KR101639374B1 - 토모신테시스 및 마모그래피 영상 촬영을 위한 ｘ선 초점의 특성을 제어하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

X선 광원이 움직이는 경우에, 초점의 크기 및 위치를 포함하는 초점 특성들을 조절함으로써, X선 영상의 선명도를 향상시키기 위한 요소들을 포함하는 X선 튜브가 설명된다. 첫 번째 구성에서는, 토모신테시스 노출에서 촬영 대상 물체 및/또는 검출기에 대한 상대적인 실질 초점의 위치가 근본적으로 공간 내에서 고정되도록, 정지 초점이 X선 광원과 반대의 방향으로 이동한다. 두 번째 구성에서는, 정지 초점의 크기를 증가시켜, 노출 기간 동안의 튜브 전류의 증가가 노출 시간을 감소시키고 결과적으로 블러링 효과도 감소시키도록 한다. 본 발명의 방법은 단독으로 혹은 조합하여 사용될 수 있는데, 예를 들어 더 크고 이동 가능한 정지 초점을 사용하는 X선 튜브는, X선 튜브 발생기를 충분히 활용함으로써, 더 적은 블러링 효과를 갖는 높은 수준의 품질을 가진 영상을 제공하고, 노출 시간의 감소에 따라 환자를 더 짧은 시간 내에 스캔할 수 있도록 해준다.

Description

토모신테시스 및 마모그래피 영상 촬영을 위한 Ｘ선 초점의 특성을 제어하기 위한 시스템 및 방법{METHOD AND SYSTEM FOR CONTROLLING X-RAY FOCAL SPOT CHARACTERISTICS FOR TOMOSYNTHESIS AND MAMMOGRAPHY IMAGING}

유방 토모신테시스는 고정되고 압박된 유방을 짧은 스캔 동안 여러 각도에서 촬영한 영상을 획득하는 것을 수반하는 3차원 영상 획득 기술이다. 각각의 영상들은 일련의 두께가 얇은 고화질 단층 영상들로 재구성되어, 개별적으로 또는 동영상모드로 보여 질 수 있다.

재구성된 토모신테시스 단층 영상들은, 2차원 마모그래피의 하나의 단면 영상에서 나타나는, 조직이 겹쳐 보이는 문제 및 구조상의 노이즈 문제들을 감소시키거나 제거한다. 디지털 유방 토모신테시스는 또한 유방의 압박 정도를 줄이고, 검사 및 진단 정확성을 높이며, 재검사 횟수를 줄이고, 3차원으로 병변 위치를 찾아낼 수 있는 가능성을 제공한다.

디지털 토모신테시스는 디지털 영상 획득과 처리를 컴퓨터 단층 촬영(CT: Computerized Tomography)과 결합한 것이지만, CT에서 사용하는 것보다 더 작은 회전 각도를 이용한다. 유방 토모신테시스 시스템은 마모그래피 시스템과 유사하지만, 토모신테시스 영상 촬영 중에 X선 광원이 다양한 영상 촬영 위치로 이동하는 점에 독특한 차이가 있다.

효율성을 높이고 영상의 품질을 향상하기 위하여, 각각의 영상 촬영 위치에서 X선 광원을 멈추는 것은 바람직하지 않은데, 이는 그러한 '정지 후 이동'을 이용한 촬영 방식이 영상의 품질을 떨어뜨린다는 것이 증명되었기 때문이다. 많은 토모신테시스 시스템들이 한 번의 영상 스캔 동안 이동경로를 부드럽게 움직이도록 구성되어 있다. X선 광원이 이동경로 상의 여러 촬영 위치로 이동할 때, X선 광원은 짧은 노출시간(10ms - 100ms 범위) 동안 활성화되고 이러한 노출은 200ms에서 2초의 주기로 반복된다. 각각의 노출 후 X선 광원은 비활성화 된다. X선 광원이 다음의 촬영 위치로 이동을 계속하는 동안, 디지털 영상 검출기의 내용이 읽혀지고 저장된다. 디지털 검출기에서 영상을 읽기 위해서는 최소한의 시간 간격이 필요하며, 따라서 토모신테시스 스캔의 전체 속도는 검출기 판독에 걸리는 최소 시간, 각 촬영 위치에서의 노출 시간, 그리고 노출의 횟수에 의해 결정된다.

종래의 X선 튜브에서 초점은 튜브에 대하여 상대적으로 고정되어 있는데, 각 노출 기간 동안에 X선 광원은 끊임없이 공간적인 이동을 하고 있으므로, 초점 또한 정지되어 있지 않고 이동하게 된다. 결과적으로 초점의 이동은 영상의 블러링(blurring)을 초래하고 진단의 정확도를 떨어뜨린다. 따라서 토모신테시스 또는 다른 영상 스캔 중 X선 광원의 이동에 의해 발생하는 바람직하지 않은 영상 효과를 감소시키는 메커니즘을 제공하는 것이 필요하다.

본 발명의 한 가지 태양으로서, 향상된 X선 튜브는 토모신테시스 시스템에서 영상의 선명도를 향상시키기 위하여 초점의 특성을 수정할 수 있는 기능을 갖는다. 초점 특성은, 토모신테시스 노출 동안 초점을 움직이는 방법 및/또는 정지 초점의 크기를 조절하는 방법을 포함하는 군 중에서, 하나 또는 그 이상의 방법들의 조합에 의하여 수정된다. 하나의 실시예에서, 토모신테시스 노출 기간 동안 초점은 X선 튜브가 공간 내에서 움직이는 방향과 반대의 방향으로 움직여서, 전체 토모신테시스 노출 기간 동안 실질적인 초점이 동일한 위치를 유지하도록 한다. 그러한 초점의 이동은 양극 상의 타겟 위치를 바꾸거나 이외의 다른 방법으로 이루어질 수 있다. 상기한 방식의 조합을 통해 토모신테시스 영상의 블러링을 줄일 수 있다.

또 다른 실시 태양에 따르면, 마모그래피 또는 토모신테시스 영상을 얻기 위하여 각기 다른 초점 크기가 이용되는 것처럼, 촬영 중인 영상의 종류에 따라 초점 크기를 변화시킬 수 있다. 대안으로, 초점 크기가 유방의 밀도에 근거하여 선택될 수도 있다. 또한 초점 크기는 노출 시간에 맞추어 변화할 수도 있는데, 큰 초점은 일반적으로 더 짧은 노출 시간을 갖는다. 토모신테시스 영상 촬영에서 짧아진 노출 시간으로 더 큰 초점 크기를 사용할 수 있는 능력은 X선 튜브의 성능을 충분히 이용하면서 토모신테시스 영상 스캔의 속도를 빠르게 한다. 초점 크기를 변화시킬 수 있는 능력은 각기 다른 영상 촬영 모드들에서 영상의 품질을 저하시키지 않고 X선 튜브의 성능을 충분히 활용할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 X선 튜브를 포함하는 유방 토모신테시스 시스템(100)을 보여주는 개략적인 측면도이다.
도 2는 기존 방식의 토모신테시스 시스템에서 실질적 초점을 보여주기 위한 단면도이다.
도 3a와 도 3b는 기존 방식 및 본 발명의 방식에서 X선 튜브의 정지 초점의 이동을 묘사하기 위한, X선 튜브와 유방 압박판의 단면도이다.
도 4a와 도 4b는 본 발명의 X선 튜브에 의해 제공되는 정지 초점의 이동과 그로 인한 실질적 초점을 설명하기 위한 단면도이다.
도 5a와 도 5b는 정지 초점의 크기를 늘리고 X선 영상을 위한 노출 시간을 줄임으로써 얻을 수 있는 영상 블러링의 감소 효과를 설명하기 위한, X선 튜브 및 유방 압박판의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 예시로서 X선 튜브를 보여주는 개략적인 도면이다.
도 7은 본 발명의 움직이는 초점을 갖는 X선 튜브를 이용하여 토모신테시스 영상 스캔을 할 때 적용될 수 있는 절차의 한 예를 보여주는 흐름도이다.
도 8a와 도 8b는 타겟 양극(anode)과 양극 위의 초점의 움직임을 제어하기 위한 동작 제어 장치의 한 예를 포함하는 개략적인 도면이다.
도 9a와 도 9b는 초점 크기를 증가시키기 위하여 포커싱 컵 안에 추가적인 필라멘트를 사용하는 방식을 보여주는 개략적인 도면이다.

도 1은 X선 튜브(110), 상부 및 하부 압박판(130, 135), 산란방지 그리드(140), 그리고 검출기(160)을 포함하는 토모신테시스 시스템(100)을 도시하고 있다. X선 튜브(110)는 음극(cathode; 112), 축(116)에 장착되어 모터(118)에 의해 회전되는 양극(anode; 114), 그리고 튜브 포트(120)를 포함한다. 또한 X선 튜브에 부착되어 있는 것으로서 필터(122)와 조준기(124)가 있다.

X선 튜브는 유리로 이루어진 진공상태의 관이다. 음극(cathode) 내부에는 가열된 필라멘트가 있다. X선 튜브가 켜지면, 전류가 필라멘트를 통해 흐르게 되고, 필라멘트를 가열시켜 고에너지의 전자들이 필라멘트로부터 방출하게 된다. 음극과 양극 사이의 높은 전압은 전자들을 양극 위에 있는 타겟 위치(125)를 향하여 가속시킨다. 양극은 예를 들어 텅스텐으로 이루어져 있고, 양극 위의 타게 위치(125)만이 부분적으로 과열되는 것을 방지하기 위하여 모터(18)에 의하여 회전된다.

전자들은 포커싱 컵(도 1에는 생략)을 이용하여 특정 타겟 위치로 모아진다. 포커싱 컵은 음극에 부착되어 있고 음극의 필라멘트를 부분적으로 감싸고 있는, 원통형으로 된 별개의 제어 전극이다.

방출된 전자들은 양극의 텅스텐 원자들과 충돌하고, 연속 X선(bremsstrahlung radiation)과 특성 X선(characteristic line emission)의 방사선 스펙트럼을 갖는 X선 광자들이 생성된다. X선 광자들은 타겟 위치(125)로부터 모든 방향으로 방출된다. 그 중 튜브 포트(120)를 빠져나오는 X선 광자들이 영상 촬영에 사용된다. 영상 촬영의 목적을 위하여, 튜브 포트를 빠져나오는 X선 광자들이 정지 초점(127)을 규정한다. 정지 초점 크기는 임의의 한 순간에 관찰되는 초점의 크기를 말하는데, 이는 일정 기간의 X선 노출 동안에 발생하는 시간 평균적인 초점 크기와 대비되는 개념이다. 정지 초점 크기(127)는 X선 튜브의 열 적재 용량에 중요한 영향을 끼친다. 큰 초점으로는 더 많은 열에너지를 흡수할 수 있어서 더 높은 튜브 전류(mA)를 안전하게 사용할 수 있다. 초점 크기는 필라멘트의 크기와 모양 및 포커싱 컵의 모양과 편향 전압을 포함하는 여러 요소들의 조합에 의해 결정된다. 타겟 표면의 각도도 흔히 말하는 '길이 방향'의 초점 크기를 결정하는데 영향을 끼친다.

따라서 정지 초점(127)은 유방 쪽의 관점에서 볼 때, X선 튜브의 바로 아래, 환자의 흉벽 근처에 나타나는 초점을 말한다.

초점 특성은 국제 표준 CEI IEC 제60336호에 의해 정의된다. 초점은 일반적으로 사각형의 형태를 띄며, 길이 방향 및 폭 방향으로 지칭되는 두 개의 법선 방향에서 측정된다. 길이 방향은 일반적으로 X선 시스템의 세로방향 축에 평행하고, 폭 방향은 일반적으로 세로방향 축에 수직이 된다. 하나의 예로서 토모신테시스 시스템의 세로방향 축이 도 1에 나타나있다.

초점 크기는 검진용 X선 튜브에 있어서 아주 중요한 요소인데, 초점 크기가 방사선 영상촬영 시스템의 해상도에 영향을 미치기 때문이다. 즉, 작은 초점을 갖는 시스템은 더 나은 해상도를 가질 수 있다. 따라서 초점을 최소화하는 것이 흔히 설계상의 목표가 된다. 예를 들어, 마모그래피 시스템은 영상촬영을 위해 0.3mm 초점 크기(고 확대 영상을 위해서는 0.1mm 초점 크기)를 제공하도록 설계된다. 본 발명의 한 태양으로서, 영상의 노출 기간 동안의 X선 광원의 이동은 정지 초점의 폭을 늘리는 효과가 있는데, 이는 실질 초점이 정지 초점보다 더 넓은 폭을 갖게 하여 영상의 선명도를 떨어뜨리는 효과가 있다는 사실을 확인하였다. 그러므로 실질 초점의 크기는 정지 초점의 크기 및 노출기간 동안 정지 초점의 이동에 의해 결정된다. 그러므로 실질 초점은 시간의 경과에 따른 정지 초점의 누적이며, 동적 초점이라 칭하여 질 수도 있다.

예를 들어, 예의 토모신테시스 영상 스캔 동안, X선 튜브는 -7.5˚의 위치에서 +7.5˚의 위치로 이동할 수 있다. 튜브가 이동하는 동안, 총 15번의 노출이 이루어지는데, 각각의 노출은 30 내지 60ms의 노출 기간을 갖는다. 각 노출 기간 동안에, X선 튜브는 계속해서 그 경로 상을 이동하는데, 이로써 노출 기간 동안 정지 초점의 폭을 연장하는 효과를 가져와, 더 큰 폭을 갖는 실질 초점을 만들어 낸다.

도 2는 도 1에서 보인 X선 튜브(110)의 단면도로서, 상기 설명된 토모신테시스에 있어서 한 번의 노출 기간 동안 X선 튜브(110)의 이동을 도시하고 있다. X선 튜브의 정지 초점(127)은 폭 Ws와 길이 Ls로 정의되고, 도면상에 빗금 친 영역(127)으로 표시되어 있다. 시간(T)이 노출 시작 시간일 때, X선 튜브는 X'에 위치한다. 노출 기간 동안, 튜브는 X"로 이동한다. 시간 평균적인 실질 초점(190)은 폭 We와 길이 Le로 정의된다. 실질 초점의 길이는 정지 초점의 길이와 동일하지만, 폭은 증가된다. 예를 들어, 0.3mm의 정지 초점 폭을 갖는 토모신테시스 시스템의 예에서, 노출기간 동안 X선 튜브가 1.2mm 이동함으로 인하여 실질 초점 폭은 1.5mm로 증가될 수 있다.

도 3a 및 도 3b 역시 노출 기간 동안의 X선 광원의 이동을 보여주고 있으며, 더 나아가 영상 검출기 평면상에서의 증가된 실질 초점 폭의 효과를 강조하고 있다. 도 3a에 보인 바와 같이, 초점 폭이 증가한 결과가 영상 평면(160) 위에 나타나는데, 이 경우에서 보면, 노출 중에 위치 X'에서 위치 X"까지의 차이인 delta_D로 인해 초점은 음영 영역(200)으로 나타낸 부분의 크기인 delta_d만큼 이동하게 되고, 이에 따라 유방 표면상의 대상 지점은 delta_d만큼 길어지게 된다.

본 발명은 토모신테시스 영상 촬영에 있어서 X선 노출 기간과 초점 크기의 증가는 직접적인 관계가 있다는 사실에 주목한다. 이러한 관계는 적어도 한 가지 이유, 즉 밀도가 높은 유방은 영상 획득을 위해 더 긴 노출 기간이 필요한 반면, 증가된 노출 기간은 실질 초점 크기의 증가와 초점 블러링으로 인한 영상의 선명도 저하를 유발한다는 점에서 문제를 발생시킨다. 튜브 이동의 효과를 완화시키고 실질 초점 크기를 줄이기 위하여 노출 기간을 충분히 줄이는 것이 항상 가능한 것은 아닌데, 왜냐하면 튜브 전류는 임의로 증가시킬 수 없는 것이기 때문이다. 실질 초점 크기를 줄이기 위하여 몇 가지 접근 방법이 이용될 수 있다.

도 3b에 보인 첫 번째 접근 방법에서는, 정지 초점이 노출 기간 동안 X선 광원의 작동에 연동하여 반대 방향으로 움직인다. 근본적으로 정지 초점의 이동을 통해 X선 광원의 이동을 보정하고, 전체 노출 지속 기간 동안 실질 초점이 유방 및/또는 검출기 중 하나에 대하여 상대적으로 고정된, 공간상 한 위치에 나타나도록 하는 것이다. 이러한 구성을 통해 영상의 블러링이 감소될 수 있다.

두 번째 접근 방법에서는, 정지 초점의 크기가 증가될 수 있다. 정지 초점의 크기 증가는 더 높은 X선 튜브 전류를 가능하게 하여, 노출 시간을 줄일 수 있게 한다. 이러한 구성은 실질 초점의 폭을 줄이고, 토모신테시스 영상 스캔의 속도를 증가시키며, X선 튜브의 성능을 충분히 활용할 수 있게 한다.

세 번째 접근 방법은 상기한 두 가지 접근 방법을 결합하는 것으로서, 더 짧은 노출 기간과 함께 상대적으로 더 큰 초점을 사용하면서, 더 커진 초점을 노출 기간 동안 이동시키는 것이다.

상기 접근 방법들 중 하나를 이용하여 설계된 X선 튜브는, 하나의 시스템에서 마모그래피 및 토모신테시스 영상 촬영 능력의 조합을 제공하는 시스템에서, 2차원 및 3차원 영상 촬영 모두를 지원하도록 적용될 수 있다. 2차원 영상 촬영에서는, 표준 마모그램이나 확대 영상들을 제공하기 위하여 X선 튜브가 더 작은 크기의 초점을 제공할 수 있다. 3차원 영상 촬영의 경우에는, 더 선명한 영상을 얻기 위해 정지 초점 크기 및/또는 위치가 영상 촬영 중에, 또는 유방 밀도에 대응하여 제어될 수 있다.

상기 묘사된 접근 방법들은 아래 상세하게 설명된다. 그러나 상기 접근 방법들을 컴퓨터 단층 촬영(computerized tomography)에서 전통적으로 사용되어온 비초점(flying focal spot) 방식과는 구별하는 것이 중요하다.

예를 들어, 미국 특허 제6,256,369호는 영상 스캔의 출력 정보량을 높이기 위하여 초점이 길이 방향으로 주기적 이동을 하는 시스템에 대해 설명하고 있다. 바람직한 실시예에서는, 연속된 회전 각도들의 각 위치에서 길이 방향으로 각기 다른 다수의 위치들을 포함하는 사전에 정의된 경로를 따라 초점이 움직인다. 실질적으로는 튜브가 첫 번째 그리고 두 번째 부채꼴 빔 평면들을 갖게 되는 효과가 있다. 초점이 길이방향의 두 위치를 반복 이동하게 함으로써, 두 개의 부채꼴 빔들을 이용하여 서로 다른 z 위치에서 데이터가 수집되고, 결국 영상 스캔의 출력 속도를 두 배로 증가시킨다.

미국 특허 제6,292,538호 역시 비초점(flying focus)을 가진 X선 튜브를 설명하고 있다. 상기 특허의 비초점 기법은 CT 스캔 중 영상의 해상도를 높이기 위한 시도로서, 초점을 두 개의 위치 간에 빠르게 이동시켜, 영상을 반 픽셀만큼 움직이는 효과를 얻도록 하는 것이다.

반면, 본 발명에서는 노출 중 여러개의 영상을 획득하기 위하여 초점을 서로 다른 불연속적인 위치들로 움직이지 않는다. 오히려 본 발명의 목표는, 한 영상의 선명도를 높이기 위해, 저속으로 제어되는 연속적인 초점의 이동을 통하여, 노출 기간 동안 유방 및/또는 검출기의 하나 또는 모두에 대하여 상대적으로 고정된 위치에 실질 초점을 유지하는 것이다.

정지 초점은 X선 튜브의 공간 내에서의 이동 방향과 반대 방향으로 움직인다. X선 튜브와 고정 초점의 서로 반대되는 이동의 결과로, 실질 초점은 각 토모신테시스 노출 동안 유방 및/또는 검출기에 대하여 상대적으로 고정된 위치를 유지함으로써, 실질 초점 크기를 최소화하고 영상의 선명도를 향상시킨다.

도 4a는 노출 동안에 X선 튜브(110)에서 정지 초점의 이동을 도시하고 있다. 도 4a에서는 간결한 설명을 위하여 생략되었지만, X선 튜브는 해당 예의 노출 기간 동안 왼쪽에서 오른쪽으로 이동하고 있다. 노출이 시작될 때, 정지 초점은 위치 Y'에 위치한다. 노출 도중에는, 정지 초점이 위치 Y"에 도달 할 때까지, 정지 초점은 X선 튜브의 이동 속도와 동일하거나 대응하는 속도로, X선 튜브의 이동 방향과 반대의 방향(화살표 111로 표시된 방향)으로 이동한다.

도 4b는 도 4a와 같은 방식으로 정지 초점이 움직일 때, 토모신테시스 노출 중 정지 초점(127)의 위치를 도시한다. X선 튜브(110)가 위치 X'에서 X"로 이동하는 동안, 파생되는 실질 초점(190)은 고정된 위치 또는 검출기(160) 또는 촬영되는 물체에 대하여 상대적으로 고정된 위치에 머무르게 된다. 따라서 X선 튜브가 이동하고 있음에도 불구하고, 실질 초점(190)은 상대적으로 고정되고 최소한의 크기를 갖게 된다. 결과적으로, 검출기에서는 초점의 이동이 발생하지 않게 되고, 토모신테시스 영상의 선명도가 향상된다. 도 3b에서 보인 것처럼, 상기 방식으로 동작 제어되는 초점의 결과로서 얻어지는 유방 상의 한 점의 영상은 기존 방식에서 보이는 것과 같은 심각한 블러링 효과를 겪지 않는다는 것을 알 수 있다.

지금까지 이동하는 X선 광원에 있어서 X선 영상의 선명도를 향상시키기 위한 방법이 보여지고 묘사되었다. 비록 상기 묘사가 X선 튜브와 고정 초점의 반대되는 이동을 동일한 하나의 평면상에서 설명하고 있기는 하지만, X선 튜브와 고정 초점의 반대되는 이동이 임의의 차원에서도 이루어질 수 있도록, 본 발명의 개념들이 적용될 수 있다는 것을 주지할 필요가 있다. 추가적으로 본 발명은 X선 튜브와 정지 초점이 같은 속도로 움직이거나 같은 거리를 움직이는 경우에만 국한되는 것이 아니다. 영상 선명도의 향상은, X선 노출 기간 중 초점의 누적된 크기를 최소화하도록 하는 X선 튜브에 대하여 상대적인 정지 초점의 반대되는 동작으로써 얻어질 수 있다는 사실이 중요함을 알 수 있다. 따라서 본 발명은 초점을 이동시키는 특정한 범위와 방향 및 속도에 제한되지 않는다.

상술한 바와 같이, 실질 초점 크기를 줄이는 두 번째의 접근 방법은 고정 초점의 크기를 증가시키면서 노출 기간을 줄이는 것을 수반한다. 예를 들어, 도 5a는 도 3a와 유사한 경우로서, 상대적으로 작은 고정 초점(320)이 사용되는 경우를 보여준다. 영상 촬영에 필요한 노출을 얻기 위하여, X선 튜브는 도면 부호 D1의 지속시간 동안 활성화 되어야 하는데, 이는 검출기 평면(160) 위에서 블러링 효과(300)를 유발한다. 도 5b에 보인 바와 같이, 만약 상대적으로 더 큰 정지 초점(330)이 사용되는 경우, 전체 노출 기간(D2)이 줄어들 수 있고, 따라서 영상 블러링(310)의 감소를 수반하는 결과를 가져온다. 큰 초점을 사용하는 또 하나의 장점은 X선 튜브 제너레이터의 성능을 충분히 활용할 수 있도록 한다는 점이다. 예를 들어, 기존 토모신테시스의 X선 튜브가 200mA의 제너레이터를 사용하더라도, (영상의 선명도를 위하여) 바람직한 작은 초점의 경우에 오직 28kV 160mA만을 허용하고 있음으로 인하여, 제너레이터는 항상 200mA에서 작동되지는 못한다. 본 발명은 증가된 초점 크기의 효과가 노출 시간의 감소에 의해 보상될 수 있기 때문에 토모신테시스 영상 촬영에서 영상의 선명도를 희생하지 않고도 초점 크기를 증가시킬 수 있다는 사실을 주목하여, 결과로서 얻어지는 실질 초점의 크기가 기존 방식에서 얻어지는 실질 초점의 크기보다 작도록 개선한 것이다.

두 번째 접근 방법은 초점 이동에 대한 물리적 제약으로 인하여 실질 초점이 1cm보다 큰 시스템의 경우에 이점을 가질 수 있다. 그러한 실시예에서는, 초점을 확대하고 노출을 줄이는 것이 영상 촬영을 위한 가장 작은 실질 초점을 발생시킬 수 있다.

초점 크기를 확대하기 위하여 다양한 방법들이 사용될 수 있다. 그러한 방법들은 다음과 같은 방안들, 즉 포커싱 컵의 초점을 조절하여 길이 방향 또는 폭 방향 또는 두 방향 모두에서 초점 크기를 확대하는 방법; 전극을 추가하여 초점 크기가 하나의 방향 또는 두 개의 방향으로 초점 크기를 변화시키는 방법; 그리고 제3의 필라멘트 또는 여러 필라멘트들의 조합을 이용하는 방법 등을 비한정적으로 포함한다. 추가적으로, 고도화된 전자 또는 X선의 광학적 기법들이 초점 크기를 확대하는데 이용될 수 있다.

지금까지, X선 광원이 이동하는 상황에서 X선 영상의 선명도를 높이기 위한 두 가지 방법들, 즉 초점을 이동시키는 것을 수반하는 첫 번째 방법과, 초점의 크기를 증가시키는 것을 수반하는 두 번째 방법을 보이고 상세하게 설명하였다. 상기 두 가지 방법들은 단독으로 혹은 결합하여 적용될 수 있다는 사실을 주지할 필요가 있다. 예를 들어, 크고 이동이 가능한 실질 초점을 갖는 X선 튜브를 제공하는 것이 X선 튜브 제너레이터의 성능을 충분히 활용하고, 고 품질의 영상을 획득하며, 노출 시간의 감소에 따라 환자의 영상 스캔을 더 빨리 수행할 수 있는 시스템을 가능케 한다는 것을 확인하였다.

일부 실시예들에서는 상기 두 가지 방법이 단독으로 또는 조합된 형태로 사용가능하도록 자동으로 또는 수동으로 설정되는 것이 바람직할 수 있다. 두 가지 방법 모두 기존의 X선 튜브를 개선하는 방식, 예를 들어 타겟을 움직이는 능력을 제공하거나, 음극의 포커싱 컵을 조절하거나, 다른 필라멘트들을 사용하거나, 또는 X선 광자의 초점을 제어하는 방식으로 구현될 수 있다.

예를 들어 도 6은 본 발명의 X선 튜브(110)를 묘사하는데, X선 튜브는 양극(114), 음극(112), 그리고 양극 회전기(410)를 격납하는 진공 튜브(400)를 포함한다. 본 발명의 한 태양으로서, X선 튜브는 초점 위치 제어기(600)를 추가적으로 포함한다. 초점 위치 제어기는 '폭' 방향으로 전자의 궤적을 바꾸기 위하여 음극(112)에 연결될 수도 있다. 가장 단순한 형태는, 제어기가 포커싱 컵 옆에 두 개의 평행한 금속판들을 포함하고, 금속판에 인가된 바이어스 전압이 전자의 이동 방향을 움직이도록 하여, 양극 위에서의 타겟 위치를 제어하도록 하는 것이다. 그러므로 초점의 이동은 상기 금속판에 인가된 바이어스 전압에 의해 제어된다. 여러 실시예들에서, 바이어스 전압은 X선 노출 전에 고정적으로 또는 동적으로 설정될 수 있다.

도 8a와 도 8b를 참조하여, 초점의 이동을 제어하기 위한 메커니즘의 예를 아래에 설명하고자 한다. 기존의 방식에서는, 필라멘트와 음극(112)에서 방출된 전자들은 표시된 경로(620)를 따라 이동하여 양극(114) 위의 위치 a에 충돌한다. 위치 a는 초점의 위치를 나타낸다.

본 발명의 하나의 실시예로서, 동작 제어기(600)가 추가되었다. 동작 제어기는 금속판들(601)과 전압 전원(602)과 제어기(603)를 포함한다. 금속판(601)의 전압을 바꿈으로써 타겟에 이르는 전자들의 이동 경로를 바꿀 수 있다; 예를 들어, 하나의 전자는 금속판(601)에 인가된 전압에 의하여 주어진 경로(620)를 따라 이동하고 양극(114)상의 상이한 위치 a 및 b에 충돌할 수 있는데, 이 때 위치 a와 b는 양극(114) 위의 상이한 초점 위치들을 나타낸다.

도 8b에서 금속판들은 Y축을 따라 정렬되어 금속판 전압의 변화가 Y축 방향으로 전자 이동경로를 변경하도록 표현되었다. 그러나 본 발명에서는 전자의 이동경로를 Z평면에서(도면에서 법선방향으로) 변경하는 것이 바람직하며, 그러한 실시예에서는 동작 제어기가 Z축 방향으로 정렬된 금속판들을 포함하게 된다. 결론적으로, 금속판(601)은 도면상의 위치와는 다른 공간적 위치에 배치될 수 있으며, 하나 이상의 금속판 쌍이 사용될 수 있다. 금속판의 개수와 구성, 그리고 금속판에 인가될 전압의 선택은 원하는 초점 위치에 의해 결정될 수 있다. 제어기(603)는 시간의 경과에 따라 전압을 바꿈으로써, 튜브의 이동 및 영상 리셉터의 영상 획득 순서에 적절하게 동기화되어, 바람직한 실질 초점의 분포를 만들어낸다.

대안적인 실시예에서는, 초점제어기가 양극의 기울기를 제어하여 음극으로부터의 전자 흐름이 양극 타겟에 부딪히는 각도를 변화시킨다. 또 다른 실시예에서는, 제어기가 음극의 포커싱 컵을 움직여서 전자들이 양극 위의 다른 타겟 위치에 충돌하도록 하거나, 전자의 궤적에 수직된 방향으로 바이어스 전압을 인가하여 전자의 궤적을 전자적으로 변경시킨다. 전자와 양극의 충돌 각도를 조절하는 것은 정지 초점 크기를 제어하기 위해 사용할 수 있는 기법 중 하나이지만, 전자의 흐름이 양극과 충돌하는 각도를 조절하는 어떤 다른 기법들도 상기 방식을 대체하여 사용될 수 있다.

양극과 음극 간의 상대적인 각도를 변화시키는 것, 그리고 그 결과로 전자들이 타겟에 충돌하는 각 방향을 변화시키는 것은 토모신테시스의 노출 중 초점의 위치를 이동시킴으로써도 성취될 수 있다.

X선 초점을 이동시키기 위해 사용될 수 있는 다양한 종류의 다른 방법들이 있다. 하나의 실시예로서, 튜브 내부에 X선 렌즈를 사용하거나 또는 튜브 포트(120)의 크기 및/또는 위치를 조절함으로써 초점을 이동할 수 있다. 전자 빔의 초점 이동은, 전자 빔을 전자적으로 조종하여 X선 타겟의 다른 위치에 부딪히도록 하는 방법; 타겟을 전자적으로 이동시키는 방법; 또는 하나 또는 그 이상의 전자 빔 광원들과 하나 또는 그 이상의 X선 타겟 위에 분포된 여러 초점들을 갖는 X선 튜브를 이용하는 방법 등을 통해 성취될 수 있다.

예를 들어, X선 빔의 초점을 이동시키기 위하여, X선 타겟 위의 첫 번째 점에 조준된 첫 번째 X선 빔이 꺼지고, 첫 번째 또는 두 번째의 X선 타겟 위의 두 번째 점에 조준된 두 번째 전자 빔이 켜지게 된다. 전자 빔이 X선 타겟 위의 다른 위치에 충돌함에 따라, X선 빔은 타겟 위의 다른 위치에서 방출되며, 그리하여 X선 빔의 초점 위치가 이동된다.

다른 대안으로서, X선 빔의 초점을 이동시키기 위하여 섬유 광학적 X선 렌즈가 사용될 수 있는데, 이 때 빔은 조금씩 다른 방향을 향하도록 구성된 여러 가닥의 광섬유들을 가진 번들 중의 일부 가닥을 지나게 된다. 빔을 특정 가닥 또는 여러 가닥의 광섬유들로 유도하기 위하여 셔터(shutter)가 사용될 수 있다.

앞에 설명한 바와 같이, 다른 영상 모드들을 지원하기 위하여 초점의 크기가 달라질 수도 있다. 한 실시예로서, 하나의 X선 튜브는 세 개의 초점 크기, 즉 작은 초점 크기 0.1x0.1㎟, 큰 초점 크기 0.3x0.3㎟, 그리고 특대의 초점 크기 0.6x0.3㎟(폭x길이)를 갖는다. 작은 초점 크기 및 큰 초점 크기는 다양한 2D 영상 모드를 위하여 사용될 수 있다. X선 튜브의 초점 크기는 필요한 경우, 3D 펄스 모드에서 특대의 초점 크기로 설정될 수 있다. 그러한 구성에서, 특대의 초점 크기는 양극 트랙 위에 제공되는데, 정적인 2D 모드에 비하여 훨씬 더 큰 튜브 전류를 가능하게 한다. 특대의 초점 크기와 관련하여, 예상되는 실질적인 초점의 크기는 0.5x0.5㎟ 또는 0.6x0.3㎟이다.

초점 크기를 바꾸는 하나의 방법으로서는 포커싱 컵에 필라멘트를 추가하는 방법이 있다. 도 9a 및 도 9b는 서로 다른 개수의 필라멘트들(910 및 920)을 이용하여 포커싱 컵(900)을 구현한 두 가지 실시예를 보여주고 있다. 하나의 필라멘트가 켜지는 경우, 기존의 0.3x0.3㎟ 초점을 만들어낸다. 두 개의 필라멘트가 켜지는 경우, 그 결과 발생하는 방출은 두 배가 되고, 따라서 튜브 전류도 두 배가 되어, 초점 크기는 0.6x0.3㎟(폭 x 길이)가 된다.

앞서 설명한 것처럼, 본 발명의 X선 튜브는 2D 및 3D 영상 촬영 능력을 가진 영상 시스템에서 이용될 수 있다. 그러한 시스템에서는, 정지 초점의 이동 및 정지 초점의 크기가 두 가지 영상 모드에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 각각의 토모신테시스 노출 또는 전체 스캔을 위하여 초점 크기가 확대되거나, 마모그래피와 같이 증가된 해상도가 필요하고 X선 광원의 움직임에 영향 받지 않는 영상 모드들을 위하여 초점 크기가 축소될 수 있다. 그러므로 X선 튜브는 영상 모드에 기반 하여 설정하는 것이 가능하다.

도 7에 보인 바와 같이, 2D 및 3D 영상을 지원하는 본 발명의 X선 튜브를 이용하는 절차(500)를 아래에서 설명한다. 해당 실시예에서, 토모신테시스 시스템은 -7.5도에서 +7.5도까지 스캔한다. 마모그래피는 토모신테시스 스캔 후에 촬영된다. 도면 부호 510으로 표시된 단계에서, 토모신테시스 기기의 갠트리는 -7.5도의 각도에 위치한 상태로 토모신테시스를 위한 이동을 시작한다. 단계 512에서 X선 튜브는 초기 영상 위치에 도달하고, 단계 514에서는 X선 튜브가 활성화된다. 하나의 실시예에서, 각각의 노출은 60ms 미만의 시간이 걸린다. 노출 기간 동안, 갠트리는 +7.5도 각도의 위치로 계속 이동하고, X선 튜브 초점 제어기는 초점을, X선 기법 및 원하는 토모신테시스 스캔의 갠트리 스캔 속도를 기반으로 계산된, 양극 위의 시작 위치로 설정하여, 정지 초점을 반대의 방향으로 이동시킨다(당 실시예의 경우, 시계 방향의 토모신테시스 스캔).

단계 516에서, 노출이 종료되고 동시에 초점이 사전에 계산된 정지 위치에 도달하였을 때, X선 튜브는 꺼지고 정지 초점은 X선 튜브 내에서 다시 중앙으로 정렬된다. 단계 518에서는 시계 방향 스캔의 끝 점(+7.5도 각도의 갠트리 위치)까지 도달하였는지 판단한다. 만약 도달하지 않았다면, 단계 512에서 단계 516이 토모신테시스 영상들이 모두 얻어질 때까지 반복된다. 520번 단계에서는 갠트리가 0도 각도 위치로 돌아가고 초점은 마모그래피 영상 촬영을 위하여 최적화된다. 만약 초점이 토모신테시스 영상을 위해 확대되었다면, 바람직한 마모그램 해상도를 제공하기 위하여 다시 축소된다. 522번 단계에서는 2D 영상이 촬영되고 전체 절차가 완료된다. 상기 절차에서 설명한 시스템은 X선 튜브가 켜지거나 꺼지는 방식으로 작동하고 있음을 주지할 필요가 있다. 그러나 본 발명이 그러한 특정 방식에 한정되는 것은 아니다. 실질적으로 많은 시스템들이 스캔 중에 계속해서 켜진 상태를 유지하는 X선 튜브를 가지고 있고, 스캔 중 선택된 노출 시간에만 검출기에서 영상 촬영이 되도록 제어함으로써 영상 촬영이 이루어진다. 그러한 경우에 초점의 이동은, X선 튜브가 켜지거나 꺼지는지, 혹은 항상 켜져 있는지에 상관없이, 노출 시작 시간과 노출 종료 시간에 동기화됨을 알 수 있다.

지금까지 본 발명에 따라 X선 노출 기간 동안 초점 크기 및 동작의 정적 제어 또는 동적 제어를 통해 토모신테시스 영상의 선명도를 향상시키는 시스템, 방법 및 절차가 보여지고 설명되었다. 비록 본 명세서의 설명이 유방 영상을 위한 토모신테시스 시스템을 중심으로 한 것이었지만, 본 발명의 X선 튜브는 어느 특정 영상 모드에 한정되지 않는다는 것을 주지할 필요가 있다. 오히려 본 발명의 X선 튜브는 X선 광원이 움직이는 동안 영상을 촬영하는 모든 시스템에서 유용할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨터 단층 촬영(CT)은 초점의 블러링 문제를 가지고 있다. 본 발명의 개선된 X선 튜브는 초점 블러링을 줄이기 위해 CT 시스템에 유익하게 사용되어, 가시 범위 전체에 걸쳐서 모듈레이션 트랜스퍼 함수(MTF; modulation transfer function)를 등방성으로 만든다. 유방 CT 시스템에서, 상기 변화의 혜택은, 유방 가장자리에서의 MTF가 수평면상의 유방 중앙에서 만큼 뛰어나다는 점에 있다. 상기 특정 예들과 실시예들은 단지 도시하기 위한 것으로서, 본 발명의 개시된 내용이나 첨부된 청구항들의 범위를 벗어나지 않는, 상기 특정 예들과 실시예들의 많은 변형된 형태들이 만들어질 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예들의 구성 요소 및/또는 특성들은 본 발명의 개시된 내용 및 첨부된 청구항의 범위 내에서 서로 결합 및/또는 교체될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예에는 노출 기간 동안 X선 튜브가 움직이도록 구성되어 있는 형태가 포함된다. X선 튜브는 전자의 흐름을 발생시키기 위한 음극; 전자 흐름을 받기 위한 타겟을 구비하고, 광자 흐름을 발생시키기 위한 양극; 노출 기간 동안 전자 흐름을 양극 위로 모아주는 포커싱 컵; 광자 흐름을 X선 튜브 바깥으로 내보내는 포트; 그리고 음극, 양극 및 포커싱 컵 중 최소 하나와 연결되어, X선 튜브의 이동과 관련하여 정지 초점의 위치 또는 크기를 수정함으로써, 노출 기간 동안 정지 초점의 특성을 수정하기 위한 제어기를 포함하고, 상기 음극, 양극 및 포트는 함께 X선 튜브의 정지 초점을 한정한다.

노출 기간 동안 X선 튜브가 첫 번째 방향으로 움직이고, 제어기는 첫 번째 방향의 반대의 방향으로 노출 기간 동안 정지 초점을 움직임으로써, 실질 초점이 유방 및/또는 검출기에 대하여 공간 내에서 상대적으로 고정된 위치를 유지하도록 하여 영상의 블러링을 감소시킬 수 있다. 정지 초점 크기를 증가시켜 노출 기간을 줄이고 영상의 블러링을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따라, 노출 기간 동안 첫 번째 방향으로 X선 튜브를 움직여 X선 영상을 촬영하는 방법은, 노출 기간 동안 첫 번째 방향과 반대 방향인 두 번째 방향으로 초점을 움직임으로써 노출 기간 동안의 실질 초점 크기를 감소시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 또 다른 태양으로서, 두 개의 영상 모드로 작동할 수 있는 영상 시스템을 이용하여 X선 영상을 촬영하는 방법은, 영상 시스템의 작동 모드에 대응하여 X선의 초점 크기를 변화시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한, 노출 기간 동안 움직이는 X선 튜브를 이용하여 영상을 촬영하는 영상 모드에서, 초점 크기를 변화시켜 초점의 크기를 증가시키는 단계를 포함할 수 있다. 추가적으로 초점 크기를 변화시키는 단계는, 노출 기간 동안 유방 및/또는 검출기에 대하여 상대적으로 고정된 위치에 머무르는 X선 튜브를 이용하여 영상을 촬영하는 영상 모드에서, 초점의 크기를 감소시킬 수도 있다.

위에서 설명한 실시예들은, 예로써 도시하기 위한 목적으로 묘사되었으며, 본 발명의 모든 실시형태를 다 보여주거나 특정 예들로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 상기 실시예들의 의의는, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특정 환경에 적합하도록 개시된 실시예들의 변형/개선된 형태들을 이용하여 본 발명의을 실시하는데 필요한 원칙들을 설명하는데 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항들과 그와 동일한 내용들에 의해 확정된다.

Claims (13)

1. 노출 기간 중 이동하도록 구성된 X선 튜브로,
   전자 흐름을 발생시키기 위한 음극;
   전자 흐름을 받는 타겟을 포함하고, 받는 전자 흐름에 상응하여 광자 흐름을 생성하는 양극;
   노출 기간 동안 전자 흐름을 양극으로 모아주는 포커싱 컵;
   X선 튜브의 밖으로 광자 흐름을 내보내는 포트; 및
   양극, 음극 및 포커싱 컵 중 최소 하나와 연결되는 제어기를 포함하고,
   상기 음극, 양극 및 포트는 함께 X선 튜브의 정지 초점을 한정하며, 상기 정지 초점은 노출 기간 동안 물체에 실질 초점을 제공하도록 물체로 유도되며,
   상기 X선 튜브는 노출 기간 동안 제1 방향으로 이동하고, 상기 제어기는 노출 기간 동안 물체에서 실질 초점의 크기를 최소화시키도록 X선 튜브의 움직임과 연동하여 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 정지 초점을 이동시키며,
   상기 X선 튜브는 두 개의 모드로 작동하되, 제1 모드는 제2 모드에 비해 긴 노출 기간과 작은 정지 초점을 갖는 광자 흐름을 제공하는 것을 특징으로 하는 X선 튜브.
2. 초점을 가진 X선 튜브를 이용하여 물체의 X선 영상을 촬영하는 방법으로,
   X선 영상에서의 블러링 효과를 줄이기 위하여 X선 영상을 획득하는 동안에, X선 튜브를 제1 방향으로 이동시키면서, X선 튜브의 움직임과 연동하여 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 정지 초점을 이동시키는 단계를 포함하고,
   상기 X선 튜브는 두 개의 모드로 작동하되, 제1 모드는 제2 모드에 비해 긴 노출 기간과 작은 정지 초점을 갖는 것을 특징으로 하는 X선 영상 촬영 방법.
3. 제2항에 있어서,
   토모신테시스 영상 촬영 중에 정지 초점의 크기 및/또는 위치를 제어하는 단계를 포함한 것을 특징으로 하는 X선 영상 촬영 방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 제1 모드는 마모그래피 영상 모드이고, 제2 모드는 토모신테시스 영상 모드인 것을 특징으로 하는 X선 영상 촬영 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 모드는 마모그래피 영상 모드이고, 제2 모드는 토모신테시스 영상 모드인 것을 특징으로 하는 X선 튜브.
6. 제1항에 있어서,
   상기 X선 튜브는 2차원 유방 영상을 위한 작은 초점 크기, 3차원 유방 영상을 위한 큰 초점 크기, 및 3차원 펄스 모드 영상을 위한 특대의 초점 크기를 제공하는 세 가지 모드로 작동하는 것을 특징으로 하는 X선 튜브.
7. 제1항에 있어서,
   정지 초점의 크기 및 노출 기간의 지속 기간은 X선 튜브에 의해 촬영될 물체의 밀도에 관련되는 것을 특징으로 하는 X선 튜브.
8. 환자 유방의 2차원 영상 및 3차원 영상을 획득하는 X선 영상 시스템으로,
   X선 광원의 초점으로부터 X선을 발생시키기 위한 X선 광원;
   X선 광원의 노출 기간 동안 X선 광원으로부터 X선을 수신하도록 위치되는 X선 검출기;
   노출 기간 동안 검출기의 경로를 따라 X선 광원의 이동을 제어하도록 X선 광원에 연결되는 제어기를 포함하고,
   상기 초점의 크기는 적어도 시스템의 선택된 동작 모드에 따라 선택될 수 있되, 상기 동작 모드는 적어도 마모그래피 동작 모드와 토모신테시스 동작 모드를 포함하며,
   노출 기간 동안 수신된 X선은 상기 검출기에서 실질 초점을 형성하고,
   상기 제어기는 노출 기간 동안 X선 광원의 이동과 연동하여 상기 X선 광원의 이동과 반대인 방향으로 초점의 이동을 제어하는 것을 특징으로 하는 X선 영상 시스템.
9. 제8항에 있어서,
   상기 X선 광원은 상기 경로를 따라 X선 광원의 이동 중에 복수의 노출 기간을 제공하도록 순차적으로 활성화되고, 상기 초점의 크기는 적어도 두 개의 노출 기간 사이에서 상이한 것을 특징으로 하는 X선 영상 시스템.
10. 제8항에 있어서,
    상기 초점의 크기는 X선 시스템에 의해 촬영될 물체의 특성에 따라 또한 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는 X선 영상 시스템.
11. 제10항에 있어서,
    촬영될 물체는 유방이고, 상기 특성은 유방의 밀도를 포함하는 것을 특징으로 하는 X선 영상 시스템.
12. 제8항에 있어서,
    상기 노출 기간은 X선 광원의 하나의 활성화에 관한 것인 것을 특징으로 하는 X선 영상 시스템.
13. 제8항에 있어서,
    상기 노출 기간은 영상이 검출기에 의해 캡쳐되는 동안의 시간의 기간에 관한 것인 것을 특징으로 하는 X선 영상 시스템.

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