JP5012045B2

JP5012045B2 - Ｘ線ｃｔ装置

Info

Publication number: JP5012045B2
Application number: JP2007016825A
Authority: JP
Inventors: 正之亀川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-01-26
Also published as: JP2008185359A

Description

本発明は産業用のＸ線ＣＴ装置に関し、更に詳しくは、被撮像物の断層像上の任意のエッジ間の寸法を計測することのできるＸ線ＣＴ装置に関する。

Ｘ線ＣＴ装置を用いて、各種工業製品をはじめとする物品の外部から見えない内部構造における任意の位置の寸法を計測する技術が知られている。この種の寸法計測においては、一般に、コーンビーム状のＸ線を発生するＸ線源と２次元Ｘ線検出器を備えた、いわゆるコーンＣＴ装置が用いられる。

コーンＣＴ装置と称されるＸ線ＣＴ装置においては、コーンビーム状のＸ線を発生するＸ線源と２次元Ｘ線検出器の間に、Ｘ線光軸と直交する軸を中心として被撮像物を回転させる回転テーブルを配置し、被撮像物にＸ線を照射しつつ、所定の微小角度ごとにＸ線透過データを取り込む。このようにして得られた被撮像物の３次元Ｘ線透過データを用いることにより、任意に設定されたスライス面に沿った被撮像物の断層像を構築することができる。

例えば被撮像物上のエッジ（輪郭、すなわち被撮像物と背景との境界）間の寸法計測に計測に当たっては、所要部位の断層像を表示させた後、２つのエッジを指定することにより、画像処理によりその各エッジの位置情報を抽出し、その画像上の寸法をあらかじめ求められているピクセル等量を用いて実寸法に換算する。

エッジの位置情報の抽出は、断層像のＣＴ値（各画素の濃度値）を、あらかじめ設定したしきい値と比較することによって行われる（例えば特許文献１参照）。
特開２００４−２２６２０２号公報

ところで、Ｘ線ＣＴ装置による断層像から被撮像物の寸法を計測する従来の方法においては、しきい値を一律に決めると、正確なエッジ抽出を行うことができず、ひいては正確な寸法計測ができないという問題がある。

すなわち、Ｘ線透過データの再構成により得られる断層像では、被撮像物の材質や形状等に依存してベースラインが変化し、一律のしきい値ではこの変化に対応することができない。

また、ＣＴ値としきい値との比較によるエッジ抽出では、エッジの位置情報は、その空間分解能を画素単位よりも向上させることはできず、高精度化には自ずと限界がある。
本発明はこのような実情に鑑みてなされたもので、しきい値を用いることなく、ＣＴ装置による断層像上のエッジ位置の抽出を正確に行うことができ、しかも、その空間分解能を画素ピッチよりも高くすることができ、もって被撮像物の内部の寸法計測を高精度で行うことのできるＸ線ＣＴ装置の提供をその課題としている。

上記の課題を解決するため、本発明のＸ線ＣＴ装置は、互いに対向配置されたＸ線源とＸ線検出器の間に、被撮像物を搭載してＸ線光軸に直交する回転軸を中心として回転する回転テーブルが配置されているとともに、その回転テーブルを回転させつつ、その微小回転角度ごとに収集した被撮像物の３次元Ｘ線透過データを記憶し、その記憶したＸ線透過データを用いて、設定された任意のスライス面に沿った被撮像物の断層像を構築するＸ線ＣＴ装置において、上記断層像上で指定された２つのエッジ間の寸法を計測する画像処理手段と、画像上の寸法を実寸法に換算するためのピクセル等量をゲージを用いてあらかじめ算出するピクセル等量算出手段と、上記画像処理手段により計測された断層像上での寸法を上記ピクセル等量を用いて実寸法に換算する演算手段を備え、上記画像処理手段における各エッジの位置情報の抽出を、当該エッジ間を結ぶ方向へのＣＴ値のラインプロファイルの微分値から求めるとともに、上記ピクセル等量算出手段は、ピッチが既知の２つの円孔が形成されたゲージを用い、そのゲージをＣＴ撮影して得られる断層像上の各円孔の中心位置情報と既知のピッチとからピクセル等量を算出し、かつ、上記各円孔の中心位置情報を、各円孔の全体像を含む領域のラインプロファイルから求めることによって特徴付けられる（請求項１）。

ここで、本発明においては、上記画像処理手段は、断層像上で２つのエッジを含むように指定された矩形状のＲＯＩ中の各ＣＴ値を、上記２つのエッジを結ぶ方向に直交する方向に積算して当該２つのエッジを結ぶ方向へのラインプロファイルを作成し、その微分値を求める構成（請求項２）を好適に採用することができる。

本発明は、エッジの位置情報の抽出に、ラインプロファイルの微分値を用いることで、被撮像物の形状や材質等の相違に係わらず、常に正確なエッジの位置情報を得ると同時に、画素ピッチ以下の空間分解能を得ようとするものであり、しかも、ピクセル等量の算出をも正確なものとすることで、課題を解決するものである。

すなわち、被撮像物の像のエッジに交差する方向へのラインプロファイルを微分すると、エッジに対応する位置でピーク値が現れる。このピーク値の位置精度は、被撮像物の形状や材質には実質的に依存せず、しきい値を用いる従来の手法に比してその精度を安定して向上させることができる。

なお、このピーク値の位置は、例えばこれを放物線近似することにより、画素ピッチの１／４程度の空間分解能のもとに決定することができる。

また、ピクセル等量の算出に関し、ピッチが既知の２つの円孔が形成されたゲージを用い、そのゲージをＣＴ撮影して得られる断層像上の各円孔の全像を含む領域の所要方向へのラインプロファイルを作成することにより、そこに現れる各ピーク値の位置の上記と同様の近似計算によって各円孔の中心の位置情報を簡単かつ正確に求めることができ、ひいては孔間の画像上の寸法を正確に求めることが可能となり、このピクセル等量に関しても、しきい値を用いることなく高精度の計算が可能となる。

ここで、ラインプロファイルの求め方として、請求項２に係る発明のように、断層像上で２つのエッジを含むように矩形状のＲＯＩを指定し、そのＲＯＩ中の各ＣＴ値を、２つのエッジを結ぶ方向に直交する方向に積算して当該２つのエッジを結ぶ方向へのラインプロファイルを作成する方法を採用すれば、断層像のＣＴ値に含まれるノイズの影響を少なくするうえで有効である。

本発明によれば、しきい値を用いることなく被撮像物の断層像のエッジの位置情報を正確に抽出することができ、被撮像物の形状や材質に応じた調整が不要となり、再現性よく被撮像物の内部寸法の高精度の測定することができる。

しかも、エッジの位置情報の空間分解能を、画素のピッチの１／４程度とすることができるため、画素ピッチと同じ空間分解能しか得られない従来のしきい値を用いた従来手法に比して、等価的に４倍の画素数のデータを持っていることになる。演算速度の観点から見ると、４×４×４＝６４倍のスピードアップにもなり、データ容量を１／６４に圧縮していることにも相当する。

また、ピクセル等量を算出する際にも、２つの孔の断層像のラインプロファイルのピーク値の位置からその中心を求め、既知の孔間のピッチからピクセル等量を求めることで、高精度のピクセル等量を計算することができ、上記のエッジ位置情報の抽出と併せて、高精度の実寸法計測を実現することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図とシステム構成を表す要部ブロック図とを併記して示す図である。

Ｘ線源１はそのＸ線光軸が水平を向くように配置され、このＸ線源１に水平方向に対向してＸ線検出器２が配置されており、これらの間に鉛直の回転軸Ｒの回りに回転が与えられるターンテーブル３が配置されている。Ｘ線源１はコーンビーム状のＸ線を発生し、Ｘ線検出器２は２次元検出器である。

ＣＴ撮影に際しては、ターンテーブル３上に被撮像物Ｗを搭載してＸ線を照射しつつ、回転軸Ｒの回りに回転を与え、微小回転角度ごとにＸ線検出器２の出力、つまり被撮像物ＷのＸ線透過データを画像取り込み回路４を介してデータ記憶部５に取り込んでいく。

再構成演算部６は、データ記憶部５に記憶された被撮像物の３６０°分のＸ線透過データを用いて、回転軸Ｒに直交するスライス面に沿った断層像を、あらかじめ設定されているスライス厚のもとに連続して複数枚構築する。その各断層像は画像記憶部７に設定されている連続ＣＴ画像ファイルに記憶される。任意断面再構成演算部８は、再構成演算部６により構築されて連続ＣＴ画像ファイルに格納されている断層像のうちの任意の断層像上で、操作部１２により指定された任意のスライス面に沿った断層像を、画像記憶部７に記憶されているデータを用いて再構成する。この任意断面再構成演算部８により構築された断層像は、画像記憶部７の規定位置に記憶される。

画像処理部９は、操作部１２の操作によって選択された被撮像物Ｗの任意の断層像上で、同じく操作部１２の操作によって指定された２つのエッジの画像上の各位置情報を後述する手法のもとに抽出し、そのエッジ間の画像上の寸法を求める。寸法演算部１０は、そのエッジ間の画像上の寸法と、あらかじめ算出されているピクセル等量を用いて、エッジ間の実寸法を算出する。

以上の再構成演算部６、画像記憶部７、任意断面再構成演算部８、画像処理部９および寸法演算部１０は制御部１１の制御下に置かれている。なお、実際には、これらはコンピュータとその周辺機器によって構成され、インストールされているプログラムに従った機能を実現するのであるが、図１では説明の便宜上、各機能ごとのブロックによって表している。制御部１１には、キーボードやマウス等の操作部１２と、断層像や実寸法等を表示する表示器１３が接続されており、この制御部１１は、これらのほかターンテーブル３等も制御する。

さて、被撮像物Ｗの内部の寸法を計測するに当たっては、オペレータは再構成演算部６または任意断面再構成演算部８による断層像のうち、計測すべき部位が現れる断層像を表示器１３に表示させ、計測すべき２つのエッジを含むＲＯＩを設定する。これにより、画像処理部９がＲＯＩ中の２つのエッジの各位置情報を自動的に求めて、画像上のエッジ間の寸法を算出し、その算出結果を、別途求められているピクセル等量を用いて寸法演算部１０において実寸法に換算する。

画像処理部９におけるエッジの位置情報の求め方について、図２を参照しつつ以下に詳述する。選択した断層像が図２（Ａ）に示す通りであったとし、図中Ｅ１およびＥ２で示すエッジ間の寸法を計測するものとする。この場合、表示器１３に表示された断層像上で、図中Ｃで示すように、両エッジＥ１，Ｅ２を含む矩形のＲＯＩを設定する。この設定により、画像処理部９では、ＲＯＩ中の各画素のＣＴ値について、エッジＥ１，Ｅ２を結ぶ方向、つまり寸法を計測すべき方向（ｘ方向）に直交する方向（ｙ方向）に積算して、図２（Ｂ）に例示するようなｘ方向に沿ったラインプロファイルを作成する。次いでそのラインプロファイルを微分する。具体的には、ラインプロファイルの各値をａ₁，ａ₂，ａ₃・・とし、微分データをｂ₁，ｂ₂，ｂ₃・・とすると、
ｂ_n＝ａ_n−ａ_n-1
を算出し、図２（Ｃ）に例示するようなグラフを得る。ラインプロファイルを微分することにより、エッジＥ１，Ｅ２のｘ方向位置に対応してそれぞれピークが現れる。

図３および図４に、ラインプロファイルの実測例とその微分結果をそれぞれグラフで示す。図４の微分結果の各ピーク近傍の３点のデータを放物線近似する。すなわち、ピーク値をｃ_nとすると、

によって、各ピークを放物線と見なしたときのピーク値を算出することができる。そして、その各ピーク値に対応するｘ方向座標がエッジＥ１，またはＥ２の位置を表すことになる。従って、これらの差がエッジＥ１，Ｅ２間のｘ方向への画像上の寸法となる。

以上のエッジＥ１，Ｅ２の位置情報の求め方によれば、画素のピッチよりも小さい空間分解能、実質的に画素ピッチの１／４の空間分解能のもとに位置情報を求めることが可能となる。このことは、等価的に実際のＸ線検出器２の１列当たりの画素数の４倍の画素に相当するデータを持っていることになり、３次元の演算速度では６４倍の高速化を実現することにもなり、あるいは１／６４にデータ容量を圧縮していることにも相当する。

このようにして高い空間分解能のもとに画像上の寸法を求めた後、これをピクセル等量を用いて実寸法に換算するのであるが、そのピクセル等量の求め方について以下に説明する。

ピクセル等量を求めるためのゲージとして、図５（Ａ）に斜視図を例示するように、板状部材に板厚方向に２つの円孔Ｈを穿ったゲージＧを用いる。２つの円孔Ｈのピッチは既知である。このゲージＧをＣＴ撮像し、図５（Ｂ）のように板厚方向に沿った断層像を構築する。この断層像において各孔Ｈの全像を含む領域をＲＯＩに指定し、ラインプロファイルを求める。図５（Ｃ）に、１つの円孔Ｈの全像を含む領域中の各画素のＣＴ値をｙ方向に積算してなるｘ方向に沿ったラインプロファイルを例示する。このラインプロファイルのピーク値を先の例と同様の近似により求め、そのｘ軸位置を求めると、画像上での円孔Ｈの中心のｘ軸座標が得られる。これと同じことをｙ方向に沿ったラインプロファイルを求めて実行すると、円孔Ｈの中心のｙ軸座標が得られる。これらの座標から２つの円孔Ｈの各中心間の画像上の寸法を算出し、その結果とこれら２つの円孔Ｈ間の既知のピッチとからピクセル等量を算出する。

以上のピクセル等量の算出方法によれば、各円孔Ｈの位置情報を画素ピッチよりも高い空間分解能のもとに算出することが可能となり、得られたピクセル等量は高精度の値となる。そして、このピクセル等量と前記したエッジＥ１，Ｅ２間の画像上の寸法を用いて算出されるエッジＥ１，Ｅ２間の実寸法は、従って、断層像における各画素のＣＴ値をしきい値で弁別してエッジ位置情報を得るとともに、ピクセル等量の算出にも同等の手法を用いる従来手法による実寸法の算出結果に比して、その精度を大幅に向上させることができる。

図６に本発明の実施の形態による手法と、しきい値を用いた従来の手法による実寸法の計測結果に含まれる誤差を比較したグラフを示す。このグラフは、図７に示すような各辺の長さが互いに異なる長方形断面の突出部を有して全体として合計６種の既知寸法に仕上げられた辺を持つゲージをＣＴ撮像し、その同じ断層像から実寸法を本発明の実施の形態による手法と、しきい値を用いた従来手法により各辺の実寸法を計測した結果にそれぞれ含まれる誤差を示すものであり、従来手法ではしきい値を３種類に相違させた場合のそれぞれを図示している。

このグラフから明らかなように、本発明の実施の形態による計測結果は、従来手法にして誤差を約１／２に抑えることができた。また、従来の手法においては、設定されたしきい値に計測結果が依存していることが判る。

本発明の実施の形態の構成図で、機械的構成を表す模式図と要部システム構成を表すブロック図とを併記して示す図である。本発明の実施の形態における断層像上のエッジの位置情報の抽出手法の説明図で、（Ａ）は断層像とそこに設定するＲＯＩの例を示す図であり、（Ｂ）はそのＲＯＩ中のＣＴ値を用いてラインプロファイルの例、（Ｃ）はそのラインプロファイルの微分結果の例を示すグラフである。本発明の実施の形態により作成されたエッジ間のラインプロファイルの実測例を示すグラフである。図３のラインプロファイルの微分結果を示すグラフである。本発明の実施の形態におけるピクセル等量の算出の仕方の説明図で、（Ａ）はその算出に用いるゲージの例を示す斜視図、（Ｂ）はその断層像、（Ｃ）はその断層像のラインプロファイルの例を示す図である。本発明の実施の形態にる実寸法の計測結果と、従来の実寸法の計測結果に含まれる誤差を示すグラフである。図６のグラフの作成に用いたゲージの斜視図である。

１Ｘ線源
２Ｘ線検出器
３ターンテーブル
４画像取り込み回路
５データ記憶部
６再構成演算部
７画像記憶部
８任意断面再構成演算部
９画像処理部
１０寸法演算部
１１制御部
１２操作部
１３表示器

Claims

互いに対向配置されたＸ線源とＸ線検出器の間に、被撮像物を搭載してＸ線光軸に直交する回転軸を中心として回転する回転テーブルが配置されているとともに、その回転テーブルを回転させつつ、その微小回転角度ごとに収集した被撮像物の３次元Ｘ線透過データを記憶し、その記憶したＸ線透過データを用いて、設定された任意のスライス面に沿った被撮像物の断層像を構築するＸ線ＣＴ装置において、
上記断層像上で指定された２つのエッジ間の寸法を計測する画像処理手段と、画像上の寸法を実寸法に換算するためのピクセル等量をゲージを用いてあらかじめ算出するピクセル等量算出手段と、上記画像処理手段により計測された断層像上での寸法を上記ピクセル等量を用いて実寸法に換算する演算手段を備え、上記画像処理手段における各エッジの位置情報の抽出を、当該エッジ間を結ぶ方向へのＣＴ値のラインプロファイルの微分値から求めるとともに、上記ピクセル等量算出手段は、ピッチが既知の２つの円孔が形成されたゲージを用い、そのゲージをＣＴ撮影して得られる断層像上の各円孔の中心位置情報と既知のピッチとからピクセル等量を算出し、かつ、上記各円孔の中心位置情報を、各円孔の全体像を含む領域のラインプロファイルから求めることを特徴とするＸ線ＣＴ装置。
上記画像処理手段は、断層像上で２つのエッジを含むように指定された矩形状のＲＯＩ中の各ＣＴ値を、上記２つのエッジを結ぶ方向に直交する方向に積算して当該２つのエッジを結ぶ方向へのラインプロファイルを作成し、その微分値を求めることを特徴とする請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。