KR101148299B1 - ｘ-레이 촬상 시스템, ｘ-레이 촬상 방법 및 ｘ-레이이미지 생성 시스템 - Google Patents

ｘ-레이 촬상 시스템, ｘ-레이 촬상 방법 및 ｘ-레이이미지 생성 시스템 Download PDF

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디미트리 빅토로비치 야트센코
리차드 래리 앤더톤
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명은 x-레이 빔의 동적인 자동 공간 변조를 사용하는 x-레이 시스템 및 방법을 제공한다. 시스템은 촬상될 대상물을 향해 공간 변조된 빔을 전송하는 x-레이 소스, 빔을 수신하고 빔에 대해서 다수의 세기를 측정하는 x-레이 검출기, 빔 세기 프로파일을 제어하는 빔 프로세서, 및 출력 이미지 신호를 생성하는 이미지 프로세서를 포함한다. 검출기는 적어도 검출기에서 측정된 세기에 기반하여 잔류 이미지를 생성한다. 빔 세기 프로파일은, (a) x-레이 검출기로부터의 잔류 이미지, (b) 현재 빔 세기, (c) 이미지의 관심 영역, 및 (d) 이미지에서 예측되거나 측정된 대상물 움직임 중 적어도 몇 가지에 기반을 두고 있다. 시스템의 출력 이미지는 상기 잔류 이미지 및 상기 빔 세기 신호 중 하나 이상에 기반하고 있다.

Description

ｘ-레이 촬상 시스템, ｘ-레이 촬상 방법 및 ｘ-레이 이미지 생성 시스템{SYSTEM AND METHOD FOR AN ADAPTIVE MORPHOLOGY X-RAY BEAM IN AN X-RAY SYSTEM}
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 x-레이 빔 변조를 사용하는 x-레이 시스템에 대한 개략도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전술한 피드백 루프를 기반으로 하여 출력 이미지 신호를 생성하는 방법에 따른 흐름도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따름 빔 세기 필드의 예시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 사용된 x-레이 빔의 공간 변조를 사용하는 x-레이 시스템의 개략도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 빔 변조용 필터를 사용하는 전술한 피드백 루프를 기반으로 하여 출력 이미지 신호를 생성하는 방법에 따른 흐름도,
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 빔 변조용 필터의 실시예를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 x-레이 회피(dodging)의 효과를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따른 고조파 발진(예컨대, 참조부호 910)에 의해 발생한 움직임 진동을 매끄럽게 하는 데 사용되는 x-레이 튜브 전류 파형(예컨대, 참조부 호 920)을 나타낸 도면,
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 상호-소자 교합(inter-element occlusions)을 사용하여 국소 감쇄 레벨을 조절하는 보다 적응적인 방식을 나타낸 도면,
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 사용된 통상적인 형광 투시 진단 촬상 시스템(1105)과 함께 작동하는 추가의 빔 변조 시스템(1100)을 나타낸 도면이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100: x-레이 시스템 105: x-레이 소스
110: 공간 변조된 빔 120: 촬상 대상물
130: 잔류 빔 140: 검출기
150: 잔류 이미지 160: 빔 프로세서
170: 화상 프로세서 180: 빔 세기 신호
190: 출력 이미지 신호 195: 표시 디바이스
본 발명은 일반적으로는 x-레이 촬상 시스템에 관한 것이다. 구체적으로는, 본 발명은 x-레이 빔의 공간 변조(spatial modulation)를 이용하는 x-레이 촬상 시 스템 및 방법에 관한 것이다.
통상적인 x-레이 촬상 시스템은 본질적으로 균일한 x-레이 빔에 대상물을 노출시키는 x-레이 소스로 구성된다. 빔이 대상물을 통과할 때, 대상물 전체에서 방사선 밀도를 변화시키면, 대상물 내에서 감쇄(예컨대, 흡수 또는 산란)되는 x-레이 선속(x-ray flux)의 부분을 변화시킨다. 대상물을 통과한 후에는, 잔류 빔이 검출기에 도달하게 된다. 검출기는 세기가 변화된 빔을 수신하자마자 빔의 세기를 측정하여 데이터 수집 시스템에 전달한다. 그러면, 데이터 수집 시스템은 빔의 세기를 사용하여 섀도(shadow) 이미지를 생성한다.
이러한 통상적인 접근방안에는 여러 가지 기본적인 문제점이 존재한다. 예컨대, 촬상 대상물의 움직임의 존재 여부 및/또는 다양한 대상물 볼륨에 대해 뷰어가 관심을 갖는 정도에 관계없이, 대상물 전반에 걸친 방사선 촬영 두께 변화와 무관하게, 촬상될 대상물 전체가 비교적 높은 x-레이 조사량을 수신한다.
많은 조사량(dose)은, 통상적으로는, 빔의 최대량을 감쇄시키는 대상물 볼륨이 대상물 볼륨의 이미지를 제공할 정도로 충분한 광자량(photon flux)을 확실히 수신할 수 있게 하는 데 사용된다. 방사선 촬영 두께가 큰 대상물 볼륨에 도달하는 빔이 충분한 수의 x-레이 광자가 검출기에 도달하기에 불충분한 세기를 갖는 경우, 생성된 섀도 이미지는 대상물 볼륨의 형상에 충분한 콘트라스트를 발생시키지 못할 수도 있다. 대상물의 방사선 촬영 두께 변화와 검출된 수의 광자 변이(fluctuation)를 식별할 수 있게 하기 위해서는 충분한 수의 광자가 검출기에 도달해야 한다. 이러한 변이는 양자 잡음 또는 반문(mottle)이라고 알려져 있다.
그러나, 높은 x-레이 조사량은, 훨씬 적은 조사량으로도 적절히 촬상될 수 있는 더 작은 방사선 촬영 두께의 대상물 볼륨에도 도달한다. 얇은 대상물 볼륨에 대한 과도한 노출은 해로울 수 있다. 또한, 과도한 노출은, 예컨대 (a) x-레이 산란 증가, (b) 베일링 섬광(veiling glare) 증가, 및 (c) 검출기 포화와 같은 추가적인 촬상 문제를 유발할 수도 있다. 현재의 고성능 x-레이 검출기는 포화되지 않으면서 큰 방사선 촬영 두께 및 작은 방사선 촬영 두께 모두를 갖는 대상물 볼륨을 촬상할 수 있다. 그러나, 이러한 시스템도 여전히 방사선 밀도가 보다 작은 대상물을 불필요하게 큰 x-레이 조사량에 노출시킬 수 있다. 게다가, 이러한 고성능 검출기는 x-레이 시스템에 상당한 비용을 부가한다.
통상적인 x-레이 촬상이 갖는 다른 문제점은, 높은 공간 및 그레이스케일 해상도의 필요성 없이 참조를 위해 촬상되는 대상물 볼륨에 대한 높은 조사량이다. 이러한 볼륨은 감소된 조사량 비율(dose rate)로 촬상될 수 있으며 여전히 적절한 정보를 제공하지만, 높은 그레이스케일 및 공간 해상도를 요구하는 대상물 볼륨은 여전히 일반 조사량에 노출될 필요가 있다.
통상적인 형광 투시 진단(fluoroscopy)이 갖는 다른 문제점은 프레임과 프레임 사이에 변화가 거의 발생하지 않기 때문에 새로운 정보가 거의 존재하지 않는 대상물 볼륨에 대한 과도한 노출 비율이다. 이미지 영역이 미미한 대상물 움직임을 포함하는 것으로 알려진 경우에는, 조사량을 감소시키고 이전 프레임으로부터의 정보 재사용을 증가시킴으로써 대상물을 정교하게 표현할 수 있다. 대상물 볼륨이 움직이거나 변화하면, 보통의 조사량 비율로 노출시켜서 여전히 적합한 이미지 품질을 제공할 필요가 있다.
이미 여러 가지 빔 변조 기술이 제안되어 있다. 이들 기술은 추구하는 목적에 따라 두 개의 일반적인 카테고리, 즉 (a) 검출기의 노출을 공간적으로 균등화하거나 균질화(homogenize)하고자 하는 빔 균등화(Beam Equalization) 방법과, (b) 임상학적 관심이 보다 적은 해부학적 볼륨에 대한 노출을 감소시키고자 하는 관심 영역 방사선(Region-of-Interest Radiography) 및 형광 투시 진단(Fluoroscopy) 방법으로 분류될 수 있다. 각각의 몇몇 예가 이하에 주어질 것이다.
빔 변조 방법의 다른 카테고리화는, 표시된 이미지가 발생한 휘도(brightness) 변조에 대해 보상되는지 아닌지에 기반을 두고 있다. 많은 애플리케이션에서는, 사용자에게는 보상되지 않은 이미지가 보상된 이미지와 같은 또는 그보다 더 큰 가치를 갖는 경우, 이러한 보상이 불필요하다. 다른 애플리케이션에서는, 촬상 대상물의 실제 방사선 촬영 두께를 정확히 나타낸 이미지 세기를 나타낼 필요가 있으며, 출력된 이미지를 나타내기 전에, 시스템은 x-레이 빔 내로 발생한 세기 변화를 전환할 필요가 있다.
빔 변조 방법은 또한 빔 변조가 자동으로 구성되어 실행되는지 또는 수동으로 구성되어 실행되는지를 기반으로 카테고리화될 수 있다. 따라서, 자동 및 수동 빔 변조 방법이 구별된다.
조사량 감소, x-레이 산란 감소 또는 검출기의 포화 방지를 목적으로, x-레이 검출기에 대한 노출을 균등화하거나 균일하게 하기 위한 여러 가지 기술이 제안되어 있다. 이들 기술은 전형적으로는 x-레이 소스와 촬상 대상물 사이에 균등화용 빔 필터를 배치하는 것으로 이루어진다. 예컨대, Sirvin의 "X-ray Apparatus Including a Homogenizing Filter"라는 명칭의 미국 특허 번호 제 5,185,775호에는, 촬상 대상물의 형태를 일치시키는 필터가 x-레이 소스와 촬상 대상물 사이에 배치되어, 검출기의 노출을 균질하게 하고 혈관 조영 이미지의 품질을 개선한다.
임의의 대상물의 형태를 일치시키는 필터를 신속하게 생성하는 여러 가지 기술이 제안되어 있다. 한 가지의 이러한 기술은 Boone의 "Radiographic Equalization Apparatus and Method"라는 명칭의 미국 특허 번호 제 5,107,529호에 개시되어 있다. Boone은 x-레이 빔의 필터링에 사용되는 다수의 병치된 디스크 사용에 대해 설명한다. 각각의 디스크는 복잡한 감쇄 패턴을 포함하며, 독립적으로 회전하여 많은 감쇄 패턴을 획득한다. 하나의 스카우트 이미지를 기반으로 하여, 디스크는 최적의 감쇄 패턴을 생성하도록 회전한다. 감쇄 패턴은 예비 이미지의 과도 노출된 영역에 대응하는 촬상 대상물 영역에서 빔 감쇄를 증가시킨다. 이러한 방식으로, Boone은 검출기에서 수신된 x-레이 빔 세기를 균등화하는 x-레이 필터링 장치 및 방법에 대해 설명한다.
제안된 다른 솔루션이 Edholm 등의 "Exposure Compensating Device for Radiographic Apparatus"라는 명칭의 미국 특허 제 3,755,672호에 개시된다. Edholm은 x-레이 흡수량을 변경할 수 있는 x-레이 필터에 대해 설명한다. 필터는 가변 형상이어서 필터의 상이한 부분 내에서의 x-레이 흡수량이 독립적으로 변경될 수 있다. 또한, 필터의 일부분에서의 x-레이 흡수량은 촬상면 아래에 위치한 방사선 검출 수단에 의해 검출된 예비 이미지 또는 스카우트 이미지를 기반으로 하는 신호에 응답하여 자동으로 조절된다. Edholm은 이에 따라 예비 이미지 동안 검출된 x-레이 세기를 기반으로 하여 x-레이 감쇄량을 자동으로 변경할 수 있는 x-레이 필터에 대해 설명한다.
제안된 다른 솔루션이 Dobbins, III의 "Variable Compensation Method and Apparatus for Radiological Images"라는 명칭의 미국 특허 번호 제 4,868,857 및 제 5,081,659호에 개시된다. Dobbins는 낮은 조사량의 기본 또는 스카우트 x-레이 이미지를 기반으로 한 x-레이 빔의 변조에 대해 설명한다. 따라서, 상기와 같이, Boone과 Edholm와 관련하여, Dobbins는 정적 x-레이 필터링 방법 및 장치에 대해 설명한다. 변조는 검출기에서 수신될 때 균등화되는 x-레이 빔을 제공하는 디지털 빔 감쇄기 마스크를 기반으로 한다. Dobbins의 디지털 빔이 감쇄된 마스크는 검출된 x-레이 세기와 디지털 방식으로 결합되어 최종 x-레이 이미지를 형성한다.
보다 덜 중요한 대상물 볼륨에 대한 과도 노출에 관한 문제를 설명하는 ROIF(Region-of-Interest Fluoroscopy)가 제안되어 있다(예컨대, Rudin 등의 "Region of Interest Fluoroscopy", J. of Med. Phys., 1992 Sep-Oct; 19(5): pp. 1183-9). ROIF에서는, 특수 절차 필터(procedure-specific filter)가 x-레이 소스와 촬상 대상물 사이에 배치되어, 임상학적 관심이 보다 적은 영역에서 x-레이 빔을 선택적으로 감쇄시킨다. 절차 이전에는, 감쇄용 필터의 이미지만을 선택함으로써, 보상용 마스크 이미지가 얻어진다. 절차 동안에는, 마스크 이미지가 디지털 감산 혈관 조영 기술과 유사하게 디지털적으로 제거되어서, 촬상 대상물의 실질적인 감쇄를 복구한다.
제안된 많은 시스템은, 빔 필터를 생성하거나 선택하고, 빔에 그 필터를 배치하며, 이미지의 보상을 실행하는 인간의 개입(intervention)을 필요로 한다. 빔 균등화 프로세스 중의 일부 또는 그 전체를 자동화하기 위한 여러 가지 솔루션이 제안되어 있다. 이들 솔루션은 총체적으로는 컴퓨터화된 균등화 방사선 사진술(Computed Equalization Radiography)로 알려져 있다. 이러한 솔루션의 몇몇 카테고리는, (a) 스캐닝 또는 래스터 시스템(예컨대, Vlasbloem 등의 "AMBER: A Scanning Multiple-Beam Equalization System for Chest Radiography", Radiology, vol. 169, No. 1, pp. 29-34), (b) 볼륨 측량 형상이 기계적 또는 전자적으로 제어될 수 있는, x-레이를 흡수하는 액체 또는 변형 가능한 재질을 사용하는 솔루션(예컨대, Tang, Mather와 Zhou의 "Area x-ray beam equalization for digital angiography", J, of Med. Phys., 1999, 26(12): pp. 2684-92), (c) x-레이를 흡수하는 잉크를 사용하여 소망 감쇄 패턴을 인쇄하는 솔루션(Hasegawa 등의 "Geometrical properties of a digital beam attenuator system", Med. Phys., 14: 3, 314-21, May-Jun, 1987), (d) 위치가 독립적으로 조절되어 소망 감쇄 패턴을 생성할 수 있는 두께를 변화시키는 멀티-리프(multi-leaf) 또는 멀티-층의 반투명 필터를 사용하는 솔루션(예컨대, Boone의 "Radiographic Equalization Apparatus and Method"라는 명칭의 미국 특허 번호 제 5,107,529호)이 있다.
상기 참조문헌은 빔 변조 기술에 대해 설명하고 있는 것으로, 이 기술로는 필요한 x-레이 세기 필드가 예비 스카우트 이미지로부터 계산되거나 수동으로 프로그램된다. 그러나, 많은 x-레이 절차가 다수 개의 뷰(view)로부터 수백 또는 수천 개의 연속 프레임을 필요로 할 수도 있기 때문에, 이들 솔루션은 중단할 수 없는 포인트-슛(point-and-shoot) 촬상을 위한 메커니즘에 최적화된 빔 변조를 제공하지는 않는다.
이러한 래스터-빔(raster-beam) 또는 슬릿-빔(slit-beam) 스캐닝 시스템과 같은 몇몇 제안된 솔루션(예컨대, AMBER)은 x-레이 튜브 로딩 필요 조건을 상당히 증가시키는데, 이는 항상 x-레이 빔의 작은 일부분만이 사용되기 때문이다.
반투명한 재질을 사용하여 선택적으로 빔을 감쇄시키는 솔루션은 x-레이 빔의 광자 에너지에 대해 선택적이다. x-레이 빔을 약 35keV의 효과적인 x-레이 광자 에너지로 감쇄시키도록 설계된 필터는, 효과적인 광자 에너지가 예컨대 20keV로 떨어지는 경우에는 중요한 빔 변조에 대해서는 너무 불투명하며, 효과적인 광자 에너지가 예컨대 70keV로 증가하는 경우에는 너무 투명하다. 낮은 에너지 및 높은 에너지를 사용하여 작동하는 특수 필터가 갖는 문제점을 해결하는 것은, 그러한 시스템의 복잡성을 상당히 증가하게 한다. 이들 x-레이 흡수 재질의 양 또는 두께는, x-레이 기술이 상당한 변화를 겪을 때의 중요한 요인에 의해 변화될 필요가 있다. 광범위한 x-레이 기술에서 중요한 빔 변조 요인을 제공하기 위한 이러한 시스템의 경우, 그 설계는 너무나 복잡하다.
또한, 상기 참조문헌에서 제안된 자동 빔 변조 시스템은, 고속, 해상도, 및 촬상 애플리케이션의 넓은 스펙트럼에서 유용한 다이내믹 범위를 제공하기에는 너무 대형이고, 느리며 고가이다.
의료 중개 촬상과 같은 동적인 촬상 환경에서 빔 변조 시스템을 유용하게 하기 위해서는, 사용자 개입 및 스카우트 샷(scout shot) 없이도 x-레이 빔을 계속해서 변조할 수 있는 개선된 시스템 및 방법이 필요하다. 이러한 시스템 및 방법은 x-레이 빔이 촬상 대상물에 도달하기 전에 뷰 필드(field of view) 전체에서의 x-레이 빔 세기를 조절할 수 있다. 변화 정도는, 광범위한 x-레이 기술에서 충분한 수의 중간 세기 값을 결정하면서, 충분히 높은 정도, 예컨대 한자리 또는 두자리 위수의 크기까지 될 필요가 있다. 이 시스템 및 방법은, 또한, 더 낮은 조사량이 예컨대 방사선 촬영법적으로 얇거나, 또는 정적이거나, 또는 보다 관심이 적은 영역과 같은 관심 형상을 적절히 나타내기에 충분한 촬상 대상물 영역에 대한 x-레이 노출을 자동으로 감소시킬 수 있다. 이 시스템은, 또한, 이미지 품질의 여러 가지 측면을 손상시키거나 뷰어에게 혼란을 주거나 표시된 이미지를 왜곡시키지 않고서도, 표시된 이미지를 나타낼 수 있다. 간단히 말해, 이러한 시스템은, 표시된 이미지가 균일한 높은 노출 빔으로 생성된 것처럼 보이게 하면서, 빔 균등화 및 관심 영역 형광 투시 진단 조영의 이점(예컨대, 조사량 감소, x-레이 산란 감소, 광학적 섬광 감소, 및 포화도 감소)을 제공할 수 있다. 또한, 이러한 시스템 및 방법은, 관심있는 대상 볼륨과, 더 큰 방사선 촬영 두께를 갖는 대상 볼륨과, 움직임이 예측되는 대상 볼륨에는 더 높은 조사량으로 방사선을 조사함으로써, 개선된 이미지 품질을 제공할 수 있다.
본 발명은, x-레이 빔의 공간 변조 및 출력 이미지로부터 빔 변조에 의해 생성된 휘도 또는 잡음 분포의 순차적인 디지털 제거를 사용하는 x-레이 시스템을 제공한다. 이 시스템은 x-레이 소스, x-레이 검출기, 빔 프로세서 및 이미지 프로세서를 포함한다. x-레이 소스는 촬상될 대상물을 향해 x-레이 빔을 전송한다. 빔은 적어도 빔 세기 신호를 기초로 하는 빔 세기 필드를 포함한다. 검출기는 빔을 수신하고 빔의 다수의 세기를 측정한다. 검출기는 또한 적어도 측정된 세기를 기초로 하여 잔류 이미지 신호를 생성한다. 빔 프로세서는 연속적으로 또는 주기적으로 빔 세기 신호를 갱신하여, 최적의 빔 세기 필드를 유지한다. 이미지 프로세서는 잔류 이미지 신호 및 빔 세기 신호의 적어도 하나를 기초로 하여 출력 이미지 신호를 생성한다.
본 발명은 또한 x-레이 빔의 공간 변조를 이용하는 x-레이 촬상 방법을 제공한다. 이 방법은 촬상될 대상물을 향해 공간 변조된 x-레이 빔을 전송하는 단계와, x-레이 검출기에서 빔을 수신하는 단계와, 검출기에서 다수의 빔 세기를 측정하는 단계와, 적어도 측정된 세기를 기초로 하여 잔류 이미지 신호를 생성하는 단계와, 출력 이미지 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 초기 빔에 대한 x-레이 세기는 적어도 빔 세기 신호를 기초로 하여 공간적으로 변화된다. 빔 세기 신호는, (a) 현재 잔류 이미지 및 빔 세기 필드로부터 결정되는 촬상 대상물의 측정되거나 예측된 방사선 촬영 두께, (b) 촬상 대상물의 측정되거나 예측된 방사선 촬영 두께, (c) 검출되거나 예측된 대상물 움직임 중 적어도 몇 가지에 기반을 두고 있다. 출력 이미지 신호는 잔류 이미지 신호와 빔 세기 신호 중 하나 이상에 기반을 두고 있다.
본 발명은 또한 빔 세기 신호를 기초로 하여 x-레이 빔을 자동적이고 동적으로 공간 변조하는 기술인 "x-레이 회피(x-ray dodging)" 시스템 및 방법을 제공한다. x-레이 회피는 x-레이 차단 소자의 배열을 빔에 배치하는 것으로 이루어진다. 일부 소자는 다양한 정도로 중첩되어, 빔 차단 부분 영역을 변화시킨다. 전체 배열은 고주파의 주기적인 움직임이 이행되고, 빔 세기가 주기적인 움직임에 동기화되어 시간적으로 변화하게 된다. 이러한 프로세스 조합으로 빔의 차단 부분이 평탄화되어서, 많은 수 및 큰 범위의 그라데이션 레벨을 가지며 연속적으로 변화하는 평탄한 반투명 감쇄 패턴이 생성된다.
전술한 기술적 과제 및 본 발명의 특정 실시예에 대한 하기의 상세한 설명은 첨부한 도면과 함께 읽으면 더욱 잘 이해될 것이다. 도면에는, 발명의 예시를 목적으로, 특정 실시예가 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 첨부한 도면에 도시한 장치 및 수단으로 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따라 x-레이 빔 변조를 사용하는 x-레이 시스템(100)에 대한 개략도를 나타낸다. 시스템(100)은, 공간 변조된 빔(110)을 생성하는 x-레이 소스(105), 촬상 대상물(120), x-레이 검출기(140), x-레이 빔 프로세서(160), 이미지 프로세서(170), 및 표시 디바이스(195)를 포함한다. 변조된 빔(110)은 촬상 대상물(120)을 통과하고, 그 형상만큼 다양한 정도로 감쇄되며, 잔류 빔(130)을 형성한다. 검출기(140)는 잔류 빔(130)의 빔 세기를 측정하고, 잔류 이미지(150)를 빔 프로세서(160)와 이미지 프로세서(170)에 전달한다. 빔 세기 신호(180)는 빔 프로세서(160)로부터 x-레이 소스(105) 및 이미지 프로세서(170)로 전달될 수 있다. 이미지 프로세서는 표시되는 이미지 신호(190)를 생성하여 표시 디바이스(195)에 전달한다.
전술한 바와 같이, x-레이 소스(105)는 공간 변조된 빔(110)을 촬상 대상물(120)을 향해 송신할 수 있다. 더욱 구체적으로, x-레이 소스(105)는 빔(110)에서 빔 세기 신호에 따른 x-레이 세기를 불균일하게 변경시킬 수도 있다. 빔 세기 신호는 공간 변조된 x-레이 빔(110)의 세기 필드를 디지털적으로 표현한 것이다.
x-레이 소스(105)는 여러 가지 실시예 중의 임의의 한 가지 실시예에 의해서 빔(110)의 x-레이 세기 필드를 변경시킬 수도 있다. 예를 들어, 시스템(100)은 대상물(120)의 특정 영역에서 래스터 패턴으로 좁은 빔(110)을 전후로 이동시키면서 빔의 세기를 일시적으로 변화시키고 검출기(140)에 이미지를 집결시킴으로써 래스터 빔(110)을 사용한다. 다른 실시예에서는, x-레이 소스(105)는 다수의 빔 소스를 포함하고 있으며, 각각의 빔 소스는 촬상 대상물(120)의 여러 부분을 노출시킨다. 그 다음, x-레이 소스(105)는 각 x-레이 소스의 출력을 제어함으로써 빔(110)을 공간적으로 변조시킨다.
공간 변조된 x-레이 빔(110)은 대상물(120)의 방사선 촬영 두께 분포를 일치시키도록 구성된다. 예를 들어, 대상물(120)은, (예를 들어, 형광 투시 진단 시퀀스에서의 이전 프레임에 기초하여) 두께 분포가 알려져 있거나, 또는 두께 분포가 측정되었거나, 또는 두께 분포가 예상될 수 있다. 적어도 이러한 분포를 기초로 하여, 빔 세기 신호가 생성되어, 촬상 대상물(120)의 방사선 촬영법적으로 두꺼운 영역에 대한 노출 증가 및/또는 그 방사선 촬영법적으로 얇은 영역에 대한 노출 감소를 가져오며, 이로 인해, 예를 들어, 잔류 빔(130)에서의 세기를 대략적으로 균등화시킬 수 있다. 잔류 빔(130)은, 예를 들면, 적어도 촬상 대상물(120)에 의해 감쇄된 후의 x-레이 빔을 포함할 수도 있다.
공간 변조된 빔(110)은 대상물(120)의 관심 영역 분포 두께를 일치시키도록 성된다. 관심 영역은 시스템(100)의 사용자가 촬상하기를 희망하는 대상물(120)의 영역 또는 볼륨이 될 수도 있다. 대상물(120)의 관심 영역은 이전의 스캔, 또는 프로그램되거나 또는 추측되거나 또는 예상되는 일반적인 환추(atlases)로부터 선험적으로 알려져 있는 것일 수 있다. 적어도 이러한 관심 영역 분포를 기초로 하여, 빔 세기 신호가 생성되어, 예를 들어, 관심이 큰 관심 영역에 대한 x-레이 노출 증가 및/또는 보다 관심이 적은 관심 영역에 대한 x-레이 노출 감소를 가져올 수 있다.
공간 변조된 x-레이 빔(110)은 또한 대상물(120)의 지속적인 움직임 영역 분포를 일치시키도록 설정될 수도 있다. 대상물(120)은 촬상 시스템(100)과 관련되어 움직이게 되는 영역 또는 볼륨을 가질 수 있다. 그 밖의 영역은 정적인 상태를 유지하게 된다. 예를 들면, 대상물(120)이 환자의 흉강(chest cavity)인 경우, 흉강의 나머지 부분과 관련하여 움직이는 환자의 심장을 포함한다. 대상물(120)의 움직임 영역은 사용자에 의해 프로그램되어서, 선험적으로 알려져 있거나, 측정되거나, 또는 예측된다. 초기 프레임으로부터의 정보를 재사용하는 이미지 처리 기술이 사용되어 이러한 정적인 영역을 고품질로 표시하는 움직임이 거의 없는 영역에는 거의 노출 시킬 필요가 없다. 적어도 예측된 움직임 분포를 기초로 하여, 빔 세기 신호가 생성되어, 움직임이 있는 영역에 대한 x-레이 노출 증가 및/또는 움직임이 거의 없거나 전혀 없는 영역에 대한 x-레이 노출 감소를 가져온다.
마지막으로, 공간 변조된 x-레이 빔(110)은 전술한 세 가진 분포, 예를 들어, (a) 방사선 촬영 두께, (b) 관심 영역, 및 (c) 대상물 움직임 영역 분포의 조합을 일치시키도록 설정되어, 개선된 빔 세기 신호를 생성할 수 있다.
일단 빔(110)이 대상물(120)을 통과하면, 검출기(140)는 잔류 빔(130)을 수신한다. 검출기(140)는 잔류 빔(130)에 의해 투영된 세기 패턴을 측정하거나 기록할 수 있는 디바이스이다. 예를 들어, 검출기(140)는 고체 상태 x-레이 검출기가 될 수도 있고, 또는 전하 결합 디바이스(charged-coupled device) 디지털 비디오 카메라에 연결된 이미지 강화기(image intensifiers)가 될 수도 있다.
적어도 잔류 빔(130)의 측정된 세기를 기초로 하여, 검출기(140)는 잔류 이미지(150)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 잔류 이미지(150)는 검출기(140)에 의해 수신된 다양한 잔류 빔(130)의 세기를 나타내는 전자 데이터를 포함한다. 검출기(140)는 잔류 이미지(150)를 빔 프로세서(160)와 이미지 프로세서(170) 중 적어도 하나에 전달한다.
빔 프로세서(160)는 시스템(100)의 이미지 처리 소자이다. 빔 프로세서(160)는, 검출기(140)로부터의 잔류 이미지(150)를 수신하고, 빔 세기 신호(180)를 생성하며, 빔 세기 신호(180)를 x-레이 소스(105) 및 이미지 프로세서(170) 중 적어도 하나에 전달할 수 있는 임의의 프로세서이다. 빔 프로세서(160)는, 예를 들면, 컴퓨터 범용 마이크로프로세서, 소프트웨어 소자, 또는 특수 디지털 신호 처리("DSP") 회로로 구현될 수 있다. 빔 프로세서(160)는 이미지 프로세서(170)에 의해 실행되는 바와 같은, 시스템(100)에 대한 추가 태스크를 수행할 수 있는, 시스템(100)에 프로세싱을 제공하는 시스템에 내장될 수도 있다.
빔 프로세서(160)가 잔류 이미지(150)를 수신한 후, 빔 프로세서(160)는 잔류 이미지(150)를 검사하여 빔 세기 신호(180)가 어느 정도로 수정되어야 하는지를 결정한다. 이와 같은 빔 프로세서(160)는 적어도 촬상 대상물(120)의 변화를 기초로 하여 빔(110)의 세기 필드를 주기적으로 또는 계속적으로 갱신하는 피드백 루프를 완료한다. 빔 프로세서(160)는, 어떤 빔(110) 세기 필드가 인가되어 수신된 잔류 이미지(150)를 생성했는지를 알수도 있기 때문에, 촬상 대상물(120)의 방사선 촬영 두께를 추정하기 위해서 균일한 빔의 스카우트 샷을 요구할 필요가 없으며, 또한 촬상 대상물(120)이 촬상 세션 중에 이동하거나 변화함에 따라 빔 세기 신호(180)를 주기적으로 및/또는 계속적으로 갱신할 수 있게 된다.
빔 세기 신호(180)가 주로 촬상 대상물(120)의 방사선 촬영 두께를 기초로 하는 경우, 피드백 루프는 x-레이 소스(105)의 빔-변조 성능 한도 내에서 본질적으로 균일한 잔류 이미지(150)를 생성한다. 다시 말해, 일부의 경우에는, 부분적인 균등화 덕택에 상당한 개선이 이루어진다 해도, x-레이 소스(105)의 빔 변조에 관한 공간 해상도 제한, 동적 범위 제한, 또는 그레이스케일 해상도 제한은 빔을 완전한 균등화시키지 못할 것이다. 이러한 제한은 공간 해상도, 세기 해상도, 및 동적 범위를 포함한다. 잔류 이미지는 대상물의 움직임이나 그 밖의 변화에 관한 정보 및 x-레이 소스(105)의 빔 변조기에 의해 해결되지 않는 세목을 포함할 수 있다. x-레이 소스(105)의 빔 변조 용량이 x-레이 검출기(140)의 대응하는 이미지 획득 용량에 접근하게 되는 경우, 잔류 이미지(150)는, 무엇인가를 포함하고 있다면, 잡음 및 움직임만을 포함할 수 있다. 따라서, 촬상 대상물에 관한 상당히 유용한 정보는 빔 세기 신호(180)에 포함된다.
빔 세기 신호(180)가 또한 대상물(120)의 예측된 움직임 영역 및 대상물(120)의 관심 영역을 기초로 하는 경우, 빔 프로세서(160)는 빔 세기 신호(180)를 생성하여, 이들 영역에서의 빔 세기를 증가시킨다. 따라서, 잔류 이미지(150)는 불균일하며, 촬상 대상물(120)의 방사선 촬영 두께를 정교하게 나타내지도 않는다.
전술한 바와 같이, 빔 프로세서(160)는 또한 빔 세기 신호(180)를 이미지 프로세서(170)에 전달할 수 있다. 이미지 프로세서(170)는 이미지 대수 연산자(image algebra operator)를 사용하여 2개 이상의 이미지 신호를 제 3 이미지 신호로 조합할 수 있는 임의의 프로세서가 될 수 있다. 예를 들면, 이미지 프로세서(170)는 특수 하드웨어 소자, 프로그램 가능 디바이스, 또는 범용 마이크로프로세서 상에서 운용되는 내장형 소프트웨어 소자가 될 수 있다.
이미지 프로세서(170)는 잔류 이미지(150)에서 빔 세기 신호(180)를 감산하여 출력 이미지(190)를 생성한다. 이러한 감산은, 예를 들면 픽셀 단위로 일어난다. 감산 연산의 구체적인 의미는 구성 이미지에 적용되는 그레이스케일 변환에 의존한다. 예를 들어, 대수 그레이스케일 변환이 잔류 이미지 및 빔 세기 신호에 적용된 경우, 간단한 산술적 감산이 사용될 수 있다. 그 다음, 조합된 이미지(190)는, 예를 들어 균일한 x-레이 빔을 사용하여 획득된 것처럼, 대상물(120)의 실제 방사선 촬영 두께를 정확하게 표현한다. 신호 지연이, 빔 세기 신호(180)가 일치하는 잔류 이미지(150)와 확실히 조합되도록, 시스템 내에 구축될 필요가 있을 수 있다.
이미지 프로세서(170)는 또한 빔 프로세서(160)에서 빔 세기 신호(180)를 생성하는 데 사용된 동일한 관심 영역 정보 및 움직임 영역 정보에 따라서 처리 과정을 적응시킬 수 있다. 이러한 적응은 공간 필터링, 시간 필터링, 형상 개선, 잡음 억제, 및 기타 사항을 포함한다. 예를 들어, 빔 프로세서(160)가 보다 관심이 적은 영역에 대해서 조사량을 감소시키는 경우, 이미지 프로세서(170)는 대응하는 이미지 영역에서 잡음을 더욱 감소시킨다. 다른 예로서, 빔 프로세서(160)는 대상물의 움직임이 거의 없는 것으로 예측되는 영역에 대해서 조사량을 감소시키는 경우, 시간 필터링을 증가시키면 이전 프레임의 재사용을 증가시켜서 고품질 이미지를 나타낼 수 있다. 멀티스케일 이미지 처리 기법은 이러한 솔루션을 용이하게 한다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 본 발명은 기존 촬상 시스템에 대한 외부 애드-온 디바이스로서 구현될 수 있다. 도 11에서, 시스템(1100)은 점선 블록으로 표시된 기존의 통상적인 시스템(1105)을 포함하며, 이 시스템(1105)은 x-레이 소스(405) 및 x-레이 검출기(140)를 포함한다. 외부 빔 변조 디바이스는 외부 애드-온 프로세서(1130), 빔 변조기(1115) 및 표시 디바이스(1140)를 포함한다. 통상적인 시스템의 비디오 출력(1110)은 애드-온 프로세서(1130)에 접속되어 있다. 빔 변조기(1115)는 통상적인 시스템(1105)의 x-레이 소스(405)에 부착된다. 애드-온 프로세서(1130)는 도 4에서와 같이 빔 프로세서(160) 및 이미지 프로세서(170)의 역할을 수행한다. 빔 구성 신호(420)는 변조기 커넥션(1120)을 따라서 빔 변조기(1115)에 전달된다. 비디오 신호(1110)는 잔류 이미지 신호를 애드-온 프로세서(1130)에 전달한다.
통상적인 디지털 형광 투시 진단 x-레이 촬상 시스템은 일반적으로 x-레이 소스(405) 및 검출기(140)를 포함하며, 비디오 출력 신호(1110)를 생성할 수 있다. 동작 시, x-레이 소스(405)는 대상물(120)을 향해 x-레이 빔(110)을 전송한다. 빔(110)이 대상물(120)을 통과하여 잔류 빔(130)이 된 후(전술한 바와 같음), 검출기(140)는 잔류 빔(130)의 x-레이 세기를 측정한다. 그 다음, 시스템(1105)은 이 잔류 빔을 비디오 신호(1110)로 변환하여, 다른 시스템 내로 공급한다.
그러나, 이 실시예에서, 외부 빔 변조 디바이스(1115)는 이러한 시스템에 추가되어, 본 발명의 기능을 기존 촬상 시스템에 추가한다. 디바이스(1115)는 애드-온 프로세서(1130)에 의해 제어된다.
동작 시, 처리 블록은 통상적인 시스템(1105)으로부터의 비디오 출력(1110)을 수신했다. 그러면, 애드-온 프로세서(1130)는 전술한 바와 같이 빔 프로세서(160) 및 이미지 프로세서(170)의 동일한 기능을 달성하도록 작용한다. 예를 들어, 일단 애드-온 프로세서(1130)가 잔류 이미지(1110)를 수신하면, 빔 프로세서(160)와 유사한 빔 프로세서는 잔류 이미지 비디오 신호(1110)를 검사하여, 빔(110)의 빔 세기를 얼마나 수정할 것인지 결정한다. 애드-온 프로세서(1130)의 빔 프로세서는 전술한 바와 같이 적어도 촬상 대상물(120)의 변화를 기초로 하여 빔(110)의 세기 필드를 주기적으로 또는 계속적으로 갱신하는 피드백 루프를 완료한다. 그 후, 애드-온 프로세서(1130)는 빔 세기 신호(180)를 변조기 커넥션(1120)을 거쳐서 빔 변조기에 전달한다.
또한, 일단 애드-온 프로세서(1130)의 빔 프로세서가 빔 세기 신호를 결정하면, 애드-온 프로세서(1130)는 또한 빔 세기 신호를 시스템(100)의 이미지 프로세서(170)와 유사한 내부 이미지 프로세서에 전달한다. 그 다음, 애드-온 프로세서(1130)의 이미지 프로세서는 잔류 이미지(150)에서 빔 세기 신호(180)를 감산하여 출력 이미지(190)를 생성한다. 이러한 감산은, 예를 들면 픽셀 단위로 일어난다. 그러면, 애드-온 프로세서(1130)는 시스템(1100)의 사용자에게 표시하기 위한 외부 표시 디바이스(1140)에 이미지(190)를 전달할 수 있다. 따라서, 현재 설명된 실시예는 빔 변조 디바이스(1115)를 기존의 x-레이 촬상 시스템에 간단히 추가하여, 본 발명의 성능을 달성한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전술한 피드백 루프를 기초로 하여 출력 이미지 신호(190)를 생성하는 방법(200)에 의한 순서도를 나타낸다. 먼저, 단계 (210)에서, x-레이 소스(105)는 대상물(120)을 향해 x-레이 빔(110)을 전송한다. 다음, 단계 220에서, 공간 변조된 빔(110)은 대상물(120)을 통과하면서 감쇄된다. 대상물(120)의 다른 측면에 나타나는 결과적인 빔은 잔류 빔(130)이다. 단계 (230)에서, 검출기(140)는 잔류 빔(130)의 x-레이 강도를 측정하여, 잔류 이미지(150)를 생성한다. 다음, 단계 (240)에서, 검출기(140)는 잔류 이미지(150)를 빔 프로세서(160)와 이미지 프로세서(170)에 전달한다. 다음, 단계 (250)에서, 빔 프로세서(160)는 빔 세기 신호(180)를 생성하고 이 신호(180)를 x-레이 소스(105) 및 이미지 프로세서(170)에 전달한다. 다음, 단계 (260)에서, 이미지 프로세서(170)는 잔류 이미지(150)를 빔 세기 신호(180)와 통합시켜, 이미지 출력 신호(190)를 생성한다. 그 후, 이 출력 신호(190)는 예를 들어 표시 디바이스(195) 상에 표시된다. 다음, 방법(200)은 단계(210)로 되돌아간다. 이러한 방식으로, 방법(200)은 피드백 루프로 진행된다.
빔 프로세서(160)는, 초당 30, 15 또는 7.5 프레임의 형광 투시 진단 프레임 속도와 같은 규칙적으로 반복되거나 계속적인 단위로 빔 세기 신호(180)를 생성 및 전달한다.
두 가지 소자를 출력 이미지로 조합하는 것 이외에도, 빔 프로세서(170)는 예를 들어 형상 강화(feature enhancement), 동적 범위 억압, 잡음 감소, 디지털 감산 혈관 조영법("DSA"), 및 그레이스케일 변환과 같은 기타의 이미지 처리 태스크를 실행한다. 이미지 프로세서(170)의 이러한 처리 태스크는 빔 프로세서(160)의 빔 변조 태스크와 상관된다. 예를 들어, 움직임을 포함하는 것으로 예상되지 않는 영역은 빔 프로세서(160)에 의해 제어된 감소된 x-레이 노출을 수신하지만, 이미지 프로세서(170)에서 이미지 잡음을 감소시킬 수 있도록 더 많이 일시적으로 평균화된다. 다른 예로서는, 보다 관심이 적은 영역은 감소된 x-레이 노출을 수신하지만, 예를 들어, 이미지 프로세서(170)에서 잡음을 감소시키도록 공간적으로 더 많이 평균화된다.
표시 디바이스(195)는 출력 이미지(190)를 이미지 프로세서(170)로부터 수신하여 뷰어에게 제시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 공간 변조된 빔(110)과, 피드백 루프가 최적에 가까운 빔 세기 필드를 생성한 후의 표시된 이미지 신호(190)의 예를 나타내고 있다. 도 3에서, 빔 프로세서는 관심 영역 또는 예측된 대상물 움직임을 고려하지 않고서도 잔류 이미지를 균등화할 수 있도록 프로그램된다. 또한, 도 3에서는 빔 변조기의 공간 해상도가 제한되어 있어서, 빔 세기 신호가 저주파 이미지 정보만을 포함하고 잔류 이미지가 잔류 고주파 이미지 정보를 포함하게 한다. 조합된 출력 이미지(190)는, 사실상 촬상 대상물에 대해 평균화된 조사량이 현저히 감소할 때 높은 조사량과 높은 해상도로 균일한 빔 시스템을 이용하여 획득된 것처럼 보인다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 사용된 x-레이 빔(110)의 공간 변조를 이용하는 x-레이 시스템(400)의 개략도를 나타낸다. 시스템(400)은 본질적으로 균일한 x-레이 빔(410)을 방출하는 x-레이 소스(405), 빔 변조 필터(415), 촬상 대상물(120), x-레이 검출기(140), 빔 프로세서(160), 이미지 프로세서(170) 및 표시 디바이스(195)를 포함한다. 초기 빔(410)은 예를 들어 힐 효과(Heel effect)로 인해서 완전히 균일하지는 않다. 빔 변조 필터(415)는 x-레이 소스(405)와 촬상 대상물(120) 사이에 배치된다. x-레이 소스(405)는 본질적으로 균일한 x-레이 빔(410)을 변조 필터(415), 촬상 대상물(120) 및 검출기(140)를 향해 전송한다. 균일한 빔(410)의 적어도 일부분은 변조 필터(415)를 통과하여, 변조된 빔(110)을 형성한다. 변조된 빔(110)은 촬상 대상물(120)을 통과하고, 그 형상만큼 다양한 정도로 감쇄되며, 잔류 빔(130)을 형성한다. x-레이 검출기(140)는 잔류 빔(130)의 세기를 측정하고, 잔류 이미지(150)를 형성하여 빔 프로세서(160)와 이미지 프로세서(170)에 전달한다. 빔 프로세서(160)는 빔 세기 신호(180)를 형성하고, 그 신호(180)를 이미지 프로세서(170)에 전달한다. 그 다음, 빔 프로세서(160)는 빔 세기 신호(180)를 변조기 구성 신호(420)로 변환하여 빔 변조 필터(415)로 전달한다. 이 방식으로, 빔 세기 신호(180)와 변조기 구성 신호(420)는 모두 x-레이 빔의 공간 변조를 결정하도록 작용한다. 이미지 프로세서(170)는 출력 이미지(190)를 생성하여 표시 디바이스(195)에 전달한다. 이미지 프로세서(170)는, 도 1과 관련하여 전술한 바와 유사하게, 변조기 구성 신호(420)를 세기 신호(180)와 합체하여 출력 이미지(190)를 생성한다.
빔 변조 필터(415)는 변조기 구성 신호(420)에 따라서 초기 빔(410)을 빔 필드 전체에서 다양한 정도로 감쇄시킨다. 빔 변조 필터(415)는 초기 빔(410)의 감쇄량을 빔 필드 전체에서 다양한 정도로 선택적으로 변경하여 공간 변조된 빔(110)을 생성할 수 있는 임의의 디바이스이다. 도 1의 공간 변조된 빔(110)과 유사하게, 빔 변조 필터(415)는 전술한 바와 같이 소망하는 빔(110)의 세기 필드를 생성할 수 있도록 초기 빔(410)을 감쇄시킨다.
일례에서, 빔 필드 전체에서 빔 감쇄를 선택적으로 변경할 수 있는 빔 변조 필터(415)의 능력은 액정 표시("LCD") 디바이스와 비교될 수 있다. 예를 들어, LCD 디바이스는 전류를 액정 매트릭스에 인가함으로써 픽셀을 통과하는 광의 이동 을 제어할 수 있다. 적절한 전류를 인가함으로써, LCD의 개개의 픽셀은 LCD를 통과하는 광량을 변화시킬 수 있도록 변경될 수 있다. 유사하게, 빔 변조 필터(415)는, 변조기 구성 신호(420)를 기초로 하여, 예를 들어 다양한 양의 x-레이 빔(410)이 통과할 수 있도록 변경될 수 있는 픽셀의 매트릭스를 채용한다.
시스템(400)의 나머지 소자의 기능은 도 1에서 설명한 시스템(100)의 것과 유사하며 위에서 설명되었다. 시스템(400)의 기능성, 애플리케이션 및 이점은 도 1의 시스템(100)의 기능과 유사하다. 예를 들어, x-레이 소스(105, 405), 대상물(120), 검출기(140), 빔 프로세서(160), 이미지 프로세서(170), 및 표시 디바이스(195)는 도 1과 도 4 모두에서와 유사하게 동작한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 빔 변조 필터를 사용하는 전술한 피드백 루프를 기초로 하여 출력 이미지 신호(190)를 생성하는 방법(500)에 따른 순서도를 나타낸다. 먼저, 단계 (505)에서, x-레이 소스(405)는 전술한 바와 같이 필터 또는 빔 감쇄기(415)를 향해 x-레이 빔(410)을 전송한다. 다음, 단계 (510)에서, 빔 감쇄기(또는 필터)(415)는 전술한 바와 같이 빔(410)을 감쇄시킨다. 예를 들어, 감쇄기(415)는 변조기 구성 신호(420)에 따라 빔(410)을 불균일하게 감쇄시킨다. 일단 빔(410)이 감쇄기(415)를 통과하면, 빔(410)은 전술한 바와 같이 변조된 빔(110)이 된다. 그 후, 단계 (520)에 나타낸 바와 같이, 변조된 빔(110)은 촬상 대상물(120)을 통과하여 잔류 빔(130)이 된다. 잔류 빔(130)은 검출기(140)에 도달한다. 단계 (530)에서, 검출기(140)는 잔류 빔(130)의 x-레이 세기를 측정하여, 잔류 이미지(150)를 생성한다. 다음, 단계 (540)에서, 검출기(140)는 전술한 바와 같이 잔류 이미지(150)를 빔 프로세서(160)와 이미지 프로세서(170)에 전달한다. 다음, 단계 (550)에서, 빔 프로세서(160)는 빔 세기 신호(180)를 생성하고, 그 세기 신호(180)를 이미지 프로세서(170)에 전달한다. 다음, 단계 (560)에서, 빔 프로세서(160)는 전술한 바와 같이 빔 세기 신호(180)를 변조기 구성 신호(420)로 변환하고, 이 신호(420)를 빔 감쇄기(415)에 전달한다. 다음, 단계 (570)에서, 이미지 프로세서(170)는 전술한 바와 같이 잔류 이미지(150)를 빔 세기 신호(180)와 합체하여, 출력 이미지 신호(190)를 생성한다. 그 후, 이 이미지 신호(190)는 표시용 표시 디바이스(195)에 전달된다. 다음, 방법(500)은 단계(505)로 진행된다. 이 방식으로, 방법(500)은 피드백 루프로 진행된다.
본 발명에 따른 빔 변조 필터의 실질적인 실시예의 기초는 "x-레이 회피(x-ray dodging)"라고 지칭된다. 이 용어는 암실의 광학 사진학의 회피 및 연소 기술로부터 비롯되었다. 촬영의 일부분에 대한 노출을 제어하기 위해서, 촬영자는 계산된 노출 시간 부분 동안 불투명 마스크를 광 빔에 도입한다. 촬영 시에 예리한 마스크 에지를 조정하기 위해서, 촬영자는 마스크를 수직방향 또는 수평방향으로 흔든다. 촬영 용지는 노출을 시간에 대해 적분하여, 마스크에 의해 계속 차단되어 있는 상태의 영역에 대해서 지속 시간만큼 이미지 전면에서 촬영 용지에 대한 총 노출의 변화를 제어한다.
이전에 개시한(예를 들어, 전술한 바와 같은) 빔 변조 필터는 x-레이 빔에 배치되는 반투명 재질의 두께를 변화시킴으로써 빔을 변조한다. 이와는 대조적으로, x-레이 회피에는 빔을 완전히 차단하지만 프레임 적분 주기 동안에만 방사선 촬영법적으로 불투명한 소자를 사용한다. 이러한 전략은 빔 변조기에 유연성, 많은 그라데이션 레벨, 높은 공간 해상도, 및 높은 동적 범위를 부여한다. 또한, 이전에 시도된 솔루션(전술한 바와 같음)과는 다르게, x-레이 회피를 사용한 빔 변조는, x-레이 차단 소자가 방사선 촬영법적으로 불투명한 상태로 있는 한 x-레이 광자 에너지에 민감하지 않다. 중재적 의료용 형광 투시 및 진단 방사선 촬영에 사용되는 x-레이 기술의 범위에서, 0.8-1.5㎜의 텅스텐으로 제조된 소자는 x-레이 빔을 효과적으로 차단하기에 충분하다.
노출 시간을 제어하기 위해서, x-레이 차단 소자는 고속 또는 고주파수에서 고정밀도로 이동, 회전 및/또는 발진된다. 움직임의 복잡성을 감소시키기 위해서, 균일한 빔의 세기는 x-레이 차단 소자의 움직임에 동기화되도록 변화될 수 있다. 실질적으로, 이러한 움직임 및 빔 세기 변화를 시간적으로 주기적이게 하는 것이 더 용이하다. 따라서, x-레이 회피 기술은 주기적인 일시적 x-레이 빔 변조 및 검출기 프레임 적분 주기에 동기화되어 주기적으로 이동하는 고주파의 x-레이 빔에서 x-레이 차단 소자의 배치를 제어하는 데 사용되어, 바람직하게 공간 변조된 x-레이 빔을 생성하는 것으로 정의된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 x-레이 회피의 효과를 나타낸다. 이 실시예에서, 노출 영역(615)은 이미지 셀(720)로 분할된다. 방사선 촬영법적으로 불투명한 소자(710)는 임의의 이미지 셀 내로 도입된다. 소자(710)가 x-레이 빔에 대해 수직인 평면에서 고주파로 진동하는 움직임(810)을 보이고 그 움직임이 약 1개 셀 폭의 크기를 갖고 있는 경우에는, 반투명한 흔들림 감쇄 패턴(800)이 생성된다. 진동(810)은 고조파 또는 사인파형인 것으로 가정한다. 진동하는 움직임(810)은 감쇄 패턴(800)으로부터 예리한 형상을 완전히 제거하지는 못한다. 이러한 예리한 형상은 출력 이미지(190) 내에 아티팩트를 유발한다. 이러한 예리한 형상을 제거하기 위해서, 시스템은 진동하는 움직임(810)의 위상에 동기화된 초기의 균일한 빔(410)의 세기를 변화시킨다.
예를 들어, 디스크 회전 중심(630)이 ρ=0이 되도록
Figure 112010059751574-pat00001
을 극좌표 θ, ρ에서 정의된 k번째 기초 디스크의 감쇄 함수라고 하자. 시스템은 각각의 디스크 k의 위상(640)을 적절한 각도 오프셋 Ψk만큼 변이시켜서 전체 스택의 바람직하게 조합된 감쇄 함수
Figure 112010059751574-pat00002
를 생성한다. 하나 이상의 위상 변이를 나타내는 식별자(640)는 단지 설명을 위해 도 6에 포함되어 있다. 전체 디스크 스택(610)은 회전 진동되어 각도 오프셋 ε이
Figure 112010059751574-pat00003
에 따라 변화하게 하는데, 이 경우 t는 시간, T는 진동 주기, λ는 각도 진동 크기(예를 들어, λ=π/64)이다. 디스크 스택의 일부분은 시변 세기가 I0(t)인 균일한 빔에 노출된다. 임의의 시점 t에서, 변조된 빔의 세기는
Figure 112010059751574-pat00004
이다. 각각의 반주기 동안의 평균 세기는
Figure 112010059751574-pat00005
가 된다. 적분 변수를 ε로 대체하면, 이 표현은
Figure 112010059751574-pat00006
이 된다. 이것은 컨볼루션 적분
Figure 112010059751574-pat00007
로 기록되며, 이 경우에는
Figure 112010059751574-pat00008
이 된다. 균일한 x-레이 빔(410)의 시간 세기 파형 I0(t)을 수정하여, θ축을 따라서 임의의 함수 g(θ)를 갖는 감쇄 패턴 φ(θ, ρ)을 효과적으로 컨볼류션 할 수 있다. 예를 들어, g(θ)를 선택하여 가우시안(Gaussian) 또는 해닝 커널(Hanning kernels)과 같은 평탄한 대역 제한 커널이 되게 할 수 있다. h(θ)=g(θ)이고, 빔 세기 파형이
Figure 112010059751574-pat00009
(단일 펄스)에 대하여
Figure 112010059751574-pat00010
으로서 계산되게 한다. 펄스는 촬상 애플리케이션에서 요구되는 바와 같이 펴지거나 순차적으로 서로 이어질 수 있다.
도 9는 전술한 고조파 진동 함수 ε(t)에 대응하는 진동 오프셋 함수(910)와, 전술한 바와 같이 비례적인 균일한 빔(410)의 세기가 I0(t)이 되게 하는 x-레이 튜브 전류 파형(920)(mA)의 예를 나타낸다. x-레이 튜브 파형(920)은 평탄한 커널 h(θ)가 가우시안 커널이 되게 하여서, 도 8에 도시한 바와 같은 평탄화 효과를 가져온다.
도 8의 움직임 흔들림은 진동(810)의 방향을 따라서만 감쇄 패턴을 평탄화시킨다. 반경 축을 따르는 평탄화는 x-레이 차단 소자(710)의 평탄한 폭 변화로 인해 달성된다. x-레이 차단 소자(830)의 열이 도 9의 빔 세기 변조(920)에 동기화된 진동(810)에 의해서 평탄화되는 경우, 생성되는 빔 변조 패턴(840)은 적어도 부분적으로는 대역 제한 컨볼루션 커널 h(x)로 인해서 진동(810)의 방향을 따라서 완전히 균일하게 된다. 빔 차단 소자(850)의 행은 적어도 부분적으로는 x-레이 차단 소자(710)의 대역 제한 폭 변화로 인해 진동(810)에 대해 직교하는 균일한 감쇄를 가져온다. 이 방식으로, 주기적 움직임(810) 및 일시적 빔 세기 변조와 결합된 x-레이 차단 소자(710)가 사용되어, 평탄하게 변화하는 감쇄 패턴을 생성한다. 이러한 패턴은 이미지 아티팩트를 방지하는 데 결정적이거나, 또는 완벽한 빔 정렬에 필수적이다.
움직임 흔들림 및 일시적 빔 변조는 감쇄 패턴으로부터 예리한 형상을 제거한다. 빔 차단 소자(710)에 의해서 차단된 영역은, 이 영역이 배치된 이미지 셀 내에서의 감쇄에 기여한다. 시스템은 다양한 폭의 가능한 빔 차단 소자들의 세트로부터 선택함으로써 국소적 감쇄를 조정한다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 상호-소자 교합의 사용과 함께 국소적 감쇄 레벨을 조정하기 위한 더욱 유연한 방식을 예시한다. 2개의 빔 차단 소자(1001, 1002)가 빔에 배치된다. 소자(1001, 1002)는 그 크기 및/또는 형태가 상이하다. 이러한 소자(1001, 1002)는 상이한 면에 배치되는 경우에는 서로 교합될 수 있다. 그 결과, 총 빔 차단 면적이 점진적으로 변화하며, 감쇄 레벨의 개수는 기계적인 정밀도에 의해서만 제한된다.
예를 들어, 소자 배열(1010)에서와 같이 2개의 소자(1001, 1002)가 서로 교합되지 않고 있는 경우, 생성된 감쇄 셀(1020)은 소자 배열(1030, 1050) 및 대응하는 감쇄 셀(1040, 1060)에서와 같이 소자(1001, 1002)가 서로에게 다양한 정도로 교합되는 경우보다 더 어둡다. 또한, 소자를 회전시키거나, 또는 소자를 초점(focal spot)에 더 가깝게 이동시키거나 더 멀리 이동시키는 빔 차단 소자의 투영 면적을 변화시키는 다른 방법이 사용된다.
또한, x-레이 차단 소자의 설계는 또한 인접한 셀들이 어떻게 상호 작용하는지도 고려한다. 예를 들면, x-레이 빔의 일부분을 완전히 차단시키는 것이 바람직하다. 이를 위해서는, 소자의 행 및/또는 열은 x-레이 빔이 완전히 차단될 수 있도록 단단히 맞물린다. 빔 차단 소자는 인접 행으로부터 소자와 연동되어 갭없이 전체 면적을 차단하도록 구성될 수 있도록 설계된다. 예를 들어, 최대 감쇄를 위해 설정된 소자의 셀(1070, 1075)의 2개의 인접 열은 조합되는 경우 배열(1080)에서와 같이 단단히 고정된다. 이들 열이 움직임으로 인해 흔들린 후에는, 평탄화된 감쇄 패턴(1085)은 빔이 완전히 차단된 영역을 포함하게 된다.
상호-소자 교합(occlusion)은 하나 이상의 빔 차단 소자를 갖는 x-레이 빔의 변화 부분을 차단하는 여러 가지 가능한 방안 중의 하나일 뿐이다. 예를 들어, 소자를 회전시키거나, 또는 x-레이 소스를 향해 이동시키거나 그로부터 멀어지게 하는 방안이 사용될 수 있다. 상호-소자 교합은 2개의 소자에 대한 것으로만 국한되지 않는다. 여러 가지 배열에서 서로 교합하는 다수 개의 소자는 희망하는 감쇄 패턴을 생성할 때 더 큰 유연성을 제공할 수도 있다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 실시예에 따른 빔 변조 필터(415)의 실시예를 나타낸다. x-레이 소스(105)는 전술한 바와 같이 본질적으로 균일한 x-레이 빔(410)을 생성한다. 균일한 x-레이 빔(410)은 디스크 형상의 기본 필터(620)를 횡단한다. 기본 필터(620)는 방사선 촬영법적으로 반투명한 재료로 이루어지며, x-레이 차단 소자(710) 배열을 포함한다.
기본 디스크의 상대적인 각도 오프셋(640)은 각 디스크의 상이한 부분을 노출된 영역(615)에 배치한다. 예를 들어, 주어진 디스크의 각도 오프셋(640)은 특정 x-레이 차단 소자(710)의 각도 오프셋(640)이나, 참조번호 635로 표시된 기타의 알려진 위치 표시기로 결정된다. 디스크의 각도 오프셋은 개별적으로 제어될 수 있다. 디스크(620)의 개수, 소자(710)의 다양한 배열, 및 다양한 디스크(620)의 다양한 각도 변위를 변화시킴으로써, 노출된 영역(615)에서 다양한 x-레이 차단 소자 배열이 가능해진다.
전체 디스크 스택은 균일한 빔(410)의 주기적인 일시적 변조에 동기화된 축(630)을 중심으로 하는 고주파 회전 진동을 유발한다.
기본 디스크의 회전 오프셋은 전술한 바와 같이 빔 프로세서(160)로부터 생성된 변조기 구성 신호(420)에 의해 제어된다. 이러한 오프셋을 구동하는 모터 및 기계는 도 6에 도시되지는 않았으나, 예를 들면, 당업자에게 알려져 있는 스테퍼 모터 구조(stepper motor configuration)로 구현될 수도 있다.
본 발명의 실시예의 일례에서, 기본 필터(620)의 원형 노출된 영역(615)은 도 7에 도시한 바와 같이 셀(720)의 열 및 행으로 분할된다. 예를 들어, 도 7에서, 노출된 원형 영역(615)은 5개의 7-셀 중심 열 및 2개의 3-셀 경계 열로 분할된다. 41개 셀 각각의 빔 감쇄 레벨은 각 셀 사이의 평탄한 전이를 이용하여 개별적으로 제어될 수 있다.
2개의 기본 디스크가 이미지 셀의 5개 중심 열(총 10개의기본 디스크)에 할당된다. 각 디스크(620)는 노출된 열의 각 셀(720)이 x-레이 차단 소자를 포함하 는 위치 또는 포함하지 않는 위치로 회전한다. 7-셀 열의 경우, 7개 1조와 같은 27=128이 가능하다. 1이 x-레이 차단 소자의 존재를 나타내고 0이 x-레이 차단 소자의 부재를 나타내는 경우, 128-소자 패턴 0000111000011011111011001001111111001100010101011110001100111010110110101001101000100100011110100101110111001010000101100000100에 따라 기본 디스크를 중심으로 소자를 원형으로 배치하면, 디스크(620)가 그러한 7개 1조가 될 수 있는 가능성을 발생시키는 위치로 회전할 수 있다. 2개의 디스크가 각 열에 할당되기 때문에, 35개의 중심 셀 각각에 대해서는, 4개의 구성이 가능하다. 즉, (1) x-레이 차단 소자가 전혀 존재하지 않는 경우, (2) 제 1 기본 디스크에 하나의 x-레이 차단 소자가 존재하는 경우, (3) 제 2 기본 디스크에 하나의 x-레이 차단 소자가 존재하는 경우, (4) 제 1 기본 디스크에 하나의 x-레이 차단 소자가 존재하고, 제 2 기본 디스크에 하나의 x-레이 차단 소자가 존재하여 2개의 x-레이 차단 소자가 존재하는 경우이다. 예를 들어, 제 1 디스크의 소자에서 생성된 셀 감쇄가 0.33이고, 제 2 디스크의 소자에서 생성된 셀 감쇄가 0.67이면, 양측의 소자가 셀 내에 존재하는 경우에는 상호-소자 교합의 정도를 조절함으로써 감쇄가 0.67에서 1.0으로 연속적인 그라데이션으로 변화된다.
그 밖의 많은 패턴 설계가 가능하며, 셀 매트릭스를 기초로 하는 것이 필수적인 것은 아니다. 예를 들어, 도 7의 참조부호 615와 같은 원형의 노출된 영역에서는, 세로방향의 경계 열은 3개의 셀만을 포함한다. 4개의 독립적인 감쇄 레벨을 제공하기 위하여 전술한 바와 같이 참조부호 715와 같은 빔 차단 소자의 이진 패턴을 갖는 2개의 디스크를 사용하는 대신에, 5개 1조의 감쇄 패턴이 사용되어, 각 셀에 임의의 5개 감쇄 패턴을 제공할 수도 있다. 이러한 125-셀 원형 패턴의 일례는 00111222333444113300224422003311443322110044012340230134124034342323121202424131303020101414203140410213243042143103204321040이다. 이러한 패턴에서, 숫자 0 내지 4로 구성되는 임의의 연속적인 트리플렛(triplet)이 발견된다. 이러한 숫자에 대응하는 빔 차단 소자의 5개 유형이 디스크 상에서 원형으로 배치되는 경우에는, 이러한 소자의 임의의 조합이 3개의 노출된 셀로 선택된다.
본 발명의 특정 소자, 실시예 및 애플리케이션이 도시되고 설명되고 있으나, 특히 전술한 분야에서의 당업자에게는 수정이 이루어질 수 있기 때문에 본 발명은 전술한 사항으로 국한되지 않는다. 따라서, 첨부한 청구범위로 그러한 수정을 포괄하고 본 발명의 사상 및 범주 내에 있는 특징을 구현할 수 있다.
본 발명에 따른 시스템 및 방법은, 표시된 이미지가 균일한 빔으로 생성된 것처럼 보이게 하면서, 빔 균등화 및 관심 영역 형광 투시 진단 조영의 이점(예컨대, 조사량 감소, x-레이 산란 감소, 광학적 섬광 감소, 및 포화도 감소)을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 시스템 및 방법은, 더 높은 조사량으로 관심 대상물 볼륨에 방사선을 조사하고, 높은 방사선 촬영 두께로 대상물 볼륨에 방사선을 조사하며, 예측된 움직임을 갖는 대상물 두께에 방사선을 조사함으로써, 개선된 이미지 품질을 제공할 수 있다.

Claims (10)

  1. x-레이 빔의 공간 변조를 사용하는 x-레이 촬상 시스템에 있어서,
    촬상될 대상물(120)을 향해 x-레이 빔(110)을 전송하는 x-레이 소스(105, 405)?상기 x-레이 소스는, 적어도 하나의 빔 세기 신호(180)에 기반하여 공간 및 시간적으로 변화하는 다수의 x-레이 세기를 포함하는 상기 x-레이 빔(110)을 발생함?와,
    상기 x-레이 빔(110)과 상기 대상물(120) 사이의 상호 작용 이후의 x-레이 빔(130)을 수신하고 상기 x-레이 빔(130)의 다수의 잔류 세기를 측정하고, 적어도 상기 잔류 세기에 기반하여 잔류 이미지 신호(150)를 생성하는 x-레이 검출기(140)와,
    이전의 빔 세기 신호, 상기 잔류 세기, 상기 대상물(120)의 관심 영역 및 예측된 대상물 움직임 중의 적어도 하나에 기반하여 상기 빔 세기 신호(180)를 생성하는 빔 프로세서(160)와,
    상기 잔류 이미지 신호(150)와 상기 빔 세기 신호(180) 중의 하나 이상에 기반하여 출력 이미지 신호(190)를 생성하는 이미지 프로세서(170)를 포함하는
    x-레이 촬상 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 x-레이 세기는 상기 x-레이 소스(105, 405)에 의해 동적으로 변경되는
    x-레이 촬상 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 x-레이 세기는 상기 촬상 대상물(120)의 예측된 방사선 촬영 두께 분포, 상기 촬상 대상물(120)의 상기 관심 영역의 분포, 및 상기 촬상 대상물(120)의 움직임 영역의 분포 중 하나 이상에 일치하도록 상기 x-레이 소스(105, 405)에 의해 변경되는
    x-레이 촬상 시스템.
  4. x-레이 빔의 공간 변조를 이용하는 x-레이 촬상 방법에 있어서,
    촬상될 대상물(120)을 향해 x-레이 빔(110)을 전송하는 단계 - 상기 x-레이 빔(110)의 x-레이 빔 세기 필드는 상기 x-레이 빔(110)에 대해서 변화되며, 상기 x-레이 빔 세기 필드는 적어도 빔 세기 신호(180)에 기반함 - 와,
    x-레이 검출기(140)에서 상기 x-레이 빔을 수신하는 단계와,
    상기 x-레이 검출기(140)에서 상기 x-레이 빔(110)의 다수의 세기를 측정하는 단계와,
    상기 x-레이 검출기(140)에서 측정된 적어도 상기 세기에 기반하여 잔류 이미지 신호(150)를 생성하는 단계와,
    상기 잔류 이미지 신호(150)와 상기 빔 세기 신호(180) 중 하나 이상에 기반하여 출력 이미지 신호(190)를 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 빔 세기 신호(180)는 예측된 정보 밀도와 상기 x-레이 검출기(140)에서 측정된 상기 세기 중 하나 이상에 기반하는
    x-레이 촬상 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 x-레이 빔 세기 필드를 동적으로 변경하는 단계를 더 포함하는
    x-레이 촬상 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 x-레이 빔 세기 필드는 상기 촬상 대상물(120)의 예측된 방사선 촬영 두께 분포, 관심 영역의 분포, 및 예측된 대상물(120) 움직임 영역의 분포 중 하나 이상을 포함하는
    x-레이 촬상 방법.
  7. x-레이 빔의 공간 변조를 이용하여 x-레이 이미지를 생성하는 시스템에 있어서,
    촬상될 대상물(120)을 향해 x-레이 빔(110)을 전송하는 x-레이 소스(105, 405)?상기 대상물은 적어도 하나의 예측된 정보 밀도를 포함하되, 상기 예측된 정보 밀도는 방사선 촬영 두께, 관심 영역 및 대상물 움직임 영역 중 적어도 하나를 포함하며, 상기 빔(110)은 x-레이 세기가 연속으로 변화하는 필드를 포함함?와,
    상기 적어도 하나의 예측된 정보 밀도?상기 예측된 정보 밀도는 방사선 촬영 두께, 관심 영역 및 대상물(120) 움직임 영역 중 적어도 하나를 포함함?를 포함하는 촬상 대상물(120)과,
    상기 x-레이 빔(110)을 수신하고 상기 대상물(120)과 상기 예측된 정보 밀도 중 하나 이상에 의해 감쇄되는 상기 x-레이 빔(110)의 적어도 x-레이 세기에 기반하여 잔류 이미지(150)를 생성하는 검출기(140)와,
    상기 x-레이 소스(105, 405)에 의해 전송되는 적어도 하나의 후속 x-레이 빔(110)에서 전송되는 연속으로 변화하는 x-레이 세기의 상기 필드에 대해 적어도 하나의 수정을 결정하기 위해 상기 잔류 이미지(150)를 검사하는 빔 프로세싱 유닛(160)을 포함하는
    x-레이 이미지 생성 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 빔 프로세싱 유닛(160)은 상기 x-레이 소스(105, 405), 및 상기 x-레이 소스(105, 405)와 상기 대상물(120) 사이에 배치된 필터(415) 중 하나 이상에 대해, 연속으로 변화하는 x-레이 세기의 상기 필드에 대한 상기 수정을 전달하는
    x-레이 이미지 생성 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 빔 프로세싱 유닛(160)은 상기 x-레이 소스(105, 405)에 의해 전송되는 후속 x-레이 빔(110)에서 연속으로 변화하는 x-레이 세기의 상기 필드를 연속으로 수정하는
    x-레이 이미지 생성 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    통상의 x-레이 촬상 시스템(1100)이 동적인 빔 변조 기능을 갖도록 증대시키기 위해, 상기 빔 프로세싱 유닛(160)과 이미지 프로세싱 유닛(170)이 외부 빔 수정 디바이스(1130)에 포함되는
    x-레이 이미지 생성 시스템.
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