KR101755153B1 - 3차원 영상의 생성 방법 및 장치 - Google Patents

3차원 영상의 생성 방법 및 장치 Download PDF

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KR101755153B1 KR1020160051055A KR20160051055A KR101755153B1 KR 101755153 B1 KR101755153 B1 KR 101755153B1 KR 1020160051055 A KR1020160051055 A KR 1020160051055A KR 20160051055 A KR20160051055 A KR 20160051055A KR 101755153 B1 KR101755153 B1 KR 101755153B1
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단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단
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Abstract

본 발명은 3차원 영상 생성 방법에 관한 것으로 광원에서 발생된 전리 방사선 및 비전리 방사선을 빔집속 소자를 통과한 후 시료에 조사하여 투과된 방사선을 나이프-에지필터를 엑스선의 진행방향과 엑스선의 진행방향에 수직한 x,y-축으로 이동하며 격자형 카필터에 의해 변조된 방사선의 강도를 측정하여 3차원 위상차 영상을 생성하는 방법에 관한 것이다.

Description

3차원 영상의 생성 방법 및 장치{METHOD FOR GENERATING 3-DIMENSIONAL IMAGE AND APPARATUS FOR THE SAME}
본 발명은 3차원 영상을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 위상차를 가지는 복수의 2차원 영상들을 사용하여 3차원 영상을 생성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
기존 위상차를 이용한 3차원 영상 생성 장치는 시료 또는 광원-감지기의 회전에 따라 영상 정보를 획득하고, 영상 후처리 공정에 따라 영상 정보를 처리함으로써 3차원 영상으로 생성한다. 이때 시료의 형상이 원통형이 아닌 판상 형태인 경우 시료 또는 광원-감지기의 회전에 의해 획득 가능한 영상 정보는 제한적이며, 이로 인해 결함 영상이 나타나게 되므로 영상의 질이 크게 악화되는 문제가 있었다. 시료의 일 예는 전자기기 내부에 장착되어 있는 부품을 연결 고정하는 기판이다. 기존 엑스선 영상은 엑스선이 시료를 투과할 때 투과와 흡수 차이를 영상화하며, 이에 따라 엑스선 흡수가 적은 물질로 구성된 생체 연조직이나, 폴리머 등의 물질은 영상화하기 어렵다. 기존 엑스선 영상 처리 기술과 구분하여 엑스선의 흡수가 적은 물질의 구조 및 조성을 영상화는 기술이 위상차 영상법이다. 위상차 영상법은 엑스선이 시료를 통과할 때 시료의 굴절률에 의한 속도 변화를 감지하여 영상화하는 기술이다. 기존의 위상차(또는 위상대비) 영상획득 장치의 광원은 결맞음성이 좋은 광원을 이용하여야만 했다. 그러나 최근 활발히 연구·개발되고 있는 엑스선 격자 간섭계를 예로 들면 광원으로는 전자빔 가속기에 의한 방사광 엑스선 및 마이크론 초점 엑스선을 활용하고 있다. 엑스선 광원을 3차원 영상 생성 장치의 광원으로 사용할 경우, 엑스선 광원 격자를 사용하여 엑스선 광원의 결맞음성을 향상시킬 수 있다. 다만, 이러한 저휘도 엑스선 광원을 이용한 경우 광원과 광원 격자 간의 간격의 길이가 길게 되어 엑스선의 광자 손실이 크다. 여기서 휘도란 광원의 단위 면적당　밝기의 정도로서 발광원, 투과면 또는　반사면의 표면 밝기를 말한다. 3차원 영상 생성 장치의 하나인 엑스선 격자 간섭계는 광원의 결맞음 조건을 충족시키도록 엑스선 광원과 빔분할 격자 사이에 1m 이상 거리를 두고 광원과 격자를 설치하여 사용하고 있다. 또한 엑스선 격자 간섭계의 경우 핵심 부품인 빔분할 격자와 해석 격자의 사양은 광원의 파장에 따라 사양을 달리하여 제조하여야 하고, 격자 간격과 광원 파장에 따른 격자높이를 일치하여 제조하기도 어려운바 해상도 향상에 제한적이다. 또한 종래 엑스선 격자 간섭계를 이용하여 판상 형태인 시료의 3차원 영상획득에 관한 연구가 진행되었으나 이 기술 또한 시료를 회전해야 하는 장치의 구조로 인하여 기술의 응용에 한계를 갖고 있다.
기존 3차원 영상 생성 장치에서는 획득한 영상에서 위상정보를 수집하는 과정 중에서 영상 후처리 공정이 복잡한 특징이 있었다. 또한, 위상 값이 파동의 한 파장의 주기로 반복하는 특성으로 인하여 획득된 위상영상정보가 시료의 두께가 두꺼워짐에도 위상 반복현상에 의해 시료의 두께가 작아지는 것처럼 표시 될 수 있었고, 복잡한 수학식을 적용함에 따른 영상처리 지연이 있었다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 저휘도·저결맞음성 엑스선 광원으로도 엑스선 위상차 영상을 생성할 수 있도록 함에 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 영상측정과 영상 후처리가 용이한 위상차를 이용한 3차원 영상 생성 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 또 다른 목적은, 시료 또는 장치의 회전 없이 3차원 위상차 영상을 생성할 수 있도록 하는 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 생성 장치는 엑스선을 방출하는 광원, 시료가 안착되며 상기 엑스선의 진행 방향으로 움직이는 이송부, 상기 시료에 조사된 엑스선을 필터링하고, 상기 엑스선의 진행 방향과 수직 방향으로 움직이는 나이프-에지 필터, 상기 나이프-에지 필터에 의해 필터링된 엑스선을 가시광선으로 변환하는 광변조 소자, 상기 광변조 소자에 의해 변환된 가시광선을 검출된 검출기, 및 상기 검출기에 의해 검출된 가시광선을 기반으로 위상차를 가지는 복수의 2차원 영상들을 생성하고, 상기 복수의 2차원 영상들을 기반으로 상기 시료에 대한 3차원 영상을 생성하는 프로세서를 포함한다.
여기서, 3차원 영상 생성 장치는 상기 복수의 2차원 영상들 중에서 기준 2차원 영상은 상기 시료가 초점 위치에 위치하는 경우에 상기 나이프-에지 필터를 상기 엑스선의 진행 방향과 수직 방향으로 움직임으로써 획득되고, 나머지 2차원 영상들은 상기 초점 위치로부터 미리 설정된 거리만큼 이격된 위치에 상기 시료가 위치하는 경우에 상기 나이프-에지 필터를 상기 엑스선의 진행 방향과 수직 방향으로 움직임으로써 획득될 수 있다.
여기서, 상기 복수의 2차원 영상들 각각은 아래 수학식을 기초로 생성되며,
Figure 112016040244814-pat00001
상기
Figure 112016040244814-pat00002
는 상기 나이프-에지 필터의 이동방향에서 측정되는 강도를 지시하고, 상기
Figure 112016040244814-pat00003
는 상기 나이프-에지 필터의 이동방향의 반대쪽에서 측정되는 강도를 지시하고, 상기
Figure 112016040244814-pat00004
는 검출기(70)에 입사된 엑스선 광도를 지시할 수 있다.
여기서, 상기 시료에 대한 3차원 영상은 아래 수학식을 기초로 생성되며
Figure 112016040244814-pat00005
상기
Figure 112016040244814-pat00006
는 입사광의 세기를 지시하고, 상기
Figure 112016040244814-pat00007
는
Figure 112016040244814-pat00008
에서 획득한 데이터 값의 미분 값을 지시하며, 상기
Figure 112016040244814-pat00009
는 위상을 두 번 미분한 값으로서 위상변화율을 나타낼 수 있다.
여기서, 상기 광원과 상기 시료 사이에 위치하는 광원 격자를 더 포함하며, 상기 광원에서 방출된 엑스선은 상기 광원 격자를 통과한 후에 상기 시료에 조사될 수 있다.
여기서, 상기 광원 격자와 상기 나이프-에지 필터 간의 간격은 상기 광원에서 방출되는 엑스선의 파장에 따른 초점 거리를 기초로 결정될 수 있다.
여기서, 상기 나이프-에지 필터는 격자 형상을 가지고, 상기 엑스선의 진행 방향과 수직 방향으로 배치될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 3차원 영상 생성 장치에서 수행되는 3차원 영상 생성 방법은, 상기 영상 생성 장치는 엑스선을 방출하는 광원, 시료가 안착되며 상기 엑스선의 진행 방향으로 움직이는 이송부, 상기 시료에 조사된 엑스선을 필터링하고 상기 엑스선의 진행 방향과 수직 방향으로 움직이는 나이프-에지 필터, 상기 나이프-에지 필터에 의해 필터링된 엑스선을 가시광선으로 변환하는 광변조 소자, 상기 광변조 소자에 의해 변환된 가시광선을 검출하는 검출기 및 프로세서를 포함하며, 상기 프로세서는 상기 광원, 상기 이송부, 상기 나이프-에지 필터, 상기 광변조 소자 및 상기 검출기를 제어하며, 상기 이송부를 제어하여 상기 시료를 제1 위치로 이동시키는 단계, 상기 시료가 상기 제1 위치에 위치한 경우, 상기 나이프-에지 필터를 상기 엑스선의 진행 방향과 수직 방향으로 이동시키는 단계, 상기 나이프-에지 필터의 이동에 따라 상기 검출기에서 검출된 가시광선을 기반으로 상기 시료에 대한 기준 2차원 영상을 생성하는 단계, 상기 이송부를 제어하여 상기 시료를 제1 위치와 이격된 제n 위치로 이동시키는 단계, 상기 시료가 상기 제n 위치에 위치한 경우, 상기 나이프-에지 필터를 상기 엑스선의 진행 방향과 수직 방향으로 이동시키는 단계, 상기 나이프-에지 필터의 이동에 따라 상기 검출기에서 검출된 가시광선을 기반으로 상기 시료에 대한 제n 2차원 영상을 생성하는 단계, 및 상기 기준 2차원 영상 및 적어도 하나의 제n 2차원 영상을 기반으로 상기 시료에 대한 3차원 영상을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 n은 2이상의 정수일 수 있다.
여기서, 상기 제1 위치는 상기 시료에 대한 초점 위치일 수 있다.
여기서, 3차원 영상 생성 방법은 상기 기준 2차원 영상의 위상은 상기 제n 2차원 영상의 위상과 다를 수 있다.
여기서, 상기 2차원 영상은 아래 수학식을 기초로 생성되며,
Figure 112016040244814-pat00010
상기
Figure 112016040244814-pat00011
는 상기 나이프-에지 필터의 이동방향에서 측정되는 강도를 지시하고, 상기
Figure 112016040244814-pat00012
는 상기 나이프-에지 필터의 이동방향의 반대쪽에서 측정되는 강도를 지시하고, 상기
Figure 112016040244814-pat00013
는 입사광의 세기를 지시할 수 있다.
여기서, 상기 시료에 대한 3차원 영상은 아래 수학식을 기초로 생성되며,
Figure 112016040244814-pat00014
상기
Figure 112016040244814-pat00015
는 입사광의 세기를 지시하고, 상기
Figure 112016040244814-pat00016
는
Figure 112016040244814-pat00017
에서 획득한 데이터 값의 미분 값을 지시하며, 상기
Figure 112016040244814-pat00018
는 위상을 두 번 미분한 값으로서 위상변화율을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따르면, 3차원 영상 생성 장치를 실행함에 있어서, 판상 형태인 시료(예로 손, 발 및 생체조직 시료)에서 3차원 영상 생성이 필요한 제한적인 부분에 대한 3차원 영상의 생성이 가능하므로, 환자의 신체의 일부만 엑스선에 노출시킬 수 있는바 환자의 피폭을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고정된 시설물과 고미술품의 3차원 영상 생성이 가능하여 시설의 안전점검 및 역사, 예술의 복구에도 활용될 수 있고, 엑스선 광원으로 저휘도 저결맞음 광원을 사용하며 영상 후처리 과정이 간단하여 3차원 영상 생성이 일반 실험실 내에서도 가능하며, 시료에 대한 염색이나 파라핀을 고정하는 단계를 통하지 않고도 생체의 내부 구조를 공기 중에 측정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 생성 장치를 도시한 사시도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 생성 장치를 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 생성 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4는 xy-면 영상 예시 영상을 도시한 예시도이다.
도 5는 xy-면 영상 예시 영상을 도시한 예시도이다.
도 6은 xy-면 영상 예시 영상을 도시한 예시도이다.
도 7은 xy-면 위상차 영상을 기초로 생성된 3차원 영상의 일 실시예를 도시한 예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 생성 장치를 도시한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 3차원 위상차 영상 방법은 다양한 종류의 전리, 비전리 방사선을 엑스선 광원(10)으로 사용하여 영상을 생성할 수 있다. 본 실시예에서는 의료분야와 비파괴분야에서 널리 이용되고 있는 엑스선을 광원(10)으로 한 3차원 영상방법을 기술한다. 3차원 영상 생성 장치는 엑스선 광원(10), 광원 격자(20), 나이프-에지 필터(30), 광변조 소자(40), 시료(50), 이송부(60), 검출기(70), 프로세서(200)을 포함할 수 있다. 3차원 영상 생성 장치는 광원 격자(20)를 더 포함할 수 있다. 여기서 엑스선의 진행방향을 광축이라 할 수 있다. 광축은 xyz-평면에서 z-축으로 설정될 수 있고, x-축과 y-축은 z-축과 수직하도록 설정될 수 있고, x-축과 y-축은 직교하도록 설정될 수 있다. x-축은 지면과 수평하도록 설정될 수 있고, y-축은 지면과 수직하도록 설정될 수 있다.
엑스선 광원(10)은 다양한 종류의 전리, 비전리 방사선을 방출 할 수 있으며, 엑스선 광원(10)의 방향으로 3차원 위상차 영상 장치에 포함되는 구성들이 위치할 수 있다. 3차원 영상 생성 방법에서 영상 생성 장치의 엑스선 광원(10)의 결맞음성이 낮은 경우 결맞음성을 높이기 위해 광원 격자(20)가 이용될 수 있다. 여기서 결맞음이란 파동이　간섭　현상을 보이게 하는 성질이다. 이 성질은　광학에서 등장하는 영의　이중슬릿 간섭실험과 관계되는 개념이지만 파동과 관련된 모든 분야, 예를 들면,　음향학,　전자공학,　신경과학　및　양자역학　분야에도 사용될 수 있다. 두 개 이상의 파동이 합해질 때 두 파동의　위상에 따라 상쇄 간섭 혹은 보강 간섭이 일어나는데, 결맞음이 잘 될수록 간섭 현상이 잘 일어날 수 있다. 상쇄간섭에 의해 파동이 얼마나 완전히 사라지는가를 측정함으로써 결맞음의 정도를 알 수 있다. 결맞음성이 낮다는 것은 이러한 위에서 언급한 간섭 현상이 잘 일어나지 않는 것을 의미할 수 있다. 결맞음성이 좋은 경우라면 광원 격자(20) 없이도 3차원 위상차 영상을 생성 할 수 있다. 나이프-에지 필터(30)는 단부가 칼날형인 소정 폭의 스트라이프가 가로 방향과 세로 방향으로 반복되어 격자형으로 형성되며, 시료(50)와 나이프-에지 필터(30)를 투과한 엑스선 광원(10)은 미분필터링된다. 엑스선 광원(10)이 나이프-에지 필터(30)를 통과하게 되면 푸리에 변환을 실행한 것과 동일 하게 된다. 나이프-에지 필터(30)를 통과함으로써 생긴 푸리에 변환 효과는 추후 영상 후처리 공정에서 푸리에 변환 과정을 생략할 수 있게 해주는바, 간단한 산술적 계산으로 위상 정보를 영상화 할 수 있게 해준다. 푸리에 변환'(Fourier transform)이란 '시간 영역'(time domain)의 함수를 '주파수 영역'(frequency domain)의 함수로 변환하는 것 또는 그 변환된 것을 뜻한다.
나이프-에지 필터(30)는 엑스선의 진행방향에 수직한 평면방향의 이송장치 위에 장착될 수 있다. 평면방향의 이송장치를 통해 나이프-에지 필터(30)를 x-축, y-축 방향으로 조정할 수 있다. 이러한 x-축 또는 y-축의 조정을 통해 2차원 영상을 얻을 수 있다.
시료(50)는 나이프-에지 필터(30)와 엑스선 광원(10) 사이에 위치할 수 있다. 시료(50)는 엑스선의 진행방향에 평행하도록 이송부(60)에 안착될 수 있다. 프로세서(200)는 시료(50)가 안착된 이송부(60)를 나이프-에지 필터(30)에 가까운 거리에서 엑스선의 진행방향으로 미세 조정하며 검출기(70)에 나타난 영상이 선명해진 위치에 시료를 고정시킬 수 있고, 이 점을 광축의 원점으로 정할 수 있다. 광축의 원점으로 고정된 지역을 z=0으로 둘 수 있다.
시료(50)에서 굴절되는 엑스선은 나이프-에지 필터(30)에 의해 필터링될 수 있다. 나이프-에지 필터(30)가 필터로써 작동하기 위해서는 광원(10)이 집속되는 초점 거리에 위치할 수 있다. 본 발명에서는 사용된 광원 격자(20)는 주기적 구조를 갖는 2차원 격자형태로 이루어질 수 있다. 한 주기마다 정사각형 형태인 한변의 길이가 7.5 마이크로미터인 홀과 폭이 5.0 마이크로미터 간격의 틀이 주기적으로 반복된 격자 형태이다. 각각의 핀홀은 핀홀렌즈 역할을 할 수 있다.
핀홀렌즈란 일종의 전자 렌즈로서 완전한 결상을 얻기 위해서는 전위 분포를 광축에 대하여 회전 대칭으로 하는데, 바늘구멍 렌즈는 그러한 전계를 만들기 위한 것이다.
나이프-에지 필터(30)와 광원 격자(20)는 동일한 사양으로 형성되는 것이 바람직하고, 격자를 형성하는 스트라이프는 단부가 칼날 형상으로 형성되는 것이 바람직하다. 한편 나이프-에지 필터(30)는 핀홀 어레이 렌즈의 초점거리만큼 광원 격자(20)에서 이격된 위치에 배치되는 것이 바람직하다. 핀홀 렌즈의 초점거리(f)는 다음 수학식 1로 구할 수 있다.
Figure 112016040244814-pat00019
여기서 d는 핀홀의 직경이고 f는 초점거리이며
Figure 112016040244814-pat00020
는 입사 엑스선의 파장이다. 이 관계식을 이용하면 Cu 타킷의 엑스선 광원에서 발생되는 엑스선의 파장은
Figure 112016040244814-pat00021
이므로 초점거리는 101.7 mm가 된다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 광원 격자(20)와 나이프-에지 필터(30) 간 거리(d)는 101.7 mm가 된다. 이 지점에 나이프-에지 필터(30)를 장치시킬 수 있다. 나이프-에지 필터(30)는 광원 격자(20)의 사양과 동일한 사양을 갖고 있지만 이 소자의 기능은 시료(50)를 투과한 엑스선에서 투과되는 엑스선과 굴절되는 엑스선을 분류하는 기능을 할 수 있다. 시료(50)와 나이프-에지 필터(30)의 거리는 시료(50)에 따라 각각 다른 값으로 설정되며, 1.5 mm 길이에서 영상을 생성할 수 있다. 광변조 소자(40)는 Ce가 도핑된 yttrium-aluminum-garnet:Ce (YAG:Ce) 단결정으로 재질이며, 엑스선을 가시광 영역의 빛으로 변환시켜 광학현미경에 의해 가시광선을 측정 가능하도록 한다. 즉, 엑스선을 간접적으로 측정 가능 하도록 변환할 수 있다. 나이프-에지 필터(30)와 광변조 소자(40)의 거리는 약 2 mm로 고정되어 있고, 광변조 소자(40) 표면에 초점이 맞추어진 광학현미경에 장착된 검출기(70)는 CCD(charge coupled device)를 사용하였고 이것으로 가시광선의 강도를 측정하고 이 테이터를 영상 후처리 하여 위상차 영상을 생성할 수 있다.
CCD란　전하결합소자(Charge-Coupled Device)의 약자로　빛을　전하로 변환시켜 화상을 얻어내는 센서이다.　CCD는 여러 개의　축전기(Condenser)가 쌍으로 상호 연결되어 있는　회로로 구성되어 있고, 회로 내의 각 축전기는 자신 주변의 축전지로 충적된 전하를 전달한다. CCD는　디지털 스틸 카메라,　광학 스캐너,　디지털 비디오 카메라와 같은 장치의 주요 부품으로 사용된다. CCD 칩은 많은　광다이오드　들이 모여있는 칩이다. 각각의　광다이오드에 빛이 비추어지면 빛의 알갱이 즉　광자의 양에 따라 전자가 생기고 해당 광다이오드의 전자량이 각각 빛의 밝기를 뜻하게 되어 이 정보를 재구성함으로써 화면을 이루는 이미지 정보가 만들어진다.
상기 기술한 바와 같이 장치를 구성하고 시료(50)를 장착한 후 다음과 같은 영상 생성 과정으로 영상을 생성할 수 있다. 광원 격자(20), 시료(50), 나이프-에지 필터(30)를 엑스선의 진행방향에 정렬시킨 후 프로세서(200)가 시료(50)를 나이프-에지 필터(30)에 가까운 거리에서 엑스선의 진행방향으로 미세 조정하며 검출기(70)에 나타난 영상이 선명해진 위치에 시료(50)를 고정시키고, 이 점을 광축의 원점으로 정할 수 있다. 이 원점(z=0)에서 나이프-에지 필터(30)을 도 1에 표기된 x-축과 y-축 방향으로 일정 간격을 이동하며 각각의 영상을 검출기(70)로 획득하여 저장할 수 있다. 1회 이동 거리는 광원 격자(20) 주기를 n으로 나눈 값이 이동거리가 되고 n값은 이동횟수에 해당될 수 있다. 이 과정에서 측정되는 강도
Figure 112016040244814-pat00022
는 나이프-에지 필터(30)의 이동방향에서 측정되는 강도일 수 있고
Figure 112016040244814-pat00023
는 나이프-에지 필터(30)의 이동방향의 반대쪽에서 측정되는 강도일 수 있다. 엑스선의 진행방향의 원점(z=0)에서 x-축과 y-축, 각각의 이동에 따른 강도 측정 시 이 두 값 즉,
Figure 112016040244814-pat00024
과
Figure 112016040244814-pat00025
가 동시에 검출기(70)에 관측되고 이 영상이 수치로 영상 생성 장치의 메모리에 저장될 수 있다. 실시예로 x-축과 y-축을 각각 5회씩 측정할 경우 1회 이동 거리는 광원 격자(20) 주기의 1/5인 2.5 마이크로미터가 되고 총 25회의 측정값을 얻게 될 수 있다. 이는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112016040244814-pat00026
수학식 2에서 r=x, y로 z-축에 수직한 평면을 나타낼 수 있다. 상기 과정 이후, 프로세서(200)는 시료(50)가 안착된 이송부(60)를 엑스선의 진행방향으로 일정거리 이동시킬 수 있고, 이동시킨 지점을 z=1으로 정할 수 있다. 그리고, 이 지점(z=1)에서 x-축과 y-축으로 이동하며 스캔하는 과정을 반복하여 획득한 데이터를 영상 생성 장치의 메모리에 저장할 수 있다. 상기
Figure 112016040244814-pat00027
는 상기 나이프-에지 필터(30)의 이동방향에서 측정되는 강도를 지시할 수 있고, 상기
Figure 112016040244814-pat00028
는 상기 나이프-에지 필터(30)의 이동방향의 반대쪽에서 측정되는 강도를 지시할 수 있다. 나이프-에지 필터(30)는 양쪽에 칼날을 가지고 있는 구조인바 나이프-에지 필터(30)가 이동하는 경우 이동하는 방향에서 측정되는 엑스선 강도와 이동하는 방향 반대쪽에서 측정되는 엑스선 강도와 차등이 있을 수 있는바 이를 측정하여 2차원 위상차 영상을 획득하는데 사용할 수 있다. 데이터는 광축에서 엑스선의 진행방향으로 1 스캔구간을 움직인 데이터가 되고 데이터 값은 수학식 2에서 z=1인 데이터 값일 수 있다.
시료(50)를 상기 과정과 같이 광축으로 정해진 z-축 간격 만큼씩 이동하며 데이터를 획득할 수 있다. 이들 데이터를 수학식 2에 대입하여 각 광축 사이의 위상차 영상을 구할 수 있다.
Figure 112016040244814-pat00029
는 입사광의 세기를 나타낼 수 있다. 광축상의 인접한 평면의 강도는 일정하다고 가정하므로 영상 후처리 과정에서 상쇄될 수 있다.
Figure 112016040244814-pat00030
상기 수학식 3의 좌변은 실험으로 획득된 값이며 좌변의
Figure 112016040244814-pat00031
은 상수이며,
Figure 112016040244814-pat00032
은 수학식 2식에서 획득한 z=0와 z=1에서의 데이터 값의 미분 값이 되고, 수학식 3의 계산 값이 광축 z=0과 z=1 사이의 xy-면의 위상변위 값이 될 수 있다. 수학식 3의 우변의
Figure 112016040244814-pat00033
은 위상을 두 번 미분한 값으로서 위상변화율을 나타낼 수 있다. 이 과정을 광축 구간 z=1 ~ z=2, z=2 ~ z=3, ... 에서 행하여 다수개의 xy-면의 위상차 영상(도 4 내지 도 6)을 획득하고 이들 위상차 영상을 z-축으로 정렬하여 3차원 영상을 생성할 수 있다. 도 7은 3차원 영상에서 획득한 단층 영상이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 생성 장치와 프로세서 관계를 도시한 블록도이다.
도 2을 참조하면, 프로세서(200)는 엑스선 광원(10), 이송부(60), 나이프-에지 필터(30), 검출기(70) 등을 제어할 수 있다. 프로세서(200)는 엑스선 광원(10)에서 엑스선이 방출될 수 있도록 제어한다. 엑스선 광원(10)은 전리·비전리 방사선 광원 등으로 사용될 수 있다. 프로세서(200)는 시료(50)가 안착되어 있는 이송부(60)를 제어할 수 있다. 이송부(60)는 엑스선 진행 방향(z-축 방향)으로 조정될 수 있으며 이러한 이송부(60)의 이송을 통해 시료(50)에 대한 다수의 2차원 xy-면 위상차 영상을 생성할 수 있다. 프로세서(200)는 또한 나이프-에지 필터(30)를 제어할 수 있다. 나이프-에지 필터(30)는 엑스선 진행 방향과 수직하는 방향으로 이동할 수 있도록 위치이동 수단에 안착될 수 있다. 즉, 프로세서는 x-축 또는 y-축으로의 이동을 돕는 위치이동 수단을 제어 할 수 있다. 이로인해 시료(50)에 대한 x-축 또는 y-축 위상차 영상을 생성할 수 있다. 프로세서(200)는 검출기(70)를 제어할 수 있다. 검출기(70)는 광변조 소자(40)를 투과한 엑스선의 강도를 측정한다. 광변조 소자(40)는 (YAG:Ce) 단결정으로 엑스선을 가시광 영역의 빛으로 변환되어 광학현미경에 의해 엑스선을 간접적으로 측정 가능 하도록 변환할 수 있도록 한다. 프로세서(200)는 검출기(70)에서 검출된 엑스선의 강도를 측정하고 이 데이터를 영상 후처리 하여 2차원 영상을 생성할 수 있다. 영상 후처리하여 획득된 2차원 영상의 데이터 값의 미분식을 이용하고, 위상차 영상을 z-축으로 정렬하여 3차원 영상을 생성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 생성 방법을 도시한 순서도이다.
도 3을 참조하면, 프로세서(200)에 의해 실행되는 영상 생성 방법을 확인할 수 있다. 프로세서(200)는 엑스선 광원(10)이 엑스선을 조사하도록 하고, 시료(50)가 안착되어 있는 이송부(60)를 엑스선의 방향에 따라 이동시켜 검출기(70)에 나타난 영상이 선명해지는 제1 위치에 이송부(60)를 위치시켜 시료(50)를 고정시키고, 이 부분을 z=0으로 설정할 수 있다(S300). 나이프-에지 필터(30)를 엑스선의 진행 방향과 수직한 방향(x-축 또는 y-축 방향)으로 이동시켜 2차원 영상을 발생시킬 수 있다(S305). 프로세서(200)는 나이프-에지 필터(30)를 엑스선의 진행 방향과 수평한 방향(z-축 방향)으로도 이동시켜 위상차 영상을 발생시킬 수 있다. 이송부(60)에 고정된 시료(50)를 통과한 엑스선은 광변조 소자(40)를 통과하게 된다. 광변조 소자(40)는 엑스선을 가시광 영역의 빛으로 변환할 수 있다. 따라서 검출기(70)는 제1 위치에서 나이프-에지 필터(30)의 이동에 따라 각기 다르게 검출된 가시광선을 흡수하게 되고, 이러한 가시광선을 기반으로 시료(50)에 대한 2차원 영상을 생성하게 된다(S310). 프로세서(200)는 이송부(60)를 엑스선 방향에 따라 제1 위치와 이격된 제n 위치로 이동시켜 시료(50)를 고정시키고, 이 부분을 z=n-1로 설정할 수 있으며, 여기서 n은 2이상의 자연수가 될 수 있다 (S315). 나이프-에지 필터를 엑스선의 진행 방향과 수직한 방향(x-축 또는 y-축 방향)으로 이동시켜 위상차 영상을 발생시킬 수 있다(S320). 제n 위치에서 나이프-에지 필터(30)의 이동에 따라 각기 다르게 검출된 엑스선이 가시광선으로 변환 되고, 검출기(70)에서 가시광선을 흡수하게 된다. 이러한 가시광선을 기반으로 시료(50)에 대한 2차원 영상을 생성하게 된다(S325). S300 내지 S325의 방법으로 생성된 영상은 각각 z=0 ~ z=1, z=1 ~ z=2, ... ,z=n-1 ~ z=n, (n은 2이상의 정수)인 경우 생성된 2차원 위상차 영상이다. 획득된 2차원 영상을 z-축으로 정렬하여 3차원 영상을 생성할 수 있다(S330).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 xy-면 위상차 영상 예시 영상을 도시한 예시도이다.
도 4를 참조하면, 물고기의 아가미를 시료(50)로 놓고 2차원 나이프-에지 필터(30)를 엑스선의 진행방향을 따라 스캔하여 획득한 강도를 도시한 것으로서 z=0 ~ z=1 경우의 2차원 위상차 영상이다. 엑스선 영상 실험에서 얻어지는 색은 초록색으로 보여지는바, 시각화에 불편한 점이 있다. 따라서 엑스선 강도에 따라 임의로 색을 정하여 이를 표시한 영상이며 도 4의 우측의 숫자는 엑스선 광도의 상대적인 세기를 나타낼 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 xy-면 위상차 영상 예시 영상을 도시한 예시도이다.
도 5를 참조하면, 물고기의 아가미를 시료(50)로 놓고 2차원 나이프-에지 필터를 엑스선의 진행방향을 따라 스캔하여 획득한 강도를 도시한 것으로서 z=1 ~ z=2 경우의 2차원 위상차 영상이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 xy-면 위상차 영상 예시 영상을 도시한 예시도이다.
도 6를 참조하면, 물고기의 아가미를 시료(50)로 놓고 2차원 나이프-에지 필터를 엑스선의 진행방향을 따라 스캔하여 획득한 강도를 도시한 것으로서 로서 z=2 ~ z=3 경우의 2차원 위상차 영상이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 xy-면 위상차 영상을 z-방향으로 정렬하여 도시한 예시도이다.
도 7을 참조하면, z=0 ~ z=1, ... ,z=1 ~ z=2, z=n-1 ~ z=n, (n은 2이상의 정수)인 경우 획득된 2차원 위상차 영상을 z-축으로 정렬하여 3차원 영상을 생성한 것이다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 영상 생성 장치로서,
    엑스선을 방출하는 광원;
    시료가 안착되어 있고, 상기 엑스선의 진행 방향으로 움직이는 이송부;
    상기 시료에 조사된 엑스선을 필터링하고, 상기 엑스선의 진행 방향과 수직 방향으로 움직이는 나이프-에지 필터;
    상기 나이프-에지 필터에 의해 필터링된 엑스선을 가시광선으로 변환하는 광변조 소자;
    상기 광변조 소자에 의해 변환된 가시광선을 검출된 검출기; 및
    상기 검출기에 의해 검출된 가시광선을 기반으로 위상차를 가지는 복수의 2차원 영상들을 생성하고, 상기 복수의 2차원 영상들을 기반으로 상기 시료에 대한 3차원 영상을 생성하는 프로세서를 포함하며,
    상기 복수의 2차원 영상들 각각은 아래 수학식을 기초로 생성되며,
    Figure 112017013668152-pat00059

    상기
    Figure 112017013668152-pat00060
    는 상기 나이프-에지 필터의 이동방향에서 측정되는 강도를 지시하고, 상기
    Figure 112017013668152-pat00061
    는 상기 나이프-에지 필터의 이동방향의 반대쪽에서 측정되는 강도를 지시하고, 상기
    Figure 112017013668152-pat00062
    는 입사광의 세기를 지시하는, 영상 생성 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 2차원 영상들 중에서 기준 2차원 영상은 상기 시료가 초점 위치에 위치하는 경우에 상기 나이프-에지 필터를 상기 엑스선의 진행 방향과 수직 방향으로 움직임으로써 획득되고, 나머지 2차원 영상들은 상기 초점 위치로부터 미리 설정된 거리만큼 이격된 위치에 상기 시료가 위치하는 경우에 상기 나이프-에지 필터를 상기 엑스선의 진행 방향과 수직 방향으로 움직임으로써 획득되는, 영상 생성 장치.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 시료에 대한 3차원 영상은 아래 수학식을 기초로 생성되며,
    Figure 112017013668152-pat00063
    상기 k는 상수이며, 상기
    Figure 112017013668152-pat00064
    는 입사광의 세기를 지시하고, 상기
    Figure 112017013668152-pat00065
    는
    Figure 112017013668152-pat00066
    에서 획득한 데이터 값의 미분 값을 지시하며, 상기
    Figure 112017013668152-pat00067
    는 위상을 두 번 미분한 값으로서 위상변화율을 나타내는, 영상 생성 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 영상 생성 장치는,
    상기 광원과 상기 시료 사이에 위치하는 광원 격자를 더 포함하며, 상기 광원에서 방출된 엑스선은 상기 광원 격자를 통과한 후에 상기 시료에 조사되는, 영상 생성 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 광원 격자와 상기 나이프-에지 필터 간의 간격은 상기 광원에서 방출되는 엑스선의 파장에 따른 초점 거리를 기초로 결정되는, 영상 생성 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 나이프-에지 필터는 격자 형상을 가지고, 상기 엑스선의 진행 방향과 수직 방향으로 배치되는, 영상 생성 장치.
  8. 영상 생성 장치에서 수행되는 영상 생성 방법으로서,
    상기 영상 생성 장치는 엑스선을 방출하는 광원, 시료가 안착되어 있으며, 상기 엑스선의 진행 방향으로 움직이는 이송부, 상기 시료에 조사된 엑스선을 필터링하고 상기 엑스선의 진행 방향과 수직 방향으로 움직이는 나이프-에지 필터, 상기 나이프-에지 필터에 의해 필터링된 엑스선을 가시광선으로 변환하는 광변조 소자, 상기 광변조 소자에 의해 변환된 가시광선을 검출하는 검출기 및 프로세서를 포함하며, 상기 프로세서는 상기 광원, 상기 이송부, 상기 나이프-에지 필터, 상기 광변조 소자 및 상기 검출기를 제어하며,
    상기 이송부를 제어하여 상기 시료를 제1 위치로 이동시키는 단계;
    상기 시료가 상기 제1 위치에 위치한 경우, 상기 나이프-에지 필터를 상기 엑스선의 진행 방향과 수직 방향으로 이동시키는 단계;
    상기 나이프-에지 필터의 이동에 따라 상기 검출기에서 검출된 가시광선을 기반으로 상기 시료에 대한 기준 2차원 영상을 생성하는 단계;
    상기 이송부를 제어하여 상기 시료를 제1 위치와 이격된 제n 위치로 이동시키는 단계;
    상기 시료가 상기 제n 위치에 위치한 경우, 상기 나이프-에지 필터를 상기 엑스선의 진행 방향과 수직 방향으로 이동시키는 단계;
    상기 나이프-에지 필터의 이동에 따라 상기 검출기에서 검출된 가시광선을 기반으로 상기 시료에 대한 제n 2차원 영상을 생성하는 단계; 및
    상기 기준 2차원 영상 및 적어도 하나의 제n 2차원 영상을 기반으로 상기 시료에 대한 3차원 영상을 생성하는 단계를 포함하며, 상기 n은 2이상의 정수이며,
    상기 기준 2차원 영상과 상기 제n 2차원 영상은 아래 수학식을 기초로 생성되며,
    Figure 112017013668152-pat00068

    상기
    Figure 112017013668152-pat00069
    는 상기 나이프-에지 필터의 이동방향에서 측정되는 강도를 지시하고, 상기
    Figure 112017013668152-pat00070
    는 상기 나이프-에지 필터의 이동방향의 반대쪽에서 측정되는 강도를 지시하고, 상기
    Figure 112017013668152-pat00071
    는 입사광의 세기를 지시하는, 영상 생성 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제1 위치는 상기 시료에 대한 초점 위치인, 영상 생성 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 기준 2차원 영상의 위상은 상기 제n 2차원 영상의 위상과 다른, 영상 생성 방법.
  11. 삭제
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 시료에 대한 3차원 영상은 아래 수학식을 기초로 생성되며,
    Figure 112017013668152-pat00072
    상기 k는 상수이며, 상기
    Figure 112017013668152-pat00073
    는 입사광의 세기를 지시하고, 상기
    Figure 112017013668152-pat00074
    는
    Figure 112017013668152-pat00075
    에서 획득한 데이터 값의 미분 값을 지시하며, 상기
    Figure 112017013668152-pat00076
    는 위상을 두 번 미분한 값으로서 위상변화율을 나타내는, 영상 생성 방법.
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