JP4057963B2 - 放射線ｃｔ装置による組成分析方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放射線ＣＴ装置で得られる対象物の３次元ＣＴ画像に基づいて当該対象物を構成する物質の種類と量を特定して組成分析を行う組成分析方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
放射線ＣＴ装置（以下適宜にＣＴ装置と略称する）は、エックス線やガンマ線などの放射線を照射して対象物のＣＴ画像（ＣＴ画像データ）を得る。このＣＴ画像は対象物における密度分布に対応している。したがって対象物を構成している物質の種類に予め見当がついていれば、その各物質に固有の密度から対象物中の各構成物質の種類と量（質量、体積）を３次元ＣＴ画像に基づいて特定することができ、これにより対象物の組成を分析することができる。
【０００３】
特許文献１にそのような技術の例が開示されている。特許文献１に開示の組成分析方法では、まず対象物に所定サイズの体積要素を設定してその体積要素ごとに、３次元ＣＴ画像における線級数係数と密度の対応関係から密度を求める。それからその密度をパラメータとして体積要素の分布状態、つまり体積要素の体積量（単位体積）に体積要素の数を乗じて得られる体積について密度をパラメータとした分布状態を密度スペクトルとして求める。そしてその密度スペクトルにおいて、一つの単峰性形状を有する分布を一つの構成物質に対する体積の分布とみなし、その単峰性形状を有する分布の最大値を当該構成物質の体積として各構成物質の体積や質量を求める。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−３２７５２５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、物質は、例えばカドミウムの場合であれば最小８．４５から最大８．８５、銅の場合であれば最小８．７０から最大９．１０というように、その固有の密度が必ずしも一つの値でなく範囲（広がり）をもっている場合が少なくない。このように密度範囲をもった物質が対象物の構成物質となっている場合、特許文献１に開示の技術では組成分析の精度が低下してしまう。すなわち特許文献１に開示の技術では、上記のように密度スペクトルにおける単峰性形状分布の最大値のみを一つの構成物質の体積とみなすようにしている。これは密度範囲を有する構成物質の場合であれば、その密度範囲における一つの密度値だけを見ていることに相当する。このため例えば密度範囲８．４５〜８．８５を有するカドミウムについては、単峰性形状分布の最大値で表わされる一つの密度値（例えば８．６５）から外れた密度範囲のカドミウムが対象物に含まれていてもそれを構成物質として扱うことができなくなり、組成分析の精度が低下してしまう。
【０００６】
本発明は、このような従来の事情を背景になされたものであり、対象物の構成物質における固有の密度に範囲があり、密度範囲が構成物質間で重複する場合でも高精度な組成分析を可能とする放射線ＣＴ装置による組成分析方法の提供を目的としている。
【０００７】
上記目的を達成するため本発明では、複数の構成物質からなる対象物について放射線ＣＴ装置により３次元ＣＴ画像を取得し、前記３次元ＣＴ画像に基づいて、前記３次元ＣＴ画像の画素の一つまたは複数に対応させた３次元の体積要素ごとに、前記構成物質の種類と量を前記構成物質に固有の密度から特定するようになっている放射線ＣＴ装置による組成分析方法において、前記各構成物質の固有の密度について密度範囲を設定する第一の工程と、前記対象物の３次元ＣＴ画像データを作成し、該３次元ＣＴ画像データに基づき体積要素を設定する第二の工程と、前記各構成物質の密度重複範囲について情報を取得する第三の工程と、前記各構成物質の密度範囲が重複する不明物質及び前記各構成物質の密度範囲が重複しない判明済構成物質によって体積要素を特定する第四の工程と、前記不明物質の体積要素と前記判明済構成物質の体積要素との間の位置的連結性に基づいて、前記不明物質が該当する構成物質を前記判明済構成物質の中から特定する第五の工程と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１に、本発明による組成分析方法で用いることのできるＣＴ装置の例を示す。まずこのＣＴ装置について簡単に説明する。ＣＴ装置は、放射線源１、一次元または二次元のアレイ検出器２、組成分析の対象物３が載置されるテーブル４、テーブル４を高精度に並進、回転駆動する駆動装置５、アレイ検出器２の出力信号をＡ／Ｄ変換する機能などを有する信号処理回路７、テーブル４に設置した位置検出器８からの位置信号をもとに放射線源１の照射タイミングと信号処理回路７の信号取り込みのタイミングを同期するトリガーを出力するトリガーパルス発信器９、信号処理回路７の出力信号を受信して像再構成演算を行う演算装置１０、各装置の制御を行う制御装置１１、演算装置１０からＣＴ画像データを取得して組成分析を行う組成分析装置１２を有する。
【００１０】
テーブル４の上に載置された対象物３は、テーブル４の回転動作や並進動作（上下動作など）に応じて回転や並進を行いつつ放射線源１からの放射線６の照射を受ける。対象物３を透過してきた放射線６はアレイ検出器２で検出される。アレイ検出器２での放射線検出信号は信号処理回路７に取り込まれる。放射線源１からの放射線６の照射タイミングは、信号処理回路７によるアレイ検出器２からの放射線検出信号の取り込みタイミングと同期させられており、その同期はトリガーパルス発生器９が出力するトリガーによりなされる。放射線検出信号を取り込んだ信号処理回路７は、それを増幅するとともにＡ／Ｄ変換して演算装置１０に送る。演算装置１０は、信号処理回路７からの信号を受けて像再構成演算を行う。そして演算装置１０による像再構成演算で得られるＣＴ画像データに基づいて組成分析装置１２が組成分析を行う。
【００１１】
以上のようなＣＴ装置を用いた組成分析は、ＣＴ装置で対象物を撮影して得られるＣＴ画像における線吸収係数の分布が対象物における密度の分布に対応しており、対象物を構成している物質の種類に予め見当がついていれば、その各物質に固有の密度から対象物中の各構成物質の種類と量（質量、体積）を３次元ＣＴ画像データに基づいて特定することができ、これにより対象物の組成を分析することができる、という原理に基づいてなされるもので、図２に示すような処理ステップを含んで実行される。以下、これらの各処理ステップについて説明する。
【００１２】
ステップ１０１では線吸収係数と密度を結びつける関係式を求める。その処理の具体的内容は以下の通りである。ただ、この処理は個々の対象物についての組成分析作業として行う必要はなく、いわば組成分析用のデータベースの作成として行われるものである。一般に、物質と放射線の相互作用がコンプトン散乱領域である場合には、物質の放射線に対する線吸収係数と物質の密度の間には比例関係が成立する。例えば図３に示すように、横軸に物質の密度、縦軸に物質の線吸収係数をとり、コンクリート、アルミニウム、鉄、銅、鉛、タングステンの各物質に対して、入射放射線がＸ線で、そのエネルギーが１ＭｅＶおよび４ＭｅＶの場合の線吸収係数をプロットしていくとそれぞれについて直線が得られ、物質の線吸収係数と密度との間には比例関係が成立することがわかる。このことから物質の密度ｄに対応する線吸収係数ｆをｆ＝Ｃ×ｄ＋Ｄとして求めることができる。ここで、Ｃ、Ｄは放射線のエネルギーによって定まる定数である。これら二つの定数は図３に示した直線から求めることができる。すなわち、Ｃは直線の傾きであり、Ｄは、直線と縦軸が交わる点の縦軸の値である。例えば、Ｘ線のエネルギーが１ＭｅＶと４ＭｅＶの時には、Ｃ、Ｄはそれぞれ次のようになる。
Ｃ＝０．０６６２、Ｄ＝−０．０１３８０２（１ＭｅＶの場合）
Ｃ＝０．０４０６７１、Ｄ＝−０．０２４８６９（４ＭｅＶの場合）
なお、Ｘ線のエネルギーは、装置固有の値となるため、Ｘ線のエネルギーで定まる定数ＣとＤをあらかじめ求めておくことができる。
【００１３】
ステップ１０２では、対象物を構成する物質の候補についてそれぞれに固有の密度を設定する。上述のように物質の固有密度には範囲があるのが一般的であるので、この密度の設定は密度範囲の設定としてなされる。ステップ１０２における処理の具体的内容は以下の通りである。本発明による組成分析は、例えばドラム缶に充填された放射性廃棄物の検査としてなされる組成分析などに有用である。このような場合には対象物の各構成物質（これは対象物の全ての構成物質である必要はなく、対象物中で問題にする構成物質だけのこともある）となる物質の候補に予め見当をつけることができる。そこでその候補となる物質についてデータベースを作成する。そのデータベース作成におけるＧＵＩ（Graphical User Interface）の例を図４に示す。図の例では対象物の構成物質候補としてカドミウム、炭素鋼、銅を設定し、それぞれについて最小密度から最大密度までの密度範囲を設定してある。この密度範囲値はＪＩＳ等の一般的な規格や物性データから知ることができる場合にはそれにより、そのようなデータがない場合には実験的に求めたものを使用する。図の例では、カドミウムの密度範囲が８．４５〜８．８５、炭素鋼の密度範囲が８．１５〜８．５５、銅の密度範囲が８．７０〜９．１０であり、これらの密度範囲には重複範囲がある。以下で説明するような処理を経てなされる本発明による組成分析方法は、このように密度範囲には重複範囲がある場合に特に有効となる。
【００１４】
ステップ１０３では対象物の３次元ＣＴ画像データを作成する。その処理の具体的内容は以下の通りである。まずＣＴ装置で対象物を垂直方向に等間隔でスライスするように撮影して当該対象物についての多数の断面像（２次元ＣＴ画像）を取得する。図５の左側にそれをイメージ化して示してあり、図には断面（スライス面）Ａ〜Ｃが示してある。次いで、これらの２次元ＣＴ画像をもとに、図５の右側にイメージ化して示すように、３次元の体積要素が稠密に配列して構成される３次元ＣＴ画像（３次元ＣＴ画像データ）を作成する。その体積要素は、２次元ＣＴ画像の画素の一つまたは複数を底面とし、断面の間隔（スライス間隔）またはその整数倍を高さサイズとして設定される。すなわち体積要素は、３次元ＣＴ画像における画素の一つまたは複数に対応したものとして設定される。したがって体積要素は、一辺のサイズが等しい直方体とされることもあるし、各辺のサイズが異なる直方体とされることもある。図の例では２次元ＣＴ画像の画素の一つを底面とし、スライス間隔を高さサイズとした体積要素としてある。
【００１５】
ステップ１０４では密度重複範囲についての情報を取得する。ステップ１０２で設定された構成物質候補の密度には一定の範囲がある。このためその密度範囲が重複している場合があり、その重複範囲については取り敢えずいずれの物質とも特定できない。そこでこれを仮に不明物質として適当な物質名を仮に付与する。図６にその処理の内容をイメージ化して示してある。図の例では、（２）と（４）の密度範囲において構成物質候補間に密度範囲の重複があり、その重複範囲を不明物質とし、不明物質１、不明物質２という仮の物質名を付与している。これらの不明物質１、２は、後述の処理を経ることで最終的にはステップ１０２で登録した構成物質候補のいずれかとして特定されることになる。またステップ１０４では、仮の構成物質候補である不明物質１や不明物質２と実際の構成物質候補との対応関係に関する情報も取得する。図６の例では不明物質１が該当すべき実際の構成物質候補がカドミウムと炭素鋼となり、不明物質２が該当すべき実際の構成物質候補がカドミウムと銅となっている。この情報は、逆に、炭素鋼とすべき可能性のある不明物質は不明物質１であり、カドミウムとすべき可能性のある不明物質は不明物質１と不明物質２、銅とすべき可能性のある不明物質は不明物質２であるという情報ともなっている。
【００１６】
ステップ１０５では、ステップ１０３で作成した３次元ＣＴ画像における体積要素の構成物質を特定し、その構成物質が特定された体積要素の数を構成物質ごとに積算して各構成物質の体積と質量を算出する。この処理の具体的内容は以下の通りである。まず各構成物質候補（この時点では、上で説明した例の場合、カドミウム、炭素鋼、銅が構成物質候補であり、それに不明物質１、２も仮の構成物質候補である）についてそれぞれの重複していない密度範囲に対応する線吸収係数の範囲をステップ１０１における関係式ｆ＝Ｃ×ｄ＋Ｄにより求める。例えば図６の炭素鋼では不明物質１と重複していない密度範囲は８．１５〜８．４５、不明物質１の密度範囲は８．４５〜８．５５である。この密度範囲について関係式ｆ＝Ｃ×ｄ＋Ｄにより対応する線吸収係数の範囲を求める。次いでその求めた線吸収係数の範囲に含まれる線吸収係数を有した体積要素を抽出する。これは結果として、構成物質候補のいずれかで構成される体積要素ごとにその構成物質を特定したことにもなる。図７に、この処理の結果をイメージ化して示してある。図７では体積要素を２次もとに配列して示してあるが、実際には体積要素は３次元で配列されることになる。
【００１７】
各体積要素の構成物質を特定したら、その構成物質ごとに体積要素の数を積算して体積と質量を算出する。質量の算出については、本実施形態ではまず構成物質が同じである体積要素（図７に付属させてある表では画素としてある）ごとにそれぞれの密度を積算して合計密度を求める。図７の例では、例えば炭素鋼として抽出した要素数は８個でその合計密度は６６．４であり、不明物質１として抽出した要素数は１個でその合計密度は８．５である。それからこの合計密度に体積要素の体積量（単位体積）を乗じれば各構成物質の質量が得られる。一方、体積は、体積要素数に体積要素の体積量を乗じることで算出できる。この時点では、実際の構成物質であるカドミウム、炭素鋼、銅のいずれかであるべき不明物質１、２についても構成物質としてそれぞれの体積と質量を求めている。したがってカドミウム、炭素鋼、銅について得られている体積や質量は仮の値ということになる。
【００１８】
ステップ６では、不明物質１、２が該当する実際の構成物質を既に対象物の構成物質として判明している判明済構成物質の内から特定し、不明物質１、２の体積や質量をその判明済構成物質に加算する。その処理は以下のようにしてなされる。図８にこの処理で用いるＧＵＩの例を示す。構成物質候補のリストから着目する判明済構成物質をマウス操作などで選択すると、ステップ４において求めてある情報つまり仮の構成物質候補である不明物質１、２と実際の構成物質候補との対応関係に関する情報をもとに、着目の判明済構成物質に対応する不明物質のリストが表示される。図８の例では、着目の判明済構成物質がカドミウムと銅となっており、それに対応する不明物質として不明物質１がリストアップされ、また不明物質１の該当候補としてカドミウムと銅がリストアップされている。この状態で不明物質リストのチェックボタンを不明物質１についてＯＮにすると、その不明物質１と着目の判明済構成物質それぞれに対応する体積要素についての画像が表示される。図９の左側にその画像の例を示す。図９の例では２次元画像としてあるが、３次元画像を用いるようにしてもよい。
【００１９】
この画像に基づいて不明物質の体積要素と判明済構成物質の体積要素の連結性を判定し、その連結性から不明物質が該当する構成物質候補を特定する。連結性には、位置的連結性と密度的連結性がある。位置的連結性は、不明物質の体積要素と判明済構成物質の体積要素の位置関係であり、不明物質の体積要素がどの判明済構成物質の体積要素に対してより近いかという観点から判定される。一方、密度的連結性は、不明物質の体積要素の密度と判明済構成物質の体積要素の密度との関係であり、不明物質の体積要素の密度がどの判明済構成物質の体積要素の密度に対してより近いかという観点から判定される。この位置と密度の両連結性は、まず位置的連結性を判定し、その位置的連結性だけで不明物質が該当する判明済構成物質を特定できる場合にはそれを行い、位置的連結性だけでは不明物質が該当する判明済構成物質の特定を一意的になせない場合には密度的連結性を加味するというようにして用いる。
【００２０】
その位置的連結性による判定は以下のようにしてなされる。図９の左側の例においては、炭素鋼に対応する８個の体積要素の塊とカドミウムに対応する３個の体積要素の塊、それに不明物質１に対応する体積要素の塊（実際には一つの体積要素）がある。そして炭素鋼の塊とカドミウムの塊は離れてあり、不明物質１の塊は炭素鋼の塊に近接している。このことから不明物質１は炭素鋼である可能性が十分に高いといえるので、不明物質１を炭素鋼であると判定する。そのように判定したら、図１０に示すようにして、不明物質１の該当候補のリストから炭素鋼を選択する。すると、図９の左側の画像が図９の右側に示す画像の状態になり、不明物質１の体積と質量が炭素鋼の体積と質量に加算される。以上の処理は、対象物中に不明物質に対応する体積要素の塊が複数箇所ある場合にはその各塊について行うことになる。
【００２１】
以上の実施形態では、不明物質を特定する前に各構成物質の体積や質量を求めるようにしていたが、不明物質が該当する構成物質を特定してから各構成物質の体積や質量を求めるようにしてもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、対象物の構成物質が密度に範囲を持っており、密度範囲が構成物質間で重複する場合にその密度範囲も取り込んで構成物質を特定できるようにしている。したがって本発明によれば、より高精度な組成分析が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による組成分析方法で用いることのできるＣＴ装置の構成例を示す図である。
【図２】一実施形態による組成分析方法における処理の流れを示す図である。
【図３】物質の線吸収係数と物質の密度の関係について説明する図である。
【図４】構成物質のデータベースを入力するＧＵＩの例を示す図である。
【図５】断面画像から３次元ＣＴ画像データを構成する様子をイメージ化して示す図である。
【図６】密度範囲の設定などに関する処理の内容をイメージ化して示す図である。
【図７】３次元ＣＴ画像における体積要素の構成物質を特定する様子をイメージ化して示す図である。
【図８】不明物質の特定などの処理に際して用いるＧＵＩの例を示す図である。
【図９】不明物質が該当する構成物質を特定する際に用いられる画像の例を示す図である。
【図１０】図８のＧＵＩにおいて不明物質の一つを特定した際の操作の様子を示す図である。
【符号の説明】
１ 放射線源
３ 対象物
６ 放射線
１２ 組成分析装置

Claims (1)

1. 複数の構成物質からなる対象物について放射線ＣＴ装置により３次元ＣＴ画像を取得し、前記３次元ＣＴ画像に基づいて、前記３次元ＣＴ画像の画素の一つまたは複数に対応させた３次元の体積要素ごとに、前記構成物質の種類と量を前記構成物質に固有の密度から特定するようになっている放射線ＣＴ装置による組成分析方法において、
   前記各構成物質の固有の密度について密度範囲を設定する第一の工程と、
   前記対象物の３次元ＣＴ画像データを作成し、該３次元ＣＴ画像データに基づき体積要素を設定する第二の工程と、
   前記各構成物質の密度重複範囲について情報を取得する第三の工程と、
   前記各構成物質の密度範囲が重複する不明物質及び前記各構成物質の密度範囲が重複しない判明済構成物質によって体積要素を特定する第四の工程と、
   前記不明物質の体積要素と前記判明済構成物質の体積要素との間の位置的連結性に基づいて、前記不明物質が該当する構成物質を前記判明済構成物質の中から特定する第五の工程と、を備えたことを特徴とする放射線ＣＴ装置による組成分析方法。

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