KR101848177B1 - 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 방법 및 시스템 - Google Patents

물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 방법 및 시스템 Download PDF

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KR101848177B1 KR1020160165889A KR20160165889A KR101848177B1 KR 101848177 B1 KR101848177 B1 KR 101848177B1 KR 1020160165889 A KR1020160165889 A KR 1020160165889A KR 20160165889 A KR20160165889 A KR 20160165889A KR 101848177 B1 KR101848177 B1 KR 101848177B1
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Abstract

본 발명은 가중 영상 감산법에 관한 것으로, 자세하게는 가중 영상 감산법을 위한 가중치 계산 시 물질의 특성을 반영함으로써 감산 영상의 화질을 향상시킬 수 있는 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 방법 및 시스템에 관한 것이다.

Description

물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR WEIGHTED-IMAGE SUBTRACTION BASED ON MATERIAL CHARACTERISTICS FOR HIGH-CONTRAST DECOMPOSITION}
본 발명은 가중 영상 감산법에 관한 것으로, 자세하게는 가중 영상 감산법을 위한 가중치 계산 시 물질의 특성을 반영함으로써 감산 영상의 화질을 향상시킬 수 있는 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 방법 및 시스템에 관한 것이다.
가중 영상 감산법은 에너지가 서로 다른 엑스선을 이용하여 획득한 정보를 가중하여 서로 감산함으로써 의료영상의 화질을 향상시키는 기술이다.
기존의 에너지 적분 방식 검출기 기반 이중에너지 촬영은 에너지 정보의 간섭 현상에 의해 물질 분리의 정확도가 감소하며, 이중에너지 정보를 이용하여 영상 차감법을 시행할 경우 감약정도의 차이가 작은 물질에 대하여 물질분리 영상 화질이 저하되는 문제가 있었다.
기본의 가중 영상 감산법은 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016120059930-pat00001
상기 [수학식 1]에서 IS는 감산된 영상의 농도, IH는 피사체를 투과한 고에너지 엑스선 영상 농도, IL은 피사체를 투과한 저에너지 엑스선 영상 농도, WH는 고에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치, WL은 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치를 각각 나타낸다.
이와 같이 기존의 가중 영상 감산법은 가중치 계산 시 대조도 향상의 대상이 되는 물질의 특성을 반영하지 않고, 경험적으로 가중함수를 획득하기 때문에 대조도 향상에 한계가 있었다.
한국공개특허 제10-2015-0122392호(2015.11.02)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 목적 이외의 물질에 대한 가중함수를 적용한 영상의 감산을 통해 물질분리의 정확도를 향상시킬 수 있는 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 위해 본 발명 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 시스템은 배경물질과 목적물질 및 목적 이외 물질을 포함하는 피사체에 대하여 고에너지 및 저에너지 엑스선을 방출하는 방출부와, 상기 피사체를 투과한 엑스선을 검출 및 처리함으로 생성된 영상을 출력하는 출력부를 구비하는 엑스선 영상장치의 영상처리를 위한 가중 영상 감산 시스템에 있어서, 피사체를 통과하지 않은 엑스선의 영상농도값에 대하여 각각 배경물질과 목적 이외 물질의 선감약계수 및 두께를 통해 각각 배경물질 및 목적 이외 물질의 엑스선 영상 농도값를 산출하는 제1산출부; 상기 제1산출부의 산출결과를 통해 고에너지 및 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치를 각각 산출하는 제2산출부; 산출된 가중치를 적용하여 영상을 처리하여 출력하는 가중치적용부; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1산출부는 하기의 수학식을 통해 배경물질 및 목적 이외 물질의 엑스선 영상 농도값를 산출하는 것이 바람직하다.
[수학식]
Figure 112016120059930-pat00002
(IE,O는 피사체를 통과하지 않은 고에너지 또는 저에너지 엑스선 영상 농도,
Figure 112016120059930-pat00003
는 투과한 고에너지 또는 저에너지 엑스선에 대한 배경물질의 선감약계수,
Figure 112016120059930-pat00004
는 투과한 고에너지 또는 저에너지 엑스선에 대한 목적 이외 물질의 선감약계수, tA는 목적이외 물질의 두께, tB는 배경물질이 두께를 나타냄.)
또한, 제2산출부는 하기의 수학식을 통해 고에너지 및 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치를 산출하되, 고에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치 또는 고에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치에 임의의 값을 인가하는 것이 바람직하다.
[수학식]
Figure 112016120059930-pat00005
(WH는 고에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치, WL은 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치)
또한, 본 발명 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 방법은 배경물질과 목적물질 및 목적 이외 물질을 포함하는 피사체에 대하여 고에너지 및 저에너지 엑스선을 방출하는 방출부와, 상기 피사체를 투과한 엑스선을 검출 및 처리함으로 생성된 영상을 출력하는 출력부를 구비하는 엑스선 영상장치의 영상처리를 위한 가중 영상 감산 방법에 있어서, 피사체를 통과하지 않은 엑스선의 영상농도값에 대하여 각각 배경물질과 목적 이외 물질의 선감약계수 및 두께를 통해 각각 배경물질 및 목적 이외 물질의 엑스선 영상 농도값를 산출하는 제1단계; 산출결과를 통해 고에너지 및 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치를 각각 산출하는 제2단계; 산출된 가중치를 적용하여 영상을 처리하여 출력하는 제3단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1단계는 하기의 수학식을 통해 배경물질 및 목적 이외 물질의 엑스선 영상 농도값를 산출하는 것이 바람직하다.
[수학식]
Figure 112016120059930-pat00006
(IE,O는 피사체를 통과하지 않은 고에너지 또는 저에너지 엑스선 영상 농도,
Figure 112016120059930-pat00007
는 투과한 고에너지 또는 저에너지 엑스선에 대한 배경물질의 선감약계수,
Figure 112016120059930-pat00008
는 투과한 고에너지 또는 저에너지 엑스선에 대한 목적 이외 물질의 선감약계수, tA는 목적이외 물질의 두께, tB는 배경물질이 두께를 나타냄.)
또한, 상기 제2단계는 하기의 수학식을 통해 고에너지 및 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치를 산출하되, 고에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치 또는 고에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치에 임의의 값을 인가하는 것이 바람직하다.
[수학식]
Figure 112016120059930-pat00009
(WH는 고에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치, WL은 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치)
본 발명을 통해 광자계수검출기 기반 이중에너지 촬영에서 목적 이외의 물질에 대한 가중함수를 적용한 영상의 감산을 통해 물질분리의 정확도를 향상할 수 있으며, 특히 일반적인 유방촬영에서 구별하기 어려운 악성종양과 양성종양의 분리를 통하여 진단의 정확도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 시스템의 구성을 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 방법을 나타낸 순서도,
도 3은 일반적인 유방촬영 영상과 기존방법 및 본 발명에 따른 방법을 통한 유방촬영 영상의 모습을 비교한 사진,
도 4는 각각의 물질분리 영상의 유선조직과 양성종양 및 악성종양의 대조결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 방법 및 시스템을 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 시스템의 구성을 나타낸 블록도, 도 2는 본 발명 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 방법을 나타낸 순서도이다.
본 발명에선 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 방법은 실질적으로 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 시스템을 기반으로 구현되는 알고리즘으로 시스템과 방법이라는 카테고리가 상이할 뿐 실질적으로 적용되는 기술은 동일하며, 배경물질과 목적물질 및 목적 이외 물질을 포함하는 피사체에 대하여 고에너지 및 저에너지 엑스선을 방출하는 방출부(110)와, 상기 피사체를 투과한 엑스선을 검출 및 처리함으로 생성된 영상을 출력하는 출력부(130)를 구비하는 엑스선 영상장치의 영상처리를 위해 사용된다.
먼저, 제1산출부(121)를 통해 수행되는 제1단계(S 10)에서는 피사체를 통과하지 않은 엑스선의 영상농도값에 대하여 각각 배경물질과 목적 이외 물질의 선감약계수 및 두께를 통해 각각 배경물질 및 목적 이외 물질의 엑스선 영상 농도값를 산출한다.
본 발명은 가중 영상 감산법을 위한 가중치 계산 시 물질의 특성을 반영함으로써 감산 영상의 화질을 향상시킬 수 있도록 함으로 기존의 방식과 차별화게 되며, 이를 위해 목적 이외 물질의 영상농도를 배경물질의 농도와 일치하도록 가중함으로써 상대적으로 목적 물질의 대조도를 향상시킬 수 있도록 구성된다.
이와 같은 방법은 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016120059930-pat00010
Figure 112016120059930-pat00011
는 배경물질을 통과한 고에너지 엑스선의 영상 농도,
Figure 112016120059930-pat00012
는 배경물질을 통과한 저에너지 엑스선의 영상 농도,
Figure 112016120059930-pat00013
는 목적 이외 물질을 통과한 고에너지 엑스선 영상 농도,
Figure 112016120059930-pat00014
는 는 목적 이외 물질을 통과한 저에너지 엑스선 영상 농도, WH는 고에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치, WL은 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치를 나타낸다.
상기 [수학식 2]에서 IB와 IA는 각각 배경물질과 목적 이외 물질의 농도를 나타낸다. IB와 IA는 각 물질의 물리적 두께 및 선감약계수에 의해 결정되므로 다음의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016120059930-pat00015
IE,O는 피사체를 통과하지 않은 고에너지 또는 저에너지 엑스선 영상 농도,
Figure 112016120059930-pat00016
는 투과한 고에너지 또는 저에너지 엑스선에 대한 배경물질의 선감약계수,
Figure 112016120059930-pat00017
는 투과한 고에너지 또는 저에너지 엑스선에 대한 목적 이외 물질의 선감약계수, tA는 목적이외 물질의 두께, tB는 배경물질이 두께를 나타낸다.
상기 선감약계수는 실험으로 얻을 수도 있으며 주요 물질에 대한 엑스선 투과에 따라 테이블로 정리된 선감약계수를 사용할 수 있으며, 물질의 두께의 경우도 실험을 통해 산출 가능하다.
다음으로 제2산출부(122)를 통해 상기 제1산출부(121)의 산출결과를 통해 고에너지 및 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치를 각각 산출하는 제2단계(S 20)수행된다. 이는 상기 [수학식 3]을 [수학식 2]에 대입하여 가중치를 계산하는 과정으로 다음의 [수학식 4와 같다.
Figure 112016120059930-pat00018
상기 [수학식 4]에서 알 수 있듯이 본 발명의 가중 영상 감산법을 위한 가중치는 물질의 특성인 물리적 두께와 선감약계수 정보를 포함하고 있으며, WH와 WL 중 하나에 임의의 값을 대입하면 나머지 값을 구할 수 있다.
이에 따라 가중치적용부(123)는 선출된 가중치를 적용하여 영상을 처리하여 출력하는 제3단계(S 30)를 수행하게 된다.
본 발명에 따라 계산된 가중치를 적용하여 획득한 영상 및 분석결과는 다음과 같다.
먼저, 이와 같은 분석을 위해 몬테칼로 시뮬레이션을 이용하여 광자계수검출기 기반 유방촬영 시스템을 모사하였다. 검출기는 Cadmium Zinc Telluride(CZT) 물질로 구성되어 크기 120x60㎜2의 크기와 3㎜의 두께를 갖도록 설계하였다.
팬텀은 50% 유선조직과 50% 지방질로 구성된 반원형태의 유방조직으로 모사하였으며 내부에 악성증앙(Ca5(OH)(P04)3)과 양성종양(CaC204) 을 포함시켰다. 이중에너지 정보를 획득하기 위하여 두 물질의 감약계수 차이가 가장 큰 20-24KeV를 저에너지 범위로，감약계수 차이가 가장 작은 40-44KeV률 고에너지 범위로 사용하였다.
가중 영상 차감법을 시행하기 위해 영상의 농도값을 바탕으로 이중에너지 영상 정보를 이용하여 목적 이외 물질의 대조도를 저하시킬 수 있는 가중함수를 산출하였다. 산출한 가중함수를 각 영상에 취한 후 감산을 통하여 물질 분리된 영상을 획득하였다. 일반적인 유방촬영 영상，기존의 이중에너지 감산법을 통해 획득한 영상 및 본 발명에서 제안한 방법을 통해 획득한 영상의 대조도대 잡음비와 대조도대잡음비의 향상정도측정을 통해 영상화질을 비교 및 평가하였다.
도 3은 일반적인 유방촬영 영상과 기존방법 및 본 발명에 따른 방법을 통한 유방촬영 영상의 모습을 비교한 사진으로, (a)는 일반적인 유방촬영 영상, (b)는 기존의 영상 감산법을 통한 유방촬영 영상, (c)는 본 발명에 따른 영상 감산법을 통한 유방촬영 영상을 각각 나타내고 있다. 또한, 영상에 포함된 ①은 배경물질, ②는 목적물질, ③은 목적 이외 물질을 각각 나타내고 있다.
도 3에서 확인할 수 있듯이 기존의 가중 영상 감산법에 비해 본 발명의 물질 기반 가중 영상 감산법을 사용하였을 때 목적 이외 물질과 배경 물질의 농도가 유사해짐을 알 수 있고, 상대적으로 목적 물질의 대조도가 향상되는 결과를 확인할 수 있다.
이에 대한 정량적인 비교 결과를 나타낸 도 4는 각각의 물질분리 영상의 유선조직과 양성종양 및 악성종양의 대조결과를 나타낸 그래프로서, 일반적인 촬영과 기존 가중 영상 차감법에 비해 본 발명의 물질 특성 기반 가중 영상 차감법은 목적 이외 물질의 대조도가 감소하여 목적 물질의 대조도가 상대적으로 향상된 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
110: 방출부 121: 제1산출부
122: 제2산출부 123: 가중치적용부
130: 출력부

Claims (6)

  1. 배경물질과 목적물질 및 목적 이외 물질을 포함하는 피사체에 대하여 고에너지 및 저에너지 엑스선을 방출하는 방출부(110)와, 상기 피사체를 투과한 엑스선을 검출 및 처리함으로 생성된 영상을 출력하는 출력부(130)를 구비하는 엑스선 영상장치의 영상처리를 위한 가중 영상 감산 시스템에 있어서,
    피사체를 통과하지 않은 엑스선의 영상농도값에 대하여 각각 배경물질과 목적 이외 물질의 선감약계수 및 두께를 통해 각각 배경물질 및 목적 이외 물질의 엑스선 영상 농도값를 산출하는 제1산출부(121);
    상기 제1산출부(121)의 산출결과를 통해 고에너지 및 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치를 각각 산출하는 제2산출부(122);
    산출된 가중치를 적용하여 영상을 처리하여 출력하는 가중치적용부(123); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1산출부(121)는 하기의 수학식을 통해 배경물질 및 목적 이외 물질의 엑스선 영상 농도값를 산출하는 것을 특징으로 하는 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 시스템.
    [수학식]
    Figure 112016120059930-pat00019

    (IE,O는 피사체를 통과하지 않은 고에너지 또는 저에너지 엑스선 영상 농도,
    Figure 112016120059930-pat00020
    는 투과한 고에너지 또는 저에너지 엑스선에 대한 배경물질의 선감약계수,
    Figure 112016120059930-pat00021
    는 투과한 고에너지 또는 저에너지 엑스선에 대한 목적 이외 물질의 선감약계수, tA는 목적이외 물질의 두께, tB는 배경물질이 두께를 나타냄.)
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2산출부(122)는 하기의 수학식을 통해 고에너지 및 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치를 산출하되, 고에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치 또는 고에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치에 임의의 값을 인가하는 것을 특징으로 하는 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 시스템.
    [수학식]
    Figure 112016120059930-pat00022

    (WH는 고에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치, WL은 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치)
  4. 배경물질과 목적물질 및 목적 이외 물질을 포함하는 피사체에 대하여 고에너지 및 저에너지 엑스선을 방출하는 방출부와, 상기 피사체를 투과한 엑스선을 검출 및 처리함으로 생성된 영상을 출력하는 출력부를 구비하는 엑스선 영상장치의 영상처리를 위한 가중 영상 감산 방법에 있어서,
    피사체를 통과하지 않은 엑스선의 영상농도값에 대하여 각각 배경물질과 목적 이외 물질의 선감약계수 및 두께를 통해 각각 배경물질 및 목적 이외 물질의 엑스선 영상 농도값를 산출하는 제1단계(S 10);
    산출결과를 통해 고에너지 및 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치를 각각 산출하는 제2단계(S 20);
    산출된 가중치를 적용하여 영상을 처리하여 출력하는 제3단계(S 30); 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1단계(S 10)는 하기의 수학식을 통해 배경물질 및 목적 이외 물질의 엑스선 영상 농도값를 산출하는 것을 특징으로 하는 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 방법.
    [수학식]
    Figure 112016120059930-pat00023

    (IE,O는 피사체를 통과하지 않은 고에너지 또는 저에너지 엑스선 영상 농도,
    Figure 112016120059930-pat00024
    는 투과한 고에너지 또는 저에너지 엑스선에 대한 배경물질의 선감약계수,
    Figure 112016120059930-pat00025
    는 투과한 고에너지 또는 저에너지 엑스선에 대한 목적 이외 물질의 선감약계수, tA는 목적이외 물질의 두께, tB는 배경물질이 두께를 나타냄.)
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2단계(S 20)는 하기의 수학식을 통해 고에너지 및 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치를 산출하되, 고에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치 또는 고에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치에 임의의 값을 인가하는 것을 특징으로 하는 물질특성 기반 고대조도 가중 영상 감산 방법.
    [수학식]
    Figure 112018006344347-pat00026

    (WH는 고에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치, WL은 저에너지 엑스선 영상 농도에 대한 가중치)
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