KR101181939B1 - 에너지 투입 광선을 조절하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

에너지 투입 광선을 조절하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

적어도 하나의 에너지 투입 광선원(210)으로 적어도 하나의 에너지 투입 광선(3)을 생산하는 단계로서 적어도 하나의 에너지 투입 광선(3)은 복수의 개별적 에너지 투입 광선 구성요소(3.1, 3.2, 3.3,...)를 포함하는 것을 특징으로 하는 단계; 및 복수의 투사 방향을 따라 적어도 하나의 에너지 투입 광선(3)으로 검사 영역(2)을 방사하는 단계를 포함하고 특히 대상(1)의 검사 영역(2)을 영상화하기 위한 방사(irradiation) 방법에 있어서, 상기 에너지 투입 광선 구성요소(3.1, 3.2, 3.3,...)은 관통홀(213)을 가진 에너지 투입 차폐재(shielding material)로 이루어진 적어도 하나의 광선 마스크(211)로 형성되는 것을 특징으로 하는 방사 방법에 관한 것이다. 또한 대상을 방사하거나 영상화하기 위한 영상화 방법 및 장치에 대해 설명한다.
영상화, 에너지 투입 광선, 방사, 에너지 투입 차폐재, 컴퓨터 단층 촬영,

Description

에너지 투입 광선을 조절하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR COLLIMATING AN ENERGY INPUT BEAM}
참조 관련 출원
본 출원은 2004년 12월 30일에 출원한 미국 가출원 제60/640,426호, 2004년 12월 30일에 출원한 유럽 특허 출원 제04031043.5호 및 2005년 5월 23일에 출원한 유럽 특허 출원 제05011136.8호의 우선권의 이익을 주장한다.
정부지원 확인
본 발명은 미국립과학재단에 의해 수여된 제 DMS-02011669호 정부지원으로 이루어졌다. 미합중국 정부는 본 발명에 일정한 권리를 보유하고 있다.
본 발명은 영상화를 위한 에너지 투입 광선을 형성하기 위한 방법에 관한 것으로, 특히 적어도 하나의 에너지 투입 광선으로 대상의 검사 영역(Region of investigation)을 영상화하는 방사(irradiation) 방법에 관한 것이다. 또한 본 발명은 방사 방법을 기초로 하여 검사 영역을 영상화하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 영상화 단층 촬영의 방법 및 장치에 관한 것이다.
비파괴성 표본 검사는 물질과학, 건강 진단, 고고학, 건설 기술, 안전문제와 관련된 기술 등의 다양한 기술 분야의 중요한 목적이다. 표본 영상을 얻기 위한 방법 중의 하나인 컴퓨터 단층촬영(CT)은 대상 평면(object plane)에 X선을 각기 다른 방향에서 투사한 후, 다른 방향에서 측정된 감쇠 데이터에 기초하여 대상 평면을 재구성하는 투사 기법을 기초로 하고 있다. X선 공급원(210′)에 의해 형성된 종래의 부채꼴 광선(5′)으로 검사영역(2′)을 투사하는 과정이 도 9에 도시되어 있다. 부채꼴 광선(5′)은 X선 공급원(210′)의 방출 특징에 따라 형성된 전자기장의 연속적인 분포를 포함한다. 탐지장치(310′)로 측정된 감쇠 데이터 전체는 라돈 공간의 소위 “라돈 데이터”로 기술될 수 있다.
오늘날 공지된 가장 관련 있는 종래의 재구성 방법은 반복적 재구성에 기초한 방법 또는 소위 여과후 역투사에 기초한 방법으로 요약될 수 있다. 반복적 재구성 방법은 계산시간이 과도하게 길어진다는 점이 주요 단점으로 지적된다. 한편, 여과후 역투사 방법의 일반적인 단점은 재구성에 포함된 내삽법 단계 결과, 공간 주파수가 증가함에 따라 오차 및 인위성은 증가하는 경향을 보인다는 점이다. 여과후 역투사 방법의 또 하나 문제점은 영상 데이터가 재구성되어야 하는 라돈 데이터의 이산(descretization)과 관련되어 있다. 최적의 여과후 역투사 재구성을 얻기 위해서는 탐지 장치의 탐지 요소와 투사된 방사선을 정확히 일치시켜야 한다. 이것은 일반적인 경우가 아니다. 이러한 이유로, 여과후 역투사 알고리즘에 의하여 라돈 데이터 재구성으로부터의 불확실성 또는 평활(smoothing)효과가 도입되었다.
T. Bortfeld 등은 투사 방향을 따라 복수의 투사 과정으로부터 2차원 영상을 재구성하기 위해 소위 체비세프 도메인 여과후 역투사(Chebyshev domain filtered back projection, CD-FBP) 알고리즘을 기술하였다("Phys. Med. Biol.", Vol. 44, 1999, p.1105~1120). CD-FBP 알고리즘을 사용하여 투사(projection)가 분해(decomposition)로 나타나는데, 상기 언급한 여과후 역투사 재구성의 대상이 된다. 투사는 예컨대 부채꼴 광선 구조로 측정되는데, 여기에서 서로 관련된 비균등한 각도 간격을 가진 단일 투사 선에 따라 투사 값이 측정된다. 부채꼴 광선의 다른 투사 방향으로 측정된 단일 투사선은 영상 재구성에 사용되는 평행 투사를 제공하기 위하여 재분류(resort)될 수 있다. CD-FBP 알고리즘은 실제 실행과정을 산출하지 않았다. CD-FBP 알고리즘은 이상적인 부채꼴 광선 구조를 추정하지만 이는 실제로 이용가능하지 않다. 따라서 T. Bortfeld 등의 알고리즘은 종래의 여과후 역투사와 마찬가지로 내삽법 단계를 필요로 한다. 또한 CD-FBP 알고리즘은 본질적으로 이산(discrete)되어 있기 때문에, 종래 방사선 공급원의 연속적인 방사선 특징으로의 적응성이 부족하다. 마지막으로, CD-FBP 알고리즘은 재구성된 영상에서 인위성이 발생한다는 점에서 주요 단점을 가진다.
상기의 단점들은 종래의 CT 영상화 뿐만 아니라 라돈 데이터와 관련된 모든 이용 가능한 재구성 방법과 연관되어 있다.
본 발명의 목적은 대상을 방사(irradiate)하기 위한 개선된 방법을 제공하여, 상기 언급한 종래 기술의 단점을 방지하고, 특히 개선된 영상화에 사용될 수 있도록 하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 사용되는 영상 재구성 알고리즘에 대하여 방사선 공급원의 개선된 적용을 가진 방사 방법(irradiation methd)을 제공하기 위함이다. 또한 본 발명의 목적은 개선된 영상화 장치를 제공하고 특히 인위성을 감소시켜 검사 영역에 대한 영상화를 개선시키는 것이다.
본 발명의 첫 번째 일반적 측면에 따르면, 방사 방법은 복수의 개별적인 에너지 투입 광선 구성요소를 제공하기 위해 적어도 하나의 광선 마스크로 적어도 하나의 에너지 투입 광선을 형성하는 방법이 제공된다. 광선 마스크는 광선 구성성분의 개수를 제공하고 그에 따라 분포를 형성하는 관통 홀이 있는 에너지 투입 차폐재(shielding materials)로 이루어져 있다. 마스크(격자모양)의 차폐 효과에 의해 형성된 개별적인 에너지 투입 광선 구성요소는 대상의 검사 영역을 영상화하기 위한 복수의 투사 선을 따라 대상을 통과하게 된다.
주된 연속적 방사선(radiation) 특징을 갖는 에너지 투입 광선은 에너지 투입 광선원을 사용하여 부채꼴 또는 원뿔 모양으로 발생된다. 그 이후, 에너지 투입 광선은 광선 마스크에 의해 형성된다. 에너지 투입 광선 구성요소를 형성하기 위한 에너지 투입 광선을 형성하는 데 있어 주요 장점은 이산된(discrete) 방사 특징이 본질적으로 제공된다는 사실이다. 방사 특징(irradiation characteristic)은 검사 영역을 영상화하는 데 사용되는 영상 재구성 알고리즘에 적응시킬 수 있다. 이러한 적응은 단순히 미리 정해진 광선 마스크의 선택 및/또는 에너지 투입 광선원에 대하여 광선 마스크를 조절함으로써 얻어질 수 있다. 광선 마스크는 관통 홀의 고정된 분포 및 고정된 크기를 가진 미리 결정된 구조를 갖는다. 또한 에너지 투입(예, 일회분)은 본질적으로 감소될 수 있다.
부채꼴 또는 원뿔 광선은 투사 방향이 검사 영역을 통과하는 적어도 하나의 공통 평면(common plane)을 향하게 하거나, 또는 나선형 투사 데이터를 얻기 위해 검사 영역을 통과하는 변화하는 경사면에 조절된다.
본 출원에서 사용된 “검사영역”(Region of investigation, ROI)이라는 용어는 일반적으로 검사 대상 또는 그 일부를 지칭한다. ROI는 2 또는 3차원의 실체로 기술될 수 있다. 본 출원에서 사용된 “투사 방향”이라는 용어는 ROI를 통과하는 에너지 투입 선상 경로를 지칭한다. 투사 방향은 사용된 좌표 체계와 관련된 각도에 의해 정의될 수 있다. 부채꼴 또는 원뿔 광선을 고려한다면, “투사 방향”이라는 용어는 부채꼴 또는 원뿔 광선에서 중심(또는 주요한) 광선 구성요소의 진로를 나타낸다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 에너지 투입 광선원은 대상에 대하여 이동 가능하고, 광선 마스크 및 에너지 투입 광선원은 서로 연결된다. 이 경우, 광선 마스크는 공급원 마스크(source mask)라고 불린다. 투사 방향은 에너지 투입 광선원 및 공급원 마스크를 검사 영역에 대하여 이동시킴으로써 선택될 수 있다. 특히 바람직한 실시형태는 투사 방향이 대상 주변의 광선 마스크로 에너지 투입 광선원을 연속적으로 회전시킴으로써 정해지는 것이다.
본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 복수의 광선 마스크는 ROI에 대하여 미리 결정된 지점에서 제공된다. 이 경우, 광선 마스크는 프레임 마스크라고 불린다. 광선 마스크는 ROI 주변에 분포된다. 이 경우, 투사 방향은 적어도 하나의 에너지 투입 광선원을 각각의 프레임 마스크로 이동시켜 선택될 수 있다. 예를 들면, 복수의 에너지 투입 광선원은 광선 마스크의 분포에 따라서 분포된다. 또는 하나의 에너지 투입 광선원은 광선 마스크 각각으로 연속적으로 이동된다.
이산된(discrete) 재구성 알고리즘을 적응시키기 위하여, 에너지 투입 광선 구성요소는 동일한 각도 간격으로 형성된다. 마스크의 관통홀을 통과하는 투사 선은 동일한 호(arch) 길이의 간격으로 공급원(source) 주위의 구형 표면을 통과한다. 이로 인해, 광선 마스크는 평면 모양 또는 곡면 모양(예, 원통모양)을 가질 수 있다. 본 발명의 특히 바람직한 실시 형태에 따르면, 평면의 광선 마스크가 모두 동일한 크기를 갖는 관통 홀에 사용되거나 곡면의 광선 마스크가 다른 크기를 가진 관통 홀에 사용된다면, 특정한 투사 방향과 평행을 이루는 에너지 투입 광선 구성요소와의 겹침 현상(overlap) 없이 검사 영역에 대한 완전한 방사를 얻을 수 있다. 이 경우, 영상 재구성 시 인위성이 감소될 수 있다. 또는 모두 동일한 크기를 가진 관통 홀을 가진 평면의 광선 마스크 또는 곡면 광선 마스크가 각기 다른 크기를 가진 관통 홀로 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 유리한 실시 형태에 따르면, 에너지 투입 광선은 에너지 투입 광선 구성요소의 형성과 관련되어 있을 뿐 아니라 에너지 투입 광선의 외부 경계와도 관련되어 형성된다. 이로 인해, 본 발명의 영상화 방법은 에너지 투입 광선의 광선 각도를 설정하는 추가적 단계를 포함한다. 이와 같은 실시 형태는 광선원(광선 마스크와 결합할 수 있음)을 특정한 검사 대상에 적응시키는 것과 관련하여 특별한 장점을 갖게 된다. 크기가 작은 대상의 방사 시 광선 각도가 감소되어 전체적인 방사 일회분이 감소될 수 있다.
광선 각도는 칸막이 또는 셔터(shutter)의 역할을 하는 조리개(aperture)를 가지고 설정되는 것이 바람직하다. 조리개는 간단한 구조를 가지는 것이 바람직하다. 또한 본 발명에 적용하기 위하여 종래의 CT 장치와 같은 종래의 영상화 장치 위에 간단히 설치될 수 있다. 조리개의 추가적인 장점은 광선 각도 조절을 위해 2개의 자유도(two degree of freedom)의 유용성에 기인한다. 첫 번째 방안으로 광선 각도는 조리개의 직경을 설정하여 조절할 수 있다. 이로 인해 상황에 맞게 조리개를 검사 대상에 조정하는 것이 가능하다. 두 번째 방안에 따르면, 광선 각도는 조리개와 광선원 사이의 거리를 설정하여 조절할 수 있다. 거리를 좁히게 되면 광선 각도는 증가한다. 상기 두 방안을 통합할 수 있다.
본 발명의 두 번째 일반적인 측면에 따르면, ROI를 영상화하기 위한 영상화 방법이 제공되는데, 상기의 본 발명의 첫 번째 일반적인 측면에 따른 방법을 사용하여 ROI이 방사되고 복수의 투사 방향에 대응하는 복수의 투사 함수도 결정된다. 각각의 투사 함수는 현재의 투사 방향에 평행한 에너지 투입 광선 구성요소들로 측정된 감쇠값으로 구성된다. 측정된 감쇠값은 공지된 영상 재구성 과정의 대상이다.
측정된 감쇠값은 투사 함수를 나타내는 이산된(discrete) 투사 프로파일(profile)을 제공하고, 여기서 각각의 이산된 투사 프로파일의 투사값은 동일한 투사 방향과 미리 결정된 에너지 투입 광선 구성요소에 대응하는 감쇠값을 포함한다.
본 발명은 데이터 처리(data handling)의 관점에서 또 하나의 중요한 장점을 제공한다. 광선 마스크와 에너지 투입 광선 구성요소의 단면 조정으로 인해, 감쇠값은 미리 결정된 탐지장치의 탐지 요소 그룹으로 측정될 수 있다. 탐지 요소 그룹은 예컨대 모든 광선 구성요소의 동일한 크기를 미리 결정하였다. 처리되는 데이터의 양이 감소되게 하기 위하여 이같이 미리 결정된 그룹만이 크기의 재조정없이 판독된다. 적어도 하나의 1차원 직선 탐지장치 또는 적어도 하나의 2차원 평면 탐지장치로 감쇠값이 측정된다.
본 발명의 영상화 방법은 유리하게도 다양한 영상 재구성 처리와 함께 실행될 수 있다. 영상 재구성 처리는 유럽 출원 제04031043.5호에 기술된 대로 사용되는 것이 바람직하고, 상기 유럽 출원의 우선권의 이익은 본 출원에서 주장된다. 이 방법으로 영상 함수는 복수의 미리 결정된 투사 방향에 대응하여 측정된 복수의 투사 함수를 포함하는 라돈 데이터로부터 결정된다. 영상 함수는 투사 함수값으로 곱셈연산된 다항식의 합으로서 결정된다. 실제 실행 시에서 이러한 영상 재구성은 서로에 대하여 동일한 각도를 갖는 이산된 방사 광선 구성요소에 대응하는 감쇠값의 측정을 기초로 한다. 또는 영상 재구성 과정은 T. Bortfeld 등의 발명(상기 참조)에서 추가 사항으로 설명된 감쇠값의 분해(decomposition)를 포함할 수 있다.
본 발명의 중요한 장점은 영상화가 CT, PET, SPECT 등의 의료 영상화 등의 많은 응용기술과 같이 다양하게 활용될 수 있다는 것이다. 그러나 광 단층촬영, 산업용 검사 또는 생물학 연구 등과 같은 더 많은 분야에서 응용 가능하다. 영상 함수는 X선 컴퓨터 단층촬영(CT) 장치, PET 영상화 장치, SPECT 영상화 장치 또는 중성자 기반 변환 탐지 시스템에서 측정된 라돈 데이터로부터 결정되는 것이 바람직하다. 검사 대상은 생물학적 유기체 또는 그 일부, 유동성 구성체, 고체 물질, 워크-피스(work-piece) 및/또는 보안상 검사 대상 등을 포함한다.
본 발명의 세 번째 일반적인 측면에 따르면, 대상의 검사 영역을 영상화 하기 위한 영상화 장치가 제공되는데, 영상화 장치는 관통홀을 갖는 에너지 투입 차폐재(shielding material)로 구성된 적어도 하나의 광선 마스크를 포함한다. 광선 마스크는 개별적이고 이산된 에너지 투입 광선 구성요소를 형성하기 위해 적응된다. 또한 영상화 장치는 복수의 투사 방향에 대응하는 투사 함수를 측정하기 위한 측정 장치를 포함한다. 측정 장치는 적어도 하나의 에너지 투입 광선원 및 투사 함수 측정을 위한 적어도 하나의 탐지 장치를 포함한다. 에너지 투입 광선원은 광선 마스크로 형성되는 적어도 하나의 에너지 투입 광선을 생산하기 위해 배열된다. 또한 영상화 장치는 측정된 투사 함수를 기초로 영상 함수를 재구성하기 위한 재구성 회로를 포함한다.
부채꼴 또는 원뿔 광선원을 발생시키기 위해 적응되는 에너지 투입 광선원은 공급원 운반체 위에 이동가능하게 배열되는 것이 바람직하다. 공급원 운반체가 고리모양 형태를 갖고 에너지 투입 광선원이 대상 주변을 예를 들면 원형 또는 나선형으로 회전할 수 있는 것이 특히 바람직하다.
탐지 장치는 복수의 미리 결정된 투사 방향에 대응하는 에너지 투입 감쇠를 나타내는 감쇠값을 탐지하기 위한 적어도 하나의 탐지 요소 배열을 포함한다.
본 발명의 추가적인 적절한 실시 형태에 따르면, 영상화 장치는 공급원 마스크(광선 마스크)와 에너지 투입 광선원 사이의 거리를 조절하기 위한 제1 조절 장치 및 광선 각도 조리개의 직경 및/또는 조리개와 에너지 투입 광선원 사이의 거리를 조절하기 위한 제2 조절 장치 중 적어도 하나를 포함한다.
만약 적어도 하나의 광선 마스크가 특히 부채꼴 또는 원뿔 광선원의 에너지 투입 광선원과 함께 이동 가능한 하나의 공급원 마스크를 포함하게 되면, 마스크와 관련된 공급원의 조절과 관련된 이점을 얻을 수 있다. 공급원 마스크는 에너지 투입 광선원과 이산가능하게 연결되어 영상화 장치가 단순히 공급원 마스크를 변경함으로써 특별한 응용에 적응될 수 있는 것이 바람직하다.
만약 에너지 투입 광선원의 에너지 분포 함수를 형성하기 위한 복수의 프레임 마스크가 광선 마스크로 제공된다면, 투사 방향 설정과 관련된 이점을 얻을 수 있다. 프레임 마스크는 공통의 공급원 운반체 위에 동일한 호 길이로 고정되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 공급원 운반체는 프레임 마스크를 포함하는 고리모양의 보호물(shield)이다. 유리하게도 에너지 투입 광선원은 프레임 마스크의 위치 이외의 위치에서 고리모양의 차폐판으로 차단될 수 있다. 따라서 필수적인 일회분 감소를 얻을 수 있다.
프레임 마스크를 사용하는 본 발명의 또 다른 변형에 따르면, 탐지 장치는 복수의 미리 결정된 투사 방향에 대응하는 에너지 투입의 감쇠를 나타내는 감쇠값을 탐지하기 위한 복수의 고정된 프레임 탐지 장치를 포함한다. 이 경우, 프레임 탐지 장치는 공급원 운반체 위 미리 결정된 위치에 고정될 수 있다. 프레임 탐지 장치가 프레임 마스크와 인접하여 위치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다양한 적절한 응용에 따르면, 측정 장치는 X선 컴퓨터 단층촬영(CT) 장치, 초음파 단층촬영장치, PET 영상화 장치, 감마선(Gamma-ray) 영상화 장치, SPECT 영상화 장치 또는 중성자 기반 변환 탐지 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 네 번째 일반적인 측면에 따르면, 광선 마스크는 관통 홀을 갖는 에너지 투입 차폐재로 구성되어 있다. 에너지 투입 차폐재는 예컨대 텅스텐, 납 또는 구리를 포함한다. 텅스텐은 높은 흡수율(차폐 효과) 및 높은 기계적 안정성 면에서 바람직하다. 광선 마스크는 대상의 검사 영역을 방사하기 위한 에너지 투입 광선 구성요소를 형성할 수 있다.
더 자세한 사항 및 본 발명의 장점은 첨부하는 도면을 참조하여 아래에서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 광선 형성의 실시 형태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따라 사용된 광선 마스크의 실시 형태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 광선 공급원이 광선 각도 조리개 및 공급원 마스크와 광선원의 결합을 도시한 것이다.
도 7은 검사 대상을 통과하는 이산화된(discretized) 부채꼴 광선의 진로를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 영상화 장치의 실시형태를 개략적으로 도시한 것이다.
도 9는 검사 영역을 통과하는 종래의 부채꼴 광선의 방위를 개략적으로 도시한 것이다(종래 기술).
본 발명은 컴퓨터 단층촬영에서의 응용과 관련하여 하기에서 설명된다. 이 경우 본 발명에 따른 영상화 장치는 X선 형태의 에너지 투입 광선과 함께 현재의 의료 CT-시스템의 주요 구성요소를 포함한다. 본 발명이 상기 언급한 기타 응용 기술과 함께 아날로그 방식으로 실시될 수 있는 점이 강조된다. 또한 적절한 실시 형태에 대한 하기의 설명은 광선 마스크로 에너지 광선을 형성하는 단계에 관한 것이다. 본 발명을 실시하는 데 사용되는 영상 재구성의 세부 사항뿐만 아니라 CT 또는 기타 영상화 장치의 세부 사항은 종래 기술 또는 유럽출원 제04031043.5호에서 기술된 바 본 출원에서는 설명하지 않는다.
투사 데이터를 수집하기 위해 CT 시스템에서 ROI(2) 안의 대상(1)을 통과하는 이산화된 부채꼴 또는 원뿔 광선(3)의 진로가 도 1에서 도시되어있다. CT 시스템(완벽하게 설명되지 않고, 추가적인 구성요소는 도 8 참조)은 고리모양의 공급원 운반체(CT 고리)(220)를 포함하고 여기에서 에너지 투입 광선원인 방사선 공급원(radiation source, X선 튜브)(210) 및 탐지 기구(310)는 전체 시스템이 예컨대 0.3~0.5초 내에 완전하게 회전을 끝낼 수 있는 방식으로 회전한다.
광선 마스크로서 공급원 마스크(211)가 사용되고, 에너지 투입 광선원(210)에 이산가능하게 고정된다. 공급원 마스크(211)는 에너지 투입 광선원(210)의 에너지 분포 함수를 형성하기 위하여 채택된다. 이에 따라, 공급원 마스크(211)는 관통 홀을 갖는 에너지 투입 차폐재로 이루어져 있다. 관통홀을 통과하는 이산되고 개별적인 X-선 광선 구성요소(3.1,3.2,3.3,...)는 상기의 영상 재구성 방법을 위해 형성되는데, 이 방법에서는 튜브의 구조 및 재구성을 위한 탐지장치 구조의 결과로 나타나는 모든 가능한 광선 구성요소를 요구하지 않는다.
부채꼴 광선(3)은 ROI(2)를 통과하여 다양한 투사 방향을 갖는다. 투사 방향은 미리 결정된 개수의 평행 X선 광선 구성요소가 영상화 조건에 충족되는 방식으로 조절된다. 각각의 부채꼴 광선(3)은 부채꼴 광선 구성요소(3.1,3.2,3.3,...)의 한 묶음을 나타낸다. 각각의 부채꼴 광선 구성요소(3.1,3.2,3.3,...)는 직선의 연필 광선(pencil beam)으로 간주될 수 있다. 하나의 부채꼴 광선의 이같은 연필 광선은 동일한 개별 투사 방향을 갖지 않는 반면, 영상 재구성을 위한 이산된 투사 프로파일의 결정은 광선(3)의 각기 다른 투사 방향에 속해 있는 광선 구성요소의 재분류(resorting)에 의해 얻어진다. 그 결과, 평행한 광선 구성요소의 그룹이 얻어진다.
탐지 기구(310)는 CT 고리의 반경에 적응시킨 구형의 기준 평면(reference surface)에 따라 모양이 정해지는 탐지 요소가 선형 또는 2차원으로 배열된 것이다. 또는 탐지요소의 직선(1차원) 또는 평면(2차원) 배열을 가진 탐지 기구가 사용될 수 있다. 탐지 기구(310)는 예컨대 1 ~ 64열의 탐지 요소로 구성되어 있고(열이 1개 이상일 경우는 멀티-슬라이스-CT라고 불리운다), 1열당 약 700~1000개의 탐지 요소를 갖는다. 현재의 탐지 요소는 예를 들면 0.5 ~ 1.0 mm의 크기를 가진다. 각각의 단일 회전 시, 데이터는 1000번 판독된다. 환자와 같은 대상(1)은 연속하여 움직이는 환자 테이블을 사용하여 CT-고리를 통과하여 움직인다. 이 방법으로 소위 나선형 또는 소용돌이 CT 데이터 세트가 수집될 수 있는데, 수집된 데이터가 나선형 망(net) 위에 위치하기 때문이다.
본 발명에 따라 사용된 다양한 공급원 마스크의 추가적인 세부 사항은 도 2 내지 5에 도시되어 있다. 공급원 마스크(211)는 예를 들어 텅스텐으로 만들어지고 관통 홀(213)을 가지는 차폐판(shielding plate)(212)을 포함한다. 공급원 마스크는 에너지 투입 광선원(예, X선 튜브)에 고정되고, 특히 클립(clip) 요소 또는 스냅 연결(snap connection) 등의 분리가능한 고정 장치에 의하여 에너지 투입 광선원(210)의 출력 윈도우(output window, 215)의 프레임(214)에 고정된다.
차폐판(212)은 원통 모양(도 2, 4) 또는 평면 모양(도 3, 5) 또는 영상화 장치의 구조적 조건에 적응시킨 기타 적절한 모양을 가질 수 있다. 원통형 차폐판(212)은 CT 고리의 축과 평행한 원통 축으로 진로를 정한다. 차폐판(212)의 두께는 100 ㎛ ~ 5 mm이다. 관통 홀(213)은 에너지 투입 광선원(210)에서 시작된 투사선이 미리 결정된 위치에서 탐지 요소에 맞추어 원을 통과하도록 배열되고, 특히 동일한 호 길이 간격으로 배열될 수 있다. 영상화 조건에 따라, 관통 홀(213)은 선 또는 영역 분포와 함께 배열된다.
관통 홀(213)의 개수 및 크기는 영상화 방법의 특별한 응용 사항에 따라서 선택된다. CT 영상화의 경우, 예컨대 200개의 관통 홀(213)이 1 mm2 ~ 100 mm2의 범위 영역 상에 제공된다. 따라서 이산된 부채꼴 광선(3)은 예컨대 200개의 직선 부채꼴 구성요소를 포함한다. 선의 개수 및 투사를 증가시킬수록 보다 높은 해상도를 얻을 수 있고, 이것은 인위성 없이 재구성 될 수 있는 화소(pixels)의 개수가 증가함을 의미한다.
도 2 및 도 3에 따르면, 관통 홀(213)의 크기는 모든 광선 구성요소가 동일한 단면을 갖도록 선택된다. 즉, 모든 원통형 마스크의 관통 홀은 동일한 크기(예, 10 ~ 200 ㎛)를 갖는 반면, 평면 공급원 마스크(211)의 중앙에 있는 관통 홀은 평면 공급원 마스크(211)의 외부 경계에 있는 관통 홀보다 작다. 한편, 도 4 및 도 5에 따르면, 관통 홀(213)의 크기는 광선 구성요소가 탐지 장치 도메인에서 변화하는 단면을 갖도록 선택된다. 단면은 예컨대 100 ㎛ ~ 4 mm 범위로 선택되는 것이 바람직하다. 특히, 단면은 특정 탐지장치로 얻을 수 있는 탐지 장치 해상도에 따라 설정된다. 가장 큰 단면은 광선(3)의 중앙에 제공되고, 가장 작은 단면은 광선(3)의 경계선에 제공된다.
도 6은 공급원 마스크(211)를 가진 에너지 투입 광선원(210) 및 광선 각도 조리개(216)와 결합하는 실시예를 도시하고 있다. 조절가능한 운반체(217)는 적어도 하나의 구성요소(211 및 216)를 유지하기 위하여 출력 윈도우(output window, 215)의 프레임(214) 상에 배열된다. 일반적으로 조절가능한 운반체(217)는 적어도 하나의 조절 장치 역할을 한다. 광선 각도 조리개(216)는 중앙 홀을 가진 차폐판으로 구성되어 있다. 광선 각도 조리개(216)와 방사선 방출 장치(210.1) 사이의 직경 및/또는 수직 거리는 부채꼴 광선(3)의 광선 각도(α)를 정의하기 위해 조절가능한 운반체(217)에 적응시킬 수 있다. 공급원 마스크(211)는 광선 구성요소를 정의하기 위하여 상기 윤곽대로 형성된다. 공급원 마스크(211)와 방사선 방출 장치(210.1) 사이의 거리는 요구되는 영상화 해상도를 얻기 위하여 변할 수 있다. 조절가능한 운반체(217)는 수동 또는 전기적으로 압전 드라이브 유닛으로 작동될 수 있다.
상기 도시된 마스크에 의해 생산된 이산된 부채꼴 광선(3)을 이용하여, 대응하는 투사 선을 따라 감쇠를 탐지하는 탐지 기구의 탐지 요소로부터의 신호는 에너지 투입 광선원 및 탐지 기구의 특정 위치에서만 판독된다. 판독된 위치는 동일한 투사 방향을 가진 평행한 부채꼴 광선 구성요소를 선택하는 조건을 충족시키는 고리모양의 공급원 운반체 상의 호 길이 위치이다.
검사 대상의 방사선 또는 입자 노출을 감소시키기 위해서, 상기의 판독된 위치에서만 검사 대상에 에너지 투입(예, 방사선)을 투사하는 것이 바람직하다. 즉, 탐지 요소 신호는 에너지 투입 광선원과 탐지 기구의 결합이 적당한 위치로 향했을 때에만 판독된다. 에너지 투입 광선원의 이동 중에, 이 같은 조건은 에너지 투입 광선원의 특정 횟수 및/또는 특정 호의 길이 위치로 충족된다. 판독된 조건이 충족되지 않는 한, 에너지 투입 광선원은 차단되거나 차폐될 수 있다. 에너지 투입 광선원을 차폐하는 것은 방사선 조건의 안정을 유지하는 데 바람직하다.
차폐 기능은 복수의 방사선 윈도우(223)과 함께 도 7에 도시된 고리모양의 보호물(222)로 충족될 수 있다. 고리모양의 보호물(222)은 보호물(222)의 구조적 성질을 실제 응용 및 특히 사용된 마스크에 적응시키기 위해 공급원 운반체(220)에 분리가능하게 고정될 수 있다. 예를 들어, 고리모양의 보호물(222)은 각각 6 mm의 직경을 가진 201개의 방사선 윈도우(223)를 포함한다(CT-고리의 직경: 80 cm).
상기 설명한 공급원 마스크(211)는 고리 모양의 보호물(222)의 각각의 방사선 윈도우(223)가 단지 예시로서 도 7에 도시한 프레임 마스크(224)와 함께 제공되는 경우 생략될 수 있다. 사실, 공급원 및 프레임 마스크(211, 224)는 동시에 제공될 필요는 없다. 프레임 마스크(224)는 도 2 내지 5에 도시한 공급원 마스크로 설계될 수 있다.
도 8은 영상화 장치(100)의 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 영상화 장치(100)는 에너지 발생기(200)와 탐지 장치(300)을 가진 측정 장치(200, 300) 및 측정 장치(200, 300)에 연결되는 재구성 장치(400)를 포함한다. 또한 홀딩(holding) 장치(500)가 제공되는데, 이것은 예를 들면, CT 시스템으로부터 알려진 운반체 테이블 또는 기타 운반체 또는 측정 장치에서 검사 대상을 배열하고 에너지 발생기(200)와 탐지 장치(300)에 대하여 대상의 구조를 조절하기 위한 기판 홀더(substrate holder)이다. 제어 장치, 디스플레이 장치(도시하지 않음) 등의 추가 구성요소는 종래 기술 장치에서 공지된 대로 제공되었다.
에너지 발생기(200)는 공급원 운반체(220)(예, 가이드레일(guide rail) 또는 갠트리(gantry)) 상에 배열된 공급원 마스크와 함께 이동가능한 X선 튜브 등과 같은 에너지 투입 광선원(210)을 포함한다. 탐지 장치는 에너지 투입 광선원(210)에 대해 정 반대의 관계에 있는 공급원 운반체(220) 상에 이동가능하게 배열된 탐지 기구(310)를 포함한다. 이 같은 구조로, ROI를 통과하는 투사 방향(도면의 평면과 평행함)은 홀딩 장치(500) 주변의 구성요소인 에너지 투입 광선원(210)과 탐지 기구(310)를 결합 회전시켜 설정될 수 있다.
공급원 운반체(220)는 원형으로 도시되어 있는데, 이로 인해 에너지 발생기(200)와 탐지 장치(300)가 대상 주변을 회전하게 된다. 변형에 따르면, 공급원 운반체는 타원모양 또는 또 다른 모양을 가질 수 있다. 이것은 검사 대상의 구조에 대한 적응이라는 면에서 장점이 될 수 있다.
본 발명은 영상화가 CT, PET, SPECT 등의 의료 영상화 등의 많은 응용기술과 같이 다양하게 활용될 수 있다는 것이다. 그러나 광 단층촬영, 산업용 검사 또는 생물학 연구 등과 같은 더 많은 분야에서 응용 가능하다. 영상 함수는 X선 컴퓨터 단층촬영(CT) 장치, PET 영상화 장치, SPECT 영상화 장치 또는 중성자 기반 변환 탐지 시스템에서 측정된 라돈 데이터로부터 결정되는 것이 바람직하다. 검사 대상은 생물학적 유기체 또는 그 일부, 유동성 구성체, 고체 물질, 워크-피스(work-piece) 및/또는 보안상 검사 대상 등을 포함한다.

Claims (26)

  1. 대상(1)의 검사 영역(2)을 영상화하기 위한 방사 방법이,
    적어도 하나의 에너지 투입 광선원(210)으로 적어도 하나의 에너지 투입 광선(3)을 발생하는 단계로서, 상기 적어도 하나의 에너지 투입 광선(3)은 복수의 개별적 에너지 투입 광선 구성요소(3.1, 3.2, 3.3,...)를 포함하고, 상기 복수의 개별적 에너지 투입 광선 구성요소(3.1, 3.2, 3.3,...)는 관통 홀(213)을 가진 에너지 투입 차폐재(shielding material)로 이루어진 적어도 하나의 광선 마스크(211)로 형성되는 것으로 된, 상기 적어도 하나의 에너지 투입 광선원(210)으로 적어도 하나의 에너지 투입 광선(3)을 발생하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 에너지 투입 광선(3)으로 복수의 투사 방향을 따라 검사 영역(2)을 방사하는 단계;를 포함하고,
    상기 복수의 투사 방향으로, 상기 에너지 투입 광선원(210)과 적어도 하나의 에너지 투입 광선(3)은 서로에 대해 미리 정해진 조절값을 가져서, 상기 적어도 하나의 광선 마스크(211)가 에너지 투입 광선원(210)의 미리정해진 에너지 투사 함수를 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 방사 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광선 마스크(211)는 에너지 투입 광선원(210)에 부착되고, 그리고
    복수의 투사 방향은 에너지 투입 광선원(210)을 검사 영역(2)에 대하여 광선 마스크(211)와 함께 이동시킴으로써 설정되는 것을 특징으로 하는 방사 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 복수의 광선 마스크(211) 및 검사 영역(2)이 서로에 대하여 고정된 위치를 가지고, 그리고
    복수의 투사 방향은 상기 광선 마스크(211) 각각에서 적어도 하나의 에너지 투입 광선원을 작동시키는 것에 의해 설정되는 것을 특징으로 하는 방사 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 에너지 투입 광선 구성요소(3.1, 3.2, 3.3,...)를 형성하는 단계가 다른 크기를 가지는 관통 홀(213)을 가진 평면 광선 마스크(211) 또는 모두 같은 크기를 가지는 관통 홀(213)을 가진 곡면 광선 마스크(211)를 통과하여 에너지 투입 광선을 투과시키는 것(transmiting)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 에너지 투입 광선 구성요소(3.1, 3.2, 3.3,...)를 형성하는 단계가 모두 동일한 크기를 가지는 관통 홀(213)을 가진 평면 광선 마스크(211) 또는 다른 크기를 가지는 관통 홀(213)을 가진 곡면 광선 마스크(211)를 통과하여 에너지 투입 광선을 투과시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 방법.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 광선 마스크(211)와 에너지 투입 광선 공급원(210) 사이의 거리를 조절하는 단계를 추가적으로 포함하는 방사 방법.
  7. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 에너지 투입 광선(3)의 광선 각도(α)를 설정하는 단계를 추가적으로 포함하는 방사 방법.
  8. 제 7항에 있어서, 광선 각도(α)는 조리개(aperture, 216)로 설정하는 것을 특징으로 하는 방사 방법.
  9. 제 8항에 있어서, 조리개(216)의 직경 및 조리개(216)와 에너지 투입 광선 공급원(210) 사이의 거리 중 적어도 하나를 조절하는 단계를 추가적으로 포함하는 방사 방법.
  10. 대상(1)의 검사 영역(2)을 영상화하는 영상화 방법이,
    상기 제 1항에 따른 방사 방법으로 검사 영역(2)을 방사하는 단계;
    복수의 투사 방향에 대응하는 복수의 투사 함수를 결정하는 단계로서 상기 복수의 투사 함수 각각은 현재의 투사 방향에 평행한 에너지 투입 광선 구성요소로 측정되는 감쇠값을 포함하는, 상기 복수의 투사 함수를 결정하는 단계; 및
    상기 복수의 감쇠값을 영상 재구성 과정에 종속시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로하는 대상(1)의 검사 영역(2)을 영상화하는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 감쇠값은 탐지 장치(300)로 측정되고, 단독으로 미리 결정된 상기 탐지 장치(300)의 탐지 요소 그룹이 감쇠값을 얻기 위해 판독되는 영상화 방법.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 영상 재구성 과정은
    투사 함수의 값으로 곱셈 연산된 다항식의 합으로서의 영상 함수의 결정, 또는
    감쇠값의 분해를 포함하고, 상기 감쇠값의 분해는 여과후 역투사 재구성에 종속되는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
  13. 제 10항 또는 제 11항에 있어서, 상기 감쇠값이, X선 컴퓨터 단층촬영 장치, PET 영상화 장치, 광단층촬영 장치, SPECT 영상화 장치, 또는 중성자 기반의 전달 탐지 시스템에서 측정된 라돈 데이터를 제공하기 위해 측정되는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
  14. 대상(1)의 검사 영역(2)을 영상화하기 위한 영상화 장치가,
    복수의 투사 방향에 대응하는 투사 함수를 측정하기 위한 측정 장치들로서, 복수의 개별적 에너지 투입 광선 구성요소(3.1, 3.2, 3.3,...)로 형성되는 적어도 하나의 에너지 투입 광선(3)을 발생시키기 위한 적어도 하나의 에너지 투입 광선원(210)과, 상기 복수의 개별적 에너지 투입 광선 구성요소(3.1, 3.2, 3.3,...)를 형성하기 위해 채택되어 있는 관통 홀(213)을 갖는 에너지 투입 차폐재로 이루어진 적어도 하나의 광선 마스크(211)를 포함하는 에너지 발생기(200); 및 탐지 장치(300);를 포함하고,
    상기 복수의 투사 방향으로, 상기 에너지 투입 광선원(210)과 적어도 하나의 에너지 투입 광선(3)은 서로에 대해 미리 정해진 조절값을 가져서, 상기 적어도 하나의 광선 마스크(211)가 에너지 투입 광선원(210)의 미리 정해진 에너지 투사 함수를 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 광선 마스크(211)는 다른 크기의 관통 홀(213)을 가진 평면 광선 마스크(211) 또는 모두 동일한 크기의 관통 홀(213)을 가진 곡면 광선 마스크(211)를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
  16. 제 14항에 있어서, 광선 마스크(211)는 모두 동일한 크기의 관통홀(213)을 가진 평면 광선 마스크(211) 또는 다른 크기의 관통홀(213)을 가진 곡면 광선 마스크(211)를 포함하는 영상화 장치.
  17. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 광선 마스크(211)와 에너지 투입 광선원(210) 사이의 거리를 조정하기 위한 제1 조절 장치(217)를 추가로 포함하는 영상화 장치.
  18. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 에너지 투입 광선원(210)은 대상(1)에 대해 이동가능한 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
  19. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 광선 마스크(211)는 에너지 투입 광선원(210)과 함께 이동가능한 공급원 마스크(211)를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
  20. 제 19항에 있어서, 공급원 마스크(211)는 에너지 투입 광선원(210)으로부터 제거 가능한 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
  21. 제 14항 내지 제 16항 중 어느 한 항에 있어서, 에너지 투입 광선(210)의 에너지 분포 함수를 형성하기 위한 복수의 프레임 마스크(224)를 포함하고, 프레임 마스크(224)는 미리 결정된 위치에서 공급원 운반체(220) 상에 고정되는 영상화 장치.
  22. 제 21항에 있어서, 프레임 마스크(224)의 위치는 동일한 호 길이로 간격을 형성하는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
  23. 제 21항에 있어서, 공급원 운반체(220)는 프레임 마스크(224)를 포함하는 고리모양의 보호물(222)을 포함하고, 고리모양의 보호물(222)은 프레임 마스크(224)의 위치 이외의 위치에서 에너지 투입 광선원(210)을 차단하는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
  24. 제 21항에 있어서, 탐지 장치(300)는 복수의 미리 결정된 투사 방향에 대응하여 에너지 투입의 감쇠를 나타내는 감쇠값을 탐지하기 위한 복수의 프레임 센서(320)를 포함하고, 프레임 센서(320)는 미리 결정된 위치에서 공급원 운반체(220) 상에 고정되는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
  25. 제 14항에 있어서, 측정 장치, 즉 에너지 발생기(200) 및 탐지 장치(300)는 X선 컴퓨터 단층촬영(CT) 장치, 초음파 단층촬영장치, PET 영상화 장치, 광 단층촬영 장치, 감마선 영상화 장치, SPECT 영상화 장치 또는 중성자 기반 전달 탐지 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
  26. 삭제
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