三次元画像解析ソフトウェア
直径1mmのガラスビーズを用いた各種画像処理
処理事例
産業技術総合研究所

先進製造プロセス研究部門
寺岡 啓 様セラミック多孔体は、再生医療に応え得る人工骨として、最も注目多孔体や粒子のネットワーク構造の分析されている材料です。寺岡氏は、球状のアパタイトビースを円柱状A

B

C

A : CT volume data
B : 画像から空隙部のみを抽出した画像
C : 画像を細線化した画像のセルの中に充填することにより、モザイク人工骨を開発しました。
球を集積した三次元構造は閉鎖間隙を作らず、骨細胞や血液などの生体由来因子が容易に侵入することができるため、良好な骨形成が期待できます。

寺岡氏は、マイクロフォーカスX線CT装置により、現物に基づく三次元画像を撮像し、その構造をExFact® Analysisを使って定量的に評価することによって、骨再生材料の性能評価に役立てています。

球の規則的なパッキング状態

適用分野
材料工学全般

特に石油、ゴム、プラスチック、樹脂、ポリマー、薬顆粒、メタンハイドレート、
コンクリート/砂利、燃料電池、カーボンナノチューブ、紙、パルプ繊維、セラミック
ス、触媒、骨、歯科/医学材料、精密部品、電子、半導体など

ExFact® Analysis 詳細仕様 / 商品構成
商品構成

・ ExFact® Analysis for Porous/Particles（多孔体や粒子向け）
・ ExFact® Analysis for Fiber（繊維向け）
試料に応じて、どちらか、あるいは両方のソフトウェアをご購入頂けます。

前提ソフトウェア・ Exfact® VR Windows用（64bit 版）		入力データ形式
X線CT、共焦点レーザー顕微鏡、TEMトモグラフィーなどから得られた連続的な断層画像

ExFact® VR で断層画像を読み込んで、関心領域の切り出しなどの前処理を行い、ExFact® Analysisで三次元画像解析を行います。

ExFact® VR は、TIFF, BMP, DICOM, 装置独自形式など、多彩なファイルフォーマットの読み込みに対応しています。

※画像データの前処理と表示に使用致します。

ソフトウェア・ライセンス形式

・ USBプロテクトモジュールによるプロテクトソフトウェア動作環境

・ Microsoft Windows7, 8の各Editionの日本語/英語版をサポート致します。64bit動作は致しません。
・ メモリ4GB以上
・ フルカラー1280×1024以上のディスプレイ
・ USBポート（プロテクト モジュール接続用）

MA (Medial Axes)

4.1um ← pore幅 → 36.9um

ExFact® Analysis Series

Visualize your imagination

X線CT、共焦点レーザー顕微鏡、TEMトモグラフィーなどのイメージング技術を使って工業製品や材料を撮像すると、その断層画像を連続的に出力し、三次元像を立体構築することができます。ExFact® Analysis
は、3DMA(Medial Axis)と呼ばれる手法を用いて、そうした三次元画像を細線化し、その複雑な構造を記述することによって、粒子や空隙の形態や分布、繊維の配向などを様々な視点から統計的に評価/分析することができるソフトウェアです。

三次元画像解析ソフトウェア

本ソフトウェアの基礎技術の特徴

主な解析結果のグラフ

本ソフトウェアでは、こうした構造を元に様々な統計的パラメータを算出して材料を評価することができます。

新開発の二値化処理

X線CT等の画像デバイスでは、一般に材料密度に応じた濃淡で画素が構成され、試料の断層像が描画されます。
デジタル画像では、空間分解能が有限であるため、形状辺縁部の輝度値が真値よりも低く描画され(Partial volume effect)、さらにノイズやアーチファクト等も影響した結果、従来方式

Nodal Poreの体積分布

隣り合うPore同士の大きさの関係のグラフ

材料と空隙が明確に分離した理想的な画像を得ることは簡単ではありません。

ExFact Analysisは、新開発の二値化アルゴリズムを搭載し、複雑に入り組んだ材料/空隙部分の形態を三次元的に考慮して二値化処理を行います。原理的には、画像データに対して高低2つ元画像の閾値を与え、材料/空隙どちらへ分類すべきか不確定な画像に関しては、注目する画素近傍の二値化輝度値を統計的に処理することによって、輪郭を推定します。領域抽出の結果は、ファイルとして空隙の体積分布を示すヒストグラム

ExFact VRに渡して、その後の画像処理に使用することもできます。

横軸 : 個々のPoreの体積
縦軸 : その頻出を表す度合

新方式
横軸：対象Nodal Poreの体積
縦軸：隣接Nodal Poreの平均体積

Medial axis

1. 隣接するPoreが小さくなる傾向あり
2. 隣接するPoreが大きくなる傾向あり

二値化した三次元画像の各箇所に内包する球体を定義し、少なくとも2点で接するまで、その径を大きくしていった時、球の中心を連続的に結んだ軸をMedial Axisと呼びます。

Medial axis

ExFact Analysisでは、三次元画像に対して3DMAによる細線化処理を行い、その結果を複雑なPoreの有効半径分布（Poreを球で置き換えたときの半径）Throatの両側にあるPoreの有効半径の分布

三次元形状を記述し、理解するための基礎的な構造として用いています。

多孔体の三次元構造の記述と理解

まず三次元的に複雑につながった空隙の構造について、細線化（Medial Axis）処理を行います。

そして、Medial Axisの経路に沿って連続する空隙を考えた時に、部屋と部屋の間の扉のように細くくびれた部分に面を貼り、これをThroatと定義します。
空隙を水や空気が通る場合は、Throatの面積がボトルネックとなります。Throatによって仕切られた空隙をそれぞれ個別にPoreとして認

横軸：各々のPoreの有効半径
縦軸：その頻出を表す度合

識し、Throatとともに多孔体の性能なり品質を特徴付けると考えられます。
一連の処理のイメージ

R：着目するNodal Poreの球換算半径

横軸：着目するThroatの有効半径
縦軸：隣接するPoreの有効半径r：着目するThroatの有効半径
R1,R2：着目するThroatに隣接するPoreの有効半径

図を右に示します。

Throatの面積分布

Nodal Poreの配位数横軸にNodal Poreの有効半径をとり、それぞれのNodal Poreの配位数をプロットしたもの。

処理の流れ空隙を分離する面（Throat）の面積の分布を示す
ヒストグラム横軸: 個々のThroatの面積
縦軸: その頻出を表す度合

横軸：着目するNodal Poreの有効半径
縦軸：着目するNodal Poreの配位数

解析対象
粒子状あるいは多孔体のような構造

ExFact® Analysisで処理されたライスデータを二次元的に観察

画像データ処理を読み込み、関心領域を切り取り、ExFact Analysisで読み込める形式に変換

ExFact® Analysisで処理、細線化されたデータを三次元的に表示

三次元画像データに対して、二値化処理を実行し、対象の材料/空隙部分を認識した後、解析処理を続行

グラフでレポートを出し、様々な指標から統計的に材料を評価

Throatの有効半径の分布（Throatを円で近似したときの半径）

横軸：各々のThroatの面積
縦軸：その頻出を表す度合

r：Throatの円換算半径

空隙のくびれ具合の分布

Throatに対して隣り合うPoreの有効半径を用いて比率を計算し、分布をグラフ化したもの

r=Throatの有効半径
R=Poreの有効半径r/R=くびれ度