JP5011085B2 - 検査装置，検査装置のアライメント方法及び校正用ファントムの製作方法 - Google Patents

Description

本発明は、検査装置，検査装置のアライメント方法及び校正用ファントムの製作方法に関する。

発電所等で長期間使用されている配管には、内部減肉が生じる。この内部減肉は、配管内の壁面に流体が繰り返し衝突することにより、壁面が機械的に損傷を受け、その一部が脱離する現象（エロージョン）と、化学的作用による腐食する現象（コロージョン）との相互作用により発生する。特に曲がり個所，オリフィスなど流体の流れに乱れが生じる個所において、減肉は顕著に見られる。この減肉量が限界値を超えると運転時の圧力に配管が耐えられず配管損傷が生じ、重大事故が発生する。

配管の減肉量を検査するため、放射線源と検出器の組合せによる配管内部検査は配管に保温材が被覆された状態でも内部状況検査が可能であり、検査の効率化に有効な手段である。そこで、放射線源と検出器を平行移動することで被検体の断層像を求め、立体情報を得るＣＬ（Computed Laminography）と言われる方式による検査手法が開発されている（非特許文献１）。

また、検査装置の放射線源と検出器の位置関係を把握するため、アライメント誤差を算出する手法として、エッヂチャートを使用した技術が特許文献１に開示されている。

特開２００４−８１３３１号公報 S.Gondrom, S.Schropfer :"Digital computed laminography and tomosynthesis - functional principles and industrial applications"Proceedings BB 67-CD, Computerized Tomography for Industrial Applications and Image Processing in Radiography (1999)

上記ＣＬ方式においては、放射線源と検出器を平行移動することで検査対象物の様々な角度からの透過データを得る。この透過データを再構成することで検査対象物の断層像を得る。しかしながら、ＣＬ方式は通常のＣＴと異なり、回転動作によるデータ取得を行っていない。通常のＣＴでは回転中心が求まれば、各検出素子と放射線源とを結ぶ線分と中心軸との距離と角度により、検出素子ごとの透過データの再配置が可能になる。一方、ＣＬ方式では回転中心がないために、放射線源と検出器の各検出素子とを結ぶ線分の幾何配置をあらかじめ正確に認識しなければ画像再構成ができない。

また、特許文献１ではエッヂチャートに設けた丸孔を通過した放射線によって、楕円形の孔画像を形成する。但し、孔画像にはボケが生じるため、楕円形の孔画像における扁平率を厳密に算出することは困難であり、放射線源と検出器の高精度な位置決めが困難であった。

そのため、本発明では装置の高精度な位置決めを可能とし、高分解能な画像再構成を得ることを目的とする。

本発明は、前記放射線源と前記検出器との間に配置され、前記検出器の検出面に対して垂直方向に設けられた垂直細線を内部に備えた校正用ファントムを有したことを特徴とする。

本発明によれば、装置の高精度な位置決めを可能とし、高分解能な画像再構成を得ることが出来る。

放射線源と検出器を有する検査装置において、放射線源と検出器間に校正用ファントムを設置し、校正用ファントム内に有する細線の配置と、細線の透過像を用いることで、検出面における放射線源の２次元配置と、放射線源と検出器の検出面との距離が求まり、装置の幾何配置が決定される。これにより高分解能な画像再構成が可能となる。

図１は、本発明の実施例における校正用ファントムの側面図・平面図を示す。校正用ファントム１０１は、アクリルなど剛性が高く、かつ比較的放射線の減衰率が小さい平板で形成されている。校正用ファントム１０１の内部には、タングステンなど放射線の減衰率が大きい部材を垂直に配置した垂直細線１０２が設けられている。校正用ファントム１０１の上面には水平かつ平行に配置した２本一組の水平細線１０３ａが配置され、同部材の下面には水平かつ平行に配置した２本一組の水平細線１０３ｂが配置されている。垂直細線１０２は校正用ファントム１０１の上面又は下面に対して垂直に配置される。校正用ファントム１０１の上面と下面は平滑かつ平行な面となっていることが望ましい。なお、Ｘ線源から照射された放射線の照射方向において、Ｘ線が最初に入射する面を校正用ファントムの上面、上面に対向する面を下面とする。

図２は、本実施例の校正用ファントムを実機に使用したときの構成例である。本実施例では、放射線源としてＸ線源を使用する。Ｘ線源２０１を内部に有したＸ線管２０２と、２次元平面素子の検出器２０３は、検査対象物２３０を挟んで対向するように配置している。それぞれは、支持部材２３１により相対位置を固定され、移動機構２３２により検査対象物２３０に対して移動する。本実施例では、検査対象物２３０は配管を示しており、装置は配管長手方向（即ち、紙面に対して垂直方向）に移動する。

検出器２０３はシンチレータやシリコンなどの薄膜で形成され、Ｘ線を検出すると可視光を出す。この光をフォトダイオードにより電気信号へと変換する。検出器の検出面は、検出器２０３の上面とする。フォトダイオードを含む電子回路２２１は検出器下部に配置され、検出面を保護するカバー材２２０が検出器上面に設けられている。

校正用ファントム１０１はＸ線源２０１と検出器２０３の間に配置される。本実施例では検出器２０３の上面にカバー材２２０を被せ、カバー材２２０の上面に校正用ファントム１０１を密着させている。カバー材２２０の上面に校正用ファントム１０１を密着させることで、検出器２０３の検出面と校正用ファントム１０１の垂直細線１０２とを垂直に位置決めすることが容易となる。

また、校正用ファントム１０１の上面・下面は検出器２０３の検出面と平行であり、かつＸ線源２０１から照射されたＸ線２０４によって校正用ファントム内部の垂直細線１０２や水平細線１０３ａ，１０３ｂの透過像が検出器２０３にて検出できる位置に校正用ファントム１０１が設置される。

Ｘ線管２０２は高圧電源２０５と冷却器２０６に接続されており、Ｘ線管システム制御部２０７により安定した管電圧と管電流が供給される。検出器２０３では、検出器制御部２０８から命令されたデータ取り込みタイミングに応じて、データ収集が実施される。Ｘ線管システム制御部２０７及び検出器制御部２０８は、中央制御部２０９に接続されており、各機器の動作タイミング調整や、制御部内部にある演算装置にてデータ処理が実施される。装置の動作状態や、検査結果はモニタ２１０にて表示される。

本実施例の装置構成においては、Ｘ線源２０１と検出器２０３が同時あるいはいずれか一方のみが並進して検査対象物２３０の透過データを取得し、透過データを再構成することで断層像を得るものである。図３に示すように、画像再構成領域を格子３０１とすると、画像再構成を実施するには、Ｘ線源２０１と検出器２０３の各検出素子とを結ぶ線分が通過する格子３０１の位置及び格子３０１を通過する線分の長さについて、正確に把握することが必要になる。そして、線分が通過する格子３０１の位置及び線分の長さを把握するためには、Ｘ線源２０１と検出器２０３との相対的な位置関係を算出する必要がある。しかし、本実施例の装置では通常のＣＴ装置のような回転運動を行わないために、Ｘ線源２０１と検出器２０３との幾何配置を回転中心からの相対位置によって導出することができない。従って、検出器２０３の検出面に対するＸ線源２０１の２次元配置及びＸ線源２０１と検出器２０３の検出面との距離を知ることが必須である。

図４（ａ）は、本実施例における垂直細線の透過像を示したものである。本実施例において検出器２０３は２次元検出面を有しているため、透過像は平面像として得られる。図４（ａ）において、垂直細線１０２が４本の場合である。なお、垂直細線１０２をＸ線源から見た場合、小さな点で表されるため、図４では垂直細線１０２を中抜きの丸印で表記する。

Ｘ線源２０１は１mm未満の微小な大きさであり、Ｘ線を放射状に照射している。そのため、垂直細線１０２の透過像４０１は、垂直細線１０２からＸ線源２０１を見込んだ方向の反対側に投影される。よって、図４（ｂ）に示すように、それぞれの垂直細線１０２の透過像４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄを延長した線分４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃ，４０２ｄの交点４０３によって、検出面におけるＸ線源２０１の２次元配置を求めることができる。即ち、交点４０３から検出面の垂直方向（交点４０３の上部）にＸ線源２０１が位置する。なお、垂直細線１０２は、少なくとも２本以上あればＸ線源２０１の２次元配置を導出できる。但し、垂直細線１０２が２本の場合、２本の垂直細線１０２を結ぶ線分上にＸ線源２０１が位置しないことが必要条件となる。２本の垂直細線１０２を結ぶ線分上にＸ線源２０１が位置する場合、透過像を延長した２本の線分は同一軸となり、交点が現れないためである。

また、垂直細線１０２の透過像によりＸ線源２０１の２次元配置を導出するため、像の幅は極力細い方が望ましく、誤差を小さくすることが可能である。幅としては検出器２０３の素子程度が望ましい。よって、細線径も同様に検出器２０３の素子大きさと同程度とすることが望ましい。

本実施例において、垂直細線１０２を丸孔にした場合、孔画像にボケが生じるため、楕円形の孔画像における扁平率を厳密に算出することは困難である。そこで、細線にすることで、細線の透過像から透過像を延長した線分の向きを正確に把握することができ、Ｘ線源２０１の２次元配置を導出して、高精度な位置決めが可能である。

なお、垂直細線１０２の数を増加することで位置精度を向上させることができる。具体的には、細線の数をｎ本とした場合、統計誤差は１／√ｎで減少する。

図５は、本実施例において垂直細線１０２によりＸ線源２０１と検出器２０３の検出面との距離を導出するための概念図を示している。ここで、Ｘ線源２０１と検出器２０３の検出面又は垂直細線１０２との距離は、検出器２０３の検出面に対して垂直方向の軸におけるＸ線源２０１と検出器２０３の検出面又は垂直細線１０２との距離とする。垂直細線１０２を任意の２本選択し、細線の下端間の距離をＬ１、上端間の距離をＬ２とする。また、細線の高さをＤとする。これら３つの数値は、校正用ファントム製作時に精密に調整可能である。また、Ｘ線源２０１から垂直細線１０２下端部までの距離をＺ１、Ｘ線源２０１から垂直細線１０２上端部までの距離をＺ２とし、Ｘ線源２０１と検出器２０３の検出面までの距離をＨとする。これら３つの数値は未知数である。さらに、検出器２０３で得られた垂直細線１０２の透過像から、２つの下端部透過像の距離をＬ１′、上端部透過像の距離をＬ２′とする。

透過像の拡大率を下端部でｒ１、上端部でｒ２とすると、それぞれ下式のように表される。

これらを変形すると、

細線高さＤはＺ１とＺ２の差であるから

これにより、既知の数値からＸ線源２０１と検出器２０３の検出面間の距離Ｈが導出される。垂直細線のＬ１′，Ｌ２′は、細線透過像の頂点から導出している。

図６（ａ）に示すように、水平細線１０３ａ，１０３ｂの透過像から両者の間隔を算出し、Ｘ線源と検出器の検出面との距離を求めることも可能である。この場合、図６（ｂ）に示すように、平行に配置した細線間隔からＬ１′，Ｌ２′を導出できるため、平行線の複数個所から導出した数値を平均化することでＬ１′とＬ２′の誤差を減少させることが可能である。また、透過像（即ち、Ｘ線減衰量）は縁の部分でボケを有している。ボケはＸ線の透過距離や、Ｘ線源の大きさに由来する。垂直細線の場合、垂直細線１０２の上端・下端部の透過像から距離Ｌ１′とＬ２′を導出しており、透過データの減衰曲線が急激かつ不均一に変化するため、精度よく距離を導出することが難しい。それに対し、水平細線１０３ａ，１０３ｂを用いると細線径方向のボケとなるため、透過距離は細線の軸中心から縁部に向けて連続的に減少し、Ｘ線減衰量７０１は滑らかな変化をする（図７）。それゆえ透過像での細線中央軸を高精度に導出可能となり、細線の透過像の平行間隔Ｌ１′，Ｌ２′を高精度に導くことができる。このＬ１′，Ｌ２′を上式（１）から（５）に適用して距離Ｈを求めることが可能である。

また、図６（ａ）より、校正用ファントムの上面に設けた水平細線１０３ａと下面に設けた水平細線１０３ｂは、両者の投影像が重ならないようにすることが望ましい。両者の投影像が重なると、透過像の平行間隔Ｌ１′，Ｌ２′を正確に求めることが困難な場合があるからである。

図８は、本実施例における検査フローを示したものである。まず、現地にて装置を組立てる（手順８０１）。次に、校正用ファントムを検出器前面に取り付け、検出器に対する校正用ファントムの角度を調整する（手順８０２）。ファントム中の垂直細線と水平細線がそれぞれ検出器の検出面に対して垂直方向，水平方向となるようにファントムは取り付けられる。Ｘ線を照射してファントム内の垂直細線及び水平細線の透過像を取得（手順８０３）した後に、各垂直細線の透過像を延長して交点座標を導出する（手順８０４）。次に、校正用ファントム上面と下面それぞれの水平細線の透過像の間隔を求める（手順８０５）。垂直細線又は水平細線の間隔、及び垂直細線又は水平細線による透過像の間隔とを用いてＸ線源と検出器検出面間の距離を導出する（手順８０６）。そして、手順８０４により求められた検出面に対するＸ線源の２次元配置及び手順８０６により求められた放射線源と検出器の検出面との距離に基づき、検出器の各検出素子とＸ線源との幾何配置を決定する（手順８０７）。その後校正用ファントムを取り外し（手順８０８）、配管を撮像する（手順８０９）。配管撮像はＸ線源と検出器の並進移動によりデータ収集がなされる。アライメントにより導出した幾何配置により、取得データから画像を再構成し、配管断層像を得る（手順８１０）。

図９は、本実施例における校正用ファントムの製作方法を示す。図９（ａ），（ｂ）は、校正用ファントムを構成する３つの部材について、側面図を示す。ここで、校正用ファントムを構成する部材９０１ａ及び９０１ｂは、校正用ファントムに設けられた垂直細線１０２の中心軸を通る平面で切断することにより、３つの部材に分割されている。部材９０１ａの側面には、部材９０１ａの上面に対して垂直方向に垂直細線１０２が接着されている。また、２つの部材９０１ｂの側面には、垂直細線１０２を収納できる程度の溝９０２が設けられている。図９（ｃ）に示すように、垂直細線１０２が溝９０２に嵌め込まれるように部材９０１ａ及び９０１ｂを接合することで、一つの校正用ファントムを容易に製作することが出来る。また、垂直細線の位置精度や、角度精度が保持できる。

なお、本実施例では検出器２０３のカバー材２２０と校正用ファントム１０１を密着させている。しかし、検出器２０３のカバー材２２０と校正用ファントム１０１との間に空間を設けていても良い。検出器２０３の検出面に対して校正用ファントム１０１の垂直細線１０２が略垂直となっていれば、前述の数式と同様の考え方でＸ線源の２次元配置及びＸ線源と検出器との距離を求めることができる。

図１０は、本実施例において垂直細線１０２によりＸ線源２０１と検出器２０３との距離を導出するための概念図を示している。実施例１との相違点は、検出器２０３上部にカバー材２２０を取り付けていない構造となっている。そのため、垂直細線１０２の下端部の間隔Ｌ１は、検出器の検出面における透過像の間隔Ｌ１′と等しくなる。

この場合、Ｌ１＝Ｌ１′となり、式（５）が

と表される。従って、本実施例では式（６）によって、Ｘ線源と検出器検出面との距離を導出することが可能である。

本発明は放射線を用いた配管検査装置のアライメントに利用でき、プラントにおける配管の減肉検査や３次元形状データ取得に活用できる。

本発明の校正用ファントムを示した図である。 本発明の校正用ファントムを用いた装置の模式図である。 本発明の検査装置の画像再構成領域を示した模式図である。 垂直細線の透過像からＸ線源の２次元配置を導出する手法を示す模式図である。 実施例１において、垂直細線の透過像を用いてＸ線源と検出器検出面との距離を導出する手法を示す模式図である。 水平細線の透過像を用いてＸ線源と検出器検出面との距離を導出する手法を示す模式図である。 水平細線の透過像における細線径方向のＸ線減衰量を示す模式図である。 本発明の検査装置による配管検査方法を示す図である。 校正用ファントムの製作方法を示す模式図である。 実施例２において、垂直細線の透過像を用いてＸ線源と検出器検出面との距離を導出する手法を示す模式図である。

符号の説明

１０１ 校正用ファントム
１０２ 垂直細線
１０３ 水平細線
２０１ Ｘ線源
２２０ カバー材
２２１ 電子回路

Claims (3)

1. 検査対象物に放射線を照射する放射線源と、
   該検査対象物を挟んで該放射線源の反対側に配置された２次元平面検出器とを備えた検査装置であって、
   前記放射線源と前記検出器との間に校正用ファントムが配置され、
   該校正用ファントムは、前記検出器の検出面に対して垂直方向に設けられた垂直細線と、前記検出器の上面及び下面にそれぞれ検出面に対して平行に配置した２本一組の水平細線とを備えたことを特徴とする検査装置。
2. 放射線を照射する放射線源と、
   該放射線源から照射された放射線を検出する検出器と、
   前記放射線源と前記検出器との間に設けられた校正用ファントムと、
   該校正用ファントムの内部に、前記検出器の検出面に対して垂直に設けられた複数の垂直細線とを備えた検査装置のアライメント方法であって、
   前記校正用ファントムを前記検査装置に取り付ける第一の工程と、
   前記放射線源から放射線を照射し、前記検出器で前記垂直細線の透過像を検出する第二の工程と、
   前記検出器の検出面における前記垂直細線の透過像の延長線同士の交点を算出する第三の工程とを備えたことを特徴とする検査装置のアライメント方法。
3. 放射線を照射する放射線源と、
   該放射線源から照射された放射線を検出する検出器とを備えた検査装置に使用する校正用ファントムの製作方法であって、
   第一の平板の側面に、該平板の上面に対して垂直方向の溝を設ける第一の工程と、
   第二の平板の側面に、該平板の上面に対して垂直方向の細線を設ける第二の工程と、
   該溝に該細線をはめ込むように、前記第一の平板と前記第二の平板を結合し、校正用ファントムを製作する第三の工程とを備えたことを特徴とする校正用ファントムの製作方法。

Images