JP5675978B2 - コンピュータ断層撮影方法、コンピュータプログラム、コンピュータデバイスおよびコンピュータ断層撮影システム - Google Patents

Description

本発明は、ｘ線システムによって取得されたサンプルのｘ線投影からのサンプルの初期ボリュームデータを再構成するための初期再構成ステップと、更新すべき再構成された初期サンプルボリュームの部分を判定するステップと、反復再構成方法を使用して、更新すべきと判定されたボリュームデータの部分についてのみ更新されたボリュームデータを生成するための反復更新プロセスとを備える、サンプルの容積表現を判定するためのコンピュータ断層撮影方法、コンピュータプログラム、コンピュータデバイスおよびコンピュータ断層撮影システムに関する。

コンピュータ断層撮影では、アーチファクトの影響の減少、再構成時間の短縮、および再構成されたボリュームデータの品質の向上が一般的に求められる。

この一般的な要求以外に、多くの場合、データ収集中に所与の物体のある一定の領域を完全には走査できず、またはｘ線が十分に貫通できず、再構成されたボリュームデータに低品質の領域が生じるという問題が存在する。そのような状況はたとえば、電子黒板などの大きく平らな構成要素のような、具体的には全３６０度に亘って完全に走査できない大きな物体、および／または、はんだ接合の導線やターンビン翼のインコネルのようなｘ線で貫通するのが難しい材料に関する。

米国特許第６８６２３３５（Ｂ２）号公報は、初期再構成ボリュームデータを生成するための解析的再構成ステップと、初期再構成ボリュームを比較的良好な画質を有する良好なボリュームと比較的低い画質を有する低品質のボリュームに分けるためのボリューム分割ステップと、低品質のボリュームにおいて再構成ボリュームデータを改善するための反復再構成ステップとを備えるコンピュータ断層撮影方法を開示する。ボリューム分割ステップは、幾何学考察に基づくものであり、すなわち低品質のボリュームは比較的少数の放射線経路によって横切られる領域によって規定されるが、良好なボリュームは比較的多数の放射線経路によって横切られる領域によって規定され、所与のＣＴスキャナ形状について良好なボリューム部分と低品質のボリューム部分に分ける固定された全体の分離が生じることになる

本発明の目的は、それに限定されないが具体的には、データ収集中にサンプルのある一定の領域を十分なｘ線強度で走査できない、または３６０度に亘って十分にサンプリングできない状況で、ボリュームデータ品質を向上させることができ、かつ／またはアーチファクトの影響を低減することができる、再構成時間が減少したコンピュータ断層撮影方法を提供することである。

本発明は、独立請求項の特徴でこの目的を解決する。前記ボリュームデータ内の１つ１つのボクセルについて、このボクセルがさらなる更新を必要とするかどうか個別に評価することによって、更新すべきボリュームが、はるかに異なるやり方で調整され（ｔａｉｌｏｒ）得る。実際には、まさにその品質がまだ十分ではないボクセルのさらなる更新を達成することができ、ボリュームデータ品質が向上するが、その品質が既に十分であるボクセルのさらなる更新は回避することができ、それによって、幾何学的考察に基づく先行技術の全体のボリューム分割に比べて再構成時間が減少する。

本発明は、具体的には、所与の物体のある一定の領域がデータ収集中に十分なｘ線強度をもって走査され得ない場合に、および／または、先行技術では十分な解決法が存在しない大きな電子黒板またはＰＣＢＡのなどの大きな平らな構成要素のような、全３６０度に亘って完全に走査することができない物体に有益である。他の好ましい適用例は、はんだ接合における導線もしくは大きな炭素繊維強化プラスチック基板、またはタービン翼におけるインコネルのような、ｘ線で貫通することが難しい材料に関する。

好ましくは、評価ステップは、特にいずれかのさらに更新されたボリュームデータの生成に先立って、反復更新プロセスの各反復で実行される。このように、更新すべきボクセルのセットは、動的に適合され、ボクセルの数は１つの更新反復からその次の更新反復に段階的に減らすことができ、全体の再構成時間のさらなる低減をもたらす。

好ましくは、本評価ステップは、さらなる更新が必要とされる１つ１つのボクセルに関する情報を備える更新マスクを生成するステップを備える。更新マスクは、メモリに格納可能であり、好ましくは、その次の更新プロセスの反復で使用され、これは実際のＣＴシステムに本発明を実装する単純であるが早く効果的なやり方である。

好ましくは、特定のボクセルにさらなる更新が必要であることを示す条件は、このボクセルの品質が所定の閾値を下回るか、それとも上回るかである。しかし、本発明は、この条件に限定されない。特定のボクセルに更新が必要であることを示すのに適した任意の他の条件を使用することができる。

好ましくは、再構成されるまたは更新されるボクセルのあらゆる再構成ステップの後に好ましくは計算される、ボリュームデータの１つ１つのボクセルの個々の信頼性測度が、評価ステップにおける品質情報として使用される。好ましい一実施形態では、その個々のボクセル信頼性測度は、参照により総じて本明細書に組み込む本出願人の欧州特許出願公開第０９０１４７９８．４号に具体的に記載されるように、また特にそれが個々のボクセル信頼性測度の計算およびプロパティに関する範囲において、再構成プロセスのプロセスデータから基本的に判断される。特定のボクセルの信頼性測度、または品質測度は、そのボクセルの密度値が正しい確率に明らかに関連する値である。別法として、信頼性測度は、ボクセル密度の分散、そのボクセルの密度値が誤っている確率、ボクセル密度中のエラー、正確な密度の偏差、またはそのボクセルの精度に関連し得る。ボクセルの信頼性測度は、再構成されたボクセル密度の質に関する量的な情報を与える。すべてのボクセルに亘る信頼性測度の実体は、再構成されたサンプルボリューム全体についての信頼性測度分布、または信頼性測度マップをもたらす。好ましくは、信頼性測度は、再構成されたボリュームデータおよび／または測定されたｘ線投影のみに基づいて基本的に判定される。

以下では本発明は、以下のような添付の図面を参照して、好ましい実施形態に基づいて説明される。

コンピュータ断層撮影システムの概略図である。 本発明の一実施形態によるコンピュータ断層撮影方法を説明する流れ図である。 本発明のさらなる一実施形態によるコンピュータ断層撮影方法を説明する流れ図である。 ２つのサンプル（オリジナルの、従来のＣＴ方法により再構成された、および、本発明のＣＴ方法により再構成された）のボリュームスライスの例示的画像である。

図１に示すコンピュータ断層撮影システムは、サンプル１３の１組のｘ線投影を取得するように配列されたｘ線システム１０を備える。したがって、ｘ線システム１０は、ｘ線コーン１４を放出するｘ線源１１、具体的にはｘ線管、イメージングデバイス１２、具体的にはｘ線検出器、および、サンプル１３を垂直軸の周りで回転させるように好ましくは適合された、サンプルマニピュレータ２０を備える。本例でｘ線検出器１２は、二次元の検出器であるが、一次元の検出器を使用することもあり得る。サンプル１３の１組のｘ線投影は、マニピュレータを所定の小さい角度ステップの周りで段階的に回転させること、およびあらゆる回転角度でｘ線投影を取得することによって取得される。その回転は、好ましくは、そのサンプルの寸法がこれを許す場合には、全３６０度に亘って行われる。しかし、たとえば大きな電子黒板など、大きな物体の場合には、サンプルは、３６０度未満のある一定の角度の範囲についてのみ回転させることができ、それに応じて、投影の不完全なデータセットが、サンプル１３の３６０度未満の回転を使用して取得される。ＣＴシステムは、具体的には、１０μｍ未満の解像度を達成するように適合されたマイクロまたはナノＣＴシステムであってもよい。しかし、本発明は、そのような高解像度のＣＴシステムに限定されない。

その一例が図１に示されるｘ線投影１８は、一次元または二次元の画像であり、各画素１７の値は、対応する減衰したｘ線１９をもたらす、サンプル１３を介したｘ線源１１の焦点１６から考察中の画素１７への対応するｘ線１５の減衰を表す。概して、サンプル１３の１組のｘ線投影２１は、異なる方向から取得された複数のｘ線投影１８であり、適した再構成技法によって全サンプルボリュームのボリューム構造の再構成を可能にするための十分な情報を含む。

ｘ線システム１０は、サンプルマニピュレータ２０を垂直軸の周りで回転させることに限定されない。１組のｘ線投影は、たとえば、別法として、ｘ線システム１０を固定のサンプル１３の周りで回転させることによって取得することができる。概して、ｘ線システム１０およびサンプル１３は、互いに対して適切に移動可能であり、これは１組のｘ線投影を取得するための１つまたは複数の垂直および／または水平軸の周りの回転を含み得る。ビーム軸に対する傾いた回転軸（＜９０°）および／または１組のｘ線投影を取得する間に一定ではない倍率を有するセットアップのような代替ＣＴ手法が可能である。

ｘ線投影は、イメージングデバイス１２から読み出され、コンピュータ装置４０に送信され、そこでそれらは次の評価およびさらなる処理のためにメモリ４４に保存される。コンピュータ装置４０は、具体的にはマイクロプロセッサまたはプログラマブル論理制御装置を含む、プログラマブルコンピュータデバイス４１と、表示デバイス４３を備えるユーザ端末４２とを備える。コンピュータデバイス４０は、図２を参照して以下で説明されるコンピュータ断層撮影方法を実行するためのソフトウェアでプログラムされる。別法として、別個のコンピュータユニットが、ｘ線システム１０で取得されるｘ線投影を評価するために使用されてもよい。

図１に示す実施形態では、コンピュータデバイス４１は、ｘ線システム１０、具体的にはｘ線源１１およびサンプル１３のｘ線投影１８を取得するためのサンプルマニピュレータ２０を制御するように配列される。別法として、別個の制御ユニットが、サンプル１３のｘ線投影１８を取得するためのｘ線システム１０を制御するために使用されてもよい。

図２、２ａに示すコンピュータ断層撮影方法で、ｘ線システム１０でサンプル１３から取得されたｘ線投影２１のセットは、第１のまたは初期のコンピュータ断層撮影再構成アルゴリズム２２への入力である。第１の再構成アルゴリズム２２は、サンプル１３の第１の再構成されたボリュームデータ２３を計算するように適合される。再構成されたボリュームデータ２３では、各ボクセルまたはボリューム要素の値は、サンプル１３の対応するボリューム要素における減衰係数または密度を表す。本文脈において、ボクセルという用語は、三次元の画素に相当し、当技術分野では通例であるように、単一のｘ線減衰係数値が割り当てられた最も小さいボリューム要素ユニットを示す。サンプル１３の完全なボリュームデータ２３は、全サンプル１３を介して１組のそれに続くボリュームスライスによって与えられる。第１の再構成アルゴリズム２２は、それ自体知られており、たとえばフェルトカムプまたはらせん状の再構成のような分析的方法、たとえばＡＲＴ、ＳＡＲＴなど、代数的方法のような反復方法、あるいは、最大尤度などのような統計的方法を含むがこれらに限定されない、任意の適切な数学的方法に基づき得る。

第１の再構成ステップ２２に続いて、反復再構成プロセス３２が実行され、これについて以下に説明する。

第１の再構成されたボリュームデータ２３および検査中のサンプル１３のｘ線投影２１に基づいて、欧州特許出願公開第０９０１４７９８．４号による信頼性測度判定プロセスが実行され、これは図２、２ａには示されていない。これは、コンピュータデバイス４１で、または別法として独立したコンピュータデバイスで行うことができる。一実施形態では、順方向投影は、サンプル１３の人工的投影を生成するための再構成されたボリュームスライス２３に適用される。順方向投影は、ｘ線システム１０で記録されたｘ線投影２１と比較できる人工的投影を行うために、図１に示すｘ線システム１０の幾何学を考慮し、スキャナの幾何学的投影モデルを使用して図１に示すｘ線システム１０をシミュレートする数学的方法である。人工的投影は、複数の画素から各々成る一次元または二次元の人工的に計算された画像である。その人工的投影とｘ線システム１０で記録されたｘ線投影２１の比較に基づいて、再構成されたボリュームデータ２３の各ボクセルについて、個々の信頼性測度または品質測度が次いで信頼性測度計算ステップで計算される。より詳細には、ボクセルの信頼性測度は、以下のように計算され得る。検査中のボクセルによる影響を受ける、実際の投影２１のセットの各ｘ線投影値について、この投影値と対応する人工的投影値の差が計算される。検査中のボクセルの信頼性測度は次いで、具体的にはこれらの合計として、検査中のボクセルを通過するすべてのｘ線について前記差から計算することができる。この場合、その合計の（絶対）値が大きい場合、検査中のボクセルの信頼度は低く、逆もまた同様である。すべてのボクセルに亘る信頼性測度の実体は、サンプル１３のすべてのボリュームスライス、すなわち完全なボリューム、の信頼性測度分布をもたらす。実際のおよび人工的投影の差から信頼性測度を計算するための他の方法が可能である。

ボクセルレーティングステップ２４では、ボリュームスライス２３内の各単一のボクセルについて、このボクセルにさらなる更新が必要であることを示す所定の条件をこのボクセルが満たすかどうかの評価が実行される。この評価は、好ましくは、検査中のボクセルのボクセル信頼性測度、またはボクセル品質測度に基づく。具体的には、特定のボクセルの信頼性測度がその品質が十分（良好なボクセル）であることを示す所定の閾値を超える場合に、このボクセルの更新は必要ないと判定される。一方、特定のボクセルの信頼性測度が、その品質が悪い（低品質のボクセル）ことを示す所定の閾値を下回る場合、このボクセルの更新が必要であると判定される。

ボクセルレーティングステップ２４で取得されたすべてのボクセルに関する情報から、更新マスク２５が生成され、さらなる使用のためにメモリ４４に保存される。更新マスクは、次の再構成反復で更新を必要とする単一のボクセル、すなわち低品質のボクセルに関してそれらのボリューム部分の説明を含む。更新マスクは、たとえば、再構成されたボリュームのあらゆるボクセルについて、各ボクセルが更新を必要とするかどうかを示す１ビット情報を含むデータオブジェクトであってもよい。しかし、更新マスクは、この特定の形に限定されない。またそれは、たとえば、更新を必要とするすべての低品質のボクセルの位置情報を含むデータオブジェクトであってもよいし、任意の他の種類の適切なデータオブジェクトであってもよい。

図２、２ａの反復ＣＴ再構成プロセス３２はさらに、それらの画質、または、より一般的には、それらのデータ品質を向上させるために、ボリュームスライス２３の単一ボクセルの更新値２７を計算する再構成ステップ２６を備える。再構成ステップ２６は、任意の適切な反復再構成アルゴリズム、具体的には、たとえばＡＲＴ、ＳＡＲＴなどのような代数的方法に基づき得る。通常、１組の人工的投影は、ボリュームスライス２３から、次いで人工的投影から、そして実際の投影２１から計算され、ボクセルの更新値２７が算定される。

本発明の重要な一態様によれば、更新マスク２５は、好ましくは、図２の破線矢印３１によって示されるように、再構成２６で考慮される。具体的には、更新値２７は、更新マスク２５によって定義されるような低品質のボクセルのみについて再構成ステップ２６で計算される。再構成２６で良好なボクセルを無視することによって、対応する処理時間の無駄が回避可能であり、再構成および更新時間全体が著しく低減され得る。一方で、単一のボクセルレベルで更新すべきボリュームを定義することによって、１つ１つの低品質のボクセルが、その品質を向上させるために更新を受けることを保証することができ、全体的な向上されたデータ品質をもたらす。これは、２つのサンプルのオリジナルのボリュームスライスの画像（ａ）、（ｂ）、ならびに、図２のステップ２４および２８なしに従来の方法によって再構成されたボリュームスライス２３の画像（ｃ）、（ｄ）、そして、図２または２ａに示すように本発明による方法によって再構成されたボリュームスライス２３の画像（ｅ）、（ｆ）を示す図３によって明示される。従来の方法および本発明による方法の両方で、再構成は、サンプル１３の３６０度未満の、たとえばここでは１０６度の回転から収集された投影データ２１から行われている。画像（ｃ）と（ｅ）、ならびに画像（ｄ）と（ｆ）の比較から、具体的には、画像（ｅ）および（ｆ）の物体の境界線が本発明によるＣＴ方法の結果としてはるかに鮮明であることが明らかに分かる。

更新値２７に基づいて、ボリュームスライス２３の値は、再構成されたボリューム更新ステップ２８で、必ずしもそうではないが有利には、現在の更新マスク２５で定義されるような低品質のボクセルに関してのみ更新される。このように、次の反復のフルセットのボリュームスライス２３が、図２、２ａの矢印２９によって示されるように生成され、それによって、反復再構成ループ３２が完了する。図示されていない評価ステップが一般終了条件が満たされていないと判定した場合、たとえば、ボリュームデータ２３の現在のセットの全体的品質がさらなる反復によって著しく向上され得る場合、次の再構成反復ステップ２６が、低品質のボクセルをさらに更新するために実行される。

本発明の重要な一態様によれば、単一ボクセルの信頼性測度の計算、ボクセルレーティングステップ２４、および更新マスク２５の計算もまた、反復して、すなわち、各再構成反復ステップ２６に先立って、また各再構成反復ステップ２６の後に生成される各更新されたボリュームデータ２３に基づいて実行される。このように、更新すべきボリューム部分は、１つの反復２６から次の反復２６に段階的に減らすことができ、全体的再構成および更新時間はさらに著しく低減され得る。

図２および２ａを参照して説明される好ましい実施形態では、投影２１および再構成されたボリュームデータ２３からのみ計算される単一ボクセルの信頼性測度は、有利には、ボクセルを良好および低品質のボクセルに分けるための分離基準として使用される。しかし、本発明は、ＣＴプロセスデータ２１、２３からのみ計算される信頼性測度を使用することに限定されない。別法として、ボクセルレーティング２４は、たとえば、データベースから取得される理想的なサンプルの事前に保存された理想的なボリュームデータと再構成されたボリュームデータ２３を比較することによって、ボリュームデータ２３の品質に関する任意の種類の所定の知識に基づき得る。

図２を参照して説明される本実施形態では、各再構成ステップ２２、２６の後、完全な更新マスク２５が計算され、それによって初めて、更新値２７が再構成ステップ２６で計算される。しかし、必ずしもそうとは限らない。もう１つの実施形態では、たとえば、１つ１つのボクセルについて、ボクセルレーティング２４を実行した後、ボクセルレーティングが低品質のボクセルを判定した場合、その後直ちに更新値がこのボクセルについて計算され得る。

ステップ２６で、更新マスク２５によって定義されるような低品質のボクセルのみの更新値を計算する代わりに、ステップ２６で更新マスク２５を無視し、完全なサンプルボリュームのすべてのボクセルの更新値を計算することもできる。この実施形態は、破線矢印３１を取り除いた図２に相当する。この実施形態では、更新マスク２５は、ボリューム更新ステップ２８でのみ考慮される。

図２ａに示す実施形態は、図２のステップ２６から２８が全体的更新ステップ３０で実行され得ることを示す。言い換えれば、更新値を計算するステップは、全体的更新ステップ３０でボリュームデータを更新するステップとともに実行される。

本発明による、そして、図２、２ａに示すＣＴ方法は、工業製品の非破壊検査のための自動欠陥認識（ＡＤＲ）システムで使用することができ、そこでＡＤＲアルゴリズムが、検査中のサンプルの欠陥を判定するために、再構成されたボリュームデータに適用される。ＡＤＲシステムは、コンピュータ装置４０内のＡＤＲソフトウェアによって実現することができる。

１０ ｘ線システム
１１ ｘ線源
１２ イメージングデバイス
１３ サンプル
１４ ｘ線コーン
１５ ｘ線
１６ 焦点
１７ 画素
１８ ｘ線投影
１９ ｘ線
２０ サンプルマニピュレータ
２１ ｘ線投影
４０ コンピュータ装置
４１ プログラマブルコンピュータデバイス
４２ ユーザ端末
４３ 表示デバイス
４４ メモリ

Claims (15)

1. サンプル（１３）の容積表現を判定するためのコンピュータ断層撮影方法であって、ｘ線システム（１０）によって取得された前記サンプル（１３）のｘ線投影（２１）から前記サンプル（１３）の初期ボリュームデータ（２３）を再構成するための初期再構成ステップ（２２）と、更新すべき再構成された初期サンプルボリュームの部分を判定するステップ（２４）と、反復再構成方法を使用して、更新すべきと判定されたボリュームデータ（２３）の前記部分についてのみ更新されたボリュームデータ（２３）を生成するための反復更新プロセス（３２）とを備える方法において、更新すべき前記サンプルボリュームの前記部分を判定する前記ステップ（２４）で、前記再構成されたボリュームデータ（２３）の入手可能な品質情報に基づいて、前記ボリュームデータ（２３）内の１つ１つのボクセルについて、このボクセルに更新が必要であることを示す所定の条件をこのボクセルが満たすかどうかを個々に評価し、前記反復更新プロセス（３２）で、更新が必要であると判定されたボクセルについてのみ前記更新されたボリュームデータ（２３）を生成することを特徴とする、方法。
2. 前記評価ステップが前記反復更新プロセス（３２）の各反復で実行される、請求項１記載の方法。
3. 前記評価ステップ（２４）が、さらなる更新が必要である１つ１つのボクセルに関する情報を備える更新マスク（２５）を生成するステップを備える、請求項１乃至２のいずれか１項記載の方法。
4. 前記反復更新プロセス（３２）で、前記更新されたボリュームデータ（２３）が、ボクセル品質が所定の閾値を下回るまたは超えるボクセルについてのみ生成される、請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記反復更新プロセス（３２）が、前記ボリュームデータ（２３）の更新値（２７）を計算するステップ（２６）または反復再構成方法によって前記ボリュームデータ（２３）を直接更新するステップ（３０）を備える、請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
6. 更新値（２７）を計算する前記ステップ（２６）または前記ボリュームデータ（２３）を直接更新する前記ステップ（３０）が、更新が必要であると判定されたボクセルについてのみ実行される、請求項５記載の方法。
7. 前記反復更新プロセス（３２）が、前記計算された更新値（２７）を使用して前記ボリュームデータ（２３）を更新するステップ（２８、３０）を備える、請求項５または６記載の方法。
8. 前記ボリュームデータ（２３）を更新するステップ（２８、３０）が、更新が必要であると判定されたボクセルについてのみ実行される、請求項７記載の方法。
9. 基本的に前記再構成プロセス（２２、２６）のプロセスデータ（２１、２３）から、前記再構成されたボリュームデータの１つ１つのボクセルの個々の信頼性測度を判定するステップを備える、請求項１乃至８のいずれか１項記載の方法。
10. 検討中の特定のボクセルについて、前記評価ステップ（２４）が、そのボクセルの前記判定された個々の信頼性測度に基づく、請求項９記載の方法。
11. 前記信頼性測度が、前記再構成されたボリュームデータ（２３）および／または前記ｘ線投影（２１）に基本的に基づいて判定される、請求項９または１０記載の方法。
12. 信頼性測度の計算が前記反復更新プロセス（３２）の各反復で繰り返されることを特徴とする、請求項９乃至１１のいずれか１項記載の方法。
13. コンピュータに実装されるときに、前記コンピュータに請求項１乃至１２のいずれか１項記載のコンピュータ断層撮影方法を実行させる、コンピュータプログラム。
14. 請求項１乃至１２のいずれか１項記載のコンピュータ断層撮影方法を実行するためのコンピュータプログラムを実行するようにプログラムされた、コンピュータデバイス（４１）。
15. サンプル（１３）の１組のｘ線投影を取得するように適合されたｘ線システム（１０）と、請求項１４に記載のコンピュータデバイス（４１）とを備える、コンピュータ断層撮影システム（５０）。