KR102387403B1 - 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법 - Google Patents

잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 고정형 다중 X-선을 대상물에 순차적으로 조사하여 각 X-선원에 대한 프로젝션 데이터를 획득하는 단계, 데이터 셋을 생성하는 단계, 상기 대상물의 관심영역 크기를 기반으로 상기 데이터 셋의 결손영역을 설정한 후 픽셀값을 재배열하는 단계, 재배열된 데이터 셋의 픽셀값에 가중치를 적용하여 정규화하는 단계 및 상기 정규화된 픽셀값들에 대해 상기 전처리 단계의 역변환을 수행하여 보정된 데이터 셋을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법에 관한 것이다.

Description

잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법{PROJECTION DATA CORRECTION METHOD FOR TRUNCATION ARTIFACT REDUCTION}
본 발명은 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법에 관한 것이다.
보다 구체적으로, 고정형 다중 X-선을 대상물에 순차적으로 조사하여 각 X-선원에 대한 프로젝션 데이터를 획득하는 단계, 데이터 셋을 생성하는 단계, 상기 대상물의 관심영역 크기를 기반으로 상기 데이터 셋의 결손영역을 설정한 후 픽셀값을 재배열하는 단계, 재배열된 데이터 셋의 픽셀값에 가중치를 적용하여 정규화하는 단계 및 상기 정규화된 픽셀값들에 대해 상기 전처리 단계의 역변환을 수행하여 보정된 데이터 셋을 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법에 관한 것이다.
의료 영상 장치는 대상체의 내부 구조를 영상으로 획득하기 위한 장비이다. 의료 영상 처리 장치는 비침습 검사 장치로서, 신체 내의 구조적 세부사항, 내부 조직 및 유체의 흐름 등을 촬영 및 처리하여 사용자에게 보여준다.
의사 등의 사용자는 의료 영상 처리 장치에서 출력되는 의료 영상을 이용하여 환자의 건강 상태 및 질병을 진단 할 수 있다.
환자에게 방사선을 조사하여 대상물을 촬영하기 위한 장치로는 대표적으로 컴퓨터 단층 촬영(CT: Computed Tomography) 장치 및 엑스레이 장치가 있다. 의료 영상 처리 장치 중 컴퓨터 단층 촬영(CT) 장치는 대상체에 대한 단면 영상을 제공할 수 있고, 일반적인 엑스레이 장치에 비하여 대상체의 내부 구조(예컨대, 신장, 폐 등의 장기 등)가 겹치지 않게 표현할 수 있다는 장점이 있어서, 질병의 정밀한 진단을 위하여 널리 이용되고 있다.
이러한 컴퓨터 단층 촬영(CT : Computed Tomography) 시스템을 이용한 3차원 진단 영상을 이용하면 중첩을 충분히 제거할 수 있으나, 컴퓨터 단층 촬영(CT) 시스템은 매우 많은 각도에서 촬영하여야 하고, 대상물을 중심으로 일회전을 하여야 하므로, 조사선량과 회전 각도 등에서 암 진단과 같은 분야에서는 많은 제약점을 가지고 있다.
한편, 디지털 단층 합성 촬영 시스템(DTS : Digital Tomosynthesis System)은 이러한 컴퓨터 단층 촬영(CT) 시스템의 많은 조사 선량과 회전 각도에 대한 제약점을 해결하면서, 촬영대상 피사체의 3차원적 영상을 제공한다는 점에서 매우 의미있고 효용성이 높은 진단 기술로 인식되고 있다.
디지털 단층 합성 촬영 시스템(DTS : Digital Tomosynthesis System)은 제한된 각도 내에서 다각도로, 즉 각도별로 획득된 프로젝션 데이터를 사용하여 단층 영상을 재구성하는 시스템이다.
디지털 단층 합성 촬영 시스템(DTS)은 다각도의 2차원 투사 영상에서 촬영대상 피사체의 중첩된 영상을 3차원 공간적으로 분리함으로써 분석과 진단의 정밀도를 향상하는 기술을 이용한다.
하지만, 디지털 단층 합성 촬영 시스템은 제한된 각도 범위에서 재구성 영상을 획득하는 기하학적 구조를 가진다. 이러한, 제한된 각도로 인하여 특정 스캔 각도의 관측시야(FOV:Field Of View)에서 대상물의 관심영역 일부가 포함되지 못하는 경우가 발생되며, 이러한 영역은 검출기에서 X-선 신호가 측정되지 않는다.
이에, 재구성 영상에는 관측시야 경계를 따라 X-선 강도의 불연속성에 의한 잘림 아티팩트(Trunction artifact)가 발생되어 진단학적 정확도를 저하시키게 된다.
본 발명의 목적은, 고정형 반전구조 디지털 단층영상합성시 데이터 셋에 가중 정규화를 적용하여 잘림 아티팩트를 저감시킬 수 있는 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법은 고정형 다중 X-선을 대상물에 순차적으로 조사하여 각 X-선원에 대한 프로젝션 데이터를 획득하는 단계, 데이터 셋을 생성하는 단계 및 상기 대상물의 관심영역 크기를 기반으로 상기 데이터 셋의 결손영역을 설정한 후 픽셀값을 재배열하는 전처리 단계, 재배열된 데이터 셋의 픽셀값에 가중치를 적용하여 정규화하는 단계 및 상기 정규화된 픽셀값들에 대해 상기 전처리 단계의 역변환을 수행하여 보정된 데이터 셋을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전처리 단계는, 상기 대상물의 관심영역 크기를 기반으로 상기 데이터 셋의 결손영역을 제로패딩하는 단계 및 상기 결손영역을 제로 패딩한 데이터 셋의 픽셀값을, 다중 X-선원의 중심으로부터 해당 X-선원 사이의 거리와, 상기 대상물과 검출기 사이 및 상기 다중 X-선원의 중심과 대상물 사이의 거리 비율에 기반하여 재배열하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 정규화하는 단계에서, 상기 가중치는 결손비율의 역수를 적용할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법은 종래 검출기의 구조적 변환없이 고정형 반전구조 디지털 단층영상합성시스템에 적용되어 잘림 아티팩트를 제거한 단층영상을 제공할 수 있게 한다.
특히, 이웃하는 프로젝션 데이터의 픽셀값 및 결손비율을 이용한 가중 정규화를 통해 잘림 아티팩트를 보정한 데이터 셋을 제공할 수 있다.
도 1은 프로젝션 데이터를 생성하는 고정형 반전구조 디지털 단층영상합성 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 잘림 아티팩트를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 데이터 셋을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3의 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법에 따라 생성되는 데이터 셋의 단면을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 3의 정규화 단계를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법에 따라 획득한 단층영상의 성능평가 결과를 나타내는 도면이다.
이하에서는 본 발명에 따른 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법에 관하여 첨부된 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법은 고정형 반전구조 디지털 단층 영상 합성 시스템(stationary inverse-geometry digital tomosynthesis : s-IGDT)의 단층영상 합성시에 발생되는 잘림 아티팩트를 제거하기 위한 방법으로, 도 1의 고정형 반전구조 디지털 단층영상합성시스템을 참고하여 설명할 수 있다.
도 1은 프로젝션 데이터를 생성하는 고정형 반전구조 디지털 단층영상합성시스템의 디지털 단층영상합성(이하, s-IGDT)을 설명하기 위한 도면이다.
s-IGDT의 소스어레이(10)는 복수 개의 X-선원을 기설정간격으로 이격 배치되어 해당 위치에서 순차적으로 대상물(O)을 향해 X-선을 조사하며, 검출기(20)는 각 X-선원 위치에서 조사되어 대상물(O)을 통과한 X-선을 검출할 수 있다.
여기서, 소스어레이(10)는 복수 개(i개, i는 자연수)가 될 수 있고, 중심 X-선원의 위치(c)를 기준으로 상하 반전구조를 가진다. 각각의 X-선원의 위치에서 순차적으로 X-선을 대상물(O)에 조사하게 되며, 검출기(20)는 순차적으로 대상물(O)을 통과한 X-선을 검출할 수 있다.
s-IGDT는 검출된 X-선에 대응되는 각각의 프로젝션 데이터(projection data)를 생성하고, 이를 이용하여 하나의 단층(단면) 영상을 생성할 수 있다. 이때, 제1 X-선원 위치(a) 및 제i X-선원 위치(b)에서 조사된 X-선 등은 관심영역을 커버하지 못한다. 이에, s-IGDT는 도 2의 (a) 및 (b)와 같이 구조적 결손영역(L)이 발생된 프로젝션 데이터(D)를 생성하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 이와 같이 생성된 구조적 결손영역(L)이 발생된 프로젝션데이터(D)를 가중 정규화하여 재구성되는 단층영상에서 잘림 아티팩트가 발생되지 않게 할 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시 예에서는 결손비율의 역수를 가중치로 적용하여 픽셀값을 정규화시켜 잘림 아티팩트를 보정할 수 있다. 구체적인 설명은 도 3의 흐름도를 기반으로 도 4 내지 도 6을 참고하여 설명할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 4는 데이터 셋을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 도 3의 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법에 따라 생성되는 데이터 셋의 단면을 나타내는 도면이다.
도 3을 참고하면, 고정형 다중 X-선을 대상물에 순차적으로 조사하여 각 X-선원에 대한 프로젝션 데이터를 획득할 수 있다(S310).
다음으로, 획득된 각 X-선원에 대한 프로젝션 데이터를 X-선원의 어레이 배열순으로 적층하여 데이터 셋을 생성할 수 있다(S320). 즉, 도 2를 참고하면, 프로젝션 데이터는 2차원 영상(x,y)으로 생성되고 이를 어레이(10)의 X-선원 배열순서(i)에 따라 적층하여 도 4와 같은 데이터 셋을 생성할 수 있으며, 이는 사이노그램(sinogram)이 될 수 있다.
다음으로, 대상물의 관심영역 크기를 기반으로 데이터 셋의 결손영역을 설정한 후 픽셀값을 재배열하는 전처리 단계를 수행할 수 있다. 대상물의 관심영역 크기는 이미 알고 있는 크기로, 이를 기반으로 데이터 셋의 영역과 매칭하여 구조적 결손영역(L)을 설정할 수 있다.
여기서, 관심영역 크기는 s-IGDT의 반전구조 어레이(10)에서 관심영역(R)으로 조사되는 X-선을 검출기(20)에서 모두 검출하여 생성된 데이터 셋의 크기로, 결손영역을 포함하는 크기가 될 수 있다.
전처리 단계는, 결손 영역의 제로패딩 단계(S330)와 픽셀값 재배열 단계(340)를 포함할 수 있다.
도 5를 참고하면, 도 5의 (a)는 대상물의 관심영역 크기를 기반한 데이터 셋이며, 단면(i-x축)으로 도시하였으나 3차원적 데이터 셋의 각 픽셀에 대하여 전처리단계, 정규화 단계 및 역변환 단계를 수행하여 잘림아티팩트가 보정된 데이터셋을 획득할 수 있다.
도 5의 (b)에 도시된 데이터 셋은 검출기(20)에서 검출된 X-선원에 의해 생성된 프로젝션 데이터로 구성된 데이터영역(D)과 구조적 결손영역(L)으로 구분할 수 있다. 여기서, 결손영역(L)은 제로(zero) 패딩을 할 수 있다(S330).
다음으로, 하기의 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 S330에서 생성한 데이터 셋 즉, 제로 패딩된 결손영역(L)을 포함하는 데이터 셋의 각 픽셀값을 좌표이동을 통해 재배열할 수 있다(S340).
Figure 112020054403394-pat00001
여기서,
Figure 112020054403394-pat00002
는 픽셀값의 좌표를 이동시킨 데이터 셋이며,
Figure 112020054403394-pat00003
는 S330단계에서 결손영역을 제로 패딩한 데이터 셋이 된다. 또한, i는 프로젝션 데이터를 획득할 사용된 X-선원으로, 도 1의 어레이 배열위치(순서)에 따른 각 X-선원의 순서가 된다.
Figure 112020054403394-pat00004
여기서, FD는 해당 X-선원(i)에서 고정형 다중 X-선원의 중심(도 1의 c)까지의 거리, ODD는 관심영역의 중심(도 1의 F)에서 검출기(20)까지의 거리, SOD는 고정형 다중 X-선원의 중심(도 1의 c)에서 관심영역의 중심(도 1의 F)까지의 거리가 된다. 수학식 2를 이용하여 픽셀값을 재배열하면, 도 5의 (c)와 같은 재배열된 데이터 셋을 생성할 수 있다
다음으로, S340단계에서 재배열된 데이터 셋의 픽셀값에 가중치를 적용하여 정규화할 수 있다(S350). 정규화는 다음의 수학식3을 이용하였으며, 여기서 가중치는 결손비율의 역수를 적용하였다.
Figure 112020054403394-pat00005
여기서,
Figure 112020054403394-pat00006
는 정규화된 데이터 셋이며, I는 X-선원의 총 개수, V는 데이터 셋의 해당(x',y)좌표에서 대상물의 구조적 정보를 포함하고 있는 즉, 픽셀값을 가지는 프로젝션 데이터의 개수가 된다. 이에, I/V는 결손비율의 역수가 된다.
도 6은 도 3의 정규화 단계를 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 S340단계에서 재배열된 데이터 셋의 i축의 방향에서 도시한 상면도로, 제i X-선원(b)에 의해 획득된 제i번째 프로젝션 데이터만 개시되어 있으나, 제i프로젝션 데이터의 하측에는 순차적으로 획득된 다수 개의 프로젝션 데이터가 적층되어 있다.
본 발명의 정규화 단계에서는 데이터 셋의 각 좌표(P1 내지 Pn)에서 가지는 픽셀값의 여부를 판단하여 V를 산출한다.
일 예로, I가 81개이고 데이터 셋의 좌표점
Figure 112020054403394-pat00007
에서 픽셀값을 가지는 프로젝션 데이터 개수가 2개이면, 데이터 셋을 구성하는 각 프로젝션 데이터의 좌표점
Figure 112020054403394-pat00008
의픽셀값에 결손비율의 역수인 81/2를 가중치로 적용하여 정규화할 수 있다. 동일한 방법으로 데이터 셋의
Figure 112020054403394-pat00009
까지 픽셀값을 정규화할 수 있다.
도 5의 (d)는 정규화된 데이터 셋으로, 해당 좌표에서 픽셀값을 가지는 프로젝션 데이터의 수가 적을수록 밝기가 밝아진 것을 확인할 수 있다.
다음으로, S350단계에서 정규화된 픽셀값들에 대해 전처리 단계의 역변환을 수행하여(S360) 보정된 데이터 셋을 획득할 수 있다(S370).
S360단계에서 전처리 단계의 역변환은 수학식 4 및 수학식 5를 이용하여 수행할 수 있다.
Figure 112020054403394-pat00010
여기서,
Figure 112020054403394-pat00011
는 정규화된 데이터 셋이이며,
Figure 112020054403394-pat00012
는 다음의 수학식 5를 통해
Figure 112020054403394-pat00013
의 픽셀값 좌표를 이동시킨 데이터 셋이 된다.
Figure 112020054403394-pat00014
여기서, FD는 해당 X-선원(i)에서 고정형 다중 X-선원의 중심(도 1의 c)까지의 거리, ODD는 관심영역의 중심(도 1의 F)에서 검출기(20)까지의 거리, SOD는 고정형 다중 X-선원의 중심(도 1의 c)에서 관심영역의 중심(도 1의 F)까지의 거리가 된다. 수학식 5를 이용하여 픽셀값을 재배열하면, 도 5의 (e)와 같은 재배열된 데이터 셋을 생성할 수 있다. 이때, 도 5의 (e)의 재배열된 데이터 셋은 도 5의 (b)와 동일한 크기의 결손영역(L)과 데이터영역(D)을 가진다.
다음으로, 도 5의 (e)의 재배열된 데이터 셋의 결손영역(L)을 제거하여 도 5의 (f)와 같은 보정된 프로젝션 데이터 셋을 생성할 수 있다(370).
다음으로, S370단계에서 보정된 프로젝션 데이터 셋을 재구성하여 잘림 아티팩트가 저감된 단층 영상을 복원할 수 있다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법에 따라 획득한 단층영상의 성능평가 결과를 나타내는 도면이다.
도 7의 (a)는 팬톰의 관심영역 단면영상, (b)는 레퍼런스 영상, (c)는 종래의 s-IGDT에 의해 생성된 s-IGDT 영상(잘림 아티팩트 발생), (d) 본 발명의 프로젝션 데이터 보정방법을 적용하여 획득한 s-IGDT 영상이 된다.
이때, 레퍼런스 영상은 도 1의 검출기(20)의 크기를 결손영역이 발생되지 않도록 대상물(O)을 커버할 수 있는 크기(20')로 가상확장하여 시물레이션을 통해 획득한 영상이 될 수 있다.
도 7을 살펴보면, 관심영역의 구조적 정보결손이 포함된 프로젝션 데이터셋을 통해 획득한 (c)영상과 달리, 본 발명의 프로젝션 데이터 보정방법을 적용하였을 때 (d)영상과 같이 잘림아티팩트가 저감된 것을 확인할 수 있다.
도 8은 도 7의 (b) 레퍼런스 영상과 본 발명의 프로젝션 데이터 보정방법이 적용되지 않은 종래의 S-IGDT에 의해 생성된 (c)영상, 본 발명의 프로젝션 데이터 보정방법을 적용하여 획득한 (d)영상을 정량적 비교분석한 것으로, 본 발명의 프로젝션 데이터 보정방법 적용유무에 따른 s-IGDT 영상에 대한 PSNR 및 NRMSE 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8을 살펴보면, 본 발명의 프로젝션 데이터 보정방법을 적용하고 이를 이용하여 s-IGDT영상(도 7의 (d))을 재구성하였을 때, 종래 s-IGDT영상(도 7의 (c))보다 레퍼런스 영상(도 7의 (b))과의 영상 정합도가 큰 폭으로 향상된 것을 확인할 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
10 : 다중 X-선원 어레이 20 : 검출기

Claims (3)

  1. 고정형 다중 X-선을 대상물에 순차적으로 조사하여 각 X-선원에 대한 프로젝션 데이터를 획득하는 단계;
    데이터 셋을 생성하는 단계; 및
    상기 대상물의 관심영역 크기를 기반으로 상기 데이터 셋의 결손영역을 설정한 후 픽셀값을 재배열하는 전처리 단계;
    재배열된 데이터 셋의 픽셀값에 가중치를 적용하여 정규화하는 단계; 및
    상기 정규화된 픽셀값들에 대해 상기 전처리 단계의 역변환을 수행하여 보정된 데이터 셋을 획득하는 단계를 포함하되,
    상기 전처리 단계는,
    상기 대상물의 관심영역 크기를 기반으로 상기 데이터 셋의 결손영역을 제로패딩하는 단계; 및
    상기 결손영역을 제로 패딩한 데이터 셋의 픽셀값을, 다중 X-선원의 중심으로부터 해당 X-선원 사이의 거리와, 상기 대상물과 검출기 사이 및 상기 다중 X-선원의 중심과 대상물 사이의 거리 비율에 기반하여 재배열하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 정규화하는 단계에서, 상기 가중치는 결손비율의 역수가 되는 것을 특징으로 하는 잘림 아티팩트 저감 프로젝션 데이터 보정방법.
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