KR20080100200A - 다색 분포를 가진 엑스선 빔의 사용에 의해 물체의 이미지를 검출하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

다색 에너지 분포를 가진 엑스선 빔을 사용하여 물체의 이미지를 검출하기 위한 시스템 및 방법이 개시된다. 일 측면에 따르면, 방법은 물체의 이미지를 검출하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 다색 에너지 분포를 가진 제1 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 방법은 제1 엑스선 빔을 직접 가로막아 미리 정해진 에너지 수준을 가진 제2 엑스선 빔이 생산되도록 단일 단색기 결정을 미리 정해진 장소에 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 나아가, 물체를 제2 엑스선 빔이 투과하고, 투과된 엑스선 빔이 그 물체로부터 방출되도록 제2 엑스선 빔의 경로에 물체가 위치될 수 있다. 상기 투과된 엑스선 빔은 분광기 결정 상의 입사각에 향하게 될 수 있다. 나아가, 물체의 이미지는 상기 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 검출될 수 있다.

Description

다색 분포를 가진 엑스선 빔의 사용에 의해 물체의 이미지를 검출하기 위한 시스템 및 방법 {SYSTEMS AND METHODS FOR DETECTING AN IMAGE OF AN OBJECT BY USE OF AN X-RAY BEAM HAVING A POLYCHROMATIC DISTRIBUTION}
[관련 출원]
본 정규출원(non-provisional patent application)은 미국 임시출원(U.S. Provisional Application)번호 제60/761,796호(2006.01.24. 출원), 미국 임시출원번호 제60/761,797호(2006.01.24. 출원), 미국 임시출원번호 제60/819,019호(2006.07.06. 출원)의 우선권의 이익을 주장하며, 동 임시출원들에 개시된 내용 전체는 본 정규출원에 포함된다.
엑스선 이미징은 물체를 이미지화하기 위한 다양한 분야에서 사용되어 왔다. 예를 들면, 엑스선 이미징은 비파괴 검사 및 엑스선 컴퓨터 단층촬영(X-ray computed tomography)을 위한 의학 분야에서 광범위하게 사용되어 왔다. 다양한 다른 기술 형태도 의학 이미징을 위해 사용되고 있다. 현재 유용한 몇 가지 의학 이미징 기술을 위한 요약을 하기에 요약한다.
엑스선 흡수를 이용한 엑스선 방사선 촬영
종래의 엑스선 방사선 촬영은 물체의 투영된 엑스선 흡수 또는 감쇠를 측정 한다. 물체 내부의 감쇠 차이는 이미지로서 보여질 수 있는 몸속 특징의 대조(contrast)를 제공한다. 예를 들면, 암 조직은 그 주위의 정상적인 조직보다 더 치밀하기 때문에 일반적으로 암 조직은 종래의 방사선 촬영에서 나타난다. 가장 좋은 흡수 대비는 일반적으로 흡수가 높은 엑스선 에너지에서 얻어진다. 전형적으로 종래의 방사선 촬영은 더 큰 흡수, 그래서 더 좋은 대비와 이미지를 허용하도록 더 높은 선량에서 더 낮은 엑스선 에너지를 사용하여 실행된다. 더 높은 에너지를 가진 엑스선을 사용하는 것은 환자의 안전 우려 때문에 일반적으로 더 낮은 선량을 요구한다. 일반적으로, 엑스선 에너지 수준이 높아지고, 엑스선 선량이 감소함에 따라, 종래의 방사선 사진 이미지의 질은 줄어든다.
현 세대의 방사선 촬영 이미징 시스템을 위한 엑스선 원(X-ray source)은 표준 음극/양극(cathode/anode) 엑스선 관에 기초를 둔 디자인을 사용한다. 엑스선 관(X-ray tube)의 에너지 스펙트럼 및 일반적인 출력 특성은 양극 물질과 배치(configuration)에 의해 주로 결정된다. 그 응용, 특히 어떤 양상 및 어떤 구조를 이미지화할 것인지에 크게 좌우되어 양극 물질을 적절히 선택한다.
유방 엑스선 촬영을 위한, 가장 흔한 양극 물질은 몰리브덴이지만, 로듐도 사용된다. 대략 18keV의 몰리브덴의 평균 에너지는 유연 조직을 이미지화하는 데 적절한 스펙트럼을 제공한다. 유방 엑스선 촬영 시스템을 위하여, 양극은 열을 감소시기 위해 종종 구리 블록에 고정되어 장착된다. 주된 공학적 문제점은 집중된 전자 빔에 의한 양극 내부에서의 열의 발생이다. 고정된 양극을 가진 엑스선 관은 열 제거의 주된 수단이 매우 높은 열전도성을 가진 주위의 구리 양극이기 때문에 더욱 가열되는 경향이 있다. 엑스선 관의 발전의 진보는 음극으로부터의 전자 빔이 양극의 동일한 구역에 충격을 가하지 않도록 회전하는 회전 양극(rotating anode)의 사용으로 이끌었다. 디지털 검출기가 비교적 최근에 출현할 때까지, 방사선 촬영을 위한 주된 획득 검출방법은 엑스선 필름이다.
선별적 유방 촬영(screening mammography)을 위한 엑스선 이미징은 유방암의 초기 단계를 확인하기 위해 사용되어 왔다. 선별(screened) 통제 하의 여성들 사이에서 유방암 사망률은 비선별(unscreened) 통제와 비교하여 상당히 감소될 수 있다고 잘 알려져 있다. 유방 엑스선 촬영술은 유방 물리 관찰 또는 유방 자가 진단과 비교할 때, 암의 더 작고 덜 진행된 단계를 확인하기 쉽다. 더 작고 덜 진행된 단계의 유방암 치료는 더 높은 생존률의 결과로 이어진다. 향상된 방사선학 방법이 유방암의 더 작고 더 초기의 단계를 검출하는데 사용될 수 있다는 것은 매우 명백하다. 임상적으로 명백한 유방암의 약 10%는 종래의 유방 엑스선 촬영에 의해 만들어진 이미지에서 보이지 않는다. 덧붙여, 종래의 방사선학에 의해 양성 병변 및 악성 병변 사이를 구별하기는 일반적으로 어렵다.
특히, 종래의 유방 엑스선 촬영 기술로 보이지 않는 유방암은 비교적 많은 양의 유방 유선 조직을 가진 환자에서 가장 흔히 일어난다. 유방 유선 조직의 밀도는 숨겨진 병상을 모호하게 하는 경향이 있다. 암의 초기 단계를 검출하기 위하여, 더 작고, 더 초기의 암이 검출될 수 있도록 유방 엑스선 촬영의 감도를 증가시키는 것은 바람직하다. 유방암의 더 초기 검출은 상당히 감소된 사망률의 결과로 이어진다.
유방 엑스선 촬영 기술은 최근 몇 십년에 걸쳐 극적으로 향상되어 왔다. 예를 들어, 적절한 엑스선 빔 특성, 적당한 유방 압박 및 자동 노출 제어를 가진 전용 유방 엑스선 촬영 장비가 현존한다. 그러나, 종래의 유방 엑스선 촬영 기술은 정상 및 비정상 조직 사이의 차이점을 정의하는 엑스선 흡수의 묘사에 여전히 의존한다.
또한, 종래의 방사선학의 한계는 상처의 검출 및 치료 과정 같은 연골 이미징, 또는 골 관절염 같은 퇴행성 관절 질병의 이미징에 있어 명백하다. 더 좋은 이미징 기술은 돌이킬 수 없는 손상 시점 이전에 그러한 퇴행성 질병을 미리 검출하기 위하여 유익하기 마련이다.
회절 향상 이미징( DEI ; Diffraction Enhanced Imaging )
회절 향상 이미징(DEI; Diffraction Enhanced Imaging)은 종래의 엑스선 이미징의 성능을 극적으로 확장시킨다. DEI 기술은 엑스선 흡수, 엑스선 굴절 및 초소각 산란 거부(소멸)로부터 대조를 발생시킬 수 있는 엑스선 이미징 기법이다. 대조적으로, 종래의 엑스선 이미징 기술은 엑스선 흡수만을 측정한다. DEI 흡수 이미지 및 피크(peak) 이미지는 산란 분해가 없다는 것을 제외하고, 종래의 방사선 사진과 동일한 정보를 보여준다. 엑스선 회절의 브래그 법칙, nλ= 2d sin(θ)에 기초하여 DEI는 작은 각도 차이에 대해 큰 강도 차이를 제공하며, 각도 변화를 강도 변화로 변환시키도록 완전 결정 회절의 브래그 피크를 이용한다. 이렇게, DEI는 유연 조직 이미징에 매우 적합하고, 유방 엑스선 촬영을 위해 전도유망하다.
DEI 기술은 종래의 엑스선 이미징 기술과 비교할 때 대상 시각화에 있어서 향상을 증명했지만, 사용가능한 에너지 범위를 확장하고, 엑스선 흡수의 필요성을 감소시키거나 제거하는 가능성을 아무도 제기하지 않았다. 엑스선 흡수의 감소 또는 제거는 의학 분야에서 상당한 관심사이다.
엑스선 빔의 경로에 실리콘 분광기 결정(silicon analyzer crystal)의 사용은 두가지 부가적 형태의 이미지 대조인, 엑스선 굴절 및 소멸(초소각 산란 거부)를 발생시킨다. DEI는 여태까지 이미지를 발생시키기 위해 싱크로트론(synchrotron)의 높은 유속 및 에너지 범위를 요구했던 완전 단일 결정 실리콘으로부터의 엑스선 회절에 의해 준비된 고도로 시준된 엑스선을 이용한다. 이러한 시준된 엑스선은 실제로는 단색인 단일 엑스선 에너지이며, 물체를 이미지화하기 위한 빔으로서 사용된다.
흡수 대조를 거의 가지지 않은 물체는 상당한 굴절 및 소멸 대조를 가질 수 있어서, 시각화 및 엑스선 이미징의 유용성을 확장시킬 수 있다. 생물학 및 재료 과학으로의 DEI 기술 응용은, 주류 의학 이미징에 사용될 수 있는 잠재력을 지시하면서, 대조 및 해상도 양쪽에서 상당한 이득을 발현했다. DEI가 특히 효과적인 의약 분야는 관심있는 진단 구조가 종종 낮은 흡수 대조를 가져서 보기 어렵게 하는 암 진단을 위한 유방 이미징이다. 악성 덩어리로부터 확장하는 침골과 같은 낮은 흡수 대조를 가진 DEI 구조는 높은 굴절 및 초소각 산란 대조를 가지고 있다. 엑스선 기반의 유방 이미징의 감도 및 특이성 양쪽 모두를 증가시키는 능력을 가진 DEI 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.
다중 연구는 DEI의 의학적 및 공업적 응용 둘 다에서 향상된 이미지 대조를 증명했다. 의학 분야에서 종래의 엑스선 이미징 시스템을 넘어선 DEI 시스템의 장점은 극적인 환자 내 방사 선량(dose) 감소 및 향상된 이미지의 질을 포함한다. 선량 감소는 더 높은 엑스선 에너지에서 작용하는 DEI 시스템의 능력에 기인한다. 엑스선 흡수는 광전 효과, Z2/E3(Z는 원자번호 이고, E는 광자 에너지이다)에 의해 지배된다.
지금까지, DEI 시스템은 물체를 이미지화 하기 위한 다른 시스템 구성요소에 의해 조작되는 초기 방사 빔을 생산하기 위해 싱크로트론의 사용을 요구하였다. 싱크로트론은 넓은 에너지 영역을 걸치는 고도로 시준된, 고 유속 엑스선 빔을 제공한다. 싱크로트론은 광자의 방출을 일으키는 원형 궤도에서 하전된 입자, 특히 전자의 움직임을 통해 방사를 만들어낸다. 싱크로트론 방사의 독특한 특성은 폭넓은 응용을 위해 사용될 수 있는 넓은 에너지 범위에 걸친 고 유속 엑스선을 생산한다.
DEI의 핵심 이론은 엑스선 회절의 브래그 법칙에 기반한다. 브래그 법칙은 다음 공식에 의해 정의된다.
Figure 112008059504511-PCT00001
여기서, λ는 입사한 엑스선 빔의 파장이고, θ는 입사각이고, d는 결정 내 원자 층간 거리이며, n은 정수이다.
단일에너지의(monoenergetic) 방사선 사진은 이미지 대조 및 해상도에 영향을 줄 수 있는 몇 가지 요소를 포함한다: 간섭성 산란 요소 Ic, 비간섭성 산란 요소 II, 및 투과 요소. 밀도가 다양한 물체 또는 매질을 통과한 엑스선은 굴절되어, 각도의 편향(angular deviation)으로 이어질 수 있다. 특히, 엑스선 범위의 편향은 빔의 경로를 따르는 pt에서의 편차로부터 발생한다.(여기서, p는 밀도이고, t는 두께이다) 또한 입사 광자의 일부는 물체 내부의 구조에 의해 회절될 수 있는데, 일반적으로 밀리라디안에 속하고 소각 산란으로 불린다.
방사선 사진에서 기록된 강도에 기여된 이러한 상호작용의 전체 합 IN은 다음 공식에 의해 표현될 수 있다.
IN=IR+ID+IC+II
시스템 공간 해상도 및 대조는 간섭성 및 비간섭성 산란 둘 다의 기여에 의해 선명도가 떨어지게 된다. 항-산란 그리드(grid)는 산란의 기여를 감소시키기 위해 의학 이미징에 자주 사용되지만, 성능이 제한되고, 그리드의 사용은 강도에서 손실을 보상하기 위해 더 높은 선량을 종종 요구한다. DEI 기술은 간섭성 및 비간섭성 산란의 효과를 실질적으로 제거하기 위하여 물체 뒤(post-object) 엑스선 빔의 경로에 실리콘 분광기 결정을 이용한다. 실리콘 분광기 결정의 좁은 각도 허용 창은 흔들 곡선(rocking curve)으로 일컬어지고, DEI에서 사용되는 엑스선 에너지를 위해 마이크로라디안에 속한다. 분광기는 굴절 및 소멸 대조 모두를 측정하기 위해 사용될 수 있는 예민한 감도의 각도 필터로서 작용한다. 소멸 대조는 산란에 기인한 입사 빔으로부터 강도의 손실로서 정의되며, 대조 및 해상도 모두에서 상당한 향상을 만들어 낼 수 있다.
다윈 폭(Darwin Width; DW)은 반사율 곡선을 기술하기 위해 사용되고, 대략 반사율 곡선의 반치폭(Full Width at Half Maximum; FWHM)이다. -1/2 DW 및 + 1/2 DW 에서의 점은 특별한 분광기 반사 및 빔 에너지를 위해 마이크로라디안 당 광자 강도의 가장 큰 변화를 발생시키는 가파른 경사를 가진 곡선 위의 점이다. 분광기 결정 흔들 곡선의 피크에서의 대조는 엑스선 흡수 및 소멸에 의해 지배되며, 거의 산란이 없는 방사선 사진으로 이어진다. 굴절 대조는 흔들 곡선의 경사가 가장 큰, -1/2 및 +1/2 DW 위치에서 가장 높다. 어느 한 DEI 기반 이미지 처리 기술은 이러한 이미지 쌍으로부터 굴절과 외양 흡수(apparent absorption)의 대조 요소를 추출하기 위해 이러한 점들을 사용한다.
다음 단락은 이미지 쌍으로부터 굴절 및 외양 흡수의 대조 요소를 추출하기 위한 이러한 기술을 설명한다. 분광기 결정이 주어진 반사 및 빔 에너지에 대해 +/- 1/2 DW로 표현되는 각도로 세팅되면, 흔들 곡선의 경사는 비교적 일관되고 다음 공식에 의해 표현되는 것처럼 2항 테일러 급수로서 표현될 수 있다.
Figure 112008059504511-PCT00002
만일 분광기 결정이 흔들 곡선의 낮은 각 쪽으로 세팅되면(-1/2 DW), 결과적인 이미지 강도는 다음의 공식에 의해 표현될 수 있다.
Figure 112008059504511-PCT00003
높은 각 위치(+1/2 DW)로 세팅된 분광기 결정으로 얻어진 이미지에 대해 기록된 강도는 다음의 공식에 의해 표현될 수 있다.
Figure 112008059504511-PCT00004
이러한 공식들은 다음 공식에 의해 표현된 외양 흡수에 기인한 강도 변화(IR) 및 z 방향에서 관찰된 각도에서의 굴절(ΔθZ)로 의해 풀릴 수 있다.
Figure 112008059504511-PCT00005
Figure 112008059504511-PCT00006
이러한 공식들은 DEI 외양 흡수 및 굴절 이미지라고 알려진 두가지 대조 요소를 분리시키도록 픽셀-대-픽셀 (pixel-by-pixel) 상의 높고 낮은 각도 이미지에 적용될 수 있다. 그러나, DEI 외양 흡수 및 굴절 이미지를 생성시키는데 사용되는 각각의 단일 점 흔들 곡선 이미지가 유용하다는 것에 주목하는 것이 중요하다.
앞서 설명한 것처럼, 현재의 DEI 시스템은 엑스선 빔을 생산하기 위해 싱크로트론을 포함한다. 싱크로트론 기반의 DEI 시스템은 오랜 기간동안 인상적인 결과를 제공해 왔다. 그러나, 싱크로트론은 매우 크고 고가의 장비이며, 의학적 또는 산업적 응용을 위해서도 실용적이지 않다. 대조의 극적인 증가 및 선량의 감소가 주어진다면, 광범위한 임상적 사용을 위해 DEI 시스템의 효용성을 증가시키는 것이 유리할 것이다.
임상적인 DEI 이미지기의 발전은 다음의 이유에서 여성의 건강 및 일반적인 의학 이미징을 위해 중요성을 가질 수 있다: (1) DEI는 유방암의 검출 및 특성화에 가장 중요한 특징에 대한 매우 높은 대조를 생산한다고 보여져 왔다; (2) DEI의 물리학은 흡수 하나만 사용된 것보다 더 높은 엑스선 에너지에서의 이미징을 허용한다; (3) 흡수되는 광자의 필요없이 대조를 생성하는 DEI의 능력은 이온화를 극적으로 감소시켜, 흡수되는 선량을 줄인다.
나아가, 선별-필름 유방 엑스선 촬영은 지난 40년간 넓은 범위에 걸쳐 연구되어 왔고, 대규모의 임의로 추출된 선별 시도 때문에, 약 18~30%까지 유방암 사망률을 줄였다고 알려지고 있다. 최근 몇 년에 유방암 사망률이 아마도 부분적으로 이미징 시험의 폭넓은 사용의 이유로 하락하기 시작했다. 그러나, 표준 선별-필름 유방 엑스선 촬영은 완벽히 민감하지도, 고도로 특효가 있지도 않다. 치밀한 유방 조직 및 종양을 가진 유방의 흩어진 상태는 선별적 유방 엑스선 촬영의 감도를 감소시키는 경향이 있다. 치밀한 유방을 가진 여성에 대해, 발전하는 병변은 광자를 흡수하는 능력이 주변의 지방 조직보다 훨씬 더 크지는 않기 때문에 보기 어렵고, 시각화를 위한 대조를 거의 생성하지 못한다. 자가 진단 또는 물리적 진단에 의해 검출되는 대략 10~20%의 유방암은 선별-필름 유방 엑스선 촬영에 의해 보이지 않는다. 덧붙여, 병변이 유방 엑스선 촬영 및 생체 검사에 의해 검출될 때, 병변의 단 5~40%만이 악성으로 판명된다. 더욱이, 유방암의 약 30%가 이전의 유방 엑스선 촬영을 참고해서 보여질 수 있다.
현재의 DEI 및 DEI 이미징 처리 기술은 종래의 이미징 이론에 크게 기반을 두고, 적어도 부분적으로는 이미지 생성을 위해 엑스선 흡수 이론에 의존한다. 이 렇게, 이러한 기술을 사용하여 이미지화된 물체는 방사선을 흡수한다. 그러한 방사선 노출은 선량의 염려로 인해 의학적 이미징을 위한 응용에는 부적합하고, 이러한 이유는 임상적, 공업적 해석을 의심하게 만드는 상당한 공학적 한계를 둔다. 그래서, 높은 질의 이미지를 생산하고, 흡수에는 덜 의존하지만 동등한 진단 품질 및 특징 시각화를 가진 이미지를 생산하는 DEI 및 DEI 기술을 제공하는 것이 바람직하다.
따라서, DEI 및 DEI 시스템과 관련한 바람직한 향상에 비추어, 물체의 이미지를 검출하기 위해 향상된 DEI, DEI 시스템 및 관련 방법에 대한 필요성이 존재한다.
[기술적 해결방법]
여기서 기술된 발명 내용은 다색의 에너지 분포를 가진 엑스선 빔을 사용하여 물체의 이미지를 검출하는 시스템 및 방법을 포함한다. 일 측면에 따르면, 여기서 기술된 발명 내용은 물체의 이미지를 검출하기 위한 방법을 포함한다. 상기 방법은 다색의 에너지 분포를 가진 제1 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함한다. 나아가, 상기 방법은 제1 엑스선 빔을 직접 가로막아 미리 정해진 에너지 수준을 가진 제2 엑스선 빔이 생산되도록 단일 단색기 결정(monochromator crystal)을 미리 정해진 장소에 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 나아가, 물체는 그 물체를 제2 엑스선 빔이 투과하고, 그 물체로부터 투과된 엑스선 빔이 방출되도록 제2 엑스선 빔의 경로에 위치될 수 있다. 투과된 엑스선 빔은 결정 분광기 상의 입사각으로 향해질 수 있다. 나아가, 물체의 이미지는 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 검출될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 여기서 기술된 발명 내용에 따른 방법은 다색의 에너지 분포를 가진 제1 엑스선 빔을 발생시키는 것을 포함할 수 있다. 나아가, 제1 엑스선 빔의 일부는 제1 엑스선 빔이 시준된 팬(fan) 빔이 되도록 막힐 수 있다. 단색기 결정은 시준된 팬 빔을 가로막아 미리 정해진 에너지 수준을 가진 제2 엑스선 빔이 생산되도록 미리 정해진 장소에 위치될 수 있다. 상기 방법은 물체를 제2 엑스선 빔이 투과하고, 투과된 엑스선 빔이 그 물체로부터 방출되도록 제2 엑스선 빔의 경로에 물체를 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 방법은 투과된 엑스선 빔을 분광기 결정 상의 입사각을 향하게 하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하는 것을 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 여기서 기술된 발명 내용에 따른 방법은 엑스선 점 광원(point source)으로부터 다른 방향으로 부채꼴 모양으로 퍼지는 복수의 엑스선 빔을 생성함으로써 다색의 에너지 분포를 가지는 제1 엑스선 빔을 생성시키는 것을 포함한다. 나아가, 상기 방법은 또한 제2 엑스선 빔이 물체를 투과하고, 투과된 엑스선 빔이 그 물체로부터 방출되도록 제2 엑스선 빔의 경로에 물체를 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 투과된 엑스선 빔은 분광기 결정 상의 입사각을 향할 수 있다. 나아가, 상기 방법은 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하는 것을 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 여기서 기술된 발명 내용에 따른 방법은 제1 및 제2 특성 방출선을 가진 제1 엑스선 빔을 생성시키는 것을 포함한다. 상기 방법은 또한 제1 엑스선 빔을 차단하여 제1 및 제2 특성 방출선을 가진 제2 엑스선 빔이 생산되도록 단색기 결정을 미리 정해진 장소에 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 방법은 제2 엑스선 빔의 제1 및 제2 특성 방출선 중의 하나를 선택적으로 차단하는 것과, 차단되지 않은 제2 엑스선 빔의 제1 및 제2 특성 방출선 중의 다른 하나를 지나가도록 허용하는 것을 포함할 수 있다. 물체는 물체를 통한 제2 엑스선 빔의 차단되지 않은 특성 방출선의 투과 및 투과된 엑스선 빔의 물체로부터의 방출을 위하여 제2 엑스선 빔의 제1 및 제2 특성 방출선 중의 차단되지 않은 어느 하나의 경로에 위치될 수 있다. 상기 방법은 분광기 결정 상의 입사각의 각도에 투과된 엑스선 빔을 향하도록 하는 것을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 방법은 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하는 것을 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 여기서 기술된 발명 내용에 따른 방법은 제1 및 제2 특성 방출선을 가지는 제1 엑스선 빔을 생성시키는 것을 포함할 수 있다. 단색기 결정은 제1 엑스선 빔을 차단하여 제1 및 제2 특성 방출선을 가진 제2 엑스선 빔이 생산되도록 미리 정해진 장소에 위치될 수 있다. 나아가, 상기 방법은 물체를 통한 제2 엑스선 빔의 제1 및 제2 특성 방출선이 투과하고, 투과된 엑스선 빔이 그 물체로부터 방출되도록 제2 엑스선 빔의 제1 및 제2 특성 방출선의 경로에 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 분광기 결정 상의 입사각의 각도에 투과된 엑스선 빔을 향하도록 하는 것을 포함할 수 있다. 투과된 엑스선 빔은 분광기 결정 상의 입사각을 향할 수 있다. 상기 방법은 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하는 것을 포함할 수 있다.
이러한 개시에 따라, 다색 에너지 분포를 가진 엑스선을 사용하여 물체의 이미지를 검출하는 신규한 시스템 및 방법이 제공된다.
고로, 다색의 에너지 분포를 가진 엑스선 빔을 사용하여 물체의 이미지를 검출하기 위한 신규한 시스템 및 방법을 제공하는 것이 본 개시의 목적이다. 본 개시로부터 명백하게 될 수 있는 본 목적 및 다른 목적은, 여기서 기술된 발명 내용에 의해 최소한 전체로 혹은 부분적으로 달성된다.
여기서 기술된 발명 내용의 바람직한 실시예는 이제 다음의 첨부된 도면을 참고하여 기술될 것이다:
도 1A 내지 도 1C는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 단일 단색기 결정을 포함하고, 물체의 이미지를 생산하도록 실시가능한 DEI 시스템의 개요적 다이어그램, 상부 사시도, 측상부 개요도이다.
도 1D 및 도 1E는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 도 1A 내지 도 1C에 도시된 DEI 시스템의 다양한 동작 형태의 개요적 다이어그램이다.
도 2는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 음극/양극 관 설계에 기반한 엑스선 관의 개요적 다이어그램이다.
도 3은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 도 1A 내지 도 1E의 DEI 시스템의 상부 개요도이다.
도 4는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 도 1A 내지 도 1E의 DEI 시스템의 사용에 의해 물체를 이미지화 하기 위한 예시적 공정의 흐름도이다.
도 5는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 도 1A 내지 도 1E 및 도 3에서 보여진 DEI 시스템의 분광기 결정의 측면도이다.
도 6A 및 도 6B는 각각 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 부정합 단색기 결정을 포함하고, 물체의 이미지를 생산하는 것이 실시가능한 DEI 시스템의 개요적 다이어그램 및 상부 사시도이다.
도 7은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 도 6A 및 도 6B의 DEI 시스템의 사용에 의해 물체의 이미지화를 위한 예시적인 공정의 흐름도이다.
도 8 내지 도 10은 다른 파장에서 게르마늄[333] 및 실리콘[333]의 듀몽 다이어그램의 그래프이다.
도 11은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 도 6A 및 도 6B에서 보여진 DEI 시스템의 게르마늄 단색기 결정 및 실리콘 단색기 결정의 측면도이다.
도 12는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 부정합 단색기 결정을 포함하고, 물체의 이미지를 생산하는 것이 실시가능한 DEI 시스템의 개요적 다이어그램이다.
도 13 내지 도 16은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 엑스선 관 및 받침대 위에 단일 단색기 결정을 가진 단색기 탱크의 예시적 배열의 개요적 다이어 그램이다.
도 17은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 엑스선 관의 엑스선 빔 출구부의 이미지이다.
도 18은 도 17에서 보여진 엑스선 관의 엑스선 빔 출구부의 다른 이미지이다.
도 19는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 알루미늄 필터와 시준기의 이미지이다.
도 20은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 엑스선 관의 단부로부터 엑스선 빔의 원하지 않은 방출을 막기 위한 엑스선 관의 단부의 쉴딩 캡의 이미지이다.
도 21은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 엑스선 관의 단부에 고정을 위하여 분해되고 잘려졌지만 휘어지지는 않은 쉴딩 캡의 이미지이다.
도 22는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 엑스선 관의 측면으로부터 엑스선 빔의 원하지 않는 방출을 막기 위해 엑스선 관의 단부 근처에 위치한 쉴딩의 다른 부분의 이미지이다.
도 23은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 엑스선 관의 측면으로부터 엑스선 빔의 원하지 않은 방출을 막기 위한 엑스선 관의 단부 근처에 위치한 또 다른 쉴딩 부의 이미지이다.
도 24는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 엑스선 관의 측면으로부터 엑스선 빔의 원하지 않은 방출을 막기 위한 납 쉴딩을 포함한 도 23의 단색기 탱크의 이미지이다.
도 25는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 상호 연관된 작동 위치에서의 엑스선 관 및 단색기 탱크의 이미지이다.
도 26은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 단색기 탱크의 내부 요소의 정면도의 이미지이다.
도 27은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 예시적인 DEI 시스템의 상부 사시도이다.
도 28은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 예시적인 단색기 결정의 측면도, 평면도 및 정면도를 포함한 개요적 다이어그램이다.
도 29는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 내측/외측 구역 및 치(chi) 및 세타(theta) 회전각을 보여주는 단색기 결정의 사시도이다.
도 30은 실리콘 [111], [333], [444] 및 [555] 결정 회절 평면을 사용한 국립 싱크로트론 광 소스 X15A(National Synchrotron Light Source X15A) 상자에서의 단색 빔 유속의 그래프이다.
도 31은 반치폭에서의 감소가 흔들 곡선의 경사를 증가시키는 것을 도시한 그래프이다.
도 32는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 싱크로트론 엑스선 빔을 사용한 DEI 시스템의 실험적인 조합의 개요적 다이어그램이다.
도 33은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 예시적인 알루미늄 필터 열 배출구의 이미지이다.
도 34는 24시간에 걸쳐 서미스터에 의해 측정된 온도의 그래프이다.
도 35는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 갱신된 제2 단색기 베이스 및 온도를 낮추기 위한 수냉 라인을 가진 지지 플레이트를 상부에서 본 예시적인 이미지이다.
도 36은 일정시간에 걸쳐 분광기의 피크 위치를 보여주는 18keV의 안정성 시험 그래프이다.
도 37은 18keV의 안정성 시험 중인 국립 싱크로트론 광 소스(NSLS; National Synchrotron Light Source)의 엑스선 링 전류의 그래프이다.
도 38은 일정 시간에 걸쳐 분광기 피크 위치를 보여주는 40keV의 시스템 안정성 시험의 그래프이다.
도 39는 40keV의 안정성 시험 동안 NSLS 엑스선 링 전류의 그래프이다.
도 40A 내지 도 40C는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 18keV에서 얻어진 예시적인 CD 팬텀(phantom)의 이미지이다.
도 41A 내지 도 41C는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 30keV에서 획득된 예시적인 CD 팬텀(phantom)의 이미지이다.
도 42A 내지 도 42C는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 시스템 및 방법으로 얻어진 피크 분광기 결정 위치, 30 keV에서 획득된 미스티 팬텀(MISTY phantom), 브래그 [333]의 다른 3개 영역의 이미지이다.
도 43은 유방 대 에너지에서 흡수, 비간섭 산란 및 간섭 산란의 기여 그래프이다.
도 44는 종래의 방사선 사진 시스템 상에서 이미지화된 예시적인 유방 견본의 이미지이다.
도 45A 내지 도 45F는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 기술을 사용하여 각각 18 keV, 25 keV, 30 keV, 40 keV, 50 keV, 및 60 keV의 빔 에너지에서의 동일한 표본의 싱크로트론 방사선 사진이다.
도 46A 내지 도 46F는 각각 18 keV, 25 keV, 30 keV, 40 keV, 50 keV, 및 60 keV의 MIR 빔 에너지를 사용한 유방 견본의 이미지이다.
도 47A 내지 도 47F는 각각 18 keV, 25 keV, 30 keV, 40 keV, 50 keV, 및 60 keV의 빔 에너지에 대한 평균 유선 선량 및 분포의 그래프이다.
도 48은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 엑스선 빔 에너지 대 MIR에 사용된 에너지의 그래프이다.
도 49는 MIR을 사용한 섬유 직경의 추산을 지시하는 이미지이다.
도 50은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 기술로 획득된 나일론 섬유 굴절 윤곽을 도시한 그래프이다.
도 51은 직경 눈금에 맞춰진 MIR 굴절의 그래프이다.
도 52A 내지 도 52C는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 기술로 획득된 유방 암 견본의 MIR 굴절 이미지이다.
도 53은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 DEI 시스템에 의해 획득된집중된 유방 암 덩어리 및 침골의 MIR 세트의 이미지이다.
도 54A 내지 도 54E는 종래 방사선 사진과 비교된 DEI를 가진 소섬유의 시각 화 이미지이다.
도 55A 내지 도 55E는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 컴퓨터 모의실험 소프트웨어를 사용하여 모의 실험된 DEI 시스템의 개요적 다이어그램이다.
도 56은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 DEI 단색기 결정에 연결된 로그-스파이럴(log-spiral) 집중 부재의 사시도이다.
도 57은 화선(caustic)에서 광원을 가진 로그-스파이럴 부재의 집중 효과를 도시하는 사시도이다.
도 58A 및 도 58B는 각각 실험적 연구를 위한 특성화 시스템의 평면도 및 입면도이다.
도 59는 직접 엑스선-대-전하 변환 검출기의 개요적 다이어그램이다.
도 60A 및 도 60B는 각각 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 싱크로트론 기반 시스템 및 엑스선 관 기반 시스템에 의해 생산된 동일한 나일론 소섬유 팬텀(phantom)의 이미지이다.
도 61은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 기술을 사용하여 도 44 및 도 45A 내지 도 45F에서 보여진 동일한 유방 견본의 싱크로트론 굴절 이미지이다.
도 62A 및 도 62B는 각각 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 엑스선 관 및 싱크로트론을 사용하여 획득된 유방 조직 견본의 동일한 영역의 이미지이다.
도 63은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 엑스선 관을 사용하여 획득된 유방 암 절제 견본의 이미지이다.
[발명의 실시를 위한 최선의 형태]
여기서 기술된 발명 내용은 다색 에너지 분포를 가진 엑스선 빔을 사용하여 물체의 이미지를 검출하는 시스템 및 방법을 포함한다. 특히, 여기서 기술된 발명 내용은 향상된 DEI 및 DEI 시스템, 그리고 물체의 이미지를 검출하는 방법을 개시한다. 한 측면에 따르면, 여기서 기술된 발명 내용은 물체의 이미지를 검출하는 방법을 포함한다. 상기 방법은 다색 에너지 분포를 가진 제1 엑스선 빔을 생성시키는 것을 포함한다. 나아가, 상기 방법은 제1 엑스선 빔을 직접 가로막아 미리 정해진 에너지 레벨을 가진 제2 엑스선 빔이 생산되도록 단일 단색기 결정을 미리 정해진 장소에 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 나아가, 물체를 제2 엑스선 빔이 투과하고, 투과된 엑스선 빔이 물체로부터 방출되도록, 물체가 제2 엑스선 빔의 경로에 위치될 수 있다. 투과된 엑스선 빔은 결정 분광기 상의 입사각으로 향해질 수 있다. 나아가, 물체의 이미지는 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 검출될 수 있다. 예를 들면, 이러한 시스템 및 방법은 의료적 응용에서의 극도로 낮은 선량, 빠른 스캔 시간, 높은 해상도 및 비교적 낮은 작동 및 건조 비용을 제공하기 때문에 유리할 수 있다. 나아가, 예를 들면 이러한 시스템은 작은 단위(compact unit)로 조립될 수 있고, 임상적, 공학적 응용에서 바로 사용이 가능할 수 있다.
여기서 기술된 발명 내용에 따른 DEI를 사용한 이미징 처리 기술은 물체의 외양 흡수 및 굴절 이미지를 생성시키기 위하여 흔들 곡선의 대칭점에서 획득된 이미지를 사용할 수 있다. DEI 외양 흡수 이미지는 종래의 방사선 사진 이미지와 유사하지만, 산란 거부에 기인한 훨씬 더 큰 대조를 보여준다. DEI 굴절 이미지는 큰 스케일의 굴절율(refractive-index) 특징에 의해 발생한 작은 빔 편향의 크기를 묘사할 수 있다. DEI 소멸(extinction) 이미지는 대조의 주요 메커니즘이 물체에 의해 마이크로라디안 범위로 분산되어진 광자에 기인하는 흔들 곡선 상의 점들에서 생성된다. 다른 DEI 기반 이미징 처리 기술은 물체의 엑스선 흡수, 굴절 및 초소각 산란을 표현하는 정량적 이미지를 생성하기 위해, 흔들 곡선 상의 다수의 점을 사용하는 다중 이미지 방사선 촬영(MIR; Multiple Image Radiography)으로 불린다. 여기서 기술된 발명 내용에 따른 시스템 및 방법은 분광기 흔들 곡선 상의 임의의 점에서의 이미지를 생성할 수 있고, 다음의 것들을 생성하는데 사용될 수 있다: (1) 어떤 분광기 위치에서의 단일 이미지 DEI; (2) DEI 외양 흡수 및 굴절 이미지; (3) MIR 흡수, 굴절 및 산란 이미지; 및 (4) 질량 밀도 이미지(mass density image). 이러한 공정 및 어떤 다른 DEI 기반 처리 기술을 위해 요구되는 원본 이미지 자료를 생성하는 능력은 모든 DEI 기반 처리 기술에 유용하다. 덧붙여, 여기서 기술된 시스템 및 방법은 컴퓨터 엑스선 단층 촬영에서 사용할 수 있고, DEI 기반 컴퓨터 엑스선 단층 촬영 알고리즘에서의 사용을 위한 원본 자료를 제공할 수 있다.
물질과 광자의 상호 작용
본 절은 엑스선 생성, 포토닉스(photonics) 및 물체와 광자의 상호작용의 개요를 제공한다. 나아가, 본 절은 엑스선 흡수, 굴절 및 산란, 그리고 그들이 어떻게 DEI 및 DEI와 관계하는지의 물리적 메커니즘을 설명한다. 에너지 부여(energy deposition), 선량 측정 및 방사선 노출의 건강 관련 효과의 주제도 논의될 것이다.
방사선 촬영술에서 가장 중요한 숨겨진 물리적 상호작용 중의 하나는 광전 효과이다. 엑스선 이미징에 이 이론의 적용은 종래의 방사선 촬영에서 대조가 어떻게 획득되는지를 설명하는데 도움을 준다. 유방 조직 같은 물체를 통한 엑스선은 전자를 쳐서 그 궤도의 결합 에너지 이상의 준위로 그 에너지를 올릴 수 있다. 이것이 발생하면, 전자는 핵의 인력을 극복할 충분한 에너지를 가져서, 입사된 광자의 에너지와 전자의 결합 에너지의 차와 같은 전체 에너지를 가지고 원자를 떠난다. 생물학적 조직에서, 입사한 엑스선은 직접 혹은 간접 자유 라디칼 형태로 이어질 수 있고, 돌연변이 및 다른 유독한 효과로 이어지는 DNA 및 다른 세포 구조와 상호 작용을 할 수 있다. 이러한 상호작용의 긍정적 양상은 엑스선 광자의 에너지가 전자로 전달된다는 것이고, 이것은 이미징 시스템의 필름이나 검출기와 충돌하지 않을 것이라는 것을 의미한다. 물체를 통해 투과된 엑스선의 양을 감소시키는 것은 엑스선 감쇠라고 불리어지며, 종래의 이미징에서 이러한 공정의 주요 요소는 광전 효과를 경유한 흡수를 통해서이다.
단위 질량(unit mass) 당 발생하는 광전 흡수의 확률은 Z3/E3에 비례한다. Z는 원자 번호이고, E 는 입사 광자의 에너지이다. 의학 이미징을 위해, 이 공식은 빔 에너지의 효과를 반영하도록 단순화되어, 광전 흡수의 확률은 1/E3에 비례하게 된다. 종래의 방사선 사진에서의 대조가 흡수에 기초를 두기 때문에, 흡수 대조는 더 높은 에너지 수준에서 빠르게 감소하기 마련이다. 이러한 경향의 예외는 각 원소에 특유한 특성 에너지인, 원자의 K-흡수단(K-absorption edge)에서 발생한다. 광전 효과 상호작용이 발생할 가능성은 입사 광자 에너지가 K-흡수 에너지 또는 K-단 이하일 때, 매우 증가한다.
*광전 흡수는 원자번호가 높을수록, 빔 에너지가 낮을수록 증가하기 때문에, 유방 조직을 이미지화하는 것은 도전적인 노력이 된다. 유연 조직 내의 주요 성분 대부분은 모두 비교적 낮은 원자번호와 1keV 이하의 흡수단을 가진 수소, 탄소, 질소 및 산소로 이루어져 있다. 유방 조직의 실질(parenchyma)을 구성하는 주요 성분의 비교적 낮은 원자번호 및 낮은 흡수단은, 특히 질병의 초기단계에서 의심되는 양성 및 악성 특징 사이의 차이점을 결정하기 어렵게 한다.
종래의 엑스선 생성에 고유한 물리적 상호작용은 브렘슈탈룽(bremsstrahlung; 독일어로 "방사를 깨뜨리는"의 의미임) 상호작용이라고 한다. 이미징 시스템에서 사용되는 비상대적 속도의 전자는 전압을 통해 가속되며, 다음 공식에 의해 정의되는 운동에너지(KE)를 가지고 있다:
Figure 112008059504511-PCT00007
엑스선 관의 양극과 같이, 금속으로 방출된 전자는 밀집한 원자 핵을 지나갈 때, 편향되어 급격히 감속할 수 있다. 지나가는 전자가 핵에 얼마나 가까운가에 의존하는 에너지 손실로, 전자는 0에서부터 그 전체 운동에너지(KE)의 범위에서 에너 지를 방출할 수 있다. 낮은 에너지 방출로 이어지는 편향은 큰 에너지 방출로 이어지는 편향보다 훨씬 더 높은 확률을 가지고 있다. 높은 포텐셜에서 가속되며, 속도의 상당한 감소로 이어지는 핵과의 강한 상호작용을 가진 전자는, 에너지 스펙트럼의 엑스선 띠에서 광자의 방출로 이어질 수 있다. 진단 엑스선 관으로부터 생성된 엑스선의 주된 광원은 브렘슈탈룽 방사로부터 나온다.
원자와 상호작용하는 가속된 전자는, 특성 엑스선(characteristic X-ray)으로 알려진 물체의 원자 특성(property)에 주로 기초한 다른 형태의 엑스선을 생산할 수 있다. 가속된 전자가 원자 궤도 내의 전자와 부딪히면, 그 에너지 일부가 전달되어 부딪힌 전자를 더 높은 에너지 준위로 올릴 수 있다. 전달된 에너지가 그 부딪힌 전자의 결합 에너지와 같거나 더 크면 부딪힌 전자의 방출이 발생할 수 있다. 이러한 전자들 중 하나를 방출하는 상호작용이 일어나면, 더 높은 에너지 준위의 전자가 그 간격을 채우기 위해 떨어지게 된다. 이들 전자가 높은 에너지 준위에서 더 낮은 에너지 준위로 가기 때문에, 에너지 준위에서의 변화가 에너지 방출을 수반한다. 제2에너지 준위에서 제1에너지 준위로(n=2에서 n=1로) 전이하는 전자는 Kα엑스선이라고 불린다. 제3에너지 준위에서 제1에너지 준위로(n=3에서 n=1로)의 전이는 Kβ 엑스선으로 분류된다. 이러한 전자 충돌에 기초하여 일어날 수 있는 수많은 전이가 있지만, 특성 엑스선을 생성하는 상호작용은 더 낮은 원자 에너지 준위에서의 전이에 의해 생산된다.
엑스선 타겟의 에너지 출력 스펙트럼은 사용되는 금속의 특성에 의존한다. 특정 이미징 응용에 필요한 평균 에너지의 결정은 타겟을 선택하는 데 있어서 중요하다. 단색 엑스선을 이용하는 응용을 위해, 타겟에 의해 생산된 특성 엑스선은 특히 중요하다.
엑스선 흡수를 고려하면, 엑스선 광자가 물체와 만날 때, 엑스선의 일부가 흡수되고 일부가 투과되면서, 상호작용은 입사 엑스선의 감쇠로 이어진다. 엑스선 감쇠는 전자 밀도 및 물체의 평균 원자번호에 기초한 광자 강도의 손실이다. 엑스선의 산란은 또한 광자가 물체를 통과하여 강도의 손실로 이어질 때 일어나지만, 이러한 성분은 종래의 방사선 사진에서는 측정하기 어렵다. 두께 X의 물체를 통과하여 지나갈 때 흡수되는 광자의 양을 정하는 것은 입사된 빔 내의 광자(Io) 수와 비교하여 투과되는 광자(It)가 얼마나 많은지에 의해 결정된다. 대상을 통과할 때, 광자가 감쇠되는 정도는 측정될 수 있는 물질 특성이고, cm-1단위를 가진 감쇠 계수 (μ)라고 불린다. 선형 감쇠계수의 차이는 높고 낮은 감쇠의 영역 사이에 있는 가장 높은 대조를 가진 엑스레이 이미지 대조를 허용한다.
선형 흡수계수는 가로막는 물질의 밀도에 비례하고, 표로 만들어진 값은 종종 μ/ρ로 표현된다. 이 값은 질량 흡수 계수(mass absorption coefficient)라고 불리며, 물질의 물리적 상태(고체, 액체 또는 기체)와 독립적이다.
하나의 매질에서 다른 매질로 지나갈 때, 빛의 굴절은 윌브로드 스넬(Willebrord Snell)에 의해 처음 발견되었고, 이러한 과정을 정의하는 법칙은 스넬의 법칙으로 알려져 있다. 수학적으로 이 관계는 다음의 식에 의해 정의된다:
Figure 112008059504511-PCT00008
여기서, 입사 매질은 매질1이고, 굴절 매질은 매질2이다.
하나의 매질에서 다른 매질로 지나가는 전자기파의 통로는 굴절율 차이에 의존하는 편향을 가진 매질을 통과하는 가시광과 유사하다. 가시광의 고전적 예를 사용하여, 하나의 굴절율의 매질로부터 더 높은 굴절율을 가진 매질로 움직이는 빛은 굴절될 수 있다. 이 예는 가시광의 굴절을 설명하기 위해 보통 사용되지만, 그 법칙은 또한 엑스선에도 적용된다. 그러나, 엑스선은 복소수 굴절율의 실수부가 1보다 작고, 다음의 공식에 의해 표현될 수 있다:
Figure 112008059504511-PCT00009
고에너지 엑스선 및 낮은 평균 원자번호를 가진 물질을 사용할 때, 델타에 대한 근사값은 다음의 공식에 의해 제공된다:
Figure 112008059504511-PCT00010
N은 견본 물질의 단위 부피 당 전자의 수, re는 고전 전자 반경, λ는 엑스선 파장이다.
이러한 공식들을 사용하면, 별개의 굴절율을 가진 2개의 구역 사이의 선형 경계에 대해, 입사 광자는 다음 공식에 의해 근사된 각도 Δθ에서 굴절됨을 보여줄 수 있다:
Figure 112008059504511-PCT00011
광자는 물체와 충돌할 때 다음 3가지 경우를 주로 경험할 수 있다: 광자가 어떤 상호작용 없이 통과할 수 있거나, 광전 효과를 통해 흡수될 수 있거나, 또는 산란하는 경우를 경험할 수 있다. 가장 일반적인 정의에서, 산란은 다른 물체와의 상호작용으로 파생되는 광자의 경로의 각도 편향이다. 광자의 특성, 광자가 통과하는 매질 및 광자가 충돌하는 물체의 특성은, 상호작용의 결과에 깊은 영향력을 가지고 있다.
에너지의 손실 또는 전달없이 일어나는 상호작용은 탄성이고, 입사한 광자에서 에너지와 관련된 손실 없이 일어나는 엑스선 상호작용은 탄성 산란 혹은 간섭 산란(coherent scattering)으로 불린다. 간섭 산란의 경우에, 초기 엑스선 광자에너지는 처음에 완전히 흡수되고, 그 후 단일 원자의 전자에 의해 재방출된다. 아직 상호작용에서의 순 에너지 손실은 없지만, 광자 재방출의 방향은 완전히 임의적이다. 의학 이미징을 위하여, 간섭 산란 상호작용은, 비간섭 산란으로 알려진 에너지의 손실을 가진 광전 상호작용 또는 산란의 경우보다 훨씬 덜 중요하다.
진단 이미징에서 사용되는 에너지 범위에서, 지배적이며 종종 문제가 있는 산란 상호작용이 비간섭 산란이다. 이 효과는 콤프턴 산란(Compton scattering)으로 알려져 있다. 콤프턴 산란 상호작용은 원자의 외곽 에너지 준위에서 엑스선 광자 및 전자 사이에 충돌로서 기술될 수 있다. 외곽 전자를 결합하는 에너지는 극소이고, 광자와 전자 사이 상호작용에서 손실된 모든 에너지는 전자에 운동에너지로서 전달된다. 이러한 에너지 전달은 감소된 에너지 혹은 증가된 파장을 가진 광자 로 이어지고, 원자로부터 충격을 받은 전자의 방출로 이어진다. 에너지와 운동량 둘다 충돌에서 보존되어, 에너지와 산란된 광자의 각도 편차 모두는 전자에 전달된 에너지의 양에 의존한다. 파장에서의 변화를 기술하는데 사용되는 콤프턴 산란 공식은 다음 공식에 의해 제공된다:
Figure 112008059504511-PCT00012
여기서, λ는 입사 광자의 파장이고, λ' 는 산란 광자의 파장이다.
고에너지 엑스선 광자는 전형적으로 작은 양의 에너지를 전달하여, 광자의 초기 탄도(trajectory)에 비해 산란각을 작게 만든다. 역으로, 더 낮은 에너지의 엑스선 광자의 산란은 본래 더욱 등방성이다. 종래의 방사선 촬영에서의 문제점은 진단 이미징에서 사용되는 더 낮은 에너지 엑스선이 등방적으로 산란되는 반면, 검출되는 광자는 전방을 향한다는 것이다. 이러한 산란된 광자는 이미지를 생성하기 위해 사용된 바람직한 광자와 비교하여, 유사한 에너지와 방향을 가질 수 있다. 에너지와 방향의 유사성은 항산란 그리드 및 에너지 필터에 의한 그들의 제거를 어렵게 만든다. 이러한 이유로 콤프턴 산란은 결과 이미지를 흐리게 함으로써 해상도와 대조를 감소시킬 수 있다. 독창적인 방법들이 방사선 사진상의 콤프턴 산란의 충격을 줄이기 위해 사용되어 왔지만, 종래의 어떤 엑스선 이미징 기술도 이러한 효과를 완전히 제거하는 데 성공적이지 않았다.
이온화 방사(ionizing radiation)를 사용하는 이미징 시스템의 발전과 사용은 물체나 환자의 내부 구조를 시각화하는데 사용되는 전자기 방사에 의해 가능해짐과 동시에 기초가 되었다. 이온화 방사는 원자가 전자를 잃고 이온이 되는데 충분한 에너지를 가진 방사로 정의된다. 엑스선 이미징은 가장 보편적으로 사용되는 이온화 이미징 기법이지만, 다른 해부용 및 기능적 이미징 기법들은 진단 정보를 얻기 위해 이온화 방사를 이용한다. 이온화 방사를 사용할 경우에, 그 사용과 관련된 선량(dose)에 따른 영향이 불가피하고, 선량이 어떻게 측정되는지, 그리고 관련된 건강 효과의 이해는 필수적이다. 다른 측정 시스템과 함께, 방사 노출의 측량은 진화해왔고, 수많은 단위와 방법을 생산하며 변화해왔다.
선량은 대상이나 물체에 노출되거나 그에 의해 흡수되는 방사량으로 정의된다. 뢴트겐은 엑스선 또는 감마 방사에 의해 공기 중에 생산된 이온화를 측정하기 위한 노출 사용의 단위이다. 뢴트겐에 의해 노출을 결정하는 것은, 공기의 부피 요소에서 광자에 의해 자유로와진 모든 전자가 완전히 공기중에 정지했을 때, 부피 요소 내에서 공기의 질량에 의해 나누어진, 공기 중에 생산된 동일 부호의 모든 이온 상의 전하량의 합을 결정하는 것을 포함한다. 1뢴트겐(R)은 공기 1킬로그램 당 엑스선 또는 감마선에 의해 생산되는 전하 2.58×10-4 쿨롱(Coulomb)으로 정의된다. 뢴트겐은 또한 표준 온도/기압에서 1cc의 건조 공기 내의 1 esu (2.08 x 10P9의 이온-쌍)의 전하를 생산하는 엑스 및/또는 감마 방사로 정의될 수 있다. 뢴트겐의 사용은 엑스 및 감마 방사에만 제한되고, 흡수된 선량의 측정이 아니라는 것이 더 중요하다. 그 사용은 의학 이미징 장치에서는 일반적이지 않지만, 공기 이온화의 측정은 다른 분야에서 여전히 널리 사용되기 때문에 그 사용은 계속되고 있다.
생물학적 이미징 응용을 위한 방사의 더 유용한 측정은 대상이나 물체에 의해 흡수되는 방사 선량을 고려하는 것으로, 라드(rad)로 표현된다. 1rad는 조직 1 그램에 의해 흡수되는 100 ergs(1 erg = 10-7J)의 에너지와 같다. 국제적으로 적용된 흡수된 방사의 단위는 그레이(gray)이고, 100 rad와 같다. 1rad 혹은 1gray는 전체 에너지의 측정량이 아니고, 얼마나 많은 선량이 조직 그램 당 흡수되었는지의 측정량이다. 얼마나 많은 전체 에너지가 전달되었는지를 결정하기 위해서는 노출된 조직의 양을 알아야 한다. rad와 gray는 둘다 흡수된 선량의 측정량을 제공하지만, 그것은 여전히 조직 뒤에 남겨진 에너지 양의 측정량일 뿐이다.
특별한 형태의 방사가 미치는 효과를 결정하는 것에 부가하여, 노출되는 조직의 형태 역시 전체적인 효과에 영향이 있다. 조혈 간세포, 장의 상피 및 정자발생 세포 같은 빠르게 분화하는 가장 민감한 몇몇 세포를 가진 어떤 형태의 조직은 다른 것들보다 방사에 더욱 민감하다. "효율적인 선량(Effective Dose)"으로 알려진 용어는 다음 공식에 의해 표현되는 것처럼, 조사된 조직의 형태의 등가 선량과 가중인자의 곱을 더함으로써 계산된다:
Figure 112008059504511-PCT00013
생물학적 시스템은 생명에 필요한 기능을 수행하기 위한 분자 및 구조의 초-복합 시스템에 의존한다. 이온화 방사는 기능의 손실 또는 세포의 죽음으로 이어지도록 세포 작용을 붕괴시킬 수 있다. 체내의 분자는 종종 효소 및 다른 생물학적 장치에 의해 도움을 받아, 잘 정의된 순서로 화학적 결합 및 상호작용에 의해 결합된다. 이온화로부터 방출된 에너지는 화학적 결합을 깨서, 잠재적으로는 이러한 분자의 형상 및 기능을 변화시킬 수 있다. 세포에의 충격은 세포의 어떤 부분이 붕괴 되는지와 주어진 시간에 얼마나 많은 사건이 일어나는지에 달려 있다.
세포의 가장 민감하고 결정적인 요소 중의 하나는 세포 복제, 전사 및 후속 번역에 관련하는 그 DNA(deoxyribonucleic acid)이다. 이온화 사건이 전자의 방출로 이어지는 DNA에서 발생하면, 전하가 DNA 내에서 형성될 수 있다. 이러한 방법으로 발생하는 상호작용은, 이온화 사건이 DNA 내부 혹은 근처의 분자로부터 직접 발생한다는 점에서 직접 작용(direct action)이라고 불린다. 엑스선으로 발생하는 자유 라디칼의 약 2/3는 방출된 전자가 물 분자를 칠 때 발생하여 직접 작용으로 분류된다. 이것은 물 분자를 이온화하며, 일련의 단계를 통해 자유 라디칼의 창출로 이어질 수 있다. 일단 자유 라디칼이 생성되면, 안정된 전자 배치를 회복하기 위해 다른 분자와 매우 강하게 작용할 수 있다. 자유 라디칼이 DNA 분자와 상호작용하면, 무용의, 일시적 기능 장애를 유발하는, 또는 세포를 불안정하게 하여 결국 세포 사망으로 이어지는 오류를 만들어 낼 수 있다.
과도한 방사 노출은 세포 사망으로 이어지는데, 2가지 기본 형태로 나타날 수 있다. 이온화는 세포가 더 이상 자신을 유지할 수 없어 세포 사망으로 이어지는 지점까지 세포 작용을 붕괴시킬 수 있다. 세포가 기능하도록 허용하지만, 더 이상 복제하지 못하는 유사 분열의 억제 또한 일어날 수 있다. 세포 수준에 영향을 가진 효과는 기관, 조직 또는 유기체 수준까지 확대될 수 있다. 전체 몸으로의 100gray의 선량은 24 내지 28 시간 이내에 죽음으로 인도할 수 있다. 2.5 내지 5 gray의 전체 몸 선량은 몇 주 내에 죽음을 발생시킬 수 있다. 기관 및 다른 몸 일부로의 국부화 방사 노출은 조직 형태의 민감도에 따라 부분적으로 결정되는 손상의 영향 을 가진 국소 세포 사망 및 기능 장애로 이끌 수 있다.
세포 사망은 이온화 방사에 노출된 유일한 결과이고, DNA의 변경은 DNA 청사진에 오류로 이어질 수 있다. 암의 발전은 체세포에 대한 DNA 손상의 가능한 결과이다. DNA 내의 오류는 세포 조절에 있어서 결점으로 이어지고, 통제불가능한 암의 증식 및 발전으로 이어질 수 있다. 생식 세포의 DNA 내의 오류 유발은 생식에 대해 명백하지 않은 유전성 결함으로 이어질 수 있다.
DEI 및 DEI 시스템 및 관련 방법
여기서 기술된 발명 내용의 일 실시예에 따른 DEI 시스템은 엑스선 관에 의해 방출된 특정 엑스선을 거부하기 위한 단일 단색기 결정을 포함할 수 있다. 도 1A 내지 도 1C는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 단일 단색기 결정(monochromator crystal)을 포함하고, 물체(O)의 이미지를 생산하도록 실시가능한 DEI 시스템(보통 100으로 표시됨)의 개요적 다이어그램, 상부 사시도, 측상부 개요도이다. 나아가, 도 1D 및 도 1E는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 도 1A 내지 도 1C에 도시된 DEI 시스템(100)의 다양한 동작 형태의 개요적 다이어그램이다. 도 1A 내지 도 1B를 참고하면, DEI 시스템(보통 100으로 표시됨)은 단색기 엑스선 빔(보통 XB로 표시됨)을 생산할 수있도록 동작 가능한 엑스선 관(XT), 또는 엑스선 관(XT)의 점 광원로부터 다른 방향으로 방사상으로 퍼지는 복수의 엑스선 빔을 포함할 수 있다. 엑스선 빔(XB)은 다른 에너지를 가진 광자들을 포함할 수 있다. 일 예로, 엑스선 관(XT)은 엑스선 빔(XB)이 방출될 수 있는 점 광원을 가 진 텅스텐 엑스선 관이다.
도 2는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 정지한 엑스선 관 설계에 기초한 엑스선 관(XT)의 개요적 다이어그램이다. 도 2를 참조하면, 엑스선 관(XT)은 전자 빔(보통 EB로 표시됨)을 발생시키도록 배치된 음극(C)을 포함한다. 음극(C)은 텅스텐 재질이다. 고 전압이 음극(C) 및 양극(A)을 가로질러 적용되고, 엑스선 관(XT)의 진공 내부(V)를 가로질러 높은 전위 차이를 창출한다. 전압 전위는 양극 연결부(ANC)를 경유하여 양극(A)에 적용될 수 있다. 엑스선 관(XT)은 음극(C)을 가열하도록 배치된 필라멘트(F)를 포함할 수 있다. 필라멘트(F)는 필라멘트 연결부(FC)에 의해 전력 공급원에 연결될 수 있다.
진공 내부(V)는 엑스선 관 하우징(XTH)의 내부에 정의된다. 전자는 음극(C)을 가열함으로써 음극(C)으로부터 열적으로 방출될 수 있다. 전기 집중 컵(EFC)은 전자 방출 점을 둘러싸고, 양극(A) 쪽으로 전자 흐름을 집중시키는 것을 도와준다. 나아가, 음극(C)으로부터 방출된 전자는 회로를 가로질러 적용된 전압에 의해 결정되는 간격을 가로지르는 속도를 가지고, 진공 내부(V)를 가로질러 양극(A)에 집중된다.
음극(C)으로부터 방출된 전자는 양극(A)의 텅스텐 타겟(T) 쪽을 향하고, 그에 입사될 수 있다. 타겟(T) 위 전자의 충격의 결과로서, 엑스선 빔(XB)이 생성된다. 엑스선 빔(XB)은 엑스선 창(XW)를 경유하여 진공 내부(V)를 빠져나간다. 엑스선 빔(XB)은 특성 방출선 및 브렘슈탈룽 방사를 포함할 수 있다.
엑스선 발생기의 일 예는 독일 아렌스부르그(Ahrensburg)에 있는 GE 검사 기 술(GE Inspection Technologies)로부터 이용가능한 이소볼트 타이탄 160 (ISOVOLT TITAN 160)이다. 다른 예시적인 엑스선 관은 스위스 플라마트(Flamatt)에 있는 코메트 AG(Comet AG)로부터 이용이 가능한 MXR-160HP/20 엑스선 관 같은 COMET MXR-160 시리즈 엑스선 관을 포함한다.
도 1A 및 도 1B를 다시 참조하면, 시준기(collimator; C1)는 단색기 결정(MC)의 각도 허용 창 밖으로 떨어지는 엑스선 빔(XB)의 일부를 막기 위해 위치될 수 있다. 시스템(100)은 또한 단색기 결정(MC)의 각도 허용 창 밖으로 떨어지는 엑스선 빔(XB)의 일부를 막기 위해 엑스선 관(XT)과 단색기 결정(MC) 사이에 위치한 추가적인 시준기를 포함할 수 있다. 시준기는 엑스선 빔(XB)의 일부가 단색기 결정(MC)으로 지나갈 수 있도록 슬릿 또는 홀을 정의할 수 있다. 나아가, 시준기는 납과 같이 엑스선을 막기 위한 적절한 물질로 만들어질 수 있다. 엑스선 관(XT) 및 시준기(C1) 사이의 거리(X)는 약 100mm 정도가 될 수 있다.
단색기 결정(MC)은 그 위로 입사하는 엑스선 빔(XB) 일부의 미리 결정된 에너지를 선택하도록 배치될 수 있다. 일 예로서, 단색기 결정(MC)은 원하는 에너지를 갖지 않는 엑스선 빔(XB)의 대부분을 거부하도록 적용된 실리콘 [333] 단색기 결정이다. 텅스텐 엑스선 관의 경우, 실리콘 단색기 결정에 의해 반사되는 빔 에너지의 범위가 있을 수 있다. 이 경우에, 엑스선 빔의 특성 방출선은 59.13 keV (Kα1) 및 57.983 (Kα2)이고, 단색기 결정의 좁은 각도 허용 창 내부로 떨어지는 브렘슈탈룽 방사이다. 브렘슈탈룽 방사의 밝기는 2개의 Kα 방출선 보다 몇몇 차수(order) 낮은 크기이다.
엑스선 빔(XB)은 몇몇 다른 방향으로 단색기 결정(MC)에 의해 분산된다. 시준기(C2)는 분광기 결정(AC)의 각도 허용 창 바깥으로 떨어지는 엑스선 빔(XB)의 일부를 막기 위해 위치될 수 있다. 시준기(C2)는 분광기 결정(AC)에 의한 차단을 위해 엑스선 빔(XB)의 일부가 분광기 결정(AC) 쪽으로 지나갈 수 있는 슬릿 혹은 홀을 정의할 수 있다. 일 예로서, 단색기 결정(MC) 및 분광기 결정(AC) 사이의 거리(Y)는 약 500mm가 될 수 있다.
분광기 결정(AC)은 특정 방향으로 이동하는 방사의 양을 측정하기 위해 회전될 수 있다. 결정 시스템의 각도 민감도 함수는 고유 흔들 곡선이라고 불리고, 이러한 특성은 이미지 굴절 대조를 생성시키는데 사용된다. 만일 엑스선 광자가 그 반사율인, 흔들 곡선의 피크 쪽으로 편향되게 되면, 이 강도는 증가할 것이다. 만일 물체의 특성이 광자를 흔들 곡선 아래로 혹은 피크 반사율 위치로부터 멀리 편향되게 하면, 그것은 강도에서의 감소를 유발하게 된다.
견본 혹은 물체는 공기중에서 이미지화되거나, 물과 같은 결합 매질에 잠길 수 있다. 결합 매질의 사용은 공기와 이미지화되는 물체 사이에서 기울기율을 감소시키는 데 사용될 수 있어서, 입사 엑스선이 공기-물체 상호작용에서 심각한 굴절을 경험하지 않고, 견본 속으로 지나가게 한다. 이것은 대부분의 물체에 필요한 것은 아니지만, 그것은 DEI 방법의 응용이고, 물체의 내부 대조를 향상시키기 위하여 사용될 수 있다.
일 예로서, 단색기 결정(MC)은 일 차원의 좁은 대칭 결정이다. 대칭 결정의 격자 평면(엑스선 빔을 회절시키는 데 기여하는 원자 층)은 결정의 표면과 평행하 다. 그와 비교하여, 비대칭 결정은 들어오는 빔의 발산 및 크기를 변경시킨다. 단색기 결정(MC)이 대칭 결정인 예에서, 커다란 이미징 필드(예를 들어, 약 100mm*100mm의 이미징 필드)의 2차원 이미징은 견본 물체를 스캔하고, 대칭 결정을 사용하는 검출기에 의해 달성될 수 있다. 비대칭 결정에 비해 대칭 결정의 예시적인 장점은 비대칭 결정은 완벽한 커다란 결정이라는 심각한 제한을 주면서, 이미징 빔을 준비(예를 들어, 엑스선을 선택하고 시준하기)하는 데 커다란 단색기 결정을 요구한다는 점이다. 나아가, 비대칭 결정의 크기는 엑스선 빔 에너지를 증가시키면서 증가하여, 약 59.13keV의 엑스선에 대해 비현실적인 것이 되게 한다. 대조적으로, 예를 들면 여기서 기술된 발명 내용에 따라 사용된 대칭 단색기 결정은 길이 약 30mm의 적당한 크기의 결정을 가진 59.13keV의 엑스선을 이용할 수 있다.
다시 도 1A 및 도 1B를 참조하면, 물체(O)는 물체(O)의 이미지화를 위해 스캔 받침(ST)에 의해 엑스선 빔(XB)의 경로에 위치될 수 있다. 물체(O)는 화살표(A)에 의해 지시된 것처럼 엑스선 빔(XB)의 방향과 수직하게 스캔될 수 있다. 물체(O)를 스캔하는 동안, 엑스선 빔(XB)은 물체(O)를 통과하여 단색기 결정(MC)과 정합된 실리콘 [333] 결정이 될 수 있는 분광기 결정(AC)에 의해 분석될 수 있다. 분광기 결정(AC)에 입사된 엑스선 빔(XB)은 디지털 검출기(DD, 또는 이미지 플레이트)에 의한 차단을 위해 회절할 수 있다. 디지털 검출기(DD)는 차단된 엑스선 빔(XB)을 검출하여, 차단된 엑스선 빔을 표현하는 전자 신호를 발생시킬 수 있다.
일 예로서, 선 광원 스캔 시스템이 이용될 수 있다. 일 예로서, 스캔 시스템은 물체와 검출기 사이에 1:1 관계를 가질 수 있다.
전자 신호는 이미지 분석 및 조작자에게 표시를 위해 컴퓨터(C)와 통신될 수 있다. 전자 신호에 의해 표현되는 이미지는 결과 이미지에서 Kα1 및 Kα2 에너지 모두로부터의 기여를 포함할 수 있다. 일 예로서, 관심있는 에너지는 59.319keV의 Kα1 에너지이다. 이 예에서, Kα2 에너지에 의해 생긴 이미지 특징은 이미지 처리과정을 거쳐 제거될 수 있다. 엑스선 빔의 Kα2 부분에 의해 창출된 특징이 원하는 해상도보다 더 낮은 그런 거리에 있다면, 2개가 함께 사용되어 요구되는 전체 이미지 시간을 줄일 수 있다. 높은 해상도 응용을 위해, Kα2 에너지 부분은 그림자 효과(shadowing effect)를 일으킬 수 있고, 이미지 처리과정을 거쳐 제거될 수 있다. 컴퓨터(C)는 흡수 이미지, 굴절 효과를 보여주는 이미지, 초소각 산란을 묘사하는 이미지(그 형태는 하기에 더욱 자세히 기술된다.)를 생성할 수 있도록 배치된다.
특히 도 1B를 참조하면, 단색기 결정(MC)은 팬 빔(fan beam)처럼 엑스선 빔(XB)을 퍼지게 할 수 있다. 팬 빔은 원치 않는 엑스선으로부터 보호하기 위하여 시준기로 시준되어, 깨끗한 DEI 이미지와 낮은 대상 선량으로 이어진다. 2차원 빔과 대조적으로, 팬 빔은 원치 않는 엑스선의 방호를 위하여 더욱 쉽게 조절가능하다.
도 1C를 참조하면, 엑스선 튜브(XT; 도 1A 및 도 1B에 도시됨)로부터 엑스선 방사의 방출의 광원(S)과 단색기결정(MC), 물체(O), 분광기 결정(AC) 및 검출기(DD)까지 사이의 예시적인 거리가 보여진다. 구성요소들은 응용에 의존하는 다른 적당한 거리에서 서로로부터 이격될 수 있다. 이 예에서, DEI 시스템(100)은 유방 엑스선 촬영을 위해 배치되었다.
이제 도 1D 및 도 1E를 참조하면, 앞서 설명한 것처럼, 이러한 도면은 다른 작동 모드에서의 DEI 시스템(100)을 보여준다. 엑스선 빔의 특성 방출선 Kα1(K1) 및 Kα2(K2)는 엑스선 관(XT)에 의해 생성된다. 방출선 Kα1(K1) 및 Kα2(K2)는 같은 점광원(PS)로부터 기인한다. 앞서 설명한 것처럼, 단색기 결정(MC)은 원하지는 에너지를 갖지 않은 엑스선 빔의 광자 대부분을 거부한다. 이러한 경우, 방출선 Kα1(K1) 및 Kα2(K2) 및 브렘슈탈룽 방사는 단색기 결정(MC)을 지나고, 보여지는 것처럼 분광기 결정(AC) 쪽으로 다시 향하게 된다.
시준기(C2)는 방출선 Kα1(K1) 및 Kα2(K2)의 경로에 위치한다. 시준기(C2)는 방출선이 분광기 결정(AC) 쪽으로 선택적으로 지나갈 수 있도록 조절가능한 슬릿을 정의한다. 도 1D에서 보여진 제1작동 모드에서, 슬릿은 점광원(PS)으로부터 약 400mm의 거리에 대해 0.6mm의 조리개(X)에 맞게 조절되고, 방출선 Kα1(K1)이 시준기(C2)를 지나고, Kα2(K2)는 막히도록 위치되었다. 이렇게, 시준기(C2)는 방출선 Kα1(K1)으로부터의 엑스선 및 매우 좁은 범위의 브렘슈탈룽 방사를 제외한 모든 엑스선을 제거한다. 이러한 모드에서, 빔은 발산하지 않아서, 물체(O) 및 검출기(DD)는 반대 방향에서 동일한 스캔 속도로 스캔된다. 이러한 모드는 면외(out-of-plane) 최대 가능 해상도(DEI의 대조의 방향)를 가져오지만, 엑스선 빔으로부터 엑스선의 일부를 제거한 대가이며, 증가된 노출 시간을 필연적으로 수반한다. 물체(O)을 위한 가상 점광원은 VPS로 표시되었다.
이제 도 1D를 참조하면, 제2작동 모드에서, 방출선 Kα1(K1) 및 Kα2(K2) 및 근처 에너지에서의 브렘슈탈룽 방사는 시준기(C2)를 통과하여 지나간다. 시준 기(C2)의 슬릿은 점광원(PS)으로부터 약 400mm의 거리에서 0.6mm의 조리개(X)를 위해 조절되고, 방출선 Kα1(K1) 및 Kα2(K2)와 브렘슈탈룽 방사가 시준기(C2)를 지나도록 위치되었다. 이러한 모드에서는, 빔 발산이 고려된다. 이미지 흐림을 피하기 위해, 물체(O) 및 검출기(DD) 는 동일한 각속도로 스캔될 수 있다. 검출기(DD) 및 물체(O)가 위치한 견본 받침의 상대 스캔 속도는 광원 대 물체 거리와 광원 대 검출기 거리(거리는 빔 경로를 따라 얻어진다.)에 의해 결정될 수 있다. 이러한 모드에서 빔 발산은 면외 해상도(out-of-plane resolution)를 낮출 수 있지만, 이 모드는 더 많은 엑스선을 지나가게 하는 이점이 있어서, 더 빠른 노출 시간을 허용한다. 검출기(DD)를 위한 가상 점광원은 DVPS로 표시되었다. 원 부분(C1, C2)는 각각 물체(O)와 검출기(DD)를 위한 가상 광원점에서 중심이 맞춰져 있다.
나아가, 제2 모드를 사용한 일 실시예에서, K 알파 선과는 다른 엑스선 에너지에서의 브렘슈탈룽 방사는 포착될 수 있다. 이렇게, 이 실시예에서, 시스템은 엑스선 에너지에서 조율이 가능하고, 특성 방출 에너지로 제한되지 않는다. 이러한 기능성은 단색기 결정 및 분광기 결정의 입사각을 변화시킴으로써 달성될 수 있다.　일 예로서, 이러한 기능성은 브래그의 법칙을 따르고, 구리 필터를 알루미늄 필터로 교체하여, 입사각을 11.4도로 변화시킴으로써 달성될 수 있다. 이 예에서, 이미징은 30 keV 에너지에서 발생할 수 있다. 텅스텐 방출선 에너지 보다 더 낮은 엑스선 에너지는 비교적 작은 물체에 이용될 수 있다.
일 예에서, 구리 필터는 원하지 않는 결정 반사 및 고조파를 감소하거나 제거하기 위해 약 19 keV의 브렘슈탈룽 방사를 제거하도록 배치될 수 있다. 이미지는 이러한 필터링 없이 선명도가 떨어질 잠재성을 가지고 있다.
도 3은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 도 1A 내지 도 1E의 DEI 시스템(100)의 상부 개요도이다. 도 3을 참조하면, 엑스선 빔(XB)은 엑스선 관(XT)의 광원에 의해 생성된다. 시준기(C1, C2)는 엑스선 관(XT)의 광원으로부터 약 5.7도의 각으로 분광기 결정(AC)을 향하여 지나는 엑스선 빔(XB) 일부의 퍼짐을 막는다. 시준기(C1, C2)를 통과하는 엑스선 빔(XB)의 부분은 시준기 내의 슬릿을 통과하는 엑스선 빔 부분이다.
시스템(100)은 좌, 우 분광기 요오드화 나트륨 검출기(D1, D2)를 각각 포함하고, 좌, 우 단색기 요오드화 나트륨 검출기(D3, D4)를 각각 포함한다. 검출기(D1~D4)는 분광기 정렬을 위해 배치되었다. 이러한 검출기들은 단색기 결정(MC) 또는 분광기(AC)로부터 방출되는 회절된 엑스선 빔의 강도를 측정하기 위해 사용된다. 시스템 정렬을 위해 검출기(D1, D2)는 뒤쪽 분광기 결정(AC) 엑스선 빔(AB)에 위치한다. 분광기 결정이 원하는 각도에서 조율되지 않으면, 검출기(D1, D2)에 의해 측정된 강도가 이것을 보여주고, 시스템은 조절될 수 있다. 뒤쪽 단색기 결정(MC) 엑스선 빔(XB)에 있는 검출기에도 동일하게 적용된다. 덧붙여, 검출기(D1~D4)는 엑스선 빔(XB)을 실시간으로 측정하고, 분광기 결정, D1, D2, 치(chi; 엑스선 빔 경로를 따른 축에 대해 측정된 각도) 또는 단색기결정 치(chi), D3, D4를 조절하기 위해 사용될 수 있다. 분광기 결정(AC)과 단색기 결정(MC)을 배치하고, 측정하고, 조절하는 이러한 검출기의 사용은 성공적인 DEI 이미지 획득을 위하여 중요할 수 있다.
도 4는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 도 1A 내지 도 1E의 DEI 시스템(100)의 사용에 의해 물체(O)을 이미지화하기 위한 예시적 공정의 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 블록 400에서 다색 에너지 분포를 가진 제1 엑스선 빔이 생성될 수 있다. 예를 들면, 엑스선 관(XT)에 의해 생성된 엑스선 빔(XB)은 다색 에너지 분포를 가질 수 있다. 나아가, 예를 들면 엑스선 관(XT)은 엑스선 빔을 생성하기 위해 최소 50kW의 전력으로 세팅될 수 있다. 선택적으로, 예를 들어 엑스선 관(XT)의 전력은 몇몇 의학적 응용, 연구 개발, 작은 동물 이미징 등을 위해 50 kW 이하(약 30 kW 처럼)로 세팅될 수 있다. 더 적은 전력을 사용하는 장점은 가격 감소이다. 제1 엑스선 빔은 약 10 keV 내지 약 60 keV의 빔 에너지 범위를 가질 수 있다. 일 예로서, 제1 엑스선 빔은 싱크로트론에 의해 생성될 수 있다.
블록 402에서, 단색기 결정(MC)은 미리 정해진 에너지 수준을 가진 제2 엑스선 빔이 생산되도록 제1 엑스선 빔을 차단하는 미리 정해진 위치에 위치될 수 있다. 예를 들면, 단색기 결정(MC)의 표면은 빔을 차단하기 위해 엑스선 빔(XB)의 경로에 위치될 수 있다. 앞서 표현된 것처럼, 단색기 결정(MC)은 원하는 에너지를 갖지 않는 엑스선 빔(XB)의 광자 대부분을 거부하도록 적용될 수 있다. 이렇게, 미리 정해진 에너지 수준을 갖는 결과적인 제2 엑스선 빔이 생산될 수 있다. 일 예로서, 단색기 결정(MC)의 표면은 단색기 결정(MC) 표면에 입사한 엑스선 빔(XB)의 경로에 대해 약 5도 내지 20도 사이의 각에 위치할 수 있다. 이 예에서, 이러한 각은 [333] 반사를 위해 사용될 수 있다. 또는, 다른 적당한 각도가 단색기 결정(MC) 표면의 위치정하기에 사용될 수 있다. 다른 예에서, 단색기 결정(MC) 표면은 단색기 결정(MC) 표면에 입사한 엑스선 빔(XB)의 경로에 대해 약 1도 내지 20도 사이의 각에 위치할 수 있다. 만일 [333]과 [111] 반사가 둘다 사용되면, 각도 범위는 10 내지 70 keV의 에너지 범위에 대해 약 1도 내지 약 40도 사이가 될 수 있다.
블록 404에서, 물체(O)는 물체(O)를 통과한 제2 엑스선 빔의 투과 및 물체(O)로부터 투과된 빔의 방출을 위해 제2 엑스선 빔의 경로에 위치될 수 있다. 예를 들면, 물체(O)는 엑스선 빔의 경로 속으로의 물체(O)의 움직임을 위한 스캔 받침(ST)에 위치될 수 있다.
블록 406에서, 투과된 엑스선 빔은 분광기 결정(AC) 위에 입사각으로 향해질 수 있다. 예를 들어, 분광기 결정(AC)은 투과된 엑스선 빔의 경로에서 입사각에서 엑스선 빔을 차단하기 위한 각도에 위치될 수 있다. 최소한 분광기 결정(AC)을 차단하는 빔의 일부는 검출기(DD) 쪽으로 회절될 수 있다.
블록 408에서, 물체(O)의 이미지는 분광기 결정(AC)으로부터 회절된 빔으로부터 검출될 수 있다. 예를 들면, 검출기(DD)는 분광기 결정(AC)로부터 회절된 빔을 검출할 수 있다. 회절된 빔은 다음의 예시적인 검출기 중의 하나에 의해 검출될 수 있다: 검출된 이미지를 디지털화하도록 배치된 검출기; 방사선 사진 필름; 및 이미지 플레이트. 일 예로서, 물체의 이미지는 결정 분광기의 흔들 곡선의 피크 및/또는 결정 분광기의 흔들 곡선의 피크 근처에서, 결정 분광기로부터 회절된 빔으로부터 검출될 수 있다. 검출된 이미지는 사용자에게로의 표시를 위해 컴퓨터(C)를 거쳐 가공되어 사용자에게 보여질 수 있다.
물체의 이미지를 검출하는 다른 예로서, 물체(O)의 제1 각도 이미지는 제1 각도 위치에서 위치한 분광기 결정(AC)으로부터 방출된 제1 회절 빔으로부터 검출될 수 있다. 물체(O)의 제1 각도 이미지는 분광기 결정(AC)의 낮은 흔들 곡선 각도 설정에서 검출될 수 있다. 나아가, 물체(O)의 제2 각도 이미지는 제2 각도 위치에 위치한 분광기 결정(AC)으로부터 방출된 제2 회절 빔으로부터 검출될 수 있다. 물체(O)의 제2 각도 이미지는 분광기 결정(AC)의 높은 흔들 곡선 각도 설정에서 검출될 수 있다. 제1 및 제2 각도 이미지는 굴절 이미지를 얻기 위해 컴퓨터(C)에 의해 결합될 수 있다. 나아가, 컴퓨터(C)는 굴절 이미지로부터 물체(O)의 대량 밀도 이미지를 얻을 수 있다. 대량 밀도 이미지는 컴퓨터(C) 표시를 거쳐 사용자에게 표현될 수 있다.
도 5는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 도 1A 내지 도 1E 및 도 3에서 보여진 DEI 시스템(100)의 분광기(AC) 결정의 측면도이다. 도 5를 참조하면, 분광기 결정(AC)의 표면으로부터 특성 방출선(Kα1 및 Kα2)의 회절이 보여진다. 하나의 엑스선 에너지 이상의 수용은 향상된 엑스레이 유속으로 이어질 수 있다.
다른 실시예에서, 여기서 기술된 발명 내용에 따른 DEI 시스템은 엑스선 관에 의해 방출된 특정 엑스선을 거부하기 위한 부정합 결정 설계를 포함할 수 있다. 이 설계에서, 엑스선 빔의 Kα2 방출선은 단색기에서 제거될 수 있다. 도 6A 및 도 6B는 각각 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 부정합 단색기 결정을 포함하고, 물체(O)의 이미지를 생산하는 것이 실시가능한 DEI 시스템(보통 600으로 표시됨)의 개요적 다이어그램 및 상부 사시도이다. 도 6A 및 도 6B를 참조하면, DEI 시스템(600)은 엑스선 빔(XB)을 생산하도록 실시가능한 엑스선 관(XT)을 포함한다. 시준기(C1)는 제1 단색기 결정(MC1)의 각도 허용 창의 밖으로 떨어지는 엑스선 빔(XB)의 일부를 차단하기 위해 위치된다. 엑스선 빔(XB)의 차단되지 않은 부분은 제2 단색기 결정(MC2)에 의한 요격(intercept)을 위한 방향에서 차단되지 않은 부분을 굴절시키는 제1 단색기 결정(MC1)을 요격(intercept)할 수 있다. 제1 단색기 결정(MC1)은 제2 단색기 결정(MC2) 쪽으로 향하는 회절된 단색 빔의 결과를 가져오는 광자 에너지의 매우 좁은 범위를 선택하기 위해, 브래그 법칙을 사용하여 특정 각도로 조율될 수 있다. 엑스선 관(XT)으로부터 나온 엑스선 빔(XB)의 발산 때문에, 제1 단색기 결정(MC1)은 특성 방출선 (Kα1 및 Kα2) 및 근처 에너지에서의 브렘슈탈룽 방사를 포함할 수 있는 에너지 범위를 회절시킬 수 있다. 제2 단색기 결정(MC2)의 기능은 입사 빔과 평행하고, 분광기 결정(AC)과 정렬된 방향으로 빔의 방향을 돌리는 것이다. 특정 에너지에 대해 시스템을 조율할 때, 제1 단색기 결정은 먼저 정렬되고, 그 후 제2 결정이 빔의 위치를 찾기 위해 정렬된다.
제2 단색기 결정(MC2)이 정렬되면, 분광기 결정(AC)이 결정 위 빔의 위치를 찾기 위해 스캔된다. 빔 위치를 찾기 위해 결정을 흔드는 것은, 분광기의 각도 위치가 제2 단색기 결정과 완전히 정렬할 때, 강도 면에서 가파른 상승을 만들어 내고, 특정 주파수를 찾기 위해 라디오 다이얼을 스캔하는 것과 유사하다. 일단 분광기 결정(AC)이 정렬되면, 시스템은 조율되고 사용할 준비가 된다.
제1 및 제2 단색기 결정(MC1, MC2) 각각은 엑스선 관에 의해 방출되는 특정 엑스선을 거부하기 위해 부정합 결정 설계로 배치될 수 있다. 단색기 결정(MC1, MC2)은 엑스선 빔(XB)의 Kα2 방출선을 제거하기 위해 사용될 수 있고, 그것은 다 른 결정에 대한 각도 허용치 대 에너지를 이용함으로써 달성될 수 있다. 일 예에서, 단색기 결정(MC1, MC2)은 각각 게르마늄 [333] 및 실리콘 [333] 결정이 될 수 있다.
도 7은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 도 6A 및 도 6B의 DEI 시스템(600)의 사용에 의해 물체(O)의 이미지화를 위한 예시적인 공정을 보여주는 흐름도이다. 도 7을 참조하면, 블록 700에서, 다색 에너지 분포를 가진 제1 엑스선 빔이 생성될 수 있다. 예를 들면, 엑스선 관(XT)에 의해 생성된 엑스선 빔(XB)은 다색 에너지 분포를 가질 수 있다. 나아가, 예를 들면 엑스선 관(XT)은 엑스선 빔을 생성하기 위해 최소 50 kW의 전력으로 세팅될 수 있다. 제1 엑스선 빔은 약 10 keV 내지 60 keV 범위의 에너지 빔을 가질 수 있다. 일 예로서, 제1 엑스선 빔은 싱크로트론에 의해 생성될 수 있다.
블록 702에서, 단색기 결정(MC1)은 미리 정해진 에너지 수준을 가진 제2 엑스선 빔이 생산되도록 제1 엑스선 빔을 차단하는 미리 정해진 위치에 위치될 수 있다. 예를 들면, 단색기 결정(MC1)의 표면은 빔을 차단하기 위해 엑스선 빔(XB)의 경로에 위치될 수 있다. 위에서 설명한 것처럼, 단색기 결정(MC1)은 원하는 에너지를 갖지 않는 엑스선 빔(XB)의 광자 대부분을 거부하도록 적용될 수 있다. 이렇게, 미리 정해진 에너지 수준을 갖는 결과적인 제2 엑스선 빔이 생산될 수 있다. 일 예에서, 단색기 결정(MC1)의 표면은 단색기 결정(MC1)의 표면에 입사한 엑스선 빔(XB)의 경로에 대해 약 5도 내지 20도 사이의 각도에 위치할 수 있다.
블록 704에서, 단색기 결정(MC2)은 제2 엑스선 빔을 차단하고, 분광기 결 정(AC) 쪽으로 제2 엑스선 빔을 향하게 하도록 위치될 수 있다. 일 예에서, 제2 단색기 결정(MC2)은 제2 엑스선 빔이 시준기(C1)을 통과하여 엑스선 빔(XB)의 일부의 경로와 평행한 경로를 따라 향하도록 위치될 수 있다. 다른 예에서, 단색기 결정(MC1, MC2)은 부정합될 수 있다. 또 다른 예에서, 단색기 결정(MC1, MC2)은 엑스선 빔(XB)의 미리 정해된 부분을 거부하기 위해 선택될 수 있다. 또 다른 예에서, 단색기 결정(MC1, MC2)은 게르마늄 [333] 및 실리콘 [333] 단색기 결정 중의 어느 하나일 수 있다.
블록 706에서, 물체(O)는 물체(O)을 통과한 제2 엑스선 빔의 투과 및 물체(O)로부터 투과된 빔의 방출을 위해 제2 엑스선 빔의 경로에 위치할 수 있다. 예를 들면, 물체(O)는 엑스선 빔의 경로로의 물체(O)의 움직임을 위해 스캔 받침(scanning stage) 상에 위치할 수 있다.
블록 708에서, 투과된 엑스선 빔은 분광기 결정(AC) 상 입사각에 위치할 수 있다. 예를 들면, 분광기 결정(AC)은 투과된 엑스선 빔의 경로와 입사각에서 엑스선 빔을 차단하는 각도에서 위치할 수 있다. 최소한 분광기 결정(AC)을 차단하는 빔의 일부는 검출기(DD) 쪽으로 회절될 수 있다.
블록 710에서, 물체(O)의 이미지는 분광기 결정(AC)으로부터 회절된 빔으로부터 검출될 수 있다. 예를 들면, 검출기(DD)는 분광기 결정(AC)로부터 회절된 빔을 검출할 수 있다. 회절된 빔은 다음의 예시적인 검출기 중의 하나에 의해 검출될 수 있다: 검출된 이미지를 디지털화 하도록 배치된 검출기; 방사선 사진 필름; 및 이미지 플레이트. 일 예에서, 물체의 이미지는 결정 분광기의 흔들 곡선의 피크 및 /또는 결정 분광기의 흔들 곡선의 피크 근처에서 결정 분광기로부터 회절된 빔으로부터 검출될 수 있다. 이 예에서, 피크는 흔들 곡선의 다윈 폭의 약 1/2 이내에서 발생할 수 있다. 검출된 이미지는 사용자에게로의 표시를 위해 컴퓨터(C)를 거쳐 처리되어 사용자에게 보여질 수 있다.
물체의 이미지를 검출하는 다른 예에서, 물체(O)의 제1 각도 이미지는 제1 각도 위치에 위치한 분광기 결정(AC)으로부터 방출된 제1 회절 빔으로부터 검출될 수 있다. 물체(O)의 제1 각도 이미지는 분광기 결정(AC)의 낮은 흔들 곡선 각도 설정에서 검출될 수 있다. 나아가, 물체(O)의 제2 각도 이미지는 제2 각도 위치에 위치한 분광기 결정(AC)으로부터 방출된 제2 회절 빔으로부터 검출될 수 있다. 물체(O)의 제2 각도 이미지는 분광기 결정(AC)의 높은 흔들 곡선 각도 설정에서 검출될 수 있다. 제1 및 제2 각도 이미지는 굴절 이미지를 만들어내기 위해 컴퓨터(C)에 의해 조합될 수 있다. 나아가, 컴퓨터(C)는 굴절 이미지로부터 물체(O)의 대량 밀도 이미지를 얻을 수 있다. 대량 밀도 이미지는 컴퓨터(C) 표시를 거쳐 사용자에게 표현될 수 있다.
도 8 내지 도 10은 다른 파장에서 게르마늄 [333] 및 실리콘 [333]의 듀몽 다이어그램(Dumond diagram)의 그래프이다. 특히, 도 8은 텅스텐 Kα1 및 Kα2에 따른 파장의 범위에서의 게르마늄 [333] 및 실리콘 [333]의 듀몽 다이어그램의 그래프이다. 도 9는 텅스텐 Kα1에 따른 파장의 범위에서의 게르마늄 [333] 및 실리콘 [333]의 듀몽 다이어그램의 그래프이다. 텅스텐 Kα1 (59.319 keV)에 대응하는 파장에서는 게르마늄 [333] 및 실리콘 [333]의 완벽한 겸침이 있어서, 제1 차단 된(intercepted) 결정(예를 들면, 게르마늄 단색기 결정) 및 제2 차단(intercepted)된 결정(예를 들면, 실리콘 단색기 결정)을 가로질러 회절되기 때문에 Kα1 에너지의 거부는 없다는 것을 지시한다. 그러나, 더 높은 파장에서는, 주어진 각도에서 각각의 결정을 위해 받아들여질 파장의 분리가 있다. 도 10을 참조하면, 텅스텐 Kα2 (57.982 keV)에 대응하는 파장에서 게르마늄 [333] 및 실리콘 [333]의 파장 허용에 겹침이 없다. 도 6A 및 도 6B에서 보여지는 예와 관련하여 기술된 것처럼 이것을 텅스텐 기반 광원에 적용할 때, 게르마늄 및 실리콘 단색기 결정은 Kα1 파장의 손실이 거의 없는 반사 및 Kα2 파장의 완벽한 거부를 허용하도록 평행한 배열로 위치할 수 있다.
도 11은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 도 6A 및 도 6B에서 보여진 DEI 시스템(600)의 게르마늄 단색기 결정(MC1) 및 실리콘 단색기 결정(MC2)의 측면도이다. 도 11을 참조하면, 단색기 결정(MC1 및 MC2)는 텅스텐 엑스선 관을 위해 Kα1 파장의 손실이 거의 없는 반사 및 Kα2 파장의 완벽한 거부를 제공하도록 평행한 배열로 도시되어 있다.
다시 도 6A 및 도 6B를 참조하면, 단색기 결정(MC1 및 MC2)를 지나가는 엑스선 빔(XB)의 일부는 몇몇 다른 방향으로 산란된다. 시준기(C2)는 분광기 결정(AC)의 각도 허용 창 바깥으로 떨어지는 엑스선 빔(XB)의 일부를 막기 위해 위치한 슬릿 혹은 홀을 포함할 수 있다.
물체(O)는 이미징을 위해 스캔 받침(ST)에 의해 엑스선 빔(XB)의 경로에 위치할 수 있다. 물체(O)를 스캔하는 동안, 엑스선 빔(XB)은 물체(O)을 통과하여 단 색기 결정(MC)과 정합된 실리콘 [333] 결정이 될 수 있는 분광기 결정(AC)에 의해 분석될 수 있다. 분광기 결정(AC)에 입사된 엑스선 빔(XB)은 디지털 검출기(DD)에 의한 차단을 위해 회절할 수 있다. 디지털 검출기(DD)는 차단된 엑스선 빔(XB)을 검출하고, 컴퓨터(C)로의 통신을 위해 차단된 엑스선 빔을 표현하는 전자 신호를 발생시킬 수 있다. 컴퓨터(C)는 신호 표현을 분석하여, 조작자에게 물체(O)의 이미지를 보여줄 수 있다. 특히, 컴퓨터(C)는 흡수 이미지, 굴절 효과를 보여주는 이미지, 및 초소각 산란을 묘사하는 이미지(하기에 더욱 자세히 기술된다.)를 생성할 수 있도록 배치될 수 있다.
도 12는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 부정합 단색기 결정을 포함하고, 물체(O)의 이미지를 생산하는 것이 실시가능한 DEI 시스템(보통 1200으로 표시됨)의 개요적 다이어그램이다. 도 12를 참조하면, DEI 시스템(1200)은 일반적으로 화살표(A)가 지시하는 방향으로 향하는 엑스선 빔(XB)을 생산하도록 실시가능한 텅스텐 엑스선 관(XT)을 포함할 수 있다. 베릴륨(Be) 창(BW)은 엑스선 빔(XB)을 차단하기 위해 엑스선 관(XT)의 빔 출구 말단(BE)에 위치할 수 있다. Be 창(BW)의 기능은 낮은 에너지 엑스레이의 필터링 및 엑스선 관(XT)의 진공 내부를 밀봉하는 것을 포함한다. Be 창(BW)은 빔 출구 말단(BE)으로의 부착을 위해 배치된 하우징(H1) 내에 고정될 수 있다.
알루미늄(Al) 필터(AF)는 Be 창(BE)을 통과하는 엑스선 빔(XB)을 차단하기 위해 Be 창으로부터 하류에 위치할 수 있다. Al 필터(AF)는 Be 창(BW)의 하우징(H1)으로의 부착을 위해 배치된 하우징(H2) 내에 고정될 수 있다. Al 필터(AF)는 원치 않는 더 낮은 에너지의 엑스선을 감쇠시키는데 사용된다.
단색기 탱크(MT)는 Al 필터(AF)를 통과하는 엑스선 빔(XB)을 차단하기 위하여 Al 필터(AF)로부터 하류에 위치할 수 있다. 단색기 탱크(MT)는 부정합 제1 및 제2 단색기 결정(MC1 및 MC2) 및 엑스선 빔(XB)이 통과할 수 있는 슬릿을 각각 정의하는 한쌍의 시준기(C1 및 C2)를 포함할 수 있다. 단색기 탱크(MT)는 각각 엑스선 빔(XB)의 입구 및 출구를 위한 단부(E1, E2)를 포함할 수 있다. 시준기(C1 및 C2)는 엑스선 빔(XB)의 일부를 시준할 수 있다. 제1 및 제2 단색기 결정(MC1 및 MC2) 각각은 엑스선 관에 의해 방출된 특정 엑스선을 거부하기 위해 부정합 결정 설계로 배치될 수 있다. 단색기 결정(MC1 및 MC2)은 엑스선 빔(XB)의 Kα2 방출선을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 일 예에서, 단색기 결정(MC1 및 MC2)은 각각 게르마늄 [333] 및 실리콘 [333] 일 수 있다. 단색기 탱크(MT)는 엑스선 빔(XB) 에너지를 선택하기 위해 여기서 기술된 단색기 결정(MC1 및 MC2)을 회전시키기 위한 기계장치를 수용할 수 있다.
시스템(1200)은 다른 시준기(C3), 이온 챔버(IC) 및 단색기 탱크(MT)로부터 하류에 위치한 셔터 조립체(SA)를 포함할 수 있다. 단색기 탱크(MT)의 출구 단부(E2)에서, 최소한 엑스선 빔(XB)의 일부는 엑스선 빔 시준 및 엑스선 빔(XB)의 일부를 막기 위해 단색기 탱크(MT)로부터 하류에 위치할 수 있다. 이온 챔버(IC)는, 챔버를 통과하는 엑스선 광자가 이온화하여 전압을 창출할 수 있다는 원리를 사용하여 엑스선 유속을 측정하는 데 사용된다. 셔터 조립체(SA)는 엑스선 빔(XB)을 선택적으로 차단 및 통과하도록 조작될 수 있어서, 엑스선 빔(XB)으로의 물 체(O)의 선택적 노출을 제공한다.
물체(O)는 이미지화 동안 엑스선 빔(XB)의 경로를 따르는 스캔을 위해 스캔 받침 조립체(SSA)에 의해 고정될 수 있다. 물체(O)를 스캔하는 동안, 엑스선 빔(XB)은 물체(O)을 통과할 수 있고, 제2 단색기 결정(MC2)과 정합될 수 있는 실리콘 [333] 결정이 될 수 있는 분광기 결정(AC)에 의해 분석될 수 있다. 분광기 결정(AC)은 여기서 기술된 것처럼 단색기 결정(MC2)에 대해 적절한 각도로 회전할 수 있다. 분광기 결정(AC)에 입사한 엑스선 빔(XB)은 이동가능한 디지털 검출기(DD)에 의한 차단을 위해 회절할 수 있다. 디지털 검출기(DD)는 차단된 엑스선 빔(XB)을 검출하고, 컴퓨터(C)와의 소통을 위해 차단된 엑스선 빔을 표현하는 전자 신호를 발생시킬 수 있다. 컴퓨터(C)는 전자 신호를 분석하여, 조작자에게 물체(O)의 이미지를 보여줄 수 있다. 특히, 컴퓨터(C)는 아래에서 그 형태가 더 자세히 기술될 흡수 이미지 및 굴절 효과를 보여주는 이미지를 생성하도록 배치될 수 있다. DEI 시스템(1200)은 또한 초소각 산란 효과를 보여주는 이미지를 표시하기 위해 DEI 기술에 따라 변형될 수 있다.
테이블(T)은 단색기 탱크(MT), 시준기(C3), 이온 챔버(IC) 및 셔터 조립체(SA)가 위치할 수 있는 상면을 가진 화강암 상부(GT)를 포함할 수 있다. 테이블(T)은 아래에 더 자세히 기술되는 것처럼, 시스템(1200)을 안정화하고, 진동을 감소시키기 위해 하단 및 바닥(F) 사이에 위치한 고무 패드(RP)를 각각 포함하는 복수의 다리를 포함할 수 있다. 테이블(T)은 분광기 결정(AC)를 수직 방향 상하로 움직이도록 배치된 수직 암(TA)을 포함할 수 있다.
도 13 내지 도 16은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 엑스선 관(XT) 및 받침대 위에 단일 단색기 결정(MC)을 가진 단색기 탱크(MT)의 예시적 배열의 개요적 다이어그램이다. 특히, 도 13은 예시적인 배열의 측면도의 개요적 다이어그램이다. 도 13을 참조하면, 받침대(SC)는 단색기 탱크(MT)에 대하여 엑스선 관(T)(보어 내부에 위치한 부분은 참고 번호 XT로 표시됨)을 위치시키기 위해 서로 부착된 복수의 플랫폼(PL) 및 로드(rod; RD)를 포함한다. 엑스선 관(XT) 및 단색기 탱크(MT)는 엑스선 관(XT)으로부터 방출된 엑스선 빔(XB)이 조리개(A1)를 통과하여 단색기 탱크(MT)로 들어갈수 있도록, 그리고 엑스선 빔(XB)이 단색기 결정(MC)의 각도 허용 창 내부로 떨어지도록 서로에 대해 정밀하게 위치될 수 있다. 단색기 결정(MC)으로부터 회절하는 엑스선 빔(XB)은 조리개(A2)를 통과하여 단색기 탱크(MT)를 빠져나올 수 있다. 도 13 내지 도 16에서 숫자에 의해 지시된 거리는 달리 지시되지 않으면 인치(inch)이다.
도 14는 도 13에서 보여진 예시적 배열의 평면도의 개요적 다이어그램이다. 도 14를 참조하면, 엑스선 빔(XB)은 엑스선 관(XT) 내부의 점(P)으로부터 확장하는 부채 모양을 형성하는 것으로 보여진다.
도 15 및 도 16은 각각 도 13 및 도 14에 보여지는 예시적인 배열의 다른 측면도 및 다른 평면도의 개요적 다이어그램이다. 도 15 및 도 16을 참조하면, 배열은 쉴딩(shielding; S)를 설명하기 위해 각각 측판 및 상판 없이 보여진다. 쉴딩(S)은 원하지 않는 방향으로의 엑스선 빔(XB) 방출을 막도록 기능할 수 있다. 추가적인 쉴딩이 보호를 위해 이용될 수 있다. 나아가, 적당한 쉴딩은 필요한 만큼 임상 장치에 제공될 수 있다.
도 17 내지 도 26은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 DEI 시스템의 예시적인 부분의 이미지이다. 특히, 도 17을 참조하면, 이미지는 엑스선 관(XT)의 엑스선 빔 출구부를 보여주는 것이다. 엑스선 빔은 엑스선 관(XT)으로부터, 그리고 엑스선 관(XT) 에 부착되어 엑스선 빔을 차단하기 위해 위치한 Be 창(BW)을 통과하여 방출될 수 있다. Be 창(BW)은 내부 납(Pb) 쉴딩(PS)의 2개 층으로 고정된다.
도 18은 도 17에서 보여진 엑스선 관(XT)의 엑스선 빔 출구부의 다른 이미지이다. 이 이미지에서, Al 필터(AF) 및 시준기(C1)는 엑스선 관(XT)에 부착되고, 엑스선 빔을 차단하기 위해 위치한다. Al 필터(AF)는 약 2mm 두께이다. 이 예에서, 시준기(C1)은 탄탈륨(Ta) 재질이고, 두께는 약 1/8 인치이다. 일 예에서, 슬릿은 엑스선 관의 스폿(spot) 크기보다 약간 더 큰 크기이다. 일 예에서, 슬릿은 1.0mm이고, 엑스선 관의 스폿 크기는 0.4mm이다. 슬릿은 수직으로 시준된 팬 빔을 제공할 수 있다.
도 19는 Al 필터(AF)와 시준기(C1) 및 다른 시준기(C2)의 이미지이다. 이 이미지에서 구성요소는 설명을 위해 분해되었다. 구성요소는 조립 상태에서는 서로 인접하여 함께 고정될 수 있다.
도 20은 엑스선 관(XT)의 단부로부터 엑스선 빔의 원하지 않는 방출을 막기 위한 목적을 위한 엑스선 관(XT)의 단부에 있는 쉴딩 캡(S1)의 이미지이다. 쉴딩 캡(S1)은 엑스선 관(XT)의 단부에 고정을 위하여 캡의 형태로 분해되고 잘려졌지만 휘어지지는 않은 1/8 인치의 납 시트이다. 도 21은 엑스선 관(XT)의 단부에 고정을 위하여 분해되고 잘려졌지만 휘어지지는 않은 쉴딩 캡(S1)의 이미지이다.
도 22는 엑스선 관(XT)의 측면으로부터 엑스선 빔의 원하지 않은 방출을 막기 위해 엑스선 관(XT)의 단부 근처에 위치한 쉴딩(S2)의 다른 부분의 이미지이다. 쉴딩(S2)은 약 1/16 인치 두께의 납 시트이고, 엑스선 관(XT)의 측부에 고정을 위하여 잘려졌지만 휘어지지는 않았다. 1/8 인치 납 시트는 팩터(factor) 1000에 의해 150 keV 엑스선을 줄일 수 있다.
도 23은 단색기 탱크(MT)로부터 엑스선 빔의 원하지 않은 방출을 막기 위한 납 쉴딩(S3)을 포함한 단색기 탱크(MT)의 이미지이다. 쉴딩(S3)은 약 1/4 인치 두께의 납 시트이고, 엑스선 빔의 원하는 부분의 방출을 위한 슬릿(SL)을 포함한다. 엑스선 관으로부터 방출된 엑스선 빔은 쉴딩(S3)의 슬릿(SL)을 거쳐 단색기 탱크(MT)로 들어간다.
도 24는 엑스선 탱크(MT)로부터 엑스선 빔의 원하지 않은 방출을 막기 위한 납 쉴딩(S4)을 포함하는 단색기 탱크(XT)의 이미지이다. 쉴딩(S4)은 약 1/2 인치 두께의 납 시트이고, 엑스선 빔의 원하는 부분의 방출을 위한 슬릿(SL)을 포함한다. 엑스선 관으로부터 방출된 엑스선 빔은 쉴딩(S4)의 슬릿(SL)을 거쳐 단색기 탱크(MT)를 빠져나간다.
도 25는 상호 연관된 작동 위치에서의 엑스선 관(XT) 및 단색기 탱크(MT)의 이미지이다.
도 26은 단색기 탱크(MT)의 내부 요소의 정면도의 이미지이다. 특히, 단색기 결정(MT)이 보여진다. 나아가, 쉴딩(S)은 단색기 탱크(MT)의 측면에 위치한다.
도 27은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 예시적인 DEI 시스템(보통 2700으로 표시됨)의 상부 사시도이다. 도 27을 참조하면, DEI 시스템(2700)은 복수의 엑스선 빔(XB)을 생산하기 위하여 텅스텐 양극을 가진 엑스선 관(XT)을 포함할 수 있다. 시준기(C1)는 단색기 결정(MC)의 각도 허용 창 밖으로 떨어지는 엑스선 빔(XB)의 일부를 막기 위해 위치한다. 이 예에서, 단색기 결정(MC)은 실리콘 결정이다. 시준기(C2)는 분광기 결정(AC)의 각도 허용 창 밖으로 떨어지는 엑스선 빔(XB)의 일부를 막기 위해 위치한다.
시준기(C2)를 통과하는 엑스선 빔(XB)의 일부는, 열을 열적으로 고립시키고, 엑스선 관(XT)에 의해 생산되는 20 keV 브렘슈탈룽 엑스선을 감쇄시키기 위해(둘 다 중요하다.) 배치된 구리 필터(FTR)에 의해 차단될 수 있다. 주어진 브래그 각도에 대해, 단색기를 방해할 수 있는 원하지 않는 결정 반사가 있을 수 있다. 또한, 59.13 keV [333] 반사를 선택하기 위해 약 5.7도의 브래그 각을 사용한 한가지 예는 19.71 keV [111] 엑스선이 지나가도록 허용하는 각도이다. 이러한 엑스선들이 단색기 결정(MC)을 가로질러 회절되면, 그들은 흐려짐과 이미지 인공물을 유발하여, 전반적인 이미지 질을 떨어뜨릴 수 있다. 구리 필터(FTR)는 특히 19.71 keV의 브렘슈탈룽의 더 낮은 에너지 엑스선, 엑스선 빔(XB)으로부터 방출되고 단색기(MC)을 가로질러 회절된 엑스선 광자를 감쇠시키는데 사용된다.
분광기 결정(AC)은 최소한 필터(FTR)를 통과한 엑스선 빔(XB)의 일부를 차단하기 위해 위치할 수 있다. 나아가, 물체는 물체의 이미지화를 위해 스캔 받침(ST)에 의해 엑스선 빔(XB)의 경로에 위치할 수 있다. 물체(O)를 스캔하는 동안, 엑스 선 빔(XB)은 물체(O)을 통과하여 지나갈 수 있고, 단색기 결정(MC)과 정합하는 실리콘 [333] 결정일 수 있는 분광기 결정(AC)에 의해 분석될 수 있다. 분광기 결정(AC)에 입사된 엑스선 빔(XB)은 디지털 검출기(DD)에 의한 차단을 위해 회절할 수 있다. 디지털 검출기(DD)는 차단된 엑스선 빔(XB)을 검출하고, 차단된 빔을 표현하는 전자 신호를 발생할 수 있다. 전자 신호는 이미지 분석 및 조작자에게로의 표시를 위해 컴퓨터에 소통될 수 있다. 컴퓨터는 아래에 더욱 자세히 기술되는 흡수 이미지와, 굴절 효과를 보여주는 이미지를 생성할 수 있도록 배치될 수 있다.
도 28은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 예시적인 단색기 결정(MC)의 측면도, 평면도 및 정면도를 포함한 개요적 다이어그램이다. 도 28을 참조하면, 단색기 결정(MC)의 측면도, 평면도 및 정면도는 각각 SV, TV, FV로 표시되어 있다.
단색기 결정(MC)의 치수는 도면에서 보여지고 있고, 약 ±0.5 mm가 될 수 있다. 선택적으로, 단색기 결정은 이미징의 응용에 의해 부분적으로 결정되는 다른 적당한 치수를 가질 수 있다. 단색기 결정(MC)의 표면 방향은 결정의 넓은 표면과 평행한 격자 평면의 방향이 될 수 있다. 조립될 때, 다른 더 작은 직교 표면의 방향이 참고로 언급될 수 있을 것이다. 예시적인 단색기 결정은 타입 A의 게르마늄 [111] 단색기 결정 및 타입 A의 실리콘 [111] 단색기 결정이 될 수 있다.
단색기 결정(MC)은 결정의 상부 내에 정의된 응력 경감 컷(보통 C로 표시됨)을 포함할 수 있다. 컷(C)의 폭은 두께 약 1/16 인치이다. 선택적으로, 폭은 다른 적당한 치수일 수 있다. 컷(C)은 부착을 위해 사용되는 결정의 일부를 제거하고, 분광기 결정(AC) 및 단색기 결정(MC)의 남아 있는 부분을 응력으로부터 자유롭게 한다. 압력이나 응력이 분광기 결정(AC) 또는 단색기 결정(MC)의 이미지화 부분에서 유발되면, 굴절 특성을 바꾸고, 시스템 성능에 불리한 영향을 줄 것이다.
DEI 및 DEI 시스템을 사용하기 위한 이미징 순서 및 품질 관리
여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 부정합 결정 설계로 배치된 DEI 시스템을 사용한 이미지 요구는, 주어진 실험을 위해 적절한 빔 에너지의 선택으로 시작할 수 있다. 일 예에서, 빔 에너지는 약 10 keV 및 약 60 keV 사이의 범위로부터 선택될 수 있다. 이미지화를 위한 특정 에너지의 선택은 원하는 파장을 위한 적절한 각도 계산을 위해 브래그 법칙을 사용함으로써 달성될 수 있다. 일 예에서, 단색기 내의 제1 결정은 선택된 빔 에너지를 제외한, 입사된 엑스선으로부터 모든 에너지를 제거하는 특정 각도로 조율될 수 있는 단 1개의 이동 축을 가질 수 있다. 아래의 표 1은 18 keV 내지 60 keV 사이의 이미지를 얻기 위한 제1 단색기 결정의 예시적인 각도를 보여준다. 브래그 법칙
Figure 112008059504511-PCT00014
를 사용하여 계산된 이러한 실리콘에 대한 각도는, 단색기 결정(MC)를 가로질러 회절할 때, 엑스선 빔의 입사각(θ) 및 회절각(θ)을 정의한다. 검출기는 엑스선 빔 에너지를 선택하기 위해, 제1 결정에서 사용된 브래그 각도의 두배인 2θ에 위치한다.
Figure 112008059504511-PCT00015
표 1 : 이미지를 얻기 위한 제1 단색기 결정의 실리콘 [333] 반사를 위한 각도의 예
부정합 결정 설계로 배치된 DEI 시스템은 조율되고 주의깊게 정렬되어야 하는 단색기 2개 결정 및 분광기 결정, 즉 3개의 결정을 포함한다. 예를 들면, DEI 시스템(600)은 조율되고 정렬될 수 있는 단색기 결정(MC1 및 MC2)과 분광기 결정(AC)을 포함한다. 제1 결정(예를 들면, 도 6A 및 도 6B에서 보여진 단색기결정(MC1)) 및 분광기 결정(예를 들면, 도 6A 및 도 6B에서 보여진 분광기 결정(AC))은 각 에너지에 대해 계산된 각도(세타 각)로 조율될 수 있다. 예를 들면, 시스템을 25 keV로 조율하기 위해, 제1 단색기 결정은 13.72도에 놓여지고, 분광기 결정은 13.72도에 놓여진다. 디지털 검출기 조립체는 분광기 결정 각도의 두배인 예를 들면 27.44도에 놓여질 수 있다.
제2 단색기 결정(예를 들면, 도 6A 및 도 6B에서 보여진 단색기 결정(MC2))은 수평 방향으로 조절될 수 있고, 치(chi) 각도로 표시된다. 만일, 수평적 정렬이 이러한 결정들 사이에서 떨어지면, 이미지에서 좌에서 우로의 강도 전이(intensity shift)가 있을 수 있다. 2개의 이온 챔버가 단색기 및 분광기 둘 다로부터 방출된 유속을 측정하기 위해 사용될 수 있고, 그것은 내측 및 외측 영역 모두로 분리된다. 광원으로부터 검출기 조립체로 엑스선 빔을 보면, 내측 영역은 우측에 있고 외측 영역은 좌측에 있다. 내측 및 외측 영역은 흔들 곡선 피크가 정렬된 것을 확실하게 하기 위해 견본화될 수 있다; 그렇지 않으면, 치(chi) 각도가 조절될 수 있다. 도 29는 내측/외측 구역 및 치(chi) 및 세타(theta) 회전각을 보여주는 단색기 결정의 사시도이다.
DEI 시스템에 의해 적용된 선량은 다양한 방법으로 조절될 수 있다. 예를 들면, 선량은 알루미늄 필터 두께를 변화시킴 및/또는 엑스선 빔의 경로에 흡수재를 위치시킴에 의해 조절될 수 있다. 또한 선량은 필요하면, 흔들 곡선의 피크로부터 제2 단색기 결정을 멀리 역조율함으로써 감소되어, 회절된 강도를 극적으로 줄일 수 있다. 일 예에서, 엑스선 관은 싱크로트론으로 교체될 수 있고, 그 경우에, 제1 단색기 결정에 입사된 유속은 싱크로트론의 링 전류(ring current)에 의해 결정된다.
표본 요구 시간은 스텝/초(steps/second)에서 측정된 표본 받침의 병진율을 가진, 입사 유속에 의해 결정될 수 있다. 스캔 속도는 스텝/초 에서 측정된 선량을 조절함으로써, 증가되거나 감소될 수 있다. 스캔 속도는 노이즈의 양이 고정된 이미지 플레이트를 사용할 때에는 중요한 인자가 아닐 수 있지만, 통합적인 디지털 검출기를 사용할 때에는 노이즈의 양이 요구 시간에 의해 부분적으로 결정되기 때문에 고려되어야만 한다. 디지털 검출기를 사용할 때, DEI 시스템은 스캔 속도가 가능한 최대에 가깝게 조절되어야 한다.
일단 DEI 또는 DEI 시스템이 적당한 에너지와 선량으로 조율되면, 이미지화되는 물체는 표본 받침에 놓여지고 정렬될 수 있다. 일 예에서, 결과 이미지의 폭을 물리적으로 제한하는 엑스선 빔의 최대 두께는 120mm이다. 120mm 미만을 가진 디지털 검출기 또는 이미지 플레이트의 사용은 시야를 더욱 제한할 수 있다. 일예에서, 표본 받침은 약 200mm의 최대 수직 변위를 가진다. 하지만, 표본 높이에는 어떤 물리적 한계가 없다. 물체의 특정 영역을 이미지화하기 위해서는, 이 영역이 시스템에 대해 200mm 범위 이내에 있는지를 결정해야 한다. 엑스선 빔의 위치는 고정될 수 있어서, 관심 대상인 물체의 수직 영역은 빔과의 상대적인 위치에 의해 결정될 수 있다.
DEI 시스템에서 사용되는 결정은 결정의 주어진 영역 위에 광자를 회절시키는 능력에 있어서 균등한 것으로 여겨지지만, 결정의 구조는 강도가 증가된 혹은 감소된 소 영역이 존재한다. 물체는 고정된 치수의 빔을 통과하여 스캔되므로, 이러한 "결함(glitches)"은 이미지의 수직 치수를 따라 손상될 수 있다. "결함"이라는 용어는 이러한 수직선에 종종 적용되지만, 이러한 영향은 예상되는 것이며, 시스템의 알려지고 예상된 특성으로서 고려되어야 한다.
시스템 성능 특성에 대한 실험
여기서 기술되는 것처럼 엑스선 관을 포함하는 DEI 및 DEI 시스템을 건조하기에 앞서, 시험 목적을 위해 엑스선 광원로서의 싱크로트론을 사용하여 실험이 수행되어야 한다. 초기의 설명에서처럼, 18 keV 및 59 keV 엑스선을 사용한 이미징 시간 및 유속 요구는 몰리브덴 및 텅스텐 기반 엑스선 광원을 모의실험하여 계산되었다. 나아가, 픽셀 크기 및 픽셀 당 광자의 수 같은 시스템 배치와 관련된 몇가지 가정이 이루어졌다. 이러한 값들은 필요한 대로 스케일될 수 있기 때문에, 5 cm의 조직(물)을 거스르는 픽셀당 1000 광자를 가진 100 마이크론의 픽셀 크기가 이 예에서 사용될 것이다.
100 마이크론 픽셀 제곱당 필요한 광자의 수는, 이 경우에는 5cm의 물인, 물 체를 통과하는 광자의 감쇠에 의해, 원하는 픽셀당 광자의 수를 나눔으로써 계산될 수 있다.
Figure 112008059504511-PCT00016
Figure 112008059504511-PCT00017
이렇게, 18 keV의 엑스선 광원을 위해, 약 1.6 x 105의 입사 광자가 각 100마이크론 픽셀 제곱마다 필요하다. 59keV 엑스선의 감쇠는 18keV에서보다 훨씬 덜해서, 100 마이크론 픽셀 제곱당 2.9 x 103 의 감소된 입사 광자 요구로 이어진다.
방출 선광원을 사용한 입체각으로 입사된 엑스선 유속
DEI 및 DEI 시스템에서 사용되는 결정 렌즈는 고도로 선택적인 각도 노치 필터로서 작용하며, 적당한 에너지나 각도 발산을 갖지 않은 엑스선 빔으로부터 광자를 제거한다. 엑스선 관 기반 광원에 대해, 광자는 모든 입체 각도로 다소 방출될 것이 예상된다. 유속 요구를 결정하기 위해, 검출기와 엑스선 결정 렌즈에 의해 범위가 정해진 입체 각도에 기반한 유속을 계산해야 한다. 어떤 엑스선 관은 다색 에너지 분포를 가질 것이고, 결정 시스템은 브래그 법칙에 의해 정의된 방출선 중의 하나를 선택할 것이다.
완전한 결정을 가지고, 주어진 반사를 위한 피크 반사율은 브래그-정상 방향으로 고유 반사 폭 또는 다윈 폭에 가까운 통합된 반사율을 만들면서, 1에 거의 가 까울 것이 예상된다. 브래그 [333] 반사를 가진 실리콘 결정을 추정하면, 18 keV 및 59 keV 의 다윈 폭은 다음과 같다
18 keV Si [333] 다윈 폭 = 2.9 × 10-6 radians, 및
59.3 keV Si [333] 다윈 폭 = 0.83 × 10-6 radians.
결정 격자 평면과 평행한 방향으로 이동하는 엑스선은 브래그-평행으로 불리고, 브래그-평행 방향에서 각도 허용은 결정에 의해 정해지지 않고, 오히려 검출기 해상도에 의해 정해진다. 이미지화되는 물체가 엑스선 광원으로부터 1미터에 있고, 100 마이크론 공간 해상도가 요구된다면, 브래그-평행 허용 각도는 100 마이크로라디안이다. 100 마이크로라디안 브래그-평행 허용 각도를 위해, 18 keV and 59 keV에서 스테라디안(steradian) 당 요구되는 광자의 수는 다음과 같다:
Figure 112008059504511-PCT00018
엑스선 관 유속
엑스선 관 기반 광원은 그들의 엑스선 스펙트럼, 특성 방출선 및 브렘슈탈룽에 2가지 요소를 가질 수 있다. DEI 및 DEI 시스템의 결정 렌즈는 관 타겟의 특성 방출선에 중심이 맞춰져야 하는 단 하나의 극도로 좁은 에너지 밴드의 선택을 허용한다. 이 경우에, 몰리브덴의 Kα1 (17.478 keV)과 텅스텐의 Kα1 (59.319 keV)은 각각의 광원으로부터 이러한 방출선의 유속을 결정하는데 사용될 수 있다.
다중 전압 및 전류 세팅에서 몰리브덴 및 텅스텐 엑스선 관의 몬테 카를로 모의실험이 실제의 이미징 조건 하에 생성될 수 있는 유속을 결정하기 위해 행해졌다. 10Kw 전력으로 75Kv의 가속하는 전압을 사용한 몰리브덴 타겟을 위해, Kα1로 방출되는 유속은 다음과 같다:
Figure 112008059504511-PCT00019
150Kv의 가속하는 전압과 50Kw 전력을 가진 텅스텐 타겟을 사용한 Kα1 방출은 다음과 같다:
Figure 112008059504511-PCT00020
추산된 이미지 요구 시간
분광기가 피크 위치로부터 (80%)의 값으로 역조율되면, 굴절 대조 및 몇가지 소멸 대조를 포함하는 노출을 요구할 수 있다. 이러한 계산은 단일 단색기 결정 및 분광기 결정을 가진 DEI 시스템을 추정할 수 있다. 이러한 모의 실험의 배열은 물체가 빔을 통과해 스캔되는 선광원 엑스선을 사용한 국립 싱크로트론 광원(NSLS) X15A 빔라인(뉴욕 업톤의 브룩헤이븐 연구소에 위치)에서 사용된 것과 일치한다. 높이 10cm와 100 마이크론 픽셀 크기(0.1mm)의 물체에 대해, 1000개의 스캔 라인이 요구된다.
Figure 112008059504511-PCT00021
75 kV, 10 kW의 몰리브덴 타겟의 경우 (약 18 keV):
Figure 112008059504511-PCT00022
150 kV, 50 kW의 텅스텐 타겟의 경우 (약 59.3 keV):
Figure 112008059504511-PCT00023
80%의 최대 반사율을 가진 흔들 곡선위의 점에서 단일 이미지를 위해, 상기 변수를 사용한 몰리브덴 타겟을 이용할 때 요구되는 시간은 약 2.2시간이다. 텅스텐 관에 대해 동일한 반사율을 이용할 때 요구되는 시간은 약 4.6분이다. 이미징 시간은 픽셀 당 요구되는 광자 및 물체와 광원간 거리를 변화시키는 것과 같은 이미징 변수에 의해 더욱 감소될 수 있다.
1000mm의 광원 대 물체 거리를 가진 브래그 [333] 반사를 사용하여 계산된 자료에 근거하여, 추산 이미징 시간은 다른 반사 및 거리를 사용하여 추산될 수 있다. DEI, 브래그 [333] 및 브래그 [111]에 사용될 수 있는 2개의 결정 반사가 있다. 각도에서 주어진 변화에 대해 더 많은 대조를 제공하는 더 가파른 경사를 가진, 분광기 반사율 곡선 기울기에 의해, DEI 내의 굴절 및 소멸 대조와 DEI가 상당 부분 결정된다. 브래그 [333] 반사는 굴절 및 소멸 대조에 의해 브래그 [111] 반사에 우월할 수 있지만, [333] 반사로부터 회절된 유속은 [111] 반사보다 약 10배 이하이다. 도 30은 실리콘 [111], [333], [444] 및 [555] 결정 회절 평면을 사용한 국립 싱크로트론 광 소스 X15A(National Synchrotron Light Source X15A) 상자에서 의 단색 빔 유속의 그래프이다. 유속의 10배 증가는 인수(factor) 10으로 이미징 시간을 감소시키며, 이는 [111] 반사가 어떤 응용에 유용하도록 한다. 이미징 시간에서의 더 나은 감소는, 광원과 물체 간 거리를 줄임으로서 달성될 수 있으며, 여기서 기술된 것처럼 1000mm의 거리를 사용하여 계산될 수 있다. 광원으로부터 이미지화되는 물체로의 광자 강도는 1/r2에 비례한다. 물체 거리가 1000mm에서 500mm로 감소되면, 강도는 4배로 증가될 수 있다. 광원-물체 거리를 지배할 수 있는 많은 요소 중, 가장 중요한 것 중의 하나는 물체의 크기이다. 분광기/검출기 조립체는 응용에 의존하는 요구에 따라 광원으로부터 더 가까이 또는 더 멀리 움직일 수 있다.
분광기 흔들 곡선의 반치폭(FWHM; Full Width at Half Maximum)은 에너지가 증가할수록 좁아진다. (예를 들면, 18 keV에서 3.86 마이크로라디안, 그리고 60 keV에서 1.25 마이크로라디안) 흔들 곡선 폭 대 에너지의 예는 하기 표 2에서 보여진다. 특히, 하기 표 2는 18, 30 및 60 keV에서 [333] 분광기 흔들 곡선의 측정된 반치폭과 이론상 반치폭을 보여준다. [333] 더블-브래그 단색기는 브래그 피크에 조율되었다.
엑스선 에너지 (keV) 측정된 FWHM (μrad) 이론적 FWHM (μrad)
18 3.86 3.64
30 2.15 2.10
60 1.25 1.11
표 2: [333] 18, 30 및 60keV에서 분광기 흔들 곡선의 반치폭 측정값 및 이론값
반치폭의 감소는 흔들 곡선의 경사를 증가시키고, 나아가 굴절 및 소멸 대조를 증가시킨다. 도 31은 반치폭에서의 감소가 흔들 곡선의 경사를 증가시키는 것을 도시한 그래프이다. 50kW에 대한 유속 계산, 브래그 [333] 반사 및 1000mm의 광원 대 물체 거리를 사용하면, 하기 표 3에 보이는 것처럼, 다양한 거리 및 결정 반사에 요구되는 이미징 시간을 추산할 수 있다. 특히, 표 3은 결정 반사 및 광원-물체 거리에 기초해 추산된 이미지화 시간을 보여준다.
결정 반사 광원에서 물체까지 거리 (mm) 추산된 이미징 시간 (seconds)
브래그 [333] 1000 280
브래그 [333] 500 70
브래그 [111] 1000 28
브래그 [111] 500 7
표 3: 결정 반사 및 광원-물체 거리에 기초해 추산된 이미지화 시간
싱크로트론 기반 DEI 및 DEI 실험
상기 언급한 것처럼, DEI 및 DEI 시스템 실험은 싱크로트론을 이용해 수행되었다. 특히, NSLS X-15A의 빔라인이 여기서 기술된 DEI 및 DEI 실험을 위해 이용되었다. 여기서 기술된 실험을 위해 사용된 싱크로트론 엑스선 광원은 DEI 또는 DEI 이미지를 위해 여기서 기술된 발명 내용에 따른 엑스선 관으로 대체될 수 있다.
NSLS에 있는 엑스선 링은 10 내지 60 keV로부터 고 유속 엑스선을 생산할 수 있는 2.8 GeV 싱크로트론이다. 도 32는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 싱크로트론 엑스선 빔을 사용한 DEI 시스템(보통 3200으로 표시됨)의 실험적인 조 직의 개요적 다이어그램이다. 도 32를 참조하면, 싱크로트론으로부터 방출된 엑스선 빔(XB)은 약 0.2 밀리라디안의 수직 발산을 가지도록 고도로 시준된다. 길이 16.3 미터의 빔라인 파이프(미도시)는 실험 상자를 싱크로트론 엑스선 링에 연결한다. 고 강도 다색 엑스선 빔(XB)은 실험 상자에 들어가서 2중 결정 단색기 탱크(MT)의 사용을 통해 단색이 된다. 단색기 탱크(MT)는 열적 부하를 감소시키도록 둘 다 수냉되는 2개의 단색기 결정(MC1, MC2; 각각 가로 150 mm × 세로 90 mm × 높이 10 mm)을 포함한다. 단색기 탱크(MT)를 빠져나가는 엑스선 빔(XB)은 단색이다.
그러고 나서, 단색 엑스선 광은 이온 챔버(IC)와 고속 셔터 조립체(SA)를 통과하여 견본 받침 조립체(SSA)로 진행하여, 폭 120mm, 높이 3mm의 최대 수치를 가진 선광원 엑스선 빔을 창조한다. 빔 위치가 고정되면, 조립체(SSA) 상의 견본 물체(O)는 스텝퍼 모터에 의해 구동되는 병진 받침을 사용하여 엑스선 빔을 통과하여 움직인다.
종래의 방사선 사진은 분광기 결정(AC)의 어떤 효과를 제거하면서, 빔 경로 내의 견본 물체(O)의 바로 뒤에 검출기(D1; 방사선 사진 배치에서)를 위치시킴으로서 얻어질 수 있다. 이러한 배치에서 얻어지는 이미지는 흡수가 주요 대조 메커니즘이라는 점에서 종래의 엑스선 시스템과 유사하지만, 싱크로트론 방사선 사진은 종래의 엑스선 시스템을 사용하여 얻어지는 이미지와 비교할 때, 더 나은 대조를 가지는 것을 보여주었다. 여기서 제공된 실험 중 얻어진 종래의 방사선 사진은 DEI 이미지와의 비교를 위해 사용되었다.
DEI 이미지는 계산된 브래그 각의 2배의 각에 분광기 결정(AC)을 놓은 이후에 검출기(D2; DEI 배치에서)를 위치시킴으로써 얻어질 수 있다. 18~60 keV 범위에서 이미징을 위해 사용되는 각도의 요약은 상기 표 1에 표현되어 있다. 선광원 엑스선의 사용은 DEI를 위한 견본 방향에 반대되는 방향 및 싱크로트론 방사선 사진을 얻기 위한 동일한 방향으로 검출기를 이동할 필요가 있게 한다. 이러한 실험에서, DEI 이미지는 후지(Fuji) HR V 이미지 플레이트(코네티컷 스탬포드의 후지 의료 시스템으로부터 이용할 수 있음)를 이용한 후지(Fuji) BAS2500 이미지 플레이트 리더를 사용하여 얻어졌다. 플레이트는 두께 약 0.5mm로, 유기 바인더와 결합된 광자극성 인광물질(BaFBR:Eu2 +)로 코팅된 유연한 플라스틱 플레이트로 이루어진다. 이미지는 해상도 50 마이크론 및 16비트 그레이 수준에서 후지(Fuji) BAS2500을 사용하여 스캔되었다.
나아가, 다른 실험에서 시스템에는, 실용적이지도 이미지 플레이트를 사용 가능하지도 않고, 회절 강화 컴퓨터 엑스선 단층 촬영(Diffraction Enhanced Computed Tomography) 및 다중 이미지 방사선 사진(MIR; Multiple Image Radiography)을 포함하며, DEI 응용을 가능하게 하도록 디지털 검출기가 부가되었다. 사용될 수 있는 예시적인 검출기는 50 × 100 mm 활동 영역 및 12비트 출력을 가진 Shad-o-Box 2048(캘리포니아 산타 클라라의 래드-아이콘 이미징(Rad-icon Imaging) 사로부터 이용가능함)을 포함한다.
이러한 검출기는 GdB2OB2S 신틸레이터 스크린과 직접 접촉하고, 48 마이크론 픽셀 간격으로 배열된, 1024 × 2048 픽셀을 포함하는 광다이오드 배열을 이용한다. 다른 예시적인 검출기는 120 mm × 80 mm, 30 마이크론 픽셀 크기의 시야(Field of View; FOV)를 가진 광 과학(Photonic Science) VHR-150 엑스선 카메라(영국, 동 서섹스의 로버스브리지로부터 이용가능함)를 포함한다. 이러한 예시적인 검출기는 둘다 방사선 사진 또는 DEI 배치에서 이미지 플레이트와 같은 방법으로 탑재될 수 있다.
빔에서 물체 없는 분광기 결정 흔들 곡선을 따른 이미지를 얻는 것은 다른 수준의 분광기 반사율에서 단색기 및 분광기 결정의 컨벌루션(convolution)을 표현하는 고유 흔들 곡선을 생성할 수 있다. 고유 흔들 곡선은 흡수, 굴절 또는 초소각 산란에 의해 바뀌지 않으므로, 우수한 참고 점을 만들 수 있다. 물체가 빔 내에 놓일 때, 픽셀 기초에 의한 픽셀 상 흔들 곡선에서의 변화는 어떤 엑스선 상호작용이 주어진 픽셀에서 대조로 이어지는 것인지를 결정하는데 사용될 수 있다.
ERA 방법에서 사용되는 모델은, 단색기 및 분광기의 컨벌루션이고 삼각형이기 때문에, 근사값인 가우시안 분포로서 로킹 커브의 모델을 만든다. 이 모델을 위한 공식은 다음의 방정식에 의해 제공된다:
Figure 112008059504511-PCT00024
μT는 선형 흡수 계수, χs는 소멸 계수, t는 물체의 두께, θz는 굴절각, ω s는 산란 분포의 가우시안이다.
MIR은 ERA 방법의 더 세련된 버전이다. MIR은 이전의 처리 기술에 존재했던 많은 문제점을 설명하고, 이미지 대조 요소의 더 완벽한 기술을 허용한다. 위에서 언급했듯이, MIR 기술을 사용하여 처리된 이미지는 흡수 및 굴절 이미지 뿐만 아니라, 초소각 산란 이미지도 생성할 수 있다. 또한, MIR은 DEI 외양 흡수 및 굴절 이미지에 존재하는 상당한 오류를 고쳤음을 보여줬고, 노이즈에 더욱 강하다.
ERA 방법에서처럼, MIR은 물체의 흡수, 굴절 및 초소각 산란을 표현한 이미지를 생성하기 위하여 분광기 결정 흔들 곡선을 사용한다. 만약, 고유 흔들 곡선이 기본선이라면, 곡선 아래의 영역을 감소시키는 변화는 광자 흡수가 전체적인 강도를 감소시키기 때문에 흡수 하나로서 해석될 수 있다. 순수한 굴절의 경우에는, 흔들 곡선의 중심은 이동되지만, 흔들 곡선의 폭은 일정할 것이다. 초소각 산란으로 이어지는 상호작용은 흔들 곡선의 각도 분포를 따라 광자를 산란시켜서, 곡선이 넓어지게 한다. 광자가 흔들 곡선의 허용 창 밖으로 산란되지 않는 것을 가정하면, 산란의 효과는 곡선의 아래 면적(area)에 영향을 주지는 않고, 단지 곡선의 형상에 영향을 줄 것이다.
흔들 곡선이 사실상 가우시안으로 가정되면, 곡선의 평방편차(variance)는 존재하는 산란 양을 표현하는데 사용될 수 있다.
흔들 곡선 폭은 에너지가 증가할 때 감소하며, 이러한 변화를 설명하기 위해 표본화 과정의 수정이 필요하게 만들 수 있다. 18keV에서 흔들 곡선 반치폭(FWHM)은 3.64 마이크로라디안이고, 60keV에서 1.11 마이크로라디안으로 감소한다. 흔들 곡선이 좁아짐에 따라, 굴절 상수가 중요한 각도의 범위는 줄어든다. 이것을 보상하기 위해, 각도 표본화 범위 및 증분이 감소될 수 있다. 60keV의 흔들 곡선의 증가된 경사는 마이크로라디안 당 강도에서 더 큰 변화를 발생시킨다는 점에서 이득이 된다. 엑스선 관 같은 유속 제한 엑스-광원을 사용할 때, 이러한 특성은 주어진 유속에 가능한 가장 많은 굴절을 생성하도록 최대화될 수 있다.
DEI 시스템 안정화
각도상 변화를 강도로 전환하는 분광기 결정의 사용은, 예외적인 대조를 허용하지만, 이러한 기술에서의 가정은 분광기 결정 흔들 곡선 위치가 시간에 대해 불변이라는 점이다. 실제로는, 그렇지 않으며, 그러한 좁은 흔들 곡선 폭을 가지면 분광기 피크 위치에서의 작은 변화 조차도 요구된 이미지에 중대한 오류를 만들어낼 수 있다. DEI 외양 흡수 및 굴절 이미지, MIR 및 MIR-CT와 같은 처리 알고리즘의 응용은 높은 시스템 안정도가 요구된다. 유방 조직에서 흡수, 굴절 및 산란 변수를 결정하는 목적을 달성하는 것은, 불안정을 유발하는 요소를 고립시키도록 NSLS X-15A 빔라인의 시스템 공학적 분석을 요구했다.
이 경우의 DEI 시스템의 안정성은 연장된 시간에 대해 분광기 결정 흔들 곡선의 불변 피크 위치를 유지하는 능력으로 정의된다. 재조사를 위해, 다색 엑스선 빔이 단색기에 있는 제1 결정에 입사되며, 단일 광자 에너지를 선택하기 위하여 브래그 법칙을 사용함으로써 특정 각으로 조율된다. 회절된 단색 빔은 그러고 나서, 그 기능이 입사된 빔과 평행한 방향으로 되돌리는 것이며, 분광기 결정과 정렬된, 제2 단색기 결정과 만난다. 특정 에너지에 대해 시스템을 조율할 때, 제1 단색기 결정이 먼저 정렬되고, 그러고 나서 제2 결정이 빔의 위치를 찾기 위해 조율된다. 단색기 탱크는 빨리 산화시킬 수 있고, 탱크 내부의 중요 요소에 손상을 줄 수 있는 오존의 생성을 감소시키기 위해 지속적으로 헬륨으로 씻겨 내려진다.
제2 단색기 결정이 정렬된 채로, 분광기는 결정 위 빔의 위치를 찾기 위해 스캔된다. 빔 위치를 찾기 위해 결정을 흔드는 것은 분광기의 각도 위치가 제2 단색기 결정과 완전히 정렬할 때, 강도 면에서 가파른 상승을 만들어 내며, 특정 주파수를 찾기 위해 라디오 다이얼을 스캔하는 것과 유사하다. 일단 분광기 결정이 정렬되면, 시스템은 조율되어 사용할 준비가 된다.
DEI 시스템에서 드리프트(drift)를 창출할 수 있는 인자는 다음의 3가지 범주로 떨어진다: 진동적인, 기계적인, 열적인 것. DEI 시스템의 광학부는 진동에 민감하고, 결정으로의 작은 진동조차도 각도상 작은 변화를 일으켜 대조의 변화로 이어진다. 커다란 화강암 판이 외부 환경으로부터의 진동을 감소시키기 위해 NSLS X-15A 빔라인에 사용되었다. 분광기 이후의 엑스선 빔을 모니터하기 위해 오실로스코프를 사용한 측정은, 강도면에서 약 2~3%의 진동이 있다는 것을 지시하고, 빔라인에서 외부 구동 팬 및 펌프로부터의 진동에서 귀착된다.
복수의 모터가 결정을 정렬하고, 샘플 받침 및 검출기 조립체를 병진하는 데 사용된다. 피코모터(picomotor) 구동부는 세타 각을 조절하기 위해 제1 단색기 결정, 제2 단색기 결정 및 분광기 결정과 함께 사용될 수 있다. 제2 단색기 결정 및 분광기 결정은 치 각도를 조절하기 위해 제2 피코모터를 사용할 수 있다. 이러한 구동 모터에서의 어떤 불안정성은 시스템의 정렬에 커다란 편차를 창출할 수 있고, 기계적 드리프트는 DEI 시스템의 불안정성의 주요 원인이 된다고 처음에 생각되어졌다. 샘플 받침 및 검출기 조립체를 구동하는데 사용되는 모터는 이미지 품질을 위해 중요하지만, 엑스선 빔의 안정성에 기여하지는 않는다.
시스템 안정성에 3번째 기여를 하는 것은 입사 엑스선 빔과 시스템 구동 모터 및 증폭기로부터 생산된 열로부터 발생하는 열적인 것이다. 시스템 내의 열적 진동은 시스템 안정성에 영향을 가진 것으로 알려진 반면, 주요 불안정화 인자로 여겨지지는 않는다. 열적 진동 및 시스템 불안정성 사이의 연관은, 엄밀한 관찰이 이루어졌을 때 분광기 내의 드리프트가 비교적 일관되고 주기적이라는 점에서 명백해졌다. 이 예에서는, 주기적인 DEI 시스템에서 단 하나의 변수가 존재하고, 그것은 주 엑스선 셔터를 열고 닫음으로써 생성되거나 소실되는 열이다.
불안정의 원인을 고립시키도록 얻어진 실험적인 시험 및 관찰은 주요 드리프트 원인으로서 실리콘 결정 구조의 확장 및 압축을 지적한다. 이러한 실험적 관찰의 단순한 설명은 브래그의 법칙인
Figure 112008059504511-PCT00025
를 이용하여 발견될 수 있다. 원하는 에너지를 회절시키도록 주어진 각도에 놓인 하나의 결정을 고려할 때, 격자 구조의 공간 d에서의 어떤 변화는 회절된 빔의 각도를 변화시킬 수 있다.
단색기 내부의 엑스선 빔에서 생성된 열은 실리콘 결정이 그 선형 팽창 계수, Δd/d = 3×10-6 ΔT(℃)에 따라 팽창하게 할 수 있다.
브래그의 법칙을 사용한 d 에 대한 풀이는 다음 공식을 통해 얻어진다:
Figure 112008059504511-PCT00026
Figure 112008059504511-PCT00027
상기 공식의 도함수를 취하면 다음과 같다.
Figure 112008059504511-PCT00028
d 를 치환하여 정리하면 다음과 같다.
Figure 112008059504511-PCT00029
상기 공식을 다시 정리하면 다음과 같다.
Figure 112008059504511-PCT00030
Figure 112008059504511-PCT00031
를 실리콘 선형 확장 계수로 치환하면 다음의 공식이 나온다:
Figure 112008059504511-PCT00032
18 keV 및 40 keV에서의 각각의 브래그 각도 19.2 및 8.4도를 사용하면, 18 keV에서 섭씨 1도당 1.05마이크로라디안 및 40 keV에서 섭씨 1도당 0.44마이크로라디안의 각도 변화를 볼 것이 예상될 수 있다. 드리프트의 이론적 설명으로서 계산을 사용하면, 빔 에너지의 증가와 함께 전체 빔라인의 안정성 증가 및 분광기 드리프트 감소를 볼 것이 예상될 수 있다.
최초 분광기 안정성 테스트는 60초 이하의 평균을 가진 피크 분광기 위치의 안정성을 가질 정도로 매우 불안정하였다. 이것은 단일 이미지 스캔에는 허용가능한 반면, MIR 및 CT 응용에는 허용될 수 없었다. 연속적인 작동의 12 시간을 통한 콜드 스타트(cold start)로부터의 분광기 위치 변화를 측정하는 복합 드리프트 평가는 50 내지 100 마이크로라디안 사이였다. 시스템 안정성에 대한 온도의 중요성의 깨달음으로 인해, 어떤 열원이 완화되거나 제거될 수 있는지를 결정하기 위한 모든 시스템 구성요소의 종합적인 평가가 수행될 수 있었다.
온도에서 커다란 진동을 경험하는 하나의 시스템 구성요소는, 그 기능이 원하지 않는 낮은 에너지 엑스선을 감쇠시키는 것인 알루미늄 필터 조립체이다. 이러한 0.5mm 두께의 알루미늄 시트는 싱크로트론 백색광에 노출될 때 빠르게 가열되고, 빔이 꺼졌을 때 빠르게 냉각한다. 인접한 단색기 탱크 내에서 열적으로 민감한 결정과 알루미늄 필터 조립체의 근접성은, 이것을 주요 불안정 요소로 만들었다. 열 배출구(heat sink)는 필터에 의해 생성된 열을 제거하고, 알루미늄 필터 조립체를 열적으로 고립시키기 위해서 필요했다. 도 33은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 예시적인 알루미늄 필터 열 배출구의 이미지이다. 도 33을 참조하면, 알루미늄 필터 삽입포트 및 냉각수 입/출구 관이 표시되어 있다.
구리 필터 조립체는, 알루미늄 필터에 의해 생성된 열을 열적으로 고립시키고, 그 열을, 순환하는 고속 냉각수 도관에 전달하기 위해 시스템 상에 배치되었다. 알루미늄 필터는 또한 방출 표면적을 제한하고, 구리 열 배출구와의 접촉을 증가시키기 위해 크기면에서 줄여졌다. 수냉 필터 조립체의 설치 후 얻어진 안정성 시험은, 전체적인 시스템 드리프트가 콜드 스타트로부터 12시간 연속 작동하여 드 리프트 측정시 평균 -6 마이크로라디안으로, 약 10배의 범위 내로 감소되었음을 지시했다.
수냉 필터 열 배출구의 부가 이후에 전반적인 시스템 드리프트에서의 극적인 감소는 분광기 및 단색기 결정을 위해 등온의 환경을 유지하는 것의 중요성을 명백히 했다. 그러나, 다른 구성요소에 대한 변화가 더 나은 열 감소를 위해 영향력이 있을 수 있음은 이 기술분야의 평균적 기술을 가진 자에게 예상될 수 있을 것이다. 열적 드리프트의 남아있는 요소를 고립시키기 위해 각각의 시스템 요소의 시스템적 분석 및 외부 환경의 주기적 변화가 수행되었다.
증폭기 및 통제 시스템은 열을 줄이기 위해 실험 상자로부터 제거될 수 있다. 구동 모터 또한 제거될 수 있다. 그러나, 본 실험에서 견본 받침 및 검출기 조립체를 통제하는 구동 모터는 제거될 수 없다. 덧붙여, 상자 도어는 에워싼 공기 온도를 일정하게 유지하는데 도움이 되도록 닫힐 수 있다. 분광기 결정 온도, 에워싼 공기 온도 및 중력 냉각수의 온도의 12 시간 측정은, 온도면에서 어떤 많은 변화를 지시하지 않았다. 계속된 실험은 제2 단색기 결정과 직접 접촉하여, 가열되는 제2 단색기 결정의 알루미늄 베이스에서 중요한 열적 변화가 있었다는 것을 지시했다.
제2 단색기 결정의 기능은 단색 엑스선 빔을 제1 단색기 결정으로부터 회절시키고, 빔을 분광기 결정과 수평적으로 정렬시키는 것이다. 이론적으로, 결정과 엑스선의 상호작용은 탄성이어서, 열 발생은 없어야 한다. 이것은 제1 단색기 결정의 경우에는 사실이 아니지만, 훨씬 고 강도이기 때문에 다색 싱크로트론 백색 빔 은 제1 결정의 내부 구조에서 흡수된다. 진동을 감소시키기 위하여, 중력 구동 수냉 시스템은 제1 단색기 결정으로부터 과도한 열을 제거하기 위해 시스템 속에 설치된다. 능동 냉각은 제2 단색기 결정에는 요구되지 않지만, 24시간에 걸쳐 얻어진 온도 측정은 변형이 필요함을 지시했다.
서미스터(thermistor)는 알루미늄 지지판 위에 위치하고, 온도는 전형적 작동 기간인 24시간에 걸쳐 5분마다 측정되었다. 도 34는 24시간에 걸쳐 서미스터에 의해 측정된 온도의 그래프이다. 지지판의 온도는 빔이 켜지고 꺼지는 기간으로부터 약 1.3℃ 증가했다. 싱크로트론 저장 링의 전류는 온도 그래프에서 명백한 것처럼, 시간에 따라 천천히 떨어져서, 비워지고 재충전되어야 한다. 12시간의 연속적인 작동 후에, 빔라인은 온도가 기본선에 되돌아가는 데 걸리는 시간을 결정하기 위해 차단(shut down)된다. 데이터의 분석은 능동 수냉을 위한 지지판 갱신을 정당화하는, 제2 결정 위에 충분한 가열이 있었음을 지시한다. 도 34의 그래프는 어떻게 정상 빔라인 작동이 결정 온도에 영향을 끼치는지의 텍스트와 함께 주석이 달려 있다. 열적 안정성의 이러한 원인이 명확해짐에 따라, 구리 지지판이 물의 흐름 및 열 교환을 위해 내부 도관에 제공되었다. 도 35는 예시적인 갱신된 2차 단색기 베이스 및 온도를 낮추기 위해 수냉 라인을 가진 지지 플레이트의 상부에서 본 이미지이다.
약 2000 시간의 빔라인 작동, 업그레이드된 단색기와의 1000시간 이후에, 빔라인의 안정성의 예견된 동향이 측정되고 평가되어져 왔다. 예견되었듯이, 렌즈의 안정성을 유지하는데 압도적인 요인은 온도이다. 온도의 절대값은 시간에 걸친 온 도 변화만큼 중요하지는 않다. 등온 환경이 유지되면, 시스템은 평형에 도달하고, 단색기 및 분광기 결정 모두에 드리프트는 거의 없거나 전혀 없다. 저장 링에서 링 전류는 시간에 따라 천천히, 예상가능하게 감소하기 때문에, NSLS에서의 이미징은 독특한 문제점을 제공한다. 제1 단색기 결정에 입사한 엑스선의 강도는 링 전류에 비례하여 감소하여, 제1 결정의 온도가 시간에 따라 감소하게 하는 원인이 된다. 어떤 능동 피드백 제어가 결정 시스템에 위치되지 않는다면, 제1 분광기 결정은 d 공간 및 회절된 에너지를 천천히 감소시키며, 시간에 따라 수축될 수 있다. 제1 결정 위의 브래그 각도에서의 변화는 제2 결정으로부터 방출된 회절 단색 광자 유속을 감소시키며, 제2 결정의 빔의 위치를 변화시킨다. 이것은 분광기 결정에 입사한 엑스선 빔의 강도를 감소시키고, 엑스선 빔의 위치를 변화시켜서, 분광기 드리프트로 이어진다.
분광기 드리프트의 효과는 빔라인의 모든 구성이 엑스선 셔터가 닫힌채 최소 24시간동안 실온에 놓여진, 빔라인의 콜드 스타트업(실온 개시) 동안 가장 명확히 설명된다. 일련의 안정성 시험은 시스템이 평형에 도달하는 데 걸리는 시간을 결정하는 실용적 목적을 가지고, 스타트업 후 첫번째 100분 이내에 분광기가 어떻게 드리프트 하는지를 시험하기 위해 실행되었다. 분광기의 단기 안정성 시험은 엑스선 셔터를 작동시키고, 분광기 위치를 0에 리셋한 후에, 즉시 시스템을 정렬하여 달성되었다. 그러고 나서 분광기는 0.2마이크로라디안의 세타 증분으로 -10에서 10마미크로라디안의 범위에 걸쳐 100초 마다 스캔되었다. 그 후, 피크 위치로서 기록되고, 그 대응되는 분광기 위치를 따라 기록된 각각의 흔들 곡선에 대한 중력 중심을 결정하기 위해, 각각의 흔들 곡선이 분석되었다. 일단 시스템이 처음에 조율되고, 실험이 시작되면, 더 이상의 조율이나 조정은 없었다.
모든 다른 빔라인 변수 및 알루미늄 여과제가 정상 이미징 조건 하에 사용되는 수준에 놓여진 채, 18 keV 및 40 keV의 2개의 광자 에너지가 시험을 위해 선택되었다. 더 높은 에너지의 엑스선은 더 낮은 에너지의 엑스선보다 침투성이 훨씬 높고, 원하는 수준으로 유속을 생산하며, 다색 싱크로트론 백색광에 존재하는 더 낮은 에너지의 엑스선을 감쇠시키는데 더 많은 선-단색기(pre-monochromator) 필터가 필요하다. 여과제의 양을 증가시키면, 엑스선이 단색기에 들어가기 전에 발생하는 흡수량을 증가시키서, 제1 단색기 결정에 열 부하를 감소시킨다. 필터 조립체에서 일어나는 엑스선 흡수로부터 생성된 열을 제거하기 위한 수냉 열 배출구의 부가로, 결정은 싱크로트론 백색광으로부터의 열적 효과를 덜 경험한다. 더 높은 에너지에서의 섭씨온도당 각도 변화를 감소시키는 것과 증가된 여과제에 의한 단색기 상의 열 부하의 감소의 조합은, 빔 에너지를 증가시키고, 안정성 면에서 비례적인 증가로 이어진다.
빔라인의 상온 개시로부터 수행된 안정성 실험은 링 전류의 감소로 거의 이어지는 분광기 드리프트와 함께, 이러한 효과를 설명한다. 전류 이론은 강력한 입사 싱크로트론 백색광이 거의 순간적으로 깊이 제1 단색기 결정을 가열하여, 빨리 최대 온도에 도달한다는 것을 가정한다. 링 전류가 시간이 지나 사라짐에 따라, 온도는 천천히 감소하여, 드리프트로 이어진다. 시스템은 주위를 에워싼 공기 및 시스템 요소를 마침내 가열하여, 단위 시간당 드리프트 양을 안정화시킨다. 40 keV에 서의 증가된 여과제 량은 시스템이 열적 평형에 도달하는 시간의 양을 감소시키고, 열적 부하의 효과를 감소하는 데 도움을 준다. 일단 빔라인이 5~7 시간동안 연속적인 작동에 있으면, 각각의 결정에 대한 열 부하 효과는 최소화되고, 빔라인은 분광기 드리프트가 거의 없거나 없는 초-안정 상태가 된다.
도 36 내지 39는 안정성 시험 결과의 그래프이다. 특히, 도 36은 일정시간에 걸쳐 분광기의 피크 위치를 보여주는 18keV의 안정성 실험 그래프이다. 도 37은 18keV의 안정성 시험 중인 국립 싱크로트론 광 소스(NSLS; National Synchrotron Light Source)의 엑스선 링 전류의 그래프이다. 도 38은 일정 시간에 걸쳐 분광기 피크 위치를 보여주는 40keV의 시스템 안정성 실험의 그래프이다. 도 39는 40keV의 안정성 시험 동안 NSLS 엑스선 링 전류의 그래프이다.
이 실험의 결과는 렌즈에서의 드리프트는 렌즈 결정을 등온으로 유지함으로서 제어될 수 있다는 것을 설명하고, 그것은 일정한 온도를 유지하기 위하여 정밀 가열 시스템을 사용하는 DEI 기반 싱크로트론 및 비-싱크로트론 상에서 달성될 수 있다. 시스템 공학 분석을 통해, 분광기/단색기 불안정 문제는 기본적인 제한에서 작은 성가심 정도로 감축되었다. 더 나은 개선으로, 모든 컴퓨터 단층 촬영 기반 DEI 및 MIR 방법의 충분한 이용을 허용하며, 문제점은 완전히 제거될 수 있다.
DEI 를 위한 광학 이미징 변수 및 DEI 를 결정하는 유방 엑스선 촬영 팬텀(Phantoms)의 리더 연구 분석
앞서 설명한 것처럼, DEI는 엑스선 흡수, 굴절 및 초소각 산란(소멸 대조)으로부터 대조를 얻는 방사선 사진 기술이다. DEI는 엑스선 흡수 및 굴절로부터 대조를 얻는 유사 방사선 사진 기술이다. 2차원 및 CT 같은 종래의 방사선 사진은, 물질을 통과할 때 엑스선이 감쇠한다는 것에 기초한 이미지를 생산한다. 엑스선 흡수는 전자 밀도 및 평균 원자 번호에 기초를 두기 때문에, 대조가 물체 혹은 환자 내부의 감쇠 차이에 기초를 두어 얻어진다. 물질과 엑스선 광자의 상호작용은 입사 빔으로부터 제거된 광자 수보다 더 많은 구조적 정보를 제공할 수 있다. DEI는 정교하고 민감한 각도 필터로서 작용하는 엑스선 빔의 경로에 실리콘 분광기 결정을 통합하여, 엑스선 굴절 및 초소각 산란의 측정을 용이하게 한다. 물체 특성 혹은 그 국부 환경에 기인한 정상 흡수 대조를 가진 물체는 높은 굴절 및 초소각 대조를 가질 수 있다.
DEI는 유방 조직 내 관심 대상의 구조가 특히 병의 초기 단계에 낮은 흡수 대조를 가진다는 점에서 유방 이미징에서 대단한 잠재력을 가질 수 있다. 악성 유방 조직의 DEI 연구는 종래의 유방 엑스선 촬영과 비교할 때, 유방 종양에서 침골(spiculations)의 시각화의 상당한 증가를 지시해왔다. 유방에서 관심 대상인 주요 진단 구조는 석회화(calcifications), 덩어리(masses), 소섬유(fibrils) 등을 포함하고, 그 모든 것은 지방 및 유선 조직과 비교할 때, 현저한 굴절 및 산란 서명(scatter signatures)을 가질 수 있다. 유방 엑스선 검사를 위한 DEI의 이용을 적절하게 조사하기 위하여, 유방 이미징을 위한 진단적으로 중요한 특징을 검출하도록 독특한 시스템 변수 및 배치가 최적화되어야만 한다. 이 연구의 필수적인 구 성은 흡수, 굴절 및 초소각 산란 거부(소멸)을 사용하여 달성될 수 있는 방사선량의 잠재적 감소를 결정하는 것이다. 임상적으로 유용한 유방 엑스선 촬영을 설계하고 건조하기 위해 특정되어야 하는 주요 DEI 이미징 요소는 빔 에너지, 분광기 결정 굴절 및 분광기 결정 흔들 곡선 상의 위치이다.
이 연구를 위한 실험은 NSLS에서의 X-15A 빔라인에서 수행되었다. 분석되어야 하는 변수를 이해하기 위해서, 시스템의 간결한 설명서가 정리된다. 이러한 실험을 위한 엑스선 광원은 10 내지 60 keV의 고유속 엑스선을 생산할 수 있는 2.8 GeV 싱크로트론인 NSLS의 엑스선 링이었다. 이중 결정 실리콘 단색기는 입사 엑스선 빔으로부터의 특정 에너지를 선택하는데 사용되었다. DEI 이미지는 특정 각도를 선택하기 위해 조율된 물체의 뒤에 실리콘 분광기 결정을 위치시킴으로써 얻어졌다. 분광기는 0.1 마이크로라디안에 속한 해상도를 가진 각도 필터이며, 엑스선 굴절 및 초소각 산란의 측정을 용이하게 한다. 그 반사율 곡선 상의 다른 점들에 분광기를 조율하는 것은 엑스선 분포에서 불연속 각을 선택할 수 있고, 몇몇 위치는 물체 및 병변(lesion) 검출에 유용한 정보를 제공했다.
브래그 [111] 및 브래그 [333] 반사 같은 DEI 에 사용될 수 있는 다중 결정 반사가 있다. DEI 굴절 대조는, 분광기 결정 흔들 곡선의 경사와, 브래그 [111] 반사보다 훨씬 더 가파른 경사를 가진 브래그 [333] 반사를 가지면, 증가한다. 브래그 [333] 반사는 더 좋은 대조를 제공할 수 있지만, 브래그 [333] 반사의 결정에 의한 입사 다색 엑스선 광으로부터 선택될 수 있는 엑스선 광자의 수는 브래그 [111] 반사보다 거의 10배 이내이다. 이러한 반사 사이의 시각화의 상대적 차이점 을 결정하는 것은 임상적으로 뒷받침된 DEI 시스템의 설계에 있어서 중요한 요소가 될 수 있다.
엑스선 관은 출력 스펙트럼을 가진 엑스선을 생산하고, 양극 물질, 전압 및 전류량의 기능을 증폭시키는 음극/양극 배치를 사용할 수 있다. 유방 엑스선 촬영 시스템은 엑스선 빔을 생산하기 위해 28 내지 32 kVp 범위의 전압에 몰리브덴 타겟을 가진 엑스선 광원을 포함할 수 있다. 이러한 배치는 18 keV, 몰리브덴 Kα의 주변에 중심이 맞춰진 에너지 스펙트럼을 가진 다색의, 발산하는 엑스선 빔을 생산한다. 엑스선 시스템에 기초한 흡수는 유연 조직의 이미징을 위해 이러한 비교적 낮은 에너지 엑스선에 놓여졌다. 18 keV 엑스선이 유연 조직에서 더 큰 대조를 제공하는 반면, 하나의 결점은 더 낮은 엑스선과 관련된 증가된 환자 흡수 선량이다. 몇몇 이전의 DEI 유방 이미징 연구는 종래의 유방 엑스선 촬영 시스템과 비교될 만한 엑스선 에너지에 기초를 두었다. 이러한 기술은 엑스선 흡수를 측정하는 데 잠재성 유용성을 가지고 있지만, 굴절 및 초소각 산란의 추가적인 DEI 대조 메커니즘의 장점을 적절히 설명한 것은 아니다.
외양 흡수(apparent absorption) 및 굴절 이미지의 창출을 포함하여, DEI에 적용 가능한 몇몇 이미지 처리 기술이 있다. 이미지 처리 방법에 기초한 다른 진전된 DEI는 더욱 정확하고, 대조 구성요소를 세밀하게 분리하는 MIR이다. MIR을 사용한 예비 연구는 이러한 방법이 낮은 광자 총수(count) 수준에서 작동할 수 있고, 종래의 엑스선 광원과의 잠재적인 사용을 가진다는 것을 증명했다. DEI와 함께하는 몇몇 그룹은 DEI의 추가적인 대조 메커니즘을 CT의 공간 해상 능력과 결합시키도록 DEI 방법을 CT에 적용하는 공정에 있다. 이러한 연구는 2차원적 이미징에 중점을 두었을 지라도, 2차원 이미징을 위한 시스템 변수는 또한 싱크로트론 혹은 비-싱크로트론 기반 CT 응용에 적용될 수 있다.
*여기서 기술될 실험은 표준 유방 엑스선 촬영 팬텀의 이미징 동안의 획득 변수의 조심스런 변동을 수반한다. 연구에서 획득된 이미지는 어떤 2차적인 이미지 처리 없이 각 시스템 배치에서 획득된 최초 이미지 데이터를 표현한다. 전문 리더(expert reader)는 이상적인 DEI 유방 엑스선 촬영 유닛의 상세에서 도움을 얻기 위해 모든 실험적 조건 하에서 알려진 팬텀(phantom) 특징의 가시성을 획득했다.
공학적, 의학적 모두의 관점으로부터, 가장 중요한 시스템 변수 중의 하나는 빔 에너지이다. 구조의 시각화가 DEI의 에너지의 작용으로 어떻게 변화하는지의 이해를 얻기 위하여, 다음의 에너지가 연구를 위해 선택되었다: 18 keV, 25 keV, 30 keV, 및 40 keV. 입사된 싱크로트론 빔으로부터 원하는 에너지의 선택은 단색기를 원하는 파장에 대한 적절한 브래그 각으로 조율함으로써 달성되었다.
분광기 결정 흔들 곡선에 걸친 3개의 대표점이 진단적으로 가치있는 정보를 획득하기 위한 분석 동안 사용될 수 있다. -1/2 다윈 폭(DW), 피크, +1/2 DW 위치가 각각의 빔 에너지/결정 반사 조합을 위해 선택되었다. 대응되는 싱크로트론 방사선 사진이 비교를 위해 획득되었다.
표준화된 유방 이미징 팬텀이 유방 조직 및 유방 암의 구조적 특성을 모의실험하기 위해 이 실험에서 사용되었다. 최초의 노력은 실제 유방 조직 표본을 수반 하였지만, 생물학 조직에 존재하는 변형 및 악성 특징의 주관적 평가는, 팬텀의 사용을 이 연구에 더 적절한 것으로 만들었다. 여기서 기술된 발명 내용과 관련된 DEI 시스템은 다중 메커니즘으로부터 대조를 얻을 수 있기 때문에, 팬텀은 각각에 순응하는 특징과 함께 선택되었다. 이 실험에서, 표면에 재봉되어 다양한 직경 및 깊이의 일련의 원형 인덴션(indention)을 가지며, 투명 합성수지로 만들어진 대조-세부(CD; contrast-detail) 팬텀(캐나다 온타리오 토론토에 있는 서니브룩(Sunnybrook) 및 여성 연구 조직(Women's Research Institute)으로부터 유효함)이 선택되었다. 직경 및 깊이의 변형은 대조 및 공간 해상도 평가에 유용한 증감을 창출한다. 더 깊은 인덴션은 감쇠에서의 증가된 차이, 즉 증가된 대조로 이어진다. 인덴션의 원형 단부는 엑스선의 굴절에 전도성 있는 경계면을 제공한다. 알려진 반경 및 높이를 가지고, 각각의 실린더의 부피가 전체 가시 부피를 결정하기 위해 계산되었다.
도 40A 내지 도 40C 및 도 41A 내지 도 41C는 각각 18 keV 및 30 keV에서 얻어진 예시적인 CD 팬텀의 이미지이다. 특히, 도 40A 내지 도 40C는 각각 18keV 싱크로트론 방사선 사진의 이미지, +1/2 다윈 폭(DW) 분광기 결정 위치에서 얻어진 18keV DEI 이미지, 및 피크 분광기 위치에서 얻어진 18keV DEI 이미지이다. DEI 예에서 사용된 결정 반사는 브래그 [333] 반사이다.
도 41A 내지 도 41C는 각각 30keV 싱크로트론 방사선 사진의 이미지, -1/2 다윈 폭(DW) 분광기 결정 위치에서 얻어진 30keV DEI 이미지, 및 피크 분광기 위치에서 얻어진 30keV DEI 이미지이다. DEI 예에서 사용된 결정 반사는 브래그 [333] 반사이다. 대조는 18keV 싱크로트론 방사선 사진과 비교할때 30keV 싱크로트론 방사선 사진에서 감소된다.
제2 팬텀이 실험에 사용되었다. 제2 팬텀은 디지털 유방 엑스선 촬영 시스템을 시험하기 위한 국제 디지털 유방 엑스선 촬영 발전 그룹(IDMDG ; International Digital Mammography Development Group)을 위해 설계되었다. 특히 이 팬텀은 디지털 유방 엑스선 촬영 이미징 스크리닝 시도(Digital Mammography Imaging Screening Trial; DMIST)를 위해 발전되었고, 미스티(MISTY; 서니브룩 및 여성 연구 조직으로부터 유효함)로 알려져 있다. 미스티 팬텀은 유방 엑스선 사진의 이미지 품질을 정하는데 사용될 수 있는 다양한 영역을 포함한다. 구조적으로 팬텀은 시스템 대조 및 해상도를 정하는데 사용될 수 있는 몇몇 고 해상도 상세를 포함한 수은 강화 오버레이(mercury-intensifid overlay)를 가진 폴리메틸메타크릴레이트 (polymethylmethacrylate; PMMA)로 이루어져 있다.
미스티 팬텀으로부터 3가지 영역이 실험에서의 사용을 위해 선택되었다. 도 42A 내지 도 42C는 피크 분광기 결정 위치에서 30 keV, Bragg [333]에서 획득된 미스티 팬텀의 다른 3개 영역의 이미지이다. 특히, 도 42A는 더 이상 분해될 수 없을 때까지 감소된, 라인 사이의 거리를 가진 4개의 라인을 포함하는 일련의 라인 쌍 클러스터의 이미지이다.
도 42B는 유방 조직에서 석회화를 모의실험하는 일련의 별 클러스터의 이미지이다. 각각 6개의 별을 포함하는 7개의 클러스터 열은 실종 점을 가진 1개의 별을 가진 각각의 별 클러스터와 함께 사용되었다. 해상도 및 대조가 감소할수록, 별 은 더 이상 시각화될 수 없고, 작은 얼룩(speck)만이 나타난다. 석회화 모의실험은 이 실험에서의 사용을 위해 거꾸로 되었다.
도 42C는 스텝웨지(stepwedge)의 이미지이다. 스텝웨지는 흡수 대조를 측정하기 위해 사용된다. 스텝웨지는 6개의 잘 정련된 경계면을 포함한다.
이 실험에서, DEI 이미지는 후지(Fuji) BAS2500 이미지 플레이트 리더 및 후지(Fuji) HR V 이미지 플레이트를 사용하여 얻어질 수 있다. 앞서 설명한 것처럼, 이미지 플레이트는 두께 약 0.5mm로, 유기 바인더와 결합된 광자극성 인광물질(BaFBR:Eu2 +)로 코팅된 유연한 플라스틱 시트이다. 나아가, 모든 이미지는 해상도 50 마이크로미터 픽셀 크기 및 16비트 그레이 수준에서 스캔되었다. 이미지 획득을 위해 사용되는 표면 선량은 에너지에 기초해서 다양하지만, 동일한 표면 선량이 각각의 에너지 세팅에서 방사선 사진 및 DEI 이미지에 사용되었다. 3.0 mGy의 표면 선량이 30keV에서 획득된 이미지를 위해, 1.5 mGy의 표면 선량이 25keV에서 획득된 이미지를 위해, 0.2 mGy의 표면 선량이 40keV에서 획득된 이미지를 위해 사용되었다.
2개의 연구 리더(study reader)가 CD 및 MISTY 팬텀 이미지 결과를 분석하기 위한 실험에 수반되었다. 대부분의 DEI 배치 사이의 극적인 차이점을 가지고 결합된 표준화된 팬텀의 사용은, 2개의 리더가 적당한 통계력 수준을 달성하는데 충분하다는 것을 지시했다. 1명의 전문가 유방 이미저 및 1명의 의학 물리학자가 이 연구에 참가했다. 시각 환경을 최적화하기 위해, 리더 연구는 500 cd/m2의 피크 휘도 를 가진 5메가 픽셀 CRT 모니터를 사용하여, 특별히 설계된 암실에서 수행되었다. 리더는 각각의 이미지의 그레이 스케일을 조절하도록 허용되었고, 최대 시각화를 위해 확대경이 제공되었다.
병변(lesion)의 전체 환경을 시각화하기 위한 능력은, 예를 들면 잘 둘러싸인 경계를 가진 양성 유방 섬유선종 및 침골을 가지거나 가지지 않은 잘 정의된 경계를 덜 가진 잠재적 악성 덩어리 사이의 차이점 같이, 유방 엑스선 촬영에서의 진단적 중요성을 가진다. 덧붙여, 석회화 및 그들의 유방 엑스선 촬영의 시각화는 숨겨진 병상에 통찰력을 제공한다. 임상적 유방 엑스선 촬영에 진단적 응용을 반영하는 문제는, 리더 연구 설계와 통합되어, 과제를 적절하고 명확한 신뢰 수준으로 분리한다.
어떤 요인이 최고의 성능을 주는지 결정하는 데 있어서, 다음의 8가지의 성능 측정이 리더에 의한 사용을 위해 확립되었다.
1. 전체 원주가 CD 팬텀에서 보여질 수 있는 원의 부피;
2. 최소한 반의 원주가 CD 팬텀에서 보이는 원의 부피;
3. 어떤 일부의 원주가 CD 팬텀에서 보이는 원의 부피;
4. MISTY 팬텀에서 관찰된 라인 쌍 그룹의 개수;
5. MISTY 팬텀의 석회화 모의실험에서 보이는 별의 개수;
6. MISTY 팬텀의 석회화 모의실험에서 보이는 모든 점을 가진 마지막 클러스터의 개수;
7. MISTY 팬텀의 석회화 모의실험에서 보이는 작은 얼룩의 개수;
8. MISTY 팬텀의 스텝웨지에서 명확히 정의된 섹션의 개수.
이미지에서 데이터의 체계화를 용이하게 하기 위해, 대응하는 성능 임무를 가진 각각의 팬텀의 그래픽적 묘사가, 이미지를 얻기 위한 각각의 리더에 제공되었다. CD 팬텀에 대해, 리더는 이미지의 각각의 행과 열에서 어떤 원이 보이는지를 지시하도록 요구되었다. MISTY 팬텀 라인 쌍 영역을 평가하기 위해, 리더는 모든 4개의 라인이 명확히 시각화되는 가장 높은 클러스터를 결정하도록 요구되었다. 석회화 모의실험의 획득은 처음에 시각화될 수 있는 전체 별의 개수를 세는 것이 포함되었고, 그러고 나서 가능한 29개의 점으로부터 각 클러스터에서 보여지는 별 점의 개수를 세는 것이 포함되었다. 덧붙여, 리더는 시각화될 수 없는 작은 얼룩의 전체 개수를 세는 것이 요구되었다. 관심 있는 스텝웨지 영역을 위해, 리더는 6개의 경계 중 어떤 것이 선명히 시각화될 수 있는지 표시하도록 요구되었다. 이미지 표현의 순서는 획득을 위해 각각의 리더에 대해 무작위화될 수 있다.
변이의 다중 방법 분석은 모든 8가지 결과를 고정하는데 사용되었다. 분석에서 포함된 것은 빔 에너지, 결정 반사, 곡선 위치 및 리더 사이의 모든 상호작용이다. 박스콕스 변환(Box-Cox transformations)이 정상 가정(normality assumption)의 유효성을 확실하게 하기 위해 몇몇 결과에 적용되었다. 다중 결과가 고려되기 때문에, 모든 요인을 비교할 때, 본페로니(Bonferroni) 시험이 중요한 수준으로서 0.05/8 (0.00625)의 세팅에 의한 전체적인 타입 I 오류를 조절하기 위해 사용되었다. 이러한 중요한 수준에서, 우리는 모든 요인의 조합 사이의 성능상 차이점을 비교하기 위해 튜키(Tukey) 시험을 사용했다.
CD 팬텀 결과
볼 수 있는 원주의 일부분을 가진 원의 부피에 대해, 2개의 리더(p 값=0.0185) 사이 및 다른 에너지 수준(p 값=0.0176) 사이의 중요한 차이점은 없었다. 그러나, 그들의 상호작용뿐만 아니라, 결정 반사 및 흔들 곡선 위치 모두 중요했다(모든 3가지 p 값은 0.001 미만). 튜키 시험 분석은 더 많은 부피가 브래그 [333] 반사로 보여질 수 있다는 것을 지시한다. 방사선 사진은 최소한의 보이는 부피를 가지고, -1/2 DW, +1/2 DW 및 피크 분광기 결정 위치 사이에는 차이점이 거의 없다.
결과가 최소한 반이 보이는 원주를 가진 원의 부피일 때, 모든 요인의 주요 효과는 0.001 미만의 p 값과 관련이 있다. 튜키 시험 분석은 25 keV가 가장 잘 수행되고, 25 keV 및 30 keV 모두 18 keV 및 40 keV 보다 더 많이 보이는 부피를 생산한다는 것을 지시한다. 데이터는 결정 반사 및 분광기 위치(p 값은 0.001 미만) 사이에 관련된 상호작용이 있음을 지시한다. 비록, 브래그 [333], +1/2 DW 조합 및 브래그 [333], -1/2 DW 위치 조합이 더 잘 수행한다는 것을 지지할 증거는 충분하지 않지만, 브래그 [333] 반사 및 피크 분광기 위치의 조합은 가장 많은 보이는 부피를 생산한다. 싱크로트론 방사선 사진은 보이는 부피를 거의 생산하지 않는다.
전체가 보이는 원주를 가진 원의 부피에 대해, 리더의 유일한 주요 효과, 빔 에너지 및 흔들 곡선 위치는, 각각 0.001보다 작은 값, 0.0027과 같은 값 및 0.001보다 작은 값인 p 값을 나타낸다. 튜키 시험 분석은 빔 에너지에서 모든 수준 사이 의 차이점을 찾지 못했지만, 데이터 속의 경향은 25keV가 30keV 보다 잘 수행하고, 후자가 40kev 및 18kev 보다 더 잘 수행했다는 것을 지시한다. 다른 성능 측정과 함께, 싱크로트론 방사선 사진은 보이는 부피를 거의 생산하지 않았다.
미스티 팬텀
라인 쌍 그룹의 분석은 빔 에너지, 결정 반사 및 분광기 흔들 곡선 위치의 주요 효과가 0.001보다 작은 모든 p 값과 관련이 있다는 것을 지적한다. 게다가, 결정 반사 및 흔들 곡선 위치(p 값은 0.001보다 작다.) 사이의 관련된 상호작용이 있음을 나타낸다. 데이터는 18keV, 브래그 [333]의 조합이, 피크 분광기 위치 또는 25keV, 브래그 [333]에서 보다, 피크 또는 +1/2 DW 분광기 위치에서 보다 더 잘 수행된다는 것을 지적한다. 라인 쌍 구역에 대한 가장 좋은 성능은 +1/2 DW의 흔들 곡선 위치에서, 30keV, 브래그 [333]이다.
인공물(artifacts)이, 고도로 시준된 엑스선 빔을 가진 시스템에서 엑스선을 발산시키기 위해 설계된 팬텀을 사용함으로써 생성된 다수의 별 클러스터 이미지에 존재했다. 데이터가 완벽을 위해, 그리고 종래의 팬텀의 전체적인 구조적 설계가 어떻게 시각화에 영향을 줄 수 있는지를 설명하기 위해 제공된다. 시각화된 별의 개수 분석은 오직 빔 에너지가 0.0026의 p 값과 관련된다는 것을 지시한다. 시험 결과는 25 keV가 최선의 선택이지만, 30 keV와 심하게 다르지 않다는 것을 지시한다. 어떤 요인도 보이는 모든 점들을 가진 마지막 클러스터 숫자에 대해 중요하지 않았다. 보이는 작은 얼룩의 개수로부터의 데이터는 브래그 [111] 또는 [333] 반사를 가진 30 keV 뿐만 아니라, 18 keV 및 브래그 [111], 18 keV 및 브래그 [333]이 최고의 조합임을 지시한다.
스텝웨지(stepwedge) 영역에 대해, 빔 에너지의 차이 수준 및 다른 흔들 곡선 위치 사이의 중요한 차이점이 나타난다. 데이터는 18 keV, 25 keV, 및 30 keV의 빔 에너지가 대략 균일하지만, 모두가 40 keV에서 얻어진 이미지보다 더 좋다는 것을 지시한다. 흔들 곡선 위치에 대한 성능 결과는 -1/2 DW, 피크, and +1/2 DW의 위치가 균일하고, 싱크로트론 방사선 사진의 성능과 동일하다는 것을 지시한다.
모든 성능 측정의 분석은 -1/2 DW 또는 피크 분광기 결정 위치에서, 브래그 [333] 반사를 사용한 최적의 DEI 시스템 배치는 25 또는 30 keV임을 지시한다. 표 4 내지 6은 리더 연구 데이터의 요약을 보여준다. 특히, 표 4는 엑스선 빔 에너지에 관한 리더 연구 데이터의 요약을 보여준다. 아래의 표 5는 결정 반사에 대한 리더 연구 데이터의 요약을 보여준다. 아래의 표 6은 흔들 곡선 위치에 따라 그룹화된 리더 연구 데이터의 요약을 보여준다.
CD 팬텀 전체원주 CD 팬텀 반 원주 CD 팬텀 시각화만 Misty 팬텀 라인쌍 IDMDG 팬텀 별 IDMDG 팬텀 별 점 IDMDG 팬텀 별 작은얼룩 IDMDG 스텝 웨지
127.96 ±9.58 210.49 ±68.98 241.43 ±19.76 1.625 ±1.147 2 ±3.347 0.125 ±0.341 38.562 ±5.215 4.562 ±0.964
185.63 ±73.62 232.04 ±38.16 247.96 ±9.66 1.937 ±1.181 5.187 ±6.295 0.375 ±0.719 41.875 ±0.341 4.312 ±1.014
169.36 ±96.80 227.56 ±48.73 245.16 ±13.87 1.812 ±1.223 3 ±3.483 2.687 ±10.486 39.400 ±4.702 4.687 ±1.250
134.24 ±107.30 198.31 ±67.93 237.85 ±23.65 0.375 ±0.619 0.375 ±0.885 0 ±0 14.937 ±12.615 0.562 ±1.093
표 4: 엑스선 빔 에너지에 대한 리더 연구 데이터의 요약
CD 팬텀 전체원주 CD 팬텀 반 원주 CD 팬텀 시각화만 Misty 팬텀 라인쌍 IDMDG 팬텀 별 IDMDG 팬텀 별 점 IDMDG 팬텀 별 작은얼룩 IDMDG 스텝 웨지
1150.96 ±95.99 214.98 ±46.73 242.89 ±10.74 0.969 ±0.897 2.031 ±3.605 1.437 ±7.414 33.935 ±13.394 3.687 ±2.086
3157.96 ±102.42 219.22 ±67.90 243.31 ±22.64 1.906 ±1.328 3.250 ±4.833 0.156 ±0.448 33.281 ±13.056 3.375 ±1.996
표 5: 결정 반사에 대한 리더 스터디 연구의 요약
CD 팬텀 전체원주 CD 팬텀 반 원주 CD 팬텀 시각화만 Misty 팬텀 라인쌍 IDMDG 팬텀 별 IDMDG 팬텀 별 점 IDMDG 팬텀 별 작은 얼룩 IDMDG 스텝 웨지
방사선 사진 110.61 ±85.90 147.10 ±72.48 218.21 ±18.46 0.5 ±0.632 0.375 ±0.806 0 ±0 29.375 ±13.490 2.875 ±1.668
-1/2 DW 162.24 ±104.75 241.13 ±21.21 251.24 ±5.32 1.687 ±1.078 2.812 ±4.037 2.750 ±10.478 35.667 ±9.155 3.937 ±1.948
+1/2 DW 165.51 ±102.42 238.35 ±32.28 252.28 ±3.80 1.687 ±1.250 3.187 ±5.128 0.250 ±0.577 31.187 ±18.605 3.375 ±2.094
피크 178.83 ±95.13 241.82 ±18.43 250.67 ±5.60 1.875 ±1.360 4.187 ±5.009 0.187 ±0.403 38.312 ±7.208 3.937 ±2.351
표 6: 흔들 곡선 위치에 따른 리더 연구 데이터의 요약
빔 에너지에 대하여, 2개의 팬텀에 대한 리더 연구 데이터는, 18keV보다 훨씬 큰 에너지는 DEI에 최적일 수 있다는 것을 지시한다. 흡수 대조는 1/E3으로 감소하기 때문에, 유연 조직 흡수 대조는 종래의 엑스선 시스템을 위한 증가된 에너지와 함께 빠르게 감소한다. 리더 연구 결과는 더 높은 빔 에너지에 대한 흡수로부터의 정보의 손실이 DEI-특정 대조로부터의 정보에 의해 보상된다는 것을 지시한다. 주로 굴절인 구조에 대해, DEI 민감도는 40keV 이상의 에너지에서 유연 조직의 이미지 요구에 대한 잠재력을 가지고, 1/E에 비례한다. 소멸에 기여하는 산란된 광자의 거부는 에너지와 독립적이지만, 산란 강도는 에너지가 증가할수록 감소게 된다. 유방 조직에서 대부분의 키(key) 진단 구조가 중요한 굴절 및 산란 특성을 가진다고 믿어지기 때문에, 더 높은 에너지에서의 이미징은 흡수로부터 멀리 이동하고, 굴절 및 초소각 산란 대조에 초점을 맞춤으로써 이용가능해질 수 있다.
브래그 [333] 반사에 대한 시각화에서의 증가는 CD 팬텀, 특히 더 높은 성능 수준에서 명백하다. 브래그 [333] 반사는 성능 측정 대부분에서 우월했지만, 이 반사와 브래그 [111] 사이의 차이는 기대보다 덜 했다. 비록 이것이 브래그 [111] 반사가 유속의 공학적 고려가 주어질 때 받아들일 만하다는 것을 지시할 수 있지만, 더 가능성 있는 설명은 팬텀의 설계가 엑스선 굴절 및 소멸에 기초를 둔 대조 메커니즘을 측정하는 데에는 부적절했다는 것이다.
동일한 설명이, 피크 분광기 위치가 성능 측정 대부분에서 우월했던 분광기 결정 위치에 적용될 수 있다. 흡수 대조 및 해상도는 빗나가지 않은 광자의 강도가 가장 클 때인, 분광기 흔들 곡선의 피크에서 가장 높다. 소멸 효과는 또한 흔들 곡선의 꼬리로 광자를 산란시키는 구조가 제거되어, 여분의 대조로 이어지는 피크 위치에서의 역할을 한다. 이러한 팬텀은 이미징 시스템에 기초한 엑스선 흡수를 시험하기 위해 설계되었기 때문에, 피크 위치는 이러한 형식의 연구에서 가장 잘 수행할 것이 기대된다. 굴절 대조는 흔들 곡선의 피크에 존재하지 않지만, -1/2 DW 및 +1/2 DW의 일반적으로 균등한 혹은 감소된 성능은 고굴절력의 팬텀에서 구조의 부재를 지시한다.
이러한 연구는 가장 유용한 이미지 처리 방법이 아니라, 각각의 시스템 요소가 이미지 질에 가진 효과에 대한 통찰력을 얻기 위해 설계되었다. 이렇게, 전체 이미징 변수 공간을 좁게 하는 제1단계로서, 각 배치에서의 최초 데이터의 분석은 외양 흡수 및 굴절 이미지를 창출하기 위한 DEI 이미지 쌍을 처리하는 것보다 더욱 적절하다.
가장 고무적인 결과 중의 하나는 잠재적으로 40keV처럼, 더 높은 에너지 엑스선을 사용하는 능력이다. 더 높은 에너지에서의 광전 효과의 급격한 감소는 환자에 흡수되는 광자수의 감소와 대응하고, 극적으로 감소된 방사 선량으로 이어진다. 검출기에 도달하는 같은 수의 광자 (107ph/cm2)에 대해, 18keV에서 5cm의 물을 통과한 표면 흡수 선량은 3.3 mGy, 30 keV에서 0.045 mGy 및 40 keV에서 0.016 mGy 이다. 이것은 18 keV와 비교하면 30 keV에서 선량이 73배 감소하고, 40 keV에서 206배 감소함을 나타낸다. 흡수가 조직 두께에 따라 증가하기 때문에, 이러한 선량 감소는 더 두꺼운 표본에서 훨씬 더 커진다.
다중 이미지 엑스선 사진을 사용한 유방 암 대조 매커니즘의 분석
DEI 및 MIR 기술을 사용한 유방 이미징 연구는 종래의 유방 엑스선 촬영과 비교할 때, 시각화에서의 향상을 증명했다. 특히, 유방암 소섬유에서의숨겨진 대조 메커니즘을 분석하기 위해 DEI 기술을 사용한 연구는 엑스선 소멸이 이미지 대조에서 커다란 역할을 한다는 것을 증명한다. 나아가, 유방암 침골은 대응하는 방사선 사진과 비교할 때, DEI 피크 이미지에서 8 내지 33배의 증가를 증명했다. MIR은 물체의 초소각 산란을 표현하는 이미지의 부가를 통해 이러한 특성의 더욱 완벽하고 엄격한 평가를 허용한다.
이 연구는 엑스선 광원의 이용가능한 에너지 범위의 확장 및 엑스선 흡수에 대한 필요성의 감소 또는 제거를 설명한다. 유연 조직에서 흡수 대조는 광자 에너지를 증가시키면 빨리 감소하기 때문에, 유방 조직에서 숨겨진 엑스선 대조 메커니 즘은 DEI 시스템에 기반한 결정적 비-싱크로트론이 된다. 더 높은 에너지를 이용하면, 엑스선은 검출기에 도달하는 입사 광자의 숫자를 증가시킴으로써 DEI 시스템의 효율을 증가시키고, 엑스선 흡수에서의 감소는 표면 및 흡수 방사 선량 모두를 감소시킨다. 그러나, 흡수가 유방 조직 시각화를 위한 키(key) 대조 메커니즘이라면, 어떤 DEI 시스템도 종래의 엑스선 시스템과 유사한 범위에서 더 낮은 에너지의 엑스선을 사용할 수 있다. 이 실험은 18 keV 및 60 keV에서의 시스템 특징을 비교한다.
유방 조직에서 에너지 독립 흡수, 굴절 및 산란을 평가하기 위해 특성적 특징을 가진 4개의 유방 조직 견본이 다중 엑스선 에너지에서 이미지화되었고, 개별적 대조 요소를 분리시키기 위해 MIR을 사용하여 처리되었다. 연구에서 사용된 에너지 범위는 종래의 몰리브덴 및 텅스텐 엑스선 관 각각의 18 keV 및 60 keV에서 사용된 에너지에 기초하여 결정되었다. 25 keV, 30 keV, 40 keV, 및 50 keV 의 빔 에너지도 각각의 MIR 대조 메커니즘에 대한 대조에서의 감소를 거의 따르도록 선택되었다.
한 실험에서, 3개의 유방 암 견본이 NSLS X-15A 빔라인에서의 이미지징을 휘해 선택되었다. MIR 이미지 세트 및 싱크로트론 엑스선 사진이 NSLS의 X-15A 빔라인을 사용하여 얻어졌다. 120mm × 80mm의 시야(Field of View; FOV) 및 30 마이크론 픽셀 크기를 가진 포토닉 사이언스의 VHR-150 엑스선 카메라가 이미지 획득에 사용되었다.
엑스선 굴절 및 산란과 관련된 광전효과에서의 빠른 감소는, 의심되는 동일 한 표면 선량을 유지하게 만든다. 예를 들면, 18 keV에서 엑스선 흡수에 최적화된 표면 선량을 사용하여 얻어진 이미지는, 광자 흡수의 감소에 기인하여, 60keV 같은 더 높은 빔 에너지에서 심하게 과다노출된다. MIR 이미징에 사용되는 에너지 범위의 중간인 40 keV에 단색기를 조율하고, 평균 노출을 만들도록 표면 선량을 선택함으로써 발견되는 균형은 검출기의 동적 범위의 거의 중간이었다. 350 mrad의 표면 선량이 18 keV, 25 keV, 30 keV, 및 40 keV에서의 MIR 및 방사선 사진 이미징을 위해 선택되었다. 50 keV 및 60 keV에서 사용된 표면 선량은, 50 keV에서의 20 mrad 및 60 keV에서의 4 mrad 의 표면 선량을 가지고, 그것은 구부러진 자석 엑스선 광원으로부터의 그러한 에너지에서 광자 유속의 가파른 감소 때문에 감소되었다. 분광기 결정 흔들 곡선의 반치폭(FWHM)은 에너지가 증가할수록 감소한다. 굴절 대조는 흔들 곡선의 어깨부분에 지배적이어서, 각 에너지의 변수를 표본화하는 데 작은 변형이 요구된다. 21개의 이미지가 흔들 곡선 폭과 무관하게 놓여진 각각의 MIR에 대해 얻어졌고, 각도 범위 및 세타 증분은 FWHM에서 감소를 조절하기 위해 더 높은 에너지에서는 감소되었다. 도 43은 유방 대 에너지에서 흡수, 비간섭 산란 및 간섭 산란의 기여 그래프이다.
4개의 유방 견본이 NSLS에서 이미징을 위해 선택되었다. 18 keV 및 25keV에서 얻어진 MIR 이미지는 피크로부터 -5 내지 5 마이크로라디안의 범위에 걸쳐 얻어졌고, 0.5 마이크로라디안마다 표본화되었다. 표본화 범위는 세타 증분 0.4마이크로라디안을 가지고 , ±4 마이크로라디안으로 30 keV 및 40 keV에서 MIR 이미징을 위해 감소되었다. ±3 마이크로라디안의 각도 범위가 세타 증분 0.3 마이크로라디 안으로 50 keV에서 사용되었고, ±2 마이크로라디안의 각도 범위가 세타 증분 0.2 마이크로라디안으로 60 keV에서 MIR 이지징을 위해 사용되었다. 대응하는 싱크로트론 방사선 사진이 각각의 에너지 및 선량에서 얻어졌다. 덧붙여, 유방 견본은 제네럴 일렉트릭 세노그래프 2000D (General Electric Senographe 2000D; 코네티컷 페어필드(Fairfield, Connecticut)의 제네럴 일렉트릭 사(General Electric Company)로부터 유효함)를 사용하여 이미지화되었다. 각 에너지에서 단일 이미지를 위해 사용된 선량은 평균 유선 선량, 견본을 통과한 분포 및 이미지를 생성하기 위해 요구되는 유속을 결정하기 위해 열발광식 검출기(thermoluminescent detector)를 사용하여 측정되었다.
종래의 기술과의 비교의 목적을 위해, 도 44는 종래의 방사선 사진 시스템 상에 이미지화된 예시적인 유방 견본의 이미지이다. 이 견본은 100 마이크론 픽셀 해상도를 가진 GE 세노그래프 2000D를 사용하여 공기 중에 이미지화되었다. 도 45A 내지 도 45F는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 기술을 사용하여 각각 18 keV, 25 keV, 30 keV, 40 keV, 50 keV, 및 60 keV의 빔 에너지에서의 동일한 표본의 싱크로트론 방사선 사진이다. 이러한 이미지는 NSLS에서 이미징을 위해 사용된 것과 비교할만한 압축 수준을 가지고 공기 중에서 얻어졌다.
도 46A 내지 도 46F는 각각 18 keV, 25 keV, 30 keV, 40 keV, 50 keV, 및 60 keV의 MIR 빔을 사용한 유방 견본의 이미지이다. 특히, 도 46A는 세타 증분 0.5 마이크로라디안을 가지고, ±5 마이크로라디안의 표본화 변수를 가진 18keV에서 MIR을 사용한 유방 견본 이미지이다. 도 46B는 세타 증분 0.5 마이크로라디안을 가지 고, ±5 마이크로라디안의 표본화 변수를 가진 25keV에서 MIR을 사용한 유방 견본 이미지이다. 도 46C는 세타 증분 0.4 마이크로라디안을 가지고, ±4 마이크로라디안의 표본화 변수를 가진 30keV에서 MIR을 사용한 유방 견본 이미지이다. 도 46D는 세타 증분 0.4 마이크로라디안을 가지고, ±4 마이크로라디안의 표본화 변수를 가진 40keV에서 MIR을 사용한 유방 견본 이미지이다. 도 46E는 세타 증분 0.3 마이크로라디안을 가지고, ±3 마이크로라디안의 표본화 변수를 가진 50keV에서 MIR을 사용한 유방 견본 이미지이다. 도 46F는 세타 증분 0.2 마이크로라디안을 가지고, 2 마이크로라디안의 표본화 변수를 가진 60keV에서 MIR을 사용한 유방 견본 이미지이다.
평균 유선 선량 및 분포는 열발광식 검출기(선량계)를 사용하여 측정되었다. 도 47A 내지 도 47F는 각각 18 keV, 25 keV, 30 keV, 40 keV, 50 keV, 및 60 keV의 빔 에너지에 대한 평균 유선 선량 및 분포의 그래프이다.
도 48은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 엑스선 빔 에너지 대 MIR을 위해 사용된 에너지의 그래프이다. 각 에너지에서 획득된 선량 측정 데이터를 사용하여, 각각의 방사선 사진을 얻기 위해 사용된 유속 및 MIR 세트의 구성요소가 계산되었고, 도면에 표시되어 있다.
상기 실험 결과는 MIR을 사용하는 유방 이미징이 어떻게 넓은 범위의 에너지에 걸쳐 수행하는가를 증명한다. 만일 흡수 하나만 고려한다면, 40keV 이상의 에너지에서 흡수 대조가 거의 없는 채로, 에너지 증가에 따라 유연 조직 내에서의 대조가 극적으로 떨어질 것을 예상할 수 있다. 각 에너지에서의 싱크로트론 방사선 사 진은, 특히 60 keV의 유연 조직 내에서는 본질적으로 0의 흡수 대조가 있는, 대조의 감소를 도시한다.
몰리브덴 광원을 사용한 종래의 엑스선 관에 기초한 이미지 요구 시간은, 임상적 이미징에 필요한 시간대를 훨씬 넘어선 10,000초 만큼이나 높을 수 있다. 몰리브덴 엑스선 관은 열 소실을 제한하고, 단위 시간당 생성될 수 있는 유속에 대해 심각한 공학적 제한을 두는 정지한 양극을 가진다. 텅스텐 엑스선 관은 크고, 회전하는 양극을 가지고, 훨씬 더 높은 전압 및 전류를 견딜 수 있다. 텅스텐 엑스선관이 유속 및 열 발산에 많은 이점을 제공하지만, 텅스텐에 의해 생성된 특성 엑스선은 유연 조직에서 흡수 대조를 생성시키기에는 너무 높다. 그러나, 이 실험은 굴절 및 산란의 MIR 특정 대조 메커니즘이 엑스선 흡수의 필요 없이도, 뛰어난 유연 조직 대조를 생성할 수 있다는 것을 증명했다.
*더 높은 에너지에서 광자의 감소는 18 keV 및 60 keV에서의 분포 사이의 차이점이 표시된 선량 분포 곡선에서 명백하다. 18 keV에서는 조직 내 흡수에 기인하는 유속에서의 대량 급감이 있다. 이러한 유속의 급감은 50 keV 및 60 keV에서 발생하는 가장 높은 광자의 투과와 함께, 증가하는 에너지에 의해 감소될 수 있다. 흡수에서의 감소는 효율성 면에서의 증가로 번역되고, 그것은 도 48에 제공된 유속 측정에서 명백하다.
실험을 위한 고정 알고리즘을 조정하기 위하여, 알려진 직경 및 굴절율의 다중 나일론 망사 섬유(multiple nylon monofilament fibers) 및 루사이트 로 드(Lucite rods)가 분석을 위해 선택되었다. 더 작은 나일론 섬유가 유방 암 침골의 직경 및 기하를 근사화하기 위해 선택되었다. 각각의 견본 및 대응하는 싱크로트론 방사선 사진이 40 keV의 엑스선 빔 에너지 및 350 mrad의 표면 선량을 사용하여 얻어졌다. MIR을 위해 ±4 마이크로라디안의 각도 분포가 0.4 마이크로라디안의 세타 증분으로 선택되어, 21개의 이미지를 생산하였다. 이러한 이미지는 엑스선 흡수, 굴절 및 산란으로부터 생성된 대조를 표현하는 이미지를 생성하기 위하여, MIR 방법을 사용하여 처리되었다.
2차원 이미지로부터 3차원 정보를 추출하는 것은 특히 불균일 물질에 대해서는 상당한 도전을 제공한다. 유방암 침골은 본래 원통형이어서, 그들의 물질 특성에 관한 근사값이 만들어지도록 허용한다. 유방암 침골에 관한 정보를 추출하기 위하여, 먼저 분석 방법을 설계하여 조정할 필요가 있다. 적당한 MIR 기반 분석 방법은 나일론 및 루사이트 섬유와 유방암 침골의 직경 및 굴절율을 결정하는데 사용될 수 있다. 이러한 두가지 중요한 특성과 함께, 섬유와 침골의 다른 많은 특징이 분석되고, 표본화될 수 있다. MIR 이미지에는 3가지 대조 요소가 존재하지만, 굴절 이미지가 임상적 이미징 시스템을 위해 가장 중요할 수 있을 것이다. 더 높은 에너지 엑스선이 이미징을 위해 이용된다면, 흡수 이미지는 굴절 이미지에 비해 열등할 것이다. 흔들 곡선의 꼬리에서의 유속의 주된 감소와 함께, 산란 이미지는 또한 굴절 이미지에 2차적 역할을 할 것이다. 다중 유방암 견본을 가로지르는 굴절율을 계산하고 비교하는 것은, 굴절 이미지를 생성하는 물질 특성이 일관되고, 예외가 아니라는 일정 수준의 확신을 제공한다.
방법의 조정이 다양한 직경의 나일론 및 루사이트 섬유를 사용하여 수행되었다. 200마이크론, 360마이크론, 및 560마이크론의 직경을 가진 나일론 섬유가 -4 내지 4 마이크로라디안의 표본화 범위 및 0.4 마이크로라디안의 세타 증분을 가진 40 keV에서의 MIR을 사용하여 이미지화되었다. 이러한 소섬유는 임상적으로 중요한 침골의 기하 및 직경을 근사화하기 위해 선택되었다. 13,000마이크론 및 19,000마이크론의 직경을 가진 더 큰 루사이트 로드가 더 큰 직경의 물체에 대한 알고리즘을 평가하기 위해 선택되었다. 도 49는 MIR을 사용한 섬유 직경의 평가를 지시하는 이미지이다. 나일론 섬유는 약하게 흡수하기 때문에, DEI 및 MIR 대조를 평가하기 위한 완벽한 팬텀 물질이다. 도 49에서의 팬텀은 감소하는 직경의 나일론 소섬유를 사용한 MIR 및 DEI의 대조 및 해상도를 측정하기 위해 설계되었다. 직경이 작을수록, 이미징 도전은 더 어려워진다.
나일론 섬유 및 유방암 침골 같은 원통형 물체는 나일론 섬유의 굴절 윤곽을 표현하는 그래프인 도 50에 보여진 것과 같은 특성 굴절 윤곽을 제시한다. 굴절은 로드의 끝에서 가장 높고, 중간에서 0이다. 만일 물체가 원통형으로 추측되면, 직경을 외삽법으로 추정하기 위해 MIR 또는 DEI 굴절 이미지로부터 굴절 서명을 사용할 수 있다. 아는 직경의 원통과 함께, 섬유 혹은 소섬유의 굴절율은 외삽법으로 추정될 수 있다.
하기의 표 7 및 8은 나일론 및 루사이트 직경 및 굴절율 정보를 포함한다.
물질 에너지 (keV) 실측 직경 (microns) 계산 직경 (microns) 퍼센트 에러
나일론 40 200 208.96 4.48%
나일론 40 360 387.36 7.60%
나일론 40 560 617.90 10.30%
루사이트 40 13000 14210 9.31%
루사이트 40 19000 20938 10.20%
표 7: MIR 직경 조정
물질 에너지 (keV) 직경 (microns) 밀도 (g/cm3) 굴절율 계산 굴절율 퍼센트 에러
나일론 40 200 1.14 1.49 x 10-7 2.16 x 10-7 37.3%
나일론 40 360 1.14 1.49 x 10-7 1.89 x 10-7 26.8%
나일론 40 560 1.14 1.49 x 10-7 1.77 x 10-7 18.9%
루사이트 40 13000 1.19 1.42 x 10-7 2.01 x 10-7 41.5%
루사이트 40 19000 1.19 1.42 x 10-7 2.00 x 10-7 39.9%
표 8: MIR 굴절률 조정
도 51은 직경 눈금에 맞춰진 MIR 굴절을 도시한 그래프이다. 알고 있는 치수를 가진 소섬유가 이미지화되었고, 알고리즘은 굴절율 및 직경을 계산하는데 사용되었다. 유방 암에서 보여지는 침골은 나일론 섬유와 유사한 특성을 가지는 이유 때문에, 나일론 팬텀이 시스템 눈금을 위해 사용되었다.
이 실험에서, 나일론 및 루사이트 섬유에 대한 직경 및 굴절율을 추출하는 데 사용된 동일한 방법이 3개의 분리된 유방 암 견본에서 관심있는 5개 영역에 적용되었다. 도 52A 내지 도 52C는 여기서 유방 암 견본의 MIR 굴절 이미지이다. 하기의 표 9는 계산된 침골 직경 및 굴절율을 보여준다.
ROI 소섬유 직경 (micrometers) 굴절율
1 125.14 1.91 x 10-7
2 152.1 1.16 x 10-7
3 112.24 2.23 x 10-7
4 106.32 1.72 x 10-7
5 121.84 3.64 x 10-7
6 253.44 1.75 x 10-7
7 212.1 2.19 x 10-7
8 95.96 1.48 x 10-7
9 178.02 2.71 x 10-7
10 148.9 2.50 x 10-7
11 111.5 1.84 x 10-7
12 91.18 2.00 x 10-7
13 104.78 2.14 x 10-7
14 205.82 5.22 x 10-8
15 126.8 1.05 x 10-7
평균굴절율 = 1.92 x 10-7
표준편차 = 7.40 x 10-8
표 9: 소섬유 굴절율
도 53은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 DEI 시스템에 의해 획득된 집중된 유방 암 덩어리 및 침골의 MIR 세트의 이미지이다.
도 54A 내지 도 54E는 종래 방사선 사진과 비교된 DEI를 가진 소섬유의 시각화를 도시한 이미지이다. 특히, 도 54A는 침윤성 소엽 상피암(invasive lobular carcinoma)을 포함한 유방 조직 견본의 종래의 방사선 사진의 이미지이다. 견본은 1-cm의 흰색 상자에 있는 소섬유가 종양의 표면으로부터 확장하는 종양의 핑거(finger)에 대응한다는 것을 확인하는 조직 평가를 경험했다. 도 54B는 도 54A에 있는 1-cm 백색 상자에 의해 지시된 영역의 확장된 시야를 도시하는 종래의 방사선 사진 이미지이다. 도 54C 내지 도 54E는 도 54A에 있는 1-cm 백색 상자에 의해 지 시된 영역의 확장된 시야를 도시하는 DEI 이미지이다. 이러한 확장된 시야에서, 조직 대조는 관심 있는 구조가 거의 보이지 않는 종래의 방사선 사진에서보다 DEI 이미지에서 더 높다는 것이 명백하다.
DEI의 향상된 대조의 양을 정하기 위하여, 소섬유의 대조 측정이 도 54B 내지 도 54E에 있는 수직 흰선으로 보여지는 이미지 윤곽을 따라 계산된다. 계산은 조직 표본의 다른 영역에서 반복되었다. 통계적 분석은 피크 이미지가 방사선 사진보다 12 내지 33 배의 더 많은 대조를 가짐과 동시에, DEI 굴절 이미지는 종래의 방사선 사진 보다 8 내지 14배 많은 대조를 가진다는 것을 보여주었다.
엑스선 굴절 및 산란 이미징의 숨겨진 물리는 특히 엑스선 이미징에 기초한 흡수의 100년 남짓의 역사에 비교할 때, 여전히 조사의 초기단계이다. 생물 조직의 고유의 이질성이 주어지면, 대략 원통형 유방 암 침골의 분석은 다중 조직 견본과 확실히 비교될 수 있는 진단적으로 유용한 특징을 제공한다.
공기중에 이미지화된 다중 표준화 동질 원통의 사용은 고정 알고리즘기반 굴절의 정확한 조정을 허용한다. 생물 조직을 분석하기 위한 이러한 알고리즘의 사용은 생물 조직의 비-동질 본성에 기인한 계산의 오류를 가져올 수 있지만, 유방 조직 및 진단적 응용의 특성은 절대적인 계산상의 이러한 오류의 중요성을 감소시킨다.
종래의 유방 엑스선 촬영과 관련된 근본적 문제점은 지방 조직의 고도로 흡수하는 바탕(background)에 가라앉은 낮은 대조 물체를 시각화하는 어려움이다. 종양적 손상은 시간이 지날수록 크기와 밀도가 증가하여, 마침내 바탕 위로 떠오르기 충분할 정도로 크고 밀집되어, 종래의 방법으로도 보이게 된다. 유방암의 치명성은 크기 및 손상의 진전과 직접 연관되므로, 악성 손상의 발전 및 검출 사이의 시간을 줄이는 것은 모든 새로운 유방 이미징 양상의 목표이다.
DEI 및 MIR은 양성 및 악성 구조 사이를 구별하는 데 도움을 주도록, 다중 엑스선 대조 메커니즘에서 차이점을 이용함으로써 종래의 방사선 사진을 개량한다. 지방 조직은 작은 악성 손상과 유사한 엑스선 감쇠를 가질 수 있지만, 동일한 굴절 서명을 가지지는 않는다. 지방 조직은 굴절 및 산란 대조를 거의 가지지 않지만, 유방암 손상의 작은 원통형 침골은 큰 굴절 및 산란 서명을 가진다. 40 keV에서, 유연 조직에서의 흡수 대조는 극소이고, 나아가 관심있는 손상 및 바탕 조직 사이의 전체적인 대조 기울기를 증가시킨다.
침골에 대한 굴절 대조에서 더 나은 이득은 엑스선 굴절에 이상적인, 그들의 기하에서 발생한다. 원통형 물체에 입사된 시준된 엑스선 빔에 대해, 굴절 상수는 중앙에서 최소의 굴절 대조를 가지고, 원통의 꼭대기 및 바닥에서 가장 클 것이다. 원통의 직경이 감소함에 따라, 심지어 흡수 대조의 수준이 바탕까지 희미해진 이후에도, 굴절 대조는 물체의 기하에 기인하여 남아 있을 수 있다. 다중 유방암 견본을 따라 획득된 굴절율 값은, 물질 특성이 유사하다는 것과, 대조에서의 증가는 가장 유사한 암 견본에서 관찰되어야 한다는 것을 지시한다.
유방 조직에서 향상된 시각화를 제공하는 숨겨진 대조 메커니즘을 결정하는 것은, 비-싱크로트론 기반 DEI/MIR 시스템을 설계하는 최고의 단계이다. 이 연구는 굴절 및 산란의 MIR 특정 대조 메커니즘이 구조적 시각화에 주요 역할을 하고, 나 아가 손상 시각화를 위한 엑스선 흡수 의존도를 감소시킨다는 것을 증명한다. 엑스선 흡수에서의 감소는 환자가 흡수하는 선량에서의 감소로 번역되고, 그것은 종래의 유방 엑스선 촬영에 요구되는 비교적 높은 선량을 고려하면 엄청난 이득이다.
이러한 실험에서 나일론의 사용은 미래의 모델링 및 모의실험을 위한 잠재적 사용을 지시한다. 유사한 기하, 직경, 굴절율을 가진 나일론 모노필라멘트는 왜 이렇게 진단적으로 중요한 구조가 높은 대조를 생성하는지에 대한 통찰력을 제공할 수 있다.
컴퓨터 모의실험
컴퓨터 모의실험 소프트웨어가 DEI 설계를 시험하기 위한 목적으로 개발되었다. 개발된 소프트웨어는 환자의 선량을 계산하고, 특정 배열 및 광원, 결정, 물체, 및 검출기의 특정에 기초한 DEI 시스템을 통해 엑스선 영향을 추적하기 위해 광선 추적(optical ray tracing)을 사용한다. 결정 렌즈가 원하지 않는 방향으로 지나가는 엑스선을 거부하기 때문에, 실행가능성의 주요 장애물 DEI는 검출기 평면에 도달하여 살아남는 광자의 충분한 숫자를 획득하는 것이다.
시스템 변수 특정의 목록 및 하나의 설계에 대한 모의실험 결과는 각각 아래의 표 10 및 11에 제공된다.
픽셀 크기 50 ㎛ x 50 ㎛
광원에서 선-단색기 거리 15 cm
광원에서 물체 거리 83 cm
광원에서 검출기 거리 100 cm
Si (4,4,0) 브래그 각 6.25 degree
최소 결정 길이 9.2 cm
최소 인출 각 1 degree
전자 점 크기 12 mm x 0.8 mm
W 타겟에서 Est 유속 435 Kα1 photons/mA-s @ 150 kVp
요구 전하 120 mA-sec
요구 에너지 400 mA @ 150 kVp
이미지 크기 20 cm x 25 cm
이미징 시간 6 seconds
표 10: 시스템 변수 특정
5 cm 유방 압축
검출기에서 영향 564 photons/pixel
평균 유선 선량 0.004 mGy*
10 cm 유방 압축
검출기에서 영향 200 photons/pixel
평균 유선 선량 0.012 mGy*
* 모든 감쇠가 조직에서 에너지 박탈로 이어진다는 가정을 한 최악의 경우 평가
표 11: 시스템 변수 결과
도 55A 내지 도 55E는 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 컴퓨터 모의실험 소프트웨어를 사용하여 모의 실험된 DEI 시스템(주로 5500으로 지시됨)의 개요적 다이어그램이다. 특히, 도 55A 내지 도 55C는 DEI 시스템의 사시도, 측면도 및 평면도이다. 도 55A 내지 도 55C를 참조하면, 선광원을 가진 엑스선 관(XT)에 의해 엑스선 빔이 생성된다. 하나의 모의실험에서, 엑스선 관(XT)은 지멘스 듀라 아크론 B 엑스선 관(Siemens DURA® Akron B X-ray tube; 펜실배니아, 맬버른(Malvern)의 미국 지멘스 의학 솔루션(Siemens Medical Solutions USA)에서 유용함.)으로 모의실험 되었다.
지멘스 엑스선 관은 텅스텐 타겟을 포함하여, 59.3 keV에서 Kα1 엑스선을 생산한다. 따라서, 엑스선 관(XT)은 59.3 keV에서 Kα1 엑스선을 생산하도록 모의실험되었다. 빔이 환자를 치기 전에 결정 렌즈 시스템에서의 손실을 극복하기 위해 필요한 유속을 달성하기 위해, 강력한 관이 DEI를 위해 필요할 수 있다. 지멘스 엑스선 관은 열을 감소시키고, 고 전력(60 kW)에서 관이 동작하도록 허용하는 회전하는 양극을 가지고 있다. 모의실험된 DEI 시스템은 관에 선광원 포트를 사용한다.
도 56은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 DEI 단색기 결정(5602)에 연결된 로그-스파이럴(log-spiral) 집중 부재(5600)의 사시도이다. 도 56을 참조하면, 부재(5600)는 광자 유속을 증가시키기 위해 배치된 휘어진 회절 격자가 될 수 있다. 부재(5600)는 높은 파워를 달성하며, 얇은 수직 선광원을 형성하도록 방출된 방사를 집중시킬 수 있는 엑스선 광원을 위한 커다란 타겟 영역을 제공한다. 수직 선광원은 작고 매우 밝을 수 있다. 나아가, 휘어진 회절 결정(5600)은 대수(logarithmic) 스파이럴 부(portion)인 표면을 가지고 있다.
도 57은 화선(caustic)에서 광원을 가진 로그-스파이럴 부재의 집중 효과를 도시하는 사시도이다. 표면 형상은 브래그-회절 부재가 초점을 맞추는 장치로서 행동하게 한다. 로그-스파이럴 부재는 다음의 특성을 가진다: (1) 휘도(brightness)가 최대인 고정된 인출(take-off) 각도에서 커다란 타겟 영역으로부터 방출된 빛을 모은다; (2) 빔을 단색화한다; (3) 고휘도, 수직 선광원을 형성하도록 방사를 집중시킨다. 도 58A 및 도 58B는 각각 실험적 연구를 위한 특성화 시스템의 평면도 및 입면도이다. 도 58A 및 도 58B를 참조하면, 도면은 고휘도, 수직 선광원을 형성시키도록 방사를 집중시키는 로그 스파이럴 부재를 도시한다.
DEI 시스템(5500)은 3개의 결정을 포함한다: 선-단색기, 단색기 및 분광기. 모든 3개의 결정은 실리콘이고, [440] 반사 등급을 위해 조율되었다. 커다란 결정은 이 방향을 따라 얇게 썰어서 만들어질 수 있다. 그러한 결정은 즉시 유효하다.
DEI 시스템(5500)의 모의실험에서의 스캔 프로토콜(protocol)은 검출기(D)를 위해 6초로 세팅되었다. 일 예에서, 검출기(D)는 이미지 라인 당 한번 읽히는 단일 라인 장치가 될 수 있다. 다른 예에서, 검출기(D)는 엑스선 빔을 따르는 물체(O)의 동작과 함께 동기성(synchrony)으로 스캔되는 전-영역 장치가 될 수 있다. 단일 라인 검출기 또는 전-영역 검출기에서, 이미지 데이터의 한 라인 또는 스트립(strip)은 동시에 얻어진다.
다른 예에서, 검출기(D)는 공간 해상도의 심각한 손실 없이 더 높은 에너지에서의 효율을 달성하기 위한 두꺼운 흡수제의 사용을 허용하는 직접 엑스선-대-전하 변환 검출기가 될 수 있다. 도 59는 직접 엑스선-대-전하 변환 검출기(보통 5900으로 표시됨)의 개요적 다이어그램이다. 검출기(5900)는 좋은 공간 해상도 및 텅스텐 엑스선 관에 의해 생산되는 높은 엑스선 에너지에서의 정지력을 제공할 수 있다. 더 높은 Z 및 밀도를 가진 검출기 물질은 높은 에너지 성능을 향상시키기 위해 CZT(Cadmium-Zinc-telluride), IbI2, 또는 HgI2 같은 물질이 채용될 수 있다.
모의실험 결과는, 검출기에서의 영향이 종래의 유방 엑스선 촬영의 약 1/3 내지 1/9인 픽셀당 약 600 광자임을 지시했다. 이렇게 모의실험 결과는 모의실험된 MIR 시스템의 노이즈 수준이 종래의 유방 엑스선 촬영에서보다 대략 1.7 내지 3배 더 크다는 것을 지시한다. 그러나, 낮은 노이즈 수준에서, 굴절 대조는 종래의 유방 엑스선 촬영에서보다 8~33 배 더 높을 수 있다.
나아가, 모의실험된 DEI 시스템에 대해, 평균 유선 선량은 5 cm 압축에서 종래의 유방 엑스선 촬영에서보다 250~750배 더 낮은 약 0.004 mGy이다. 10 cm 압축에서, MIR에서 흡수된 선량은 동일한 압축에서의 종래의 유방 엑스선 촬영에서보다 수천배 더 낮은 약 0.019 mGy이다.
예시적인 이미징 결과
위에서 나왔던 것처럼, 싱크로트론 및 엑스선 관은 여기서 기술된 발명 내용에 따른 DEI 이미지를 생산하기 위한 엑스선 광원의 2가지 적절한 형태이다. 비교의 목적을 위해, 도 60A 및 도 60B는 각각 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 싱크로트론 기반 시스템 및 엑스선 관 기반 시스템에 의해 생산된 동일한 나일론 소섬유 팬텀(phantom)의 이미지이다. 도 60A의 이미지는 60 keV에서 싱크로트론으로 생성된 엑스선 빔에 의해 생산되었고, 4.0 mrad의 선량으로 +0.4 마이크로라디안의 분광기 흔들 곡선 위치에서 얻어졌다. 도 60B의 이미지는 0.4 mrad의 선량으로 +0.4 마이크로라디안의 분광기 흔들 곡선 위치 및 160 kV와 6.2 mA의 관 세팅에서 생산되었다. 이미지화된 나일론 섬유는 560마이크론(위 섬유), 360마이크론 (중간 섬유), 및 200마이크론(아래 섬유)의 직경을 가지고 있다. 나일론 섬유는 매우 약하게 흡수하므로, 이러한 이미지는 그처럼 약하게 흡수하는 물질을 보기 위한 굴절 이미지를 사용하는 장점의 일예를 보여준다. 특히, 예를 들면 이러한 결과는 유연 조직의 이미지가 여기서 기술된 발명 내용에 따른 160 kV의 전압을 사용하는 엑스선 관으로 얻어질 수 있다는 것을 지시한다는 것에 주목하는 것이 중요하다.
도 61은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 기술을 사용하여 도 44 및 도 45A 내지 도 45F에서 보여진 동일한 유방 견본의 싱크로트론 굴절 이미지이다. 이 예에서, 빔 에너지는 4 mrad의 선량을 가진 60 keV였다.
비교의 목적을 위해, 도 62A 및 도 62B는 각각 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 엑스선 관 및 싱크로트론을 사용하여 획득된 유방 조직 견본의 동일한 영역의 이미지이다. 도 62B에서 보여진 이미지는 0.4 mrad의 선량을 가진 엑스선 관을 사용하여 얻어졌다. 도 62B에서 보여진 이미지는 +0.4마이크로라디안의 분광기 위치 및 350 mrad의 선량에서 40 keV의 싱크로트론을 사용하여 얻어졌다. 유방 조직 견본은 물 4.5 cm에서 잠겨졌다.
도 63은 여기서 기술된 발명 내용의 실시예에 따른 엑스선 관을 사용하여 획득된 유방 암 절제 견본의 이미지이다. 이미지는 7.0 cm, 전체 두께, 0.4 mrad의 선량을 가진 최소-압축된 유방을 통해 얻어졌다. 약 0.5 mrad 이하는 적절한 이미지를 취하기 위해 다른 물체 또는 조직에 적용될 수 있다. 이 이미지는 종래의 유방 엑스선 촬영에서보다 몇 백배가 적은 선량에서 전체 두께 유방 조직에서의 진단적 특징을 보여준다. 여기서 기술된 발명 내용은 높은 두께의 유연 조직 물체의 이 미지를 달성할 수 있기 때문에 장점이 있다. 앞선 싱크로트론 기반 장치는 그러한 이미지를 취할 수 없었다. 나아가, 예를 들면 여기서 기술된 발명 내용은 유연 조직과 같은 물체에 매우 낮은 선량을 적용하여 그러한 고화질 이미지를 획득하는데 사용될 수 있다. 여기서 기술된 발명 내용은 고화질 이미지를 취하기 위해 종래의 방사선 사진보다 더 높은 에너지를 가진 엑스선 빔을 사용할 수 있어서, 여기서 기술된 발명 내용은 환자의 안전 염려 때문에 사용되는 더 낮은 선량을 요구할 수 있다.
예시적인 응용
여기서 기술된 발명 내용에 따른 시스템 및 방법은 다양한 의학적 응용에 적용될 수 있다. 앞서 설명한 것처럼, 여기서 기술된 시스템 및 방법은 유방 이미징에 적용될 수 있다. 나아가, 예를 들면 여기서 기술된 시스템 및 방법은 연골 이미징, 신경 이미징, 심장 이미징, 혈관 이미징(대조 포함 혹은 불포함), 폐 이미징, 뼈 이미징, 비뇨생식기 이미징, 위장 이미징, 일반적인 유연 조직 이미징, 조혈 시스템 이미징, 및 내분비 시스템 이미징에 적용될 수 있다. 이미지 시간 및 선량에 부가하여, 더 높은 에너지 엑스선을 사용한 주요 진보는 이미지화될 수 있는 물체의 두께이다. 유방 이미징 같은 응용을 위해서, 기술된 시스템은 임상적으로 현실적인 이미징 시간을 가지고 전체 두께의 유방 조직을 이미징하는 것을 허용한다. 동일한 것이 머리, 목, 사지, 복부 및 골반 같은 몸의 다른 영역에 대해 논의될 수 있다. 엑스선 흡수의 제한 없이, 더 높은 에너지의 엑스선을 가진 DEI의 이용은 엑 스선의 관통력을 극적으로 증가시킨다. 유연 조직에 대해, 물체에 입사한 엑스선 광자의 단 일부만이 흡수되며, 검출기에 도달하는 엑스선 관으로부터 방출된 광자의 효율을 크게 증가시킨다.
폐 이미징에 대해, 여기서 기술된 DEI 기술은 폐에서 월등한 대조를 생산할 수 있고, 폐렴 같은 폐의 상태를 진단하는데 많이 사용될 수 있다. 폐에서의 유체의 수집은 DEI로 쉽게 검출될 수 있는 표시된 밀도 변화를 생성할 수 있다. 밀도 변화, 주변 조직의 특성 및 정상 폐 조직 및 종양을 가진 조직 사이의 기하학적 차이점은 커질 수 있어서, 좋은 대조를 생산한다. 나아가, 여기서 기술된 DEI 기술은 폐암 선별검사 및 진단에 적용될 수 있다.
뼈 이미징에 대해, 여기서 기술된 DEI 기술은 일반적으로 뼈의 월등한 이미지를 생산할 수 있다. DEI의 높은 굴절 및 소멸 대조는 뼈 속에 있는 골절 및 손상을 시각화하는데 특별히 유용할 수 있다.
나아가, 여기서 기술된 발명 내용에 따른 시스템 및 방법은 다양한 정밀 검사 및 공업적 응용에 적용될 수 있다. 예를 들면, 시스템 및 방법은 가축 정밀 검사 같은, 고기(meat) 정밀 검사에 적용될 수 있다. 예를 들면, 시스템 및 방법은 날카로운 뼈, 특징 및 선별검사 및/또는 제거에 요구되는 고기 내부에서의 다른 낮은 대조 물체를 보는데 사용될 수 있다. 여기서 기술된 시스템 및 방법은 그러한 선별검사에 적용될 수 있다.
여기서 기술된 시스템 및 방법은 제조 정밀 검사에 또한 적용될 수 있다. 예를 들면, 시스템 및 방법은 비행기 생산 같은 용접 검사에 사용될 수 있다. 여기서 기술된 것과 같은 DEI 기술은 제트 터빈 블레이드 같은 심한 마모 및 찢김을 경험하는 주요 구조적 부분을 검사하는 데 사용될 수 있다. 나아가, 예를 들면 여기서 기술된 시스템 및 방법은 회로 기판 및 다른 전자제품에 사용될 수 있다. 다른 예에서, 여기서 기술된 시스템 및 방법은 구동 벨트(steel belt) 및 페달(tread)의 완전성 검사 같은 타이어 정밀 검사에 사용될 수 있다.
나아가, 여기서 기술된 발명 내용에 따른 시스템 및 방법은 안전 스크리닝 목적을 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 시스템 및 방법은 공항 및 항구에서 스크리닝에 사용될 수 있다. 여기서 기술된 것과 같은 DEI 기술은 종래의 엑스선으로 검출하기 어려운 플라스틱 칼, 다단 총(composite gun) 및 플라스틱 폭약 같은 플라스틱의 낮은 흡수 대조 물체를 스크리닝하는 데 사용될 수 있다. 비행기 수화물 검사 등의 더 큰 물체의 이미징을 위해, 엑스선 관 및 검출기 사이의 거리는 빔 발산을 허용하도록 증가될 수 있다. 더 큰 분광기 결정이 더 큰 팬 빔을 수용하는 데 필요할 것이다.
기술된 장치는 컴퓨터 단층 촬영 이미징 시스템 또는 DEI-CT에서 번역될 수 있는 메커니즘을 제공한다. 제3세대의 종래 컴퓨터 단층 촬영 시스템을 닮은 DEI-CT 시스템은 동일한 장치를 사용하지만, 중심점 주변에서 회전을 위해 변형된다. 대체적으로, 시스템은 정지한 채로, 물체, 표본 또는 환자가 빔 내부에서 회전될 수 있다. 본 설계의 DEI-CT 시스템은 엑스선 흡수, 굴절 및 초소각 산란 거부(소멸)을 표현하는 이미지를 생산하지만, 3차원으로 변형될 것이다.
여기서 기술된 발명 내용의 다양한 세부는 여기서 기술된 발명 내용의 영역 으로부터 분리되지 않고 변형될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 더욱이, 여기서 기술된 발명 내용은 이후에 나오는 청구항에 의해 한정되므로 앞선 상세한 설명은 한정의 목적이 아닌 오직 설명의 목적이다.

Claims (178)

  1. 다색 에너지 분포를 가진 제1 엑스선 빔을 생성하기;
    미리 결정된 에너지 수준을 가진 제2 엑스선 빔이 생산되도록 제1 엑스선 빔을 직접 가로막는 미리 결정된 위치에 단일 단색기 결정을 위치시키기;
    물체를 통한 제2 엑스선 빔의 투과를 위해 제2 엑스선 빔의 경로에 물체를 위치시키고, 물체로부터 투과된 엑스선 빔을 방출시키기;
    분광기 결정 상의 입사각에 투과된 엑스선 빔을 향하게 하기; 및
    상기 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하기를 포함하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 사용에 의해 제1 엑스선 빔을 생성시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 회전하는 양극으로부터 제1 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 정지한 양극으로부터 제1 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 텅스텐(tungsten) 타겟, 바륨 헥사보라이드(barium hexaboride) 타겟, 사마륨(samarium) 타겟, 및 몰리브덴(molybdenum) 타겟 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  6. 제 2항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 제1 엑스선 빔을 생성하기 위해 적어도 50 kW의 전력으로 세팅되는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 약 10 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것은 약 50 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 점광원으로부터 다른 방향들로 부채꼴 모양으로 퍼지는 복수의 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 단색기 결정을 위치시키기는 단색기 결정의 표면에 입사한 엑스선 빔의 경로에 대해 약 1도와 40도 사이의 각도에 단색기 결정의 표면을 위치시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 분광기 결정으로의 방향 및 격자 평면에 정합된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 대칭적 결정인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검 출하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 실리콘 결정인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 실리콘 결정은 [333] 반사를 가진 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 분광기 결정은 브래그 타입 분광기인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 물체는 유연 조직 물체인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 유연 조직 물체는 유방 조직인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검 출하는 방법.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 엑스선 빔은 물체로 약 0.5 mrad 이하의 방사선량을 적용하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 물체의 이미지를 검출하기는 검출기에서 회절된 빔을 받는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 검출기는 물체의 디지털화된 이미지를 생산하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    상기 검출기는 방사선 사진 필름인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  22. 제 19항에 있어서,
    상기 검출기는 이미지 플레이트인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출 하는 방법.
  23. 제 1항에 있어서,
    상기 물체의 이미지를 검출하기는 분광기 결정의 흔들 곡선의 피크 및 그 근처 중의 어느 하나에서 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 검출된 이미지로부터 물체의 회절 강화 이미지, 흡수 이미지, 굴절 이미지, 산란 이미지 및 질량 밀도 이미지 중의 적어도 어느 하나를 얻는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  25. 제 23항에 있어서,
    상기 피크 및 그 근처 중의 어느 하나는 흔들 곡선의 다윈 폭의 대략 절반 이내에서 발생하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  26. 제 1항에 있어서,
    상기 이미지를 검출하기는,
    제1 각도 위치에 위치된 분광기 결정으로부터 방출된 제1 회절 빔으로부터 물체의 제1 각도 이미지를 검출하기;
    제2 각도 위치에 위치된 분광기 결정으로부터 방출된 제2 회절 빔으로부터 물체의 제2 각도 이미지를 검출하기;
    굴절 이미지를 얻기 위해 상기 제1 및 제2 각도 이미지를 결합하기; 및
    상기 굴절 이미지로부터 물체의 대량 밀도 이미지를 얻기를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  27. 제 26항에 있어서,
    상기 제1 각도 이미지를 검출하기는 상기 분광기 결정의 낮은 흔들 곡선 각도 세팅에서 상기 분광기 결정으로부터 물체의 제1 각도 이미지를 검출하는 것을 포함하고,
    상기 분광기 결정의 높은 흔들 곡선 각도 세팅에서 상기 분광기 결정으로부터 물체의 제2 각도 이미지를 검출하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  28. 제 1항에 있어서,
    상기 엑스선 빔의 미리 정해진 특성 라인이 막히도록 물체를 통한 상기 제2 엑스선 빔의 투과에 앞서 상기 제2 엑스선 빔의 일부를 막는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  29. 제 28항에 있어서,
    상기 제2 엑스선 빔의 일부를 막는 것은 상기 엑스선 빔의 미리 정해진 특성 라인이 막히도록 상기 단색기 결정 및 물체 사이에 시준기를 위치시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  30. 제 28항에 있어서,
    상기 미리 정해진 특성 방출선은 특성 방출선 Kα1인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  31. 제 1항에 있어서,
    상기 단색기 결정에 의한 상기 제1 엑스선 빔의 차단에 앞서 상기 단색기 결정의 각도 허용 창의 바깥으로 떨어지는 상기 제1 엑스선 빔의 일부를 막는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  32. 제 31항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔의 일부를 막는 것은 상기 제1 엑스선 빔의 경로에 시준기를 위치시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  33. 제 1항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 제1 단색기 결정이고, 상기 방법은 상기 제2 엑스선 빔 을 차단하고, 상기 제2 엑스선 빔을 상기 분광기 결정 쪽으로 향하게 하도록 제2 단색기 결정을 위치시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  34. 제 33항에 있어서,
    상기 제2 단색기 결정을 위치시키는 것은 상기 제2 엑스선 빔이 상기 제1 엑스선 빔의 경로와 평행한 경로를 따라 향해지도록 상기 제2 단색기 결정을 위치시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  35. 제 33항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단색기 결정은 부정합된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  36. 제 33항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단색기 결정은 상기 제1 엑스선 빔의 미리 정해진 부분을 거부하도록 선택된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  37. 제 33항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단색기 결정은 게르마늄 및 실리콘 단색기 결정 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  38. 제 33항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단색기 결정은 게르마늄 [333] 및 실리콘 [333] 단색기 결정 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  39. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 엑스선 빔에 의해 적용된 방사선량을 물체로 조절하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  40. 다색 에너지 분포를 가지는 제1 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 엑스선 광원;
    미리 정해진 에너지 수준을 가진 제2 엑스선 빔이 물체를 통한 투과를 위해 생산될 수 있고, 상기 제1 엑스선 빔을 직접 차단하도록 미리 정해진 위치에 위치한 단일 단색기 결정;
    입사각에서 투과된 엑스선 빔을 차단하도록 위치된 분광기 결정; 및
    상기 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하도록 배치된 이미지 검출기를 포함하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  41. 제 40항에 있어서,
    상기 엑스선 광원은 엑스선 관인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출 하는 시스템.
  42. 제 41항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 회전하는 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  43. 제 41항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 정지한 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  44. 제 41항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 텅스텐(tungsten) 타겟, 바륨 헥사보라이드(barium hexaboride) 타겟, 사마륨(samarium) 타겟, 및 몰리브덴(molybdenum) 타겟 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  45. 제 41항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 상기 제1 엑스선 빔을 생성하기 위해 적어도 50kW의 전력으로 세팅되는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  46. 제 40항에 있어서,
    상기 엑스선 광원은 약 10 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  47. 제 46항에 있어서,
    상기 엑스선 광원은 약 50 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  48. 제 40항에 있어서,
    상기 엑스선 광원은 엑스선 점광원으로부터 다른 방향들로 부채꼴 모양으로 퍼지는 복수의 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  49. 제 40항에 있어서,
    상기 단색기 결정의 표면에 입사한 상기 제1 엑스선 빔의 경로에 대해 약 1도와 40도 사이의 각도에 단색기 결정의 표면이 위치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  50. 제 40항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 상기 분광기 결정에 방향 및 격자 평면이 정합된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  51. 제 40항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 대칭적 결정인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  52. 제 51항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 실리콘 결정인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  53. 제 52항에 있어서,
    상기 실리콘 결정은 [333] 반사를 가진 것을 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  54. 제 40항에 있어서,
    상기 분광기 결정은 브래그 타입 분광기인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  55. 제 40항에 있어서,
    상기 물체는 유연 조직 물체인 것을 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  56. 제 55항에 있어서,
    상기 유연 조직 물체는 유방 조직인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  57. 제 40항에 있어서,
    상기 제2 엑스선 빔은 물체에 약 0.5 mrad 이하의 방사선량을 적용하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  58. 제 40항에 있어서,
    상기 검출기는 상기 회절된 빔을 받도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  59. 제 40항에 있어서,
    상기 검출기는 물체의 디지털화된 이미지를 생산하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  60. 제 40항에 있어서,
    상기 검출기는 방사선 사진 필름인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  61. 제 40항에 있어서,
    상기 검출기는 이미지 플레이트인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  62. 제 40항에 있어서,
    상기 검출기는 상기 분광기 결정의 흔들 곡선의 피크 및 그 근처 중의 어느 하나에서 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  63. 제 62항에 있어서,
    상기 검출된 이미지로부터 물체의 회절 강화 이미지, 흡수 이미지, 굴절 이미지, 산란 이미지 및 질량 밀도 이미지 중의 적어도 어느 하나를 얻도록 배치된 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  64. 제 62항에 있어서,
    상기 피크 및 그 근처 중의 어느 하나는 흔들 곡선의 다윈 폭의 대략 절반 이내에서 발생하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  65. 제 40항에 있어서,
    상기 검출기는 제1 각도 위치에 위치된 분광기 결정으로부터 방출된 제1 회절 빔으로부터 물체의 제1 각도 이미지를 검출하도록 배치되고, 제2 각도 위치에 위치된 분광기 결정으로부터 방출된 제2 회절 빔으로부터 물체의 제2 각도 이미지를 검출하도록 배치되고,
    상기 시스템은 굴절 이미지를 얻기 위해 상기 제1 및 제2 각도 이미지를 결합하도록 배치되고, 상기 굴절 이미지로부터 물체의 대량 밀도 이미지를 얻도록 배치된 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  66. 제 65항에 있어서,
    상기 검출기는 상기 분광기 결정의 낮은 흔들 곡선 각도 세팅에서 상기 분광기 결정으로부터 물체의 제1 각도 이미지를 검출하도록 배치되고, 상기 분광기 결정의 높은 흔들 곡선 각도 세팅에서 상기 분광기 결정으로부터 물체의 제2 각도 이미지를 검출하는 것을 포함하는 제2 각도 이미지를 검출하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  67. 제 40항에 있어서,
    상기 엑스선 빔의 미리 정해진 특성 라인이 막히도록 물체를 통한 상기 제2 엑스선 빔의 투과에 앞서 상기 제2 엑스선 빔의 일부를 막도록 위치하는 시준기를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  68. 제 67항에 있어서,
    상기 미리 정해진 특성 방출선은 특성 방출선 Kα1인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  69. 제 40항에 있어서,
    상기 단색기 결정에 의한 상기 제1 엑스선 빔의 차단에 앞서 상기 단색기 결정의 각도 허용 창의 바깥으로 떨어지는 상기 제1 엑스선 빔의 일부를 막도록 위치한 시준기를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  70. 제 40항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 제1 단색기 결정이고, 상기 시스템은 상기 제2 엑스선 빔을 차단하고, 상기 제2 엑스선 빔을 상기 분광기 결정 쪽으로 향하게 하도록 위치한 제2 단색기 결정을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  71. 제 70항에 있어서,
    상기 제2 단색기 결정은 상기 제2 엑스선 빔이 상기 제1 엑스선 빔의 경로와 평행한 경로를 따라 향해지도록 위치한 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출 하는 시스템.
  72. 제 70항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단색기 결정은 부정합된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  73. 제 70항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단색기 결정은 상기 제1 엑스선 빔의 미리 정해진 부분을 거부하도록 선택된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  74. 제 70항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단색기 결정은 게르마늄 및 실리콘 단색기 결정 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  75. 제 70항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 단색기 결정은 게르마늄 [333] 및 실리콘 [333] 단색기 결정 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  76. 다색 에너지 분포를 가진 제1 엑스선 빔을 생성하기;
    상기 제1 엑스선 빔이 시준된 팬 빔이 되도록 상기 제1 엑스선 빔의 일부를 막기;
    미리 정해진 에너지 수준을 가진 제2 엑스선 빔이 생산되도록 상기 시준된 팬 빔을 가로막는 미리 정해진 위치에 단색기 결정을 위치시키기;
    물체를 통한 상기 제2 엑스선 빔의 투과를 위해 상기 제2 엑스선 빔의 경로에 물체를 놓고, 물체로부터 투과된 엑스선 빔을 방출시키기;
    분광기 결정 상의 입사각에 투과된 엑스선 빔을 향하게 하기; 및
    분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하기를 포함하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  77. 제 76항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 사용에 의해 제1 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  78. 제 77항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 회전하는 양극으로부터 제1 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  79. 제 77항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 정지한 양극으로부터 제1 엑 스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  80. 제 77항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 텅스텐(tungsten) 타겟, 바륨 헥사보라이드(barium hexaboride) 타겟, 사마륨(samarium) 타겟, 및 몰리브덴(molybdenum) 타겟 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  81. 제 77항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 제1 엑스선 빔을 생성하기 위해 적어도 50 kW의 전력으로 세팅되는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  82. 제 76항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 약 10 keV에서 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  83. 제 82항에 있어서,
    상기 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것은 약 50 keV에서 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하 는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  84. 제 76항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 점광원으로부터 다른 방향들로 부채꼴 모양으로 퍼지는 복수의 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  85. 제 76항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔의 일부를 막는 것은 시준된 팬 빔이 제1 방향으로 약 10도의 발산 및 제2 방향으로 약 1도의 발산을 가지도록 상기 제1 엑스선 빔의 일부를 막는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  86. 제 76항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔의 일부를 막는 것은 상기 단색기 결정 및 물체 사이에 시준기를 위치시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  87. 제 86항에 있어서,
    상기 시준기는 상기 시준된 팬 빔이 지나가는 슬릿을 한정하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  88. 제 87항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔은 상기 시준기의 슬릿에 의해 시준된 팬 빔으로 정의되는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  89. 제 86항에 있어서,
    상기 단색기 결정을 위치시키기는 상기 단색기 결정의 표면에 입사한 제1 엑스선 빔의 경로에 대해 약 1도와 40도 사이의 각도에 단색기 결정의 표면을 위치시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  90. 제 86항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 상기 분광기 결정으로의 방향 및 격자 평면에 정합된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  91. 제 86항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 대칭적 결정인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  92. 제 91항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 실리콘 결정인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검 출하는 방법.
  93. 제 92항에 있어서,
    상기 실리콘 결정은 [333] 반사를 가진 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  94. 제 76항에 있어서,
    상기 분광기 결정은 브래그 타입 분광기인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  95. 제 76항에 있어서,
    상기 물체는 유연 조직 물체인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  96. 제 95항에 있어서,
    상기 유연 조직 물체는 유방 조직인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  97. 제 76항에 있어서,
    상기 제2 엑스선 빔은 물체로 약 0.5 mrad 이하의 방사선량을 적용하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  98. 제 76항에 있어서,
    상기 물체의 이미지를 검출하기는 검출기에서 회절된 빔을 받는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  99. 제 76항에 있어서,
    상기 물체의 이미지를 검출하기는 분광기 결정의 흔들 곡선의 피크 및 그 근처 중의 어느 하나에서 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  100. 제 99항에 있어서,
    상기 검출된 이미지로부터 물체의 회절 강화 이미지, 흡수 이미지, 굴절 이미지, 산란 이미지 및 질량 밀도 이미지 중의 적어도 어느 하나를 얻는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  101. 제 99항에 있어서,
    상기 피크 및 그 근처 중의 어느 하나는 흔들 곡선의 다윈 폭의 대략 절반 이내에서 발생하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  102. 제 76항에 있어서,
    상기 물체의 이미지를 검출하기는,
    제1 각도 위치에 위치된 분광기 결정으로부터 방출된 제1 회절 빔으로부터 물체의 제1 각도 이미지를 검출하기;
    제2 각도 위치에 위치된 분광기 결정으로부터 방출된 제2 회절 빔으로부터 물체의 제2 각도 이미지를 검출하기;
    굴절 이미지를 얻기 위해 상기 제1 및 제2 각도 이미지를 결합하기; 및
    상기 굴절 이미지로부터 물체의 대량 밀도 이미지를 얻기를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  103. 제 102항에 있어서,
    상기 제1 각도 이미지를 검출하기는 상기 분광기 결정의 낮은 흔들 곡선 각도 세팅에서 상기 분광기 결정으로부터 물체의 제1 각도 이미지를 검출하는 것을 포함하고,
    상기 제2 각도 이미지를 검출하기는 상기 분광기 결정의 높은 흔들 곡선 각도 세팅에서 상기 분광기 결정으로부터 물체의 제2 각도 이미지를 검출하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  104. 다색 에너지 분포를 가지는 제1 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 엑스선 광원;
    상기 제1 엑스선 빔이 시준된 팬 빔이도록 상기 제1 엑스선 빔의 일부를 막도록 위치한 시준기;
    제2 엑스선 빔이 물체를 통한 투과를 위해 미리 정해진 에너지 수준을 가지도록 상기 시준된 팬 빔을 차단하기 위해 미리 정해진 위치에 위치한 단색기 결정;
    입사각에서 투과된 엑스선 빔을 차단하도록 위치한 분광기 결정; 및
    상기 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하도록 배치된 이미지 검출기를 포함하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  105. 제 104항에 있어서,
    상기 엑스선 광원은 엑스선 관인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  106. 제 105항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 회전하는 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  107. 제 105항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 정지한 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  108. 제 105항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 텅스텐(tungsten) 타겟, 바륨 헥사보라이드(barium hexaboride) 타겟, 사마륨(samarium) 타겟, 및 몰리브덴(molybdenum) 타겟 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  109. 제 105항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 상기 제1 엑스선 빔을 생성하기 위해 적어도 50kW의 전력으로 세팅되는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  110. 제 104항에 있어서,
    상기 엑스선 광원은 약 10 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  111. 제 110항에 있어서,
    상기 엑스선 광원은 약 50 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  112. 제 104항에 있어서,
    상기 엑스선 광원은 엑스선 점광원으로부터 다른 방향들로 부채꼴 모양으로 퍼지는 복수의 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  113. 제 104항에 있어서,
    상기 시준기는 상기 시준된 팬 빔이 제1 방향으로 약 10도의 발산 및 제2 방향으로 약 1도의 발산을 가지도록 상기 제1 엑스선 빔의 일부를 막도록 위치한 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  114. 제 104항에 있어서,
    상기 시준기는 상기 단색기 결정 및 상기 물체 사이에 위치한 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  115. 제 114항에 있어서,
    상기 시준기는 상기 시준된 팬 빔이 지나가는 슬릿을 한정하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  116. 제 115항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔은 상기 시준기의 슬릿에 의해 시준된 팬 빔으로 정의되는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  117. 제 104항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 상기 단색기 결정의 표면에 입사한 제1 엑스선 빔의 경로에 대해 약 1도와 40도 사이의 각도에 위치한 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  118. 제 104항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 상기 분광기 결정으로의 방향 및 격자 평면에 정합된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  119. 제 104항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 대칭적 결정인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  120. 제 119항에 있어서,
    상기 단색기 결정은 실리콘 결정인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  121. 제 120항에 있어서,
    상기 실리콘 결정은 [333] 반사를 가진 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  122. 제 104항에 있어서,
    상기 분광기 결정은 브래그 타입 분광기인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  123. 제 104항에 있어서,
    상기 물체는 유연 조직 물체인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  124. 제 123항에 있어서,
    상기 유연 조직 물체는 유방 조직인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  125. 제 104항에 있어서,
    상기 제2 엑스선 빔은 물체로 약 0.5 mrad 이하의 방사선량을 적용하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  126. 제 104항에 있어서,
    상기 검출기는 검출기에서 회절된 빔을 받도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  127. 제 104항에 있어서,
    상기 검출기는 상기 분광기 결정의 흔들 곡선의 피크 및 그 근처 중의 어느 하나에서 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  128. 제 127항에 있어서,
    상기 검출된 이미지로부터 물체의 회절 강화 이미지, 흡수 이미지, 굴절 이미지, 산란 이미지 및 질량 밀도 이미지 중의 적어도 어느 하나를 얻도록 배치된 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  129. 제 127항에 있어서,
    상기 피크 및 그 근처 중의 어느 하나는 흔들 곡선의 다윈 폭의 대략 절반 이내에서 발생하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  130. 제 104항에 있어서,
    상기 검출기는 제1 각도 위치에 위치된 분광기 결정으로부터 방출된 제1 회절 빔으로부터 물체의 제1 각도 이미지를 검출하고, 제2 각도 위치에 위치된 분광기 결정으로부터 방출된 제2 회절 빔으로부터 물체의 제2 각도 이미지를 검출하도 록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  131. 제 130항에 있어서,
    상기 검출기는 상기 분광기 결정의 낮은 흔들 곡선 각도 세팅에서 상기 분광기 결정으로부터 물체의 제1 각도 이미지를 검출하고, 상기 분광기 결정의 높은 흔들 곡선 각도 세팅에서 상기 분광기 결정으로부터 물체의 제2 각도 이미지를 검출하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  132. 엑스선 광원으로부터 다른 방향들로 부채꼴 모양으로 퍼지는 복수의 엑스선 빔을 생성시킴으로써 다색 에너지 분포를 가진 제1 엑스선 빔을 생성하기;
    제2 엑스선 빔이 미리 결정된 에너지 수준을 가지도록 제1 엑스선 빔을 직접 가로막는 미리 결정된 위치에 단색기 결정을 위치시키기;
    물체를 통한 제2 엑스선 빔의 투과를 위해 제2 엑스선 빔의 경로에 물체를 위치시키고, 물체로부터 투과된 엑스선 빔을 방출시키기;
    분광기 결정 상의 입사각에 투과된 엑스선 빔을 향하게 하기; 및
    상기 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하기를 포함하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  133. 제 132항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 사용에 의해 제1 엑스선 빔 을 생성시키는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  134. 제 133항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 회전하는 양극으로부터 제1 엑스선 빔을 생성하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  135. 제 134항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 정지한 양극으로부터 제1 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  136. 제 133항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 텅스텐(tungsten) 타겟, 바륨 헥사보라이드(barium hexaboride) 타겟, 사마륨(samarium) 타겟, 및 몰리브덴(molybdenum) 타겟 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  137. 제 133항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 제1 엑스선 빔을 생성하기 위해 적어도 50 kW의 전력으로 세팅되는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  138. 제 133항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 약 10 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  139. 제 138항에 있어서,
    상기 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것은 약 50 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  140. 엑스선 광원으로부터 다른 방향들로 부채꼴 모양으로 퍼지는 복수의 엑스선 빔을 생성시킴으로써 다색 에너지 분포를 가진 제1 엑스선 빔을 생성시키도록 배치된 엑스선 관;
    미리 결정된 에너지 수준을 가진 제2 엑스선 빔이 물체를 통한 투과를 위해 생산되도록 제1 엑스선 빔을 가로막는 미리 결정된 위치에 위치한 단색기 결정;
    입사각에 투과된 엑스선 빔을 차단하도록 위치한 분광기 결정; 및
    상기 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하도록 배치된 이미지 검출기를 포함하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  141. 제 140항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 회전하는 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  142. 제 140항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 정지한 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  143. 제 140항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 텅스텐(tungsten) 타겟, 바륨 헥사보라이드(barium hexaboride) 타겟, 사마륨(samarium) 타겟, 및 몰리브덴(molybdenum) 타겟 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  144. 제 140항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 제1 엑스선 빔을 생성하기 위해 적어도 50 kW의 전력으로 세팅되는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  145. 제 140항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 약 10 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  146. 제 145항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 약 50 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  147. 제1 및 제2 특성 방출선을 가진 제1 엑스선 빔을 생성하기;
    제1 및 제2 특성 방출선을 가진 제2 엑스선 빔이 생산되도록 상기 제1 엑스선 빔을 차단하기 위한 미리 정해진 위치에 단색기 결정을 위치시키기;
    상기 제2 엑스선 빔의 제1 및 제2 특성 방출선의 어느 하나를 선택적으로 막고, 상기 지나가는 제2 엑스선 빔의 제1 및 제2 특성 방출선이 막히지 않도록 허용하기;
    물체를 통한 상기 제2 엑스선 빔의 막히지 않은 특성 방출선의 투과를 위해 상기 제2 엑스선 빔의 상기 제1 및 제2 특성 방출선 중의 막히지 않은 어느 하나의 경로에 물체를 위치시키고, 상기 물체로부터 투과된 엑스선 빔을 방출하기;
    분광기 결정 상의 입사각에 투과된 엑스선 빔을 향하게 하기; 및
    상기 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하기를 포함하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  148. 제 147항에 있어서,
    상기 제 1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 사용에 의해 제1 엑스선 빔을 생성시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  149. 제 148항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 회전하는 양극으로부터 제1 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  150. 제 148항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 정지한 양극으로부터 제1 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  151. 제 148항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 텅스텐(tungsten) 타겟, 바륨 헥사보라이드(barium hexaboride) 타겟, 사마륨(samarium) 타겟, 및 몰리브덴(molybdenum) 타겟 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  152. 제 148항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 제1 엑스선 빔을 생성하기 위해 적어도 50 kW의 전력으로 세팅되는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  153. 제 147항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 약 10 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  154. 제 153항에 있어서,
    상기 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것은 약 50 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  155. 제1 및 제2 특성 방출선을 가진 제1 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 엑스선 광원;
    제1 및 제2 특성 방출선을 가진 제2 엑스선 빔이 생산되도록 상기 제1 엑스선 빔을 차단하기 위한 미리 정해진 위치에 위치에 위치한 단색기 결정;
    상기 제2 엑스선 빔의 제1 및 제2 특성 방출선의 어느 하나를 선택적으로 막고, 물체를 통한 투과를 위해 상기 지나가는 상기 제2 엑스선 빔의 제1 및 제2 특성 방출선이 막히지 않도록 허용하기 위한 조절가능한 슬릿을 가진 시준기;
    입사각에 투과된 엑스선 빔을 가로막도록 위치한 분광기 결정; 및
    상기 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하도록 배치된 이미지 검출기를 포함하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  156. 제 155항에 있어서,
    상기 엑스선 광원은 엑스선 관인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  157. 제 156항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 회전하는 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  158. 제 156항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 정지한 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  159. 제 156항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 텅스텐(tungsten) 타겟, 바륨 헥사보라이드(barium hexaboride) 타겟, 사마륨(samarium) 타겟, 및 몰리브덴(molybdenum) 타겟 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  160. 제 156항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 상기 제1 엑스선 빔을 생성하기 위해 적어도 50kW의 전력으로 세팅되는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  161. 제 148항에 있어서,
    상기 엑스선 광원은 약 10 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  162. 제 161항에 있어서,
    상기 엑스선 광원은 약 50 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  163. 제1 및 제2 특성 방출선을 가진 제1 엑스선 빔을 생성하기;
    제1 및 제2 특성 방출선을 가진 제2 엑스선 빔이 생산되도록 상기 제1 엑스선 빔을 차단하기 위한 미리 정해진 위치에 단색기 결정을 위치시키기;
    물체를 통한 상기 제2 엑스선 빔의 특성 방출선의 투과를 위해 상기 제2 엑스선 빔의 상기 제1 및 제2 특성 방출선의 경로에 물체를 위치시키고, 상기 물체로부터 투과된 엑스선 빔을 방출하기;
    분광기 결정 상의 입사각에 투과된 엑스선 빔을 향하게 하기; 및
    상기 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지를 검출하기를 포함하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  164. 제 163항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 사용에 의해 제1 엑스선 빔을 생성시키는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  165. 제 164항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 회전하는 양극으로부터 제1 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  166. 제 164항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 엑스선 관의 정지한 양극으로부터 제1 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  167. 제 164항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 텅스텐(tungsten) 타겟, 바륨 헥사보라이드(barium hexaboride) 타겟, 사마륨(samarium) 타겟, 및 몰리브덴(molybdenum) 타겟 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  168. 제 164항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 제1 엑스선 빔을 생성하기 위해 적어도 50 kW의 전력으로 세팅되는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  169. 제 163항에 있어서,
    상기 제1 엑스선 빔을 생성하기는 약 10 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  170. 제 163항에 있어서,
    상기 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것은 약 50 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 방법.
  171. 제1 및 제2 특성 방출선을 가진 제1 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 엑스선 광원;
    물체를 통한 투과를 위해 제1 및 제2 특성 방출선을 가진 제2 엑스선 빔이 생산되도록 상기 제1 엑스선 빔을 차단하기 위한 미리 정해진 위치에 위치한 단색기 결정;
    입사각에 투과된 엑스선 빔을 차단하도록 위치한 분광기 결정; 및
    상기 분광기 결정으로부터 회절된 빔으로부터 물체의 이미지도록 배치된 이미지 검출기를 포함하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  172. 제 171항에 있어서,
    상기 엑스선 광원은 엑스선 관인 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  173. 제 172항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 회전하는 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  174. 제 172항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 정지한 양극을 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  175. 제 172항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 텅스텐(tungsten) 타겟, 바륨 헥사보라이드(barium hexaboride) 타겟, 사마륨(samarium) 타겟, 및 몰리브덴(molybdenum) 타겟 중의 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  176. 제 172항에 있어서,
    상기 엑스선 관은 상기 제1 엑스선 빔을 생성하기 위해 적어도 50kW의 전력으로 세팅되는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  177. 제 171항에 있어서,
    상기 엑스선 광원은 약 10 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
  178. 제 177항에 있어서,
    상기 엑스선 광원은 약 50 keV 내지 약 70 keV의 범위의 특성 엑스선 에너지를 가진 엑스선 빔을 생성하도록 배치된 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 물체의 이미지를 검출하는 시스템.
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