JP2012042340A

JP2012042340A - Ｘ線ｃｔ装置

Info

Publication number: JP2012042340A
Application number: JP2010183841A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Kamegawa; 正之亀川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2010-08-19
Filing date: 2010-08-19
Publication date: 2012-03-01

Abstract

【課題】固定配置されたＸ線発生装置とＸＹテーブル、および斜めの姿勢でこれらに対して回転が与えられるタイプのＸ線ＣＴ装置におけるＸＹテーブルの位置の計測のための装置コストを、従来に比して低コスト化することを実現する。
【解決手段】ＸＹテーブル２の位置を検出する手段として、ＸＹテーブル２に付したマーカーＭを撮影する光学カメラ７と、その光学カメラ７にらにるマーカーの撮影出力を画像処理する画像処理手段１３によって構成し、マーカーＭの移動方向と量からＸＹテーブル２の刻々の位置情報を得て、Ｘ線検出器３の回転に合わせてその視野中心を維持するためにＸＹテーブル２を自動的に移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明はＸ線ＣＴ装置に関し、更に詳しくは、コーンビーム状のＸ線を発生するＸ線発生装置を固定配置し、その上方に測定対象物を搭載するテーブルを配置するとともに、その測定対象物を透過したＸ線を検出する２次元のＸ線検出器を、テーブルに対して傾けた状態でＸ線の照射野内で回転（旋回）させることによってＣＴ撮影を行う方式のＸ線ＣＴ装置に関する。

Ｘ線ＣＴ装置においては、一般に、複数の方向から取得した測定対象物のＸ線投影データを再構成することにより、測定対象物の断層情報を含む画像を構築する。複数方向のＸ線投影データを得る方式、つまりＣＴ撮影の方式としては、測定対象物の回りにＸ線発生装置とＸ線検出器の対を回転させる方式と、Ｘ線発生装置とＸ線検出器の対の間で測定対象物を搭載するテーブルを回転させる方式のほか、コーンビーム状のＸ線を発生するＸ線発生装置を固定配置し、測定対象物を搭載するテーブルをその上方に配置し、更にそのテーブルの上方に、当該テーブルに対して傾けた状態で２次元のＸ線検出器を配置し、そのＸ線検出器を、テーブルに直交する軸を中心として回転させる方式のものが知られている（例えば特許文献１参照）。

以上の各撮影方式のうち、固定配置されたＸ線発生装置と、テーブルに対して斜めに配置したＸ線検出器をテーブルに直交する軸を中心として回転させる方式においては、Ｘ線検出器の視野中心に位置する測定対象物の位置が、Ｘ線検出器の回転に連れて刻々と変化する。そのため、テーブルはＸ線検出器の回転軸に直交する平面上で移動できるようにＸＹテーブルを採用し、そのＸＹテーブルをＸ線検出器の回転位置に応じて自動的に移動させ、測定対象物上の観察ポイントが常にＸ線検出器の視野中心に位置するようにテーブル位置を制御する必要がある。

そのため、この種のＸ線ＣＴ装置においては、ＸＹテーブルの移動距離をリニアエンコーダ等の測定装置を付属させた精密なものが必要となる。この測定装置は、例えば５００ｍｍなどの長い距離にわたって、高精度（例えば１μｍ程度）に計測する必要がある。

特開２００６−２９２４６５号公報

上記した固定配置されたＸ線発生装置とＸＹテーブル、および斜めの姿勢で回転が与えられるＸ線検出器を用いたＸ線ＣＴ装置においては、高精度の位置計測が可能なリニアエンコーダ等を必要とし、その結果としてコストが高くなるという問題がある。

本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、高価な計測装置を用いることなく、ＸＹテーブルの位置を高精度に計測することができ、もって固定配置されたＸ線発生装置とＸＹテーブル、および斜めの姿勢で回転が与えられるＸ線検出器を用いたＸ線ＣＴ装置のコストを低減すること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、コーンビーム状のＸ線を発生するＸ線発生装置と、そのＸ線発生装置からのＸ線光軸に直交する平面に沿って配置され、測定対象物を搭載して当該平面に沿った方向に移動するＸＹテーブルと、そのＸＹテーブルを挟んで上記Ｘ線発生装置と反対側に配置され、かつ、上記平面に対して斜めの姿勢を維持した状態で、回転機構により当該平面に直交する回転軸の回りに回転が与えられる２次元のＸ線検出器と、そのＸ線検出器の回転に同期して、あらかじめ設定された測定対象物の観察ポイントが当該Ｘ線検出器の視野中心を維持するよう上記ＸＹテーブルを移動させるテーブル位置制御手段と、上記Ｘ線検出器の複数の回転位置で採取した測定対象物のＸ線投影データを用いた再構成演算により、測定対象物の３次元の断層画像を構築するＸ線ＣＴ装置において、上記テーブル位置制御手段は、上記Ｘ線検出器の回転角度に応じて上記ＸＹテーブルの目標位置を算出する演算手段と、その目標位置と比較するべく上記ＸＹテーブルの刻々の位置を検出する位置検出手段を含み、その位置検出手段は、上記ＸＹテーブルに付したマーカーを撮影する光学カメラと、その光学カメラによるマーカーの撮影出力を画像処理する画像処理手段によって構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、上記マーカーは、上記光学カメラの視野内に常時複数個収まるように上記ＸＹテーブルに複数個付され、上記画像処理手段は、光学カメラにより撮影された複数個のマーカーのうちの一つを観察対象としてその位置を算出するとともに、同じ視野内に存在する別のマーカーを併せて測定対象とし、観察対象とするマーカーが視野外に出たときに、上記測定対象とするマーカーを観察対象に切り換える構成（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、上記テーブル位置制御手段によるＸＹテーブルの位置制御に誤差が生じたとき、その誤差が生じている状態でＸ線投影データを採取するとともに、その誤差を記憶し、上記再構成演算手段による再構成時に、該当のＸ線投影データについては記憶している誤差により当該Ｘ線投影データの位置を補正したうえで再構成演算に供するように構成すること（請求項３）ができる。

本発明は、ＸＹテーブルの位置をリニアエンコーダ等の測定装置を用いて実測するのではなく、ＸＹテーブルに付したマーカーを光学カメラで撮影し、その撮影画像を画像処理することによって、ＸＹテーブルの刻々の位置を求めることで、課題を解決しようとするものである。

すなわち、ＸＹテーブルに例えば円形のマーカーを付しておき、そのマーカーを観察対象として光学カメラで撮影し、画像処理によりその中心を求めると、光学カメラによる撮影倍率が判っていさえすれば、移動前後の移動量と向き、換言すれば移動前の位置を原位置として移動後の位置を知ることができる。

Ｘ線検出器の回転角度の変化に対応して、測定対象物の観察ポイントをＸ線検出器の視野中心に維持するためのＸＹテーブルの位置を演算手段により求め、その求められた位置情報に上記のようにして求めたＸＹテーブルの位置の検出結果をフィードバックすることにより、リニアエンコーダ等の測定装置を用いることなく、光学カメラと画像処理ソフトを追加するだけで、低コストのもとに高精度の斜めＣＴ装置を得ることができる。

ここで、ＸＹテーブルの移動量が大きい場合、光学カメラの視野からマーカーが外れることが考えられるが、その対策としては、請求項２に係る発明のように、光学カメラの視野内に常時複数個のマーカーが収まるように、ＸＹテーブルに複数個のマーカーを付しておき、画像処理手段では複数個のマーカーのうちの一つを観察対象としてその位置を算出し、併せて、他のマーカーを測定対象とし、観察対象としていたマーカーが光学カメラの視野から外れたときに、測定対象のマーカーを観察対象に切り換えることで、各マーカー相互の位置関係が明らかでありさえすれば、継続してＸＹテーブルの位置を計測することができる。

また、以上のようなＸＹテーブルの位置制御を行っても、ＸＹテーブルが目標とする位置と一致しない場合には、請求項３に係る発明のように、その誤差が生じている状態でＸ線投影データを採取するとともに、そのときの誤差を記憶し、再構成演算時に当該誤差を補正したうえで、つまり誤差をに対応してＸ線投影データを移動させたうえで再構成演算に供することで、誤差の影響を受けない断層情報を得ることができる。

本発明によれば、リニアエンコーダ等の位置計測装置を用いることなく、ＸＹテーブルの位置を正確に計測することができ、固定したＸ線発生装置の照射野内で、ＸＹテーブルに直交する軸の回りを当該軸に対して傾けたＸ線検出器を回転させるタイプのＸ線ＣＴ装置を高精度かつ低コストに提供することが可能となった。

また、ＸＹテーブルの位置決め制御を正確に行うことができずにＸＹテーブルが目標位置に対して誤差が生じたとき、その状態でＸ線投影データを取り込むと同時に、その時の誤差を記憶し、再構成演算に当たってはその誤差に応じてＸ線投影データの位置を補正することで、ＸＹ移動機構として精密なものを用いることなく、その影響を受けない正確な再構成演算結果を得ることができ、そのコストを更に低減することができる。

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の機能的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けるＸＹテーブルの下面に付されるマーカーを光学カメラで撮影した画像の例を示す図であり、（Ａ）はＸＹテーブルの移動前、（Ｂ）は同じく移動後の画像を示す図である。本発明の実施の形態のＸ線検出器を図１の状態から１８０°回転させた状態での模式図である。図１における機械的構成の模式的平面図である。

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あり、機械的構成を表す模式図とシステムの機能的構成を表すブロック図と併記して示す図である。

Ｘ線発生装置１は鉛直上方に向けてコーンビーム状のＸ線を発生する。そのＸ線発生装置１の直上に水平にＸＹテーブル２が配置されており、その斜め上方に２次元のＸ線検出器３が設けられている。

Ｘ線検出器３は、Ｘ線発生装置１の焦点１ａを中心とする円弧状のアーム４に移動可能に保持されており、このアーム４上のどの位置にＸ線検出器３を固定するかによって、Ｘ線検出器３のＸＹテーブル２に対する傾き角度を選択することができる。アーム４の基端部は、Ｘ線発生装置１の焦点１ａの鉛直上方に設けられた軸受４ａに回転自在に支持されており、回転機構５の駆動によってアーム４は軸受４ａの回りに、ＸＹテーブル２に対して直交し、かつ、軸受４ａおよびＸ線焦点１ａを通る軸Ｒを中心として回転する。従って、Ｘ線検出器３をアーム４上の適宜の位置（傾斜角度）に位置決めした状態で回転機構５を駆動することにより、ＸＹテーブル２に対して斜めの姿勢の維持した状態で、このＸＹテーブル２に直交する軸Ｒを中心として回転する。前記したＸ線発生装置１からのＸ線は、このＸ線検出器３の全ての回転位置において全有感面に照射される広がりを持つ。

前記したＸＹテーブル２は、ＸＹ移動機構６の駆動により当該ＸＹテーブル２の広がり方向、つまり軸Ｒに対して直交する平面上で互いに直交するｘ，ｙ方向に移動する。なお、撮影倍率はＸＹテーブル２を図示しない上下動機構により鉛直方向に移動させることによって適宜に設定することができる。

ＸＹテーブル２の下方には、図２に例示するように当該ＸＹテーブル２の下面に印刷されたマーカーＭを撮影するための光学カメラ７が配置されている。この光学カメラ７からの撮影出力を用いた画像処理により、後述するように、ＸＹテーブル２の位置が計測される。

ＣＴ撮影に際しては、Ｘ線発生装置１からのＸ線をＸＹテーブル２上の測定対象物Ｗに照射しながら、例えば６０°に傾けた状態のＸ線検出器３を軸Ｒの回りに回転させ、その複数の回転位置でＸ線検出器３のからの出力、換言すれば複数の投影角度での測定対象物のＸ線投影データを取り込む。その際、図３に図１の状態からＸ線検出器３を１８０°回転させた状態での模式図を示すように、傾けたＸ線検出器３の回転により、その視野中心が移動して観察ポイントがずれることになるが、その視野中心の移動をなくするために、Ｘ線検出器３の回転に追随してＸＹテーブル２をｘ，ｙ方向に逐次自動的に移動させ，当初の観察ポイントが常に視野中心を維持するように制御する。その制御の詳細については後述する。

ＣＴ撮影時におけるＸ線検出器３の各回転角度での出力は画像データ取り込み回路８を介して投影データ記憶部９に逐次格納される。ＣＴ撮影の終了後、つまり３６０°分の投影データの収集が終了した後、これらの投影データは再構成演算部１０による再構成演算に供され、測定対象物Ｗの３次元断層画像が構築される。この３次元断層画像は断層データ記憶部１１に記憶される。

光学カメラ７の出力は画像データ取り込み回路１２を介して画像処理部１３によって処理され、後述するようにＸＹテーブル２の位置情報が求められる。一方、回転機構５によるＸ線検出器３の回転角度θに係わらず当初の観察ポイントを中央に維持するためのＸＹテーブル２の移動量と向き、換言すれば原位置に対する移動後の位置は、演算部１４によって後述するように算出される。その算出結果と画像処理部１３によるＸＹテーブル２の位置情報とが比較部１５で比較され、両者が一致するようにＸＹ移動機構６に駆動制御信号を供給する。

上記した回転機構５、ＸＹ移動機構６、画像データ取り込み回路８、投影データ記憶部９、再構成演算部１０、断層データ記憶部１１、画像データ取り込み回路１２、画像処理部１３、演算部１４および比較部１５は、制御部１６の制御下に置かれている。この制御部１６には、ジョイスティックやキーボード、マウス等からなる操作部１７が接続されており、この操作部１７の操作により、制御部１６に対して各種指令を与えたり、あるいはＸＹテーブル２を随意に移動させることができ、また、この操作部１７の操作により、投影データ記憶部９内の投影画像や、断層データ記憶部１１内の３次元断層像を選択的に表示器１８に表示させることができる。

なお、制御部１６並びにそれに制御される上記した各部は、実際にはコンピュータとその周辺機器によって構成され、インストールされているプログラムに従って各機能を実現するのであるが、図１では説明の便宜上、主要な機能ごとにブロックによって表している。

次に、ＣＴ撮影方法とその際の動作について述べる。
まず、例えば図１に示すＸ線検出器３の回転位置を原位置とし、その位置で測定対象物ＷのＸ線透視像を表示器１８に表示させ、測定対象物Ｗ上の観察ポイントをＸ線検出器３の視野中央に位置させるべく、操作部１７の操作によってＸＹテーブル２を所要位置に移動させた後、ＣＴ撮影開始指令を与える。

ＣＴ撮影においては、前記したようにＸ線検出器３を軸Ｒの回りに回転させ、複数の回転角度でＸ線投影データを収集するが，視野中心を維持するために以下に示すようにＸＹテーブル２を自動的にｘ，ｙ平面上で移動させる。

図４は図１における機械的構成の模式的平面図であり、この図４と図１を参照して、ｘ，ｙ，ｚ軸方向への位置について考える。

図１、図４に示す状態を初期位置（θ＝０）とし、例えば１０°おきに３５０°まで、ビュー数を３６として、各角度ごとに投影データを採取するものとする。原点をＸ線発生装置１の焦点１ａとして、図示のようにそのＸ線焦点１ａを通る鉛直の軸Ｒと、初期位置における測定対象Ｗの観察ポイントＰ、つまり初期位置におけるＸ線検出器３の視野中心Ｃとのｘ方向への水平距離をＸｓとすると、Ｘ線検出器３の回転角度θをパラメータとして、このＸ線検出器３の視野中心の空間座標（ｘ，ｙ，ｚ）は、（Ｘｓ＊ｃｏｓθ，Ｘｓ＊ｓｉｎθ，Ｘｓ＊ｔａｎφ）となる。すなわち、Ｘ線検出器３の回転角度θを変化させるごとに、その視野中心が変化する。なお、φは図１に示すようにＸ線検出器３のＸＹテーブル２の表面に対する傾き角度である。

当初に視野中心Ｃに位置させた観察ポイントＰが、θの変化に対応して視野中心を維持するように、ＸＹテーブル２を自動的にｘ，ｙ方向に移動させる必要があることは前記した通りであり、演算部１４では、投影データを採取すべき各角度θごとの視野中心Ｃの座標を算出し、更に、あるビュー角度θから次のビュー角度θ′にＸ線検出器３を回転させる際の視野中心Ｃのｘ，ｙ方向への移動量を求める。すなわち、ｘ方向にはＸｓ＊（ｃｏｓθ′−ｃｏｓθ）、ｙ方向にはＸｓ＊（ｓｉｎθ′−ｓｉｎθ）を算出する。

ＸＹテーブル２の下面には、前記したように図２に示すような複数のマーカーＭが印刷されており、この例では、各マーカーＭは同じ大きさの円形とし、そのマーカーＭを一定の間隔、例えば１ｍｍの間隔を開けて千鳥状に配置している。

画像処理部１３では、光学カメラ７からの映像信号に基づく画像について、図２（Ａ）のように複数のマーカーＭのうち、あらかじめ設定されている位置に最も近い、例えば最も中央に近いマーカーを観察対象マーカーＭｏとしてラベリングするとともに、他のマーカーのうちの一つもしくは複数個、例えば四隅に最も近いものを測定対象としてラベリングする。そして、観察対象マーカーＭｏの刻々の中心（重心）位置を比較部１５に送る。ここで、光学カメラ７とＸ線発生装置１の焦点１ａとの位置関係と、光学カメラ７による撮像倍率が既知であれば、公知の手法により光学カメラ７からの映像信号に基づく画像上で観察対象マーカーＭｏの中心位置を求めることができる。

光学カメラ７による画像がＸ線検出器３の回転前の状態で図２（Ａ）の通りであったとすると、ビュー角度がθからθ′に変わることにより、演算部１４で求められた移動量、すなわちｘ方向にＸｓ＊（ｃｏｓθ′−ｃｏｓθ）、ｙ方向にはＸｓ＊（ｓｉｎθ′−ｓｉｎθ）だけＸＹテーブル２を移動させる必要がある。これらのｘ，ｙ方向への移動量の算出結果は比較部１５に送られる。比較部１５では、この演算部１４からの移動量の算出結果と、画像処理部１３からの観察対象マーカーＭｏの位置検出結果とを比較する。その比較結果は制御部１６に取り込まれ、図２（Ｂ）に示すように、両者が一致するようにＸＹ移動機構６を制御する。

ここで、ＸＹ移動機構６の精度が良好でなく、制御部１６からの位置決め指令にも係わらず、目標とする位置にＸＹテーブル２を位置決めできなかった場合、目標とする位置と画像処理部１３による実際のＸＹテーブル２の位置の計測結果との差、つまりｘおよびｙ方向への位置決め誤差を記憶し、その状態で投影データを取得し、その投影データと併せて位置決め誤差を記憶する。

以上の動作を０°から３５０°まで１０°おきに実行し、各ビュー角度において採取した投影データを再構成演算部１０で再構成することにより、測定対象物Ｗの３次元断層情報が得られる。その際、上記した位置決め誤差が生じた状態で取得した投影データについては、その投影データとともに記憶している位置決め誤差を用いて、該当の投影データの位置補正を行った後、再構成演算に供する。この投影データの位置補正により、ＸＹ移動機構６の駆動によっては正確な位置決めができなくても、正確な再構成演算結果を得ることができる。

ここで、Ｘ線検出器３の中心と軸Ｒとの水平方向への距離Ｘｄ（図１参照）を２００ｍｍ、Ｘｓを２０ｍｍとしてＸ線撮影の幾何倍率を１０倍とし、Ｘ線検出器３の視野５０ｍｍとすると、測定対象物Ｗの位置での撮影視野は５ｍｍとなる。θを１０°増やした場合におけるＸＹテーブル２上の視野中心Ｃの移動量Ｘｓ＊ｓｉｎ１０°は概ね３．４７ｍｍ程度であり、光学カメラ７の撮影視野を６ｍｍとすることで、適宜に選択した観察対象マーカーＭｏを移動前後で光学カメラの視野内に収めることができる。

ただし、観察対象マーカーＭｏが光学カメラ７視野から逸脱する場合は、測定対象マーカーとして選択した他のマーカーＭで、移動前後で光学カメラ７の視野内に存在しているマーカーＭを位置計測に用いればよい。

また、移動距離が大きく、どのマーカーＭも移動前後で光学カメラ７の視野内に存在しない場合には、逐次観察対象マーカーを変更していってもよく、各マーカーＭの相互の位置関係を正確なものとしておくことにより、観察対象マーカーとして同じマーカーを用いることなく、正確な移動量の測定が可能である。

以上の実施の形態において特に注目すべき点は、ＸＹテーブル２の位置計測にリニアエンコーダ等の計測装置を全く用いることなく、正確な位置計測が可能である点であり、これにより低コストで高精度のＸ線ＣＴ装置が得られる。

また、以上の実施の形態において更に注目すべき点は、ＸＹテーブル２の位置制御後にもその位置が目標とする位置に対して多少の誤差があっても、その誤差を記憶し、その状態で採取した投影データの位置を誤差に応じて補正したうえで再構成演算に供する点であり、これにより、ＸＹテーブル２を移動させるＸＹ移動機構６として、高精度のものを用いることなく正確な断層情報を得ることができ、更にコストを低減することができる。

なお、以上の実施の形態においては、ＸＹテーブル２の移動前における光学カメラ７による画像から、先に観察対象マーカーＭｏを選択した例を示したが、画像上の全てのマーカーをラベリングし、移動前後で画像の双方に含まれるマーカーのうちの一つをピックアップして事後的に観察対象マーカーとしてもよい。

１Ｘ線発生装置
１ａ焦点
２ＸＹテーブル
３Ｘ線検出器
４アーム
４ａ軸受
５回転機構
６ＸＹ移動機構７光学カメラ
８画像データ取り込み回路
９投影データ記憶部
１０再構成演算部
１１断層データ記憶部
１２画像データ取り込み回路
１３画像処理部
１４演算部
１５比較部
１６制御部
１７操作部
１８表示器
Ｃ視野中心
Ｐ観察ポイント
Ｗ測定対象物

Claims

コーンビーム状のＸ線を発生するＸ線発生装置と、そのＸ線発生装置からのＸ線光軸に直交する平面に沿って配置され、測定対象物を搭載して当該平面に沿った方向に移動するＸＹテーブルと、そのＸＹテーブルを挟んで上記Ｘ線発生装置と反対側に配置され、かつ、上記平面に対して斜めの姿勢を維持した状態で、回転機構により当該平面に直交する回転軸の回りに回転が与えられる２次元のＸ線検出器と、そのＸ線検出器の回転に同期して、あらかじめ設定された測定対象物の観察ポイントが当該Ｘ線検出器の視野中心を維持するよう上記ＸＹテーブルを移動させるテーブル位置制御手段と、上記Ｘ線検出器の複数の回転位置で採取した測定対象物のＸ線投影データを用いた再構成演算により、測定対象物の３次元の断層画像を構築するＸ線ＣＴ装置において、
上記テーブル位置制御手段は、上記Ｘ線検出器の回転角度に応じて上記ＸＹテーブルの目標位置を算出する演算手段と、その目標位置と比較するべく上記ＸＹテーブルの刻々の位置を検出する位置検出手段を含み、その位置検出手段は、上記ＸＹテーブルに付したマーカーを撮影する光学カメラと、その光学カメラによるマーカーの撮影出力を画像処理する画像処理手段によって構成されていることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
上記マーカーは、上記光学カメラの視野内に常時複数個収まるように上記ＸＹテーブルに複数個付され、上記画像処理手段は、光学カメラにより撮影された複数個のマーカーのうちの一つを観察対象としてその位置を算出するとともに、同じ視野内に存在する別のマーカーを併せて測定対象とし、観察対象とするマーカーが視野外に出たときに、上記測定対象とするマーカーを観察対象に切り換えることを特徴とする請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
上記テーブル位置制御手段によるＸＹテーブルの位置制御に誤差が生じたとき、その誤差が生じている状態でＸ線投影データを採取するとともに、その誤差を記憶し、上記再構成演算手段による再構成時に、該当のＸ線投影データについては記憶している誤差により当該Ｘ線投影データの位置を補正したうえで再構成演算に供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。