JP4675133B2

JP4675133B2 - Ｘ線ｃｔデータからの密度分析方法、密度分析方法を実行するための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: JP4675133B2
Application number: JP2005111964A
Authority: JP
Inventors: 恵須能
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2025-04-08
Also published as: JP2006292501A

Description

本発明は、被検体の断層像をＸ線ＣＴ装置により撮像し、その撮像データから被検体の密度分析を行う技術に関し、特に局所的で微小な密度変化の検出を可能とする密度分析に関する。

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断層像（２次元断面画像）を得る。Ｘ線ＣＴ装置で得られる断層像は、画素(ピクセル)と呼ばれる小領域により構成される。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」と呼ばれるデジタル値を持っている。すなわちＸ線ＣＴ装置で得られる撮像データあるいはＸ線ＣＴデータは、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、対象物の密度分析に活用することができ、例えば特許文献１〜特許文献４にそのような密度分析に関する技術が開示されている。

特許第３１２５１２０号公報特開平７−１３４０８８号公報特開平８−３２７５２５号公報特開平１０−２２７７３４号公報

Ｘ線ＣＴデータによる密度分析は、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の解析に有効であり、また構造体の内部構造の解析などにも有効である。ただ、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やぼけなどの影響が大きくなる。そのため従来の密度分析方法では、その分解能よりも微細な内部欠陥や内部構造に対しては有効な密度分析を行えない。

しかしながら、Ｘ線ＣＴデータによる密度分析の有用性についての認識が高まるのにしたがって、より微細な内部欠陥や内部構造についての解析に対するニーズも大きくなってきており、Ｘ線ＣＴ装置の分解能の近辺あるいはそれ以下のサイズの内部欠陥や内部構造の効果的な解析を可能として、こうしたニーズに応えることができるようにすることが大きな課題となってきている。

したがって本発明の目的は、Ｘ線ＣＴデータからの密度分析方法として、Ｘ線ＣＴ装置の分解能以下の密度変化についても有効な分析を可能とする密度分析方法を提供することを第１の目的とし、またそのような密度分析方法を実行するためのコンピュータプログラムの提供を第２の目的とし、さらにそのような密度分析方法の実行に用いる密度分析システムの提供を第３の目的としている。

本発明は上記第１の目的のために、被検体をＸ線ＣＴ装置で撮像して得られる撮像データから前記被検体の密度について分析を行うＸ線ＣＴデータからの密度分析方法において、前記撮像データを構成する画素を複数含むように設定され、密度分析の単位となる密度分析領域を前記撮像データ上に所定の状態で配置する密度分析領域配置処理、前記密度分析領域配置処理で設定・配置された各密度分析領域について実測平均密度と実測標準偏差を求める密度計測処理、前記各密度分析領域を順次着目領域とし、前記着目領域の周囲における密度分析領域である複数の参照領域それぞれの前記実測平均密度から得られる周辺平均密度から前記着目領域の推測平均密度を求めるとともに、前記複数の参照領域それぞれの前記実測標準偏差から前記着目領域の推測標準偏差を求める推測処理、および前記実測平均密度と前記推測平均密度の差分を実測−推測差分として求めるとともに、前記実測−推測差分を前記推測標準偏差と比較し、この比較から前記参照領域に対する前記着目領域の密度変化確率を求める密度変化算出処理を含むことを特徴としている。

また本発明は上記第２の目的のために、被検体をＸ線ＣＴ装置で撮像して得られる撮像データから前記被検体の密度について分析を行うＸ線ＣＴデータからの密度分析方法を実行するためのコンピュータプログラムにおいて、前記撮像データを構成する画素を複数含むように設定され、密度分析の単位となる密度分析領域を前記撮像データ上に所定の状態で配置するための密度分析領域配置機能、前記密度分析領域配置処理で設定・配置された各密度分析領域について実測平均密度と実測標準偏差を求めるための密度計測機能、前記各密度分析領域を順次着目領域とし、前記着目領域の周囲における密度分析領域である複数の参照領域それぞれの前記実測平均密度から得られる周辺平均密度から前記着目領域の推測平均密度を求めるとともに、前記複数の参照領域それぞれの前記実測標準偏差から前記着目領域の推測標準偏差を求めるための推測機能、および前記実測平均密度と前記推測平均密度の差分を実測−推測差分として求めるとともに、前記実測−推測差分を前記推測標準偏差と比較し、この比較から前記参照領域に対する前記着目領域の密度変化確率を求めるための密度変化算出機能を含んでいることを特徴としている。

また本発明は上記第３の目的のために、被検体をＸ線ＣＴ装置で撮像して得られる撮像データから前記被検体の密度について分析を行うＸ線ＣＴデータからの密度分析方法を実行するための密度分析システムにおいて、前記Ｘ線ＣＴ装置による撮像データを取り込んで密度分析を実行する密度分析装置を備えており、前記密度分析装置は、前記撮像データを構成する画素を複数含むように設定され、密度分析の単位となる密度分析領域を前記撮像データ上に所定の状態で配置するための密度分析領域配置部、前記密度分析領域配置処理で設定・配置された各密度分析領域について実測平均密度と実測標準偏差を求めるための密度計測部、前記各密度分析領域を順次着目領域とし、前記着目領域の周囲における密度分析領域である複数の参照領域それぞれの前記実測平均密度から得られる周辺平均密度から前記着目領域の推測平均密度を求めるとともに、前記複数の参照領域それぞれの前記実測標準偏差から前記着目領域の推測標準偏差を求めるための推測部、および前記実測平均密度と前記推測平均密度の差分を実測−推測差分として求めるとともに、前記実測−推測差分を前記推測標準偏差と比較し、この比較から前記参照領域に対する前記着目領域の密度変化確率を求めるための密度変化算出部を含む密度分析手段を備えていることを特徴としている。

本発明では、撮像データ上で密度分析の単位となる密度分析領域を配置し、その各密度分析領域について、実測平均密度と実測標準偏差を求める一方で、各密度分析領域を順次着目領域とし、この着目領域の周囲における参照領域から着目領域について推測平均密度と推測標準偏差を求め、そして実測平均密度と推測平均密度の差分である実測−推測差分と推測標準偏差の比較から参照領域に対する着目領域の密度変化確率を求め、この密度変化確率を基に、周囲に対して密度変化を有している部位を検出するようにしている。このため、本発明によれば、撮像データにおけるノイズやぼけなどの影響を効果的に避けることができ、Ｘ線ＣＴ装置の分解能以下の密度変化についても有効な分析が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。図１に一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、Ｘ線ＣＴ装置で得られる２次元の撮像データで密度分析する場合の例である。図１では、すでに得られたＸ線ＣＴデータに基づいて密度分析を行う処理以降の処理の流れを示している。これらの処理は、コンピュータプログラムとして構成される密度分析手段を用いての処理としてなされる。

密度分析は、撮像データに対して適切に設定・配置される密度分析領域を単位として進められ、その密度分析領域ごとの密度分析が撮像データにおける密度分析対象範囲を埋め尽くすことで完了する。そのため密度分析では、まず密度分析領域を設定・配置する密度分析領域配置処理を行う（処理１０１）。図２に、密度分析領域の設定・配置の例をイメージ化して示す。図２の例は、被検体の表面近辺における撮像データについて密度分析を行う場合の例で、そのＣＴ値に応じた濃度を与えて表されているピクセルＰの濃淡状態に見られるように、表面近辺ではＣＴ値にぼけが発生している。また図２の例は、円形の密度分析領域Ｅを用いる場合である。密度分析領域Ｅは、そこに適切な数のピクセルＰが含まれるような大きさとする。また密度分析領域Ｅは、密度分析対象範囲を均等に埋め尽くすように設定・配置する。図２の例では、密度分析領域Ｅを互いに一部が重なるように、ｘ方向とｙ方向のそれぞれに等間隔で配置することで密度分析対象範囲を均等に埋め尽くすようにしている。

ここで、密度分析領域の形状は円形に限られるものでなく、この他に例えば多角形や任意の閉じた自由曲線など任意に定義することができる。ただし、一つの撮像データに設定する密度分析領域については同じ形状にする必要があり、また撮像データへの密度分析領域の配置は均等にする必要がある。

密度分析領域の設定を終えたら、次に、各密度分析領域の実測平均密度（ρ_i,j）と実測標準偏差（σ_i,j）を求める密度計測処理を行う（処理１０２）。ここで、ｉ，ｊは、密度分析領域の中心の座標値である。実測平均密度（ρ_i,j）と実測標準偏差（σ_i,j）は、密度分析領域Ｅに含まれるピクセルの密度値（ＣＴ値）を適宜にサンプリングして求める。そのサンプリングにおける密度計測位置は、密度分析領域内でランダムに設定してもよいし、また例えば密度分析領域を等方的に分割した交点とするように設定することでもよい。

設定・配置した密度分析領域の全てについて実測平均密度と実測標準偏差を求めたら、次に、密度分析領域の推測平均密度（Ρ_i,j）を求める推測処理を行う（処理１０３）。推測平均密度を求める推測処理では、まず推測対象密度分析領域（着目領域）の周囲における複数の密度分析領域それぞれを参照領域とし、これら複数の参照領域それぞれの実測平均密度から着目領域の周辺における平均密度つまり周辺平均密度（複数の参照領域それぞれの実測平均密度を平均した密度）を求め、それからこの周辺平均密度から推測平均密度求める。その具体的な手法としては、例えば線形補間やキュービック補間がある。図２には、中心座標が（i,j）の着目領域Ｅｘについて、これに隣接する４つの密度分析領域Ｅｘ_１〜Ｅｘ_４（それぞれの中心座標は、（i-1,j）、（i,j+1）、（i+1,j）、（i,j-1））を参照領域とする例を示している。この他にも、４つの密度分析領域Ｅｘ_１〜Ｅｘ_４の周囲で着目領域Ｅｘに最も近接する４つの密度分析領域（それぞれの中心座標は、（i-1,j+1）、（i+1,j+1）、（i+1,j-1）、（i-1,j-1））をさらに参照領域として、参照領域を８つとする形態も好ましい形態である。

推測平均密度を求めるのに続いて、密度分析領域の推測標準偏差（Σ_i,j）を求める推測処理を行う（処理１０４）。推測標準偏差は、推測平均密度の場合と同様に、着目領域の周囲に設定した複数の参照領域それぞれの実測標準偏差から求める。具体的には、複数の参照領域それぞれの実測標準偏差の二乗（分散）を足し合わせた値の平方根として求めることができる。

次いで、密度変化算出処理を行う（処理１０５）。密度変化算出処理では、まず処理１０２で求めた実測平均密度（ρ_i,j）と処理１０３で求めた推測平均密度（Ρ_i,j）の差分として実測−推測差分（δ_i,j）を求める。それから実測−推測差分（δ_i,j）と処理１０４で求めた推測標準偏差（Σ_i,j）を比較し、この比較から着目領域が周囲の参照領域に対して有意な密度変化を有している確率つまり密度変化確率を求める。より具体的には、密度検査領域でサンプリングしたＣＴ値が統計的に正規分布にしたがうという前提の下に、δ_i,j／Σ_i,jを求め、この比較値から密度変化確率を求める。密度変化確率は、δ_i,j／Σ_i,j＝１→６０％、δ_i,j／Σ_i,j＝２→８０％、δ_i,j／Σ_i,j＝３→９７％というように求められる。以上の処理１０３〜処理１０６は、各密度分析領域について繰り返し、設定・配置した密度分析領域の全てについて密度変化確率を求め、その密度変化確率から、例えば６０％以上であれば内部欠陥と判定し、あるいは８０％以上であれば空隙を有する内部構造であるなどと判定する。そしてそのように判定された密度分析領域部分を例えば着色するなどして視認しやすい状態にして表示するようにする。

本発明では、以上のように、統計処理の手法を用いることで、周囲に対する密度変化の確率として、周囲に対して密度変化を有している部位を検出するようにしている。このため、撮像データにおけるノイズやぼけなどの影響を効果的に避けることができる。したがってこのような密度分析方法によれば、Ｘ線ＣＴ装置の分解能以下の密度変化についても分析が可能となり、これを被検体の内部欠陥や内部構造などの解析に適用することで、Ｘ線ＣＴ装置の分解能以下の内部欠陥や内部構造などについても有効な解析が可能となる。

ここで、以上では撮像データが２次元の場合について説明したが、本発明による密度分析方法は、３次元の撮像データについても同様に適用することができる。

以下では、上で説明した密度分析方法を実装したコンピュータプログラムで表示させる表示画面の形態例について説明する。図３〜図７に、一実施形態によるコンピュータプログラム（密度計測プログラム）が表示する表示画面の例を示す。

図３は、密度計測プログラムを起動して処理を開始した後に読み込んだ被検体の撮像データ３０１が表示されている画面状態を示している。

図４は、密度検査領域（密度分析領域）を撮像データ上に設定・配置する処理における画面状態を示している。密度検査領域の設定・配置は、プログラムの操作メニューから密度検査領域配置機能（密度分析領域配置機能）４０１を呼び出して進められる。密度検査領域配置機能は、密度検査領域の形状指定機能、密度検査領域のサイズ指定機能および密度検査領域の配置状態指定機能を含んでいる。図４の例では、これらの各機能についてのアイコンなどをダイアログ４０２としてまとめて表示するようにしている。また図４の例では、密度検査領域の形状として直線、円弧、任意の曲線、矩形、円、多角形、直方体、球などを選択的に指定可能としてある。また図４の例では、ダイアログ４０２中に表示する被検体の画像（撮像データ）４０３を参照しながら密度検査領域を配列する方式と、数式により密度検査領域の配列を指定する方式の２つの方式を用いることができるように密度検査領域の配置状態指定機能を構成し、密度検査領域のサイズ指定機能についても、ダイアログ４０２上でマウスなどの入力手段によりサイズを指定する方式と、数値入力でサイズを指定する方式を用いることができるようにしている。ここで、図４の状態から密度検査領域のサイズを拡大修正した場合の画面状態は、図５に示すようになる。

図６は、撮像データに設定・配置された各密度検査領域の密度計測処理と推測処理における画面状態を示している。密度計測処理と推測処理は、プログラムの操作メニューから密度計測／推測機能６０１を呼び出して進められる。密度計測／推測機能６０１は、密度計測の対象データを選択する対象選択機能、計測を実行する計測機能、および計測結果を表示する計測結果表示機能を含んでいる。図６の例では、これらの各機能についてのアイコンなどをダイアログ６０２としてまとめて表示するようにしている。

図７は、密度計測結果から各密度検査領域の密度変化確率を求める密度変化算出処理における画面状態を示している。密度変化算出処理は、プログラムの操作メニューから密度変化算出機能（密度変化計測機能）７０１を呼び出して進められる。密度変化計測機能７０１は、密度変化計測の対象データを選択する対象選択機能、計測を実行する計測機能、および計測結果を表示する計測結果表示機能を含んでいる。図７の例では、これらの各機能についてのアイコンなどをダイアログ７０２としてまとめて表示するようにしている。また図７の例では、密度変化の計測結果を密度変化確率分布図７０３として表示する場合の例も示している。

以上のような密度計測プログラムによれば、本発明による密度分析方法による密度分析、さらにはそれを用いた被検体の内部欠陥や内部構造などの解析をより効率的に行えるようになる。

以下では、上で説明した密度分析方法を実施する上で好ましい密度分析システムのハードウエア構成について説明する。図８に一実施形態による密度分析システムのハードウエア構成を示す。本実施形態の密度分析システムは、被検体を撮像するＸ線ＣＴ装置８０１、Ｘ線ＣＴ装置８０１で撮像された画像（撮像データ）を受信する画像受信装置８０２、受信した画像を記憶しておく画像記憶装置８０３、画像記憶装置８０３に記憶された画像を呼び出して密度分析を実行する密度分析装置（密度変化計測装置）８０４、密度分析結果を記憶しておく密度分析結果記憶装置（密度計測結果記憶装置）８０５、および密度分析の過程で必要な表示を行う表示装置８０６を備えている。

密度分析装置８０４は、コンピュータを用いて構成されており、そのコンピュータプログラムに、図９に示すような密度分析手段９０１を含んでいる。密度分析手段９０１は、上で説明した密度分析方法における各処理を行えるようにするために、密度分析領域配置部９０２、密度計測部９０３、推測部９０４、および密度変化算出部９０５を備えている。

以上のような密度分析システムによれば、本発明による密度分析方法による密度分析、さらにはそれを用いた被検体の内部欠陥や内部構造などの解析をより効率的に行えるようになる。

本発明は、Ｘ線ＣＴデータによる密度分析について、Ｘ線ＣＴ装置の分解能以下の内部欠陥や内部構造などについても有効な解析を可能とするものであり、Ｘ線ＣＴ装置を用いて被検体の内部欠陥や内部構造を解析する分野などに広く利用することができる。

一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。密度分析領域の設定・配置の例をイメージ化して示す図である。密度計測プログラムを起動して処理を開始した後に読み込んだ被検体の撮像データが表示されている画面状態を示す図である。密度検査領域を撮像データ上に設定・配置する処理における画面状態を示す図である。図４の状態から密度検査領域のサイズを拡大修正した場合の画面状態を示す図である。撮像データに設定・配置された各密度検査領域の密度計測処理と推測処理における画面状態を示す図である。密度計測結果から各密度検査領域の密度変化確率を求める密度変化算出処理における画面状態を示す図である。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。密度分析手段の構成を示す図である。

符号の説明

４０１密度分析領域配置機能
６０１密度計測／推測機能
７０１密度変化算出機能
９０２密度分析領域配置部
９０３密度計測部
９０４推測部
９０５密度変化算出部

Claims

被検体をＸ線ＣＴ装置で撮像して得られる撮像データから前記被検体の密度について分析を行うＸ線ＣＴデータからの密度分析方法において、
前記撮像データを構成する画素を複数含むように設定され、密度分析の単位となる密度分析領域を前記撮像データ上に所定の状態で配置する密度分析領域配置処理、前記密度分析領域配置処理で設定・配置された各密度分析領域について実測平均密度と実測標準偏差を求める密度計測処理、前記各密度分析領域を順次着目領域とし、前記着目領域の周囲における密度分析領域である複数の参照領域それぞれの前記実測平均密度から得られる周辺平均密度から前記着目領域の推測平均密度を求めるとともに、前記複数の参照領域それぞれの前記実測標準偏差から前記着目領域の推測標準偏差を求める推測処理、および前記実測平均密度と前記推測平均密度の差分を実測−推測差分として求めるとともに、前記実測−推測差分を前記推測標準偏差と比較し、この比較から前記参照領域に対する前記着目領域の密度変化確率を求める密度変化算出処理を含むことを特徴とする密度分析方法。
被検体をＸ線ＣＴ装置で撮像して得られる撮像データから前記被検体の密度について分析を行うＸ線ＣＴデータからの密度分析方法を実行するためのコンピュータプログラムにおいて、
前記撮像データを構成する画素を複数含むように設定され、密度分析の単位となる密度分析領域を前記撮像データ上に所定の状態で配置するための密度分析領域配置機能、前記密度分析領域配置処理で設定・配置された各密度分析領域について実測平均密度と実測標準偏差を求めるための密度計測機能、前記各密度分析領域を順次着目領域とし、前記着目領域の周囲における密度分析領域である複数の参照領域それぞれの前記実測平均密度から得られる周辺平均密度から前記着目領域の推測平均密度を求めるとともに、前記複数の参照領域それぞれの前記実測標準偏差から前記着目領域の推測標準偏差を求めるための推測機能、および前記実測平均密度と前記推測平均密度の差分を実測−推測差分として求めるとともに、前記実測−推測差分を前記推測標準偏差と比較し、この比較から前記参照領域に対する前記着目領域の密度変化確率を求めるための密度変化算出機能を含んでいることを特徴とするコンピュータプログラム。
被検体をＸ線ＣＴ装置で撮像して得られる撮像データから前記被検体の密度について分析を行うＸ線ＣＴデータからの密度分析方法を実行するための密度分析システムにおいて、
前記Ｘ線ＣＴ装置による撮像データを取り込んで密度分析を実行する密度分析装置を備えており、前記密度分析装置は、前記撮像データを構成する画素を複数含むように設定され、密度分析の単位となる密度分析領域を前記撮像データ上に所定の状態で配置するための密度分析領域配置部、前記密度分析領域配置処理で設定・配置された各密度分析領域について実測平均密度と実測標準偏差を求めるための密度計測部、前記各密度分析領域を順次着目領域とし、前記着目領域の周囲における密度分析領域である複数の参照領域それぞれの前記実測平均密度から得られる周辺平均密度から前記着目領域の推測平均密度を求めるとともに、前記複数の参照領域それぞれの前記実測標準偏差から前記着目領域の推測標準偏差を求めるための推測部、および前記実測平均密度と前記推測平均密度の差分を実測−推測差分として求めるとともに、前記実測−推測差分を前記推測標準偏差と比較し、この比較から前記参照領域に対する前記着目領域の密度変化確率を求めるための密度変化算出部を含む密度分析手段を備えていることを特徴とする密度分析システム。