KR101443051B1 - 산란선 제거 방법 및 이를 이용한 디지털 방사선 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그리드를 사용하지 않고 영상처리를 이용하여 산란선을 제거함으로써 환자에 대한 방사선 피폭을 최소화하고 양질의 방사선(x-ray) 영상을 얻을 수 있는 산란선 제거 방법 및 이를 이용한 디지털 방사선 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 디지털 방사선 시스템이 소정 X-선 에너지 레벨로 피사체를 촬상하는 제 1 단계와, 상기 디지털 방사선 시스템의 디텍터로부터 원영상을 획득하는 제 2 단계와, 상기 X-선 에너지 레벨에 따라 고정된 가우시안 폭(σ)값으로 단일 산란선 성분을 산출하는 제 3 단계와, 상기 디텍터의 원영상으로부터 산란선 가중치 맵(σ map)을 산출하는 제 4 단계와, 상기 가중치 맵에 상기 단일 산란선 분포를 콘볼루션하여 상기 디텍터의 원영상에 포함된 산란선을 제거하여 1차 X-선 영상을 생성하는 제 5 단계와, 상기 산란선이 제거된 1차 X-선 영상을 출력하는 제 6 단계로 구성되어 그리드나 에어갭 등의 방법을 사용하지 않고 영상처리를 이용하여 산란선을 제거함으로써 환자에 대한 피폭량을 줄이면서도 그리드를 사용하는 경우보다 양질의 X-선 영상을 얻을 수 있다.

Description

산란선 제거 방법 및 이를 이용한 디지털 방사선 시스템{THE REDUCTION METHOD OF X-ray SCATTER FROM DIGITAL RADIOGRAPHY IMAGE BY IMAGE PROCESSING AND DIGITAL RADIOGRAPHY SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 디지털 방사선 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 그리드를 사용하지 않고 영상처리를 이용하여 산란선을 제거함으로써 환자에 대한 방사선 피폭을 최소화하고 양질의 방사선(X-ray) 영상을 얻을 수 있는 산란선 제거 방법 및 이를 이용한 디지털 방사선 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, X-선을 이용한 의료용 영상화에는 10 keV 내지 200 keV의 X-선 에너지를 사용하는데, X-선 광자의 에너지 일부만이 전자(electron)로 전달되는 콤프턴 효과(Compton effect) 또는 모든 에너지가 전자로 전달되고 X-선이 완전히 흡수되는 광전 효과를 통해 피사체 물질을 촬상한다.

X-선 영상을 구하기 위한 디지털 엑스레이(X-ray) 촬영장치는, 피사체를 통과한 X-선이 감광판(scintillator)에 부딪혀 가시광선을 만들어내고 이를 CCD(Charge Coupled Devise)나 Photodiode가 설치된 TFT(Thin Film Transistor) 등을 통해 화상신호로 바꾸는 간접방식의 장비와, 피사체를 통과한 X-선이 Photoconductor(혹은 Photoresistor)가 설치된 TFT에 직접적으로 조사되어 화상 신호화하여 영상을 획득하는 직접방식의 장비로 구분된다.

이러한 X-선 촬영장치는 X-선관으로부터 방사되는 X-선의 원뿔 형태로 일시에 넓은 면적에 조사되어 X-선의 산란에 의한 영상의 왜곡을 초래하며, 이러한 X-선의 산란선을 제거하기 위한 방법으로 도 1에 도시된 바와 같은 산란선 제거용 그리드(anti-scatter grid)나 에어 갭(air gap)을 이용한 방식을 주로 사용해왔다.

도 1을 참조하면, 그리드(Grid) 방식은 1차 X-선(Primary radiation)은 디텍터(Film/Detector)에 거의 수직으로 입사되는 반면, 산란선 성분(Scatter radiation)은 랜덤한 방향으로 입사되는 점을 이용한 것으로서, 납과 알루미늄으로 구성된 산란선 제거용 그리드(anti-scatter Grid)를 피사체(Patient)와 디텍터(Film/Detector) 사이에 위치시킴으로써 피사체(Patient)를 통과한 X-선이 납으로 된 격자를 통과하는 과정에서 비스듬하게 입사되는 산란선 성분(Scatter radiation)이 디텍터(Film/Detector)에 도달하지 못하도록 물리적으로 차단하는 것이다.

에어 갭(Air gap)을 이용한 방법은 피사체와 디텍터 사이에 공간을 두고 촬영하는 방식으로서, 산란선의 진행 방향은 디텍터에 수직이 아닌 비스듬하게 입사되므로 디텍터와 피사체 사이에 air gap을 두게 되면 피사체를 통과한 광자들 중 1차 X-선 성분은 디텍터에 도달하는 반면, 산란선 성분은 주변으로 흩어져 도달하지 못하게 하는 것이다.

그러나 이러한 종래의 방법들은 그 자체에서 손실되는 X-선으로 인하여 디텍터에 도달하는 선량을 감쇠시켜 검출 효율을 저하시킬 수 있고, 결과적으로 충분한 신호대 잡음비를 얻어 영상의 질이 일정 수준 이상에 도달하도록 하기 위해서는 환자에 대한 방사선 피폭이 늘어나게 되는 것이 불가피하며, 그리드를 사용하는 경우라 하더라도 완벽하게 모든 산란선을 제거하지 못하는 문제점이 있다. 또한 종래의 방법은 두께별로 여러 번의 연산을 수행함으로써 상대적으로 많은 처리시간이 요구되어 흉부와 같이 밀도나 두께가 다양한 부위에 대해서는 적용하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 그리드를 사용하지 않고 영상처리를 이용하여 산란선을 제거함으로써 환자에 대한 방사선 피폭을 최소화하고 양질의 영상을 얻을 수 있는 산란선 제거 방법 및 이를 이용한 디지털 방사선 시스템을 제공하는 것이다.

즉, 본 발명은 디지털 방사선 시스템에서 그리드나 별도의 장치를 사용하지않고 영상처리 만으로 산란선을 제거함으로써, 그리드를 사용하여 촬영한 영상과 유사한 영상 품질을 지니면서도 환자에게 피폭되는 방사선량을 줄임과 동시에 그리드가 가지는 불편한 점을 줄일 수 있는 개선된 형태의 디지털 방사선 시스템을 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 시스템은, 소정의 에너지 레벨로 X-선을 발생하는 X-선관; 피사체를 통과한 X-선을 검출하여 전기적인 영상신호로 변환하는 디텍터; X-선 에너지 레벨에 따라 달라지는 단일 산란선 성분의 가우시안 폭(σ)값을 구하고 상기 디텍터의 영상신호로부터 산란선 가중치 맵(σ map)을 구해 가중치 맵에 단일 산란선 성분을 콘볼루션하여 상기 디텍터의 영상신호에 포함된 산란선을 제거하는 디지털 영상처리부; 및 상기 디지털 영상처리부로부터 입력된 산란선이 제거된 X-선 영상을 출력하는 출력수단으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 디지털 영상처리부는 X-선의 에너지 크기에 따른 가우시안 폭(σ)값이 저장되어 있는 룩업 테이블과, 촬영시의 X-선 에너지 크기에 따라 가우시안 폭값을 선정하는 σ값 선정부와, 선정된 σ값을 소정 식에 따라 연산하여 단일 산란선 성분을 생성하는 단일 산란선 생성부와, 상기 디텍터의 원영상을 입력받는 원영상 입력부와, 원영상으로부터 산란선에 대한 가중치 맵(α map)을 생성하는 α영상 생성부와, 상기 가중치 맵과 상기 단일 산란선 성분을 콘볼루션 연산하여 산란선 분포 영상을 생성하는 산란선 분포영상 생성부와, 원영상에서 상기 산란선 분포 영상을 제거하여 1차 X-선 영상을 생성하는 산란선 영상 제거부와, 산란선이 제거된 1차 X-선 영상을 출력하는 영상 출력부로 구성된다.

또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 방법은, 디지털 방사선 시스템이 소정 X-선 에너지 레벨로 피사체를 촬상하는 제 1 단계; 상기 디지털 방사선 시스템의 디텍터로부터 원영상을 획득하는 제 2 단계; 상기 X-선 에너지 레벨에 따라 고정된 가우시안 폭(σ)값으로 단일 산란선 성분을 산출하는 제 3 단계; 상기 디텍터의 원영상으로부터 산란선 가중치 맵(σ map)을 산출하는 제 4 단계; 상기 가중치 맵에 상기 단일 산란선 성분을 콘볼루션하여 상기 디텍터의 원영상에 포함된 산란선을 제거하여 1차 X-선 영상을 생성하는 제 5 단계; 및 상기 산란선이 제거된 1차 X-선 영상을 출력하는 제 6 단계로 구성된다.

상기 제 3 단계는 룩업 테이블을 이용하여 X-선 에너지 레벨에 따른 가우시안 폭(σ)을 구하고, 수학식

에 따라 단일 산란선 성분을 산출한다.

상기 제4단계는 원영상에서 룩업테이블을 이용하여 산란선 가중치 맵을 산출하고,

상기 제5단계는 수학식

와 수학식

에 따라 역퓨리에변환을 통해 산란선 분포영상을 생성한다.

본 발명에 따른 산란선 제거 방법 및 이를 이용한 디지털 방사선 시스템은 그리드나 에어 갭 등의 방법을 사용하지 않고 영상처리를 이용하여 산란선을 제거함으로써 환자에 대한 피폭량을 40∼50% 정도 줄이면서도 그리드를 사용하는 경우보다 양질의 X-선 영상을 얻을 수 있다.

또한, 종래의 영상처리를 이용한 산란선 제거 방법에서는 조사되는 X-선 에너지의 변화에 따른 산란선 분포의 변화를 고려하지 않거나, 단일 산란선 성분의 형태나 크기가 실제와 차이가 있는 경우가 있었고, 두께별로 여러 번의 연산을 수행함으로써 상대적으로 많은 처리시간이 요구되어 흉부와 같이 밀도나 두께가 다양한 부위에 대해 적용하는 것이 어려웠으나 본 발명에서는 적절한 형태와 충분한 크기의 단일 산란선 성분을 사용하면서도 불필요한 요소를 생략하여 처리속도를 향상시킴으로써 흉부와 같이 복잡한 해부학적 구조를 가지는 부위에 대한 실제 X-선 영상 시스템에 적용할 수 있다.

도 1은 X-선 영상 시스템에서 그리드를 이용한 산란서 제거 개념을 도시한 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 디지털 방사선 시스템의 전체 구성을 도시한 구성 블럭도,
도 3은 도 2에 도시된 산란선 제거부의 세부 구성 블럭도,
도 4는 본 발명에 따른 디지털 방사선 시스템의 작동 절차를 도시한 순서도,
도 5는 본 발명에 따라 영상처리를 통해 산란선을 제거하는 절차를 도시한 순서도,
도 6은 본 발명에 적용되는 픽셀값 프로파일의 예,
도 7은 본 발명의 실험에 사용된 아크릴판의 예,
도 8은 본 발명의 실험에 사용된 빔 스톱 어레이 구조의 예,
도 9는 본 발명의 실험에 사용되는 아크릴 스텝 에지의 예,
도 10 내지 도 12는 본 발명에 따른 α값 룩업테이블의 예,
도 13은 본 발명에 따른 스텝 영상의 픽셀값 프로파일의 예,
도 14는 그리드 장착시와 그리드 제거시 조사선량 비교 그래프이다.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 본 발명의 바람직한 실시예들에 의하여 보다 명확해질 것이다. 다음의 실시예들은 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.

도 2는 본 발명에 따른 디지털 방사선 시스템의 전체 구성을 도시한 구성 블럭도이고, 도 3은 도 2에 도시된 산란선 제거부의 세부 구성 블럭도이다.

본 발명에 따른 디지털 방사선 시스템(100)은 도 2에 도시된 바와 같이, 제어신호에 따라 소정의 에너지 레벨로 X-선을 발생하는 X-선관(110)과, 피사체(20)를 통과한 X-선 영상을 검출하여 전기적인 영상신호로 변환하여 저장하는 디텍터(120)와, 조작입력에 따라 X-선 에너지 레벨을 제어하고 X-선 조건을 디지털 영상처리부에 제공하는 제어부(130)와, 디텍터(120)로부터 영상신호를 입력받는 영상 입력부(142)와, 디텍터의 map과 gain을 보정하는 디텍터 보정부(144)와, 디텍터의 보정 영상에서 산란선을 제거하여 1차 X-선 영상을 출력하는 산란선 제거부(146)와, 1차 X-선 영상의 에지 및 콘트라스트를 조정하는 에지 및 콘트라스트 조정부(148)와, 최종 X-선 영상을 모니터에 디스플레이하는 표시부(150)로 구성된다. 영상 입력부(142)와 디텍터 보정부(144), 산란선 제거부(146), 및 에지 및 콘트라스트 조정부(148)는 디지털 영상처리부(140)로서, 컴퓨터(프로세서)에 의해 수행되는 소프트웨어로 구현될 수 있으며, 최종 X-선 영상은 필름 형태로 출력될 수도 있다.

본 발명의 실시예에서 디텍터(120)는 비정질 셀레늄(Amorphous selenium; a-Se) 기반의 직접방식 디텍터를 사용하며, 이 디텍터는 화소당 최대 표현능력은 14비트로 입사된 X-선 에너지를 16383 단계의 전기적 신호로 양자화할 수 있다. 한 픽셀의 크기는 168um이며, 획득되는 영상의 크기는 2560x2560 픽셀로 43x43cm의 영역에 대한 영상을 획득할 수 있다. 이 영상은 사용자가 선택한 각 촬영 부위에 따라 적절한 영상처리를 거친 후 처리 전 원영상과 함께 DICOM 파일로 저장된다. 이러한 디텍터(120)는 피사체 및 촬영부위에 따라 피사체를 지지하기 위한 기구적인 구성(예컨대, 베드, 받침대 등)에 장착되며, 기구적인 구성은 제어부(130)의 제어에 따라 구동되는 모터 등을 포함할 수 있다.

또한 본 발명에 따라 그리드를 사용하지 않고 영상처리방식으로 산란선을 제거하는 산란선 제거부(146)는 도 3에 도시된 바와 같이, X-선의 에너지 크기에 따른 단일 산란선 성분의 가우시안 폭(σ)값이 저장되어 있는 룩업 테이블(146-1)과, X-선 에너지 크기에 따라 가우시안 폭값을 선정하는 σ값 선정부(146-2)와, 선정된 σ값을 소정 식에 따라 연산하여 단일 산란선 성분을 생성하는 단일 산란선 생성부(146-3)와, 디텍터의 원영상을 입력받는 원영상 입력부(146-4)와, 산란선에 대한 가중치 맵(α map)을 생성하는 α영상 생성부(146-5)와, 가중치 맵과 단일 산란선 성분을 콘볼루션 연산하여 산란선 분포 영상을 생성하는 산란선 분포영상 생성부(146-6)와, 원영상에서 산란선 분포 영상을 제거하여 1차 X-선 영상을 생성하는 산란선 영상 제거부(146-7)와, 산란선이 제거된 1차 X-선 영상을 출력하는 영상 출력부(146-8)로 구성된다.

이어서, 상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 디지털 방사선 시스템의 동작을 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 디지털 방사선 시스템의 작동 절차를 도시한 순서도이고, 도 5는 본 발명에 따라 영상처리를 통해 산란선을 제거하는 절차를 도시한 순서도이다.

본 발명에 따른 디지털 방사선 시스템(100)은 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 가우시안 폭(σ) 룩업 테이블을 생성하는 단계(S1)와, 소정 X-선 에너지 레벨로 피사체(20)를 촬상하는 단계(S2)와, 디텍터(120)로부터 원영상을 획득하는 단계(S3)와, 영상 처리를 통해 원영상에서 산란선을 제거하여 1차 X-선 영상을 생성하는 단계(S4)와, 산란선이 제거된 1차 X-선 영상을 모니터나 필름으로 출력하는 단계(S5)로 구성된다.

또한 본 발명에 따라 영상처리를 통해 산란선을 제거하는 절차(S4)는 도 5에 도시된 바와 같이, X-선관의 조건(에너지 레벨)을 수집하는 단계(S41)와, X-선 에너지 레벨에 따라 룩업 테이블을 통해 단일 산란선 성부의 가우시안 폭(σ)값을 산출하는 단계(S42)와, 산출된 σ값으로 소정 식에 따라 연산하여 단일 산란선 성분을 생성하는 단계(S43)와, 디텍터의 원영상을 입력받는 단계(S44)와, 산란선에 대한 가중치 맵(α map)을 생성하는 단계(S45)와, 가중치 맵과 단일 산란선 성분을 콘볼루션 연산하여 산란선 분포 영상을 생성하는 단계(S46)와, 원영상에서 산란선 분포 영상을 제거하여 1차 X-선 영상을 생성하는 단계(S47)와, 산란선이 제거된 1차 X-선 영상을 출력하는 단계(S48)로 구성된다.

먼저, 본 발명에서는 단일 산란선 성분을 다음 수학식1과 같이 일반적인 가우시안 함수로 모델링하여 hs(r)로 표시하였다. 이 중 σ를 조정하여 함수의 폭을 변화시켜 형태를 변경할 수 있으며, r은 극좌표계의 원점으로부터의 거리를 나타낸다.

획득된 영상의 산란선 성분의 분포는 영상 전체 영역에 대해 서로 다른 단일 산란선 성분들이 컨벌루션된 결과이다. 획득된 영상에는 산란선 성분뿐만 아니라 1차 X-선, 그리고 디지털 방사선 시스템의 경우 디텍터 자체의 영점 오프셋 값이 존재한다. 도 6은 본 발명에 따라 산란선이 있는 경우의 픽셀값 프로파일로서, 프로파일이 전반적으로 평탄하지 않고 곡선 형태이며, 단일 산란선 성분들이 영상 전체에 걸쳐 컨벌루션된 결과로 볼 수 있다. 본 발명에서는 도 6에 도시된 픽셀값 프로파일과 같이, 영상의 중심 부분의 최대값을 가지는 부분을 산란선 성분에 대한 가중치 α로 하고, 1차 X-선 부분은 β, 시스템 자체의 오프셋을 γ라 정의하고, 빔 스톱(beam stop)을 이용하여 측정된 SF값을 토대로 각 가중치 값들을 계산하여 영상처리에 이용하였다.

한편, 획득된 영상을 수식으로 표현하면 다음 수학식 2와 같으며, 이 중 산란선 분포만을 수식으로 나타내면 다음 수학식 3과 같다.

임상 영상에서의 α, β는 위치에 따라서 변화하는 값이지만, 일정한 두께의 물체에서는 위치에 관계없이 항상 동일한 값을 유지한다. 즉, 산란선의 분포는 위치에 관계없이 α 값만 가지는 균일한 영상에 hs를 컨벌루션한 결과가 되며, β가 거기에 더해진 형태로 나타난다. 실제 실험을 통해 얻어지는 결과는 디텍터에 도달한 에너지에 디텍터의 시스템 함수가 컨벌루션된 형태이다. 또한, 여러 가지 요인에 의해 발생하는 노이즈가 항상 존재한다. 따라서, 최종적으로 얻어진 영상 I는 다음과 같이 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.

수학식 4에서 f는 시스템에 대한 함수, 그리고 σ는 노이즈를 나타낸다. 그러나, 디텍터의 시스템 함수f는 그 폭이 작아 고려하지 않아도 되며, 노이즈는 curve fitting법을 통해 무시될 수 있다. 각 성분의 가중치를 구하기 위해 먼저 다음 수학식 5와 같이 α와 β, γ와 SPR간의 관계를 정의하였다.

SPR은 α/β로 생각할 수 있으며, 실제 측정되는 값을 좀 더 정확히 표현하면 산란선을 제외한 1차 X-선 성분이라고 생각하는 값에는 디텍터 시스템의 오프셋이 포함되어 있다. SPR이나 SF는 균일한 두께의 물체에서는 모든 부위에서 동일한 값을 가지므로, M, N이 각각 영상의 x, y 축 방향으로의 크기라고 가정하였을 때, M/2, N/2가 되는 지점의 픽셀값을 Icenter라고 하면, Icenter는 다음 수학식 6과 같고, 이를 정리하면 α는 수식 다음 수학식 7과 같이 표현된다.

수학식 6과 7에 의해 1차 X-선의 크기인 β는 다음 수학식 8로 표현된다.

그리고 α는 수학식 6과 수학식 8을 이용하여 다음 수학식 9와 같이 유도된다.

다시 도 5를 참조하면, X-선의 에너지 레벨을 입력받아 룩업 테이블에서 해당 σ값을 가져오고, 수학식 1을 변형한 다음 수학식 10에 따라 단일 산란선 성분을 산출한다(S41~S43).

각 위치에서의 산란선 성분에 대한 가중치 맵 α(m,n)은 원영상을 입력받아 각 위치에서의 픽셀값을 이용하여 가중치 맵 전용의 룩업테이블에서 해당 값을 가져와 구한다(S44).

그리고 산란선 분포 영상 생성 단계(S46)에서는 기존의 역퓨리에 변환법을 일부 변경하여 산란선 분포 영상을 얻기 위한 알고리즘을 설계하였다. 단일 산란선 성분 hs의 σ값이 고정되어 있다면, 다음 수학식 11∼13과 같은 연산을 통해서 산란선 분포 영상을 산출할 수 있다.

여기에서, m', n'을 각각 M/2, N/2로 정의하면, |m'-n|, |n'-n|은 영상의 중심으로부터 떨어진 거리를 나타낸다. 수학식 12에서 계산한 값을 다시 퓨리에 역변환을 수행하면 다음 수학식 13과 같이 산란선 분포 영상을 얻을 수 있다.

이와 같이 산란선 분포 영상을 구하게 되면, 원영상에서 산란선 분포 영상을 제거함으로써 최종적으로 산란선 성분이 제거된 영상을 다음 수학식 14와 같이 구할 수 있다(S47).

한편, α(m,n)은 각 위치에서의 산란선 성분에 대한 가중치로써 단일 산란선 성분 측정법에서 전술한 방법으로 구할 수 있다. 본 발명에서는 산란선 성분의 연산 속도를 개선시키기 위한 방법 중 하나로써 hs의 σ값은 조사된 X-선 에너지에 대해서만 변화시키고, 두께에 대한 σ값의 변화는 예측된 값과 실측된 값 사이의 오차가 최소가 되는 값으로 고정하였다. 픽셀값을 이용하여 각 위치에서의 가중치α(m,n) 배열을 생성한 후 위의 수식에 적용하였다. 즉, 본 발명에서는 원영상을 이용하여 각 픽셀값에 대응하는 α값을 찾아낸 영상을 만든 후, 적절한 단일 산란선 성분(scatterpoint spread function; sPSF)을 컨벌루션한 예측 영상을 원영상으로부터 제거하여 결과를 얻는다.

본 발명에서 제안된 영상처리 과정 중 사용된 퓨리에 및 역변환을 수행하기 위해 고속 퓨리에 변환(FFT; Fast Fourier Transform) 알고리즘을 이용하였다. 획득된 영상의 크기가 2560×2560 픽셀이며, FFT의 특성상 처리할 수 있는 영상의 크기가 2n으로만 제한되어 있으므로, 원영상과 단일 산란선 성분 함수 배열 모두 들어갈 수 있도록 4096×4096 픽셀 크기로 할당하고 나머지 영역은 zero filling 하여 영상처리에 이용하였다.

[실험예]

도 7은 본 발명의 실험에 사용된 아크릴판의 예이고, 도 8은 본 발명의 실험에 사용된 빔 스톱 어레이 구조의 예이며, 도 9는 본 발명의 실험에 사용되는 아크릴 스텝 에지의 예이다.

본 발명의 실험 예에서는 도 7에 도시된 바와 같이 20mm 두께를 갖는 여러장의 아크릴판과 도 8에 도시된 빔 스톱 어레이를 이용하여 점차적으로 두께를 변화시켜 가며 측정하였다. 그리드를 제거한 상태에서 두께가 일정한 아크릴판의 영상을 획득하여 단일 산란선 성분의 형태를 측정하였다. 관전압 및 두께에 따라 달라지는 산란선에 대한 가중치 α 및 σ 값을 구하고 픽셀값 및 관전압과의 상관관계를 분석하였다. 영상획득 시 FOV(field of view)는 아크릴판 면적 전체를 포함할 수 있도록 하였고, 아크릴판 두께 0, 20, 40, 60, 80, 100, 120,140mm에서 영상을 획득하였다. X-선은 일반적인 흉부 촬영(Chest PA)에서 가장 많이 사용되고 있는 조사조건인 180cm의 SID (source to image distance)에 320mA의 관전류, 조사시간은 AEC(automatic exposure control)로 조절하고, 관전압만 100, 110, 120kV으로 변경하였다. 산란선의 분포를 실제 측정하여 얻어진 값과 비교하기 위하여 두께가 0mm인, 즉 아무것도 놓지 않고 촬영한 영상을 제외한 모든 조건에 대해 beam stop array를 놓고 영상을 획득하였다. 두께 0mm에서는 산란선이 발생하지 않은 경우로 가정하였고, 산란선이 있는 경우의 픽셀값 프로파일과 비교하는 목적으로 사용된다.

획득된 영상은 heel effect의 영향을 덜 받는 튜브의 anode, cathode 배치 방향과 수직한 방향으로 픽셀값 프로파일을 얻었다. 중심 픽셀값 Icenter와 중심 부분의 SF를 구하기 위하여 영상의 중심부에서 1mm×1mm의 크기를 가지는 ROI(region of interest)에 대해 픽셀값들의 평균을 구하고, beam stop이 있는 부위에 대해서도 동일하게 평균값을 측정하였다. SF를 이용하여 산란선, 1차 X-선에 대한 각각의 가중치α와 β를 구하고 픽셀값과의 상관관계를 분석하였으며, 예측한 값과 실제값 사이의 평균 제곱근 오차율을 구하였다. 구해진 α와 β값, 그리고 수식2를 이용하여 It 영상을 만들고, 획득된 영상과 동일한 위치에 대해 픽셀값 프로파일을 얻은 후 획득된 영상의 픽셀값 프로파일과 curve fitting법을 이용하여 가장 근접한 σ값을 구하였다. 또한, beam stop의 각 위치에서의 산란선 측정값은 α와 β, 그리고 σ을 이용하여 만들어진 산란선 분포 영상 Is의 값과 비교하여 위치별 오차율(percentage error;pe) 및 beam stop array 영역 전체의 평균제곱근 오차율(root mean square pe;rmspe)을 측정하여 예측 정확도를 평가하였다.

Ibs는 beam stop이 있는 위치에서 측정된 산란선 성분의 값을, Iconv는 수학식 3을 이용하여 예측한 산란선 분포 영상 Is에서 같은 위치에서의 픽셀값이다. M과 N은 각각 x, y축 방향에서 beam stop 개수를 나타낸다.

다른 한편, 단일 산란선 성분의 모델링을 위해 수행한 아크릴판 실험과 동일한 X-선 조사 및 SID 조건에서 영상처리 결과에 대한 정량적인 평가를 위하여 도 8에 도시된 바와 같은 아크릴판으로 구성된 스텝의 영상을 획득하였다. 아크릴 스텝웨지는 도 8과 같이 60mm에서 140mm 사이의 두께를 가지도록 구성하였으며, 각 스텝은 20mm의 두께 간격을 가지도록 되어 있다. 아크릴 스텝 웨지 영상은 그리드를 장착한 상태와 제거한 상태의 두 가지 조건에 대해 각각 영상을 획득하여 그리드를 장착하여 촬영한 영상과 그리드 없이 촬영한 후 영상처리에 의해 보정한 영상을 서로 정량적으로 비교 분석하였다. 또한, 그리드를 제거한 상태에서 아크릴 스텝웨지에 대한 영상을 획득할 때, beam stop array를 입사면에 위치시킨 영상 한 세트를 함께 획득하여 예측한 산란선 분포와 실제 측정된 값 사이의 오차를 비교하고자 하였다. 오차율을 분석하는 방법은 단일 산란선 모델링을 위한 실험에서와 동일한 방식으로 진행하였다. 또한, 각 실험 진행시 아크릴 스텝의 입사면에 선량계(Alpha plus, Pehamed, 독일)를 놓고 조사되는 선량을 함께 측정하여 그리드를 사용하였을 때와 아닌 경우를 비교하고자 하였다. 선량은 X-선 튜브와의 거리에 따라 달라지므로 동일한 거리를 유지하기 위하여 아크릴판 140mm 두께를 기준의 높이를 유지하면서 측정하였다.

[실험결과]

다음 표 1은 아크릴판의 두께를 점차적으로 늘려가며 촬영한 영상에 대해 σ값을 측정한 결과이다. 예컨대, 두께 60mm를 기준으로 할 경우에 관전압이 110kV일 경우 룩업 테이블을 통해 구해진 σ값은 다음 표1과 같이 7.5㎝가 된다. 본 발명의 예는 흉부촬영을 예로 든 경우이며, 다른 부위를 촬영할 경우에는 그 값이 달라질 수 있다.

상기 표 1은 Curve fitting을 이용하여 구한 각 관전압, 두께별 σ값과, 측정된 프로파일과 curve 사이의 correlation coefficient를 나타낸 것이며, Correlation coefficient의 경우 0.9에서 0.98 사이의 값을 보여 fitting이 잘 이루어졌음을 확인할 수 있었다. 이 값은 가중치 σ나 β가 변화하더라도 같은 값을 지닌다. 이와 같이 아크릴판 두께와 관전압 조건별 σ값과 curve fitting시 correlation coefficient σ는 두께나 관전압이 증가할수록 함께 증가하는 것을 볼 수 있으며, correlation coefficient는 0.9에서 0.98범위를 보였다.

또한, 산란선 성분, 1차 X-선에 대한 가중치 α와 β를 구하기 위하여 영상의 중심부에서 beam stop을 이용하여 SF와 SPR, 그리고 픽셀값의 평균을 측정하고 기록하였다. 그 결과 다음 표 2와 같이, 아크릴판의 두께가 증가할수록 SF와 SPR은 증가하는 추세를 보인 반면, 관전압의 변화에 따라서는 큰 변화를 보이지 않았다. 픽셀값은 두께가 증가할수록 투과하는 X-선의 양이 줄어들기 때문에 감소하는 경향을 보였고, 관전압이 증가할수록 따라서 증가하는 모습을 보였다. 가중치 α와 β는 관전압이 증가할수록, 두께가 얇아질수록 그 값이 증가하는 추세를 보여준다.

상기 표 2를 참조하면, 아크릴판 두께와 관전압 조건별 픽셀값과 SF, SPR 측정 결과. 아크릴판의 두께가 증가하면 동일 관전압 조건에서는 픽셀값이 감소하지만, 관전압이 증가하면 픽셀값이 커진다. SF와 SPR은 아크릴판 두께에 따라 증가하는 추세를 보였으며, 관전압의 변화와는 관계가 없었다

또한 아크릴판 두께와 관전압 조건별 가중치 α와 β값 측정 결과 다음 표3과 같이, 두께가 증가함에 따라서는 두 값 모두 감소하는 추세를 보이며, 관전압이 증가하면 함께 값이 증가하는 추세를 보여준다.

도 10 내지 도 12는 관전압에 따른 α값 룩업테이블의 예로서, 도 10은 관전압 100kV, 도 11은 관전압 110kV, 도 12는 관전압 120kV의 예이다. 영상의 픽셀값을 α값으로 변환할 경우, 110kV의 조사조건에서 촬영한 영상의 경우에는 도 11에 근거한 룩업테이블(Y = 318 ln(x)-1506.9)을 적용하여 픽셀값 1000은 약 650 으로 변환된다.

도 13은 본 발명에 따른 스텝 영상의 픽셀값 프로파일의 예이고, 도 14는 그리드 장착시와 그리드 제거시 조사선량 비교 그래프이다.

도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명에 따른 영상처리 방법을 사용할 경우에는 그리드를 사용할 때보다도 피폭량을 줄이면서도 그리드를 사용하는 수준의 양질의 영상을 구할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

20: 피사체 100: 디지털 방사선 시스템
110: X-선관 120: 디텍터
130: 제어부 140: 디지털 영상처리부
142: 영상 입력부 144: 디텍터 보정부
146: 산란선 제거부 148: 에지 및 콘트라스트 조정부
150: 표시부

Claims (7)

1. 소정의 에너지 크기로 X-선을 발생하는 X-선관;
   피사체를 통과한 X-선을 검출하여 전기적인 영상신호로 변환하는 디텍터;
   X-선 에너지 크기에 따른 단일 산란선 성분의 가우시안 폭(σ)값을 구하고 상기 디텍터의 영상신호로부터 산란선 가중치 맵(σ map)을 구해 가중치 맵에 단일 산란선 성분을 콘볼루션하여 상기 디텍터의 영상신호에 포함된 산란선을 제거하는 디지털 영상처리부; 및
   상기 디지털 영상처리부로부터 입력된 산란선이 제거된 X-선 영상을 출력하는 출력수단을 포함하고,
   상기 디지털 영상처리부는
   X-선의 에너지 크기에 따른 단일 산란선 성분의 가우시안 폭(σ)값이 저장되어 있는 룩업 테이블과,
   촬영시의 X-선 에너지 크기에 따라 가우시안 폭값을 선정하는 σ값 선정부와,
   선정된 σ값을 소정 식에 따라 연산하여 단일 산란선 성분을 생성하는 단일 산란선 생성부와,
   상기 디텍터의 원영상을 입력받는 원영상 입력부와,
   원영상으로부터 산란선에 대한 가중치 맵(α map)을 생성하는 α영상 생성부와,
   상기 가중치 맵과 상기 단일 산란선 성분을 콘볼루션 연산하여 산란선 분포 영상을 생성하는 산란선 분포영상 생성부와,
   원영상에서 상기 산란선 분포 영상을 제거하여 1차 X-선 영상을 생성하는 산란선 영상 제거부와,
   산란선이 제거된 1차 X-선 영상을 출력하는 영상 출력부로 구성된 것을 특징으로 하는 디지털 방사선 시스템.
2. 삭제
3. 디지털 방사선 시스템이 소정 X-선 에너지 크기로 피사체를 촬상하는 제 1 단계;
   상기 디지털 방사선 시스템의 디텍터로부터 원영상을 획득하는 제 2 단계;
   상기 X-선 에너지 크기에 따라 고정된 가우시안 폭(σ)값으로 단일 산란선 성분을 산출하는 제 3 단계;
   상기 디텍터의 원영상으로부터 산란선 가중치 맵(σ map)을 산출하는 제 4 단계;
   상기 산란선 가중치 맵에 상기 단일 산란선 성분을 콘볼루션하여 상기 디텍터의 원영상에 포함된 산란선을 제거하여 1차 X-선 영상을 생성하는 제 5 단계; 및
   상기 산란선이 제거된 1차 X-선 영상을 출력하는 제 6 단계를 포함하고,
   상기 제3단계는
   수학식

   

   에 따라 단일 산란선 성분을 산출하는 것을 특징으로 하는 디지털 방사선 시스템의 산란선 제거 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 제 3 단계는 룩업 테이블을 이용하여 X-선 에너지 크기에 따른 가우시안 폭(σ)값을 구하는 것을 특징으로 하는 디지털 방사선 시스템의 산란선 제거 방법.
5. 삭제
6. 제3항에 있어서, 상기 제4단계는
   원영상에서 룩업테이블을 이용하여 산란선 가중치 맵을 산출하는 것을 특징으로 하는 디지털 방사선 시스템의 산란선 제거 방법.
7. 제3항에 있어서, 상기 제5단계는
   수학식

   

   와 수학식

   

   에 따라 역퓨리에변환을 통해 산란선 분포영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 디지털 방사선 시스템의 산란선 제거 방법.

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