KR101379316B1 - 다중 팬빔 나선형 ｃｔ 시스템 및 이를 이용한 엑스선 단층촬영방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 나선형 엑스선 단층촬영 시스템 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 피검체를 중심으로 서로 대향하여 위치되는 엑스선 발생원과 엑스선 검출기가 피검체 주위를 나선형으로 회전하면서 피검체를 스캔하고, 회전축과 수직을 이루는 빔 차단 슬릿을 가지는 콜리메이터에 엑스선을 통과시킴으로써 투과 영상을 획득하며, 압축 센싱 기반의 반복형 알고리즘을 사용하여 얻어진 투과 영상을 재구성하도록 구성됨으로써, 종래의 CT 장치에 비해 CT 촬영시 발생하는 환자 및 의료진에 대한 피폭 선량을 감소시킬 수 있는 다중 팬빔 나선형 CT 시스템 및 이르 f이용한 엑스선 단층촬영방법이 제공된다.

Description

다중 팬빔 나선형 ＣＴ 시스템 및 이를 이용한 엑스선 단층촬영방법{Multiple fan-beam helical computed tomography system and computed tomography method using thereof}

본 발명은 엑스선을 이용한 컴퓨터 단층촬영장치(Computed Tomography) 및 그 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 종래의 나선형 CT의 엑스선 발생장치 입구에 고정형 다중 슬릿 콜리메이터를 장착함으로써, CT 촬영시 발생하는 환자의 피폭 선량을 감소시킬 수 있는 다중 팬빔 나선형 CT 시스템 및 이를 이용한 엑스선 단층촬영방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은, 반복형 알고리즘을 이용하여 최대한 적은 수의 투사 영상으로 최대한 높은 품질의 복원영상을 얻을 수 있도록 구성됨으로써, CT 촬영시 발생하는 환자의 피폭 선량을 감소시킬 수 있는 다중 팬빔 나선형 CT 시스템 및 이를 이용한 엑스선 단층촬영방법에 관한 것이다.

종래, 엑스선 컴퓨터 단층촬영장치(Computed Tomography, 이하, 'CT'라 한다)는, 인체 장기의 해부학적 구조는 물론 장기의 기능이나 상태를 영상화할 수 있으므로, 질병의 진단, 치료를 위한 중재적 이미징, 치료 후 예후 관찰 등의 다양한 임상 분야에서 널리 사용되어 왔다.

또한, 최근에는, 두부, 흉부, 복부, 심장 등 대부분 기관의 영상 촬영시, 엑스선 발생장치와 엑스선 검출기가 피검체를 따라 일직선으로 이동하는 기존의 일반적인 CT 장치에 대신하여, 엑스선 발생장치와 엑스선 검출기가 나선을 그리면서 피검체 주위를 연속적으로 회전하면서 스캔하는 나선형 CT(helical CT)가 널리 사용되고 있다.

즉, 더 상세하게는, 이러한 나선형 CT는, 기존의 CT와는 달리 엑스선 발생장치와 엑스선 검출기가 피검체 주위를 나선을 그리면서 연속적으로 회전하면서 스캔하므로, 혈관과 장기를 보다 선명하게 나타낼 수 있어 빠른 시간에 정확한 진단이 가능하게 되는 장점이 있다.

그러나 이러한 나선형 CT나 종래의 일반적인 CT 모두에 있어서, CT 촬영시는 필연적으로 방사선이 발생하게 되고, 또한, 최근 병원에서의 CT의 사용량이 증가함에 따라, 환자뿐만 아니라 CT 촬영을 담당하는 촬영 담당자와 의료진의 피폭에 대한 영향도 무시할 수 없는 문제로 대두되고 있다.

따라서 상기한 바와 같이, 최근에는, CT 촬영에 있어서, 촬영에 필요한 선량은 감소시키면서도 얻어지는 영상의 질은 그대로 유지할 수 있도록 하는 새로운 CT 기술이나 장비에 대한 요구가 높아지고 있다.

이를 위해, 종래에는, 해부학적으로 적응된 관 전류를 변조하는 방식이나, 환자의 신체 크기를 고려하여 적절한 관 전류를 선택하는 방식, 또는, 엑스선 발생장치의 관 전압을 줄이는 등의 여러 가지 방식으로 방사선량을 감소하기 위한 연구가 이루어져 왔으며, 현재도 임상 현장에서 사용되고 있다.

그러나 상기한 바와 같은 종래기술의 방법들의 경우는 노이즈가 증가하여 영상의 질이 저하되는 문제점이 있으며, 따라서 최근에는, 하드웨어적인 접근 방법으로 검출 효율을 높일 수 있는 검출기 기술의 개발이 주목받고 있다.

즉, 이와 같이 피폭량을 감소시키면서 얻어지는 영상의 질은 그대로 유지할 수 있도록 하는 CT 장치에 대한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 미국특허 US 5,644,614호에 개시된 바와 같은 "Collimator for Reducing Patient X-ray Dose"가 있다.

더 상세하게는, 상기한 미국특허 US 5,644,614호의 "Collimator for Reducing Patient X-ray Dose"는, 검출기 셀에 의해 수취되는 화상 데이터의 양 또는 품질을 저감시키지 않고 주사 중에 환자의 불필요한 방사능 노출을 감소시킬 수 있는 프리 페이션트 콜리메이터(pre-patient collimator)를 제공하고자 하는 것이다.

이를 위해, 상기한 미국특허 US 5,644,614호에 따르면, 복수의 직사각형(rectangular shaped) 검출기를 가지는 검출기 어레이(detector array) 및 X선원(X-ray source)을 포함하는 CT 시스템에 사용되기 위해 집속된 팬빔(collimated fan beam)의 형상(shape)을 제어하기 위한 프리 페이션트 콜리메이터에 있어서, 상기 콜리메이터는, 상기 집속된 팬빔을 제한하기(restricting) 위한 개구(aperture)를 가지는 X선 흡수재(absorbing material)를 포함하고, 상기 개구는, 그것을 통과하는 빔의 팬빔 그림자(umbra)가 실질적으로 직사각형의 횡단면을 가지도록 하는 윤곽(contour)으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

따라서 상기한 바와 같은 미국특허 US 5,644,614호의 구성에 따르면, 각각의 검출기 셀에 의해 수취되는 화상 데이터의 양 또는 품질을 저감시키지 않고 각각의 검출기 셀의 치수를 보다 정확하게 근사 하도록 팬빔을 제한하며, 환자의 불필요한 방사능 노출을 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

그러나 상기한 바와 같은 미국특허 US 5,644,614호의 구성은, CT 장치, 즉, 하드웨어적인 측면에서만 피폭의 감소를 고려한 것으로, 실질적인 영상 처리 단계에서 최소한의 샘플 영상으로 최대의 품질을 얻을 수 있도록 하는 것과 같은 알고리즘적인 처리방법에 대하여는 고려되지 않았다.

더 상세하게는, 상기한 바와 같이 하드웨어적으로 피폭량을 줄이는 구성에 더하여, 얻어진 영상을 처리하는 단계에서도, 동일한 품질의 복원 영상을 구현하기 위해 필요한 샘플 영상의 수를 감소할 수 있는 알고리즘을 적용하면 피폭량을 더욱 감소할 수 있을 것임은 명백하다.

즉, 얻어진 영상을 복원하는 처리 단계에서 최소한의 샘플 영상으로 최대의 품질을 얻을 수 있도록 하는 처리방법을 구현하기 위해, 현재, 대부분의 의료용 CT 장치에서는, 얻어진 영상의 복원을 위해 이른바 '필터링 역투영법'을 적용하고 있으며, 이러한 필터링 역투영 알고리즘은, 데이터의 수집과 동시에 재구성 처리가 진행되므로 처리시간이 빠르다는 장점이 있다.

그러나 상기한 필터링 역투영법의 알고리즘은, 기본적으로 촬영된 샘플이 조밀하게 추출된다는 가정하에 이루어지는 것이므로, 적은 촬영수의 CT 스캔 데이터를 사용하게 되면 충분한 영상 품질을 얻을 수 없다는 단점이 있다.

즉, 종래에 널리 사용되고 있는 필터링 역투영법 알고리즘은, 투사 영상의 수가 많을수록 얻어지는 영상이 부드러워지고 본래 물체의 형태와 더욱 비슷한 형태를 보이지만, 바꾸어 말하면, 높은 품질의 영상을 얻기 위하여는 그만큼 많은 회수의 촬영이 요구되므로, 품질에 비례하여 환자의 피폭 선량이 증가하게 된다는 문제가 발생하게 된다.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위해, 최근에는, 피폭 선량을 감소시키기 위하여 가능한 한 적은 수의 투사 영상을 사용하도록 반복형 알고리즘을 이용하려는 시도가 계속되고 있다.

또한, 이러한 반복형 알고리즘 중 현재까지 가장 많이 사용되고 있는 것은, 압축 센싱 이론에 의해 고무되었으며, 희박 데이터 CT 응용에 있어서 뛰어난 성능을 나타내고 있는, 이른바 '총 변동 최소화 알고리즘'이라 불리는 알고리즘이 있다.

즉, 상기한 바와 같은 총 변동 최소화 알고리즘을 이용하면, 등식 또는 측정값의 소정의 계에 있어서 미지수를 감소시키고, 이미지 도함수 크기의 희박성을 이용함으로써, 성공적인 이미지 재구축 및 선량을 감소시킬 수 있다.

따라서 상기한 바와 같이, 종래의 CT에 비하여 피폭량을 감소하기 위하여는, 최소한의 촬영 회수로 최대한의 품질을 가지는 복원 영상을 얻을 수 있도록, 예를 들면, 상기한 바와 같은 기존의 나선형 CT의 촬영방식과 종래의 반복형 알고리즘의 장점만을 취할 수 있도록 CT 장치의 구성을 개선함으로써, 기존의 CT 장치와 다른 새로운 촬영방식 및 영상복원 알고리즘을 가지는 새로운 방식의 CT 장치를 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점들을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 최소한의 촬영 회수로 최대한의 품질을 가지는 복원 영상을 얻을 수 있도록 종래의 CT 장치와 다른 새로운 촬영방식 및 영상복원 알고리즘을 가지는 CT 시스템 및 엑스선 단층촬영방법을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 고정형 콜리메이터를 사용하고, 압축 센싱 기법을 기반으로 하는 반복형 알고리즘을 적용함으로써, 영상 복원에 필요한 샘플의 수를 최소화하여 피폭 선량을 감소할 수 있는 고정형 콜리메이터를 이용한 다중 팬빔 나선형 CT 시스템 및 이를 이용한 엑스선 단층촬영방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 다중 팬빔 나선형 CT(Computed Tomography) 시스템에 있어서, 피검체를 향하여 엑스선을 방사하는 엑스선 발생원; 상기 엑스선 발생원에서 방사되는 엑스선의 일부를 차단하기 위해 상기 엑스선 발생원의 빔 출구 측에 고정되는 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터; 상기 엑스선 발생원에서 방사된 엑스선이 상기 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터와 상기 피검체를 통과한 후의 투과 영상을 검출하기 위해 상기 피검체를 사이에 두고 상기 엑스선 발생원과 대향하도록 배치되는 다중열 엑스선 검출기; 및 상기 다중열 엑스선 검출기로부터 얻어진 상기 투과 영상의 데이터에 압축 센싱 기반의 반복형 알고리즘을 적용하여 상기 투과 영상을 복원하는 처리를 수행하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 다중 팬빔 나선형 CT 시스템이 제공된다.

여기서, 상기한 CT 시스템은, 상기 피검체를 사이에 두고 서로 대향하여 배치되어 있는 상기 엑스선 발생원과 상기 다중열 엑스선 검출기가 상기 피검체 주위를 나선형으로 회전하면서 상기 피검체를 스캔하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터는, 엑스선 차단을 위한 복수의 스트립 및 엑스선을 통과시키기 위해 빈 공간으로 형성되는 복수의 슬릿이 각각 교대로 배치되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 각각의 상기 스트립과 상기 슬릿은 직사각형 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터는, 상기 엑스선 발생원과 상기 피검체 사이에 회전축의 방향과 수직으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터는, 상기 슬릿의 전체 면적이 상기 스트립의 전체 면적의 1/2 미만인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터는, 엑스선이 진행하는 방향을 기준으로 먼 쪽의 폭이 더 큰 방사형 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 다중열 엑스선 검출기는, 다수의 열로 이루어진 평판형의 검출기로서 형성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 다중열 엑스선 검출기는, 상기 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터의 부분적인 엑스선 차단에 의해 상기 다중열 엑스선 검출기의 일부 열에서만 검출이 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 한다.

더욱이, 상기 제어부는, 영상 총변동 최소화 알고리즘을 이용하여 상기 투과 영상을 복원하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따르면, 엑스선 단층촬영방법에 있어서, 상기에 기재된 다중 팬빔 나선형 CT 시스템을 이용하여 피검체의 투과 영상을 취득하는 단계; 및 상기 투과 영상을 취득하는 단계에서 얻어진 상기 피검체의 투과 영상에 압축 센싱 기반의 반복형 알고리즘을 적용하여 상기 피검체의 영상을 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 단층촬영방법이 제공된다.

여기서, 상기 투과 영상을 복원하는 단계에서, 상기 압축 센싱 기반의 반복형 알고리즘은 영상 총변동 최소화 알고리즘인 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 고정형 콜리메이터 및 압축 센싱 기법을 기반으로 하는 반복형 알고리즘을 적용함으로써, 최소한의 촬영 회수로 최대한의 품질을 가지는 복원 영상을 얻을 수 있도록 구성되어 환자 및 의료진의 피폭 선량을 감소할 수 있는 다중 팬빔 나선형 CT 시스템 및 이를 이용한 엑스선 단층촬영방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터 유닛을 엑스선 빔 출구에 장착하고 신규한 소프트웨어를 통합함으로써, 기존 시스템에 별도의 장치를 추가하지 않고도 구현이 가능하다는 장점이 있다.

아울러, 본 발명에 따르면, 멀티 슬릿 콜리메이터를 사용함으로써, 기존의 나선형 CT보다 낮은 선량으로 스캐닝이 가능하며, 엑스선관 전력을 전환하지 않고 스파스 뷰 이미징을 효과적으로 달성할 수 있다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 검출기 표면에 산란 보정을 위한 그리드를 필요로 하지 않으므로, CT 장치의 구성을 단순화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템에 적용되는 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템에 적용되는 검출기의 구성을 개략적으로 나타내는 도면으로, 도 3a는 콜리메이터가 없는 기존의 다중검출기의 구성을 나타내는 도면이고, 도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 고정형 콜리메이터가 있는 경우의 다중열 검출기 배열을 각각 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템 및 이를 이용한 엑스선 단층촬영방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 고정형 콜리메이터 및 압축 센싱 기법을 기반으로 하는 반복형 알고리즘을 적용하여 최소한의 촬영 회수로 최대한의 품질을 가지는 복원 영상을 얻을 수 있도록 구성됨으로써, 환자 및 의료진의 피폭 선량을 감소할 수 있는 다중 팬빔 나선형 CT 시스템 및 이를 이용한 엑스선 단층촬영방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명에 따르면, 엑스선 발생장치, 개방된 영역과 차단된 영역이 회전축과 수직을 이루는 방향으로 교대로 복수회 배열되는 고정형 콜리메이터, 피검체를 사이에 두고 상기 엑스선 발생장치와 대향되어 상기 콜리메이터를 통과한 엑스선 투과 영상을 검출하는 엑스선 검출기, 그리고 압축센싱 기반의 반복형 알고리즘을 사용하여 상기 투과 영상을 이미지 재구축하는 제어부를 구비하는 엑스선 단층촬영 시스템이 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 후술하는 바와 같이, 직사각형 형상의 개방된 영역과 차단된 영역이 교대로 복수 개 배열되고 엑스선 발생장치 입구에 회전축에 수직한 방향으로 위치한 멀티 슬릿 콜리메이터에 엑스선을 통과시킴으로써 투과 영상을 획득하는 단계 및 압축 센싱 기반의 반복형 알고리즘을 사용하여 상기 투과 영상을 재구성하는 단계를 구비하는 나선형 엑스선 단층촬영방법이 제공된다.

여기서, 후술하는 바와 같이, 콜리메이터의 개방된 영역과 차단된 영역은 직사각형 모양이며, 이때, 콜리메이터의 개방된 영역은, 선량 저감을 고려할 때 차단된 영역에 비해 1/2 미만인 것이 바람직하다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 후술하는 바와 같이, 콜리메이터의 차단 영역 부분이 엑스선 방사를 차단하므로 다중열 검출기의 일부 열만 사용하게 되고, 이는 방사선량을 크게 감소시키는데 일조할 수 있을 뿐만 아니라, 비용 측면에서도 효율적이다.

즉, 후술하는 바와 같이, 고정형 콜리메이터는 슬릿 개구 외측의 엑스선 빔을 차단하도록 방사선 불 투과성 재료로 이루어지며, 따라서 소정의 소스 위치에서 슬릿 개구를 통해서만 투영 데이터를 얻게 된다.

여기서, 본 발명에서는, 상기한 바와 같은 유형의 스캔을 '다중 팬빔 나선형 CT(multiple fan-beam helical CT)' 기술이라 칭한다.

계속해서, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템 및 이를 이용한 엑스선 단층촬영방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.

여기서, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에서, 종래의 CT 장치와 동일 또는 유사한 부분에 대하여는 설명을 간략하게 하기 위해 그 구체적인 설명을 생략하고, 다른 점에 대하여만 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템(10)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템(10)은, 크게 나누어, 엑스선 발생원(11), 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터(12), 다중열 엑스선 검출기(13) 및 제어부(도시되지 않음)를 포함하여 구성되어 있다.

여기서, 엑스선 발생원(11)은, 피검체(14)를 향하여 엑스선을 방사하는 기능을 수행하는 것이며, 아울러, 엑스선 발생원(11)은, 필요에 따라, 입자빔을 발생시키는 입자원으로 대체할 수도 있다.

또한, 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터(12)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 복수의 슬릿을 가지도록 형성되어 엑스선 발생원(11)의 빔 출구 측에 고정되며, 또한, 엑스선 발생원(12)과 피검체(14) 사이에 회전축의 방향과 수직으로 배치됨으로써, 엑스선 발생원(11)에서 방사되는 엑스선의 일부를 차단하는 기능을 수행한다.

즉, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템(10)에 적용되는 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터(12)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

더 상세하게는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템(10)에 적용되는 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터(12)는, 빔 차단을 위한 복수의 스트립(21)과 빈 공간으로 형성되는 슬릿(22)이 교대로 배치되도록 형성되어 있으며, 따라서 이러한 구조에 의해, 엑스선 발생원(11)에서 방사되는 엑스선 중 스트립(21)이 형성된 부분으로 방사되는 엑스선은 차단되고, 빈 공간(22)으로 방사되는 엑스선은 통과된다.

여기서, 상기한 스트립(21)과 슬릿(22)은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 각각 직사각형 형상으로 형성될 수 있으나, 본 발명은 반드시 이러한 형태로만 한정되는 것은 아니다.

또한, 차단된 면적 대비 개방된 면적이 적을수록 환자가 받는 선량이 낮아지므로, 상기한 바와 같은 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터(12)의 개방된 영역, 즉, 슬릿(22)의 전체 면적을 줄이는 것이 선량 감소 측면에서는 효과적이다.

그러나, 슬릿(22)의 면적을 너무 많이 줄일 경우는 영상 복원시 원하는 영상 품질로 영상 재구성이 어려워질 수 있는 문제가 있으므로, 이러한 측면에서, 일반적으로, 콜리메이터의 개방된 영역을 차단된 영역즉, 스트립(21)의 전체 면적에 비해 1/10 이하로 줄이는 것은 매우 어렵다.

따라서 본 실시예에서는, 엑스선을 통과시키는 슬릿(22)의 전체 면적이 엑스선을 차단하는 스트립(21)의 전체 면적에 비해 1/2 미만인 것을 바람직한 것으로 하여 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터(12)를 구성하였다.

아울러, 실제 의료용 CT에 있어서, 엑스선 발생원은 점 소스이므로 빔이 사방으로 퍼져서 검출기에 도달하게 되며, 따라서 이로 인해 발생하는 그림자 효과를 없애기 위해, 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터(12)의 형태는, 엑스선이 진행하는 방향을 기준으로 먼 쪽의 폭이 더 큰 방사형 형태로 디자인될 수 있다.

또한, 다중열 엑스선 검출기(13)는, 피검체(14)를 사이에 두고 엑스선 발생원(11)과 대향하도록 배치되어, 엑스선 발생원(11)에서 방사된 엑스선이 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터(12)와 피검체(14)를 통과한 후의 투과 영상 데이터를 검출하는 기능을 수행한다.

더 상세하게는, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템(10)에 적용되는 검출기의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.

또한, 도 3에 있어서, 도 3a는 기존의 검출기의 구성을 나타내는 도면이고, 도 3b는 본 발명의 실시예에 따라 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터가 있는 경우의 다중열 엑스선 검출기(13)의 구성을 각각 나타내는 도면이다.

즉, 도 3에 나타낸 바와 같이, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템(10)에 적용되는 다중열 엑스선 검출기는, 다수의 열로 이루어진 평판형의 검출기로서 형성되어, 엑스선 발생원(11)에서 방사된 엑스선이 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터(12)와 피검체(14)를 통과한 후의 투과 영상 데이터를 전체 열 중 일부에서만 검출하도록 구성된 점에서 도 3a에 나타낸 바와 같은 기존의 검출기와는 다르다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템(10)은, 상기한 바와 같이 엑스선 차단을 위한 스트립(21)과 엑스선을 통과시키는 슬릿(22)이 교대로 배치되어 있는 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터(12)의 부분적인 엑스선 차단으로 인해, 다중열 엑스선 검출기(13)에서도 일부 열에서만 검출이 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 것이다.

계속해서, 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템(10)의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

즉, 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템(10)은, 피검체(14)를 사이에 두고 서로 대향하여 배치되어 있는 엑스선 발생원(11)과 다중열 엑스선 검출기(13)가 피검체(14) 주위를 나선형으로 회전하면서 피검체(14)를 스캔하며, 이때, 엑스선 발생원(11)에서 방사된 엑스선의 일부가 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터(12)에 의해 차단되어 다중열 엑스선 검출기(13)의 일부 열에서만 투영 이미지를 검출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 상기한 바와 같이 하여 얻어진 투영 이미지는, 도시되지 않은 제어부에 의해 처리되어 복원 영상으로 만들어지게 된다.

여기서, 본 발명의 따른 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템(10)에 적용되는 제어부는, 시스템 내에 내장되거나, 또는, 예를 들면, 영상 복원을 수행하기 위한 처리를 수행하도록 구성된 컴퓨터와 같이, 시스템에 연결된 별도의 하드웨어로서 구성될 수 있다.

아울러, 상기한 제어부는, 상기한 바와 같이 하여 콜리메이트된 데이터로부터 이미지를 복원하기 위해 압축 센싱 기반의 반복형 알고리즘을 사용한다.

계속해서, 본 발명의 따른 실시예에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템(10)에 적용되는 제어부에서 이미지를 복원하기 위해 이용되는 압축 센싱 기반의 반복형 알고리즘의 구체적인 내용에 대하여 설명한다.

여기서, 이미 알려진 바와 같이, 영상 재건시 영상의 품질을 향상시키기 위해서는 나이퀴스트 주파수(Nyquist frequency)를 만족시켜야 하지만, 압축 센싱 방법을 이용하면, 원 신호가 서로 비상관(incoherent)이고 스파스(sparse)한 신호 분포를 가진다는 전제 조건이 만족된다는 가정 하에, 그보다 작은 주파수의 데이터 샘플링으로부터도 원래의 신호를 완벽하게 복원할 수 있다.

구체적으로는, CT의 경우, CT 영상의 미분 절대값 영상을 취해 보면, 대체로 0을 가지는 픽셀이 많게 된다.

즉, 다시 말하면, CT 픽셀값이 일정한 장기 등은 미분 절대값에서 0으로 계산되게 되며, 이를 이용하여, 영상 재구축 단계에서, 일반적으로 영상의 총변동으로 알려져 있는 영상 미분 절대값의 총합을 최소화하는 알고리즘이 바로 압축 센싱에 기반한 영상 총변동 최소화 알고리즘이다.

또한, 이러한 압축 센싱에 기반한 영상 총변동 최소화 알고리즘의 가장 큰 장점은, 일반적인 알고리즘에서 영상 재구축을 수행하기에 크게 부족한 데이터로부터도 원하는 CT 영상을 복원할 수 있다는 것이다.

아울러, 압축 센싱 기반의 반복형 알고리즘에 있어서 상기한 바와 같은 영상 총변동 최소화 알고리즘이 유일한 것은 아니나, 영상 총변동 최소화 알고리즘은 최근 들어 그 연구가 매우 활발히 이루어지고 있으며 안정한 알고리즘으로 인정되고 있으므로 본 발명에 적용하기에 적합하다.

더 상세하게는, 상기한 바와 같은 총 변동 최소화 알고리즘은, 압축 감지 이론에 의해 고무되어 스파스 뷰 CT 응용에 있어서 뛰어난 성능을 나타내고 있는 것으로, 등식 또는 측정값의 소정의 계에 있어서 미지수를 감소시킴으로써 이미지 도함수의 크기의 희박성을 이용하는 것이다.

아울러, 예를 들면, Sidky 등이 개발한 ASDPOCS(adaptive-steepest-descent projection-onto-convex-sets) 방안이 채택된 바와 같이, 총 변동 최소화 알고리즘은, 다양한 최적화 기술들을 이용하여 알고리즘 수렴 또는 수렴 속도를 개선하기 위한 연구도 계속되고 있다.

즉, 상기한 총 변동 최소화 알고리즘의 구체적인 내용에 대하여는, 예를 들면, "Image reconstruction in circular cone-beam computed tomography by con-strained, total-variation minimization", E. Y. Sidky and X. Pan, Phys. Med. Biol., vol. 53, pp. 4777-4807, 2008.에 기재된 내용과, "A Compressed sensing based cone-beam computed tomography reconstruction with a first-order method", K. Choi, J. Wang, L. Zhu, T.S. Suh, S. Boyd, and L. Xing, JMed. Phys., vol. 37, pp. 5113-5125, 2010.에 기재된 내용 및 "Convex optimization problem prototyping for image reconstruction in computed tomography with the Chambolle?Pock algorithm", E. Y. Sidky, J. H. Jorgensen, and X. Pan, Phys. Med. Biol., vol. 57, pp. 3065-3091, 2012.에 기재된 바와 같은 내용 등을 참조할 수 있다.

또한, 상기한 바와 같은 영상 총변동 최소화 알고리즘을 적용하여 영상 복원을 수행하는 더욱 구체적인 내용에 대하여는, 예를 들면, 본 발명자들에 의해 2012년 04월 20일자로 한국 특허청에 출원된 특허출원 제10-2012-0041431호에 개시된 바와 같은 내용을 참조할 수 있다.

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템을 구현할 수 있으며, 또한, 상기한 바와 같이 구성된 다중 팬빔 나선형 CT 시스템을 이용하여 피검체를 촬영하고, 촬영된 영상을 압축 센싱 기반의 반복형 알고리즘을 이용하여, 즉, 상기한 바와 같은 영상 총변동 최소화 알고리즘을 이용하여 복원처리를 수행함으로써, 본 발명에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템을 이용한 엑스선 단층촬영방법을 구현할 수 있다.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 다중 팬빔 나선형 CT 시스템 및 이를 이용한 엑스선 단층촬영방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.

10. 다중 팬빔 나선형 CT 시스템 11. 엑스선 발생원
12. 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터 13. 다중열 엑스선 검출기
14. 피검체 21. 스트립
22. 슬릿

Claims (12)

1. 다중 팬빔 나선형 CT(Computed Tomography) 시스템에 있어서,
   피검체를 향하여 엑스선을 방사하는 엑스선 발생원;
   상기 엑스선 발생원에서 방사되는 엑스선의 일부를 차단하기 위해 복수의 스트립 및 엑스선을 통과시키기 위해 빈 공간으로 형성되는 복수의 직선형 슬릿이 각각 교대로 배치되어 상기 엑스선 발생원의 빔 출구 측에 고정되고, 상기 엑스선이 진행하는 방향을 기준으로 먼 쪽의 폭이 더 큰 방사형 형태로 형성되는 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터;
   상기 피검체를 사이에 두고 상기 엑스선 발생원과 대향하도록 배치되어, 상기 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터와 상기 피검체를 통과한 투과 영상을 검출하는 평판형의 다중열 엑스선 검출기; 및
   상기 다중열 엑스선 검출기로부터 얻어진 상기 투과 영상의 데이터에 압축 센싱 기반의 반복형 알고리즘을 적용하여 상기 투과 영상을 복원하는 처리를 수행하는 제어부가 포함되고,
   상기 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터가 고정된 상기 엑스선 발생원과 상기 다중열 엑스선 검출기가 상기 피검체 주위를 나선형으로 회전하면서 상기 피검체를 스캔하는 다중 팬빔 나선형 CT 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   각각의 상기 스트립과 상기 슬릿은 직사각형 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 팬빔 나선형 CT 시스템.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터는,
   상기 엑스선 발생원과 상기 피검체 사이에 회전축의 방향과 수직으로 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 팬빔 나선형 CT 시스템.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터는,
   상기 슬릿의 전체 면적이 상기 스트립의 전체 면적의 1/2 미만인 것을 특징으로 하는 다중 팬빔 나선형 CT 시스템.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 6항에 있어서,
   상기 다중열 엑스선 검출기는, 상기 고정형 멀티 슬릿 콜리메이터의 부분적인 엑스선 차단에 의해 상기 다중열 엑스선 검출기의 일부 열에서만 검출이 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 다중 팬빔 나선형 CT 시스템.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 제어부는, 영상 총변동 최소화 알고리즘을 이용하여 상기 투과 영상을 복원하는 것을 특징으로 하는 다중 팬빔 나선형 CT 시스템.
    
11. 엑스선 단층촬영방법에 있어서,
    제1항, 제4항 내지 제6항 및 제9항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 다중 팬빔 나선형 CT 시스템을 이용하여 피검체의 투과 영상을 취득하는 단계; 및
    상기 투과 영상을 취득하는 단계에서 얻어진 상기 피검체의 투과 영상에 압축 센싱 기반의 반복형 알고리즘을 적용하여 상기 피검체의 영상을 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스선 단층촬영방법.
    
12. 삭제

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