KR101133503B1 - 광학 및 ｘ선 융합 ｃｔ 장치와 그 데이터의 재구성 방법 - Google Patents

광학 및 ｘ선 융합 ｃｔ 장치와 그 데이터의 재구성 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학 및 X선 융합 CT 장치와 그 데이터의 재구성 방법에 관한 것으로서, 피검체의 X선 투과영상을 검출하는 X선 검출기; 상기 피검체의 광학영상을 촬영하는 광학 카메라; 상기 X선 투과영상을 재구성하여 3차원 CT 영상을 생성하고 상기 3차원 CT 영상에 상기 광학영상을 융합하여 3차원 융합 컬러 CT 영상을 생성하는 재구성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의해, 피검체의 외관에서 식별이 용이한 특징을 이용하여 특정지점의 내부 3차원적 구조를 파악하는 것이 용이해진다. 이와 더불어, 피검체 내부 특정 지점의 물질을 채취하거나, 특정 지점에 물질이나 에너지를 주입하고자 하여, 접근 경로를 계획할 경우에도 피검체 외관의 특징 표식을 이용하여 정교하게 접근경로를 선택하는 것이 가능하다.

Description

광학 및 Ｘ선 융합 ＣＴ 장치와 그 데이터의 재구성 방법{INTEGRATED OPTICAL AND X-RAY CT SYSTEM AND METHOD OF RECONSTRUCTING THE DATA THEREOF}
본 발명은 광학 및 X선 융합 CT 장치와 그 데이터의 재구성 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 광학 카메라 이용하여 촬영된 피검체 외관의 컬러 영상과 X선 촬영장치로 촬영된 피검체의 3차원 내부구조 영상을 상호 정합하여 재구성함으로써 피검체의 외관과 내부 구조를 동시에 정밀하게 관찰할 수 있게 하는 광학 및 X선 융합 CT 장치와 그 데이터의 재구성 방법에 관한 것이다.
X선 CT(Computerized Tomography)는 촬영하고자 하는 피검체에 X선을 투과시키고, 디텍터(Detector)를 통하여 피검체를 투과한 X선을 검출하여 검출된 데이터를 영상으로 재구성하는 장치이다. X선 CT 장치는 피검체의 내부 조직의 이상 유무를 판단하기 위해 피검체의 내부 조직의 영상을 시각적으로 관찰하는 목적으로 사용된다.
X선 CT는 피검체 내부의 X선 감쇠도를 3차원적으로 얻어 보여줄 수 있는 장점으로 인해 의학, 비파괴 검사 등 여러 분야에 활용된다. 그러나 피검체의 외관만 관찰가능한 상태에서 피검체 내부의 특정 위치를 알아내고자 할 경우에는 피검체 외관의 형태적 특징과 CT 영상에서 보이는 내부구조를 정확하게 일치시키기가 용이하지 않다. 이에, 통상적으로는 피검체 외관의 형태를 관찰자가 시각적으로 관찰하면서 CT 영상에서 보이는 형태와 비교하여 머릿속에서 일치시켜 접근경로의 적절성을 판단하게 된다.
그런데 피검체 외관에 있는 특징 표식들 중에서는 컬러 영상으로는 쉽게 식별되나 CT 영상으로는 식별하기 어려운 경우가 흔하다. 예를 들면 피검체 외관에 칠해진 표식이나 점, 또는 인체 상, 하지의 표피 정맥 등은 외관의 컬러 영상으로는 쉽게 식별될 수 있는 반면 CT 영상에서는 구별이 어렵다.
특히, 피검체 내부의 특정지점에서 물질을 채취하거나, 다른 물질이나 에너지를 투입하고자 할 경우는, 외관의 특징으로 내부구조의 위치를 추정하고 그 접근 경로를 계획해야 하므로 피검체 외관의 컬러정보와 CT 영상이 더욱 정확히 일치된 3차원 영상이 필요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 광학 카메라를 이용하여 촬영된 피검체 외관의 컬러 영상과 X선 촬영장치로 촬영된 피검체의 3차원 내부구조 영상을 상호 정합하여 재구성함으로써 피검체의 내부구조를 정밀하게 관찰할 수 있게 하는 광학 및 X선 융합 CT 장치와 그 데이터의 재구성 방법을 제공함에 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 광학 및 X선 융합 CT 장치는, 피검체의 X선 투과영상을 검출하는 X선 검출기; 상기 피검체의 광학영상을 촬영하는 광학 카메라; 상기 X선 투과영상을 재구성하여 3차원 CT 영상을 생성하고 상기 3차원 CT 영상에 상기 광학영상을 융합하여 3차원 융합 컬러 CT 영상을 생성하는 재구성부;를 포함한다.
여기서, 상기 재구성부는, 상기 재구성된 3차원 CT 영상으로부터 외곽점의 3차원 좌표를 획득하고, 상기 광학 카메라의 촬상면 상에 포착된 상기 외곽점의 좌표 및 컬러성분을 획득하여 상기 피검체의 모든 외곽점에 대한 컬러정보를 결정하고, 상기 모든 외곽점에 대한 컬러정보를 상기 3차원 CT 영상과 융합하여 상기 3차원 융합 컬러 CT 영상을 생성할 수 있다.
그리고, 상기 재구성부는, 복수 회의 촬영시점(視點, view point)에서 상기 광학 카메라의 촬상면 상에 포착된 상기 외곽점의 좌표 및 컬러성분을 획득하고, 상기 각 시점에서 얻은 컬러정보에 가중치를 곱한 후 합산하여 상기 외곽점의 컬러정보를 결정할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위한, 본 발명에 따른 광학 및 X선 융합 CT 장치의 데이터의 재구성 방법은, 피검체의 외관을 촬영하여 광학영상을 획득하는 단계; 상기 피검체의 X선 투과영상을 검출하는 단계; 상기 X선 투과영상을 재구성하여 3차원 CT 영상을 생성하는 단계; 및 상기 3차원 CT 영상에 상기 광학영상을 융합하여 3차원 융합 컬러 CT 영상을 생성하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 3차원 CT 영상에 상기 광학영상을 융합하여 3차원 융합 컬러 CT 영상을 생성하는 단계는, 상기 재구성된 3차원 CT 영상으로부터 외곽점의 3차원 좌표를 획득하는 단계; 상기 광학 카메라의 촬상면 상에 포착된 상기 외곽점의 좌표 및 컬러성분을 획득하는 단계; 상기 피검체의 모든 외곽점에 대한 컬러정보를 결정하는 단계; 및 상기 모든 외곽점에 대한 컬러정보를 상기 3차원 CT 영상과 융합하여 상기 3차원 융합 컬러 CT 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 광학 카메라의 촬상면 상에 포착된 상기 외곽점의 좌표 및 컬러성분을 획득하는 단계는; 복수회의 촬영시점에서 상기 광학 카메라의 촬상면 상에 포착된 상기 외곽점의 좌표 및 컬러성분을 획득하는 단계; 및 상기 각 시점에서 얻은 컬러정보에 가중치를 곱한 후 합산하여 상기 외곽점의 컬러정보를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광학 및 X선 융합 CT 장치와 그 데이터의 재구성 방법에 의하면, 광학 카메라 이용하여 촬영된 피검체 외관의 컬러 영상과 X선 촬영장치로 촬영된 피검체의 3차원 내부구조 영상을 상호 정합하여 재구성함으로써 피검체의 내부구조를 정밀하게 관찰할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 및 X선 융합 CT 장치의 제어블럭도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 및 X선 융합 CT 장치의 데이터의 재구성 방법의 흐름도,
도 3은 외곽점과 광학촬영 영상 내 포착되는 화소 좌표의 위치 관계도,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 및 X선 융합 CT 장치의 제어블럭도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 광학 및 X선 융합 CT 장치와 그 데이터의 재구성 방법에 대해서 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 및 X선 융합 CT 장치의 제어블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 광학 및 X선 융합 CT 장치는, 피검체(104) 외관의 광학영상과 X선 투과영상을 획득하는 스캐닝 갠트리(100)와, 구동 제어부(140), 재구성부(200), 중앙처리부(150), 입력부(160), 디스플레이부(170)를 포함한다.
입력부(160)와 디스플레이부(170)는 검사자의 입출력 인터페이스를 제공한다.
중앙처리부(150)는 입력부(160)를 통한 검사자의 입력에 따라 X선 융합 CT 장치의 각 기능을 제어한다.
스캐닝 갠트리(100)는 피검체(104)가 위치하는 갠트리(108)와, 갠트리(108) 내의 피검체(104)를 지지하는 받침대(102), 갠트리(108)에 고정된 X선원(110)과 X선 검출기(120), 조명장치(106a, 106b), 광학 카메라(130)를 포함한다.
갠트리(108)는 피검체(104) 주위의 여러 시점에서 X선 투과영상과 광학영상을 얻게 하는 역할을 하며 X선원(110)과 X선 검출기(120), 조명장치(106a, 106b) 및 광학 카메라(130)가 이에 고정된다. 갠트리(108)는 통상적으로 피검체(104)의 주위를 원주 궤적에 따라 회전하며 지정된 여러 각도에서 영상을 얻으나, 경우에 따라서는 다른 궤적으로 움직이면서 여러 시점에서 영상을 얻을 수도 있다.
갠트리(108) 내부에 위치하여 피검체(104)를 지지하는 받침대는 투명재질을 사용한다. 통상적으로 아크릴 (plexiglass) 재질등이 사용될 수 있으나, 그 외 투명도가 높고 X선 흡수율이 비교적 낮은 어떤 재질도 사용될 수 있다.
X선원(110)은 갠트리(108) 내부에 고정되어 구동 제어부(140)로부터 고 에너지를 공급받아 피검체(104)에 X선을 조사한다. 이에, 구동 제어부(140)는 X선 생성을 위한 다양한 장치, 예컨대, X선관을 포함할 수 있다.
X선 검출기(120)는 피검체(104)를 투과한 X선을 검출하기 위하여 X선원(110)과는 대항하는 위치의 피검체(104) 후방에 위치한다. X선 검출기(120)는, 개스 검출기, TFT 또는 CMOS 방식의 평판형 검출기, 신틸레이터(scintillator)와 광학 카메라(130)가 결합된 방식 등 여러 방식의 X선 검출기(120)가 사용될 수 있다.
조명장치(106a, 106b)는 통상적으로 LED, 램프 등 컬러 스펙트럼을 고루 포함하는 백색광원이 사용되나, 용도에 따라서는 적외선 또는 자외선 대역이 사용될 수 있다.
광학 카메라(130)는 피검체(104)의 외관을 촬영하기 위하여 조명장치(106a, 106b)와 함께 피검체(104) 전방에 위치한다. 광학 카메라(130)는 CCD, CMOS 방식 등 여러 방식의 카메라가 사용될 수 있으며 용도에 따라서는 광학렌즈에 적외선 또는 자외선 대역 등 특정 파장 대역의 빛만을 통과시키는 필터를 사용할 수 있다.
구동 제어부(140)는 X선원(110), 조명장치(106a, 106b), 광학 카메라(130)의 구동을 제어한다. 구동 제어부(140)는 여러 시점에서 피검체(104)의 영상을 얻기 위해, 개트리나, 혹은, 받침대를 이동시킨다. 통상적으로는 갠트리(108)가 피검체(104)의 주위로 회전하면서 여러 각도에서의 광학영상과 X선 투과영상을 얻게 되나, 경우에 따라서는 피검체(104)가 회전할 수도 있으며, 원주궤적이 아닌 임의의 궤적에서 다시 점 영상을 얻을 수도 있다.
재구성 장치는 피검체(104)를 갠트리(108) 내부에 위치시켜 여러 시점에서 얻어진 X선 투과영상과 광학영상을 이용하여 피검체(104) 내부의 3차원적인 구조를 나타내는 CT 영상과 피검체(104) 외관의 컬러 광학영상을 3차원적으로 나타내는 융합 CT 영상으로 재구성한다.
다시 점에서 얻어진 다수의 X선 투과 영상을 이용하여 피검체(104) 내부의 3차원적 구조를 나타내는 CT 영상을 재구성하는 방법으로는 통상적으로 Filtered Back Projection 방법이 사용되나, 경우에 따라서는 Statistical Iterative Reconstruction, 또는 Algebraic Reconstruction Technique 등 기존에 제시된 다양한 재구성 방법들이 사용될 수 있다.
이 발명의 주요 특징중 하나는 CT 영상과 더불어 피검체(104)의 컬러 광학영상을 3차원적으로 나타내는 융합 CT 영상을 얻는 것이므로, 여기서는 다시 점에서 얻어진 컬러 광학영상을 CT 영상과 융합하는 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 광학 및 X선 융합 CT 장치의 데이터의 재구성 방법의 흐름도로서, 도 1의 재구성 장치의 영상 융합 과정을 예시한 것이다. 본 발명에서는 컬러 광학영상을 CT 영상과 융합하기 위해, 먼저 X선 투과영상을 재구성하여 3차원 CT 영상을 이용한다.
먼저, 재구성된 3차원 CT 영상으로부터 피검체(104)의 외곽점들을 추출하여(S110) 그 3차원적인 좌표 (x,y,z)들을 얻는다(S112). 피검체(104) 외부인 공기와 피검체(104) 내부의 구성물질과는 X선 투과계수가 매우 크게 차이가 생기므로, 이 과정은 3차원 CT 영상데이터에 문턱값을 적용시킴으로써 용이하게 수행될 수 있다.
이 후, 각 외곽점(P)이 특정 시점에서의 광학촬영시 카메라 촬상면에 포착된 좌표(m,n)를 얻고(S114), 해당 좌표의 컬러성분(R,G,B)을 획득한다(S116). 여기서, 각 외곽점(P)과 카메라의 촬상면 및 카메라 초점의 위치 관계는 도 3에 도시된 바와 같다. 도 3에 도시된 바와 같이, 카메라 촬상면에 형성되는 화소의 좌표(m,n)는 촬영시 갠트리(108) 회전각에 따라 결정되는 카메라 촬상면의 각도와 카메라 초점과 카메라 촬상면의 거리 등 사전에 알고 있는 정보를 바탕으로, 각 외곽점(P)으로부터 초점에 입사하는 직선의 각도와 카메라 촬상면 중심점에서의 이탈 거리와의 삼각함수 관계를 이용하여 구할 수 있다.
이 후, 다른 시점(N 시점)에서 얻은 광학촬영상을 대상으로 외곽점(P)의 좌표(m,n) 및 그 컬러성분(R,G,B) 획득을 반복한다(S118).
여러 촬영시점(1~N 시점)에서 얻은 컬러정보에 기초하여 외곽점(P)의 컬러정보(R,G,B)를 결정한다(S120). 즉, 한 외곽점(P)의 컬러정보를 여러 촬영시점에서 얻고, 각 시점에서 얻은 컬러정보에 가중치를 곱하여 합산함으로써 한 외곽점(P)의 컬러정보를 결정한다. 각 시점에서 얻은 컬러정보에 대한 가중치는, 외곽점에서 반사한 빛이 해당 시점의 카메라 초점에 입사할 확률로서 구할 수 있다. 외곽재질의 반사도가 같다고 가정하였을 때, 이 확률은 외곽점 주변 표면에 대한 법선벡터 P1와 외곽점-카메라 초점을 잇는 방향의 정규벡터 P2 사이의 내적 P1
Figure 112011032253887-pat00001
P2로 구할 수 있다. 이때, 확률에 의한 가중치가 일정수치 이하인 경우에는 가중합을 구하는 데서 제외시킴으로써 가중합으로 구한 컬러성분의 신뢰도를 높일 수 있다.
모든 외곽점들에 대해 S110~S120 과정을 수행하여 컬러정보를 결정하고 이를 취합한다(S122).
취합된 외관의 컬러정보를 융합하여 3차원 CT 영상을 재구성함으로써, 3차원 컬러융합 CT 영상을 생성한다(S124).
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 및 X선 융합 CT 장치의 제어블럭도로서, 피검체(104)가 갠트리(108)에서 벗어난 위치에 있을 경우, 피검체(104)의 외관을 촬영하여 외관의 컬러정보가 융합된 3차원 CT 영상을 생성하는 구성을 도시한 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 CT 영상을 촬영할 때 피검체 외관의 광학영상을 동시에 여러 시점에서 촬영하거나, 혹은, 각기 다른 시점에 촬영된 3차원 CT 영상 및 광학영상을 융합하여 3차원 컬러 융합 CT 영상을 제공한다. 이에 따라, 피검체의 외관에서 식별이 용이한 특징을 이용하여 특정지점의 내부 3차원적 구조를 파악하는 것이 용이해진다. 이와 더불어, 피검체 내부 특정 지점의 물질을 채취하거나, 특정 지점에 물질이나 에너지를 주입하고자 하여, 접근 경로를 계획할 경우에도 피검체 외관의 특징 표식을 이용하여 정교하게 접근경로를 선택하는 것이 가능하다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 스캐닝 갠트리 102 : 받침대
104, 404 : 피검체 106a, 106b, 406a, 406b : 조명장치
108 : 갠트리 110 : X선원
120 : X선 검출기 130, 430a, 430b : 광학 카메라
140 : 구동 제어부 150 : 중앙처리부
160 : 입력부 200 : 재구성부

Claims (6)

  1. 피검체의 X선 투과영상을 검출하는 X선 검출기;
    상기 피검체의 광학영상을 촬영하는 광학 카메라; 및
    상기 X선 투과영상을 재구성하여 3차원 CT 영상을 생성하고 상기 3차원 CT 영상에 상기 광학영상을 융합하여 3차원 융합 컬러 CT 영상을 생성하는 재구성부;를 포함하되,
    상기 재구성부는,
    상기 재구성된 3차원 CT 영상으로부터 외곽점의 3차원 좌표를 획득하고, 상기 광학 카메라의 촬상면 상에 포착된 상기 외곽점의 좌표 및 컬러성분을 획득하여 상기 피검체의 모든 외곽점에 대한 컬러정보를 결정하고, 상기 모든 외곽점에 대한 컬러정보를 상기 3차원 CT 영상과 융합하여 상기 3차원 융합 컬러 CT 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 광학 및 X선 융합 CT 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 재구성부는,
    복수 회의 촬영시점에서 상기 광학 카메라의 촬상면 상에 포착된 상기 외곽점의 좌표 및 컬러성분을 획득하고, 상기 각 시점에서 얻은 컬러정보에 가중치를 곱한 후 합산하여 상기 외곽점의 컬러정보를 결정하는 것을 특징으로 하는 광학 및 X선 융합 CT 장치.
  4. 피검체의 외관을 촬영하여 광학영상을 획득하는 단계;
    상기 피검체의 X선 투과영상을 검출하는 단계;
    상기 X선 투과영상을 재구성하여 3차원 CT 영상을 생성하는 단계; 및
    상기 3차원 CT 영상에 상기 광학영상을 융합하여 3차원 융합 컬러 CT 영상을 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 3차원 CT 영상에 상기 광학영상을 융합하여 3차원 융합 컬러 CT 영상을 생성하는 단계는,
    상기 재구성된 3차원 CT 영상으로부터 외곽점의 3차원 좌표를 획득하는 단계;
    광학 카메라의 촬상면 상에 포착된 상기 외곽점의 좌표 및 컬러성분을 획득하는 단계;
    상기 피검체의 모든 외곽점에 대한 컬러정보를 결정하는 단계; 및
    상기 모든 외곽점에 대한 컬러정보를 상기 3차원 CT 영상과 융합하여 상기 3차원 융합 컬러 CT 영상을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터의 재구성 방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 광학 카메라의 촬상면 상에 포착된 상기 외곽점의 좌표 및 컬러성분을 획득하는 단계는;
    복수회의 촬영시점에서 상기 광학 카메라의 촬상면 상에 포착된 상기 외곽점의 좌표 및 컬러성분을 획득하는 단계; 및
    상기 각 시점에서 얻은 컬러정보에 가중치를 곱한 후 합산하여 상기 외곽점의 컬러정보를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 데이터의 재구성 방법.
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