KR101076321B1

KR101076321B1 - 콘빔 ｃｔ 장치에서의 3차원 영상 획득 방법 및 이를 적용한 콘빔 ｃｔ 장치

Info

Publication number: KR101076321B1
Application number: KR1020110028459A
Authority: KR
Inventors: 이레나; 이재윤
Original assignee: 주식회사 윌메드
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2011-10-26

Abstract

본 발명은 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법 및 이를 적용한 콘빔 CT 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 콘빔 CT 장치를 이용하여 단층영상으로부터 3차원 영상을 획득하는 방법에 있어서, 푸리에 변환된 영상신호를 처리하는 과정에서 기존의 고주파 통과 필터에 윈도우 필터 함수를 결합하여 생성한 변형 고주파 통과 필터를 적용함으로써 종래에 비해 영상의 선명도를 증가시키고, 비등방 패널티를 포함하는 최소자승 목적함수를 이용하여 영상의 노이즈를 최소화 시킴으로써, 저선량 조건에서도 고해상도의 3차원 영상을 고속으로 획득할 수 있는 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법 및 이를 적용한 콘빔 CT 장치에 관한 것이다.
본 발명은, 수신된 투사영상 데이터를 로그 변환한 후, 변환된 투사영상 데이터에 X선 주사방향에 따른 가중치를 적용하여 변환하는 단계와, 가중치가 적용된 투사영상 데이터를 주파수 영역으로 푸리에 변환하는 단계와, 푸리에 변환된 투사영상 데이터에, 고주파 통과 필터에 윈도우 필터 함수가 결합된 변형 고주파 통과 필터를 적용하여 보정하는 단계와, 변경 고주파 통과 필터를 적용하여 보정된 투사영상 데이터를 역푸리에 변환하는 단계와, 역푸리에 변환된 투사영상 데이터를 비등방 패널티를 포함하는 최소자승 목적함수를 이용하여 보정하는 단계 및 최소자승 목적함수를 이용하여 보정된 여과 투사영상 데이터를 역투사하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법을 제공한다.

Description

콘빔 ＣＴ 장치에서의 3차원 영상 획득 방법 및 이를 적용한 콘빔 ＣＴ 장치{Method for acquiring 3-D image in cone-beam CT apparatus and the cone-beam CT apparatus the method applied thereto}

본 발명은 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법 및 이를 적용한 콘빔 CT 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 콘빔 CT 장치를 이용하여 단층영상으로부터 3차원 영상을 획득하는 방법에 있어서, 푸리에 변환된 영상신호를 처리하는 과정에서 기존의 고주파 통과 필터에 윈도우 필터 함수를 결합하여 생성한 변형 고주파 통과 필터를 적용함으로써 종래에 비해 영상의 선명도를 증가시키고, 비등방 패널티를 포함하는 최소자승 목적함수를 이용하여 영상의 노이즈를 최소화 시킴으로써, 저선량 조건에서도 고해상도의 3차원 영상을 고속으로 획득할 수 있는 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법 및 이를 적용한 콘빔 CT 장치에 관한 것이다.

CT(컴퓨터단층촬영)는 1973년 Hounsfield의 EMI scanner가 개발된 이래, 1개의 검출기로 회전과 선형이동을 반복하며 영상을 획득하던 1세대, 다수 검출기를 사용하는 2세대, 부채꼴형 검출기를 사용하던 3세대, 원형고리 검출기를 사용하는 4세대를 거쳐 고속 촬영이 가능한 나선형 CT로 발전하였고, 최근에는 검출기를 여러 층으로 배열한 다중 검출기 CT가 실용화되어 진단과 치료에 이용되고 있다.

이와 같은 종래의 CT는 1차원 배열의 검출기를 사용하여 회전 스캔함으로써 2차원 단면상을 형성하고 있으며, 이 경우 3차원 정보를 획득하기 위해서는 단면에 수직인 방향으로 이동하면서 스캔을 해야한다. 따라서, 피사체의 크기에 따라 다수번의 회전스캔을 반복함으로써 3차원 정보를 획득하여야 하고, 이에 따라 필연적으로 피사체의 X선 피폭량이 증가하게 된다. X선은 고에너지 전자기파(electromagnetic wave)로, 물질과 반응하여 이온화를 일으키는 이온화 방사선(ionizing radiation)의 하나로서, 인체에 대한 인위적인 피폭은 어떠한 경우에도 최소화하는 것이 바람직하다.

이에 반해, 콘빔 CT는 면적검출기를 사용하여 원추형의 투과 X선을 2차원적으로 검출하고, 이를 이용하여 3차원 체적 정보를 획득함으로써 피사체에 대한 1회전 스캔만으로 3차원 및 다면 영상을 구성할 수 있다. 이에 따라, 종래의 CT에 비해 3차원 또는 다면영상을 얻는데 필요한 촬영 횟수를 획기적으로 줄일 수 있으며, 이로 인해 방사선 진단 과정에서 불가피한 환자의 피폭을 최소화함과 동시에 실시간 영상 획득을 실현할 수 있는 대안으로 주목받고 있다.

그러나 이러한 콘빔 CT는 촬영당 획득 정보량이 많기 때문에 고해상도의 3차원 영상을 원하는 시간 내에 구성하는데 있어 컴퓨팅 속도에 제한을 받는다. 특히, 콘빔 CT는 피사체를 구성할 볼륨해상도의 크기와 투사 영상의 해상도 및 투사횟수 등에 비례하여 계산복잡도가 증가하기 때문에, 3차원 영상의 해상도를 높이는데 따라 전체 계산량은 상당히 증가하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 콘빔 CT는 알고리즘 개선을 통하여 계산복잡도를 감소시키거나, 병렬 처리가 가능한 플랫폼을 구축하는 방향으로 발전해왔다.

그러나, 계산복잡도를 감소시키는 방법은 영상노이즈(artifact)를 발생시키거나 계수를 증가시키는 문제가 발생하였으며, 다중 CPU에 의한 병렬 처리 플랫폼을 구축하는 것은 고가장비에 의존해야 하므로 비용을 증가시키는 단점이 있었다.

더불어, 치료를 받는 기간 동안 반복적으로 콘빔CT를 사용하게 될 경우 환자는 필요 이상의 X선을 몸에 조사받게 되는데, 이는 환자에게 치명적인 영향을 줄 수 있다. 이러한 문제를 해결하는 방법 중 하나는 CT의 X선 발생장치의 전류를 줄임으로써 X선 조사량을 줄이는 것인데, 이러한 경우 상대적으로 영상노이즈의 양이 증가하게 되므로 화질저하가 나타나게 된다. 이에 따라, 저선량 환경에서도 고해상도의 CT 화질을 유지할 수 있는 방법이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 종래 기술에 다른 문제점을 해결하기 위한 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 콘빔 CT 장치를 이용하여 단층영상으로부터 3차원 영상을 획득하는 방법에 있어서, 푸리에 변환된 영상신호를 처리하는 과정에서 기존의 고주파 통과 필터에 윈도우 필터 함수를 결합하여 생성한 변형 고주파 통과 필터를 적용함으로써 종래에 비해 영상의 선명도를 증가시키고, 비등방 패널티를 포함하는 최소자승 목적함수를 이용하여 영상의 노이즈를 최소화 시킴으로써, 저선량 조건에서도 고해상도의 3차원 영상을 고속으로 획득할 수 있는 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법 및 이를 적용한 콘빔 CT 장치를 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서 본 발명은, 수신된 투사영상 데이터를 로그 변환한 후, 변환된 투사영상 데이터에 X선 주사방향에 따른 가중치를 적용하여 변환하는 단계와, 가중치가 적용된 투사영상 데이터를 주파수 영역으로 푸리에 변환하는 단계와, 푸리에 변환된 투사영상 데이터에, 고주파 통과 필터에 윈도우 필터 함수가 결합된 변형 고주파 통과 필터를 적용하여 보정하는 단계와, 변경 고주파 통과 필터를 적용하여 보정된 투사영상 데이터를 역푸리에 변환하는 단계와, 역푸리에 변환된 투사영상 데이터를 비등방 패널티를 포함하는 최소자승 목적함수를 이용하여 보정하는 단계 및 최소자승 목적함수를 이용하여 보정된 여과 투사영상 데이터를 역투사하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법 및 이를 적용한 콘빔 CT 장치는, 기존의 저선량 프로토콜 하에서 획득된 투사영상들이 과도한 노이즈로 인해 일반적인 필터링을 이용한 FDK 알고리즘을 적용했을때 화질이 크게 저하되는 문제점을 해결하고, GPU 기반에 더욱 적합한 3차원 영상 획득 방법을 제공한다. 더불어, 종래에 비해 연산 속도의 향상이 가능하고, 결과적으로 3차원 영상 구성 처리 시간을 상당히 단축할 수 있게 된다.

도 1은 콘빔 CT 장치의 일반적인 구성을 개략적으로 보여주고 있는 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비등방 정규화 FDK 알고리즘에 적용된 3차원 영상 획득 방법의 각 단계를 도시한 순서도.
도 3은 콘빔 CT 장치에서 촬영각도가 θ만큼 회전하였을때 획득되는 투사영상 좌표의 예를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에서 적용되는 변형 고주파 통과 필터를 주파수 도메인에서 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 영상 획득 방법에서, 비등방 최소 자승 목적함수를 적용하여 영상신호를 보정하기 전(a)과 후(b)를 비교한 여과 투영 영상 데이터.
도 6은 저선량 환경에서 종래의 쉐프-로간 필터(shepp-Logan filter)만을 적용한 예(a)와, 본 발명의 일실시예에 따른 변형된 고주파 통과 필터를 적용한 예(b) 및 고주파 통과 필터를 적용한 후, 다시 비등방 최소 자승 목적함수를 이용하여 영상을 보정한 예(c)를 비교한 재구성 볼륨의 동일 단면 영상.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 콘빔 CT 장치의 일반적인 구성을 개략적으로 보여주고 있는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 콘빔CT 장치(100)는 피사체(130)를 향하여 X선을 방사하는 X선 발생부(110), 상기 X선 발생부(110)에서 방사되는 X선의 조사범위를 조절하는 시준기(120), 상기 시준기(120)를 통해 조사되어 피사체(130)를 투과하는 X선을 검출하는 검출기(140), 피사체(130)를 회전시키거나 또는 피사체를 중심으로 상기 X선 발생부(110)와 시준기(120) 및 검출기(140)를 회전시키는 회전구동부(150) 및 상기 검출기(140)로부터 투사영상 데이터를 수신받고, 수신된 투사영상 데이터로부터 3차원 영상을 재구성하여 화면에 출력하는 영상처리부(160)를 포함하여 구성된다.

영상처리부(160)는 통상 일반적인 중앙처리장치(Central Processing Unit, CPU)로 구성되나, 본 발명에서는 콘빔 CT 장치를 구성함에 있어서, 보다 효율적으로 다량의 영상신호를 신속하게 처리하기 위하여, 종래의 일반적인 CPU의 사용을 배제하고, 그 대신 그래픽처리장치(graphic processing unit, GPU)를 기반으로 하는 컴퓨팅 플랫폼으로 영상처리부(160)를 구성하였다.

GPU(graphic processing unit)는 그래픽처리장치로서 다수의 쉐이더 유닛이 병렬로 배치되어 데이터를 연산하는 GPU 특유의 병렬적인 구조로 인하여 다른 처리장치에 비하여 클록(clock) 수 향상이 손쉽다는 장점이 있다. 이로 인해, 그동안 일반적으로 중앙처리장치(central processing unit, CPU)가 도맡아 왔던 컴퓨터 작업들을 GPU가 보다 빠른 속도로 처리할 수 있으며, 특히 GPU는 여러 작은 멀티프로세서들이 일을 분담해 병렬적으로 해당하는 연산을 수행하기 때문에 다중 코어(multi-core)의 커다란 연산장치들이 많은 양의 작업을 재빠르게 차례대로 처리해나가는 다중 CPU보다 효율적인 계산을 수행할 수 있다.

또한, 콘빔 CT 방식에서 3차원 영상의 형상에 일반적으로 사용하는 역투사(back projection) 기법은 모든 화소가 서로 독립적인 것으로 간주하므로 병렬 처리에 매우 적합하다. 따라서, 본 발명은 GPU를 기반으로 하는 콘빔CT 시스템의 컴퓨팅 플랫폼을 구축함으로써 쉐이더를 이용한 병렬연산을 수행할 수 있으며, 이로부터 연산 속도의 향상이 가능하고, 결과적으로 3차원 재구성 시간을 상당히 단축할 수 있게 된다.

더불어, 본 발명은 GPU를 기반으로 하는 콘빔CT 시스템에서 3차원 영상을 획득하기 위해 일반적으로 사용되었던 종래의 FDK(Feldkamp, Davis and Kress) 알고리즘을 개선하여, 푸리에 변환된 영상신호를 처리하는 과정에서 기존의 고주파 통과 필터에 윈도우 필터 함수를 결합하여 생성한 변형 고주파 통과 필터를 적용함으로써 종래에 비해 영상의 선명도를 증가시키고, 비등방 패널티를 포함하는 최소자승 목적함수를 이용하여 영상의 노이즈를 최소화하는 비등방 정규화 FDK 알고리즘을 개발하였다.

이에 따라, 기존의 저선량 프로토콜 하에서 일반적인 필터를 이용한 FDK 알고리즘을 적용했을때 발생되었던 과도한 잡음들로 인해 획득한 투사영상들의 화질이 크게 저하되는 문제점을 해결하고, GPU 기반에서 최적화됨에 따라 종래에 비해 연산 속도의 향상이 가능하고, 결과적으로 3차원 영상 구성 처리 시간을 상당히 단축할 수 있는 고속 3차원 영상 획득 방법을 제공한다.

이하에서는, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 3차원 영상 획득 방법에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비등방 정규화 FDK 알고리즘에 적용된 3차원 영상획득방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 영상 획득 방법에 따르면, 먼저 콘 모양의 빔 진행방향으로 인해 생기는 밝기값 떨어짐 현상을 방지하기 위해 로그 변환된 각각의 투사영상 데이터를 각각의 X선의 주사방향에 따른 가중치를 적용하여 변환한다(S210). 이를 수식으로 표현하면, 하기의 [수학식 1]과 같다.

여기서,

: 가중치가 적용된 로그변환된 투사영상 데이터

:

만큼 회전하였을 때 획득한 로그변환된 투사영상, u 및 v는 투사영상에서의 좌표

D : X선원부터 검출기까지의 거리

: 가중치

즉, 도 3에 도시한 바와 같이, 콘빔 CT 장치에서 검출기를 통해 획득한 투사영상은 콘 모양의 빔 진행방향으로 인해 X선 초점(source)으로부터 X, Y, Z축의 중점(O)을 직교하는 선을 중심으로 멀어지면 멀어질수록 X선 빔의 거리가 멀어져 밝기감 떨어짐 현상이 발생되며, 이를 방지하기 위하여 X를 피사체에 평행하게 투과하는 것처럼 재구성하고, 이에 따른 근사적 해석을 위해 기하학적인 차이를 상술한 바와 같이 가중치를 통해서 보정한다.

이어서, 상술한 단계에 의해 가중치 처리된 투사영상의 각 행마다 연산속도의 향상을 위해 1차원 푸리에 변환(Fourier Transform)을 통해 주파수 도메인으로 변환하고(S220), 변환된 주파수 도메인 상에서 변형된 고주파 통과 필터를 적용한 뒤(S230), 이를 역푸리에 변환함으로써 임펄스 잡음이 최소화된 여과 투사영상 데이터를 획득한다(S240). 이를 수식으로 표현하면, 하기의 [수학식 2]와 같다.

여기서,

: 변형된 고주파 통과 필터를 적용한 여과 투사영상 데이터의 각 행

: 선 가중치된 투사영상의 각 행

: 1차원 푸리에 변환

: 변형된 고주파 통과 필터

상술한 바와 같이 필터를 이용하여 영상신호를 보정하는 이유는, 콘빔 CT 장치에서의 투사영상 확득과 영상 구성 과정에서 발생하는 장비의 응답특성으로 인해서, 획득된 단층영상을 필터링 과정없이 그대로 3차원 영상으로 구성할 경우 선명한 결과를 얻을 수 없기 때문이다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 종래의 CT 장치에서는 램프(Ramp) 필터, 람-락(Ram-Lak) 필터, 쉐프-로간(Shepp-Logan) 필터 등 다양한 필터가 사용되어 왔다.

그러나, 기존의 필터는 높은 공간주파수 성분이 존재하는 경우, 영상 신호의 보정이 제대로 수행되지 않아 문제점이 빈번하게 발생하였고, 따라서 본 발명에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래의 필터에 윈도우 필터 함수를 결합하여 생성한 변형 고주파 통과 필터를 적용하였다.

이하에서는, 잡음 대역대인 고주파수 부분을 줄이기 위해 쉐프-로간(shepp-logan) 필터와 레이즈드 코사인 윈도우 함수(raised cosine window function)를 결합하여 변형된(modified) 고주파 통과 필터를 설계하여 적용한 실시예에 대하여 설명하기로 한다. 본 실시예에 따른 변형 고주파 통과 필터는 주파수 도메인에서 도 4에 도시된 파란색 실선 그래프와 같이 나타나며, 하기의 [수학식 3]으로 표현될 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 3차원 영상 획득 방법에서는, 푸리에 변환된 영상신호를 처리하는 과정에서 기존의 고주파 통과 필터에 윈도우 필터 함수를 결합하여 생성한 변형 고주파 통과 필터를 적용하여 영상신호를 처리함으로써, 상대적으로 높은 공간주파수 성분이 존재하는 경우에도 효과적으로 잡음을 감소시켜 영상의 선명도를 증가시킬 수 있게 된다.

이어서, 상술한 바와 같이 변형된 고주파 통과 필터를 적용하여 획득한 여과 투사영상 데이터로부터 두드러진 특징점들과 원치않는 잡음 화소들을 최적으로 분리시키기 위하여, 비등방 패널티(anisotropic penalty)를 포함하는 최소자승 목적 함수(least square objective function)를 이용하여 영상신호를 보정한다(S250).

비등방 패널티를 포함하는 최소자승 목적 함수는 하기의 [수학식 4]와 같이 표시될 수 있으며, 이 목적함수 값을 최소화 함으로써, 주변 영역들에 비해 상대적으로 높은 대조도를 보이는 경계들은 보존되고, 낮은 대조도를 보이는 잡음(noise) 복셀들은 부드럽게 완화되는 효과를 보일 수 있게 된다.

여기서,

: 모든 화소들 중 j번째 화소에 대하여 얻어진 여과 투사영상 데이터

: j번째 화소 주변의 화소들(1차 이웃화소들만 고려)의 집합

:

의 인덱스

: j번째 화소 주변의 모든 화소들 중 m번째 화소에 대하여 얻어진 여과 투사영상 데이터

: 가중치

: 경계 영역과 잡음 영역을 분리하기 위한 보존 파라미터(이때, 보존 파라미터는 각 여과 투사영상으로부터 밝기값의 기울기(gradient)값을 계산하고, 이를 누적한 누적 분포 함수(cumulative distribution function, CDF) 히스토그램의 90%가 되는 지점의 기울기 값으로 결정)

본 실시예에서, 상술한 바와 같은 목적 함수값의 최소화는 적응적 최대 경사(steepest gradient descent) 기법을 적용하여 달성할 수 있다. 최대 경사 기법은 어떤 함수가 최소가 되는 해를 반복계산 등을 통하여 찾아가는 방법으로서, 이를 수식으로 표현하면, 하기의 [수학식 5]와 같다.

.

여기서 λ는 반복단계가 진행됨에 따라 영상의 부드러운 정도가 감소될 수 있도록 제어하는 적응 파라미터로서, 각 최대 경사 기법 단계에서 갱신된 모든 여과 투사영상 데이터들의 제곱근에 의해서 결정되며, 이 값은 반복수(t)가 증가함에 따라서 보다 작은 값으로 지정되도록 제어된다.

본 실시예에서는 급격한 변화로 인하여 발생할 수 있는 국부 최소화를 피하기 위하여 스캘링 파라미터(scaling parameter)

를 사용하였고,

의 초기값은 0.1로 설정하였다.

는 적응형 최대 경사 기법 단계에서 계산되는 목적 함수

의 j번째 복셀(Voxel)의 기울기를 의미한다. 모든 복셀들에서 계산된 기울기의 제곱근의 합

는 정규화된 기울기 계산을 위해 요구된다. 이를 수식으로 표현하면 하기의 [수학식 6]과 같다.

.

상술한 바와 같이, 변형된 고주파 통과 필터를 적용하여 획득한 여과 투사영상 데이터를 비등방 최소 자승 목적함수를 이용하여 추가로 보정하면, 주변 영역들에 비해 상대적으로 높은 대조도를 보인는 경계영역부분들은 보존되고, 낮은 대조도를 보이는 영역들은 부드럽게 변화하도록 변환된다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 영상획득방법에서, 비등방 최소 자승 목적함수를 적용하여 영상신호를 보정하기 전(a)과 후(b)를 비교한 여과 투영 영상 데이터이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 비등방 최소 자승 목적함수를 이용하여 추가로 보정하게 되면, 변형 고주파 통과 필터를 적용한 단계에 비해 두드러진 경계들을 유지하면서 잡음 복셀들이 부드러워짐을 확인할 수 있다.

마지막으로, 상술한 단계에 의해 얻어진 비등방 제곱 자승 목적함수를 이용하여 보정된 여과 투사영상 데이터를 대상으로 역투사(back projection) 과정이 수행된다(S260). 구성되는 볼륨을 구성하는 복셀(voxel)의 벡터

(또는

)가 주어질 때 여과 투사영상의 투영변화를 통해 대응되는 위치(u(r), v(r))의 화소값

은 하기의 [수학식 7]과 같이 계산되어진다.

이 수식에서 d는 X선원으로 부터 검출기의 중심까지의 거리이고, 회전벡터

는 구성 볼륨의 원점으로부터

각도 만큼 회전되어진 회전벡터로서, 수식과 같이 회전 행렬을 적용하여 계산되어진다.

상술한 바와 같이, 역투사 과정이 완료되면, 얻어진 화소값을 구성볼륨의 각 복셀들에 대한 가중치를 적용하여 정규화함으로써 최종적인 3차원 영상데이터를 획득할 수 있게 된다.

도 6은 저선량 환경에서 종래의 쉐프-로간 필터(shepp-Logan filter)만을 적용한 예(a)와, 본 발명의 일실시예에 따른 변형된 고주파 통과 필터를 적용한 예(b) 및 고주파 통과 필터를 적용한 후, 다시 비등방 최소 자승 목적함수를 이용하여 영상을 보정한 예(c)를 비교한 재구성 볼륨의 동일 단면 영상이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따라 변형된 고주파 통과 필터 및 비등방 최소 자승 목적함수까지 적용하여 영상을 보정할 경우, 종래의 쉐프-로건(shepp-logan filter) 필터만을 적용한 단계와 변형 고주파 필터만을 적용한 단계에 비하여 뼈, 조직, 공기간에 경계에서의 변화는 거의 유지되는 반면 동일한 영역에서의 변화들은 보다 부드러워짐을 확인할 수 있다.

이에 따라, 저선량의 프로토콜 환경에서도 본 발명에 따라 제안된 비등방 정규화 FDK 알고리즘을 통해 3차원 영상 획득을 수행할 경우, 종래의 방법보다 노이즈를 부드럽게 처리함으로써 보다 선명한 화질을 구현할 수 있음을 확인할 수 있다.

더불어, 본 발명에 따른 3차원 영상 획득 방법은 GPU 기반의 콘빔CT 시스템에 적용될 경우, 종래에 비해 연산 속도의 향상이 가능하고, 결과적으로 3차원 재구성 시간을 상당히 단축할 수 있게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백하다 할 것이다.

100 : 콘빔CT 장치 110 : X선 발생부
120 : 시준기 130 : 피사체
140 : 검출기 150 : 회전구동부
160 : 영상처리부

Claims

콘빔 CT 장치의 검출기로부터 수신되는 투사영상 데이터를 이용하여 3차원 영상을 획득하는 방법에 있어서,
수신된 투사영상 데이터를 로그 변환한 후, 변환된 투사영상 데이터에 X선 주사방향에 따른 가중치를 적용하여 변환하는 단계와;
가중치가 적용된 투사영상 데이터를 주파수 영역으로 푸리에 변환하는 단계와;
푸리에 변환된 투사영상 데이터에, 고주파 통과 필터에 윈도우 필터 함수가 결합된 변형 고주파 통과 필터를 적용하여 보정하는 단계와;
변경 고주파 통과 필터를 적용하여 보정된 투사영상 데이터를 역푸리에 변환하는 단계와;
역푸리에 변환된 투사영상 데이터를 비등방 패널티를 포함하는 최소자승 목적함수를 이용하여 보정하는 단계; 및
최소자승 목적함수를 이용하여 보정된 여과 투사영상 데이터를 역투사하는 단계;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법.
제 1항에 있어서,
상기 X선 주사방향에 따른 가중치를 적용하여 변환하는 단계는,
하기의 [수학식 9]를 이용하여 X선 주사방향에 따른 가중치가 적용된 투사영상 데이터로 변환하는 것을 특징으로 하는 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법.
[수학식 9]

여기서,

: 가중치가 적용된 로그변환된 투사영상 데이터

:
만큼 회전하였을 때 획득한 로그변환된 투사영상 데이터, u 및 v는 투사영상에서의 좌표
D : X선원부터 검출기까지의 거리

: 가중치
제 1항에 있어서,
상기 변형 고주파 통과 필터는,
쉐프-로건(shepp-logan) 필터와 레이즈드 코사인 윈도우 함수(raised cosine window function)가 결합된 것을 특징으로 하는 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법.
제 3항에 있어서,
상기 변형 고주파 통과 필터는,
하기의 [수학식 10]으로 정의되는 것을 특징으로 하는 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법.
[수학식 10]

(-π<ω<π)
제 1항에 있어서,
상기 비등방 패널티를 포함하는 최소자승 목적함수를 이용하여 보정하는 단계에서는,
최소자승 목적함수 값을 최소화 함으로써, 주변 영역들에 비해 상대적으로 높은 대조도를 보이는 경계들을 보존시키고, 낮은 대조도를 보이는 잡음(noise) 복셀들은 부드럽게 완화시키는 것을 특징으로 하는 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법.
제 5항에 있어서,
상기 비등방 패널티를 포함하는 최소자승 목적함수를 최소화 함에 있어서는,
적응적 최대 경사(steepest gradient descent) 기법을 적용하는 것을 특징으로 하는 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법.
제 1항에 있어서,
상기 콘빔CT 장치의 3차원 영상 획득 방법은,
그래픽처리장치(GPU)를 기반으로 구성된 컴퓨팅 플랫폼 환경에서 구현되는 것을 특징으로 하는 콘빔 CT 장치에서의 3차원 영상 획득 방법.
콘빔CT 장치에 있어서,
피사체를 향하여 X선을 방사하는 X선 발생부;
상기 X선 발생부에서 방사되는 X선의 조사범위를 조절하는 시준기;
상기 시준기를 통해 조사되어 피사체를 투과하는 X선을 검출하는 검출기;
피사체를 회전시키거나 또는 피사체를 중심으로 상기 X선 발생부, 시준기 및 검출기를 회전시키는 회전구동부;
상기 검출기로부터 투사영상 데이터를 수신받고, 수신된 투사영상 데이터로부터 3차원 영상을 획득하여 화면에 출력하는 영상처리부;
를 포함하여 구성되며,
상기 영상처리부는,
그래픽처리장치(GPU)를 기반으로 구성된 컴퓨팅 플랫폼 환경으로 구축되되, 상기 제1항 내지 제6항 중에 어느 한 항에 따른 3차원 영상 획득 방법이 구현된 영상 신호 처리 프로그램이 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 콘빔 CT 장치.