KR101700287B1 - 단층촬영에서의 양자검출효율 측정용 팬텀 및 이를 이용한 양자검출효율 측정방법 - Google Patents

단층촬영에서의 양자검출효율 측정용 팬텀 및 이를 이용한 양자검출효율 측정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단층촬영에서의 양자검출효율측정용팬텀 및 이를 이용한 양자검출효율측정방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 양자검출효율측정을 위하여, 팬텀에 X선을 조사하는 A단계; 상기 A단계에서 X선이 조사된 팬텀측으로부터 변조전달함수를 구하는 B단계; 상기 A단계에서 X선이 조사된 팬텀측으로부터 잡음력스펙트럼을 구하는 C단계; 상기 A단계에서 X선이 조사된 팬텀측으로부터 총입력광자수를 구하는 D단계; 및 상기 B 단계에서 얻어진 상기 변조전달함수, 상기 C단계에서 얻어진 잡음력스펙트럼 및 상기 D단계에서 얻어진 상기 총입력광자수로부터 양자검출효율을 구하는 E 단계; 를 포함함으로서 1번의 스캔을 통해 전산화단층촬영(CT)시스템의 공간해상도 및 잡음도를 함께 측정할 수 있으므로, 전산화 단층촬영 시스템에 대한 종합성능평가를 하는데 드는 비용과 시간을 대폭 절감시킬 수 있는 기술이 개시된다.

Description

단층촬영에서의 양자검출효율 측정용 팬텀 및 이를 이용한 양자검출효율 측정방법{Phantom for Measuring Detective Quantum Efficiency of Computed Tomography and Method Using Thereof}
본 발명은 전산화 단층촬영(computed tomography : CT) 시스템의 종합적 성능평가를 위한 양자검출효율측정에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1 번의 스캔을 통해 공간해상도 및 잡음도측정을 동시에 할 수 있으며, 이를 통해 양자검출효율을 산출하여 종합성능평가를 할 수 있는 양자검출효율 측정용 팬텀 및 이를 이용한 양자검출효율 측정방법에 관한 것이다.
의료분야에서 사용되는 전산화 단층촬영(CT) 시스템과 같은 X선 장비는 비교적 간단하게 조작할 수 있기 때문에 임상 각 과에서 널리 이용되고 있다.
X선 검사가 널리 이용됨에 따라 X선 촬영장치에 대한 성능 개선 내지 성능유지를 위하여 X선 촬영 장치의 성능을 체크할 수 있는 방법이 요구되고 있다.
전산화 단층촬영 시스템의 양자검출효율(Detective Quantum Efficiency : DQE)은, 그 시스템이 얼마나 효율적으로 화상 형성에 이용되고 있는 지를 평가하는 척도로서, 그 성능을 공간 주파수의 함수로 표현한다. 양자검출효율은 입력과 출력의 신호 대 잡음비 (signal - to - noise ratio)의 제곱의 비로서 정의되며, 해상도와 대조도 및 잡음 성능을 모두 포함하고 있으므로, 전산화 단층촬영 시스템의 성능을 종합적으로 표현할 수 있는 척도이다.
양자검출효율의 측정은 변조전달함수와 잡음력 스펙트럼의 측정, 그리고 입력선량의 측정으로 나눌 수 있으며, 각각의 인자를 이용하여 계산하게 된다. 기존의 측정방식은 서로 다른 팬텀을 이용하여 각각의 척도를 측정하고 이후 각각의 데이터를 이용하여 양자검출효율을 측정하는 방식이었다.
따라서, 이와 같은 방식으로 양자검출효율을 얻기 위해서는 수차례 반복적으로 스캔을 하여야 했기에 양자검출효율의 측정과정이 복잡하고, 성능평가를 위한 비용이 높아지고, 검사시간 또한 많이 소요되며, 측정자의 숙련도 내지 경험에 의해 결과의 차이가 많이 발생한다는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1270002호
본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 병원에서 쉽게 사용할 수 있는 저렴하면서도 실용적인 양자검출효율 측정용 팬텀을 제안하고, 이러한 양자검출효율 측정용 팬텀을 이용하여 1번의 스캔을 통해 공간해상도 및 잡음도를 함께 측정하여 양자검출효율을 통한 종합성능평가를 할 수 있는 양자검출효율측정용팬텀 및 이를 이용한 양자검출효율측정방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정용 팬텀은 X선 입력선량을 측정하는 입력선량측정기가 장착된 제1피사(被寫)부; 상기 제1피사부와의 사이에 상기 입력선량측정기가 위치하도록 상기 제1피사부의 일측에 소정의 간격만큼 이격되어 결합된 제2피사부; 및 상기 제2피사부의 일측면에 결합되되, 상기 제2피사부의 일측면보다 작은 크기를 갖는 제3피사부; 를 포함하는 것을 하나의 특징으로 할 수도 있다.
여기서, 상기 제2피사부 및 상기 제3피사부 각각은 원기둥의 형태을 갖추고 있으며, 상기 제2피사부의 중심축과 상기 제3피사부의 중심축이 일치하도록 상기 제2피사부의 일측면에 상기 제3피사부가 결합된 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
여기서, 상기 제1피사부, 제2피사부 및 제3피사부 중 적어도 어느 하나는 폴리메틸메타아크릴레이트(Polymehtylmethacrylate; PMMA)를 포함하여 이루어진 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법은 양자검출효율측정을 위하여, 팬텀에 X선을 조사하는 A단계; 상기 A단계에서 X선이 조사된 팬텀측으로부터 변조전달함수를 구하는 B단계; 상기 A단계에서 X선이 조사된 팬텀측으로부터 잡음력스펙트럼을 구하는 C단계; 상기 A단계에서 X선이 조사된 팬텀측으로부터 총입력광자수를 구하는 D단계; 및 상기 B 단계에서 얻어진 상기 변조전달함수, 상기 C단계에서 얻어진 잡음력스펙트럼 및 상기 D단계에서 얻어진 상기 총입력광자수로부터 양자검출효율을 구하는 E 단계; 를 포함하는 것을 하나의 특징으로 할 수도 있다.
여기서, 상기 팬텀은, 소정의 크기 및 두께를 가지며, 입력선량측정기가 장착된 제1피사(被寫)부; 상기 제1피사부와의 사이에 상기 입력선량측정기가 위치하도록 상기 제1피사부의 일측에 소정의 간격만큼 이격되어 결합된 제2피사부; 및 상기 제2피사부의 일측면에 결합되되, 상기 제2피사부의 일측면보다 작은 크기를 갖는 제3피사부;를 포함하고, 상기 제2피사부 및 상기 제3피사부 각각은 원기둥의 형태을 갖추고 있으며, 상기 제2피사부의 중심축과 상기 제3피사부의 중심축이 일치하도록 상기 제2피사부의 일측면에 상기 제3피사부가 결합된 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
나아가, 상기 B단계에서, 상기 제3피사부로부터 얻어진 단층영상으로부터 상기 제3피사부의 중심좌표를 획득하기 위하여 2진화를 수행하는 BA단계; 상기 BA 단계에서 2진화된 단층영상을 이용하여 상기 제3피사부의 중심좌표를 파악하는 BB 단계; 상기 BB단계에서 파악된 상기 제3피사부의 중심좌표로부터 단층영상의 각각의 픽셀까지의 거리를 계산한 후 거리에 대한 각 픽셀값의 함수인 에지퍼짐함수(Edge Spread Function : ESF)를 산출하는 BC단계; 및 상기 BC단계에서 산출된 상기 에지퍼짐함수를 미분하여 점퍼짐함수(Point Spread Function:PSF)를 산출하고, 산출된 상기 점퍼짐함수를 퓨리에변환하여 변조전달함수를 구하는 BD단계;를 포함하는 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
나아가, 상기 변조전달함수(Modulation Transfer Function : MTF)는 MTF(f)=FTPSF(x) (여기서, FT 는 푸리에변환을 의미하고, PSF는 점퍼짐함수(Point Spread Function:PSF)임) 에 의해 구하여지는 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
나아가, 상기 C단계의 상기 잡음력스펙트럼(Noise Power Spectrum : NPS)은,
Figure 112015058665392-pat00001
(여기서, FT 는 푸리에변환을 의미하며, W(x,y,z)는 팬텀촬영을 통해 획득된 3차원 단층영상의 관심영역을 의미하고,
Figure 112015058665392-pat00002
는 관심영역의 각 방향별 복셀수를 의미하며,
Figure 112015058665392-pat00003
는 x방향, y방향 및 z방향 별 복셀의 크기를 의미) 에 의하여 구하여지는 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
나아가, 상기 D단계에서 구해지는 상기 총 입력광자수는, 단위 선량당 입력 광자 수에 상기 팬텀측에서 측정된 입력선량값을 곱함으로써 얻어지는 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
나아가, 상기 E단계에서 구하는 상기 양자검출효율(Detective Quantum Efficiency : DQE)은
Figure 112015058665392-pat00004
(여기서, MTF는 상기 변조전달함수를 의미하고, NNPS는 정규화된 잡음력스펙트럼(Nomalized Noise Power Spectrum )을 의미하며, q는 상기 총입력광자수를 의미) 에 의하여 구하여지는 것을 또 하나의 특징으로 할 수도 있다.
본 발명에 따른 양자검출효율측정용팬텀 및 이를 이용한 양자검출효율측정방법은 1번의 스캔을 통해 공간해상도 및 잡음도를 함께 측정하여 양자검출효율을 통한 종합성능평가를 할 수 있으므로 전산화 단층촬영 시스템에 대한 종합성능평가를 하는데 소요되는 비용과 시간을 대폭 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정용 팬텀을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정용 팬텀을 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정용 팬텀을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정용 팬텀을 이용한 양자검출효율측정방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에서 변조전달함수를 얻기 위하여 측정된 제3피사부의 단층영상을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에서 변조전달함수를 얻기 위하여 측정된 제3피사부의 CT단층영상에서 제3피사부의 중심좌표가 표시된 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에서 제3피사부의 중심좌표를 이용하여 얻어진 에지퍼짐함수의 예시적 그래프를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에서 에지퍼짐함수를 미분하여 얻어진 점퍼짐함수의 예시적 그래프를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에서 점퍼짐함수를 푸리에변환하여 얻어진 변조전달함수의 예시적 그래프를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에서 다양한 단층촬영 조건 속에서 얻어진 변조전달함수의 예시적 그래프들을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에서 잡음력스펙트럼(NPS)를 구하기 위해 관심영역(ROI)을 추출하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에서 다양한 촬영조건 속에서 얻어진 1차원 잡음력스펙트럼을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에 따라 다양한 촬영조건 속에서 얻어진 양자검출효율을 예시적으로 나타낸 도면이다.
이하에서는 본 발명에 대하여 보다 구체적으로 이해할 수 있도록 첨부된 도면을 참조한 바람직한 실시 예를 들어 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 실시 예에 따른 양자검출효율측정용 팬텀 및 이를 이용한 양자검출효율측정방법을 설명하는데 있어서 관련 용어를 간략히 설명하기로 한다.
변조전달함수(Modulation transfer function: MTF)는 영상장치로 촬영/표현할 수 있는 공간해상도 성능을 보여주는 함수 내지 이를 표현한 그래프를 말한다.
잡음력스펙트럼(Noise power spectrum: NPS)는 영상장치에서 발생하는 잡음의 성분을 공간주파수 도메인에서 표현한 함수 내지 그래프를 말한다. 그리고, 정규화잡음력스펙트럼(Normalized noise power spectrum: NNPS)는 잡음력 스펙트럼을 영상의 평균신호로 정규화한 함수 내지 이를 표현한 그래프를 말한다.
양자검출효율(Detective quantum efficiency: DQE)은 영상장치의 입력 신호대 잡음비의 제곱과 출력 신호대 잡음비 제곱의 비율을 나타낸 함수 내지 이를 표현한 그래프로써, 신호의 전달을 기술하는 변조전달함수와 잡음의 전달을 기술하는 잡음력스펙트럼을 이용하여 계산할 수 있다.
에지퍼짐함수(Edge spread function: ESF)는 영상장치의 임펄스 응답으로써, 계단함수(step function)을 입력하였을때 영상장치로 부터 출력되는 영상을 의미한다.
점퍼짐함수(Point spread function: PSF)는 에지퍼짐함수을 미분하여 얻어지는 함수를 말한다. 그리고, 입력선량(input dose)은 디텍터 표면으로 입사되는 엑스선 광자에 의한 선량의 총합을 의미한다.
이와 같은 용어를 이용하여 본 발명의 실시 예에 따른 양자검출효율측정용 팬텀 및 이를 이용한 양자검출효율측정방법에 대해서 설명을 하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정용 팬텀을 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정용 팬텀을 개략적으로 나타낸 측면도이며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정용 팬텀을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 양자검출효율(Detective quantum efficiency : DQE)측정용 팬텀은 제1피사부, 제2피사부 및 제3피사부를 포함하여 이루어진다.
제1피사(被寫)부(100)는 도1 내지 도3에서 참조되는 바와 같이 소정의 크기 및 두께를 가진 패널 형태로서, X선 입력선량을 측정하기 위한 입력선량측정기(110)가 장착된다.
이러한 제1피사부(100)에는 중앙에 장착홀이 마련되어 있다. 이 장착홀에 입력선량측정기(110)가 삽입되어 결합된다. 여기서 입력선량측정기(110)는 도시된 바와 같이 제1피사부(100)의 중앙에 결합되며, CT 스캔(X선 조사)시 CT 중앙에서의 입력선량값을 측정한다.
제1피사부(100)는 PMMA(폴리메틸메타크릴레이트 : Polymethylmethacrylate : PMMA)를 포함하여 이루어진 것이 바람직하다. 예를 들면, PMMA와 알루미늄으로 구성된 팬텀들은 비교적 저렴한 비용으로 제작될 수 있으므로 바람직하다.
제2피사부(200)는 제1피사부(100)와의 사이에 입력선량측정기(110)가 위치하도록 제1피사부(100)의 일 측에 소정의 간격만큼 이격되어 결합된다. 이러한 제2피사부(200)는 원기둥의 형태로 된 것이 바람직하다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 제1피사부(100)의 일측에 소정의 간격만큼 이격되어 결합되도록 결합봉(120)을 매개로 제1피사부(100)와 제2피사부(200)가 결합된 것이 바람직하다. 이와 같은 제2피사부(200)에서 디텍팅된 X선영상으로부터 잡음력 스펙트럼을 얻을 수 있다.
제1피사부(100)와 제2피사부(200) 사이에 도시된 바와 같이 입력선량측정기(110)가 위치하게 된다. 특히 제1피사부(100)에 장착된 입력선량측정기(110)와 제2피사부(200)가 이격되어 결합된 것이 바람직하다. 입력선량측정기(110)와 제2피사부(200)를 이격시켜 둠으로써 감쇠되지 않은 입력선량을 입력선량측정기(110)가 측정할 수 있도록 한다.
또한, 제1피사부(100)의 중심을 관통하여 결합된 입력선량측정기(110)가 원기둥의 형태로 된 제2피사부(200)의 중심이 같은 중심선상에 위치하도록 결합된 것이 바람직하다.
그리고 제2피사부(200)는 PMMA를 포함하여 이루어진 것이 바람직하다. 예를 들면, PMMA와 알루미늄으로 구성된 팬텀들은 비교적 저렴한 비용으로 제작될 수 있으므로 바람직하다.
제3피사부(300)는 제2피사부(200)의 일측면보다 작은 크기를 갖고 있으며, 도시된 바와 같이 제2피사부(200)의 일측면에 결합된다. 제3피사부(300)에서 디텍팅되는 X선영상으로부터 변조전달함수를 구할 수 있다. 이러한 제3피사부(300)는 앞서 설명한 제2피사부(200)처럼 원기둥 형태로 이루어진 것이 바람직하며, 특히 제3피사부(300)의 중심축이 제2피사부(200)의 중심축과 일치되도록 제2피사부(200)의 일측면에 제3피사부(300)가 결합된 것이 바람직하다.
그리고 제3피사부(300)는 PMMA를 포함하여 이루어진 것이 바람직하다. 예를 들면, PMMA와 알루미늄으로 구성된 팬텀들은 비교적 저렴한 비용으로 제작될 수 있으므로 바람직하다.
다음으로, 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정용 팬텀을 이용한 양자검출효율측정방법에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정용 팬텀을 이용한 양자검출효율측정방법을 개략적으로 나타낸 순서도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정용 팬텀을 이용한 양자검출효율측정방법은 A단계 내지 E단계를 포함하여 이루어진다.
<<S110>>
A단계(S110)는 전산화 단층촬영 시스템에서 앞서 설명한 바와 같은 팬텀에 X선을 조사하는 단계이다.
양자검출효율측정용 팬텀에 X선을 조사시키면, 양자검출효율측정용 팬텀의 제1피사부(100), 제2피사부(200) 및 제3피사부(300)에 입사된 X선을 디텍팅하여 제1피사부(100)에 장착된 입력선량측정기(110)를 통해 입력선량을 측정하고 제2피사부(200)에서 디텍팅한 X선영상으로부터 잡음력스펙트럼을 구하게 되며, 제3피사부(300)에서 디텍팅된 X선영상으로부터 변조전달함수를 구하게 된다.
이처럼, A단계(S110)에서 팬텀에 X선을 조사한 후, 변조전달함수를 얻는 B단계와 잡음력스펙트럼을 얻는 C단계(S130) 및 총입력광자수를 얻는 D단계(S140)는 순차적으로 이루어질 수도 있으나, 병렬적으로 동시에 이루어질 수 있다.
B단계는 A단계(S110)에서 X선이 조사된 팬텀으로부터 변조전달함수를 얻는 단계이다. 즉, 팬텀의 제3피사부(300)에서 디텍팅된 x선영상으로부터 변조전달함수를 얻는 단계인 것이다.
변조전달함수는 시스템의 임펄스(impulse) 응답을 의미하는 척도로서, 전산화 단층촬영 시스템으로 입력된 임펄스의 주파수 응답을 계산함으로써, 다음과 같이 얻어질 수 있다.
MTF(f)=FTPSF(x)
여기서, FT 는 푸리에변환을 의미하고, PSF는 점퍼짐함수(Point Spread Function:PSF)를 의미한다.
이와 같이 변조전달함수를 얻기 위해서는 점퍼짐함수를 정확히 얻는 과정이 필요하다. 일반적으로 픽셀의 조합으로 이루어진 전산화 단층촬영 시스템의 경우 신호의 단위가 픽셀의 크기와 동일하므로 데이터 앨리어싱에 의해 변조전달함수가 과추측될 수 있다. 따라서 이러한 과추측을 방지하기 위해서 픽셀크기 이하의 샘플링을 수행하게 되며 이를 간략히 파인샘플링기법이라고 칭하기도 한다. 변조전달함수를 얻기 위하여 디텍터의 신호를 픽셀단위 이하로 샘플링하는 방법에 따라 다양한 알고리즘이 제시되어 있다. 하지만, 전산화 단층촬영 시스템의 경우 전산화 단층촬영 시스템에 정확한 임펄스를 인가하기가 어려우며 파인샘플링기법이 명확하게 정립되어 있지 않으므로 변조전달함수를 얻기가 어려운 것으로 알려져 있다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 변조전달함수를 얻기 위해 양자검출효율측정용 팬텀의 제3피사부(300)가 3차원의 원기둥형태인 것을 이용한다.
이러한 B단계는 BA단계(S1210) 내지 BD단계(S1240)를 포함하여 이루어진다.
<<S1210>>
BA단계(S1210)에서는 제3피사부(300)로부터 측정된 단층영상으로부터 제3피사부(300)의 중심좌표를 획득하기 위하여 2진화를 수행한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에서 변조전달함수를 얻기 위하여 측정된 제3피사부(300)의 CT단층영상을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이 변조전달함수를 얻기 위하여 측정된 제3피사부(300)의 단층영상으로서, 원기둥형태인 제3피사부(300)의 단면의 모습이 원형으로서 중심에 위치하고 있는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 측정된 단층영상에서 원형의 정확한 중심좌표를 얻기 위하여 2진화를 수행한다. 즉, 단층영상에 나타난 제3피사부(300)의 중심좌표를 획득하기 위하여 2진화를 수행한다는 것이다.
2진화를 수행함에 있어서, 널리 알려진 Otsu 이진화 기법이나 K-means 알고리즘 등을 사용하여 자동화 할 수도 있다.
<<S1220>>
다음으로 BB단계(S1220)에서는, BA단계(S1210)에서 이진화된 단층영상을 이용하여 제3피사부(300)의 중심좌표를 파악한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에서 변조전달함수를 얻기 위하여 측정된 제3피사부(300)의 CT단층영상에서 제3피사부(300)의 중심좌표가 표시된 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제3피사부(300)의 중심좌표를 파악한 후 이를 이용하여 BC단계(S1230)에서 에지퍼짐함수를 얻는다.
<<S1230>>
BC단계(S1230)에서는 BB단계(S1220)에서 파악된 제3피사부(300)의 중심좌표로부터 단층영상의 각각의 픽셀까지의 거리를 계산한 후 거리에 대한 각 픽셀값의 함수인 에지퍼짐함수(Edge Spread Function)를 얻는 단계이다.
에지퍼짐함수를 얻기 위하여, 모든 픽셀에 대해 BB단계(S1220)에서 파악된 제3피사부(300)의 중심좌표로부터 각각의 픽셀까지의 거리를 계산한다. 여기서, 픽셀의 크기와 개수는 전산화 단층촬영 시스템의 다이콤 헤더에 저장된 정보를 그대로 활용할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에서 제3피사부(300)의 중심좌표를 이용하여 얻어진 에지퍼짐함수의 예시적 그래프를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7에 예시적으로 도시된 바와 같이 제3피사부(300)의 중심좌표로부터 각각의 픽셀까지의 거리를 계산함으로써 에지퍼짐함수를 얻을 수 있다.
<<S1240>>
BD단계(S1240)에서는 BC단계(S1230)에서 산출된 에지퍼짐함수를 이용하여 변조전달함수를 얻는 단계이다. 좀 더 구체적으로 말하자면, BC단계(S1230)에서 산출된 에지퍼짐함수를 미분하여 점퍼짐함수를 도출하고, 도출된 점퍼짐함수를 퓨리에변환하여 변조전달함수를 구한다는 것이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에서 에지퍼짐함수를 미분하여 얻어진 점퍼짐함수의 예시적 그래프를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8에서 참조되는 바와 같이 BC단계(S1230)에서 산출된 에지퍼짐함수를 미분하여 점퍼짐함수를 얻을 수 있다.
그리고 점퍼짐함수를 푸리에변환을 하여 변조전달함수를 얻는다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에서 점퍼짐함수를 푸리에변환하여 얻어진 변조전달함수의 예시적 그래프를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 9에서 참조되는 바와 같이 점퍼짐함수를 푸리에변환하여 변조전달함수를 얻을 수 있다.
참고로, 본 발명의 실시 예에 따른 양자검출효율측정방법에 따라서 다양한 단층촬영 조건 속에서 얻어진 변조전달함수의 예시적 그래프들을 도 10에 개략적으로 나타내었다.
<<S130>>
그리고, C단계(S130)는 A단계(S110)에서 X선이 조사된 팬텀으로부터 잡음력스펙트럼을 얻는 단계이다. 즉, 팬텀의 제2피사부(200)에서 디텍팅된 x선으로부터 잡음력스펙트럼을 얻는 단계인 것이다.
잡음력스펙트럼은 전산화 단층촬영 시스템의 잡음특성을 주파수스펙트럼으로 계산한 잡음평가의 척도이며, 다음과 같은 식을 통해 얻어질 수 있다.
Figure 112015058665392-pat00005
여기서, FT 는 푸리에변환을 의미하며, W(x,y,z)는 팬텀촬영을 통해 획득된 3차원 단층영상의 관심영역(ROI)을 의미한다.
Figure 112015058665392-pat00006
는 관심영역의 각 방향별 복셀수를 의미하며,
Figure 112015058665392-pat00007
는 x방향, y방향 및 z방향 별 복셀의 크기를 의미한다.
2차원 라디오그라피 시스템과는 달리 일반적으로 전산화 단층촬영 시스템은 선형불변(shift invariant)을 만족하지 않으므로 중심에서 동일한 위치에 있는 지점에서 관심영역을 추출해야 한다.
도 11은 잡음력스펙트럼(NPS)를 구하기 위해 관심영역(ROI)을 추출하는 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 11에서 참조되는 바와 같이 촬영영상의 중심에서 동일한 거리만큼 떨어진 지점에서 동일한 크기(면적)의 관심영역을 추출해낸다.
추출된 관심영역 W(x,y,z)에 대해 각각 잡음력 스펙트럼을
Figure 112015058665392-pat00008
으로부터 계산하여
Figure 112015058665392-pat00009
을 계산한다. 그리고, 깨끗한 형상의 잡음력스펙트럼을 얻기 위하여 각각의
Figure 112015058665392-pat00010
의 평균값을 구한다.
일반적으로 잡음력스펙트럼의 경우 단층영상을 재구성하는 과정에서 발생하는 다양한 아티팩트에 의한 효과를 제거하는 과정이 요구된다. 이러한 과정은 예를 들어, 주로 평면회귀분석을 통해 고정된 아티팩트 인자를 재거하거나 동일한 팬텀에 대하여 두 차례의 촬영을 수행하고, 두 데이터의 차이를 구함으로써 순수한 잡음 성분만을 이용해 잡음력 스펙트럼을 계산할 수도 있다.
도 12는 3차원 시스템에 대하여 3차원 푸리에 변환을 이용하여 측정된 잡음력스펙트럼과 회전평균을 이용하여 잡음을 제거하고 1차원으로 추출된 잡음력스펙트럼을 예시적으로 나타낸 것이다.
<<S140>>
D단계(S140)는 A단계(S110)에서 X선이 조사된 팬텀측으로부터 총입력광자수을 구하는 단계이다.
총입력광자수는 단위선량당 입력광자수에 선량값을 곱해줌으로써 총 입력 광자수를 얻을 수 있다.
즉, 총입력광자수를 계산하기 위해 1회 CT스캔을 통해 팬텀의 제1피사부(100)에 장착된 입력선량측정기(110)를 이용하여 CT 중앙에서의 입력선량값을 측정한다. 피검사체를 가정한 알루미늄 필터에 의한 감쇠를 고려한 선량값을 계산한 후, CT중앙에서 검출기까지의 거리를 고려하여 CT검출기의 입사면에서의 선량값으로 변환한다.
스펙트럼 시뮬레이션을 통해 주어진 촬영조건에서 단위선량당 입력광자수를
Figure 112015058665392-pat00011
단위로 계산한다. 그리고 단위선량당 입력광자수에 실제 선량값을 곱하여줌으로써 총입력광자수(q)를 얻는다.
<<S150>>
E단계(S150)는 B단계에서 얻어진 변조전달함수, C단계(S130)에서 얻어진 잡음력스펙트럼 및 D단계(S140)에서 구하여진 총입력광자수로부터 양자검출효율을 산출해내는 단계이다.
양자검출효율(DQE)는 다음과 같은 관계식을 통해서 얻을 수 있다.
Figure 112015058665392-pat00012
여기서, MTF는 B단계에서 얻어진 변조전달함수를 의미하고, NNPS는 C단계(S130)에서 구한 잡음력스펙트럼(NPS)을 정규화(Normalize)시킨 정규화잡음력스펙트럼(Normalized Noise Power Spectrum )을 의미하며, q는 D단계(S140)에서 구한 총입력광자수를 의미한다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법에 따라 다양한 촬영조건 속에서 얻어진 양자검출효율을 예시적으로 나타낸 도면이다.
이와 같이 설명한 바와 같은 방법으로 전산화 단층촬영 시스템에 대한 양자검출효율을 얻어낼 수 있으며, 이를 통하여 전산화 단층촬영 시스템에 대한 종합성능평가를 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 양자검출효율측정용 팬텀 및 이를 이용한 양자검출효율측정방법은 1번의 스캔을 통해 전산화단층촬영(CT)시스템의 공간해상도 및 잡음도를 함께 측정할 수 있으므로, 전산화 단층촬영 시스템에 대한 종합성능평가를 하는데 드는 비용과 시간을 대폭 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시 예들에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시 예들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시 예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.
100 : 제1피사부 110 : 입력선량측정기
120 : 결합봉 200 : 제2피사부
300 : 제3피사부

Claims (10)

  1. X선 입력선량을 측정하는 입력선량측정기가 장착된 제1피사(被寫)부;
    상기 제1피사부와의 사이에 상기 입력선량측정기가 위치하도록 상기 제1피사부의 일측에 소정의 간격만큼 이격되어 결합된 제2피사부; 및
    상기 제2피사부의 일측면에 결합되되, 상기 제2피사부의 일측면보다 작은 크기를 갖는 제3피사부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 단층촬영에서의 양자검출효율 측정용 팬텀.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2피사부 및 상기 제3피사부 각각은 원기둥의 형태을 갖추고 있으며,
    상기 제2피사부의 중심축과 상기 제3피사부의 중심축이 일치하도록 상기 제2피사부의 일측면에 상기 제3피사부가 결합된 것을 특징으로 하는 단층촬영에서의 양자검출효율 측정용 팬텀.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1피사부, 제2피사부 및 제3피사부 중 적어도 어느 하나는 폴리메틸메타아크릴레이트(Polymehtylmethacrylate; PMMA)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 단층촬영에서의 양자검출효율 측정용 팬텀.
  4. 양자검출효율측정을 위하여, 전산화 단층촬영 시스템이 팬텀에 X선을 조사하는 A단계;
    상기 전산화 단층촬영 시스템이 상기 A단계에서 X선이 조사된 팬텀측으로부터 변조전달함수를 구하는 B단계;
    상기 전산화 단층촬영 시스템이 상기 A단계에서 X선이 조사된 팬텀측으로부터 잡음력스펙트럼을 구하는 C단계;
    상기 전산화 단층촬영 시스템이 상기 A단계에서 X선이 조사된 팬텀측으로부터 총입력광자수를 구하는 D단계; 및
    상기 전산화 단층촬영 시스템이 상기 B 단계에서 얻어진 상기 변조전달함수, 상기 C단계에서 얻어진 잡음력스펙트럼 및 상기 D단계에서 얻어진 상기 총입력광자수로부터 양자검출효율을 구하는 E 단계; 를 포함하며,
    상기 팬텀은,
    소정의 크기 및 두께를 가지며, 입력선량측정기가 장착된 제1피사(被寫)부;
    상기 제1피사부와의 사이에 상기 입력선량측정기가 위치하도록 상기 제1피사부의 일측에 소정의 간격만큼 이격되어 결합된 제2피사부; 및
    상기 제2피사부의 일측면에 결합되되, 상기 제2피사부의 일측면보다 작은 크기를 갖는 제3피사부;를 포함하고,
    상기 제2피사부 및 상기 제3피사부 각각은 원기둥의 형태을 갖추고 있으며,
    상기 제2피사부의 중심축과 상기 제3피사부의 중심축이 일치하도록 상기 제2피사부의 일측면에 상기 제3피사부가 결합된 것이며,
    상기 제1피사부, 제2피사부 및 제3피사부 중 적어도 어느 하나는 폴리메틸메타아크릴레이트(Polymethylmethacrylate; PMMA)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 단층촬영에서의 양자점효율측정방법.
  5. 삭제
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 B단계는,
    상기 제3피사부로부터 얻어진 단층영상으로부터 상기 제3피사부의 중심좌표를 획득하기 위하여 2진화를 수행하는 BA단계;
    상기 BA 단계에서 2진화된 단층영상을 이용하여 상기 제3피사부의 중심좌표를 파악하는 BB 단계;
    상기 BB 단계에서 파악된 상기 제3피사부의 중심좌표로부터 단층영상의 각각의 픽셀까지의 거리를 계산한 후 거리에 대한 각 픽셀값의 함수인 에지퍼짐함수(Edge Spread Function : ESF)를 산출하는 BC 단계; 및
    상기 BC 단계에서 산출된 상기 에지퍼짐함수를 미분하여 점퍼짐함수(Point Spread Function:PSF)를 산출하고, 산출된 상기 점퍼짐함수를 퓨리에변환하여 변조전달함수를 구하는 BD단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 변조전달함수(Modulation Transfer Function : MTF)는
    MTF(f)=FTPSF(x)
    (여기서, FT 는 푸리에변환을 의미하고, PSF는 점퍼짐함수(Point Spread Function:PSF)임)
    에 의해 구하여지는 것을 특징으로 하는 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 C단계의 상기 잡음력스펙트럼(Noise Power Spectrum : NPS)은,
    Figure 112017000447164-pat00013

    (여기서, FT 는 푸리에변환을 의미하며, W(x,y,z)는 팬텀촬영을 통해 획득된 3차원 단층영상의 관심영역을 의미하고,
    Figure 112017000447164-pat00014
    는 관심영역의 각 방향별 복셀수를 의미하며,
    Figure 112017000447164-pat00015
    는 x방향, y방향 및 z방향 별 복셀의 크기를 의미)
    에 의하여 구하여지는 것을 특징으로 하는 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 D단계에서 구해지는 상기 총 입력광자수는,
    단위 선량당 입력 광자 수에 상기 팬텀측에서 측정된 입력선량값을 곱함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법.
  10. 제 4항에 있어서,
    상기 E단계에서 구하는 상기 양자검출효율(Detective Quantum Efficiency : DQE)은
    Figure 112017000447164-pat00016

    (여기서, MTF는 상기 변조전달함수를 의미하고, NNPS는 정규화된 잡음력스펙트럼(Nomalized Noise Power Spectrum )을 의미하며, q는 상기 총입력광자수를 의미)
    에 의하여 구하여지는 것을 특징으로 하는 단층촬영에서의 양자검출효율측정방법.
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