点を、少なくとも３点指定することにより、その各点を通る平面の方向を求め、その方向とボクセルの配列方向である直交３軸のうちの２軸の方向とが一致するように、軸側もしくはボクセルデータ側をシフトすることにより、基準面に直交する断層像を得て、課題を解決するものである。

すなわち、ＣＴ撮影により得られたＣＴデータを用いて、任意の方向に沿った断層像と、その断層像上でスライス面を設定した合計３つの互いに直交する断層像上で、像の同一の面に相当する境界部分を含む参照領域を少なくとも３つ設定し、その各参照領域中における断層像の境界を決定してその境界上の代表点をそれぞれ決定すれば、全ての代表点を通る平面を特定することができる。この平面を基準面として、その基準面の方向と、ボクセル群の配列方向である直交３軸のうちの２軸とが一致するように、軸側もしくはボクセル群側をシフトすることで、ＣＴ装置が持つ３軸（回転テーブルの回転軸を含む直交３軸）のうちの２軸と基準面とを沿わせることができる。このような軸もしくはボクセル群のシフトにより、対象物を任意の姿勢で回転テーブル上に載せても、その基準面が実質的にＣＴ装置の直交３軸に沿ったものとなり、断層像は意味のある像、例えば基準面に直交していることが補償された断層像となり、その断層像上で形状・寸法を計測すれば、ＣＴ撮影時における対象物の姿勢に関わりなく正確な計測結果を得ることができる。

また、各参照領域における境界を、濃度情報を持つＣＴデータを用いて行うことで、ポリゴンデータに変換する場合に比して、データの変換時の誤差の発生の恐れがなく、この点も合わせて正確な計測結果を得ることができる。

そして、請求項２に係る発明のように、同様な手法により上記の基準面に直交する第２基準面を求めることで、ボクセル群の配列方向である直交３軸方向と各基準面の方向とを一致させることができ、さまざまな形状の対象物に対処することができる。

請求項３に係る発明のように、基準面および／または第２基準面を断層像上で表示することにより、オペレータによる寸法計測時の指定操作等を容易化することができる。

本発明によれば、回転テーブル上に任意の姿勢で対象物を搭載してＣＴ撮影しても、その撮影データを用いて表示させた直交３画像上で、基準面とすべき面の境界を含む複数の３次元参照領域を設定することによって、基準面とＣＴデータの配列方向とが一致するようにボクセル側もしくは軸側がシフトされる結果、例えば基準面に直交するスライス面に沿った断層像を表示するなど、対象物の形状・寸法の計測に際して意味のある断層像を表示することが可能となり、高い精度で寸法や形状計測を行うことができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
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はそのＸ線光軸が水平を向くように配置され、この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、これらの間に鉛直の回転軸Ｒの回りに回転が与えられる回転テーブル３が配置されている。Ｘ線発生装置１はコーンビーム状のＸ線を発生し、Ｘ線検出器２は２次元検出器である。

Ｘ線検出器２の出力は、画像データ取り込み回路１０を介してコンピュータ１１に取り込まれる。コンピュータ１１には、対象物の断層像や３次元画像等を表示するための表示器１２と、後述する３次元参照領域等を設定したり、各種指令を与えるためのキーボードやマウス、ジョイスティック等からなる操作部１３が接続されている。

ＣＴ撮影に際しては、回転テーブル３上に対象物Ｗを搭載してＸ線を照射しつつ、回転テーブル３に回転軸Ｒの回りの回転を与え、微小回転角度ごとにＸ線検出器２の出力、つまり対象物ＷのＸ線透過データを画像取り込み回路４を介してコンピュータ１１に取り込んでいく。

対象物Ｗの３６０°分のＸ線透過データが揃うと、コンピュータ１１では、対象物Ｗの３次元情報を、回転軸Ｒの方向（ｚ軸方向）を含む互いに直交する３軸方向（ｘ，ｙ，ｚ軸方向）に並ぶボクセルの集合として求め、ＣＴデータとしてデータ記憶部５に記憶する。また、コンピュータ１１では、以下に示すように求められた基準面の方向と、上記の直交３軸方向とが一致するように、対象物Ｗの３次元像を構成するボクセルの方向、もしくは軸の方向をシフト（回転）する。

さて、前記した図１２に示した物品を対象物Ｗとして例にとり、３次元ＣＴデータ内で基準面ＳＲ１を求める方法について以下に説明する。

オペレータが操作部１３を操作することにより、図２（Ａ）に例示するように、任意のスライス面に沿った断層像、例えば回転軸Ｒに直交する平面に沿った断層像を表示させ、その断層像上でカーソルＬ１，Ｌ２を移動させることにより、同図（Ｂ）および（Ｃ）に例示するような断層像を加え、直交３断層像からなるＭＰＲ画像表示を行う。そして、これらの直交３断層像上で、基準面ＳＲ１とすべき平面の境界を含む直方体からなる３次元の参照領域ｒＡを設定する。この領域ｒＡは回転させることによって、その向きを概ね対象とする面に平行となるようにすることが望ましい。

この参照領域ｒＡの設定により、コンピュータ１１では、この領域ｒＡのなかで、実際の３次元ＣＴデータの濃度情報から求まる物体の境界に最も近くなる平面を求める。

すなわち、図３に示すように、濃度情報を持つ３次元のＣＴデータの一部に、図２で示した、対象物Ｗの境界面を含む３次元の参照領域ｒＡを設定する。この参照領域ｒＡ中のｘ，ｙ，ｚ軸の座標値を新たにｕ，ｖ，ｗとする。つまり、この参照領域ｒＡのデータ領域は、
−ｕ／２≦ｘ≦ｕ／２，ｖ／２≦ｘ≦ｖ／２，−ｗ／２≦ｘ≦ｗ／２
とする。また、その各座標におけるデータ値（濃度値）をＩ（ｘ，ｙ，ｚ）と表現する。

この参照領域ｒＡ内にひとつの平面を仮定し、その式を
ａ^*ｘ＋ｂ^*ｙ＋ｃ^*ｚ＝１・・（１）とする。そして、この領域ｒＡ内部で
ａ^*ｘ＋ｂ^*ｙ＋ｃ^*ｚ≦１・・（２）
を満たす（ｘ，ｙ，ｚ）のデータ値Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）の総和Σ｛Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）｝をＰとする。一方、同領域ｒＡ内部で、ａ^*ｘ＋ｂ^*ｙ＋ｃ^*ｚ≧１・・（３）
を満たす（ｘ，ｙ，ｚ）のデータ値Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）の総和Σ｛Ｉ（ｘ，ｙ，ｚ）｝をＱとする。

そして、Ｐ−Ｑの絶対値を最大にするａ，ｂ，ｃを求め、（１）式に代入する。この求められたａ，ｂ，ｃを代入した（１）式で表される平面は、参照領域ｒＡ内における対象物Ｗの像の境界、つまり基準面ＳＲ１を表すことになる。この面の中心を通り、かつ、この面に直交するベクトルを考え、そのベクトルに沿って濃度値のラインプロファイルを算出する。その例を図４に示す。そして、そのラインプロファイルを微分することにより、図５に示すようなグラフを得る。この図５のグラフのピーク値の位置は、そのベクトル方向への像の境界点を表し、このベクトル上の境界点を参照領域ｒＡの代表点としてその座標を記憶する。

次に、図６に示すように、同じ直交３断層像上で、基準面ＳＲ１に対応する像の境界を含み、かつ、上記とは異なる位置に３次元の参照領域ｒＢを設定する。この設定により、上記と同じ手法にて代表点を求め、その座標を記憶する。更に、図７に示すように、同じ直交３断層像上で、基準面ＳＲ１に対応する像の境界を含み、かつ、上記２つとは更に異なる位置に３次元の参照領域ｒＣを設定する。この参照領域ｒＣについても、上記と同様の手法により代表点を求める。

以上のようにして求められた３つの代表点は、いずれも対象物Ｗの３次元像上の基準面ＳＲ１上の点であり、図８に３次元像を模式的に示すように、上記した参照領域ｒＡ，ｒＢ，ｒＣの各代表点Ａ，Ｂ，Ｃは、３次元像の基準面ＳＲ１上で互いに異なる位置の点を示すことになる。これらの３つの点Ａ，Ｂ，Ｃを通る平面を求めることにより、３次元像上での基準面ＳＲ１の座標（位置と方向）が定まる。この基準面ＳＲ１の方向に、ＣＴ装置の３次元像を構築している直交３軸（ｘ，ｙ，ｚ軸）のうち、該当の軸（ｚ軸とｘ軸）を沿わせるように軸側をシフトするか、あるいは基準面ＳＲ１の方向が直交３軸のうちの２軸に沿うようにデータ側をシフトすることにより、基準面ＳＲ１がｚ，ｘ軸に沿うような３次元像を得ることができる。このシフトにより、例えば基準面ＳＲ１に直交する断層像など、方向に意味のある断層像を表示することが可能となる。

以上のようにして得られた基準面ＳＲ１は、図９に示すように表示器１２の直交３断層像上に表示される。この表示により、オペレータは断層像上で感覚的に基準面ＳＲ１の位置を知ることができる。併せてシフト後の画像を表示してもよく、この場合、図２（Ａ）が基準面ＳＲ１に直交する断層像となり、前記した図１３における寸法Ｄ１〜Ｄ４が画像上に正確に現れることになる。

次に、上記した基準面ＳＲ１と直交する第２基準面ＳＲ２を設定する場合について説明する。第２基準面ＳＲ２が図８に図示する面であるとすると、図１０に示すように、直交３断層像上で、上記と同様に、第２基準面ＳＲ２に対応する面を含む３次元の参照領域ｒＤを設定してその代表点を求めていくのであるが、この第２基準面ＳＲ２を設定する場合には、上記した基準面ＳＲ１に対して直交しているという条件があるため、参照領域とその代表点は少なくとも２つであれば足りる。このようにして第２基準面ＳＲ２を求めることにより、２つの基準面ＳＲ１，ＳＲ２とＣＴ装置のｘ，ｙ，ｚ軸とを一致させることが可能となる。第２基準面ＳＲ２を求めた後には、図１１に示すように、基準面ＳＲ２と併せて断層像上に表示する。

以上の場合において、データ側もしくは軸側をシフトすることにより、２つの基準面ＳＲ１，ＳＲ２の方向とＣＴ装置のｘ，ｙ，ｚ軸とを一致させることができ、基準面ＳＲ１，ＳＲ２に直交するスライス面に沿った断層像などを表示させることができる。そして、そのような断層像を表示させた状態で、基準面ＳＲ１またはＳＲ２に対して指定したポイントまでの垂直距離を計測する等により、回転テーブル３上の対象物Ｗの姿勢に影響されることのない正確な寸法計測を行うことができる。

また、同一の部材について同じ位置の寸法を繰り返し計測する場合には、上記の手順を記憶しておくことにより、測定の自動化を達成することも可能となる。

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おいて基準面を求める際の３次元の参照領域の設定の仕方の例の説明図である。本発明の実施の形態において設定された参照領域中での像の境界面の求め方の説明図である。本発明の実施の形態における参照領域中の代表点をＣＴデータから求める方法の説明図である。同じく本発明の実施の形態における参照領域中の代表点をＣＴデータから求める方法の説明図である。本発明の実施の形態において基準面を求める際の３次元の参照領域の設定の仕方の例の説明図である。同じく本発明の実施の形態において基準面を求める際の３次元の参照領域の設定の仕方の例の説明図である。本発明の実施の形態においてＣＴ撮影により得られている３次元像の模式図を用いて示す代表点の位置の例の説明図である。本発明の実施の形態において求めた基準面の表示例の説明図である。本発明の実施の形態において第２基準面を求める際の３次元の参照領域の設定の仕方の例の説明図である。本発明の実施の形態において求めた基準面と第２基準面の表示例の説明図である。Ｘ線ＣＴ装置を用いて寸法等を計測する対象物の例の斜視図である。対象物をＸ線ＣＴ装置の回転テーブル上に載せたときに回転軸と対象物の基準面とが平行とはならない例の説明図である。

符号の説明

１Ｘ線発生装置
２Ｘ線検出器
３回転テーブル
１０画像データ取り込み回路
１１コンピュータ
１２表示器
１３操作部
Ｗ対象物

Claims

互いに対向するＸ線発生装置とＸ線検出装置の間に、これらのＸ線発生装置とＸ線検出装置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配置され、その回転テーブル上に対象物を搭載して所定角度の回転を与えるごとにＸ線透過データを採取することにより、上記回転軸方向を含む互いに直交する３軸方向に沿ったボクセル群からなる３次元のＣＴデータを得て、任意のスライス面に沿った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、
対象物の任意のスライス面に沿った断層像と、その断層像上で指定したスライス面に沿った断層像からなる互いに直交する３つの断層像上で、断層像の境界部分を含む３次元の参照領域を設定する設定手段と、その設定手段により設定された参照領域中における断層像の境界をＣＴデータを用いて求めるとともに、その境界上の点を代表点として決定する境界点決定手段と、上記設定手段により設定された３つ以上の参照領域の各代表点を通る平面を基準面とし、その基準面の方向と、上記３次元のＣＴデータを構成するボクセル群の配列方向である上記３軸のうちの２軸方向とが一致するよう、当該２軸側もしくはボクセル群側をシフトさせるシフト手段を備えていることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
上記基準面に直交する第２基準面を、上記設定手段により上記各参照領域とは異なる２つ以上の参照領域を設定することにより求め、上記シフト手段は、これら２つの基準面の方向と、上記３次元のＣＴデータを構成するボクセル群の配列方向である上記３軸とが一致するよう、当該３軸側もしくはボクセル群側をシフトさせることを特徴とする請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
上記基準面および／または第２基準面を、上記直交する３つの断層像上に表示す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。