JP6983704B2 - 計測用ｘ線ｃｔの測定計画生成方法及び装置 - Google Patents

計測用ｘ線ｃｔの測定計画生成方法及び装置 Download PDF

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Description

本発明は、計測用Ｘ線ＣＴの測定計画生成方法及び装置に係り、特に、測定精度が確保できる測定視野倍率を自動計算し、目的の測定箇所ができるだけ多く収まるような測定視野を含む最適化された測定計画を自動生成することが可能な計測用Ｘ線ＣＴの測定計画生成方法及び装置に関する。
非破壊で被検体のボリュームデータ（または断層画像）を得る計測用Ｘ線ＣＴ装置では、例えば特許文献１に示される如く、被検体を回転させながらＸ線照射を行い、そこで得られた投影データからボリュームデータを再構成する。測定者はそのボリュームデータから目的の測定箇所を測定する。ボリュームデータは測定視野を基に生成されるが、測定視野を小さくすると測定箇所を精度良く測定できる一方、目的の測定箇所が測定視野に全て収まらず、複数回のＸ線撮影が必要となる場合がある。
以下に、一般的な計測用Ｘ線ＣＴ装置の構成とワークの測定手順を示す。
計測用で使用する一般的なＸ線ＣＴ装置は、図１に例示する如く、Ｘ線を遮蔽するエンクロージャ１０の中にＸ線１３を照射するＸ線管１２、Ｘ線１３を検出するＸ線検出器１４、被検体（例えばワーク）Ｗを置いてＣＴ撮像のために被検体Ｗを回転させるための回転テーブル１６、Ｘ線検出器１４に映る被検体Ｗの位置や倍率を調整するためのＸＹＺ移動機構部１８があり、それらのデバイスを制御するコントローラ３０、ユーザ操作によりコントローラ３０に指示を与える制御ＰＣ４０で構成される。
制御ＰＣ４０上ではＸ線ＣＴ制御プログラム４２が動作しており、Ｘ線ＣＴ制御プログラム４２は各デバイス制御や、Ｘ線検出器１４に映る被検体Ｗの投影像を表示する機能、被検体Ｗの複数の投影像からボリュームデータとして断層画像を生成する機能を有している。
また、Ｘ線１３が物体を透過する際、照射方向とは別の方向に反射する散乱Ｘ線が少なからず発生し、その散乱Ｘ線がＸ線ＣＴ撮像結果にノイズとして表われることが知られている。その散乱Ｘ線を抑えるためにＸ線管１２付近にＸ線コリメータ２０を設けている。Ｘ線コリメータ２０はＸ線１３の照射範囲を制限するために、Ｘ線非透過素材（タングステンなど）でできた上部と下部の部品で構成され、それらの部品がそれぞれ上下方向に移動できるようになっている。Ｘ線コリメータ２０は被検体Ｗの撮像範囲に合わせて制御ＰＣ４０から調整できる。
図２（被検体が円柱の場合の斜視図）及び図３（被検体が角柱の場合の平面図）に示す如く、Ｘ線源であるＸ線管１２から照射されたＸ線１３は、回転テーブル１６上の被検体Ｗを透過してＸ線検出器１４に届く。被検体Ｗを回転させながらあらゆる方向の被検体Ｗの透過像をＸ線検出器１４で得ることにより、被検体Ｗの断層画像を生成する。
この際、ＸＹＺ移動機構部１８のＸＹＺ軸と回転テーブル１６のθ軸を制御することにより被検体Ｗの位置を移動することができ、被検体Ｗの撮影範囲（位置、倍率）や撮影角度を調整することができる。
このような計測用Ｘ線ＣＴ装置を用いた測定は、一般的に次の２つの手順で行われる。
（ｉ）ＣＴスキャンによるボリュームデータの生成
（ii）ボリュームデータの測定
以下に具体的な測定手順を示す。
（ｉ）ＣＴスキャンによるボリュームデータの生成
例えば、図４（Ａ）のようなワーク（被検体）Ｗの測定を考える。ワークＷは円筒状の外形で内部に円筒状の空洞部分Ｈがあり、その空洞部分Ｈの円筒の直径Ｄを測る。この測定手順としては、まず空洞の表面（素材と空気の境界面）を検出して測定点（検出点）を複数取得し、その測定点群から空洞の円筒形状を円筒フィッティングで計算してからその直径Ｄを計算する。
測定点群を取得するための測定箇所としては、円筒状の空洞であることを考慮して偏りのない測定箇所を選定した方が良いため、例えば図４（Ｂ）のように円筒の上部と下部それぞれの円周方向に３か所（合計６か所）の測定箇所を選定する。１つの測定箇所で複数の測定点を取得することができる。
ここで各測定箇所の測定倍率を決定する必要があるが、その導出には公差情報を用いる。
最終的に計算する円筒直径Ｄの公差が±０．１ｍｍの場合、円筒直径Ｄの計算に用いる測定点は０．１ｍｍよりも高い精度（例えば０．０１ｍｍ）で求められなければならない。また、これらの測定はボリュームデータ上で行われるため、そのボリュームデータが測定に必要な精度を備えている必要がある。ここではボリュームデータの精度をボクセルサイズ［ｍｍ］で表現し、ボクセルサイズが０．０１ｍｍのボリュームデータを生成することを考える。
Ｘ線源１２から回転テーブル１６中心までの距離をfcd（Focus to Center Distance）、Ｘ線源１２からＸ線検出器１４までの距離をfdd（Focus to Detector Distance）とすると、その倍率magは次のようになる。
Figure 0006983704
Ｘ線検出器１４の横幅をDetectorWidth[ｍｍ]、生成するボリュームデータの幅をVolumeWidth[pixel]、ボクセルサイズをVoxelSize[ｍｍ/pixel]とした場合、その関係式は次のようになる。
Figure 0006983704
上式をmagについて解くと次のようになる。
Figure 0006983704
先例のようなボクセルサイズが０．０１ｍｍのボリュームデータを生成したい場合、Ｘ線源１２からＸ線検出器１４までの距離fddが１０００ｍｍ、Ｘ線検出器１４の横幅DetectorWidthが４００ｍｍ、ボリュームデータの幅VolumeWidthが２０００pixelとすると、必要な倍率は２０倍となる。回転テーブル１６の位置や角度を変更してワークＷの測定箇所が２０倍で表示されるように調整してＣＴスキャンを行うことで、所望のボリュームデータを生成することができる。
測定箇所が複数ある場合、各測定箇所に必要な倍率をそれぞれ計算して、最も大きい倍率（最も高い分解能）に合わせる。
（ii）ボリュームデータの測定
前手順で説明した通り、まずは空洞の表面（素材と空気の境界面）を検出して測定点（検出点）を複数取得し、その測定点群から空洞の円筒形状を円筒フィッティングで計算してからその直径Ｄを計算する。
特開２０１６−２０５８９９号公報
MiCAT Plannerの製品カタログ＜http://www.mitutoyo.co.jp/products/zahyou/auto.html＞
しかしながら、上記に示すような方法では、測定者は予め測定箇所や測定精度を考慮した上でＣＴスキャンを行う必要があり、複数の測定箇所に対しては最小回数のＣＴスキャンとなるような計画を立てなければならないという問題があった。
なお、三次元測定機商品群のソフトウェアである非特許文献１には、公差情報付きのＣＡＤデータから測定計画を自動生成する機能が記載されているが、計測用Ｘ線ＣＴ装置にそのまま用いることはできなかった。
本発明は前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、計測用Ｘ線ＣＴ装置において、被検体のＣＡＤデータに含まれる公差等の情報から適切な測定精度が確保できる測定視野倍率を自動計算し、目的の測定箇所ができるだけ多く収まるような測定視野を含む最適化された測定計画を自動生成する機能を実現することを課題とする。
本発明は、被検体を回転させながらＸ線照射を行い、そこで得られた投影データからボリュームデータを再構成し、該ボリュームデータから目的の測定箇所を測定する計測用Ｘ線ＣＴの測定計画生成方法において、予め測定者が設定した被検体の測定箇所と被検体のＣＡＤデータに含まれる公差情報を基に、必要な測定精度と測定視野範囲を計算し、それらの情報から測定回数が最小になる最適化された測定計画を自動生成することにより、前記課題を解決するものである。
ここで、前記測定計画の自動生成は、ある任意の測定箇所を基準とし、他の任意の測定箇所が、その基準と同じ測定倍率で測定可能かそれぞれ検証し、同一測定倍率で測定可能なグループを作成し、各グループのボリュームデータを生成するためのＣＴスキャン位置を決定し、それらを順序付けることにより行うことができる。
本発明は、又、被検体を回転させながらＸ線照射を行い、そこで得られた投影データからボリュームデータを再構成し、該ボリュームデータから目的の測定箇所を測定する計測用Ｘ線ＣＴの測定計画生成装置において、予め測定者が設定した被検体の測定箇所と被検体のＣＡＤデータに含まれる公差情報を基に、必要な測定精度と測定視野範囲を計算し、それらの情報から測定回数が最小になる最適化された測定計画を自動生成する測定計画自動生成プログラムを備えたことを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴの測定計画生成装置により、同様に前記課題を解決するものである。
ここで、前記測定計画自動生成プログラムは、ある任意の測定箇所を基準とし、他の任意の測定箇所が、その基準と同じ測定倍率で測定可能かそれぞれ検証し、同一測定倍率で測定可能なグループを作成し、各グループのボリュームデータを生成するためのＣＴスキャン位置を決定し、それらを順序付けることにより測定計画を生成することができる。
計測用Ｘ線ＣＴにおいて、調整が難しい測定視野の調整作業を、ＣＡＤデータを使うことで自動的に行い、その調整結果を記録した測定計画を自動生成することができる。従って、従来測定者が行っていた測定箇所ごとに必要な倍率計算及び測定箇所の最適化された測定計画を自動的に生成でき、測定者の作業を効率化できる。
一般的な計測用Ｘ線ＣＴ装置の全体構成を示す正面図 同じく被検体が円柱の場合の要部構成を示す斜視図 同じく被検体が角柱の場合の要部構成を示す平面図 被検体及びその測定箇所の例を示す斜視図 本発明に係る計測用Ｘ線ＣＴ装置の全体構成を示す正面図 測定計画の例を示す斜視図 本発明の実施形態における処理手順を示す流れ図 同じく測定計画の生成手順を示す流れ図 基準測定箇所の例を示す斜視図 グループ再構成範囲の一例を示す斜視図 グループ再構成範囲の他の例を示す斜視図 グループ再構成範囲の更に他の例を示す斜視図
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。
図５に本発明の計測用Ｘ線ＣＴ装置の実施形態を示す。
この実施形態では、図１に示したと同様の装置構成において、測定計画自動生成プログラム４４が新しく追加されている。この測定計画自動生成プログラム４４は、本発明の主体である測定計画の自動生成を行う機能を有している。
測定計画自動生成プログラム４４により生成される測定計画には、ワークＷのＣＴスキャン位置（複数）やそのＣＴスキャンで生成されたボリュームデータの測定箇所（複数）、それらの測定順序の情報が含まれている。
例えば図４に例示したワークＷに対して、図６のような測定計画が生成される。
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３はそれぞれＣＴスキャン位置を示しており、ＣＴスキャン位置により測定倍率が一意に決まる。また、Ｃ１⇒Ｃ２⇒Ｃ３の順序でＣＴスキャンを行うこと、各ＣＴスキャンで生成されたボリュームデータに対して測定すべき箇所も示している。
以下、図７を参照して本発明の具体的な実施例を示す。
まずステップ１１０で、測定者は測定計画自動生成プログラム４４に対して公差情報付きのＣＡＤデータを入力する。Ｘ線ＣＴ制御プログラム４２がＣＡＤデータを使って他の処理を行う機能を有している場合は、Ｘ線ＣＴ制御プログラム４２から測定計画自動生成プログラム４４に対してＣＡＤデータを入力しても良い。
次いでステップ１２０で、ＣＡＤデータの公差情報を使って測定箇所を決定する。
次いでステップ１３０で、各測定箇所の公差情報を使って、測定を行う際に最低限必要な倍率（測定下限倍率）を計算する。まずは公差情報から必要なボクセルサイズを求め、そのボクセルサイズから必要な倍率を計算する。
公差の精度をprecisionとしたとき、調整パラメータｋ（１．０未満）を用いてVoxelSize[ｍｍ/pixel]を次のように計算する。
Figure 0006983704
Ｘ線検出器１４の幅をDetectorWidth[ｍｍ]、ボリュームデータの幅をVolumeWidth[pixel]とすると、測定下限倍率magは次のように計算することができる。
Figure 0006983704
次いでステップ１４０で、図８に示す如く、測定計画を生成する。
測定計画の生成方法としては、ある任意の測定箇所を基準とし、他の任意の測定箇所がその基準と同じボリュームデータ（つまり同じ倍率）で測定可能かどうかをそれぞれ検証し、同一ボリュームデータで測定可能なグループを作成していく。グループ分けができれば、各グループのボリュームデータを生成するためのＣＴスキャン位置を決定し、それらを順序付けする。
以下、図８を参照して具体的な実施手順を説明する。
ステップ２１０の基準測定箇所の選定では、どのグループにも所属していない測定箇所の中から基準とする測定箇所（基準測定箇所）を選定する。測定計画の生成を開始した段階ではグループが無いため、全測定箇所の中から測定箇所を選定する。
選定方法としては、対象の測定箇所の位置が端にあるものを選定するようにする。例えばＸ線源１２に最も近い測定箇所を基準とする。
図９の例では、Ｘ線源１２に最も近いｐ４が基準測定箇所として選定されている。
基準測定箇所を選定した後、その基準測定箇所を含むグループの次の情報を定義する。
・グループ識別子：Gn ※ nは番号
・グループ測定倍率：Gn_Mag
・グループ再構成範囲：Gn_Range
・グループ測定箇所リスト：Gn_MeasList
同じグループの測定箇所は同じボリュームデータで測定可能であることを意味しており、最終的に作成されるグループの数は、測定で必要となるボリュームデータの数（つまりＣＴスキャン位置の数）に等しくなる。
グループ測定倍率は、対応するボリュームデータに含まれるワークの倍率であり、この初期値は基準測定箇所の測定下限倍率とする。
グループ再構成範囲は、対応するボリュームデータの実空間上の範囲を示している。一般的に再構成範囲は直方体や円筒として扱うが、ここでは計算便宜上、円筒のみを扱う。円筒の場合、再構成範囲を示す値として、円筒直径と円筒高さを用いる。この初期値は、グループ測定倍率で一意に求まる再構成範囲とする。Ｘ線検出器１４の幅をDetectorWidth[ｍｍ]、ボリュームデータの幅をVolumeWidth[pixel]、ボリュームデータの高さをVolumeHeight[pixel]とすると、再構成範囲を示す円筒直径Diameterと円筒高さHeightは次のように計算できる。
Figure 0006983704
ステップ２２０の検証測定箇所の選定では、どのグループにも所属していない測定箇所の中から、基準測定箇所以外の任意の測定箇所を選定して検証測定箇所とする。
ステップ２３０のグルーピング可否の検証では、検証測定箇所が基準測定箇所と同じボリュームデータ上で測定可能かどうかを検証する。具体的には、測定倍率を合わせ、かつ同じ再構成範囲に含めることができるかどうかを検証する。
検証測定箇所をグループに含めた場合を考えた場合、グループ測定倍率は、現在の値と検証測定箇所の測定下限倍率のうち大きい方に合わせられる。また、このときにグループ測定倍率が変更された場合、グループ再構成範囲も変わってくる。この新しいグループ再構成範囲に検証測定箇所を含めることができれば、グルーピング可能ということになる。
例えば図１０は基準測定箇所をｐ４、検証測定箇所をｐ６とし、ｐ４の測定下限倍率をｘ１０、ｐ６の測定下限倍率をｘ５とした場合にｐ６が再構成範囲に含まれる（グルーピング可能な）ことを示している。
一方、図１１は基準測定箇所をｐ４、検証測定箇所をｐ５とし、ｐ４の測定下限倍率をｘ１０、ｐ５の測定下限倍率をｘ１５とした場合にｐ５が再構成範囲に含まれない（グルーピング不可な）ことを示している。ｐ５を含めた場合にグループ測定倍率がｘ１５と大きくなり、それに伴いグループ再構成範囲が小さくなっている。
なお、上記例においては再構成範囲の位置を任意に設定できる前提で検証を行ったが、装置構成によっては様々な制限が付くため、それらを考慮する必要がある。例えば再構成範囲の中心（円筒軸）は回転中心（回転軸）に一致する。そのため、回転中心を変更する特別な機構等が無い限り、回転テーブル１６に直接置かれたワークＷの各測定箇所と回転軸の相対関係は固定化される。あるいは回転テーブル１６の移動上下限により再構成範囲の位置が制限される。
図１２はｐ６の測定下限倍率がｘ１５のとき、再構成範囲の中心がワークＷの回転軸に固定されている様子を示している。
ステップ２４０のＣＴスキャン位置の決定では、検証測定箇所の候補が無くなるまでステップ２２０、２３０の処理を繰り返した後、グループ測定倍率やグループ測定箇所リストを確定してＣＴスキャン位置を決定する。
Ｘ線源−Ｘ線検出器方向をＸ軸とすると、測定倍率よりＣＴスキャン時の回転テーブル１６のＸ位置を決定することができる。Ｙ／Ｚ位置については、グループに含まれる全ての測定箇所が再構成範囲に含まれていれば、回転テーブル１６の移動可能な範囲で任意に設定できる。
例えば、グループに含まれる全測定箇所の重心が再構成範囲の中心にくるようにしても良い。
ステップ２５０のＣＴスキャン順序の決定では、全ての測定箇所がいずれかのグループに含まれるまでステップ２１０〜２４０の処理を繰り返した後、各グループから求めたＣＴスキャン位置の実行順序を決定する。
無駄な移動を行わないという観点から、この順序は回転テーブル１６が各ＣＴスキャン位置に移動する経路が最短になるように設定すべきである。全体の測定時間の観点では、回転テーブル１６の移動時間はＣＴスキャン実行時間に比べて遥かに短いため、全体の測定時間に影響しないと考えられる。
なお、前記説明では円筒体の空洞の測定を例にとって説明していたが、被検体の外部形状や内部形状はこれに限定されない。
１０…エンクロージャ
１２…Ｘ線管（Ｘ線源）
１３…Ｘ線
１４…Ｘ線検出器
１６…回転テーブル
１８…ＸＹＺ移動機構部
２０…Ｘ線コリメータ
３０…コントローラ
４０…制御ＰＣ
４２…Ｘ線ＣＴ制御プログラム
４４…測定計画自動生成プログラム
Ｗ…ワーク（被検体）

Claims (4)

  1. 被検体を回転させながらＸ線照射を行い、そこで得られた投影データからボリュームデータを再構成し、該ボリュームデータから目的の測定箇所を測定する計測用Ｘ線ＣＴの測定計画生成方法において、
    予め測定者が設定した被検体の測定箇所と被検体のＣＡＤデータに含まれる公差情報を基に、必要な測定精度と測定視野範囲を計算し、
    それらの情報から測定回数が最小になる最適化された測定計画を自動生成することを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴの測定計画生成方法。
  2. 前記測定計画の自動生成を、
    ある任意の測定箇所を基準とし、
    他の任意の測定箇所が、その基準と同じ測定倍率で測定可能かそれぞれ検証し、
    同一測定倍率で測定可能なグループを作成し、
    各グループのボリュームデータを生成するためのＣＴスキャン位置を決定し、
    それらを順序付けることにより行うことを特徴とする請求項１に記載の計測用Ｘ線ＣＴの測定計画生成方法。
  3. 被検体を回転させながらＸ線照射を行い、そこで得られた投影データからボリュームデータを再構成し、該ボリュームデータから目的の測定箇所を測定する計測用Ｘ線ＣＴの測定計画生成装置において、
    予め測定者が設定した被検体の測定箇所と被検体のＣＡＤデータに含まれる公差情報を基に、必要な測定精度と測定視野範囲を計算し、それらの情報から測定回数が最小になる最適化された測定計画を自動生成する測定計画自動生成プログラムを備えたことを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴの測定計画生成装置。
  4. 前記測定計画自動生成プログラムが、
    ある任意の測定箇所を基準とし、
    他の任意の測定箇所が、その基準と同じ測定倍率で測定可能かそれぞれ検証し、
    同一測定倍率で測定可能なグループを作成し、
    各グループのボリュームデータを生成するためのＣＴスキャン位置を決定し、
    それらを順序付けることにより測定計画を生成するようにされていることを特徴とする請求項３に記載の計測用Ｘ線ＣＴの測定計画生成装置。
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