JP2011058983A

JP2011058983A - 放射線断層撮影装置の撮影方法

Info

Publication number: JP2011058983A
Application number: JP2009209924A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Nukaga; 淳額賀; Yasushi Nagumo; 靖名雲; Noriyuki Sadaoka; 紀行定岡; Masahiro Fujima; 正博藤間
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】本発明の目的は、現地プラント配管を撮影する際に、配管周囲が狭隘な状況においても、装置の動作範囲を小さくしつつ、広範囲の投影データを取得し、配管内部の微小欠陥などを画像化できる高画質な断層画像を作成することにある。
【解決手段】本発明は、放射線源と、検査対象物の着目点、さらに放射線検出器とを結ぶ直線と、放射線源から放射線検出器の検出面に対しておろした垂線とが為す投影角度は、再構成領域の両端が中央よりも小さいことを特徴とする。
【効果】本発明によれば、現地プラント配管を撮影する際に、配管周囲が狭隘な状況においても、装置の動作範囲を小さくしつつ、広範囲の投影データを取得し、配管内部の微小欠陥などを画像化できる高画質な断層画像を作成できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、放射線断層撮影装置の撮影方法に関する。特に、本発明は、検査対象物である配管の周囲の約半周乃至全周の方向からの実投影データ取得が困難な場合において、一部方向からの投影データを用いて配管の断層画像を再構成する放射線断層撮影装置の撮影方法に関する。

放射線を用いた非破壊検査システムまたは検査方法の一つに、コンピュータ断層撮影方法（ＣＴ）がある。ＣＴとは、Ｘ線やガンマ線などの放射線を用いて、検査対象物の内部構造を非破壊で撮影する方法である。一般的な非破壊検査用ＣＴ装置は、Ｘ線発生装置および放射線検出器を固定し、それらの間に検査対象物を配置する。この検査対象物は、回転円盤上に設置されており、１８０°に放射線の広がり角度（以下ファンビーム角度）を加えた角度だけ回転させる。一般的には、検査対象物は３６０°回転させる。そして、このＣＴ装置は、検査対象物の全周囲方向から複数の透過画像を撮影し、画像再構成演算により検査対象物内部の断層画像または三次元画像を得る。この画像を用いて、検査対象物内部の欠陥や異常の有無とそのレベルを目視または画像処理等により判定する。

特に断層画像を再構成するために重要な画像再構成演算手法には、医療用ＣＴ装置で広く用いられているフィルタ補正逆投影法（以下、「ＦＢＰ法」）を用いることが一般的である。ＦＢＰ法は、例えば非特許文献１に示すようなＣＴや画像再構成に関し、従来知られている一般的な方法である。この方法は、最低１８０°＋放射線ファンビーム角度、乃至は一般的には３６０°の角度方向から実際に撮影された複数の投影データ（以下、「完全投影データ」）に基づいて断層画像を再構成する方法である。

なお、完全投影データの取得が困難な場合、一部方向からの複数の投影データ（以下、「不完全投影データ」）を用いた画像再構成手法を適用可能である。不完全投影データによる画像再構成手法の一例に、非特許文献２に示す方法がある。非特許文献２の方法は、参照画像から対象画像のトポロジー（領域数や領域間の連結性）を予測して対象画像のモデルを作成し、モデルを変形して不完全な投影データから高画質の画像を再構成する方法である。

また、特許文献１には、プラント等に据え付けられた配管等を放射線撮影によって非破壊検査する方法を開示する。

特開２００９−０８００５５号公報

斉藤恒雄：画像処理アルゴリズム：近代科学社１９９３工藤博幸、中村宏貴：トポロジー拘束条件付きラベリング法を用いた吸収マップ再構成：電子情報通信学会論文誌 D-II，Vol.J85-D-II No.1 pp.130-139 (2002)

非特許文献１はＦＢＰ法を用いるため、完全投影データが必要となる。しかしながら、狭隘な場所に設置されたプラント配管を現地で検査するような場合、完全投影データの取得が困難である。そのため、非特許文献１のＣＴ装置を適用することができないケースが多い。

また、非特許文献２に示す方法を適用しても、例えば減肉のような検査対象物の内部にある微小な欠陥などを高精度に再構成することは難しい。これは、現地プラント配管を断層撮影する場合に取得できる投影データの角度範囲が非常に小さくなるためである。

一方、特許文献１の手法によれば投影角度が小さい場合においても微小欠陥を再構成することが可能となった。しかしながら、現地プラントで配管が設置されている場所は、配管周囲の空間が狭いことが多い。配管周囲の空間が狭いと、放射線断層撮影装置を設置する空間や、この装置が動作する空間も狭くなる。そのため、広い範囲の投影データを取得することが困難になるという課題がある。

本発明の目的は、現地プラント配管を撮影する際に、配管周囲が狭隘な状況においても、装置の動作範囲を小さくしつつ、広範囲の投影データを取得し、配管内部の微小欠陥などを画像化できる高画質な断層画像を作成することにある。

本発明は、放射線源と、検査対象物の着目点、さらに放射線検出器とを結ぶ直線と、放射線源から放射線検出器の検出面に対しておろした垂線とがなす投影角度は、再構成領域の両端が中央よりも小さいことを特徴とする。

本発明によれば、現地プラント配管を撮影する際に、配管周囲が狭隘な状況においても、装置の動作範囲を小さくしつつ、広範囲の投影データを取得し、配管内部の微小欠陥などを画像化できる高画質な断層画像を作成できる。

システム構成を示す図である。透過データ取得の模式図である。検査領域端部における透過データ取得を示す図である。並進範囲に対する各位置の投影角度を示した図である。Ｘ線源と検出器、検査対象物と再構成領域の関係を表した図である。Ｘ線源の並進距離の比較を示した図である。システムの検査の流れを示した図である。

以下、本発明の実施例を、発電プラントなどに設置された配管を例として図を用いて説明する。

図１は、放射線断層撮影装置を示す。本実施例において、Ｘ線源１０１はＸ線管である。このＸ線源１０１と２次元平面素子の検出器１０２は、検査対象物１０３を挟んで対向するように配置されている。Ｘ線源１０１と２次元平面素子の検出器１０２は、支持部材１０４により保持されている。移動機構１０５は、Ｘ線源１０１を検査対象物１０３と検出器１０２に対して移動させる。本実施例において、検査対象物１０３は配管を示している。また、Ｘ線源１０１は配管長手方向に移動する。

検出器１０２はシンチレータやシリコンなどの薄膜で形成され、Ｘ線を検出すると可視光を出す。検出器１０２は、この光をフォトダイオードにより電気信号へ変換する。あるいは、シリコン中に入射した光子の電離作用により発生した電子と空孔との対から、直接的に電流を検知する。検出器の検出面は、検出器１０２の上面とする。フォトダイオードを含む電子回路１０６は、検出器下部に配置され、検出面を保護するカバー材１０７が検出器上面に設けられている。

Ｘ線源１０１は高圧電源１０８と冷却器１０９に接続されており、Ｘ線管システム制御部１１０により安定した管電圧と管電流が供給される。検出器１０２は、検出器制御部１１１から命令されたデータ取り込みタイミングに応じて、データを収集する。Ｘ線管システム制御部１１０及び検出器制御部１１１は、中央制御部１１２に接続されている。中央制御部１１２は、各機器の動作タイミングを調整し、制御部内部にある演算装置にてデータ処理を実施する。モニタ１１３は、装置の動作状態や検査結果を表示する。このように本実施例の装置構成は、Ｘ線源１０１がＸ線を照射しながら並進して、検出器１０２が検査対象物１０３の透過データを取得し、中央制御部１１２が透過データを再構成して断層像を得る装置である。

図２は透過データを取得する際の模式図を示す。ここで、投影角度２０３とは、Ｘ線源１０１が地点Ｙから地点Ｚに移動した場合に、Ｘ線源から照射されるＸ線２０２が検査対象物の着目点２０１を通過して検出器１０２の検出素子に入射する直線と、Ｘ線源１０１から検出器１０２におろした垂線とのなす角度が動く範囲と定義する。着目点２０１における投影角度は、２０３ａとなる。この定義によれば、Ｘ線源１０１が地点Ｙから地点Ｚに移動することで、着目点２０１の投影角度２０３ａは拡がる。投影角度２０３が拡がることで、再構成画像の高精度化に有利となる。しかしながら、投影角度２０３を拡げるには、Ｘ線源１０１の移動距離を大きくしなければならない。実際のプラントは配管のエルボー部などがあり、配管周囲の空間が極めて狭隘である。そのため、Ｘ線源１０１の移動空間を左右方向に十分広くとることは非常に困難である。

そこで図３に示すように、再構成領域の投影角度を中央部より端部で狭くする。そのため、Ｘ線源１０１の並進範囲を短くすることが可能となる。並進範囲に対する各位置での投影角度２０３を図４に示す。この際、投影角度２０３は画像再構成に必要な角度を保持する必要がある。即ち、投影角度は、画像再構成に必要な角度を保持することが必要条件である。また、図２において、地点Ｙの投影角度と地点Ｚの投影角度は左右対称である必要はない。つまり、投影角度の始点と終点は、画像再構成上、問題とはならない。ただし、始点の角度と終点の角度、Ｘ線源１０１と着目点２０１との位置関係に基づき、着目点２０１での透過経路を定義する必要がある。この定義がなされれば、各着目点における投影角度の始点と終点が異なる場合においても画像再構成は可能となる。よって、着目点２０１ごとに、投影角度の始点と終点の情報、ならびにＸ線源１０１と着目点２０１と検出器１０２との相対位置で形成される透過経路の情報を決定することで、画像再構成は可能となる。

画像再構成の画質を向上させる観点からは、投影角度２０３を４０°以上とすることが望ましい。端部の着目点２０１ｂにおいて、Ｘ線源１０１は並進範囲を出来得る限り短くする。また、投影角度２０３を保持するため、Ｘ線源１０１は、Ｘ線源１０１から放射されるＸ線２０２の拡がりの中心軸（Ｘ線源１０１から検出器１０２におろした垂線）に対して左右非対称の投影とすることが必要となる。この場合、Ｘ線源１０１から放射されるＸ線２０２の放射角度が広い程、並進範囲を短くすることが可能となる。

図５は、Ｘ線源１０１と検出器１０２、検査対象物１０３と再構成領域３０１の関係を示す。直線５０１（Ｘ線源の並進軸）は、Ｘ線源１０１が移動する軌跡を示す。ここで、Ｘ線源１０１から検出器１０２に降ろした垂線の長さをＨｄとし、検査対象物１０３である配管の直径をＰとする。また、Ｘ線源１０１の並進軸５０１から検査対象物１０３上部までの距離をＨｐとし、検出器１０２における検出可能範囲長さをＬｄ、検査対象物の再構成領域長さをＬｐとする。

次に、再構成領域の上側端部の点５０２に着目する。Ｘ線源１０１が図中右側にある場合、着目点５０２と検出器１０２とがなす三角形ａｂｃにおいて、Ｘ線源１０１の並進軸５０１から検出器１０２に降ろした垂線と着目点５０２を透過するＸ線とがなす角をθ１、辺ｂｃの長さをｘとすると、

となる。この時、ｘは（ｌｄ−ｌｐ）／２以下であることが必要条件となる。

そして、端部における投影角度をα°とする。Ｘ線源１０１が図中左側に移動した際に、着目点５０２とＸ線源１０１とがなす三角形ＡＢＣにおける、着目点５０２から並進軸５０１に降ろした垂線と着目点５０２を透過するＸ線とがなす角θ２は、α−θ１となる。辺ＢＣの長さをＸとすると、

となる。

ここで、θ１に対してθ２が小さくなるように設定することで、Ｘ線源１０１の移動量を短くすることが可能となる。

また、Ｘ線源１０１の投影角度が画像再構成に必要な角度α°よりも広い場合、θ１を大きく、θ２を小さくすることが可能となる。図６は、投影角度の具体例を示す。Ｘ線源１０１の投影角度が７０°あり、Ｘ線源１０１と検出器１０２間の距離が５００mmである場合を示す。必要な角度αが４０°とすると、θ１を３５°とすれば、θ２は５°とすることが可能である（図６の下図）。図６の下図では、θ１＝θ２＝２０°の場合と比較して、Ｘ線源１０１の並進範囲が片端で約７０mm、両端で約１４０mm短くすることが可能となる。このように、放射線源と、検査対象物の着目点、さらに放射線検出器とを結ぶ直線と、放射線源から放射線検出器の検出面に対しておろした垂線とがなす投影角度は、画像再構成領域の両端が中央よりも小さいため、現地プラント配管を撮影する際に、配管周囲が狭隘な状況においても、装置の動作範囲を小さくしつつ、広範囲の投影データを取得し、配管内部の微小欠陥などを画像化できる高画質な断層画像を作成できる。これにより、実プラントにおける狭隘部への適用度は２０％程度向上する。

つまり、並進走査の始点と終点においては、投影角度の左右非対称形が正反対となる。走査の始点を右側とし、終点を左側とした場合、始点においては垂線に対する非対称性は右側の角度（θ１）を小さく、左側（θ２）を大きくする。逆に終点では垂線に対する非対称性は右側角度（θ１）を大きく、左側角度（θ２）を小さくする。こうすることで、並進範囲が短くすることができる。

図７は、配管検査の一連の流れを示す。上述の投影角度において取得した透過データを用いて、中央制御部１１２は検査対象物１０３の断層像を再構成する。この場合、透過データの投影角度は限定されたものである。そのため、本実施例の画像再構成方法は、配管の形状情報をあらかじめ再構成プログラムに拘束条件として与える角度限定画像再構成法（Limited-Angle画像再構成法）を用いる。

まず、現地プラントにてＸ線源１０１や検出器１０２などの装置を検査箇所に設置する（ステップ７０１）。次に、Ｘ線源１０１，検出器１０２，検査対象物１０３との相対位置、ならびに再構成領域の大きさに基づき、式（１）から（３）を用いてＸ線源１０１の並進範囲を決定する（ステップ７０２）。そして、再構成領域の端部では、投影角度を中央部よりも狭く設定する（ステップ７０３）。これにより並進範囲を短くすることが可能となる。次に、Ｘ線源がＸ線を照射しながら並進移動し、検出器が透過データを取得する（ステップ７０４）。前述により、各着目点２０１における、投影角度の始点と終点の情報、Ｘ線源１０１と着目点２０１と検出器１０２との相対位置から算定した透過経路の情報を用いて、画像再構成を実施する。この際、取得した透過データは投影角度が限定されているため、配管形状などの拘束条件を用いた角度限定画像再構成により配管内部を再構成する（ステップ７０５）。

上記により、配管のエルボー部などのような配管周囲空間が狭い場所においても対象とする領域を再構成するために必要な透過データを取得することが可能となる。

本発明のシステムを用いることで、発電プラントに設置された配管など、大型の構造物のように、狭隘部に配管が設置された場合であっても、透過データを取得することが可能である。

１０１Ｘ線源
１０２検出器
１０３検査対象物
１０４支持部材
１０５移動機構
１０６電子回路
１０７カバー材
１０８高圧電源
１０９冷却器
１１０Ｘ線管システム制御部
１１１検出器制御部
１１２中央制御部
１１３モニタ
２０１着目点
２０２Ｘ線源から照射されるＸ線
３０１再構成領域

Claims

検査対象物に放射線を照射する放射線源と、前記検査対象物に照射された放射線を検出する放射線検出器と、前記放射線源と前記放射線検出器とを固定する支持部材と、該支持部材を介して前記放射線源を前記検査対象物に沿った任意の方向に並進走査させる移動機構と、前記放射線検出器が取得した透過データから前記検査対象物の断層像もしくは立体像を構築する中央制御部を備えた放射線断層撮影装置の撮影方法において、
前記放射線源と、前記検査対象物の着目点、さらに前記放射線検出器とを結ぶ直線と、前記放射線源から前記放射線検出器の検出面に対しておろした垂線とが為す投影角度は、画像再構成領域の両端が中央よりも小さいことを特徴とする放射線断層撮影装置の撮影方法。
請求項１記載の放射線断層撮影装置の撮影方法において、
画像再構成領域の両端での投影角度を少なくとも４０°以上とすることを特徴とする放射線断層撮影装置の撮影方法。
請求項１又は請求項２記載の放射線断層撮影装置の撮影方法において、
放射線源の並進範囲を該放射線源と放射線検出器、検査対象物の相対位置および並進範囲端部で必要とする投影角度により算出することを特徴とする放射線断層撮影装置の撮影方法。