KR101758022B1 - 방사선 캘리브레이션용 팬텀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방사선 캘리브레이션용 팬텀에 관한 것이다. 본 발명에 의한 방사선 캘리브레이션용 팬텀은, 방사선을 조사하는 조사부와, 조사된 방사선이 투영되게 하여 2차원 투영 이미지 획득을 가능하게 하는 투영부 사이에 배치되고, 표면에 다각형이 이어진 형태의 망상 구조를 가지는 구형 본체; 상기 조사부의 방향이나 위치에 관계 없이 상기 투영부에 투영된 2차원 이미지 데이타를 원활하게 획득할 수 있도록, 상기 구형 본체의 표면에 균일하게 배치되는 복수의 제1비드들; 및 상기 제1비드들과는 다른 이미지로 상기 투영부에 표시되고, 상기 구형 본체의 표면에서 상기 제1비드들과 다른 위치에 균일하게 배치되는 복수의 제2비드들;을 포함하여 이루어져서, 상기 복수의 제1비드들과 제2비드들을, 상기 구형 본체의 표면에 배치시킴으로써, 위치 설정을 위한 계산을 하지 않고도 3차원 공간상의 서로 다른 위치에 배치시킬 수 있게 함은 물론, 3차원 공간에서 균일하게 분포시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

방사선 캘리브레이션용 팬텀{Phantom for radiation calibration}

본 발명은 방사선 캘리브레이션용 팬텀에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3차원 공간상의 서로 다른 위치에 복수의 비드들을 균일하게 배치시킬 수 있도록, 구조가 개선된 방사선 캘리브레이션용 팬텀에 관한 것이다.

인체 관절의 정적인 검사는 CT촬영을 통하여 3차원 형상을 보거나 정적인 방사선 영상을 얻어서 확인이 가능하다. 이와 더불어, 관절의 질병 원인을 조사하거나 인공관절의 올바른 작동 유무를 판단하기 위해서는 운동 중인 상태에서의 영상 검사가 필요하다. 연속적인 방사선 영상을 통하여 2차원 운동 검사가 가능하지만, 척추 관절이나 무릎 관절 등 중요 관절에서는 3차원 운동 검사가 필요하다. 서로 다른 방향에서 동시에 관절의 연속적인 방사선 영상을 획득하고, 이를 관절의 삼차원 형상 데이터와 정합시켜 삼차원 운동 검사를 할 수 있는 방법이 개발되었다. 관절 또는 인공관절 등의 정확한 삼차원 운동을 검사하기 위해서는, 정확한 방사선 촬영 위치를 찾아 해당 2차원 영상 데이터에 대응시키는 것이 우선적으로 요구된다.

이와 같은 방사선 영상 장비에서, 영상장치의 기하학적, 광학적 특성과 기준 좌표계에 대한 상대 위치와 방향을 결정하는 캘리브레이션은 시스템의 정확성에 직접적인 영향을 주는 매우 중요한 과정이다.

카메라와 이미지 그래버로 구성된 영상 시스템은 그 적용 분야가 넓어서 이 시스템의 캘리브레이션에 대해서는 특히 많은 연구가 되어 왔다.

Tsai는 두 단계의 선형 알고리즘으로 렌즈 수차를 포함하는 핀홀 모델에 대한 캘리브레이션을 수행하였다. 그는 첫 번째 단계에서 영상 장치의 위치 및 방향을 구하고 두 번째 단계에서 렌즈에 대한 파라메터를 구하였다. 그는 영상의 중심점을 아는 것으로 가정하였고 렌즈의 왜곡계수는 비선형적인 방법으로 결정하였다. 그의 또 다른 논문에서는 영상 중심과 스케일 계수를 정밀하게 구하는 방법도 제시하였다.

Chang은 Tsai의 방법에 칼만 필터를 적용하여 실험하였다. Martin은 두 개의 평면 캘리브레이션 방법을 제안하여 선형적인 모델을 구하였으나 미지수가 많고 캘리브레이션 점의 수가 정확성에 많은 영향을 미치는 문제점이 있다. Liu는 3차원 공간상의 직선과 영상 평면상의 직선과의 대응관계를 이용한 캘리브레이션을 제시했는데, 카메라의 초점거리를 아는 것으로 가정하여 실제의 적용에는 많은 제한이 있다.

이러한 종래기술의 문제점을 극복하기 위하여 본 출원인은, 등록특허공보 등록번호 제10-1524937에 개시된 바와 같이, 크기가 다른 제1비드들과 제2비드들을 원통 형태를 가진 팬텀에 배열하여 두고, 이 팬텀의 3차원 좌표 데이터와 투영된 투영 이미지의 2차원 데이타를 이용하여 투영 행렬을 구한 후, 그 투영 행렬을 이용하여 카메라와 같은 조사부의 위치나 방향 정보를 획득할 수 있게 하는 기술을 제안한 바 있다.

그러나, 이러한 기술에 의하면, 크기가 다른 제1비드와 제2비드들이 3차원 공간상의 임의의 서로 다른 위치에 배열될 수 있도록, 상기 원통형 팬텀의 표면에 분포시키는 것이 쉽지 않고, 각 비드들이, 고도의 계산식에 의하여 팬텀 상에 배열된다 하더라도 3차원 공간 상에 균일한 분포가 이루어지지 않게 됨에 따라, 투영부에 투영되는 2차원 이미지 획득이 원활하게 이루어지지 않게 되는 개선점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 서로 다른 크기의 제1비드들과 제2비드들을, 3차원 공간상의 서로 다른 위치에 균일하게 배치시킬 수 있게 하는 캘리브레이션용 팬텀을 제공하고자 하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 방사선 캘리브레이션용 팬텀은, 방사선을 조사하는 조사부와, 조사된 방사선이 투영되게 하여 2차원 투영 이미지 획득을 가능하게 하는 투영부 사이에 배치되고, 표면에 다각형이 이어진 형태의 망상 구조를 가지는 구형 본체; 상기 조사부의 방향이나 위치에 관계 없이 상기 투영부에 투영된 2차원 이미지 데이타를 원활하게 획득할 수 있도록, 상기 구형 본체의 표면에 균일하게 배치되는 복수의 제1비드들; 및 상기 제1비드들과는 다른 이미지로 상기 투영부에 표시되고, 상기 구형 본체의 표면에서 상기 제1비드들과 다른 위치에 균일하게 배치되는 복수의 제2비드들;을 포함하여 이루어져서, 상기 복수의 제1비드들과 제2비드들을, 상기 구형 본체의 표면에 배치시킴으로써, 위치 설정을 위한 계산을 하지 않고도 3차원 공간상의 서로 다른 위치에 배치시킬 수 있게 함은 물론, 3차원 공간에서 균일하게 분포시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 구형 본체는, 표면에 아이코사 헤드론(icosahedron) 형태의 망상 구조가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 구형 본체는, 상기 다각형이 이어진 각 교차점 부분에 형성된 복수의 결합홈을 구비하고, 상기 제1비드들과 제2비드들은, 상기 구형 본체의 결합홈에 결합되도록 구성되는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 방사선 캘리브레이션용 팬텀은, 망상 구조를 가지는 구형 본체의 표면에 제1비드들과 제2비드들을 균일하게 배치시키는 것에 의하여 각 비드들의 투영 이미지가 선명하게 확보될 수 있게 함으로써, 팬텀에 의한 3차원 좌표 데이터와 투영된 2차원 이미지 데이터 간의 상관 관계에 해당하는 투영 행렬을 용이하게 구할 수 있게 하고, 나아가 그 투영 행렬을 이용하여 방사선이 조사되는 카메라와 같은 조사부의 위치 또는 방향 정보를 용이하게 획득할 수 있게 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방사선 캘리브레이션용 팬텀의 개략도.
도 2는 본 발명 일실시예에 따른 방사선 캘리브레이션용 팬텀이 채용된 캘리브레이션 장치를 설명하기 위한 블럭도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방사선 캘리브레이션용 팬텀을 이용한 캘리브레이션 방법을 나타내는 순서도.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 방사선 캘리브레이션용 팬텀을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 방사선 캘리브레이션용 팬텀의 개략도이고, 도 2는 본 발명 일실시예에 따른 방사선 캘리브레이션용 팬텀이 채용된 캘리브레이션 장치를 설명하기 위한 블럭도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 방사선 캘리브레이션용 팬텀(100)은, 방사선이 조사되는 조사부(510)의 위치 또는 방향 정보를 원활하게 획득할 수 있게 하는 것으로, 더욱 상세하게는 방사선이 조사되는 조사부(510)와 이미지가 투영되는 투영부(520) 사이에 배치되어서 그 팬텀(100)의 3차원 좌표 데이터와 상기 투영된 이미지의 2차원 데이타를 이용하여 투영 행렬을 구할 수 있게 하는 장치이다.

이러한 기능을 발휘하기 위한 본 발명은, 망상 구조(network structure)의 구형 본체(150)와 제1비드(200)들과 제2비드(300)들을 포함하여 이루어진다.

상기 구형 본체(150)는, 방사선을 조사하는 조사부(510)와 방사선 투과에 의한 이미지가 투영되는 투영부(520) 사이에 배치되고, 상기 투영부(520)에 이미지 투영이 가능하도록, 방사선이 투과될 수 있는 재질로 형성된다.

이러한 구형 본체(150)는, 내부는 비어 있고, 표면에만 다각형이 이어진 형태의 망상 구조가 형성되어 있는 형태를 가짐으로써, 다각형이 이어진 교차점 부위에 상기 각 비드들의 원활한 배열을 가능하게 한다.

즉, 각 비드들의 3차원 공간상의 위치좌표는, 상기 투영부(520)를 통해 확보된 2차원 이미지 데이타에 상응하는 좌표와 상관 관계를 형성하는데 있어서 매우 중요하게 고려되는 사항이다. 본 발명은, 표면이 망상 구조로 이루어진 구형 본체(150)에 각 비드들(200)(300)을 배치할 수 잇도록 구성됨으로써, 3차원 공간상의 서로 다른 임의의 위치에 각 비드들(200)(300)을 원활하게 배치시킬 수 있는 것이다.

상기 제1비드(200)들은, 상기 구형 본체(150)의 표면에 균일하게 배치됨으로써, 상기 조사부(510)의 방향이나 위치에 관계없이 상기 투영부(520)에 투영된 2차원 이미지 데이터를 원활하게 획득할 수 있게 한다.

상기 제1비드(200)들을 상기 구형 본체(150)의 표면에 균일하게 배치시키는 방법은 여러 가지로 구현될 수 있으나, 예컨대, 상기 구형 본체(150)의 교차점을 포함하는 구형 표면적을 그 제1비드(200)들의 개수로 균일하게 구획하고 그 표면적의 중심에 제1비드(200)들을 위치시키는 방법으로 구현될 수 있음은 물론이다.

상기 제2비드(300)들은, 상기 구형 본체(150)의 표면에서 상기 제1비드(200)들과 다른 위치에 균일하게 배치되는 것으로, 상기 제1비드(200)들과 함께 상기 투영 행렬을 구할 수 있게 하는 중요한 요소이다.

이러한 제2비드(300)들은, 상기 제1비드(200)들과는 다른 이미지로 상기 투영부(520)에 표시되도록, 예컨대 상기 제1비드(200)들보다 크기가 작게 형성된다. 본 실시예에서 상기 제2비드(300)들은, 제1비드(200)들보다 많은 개수로 작은 크기로 형성됨으로써, 상기 투영부(520)에 투영되는 이미지를 제1비드(200)와는 다르게 표시시킬 수 있으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되지 않는다. 즉, 제2비드(300)들의 모양을 제1비드(200)들과는 다르게 형성하는 것에 의해 서로 다른 이미지가 투영되도록 구현할 수 있음은 물론이다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 방사선 캘리브레이션용 팬텀(100)은, 망상 구조를 가지는 구형 본체(150)의 표면에 제1비드(200)들과 제2비드(300)들을 균일하게 배치시키는 것에 의하여 각 비드들(200)(300)의 투영 이미지가 선명하게 확보될 수 있게 함으로써, 팬텀(100)에 의한 3차원 좌표 데이터와 투영된 2차원 이미지 데이터 간의 상관 관계에 해당하는 투영 행렬을 용이하게 구할 수 있게 하고, 나아가 그 투영 행렬을 이용하여 방사선이 조사되는 카메라와 같은 조사부(510)의 위치 또는 방향 정보를 용이하게 획득할 수 있게 한다.

한편, 상기 구형 본체(150)는, 표면에 다각형이 이어진 형태의 망상 구조인 것으로 족하나, 본 실시예는 표면에 아이코사 헤드론(icosahedron) 형태의 망상 구조가 형성되어 있어서, 상대적으로 더 많은 개수의 제1비드(200)들과 제2비드(300)들을 구형 본체(150)의 표면에 원활하게 배치시킬 수 있게 한다.

본 실시예의 시뮬레이션을 위하여 상기 제1비드(200)들은 8개, 제2비드(300)들은 40개가 채용되었다. 이러한 개수로 이루어진 비드(200)(300)들을 구형 본체(150)의 표면에 원활하게 배치시키기 위해서는 상기 아이코사 헤드론 형태의 망상 구조인 것이 바람직하다.

그리고, 본 실시예에 채용된 구형 본체(150)는, 다각형(망상 구조의 기본 단위요소)이 이어진 각 교차점 부분에 형성된 복수의 결합홈(150a)들을 포함하여 이루어지고, 상기 제1비드(200)들과 제2비드(300)들은, 각각 상기 구형 본체(150)의 결합홈(150a)에 결합됨으로써 그 구형 본체(150)의 표면에 균일하게 배치된다.

이러한 구성을 가지는 본 실시예는, 상기 구형 본체(150)의 결합홈(150a)을 통해 구형 본체(150)와 비드들 간의 결합 및 분리를 용이하게 할 수 있게 됨에 따라, 사용자의 편리성 및 조립작업의 효율을 높일 수 있게 한다.

상술한 바와 같은 팬텀(100)이 채용된 캘리브레이션 장치는, 도 2에 잘 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 팬텀(100), 조사부(510), 투영부(520), 좌표 테이블 데이터 베이스 및 캘리브레이션 제어부(540)를 포함한다.

좌표 테이블 데이터베이스(530)는 팬텀(100)에 구비되는 제1비드(200) 및 제2비드(300)들의 3차원 좌표 데이터 테이블이 저장된다. 팬텀(100)은 앞서 설명한 바와 같이 제1비드(200)와 제2비드(300)들이 입체적으로 배열되어 있다. 이러한 제1비드(200)와 제2비드(300)들은 공간 내에서 팬텀(100)의 3차원 좌표계에 대하여 일정한 좌표를 갖는다. 좌표 테이블 데이터베이스(530)에는 제1비드(200)와 제2비드(300)들 각각의 좌표가 저장된다.

상기 조사부(510)는 방사선을 팬텀(100)을 향하여 조사하는 부분이고, 상기 투영부(520)는 조사부(510)로부터 방사된 후 팬텀(100)을 관통한 방사선을 감지하여 2차원 방사선 영상, 즉 2차원 이미지를 얻는다. 조사부(510)가 팬텀(100)을 향하여 방사선을 조사하는 시기 등은 후술할 캘리브레이션 제어부(540)에 의하여 제어된다.

상기 조사부(510)와 투영부(520) 쌍은 적어도 하나 이상 구비될 수 있다. 예를 들어 조사부(510)와 투영부(520) 쌍을 복수로 구비하고, 각각의 쌍들을 각기 다른 위치에 구비하여 캘리브레이션을 수행한다. 각 조사부(510)와 투영부(520) 쌍으로부터 본 발명에 따른 캘리브레이션 방법에 따라 해당 위치에 대응하는 최종 투영 행렬을 산출할 수 있다. 이외에도 조사부(510) 와 투영부(520)는 한 쌍으로 구비된 후 이동 궤도를 따라 이동하면서 다수의 위치에서 캘리브레이션을 수행하는 것도 가능하다.

상기 캘리브레이션 제어부(540)는 투영부(520)로부터 획득한 2차원 영상과 좌표 테이블 데이터베이스(530)에 저장된 각 비드들의 3차원 좌표 테이블을 이용하여 캘리브레이션을 수행한다.

한편, 본 발명에 의한 방사선 캘리브레이션용 팬텀(100)이 채용된 캘리브레이션 장치에 의해 수행되는 캘리브레이션의 구체적인 방법은, 본 출원인이 출원하여 등록받은 등록번호 제10-1524937호(발명의 명칭; 방사선 캘리브레이션 방법 및 그에 의한 캘리브레이션 장치)의 등록특허공보 [0034]단락부터 [0055]단락에 기재된 방법과 대부분 유사하기 때문에, 도 3에 도시된 순서도를 참조하여 개략적으로 설명하고 추가적은 설명은 생략하기로 한다.

도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예를 활용한 캘리브레이션 방법을 설명하기에 앞서, 위 등록특허공보에 개시된 캘리브레이션 방법에 대해 간략히 설명하면, 다음과 같다.

위 등록특허공보에 개시된 캘리브레이션 방법은, 여러 방향으로 사용하여도 캘리브레이션 정확도를 높일 수 있고, 신속한 캘리브레이션을 가능하게 하는 점에서 개선된 기술임은 분명하다.

본 발명은, 위 등록특허공보에 개시된 캘리브레이션 방법에 사용되는 팬텀(100) 구조를 개선하여, 제1비드(200)들과 제2비드(300)들의 3차원 좌표 데이터와 그 팬텀(100)의 2차원 투영 이미지 데이터 간의 상관 관계에 상응하는 투영 행렬을 더욱 정확하고 신속하게 구할 수 있게 하는 장점을 도출한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 방사선 캘리브레이션용 팬텀을 이용한 캘리브레이션 방법을 나타내는 순서도이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 팬텀(100)을 이용한 캘리브레이션 방법은, 팬텀(100)의 제1비드(200)들과 제1비드(200)들에 관한 3차원 좌표 테이블을 준비하고(S100), 상기 캘리브레이션 제어부(540)(이하에서 설명할 각 단계의 행위 주체이므로 중복 기재 생략)의 제어 신호에 기초하여, 상기 제1비드(200)들과 제2비드(300)들에 관한 3차원 좌표 테이블 데이터베이스(530)로부터 3차원 좌표 데이터와, 상기 투영부(520)를 통해 2차원 투영 이미지 데이터를 획득하여서(S110), 상기 2차원 투영 이미지 데이터 중 제1비드(200)의 데이터 및 상기 3차원 좌표 테이블 데이터 중 제1비드(200)의 데이터에 기초하여 복수의 투영 함수의 중간 해를 산출하게 된다(S120).

그 이후 순차로, 상기 2차원 투영 이미지 데이터 중 제2비드(300)의 데이터 및 상기 3차원 좌표 테이블 데이터 중 제2비드(300)의 데이터에 기초하여 상기 복수의 중간 해 중 거리 에러치가 최소가 되는 최적 해를 산출하고(S130), 상기 최적 해에 따른 투영 함수를 이용하여 상기 팬텀(100)의 가상 2차원 투영 이미지를 획득하며(S140), 상기 제2비드(300)들의 2차원 투영 이미지 데이터와 상기 가상 2차원 투영 이미지 데이터를 비교(S150)하여 제2비드(300) 중 미리 정해진 개수의 제2비드(300)들을 선정한 다음, 최종적으로 상기 선정된 제2 비드(300)들을 이용하여 투영 함수의 최종 해를 산출한다(S160).

결국, 본 발명의 일실시예에 따른 방사선 캘리브레이션용 팬텀(100)은, 구형 본체(150)의 표면에 제1비드(200)들과 제2비드(300)들을 균일하게 배치시키는 것에 의하여 팬텀(100)에 의한 3차원 좌표 데이터와 투영된 2차원 이미지 데이터 간의 상관 관계에 해당하는 투영 행렬을 용이하게 구할 수 있게 하고, 나아가 그 투영 행렬을 이용하여 방사선이 조사되는 카메라와 같은 조사부(510)의 위치 또는 방향 정보를 용이하게 획득할 수 있게 한다.

이상, 본 발명에 대한 바람직한 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 위에서 설명된 실시예들에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며 본 발명 속하는 기술분야에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있음은 자명하다.

100:팬텀 150:구형 본체
200:제1비드 300:제2비드
510:조사부 520:투영부
530:좌표 테이블 데이터베이스 540:캘리브레이션 제어부

Claims (3)

1. 방사선을 조사하는 조사부와, 조사된 방사선이 투영되게 하여 2차원 투영 이미지 획득을 가능하게 하는 투영부 사이에 배치되고, 표면에 다각형이 이어진 형태의 망상 구조를 가지는 구형 본체;
   상기 조사부의 방향이나 위치에 관계 없이 상기 투영부에 투영된 2차원 이미지 데이타를 원활하게 획득할 수 있도록, 상기 구형 본체의 표면에 균일하게 배치되는 복수의 제1비드들; 및
   상기 제1비드들과는 다른 이미지로 상기 투영부에 표시되고, 상기 구형 본체의 표면에서 상기 제1비드들과 다른 위치에 균일하게 배치되는 복수의 제2비드들;을 포함하여 이루어져서,
   상기 복수의 제1비드들과 제2비드들을, 상기 구형 본체의 표면에 배치시킴으로써, 위치 설정을 위한 계산을 하지 않고도 3차원 공간상의 서로 다른 위치에 배치시킬 수 있게 함은 물론, 3차원 공간에서 균일하게 분포시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 방사선 캘리브레이션용 팬텀.
2. 제1항에 있어서,
   상기 구형 본체는,
   표면에 아이코사 헤드론(icosahedron) 형태의 망상 구조가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 방사선 캘리브레이션용 팬텀.
3. 제1항에 있어서,
   상기 구형 본체는, 상기 다각형이 이어진 각 교차점 부분에 형성된 복수의 결합홈을 구비하고,
   상기 제1비드들과 제2비드들은, 상기 구형 본체의 결합홈에 결합되는 것을 특징으로 하는 방사선 캘리브레이션용 팬텀.

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