(57)【要約】【課題】点光源式のＸ線源と、フラットパネル式の検出器と、を備えるＸ線ＣＴ装置において、フラットパネル式の検出器の端部における投影画像の誤差を精度良く補正する。【解決手段】測定対象物ＯにＸ線を照射する点光源式Ｘ線源１０と、測定対象物Ｏを透過した特性Ｘ線を検出するフラットパネル式検出器２０と、を備え、フラットパネル式検出器２０で検出された特性Ｘ線に基づいて測定対象物ＯのＸ線ＣＴ画像を生成するＸ線ＣＴ装置１であって、生成されたＸ線ＣＴ画像のサイノグラムを理想サイノグラムに収束させるようにＸ線ＣＴ画像を補正する画像補正手段６０を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物にＸ線を照射する点光源式Ｘ線源と、前記測定対象物を透過した特性Ｘ線を検出するフラットパネル式検出器と、を備え、前記フラットパネル式検出器で検出された特性Ｘ線に基づいて前記測定対象物のＸ線ＣＴ画像を生成するＸ線ＣＴ装置であって、
生成された前記Ｘ線ＣＴ画像のサイノグラムを理想サイノグラムに収束させるように前記Ｘ線ＣＴ画像を補正する画像補正手段を備える、Ｘ線ＣＴ装置。
【請求項２】
前記理想サイノグラムは、Ｘ線源として面光源式Ｘ線源を用いた場合に生成されるＸ線ＣＴ画像のサイノグラムである、請求項１に記載のＸ線ＣＴ装置。
【請求項３】
前記画像補正手段は、最尤推定・期待値最大化再構成法を用いて前記Ｘ線ＣＴ画像を補正する、請求項１又は２に記載のＸ線ＣＴ装置。
【請求項４】
前記画像補正手段は、フィルタ補正逆投影法、加算型ART法、乗算型ART法、SIRT法、勾配法、最急降下法、共役勾配法、MAP-EM法、又は、Convex法を用いて前記Ｘ線ＣＴ画像を補正する、請求項１又は２に記載のＸ線ＣＴ装置。
【請求項５】
測定対象物にＸ線を照射する点光源式Ｘ線源と、前記測定対象物を透過した特性Ｘ線を検出するフラットパネル式検出器と、を備え、前記フラットパネル式検出器で検出された特性Ｘ線に基づいて前記測定対象物のＸ線ＣＴ画像を生成するＸ線ＣＴ装置の画像補正方法であって、
生成された前記Ｘ線ＣＴ画像のサイノグラムを理想サイノグラムに収束させるように前記Ｘ線ＣＴ画像を補正する画像補正工程を含む、画像補正方法。
【請求項６】
前記理想サイノグラムは、Ｘ線源として面光源式Ｘ線源を用いた場合に生成されるＸ線ＣＴ画像のサイノグラムである、請求項５に記載の画像補正補法。
【請求項７】
前記画像補正工程では、最尤推定・期待値最大化再構成法を用いて前記Ｘ線ＣＴ画像を補正する、請求項５又は６に記載の画像補正方法。
【請求項８】
前記画像補正工程では、フィルタ補正逆投影法、加算型ART法、乗算型ART法、SIRT法、勾配法、最急降下法、共役勾配法、MAP-EM法、又は、Convex法を用いて前記Ｘ線ＣＴ画像を補正する、請求項５又は６に記載の画像補正方法。
【請求項９】
コンピュータに、点光源式Ｘ線源及びフラットパネル式検出器を用いて生成された測定対象物のＸ線ＣＴ画像のサイノグラムを理想サイノグラムに収束させるように、前記Ｘ線ＣＴ画像を補正する画像補正工程を実行させる、画像補正プログラム。
【請求項１０】
前記理想サイノグラムは、Ｘ線源として面光源式Ｘ線源を用いた場合に生成されるＸ線ＣＴ画像のサイノグラムである、請求項９に記載の画像補正プログラム。
【請求項１１】
前記画像補正工程では、最尤推定・期待値最大化再構成法を用いて前記Ｘ線ＣＴ画像を補正する、請求項９又は１０に記載の画像補正プログラム。
【請求項１２】
前記画像補正工程では、フィルタ補正逆投影法、加算型ART法、乗算型ART法、SIRT法、勾配法、最急降下法、共役勾配法、MAP-EM法、又は、Convex法を用いて前記Ｘ線ＣＴ画像を補正する、請求項９又は１０に記載の画像補正プログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｘ線ＣＴ装置、画像補正方法及び画像補正プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線ＣＴ装置は、物体を様々な方向からＸ線で撮影した画像を再構成処理することで、物体の内部構造を含む３次元画像を得ることができる。従来、このＸ線ＣＴ装置の特徴を利用して、金属部品や樹脂部品などにおけるボイド、クラックといった微細な内部欠陥の観察、電子部品の複雑な内部形状の計測及び故障原因の解析に利用されてきた。
【０００３】
現在においては、デジタル技術の進歩に伴い、Ｘ線ＣＴ装置をデジタルエンジニアリングシステムの核として利用する試みが始まっている。デジタルエンジニアリングシステムは、高機能ＣＡＤ／ＣＡＭシステム、３次元造形システム、３次元計測システムを融合し、開発から製造までの効率化と高品質化を実現する技術である。これらの技術を組み合わせることにより、金型を作ることなく、試作及び設計を繰り返し、短時間かつ低コストで商品を市場に送り出すことが可能である。正確かつ完全な生産及び技術データを共有することにより、開発のリスクを軽減することが期待される。
【０００４】
３次元計測システムとしては、デジタイザや光切断法等が提案されている。しかし、これらの方法は、表面形状を正確に測定することが可能であるが、測定物の内部形状を測定することは極めて困難である。これらの測定法に対し、内部空間の有無を判別することができる超音波診断法も提案されているが、この方法も内部形状を正確に把握することは難しい。そのため、Ｘ線ＣＴ装置は、内部構造まで把握できる唯一の３次元計測システムとして期待されている。
【０００５】
ところで、一般的なＸ線ＣＴ装置においては、図１０に示すように、点光源式のＸ線源からコーンビーム状に測定対象物ＯへとＸ線を照射し、このＸ線が測定対象物Ｏを透過することにより生じる特性Ｘ線がフラットパネル式の検出器２００へと到達するようになっている。このため、フラットパネル式の検出器２００の中央部から離れて端部になるにつれて投影画像ＩPの誤差が大きくなることが明らかとなっている。近年においては、このような投影画像ＩPの誤差を補正するために、格子状に配置された球を有する校正具を用いる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／０２３０１５０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された技術においては、点光源の位置と、校正具の球の寸法及び位置と、二次元平面に投影された球の投影画像の寸法及び位置と、の間の幾何学的な関係を利用して投影画像の誤差を補正している。しかし、かかる補正は、実際のＸ線ＣＴ画像（三次元画像）に基づいたものではないことから、依然として誤差が残るという問題があった。
【０００８】
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、点光源式のＸ線源と、フラットパネル式の検出器と、を備えるＸ線ＣＴ装置において、フラットパネル式の検出器の端部における投影画像の誤差を精度良く補正することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、測定対象物にＸ線を照射する点光源式Ｘ線源と、測定対象物を透過した特性Ｘ線を検出するフラットパネル式検出器と、を備え、フラットパネル式検出器で検出された特性Ｘ線に基づいて測定対象物のＸ線ＣＴ画像を生成するＸ線ＣＴ装置であって、生成されたＸ線ＣＴ画像のサイノグラムを理想サイノグラムに収束させるようにＸ線ＣＴ画像を補正する画像補正手段を備える、Ｘ線ＣＴ装置を提供する。
【００１０】
また、本発明は、測定対象物にＸ線を照射する点光源式Ｘ線源と、測定対象物を透過した特性Ｘ線を検出するフラットパネル式検出器と、を備え、フラットパネル式検出器で検出された特性Ｘ線に基づいて測定対象物のＸ線ＣＴ画像を生成するＸ線ＣＴ装置の画像補正方法であって、生成されたＸ線ＣＴ画像のサイノグラムを理想サイノグラムに収束させるようにＸ線ＣＴ画像を補正する画像補正工程を含む、画像補正方法を提供する。
【００１１】
さらに、本発明は、コンピュータに、点光源式Ｘ線源及びフラットパネル式検出器を用いて生成された測定対象物のＸ線ＣＴ画像のサイノグラムを理想サイノグラムに収束させるようにＸ線ＣＴ画像を補正する画像補正工程を実行させる、画像補正プログラムを提供する。さらに、本発明に係る画像補正プログラムを記録したコンピュータ読取可能記録媒体をも提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の構成図である。
【図２】Ｘ線ＣＴ画像のサイノグラムを説明するための説明図である。
【図３】最尤推定・期待値最大化再構成法を説明するための説明図である。
【図４】最尤推定・期待値最大化再構成法を用いて再構成した断面画像と、フィルタ補正逆投影法を用いて再構成した断面画像と、の比較結果を示す図である。
【図５】理想サイノグラムを用いてＸ線ＣＴ画像を補正する方法を説明するための説明図である。
【図６】校正用ファントムの一例を示すものであり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は断面図である。
【図７】校正用ファントムの球の検出器の中心からの位置と、球の中心間誤差と、の関係を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態に係る画像補正方法を説明するためのフローチャートである。
【図９】校正用ファントムの他の例を示す斜視図である。
【図１０】従来のＸ線ＣＴ画像のフラットパネル式検出器の端部における投影画像の誤差を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
まず、図１〜図７を用いて、本発明の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１の構成について説明する。Ｘ線ＣＴ装置１は、測定対象物Ｏに対してＸ線を照射し測定対象物Ｏの回転角毎の投影データを検出することにより、測定対象物ＯのＸ線ＣＴ画像（三次元画像）を取得するものである。
【００１４】
Ｘ線ＣＴ装置１は、図１に示すように、Ｘ線を照射するＸ線源１０と、測定対象物Ｏを透過した特性Ｘ線を検出する検出器２０と、Ｘ線源１０と検出器２０との間に配置され測定対象物Ｏを設置するための設置台３０と、検出器２０で計測された特性Ｘ線量（特性Ｘ線ピーク）を数値化する信号処理手段４０と、信号処理手段による数値データに基づいて画像を再構成する画像再構成手段５０と、画像再構成手段５０によって得られたＸ線ＣＴ画像を補正する画像補正手段６０と、を備えている。
【００１５】
本実施形態においては、点光源式のＸ線源１０を採用するとともに、フラットパネル式の検出器２０を採用している。設置台３０は、図示されていない移動機構によって所定の回転軸を中心に回転運動を行うとともに、回転軸に直行する軸に沿って直線運動を行うように構成されている。設置台３０は、高い剛性を有するグラナイトやダクタイル鋳鉄で構成することが好ましい。
【００１６】
信号処理手段４０及び画像再構成手段５０は、コンピュータ等のハードウェアと、これに実装されるプログラム等のソフトウェアと、によって構成されている。具体的には、信号処理手段４０及び画像再構成手段５０のためのプログラムが、インターネット等の通信媒体やＵＳＢ等の記録媒体を介してコンピュータに読み込まれると、ＣＰＵ等の演算処理部やメモリ等の記憶部等により各種処理が実行される。かかる実行に必要な各種データや結果データは適宜、入力部や通信部を介して入力され、出力部や表示部を介して出力される。
【００１７】
本実施形態における画像再構成手段５０は、後述する画像補正手段６０と同様に、逐次近似再構成法の中の最尤推定・期待値最大化再構成法（以下、「ＭＬ−ＥＭ再構成法」という）を用いて、検出Ｘ線量の数値データに基づき測定対象物ＯのＸ線ＣＴ画像を再構成することとしているが、他のアルゴリズム（例えば、フィルタ補正逆投影法、加算型ART法、乗算型ART法、SIRT法、勾配法、最急降下法、共役勾配法、MAP-EM法、Convex法等）を用いて画像の再構成を行うこともできる。
【００１８】
なお、Ｘ線源１０と検出器２０との間にリニアスケールを配置してもよい。このようにすると、設置台３０の位置を正確に把握することができ、測定対象物ＯのＸ線ＣＴ画像を精確に取得することができる。
【００１９】
画像補正手段６０は、Ｘ線源１０及び検出器２０を用いて生成された測定対象物のＸ線ＣＴ画像のサイノグラム（実測サイノグラム）を理想サイノグラムに収束させるように、Ｘ線ＣＴ画像を補正するものである。画像補正手段６０は、図１に示すように、画像再構成手段５０で生成したＸ線ＣＴ画像のデータをサイノグラムとして表示画面に表示する表示手段６１と、Ｘ線ＣＴ画像のサイノグラム（実測サイノグラム）を理想サイノグラムに収束させるように逐次近似再構成法の中のＭＬ−ＥＭ再構成法を用いて画像を再構成することによりＸ線ＣＴ画像を補正する補正手段６２と、を有している。表示手段６１及び補正手段６２は、コンピュータ等のハードウェアと、これに実装されるプログラム等のソフトウェアと、によって構成されており、これら表示手段６１及び補正手段６２のためのプログラムがコンピュータに読み込まれると、ＣＰＵ等の演算処理部やメモリ等の記憶部等により各種処理が実行される。
【００２０】
ここで、画像補正の際に使用されるサイノグラムについて説明する。サイノグラムとは、測定対象物Ｏを３６０°回転させたときの角度毎の検出信号をsin波で表現した像であって、測定対象物Ｏの断面毎に取得されるものである。画像再構成手段５０で生成した平面視楕円形状の測定対象物Ｏの所定断面におけるＸ線ＣＴ画像のサイノグラムは、例えば図２に示すような像で表現される。
【００２１】
また、画像補正の際に使用されるＭＬ−ＥＭ再構成法について、図３及び図４を用いて説明する。ＭＬ−ＥＭ再構成法は、どのような画像であれば測定投影データに近い計算投影データが得られるかを繰り返し計算する方法である。図３に示したように、０°、９０°、１８０°、２７０°の各投影データ（サイノグラム）を得たと仮定する。この際、これらの投影データから得られる断面画像がどのようなものであるかを予想することができる。例えば、外形に関しては、一番外側のサイノグラム形状から、楕円であることが予想される。また、９０°及び２７０°のサイノグラムから楕円の上部に輝度の高い物質が存在し、下部に空気層が存在することが示唆される。１８０°及び２７０°には楕円内部の物質に関する情報がないため、高輝度物質と空気層が打ち消しあっていることが予想される。このような操作を同時に繰り返し実施することで、矛盾のない断面画像を構成する方法がＭＬ−ＥＭ再構成法の概要である。
【００２２】
図４は、ＭＬ−ＥＭ再構成法を用いて再構成した断面画像と、フィルタ補正逆投影法（以下、「ＦＢＰ法」という）を用いて再構成した断面画像と、の比較結果を示す。ＦＢＰ法で再構成した断面画像は、ストリーク状アーチファクトの発生が確認された。また試料内部の穴と外側の空気層のコントラストが異なっていることも明らかになった。一方、ＭＬ−ＥＭ法においては、このような現象は確認されなかったが、穴の輪郭のボケが確認された。ＦＢＰ法は、線減弱係数が大きく異なる元素を含む試料には有効な再構成法であるが、板状や突起物が多いような複雑な形状に由来するアーチファクトに対しては、効果が薄い。これは、ＦＢＰ法が再構成時にボケ補正フィルタで処理していることに起因する。その他に、補正フィルタの影響によりエッジが強調されたり、コントラストが異なったりするといった問題が発生する。これらの問題は、測定誤差を生む要因となり、測定対象物の形状によっては、測定誤差が大きくなる可能性がある。一方、ＭＬ−ＥＭ再構成法は、ＦＢＰ法で顕在化したアーチファクトの発生を抑制することが可能である。
【００２３】
但し、ＭＬ−ＥＭ再構成法は、投影データを基に統計的に一番確からしい画像を導く方法であるため、（１）統計手法のため収束しない可能性がある、（２）再構成画像のエッジが不明瞭となる、（３）解析量が膨大であり再構成時間が長い、といった３つの問題が指摘されている。ＭＬ−ＥＭ再構成法を実際に利用するためには、これらの問題を解決する方法の開発が求められていた。そこで、本願発明の発明者は、画像再構成手段５０で生成したＸ線ＣＴ画像のサイノグラム（実測サイノグラム）を、予め作成した理想サイノグラムに収束させるように全体を補正することで、ＭＬ−ＥＭ再構成法の上記問題を解決した。理想サイノグラムとしては、点光源式のＸ線源１０に代えて面光源式のＸ線源を用いた場合に生成されるＸ線ＣＴ画像のサイノグラムを採用することができる。
【００２４】
図５は、理想サイノグラムを用いてＸ線ＣＴ画像を補正する方法を説明するための説明図である。本実施形態においては、図６に示すような３個の球Ｂを一直線状に配置した校正用ファントムＦを測定対象物Ｏとして用いて画像補正を行う例について説明する。点光源式のＸ線源１０と、フラットパネル式の検出器２０と、を用いて校正用ファントムＦのＸ線ＣＴ画像を取得した場合には、図７に示すように、検出器２０の中心から校正用ファントムＦの球Ｂが離れるほど、Ｘ線ＣＴ画像における球Ｂの中心位置と実際の中心位置とのズレ（中心間誤差）が大きくなることが明らかとなっている。本実施形態においては、図５に示すように、画像再構成手段５０で生成したＸ線ＣＴ画像のサイノグラム（実測サイノグラム）ＳMを理想サイノグラムＳIに収束させるように画像補正を行うことにより、球Ｂの中心間誤差を小さくする（ないしゼロにする）ことができる。このようなサイノグラムを用いた手法は、他の測定対象物Ｏの画像を補正する際にも適用することができる。
【００２５】
なお、Ｘ線ＣＴ装置１は、外部からの振動対策として除振機能を有していることが好ましい。また、Ｘ線ＣＴ装置１は、鉛やタングステン等からなる遮蔽体によって遮蔽されることが好ましく、空調手段によってその内部の温度及び湿度が一定に維持されることが好ましい。このようにすると、画像情報取得の際に外部環境の影響を抑制することができ、より精確な三次元画像を得ることができる。
【００２６】
次に、測定対象物ＯのＸ線ＣＴ画像を補正する方法について、図５〜図７を適宜参照しながら図８のフローチャートを用いて説明する。
【００２７】
まず、Ｘ線源１０から測定対象物Ｏに対してＸ線を照射し、測定対象物Ｏの回転角毎の投影データを検出器２０で検出することにより、測定対象物ＯのＸ線ＣＴ画像を取得する（画像取得工程：Ｓ１）。次いで、取得した測定対象物ＯのＸ線ＣＴ画像のサイノグラム（実測サイノグラム）ＳMを、例えば図５に示したように表示手段６１で表示画面に表示する（実測サイノグラム表示工程：Ｓ２）。
【００２８】
次いで、予め作成しておいた理想サイノグラムＳIを、例えば予めハードディスクやメモリ等の記憶手段に記憶させておき、又は、適宜通信手段を介して外部から受け取り、図５に示したように表示手段６１で表示画面に表示する（理想サイノグラム表示工程：Ｓ３）。なお、理想サイノグラム表示工程Ｓ３は、画像取得工程Ｓ１及び実測サイノグラム表示工程Ｓ２の前に行われていてもよい。
【００２９】
なお、理想サイノグラムＳIは、予め校正用ファントムＦの球Ｂの表面及び中心座標を三次元計測器（ＣＭＭ）で測定し、各球Ｂの正確な表面座標と中心座標を点群データとして取得することにより得ることができる。すなわち、校正用ファントムＦの中央部に位置する球Ｂの中心座標を中心軸として、校正用ファントムＦを一回転させると、各球Ｂにおける点群データの理想サイノグラムＳIを取得することが可能である。校正用ファントムＦの中央部に位置する球ＢとＣＴの中心座標をソフト上で一致させ、校正用ファントムＦの各球Ｂ（点群データ）の理想サイノグラムＳIと、ＣＴデータから取得したサイノグラムと、が一致するようにフラットパネル式の検出器２０の位置をソフト上で補正する。
【００３０】
次いで、実測サイノグラムＳMを理想サイノグラムＳIに収束させるようにＭＬ−ＥＭ再構成法を用いて画像を再構成することにより、Ｘ線ＣＴ画像を補正する（画像補正工程：Ｓ４）。
【００３１】
以上説明した実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１においては、点光源式のＸ線源１０及びフラットパネル式の検出器２０を用いて生成された測定対象物ＯのＸ線ＣＴ画像のサイノグラム（実測サイノグラム）を理想サイノグラムに収束させるように、Ｘ線ＣＴ画像を補正することができる。従って、点光源式のＸ線源１０を用いた場合に発生するフラットパネル式の検出器２０の端部における投影画像の誤差を、精度良く補正することができる。
【００３２】
なお、以上の実施形態においては、図６に示すように３個の球Ｂを一直線状に配置した校正用ファントムＦを採用した例を示したが、校正用ファントムＦの構成はこれに限られるものではない。例えば、図９に示すように、複数の球Ｂを放射状に配置した校正用ファントムＦを採用することもできる。
【００３３】
また、以上の実施形態においては、ＭＬ−ＥＭ再構成法を用いてＸ線ＣＴ画像を補正した例を示したが、実測サイノグラムを理想サイノグラムに収束させるようにすることにより、他の再構成法（例えば、フィルタ補正逆投影法、加算型ART法、乗算型ART法、SIRT法、勾配法、最急降下法、共役勾配法、MAP-EM法、Convex法等）を用いてＸ線ＣＴ画像を補正することもできる。
【００３４】
本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、この実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。すなわち、前記実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前記実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
【符号の説明】
【００３５】
１…Ｘ線ＣＴ装置
１０…Ｘ線源
２０…検出器
６０…画像補正手段
Ｏ…測定対象物
ＳI…理想サイノグラム
ＳM…実測サイノグラム
Ｓ４…画像補正工程
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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