KR101019579B1 - 단일 수치로 산출가능한 영상 장치의 해상도 측정시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원형 단면의 선 표적을 가지는 검사용 팬텀의 영상으로부터 해상도를 단일 수치로 산출할 수 있는 촬영 장치의 해상도 측정 시스템에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 다양한 형태의 촬영 장치, 즉, 일반 사진기, X선 촬영기, 대상물의 단면 영상을 제공하는 각종 의료 및 비파괴 영상 장비 (예. 초음파영상, CT, MRI 등)에 대한 선 표적의 영상에 대한 평활화 된 선 프로파일 fcTiLP (flattened cross-sectional Target image Line Profile)을 구하고 동일한 두 개의 프로파일을 중첩한 상태에서 분리되기 시작할 때 선 프로파일의 최대값과 두 프로파일의 교점에서 값의 차가 JND (Just Noticeable Difference)일 때, 두 프로파일이 분리된 거리에서 표적의 직경을 뺀 거리로 단일 수치의 해상도를 추정하는 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 선 표적의 직경이 촬영 장치의 파장보다 충분히 작을 때 표적 영상의 선 프로파일은 PSF (Point Spread Function)가 되며, 가우시안 분포로 근사화된 GPSF(Gaussian PSF)를 이용하면 해상도는 JND와 GPSF의 최대값 A 및 A-JND 보다 작은 값 B를 가지는 GPSF 좌표값에 대한 함수로 표현될 수 있다.

본 발명은 다수의 표적으로 구성된 복잡한 팬텀을 이용하여 해상도의 범위만을 제공하는 기존의 방식을 획기적으로 개선한 것으로 단순화 검사 팬텀을 이용하여 해상도의 절대값을 제공하며, 일반 사진 영상의 해상도 평가 및 정기적으로 영상의 질에 대한 관리가 요구되는 각종 의료 영상 장치 및 비파괴 검사를 위한 영상 장치의 품질 관리에 활용될 수 있다.

검사용 팬텀, 원형 단면의 선 표적, fcTiLP, PSF, GPSF, JND, 해상도, 초음파, 엑스선, 사진 영상, 비파괴 영상

Description

단일 수치로 산출가능한 영상 장치의 해상도 측정시스템{Resolution Measurement System of Imaging Device Possible to Evaluate Absolute Value}

본 발명은 검사용 팬텀의 영상으로부터 단일 수치로 산출할 수 있는 해상도 측정 장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 표면 영상을 얻는 일반 사진기, 대상물의 그림자 영상을 제공하는 엑스선 영상 촬영기 및 대상물 내부의 단면 영상을 제공하는 각종 의료 영상 장치(초음파 진단기, CT, MRI 등) 및 비파괴 검사 장치를 포함한 다양한 형태의 촬영 장치를 포함하는 다양한 촬영 장치, 즉 원형 단면을 가지는 선 표적을 포함하는 검사용 팬텀 영상으로부터 표적 영상의 선 프로파일 cTiLP(cross-sectional Target image Line Profile)을 구하고, 파장이 표적의 직경 D보다 크지 않을 경우 표적의 선 프로파일의 폭이 직경 D에 해당하는 픽셀값을 선 프로파일의 최대값 A가 되도록 중앙 상단부를 평활화한 fcTiLP(flattened cTiLP)에 대해, 상기 촬영 장치로부터 얻는 영상을 좌/우측으로 이등분하고 이등분된 어느 한 측 영상의 평균 픽셀값이 단계적으로 변화될 때 상기 좌/우측 영상의 상이함이 식별되기 시작하는 순간의 좌/우측 영상에 대한 평균 픽셀값 차로 정의되는 JND(Just Noticeable Difference)를 통해 상기 평활화한 선 프로파일인 fcTiLP와 동일한 가상의 선 프로파일인 ifcTiLP(imaginary fcTiLP)를 수평상으로 이동시켜 fcTiLP와 ifcTiLP가 만나는 교점과 최대값 A의 차이가 JND가 될 때 fcTiLP와 ifcTiLP의 간격(G)과 표적의 직경(D)의 차(G-D)로 해상도를 산출하는 단일 수치로 측정가능한 해상도 측정시스템에 관한 것이다.

사진기 영상은 눈으로 보이는 사물을 영상을 기록하는 매개체 (필름, 디지털 저장 장치 등)에 표현한다. 최근에는 인간의 눈으로 인지할 수 없는 사물의 내부의 구조를 시각화하는 영상 장치로 출현하여 다양한 용도로 활용되고 있다. 사물의 내부를 가시화하는 초기 단계의 대표적인 기법이 전통적인 엑스선 영상이다. 이후 대상물의 내부 단면을 영상화하는 다양한 기술 (예. 초음파 영상, MRI, CT 등)이 개발되어 사용되고 있으며 의료 진단 및 비파괴 검사 등을 활용되고 있다.

이 엑스선 영상은 가시광선이 투과하지 못하는 사물을 투과하는 강한 에너지를 이용하여 투과된 빛의 양에 따라 형성되는 후면의 그림자를 영상으로 표현한다. 이후 사물 내부 대한 구조를 영상화하지 못하는 그림자 영상의 단점을 극복하는 다양한 형태의 사물 내부의 단면을 영상화하는 기술이 출현한다. 엑스선을 이용한 CT, 외부 자장의 변화에 따라 생체 조직에서 발생된 RF 신호의 변화를 이용하는 MRI, 초음파 영상 등이 그 대표적인 예다. 최근에는 이러한 2차원 단면 영상을 합성하여 내부 조직에 대한 3차원의 입체 영상을 구현하고 있다.

사물의 내부을 영상화하는 단면 영상의 경우 일반 사진기 영상보다 일반적으로 해상도가 낮으며, 영상 장치가 구현하는 영상의 질에 따라 내부 구조를 가시화 하는 정확도에 영향을 주게 된다. 비파괴 검사의 경우 해상도는 검사의 정확도에 영향을 주며, 의료 영상의 경우 진단의 신뢰도를 좌우하게 된다.

영상의 질은 영상 장치가 사용하는 영상 구현 기술에 크게 의존한다. 의료 영상의 경우 일반적으로 엑스선 CT의 영상의 화질이 가장 좋고, MRI, 초음파 영상의 순으로 화질의 선명도가 감소한다. 영상의 질은 다양한 형태의 변수로 표현된다. 예를 들어, 해상도, 선명도, 디지털 영상의 경우 화소 수 및 단일 화소의 크기, 대조도 등을 들 수 있다.

이러한 다양한 변수들은 영상을 구현하는 기술에 따라 그 중요도 및 비중이 달라진다. 상기 변수 중 해상도는 영상의 질을 평가하는 기본적인 특성이라 할 수 있다. 따라서 영상의 질을 유지하고 관리하기 위한 영상 장치의 품질 관리 (Quality Assurance, QA)에 해상도를 중요한 평가 변수로 사용하고 있다.

영상 장치의 해상도란 구현된 영상이 가질 수 있는 공간 분해능을 의미한다. 즉 영상의 해상도란 2개의 미세한 반사체를 분리하여 영상에 표시할 수 있는 최소 거리로 정의할 수 있다. 디지털 영상의 경우 공간 해상도의 최소 단위는 픽셀의 크기로 표현할 수 있다. 일반적으로 영상 장치의 픽셀의 크기는 영상 장치가 구현할 수 있는 공간 식별 거리보다 충분히 작도록 설정한다. 방사 빔을 이용하여 대상물의 내부 단면을 영상화하는 의료 영상의 경우 (예. 초음파 영상) 해상도는 영상을 얻기 위해 사용하는 파의 전파 방향과 같은 축 방향 (axial resolution)과 수직인 측 방향 (lateral resolution)으로 구분할 수 있다.

도 1a 및 1b는 엑스선 영상의 해상도 측정을 위한 팬텀(07-538, Fluck Biomedical, USA) 및 엑스선 팬텀 영상(Spot radiography image)을 나타내는 도면이며, 도 2는 사진기의 해상도를 평가하는 도구인 TEST TARGET-PIMA/ISO Resolution Test Chart를 나타내는 도면이고, 도 3a 및 3b는 초음파 영상의 해상도 평가를 위한 상용 팬텀(404GS, GAMMEX, USA) 및 이의 팬텀 영상을 나타내는 도면이며, 도 4는 CT 영상의 해상도 측정을 위한 팬텀(QRM-3DSR, QRM GmbH, Germany) 및 이의 팬텀 영상을 나타내는 도면이다.

도면을 참조하면 이러한 상기 해상도를 평가하는 기존의 방법은 영상 장치에 따라 약간씩 상이하나 도 1~4에서 도시한 바와 같이 일반적으로 다수의 표적으로 구성된 해상도 팬텀을 이용하며, 측정된 해상도는 팬텀에 제공하는 해상도의 범위 내에 있는지 여부만을 알 수 있다. 현재 영상 장치가 구현할 수 있는 해상도를 단일 수치로 측정할 수 있는 팬텀 및 측정 장치는 없는 실정이다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 촬영장치로부터 검사용 팬텀의 영상을 픽셀값과 거리(D)에 따른 가우시안 함수인 PSF(point spread function)로 변환하여 PSF의 최대값(A)과 A-JND보다 작은 특정 픽셀값 B지점에서의 PSF 폭(W)을 통해 일정범위 내로 산출되는 해상도가 아니라 단일수치의 해상도로 산출될 수 있는 해상도 측정시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 해상도를 측정하기 위해 하나 이상의 표적을 가지는 검사용 팬텀과; 상기 검사용 팬텀을 촬영하여 영상데이터를 생성하는 촬영장치와; 상기 촬영장치로부터 검사용 팬텀의 표적 영상데이터를 전송받아 단일 수치 형태의 해상도 값을 생성하는 분석단말기;를 포함하여 구성되되, 상기 분석단말기는 상기 촬영장치로부터 전송받은 검사용 팬텀의 영상데이터를 분석이 용이하도록 영상처리를 수행하는 영상처리부와, 상기 영상처리부로부터 처리과정이 수행된 영상데이터를 통해 단일 수치형태의 해상도 값을 산출하는 영상분석부가 포함되어 이루어지며, 상기 영상분석부에서 생성하는 해상도 값은 상기 영상처리부에서 상기 촬영장치로부터 전송받는 검사용 팬텀의 표적 영상데이터를 픽셀값과 거리에 따른 일정 방향의 선 프로파일(cTiLP; cross-sectional Target Image Line Profile)로 변환하여 이를 영상분석부로 전송하고, 상기 영상분석부에서는 촬영장치의 파장(λ)이 표적의 직 경(D)보다 크지 않을 경우 상기 cTiLP는 그 폭이 표적의 직경(D)에 해당하는 특정 픽셀값을 선 프로파일의 최대값 A가 되도록 중앙 상단부를 제거하여 제거된 중앙 상단부가 최대값 A값으로 평활화된 선 프로파일(fcTiLP; flattened cross-sectional Target Image Line Profile)로 변환한 다음, 상기 촬영 장치로부터 얻는 영상을 좌/우측으로 이등분하고 이등분된 어느 한 측 영상의 평균 픽셀값이 단계적으로 변화될 때 상기 좌/우측 영상의 상이함이 식별되기 시작하는 순간의 좌/우측 영상에 대한 평균 픽셀값 차로 정의되는 JND(Just Noticeable Difference)를 통해 상기 평활화한 선 프로파일인 fcTiLP와 동일한 가상의 선 프로파일인 ifcTiLP(imaginary fcTiLP)를 좌, 우 어느 일측의 수평상으로 이동시켜 fcTiLP와 ifcTiLP가 만나는 교점과 최대값의 차가 JND가 될 때, fcTiLP와 ifcTiLP의 간격(G)과 표적의 직경(D)의 차(G-D)로 산출한다.

또한 본 발명의 다른 실시예는 해상도를 측정하기 위해 하나 이상의 표적을 가지는 검사용 팬텀과; 상기 검사용 팬텀을 촬영하여 영상데이터를 생성하는 촬영장치와; 상기 촬영장치로부터 검사용 팬텀의 표적 영상데이터를 전송받아 단일 수치 형태의 해상도 값을 생성하는 분석단말기;를 포함하여 구성되되, 상기 분석단말기는 상기 촬영장치로부터 전송받은 검사용 팬텀의 영상데이터를 분석이 용이하도록 영상처리를 수행하는 영상처리부와, 상기 영상처리부로부터 처리과정이 수행된 영상데이터를 통해 단일 수치형태의 해상도 값을 산출하는 영상분석부가 포함되어 이루어지며, 상기 영상분석부에서 생성하는 해상도 값은 상기 영상처리부에서 상기 촬영장치로부터 전송받는 검사용 팬텀의 표적 영상데이터를 픽셀값과 거리에 따른 일정 방향의 선 프로파일(cTiLP; cross-sectional Target Image Line Profile)로 변환하여 이를 영상분석부로 전송하고, 상기 영상분석부에서는 촬영장치의 파장(λ)이 표적의 직경(D)보다 클 경우 상기 선 프로파일인 cTiLP는 최대값 A를 가지며 픽셀값과 거리에 따른 수직 방향 또는 수평 방향의 선 프로파일 함수인 PSF(point spread function)로 정의되고, 상기 촬영 장치로부터 얻는 영상을 좌/우측으로 이등분하고 이등분된 어느 한 측 영상의 평균 픽셀값이 단계적으로 변화될 때 상기 좌/우측 영상의 상이함이 식별되기 시작하는 순간의 좌/우측 영상에 대한 평균 픽셀값 차로 정의되는 JND(Just Noticeable Difference)를 통해 상기 정의된 PSF와 동일한 가상의 iPSF(imaginary PSF)를 좌, 우 어느 일측의 수평상으로 이동시켜 PSF와 iPSF가 만나는 교점과 최대값의 차가 JND가 될 때, PSF와 iPSF 간의 간격(G)으로 산출한다.

아울러 본 발명의 또 다른 실시예는 해상도를 측정하기 위해 하나 이상의 표적을 가지는 검사용 팬텀과; 상기 검사용 팬텀을 촬영하여 영상데이터를 생성하는 촬영장치와; 상기 촬영장치로부터 검사용 팬텀의 표적 영상데이터를 전송받아 단일 수치 형태의 해상도 값을 생성하는 분석단말기;를 포함하여 구성되되, 상기 분석단말기는 상기 촬영장치로부터 전송받은 검사용 팬텀의 영상데이터를 분석이 용이하도록 영상처리를 수행하는 영상처리부와, 상기 영상처리부로부터 처리과정이 수행된 영상데이터를 통해 단일 수치형태의 해상도 값을 산출하는 영상분석부가 포함되어 이루어지며, 상기 영상분석부에서 생성하는 해상도 값은 상기 영상처리부에서 상기 촬영장치로부터 전송받는 검사용 팬텀의 표적 영상데이터를 픽셀값과 거리에 따른 수직 방향 또는 수평 방향의 선 프로파일(cTiLP; cross-sectional Target Image Line Profile)로 변환하여 이를 영상분석부로 전송하고, 상기 영상분석부에서는 촬영장치의 파장(λ)이 표적의 직경(D)보다 클 경우 상기 선 프로파일인 cTiLP는 최대값 A를 가지며 픽셀값과 거리에 따른 수직 방향 또는 수평 방향의 선 프로파일 함수인 PSF(point spread function)로 정의되고, 정의된 상기 PSF의 최대값과 특정 픽셀값에서의 PSF폭을 통해 가우시안 함수인 GPSF(Gaussian PSF)로 근사화한 다음 상기 촬영 장치로부터 얻는 영상을 좌/우측으로 이등분하고 이등분된 어느 한 측 영상의 평균 픽셀값이 단계적으로 변화될 때 상기 좌/우측 영상의 상이함이 식별되기 시작하는 순간의 좌/우측 영상에 대한 평균 픽셀값 차로 정의되는 JND(Just Noticeable Difference)를 통해 상기 변환된 GPSF와 동일한 가상의 iGPSF(imaginary PSF)를 좌, 우 어느 일측의 수평상으로 이동시켜 GPSF와 iGPSF가 만나는 교점과 최대값의 차가 JND가 될 때,

로 표현되는 GPSF와 iGPSF간의 간격(G)으로 산출한다.(여기서, A는 PSF함수의 최대값이며, D는 원형 단면 표적의 직경이고, B는 A-JND보다 작은 특정 픽셀값이며, W는 B의 GPSF폭이다.)

여기서 상기 영상분석부에서 생성하는 해상도 값은 상기 fcTiLP에서 평활화된 최대값의 수평 방향 폭부분을 제거하고 남겨지는 좌, 우측 선 프로파일의 상단 각 단부가 접하도록 합성하여 형성되는 선 프로파일을, 최대값 A를 가지며 픽셀값과 거리에 따른 수직 방향 또는 수평 방향의 선 프로파일 함수인 uPSF(pseudo - point spread function)로 변환하고 이를 PSF로 정의한 다음 정의된 PSF와 동일한 가상의 iPSF(imaginary PSF)를 좌, 우 어느 일측의 수평상으로 이동시켜 PSF와 iPSF가 만나는 교점과 최대값의 차가 JND가 될 때, PSF와 iPSF 간의 간격(G)으로 산출하거나 가우시안 근사화에 따라 변환된 GPSF(Gaussian PSF)와 동일한 가상의 iGPSF(imaginary GPSF)를 좌, 우 어느 일측의 수평상으로 이동시켜 GPSF와 iGPSF가 만나는 교점과 최대값의 차가 JND가 될 때,

로 표현되는 GPSF와 iGPSF 간의 간격(G)으로 산출된다.

또한 상기 영상처리부는 정사각형 형태인 영상의 픽셀 1개가 표현하는 가로 또는 세로의 물리적 거리이며 검사용 팬텀 내의 특정 거리에 있는 두 표적 간의 물리적인 거리를 영상에서의 두 표적 사이의 픽셀 개수로 나눈 값인 스케일팩터(S)가 촬영 장치로부터 전송받은 검사용 팬텀의 선 표적의 영상에서 산출되게 되는 해상도의 1/10배보다 클 경우, 스케일팩터의 크기를 감소시키기 위하여 픽셀값을 재설정하여 영상을 조밀하게 하는 리파인먼트 처리가 수행되며, 상기 검사용 팬텀은 원형 단면을 가지는 선 표적과 촬영된 영상에서 표적과 대비되는 픽셀값을 가지는 주변 또는 배경 매질로 구성되며, 촬영 장치에 따라 상기 검사용 팬텀의 내부 구조, 재질 또는 형태가 선택적으로 채택되어 구성된다.

또한 상기 표적과 주변 또는 배경 매질은 영상에서 표적과 배경 간의 구별이 분명하도록 이루어지기 위해 영상을 8비트 회색 영상으로 표현할 경우 표적과 배경 간의 픽셀값 차가 JND보다 100 이상 크도록 설정함이 바람직하며, 상기 검사용 팬텀은 일정 방향의 해상도 변화를 측정하기 위해 하나 이상의 보조표적을 더 설치할 수 있다.

또한 상기 검사용 팬텀은 선 표적의 직경(D)가 촬영 장치의 파장(λ) 보다 2배 이상 클 경우 fcTiLP로 변환하는 과정에서 요구되는 표적의 직경(D)에 해당하는 영상 내 거리는 상기 표적의 직경(D)을 스케일팩터(S)로 나누어 구하며, 상기 스케일팩터(S)를 구하기 위해 검사용 팬텀 내에 배치되는 어느 하나의 표적과 일정 거리(L) 이격된 지점에 보조표적을 추가하여 이루어지되, 상기 스케일팩터는 영상에서의 상기 두 표적 간 픽셀 개수로 나누어 산출할 수 있다.

본 발명은 원형 단면 선 표적의 검사용 팬텀을 이용하여 영상 촬영 장치에 대한 공간 해상도 측정시스템을 고안한 것으로, 다수의 표적으로 구성된 복잡한 팬텀을 이용하여 해상도 범위만을 제공하는 기존의 방식을 획기적으로 개선하는 단일 수치의 해상도 값을 제공하며, 표면 영상을 얻는 일반 사진기의 해상도 평가는 물론 대상물의 그림자 영상을 제공하는 엑스선 영상 촬영기 및 대상물 내부의 단면 영상을 제공하는 각종 의료 영상 장치 (초음파 진단기, CT, MRI 등) 및 비파괴 검사 장치의 해상도 측정 및 품질 관리에 활용될 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 해상도 측정시스템에 대해 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명에 따른 해상도 측정시스템을 개략적으로 도시한 도면이며, 도 6a 내지 6c는 원형 단면을 가지는 선 표적 및 이의 이상적인 영상과 전형적인 실제 단면 영상을 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 선 프로파일로 변환된 cTiLP(cross sectional Target image Line Profile) 중 파장이 직경보다 큰 경우와 작은 경우를 나타내는 도면이며, 도 8은 본 발명에 따른 fcTiLP (flattening cross sectional Target image Line Profile)의 변환과정을 나타내는 도면이고, 도 9는 본 발명에 따른 제 1실시예에서의 해상도를 측정하는 과정을 나타내는 도면이다.

또한 도 10은 본 발명에 따른 JND 측정 과정을 나타내는 도면이고, 도 11은 fcTiLP에서 D에 해당하는 중앙부를 제거하여 점 표적 선 프로파일로 근사화한 pseudo-PSF를 도출하는 과정을 나타내는 도면이며, 도 12는 점 표적에 대한 가우시안 PSF(GPSF) 및 JND에 기초한 공간 분해능 (R)을 추정하는 과정을 나타내는 도면이고, 도 13은 본 발명에 따라 원형 단면을 가지는 선 표적 영상을 이용하여 해상도를 측정하기 위한 제 1실시예 내지 제 3실시예의 선택 및 도출 과정을 나타내는 순서도이다.

도면을 참조하면, 본 발명에 따른 해상도 측정시스템(1000)은 크게 해상도를 측정하기 위한 검사용 팬텀(100)과, 상기 검사용 팬텀(100)에 대한 영상을 촬영하고 영상데이터를 생성하는 촬영장치(200)와, 촬영장치(200)로부터 영상데이터를 전송받아 단일 수치 형태의 해상도 값을 생성하는 분석단말기(300)로 구성된다.

여기서 상기 검사용 팬텀(100)은 원형 단면 선 표적을 포함하며 상기 촬영장치(200)로부터 얻어지는 영상의 해상도를 측정하기 위해 마련되는 것으로 해상도를 측정하여야 할 촬영장치(200)로 상기 검사용 팬텀(100)을 촬영하여 이로부터 얻어지는 검사용 팬텀(100)의 표적 영상에 대한 선 프로파일 cTiLP (cross-sectional Target image Line Profile)을 이용하여 후술할 분석단말기(300)의 영상분석부(320)에서 해상도의 절대값이 측정된다.

이러한 검사용 팬텀(100)은 원형 단면을 가지는 선 표적(110)과 표적의 주변 매질(120)로 구성되는데, 초음파 영상의 경우, 상기 표적(110)은 원형 단면을 가지는 나일론 선 (monofilament nylon wire) 재질로 구성됨이 바람직하며, 상기 주변 매질(120)은 초음파 영상의 경우 음향학적으로 생체 조직과 유사한 특성을 나타내는 초음파 조직 등가 물질 (ultrasonic tissue mimicking material)로 구성됨이 바람직하나, 촬영 장비의 특성에 따라 검사용 팬텀(100)의 내부 구조 및 재질은 선택적으로 변경 가능할 것이다.

상기 표적(110)의 배열은 프로브 또는 상황에 따라서 깊이 또는 표적 개수를 조절할 수 있다. 예를 들어 초음파 영상의 경우 깊이 방향으로 해상도의 변화를 관찰하기 위해 단일 표적(또는 초음파 변환기)의 위치를 이동하거나, 깊이별로 배열하되 바로 위의 깊이에 있는 표적의 음영(shadow) 영향을 없애기 위하여 일정각도 경사진 방향으로 즉, 깊이방향에 대해 일정각도를 가지는 사선으로 다수의 표적을 설치할 수 있을 것이다.

또한 동일한 방식으로 검사용 팬텀(100)의 폭방향의 해상도 변화를 관찰하기 위해 선 표적(또는 초음파 변환기)의 위치를 이동하거나, 수평 방향으로 다수의 표적을 설치할 수 있다.

한편 상기 촬영장치(200)는 표면 영상을 얻는 일반 사진기, 대상물의 그림자 영상을 제공하는 엑스선 영상 촬영기 및 대상물 내부의 단면 영상을 제공하는 각종 의료 영상 장치(초음파 진단기, CT, MRI 등) 및 비파괴 검사 장치를 포함한 다양한 형태의 촬영 장치를 포함하며 검사용 팬텀 (100)의 표적에 대한 영상을 촬영하고 영상데이터를 생성하여 이를 분석단말기(300)에 전송하는데, 여기서의 촬영장치(200)는 해상도(공간 분해능) 조사 대상에 해당된다.

이러한 촬영장치(200)에는 필요에 따라서 검사용 팬텀(100)을 거치할 수 있는 안착대, 촬영장치(200)의 헤드(빔 조사부 및 입사부)가 패닝 및 틸딩될 수 있도록 구동장치 등이 구비됨은 물론이다.

상기 분석단말기(300)는 촬영장치(200)로부터 영상데이터를 전송받아 단일 수치 형태의 해상도 값을 생성하기 위해 마련되는데, 이러한 분석단말기(300)에는 촬영장치(200)로부터 전송받은 영상데이터를 분석이 용이하도록 영상처리를 수행하는 영상처리부(310)와, 상기 영상처리부(310)로부터 처리과정이 수행된 영상데이터를 통해 단일 수치형태의 해상도 값을 산출하는 영상분석부(320)가 포함된다.

물론 상기 분석단말기(300)에는 촬영장치(200)로부터 전송받는 영상데이터를 일시 저장할 수 있는 메모리부와 영상처리부(310) 및 영상분석부(320)를 제어하기 위한 제어부가 더 구비될 수 있으며 필요에 따라 영상분석부(320)로부터 생성되는 결과 데이터를 출력할 수 있는 디스플레이수단(모니터)과 프린터와 같은 인쇄 수단 및 외부 서버 또는 단말기와 데이터 통신할 수 있는 통신수단이 더 구비될 수 있다.

아울러 본 발명에서 일실시예로 상기 촬영장치(200)와 분석단말기(300)가 분리되어 각각 데이터 통신하는 별개의 개체로 구성되었으나, 필요에 따라 하나의 촬영분석장치 형태로 구성하여 촬영부 및 분석부의 구성으로 형성될 수 있다.

한편 이하에서는 상기 영상처리부(310) 및 영상분석부(320)에서 원형 단면 선 표적 영상을 이용하여 단일 수치 형태로 해상도 결과 값을 산출하는데, 이러한 산출 과정 및 원리를 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에서 영상이란 회색 및 칼라 영상을 모두 포함한다. 영상의 값은 각 픽셀에 할당된 값으로 표시되며, 8비트 회색 영상의 경우 0-255의 값으로 픽셀값 즉, 밝기를 표현한다. 칼라 영상의 경우, 각 픽셀에 RGB 값이 할당된다. 본 발명에서는 편의상 특별한 언급이 없으면 8비트 회색 영상을 기준으로 기술한다.

원형 단면 선 표적을 이용한 해상도 추정 이론의 기본 원리는 촬영장치(200)가 사용하는 조사파의 파장보다 충분히 작은 원형 단면 선 표적에 대해 파동의 산란 효과는 파장과, 표적 및 표적 주변 매질의 특성 등에 의해서 결정된다. 이러한 파동의 고유한 산란 특성을 이용하여 촬영장치(200)가 구현할 수 있는 영상의 최소의 공간 분해능 즉 해상도를 추정할 수 있다.

물론 상기 촬영장치(200)의 조사파는 촬영장치가 영상을 획득하기 위해 조사하는 방사 빔을 말하는 것으로 엑스선, 초음파 등의 촬영장치의 경우 엑스선이나 초음파를 조사하여 이의 투과 또는 반사파를 통해 영상을 획득하므로 그 조사파는 각각 엑스선이나 초음파가 될 것이나, 디지털 카메라와 같은 촬영장치의 경우에는 이러한 조사파 없이 입사되는 파로 영상을 획득하므로 "상기 촬영장치(200)가 사용하는 조사파"라는 표현은 보다 정확하게 기재하자면 촬영장치(200)가 영상을 획득하기 위해 사용하는 소스의 파장이라 할 수 있을 것이다.

한편 촬영 장치(200)가 도 6a와 같은 사물의 구조를 이상적으로 영상화할 경우 구현된 단면 영상은 도 6b와 같이 동일한 크기의 원형 영상으로 표현된다. 이 경우 표적(110) 부분과 주변 매질(120) 또는 배경 매질의 대조도는 촬영장치(200) 및 촬영장치(200)의 설정에 따라 달라질 수 있다. 그러나 실제로 원형 단면 선 표적(110)에 대해 영상 장치를 통해 얻은 단면 영상은 도 6c와 같이 원형과 유사하지만, 표적(110)과 주변 매질(120)또는 배경 매질의 경계부에서 대조도가 상대적으로 서서히 변화한다.

만일 선 표적(110)에 대한 이론적인 영상과 실제 영상의 중심부를 수직(축 방향) 또는 수평(측 방향)으로 관통하는 픽셀의 프로파일을 비교하여 도시해보면, 도 6c에서와 같이 실제 단면 영상에서는 표적(110)과 주변 매질(120)또는 배경 매질의 경계를 그대로 영상으로 복원하지 못하며, 경계면에서 가우시안 형태와 유사하게 상대적으로 완만하게 감소한다. 이러한 특성은 촬영장치의 파동 특성, 표적(110) 및 표적 주변 조건에 영향을 받는다.

원형 단면 선 표적(110)에 대한 영상은 촬영 장치에서 사용하는 파 (초음파, 엑스선, RF 등)의 파장과 선 표적의 직경에 대한 상대적인 크기에 따라 특성이 달라진다. 도 7은 표적(110)의 직경이 파장에 비해 충분히 작은 경우 (D≪λ) 와 그렇지 못한 경우에 대한 원형 단면 선 표적의 단면 영상에 대한 선 프로파일을 보여준다.

도 7의 우측 하단에서와 같이 원형 단면 선 표적의 직경이 영상을 얻는데 사용하는 파장보다 충분히 작을 경우(D≪λ), 표적(110)은 방사 빔에 대해 하나의 점으로 인식된다. 이 경우 단면 영상은 도 6c와 유사한 형태를 보이며, 이 단면 영상은 물리적으로 점에 대한 촬영장치(200)의 방사 빔 산란 효과를 영상의 픽셀값의 변화로 보여주는 PSD (point spread distribution)로 정의할 수 있다.

이 단면 영상에 대한 수직 및 수평 방향의 선 프로파일은 도 7의 우측 하단과 유사한 형태를 가지며 촬영장치에서 사용하는 파의 파장에 대한 PSF(point spread function)가 된다. 동일한 위치에 있는 점 표적에 대해 촬영 장치로부터 얻은 PSF는 유일하게 결정된다. 이러한 PSF는 가우시안과 유사한 분포를 따른다.

반면 원형 단면 선 표적(110)의 직경이 영상을 얻는데 사용하는 파의 파장 보다 충분히 큰 경우(λ≪D), 표적은 영상에서 하나의 면으로 인식되며, 이때 표적에 대한 픽셀값 단면 영상은 중앙부에서 최대값을 가지며, 단면 영상의 중앙부를 지나는 선 프로파일 cTiLP(cross-sectional Target image Line Profile)은 도 7의 우측 상단에서 도시하듯이 중심에서 선 표적의 직경 범위 내에서 위로 볼록한 완만한 곡선을 그리다가, 좌우 측면의 경계부에서 가우시안 분포와 유사하게 상대적으 로 급격히 감소한다.

원형 단면 선 표적(110)의 영상으로부터 cTiLP 또는 PSF을 얻기 위해 필요한 사전 영상 처리 및 촬영 장치의 파장과 선 표적의 직경의 조건에 따른 단일 수치 형태로 촬영장치의 해상도의 값을 산출하는 과정은 도 13에서 요약하고 있다.

여기서 상기 영상처리부(310)에서는 스케일팩터(S)가 촬영 장치(200)로부터 전송받은 검사용 팬텀(100)의 선 표적의 영상에서 산출되게 되는 해상도의 1/10배보다 클 경우, 스케일팩터(S)의 크기를 감소시키기 위하여 픽셀값을 재설정하여 영상을 조밀하게 하는 리파인먼트 처리가 수행되는데, 여기서 상기 스케일팩터(S)는 정사각형 형태인 영상의 픽셀 1개가 표현하는 가로 또는 세로의 물리적 거리이며 검사용 팬텀 내의 특정 거리에 있는 두 표적 간의 물리적인 거리를 영상에서의 두 표적 사이의 픽셀 개수로 나눈 값을 의미한다.

또한 촬영된 영상이 선 표적의 단면 영상인 경우, 영상처리부는 처리된 영상에 대해 일정 방향(영상의 수직 방향과 수평 방향 또는 임의의 각(Φ)을 가지는 방향(도 7 좌측 참조))을 따라 중심을 지나는 선 프로파일 cTiLP을 구하며, 일반 사진 및 엑스선 영상의 경우 선 표적 영상과 수직인 방향의 선 프로파일 cTiLP를 구한다.

다음 단계로 도 8에 도시된 바와 같이 영상분석부는 촬영장치의 빔 파장이 직경보다 크지 않을 경우 선 프로파일 cTiLP는 그 폭이 표적의 직경(D)에 해당하는 특정 픽셀값을 선 프로파일의 최대값 A가 되도록 중앙 상단부를 제거하여 제거된 중앙 상단부가 최대값 A값으로 평활화된 선 프로파일(fcTiLP; flattened cross- sectional Target Image Line Profile)로 변환한다.

여기서 상기 평활화는 선 프로파일 cTiLP의 중앙 상단부 분포 곡선을 특정 픽셀값을 가지는 수평의 평탄구간을 형성시키는 과정을 말한다.

또한 상기 선 프로파일 cTiLP의 폭은 cTiLP의 수직 중심축(좌/우로 서로 형상적으로 대응되도록 이등분 시 이등분의 기준축)을 기준으로 이등분시에 동일한 픽셀값(회색영상인 경우에는 그레이스케일값)을 가지는 좌, 우 cTiLP의 분포 좌표 간의 수평 거리를 말한다.

한편 상기 영상에서 직경 D에 해당하는 거리는 상기 표적의 직경(D)을 스케일팩터(S)로 나누어 구할 수 있는데, 이러한 상기 스케일팩터(S)는 검사용 팬텀(100)에서 D보다 2배 이상의 충분히 큰 특정 거리 L(D≪L)에 보조표적(111)을 추가하여 영상화하고 이에 따른 영상에서 나타나게 되는 표적(110)과 보조표적(111)간 픽셀 개수로 검사용 팬텀(100) 내의 두 표적 간 거리를 나누어 구할 수 있다.

상기 영상분석부(320)에서는 도 9에서 도시하는 것처럼 영상처리부(310)에서 전송받은 fcTiLP와 동일한 가상의 ifcTiLP(imaginary fcTiLP)를 fcTiLP에 중첩한 상태에서 좌, 우 어느 측의 수평방향으로 선 표적의 직경 D보다 크게 이동할 때, fcTiLP와 ifcTiLP의 교점에서의 픽셀 값과 fcTiLP의 최대값(A)의 차가 JND(Just Noticeable Difference)가 되는 시점에서 fcTiLP와 ifcTiLP 간의 분리된 거리(G)에서 표적의 직경(D)을 뺀 거리를 해상도(R)로 계산한다.

(1)

여기서 상기 JND는 표적을 포함하지 않는 배경 영상을 촬영장치(200)가 촬영하고 이를 동일하게 복사하여 두 영상을 나란히 배열한 뒤, 어느 하나의 영상은 그대로 두고 다른 하나의 영상에 대한 픽셀값을 단계적으로 변화시킬 때 두 영상이 다르게 식별되기 시작하는 순간의 픽셀값 변화량값을 의미한다.

도 10에 나타나는 픽셀값 변화량 즉 JND는 14가 되는 것이며, 이러한 JND는 촬영 장치(200) 및 검사용 팬텀(100)의 배경에 따라 달라질 수 있다.

만일 원형 단면 선 표적의 직경(D)가 촬영 장치에서 사용하는 파의 파장(λ)보다 충분히 작을 경우(D≪λ), 선 표적은 단면 영상에서 점으로 인식되며 표적의 영상은 점 확산 분포 PSD (Point Spreading Distribution)를 보이며, PSD에 대한 특정 방향의 cTiLP는 PSF으로 표현된다.

상기 충분히 작을 경우라는 조건은 5배 이상일 경우에 이상적인 점형태로 인식됨을 의미하며 충분히 작지는 않지만 조금 작을 경우에는 점의 직경이 충분히 작을 경우보다는 크게 인식될 것이다.

만일 상기 조건(D≪λ)을 만족하지 못할 경우 즉, 조금 작거나 크거나 충분히 클 경우에는 점차 중앙부의 굴곡이 평탄한 cTiLP로 형성되며 이는 도 7의 우측 상단과 같이 나타나고 이때 해상도 산출과정은 전술한 도 8에서 도시된 방법으로 fcTiLP를 얻어 수행되게 된다.

즉, 촬영장치(200)의 조사 파장(λ)과 직경(D) 간의 크기 차이에 따라 파장이 직경보다 작을 경우에는 평활화한 fcTiLP를 통해 해상도를 산출하고 직경보다 클 경우에는 cTiLP를 PSF으로 정의하여 이를 통해 해상도를 산출하는 것이다.

물론 상기 표적의 직경(D)은 작업자가 조사하는 파장(초음파, 엑스선 등)에 따라 변경 채택이 가능하므로 평활화한 fcTiLP를 통하거나 PSF를 통해 구하는 과정 또한 선택 가능할 수 있는 것이다.

하지만 일반적으로 표적의 직경을 조절하는데는 물리적인 한계가 있으므로 엑스선과 같이 조사 파장의 크기가 작은 경우(짧은 경우)에는 표적의 직경이 크게 됨에 따라 평활화한 fcTiLP를 통해 구하게 될 것이고, 초음파의 경우에는 조사 파장의 크기가 상대적으로 크므로 표적에 선택에 따라 상기 해상도 산출과정이 결정될 것이다.

한편 상기와 같이 촬영 장치에서 사용하는 파의 파장(λ)보다 충분히 작을 경우(D≪λ)에 표현되게 되는 PSF이외에도 이와 유사한 PSF함수를 얻을 수 있는데, 이는 도 11에서 도시된 바와 같이 최대값 A를 가지며 폭 D를 가지는 상부가 평활화된 fcTiLP의 중앙부를 제거하고 남는 좌우 곡선을 이어 합성한 선 프로파일로 표현하게 되는 uPSF함수가 해당될 것이다.

즉, 상기 uPSF함수는 상기 fcTiLP에서 평활화된 최대값의 수평 방향 폭 부분을 제거하고 남겨지는 좌, 우측 선 프로파일의 상단 각 단부가 접하도록 합성하여 형성되는 선 프로파일 함수로서 그 최대값은 fcTiLP 최대값과 동일함은 물론이다.

이러한 두 가지 형태를 포함하는 PSF에 대하여 전술한 fcTiLP 방법과 유사하 게 PSF와 동일한 가상의 iPSF (imaginary PSF)를 PSF에 중첩한 상태에서 좌, 우 어느 일측의 수평 방향으로 이동할 때, PSF와 iPSF의 교점에서의 픽셀 값과 PSF의 최대값(A)과의 차가 JND가 되는 시점에서 PSF와 iPSF간의 분리된 거리(G)를 해상도 R로 계산한다.

(2)

여기서 PSF는 조건(D≪λ)을 만족하는 원형 단면 선 표적에 대한 PSF 및 fcTiLP로부터 근사화된 uPSF를 모두 포함한다.

상기 식(2)에서 사용한 PSF는 가우시안 분포 GPSF(Gaussian PSF)로 근사화 될 수 있으며 이를 이용하면 식(2)와 동일한 방법으로 해상도 R을 표현할 수 있다.

즉, GPSF와 같은 가상의 iGPSF(imaginary GPSF)가 중첩된 상태에서 분리될 때 두 함수의 교점에서 픽셀 값과 최대값(A)의 차가 JND가 될 때 두 GPSF의 분리된 거리(G)를 해상도(R)로 표현할 수 있는 것이다.

(3)

여기서 GPSF은 B(< (A-JND))의 값을 가질 때 폭이 W가 되는 조건을 만족한다 (도 12 참조). 식(2)는 아래의 식(4)와 같이 측정이 가능한 A, B, W 및 JND의 함수 로 표현될 수 있다.

(4)

식(4)을 유도하기 위해, 공간상에서 GPSF를 최대값 A를 가지는 일반적인 1차원 가우시안 함수 f(x)로 표현하면,

(5)

여기서 A는 PSF의 최대값, x는 거리, α는 가우시안의 폭을 결정하는 상수이다. 도 12에서 볼 수 있듯이 x=G/2 일 때 두 가우시안 함수가 교차하는 위치에서 가우시안 함수의 크기는 A-JND 값을 가진다. 즉,

(6)

식(5)을 식(4)에 대입하여 G에 대해 정리하면 다음과 같다.

(7)

또한 가우시안 함수 f(x)는 (W/2,B)을 만족하므로, 즉

(8)

식(8)을 식(5) 대입하여 α에 대해 정리하면

(9)

여기서 B의 값은 A-JND 값 보다 작도록 한다. 식(9)을 식(7) 및 식(3)에 대입하면, 해상도 R은 위의 식(4)와 같이 유도되어, 측정이 가능한 A, B, W 및 JND의 함수로 표현될 수 있다.

여기서 JND의 값은 사용자의 목적에 따라 또는 관련 학회/기관의 권고에 따라 적절한 값을 선택할 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 인체 조직에 대한 초음파 영상(8비트 회색 영상)에 대해 JND를 실험적으로 측정해 본 결과 도 10에서와 같이 픽셀값 14 정도의 값을 가지는 것으로 나타났다. 최대값 A는 표적 단면 영상의 중심부와 주변 배경의 픽셀값의 차이다. 배경 영상은 표적에서 충분히 떨어진 거리에 서 표적 영상의 최대 크기보다 큰 범위에서 평균화된 픽셀값을 사용한다.

본 발명에서 수직 방향 및 수평 방향 또는 임의 각을 가지는 방향 (Φ)에 대한 해상도는 단일 선 표적 영상에 대한 cTiLP((Φ) 또는 PSF을 이용하여 동시에 측정이 가능하다.

이와 같이 본 발명에서 원형 단면을 가지는 선 표적의 직경은 방사 빔의 파장보다 충분히 작을 경우는 전술한 바와 같이 PSF로 추정하여 바로 해상도를 산출할 수 있으며, 표적의 직경이 방사 빔의 파장보다 충분히 클 경우에도 cTiLP으로 부터 PSF를 추정하여 도 8 및 도 11에 도시된 바와 같이 해상도를 산출할 수 있다.

물론 PSF로 표현하여 해상도를 산출하는 과정 또한 세부적으로 가우시안 근사화를 할 것인지 여부에 따라 산출자가 선택적으로 식(2) 또는 식(4)를 통해 해상도를 산출할 수 있다.

본 발명에서는 실험적인 검증을 위해 환자 진단에 사용되는 초음파 영상기(SA9900, MEDISON, Korea)의 해상도 검사에 적용하였다.

도 14는 초음파 영상의 해상도 측정을 위한 단일 표적의 구현 예를 나타내는 도면이고, 도 15는 단일 점 표적과 이의 초음파 영상 및 수직, 수평방향 PSF를 나타내는 도면이며, 도 16은 초음파 영상에 대한 JND 설정 변화에 따른 해상도 변화를 나타내는 도면이고, 도 17은 기존의 초음파 영상의 해상도 평가를 위한 팬텀(ATS551, ATS Lab, USA)의 구조 및 해상도 범위 판정을 위한 팬텀 영상을 나타내는 도면이다.

또한 도 18은 기존의 해상도 측정 방법과 본 발명에 따른 해상도 측정 방법의 결과 비교를 나타내는 도면이며, 도 19는 일반 사진기의 해상도 측정을 위한 원형 단면을 가지는 선 표적 검사 팬텀의 구현 예를 나타내는 도면이고, 도 20a 내지 20d는 본 발명에 따라 일반 사진기의 해상도 측정을 위한 원형 단면(D=0.08 mm)을 가지는 선 표적 검사 팬텀에 대한 평가용 사진기(EOS 450D, Canon, Japan)의 표적 영상, cTiLP, fcTiLP, uPSF를 각각 나타내는 도면이다.

도면을 참조하면 도시된 검사용 팬텀은 촬영장치(200)가 초음파인 경우에 적합한 것으로 직경이 0.05 mm인 원형 단면을 가지는 나일론 선 (monofilament nylon wire) 표적을 3차원 공간상에 위치하도록 하고 음향학적으로 인체조직과 유사한 배경 물질 (Urethane rubber)로 채우도록 했다.

실험적인 검증을 위해 도 14의 검사용 선 표적을 초음파 영상기 (L5-12IM, Frequency mode - Gen, SA9900, MEDISON, KOREA)를 이용하여 8비트 픽셀값 영상을 획득하였다.

도 15의 경우는, 선 표적의 직경은 초음파의 파장 (≒0.2mm)보다 작은 직경을 가지는 원형 단면 선 표적 조건을 만족하며 PSF는 가우시안 분포를 잘 따르고 있다.

도 15에서 도시된 PSF를 가우시안 분포로 근사화하여 본 발명에서 제시한 방법 식(4)를 이용하여 해상도를 구하면, JND가 픽셀값 14일 때, 수직 방향 0.1315mm, 수평 방향 0.2508mm로 나타났다.(참고로, JND에 따른 수직 방향 및 수평 방향 해상도의 값의 변화를 도시하면, 도 16과 같다.)

이 값은 동일한 초음파 진단기에 대해 도 17에 도시된 기존의 초음파 해상도 검사 팬텀(ATS 551, ATS Lab, USA)를 이용하여 측정한 수직 방향 또는 수평 방향 해상도는 각각 0.25 미만 및 0.25 ~ 0.5 mm의 범위 내에 위치하고 있는 것으로 도 18에 도시된 바와 같이 확인되었다.

또한 본 발명의 일반 사진 영상에 대한 실험적인 검증을 위해 원형 단면을 가지는 단일 검사용 팬텀을 구현한 것이 도 19에 도시되어 있다. 표적은 직경 0.08mm인 원형 단면의 선으로 검정색 바탕 위에 위치하고 있다. 구현된 검사용 팬텀의 표적의 크기는 점 표적의 조건을 만족하지 못하며, 영상에서 표적의 직경 D를 구하기 위해 기준 거리 10mm를 가지는 표적을 포함하고 있다.

도 20은 도 19에서 보여주는 표적에 대해 일반 사진기 (EOS 450D, Canon, Japan)를 사용하여 얻은 영상 및 선 프로파일 cTiLP, fcTiLP 및 uPSF를 보여주고 있다. 해상도 fcTiLP를 이용하는 식(1), PSF을 이용한 식(2), 가우시안 근사법을 이용하는 식(4)를 이용하여 해상도를 계산한 결과, 각각 0.0209mm, 0.0209mm, 0.0214mm로 나타났다.

동일한 사진기에 대해, 기존 해상도 검사용 팬텀을 이용해서 얻은 영상으로 본 발명에 따라 산출된 해상도값이 이 범위 내에 있음을 확인할 수 있다.

이상의 실험적인 검증을 통해 본 발명에서 측정한 값이 기존의 복잡한 팬텀을 이용한 방법으로 추정한 범위 내에 존재하고 있음을 확인할 수 있다. 이미 언급된 것처럼 기존의 해상도 평가 방법은 해상도의 범위 추정만 할 수 있고, 다수의 복잡한 표적을 가지는 팬텀이 필요하다는 단점을 가진다. 본 발명에서 제시된 원형 단면 선 표적 팬텀과 계산 알고리듬을 활용할 경우 초음파 영상기의 분해능을 간단하고 쉽게 측정할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

도 1a 및 1b는 엑스선 영상의 해상도 측정을 위한 팬텀(07-538, Fluck Biomedical, USA) 및 엑스선 팬텀 영상(Spot radiography image)을 나타내는 도면이다.

도 2는 사진기의 해상도를 평가하는 도구인 TEST TARGET-PIMA/ISO Resolution Test Chart를 나타내는 도면이다.

도 3a 및 3b는 초음파 영상의 해상도 평가를 위한 상용 팬텀(404GS, GAMMEX, USA) 및 이의 팬텀 영상을 나타내는 도면이다.

도 4는 CT 영상의 해상도 측정을 위한 팬텀(QRM-3DSR, QRM GmbH, Germany) 및 이의 팬텀 영상을 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 해상도 측정시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 6a 내지 6c는 원형 단면을 가지는 선 표적 및 이의 이상적인 영상과 전형적인 실제 단면 영상을 나타내는 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 선 프로파일로 변환된 cTiLP(cross sectional Target image Line Profile) 중 파장이 직경보다 큰 경우와 작은 경우를 나타내는 도면이다.

도 8은 본 발명에 따른 fcTiLP (flattening cross sectional Target image Line Profile)의 변환과정을 나타내는 도면이다.

도 9는 본 발명에 따른 제 1실시예에서의 해상도를 측정하는 과정을 나타내는 도면이다.

도 10은 본 발명에 따른 JND 측정 과정을 나타내는 도면이다.

도 11은 fcTiLP에서 D에 해당하는 중앙부를 제거하여 점 표적 선 프로파일로 근사화한 pseudo-PSF를 도출하는 과정을 나타내는 도면이다.

도 12는 점 표적에 대한 가우시안 PSF(GPSF) 및 JND에 기초한 공간 분해능 (R)을 추정하는 과정을 나타내는 도면이다.

도 13은 본 발명에 따라 원형 단면을 가지는 선 표적 영상을 이용하여 해상도를 측정하기 위한 제 1실시예 내지 제 3실시예의 선택 및 도출 과정을 나타내는 순서도이다.

도 14는 초음파 영상의 해상도 측정을 위한 단일 표적의 구현 예를 나타내는 도면이다.

도 15는 단일 점 표적과 이의 초음파 영상 및 수직, 수평방향 PSF를 나타내는 도면이다.

도 16은 초음파 영상에 대한 JND 설정 변화에 따른 해상도 변화를 나타내는 도면이다.

도 17은 기존의 초음파 영상의 해상도 평가를 위한 팬텀(ATS551, ATS Lab, USA)의 구조 및 해상도 범위 판정을 위한 팬텀 영상을 나타내는 도면이다.

도 18은 기존의 해상도 측정 방법과 본 발명에 따른 해상도 측정 방법의 결과 비교를 나타내는 도면이다.

도 19는 일반 사진기의 해상도 측정을 위한 원형 단면을 가지는 선 표적 검사 팬텀의 구현 예를 나타내는 도면이다.

도 20a 내지 20d는 본 발명에 따라 일반 사진기의 해상도 측정을 위한 원형 단면(D=0.08 mm)을 가지는 선 표적 검사 팬텀에 대한 평가용 사진기(EOS 450D, Canon, Japan)의 표적 영상, cTiLP, fcTiLP, uPSF를 각각 나타내는 도면이다.

도 21은 본 발명에 따른 리파인먼트 처리가 수행되기 전과 수행된 후를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 검사용 팬텀 110 : 표적

111 : 보조표적 120 : 주변 매질

200 : 촬영장치 300 : 분석단말기

310 : 영상처리부 320 : 영상분석부

1000 : 해상도 측정시스템

Claims (9)

1. 해상도를 측정하기 위해 하나 이상의 표적을 가지는 검사용 팬텀과;

   상기 검사용 팬텀을 촬영하여 영상데이터를 생성하는 촬영장치와;

   상기 촬영장치로부터 검사용 팬텀의 표적 영상데이터를 전송받아 단일 수치 형태의 해상도 값을 생성하는 분석단말기;를 포함하여 구성되되,

   상기 분석단말기는

   상기 촬영장치로부터 전송받은 검사용 팬텀의 영상데이터를 분석이 용이하도록 영상처리를 수행하는 영상처리부와,

   상기 영상처리부로부터 처리과정이 수행된 영상데이터를 통해 단일 수치형태의 해상도 값을 산출하는 영상분석부가 포함되어 이루어지며,

   상기 영상분석부에서 생성하는 해상도 값은

   상기 영상처리부에서 상기 촬영장치로부터 전송받는 검사용 팬텀의 표적 영상데이터를 픽셀값과 거리에 따른 일정 방향의 선 프로파일(cTiLP; cross-sectional Target Image Line Profile)로 변환하여 이를 영상분석부로 전송하고,

   상기 영상분석부에서는 촬영장치의 파장(λ)이 표적의 직경(D)보다 크지 않을 경우 상기 cTiLP는 그 폭이 표적의 직경(D)에 해당하는 특정 픽셀값을 선 프로파일의 최대값 A가 되도록 중앙 상단부를 제거하여 제거된 중앙 상단부가 최대값 A로 평활화된 선 프로파일(fcTiLP; flattened cross-sectional Target Image Line Profile)로 변환한 다음,

   상기 촬영 장치로부터 얻는 영상을 좌/우측으로 이등분하고 이등분된 어느 한 측 영상의 평균 픽셀값이 단계적으로 변화될 때 상기 좌/우측 영상의 상이함이 식별되기 시작하는 순간의 좌/우측 영상에 대한 평균 픽셀값 차로 정의되는 JND(Just Noticeable Difference)를 통해 상기 평활화한 선 프로파일인 fcTiLP와 동일한 가상의 선 프로파일인 ifcTiLP(imaginary fcTiLP)를 좌, 우 어느 일측의 수평상으로 이동시켜 fcTiLP와 ifcTiLP가 만나는 교점과 최대값의 차가 JND가 될 때,

   fcTiLP와 ifcTiLP의 간격(G)과 표적의 직경(D)의 차(G-D)인 것을 특징으로 하는 단일 수치로 산출가능한 영상 장치의 해상도 측정시스템.
2. 해상도를 측정하기 위해 하나 이상의 표적을 가지는 검사용 팬텀과;

   상기 검사용 팬텀을 촬영하여 영상데이터를 생성하는 촬영장치와;

   상기 촬영장치로부터 검사용 팬텀의 표적 영상데이터를 전송받아 단일 수치 형태의 해상도 값을 생성하는 분석단말기;를 포함하여 구성되되,

   상기 분석단말기는

   상기 촬영장치로부터 전송받은 검사용 팬텀의 영상데이터를 분석이 용이하도록 영상처리를 수행하는 영상처리부와,

   상기 영상처리부로부터 처리과정이 수행된 영상데이터를 통해 단일 수치형태의 해상도 값을 산출하는 영상분석부가 포함되어 이루어지며,

   상기 영상분석부에서 생성하는 해상도 값은

   상기 영상처리부에서 상기 촬영장치로부터 전송받는 검사용 팬텀의 표적 영상데이터를 픽셀값과 거리에 따른 일정 방향의 선 프로파일(cTiLP; cross-sectional Target Image Line Profile)로 변환하여 이를 영상분석부로 전송하고,

   상기 영상분석부에서는 촬영장치의 파장(λ)이 표적의 직경(D)보다 클 경우 상기 선 프로파일인 cTiLP는 최대값 A를 가지며 픽셀값과 거리에 따른 수직 방향 또는 수평 방향의 선 프로파일 함수인 PSF(point spread function)로 정의되고,

   상기 촬영 장치로부터 얻는 영상을 좌/우측으로 이등분하고 이등분된 어느 한 측 영상의 평균 픽셀값이 단계적으로 변화될 때 상기 좌/우측 영상의 상이함이 식별되기 시작하는 순간의 좌/우측 영상에 대한 평균 픽셀값 차로 정의되는 JND(Just Noticeable Difference)를 통해 상기 정의된 PSF와 동일한 가상의 iPSF(imaginary PSF)를 좌, 우 어느 일측의 수평상으로 이동시켜 PSF와 iPSF가 만나는 교점과 최대값의 차가 JND가 될 때,

   PSF와 iPSF 간의 간격(G)인 것을 특징으로 하는 단일 수치로 산출가능한 영상 장치의 해상도 측정시스템.
3. 해상도를 측정하기 위해 하나 이상의 표적을 가지는 검사용 팬텀과;

   상기 검사용 팬텀을 촬영하여 영상데이터를 생성하는 촬영장치와;

   상기 촬영장치로부터 검사용 팬텀의 표적 영상데이터를 전송받아 단일 수치 형태의 해상도 값을 생성하는 분석단말기;를 포함하여 구성되되,

   상기 분석단말기는

   상기 촬영장치로부터 전송받은 검사용 팬텀의 영상데이터를 분석이 용이하도록 영상처리를 수행하는 영상처리부와,

   상기 영상처리부로부터 처리과정이 수행된 영상데이터를 통해 단일 수치형태의 해상도 값을 산출하는 영상분석부가 포함되어 이루어지며,

   상기 영상분석부에서 생성하는 해상도 값은

   상기 영상처리부에서 상기 촬영장치로부터 전송받는 검사용 팬텀의 표적 영상데이터를 픽셀값과 거리에 따른 수직 방향 또는 수평 방향의 선 프로파일(cTiLP; cross-sectional Target Image Line Profile)로 변환하여 이를 영상분석부로 전송하고,

   상기 영상분석부에서는 촬영장치의 파장(λ)이 표적의 직경(D)보다 클 경우 상기 선 프로파일인 cTiLP는 최대값 A를 가지며 픽셀값과 거리에 따른 수직 방향 또는 수평 방향의 선 프로파일 함수인 PSF(point spread function)로 정의되고,

   정의된 상기 PSF의 최대값과 특정 픽셀값에서의 PSF폭을 통해 가우시안 함수인 GPSF(Gaussian PSF)로 근사화한 다음 상기 촬영 장치로부터 얻는 영상을 좌/우측으로 이등분하고 이등분된 어느 한 측 영상의 평균 픽셀값이 단계적으로 변화될 때 상기 좌/우측 영상의 상이함이 식별되기 시작하는 순간의 좌/우측 영상에 대한 평균 픽셀값 차로 정의되는 JND(Just Noticeable Difference)를 통해 상기 변환된 GPSF와 동일한 가상의 iGPSF(imaginary PSF)를 좌, 우 어느 일측의 수평상으로 이동시켜 GPSF와 iGPSF가 만나는 교점과 최대값의 차가 JND가 될 때,

   

   로 표현되는 GPSF와 iGPSF간의 간격(G)으로 산출하는 것을 특징으로 하는 단일 수치로 산출가능한 영상 장치의 해상도 측정시스템.

   (여기서, A는 PSF함수의 최대값이며, D는 원형 단면 표적의 직경이고,

   B는 A-JND보다 작은 특정 픽셀값이며, W는 B의 GPSF폭이다.)
4. 제 1항에 있어서,

   상기 영상분석부에서 생성하는 해상도 값은

   fcTiLP에서 평활화된 최대값의 수평 방향 폭부분을 제거하고 남겨지는 좌, 우측 선 프로파일의 상단 각 단부가 접하도록 합성하여 형성되는 선 프로파일을,

   최대값 A를 가지며 픽셀값과 거리에 따른 수직 방향 또는 수평 방향의 선 프로파일 함수인 uPSF(pseudo - point spread function)로 변환하고 이를 PSF로 정의한 다음 정의된 PSF와 동일한 가상의 iPSF(imaginary PSF)를 좌, 우 어느 일측의 수평상으로 이동시켜 PSF와 iPSF가 만나는 교점과 최대값의 차가 JND가 될 때,

   PSF와 iPSF 간의 간격(G)으로 산출하거나

   가우시안 근사화에 따라 변환된 GPSF(Gaussian PSF)와 동일한 가상의 iGPSF(imaginary GPSF)를 좌, 우 어느 일측의 수평상으로 이동시켜 GPSF와 iGPSF가 만나는 교점과 최대값의 차가 JND가 될 때,

   

   로 표현되는 GPSF와 iGPSF 간의 간격(G)으로 산출되는 것을 특징으로 하는 단일 수치로 산출가능한 영상 장치의 해상도 측정시스템.

   (여기서, A는 PSF함수의 최대값이며, D는 원형 단면 표적의 직경이고,

   B는 A-JND보다 작은 특정 픽셀값이며, W는 B의 GPSF폭이다.)
5. 제 4항에 있어서,

   상기 영상처리부는

   정사각형 형태인 영상의 픽셀 1개가 표현하는 가로 또는 세로의 물리적 거리이며 검사용 팬텀 내의 특정 거리에 있는 두 표적 간의 물리적인 거리를 영상에서의 두 표적 사이의 픽셀 개수로 나눈 값인 스케일팩터(S)가 촬영 장치로부터 전송받은 검사용 팬텀의 선 표적의 영상에서 산출되게 되는 해상도의 1/10배보다 클 경우, 스케일팩터의 크기를 감소시키기 위하여 픽셀값을 재설정하여 영상을 조밀하게 하는 리파인먼트 처리가 수행되는 것을 특징으로 하는 단일 수치로 산출가능한 영상 장치의 해상도 측정시스템.
6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 검사용 팬텀은

   원형 단면을 가지는 선 표적과 촬영된 영상에서 표적과 대비되는 픽셀값을 가지는 주변 또는 배경 매질로 구성되며, 촬영 장치에 따라 상기 검사용 팬텀의 내부 구조, 재질 또는 형태가 선택적으로 채택되어 구성되는 것을 특징으로 하는 단일 수치로 산출가능한 영상 장치의 해상도 측정시스템.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 표적과 주변 또는 배경 매질은 영상에서 표적과 배경 간의 구별이 분명하도록 이루어지기 위해 영상을 8비트 회색 영상으로 표현할 경우 표적과 배경 간의 픽셀값 차가 JND보다 100 이상 크도록 설정하는 것을 특징으로 하는 단일 수치로 산출가능한 영상 장치의 해상도 측정시스템.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 검사용 팬텀은

   일정 방향의 해상도 변화를 측정하기 위해 하나 이상의 보조표적을 더 설치하는 것을 특징으로 하는 단일 수치로 산출가능한 영상 장치의 해상도 측정시스템.
9. 제 6항에 있어서,

   상기 검사용 팬텀은

   선 표적의 직경(D)가 촬영 장치의 파장(λ) 보다 2배 이상 클 경우 fcTiLP로 변환하는 과정에서 요구되는 표적의 직경(D)에 해당하는 영상 내 거리는 상기 표적의 직경(D)을 스케일팩터(S)로 나누어 구하며, 상기 스케일팩터(S)를 구하기 위해 검사용 팬텀 내에 배치되는 어느 하나의 표적과 일정 거리(L) 이격된 지점에 보조표적을 추가하여 이루어지되,

   상기 스케일팩터는 영상에서의 상기 어느 하나의 표적과 보조표적 간 픽셀 개수로 나누어 산출할 수 있는 것을 특징으로 하는 단일 수치로 산출가능한 영상 장치의 해상도 측정시스템.

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