JP2010204060A - Ｘ線検査装置及びｘ線検査装置の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】放射線源と検出器を平行移動することで検査対象の様々な角度からの透過データを取得し、このデータを再構成することで検査対象の断層像を得る検査装置では、放射線源と検出器の各検出素子とを結ぶ線分の幾何配置をあらかじめ正確に認識しなければ画像再構成ができない。さらに、検査中の装置で振動が生じた場合、画像再構成の情報がデータ取得ごとに異なり、誤差が生じる。
【解決手段】放射線源と検出器を有する検査装置において、前記放射線源と検出器間に校正用ファントムを設置し、被検体の透過データを取得するのと同期して該校正用ファントム内に有する細線の透過像を得る。この細線の透過像を用いて、データ取得時の放射線源の位置と、放射線源と検出器間の距離を導出する。この幾何配置から透過経路の補正データを算出し、これを用いて画像再構成を実施することを特徴とする撮像データ補正方法、および検査装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、Ｘ線検査装置及びＸ線検査方法に関する。

発電所等で長期間使用されている配管は、内部減肉が生じる。内部減肉は、配管内部を流れる流体が配管の内壁面に繰り返し衝突することにより、表面が機械的に損傷を受け、その一部が脱離する現象（エロージョン）と、化学的作用による腐食（コロージョン）との相互作用により発生する。特に、曲がり個所，オリフィスなど流体の流れに乱れが生じる個所に、内部減肉は多く発生する。この減肉量が限界値を超えると、運転時の圧力に配管が耐えられず配管損傷が生じ、重大事故が発生する。

このような事故を未然に防止するため、配管検査が定期的に実施されている。従来の配管検査は、超音波探傷器等で配管に探触子を直接接触させて試験を実施していた。しかし、配管は外部が保温材にて被覆されていることが多い。そのため、超音波探傷は、被覆材を外して試験しなければならなかった。被覆材の撤去や再装着作業に時間と費用がかかり、さらには被覆材の廃棄処理費用が必要になる問題もあった。

これに対し、放射線源と検出器の組合せによる配管内部検査は、配管に保温材が被覆された状態でも内部状況検査が可能であり、検査の効率化に有効な手段である（特許文献１）。しかし、透過撮像は、三次元物体の情報が二次元平面上に投影されるため、減肉の位置や形状を把握したり、減肉を定量評価することが困難である。

そこで、配管内部情報を立体的に得るための有効な方法の一つに、ＣＴ（Computed Tomography）がある。ＣＴは放射線源と検出器を検査対象物の周囲で回転させることにより、検査対象物の全周方向から透過データを取得し、画像再構成演算により断面像を得る方法である。これにより、ミリメートル以下の分解能を持つ画像が得られる。しかし、発電所などのプラントは、配管周囲に放射線源と検出器を回転させ得る空間がない場合も多い。そこで、放射線源と検出器を平行移動させることで検査対象物の断層像を求め、立体情報を得るＣＬ（Computed Laminography）方式による検査手法が開発されている（非特許文献１）。

特開平９−８９８１０号公報

S.Gondrom, S.Schropfer :"Digital computed laminography and tomosynthesis - functional principles and industrial applications"Proceedings BB 67-CD, Computerized Tomography for Industrial Applications and Image Processing in Radiography (1999)

上記ＣＬ方式は、放射線源と検出器を平行移動することで、検査対象物の様々な角度からの撮像データを得る。この撮像データを再構成することで、検査対象物の断層像を得る。しかしながら、ＣＬ方式は通常のＣＴ方式と異なり、回転動作によるデータ取得を行っていない。ＣＴ方式は回転中心が求まれば、各検出素子と放射線源とを結ぶ線分と回転中心軸との距離及び角度により、各検出素子が検出した撮像データを再配置することが可能である。一方、ＣＬ方式は回転中心がないため、放射線源と検出器の各検出素子とを結ぶ線分の幾何配置を正確に把握しなければ、画像再構成ができない。また、検査中に振動が生じた場合、画像を再構成するために必要な情報が撮像時点ごとに異なり、誤差が生じる。この誤差により、再構成画像の精度が低下するという問題もあった。

そこで本発明は、画像の再構成をより高精度にすることを目的とする。

本発明は、Ｘ線源が照射するＸ線の照射領域に設置された校正用ファントムと、検査対象物及び校正用ファントムの透過像に基づいて検査対象物の撮像データを補正する補正手段とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、画像の再構成をより高精度にすることができる。

実施例１の機器構成を示す図である。 検査装置の画像再構成領域を示した模式図である。 垂直細線の透過像からＸ線源の位置を導出する原理を示す模式図である。 校正用ファントムの配置場所の一例を示す模式図である。 垂直細線の透過像を用いてＸ線源と検出器間の距離を導出する原理を示す模式図である。 水平細線の透過像を用いてＸ線源と検出器間の距離を導出する原理を示す模式図である。 水平細線の透過像において、細線径方向のＸ線減衰量を示す模式図である。 配管の透過像を示す模式図である。 本実施例の検査装置による配管検査方法を示す図である。 校正用ファントムの製作方法を示す模式図である。 実施例３の機器構成を示す模式図である。 実施例４の機器構成を示す模式図である。

以下、実施例を説明する。

図１は、本実施例の構成を示す。ＣＬ方式のＸ線検査装置１は、Ｘ線源２０１を内部に有したＸ線管球２０２と、二次元検出素子である検出器２０３とを備える。Ｘ線源２０１と検出器２０３は、検査対象物２３０を挟んで対向するように配置している。Ｘ線源２０１と検出器２０３は、支持部材２３１により相対位置を固定され、移動機構２３２により検査対象物２３０に対して移動する。本例において、検査対象物２３０は配管であり、Ｘ線検査装置１は配管長手方向に移動する。

検出器２０３は、シンチレータやシリコンなどの薄膜であり、Ｘ線を検出して可視光を出す。そして、フォトダイオードは、この可視光を電気信号へ変換する。フォトダイオードを含む電子回路２２１は、検出器下部に配置されている。検出面を保護するカバー材２２０は、検出器上面に設けられている。

校正用ファントム１０１はＸ線源２０２と検出器２０３の間に配置される。校正用ファントム１０１は、アクリルなどのように剛性が高く、かつ比較的放射線の減衰率が小さい部材と、タングステンなどのように放射線の減衰率が大きい材質で製作された細線１０２，１０３ａ，１０３ｂを備える。細線１０２は、部材の内部に垂直に配置されている。２本の細線１０３ａは、部材の上面に水平かつ平行に配置される。２本の細線１０３ｂは、部材の下面に水平かつ平行に配置されている。部材の上面と下面は、平滑かつ平行な面となっていることが望ましい。また、校正用ファントム１０１は、検出器２０３の検出面と平行となる位置であり、かつＸ線源から放射されたＸ線２０４によってファントム内部の垂直細線１０２や水平細線１０３ａ，１０３ｂの透過像が検出器２０３で検出できるＸ線の照射領域にあることが望ましい。また、校正用ファントム１０１は、垂直細線１０２や水平細線１０３ａ，１０３ｂが、配管などＸ線の減衰量が大きい物体を透過する経路以外の位置に設置することが望ましい。

Ｘ線管球２０２は、高圧電源２０５と冷却器２０６に接続されており、Ｘ線管システム制御部２０７により常に安定した管電圧と管電流を実現する。検出器制御部２０８は、検出器２０３の電子回路２２１からデータを取り込むタイミングを調整したり、データ収集を行う。Ｘ線管システム制御部２０７，検出器制御部２０８は、中央制御部２０９に接続されている。中央制御部２０９は、各機器の動作タイミングの調整を行う。また、中央制御部２０９の内部にある演算装置は、データ処理を行う。モニタ２１０は、装置の動作状態や、検査結果を表示する。

本実施例のＸ線検査装置は、Ｘ線管球２０２と検出器２０３を同時、あるいはいずれか一方のみを配管の長さ方向に並進させ、検査対象物の撮像データを取得し、撮像データを再構成し、断層像を得る。図２は、画像再構成領域を格子３０１に区切った例を示す。本実施例のように、ＣＬ方式の検査装置は、通常のＣＴ装置のような回転運動を行わない。そのため、ＣＬ方式の検査装置が装置の幾何配置を導出する時、回転中心から相対位置を算出することができない。画像再構成は、Ｘ線源２０１と検出器２０３の各検出素子とを結ぶ線分が画像再構成領域の格子３０１と交差する位置、格子３０１を通過する線分の長さ、及び、画像再構成領域における検査対象物２３０の位置を算出しなければならない。そのため、Ｘ線源２０１と検出器２０３の位置と距離，検査対象物２３０の位置、及び並進時の装置振動による位置変化を算出する検査フローを説明する。

図９は、本実施例の検査フローを示した図である。まず装置（校正用ファントムを除く）を現地で組み立てる（手順８０１）。次に、校正用ファントム１０１を検出器２０３のカバー材２２０に取り付ける。ここで、校正用ファントムの透過像が配管投影領域以外の場所に投影されるように、検出器の前面に校正用ファントムを設置し、検出器に対する校正用ファントムの角度を調整する（手順８０２）。また、校正用ファントムの垂直細線と水平細線が、それぞれ検出器に対して垂直，水平となるように、校正用ファントムを取り付ける。

検出器に校正用ファントムを取り付けた後、Ｘ線源２０１は、配管及び校正用ファントムにＸ線照射を開始する。検出器制御部２０８は、校正用ファントム及び配管などの検査対象物２３０の撮像データを取得する（手順８０３）。中央制御部２０９は、校正用ファントムの撮像データからＸ線源２０１と検出器２０３の幾何配置を導出する。また、配管の撮像データに基づき、配管透過像の特徴量を抽出し、この特徴量を初期値とする（手順８０４）。

Ｘ線源と検出器を平行移動させながら、検出器が配管と校正用ファントムの撮像データを一定の時間間隔ごとに取得する（手順８０５）。手順８０５は、各撮像時点において、配管と校正用ファントムの撮像データを取得する。校正用ファントムの撮像データに基づき、手順８０４と同様の方法によって、各撮像時点におけるＸ線源２０１と検出器２０３との幾何配置を算出する。また、各撮像時点におけるＸ線源２０１と検出器２０３に対する配管位置の変化量も、配管特徴量の変化量に基づき導出する。このように、Ｘ線源と検出器の幾何配置、及びＸ線源と検出器に対する配管位置の変化量に基づき、Ｘ線源２０１，検出器２０３及び配管２３０の相対位置を各撮像時点ごとに導出する（手順８０６）。各撮像時点において、相対位置情報から配管の撮像データを補正し、補正透過データを作成する（手順８０７）。補正透過データから画像再構成を実施し、配管断層像を得る（手順８０８）。

次に、校正用ファントムの撮像データに基づき、各撮像時点におけるＸ線源と検出器の幾何配置を算出する方法を説明する。図３は、垂直細線１０２の透過像を示した図である。本実施例の検出器２０３は二次元検出面を有しているため、検出器２０３は平面透過像を検出する。図３は、垂直細線１０２が４本の場合である。Ｘ線源２０１は１mm未満の微小な大きさであり、Ｘ線を放射状に照射する。そのため、垂直細線１０２の透過像４０１は、垂直細線１０２からＸ線源２０１を見込んだ方向の反対側に投影される。よって、図３に示すように、それぞれの垂直細線１０２の透過像４０１ａ，４０１ｂ，４０１ｃ，４０１ｄを延長した線分４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃ，４０２ｄの交点４０３は、Ｘ線源２０１の平面位置を示す。Ｘ線源２０１は、交点４０３の上部に位置する。

垂直細線１０２は、少なくとも２本以上あればＸ線源２０１の位置を導出できる。但し、２本の場合、２本の垂直細線１０２を結ぶ線分上にＸ線源２０１が位置しないことが必要条件となる。また、透過像によりＸ線源２０１の位置を導出するため、像の幅は極力細い方が誤差を小さくできる。透過像の幅は検出器２０３の素子程度が望ましい。よって、垂直細線１０２の径も同様に検出器２０３の素子大きさと同程度とすることが望ましい。垂直細線１０２の数を増加することで、Ｘ線源の位置精度が向上する。細線の数をｎ本とした場合、統計誤差は１／√ｎで減少する。

図４は、校正用ファントム１０１の細線と検査対象物２３０との関係を示す。細線は、配管などＸ線の減衰率が大きい物体を透過するＸ線経路と重ならない位置に設置することが望ましい。検出器２０３において配管と細線の透過像が重ならず、細線の透過像を精度良く検出することが可能となる。

図５は、垂直配線１０２によりＸ線源２０１と検出器２０３との距離を導出する概念図を示す。任意の垂直細線１０２を２本選択し、細線の下端間の距離をＬ１、上端間の距離をＬ２とする。また、細線の高さをＤとする。これら３つの数値は、校正用ファントム製作時に精密に制御可能である。また、Ｘ線源２０１から垂直細線１０２下端部までの距離をＺ１、上端部までの距離をＺ２とし、Ｘ線源２０１と検出器２０３の検出面までの距離をＨとする。これら３つの数値は未知数である。さらに、検出器２０３で得られた垂直細線の透過像において、下端部透過像の距離をＬ１′、上端部透過像の距離をＬ２′とする。

透過像の拡大率を下端部でｒ１、上端部でｒ２とすると、それぞれ下式のように表される。

これらを変形すると、

細線高さＤはＺ１とＺ２の差であるから

これにより、既知の数値からＸ線源２０１と検出器２０３の検出面間の距離Ｈが導出される。

図６（ａ）は、水平細線１０３ａ，１０３ｂによりＸ線源２０１と検出器２０３との距離を導出する概念図を示す。図６（ｂ）に示すように、平行に配置した細線の透過像間隔からＬ１′，Ｌ２′を導出する場合、平行線の複数個所から導出した数値を平均化してＬ１′とＬ２′を算出できる。そのため、Ｌ１′とＬ２′の誤差が減少する。

なお、透過像（Ｘ線減衰量）はボケを有している。これはＸ線の透過距離や、Ｘ線源の大きさに由来する。垂直細線の場合、細線端部の透過像を使用するため、撮像データの減衰曲線が急激、かつ不均一に変化する。そのため、垂直細線によって精度よくＬ１′とＬ２′を導出することが難しい。それに対し、水平細線１０３ａ，１０３ｂの場合、細線径方向にボケが現れる。そして、Ｘ線減衰量は細線中心から縁部に向けて連続的に減少し、Ｘ線減衰量は滑らかに変化する（図７）。それゆえ、透過像の細線中央部を高精度に導出可能となり、細線透過像の平行間隔Ｌ１′，Ｌ２′を高精度に導くことができる。このＬ１′，Ｌ２′を上式（１）から（５）に適用して距離Ｈを求めることが可能である。

以上のように、校正用ファントムの垂直細線又は水平細線により、Ｘ線源と検出器との距離を求めることができ、検出器の各検出素子とＸ線源との幾何配置、及び初期のＸ線透過経路を決定できる。

次に、検査対象物及び校正用ファントムの透過像に基づいて、検査対象物の撮像データを補正する方法を説明する。図８は、検査対象物の透過像を示す。手順８０４は、検査対象物の透過像形状から特徴量を抽出し、この特徴量を初期値とする。本実施例では、特徴量を配管幅とする。これに対し、手順８０６は検査対象物を一定の時間間隔ごとに撮像して、各撮像時点における透過像の特徴量を抽出し、初期値と比較する。特徴量が配管幅の場合、幅の変化量が正になった場合、配管２３０がＸ線源２０１側に移動したことを示す。また、配管幅の変化量が負の場合、配管２３０が検出器２０３側に移動したことを示す。そして、配管幅の変化率は、Ｘ線源２０１と検出器２０３間の距離ＨとＸ線源２０１と配管間の距離Ｍの比に比例する。更に、手順８０６は各撮像時点の校正用ファントムも撮像しているため、各撮像時刻におけるＸ線源２０１と検出器２３０の配置も分かる。そのため、各撮像時点において、Ｘ線源２０１と検出器２０３，配管２３０の相対位置情報を算出できる。

具体的には、各撮像時刻において、上式（１）から（５）で導出されるＸ線源２０１と検出器２０３の検出面間の距離ＨをＨ(ｔ)とすると、Ｘ線源２０１と検出器２０３間の距離ＨとＸ線源２０１と配管間の距離Ｍの比はＨ(ｔ)／Ｍとなり、これは配管の透過像の拡大率と等しくなる。ここで、拡大率とは実際の配管幅に対する透過像の配管幅との比率を言うものである。初期の拡大率に対してある時刻ｔ１の拡大率が１０％増加した場合には、Ｘ線源２０１と配管間の距離ＭのＨ(ｔ)に対する比率が１０％小さくなっていることを示している。これにより各時刻におけるＸ線源２０１と検出器２０３の距離Ｈ(ｔ)、Ｘ線源２０１と配管２３０間の距離Ｍが決定され、それぞれの相対位置が決定される。この相対位置を基に画像再構成領域における配管座標を逐次設定して画像再構成を実施する。

このように、Ｘ線源と検出器を有する検査装置において、Ｘ線源が照射するＸ線の領域に設置された校正用ファントムと、検査対象物及び校正用ファントムの透過像に基づいて検査対象物の撮像データを補正する。また、検査対象物及び校正用ファントムの撮像データを同期して取得しているため、検査中の振動により装置の位置がずれても、撮像データを補正することが可能である。この補正された撮像データに基づき画像再構成を実施することで、画像の再構成をより高精度にすることができる。

図１０は、校正用ファントムの製作方法を示す。細線を保持するための構造部材を分割し、細線を設置する箇所にスリットを設け、このスリットに細線を設置する。細線設置後、構造部材を結合してファントムを形成する。こうすることで、細線の位置精度や、角度精度が保持できる。

図１１は実施例３の装置構成を示すものである。検出器２０３上部にカバー材２２０が取り付けていない構造となっている。この場合、Ｌ１＝Ｌ１′となり、式（５）が

と表される。

図１２は実施例４の装置構成を示すものであり、校正用ファントムをＸ線源２０１の前面に設置した場合を示している。この場合、校正ファントムがコンパクトになり、Ｘ線源２０１に常設することが可能となり装置設置時間の短縮が図れる。

本発明は放射線を用いた配管検査装置に利用でき、プラントにおける配管の減肉検査や三次元形状データ取得に活用できる。

１０１ 校正用ファントム
２０１ Ｘ線源
２０３ 検出器
２０９ 中央制御部

Claims (3)

1. 検査対象物にＸ線を照射するＸ線源と、該検査対象物を透過したＸ線を検出する検出器と、該検出器が出力する撮像データを処理する制御部とを有したＸ線検査装置において、
   前記Ｘ線源が照射するＸ線の照射領域に設置された校正用ファントムと、
   前記検査対象物及び前記校正用ファントムの透過像に基づいて前記検査対象物の前記撮像データを補正する補正手段とを備えることを特徴とするＸ線検査装置。
2. 請求項１のＸ線検査装置において、校正用ファントムの細線は、前記検査対象物を透過するＸ線経路と重ならない位置に設置することを特徴とするＸ線検査装置。
3. 検査対象物にＸ線を照射するＸ線源と、該検査対象物を透過したＸ線を検出する検出器と、該検出器が出力する撮像データを処理する制御部とを有したＸ線検査装置の検査方法において、
   前記Ｘ線源から照射されたＸ線により、校正用ファントム及び前記検査対象物を撮像し、前記校正用ファントム及び前記検査対象物の撮像データを取得し、
   前記校正用ファントムの撮像データに基づき、前記Ｘ線源と前記検出器の幾何配置を算出し、
   前記検査対象物の撮像データに基づき、前記検査対象物の位置変化量を算出し、
   前記幾何配置及び前記位置変化量に基づき、撮像時点ごとの前記Ｘ線源，前記検出器，前記検査対象物の相対位置情報を算出し、
   前記相対位置情報に基づき、前記撮像データを補正し、
   補正された前記撮像データに基づき画像再構成を行うことを特徴とするＸ線検査装置の検査方法。

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