KR100739582B1

KR100739582B1 - 방사선 촬영장치

Info

Publication number: KR100739582B1
Application number: KR1020040041718A
Authority: KR
Inventors: 츠지이오사무
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2003-06-09
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2007-07-16
Also published as: US7233642B2; US20070172028A1; US7440538B2; US20060062349A1; US7099431B2; US20040258200A1; KR20040105615A; EP1486168A1

Abstract

헬리칼 운동이 없는 장치에 있어서, 재구성 에러는, 방사각이 증가함에 따라 상당히 증가한다. 예를 들어, 종래 기술의 실시예에서, 방사각의 일측 값은, 9.5도이고, 그 주변에서 재구성 에러가 상당히 증가하는 것이 예측된다. 피검체에 방사선을 방사하는 방사선 발생원, 방사선 발생원으로부터 방사선에 폭사된 피검체를 회전하는 회전부, 및 방사선을 검출하는 2차원 검출기를 포함하는 방사선 촬영 장치에 있어서, 방사선 발생원과 2차원 검출기 사이의 거리는 약 240cm 이상으로 설정된다.

방사선 발생원, 2차원 검출기, 방사선, 계산부, 재구성 에러

Description

방사선 촬영장치{RADIATION IMAGING APPARATUS}

도 1a는 피사체가 회전하는 피사체 회전형의 CBCT의 구성예를 나타내는 상면도,

도 1b는 도 1a의 구성예를 나타낸 측면도,

도 2는 피사체가 회전하는 피사체 회전형의 CBCT의 시스템 구성예를 나타내는 도면,

도 3은 FDD를 결정하는 처리의 흐름을 나타내는 흐름도,

도 4는 CBCT의 촬영과정을 나타내는 흐름도,

도 5는 실험에 사용한 촬영구성을 나타내는 도면,

도 6은 실험 팬텀의 단면도,

도 7은 ROI의 평균화소값 및 표준편차를 나타내는 그래프,

도 8은 실험 팬텀의 다른 단면도,

도 9는 ROI의 평균화소값 및 표준편차를 나타내는 다른 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

101: 방사선 발생원 102: 회전테이블

105: 2차원 검출기 106: 피사체

203: 정보입력부 205: 계산부

206: 방사선 발생원 이동부 210: 재구성부

211: 화상표시부

본 발명은, 방사선 발생원으로부터의 콘빔(cone beam)을 사용하여 3차원 화상을 촬상하는 방사선 촬영(radiographic)장치에 관한 것으로, 특히 방사선 발생원과 2차원 검출기 사이의 거리를 적합하게 선택한 방사선 촬영장치에 관한 것이다.

최근, 대화상의 디지털 데이터를 취득하기 위해, 방사선 촬영용의 2차원 검출기(FPD(Flat Panel Detector)라고도 부름)의 개발이 진행되고 있다. 일본특개평 제 09-288184호는 그러한 FDD를 개시한다. 특히 단순촬영용으로, 43cm × 43cm의 대수광면을 갖는 2차원 검출기를 사용한 촬영장치가 실용화되어 있는 상황에 있다.

한편, 피검체에 대하여 X선을 폭사하고, 그 피검체를 투과한 X선을 X선 검출기로 검사하며, 그 검출기로부터의 이 X선 검출출력(X선의 광자수)에 의거하여 피검체의 투시화상(스캐노그램 혹은 SCOUT 화상이라 부르고 있음), 단층상 혹은 3차원 화상을 촬상하는 X선 CT 장치가 알려져 있다.

이 3차원 화상을 촬상하는 X선 CT 장치에 있어서, 2차원 검출기의 개발기술의 향상으로 인해 콘빔 CT 장치가 개발되고 있다. 통상의 X선 CT 장치에서는, X선 빔은 Z 방향으로 얇게 잘려 나가 있고(이러한 슬라이스 빔을 팬(fan)빔이라 부른다.), 콘빔 CT(CBCT라고 부름)에서는, Z 방향으로도 넓어진 X선 빔(콘빔이라 부른다.)을 사용하여, 이 콘빔을 2차원 검출기로 검출하는 것이다. 팬빔을 사용한 CT에 비교하여 콘빔 CT에서는 1회전에서의 스캔으로 피사체를 촬영할 수 있는 범위가 넓다. 이 때문에, 콘빔 CT는, 회전수가 적고, 촬영의 효율화를 증가시킬 수 있는 이점이 있다. 요컨대, 콘빔의 범위인 콘 각을 넓게 취함으로써 촬영의 효율화를 증가시킬 수 있다. 그러나, 한편, 콘 각을 너무 넓게 취하는 경우, 재구성 화상에서 재구성 에러가 생기는 문제가 있다.

그런데, 콘빔 CT에는, 한 쌍으로 이루어진 X선 발생원과 검출기가 피검체의 주위를 회전하면서 스캔(투영데이터의 수집)을 행하는 타입이 있다. 일본특개평 제 10-21372호는 그러한 형태를 개시한다. 그러나, 일정한 콘 각 이하일 경우, 넓은 수광면을 갖는 2차원 검출기의 수광면의 전체에서 방사선 발생원에서의 방사선을 조사하기 위해서는 2차원 검출기와 방사선 발생원 사이의 거리를 소정값을 초과해야 한다. 따라서, 한 쌍으로 이루어진 X선 발생원과 검출기가 피검체의 주위를 회전하면서 스캔(투영데이터의 수집)을 행하는 타입의 CBCT에서는, 2차원 검출기와 방사선 발생원 사이의 거리를 2차원 검출기의 대수광면이 효과적으로 사용되도록 설정하는 것은, CBCT 장치의 크기 때문에 곤란하다.

한편, 한 쌍으로 이루어진 X선 발생원과 검출기를 고정하고, 대신에 피사체가 (나선형 운동을 하지 않고) 회전하는 피사체 회전형의 CBCT가 실용화로 향하여 개발이 진행되고 있다. 예를 들어, 일본특개평 제 2000-217810호는 그러한 형태의 CBCT를 개시한다.

또한, X선의 방사선 촬영에서는, 100년 정도의 전통 내에서, 피사체와 방사선 발생원 사이의 거리가 시행착오적으로 구해져 왔었던 배경이 있다. 그러한 배경에서, 피사체와 방사선 발생원 사이의 거리를 적절히 결정하는 능력이 훌륭한 X선 기사의 하나의 표준으로 되어 있다. 이렇게, 2차원 검출기와 방사선 발생원 사이의 거리를 적절히 정하는 것이 방사선 촬영장치에 있어서 중요하다. 따라서, 피사체가 회전하는 피사체 회전형의 CBCT를 실용화하기 위해서는, CT 스캔닝 경험이 없는 X선 기사에 대하여, 2차원 검출기와 방사선 발생원 사이의 거리를 적절히 정하는 것이 특히 중요하다고 생각된다.

또한, 예를 들면 상기된 일본특개평 제 2000-217810호에 개시되는 CBCT에서는 X선 발생장치의 초점위치로부터 X선 화상 인텐시파이어(intensifier)의 입력면까지의 거리가 1200mm, X선 발생장치의 초점위치로부터 회전장치의 회전중심까지의 거리 즉, X선 발생원의 회전반경 r이 800mm로 설정되어 있고, X선 화상 인텐시파이어가 16인치형(수평방향의 화면사이즈는 400mm)인 경우의 투과 X선상의 시야는, 직경이 약 260mm(260mmΦ)의 구형이 된다. 이 조건으로부터 계산하면 콘 각은, 일측 9.5도로 합계 19도로 되어 있다. 하지만, 시야주변영역(주로 2차원 검출기의 주변영역)에서의 재구성 화상의 재구성 에러가 생길 가능성이 있어, 적절한 콘 각을 구할 수 없는 문제가 있다.

이때, 헬리칼 또는 스파이럴형(예를 들어, 일본특개평 제 10-21372호에 개시된)의 것은 CBCT의 콘 각을 비교적 작게(1도 내지 2도) 설정하여, 복수회의 회전으로 목적으로 했던 부위 전체의 데이터수집을 행한다. 그래서, 재구성 에러가 생기기 쉬운 콘 각의 범위에 대한 검토는 나선형 CBCT에서는 주어지고 있지 않다.

그러나, 한 쌍으로 이루어진 X선 발생원과 검출기를 고정하고, 대신에 피사체가 회전하는 피사체 회전형의 CBCT에서는, 2차원 검출기와 방사선 발생원 사이의 거리를 적절히 정하고 있지 않은 문제가 있다. 또한, CBCT에서는, 재구성 화상의 재구성 에러가 생기는 문제가 있어, 적절한 콘 각을 구할 수 없는 문제가 있다.

상기한 것처럼, 2차원 검출기와 방사선 발생원 사이의 거리를 적절히 결정하는 데 종래의 기술로부터 어려움이 있고, 그러한 문제점을 해결하기 위한 다양한 방법들이 요구되고 있다.

CBCT에서 2차원 검출기와 방사선 발생원 사이의 거리를 적절히 설정할 수 있고, 재구성 에러가 적은 방사선 촬영장치를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명의 일 국면은, 방사선 발생원이 피검체(예를 들어, 인체)에 방사선을 폭사하고, 회전부가 방사선 발생원이 방사한 방사선에 노출된 피검체를 회전시키고, 2차원 검출기가 방사선을 검출하고, 계산부가 방사선 발생원과 2차원 검출기의 사이의 거리를 계산하며, 방사선 발생원 이동부가 계산부에서 계산된 거리를 정하도록 방사선 발생원과 2차원 검출기를 배치하는 방사선 촬상장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 이점은, 이하 첨부도면을 참조한 설명으로부터 명백해질 것이고, 이때 동일한 도면부호는 도면 전체에 걸쳐서 동일 또는 유사한 부분을 나타낸다.

이하, 본 발명의 실시예들을 도면을 참조하여 설명하겠다.

도 1a 및 도 1b는 피사체가 회전하는 피사체 회전형의 CBCT의 구성예를 나타낸다. 도 1a는 그 평면도이고, 도 1b는 측면도이다. 도 1a 및 도 1b에서, 도면부호 101은 피사체에 향하여 콘빔의 방사선을 방사하는 방사선 발생원이고, 또한 방사선의 초점을 나타낸다. 여기서 도 1a 및 도 1b에 나타낸 바와 같이, 방사선의 수직방향의 확산 각을 콘(cone) 각이라 부르고, 방사선의 수평방향의 확산각을 팬(fan) 각이라고 부른다. 또한, 도면부호 102는 방사선 발생원(101)에서 방사된 방사선으로 조사되는 피사체(106)를 실어 회전하는 회전테이블이다. 또한, 도면부호 104는 피사체를 고정하는 가슴 판으로, 회전테이블(102)에 고정된 지주(103)로 지지된다. 도면부호 105는 2차원 검출기 또는 센서를 나타낸다. 방사선 발생원(101)으로부터 방사된 방사선은 피사체를 고정하는 가슴 판, 피사체(106) 및 산란선 제거 그리드(도시하지 않음)를 투과하여 2차원 검출기(105)로 검출되어 전기신호로 변경된다.

또한, 2차원 검출기(105)는, 예를 들면 반도체센서로 구성된다. 이러한 반도체 센서에서, 예를 들면 각 화소는 250(마이크론)x250(마이크론), 센서 외형크기가 43cm x 43cm로 구성되는 것이다. 이 경우, 화소수는 1720x1720(화소들)이 된다.

더욱이, 도 1a 및 1b에서, 초점(101)과 회전테이블(103)의 회전중심 사이의 거리(Focus-Center-Distance)를 FCD라 부르고, 초점(방사선 발생원의 위치이기도 함)(101)과 2차원 검출기(105)의 사이의 거리(Focus-Detector-Distance)를 FDD라 부른다. 이후, CBCT에서 3차원 화상이 재구성되는 실제 공간의 범위를 재구성영역이라 부르고, 통상 이 영역은 원주형 영역이다. 이 재구성영역의 높이를 관찰 높이라 하고, 이후 HOV(Height of View)라 약칭한다. 또한, 재구성영역의 직경을 유효시야직경(Field of View)이라 부르고, 이후 FOV라 약칭한다.

도 2는 본 발명의 시스템의 구성예를 나타낸 블록도이다. 도 2에서, 도면부호 201은 버스로, 이 버스를 통해 제어신호와 데이터의 송신수신이 행하여진다. 도면부호 202는 컴퓨터일 경우에 CPU에 해당하고, 시스템 전체를 제어하는 제어부를 나타낸다. 도면부호 203은 피사체의 신장, 체중, 촬영부위(흉부, 복부, 머리 부분 등)의 피사체 정보를 입력하는 정보입력부이다. 촬영 부위마다 특유의 피사체 정보도 정보입력부를 통해 입력된다. 특히 흉부 부위를 촬영하는 경우는, 폐야(lung field) 높이 등의 촬영 부위마다 특유의 피사체 정보도 정보입력부를 통해 입력된다. 도면부호 204는 촬영개시의 지시나, 시스템의 긴급정지 등 시스템 동작에 관한 지시를 하는 인터페이스부이다. 도면부호 205는, 정보입력부(203)를 통해 입력된 피사체 정보 등에 의거하여 방사선 발생원(101)과 2차원 검출기(105) 사이의 적절한 FDD거리를 계산하는 계산부이다. 도면부호 206은 계산부(205)에서 계산된 거리로 방사선 발생원(101)과 2차원 검출기(105)를, (도시하지 않은) 모터를 포함하는 이동기구를 사용하여 배치하는 방사선 발생원 이동부이다. 이러한 배치 동작에 있어서, 방사선 발생원(101)과 2차원 검출기(105) 중 어느 하나를 이동시킬 수 있다. 일반적으로 방사선 발생원(101)을 이동시키고, 제어부(202)의 제어에 의해 방사선 발생원 이동부(206)는 구동된다.

도면부호 207은 인터페이스부(204)에서 입력된 CT 스캐닝 개시의 지시에 따라, 제어부(202)의 제어에 의해 회전테이블(102)을 회전시키는 회전테이블 모터용 제어부이다. 도면부호 208은 인터페이스부(204)에서 입력된 방사선 개시의 지시 등의 지시에 따라, 제어부(202)의 제어에 의해 방사선 발생원(101)의 방사선의 방사상태를 제어하기 위한 방사선 발생원의 제어부이다. 도면부호 210은 2차원 검출기(105)의 출력화상으로부터 재구성 복셀(voxel)(복셀은 복수의 단면화상으로 이루어짐)을 재구성하는 재구성부이다. 도면부호 211은 재구성부(210)에서 재구성된 화상을 표시하고, 또는 계산부(205)에서 계산된 거리를 표시하는 표시부이다.

도 3 및 도 4는 각각 방사선 촬영장치의 처리의 흐름을 나타낸 흐름도이다. 이 처리의 흐름을 참조하여, 피사체가 회전하는 피사체 회전형의 CBCT의 동작을 일례로서 흉부 부위의 CT 스캐닝을 사용하여 설명한다.

우선, 도 3의 흐름에 따라, 초점(방사선 발생원의 위치이기도 함)(101)과 2차원 검출기(105)의 사이의 거리(Focus-Detector-Distance)인 FDD를 적합하게 산출하여, 초점(방사선 발생원의 위치이기도 함)(101)과 2차원 검출기(105)를 그 산출한 FDD에 배치하는 처리의 흐름을 설명한다.

X선 기사 등의 조작자는, 촬영을 개시하기 전에(CT 스캐닝), 정보입력부(203)를 통해 피사체의 신장(몸체 높이), 체중 등의 환자정보를 입력한다(S301). 다음에 계산부(205)에서는, 환자정보에 포함되는 신장, 체중 등으로부터 통계적으로 폐야 높이(폐야의 신장방향의 길이)를 산출한다. 계산부(205)는, 신장, 체중으로부터 폐야 높이를 환산하는 환산표를 내재하고 있어, 신장, 체중으로부터 폐야 높이가 산출되게 되어 있다. 일반적으로 신장과 폐야 높이는, 상관이 높다. 따라서, 기존의 통계값으로부터 폐야 높이를 추측할 수 있고, 또한, 환자의 체중을 피사체 정보로서 더함으로써, 더 정밀하게 폐야 높이를 추측할 수 있다.

흉부 영역의 CT 스캐닝에서는, 폐야가 주로 의사의 진단영역이 되기 때문에, 폐야 높이가, (재구성영역의 높이) HOV와 일치한다. 그러므로, 폐야 높이의 추정값은 HOV의 값으로서 결정된다(S302). 특히, 정밀한 CT 스캐닝을 행하기를 원하는 경우에, 기사가 CT 스캐닝 전에 환자의 외관으로부터 폐야 높이를 계측하여 그 측정값을 입력하는 것도 가능하다. 이 경우에, 계측값 자체는, HOV가 된다. 특히 흉부부위의 CT 스캐닝에서, 폐야가 주로 의사의 진단영역의 피사체이기 때문에, 폐야 높이는 전술한 HOV와 일치하는 것이 바람직하기 때문이다.

다음에 계산부(205)는, 결정한 HOV에서 (1)식을 사용하여 초점(방사선 발생원의 위치이기도 함)(101)과 2차원 검출기(105) 사이의 거리(Focus-Detector-Distance)인 FDD를 산출한다(S303). 여기서, 계산부(205)는, 정보입력부를 통해 입력된 촬영부위정보로부터 콘 각 Φ을 약 6도 내지 10도 사이의 값으로 설정한다. 흉부와 같이 미세구조를 갖고, 폐야 주변도 중요한 진단 피사체영역이 되는 부위에 대해서는, 재구성영역 전체에 고분해능 화상이 요구되기 때문에 콘 각 Φ를 개략 10도 미만으로 선택한다. 한편, 복부와 같이, 미세한 구조의 재현성이 엄격히 요구되지 않는 경우에는 10도 이상으로 선택해도 된다. 이 경우에는, FDD가 10도의 콘 각을 선택한 경우보다도 짧아진다. 이 때문에, 방사선 발생원(101)의 방사선량을 억제할 수 있다. 콘 각이 보다 작아짐에 따라, 더 적은 에러의 재구성 화상이 얻어질 수 있지만, 이 경우 FDD는 증가하여, 큰 양극 열 용량을 갖는 방사선 발생원을 준비해야하는 결과를 초래한다. 이에 반해서, 콘 각이 증가함에 따라, FDD는 감소하고, 방사선 발생원의 양극 열 용량은 적게 만들어질 수 있다. 그러나, 상기한 것처럼, 콘 각의 크기는, 재구성 화상의 요구되는 분해능 때문에 자연적으로 제한된다.

FDD=0.5 × FOV + 0.5 × HOV/tan(Φ/2)[mm] (1)

이 (1)식은, 실험과 임상시험으로부터 산출된 것으로, 그에 따라 FDD를 적합하게 설정할 수 있다. (1)식은, 초점(101)(방사선 발생원의 위치이기도 함)과 2차원 검출기(105) 사이의 거리가, 콘 각 Φ이 10도 이하인 조건 하에서 계산된 FDD 의 거리로 유지되는 경우, 재구성 화상의 적절한 분해능이 얻어질 수 있다는 것을 명백히 한다. 그에 대한 상세한 설명은, 이후 설명하겠다. 더욱이, 계산된 FDD는, 화상표시부(211)에 의해 동시에 표시된다(S303).

일반적으로, 초점(방사선 발생원의 위치이기도 함)(101)과 2차원 검출기(105) 사이의 거리(Focus-Detector-Distance)인 FDD를 정하는 것은, X선 기사에 있어서 숙련을 요하는 것이다. 그러나, 계산부(205)에서 FDD를 산출하기 때문에, X선 기사는 용이하게 방사선 발생원(101)과 2차원 검출기(105)의 배치를 적합하게 설정할 수 있다. 특히, 피사체가 회전되고 곧 실제 사용될 피사체 회전형의 CBCT에서는, X선 기사는 CT 스캐닝 경험이 없다. 이 때문에, 적절히 FDD를 설정하 는 것이 CT 스캐닝의 품질을 결정하는 중요한 요소가 된다.

다음에, 방사선 발생원 이동부(206)는, 계산부에서 산출된 FDD의 거리에, 초점(방사선 발생원의 위치이기도 함)(101)과 2차원 검출기(105)를 배치한다(S304). 여기서는, 제어부(202)로 제어된 구동기구의 모터(도시하지 않음)를 사용하지만, 이를 위해 임의의 일반적인 이동기구를 사용할 수 있다. 이에 따라, X선 기사는, 정보입력부(203)의 입력을 행함으로써, 자동적으로 적절한 거리로 설정된 초점(101)과 2차원 검출기(105)의 배치를 얻을 수 있다. 이에 따라, 정밀한 CT 스캐닝을 신속히 행할 수 있다. 또한, 이에 따라 환자 및 X선 기사의 부담을 효과적으로 경감할 수 있다.

또한, 방사선 발생원 이동부(206)를 자동적으로 작동하는 기구를 설치할 수 없는 경우는, 계산부(205)에서 산출되고 표시부(211)에서 표시된 FDD에 의거하여, 인위적으로 초점(101)과 2차원 검출기(105)를 배치할 수 있다. 한편, 이러한 수동 배치에 있어서, 포텐셔미터(potentiometer)에 의해 FDD가 확인된다. 이러한 수동의 경우에도, 초점(101)과 2차원 검출기(105)의 배치는, 적절한 거리에서 효과적으로 설정될 수 있다. 이에 따라, 정밀한 CT 스캐닝을 신속히 행할 수 있다. 또한, 이에 따라 환자 및 X선 기사의 부담을 바람직하게 경감할 수 있다.

다음에, 초점(101)과 2차원 검출기(105)의 배치를 끝낸 후의 촬영 중의 동작에 대하여 도 4의 흐름에 따라 설명한다.

인터페이스부(204)를 통해 입력된 촬영개시의 신호에 따라, 제어부(202)는 회전테이블 모터 제어부(207)에 회전테이블(102)의 회전신호를 공급한다(S401). 그 리고, 제어부(202)는 회전이 시작된 회전테이블(102)로부터 발생된 인코더신호(도시하지 않음)를 감시하고, 소정의 일정속도와 회전테이블(102)의 각도에 도달했는지를 확인한다(S402). 소정의 일정속도와 회전테이블(102)의 각도에 도달한 시점에서, 제어부(202)는 방사선 발생원 제어부(208)에 신호를 공급하여 X선 폭사를 시작함(S403)과 동시에 데이터의 수집을 시작한다(S404). 그 인코더신호는 데이터의 적분 타이밍 결정에도 사용된다. 피사체(106)의 회전은, 회전테이블(102) 상에 피사체(106)가 서있는 경우에 시작된다.

테이블 1회전당 25000펄스를 발생시키는 인코더를 사용하는 경우에, 1회전마다 1000개 뷰의 투영데이터를 수집한다고 하면, 인코더신호의 25펄스마다 2차원 검출기(105)로부터 데이터가 수집되게 된다. 제어부(202)에서는 그 인코드펄스를 카운트하여 25펄스마다 적분신호를 발생시켜, 2차원 검출기(105)에 도달한 X선 선량을 카운트한다. 그리고 소정의 카운트수에 도달할 때까지 CT 스캐닝을 계속한다(S404와 S405).

본 실시예에서는, X선은 연속으로 발생된다고 상정하고 있다. 그러나, X선의 발생방법은 이것에 한정되는 것은 아니며, 그 인코더신호를 바탕으로 2차원 검출기(105)의 적분구간에 따라 X선 펄스를 발생시킬 수 있다. 2차원 검출기(105)로부터의 데이터는 버스를 통해 연속적으로 재구성부(210)에 전송된다. 데이터의 전송은, 회전테이블(102)이 소정의 회전각도를 회전하고, 소정의 뷰수가 수집될 때까지 계속된다(S406). 회전테이블(102)이 소정의 회전각도를 회전하고, 소정의 뷰수가 수집되면, 제어부(202)는 방사선 발생원 제어부(208)에 지시하여, X선의 폭사 를 정지시킨다(S406). 그 후 회전테이블(102)의 회전을 감속시키면서 제어부(202)의 제어하에 정지시킨다(S407).

X선 폭사가 완료한 직후에 마지막의 투영데이터가 재구성부(210)에 전송된다. 제어부(202)는, 그 수집된 투영데이터를 바탕으로 한 재구성을 행하는 것을 재구성부(210)에 지시한다(S408). 전체의 데이터 수집이 완료한 후 재구성을 시작할 수 있다. 재구성은 전(前)처리, 필터처리, 역투영처리로 구성된다. 전처리는, 오프셋처리, LOG 변환, 이득보정, 결함보정으로 구성된다. 필터처리에서는, 라마찬드란 함수(Ramachandran function) 또는 셉로간 함수(Shepp-Logan function)가 일반적으로 사용되고, 마찬가지로 본 실시예에서도 이들을 사용한다. 필터처리된 데이터는 역투영된다. 이들 필터처리로부터 역투영까지의 알고리즘은, 펠드캄프(Feldkamp)의 알고리즘을 사용하고 있다. 역투영이 완료 후 CT의 단면화상이 재구성되면, 단면은 화상표시부(211)에 표시된다(S409). 단면화상을 표시하고서 CT 스캐닝은 완료된다.

본 실시예에서 재구성 알고리즘은 펠드캄프의 알고리즘을 사용하지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 참고 문헌에는, 펠드캄프(Feldkamp)와 데이비스(Davis) 및 크레스(Kress)가 기재한 방법(「실용 콘빔 알고리즘」("Practical Cone-Beam Algorithm"), J. Opt. Soc. Am. Al, 612∼619, 1984가 있다.

기하학계를 이하에 나타낸다.

2차원 검출기의 폭 430mm

2차원 검출기의 Z방향의 높이 430mm

초점과 회전 중심 사이의 거리 FCD=2223mm (Focus-Center-Distance)

초점과 검출기 사이의 거리 FDD=2423mm (Focus-Detector-Distance)

재구성높이 HOV=350mm (Height of View)

유효시야직경 FOV=389mmΦ(Fie1d of View)

콘 각 Φ=10도

폐야의 높이는, 35cm 정도가 통계적으로 높은 범위이다. 그 통계적으로 높은 값을 근거로 콘 각 일측값을 5도로 설정하는 경우에, FCD는 2223mm가 된다. 동시에, FOV가 389mm로 하고, FOV의 주변과 센서 사이의 갭을 약 5mm 확보하면, FDD는 2423mm가 된다. 2차원 검출기(105)를 정방형으로 하면, 실제 HOV는 389mm이다. 하지만, 35cm를 넘는 영역은 콘 각의 일측값이 5도를 넘으므로, 이 영역에서의 화상은 진단하기에 적합하지 않은 재구성 화상으로 생각된다.

콘 각의 일측값이 5도 이하인 것이 바람직하다. 이러한 5도의 일측값의 수치한정에 대한 실험데이터를 이하에 나타낸다. 실험의 CT 스캐닝계를 도 5에 나타낸다. X선 튜브(tube)로부터 900mm 거리의 위치에 회전테이블(102)에 탑재된 실험팬텀(phantom)을 배치한다. 실험팬텀 중심으로부터 약 100mm 거리의 위치에 실험용 FPD를 고정적으로 배치한다. 실험에 사용한 FPD의 분해능은 0.64mmx0.64mm이고, 화소수는 384(가로 방향)×224(세로 방향)이다.

사용한 실험팬텀의 단면도를 도 6에 나타낸다. 실험팬텀은 아크릴 판을 6방향으로 조합할 수 있는 것으로, 판의 단면의 직경방향의 사이즈는 100mm이다. 도 6은 실제의 재구성 화상의 일례를 나타낸다. 재구성 화소수가 384x384(화소)이고, 재구성영역의 직경은 140mmΦ이므로, 화소사이즈는 0.365mm x 0.365mm이다. 재구성 알고리즘은, 펠드캄프의 알고리즘을 사용하고 있다. 도 6에서, 직사각형으로 하얗게 표시되는 부분은 ROI(Region Of Interest)를 나타내고 있다.

콘 각의 한계치를 검증하기 위해, 도 6에 나타낸 ROI의 평균화소값 및 표준편차를 지표로서 사용한다. 도 7에 재구성한 각 단면에서의 ROI의 평균화소값 및 표준편차를 나타낸다. 횡축은 재구성단면의 번호이다. 1 내지 350까지의 단면이 재구성되고, 각 재구성단면의 재구성피치는, 단면의 분해능과 마찬가지로 0.365mm이다. 요컨대, 재구성은, 등분해능으로 3차원으로 실행된다. 도 7에서, 계열 1은 평균화소값(하측의 파형), 계열 2는 표준편차(상측의 파형)이다.

도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 단면위치 A1로부터 표준편차가 악화되고 있는 것을 판독할 수 있다. 그러나, 도 7에서, 단면 90-120에서 표준편차가 나쁜 것은 센서 구조에 의한 것으로, 콘 각에 의한 것이 아니다. 단면위치 A2 이후에서 평균화소값, 및 표준편차가 나빠지고 있지만, 이것은 X선 튜브와 실험용 FPD를 연결하는 선이 재구성영역과 교차하는 단면을 대략 나타내고 있다. 요컨대, 데이터결손에 의한 평균화소값, 및 표준편차의 악화를 실증하고 있다.

단면위치 A1의 콘 각을 구하면, 그 일측값은 5.07도이다. 즉, 총 콘 각은 10.14도이다.

다음에, 재구성 화상 중의 공기영역의 CT값의 평균값 및 표준편차를 설명한다. 공기영역의 ROI를 도 8에 나타내고, 단면마다의 평균값 및 표준편차를 도 9에 나타낸다. 그것으로부터 공기영역은 아크릴부분과 동일한 경향을 나타내고 있는 것을 알 수 있다. 도 9에서, 단면 90-120에서 표준편차가 나쁜 것은 센서 구조에 의한 것으로, 콘 각에 의한 것이 아닌 것도 아크릴부분의 경우와 마찬가지이다.

상기 실험결과는, 의사 및 다른 사람이 복수의 콘 각에서 실제로 획득한 화상을 평가하였을 때 얻어진 결과에 의해 지지된다. 이렇게, 다수의 실험적 결과와, 다수의 임상적인 평가로부터 식(1)이 도출된다. 이에 따라, 그 식(1)로부터 바람직한 FDD를 산출할 수 있다.

콘 각을 보다 작게 하면 보다 재구성 에러가 적은 화상을 얻을 수 있지만, 콘 각을 보다 작게 함으로써 2차원 검출기(105)와 방사선 발생원(101) 사이의 거리를 크게 하지 않으면 안된다. 따라서, 콘 각을 감소시킨 경우에는, 방사선 발생원(101)으로부터 출력하는 X선량을 증가시킬 필요가 있다. 그러나, 될 수 있는 한 방사선 발생원(101)의 방사선량을 억제하고, 또한 고품질의 재구성 화상을 얻기 위해서는, 식(1)로 산출된 거리의 장소에 방사선 발생원(101)을 설치하는 것이 바람직하다.

그러나, 보다 고품질의 재구성 화상을 얻고자 하는 요구가 있는 경우에는, 고출력의 방사선 발생원(101)이 개발되어 있으므로, FCD 및 FDD를 상기한 수치보다도 크게 하는 것도 가능하다. 이에 따라 재구성 에러가 작고 바람직한 재구성 화상을 얻을 수 있다.

종래로부터 방사선 촬영에 있어서는, 43cm(세로 방향) × 35cm(가로 방향) 크기의 필름이 사용되어 왔다. 이것은 폐야의 높이가 가장 높은 사람이어도 43cm가 한도였던 것이 원인이다. 그래서, 상기한 식(1)의 HOV에 430mm을 입력하면, 약 FCD는 2730mm가 된다. 단, 식(1)에서는 재구성영역 FOV=389mmΦ로 하고 있지만, FOV=500mmΦ인 경우, 다음 식(2)을 얻을 수 있다. FOV=500mmΦ는 일반적인 받침대(gantry)형 CT의 통상의 크기이고, 재구성영역에서 센서까지의 거리를 100mm로 한다.

FDD=250mm + 100mm + 0.5 × HOV/tan5° (2)

다음, 이 식(2)에 HOV=430mm를 입력하면, FDD는 약 3080mm가 된다. 따라서, 본 방사선장치의 실용적인 범위로서는, 대략 2400mm 내지 3000mm의 바람직한 범위가 된다.

다음에, 본 발명의 CBCT를 실제로 사용하는 경우에는, 예를 들면 흉부검진과 같이 대량의 피사체를 단시간에 CT 스캐닝할 필요가 생긴다. 이 경우에는, 대다수의 피사체에 대하여 FDD를 고정하여 CT 스캐닝하는 것도 요구된다. 전술한 바와 같이, 일반적으로 폐야 높이가 35cm 이하의 사람이 대다수인 것, 방사선 발생원의 방사선량을 가능한 많이 억제하는 것을 고려하면, 대략 2400mm에 FDD를 설정하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 흉부촬영인 경우에, 방사선 발생원(101)의 이동시간을 없앨 수 있어, CT 스캐닝 효율을 상승시킨다. 또한, 방사선 발생원의 방사선량을 줄일 수 있다.

또한, 드물게 폐야 높이가 43cm 정도인 어떤 사람을 고려하면, FDD를 대략 3000mm까지의 범위로 설정하는 것도 바람직하다. 이 경우에도 방사선 발생원(101)의 이동시간을 없앨 수 있고, CT 스캐닝 효율을 상승시킨다. 또한, 방사선 발생원의 방사선량을 줄일 수 있다. 더욱이, 드문 경우인 폐야 높이 35cm 이상의 피사체촬영에도 이러한 구성을 사용할 수 있다.

또한, 큰 병원에서의 운용을 생각한 경우에는, 흉부뿐만 아니라, 복부, 복부, 목부분 등의 촬영을 대량으로 행할 필요가 생긴다, 이 경우에도, 모든 부위를 처리할 수 있고, 재구성 에러가 없는 화상을 얻을 수 있는 거리에 FDD를 설정할 필요가 있다. 이 경우에는, 전술한 바와 같이 흉부의 CT 스캐닝에도 적응할 수 있는 2400mm 이상으로 FDD를 설정하는 것이 바람직하다. 의사가 보다 재구성 에러가 적은 화상을 선호하는 경우에는, 방사선 발생원의 출력이 허용하는 범위 내로 FDD를 2400mm 이상으로 설정하는 것이 바람직하다. 이와 같이 FDD의 거리를 2400mm 이상으로 설정한 경우에는, 작은 재구성 에러의 화상을 얻을 수 있음과 동시에, 아주 다양한 촬영부위를 처리할 수 있다.

상기한 것처럼, 콘 각이 더 적어질수록, 더 적은 에러 재구성 화상이 얻어질 수 있지만, 콘 각의 실제 범위는, 이 실시예의 CBCT의 실제 사용의 관점으로부터 논의될 것이다. 또한, 이 실시예의 CBCT에서, 일반적인 방사선 촬영(상기에 언급한 어떠한 재구성도 없는 방사선 촬영)은, 회전이 멈춘 경우에 고려된다. 그러므로, 본 발명의 장치는, 일반적인 방사선 촬영을 위한 X선 장치를 사용하여, 양 CT 스캐닝 및 방사선 촬영 CT 스캐닝을 지지하도록 할 필요가 있다. 일반적인 방사선 촬영을 위한 X선 발생 장치는, X선 CT를 위한 튜브에 비교하여 상대적으로 낮은 가격에 제조될 수 있고, 진료소로부터 대학 병원까지 폭 넓게 사용된다.

X선 CT에서 사용되는 X선 튜브의 양극 열 용량은 약 7000KHU이지만, 일반적인 방사선 촬영을 위한 X선 장치에서 튜브의 양극 열 용량은, 200KHU와 300KHU 사이의 범위이다. 일반적인 방사선 촬영을 위한 X선 장치의 분당 냉각 능력은, 양극 열 용량의 15% 내지 20% 사이의 범위이다. 그 값은, 양극으로부터의 방사열 및 베어링(bearing)으로부터의 열 전도가 그 근처의 기름에 의해 입력되고, 그 기름이 팬(fan)에 의해 공기 냉각되는 구조 때문이다. 여기서, 흉부의 진료에 있어서, CBCT의 화상 방사선량이 120[KV], N[mA] 및 5[sec]인 경우, CT 스캐닝에서의 양극 열 용량(HU)은, 인버터 시스템일 경우에, 다음 식에 의해 실험적으로 표현될 수 있다.

120[KV] × N[mA] × 5[sec] ×1.41= 846 × N [HU] (3)

다음은, 이 실시예의 CBCT 장치를 사용한 흉부 진료 평가에 대한 조건이다.

2차원 검출기의 폭 430mm

2차원 검출기의 Z방향의 높이 430mm

초점과 회전 중심 사이의 거리 FCD=3067mm (Focus-Center-Distance)

초점과 검출기 사이의 거리 FDD=3417mm (Focus-Detector-Distance)

유효시야직경 FOV=385mm

콘 각 Φ=7.2도

X선 조건 120[KV], 100[mA]

X선 필터 구리 1.5mm

반 산란 그리드의 제 1 선 전송 요소 30%

단일 회전의 스캐닝 시간 5초

흉부 진료 실험은, 상기 조건 하에서 2명의 인체에 대하여 실행되었고, 화상 평가는 의사에 의하여 실행되었다. 아무런 질병도 발견되지 않았지만, 10mm의 종양 이 정확히 검출될 수 있는 것이, 관찰가능한 혈관의 구별 정도로부터 추정된다. 장치가 10mm의 종양을 정확히 검출하는 검출 능력을 가진 경우, 장치는, 의료 진단 등을 위한 유용한 장치가 된다.

상기 조건 하에서 실행된 CT 스캐닝의 경우 X선 열 용량이 (3)식에 의해 계산되면, 그 값은 84.6 KHU이다. 만일 X선 방사선량이 증가한다면, 본 발명에 따른 장치의 화질이 향상될 수 있다는 것이, 실험적으로 매우 명백하다. 그러나, 상기 기술한 튜브의 열 용량을 고려한다면, X선 방사선량의 증가는, 방사선에 대한 피검체의 폭사의 증가뿐만 아니라 CT 스캐닝 간격의 연장도 초래한다. 따라서, 상술한 CT스캐닝 조건 하에서 얻어진 화상을 기준으로 한 경우, 표준 화질은, X선 열 용량, 튜브 냉각 능력 C[KHU/min] 및 촬영 간격 T[min] 사이의 관계가 다음처럼 기록된 (4)식을 만족하는 경우, 얻어질 수 있다.

C [KHU/min] × T [min] ≥ 84.6 [KHU] (4)

(4)식은, 일반적인 X선 장치를 사용하는 시스템에 적용된다. 튜브 냉각 능력 C=60[KHU/min]이고, 양극 열 용량은 300KHU이고, 냉각 능력은 20%이다. CT 스캐닝 간격이 2분인 경우, (4)식이 만족될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 여기서, 의료 진단 분야에서 취해진 2분과 3분 사이의 평균 간격 중 가장 짧은 하나가 채택된다. 그 조건 하에서, 최대 FDD(FDDm)이 계산되는 경우, FDDm≤4069mm는 다음 식(5)로부터 얻어진다.

120[KHU] ≥ 84.6[KHU] × (FDDm/3417)² (5)

상기를 부연 설명하기 위해, FDD의 하한(FDDmin) 및 FDD의 상한(FDDmax)은 다음 식 (6)과 (7)에 의해 얻어질 수 있고, 양극 열 용량은 D[KHU] 이하이고, 냉각 능력은 E[1/min] 이하이고, CT 스캐닝 간격은 T[min] 이하이고, 재구성 높이는 HOV이고, 유효 시야 직경은 FOV이다.

FDDmin=0.5 × FOV + 0.5 × HOV/tan(Φ/2) (6)

FDDmax=3417 × SQRT(D×E×T/84.6) (7)

여기서, Φ는 콘 각을 가리키고, 그 최대값은 실험적으로 10도이다. HOV=350mm와 FOV=389mm가 (6)식에 대입되는 경우, FDD=2418mm가 얻어질 수 있다. 일반적인 방사선 촬영장치를 사용하는 CBCT에서 2분의 CT 스캐닝 간격을 얻기 위해, FDD가 약 4m 미만으로 설정되어야만 하는 것을 이해할 수 있다. FDD가 4m 이하로 설정되는 경우, 콘 각Φ은 6도이다.

상술한 것처럼, 본 발명에 의하면, 2차원 검출기와 방사선 발생원간의 거리는, CBCT에서 적절하게 설정될 수 있고, 작은 재구성 에러가 있는 재구성 화상이 얻어질 수 있다.

본 발명은, 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정을 할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 범위를 공중에게 알리기 위해, 다음 청구항들이 만들어진다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, CBCT에서, 2차원 검출기와 방사선 발생원과의 거리를 적절히 정할 수 있어, 재구성 에러가 작은 재구성 화상을 얻을 수 있다.

Claims

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방사선을 피검체에 방사하는 방사선 발생원과,

상기 방사선 발생원이 방사한 방사선 중에 상기 피검체를 회전시키는 회전부와,

상기 방사선을 화상 데이터로 변환하는 2차원 검출기와,

상기 2차원 검출기에서 촬상한 화상 데이터를 재구성 데이터로서 재구성하는 재구성부와,

상기 방사선 발생원과 상기 2차원 검출기 사이의 거리를 계산하는 계산부를 구비하고,

상기 계산부에서는, 유효 시야 직경을 FOV[mm], 재구성 높이를 HOV[mm], 콘 각을 Φ[도]로 한 경우에, 다음 관계식에 의해 상기 방사선 발생원과 상기 2차원 검출기사이의 거리 FDD[mm]를 계산하고,

FDD = 0.5 × FOV + 0.5 × HOV/tan(Φ/2)[mm]

여기서, 6°≤Φ ≤ 10°인 것을 특징으로 하는 방사선 촬영장치.
제 6 항에 있어서,

상기 계산부에서, 상기 피검체의 폐야의 높이, 신장 및 체중 등의 상기 피검체의 정보를 입력하는 입력부를 구비하고, 상기 계산부는 상기 피검체의 정보에 따라 상기 HOV를 계산하는 것을 특징으로 하는 방사선 촬영장치.
제 6 항에 있어서,

상기 계산부에서는, 양극 열 용량 D[KHU]를 200~300KHU, 분당 냉각 능력 E[1/min]을 양극 열 용량의 15~20%, 촬영 간격 T[min]을 2~3분으로 한 경우에, 다음 관계식에 의해 상기 방사선 발생원과 상기 2차원 검출기 사이의 거리 FDD[mm]를 계산하고,

FDD= 3417 × SQRT(D × E ×T/84.6)[mm] 인 것을 특징으로 하는 방사선 촬영장치.
제 8 항에 있어서,

상기 계산부에서, 양극 열 용량, 냉각 능력 및 촬영 간격 등의 촬영 조건에 관한 정보를 입력하는 입력부를 구비하고, 상기 계산부는 상기 촬영 조건에 관한 정보에 따라 상기 FDD[mm]를 계산하는 것을 특징으로 하는 방사선 촬영장치.
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방사선을 피검체에 방사하는 방사선 발생원과,

상기 방사선 발생원이 방사한 방사선 중에 상기 피검체를 회전시키는 회전부와,

상기 방사선을 검출하는 2차원 검출기를 구비하고,

흉부 촬영의 경우에, 상기 방사선 발생원과 상기 2차원 검출기를 240cm 이상이면서 400cm 이하의 간격으로 배치하는 것을 특징으로 하는 방사선 촬영장치.
제 11 항에 있어서,

상기 2차원 검출기로부터의 출력 신호를 재구성하는 재구성부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 방사선 촬영장치.
방사선을 피검체에 방사하는 방사선 발생원과,

상기 방사선 발생원이 방사한 상기 방사선 중에 상기 피검체를 회전시키는 회전부와,

상기 방사선을 화상 데이터로 변환하는 2차원 검출기와,

상기 2차원 검출기에서 촬상한 화상데이터를 재구성 데이터로서 재구성하는 재구성부로 이루어진 방사선 촬영장치에 있어서,

상기 회전부로 상기 피검체를 회전시키면서 촬상한 경우에는 상기 2차원 검출기에서 촬상된 화상 데이터를 상기 재구성부에서 재구성하여 재구성 데이터로서 취득하고, 상기 회전부의 회전을 멈추고 촬상한 경우에는 상기 재구성부에서 재구성을 행하지 않고, 상기 2차원 검출기에서 촬상된 화상 데이터를 일반 촬영 화상 데이터로서 취득하는 것을 특징으로 하는 방사선 촬영장치.