KR101356881B1 - Method and apparatus for restructuring image for parallel processing of positron emission tomography with high resolution - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영상 재구성에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 고해상도 양전자 방출 단층 촬영에서 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
일 실시예에 따르면, 영상을 재구성하는 방법은 측정 대상체에 조사된 방사선에 응답하여 검출기들로부터 검출된 반응선((Line-Of-Response; LOR)들을 콘 빔(cone beam) 형태의 여현 곡선 포맷(sinogram format)으로 변환하는 단계; 상기 변환된 반응선들을 기초로 역투영(back projection)를 수행하는 단계; 및 상기 역투영의 수행 결과를 이용하여 영상을 재구성하는 단계를 포함한다.
The present invention relates to image reconstruction, and more particularly, to a method and apparatus for reconstructing an image for parallel processing in high resolution positron emission tomography.
According to an embodiment, the method of reconstructing an image may include a line-of-response (LOR) detected from detectors in response to radiation irradiated to a measurement object to form a cosine curve in the form of a cone beam. converting to a sinogram format, performing back projection on the basis of the converted response lines, and reconstructing an image using the result of performing the back projection.

Description

고해상도 양전자 방출 단층 촬영에서 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR RESTRUCTURING IMAGE FOR PARALLEL PROCESSING OF POSITRON EMISSION TOMOGRAPHY WITH HIGH RESOLUTION}METHOD AND APPARATUS FOR RESTRUCTURING IMAGE FOR PARALLEL PROCESSING OF POSITRON EMISSION TOMOGRAPHY WITH HIGH RESOLUTION}

본 발명은 고해상도 양전자 방출 단층 촬영에서 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for reconstructing an image for parallel processing in high resolution positron emission tomography.

양전자 방출 단층 촬영(Positron Emission Tomography; PET)의 영상 재구성 알고리즘으로는 정렬된 부분 집합을 이용한 기대치 최대화(Ordered Subset Expectation Maximization; 이하 'OSEM')알고리즘을 주로 사용한다. 여기서, OSEM은 투영 데이터를 몇 개의 부분 집합(subset)으로 구분한 뒤, 부분 집합 단위로 투영 및 역투영을 수행하여 영상을 재구성하는 방법이다. 따라서, OSEM은 부분 집합의 개수가 증가할수록 알고리즘의 수렴 속도가 증가하게 된다. 하지만, OSEM은 많은 계산량을 필요로 하기 때문에, 개인용 컴퓨터로 연산을 했을 때에 굉장히 긴 수행 시간이 소요된다.The image reconstruction algorithm of Positron Emission Tomography (PET) mainly uses the Ordered Subset Expectation Maximization (“OSEM”) algorithm. Here, OSEM is a method of reconstructing an image by dividing projection data into several subsets, and then performing projection and reverse projection on a subset basis. Therefore, in the OSEM, the convergence speed of the algorithm increases as the number of subsets increases. However, since OSEM requires a lot of computation, it takes a very long time to perform calculations on a personal computer.

일반적으로 양전자 방출 단층 촬영(PET)에서 데이터(예를 들어, 반응선(Line-Of-Response; LOR))는 도 3과 같이 링(ring) 형태의 검출기로부터 얻어질 수 있다. 이때, OSEM의 계산량을 줄이기 위해 도 4와 같이 반응선(LOR)을 arc-correction하여 균일한 간격의 여현 곡선(sinogram)으로 변환하여 처리할 수 있다. 하지만 이 과정에서 추가적인 보간(interpolation)이 들어가게 되므로 재구성 영상의 해상도를 감소시킬 수 있다. In general, in positron emission tomography (PET), data (eg, a line-of-response (LOR)) may be obtained from a ring type detector as shown in FIG. 3. In this case, in order to reduce the amount of OSEM calculation, as shown in FIG. 4, the reaction line LOR may be arc-corrected and converted into a cosine curve (sinogram) having a uniform interval. However, additional interpolation is involved in this process, which may reduce the resolution of the reconstructed image.

이를 해결하기 위해 도 4와 같은 arc-correction을 수행하지 않고, LOR를 정확하게 계산하여 영상을 재구성하는 방법이 제안되었으며, 이를 'LOR기반의 OSEM'이라 부른다. In order to solve this problem, a method of reconstructing an image by calculating LOR accurately without performing arc-correction as shown in FIG. 4 has been proposed, which is called 'LOR-based OSEM'.

LOR 기반의 OSEM의 처리 속도를 향상시키기 위한 병렬 처리 방법이 사용될 수 있는데, 이러한 병렬 처리 방법들은 모두 도 5과 같은 라인-드리븐 역투영(line-driven back projection) 방법을 사용한다. 하지만, 라인-드리븐 역투영 방법은 병렬 처리에 적합하지 않다. A parallel processing method for improving the processing speed of the LOR-based OSEM may be used, and all of these parallel processing methods use the line-driven back projection method as shown in FIG. 5. However, the line-driven backprojection method is not suitable for parallel processing.

본 발명의 일 실시예는 LOR 기반의 OSEM의 영상 재구성 시에 여현 곡선(sinogram)의 포맷을 병렬 처리에 적합하도록 변환하여 병렬 처리에 최적화된 연산을 가능하게 할 수 있다. According to an embodiment of the present invention, when the LOR-based OSEM image reconstruction is performed, the format of the cosine curve (sinogram) may be converted to be suitable for parallel processing to enable computation optimized for parallel processing.

일 실시예에 따른 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법은 측정 대상체에 조사된 방사선에 응답하여 검출기들로부터 검출된 반응선((Line-Of-Response; LOR)들을 콘 빔(cone beam) 형태의 여현 곡선 포맷(sinogram format)으로 변환하는 단계; 상기 변환된 반응선들을 기초로 역투영(back projection)를 수행하는 단계; 및 상기 역투영의 수행 결과를 이용하여 영상을 재구성하는 단계를 포함한다. According to an embodiment, a method of reconstructing an image for parallel processing may include response lines (LORs) detected from detectors in response to radiation emitted to a measurement object in the form of cone beams. Converting to a cosine curve format, performing a back projection based on the converted response lines, and reconstructing an image using the result of performing the back projection.

상기 변환하는 단계는 상기 반응선들을 제1 영역의 제1 검출기에 속하는 크리스탈(crystal)을 꼭지점으로 하는 콘 (cone beam) 형태의 여현 곡선 포맷으로 변환하는 단계일 수 있다. The converting may include converting the reaction lines into a cosine curve format in the form of a cone beam having a vertex of a crystal belonging to a first detector of a first region.

상기 역투영(back projection)를 수행하는 단계는 상기 변환된 반응선들을 기초로 복셀 드리븐 역투영(voxel-driven back projection)를 수행할 수 있다. The performing of the back projection may perform a voxel-driven back projection based on the converted response lines.

상기 영상을 재구성하는 단계는 상기 역투영의 수행 결과를 기초로 LOR 기반의 OSEM 병렬 알고리즘을 이용하여 상기 영상을 재구성하는 단계일 수 있다. The reconstructing the image may be a step of reconstructing the image using a LOR-based OSEM parallel algorithm based on a result of performing the reverse projection.

상기 영상을 재구성하는 단계는 게더(gather) 연산자를 이용하여 상기 영상을 재구성할 수 있다. Reconstructing the image may be reconstructed using a gather operator.

일 실시예에 따른 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 장치는 측정 대상체에 조사된 방사선에 응답하여 검출기들로부터 검출된 반응선(LOR)들을 콘 빔(cone beam) 형태의 여현 곡선 포맷(sinogram format)으로 변환하는 변환부; 상기 변환된 반응선들을 기초로 역투영(back projection)를 수행하는 수행부; 및 상기 역투영의 수행 결과를 이용하여 영상을 재구성하는 재구성부를 포함한다. According to an embodiment, an apparatus for reconstructing an image for parallel processing may include response lines (LORs) detected from detectors in response to radiation irradiated to a measurement object in a sinogram format in the form of a cone beam. Conversion unit for converting to; An execution unit performing back projection based on the converted response lines; And a reconstruction unit for reconstructing the image using the result of performing the reverse projection.

상기 변환부는 상기 반응선들을 제1 영역의 제1 검출기에 속하는 크리스탈(crystal)을 꼭지점으로 하는 콘 (cone beam) 형태의 여현 곡선 포맷으로 변환할 수 있다. The converter may convert the reaction lines into a cosine curve format in the form of a cone beam having a vertex of a crystal belonging to a first detector of a first region.

상기 수행부는 상기 변환된 반응선들을 기초로 복셀 드리븐 역투영(voxel-driven back projection)를 수행할 수 있다. The execution unit may perform voxel-driven back projection based on the converted reaction lines.

상기 재구성부는 상기 역투영의 수행 결과를 기초로 LOR 기반의 OSEM 병렬 알고리즘을 이용하여 상기 영상을 재구성할 수 있다. The reconstruction unit may reconstruct the image using a LOR-based OSEM parallel algorithm based on a result of performing the reverse projection.

상기 재구성부는 상기 게더(gather) 연산자를 이용하여 상기 영상을 재구성할 수 있다.The reconstruction unit may reconstruct the image using the gather operator.

본 발명의 일 실시예는 OSEM(Ordered Subset Expectation Maximization) 기반의 영상 재구성 과정 중 전방 투영(forward projection) 및 역투영(back projection)에서 여현 곡선(sinogram)의 포맷을 병렬 처리에 적합하도록 변환함으로써 병렬 처리에 최적화된 연산을 가능하게 할 수 있다. One embodiment of the present invention is to parallelize by converting the format of the cosine curve (sinogram) in the forward projection and back projection during the OSEM (Ordered Subset Expectation Maximization) based image reconstruction It can enable operations optimized for processing.

본 발명의 일 실시예는 반응선(LOR)들을 콘(cone) 형태로 정렬함으로써 병렬 처리에 적합한 복셀-드리븐 역투영(voxel-driven back projection) 방법을 수행할 수 있다. One embodiment of the present invention can perform a voxel-driven back projection method suitable for parallel processing by aligning the response lines (LOR) in the form of a cone (cone).

또한, 본 발명의 일 실시예는 OSEM 전체 과정을 gather 연산자로 수행함으로써 병렬 처리의 성능 저하를 방지할 수 있다.In addition, an embodiment of the present invention can prevent the performance degradation of parallel processing by performing the entire OSEM process with the gather operator.

도 1은 양전자 방출 단층 촬영(PET)을 위한 촬영 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 양전자 방출 단층 촬영(PET) 시스템에서 여현 곡선(sinogram)들을 샘플링하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 양전자 방출 단층 촬영(PET)에서 링(ring) 형태의 검출기로부터 얻어지는 여현 곡선(sinogram)을 나타낸다.
도 4는 반응선(LOR)들을 arc-correction하여 균일한 간격의 여현 곡선(sinogram)으로 변환한 것을 나타낸다.
도 5는 OSEM(Ordered Subset Expectation Maximization) 기반의 영상 재구성 방법 중 라인-드리븐 역투영(line-driven back projection) 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 OSEM 기반의 영상 재구성 방법 중 복셀-드리븐 역투영(voxel-driven back projection) 방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 고해상도 양전자 방출 단층 촬영에서 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법에서 LOR 기반의 OSEM을 콘 빔(cone-beam) 기반으로 재구성한 것을 나타낸 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 고해상도 양전자 방출 단층 촬영에서 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
도 9는 일 실시예에 따른 고해상도 양전자 방출 단층 촬영에서 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법에서 콘 빔(cone-beam) 기반으로 영상을 재구성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 고해상도 양전자 방출 단층 촬영에서 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 장치의 블록도이다.
1 is a view for explaining an imaging device for positron emission tomography (PET).
FIG. 2 is a diagram for explaining a method of sampling cosine sinograms in a positron emission tomography (PET) system.
FIG. 3 shows a sinogram obtained from a ring shaped detector in positron emission tomography (PET).
4 shows arc-correction of the response lines (LORs) to a uniformly spaced sinogram.
FIG. 5 is a diagram illustrating a line-driven back projection method of an image reconstruction method based on an ordered subset expectation (OSEM).
FIG. 6 is a diagram illustrating a voxel-driven back projection method of an OSEM-based image reconstruction method.
FIG. 7 illustrates reconstruction of LOR-based OSEMs based on cone-beam in a method of reconstructing images for parallel processing in high resolution positron emission tomography according to an embodiment.
8 is a flowchart illustrating a method of reconstructing an image for parallel processing in high resolution positron emission tomography according to an embodiment.
FIG. 9 is a diagram for describing a method of reconstructing an image based on a cone-beam in a method of reconstructing an image for parallel processing in high resolution positron emission tomography according to an embodiment.
10 is a block diagram of an apparatus for reconstructing an image for parallel processing in high resolution positron emission tomography according to an embodiment.

이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to or limited by the embodiments. Also, like reference numerals in the drawings denote like elements.

도 1은 양전자 방출 단층 촬영(PET)을 위한 촬영 장치를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining an imaging device for positron emission tomography (PET).

도 1을 참고하면, 양전자 방출 단층 촬영(PET)을 위한 촬영 장치(이하, '촬영 장치')(100)는 측정 대상체(110) 내부에 양전자(120)을 투여한다. 양전자(120)는 측정 대상체(110) 내부의 전자와 만나면 두 개의 감마 광자(gamma photon)을 거의 180도의 각도로 방출시키며 소멸된다. 이때, 검출기(140)에 거의 동시에 도달하는 두 개의 감마 광자를 측정하여, 대응선(130)에 따른 측정 대상체(110) 내부의 양전자(120)의 분포에 대한 투영 정보를 획득할 수 있다.Referring to FIG. 1, an imaging device (hereinafter, referred to as an imaging device) 100 for positron emission tomography (PET) administers the positron 120 inside the measurement object 110. When the positron 120 meets the electrons inside the measurement object 110, the positron 120 emits two gamma photons at an angle of about 180 degrees and disappears. In this case, by measuring two gamma photons reaching the detector 140 at about the same time, projection information on the distribution of the positron 120 inside the measurement object 110 along the corresponding line 130 may be obtained.

투영 정보는 소멸이 일어난 양전자(120)의 대응선(130)의 각도 및 원점으로부터의 거리에 따라 분류될 수 있다. 이러한 투영 정보를 이용하여 '여현 곡선(sinogram)'을 생성할 수 있다.
The projection information may be classified according to the angle of the corresponding line 130 of the positron 120 where annihilation occurs and the distance from the origin. Using this projection information, a 'sinogram' may be generated.

도 2는 양전자 방출 단층 촬영(PET) 시스템에서 여현 곡선(sinogram)들을 샘플링하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 2 is a diagram for explaining a method of sampling cosine sinograms in a positron emission tomography (PET) system.

여현 곡선들의 샘플링을 위하여, 양전자 방출 단층 촬영(PET) 시스템은 검출기 전체 또는 촬영 대상(예컨대, 환자)을 규칙적으로 원 운동시킴으로써, 여러 세트의 샘플링 데이터를 획득할 수 있다.For sampling of the cosine curves, a positron emission tomography (PET) system can obtain several sets of sampling data by regularly circularly moving the entire detector or a subject (eg, a patient).

도 2를 참조하면, 양전자 방출 단층 촬영(PET) 시스템은 촬영 장치를 이용하여 검출기 전체 또는 측정 대상체를 움직임으로써, 각각의 위치에서 여현 곡선(211)들을 획득할 수 있다. 이러한 여현 곡선(211)들을 이용하여 여현 곡선의 세트(210)를 얻을 수 있다. Referring to FIG. 2, the positron emission tomography (PET) system may acquire the cosine curves 211 at each position by moving the entire detector or the measurement object using an imaging device. These cosine curves 211 can be used to obtain a set of cosine curves 210.

이때, 획득된 여현 곡선들에 초해상도 알고리즘을 적용하여 초해상도의 양전자 방출 단층 촬영(PET) 영상을 재구성할 수 있다.In this case, a super resolution algorithm may be applied to the obtained cosine curves to reconstruct a super-resolution positron emission tomography (PET) image.

여기서, 여현 곡선의 세트(210)는 양전자 방출 단층 촬영(PET) 시스템에서 직접 측정된 데이터이므로, 고해상도(high-resolution, HR)와 저해상도(low-resolution, LR)의 관계가 보다 명확하다. Here, since the set of cosine curves 210 is data measured directly in a positron emission tomography (PET) system, the relationship between high-resolution (HR) and low-resolution (LR) is more clear.

양전자 방출 단층 촬영(PET) 시스템은 촬영 장치(220)를 통해 고해상도의 여현 곡선(221)을 획득할 수 있다.A positron emission tomography (PET) system can obtain a high resolution cosine curve 221 through the imaging device 220.

보다 구체적으로, 도 1에서는 양전자 방출 단층 촬영(PET) 시스템의 촬영 장치의 검출기(detector)(140) 전체를 움직임으로써 여현 곡선 세트(210)를 얻을 수 있다. 또한, 측정 대상체(110)를 움직임으로써 검출기(140) 전체를 움직이는 것과 같은 효과를 볼 수 있다.More specifically, in FIG. 1, the cosine curve set 210 may be obtained by moving the entire detector 140 of the imaging device of the positron emission tomography (PET) system. In addition, the same effect as moving the entire detector 140 by moving the measurement object 110 can be seen.

이때, 각 여현 곡선들의 샘플은 방사선의 양전자 범위(Positron range), 방사선의 비직선성(non-colinearity) 및 검출기의 크기 중에서 적어도 하나의 요소에 의해서 블러(blur) 상태를 유지한다. 따라서, 단순히 샘플의 수가 늘어난 여현 곡선들로 양전자 방출 단층 촬영(PET) 영상을 재구성하여도, 전체의 해상도에는 큰 변화가 없다.At this time, the sample of each cosine curve is kept blur by at least one of the Positron range of the radiation, non-colinearity of the radiation and the size of the detector. Therefore, even if the positron emission tomography (PET) image is simply reconstructed with the cosine curves with an increased number of samples, the overall resolution does not change significantly.

검출기 전체 또는 촬영 대상을 움직이는 경우, 기존의 샘플들 사이에 추가적인 샘플들이 부가될 수 있다. 따라서, 하나의 여현 곡선의 샘플들 사이에 다른 여현 곡선 세트의 샘플들이 위치하게 되어 도 2와 같이 고해상도의 여현 곡선을 얻을 수 있다.
When moving the entire detector or the object to be photographed, additional samples may be added between existing samples. Therefore, samples of different cosine curve sets are positioned between samples of one cosine curve, thereby obtaining a high resolution cosine curve as shown in FIG. 2.

도 3은 양전자 방출 단층 촬영(PET)에서 링(ring) 형태의 검출기로부터 얻어지는 여현 곡선(sinogram)을 나타내고, 도 4는 반응선(LOR)들을 arc-correction하여 균일한 간격의 여현 곡선(sinogram)으로 변환한 것을 나타낸다. FIG. 3 shows a sinogram obtained from a ring shaped detector in positron emission tomography (PET), and FIG. 4 shows a uniformly spaced sinogram by arc-correcting the response lines (LOR). To convert to.

도 3과 같이 정확한 반응선들(Exact LORs)을 사용하는 경우, 반응선(LOR)들이 서로 정렬되어 있지 않은 것을 볼 수 있다. When using accurate response lines (Exact LORs) as shown in Figure 3, it can be seen that the reaction lines (LOR) are not aligned with each other.

이때, 상술한 바와 같이 OSEM의 계산량을 줄이기 위해 도 4와 같이 반응선(LOR)을 arc-correction하여 균일한 간격의 여현 곡선(sinogram)으로 변환하여 처리할 수 있다. 하지만 이 과정에서 추가적인 보간(interpolation)이 들어가게 되므로 재구성 영상의 해상도를 감소시킬 수 있다. In this case, as described above, in order to reduce the amount of calculation of the OSEM, the reaction line LOR may be arc-corrected and converted into a sinogram having a uniform interval as shown in FIG. 4. However, additional interpolation is involved in this process, which may reduce the resolution of the reconstructed image.

이를 해결하기 위해 일 실시예에서는 도 4와 같은 arc-correction을 수행하지 않고, LOR를 정확하게 계산하여 영상을 재구성하는 'LOR 기반의 OSEM' 방법을 사용한다.
In order to solve this problem, an embodiment uses a 'LOR-based OSEM' method of reconstructing an image by accurately calculating an LOR without performing arc-correction as shown in FIG. 4.

도 5는 OSEM(Ordered Subset Expectation Maximization) 기반의 영상 재구성 방법 중 라인-드리븐 역투영(line-driven back projection) 방법을 나타낸 도면이다. FIG. 5 is a diagram illustrating a line-driven back projection method of an image reconstruction method based on an ordered subset expectation (OSEM).

라인-드리븐 역투영(line-driven back projection) 방법은 레이-드리븐 역투영(ray-driven back projection) 방법이라고도 부를 수 있다. The line-driven back projection method may also be referred to as a ray-driven back projection method.

라인-드리븐 역투영(line-driven back projection) 방법은 이미지에서 빛(ray)을 추적하는 방법으로서, 특히 선 적분(line integral)을 직접 이산화(discretizing) 함으로써 각 선 적분을 이상적인 라인에 가까이 놓인 모든 복셀들의 가중화된 합으로 추정한다. Line-driven back projection is a method of tracking the light in an image, especially by directly discretizing the line integrals so that each line integration is close to the ideal line. It is estimated by the weighted sum of the voxels.

라인-드리븐 역투영(line-driven back projection) 방법은 이미지의 초점(focal spot)으로부터 관심 대상인 검출기 셀의 중심으로 라인을 연결한다. 이때 투영 빔(projection beam)마다의 추적된 선-경로의 수가 증가할수록 투영(projection)의 정확도 또한 향상된다.
The line-driven back projection method connects the line from the focal spot of the image to the center of the detector cell of interest. At this time, as the number of tracked line-paths per projection beam increases, the accuracy of the projection also improves.

도 6은 일 실시예에 따른 고해상도 양전자 방출 단층 촬영에서 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법에서 이용되는 복셀-드리븐 역투영(voxel-driven back projection) 방법을 나타낸 도면이다. FIG. 6 illustrates a voxel-driven back projection method used in a method of reconstructing an image for parallel processing in high resolution positron emission tomography according to an exemplary embodiment.

상술한 바와 같이, 라인-드리븐 역투영(line-driven back projection) 방법은 병렬 처리에 적합하지 않은 연산이다. 그러므로 일 실시예에서는 도 6과 같은 복셀-드리븐 역투영(voxel-driven back projection) 방법을 사용하여 영상 재구성 성능을 최적화 시킨다. As mentioned above, the line-driven back projection method is an operation that is not suitable for parallel processing. Therefore, in one embodiment, the image reconstruction performance is optimized by using a voxel-driven back projection method as shown in FIG. 6.

이를 위해 일 실시예에서는 반응선(LOR)들을 아래의 도 7과 같이 콘(cone)(혹은 사각뿔) 형태로 정렬하고, 이를 이용하여 병렬 처리에 적합한 복셀-드리븐 역투영(voxel-driven back projection)을 수행할 수 있다.
To this end, in one embodiment, the reaction lines LOR are aligned in the form of cones (or quadrangular pyramids) as shown in FIG. 7 below, and using this, a voxel-driven back projection suitable for parallel processing is used. Can be performed.

도 7은 일 실시예에 따른 고해상도 양전자 방출 단층 촬영에서 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법에서 LOR 기반의 OSEM을 콘 빔(cone-beam) 기반으로 재구성한 것을 나타낸 도면이다. 도 7에서 왼쪽 도면은 반응선들(Exact LORs)이고, 오른쪽 도면은 왼쪽 도면의 반응선들을 콘 빔(cone-beam) 기반으로 재구성한 것을 나타낸다. FIG. 7 illustrates reconstruction of LOR-based OSEMs based on cone-beam in a method of reconstructing images for parallel processing in high resolution positron emission tomography according to an embodiment. In FIG. 7, the left view shows the reaction lines (Exact LORs), and the right view shows the reconstruction of the response lines of the left view on a cone-beam basis.

일 실시예에서는 OSEM에서 여현 곡선(sinogram)의 포맷을 일반적인 병렬 빔(parallel-beam)에서 콘 빔(cone-beam) 형태로 변환하여 처리함으로써 전방 투영(forward projection) 방법과 역투영(back projection) 방법 모두가 병렬 처리에 적합하도록 할 수 있다. In one embodiment, the format of the sinogram in OSEM is converted from a general parallel-beam to a cone-beam to process the forward projection method and the back projection method. All of the methods can be adapted for parallel processing.

반복적인 방법으로 영상을 재구성하는 경우, 계산량에서 가장 많은 부분을 차지하는 것이 이미지 또는 스캔 대상으로부터 투영 데이터(projection data)를 생성하기 위한 전방 투영과 투영 데이터를 이용하여 이미지 도메인 상에서 최종 이미지 데이터를 재구성하기 위한 역투영 과정이다. 더욱이 3차원 이미지의 재구성 시에는 반응선(LOR) 개수의 방대한 증가로 인하여 계산량 및 연산 시간이 훨씬 증가하게 된다. When reconstructing an image in an iterative manner, the largest portion of the computation is reconstructing the final image data on the image domain using forward projection and projection data to generate projection data from the image or scan object. It is a reverse projection process. Moreover, when reconstructing the 3D image, the amount of computation and the computation time are further increased due to the huge increase in the number of response lines (LOR).

따라서, 이러한 연산 시간을 줄이기 위해 병렬 처리 기법이 사용될 수 있다. 병렬 처리는 복수 개의 연산 코어(core)에서 동종의 일을 나누어서 동시에 연산하는 방법이다. 멀티 코어가 탑재된 CPU(Central Processing Unit) 또는 GPU(Graphic Processing Unit)가 병렬 처리에 사용될 수 있다. 특히, GPU는 일반적으로 수십 개에서 수백 개의 코어를 탑재하여 대규모의 병렬 처리를 수행할 수 있으며, 그래픽 연산뿐만 아니라 수학적인 연산 또한 처리할 수 있다. Thus, parallel processing techniques can be used to reduce this computation time. Parallel processing is a method of dividing work of the same kind in a plurality of arithmetic cores and simultaneously calculating them. A central processing unit (CPU) or a graphics processing unit (GPU) with multiple cores may be used for parallel processing. In particular, GPUs are typically equipped with dozens or hundreds of cores to perform massively parallel processing, and can handle mathematical operations as well as graphic operations.

도 3과 같이 정확한 LOR들(Exact LORs)을 사용하는 경우, LOR들이 서로 정렬되어 있지 않기 때문에 병렬 처리를 수행함에 있어 도 6의 복셀-드리븐 역투영 방법을 적용하기 어렵다. 이를 해결하기 위해, 일 실시예에서는 도 7과 같이 콘 빔(cone-beam) 모양으로 반응선(LOR)들을 정렬함으로써 복셀-드리븐 역투영 방법을 병렬 처리에서도 쉽게 적용할 수 있게 한다.
In the case of using accurate LORs as shown in FIG. 3, since the LORs are not aligned with each other, it is difficult to apply the voxel-driven reverse projection method of FIG. 6 in performing parallel processing. In order to solve this problem, in one embodiment, the voxel-driven reverse projection method can be easily applied in parallel processing by aligning the response lines LOR in a cone-beam shape as shown in FIG. 7.

도 8은 일 실시예에 따른 고해상도 양전자 방출 단층 촬영에서 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법을 나타낸 플로우 차트이다. 8 is a flowchart illustrating a method of reconstructing an image for parallel processing in high resolution positron emission tomography according to an embodiment.

도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 장치(이하, '재구성 장치')는 측정 대상체에 조사된 방사선에 응답하여 검출기들로부터 검출된 반응선((Line-Of-Response; LOR)들을 콘 빔(cone beam) 형태의 여현 곡선 포맷(sinogram format)으로 변환한다(810). Referring to FIG. 8, an apparatus for reconstructing an image for parallel processing according to an exemplary embodiment (hereinafter, referred to as a “reconstruction apparatus”) may include a response line detected from detectors in response to radiation irradiated to a measurement object (Line-Of). Response LORs are converted into a sinogram format in the form of a cone beam (810).

이 때, 반응선들은 제1 영역의 제1 검출기에 속하는 크리스탈(crystal)을 꼭지점으로 하는 콘 (cone beam) 형태의 여현 곡선 포맷으로 변환될 수 있다. 콘 형태의 여현 곡선 포맷으로 변환된 반응선들은 제1 영역의 제1 검출기에 속하는 크리스탈(crystal)을 꼭지점으로 제2 검출기가 있는 제2 영역에 콘 형태로 퍼져서 나타나게 된다. 이때, 제2 검출기(혹은 제2 영역)는 원형 상에서 제1 검출기(혹은 제1 영역)와 마주보는 위치에 있을 수 있다. In this case, the reaction lines may be converted into a cosine curve format in the form of a cone beam having a vertex of a crystal belonging to the first detector of the first region. The response lines converted to the cone-shaped cosine curve format are spread out in the form of cones in a second region where the second detector is located at a vertex of a crystal belonging to the first detector of the first region. In this case, the second detector (or second region) may be in a position facing the first detector (or first region) on a circle.

재구성 장치는 변환된 반응선들을 기초로 역투영(back projection)를 수행한다(830). 이때, 재구성 장치는 변환된 반응선들을 기초로 병렬 처리에 적합한 복셀 드리븐 역투영(voxel-driven back projection)를 수행할 수 있다. 재구성 장치는 그래픽 처리 장치(GPU)에 의해 구현될 수 있다. The reconstruction apparatus performs back projection based on the converted response lines (830). In this case, the reconstruction apparatus may perform voxel-driven back projection suitable for parallel processing based on the converted reaction lines. The reconstruction device may be implemented by a graphics processing unit (GPU).

재구성 장치는 역투영의 수행 결과를 이용하여 영상을 재구성한다(850). 재구성 장치는 역투영의 수행 결과를 기초로 LOR 기반의 OSEM 병렬 알고리즘을 이용하여 영상을 재구성할 수 있다. 일 실시예에서는 이와 같이 LOR 기반의 OSEM을 콘-빔(cone beam)을 기반으로 재구성하여 병렬 처리에 최적화된 영산을 수행할 수 있다. The reconstruction apparatus reconstructs the image by using the result of performing the reverse projection (850). The reconstruction apparatus may reconstruct an image using a LOR-based OSEM parallel algorithm based on the result of the reverse projection. In one embodiment, LOR-based OSEM may be reconstructed based on a cone beam to perform calculations optimized for parallel processing.

또한, 재구성 장치는 게더(gather) 연산자를 이용하여 영상을 재구성함으로써 병렬 처리의 성능 저하를 줄일 수 있다.
In addition, the reconstruction apparatus may reduce performance degradation of parallel processing by reconstructing an image using a gather operator.

도 9는 일 실시예에 따른 고해상도 양전자 방출 단층 촬영에서 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법에서 콘 빔(cone-beam) 기반으로 영상을 재구성하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 9 is a diagram for describing a method of reconstructing an image based on a cone-beam in a method of reconstructing an image for parallel processing in high resolution positron emission tomography according to an embodiment.

OSEM 알고리즘 과정에서 가장 시간이 많이 소요 되는 부분은 전방 투영(forward projection) 및 역투영(back projection) 과정이다. 이 두 과정은 모두 라인-드리븐(line-driven) 방법과 복셀 드리븐(voxel-driven) 방법으로 수행될 수 있는데, 이 때 아래의 [표 1]과 같이 서로 다른 연산자를 사용하여 수행될 수 있다. The most time-consuming part of the OSEM algorithm process is the process of forward projection and back projection. Both of these processes may be performed by a line-driven method and a voxel-driven method, which may be performed using different operators as shown in Table 1 below.

Figure 112012026134889-pat00001
Figure 112012026134889-pat00001

[표 1]은 OSEM 에서 Scatter operation과 Gather operation을 각각 수행한 경우를 나타낸다. [Table 1] shows the case where the Scatter operation and the Gather operation are performed in OSEM, respectively.

만약, Scatter 연산자를 병렬로 수행하게 되면 데이터 손실이 발생한다. 이 손실을 막기 위해 atomic 연산자를 사용할 수 있지만 비용이 크기 때문에 병렬 처리 성능을 크게 저하시킨다. 특히, 그래픽 처리 장치(GPU)에서는 Gather operation이 Scatter operation에 비해 더 효율적으로 수행될 수 있다. If you run the Scatter operator in parallel, data loss occurs. The atomic operator can be used to prevent this loss, but due to its high cost, the parallel processing performance is greatly reduced. In particular, in the graphics processing unit (GPU), the gather operation may be performed more efficiently than the scatter operation.

그러므로, 병렬 처리 성능을 극대화 시키기 위해서는 일 실시예에서는 Gather 연산자를 사용하기로 한다. Therefore, in order to maximize parallel processing performance, the embodiment uses a gather operator.

OSEM을 병렬 처리 할 때, 전방 투영을 라인 드리븐 방법으로 수행하고 역투영은 복셀-드리븐 방법으로 수행하는 것이 최적이다. 하지만, 일반적인 병렬 빔 형태의 여현 곡선 포맷(sinogram format)에서는 역투영을 복셀-드리븐 방법으로 수행하는 것은 쉽지 않다. 복셀-드리븐 방법을 수행하기 위해서는 각각의 복셀(voxel)과 서로 이웃하는 반응선(LOR)들의 조합을 구해야 하는데, 일반적인 여현 곡선 포맷에서는 이 조합을 계산하는 과정이 복잡하기 때문이다. When paralleling OSEM, it is best to perform forward projection with the line driven method and reverse projection with the voxel-driven method. However, in the general parallel beam type sinogram format, it is not easy to perform reverse projection by voxel-driven method. In order to perform the voxel-driven method, a combination of each voxel and neighboring response lines (LOR) must be obtained, because the process of calculating the combination is complicated in a general cosine curve format.

따라서, 일 실시예에서는 이 문제를 해결하기 위해 도 9와 같이 콘-빔 기반으로 영상을 재구성한다. 우선, 도 9와 같이 전체 반응선(LOR)들을 제1 헤더 검출기(detector header 1)에 속한 임의의 검출기(detector)인 crystal 1과 제2 헤더 검출기(detector header 2) 사이의 콘(cone)(또는 사각뿔) 형태의 여현 곡선 포맷으로 변환한다. Therefore, in one embodiment, to solve this problem, the image is reconstructed based on the cone-beam as shown in FIG. 9. First, as shown in FIG. 9, the entire response line LOR is formed between a cone 1 between a detector 1 and a second header 2 that are arbitrary detectors belonging to the first header detector 1. Or square pyramid).

이 경우 crystal 1을 꼭지점으로 하는 콘(cone)을 통해 반응선(LOR)들의 조합을 적은 계산량으로 구할 수 있어, 복셀 드리븐 역투영을 Gather 연산자로 수행할 수 있게 된다.In this case, a combination of response lines (LOR) can be obtained with a small amount of calculation through a cone having crystal 1 as a vertex, and voxel driven reverse projection can be performed by a gather operator.

콘(cone) 형태로 여현 곡선 포맷을 변경하더라도, 전방 투영(forward projection)의 경우 라인-드리븐을 계속 사용할 수 있으므로 OSEM 전체 과정을 GPU에 적합한 Gather 연산자로 수행할 수 있게 된다.
Even if you change the cosine curve format to cone, you can continue to use line-driven for forward projection, so the entire OSEM process can be performed with the Gather operator suitable for the GPU.

도 10은 일 실시예에 따른 고해상도 양전자 방출 단층 촬영에서 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 장치의 블록도이다. 도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 장치(이하, '재구성 장치')(1000)는 변환부(1010), 수행부(1030) 및 재구성부(1050)를 포함한다.10 is a block diagram of an apparatus for reconstructing an image for parallel processing in high resolution positron emission tomography according to an embodiment. Referring to FIG. 10, an apparatus for reconstructing an image for parallel processing according to an exemplary embodiment (hereinafter, referred to as a “reconstruction apparatus”) 1000 may include a converter 1010, an execution unit 1030, and a reconstruction unit 1050. Include.

변환부(1010)는 측정 대상체에 조사된 방사선에 응답하여 검출기들로부터 검출된 반응선((Line-Of-Response; LOR)들을 콘 빔(cone beam) 형태의 여현 곡선 포맷(sinogram format)으로 변환한다. The conversion unit 1010 converts the response lines (Line-Of-Response; LOR) detected from the detectors into a sinogram format in the form of a cone beam in response to the radiation irradiated to the measurement object. do.

보다 구체적으로, 변환부(1010)는 반응선들을 제1 영역의 제1 검출기에 속하는 크리스탈(crystal)을 꼭지점으로 하는 콘 (cone beam) 형태의 여현 곡선 포맷으로 변환할 수 있다. 이때 콘 형태의 여현 곡선 포맷으로 변환된 반응선들은 제2 검출기가 있는 제2 영역에 나타나게 된다. 이때, 제2 검출기는 원형 상에서 제1 검출기와 마주보는 위치에 있을 수 있다. More specifically, the converter 1010 may convert the reaction lines into a cosine curve format in the form of a cone beam having a vertex of a crystal belonging to the first detector of the first region. At this time, the response lines converted to the cone-shaped cosine curve format appear in the second region where the second detector is located. In this case, the second detector may be in a position facing the first detector on a circle.

수행부(1030)는 변환된 반응선들을 기초로 역투영(back projection)를 수행한다. The execution unit 1030 performs back projection based on the converted response lines.

이때, 수행부(1030)는 변환된 반응선들을 기초로 복셀 드리븐 역투영(voxel-driven back projection)를 수행할 수 있다. In this case, the execution unit 1030 may perform voxel-driven back projection based on the converted response lines.

재구성부(1050)는 역투영의 수행 결과를 이용하여 영상을 재구성한다. 재구성부(1050)는 역투영의 수행 결과를 기초로 LOR 기반의 OSEM(ordered-subset expectation maximization) 병렬 알고리즘을 이용하여 영상을 재구성할 수 있다. The reconstruction unit 1050 reconstructs the image using the result of performing the reverse projection. The reconstruction unit 1050 may reconstruct an image using an LOR-based ordered-subset expectation maximization (OSEM) parallel algorithm based on the result of the reverse projection.

재구성부(1050)는 게더(gather) 연산자를 이용하여 영상을 재구성할 수 있다.
The reconstruction unit 1050 may reconstruct an image by using a gather operator.

상술한 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The above-described methods may be embodied in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded on a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be those specially designed and constructed for the present invention or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가지 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. This is possible.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be construed as being limited to the embodiments described, but should be determined by equivalents to the appended claims, as well as the appended claims.

1000: 재구성 장치
1010: 변환부
1030: 수행부
1050: 재구성부
1000: reconstruction unit
1010: converter
1030: execution
1050: reconstruction unit

Claims (10)

측정 대상체에 조사된 방사선에 응답하여 검출기들로부터 검출된 반응선((Line-Of-Response; LOR)들을 콘 빔(cone beam) 형태의 여현 곡선 포맷(sinogram format)으로 변환하는 단계;
상기 변환된 반응선들을 기초로 역투영(back projection)를 수행하는 단계; 및
상기 역투영의 수행 결과를 이용하여 영상을 재구성하는 단계
를 포함하는 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법.
Converting the line-of-response (LOR) detected from the detectors into a sinogram format in the form of a cone beam in response to the radiation irradiated to the measurement object;
Performing back projection based on the converted response lines; And
Reconstructing the image using the result of performing the reverse projection
Reconstructing the image for parallel processing comprising a.
제1항에 있어서,
상기 변환하는 단계는
상기 반응선들을 제1 영역의 제1 검출기에 속하는 크리스탈(crystal)을 꼭지점으로 하는 콘 (cone beam) 형태의 여현 곡선 포맷으로 변환하는 단계인 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법.
The method of claim 1,
The converting step
Converting the response lines into a cone beam shaped cosine curve format having a vertex of a crystal belonging to a first detector of a first region.
제1항에 있어서,
상기 역투영(back projection)를 수행하는 단계는
상기 변환된 반응선들을 기초로 복셀 드리븐 역투영(voxel-driven back projection)를 수행하는 단계인 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법.
The method of claim 1,
Performing the back projection is
Performing a voxel-driven back projection on the basis of the transformed response lines.
제1항에 있어서,
상기 영상을 재구성하는 단계는
상기 역투영의 수행 결과를 기초로 LOR 기반의 OSEM(ordered-subset expectation maximization) 병렬 알고리즘을 이용하여 상기 영상을 재구성하는 단계인 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법.
The method of claim 1,
Reconstructing the image
And reconstructing the image for parallel processing using a LOR-based ordered-subset expectation maximization (OSEM) parallel algorithm based on a result of performing the reverse projection.
제1항에 있어서,
상기 영상을 재구성하는 단계는
게더(gather) 연산자를 이용하여 상기 영상을 재구성하는 단계인 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 방법.
The method of claim 1,
Reconstructing the image
Reconstructing the image for parallel processing, the step of reconstructing the image using a gather operator.
측정 대상체에 조사된 방사선에 응답하여 검출기들로부터 검출된 반응선((Line-Of-Response; LOR)들을 콘 빔(cone beam) 형태의 여현 곡선 포맷(sinogram format)으로 변환하는 변환부;
상기 변환된 반응선들을 기초로 역투영(back projection)를 수행하는 수행부; 및
상기 역투영의 수행 결과를 이용하여 영상을 재구성하는 재구성부
를 포함하는 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 장치.
A conversion unit for converting the line-of-response (LOR) detected from the detectors into a sinogram format in the form of a cone beam in response to the radiation irradiated to the measurement object;
An execution unit performing back projection based on the converted response lines; And
Reconstruction unit for reconstructing the image using the result of performing the reverse projection
Apparatus for reconstructing the image for parallel processing comprising a.
제6항에 있어서,
상기 변환부는
상기 반응선들을 제1 영역의 제1 검출기에 속하는 크리스탈(crystal)을 꼭지점으로 하는 콘 (cone beam) 형태의 여현 곡선 포맷으로 변환하는 것을 특징으로 하는 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 장치.
The method according to claim 6,
The conversion unit
And converting the reaction lines into a cosine curve format in the form of a cone beam having a vertex of a crystal belonging to a first detector of a first region.
제6항에 있어서,
상기 수행부는
상기 변환된 반응선들을 기초로 복셀 드리븐 역투영(voxel-driven back projection)를 수행하는 것을 특징으로 하는 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 장치.
The method according to claim 6,
The performing unit
And a voxel-driven back projection based on the converted response lines.
제6항에 있어서,
상기 재구성부는
상기 역투영의 수행 결과를 기초로 LOR 기반의 OSEM(ordered-subset expectation maximization) 병렬 알고리즘을 이용하여 상기 영상을 재구성하는 것을 특징으로 하는 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 장치.
The method according to claim 6,
The reconstruction unit
And reconstructing the image using a LOR-based ordered-subset expectation maximization (OSEM) parallel algorithm based on a result of performing the reverse projection.
제6항에 있어서,
상기 재구성부는
게더(gather) 연산자를 이용하여 상기 영상을 재구성하는 것을 특징으로 하는 병렬 처리를 위해 영상을 재구성하는 장치.
The method according to claim 6,
The reconstruction unit
An apparatus for reconstructing an image for parallel processing, wherein the image is reconstructed using a gather operator.
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