JP2021050937A - 計測用ｘ線ｃｔ装置の校正方法、測定方法、及び、計測用ｘ線ｃｔ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検体の境界面を精度良く検出することで、計測用Ｘ線ＣＴの高精度化を実現する。【解決手段】予め寸法が分かっている球型校正治具３０を被検体Ｗに接触させた状態でＣＴスキャンを行ってボリュームデータを生成し、該ボリュームデータにおける被検体Ｗ表面形状のプロファイルを取得すると共に、球型校正治具３０の中心座標から球型校正治具３０の境界面を計算し、前記プロファイルの傾きから求めた被検体Ｗの境界面を球型校正治具３０の境界面と一致させるための補正値を求め、該補正値を用いて被検体Ｗの境界面を求め、該境界面を用いて被検体Ｗの形状を求める。【選択図】図５

Description

本発明は、計測用Ｘ線ＣＴ装置の校正方法、測定方法、及び、計測用Ｘ線ＣＴ装置に係り、特に、被検体の境界面を精度良く検出することで、高精度化を実現することが可能な、計測用Ｘ線ＣＴ装置の校正方法、測定方法、及び、計測用Ｘ線ＣＴ装置に関する。

１９７０年代に医療用Ｘ線ＣＴ装置が実用に供され、この技術をベースに１９８０年代初期頃より工業用製品のためのＸ線ＣＴ装置が登場した。以来、工業用Ｘ線ＣＴ装置は、外観からでは確認困難な鋳物部品の鬆、溶接部品の溶接不良、および電子回路部品の回路パターンの欠陥などの観察・検査に用いられてきた。一方、近年３Ｄプリンタの普及に伴い、３Ｄプリンタによる加工品内部の観察・検査のみならず、内部構造の３Ｄ寸法計測とその高精度化の需要が増大しつつある。

上述の技術の動向に対して、計測用Ｘ線ＣＴ装置がドイツを中心に普及し始めている（特許文献１、２参照）。この計測用Ｘ線ＣＴ装置では、測定対象を回転テーブル中心に配置して測定対象を回転させながらＸ線照射を行う。

計測で使用する一般的なＸ線ＣＴ装置１の構成を図１に示す。Ｘ線を遮蔽するエンクロージャ１０の中にコーンビーム状のＸ線１３を照射するＸ線源１２、Ｘ線１３を検出するＸ線検出器１４、被検体Ｗを置いてＣＴ撮像の為に被検体Ｗを回転させる回転テーブル１６、Ｘ線検出器１４に映る被検体Ｗの位置や倍率を調整するためのＸＹＺ移動機構部１８があり、それらのデバイスを制御するコントローラ２０、及び、ユーザ操作によりコントローラ２０に指示を与える制御ＰＣ２２などで構成される。

制御ＰＣ２２は、各デバイス制御の他に、Ｘ線検出器１４に映る被検体Ｗの投影画像を表示する機能や、被検体Ｗの複数の投影画像から断層画像を再構成する機能を有する。

Ｘ線源１２から照射されたＸ線１３は、図２に示す如く、回転テーブル１６上の被検体Ｗを透過してＸ線検出器１４に届く。被検体Ｗを回転させながらあらゆる方向の被検体Ｗの透過画像（投影画像）をＸ線検出器１４で得て、逆投影法や逐次近似法などの再構成アルゴリズムを使って再構成することにより、被検体Ｗの断層画像を生成する。

前記ＸＹＺ移動機構部１８のＸＹＺ軸と回転テーブル１６のθ軸を制御することにより、被検体Ｗの位置を移動することができ、被検体Ｗの撮影範囲（位置、倍率）や撮影角度を調整することができる。

Ｘ線ＣＴ装置１の最終目的である被検体Ｗの断層画像またはボリュームデータ（被検体Ｗの立体像または断層画像のＺ軸方向の集合）を得るには、被検体ＷのＣＴスキャンを行う。

ＣＴスキャンは被検体Ｗの投影画像取得とＣＴ再構成の２つの処理で構成され、投影画像取得処理では、Ｘ線照射中に被検体Ｗを載せた回転テーブル１６を一定速度で連続的あるいは一定ステップ幅で断続的に回転し、全周囲方向（一定間隔）の被検体Ｗの投影画像を取得する。得られた全周囲方向（一定間隔）の投影画像を逆投影法や逐次近似法などのＣＴ再構成アルゴリズムを使ってＣＴ再構成することで、被検体Ｗの断層画像またはボリュームデータが得られる。

計測用Ｘ線ＣＴ装置を使って被検体の計測を行うには、上記のように、初めにＣＴスキャンを実行して被検体のボリュームデータを取得し、そのボリュームデータの表面形状を検出した後、表面形状に対して各計測を実施する。

特開２００２−７１３４５号公報 特開２００４−１２４０７号公報

しかしながら、前記の工程の中で表面形状は、Ｘ線源やＸ線検出器の特性により表面形状の境界を正しく検出することが難しく、測定精度に大きく影響するという問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、予め寸法が分かっている球型校正治具を被検体と一緒に測定することにより、被検体の境界面を精度良く検出することで、計測用Ｘ線ＣＴの高精度化を実現することを課題とする。

ボリュームデータの表面形状（境界面）のプロファイルは図３のように幅を持つカーブ形状となっており、このプロファイルから真値に近い境界面を検出することは難しい。

しかしながら、図４に示す如く、単一材質から成る球体（真球）３０のボリュームデータであれば、（Ｘ線に関する補正適用済みであれば）球表面形状のプロファイルは、どの場所においても同程度であるため、プロファイルのどの位置を境界面としても球の中心座標を概ね精度良く求めることができる。

そこで、本発明では、既知の寸法を持つ単一素材の球体（以降、球型校正治具）を被検体に接触させてＣＴスキャンを行い、それらのボリュームデータを得ることで、被検体の境界面を精度良く検出する。

球型校正治具は前記のように、その中心座標を精度良く求めることができる。また、球型校正治具の寸法は既知であるから、球型校正治具の境界面も精度良く求めることができる。

被検体の境界面を精度良く検出するには、図５に示す如く、被検体Ｗと球型校正治具３０の接触点を正しく求める必要があるが、そのためには接触方向が必要となる。

境界面の検出では、例えば被検体Ｗの材質に応じて、ユーザがどの境界面を検出するかを選択させる。その選択の際、検出すべき境界面が存在する、おおよその方向を決定することができ、その情報を使って接触方向（図５では水平方向）を求めることができる。ユーザの境界面選択により決まる、おおよその方向を探索基準方向としたとき、探索基準方向を中心として方向をずらしながらプロファイルを確認していき、接触有無を判定する。

例えば、図６に示す如く、探索基準方向を微小変化させた球型校正治具３０の中心座標を始点とするベクトルをＡ、Ｂ、Ｃとすると、それらのプロファイルにはベクトル方向において球型校正治具３０、空気層、被検体Ｗの順で成分が表示される。ここで球型校正治具３０と被検体Ｗの間に空気層が含まれないときのベクトルが、接触している条件と言えるため、球型校正治具３０の境界面周辺に空気層が無いことを確認する。空気層は球型校正治具３０や被検体ＷよりもＸ線を透過し易いため、プロファイルの成分としては低く表れる。そこで、各ベクトルＡ、Ｂ、Ｃのプロファイルにおいて、球型校正治具３０の境界面周辺の成分が最も高くなるベクトルが接触方向に近いと言える。

このように探索基準方向を中心に所望のプロファイルが得られるように探索していき、精度の良い探索方向を求め、接触点を算出する。

以上より求めた接触点を用いて被検体Ｗの境界面を精度良く求めるには、図７に示す如く、プロファイルの傾き等から求めた境界面を利用する。球型校正治具３０で求めた接触点と、プロファイルの傾きから求めた接触点の差は補正値として利用できる。この接触方向（接触点）のプロファイルで求めた補正値は、そのときと同じ被検体の境界面（同じ材質）全体に適用するか部分的に適用することができる。

また、球型校正治具３０は樹脂、アルミニウム、鉄などの材質で作成し、ＣＴスキャン時のＸ線測定条件（管電圧や管電流など）や被検体Ｗの材質に合わせて適宜選択することができる。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、回転テーブル上に配置した被検体を回転させながらＸ線を照射し、その投影画像を再構成して被検体の断層画像を生成するようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置の校正に際して、予め寸法が分かっている球型校正治具を被検体に接触させた状態でＣＴスキャンを行ってボリュームデータを生成し、該ボリュームデータにおける被検体表面形状のプロファイルを取得すると共に、球型校正治具の中心座標から球型校正治具の境界面を計算し、前記プロファイルの傾きから求めた被検体の境界面を球型校正治具の境界面と一致させるための補正値を求めることにより前記課題を解決するものである。

本発明は、又、回転テーブル上に配置した被検体を回転させながらＸ線を照射し、その投影画像を再構成して被検体の断層画像を生成するようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置による測定に際して、予め寸法が分かっている球型校正治具を被検体に接触させた状態でＣＴスキャンを行ってボリュームデータを生成し、前記の方法で求めた補正値を用いて被検体の境界面を求め、該境界面を用いて被検体の形状を求めることにより、同様に前記課題を解決するものである。

本発明は、又、Ｘ線を透過する箱に被検体と予め寸法が分かっている球型校正治具を入れ、前記箱内で球型校正治具と被検体を接触させた状態でＣＴスキャンを行ってボリュームデータを生成し、前記の方法で求めた補正値を用いて被検体の境界面を求め、該境界面を用いて被検体の形状を求めることにより、同様に前記課題を解決するものである。

本発明は、又、被検体と予め寸法が分かっている球型校正治具を収容する、Ｘ線を透過する箱と、該箱内で球型校正治具と被検体を接触させた状態でＣＴスキャンを行ってボリュームデータを生成する手段と、該ボリュームデータにおける被検体表面形状のプロファイルを取得する手段と、球型校正治具の中心座標から前記ボリュームデータにおける球型校正治具の境界面を計算する手段と、前記の方法で求めた補正値を用いて被検体の境界面を求める手段と、該境界面を用いて被検体の形状を求める手段と、を備えたことを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置を提供するものである。

本発明によれば、予め寸法が分かっている球型校正治具を被検体と共に測定することにより、被検体表面形状を精度良く検出することで、計測用Ｘ線ＣＴの高精度化を実現することができる。従って、三次元座標測定機ＣＭＭ等の特別な測定機を使用すること無く高精度のＸ線ＣＴ測定ができる。

計測用で使用する一般的なＸ線ＣＴ装置の全体構成を示す断面図 同じく要部配置を示す斜視図 従来の問題点を説明するための線図 本発明の原理を説明するための、境界面の検出位置による中心座標の変化量は少ないことを示す斜視図 同じく、球型校正治具と被検体の接触状態を示す図 同じく、探索基準方向を微小変化させた時の状態を示す図 同じく、球型校正治具の境界面と、プロファイルの傾きから求めた被検体の境界面の関係の例を示す線図 本発明の第１実施形態の処理手順を示す流れ図 本発明の第２実施形態の処理手順を示す流れ図 第２実施形態で被検体と球型校正治具をＸ線を透過しやすい材質の箱に挿入した状態を示す斜視図 同じく、被検体と接触している球型校正治具のボリュームデータと被検体のボリュームデータの関係の例を示す図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

本発明の第１実施形態では、図８に示す如く、まずステップ１１０で被検体Ｗと球型校正治具３０を接触させてＣＴスキャンを行い、図５又は図６に例示したようなボリュームデータを生成する。

次いでステップ１２０で、ボリュームデータ上で球型校正治具３０の中心座標を計算する。

次いでステップ１３０で、求めたい被検体Ｗの境界面を指定し、探索基準方向を計算する。

次いでステップ１４０で、接触方向の探索を行い、接触点、補正値を求める。

次いでステップ１５０で、プロファイルの傾きから求めた被検体Ｗの境界面に対して補正を行う。

被検体Ｗと球型校正治具３０が接触していることで、前記の原理により、その接触部分の境界面を補正することができる。補正した境界面を用いることで、例えば被検体Ｗの距離計算を行うことができる。

なお、被検体Ｗの測定面の法線方向毎に補正値を求めて、例えば材質との組合せ毎にデータベースを作成しておき、被検体Ｗの測定時に、測定面の法線方向に対応する補正値をデータベースから読み出して測定に用いることもできる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。

本実施形態では、先ずステップ２００で、Ｘ線を透過しやすい材質の箱４０を用意し、図１０に例示する如く、その箱４０の中に被検体Ｗと複数の球型校正治具３０を敷き詰める。

以下、第１実施形態と同様のステップ１１０〜１５０を実施する。但し、ステップ１１０、１２０における球型校正治具３０の数は複数となる。

本実施形態においても、図１１に例示する如く、補正した境界面を用いることで、例えば被検体Ｗの距離計算を行うことができる。

第２実施形態以外の方法であっても、被検体Ｗと球型校正治具３０を接触できる配置であれば、本発明は適用できる。

前記球型校正治具３０の材質は、被検体Ｗと同じ材質の方が画像を取得し易い。なお、材質を変えて、例えば真鍮、アルミニウム、鉄、セラミックスを用いることもできる。

１２…Ｘ線源
１４…Ｘ線検出器
１６…回転テーブル
３０…球型校正治具
４０…Ｘ線を透過しやすい材質の箱
Ｗ…被検体

Claims (4)

1. 回転テーブル上に配置した被検体を回転させながらＸ線を照射し、その投影画像を再構成して被検体の断層画像を生成するようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置の校正に際して、
   予め寸法が分かっている球型校正治具を被検体に接触させた状態でＣＴスキャンを行ってボリュームデータを生成し、
   該ボリュームデータにおける被検体表面形状のプロファイルを取得すると共に、球型校正治具の中心座標から球型校正治具の境界面を計算し、
   前記プロファイルの傾きから求めた被検体の境界面を球型校正治具の境界面と一致させるための補正値を求めることを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置の校正方法。
2. 回転テーブル上に配置した被検体を回転させながらＸ線を照射し、その投影画像を再構成して被検体の断層画像を生成するようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置による測定に際して、
   予め寸法が分かっている球型校正治具を被検体に接触させた状態でＣＴスキャンを行ってボリュームデータを生成し、
   請求項１に記載の方法で求めた補正値を用いて被検体の境界面を求め、
   該境界面を用いて被検体の形状を求めることを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置の測定方法。
3. Ｘ線を透過する箱に被検体と予め寸法が分かっている球型校正治具を入れ、
   前記箱内で球型校正治具と被検体を接触させた状態でＣＴスキャンを行ってボリュームデータを生成し、
   請求項１に記載の方法で求めた補正値を用いて被検体の境界面を求め、
   該境界面を用いて被検体の形状を求めることを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置の測定方法。
4. 被検体と予め寸法が分かっている球型校正治具を収容する、Ｘ線を透過する箱と、
   該箱内で球型校正治具と被検体を接触させた状態でＣＴスキャンを行ってボリュームデータを生成する手段と、
   該ボリュームデータにおける被検体表面形状のプロファイルを取得する手段と、
   球型校正治具の中心座標から前記ボリュームデータにおける球型校正治具の境界面を計算する手段と、
   請求項１に記載の方法で求めた補正値を用いて被検体の境界面を求める手段と、
   該境界面を用いて被検体の形状を求める手段と、
   を備えたことを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置。

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