TW201907154A

TW201907154A - X線電腦斷層裝置

Info

Publication number: TW201907154A
Application number: TW107122978A
Authority: TW
Inventors: 新坂拓真; 欅泰行
Original assignee: 日商島津製作所股份有限公司
Priority date: 2017-07-03
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2019-02-16
Also published as: WO2019008620A1; CN110621985A; EP3620778A4; US20200124545A1; JPWO2019008620A1; TWI680293B; CN110621985B; US11002690B2; EP3620778A1; JP7164524B2

Abstract

於X線源與旋轉台13之間，配置有包括形成有標記M的平板21以及支持平板21的支持部22的標記構件。平板21中的標記M的形成位置是設為以下位置：於X線檢測器12的檢測範圍內，於任一標記M不與被攝體的投影像重疊的區域且即便X線焦點移動亦一直包含於檢測範圍內的區域中，標記M彼此的距離最遠的位置。另外，支持部22的長度調整為於投影像中，成為平板21及標記M不與被攝體W重疊的X線檢測器的檢測範圍的側端的位置的長度。

Description

X線電腦斷層裝置

本發明是有關於一種以非破壞方式進行各種製品的內部構造的觀察及三維形狀的測定的X線電腦斷層（Computed Tomography，CT）裝置。

產業用的X線CT裝置中，於彼此相對向地配置的X線源與X線檢測器之間配置載置工業製品等被攝體的旋轉台，收集自被攝體的周圍各方向的X線投影資料而重建斷層圖像，藉此以三維方式觀察該被攝體的內部構造（參照專利文獻1）。由於此種可捕捉被攝體的三維構造的性質，近年來X線CT裝置不僅是用於觀察用途，而且還用於三維形狀測定。

斷層圖像是根據CT掃描時的X線焦點、被攝體、檢測器的幾何資訊將投影像反投影而重建。因此，對於三維形狀測定用的X線CT裝置而言，幾何資訊中產生的誤差會導致重建像中產生空間變形，使尺寸測定精度降低。尤其X線焦點於X線照射中因X線管的熱膨脹或靶的劣化等而一直變動。例如，若假定X線焦點變動10 μm，則於由X線檢測器所檢測的經放大至100倍的投影像中成為1 mm的誤差。為了無空間變形地重建被攝體的斷層圖像使得可以實現作為三維形狀測定用的X線CT裝置應滿足的尺寸測定精度，必須以三維方式檢測CT掃描中的X線焦點的位置，校正重建斷層圖像所必需的資訊，或抑制X線焦點的變動。

於專利文獻2、專利文獻3及非專利文獻1中，作為檢測CT掃描中的X線焦點的位置的方法，記載有根據標記的投影像求出二維的焦點移動量的技術。另外，於專利文獻4中，為了抑制由裝置的溫度變化影響所致的檢測精度的降低，記載有將X線源收容於外殼（housing）內，並藉由對外殼內供給溫度經調節的氣體而將含有X線源的外殼的熱冷卻的構造。

先前技術文獻專利文獻專利文獻1：日本專利特開2005-351879號公報專利文獻2：國際公開2009/036983號專利文獻3：日本專利第3743594號專利文獻4：日本專利第5850059號

非專利文獻非專利文獻1：菲德烈·窩吉勒爾（Frederik Vogeler）、衛斯理·弗希克（Wesley Verheecke）、安德雷·埃特（Andre Voet）、讓-皮埃爾·克魯斯（Jean-Pierre Kruth）、維姆·迪沃夫（Wim Dewulf），二維X線電腦斷層圖像的位置穩定性（Positional Stability of 2D X-ray Images for Computer Tomography），數位工業放射學及電腦斷層國際學術研討會（International Symposium on Digital Industrial Radiology and Computed Tomography）-Mo.3.3

[發明所欲解決之課題] 專利文獻2所記載的X線焦點的位置檢測中，經由檢測器所得的標記的投影像大，被攝體的拍攝視野（field of view）被標記所妨礙，故而無法同時拍攝被攝體與標記。因此，於掃描被攝體時，使標記避讓。另外，於拍攝標記時，需要使標記於基準位置的配置再現以使標記與檢測器的位置關係相同。因此，需要精度高的標記的定位機構，製作方面的負擔變大。

非專利文獻1所記載的X線焦點的位置檢測中，於載置被攝體的旋轉台的附近設置不妨礙被攝體的視野的標記，藉由將標記與被攝體同時拍攝而可一直檢測CT掃描中的X線焦點的位置。然而，所檢測的X線焦點的位置僅為檢測器面上的兩個方向。

專利文獻3所記載的X線焦點的位置檢測中，藉由將標記貼設於被攝體而可同時獲得標記與被攝體的投影像，可一直檢測CT掃描中的X線焦點的位置。然而，經由檢測器所得的投影像中，標記重合於被攝體上，故而標記的檢測精度降低，並且標記影響被攝體的斷層圖像。

另外，即便為了抑制X線焦點的變動而控制X線源側的溫度，亦如專利文獻4所記載般，若採用將X線源收容於外殼內並固定，進而將該外殼連接於冷卻裝置的構造，則裝置的製作成本增高。

本發明是為了解決所述課題而成，其目的在於提供一種X線CT裝置，該X線CT裝置可於被攝體的CT掃描中以三維方式檢測變動的X線的焦點位置，無空間變形地重建斷層圖像。

[用以解決課題之手段] 請求項1所記載的發明為一種X線CT裝置，其根據自多個角度對被攝體照射X線所取得的投影資料而重建所述被攝體的斷層圖像，且所述X線CT裝置包括：X線源，產生X線；X線檢測器，與所述X線源相對向地配置，用於檢測X線；旋轉台，配置於所述X線源與所述X線檢測器之間，用於載置所述被攝體；控制裝置，根據所述X線檢測器所檢測出的所述被攝體的投影資料而執行運算處理；以及標記構件，由在至少兩處設有標記的平板、及支持所述平板的支持部所構成，且所述標記構件配置於所述旋轉台與所述X線源之間的位置，所述位置為於CT掃描的執行中所述標記包含於所述X線檢測器的檢測範圍內的位置，且為所述平板不與所述被攝體的投影像重疊的位置；所述控制裝置包括：標記特徵點檢測部，藉由對所述標記的投影像進行圖像處理而檢測特徵點，求出二維X線圖像上的所述特徵點的座標，所述特徵點為通過所述X線源的焦點及所述標記的直線與所述X線檢測器交叉的點；以及焦點移動量算出部，使用藉由所述標記特徵點檢測部所求出的兩個不同幀的所述特徵點的座標，以三維方式算出所述X線源的焦點於獲得所述兩個不同幀之間移動的量；根據所述X線源的焦點移動量對重建所述被攝體的斷層圖像時的座標系進行修正。

請求項2所記載的發明，於請求項1所記載的X線CT裝置中，所述標記構件是以所述平板相對於所述X線檢測器的設置角度不變化的方式固定，所述焦點移動量算出部利用所述平板的設置角度資訊，以三維方式算出所述X線源的焦點的移動量。

請求項3所記載的發明，於請求項1所記載的X線CT裝置中，所述標記構件是使所述平板接近所述X線源的X線照射口而配置。

請求項4所記載的發明，於請求項1所記載的X線CT裝置中，所述標記特徵點檢測部對所述標記的投影像進行圖像處理而求出亮度重心點，將所述亮度重心點設為所述特徵點的座標。

請求項5所記載的發明，於請求項1所記載的X線CT裝置中，所述標記構件的所述平板是由使X線衰減的材料所構成。

請求項6所記載的發明，於請求項5所記載的X線CT裝置中，所述標記為設於所述平板內的空隙、或形成於所述平板的貫通孔或凹部。

請求項7所記載的發明，於請求項5所記載的X線CT裝置中，所述標記為配設於所述平板的表面且由使X線衰減的材料所構成的圓柱或圓錐台形狀的構件。

[發明的效果] 根據請求項1至請求項7所記載的發明，包括具有平板的標記構件，所述平板於至少兩處設有用以檢測X線焦點位置的標記，於使至少兩個標記不與被攝體的投影像重疊的情況下同時掃描，以三維方式檢測CT掃描中的X線焦點位置，並根據X線源的焦點移動量對重建斷層圖像時的座標系進行校正，故而可無空間變形地重建斷層圖像。因此，可實現作為三維形狀測定用的高尺寸測定精度。

根據請求項2所記載的發明，藉由固定平板相對於X線檢測器的設置角度，並加入設置角度作為X線的焦點移動量的算出參數，可更準確地求出CT掃描中的X線焦點的位置。

根據請求項3所記載的發明，標記構件是使平板接近X線源的X線照射口而配置，故而可增大投影像中的標記的放大率。藉此，可減小設於平板的標記的大小。

根據請求項4所記載的發明，藉由對標記的投影像進行圖像處理而將亮度重心點設為特徵點的座標，故而即便於標記的投影像變形的情形時，亦可準確地確定特徵點的座標。

根據請求項5至請求項7項所記載的發明，藉由設置具有與平板的厚度不同的厚度的標記，可於投影像中於平板的板部分與標記部分使X線穿透強度產生明顯的差，容易地進行利用圖像處理的特徵點的檢測。

根據請求項6所記載的發明，可於平板中容易地形成標記。

根據圖式對本發明的實施方式進行說明。圖1為本發明的X線電腦斷層（Computed Tomography，CT）裝置的概要圖。圖2為對X線檢測器12的檢測面的標記M的位置進行說明的概要圖。圖3為對本發明的X線CT裝置的主要控制系統進行說明的區塊圖。

X線CT裝置包括產生X線的X線源11、與X線源11相對向地配置的X線檢測器12、用以載置被攝體W的旋轉台13、及進行X線CT裝置總體的控制的控制裝置30。控制裝置30是由個人電腦40、X線控制器31及台控制器32所構成。

X線源11及X線檢測器12藉由省略圖示的支持機構而固定於定盤16。於X線源11與X線檢測器12之間，配置有以旋轉軸R為中心而旋轉的旋轉台13。旋轉台13藉由台移動機構15而於定盤16上於沿著X線光軸的方向上移動。藉由利用台移動機構15變更旋轉台13與X線源11的距離，而變更由X線檢測器12所檢測的被攝體W的投影像的放大率。再者，此處在本說明書中，如圖2所記載，X軸為沿著X線光軸的水平方向，Z軸為上下（鉛垂）方向，Y軸為與X軸及Z軸正交的方向。

X線源11具有向X線檢測器12以圓錐狀照射X線的X線管。根據被攝體W的材質或X線穿透特性，藉由X線控制器31而控制供給於X線管的管電壓、管電流。X線控制器31處於個人電腦40的控制下。藉由X線檢測器12所檢測的穿透X線像被取入至個人電腦40中。於個人電腦40中，根據投影資料藉由CT圖像重建部53（參照圖3）而構築以沿著與旋轉軸R正交的X-Y平面的面切割的斷層圖像。

旋轉台13及台移動機構15分別具有獨立的驅動馬達，這些驅動馬達是透過自台控制器32供給的驅動信號所控制。台控制器32處於個人電腦40的控制下。

另外，於X線源11與旋轉台13之間配置有標記構件20，該標記構件20是由形成有標記M的平板21、及支持平板21的支持部22所構成。標記構件20配置於較旋轉台13更接近X線源11的位置。

平板21是由具有於經支持部22支持的狀態下不變形的厚度的薄板所製作。而且，於平板21中於兩處設有標記M。於本實施方式中，標記M為於矩形狀的平板21的左右對稱的位置貫穿設置的貫通孔。再者，亦可代替貫通孔，而於平板21的表面配設由與平板21的材料同樣的使X線衰減的材料所製作的圓柱或圓錐台形狀的構件作為標記M。另外，貫通孔的形狀亦不限於圓柱孔，亦可為孔的內面傾斜的錐孔。進而，亦可不為貫通孔，而藉由在平板21中形成凹部而製成標記M，取決於平板21的材質，亦可藉由在平板內設置空隙（孔隙）而製成標記M。即，標記M只要藉由具有與平板21的厚度不同的厚度而可於投影像中獲得與平板21的對比度即可，關於標記M的形狀，只要於平板21的板部分與標記部分使X線穿透強度產生明顯的差即可。另外，於本實施方式中，於兩處設有標記M，但亦可進一步增加標記M的個數。

平板21固定於支持部22，且使設置角度不變化。於自X線源11的焦點照射X線而取得被攝體W的投影資料時，如圖2所示，以標記M包含於X線檢測器12的檢測範圍內的方式，將標記構件20的位置固定於靠近X線源11的一側。藉此，將平板21固定於X線源11的X線照射口前的接近位置。再者，如圖2所示，規定平板21的位置的支持部22的長度成為如下長度，即，成為平板21的投影像不與被攝體W的投影像重疊的X線檢測器12的檢測範圍的位置的側端的長度，所述平板21包含標記M。如此，藉由經由支持部22將標記構件20配置於定盤16，可與X線源11的框體相獨立而將形成有標記M的平板21固定於一定位置。

關於平板21中的標記M的形成位置，於標記M均不與被攝體的投影像重疊的範圍內使標記M彼此的遠離距離變長，藉此後述X線焦點的三維移動量的算出精度變良好。

自X線焦點以圓錐狀照射並穿透平板21及旋轉台13上的被攝體W的X線是由X線檢測器12所檢測，檢測資料被輸入至個人電腦40中。

個人電腦40包括：隨機存取記憶體（Random Access Memory，RAM）、唯讀記憶體（Read Only Memory，ROM）等記憶體41；執行各種運算處理的中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）等運算裝置42；保存藉由CT掃描所取得的投影資料的硬磁驅動器（Hard Disk Drive，HDD）等記憶裝置43；用以向X線控制器31或台控制器32發送控制信號的通信部44。記憶體41、運算裝置42、記憶裝置43及通信部44是藉由可相互進行資料通信的內部匯流排61而連接。記憶體41中，儲存有使運算裝置42動作而實現功能的程式。於圖3中，將安裝於個人電腦40的程式表示為功能區塊。本實施方式中，包括標記特徵點檢測部51、焦點移動量算出部52及CT圖像重建部53作為功能區塊。另外，於個人電腦40上，經由通信部44而連接有顯示藉由運算裝置42的動作而構築的斷層圖像等的顯示裝置48、及用以對裝置給予各種指令的滑鼠或鍵盤等輸入裝置49。

繼而，對在利用所述構成的X線CT裝置執行CT掃描時檢測掃描中的X線的焦點位置的順序進行說明。斷層圖像是根據包含CT掃描時的X線焦點、被攝體W、檢測器的位置關係的幾何資訊將投影像反投影而重建。因此，本發明中，對作為重建斷層圖像所必需的一個幾何資訊的X線的焦點位置的移動進行追蹤，將移動量反映於斷層圖像的重建中。圖4為表示自取得標記M的投影像至重建CT圖像的處理的流程圖。

首先，將形成有標記M的平板21配置於X線源11的X線照射口的附近，將標記構件20固定於定盤16（步驟S11）。此時，以X線檢測器12的檢測面與平板21的板面成平行的方式固定標記構件20。藉此，固定標記M的位置、平板21相對於X線檢測器12的檢測面的設置角度。繼而，決定成為X線焦點的基準的X線焦點位置（基準焦點位置）（步驟S12）。再者，X線焦點位置為X線源11的X線管中熱電子碰撞靶而產生X線的位置，且於本說明書中視作一個點。

取得基準焦點位置時的標記M的投影像（步驟S13），根據所得的投影像檢測標記M的特徵點（步驟S14）。即，於開始對被攝體W進行CT掃描之前，取得X線管發生熱變形之前的成為基準的X線焦點位置時的標記M的特徵點（基準標記特徵點）的位置。

標記M的特徵點為通過X線焦點及標記M的直線與X線檢測器12的檢測面交叉的點。將對由X線檢測器12所得的投影像進行圖像處理而決定的標記M的投影像的亮度重心點設為特徵點的座標。再者，標記M的投影像的亮度重心點為二維X線圖像上的點，標記M的特徵點的移動是以該X線檢測器12的檢測面即u-v平面座標的向量表示。另外，藉由將標記M的特徵點的座標設為亮度重心點，即便因與X線對標記M的入射角的關係而形成於平板21的圓形的標記M於投影像中變形為橢圓形，亦可準確地求出標記M的特徵點的座標。

繼而，一面同時拍攝被攝體W與標記M一面進行掃描（步驟S15）。於CT掃描時，一面自X線源11照射X線，一面使載置被攝體W的旋轉台13旋轉，將每隔既定的旋轉角度自X線檢測器12輸入至個人電腦40的投影像作為幀資料而記憶於記憶裝置43中。再者，所謂幀資料，為投影像的一個畫面的資料，依照獲得時刻的順序而記憶於記憶裝置43中。

藉由對所得的投影像進行圖像處理，而檢測標記M的特徵點（步驟S16）。於CT掃描中，收集與所設定的掃描模式下設定的視圖（view）數相應的取樣間距（sampling pitch）所對應的投影資料。掃描中，自多個角度對被攝體W照射X線，但由於平板21相對於X線檢測器12的位置被固定，故而自各幀獲得標記M的投影像。若伴隨著掃描的經過而X線焦點位置因X線管的熱變形等而移動，則該移動可作為X線檢測器12的檢測面的u-v平面座標上的標記M的特徵點的移動而觀察到。藉由對幀資料執行圖像處理，而檢測不同兩個幀的標記M的特徵點（步驟S16）。再者，標記M的特徵點的檢測可對所有幀資料執行，亦可對以既定間隔提取的幀資料進行。即，只要可於後述步驟S17中，計算標記M的特徵點於兩個不同的幀間以何種程度移動即可。

再者，步驟S14及步驟S16中的標記M的特徵點的檢測是藉由運算裝置42執行自記憶體41的標記特徵點檢測部51讀入的程式而實現。

根據步驟S14中所得的X線焦點位於基準位置時的標記M的特徵點的向量、及步驟S16中所得的CT掃描中的某一幀的標記M的特徵點的向量，求出特徵點以何種程度向哪個方向移動（步驟S17）。即，根據經過某時間後的標記M的特徵點的座標位置的變化，算出X線焦點於該時間內以何種程度的量向哪個方向移動。該X線焦點移動量的算出是藉由運算裝置42執行自記憶體41的焦點移動量算出部52讀入的程式而實現。

再者，於本實施方式中，亦可求出兩個標記M的特徵點的位置，並根據兩個標記M的位置關係與各標記M的特徵點的移動量，計算X線焦點的沿著X線光軸的方向（X方向）的移動。如此，可使用至少兩個標記M於兩個不同的幀中檢測出的特徵點的座標，亦包括移動方向而以三維方式算出X線的焦點於該時間內移動的量。

該X線CT裝置中，相對於CT掃描中的X線檢測器12的檢測面而將平板21的板面大致平行地設置。因此，於算出X線焦點的移動量時，即便不特別將設置角度資訊設定為參數，亦可算出CT掃描中的X線焦點的移動量。

另一方面，於X線焦點的移動量的三維算出中，亦可加入平板21相對於X線檢測器12的檢測面的設置角度作為參數。平板21相對於X線檢測器12的檢測面的設置角度越偏離平行，兩個標記M各自與X線檢測器12的檢測面的距離越產生差，投射像中的兩者的放大率越不同。於X線焦點的空間移動的檢測中，藉由利用作為已知參數而預先取得的設置角度資訊，可進一步提高X線焦點移動的檢測精度。

關於平板21相對於X線檢測器12的檢測面的設置角度，例如只要於將標記構件20固定於定盤16時，事先使用雷射位移計等而取得即可。再者，對於等同於如本X線CT裝置般將X線源11與X線檢測器12的位置固定，將CT掃描中的標記構件20的位置固定於定盤16的狀態的裝置而言，配置X線檢測器12及標記構件20以後，於使用X線CT裝置時其設置角度不變化，故而使用雷射位移計等的設置角度資訊的取得只要進行一次便可。

若求出X線的焦點移動量，則根據該焦點移動量而修正CT圖像重建的座標系（步驟S18）。X線的焦點位置為重建斷層圖像所必需的一個幾何資訊，藉由根據焦點移動量來修正CT圖像重建的座標系，而修正CT掃描中的幾何資訊的誤差。然後，執行CT圖像重建（步驟S19），重建被攝體W的斷層圖像。再者，CT圖像重建的座標系的修正（步驟S18）及CT圖像重建的執行（步驟S19）是藉由運算裝置42執行自記憶體41的CT圖像重建部53讀入的程式而實現。

如上文所述般，本發明的X線CT裝置中，一面將至少兩個標記M與被攝體W同時拍攝一面進行CT掃描，以與被攝體W的投影資料相同的時間軸檢測標記M的特徵點，藉此以三維方式檢測CT掃描中的X線焦點位置。藉此，可將CT掃描中的X線焦點的移動反映於斷層圖像的重建中，故而可無空間變形地重建斷層圖像。因此，亦可將本發明的X線CT裝置用於要求高尺寸測定精度的三維形狀測定用。

11‧‧‧X線源

12‧‧‧X線檢測器

13‧‧‧旋轉台

15‧‧‧台移動機構

16‧‧‧定盤

20‧‧‧標記構件

21‧‧‧平板

22‧‧‧支持部

30‧‧‧控制裝置

31‧‧‧X線控制器

32‧‧‧台控制器

40‧‧‧個人電腦

41‧‧‧記憶體

42‧‧‧運算裝置

43‧‧‧記憶裝置

44‧‧‧通信部

48‧‧‧顯示裝置

49‧‧‧輸入裝置

51‧‧‧標記特徵點檢測部

52‧‧‧焦點移動量算出部

53‧‧‧電腦斷層圖像重建部

M‧‧‧標記

W‧‧‧被攝體

圖1為本發明的X線CT裝置的概要圖。圖2為對X線檢測器12的檢測面的標記M的位置進行說明的概要圖。圖3為對本發明的X線CT裝置的主要控制系統進行說明的區塊圖。圖4為表示自取得標記M的投影像至重建CT圖像的處理的流程圖。

Claims

一種X線電腦斷層裝置，其根據自多個角度對被攝體照射X線所取得的投影資料而重建所述被攝體的斷層圖像，且所述X線電腦斷層裝置的特徵在於包括： X線源，產生X線； X線檢測器，與所述X線源相對向地配置，用於檢測X線；旋轉台，配置於所述X線源與所述X線檢測器之間，用於載置所述被攝體；控制裝置，根據所述X線檢測器所檢測出的所述被攝體的投影資料而執行運算處理；以及標記構件，由在至少兩處設有標記的平板、及支持所述平板的支持部所構成，且所述標記構件配置於所述旋轉台與所述X線源之間的位置，所述位置為於電腦斷層掃描的執行中所述標記包含於所述X線檢測器的檢測範圍內的位置，且為所述平板不與所述被攝體的投影像重疊的位置；所述控制裝置包括：標記特徵點檢測部，藉由對所述標記的投影像進行圖像處理而檢測特徵點，求出二維X線圖像上的所述特徵點的座標，所述特徵點為通過所述X線源的焦點及所述標記的直線與所述X線檢測器交叉的點；以及焦點移動量算出部，使用藉由所述標記特徵點檢測部所求出的兩個不同幀的所述特徵點的座標，以三維方式算出所述X線源的焦點於獲得所述兩個不同幀之間移動的量；根據所述X線源的焦點移動量對重建所述被攝體的斷層圖像時的座標系進行修正。
如申請專利範圍第1項所述的X線電腦斷層裝置，其中所述標記構件是以所述平板相對於所述X線檢測器的設置角度不變化的方式固定，所述焦點移動量算出部利用所述平板的設置角度資訊，以三維方式算出所述X線源的焦點的移動量。
如申請專利範圍第1項所述的X線電腦斷層裝置，其中所述標記構件是使所述平板接近所述X線源的X線照射口而配置。
如申請專利範圍第1項所述的X線電腦斷層裝置，其中所述標記特徵點檢測部對所述標記的投影像進行圖像處理而求出亮度重心點，將所述亮度重心點設為所述特徵點的座標。
如申請專利範圍第1項所述的X線電腦斷層裝置，其中所述標記構件的所述平板是由使X線衰減的材料所構成。
如申請專利範圍第5項所述的X線電腦斷層裝置，其中所述標記為設於所述平板內的空隙、或形成於所述平板的貫通孔或凹部。
如申請專利範圍第5項所述的X線電腦斷層裝置，其中所述標記為配設於所述平板的表面且由使X線衰減的材料所構成的圓柱或圓錐台形狀的構件。