JP2013190333A - X線撮像装置およびx線撮像方法 - Google Patents
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Abstract
撮像装置によって生じた画像の歪み(画像検出器による像のぼけなど)を低減した空間分解能の高い断面像を得ることができるX線撮像装置およびX線撮像方法を提供する。
【解決手段】
X線源と、該X線源から発生したX線を被写体に照射する照射機構と、前記X線源または前記被写体を相対的に回転させる回転機構と、回転の各角度において前記被写体を透過したX線の空間的な強度分布を表す投影像を取得する検出器と、該検出器で得られた各角度の投影像から被写体の断面像を算出して表示する演算表示部とを有し、前記演算表示部は、断面像の再構成とデコンボリューション処理とを繰り返し計算により行い、前記検出器によって生じた像のぼけを低減した断面像を求めて表示する。
【選択図】 図1
Description
被写体内部を非破壊で観察する方法として、X線CT(Computed Tomography)が医療診断や製品の検査等に広く利用されている。X線CTはX線の物質に対する非常に高い透過能を利用した撮像方法で、X線を被写体に対して相対的に回転させながら照射し、透過してきたX線の空間的な強度分布像(投影像、あるいは透過像と呼ぶ。)を各角度毎に取得し、取得した投影像から再構成と呼ばれる計算により被写体の断面像を再生する方法である。
計測器で測定したデータは、計測装置固有の特性(装置関数)による歪みを必ず受けることになる。たとえば、検出器が画像検出器の場合、検出器による像のぼけが加わることになるし、集光したビームを試料上で走査して試料情報を得る走査型の場合には、ビームサイズが有限なことによるぼけが加わることになる。装置関数h(検出器による歪み、すなわち「ぼけ」を生じるために「ぼけ関数」とも呼ばれる。)の影響を受ける前の真のデータをyo(x)(xは位置)としたとき、検出器で測定されたデータy(x)は
1.計算の初期化(y(0)として、測定データyを代入。k=0とする繰り返し回数を示す変数を定義)
2.y(k)とhの畳み込み積分h* y(k)を求める。
3.k+1回目の繰り返し計算におけるデータを
4.制約条件を付加
5.y(k)とy(k+1) の差eを計算する
6.eが設定値以下であれば終了し、超えていればy(k+1) を新たなy(k)として、手順2に戻る。
1.各角度で測定された投影像から再構成の対象とするラインの強度分布データを抽出し、オリジナルとなるサイノグラムsoを作成する。(S102)
2.soを逆投影してオリジナルとなる断面像toを計算する。(S103)
3.繰り返しを示す変数kを0に設定し、サイノグラムs(0)の初期値として、オリジナルのサイノグラムsoを、断面像t(0)の初期値としてtoを設定する。(S104)
4.k回目の繰り返し計算におけるサイノグラムs(k)に対して装置関数hをコンボリューションしたデータh* s(k)と、オリジナルのサイノグラムsoと、k回目の繰り返し計算におけるサイノグラムs(k)から、
5.4.で得られたk回目のサイノグラムとk+1回目のサイノグラムとの差eを
6.5.で計算した差eがあらかじめ設定した値より大きければ、4.〜10.の手順を繰り返し行い、小さければt(k)を最終的に得られた断面像として計算を打ち切る。(S107)
7.4.で得られたサイノグラムs(k+1)に対して束縛条件1を加える。(S108)
8.7.で得られたサイノグラムs’(k+1) の逆投影像、k回目の繰り返し計算における断面像t(k) を用いて、k+1回目の繰り返し計算における断面像t(k+1)を
9.8.で得られた断面像t(k+1)に対して束縛条件2を加える。(S110)
10.9.で得られた断面像t’(k+1)について投影を計算し、サイノグラムを求め、新たにs(k)とする。(S111)
このような計算手順により、サイノグラムに対する束縛条件1の妥当性は、上記手順8.の再構成計算によって得られる断面像t(k+1)ですぐに確認することができる。このため、従来のデコンボリューション処理と再構成処理を順次個別に行った場合に比べて、より少ない計算量でいろいろな条件を試しながら束縛条件1を最適化することができ、ぼけを低減したより分解能の高い像を再生することが可能になる。
1.各角度で測定された投影像から再構成の対象とするラインの強度分布データを抽出し、オリジナルとなるサイノグラムsoを作成する。(S202)
2.soを逆投影してオリジナルとなる断面像toを計算する。(S203)
3.繰り返しを示す変数kを0に設定し、断面像t(0)の初期値としてtoを設定する。(S204)
4.k回目の繰り返し計算における断面像t(k)の投影・逆投影した像と、toを用いて、k+1回目の繰り返し計算における断面像t(k+1)を
5.4.で得られたk+1回目の断面像t(k+1)とk回目の断面像t(k)との差eを
6.計算した差eがあらかじめ設定した値より大きければ、4.〜8.の手順を繰り返し行い、小さければt(k+1)を最終的に得られた断面像として計算を打ち切る。(S207)
7.断面像t(k+1)に対して装置関数hを2次元的にコンボリューションしたデータh* t(k+1)と、オリジナルの断面像toと、断面像t(k+1)から、
8.6.で得られた断面像t’(k+1)に対して束縛条件2を加える。(S209)
9.7.で得られた断面像t’(k+1)を新たにt(k)とする。(S210)
この手順では、デコンボリューション処理を2次元で行う必要があるが、最終的に必要な断面像に対して直接的に作用するために、その効果をより確認しやすいという特徴がある。
1.被写体回転位置決め機構3により被写体9をX線8の光路から待避させた状態で、背景となる投影像を撮影する。
2.被写体回転位置決め機構3により、被写体9を光路に設置し、投影像を撮像する。
3.被写体回転位置決め機構3により、被写体9をX線8に対して回転させる。
4.2.から3.の手順を回転角度が180度、あるいは360度になるまで繰り返す。また、この間に、適当な間隔で被写体を光路から待避させ、背景となる投影像の撮影を複数回行う。
1.各角度で取得した投影像Itについて、背景投影像で除算し、規格化した投影像It’を求める。なお、この計算に使用する背景像として、計算対象とする投影像の前後で取得した背景像の補間から求める。すなわち、計算対象とする投影像It(θ,x,y)(投影角度θ)、角度θより浅い角度の背景投影像IBK1(x,y)(投影角度θ1)、深い角度の背景投影像IBK2(x,y) (投影角度θ2)としたとき、
2.1.で得られた規格化した投影像It’から計算の対象とするラインの強度分布データを抽出し、オリジナルとなるサイノグラムsoを作成する。また、デコンボリューション処理および再構成計算における繰り返し計算の加速係数であるα1およびα2の値を入力する。
3.soを逆投影してオリジナルとなる断面像toを計算する。
4.繰り返しを示す変数kを0に設定し、サイノグラムs(0)の初期値として、オリジナルのサイノグラムsoを、断面像t(0)の初期値としてtoを設定する。
5.k回目の繰り返し計算におけるサイノグラムs(k)に対して装置関数hをコンボリューションしたデータh* s(k)と、オリジナルのサイノグラムsoと、k回目の繰り返し計算におけるサイノグラムs(k)から、前述の(数16)によりk+1回目の繰り返し計算におけるサイノグラムs(k+1)を求める。
6.5.で得られたk回目のサイノグラムとk+1回目のサイノグラムとの差eを(数17)により計算する。
7.6.で計算した差eがあらかじめ設定した値より大きければ、5.〜11.の手順を繰り返し行い、小さければt(k) を最終的に得られた断面像として計算を打ち切る。
8.5.で得られたサイノグラムs(k+1)に対して束縛条件1を加える。
9.8.で得られたサイノグラムs’(k+1)、k回目の繰り返し計算における断面像t(k) を用いて、k+1回目の繰り返し計算における断面像t(k+1)を(数18)から求める。
10.9.で得られた断面像t(k+1)に対して束縛条件2を加える。
11.10.で得られた断面像t’(k+1)について投影を計算し、サイノグラムを求め、新たにs(k)とする。
最後に上記処理手順によって得られた被写体の断面像や、三次元像を表示部7で表示する。
1.初期装置関数h(0)として、ガウス関数などを想定し値を設定する。また、繰り返し回数を示す変数kを0に設定する。また、繰り返し計算の加速係数であるaの値を入力する。
2.装置関数h(k)に束縛条件を作用させh’(k)を求める。(規定値より大きい値は規定最大値に、小さい値は規定最小値に置き換えるなど)
3.2.で得られたk回目のh’(k)にxをコンボリューションした像h’(k)*xとyの差eを
4.h’(k) に既知の形状xをコンボリューションした像h’(k)*x、オリジナルの投影像y、およびh’(k)からk+1回目の繰り返し計算における装置関数h(k+1)を
1.X線源1から出射したX線の集光状態を調整する。この調整は、集光素子12のX線ビームに対する相対的な位置や角度などをX線集光素子位置調整機構16により適宜変化させ、被写***置における集光X線のビーム径が最小となるようにする。なお、集光状態(ビーム形状)の確認は、鉛やタンタルの刃などで構成されたナイフエッジを被写***置で走査し、得られた透過X線ビームの強度変化などを用いて行えばよい。
2.被写体回転位置決め機構3により、被写体9を光路に設置する。
3.被写体走査機構13を用いて、被写体9を集光X線15に対して走査し、各位置におけるX線強度を強度検出器14で測定する。これにより、被写体9の投影像が得られる。
4.被写体回転位置決め機構3により、被写体9を集光X線15に対して回転させる。
5.3.から4.の手順を回転角度が180度、あるいは360度になるまで繰り返す。
2 被写体ホルダー
3 被写体回転位置決め機構
4 X線検出器
5 制御部
6 演算処理部
7 表示部
8 X線
9 被写体
10 透過したX線
11 回転機構
12 X線集光素子
13 被写体走査機構
14 強度検出器
15 集光X線
16 X線集光素子位置調整機構
17 蛍光X線
18 第2X線検出器
19 第3X線検出器
20 X線干渉計
21 1枚目の歯
22 2枚目の歯
23 3枚目の歯
24 干渉X線ビーム
25 ビーム経路
26 光路
27 回転ステージ
28 X,Zステージ
29 チルトステージ
30 位相シフタ
31 位相シフタ調整機構
32 ステージ
33 駆動機構
Claims (16)
- X線源と、該X線源から発生したX線を被写体に照射する照射機構と、前記X線源または前記被写体を相対的に回転させる回転機構と、回転の各角度において前記被写体を透過したX線の空間的な強度分布を表す投影像を取得する検出器と、該検出器で得られた各角度の投影像から被写体の断面像を算出して表示する演算表示部とを有し、
前記演算表示部は、断面像の再構成とデコンボリューション処理とを繰り返し計算により行い断面像を求めて表示するX線撮像装置。 - 請求項1に記載のX線撮像装置において、
前記演算表示部は、k回目の繰り返し計算で得られたサイノグラム像と、当該k回目の繰り返し計算で得られたサイノグラム像に前記検出器の装置関数を畳み込み積分した像と、測定で得られたサイノグラム像から、k+1回目の繰り返し計算におけるサイノグラム像を求め、さらに、このサイノグラム像を逆投影した像と、k回目の繰り返し計算で得られた断面像と、測定で得られたサイノグラム像を逆投影した像から、k+1回目の繰り返し計算における断面像を求めることにより被写体の断面像を得ることを特徴とするX線撮像装置。 - 請求項1に記載のX線撮像装置において、
前記演算表示部は、k回目の繰り返し計算で得られた断面像と、当該k回目の繰り返し計算で得られた断面像の投影・逆投影した像と、測定で得られたサイノグラム像を逆投影した像から、k+1回目の繰り返し計算におけるぼけ処理前の断面像を求め、さらに、このぼけ処理前の断面像に対して前記検出器によって生じたぼけを低減する処理を施した断面像をk+1回目の繰り返し計算における断面像とすることにより被写体の断面像を得ることを特徴とするX線撮像装置。 - 請求項3に記載のX線撮像装置において、
前記検出器によって生じたぼけを低減する処理が、k+1回目の繰り返し計算で得られたぼけ処理前の断面像と、k+1回目の繰り返し計算で得られたぼけ処理前の断面像に前記検出器の装置関数を畳み込み積分した像と、測定で得られたサイノグラム像を逆投影して求めた断面像を用いて、k+1回目の繰り返し計算におけるぼけを取り除いた断面像を得ることを特徴とするX線撮像装置。 - 請求項2〜4の何れか一つに記載のX線撮像装置において、
前記演算表示部は、k+1回目の繰り返し計算におけるサイノグラム像または断面像を計算する過程に束縛条件を付加することを特徴とするX線撮像装置。 - 請求項1記載のX線撮像装置において、
前記演算処理部におけるデコンボリューション処理と断面像の再構成を周波数空間で行うことを特徴とするX線撮像装置 - X線源と、該X線源から発生したX線を集光する集光光学系と、集光したX線を被写体上で走査する走査機構と、集光したX線に対して被写体を回転させる回転機構と、被写体を透過したX線の強度を検出する検出器と、該検出器で得られた各角度および各位置におけるX線の強度から被写体の断面像を算出して表示する演算表示部とを有し、
前記演算表示部は、断面像の再構成とデコンボリューション処理とを繰り返し計算により行い、前記集光したX線のサイズが有限であることによって生じた像のぼけを低減した断面像を求めて表示するX線撮像装置。 - 請求項7に記載のX線撮像装置において、
前記演算表示部は、k回目の繰り返し計算で得られたサイノグラム像と、当該k回目の繰り返し計算で得られたサイノグラム像に前記集光ビームの広がりを表す関数を畳み込み積分した像と、測定で得られたサイノグラム像から、k+1回目の繰り返し計算におけるサイノグラム像を求め、さらに、このサイノグラム像を逆投影した像と、k回目の繰り返し計算で得られた断面像と、測定で得られたサイノグラム像を逆投影した像から、k+1回目の繰り返し計算における断面像を求めることにより被写体の断面像を得ることを特徴とするX線撮像装置。 - 請求項7に記載のX線撮像装置において、
前記演算表示部は、k回目の繰り返し計算で得られた断面像と、当該k回目の繰り返し計算で得られた断面像の投影・逆投影した像と、測定で得られたサイノグラム像を逆投影した像から、k+1回目の繰り返し計算におけるぼけ処理前の断面像を求め、さらに、k+1回目の繰り返し計算で得られたぼけ処理前の断面像と、k+1回目の繰り返し計算で得られたぼけ処理前の断面像に前記集光ビームの広がりを表す関数を畳み込み積分した像と、測定で得られたサイノグラム像を逆投影して求めた断面像を用いて、k+1回目の繰り返し計算におけるぼけを取り除いた断面像を得ることを特徴とするX線撮像装置。 - X線源と、該X線源から発生したX線を集光する集光光学系と、集光したX線を被写体上で走査する走査機構と、集光したX線に対して被写体を回転させる回転機構と、被写体から発生した蛍光X線の強度を検出する検出器と、該検出器で得られた各角度および各位置における蛍光X線のエネルギーと強度から被写体の元素の濃度をコントラストとする断面像を算出して表示する演算表示部とを有し、
前記演算表示部は、断面像の再構成とデコンボリューション処理とを繰り返し計算により行い、前記集光したX線のサイズが有限であることによって生じた像のぼけを低減した断面像を求めて表示するX線撮像装置。 - 請求項10記載のX線撮像装置において、
前記演算表示部は、k回目の繰り返し計算で得られたサイノグラム像と、当該k回目の繰り返し計算で得られたサイノグラム像に前記集光ビームの広がりを表す関数を畳み込み積分した像と、測定で得られたサイノグラム像から、k+1回目の繰り返し計算におけるサイノグラム像を求め、さらに、このサイノグラム像を逆投影した像と、k回目の繰り返し計算で得られた断面像と、測定で得られたサイノグラム像を逆投影した像から、k+1回目の繰り返し計算における断面像を求めることにより被写体の断面像を得ることを特徴とするX線撮像装置。 - X線源と、該X線源から発生したX線を分割・反射・結合する光学素子から構成されたX線干渉計と、該X線干渉計の分割された一方の光路に被写体を設置して位置決めと回転を行う回転位置決め機構と、前記X線干渉計から出射した干渉X線像を検出する検出器と、該検出器で得られた各角度におけるX線干渉像から被写体によって生じた位相シフトをコントラストとする被写体の断面像を算出して表示する演算表示部とを有し、
前記演算表示部は、断面像の再構成とデコンボリューション処理とを繰り返し計算により行い、前記X線干渉計の結合素子および検出器によって生じた像のぼけを低減した断面像を求めて表示するX線撮像装置。 - 請求項12記載のX線撮像装置において、
前記演算表示部は、k回目の繰り返し計算で得られたサイノグラム像と、当該k回目の繰り返し計算で得られたサイノグラム像に前記X線干渉計の結合素子および検出器によって生じた像のぼけを表す関数を畳み込み積分した像と、測定で得られたサイノグラム像から、k+1回目の繰り返し計算におけるサイノグラム像を求め、さらに、このサイノグラム像を逆投影した像と、k回目の繰り返し計算で得られた断面像と、測定で得られたサイノグラム像を逆投影した像から、k+1回目の繰り返し計算における断面像を求めることにより被写体の断面像を得ることを特徴とするX線撮像装置。 - 請求項12または請求項13に記載のX線撮像装置において、
前記X線干渉計の光路に位相シフタを設置し、該位相シフタを走査して得られた複数のX線干渉像から被写体によって生じた位相シフトを求めることを特徴とするX線撮像装置。 - 請求項12〜14の何れか一つに記載のX線撮像装置において、
前記X線干渉計が、分割した複数の光学素子で構成されていることを特徴とするX線撮像装置。 - X線源と被写体とを相対的に回転させてX線源から発生したX線を被写体に照射し、回転の各角度において検出器で取得した被写体の透過X線像から、演算によって被写体の断面像を非破壊で求めるX線撮像方法であって、
断面像の再構成とデコンボリューション処理とを繰り返し計算により行い、像のぼけを低減した断面像を求めるX線撮像方法。
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