KR100218080B1 - 위상시프트분포 결정방법 및 위상형 x선 ct장치 - Google Patents

위상시프트분포 결정방법 및 위상형 x선 ct장치 Download PDF

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Abstract

X선을 사용해서 물체내부를 비파괴적으로 3차원 관찰하기 위한 위상시프트분포 결정방법 및 위상형 X선 CT장치에 관한 것으로서, X선 간섭계를 사용하지 않고 또한 간편한 방식의 것으로 하기 위해서, X선 빔을 방출하는 X선원, X선원빔의 조사에 의해 회절빔을 발생하는 결정, 회절빔의 진행방행에 마련되어 회절빔에 대해서 상대적으로 회전가능한 피사체 배치부, 피사체 배치부를 통과한 빔을 받아서 특정 굴절각의 성분만을 추출하는 검광자결정 및 검광자결정에 의해 추출된 빔을 검출하는 센서로 이루어지는 구성으로 하였다.
이러한 구성에 의해서, 비교적 간단한 장치구성으로 X선 위상콘트라스트에 의한 3차원 관찰이 가능하게 되고 또 용이하게 넓은 시야를 확보할 수 있어 큰 피사체에 쉽게 적용할 수 있게 된다는 효과가 얻어진다.

Description

위상시프트분포 결정방법 및 위상형 X선 CT장치
본 발명은 X선을 사용해서 물체내부를 비파괴적으로 3차원 관찰하기 위한 위상시프트분포 결정방법 및 위상형 X선 CT장치에 관한 것으로서, 특히 흡수 콘트라스트에 의한 종래법에서는 감도부족인 경원소로 구성되어 있는 피사체가 대상으로 되며, 유기재료의 검사기기나 의료진단장치에 이용가능한 것이다.
종래의 X선투과 상촬상시스템에 있어서, 얻어지는 상의 콘트라스트는 피사체에 의한 X선의 흡수의 대소에 의하고 있다. 즉, 흡수가 큰 중원소가 조밀한 영역이 있으면 그 부분의 X선투과율이 작아지고 어두운 그림자로서 상중에 포착할 수 있다. 반대로, 경원소로 이루어지는 유기물은 X선에 대해서 투명하여 상콘트라스트는 얻기 힘들다. 따라서 예를 들면 X선의 의료진단화상을 취득할 때, 생체연부조직(장기나 종양 혈관등)을 관찰하기 위해 중원소를 조영제로서 주입해서 콘트라스트를 강조하는 방법이 취해지고 있다. 그러나, 조사하고자 하는 모든 관측부위에 조영방법을 적용할 수 있는 것은 아니고 또, 조영처리가 신체에 악영향을 미치는 경우도 있다. 3차원 내부관찰방법인 X선 CT라도 상콘트라스트에 관한 상기의 문제는 마찬가지로 존재하고 있다.
한편, X선의 흡수가 아니고 위상콘트라스트에 의존한 촬상법이 있다. X선흡수의 상호작용 단면적보다 위상시프트의 단면적이 경원소에 대해서 약 천배 크므로, 위상콘트라스트 촬상법을 사용해서 종래보다 천배의 감도로 우수한 관찰을 할 수 있다. 이것은 생체연부조직을 특별한 조영처리를 실시하지 않고 관찰할 수 있는 것을 나타내며 실험적으로 증명되고 있다. 또, 조영제를 사용한다고 해도 조영제, 조영방법을 폭넓게 선택할 수 있으므로, 기능이메징 등의 특수한 목적에도 대응하기 쉽게 된다.
본 발명에 깊이 관계된 기술로서 3차원 관찰을 가능하게 하는 X선 CT에 이 위상콘트라스트를 도입한 위상형 X선 CT장치가 고안되어 있다. 장치구성은 모모세 외 : 「 위상형 토모그래피장치」 (USP 5,173,928), 생체조직의 관찰예는 A. Momose, et al., Rev. Sci. Instrum. 66 (1995) 1434에 기재가 있다. 이 방법은 X선 간섭계를 사용하고 간섭도형에서 가상적인 단면에 있어서의 상을 재생하는 것으로, 직경이 수미리인 피사체로 관찰예가 제시되어 있다. 그러나, 의료진단으로의 실용화에는 도달해 있지 않다.
본 발명의 목적은 상기 위상형 X선 CT를 X선 간섭계를 사용하지 않는 간편한 방식으로 제공하는 것이다. 상기의 X선 간섭계를 사용하는 방식은 1 간섭성을 확보하기 위해 X선 빔의 에너지폭을 좁게 해서 높은 단색도를 얻지 않으면 안되고, 싱크로트론방사광과 같은 밝은 광원을 사용하지 않으면 안된다는 것, 2 정밀광학계를 필요로 하므로 취급이 어렵다는 것, 3 실용에 적합한 넓은 시야를 확보하기 위한 기술이 확립되어 있지 않다는 문제가 있다.
제1도는 X선이 피사체를 투과하는 것에 의해 발생하는 위상시프트의 결정법의 원리도.
제2도는 결정표면과 결정격자 면이 기울어져 있는 경우의 회절상태를 도시한 도면.
제3도는 실시예 1의 구성도.
제4도는 측정의 흐름도.
제5(a)도는 위상의 초기값을 보정하는 경우의 흐름도.
제5(b)도는 위상의 초기값을 보정하는 경우의 다른 흐름도.
제6도는 실시예 2의 구성도.
위상콘트라스트에 의한 X선 CT는 입력데이타로서 X선의 위상분포를 필요로 한다. 상기 X선 간섭계를 사용하는 방법에서는 간섭도형에서 연산에 의해 위상분포를 취득하고 있었지만, 본 방법에서는 X선 간섭계를 사용하지 않고 이하의 방법에 의해 위상분포를 결정한다.
제1도에 도시하는 바와 같이 피사체(1)에 X선(2)가 조사된다고 한다. 피사체(1)은 강한 X선흡수는 도시하지 않고 (흡수콘트라스트에서는 농담을 구분하기 어렵다), 투과X선(3)이 얻어진다고 한다. 피사체(1)에 의한 위상시프트를 위해 X선(2)의 파면(2')(여기서는 간단히 하기 위해 X선(2)는 평면파라고 한다)가 X선(3)의 파면(3')과 같이 변화한다고 한다. 위상시프트ψ(x)는 파면형상의 변화량에 상당하므로 위상시프트ψ(x)를 계측한다고 하는 것은 파면형상을 계측한다고 하는 것에 대응한다. 또한, 이하의 의론은 간단히 하기 위해 x축상의 파면형상에 주목한 것으로 하지만, 후에 x - y 평면에서의 의론으로 확장한다.
단순히 X선(3)의 강도분포를 계측하는 것만으로는 파면형상에 관한 정보(위상정보)는 손상된다. 상기 X선 간섭계를 사용하는 방법에서는 물체의 투과X선에 참조X선을 중첩하여 발생하는 간섭도형에서 파면형상을 결정하고 있었다. 본 발명에서는 제1도와 같이 검광자(analyzer)결정(4)를 사용해서 파면형상을 결정한다. X선은 파면에 수직인 방향으로 전파하므로 파면이 제1도와 같이 구부러진다고 하는 것은 빔이 굴절되어 전파방향을 변경했다고 이해할 수도 있다. 따라서 제1도의 경우, 점A, B, C에서 파면의 기울기에 따라서 각각 미묘하게 전파방향이 다르다. 여기에서, 검광자결정(4)를 점A의 X선에 대해서 브랙회절조건을 만족하도록 입사각을 설정한다고 한다. 검광자결정(4)의 회절지수를 회절각도폭이 충분히 좁아지도록 선택하고 점B, C의 X선은 검광자결정(4)에 의해 반사되지 않는다고 한다. 이 때, X선 이미지센서(6)의 위치에서는 점A의 선 및 그것에 대략 평행한 X선만이 검출되게 된다. 즉, 검광자결정(4)는 파면(3')의 임의의 특정한 기울기부분만을 선별하는 기능을 하게 된다. 여기까지의 원리는 Improved X-ray optics, especially for phase contrast imaging (PCT/AU94/00480)에 기재가 있다. 단, 위상분포를 결정하는 방법에 대해서는 언급되어 있지 않다. 따라서 X선 CT의 기술에 결부시키기 위해서는 새로운 발명을 부가하지 않으면 않된다. 본 발명에서는 이하와 같이 위상분포를 결정한다.
빔의 굴절각 θ는 피사체(1)에 의한 위상시프트 ψ와
인 관계를 만족시킨다. λ은 X선의 파장이다. 이것에서
가 얻어진다. 즉, 상의 각 점x에서 굴절각도 θ를 조사하고 이것을 적분하는 것에 의해 φ를 결정할 수 있는 것을 나타내고 있다. 이것이 구하고자 하는 위상분포이다. 그래서, 검광자결정(4)를 임의의 회전축(5)의 주위에서 고정밀도로 회전할 수 있도록 하고 검광자결정(4)의 설정각도를 변화시키면서 X선 이미지센서(6)에 의해 회절강도를 여러장 기록하고, 각 화소에 대해서 회절강도가 최대로 되는 설정각도를 조사하는 것에 의해서 굴절각의 분포를 구할 수 있도록 한다. (2)식이 나타내는 바와 같이 얻어진 굴절각분포를 적분하는 것에 의해 위상분포가 결정된다. 또, 화상중의 피사체가 없는 부분에서 φ의 0점을 결정할 수 있다.
또한, X선의 굴절각은 크더라도 수초정도 이므로, 이것에 기인하는 상의 흐려짐은 피사체와 X선 이미지센서의 거리가 1m정도라도 수십 ㎛이고 이것에 의해 세밀하지 않은 공간분해능에 의한 상관찰이 전제이면 문제는 없다.
CT상을 재생하기 위해서는 피사체를 회전시키거나 X선원과 검광자결정 및 X선 이미지센서를 일체로 회전시켜서 여러개의 투영방향에서의 φ을 모아서 종래의 알고리듬을 그대로 사용하면 좋다.
다음에 파면을 2차원으로서 고려하는 경우를 설명한다. 각 점의 굴절각 θ는
와 서로 직교하는 2개의 굴절방향으로 나타낼 수 있다. 각각,
로 기재할 수 있고, 역시
가 성립한다. 따라서, φ를 구하기 위해서는 θx나 θy 중의 적어도 한쪽을 알고 있으면 좋다. 따라서 검광자결정(4)는 x축방향이나 y축방향중 어느 한쪽에서 스캔하면 좋다. 가령, 검광자결정(4)의 회전축을 y축과 평행하게 하고 x축방향의 굴절각을 조사한다고 한다. 이때의 y축방향의 굴절은 검광자결정(4)의 회절조건에는 거의 영향을 미치지 않으므로, 독립해서 θx를 구할 수 있다. 이미 알고 있는 위상콘트라스트X선 CT와 본 발명의 차이는 CT상 재생알고리듬으로의 투입데이타φ를 결정하는 방식이 용이해진 것이며, 실용성이 증가했다고 할 수 있다. 즉, 제작 및 취급이 어려운 X선 간섭계가 불필요, 굵은 X선 빔을 사용할 수 있고 넓은 시야를 확보할 수 있다, 비교적 밝은 광학계를 구축할 수 있다 는 이점이 있고, 의료응용에서 보아 유리한 특징을 구비하고 있다.
위상의 결정 정밀도에 관해서는 굴절각의 결정 정밀도에 의존한다. 굴절각은 0.01초 정도가 본 발명에 의한 검출하한이라고 고려할 수 있다. 가령, X선 간섭계를 사용해서 동일한 굴절각의 빔을 참조X선과 간섭시키면, 약 1Å의 X선으로 2㎜정도 간격의 간섭 줄무늬가 발생하게 된다. 또 굴절이 완만한 경우에도 간섭 줄무의의 간격이 넓어지므로 용이하게 검출할 수 있다. 즉, 약한 굴절에 대해서는 X선 간섭계를 사용하는 쪽이 고감도라고 할 수 있다. 반대로, 굴절이 커지면 간섭 줄무늬의 간격이 좁아지고 그 간격이 X선 화상센서의 공간분해능에 근접하면, 간섭 줄무늬의 선명도가 저하된다. 물론, 공간분해능보다 좁은 간섭 줄무늬는 검출할 수 없다. 한편, 본 방법에서는 굴절이 클수록 검출하기 쉬워진다. 즉, 본 발명과 X선 간섭계를 사용하는 위상형 X선 CT에서는 감도에 관한 이론에 있어서는 반드시 경합하는 기술이 아니고 각각 유리한 감도영역이 다르다고 할 수 있다. 본 방법은 흡수콘트라스트에 의존한 종래의 X선 CT와 X선 간섭계를 사용하는 위상형 X선 CT의 중간의 감도영역에서 상이 얻어지는 발명이라고 볼 수 있다.
이하, 도면을 사용해서 본 발명의 실시예를 설명한다.
[실시예 1]
제2도에 실시예 1의 구성을 도시한다. X선원(7)에서 얻어지는 X선빔(8)을 실리콘 등의 양질의 완전결정 덩어리에서 잘라낸 결정(9)에 조사하고, 결정표면에 대해서 경사진 격자면(9')에 대해서 특정 에너지폭의 X선이 회절조건을 만족시켜서 회절빔(10a)가 발생한다. 결정에 의한 X선의 비대칭반사에 관해서는 제3도에 도시하는 바와 같은 특징이 알려져 있다. 즉, 도면과 같이 결정(9)의 결정격자면(9')가 결정표면에 대해서 각도 α만큼 경사져 있다고 한다. 비대칭도b가
과 같이 정의할 수 있고, 빔의 폭이 1 / b 배로 되며 빔의 발산각이 b배(즉, ωh/ωo = b)로 된다. 즉 α의 값이 브랙각 θB에 가까울수록 빔폭은 넓어지고 또한 회절빔의 발산각이 작아져 평면파에 가까워진다. 따라서 결정(9)는 회절빔의 에너지폭을 한정하는 단색화작용에 부과하여 빔단면적을 넓히는 작용 및 회절빔을 평행화하는(평면파에 근접시키는)작용을 동시에 담당하고 있다.
한편, 피사체(1)을 투과해서 위상시프트(굴절)를 받은 빔(10b)는 검광자결정(11)에 의해서 특정 굴절각의 성분만이 추출되고 빔(10c)로 된다. 검광자결정(11)은 결정(9)와 마찬가지로 비대칭의 회절을 이용하고 있지만, 2장의 반사면(11a와 11b)를 일체의 블럭내에 갖고 있다. 또, 결정(9)와 검광자(11)의 회절면은 대략 평행하게 한다. 이것은 결정(9)에 의해서 x축방향으로는 평행화되어 있지 않지만 y축방향에서는 X선원(7)로부터의 빔발산이 그대로 남아있므므로 검광자(11x)축을 회전축으로 해서 y축방향으로 회전시켜 굴절각을 결정하려고 해도 정밀도상 불리하기 때문이다. 또, X선이 결정(11a)에 입사하는 경로는 결정(9)와는 반대로 되어 있다. 이것은 약간의 굴절에도 민감하게 하기 위함이다.
단, 회절빔(10c)의 공간폭이 좁아져버리므로 결정(11b)에 의해 재차 회절시켜서(여기서는 결정(9)와 동일) 원래의 빔폭으로 복구시킨다. 결정(11)은 회전대(12)상에 고정되어 있고 점(13)을 지점으로 해서 선형모터 또는 압전소자를 사용한 평행이동기기(18)이 누르는 축(19)에 의해 고정밀도로 회전할 수 있다.
검광자결정(11)을 통과한 빔(10d)는 X선 이미지센서(6)에 의해 검출되고, 검광자결정(11)이 특정 각도로 설정될 때마다 화상메모리(14)에 축적된다. 화상처러장치(16)은 X선 이미지센서(6)의 각 화소마다 최대강도를 인가하는 검광자결정(11)의 설정각도를 구하고, 상술한 식에서 θ(x)를 결정한다. θ(x)의 적분형이 위상분포상φ(x)이므로 화상처리장치(16)은 연산에 의해 φx(x)를 결정할 수 있다.(제2도에 있는 바와 같이 x축 y축을 정의하고 있다).
CT스캔을 위해서는 피사체용의 대(17)을 축(20) 주위에서 회전시키는 것에 의해 여러 개의 다른 투영방향에서 위상을 결정할 수 있다. 피사체(1) 및 검광자결정(11)의 회전은 화상처저장치(16)과 동기해서 구동할 수 있는 컨트롤러(15)를 사용한다. 또한, 피사체를 정지시키고 축(20) 주위에서 X선원(7), 결정(9), 검광자결정(11) 및 X선 이미지센서(6)을 일체로 회전시켜도 동등한 스캔을 실행할 수 있다. 이상, 각 투영방향에 있어서의 위상분포상을 취득할 수 있으므로 이 데이타를 일반적인 X선 CT알고리등에 투입하는 것에 의해 위상형의 X선 CT상을 재생할 수 있다. X선 이미지센서(6)이 2차원센서일 때는 상기 방법에 의해 지면과 평행한 여러개의 연속한 면에 있어서의 CT상을 재생할 수 있으므로 3차원 관찰이 가능하게 된다.
제4도에는 일련의 측정절차의 흐름도를 도시하였다. 먼저 스텝(41)에서 스타트하고 스텝(42)에서 검광자를 스캔하고 스텝(43)에서 굴절각분포θ를 결정하고 스텝(44)에서 위상시프트분포φ를 계산하고 스텝(45)에서 피사체(1)의 스텝회전을 한다. 스텝(46)에서 피사체의 전체회전각이 180°인지 아닌지를 판단한다. 스텝(46)의 판단이 NO라면 앞의 스텝(42)로 돌아간다. 스텝(46)의 판단이 YES라면 CT상을 스텝(47)에서 재생하고 스텝(48)에서 표시한다. 여기에서 스텝(49)에서 일련의 측정절차를 종료한다. 본 발명은 X선이 굴절에 의해 구부러지는 것을 이용하고 있는 것이지만, 이것에 의한 화상의 흐려짐은 거의 무시할 수 있으면 근사하고 있다. 따라서 피사체는 180°분만큼 스캔하고 나머지 반주의 데이타는 최초의 반주분의 데이타를 반전해서 사용해도 좋다. 물론, 스캔 시간이 2배로 되도 상관없으면, 360°스캔하여 화질의 향상을 우선시켜도 좋다.
또, 빔(10a)는 엄밀하게 평면파라고는 말할 수 없다. 따라서 미리 피사체가 없는 상태에서 검광자(11)을 스캔해서 빔(10a)의 초기파면형상(위상의 초기값)을 조사해 둘 필요가 있다. 피사체에 의한 위상시프트는 피사체를 삽입해서 구한 파면형상의 초기파면으로부터의 변화량에 상당한다. 피사체를 삽입하은 전후에 위상시프트φ를 구하여 차분을 취하는 방법과, 먼저 굴절각분포의 차분을 구하고 이것을 적분하는 방법이 있다. 제5(a)도, 제5(b)도에 각각의 경우에 대해서 흐름도(대응부분만)을 도시하였다.
제5(a)도의 방법에서는 스텝(51)에서 검광자를 스캔하고 스텝(52)에서 굴절각분포θo을 결정하고, 스텝(53)에서 위상시프트분포φo을 계산한다. 그후, 스텝(54)에서 피사체를 삽입하고 스텝(55)에서 검광자로 스캔하고 스텝(56)에서 굴절각분포θo를 결정하고, 스텝(57)에서 위상시프트분포φs를 계산하고 스텝(58)에서 φ = φs - φo 을 계산한다.
제5(b)도의 방법에서는 스텝(61)에서 검광자를 스캔하고 스텝(62)에서 굴절각분포 θo을 결정하고 스텝(63)에서 피사체를 삽입한다. 그후, 스텝(64)에서 검광자로 스켄하고 스텝(65)에서 굴절각분포 θs를 결정하고 스텝(66)에서 θ - θo을 계산하고 스텝(67)에서 위상시프트분포φ를 계산한다.
[실시예 2]
실시예 1에 있어서는 검광자결정으로서 결정격자면에 대해서 표면을 경사시켜서 잘라낸 2장 일체형상의 것을 사용하였다. 이 경우, 2회의 회절이 있으므로 이미지센서에 도달할 때까지 다소의 강도손실이 있다. 본 실시예에서는 1회의 회절이고, 각도분해능도 높은 고차 회절에 의한 검광자결정을 사용하는 경우를 설명한다.
제6도에 구성을 도시하였다. 실시예 1과 다른 점은 결정(21)과 (22)이다. 결정(21)에 대해서는 실시예 1에 있어서의 결정(9)와 목적이 동일하다. 따라서 실시예(1)에 있어서의 결정(9)와 동일한 것을 여기에 설치해도 관계없다. 결정(22)는 피사체(1)의 상이 수축되는 것을 방지하기 위해 대칭반사면을 사용하고 있다. 그 밖의 구성은 실시예 1과 동일하다. 고차 회절을 사용하면 회절각이 커지므로 피사체(1)이 삽입되는 공간이 좁아진다는 결점은 있다.
본 발명에 의해 비교적 간단한 장치구성으로 X선 위상콘트라스트에 의한 3차원 관찰이 가능하게 된다. 또, 용이하게 넓은 시야를 확보할 수 있어 종래보다 큰 피사체에 쉽게 적용할 수 있게 되었다.

Claims (6)

  1. 여러개의 다른 방향에서 물체에 X선을 조사하고 이 물체를 투과했을 때에 발생하는 X선의 위상시프트분포에서 상기 물체의 단층상을 재생하는 장치에 있어서 상기 물체를 투과한 X선의 굴절각의 분포에서 상기 위상시프트분포를 구하는 위상시프트분포 결정방법으로서, 물체를 투과한 X선의 굴절각의 분포를 조사하기 위해 상기 물체를 투과한 X선 빔을 후치결정에 의해 회절시키는 스텝, 상기 빔의 상기 후치결정으로의 입사각을 변화시키면서 회절상을 2차원 또는 1차원 X선 센서에 의해 취득하는 스텝 및 얻어진 여러개의 회절상에서 연산에 의해 위상시프트분포를 결정하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 위상시프트분포 결정방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 후치결정으로의 입사각을 변화시키면서 회절상을 취득하는 스텝은 화상의 각 피크셀 위치에서 X선 강도가 최대로 되는 각도위치를 결정하는 스텝 및 이 각도위치를 각 피크셀마다 배열된 상에서 위상시프트 분포상을 취득하는 스텝을 구비하는 것을 특징으로 하는 위상시프트분포 결정방법.
  3. X선 빔을 방출하는 X선원, 상기 X선 빔의 조사에 의해 회절빔을 발생하는 제1 결정, 상기 회절빔의 진행방향에 마련된 피사체 배치부, 상기 피사체 배치부를 통과한 빔을 받아서 특정 굴절각의 성분만을 추출하는 제2 결정 및 상기 제2 결정에 의해 추출된 빔을 검출하는 센서로 이루어지는 위상형 X선 CT장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 결정으로부터의 회절빔과 상기 피사체 배치부를 상대적으로 회전시키는 기구를 구비한 것을 특징으로 하는 위상형 X선 CT장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제2 결정내의 1점을 지점으로 해서 상기 제2 결정을 회전시키는 기구를 구비한 것을 특징으로 하는 위상형 X선 CT장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 제2 결정은 상기 피사체 배치부를 통과한 빔을 회절시키는 제3 결정과 상기 제3 결정으로부터의 회절빔을 재차 회절시키는 제4 결정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 위상형 X선 CT장치.
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