JP6437652B2 - 材料特性評価のための断層撮影再構成 - Google Patents
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Description
本出願は、2014年8月16日に出願された「Tomographic Reconstruction for Material Characterization」という名称の米国特許仮出願第62/038,263号の優先権を主張するものである。
以下に記載される研究は、岩石試料を模擬する合成物体の数値解析に基づく。この試料は、表1に記載された材料データベースを使用してモデル化される。この数値試料は、異なる球形鉱物粒がランダムに充填された円筒容器からなる。選択した鉱物組成は、石英60%、カオリナイト20%、方解石20%である。分析物体は、再構成されたデータと比較するために、N3ボクセル・体積にラスタ化される(すなわち、N3は、再構成された体積・サイズに対応する)。図1(a)〜(c)は、本明細書の技法を用いて調べられた合成物体の図であり、表1に示されたラベルで陰影付けされたその物体のZ(x)体積の2D中心スライスおよびρ(x)体積の2D中心スライス、ならびに3D多平面レンダリングを示す図である。模擬物体のこれらの図では、(a)が、物体Z(x)体積の中心スライスを示し、(b)が、物体ρ(x)体積の中心スライスを示し、(c)が、5123個のボクセル・体積に画像化された物体の3D視覚化を示す。
確立された反復期待値最大化(EM)アルゴリズムは、一組の放射線写真から試料の3D構造体積を提供する断層撮影再構成の幅広いクラスを指す。所与の試料μに基づく測定値Rを観察するp(R|μ)で示される期待値は、下式によって定義することができるポアソン分布に従う。
μE1(x)およびμE2(x)をそれぞれ、エネルギーE1およびE2における2つの取得から標準OSCアルゴリズムを用いて再構成された断層像とする。以下の式系のうちの一方の式系をそれぞれのボクセルxで解くことによって、体積対(Z,ρ)または([Znρ],ρ)を回復することができる。
本明細書において、(Z,ρ)体積および([Znρ],ρ)体積から材料ラベル付けを実行することができることが分かった。後者は、ρ体積の雑音によって限定されないという利点を有する。しかしながら、前項で詳述したマッチング・プロセスは断層撮影再構成後に実行されるが、このプロセスを、反復再構成技法中に実行することもでき、アルゴリズムの後続の反復中に、誤ったマッチングを補正することができる。したがって、次に、修正されたデュアル・エネルギーOSCアルゴリズムについて詳述する。このアルゴリズムは、([Znρ],ρ)体積の再構成に基づき、それぞれの反復でのボクセルの制約付き更新を含む。この更新は、再構成中のそれぞれのボクセルを、データベース内の最も確からしい材料により近づける。
A.多数の方向から試料に向かってX線を導くこと、
B.試料を横切ったX線のX線強度を測定すること、
C.断層撮影再構成アルゴリズムを使用して、試料中の多数の体積要素の推定される原子番号および推定される密度を決定すること、ならびに
D.材料ライブラリからの既知の材料の原子番号および密度を参照することによって、推定される原子番号および推定される密度を修正すること
を含む方法を提供する。
A.多数の方向から試料に向かってX線を導くこと、
B.試料を横切ったX線のX線強度を測定すること、
C.断層撮影再構成アルゴリズムを使用して、試料中の多数の体積要素の1つまたは複数の推定される材料特性を決定すること、および
D.記憶された材料特性データを参照することによって、1つまたは複数の推定される材料特性を修正すること
を含む方法を提供する。
A.多数の方向から試料に向かってX線を導くこと、
B.試料を横切ったX線のX線強度を測定すること、
C.断層撮影再構成アルゴリズムを使用して、試料中の多数の体積要素の1つまたは複数の推定される材料特性を決定すること、および
D.記憶された材料特性データを参照することによって、1つまたは複数の推定される材料特性を修正すること
を含み、
再構成が、3D断層撮影再構成と、材料特性に基づくボクセルの3Dラベル付けとを、同じアルゴリズムの中で同時に実行し、再構成がラベル付けに提供するバイアスが反復中に補正される
方法を提供する。
A.多数の方向から試料に向かってX線を導くこと、
B.試料を横切ったX線のX線強度を測定すること、
C.第1の反復中に、測定されたX線強度を使用して、多数のボクセルの特性を決定し、既知の材料の物理特性のデータ源を使用して、ボクセルを既知の材料とマッチングさせること、および
D.後続の反復中に、多数のボクセルに対してマッチングさせた材料を検証し、誤ったマッチングを補正して、反復再構成中に試料体積の組成を決定すること
を含む方法を提供する。
Claims (17)
- 試料中の材料の原子番号および密度を反復断層撮影再構成によって決定する方法であって、
(a)多数の方向から試料に向かってX線を導くこと、
(b)前記試料を横切ったX線のX線強度を測定すること、
(c)断層撮影再構成アルゴリズムを使用して、前記試料中の多数の体積要素の推定される原子番号を算出することと推定される密度を算出すること、
(d)材料ライブラリからの既知の材料の原子番号および密度を参照することによって、前記推定される原子番号および推定される密度を修正すること、ならびに
(e)前記断層撮影再構成アルゴリズムの1回または複数回の追加の反復を実行することであって、それぞれの反復は、前記体積要素の前記修正された原子番号および密度を更新すること
を含む方法。 - 前記断層撮影再構成アルゴリズムの1回または複数回の追加の反復を実行することが、前記推定される原子番号および推定される密度の更新値を算出することを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記追加の反復のうちの少なくとも1回の反復が、前記材料ライブラリからの既知の材料の原子番号および密度を使用して、更新された前記推定される原子番号および推定される密度を修正することをさらに含む、請求項2に記載の方法。
- 前記材料ライブラリからの既知の材料の原子番号および密度を参照することによって、前記推定される原子番号および推定される密度を修正することが、確率的分類に基づいて修正して、前記材料ライブラリ内の最も確からしい材料を体積要素ごとに決定することを含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記反復のうちの少なくとも1回の反復について、前記推定される原子番号および推定される密度を修正することが、前記推定される原子番号および推定される密度を制約付き更新を用いて修正することによって、前記推定される原子番号および推定される密度を前記材料ライブラリ内の既知の材料特性と一貫するようにすることを含む、請求項4に記載の方法。
- 前記試料であることを示している再構成された体積にラベルを付けて、同様の原子番号および密度を有する材料の領域に分類することをさらに含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ラベル付けが、前記反復断層撮影再構成中に少なくとも1回実行される、請求項6に記載の方法。
- 多数の方向から試料に向かってX線を導くことが、2つ以上のステップを含み、それぞれのステップが、少なくとも1つの他のステップで使用されたエネルギーまたはエネルギー・スペクトルとは異なるエネルギーまたはエネルギー・スペクトルを有するX線を前記試料に向かって導くことを含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記試料に向かって導かれる前記X線がエネルギーのスペクトルを含み、前記試料を横切ったX線のX線強度を測定することが、前記試料を横切ったX線の前記エネルギー・スペクトルに関する情報を測定することをさらに含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- 前記材料ライブラリが鉱物を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記材料ライブラリが、前記試料中に見られると予想される材料に限定されている、請求項10に記載の方法。
- 前記断層撮影再構成アルゴリズムが、代数再構成技法(ART)、同時ART、同時反復再構成技法(SIRT)、順序付きサブセットSIRT、乗法的代数再構成技法、最大尤度期待値−最大化、順序付きサブセット期待値−最大化、順序付きサブセット凸アルゴリズム、反復座標降下(ICD)、順序付きサブセットICDまたはモデル・ベース反復再構成を含む、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
- 断層撮影再構成アルゴリズムを使用して、前記試料中の多数の体積要素の推定される原子番号および推定される密度を決定することが、ビーム・ハードニングに関して補正しまたはビーム・ハードニングを考慮する断層撮影アルゴリズムを使用して補正することを含む、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- 多数の方向から試料に向かってX線を導くことが、シンクロトロンからX線を導くことを含む、請求項1に記載の方法。
- 多数の方向から試料に向かってX線を導くことが、電子ビームがターゲットに衝突することによって生成されたX線を導くことを含む、請求項1に記載の方法。
- 材料ライブラリからの既知の材料の原子番号および密度を参照することによって、前記推定される原子番号および推定される密度を修正することが、質量減衰表を参照することによって、前記推定される原子番号および推定される密度を修正することを含む、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
- 試料を通して導かれるX線ビーム源と、
回転試料ホルダと、
前記X線ビーム源からのエネルギーを検出するX線検出器と、
前記X線ビーム源、前記回転試料ホルダおよび前記X線検出器に動作可能に接続されたシステム・コントローラであり、請求項1から16のいずれか一項に記載の方法を実行するためのコンピュータ命令を含むプログラム記憶装置を含むシステム・コントローラと
を備える断層撮影システム。
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