JP4532364B2

JP4532364B2 - 密度分析方法、コンピュータプログラムおよび密度分析システム

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Publication number: JP4532364B2
Application number: JP2005199686A
Authority: JP
Inventors: 名雲　　靖; 上村　　博
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-07-08
Filing date: 2005-07-08
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2025-07-08
Also published as: JP2007017314A

Description

本発明は、Ｘ線ＣＴ装置で得られるＸ線ＣＴデータから被検体の密度分析を行う技術に関する。

Ｘ線ＣＴは、Ｘ線源から照射されるＸ線が被検体を透過する際に吸収・減衰される量を検出し、その検出データ（計測データ）からコンピュータによる画像再構成演算により被検体の２次元の断層像や３次元の立体像を得る。Ｘ線ＣＴ装置で得られる画像は、画素と呼ばれる小領域(２次元像ではセル、３次元像ではボクセル)の集合として構成される。そしてその各画素は、被検体を構成する物質の密度に対応した「ＣＴ値」あるいは「セル値」と呼ばれるデジタル値を持っている。すなわちＸ線ＣＴ装置で得られるＸ線ＣＴデータ（計測データやＸ線ＣＴ画像）は、被検体の密度状態を体現している。こうしたＸ線ＣＴデータの特性は、被検体の密度分析に活用することができ、その密度分析により、例えば鋳造品の鋳巣、コンクリート材の内部ひび割れ、あるいは溶接部の欠陥などのような構造物の内部における欠陥を解析したり、あるいは構造体の内部構造を解析したりすることができる（例えば特許文献１〜特許文献５）。

特許第３１２５１２０号公報特開平７−１３４０８８号公報特開平８−３２７５２５号公報特開２００５−２４４４４号公報特表２００２−５３５６２５号公報

Ｘ線ＣＴデータを利用した密度分析の有用性はますます高まる方向にあり、それに伴って、より微小な密度差まで分析する高精度な密度分析に対する要求が高まってきている。しかし、Ｘ線ＣＴ装置には分解能がある。現在のＸ線ＣＴ装置における分解能は、被検体を構成する物質の密度の２％程度であるのが一般的であるが、その分解能の近辺ではノイズの影響が大きくなる。そのため分解能の近辺では有意な密度分析が困難になり、高精度な密度分析の要求に応えることができていないのが従来における実情であった。

こうしたことから本願の出願人は、Ｘ線ＣＴ装置における分解能の近辺でも有意な密度分析を可能とする密度分析手法を特願２００４−２７９１６６号として提案している。この特願２００４−２７９１６６号における密度分析では、Ｘ線ＣＴデータに設定される密度分析対象部位を中心にして複数の画素からなる密度検査領域を設定し、この密度検査領域について求めた平均密度値を密度分析対象部位の密度値として密度分析を行うようにしている。このようにすることで、画素ごとにランダムに生じるノイズの影響をキャンセルでき、したがってノイズの影響を大幅に低減することができ、これにより密度分析の精度が大幅に高まり、Ｘ線ＣＴ装置における分解能の近辺でも有意な密度分析が可能となる。

しかしこの密度検査領域方式による密度分析は、ノイズの影響低減が密度検査領域のサイズに相関することから、以下のような密度検査領域のサイズに関する問題を抱えている。密度分析では、密度分布を求める場合、被検体を横断する密度分析層を単位とし、その密度分析層ごとに求めた密度分布を積み重ねることで被検体における３次元的な密度分布を求めるようにして行われる。この場合の密度分析層は、ある有限の厚みを有している。すなわち密度分析層は、２次元の画像つまり断層像の場合であれば、断層像のスライス層に対応し、そのスライス層がＸ線のビーム幅による厚みを有しているのに応じて有限の厚みを有し、３次元の画像つまり立体像の場合であれば、密度分析層の積み重ね方向に複数の画素を含むことで有限の厚みを有している。そのため密度分析層の面方向である水平方向における空間分解能と、密度分析層の面方向に垂直な方向（密度分析層の積み重ね面方向）である垂直方向における空間分解能がある。このような空間分解能について、密度分析の目的によっては、水平方向空間分解能をできるだけ高めたい場合がある。水平方向空間分解能を高くするためには、水平方向について密度検査領域のサイズを小さくするのが有効であるが、密度検査領域のサイズを小さくすると、密度検査領域を通過するＸ線の量が相対的に低下し、密度検査領域方式におけるノイズの影響排除効果が低下してしまう可能性がある。

ただ、これについては、密度分析層を厚くするという対応が可能である。密度分析層を厚くすることは、断層像の場合であればスライス層を厚くすることである。密度分析層を厚くすると、Ｘ線ＣＴ画像における１画素あたりのフォトン量が増加する。ノイズはこのフォトン量に相関し、フォトン量が増えるとノイズが相対的に低減することから、フォトン量の増加でノイズの影響を低減させることができる。しかし密度分析層を厚くすることは垂直方向空間分解能を低下させる。すなわち垂直方向空間分解能と水平方向空間分解能は、ノイズの影響を適切に低減するという条件の下でトレードオフの関係にある。このことから、垂直方向空間分解能をできるだけ高く保ちつつ、所望の水平方向空間分解能を実現し、なおかつノイズの影響を適切に低減することを可能とする手法が求められることになる。

本発明は、このような要求に応えるためになされたものであり、Ｘ線ＣＴデータによる密度分析について、垂直方向空間分解能をできるだけ高く保ちつつ所望の水平方向空間分解能を実現し、なおかつノイズの影響を適切に低減できるようにすることを目的としている。

本発明では上記目的のために、Ｘ線ＣＴ装置で被検体を撮像して得られる２次元のＸ線ＣＴデータに基づいて前記被検体の密度を分析する密度分析方法において、前記Ｘ線ＣＴデータに設定される複数の密度分析対象部位ごとに、複数の画素からなる密度検査領域を前記Ｘ線ＣＴデータに設定する処理、前記処理で設定された各密度検査領域について、それぞれにおける複数の画素の各密度値から平均値を求めるとともに、それについての分散または標準偏差を求める第１の平均密度等算出処理、前記処理で求めた分散または標準偏差に基づいて閾値を設定する処理、前記処理で設定した密度検査領域のサイズを変更する処理、前記処理でサイズ変更された密度検査領域のサイズに応じたスライス厚を実現するのに必要な使用断面数を求める処理、前記処理で求めた使用断面数に基づいて重ね合せ断面画像を作成する処理、前記重ね合せ断面画像に前記サイズ変更後の密度検査領域を設定する処理、前記処理で設定されたサイズ変更後の各密度検査領域について、それぞれにおける複数の画素の各密度値から平均値を求めるとともに、それについての分散または標準偏差を求める第２の平均密度等算出処理、前記第２の平均密度等算出処理で算出された分散または標準偏差について代表値を求める処理、および前記処理で求めた使用断面数の適否を前記代表値と前記閾値の比較で判定する処理を含んでいることを特徴としている。

また本発明では上記目的のために、Ｘ線ＣＴ装置で被検体を撮像して得られる３次元のＸ線ＣＴデータに基づいて前記被検体の密度を分析する密度分析方法において、前記Ｘ線ＣＴデータに設定される複数の密度分析対象部位ごとに、前記密度分析対象部位を中心にして複数の画素からなる３次元の密度検査領域を前記Ｘ線ＣＴデータに設定する処理、前記処理で設定された各密度検査領域について、それぞれにおける複数の画素の各密度値から平均値を求めるとともに、それについての分散または標準偏差を求める第１の平均密度等算出処理、前記処理で求めた分散または標準偏差に基づいて閾値を設定する処理、前記処理で設定した密度検査領域のサイズを変更する処理、前記処理でサイズ変更された密度検査領域を前記Ｘ線ＣＴデータに設定する処理、前記処理で設定されたサイズ変更後の各密度検査領域について、それぞれにおける複数の画素の各密度値から平均値を求めるとともに、それについての分散または標準偏差を求める第２の平均密度等算出処理、前記第２の平均密度等算出処理で算出された分散または標準偏差について代表値を求める処理、および前記処理における前記密度検査領域のサイズ変更の適否を前記代表値と前記閾値の比較で判定する処理を含んでいることを特徴としている。

また本発明では、上記のような密度分析方法を実行するについて、当該方法を実行するための手順が記述されているコンピュータプログラムを介在させるものとしている。

また本発明では、Ｘ線ＣＴ装置で被検体を撮像して得られる３次元のＸ線ＣＴデータに基づいて前記被検体の密度を分析する密度分析システムについて、上記のような密度分析方法を実行するための手順を記述したコンピュータプログラムに基づいて密度分析処理を行う密度分析装置を備えるものとしている。

本発明では、所望の水平方向空間分解能とするために密度検査領域のサイズ変更を行えるようにするとともに、その密度検査領域のサイズ変更に応じた最適な垂直方向の空間分解能を求めることができるようにしている。このため本発明によれば、密度検査領域方式の密度分析について、水平方向の空間分解能を高めるために密度検査領域のサイズを縮小する場合でも、密度検査領域方式におけるノイズの影響排除効果を適切に維持し、なおかつ垂直方向の空間分解能を可能な限り高い状態にして密度分析を行うことが可能となる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。まず密度分析で用いるＸ線ＣＴデータの取得方法について説明する。図１に、Ｘ線ＣＴ装置による２次元撮像の例を模式化して示す。Ｘ線ＣＴ装置２は、加速器やＸ線管などが用いられるＸ線源２ａ、Ｘ線源２ａからのＸ線２xを検出するＸ線検出器２ｂ、被検体１を載せるターンテーブル２ｃなどにより構成される。Ｘ線源２ａは、ターンテーブル２ｃ上の被検体１に対してファンビームのＸ線２xを照射する。Ｘ線２xの照射を受けながら被検体１はターンテーブル２ｃにより回転させられ、これにより被検体１を１つの断面について撮像した計測データ３が得られる。計測データ３は複数の断面について取得する。それには、Ｘ線源２ａとＸ線検出器２ｂを同期させて上下方向に移動させるか、あるいはターンテーブル２ｃを上下方向に移動させることで被検体１における撮像断面位置を垂直方向で変えながら、各断面について計測データ３を取得する。撮像断面は任意に選択してもよいが、好ましくは、Ｘ線２xが被検体１を包含するように断面を決定する。そのためには、Ｘ線源２ａからのＸ線２xが、撮像断面を中心として撮像断面に垂直な方向に有限の幅ΔＺをもつことを考慮し、この幅ΔＺでＸ線源２ａとＸ線検出器２ｂの同期上下動またはターンテーブル２ｃの上下動を行わせつつ各断面の撮像を進めるようにする。以上のようにして複数の断面についての計測データ３、３、…が得られたら、図２に示すように、それらに画像再構成処理４を施して断面画像（断層像）５、５、…を作成する。

次に、第１の実施形態による密度分析方法について説明する。図３に、その処理の流れを示す。本実施形態では、まず計測データ取得処理１００１として、以上のような計測データの取得を行う。具体的には、被検体１を複数の断面について撮像し、各断面の計測データ３、３、…を取得する。次いで、画像再構成処理１００２を行う。画像再構成処理１００２では、図２に示すように、計測データ３、３、…に画像再構成処理４を施して断面画像５、５、…を作成する。ここで、計測データ取得処理１００１と画像再構成処理１００２は、密度分析処理に先立つ別な処理として行うようにする形態とすることも可能である。

画像再構成処理１００２で断面画像５、５、…が得られたら、第１の密度検査領域設定処理１００３を行う。第１の密度検査領域設定処理１００３では、複数の断面画像５、５、…のいずれか１つに対して密度検査領域の設定を行う。ここで、密度検査領域とは、上記特願２００４−２７９１６６号で提案されている密度分析手法における「密度検査領域」と同一の概念であり、断面画像における密度分析対象部位を中心にしてその周囲に有限の面積を持つように、つまり複数の画素を含むように設定され、密度分析対象部位の密度を求めるためにＣＴ値のサンプリング対象とする画素の範囲を定義する単位としての領域のことである。したがって密度検査領域は、ノイズの影響を有効に排除するのに必要な数の画素を含むようなサイズとされる。

図４に、密度検査領域の例とそれを断面画像に設定する例を示す。図４は、密度検査領域設定テンプレートＴを用いて密度検査領域の設定を行う場合の例を示している。密度検査領域設定テンプレートＴは、意図する密度分析対象部位の配列に対応させて密度検査領域６を配列して形成されるもので、これを断面画像５に適用することで、断面画像５における複数の密度分析対象部位のそれぞれに対して密度検査領域６を設定することができる。このような密度検査領域設定テンプレートＴを用いた密度検査領域の設定では、密度検査領域設定テンプレートＴと断面画像５との間に幾何学的なずれを生じる場合もある。そのような場合には、密度検査領域設定テンプレートＴにおける密度検査領域６の配列を一次変換により座標変換することでずれを解消してから密度検査領域設定テンプレートＴを断面画像５に適用する。一次変換あるいは座標変換に必要となる同時マトリックスの各要素値は、直線形状や円形状など、断面画像５が表している被検体の断面形状に基づいて決定することができる。

ここで、図４では密度検査領域６の形状を矩形とした例としてあるが、密度検査領域の形状としては、矩形の他に円形、扇形など様々に定義することができる。例えば、被検体の断面形状が円形の場合には、密度検査領域の形状も円形とするのが好ましい場合が多い。また同様に、被検体の断面形状が図５示すようなドーナツ形状の場合であれば、扇形や図５に示す例の密度検査領域６ａのような形状とするのが好ましい場合が多い。また密度検査領域の設定は、図４の例のような密度検査領域設定テンプレートによる手法に限られず、表示された断面画像を見ながら密度検査領域の配列を決定するという手法で行うなど、任意の手法を採用することが可能である。

第１の密度検査領域設定処理１００３に続いて、第１の平均密度等計算処理１００４を行う。第１の平均密度等計算処理１００４では、断面画像５に設定された複数の密度検査領域６のそれぞれについて、領域内の画素値をサンプリングして平均密度を求めるとともに分散を求め、さらに標準偏差を求める。平均密度は以下の式により計算する。

ここで、バー（−）付きのρ_ｉは１つの断面画像に設定される複数の密度検査領域それぞれにおける平均密度、ｉ(=1、…、M)は１つの断面画像に設定される密度検査領域の数、ρ_ijは密度検査領域に含まれる個々の画素が有するＣＴ値を密度に変換した値、j(= 1、…、N)は１つの密度検査領域に含まれる画素の数である。ＣＴ値の密度値への変換は以下の式による。

ここで、ρは密度、xはＣＴ値である。また、ａ、ｂは下記の式により計算する。

ここで、数３式と数４式における<>で囲まれた値は平均値を表わす。

各密度検査領域における分散Ｓ_ｉと標準偏差σ_ｉは、それぞれ下記の式により計算する。

第１の平均密度等計算処理１００４により各密度検査領域における標準偏差σ_ｉが求まったら、そのσ_iから、後の処理で必要となる標準偏差の代表値σ0を求める（第１の代表値導出処理１００５）。σ0は、標準偏差σ_iの平均値とするのが通常であるが、標準偏差σ_iの最大値や最小値としてもよい。

代表値σ0を求めたら、それに基づいて閾値σtを設定する（閾値設定処理１００６）。閾値σtは、密度分析の利用目的に応じた適切な定数をσ0に乗じた値とするのが通常であるが、σ0をそのまま利用してもよい。

閾値設定処理１００６に続くのは密度検査領域変更処理１００７である。密度検査領域変更処理１００７では、断面画像における密度検査領域のサイズを変更するとともに、そのサイズ変更に応じて密度検査領域の設定数を変更する。密度検査領域のサイズ変更には、縮小と拡大があり、縮小の場合には密度検査領域設定数を増やし、拡大の場合には密度検査領域設定数を減らす。処理１００６に続いて行う処理１００７では、密度検査領域の縮小だけがなされる。すなわち、処理１００３で設定された密度検査領域のサイズを縮小するとともに、密度検査領域設定数を増やす場合だけである。この場合のサイズ縮小は、意図する水平方向空間分解能に応じてなされるのが通常である。一方、後述の処理１０１５や１０１７に続いて行う処理１００７では、縮小の場合もあれば、一旦縮小した密度検査領域を拡大するとともに密度検査領域設定数を減らす場合もある。

図６と図７に、密度検査領域６のサイズを縮小するとともに、密度検査領域６の数を増加させる場合の例を示す。図６の例では、密度検査領域設定テンプレートＴにおける複数の密度検査領域６のそれぞれを４分割することにより、密度検査領域６の１／４のサイズの縮小密度検査領域６ｂが密度検査領域６の数の４倍配列された密度検査領域設定テンプレートＴｂを作成し、この密度検査領域設定テンプレートＴｂを適用することで、図７に示すように、断面画像５における密度検査領域のサイズ縮小と設定数増大を行っている。なお、サイズ変更後の密度検査領域を断面画像に実際に設定する処理は、後述の第２の密度検査領域設定処理１０１１において行われることになる。ここで、密度検査領域のサイズ縮小と設定数の増加は、上の例のような手法に限られず、他の手法によることも可能である。例えば、既設定の各密度検査領域を縮小するとともに、その縮小で隣り合う密度検査領域同士の間に生じた隙間に新たな密度検査領域を設定するという手法も可能である。何れによるにしても、密度検査領域のサイズ変更と設定数変更は、コンピュータプログラムにより自動的に実行することが可能である。

密度検査領域変更処理１００７を終えたら、使用断面数計算処理１００８を行う。上述のように、密度検査領域方式の密度分析においては、密度検査領域のサイズを小さくすると、密度検査領域を通過するＸ線の量が相対的に低下し、統計的に確からしい密度を求められなくなる可能性があり、したがって密度検査領域方式におけるノイズの影響排除効果が低下してしまう可能性がある。そしてこの問題に対しては密度分析層を厚くする、つまり本実施形態のようにＸ線ＣＴデータとして２次元の断面画像を用いる場合であれば、スライス厚を厚くすることで対応可能であるが、このことから密度検査領域方式においては、ノイズの影響を適切に低減するという条件の下で垂直方向空間分解能と水平方向空間分解能がトレードオフの関係にあり、したがって垂直方向空間分解能をできるだけ高く保ちつつ、ノイズの影響を適切に低減するスライス厚とすることで所望の水平方向空間分解能を実現することが求められる。すなわち所望の水平方向空間分解能の下でノイズの影響を適切に低減するのに必要最小限のスライス厚を求める必要がある。使用断面数計算処理１００８は、このような要求において、密度検査領域のサイズに応じた最適なスライス厚を仮想的に実現するのに必要な使用断面数を求める処理である。

図８と図９に、密度検査領域を縮小した場合にそのサイズ縮小に応じた使用断面数を求めるための１つの手法についての原理を示す。密度検査領域は、そこを通過するＸ線が有限のビーム幅を持つことから、そのビーム幅に対応する高さを有した直方体などとなる。図８には、図１のＸ線２xのビーム幅ΔＺに対応する高さΔＺを有し、面積がＳである直方体としてサイズ縮小前の密度検査領域６を示してある。この密度検査領域６の部位では、体積ＳΔＺの直方体を透過するＸ線の量に基づく情報から平均密度と分散や標準偏差が計算される。この場合に、サイズ縮小で面積ＳがｒＳ(ｒ＜１)になると、密度検査領域６の直方体の体積はｒ倍となり、そこを透過するＸ線の量が相対的に低下し、その結果、ノイズの影響を受け易くなり、統計的に確からしい密度を求めることができなくなって分析精度が低下する可能性がある。そこで、面積Ｓの密度検査領域６の状態での分析精度を確保するために、サイズ縮小による透過Ｘ線の低下分を補う必要がある。それには、図９に示すように、高さをΔＺ／ｒに変更し、面積がｒＳ、高さがΔＺ／ｒであり、したがって体積ＳΔＺである直方体の密度検査領域６ｂとする。この密度検査領域６ｂにおける高さΔＺ／ｒを仮想的に実現するには、密度分析対象断面を中心にした前後複数の断面（計測データを取得した断面）を重ね合わせればよく、その重ね合せ断面数（使用断面数）は１／ｒとして求めることができる。１／ｒは整数にならない場合もあるが、その場合には、複数の計測データ３から補間により求めた情報を利用して使用断面数を求めるようにする。ただ、以下の説明からわかるように、最終的な使用断面数は試行錯誤的に決められることになるので、最初に求める使用断面数は必ずしも正確なものである必要はない。

使用断面数計算処理１００８を終えたら、重ね合せ処理１００９を行い、続いて重ね合せ後画像再構成処理１０１０を行う。図１０に、重ね合せ処理と重ね合せ後画像再構成処理をイメージ化して示してある。重ね合せ処理１００９では、使用断面数計算処理１００８で求めた使用断面数に基づいて計測データ３を重ね合わせて新たな断面の重ね合せ計測データ３´を作成する。計測データ３の重ね合せは平均処理などで行う。重ね合せ後画像再構成処理１０１０では、計測データ３´に画像再構成処理４を施して新たな重ね合せ断面画像５´を作成する。

重ね合せ後画像再構成処理１０１０を終えたら、第２の密度検査領域設定処理１０１１を行う。第２の密度検査領域設定処理１０１１では、サイズ変更後の密度検査領域を重ね合せ断面画像に設定する。その処理は図６と図７に関して上で説明したようにして行われる。

続いて第２の平均密度等計算処理１０１２と第２の代表値導出処理１０１３を行う。第２の平均密度等計算処理１０１２では、処理１００４同様、サイズ変更後の密度検査領域のそれぞれについて、上記数１〜数６式により、平均密度を求めるとともに分散を求め、さらに標準偏差を求める。第２の代表値導出処理１０１３では、処理１００５同様、処理１０１２で算出された標準偏差σ_ｉに基づき、標準偏差の代表値σrを求める。

続いて使用断面数適否判断処理１０１４を行う。使用断面数適否判断処理１０１４では、処理１０１３で求めたσrを処理１００６で設定のσtと比較して、σr ≦ σtを満たす否かを判断する。その結果が肯定的であれば、密度分布表示処理１０１５に進み、密度分析結果として密度の空間分布を表示する。密度の空間分布表示は等高線形式によるのが通常で、その表示例を図１１に示してある。一方、使用断面数適否判断処理１０１４の結果が否定的の場合、つまりσr＞σtであった場合には、処理１００７へ戻って処理１００７〜１０１４を繰り返す。

密度分布表示処理１０１５に続いて処理終了可否判断処理１０１６を行う。すなわち密度分布表示処理１０１５により密度分布表示がなされると、ユーザはそれを見て密度分析の状態を評価し、十分とする場合には処理１０１６の結果が肯定的になって処理終了となり、一方、不十分とする場合には閾値変更処理１０１７でσtにσrを代入して閾値σtを変更し、処理１００７へ戻って処理１００７〜１０１７を繰り返す。

以上のような実施形態によれば、密度検査領域方式の密度分析について、水平方向の空間分解能を高めるために密度検査領域のサイズを縮小する場合でも、密度検査領域方式におけるノイズの影響排除効果を適切に維持し、なおかつ垂直方向の空間分解能を可能な限り高い状態にして密度分析を行うことが可能となる。なお、以上の実施形態では、使用断面数算出のパラメータとして標準偏差を用いたいたが、これに代えて分散を用いる形態も可能である。

次に、第２の実施形態による密度分析方法について説明する。図１２に、第２の実施形態による密度分析方法での処理の流れを示す。本実施形態の密度分析方法は、基本的には第１の実施形態のそれと同様である。すなわち本実施形態における処理１００１〜１００７、それに処理１０１１〜１０１７は第１の実施形態におけるそれらと同一であり、異なっているのは、第１の実施形態における処理１００８と処理１００９がそれぞれ処理１００８´と処理１００９´になり、第１の実施形態における処理１０１０が省略されている点だけである。より具体的にいうと、第１の実施形態における使用断面数計算処理１００８では、計測データについて使用断面数を求めていたのに対し、使用断面数計算処理１００８´では、断面画像について使用断面数を求めるものとしている。また第１の実施形態における重ね合せ処理１００９では、計測データの重ね合わせを行っていたのに対し、重ね合せ処理１００９´では、断面画像の重ね合わせを行うものとしている。

本実施形態によれば、第１の実施形態の場合と同様な効果を得られ、しかも第１の実施形態における重ね合せ後画像再構成処理１０１０を省略することができることで、処理の高速化を図れる。

次に、第３の実施形態による密度分析方法について説明する。第１、第２の各実施形態は、いずれも２次元のＸ線ＣＴデータを用いた密度分析についてであったが、本実施形態では３次元のＸ線ＣＴデータを用いる。３次元のＸ線ＣＴデータは、コーンビーム式のＸ線ＣＴ装置で取得することができる。図１４に、コーンビーム式のＸ線ＣＴ装置による３次元撮像の例を模式化して示す。コーンビーム式のＸ線ＣＴ装置２´の構成は、基本的にはファンビーム式のＸ線ＣＴ装置と同様であるが、Ｘ線源２ａがコーンビームのＸ線２x´を被検体１に対して照射する。これに伴って、２次元的にＸ線を検出できる構造のＸ線検出器２ｂ´が用いられる。こうしたＸ線ＣＴ装置２´で取得した計測データからは、３次元画像再構成処理により３次元の画像（立体像）７が得られる。本実施形態では、この立体像７を密度分析用のＸ線ＣＴデータとして用いる。ここで、立体像７は、図１におけるファンビーム式のＸ線ＣＴ装置２で取得する断面画像を積み重ねることでも構築可能である。したがって本実施形態では、断面画像を積み重ねて得られる立体像を密度分析用のＸ線ＣＴデータとして用いることもできる。

図１４に、第３の実施形態による密度分析方法における処理の流れを示す。本実施形態は、処理２００１〜２０１４を含んでいる。処理２００１〜２００６は、扱うＸ線ＣＴデータが３次元データであるという点を除いて、第１の実施形態における処理１００１〜１００６と同一である。具体的にいうと、計測データ取得処理２００１では、コーンビーム式のＸ線ＣＴ装置２´による３次元撮像で計測データを取得し、画像再構成処理２００２では、その計測データから３次元画像再構成処理により立体像７を作成し、第１の密度検査領域設定処理２００３では、立体像７に対して３次元の密度検査領域を設定し、処理２００４〜２００６では、３次元の密度検査領域に対して第１の実施形態における処理１００４〜１００６の場合と同じ処理を行う。なお、２次元の断面画像を積み重ねて得られる立体像を用いる場合には、処理２００１と処理２００２に代えて、ファンビーム式のＸ線ＣＴ装置による計測データの取得、その計測データからの断面画像の作成、およびその断面画像の積み重ねによる立体像の作成という処理を行うことになる。

図１５に、立体像７に対して３次元の密度検査領域６ｃを設定した例を示す。３次元の密度検査領域６ｃは、面積成分と高さ成分を有しており、面積が水平方向空間分解能を規定し、高さが垂直方向空間分解能つまり密度分析層の厚みを規定する。こうした３次元密度検査領域の設定にも２次元密度検査領域の設定の場合と同様に、密度検査領域設定テンプレートを用いることが可能である。

閾値設定処理２００６に続く密度検査領域変更処理２００７では、３次元の密度検査領域６ｃに対してサイズ変更と設定数変更を行う。密度検査領域６ｃに対するサイズ変更は、密度検査領域６ｃにおける面積成分と高さ成分のそれぞれに対して行い、上で説明した図８と図９における原理に基づき、変更前の密度検査領域の体積を維持する関係にして行う。この場合、面積の変更は水平方向空間分解能の変更に対応し、高さの変更は、垂直方向空間分解能の変更、つまり第１の実施形態の場合における複数の断面の重ね合わせ使用に対応する。すなわちＸ線ＣＴデータが３次元である場合には、密度検査領域のサイズ変更だけで、水平方向と垂直方向それぞれの空間分解能を同時に変更することができる。

密度検査領域変更処理２００７を終えたら、第２の密度検査領域設定処理２００８を行う。第２の密度検査領域設定処理２００８では、サイズ変更後の密度検査領域を立体像７に設定する。図１６に、サイズ縮小後の３次元の密度検査領域６ｄを立体像７に設定した例を示してある。

第２の密度検査領域設定処理２００８に続く第２の平均密度等計算処理２００９と第２の代表値導出処理２０１０は、第１の実施形態における処理１０１２と処理１０１３に同一である。第２の代表値導出処理２０１０に続いてはサイズ変更適否判断処理２０１１を行う。この処理は、第１の実施形態における使用断面数適否判断処理１０１４に対応している。上述のように、３次元のＸ線ＣＴデータの場合には、密度検査領域のサイズ変更だけで、水平方向と垂直方向それぞれの空間分解能を同時に変更することができることから、サイズ変更適否判断処理２０１１では、密度検査領域変更処理２００７による密度検査領域のサイズ変更の適否を直接的に判断する。サイズ変更適否判断処理２０１１に続く処理２０１３と処理２０１４は、第１の実施形態における処理１０１６と処理１０１７に同一である。

以上の実施形態によれば、３次元のＸ線ＣＴデータを用いる密度検査領域方式の密度分析について、水平方向の空間分解能を高めるために密度検査領域のサイズを縮小する場合でも、密度検査領域方式におけるノイズの影響排除効果を適切に維持し、なおかつ垂直方向の空間分解能を可能な限り高い状態にして密度分析を行うことが可能となる。

図１７〜１９に、第１の実施形態による密度分析方法を実装したコンピュータプログラムの実行に際して表示される画面の例を示す。図１７の画面８は、処理１００３〜１００６を進めている状態である。コンピュータプログラムには、密度検査領域の設定を行い易くするために密度検査領域設定ツール９が実装され、また閾値設定処理のための画面１０も実装されている。図１８の画面は、処理１００７〜１０１４を進めている状態である。密度検査領域のサイズ変更は、密度検査領域設定ツール９に実装されているサイズ変更機能を利用して進める。またこの画面では、使用断面数適否判断処理１０１４の判定結果を表示する画面１１が含まれており、続く処理への移行を促すことができるようにされている。図１９の画面は、密度分布表示処理１０１５の結果を表示している状態である。

図２０に、一実施形態による密度分析システムの構成を示す。本密度分析システムは、被検体を撮像するＸ線ＣＴ装置２０、Ｘ線ＣＴ装置２０で撮像された画像を受信する画像受信装置２１、受信した画像を記憶しておく画像記憶装置２２、画像記憶装置２２に記憶された画像を呼び出して密度分析処理を行う密度分析装置（密度分析・表示演算装置）２３、密度分析結果を記憶しておく密度分析結果記憶装置２４、および密度分析結果などを表示する表示装置２５を備えており、その密度分析装置２３は、上述のような密度分析方法を実行するための手順が記述されたコンピュータプログラムに基づいて処理を進めるようにされている。

本発明は、Ｘ線ＣＴデータによる密度分析について、垂直方向空間分解能をできるだけ高く保ちつつ所望の水平方向空間分解能を実現し、なおかつノイズの影響を適切に低減することを可能とするものであり、密度分析により、例えば鋳造品の鋳巣、コンクリート材の内部ひび割れ、あるいは溶接部の欠陥などのような構造物の内部における欠陥を解析したり、あるいは構造体の内部構造を解析したりする分野に広く利用することができる。

Ｘ線ＣＴ装置による２次元撮像の例を模式化して示す図である。計測データから画像再構成処理により断面画像を作成する処理をイメージ化して示す図である。第１の実施形態による密度分析方法における処理の流れを示す図である。密度検査領域の例とそれを断面画像に設定する例を示す図である。密度検査領域の他の例を示す図である。密度検査領域のサイズを縮小する処理をイメージ化して示す図である。サイズ変更後の密度検査領域を断面画像に設定する処理をイメージ化して示す図である。使用断面数を求める処理の原理を図９とともに示す図である。使用断面数を求める処理の原理を図８とともに示す図である。複数断面の計測データの重ね合せと、その重ね合せ計測データから画像再構成処理により重ね合せ断面画像を作成する処理をイメージ化して示す図である。等高線形式による密度の空間分布表示の例を示す図である。第２の実施形態による密度分析方法における処理の流れを示す図である。Ｘ線ＣＴ装置による３次元撮像の例を模式化して示す図である。第３の実施形態による密度分析方法における処理の流れを示す図である。立体像に密度検査領域を設定した例を示す図である。サイズ縮小後の密度検査領域を立体像に設定した例を示す図である。本発明による密度分析方法を実装したコンピュータプログラムの実行に際して表示される画面の例を示す図である。本発明による密度分析方法を実装したコンピュータプログラムの実行に際して表示される画面の他の例を示す図である。本発明による密度分析方法を実装したコンピュータプログラムの実行に際して表示される画面として、密度分布表示処理の結果を表示する例を示す図である。一実施形態による密度分析システムの構成を示す図である。

符号の説明

１被検体
２、２´ Ｘ線ＣＴ装置
５、５´ 断面画像（Ｘ線ＣＴデータ）
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ密度検査領域
２３密度分析装置

Claims

Ｘ線ＣＴ装置で被検体を撮像して得られる、重ね合せて垂直方向を形成する複数の使用断面たる２次元のＸ線ＣＴデータに基づいて前記被検体の密度を分析する密度分析方法において、
前記Ｘ線ＣＴデータに設定される複数の密度分析対象部位ごとに、複数の画素からなる密度検査領域を前記Ｘ線ＣＴデータに設定する処理、前記処理で設定された各密度検査領域について、それぞれにおける複数の画素の各密度値から平均値を求めるとともに、それについての分散または標準偏差を求める第１の平均密度等算出処理、前記処理で求めた分散または標準偏差に基づいて使用断面数の判断基準となる閾値を設定する処理、前記処理で設定した密度検査領域のサイズを変更する第１の変更処理、前記処理でサイズ変更された密度検査領域のサイズに応じたスライス厚を実現するのに必要な使用断面数を求める第２の変更処理、前記処理で求めた使用断面数に基づいて重ね合せ断面画像を作成する処理、前記重ね合せ断面画像に前記サイズ変更後の密度検査領域を設定する処理、前記処理で設定されたサイズ変更後の各密度検査領域について、それぞれにおける複数の画素の各密度値から平均値を求めるとともに、それについての分散または標準偏差を求める第２の平均密度等算出処理、前記第２の平均密度等算出処理で算出された分散または標準偏差について代表値を求める処理、および前記処理で求めた使用断面数の適否を前記代表値と前記閾値との大小比較で判定する判定処理を含み、
上記第１、第２の変更処理での、上記スライス厚を実現するのに必要な使用断面数と変更された密度検査領域のサイズとは、両者の積で定まる体積が、変更前後で同一となるような相互の関係にあるものとした密度分析方法。
Ｘ線ＣＴ装置で被検体を撮像して得られる水平方向と垂直方向とで規定される３次元のＸ線ＣＴデータに基づいて前記被検体の密度を分析する密度分析方法において、
前記Ｘ線ＣＴデータに設定される複数の密度分析対象部位ごとに、複数の画素からなる３次元の密度検査領域を前記Ｘ線ＣＴデータに設定する処理、前記処理で設定された各密度検査領域について、それぞれにおける複数の画素の各密度値から平均値を求めるとともに、それについての分散または標準偏差を求める第１の平均密度等算出処理、前記処理で求めた分散または標準偏差に基づいて３次元の密度検査領域の判定基準となる閾値を設定する処理、前記処理で設定した３次元の密度検査領域のサイズを変更する第１の変更処理、前記処理でサイズ変更された３次元の密度検査領域を前記Ｘ線ＣＴデータに設定する第２の変更処理、前記処理で設定されたサイズ変更後の各密度検査領域について、それぞれにおける複数の画素の各密度値から平均値を求めるとともに、それについての分散または標準偏差を求める第２の平均密度等算出処理、前記第２の平均密度等算出処理で算出された分散または標準偏差について代表値を求める処理、および前記処理における前記密度検査領域のサイズ変更の適否を前記代表値と前記閾値との大小の比較で判定する判定処理を含み、
上記第１、第２の変更処理での、上記３次元の密度検査領域の体積は、その水平方向の大きさと垂直方向の大きさとの積で定まる体積が、変更前後で同一となるような相互の関係にあるものとした密度分析方法。
上記両者の積で定まる体積での両者とは、直方体を形成する如き関係にあるものとする請求項１又は２記載の密度分析方法。
上記の判定処理が前記閾値よりも小さいとの判定のときには、変更したサイズが不適正と判断し、上記第１の変更処理に移りそれ以降の第２の変更処理から判定処理までを繰返し行わせ、前記閾値よりも大きいとの判定のときに変更したサイズが適正とし判断し、算出した密度の空間分布を表示するものとした請求項１又は２に記載の密度分布方法。
請求項１〜４のいずれかに記載の密度分析方法を実行するための手順を記述したコンピュータプログラム。
Ｘ線ＣＴ装置で被検体を撮像して得られる３次元のＸ線ＣＴデータに基づいて前記被検体の密度を分析する密度分析システムにおいて、
請求項５に記載のコンピュータプログラムに基づいて密度分析処理を行う密度分析装置を備えていることを特徴とする密度分析システム。