KR102081869B1 - 엑스선 영상 생성 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본원은 엑스선 영상 생성 장치 및 방법에 관한 것으로, 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치는, 엑스선을 발생시키는 엑스선관, 상기 엑스선을 다중 슬릿에 투과시켜 피사체를 향해 조사하는 콜리메이터, 상기 콜리메이터를 진동시키는 구동부, 상기 피사체를 투과한 엑스선을 검출하는 검출부 및 검출된 상기 엑스선에 기초하여 엑스선 영상을 생성하는 영상 생성부를 포함할 수 있다.

Description

엑스선 영상 생성 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR GENERATING X-RAY IMAGE}
본원은 엑스선 영상 생성 장치 및 방법에 관한 것이다.
1895년 뢴트겐에 의해 처음 발견된 엑스선은 피사체에 대한 투과력이 높기 때문에 오늘날 의료 및 산업 분야에서 유용한 비파괴검사 수단으로 널리 사용되고 있다. 종래의 일반적인 엑스선 촬영은 엑스선이 피사체를 투과할 때 발생하는 흡수능의 차이를 이용하여 영상화하는 감약차 기반의 2차원 투영영상 기법이 개발된 바 있다. 또한, 투영영상의 원리적 한계인 ‘구조물의 겹침(즉, 깊이정보 상실)’을 극복하기 위해 다양한 3차원 단층촬영 기법들(예, 전산화단층촬영(computed tomography, CT), 디지털단층합성(digital tomosynthesis, DTS) 등)이 개발되어 또한 널리 사용되고 있다. 그러나 의료분야에서 표준 3차원 영상기법인 CT는 촬영 시 요구되는 과도한 피폭선량으로 인한 2차 발병률이 높아 최근 사회적 이슈가 되고 있으며, 따라서 피폭선량 저감화 방안이 요구되는 실정이다.
본원의 배경이 되는 기술은 한국특허공개공보 제10-1685005호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사용자에게 요구되는 피폭선량을 저감시킬 수 있는 엑스선 영상 생성 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사용자에게 요구되는 피폭선량을 저감시키면서 고화질의 영상을 생성할 수 있는 엑스선 영상 생성 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들도 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치는, 엑스선을 발생시키는 엑스선관, 상기 엑스선을 다중 슬릿에 투과시켜 피사체를 향해 조사하는 콜리메이터, 상기 콜리메이터를 진동시키는 구동부, 상기 피사체를 투과한 엑스선을 검출하는 검출부 및 검출된 상기 엑스선에 기초하여 엑스선 영상을 생성하는 영상 생성부를 포함할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 엑스선관은, 미리 설정된 각도 범위로 상기 엑스선을 발생시키고, 상기 구동부는, 상기 엑스선의 발생 위치에 대응하여 상기 콜리메이터를 이동시킬 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 구동부는, 상기 엑스선 발생 위치의 변화에 대응하여 상기 콜리메이터를 진동시킬 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 슬릿의 폭은 상기 검출부의 픽셀크기, 픽셀수 및 확대율에 기초하여 수학식 1을 통해 결정될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 영상 생성부는, 상기 미리 설정된 각도 범위 내에서 검출된 엑스선에 기초하여 복수의 엑스선 영상을 생성하되, 상기 복수의 엑스선 영상을 압축센싱 기반 반복적 영상 재구성 알고리즘에 기초하여 3차원 재구성 영상을 생성할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 방법은 엑스선을 발생시키는 단계, 콜리메이터를 진동시키는 단계, 피사체를 투과한 상기 엑스선을 검출하는 단계; 및 검출된 상기 엑스선에 기초하여 엑스선 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 엑스선을 발생시키는 단계는, 미리 설정된 각도 범위로 상기 엑스선을 발생시키고, 상기 콜리메이터를 진동시키는 단계는, 상기 엑스선의 발생 위치에 대응하여 상기 콜리메이터를 이동시킬 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 콜리메이터를 진동시키는 단계는, 상기 엑스선 발생 위치의 변화에 대응하여 상기 콜리메이터를 진동시킬 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 슬릿의 폭은 상기 검출부의 픽셀크기, 픽셀수 및 확대율에 기초하여 수학식 2를 통해 결정될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 엑스선 영상을 생성하는 단계는, 상기 미리 설정된 각도 범위 내에서 검출된 엑스선에 기초하여 복수의 엑스선 영상을 생성하되, 상기 복수의 엑스선 영상을 압축센싱 기반 반복적 영상 재구성 알고리즘에 기초하여 3차원 재구성 영상을 생성할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 사용자에게 요구되는 피폭선량을 저감시킬 수 있는 엑스선 영상 생성 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면 사용자에게 요구되는 피폭선량을 저감시키면서 고화질의 영상을 생성할 수 있는 엑스선 영상 생성 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치의 개념도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치의 콜리메이터의 진동에 의한 다중 슬릿의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치의 엑스선 발생 각도의 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치의 콜리메이터 조건에 따른 엑스선 영상을 도시한 도면이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치에 의한 사이노그램(sinogram)을 도시한 도면이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치의 역투영 기법 기반의 3차원 재구성 영상을 도시한 도면이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치의 반복적 영상 재구성 알고리즘 기반의 3차원 재구성 영상을 도시한 도면이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 방법의 흐름을 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치의 개념도이다.
도 1을 참조하면 엑스선 영상 생성 장치(100)는 엑스선관(110), 콜리메이터(120) 구동부(130), 검출부(140) 및 영상 생성부(150)를 포함할 수 있다. 엑스선관(X-ray tube)(110)은 엑스선(x-ray)을 발생시킬 수 있다. 예시적으로, 엑스선관(110)은 피사체의 영상을 촬영하는 스캔 방향을 따라 이동하면서 엑스선을 발생시킬 수 있다. 도 2를 참조하면, 엑스선관(110)은 제1위치(10)에서 제2위치(20)로의 스캔 방향에 대응하여 각 위치에서 마다 엑스선을 발생시킬 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 엑스선관(110)은 제1위치(10)와 제2위치(20)가 반복되는 스캔 경로상에서 제1위치에서 제2위치로 이동하는 방향으로 이동할 수 있다. 또한 스캔 경로상의 각 위치에서 엑스선을 발생시킬 수 있다. 엑스선관(110)의 이동은 구동부(130)에 의해 이루어질 수 있다. 다른 예로, 엑스선관(110)은 스캔 경로에 대응하여 각 위치마다 엑스선을 발생 시킬 수 있도록 연장된 형태로 마련될 수 도 있다.(예를 들어, 튜브 형태)
콜리메이터(120)는 엑스선을 다중 슬릿에 투과시켜 피사체(1)를 향해 조사할 수 있다. 검출부(140)는 피사체(1)를 투과한 엑스선을 검출할 수 있고, 영상 생성부(150)는 검출된 엑스선에 기초하여 엑스선 영상을 생성할 수 있다. 콜리메이터(120)는 광원으로부터 발생된 광 즉, 엑스선관으로부터 발생된 엑스선의 방향성 및 확산성을 한정할 수 있는, 집속기를 의미한다. 예시적으로 상기 콜리메이터(120)는 다중 슬릿을 포함하는 다중 슬릿 콜리메이터일 수 있다.
구동부(130)는 콜리메이터(120)를 진동시킬 수 있다. 예시적으로, 구동부(130)는 콜리메이터(120)를 엑스선이 투사되는 방향의 수직 방향으로 콜리메이터(120)를 진동시킬 수 있다. 도 2를 참조하면, 엑스선관(110)이 10시에서 4시 방향으로 엑스선을 발생시키면, 구동부(130)는 엑스선 투사 방향의 수직인 7시-1시 방향으로 콜리메이터(120)를 진동시킬 수 있다.
상기 구동부(130)는 스캔 방향을 따라 이동하는 엑스선관(110)의 이동에 대응하여 콜리메이터(120)를 이동 시킬 수 있다. 즉, 구동부(130)는 엑스선의 발생 위치에 대응하여 콜리메이터(120)를 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 엑스선관(110)이 제2위치(20)로 이동된 경우, 구동부(130)는 엑스선관(110)의 이동에 대응하여, 콜리메이터(120)를 이동시킬 수 있다. 다시 말해, 구동부(130)는 엑스선관(110)과 콜리메이터(120)를 동시에 이동시킬 수 있다. 따라서, 구동부(130)에 의해 엑스선관(110)의 이동과 대응하도록 콜리메이터(120)가 이동됨으로써, 예를 들어, 제2위치(20)에서 엑스선관(110)에 의해 발생된 엑스선이 콜리메이터(120)를 통과하여 피사체(1)를 향해 조사될 수 있다. 구동부(130)는 스텝모터를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 엑스선관(110) 및 콜리메이터(120)를 이동시키기 위한 다양한 구동수단을 포함할 수 있다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치의 콜리메이터의 진동에 의한 다중 슬릿의 예를 도시한 도면이다.
도 3에서 C(20/20)은 콜리메이터(120) 단면에서 20 픽셀 간격으로 엑스선을 차단하는 다중 슬릿을 나타내고, C(60/60)은 60픽셀 간격으로 엑스선을 차단하는 다중 슬릿을 나타낸다. 이하에서는 C(20/20)을 기준으로 설명하나, 후술하는 설명은 C(60/60)에도 동일하게 적용될 수 있음은 자명하다. 구동부(130)는 엑스선의 발생 위치의 변화에 대응하여 콜리메이터(120)를 진동시킬 수 있다. 상기 엑스선의 발생 위치의 변화는 엑스선관(110)의 이동을 의미할 수 있다. 엑스선관(110)이 이동함에 따라 엑스선의 발생 위치가 변화하게 되고, 구동부(130)는 이러한 엑스선관(110)의 변화(이동 엑스선 발생 위치 변화)에 대응하여 콜리메이터(120)를 진동시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 구동부(130)는 콜리메이터(120)의 다중 슬릿을 제1자세(30)와 제2자세(40)가 되도록 주기적으로 진동시킬 수 있다. 진동은 콜리메이터(120)의 다중 슬릿이 엑스선 투사 방향의 수직방향 즉, 도3을 기준으로 좌우 방향으로의 이동이 반복되는 것을 의미한다. 도 2를 참조하면, 엑스선관(110) 및 콜리메이터(120)가 제1위치인 경우, 다중 슬릿은 제1자세(30)를 취할 수 있다. 엑스선관(110)이 제1위치에서 엑스선을 발생시키고 제2위치로 이동하면, 콜리메이터(120) 또한 제2위치로 이동할 수 있다. 이 때, 다중 슬릿은 구동부(130)의 진동에 의해 제1자세(30)에서 제2자세(40)로 이동할 수 있다. 즉, 모든 스캔 경로상의 제1위치에서 다중 슬릿은 제1자세(30)를 취하고, 제2 위치에서는 제2자세(40)를 취할 수 있다. 스캔 경로는 제1위치 및 제2위치가 주기적으로 반복되므로, 엑스선관(110)의 이동(또는 엑스선 발생 위치의 변화, 콜리메이터(120)의 이동)에 대응하여 다중 슬릿이 제1자세(30)에서 제2자세(40)로 또는 제2자세(40)에서 제1자세(30)로의 이동이 주기적으로 반복적으로 이루어질 수 있다. 구동부(130)는 엑스선관(110)의 이동 거리와 콜리메이터(120)의 슬릿폭에 기초하여 엑스선관(110)이 제1위치에서 제2위치로 이동할 때 콜리메이터(120)가 제1자세(30)에서 제2자세(40)로 되도록 콜리메이터(120)를 이동시킬 수 있다.
또한, 본원의 다른 일 실시예에 따르면, 구동부(130)는 콜리메이터(120)의 다중 슬릿이 제1자세(30)와 제2자세(40)가 반복하여 유지되도록 제1위치 및 제2위치에서 콜리메이터(120)를 미리 설정된 시간 동안 주기적으로 진동시킬 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 콜리메이터(120)의 슬릿이 다중 슬릿인 경우, 엑스선 선량은 단일 슬릿에 비해 50% 감소될 수 있다. 따라서, 환자(피사체)에게 요구되는 엑스선 선량이 단일 슬릿의 콜리메이터에 비해 감소될 수 있다. 다중 슬릿 중 하나의 슬릿의 폭(다중슬릿 콜리메이터의 폭)은 검출부(140)의 픽셀 크기, 픽셀수 및 확대율에 기초하여 수학식 1을 통해 결정될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018002286506-pat00001
여기서, Wslit은 슬릿의 폭이고, d는 상기 픽셀크기이고, ncolli는 픽셀수이고, Mcolli는 확대율을 의미한다. 예시적으로 C(20/20) 다중 슬릿인 경우, 검출부(140)의 픽셀크기가 0.198mm이고 픽셀수는 20, 확대율을 15로 설정하면, C(20/20) 슬릿의 폭은 수학식 1에 기초하여 0.264mm로 계산될 수 있다. 또한 상기와 동일한 조건에서 C(60/60) 다중 슬릿이고 픽셀수가 60인 경우, 슬릿의 폭은 0.792mm로 계산될 수 있다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치의 엑스선 발생 각도의 예를 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 엑스선관(110)은 미리 설정된 각도 범위로 엑스선을 발생시킬 수 있다. 구동부(130)는 엑스선관(110)이 미리 설정된 각도 범위 내에서 제1위치 및 제2위치로 이동하도록 소정의 간격(예를 들어, 2도)으로 엑스선관(110)을 이동시킬 수 있다. 예를 들어, 엑스선관(110)은 피사체를 촬영할 수 있도록 미리 설정된 각도 범위 내에서 원주 방향으로 방사형으로 이동할 수 있다. 또한, 구동부(130)는 콜리메이터(120)도 엑스선관(110)의 이동에 따라 미리 설정된 각도 범위 내에서 정의 간격(예를 들어, 2도)으로 이동시킬 수 있다. 이 때, 콜리메이터(120)의 다중 슬릿이 소정의 간격의 이동마다 제1자세(30)와 제2자세(40)를 반복하여 위치할 수 있다. 콜리메이터(120)도 미리 설정된 각도 범위 내에서 원주 방향으로 방사형으로 이동할 수 있다. 이하에서는 엑스선 영상 생성 장치의 유효성을 확인하기 위한 실험의 예를 설명한다. 도 4는 미리 설정된 각도 범위가 ±50˚로 설정된 예를 도시한다. 또한, 도 4는 엑스선 영상 생성장치의 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 4를 참조하면, 엑스선관(110)과 피사체의 중심(2)간의 거리는 1000mm이고, 피사체의 중심(2)과 검출부(140)간의 거리는 500mm이고 엑스선관(110)과 콜리메이터(120)간 거리는 100mm로 설정하기로 한다. 영상 생성부(150)는 미리 설정된 각도 범위내에서 검출된 엑스선에 기초하여 복수의 엑스선 영상을 생성할 수 있다. 예시적으로, 미리 설정된 각도 범위(±50˚)에서 발생된 엑스선에 의해 영상 생성부(150)에서 검출된 엑스선 영상은 51장일 수 있다. 즉, 엑스선관(110)은 구동부(130)에 의해 미리 설정된 각도 범위에서 각 위치(제1위치, 제2위치)마다 엑스선을 발생시킬 수 있다. 예시적으로 미리 설정된 각도 범위가 ±50˚인 경우 엑스선관은 2˚씩 이동할 때마다 엑스선을 발생시킬 수 있으며, 영상 생성부(150)는 2˚씩마다 엑스선 영상을 생성할 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 엑스선을 발생시키는 제한된 각도 범위를 설정함에 따라, 엑스선 영상의 촬영시간을 단축시킬 뿐만 아니라, 피사체에게 요구되는 엑스선 선량을 감소시킬 수 있다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치의 콜리메이터 조건에 따른 엑스선 영상을 도시한 도면이다.
도 5는 상기 실험 조건에서 콜리메이터(120)의 가용 여부에 따른 엑스선 영상의 결과를 도시하며, 엑스선관(110)이 -50˚ 위치일 때 엑스선 영상, 0˚ 위치일 때 엑스선 영상 및 50˚ 위치일 때 엑스선 영상을 도시한다. 도 5의 (a)는 콜리메이터(120)를 사용하지 않고 생성된 엑스선 영상이고, 도 5의 (b)는 콜리메이터(120)를 사용하였으나 진동하지 않은 상태(이하, 고정된 콜리메이터)에서 생성된 엑스선 영상이며, 도 5의 (c)는 콜리메이터(120)를 사용하고 구동부(130)에 의해 진동된 상태(이하, 진동된 콜리메이터)에서 생성된 엑스선 영상이다. 도 5의 (b) 및 도 5의 (c)를 참조하면, 콜리메이터(120)를 사용할 경우, 엑스선 영상의 절반(50%)이 차단됨을 알 수 있다. 또한, 도 5의 (b)는 모든 각도에서 차단 영역이 일정한 반면, 도 5의 (c)와 같이 콜리메이터(120)가 진동된 경우에는 각도에 따라 차단 영역(x),(y)이 변화됨을 파악할 수 있다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치에 의한 사이노그램(sinogram)을 도시한 도면이다.
도 6의 (a)는 콜리메이터(120)를 사용하지 않은 전체 조사야(radiation field)를 도시하고, 도 6의 (b)는 고정된 콜리메이터(120)에 의한 사이노그램을 도시하고, 도 6의 (c)는 진동된 콜리메이터(120)에 의한 사이노그램을 도시한다. 도 6의 (b)와 같이 고정된 콜리메이터(120)의 경우, 엑스선이 차단되는 영역이 고정되어 있는 반면, 도 6의 (c)와 같이 진동된 콜리메이터(120)의 경우, 엑스선이 차단되는 영역이 매 투영영상마다 변화되는 것을 확인할 수 있고, 도 6의 (b)와 달리 피사체의 윤곽을 확인할 수 있다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치의 역투영 기법 기반의 3차원 재구성 영상을 도시한 도면이다.
도 7은 상술한 엑스선 영상을 DTS(Digital Tomosynthesis) 영상 재구성 기법에 의해 재구성된 3차원 재구성(3D reconstruction) 영상의 화질을 비교한 결과를 도시한다. DTS 영상재구성 기법은 일반적으로 주로 필터링 후 역투영(FBP, Filtered Back Projection) 기법을 기반으로 하고 있으나 이는 수식으로 유도된 해석적인 방법으로서 x-선의 물리적 효과를 반영하지 못하며, artifact를 유발 하는 등의 단점을 가지고 있다. 역투영 기법의 대안으로, 반복적 영상 재구성 기법이 최근 컴퓨터 기술의 발전과 더불어 다시금 주목을 받고 있다. 압축센싱(compressed-sensing, CS) 기반 반복적 영상재구성 알고리즘은 목적함수 f(x)를 설정하여 convex optimization problem의 해를 구하는 것에 기반한다. Convex 형태의 목적함수 f(x)를 정의하고 반복적인 연산을 통해 목적함수를 최소화시킴으로써 global minimum 해를 찾는 알고리즘이다. 영상 생성부(150)는 복수의 엑스선 영상을 압축센싱 기반 반복적 영상 재구성 알고리즘에 기초하여 3차원 재구성 영상을 생성할 수 있다.
도 7의 3차원 재구성 영상의 팬텀 사이즈는 128 x 196 x 160로 설정한다. 도 7은 역투영(FBP) 기법 기반의 3차원 재구성 영상을 도시하며, 도 7의 (a)는 왼쪽부터 피사체 단면의 팬텀 영상, C(20/20) 슬릿의 고정된 콜리메이터(120)를 활용한 3차원 재구성 영상, C(60/60) 슬릿의 고정된 콜리메이터(120)에 의한 3차원 재구성 영상이다. 도 7의 (b)는 왼쪽부터 콜리메이터(120)를 사용하지 않은 전체 조사야에서의 재구성 영상, C(20/20) 슬릿의 진동된 콜리메이터(120)를 활용한 3차원 재구성 영상, C(60/60) 슬릿의 진동된 콜리메이터(120)에 의한 3차원 재구성 영상이다. 역투영 기법 기반으로 3차원 재구성 영상을 생성한 결과, 고정된 콜리메이터(120)의 조건, 진동된 콜리메이터(120)의 조건 모두 차단된 영역으로부터 인공물(슬릿)이 발생하여 영상화질이 떨어지는 점을 알 수 있다.
압축센싱 기반 반복적 영상 재구성 알고리즘에 대해 구체적으로 설명하기에 앞서 영상 재구성 알고리즘에 대해 설명하면, 영상 재구성 알고리즘은 영상 재구성 과정에서 어떠한 목적함수(objective function)를 최소화시키는 연산을 포함한다. 상기 알고리즘은 projection 측정과정 및 관련 물리현상을 모델링하는 것을 기초로 하며, 사전 정보(prior information), 시스템의 기하학적 구조, 검출기 특성 등 관련 정보를 손쉽게 반영할 수 있다는 장점이 있다.
영상재구성 알고리즘은 반복 과정 동안 각각의 반복 루프는 한 번의 forward projection(FP)과 backward projection(BP) 연산 과정을 요구하며, 이러한 연산과정은 반복적 영상재구성 알고리즘의 연산시간의 대부분을 차지함으로써 실제 적용(특히, 3차원 영상재구성)에 주요한 이슈로 작용한다. 이러한 원천적인 적용 한계성을 극복하기 위해 많은 영상재구성 알고리즘들이 제안되고 있으며, 대부분은 연산의 복잡도와 정확도를 적절히 조절함으로써 재구성이 이루어진다. 일예로, 반복적 영상재구성 기법에서 영상이 형성되는 과정은 수학식 2와 같은 선형 행렬식으로 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018002286506-pat00002
여기서, A는 시스템 행렬(system matrix)이고, x는 구하고자 하는 해이며, b는 projection 데이터의 1차원 벡터이다.
CBCT(Cone Beam Computed Tomography) 시스템에서 projection 데이터가 형성되는 과정은 하나의 엑스선이 피사체를 투과하기 전의 강도가 Io이고, 피사체를 투과한 후의 강도가 Ii라고 할 때, projection 데이터는 하기의 수학식 3으로 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018002286506-pat00003
여기서 bi는 projection 데이터이다.
또한, 각각의 엑스선이 재구성 영역(field-of-view) 내의 각 복셀을 통과할 때 projection에 기여하는 각 복셀의 가중치(aij)와 그 복셀값(xj)을 곱하여 모두 합산하므로써 각 픽셀에 도달한 ray-sum를 구할 수 있으며, 하기의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018002286506-pat00004
여기서 j는 복셀 인덱스이고, i는 ray 인덱스를 의미한다.
모든 엑스선과 검출기 픽셀에 대하여 상술한 수학식 2 내지 수학식4를 풀어 정리하면 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
a_11 x_1+a_12 x_2++a_1N x_N=b_1
a_21 x_1+a_22 x_2++a_2N x_N=b_2
…
a_M1 x_1+a_M2 x_2++a_MN x_N=b_M
여기서, M은 총 ray-sum의 개수를 나타내고, N은 총 복셀 개수를 나타낸다.
복셀의 가중치로 이루어진 행렬 A를 시스템 행렬이라 하며, 상기 시스템 행렬은 projection 데이터가 획득되는 시스템의 기하학적 정보를 포함한다. 일반적으로 행렬식에서 해 x를 해석적으로 구한다는 것은 불가능하다. 왜냐하면 실제 CBCT 시스템에 대한 행렬 A의 역행렬이 일반적으로 존재하지 않으며, 존재한다고 하더라도 행렬 A의 차원이 너무 커서 역행렬 연산시간 및 메모리 사용측면에서 매우 비효율적이기 때문이다. 따라서 보통은 수치해석적인 방법으로 해를 구하거나 또는 최적화 문제로 변환하여 최적해를 구한다. 이에 압축센싱 기반 반복적 영상 재구성 알고리즘은 목적함수 f(x)를 설정하여 convex optimization problem(볼록 최적화 문제)의 해를 구하는 것에 기반하며, 하기의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112018002286506-pat00005
Figure 112018002286506-pat00006
여기서, α는 규제 상수이고, N은 복셀의 수 이고, Di는 복셀 i에서 전향차분근사를 나타낸다. 상기 수학식 6에 따르면, 해x를 구하기 위해서 볼록한(convex) 형태의 목적함수 f(x)를 정의하고 반복적인 연산을 통해 목적함수를 최소화시킴으로써 global minimum을 찾을 수 있다. 또한, 반복 과정동안 각각의 반복 루프에서는 한 번의 FP(forward projection)와 BP(backward projection) 연산과정이 수행되며 시스템 행렬 A를 사용하여 하기의 수학식 7과 같이 계산될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112018002286506-pat00007
Figure 112018002286506-pat00008
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 장치의 압축센싱 기반 반복적 영상 재구성 알고리즘 기반의 3차원 재구성 영상을 도시한 도면이다.
도 8의 3차원 재구성 영상의 팬텀 사이즈는 128 x 196 x 160로 설정한다. 또한 반복적 영상 재구성 알고리즘에서 반복횟수는 100로 설정한다. 도 8은 압축센싱 기반 반복적 영상 재구성 알고리즘에 의한 3차원 재구성 영상을 도시하며, 도 8의 (a)는 왼쪽부터 피사체 단면의 팬텀 영상, C(20/20) 슬릿의 고정된 콜리메이터(120)를 활용한 3차원 재구성 영상, C(60/60) 슬릿의 고정된 콜리메이터(120)에 의한 3차원 재구성 영상이다. 도 8의 (b)는 왼쪽부터 콜리메이터(120)를 사용하지 않은 전체 조사야에서의 재구성 영상, C(20/20) 슬릿의 진동된 콜리메이터(120)를 활용한 3차원 재구성 영상, C(60/60) 슬릿의 진동된 콜리메이터(120)에 의한 3차원 재구성 영상이다. 압축센싱 기반 반복적 영상 재구성 알고리즘을 활용한 결과, 모든 스캔 방식에서 도 7의 역투영 기법에 비해 화질이 개선되었으며, 특히 진동된 콜리메이터(120)를 사용한 경우 도 7과 같이 인공물이 발생하지 않고, 차단된 영역의 화상이 회복됨을 확인할 수 있다. 즉, 압축센싱 기반 반복적 영상 재구성 알고리즘을 활용하는 방식이 역투영 기법에 비해 우수한 결과를 도출하는 것을 확인할 수 있다. 전술한 바와 같이, 엑스선을 발생시키는 각도를 제한하여 피사체에게 요구되는 엑스선 선량을 감소시킬 뿐만 아니라, 저선량으로 촬영된 영상을 3차원 재구성 영상으로 복원할 수 있으므로, 엑스선 선량은 감소하고 화질은 향상된 3차원 재구성 영상을 제공할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 방법의 흐름을 도시한 도면이다.
도 9에 도시된 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 생성 방법은 앞선 도 1 내지 도 8을 통해 설명된 엑스선 영상 생성 장치에 의하여 수행될 수 있다. 따라서 이하 생략된 내용이라고 하더라도 도 1 내지 도 8을 통해 엑스선 영상 생성 장치에 대하여 설명된 내용은 도 9에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 9를 참조하면, 단계 S910에서 엑스선관(110)은 엑스선(x-ray)을 발생시킬 수 있다. 예시적으로, 엑스선관(110)은 스캔 방향을 따라 이동하면서 엑스선을 발생시킬 수 있다. 또한, 엑스선관(110)은 미리 설정된 각도 범위로 엑스선을 발생시킬 수 있다
단계 S920에서 구동부(130)는 콜리메이터(120)를 진동시킬 수 있다. 예시적으로, 구동부(130)는 콜리메이터(120)를 엑스선이 투사되는 방향의 수직 방향으로 콜리메이터(120)를 진동시킬 수 있다. 또한, 구동부(130)는 엑스선의 발생 위치에 대응하여 콜리메이터(120)를 이동시킬 수 있다. 또한, 구동부(130)는 엑스선의 발생 위치의 변화에 대응하여 콜리메이터(120)를 진동시킬 수 있다. 콜리메이터(120)의 제1자세와 제2자세의 변형이 번갈아가면서 행해지는 동안 엑스선관(110)은 이동하면서 엑스선을 조사할 수 있다.
단계 S930에서 검출부(140)는 피사체를 투과한 상기 엑스선을 검출할 수 있다. 예시적으로 검출부(140)는 콜리메이터(120)의 다중 슬릿을 통과하여 피사체(1)를 투과한 엑스선을 검출할 수 있다.
단계 S940에서 영상 생성부(150)는 검출된 엑스선에 기초하여 엑스선 영상을 생성할 수 있다. 예시적으로 영상 생성부(150)는 미리 설정된 각도 범위내에서 검출된 엑스선에 기초하여 복수의 엑스선 영상을 생성할 수 있다. 또한, 영상 생성부(150)는 복수의 엑스선 영상을 압축센싱 기반 반복적 영상 재구성 알고리즘에 기초하여 3차원 재구성 영상을 생성할 수 있다.
본원의 일 실시 예에 따른, 엑스선 영상 생성 방법은, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 피사체
2: 피사체의 중심
10: 제1위치
20: 제2위치
30: 제1자세
40: 제2자세
100: 엑스선 영상 생성 장치
110: 엑스선관
120: 콜리메이터
130: 구동부
140: 검출부
150: 영상 생성부

Claims (11)

  1. 엑스선 영상 생성 장치에 있어서,
    엑스선을 발생시키는 엑스선관;
    상기 엑스선을 다중 슬릿에 투과시켜 피사체를 향해 조사하는 콜리메이터;
    상기 콜리메이터를 진동시키는 구동부;
    상기 피사체를 투과한 엑스선을 검출하는 검출부; 및
    검출된 상기 엑스선에 기초하여 엑스선 영상을 생성하는 영상 생성부,
    를 포함하되,
    상기 슬릿의 폭은 상기 검출부의 픽셀크기, 픽셀수 및 확대율에 기초하여 결정되는 것인, 엑스선 영상 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엑스선관은, 미리 설정된 각도 범위로 상기 엑스선을 발생시키고,
    상기 구동부는, 상기 엑스선의 발생 위치에 대응하여 상기 콜리메이터를 이동시키는 것인, 엑스선 영상 생성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 엑스선 발생 위치의 변화에 대응하여 상기 콜리메이터를 진동시키는 것인, 엑스선 영상 생성 장치.
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    영상 생성부는,
    상기 미리 설정된 각도 범위 내에서 검출된 엑스선에 기초하여 복수의 엑스선 영상을 생성하되,
    상기 복수의 엑스선 영상을 압축센싱 기반 반복적 영상 재구성 알고리즘에 기초하여 3차원 재구성 영상을 생성하는 것인, 엑스선 영상 생성 장치.
  6. 엑스선 영상 생성 방법에 있어서,
    엑스선을 발생시키는 단계;
    콜리메이터를 진동시키는 단계;
    피사체를 투과한 상기 엑스선을 검출하는 단계; 및
    검출된 상기 엑스선에 기초하여 엑스선 영상을 생성하는 단계,
    를 포함하되,
    다중 슬릿의 폭은 상기 피사체를 투과한 상기 엑스선을 검출하는 검출부의 픽셀크기, 픽셀수 및 확대율에 기초하여 결정되는 것인, 엑스선 영상 생성 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    엑스선을 발생시키는 단계는, 미리 설정된 각도 범위로 상기 엑스선을 발생시키고,
    상기 콜리메이터를 진동시키는 단계는, 상기 엑스선의 발생 위치에 대응하여 상기 콜리메이터를 이동시키는 것인, 엑스선 영상 생성 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 콜리메이터를 진동시키는 단계는,
    상기 엑스선 발생 위치의 변화에 대응하여 상기 콜리메이터를 진동시키는 것인, 엑스선 영상 생성 방법.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 엑스선 영상을 생성하는 단계는,
    상기 미리 설정된 각도 범위 내에서 검출된 엑스선에 기초하여 복수의 엑스선 영상을 생성하되,
    상기 복수의 엑스선 영상을 압축센싱 기반 반복적 영상 재구성 알고리즘에 기초하여 3차원 재구성 영상을 생성하는 것인, 엑스선 영상 생성 방법.
  11. 제6항 내지 제8항 및 제10항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.
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