JP4711662B2 - 多モードエッジ情報を用いる反復ｃｔ再構成方法 - Google Patents

Description

本開示は、一般的にはコンピュータ断層撮影イメージング及び検査システムに関し、より具体的には、多モードエッジ情報を使用する反復ＣＴ再構成の方法に関する。

現代の工業検査プロセスでは、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）、座標測定器（ＣＭＭ）、レーザ式プロフィルメータ（ｐｒｏｆｉｌｏｍｅｔｒｙ）などのような種々の形式の測定システムを使用可能である。各検査方式は、それと関連したそれ自身の長所及び欠点を有する。ＣＭＭ及びレーザ式プロフィルメータのような方式は、外部表面を高精度で測定可能であるが、一部を切開しない限り内部形状は測定不可能である。今日まで、ＣＴは、非破壊的方法で工業部品の内部及び外部構造の両方を明らかにするための最も多用途な測定／検査システムである。ＣＴの工業面での適用可能用途には、幾つかの例を挙げると、リバースエンジニアリング、迅速プロトタイピング、鋳物品のシミュレーション及び妥当性確認、タイヤ開発、先行品検査、セラミックスの空隙率検査、プロセス妥当性確認、部品認定試験及び欠陥検出が含まれる。しかしながら、ＣＴの検査精度の低さが、その広範囲に及ぶ適用を阻んでいる。

例えば、リバースエンジニアリングの分野では、設計意図を捉えるために不可欠である詳細な外部表面形状を捉えるのには殆ど選択されない。この点に関してＣＴの精度に影響を与える因子には、（他の観点の中でも特に）ビーム硬化、分容積効果、散乱及び焦点外照射が含まれる。従って、ＣＴの検査精度を改善するためには、これらのアーチファクトの影響を除去するより有効な方法が必要となる。ＣＴ画像再構成の分野では、その高速計算性と実施の容易さ故にフィルタ補正逆投影法（ＦＢＰ）が一般的方法である。しかしながら、ＦＢＰは、ＣＴデータ収集を理想ラドン（Ｒａｄｏｎ）変換（すなわち、扇形ビーム変換、円錐形ビーム変換又は特定の収集ジオメトリに依存する他の任意の変換）に単純化し過ぎるので、再構成画像は、上記に説明したビーム硬化及び分容積のようなアーチファクトの影響を受け、画質及び検査精度を低下させる原因となる。ＦＢＰ再構成の実施に先立つデータの事前補正では、一般的にこれらの作用によるアーチファクトを完全に補正することはできない。

別の形式のＣＴ画像再構成方法は、反復再構成と呼ばれている方法である。この方法は、例えば統計的最大尤度法及び最小二乗法のような異なる数学的原理に基づいている。反復法は、データ収集の専用順向モデルの組込みを可能にする。一方では、反復再構成に関連する計算は非常に集中的であるので、反復方法は、いまだＣＴでは広く使用されていない。従って、現在の検査プロセスでは、ＣＴ画像は一般的に外部及び内部形状の両方がＣＴ画像から抽出されるＦＢＰ法を使用して再構成される。より正確な内部形状の測定を望む場合には、部品は一般的に切開されてＣＭＭで検査される。その後、ＣＴ測定値は、あらゆる起こり得る偏りを補正するために、ＣＭＭ測定値を使用して較正される。不都合なことには、この方法は、時間を消費しかつ費用がかかる。
米国特許５，９０９，４７６号公報 特開平１１−３３９０５０号公報

従って、被検査対象物の内部及び外部形状の両方を正確にしかも時間効率が高くかつ安価な方法で捉えるような改善した検査方法を提供できることが望ましい。

従来技術の上記に説明したまた他の欠点及び欠陥は、精密コンピュータ断層撮影（ＣＴ）再構成方法によって克服されるか又は軽減される。例示的な実施形態では、本方法は、対象物のＣＴ測定のために、精密順向投影（ａｃｃｕｒａｔｅ ｆｏｒｗａｒｄ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ）モデルを使用する反復画像再構成プロセスを実行する段階を含む。

別の様態では、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像の反復再構成を実行する方法は、複数の反復の各々の間に、再構成画像を生成する段階を含む。再構成画像は、ＣＴに付加した方式により取得した事前外部エッジ情報を使用することによって制約条件を与えられ、次いで投影ドメインに変換されて計算サイノグラムを生成する。補正画像は、計算サイノグラム及び測定サイノグラムに基づいて決定される。

さらに別の様態では、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）画像の反復再構成を実行する方法は、複数の反復の各々の間に、再構成画像を生成する段階を含む。再構成画像は、ＣＴに付加した方式により取得した事前外部エッジ情報を使用して制約条件を与えられかつ計算サイノグラムを生成するために使用する投影ドメインに変換される。補正画像は、計算サイノグラム及び測定サイノグラムに基づいて決定され、この場合、反復再構成は、計算サイノグラムを決定するのに精密順向投影を使用する。

幾つかの図において同様な要素には同様な符号を付けた例示的な図面を参照する。

本明細書で開示するのは、改善した検査精度を有するコンピュータ断層撮影（ＣＴ）再構成方法であり、この再構成方法では、対象物のＣＴ測定に適用する反復再構成プロセスにおいて精密順向投影を使用する。それによって、より正確に計算した画像投影（サイノグラム）が、反復補正プロセスにおいて使用される。

別の態様では、座標測定器（ＣＭＭ）、マイクロメータ及びレーザ式プロフィルメータ（ＣＴよりも非常に正確である）又は被検査対象物に関して幾つかのエッジ情報を与える他の任意の画像装置のような方式による外部エッジ情報が、反復ＣＴ画像再構成アルゴリズムに組込まれる。本発明が解決する問題は、事前エッジ情報の使用によって、全体輪郭精度の改善、アーチファクトの補正及び／又はＣＴ画質の改善を含む。収集する物理的特性の正確なモデル化に加え、本明細書における本発明の実施形態はまた、アーチファクトを補正し、ＣＴ画質を改善しかつ／又は全体輪郭精度を改善するための制約条件として、事前情報（例えば、大幅に高精度な測定システムによるエッジ情報のような）を利用することができる。事前エッジ情報の反復再構成での使用は、ＣＴイメージング分野に幅広く適用可能である。さらに、他の方式により取得したそのような事前情報は、ＣＴ測定分野における精密順向投影と併せて使用可能である。

使用する具体的な再構成アルゴリズムは、反復フィルタ補正逆投影法（ＩＦＢＰ）か、又は最大事後確率法（ＭＡＰ）、最大尤度法（ＭＬ）、代数的再構成法（ＡＲＴ）、エントロピー・ベース・最適化法、最小二乗法（ＬＳ）又は重み付きペナルティ最小二乗法（ＰＷＬＳ）に基づくもののような他の任意の反復アルゴリズムかのいずれかとすることができる。事前エッジ情報を使用する実施形態では、外部エッジは、他の方式により取得した情報を満たすように制約される。実際には、このことが、各反復中に中間再構成が得られる度毎に、ＣＭＭ又は他のレーザ式プロフィルメータによって取得した情報に従って外部エッジを調整することによって実行されることになる。

まず図１を参照すると、本発明の実施形態による、事前多モードエッジ情報を使用して画像対象物を反復ＣＴ再構成するための全体プロセス１００を説明するブロック図を示す。具体的には、事前エッジ情報１０２は、例えば座標測定器（ＣＭＭ）又はレーザ式プロフィルメータのような正確な測定システムにより取得する。この事前情報１０２は、ＣＴ画像再構成プロセス中には測定サイノグラム１０４と共にアーチファクトを除去し又はエッジ位置精度を改善するのに使用され、エッジ検出プロセス中にはエッジ検出誤差を減少させるのに使用される。図１に示すように、反復画像再構成スキーム１０６は、その入力としてサイノグラム１０４と事前エッジ情報１０２とを受ける。サイノグラム情報及び事前エッジ情報の両方を使用して反復画像再構成を適用することによって、ブロック１０８で示す改善したＣＴ画像が得られる。

さらに、プロセス１００はまた、ブロック１１０に示すように最適閾値／適応エッジ検出のために、事前エッジ情報１０２及び改善したＣＴ画像１０８を使用する後処理段階を含むことができる。その結果、画像対象物のエッジの詳細記述を与えるための２次元又は３次元の点集団１１２を構成することができる。

本発明の実施形態によって得られる利点を理解する目的で、一般的な反復再構成プロセス２００を概説する概略ブロック図を示す図２を参照する。このプロセスでは、画像推定値は、投影ドメインと画像ドメインとの間で行きつ戻りつ更新されかつ変換される。ドメイン間で変換を行う具体的な方法により、異なる再構成方法に区分される。例えば、反復ＦＢＰ法はＦＢＰを使用して画像を再構成し、それらはラドン変換又は扇形ビーム（又は、ジオメトリに依存するその他の）変換を使用してサイノグラムを計算する。

より具体的には、ブロック２０４に示すように、計算サイノグラム２０２（即ち、予測投影データの組）は、実測定サイノグラムデータ１０４と比較される。最初は、計算サイノグラム２０２は、予測再構成画像２０６から変換したものである。第１回の反復では、再構成画像は、任意の該当するデフォルト設定値である可能性がある。計算サイノグラム２０２と測定サイノグラム１０４との比較の結果として、サイノグラム誤差２０８が生成される。次に、サイノグラム誤差２０８は、画像ドメインに戻し変換されて補正画像２１０を生成する。かくして、以降の反復では、補正画像２１０は、ブロック２１２に示すように、前回の再構成画像と共に使用されて次の反復のための更新した再構成画像２０６を作り出す。その後、このプロセスは、所望の反復回数の間又は他の何らかの停止基準を満たすまで繰り返される。

前に示したようにまた特に詳細な外部形状を捉えることに関しては、再構成画像２０６は、ビーム硬化及び分容積のような物理的作用に起因するアーチファクトの影響を受ける。従って、図３に示すように、対象物のＣＴ測定での使用のための精密順向投影モデル３０２を含む反復再構成スキーム３００を開示する。精密順向投影法（理想ラドン変換を使用するのに代えて）の場合には、多色Ｘ線スペクトル、有限検出器点広がり関数、有限焦点寸法、方位角ぶれ、散乱照射、測定ノイズ又は焦点外照射のような収集の物理的作用が各々考慮される。具体的には、ＣＴ用の反復最大尤度多色アルゴリズム（ＩＭＰＡＣＴ）を使用して、ビーム硬化作用を防止するようにする。ＩＭＰＡＣＴアルゴリズムでは、Ｘ線管球の連続スペクトルが多数の離散エネルギーとしてモデル化される。減衰のエネルギー依存性は、線減弱係数を光電成分とコンプトン散乱成分とに分解することによって考慮される。これらの成分の相対的重み付けは、事前材料条件に基づいて制約条件を与えられる。順向投影モデルの一部としてのＩＭＰＡＣＴアルゴリズムに関する追加の情報は、２００１年１０月発行のＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍｅｄ．Ｉｍａｇ．，ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．１０の９９９〜１００８ページのＢｒｕｎｏ ＤｅＭａｎ、Ｊｏｈａｎ Ｎｕｙｔｓ、Ｐａｔｒｉｃｋ Ｄｕｐｏｎｔ、Ｇｕｙ Ｍａｒｃｈａｌ及びＰａｕｌ Ｓｕｅｔｅｎｓによる「ＣＴ用の反復最大尤度多色アルゴリズム」に見ることができ、その内容は参考文献としてその全体を本明細書に組入れる。

その上、反復再構成アルゴリズムは、散乱を考慮に入れるようにすることもできる。散乱推定値が利用できる（測定又はシミュレーションから）場合、測定値から散乱を差し引くことに代えて、散乱推定値を再構成アルゴリズムの入力として使用することができる。散乱に関する追加の情報は、２００１年５月２１日発行のＰｈＤ Ｔｈｅｓｉｓ、Ｋａｔｈｏｌｉｅｋｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｅｉｔ ＬｅｕｖｅｎのＢｒｕｎｏ ＤｅＭａｎによる「コンピュータ断層撮影における金属アーチファクトの低減のための反復再構成」に見ることができ、その内容は参考文献としてその全体を本明細書に組入れる。

さらに、有限ビーム幅はスキャナの達成可能な空間分解能を決定する上での制限因子の１つであるので、有限ビーム幅もまた、精密順向投影に組込むことによって反復再構成アルゴリズムにおいて考慮され、そうでなければ精密順向投影は、ビーム幅が極小であるとの前提の下で作動させることになる。例えば、精密順向投影では、検出器点広がり関数、有限検出器開口度、有限焦点寸法、方位角ぶれ、検出器クロストーク及び焦点外照射をモデル化することができる。最大尤度アルゴリズムにおける有限ビーム幅の考察に関する追加の情報は、１９９５年８月１０日発行のＡｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、ｖｏｌ．３４、Ｎｏ．２３の５１９９〜５２０７ページのＪｏｌｙｏｎ Ａ．Ｂｒｏｗｎｅ、Ｊｏｈｎ Ｍ．Ｂｏｏｎｅ及びＴｉｍｏｔｈｙ Ｊ．Ｈｏｌｍｅｓのよる「最大尤度Ｘ線コンピュータ断層撮影での有限ビーム幅の考察」に見ることができ、その内容は参考文献としてその全体を本明細書に組入れる。

次に図４を参照すると、本発明の別の態様による、多モード制約条件情報４０２を使用する別の反復再構成スキーム４００を示す。図示するように、多モード制約条件情報４０２（例えば、ＣＭＭ又はレーザ式測定システムによって取得したような外部エッジ情報）は、測定サイノグラム１０４との比較のための更新サイノグラム２０２を計算するのに先立って、現在の推定再構成画像を修正するために使用する。この例示的な実施形態では、多モード制約条件情報４０２を使用して、各反復において外部エッジ情報を調整する。

図５は、多モード制約条件情報４０２と精密順向投影３０２モデルパラメータの両方をサイノグラム計算に使用するさらに別の反復再構成スキーム５００を示す。

図６は、図４及び図５の実施形態の反復再構成プロセスにおける外部境界情報の使用について説明する概略図である。図示するように、中間再構成（反復）６０２による外部エッジは、他の方式により取得した外部エッジデータ６０６と組合されて、更新画像６０８を生成する。連続する各反復において、中間再構成からの外部エッジは、正確な外部エッジ情報を使用することによって再調整される。

最後に、図７及び図８は、上記のように標準的ＦＢＰ再構成を使用して生成した画像と精密順向投影及び多モード制約条件を使用して生成した画像との間の比較（シミュレーションデータに基づいた）を示す。図７から分かるように、従来のＦＢＰプロセス（ビーム硬化と分容積と他のアーチファクトを含む）では、１．０４ミルの外部エッジＲＭＳ誤差と０．６４ミルの内部エッジＲＭＳ誤差が生じる。一方、図８は、精密順向投影及び多モード制約条件での反復再構成を使用して生成した画像である。図７の従来のＦＢＰ法と比較すると、本方法では、ＲＭＳ誤差が外部形状ついては１．０４ミル（ＦＢＰ）から０．０６ミルに減少し、内部形状ついては０．６４ミル（ＦＢＰ）から０．２５ミルに減少する。

以上で分かるように、各反復での精密順向投影の使用によって、ビーム硬化及び分容積のような画像アーチファクトが除去される。精密順向投影はさらに、画質を改善してＣＴ検査精度も改善する。加えて、各反復での外部エッジ情報の使用はまた、アーチファクト補正手順を支援して、輪郭の全体精度を改善することができる。他の利点が、外部エッジ制約条件の使用による反復再構成の収束速度の大幅な増大により得られる。さらに、本明細書で説明した実施形態は、特定の形式のＣＴジオメトリに限定されるものと解釈されるべきではない。例えば、画像再構成を実行するのに使用するＣＴジオメトリは、２次元又は３次元とすることができるが、ビームジオメトリは、並行ビーム、扇形ビーム、円錐形ビーム又は当業者には公知の他の特殊ジオメトリとすることもできる。

これもまた分かると思うが、上記の方法の実施形態は、これらのプロセスを実行するためのコンピュータ又はコントローラ実装の方法及び装置の形態を取ることができる。本発明はまた、フロッピー（登録商標）・ディスケット、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスク装置又は他の任意のコンピュータ可読記憶媒体のような有形媒体内に具体化した命令を含むコンピュータ・プログラム・コードの形態で実施することができ、その場合、コンピュータ・プログラム・コードがコンピュータ又はコントローラにロードされて該コンピュータ又はコントローラによって実行された時に、コンピュータが、本発明を実施するための装置となる。さらに、本発明は、例えば、記録媒体内に格納されるか、コンピュータ又はコントローラ内にロードされ及び／又は該コンピュータ又はコントローラによって実行されるか、或いは電線又はケーブルを通して、光ファイバを通して又は電磁放射によってのような何らかの伝送媒体を通して送信されるかのいずれかのコンピュータ・プログラム・コード又は信号の形態で実施することができ、その場合、コンピュータ・プログラム・コードがコンピュータにロードされて該コンピュータによって実行された時に、コンピュータが、本発明を実施するための装置となる。汎用マイクロプロセッサ上に実装された時は、コンピュータ・プログラム・コードセグメントは、特定の論理回路を形成するようにマイクロプロセッサを構成する。

好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明の技術的範囲を逸脱することなく種々の変更を加え得ることまた本発明の要素を均等物で置き換え得ることは、当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明の実施形態による、事前多モードエッジ情報を使用する反復ＣＴ再構成の方法を示す概略ブロック図。 一般的反復再構成プロセスを示す概略ブロック図。 本発明の別の態様による、精密順向投影を用いた反復再構成スキームを示す概略ブロック図。 本発明のさらに別の態様による、多モード制約条件を用いた反復再構成スキームを示す概略ブロック図。 本発明のさらに別の態様による、精密順向投影と図１に示すような多モード制約条件とを用いた反復再構成スキームを示す概略ブロック図。 図４及び図５の反復再構成プロセスでの外部境界情報の使用を示す概略図。 ビーム硬化、分容積及び他のアーチファクトが存在するシミュレーテッド・データの標準ＦＢＰ再構成を使用して生成した画像。 精密順向投影と多モード制約条件とを用いた反復ＦＢＰ再構成を使用して生成した画像。

符号の説明

１００ コンピュータ断層撮影（ＣＴ）再構成方法
１０２ 事前外部エッジ情報
１０４ 測定サイノグラム
１０８ 改善したＣＴ画像
１１０ 最適閾値／適応エッジ検出
１１２ ３次元点集団
２０２ 計算サイノグラム
２０６ 再構成画像
２０８ サイノグラム誤差
２１０ 画像補正
３００、４００、５００ 反復画像再構成スキーム
３０２ 精密順向投影
４０２ 多モード制約条件

Claims (7)

1. コンピュータ断層撮影（ＣＴ）測定による対象物のＣＴ画像の反復再構成を実行する方法（１００）であって、
   複数の反復の各々の間に、前記対象物の再構成画像（２０６）を生成する段階と、
   連続する各反復において、ＣＴに付加した方式により取得した、画像化される前記対象物の事前外部エッジ情報（１０２）を使用することによって前記再構成画像（２０６）に制約条件を与え、前記再構成画像の前記外部エッジ情報を更新する段階（４０２）と、
   前記制約条件が与えられた再構成画像を投影ドメインに変換して前記対象物の計算サイノグラム（２０２）を生成する段階と、
   前記対象物の前記計算サイノグラム（２０２）及び測定サイノグラム（１０４）を比較して、補正画像（２１０）又は補正した画像の少なくとも１つを決定する段階と、
   を含み、
   前記反復画像再構成は、前記対象物の前記計算サイノグラムの決定において収集の物理的作用を考慮した精密な再投影（３０２）を使用する
   ことを特徴とする、方法。
2. 前記精密な再投影（３０２）が、多色Ｘ線収集モデルを使用する段階を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記多色Ｘ線収集モデルを使用する段階が、
   線減弱係数を光電効果の成分とコンプトン散乱成分とに分解する段階と、
   事前材料条件に基づいて前記光電効果の成分とコンプトン散乱成分との相対的重み付けに制約条件を与える段階と、
   をさらに含む、請求項２記載の方法。
4. 前記精密な再投影（３０２）が、有限Ｘ線ビーム幅要件を組込む段階を含み、前記有限Ｘ線ビーム幅要件が、検出器点広がり関数、検出器開口度、検出器クロストーク及び焦点寸法の少なくとも１つを含む、請求項１記載の方法。
5. 前記ＣＴに付加した方式が、座標測定器、マイクロメータ及びレーザ式測定システムの１つをさらに含む、請求項１記載の方法。
6. 前記複数の反復の完了に続いて、得られた完成再構成画像（１０８）及び前記事前外部エッジ情報（１０２）を使用してＣＴ画像の３次元点集団（１１２）を生成する段階をさらに含む、請求項５記載の方法。
7. 前記再構成画像を生成する段階が、反復フィルタ補正逆投影アルゴリズム、最大事後確率アルゴリズム、最大尤度アルゴリズム、代数的再構成法アルゴリズム、エントロピー・ベース・アルゴリズム、最小二乗法アルゴリズム及び重み付きペナルティ最小二乗法アルゴリズムの少なくとも１つによって実行される、請求項１記載の方法。

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