JP2013079825A - Ｘ線ｃｔ画像再構成方法およびｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、上記のような事情を背景になされたものであり、産業用Ｘ線ＣＴ画像装置において検出器厚みを従来より薄くし検出器アレイを稠密化した場合に発生する隣接検出器への漏れ放射線量を評価・予測し、除去することにより、撮像画像の高い空間分解能が得られるＸ線ＣＴ撮像方法および装置を提供することにある。
【解決手段】本発明は、前記検出器から得られるＸ線透過量データから画像を再構成するプロセスに、前記検出器毎のＸ線透過量データから、隣接する検出器による漏れ放射線量を除去する処理を含んだことを特徴とする。
【効果】本発明によれば、産業用Ｘ線ＣＴ画像装置において検出器厚みを従来より薄くし検出器アレイを稠密化した場合に発生する隣接検出器への漏れ放射線量を評価・予測し、除去することにより、撮像画像の高い空間分解能が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｘ線ＣＴ画像再構成方法およびＸ線ＣＴ装置に関し、特に、Ｘ線を用いて、対象とする被検体を透過するＸ線の透過量を計測することにより、非破壊で被検体内部の状況を画像化する技術に関する。

Ｘ線ＣＴ装置は、医療用の人体内部計測装置としての活用が広く普及しているが、工業用途においても対象物を切断することなく非破壊で内部状態が計測できるため、鋳造部品の内部欠陥計測など非破壊検査として多くの用途に用いられている。Ｘ線ＣＴ装置では、Ｘ線源と検出器の間に撮像被検体を設置し、Ｘ線源から照射されるＸ線が被検体を透過し減衰した後のＸ線透過量を検出器で計測し、このＸ線の透過量分布から被検体内部の画像を再構成する。そのため、検出器サイズが画像の空間分解能に強く影響する。

医療用と異なり工業用途のＸ線ＣＴ装置では、対象物が金属物の場合が多く人体に比較して透過能力の強いＸ線エネルギーが必要となる。Ｘ線を発生させるＸ線源としては、８００ｋｖまではＸ線管が使用可能であり、ＭＶ領域のエネルギーレベルでは線形加速器によるＸ線源が必要となる。Ｘ線管では、エネルギーレベルの低い領域（〜２２５ｋＶ）では焦点サイズがミクロンオーダーのＸ線源が存在するが、透過能力が低いため厚い金属物の被検体は撮像不能となる。また、エネルギーレベルが比較的高い領域（３２０ｋＶ〜８００ｋＶ）のＸ線管では、透過能力は増加するがＸ線発生源の焦点サイズはサブミリからミリオーダーに大きくなる。ＭＶ領域のＸ線エネルギーレベルが得られる線形加速器では、透過能力がさらに増加し、エネルギーレベルが比較的高い領域（３２０ｋＶ〜８００ｋＶ）のＸ線管と同様、Ｘ線発生源の焦点サイズはサブミリからミリオーダーに大きくなる。これらのＸ線管、線形加速器からは通常、コーン状に、またＸ線発生直後にコリメートされファン状にＸ線が照射される。

Ｘ線源から照射され撮像被検体内部で減衰したＸ線の減衰量を計測する検出器には、シンチレータや化合物半導体等の放射線検出器が用いられる。これらの検出器は、撮像被検体を挟んでＸ線源と相対する位置に設置される。検出器は、一定間隔で離散的に配置されＸ線源から各検出器素子中心を結んだ直線上のＸ線透過量積算値を計測する。被検体全体を撮像するには、Ｘ線源と検出器の間に設置された被検体をターンテーブルに乗せ回転させて、全体画像を再構成するために必要な投影データを取得する。または、撮像被検体はターンテーブル上に固定し、Ｘ線源と検出器を被検体周囲に回転させ必要な投影データを取得する。

各角度ピッチ毎に全ての検出器で入射Ｘ線の放射線量を計測し、画像再構成のための投影データとする。これらの撮像時の回転角毎の投影データを用いて代表的なＦＢＰ法などにより画像再構成を実施する。

Miyai H, Satoh K, Kitaguchi H, Izumi S. A high energy X-ray computed tomography using silicon semiconductor detectors. In: 1996 Nuclear Science Symposium Conference Record, vol.2, 1997. p.816-21.

上述した既存の産業用Ｘ線ＣＴ装置を用いた工業製品の非破壊検査における内部計測では、被検体の構造強度や性能特性に影響を与えるサイズの欠陥を検出する必要がある。鋳造物を対象とした場合は、これらの致命的な鋳造欠陥は既存のＣＴ装置で検出可能であるが、さらに、これらの欠陥の周辺に存在するより小さい欠陥を検出するには、さらなる分解能の向上が必要となる。また、Ｘ線ＣＴ装置で撮像した画像から対象被検体の寸法を計測したり、元のＣＡＤデータとの３次元形状精度を計測するニーズも高まっている。これらの寸法計測においても、元の画像の分解能向上が必要となっている。

従来の産業用Ｘ線ＣＴ装置では、検出器には、シンチレータや化合物半導体等の放射線検出器が用いられてきた。特に、非特許文献１に示されたように、半導体化合物材料を用いた検出器は、高エネルギーＸ線に対する感度が高く、シンチレータに比較して厚みを薄くすることが可能であり、検出器アレイにおける検出器間隔を狭く設定することが可能である。検出器間隔の狭隘化により画像生成のための投影データのサンプリング間隔が小さくなり、高分解能画像が得られる。一方、非特許文献１に示された半導体検出器では、透過したＸ線を検出するための半導体部材の他に、検出器間の漏れ電子（クロストーク）を抑制するための遮蔽板が設置されていた。そのため、検出器厚みを薄くした検出器アレイの稠密化に限界があり、Ｘ線ＣＴ装置としての分解能の向上にも限界があった。

画像分解能を向上させるために検出器を稠密化するには、Ｘ線受感部を薄くするか、遮蔽板を取り除く必要がある。Ｘ線受感部を薄くした場合は、入射Ｘ線量が従来より減少するため、ＳＮ比が低下し画像分解能が悪化する。一方、遮蔽板を取り除いた場合は、着目検出器に入射したＸ線のコンプトン散乱、電子対生成により着目検出器に隣接する検出器に漏れ放射線が発生する。これらの漏れ放射線量は、隣接検出器に対しては、本来のＸ線計測値に対するノイズ信号として作用し、前章で述べた既存の画像再構成手法を用いて画像化した場合、撮像被検体の境界がボケ、画像分解能が低下する。

また、この漏れ放射線は、各検出器に入射するＸ線のエネルギースペクトル分布に影響される。相対的に高エネルギー成分比率が高い場合には、漏れ放射線量が大きくなる。このＸ線のエネルギースペクトル分布は、撮像対象の被検体の材質・サイズで変化する。そのため、各検出器で発生する漏れ放射線量は、対象被検体の材料・サイズで変化するため、画像分解能を悪化させるノイズとしての漏れ放射線量を精度よく評価して取り除く必要がある。
本発明の目的は、上記のような事情を背景になされたものであり、産業用Ｘ線ＣＴ画像装置において検出器厚みを従来より薄くし検出器アレイを稠密化した場合に発生する隣接検出器への漏れ放射線量を評価・予測し、除去することにより、撮像画像の高い空間分解能が得られるＸ線ＣＴ撮像方法および装置を提供することにある。

本発明は、前記検出器から得られるＸ線透過量データに基づいて画像を再構成するプロセスに、前記検出器毎のＸ線透過量データから、隣接する検出器による漏れ放射線量を除去する処理を含んだことを特徴とする。

本発明によれば、産業用Ｘ線ＣＴ画像装置において検出器厚みを従来より薄くし検出器アレイを稠密化した場合に発生する隣接検出器への漏れ放射線量を評価・予測し、除去することにより、撮像画像の高い空間分解能が得られる。

本発明の一実施例であるＸ線ＣＴ画像再構成方法の一例を表した図である。 本発明の一実施例であるＸ線ＣＴ画像再構成方法に用いる撮像投影データを取得するためのＸ線ＣＴ装置の一例を表した図である。 従来のＸ線ＣＴ装置に用いられている検出器構造を表した斜視図である。 従来のＸ線ＣＴ装置に用いられている検出器構造を表した平面図である。 従来のＸ線ＣＴ装置に用いられている検出器から遮蔽板を削除した検出器構造を表した平面図である。 本発明の一実施例であるＸ線ＣＴ画像再構成方法に用いる撮像投影データを取得するためのＸ線ＣＴ装置に用いる検出器にＸ線が入射した場合の発生放射線の軌跡の解析結果の一例を示した図である。 本発明の一実施例であるＸ線ＣＴ画像再構成方法の一例を表した図である。 Ｘ線ＣＴ装置構成を表した図である。 本発明の一実施例であるＸ線ＣＴ画像再構成方法に用いる撮像投影データを取得するためのＸ線ＣＴ装置と検出器で計測されるＸ線スペクトル分布の一例を示した図である。 本発明の一実施例であるＸ線ＣＴ画像再構成方法を実現する装置の一例を表した図である。

以下、本発明の実施例を、画像再構成処理フローと装置構成図および全体システム構成図を用いて説明する。

本発明の一実施例である産業用Ｘ線ＣＴ装置の画像再構成方法の処理フローを図１に示す。また、図２には再構成するためのＸ線透過量データを取得するＸ線ＣＴ装置の概要を、図３にはＸ線ＣＴ装置を構成する検出器アレイ構造を示した。

図１における撮像投影データは、図２のＸ線ＣＴ装置により得られる。図２に示したように産業用Ｘ線ＣＴ装置はＸ線源１と検出器２が対向されて設置され、両者の間にターンテーブル６が置かれターンテーブル６上に撮像対象被検体８が設置される。Ｘ線源１から照射されたＸ線７は撮像対象被検体８を透過して減衰し、対向する位置の検出器２に入射する。検出器２には、化合物半導体検出器やシンチレータが用いられる。これらの検出器２は、水平方向に一定間隔で各検出器素子が並ぶラインアレイセンサまたは水平方向と垂直方向の２次元に一定間隔で各検出器素子が並ぶ平面アレイセンサを用いる。これらの検出器２に入射したＸ線は、検出器内で入射Ｘ線量に相当する電気信号に変換される。得られた各検出器素子の電気信号は、検出器ピクセル積算処理機構５により指定された各検出器素子数の信号を加算処理する。処理された信号は信号処理回路３に伝送され増幅、ビット変換された後、画像再構成装置４に伝送される。被検体全体の画像を再構成するには、ターンテーブル６を回転させ一定角度ピッチ毎に全検出器で検出されたＸ線減衰量データ（撮像投影データと呼ぶ）を１回転分収集する。一定角度ピッチ毎の投影データは順次、画像再構成装置４に伝送、格納され、１回転分が得られた時点で画像再構成演算を実行し、再構成画像が得られる。得られた再構成画像は、ＣＴ画像表示装置１１に伝送されディスプレイ上に表示される。

図３には、現在のＸ線ＣＴ装置で使用されているアレイ検出器構造を示した。従来の検出器では、Ｘ線を検出する半導体部材１２がＦＰＣ基板１３に装着され、これらに遮蔽板１４が設けられている。図３（ａ）には、複数個の検出器２を示し、図３（ｂ）には、これらの検出器を水平方向に一定間隔で並べた検出器アレイを示した。図３（ｃ）には、従来の検出器から遮蔽板１４を削除した検出器アレイを示した。遮蔽板１４の削除により、検出器間間隔を従来より狭めることが可能である。一方、図４に図３（ｃ）の検出器アレイの中央の検出器にＸ線を入射した場合の散乱状況を解析した結果を示した。図４から分かるように隣接する検出器まで散乱したＸ線が到達している。このように、図３（ｃ）の検出器アレイを用いた場合、隣接検出器への漏れ放射線（クロストークと呼ぶ）が発生し、ノイズとなる。図４には、図３（ｃ）の検出器アレイの中央部の検出器にＸ線が入射した場合にコンプトン散乱や電子対生成で発生する放射線の軌跡の解析結果を示した。解析には、実績があり精度のよい光子モンテカルロシミュレーションを実施している。同図から分かるように中央部の検出器のみだけでなく隣接する検出器にも発生放射線が及んでいることが分かる。これが漏れ放射線量（クロストーク）である。

図１に示した本発明の実施例１の画像再構成方法では、図３（ｃ）の検出器を用いた図２の構成のＸ線ＣＴ装置から得られる各検出器のＸ線減衰量データ１０１（撮像投影データと呼ぶ）とクロストーク発生係数初期データ１０２を用いて、撮像投影データからのクロストーク除去処理１０３を実施する。

クロストーク除去は、基礎試験および詳細試験により、着目検出器に入射するＸ線総量から、隣接検出器に漏洩するＸ線量の比率を求め、この量を計測された各検出器の投影データから取り除く処理を実施する。

この処理により得られる補正後投影データ１０４を用いて、画像再構成処理１０５を実施し、画像データ１０６を生成する。

また、本発明によるＸ線ＣＴ画像再構成方法の第２の実施例を図５に示した。本実施例では、図３（ｃ）の検出器を用いた図２の構成のＸ線ＣＴ装置から得られる各検出器のＸ線減衰量データ１０１（撮像投影データと呼ぶ）とクロストーク発生係数初期データ１０２を用いて、撮像投影データからのクロストーク除去処理１０３を実施する。この処理により得られる補正後投影データ１０４を用いて、画像再構成処理１０５を実施した後に、Ｘ線源エネルギーやＸ線ＣＴ装置の幾何構成サイズなどの撮像条件１０７と画像再構成処理１０５により得られた画像データ１０６を用いて、透過シミュレーションによる各検出器のＸ線入射スペクトルを計算する。得られた各検出器のＸ線入射スペクトルから各検出器のクロストーク発生係数を算出する。図６には、本発明の画像再構成方法を用いるときのＸ線ＣＴ装置構成と撮像時の投影パス毎における検出器に入射するＸ線スペクトル分布の概念図を示した。透過パス１７と透過パス１８では、ターンテーブル上の被検体を通過する長さが異なる。そのため図６（ｂ）に示したように透過パス１７を計測した検出器のＸ線スペクトル分布は分布１９となり、透過パス１８を計測した検出器のＸ線スペクトル分布は対象被検体を通過する長さが透過パス１７より長くなるためＸ線の低エネルギー成分が減少した分布２０となる。そのため、Ｘ線スペクトル分布が異なり隣接検出器への漏れ放射線量発生量も異なってくる。本発明の画像再構成方法では、撮像被検体のサイズや材質で発生するＸ線スペクトル分布の検出器毎の隣接検出器への漏れ放射線量発生量の差異をクロストーク発生係数として評価する。

最初の撮像投影データからのクロストーク除去処理１０３のプロセスで用いていたクロストーク発生係数と透過シミュレーションによる各検出器のＸ線入射スペクトルから評価したクロストーク発生係数を比較し、設定値ε以上であれば、クロストーク発生係数を修正し、再度、撮像投影データのクロストーク除去処理１０３から順次、前回と同じプロセス１０４〜１１０を実施する。これらの処理を、新旧のクロストーク発生係数の差が設定値ε以下になるまで繰り返す。

本発明によるＸ線ＣＴ画像再構成方法を実施する装置の実施例を図７に示した。本実施例では、入力手段Ｃ１７より、それぞれの処理プロセスで必要となる条件を、クロストーク発生初期係数指定手段Ｃ１１、クロストーク除去条件指定手段Ｃ１２、画像再構成条件指定手段Ｃ１３、入射スペクトル計算条件指定手段Ｃ１４により各処理プロセスに入力する。図１のＸ線ＣＴ装置を用いて得られる撮像投影データＣ１は撮像投影データ記憶手段Ｃ２に格納され、これを用いてクロストーク除去手段Ｃ３により補正後投影データが得られる。得られた補正後投影データは補正後投影データ記憶手段Ｃ４に格納される。この補正後投影データを画像再構成条件Ｄ９の下で画像再構成手段Ｃ５により画像を生成する。得られた画像は再構成画像データ記憶手段Ｃ６に記憶される。

次に、再構成画像から入射スペクトル計算条件Ｄ１０を用いて、被検体に対する透過シミュレーションを実施する検出器入射スペクトルを評価する。ここで得られた入射Ｘ線スペクトルからクロストーク発生係数をクロストーク発生係数評価手段Ｃ８により求める。ここでは、あらかじめ各エネルギー毎に計算したクロストーク発生量テーブルを用いる。判定手段Ｃ１０では、Ｃ５からＣ７のプロセスで得られたクロストーク発生係数Ｄ５とそれ以前のクロストーク発生係数を比較し、設定値ε以上であれば、新しいクロストーク発生係数Ｄ７を用いてＣ３のクロストーク除去、Ｃ５の画像再構成プロセスを繰り返し実行する。設定値ε以下であれば、再構成画像データＤ１２を表示手段Ｃ１８で表示する。また、補正後投影データＤ２、クロストーク発生係数データＤ１４も表示手段Ｃ１８で表示される。

本発明の方法及び装置を用いることで、工業用製品の内部の高精度で高率的な非破壊検査が可能となる。また、本発明の方法は、産業用Ｘ線ＣＴ装置のみならず中性子線ＣＴおよび医療用Ｘ線ＣＴシステムにも適用可能である。

１ Ｘ線源
２ 検出器
３ 信号処理回路
４ 画像再構成装置
５ 検出器ピクセル積算処理機構
６ ターンテーブル
７ Ｘ線
８ 撮像対象被検体
９ Ｘ線源焦点サイズ調整機構
１０ 信号伝送回路
１１ ＣＴ画像表示装置
１２ 半導体部材
１３ ＦＰＣ基板
１４ 遮蔽板
１７、１８ 透過パス
１９、２０ 分布
１０１ 撮像投影データ
１０２ クロストーク発生係数初期データ
１０３ クロストーク除去処理
１０４ 補正後投影データ
１０５ 画像再構成処理
１０６ 画像データ
１０７ 撮像条件
１０８ 検出器入射スペクトル計算プロセス
１０９ クロストーク発生係数
１１０ 判定プロセス
１１１ クロストーク発生係数修正データ

Claims (3)

1. Ｘ線を照射するＸ線源と、撮像対象被検体を透過したＸ線を検出する検出器と、Ｘ線源と検出器の間に配置された撮像対象被検体を回転・並進させる機構と、検出器で計測されたＸ線透過量を数値化する信号処理回路とこれらの信号を元に画像を再構成する演算装置からなるＸ線ＣＴ装置を用いたＸ線ＣＴ画像再構成方法において、前記検出器から得られるＸ線透過量データに基づいて画像を再構成するプロセスに、前記検出器毎のＸ線透過量データから、隣接する検出器による漏れ放射線量を除去する処理を含んだことを特徴とするＸ線ＣＴ画像再構成方法。
2. Ｘ線を照射するＸ線源と、撮像対象被検体を透過したＸ線を検出する検出器と、Ｘ線源と検出器の間に配置された撮像対象被検体を回転・並進させる機構と、検出器で計測されたＸ線透過量を数値化する信号処理回路とこれらの信号を元に画像を再構成する演算装置からなるＸ線ＣＴ装置を用いたＸ線ＣＴ画像再構成方法において、
   前記検出器から得られるＸ線透過量データに基づいて画像を再構成するプロセスに、前記検出器毎のＸ線透過量データから、隣接する検出器による漏れ放射線量を除去する処理と、透過シミュレーションによる検出器入射スペクトルを計算する処理と、前記検出器入射スペクトルから隣接検出器への漏れ放射線量を計算する処理とを含んだことを特徴とするＸ線ＣＴ画像再構成方法。
3. Ｘ線を照射するＸ線源と、撮像対象被検体を透過したＸ線を検出する検出器と、Ｘ線源と検出器の間に配置された撮像対象被検体を回転・並進させる機構と、検出器で計測されたＸ線透過量を数値化する信号処理回路とこれらの信号を元に画像を再構成する演算装置からなるＸ線ＣＴ装置において、
   前記検出器から得られるＸ線透過量データに基づいて画像を再構成する手段に、前記検出器毎のＸ線透過量データから、隣接する検出器による漏れ放射線量を除去する処理手段と、透過シミュレーションによる検出器入射スペクトルを計算する処理手段と、前記検出器入射スペクトルから隣接検出器への漏れ放射線量を計算する処理手段とを備えたことを特徴とするＸ線ＣＴ装置。