JP5323098B2 - X線コンピュータ断層撮影装置及びx線コンピュータ断層撮影法による対象物の検査方法 - Google Patents

X線コンピュータ断層撮影装置及びx線コンピュータ断層撮影法による対象物の検査方法 Download PDF

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Description

本発明は、請求項1の前段(プリアンブル部分、所謂おいて部分)に係るX線コンピュータ断層撮影法により対象物を検査するためのX線コンピュータ断層撮影装置に関する。本発明はさらに、請求項10の前段に係るX線コンピュータ断層撮影法による対象物の検査方法に関する。
X線コンピュータ断層撮影法(CT)は、対象物の内部構造の非破壊及び非接触検査を可能にする。これは、医療分野において人体を検査するために、さらには工業分野においても品質試験のために用いられている。X線コンピュータ断層撮影法の重要なステップはX線放射強度の標準化であり、この強度は、X線検出器を用いて検査対象物の後ろ側で計測される。これは、一般に、検出器におけるグレースケール値を決定するように行われ、このグレースケール値が、減衰していない一次X線放射の基準値として解釈される。この基準値を用いて、X線放射が対象物により減衰した結果として生じるグレースケール値が標準化される。
工業分野における対象物の非破壊試験での慣行どおり、エネルギーの散逸を伴わない一体型X線検出器を使用するとき、X線検出器に衝突する光子が、一次X線放射か、それとも二次X線放射に割り当てられるべきかを決定することは不可能である。一次X線放射の光子は、検査対象物において前記対象物と相互作用することなくX線源からX線検出器まで到達したものであり、一方、二次X線放射の光子は、対象物における散乱過程で生じたものである。従って、対象物により減衰した強度をX線検出器で計測すると、−対象物において生じた蛍光放射に加え−不規則に散乱した光子の寄与、換言すれば、二次X線放射の寄与も含まれる。二次X線放射は散乱放射とも称される。散乱放射により、減衰した一次X線放射の計測値が歪められ、そのため対象物の再構成画像の画質が低下する。
従って、本発明は、検査対象物の画像を高画質で記録することが可能なX線コンピュータ断層撮影装置を提供するという目的を基礎としている。
上記目的は、本発明に従えば、請求項1の特徴を有するX線コンピュータ断層撮影装置により達成される。本発明に従えば、2つの強度計測値を用いて散乱放射補正係数が計算され、それにより散乱放射の影響を補正し得ることが認められた。X線源と検査対象物が設置された対象物支持体との間に配置された第1の強度計測装置を用いて、減衰していない一次X線放射の強度を計測することが可能である。検査対象物の投影領域外において対象物支持体とX線検出器との間に配置された第2の強度計測装置を用いて、減衰していない一次X線放射の強度と、散乱放射強度、換言すれば二次X線放射の強度とから実質的になる強度を計測することができる。対象物によって生成される散乱放射を特徴付ける散乱放射補正係数は、計測された強度から計算することができる。散乱放射補正係数は、厳密に数学的な意味か、又は別の数学的な形式における係数として、散乱放射の補正に導入することのできる補正値である。この散乱放射補正係数を用いることで、ゼロ次又は高次の散乱放射分布を仮定して、X線検出器により計測された強度の補正を各個別の画素について実行することができる。従って、散乱放射の影響を実質的に排除することができ、それによりX線コンピュータ断層撮影装置の画質の向上がもたらされる。さらに、減衰していない一次X線放射の強度の計測値は、X線検出器により計測された強度を標準化するための信頼性の高い標準化変数を提供する。これによっても画質が向上する。
請求項2に係る発展形態により、減衰していない一次X線放射の強度の計測精度が向上する。第1の強度計測装置の配置がX線源に近いほど、計測精度は高くなる。
請求項3に係る第1の強度計測装置の配置により、検査対象物の投影にその装置が映ることが防止される。
第2の強度の計測値の正確さが、請求項4に係る発展形態により向上する。第2の強度計測装置の配置がX線検出器に近いほど、散乱放射の影響をより正確に計測及び計算することができる。
請求項5に係る強度計測装置の構成は、経済的である。
請求項6に係る発展形態は、少なくとも1つの散乱放射補正係数の計算を簡略化する。強度計測装置の信号は、構成が構造的に同一であり、均一的な基準サイズへの信号の標準化を実行する必要がないため、それ以降の処理を直接行うことができる。従って、構造的に同一の強度計測装置は較正する必要がない。
請求項7に係る発展形態により、高画質を実現することができる。
請求項8に係る発展形態により、第1の強度計測装置を用いた減衰していない一次X線放射の強度と、第2の強度計測装置を用いた減衰していない一次X線放射の強度と二次X線放射の強度とからなる強度との、正確な計測が可能となる。
請求項9に係る発展形態により、X線検出器の各画素について補正減衰値を計算することが可能となり、それにより公知の再構成アルゴリズムを用いて評価ユニットにおいてX線像を生成することができる。ゼロ次の散乱放射補正では、散乱放射補正係数は、第2の強度と第1の強度との商として求められる。高次の散乱放射補正では、散乱放射補正係数は、この商と関連するモンテカルロ散乱放射分布との積として求められる。
本発明はまた、高画質が可能なX線コンピュータ断層撮影法による対象物の検査方法を提供するという目的にも基づく。
本目的は、本発明に従えば、請求項10の特徴を有する方法により達成される。本発明に係る方法の利点は、本発明に係るX線コンピュータ断層撮影装置の既述の利点と一致する。
請求項11に係る発展形態により、計測値の時間割り当て、ひいては信頼性が高く、且つ精密な散乱放射補正が確実に行われる。
請求項12に係る計測により、検査対象物の投影に第1の強度計測装置が映ることが防止される。
請求項13に係る少なくとも1つの散乱放射補正係数の計算により、散乱放射の空間分布が考慮されるため、画質の向上が可能となる。
請求項14に係る発展形態により、散乱放射の各投影方向に対する依存性が考慮されるため、画質の向上が可能となる。また、検査対象物の幾何形状のため、それぞれの投影方向について異なる散乱放射補正係数が求められる。
請求項15に係る発展形態により、高画質が可能となる。
本発明のさらなる特徴及び利点は、図面を用いた実施形態の説明から明らかとなる。
X線コンピュータ断層撮影装置の概略斜視図を示す。 図1のX線コンピュータ断層撮影装置の平面図を示す。 ゼロ次の散乱放射除去の概略図を示す。 モンテカルロ分布による高次の散乱放射除去の概略図を示す。
対象物2を検査するためのX線コンピュータ断層撮影装置1は、X線源3と、関連するX線検出器4とを有する。X線源3とX線検出器4との間には対象物支持体5が配置され、その上に対象物2を位置決めすることができる。
X線源3を使用して、ビーム方向7に円錐形に放出されるX線放射6が生成される。ビーム方向7は、X線コンピュータ断層撮影装置1の中心長手方向軸8と実質的に平行に延びる。X線源3は、例えばX線管として構成され、その構造は公知である。
X線検出器4は実質的にx−y平面に延在し、x−y平面は、x方向と、それと垂直に延在するy方向とによって定義される。中心長手方向軸8がz方向を定義し、z方向は、x−y平面と実質的に垂直に延びる。x方向及びy方向にあるX線検出器4は多数の画素を有し、これらの画素は、それぞれP(x,y)(式中、x=1〜n、及びy=1〜n)と称される。X線検出器4は、例えば、エネルギーの散逸を伴わない一体型平面画像検出器として構成され、その構造は公知である。
検査対象物2の幾何形状に応じて、円錐形に放出されるX線放射6は異なる領域に分割することができる。X線源3と対象物2との間に位置する一放射領域9では、一次X線放射6aは減衰することなく対象物2に衝突する。対象物2とX線検出器4との間に位置する投影領域10では、対象物2によって減衰した一次X線放射6bが、二次X線放射6c、換言すれば散乱放射と共にX線検出器4に衝突する。投影領域10は、シャドウキャスティング(shadow-casting)領域とも称される。放射領域9及び投影領域10は、計測領域11によって取り囲まれ、そこでは、減衰していない一次X線放射6aが、対象物2に衝突することなくX線源3からX線検出器4まで届く。
第1の強度計測装置13が、放射領域9の外側においてX線源3と対象物2との間に位置する第1の計測部分領域12に配置される。第1の強度計測装置13により、減衰していない一次X線放射6aの第1の強度Iを計測することができる。第1の強度計測装置13は、X線源3に対して第1の間隔Aを有し、対象物支持体5に対して第2の間隔Aを有する。間隔A、Aは、いずれの場合も、z方向におけるX線源3から、又は対象物支持体5からの第1の強度計測装置13の軸方向最短距離として定義される。第1の間隔Aの第2の間隔Aに対する比は、1/2未満、特に1/4未満、特に1/8未満である。
第2の強度計測装置15が、投影領域10の外側において対象物2とX線検出器4との間に位置する第2の計測部分領域14に配置される。第2の強度計測装置15により、対象物2により減衰されていない一次X線放射6aと、二次X線放射6c、換言すれば散乱放射との第2の強度Iを計測することができる。第2の強度計測装置15は、X線検出器4からの第3の間隔Aと、対象物支持体5からの第4の間隔Aとを有する。間隔A、Aは、いずれの場合も、z方向におけるX線検出器4から、又は対象物支持体5からの軸方向最短距離として定義される。第3の間隔Aの第4の間隔Aに対する比は、1/2より小さく、特に1/4より小さく、特に1/8より小さい。第1の計測部分領域12と第2の計測部分領域14との間に位置する第3の計測部分領域16は、移行領域である。
強度計測装置13、15は、構造的に電子線量計と同じように構成され、強度I、Iに比例する線量出力を計測値として提供する。
X線源3、X線検出器4及び強度計測装置13、15は、信号線17によって評価ユニット18に接続される。評価ユニット18は、計測された強度I、Iの関数として少なくとも1つの散乱放射補正係数Fを計算することができるように構成される。
対象物2を照射すると、X線検出器4に対象物2の投影Sが生じる。対象物2の内部構造19が投影Sに現れ、従って対象物2の非破壊検査が可能となる。異なる投影Sを生じさせるため、x−y平面と平行に延在する回転軸20の周りに対象物支持体5を回転させることができる。対象物支持体5、ひいては対象物2の回転位置は、回転角φによって特徴付けられる。それぞれの投影は、S(φ)(式中、n=1〜N)で示される。従って、回転角φは投影方向の尺度である。
本発明に係るX線コンピュータ断層撮影法による対象物2の第1の検査方法を以下に説明する。
対象物2が対象物支持体5上に配置され、X線源3に対して第1の回転角φに位置決めされる。X線源3を用いて対象物2にX線放射6aが照射される。X線検出器4が、そこに衝突するX線放射6を検出する。各画素P(x,y)について、検出されたX線放射6が対応するグレースケール値g(x,y)に変換され、評価のため評価ユニット18に送られる。
同時に、第1の強度Iの計測値が第1の強度計測装置13により、及び第2の強度Iの計測値が第2の強度計測装置15により計測され、評価のため評価ユニット18に送られる。
本発明に係る第1の方法は、散乱放射と称される二次X線放射6cがランダムな方向に散乱し、一定の一様なバックグラウンドとしてX線検出器4に現れるものと仮定する。この仮定に基づき、各画素P(x,y)に以下の式が適用される:
Figure 0005323098
式(1)により、減衰した一次X線放射6bの強度I(x,y)と、減衰していない一次X線放射6aの強度Iと、散乱放射6cの強度Iと、各画素P(x,y)についてX線検出器4により計測されたグレースケール値g(x,y)との間の関係が求められる。kは、X線放射6の物理的強度とデジタルのグレースケール値g(x,y)との間のスケーリング係数である。スケーリング係数kは定数であり、X線検出器4の特性である。A(x,y)は、各画素P(x,y)の減衰値で、これは、X線源3から対象物2を通ってX線検出器4上のそれぞれの画素P(x,y)に至る経路に沿った、減衰していない一次X線放射6aの強度Iの減衰を示す。減衰値A(x,y)は、評価ユニット18によるX線像の再構成時に各画素P(x,y)について必要となる。
独立した単位のない傾き係数f(superelevation factor)を定義することができ、これは、強度I、Iの線量計測値を用いて、計測値を変換することなしに決定することができる。傾き係数fは、
Figure 0005323098
として定義される。
傾き係数fは、強度I、Iの計測値から決定される。強度Iは、実質的に、減衰していない一次X線放射6aの強度Iと散乱放射6cの強度Iとからなるため、以下の式が得られる:
Figure 0005323098
式(3)から、散乱放射6cの強度Iが導かれる:
Figure 0005323098
式(4)を式(1)に代入すると、散乱放射6cの強度Iを消去することができる:
Figure 0005323098
傾き係数f及び減衰値A(x,y)は、いずれの場合も単位のない係数であり、式中、f≧1及びA(x,y)>0である。傾き係数fは、X線検出器4に到達する散乱放射6cの割合を示す。傾き係数fは、対象物2とX線検出器4との間隔が短くなると大きくなる。
式(5)において、スケーリング係数kと強度Iとの積は、対象物2のない予備試験によって決定することができる。対象物2のない予備試験では、傾き係数はf=1であり、全ての画素P(x,y)について減衰値A(x,y)=0である。この場合、式(5)は:
Figure 0005323098
に簡約化することができる。
従って、予備試験で計測されたグレースケール値g(x,y)が、スケーリング係数kと強度Iとの積に相当する。
式(5)を解くことにより、以下のとおり各画素P(x,y)についての減衰値A(x,y)が求まる:
Figure 0005323098
各画素P(x,y)について、式(7)により補正減衰値A(x,y)が提供され、ここでは散乱放射6cの影響が実質的に排除される。減衰値A(x,y)を用いることで、評価ユニット18において公知の再構成アルゴリズムによりX線像が生成され得る。
散乱放射6cが、一定の一様なバックグラウンドとしてX線検出器4に現れるとした仮定のもとでは、傾き係数fは同時に散乱放射補正係数Fでもある。従って、
Figure 0005323098
従って、式(7)を用いると、ゼロ次の散乱放射除去が実行される。図3は、y方向を一定の位置としたままx方向に計測したグレースケール値g(x,y=定数)の例を用いたゼロ次の散乱放射除去を示す。
図3の破線は、計測されたグレースケール値g(x,y=定数)のプロファイルを示す。実線は、対象物2の後の減衰した一次X線放射6bの強度I(x,y=定数)のプロファイルである。散乱放射6cの強度Iは、2つの線の間の一定のオフセットである。
記載される方法がN個の異なる回転角φについて繰り返され、それにより異なる投影S(φ)が生成される(n=1〜N)。各投影S(φ)について、散乱放射補正係数F=f及び補正減衰値A(x,y)が計算される。評価ユニット18により、補正減衰値A(x,y)から対象物2の三次元画像を計算することができる。
本発明に係る第2の方法では、高次の散乱放射除去が実行される。散乱放射分布は一様ではなく、検査対象物2の幾何形状に依存して、局所的に不均一に分布していると仮定される。高次の相対的な散乱放射分布は、いわゆるモンテカルロ計算により、検査対象物2の幾何形状の関数として決定することができる。この種の相対的な散乱放射分布は、モンテカルロ散乱放射分布と称される。高次の散乱放射分布の仮定のもとに、各画素P(x,y)についての散乱放射補正係数F(x,y)が求められる:
Figure 0005323098
(x,y)は、0〜1の単位のない係数であり、画素P(x,y)における投影S(φ)(n=1〜N)の相対的な散乱放射分布を示す。図4は、モンテカルロ分布M(x,y=定数)による高次の散乱放射除去を示す。散乱放射6cの強度I(x,y=定数)は、モンテカルロ分布M(x,y=定数)に従いx方向に不均一に分布している。
本発明に係るX線コンピュータ断層撮影装置、及び本発明に係るX線コンピュータ断層撮影法による対象物の検査方法により、例えば非破壊材料試験において、散乱放射バックグラウンドの独立した線量推定が実行される点で画質が向上する。この推定では、ゼロ次の散乱放射分布及び高次の散乱放射分布の双方を開始点とすることができる。
減衰していない一次X線放射6aの計測された第1の強度と、減衰していない一次X線放射6aの強度と二次X線放射6cの強度とからなる第2の強度との関数として、散乱放射補正係数Fが計算され、それを用いて、各画素P(x,y)について補正減衰値A(x,y)を計算することができ、ここでは散乱放射6cの影響が実質的に排除される。補正減衰値A(x,y)は、以下の式に従い式(7)、(8)及び(9)に対応して各個別の投影Sについて計算される:
Figure 0005323098
ゼロ次の散乱放射分布を仮定する場合、式(10)の散乱放射補正係数Fは、第2の強度Iと第1の強度Iとの商から求められる計測された傾き係数fと一致する:
Figure 0005323098
散乱放射6cは、一定の一様なバックグラウンドとしてX線検出器4に現れることを仮定したため、散乱放射補正係数Fは全ての画素P(x,y)について一定である。
高次の散乱放射分布を仮定する場合、式(10)の散乱放射補正係数F(x,y)は、計測された傾き係数fと仮定されたモンテカルロ散乱放射分布M(x,y)との積として求められる:
Figure 0005323098
散乱放射補正係数F(x,y)は、仮定により定数ではなく、画素P(x,y)にわたってモンテカルロ散乱放射分布M(x,y)に従い不均一に分布する。
補正減衰値A(x,y)により、公知の再構成アルゴリズムを用いて画質が向上したX線像を生成することができる。
散乱放射補正係数F又は傾き係数fは、散乱放射の補正に導入される値であり、これらの値は、厳密に数学的な意味での係数である必要はない。

Claims (15)

  1. − X線放射(6)を生成するためのX線源(3)と、
    − 前記X線放射(6)を検出するためのX線検出器(4)と、
    − 検査対象物(2)を前記X線源(3)と前記X線検出器(4)との間に位置決めするための対象物支持体(5)と、
    − 前記検出されたX線放射(6)を評価するための評価ユニット(18)と、
    を含む、X線コンピュータ断層撮影法により対象物を検査するためのX線コンピュータ断層撮影装置において、
    − 前記X線放射(6)の第1の強度(I)を計測するための第1の強度計測装置(13)が、前記X線源(3)と前記対象物支持体(5)との間に配置され、
    − 前記X線放射(6)の第2の強度(I)を計測するための第2の強度計測装置(15)が、前記対象物(2)の投影領域(10)の外側で前記対象物支持体(5)と前記X線検出器(4)との間に配置され、
    − 両方の前記強度計測装置(13、15)が、前記計測された強度(I、I)を送信するため前記評価ユニット(18)に接続され、及び
    − 前記評価ユニット(18)が、前記計測された強度(I、I)に応じて少なくとも1つの散乱放射補正係数(F)を計算することができるように構成されていることを特徴とする、X線コンピュータ断層撮影装置。
  2. 前記第1の強度計測装置(13)の前記X線源(3)からの軸方向最短距離として定義される第1の間隔(A)が、前記第1の強度計測装置(13)の前記対象物支持体(5)からの軸方向最短距離として定義される第2の間隔(A)に対して、1/2より小さく、特に1/4より小さく、特に1/8より小さいことを特徴とする、請求項1に記載のX線コンピュータ断層撮影装置。
  3. 前記第1の強度計測装置(13)が、前記対象物(2)の照射領域(9)の外側に配置されていることを特徴とする、請求項1又は2に記載のX線コンピュータ断層撮影装置。
  4. 前記第2の強度装置(15)の前記X線検出器(4)からの軸方向最短距離として定義される第3の間隔(A)が、前記第2の強度計測装置(15)の前記対象物支持体(5)からの軸方向最短距離として定義される第4の間隔(A)に対して、1/2より小さく、特に1/4より小さく、特に1/8より小さいことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載のX線コンピュータ断層撮影装置。
  5. 両方の前記強度計測装置(13、15)が電子線量計として構成されていることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載のX線コンピュータ断層撮影装置。
  6. 両方の前記強度計測装置(13、15)が同一のものとして構成されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載のX線コンピュータ断層撮影装置。
  7. 前記第1の強度計測装置(13)が、減衰していない一次X線放射(6a)の強度を前記第1の強度(I)として計測可能であるように配置され、且つ前記第2の強度計測装置(15)が、前記減衰していない一次X線放射(6a)の強度と二次X線放射(6c)の強度とで構成された強度を前記第2の強度(I)として計測可能であるように配置されていることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載のX線コンピュータ断層撮影装置。
  8. 両方の前記強度計測装置(13、15)が計測領域(11)に配置され、そこでは、前記減衰していない一次X線放射(6a)が、前記検査対象物(2)に衝突することなく前記X線源(3)から前記X線検出器(4)に届くことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載のX線コンピュータ断層撮影装置。
  9. 前記評価ユニット(18)が、前記X線検出器(4)の各画素P(x,y)について、式
    Figure 0005323098
    に従い補正減衰値を計算することができるように構成され、
    式中、
    A(x,y)は、前記画素 P(x,y)についての補正減衰値であり、
    g(x,y)は、前記画素P(x,y)についての計測されたグレースケール値であり、
    k・Iは、予備試験で決定可能な定数であり、
    Fは、散乱放射補正係数であることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載のX線コンピュータ断層撮影装置。
  10. − 検査対象物(2)をX線源(3)とX線検出器(4)との間に位置決めするステップと、
    − 前記対象物(2)にX線放射(6)を照射するステップと、
    − 前記X線放射(6)を検出するステップと、
    − 評価ユニット(18)を用いて前記検出されたX線放射(6)を評価するステップと、
    を有する、X線コンピュータ断層撮影法による対象物の検査方法であって、
    − 前記対象物(2)の照射中、前記X線源(3)と前記対象物(2)との間の前記X線放射(6)の第1の強度(I)を計測し、
    − 前記対象物(2)の照射中、前記対象物(2)の投影領域(10)の外側で前記対象物(2)と前記X線検出器(4)との間の前記X線放射(6)の第2の強度(I)を計測し、及び
    − 評価中、前記計測された強度(I、I)に応じて少なくとも1つの散乱放射補正係数(F)を計算し、前記検出されたX線放射(6)を、前記少なくとも1つの散乱放射補正係数(F)により補正することを特徴とする、方法。
  11. 両方の前記強度(I、I)を同時に計測することを特徴とする、請求項10に記載の方法。
  12. 前記第1の強度(I)を、前記対象物(2)の照射領域(9)の外側で計測することを特徴とする、請求項10又は11に記載の方法。
  13. 前記対象物(2)の少なくとも1つのモンテカルロ散乱放射分布(M)を前記評価ユニット(18)に格納し、それに応じて前記少なくとも1つの散乱放射補正係数(F)を計算することを特徴とする、請求項10〜12のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記対象物(2)を複数の投影方向(φ)から照射し、少なくとも1つの散乱放射補正係数(F)を各投影方向(φ)について計算することを特徴とする、請求項10〜13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 減衰していない一次X線放射(6a)の強度を前記第1の強度(I)として計測し、前記減衰していない一次X線放射(6a)の強度と二次X線放射(6c)の強度とで構成された強度を前記第2の強度(I)として計測することを特徴とする、請求項10〜14のいずれか一項に記載の方法。
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