KR101312434B1

KR101312434B1 - 이중 판독 스캐너를 이용한 영상화 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101312434B1
Application number: KR1020087008597A
Authority: KR
Inventors: 올레그 티센코; 얀 슈; 크리스토프 회쇤
Original assignee: 스테이트 오브 오레곤 액팅 바이 앤드 쓰루 더 스테이트 보드 오브 하이어 에듀케이션 온 비해브 오브 더 유니버시티 오브 오레곤; 헬름홀츠 젠트룸 뮌헨-도이체스 포르슝스젠트룸 퓌르 게준드하이트 운트 움벨트 게엠베하
Priority date: 2005-10-25
Filing date: 2006-10-25
Publication date: 2013-09-27
Also published as: JP2009512526A; ES2321559T3; WO2007048590A1; CA2623812C; DK1941457T3; KR20080084798A; DE602006005701D1; CN101297323B; EP1941457A1; EP1780676A1; JP4991738B2; US8090089B2; CA2623812A1; EP1941457B1; CN101297323A; US20090245456A1; ATE425518T1

Abstract

본 발명은 에너지 광선원(10)으로부터 에너지 입력 광선(3)이 생성되는 단계, 다수의 투사 방향을 따라 에너지 입력 광선(3)의 에너지 입력 광선 요소들(4)로 조사 영역(2)을 조사하는 단계, 에너지 입력 광선 요소들(4)의 첫 번째 감쇠 값 그룹을 프레임 마스크(4) 외부에 정렬된 외부 탐지 장치(21)로 측정하는 단계, 에너지 입력 광선들(4)의 두 번째 감쇠 값 그룹을 프레임 마스크(4) 안쪽 면에 정렬된 프레임 마스크 탐지 장치(24)로 측정하는 단계, 그리고 첫 번째 및 두 번째 통합된 감쇠 값에 기초하여 조사 영역(2)을 재구성하는 단계를 포함하는 물체(1)의 조사 영역(2)을 영상화하는 영상화 방법에 관한 것이며, 상기 에너지 입력 광선 요소들(4)은 에너지 입력 광선(10)과 물체(1) 사이에 정렬되고 프레임 마스크 창(41)을 가지는 프레임 마스크(40)에 의해 형성된다. 또한 물체(1)의 조사영역(2)을 영상화하기 위한 영상화 장치(100)가 설명되어 있다.

투사함수, 라돈 데이터, 컴퓨터 단층촬영, 감쇠 값, 이중 판독 스캐너

Description

이중 판독 스캐너를 이용한 영상화 방법 및 장치{IMAGING METOHOD AND DEVICE WITH DUAL READING SCANNER}

본 발명은 복수의 투사함수(projection function)를 포함하는 라돈 데이터에 기초하여 물체의 검사 영역(region of investigation)을 영상화하는 방법에 관한 것으로, 상기 투사함수는 물체에 관해 미리 결정된 다수개의 투사 방향(projection direction)에 대응하여 측정된다. 구체적으로, 본 발명은 컴퓨터 단층촬영(computer tomography, CT)을 통한 영상화 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 영상화 방법을 기초로 한 영상화 장치, 예를 들어 CT 장치 등에 관한 것이다.

비파괴성 표본 조사는 물질과학, 비파괴 검사, 건강 진단, 고고학, 건설 기술, 안전 문제와 관련된 기술 등의 다양한 기술 분야에서 중요한 수단이다. 표본 영상을 얻기 위한 방법 중의 하나인 컴퓨터 단층촬영(CT)은 표본 평면 (sample plane)에 X선을 각기 다른 방향에서 투사한 후, 다른 방향에서 측정된 감쇠 데이터(attenuation data)에 기초하여 표본 평면을 재구성하는 조사(irradiation) 기법을 기본으로 하고 있다. 측정된 감쇠 데이터 전체는 라돈 공간에 소위 “라돈 데이터”로 기술될 수 있다.

오늘날 다양한 라돈데이터의 재구성방법이 공지되어 있다. 종래의 영상 재구 성에 대한 수학 및 물리학의 원리는 “Computed Tomography - Fundamentals, System Technology, Image Quality, Applications"(W. A. Kalender, 1st. edition, ISBN 3-89578-081-2); "Image Reconstruction from Projections: The Fundamentals of Computerized Tomography"(G. T. Herman, Academic Press, 1980) 및 "Ein- fhrung in die Computertomographie"(Thorsten M. Buzug (Springer-Verlag, Berlin 2004))등의 문헌에 공지되었다. 종래의 재구성 방법은 반복적 재구성 그리고 여과된 역투사 방법으로 요약될 수 있다.

반복적 재구성은 복수의 반복 단계에 기초한 근사법(approximation method)이다. 높은 해상도의 영상을 반복적으로 재구성하는 방법의 최대 단점은 재구성에 너무 많은 계산시간이 요구된다는 점이다. 여과후 역투사 방법은 이론상으로 라돈데이터의 푸리에 변환과 푸리에 변환을 거친 영상 데이터의 관계를 설명하는 푸리에-슬라이스(Fourier-slice) 이론에 의존하고 있다. 푸리에-슬라이스 이론 사용 시 일반적인 단점은 재구성 결과의 내삽법 단계에서 공간 주파수가 증가함에 따라 오차 및 인위성은 증가하는 경향이 있다는 점이다. 이와 같은 단점은 오직 고해상도 탐지기를 사용함으로써 해결할 수 있다. 그러나 이와 같은 탐지기(detector)를 적용하는 것은 일회분의 적재량과 비용 및 데이터 처리 시간에 의하여 제한된다.

라돈 데이터로부터 영상 함수(image function)을 재구성하는 개선된 방법이 유럽특허 EP04031043.5(본 발명의 출원일에는 공개되지 않음)에 기재되어 있다. 디스크 상에서의 직교 다항식의 확장 알고리즘(Orthogonal Polynomial Expansion on the Disk, 이하 OPED 알고리즘이라 한다.)을 이용하면, 검사 영역(region of investigation, 이하 ROI라 한다.)을 나타내는 영상 함수(image function)는 라돈 데이터(Radon Data)에 의해 결정되는데, 상기 라돈데이터는 ROI을 통해 복수의 미리 결정된 투사방향에 대응하여 측정된 투사 함수 값으로 곱셈 연산된 다항 연산의 합산치이다. OPED 알고리즘은 특히 컴퓨터 조작 시간 절약, 소음 저하, 그리고 향상된 해상도 면에서 장점을 가진다.

라돈 데이터를 수집하는 것에 이용된 종래의 컴퓨터 단층촬영(CT) 장치는 물체를 조사(irradiation)하기 위한 X-선 광원기, 물체를 통과하며 감쇠된 조사(irradiation)량을 탐지하기 위한 탐지기(Detector), 그리고 물체를 고정하기 위한 고정 장치를 포함한다. 고정 장치는 갠트리(gantry)에 배열되어 있으며, X-선 광원기와 탐지기가 장착된 회전 가능한 조사 유닛(irradiation unit)을 위한 캐리어(carrier)가 포함되어 있다. 이른바 4세대 CT 장치의 경우, 회전 가능한 광원-탐지기-유닛(source-detector-unit)은 도13에 도시된 것과 같이 회전 가능한 X-선 광원기(10)와 고정된 고리형 탐지기(20)의 결합으로 대체된다.(“Einfin die Computertomographie" Thorsten M. Buzug, 51 페이지 참조). 고리형 탐지기(20)는 물체 주위에 원형으로 배열된 약 5,000개의 탐지 요소(detector element)를 가지고 있다. X-선 광원기 주변에서 탐지기를 통한 조사(irradiation)를 피하기 위해, 종래 기술은 고리형 탐지장치(20)는 동적 경사(dynamic inclination)를 포함한다. 동적 경사(dynamic inclination)는 복잡한 구조와 고리형 탐지기 경사의 조절이 요구되는 단점을 가진다.

종래의 컴퓨터 단층촬영(CT) 장치는 물체에 적용되는 모든 조 사(irradiation)가 수집되어 유용한 재구성 데이터를 이루는 것은 아니라는 단점이 있다. 그러므로 물체(예를 들어 환자)가 필요 이상의 높은 조사(irradiation)량에 노출되게 된다.

이와 같은 단점은 종래의 CT 영상화 방법뿐만 아니라 라돈데이터에 관련된 모든 가능한 재구성 방법에도 관련되어 있다.

본 발명의 목적은 라돈 데이터를 수집하여 영상 함수를 재구성함으로써 대상 물체의 ROI를 영상화하는 개선된 영상화 방법을 제공하는 것이며, 이를 통해 비파괴검사의 적용범위를 넓혀 기존 영상화 기술의 단점을 극복할 수 있다. 구체적으로, 물체에 적용되는 모든 조사(irradiation)가 수집되어 영상 함수를 재구성하기 위한 라돈 데이터를 제공하는데 이용되기 함으로써, 영상화에 사용되는 조사(irradiation)량이 감소될 수 있는 영상화 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명의 영상화 방법은 계산 시간의 증가 없이 향상된 해상도를 가진 영상 함수를 재구성할 수 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 수집된 라돈 데이터의 재구성에 의한 ROI의 영상화하는 개선된 영상화 장치를 제공하는 것이다. 특정 분야의 경우, 본 발명은 총 투입 에너지양(방사능양)과 ROI에서의 산란효과를 감소시킨 영상화 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

위에 기재된 본 발명의 목적은 청구항 1 내지 15에 기재된 발명의 특징을 포함하는 방법 또는 장치에 실현될 수 있다. 본 발명의 적절한 실시형태 및 활용은 종속항에 정의된다.

영상화 방법에 관해서, 본 발명은 두 그룹의 통합된 에너지 투입 광선 요소(Energy input beam components)의 감쇠 값을 탐지함으로써 라돈데이터를 수집하는 일반적인 기술에 기초하며, 상기 에너지 투입 광선 요소는 ROI로 둘러싸인 프레임 마스크(frame mask)로 이루어진다. 통합된 감쇠 값의 첫 번째 그룹은 프레임 마스크의 바깥쪽에 배열된 탐지 장치로 측정되며, 반면에 통합된 감쇠 값의 두 번째 그룹은 프레임 마스크의 안쪽 면에 배열된 프레임 마스크 탐지 장치에 의해 탐지된다.

에너지 입력 광선은 프레임 마스크의 바깥쪽에 배열된 에너지 광원기(Energy에 의해 발생한다. 에너지 입력 광선 요소는 프래임 마스크의 창(window)에 의해 형상이 결정된다. 각각의 에너지 입력 광선 요소는 외부의 탐지 장치나 프레임 마스크 탐지 장치에 의해 측정된다. 통합된 감쇠 값의 첫 번째 그룹은 ROI의 서로 반대방향으로 배열된 프래임 마스크 창의 쌍(pairs)을 통과한 에너지 입력 광선 요소에 의해 탐지되며, 통합된 감쇠 값의 두 번째 그룹은 프래임 마스크를 통과하여 프래임 마스크의 내부 표면의 프레임 마스크 탐지 장치에 충돌한 에너지 입력 광선 요소에 의해 측정된다.

따라서, 본 발명에 따른 개선된 라돈 데이터의 수집 방법에 의하면, 물체의 ROI에 입사되는 X-선와 같은 모든 에너지 광선은 탐지기에 의해 측정되고 계산된다. 또한, 측정된 모든 감쇠 값이 영상 함수를 재구성하는데 사용되며, 결국 모든 에너지 광선 광자는 재구성에 사용되어, 에너지 광선량 예를 들어 X-선 방사량은 신호 대 잡음비의 감소 없이 줄어들 수 있다.

구체적으로 본 발명의 영상화 방법은 물체를 프레임 마스크 내에 위치시키는 단계, 프레임 마스크 바깥쪽에 배열된 에너지 광선원으로부터 에너지 입력 광선을 생성시키는 단계, 다수의 투사 방향을 따라 에너지 입력 광선 요소로 ROI에 조사하는 단계, 에너지 입력 광선 요소의 통합된 감쇠 값의 첫 번째 두 번째 그룹을 탐지하는 단계, 그리고 첫 번째와 두 번째 통합된 감쇠 값을 기초로 ROI의 영상을 재구성하는 단계를 포함한다. 상기에서 조사단계는 투사 방향을 세팅하는 단계를 포함하며, 프레임 마스크에 의해 결정된다.

종래의 4세대 단층촬영 장치와 달리, 프레임 마스크 창을 통해 ROI에 조사되기 때문에, 프레임 마스크의 어떤 움직임은(예를 들어 동적 경사 dynamic inclination) 생략될 수 있다. 프레임 마스크 창은 3가지 기능을 한다. 첫째로 에너지 광선은 마스크를 통해 ROI 및 외부 탐지 장치로 전달되고, 둘째로 에너지 광선 요소는 마스크에 의해 모양이 결정되며, 셋째로 평형한 에너지 광선 요소의 세트가 아래에 서술된 마스크에 의해 형성될 수 있다.

본 발명에서 사용된 “검사 영역(ROI)”이라는 용어는 일반적으로 영상화되는 대상 또는 그 일부를 지칭한다. 일반적으로, ROI는 2차원의 실체로 묘사된다. 3차원 영상의 재구성화를 위해서는 다수의 ROI가 영상화된다.

본 발명에서 사용된 “투사 방향”이라는 용어는 일반적으로 3차원 공간에서 ROI를 통한 에너지 투입 광선의 직선 경로를 지칭한다. 투사 방향은 사용된 좌표 시스템에 비례한 각도에 의해 정의될 수 있다.

ROI에서 측정된 라돈 데이터는, ROI를 통하여 진행되는 다수의 미리 결정된 투사 방향에 대응하여 정해지는 일련의 투사 함수를 포함한다. 각각의 투사함수는 이론적으로 무한히 큰 특정한 수치를 수집한 데이터를 포함하며, 투사 함수의 투사는 현재 투수 방향과 평형을 이룬다. 그리고 이 투사는 1차원 선들의 통합으로 특정된다. 이 통합된 투사들의 충분한 수를 탐지함으로써, 물체의 영상 함수를 라돈데이터로부터 재구성할 수 있다.

투사 함수 값은 일반적으로 상대적인 투사 방향을 따라 ROI를 통해 이동하는 에너지 입력 광선의 변형(특히 감쇠, 예를 들어 흡수나 산란에 의한 감쇠)에 의해 결정된다.

본 발명의 적절한 실시예에 의하면, ROI의 영상 함수는, 통합된 감쇠 값의 첫 번째 그룹으로부터 얻어진 첫 번째 투사 함수 값을 합산한 다항식의 첫 번째 합과, 통합된 감쇠 값의 두 번째 그룹으로부터 얻어진 두 번째 투사 함수 값을 합산한 다항식의 두 번째 합의 중첩에 의해 재구성된다. 바람직하게는, 선형 중첩(linear superposition)이 제공된다. 우선, 유럽 특허 제04031034.5호에 설명되어 있는 재구성 알고리즘(OPED 알고리즘)은 프레임 마스크와 외부 탐지 장치로 각각 탐지한 감쇠 값의 그룹들에 적용된다. 그 후, 여러 그룹의 감쇠 값으로부터 얻어진 영상들이 겹쳐진다. 따라서 유럽 특허 제04031034.5호에 설명되어 있는 OPED 알고리즘의 장점은 본 발명의 영상화 방법에서 잘 활용된다.

OPED 알고리즘의 적용을 받는 투사 함수는, 평행한 에너지 입력 광선 요소들의 첫 번째 그룹과 두 번째 그룹을 감지하는 탐지기로 탐지된 통합된 감쇠 값들의 첫 번째 그룹과 두 번째 그룹으로부터 얻어진다. 프레임 마스크로부터 공급된 스캐닝 형상(scanning geometry)으로 인해, 평형한 에너지 입력 광선 요소들의 그룹들은 자동으로 생성된다. 프레임 마스크의 고정된 형상(fixed geometry)은 각각의 탐지된 광선 요소가 다수의 평형 에너지 입력 광선 요소들에 속한다는 것을 확인시켜준다.

본 발명의 또 다른 중요한 장점은 영상화 방법의 적용이 상기의 OPED 알고리즘의 실행에 제한될 필요가 없이 영상의 재구성을 위한 다른 알고리즘의 사용이 가능하다는 것이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 영상 재구성화 단계는 여과된 역투사 알고리즘(Filtered back-projection algorithm, 이하 "FBP 알고리즘"이라 한다.)의 실행이 포함되어 있다. 본 발명의 상기 실시예의 경우, FBP 소프트웨어 도구들을 사용할 수 있고 종래의 데이터 처리 기술과의 호환성 면에서 장점이 있으나, OPED 알고리즘을 이용할 사용할 정도로 적절하지는 않다.

구체적으로 본 발명의 영상화 방법은 적어도 180˚각도 범위를 넘어 분포한 다수의 여러 투사 방향을 따라 프레임 마스크에 의해 형상화된 에너지 입력 광선 요소를 이용하여 ROI를 투사하는 단계를 포함한다. 일반적으로 프레임 마스크와 물체는 투사방향을 포함하는 적어도 하나의 평면에서 서로 대응하여 고정된다. 투사 방향은 여러 기술에 의해 설정될 수 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 투사 방향은 에너지 광선원과 프레임 마스크를 서로에 대해 상대적으로 움직이면서 세팅된다. 에너지 광원기는 오직 한 개의 에너지 광선원만을 가지고 있으며, 프레임 마스크 주위로 이동 가능한 것이 바람직하다. 하지만, 에너지 광원기는 1개 이상, 예를 들어 2,3개 이상의 에너지 광선원을 가질 수 있다. 이러한 실시형태에서, 투사 방향은, 하나의 혹은 다수의 에너지 광선원을 물체와 고정된 프레임 마스크와 상대적으로 이동함으로써 정해지며, 또한 ROI와의 특정한 각도에 따른 데이터를 수집함으로써 정해진다. 하나의 이동 가능한 에너지 광선원을 사용한 본 실시형태는 에너지 광선원의 반대쪽에 외부 탐지 장치(outer detector device)를 배열할 공간의 부족을 피할 수 있다는 장점이 있다. 하나의 혹은 다수의 에너지 광선원은 연속적으로 움직이는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 실시형태에 따르면, 외부 탐지 장치는 프레임 마스크 주위를 이동가능하게 배치된 한 개의 외부 탐지기를 포함하며, 이는 투사 방향을 변경하며 첫 번째 통합된 감쇠 값을 측정하기 위함이다. 만약 움직이는 에너지 광원기가 1개 이상의 에너지 광선원을 포함하고 있다면, 외부 탐지 장치가 그에 대응하여 다수개의 외부 탐지기의 배열을 포함한다. 하나의 혹은 다수의 외부 탐지기의 배열은 에너지 광원기와 동시에 이동이 가능하므로, 에너지 광원기와 외부 탐지 장치를 동시에 이동시킴으로써 자동으로 투사방향을 ROI와 특정한 각도로 세팅할 수 있다.

본 발명의 적절한 실시형태에 따르면, 투사방향을 설정하기 위하여, 에너지 광선원과 외부 탐지기 배열은 동시에 프레임 마스크 주위로 회전한다. 바람직하게는, 두 요소들은 프레임 마스크와 ROI을 둘러싼 일반적인 이동 장치 위에 배열된다. 본 실시형태의 특별한 장점은 에너지 광원기와 외부 탐지 장치가 ROI 주변을 동시에 회전하는 종래의 영상화 장치(예를 들어 컴퓨터 단층 촬영 장치, computer tomography device)와 함께 제공된다는 것이다.

다른 대안적 방법에 따르면, 에너지 광선원과 외부 탐지 장치가 고정되고, 반면에 에너지 광선원과 탐지 장치 사이에서 프레임 마스크와 물체가 이동(예를 들어 회전)하면서 투사 방향이 설정된다. 본 실시형태는 작은 물체의 마이크로 CT(Micro CT)에 특히 유리하다.

다른 대안적 방법에 따르면, 모든 구성요소가 고정된다. 이 경우, 에너지 광원기는 외부 탐지기 배열에 대응하여 프레임 마스크 주변에 분산되어 있는 다수의 광선원을 포함한다. 투사 방향은 에너지 광선원을 작동시킴으로써 설정되며, 그 결과 물체에 대한 조사(irradiation) 각도가 변경된다.

본 발명의 영상화 방법은 라돈 데이터를 공급하기 위해 사용되는 여러 가지 형태의 에너지 입력 광선에 적용될 수 있다. 여기에서 “에너지 입력 광선”이라는 용어는, 전달된 에너지가 ROI와의 상호작용에 의해 변화할 때, ROI를 통해서 직선(혹은 본질적 직선, essentially straight line)을 따라 진행되는 모든 형태의 물리량을 의미한다. 특히 “에너지 입력 광선”이라는 용어는 전자기적 방사나 입자적 방사를 포함하며, 바람직하게는 X-선를 포함한다. 만약 X-선 광원기가 에너지 광원기로서 사용된다면, 프레임 마스크를 장착하여 업그레이드된 종래의 컴퓨터 단층촬영 장치는 본 발명의 영상화 방법의 실행을 위해 사용될 수 있다.

장치와 관련하여, 본 발명은 에너지 광원기를 가진 영상화 장치를 공급하는 것을 기본으로 하며, 상기 에너지 광원기는 조사 대상을 둘러싼 캐리어(carrier)와, 물체를 통하여 전달된 에너지 광선원으로부터 방사(radiation)을 탐지하는 탐지 장치에 배열되어 있다. 영상화 장치는 ROI의 방위(orientation)에 따라 적어도 한 평면에서 물체를 둘러싼 프레임 마스크와 공급되는데, 상기 프레임 마스크는 에너지 광선 요소의 모양을 한 프레임 마스크 창을 포함한다. 그리고, 프레임 마스크 창은 ROI의 조사(irradiating)을 위한 다수의 가능한 투사 방향을 한정한다. 탐지 장치는 외부 탐지 장치와 프레임 마스크 탐지 장치를 포함한다. 외부 탐지 장치는 프레임 마스크의 바깥쪽에 배열되어 있으며, 반면에 프레임 마스크 탐지 장치는 프레임 마스크 안쪽 면의 프레임 마스크 창 사이에 배열된 탐지기들을 포함한다. 프레임 마스크를 이용하여 새로운 탐지 형상이 생기는데, 상기 탐지 형상은 ROI의 투사 각도와 동일한 간격의 방사 각도를 사용하며, 자동으로 에너지 광선을 에너지 광원기(예를 들어 부채꼴 광선 형상(fan beam geometry)을 가진 에너지 광원기)로부터 평행한 에너지 광선 요소로 전달한다.

프레임 마스크는 축방향으로 연장되어 ROI를 덮을 수 있는 링 모양이나 평평한 모양의 실린더를 가진다. 대안으로, 프레임 마스크는 축방향으로 연장되어 ROI를 완전히 덮을 수 있는 튜브 모양이나 기다란 실린더를 가질 수 있다. 특히, 원형 단면(circular cross-section)을 가지는 링모양이나 튜브 모양의 프레임 마스크을 가지는 것이 바람직하다. 원형 단면(circular cross-section)을 이용하면, 영상의 재구성화 알고리즘의 효과적인 실행이 가능해진다.

프레임 마스크와 고정 장치는 캐리어(carrier)에 대해 고정된 위치를 가지는 것이 유리하다. 이 경우, 광원기나 탐지 장치 중 적어도 하나는 이동이 가능하며, 예를 들어 데이터의 수집을 위해 프레임 마스크 주위를 회전할 수 있다. 대안으로, 만약 광원기와 탐지 장치들이 고정장치 주변에 분산된 다수의 광선원과 탐지기 배열을 포함한다면, 모든 구성 요소가 공간에 고정되어 있을 수 있다.

본 발명의 적절한 실시예에 의하면, 에너지 광원기는 캐리어(carrier)에 배열된 움직일 수 있는 한 개의 에너지 광선원을 포함한다. 투사 방향 조절을 위해서는 한 개의 에너지 광선원만으로 충분하다. 한 개의 에너지 광선원과 한 개의 외부 탐지기 정렬이 캐리어에 배열된 일반적인 유닛(common unit)을 형성하는 것이 유리하며, 이는 종래의 CT 장치에서 알려진 바와 같이 CT 갠트리(gantry)에 포함되어 있다.

본 발명의 적절한 실시형태에 따르면, 프레임 마스크 창들은 같은 크기를 가지며, 그로 인해 ROI의 균일한 조사(irradiation)와 평면 외부 탐지기(plane outer detector)로 투사되는 에너지 광선 요소의 동일한 넓이가 얻어진다. 프레임 마스크의 바깥 면에 차폐물이 제공되는 것이 바람직하며, 이는 프레임 마스크 탐지기를 조사(irradiation)로부터 보호하는 장점이 있다.

본 발명의 적절한 실시형태에 따르면, 영상화 장치는 재구성화 회로(reconstruction circuit)와 함께 공급되는데 상기 재구성화 회로는 탐지 장치로 탐지된 감쇠 값을 기초로 한 영상 재구성에 적합하다.

본 발명은 재료 과학, 비파괴 영상화, 비파괴 시험, 의료 검사, 고고학, 건설 기술, 안전문제와 관련된 기술 등의 다양한 기술 분야에 적용이 가능하다.

본 발명에 대한 보다 자세한 사항과 이점은 이하에서 첨부된 도면을 참조하 며 설명되어 있다.

도 1은 본 발명에 따른 영상화 장치의 개략적인 실시형태를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 영상화 장치의 형상에 대한 추가로 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 영상화 장치의 실시형태를 나타내는 흐름도이다.

도 4 내지 도 12는 본 발명에 따른 라돈 데이터의 수집 원리를 도시한 것이다.

도 13은 종래 영상화 장치의 개략적인 실시형태를 도시한 것이다.

본 발명에 대한 컴퓨터 단층 촬영의 적절한 응용예에 대하여 아래에서 설명한다. 본 발명은 다른 형태의 에너지 입력 광선(예를 들어 중성자나 가시광선 혹은 적외선 범위의 빛)을 응용하여 아날로그 방법으로 실시될 수 있음을 강조한다. 그리고 이하에서 설명되는 실시예에서는 스캐닝 형상(scanning geometry), 데이터 수집, 그리고 데이터 처리에 대해서 주로 언급할 것이다. 스캐닝 형상(scanning geometry)은 고정된 프레임 마스크와 회전하는 광원-탐지기 유닛과 관련하여 설명될 것이다. 본 발명은 고정된 광원-탐지기 유닛과 회전하는 프레임 마스크 그리고 물체와 함께 아날로그적인 방법으로 실시될 수 있다. 본 발명을 실시하는데 사용되는 CT 장치의 세부 내용 중 종래의 CT 장치에서 공지된 것은 자세히 기술하지 않았다.

1. 본 발명의 영상화 장치

도 1은 본 발명에 따른 영상화 장치(100)의 실시형태를 개략적으로 도시한 것이며, 캐리어(50)에 배열된 에너지 광원기(10); 캐리어(50)에 배열된 외부 탐지기(21) 밑 프레임 마스크(40)의 안쪽 면에 배열된 프레임 마스크 탐지 장치(24)를 포함하는 탐지 장치(20); 물체(1)를 위한 고정 장치(30); 그리고 와 재구성화 회로(60)를 포함한다.

일부 구성요소들(10, 30, 50)의 경우 CT 장비(예를 들어 현재 의료 CT 시스템)로부터 알려진 구조를 가진다. 구체적으로 에너지 광원기(10)는 광원-탐지기-유닛(51)으로서 외부 탐지 장치(21)와 연결된 이동 가능한 X-선 광선원(11)를 포함한다. 광원-탐지기-유닛(51)은 캐리어(carrier)에 배열되는데, 캐리어(50)는 예를 들어 종래의 CT 갠트리(gantry)에서 알려진 것과 같이 가이드 레일(guide rail)이 될 수 있다. 캐리어(50)는 에너지 광선원(10)과 외부 탐지 장치(21)가 물체(1) 주변을 회전할 수 있도록 한 원으로 도시되어 있다. 본 발명의 응용으로, 캐리어(50)는 타원형이나 다른 모양을 가질 수 있다. 이는 조사할 대상이 되는 물체의 형상에 따라 적용할 수 있는 장점을 가진다. 고정 장치(30)은 에너지 광원기(10)와 탐지 장치(20)에 대해 물체(1)을 배열하고 조정하기 위하여 예를 들어 CT 시스템이나 다른 캐리어 혹은 기판 고정기(substrate holder)등에서 알려진 것 같이 캐리어 테이블(carrier table)일 수 있다. 또한 조절 장치나 디스플레이 장치등과 같은 구성요소는(도시되지 않음)등이 종래 기술에서 공지된 것과 같이 제공될 수 있다.

외부 탐지 장치(21)은 탐지기 배열(22)를 포함하며, 상기 탐지기 배열(22)는 에너지 광원기(10)의 반대에 위치한 캐리어(50)에 이동가능하게 배열되어 있다. 이 런 구조로 인해, ROI를 통과하는 투사 방향(도면의 평면에 평행함)이 구성요소(10, 21)가 장착된 광원-탐지기-유닛(51)은 고정 장치(30) 주위로 회전시킴으로써 정해질 수 있다. 탐지기 배열(22)은 선형이거나 곡선으로 배열된 센서 요소들의 2차원적인 배열이며, 예를 들어 표면과 관련하여 원통모양이거나 구형(도 2 참조) 혹은 평면(도 5 참조)일 수 있다.

프레임 마스크(40)(개략적으로 도시됨)는 바깥쪽에 링 모양의 구성 요소를 포함하며, 에너지 광원기(10)과 외부 탐지기 배열(22)이 배치되어 있다. 프레임 마스크(40)은 프레임 마스크 창(41)을 포함하는데, 상기 프레임 마스크 창(41)은 미리 정해진 호 길이를 가지고 서로 일정한 간격을 유지하고 있다. 프레임 탐지 장치(24)는 다수의 프레임 탐지기(25)를 포함하고 있으며, 이는 프레임 마스크 창(41)의 사이에 있는 프레임 마스크(40)의 안쪽 면(42)에 위치해 있다. 각각의 프레임 탐지기(25)는 하나의 센서를 포함한다. 구리나 텅스텐과 같은 X-선 차폐 물질(43)이 프레임 마스크(40)을 만드는데 사용되거나 적어도 프레임 마스크 탐지기(25)의 위치에 따라 프레임 마스크(50)의 외부 표면을 덮기 위해 사용된다.

프레임 마스크(40)은 캐리어(50)과 대하여 고정된다. 2차원 영상을 기록하기위해, 프레임 마스크(40) 역시 고정 장치(30)에 대하여 고정된다. 프레임 마스크(40)을 제 자리에 고정시키고 프레임 마스크 탐지기(25)와 전기적으로 연결시키는 구조(기재되어 있지 않음)가 제공된다. 프레임 마스크(40)는 참조 평면에 정렬된 단면(주로 원형 단면)을 가진 링이나 원통 모양을 가지며, 상기 참조 평면(reference plane)에는 X-선 광원기(11)로부터 외부 탐지 장치(21)로 진행하는 광선들이 통과한다. 물체(1)는 ROI가 상기의 참조 평면(reference plane)에 정렬되도록 배열된다. 3차원 이미지를 재구성하는 대응 기술이 아래에 설명된다.

재구성 회로(60)은 종래의 CT 장치에서 알려진 컴퓨팅 유닛을 포함한다. 본 발명에 의하면, 컴퓨팅 유닛에는 방사 함수를 구성하는 단계와 ROI의 영상을 재구성하는 단계(이하 참조)를 실행하기 위한 회로가 포함되어 있다.

프레임 마스크(40)와 광원-탐지기-유닛(51)은 영상화 장치의 핵심 부분으로, 본 발명에 따른 조사(irradiation)와 측정을 결정한다. 이에 대해서는 도 2와 관련하여 설명된다.

프레임 마스크 탐지기(25)를 포함한 프레임 마스크(40)는 디스크의 경계면에 배열되어 있으며, 이는 ROI(2)를 포함한다. 아래에서 설명된 알고리즘에서 이 디스크는 유닛 디스크를 의미한다. 프레임 마스크(40)와 디스크 모두 고정되어 있다. 프레임 마스크 탐지기(25)는 프레임 마스크 탐지 장치(24)의 채널을 이룬다. 각각의 프레임 마스크 탐지기(25)는 1차원 혹은 2차원의 모양을 가지는 단일 센서를 포함하고 있다. 프레임 마스크(40)에는 내부 면을 따라 분산되어 있는 2m+1 프레임(m은 자연수) 마스크 탐지기(25)가 있다. 각각의 프레임 마스크 탐지기(25)는 유닛 원(unit circle)의 호 길이(arc length)

과 동일한 방사상 간격(radial width)을 가진다. 프레임 마스크 탐지기(25)들의 중심은

에 위치한다. 프레임 마스크 창(41)은 프레임 마스크 탐지기(25)에 의해 형성된 채널들을 분리한다. 프레임 마스크 창(41)은 탐지기(25)와 같은 너비인

를 가진다. 의료분야에서는 유닛 디스크의 반지름 : 60cm, 각 탐지기의 방사상 간격(radial width) : 1mm, 탐지기의 수/창의 수 : 1000 인 응용예가 가능하다. 2차원 영상을 재구성하는 경우, 프레임 마스크의 축방향의 폭은 0.5 내지 50mm이다. 다른 응용예, 예를 들어 마이크로 CT 응용에서는 다른 크기도 가능하다.

영상화 장치의 두 번째 주요부분은 X-선 광선원(11)과 외부 탐지 장치(21)을 포함한 광원-탐지기-유닛(51)이다(도 2 참조). 광원-탐지기-유닛(51)은 캐리어 위에서 유닛 디스크의 중심 주위(혹은 다른 고정 지점)에서 이동하는 것이 가능하다. X-선 광선원(11)과 외부 탐지 장치(21)사이의 거리는 유닛 디스크의 지름보다 커서, 광원-탐지기-유닛(51)의 X-선 광선원(11)(가까운 쪽)과 외부 탐지 장치(21)(먼 쪽)는 프레임 마스크(40) 바깥쪽에 위치한다. 외부 탐지 장치(21)는 탐지기 배열을 포함하는데, 여러 탐지기 채널로 나뉘어져 있으며, 그 폭은 오직 탐지기 장치(21)의 거리와 유닛 디스크의 반지름에 의존한다. 휘어진 탐지기 배열이라면 탐지기 채널의 폭은 곡률에 의존한다.

도 2에서, 외부 탐지 장치(21)는 호(arc)로 표현되지만, 도 5에서와 같이 탐지기에 맞춰 평평한 패널이 될 수 있다. 일반적으로, X-선 광선원(11)은 가능한 한 ROI와 가까이 위치하거나 이동된다.(도 1, 2) 하지만 이것이 필수적인 것은 아니며, X-선 광선원(11)이 더 넓게 정렬할 수 있다.(예를 들어 의료분야의 응용에서는 15cm 내지 100cm의 범위를 가진다.)

X-선 광선원(11)에서 방출된 X-선은 프레임 마스크(40)의 가까운 쪽 끝의 프레임 마스크 창(41)을 통해 이동되며, 프레임 마스크 창(41)은 광선의 모양을 결정 하는 장치로 사용된다. 따라서 여러 부채꼴 모양의 X-선 광선 요소들이 아래에서 특정된 두께에 의해 형성된다.

프레임 마스크 창(41)을 통과하여 진행하는 X-선 광선 요소는 유닛 디스크의 먼 쪽에 충돌한다. 광선 요소의 일부는 프레임 마스크(40)의 안쪽 면에 위치한 프레임 마스크 탐지기(25)에 충돌할 것이며, 반면에 다른 광선 요소들은 프레임 마스크(40)의 먼 끝에 위치한 프레임 마스크 창(41)을 통과해서, 외부 탐지 장치(21)(광원-탐지기-유닛(51)의 넓은 밑단(wide end))의 탐지기 배열(22)에 충돌할 것이다. 외부 탐지 장치(21)로 특정된 첫 번째 그룹의 감쇠 값을 동적 데이터라고 부르며, 반면에 고정된 프레임 마스크 탐지기(25)로 측정된 두 번째 그룹의 감쇠 값을 정적 데이터라고 부른다.

2. 본 발명의 영상화 방법

도 3에서는, 본 발명의 영상화 방법을 실행하는 과정이 요약되어 있다. 우선, 조사할 물체(예를 들어 환자의 머리나 그 외 다른 부분)를 준비한다.(단계 S1) 조사할 물체의 준비할 때에는 검사 영역(ROI)이 광원-탐지기-유닛(51)과 프레임 마스크(40)(도 1 참조)에 배치되도록, 물체를 CT 갠트리(gantry)의 고정 장치(30)에 위치시킨다. 그 후 물체에 조사한다.(단계 S2) X-선 광선원(11)은 물체와 탐지 장치(20) 쪽으로 부채꼴이나 원뿔 모양의 X-선 광선을 생성시킬 수 있도록 작동된다. X-선 광선은 프레임 마스크(40)를 통해 전달되므로, 프레임 마스크 창(41)으로 인해 X-선 광선 요소가 형성된다. 통합된 감쇠 값을 측정하는 단계(단계 S3)는 외부 탐지 장치(21)와 프레임 마스크 탐지기(25)로 받은 X-선를 감지하는 단계를 포함한다. 단계 S2와 S3는 물체(1)의 X-선 조사에 의한 다수의 투사 방향을 측정하기 위하여 연속적으로 실행된다. 투사 방향은 캐리어(50)위에서 광원-탐지기-유닛(51)이 회전하여 설정된다. 단계 S3는 자동적으로 데이터의 이산(discretization)을 포함한다. 본 발명의 탐지 형상(detector geometry)으로 인해, 이산화(discrete)된 감쇠 값 데이터가 저장된다. 외부 탐지 장치(21)와 프레임 마스크 탐지기(25)로 측정된 감쇠 값은 감쇠 값의 첫 번째 및 두 번째 그룹을 형성하는데, 이는 투사 함수의 구성화 단계(단계 S4)와 ROI의 영상을 재구성하기 위한 데이터 처리 단계(단계 S5)에 이용된다.

단계 S1 내지 S3 중 적어도 어느 한 단계 동안, 물체는 조영제나 중재술(intervantion)에 의한 처리가 가능하다. 본 발명의 실시형태는 특히 의료분야의 영상화 방법에서 동적인 이미지나 모양이 변하는 물체의 영상을 수집하는데 유리하다.

투사 함수의 구성화 단계(단계 S4)는 이하에서 더 자세히 설명된다. 각각의 투사 함수는 다수의 평행한 투사를 포함하며, 탐지 장치(20)로 측정한 광선 요소의 할당(assignment)에 의해 얻어진다. 할당(assignment)으로 인해, 부채꼴의 광선 형상은 라돈 데이터로부터 영상을 재구성하기 위해 요구되는 평행한 형상(geometry)이 된다.

도 4에서 부채꼴의 X-선 광선 요소를 평행한 X-선 광선 요소의 그룹들로 할당(assignment)하는 도면이 기재되어 있다. 도4에서 바깥쪽 원 주위의 진한 점들은 X-선 광선원(11)에서 나온 광선 요소가 통과하는 프레임 마스크 창의 중심을 나타내며, 반면에 작은 원은 프레임 마스크 탐지기(25)를 나타낸다. 본 도면에서는 ROI(2)(안쪽 디스크)와 교차하는 선들만을 묘사하였다. X-선 광선원(11)에서 프레임 마스크 탐지기(25)로 방사된 X-선 광선 요소들은 자동으로 평행한 라인을 가진다. 예를 들어, 파선(L1)은 평형한 광선의 첫 번째 세트를 나타낸다. 또한 X-선 광선원(11)에서 외부 탐지기(23)로 방사된 X-선 광선 요소들 역시 평행한 라인을 가진다. 투사방향은 프레임 마스크 탐지기들(25) 사이에 있는 광선원(11)으로부터 연장된 선으로 표현되어 있다. 예를 들어, 점선(L2)는 평행한 광선들의 두 번째 세트를 나타낸다.

도4에서 나타낸 것과 같이, 할당(assignment)으로부터 얻어진 일련의 평형한 선들에 관해, 평행한 파선은 쳬비세프 점들(Chebyshev points) cos (2j + 1)π/ (2m + 1), j = 0, 1, ......2m,에 위치하고, 평형한 방향과 직각을 이루며 유닛 디스크의 기원(origin)에 중심이 있는 축 방향에 위치한다. 유럽 특허법 ㅈ[04031043.5호에서 체비셰프 점들에 대한 보다 자세한 사항이 소개되어 있다.

3. 동적 데이터의 수집

동적데이터의 수집은 도 5 내지 도 8에 기재되어 있다. 도 5는 프레임 마스크(40)에 둘러싸인 고정장치(30)에 장착된 물체(1)을 나타낸다. X-선 광선원(11)은 캐리어(50)에 배열되어있다. 직선 모양의 탐지기 배열(22)를 가진 외부 탐지 장치(21)는 X-선 광선원(11) 반대에 위치해있는 캐리어(50)상에 배열된다. 탐지 배 열(22)은 다수의 센서 요소(23)를 포함하고 있다. 각각의 센서 요소(23)는 단일 센서 혹은 연결된 단일 센서의 하위 배열로 이루어져 있으며, 프레임 마스크 창들의 상대적 쌍을 통과한 에너지 광선 요소를 탐지하기 위해 배열되어 있다. 또한 각각의 센서 요소(23)는 외부 탐지 장치(21)의 하나의 탐지 채널을 나타낸다. 프레임 마스크 창들의 쌍을 통과하는 투사는 원뿔의 각도가 증가함에 따라 폭이 감소하므로, 센서 요소(23)의 크기는 탐지기 배열(22)의 양 발단의 중심으로부터 감소한다.

프레임 마스크(40)은 N 프레임 마스크 창(41)을 포함한다. 프레임 마스크 창(41)의 숫자 "N"은 홀수인 것으로 가정한다. 본 발명의 실시는 본 실시형태에 한정하지 않는다. 아날로그 방식에서는 “N"이 짝수인 경우를 고려할 수 있다.

X-선 광선원(11)으로부터 방출된 부채꼴의 광선(3)은 다수의 X-선 광선 요소들(4)로 변환된다. X-선 광선원(11)과 프레임 마스크 창들(41)의 상대적인 위치에 의하여, 전체 혹은 일부분의 X-선 광선 요소(4.1, 4.2)가 프레임 마스크(40)의 각각의 안쪽 면이나 외부 탐지기 배열(22)의 센서 요소(예를 들어 23)에 있는 프레임 마스크 탐지기(예를 들어 25)에 충돌한다. 외부 탐지 장치로(21) 전달되는 에너지 광선 요소의 재정렬(reordering)이나 할당(assignment)은 동적 데이터(dynamic data)를 이끌어 내며, 상기 동적 데이터(dynamic data)는 평행한 X-선 광선 요소들(5)로 도 6에 기재되어 있다.

도 6에서, 정적 프레임 마스크(40, 반지름 r)는 X-선 광선 요소들(5)의 평형한 세트와 함께 기재되어 있다. 각각의 검은 줄무늬는 외부 탐지 장치의 탐지기 채널에 대응되어 있다. 이 줄무늬 형상은 “창-창 쌍”(window-to-window pair)으로 정의되며, 두 매개변수 t 와

에 의해 설명될 수 있다. 매개변수 t는 정적 프레임 마스크(40)와 그에 대응되는 프레임 마스크 창(41)의 중심들을 이은 선 사이의 부호를 가진 거리이다.(예를 들어 도 6의 L3) 매개체

는 초기 방향 e₀와 현재 방향과의 각도를 의미하며, 이는 선 L3와 수직이다.(도6의 방향 e)

줄무늬는 다음의 두 식들에 의해 설명된다.

δ는 각도이며 고정된 좌표계(coordinate system)의 e₀를 결정한다. 식 (1), (2) 중 하나는 과도(redundant)하며, 다음의 식들이 효과적이다.

식 (2)에 의한 줄무늬를 표현하는 숫자 쌍들(도 6의 5 참조)은 모든 줄무늬(X-선 광선 요소)의 수의 정확히 두 배이며, 이는 줄무늬가 X-선 광선원이 고정된 프레임 마스크(40) 주위를 한 주기 회전할 때마다 2번 지나가기 때문이다.

외부 탐지 장치(21)는 오직 위에서 설명한 줄무늬들 중 하나에 완벽하게 일치하는 경로를 가진 광자만을 받아들인다. 따라서 외부 탐지 장치(21)의 센서 요소(23)와 줄무늬 사이에 다음의 대응관계(correspondent)가 존재한다. 센서 요소를 0점(zero offset)으로부터 시계방향으로 세는 경우, k번째 센서 요소는 다음 줄무늬들과 관계 있다.

( b = k mod 2 , l = (k + b) / 2 ) 반대로 줄무늬

에 놓여있는 경로를 가진 광자들은 센서 요소

에서 받아들여진다. 본 대응관계의 결과 외부 탐지 장치의 센서 요소와 매개변수

사이에 1 대 1 맵(1 to 1 map)이 있다. 그러므로, 각각의 센서 요소는 매개체

와의 대응을 기초로 간단히 식별(identified)되고 판독(read)될 수 있다. 위에 서 언급된 식 (3)과 식 (4)의 관계에 의하면, 센서 요소

과

에 대해 같은 줄무늬들로부터 정보를 수집할 수 있다. 이 현상은 대응하는 X-선 광선 요소와 관련된 X-선 광선원 위치의 이중적 성격에 의해 설명될 수 있다. 대응하는 센서 요소들을 동등하다고 부른다. 동등한 센서로 탐지된 평행한 X-선 광선 요소의 두 세트가 도 6에 묘사되어 있다.

광원-탐지기-유닛(51)이 회전하는 동안, 외부 탐지 장치의 단일 센서 요소 는 X-선 광선 요소의 큰 세트로부터 정보를 받는다. 이 정보가 처리되는 방법이 도 7에 묘사되어 있다.

단일 센서 요소(23)의 3가지 조정 위치가 도7에 묘사되어 있다. 센서 요소(23)는 X-선 광선원(11)의 P1과 P2 위치 사이에서 양성자들을 받아들이며, 반면에 P2위치와 P3 위치 사이에서 프레임 마스크(40)에 의해 차단된다. 따라서 P1 위치는 “스위치-온”(Switch-on), P2 위치는 “스위치-오프”(Switch-off), 그리고 P3 위치는 다시 “스위치-온”(Switch-on)으로 해석될 수 있다. 스위치-온과 스위치-오프의 시간 간격 사이에서 오직 한 개의 정확한 X-선 에너지 광선 요소(줄무늬)의 정보를 수집할 수 있다. 단일 센서 요소

의 “스위치-온” 위치

는 각도 증가량

으로로 X-선 광선원의 원형 궤도에 균일하게 분포되어 있으며, 다음 식으로 설명될 수 있다.

R은 광선원의 궤도 반지름이며, 대응하는 “스위치-오프” 위치들의 세트는 “스위치-온” 세트에 대해

의 각을 이루며 단순하게 이동한다.

식(5)를 기초로, 동적 데이터는 센서 요소들로부터 판독될 수 있으며, 영상 재구성화 단계 (5, 도 2)를 위해 입력값을 공급하는 미리 결정된 평행한 채널들의 순서에 할당(assignment) 될 수 있다.

동적 데이터 수집의 수정된 도면이 도 8에 도시되어 있다. 이 도면은 본 발명의 수정된 실시예에 대응된다. 이는 광원-탐지기-유닛(51)이 고정되고, 디스크가 프레임 마스크와 함께 회전하는 형상에 기초한다. 도 8에서는 두꺼운 호는 프레임 마스크 40의 한 위치를 나타내며, 2개의 파선 L4는 X-선이 외부 탐지 장치(21)로 전달될 때 통과하는 특정한 프레임 마스크 창(41)을 표시한다. 외부 탐지 장치(21)은 다수의 센서 요소(23)를 포함하는 것으로 묘사된다. 파선과 일점 쇄선으로 된 호는 광원-탐지기-유닛(51)과 관련된 프레임 마스크(40)의 둘 이상의 위치를 가리키며, 이는 두개의 실선(L5)이 가리키는 것과 같이 탐지기의 채널 크기를 나타내는 정확한(extreme) 두 위치이다. 왼쪽의 실선은 X-선 광원기(11)가 프레임 마스크 창(41)의 두 끝점과 선을 이룰 때, 그리고 프레임 마스크(4)이 파선 호로 표시된 지점에 있을 때의 위치를 나타내며, 오른쪽의 실선은 프레임 마스크가 일점 쇠선 호로 표시된 위치에 있을 때의 위치를 표시한다.

프레임 마스크(40)와 광원-탐지기-유닛은 서로에 대하여 회전하며(실질적으로 광원-탐지기-유닛이 회전), X-선 광선원(11)으로부터 방사되어 2개의 특정한 프레임 마스크 창을 통과하는 X-선는 외부 탐지 장치(21)의 채널에 의해 수집된다. 따라서, 탐지기의 채널들은 특정된다. 측정된 광자들의 축적은 바닥의 프레임 마스크 창으로부터 꼭대기의 프레임 마스크 창으로 이동하는 X-선 광선 요소의 데이터를 나타낸다. 이 데이터는 평행한 광선(ray)에 역시 할당(assignment)되며, 이들의 방향은 도 4의 점선 L2에 표시되어 있다.

동적 데이터의 결과는 다음식으로 표현된다.

4. 정적 데이터의 수집

통합된 감쇠 값의 두 번째 그룹을 탐지함으로써 수집된 정선 데이터가 도 9에 도시되어 있다. 프레임 마스크 탐지기(25)의 한 채널과 프레임 마스크 창(41) 중 한 개를 통과하는 X-선 광선 요소가 표시되어 있다. 2개의 파선(L6)은 프레임 마스크 창(41)으로부터 프레임 마스크 탐지기(25)로 전달되는 X-선 광선 요소를 나타내며, 반면에 실선(L7)은 유닛 디스크 주위를 이동하는 X-선 광선원의 정확한 위치를 나타낸다. 광선원이 실선(L7)사이의 호안에 위치할 때, 광선원이 방사한 X-선 광선 요소가 프레임 마스크 탐지기(25)에 충돌한다. 측정된 양성자의 축적은 프레임 마스크 창(41)으로부터 프레임 마스크 탐지기(25)로 진행되는 X-선 광선 요소의 통합된 감쇠 값을 나타낸다.

할당(assignment)의 단계가 끝난후, 프레임 마스크 탐지기(25)에 의해 수용된 X-선 광선 요소의 평행한 세트의 배열(configuration)이 도10에 기재되어 있다. 도 6에 기재되어 있는 것과 달리, 정적 데이터는 “창-탐지기” 쌍을 기초로 표현된다. 회색 줄무늬(6)과 검정 줄무늬(7)는 평행한 X-선 광선 요소의 2 세트를 의미한다. 각각의 줄무늬들은 매개변수의 쌍

을 포함한 다음 식으로 나타낼 수 있다.

프레임 마스크 탐지기(25)의 각각의 센서 요소는 매개변수

을 포함한 다음 식으로 간단히 확인될 수 있다.

위 식에서

는 센서 요소 중심의 좌표각도(coordinate angle)를 의미한다.

도 11의 경우, 프레임 마스크 탐지기(25)에 있는 단일 센서 구조의 활동이 동적 데이터의 수집에서 “스위치-온”-“스위치-오프” 현상을 일으키는 것을 나타낸다. 광원-탐지기 유닛(51)의 시계 반대 방향의 회전으로, 프레임 마스크 탐지기(25)의 활동이 X-선 광선원(11)의 P1 위치에서 “스위치-온”되며, 반면에 P2 위치에서 “스위치-오프”되고, P3 위치에서 다시 “스위치-온”된다.

X-선 광선원이 정적 프레임 마스크(40) 주위를 회전하는 동안, 도 12에 기재된 것과 같이 방사된 X-선 광선 요소가 스위치 오프-온의 순서를 번갈아 보이며 특정한 프레임 마스크 탐지기(25)에 충돌한다. 각각의 충돌은 X-선 광선원(11)이 가로지르는 프레임 마스크 창(41)로부터 프레임 마스크 탐지기(25)로 모이는 특정 X-선 광선 채널에 대응한다. X-선 광선원(11)의 시계반대방향 회전에 의해, 탐지기 요소(25)(

)로 모이는 줄무늬들의 세트

는 다음 식으로 설명될 수 있다.

탐지기 요소(

)를 위한 "스위치-온“-위치의 좌표(

)는 다음과 같다.

만약 j가 짝수거나 -1인 경우 s=1이다. 프레임 마스크 탐지기의 "스위치 오프“ 위치를 나타내는 좌표는

이다.

센서 요소의 출력 신호의 적절한 저장은 센서 요소의 활성을 나타내는 상기 온-오프 스위치 상황(regime)과 식(5)과 식(10)에 의해 결정되는 대응 조절 지점의 정보에 기초한다. 상기 저장 단계는 다른 방식으로 실시될 수도 있다. 우선, 각각의 별도 센서 요소는 N-차원 행렬에 관련될 수 있다. 상기의 센서들에 대한 각각의 충돌 충격은 해당 행렬의 대응 셀에 저장된다. 정적 프래임 마스크 주위를 광원-탐지기-유닛(51)이 회전하는 한 주기 후에, 행렬로의 저장은 완결된다.

충돌 충격은 한정된 길이를 가진다. 즉, 한정된 간격이나 충격지지(impulse support)에 의해 한정된다. 충격지지(impulse support) 지점의 신호 값은 센서 요소에 의해 즉시 탐지되는 양성자 수에 관련이 있다. 충격지지의 적분값은 단일 X-선 광선 채널을 가로지르는 동안 센서 요소에 의해 탐지된 모든 광자 수를 나타낸다.

유닛 디스크

로 한정되는 함수 f(x,y)에 의해 표현되는 2차원 영상을 위해, 라돈 방사가 다음과 같이 선적분 된다.

은

안의 선구획이다. 두꺼운 선은 라돈 투사의 평균적 적분 값을 의미한다. 본 발명의 명세서에서는 X-선 광선 요소가 두껍던지 아니던지 간에, 라돈 데이터에 같은 식이 적용된다. 즉, 라돈 데이터에는 다음 식이 적용된다.

다수의 프레임 마스크 탐지기에서 수집된 감쇠 값은 도 4에 기재된 형상에 따라 OPED 알고리즘을 위해 평형한 방사선(ray)에 할당(assignment)된다.

개의 시계(views)와 각 시계(view)마다 ROI를 가로지르는

의 X-선 광선 요소들이 존재하며, 그들의 라돈 데이터는 프레임 마스크 탐지기들에 의해 기록된다. 데이터 세트는 다음 식을 따른다.

이 식에서, X-선 구성이 ROI의 외부에 위치하는 데이터는 0값을 가진다.

5. OPED 알고리즘의 적용

광원-탐지기-유닛(51)은 디스크를 따라 이동하며, 정적 데이터와 동적 데이 터를 포함한 라돈데이터가 수집된다. 정적 데이터와 동적 데이터는 ROI의 영상을 재구성하기 위해 함께 쓰인다.(도 2의 단계 S5) 재구성을 위해 사용되는 알고리즘은 아래에 설명되어 있는 두 가지 다른 형태의 형상의 OPED 알고리즘에 기초하고 있다. 유럽특허 제04031043.5호에 기재된 영상 구성 알고리즘의 설명이 참고문헌에 의해 본 명세서에 설명되어 있다. 정적 데이터와 동적 데이터를 기초로 영상의 재구성화를 위한 OPED 알고리즘의 변형이 이하에서 설명되어 있다.

유닛 디스크 B의 모든 제곱 적분 함수(square integrable function)는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

는 n차(degree)의 직교 다항식의 부분공간에서의 f의 투사를 의미한다. 동등성(equality)은 L²(B)의 정규화(norm)에서 다음을 의미한다.

함수 S_nf는 직교 확장값의 n 번째 부분 합이며 이것은 L2 정규화(norm)에서 가장 좋은 다항식 f 의 접근(approximation)이다.

변형된 알고리즘은 아래의 S_nf(x,y)의 식에 기초한다.

식 (16)으로부터 변형된 OPED 알고리즘을 도출하기 위해서는, 두 가지 다른 구적법 식이 S_2m(n=2m)의 적분을 위해 사용된다.

본 발명의 영상화 방법에 따라, 두 그룹의 데이터가 수집된다. 식(6)에 따른 동적 데이터 R2에 추가적으로, 정적 데이터

이 고려되며, 이들의 방향은 도 4에 표시된 작은 원들에서 작은 원들로 이어진 선들로 표현된다. 이를 위하여, 수반하는 프레임 마스크 탐지기의 탐지 값들 사이의 내삽법(interpolation)이 이용된다.

식(13)의 정적 데이터 R₁을 위해, 식(18)이 이용된다. 합은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

위 식에서

식(6)의 동적 데이터 R₂를 위해, 식(19)가 이용된다. 합은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

위 식에서

마지막 재구성화 단계는 다음 식에서 상기 값의 평균으로 주어진다.

아래의 수학적인 설명은 원에 의해 둘러싸여 있는 디스크에 관한 것이다. 타원으로 둘러싸인 위치를 위해서는 아날로그적인 고려가 강조될 수 있다. 타원식

에 대해, 변수

와

의 변화는 디스크

의 경우로 돌려놓을 수 있다. 대응하는 변수의 변화가 도입된다면, 더 변화된 형상도 가능하다. 대응하는 프레임 마스크의 구성이 가능하지만, 알고리즘의 시계(view)에서 원이나 타원체 마스크 단면만큼 적합하지는 않다.

여기서 설명된 수학적인 도구들의 보다 자세한 설명은 R. Marr의 저서 "On the reconstruction of a function on a circular domain from a sampling of its line integrals"("J. Math. Anal. Appl." vol. 45, 1974, p. 357-374)와 F. Natterer의 "The mathematics of computerized tomography"(Reprint of the 1986 original "Classics in Applied Mathematics 32" SIAM, Philadelphia, PA, 2001); F. Natterer 와 F. Wuebbeling 의 "Mathematical Methods in Image Reconstruction"(SIAM, Philadelphia, PA, 2001); C. Dunkl 와 Yuan Xu의 "Orthogonal polynomials of several variables",(Cambridge University Press, 2001); Yuan Xu의 "Funk--Hecke formula for orthogonal polynomials on spheres and on balls"("Bull. London Math. Soc." vol. 32, 2000, p. 447-57); 그리고 Yuan Xu "Representation of reproducing kernels and the Lebesgue constants on the ball"(J. Approximation Theory, vol. 112, 2001, p. 295--310)을 참조한다.

6. 다른 알고리즘의 적용

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 단계 S5(도 3)는 FBP 알고리즘의 적용을 포함할 수 있다. FBP 알고리즘에 의하면 결과물인 부분적 영상의 이후(subsequent) 중첩과 함께 첫 번째와 두 번째 그룹의 데이터를 구분해서 수집할 수 있다. 대안으로 FBP 알고리즘이 동시에 수집된 모든 데이터에 적용될 수도 있다.

7. 3차원 영상의 기록

본 발명의 탐지 형상에 있어서, 물체의 3차원 영상을 얻기 위해 나선형 투사 데이터가 실행될 수 있다. 따라서, 물체와 광원-탐지기-유닛 중 적어도 한 개는 미리 지정된 방향으로 이동된다. 예를 들어, 나선형 투사 데이터를 얻기 위해 물체를 방사하는 단계 S2에서의 투사 방향에 직각방향으로 이동될 수 있다. 바람직하게는, 조사 대상 물체 예를 들어 환자를 CT 갠트리를 통해 운반하고, 환자 테이블에 눕힌 다음, 연속적으로 이동시킨다.

나선형 방사 데이터를 수집하기 위해서, 링 모양의 평면형 프레임 마스크가 사용될 수 있으며, 상기에 설명되어 있다. 이 경우, 프레임 마스크는 물체에 대해서, 예를 들어 방사 투사을 포함하는 평면에 직각으로 이동이 가능하다. 대안으로, 프레임 마스크는 영상화될 물체의 총 길이보다 더 긴 튜브-모양이 될 수 있다. 튜브 모양의 프레임 마스크는 튜브의 길이방향을 따라 연장된 나선형 또는 곧은 프레임 마스크 창을 갖는다. 더욱이, 튜브-모양의 프레임 마스크는 고정된 튜브 모양의 프레임 마스크 및/또는 고정된 다중 초점(multi-focus) 광원기와 결합하여 사용될 수 있다.

소위 나선형 CT에 의해 데이터 세트가 수집될 수 있으며, 감쇠 값의 첫 번째 그리고 두 번째 그룹이 포함된다. 구체적으로, 나선형 CT 데이터 세트는 물체의 3차원 영상에 결합될 2차원 영상들을 얻기 위해 상기에서 설명된 아날로그적 방법으로 재구성화 될 수 있다.

Claims

에너지 광선원(10)으로부터 에너지 입력 광선(3)가 생성되는 단계를 포함하는, 물체(1)의 검사 영역(2)을 영상화 하는 영상화 방법에 있어서,

다수의 투사 방향을 따라 에너지 입력 광선(3)의 에너지 입력 광선 요소들(4)로 검사 영역(2)을 조사하는 단계,

에너지 입력 광선 요소들(4)의 첫 번째 감쇠 값 그룹을 프레임 마스크(4) 외부에 정렬된 외부 탐지 장치(21)로 측정하는 단계,

에너지 입력 광선들(4)의 두 번째 감쇠 값 그룹을 프레임 마스크(4) 안쪽 면에 정렬된 프레임 마스크 탐지 장치(24)로 측정하는 단계, 그리고

첫 번째 및 두 번째 통합된 감쇠 값에 기초하여 검사 영역(2)의 이미지를 재구성하는 단계를 포함하며,

상기 에너지 입력 광선 요소들(4)은, 에너지 입력 광선(10)과 물체(1) 사이에 정렬되고 프레임 마스크 창(41)을 가지는 프레임 마스크(40)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 이미지를 재구성하는 단계는, 첫 번째 통합된 감쇠 값으로부터 얻어진 첫 번째 투사 함수 값을 합산한 다항식의 첫 번째 합과, 두 번째 통합된 감쇠 값으로부터 얻어진 두 번째 투사 함수 값을 합산한 다항식의 두 번째 합을 중첩함으로써 영상 함수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
청구항 2에 있어서, 상기 첫 번째 및 두 번째 투사 함수는 평행한 에너지 입력 광선 요소들의 첫 번째 및 두 번째 그룹을 측정한 첫 번째 및 두 번째 통합된 감쇠 값 그룹으로부터 각각 얻어지는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 재구성화 단계는 여과후 역투과 알고리즘에 의해 영상 함수를 정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조사 단계는 에너지 광선원(10)과 프레임 마스크(40)을 서로에 대하여 이동하며 투사 방향을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 조사 단계는 외부 탐지 장치(21)와 프레임 마스크(40)를 서로에 대하여 이동시키는 동안, 투사방향에 따라 두 번째 통합된 감쇠 값 그룹을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 프레임 마스크(40)과 물체(1)는 고정된 위치를 가지며, 에너지 광선원(10)과 외부 탐지 장치(21) 중 적어도 어느 하나는 프레임 마스크(40) 주위를 이동하는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 에너지 광선원(10)과 외부 탐지 장치(21)는 프레임 마스크(40) 주위를 동시에 움직이는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
청구항 8에 있어서, 상기 에너지 광선원(10)과 외부 탐지 장치(21)은 프레임 마스크(40) 주위를 캐리어(50) 위에서 회전하는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 에너지 광선원(10)과 외부 탐지 장치(21)은 고정된 위치를 가지며, 프레임 마스크(40)와 물체(1)는 에너지 광선원(10)과 외부 탐지 장치(21)에 관련되어 이동하는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
청구항 10에 있어서, 상기 프레임 마스크(40)와 물체(1)는 에너지 광선원(10)과 외부 탐지 장치(21)에 관련되어 회전하는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에너지 광선원(10), 외부 탐지 장치(21), 프레임 마스크(40), 및 물체(1)은 서로에 대하여 고정되어 있으며, 상기 조사 단계는 다중-초점 광선원을 이용하여 투사 방향을 설정하는 단계 를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
청구항 1에 있어서, 에너지 광선원(10)은 X-선 광선원(11)을 포함하는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
청구항 1에 있어서, 다수의 검사 영역(2)을 영상화하여, 물체(1)의 3차원 영상을 재구성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상화 방법.
물체(1)를 조사하기 위한 에너지 광원기(10), 에너지 광원기(10)로부터 물체(1)를 통과하는 방사선를 측정하기 위한 탐지 장치(20), 그리고 물체(1)를 고정하기 위한 고정 장치(30)를 포함하는 물체(1)의 검사 영역(2)을 영상화하는 영상화 장치(100)에 있어서,

고정 장치(30)를 둘러싸고 있으며 프레임 마스크 창(41)을 포함하는 프레임 마스크(40)를 포함하고, 상기에서 에너지 광원기(10)는 프레임 마스크(40)의 외부에 배열되어 있으며, 프레임 마스크(40)의 외부 면에 정렬된 외부 탐지 장치(21)와 프레임 마스크(40)의 내부 면에 정렬된 프레임 마스크 탐지 장치(24)를 포함하는 탐지 장치(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
청구항 15에 있어서, 프레임 마스크(40)은 링 모양의 마스크를 포함하는 것 을 특징으로 하는 영상화 장치.
청구항 15 또는 청구항 16에 있어서, 프레임 마스크(40)는 고정 장치(30)와 관련하여 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
청구항 15에 있어서, 상기 에너지 광원기(10)와 외부 탐지 장치(22) 중 적어도 어느 하나는 캐리어(50)위에 이동 가능하도록 정렬되는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
청구항 18에 있어서, 에너지 광원기(10)와 외부 탐지 장치(22)는 전달체(50)위에서 프레임 마스크(40)주위를 회전하기 위한 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
청구항 19에 있어서, 에너지 광원기(10)와 외부 탐지 장치(22)는 컴퓨터 단층촬영 갠트리(gantry)에 정렬되는 것은 특징으로 하는 영상화 장치.
청구항 15에 있어서, 상기 프레임 마스크(40)와 고정 장치(30)는 에너지 광원기(10)와 외부 탐지 장치(22)와 관련하여 이동가능하고, 에너지 광원기(10)과 외부 탐지 장치(22)는 고정된 위치를 가지는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
청구항 15에 있어서, 프레임 마스크 창들(41)은 같은 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
청구항 15에 있어서, 프레임 마스크 탐지 장치(24)는 다수의 프레임 마스크 탐지기들(25)를 포함하고, 프레임 마스크 탐지기들(25)은 프레임 마스크 창(41)에 의해 서로 분리되어 있는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
청구항 15에 있어서, 프레임 마스크(40)의 외부 면 위의 차폐물(43)에 의해 상기 프레임 마스크 탐지 장치(24)를 조사로부터 보호하는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
청구항 15에 있어서, 에너지 광원기(10)은 X-선 광선원(11)을 포함하는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.
청구항 15에 있어서, 탐지 장치(20)로 측정된 첫 번째 및 두 번째 통합된 감쇠 값 그룹을 기초로 검사 영역(2)의 영상을 재구성하기 위한 재구성 장치(60)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상화 장치.