JP2022150461A - 公差誤差推定装置、方法、プログラム、再構成装置および制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
X線CT装置は、あらゆる角度からコーン状または平行ビームのX線を試料に照射し、検出器によりX線の吸収係数の分布、すなわち投影像を取得する。あらゆる角度からX線を照射するために、X線CT装置は、固定されたX線源および検出器に対して、試料台を回転させるか、X線源と検出器が一体となったガントリを回転させるように構成されている。回転は相対的であり、回転角度はガントリと試料との間に生じる角度を指し、投影角度とも呼ばれる。なお、回転角度は基本的に回転駆動時間に比例する。
公差誤差の要因は、駆動軸の組み立てや材質などによって異なる。そのため、ずれる方向と量の傾向から関数を特定する。例えば、温度等の環境による駆動軸の部材の膨張・収縮や、一方向にかかる応力の影響を受け場合など、ずれる方向と量が一定になる場合には、1次関数など単純な関数形で置くことができる。X線CT装置の場合、CT回転軸の軸周りのある範囲に対して、一定の量あるいは回転の周期ごとに同じ量のずれが繰り返されることが予想されるため、周期関数を仮定することが好ましい。
各回転駆動時間におけるΔxおよびΔyを算出するためには、上記で仮定した関数形のパラメータ{ai}{bj}を最適化する。仮定された関数形のパラメータ{ai}{bj}は、任意定数であり、このパラメータは、X線検出画像の特定位置とΔx(t)、Δy(t)を表す関数を用いて算出される特定位置が一致するように最適化される。最適化指標として、各々の特定位置の一致度を表す評価関数を定義することが好ましい。
最適化されたパラメータ{ai,bj}をΔx(t)((5)式),Δy(t)((6)式)に代入し、Δx、Δy、SOD'aの算出を行うための関数Δx(t)、Δy(t)、SODa(t)を決定する。これにより、各回転駆動時間tに対して、Δx、Δy、SODaを算出することができる。
図5は、X線CT装置200、処理装置300、入力装置410および表示装置420を含む全体のシステム100の構成を示す概略図である。ここで、図5に示すX線CT装置200は、試料に対しX線源260および検出器270が一体となったガントリを回転させる構成であるが、これに限定されることはなく、試料を回転させる構成でもよい。
図5に示すように、X線CT装置200は、回転制御ユニット210、試料位置制御ユニット220、試料台250、X線源260および検出器270を備えている。X線源260および検出器270は、ガントリ(図示しない)に設置し、試料台250に固定された試料に対しガントリを回転させてX線CT撮影を行う。なお、X線源260と検出器270の間に設置された、試料台250を回転させてもよい。
図6は、処理装置300(公差誤差推定装置、再構成装置および制御装置)の構成を示すブロック図である。処理装置300は、CPU(Central Processing Unit/中央演算処理装置)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、メモリをバスに接続してなるコンピュータによって構成されている。処理装置300は、X線CT装置200に接続され情報を受け取る。なお、図6に示す例では、処理装置300が、単独で公差誤差推定装置、再構成装置および制御装置の各装置として機能するが、それぞれが別体の処理装置であってもよい。いずれにしても各装置間は、情報の送受信が可能に接続されている。
処理装置300は、測定データ記憶部311、装置情報記憶部312、特定位置算出部320、ずれ量算出部330、表示処理部332、補正量算出部335、テーブル記憶部340、指定受付部345を備える。各部は、制御バスLにより情報を送受できる。入力装置410および表示装置420は適宜のインターフェースを介してCPUに接続されている。
再構成装置350は、再構成部360を備えている。再構成装置350は、補正された試料のX線CT投影像に基づいて再構成部360に3次元画像を再構成させる。これにより、特に光学系の調整等を必要とせず、公差誤差が含まれる投影像を用いて補正された再構成画像を生成することができる。再構成部360は、X線CT投影像に基づいて3次元画像を再構成する。
制御装置370は、補正制御部380を備えており、補正制御部380は、算出されたΔx、ΔyおよびΔzを用いてCT測定時に試料の位置を補正制御する。補正の際には記憶されたテーブルを用いることが好ましい。これにより、測定時に試料の相対位置を調整しつつ撮像できるため、得られた投影像を用い補正なしで高精度な再構成画像を生成できる。
上記のように構成された全体のシステム100を用いた公差誤差推定方法を説明する。図7は、公差誤差推定の方法を示すフローチャートである。まず、一様な密度の球体である標準試料として鋼球を用いてCT投影像を取得する(ステップS1)。次に、取得したCT投影像から吸収係数の重心位置u0(t)、v0(t)を算出する(ステップS2)。
上記のように推定された公差誤差を補正して再構成画像を生成できる。補正方法には、ソフトウェアを用いる方法と測定時にX線CT装置を制御する方法の2通りがある。処理装置300は、いずれの手段で補正を行うか、補正を適用するかしないか等を選択できる画面を表示することが好ましい。
上記の実施形態では、X線CT装置の公差誤差の推定とその補正を対象としているが、本発明はその他のX線分析装置にも応用できる。X線回折装置は、試料を載置する基準位置を中心して検出器を回転させる回転駆動軸を備えている。そして、回転駆動軸に公差誤差が生じると取得するデータに影響を与えることがある。例えば、公差誤差によりカメラ長(試料-検出器間距離)が変わると、取り込み角度が変わる。同じ回折線を取得しても、検出器面上で検出される位置が変わるため、角度誤差が生じる。
試験用のガントリ回転型のX線CT装置を用いて、鋼球をCT測定した。得られた鋼球の投影像から重心位置を算出し、得られた実測のu方向の重心位置からΔxおよびΔyを算出した。ΔxおよびΔyの算出にはHelgason-Ludwig条件を用いた最適化を行った。図9は、回転角度に対する実測および計算によるu方向の重心位置を示すグラフである。図9に示すように、パラメータ{ai}{bj}が最適化されると、u方向の重心位置について実測値と計算値とが一致することを確認した。
補正の有無による再構成画像の違いを確認した。まず、Δx、Δy、およびΔzの算出に用いた鋼球について、補正無しの投影像を用いて再構成画像を生成した。次に、算出されたΔx、Δy、およびΔzを用いて補正した投影像を用いて再構成画像を生成した。図14(a)、(b)は、それぞれ補正無しおよび補正有りの鋼球の再構成画像である。図14(a)では、ブレが生じ鋼球が球形に表示されていないのに対し、図14(b)では、鋼球が球形に表示されていることが確認できた。
次に、X線テストチャートをCT測定し、まず補正無しの投影像を用いて再構成画像を生成した。次に、鋼球を用いて算出されたΔx、Δy、およびΔzを用いて補正した投影像を用いて再構成画像を生成した。図15(a)、(b)は、それぞれ補正無しおよび補正有りのX線テストチャートの再構成画像である。図15(a)では、X線テストチャートのパターンの境界が明瞭でないのに対し、図15(b)では、境界が明瞭であることを確認できた。
200 X線CT装置
210 回転制御ユニット
220 試料位置制御ユニット
250 試料台
260 X線源
270 検出器
300 処理装置
310 公差誤差推定装置
311 測定データ記憶部
312 装置情報記憶部
320 特定位置算出部
330 ずれ量算出部
332 表示処理部
335 補正量算出部
340 テーブル記憶部
345 指定受付部
350 再構成装置
360 再構成部
370 制御装置
380 補正制御部
410 入力装置
420 表示装置
L 制御バス
Claims (12)
- X線分析装置の回転駆動軸の公差誤差を推定する公差誤差推定装置であって、
X線検出画像から各回転駆動時間における標準試料の特定位置を求める特定位置算出部と、
前記特定位置に基づいて、試料に固定された直交座標系のz方向を回転駆動軸に平行な方向としたときに各回転駆動時間における回転駆動軸の中心位置の基準位置からのx方向のずれ量Δxおよびy方向のずれ量Δyを算出するずれ量算出部と、を備えることを特徴とする公差誤差推定装置。 - 前記ずれ量算出部は、
各回転駆動時間に対する前記ΔxおよびΔyのそれぞれの関数形を仮定し、
前記仮定した関数形のパラメータを最適化することで前記Δxの算出に用いる関数Δx(t)および前記Δyの算出に用いる関数Δy(t)を決定し、
前記決定したΔx(t)およびΔy(t)を用いて各回転駆動時間における前記ΔxおよびΔyを算出することを特徴とする請求項1記載の公差誤差推定装置。 - 前記ずれ量算出部は、
前記X線検出画像から求められた特定位置と前記仮定されたΔxおよびΔyのそれぞれの関数形を用いて算出された特定位置との一致度を表す評価関数を最小化するように、前記仮定された関数形のパラメータを最適化することを特徴とする請求項2記載の公差誤差推定装置。 - 前記ずれ量算出部は、
前記ΔxおよびΔyのそれぞれの関数形を回転駆動を周期とする周期関数と仮定して前記ΔxおよびΔyを算出することを特徴とする請求項2または請求項3記載の公差誤差推定装置。 - 前記X線検出画像は、50μm以下の検出素子を有する二次元検出器で取得されたことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載の公差誤差推定装置。
- 前記算出されたΔxおよびΔyに基づく補正用のパラメータを含むテーブルを記憶するテーブル記憶部をさらに備えることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載の公差誤差推定装置。
- 前記ずれ量算出部によって算出された一回転にわたるΔxおよびΔyを公差誤差の軌跡として表示させる表示処理部をさらに備えることを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載の公差誤差推定装置。
- 前記ΔxおよびΔyを適用する手段の指定を受け付ける指定受付部をさらに備え、
前記受け付けた指定に応じた再構成機能または制御機能を起動することを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載の公差誤差推定装置。 - 前記X線分析装置は、X線CT装置であり、
請求項1から請求項8のいずれかに記載の公差誤差推定装置により算出されたずれ量を補正したCT投影像を用いて3次元画像の再構成を行う再構成部を備えることを特徴とする再構成装置。 - 請求項1記載から請求項8のいずれかに記載の公差誤差推定装置により算出されたずれ量に基づき、前記X線分析装置の補正制御を行う補正制御部を備えることを特徴とする制御装置。
- X線分析装置の回転駆動軸の公差誤差を推定する方法であって、
各回転駆動時間における標準試料のX線検出画像から特定位置を求めるステップと、
前記特定位置に基づいて、回転駆動軸に平行な方向を試料に固定された直交座標系のz方向としたときに各回転駆動時間における回転駆動軸の中心位置の基準位置からのx方向のずれ量Δxおよびy方向のずれ量Δyを算出するステップと、を含むことを特徴とする方法。 - X線分析装置の回転駆動軸の公差誤差を推定するプログラムであって、
各回転駆動時間における標準試料のX線検出画像から特定位置を求める処理と、
前記特定位置に基づいて、回転駆動軸に平行な方向を試料に固定された直交座標系のz方向としたときに各回転駆動時間における回転駆動軸の中心位置の基準位置からのx方向のずれ量Δxおよびy方向のずれ量Δyを算出する処理と、をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
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