KR102348139B1 - 이중 해상도의 관심 영역 내외 투영 데이터를 이용한 체내 단층 촬영 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 체내 단층 촬영 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 피사체의 관심 영역에 대해서는 높은 해상도로, 전체 영역에 대해서는 낮은 해상도로 투영 데이터를 산출한 후, 투영 데이터의 연속성을 향상시키면서 복원 영상의 총 변화량을 최소화하는 과정을 반복하는 함으로써 피사체의 엑스-선 피폭량을 줄이면서 관심 영역에 대한 고품질의 영상을 복원할 수 있는 체내 단층 촬영 방법 및 시스템에 관한 것이다.

Description

이중 해상도의 관심 영역 내외 투영 데이터를 이용한 체내 단층 촬영 방법 및 시스템 {Method and system of interior tomography using dual resolution projection data in region of interest}
본 발명은 체내 단층 촬영 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 피사체의 관심 영역(region of interest)에 대해서는 높은 해상도로, 전체 영역에 대해서는 낮은 해상도로 투영 데이터를 산출한 후, 투영 데이터의 연속성(data consistency)을 향상시키면서 복원 영상의 총 변화량(tatal variation)을 최소화하는 과정을 반복하는 함으로써 피사체의 엑스-선 피폭량을 줄이면서 관심 영역에 대한 고품질의 영상을 복원할 수 있는 체내 단층 촬영 방법 및 시스템에 관한 것이다.
근래들어 단층촬영(Tomography), 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging) 등 영상을 이용한 진단이 다양한 의료 분야에서 폭넓게 활용되고 있다. 그 중 엑스-선(X-ray)을 이용하는 단층촬영은 인체 또는 피사체의 내부를 비침습적으로 검사할 수 있는 유용한 진단 방법이라고 할 수 있다.
그런데, 최근 단층촬영에서 엑스-선 피폭에 의한 위험성을 고려하여 피폭량을 줄일 수 있도록, 피사체 내부의 관심 영역(region of interest, ROI)에 한정하여 단층촬영을 실시하는 체내 단층촬영(interior tomography)에 대한 관심이 높아지고 있다. 그러나, 체내 단층 촬영의 경우 투사체의 일부 관심 영역에 제한하여 엑스-선을 투사하고 투영 데이터(projection data)를 획득하게 되는 바, 투영 데이터의 절단이 나타나게 되고, 이로 인하여 관심 영역 가장자리에 나타나는 밴드 인공물(band artifacts) 등 비정상적인 강도를 가지는 픽셀들이 나타나는 등 복원 영상이 왜곡되거나 품질이 저하되는 문제를 겪게 된다.
이에 따라, 체내 단층촬영에서의 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여, 여러 방안들이 시도되었다. 예를 들어, 사이노그램 확장법(sinogram extension techniques) 등은 피사체 내부의 경계를 복원하는 데에는 효과적이나 대조도 변이 복원에는 다소 부족한 결과를 나타낸다. 이에 대하여, 절단된 투영 데이터로부터 압축검출(compressed sensing, CS)에 기반한 반복적 처리를 통하여 관심 영역 영상을 복원하는 압축검출 체내 단층촬영(CS-interior tompgraphy, CS-IT) 기법이 제안되었다. 압축검출(CS)은 나이키스트(Nyquist) 샘플링 수 보다 훨씬 적은 수의 샘플링으로도 원 신호를 복원할 수 있다고 알려져 있다. 그러나, 압축검출 체내 단층촬영 기법은 복원 영상의 총 변화량(total variation, TV)을 최소화하기 위한 반복적인 영상 재구성 과정과 느린 수렴 속도로 인하여 매우 많은 연산량이 요구된다는 문제점이 있다.
또한, 최근에 소수의 스카우트-뷰(scout-view) 투영 데이터와 고해상도의 관심 영역(ROI) 투영 데이터를 이용하여 고해상도의 관심 영역 영상을 재구성하는 스카우트-뷰 체내 단층촬영(Scout-view assisted interior tomography, SV-IT) 기법이 제안되었다. 스카우트-뷰 체내 단층촬영(SV-IT) 기법은 소수의 스카우트-뷰 투영 데이터로부터 저해상도의 영상을 재구성한 후, 이를 투영하여 관심 영역(ROI) 외부의 투영데이터를 계산하고, 계산된 투영 데이터와 촬영한 투영 데이터를 결합한 후, 여과역투영법(filtered back projection, FBP)을 사용하여 영상을 구성하게 된다. 스카우트-뷰 체내 단층촬영(SV-IT) 기법은 압축검출 체내 단층촬영(CS-IT) 기법에 비하여 적은 양의 연산으로 영상을 재구성할 수 있다는 장점이 있으나, 높은 해상도의 관심 영역(ROI) 투영 데이터를 필요로 하기 때문에, 관심 영역(ROI)에서의 엑스-선 피폭량이 늘어나는 문제점이 나타날 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 엑스-선 피폭량을 줄이면서도 고품질의 복원 영상을 산출할 수 있는 체내 단층 촬영 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 체내 단층촬영(interior tomography)에서 나타날 수 있는 밴드 인공물(band artifacts) 등 비정상적인 강도의 픽셀이나, 줄 인공물(streak artifacts) 등과 같은 왜곡된 복원 영상을 방지할 수 있는 체내 단층 촬영 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 적은 연산량으로 고품질의 복원 영상을 산출할 수 있는 체내 단층 촬영 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 체내 단층촬영 방법 은 피사체의 관심 영역(region of interest)에 대하여 제1 해상도로 관심 영역 투영 데이터를 획득하는 단계; 상기 관심 영역과 그 외부 영역을 포함하는 영역에 대하여 제2 해상도로 관심 내외부 영역 투영 데이터를 획득하는 단계; 상기 관심 영역 투영 데이터와 관심 내외부 영역 투영 데이터로부터 상기 관심 영역의 내부 영역에 대응하는 내부 투영 데이터와 상기 관심 영역의 외부 영역에 대응하는 외부 투영 데이터를 산출하는 단계; 및 상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터로부터 상기 관심 영역의 내부 영역에 대한 제1 복원 영상과 상기 관심 영역의 외부 영역에 대한 제2 복원 영상을 산출하는 영상 복원 단계를 포함하며, 상기 제1 해상도는 상기 제2해상도보다 높은 해상도이고, 상기 영상 복원 단계에서는, 상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터의 데이터 일관성(data consistency)을 향상시키면서, 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량(total variation)을 최소화하는 복원 영상을 산출하는 과정을 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 영상 복원 단계에서, 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량을 산출함에 있어, 상기 제2 복원 영상의 총 변화량에 1보다 큰 가중치를 부여할 수 있다.
또한, 상기 제2 복원 영상의 총 변화량에 대한 가중치는 상기 관심 내외부 영역에 대한 상기 관심 영역의 크기 비율, 상기 제1 해상도와 상기 제2 해상도의 비율 중 하나 이상을 고려하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 영상 복원 단계에서, 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량을 최소화하는 과정을 반복 수행함에 있어, 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량의 감소 방향을 산출하여 적용할 수 있다.
또한, 상기 영상 복원 단계에서 OS-SART 알고리즘을 사용하여 상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터의 데이터 일관성(data consistency)을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 영상 복원 단계는, (a) 상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터의 데이터 일관성(data consistency)을 향상시키는 단계; (b) 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량의 감소 방향을 산출하는 단계; (c) 산출된 상기 총 변화량의 감소 방향을 적용하여 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량이 최소화되는 방향으로 복원 영상을 수정하는 단계; 및 상기 (a) 내지 (c) 단계를 복수 번 반복하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 체내 단층촬영 시스템은 엑스-선 소스와 상기 엑스-선 소스로부터 방출되어 피사체를 투과한 엑스-선을 검출하는 엑스-선 검출기를 포함하여 피사체에 대한 투영 데이터를 생성하는 하나 이상의 투영 영상 생성부; 및 상기 투영 데이터를 바탕으로 피사체 내부에 대한 입체 영상을 복원하는 영상 복원부를 포함하며, 상기 투영 영상 생성부는, 상기 피사체의 관심 영역에 대해서는 제1 해상도의 관심 영역 투영 데이터를 획득하고, 상기 관심 영역과 그 외부 영역을 포함하는 영역에 대해서는 상기 제1 해상도보다 낮은 제2 해상도의 관심 내외부 영역 투영 데이터를 획득하며, 상기 영상 복원부는, 상기 관심 영역 투영 데이터와 관심 내외부 영역 투영 데이터로부터 상기 관심 영역의 내부 영역에 대응하는 내부 투영 데이터와 상기 관심 영역의 외부 영역에 대응하는 외부 투영 데이터를 산출한 후, 상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터의 데이터 일관성(data consistency)을 향상시키면서 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량(total variation)을 최소화하는 과정을 반복 수행하여, 상기 피사체의 관심 영역을 포함하는 영역에 대한 복원 영상을 산출하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 영상 복원부가 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량을 최소화하는 과정을 수행함에 있어, 상기 제2 복원 영상의 총 변화량에 1보다 큰 가중치를 부여할 수 있다.
또한, 상기 영상 복원부가 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량을 최소화하는 과정을 수행함에 있어, 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량의 감소 방향을 산출하여 적용할 수 있다.
또한, 상기 영상 복원부는, OS-SART 알고리즘을 사용하여 상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터의 데이터 일관성(data consistency)을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 투영 영상 생성부는, 엑스-선 소스와 엑스-선 검출기 두 쌍을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 피사체의 관심 영역(region of interest)에 내부 및 외부 대해서 이중 해상도로 투영 데이터를 산출한 후, 투영 데이터의 연속성(data consistency)을 향상시키면서 복원 영상의 총 변화량(tatal variation)을 최소화하는 과정을 반복하는 함으로써, 엑스-선 피폭량을 줄이면서도 고품질의 복원 영상을 산출할 수 있는 체내 단층 촬영 방법 및 시스템을 구현하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 따르면, 체내 단층촬영(interior tomography)에서 나타날 수 있는 밴드 인공물(band artifacts) 등 비정상적인 강도의 픽셀이나, 줄 인공물(streak artifacts) 등과 같은 왜곡된 복원 영상을 방지할 수 있는 체내 단층 촬영 방법 및 시스템을 구현하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 따르면, 적은 연산량으로 정확한 영상을 산출할 수 있는 체내 단층 촬영 방법 및 시스템을 제공하는 효과를 가진다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영에서의 투사 구조 및 투영 데이터 종류의 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 영상 복원 알고리즘 의사 코드(pseudo code)의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 영상 복원 알고리즘에 의한 영상 처리의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 방법에 의하여 복원된 2차원 Shepp-Logan 팬텀 영상의 비교도이다.
도 7은 도 6(a)의 점선 원에서의 픽셀 강도 비교 그래프이다.
도 8은 도 6(a)의 실선 원에서의 픽셀 강도 비교 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 관심 영역(ROI) 투영 데이터를 사용한 복원 영상의 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 실험용 쥐의 복부 복원 영상의 비교도이다.
도 11은 도 10(a)의 점선 원에서의 픽셀 강도 비교 그래프이다.
도 12는 도 10(a)의 실선 원에서의 픽셀 강도 비교 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 실험용 쥐의 복부에서의 다양한 관심 영역(ROI) 투영 데이터를 사용한 복원 영상의 예시도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 발명은, 종래 기술에 따라 체내 단층촬영(interior tomography)을 실시하는 경우, 밴드 인공물(band artifacts) 등 비정상적인 강도의 픽셀이나, 줄 인공물(streak artifacts) 등과 같은 복원 영상의 왜곡이 나타날 수 있다는 문제점을 감안하여, 관심 영역(region of interest)에 대해서는 높은 해상도로, 전체 영역에 대해서는 낮은 해상도로 투영 데이터를 산출한 후, 투영 데이터의 데이터 연속성(data consistency)을 향상시키면서 복원 영상의 총 변화량(tatal variation)을 최소화하는 과정을 반복함으로써, 피사체의 엑스-선 피폭량을 줄이면서도 적은 연산량으로 정확한 복원 영상을 산출할 수 있는 체내 단층 촬영 방법 및 시스템을 개시하는 것을 특징으로 한다.
이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층 촬영 방법 및 시스템의 예시적인 실시 형태들을 상세히 설명한다.
먼저, 도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 방법의 순서도를 예시하고 있다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 방법은 피사체의 관심 영역(region of interest)에 대하여 제1 해상도로 관심 영역 투영 데이터를 획득하는 단계(S110), 상기 관심 영역과 그 외부 영역을 포함하는 영역에 대하여 제2 해상도로 관심 내외부 영역 투영 데이터를 획득하는 단계(S120), 상기 관심 영역 투영 데이터와 관심 내외부 영역 투영 데이터로부터 상기 관심 영역의 내부 영역에 대응하는 내부 투영 데이터와 상기 관심 영역의 외부 영역에 대응하는 외부 투영 데이터를 산출하는 단계(S130) 및 상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터로부터 상기 관심 영역의 내부 영역에 대한 제1 복원 영상과 상기 관심 영역의 외부 영역에 대한 제2 복원 영상을 산출하는 영상 복원 단계(S140)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 제1 해상도는 상기 제2해상도보다 높은 해상도이고, 상기 영상 복원 단계(S140)에서는 상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터의 데이터 일관성(data consistency)을 향상시키면서, 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량(total variation)을 최소화하는 복원 영상을 산출하는 과정을 반복 수행함으로써, 피사체의 엑스-선 피폭량을 줄이면서도 적은 연산량으로 정확한 복원 영상을 산출할 수 있게 된다.
아래에서는 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 자세하기 검토하도록 한다.
도 2에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영에서의 투사 구조 및 투영 데이터 종류의 예시하고 있다. 도 2(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 방법 및 시스템에서는 한 쌍 이상의 엑스-선 소스 및 엑스-선 검출기를 사용하여 인체 등 피사체에 대한 투영 데이터를 생성하게 된다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 방법 및 시스템에서는 두 쌍 이상의 엑스-선 소스 및 엑스-선 검출기를 포함하여 구성될 수 있는데, 이러한 경우 피사체의 관심 영역(region of interest) 내부 영역 및 상기 관심 영역과 그 외부 영역을 포함하는 영역에 대한 투영 데이터 간의 오차를 줄일 수 있다는 장점을 가질 수 있다. 만약, 한 쌍의 엑스-선 소스 및 엑스-선 검출기를 사용하는 경우에는 이를 신속하고 효과적으로 제어하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 도 2(a)에서와 같이 S1-D1 과 S2-D2 두 개의 엑스-선 소스 및 엑스-선 검출기 쌍을 사용하는 경우, S1-D1 은 피사체의 관심 영역에 대한 투영 데이터를 생성하고, S2-D2 는 피사체의 전체 영역, 혹은 관심 영역과 그 외부 영역을 포함하는 영역에 대한 투영 데이터를 동시에 생성하도록 함으로써, 피사체의 움직임 등으로 발생할 수 있는 투영 데이터 간의 오차를 줄일 수 있게 된다. 이러한 소스-검출기 구조에서 관측 시야(filed-of-views, FOVs)와 각도 샘플링율을 독립 제어함에 따라 동시에 2개의 투영 데이터 (도 2(b) 및 도 2(c)) 집합을 획득 할 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 도 2(b)에서는 피사체의 관심 영역 내부 영역에 대한 투영 데이터를, 도 2(c)에서는 피사체의 관심 영역과 그 외부 영역을 포함하는 영역에 대한 투영 데이터를 예시하고 있다. 도 2(a) 및 도 2(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 관심 영역에 대한 투영 데이터는 관심 영역에 한정된 관측 시야에서 높은 샘플링율로 투영 데이터가 생성된다. 또한, 도 2(b)에서 볼 수 있는 투영 데이터 중간의 비어있는 선에서는 S1-D1의 동작이 정지되고, S2-D2가 동작하게 된다.
반면, 도 2(a) 및 도 2(c)에서 볼 수 있는 바와 같이, 관심 영역과 그 외부 영역을 포함하는 영역에 대한 투영 데이터는 매우 낮은 샘플링율로 투영 데이터가 생성되게 된다. 마찬가지로, 도 2(c)에서 볼 수 있는 투영 데이터 중간의 비어있는 영역에서는 S2-D2의 동작이 정지되고, S1-D1이 동작하게 된다.
따라서, 상기와 같은 도 2(b) 및 도 2(c)의 투영 데이터를 결합함으로써 도 1(d)와 같은 관심 영역의 내부 영역에 대한 내부 투영 데이터(Y1) 및 도 1(e)와 같은 관심 영역의 외부 영역에 대한 외부 투영 데이터(Y2)를 산출할 수 있게 된다.
이어서, 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 방법에서는, 상기 내부 투영 데이터(Y1) 및 외부 투영 데이터(Y2)로부터 아래의 수학식 1과 같은 제한된 최소화(constrained-minimization) 문제의 해를 구하는 방법으로 영상을 복원하게 된다.
[수학식 1]
Figure 112014105255052-pat00001
여기서, X 는 복원된 전체 영상이고, X 1 는 X 의 관심 영역 내부 영역에 대한 부분 집합을 뜻하며, X 2 는 X 의 관심 영역 외부 영역에 대한 부분 집합이 된다. 또한, k 는 X 1 의 총 변화량(total variation)에 관하여 X 2 의 총 변화량을 조절하는 가중치(weighting) 값이다. A 1 은 내부 투영 데이터 Y 1 을 발생하기 위한 시스템 행렬이고 A 2 는 외부 투영 데이터 Y 2 를 발생하기 위한 시스템 행렬이다. 이때, 전체 영상 X 는 Y 1 을 만드는데 기여하게 되지만, 관심 영역 외부 영역에 대한 영상 X 2 는 Y 2 을 만드는데 기여하게 된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 방법에서는 상기 수학식 1의 제한된 최소화 문제에서 X 1 과 다른 가중치(weightings) k 로 X 2 의 총 변화량을 고려하게 된다. 이는 Y 2 가 Y 1 과 달리 샘플링률이 매우 낮기 때문(under-sampled)에 X 2 에서 큰 엘리어싱 인공물(통상적으로 줄 인공물(streak artifact))이 발생될 것으로 예상되기 때문이다. 따라서, 상기 k 값으로서 1보다 큰 k 값이 사용되는 것이 바람직하게 된다. 보다 구체적인 k 값의 선택은 상기 관심 내외부 영역에 대한 상기 관심 영역의 크기 비율, 상기 제1 해상도와 상기 제2 해상도의 비율 등과 같은 체내 단층촬영에 영상 파라미터를 고려하여 결정할 수 있다. 만약, Y 1 이 절단되지 않았다면, 즉 상기 내부 투영 데이터( Y 1 )가 피사체의 전체 영역을 포함한다면, k 값은 0이 되고, 이는 또한 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 영상 복원이 종래의 압축검출 체내 단층촬영(CS-interior tompgraphy, CS-IT)과 유사해지게 된다는 것을 의미한다. 본 발명의 일 실시예로서는 관심 영역과 Y 2 의 샘플링율이 낮아질 때 높은 k 값을 사용하였다.
또한, 도3에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 영상 복원 알고리즘 의사 코드(pseudo code)를 예시하고 있다. 도 3의 의사 코드에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 방법에서는 데이터 일관성(data consistency)의 향상과 총 변화량(TV)의 최소화가 교차로 되풀이되면서 수행되면서 영상을 복원하게 된다. 보다 구체적으로는, 전체 복원 영상( X )를 X 1 과 X 2 의 두 지역으로 영상을 분할하는 같은 방법을 사용한다. 또한, 1 또는 0의 요소 값을 갖는 M 1 과 M 2 인 영상마스크들은 각각 관심 영역의 내부 영역과 외부 영역을 정의하게 된다. 도 3의 의사 코드에서 6, 7번째 줄은 각각 투영 데이터 Y 1 과 Y 2 의 데이터 일관성을 수행하기 위한 단계이다. 본 발명의 일 실시예로서는 투영 데이터 일관성을 적용하는 OS-SART (ordered subset simultaneous algebraic recovery technology)를 적용하였다. SART는 정렬 부분집합(ordered subset) 구조를 L2의 놈(norm) 최소화에 적용하는 경우, 특히 우수한 수렴 특성을 보이게 된다. Y 2 의 전체 집합과 의사 코드에서 Y 1 ,m 으로 정의되는 Y 1 의 부분집합의 데이터 일관성을 적용하는 반복 후에는 X 1 과 가중치가 부여된 X 2 의 총 변화량(TV)의 합을 최소화하게 된다. 이때, 본 발명의 일 실시예로서 복원 영상의 종 변화량(TV)의 급격한 감소 방향을 가리키는 D 를 계산한다. 감소하는 단위인 λ 1 , λ 1_ red , k 에 대한 제어 변수는 의사 코드의 제1라인에서 초기화되고 있다. 여기서, λ 1 은 관심 영역 내부 및 외부 영역의 총 변화량 최소화에 대한 공통 제어 변수이고, k 는 관심 영역의 외부 영역에 대한 총 변화량의 최소화에 대한 추가적인 가중치(weighting) 값이다. Y 1 의 각도 샘플링율이 Y 2 보다 더 높기 때문에 작은 값이 λ 1 에 할당되게 된다. 상기 총 변화량의 최소화가 이루어진 후에 λ 1_ red 에 의해 감소하는 단위가 줄어든다. 의사 코드의 9번 및 10번 라인에서, 급격한 감소 방향 D 와 정규화된 β 는 종래 기술에 따른 체내 단층촬영(CS-IT)에서와 유사한 방식으로 계산되었다. 또한, 의사 코드의 11번 라인과 12번 라인에서, 마스크 M 1 과 M 2 는 다른 가중치 값으로 X 1 과 X 2 를 업데이트하기 위해 급격한 감소 방향 D 에 의해 곱해진다. 여기서, 의사 코드의 11, 12번 라인의 연산자 ".*"는 같은 크기의 두 행렬 사이에 대응하는 요소와 요소의 곱을 나타낸다. 마지막으로, 의사 코드 16번 라인의 정지 조건으로서는 투영 데이터 일관성의 허용 에러나 메인 루프의 최대 반복 수가 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예로서 메인 루프의 최대 반복 수는 20번으로 설정되었다.
또한, 도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 영상 복원 알고리즘에 의한 영상 처리의 흐름도를 예시하고 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 앞서 살핀 도 3의 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 영상 복원 알고리즘에 따라 투영 데이터 Y 1 과 Y 2 의 데이터 연속성을 확보하기 위한 단계를 거친 후, 복원 영상의 총 변화량의 감소 방향을 나타내는 D 를 산출하고, 여기에 관심 영역 내부과 외부를 정의하는 마스크 M 1 , M 2 를 함께 적용하여 X 1 과 X 2 를 산출하는 과정을 반복하게 되는 것을 알 수 있다.
상기한 일련의 과정을 통하여 산출되는 본 발명에 따른 복원 영상은 체내 단층촬영과 달리 전체 영상을 영역에 따라 이중의 해상도로 구성하게 된다. 본 발명의 경우 Y 1 의 높은 샘플링율 덕분에 관심 영역 내부에서 고해상도를 기대할 수 있다. 또한, 낮은 샘플링율의 Y 2 투영 데이터의 추가로 인하 비정상 강도 픽셀을 억제할 수 있게 된다. 나아가, 희박하게(sparsely) 샘플링된 투영 데이터 Y 2 를 포함하여 복원 영상의 총 변하량 최소화를 수행하게 되므로, 관심 영역 외부의 줄 인공물(streak artifact)이 감소된 영상을 얻을 수 있게 된다.
도 5에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 시스템(500)의 구성도를 예시하고 있다. 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 단층촬영 시스템(500)은 엑스-선 소스(512a, 512b)와 상기 엑스-선 소스(512a, 512b)로부터 방출되어 피사체를 투과한 엑스-선을 검출하는 엑스-선 검출기(514a, 514b)를 포함하여 피사체에 대한 투영 데이터를 생성하는 하나 이상의 투영 영상 생성부(510) 및 상기 투영 데이터를 바탕으로 피사체 내부에 대한 입체 영상을 복원하는 영상 복원부(520)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 투영 영상 생성부(510)는 상기 피사체의 관심 영역에 대해서는 제1 해상도의 관심 영역 투영 데이터를 획득하고, 상기 관심 영역과 그 외부 영역을 포함하는 영역에 대해서는 상기 제1 해상도보다 낮은 제2 해상도의 관심 내외부 영역 투영 데이터를 획득하며, 또한 상기 영상 복원부(520)는 상기 관심 영역 투영 데이터와 관심 내외부 영역 투영 데이터로부터 상기 관심 영역의 내부 영역에 대응하는 내부 투영 데이터와 상기 관심 영역의 외부 영역에 대응하는 외부 투영 데이터를 산출한 후, 상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터의 데이터 일관성(data consistency)을 향상시키면서 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량(total variation)을 최소화하는 과정을 반복 수행하여, 상기 피사체의 관심 영역을 포함하는 영역에 대한 복원 영상을 산출하게 된다.
도 5에서와 같이, 복수의 투영 영상 생성부(510)를 포함하여 시스템을 구성하는 경우, 투영 시간의 간극에 따라 발생할 수 있는 오차를 줄일 수 있다는 장점이 있다. 다만, 반드시 상기 투영 영상 생성부(510)가 복수개 구비되어야 하는 것은 아니며, 단수의 투영 영상 생성부(510) 예를 들어 한 쌍의 엑스-선 소스(512a)와 상기 엑스-선 검출기(514a) 만을 사용하여 본 발명에 따른 체내 단층촬영 시스템(500)을 구성하는 것도 가능하다.
또한, 상기 영상 복원부가 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량을 최소화하는 과정을 수행하는 경우, 상기 제2 복원 영상의 샘플링률이 매우 낮기 때문(under-sampled)에 줄 인공물(streak artifact) 등이 발생될 가능성이 크므로, 상기 제2 복원 영상의 총 변화량에 1보다 큰 가중치를 부여하는 것이 바람직하다.
또한, 종래 압축검출 체내 단층촬영(CS-IT) 기법에서 복원 영상의 총 변화량(total variation, TV)을 최소화하기 위한 반복적인 영상 재구성 과정에서의 느린 수렴 속도를 고려할 때, 상기 영상 복원부가 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량을 최소화하는 과정을 수행함에 있어, 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량의 감소 방향을 산출하여 적용함으로써, 수렴 속도를 높이고 총 연산 시간을 줄일 수 있게 된다.
또한, 상기 영상 복원부는 OS-SART 알고리즘을 사용하여 상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터의 데이터 일관성(data consistency)을 향상시키도록 할 수 있다.
<실험예> 수치해석 시뮬레이션 및 실험 데이터 도출
본 발명에 따른 체내 단층촬영 방법 및 시스템의 성능을 평가하기 위하여, 먼저 원형 스캔 궤도에서 팬-빔(fan-beam) 형상에 따라 수치해석 시뮬레이션을 수행하였다. 도 6(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 수정된 2D Shepp-Logan팬텀(phantom)으로부터 도 2(a)와 같은 투사 구조에서 점 형상 엑스-선 소스 및 동등 공간 선형 검출기 배열(equi-space line detector array)를 사용한다는 가정하에 두 종류의 투영 데이터 Y 1 과 Y 2 를 산출하였다. 이때, 검출기 소자의 수는 Y 1 과 Y 2 를 모두 256개이었고, 따라서 전체 영상의 행렬 크기는 256x256이었다. 전체 영상의 관측 시야(FOV)가 LxL이라고 할 때, 0.5L, 0.35L 그리고 0.2L의 직경을 가지는 동심원 형상의 관심 영역을 설정하였다. 또한, 0.5L, 0.35L 그리고 0.2L의 관심 영역 영상에 대해서 각각 가중치 값 k 를 15, 20 그리고 25로 설정하였다. 이때, 투영 데이터 Y 1 과 Y 2 는 각각 900과 15의 샘플링 수를 가졌다. 상기한 설정에서의 본 발명의 일 실시예에 따라 생성된 복원 영상의 품질을 비교하기 위하여, 여과역투영법(filtered back projection, FBP)과 압축검출 체내 단층촬영(CS-IT) 기반의 체내 단층촬영으로 관심 영역의 영상들을 복원하였다.
또한, 본 발명에 따른 체내 단층촬영 방법 및 시스템의 성능을 검증하기 위하여 상기한 수치해석 시뮬레이션과 함께 실험 데이터를 산출하여 비교 분석하였다. 이때, 본 발명의 일 실시예로서 두 쌍의 엑스-선 소스-검출기를 갖춘 단층촬영 시스템을 구축하는 대신, 한 쌍의 엑스-선 소스-검출기를 갖춘 마이크로 단층촬영 시스템을 사용하였다. 상기 마이크로 단층촬영 시스템은 마이크로-초점 엑스-선 소스와 회전하는 물체 홀더 및 CMOS 평면-패널 검출기로 구성된다. 여기서, 마이크로-초점 엑스-선 소스(L8121-01, Hamamatsu, Japan)는 두께 200μm의 베릴륨 사출창(exit window)과 전자빔에 대한 25°의 각도를 가지는 텅스텐 아노드가 고정된 밀봉된 튜브를 포함하여 구성되며, 적용 튜브 전력에 따라 5~50μm의 가변 초점 크기를 가진다. 평면 패널 검출기(C7942, Hamamatsu, Japan)는 50μm의 픽셀피치(pixel pitch)와 CsI:TI 신틸레이터(scintillator)를 가진 트랜지스터와 포토다이오드의 2240x2240의 능동소자 배열로 구성된다.
본 발명의 실험예로서 65kVp의 튜브 전압과 0.34mA의 튜브 전류를 인가한 마이크로 단층촬영 시스템을 사용하여 실험용 쥐의 복부 영역에 대한 단층촬영을 실시하였다. 전체 관측 시야 투영 데이터의 2240 배열 중에서, 0.5L, 0.35L 그리고 0.2L의 관심 영역으로부터 각각 제한된 투영 데이터에 해당되는 절단된 투영 데이터를 만들기 위해 중심의 1120, 784 또는 448 배열을 취했다. 이어서, 상기한 일련의 과정을 거쳐 고해상 관심 영역 영상을 포함하는 512x512 행렬의 전체 영상을 복원했다. 수치해석 시뮬레이션의 경우에서와 같이, 0.5L, 0.35L 그리고 0.2L 관심 영역 영상들을 복원했다. 이때, 0.5L, 0.35L 그리고 0.2L 관심 영역에 대하여 가중치 값 k 를 각각 15, 20 그리고 25로 설정을 한다. 투영 데이터 Y 1 과 Y 2 에 대한 샘플링 수는 각각 900과 15로 하였다.
<성능 평가 방법>
본 발명에 따른 체내 단층촬영 방법으로 복원된 관심 영역 영상의 품질을 평가하기 위해 각각의 장점이 있는 두 가지 방법인 제곱평균오차(Mean Squared Error, MSE)와 정점 신호대 잡음비(Peak Signal-to-Noise Ratio, PSNR)를 사용하였다. 먼저 제곱평균오차는 복원된 영상과 실제 영상과의 차이를 나타내는 일반적인 측정 방법 중 하나이다. 상기 제곱평균오차(MSE)는 아래의 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112014105255052-pat00002
여기서, N 은 영상의 크기를 말하며
Figure 112014105255052-pat00003
과
Figure 112014105255052-pat00004
는 각각 복원된 영상
Figure 112014105255052-pat00005
와 실제 영상 X 의 픽셀이다.
정점 신호대 잡음비(PSNR)는 아래의 수학식 3에 정의된 것처럼 픽셀
Figure 112014105255052-pat00006
과
Figure 112014105255052-pat00007
사이의 정점의 차이의 지표라고 할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112014105255052-pat00008
정점 신호대 잡음비(PSNR)는 영상 압축에서 영상의 품질을 측정하는데 흔하게 사용된다. 비록 높은 정점 신호대 잡음비(PSNR)가 복원된 영상의 높은 품질을 의미한다 해도, 이는 동일한 객체의 복원된 영상을 비교하기 위해 사용되는 경우에만 유효하다는 제한이 따른다.
<수치해석 시뮬레이션 결과의 분석>
본 발명의 실험예로서 수치해석 시뮬레이션을 위해서 도 6(a)에 도시된 바와 같은 팬텀(phantom)을 사용하였다. 도 6(a)에 표시된 실선은 관심 영역(ROI)을 나타내며, 상기 관심 영역의 직경은 전체 이미지 크기의 절반에 해당한다. 제한된 관측 시야(limited-FOV)의 투영 데이터( Y 1 )로부터, 종래 기술에 따른 여과역투영법(FBP)과 압축검출 체내 단층촬영(CS-IT) 기법을 사용하여 256x256 사이즈의 관심 영역 영상을 복원하였으며, 이는 각각 도 6(b) 및 도 6(c)에 도시되었다. 도 6(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 여과역투영법(FBP)을 이용하여 복원된 영상은 투영 데이터의 절단으로 인하여 그 가장자리에 매우 밝은 밴드 인공물(band artifact)이 형성되게 된다. 또한 압축검출 체내 단층촬영(CS-IT) 기법을 이용하여 복원된 영상에서는 밝은 밴드 인공물은 크게 감소되었으나, 여전히 잔류 인공물(residual artifact)가 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 도 6(d)에서는 본 발명에서 제안한 방법에 따라 Y 1 과 Y 2 로부터 복원된 영상을 보여주고 있다. 도 6(d)에서 볼 수 있는 바와 같이, 관심 영역 내부 및 외부 영역의 영상을 비교해 볼 때, 샘플링율이 크게 떨어지는 관심 영역 외부의 영상 품질이 관심 영역 내부의 영상보다 크게 떨어지는 것을 알 수 있다.
상기한 각 방법에 의하여 복원된 영상의 차이를 보다 명확하게 보여주기 위하여, 도 7(a)와 도 7(b)에서는 각각 상기 3가지 방법에 따라 복원된 관심 영역 영상과 원본 영상에 대한 도 6(a)의 수평선 및 수직선에서의 선형 프로파일(line profile)을 보여주고 있다. 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 제안한 방법에 따라 복원된 영상의 프로파일이 원본 영상의 프로파일과 가장 유사한 결과를 도출하고 있음을 알 수 있다.
도 8(a)와 도 8(b)에서는 도 6(a)의 실선 및 점선 원에서의 선형 프로파일(line profile)을 보여주고 있다. 도 6(a)의 실선 원은 관심 영역의 경계에 위치하고, 점선 원은 경계의 바로 아래에 위치하고 있다. 도 8(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 여과역투영법(FBP)에 의하여 복원된 영상의 실선 원에서의 프로파일은 원본 영상과 큰 차이를 보였다. 점선 원의 경우에서는 여과역투영법(FBP)에 의하여 복원된 영상의 프로파일이 원본 영상과 다소 유사한 추세를 보였으나, 여전히 높은 바이어스 레벨을 보이고 있다. 실선 원과 점선 원 모두에서, 본 발명에서 제안한 방법에 따라 복원된 영상의 프로파일이 압축검출 체내 단층촬영(CS-IT) 기법에 의한 복원 영상의 프로파일보다 우수한 결과를 보여주고 있음을 확인할 수 있다.
또한, 관심 영역 사이즈의 변화에 따른 영상 품질의 변화 정도를 확인하기 위하여, 도 9(a) 및 도 9(b)의 실선 원과 같이 관심 영역의 사이즈를 전체 영상 사이즈의 35% 및 20% 수준으로 낮추었다. 이에 대하여, 도 9(c) 및 도 9(d)에서는 각각 35% 및 20% 수준의 관심 영역에 대하여 본 발명에서 제안한 방법에 따라 복원된 영상과 원본 영상의 차이(difference)를 도시하고 있다. 도 9에서 볼 수 있는 바와 같이, 관심 영역의 사이즈가 20% 수준까지 작아지는 경우에도 원본 영상과 본 발명에서 제안한 방법에 따라 복원된 영상의 차이가 매우 적다는 것을 확인할 수 있다.
< 실험 측정 결과의 분석>
이어서, 도 10(a)에서는 상기한 마이크로 단층촬영 시스템을 사용하여 전체 관측 시야(FOV) 투영 데이터로부터 복원된 512x512 배열 형식의 실험용 쥐 복부의 영상을 보여주고 있다. 여기서 실선 원은 관심 영역을 표시하고 있고, 상기 관심 영역의 직경은 전체 영상 사이즈의 절반에 해당한다. 이어서, 앞서 설명한 바와 같이 관심 영역 내부의 투영 데이터 Y 1 과 외부의 투영 데이터 Y 2 가 생성되었다. 도 10(b) 및 도 10(c)에서는 각각 여과역투영법(FBP)과 압축검출 체내 단층촬영(CS-IT) 기법을 사용하여 복원된 관심 영역에 대한 영상을 도시하고 있다. 도 10(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 여과역투영법(FBP)을 이용하여 복원된 영상은 관심 영역 가장자리를 따라 밝은 밴드 인공물이 나타나게 된다. 반면, 압축검출 체내 단층촬영(CS-IT) 기법을 사용하여 복원된 영상의 경우에는 밝은 밴드 인공물이 거의 제거되었음을 확인할 수 있다.
도 11(a) 및 도 11(b)에서는 도 10(a)에 표시된 수직선과 수평선에서의 상기 3가지 방법에 의하여 복원된 영상 및 원본 영상의 프로파일을 비교하여 보여주고 있다. 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 제안한 방법에 따라 복원된 영상의 프로파일이 원본 영상의 프로파일과 가장 유사하다는 것을 확인할 수 있다.
도 12(a) 및 도 12(b)에서는 각각 도 10(a)에서의 실선 원과 점선 원에서의 선형 프로파일(line profile)을 도시하고 있다. 실선 원 및 점선 원 모두의 경우에, 본 발명에서 제안한 방법에 따라 복원된 영상의 프로파일이 체내 단층촬영(CS-IT) 기법을 사용하여 복원된 영상의 경우보다 훨씬 좋은 결과를 보여주는 것을 알 수 있다.
또한, 관심 영역 사이즈의 변화에 따른 영상 품질의 변화 정도를 확인하기 위하여, 도 13(a) 및 도 13(b)의 실선 원과 같이 관심 영역의 사이즈를 전체 영상 사이즈의 35% 및 20% 수준으로 낮추었다. 이에 대하여, 도 13(c) 및 도 13(d)에서는 각각 35% 및 20% 수준의 관심 영역에 대하여 본 발명에서 제안한 방법에 따라 복원된 영상과 원본 영상의 차이(difference)를 도시하고 있다.
단층촬영을 실시함에 있어 엑스-선의 누적 조사선량은 엑스-선이 피사체에 조사되는 면적이 비례하게 되므로, 체내 단층촬영은 조사선량을 감소시키기 위한 매우 효과적인 방법이라고 할 수 있다. 피사체를 단층촬영의 시야각 내에 위치시키기 위한 파일럿 스캔에서 획득된 스카우트-뷰(scout-view) 투영 데이터는 피사체를 위치시킨 후, 대부분 버려지게 된다. 본 발명에서는 스카우트-뷰(scout-view) 투영 데이터를 사용하여 추가적인 조사선량의 증가없이 관심 영역 단층촬영 영상을 복원하는 방법이라고 할 수 있다. 또한 본 발명에서 제안된 방법은 관심 영역에 대하여 투영 데이터가 성기게(sparsely) 샘플링된 경우에도 적용할 수 있어, 피사체의 조사선량을 더욱 감소시킬 수 있게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
500 : 체내 단층촬영 시스템
510 : 투영 영상 생성부
512a, 512b : 엑스-선 소스
514a, 514b : 엑스-선 검출기
520 : 영상 복원부

Claims (11)

  1. 피사체의 관심 영역(region of interest)에 대하여 제1 해상도로 관심 영역 투영 데이터를 획득하는 단계;
    상기 관심 영역과 그 외부 영역을 포함하는 영역에 대하여 제2 해상도로 관심 내외부 영역 투영 데이터를 획득하는 단계;
    상기 관심 영역 투영 데이터와 관심 내외부 영역 투영 데이터로부터 상기 관심 영역의 내부 영역에 대응하는 내부 투영 데이터와 상기 관심 영역의 외부 영역에 대응하는 외부 투영 데이터를 산출하는 단계; 및
    상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터로부터 상기 관심 영역의 내부 영역에 대한 제1 복원 영상과 상기 관심 영역의 외부 영역에 대한 제2 복원 영상을 산출하는 영상 복원 단계를 포함하며,
    상기 제1 해상도는 상기 제2 해상도보다 높은 해상도이고,
    상기 영상 복원 단계에서는,
    상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터의 데이터 일관성(data consistency)을 향상시키면서,
    상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량(total variation)을 최소화하는 복원 영상을 산출하는 과정을 반복 수행하며,
    상기 영상 복원 단계에서는,
    하기 [수학식 1]에 대한 최소화 문제의 해를 구하여 영상을 복원하는 것을 특징으로 하는 체내 단층촬영 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112021091209918-pat00022

    (여기서, Y1은 내부 투영 데이터, Y2는 외부 투영 데이터, X는 복원된 전체 영상, X1은 X의 관심 영역 내부 영역에 대한 부분 집합, X2는 X의 관심 영역 외부 영역에 대한 부분 집합, k는 X1의 총 변화량에 대하여 X2의 총 변화량을 조절하는 가중치, A1은 내부 투영 데이터 Y1을 발생하기 위한 시스템 행렬, A2는 외부 투영 데이터 Y2를 발생하기 위한 시스템 행렬임)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영상 복원 단계에서,
    상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량을 산출함에 있어,
    상기 제2 복원 영상의 총 변화량에 1보다 큰 가중치를 부여하는 것을 특징으로 하는 체내 단층촬영 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 복원 영상의 총 변화량에 대한 가중치는 상기 관심 내외부 영역에 대한 상기 관심 영역의 크기 비율, 상기 제1 해상도와 상기 제2 해상도의 비율 중 하나 이상을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 체내 단층촬영 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 영상 복원 단계에서,
    상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량을 최소화하는 과정을 반복 수행함에 있어,
    상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량의 감소 방향을 산출하여 적용하는 것을 특징으로 하는 체내 단층촬영 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 영상 복원 단계에서
    OS-SART 알고리즘을 사용하여 상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터의 데이터 일관성(data consistency)을 향상시키는 것을 특징으로 하는 체내 단층촬영 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 영상 복원 단계는,
    (a) 상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터의 데이터 일관성(data consistency)을 향상시키는 단계;
    (b) 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량의 감소 방향을 산출하는 단계;
    (c) 산출된 상기 총 변화량의 감소 방향을 적용하여 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량이 최소화되는 방향으로 복원 영상을 수정하는 단계; 및
    상기 (a) 내지 (c) 단계를 복수 번 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 체내 단층촬영 방법.
  7. 엑스-선 소스와 상기 엑스-선 소스로부터 방출되어 피사체를 투과한 엑스-선을 검출하는 엑스-선 검출기를 포함하여 피사체에 대한 투영 데이터를 생성하는 하나 이상의 투영 영상 생성부; 및
    상기 투영 데이터를 바탕으로 피사체 내부에 대한 입체 영상을 복원하는 영상 복원부를 포함하며,
    상기 투영 영상 생성부는,
    상기 피사체의 관심 영역에 대해서는 제1 해상도의 관심 영역 투영 데이터를 획득하고, 상기 관심 영역과 그 외부 영역을 포함하는 영역에 대해서는 상기 제1 해상도보다 낮은 제2 해상도의 관심 내외부 영역 투영 데이터를 획득하며,
    상기 영상 복원부는,
    상기 관심 영역 투영 데이터와 관심 내외부 영역 투영 데이터로부터 상기 관심 영역의 내부 영역에 대응하는 내부 투영 데이터와 상기 관심 영역의 외부 영역에 대응하는 외부 투영 데이터를 산출한 후,
    상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터로부터 상기 관심 영역의 내부 영역에 대한 제1 복원 영상과 상기 관심 영역의 외부 영역에 대한 제2 복원 영상을 산출하고,
    상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터의 데이터 일관성(data consistency)을 향상시키면서 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량(total variation)을 최소화하는 과정을 반복 수행하여, 상기 피사체의 관심 영역을 포함하는 영역에 대한 복원 영상을 산출하며,
    하기 [수학식 1]에 대한 최소화 문제의 해를 구하여 영상을 복원하는 것을 특징으로 하는 체내 단층촬영 시스템.
    [수학식 1]
    Figure 112021091209918-pat00023

    (여기서, Y1은 내부 투영 데이터, Y2는 외부 투영 데이터, X는 복원된 전체 영상, X1은 X의 관심 영역 내부 영역에 대한 부분 집합, X2는 X의 관심 영역 외부 영역에 대한 부분 집합, k는 X1의 총 변화량에 대하여 X2의 총 변화량을 조절하는 가중치, A1은 내부 투영 데이터 Y1을 발생하기 위한 시스템 행렬, A2는 외부 투영 데이터 Y2를 발생하기 위한 시스템 행렬임)
  8. 제7항에 있어서,
    상기 영상 복원부가 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량을 최소화하는 과정을 수행함에 있어,
    상기 제2 복원 영상의 총 변화량에 1보다 큰 가중치를 부여하는 것을 특징으로 하는 체내 단층촬영 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 영상 복원부가 상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량을 최소화하는 과정을 수행함에 있어,
    상기 제1 복원 영상과 제2 복원 영상의 총 변화량의 감소 방향을 산출하여 적용하는 것을 특징으로 하는 체내 단층촬영 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 영상 복원부는,
    OS-SART 알고리즘을 사용하여 상기 내부 투영 데이터와 외부 투영 데이터의 데이터 일관성(data consistency)을 향상시키는 것을 특징으로 하는 체내 단층촬영 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 투영 영상 생성부는,
    엑스-선 소스와 엑스-선 검출기 두 쌍을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하는 체내 단층촬영 시스템.
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