KR100687846B1

KR100687846B1 - 국부 고해상도 엑스선 단층 영상 재구성 방법 및 국부고해상도 엑스선 단층 영상 재구성 장치

Info

Publication number: KR100687846B1
Application number: KR1020050005831A
Authority: KR
Inventors: 조민형; 이수열; 전인곤; 이상철
Original assignee: 경희대학교 산학협력단
Priority date: 2005-01-21
Filing date: 2005-01-21
Publication date: 2007-02-27
Also published as: US20080118024A1; WO2006078085A1; JP2008528096A; KR20060085310A; US7561659B2

Abstract

본 발명은 X-선 단층 영상 재구성 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 국부적으로 고해상도를 갖는 X-선 단층 영상을 재구성하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명에 의한 장치는 대상 물체와 X-선 발생기 사이의 거리를 변화시킬 수 있도록 되어 있어서 재구성되는 X-선 단층 영상의 해상도를 조절할 수도 있다. 본 발명의 일 측면에 따른 국부 관심영역에 대한 고해상도 X-선 단층 영상을 포함하는 단층 영상의 재구성 방법은, 국부 관심영역을 포함하는 대상 물체의 일부가 엑스선의 조사범위에 속하도록 엑스선 발생기 측에 근접한 위치에서 대상 물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타를 획득하는 단계와; 대상 물체 전체가 엑스선의 조사범위에 속하는 위치에서 대상물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타로부터 상기 근접한 위치에서 대상 물체 전체에 엑스선이 조사된 것으로 가정할 경우에 획득할 수 있는 가상의 투영 데이타를 연산하는 단계와; 국부 관심영역 부분의 데이타를 제외한 대상 물체 전체에 대한 가상의 투영데이타와 상기 엑스선 소스측에 근접한 위치에서 획득된 투영데이타를 조합하는 단계와; 상기 조합된 투영데이타를 재구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

불포화토, 함수특성곡선, 모관흡수력

Description

국부 고해상도 엑스선 단층 영상 재구성 방법 및 국부 고해상도 엑스선 단층 영상 재구성 장치{METHOD FOR RECONSTRUCTING A LOCAL HIGH RESOLUTION X-RAY CT IMAGE AND APPARATUS FOR RECONSTRUCTING A LOCAL HIGH RESOLUTION X-RAY CT IMAGE}

도 1은 X-선 단층 영상 재구성 장치의 기본 원리에 대한 설명도

도 2는 종래의 X-선 단층 영상 재구성 장치의 기본 구성의 개략도

도 3은 국부 관심영역에 대한 고해상도 영상을 획득하는 원리에 대한 설명도

도 4는 본 발명의 일측면 따른 국부 고해상도 엑스선 단층 영상 재구성 방법을 설명하는 흐름도

도 5 내지 도 8은 본 발명의 방법에 따라 국부 고해상도 엑스선 단층 영상을 재구성하는 방법을 설명하는 설명도

도 9는 본 발명의 다른 측면에 따른 국부 고해상도 엑스선 단층 영상 재구성 장치의 일실시예의 개략도

도 10은 도 9의 장치를 이용하여 국부 고해상도 엑스선 단층 영상을 재구성하는 절차의 개략 설명도

도 11은 본 발명에 따른 방법 및 장치에 의하여 얻어진 국부 고해상도 엑스선 단층 영상 사진

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : X-선 발생기 20 : X-선 검출기

30 : 갠트리 40 : X-선 제어부

50 : 갠트리 모타 제어부 60 : 데이터 획득부

70 : 컴퓨터 80 : 선형 액추에이터 제어부

90 : 선형 액츄에이터

본 발명은 X-선 단층 영상 재구성 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 국부적으로 고해상도를 갖는 X-선 단층 영상을 재구성하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명에 의한 장치는 대상 물체와 X-선 발생기 사이의 거리를 변화시킬 수 있도록 되어 있어서 재구성되는 X-선 단층 영상의 해상도를 조절할 수도 있다.

X-선은 임의의 물체를 통과할 때 통과하는 대상의 물리적 성질과 거리에 따라 세기가 감소하는 특성을 나타낸다. 이러한 특성을 Lambert-Beers 법칙이라고 하며 아래의 수식으로 표현된다.

여기서 는 I₀ 는 초기 X-선의 세기이며, μ 는 물체 고유의 X-선 감쇠율, L 은 X-선이 통과하는 물체의 길이이다. 이 수식은 초기의 X-선이 I₀ 의 세기로 조사되었을 때 투과되는 물체의 감쇠율과 거리에 따라서 감쇠되는 관계를 나타낸다. 이 식은 물체가 단일 물체로 이루어져 있을 경우이고 여러 가지의 물질이 섞여 있는 경우에는 아래와 같은 수식이 된다.

여기서 s는 X-선이 지나가는 경로를 나타내고, X-선 감쇠율 μ(s)는 물체의 위치마다 다르므로 경로의 함수가 된다.

인체의 내부진단이나 물체 내부의 결함을 밝혀내는 비파괴 검사에 널리 이용되고 있는 X-선 촬영 장치는 물체를 통과하는 위치마다 다른 X-선의 세기를 2차원 필름에 감광하여 투영 영상(projection image)을 얻는다. X-선이 임의의 물체를 통과할 때, 상기의 수식과 같이 물체마다 고유한 감쇠율과 통과한 경로에 따라서 X-선의 세기가 변하게 되고, 이 변화된 값이 감광 필름에 검출된다. 이러한 X-선 투영 사진은 X-선이 물체 내부의 경로를 지나면서 누적된 최종 값을 나타내는 것이기 때문에 물체 내부에 대한 정보를 나타내지만 물체의 깊이에 따른 정보, 즉 단면 영상을 보여주지는 못하는 단점을 가지고 있다.

이에 반하여 X-선 전산화 단층 영상 재구성 장치(CT, computerized tomography)는 물체를 360° 회전시키거나 X-선 발생기와 검출기를 물체 주위로 360° 회전시키면서 여러 각도에서 수십 내지 수백 개의 투영 영상을 얻은 후에 이를 컴퓨터를 이용하여 수학적으로 재구성(reconstruction)함으로써 물체의 깊이 정보, 즉 단면 영상을 만들어 낸다. 도 1은 종래의 X-선 단층 영상 재구성 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 개략도이다. 종래의 X-선 단층 영상 재구성 장치는 단층 영상을 얻고자 하는 대상 물체(11)로부터 일정거리 이격되어 마주보도록 고정 설치된 X-선 발생기(10)와 X-선 검출기(20)를 대상 물체(11)를 중심으로 360° 회전 시키면서 일정한 각도 간격으로 X-선 발생기(10)에서 발생되어 대상물체(11)를 통과한 X-선(12)을 X-선 검출기(20)에서 검출하여 단면 영상을 재구성하도록 되어 있다. X-선 검출기(20)에서 검출된 데이터로 단면 영상을 만들어 내는 가장 일반적인 방법은 역투영(back projection) 방법으로 그와 관련된 수식은 아래와 같다.

여기서 θ와 t는 투영 데이타를 얻는 기하학적인 조건으로 각각 회전각과 X- 선 검출기(20)의 길이 방향의 좌표를 나타내고,

은 검출기(20)의 전체 길이이다. 는 θ 방향으로 얻어진 투영데이터이다. 함수

는 역투영 필터링 함수를 나타낸 것으로 Ram-Lak, shepp-Logan 필터 등이 일반적으로 많이 사용된다. 이러한 역투영 과정의 계산을 통하여 구하고자 하는 함수 는 X-선이 물체를 통과할 때 얼마나 감쇠되었는지를 나타내는 것으로 촬영 대상의 각 위치

(x, y)에서의 감쇠율 값이며, 얻고자 하는 단면 영상을 의미한다. 결국 X-선 단층 영상 재구성 장치는 X-선이 물체의 단면을 투과할 때 물체의 종류에 따라 고유한 감쇠율 값을 각 위치별로 정량적으로 계산하여 영상으로 보여주는 것이다.

도 2에는 현재 주로 사용되고 있는 X-선 단층 영상 재구성 장치의 기본적인 구성의 개략도가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 것과 같이, 종래의 X-선 단층 영상 재구성 장치는 회전 가능하게 설치된 갠트리(30)에 X-선 발생기(10)와 X-선 검출기(20)가 고정되어 있다. X-선 발생기(10)와 X-선 검출기(20)는 갠트리(30)의 회전 중심에 대하여 대향하는 위치에 고정 설치되며, 통상 회전 중심으로부터 같은 거리에 위치한다. 초기의 단층 영상 재구성 장치의 X-선 검출기(20)는 라인 형태의 1차원 배열 형태로 구성되어 있어 2차원 단면 영상을 주로 획득하였다. 최근에는 하드웨어 기술의 발달로 X-선 검출기(20)가 라인형태의 1차원 배열 형태에서 수 ~ 수십 줄의 제한적인 2차원 배열 형태로 발전함에 따라 획득되는 영상도 제한적인 3차원 영상으로 발전하고 있으며, 최근에는 점차로 X-선 검출기가 완전한 2차 원 배열 형태로 발전하고 있는 추세이다.

상기와 같은 구조를 갖는 X-선 단층 영상 재구성 장치의 단면 영상의 해상도(R)는 X-선 발생기(10)로부터 X-선 검출기(20)까지의 거리 SD(Source to detector distance)와 X-선 발생기(10)로부터 대상 물체(11)의 중심거리 SOD(Source to object distance)의 상대적 비율에 의하여 결정된다. 해상도(R)를 나타내는 수식은 아래와 같다. 여기서 DS는 X-선 검출기(20)의 화소의 크기(pixel size)이다.

종래의 X-선 단층 이미지 재구성 장치는 정해진 화소 크기를 갖는 X-선 검출기를 사용하고, X-선 발생기와 X-선 검출기 사이의 거리가 고정되어 있으며 X-선 발생기와 검출기 사이의 중심에 대상물체의 중심의 위치하도록 되어 있다. 따라서 종래의 X-선 단층 이미지 재구성 장치는 항상 고정된 해상도의 단면 영상만을 제공한다.

정해진 화소 크기를 갖는 단층 영상 재구성 장치로 고해상도의 단면영상을 얻기 위하여, 대상 물체를 X-선 발생기 측으로 이동시켜서 단면 영상을 획득하는 확대 효과를 이용할 수 있다. 확대 효과는, 도 3에 도시된 것과 같이, X-선 발생기(10) 측에 근접하게 배치된 대상 물체(11)의 내부를 투과하는 X-선(12)이 X-선 검출기(20) 측에 근접하게 배치된 대상 물체(11)의 내부를 투과하는 X-선(12)보다 더 밀하게 투과되기 때문에, X-선 검출기(20)에 투영되는 데이타의 해상도가 향상되는 효과를 말한다. 즉, 대상 물체의 일부분이 X-선 검출기 측에 근접하게 배치되어 X-선 검출기에 크게 확대되어 투영되기 때문에 해상도가 향상되는 것이다.

그러나 확대효과에 의한 해상도 향상을 위해 대상물체를 X-선 발생기 측으로 이동시키면 X-선 발생기와 X-선 검출기 사이의 X-선 조사각의 범위에서 대상 물체의 일부분이 벗어나게 되는 문제점이 있다. 기본적으로 전산화 단층 영상 재구성 방법은 X-선 발생기와 X-선 검출기 사이의 X-선 조사각의 범위 내에 영상 재구성 대상 물체가 모두 포함되어야 한다. 따라서 도 3에 도시된 것과 같이, 대상물체(11)의 일부가 X-선 조사각의 범위에서 벗어나게 되면 X-선 검출기(20)로부터 얻어지는 투영 데이타는 대상물체의 조사각에서 벗어난 부분에 대한 투영 데이터가 없어서 완벽한 단면 영상을 재구성할 수 없게 된다. 그러므로 확대 효과를 이용하여 고해상도의 단면 영상을 얻고자 할 경우, 대상물체가 X-선 발생기에 근접하게 위치시켜도 X-선 조사각의 범위에 완전히 포함될 수 있는 작은 대상 물체에 한정되는 문제점이 있다. 이러한 문제점은 확대 효과를 이용하여 단면 영상의 해상도를 높이고자 할 경우, fan-beam 형태의 X-선 발생기를 구비한 장치나 cone-beam 형태의 X-선 발생기를 구비한 장치 모두에 공통된 것이다.

한편, 발명의 명칭이 ‘제한된 X-선 노출을 갖는 국부 CT 영상 재구성’인 미국특허 제6,246,742 B1호에는 X-선에 노출되는 환자나 작업자의 위험을 감소시키기 위하여, X-선 발생기의 X-선 조사각을 조절하여 단층 이미지가 필요한 부분만을 국부적으로 X-선에 노출시키고 X-선에 노출된 부분에 대한 단층 영상을 얻는 방법 이 개시되어 있다. 그러나, 상기 특허에 개시된 방법에 의하여 얻게 되는 국부적인 단층 영상의 해상도는 장비의 제조시에 정해진 해상도를 갖는 단면 영상으로서 국부적으로 고해상도의 단면 영상을 얻을 수 있는 것은 아니다.

임상 연구나 환자의 특정한 부분의 정확한 진단을 위하여 국부적으로 고해상도의 단면 영상이 필요한 경우가 있다. 그러나 앞에서 살펴본 바와 같이 종래의 X-선 단층 영상 재구성 장치는 모두 장치의 제조시 정해진 해상도의 단면 영상만을 제공하도록 되어 있어서 필요에 따라서 적절한 해상도의 국부적인 단면 영상을 제공할 수 없다는 한계가 있다.

본 발명의 제1의 목적은 대상 물체의 X-선 단층 영상을 재구성하는 방법에 있어서, 국부 관심 영역에 대한 고해상도의 단층 영상을 포함하는 단층 영상을 재구성하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 제2의 목적은 대상 물체의 국부 관심 영역에 대하여 고해상도 단층 영상을 재구성할 수 있도록 대상 물체와 X-선 발생기 사이의 거리를 조절할 수 있는 엑스선 단층 영상 재구성 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 국부 관심영역에 대한 고해상도 X-선 단층 영상을 포함하는 단층 영상의 재구성 방법은, 국부 관심영역을 포함하는 대상 물체의 일부가 엑스선의 조사범위에 속하도록 엑스선 발생기 측에 근접한 위치에서 대상 물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타를 획득하는 단계와; 대상 물체 전체가 엑스선의 조사범위에 속하는 위치에서 대상물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타로부터 상기 근접한 위치에서 대상 물체 전체에 엑스선이 조사된 것으로 가정할 경우에 획득할 수 있는 가상의 투영 데이타를 연산하는 단계와; 국부 관심영역 부분의 데이타를 제외한 대상 물체 전체에 대한 가상의 투영데이타와 상기 엑스선 소스측에 근접한 위치에서 획득된 투영데이타를 조합하는 단계와; 상기 조합된 투영데이타를 재구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 가상의 투영데이타를 연산하는 단계는, 대상물체 전체가 엑스선의 조사범위에 속하는 위치에서 대상물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타로 대상물체 전체의 단면 영상 데이타를 재구성하는 단계와, 상기 근접한 위치에서 대상 물체 전체에 엑스선이 조사된 것으로 가정하여 상기 재구성된 대상물체 전체의 단면 영상 데이타를 선적분하여 가상의 투영데이타를 연산하는 단계를 포함할 수도 있다.

본 발명의 다른 측면에 의한 대상물체의 국부 관심영역에 대하여 고해상도의 엑스선 단층 영상을 재구성 할 수 있는 장치는, 회전 가능하게 설치된 갠트리와, 상기 갠트리에 설치된 엑스선 발생기와, 상기 갠트리에 설치되어 상기 엑스선 발생기로 부터 방사되어 대상물체를 통과한 엑스선을 검출하여 투영 데이타를 출력하기 위한 엑스선 검출기와, 상기 검출기로부터 투영 데이타를 전송 받아 대상물체의 영상을 재구성하기 위한 영상 시스템을 포함하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치에 있어서, 상기 엑스선 발생기 또는 상기 대상물체 중 어느 하나를 상대적으로 이동시키기 위한 이동수단을 더 포함하고, 상기 영상 시스템은, 국부 관심영역을 포함하는 상기 대상 물체의 일부가 엑스선의 조사범위에 속하도록 엑스선 발생기 측에 근접한 위치에서 대상 물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타를 제공받고, 대상 물체 전체가 엑스선의 조사범위에 속하는 위치에서 대상물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타로부터 상기 근접한 위치에서 대상 물체 전체에 엑스선이 조사된 것으로 가정할 경우에 얻을 수 있는 있는 가상의 투영 데이타를 연산하고, 국부 관심영역 부분의 데이타를 제외한 대상 물체 전체에 대한 가상의 투영데이타와 상기 엑스선 발생기 측에 근접한 위치에서 대상물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타를 조합하고, 상기 조합된 투영데이타를 영상으로 재구성하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 X-선 단층 영상 재구성 장치에 있어서 상기 영상 시스템은, 대상물체 전체가 엑스선의 조사범위에 속하는 위치에서 대상물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타로 대상물체 전체의 단면 영상 데이타를 재구성하고, 상기 근접한 위치에서 대상 물체 전체에 엑스선이 조사된 것으로 가정하여 상기 재구성된 대상물체 전체의 단면 영상 데이타를 선적분하여 가상의 투영데이타를 연산하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 X-선 단층 영상 재구성 장치에 있어서, 상기 이동수단은 상기 엑스선 발생기를 대상물체에 대하여 상기 갠트리의 회전중심을 통과하는 직선을 따라서 상대 이동시킬 수 있는 선형이동수단을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 선형이동수단은 상기 엑스선 발생기과 상기 엑스선 검출기가 상대적으로 이동하지 않도록 동시에 이동시키는 것이 보다 바람직하다.

본 발명의 또 다른 측면에 의한 해상도를 조절할 수 있는 X-선 단층 영상 재구성 장치는, 회전 가능하게 설치된 갠트리와, 상기 갠트리에 설치된 엑스선 발생기와, 상기 갠트리에 설치되어 상기 엑스선 발생기로 부터 방사되어 대상물체를 통 과한 엑스선을 검출하여 투영 데이타를 출력하기 위한 엑스선 검출기와, 상기 검출기로부터 투영 데이타를 전송 받아 대상물체의 영상을 재구성하기 위한 영상 시스템을 포함하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치에 있어서, 엑스선 단층 영상의 해상도를 조절할 수 있도록 상기 엑스선 발생기 또는 상기 대상물체 또는 상기 엑스선 검출기 중 적어도 하나를 상기 갠트리의 회전중심을 통과하는 직선을 따라서 상대적 이동시키기 위한 선형이동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 해상도를 조절할 수 있는 X-선 단층 영상 재구성 장치에 있어서, 상기 선형이동수단은 상기 엑스선 발생기와 상기 엑스선 검출기를 상기 대상물체에 대하여 상대적으로 이동시킬 수 있도록 되어 있다.

또한 본 발명에 따른 X-선 단층 영상 재구성 장치의 상기 엑스선 검출기는 1차원 배열 형태나 2차원 배열 형태 중 어느 것이나 사용할 수 있다.

이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 4 내지 도 7에는 본 발명에 따른 국부 관심영역에 대한 고해상도 X-선 단층 영상을 포함하는 단층 영상의 재구성 방법이 도식적으로 도시되어 있다.

먼저 도 4에 도시된 것과 같이 대상물체(11)에서 고해상도 단층 영상을 얻고자 하는 국부 관심영역(11a)(ROI, Region of Interest)에 대하여 X-선이 조사될 수 있도록 대상물체를 X-선 발생기(10)에 근접시키고 X-선을 조사하여 360° 스캔된 고해상도 투영 데이터(25)를 얻는다. 이렇게 얻어진 고해상도 투영데이터(25)는 대상물체(11)의 X-선 조사각 외측의 부분(11b)의 투영데이터를 결여하고 있어서 단 층 영상으로 재구성하면 심각한 영상 왜곡이 발생한다.

다음으로 왜곡 현상을 보완하기 위하여 대상물체(11)의 X-선 조사각 외측의 부분(11b)의 투영데이터를 다음과 같이 획득한다. 즉, 도 5에 도시된 것과 같이 대상물체(11) 전체가 X-선의 조사각 내에 포함되도록 대상물체(11)를 X-선 발생기(10)로부터 X-선 검출기(20) 측으로 이동시킨 후 X-선을 조사하여 360° 스캔된 저해상도 투영 데이터(26)를 얻는다. 다음으로 대상물체 전체에 대한 저해상도 투영 데이터(26)를 기초로 전체 대상물체(11)에 대한 단층 영상을 재구성한다. 도 5에 도시된 것과 같은 상태에서 획득한 투영데이터를 기초로 재구성하여 얻어진 단층 영상은 확대효과가 적어 해상도는 떨어지지만 대상물체가 X-선의 조사각의 내에 전부 포함되어 있으므로 왜곡이 없는 완벽한 단층 영상이다.

다음으로, 상기 재구성된 저해상도의 단층 영상 데이터로부터 컴퓨터에서 도 4의 경우와 동일한 위치에서 X-선에 투영된 것으로 가정할 경우의 투영 데이터를 연산에 의하여 구한다. 다음으로, 컴퓨터 연산에 의하여 얻어진 가상의 투영데이타 중에서 도 4의 조사각 외측 부분에 해당하는 부분의 투영 데이터를 추출하여 조사각 내측의 고해상도 투영데이타와 조합하면 대상물체 전체에 대한 왜곡이 없는 투영 데이터를 얻게 된다. 이하에서 이에 대하여 수학식과 도 6 및 도 7을 가지고 구체적으로 설명한다.

먼저 도 5에 도시된 조건에서 얻어진 투영데이터(26)를

라고 하고, 도 4에 도시된 조건에서 얻어진 투영데이터(25)를

라고 한다. 앞에서 설명한 것과 같이 전자는 저해상도 투영데이터이나 대상물체 전체의 투영 데이터이고, 후자는 고해상도 투영데이타이나 대상 물체의 국부 관심영역(11a)을 포함하는 부분에 대한 투영데이타이다. 여기서 θ는 촬영 대상의 주위를 회전하는 회전각을 의미하고, t는 X-선 검출기의 길이좌표를 의미한다.

는 대상물체가 X-선 조사각 내부로 완전히 포함되지 않은 상태에서 얻어진 투영데이터라서 이 투영 데이터를 가지고 영상을 재구성하면 데이터의 왜곡이 발생한다. 이를 보완하기 위해서

의 데이터를 이용한다. 먼저

의 데이터를 이용하여 단층 영상을 재구성한다. 대상물체의 조사각 외측부분의 투영데이터를 보충하기 위하여 도 6에 도시된 것과 같이 재구성된 단층영상(11‘)으로부터

와 같은 기하학적인 조건에서 X-선에 투영된 것으로 가정할 경우의 가상의 투영데이터(27)를 구한다. 조사각 외측부분의 가상의 투영데이터(27)를 구하는 방법은 컴퓨터를 이용한 가상의 공간에서 가상의 X-선 발생기(10’)와 가상의 X-선검출기(20‘)를 이용하는 데, 도 5에서 얻은 단면영상(11’)으로부터 가상의 X-선(12‘)이 지나가는 영상 화소의 값을 선적분하여 가상의 투영데이터(27)를 얻는 것이다. 이는 실제 X-선이 임의의 물체를 투과할 때에도, 투과되는 물체의 물리적 특성과 거리에 따라 감쇠되는 값이 선적분되어 X-선 검출기에 검출되는 원리를 그대로 이용한 것이다. 이 경우에 이용된 가상의 X-선 검출기(10’)는 실제의 X-선 검출기(10)보다 대상물체 전체에 대한 투영데이터가 포함될 수 있도록 조사각을 가정한다. 상기와 같이 연산에 의하여 얻은 투영 데이터를

라고 한다. 가상의 연산에 의하여 얻어진 투영데이터는 해상도는 떨어지지만 대상물체의 조사각 외측 부분에 대한 정보를 가지고 있다. 따라서,

및

두개의 투영 데이터를 아래와 같은 수식을 통하여 조합하면, 도 11에 도시된 것과 같이, 대상물체의 국부 관심영역(11a)은 고해상도를 갖고 국부 관심영역이외의 부분(11b)은 저해상도를 갖는 새로운 투영데이터(28)를 얻게 된다.

[수학식 6]

이렇게 얻어진 투영 데이터 을 일반적인 단층 영상 재구성 방법으로 재구성하면 국부 관심 영역에 대하여 해상도가 향상되어 있고 왜곡이 없는 영상을 획득할 수 가 있다. 도 11에는 본 발명에 따른 국부 관심영역에 대한 고해상도 X-선 단층 영상을 포함하는 단층 영상의 재구성 방법에 의하여 재구성된 단면 영상이 도시되어 있다. 도 11(a)는

을 재구성한 영상이고(사진에서 점선부분은 고해상 도로 재구성하고자 하는 국부 관심영역이다), 도 11(b)는

을 재구성한 영상이다. 상술한 바와 같이 도 11(b)에는 영상의 왜곡이 관찰된다. 도11 (c)는 본 발명에서 제시한 방법으로 재구성한 영상이다. 본 발명의 방법에 의하여 영상의 왜곡 없이 고해상도의 국부 관심영역의 영상을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 또한, 본 발명에서 제시한 방법은 1차원 배열형식 또는 2차원 배열형식의 X-선 검출기 모두에 대하여 적용이 가능하다.

도 8은 본 발명에 따라서 고해상도 국부 X-선 단층 영상을 얻기 위한 방법의 절차도이다(본 발명에 따른 고해상도 영상 재구성 방법을 ‘zoom-in 기법’이라고 부르고자 한다). 먼저 저해상도의 투영 데이터를 획득하여 일반적인 단층촬영기법에 따라 단면 영상을 획득한다. 다음으로 국부 관심영역에 대한 고해상도의 투영 데이터를 획득한다(S10). 다음으로, 저해상도 전체 투영데이타로 저해상도 단층 영상을 재구성한다(S20). 다음으로, 저해상도 단층 영상 데이터로부터 고해상도 투영 조건에서 가상 투영데이터를 연산한다(S30). 다음으로, 저해상도 가상투영데이터와 고해상도 투영데이타를 조합한다(S40). 다음으로, 조합된 투영데이터로 단층 이미지를 재구성하여 왜곡이 없는 단층 영상을 얻는다(S50).

이하에서는 도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명에 다른 국부 고해상도 X-선 단층 영상을 얻기 위한 장치의 일실시예에 대하여 설명한다.

도 9를 참조하면, 본 실시예의 X-선 단층 영상 재구성 장치는, 회전 가능하게 설치된 갠트리(30)와, 갠트리(30)에 고정된 선형이동수단(90)과, 선형이동수단 (90)에 이동이 가능하도록 각각 대향하는 위치에 고정 설치된 X-선 발생기(10) 및 X-검출기(20)를 포함한다. X-검출기(20)는 X-선 발생기(10)로 부터 방사되어 대상물체를 통과한 엑스선을 검출하여 투영 데이타를 출력한다. 또한, X-선 단층 영상 재구성 장치는 X-검출기(20)로부터 투영 데이타를 전송 받아 대상물체의 영상을 재구성하기 위한 영상 시스템을 포함한다. 영상시스템은 투영데이터를 획득하기 위한 데이터획득부(60)와 영상 재구성을 수행하는 컴퓨터(70)와 재구성된 영상을 표시하기 위한 표시수단(미도시)을 포함한다. 또한, X-선 단층 영상 재구성 장치는 갠트리(30)의 작동을 제어하기 위한 갠트리제어부(50)와, X-선 발생기(10)를 제어하기 위한 X-선제어부(40)와, 선형이동수단(90)을 제어하기 위한 선형액추에이터제어부(80)를 포함한다.

선형이동수단(90)은 X-선 발생기(10)를 대상 물체(11)에 대하여 상기 갠트리의 회전중심(O)을 통과하는 직선(L)을 따라서 상대 이동시킬 수 있도록 되어 있다. 또한, 선형이동수단(90)은 상기 X-선발생기(10)와 X-선 검출기(20)가 상대적으로 이동하지 않도록 동시에 이동시킬 수 있도록 되어 있다. 선형이동수단(90)으로는 볼스크류와 서보모타를 사용하는 것이 바람직하나 이에 한정되지는 않는다. 본 실시예의 X-선 단층 영상 재구성 장치가 종래의 장치와 다른 점은 X-선 발생기(10)와 X-선 검출기(20)가 갠트리(30)에 고정되어 대상물체(11)의 주위를 단순히 회전하도록 되어 있는 것이 아니라, X-선 발생기(10)와 X-선 검출기(20)가 선형이동수단에 의하여 갠트리에 대하여 직선(L)을 따라서 상대적인 이동이 가능하다는 점이다. 또한, 선형이동수단(90)은 갠트리(30)에 고정되어 갠트리(30)의 회전과 함께 대상 물체의 주위를 회전하도록 되어 있다.

즉, X-선 발생기(10)와 X-선 검출기(20) 사이의 거리를 일정하게 유지하면서 대상물체(11)와 X-선 발생기(10) 사이의 거리를 조절할 수 있어서, 확대효과에 의하여 영상의 해상도를 조정할 수가 있는 것이다. 상술한 바와 같이 대상물체가 X-선 발생기(10) 측에 근접하면 확대 효과에 의하여 고해상도의 영상을 얻을 수 있게 되고, 반면에 X-선 발생기(10)로부터 멀어져서 상대적으로 X-선 검출기(20) 측에 근접하면 확대 효과가 줄어들어 저해상도의 영상을 얻을 수 있게 된다.

종래의 갠트리 구조의 X-선 단층 영상 재구성 장치에서는 X-선 발생기 측으로 대상 물체를 근접시키면 고해상도의 영상을 얻을 수 있으나, 대상물체의 크기에 제한이 있으므로 일반적으로 X-선 발생기와 X-선 검출기의 중앙에 대상물체가 위치하도록 되어 있다. 또한 획득한 영상을 디지털 줌(digital zooming), 즉 내삽(interpolation)을 이용하여 확대하도록 되어 있으나, 이는 해상도의 향상 없이 단순하게 영상의 크기를 확대한 것으로 고해상도 영상에서와 같이 대상물체의 세밀한 구조를 파악할 수 없는 결점이 있다. 그러나, 본 발명에 따른 장치를 이용하면, zoom in 기법을 이용하여 고해상도 촬영의 경우에 발생하는 크기 제한 문제를 극복하고 대상물체의 임의의 국부영역을 영상의 왜곡 없이 고해상도로 재구성할 수 있게 된다.

도 10에는 앞에서 설명한 본 발명의 방법에 따라서 국부 관심영역에 대하여 고해상도를 갖는 단면 영상을 재구성하기 위하여 도 9의 장치를 사용하는 방법을 도시하고 있다. 먼저 대상 물체(11) 전부가 X-선 발생기(10)의 조사각 내에 포함 되는 범위에서 단순히 X-선 발생기와 대상물체의 상대적 거리만을 변화시키면 전체 대상물체의 해상도를 미세하게 조절하면서 단층 영상을 재구성할 수 있다. 만약 대상물체를 X-선 발생기 측에 근접시켜서 대상물체의 일부가 조사각의 범위를 벗어날 정도로 국부 관심영역(11a)에 대하여 고해상도의 영상을 재구성하고자 할 경우에는 도 10 (a)와 같은 위치에서 저해상도 투영 데이터를 구하고 다음으로 도 10 (b)와 같은 위치에서 고해상도 투영 데이터를 순차로 구한다. 다음으로 영상 시스템의 컴퓨터(70)에서 도 4 내지 도 8에 대하여 설명한 것과 같은 방법으로 고해상도 투영데이타와 저해상도 투영데이타를 조합하여 국부 관심영역에 대한 고해상도 영상을 왜곡 없이 재구성 할 수 있다.

본 발명에 의하면, 고해상도 투영 테이터와 저해상도 투영데이터를 조합하여 국부 관심영역에 대하여 왜곡 없는 영상을 재구성할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 X-선 단층 영상 재구성 장치는 X-선 발생기와 대상물체 사이의 거리를 조절할 수 있도록 되어 있어서, X-선 단층 영상의 해상도를 조절할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 X-선 단층 영상 재구성 장치는, 큰 대상물체의 전부에 대하여 저해상도 투영데이타를 얻고, 대상물체를 X-선 발생기에 근접시켜서 국부 관심영역에 대하여 고해상도 투영데이터를 얻어서 왜곡 없는 국부 고해상도 단층 이미지를 제공할 수 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

Claims

국부 관심영역을 포함하는 대상 물체의 일부가 엑스선의 조사범위에 속하도록 엑스선 발생기 측에 근접한 위치에서 대상 물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타를 획득하는 단계와,

대상 물체 전체가 엑스선의 조사범위에 속하는 위치에서 대상물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타로부터 상기 근접한 위치에서 대상 물체 전체에 엑스선이 조사된 것으로 가정할 경우에 획득할 수 있는 가상의 투영 데이타를 연산하는 단계와,

국부 관심영역 부분의 데이타를 제외한 대상 물체 전체에 대한 가상의 투영데이타와 상기 엑스선 소스측에 근접한 위치에서 획득된 투영데이타를 조합하는 단계와,

상기 조합된 투영데이타를 재구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 국부 고해상도 엑스선 단층 영상 재구성 방법.
제1항에 있어서,

상기 가상의 투영데이타를 연산하는 단계는, 대상물체 전체가 엑스선의 조사범위에 속하는 위치에서 대상물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타로 대상물체 전체의 단면 영상 데이타를 재구성하는 단계와, 상기 근접한 위치에서 대상 물체 전체에 엑스선이 조사된 것으로 가정하여 상기 재구성된 대상물체 전체의 단면 영상 데 이타를 선적분하여 가상의 투영데이타를 연산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 국부 고해상도 엑스선 단층 영상 재구성 방법.
회전 가능하게 설치된 갠트리와, 상기 갠트리에 설치된 엑스선 발생기와, 상기 갠트리에 설치되어 상기 엑스선 발생기로 부터 방사되어 대상물체를 통과한 엑스선을 검출하여 투영 데이타를 출력하기 위한 엑스선 검출기와, 상기 검출기로부터 투영 데이타를 전송 받아 대상물체의 영상을 재구성하기 위한 영상 시스템을 포함하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치에 있어서,

상기 엑스선 발생기 또는 상기 대상물체 중 어느 하나를 상대적으로 이동시키기 위한 이동수단을 더 포함하고,

상기 영상 시스템은, 국부 관심영역을 포함하는 상기 대상 물체의 일부가 엑스선의 조사범위에 속하도록 엑스선 발생기 측에 근접한 위치에서 대상 물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타를 제공받고, 대상 물체 전체가 엑스선의 조사범위에 속하는 위치에서 대상물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타로부터 상기 근접한 위치에서 대상 물체 전체에 엑스선이 조사된 것으로 가정할 경우에 얻을 수 있는 있는 가상의 투영 데이타를 연산하고, 국부 관심영역 부분의 데이타를 제외한 대상 물체 전체에 대한 가상의 투영데이타와 상기 엑스선 발생기 측에 근접한 위치에서 대상물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타를 조합하고, 상기 조합된 투영데이타를 영상으로 재구성하는 것을 특징으로 하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치.
제3항에 있어서,

상기 영상 시스템은 가상의 투영데이터의 연산을, 대상물체 전체가 엑스선의 조사범위에 속하는 위치에서 대상물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타로 대상물체 전체의 단면 영상 데이타를 재구성하고, 상기 근접한 위치에서 대상 물체 전체에 엑스선이 조사된 것으로 가정하여 상기 재구성된 대상물체 전체의 단면 영상 데이타를 선적분하여 가상의 투영데이타를 연산하는 것을 특징으로 하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치.
제3항 또는 제4항에 있어서,

상기 이동수단은 상기 엑스선 발생기를 대상물체에 대하여 상기 갠트리의 회전중심을 통과하는 직선을 따라서 상대 이동시킬 수 있는 선형이동수단인 것을 특징으로 하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치.
제5항에 있어서,

상기 선형이동수단은 상기 엑스선 발생기과 상기 엑스선 검출기가 상대적으로 이동하지 않도록 동시에 이동시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치.
제6항에 있어서,

상기 엑스선 검출기는 1차원 배열 형태인 것을 특징으로 하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치.
제6항에 있어서,

상기 엑스선 검출기는 2차원 배열 형태인 것을 특징으로 하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치.
회전 가능하게 설치된 갠트리와, 상기 갠트리에 설치된 엑스선 발생기와, 상기 갠트리에 설치되어 상기 엑스선 발생기로 부터 방사되어 대상물체를 통과한 엑스선을 검출하여 투영 데이타를 출력하기 위한 엑스선 검출기와, 상기 검출기로부터 투영 데이타를 전송 받아 대상물체의 영상을 재구성하기 위한 영상 시스템을 포함하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치에 있어서,

엑스선 단층 영상의 해상도를 조절할 수 있도록 상기 엑스선 발생기 또는 상기 대상물체 또는 상기 엑스선 검출기 중 적어도 하나를 상기 갠트리의 회전중심을 통과하는 직선을 따라서 상대적 이동시키기 위한 선형이동수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치.
제9항에 있어서,

상기 선형이동수단은 상기 엑스선 발생기와 상기 엑스선 검출기를 상기 대상물체에 대하여 상대적으로 이동시키도록 된 것을 특징으로 하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치.
제10항에 있어서,

상기 엑스선 검출기는 1차원 배열 형태인 것을 특징으로 하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치.
제10항에 있어서,

상기 엑스선 검출기는 2차원 배열 형태인 것을 특징으로 하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 영상 시스템은, 국부 관심영역을 포함하는 상기 대상 물체의 일부가 엑스선의 조사범위에 속하도록 엑스선 발생기 측에 근접한 위치에서 대상 물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타를 제공받고, 대상 물체 전체가 엑스선의 조사범위에 속하는 위치에서 대상물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타로부터 상기 근접한 위치에서 대상 물체 전체에 엑스선이 조사된 것으로 가정할 경우에 얻을 수 있는 있는 가상의 투영 데이타를 연산하고, 국부 관심영역 부분의 데이타를 제외한 대상 물체 전체에 대한 가상의 투영데이타와 상기 엑스선 발생기 측에 근접한 위치에서 대상물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타를 조합하고, 상기 조합된 투영데이타를 영상영상으로 재구성하는 것을 특징으로 하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치.
제13항에 있어서,

상기 영상 시스템은, 대상물체 전체가 엑스선의 조사범위에 속하는 위치에서 대상물체가 엑스선에 조사된 투영 데이타로 대상물체 전체의 단면 영상 데이타를 재구성하고, 상기 근접한 위치에서 대상 물체 전체에 엑스선이 조사된 것으로 가정하여 상기 재구성된 대상물체 전체의 단면 영상 데이타를 선적분하여 가상의 투영데이타를 연산하는 것을 특징으로 하는 엑스선 단층 영상 재구성 장치.