X線CT画像の高精度化と画像情報に基づく非破壊検査技術

独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構
東京工業大学大学院理工学研究科


X線CT画像に発生するノイズ（メタルアーチファクト）を低減させる３つの手法を開発
材料によらず鮮明なＣＴ画像出力を実現。非破壊型検査の精度向上に貢献し
CT技術を広く製品検査技術に活用することを可能にした。

【新規発表事項】　
独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ技術開発機構）の産業技術研究助成事業（予算規模：約50億円）の一環として、東京工業大学助教の小関道彦氏はCT技術の製品検査への活用を可能とする新技術を開発しました。
これまでX線CT画像は人工物の製品検査にも有用と考えられていましたが、金属と樹脂で構成される製品等、金属を含む人工物の場合にはメタルアーチファクト（注１）と呼ばれる金属由来のノイズが発生するため製造現場での活用があまり進んでいませんでした。
開発した技術は、単純な構造の試験片を大量に検査する用途に適した手法（A）、製造ミスの選別などに適した手法（B）、単一の検査対象物を精査するのに適した手法（C）という3種の手法を構造や材質などにより使い分けることで、検査対象毎に鮮明なCT画像を得ることができます。
本研究で開発し、理論的・実験的な検証により確立された新しいCT撮影・画像再構成手法によって今後、検査技術の高度化が期待されています。また、CT画像に基づくリバースエンジニアリング（注２）によって、歯などの生体組織やデザイン模型等、図面が存在しない対象物のCADデータ生成およびNC加工（注３）が可能になります。

（注1）メタルアーチファクト＝撮影対象がＸ線を吸収しやすい金属を含む場合にＸ線画像に発生するCT画像ノイズのこと。
（注2）リバースエンジニアリング＝ソフトウェアやハードウェアを解析し、その仕組みや構成を明らかにして再現すること。
（注3）ＮＣ加工＝Numerical Control machiningの略で、数値制御（NC）による加工方法のことで、切削用工具の刃先の動作を座標値によって定義し、目的の形状に関する数値情報をもとに工具や被加工物を動作させ加工を行うことを指す。


１．研究成果概要
三次元情報を直接的に得られるX線CTは、デバイスの非破壊検査技術として有効であると期待されています。しかしCT画像内に生じるメタルアーチファクトと呼ばれる放射状のノイズによって観察が困難な場合があり、電子部品・機械部品の品質保証に有用な非破壊検査技術の確立が要望されていました。
そこで本研究では、X線CT画像にメタルアーチファクトが発生する物理的要因を明らかにし、これによって得られた知見にもとづき、検査対象物の構造や検査目的に応じた三種類のCT画像再構成アルゴリズムを開発しました。
メタルアーチファクトが発生するのは投影データがX線照射方向によって一様でないためであることを突き止めたのち、物質の吸収係数はX線の波長によって異なること、X線CT装置が搭載しているX線源は加える電圧の変化によって出力するX線の波長スペクトルが変化することなどを捉え、その結果、三次元CT画像の高精度化を実現させたものです。


２．競合技術への強み
1）従来技術ではメタルアーチファクトによりCT画像が不鮮明であったが、当技術によって明なCT画像が得られるようになった。
2）金属と樹脂が混合している場合、従来は樹脂の部分の構造検査が困難であったが、当技術では金属だけでなく樹脂部分の非破壊検査も可能になる。
3）二次元的な断層画像の画質が改善するだけでなく、三次元構造の解析においても鮮明な表現が実現した。
4）従来は画像情報からCADデータへの変換が煩雑であったが、当技術ではCAD/CAMデータ生成までを一括処理するアプリケーションの構築を可能としている。
５）X線CT画像に基づき撮影対象物の構造を個体別にモデル化する技術の性能が向上し、MEMS（注4）のような金属と樹脂で構成される微小な人工デバイスへの荷重や熱による変形挙動について計算機シミュレーションによる予測が可能となる。

（注4）MEMS＝「Micro Electro Mechanical Systems」の略であり、日本語では「微小電気機械素子」等と訳されることが多い。半導体製造技術を応用して作られる電子回路と機械構造が一体化したものであり、インクジェットプリンタヘッドやハードディスク・光ディスクの読取ヘッドなどに使われている。


【X線CT画像再構成技術に関する従来技術と本技術との比較】
■従来技術との比較①X線CT画像再構成原理
・従来　　被写体の周囲からX線を照射して得られる投影データをそのまま利用
・本研究　被写体の周囲からX線を照射して得られる投影データを補正してから利用
■従来技術との比較②投影データ補正方法
・従来　　　　　　補正なし
・手法A(本研究)　金属を透過した領域のデータを抽出し、この部分を補正
・手法B(本研究)　２種類のX線を照射して得られる投影データを合成
・手法C(本研究)　複数のX線を照射して得られる投影データから矛盾のない投影データを算出
■従来技術との比較③CT画像精度
・従来　　　　　　メタルアーチファクトが発生
・手法A(本研究)　メタルアーチファクトをほぼ除去、対象物形状が不適切になる場合あり
・手法B(本研究)　メタルアーチファクトを低減、ただしノイズの多い画像となる場合あり
・手法C(本研究)　メタルアーチファクトを低減、ただし撮影に時間を要す



３．今後の展望
今後は、散乱X線やX線検出器に由来するノイズを考慮することによってさらなるCT画像の高精度化にチャレンジしていきます。また現状でのメタルアーチファクト低減技術の性能は十分に実用レベルにありますが、画像処理の高速化などの改良によって電子機械分野の製造工程でのさらなる高度化・高効率化が可能なことから、この技術の活用について関心の深い企業とのディスカッションを希望しています。