KR102604633B1 - 이중―에너지 기반 스테레오 ３ｄ 투시영상 장치 - Google Patents

이중―에너지 기반 스테레오 ３ｄ 투시영상 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치에 관한 것이다. 본 발명의 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치는, 2개의 X-선 등 방사선 선원에 의한 스테레오(stereoscopic) 영상과 1개 또는 2개의 디텍터를 이용하여 인체 내부 장기나 혈관의 위치 등에 3차원 깊이 정보가 포함된 선명한 투시영상을 실시간으로 획득하여 제공함으로써, 신경외과/정형외과의 척추수술이나 혈관 조영술(뇌혈관, 심장혈관 등), 중재시술 등의 보조가 효과적으로 이루어질 수 있다.

Description

이중―에너지 기반 스테레오 ３Ｄ 투시영상 장치{Stereoscopic 3D-fluoroscopy system using dual-energy}
본 발명은 투시영상 장치에 관한 것으로서, 특히, 신경외과/정형외과의 척추수술이나 혈관 조영술(뇌혈관, 심장혈관 등), 중재시술 등을 보조하기 위한 X-선 등 방사선 투시 영상장치로서 이중-에너지 기반 스테레오 3D(3-dimension) 투시영상 장치에 관한 것이다.
신경외과/정형외과의 척추수술이나 혈관 조영술(뇌혈관, 심장혈관 등), 중재시술 등에서, 보통 X-선을 이용한 C-arm 장비를 이용하여 환자의 해부학적인 투과영상을 실시간으로 촬영하면서 의사들이 환자의 병변 부위를 수술 및 치료하고 있다. 특히, 고령화 사회로 인한 골다공증 환자의 급증으로 골다공증 환자 특화용 C-arm 영상장비의 필요성이 크게 대두되고 있는 실정이다.
골다공증 환자 및 어린이 환자의 경우, 연조직과 뼈 물질간에 밀도차이가 거의 없어서(감쇄 계수차이가 별로 없음), 투시영상에서 뼈가 잘 보이지 않는데, 즉 뼈와 연조직간의 경계면(edge)에 대한 명확한 영상을 획득하지 못하고 있디. 이에 골절 부위의 선명도(sharpness)를 향상시키는 기법이 필요하며 또한 뼈(bone)와 연조직(soft-tissue)의 영상을 선명하게 구현 가능한 방법이 요구되고 있다. 즉, 종래의 X-선을 이용한 C-arm장비를 이용하여 골다공증 환자 및 유아의 정형외과 시술/수술 시 환자의 실시간 투시영상 화질이 좋지 않으며, 뼈와 연조직 경계면이 명확하지 않으므로, 투시영상 화질 개선이 필요한 실정이다.
또한, 뇌/심혈관에서 각도별 획득한 투시영상은 의사의 머릿속에서 3차원 영상이 만들어지고 해부학 지식을 이용해 시술을 진행하고 있다. 이와 같이 일반적인 수술용 X-선 투시 촬영장치는 3차원 환자의 해부학적 구조를 2차원 평면에 중첩시켜 나타내는 2D 투시 영상에 불과하여, 한쪽 면에서 X-선 영상 촬영만으로는 정확한 뼈의 위치, 장기의 위치, 수술도구의 위치, 혈관의 위치를 정확히 파악할 수 없는 문제가 있다. 특히 척추, 중요한 장기, 또한 매우 복잡한 뇌혈관, 심혈관 등의 깊이 정보가 없기 때문에, 중첩되어 보이거나 구별하기 힘들기 때문에 의사의 진단(검출), 치료 능력이 매우 낮은 실정이다.
그리고, 종래의 CT 촬영 장치의 경우에 있어서도, 넓은 공간을 요구하고, 장비가격이 비싸며, 촬영하는 시간이 오래 걸리며, 또한 환자에 대한 방사선 노출이 상당히 높다는 단점이 있다.
관련 문헌으로서 한국공개특허 제10-2014-0190385호, 미국특허 US 8,908,826 B2, US 7,209,538 B2, 미국 공개특허 US2015/0042643 A1 등이 참조될 수 있다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 2개의 X-선 등 방사선 선원에 의한 스테레오(stereoscopic) 영상과 1개 또는 2개의 디텍터를 이용하여 인체 내부 장기나 혈관의 위치 등에 3차원 깊이 정보가 포함된 선명한 투시영상을 실시간으로 획득하여 제공함으로써, 신경외과/정형외과의 척추수술이나 혈관 조영술(뇌혈관, 심장혈관 등), 중재시술 등의 보조가 효과적으로 이루어질 수 있는, 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치는, 제1 에너지의 방사선을 조사하는 제1 선원부; 상기 제1 에너지와 다른 제2 에너지의 방사선을 조사하는 제2 선원부; 상기 제1 에너지의 방사선에 의해 대상체를 투과하는 제1 방사선을 검출하며, 상기 제2 에너지의 방사선에 의해 상기 대상체를 투과하는 제2 방사선을 검출하는 검출기; 및 상기 제1 및 제2 선원부의 상기 방사선의 조사를 제어하며, 상기 검출기로부터 검출된 방사선들에 기초한 방사선 영상들을 메모리에 저장하고, 상기 제1 에너지의 방사선에 기초한 제1 방사선 영상, 상기 제2 에너지의 방사선에 기초한 제2 방사선 영상, 또는 상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상을 합성한 합성 영상 중 하나 이상을 선택적으로 제공하는 제어장치를 포함한다.
상기 검출기는 상기 제1 방사선 검출기와 상기 제2 방사선 검출기를 구비하거나, 하나의 검출기가 시간 간격을 두고 상기 제1 방사선과 상기 제2 방사선을 모두 검출할 수도 있다.
상기 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치는, 상기 제1 에너지 보다 큰 상기 제2 에너지의 방사선에 대한 상기 대상체의 피폭을 저감하기 위하여, 상기 제2 선원부 앞에 장착되어 상기 제2 에너지의 방사선을 필터링하는 방사선 필터를 더 포함할 수 있다.
상기 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치는, 상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상의 스테레오 영상을 기초로 상기 합성 영상에서 3차원 깊이 정보가 인식 가능한 영상을 제공하기 위한 것을 특징으로 한다.
상기 합성 영상은, 상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상의 중첩 영상이나, 상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상의 차이에 대한 영상, 상기 제1 방사선 영상 또는 상기 중첩 영상에서 상기 제2 방사선 영상을 제거한 영상이나, 또는 상기 제2 방사선 영상 또는 상기 중첩 영상에서 상기 제1 방사선 영상을 제거한 영상을 포함할 수 있다.
척추수술, 혈관 조영술, 또는 중재시술에서, 상기 제1 방사선 영상은 상기 제1 에너지에서 뼈에 대한 영상이 강조되고, 상기 제2 방사선 영상은 상기 제1 에너지 보다 큰 상기 제2 에너지에서 상기 뼈의 주변 연조직에 대한 영상이 강조될 수 있다.
척추수술, 혈관 조영술, 또는 중재시술에서, 상기 제어장치는, 선택된 영상을 표시하는 디스플레이 상에 뼈에 대한 영상, 또는 상기 뼈의 주변 연조직에 대한 영상을 증강하여 표시하거나, 표시된 영상에서 병변 부위를 포함하는 선택된 영역에 대한 영상을 증강하여 표시할 수 있다.
상기 제어장치는, 상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상을 처리하여, 3D 안경을 이용하여 3차원 깊이 정보가 인식 가능한 사람의 양안 영상에 대응되는 3D 모니터용 영상을 생성할 수도 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 생성 방법은, 제1 에너지의 방사선을 대상체에 조사하고 상기 대상체를 투과하는 제1 방사선을 검출하는 단계; 상기 제1 에너지와 다른 제2 에너지의 방사선을 상기 대상체에 조사하고 상기 대상체를 투과하는 제2 방사선을 검출하는 단계; 및 상기 제1 에너지의 방사선에 기초한 제1 방사선 영상, 상기 제2 에너지의 방사선에 기초한 제2 방사선 영상, 또는 상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상을 합성한 합성 영상 중 하나 이상을 선택적으로 제공하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치는, 2개의 X-선 등 방사선 선원에 의한 스테레오(stereoscopic) 영상과 1개 또는 2개의 디텍터를 이용하여 인체 내부 장기나 혈관의 위치 등에 3차원 깊이 정보가 포함된 선명한 투시영상을 실시간으로 획득하여 제공함으로써, 신경외과/정형외과의 척추수술이나 혈관 조영술(뇌혈관, 심장혈관), 중재시술 등을 효과적으로 보조할 수 있다.
본 발명은 단일 에너지 X-선을 이용해서 획득하는 기존의 투시영상에 비교하여, 하나는 낮은 에너지를 방사하는 방사선 선원과 다른 하나는 높은 에너지를 방사하는 방사선 선원을 이용하여, 낮은 에너지 영상과 높은 에너지 영상을 포함하는 스테레오 영상을 실시간 획득하고, 이후 두 에너지 영상간의 차이(subtraction) 영상처리를 통해서 인체 내부장기 정보 및 혈관의 위치에 대한 깊이(depth) 정보가 포함된 뼈(bone) 영상과 그 주변 연조직의 소프트(soft) 영상을 보여줄 수 있고, 골다공증 환자 및 노인 환자 등의 경우에 대하여도 명확하고 선명한 영상을 제공할 수 있다. 예를 들어, 이중에너지 영상화 기술을 통해 한쪽에서 획득한 고에너지 영상과 다른 한쪽에서 획득한 저에너지의 영상에 대한 영상처리 알고리즘을 통해서 뼈 영상부분만 증강시키거나, 연조직 부위만 증강시키거나, 또는 필요한 병변 부위 뇌, 심혈관 등을 증강시켜 나타낼 수도 있다.
또한, 실시간 고속으로 엑스선 영상을 획득할 수 있는 대면적 영상센서를 이용하여 엑스선 발생장치에 따라서 높은 에너지 및 낮은 에너지의 영상을 동시에 보여줄 수도 있다. 필요에 따라 스테레오 3차원 영상을 제공하여, 3차원 모니터와 3D 안경을 이용하여 인체의 깊이 정보 및 미세 혈관의 전/후 정보를 정확하게 확인 가능하도록 할 수도 있다.
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 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 인체 부위별 방사선 에너지에 대한 질량감쇠계수를 나타내는 그래프이다.
도 3은 뼈에 대한 저에너지 방사선 영상과 뼈의 주변 연조직에 대한 고에너지 방사선 영상의 예를 보여준다.
도 4는 기존의 한가지 선원을 이용한 영상과 본 발명의 저에너지(E1) 방사선 영상, 고에너지(E2) 방사선 영상의 비교 예를 보여준다.
도 5는 본 발명의 합성 영상 등에서 저에너지 방사선 영상이나 고에너지 방사선 영상을 제거한 영상의 예를 보여준다.
도 6은 뼈와 주변 연조직의 질량감쇠계수 차이에 따른 경계 해석 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 방사선 에너지 세기에 대한 방사선 필터들의 투과 강도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 방사선 필터의 효과가 나타난 영상의 예를 보여준다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대해서 자세히 설명한다. 이때, 각각의 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타낸다. 또한, 이미 공지된 기능 및/또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하에 개시된 내용은, 다양한 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분을 중점적으로 설명하며, 그 설명의 요지를 흐릴 수 있는 요소들에 대한 설명은 생략한다. 또한 도면의 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시될 수 있다. 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니며, 따라서 각각의 도면에 그려진 구성요소들의 상대적인 크기나 간격에 의해 여기에 기재되는 내용들이 제한되는 것은 아니다.
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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치(100)는, 실시간으로 스테레오 3D 투시영상을 생성하기 위하여, 제1 선원부(121)와 제2 선원부(122)를 포함하는 선원부(120), 검출기(140), 제어장치(160)를 포함한다. 선원부(120) (중심)와 환자 등 진단 대상체(10)의 연결선 상에 검출기(140) (중심)이 놓이는 것이 바람직하다. 회전 터렛(turret) 등 각각의 회전 수단(110, 130)을 통하여 선원부(120)와 검출기(140)가 각각 선원부(120) (중심)과 검출기(140) (중심)을 연결하는 중심선에 대하여 회전 가능할 수 있다.
제어장치(160)는 제1 회전수단(110), 제2 회전수단(130), 선원부(120), 검출기(140) 등 스테레오 3D 투시영상 장치(100)을 구성하는 모든 구성요소들의 전반적인 제어를 수행한다. 제어장치(160)는 반도체 프로세서 등 하드웨어로 이루어질 수 있으며, 필요에 따라 응용 프로그램과 같은 소프트웨어와 함께 결합하여 동작될 수도 있다. 제어장치(160)는 환자 등 진단 대상체(10)를 투과하는 방사선을 검출하는 검출기(140)로부터의 검출 신호를 처리하여 방사선 영상을 디스플레이하기 위한 LCD, LED 등의 디스플레이 장치를 포함할 수 있다.
도면에는 본 발명의 스테레오 3D 투시영상 장치(100)가 C-arm 영상장비와 유사하게 C-arm 형태의 아암 양끝에 선원부(120)와 검출기(140)를 장착한 예를 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 선원부(120)와 검출기(140) 등은 척추수술, 혈관 조영술, 또는 중재시술 등의 목적에 맞게 적절히 배치되고 장착되는 형태가 될 수 있다.
제1 선원부(121)는 제2 선원부(122)가 조사하는 방사선의 에너지 보다 낮은, 저 에너지(30~50kVp 범위로서 예를 들어 40kVp)의 방사선을 조사한다.
제2 선원부(122)는 제1 선원부(122)가 조사하는 방사선의 에너지 보다 높은, 고 에너지(60~80kVp 범위로서 예를 들어 70kVp)의 방사선을 조사한다. 제2 선원부(122)로부터의 고 에너지의 방사선에 대한 대상체(10)의 피폭을 저감하기 위하여, 제2 선원부(122) 앞에는 방사선 필터(123)가 장착될 수 있다. 하기하는 바와 같이 방사선 필터(123)는 Al 방사선 필터, Cu 방사선 필터 등으로 이루어져 저 에너지의 방사선을 필터링해 대상체(10)가 피폭되는 선량을 적절히 조절할 수 있다.
검출기(140)는 제1 선원부(121)의 저 에너지 방사선에 의해 대상체(10)를 투과하는 제1 방사선을 검출하며, 제2 선원부(122)의 고 에너지 방사선에 의해 대상체(10)를 투과하는 제2 방사선을 검출한다. 검출기(140)는 상기 제1 방사선을 검출하기 위한 검출기와 상기 제2 방사선을 검출하기 위한 검출기를 별도로 구비할 수도 있고, 하나의 검출기(140)가 시간 간격을 두고 상기 제1 방사선과 상기 제2 방사선을 모두 검출하도록 구성될 수도 있다.
제어장치(160)는 위와 같은 제1 선원부(121) 및 제2 선원부(122)의 각각의 방사선의 조사를 제어하며, 검출기(140)가 선원부(120)에서 조사되는 방사선이 환자 등 진단 대상체(10)를 투과하고 나오는 방사선을 검출하면, 제어장치(160)는 검출기(140)로부터의 검출 신호를 처리하여 해당 방사선 영상(데이터)를 메모리 등 저장 수단에 저장하고 LCD, LED 등의 디스플레이 장치를 통하여 디스플레이함으로써 병변 진단에 이용되도록 할 수 있다.
특히, 본 발명에서 제어장치(160)는 제1 선원부(121)의 저 에너지의 방사선에 기초한 제1 방사선 영상(예, 도 3의 (a) 뼈에 대한 저에너지 방사선 영상 참조), 제2 선원부(122)의 고 에너지의 방사선에 기초한 제2 방사선 영상(예, 도 3의 (b) 뼈의 주변 연조직에 대한 고에너지 방사선 영상 참조), 또는 상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상을 합성한 합성 영상 중 하나 이상을 선택적으로 제공할 수 있다. 여기서 합성 영상은, 상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상의 중첩 영상이나, 상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상의 차이에 대한 영상이나, 상기 제1 방사선 영상 또는 상기 중첩 영상에서 상기 제2 방사선 영상을 제거한(subtraction) 영상(도 8의 (a) 뼈 제거 영상 참조)이나, 또는 상기 제2 방사선 영상 또는 상기 중첩 영상에서 상기 제1 방사선 영상을 제거한 영상(도 8의 (b) 주변 연조직 제거 영상 참조) 등을 포함할 수 있다.
도 2는 인체 부위별 방사선 에너지에 대한 질량감쇠계수를 나타내는 그래프이다. 도 2와 같이, 예를 들어, 인체의 부위별 방사선 에너지에 대한 질량감쇠계수, 즉, 뼈의 질량감쇠계수(210), 주변 연조직의 질량감쇠계수(220), 지방성분(fat)의 질량감쇠계수(230) 각각의 방사선 에너지의 크기의 증가에 따른 감소 경향은 서로 다른 특성으로 나타난다.
도 3은 뼈에 대한 저에너지 방사선 영상과 뼈의 주변 연조직에 대한 고에너지 방사선 영상의 예를 보여준다. 도 2와 같은 인체 부위별 질량감쇠계수 특성의 차이를 이용하면, 동일한 대상체(10)에 대하여, 도 3의 (a)와 같이, 제1 선원부(121)의 저 에너지(E1)의 방사선에 기초한 제1 방사선 영상과, 도 3의 (b)와 같이, 제2 선원부(122)의 고 에너지(E2)의 방사선에 기초한 제2 방사선 영상을 각각 획득할 수 있다. 척추수술, 혈관 조영술, 또는 중재시술 등에서, 저 에너지(E1)의 방사선에 기초한 제1 방사선 영상은, 뼈에 대한 영상이 강조되도록 할 수 있고, 고 에너지(E2)의 방사선에 기초한 제2 방사선 영상은 뼈의 주변 연조직에 대한 영상이 강조되도록 할 수 있다.
또한, 이와 같은 도 3의 (a)의 영상과 도 3의 (b)의 영상을 다양하게 합성한 영상, 예를 들어, 도 3의 (a)와 (b)의 중첩 영상이나, 도 3의 (a)의 영상 또는 상기 중첩 영상에서 도 3의 (b)의 영상을 제거한(subtraction) 영상을 제공할 수 있으며, 또한, 같은 방법으로 도 3의 (b)의 영상 또는 상기 중첩 영상에서 도 3의 (a)의 영상을 제거한 영상 등을 제공할 수도 있다.
도 4는 기존의 한가지 선원을 이용한 영상과 본 발명의 저에너지(E1) 방사선 영상, 고에너지(E2) 방사선 영상의 비교 예를 보여준다. 도 4의 (a)는 종래와 같이 선원을 한가지만 사용한 경우(예, 일반적인 정형외과용 70-80kVp, 4mA 방사선의 투시영상)를 나타내고, 도 4의 (b)는 본 발명에서 저 에너지(E1) 방사선 영상으로서 뼈에 대한 영상의 예를 보여주며, 도 4의 (c)는 본 발명에서 고 에너지(E2) 방사선 영상으로서 주변 연조직에 대한 영상의 예를 보여준다.
도 5는 본 발명의 합성 영상 등에서 저에너지 방사선 영상이나 고에너지 방사선 영상을 제거한 영상의 예를 보여준다.
도 4의 (b)와 같은 저 에너지(E1) 방사선 영상과 도 4의 (c)와 같은 고 에너지(E2) 방사선 영상은, 다양한 방법으로 합성될 수 있으며, 예를 들어, 도 4의 (b)와 (c)의 중첩 영상이나, 도 4의 (b)의 영상 또는 상기 중첩 영상에서 도 4의 (b)의 영상을 제거한(subtraction) 영상으로서, 도 5의 (a)와 같은 뼈 제거 영상을 제공할 수 있으며, 또한, 같은 방법으로 도 4의 (c)의 영상 또는 상기 중첩 영상에서 도 4의 (b)의 영상을 제거한 영상으로서, 도 5의 (b)와 같은 주변 연 조직 제거 영상을 제공할 수 있다.
도 6은 뼈와 주변 연조직의 질량감쇠계수 차이에 따른 경계 해석 방법을 설명하기 위한 도면이다.
제어장치(160)는 위와 같은 뼈에 대한 저 에너지(E1) 방사선 영상과 주변 연조직에 대한 고 에너지(E2) 방사선 영상의 중첩 영상이나 합성 영상의 생성을 위하여, [수학식1]과 같이, 위치별, 즉, 뼈와 그 주변 연조직을 투과하는 방사선의 에너지 E1, E2에 따른 입사 광선의 세기 I01, I02와 투과된 빛의 세기 I1, I2의 관계를 이용하여, 뼈와 그 주변 연조직의 각각의 면밀도 mb와 mw를 추정하여, 그 경계를 산출함으로써 이루어질 수 있다. 여기서, 저 에너지(E1)에서의 뼈와 그 주변 연조직의 각각의 질량감쇠계수 (mass attenuation coefficient)는 (μ/ρ)b1, (μ/ρ)w1이고, 고 에너지(E2)에서의 뼈와 그 주변 연조직의 각각의 질량감쇠계수는 (μ/ρ)b2, (μ/ρ)w2이다.
[수학식1]
도 7은 방사선 에너지 세기에 대한 방사선 필터들의 투과 강도를 나타내는 그래프이다. 도 7을 참조하면, 방사선을 방출하는 선원부에서 조사되는 방사선을 Al 방사선 필터, Cu 방사선 필터 등을 이용하여 필터링 후 대상체(10)에 조사하는 경우, 대상체(10)에 가해지는 저 에너지의 방사선 세기는 줄어들어, 대상체(10)의 피폭을 저감할 수 있다.
도 8은 본 발명의 방사선 필터(123)의 효과가 나타난 영상의 예를 보여준다. 도 8의 (a)와 같이 56kVp 방사선과 도 8의 (b)와 같이 120kVp 방사선에 1mm 두께의 Cu 방사선 필터에 의해 필터링한 경우의 대상체(10)에 대한 방사선 영상은, 약간의 차이를 보이므로, 대상체(10)에 대한 피폭량을 적절히 고려하여, 도 1에서, 제2 선원부(122) 앞에는 적절한 방사선 필터(123)가 선택되어 장착될 수 있다. 방사선 필터(123)는 Al 방사선 필터, Cu 방사선 필터, 또는 이들의 조합 등으로 이루어져 고 에너지의 방사선을 필터링해 대상체(10)가 피폭되는 선량을 적절히 조절할 수 있다.
본 발명에서 제어장치(160)가, 제1 선원부(121)의 저 에너지의 방사선에 기초한 제1 방사선 영상(예, 도 3의 (a) 뼈에 대한 저에너지 방사선 영상 참조), 제2 선원부(122)의 고 에너지의 방사선에 기초한 제2 방사선 영상(예, 도 3의 (b) 뼈의 주변 연조직에 대한 고에너지 방사선 영상 참조), 또는 상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상을 합성한 합성 영상 중 하나 이상을 디스플레이 장치를 통해 선택적으로 제공할 수 있다.
예를 들어, 디스플레이 장치의 터치스크린 등을 통한 터치 입력이나 마우스 입력, 키보드 입력 등에 의한 사용자로부터의 입력 정보에 따라 제어장치(160)는 위와 같은 영상들을 디스플레이 장치를 통해 선택적으로 제공할 수 있다.
이외에도 제어장치(160)는, 척추수술, 혈관 조영술, 또는 중재시술 등에서 시술을 보조하기 위하여, 위와 같이 선택된 영상을 표시하는 디스플레이 상에 뼈에 대한 영상, 또는 상기 뼈의 주변 연조직에 대한 영상을 증강하여 표시하거나, 표시된 영상에서 병변 부위를 포함하는 선택된 영역에 대한 영상을 증강하여 표시할 수도 있다. 디스플레이 장치의 터치스크린 등을 통한 터치 입력이나 마우스 입력, 키보드 입력 등에 의한 사용자로부터의 입력 정보에 따라 제어장치(160)는 해당 영상을 증강(예, 확대 영상, 다른 색상으로 표시된 하이라이트 영상, 깜박거리는 영상 등)하여 표시할 수 있다.
나아가, 제어장치(160)는, 1 선원부(121)의 저 에너지의 방사선에 기초한 제1 방사선 영상(예, 도 3의 (a) 뼈에 대한 저에너지 방사선 영상 참조), 제2 선원부(122)의 고 에너지의 방사선에 기초한 제2 방사선 영상(예, 도 3의 (b) 뼈의 주변 연조직에 대한 고에너지 방사선 영상 참조)을 처리하여, 3D 안경을 이용하여 3차원 깊이 정보가 인식 가능한 사람의 양안 영상에 대응되는 3D 모니터용 영상을 생성하여, 3D 모니터에 제공할 수도 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치(100)는, 2개의 X-선 등 방사선 선원에 의한 스테레오(stereoscopic) 영상과 1개 또는 2개의 검출기(140)를 이용하여 인체 내부 장기나 혈관의 위치 등에 3차원 깊이 정보가 포함된 선명한 투시영상을 실시간으로 획득하여 제공함으로써, 신경외과/정형외과의 척추수술이나 혈관 조영술(뇌혈관, 심장혈관), 중재시술 등을 효과적으로 보조할 수 있게 된다. 즉, 제어장치(160)는 제1 선원부(121)의 저 에너지의 방사선에 기초한 제1 방사선 영상과 2 선원부(122)의 고 에너지의 방사선에 기초한 제2 방사선 영상 의 스테레오 영상을 기초로 한 합성 영상에서 3차원 깊이 정보가 인식 가능한 영상을 제공할 수 있다.
더 나아가, 본 발명에 따른 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치(100)는, 단일 에너지 X-선을 이용해서 획득하는 기존의 투시영상에 비교하여, 하나는 낮은 에너지를 방사하는 방사선 선원과 다른 하나는 높은 에너지를 방사하는 방사선 선원을 이용하여, 낮은 에너지 영상과 높은 에너지 영상을 포함하는 스테레오 영상을 실시간 획득하고, 이후 두 에너지 영상간의 차이(subtraction) 영상처리를 통해서 인체 내부장기 정보 및 혈관의 위치에 대한 깊이(depth) 정보가 포함된 뼈(bone) 영상과 그 주변 연조직의 소프트(soft) 영상을 보여줄 수 있고, 골다공증 환자 및 노인 환자 등의 경우에 대하여도 명확하고 선명한 영상을 제공할 수 있다. 예를 들어, 이중에너지 영상화 기술을 통해 한쪽에서 획득한 고에너지 영상과 다른 한쪽에서 획득한 저에너지의 영상에 대한 영상처리 알고리즘을 통해서 뼈 영상부분만 증강시키거나, 연조직 부위만 증강시키거나, 또는 필요한 병변 부위 뇌, 심혈관 등을 증강시켜 나타낼 수도 있다. 또한, 실시간 고속으로 엑스선 영상을 획득할 수 있는 대면적 영상센서를 이용하여 엑스선 발생장치에 따라서 높은 에너지 및 낮은 에너지의 영상을 동시에 보여줄 수도 있다. 필요에 따라 스테레오 3차원 영상을 제공하여, 3차원 모니터와 3D 안경을 이용하여 인체의 깊이 정보 및 미세 혈관의 전/후 정보를 정확하게 확인 가능하도록 할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
진단 대상체(10)
제1 선원부(121)
제2 선원부(122)
방사선 필터(123)
검출기(140)
제어장치(160)

Claims (9)

  1. 제1 에너지의 방사선을 조사하는 제1 선원부;
    제2 에너지의 방사선을 조사하는 제2 선원부;
    상기 제1 에너지 보다 큰 상기 제2 에너지의 방사선에 대한 대상체의 피폭을 저감하기 위하여, 상기 제2 선원부 앞에 장착되어 상기 제2 에너지의 방사선을 필터링하는 방사선 필터;
    상기 제1 에너지의 방사선에 의해 상기 대상체를 투과하는 제1 방사선을 검출하며, 상기 제2 에너지의 방사선에 의해 상기 대상체를 투과하는 제2 방사선을 검출하는 검출기; 및
    상기 제1 및 제2 선원부의 상기 방사선의 조사를 제어하며, 상기 검출기로부터 검출된 방사선들에 기초한 방사선 영상들을 메모리에 저장하고, 상기 제1 에너지의 방사선에 기초한 제1 방사선 영상, 상기 제2 에너지의 방사선에 기초한 제2 방사선 영상, 및 상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상을 합성한 합성 영상 중 하나 이상을 선택적으로 제공하는 제어장치를 포함하고,
    상기 제어장치는, 상기 합성 영상을 생성하기 위하여 하기의 수학식에 따라 상기 대상체의 조직들의 면밀도 mb와 mw를 추정함으로써 산출된 경계를 이용하며,

    여기서, I01 및 I02는 상기 제1 에너지의 방사선과 상기 제2 에너지의 방사선이 상기 대상체에 입사될 때의 각각의 세기, I1 및 I2는 상기 제1 에너지의 방사선과 상기 제2 에너지의 방사선이 상기 대상체를 투과할 때의 각각의 세기, (μ/ρ)b1 및 (μ/ρ)w1은 상기 제1 에너지의 방사선에서 상기 조직들 각각의 질량감쇠계수, (μ/ρ)b2 및 (μ/ρ)w2은 상기 제2 에너지의 방사선에서 상기 조직들 각각의 질량감쇠계수인 것을 특징으로 하는 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 검출기는 상기 제1 방사선 검출기와 상기 제2 방사선 검출기를 구비하거나, 하나의 검출기가 시간 간격을 두고 상기 제1 방사선과 상기 제2 방사선을 모두 검출하는 것을 특징으로 하는 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상의 스테레오 영상을 기초로 상기 합성 영상에서 3차원 깊이 정보가 인식 가능한 영상을 제공하기 위한 것을 특징으로 하는 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 합성 영상은, 상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상의 중첩 영상이나, 상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상의 차이에 대한 영상, 상기 제1 방사선 영상 또는 상기 중첩 영상에서 상기 제2 방사선 영상을 제거한 영상이나, 또는 상기 제2 방사선 영상 또는 상기 중첩 영상에서 상기 제1 방사선 영상을 제거한 영상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    척추수술, 혈관 조영술, 또는 중재시술에서,
    상기 제1 방사선 영상은 상기 제1 에너지에서 뼈에 대한 영상이 강조되고,
    상기 제2 방사선 영상은 상기 제1 에너지 보다 큰 상기 제2 에너지에서 상기 뼈의 주변 연조직에 대한 영상이 강조되는 것을 특징으로 하는 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    척추수술, 혈관 조영술, 또는 중재시술에서,
    상기 제어장치는, 선택된 영상을 표시하는 디스플레이 상에 뼈에 대한 영상, 또는 상기 뼈의 주변 연조직에 대한 영상을 증강하여 표시하거나, 표시된 영상에서 병변 부위를 포함하는 선택된 영역에 대한 영상을 증강하여 표시하는 것을 특징으로 하는 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상을 처리하여, 3D 안경을 이용하여 3차원 깊이 정보가 인식 가능한 사람의 양안 영상에 대응되는 3D 모니터용 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 장치.
  9. 제1 에너지의 방사선을 대상체에 조사하고 상기 대상체를 투과하는 제1 방사선을 검출하는 단계;
    상기 제1 에너지 보다 큰 제2 에너지의 방사선을 피폭 저감을 위한 방사선 필터를 통과시켜 상기 대상체에 조사하고 상기 대상체를 투과하는 제2 방사선을 검출하는 단계; 및
    상기 제1 에너지의 방사선에 기초한 제1 방사선 영상, 상기 제2 에너지의 방사선에 기초한 제2 방사선 영상, 및 상기 제1 방사선 영상과 상기 제2 방사선 영상을 합성한 합성 영상 중 하나 이상을 선택적으로 제공하는 단계를 포함하고,
    상기 제공하는 단계에서,
    상기 합성 영상을 생성하기 위하여 하기의 수학식에 따라 상기 대상체의 조직들의 면밀도 mb와 mw를 추정함으로써 산출된 경계를 이용하며,

    여기서, I01 및 I02는 상기 제1 에너지의 방사선과 상기 제2 에너지의 방사선이 상기 대상체에 입사될 때의 각각의 세기, I1 및 I2는 상기 제1 에너지의 방사선과 상기 제2 에너지의 방사선이 상기 대상체를 투과할 때의 각각의 세기, (μ/ρ)b1 및 (μ/ρ)w1은 상기 제1 에너지의 방사선에서 상기 조직들 각각의 질량감쇠계수, (μ/ρ)b2 및 (μ/ρ)w2은 상기 제2 에너지의 방사선에서 상기 조직들 각각의 질량감쇠계수인 것을 특징으로 하는 이중-에너지 기반 스테레오 3D 투시영상 생성 방법.
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