JP2019128163A - 計測用ｘ線ｃｔ装置、及び、その校正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｘ線焦点位置の揺らぎを校正して、より高品質な断層画像を得る。【解決手段】回転テーブル１６上に配置した被検体８を回転させながらＸ線１３を照射し、その投影画像を再構成して被検体８の断層画像を得るようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置において、Ｘ線１３の視野内に配設されるＸ線揺らぎ校正治具（３０、２４Ｃ、２４Ｄ）と、該Ｘ線揺らぎ校正治具（３０、２４Ｃ、２４Ｄ）のＸ線投影像を用いてＸ線焦点位置１２Ｄの揺らぎを検出する手段（１４）と、検出された揺らぎを用いて被検体のＸ線投影画像を補正する手段（２２）と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、計測用Ｘ線ＣＴ装置、及び、その校正方法に係り、特に、Ｘ線焦点位置の揺らぎを校正して、高品質な断層画像を得ることが可能な計測用Ｘ線ＣＴ装置、及び、その校正方法に関する。

非破壊で被検体（測定物）の断層画像を得る計測用Ｘ線ＣＴ装置が知られている（特許文献１、２参照）。この計測用Ｘ線ＣＴ装置では、被検体を回転テーブル中心に配置して被検体を回転させながらＸ線照射を行う。

計測で使用する一般的なＸ線ＣＴ装置の構成を図１に示す。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８を置いてＣＴ撮像の為に被検体８を回転させる回転テーブル１６、Ｘ線検出器１４に映る被検体８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２０、及び、ユーザ操作によりコントローラ２０に指示を与える制御パソコン（ＰＣ）２２などで構成される。

制御ＰＣ２２は、各デバイス制御の他に、Ｘ線検出器１４に映る被検体８の投影画像を表示する機能や、被検体８の複数の投影画像から断層画像を再構成する機能を有する。

又、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の付近にＸ線コリメータ２４を設けている。Ｘ線コリメータ２４は、Ｘ線の照射範囲を上下方向で制限するために、Ｘ線非透過素材（タングステンなど）でできた上側可動部２４Ａと下側可動部２４Ｂの部品で構成され、それらの部品２４Ａ、２４Ｂがそれぞれ上下方向に移動できるようになっている。このＸ線コリメータ２４の上側可動部２４Ａ及び下側可動部２４Ｂの位置は、被検体８の撮像範囲に合わせて制御ＰＣ２２から調整される。

前記Ｘ線管１２を含むＸ線源から照射されたＸ線１３は、図２に示す如く、回転テーブル１６上の被検体８を透過してＸ線検出器１４に届く。被検体８を回転させながらあらゆる方向の被検体８の透過画像（投影画像）をＸ線検出器１４で得て再構成することにより、被検体８の断層画像を生成する。

前記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８の位置を移動することができ、被検体８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。

Ｘ線１３は、Ｘ線管１２内の電子ビームがターゲットに衝突することで発生する。具体的には、図３に示す如く、Ｘ線管１２に電圧（管電圧）と電流（管電流）を与えてフィラメント１２Ａを加熱すると、電子ビーム１２Ｂが発生し、その電子ビーム１２Ｂがターゲット１２Ｃに衝突すると、そのエネルギーの一部がＸ線照射窓１２ＥからＸ線１３として放出される。ターゲット１２Ｃ上の電子ビーム衝突位置をＸ線焦点１２Ｄと呼び、このＸ線焦点１２Ｄの安定性やサイズが、被検体８の投影画像や最終的に得られる断層画像の精度に大きく関わってくる。Ｘ線焦点１２Ｄのサイズは管電圧や管電流の大きさに依存し、高解像の画質を得る場合は、焦点サイズが大きくならないように管電圧と管電流を調整しなければならない。また、焦点位置は、管電圧や管電流に加えてフィラメント１２Ａやターゲット１２Ｃの温度にも依存し、通常はＸ線を使用する前のＸ線管ウォームアップ等でＸ線焦点位置の安定性を確保するが、それでもＸ線の微妙な焦点位置の揺らぎ及び温度変化に伴う移動を完全に排除することはできない。焦点位置の揺らぎや移動は、Ｘ線照射で得られる投影像の位置や拡大率を変化させる。

なお、特許文献３には、回転テーブル６０上に基準５０を配置して校正することが記載され、特許文献４には、回転テーブル３ａに校正治具付き試料台１０を装着して、試料１１を中央にセットすることが記載されている。

特開２００２−７１３４５号公報 特開２００４−１２４０７号公報 特許第５４０８８７３号公報（段落００８４、図８） 特開２００２−５５０６２号公報（請求項１、段落００１２、図１、図２）

しかしながら、特許文献３、４は、いずれも回転テーブルの回転中心位置のずれを校正するためのものであり、Ｘ線焦点位置の揺らぎの検出・校正は困難である。特に、特許文献３では、基準と被検体を載せ替える必要がある等の問題点を有していた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、被検体と校正治具を載せ替えることなく、Ｘ線焦点位置の揺らぎを容易に校正可能とすることを課題とする。

本発明は、回転テーブル上に配置した被検体を回転させながらＸ線を照射し、その投影画像を再構成して被検体の断層画像を得るようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置において、Ｘ線の視野内に配設されるＸ線揺らぎ校正治具と、該Ｘ線揺らぎ校正治具のＸ線投影像を用いてＸ線焦点位置の揺らぎを検出する手段と、検出されたＸ線焦点位置の揺らぎを用いて被検体のＸ線投影画像を補正する手段と、を備えることにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記Ｘ線揺らぎ校正治具を、Ｘ線投影画像上で被検体のＸ線投影像を囲むように配置されるＸ線遮蔽フレームとすることができる。

また、前記Ｘ線揺らぎ校正治具の位置を調整可能とすることができる。

あるいは、前記Ｘ線揺らぎ校正治具を、Ｘ線コリメータに形成されたＸ線通過口とすることができる。

本発明は、又、回転テーブル上に配置した被検体を回転させながらＸ線を照射し、その投影画像を再構成して被検体の断層画像を得るようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置のＸ線の視野内にＸ線揺らぎ校正治具を配設し、該Ｘ線揺らぎ校正治具のＸ線投影像を用いてＸ線焦点位置の揺らぎを検出し、検出されたＸ線焦点位置の揺らぎを用いて被検体のＸ線投影画像を補正することを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置の校正方法を提供するものである。

計測用Ｘ線ＣＴ装置に常設した専用のＸ線揺らぎ校正治具を用いることで、各投影画像においてＸ線焦点位置の揺らぎを校正することができる。従って、投影画像のＸ線焦点揺らぎの影響を校正することで、より高品質な断層画像を得ることが可能となる。

計測用で使用する一般的なＸ線ＣＴ装置の全体構成を示す断面図 同じく要部配置を示す斜視図 同じくＸ線が発生する原理を示す断面図 本発明に係る計測用Ｘ線ＣＴ装置の第１実施形態の全体構成を示す断面図 同じく要部配置を示す斜視図 同じくＸ線検出器に投影されたＸ線揺らぎ校正治具の投影像の例を示す図 第１実施形態における校正手順を示すフローチャート 同じく投影画像の処理方法を示す図 同じく投影画像を補正している状態を示す図 同じく倍率補正の位置関係を示す図 本発明の第２実施形態で用いるＸ線揺らぎ校正治具であるＸ線通過口を示す図 第２実施形態におけるＸ線通過口の投影像の例を示す図

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。

本発明では、計測用Ｘ線ＣＴ装置に専用のＸ線揺らぎ校正治具を常設し、Ｘ線投影画像を取得するたびに画像に現れたＸ線焦点位置の揺らぎの影響を校正することで、より高精度な断層画像を生成することを実現する。

本発明の第１実施形態は、図４（全体構成を示す断面図）及び図５（要部配置を示す斜視図）に示す如く、Ｘ線コリメータ２４と回転テーブル１６の間に、図６に例示するように、投影画像上で被検体８の投影像８Ａを囲むように配置され、Ｘ線１３を遮蔽するフレーム状のＸ線揺らぎ校正治具３０を設けたものである。

前記Ｘ線揺らぎ校正治具３０は、Ｘ線１３を遮蔽する長方形のフレームで構成されており、図６に示したように、フレームにより開かれた窓全体がＸ線検出器１４に投影されるように設置される。図において、３０Ａは、Ｘ線揺らぎ校正治具３０のフレーム部分の投影像であり、３０Ｂは、Ｘ線揺らぎ校正治具３０のフレームによりできた窓である。

前記窓の幅と高さは校正された長さを持っており、フレームは熱膨張係数が小さい素材でできているので、Ｘ線照射によりフレームが高温となった場合でも、窓の幅と高さが変化しにくい構造になっている。

前記Ｘ線揺らぎ校正治具３０は、ステー３２によりエンクロージャ１０の天井から吊下げられている。ステー３２には位置調整機構３４が設けられ、必要に応じてＸ線揺らぎ校正治具３０の位置を上下（図２のＺ軸）、左右（Ｙ軸）及び前後（Ｘ軸）方向に調整可能とされている。なお、位置調整機構３４を省略して、ステー３２をエンクロージャ１０に固定することもできる。

又、図４では、Ｘ線管１２の付近にＸ線揺らぎ校正治具３０が設置されているが、Ｘ線検出器１４に窓全体を投影することができれば、どの位置でも設置可能である。また、Ｘ線揺らぎ校正治具３０の校正された長さが投影画像上で識別できれば、フレーム形状も長方形に限定されない。

Ｘ線検出器１４に投影されたＸ線揺らぎ校正治具３０の投影像を図６に示す。Ｘ線照射により校正治具フレーム部分の投影像３０ＡがＸ線検出器１４に投影される。Ｘ線揺らぎ校正治具３０のフレーム部分はＸ線を通さないため、Ｘ線検出器１４のフレーム部分の投影像３０Ａは、Ｘ線オフと同じ値（グレーレベル）となり、Ｘ線揺らぎ校正治具３０によりできた窓（投影像３０Ｂ）の位置とサイズを検出することが可能になる。

例えば、Ｘ線焦点位置が検出器平面と平行にＺ軸方向上側に揺らいだ場合、窓の投影像３０ＢはＺ軸方向下側にずれて表示される。また、Ｘ線焦点位置にＸ軸方向Ｘ線源側の揺らぎがあった場合は、その窓の投影像３０Ｂは拡大して表示される。

従って、ある時点の窓の位置とサイズを基準にして各投影画像の窓の位置とサイズを比較することで、Ｘ線焦点位置の揺らぎを検出することができ、その変化量を用いて校正することが可能となる。

以下、図７を参照して具体的な校正手順の実施例を説明する。

先ず、ステップ１０１でＣＴスキャンを開始する。

次いでステップ１０２で投影画像を１枚取得する。

次いでステップ１０３で、投影画像の解像度解析によりフレーム窓の頂点を求める。具体的には、初めに投影画像のフレーム窓境界部分を求めるために、図８に例示する如く、投影画像の端方向から内側へ向かって走査していき、Ｘ線オフ時の輝度がＸ線オン時の輝度（または、あるいは閾値以上）に変化した部分の点群を検出する。具体的なアルゴリズムとしては、画像処理のエッジ検出機能を用いることができる。

検出した点群を使ってフィッティング（幾何要素当て嵌め）によりフレーム窓の４辺の投影画像上の位置を求め、それらの交点（フレーム窓の頂点）を計算する。

そして、１枚目の投影画像で求めたフレーム窓の頂点を基準頂点として保持しておく。

次いでステップ１０４に進み、２枚目以降の投影画像の場合、基準頂点を使って図９に例示するように投影画像を補正する。

補正には例えばアフィン変換を用いる。基準頂点の各座標をＴ_N（ｘ’_N，ｙ’_N）、投影画像から計算したフレーム窓頂点の各座標をＰ_N（ｘ’_N，ｙ’_N）とすると、アフィン変換を使って次のように表わすことができる。

ここで基準頂点とフレーム窓頂点の実座標より変換行列のパラメータａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｓ、ｔを決定し、投影画像の任意の点Ｐを補正位置Ｐ’に補正するための計算式を導出する。

得られた投影画像の各画素について上記計算を施すことで、投影画像全体を補正することができる。この補正処理で、必要があれば内挿処理を用いることができる。

次いでステップ１０５に進み、１回転が終了するまで、ステップ１０６で回転テーブル１６を所定角度ずつ回転しながら、ＣＴスキャンの各回転角度でステップ１０２〜１０４の処理を行う。

ステップ１０５で一回転終了したと判断された時は、ステップ１１０に進み、補正した各投影画像を使ってＣＴ再構成を行い、断層画像を生成する。

次いでステップ１１１に進み、断層画像についてスケールの倍率補正を行う。

具体的には、はじめに２つの隣接する基準頂点からフレーム窓の投影上の物理的な長さを求め、実際の投影倍率Ｍａｇ’を計算する。例えばフレーム窓の幅が２．０ｍｍ、投影画像上のフレーム窓の隣接する基準頂点間距離が１００１ｐｉｘｅｌ、Ｘ線検出器の画素ピッチが０．２ｍｍ／ｐｉｘｅｌであれば、投影画像上の物理的な長さは２００．２ｍｍとなり、投影倍率は１００．１倍となる。

図１０に例示する如く、理論上のＸ線源−Ｘ線検出器間距離をＦＤＤ（Focus to Detector Distance）、Ｘ線源−Ｘ線揺らぎ校正治具間距離をＦＪＤ（Focus to JIG Distance）とすると、治具の理論上の投影倍率Ｍａｇは次のようになる。

理論上のＸ線源位置と実際のＸ線源位置のオフセットをＦＯ（Focus Offset）とした場合、実際の投影倍率Ｍａｇ’は次のようになる。

上式より、はじめに計算したＭａｇ’を使って、Ｘ線源位置のオフセットＦＯを求めることができる。

例えば、ＦＤＤ＝１０００ｍｍ、ＦＪＤ＝１０ｍｍとした場合、理論上の投影倍率はＭａｇ＝１００となる。しかし、先の例のように実際の投影倍率がＭａｇ’＝１００．１の場合、上記計算式よりＦＯ＝−１／９９．１≒−０．０１ｍｍとなる。

断層画像のスケールは、Ｘ線検出器１４の画素ピッチＳ［ｍｍ／ｐｉｘｅｌ］と被検体８の投影倍率Ｍを用いて、１ｐｉｘｅｌあたりＳ／Ｍ［ｍｍ］となるが、Ｘ線源位置のオフセットを考慮した次の投影倍率Ｍ’を用いることで、倍率補正を行うことができる。

本実施形態においては、校正に適した望ましい位置にＸ線揺らぎ校正治具３０を配設することができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。この実施形態は、フレーム状のＸ線揺らぎ校正治具３０の代わりに、図１１に示す如く、Ｘ線コリメータ２４の上側可動部２４Ａ及び下側可動部２４Ｂにそれぞれ形成した、Ｘ線１３が通過可能なＸ線通過口としてのＸ線通過スリット２４Ｃ、２４Ｄで代用したものである。即ち、Ｘ線コリメータ２４の上側可動部２４Ａと下側可動部２４Ｂに細長いＸ線通過スリット２４Ｃ、２４Ｄを設けてＸ線を通過できるようにし、図１２に示す如く、そのスリット２４Ｃ、２４Ｄの投影像２４Ｇ、２４ＨをＸ線検出器１４に投影できるようにする。図において、２４Ｅ、２４Ｆは、それぞれＸ線コリメータ２４の上側可動部２４Ａ、下側可動部２４Ｂの投影像である。

この例では、上側のコリメータ投影像２４Ｅにおいて、横に長いスリット２４Ｇ’と縦に長いスリット２４Ｇ”をそれぞれ検出して各スリットの位置を求め、交点計算により横に長いスリット２４Ｇ’の端点Ｑ₁、Ｑ₂を計算する。下側のコリメータ投影像２４Ｆにおいても同様の計算を行って、横に長いスリット２４Ｈ’の端点Ｑ₃、Ｑ₄を求め、求めた４つの端点Ｑ₁〜Ｑ₄を使ってＸ線揺らぎ校正治具３０の場合と同様の補正処理を行うことができる。

ここで、スリット２４Ｃ、２４Ｄの大きさと位置は、投影倍率や被検体８のＣＴスキャン時の投影サイズを考慮して決定する。投影倍率によって、スリットのサイズが大き過ぎる場合は、投影画像の範囲に収まらず、逆に小さ過ぎる場合は、投影画像上に表示されない可能性があるので注意が必要である。また、スリットの位置はＸ線コリメータ２４のＸ線照射口側（上側可動部２４Ａであれば下側、下側可動部２４Ｂであれば上側）に備えるのが望ましい。そうしないと必要以上にＸ線コリメータ２４の投影像２４Ｇ、２４Ｈを投影画像上に映すことになり、被検体８の投影像８Ａの表示範囲を狭めることになる。

なお、スリットの形状は、スリットの校正された長さ部分が投影画像上で検出できる形状であれば、どのようなものでも良い（矩形、ピンホール形状などができる）。より正確な位置計算を行うためには、複数の幾何形状（矩形、真円）を検出して交点計算などの幾何計算を行うことができる。

本実施形態においては、第１実施形態のように別体のＸ線揺らぎ校正治具３０を設ける必要が無く、構成が簡略である。

８…被検体
１０…エンクロージャ
１２…Ｘ線管
１２Ｄ…Ｘ線焦点
１３…Ｘ線
１４…Ｘ線検出器
１６…回転テーブル
１８…ＸＹＺ移動機構部
２０…コントローラ
２２…制御パソコン（ＰＣ）
２４、２４Ａ、２４Ｂ…Ｘ線コリメータ
２４Ｃ、２４Ｄ…Ｘ線通過スリット（Ｘ線通過口）
３０…Ｘ線揺らぎ校正治具
３２…ステー
３４…位置調整機構

Claims (5)

1. 回転テーブル上に配置した被検体を回転させながらＸ線を照射し、その投影画像を再構成して被検体の断層画像を得るようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置において、
   Ｘ線の視野内に配設されるＸ線揺らぎ校正治具と、
   該Ｘ線揺らぎ校正治具のＸ線投影像を用いてＸ線焦点位置の揺らぎを検出する手段と、
   検出されたＸ線焦点位置の揺らぎを用いて被検体のＸ線投影画像を補正する手段と、
   を備えたことを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置。
2. 前記Ｘ線揺らぎ校正治具が、Ｘ線投影画像上で被検体のＸ線投影像を囲むように配置されるＸ線遮蔽フレームであることを特徴とする請求項１に記載の計測用Ｘ線ＣＴ装置。
3. 前記Ｘ線揺らぎ校正治具の位置が調整可能とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の計測用Ｘ線ＣＴ装置。
4. 前記Ｘ線揺らぎ校正治具が、Ｘ線コリメータに形成されたＸ線通過口であることを特徴とする請求項１に記載の計測用Ｘ線ＣＴ装置。
5. 回転テーブル上に配置した被検体を回転させながらＸ線を照射し、その投影画像を再構成して被検体の断層画像を得るようにした計測用Ｘ線ＣＴ装置のＸ線の視野内にＸ線揺らぎ校正治具を配設し、
   該Ｘ線揺らぎ校正治具のＸ線投影像を用いてＸ線焦点位置の揺らぎを検出し、
   検出されたＸ線焦点位置の揺らぎを用いて被検体のＸ線投影画像を補正することを特徴とする計測用Ｘ線ＣＴ装置の校正方法。