KR20080042806A - 이중 에너지 다이내믹 ｘ-선 이미징을 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

이중 에너지 다이내믹 ｘ-선 이미징을 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

다이내믹 이미징 시퀀스 내에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 시스템 및 방법은 X-선 소스의 상이한 kV 값에서 빠른 적응을 위해 구성된 X-선 소스(204); 병렬 신호 통합 및 판독을 갖는 평평한 X-선 검출기(202); 및 X-선 검출기(202) 및 X-선 소스(204)와 작동상 통신하는 X-선 제어기(206)를 포함한다. 이 검출기(202)는 제1 kV 값(302)에서 제1 부-이미지(300)에 대응하는 제1 신호를 통합하고, 통합된 제1 신호를 각 픽셀을 위해 샘플 및 홀드 노드로 전달하며, 제2 kV 값(306)에서 제2 부-이미지(304)에 대응하는 제2 신호를 통합한다. 이 검출기(202)는 제2 부-이미지(134)의 통합과 동시에 샘플 및 홀드 노드로부터의 제1 부-이미지의 판독을 제공한다. X-선 제어기(206)는 X-선 소스(204)에서의 X-선 펄스의 발생과, 밀리초 시간척도 상의 상이한 kV 값에서 X-선 펄스를 발생시키는 X-선 소스(204)를 이용한 이미지의 획득을 제어한다.

Description

이중 에너지 다이내믹 Ｘ-선 이미징을 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DUAL ENERGY DYNAMIC X-RAY IMAGING}
본 개시물은 일반적으로 이중 에너지 이미징에 대한 것이고 구체적으로, 다이내믹 이중 에너지 이미징을 위한 방법 및 시스템에 대한 것이며, 더 구체적으로, 높은 에너지 레벨과 낮은 에너지 레벨 사이에서 X-선 에너지 소스를 신속하게 스위칭해서 획득된, 이중 (즉, 두 개의 상이한) X-선 에너지를 채용하는 그리고, 결과적인 및 각각의 이중 에너지 X-선 이미지를 포착하기 위한 단일의 큰 영역의 픽셀화된 디지털 X-선 검출기를 사용하는 그러한 다이내믹 이중 에너지 이미징 시스템 및 방법에 대한 것이다. 이중 에너지 이미지는 사전-교정된 데이터베이스 및 조정가능한 파라미터를 가지고 처리되어, 각각의 그리고 별개의 이미지를 생성하는데, 이 이미지는 예컨대, 심장/혈관(cardio/vascular) 애플리케이션 동안 X-선 이미징을 촉진시켜서, 관심있는 해부학(an anatomy of interest)의 향상된 가시도를 제공한다.
임상 이미징 및 진단에서 X-선 시스템의 사용은 광범위한 승인을 받고 있다. 몇 가지 유형의 X-선 이미징 방법론이 채용되어 상이한 해부학적인 영역을 이미징화하거나 상이한 진단 도구를 제공할 수 있다. 하나의 이러한 X-선 이미징 방법론 은 이중 에너지(DE) 이미징이다. DE 이미징이 사용될 때 부가적인 이미징 콘트라스트가 획득될 수 있다는 것이 알려져 있다.
이중 에너지(DE)는 임상 애플리케이션으로서, 두 개의 X-선 이미지가 상이한 X-선 에너지에서 획득된다. 이 두 개의 X-선 이미지는 이후 결합되어 조직-제외된(tissue-subtracted) 이미지, 예컨대 연조직 및 골격 이미지를 제공한다. DE의 하나의 임상 애플리케이션은 X-선을 이용한 관상 동맥에서의 플라그(plaque) 진단이다. 실제로, 연조직 이미지는 골격으로 인한 구조화된 잡음을 제거해서 민감도를 개선하고, 골격 이미지는 동맥이 플라그에 약한지를 나타냄으로써 특이성을 개선한다.
평판 X-선 검출기 기술을 이용해서, 두 개의 X-선 이미지가 통상 상이한 에너지에서 두 개의 별개의 X-선 노출을 이용해서 연속적으로 획득된다. 두 개의 X-선 이미지 사이에서 환자 움직임 결함을 최소화하기 위해, X-선 이미지 사이의 시간이 통상 최소화된다(통상 200ms 정도임). 횡격막 움직임을 최소화하기 위해, 환자는 통상 자신의 숨을 멈출 것이 요구된다. 그러나, 무의식적인 환자 움직임, 이를테면 심장의 수축이 회피될 수 없다. 두 개의 X-선 이미지 사이에서 심장의 상당한 움직임이 제외된 이미지 내의 불완전한 조직 제거로 인한 조악한 이미지 품질을 야기할 수 있다. 조악한 이미지 품질은 심장을 둘러싸는 플라그를 갖는 가능한 유실된(missed) 동맥을 야기할 수 있다.
부가적으로, 다이내믹 이미징을 위한 종래의 X-선 이미징 시스템에서, 이미지 획득, 조사량(dose) 제어 및 이미지 판독은 (예컨대, 2개 이상의 부-이미지를 갖는) 하나의 이미지 내에서 X-선 소스에 상이한 kV 값을 사용하기에는 너무 느리다. 이는 다이내믹 이미징 시퀀스에서의 이중 에너지 이미징이 가능하지 않다는 것을 의미한다.
따라서, 더 양호한 진단 다이내믹 X-선 이미징을 제공하는 시스템 및 방법에 대한 요구가 오랫동안 있었다. 특히, DE를 채용하기 위한 개선된 진단 다이내믹 X-선 이미징 시스템에 대한 요구가 오랫동안 있었다. 더욱이, 결과적인 X-선 이미지에서 무의식적인 환자 움직임의 영향을 최소화하는 그리고 실시간으로 이미징 콘트라스트 및 결과적인 진단을 개선하기 위해 다이내믹 이미징 시퀀스를 허용하는 이러한 개선된 DE 시스템에 대한 요구가 오랫동안 있었다.
본 개시물은 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템을 제공한다. 이 시스템은 X-선 소스의 상이한 kV 값에서 빠른 적응을 위해 구성된 X-선 소스와, 병렬 신호 통합 및 판독을 갖는 평평한 X-선 검출기를 포함한다. 이 검출기(202)는 제1 kV 값(302)에서 제1 부-이미지(300)에 대응하는 제1 신호와 제2 kV 값(306)에서 제2 부-이미지(304)에 대응하는 제2 신호를 통합한다. 이 검출기(202)는 제2 부-이미지(134)의 통합과 동시에 제1 부-이미지(300)의 판독을 제공한다. X-선 제어기(206)는 X-선 소스(204)에서의 X-선 펄스의 발생과, 밀리초 시간척도 상의 상이한 kV 값에서 X-선 펄스를 발생시키는 X-선 소스(204)를 이용한 이미지의 획득을 제어한다.
본 개시물은 또한 이중 에너지 다이내믹 X-선 이미징 방법을 제공한다. 이 방법은 선택된 프레임 레이트에서 이미지를 획득하는 단계로서, 각 이미지가 제1 부-이미지(300) 및 제2 부-이미지(304)를 포함하는, 이미지 획득 단계; 제1 kV 값(302)에서 수 밀리초 내에 제1 부-이미지(300)에 대응하는 제1 신호를 통합하는 단계; 제1 부-이미지(300)에 대응하는 통합된 제1 신호를 CMOS 평평한 검출기(202)의 각 픽셀을 위한 샘플 및 홀드 노드에 전달하는 단계; X-선 튜브 전압을 제1 kV 값(302)보다 더 높은 미리설정된 제2 kV 값(306)으로 증가시키는 단계; 검출기(202)를 약 1밀리초보다 더 작게 재설정하는 단계; 및 제2 kV 값(306)이 획득되는 동안 그리고 평평한 검출기(202)가 제2 부-이미지(304)에 대응하는 제2 신호를 통합하는 것과 동시에 제1 이미지(300)를 판독하는 단계를 포함한다.
개시된 시스템 및 방법과 연관된 부가적인 특징, 기능 및 이점이 첨부 도면과 함께 검토될 때 특히, 후술하는 상세한 설명으로부터 분명할 것이다.
당업자가 개시된 시스템 및 방법을 제작하고 이용하는 것을 돕기 위해, 첨부 도면이 참조된다.
도 1은 본 개시물의 예시적인 실시예에 따른, 이중-에너지 다이내믹 X-선 흡수계측을 위한 장치의 구조적인 구성요소를 예시하는 블록도.
도 2는 본 개시물의 예시적인 실시예 내의 이중 에너지 X-선 이미징에서 사용된 X-선 소스, 검출기 및 X-선 제어기의 블록도를 예시하는 도면.
도 3은 본 개시물의 예시적인 실시예에서 제1 및 제2 펄스, 각각 대 시간의 튜브 전압, 튜브 전류, 통합 및 판독에 대한 네 개의 그래프를 예시하는 도면.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 본 개시물은 유리하게도 이중 에너지 다이내믹 이미징을 촉진시키고 조직 콘트라스트를 더 작은 조영제를 이용하지 않거나 이용해서 개선시킨다. 본 개시물은 유리하게도 예컨대 심장 동맥에서의 약한 플라그의 투시를 포함하는 심장 애플리케이션에서 채용될 수 있다. X-선 소스의 상이한 kV 값에서 매우 작은 시간 간격으로 획득된 이중 에너지 부-이미지의 사용이 더 적은 조영제를 이용하지 않거나 이용해서 개선된 콘트라스트를 야기한다. 상이한 kV 값에서 만들어진 부-이미지가 제외되거나 분할될 때, 이중 에너지 이미지는 다이내믹 시퀀스의 각 프레임에서 획득된다.
도 1은 실시예에 따른, 이중-에너지 다이내믹 이미징을 위한 장치(100)의 구조적인 구성요소를 예시하는 블록도이다. 도 1의 교차 부분은 X-Z 평면을 정의하는데, 여기서 Z는 수직 차원이고 X는 수평 차원이다. X-Z 평면에 수직인, 페이지로부터 연장하는 수평 차원은 Y 차원이다.
이 장치는 수신기 조립체(150)에 대해 고정된 관계로 X-선 소스 조립체(130)를 유지하도록 형상화된 받침대(122)를 포함한다. X-선 빔(138)이 소스 조립체(130)로부터 수신기 조립체(150)로 방출된다. 일 실시예에서, 빔(138)의 중심선이 X-Z 평면 내에 놓인다. 이 받침대는 받침대 기저(101)에 이동가능하게 부착되어 소스 조립체(130), 수신기 조립체(150), 및 빔(138) 중심선이 Y 차원에서 축선(axis line)에 대해 X-Z 평면 내에서 회전한다. 이 회전은 소스 조립체(130)와 수신기 조립체(150) 사이의 거리와 상대적인 방향을 보존한다. 그밖의 실시예에서, 받침대 상에서 소스 조립체(130)와 수신기 조립체(150)의 위치가 서로 바뀌어, 소스가 대상아래 놓이고 수신기가 위에 놓인다. 그밖의 실시예에서, 받침대는 그밖의 형상, 이를테면 환상을 갖는다.
X-선에 투과되는 대상 테이블(190)이 X-Z 평면 내에서 소스 조립체(130)와 수신기 조립체(150) 사이에 배치된다. 대상 테이블(190)이 장치(100)의 작동 중에 대상(191)을 지지한다. 대상 테이블(190) 또는 받침대 기저(101) 또는 둘다가 Y 차원에서 평행이동(translate)하도록 구성되어 대상(191)의 상이한 부분이 X-Z 평면을 교차한다. 일부 실시예에서, 대상 테이블은 또한 Z 차원 내의 축선에 대해 X-Y 평면내에서 회전할 수 있다. 그밖의 실시예에서, 수신기 조립체는 Y 차원에서 충분히 큰 검출기를 채용해서 대상 테이블이 Y 방향에서 평행이동되지 않는다.
받침대가 통신 링크(162)에 의해 컴퓨터 시스템(160)에 연결된다. 링크(162)를 통해, 컴퓨터 시스템(160)이 받침대(122) 및 받침대 기저(101)를 제어하고, 소스 조립체(130)의 동작을 제어하며, 수신기 조립체(150)의 검출기(152)로부터 데이터를 수신한다. 일부 실시예에서, 컴퓨터 시스템은 또한 링크(162) 또는 다른 링크(미도시)를 통해 대상 테이블의 이동을 제어한다.
소스 조립체(130)는 X-선 전원(140), X-선 튜브(132) 및 X-선 빔-형성 구성요소(135)를 포함한다. X-선은 전자기파이고 전자기파의 이산 양자는 광자이다. 주파수(v)를 갖는 X-선은 플랑크 상수(h)만큼 비례하는 양자 에너지(E)를 갖는다; 즉, E=hv이다.
X-선 튜브에서, 가열된 필라민트로부터의 높은-에너지 전자가 (양으로 대전 된 애노드에서) 물질과 충돌하는데, 여기서 전자가 입사 전자의 에너지에 의해 결정된 광자 에너지(주파수) 당 분포(상대적인 광자수)를 갖는 X-선을 생성하도록 갑자기 속도저하된다. 전자가 애노드와 충돌하기 전에, 가열된 필라멘트와 애노드 사이에 인가된 높은 전압(V) 입력(V1)이 각 전자를 가속화시킨다. 1V 전기장에 의해 가속화된 단일 전자의 운동 에너지는 일 전자 볼트이다(약 1.6×10-19J, 또는 4.45 ×10-24kw/h). X-선을 생성하기 위해, 전압(V1)은 수만 볼트이다. X-선 튜브는 입력 전압(V1)에 의해 결정된 차단 광자 에너지까지의 광자 에너지 분포를 갖는 X-선 광자를 생성한다; 즉, 모든 X-선 광자는 (차단 주파수(vc)에서) V1 전자볼트의 차단 에너지 이하인 에너지를 갖는다. (주파수(vp)에서) 피크 에너지는 가장 많은 광자를 갖는 X-선 광자 에너지이다; 피크 에너지는 V1 전자 볼트보다 약간 더 작다. 생성된 광자의 수는 피크 에너지 (주파수 vp) 이하에서 감소하는 광자 에너지(주파수)와 함께 감소한다.
X-선 전원(140)은 가열된 필라멘트와 애노드 사이에 높은 전압 입력(V1)을 제공한다. X-선 전원(140)은 또한 애노드를 가격하는 유용한 수의 전자를 제공하기 위해, 초당 충분한 전자, 전류(I)를 제공한다. 일 암페어의 전류는 초당 1쿨롱으로서, 이는 초당 약 0.6×1019 전자이다. 전원에 의해 제공된 전력은 전류(I)와 전압(V1)의 곱이다. 자명하게, 곱의 단위인 암페어-볼트는 초당 J로서, 이는 정의로써 1W이다.
이중-에너지 시스템에서, 전원은 또한 상이한 전압(V2)에서 X-선 튜브를 구 동하는데, 이는 (제2 차단 주파수 vc2에서의) 상이한 차단 에너지와 (제2 피크 주파수 vp2에서의) 상이한 피크 에너지를 갖는 X-선 에너지(주파수)의 상이한 분포를 야기한다.
X-선 빔-형성 구성요소(135)는 빔 각도(139)를 형상화하기 위한 시준기(134) 및 피크 주파수에 대한 주파수 분포를 제한하기 위한 필터(136)를 포함한다. 모니터(137) 또한 교정에 영향을 줄 수 있는 변화를 위한 소스의 X-선 특성을 측정하기 위해 그리고 감쇠를 결정하기 위해 포함될 수 있다.
시준기는 중심선에 수직인 평면 내에서 특정 교차 부분에 빔(138)을 제공하도록 선택된 개구부(애퍼쳐) 크기 및 형상을 갖는, 리드(lead)와 같은 X-선 불투과성 물질로 이루어진다. 대상(191) 양단의 X-Z 평면 내의 빔 각도(α)는 대상(191)을 따라서, X-Z 평면에 수직인 그리고 빔(138)의 중심선을 포함하는 평면 내의 빔 각도(β)와 다를 수 있다.
필터는 (주파수 va에서의) 높은 통과 에너지 이상의 에너지를 갖는 X-선만을 통과하는, 피크 에너지 이하의, 더 낮은 에너지 X-선을 블록킹하는 물질로 이루어진다. 그 결과, (vp에서의) 피크 에너지 바로 아래에서의 (va에서의) 높은 통과 에너지로부터 (vc에서의) 차단 에너지로, 좁은 범위의 X-선 광자 에너지만이 X-선 소스 조립체(130)로부터 나온다. 이중-에너지 시스템에서, 제2 필터는 전원이 제2 전압(V2)에서 X-선 튜브를 구동시킬 때 사용된다. 제2 필터는 (va2에서의) 제2 높은 통과 에너지 이하의 X-선 광자 에너지를 블록킹하는데, 이 통과 에너지는 (vp2에서의) 제2 피크 에너지보다 더 작다.
수신기 조립체(150)는 검출기(152), 선택적인 방사형 조정 구성요소(156), 및 항-산란(anti-scatter) 요소, 이를테면 항-산란 격자(154)를 포함한다. 검출기는 X-선 영향(단위 영역당 에너지)에 응답하는 하나 이상의 리셉터(receptor)를 포함한다. 임의의 방사상선을 따라 검출기 내에서 소스 조립기로부터 리셉터로의 영향의 감소는 쉽게 계산되는 빔의 기하학적인 확산, 및 대상(191) 및 대상 테이블(190)에 의한 흡수로 인해서이다. 대상에 의한 흡수는 대상(191) 내의 물질과 빔의 광자 에너지(주파수)에 의존한다.
항-산란 요소는 X-선 튜브 내에서 초점(133)으로부터 검출기에 대해 방사 방향 이외의 방향으로부터 검출기를 가격하는 광자수를 감소시킨다. 대상(191) 및 테이블(150) 내의 물질이 일부 X-선 광자를 흡수하며 일부를 그밖의 방향으로 산란시킨다. 이러한 산란된 광자가 검출기를 가격하는 경우, 측정된 세기는 증가하며 계산된 감쇠는 잘못 감소한다. 산란 추정은 흡수율 계산을 정정하기 위해 이루어질 수 있으나, 추정은 까다롭고 부정밀하다. 산란이 감소할 수 있는 경우, 흡수율 계산의 속도와 정밀함이 향상될 수 있다. 항-산란 구성요소는 보통 검출기에 수직으로 정렬된 슬릿을 구비하는, X-선 불투과성 물질 이를테면 리드로 이루어져, 수직선 상에서 이동하는 광자만이 검출기(152)를 가격한다. 이러한 수직 슬릿은 종래의 DE 시스템에서의 많은 산란을 제거한다. 일 실시예에서, 항-산란 격자는 홀을 포함하는데, 이 홀은 검출기(152)를 덮기에 충분히 큰 구상으로 구부러진 리드 시트 위에 배열되며, 격자로부터 X-선 튜브(132) 내의 초점(133)까지 거리와 매칭하는 곡률 반경을 갖는다.
방사 조정 구성요소(156)는 검출기(152)로부터 대상(191) 또는 초점(133) 또는 둘다까지의 거리가 변하게 한다. 때로는 이러한 거리를 변화시키는 것이 유리하다. 예컨대, 대상(191)으로부터 검출기(152)까지의 거리를 감소시키는 것, 및 수신기 조립체(150)로부터 소스 조립체(130)까지의 방사 거리를 증가시키는 것은 전체 대상이 한번에 이미지화되게 할 수 있다. 이는 대상(191)의 전체 몸체 스캔이 획득되는 한가지 방식이다. 시스템(100)은 이후 이러한 거리가 변할때마다 재교정된다.
종래의 X-선 이미징 시스템을 이용하는 다이내믹 이미징 시퀀스에서, 이미지 획득, 조사량 제어 및 이미지 판독은 (2 이상의 부-이미지를 갖는) 하나의 이미지 내에서 X-선 소스를 위해 상이한 kV 값을 사용하기에는 너무 느리다. 이는 다미내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징이 가능하지 않다는 것을 의미한다. 그러나, 이미징 시스템이 아래에서 설명된 방식으로 변하는 경우, 이중 에너지 다이내믹 이미징 시퀀스가 가능해질 수 있다는 것이 결정되었다.
예시적인 실시예에서 매우 빠른 X-선 검출기(152)가 X-선 튜브(132)의 kV 값의 매우 빠른 적응과 협력해서 병렬 신호 통합 및 판독을 이용해서 사용된다. 또한, 매우 빠른 에이선 검출기(152)에 조사량 감지 옵션이 통합되어 장착될 수 있다. 따라서, 이미징 콘트라스트가 개선되고 다이내믹 이미징 시퀀스가 시청될 수 있어서, 예컨대 심장 동맥 내의 약한 플라그가 실시간으로 가시화되게 할 수 있다.
도 2를 참조하면, 이중 에너지 이미징 시퀀스 시스템(200)의 예시적인 실시예가 개략적으로 도시되어 있다. 시스템(200)은 전체 영역 CMOS 이미저를 기초로 하는 평평한 X-선 검출기(202)(예컨대, 도 1 내의 검출기(152)를 포함한다. 검출 기(202)는 초당 백 프레임 레이트(100 fps) 훨씬 이상의 그리고 사용된 픽셀 크기에 따라서 수천 fps만큼 높은 프레임 레이트를 제공하도록 구성된다. 검출기(202)는 통합 신호가 총 이미지에 대해 동기적으로 저장될 수 있는 샘플 및 홀드 노드(S & H) 또는 버퍼 저장 노드를 포함한다. 예시적인 실시예에서, 저장 노드는 내부 버퍼 저장 노드이나, 이 저장 노드가 CMOS 기판의 상이한 층을 포함할 수 있거나 예컨대 범프 본딩(bump bonding)에 의해 각 픽셀에 연결된 상이한 저장 시스템을 포함할 수 있다는 것이 예기된다. 검출기(202)는 그다음 이미지가 동시에 통합되는 동안 판독하도록 더 구성된다. 검출기(202)는 또한 통합된 조사량 감지 모드(예컨대, 실제 이미지가 원하는 픽셀 크기에서 통합되는 동안 코스(course) 픽셀 모드에서 10,000 fps만큼 높은 프레임 레이트의 작동)에서 실행하기 위한 능력을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 검출기(202)는 위에서 설명된 특징을 구현하는 CMOS 기반의 평평한 검출기(FD)이다.
시스템(200)은 X-선 소스(204)(예컨대, 튜브 및 발생기)를 포함하고, 이 안에서 동작 중에 X-선 튜브의 튜브 전압은 변할 수 있는데, 밀리초 시간프레임 내에서 증가 또는 감소될 수 있으며(예컨대, 약 5kV/ms 내지 약 100kV/ms 범위 내의 크기 정도) 노출 시간을 정확하게 제어한다. 바람직하게는, X-선 튜브 전압은 약 20kV/ms 내지 약 40kV/ms 범위 내에서 변할 수 있다. 더욱이, 튜브 전류는 매우 신속하게 스위치 온 및 오프될 수 있으며 요청된 X-선 조사량을 상이한 kV 값에서 그리고 정밀한 kV 값에서 공급할 수 있다. X-선 소스(204)는 도 1의 X-선 소스 조립체(130)와 유사하다.
시스템(200)은 X-선 제어기(206)(예컨대, 도 1의 컴퓨터(160))를 더 포함하는데, 이 제어기는 선(208)을 통해서 X-선 펄스의 발생을 제어하고 선(210)을 통해서 밀리초 시간프레임 내에 상이한 튜브 조건을 가지고 이미지의 획득을 제어한다. 환자(212)(예컨대, 도 1의 대상(191))가 X-선 소스(204)와 검출기(202) 사이에 배치되며, X-선(214)(예컨대, 도 1의 X-선 빔(138))이 환자 및 테이블(미도시)을 통해 소스(204)로부터 방출되고 검출기(202)에서 수신된다.
이제 도 3을 참조하면, 통상적인 이미지 시퀀스가 설명된다. 선택된 프레임 레이트에서, X-선 이미지가 획득된다. 일 실시예에서, 프레임 레이트는 초당 약 15 프레임(15 fps)이나, 이것으로 제한되지 않으며, 여기서 각 이미지는 두 개 이상의 부-이미지를 포함한다. 제1 부-이미지(300)가 예시적인 이미지 시퀀스 내에서 더 높은 kV 값(306)에서 발생된 제2 부-이미지(304)와 비교되는 더 낮은 kV 값(302)에서 수 ms 내에 발생된다. 일 실시예에서, 제1 및 제2 kV 값 사이의 차이는 약 10kV 내지 약 50kV 사이이며, 더 바람직하게는 약 30 내지 약 50kV 사이이다.
일 실시예에서, 튜브 전류는 튜브 전류 대 시간의 전류 그래프(312)에 대해 전체적으로 310으로 나타난 매우 가파른 다운플랭크(downflank)와 함께 스위치 오프된다(예컨대, 격자 스위치된다). 나아가, 튜브 전류가 스위치 오프될 때, 튜브 전압은 전압 대 시간의 전압 그래프(316)에서, 더 낮은 전압(302)과 더 높은 전압(306) 각각 사이에서 경사진 세그먼트(314)를 가지고 전체적으로 나타난 더 높은 kV 값(306)까지 증가한다. 전압 그래프(316)는 더 낮은 kV 값(302)와 더 높은 kV r값(306) 각각에 대응하는 낮은 kV의 제1 펄스(318)와 높은 kV의 제2 펄스(320)의 지속기간을 나타낸다. 324에서의 픽셀 그래프 대 시간 그래프는 제1 및 제2 부-이미지에 대응하는 제1 및 제2 신호를 제1 및 제2 펄스(318 및 320) 각각의 통합으로서 나타낸다.
제1 부-이미지(300)에 대응하는 통합된 제1 신호가 전체적으로 330으로 나타난 CMOS 기반의 FD(202)의 각 픽셀을 위한 샘플 및 홀드(S & H) 노드에 전달되며 약 0.1ms보다 적은 시간 내에 332에서 리셋된다. 그러나, 임의의 경우에, 검출기(202)를 리셋하는 것은 10ms보다 더 작아야 하며, 더 바람직하게는 약 1ms보다 더 작아야 한다. 튜브 전류가 0이 되는 경우, 튜브 전압은 바람직하게는 약 1ms보다 더 작은 시간 내에 사전설정된 더 높은 kV 값(306)까지 증가된다(양으로 경사진 세그먼트(314) 참조). 더 높은 kV 값(306)은 예시적인 실시예에서 제1 부-이미지(300)의 더 낮은 kV 값(302)보다 약 20kV 더 높다. 그러나 원하는 최종 목적에 적합한 더 낮은 kV 값(302)과 더 높은 kV 값(306) 사이의 그밖의 kV 차이 값이 예견된다. 또한, 튜브 전류가 0으로 떨어지는 것으로 설명되나, 이는 요구되지 않는데, 그 이유는 전류를 유지하고 튜브 전압을 증가시키는 것이 또한 가능하기 때문이다.
시스템(200)이 0인 튜브 전류의 조건에 있을 때, FD(202)는 새로운 부-이미지를 획득하려고 준비하고, X-선 소스(204)는 더 높은 kV 값 설정으로 스위칭되며 제1 부-이미지(300)는 픽셀 S&H 대 시간의 그래프(340)에서 전체적으로 336으로 나타난 바와 같이 판독된다. 제2 이미지(304)에 대응하는 제2 신호가 이후 제1 부-이미지(300)가 판독되는 것과 동시에 더 높은 kV 값(306)에서 342에서 즉시 통합된 다. 이 kV 값(306)에서, 튜브 전류는 전류 그래프(312)에서 나타난 바와 같이, 더 높은 kV 값(306)에서 조사량을 감소시키도록 더 낮은 kV 값(302)에서의 튜브 전류보다 더 낮아야 한다. 대안적으로, 펄스(320)의 폭 또는 더 높은 kV 값(306)의 지속기간이 더 짧은 시간프레임에서 설정될 수 있다. 추가적인 대안적인 실시예에서, 더 높은 kV 값(306)의 튜브 전류 및 지속기간 둘다에서의 감소가 더 높은 kV 값(306)에서의 조사량을 감소시키도록 채용될 수 있다.
두 개의 부-이미지(300 및 304) 사이의 지연은 가능한한 짧아야 하며, 바람직하게는 약 1ms보다 더 짧아야 한다. 튜브 전류를 스위칭 오프시킨 후에, 제2 부-이미지(342)는 전체적으로 342로 나타난 각 픽셀 상에서 저장된 채로 있는다. 제1 부-이미지(336)의 판독이 종료된 후에, 제2 이미지(342)에 대응하는 통합된 신호가 전체적으로 360으로 나타난 각 픽셀을 위해 S&H 노드로 전달되며 제2 부-이미지(364)가 이후 판독된다. 제1 이미지(336)를 판독하는데 필요한 시간은 보통 검출기(202)의 비닝(binning) 모드에 의존한다.
대안적인 실시예에서, X-선 튜브로의 X-선 전류는 0으로 스위칭되지 않고 2 이상의 부-이미지의 획득 동안에 대략적으로 동일한 레벨에서 유지된다. FD(202)에서 제1 부-이미지의 통합이 이후 튜브 전압이 더 낮은 값에서 더 높은 값으로 스위칭되는 기간에 중단된다. 제1 부-이미지로부터의 통합 신호가 이후 S&H 노드로 스위칭되고, 검출기(202)가 리셋되며 제2 부-이미지의 통합이 시작된다. 이 경우에 제1 부-이미지의 통합을 종료하는 것과 제2 부-이미지의 통합을 시작하는 것 사이의 시간은 매우 짧아야 하는데(예컨대, 1ms보다 작으며 바람직하게는 0.1 ms보다 작음), 그 이유는 환자로의 X-선 조사량이 이 기간동안 이미징을 위해 사용되지 않기 때문이다.
두 개의 부-이미지(336, 364)를 위해 필요한 총 시간은 짧을 필요가 있는데(예컨대, 바람직하게는 약 10ms보다 더 짧음) 해부학적 이미지 타겟 예컨대, 심장 동맥의 이동이 이미지를 희미해지게 하지 않기 위해서이다. 두 개의 부-이미지(336, 364)는 이후 예컨대, 동맥 내의 약한 플라그를 보여주도록 최대 콘트라스트를 획득하기 위해 사용된다. 콘트라스트를 최대화하는 것은 두 개의 부-이미지를제외시킴으로써 또는 분할함으로써 행해진다. 두 개의 부-이미지를 발생시키는데 필요한 총 시간에 따라서, 제외된 부-이미지(336, 364)는 이미징된 조직(예컨대, 심장 동맥)의 이동 레이트에 따라서 개선된 결과를 예시할 수 있을 것이다. 나아가, 이미징된 조직의 이동 레이트 및 두 개의 이미지를 발생시키는데 필요한 총 시간은 그동안 이중 에너지 이미지가 발생될 수 있는 해부학적 이동 상태(심장 이동 상태)를 결정한다.
각각의 부-이미지 내의 조사량의 제어는 CMOS FD(202)의 통합된 조사량 감지 옵션을 이용함으로써 개선될 수 있다. 튜브 전류의 스위칭 오프는 이후 모든 조사량 레벨에 대한 최적의 제외된 이미지를 획득하기 위해 각 부프레임당 조사량을 최적화하도록 부-밀리초 시간 척도 상에서 제어될 수 있다. X-선 소스의 상이한 kV 값에서 매우 작은 시간 간격에서 획득된 부-이미지의 이러한 사용은 조영제를 사용하지 않고도 조직 콘트라스트를 상당히 개선시킨다. 대안적으로, 이 콘트라스트는 보통 사용되는 것보다 더 작은 조영제를 사용해서 개선될 수 있다. 심장 애플리케 이션에서, 예컨대, 이는 타겟 조직 예컨대, 심장 동맥 내의 약한 플라그의 많이 개선된 투시를 야기한다.
본 개시물은 조영제를 이용하지 않거나 더 적게 이용해서 콘트라스트를 개선하기 위해 X-선 이미징 시스템에서 구현될 수 있다. 특히, 이를테면 심장/관 애플리케이션 내의 대상의 다이내믹 이중 에너지 X-선 이미징이 밀리초 시간척도 상에서 상이한 튜브 조건을 갖는 이미지의 획득 및 X-선 튜브의 kV 값의 매우 빠른 적응을 위한 제어 및 X-선 소스와 함께 병렬 신호 통합 및 판독을 사용하는 매우 빠른 X-선 검출기를 사용해서 구현된다. 이 검출기는 또한 통합된 조사량 감지 모드(실제 이미지가 원하는 픽셀 크기에서 통합되는 동안 거친 픽셀 모드에서 10,000 fps 만큼 높은 프레임 레이트의 작동)를 포함한다. 본 개시물의 기능적인 애플리케이션은 이미지 획득 속도, 조사량 제어 및 이미지 판독을 증가시킴으로써 이중 에너지 다이내믹 이미징을 허용한다.
요컨대, 개시된 시스템, 장치 및 방법은 이중 에너지 X-선 이미징 시스템 사용자, 특히 실시간으로 가시적인 동맥 내의 약한 플라그의 존재를 결정하도록 심장/관 구조를 이미징할 때 증가된 이미지 콘트라스트를 원하는 내과의사에게 상당한 이익을 제공한다. 이러한 방식으로, X-선 소스의 상이한 kV 값에서 매우 작은 시간 간격에서 판독과 동시에 획득된 이중 에너지 부-이미지의 사용은 조영제없이 또는 더 적게 사용해서 조직에서의 개선된 콘트라스트를 야기한다.
본 개시물의 시스템 및 방법이 예시적인 실시예를 참조해서 설명되었으나, 본 개시물은 그러한 예시적인 실시예로 제한되지 않는다. 오히려, 본 명세서에 개 시된 시스템 및 방법은 본 명세서의 사상 또는 범위를 벗어나지 않고도 다양한 변경, 향상 및/또는 변형을 겪을 수 있다. 따라서, 본 개시물은 본 명세서에 첨부된 청구항의 범위 내에서 그러한 변경, 향상 및/또는 변형을 구체화하고 포함한다.
본 개시물은 일반적으로 이중 에너지 이미징에 이용가능하고 구체적으로, 다이내믹 이중 에너지 이미징을 위한 방법 및 시스템에 이용가능하며, 더 구체적으로, 다이내믹 이중 에너지 이미징 시스템 및 방법에 이용가능하다.

Claims (21)

  1. 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템으로서,
    X-선 소스(204)의 상이한 kV 값에서 빠른 적응을 위해 구성된 X-선 소스(204);
    평평한 X-선 검출기(202)로서, 제1 kV 값(302)에서의 제1 부-이미지(300)에 대응하는 제1 신호와 제2 kV 값(306)에서의 제2 부-이미지(304)에 대응하는 제2 신호를 통합하고, 제1 부-이미지(300)의 판독과 동시에 제2 부-이미지(134)의 신호 통합을 제공하는, 평평한 X-선 검출기(202); 및
    X-선 검출기(202) 및 X-선 소스(204)와 작동상 통신하는 X-선 제어기(206)로서, X-선 소스(204) 내에서의 X-선 펄스의 발생과 밀리초 시간척도 상의 상이한 kV 값에서 X-선 펄스를 발생시키는 X-선 소스(204)를 이용한 이미지의 획득을 제어하는, X-선 제어기(206)
    를 포함하는, 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    검출기(202)는 단일의 전체 영역 픽셀화된 CMOS 이미저인, 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    버퍼 저장 노드를 더 포함하되, 이 노드 안에 검출기(202)의 각 픽셀을 위한 통합된 신호가 이미징 시퀀스의 제1 부-이미지(300)의 총 이미지에 대해 동기적으로 저장되고, 이후 검출기가 리셋되며 검출기가 제2 부-이미지(304)에 대응하는 제2 신호를 통합하는, 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    제1 부-이미지(300)의 판독과 제2 부-이미지(304)의 통합이 모두 완료된 후에, 제2 부-이미지가 저장 노드에 전달되고, 검출기가 리셋되며, 제2 부-이미지(304)는 또 하나의 부-이미지가 검출기(202)의 각 픽셀에 대해 통합되는 것과 동시에 저장 노드로부터 판독되는, 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    검출기(202)는 통합된 분사량 감지 모드를 포함하며, 통합된 조사량 감지 모드는 실제 이미지가 원하는 픽셀 크기에서 통합되는 동안에 거친 픽셀 모드에서 약 10,000 fps만큼 높은 프레임 레이트에서의 작동을 포함하는, 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    각각의 부-이미지 내의 조사량의 제어는 통합된 조사량 감지 모드를 이용해서 제어되는, 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    X-선 소스(204)의 제1 kV 값과 제2 kV 값 사이의 차이는 약 5kV/ms 내지 약 100kV/ms의 크기 정도 상에서 신속하게 변하는, 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    X-선 소스(204)는 X-선 튜브(132) 및 발생기를 포함하고, X-선 소스(204)는 다음 특성 즉,
    X-선 튜브(132)의 튜브 전압이 밀리초 시간척도 상에서 또는 밀리초 이하의 시간척도 상에서 변하는 특성; 그리고
    X-선 튜브(132)의 튜브 전류가 상이한 kV 값에서 원하는 X-선 조사량을 공급해서 온/오프 스위칭가능한 특성
    중에서 적어도 하나를 포함하는, 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템.
  9. 제8 항에 있어서,
    제1 부-이미지(300)는 제1 부-이미지(300)를 발생시키도록 제1 kV 값(302)에서 약 수 밀리초 내에 발생되고 제2 부-이미지(304)는 제1 kV 값(302)보다 더 큰 약 10kV 내지 약 50kV의 사전설정된 제2 kV 값(306)으로 튜브 전압을 증가시킴으로써 발생되는, 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    X-선 튜브(132)가 제2 kV 값(306)에 있을 때, 검출기(202)는 제1 이미지(300)가 판독되는 것과 동시에 제2 부-이미지(304)를 획득하기 위해 준비하는, 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    제1 부-이미지(300)와 제2 부-이미지(304) 사이의 지연은 약 1 밀리초보다 더 작은, 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템.
  12. 제10 항에 있어서,
    제1 부-이미지(300)의 판독과 제2 부-이미지(3044)의 통합이 모두 완료된 후에, 제2 부-이미지(304)에 해당하는 통합된 제2 신호가 검출기의 각 픽셀로부터 샘플 및 홀드 노드로 전달되고, 제2 부-이미지(304)가 판독되는, 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    제1 부-이미지(300)의 판독의 완료에 필요한 시간은 검출기(202)의 비닝(binning) 모드에 의존하는, 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템.
  14. 제1 항에 있어서,
    제1 및 제2 부-이미지를 제외 및 분할하는 X-선 제어기(206)는 조영제를 이용하지 않고 또는 더 적은 조영제를 이용해서 조직에서의 개선된 콘트라스트를 제공하는, 다이내믹 이미징 시퀀스에서 이중 에너지 이미징을 위한 시스템.
  15. 이중 에너지 다이내믹 X-선 이미징을 위한 방법으로서,
    선택된 프레임 레이트에서 이미지를 획득하는 단계로서, 각 이미지는 제1 부-이미지(300) 및 제2 부-이미지(304)를 포함하는, 이미지 획득 단계;
    X-선 튜브(302)의 제1 kV 값에서 수 밀리초 내에 제1 부-이미지(300)에 대응하는 제1 신호를 통합하는 단계;
    제1 부-이미지(300)에 대응하는 통합된 제1 신호를 CMOS 평평한 검출기(202)의 각 픽셀을 위해 샘플 및 홀드 노드에 전달하는 단계;
    X-선 튜브 전압을 제1 kV 값(302)보다 더 높은 사전설정된 제2 kV 값(306)으로 증가시키는 단계;
    약 1 밀리초보다 짧은 시간에 검출기(202)를 리셋하는 단계; 및
    제2 kV 값(306)이 획득되는 동안 그리고 평평한 검출기(202)가 제2 부-이미지(304)에 대응하는 제2 신호를 통합하는 것과 동시에 제1 이미지(300)를 판독하는 단계
    를 포함하는, 이중 에너지 다이내믹 X-선 이미징을 위한 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    제1 부-이미지(300) 및 제2 부-이미지(304)는 제외되거나 분할되어 조영제를 이용하지 않고 또는 더 적은 조영제를 이용해서 조직에서의 개선된 콘트라스트를 제공하는, 이중 에너지 다이내믹 X-선 이미징을 위한 방법.
  17. 제15 항에 있어서,
    제2 부-이미지(304)가 제1 kV 값(302)보다 더 높은 제2 kV 값(306)에서 발생될 때, 제2 kV 값(306)에서의 튜브 전류 중 적어도 하나는 제1 kV 값(302)에서의 튜브 전류보다 더 낮고 제2 kV 값(306)에서의 튜브 전류의 지속기간은 더 높은 제2 kV 값(306)에서 조사량을 감소시키도록 감소되는, 이중 에너지 다이내믹 X-선 이미징을 위한 방법.
  18. 제15 항에 있어서,
    제1 부-이미지(300)와 제2 부-이미지(304)를 발생시키는 것 사이의 지연은 약 1 밀리초보다 더 작은, 이중 에너지 다이내믹 X-선 이미징을 위한 방법.
  19. 제15 항에 있어서,
    제1 부-이미지(300)와 제2 부-이미지(304)를 획득하는데 필요한 총 시간은 약 10 ms보다 더 작은, 이중 에너지 다이내믹 X-선 이미징을 위한 방법.
  20. 제15 항에 있어서,
    제1 부-이미지(300)와 제2 부-이미지(304)는 인간 심장의 이미지인, 이중 에너지 다이내믹 X-선 이미징을 위한 방법.
  21. 제20 항에 있어서,
    제1 부-이미지(300)와 제2 부-이미지(304)는 심장 동맥 내의 약한 플라그를 드러내는, 이중 에너지 다이내믹 X-선 이미징을 위한 방법.
KR1020087002752A 2005-08-09 2006-07-14 이중 에너지 다이내믹 ｘ-선 이미징을 위한 시스템 및 방법 KR20080042806A (ko)

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