自己紹介 - 名古屋工業大学

名古屋工業大学集中講義
2008年12月10日
資料(1）/４
X線CTの概要
…
GeoX2003 Kumamoto
大谷 順
熊本大学大学院自然科学研究科
X-Earth
Center
X-ray CT for Eco, Aqua and Resource Technology
1
熊本の紹介
Tokyo
Kumamot
熊本
o
JAPAN
九州
熊本大学
熊本城
水前寺公園
阿蘇山
阿蘇山
自己紹介
• 1983年
•
•
•
•
•
名古屋大学大学院博士課程前期
地盤工学専攻 修了（修士）
1984年1月 米国ヒューストン大学大学院 博士課程 進学
1987年1月 米国カリフォルニア大サンデイエゴ校
スクリップス海洋研究所 研究員
1987年11月 九州大学工学部 助手
1993年10月 熊本大学工学部 助教授
2001年 9月
同
教授
学位
“Nonlinear pile group model for transient dynamic response analysis”
(1990年 米国ヒューストン大学)
Novak・Nogamiモデルを初めて非線形モデルに拡張！
1
内 容
1. はじめに
2. X線CTとは
3. 現状と展望
4．おわりに
１．はじめに
人間の体は異なる密度の材料から構成されている。
たとえば、血管、筋肉、骨、その他
Cross sectional image
3-D reconstruction image
医療分野においては、
多くのCTデータが存在し、どのような器官がどの
よう密度であるかが定量的に把握されている。
しかし、地盤材料については
•
•
•
•
専用のCT装置は存在しない
CTデータの蓄積は全くない
可視化だけでは不十分
CT装置はスーパーマンではない
• 実験方法の開発が不可欠
• 現象の可視化に加えて、定量的評価が不可欠
• CT装置に向いている問題の模索
2
２．X線CT(X-ray Computed
Tomography)とは
「所要の断面を横断するX線の吸
収に関する情報またはX線吸収
係数の分布に関する多くの情報を
記憶・蓄積し、コンピュータにより
再構成し断面画像を得る手法」
X線CTスキャナは、
1. Hounsfield and Cormackによる１９７９年の
ノーベル生理医学賞.
2. 材料におけるX線吸収特性を利用.
3. コンピュータの利用が不可欠（大容量のデータ
のため）.
4. 非破壊かつ3次元的に現象を解明可能.
5. 医学の分野で広く用いられている.
CT装置の変遷
(a)第一世代
Ｘ線源
(b)第二世代
Ｘ線源
走査タイプ
:被検体
Ｘ線照射形状
(c) 第三世代
Ｘ線源
(d) 第四世代
Ｘ線源
x x線源
x
0
0
検出器
検出器
検出器
検出器
直線
狭扇状
広扇状
広扇状
3
熊本大学の産業用X線CTスキャナ
µt − µ w
⋅ K 唯一の出力
µw
CT − value =
µt:
材料のX線吸収係数
µw :
水のX線吸収係数
3.0m
2.0m
K :1000 (定数)
1000
Toyoura sand
CT-value
500
sample 1
sample 2
sample 3
water
air
0
Water
-500
air
-1000
0
0.5
1
1.5
Density (t/m3)
産業用X線CT装置
(TOSCANER-23200 min TOSHIBA)
1996年に熊本大学工学部に設備
2
CT値と密度の関係
装置の仕様
Traverse
Traverse stroke : 1100mm
Rotation
Specimen
table
Detectors
Shield room
Data assembling
device
Image data
processing device
Workstation
X-ray source
Mechanical control device
Monitor
Keyboard
X-ray control device
Console
High-voltage device
CT室内容の詳細
1. スキャンタイプ(ファン
ビーム)
2. 水平／回転
3. X線の起電圧
最大300 kV
3. No. of detectors
176
4. 被検体の最大サイズ
D:400mm, H:600mm
5. X線照査厚
0.5, 1.0, 2.0 mm
解像度と画像の単位
解像度
512ボクセル
512 ボクセル
CT画像の単位
(１５ｃｍ径を対象)
0.2mm
20mm
CT 画像
材料: 鋼
Scanning of 0.2mm
hole
2mm, 1mm or
0.5mm
0.293mm
0.293mm
１ボクセルの大きさ
: 土粒子
Voxel
0.293mm
(a)土粒子が１ボクセル
より大きい場合
0.293mm
X-ray width
（1mm）
X-ray width
（1mm）
X-ray width
（1mm）
Voxels
0.293mm
0.293mm
(b)土粒子が1ボクセル
よりずっと小さい場合
(c)土粒子が1ボクセル
より小さい場合
4
CT画像の作成方法
WW
WL
9000
256 level colors
黒
白
CT値：高
CT値：低
疎
密
(a) 256 levels
(a) 0<CT-value<500
(b)256levels
頻度
6000
3000
0
-1000
-500
0
500
1000
CT値
(I) CT-valueのヒストグラム
(b) –1000<CT-value<500
(II) CT画像
CT画像作成プロセス
CT 画像
画像処理解析
CT 撮影
定量的考察
重要
9
CT画像の特徴(地盤材料を対象として）
小さい土粒子の場合として、
75μm～106μmの試料
のCT値分布
(a) CT image (0<CT-value<250)
1000
0
空気のCT値
-1000
-2000
-40
-20
0
20
40
画像中心からの距離(mm)
(b) CT値分布
CT画像の特徴(地盤材料を対象として）
大きい土粒子の場合
として、4.75mm以上の
土粒子のCT値分布
(a) CT image (0<CT-value<500)
Vinyl chloride mold
2000
CT-value
CT-value
2000
1000
0
空気のCT値
-1000
-2000
-40
-20
0
20
40
画像中心からの距離(mm)
(b) CT値分布
5
50mm
50mm
CT画像について
ＣＴ断面画像
・サイズの影響
・起電圧の影響
（材料はセメント改良土）
(b) 300 kV
100 mm
(a) 200 kV
(a) 200 kV
140 mm
140 mm
(b) 300 kV
(b) 300 kV
(a) 200 kV
カッピング効果について
再構成画像
被検体
X線
(a) X線CT撮影
(b) CT画像とCT値分布
カッピング効果
X-ray CT: Polychromatic（高低種々のPhotonを含む）が、
これの大きな要因
→ 究極の装置改良＝Monochromatic
CT値分布
CT-value
1500
1000
500
供試体の直径：50ｍｍ
0
200kV
300kV
-500
-1000
-80
-40
0
40
80
供試体中心からの距離 (mm)
CT-value
1500
1000
500
供試体の直径：100ｍｍ
0
200kV
300kV
-500
-1000
-80
-40
0
40
80
供試体中心からの距離 (mm)
CT-value
1500
1000
供試体の直径：140ｍｍ
500
0
200kV
300kV
-500
-1000
-80
-40
0
40
80
6
Partial volume effect
4000
4000
Standard deviation = 1136
Mean CT value = 295
2000
CT image
1000
2000
0
0
-1000
-20
0
20
CT image
1000
-1000
-40
Standard deviation = 125
Mean CT value = 188
3000
CT value
CT-value
3000
40
-40
-20
Location along the diameter of spesimen (mm)
0
20
40
Location along the diamter of specimen (mm)
(a) Mean particle size: 2.0 – 4.25 mm
(b) Mean particle size: 75 – 106 µm
Distribution of CT value
Cont.
0.293 mm2
Grain size
with significant partial volume effect
2000
1mm
A voxel
Soil particle
Range of partial
volume effect
CT value
1500
1000
500
(a)
(b)
(c)
0
106-250 250-425 425-850 850-20002000-4250 4250- 9500
grain size(µm)
Relationship between CT-value and grain size
起電圧 の影響
材料: 砂
ヒストグラム
Energy influence (150, 200 and 300kV)
80000
Specimen
70000
Pix e l nu m b
Frequency
60000
Cylinder
50000
150 kV
40000
200 kV
300 kV
30000
20000
10000
0
-1500
Big particles
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
CT value
ＣＴ値
7
起電圧の影響
電圧: 150, 200, 300 kV
Ｘ線照射厚: 1 mm
材料: 砂
Beam hardening with energy
2500
2000
CT value
ＣＴ値
1500
1000
150kV
200kV
300kV
500
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
-500
-1000
-1500
断面方向の位置
Distance in pixel
以上より、
/同じ材料でも異なる電圧では異なる密度を示す
（あたりまえ？）
/ 低電圧のほうが、密度変化をより詳細に把握可能
（有効？）
/ 電圧が高いとＣＴ値は小さい
低い電圧ではＸ線吸収率が高い
まとめると ,
Not only voltage(energy) but also electric current
play important roles.
Voltage: spatial resolution
1) higher intensity due to increase of short
wavelength of X-ray
2) higher voltage
scanning of high density
material
Electric current: density resolution
1) Increase of photon numbers
2) higher current
sensitive for density change
8
よって、
1. You have to check the effect of beam
hardening for your material, and then,
(effect of voltage)
2. You should use the conditions of lower
voltage in order to get clear image.
(effect of electric current)
3. Attenuation width of X-ray beam
depend on the materials.
2006年度に実施した装置の改良
1. Improvement of resolution
Number of pixels on an image
512×512, 1024×1024, 2048×2048
0.293mm
Size of a pixel at φ150mm
0.293mm×0.293mm (512×512)
0.146mm×0.146mm (1024×1024)
0.073mm×0.073mm (2048×2048)
0.146mm
0.073mm
3.0m
2. Scanning time
5 minutes
2.5 minutes
(in the case of half & fine scan)
2.0m
More efficient operation will be possible.
!!! Power of x-ray is not modified at this moment !!!
Maximum voltage of x-ray valve 300 kV
9
３．現状と展望
About X-ray CT Apparatus
1) Medical CT：
/relatively large scale of the object
/due to low voltage → low resolution
/relatively short scanning
2) Industrial CT：
/restricted scale of the object
/ due to high voltage → high resolution
/ relatively long scanning
3) Micro focus CT：
High resolution
/restricted to small size
/ capability of focusing
Small size
4) Synchrotron Radiation:
/ high resolution (micro)
/ small size
研究機関(いくつか）
海 外
1) Universite de Grenoble (France)：soils and rocks
(ユーロのシンクロトロン施設がグルノーブルにある）
2) Univ. of Calgary（Canada）： soil science
3) KU Leuven, Univ. of Ghent (Belgium)：rocks
4) LSU（U.S.A.）：soils (use of NASA CT)
5) Georgia Tech.（U.S.A.)：Image analysis
6) Virginia Tech.(U.S.A.): soil and pavement materials
Japan
1) 熊本大学（産業用、soils、 rocks、concrete、 geo-environmental)
2) JOGMEC(医療用、rocks)
3) 北海道大学(マイクロＣＴ, rocks）
4) 港湾空港技術研究所（マイクロＣＴ、soils、 geo-environmental）
5) 京都大学（マイクロＣＴ,、soils and rocks?)
6) 産総研（適宜レンタル、rocks)
10
CTの研究における私見
X線CT装置を用いた研究は、以下の
２つに大別できる。
１．顕微鏡のようにより微細な挙動を可
視化し、現象の解明
２．ある程度の平均化の理論、すなわ
ち適する画像処理解析手法を利用
して現象を定量的に評価する
よって、
前者については、近年分析技術として広く知られている大型放射光
施設（シンクロトロン）の利用により、供試体のサイズは小さくなるも
ののミクロの挙動を可視化可能としている。
一方、著者らの研究は後者に含まれる。
ここで強調したいのは、X線CT装置は顕微鏡ではないということ
である。よって装置の開発に伴い、よりミクロな現象を可視化
可能となるが、その際被検体自体も小さくなる。多くの研究者
のニーズは「比較的大きな被検体中の現象をミクロに可視化す
る」ことであり、これについてはX線CT装置の解像度には限界が
あると言わざるを得ない。
その意味で、画像解析手法を有効に利用することで現象の定量
的評価を試みることはX線CT装置を利用する上で重要であると考
える。
Future studies
After a decade of our research,
strain field can be obtained from X-ray CT.
However, stress field is still on going issues.
Now, a new system of X-ray CT test is proposed:
CT scanning
+
Image analysis
+
Numerical analysis (FEM)
based on obtained field
Shear behavior
Establish of hybrid type of testing procedure !!
11
世界最初の地盤材料を対象とした国際研究集会の開催
Kumamoto University
Since 1897
地盤材料を対象としたX線CT法の適用に
関する国際ワークショップ
International Workshop on X-ray CT for
Geomaterials
“GeoX2003”
地盤材料（Geomaterials)とは、地質材料を用いたすべて
の材料とし、土、岩盤、コンクリート、舗装材等が対象
会議の日程
Kumamoto University
Since 1897
日時：2003年11月６、7日
場所：熊本市KKRホテル熊本
内容：
特別講演
Mr. M.Fujii (Toshiba Corp., Japan)
“Recent advances on X-ray CT”
基調講演
1) Prof. J.Desrues (Universite de Grenoble, France)
“Tracking strain localization in geomaterials using CT”
2） Prof. A. Vervoort (KU Leuven, Belgium)
“Recent advances of X-ray CT and its application on rocks”
3) Prof. J.Otani (Kumamoto University, Japan)
“State of the art report on Geotechnical X-ray CT Research at
Kumamoto University”
12
Kumamoto University
Since 1897
参加者
• 参加者数：
１３０名（１６カ国）海外より３０名程度
• 参加国：
オーストラリア、ベルギー、カナダ、
中国、香港、フランス、ドイツ、イラン、
イタリア、韓国、南アフリカ、スウェーデン、
英国、トルコ、ベトナム、アメリカ
Kumamoto University
Since 1897
•
•
•
論文数
特別講演1編
基調講演3編
投稿論文
土を対象：13編
岩盤を対象：１４編
コンクリート他：８編（コンクリート７編）
（32編が当日口頭発表）
会議の総括
ｂｙ Prof.Desrues (フランス）
１．地盤材料を対象としたX線CTの適用は、地
盤力学の分野で重要な役割を演じつつある
２．上記理由として、
a) 今日では比較的多く利用されてきた
b) 要素試験や原位置での地盤内部状況が
把握可能であることが証明された
３．X線CT装置および関連ソフトの開発は日進
月歩であり、それに応じて、利用方法の進展
もめざましい
13