(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試験対象物（３）中に延びている回転軸（５）回りに互いに逆方向に回転している該試験対象物（３）とＸ線検査システムとの間の危険領域（７）を決定する方法であって、
放射線源及び該放射線源から所定の距離を置いて配置された放射線検出器を用いて、試験対象物（３）と放射線源−放射線検出器配置との間の所定の回転角（γ）において、該回転角（γ）における前記試験対象物（３）の外輪郭を掠めるそれらの周辺光線（６）が決定され、
前記所定の回転角（γ）について、前記外輪郭から前記試験対象物（３）の前記回転軸（５）までの危険半径（８）を決定し、
３６０°にわたって分布する複数の所定の回転角（γ）について、前記周辺光線（６）の前記決定を繰り返して、それぞれの危険半径（８）を決定し、
複数の前記所定の回転角（γ）について得られた、前記試験対象物（３）の縁部の複数の前記危険半径（８）についての関連パラメータを備えた表を生成し、
前記回転軸（５）に沿った複数の所定の高さ（ｈ）についての複数の前記危険半径（８）が別々に決定され、前記関連パラメータを備えた表が高さ依存性を示す、方法。
【請求項２】
前記放射線源としてＸ線管が用いられ、前記放射線検出器としてＸ線検査システムのＸ線検出器が用いられ、それぞれの前記危険半径（８）を決定するために前記Ｘ線検査システムに既に含まれているＣＴフェルドカンプ再構成が用いられる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
複数の前記回転角（γ）間の複数のステップが、連続的である、又は、１°〜６０°の間の等間隔である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
複数の前記回転角（γ）間の複数のステップが、３０°の等間隔である、請求項１又は
２に記載の方法。
【請求項５】
前記放射線検出器として可視範囲を感知するカメラ（１）が用いられ、前記放射線源が、前記カメラ（１）によって登録され得る光で均一に照明された背景（２）であり、前記試験対象物（３）が前記カメラ（１）と前記照明された背景（２）との間に位置しており、バックライト中の前記試験対象物（３）の影が前記カメラ（１）によって記録される、請求項１、３又は４に記載の方法。
【請求項６】
前記カメラ（１）の視界の主軸（４）が、前記試験対象物（３）の前記回転軸（５）に対して垂直である、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記関連パラメータを備えた前記表が視覚的に表示されている、及び／又は、該表は、前記Ｘ線検査システムの回転運動の制御システムに伝達され、その後、前記試験対象物（３）に対してＸ線検査が行われている間にはこの領域へと移動しない、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試験対象物（３）中に延びている回転軸（５）回りに互いに逆方向に回転している、該試験対象物（３）とＸ線検査システムとの間の危険領域（７）を決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ断層撮影（ＣＴ）は、Ｘ線に基づいて対象物の内部を非破壊的に表示することが可能な画像診断法を表す。特に非破壊検査技術では、可能な限り多くの撮影自由度を有するＣＴシステムが注目されている。Ｘ線検出器、Ｘ線管及び対象物プレートのような可搬装置部品では、コンパクトなシステム内部における全ての物品の衝突を防止することが最優先となる。衝突を防止する方法としては、アクセス可能な空間を一定に制限することに加えて、さらなる方法が存在する。これまでは、とりわけ、（例えば、統合された鉛ガラス窓を通して）視認することによってビジュアルナビゲーションを監視することが可能であった。しかしながら、このことは、対応する視野角により著しく制限される。
【０００３】
この他に、又はこれに加えて、圧力センサが使用され得る。接触があった場合、すなわち、既に衝突が起きていた場合には、目的の方法は中断される。この種の衝突防止は、他の措置が失敗したときの最後の手段と考えるべきである。これにより、コンパクトなシステム内における対象物又は他の物品に対する大きな損傷を防止することができる。しかしながら、衝突による小さな損傷を排することはできない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明の目的は、衝突を防止するために、以降の位置決めステップにおいて使用可能な任意の試験対象物についての全自動かつ正確な体積認識又は表面認識を実行することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
該目的は、請求項１の特徴を備えた方法により達成される。本発明に係る方法により、任意の試験対象物の物体認識が実行され得る。これに基づいて、試験対象物の正確なサイズが提示される。このためのデータは、関連パラメータを備えた表の中に与えられる。該関連パラメータは、該試験対象物のそれぞれの半径と特定の回転角との関係を含む。この情報は、以降のステップにおいて、例えば試験対象物の位置が変更された場合に、他の物体との衝突を防止するために使用され得る。
【０００６】
本発明の有利な発展形態は、回転軸に沿った複数の所定の高さについての複数の危険半径が別々に決定され、関連パラメータを備えた表が高さ依存性を示すことを提供する。前段落において参照された試験対象物の半径とそれぞれの割り当てられた回転角との関係に加えて、ここでは、関連するパラメータは、前述の関係が適用される時の高さもまた含む。したがって、複数の異なる高さについての危険領域を、別々の方法で決定することができる。
【０００７】
本発明のさらなる有利な発展形態は、複数の回転角間の複数のステップが、連続的である、又は、１°〜６０°の間、好ましくは３０°の等間隔であることを提供する。回転角が小さくなると、危険領域の決定もより正確になる。しかしながら、必要なデータ及び時間の量が増加するため、妥協点を見出す必要がある。
【０００８】
本発明のさらなる有利な発展形態は、放射線源としてＸ線管が用いられ、放射線検出器としてＸ線検査システムのＸ線検出器が用いられ、それぞれの危険半径を決定するためにＸ線検査システムに既に含まれているＣＴフェルドカンプ再構成（ＦＤＫ再構成）が用いられることを提供する。これにより、Ｘ線検査システムがどのみち存在するため、光学範囲内において追加のカメラシステムが必要ない。
【０００９】
本発明のさらなる有利な発展形態は、放射線検出器として可視範囲を感知するカメラが用いられ、放射線源が、カメラによって登録され得る光で均一に照明された背景であり、試験対象物がカメラと照明された背景との間に位置しており、バックライト中の試験対象物の影がカメラによって記録されることを提供する。簡便な手段を用いて、優れた結果を達成することができる。
【００１０】
本発明のさらなる有利な発展形態は、カメラの視界の主軸が、試験対象物の回転軸に対して垂直であることを提供する。したがって、基本的な幾何学的形状が簡略化され、それにより関連パラメータの計算が簡便になる。
【００１１】
本発明のさらなる有利な発展形態は、関連パラメータを備えた表が視覚的に表示されている、及び／又は、該表は、Ｘ線検査システムの回転運動の制御システムに伝達され、その後、試験対象物のＸ線検査の間にはこの領域へと移動しないことを提供する。視覚的な表示では、ユーザは、試験対象物の視覚表現を受け取って、Ｘ線検査システムを検査位置へとより安全に移動させることができる。２つ目の場合には、Ｘ線検査システムにより試験対象物のＸ線検査の全自動制御が実行され、Ｘ線検査システムと試験対象物との衝突が起こらないことが保証される。
【００１２】
本発明のさらなる利点及び詳細は、以下に示す図面に表される実施形態の例を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】試験対象物の影の画像。
【図２】試験対象物のない図１の背景。
【図３】図１と図２との差分画像。
【図４】図３の２値化。
【図５】本発明の方法を実行するための概略構造。
【図６】計算に関連する幾何学的関係を表した図。
【図７】本発明の改良された実施形態を実行した後の結果。
【図８】本発明の改良された実施形態の場合の条件を表した図。
【図９】本発明の改良された実施形態の場合の関連する幾何学的関係の表示。
【図１０】ＦＤＫ再構成の場合の表示。
【図１１】周辺光線が１つのみである場合の重み付けされたピクセルの表示。
【図１２】周辺光線が複数である場合の重み付けされたピクセルの表示。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
試験対象物のカメラ画像に基づく方法を、以下に説明する。試験対象物３の寸法を決定するために、様々な視野角からのカメラ画像が用いられる。これについて、様々な可能性がある。第１に、試験対象物３は、固定された回転軸５回りに回転させられ得る。第２に、カメラ１は、試験対象物３回りに回転させられ得る。以下、第１の異形態について想定する。対象物の輪郭のみが着目されるため、バックライトを利用して影画像が記録される。このため、背景２は、可能な限り均質な光源のみを形成する。試験対象物３は、カメラ１に対して後ろから照明され、それによって、対象物の輪郭は、背景２に対して影の境界として影を落とす。影画像の例を、図１に示す。試験対象物３及びプレートのない追加の背景記録（図２）を用いて、差分画像が形成され（図３）、それにより試験対象物３が以降のステップにてより簡便に抽出されることとなる。図４は、図３の異なる画像の２値化を示す。
【００１５】
概略的な試験構成を図５に示す。均一に照明された背景２は、左側に配置されている。カメラ１は、照明された背景２に向かって右側に配置されている。試験対象物３は、それらの間の領域に配置されており、それによって照明された背景２に対して影を落とす。カメラ１により影画像を記録できるようにするため、試験対象物３の背景２は、唯一の光源として存在している必要がある。
【００１６】
続くアプローチのために、まず、カメラ１の回転軸５に対する特定の向きを想定する。カメラの視野の主軸４は、回転軸５と直角に交わる。これによって既存の幾何学的特性が簡略化されるが、この条件によりカメラ１の垂直位置が制限される。また、ほとんど任意の所望のカメラ位置により、体積認識を実行することができる。これについて、図１１及び図１２を参照して、後程より詳細に説明する。
【００１７】
ここでは、以下の入力及び出力を備えた体積認識のためのアルゴリズムが求められる。
・入力：種々の視野角からの試験対象物３の影画像
・出力：種々の複雑度が考えられ得る
１．回転軸５に関する対応する最大対象物半径ｒmaxを伴った高さｈ
２．回転軸５に関する対応する対象物半径ｒを伴った高さｈ及び回転角γ
３．ユーザに表示するために用いられ得る３次元ボリューム
【００１８】
対象物半径ｒmaxとは、１回転した際における、回転軸５を起点とした試験対象物３の最大値となる半径を意味する。このパラメータは、高さｈに応じて変化し得る。さらに、回転角γの値は、高さｈと併せて対応する対象物半径ｒが存在する変数として考えられる。理想的な場合には、体積認識に続いて、該体積認識の視覚的印象を保証するために、３次元物体表示がユーザのＰＣにおいてさらに利用可能であることが望ましい。
【００１９】
図４に例示されるように、全ての複雑度について、まず試験対象物３の２値化が行われる。これらの画像内には、全ての対象物の位置において０でない値が見られる。
【００２０】
幾何形状について十分な情報があるならば、２値画像の直接評価を参照して、高さｈに関連する最大半径ｒmaxを、わずかな計算量により提示することができる。図５は、対応する試験構成を上からの視野角により表した概略図を示す。この目的は、第１に、衝突防止のために、ｒmaxで規定され、危険領域７を表した黒円を発見することにある。危険領域７は、本発明に係る方法により決定される危険半径８と関連している。この円は、回転軸５の回りにおける全ての回転運動のために、試験対象物３の全体を含んでいる。少なくとも１つの角度位置（必ずしも全てではない）について試験対象物３との衝突が生じることとなるため、この領域内には外部の物品があってはならない。パラメータＦＯＤは、カメラ１と回転軸５との距離を表している。距離ＤＯＤは、試験対象物と、試験対象物３の後ろの理論上の画像平面との間の距離を示す。パラメータｓは、カメラ画像中の対象物の影の大きさを示す。一時的な測定値ｒ’は、実際に求められる大きさｒmaxを決定するために用いられ得る。
【００２１】
既知の幾何形状のため、図６においてＦＯＤで示される試験対象物３とカメラ１との間の距離は既知であると推定することができる。このため、試験対象物３は、該カメラの視野内における所定の位置に事前に配置されていてもよい。上記画像平面は試験対象物３の反対側にあると理論的に推定されるため、試験対象物３と該画像平面との間の距離ＤＯＤは、自由に選択され得る。単純化のため、ＦＯＤ＝ＤＯＤが選択されている。
【００２２】
上記２値画像内のピクセル数は、影の大きさｓを決定するために既に与えられているが、それでも理論上の画像平面のピクセルサイズは決定されるべきである。切片の定理（Strahlensatz）より、以下が得られる。
【数１】
0006500016.tif 000002
ここで、カメラに特有のパラメータとして、ｃはセンサのピクセルサイズ、ｆは焦点距離である。カメラが記録している間、上記画像平面が、又は仮想検出器もまた、カメラ１から回転軸５までの距離と同じ距離に位置していることについて想定した結果、因数２・ＦＯＤが得られる。このとき、ピクセルサイズ及びピクセルの総数からは、実際の影のサイズｓ又はｓ／２が得られる。
【００２３】
また、切片の定理を用いて、距離ｒ’を決定することもできる。
【数２】
0006500016.tif 000003
【００２４】
そして、ＦＯＤ及びｒ’により張られる直角三角形の高さを決定することにより、求められていた半径ｒが得られる。
【数３】
0006500016.tif 000004
【００２５】
第１のアプローチにおける個別のステップは、以下のように要約される。
１．全ての２値画像を１ラインずつスキャンして、対象物の縁を識別する。
２．それぞれの高さについて、対象物の縁から回転軸５までの最大距離ｒmaxを決定する。
３．ｈ及びｒmaxの値の組を出力する。
４．ユーザに対して、それぞれの半径ｒmaxの形態の円柱を視覚的なフィードバックとして表示することができる。
【００２６】
前述のｈ及びｒmaxの値の組は、前述の表における前述の関連パラメータの例である。
【００２７】
観測される縁が１つだけではないことも考えられる。例えば、左右の縁が対応して観測される場合には、全ての投影の半分だけが使用され得る。例えば照明、反射及びノイズのような、あり得るエラー源を最小化するために、両方の縁を観測して対応する最大値を使用することも可能である。
【００２８】
第２のアプローチとしては、それぞれの高さについての上で説明した２値画像の直接評価を、最大半径ｒmaxに制限しないことが可能である。対象物の縁が様々な回転角γにおけるそれぞれの投影画像について決定される場合には、前述の円形の危険領域７が縮小させられ得る。
【００２９】
このアプローチについては、ｒ’と各ｒとの間の回転角γに着目する。この所定の半径についての回転角γのずれはωで示され、以下により決定することができる。
【数４】
0006500016.tif 000005
【００３０】
図７には、この拡張されたアプローチの例であって、回転角−高さの組（γ,ｈ）のそれぞれについて半径ｒが与えられている例が見られる。向きについては、左側の画像が、同じ高さｈでの同じ対象物３の計算された体積によって、断面を示している。加えて、回転軸５を起点とした対応する半径が示されている。それにより、この拡張されたアプローチの結果がデジタルボリュームと一致することが明確になる。第１のアプローチからの円形状の危険領域７を大幅に縮小することができた。
【００３１】
したがって、このアプローチの結果、危険領域７の表示がより正確になるが、衝突防止は任意の所望の回転角γについては保証されなくなる。図７に示される危険領域７は、初期角度位置に対してのみ適用されるか、対応して回転もさせられる必要がある。
【００３２】
さらに、ユーザのための視覚的なフィードバックとしてのボリューム表示は、図７に基づいて、簡略化されたボリューム再構成の形態においても可能である。このことを、図８及び９において概略的に示す。それぞれの回転角γ及び高さｈについての半径から開始して、任意の所望の数の回転角γが、より正確な再構成のために用いられ得る（図８及び９では、回転角γは、３０°間隔で見られる）。このとき、現在の回転角γの半径を正確に通って延びている直交軸が見られることとなる。
【００３３】
全ての直線の交点を決定することにより、試験対象物３の凸状シェルのより正確な推定を行うことが可能となり（図８参照）、第２のアプローチの結果は、視覚的なシェルとして説明することができる。該交点は、回転角γ＝３０°である例として図９より得られる情報に基づいて決定することができる。対象物のシェルの推定は、考慮される回転角γの数を増やすことにより、より正確になる。
【００３４】
要約すると、この第２のアプローチについて、以下のステップが生じる。
１．全ての２値画像を１ラインずつスキャンして、対象物の縁を識別する。
２．それぞれの回転角γ及びそれぞれの高さｈについて、半径ｒを決定する。
３．組（γ,ｈ）ごとにｒを出力する。
４．ユーザに対して、（γ,ｈ）についての半径ｒを３次元ボリュームとして表示することができる（例示の水平レイヤについては、図７参照）。
【００３５】
半径ｒ（γ，ｈ）についての値は、上述の表における前述の関連パラメータの別の例を提供する。これらは、３６０°にわたって同じ半径を提供せず、回転角に応じた半径を提供するため、第１のアプローチの場合における上述の関連パラメータよりも優れている（これに対し、第１のアプローチは、粗雑なシェル端を提供する）。
【００３６】
第３のアプローチは、既存のＣＴフェルドカンプ再構成（以下、ＦＤＫと略する）を使用する。このために、影画像は、Ｘ線によるコーンビーム記録の投影画像として解釈される。ここでは、０に等しい全ての値は、Ｘ線の減衰がないことに対応する。したがって、この経路では、対象物の減衰が全くなく、特に、試験対象物３のいかなる部分も存在しない。０に等しくない全ての値は、ビーム経路における、試験対象物３による放射線の減衰に対応する。
【００３７】
第３のアプローチにおける個々のステップは、以下のように要約される。
１．所与のＦＤＫアルゴリズムを適用して、３次元ボリュームを提供する。
２．背景の対象物領域の分割を行い、２値ボリュームを提供する。
３．２値ボリュームから、ｈごとのｒmax又は組（γ,ｈ）ごとのｒのいずれかを決定することができる。
４．分割されていない成果ボリュームは、ユーザが以降のステップのために最も正確なナビゲーションコマンドを実行することが可能な視覚的フィードバックとして、ユーザに提示され得る。
【００３８】
このアプローチの例は、図１０に見ることができる。この画像は、図１〜４に見られた試験対象物３についての、そのようなＦＤＫ再構成の結果を示す。先の方法とは異なり、ここでは、凸状シェル内における対象物の部分について、正確に提示することができる。しかしながら、この情報は一定の回転角γに限り可能であること、又は、ここで危険領域７もまた対応して回転することになることについて、留意すべきである。
【００３９】
先の方法に代えて、任意の所望のカメラ位置を用いることもまた可能である。カメラ１の位置は、対応する目盛りを参照して決定される。体積認識のために、カメラ１のビーム経路は、ここでは各視野角にて追跡され、対象物の縁における衝突が検査される。この例は、図１１及び図１２に２次元的に示され、３次元への拡張も同様に可能である。試験対象物の位置する領域は、複数のピクセルに分割される。直線に沿って、複数のピクセルがスキャン（traversieren）され、重み付けされる。図１１では、いったん１つの視線方向から重みづけされたピクセルは、灰色で示されている。図１２における黒色のピクセルより見られるように、複数の直線が同じピクセルを通過する場合、該ピクセルはより強い重み付けがなされる。ここで、強い重み付けがなされた領域は、試験対象物３の凸状シェルを形成する。
【００４０】
前述のより強い重み付けの代わりに、ボリューム中に背景アーチファクトが生じる場合では、各視野角について除去処理もまた行われる。再構成されることとなるボリュームは、各投影画像について対応する角度にて観測される。表示された対象物の輪郭の外側に位置する全てのボクセルは、対象物３に属し得ないため、無視される。上述した最初２つのアプローチもまた、この一般化されたカメラ位置により拡張され得る。
【００４１】
要約すると、全てのアプローチは、それらに基づく適切な体積認識及び衝突防止についての実施可能性を提供する。しかしながら、正確性及び柔軟性を向上させることに伴って、該方法はまた、計算量を増やすことを必要とする。そのため、単純な円柱による体積認識から開始して、ユーザの希望に応じ、より正確な提示及びボリューム表示のためのさらなるステップを実行する、段階的なアプローチが考えられる。
【００４２】
加えて、コンピュータ断層撮影の特定の分野に関して、正確性を向上させるためのさらに別の方法がある。提示された全ての方法は、それらの解像度が使用されるカメラの品質にまで制限される。あるいは、十分に小さい領域については、実際のＸ線画像もまた、同様の体積認識方法において用いられ得る。概して、Ｘ線検出器は、標準的に用いられるカメラ１よりも実質的に高い解像度を有している。
【符号の説明】
【００４３】
１    カメラ
２    照明された背景
３    試験対象物
４    主軸
５    回転軸
６    周辺光線
７    危険領域
８    危険半径
ｈ    高さ
γ    回転角
【図１】
0006500016.tif 000006
【図２】
0006500016.tif 000007
【図３】
0006500016.tif 000008
【図４】
0006500016.tif 000009
【図５】
0006500016.tif 000010
【図６】
0006500016.tif 000011
【図７】
0006500016.tif 000012
【図８】
0006500016.tif 000013
【図９】
0006500016.tif 000014
【図１０】
0006500016.tif 000015
【図１１】
0006500016.tif 000016
【図１２】
0006500016.tif 000017