KR200491390Y1 - 금속 인공음영 감소를 기초로 하는 분할 및 스펙트럼을 위한 장치 및 ct 시스템 - Google Patents
금속 인공음영 감소를 기초로 하는 분할 및 스펙트럼을 위한 장치 및 ct 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
분할 그리고 스펙트럼에 기초한 금속 인공음영 제거 시스템 그리고 프로그램은 엑스선 에너지 스펙트럼으로 알려진 주요 인공음영에 기여하는 샘플의 고밀도 금속들의 선험적 지식을 사용하는 다색의 엑스선 CT 시스템에 적용된다. 기준 물질들 분해를 이용하여, 프로그램은 선택된 엑스선 에너지 스펙트럼에서 수행되는 샘플의 단지 한번의 스캔을 이용하여 빔 하드닝과 연관된 금속 인공음영들을 줄이거나 제거하는 문제를 해결한다. 특히, 프로그램은 각 투사 각도에서의 금속의 두께 그리고 각 투사 각도에서의 엑스선 감쇠에 기초하여 분할된 고밀도 체적 데이터의 집합으로부터 고밀도 투사들의 집합들을 생성하고, 이러한 집합들을 정규화하고, 고밀도 투사들의 집합 그리고 저밀도 투사들을 이용하여 보정된 단층촬영 체적 데이터의 집합을 생성한다.
Description
본 고안은 장치 및 CT 시스템에 관한 것으로, 좀 더 금속 인공음영 감소를 기초로 하는 분할 및 스펙트럼을 위한 장치 및 CT 시스템에 관한 것이다.
엑스선(X-ray) 전산화 단층촬영(Computed tomography; 이하 CT)은 샘플들의 내부 구조를 검사하고 분석하는 비파괴적인 기술이다. 일반적으로, 엑스선은 샘플을 통해 이동하기 때문에, 엑스선은 샘플에 의해 흡수되거나 산란된다. 흡수되거나 멀리 산란되지 않은 엑스선은 샘플을 통해 투과되고 검출 시스템에 의해 검출된다. 검출 시스템에서 형성되는 이미지는 엑스선 투사(X-ray projection)로 알려져 있다. 단층촬영 체적 데이터의 집합(Tomographic volume data set)은 표준 CT 복원 알고리즘을 통해 다른 각도들에서 이러한 연속된 투사들로부터 복원된다. 엑스선 단층촬영 시스템은 종종 이차원, 단면적 영상들 또는 단층촬영 체적 데이터의 집합의 “슬라이스들(Slices)”에서 이러한 단층촬영 체적을 제시한다.
엑스선 단층촬영 시스템은 엑스선 투사들을 생성하기 위해 다색의 엑스선 빔들(Polychromatic X-ray beams)을 사용한다. 다색의 엑스선 발생기(Source)들은 엑스선 튜브들(실험실 발생기들) 또는 화이트 싱크로트론 빔들(White synchrotron beams), 또는 가속기 기반의 발생기들을 포함한다. 다색의 엑스선 빔들의 장점은 에너지 손실 필터가 필요하지 않아 주어진 발생기에서 전형적으로 단색의 빔들보다 강력하다는 것이다.
다색의 빔을 사용하는 경우, 투과된 엑스선 밀도는 빔이 물체를 이동하면서 에너지가 흡수되어 낮아지기 때문에 일반적으로 물질의 두께와 비례하지 않는다. 그 결과, 빔 하드닝(Beam hardening; BH)로 알려진 현상은 다색의 빔이 엑스선 투사를 생성하기 위해 사용된 경우에 종종 발생한다. 빔 하드닝은 엑스선이 샘플을 통과하면서 높은 엑스선 에너지를 향하는 투과된 엑스선 스펙트럼에서의 변화와 관련된다.
빔 하드닝은 종종 다색의 엑스선을 이용한 단층 엑스선 사진 촬영 장치의 복원에서 인공음영(Artifacts)을 생성한다. 빔 하드닝의 결과로 생성된 대표적인 화상인공음영은 패임 인공음영(Cupping artifacts) 그리고 줄무늬 인공음영(Streak artifacts)을 포함한다. 빔 하드닝은 물질의 두께에 대한 흡수의 선형화에 의해 단지 하나의 물질로 구성되는 개체(Object)를 효과적으로 보정될 수 있다. 그러나, 이러한 방법은 혼합된 물질들의 개체, 특히 저밀도(Low-Z) 물질들 그리고 고밀도(High-Z) 물질들을 모두 포함하는 물질에 대해서는 효과적이지 않다. 철(Fe) 그리고 금(Au)과 같은 원자 번호가 18보다 큰 금속들 또는 요소들과 같은 고밀도 요소들은 실리콘(Silicon, Si), 탄소(Carbon, C), 질소(Nitrogen, N), 그리고 산소(Oxygen, O)와 같은 저밀도 요소들보다 더 많이 엑스선을 흡수하기 때문에, 금속 요소 구조물은 엑스선에 노출될 때 더 심각한 빔 하드닝 인공음영을 생성한다. 이러한 인공음영은 금속 인공음영(Metal artifacts)으로도 알려져 있다. 추가로, 빔 하드닝 이외의 요인들은 엑스선 산란(X-ray scattering), 포아송 노이즈(Poisson noise), 그리고 움직임 그리고 가장자리 효과(Edge effects)와 같은 금속 인공음영의 생성을 야기할 수 있다.
엑스선 CT 이미지들에서 금속 인공음영 감소(Metal artifact reduction; MAR)의 현재 접근 방식은 일반적으로 세가지 방식으로 분류된다. 제 1 방식은 금속 결합을 감소시키기 위해 빔 하드닝 보정을 수행하는 N차 다항식 피팅(N-order polynomial fitting)을 사용한다. 여기서 제 1 그룹의 방법은 “BHC(Beam-hardening correction)”로 명명된다. 제 2 방식은 분석적 또는 반복적인 알고리즘들을 이용한 완료 방법을 따르는 투사에서의 금속의 분할/감산에 초점을 맞춘다. 제 3 방식은 인공음영을 통계적으로 그리고 반복적으로 감소시키고 억제하는 방식으로 접근하는 스펙트럼 기반의 또는 물리적인 모델링 방법을 사용한다.
이러한 인공음영을 감소시키기 위한 방식들 각각은 단점들을 갖는다. 제 1 MAR 방식은 단지 인공음영을 대략적으로 감소시킬 수 있고 단지 한 종류의 금속에 대해서만 적절하게 동작할 수 있다. 제 2 MAR 방식은 인공음영에 대해 부분적인 억제만을 제공하고, 그리고 샘플의 금속들에 대해 새로운 번짐 인공음영(Blurring artifacts)이 생길 수 있다. 이는 금속에 의해 숨겨진 샘플의 구조물들에 대한 정보가 지워지기 때문이다. 반면에, 제 3 MAR 방식은 이론적으로 대부분의 금속 인공음영을 감소시키거나 제거할 수 있고 그리고 투사에서 정보를 삭제하지 않기 때문에 일반적으로 좀 더 나은 결과를 얻을 수 있다. 그러나, 필요한 반복되는 과정 단계들의 수가 많기 때문에, 제 3 MAR 방식의 계산 효율은 낮다.
가장 최근에 PCT 출원(PCT/US2015/028032, 2015년 4월 28일 출원, WO2015/168147 A1 공개)에서 기준 물질들 분해 방법을 사용하는 분할-그리고-스펙트럼(Segmentation-and-spectrum)을 기초로 하는 MAR 방법이 설명되었다. 이 방법은 금속에 의해 숨겨진 정보들을 삭제하지 않으면서, 알려진 엑스선 에너지 스펙트럼에서 수행되는 샘플에 대해 단지 한번의 스캔을 사용하여 빔 하드닝과 연관된 인공음영들을 감소시키거나 제거하는 문제를 해결한다. 이는 MAR로의 현재 제 2 MAR 방식 그리고 제 3 MAR 방식들을 개선한다.
이러한 제 2 MAR 방식 그리고 제 3 MAR 방식의 장점들이 결합된 방식은 그들의 단점들을 피하면서 접근한다. 제 1 MAR 방식과 달리, 이러한 MAR 방식은 복수의 종류의 금속들에 대해 동작할 수 있다. 제 2 MAR 방식과 달리, 이러한 MAR 방식은 임의의 새로운 인공음영들의 도입을 최소화할 수 있고 그리고 샘플의 CT 복원된 이미지들에서 금속성의 구조물의 둘레의 세부 사항들을 제공할 수 있다. 제 3 MAR 방식과 달리, 이러한 MAR 방식은 비반복적이거나 또는 총 2회 또는 3회의 반복을 선택적으로 요구하고 그리고 이론상으로 스펙트럼 관련된 빔 하드닝 물리학을 기준으로 하여 금속 인공음영을 제거할 수 있다.
MAR 방식은 샘플에 입사된 다색의 엑스선의 스펙트럼의 에너지 분산(즉, 스펙트럼) 그리고 주요한 인공음영의 생성에 기여하는 샘플(여기서 에너지 스펙트럼은 검출기의 검출 민감도와도 결합된다)의 고밀도 금속의 물성에 대한 선험적 지식(Priori knowledge)을 이용한다.
첫 번째로, 원본 투사들은 기준 투사들(Baseline projections)로 간주된다. 예를 들면, 샘플의 기준 투사들을 사용하여, 방법은 FBP/FDK(Filtered Back Projection/Feldkamp-Davis-Kress) 복원 알고리즘을 통해 샘플에 대한 기준 단층촬영 체적 데이터의 집합을 생성할 수 있다.
그 다음에, 분할된 고밀도 금속 체적 데이터의 집합은 기준 단층촬영 체적 데이터의 집합으로부터 선택된 고밀도 금속을 위해 생성된다. 그러면 단지 고밀도 금속과 연관된 투사들의 집합만 분할된 고밀도 금속 체적 데이터의 집합에 대한 순방향 투사에 의해, 즉 순방향으로 투사된 고밀도 금속 투사들에 의해 생성된다. 고밀도 투사들은 분할된 고밀도 체적 데이터의 집합 내에서 각 투사 앵글에서 분할된 고밀도 요소의 두께들과 연관된다.
기준 물질들 분해의 개념은 이러한 방법을 적용한다. 고밀도 금속이 아닌 샘플의 다른 물질들은 선택된 또는 가정된 저밀도 요소/금속에 의해 “나타낼” 또는 “표현될” 수 있다. 즉, 저밀도 요소/금속은 저밀도 요소와 저밀도의 동등한 요소로 알려진 실리콘(Si) 또는 카본(C)이다. 그 결과, 샘플은 바람직하게는 두 개, 몇 개의 기준 물질들(선택된 엑스선 스펙트럼을 위해 이용되는 동일한 기준 투사들을 포함하는 고밀도 금속 요소 그리고 저밀도의 동등한 요소)을 포함하는 것으로 모델링 된다.
기준 투사들과 두 개의 기준 물질들 사이에서의 관계를 사용하여, 방법은 샘플의 CT 스캔 동안 엑스선 빔에서 샘플이 회전할 때 형성되는 각 투사 각도에서, 저밀도의 동등한 요소들의 두께들과 연관된 투사들의 집합을 계산한다. 이들은 또한 저밀도의 동등한 요소의 투사들의 집합으로 지칭된다. 룩업 테이블(Lookup table) 기술은 이러한 관계를 결정하기 위해 가장 일반적인 방법이다.
MAR 방법은 보정된 단층촬영 체적 데이터의 집합들(Corrected tomographic volume data sets)로 알려진, 샘플의 단층촬영 체적 데이터의 집합이 보정된 빔 하드닝을 생성하기 위해 저밀도의 동등한 요소의 투사들을 사용한다.
최종적으로, MAR 방법은 샘플의 보정된 단층촬영 체적 데이터의 집합을 생성하기 위해 단색의 엑스선 에너지 값의 선택과 함께 이미지 투사들을 이용한다. 이러한 목적을 위해서, 첫 번째로 방법은 고밀도 투사들을 정규화하고 번지게 한다. 그러면, 선택된 엑스선 에너지에서 보정된 단색의 융합된 투사들을 생성하기 위해, 선택된 단색의 엑스선 에너지를 기준으로 하여, 저밀도 투사와 동등한 투사들과 정규화된 고밀도 투사들을 융합한다. 그러면, 방법은 보정된 단색의 융합된 투사들로부터 단층촬영 체적 데이터의 집합을 복원한다.
본 고안은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로, 본 고안은 금속 인공음영 감소를 기초로 하는 분할 및 스펙트럼을 위한 CT 시스템을 제공할 수 있다.
본 고안은 분할 그리고 스펙트럼에 기초한 MAR의 개선에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 투사들의 복수의 집합들은 분할된 고밀도 금속 체적 데이터의 집합으로부터 생성된다. 이러한 투사들은 상이한 각도들에서 금속의 두께뿐만 아니라 엑스선 감쇠(Attenuation)에 기초하여 생성된다. 이는 금속의 좀 더 정확한 정의를 가능하게 한다.
가급적, 이러한 투사들의 집합들은 조합된다. 하나의 경우에 있어서, 고밀도의 감쇠된 투사들의 집합은 투사들의 두 집합들을 정규화하는 것에 의해 생성된다.
일반적으로, 일 측면에 따라, 본 고안은 엑스선 CT 시스템에 특징이 있다. 시스템은 엑스선 빔에 대한 샘플의 회전에 의해 기준 투사들의 집합을 생성하는 엑스선 이미징 시스템, 디스플레이 장치, 그리고 기준 투사들의 집합으로부터 상기 샘플의 기준 단층촬영 체적 데이터의 집합을 생성하고, 그리고 분할된 고밀도 체적 데이터의 집합을 생성하기 위해 상기 기준 단층촬영 체적 데이터의 집합으로부터 고밀도 구조물을 분할하는 컴퓨터 시스템을 포함하되, 분할된 고밀도 체적 데이터의 집합은 상기 디스플레이 장치에 표시된다.
본 고안에 따라, 고밀도 투사들의 집합들은 각 투사 각도에서의 금속의 두께 그리고 각 투사 각도에서의 엑스선 감쇠에 기초하여 분할된 고밀도 체적 데이터의 집합으로부터 생성된다. 저밀도의 동등한 투사들의 집합은 엑스선 빔의 에너지 스펙트럼을 고려하여 고밀도 투사들의 집합 또는 집합들을 이용하여 생성된다. 최종적으로 보정된 단층촬영 체적 데이터의 집합은 저밀도의 동등한 투사들 그리고 고밀도 투사들의 집합들로부터 생성된다.
일반적으로, 다른 측면에 따라, 본 고안은 엑스선 CT 장치에 특징이 있다. 장치는 엑스선 빔에 대한 샘플의 회전에 의해 기준 투사들의 집합을 생성하는 엑스선 이미징 장치, 그리고 디스플레이 장치를 포함한다. 장치는 기준 투사들의 집합으로부터 상기 샘플의 기준 단층촬영 체적 데이터의 집합을 생성하는 수단, 분할된 고밀도 체적 데이터의 집합을 생성하기 위해 상기 기준 단층촬영 체적 데이터의 집합으로부터 고밀도 구조물을 분할하는 수단, 각 투사 각도에서의 엑스선 감쇠 그리고 각 투사 각도에서의 금속의 두께에 기초하여 상기 분할된 고밀도 체적 데이터의 집합으로부터 고밀도 투사들의 집합들을 생성하는 수단, 엑스선 빔의 에너지 스펙트럼을 고려하여 고밀도 투사들의 집합 또는 집합들을 이용하여 저밀도의 동등한 투사들의 집합을 생성하는 수단, 그리고 상기 고밀도 투사들의 집합들 그리고 저밀도의 동등한 요소들의 투사들을 이용하여 보정된 단층촬영 체적 데이터를 생성하는 수단을 더 포함하되, 상기 보정된 단층촬영 체적 데이터는 상기 디스플레이 장치에 표시된다.
구성의 다양한 신규한 사항들 그리고 부분들의 조합, 그리고 다른 이점들까지 포함하는 본 고안의 상술한 그리고 다른 특징들은 좀 더 자세하게 첨부된 도면들 그리고 청구 범위를 참조하여 좀 더 자세하게 설명될 것이다. 본 고안이 적용된 특정한 방법 그리고 장치는 도해를 통해 보여지나 이것은 본 고안을 제한하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 고안의 원리 그리고 특징들은 본 고안의 범위에서 벗어나지 않고 다양하고 많은 실시 예들에 적용될 수 있다.
본 고안의 실시 예에 따른 엑스선 CT 시스템에 의하면, 빔 하드닝과 연관된 금속 인공음영들은 반복적인 과정을 통해 감소되거나 제거될 수 있다.
첨부된 도면에서, 참조 부호는 다른 도면들 전반에 걸쳐 동일한 부분을 참조한다. 도면들은 반드시 확장되지는 않고, 강조 대신에 본 고안의 원리를 설명하고 있다.
도 1a 내지 도 1f는 다색의 엑스선들로 스캔되는 샘플의 빔 하드닝 그리고 금속 인공음영을 도시하고, 도 1a는 고밀도 금속의 요소 구조물을 포함하는 예시적인 샘플의 팬텀 디자인을 도시하고, 도 1b는 감지기의 민감도의 영향을 포함하는 70kV(저에너지) 그리고 150kV(고에너지)에서의 두 개의 엑스선 에너지 스펙트럼들을 각각 도시하고, 도 1c 그리고 도 1d 각각은 저에너지 스캔 그리고 고에너지 스캔으로부터 단층촬영 이미지들의 금속 인공음영들을 도시하고, 그리고 도 1e 그리고 도 1f는 각각 샘플의 저에너지 단층촬영 이미지 그리고 고에너지 단층촬영 이미지의 선 모양의 함수로서 선형 감쇠 계수의 구성을 도시하고, 고에너지 단층촬영 이미지의 금속 인공음영들보다 저에너지 단층촬영 이미지의 금속 인공음영이 좀 더 심각하다.
도 2는 본 고안을 적용할 수 있는 엑스선 CT 시스템에 대한 블록도이다.
도 3a 내지 도 3c는 예시적으로 컴퓨터 시스템에서 프로그램 실행에 의해 수행되는 본 고안의 MAR에 대한 선호되는 실시 예를 도시하는 순서도이다.
도 4a 및 도 4b는 선택된 에너지에서의 기준 투사들 그리고 두 개의 기준 물질들 사이의 관계를 결정하기 위한 예시적인 룩업 테이블들을 도시하고, 유사한 룩업 테이블들은 도 3a 내지 도 3c의 순서도의 916 단계 내에서 사용될 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는 MAR의 상이한 예시적인 단계들의 출력과 연관된 이미지들을 도시하고, 도 5a는 샘플의 CT 스캔으로부터 기준 투사들의 집합을 도시하고, 도 5b는 도 5a의 기준 투사들로부터 생성된 샘플의 기준 단층촬영 이미지를 도시하고, 도 5c는 도 5b의 기준 단층촬영 이미지로부터 추출된 분할된 고밀도 금속 이미지를 도시하고, 도 5d는 도 5c의 분할된 고밀도 금속 이미지의 순방향 투사로부터 생성된 고밀도 투사들을 도시하고, 그리고 도 5e는 저밀도의 동등한 요소의 두께와 연관된 저밀도의 동등한 투사들의 집합을 도시한다.
도 1a 내지 도 1f는 다색의 엑스선들로 스캔되는 샘플의 빔 하드닝 그리고 금속 인공음영을 도시하고, 도 1a는 고밀도 금속의 요소 구조물을 포함하는 예시적인 샘플의 팬텀 디자인을 도시하고, 도 1b는 감지기의 민감도의 영향을 포함하는 70kV(저에너지) 그리고 150kV(고에너지)에서의 두 개의 엑스선 에너지 스펙트럼들을 각각 도시하고, 도 1c 그리고 도 1d 각각은 저에너지 스캔 그리고 고에너지 스캔으로부터 단층촬영 이미지들의 금속 인공음영들을 도시하고, 그리고 도 1e 그리고 도 1f는 각각 샘플의 저에너지 단층촬영 이미지 그리고 고에너지 단층촬영 이미지의 선 모양의 함수로서 선형 감쇠 계수의 구성을 도시하고, 고에너지 단층촬영 이미지의 금속 인공음영들보다 저에너지 단층촬영 이미지의 금속 인공음영이 좀 더 심각하다.
도 2는 본 고안을 적용할 수 있는 엑스선 CT 시스템에 대한 블록도이다.
도 3a 내지 도 3c는 예시적으로 컴퓨터 시스템에서 프로그램 실행에 의해 수행되는 본 고안의 MAR에 대한 선호되는 실시 예를 도시하는 순서도이다.
도 4a 및 도 4b는 선택된 에너지에서의 기준 투사들 그리고 두 개의 기준 물질들 사이의 관계를 결정하기 위한 예시적인 룩업 테이블들을 도시하고, 유사한 룩업 테이블들은 도 3a 내지 도 3c의 순서도의 916 단계 내에서 사용될 수 있다.
도 5a 내지 도 5e는 MAR의 상이한 예시적인 단계들의 출력과 연관된 이미지들을 도시하고, 도 5a는 샘플의 CT 스캔으로부터 기준 투사들의 집합을 도시하고, 도 5b는 도 5a의 기준 투사들로부터 생성된 샘플의 기준 단층촬영 이미지를 도시하고, 도 5c는 도 5b의 기준 단층촬영 이미지로부터 추출된 분할된 고밀도 금속 이미지를 도시하고, 도 5d는 도 5c의 분할된 고밀도 금속 이미지의 순방향 투사로부터 생성된 고밀도 투사들을 도시하고, 그리고 도 5e는 저밀도의 동등한 요소의 두께와 연관된 저밀도의 동등한 투사들의 집합을 도시한다.
본 고안의 예시적인 실시 예가 나타난 첨부 된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명 될 것이다. 그러나, 본 고안은 많은 다른 형태로 구현 될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되는 것으로 해석되어서는 안되고; 오히려 이러한 실시 예들은, 본 개시가 완전하도록 하며, 완전히 당업자에게 본 고안의 범위를 완전하게 전달할 것이다.
본 명세서에서 사용되는 "및/또는" 용어는 연관된 열거 항목들의 하나 이상의 임의의 그리고 모든 조합들을 포함한다. 게다가, 용어들(포함하다, 구성되다, 포함하는 및/또는 구성하는)이 본 명세서에서 사용되는 경우, 명시된 기능들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 및/또는 성분들의 존재를 지정하고, 그러나 하나 또는 그 이상의 기능들, 단계들, 동작들, 요소들, 성분들, 및/또는 그것들의 조합을 불가능하게 하지 않는다. 게다가, 성분 또는 하위시스템을 포함하는 요소가 다른 요소와 접속되거나 연결되는 것으로 및/또는 표시되는 것으로 참조될 때, 이는 다른 요소에 직접적으로 접속되거나 연결되고, 또는 요소들 사이에 존재하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단색의 엑스선을 위한, 베르의 법칙(Beer's Law, 수학식 1)은 엑스선은 순수한 물체를 통과할 때 감소될 수 있다는 것을 설명한다.
여기서 I0는 물체에 입사된 엑스선 강도이고, t는 물체의 두께이고, 그리고 I는 물체를 투과한 엑스선의 강도이다. 샘플의 밀도 ρ, 원자 번호 Z, 원자 질량 A, 그리고 엑스선 에너지 E에 따라, μ는 물체(만약 엑스선 에너지가 1.02MeV보다 크면, 광전 흡수(Photoelectric absorption) 그리고 콤프턴 산란(Compton scattering), 그리고 전자 쌍 효과(electron pair effect)를 포함)의 감쇠 계수(Attenuation coefficient)이다.
상술한 공식(수학식 1)은 적분(Integral) 형태로 수학식 2 및 수학식 3에서 다시 쓰여질 수 있다.
여기서, l은 물체를 통과하는 빔 경로이다. 이것은 CT 복원 알고리즘의 선 적분 요구를 완벽하게 만족한다. 그 결과, 단색의 엑스선에서 빔 하드닝 인공음영은 도입되지 않는다.
다른 한편으로는, 다색의 엑스선 발생기는 스펙트럼 D(E)를 넘어 엑스선을 생성한다. D(E)는 또한 간략화를 위해 검출기의 감도의 영향을 포함한다. 물체의 후속 강도 I는 수학식 4와 같이 주어진다.
μ(E)는 일반적인 E의 비선형적 함수이고, 수학식 5와 같이 주어진다.
여기서, 
(광전 흡수 요소), 그리고 
(콤프턴 산란 요소), 여기서 f KN 은 Klein-Nishina 공식이다.
μ(E)는 일반적인 E의 비선형적 함수이기 때문에, 다색의 엑스선 발생기로부터의 엑스선의 투과는 CT 복원 알고리즘의 선 적분 요구를 만족할 수 없다. μ high -energy < μ low -energy는 물질은 고에너지의 엑스선(High-energy X-rays)보다 저에너지의 엑스선(Low-energy X-rays)을 더 흡수한다는 것을 의미한다. 빔 하드닝(BH)으로 알려진, 샘플을 투과하여 감쇠된 엑스선의 출력 스펙트럼은 “움직임”이 어려워지게 되면서 나타난다. 고밀도 금속 물질들은 더 심각한 빔 하드닝 문제를 갖고, 샘플의 CT 복원 단층촬영 이미지에서 전형적인 금속 인공음영의 존재를 야기한다.
도 1a 내지 도 1f는 빔 하드닝의 문제, 그리고 본 고안에서 사용되는 두 가지의 엑스선 에너지에서 빔 하드닝으로 인해 생기는 금속 인공음영들(106)을 도시한다.
도 1a는 복수의 고밀도 요소들 그리고 저밀도 요소들을 포함하는 샘플(114)의 팬텀 디자인(Phantom design)을 보여준다. 요소들은 망간(Manganese, Mn), 철(Iron, Fe), 니켈(Nickel, Ni), 구리(Copper, Cu), 코발트(Cobalt, Co), 그리고 탄소(Carbon, C)를 포함한다.
도 1b는 저에너지 70kV 그리고 고에너지 150kV에서의 두 개 단색의 엑스선 스펙트럼들을 보여준다.
도 1c 그리고 도 1d는 빔 하드닝으로 인해 보정되지 않은 인공음영들(106)을 포함하는 샘플(114)의 복원된 이미지들을 보여준다. 도 1c는 70kV에서 동작하는 저에너지 단색의 엑스선 발생기를 사용하여 생성된다. 반면에, 도 1d는 150kV에서 동작하는 고에너지 단색의 엑스선 발생기를 사용하여 생성된다.
도 1e 그리고 도 1f는 저에너지 그리고 고에너지 스캔들의 복원된 이미지들의 선형 감쇠 계수들의 프로필 비교를 보여준다. 도시된 대로, 복원된 이미지들에서 금속 인공음영 그리고 빔 하드닝 인공음영들은 에너지에 의존적이다. 금속 인공음영 그리고 빔 하드닝의 인공음영은 고에너지의 CT보다 저에너지의 CT에서 좀 더 심각하다. 예를 들면, 저에너지 감쇠 상수는 고밀도 요소들의 가장자리(Edges)에서 피킹(Peaking) 그리고 저밀도의 동등한 필러(Filler) 물질에서 저점(Trough, 154)을 보인다.
도 2는 본 고안을 적용할 수 있는 엑스선 CT 시스템(200)에 대한 블록도이다. 엑스선 CT 시스템(200)은 다색의 엑스선 빔(Polychromatic X-ray beam, 103)을 생성하는 엑스선 발생기 시스템(X-ray source system, 102) 그리고 샘플(114)을 고정하기 위한 샘플 홀더(Sample holder, 112)를 이용하는 회전 스테이지(Rotation stage, 110)를 갖는 엑스선 이미징 시스템을 포함한다. 이미지들 또는 엑스선 투사들은 감지기 시스템(Detector system, 118)에 의해 수집된다. 컴퓨터 시스템(Computer System, 124)은 일반적으로 이러한 이미지를 수신하고 처리하고 시스템(200)의 일반적인 제어를 제공한다.
발생기(102)는 가급적 흔히 볼 수 있고 상대적으로 저비용인 “실험실 엑스선 발생기(Laboratory x-ray source)”이다. 그럼에도 불구하고, 싱크로트론 발생기(Synchrotron sources)들 또는 가속기 기반의 발생기들(accelerator-based sources)이 다르게 선택 가능하다.
발생기(102)는 전자들이 진공에서 전계(Electric field)에 의해 가속되고 그리고 금속의 타깃 부분으로 움직이는, 전자들이 금속에서 감속되어 방출되는 엑스선을 이용하는 엑스선 튜브(X-ray tube)일 수 있다. 일반적으로, 이러한 발생기들은 사용된 타깃 금속의 종류에 따라, 선택된 타깃(104)의 특성 라인들로부터 나오는 특정 에너지에서 날카로운 피크 강도와 결합되는 배경 엑스선의 연속적인 스펙트럼을 생성한다. 게다가, 엑스선 빔들은 발산하고 공간적 그리고 시간적 간섭성(Coherence)이 부족하다.
하나의 예에 있어서, 발생기(102)는 텅스텐(Tungsten) 타깃의 회전 양극 타입의 발생기 또는 미소초점 발생기이다. 타깃은 몰리브덴(Molybdenum), 금(Gold), 백금(Platinum), 은(Silver) 또는 구리(Copper)가 적용될 수 있다. 바람직하게, 투과 구성은 전자 빔이 얇은 타깃(104)의 후면으로부터 얇은 타깃(104)에 충돌하는 것이 사용된다. 타깃(104)의 다른 면으로부터 방출된 엑스선들은 빔(Beam, 103)으로서 사용된다.
다른 좀 더 구체적인 예에서, 발생기(102)는 미국 등록 특허(7443953 B1)에서 설명된 것과 같은 구조화 된 양극 엑스선 발생기이고, 그것의 내용은 그 전체가 본 고안에 참고로 인용된다. 이러한 경우, 발생기(102)는 원하는 타깃 물질로 이루어진 얇은 상부층 및 우수한 열 특성, 저밀도의 그리고 낮은 원자 번호 물질들로 이루어진 하부층을 갖는다. 예를 들어, 양극은 베릴륨(Beryllium) 또는 다이아몬드 기판 상에 증착되는 최적의 두께를 갖는 구리 층을 포함할 수 있다.
본 고안에서 설명되는 단층촬영 어플리케이션에 적합한 에너지를 갖는 방사선을 생성하는 엑스선 레이저가 또한 적용될 수 있다.
여전히 다른 예에 있어서, 발생기(102)는 Excillum AB, Kista, Sweden에서 사용할 수 있는 금속 제트(Jet) 엑스선 발생기이다. 발생기의 이러한 형태는 양극이 액체 금속 제트(Liquid-metal Jet)인 미소초점 튜브들(Microfocus tubes)을 사용한다. 따라서, 양극은 연속적으로 재생성되고 이미 용융된다.
바람직하게, 발생기(102)는 샘플과 발생기 사이의 거리(202)를 독립적으로 조정을 가능하게 하는 z축 스테이지의 발생기에 배치된다.
발생기(102)에 의해 생성되는 엑스선 빔(103)은 발생기의 동작 파라미터들(Operating parameters)에 의해 일반적으로 제어되는 에너지 스펙트럼을 갖는다. 실험실 발생기의 경우, 지시된 파라미터들은 타깃의 물질 그리고 가속 전압을 포함한다. 에너지 스펙트럼은 불필요한 에너지들 또는 방사선의 파장들을 억제하는 임의의 조절 필터에 의해 결정된다. 예를 들면, 빔에서 존재하는 불필요한 파장들은 예를 들면, (원하는 엑스선 파장 범위(대역폭)를 선택하도록 설계된) 에너지 필터(107)를 이용하여 제거되거나 감쇠된다. 그럼에도 불구하고, 필터(107)는 투과된 빔(103)의 총 에너지 또는 대역폭을 실질적으로 줄이지 않는다. 예를 들면, 바람직하게 필터(107)는 50% 이상으로 빔(103)의 파워를 줄이지 않는다. 바람직한 실시 예에서, 빔의 파워는 30% 이상으로 감소되지 않는다. 엑스선 발생기(102)에 의해 생성되는 다색의 엑스선들의 대부분이 샘플(114)을 비추도록 보존되는 것이 적절하다. 중심 엑스선 에너지에 대한 엑스선 에너지 밴드의 FWHM(Full width half maximum)의 비율로 정의된 바와 같은 일반적으로 사용되는 엑스선들의 대역폭은 40% 이상이다. 예를 들면, 중심 에너지 부근에서의 적어도 20keV의 에너지 밴드의 50keV의 중심 에너지가 사용된다. 일반적인 대역폭은 적어도 20% 이고, 이는 발생기의 가능한 유동(Flux)이 너무 크게 성능을 줄이거나 및/또는 동작을 느리게 하기 때문이다.
샘플(114)이 엑스선 빔(103)에 노출되는 때, 샘플을 투과한 엑스선 광자들은 감지기 시스템(118)에 의해 수신되는 감쇠된 엑스선 빔(105)을 형성한다. 다른 예들에 있어서, 대물 렌즈(Objective lens)가 엑스선 이미징 시스템의 감지기 시스템(118)에서 이미지를 형성하기 위해 사용된다.
샘플(114)의 확대된 투과 이미지는 기하학적인 배율을 사용하여, 발생기와 감지기 사이의 거리(204)에 대한 발생기와 샘플 사이의 거리(202)의 역비율과 동일한 배율로 감지기 시스템(118)에 형성된다. 일반적으로, 엑스선 스테이지의 기하학적인 배율은 2 그리고 100 사이거나 그 이상이다. 이 경우, 엑스선 이미지의 해상도는 초점의 크기 또는 엑스선 발생기 시스템(102)의 가상 크기에 의해 제한된다.
고해상도를 달성하기 위해, 엑스선 CT 시스템(200)의 현재의 실시 예는 샘플(114)을 엑스선 발생기 시스템(102)에 가깝게 위치시키는 것과 함께 매우 높은 해상도 검출기 시스템(118)을 더 사용한다. 하나의 실시 예에 있어서, 신틸레이터(Scintillator, 119)가 2 그리고 100 사이, 또는 그 이상의 추가적인 배율을 제공하기 위해 현미경 대물렌즈(Microscope objective, 121)와 함께 사용된다.
기하학적인 배율을 조절하기 위해, 오퍼레이터(Operator)는 발생기와 샘플 사이의 거리(202) 그리고 발생기와 감지기 사이의 거리(204)를 조절하기 위해 컴퓨터 시스템(124)의 사용자 인터페이스 어플리케이션(User interface application, 126)을 사용한다. 오퍼레이터는 원하는 기하학적인 배율을 달성하기 위해 이러한 거리들을 조절한다.
컴퓨터 시스템은 예를 들면, 메모리에 접근하는 중앙 처리 유닛(Central processing unit)과 같은 컨트롤러(130)를 포함한다. 일반적으로 하나 이상의 입력 장치들(142)을 통해 입력된, 오퍼레이터에 의해 정의된 파라미터들에 기초하여, 컴퓨터 시스템(124)의 컨트롤러(122)는 컨트롤러(122)를 통해 CT 스캔을 수행하기 위해, 빔(103)에 대해 샘플을 회전하도록 회전 스테이지(110)에 지시한다. 본 고안의 실시 예들에 따라, 엑스선 감지 시스템(118)은 엑스선 감지기 시스템(118) 내에서 픽셀 크기(Pixel size)를 변경함으로써 샘플(114)의 시야를 조정하는 기능도 제공한다.
픽셀들에서, 감지기 시스템(118)은 감지기 시스템(118)의 신틸레이터(119)와 상호 작용하는 감쇠된 엑스선 빔(105)으로부터 엑스선 광자들의 이미지 표현을 생성한다. 감지기 시스템(118)에서 형성된 이미지는 또한 엑스선 투사(X-ray projection) 또는 엑스선 투사 이미지(X-ray projection image)로 알려져 있다.
하나의 예에서, 컴퓨터 시스템(124)은 이미지 프로세서(120) 그리고 유저 인터페이스 어플리케이션(126)을 포함한다. 컴퓨터 시스템(124)에 연결된 디스플레이 장치(136)는 엑스선 CT 시스템(200), 일반적으로 컴퓨터 시스템(124)의 유저 인터페이스 어플리케이션(126)의 정보를 표시한다. 터치 스크린 및/또는 컴퓨터 마우스와 같은 입력 장치(142)는 오퍼레이터, 컴퓨터 시스템(124), 그리고 디스플레이 장치(136) 사이의 상호 작용을 가능하게 한다.
컴퓨터 시스템(124)은 컴퓨터 시스템(124)과 연결된 데이터베이스(Database, 150)로부터 정보를 로드하고 데이터베이스(150)에 정보를 저장한다. 컨트롤러(122)는 오퍼레이터가 제어하도록 하고 그리고 컴퓨터 시스템(124)을 통한 소프트웨어 제어에 따라 엑스선 CT 시스템(200)의 요소들을 관리하도록 하는 컨트롤러 인터페이스(130)를 갖는다.
컨트롤러(122)는 컨트롤러 인터페이스(130)를 갖는 요소들을 제어한다. 컨트롤러 인터페이스(130)를 갖는 요소들은 이미지 프로세서(Image processor, 120), 감지기 시스템(118), 회전 스테이지(110), 그리고 엑스선 발생기 시스템(102)을 포함한다.
유저 인터페이스 어플리케이션(126)을 이용하여, 오퍼레이터는 CT 스캔 파라미터들(232)을 정의하거나/선택한다. 이러한 CT 스캔 파라미터들(232)은 엑스선 발생기 시스템(102)의 노출 시간 그리고 스캔의 엑스선 에너지 스펙트럼을 정의하거나 세팅(Setting)하는 엑스선 전압을 포함한다. 오퍼레이터는 또한 샘플(114)에 입사된 엑스선 빔(103)의 시야, 샘플(114)을 생성하기 위한 엑스선 투사 이미지들의 수, 그리고 엑스선 빔(103)의 엑스선 CT 스캔을 위한 샘플(114)을 회전시키기 위한 회전 스테이지(110)의 회전 각도 같은 다른 세팅들을 일반적으로 선택할 수 있다.
컴퓨터 시스템(124)은 이미지 프로세서(120)의 지원과 함께, 샘플(114)의 각 회전 각도와 연관된 감지기 시스템(118)로부터 투사 정보 또는 이미지를 받아들인다. 이미지 프로세서(120)는 샘플(114)의 각 회전 각도의 분리되는 투사 이미지를 생성하고, 샘플을 위한 3차원 단층촬영 체적 정보를 생성하기 위한 CT 복원 알고리즘을 이용한 투사 이미지들을 결합한다. 이 정보는 디스플레이 장치(135)에 표시된다.
흡수 참조 데이터(Absorption reference data, 230)는 상이한 엑스선 에너지들에서 상이한 물질들의 흡수 특성들과 관련된다.
도 3a 내지 도 3c는 예시적으로 컴퓨터 시스템(124), 또는 다른 컴퓨터 시스템 또는 계산 자원(Compute resource)에서 프로그램 실행에 의해 수행되는 MAR의 세부사항을 제공하는 순서도이다.
902 단계에서, 샘플(114)에서 주요한 인공음영들(106)에 기여하는 고밀도 금속들이 식별된다. 일반적으로, 고밀도 물질들의 존재 그리고 샘플(114)에서 주요한 인공음영들(106)의 생성에 기여하는 그러한 물질들의 종류에 대한 선험적 지식이 있고, 그리고 따라서, 이 정보는 오퍼레이터에 의해 입력되거나 또는 데이터베이스(예를 들면, 150)로부터 수신된다. 예를 들면, 대부분의 반도체 생산 과정에서, 원소 성분(Elemental constituents)은 이미 알려지고 잘 정의되어 있다. 다른 예들에 있어서, 이 정보는 이미지 프로세서(120)에 의한 이미지 분석에 의해 결정된다. 보통, 하나 이상의 고밀도 금속들이 선택된다.
904 단계에서, 프로그램은 오퍼레이터가 감지기 시스템(118)의 감도의 영향을 포함하는 엑스선 발생기(102)의 전압 세팅을 선택 가능하게 한다. 이러한 동작은 유효 에너지 스펙트럼을 정의하는 것으로 알려져 있다. 예들에 있어서, 유효 에너지 스펙트럼의 선택은 스캔 파라미터들(232)의 필터(107) 선택과 또한 연관된다. 에너지 스펙트럼은 물리적인 측정 또는 이미지 프로세서(120)에 의해 수행되는 시뮬레이션 프로그램에 의해 미리 측정되거나 및/또는 추정될 수 있다.
906 단계에서, 엑스선 CT 시스템(200)은 컴퓨터 시스템(124)의 제어에 따른 스캔 파라미터들(232)에 따라 선택된 엑스선 에너지 스펙트럼에서 샘플(114)의 CT 스캔을 수행한다. 스캔에 응답하여, 908 단계에서, 프로그램은 이미지 프로세서(120)가 엑스선 CT 시스템(200)의 엑스선 발생기(102)로부터 엑스선 빔(103)의 샘플을 회전시킴으로써 샘플(114)의 기준 투사(502)의 집합을 생성하게 할 수 있다. 게다가, 일반적으로, 임의의 스캔 궤적은 다른 연속적이고 비연속적인 궤적들과 함께, 동시에 회전되고 변형되는 나선형 단층촬영을 포함할 수 있다. 어떤 실시 예들에 있어서, 그러나, 이미지 프로세서(120)는 원본 기준 투사들로부터 빔 하드닝 효과를 보정하기 위한 N차 다항식 피팅 알고리즘(N-order polynomial fitting algorithm)을 이용하여 BHC(Beam-hardening corrected) 투사들의 집합을 더 생성한다. BHC 투사들은, 결과적으로, 910 단계에서 금속 분할을 위한 개선된 복원을 제공할 수 있다. 그러나, 원본 기준 투사들은 여전히 아래에서 포함되는 916 단계에서 기준 물질 분해를 위해 필요하다.
예시적인 기준 투사(502)는 도 5a에서 나타난다. 이 투사는 1차원적인 평행 빔을 이용하는 시뮬레이션을 기초로 한다. 1차원 평행 빔을 사용하는 경우, 기준 투사들/이미지(502)의 집합은 부비강조영상(Sinogram)이라 불린다. 다른, 좀 더 전형적인 시나리오에서, 조명 엑스선 빔은 도 2에서 도시된 엑스선 빔(103)과 같은 원추형 형상을 갖는다.
910 단계에서, 이미지 프로세서(120)는 기준 투사들(502)로부터 샘플의 기준 단층촬영 체적 데이터의 집합(504)을 생성하거나, 또는 BHC 기준 투사들(502)로부터 BHC 기준 단층촬영 체적 데이터의 집합(504-1)을 생성한다. 기준 단층촬영 체적 데이터의 집합(504)은 종종 인공음영을 위해 보정되지 않는다. 여기서, 표준 CT 복원 알고리즘은 FBP/FDK(Filtered back projection and FDK method)를 포함할 수 있다. 모든 후속 단계에서, 910 단계의 결과로서 생성되는 체적 데이터의 집합들(504, 504-1)은 샘플(114)의 기준 단층촬영 체적 데이터의 집합(504)으로 집합적으로 참조된다.
기준 단층촬영 체적 데이터의 집합(504)으로부터 예시적인 이미지는 도 5b에서 나타난다. 그것은 고밀도 물질의 구조물로부터 방사되는 명백한 인공음영들(106)을 포함한다.
912 단계에 따라, 고밀도 금속들은 분할된 고밀도 금속 체적 데이터의 집합(506)을 생성하기 위해 기준 단층촬영 체적 데이터의 집합(504)으로부터 분할된다. 다른 분할 기반 MAR 방법과 유사한 방식으로, 하나 이상의 문턱값들이 기준 단층촬영 체적 데이터의 집합(505)으로부터 고밀도 금속의 부분을 분할하기 위해, 분할된 고밀도 금속 체적 데이터의 집합(506)을 생성하기 위해 적용된다. 대안으로, 다른 분할 방법들이 고밀도 금속 특성을 분리하기 위해 적용될 수 있다.
예시적인 분할된 고밀도 금속 체적 데이터의 집합(506)이 도 5c에서 도시된다. 고밀도 물질(들)의 위치에서 흰색 점들에 특징이 있다.
914-1 및 914-2 단계들은 입력으로서 분할된 고밀도 금속 체적 데이터의 집합(506)을 받아들이고, 분할된 고밀도 금속 체적 데이터의 집합(506)에 따라 상이한 순방향 투사 동작들을 실행한다.
914-1 단계에서, 프로그램은 각 투사 각도에서 분할된 고밀도 금속의 두께와 연관된 고밀도 두께 투사들의 집합(508/FPt)을 생성하기 위해 각 투사 각도에서 분할된 고밀도 금속의 두께에 기초하여 분할된 고밀도 금속 체적 데이터의 집합(506)의 순방향 투사(Forward projection; FP)를 실행한다. 작은 균열(Crack)은 두께 문턱값에 의해 떨어져 나가기 때문에 일반적으로 고밀도 두께 투사들의 집합(508/FPt)은 샘플(114)의 고밀도 구조물 내에서 큰 균열과 연관된 정보를 포함한다. 고밀도 투사들의 집합(508/FPt)의 각각은 엑스선 빔(103)에서 샘플(114)이 회전할 때 사용되고 기준 투사들(502)이 획득될 때 각 투사 각도에서 고밀도 금속의 두께와 연관된 정보를 제공한다.
고밀도 두께 투사들의 집합(508/FPt)으로부터 예시적인 합성의 고밀도 투사는 도 5d에서 도시된다. 좀 더 일반적인 원추형 빔 기하학적 구조에서, 3차원의 분할된 고밀도 금속 체적 이미지들은 3차원의 고밀도 원추형 빔 투사들로부터 3차원 원추형 빔 순방향 투사 기술을 사용하여 생성된다.
실제로, 실제의 엑스선 CT 시스템(200)은 이미지들 내 물체들의 가장자리(Edges)에서 (가장자리의 이상적인 단계 기능 동작과 비교하여) 번지게 되는 해상도 제한을 갖는다. 순방향으로 투사된 고밀도 금속 투사 집합의 가우시안 블러(Gaussian blur)는 그러므로 가급적 실제 시스템의 해상도 제한과 일치하게 하기 위해 수행된다. 그 결과, 고밀도 투사들의 가장자리(508/FPt) 또한 번지게 된다.
914-2 단계에서, MAR 프로그램은 고밀도 엑스선 감쇠된 투사들의 집합(508/FPa)을 생성하기 위해 각 투사 각도에서 분할된 고밀도 금속의 엑스선 감쇠에 기초하여 분할된 고밀도 금속 체적 데이터의 집합(506)의 순방향 투사를 실행한다. 고밀도 두께 투사들의 집합(508/FPt)과 달리, 고밀도 엑스선 감쇠된 투사들의 집합(FPa)은 두께 문턱값을 사용하지 않기 때문에 샘플(114)의 고밀도 구조물 내에서 모든 균열의 정보를 포함할 수 있다.
915 단계는 고밀도 두께 투사들의 집합(508/FPt) 그리고 고밀도 엑스선 감쇠된 투사들의 집합(FPa) 모두를 입력으로서 수신한다. 고밀도 엑스선 감쇠된 투사들의 집합(FPa)은 추가적으로 고밀도 두께 투사들의 집합(508/FPt)에 정규화(Normalized)되고 그리고 정규화된 고밀도 투사들의 집합(508-1)을 생성하기 위해 번지게 된다.
916 단계에서, 저밀도의 동등한 (금속이 아닌) 요소 투사들의 집합(510)을 생성하기 위해, 고밀도 두께 투사들(508/FPt)과 함께 기준 투사들(502) 그리고 선택된 에너지에서 가급적 두 개 이상의 기준 물질들 사이의 관계에 따라 기준 물질들 분해가 수행된다. 916 단계의 기준 물질들 분해는 기준 투사들의 집합(502)을 생성하는 때 904 단계에서 사용되는 엑스선 발생기의 에너지 스펙트럼과 동일한 에너지 스펙트럼을 사용하여 실행된다는 것도 중요하다.
두 개의 기준 물질들은 바람직하게 금(Au)과 같은 샘플(114)의 고밀도 요소, 그리고 실리콘(Si)과 같은 저밀도의 동등한 물질을 포함한다.
샘플(114)에서 (주요 금속을 제외하고) 모든 다른 물질들은 저밀도의 동등한 요소에 의해 표현되거나 설명될 수 있다. 이러한 과정의 일부로서, 이미지 프로세서(120)에서, 두 개의 기준 물질들(즉, 고밀도 금속 요소 그리고 저밀도의 요소와 동등한 요소)의 두께, 그리고 선택된 에너지 스펙트럼에서 엑스선 감소에 따른 그것들의 사이의 관계를 결정하기 위해 룩업 테이블(LUT)이 사전에 적용된다. 룩업 테이블의 사용에 관한 자세한 정보는 이하에서 포함되는 도 4a 및 도 4b와 연관된 설명과 함께 제공된다.
실제로, 엑스레이 CT 시스템(200)의 해상도 제한 때문에, 이상적인 룩업 테이블을 적용할 때, 약간의 이동(Drift)이 발생된다. 이러한 이동은 저밀도의 동등한 투사들(P0, 510)에서 가장자리에서의 스파이크(Spike), 그리고 고밀도 금속에 의해 숨겨지는 샘플의 부분에 대한 비정상적인 음수 값들과 같은 예상치 못한 현상을 야기한다. 저밀도의 동등한 투사들(510)의 이러한 현상의 효과는 투사들로부터 복원된 이미지들의 새로운 인공음영들의 도입을 포함한다.
917 단계에서, 이미지 프로세서(120)는 저밀도의 동등한 투사들(P0)의 부드러운 집합을 생성하기 위해 선택적으로 필터 또는 가장자리(즉, 스파이크)를 부드럽게 하는 동작 그리고 저밀도의 동등한 요소 투사들(510)의 비정상적인 음수 값들(즉, 음수가 아닌 제약)을 제거하는 동작을 수행한다. 참조 숫자 510-1은 917 단계에서 생성된 저밀도의 동등한 투사들이 선택적으로 부드럽게 된 형태를 나타낸다.
이후, 프로그램 전이 918 단계는 입력으로서 916 단계에서 생성된 저밀도의 동등한 요소 투사들(510) 또는 917 단계로부터 그것들의 부드럽게 된 형태(510-1) 중 어느 하나와 함께, 915 단계에서 생성된 정규화된 고밀도 투사들의 집합(508-1)을 받아들인다.
918 단계에서, 프로그램은 선택된 단색의 엑스선 에너지에 기초하여, 저밀도 투사들(510) 또는 부드럽게 된 고밀도 투사들(510-1) 중 어느 하나와 정규화된 고밀도 투사들(508-1)을 융합(혼합/조합/통합)한다. 그 결과, 샘플(114)의 단색의 융합된 투사들의 집합(511)은 918 단계의 결과에 따라 생성되고, 모든 가상의 빔 하드닝 인공음영들은 단색의 융합된 투사들(511)로부터 제거된다.
922 단계에서, 프로그램은 단색의 융합된 투사들(511)로부터 샘플의 보정된 단층촬영 체적 데이터의 집합(514-2)을 복원한다. 924 단계에 따라, 프로그램은 보정된 단층촬영 체적 데이터의 집합(514-2)의 화질이 개선될 수 있는지를 결정한다. 많은 경우들에 있어서, 추가적인 과정은 필요하지 않다. 만약 개선이 필요하지 않으면, 프로그램은 종료하거나 926 단계 과정을 종료한다. 그렇지 않으면, 보정된 단층촬영 체적 데이터의 집합(514-2)을 개선하기 위해 반복적인 과정 루프(950)에 따라 928 단계로 이동한다.
928 단계는 보정된 단층촬영 체적 데이터의 집합(514-2)의 화질을 개선하기 위한 반복 과정 루프(950)의 첫 번째 과정이다. 과정 루프는 또한 930 단계, 932 단계, 918 단계, 922 단계, 그리고 924 단계를 포함한다. 928 단계에서, 프로그램은 보정된 단층촬영 체적 데이터의 집합(514-2)으로부터 저밀도의 동등한 단층촬영 체적 데이터의 집합(512)을 분할한다. 930 단계에서, 프로그램은 저밀도의 동등한 투사들 Pi(여기서, i=1, 2, … N)의 새로운 집합을 생성하기 위해 928 단계에서 제공된 저밀도의 동등한 단층촬영 체적 데이터의 집합(512)의 순방향 투사를 수행하고 그리고 저밀도의 동등한 투사들의 집합을 정규화한다. 저밀도의 동등한 투사들의 새로운 집합은 510-2로 참조된다.
932 단계에서, 프로그램은 통합된 저밀도 요소 투사들 Pi.'의 집합을 생성하기 위해, Pi 그리고 P0로부터 고밀도 금속에 의해 숨겨진 샘플(114)의 부분들의 통합을 수행한다. 저밀도 요소 투사들 Pi.'의 집합은 510-3으로 참조된다.
918 단계에서, 새로운 단색의 융합된 투사들(511)을 생성하기 위해 저밀도 투사들의 (통합된) 집합(510-3)은 동일한 단색의 엑스선 에너지에 기초하여 정규화된 고밀도 투사들(508-1)과 조합된다. 새롭게 보정된 단층촬영 체적 데이터의 집합(514-2)은 새롭게 단색의 융합된 투사들(511)의 보정된 형태로부터 생성되거나/복원된다.
최종적으로, 924 단계에서, 프로그램은 보정된 단층촬영 체적 데이터의 집합(514-2)의 화질이 개선될 수 있는지를 다시 결정한다. 만약 화질의 개선이 가능한 것으로 초기에 결정되면, 보정된 단층촬영 체적 데이터의 집합(514-2)의 화질의 최적의 개선을 달성하기 위해 일반적으로 과정 루프(950)와 연관된 단계들의 필요한 반복 수가 2회를 넘지 않는 것으로 실험 결과가 보여준다.
도 4a 및 도 4b는 금속 인공음영을 제거하기 위해 사용되는 룩업 테이블들(Look-up tables; LUTs)을 보여준다. 룩업 테이블들은 샘플 내 요소들에 대한 선험적 지식을 사용하여 생성된다. 주어진 에너지 스펙트럼에서, 룩업 테이블들은 요소의 두께에 대한 함수로서 요소를 위한 엑스선 감쇠 값을 제공한다. 예를 들어, 주요 메탈이 금(Au)이고 저밀도의 동등한 요소는 실리콘(Si)이라 가정한다. 금(Au) 그리고 실리콘(Si)의 상이한 두께, t Au 그리고 t Si 로 구성되는 샘플에 대한, 엑스선 감쇠(즉, 통과), 
는 수학식 6에서 주어진 스펙트럼, D(E)에서 계산될 수 있다.
상술한 수학식 6에 따라, 초기 룩업 테이블은 도 4a에서 도시된 바와 같이 생성될 수 있다. y축은 t Si , x축은 t Au 그리고 테이블의 값들은 
이다. 
를 
로 반전하면, 반전된 룩업 테이블이 초기 룩업 테이블로부터 도 4b에서 도시된 바와 같이 생성될 수 있다.
도 4b에서, y축은 
, x축은 t Au 그리고 테이블의 값들은 t Si 이다. 실제로, 실제 경우들의 투사들은 
와 동등한 것으로 여기고, 동등한 저밀도의 요소의 두께, t Si , 는 알려진 투사 값들 
, 그리고 금속의 두께, t Au ,와 함께 반전된 룩업 테이블을 이용하여 계산된다. 이미지 프로세서(120)는 고밀도 요소 투사들(508) 그리고 기준 투사들(502)을 기초로 하여 저밀도의 동등한 투사들의 집합(510)을 생성한다. 저밀도의 동등한 투사들의 집합(510)의 투사들 각각은 엑스선 빔(103)의 샘플(114)이 회전할 때 각 투사 각도에서 형성되는 저밀도의 동등한 요소의 두께와 연관된 정보를 제공한다. 예시적인 저밀도의 동등한 투사들의 집합(510)은 도 5e에서 도시된다.
본 고안은 특정하게 나타나고 그리고 그것의 우선의 실시 예들을 참고로 하여 설명되었으나, 형태 및 세부 사항에서 다양한 변화가 첨부 된 청구 범위가 포함하는 고안의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 당업자는 이해할 것이다.
102: 엑스선 발생기 시스템
110: 회전 스테이지
114: 샘플
118: 감지 시스템
120: 이미지 프로세서
122: 컨트롤러
124: 컴퓨터 시스템
200: 엑스선 CT 시스템
110: 회전 스테이지
114: 샘플
118: 감지 시스템
120: 이미지 프로세서
122: 컨트롤러
124: 컴퓨터 시스템
200: 엑스선 CT 시스템
Claims (14)
- 엑스선 빔에 대해 회전 스테이지로 샘플을 회전시킴으로써 기준 투사들의 제 1 집합을 생성하는 엑스선 이미징 시스템;
디스플레이 장치; 그리고
CT 스캔을 수행하도록 상기 엑스선 빔에 대해 상기 샘플이 회전하도록 상기 회전 스테이지에 지시하고, 상기 기준 투사들의 상기 제 1 집합으로부터 상기 샘플의 기준 단층촬영 체적 데이터 집합을 생성하고, 분할된 고밀도 체적 데이터 집합을 생성하기 위해 상기 기준 단층촬영 체적 데이터 집합으로부터 고밀도 구조물을 분할하고, 두께 문턱값을 이용하여 각 투사 각도에서의 금속의 두께에 기초하여 상기 분할된 고밀도 체적 데이터 집합으로부터 고밀도 투사들의 제 2 집합을 생성하고, 상기 두께 문턱값을 이용하지 않고 각 투사 각도에서의 엑스선 감쇠에 기초하여 상기 분할된 고밀도 체적 데이터 집합으로부터 고밀도 투사들의 제 3 집합을 생성하고, 상기 제 2 집합과 함께 상기 제 3 집합을 정규화하는 것에 의해 정규화된 고밀도 투사들의 제 4 집합을 생성하고, 엑스선 빔의 에너지 스펙트럼을 고려하여 상기 제 1 집합 및 상기 제 2 집합을 이용하여 저밀도의 동등한 투사들의 제 5 집합을 생성하고, 그리고 상기 제 4 집합 및 상기 제 5 집합을 이용하여 보정된 단층촬영 체적 데이터 집합을 생성하는 컨트롤러 또는 이미지 프로세서를 포함하는 컴퓨터 시스템을 포함하되, 상기 보정된 단층촬영 체적 데이터 집합은 상기 디스플레이 장치에 표시되고, 그리고
상기 제 3 집합은 상기 고밀도 구조물의 모든 균열에 관한 정보를 포함하고 그리고 상기 제 2 집합은 상기 두께 문턱값을 기준으로 상기 고밀도 구조물의 상기 모든 균열 중 상대적으로 큰 균열에 관한 정보를 포함하는 엑스선 CT 시스템. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 컴퓨터 시스템은 선택된 엑스선 에너지에서 단색의 혼합된 투사들의 제 6 집합을 생성하기 위해, 상기 엑스선 빔의 상기 에너지 스펙트럼의 선택된 단색의 엑스선 에너지에 기초하여, 상기 저밀도의 동등한 투사들을 상기 정규화된 고밀도 투사들에 융합하는 엑스선 CT 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 컴퓨터 시스템은 상기 단색의 융합된 투사들로부터 상기 보정된 단층촬영 체적 데이터 집합을 복원하는 엑스선 CT 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 엑스선 이미징 시스템은 실험실 엑스선 발생기인 엑스선 발생기를 포함하는 엑스선 CT 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 엑스선 이미징 시스템은 원추형 형상의 빔을 생성하는 엑스선 발생기를 포함하는 엑스선 CT 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 엑스선 빔은 다색의 빔인 엑스선 CT 시스템. - 엑스선 빔에 대해 회전 스테이지를 이용하여 샘플을 회전시킴으로써 기준 투사들의 제 1 집합을 생성하는 엑스선 이미징 장치;
디스플레이 장치;
상기 기준 투사들의 상기 제 1 집합으로부터 상기 샘플의 기준 단층촬영 체적 데이터 집합을 생성하는 수단;
분할된 고밀도 체적 데이터 집합을 생성하기 위해 상기 기준 단층촬영 체적 데이터 집합으로부터 고밀도 구조물을 분할하는 수단;
두께 문턱값을 이용하여 각 투사 각도에서의 금속의 두께에 기초하여 상기 분할된 고밀도 체적 데이터 집합으로부터 고밀도 투사들의 제 2 집합을 생성하는 수단;
상기 두께 문턱값을 이용하지 않고 각 투사 각도에서의 엑스선 감쇠에 기초하여 상기 분할된 고밀도 체적 데이터 집합으로부터 고밀도 투사들의 제 3 집합을 생성하는 수단;
상기 제 2 집합과 함께 상기 제 3 집합을 정규화하는 것에 의해 정규화된 고밀도 투사들의 제 4 집합을 생성하는 수단;
엑스선 빔의 에너지 스펙트럼을 고려하여 상기 제 1 집합 및 상기 제 2 집합을 이용하여 저밀도의 동등한 투사들의 제 5 집합을 생성하는 수단; 그리고
상기 제 4 집합 및 상기 제 5 집합을 이용하여 보정된 단층촬영 체적 데이터 집합을 생성하는 수단을 포함하되, 상기 보정된 단층촬영 체적 데이터 집합은 상기 디스플레이 장치에 표시되고, 그리고
상기 제 3 집합은 상기 고밀도 구조물의 모든 균열에 관한 정보를 포함하고 그리고 상기 제 2 집합은 상기 두께 문턱값을 기준으로 상기 고밀도 구조물의 상기 모든 균열 중 상대적으로 큰 균열에 관한 정보를 포함하는 엑스선 CT 장치. - 삭제
- 제 8 항에 있어서,
선택된 엑스선 에너지에서 단색의 혼합된 투사들의 제 6 집합을 생성하기 위해, 상기 엑스선 빔의 상기 에너지 스펙트럼의 선택된 단색의 엑스선 에너지에 기초하여, 상기 저밀도의 동등한 투사들을 상기 정규화된 고밀도 투사들에 융합하는 수단을 더 포함하는 엑스선 CT 장치. - 제 8 항에 있어서,
단색의 융합된 투사들로부터 상기 보정된 단층촬영 체적 데이터 집합을 복원하는 수단을 더 포함하는 엑스선 CT 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 엑스선 이미징 시스템은 실험실 엑스선 발생기인 엑스선 발생기를 포함하는 엑스선 CT 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 엑스선 이미징 시스템은 원추형 형상의 빔을 생성하는 엑스선 발생기를 포함하는 엑스선 CT 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 엑스선 빔은 다색의 빔인 엑스선 CT 장치.
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