KR102595517B1 - 전산단층촬영장치 및 이의 구동 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전산단층촬영장치, 이의 제조 방법 및 구동 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 전산단층촬영장치는 피검체의 이송 방향을 따라 중첩되는 복수의 원주 상에 하나씩 서로 다른 각도로 배치되고 피검체를 향해 팬 빔(fan beam) 방식의 엑스선을 발생하는 N개의 소스; 및 상기 소스 각각에 대응해서 원주 상의 반대편에 배치되고 상기 피검체를 투과한 엑스선을 검출하는 N개의 디텍터;를 포함하며, 상기 N개의 소스는 360도/N의 이격 각도를 이루는 N개의 배치각에 각각 배치되며, 상기 피검체의 이송 방향을 따라 배치되는 N개의 소스의 배치각 순서는 인접한 한 쌍의 소스의 사이각이 90도 내지 180도의 범위 내에 속하도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 엑스선(X-ray)을 이용한 전산단층촬영(computed tomography; CT) 장치에 관한 것으로서, 특히 고정형 갠트리(stationary gantry) 전산단층촬영장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 팬 빔(fan beam) 방식의 멀티 소스(multi-source)를 피검체의 이송 방향을 따라 이격 배치하되 인접한 한 쌍의 소스가 90도 내지 180도의 사이각을 갖도록 하여 팬빔(fan beam)간의 산란노이즈(scatter)영향을 최소화할 수 있는 전산단층촬영장치에 관한 것이다.
엑스선 전산단층촬영은 진단, 수술중 실시간 이미징, 수술후 예후평가 등 다양한 임상분야에 사용되고 있다. 또한, 전산단층촬영은 의료용 영상진단기기뿐 아니라, 공항화물검색 목적 또는 마이크로구조물과 같은 산업체 생산품에 대한 비파괴검사(nondestructive inspection) 목적에도 응용되고 있다.
전산단층촬영장치는 엑스선을 피검체에 입사시켜 일부는 피검체에서 흡수되고, 나머지 투과된 방사선을 선 형상 또는 면 형상으로 배열된 복수의 검출기로 검출한 후, 각 검출기의 출력 데이터를 전기신호로 변환해서 영상을 재구성함으로써 피검체의 단층 영상을 획득한다.
종래기술에 따른 전산단층촬영장치는 피검체 주위에 설치된 갠트리(gantry)를 회전시켜 엑스선 투영 데이터를 획득하므로, 갠트리에 대한 전력 공급, 대용량 데이터의 실시간 전송 및 정밀한 위치 제어가 용이하지 않은 단점이 있다. 게다가, 단층영상 데이터를 획득하기 위한 전산단층촬영시간이 길고, 획득된 투영 데이터를 재구성하여 3차원 입체영상을 얻는데 상당한 시간이 소요되어서, 전산단층촬영을 실시간으로 수술 중에 사용하는데 기술적 장애가 되어 왔다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 팬 빔(fan beam) 방식의 멀티 소스(multi-source)를 피검체의 이송 방향을 따라 이격 배치하되 인접한 한 쌍의 소스가 90도 내지 180도의 사이각을 갖도록 하여 팬빔(fan beam)간의 산란노이즈(scatter)영향을 최소화할 수 있는 전산단층촬영장치, 이의 제조 방법 및 구동 방법을 제공함에 있다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 피검체의 이송 방향을 따라 중첩되는 복수의 원주 상에 하나씩 서로 다른 각도로 배치되고 피검체를 향해 팬 빔(fan beam) 방식의 엑스선을 발생하는 N개의 소스; 및 상기 소스 각각에 대응해서 원주 상의 반대편에 배치되고 상기 피검체를 투과한 엑스선을 검출하는 N개의 디텍터;를 포함하며, 상기 N개의 소스는 360도/N의 이격 각도를 이루는 N개의 배치각에 각각 배치되며, 상기 피검체의 이송 방향을 따라 배치되는 N개의 소스의 배치각 순서는 인접한 한 쌍의 소스의 사이각이 90도 내지 180도의 범위 내에 속하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전산단층촬영장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 N개의 디텍터에서 획득한 N개의 단층화면이 서로 동일한 각도로 정렬되도록, 상기 소스의 배치각에 대응하는 보정값을 제공하는 프로세서;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 N개의 디텍터에서 획득된 단층화면을 획득 순서에 따라 상기 보정값을 적용하여 사용자에게 표시하는 디스플레이;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 프로세서는 상기 N개의 디텍터에서 획득된 N개의 2차원 형태의 단층화면을 촬영 각도 순서대로 정렬한 다음 3차원 영상 데이터로 변환하는 것이 바람직하다.
또한, 하나의 몸체에 상기 N개의 소스 및 N개의 디텍터를 지지하는 갠트리를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 목적은, 팬 빔(fan beam) 방식의 엑스선을 발생하는 총 N개의 소스를 피검체의 이송 방향을 따라 중첩되는 가상의 원주 상에 서로 다른 각도로 배치하고, 피검체의 투과 광선을 검출하기 위해 상기 소스 각각에 대응해서 원주 상의 반대편에 총 N개의 디텍터를 배치한 전산단층촬영장치의 제조 방법에 있어서, (a) 상기 N개의 소스를 360도/N의 이격 각도로 배치하기 위한 N개의 배치각을 구하는 단계; (b) 인접한 한 쌍의 소스의 사이각이 90도 내지 180도의 범위 내에 속하도록 상기 N개의 소스의 배치각 순서를 결정하는 단계; 및 (c) 상기 (b)단계에서 결정된 배치각에 따라 N개의 소스를 배치하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 전산단층촬영장치의 제조 방법에 의해 달성된다.
또한, 상기 (b)단계에서, 앞서 배치된 소스에 대한 후속 소스의 배치각은, 앞서 배치된 소스의 배치각에 대하여 90도 내지 180도 범위 내에 속하는 배치각들 중에서 앞서 배치된 소스의 배치각과 중복되지 않는 어느 하나로 결정하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 목적은, 전산단층촬영장치의 구동 방법에 있어서, 원주의 중심을 관통하도록 피검체를 이송하는 단계; 및 제1 소스, …, 제N 소스를 차례로 동작시켜 피검체를 투과한 엑스선을 제1 디텍터, …, 제N 디텍터에서 차례로 검출하여 피검체의 단층화면을 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전산단층촬영장치의 구동 방법에 의해 달성된다.
여기서, 상기 디텍터에서 획득한 단층화면을 획득 순서대로 디스플레이에 표시하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 단층화면을 디스플레이에 표시하기에 앞서, 상기 디텍터에서 획득한 N개의 단층화면이 일정한 각도로 표시될 수 있도록, 상기 소스의 배치각에 따른 단층화면의 기울기를 보정하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, N개의 단층화면을 모두 획득한 후, N개의 단층화면을 촬영 각도 순서대로 정렬하는 단계; 및 정렬된 N개의 2차원 단층화면을 이용해 3차원 영상 데이터를 생성하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 목적은, 팬 빔(fan beam) 방식의 엑스선을 발생하는 총 N개의 소스를 원주 상에 등간격으로 설치하고, 피검체의 투과 광선을 검출하기 위해 상기 소스 각각에 대응해서 원주 상의 반대편에 총 N개의 디텍터를 설치한 갠트리 총 L개를 구동하여 피검체의 컴퓨터 단층 영상을 획득하는 방법에 있어서, (a) 각 갠트리 별로 소스 및 디텍터의 구동 순번을 설정하는 단계; (b) t = t1 시각에 첫 번째 구동 순번으로 설정된 제1 갠트리의 제1 소스, …, 제L 갠트리의 제1 소스를 동시에(simultaneously) 동작시켜 투과광 데이터를 제1 갠트리의 제1 디텍터, …, 제L 갠트리의 제1 디텍터에서 검출하는 단계; 및 (c) t = t1 + n △t (단, 0 ≤ n ≤ N) 시각에 설정된 구동 순번에 따라 제1 갠트리의 제n 소스, …, 제L 갠트리의 제n 소스를 △t/L 간격으로 동시에 동작시켜 투과광 데이터를 제1 갠트리의 제n 디텍터, …, 제L 갠트리의 제n 디텍터에서 차례로 검출하는 단계;를 포함하고, (△t는 상기 소스가 일회 조사한 엑스선이 피검체를 투과해서 디텍터가 검출한 투과광 데이터로부터 단층영상을 획득하는데 걸리는 시간임) 상기 (a)단계에서 상기 소스 및 디텍터의 구동 순번은 동시에 동작하는 복수의 소스 중 인접한 한 쌍의 소스의 사이각이 90도 내지 180도가 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전산단층촬영장치 구동방법에 의해서도 달성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 팬 빔(fan beam) 방식의 멀티 소스(multi-source)를 피검체의 이송 방향을 따라 이격 배치하되 인접한 한 쌍의 소스가 90도 내지 180도의 사이각을 갖도록 하여 팬빔(fan beam)간의 산란노이즈(scatter)영향을 최소화할 수 있는 전산단층촬영장치, 이의 제조 방법 및 구동 방법이 제공된다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치를 구성하는 갠트리(gantry)를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치의 평면 구조를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치의 정면 구조를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 갠트리별 단층촬영 스위칭 동작 시퀀스를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치의 제1갠트리의 제1소스와 제2갠트리의 제1소스 및 제3갠트리의 제1소스 간의 사이각을 나타내는 도면,
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치를 작동시키는 시퀀스의 두 가지 실시예를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치의 정면 구성도,
도 9는 도 8에 도시된 N개의 소스와 디텍터의 배치관계를 입체적으로 나타낸 도면,
도 10은 도 9에 도시된 N개의 소스와 디텍터의 정면을 각각 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치의 평면 구조를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치의 정면 구조를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 갠트리별 단층촬영 스위칭 동작 시퀀스를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치의 제1갠트리의 제1소스와 제2갠트리의 제1소스 및 제3갠트리의 제1소스 간의 사이각을 나타내는 도면,
도 6 및 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치를 작동시키는 시퀀스의 두 가지 실시예를 나타낸 도면,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치의 정면 구성도,
도 9는 도 8에 도시된 N개의 소스와 디텍터의 배치관계를 입체적으로 나타낸 도면,
도 10은 도 9에 도시된 N개의 소스와 디텍터의 정면을 각각 나타낸 도면이다.
이하, 첨부도면 도 1 내지 도 5를 참조해서 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 양호한 실시예에 따른 전산단층촬영장치를 구성하는 갠트리(gantry)를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 갠트리(100)는 회전하는 것이 아니라, 고정식인 것을 특징으로 한다. 도 1을 참조하면, 피검체(200)는 이송유닛(300) 위에 놓여 있으며, 제어장치의 제어에 따라 이송유닛(300)은 z 방향으로 피검체(200)를 이송한다. 도면에서, 갠트리(100)가 놓인 평면을 편의상 x-y 평면으로 잡았다.
본 발명에 따른 고정식 갠트리(100)에는 팬 빔(fan beam) 형상의 엑스선을 피검체(200)에 조사하는 소스(110)를 복수 개 구비하고 있는 것을 특징으로 한다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 양호한 실시예로서, 총 6개의 소스(110)가 갠트리 둘레 원주 상에 같은 간격으로 배열되어 있다. 또한, 각각의 소스의 반대편에는 각각의 소스에 대응한 디텍터(detector array; 120)가 설치되어 있으며, 본 발명의 양호한 실시예로서 총 6개의 디텍터(120)가 갠트리 둘레 원주 상에 배열되어 있다(도시 생략). 여기서, 본 발명의 양호한 실시예에 따라 디텍터(120)는 총 6개의 포토디텍터(photodetector)로 구성될 수 있으며, 반드시 여기에 국한할 필요는 없다.
본 발명의 양호한 실시예로서, 갠트리를 복수 개 구비하여 단층영상을 획득하는 것을 기술상의 특징으로 한다. 본 발명에 따른 방식을 편의상 멀티 갠트리 전산단층촬영장치라 부를 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 멀티 갠트리 전산단층촬영장치를 도식적으로 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예로서, 3개의 갠트리(100a, 100b, 100c)가 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 전산단층촬영장치는 총 3개의 갠트리(100a, 100b, 100c)로 구성되며, 각각의 갠트리(100a, 100b, 100c)에는 총 6개의 소스(110)와 총 6개의 디텍터(120)가 구비되어 있다. 본 발명의 양호한 실시예에 따라, 피검체(200)는 이송유닛(300) 위에 놓여진 상태로 모터제어에 의해 z 축 방향으로 이송되면서 x-y 평면의 단층영상이 획득된다.
도 3은 본 발명에 따른 멀티 갠트리 전산단층촬영장치에 부착된 소스(110)를 하나의 도면에 중첩하여 도식적으로 도시한 도면이다. 하나의 도면에 중첩하여 도시하였으므로, 총 18개의 소스(110)가 도시되어 있음에 유의한다. 3개의 갠트리(100a, 100b, 100c)에는 각각 6개의 소스(110)가 60도 간격으로 배치되고, 각 갠트리(100a, 100b, 100c)는 20도씩 엇갈리게 배치됨에 따라, 총 18개의 소스(110)가 서로 중첩되지 않고 20도씩 이격되어 갠트리 둘레 상에 설치된다. 아울러, 각 소스(110)의 맞은편에는 해당 소스(110)에 대응하는 디텍터(120)가 소스(110)와 마주하도록 배치된다.
도 4는 본 발명의 양호한 실시예에 따라 갠트리별 단층촬영 스위칭 동작 시퀀스를 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 제1 갠트리(100a)의 제1 소스(110a1), …, 제N 소스(110aN), 제2 갠트리(100b)의 제1 소스(110b1), …, 제N 소스(110bN), 제3 갠트리(100c)의 제1 소스(110c1), …, 제N 소스(110cN)는 각각 구동 순번에 따라 지정될 수 있고, 상기 구동 순번은 연이어 구동하는 복수의 소스의 사이각이 각각 90도 내지 180도가 되도록 설정된다.
도 4는 구동 순번에 따라 순차적으로 구동하는 소스들이 140도의 사이각을 갖도록 설정한 것을 예를 들어 도시한 것이고, 도 5는 T1 주기에서 각 갠트리별 소스와 디텍터의 위치관계를 도시한 것으로서, T1 주기에서 제1 갠트리의 제1 소스(110a1), 제2 갠트리의 제1 소스(110b1) 및 제3 갠트리의 제1 소스(110c1)가 엑스선을 조사하면, 피검체를 통과한 엑스선이 반대편에 설치된 제1 갠트리의 제1 디텍터(120a1), 제2 갠트리의 제1 디텍터(120b1) 및 제3 갠트리의 제1 디텍터(120c1)에 검출되어 단층영상을 획득할 수 있다.
여기서, 본 발명의 양호한 실시예에 따라 총 L개의 갠트리가 사용되고, 각각의 갠트리에 총 N개의 소스와 디텍터가 사용된다면, 각각의 갠트리에 설치된 소스 사이의 이격 각도는 360도/(L x N)이 된다. 이때에, 단층화면을 획득하는 타이밍은 T1 주기에서 순차적 실시하는 일반 모드(도 6 참조)로 동작할 수도 있고, 동시에 실시하는 고속 모드(도 7)로 동작할 수도 있다.
다시 도 4를 참조하면, T2 주기에서 제1 갠트리의 제2 소스(110a2), 제2 갠트리의 제2 소스(110b2), 제3 갠트리의 제2 소스(110c2)에서 엑스선이 피검체에 조사되며, 각각의 갠트리에서 제2 소스에 대응하여 반대편에 설치된 제2 디텍터에서 투과 엑스선이 검출되어 프로세서(도시생략)로 보내져서 단층화면으로 변환된다.
같은 방식으로 TN 주기에서 제1 갠트리의 제N 소스(110aN), 제2 갠트리의 제N 소스(110bN), 제3 갠트리의 제N 소스(110cN)에서 엑스선이 피검체에 조사되며, 각각의 갠트리에서 제N 소스에 대응하여 반대편에 설치된 제N 디텍터에서 투과 엑스선이 검출되어 프로세서(도시생략)로 보내져서 단층화면으로 변환된다.
이때, 상기 각 주기별로 순차적으로 촬영을 실시하는 복수의 소스 중 피검체의 이동방향(z 방향)으로 인접한 한 쌍의 소스의 사이각은 90도 내지 180도 내에 속하도록 설정된다.
즉, T1 주기에서는 도 5의 (a)와 같이 제1갠트리(100a)의 제1소스(110a1)에서 투사한 팬 빔 방식의 엑스선이 피검체를 투과하여 제1갠트리(100a)의 제1디텍터(120a10에 검출되고, 도 5의 (b)와 같이 제2갠트리(100b)의 제1소스(110b1)에서 투사한 팬 빔 방식의 엑스선이 제2갠트리(100b)의 제1디텍터(120b1)에 검출되고, 도 5의 (c)와 같이 제3갠트리(100c)의 제1소스(110c1)에서 투사한 팬 빔 방식의 엑스선이 제3갠트리(100c)의 제1디텍터(120c1)에 검출된다. 이때, 상기 제1갠트리(100a)의 제1소스(110a1)와 제2갠트리(100b)의 제1소스(110b1)의 사이각(a)과, 제2갠트리(100b)의 제1소스(110b1)와 제3갠트리(100c)의 제1소스(110c1)의 사이각(a)이 각각 90도 내지 180도로 설정됨에 따라 z 방향으로 인접한 상기 제1갠트리(100a)의 제1디텍터(120a1)와 제2갠트리(100b)의 제1디텍터(120b1) 및 상기 제2갠트리(100b)의 제1디텍터(120b1)와 제3갠트리(100c)의 제1디텍터(120c1)가 비교적 서로 반대 방향에 위치하게 되므로, 팬빔(fan beam)간의 산란노이즈(scatter)영향을 최소화할 수 있으며, 이에 따라 다이렉트 오버 스캔(direct over scan) 영역을 회피하는 것은 물론, 후방산란(back scatter) 검출에 의한 노이즈 발생을 회피할 수 있다.
한편, 상기 제1갠트리(100a)의 제1디텍터(120a1)와 제3갠트리(100c)의 제1디텍터(120c1)는 제2갠트리(100b)를 사이에 두고 이격 배치되므로 상기 제1갠트리(100a)의 제1디텍터(120a1)와 제3갠트리(100c)의 제1디텍터(120c1)의 배치 방향이 비교적 나란하게 설정되더라도 팬빔(fan beam)간의 산란노이즈(scatter)영향을 받지 않을 수 있다.
도 6 및 7은 본 발명에 따른 멀티갠트리/멀티소스/멀티디텍터 전산단층촬영장치를 작동시키는 시퀀스의 두 가지 실시예를 나타낸 도면이다. 도 6에 도시한 시퀀스를 순차 스위칭 모드라 부를 수 있으며, 도 7에 도시한 시퀀스를 고속 스위칭 모드라 칭할 수 있다.
도 6을 참조하면, T1 주기에서 제1 갠트리의 제1 소스, 제2 갠트리의 제1 소스 및 제3 갠트리의 제1 소스에서 엑스선이 순차적으로 발사되고, 제1 갠트리의 제1 디텍터, 제2 갠트리의 제1 디텍터 및 제3 갠트리의 제1 디텍터에서 촬영을 실시해서 단층 영상을 획득한다.
만일, 하나의 소스에서 엑스선이 투사되어 디텍터에서 검출된 투과 엑스선 양으로부터 영상을 획득하는데 걸리는 시간이 △t라면, 각각의 갠트리의 제1 소스를 트리거 하는 신호는 △t/L의 타이밍으로 인가되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 하나의 소스에서 엑스선이 투사되어 디텍터에서 검출된 투과 엑스선 양으로부터 영상을 획득하는데 걸리는 시간 △t가 20 ~ 25 msec이라면, 각각의 갠트리를 구성하는 모든 소스가 투과 엑스선 데이터를 검출하는데 걸리는 시간은 모두 T = N △t가 되므로, 초당 3D 영상을 획득할 수 있는 횟수 f = 1/T = 6.6 ~ 8.3 Hz, 즉 7 ~ 8 회 정도 가능하게 된다.
도 7을 참조하면, T1 주기에서 제1 갠트리의 제1 소스와, 제2 갠트리의 제1 소스, 제3 갠트리의 제1 소스에서 엑스선이 동시에(simultaneously) 발사되어 촬영을 실시해서 단층 영상을 획득한다. 하나의 소스에서 엑스선이 투사되어 디텍터에서 검출된 투과 엑스선 양으로부터 영상을 획득하는데 걸리는 시간 △t은 약 8 ~ 10 msec 가 되어, 각각의 갠트리를 구성하는 모든 소스가 투과엑스선 데이터를 검출하는데 걸리는 시간은 모두 T = 6 △t가 되므로, 초당 3D 영상을 획득할 수 있는 횟수 f = 1/T = 16.6 ~ 20 Hz, 즉 20 회 정도 가능하게 된다.
본 발명에 따른 전산단층촬영장치는 듀얼 에너지 디텍터를 구비함을 특징으로 한다. 본 발명에 따른 듀얼 에너지 디텍터는 고에너지(예를 들어 120 KeV)의 엑스선을 피검체에 입사시켜 나오는 투과 선량을 제1차적으로 검출하고 필터를 거친 후에 제2차로 검출함으로써, 고에너지 영상과 저에너지 영상을 획득하는 것을 특징으로 한다. 엑스선 소스는 하나의 광대역 스펙트럼(wide spectrum) 또는 다중 피크 엑스선 스펙트럼을 생성하고, 검출기 측에서 필터를 이용해서 입사 엑스선 포톤(x-ray photon)의 에너지를 구분하여 에너지 대역별로 영상을 동시에 획득함으로써 듀얼 에너지 영상을 획득한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치에 대하여 설명한다.
첨부도면 중, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치의 정면 구성도, 도 7는 도 8에 도시된 N개의 소스와 디텍터의 배치관계를 입체적으로 나타낸 도면, 도 10은 도 9에 도시된 N개의 소스와 디텍터의 정면을 각각 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 10에 도시된 본 발명의 일실시예에 따른 전산단층촬영장치는, 중심축이 피검체의 이송방향과 나란한 z 방향으로 배치되고 고정식(비회전식)으로 배치되는 원통형 갠트리(100), 상기 원통형 갠트리(100)의 중심축을 따라 이격되는 N개의 원주 상에 서로 다른 각도로 배치되고 갠트리(100) 중심을 통과하는 피검체(200)를 향해 팬 빔 방식의 엑스선을 발생하는 N개의 소스(110a~110i), 및 상기 소스(110a~110i)에서 투사되어 피검체(200)를 투과한 엑스선을 검출하기 위해 상기 소스(110a~110i) 각각에 대응해서 원주 상의 반대편에 배치되는 총 N개의 디텍터(120a~120i)를 포함한다.
상기 N개의 소스(110a~110i)는 총 9개로 이루어질 수 있으며, 총 9개의 소스(110a~110i)는 도 8과 같이 정면에서 바라보았을 때 갠트리(100)의 원주 상에 40도의 간격을 갖도록 배열될 수 있다. 또한, 상기 N개의 디텍터(120a~120i)는 소스와 마찬가지로 총 9개로 이루어질 수 있으며, 각 원주 상에서 상기 소스(110a~110i)의 반대편에서 소스(110a~110i)와 피검체(200)를 사이에 두고 마주하도록 배치된다.
피검체(200)는 이송유닛(300) 위에 놓여진 상태에서 모터제어에 의해 z 축 방향으로 이송되면서 상기 N개의 소스(110a~110i) 및 디텍터(120a~120i)에 의해 x-y 평면의 단층영상이 획득된다.
도 9 및 도 10과 같이, 상기 N개의 소스(110a~110i)는 z 방향 배치 순서에 따라 제1 소스 내지 제9 소스(110a~110i)로 구분될 수 있으며, z 방향으로 인접한 한 쌍의 소스의 사이각은 90도 내지 180도 이내가 되도록 설정된다. 본 실시예에서는 총 9개의 소스(110a~110i)가 40도의 간격으로 배치되고, z 방향으로 인접한 한 쌍의 소스의 사이각은 160도로 설정된 것을 예로 들어 설명한다.
구체적으로, 총 9개의 소스(110a~110i)를 이용해 피사체(200) 주위를 돌면서 피사체(200)의 단층을 촬영하고자 하는 경우, 9개의 소스(110a~110i)가 피사체(200)를 중심으로 40도 마다 배치되어야 하므로, 총 9개의 소스(110a~110i)는 원주 상에서 0도, 40도, 60도, 120도, 160도, 200도, 240도, 280도 및 320도의 배치각을 가질 수 있다.
이때, 제1 소스(110a)의 배치각을 0도로 선택하는 경우 제2 소스(110b)의 배치각은 0도에 대하여 90도 내지 180도의 사이각을 갖는 120도, 160도, 200도, 240도 중 어느 하나인 160도로 선택될 수 있다. 이어, 제3 소스(110c)의 배치각은 160도에 대하여 90도 내지 180도의 사이각을 갖는 280도, 320도, 0도, 40도 중 0도를 제외한 나머지 중 어느 하나인 320도로 선택될 수 있고, 제4 소스(110d)의 배치각은 320도에 대하여 90도 내지 180도의 사이각을 갖는 80도, 120도, 160도, 200도 중 제2 소스(110b)의 배치각인 160도를 제외한 어느 하나인 120도로 선택될 수 있으며, 제5 소스(110e)의 배치각은 120도에 대하여 90도 내지 180도의 사이각을 갖는 240도, 280도, 320도, 0도 중 제1 소스(110a)의 배치각인 0도를 제외한 어느 하나인 280도로 선택될 수 있다. 이러한 원리로 제6 소스(110f)의 배치각은 80도, 제7 소스(110g)의 배치각은 240도, 제8 소스(110h)의 배치각은 40도, 제9 소스(110i)의 배치각은 200도로 선택될 수 있다.
즉, 상기와 같이 총 9개의 소스(110a~110i)를 피검체(200)를 중심으로 서로 다른 각도로 배치하되, 인접한 한 쌍의 소스의 사이각을 90도 내지 180도로 설정하는 경우, 인접한 한 쌍의 디텍터가 서로 반대 방향에 위치하게 되므로 팬빔(fan beam)간의 산란노이즈(scatter)영향을 최소화할 수 있으며, 이에 따라 다이렉트 오버 스캔(direct over scan) 영역을 회피하는 것은 물론, 후방산란(back scatter) 검출에 의한 노이즈 발생을 회피할 수 있다.
또한, 피검체(200)를 중심으로 하여 360도 회전하면서 연속적으로 엑스선을 조사하는 종래 기술과는 달리, 본 실시예에 따른 전산단층촬영장치는 총 N개의 소스가 피검체를 중심으로 복수의 고정된 배치각에서만 엑스선을 조사하므로, 피검체에 피폭되는 엑스선 선량을 감소시킬 수 있다.
한편, 상기와 같이 복수의 소스(110a~110i)의 배치각을 순서대로 배치하지 않고 비정형으로 배치하는 경우에는, 복수의 소스(110a~110i) 및 디텍터(120a~120i)를 이용해 획득된 복수의 단층화면을 표시하는 과정에서 소스(110a~110i)의 배치각(촬영 각도)에 따라 단층화면이 디스플레이 상에서 서로 다른 각도로 보여질 수 있으므로, 디스플레이에 표시하는 과정에서 소스(110a~110i)의 배치각에 대응하는 보정값을 보상하여 복수의 단층화면이 전체적으로 동일한 각도로 표시되도록 하는 것이 바람직하다.
아울러, 복수의 디텍터에서 획득한 복수의 단층화면을 촬영 각도 순서대로 정렬하면 피검체를 중심으로 나선형으로 회전하는 형태의 복수의 단층화면을 얻을 수 있으므로 나선식 전산단층촬영장치(Helical CT)와 같이 연속적인 볼륨 데이터를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 전용 알고리즘을 이용해 3차원 영상으로 변환하여 사용자에게 제공하는 것도 가능하다.
아울러, 피검체(200)를 이송유닛(300)을 통해 이동하는 과정에서, 소스(110a~110i) 및 디텍터(120a~120i)의 배치 순서대로 영상이 획득됨에 있어, 총 N개의 디텍터(120a~120i)에서 단층화면이 모두 획득될 때까지 기다리지 않고, 각 디텍터(120a~120i)에서 획득된 단층화면을 우선적으로 디스플레이에 표시함으로써, 표시된 단층화면을 이용해 판독자가 선행 판독을 할 수 있게 하여 판독 지연시간을 최소화할 수 있다.
본 발명에 따른 전산단층촬영장치의 구동 방법은 피검체 이송 단계(S110), 단층화면 획득 단계(S120), 단층화면 기울기 보정 단계(S130) 및 단층화면 디스플레이 단계(S140)를 포함한다.
상기 피검체 이송 단계(110)에서는 이송유닛(300)을 이용해 피검체(200)를 z 방향으로 이송한다.
상기 단층화면 획득 단계(120)에서는 z 방향으로 이격된 원주 상에서 서로 다른 각도로 배치되고 인접한 한 쌍의 소스의 사이각이 90도 내지 180도의 사이각으로 설정된 제1 소스 내지 제9 소스(110a~110i)를 차례로 동작시키고, 피검체(200)를 투과한 엑스선을 제1 디텍터 내지 제9 디텍터(120a~120i)에서 차례로 검출하여 피검체(200)의 단층화면을 획득한다.
상기 단층화면 기울기 보정 단계(130)에서는 상기 디텍터(120a~120i)에서 획득한 복수의 단층화면이 일정한 각도로 표시될 수 있도록, 상기 소스(110a~110i)의 배치각에 따른 단층화면의 기울기를 보정한다. 예컨대, 제1 디텍터(120a)에서 획득한 단층화면을 기준각으로 설정하고, 제1 디텍터(120a)에 대하여 160도의 사이각을 갖는 제2 디텍터(120b)에서 획득한 단층화면은 -160도의 보정값을 적용하여 제1 디텍터(120a)에서 획득한 단층화면과 동일한 각도로 정렬될 수 있도록 한다.
상기 단층화면 디스플레이 단계(S140)에서는 상기 총 N개의 디텍터(120a~120i)에서 획득한 단층화면을 획득 순서대로 디스플레이(미도시)에 표시한다. 즉, 피검체(200)가 갠트리(100)를 통과하는 과정에서 총 N개의 디텍터(120a~120i)에서 단층화면이 모두 획득될 때까지 기다리지 않고 디텍터(120a~120i)에서 획득된 단층화면을 즉시 디스플레이에 표시하면, 판독자가 스캔과정에서 선행 판독을 할 수 있도록 할 수 있으므로 판독 지연시간을 최소화할 수 있다.
한편, 총 N개의 단층화면이 모두 획득된 이후에는, N개의 단층화면을 촬영 각도 순서대로 정렬하는 단계와, 정렬된 N개의 2차원 단층화면을 이용해 3차원 영상 데이터를 생성하는 단계를 더 수행할 수 있다.
예컨대, 상기 총 9개의 소스(110a~110i) 및 디텍터(120a~120i)에 의해 획득된 단층화면은 소스(120a~120i)의 배치각을 기준으로 0도, 160도, 320도, 120도, 280도, 80도, 240도, 40도, 200도의 순서대로 촬영된다. 따라서 이를 배치각 순으로 정렬하면 피검체(200)를 중심으로 나선형으로 회전하는 형태의 단층화면들을 얻을 수 있으며, 이를 나선식 전산단층촬영장치의 알고리즘을 통해 3차원 영상 데이터로 변환하여 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 전산단층촬영장치 구동 방법은 팬 빔(fan beam) 방식의 듀얼 에너지 피크의 엑스선을 발생하는 총 N개의 소스-디텍터 시스템으로부터 획득된 데이터의 활용 방법에 있어서, (a) N개의 각도에서 촬영된 영상으로부터 물질의 볼륨계산을 정확하게 보정하는 단계; 및 (b) N개의 각도에서 촬영된 듀얼에너지 영상에서 개별적으로 물질의 흡수도를 계산하는 단계; 및 (c) 물질의 흡수도와 볼륨을 기반으로 밀도를 계산하는 단계; 및 (d) 흡수도와 밀도를 이용한 물질의 성분을 판별하는 단계; 및 (e) 물질의 성분을 기반으로 한 단층 영상의 구현 단계를 포함하고, 형태적 단층 영상과 물질성분별 단층 영상을 함께 구할 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100:갠트리, 110:소스, 120:디텍터,
200:피검체, 300:이송유닛
200:피검체, 300:이송유닛
Claims (12)
- 피검체의 이송 방향을 따라 중첩되는 복수의 원주 상에 하나씩 서로 다른 각도로 배치되고 피검체를 향해 팬 빔(fan beam) 방식의 엑스선을 발생하는 N개의 소스;
상기 소스 각각에 대응해서 원주 상의 반대편에 배치되고 상기 피검체를 투과한 엑스선을 검출하는 N개의 디텍터; 및
상기 N개의 소스는 360도/N의 이격 각도를 이루는 N개의 배치각에 각각 배치되고, 인접한 소스의 엑스선으로부터 발생하는 산란 노이즈의 영향을 최소화하도록 피검체의 이송 방향에 대하여 인접한 위치에서 동시 또는 순차적으로 구동하는 소스와의 사이각이 90도 내지 180도 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 전산단층촬영장치. - 제 1항에 있어서,
상기 N개의 디텍터에서 획득한 N개의 단층화면이 서로 동일한 각도로 정렬되도록, 상기 소스의 배치각에 대응하는 보정값을 제공하는 프로세서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전산단층촬영장치. - 제 2항에 있어서,
상기 N개의 디텍터에서 획득된 단층화면을 획득 순서에 따라 상기 보정값을 적용하여 사용자에게 표시하는 디스플레이;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전산단층촬영장치. - 제 2항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 N개의 디텍터에서 획득된 N개의 2차원 형태의 단층화면을 촬영 각도 순서대로 정렬한 다음 3차원 영상 데이터로 변환하는 것을 특징으로 하는 전산단층촬영장치. - 제 1항에 있어서,
피검체의 이송 방향을 따라 배치되는 L개의 갠트리를 더 포함하되,
상기 갠트리에는 각각 n = N / L 개의 소스가 360° / n 도의 사이각을 갖도록 배치되며, 상기 L개의 갠트리는 각각 360° / N 도씩 엇갈리게 배치되는 전산단층촬영장치. - 제 5항에 있어서,
상기 소스의 구동 순번은,
첫 번째 구동 순번으로 설정된 제1 갠트리의 제1 소스, …, 제L 갠트리의 제1 소스가 동시 또는 순차적으로 구동하고, n 번째 구동 순번으로 설정된 제1 갠트리의 제n 소스, …, 제L 갠트리의 제n 소스가 동시 또는 순차적으로 구동하도록 설정되는 전산단층촬영장치. - 제 1항에 있어서,
상기 N개의 소스는 피검체의 이송 방향을 따라 순차적으로 구동하도록 설정되는 전산단층촬영장치. - 팬 빔(fan beam) 방식의 엑스선을 발생하는 총 N개의 소스를 피검체의 이송 방향을 따라 중첩되는 가상의 원주 상에 서로 다른 각도로 배치하고, 피검체의 투과 광선을 검출하기 위해 상기 소스 각각에 대응해서 원주 상의 반대편에 총 N개의 디텍터를 배치한 전산단층촬영장치의 구동 방법에 있어서,
인접한 소스의 엑스선으로부터 발생하는 산란 노이즈의 영향을 최소화하도록 피검체의 이송 방향에 대하여 서로 인접하여 동시 또는 순차적으로 구동하는 한 쌍의 소스의 사이각을 90도 내지 180도의 범위로 설정하여 N개의 소스의 구동 순서를 결정하는 단계; 및
상기 N개의 소스를 구동 순서에 따라 차례로 동작시켜 팬 빔 방식의 엑스선을 각각 조사하고, 피검체를 투과한 엑스선을 N개의 디텍터에서 검출하여 피검체의 단층화면을 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전산단층촬영장치의 구동 방법. - 제 8항에 있어서,
상기 디텍터에서 획득한 단층화면을 획득 순서대로 디스플레이에 표시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전산단층촬영장치의 구동 방법. - 제 9항에 있어서,
상기 단층화면을 디스플레이에 표시하기에 앞서, 상기 디텍터에서 획득한 N개의 단층화면이 일정한 각도로 표시될 수 있도록, 상기 소스의 배치각에 따른 단층화면의 기울기를 보정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전산단층촬영장치의 구동 방법. - 제 8항에 있어서,
N개의 단층화면을 모두 획득한 후,
N개의 단층화면을 촬영 각도 순서대로 정렬하는 단계; 및
정렬된 N개의 2차원 단층화면을 이용해 3차원 영상 데이터를 생성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전산단층촬영장치의 구동 방법. - 팬 빔(fan beam) 방식의 엑스선을 발생하는 총 N개의 소스를 원주 상에 등간격으로 설치하고, 피검체의 투과 광선을 검출하기 위해 상기 소스 각각에 대응해서 원주 상의 반대편에 총 N개의 디텍터를 설치한 갠트리 총 L개를 구동하여 피검체의 컴퓨터 단층 영상을 획득하는 전산단층촬영장치의 구동 방법에 있어서,
(a) 각 갠트리 별로 소스의 구동 순번을 설정하는 단계;
(b) t = t1 시각에 첫 번째 구동 순번으로 설정된 제1 갠트리의 제1 소스, …, 제L 갠트리의 제1 소스를 동시에(simultaneously) 구동시켜 투과광 데이터를 제1 갠트리의 제1 디텍터, …, 제L 갠트리의 제1 디텍터에서 검출하는 단계; 및
(c) t = t1 + n △t (단, 0 ≤ n ≤ N) 시각에 설정된 구동 순번에 따라 제1 갠트리의 제n 소스, …, 제L 갠트리의 제n 소스를 △t/L 간격으로 동시에 구동시켜 투과광 데이터를 제1 갠트리의 제n 디텍터, …, 제L 갠트리의 제n 디텍터에서 차례로 검출하는 단계;를 포함하고, (△t는 상기 소스가 일회 조사한 엑스선이 피검체를 투과해서 디텍터가 검출한 투과광 데이터로부터 단층영상을 획득하는데 걸리는 시간임)
상기 (a)단계에서 상기 소스의 구동 순번은 인접한 소스의 엑스선으로부터 발생하는 산란 노이즈의 영향을 최소화하도록, 동시에 동작하는 복수의 소스 중 인접한 한 쌍의 소스의 사이각이 90도 내지 180도가 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 전산단층촬영장치 구동 방법.
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