CTスキャンとは

  • 医療用CTスキャナ
  • 産業用CTスキャナ

CTスキャンの仕組みを理解するためには、まずX線撮影(レントゲン)のメカニズムを知る必要があります。レントゲン撮影では、物体を透過する性質を持つX線を被写体に投射し、被写体の素材や内部構造によって起こるX線減弱の差をフィルムや半導体素子(検出器)を使って捉えることで、被写体内部を観察することが出来ます。

レントゲンは、対象物の構造をコントラスト差によって明らかにしますが、これは奥行きがない二次元情報であるため、立体構造を把握することは出来ません。そこで、X線源と検出器を被写体に沿って廻るようにし(医療用CTスキャナの場合。産業用CTスキャナはX線源と検出器が固定してあり、被写体が回転する。)、360度全ての方向からX線透過像をデジタルデータとして得て、コンピュータで処理することで三次元情報を得ることを可能にしたのが「CTスキャン」です。

X線の発生

CTスキャンにおける最初のステップは、「X線の発生」です。X線はX線管(管球)と呼ばれる装置から生み出されますが、その内部は陰極と陽極が収納されており高真空に保たれています。まず、管球に電流を流すことで、陰極にあるタングステンフィラメントから熱電子を放出させます。

次に発生した熱電子を集束カップと呼ばれる部品で集束させ、管電圧によって加速(印加)します。最後に、加速させた熱電子を陽極側のターゲットマテリアルに衝突させることで、X線を生み出します。ターゲットマテリアルには、タングステンやモリブデンなどの非常に融解点が高い(タングステン融点 約3,400℃、モリブデン融点 約2,600℃)耐熱性がある、原子番号が高い金属がもちいられます。

これは、管球に入力したエネルギーのうち99%が熱へ変換されるため耐熱性が必要なこと、原子番号が高い金属がターゲットだとX線強度が高くなることが主な理由です。

X線の検出

二番目のステップは、「X線の検出」です。被写体の内部を減弱しつつ透過したX線は、被写体を挟んでX線管に対して正対位置に設けられたX線検出器によって捉えられます。旧来のX線透過試験では、ハロゲン化銀などの感光性物質を使用したX線フィルムがもちいられてきましたが(現在ではデジタルフィルムも、もちいられています)、CTスキャナは半導体素子(フォトダイオード)で構成される検出器がもちいられます。CTスキャナでは1回の撮影において数百~数千枚の透過像を取得する必要があり、またメガピクセルサイズの高解像度デジタルデータを高速に取得・読み出すことが求められます。このため、検出器にはフォトダイオードを集積したCCD/CMOSイメージセンサが使用されますが、これらのセンサは紫外線、可視光、赤外線に加えて10 keV以下のX線の検出が可能な一方で、非破壊検査に使用される数十keV~100keVを超えたエネルギーを持つX線(硬X線)を検出することに適していません。

このため、X線を微弱な蛍光に変換するシンチレータ(CsI(TI)やGOSなどの無機結晶)を介すことで、硬X線検出を可能としています。このようなCMOSイメージセンサとシンチレータが組合わされた検出器を「フラットパネル」と呼びます。フラットパネルは他方式の検出器と比較して、感度や解像度、フレームレートが高く、広いダイナミックレンジを持ち、歪みがない画像が取得出来ることが特徴です。

投影データからの画像再構成

CTスキャンの最終ステップは、「投影データからの画像再構成」です。管球から照射されたX線は、検出器との経路上にある検体に吸収されることで減衰します。このため、検出器のある点に到達するX線量は、検体の透過率分布を経路上において積分した値(投影)に比例します。この値は経路上における透過率の合計であるため、任意点における透過率は求めることが出来ません。

ただし、二次元空間において任意点を通過する全ての投影の値を得ることが出来れば、数学的にこの点の透過率を求めることが出来ます。CTスキャンでは検体(もしくは管球と検出器)を360°回転させることで、この問題を解決しています。つまりCTスキャンは検体全域の360°方向からの透過像を取得することが出来れば、検体の3Dデータを構築することが出来ます。

※ CTとは「Computed Tomography = 算定断層影像法」の略語であり、計算によって断層画像を得る方法を指します。原理上、光が検体を透過すれば断面像を構築することが出来るため、X線だけではなくガンマ線や可視光を使ったCTスキャンも存在します。

産業用CTスキャナを使った非破壊検査・三次元測定

JMCのCTスキャンサービスは、産業用CTスキャナを使用した非破壊検査、三次元測定によるソリューションを提供します。X線CTスキャナは「医療用」と「産業用」に分類されますが、この二つは用途の違いから大きく設計が異なっています。

医療用CTスキャナは、生体を撮影するため被曝線量を抑えることが最も重要であり、また、生体のブレを抑えるためにX線管と検出器が生体の周りを回転します。高い線量を使って極めて短い時間で撮影を行います。
一方、産業用CTスキャナは工業製品を撮影するために被曝線量を抑える必要がなく、X線菅と検出器が固定された代わりに製品を設置した回転台が動き、低い線量で長時間の撮影を行います。このため、産業用CTスキャナは高精度・低ノイズの高品質なデータを得ることが出来、工業製品の品質検査や開発材料の評価、他社製品のリバースエンジニアリングなど、さまざまな用途で利用されています。

産業用X線CTスキャナの製造・販売を国内で行っている代表的な企業としては、GEセンシング&インスペクション・テクノロジーズ株式会社、エクスロン・インターナショナル株式会社、ヤマト科学株式会社、テスコ株式会社、カールツァイス株式会社、株式会社 島津製作所、株式会社 東芝、株式会社東陽テクニカ、オムロン株式会社、株式会社ニコン、株式会社 日立製作所などが挙げられます。産業用CTスキャナによる検査・測定を行うには、まず、これらの企業からCTスキャナを購入する方法がありますが、産業用CTスキャナの価格は数千万から数億円程度と非常に高額であるため、自動車や電気機器などのハイテク産業を除いて、参入障壁が高いものとなっています。

このためCTスキャナによる検査・測定を行う場合には、受託サービスを行なっている国内の企業に依頼するか、大学などの研究機関や都道府県の工業試験場・産業技術センター(各県1~2台ずつ、全国では合計50台弱のCTスキャナが設置されています)に依頼するのが一般的です。

産業用CTスキャナの活用方法

産業用CTスキャナの代表的な活用例として、「非破壊検査」、「対象物の三次元形状の全取得」、「高精度な形状測定」、「高速検査・測定」の4つが挙げられます。まず、CTスキャナは物体を透過するX線を利用して対象の内部・外部状態を測定するため、被検査体の切断、汚損、変形などを避けて、非破壊で検査を行うことが出来ます。
このため、文化財・廃盤品などのデジタルアーカイブ化や生物標本内部の可視化、鋳・鍛造品を切断せずに内部鋳巣を確認したり、製品パッケージを開けずに混入物を確認することなどが出来ます。

次に、CTスキャナは可視光を対象物に投射して反射光を計測する測定方法とは異なり、物体を透過する光を計測するためアンダーや窪みなどの形状、また金属光沢や透明な試料でも三次元データを取得することが出来ます。このため、アクリルやポリカーボネートなどの透明樹脂で作られた製品の計測・三次元データ化、コネクタやシリンダーヘッド、バルブボディなどの精度検証、生物や外観形状の三次元形状抽出などに利用することが出来ます。

また、CTスキャナは3Dデジタイザなどの非接触三次元測定機と比較して多重反射などのノイズがありません。撮影データを重ね合わせて構成する際の誤差が出ないため、非常に高精度な形状測定を行うことが出来ます。このため、アルミニウム・マグネシウムなどの軽金属加工品の精度検証、ステンレス・チタン・ハステロイなどで作られた航空機用微細加工品の検査、炭素繊維複合材料などの耐磨耗・引張試験後の内部状態確認などに使用することが出来ます。

最後に、CTスキャナでの撮影は一般的な非接触測定機のようにサンプルにサーフェイサーなどを塗布する手間が無く、また、浸透探傷試験や目視検査のように一層ずつフライス盤やマシニングセンタで切断する必要が無いため、非常に高速に検査・測定を行うことが出来ます。加えて、取得したデータに含まれるボイドやクラックなどの欠陥は、機械的に自動検出することが出来ます。このため、アルミニウムダイカスト品や射出成形品などの抜き取り・全数検査、原材料に混入した異物の検出などに利用することが出来ます。

産業用CTスキャナを利用するには

CTスキャナを利用する方法の1つは、装置を自社で購入することです。国内で産業用X線CTスキャナの製造・販売を行っている企業は複数あり、検査・測定を行いたい製品・対象物に合わせてCTスキャナのタイプを選ぶことが出来ます。ただし、産業用CTスキャナの価格は精度・透過力が低い装置でも数百万円、高精度な装置だと数千万から数億円程度です。このため、試験的に数サンプルのみを撮影したり、さまざまな大きさ・目的の試料を検査するには、装置購入は現実的な選択肢ではありません。トータルコストを抑えて産業用CTスキャナを利用するには、研究機関・企業などが提供する受託サービスを活用する必要があります。

装置製造・販売メーカーのうち、数社は受託サービスを行っております。 また、受託サービスを専門に行っている企業や工業試験場・産業技術センターも選択肢としてあります。測定を行いたい製品・対象物のサイズ、CTスキャナのタイプ、納品のタイミングによってこれらの中から最適なサービスをお選びいただくことになります。

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