KR101228911B1

KR101228911B1 - 이중 에너지 ｘ-선 흡광분석을 이용한 ｘ-선 영상장치

Info

Publication number: KR101228911B1
Application number: KR1020100075891A
Authority: KR
Inventors: 김광현; 차명애
Original assignee: 라드텍주식회사
Priority date: 2010-08-06
Filing date: 2010-08-06
Publication date: 2013-02-15
Also published as: KR20120013724A; WO2012018188A2; WO2012018188A3

Abstract

본 발명은 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 X-선원으로부터 발생된 광대역의 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선을 병렬로 연결된 한 쌍의 필터를 통과시켜 저준위 에너지 스펙트럼을 갖는 저준위 X-선 빔과, 고준위 에너지 스펙트럼을 갖는 고준위 X-선 빔으로 각각 분리하여 피사체에 주사하고, 이렇게 분리되어 피사체를 통과한 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 병렬구조로 구비되는 한 쌍의 영상 검출기를 통해 각각 독립적으로 검출함으로써 대조도가 높은 양질의 X-선 영상을 획득하여 피사체의 구성 성분에 대한 식별 능력을 향상시킬 수 있는 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치는, X-선 빔을 방출하는 X-선원과; 상기 X-선원에서 방출되는 X-선 빔이 출사되는 부분에 구비되되, 상기 X-선원으로부터 방출되는 X-선 빔에서 저준위 에너지 스펙트럼을 갖는 저준위 X-선 빔만을 선별적으로 통과시키는 제1필터와, 상기 X-선원으로부터 방출되는 X-선 빔에서 고준위 에너지 스펙트럼을 갖는 고준위 X-선 빔만을 선별적으로 통과시키는 제2필터가 병렬로 연결되어 구성되는 X-선 필터와; 상기 X-선 필터의 후방에 구비되어, 상기 X-선 필터를 통과한 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔의 형상 및 진행방향을 결정하는 콜리메이터; 및 상기 콜리메이터의 후방에 소정 거리 이격되어 구비되어, 상기 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 각각 검출할 수 있도록 병렬로 구비되는 한 쌍의 영상 검출기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

이중 에너지 Ｘ-선 흡광분석을 이용한 Ｘ-선 영상장치{An X-ray imaging apparatus using dual-energy X-ray absorptiometry}

본 발명은 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 X-선원으로부터 발생된 광대역의 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선을 병렬로 연결된 한 쌍의 필터를 통과시켜 저준위 에너지 스펙트럼을 갖는 저준위 X-선 빔과, 고준위 에너지 스펙트럼을 갖는 고준위 X-선 빔으로 각각 분리하여 피사체에 주사하고, 이렇게 분리되어 피사체를 통과한 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 병렬구조로 구비되는 한 쌍의 영상 검출기를 통해 각각 독립적으로 검출함으로써 대조도가 높은 양질의 X-선 영상을 획득하여 피사체의 구성 성분에 대한 식별 능력을 향상시킬 수 있는 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치에 관한 것이다.

일반적으로 X-선 촬영법은 저준위 에너지 대역에서 고준위 에너지 대역에 걸친 연속 스펙트럼을 갖는 X-선을 이용하고, 의료용, 보안 검색용, 비파괴 테스트 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.

그러나 이러한 X-선 촬영법은 투과 대상을 구성하는 물질의 특성에 대한 X-선의 감쇄율을 충분히 고려하지 않고 연속적인 에너지 스펙트럼을 갖는 광대역의 X-선 빔을 이용하기 때문에, X-선 촬영을 통해 획득된 영상에서 투과 대상을 구성하는 물질 간의 대조도가 낮아져 투과 대상을 구성하는 물질의 밀도나 구성성분을 명확하게 파악할 수 없다는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, X-선이 물질을 투과함에 있어서, 조사되는 X-선의 에너지 레벨에 따라 투과 대상 물질의 특성 및 밀도에 따른 X-선 흡수계수가 달라지고, 이에 따라 투과 대상 물질에서 방사선의 감쇄, 즉 X-선의 흡수가 일어나는 정도가 다른 점을 이용하여 각각 서로 구별되는 고준위 에너지 스펙트럼과 저준위 에너지 스펙트럼을 갖는 이중 에너지 X-선의 조사를 통해 투과 물질의 밀도나 구성성분을 보다 정확하게 측정할 수 있는 이중 에너지 X-선 흡광분석법(Dual energy X-ray Absorptiometry : DXA)이 개발되어 사용되고 있다.

상술한 바와 같은 이중 에너지 X-선 흡광분석법은 골밀도 측정, 성장판 검사, 체지방 검사, CT(Computed Tomography : CT)검사, 일반 진단 검사 등의 의료분야는 물론, 보안, 보건 및 식품 안전분야 등 다양한 분야에 적용되고 있다.

이중에너지 X-선 흡광분석법은 X-선원에서 발생된 광대역의 연속적인 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선을 필터에 통과시켜 고준위와 저준위로 각각 구분될 수 있는 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선으로 변환하여 투과 대상에 조사하고, 투과 대상을 통과한 X-선을 고준위 X-선 검출기 및 저준위 X-선 검출기를 통해 고준위와 저준위의 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선을 각각 분리하여 검출함으로써 서로 독립적인 저준위 X-선 영상과 고준위 X-선 영상을 생성한다. 이렇게 투과 물질의 특성에 따라 고준위 X-선과 저준위 X-선의 흡수계수가 다른 점을 이용하여 저준위 X-선 영상과 고준위 X-선 영상을 개별적으로 생성한 후 이를 다시 조합함으로써 대조도가 높은 X-선 영상을 획득하고, 표준치와의 비교를 통해 투과 대상의 상태를 보다 정확하게 파악할 수 있다.

이러한 이중에너지 X-선 흡광분석법을 적용하기 위해서는 고준위와 저준위로 뚜렷하게 구별될 수 있는 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선을 추출하는 기술이 요구되는 바, 종래에는 K-에지 필터(K-edge filter)를 사용한 단일 X-선 조사를 통해 광대역 X-선 빔으로부터 저준위와 고준위로 구별되는 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선을 추출하여 조사하거나, 또는 X-선원의 관 전압(tube voltage) 제어를 통한 이중 X-선 조사를 이용하여 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 선택적으로 조사하는 방식이 주로 이용되어 왔다.

그 중, K-에지 필터를 이용한 이중에너지 X-선 흡광분석법은, X-선원에서 광대역의 연속 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선 빔이 출사되는 부분에 K-에지 필터를 설치하고, 광대역의 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선 빔을 K-에지 필터에 통과시켜 고준위와 저준위로 구별될 수 있는 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선을 추출하여, 이렇게 추출된 특정 에너지 스펙트럼의 X-선 빔을 투과 대상에 조사한 후, 투과 대상을 통과한 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 각각 별도의 검출기를 통해 검출한다. 이때, K-에지 필터로는 주로 희토류 물질(Rare earth material)인 사마륨(Samarium), 세륨(Cerium) 및 가돌리늄(Gadolinium) 등이 사용되어 왔다.

그러나 이러한 K-에지 필터를 이용한 이중 에너지 X-선 흡광분석에서는, 저밀도의 물질과 고밀도의 물질이 공존하는 투과 대상에 고준위 X-선 빔과 저준위 X-선 빔을 동시에 통과시키게 되면, 저준위 X-선 빔이 저밀도의 물질에 우선적으로 흡수되어 X-선 빔의 평균에너지가 상승하는 선속경화(Beam hardening) 현상이 발생하게 되고, 획득된 X-선 영상에 피사체에 실제로 존재하지 않는 허위 영상, 즉 아티팩트(artifacts)가 발생한다.

따라서 획득된 X-선 영상에서 고밀도 물질 부분의 대조도(contrast)는 비교적 높게 나타나지만, 선속경화현상에 의해 저밀도 물질 부분에서의 대조도가 낮게 나타나기 때문에 물질 간의 경계부분이 모호하게 나타나서 검사 대상의 분리 능력 및 식별 능력을 저하시키는 문제점이 있었다.

또한, K-에지 필터를 이용한 이중 에너지 X-선 흡광분석에 사용되는 영상 검출기는, 통상 저준위 X-선 빔을 검출하기 위한 검출기가 상부측에 위치하고, 그 하부에 소정 거리 이격되어 고준위 X-선 빔을 검출하기 위한 검출기가 위치하도록 구성되어 있는 바, 저준위 X-선 빔을 검출하기 위한 검출기를 통과한 저준위 및 고준위 X-선이 양 검출기 사이에서 산란되고, 산란된 저준위 및 고준위 X-선 빔이 고준위 X-선 빔을 검출하기 위한 검출기로 입사됨으로써 획득된 X-선 영상에 노이즈로 작용하여 영상의 대조도를 더욱 저하시키는 문제점도 있었다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, X-선원에서 발생된 광대역의 에너지 스펙트럼을 갖는 광대역 X-선 빔으로부터 저준위 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선 빔만을 선별적으로 통과시키기 위한 제1필터와, 고준위 에너지 스펙트럼을 갖는 고준위 X-선 빔만을 선별적으로 통과시키기 위한 제2필터를 병렬로 구성하고, 각각의 필터를 통과한 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 피사체에 조사하여, 피사체를 투과한 각각의 X-선 빔을 병렬로 연결된 영상 검출기를 통해 각각 독립적으로 검출함으로써 선속경화현상 및 아티팩트(artifacts)의 발생을 최소화하여 획득되는 X-선 영상의 대조도를 향상시킬 수 있는 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치는, X-선 빔을 방출하는 X-선원과; 상기 X-선원에서 방출되는 X-선 빔이 출사되는 부분에 구비되되, 상기 X-선원으로부터 방출되는 X-선 빔에서 저준위 에너지 스펙트럼을 갖는 저준위 X-선 빔만을 선별적으로 통과시키는 제1필터와, 상기 X-선원으로부터 방출되는 X-선 빔에서 고준위 에너지 스펙트럼을 갖는 고준위 X-선 빔만을 선별적으로 통과시키는 제2필터가 병렬로 연결되어 구성되는 X-선 필터와; 상기 X-선 필터의 후방에 구비되어, 상기 X-선 필터를 통과한 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔의 형상 및 진행방향을 결정하는 콜리메이터; 및 상기 콜리메이터의 후방에 소정 거리 이격되어 구비되어, 상기 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 각각 검출할 수 있도록 병렬로 구비되는 한 쌍의 영상 검출기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치는, X-선원에서 발생된 광대역의 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선 빔에서 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 선별적으로 통과시키는 필터를 병렬로 연결하여 구성하고, 각각의 필터를 통과한 X-선빔이 진행하는 위치에 한 쌍의 영상 검출기를 병렬로 구성하여, 피사체를 투과한 이중 에너지의 X-선 빔을 각각 독립적으로 검출함으로써 선속경화현상 및 아티팩트가 발생하는 것을 최소화하여 획득된 X-선 영상의 대조도를 향상시켜 피사체의 구성 성분에 대한 식별 능력을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치의 구성을 보여주는 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치를 구성하는 필터 및 콜리메이터의 구성을 보여주는 정단면도 및 측단면도.
도 3은 종래의 K-에지 필터로 사용되오던 필터 물질을 이용하여 획득된 X-선의 에너지 스펙트럼을 보여주는 그래프.
도 4는 도 3에 도시된 종래의 K-에지 필터를 이용하는 이중 에너지 X-선 흡광분석법을 통해 얻어진 영상에서의 경조직 두께 변화에 따른 감쇄계수비값의 변화를 보여주는 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치에 적용되는 필터 물질을 통과하여 얻어진 X-선 빔의 에너지 스펙트럼을 보여주는 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치를 이용하여 획득된 영상에서의 경조직 두께 변화에 따른 감쇄계수비값의 변화를 보여주는 그래프.

이하, 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 이탈하지 않는 한 이하의 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치의 구성을 보여주는 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치를 구성하는 필터 및 콜리메이터의 구성을 보여주는 단면도((a)는 정단면도, (b)는 측단면도)이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치는, X-선 빔을 방출하는 X-선원(100)과, X-선원(100)에서 X-선이 출사되는 부분에 구비되어 X-선원(100)으로부터 방출되는 X-선 빔에서 저준위 에너지 스펙트럼을 갖는 저준위 X-선 빔만을 선별적으로 통과시키는 제1필터(310)와, 상기 X-선원(100)으로부터 방출되는 X-선 빔에서 고준위 에너지 스펙트럼을 갖는 고준위 X-선 빔만을 선별적으로 통과시키는 제2필터(320)가 병렬로 연결되어 구성되는 X-선 필터(300)와, 상기 X-선 필터(300)의 후방에 구비되어 X-선 필터(300)를 통과한 저준위 및 고준위 X-선 빔의 형상 및 진행방향을 결정하는 콜리메이터(200) 및 콜리메이터(200)의 후방에 소정 거리 이격되어 구비되어, 제1필터(310) 및 제2필터(320)를 통과한 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 각각 검출할 수 있도록 병렬로 구비되는 한 쌍의 영상 검출기(400)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

X-선원(100)은 진공관 내에 구비되는 필라멘트 형상의 캐소드로부터 가속된 전자빔이 고 에너지 상태로 애노드 상의 타겟 물질에 입사되어, 원추형 빔(cone beam) 타입의 광대역의 연속적인 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선 빔을 발생시킨다.

X-선 필터(300)는 X-선원(100)에서 X-선 빔이 출사되는 면에 구비되며, X-선원(100)에서 방출되는 X-선 빔에서 저준위 에너지 스펙트럼을 갖는 저준위 X-선 빔만을 선별적으로 통과시키는 제1필터(310)와, X-선원(100)에서 방출되는 X-선 빔에서 고준위 에너지 스펙트럼을 갖는 고준위 X-선 빔만을 선별적으로 통과시키는 제2필터(320)가 병렬로 연결되어 구성된다. 이때, 제1필터(310)와 제2필터(320)는 광대역의 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선 빔에서 특정 에너지 스펙트럼만을 선별적으로 통과시키는 특성을 갖는 다양한 물질이 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 제1필터(310)는 에르븀(Er)으로 구성하였고, 제2필터(320)는 로듐(Rh)과 구리(Cu)의 적층구조로 구성하였다.

제1필터(310)를 형성하는 에르븀(Er)과 제2필터(320)를 형성하는 로듐(Rh)/구리(Cu)는 그 형성되는 두께에 따라 획득되는 X-선 빔의 에너지 스펙트럼에 다소 차이를 보이며, 이는 후술되는 도 3 내지 도 6의 설명을 통해 구체적으로 설명하기로 한다.

콜리메이터(200)는 X-선 필터(300)의 후방에 구비되며, X-선 필터(300)를 통과한 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔의 진행방향 및 형상을 결정한다.

콜리메이터(200)의 전방에는 제1필터(310) 및 제2필터(320)가 고정되고, 중앙부에는 제1필터(310)와 제2필터(320)를 각각 통과한 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔의 이동경로가 되는 제1개구부(210)와 제2개구부(220)가 병렬로 형성되어 있으며, 제1개구부(210)와 제2개구부(220)는 분리판(230)에 의해 서로 분리되어 있다. 제1개구부(210)와 제2개구부(220)는 X-선 빔의 진행방향을 따라 점점 넓어지도록 테이퍼진 슬릿(tapered slit)형태로 형성되며, 서로 나란하게 구비된다. 이러한 구성을 통해 제1개구부(210)와 제2개구부(220)를 각각 통과한 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔은 X-선 빔의 진행방향을 따라 점점 넓어지는 부채꼴 형상의 라인빔으로 형성되어 후방에 구비되는 제1영상 검출기(410)와 제2영상 검출기(420)로 각각 독립적으로 입사될 수 있다.

영상 검출기(400)는 콜리메이터(200)의 후방에 소정 거리 이격되어 구비되며, 저준위 X-선 빔을 검출하기 위한 제1영상 검출기(410)와, 제1영상 검출기(410)에 병렬로 위치되어 고준위 X-선 빔을 검출하기 위한 제2영상 검출기(420)로 구성된다.

제1영상 검출기(410)와 제2영상 검출기(420)는 부채꼴 형상의 라인빔으로 나란하게 입사되는 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 효과적으로 검출할 수 있도록 서로 소정 거리 이격되어 구비된다. 이는 제1영상 검출기(410) 및 제2영상 검출기(420)로 각각 입사되는 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔 간의 간섭을 최소화하기 위함이다. 이때, 제1영상 검출기(410)와 제2영상 검출기(420) 간의 간격이 지나치게 넓은 경우에는 콜리메이터(200)를 통과한 X-선 빔에서 중심부위를 벗어난 X-선 빔이 영상 검출기(410, 420)로 입사될 수 있으므로 영상 검출기(410, 420)의 검출 효율이 저하되고, 간격이 지나치게 가까운 경우에는 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔 간의 간섭에 의해 획득된 영상에 노이즈가 발생할 수 있기 있으므로, 제1영상 검출기(410)와 제2영상 검출기(420) 간의 간격을 적절하게 조절하는 것이 좋으며, 바람직하게는 1.5㎝ 내지 2.5㎝ 간격으로 이격시켜 구성하는 것이 좋다.

영상 검출기(400)와 X-선원(100)의 위치는 서로 고정되어 있으며, X-선 촬영시 X-선원(100)과 영상 검출기(400)에서 피사체(미도시)를 수평방향으로 이동시키면서 저준위 X-선 영상과 고준위 X-선 영상을 획득할 수 있도록 구성되어 있다. 이러한 구성을 통해 단일 X-선 빔 조사를 이용하여 피사체를 스캔(scan)하는 방식으로 저준위 X-선 영상과 고준위 X-선 영상을 순차적으로 획득할 수 있다. 이때, 조사대상이 되는 피사체를 위치시키기 위한 구성으로 스테이지(미도시)가 추가로 구비될 수 있으며, 스테이지는 X-선원(100)과 영상 검출기(400) 사이에서 수평방향으로 이동될 수 있도록 구성된다.

이하에서는 상술한 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치를 구성하는 필터 물질의 선택과 최적화된 필터 구조를 도출하기 위한 실험예에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치는 의료분야, 보안분야, 보건 및 식품 안전분야, 비파괴검사분야 등 다양한 분야에 적용되어 사용될 수 있으며, 여기에서는 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치를 의료용 영상 촬영에 적용한 예에 대해서 설명한다.

먼저, 본 실험예에서 피사체로 사용된 팬텀(phantom)은 가로 2㎝, 세로 2㎝, 높이 20㎝ 크기로 제작되었으며, 하부에는 경조직이 형성되어 있고, 경조직 하부에는 연조직이 형성되어 있다. 또한, 실험 시 경조직의 높이를 1㎝에서 7㎝의 범위 내에서 경조직의 높이를 1㎝씩 증가시키면서 X-선 빔을 조사하였으며, X-선원(100)에서 영상 검출기(400)까지의 거리는 680㎜로 설정하였다.

도 3은 종래의 K-에지 필터로 사용되오던 필터 물질을 이용하여 획득된 X-선의 에너지 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.

도 3에 적용된 K-에지 필터는 사마륨(Samarium), 세륨(Cerium), 가돌리늄(Gadolinium)을 사용하였으며, 하기의 [표 1]에 기재된 S1 내지 G2 타입의 필터가 적용되었다.

타입	필터물질	커버리지(㎎/㎠)	관 전압(kVp)
S1	Samarium	400	90
S2		400	100
S3		650	100
C1	Cerium	400	80
C2	Cerium	400	76
G1	Gadilinium	400	100
G2	Gadilinium	300	120

상기와 같은 S1 내지 G2 타입의 K-에지 필터는 X-선원(100)에서 발생된 광대역의 연속된 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선 빔에서 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 선별적으로 통과시키는 특성을 갖는다. 이는 도 3에 도시된 바와 같이, 사마륨(S1, S2, S3)의 경우 대략 45keV 내지 80keV의 범위에서 저준위 에너지 스펙트럼과 고준위 에너지 스펙트럼이 각각 나타나고, 세륨(C1, C2)의 경우 40keV 내지 70keV의 범위에서 저준위 에너지 스펙트럼과 고준위 에너지 스펙트럼이 각각 나타나며, 가돌리늄(G1, G2)의 경우에는 50keV 내지 80keV의 범위에서 저준위 에너지 스펙트럼과 고준위 에너지 스펙트럼이 각각 나타나는 것을 통해 확인할 수 있다.

전술한 바와 같이, 종래의 K-에지 필터를 이용하는 이중 에너지 X-선 흡광분석법에서는, X-선의 선속경화현상이 영상의 품질을 저하시키는 주요인 중 하나였으며, 이러한 선속경화의 정도를 파악하는 주요 인자로 저준위 X-선과 고준위 X-선에 있어서의 감쇄계수비값을 이용할 수 있다.

아래의 [수학식 1]은 피사체를 통과하는 과정에서의 저준위 X-선과 고준위 X-선의 감쇄계수비값을 나타내고 있으며, 이는 피사체로 입사되는 X-선의 조도(intensity)와 피사체를 투과한 X-선의 조도의 비를 통해 나타내어진다.

(R : 감쇄 계수, LS : 저준위 X-선 에너지 스펙트럼 시점, LE : 저준위 X-선 에너지 스펙트럼 종점, I_i : 입사 X-선 강도, I_tr : 투과 X-선 강도, HS : 고준위 X-선 에너지 스펙트럼 시점, HE : 고준위 X-선 에너지 스펙트럼 종점)

즉, 상술한 [수학식 1]로 표현되는 감쇄계수비값은 피사체를 통과하는 과정에서의 X-선 에너지 스펙트럼의 선속경화정도를 나타낸다 할 수 있으며, 그 값이 1에 가까울수록 선속경화현상이 거의 나타나지 않는 이상적인 조사 상태로 판단될 수 있다.

도 4는 도 3에 도시된 종래의 K-에지 필터를 이용하는 이중 에너지 X-선 흡광분석법을 통해 얻어진 영상에서의 경조직 두께 변화에 따른 감쇄계수비값의 변화를 보여주는 그래프로서, 그래프에 나타난 감쇄계수비값(R)은 전체적으로 1보다 큰 값을 가지고 있으며, 경조직의 두께가 증가함에 따라 감쇄계수비값(R)도 증가하고 있는 것을 알 수 있다.

도 4에 나타난 그래프에서 확인할 수 있듯이, 종래의 K-에지 필터를 적용한 경우에 있어서는 S1 타입의 필터가 가장 양호한 결과를 보여주고 있기는 하나, S1 타입 필터의 경우에도 감쇄계수비값(R)은 팬텀 내에서 경조직의 두께가 증가함에 따라 약 1.38에서 1.6까지 증가하고 있는 것을 확인할 수 있다.

따라서 상술한 종래의 K-에지 필터를 적용한 이중 에너지 X-선 흡광분석에 있어서는, 피사체에 연조직과 경조직이 공존하는 경우, 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔 중 저준위 X-선 빔이 조직 내에서 다량 흡수되는 선속경화현상의 발생을 억제하는데 한계가 있고, 그에 따라 획득된 X-선 영상의 대조도가 저하되고, 그 결과로 피사체를 구성하는 물질, 즉 연조직과 경조직 간의 경계를 모호하게 함으로써 피사체의 구성 성분에 대한 식별 능력을 어렵게 하는 문제점을 발생시킨다.

이에 비하여, 본 발명에서는 병렬구조로 형성된 X-선 필터를 이용하여 광대역의 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선 빔으로부터 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 독립적으로 추출하여 피사체에 조사하고, 피사체를 통과한 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 각각 독립적으로 검출함으로써 선속경화현상을 최소화하여 획득되는 X-선 영상의 대조도를 높여 피사체의 구성 성분에 대한 식별능력을 향상시키는데 그 특징이 있다.

도 5는 본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치에 적용되는 필터 물질을 통과하여 얻어진 X-선 빔의 에너지 스펙트럼을 보여주는 그래프로서, 제1필터(310)는 각각 0.5㎜, 0.6㎜, 0.7㎜ 두께의 에르븀(Er)으로 형성하고, 제2필터(320)는 각각 0.8㎜/0.4㎜, 0.9㎜/0.2㎜ 두께의 구리(Cu)/로듐(Rh) 적층구조로 형성하여 얻어진 X-선의 에너지 스펙트럼을 보여주는 그래프이다.

도 5를 살펴보면, 에르븀(Er)으로 형성된 제1필터(310)를 통과한 X-선 빔은 60keV 이하에서 피크(peak)가 나타나는 저준위 에너지 스펙트럼을 갖고, 구리(Cu)/로듐(Rh) 적층구조의 제2필터(320)를 통과한 X-선 빔은 70keV 내지 80keV에서 피크가 나타나는 고준위 에너지 스펙트럼을 갖고 있음을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치를 이용하여 획득된 영상에서의 경조직 두께 변화에 따른 감쇄계수비값의 변화를 보여주는 그래프로서, 도 5에 적용된 제1필터(310)와 제2필터(320)를 조합을 통해 획득된 영상에서의 감쇄계수비값의 변화을 보여주고 있다.

도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치를 이용하여 획득된 영상에서의 감쇄계수비값(R)은 1.0에서 1.4 범위 내의 값을 가지고 있음을 확인할 수 있으며, 이는 상술한 종래의 S1 ~ G2 타입의 필터를 적용한 경우보다 전체적으로 낮은 감쇄계수비값(R)을 갖는 것을 확인할 수 있다.

또한, 전체적으로 그래프의 기울기가 0에 가까운 것에서 확인할 수 있듯이, 연조직 내의 경조직의 두께 변화에 따른 선속경화의 정도가 극히 미미한 것을 확인 할 수 있다.

다시 말해서, 상기 그래프에 나타난 필터 물질을 적용하여 본 발명에 따른 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치를 구성하는 경우, 피사체를 투과하는 과정에서의 X-선의 선속경화 정도는 종래 기술에 비해 상대적으로 낮을 뿐만 아니라, 피사체 내의 경조직 두께의 변화에 따라 선속경화현상이 증폭되는 현상도 방지할 수 있어, 상대적으로 대조도가 높은 고품질의 영상을 획득할 수 있음을 확인할 수 있다.

따라서 본 발명에서는 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치를 구성함에 있어서, 고준위 및 저준위의 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선 빔만을 각각 선별적으로 투과시키는 두 가지의 서로 다른 필터를 이용하여 저준위 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선 빔과 고준위 에너지 스펙트럼을 갖는 X-선을 각각 독립적으로 조사할 수 있도록 병렬구조의 X-선 필터를 구성하고, X-선 필터를 통과한 저준위 X-선과 고준위 X-선을 피사체에 조사하여, 피사체를 통과한 저준위 X-선과 고준위 X-선을 각각 독립적으로 검출함으로써 피사체를 통과하는 과정에서의 X-선 에너지 스펙트럼의 선속경화현상을 최소화하여 획득된 X-선 영상의 대조도를 향상시킬 수 있고, 이를 통해 피사체를 구성하는 물질 간의 경계를 명확하게 함으로써 피사체의 구성 성분에 대한 식별 능력을 향상시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100 : X-선원 200 : 콜리메이터
210 : 제1개구부 220 : 제2개구부
230 : 분리판 300 : X-선 필터
310 : 제1필터 320 : 제2필터
400 : 영상 검출기 410 : 제1영상 검출기
420 : 제2영상 검출기

Claims

X-선 빔을 방출하는 X-선원과;
상기 X-선원에서 방출되는 X-선 빔이 출사되는 부분에 구비되되, 상기 X-선원으로부터 방출되는 X-선 빔에서 저준위 에너지 스펙트럼을 갖는 저준위 X-선 빔만을 선별적으로 통과시키는 제1필터와, 상기 X-선원으로부터 방출되는 X-선 빔에서 고준위 에너지 스펙트럼을 갖는 고준위 X-선 빔만을 선별적으로 통과시키는 제2필터가 상기 X-선 빔이 출사되는 방향에 대해 병렬로 연결되어 구성되는 X-선 필터와;
상기 X-선 필터의 후방에 구비되어, 상기 X-선 필터를 통과한 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔의 형상 및 진행방향을 결정하는 콜리메이터; 및
상기 콜리메이터의 후방에 소정 거리 이격되어 구비되어, 상기 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 각각 검출할 수 있도록 병렬로 구비되는 한 쌍의 영상 검출기;
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치.
제 1 항에 있어서,
상기 이중 에너지 X-선 흡광분석용 X-선 영상장치에는,
상기 콜리메이터와 상기 한 쌍의 영상 검출기 사이에 구비되어, 수평방향으로 이동할 수 있도록 구성된 스테이지가 구비되는 것을 특징으로 하는 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제1필터는 에르븀(Er)으로 형성되고,
상기 제2필터는 구리(Copper)와 로듐(Rhodium)의 적층구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치.
제 3 항에 있어서,
상기 에르븀은 0.5㎜ 내지 0.7㎜ 두께로 형성되고, 상기 구리는 0.8㎜ 내지 0.9㎜두께로 형성되며, 상기 로듐은 0.2㎜ 내지 0.4㎜ 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 콜리메이터는,
상기 제1필터를 통과한 저준위 X-선 빔을 통과시키는 제1개구부와;
상기 제1개구부에 병렬로 구비되어, 상기 제2필터를 통과한 고준위 X-선 빔을 통과시키는 제2개구부; 및
상기 제1개구부와 상기 제2개구부를 분리하는 분리판;
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치.
제 5 항에 있어서,
상기 제1개구부와 상기 제2개구부는,
테이퍼진 슬릿(taperd slit) 형태로 형성되어, 상기 저준위 X-선 빔과 고준위 X-선 빔을 부채꼴 형태의 라인빔으로 방출시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치.
제 1 항에 있어서,
상기 한 쌍의 영상 검출기는 1.5㎝ 내지 2.5㎝ 간격으로 서로 이격되어 구비되는 것을 특징으로 하는 이중 에너지 X-선 흡광분석을 이용한 X-선 영상장치.