KR20100030780A

KR20100030780A - 준단색 엑스선 촬영장치

Info

Publication number: KR20100030780A
Application number: KR1020080089664A
Authority: KR
Inventors: 박영세
Original assignee: 한화엘앤씨 주식회사
Priority date: 2008-09-11
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2010-03-19
Also published as: KR101049180B1

Abstract

본 발명은 다층박막 반사경으로 구성된 광학 필터를 이용하여 준단색 엑스선을 만들고, 이 준단색 엑스선을 이용하여 피사체에 대해 균일한 빔 강도의 이미지 영상을 얻을 수 있도록 해주는 준단색 엑스선 촬영장치를 개발하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술구성은, 다색 엑스선을 발생시키는 빔 소스를 포함하는 광원 튜브(10); 하나 또는 둘 이상의 다층박막 반사경(26)이 일정 간격으로 장착되어 상기 광원 튜브(10)로부터 입사되는 다색 엑스선을 준단색 엑스선으로 반사시키는 광학 필터(20); 상기 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)가 상기 빔 소스에 위치하는 광원 초점(12)을 중심으로 일정한 각도로 함께 회전됨으로써 상기 준단색 엑스선이 피사체(60)에 등속도로 조사될 수 있도록 장착된 메인 프레임(1); 및 상기 피사체(60)를 투과한 준단색 엑스선으로부터 판독 가능한 이미지 영상을 획득하는 이미지 디텍터부(6);로 구성된다.

단색 엑스선, 광학 필터, 다층박막 반사경, 이미지 디텍터부

Description

준단색 엑스선 촬영장치{QUASI-MONOCHROMATIC X-RAY IMAGING SYSTEM}

본 발명은 준단색 엑스선 촬영장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다층박막 반사경으로 구성된 광학 필터를 이용하여 하나 또는 다중의 준단색 엑스선을 만들고, 이 준단색 엑스선을 피사체에 대해 균일한 빔 강도로 조사할 수 있도록 개발된 준단색 엑스선 촬영장치에 관한 것이다.

엑스선 촬영장치를 구성하는 기본 3 요소는 엑스선을 발생시키는 빔 소스와, 촬영 대상물인 피사체와, 이 피사체를 통과한 엑스선을 검출하는 이미지 디텍터이다. 엑스선 촬영에서 빔 소스를 출발한 엑스선은 피사체를 통과하면서 감쇠(흡수 및 산란)되어 이미지 디텍터에는 일부가 도달하는데, 도달하는 정도는 피사체의 두께나 물질의 종류에 따라 감쇠 정도의 차이가 다르기 때문에, 2차원으로 투영되는 피사체의 정보를 엑스선 사진에서 얻을 수 있다.

감쇠율은 노출되는 엑스선 에너지에 따라 변하는 성질을 갖기 때문에 엑스선 에너지가 다르면, 인체가 흡수하는 방사선의 양과 사진의 화질이 다르다. 에너지가 낮은 영역에서는 감쇠율이 높고 에너지가 높은 영역에서는 감쇠율이 낮다. 즉, 에너지가 증가하면 감쇠율이 감소한다.

두 물질의 감쇠율 차이는 에너지가 낮은 쪽에서는 크고 큰 쪽에서는 작다. 따라서, 낮은 에너지에서 콘트라스트(Contrast)가 크다. 따라서 감쇠율의 차이가 작은 물질들을 사진에서 구별할 수 있게 하려면 콘트라스트가 커지도록, 낮은 에너지의 엑스선을 사용해야 한다.

한편, 감쇠율이 높으면 많은 양의 엑스선이 감쇠되기 때문에 엑스선이 통과하기 어렵고, 감쇠율이 낮으면 통과가 쉽다. 중금속과 같은 원자번호가 큰 무거운 물질들은 인체를 구성하는 낮은 원자 번호의 (탄소, 산소, 수소, 질소) 물질들에 비해 수십 ~ 수백 배까지 감쇠율이 크다. 높은 감쇠율은 보다 많은 인체 흡수를 의미하므로 인체가 같은 개수의 엑스선 포톤에 노출되었을 때 낮은 에너지의 엑스선은 높은 에너지의 엑스선 보다 유해하다고 할 수 있다.

높은 감쇠율은 같은 숫자의 포톤을 피사체에 노출했을 때 디텍터에 도달하는 엑스선 포톤의 숫자가 더 작다는 것을 의미한다. 이미지 디텍터에서 얻어지는 사진 영상은 이미지 디텍터에 일정 수준 이상의 포톤이 도달해야만 판독 가능한 수준의 화질이 된다. 이 수준은 신호 대비 노이즈의 비율인 SNR(singnal to noise ratio)로 판단할 수 있다. 두꺼운 피사체는 적당한 SNR을 얻기 위해 많은 양의 엑스선 포톤을 입사해야 한다. 이 경우에는 흡수 도즈(dose)가 많아지기 때문에 많은 수의 포톤이 피사체를 통과하여 이미지 디텍터에 도달할 수 있도록 높은 에너지 영역을 사용하는 것이 SNR에 유리하지만 감쇠율 차이가 작아지기 때문에 콘트라스트는 감소한다.

따라서, 촬영하는 피사체의 두께나 종류에 따라 도즈는 최소이면서 판독 목 적에 맞는 화질이 얻어지는 콘트라스트와 SNR 값이 되도록 노출량과 엑스선 에너지 범위를 조절할 필요가 있다. 보통의 엑스선 소스는 넓은 영역의 스펙트럼을 갖는 다색(polychromatic) 광원이기 때문에 원하는 스펙트럼으로 광원을 조절하는 데에 한계가 있지만, 에너지 스펙트럼의 폭이 좁은 단색(monochromatic) 엑스선을 적당한 에너지 대역에서 사용한다면, 도즈 대비 최적의 화질을 얻을 수 있다.

다시 말해, 에너지 폭이 좁은 단색광 소스는 다색광을 사용할 때 나타나는 피사체 두께에 따른 에너지 변화 문제의 해결책을 제시할 수 있다. 엑스선 감쇠 계수는 엑스선 에너지값에 의존하여 변하므로 물체를 지나가는 길이에 따라 원래 입사시의 에너지 스펙트럼이 변화한다.

다색 엑스선이 처음 지나는 부분은 낮은 에너지의 엑스선이 보다 많이 감쇠하므로 물체의 뒷 부분에서는 상대적으로 높은 에너지가 남게 되며, 물체의 두께 증가에 따라 콘트라스트의 감소가 일어나게 된다. 반면에 단색 엑스선을 사용하면 입사되는 스펙트럼과 물체를 통과한 후의 스펙트럼의 차이가 크지 않기 때문에 콘트라스트가 물체 두께에 따라서 크게 변하지 않게 되므로, 더욱 정확한 물체의 정보를 제공할 수 있다.

이러한 장점으로 인해 최근에는 단색 엑스선을 이용한 촬영장치가 많이 사용되고 있다. 다만, 다색 엑스선을 하나의 에너지값을 갖는 완전한 단색 엑스선으로 변환하는 것은 매우 어렵기 때문에, 대부분의 촬영장치가 다색 엑스선을 준단색(Quasi-monochromatic) 엑스선으로 변환하여 사용하고 있다. 이들 촬영장치에서 다색 엑스선을 준단색 엑스선으로 변환시켜주는 대표적인 기구가 다층박막 필터이 다.

다층박막 필터를 사용한 준단색 엑스선 촬영장치의 일 예가 대한민국 등록특허 제719497호(다층 필터를 이용한 유방암 진단장치, 이하 "종래발명1"이라 한다)에 개시되어 있다. 이 유방암 진단장치는 다층 박막 구조를 갖는 기본 필터들이 직/병렬로 배치되어 다색 엑스선을 특정 에너지 밴드(15 - 20keV)를 가진 준단색 엑스선으로 반사하는 다층 필터부가 구비되고, 이 다층 필터부에 의해 반사되는 준단색 엑스선을 유방 고정부에 조사하여 정확한 이미지 영상을 획득할 수 있도록 구성되어 있다.

그러나, 이 진단장치는 상기 다층 필터부의 적층 구조에 기인하여 발생하는 영상의 공백 부분을 획득하기 위하여 리니어 모션 가이드가 추가로 구비되어야 하고, 이 리니어 모션 가이드에 의해 스캐닝 작업 전, 후의 영상을 별도로 획득하여 이를 조합하는 소프트 웨어가 구비되어야만 완전한 유방의 영상을 획득할 수 있기 때문에 장치의 구성 및 촬영 방법이 매우 복잡하다는 문제점이 있다.

다층박막 필터를 사용하는 또 다른 준단색 엑스선 촬영장치가 대한민국 등록특허 제801186호(준단색 엑스선 필터 및 이를 이용한 엑스선 촬영장치, 이하 "종래발명2"라 한다)에 개시되어 있다. 이 촬영장치는 서로 다른 밀도를 가진 2개의 코팅층이 브래그 회절식을 만족하도록 반복 적층된 반사경들로 이루어진 준단색 엑스선 필터와, 이 준단색 엑스선 필터를 엑스선 발생원에 대하여 일정한 각속도로 회전시킬 수 있는 각속도 회전기구가 구비됨으로써, 피사체에 균일한 엑스선 포톤이 도달할 수 있도록 해주어 정확한 이미지 영상을 획득할 수 있도록 구성되어 있다.

그러나, 이 촬영장치는 반사경과 반사경의 사이 각도(분할각,Φ)보다도 더 작은 각도 범위 내에서 준단색 엑스선 필터를 빠른 시간 내에 아무런 진동 없이 회전시켜야 할 뿐만 아니라, 모든 반사경에서 반사되는 준단색 엑스선이 동일하거나 매우 유사한 강도 프로파일과 간격을 가져야 하기 때문에 극도로 균일하고 정밀한 반사경 제조가 요구된다. 이 촬영장치는 이러한 제약으로 인해 현재까지 상용화되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 다색 엑스선을 발생시키는 광원 튜브와 상기 광원 튜브로부터 입사되는 다색 엑스선을 준단색 엑스선으로 반사시키는 광학 필터를 광원 초점을 중심으로 일정한 각도로 함께 회전되도록 함으로써, 피사체에 조사되는 준단색 엑스선이 균일한 강도의 프로파일을 가지도록 구성된 준단색 엑스선 촬영장치를 제공하는데 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 기술구성으로서, 다색 엑스선을 발생시키는 빔 소스를 포함하는 광원 튜브; 하나 또는 둘 이상의 다층박막 반사경이 일정 간격으로 장착되어 상기 광원 튜브로부터 입사되는 다색 엑스선을 준단색 엑스선으로 반사시키는 광학 필터; 상기 광원 튜브와 광학 필터가 상기 빔 소스에 위치하는 광원 초점을 중심으로 일정한 각도로 함께 회전됨으로써 상기 준단색 엑스선이 피사체에 등속도로 조사될 수 있도록 장착된 메인 프레임; 및 상기 피사체를 투과한 준단색 엑스선으로부터 판독 가능한 이미지 영상을 획득하는 이미지 디텍터부를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 광원 튜브와 광학 필터의 일체형 회전에 의해 모든 준단색 엑스선이 등속도로 피사체를 지나가기 때문에 어떤 임의의 지점에서도 엑스선의 강도가 일정한 적분값으로 투영될 수 있어 더욱 정확한 이미지 영상을 획득할 수 있다.

또한, 광학 필터를 구성하는 다층박막 반사경들의 적층 밀도가 다소 균일하지 않더라도 피사체를 지나가는 동안에 반사된 모든 준단색 엑스선의 적분값으로 투영되기 때문에 최종적으로는 균일한 강도의 프로파일을 얻을 수 있다. 따라서, 모든 다층박막 반사경의 적층 밀도가 동일하여야 한다는 엄격한 제조 조건이 요구되지 않으므로 이를 이용한 촬영장치의 상용화가 용이하다.

또한, 광원 튜브와 광학 필터가 일체형으로 회전되기 때문에 이론상 360°까지 회전이 가능하므로 대면적 피사체 촬영에도 유리하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 보다 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 준단색 엑스선 촬영장치의 사시도이고, 도 2a 및 도 2b는 상기 촬영장치 중 2가지 회전 기구를 도시한 일부 정면도이며, 도 3a 및 도 3c는 3가지 얼라인먼트 기구를 도시한 일부 정면도이다.

본 발명에 따른 준단색 엑스선 촬영장치는, 크게 다색 엑스선을 발생시키는 빔 소스를 포함하는 광원 튜브(10), 이 광원 튜브(10)로부터 입사된 다색 엑스선을 준단색 엑스선으로 반사시키는 광학 필터(20), 상기 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)가 광원 초점을 중심으로 함께 회전될 수 있도록 장착된 메인 프레임(1), 및 상기 광학 필터(20)로부터 반사된 준단색 엑스선이 피사체에 조사되어 생성되는 이 미지 영상을 획득하는 이미지 디텍터부(6)로 구성된다.

상기 광원 튜브(10)는 원통형의 형상으로 구성되고, 내부에 Mo, W 타킷 소스와 같이 다색 엑스선을 발생시키는 빔 소스가 장착된다. 이 빔 소스에 광원 초점이 위치하게 되고, 빔 소스로부터 방사되는 다색 엑스선은 일정한 발산각을 가지고 광학 필터(20)로 조사된다.

상기 광학 필터(20)는 하나 또는 둘 이상의 다층박막 반사경이 일정 간격으로 장착되어 광원 튜브(10)로부터 입사되는 다색 엑스선을 준단색 엑스선으로 반사시키도록 구성된다. 다층박막 반사경의 적층 구조, 브래그 회절 법칙에 의해 준단색 엑스선을 반사시키는 원리 등을 포함해 광학 필터(20)의 구체적인 구성에 대해서는 도 4 내지 도 7을 참조로 후술하기로 한다.

상기 메인 프레임(1)은 촬영장치의 기본 골격을 이루는 수직 프레임으로서, 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)가 빔 소스에 위치하는 광원 초점을 중심으로 일정한 각도로 함께 회전됨으로써 준단색 엑스선이 피사체에 등속도로 조사될 수 있도록 장착된다.

상기 이미지 디텍터부(6)는 인체 등의 피사체가 놓여지는 스탠드(5) 상에 설치되고, 피사체 각 부위의 밀도에 따라 발생하는 준단색 엑스선의 투과성 차이에 의해 생성된 음영을 판독 가능한 이미지 영상으로 획득하도록 구성된다.

본 발명에 따른 준단색 엑스선 촬영장치는 상기 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)의 일체형 회전 기구를 포함해 2가지 회전 기구(Rotation mechanism)와 3가 지 얼라인먼트 기구(Alignment mechanism)가 메인 프레임(1)에 장착된다. 이를 위해 상기 메인 프레임(1)에는 슬라이더(2)를 매개로 회전 프레임(3)이 상하 이동 가능하게 장착되고, 이 회전 프레임(3)은 회동축(4)을 중심으로 일정 각도로 경사지게 회동될 수 있도록 장착된다. 또한, 상기 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)가 상하로 일정 간격을 두고 설치된 회전 장착구(7)가 상기 회전 프레임(3) 상에 회전 가능하게 장착되어 본 발명의 가장 특징적인 기술구성인 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)의 일체형 회전을 구현한다.

또한, 상기 광학 필터(20)는 3축 이동기구(8)와 회전 디스크(9)를 매개로 상기 회전 장착구(7)에 장착된다. 상기 3축 이동기구(8)는 광학 필터(20)를 xyz 3축으로 이동될 수 있도록 해주고, 상기 회전 디스크(9)는 그 디스크 원점을 기준으로 광학 필터(20)가 회전될 수 있도록 해준다.

도 2a 및 도 2b에는 본 발명에 따른 2가지 회전 기구가 도시되어 있다. 이들 회전 기구는 본 발명에 따른 회전식 준단색 엑스선의 촬영을 구현하여 더욱 정확한 이미지 영상을 획득하기 위한 것이다.

첫 번째 회전 기구는 도 2a에 도시된 바와 같이 회전 장착구(7)에 일정 간격을 두고 상하로 설치된 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)가 함께 회전될 수 있도록 해주는 것이다. 이 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)의 일체형 회전 기구는 대면적의 피사체에 균일한 준단색 엑스선의 조사가 가능하도록 해주는 것인 바, 이에 대한 상세한 설명은 도 8 내지 도 10을 참조로 후술하기로 한다.

두 번째 회전 기구는 도 2b에 도시된 바와 같이 광학 필터(20)를 회전 디스 크(9)를 매개로 회전 장착구(7)에 회전 가능하게 장착함으로써, 광학 필터(20)가 광원 튜브(10)와는 별도로 회전될 수 있도록 해주는 것이다. 이와 같이 광학 필터(20)가 독립적으로 회전하게 되면, 광학 필터(20) 내에 일정 간격으로 장착된 다층박막 반사경들의 광원 초점에 대한 입사각이 변화되므로 반사되는 준단색 엑스선의 에너지값이 변하게 된다. 이는 둘 이상의 다중 에너지를 갖는 준단색 엑스선을 생성할 수 있도록 해주는 바, 이러한 다중 에너지의 작용 및 효과에 대해서는 도 14 및 도 15를 참조로 후술하기로 한다.

도 3a 내지 도 3b에는 본 발명에 따른 3가지 얼라인먼트 기구가 도시되어 있다. 이들 얼라인먼트 기구는 광원 튜브(10) 및/또는 광학 필터(20)의 거리 및 위치를 정렬하여 정확한 엑스선 촬영이 가능하도록 해주는 것이다.

첫 번째 얼라인먼트 기구는 도 3a에 도시된 바와 같이 광원 튜브(10)/광학 필터(20)와 이미지 디텍터부(6)와의 거리를 조절할 수 있도록 해주는 것이다. 이를 위해 상기 광원 튜브(10)/광학 필터(20)가 장착된 회전 프레임(3)이 슬라이더(2)를 매개로 메인 프레임(1)에 상하 이동 가능하게 장착된다. 이 얼라인먼트 기구는 광원 초점과 이미지 디텍터부(6) 상에 놓여지는 피사체와의 거리를 조절함으로써, 피사체에 조사되는 엑스선 도즈를 제어하여 최적의 화질을 얻을 수 있도록 해준다.

두 번째 얼라인먼트 기구는 광원 튜브(10)/광학 필터(20))와 이미지 디텍터부(6)와의 경사도를 조절할 수 있도록 해주는 것이다. 이를 위해 상기 광원 튜브(10)/광학 필터(20)는 광원 튜브(10) 내에 위치하는 광원 초점과 이미지 디텍터부(6) 상에 놓여지는 피사체의 중심을 연결하는 직선상에서 상기 광학 필터(20)와 피사체 사이에 위치하는 임의의 점을 중심으로 회동 가능하게 설치된다.

도 3b에는 이 얼라인먼트 기구의 일 실시예로서, 광원 튜브(10)/광학 필터(20)가 장착된 회전 프레임(3)이 메인 프레임(1) 상에 회동축(4)을 중심으로 일정 각도로 회동 가능하게 장착된 형태가 도시되어 있다. 이 얼라인먼트 기구는 피사체를 사선 각도에서도 촬영이 가능하도록 해줌으로써 피사체의 형태에 구애받지 않고 촬영이 가능하도록 해주며, 특히 일정한 경사 각도 범위 내를 회전하면서 수십 장의 영상을 촬영한 후 이를 합성하여 이미지 영상을 획득하는 방법인 Digital Tomosynthesis와 같은 촬영 기법을 본 발명의 촬영장치가 지원할 수 있도록 해준다.

세 번째 얼라인먼트 기구는 도 3c에 도시된 바와 같이 광학 필터(20)를 xyz 3축으로 이동시켜 그 위치를 조절할 수 있도록 해주는 것이다. 이를 위해 상기 광학 필터(20)는 사각 플레이트 형태로 설치된 3축 이동기구(8)를 매개로 메인 프레임(1)에 수직/수평 이동 가능하게 설치된다. 이 얼라인먼트 기구는 광학 필터(20)를 광원 튜브(10)와는 별도로 이동시켜 광원 초점과의 상대적 거리 및 각도를 조절함으로써 해당 피사체에 적합한 준단색 엑스선의 에너지 대역을 결정할 수 있도록 해준다. 또한, 광학 필터(20)를 수평 방향(y 방향)으로 이동시킴으로써 상기 두 번째 회전 기구와 같이 다중 에너지를 생성하도록 구성할 수도 있다.

광학 필터(20)는 하나 또는 둘 이상의 다층박막 반사경이 장착되어 브래그 회절 법칙에 의해 다색 엑스선을 준단색 엑스선으로 반사시켜 주는 기구로서 본 발 명의 중요한 기술구성을 이루는 것인 바, 이하에서 도 4 내지 도 7을 참조로 광학 필터(20)의 구성 및 작용을 보다 상세히 설명한다.

도 4에는 본 발명에 따른 광학 필터(20)의 일 형태가 예시되어 있다. 광학 필터(20)의 하우징(22)은 다색 엑스선이 입사되는 후방보다 준단색 엑스선이 반사되는 전방이 더 넓게 만들어져 전체적으로 사다리꼴 단면을 이룬다. 이때, 하우징(22)의 후방과 전방이 이루는 각도는 광원 튜브로부터 방사되는 엑스선의 발산각에 대응되도록 제작되는 것이 바람직하다. 또한, 도 4에는 하우징(22)의 둘레면에 여러 개의 개구부가 형성된 형태로 도시되어 있으나, 실제 사용 시에는 준단색 엑스선을 제외하고 하우징(22)에서 산란되거나 통과하는 유해한 엑스선을 차단하기 위해 덮개가 씌워지는 형태로 제작되는 것이 바람직하다.

하우징(22)의 내부에는 복수 개의 슬롯(24)이 일정 간격으로 설치되고, 하나 또는 둘 이상의 다층박막 반사경(26)이 이 슬롯(24)에 장착된다. 다층박막 반사경(26)은 도 5에 도시된 바와 같이 1 mm 미만의 두께이고 매우 평평한 표면을 갖는 기판(27)에 수십에서 수백 nm의 박막(26a)(26b)이 코팅되어 있는 구조로서, 브래그 회절 법칙의 입사각에 해당하는 입사각과 박막 물질 쌍의 두께에 의해서 다색 엑스선이 준단색 엑스선으로 반사된다.

다시 말해, 준단색 엑스선은 원소기호가 큰 물질과 작은 물질의 박막을 교대로 배치한 다층박막 반사경(26)에 다색 엑스선을 반사시키면 브래그 회절 법칙에 의해 반사되는 빔 사이에 보강 및 상쇄 간섭이 일어나 특정 파장의 단색 엑스선만이 반사되는 방법으로 만들 수 있다. 브래그 회절 법칙은 하기와 같다.

E = (12.4 * n) / (2 * d * sin θ)

여기에서, E는 회절하는 kiloelectron Volt(keV) 단위의 에너지, n은 1 이상의 정수, d는 Å단위의 회절 격자 거리, θ는 입사빔과 입사면이 이루는 입사각을 나타낸다.

이와 같이, 다층박막 반사경(26)은 반사경에 입사되는 다색 엑스선에서 특정 에너지 부분만을 반사하며, 스펙트럼은 약간의 좁은 에너지 밴드 폭을 갖는다. 반사 에너지와 밴드 폭은 입사각, 물질의 종류, 다층박막 물질의 쌍의 두께 및 층수 등의 조절에 의해서 결정되는 반사경 고유의 성질이므로 이상적인 값들의 예측은 가능하다. 예를 들어, 다층박막 물질의 쌍의 두께를 1.5 ~ 8 nm로 하고 입사각을 1 도 미만으로 하며 층수를 5 ~ 200층으로 조절하면 반사되는 준단색 엑스선의 에너지 범위는 약 10 ~ 100 keV 사이로 제어할 수 있다.

다층박막 물질의 쌍(26a)(26b)은 반사경의 전체 길이에 걸쳐 일정한 두께를 가지도록 제한할 필요는 없다. 바람직하게는, 상기 다층박막 반사경(26)은 전자 밀도가 서로 다른 다층박막 물질의 쌍(26a)(26b)이 특정 에너지의 준단색 엑스선을 반사하는 브래그 회절 조건이 충족되도록 그 길이 방향을 따라 두께가 점진적으로 증가하는 형태로 경사지게 반복 적층된다. 더욱 바람직하게는, 상기 다층박막 물질의 쌍(26a)(26b)이 반복 적층된 반사경의 양 끝단의 두께 차이를 그 길이로 나눈 기울기가 일정하도록 적층할 수 있다. 이와 같이, 다층박막의 두께를 반사경의 길 이 방향으로 점진적으로 두꺼워지도록 경사를 주는 경사 코팅법에 의하면, 다층박막 반사경(26)에서 반사되는 에너지 편차의 폭을 좁혀 준단색 엑스선의 구현을 더욱 용이하게 해준다.

보다 상세하게 설명하면, 미리 정해 놓은 반사 에너지에서 반사경의 처음과 끝 지점에서 광원 초점을 연결한 직선과 반사경이 이루는 입사각 i1와 i2 각각을 브래그 식에 대입하면 양 지점에 코팅해야 할 한 쌍의 고전자 밀도-저전자 밀도 박막 두께를 계산할 수 있으며, 그 두께를 mt1, mt2 라고 하면 mt2 > mt1 의 관계가 되고, 길이 방향으로 mt1 에서 mt2 두께로 점진적으로 두꺼워지게 한다.

반사경 각 부분의 두께는 브래그 회절 법칙을 만족시키는 두께로서, 길이 방향으로 두꺼워지는 정도(기울기)는 i1 보다 i2에 가까울수록 커져야 한다. 그렇지만 i2가 0.15 도 이상이고, i1와 i2의 차이가 작은 경우나 제조공정을 간소화할 필요가 있을 때 반사경의 다층박막 두께를 반사경의 길이(L)에 대한 두께의 기울기 {(mt2 - mt1)/L}가 일정하도록 경사지게 코팅할 수 있으며, 반사 에너지의 영역이 작은 쪽으로 다소 이동하지만, 여전히 준단색 엑스선을 생성하는데 효과적인 다층박막 반사경으로 사용할 수 있다.

경사지게 코팅된 박막은 널리 사용되는 각종 진공 증착 공정을 응용하여 제조가 가능하며, 고전자 밀도 물질만을 경사지게 하거나 혹은 저전자 밀도 물질만을 경사지게 하거나 두 물질 전부 두께 경사 기울기를 주어도 된다. 한편 상기 기판(27)의 경우는 글라스, 각종 금속, 실리콘 단결정 웨이퍼 등 여러 가지 재료가 전부 가능하지만 기판 표면이 매우 평평하면서 거칠지 않은 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 기판 표면 거칠기의 근평균 제곱이 1.0 nm 이하이면서 엑스선의 투과율이 낮은 것이 좋다. 엑스선 투과율이 낮은 기판 물질은 원자번호가 높은 중금속으로 니켈, 철, 몰리브덴, 텅스텐, 납 등이 바람직하며 이들 기판(27)은 광학 필터(20)를 직진 관통 엑스선을 봉쇄하는 데에도 도움이 된다.

도 6에는 본 발명에 따른 준단색 엑스선 생성 원리가 도시되어 있다.

다색 엑스선(14)의 광원 초점(12)을 중심으로 반지름 r인 동심원상에 복수 개의 다층박막 반사경(26)이 직각으로 세워져 배치되고, 다층박막 반사경(26)의 광원 초점(12)에서 가장 가까운 쪽 표면의 끝 지점(e21)이 상기 반지름 r인 동심원상에 위치된다. 다층박막 반사경(26)들은 광원 초점(12)을 중심으로 하는 반지름 선에 대하여 동일한 입사각 θi 만큼 기울어지도록 배치된다. 또한, 다층박막 반사경(26)들의 길이는 L + Δl, 두께는 t로 설정된다.

이러한 배치 구조는 광원 초점(12)을 중심으로 하는 임의의 동심원이 위치하는 지점에 대하여 모든 다층박막 반사경(26)들이 동일한 입사각을 갖게 하며, 또한 각각의 다층박막 반사경(26)들은 그 길이 방향으로 동일한 입사각 분포를 갖는다. 상기 다층박막 반사경(26)들의 간격 dg는 브래그 회절 법칙에 의해 특정 파장의 준단색 엑스선을 반사할 수 있도록 설정되며 이 값은 L, t, 및 θi와 관련된다. 즉, θi를 고정했을 때 L, t가 정해지면 dg가 계산되고, t, dg를 고정하면 L이 계산되며, t도 마찬가지이다.

L, t, 및 θi의 값이 결정된 상태에서 dg의 값이 설정되며, 이러한 dg의 값은 반사되는 준단색 엑스선(28)의 강도가 가장 커지는 값으로 설정된다. 준단색 엑 스선(28)의 강도가 가장 커지는 경우의 dg 값은 다음의 방법으로 정할 수 있다.

임의의 다층박막 반사경(26)에 대하여 광원 초점(12)과 광원 초점(12)에서 가장 먼 쪽 표면의 끝 지점(e12)을 잇는 선은 반사경의 표면에 대하여 θi2의 각을 갖는다. 그리고 상기 광원 초점(12)과 광원 초점(12)에서 가장 먼 쪽 표면의 끝 지점(e12)을 잇는 선 상에 이웃한 다층박막 반사경(26)의 광원 초점(12)에서 가장 가까운 쪽 뒷면의 끝 지점이 만나도록 한다. 이러한 방법을 되풀이하여 동일한 배치 간격(dg)으로 다층박막 반사경(26)을 배열할 수 있다.

이러한 방법으로 L, t, dg 및 θi가 정해지면, 다층박막 반사경(26)들이 광원 초점(12)에서 가장 가까운 쪽 표면의 끝 지점을 각각 광원 초점(12)과 연결하는 직선을 가정할 때, 인접한 두 다층박막 반사경(26)의 직선 사이의 각은, 광원 초점(12)을 중심으로 하는 동심원 중 다층박막 반사경(26)들이 위치되는 부위를 다층박막 반사경(26)의 개수로 분할하여 형성되는 분할각 Φ가 된다. 이와 같이, 본 발명에 따르면 복수 개의 다층박막 반사경(26)들이 상기 분할각 Φ로 정의되는 일정 간격으로 배치됨으로써, 특정 파장을 갖는 준단색 엑스선(28)을 일정 면적을 커버할 수 있도록 반사시켜 준다.

이러한 준단색 엑스선의 장점은 다색 및 준단색 엑스선의 콘트라스트 차이를 비교 도시한 도 7을 보면 분명히 알 수 있다. 다색 및 준단색 엑스선의 콘트라스트 차이를 알아보기 위해 다음과 같은 방법으로 실험하였다. 먼저, 피사체 팬톰으로서 아크릴 블록과 알루미늄을 사용하고, 아크릴의 두께를 10 ~ 60 mm 까지 10 mm 단위로 변화시키면서 두께 1 mm 알루미늄을 아크릴 블록에 올려놓고 아크릴과 아크릴 + 알루미늄 부분을 통과한 엑스선의 강도를 측정하여 두 부분의 콘트라스트를 계산하였다.

다색 엑스선으로서 Mo 타깃 소스로부터 관전압을 (a) 22 keV, (b) 26 keV, (c) 33 keV, (d) 40 keV, (e) 40 keV + Mo 50 ㎛ 프리 필터(pre filter)로 조절한 경우의 콘트라스트를 측정하였다. 준단색 엑스선으로서는 (f) Mo 타깃 소스에서 다층박막 필터를 사용하여 17.5 keV 특성 피크 부분을 남겨 놓은 경우와, W 타깃 소스와 다층박막 필터를 사용하여 만든 준단색 엑스선 중에서 에너지값이 (g) 25.1 keV, (h) 28.5 keV, (i) 35.3 keV 경우의 콘트라스트를 각각 측정하였다.

실험 결과, 다색 엑스선을 사용한 (a) 내지 (e)의 경우에는 피사체의 두께 차이가 증가함에 따라 콘트라스트가 현저하게 감소되는 반면, 준단색 엑스선을 사용한 (f) 내지 (i)의 경우에는 피사체의 두께 차이에 관계없이 콘트라스트가 거의 일정하다는 것을 알 수 있다. 따라서 준단색 엑스선을 사용하면 피사체의 두께에 관계없이 균일한 콘트라스트를 나타내므로 더욱 정확한 이미지 영상을 얻을 수 있는 것이다.

이와 같이, 광학 필터를 사용하여 특정 에너지를 갖는 준단색 엑스선을 반사시켜 피사체에 조사하면 다색 엑스선을 사용하는 때보다 더욱 정확한 이미지 영상을 얻을 수 있다. 그러나, 광학 필터의 경우 다층박막 반사경(26)이 분할각 Φ만큼 일정 간격을 두고 배치됨에 따라 다음과 같이 중대한 문제점이 발생한다. 다층박막 반사경(26)에 입사되는 다색 엑스선이 다층박막 반사경(26)의 표면이 아닌 끝 부 분, 다시 말해 다층박막 반사경(26)의 두께에 해당하는 단면에 충돌하게 됨으로써, 다색 엑스선이 흡수되거나 산란되어 광학 필터(20)를 통과한 최종 준단색 엑스선에 의해 생성되는 이미지 영상에 그림자가 나타나게 되는 것이다.

상술한 바와 같이, 이러한 그림자 현상을 방지하기 위하여 상기 "종래발명1"과 "종래발명2"에 개시된 촬영장치들이 개발되었으나, 전자는 피사체에 대한 스캐닝 전, 후 영상을 각각 별도로 획득한 후 이를 조합해야 하므로 장치의 구성이 복잡하고, 후자는 모든 다층박막 반사경(26)이 균일하게 코팅되어야 하고 다층박막 반사경(26) 사이의 분할각 Φ 보다도 더 작은 범위 내에서 정밀하게 회전되어야 한다는 제약이 있어 양자 모두 상용화되지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 이러한 그림자 현상을 효과적으로 방지하여 광학 필터를 이용한 준단색 엑스선 촬영장치를 상용화할 수 있도록 해주는데 주된 목적이 있으며 이를 위해 앞서 설명한 첫 번째 회전기구를 개발하였는 바, 도 8 내지 도 10을 참조로 상기 첫 번째 회전기구의 작용 및 효과에 대하여 상세히 설명한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 첫 번째 회전기구에 의하면 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)가 광원 초점(12)을 중심으로 함께 회전되면서 피사체(60)의 전체 면적에 대해 등속도로 1회 스캐닝한다. 이때, 상기 광학 필터(20)와 피사체(60)의 사이에는 준단색 엑스선이 피사체(60)로만 조사될 수 있도록 해주는 콜리메이트부(30)가 설치될 수 있고, 반사되는 준단색 엑스선의 일부를 차단하여 일정 시간 동안은 하나의 에너지값을 갖는 준단색 엑스선만이 반사되도록 해주는 금속 셔터(40)가 설치될 수도 있다.

광학 필터(20)에 배열된 다층박막 반사경들에 의해 반사되는 각각의 준단색 엑스선들은 회전 스캐닝되는 동안 피사체(60)의 전체 면적에 걸쳐 일정한 강도 프로파일을 갖도록 변환되는데, 그 원리를 도 9를 참조로 상세히 설명한다. 먼저, 도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 광학 필터(20)가 회전되지 않는 상태에서 반사된 준단색 엑스선들은 각각이 일정 간격으로 떨어진 강도 프로파일을 가진다. A는 한 장의 다층박막 반사경에 의해 반사된 준단색 엑스선의 강도 프로파일을 나타내고, B는 준단색 엑스선 사이의 거리로서 다층박막 반사경들의 배치 간격에 대응된다. 여기서, 각각의 준단색 엑스선(A) 사이에 에너지 강도가 제로인 부분이 곧 최종 이미지 영상의 그림자 부분이 된다.

이러한 강도 프로파일을 가지는 준단색 엑스선을 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)를 함께 회전시키면서 피사체(60) 전체 면적에 대해 등속도로 1회 스캐닝하게 되면, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 각각의 준단색 엑스선들의 에너지 강도값이 회전 각도에 따라 모두 합산된다. 여기서, 각각의 에너지 값들이 균일하게 합산되기 위해서는 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)를 피사체(60) 전체 면적에 걸쳐 등속도(등회전각속도)로 회전시키면서 스캐닝하는 것이 매우 중요하다.

1회 스캐닝이 완료되면 피사체(60)의 일 지점에 대해 각각의 다층박막 반사경들에 의해 반사되는 모든 준단색 엑스선이 한 번씩 조사되면서 그 에너지 강도값이 합산되므로, 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이 모든 거리 대비 동일한 적분값을 갖는 강도 프로파일을 가지게 된다. 그 결과, 도 9의 (a)와 같이 준단색 엑스선(A) 사이에 존재하던 에너지 공백 부분을 없앨 수 있어 최종 이미지 영상에 나타나던 그림자 현상을 방지할 수 있게 되는 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 촬영장치는 1회 스캐닝만으로 완료된다는 점에서 스캐닝 전, 후 영상을 2번 획득하여 이를 조합해야 하는 "종래발명1"보다 훨씬 간편하게 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 촬영장치는 "종래발명2"와 달리 각각의 다층박막 반사경들이 완전히 동일한 에너지값을 가져야 하는 엄격한 제조 조건이 요구되지 않기 때문에 손쉽게 상용화가 가능하다. 그 이유는, 각각의 다층박막 반사경에 의해 반사되는 준단색 엑스선이 조금씩 상이한 에너지값을 가지더라도 최종 이미지 영상은 각각의 준단색 엑스선의 에너지값이 모두 합산되어 동일한 적분값으로 투영되어 만들어지기 때문이다.

이때 사용되는 준단색 엑스선의 스펙트럼은 중심 반사 에너지가 15 ~ 80 keV 이며, 각 중심 에너지에서 에너지의 반가폭은 1 ~ 20 keV, 에너지 해상도 ΔE/E 는 5 ~ 20 % 범위에서 조절이 가능하다. 중심 에너지, 에너지 반가폭, 에너지 해상도는 용도에 따라 적절하게 조절하여 사용할 수 있다.

상기 회전 스캐닝에서 선택되는 촬영 시간에 맞춰서 회전 각속도를 조절할 수 있는데, 예를 들어, 광원 초점과 이미지 디텍터부의 거리가 1m 이면 초당 30 도의 각속도로 회전할 때 적어도 초당 0.4m 이상의 폭을 촬영할 수 있다. 특별히, 유방을 촬영하는 경우에는 17 ~ 25 keV 사이에서 유방 두께에 적절하게 에너지를 미세하게 조절해서 콘트라스트와 함께 도즈의 감소 효과를 볼 수 있다.

한편, 본 발명에 따르면 간편하게 대면적의 엑스선 촬영을 할 수 있다. 즉, 본 발명의 촬영장치는 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)의 회전 각도를 최대 360 도 범위 내에서 제어할 수 있기 때문에, 다층박막 반사경들의 분할각 Φ보다도 작은 각도 범위 내에서만 반사경을 회전시킬 수 있는 "종래발명2"보다 대면적 피사체를 손쉽게 촬영할 수 있다.

도 10에는 본 발명의 회전 스캐닝에 의해 대면적을 촬영한 예로서, 균일한 준단색 엑스선을 사용하여 197mm × 238 mm 대면적을 약 400 msec의 촬영 시간과 5.4mR의 노출량으로 회전 촬영한 사진이다. 도 10의 (a)는 CDMAM 팬톰을 사용하지 않은 상태에서 촬영한 블랭크 이미지 영상이고, 도 10의 (b)는 동일한 블랭크 이미지 영상을 CDMAM 팬톰을 사용하여 촬영한 것이다. 이와 같이, 본 발명에 따르면 수백 mm의 길이를 가진 피사체를 1회 회전 스캐닝만으로 촬영할 수 있다.

한편, 다층박막 반사경에 입사하는 다색 엑스선이 박막과 기판 물질에 의한 산란 및 흡수에 의해 소멸하지 않고 통과할 수 있는 침투 깊이는 1 도 미만의 낮은 입사 각도에서는 그리 크지 않지만, 상용의 다색 엑스선 소스의 에너지 범위가 최대 백수십 keV 정도일 때 수십 keV 이상의 고에너지 영역은 상당 부분이 얇은 기판을 뚫고 지나갈 수 있다. 이와 같이 반사되는 준단색 엑스선 이외의 엑스선, 다시 말해 다층박막 반사경(26)을 관통해서 지나가는 엑스선이나 다층박막 반사경(26) 이외의 부분에서 산란되는 엑스선 등은 준단색성을 저해하는 요소들이므로 반드시 제거되어야 한다.

상기 반사되는 준단색 엑스선 이외의 엑스선은 다층박막 반사경(26)의 배열 간격이 넓은 경우나 2개 또는 3개 이하인 적은 수의 다층박막 반사경(26)을 사용하 는 경우에는 기판의 뒷면을 무거운 금속 재질로 차폐하여 차단할 수 있지만, 다층박막 반사경(26)이 최대한 촘촘하게 배열되거나 다층박막 반사경(26)의 숫자가 많은 경우에는 별도의 차단 장치가 구비되어야 한다.

본 발명에 따르면, 도 11에 도시된 것과 같이 광학 필터(20)의 하우징(22)의 전방에 슬릿 형태의 구조물을 설치하여, 흡수되거나 산란되지 않고 다층박막 반사경(26)을 직진 통과하는 엑스선을 차단하도록 구성될 수 있다. 이 금속 슬릿(50)은 다층박막 반사경(26)이 배열되는 동심원상과 같은 원점을 갖는 동심원상에 놓임으로써 동심원의 원주 선상의 공간을 기준으로 일부분을 열어 놓거나 막는 기능을 한다.

금속 슬릿(50)은 엑스선이 이동할 수 있도록 개방된 홈(52)과 그 홈(52) 사이에서 엑스선의 경로를 차단하는 벽(54)을 갖도록 형성되며, 이들 홈(52) 사이의 간극 또는 벽(54) 사이의 간극은 다층박막 반사경의 간격과 기판 두께에 따라 적정한 값을 갖도록 정해질 수 있다. 즉, 홈(52) 또는 벽(54)의 간극은 도 11에 도시된 광학 필터(20)의 기하학적 구조에 의해 반사되는 준단색 엑스선의 폭과 간격에 의해 결정된다.

도 11에는 금속 슬릿(50)이 광학 필터(20)의 전방, 다시 말해 광학 필터(20)와 피사체(60)의 사이에 위치하여 광학 필터(20)로부터 반사되는 엑스선의 일부를 차단하는 형태로 도시되어 있으나, 금속 슬릿(50)은 이 외에도 도 12에서 도시된 여러 가지 위치에 하나 또는 둘 이상 설치될 수 있다. 이 설치 위치는 반사되는 준단색 엑스선 이외의 엑스선을 차단할 수 있는 가장 효과적인 지점으로서, 광학 필 터(20)로 입사되는 다색 엑스선의 발산각 및 관전압 에너지 대역, 준단색 에너지의 반사각, 반사 에너지값 및 피사체와의 거리 등을 종합적으로 고려하여 결정된다.

예를 들어, 상기 금속 슬릿(50)은 도 12의 (a) 및 (b) 지점과 같이 광원 튜브(10)와 광학 필터(20) 사이에 위치하여 빔 소스로부터 광학 필터(20)로 입사되는 엑스선의 일부를 차단하도록 설치될 수 있다. 이때, 금속 슬릿(50)에 형성된 홈(52)의 간격은 엑스선의 발산각을 고려하여 광원 초점(12)에 가까워질수록 좁아지게 구성하는 것이 바람직하다. 따라서, 도 12의 (b) 지점과 같이 광학 필터(20)의 광원 튜브(10)와 가까운 쪽 일측에 밀착 설치되는 경우에 금속 슬릿(50)의 간극이 가장 넓게 된다.

한편, 상기 금속 슬릿(50)은 도 12의 (c) 및 (d) 지점과 같이 광학 필터(20)와 피사체(60)의 사이에 위치하여 광학 필터(20)로부터 반사되는 엑스선의 일부를 차단하도록 설치될 수도 있다. 특히, 도 12의 (c) 지점과 같이 금속 슬릿(50)이 광학 필터(20)의 광원 튜브(10)와 먼 쪽 일측에 밀착 설치되는 경우에는 반사되는 준단색 엑스선의 폭을 조절하여 회전 스캐닝 시 균일한 광원을 조사할 수 있도록 하는데 효과적이다.

이와 같이 구성된 금속 슬릿(50)의 사용에 따른 효과가 도 13에 도시되어 있다. 도 13의 (a)에 도시된 바와 같이 금속 슬릿(50)을 사용하지 않은 상태에서 광학 필터로부터 반사된 준단색 엑스선의 빔 강도 프로파일을 보면, 예정된 준단색 엑스선의 에너지 대역인 약 25 keV 보다 더 높은 에너지 대역(약 70 keV)에서 누설된 엑스선(Leakage beam)이 존재한다는 것을 알 수 있으며, 이 누설된 엑스선에 의 해 광원의 균일성이 저하된다. 이에 반해, 동일한 조건에서 금속 슬릿(50)을 사용하게 되면, 도 13의 (b)에 도시된 바와 같이 높은 에너지 대역에서의 누설된 엑스선이 차단되고 예정된 약 25 keV 에너지 대역의 빔 강도가 더욱 높아지므로, 광원의 균일성과 강도가 증가해 더욱 선명한 이미지 영상을 얻을 수 있게 된다.

마지막으로, 본 발명에 따르면 다중 에너지를 이용하여 더욱 선명한 이미지 영상을 얻을 수 있다. 이를 위해 상기 광학 필터(20)는 2 가지 이상의 에너지를 갖는 준단색 엑스선을 상기 피사체(60)에 조사할 수 있도록 구성된다. 다중 에너지를 갖는 준단색 엑스선의 조사 방법은 하기한 2가지 원리에 의해 구현될 수 있다. 이하에서는 이중 에너지를 예로 들어 설명하지만, 본 발명의 기술 사상은 이에 한정되지 않고 동일한 방법으로 구현되는 것이면 3 가지 이상의 다중 에너지를 갖는 준단색 엑스선의 조사 방법도 모두 포함된다 할 것이다.

첫 번째 이중 에너지 조사 방법은, 상기 광학 필터(20)에 배치된 복수 개의 다층박막 반사경(26)이 광원 초점(12)에 대하여 동일한 입사각을 가지도록 장착되어 한 가지 에너지만을 갖는 준단색 엑스선을 반사하도록 구성하고, 상기 피사체(60)에 대한 1회 조사 후에는 도 2b에 도시된 두 번째 회전 기구를 이용하여 모든 다층박막 반사경(26)을 동일한 각도로 회전시켜 상기 다색 엑스선의 입사각을 변경함으로써 다른 에너지를 갖는 준단색 엑스선을 피사체(60)에 2회 조사할 수 있도록 구성하는 것이다.

다층박막 반사경(26)을 회전시켜 준단색 엑스선의 에너지를 변화시키는 원리 에 대해 도 6을 참조로 간단히 설명한다. 반지름 r인 동심원상에서 다층박막 반사경(26)들의 중심을 c 라고 하고, 모든 다층박막 반사경(26)들이 상대적인 배열 위치가 유지된 상태에서 c 를 원 중심으로 하여 θr 만큼 회전시키면 다층박막 반사경(26)의 모든 입사각이 일률적으로 변하게 되는 것이다. 이때, θr의 방향으로 다층박막 반사경(26)들을 회전시키면 입사각이 커지게 되어 반사에너지가 작아지고, 반대 방향으로 다층박막 반사경(26)들을 회전시키면 입사각이 작아져서 에너지가 커지게 된다.

두 번째 이중 에너지 조사 방법은, 도 14에 도시된 바와 같이 상기 광학 필터(20)는 서로 다른 에너지를 갖는 준단색 엑스선을 반사하는 2 가지 종류의 다층박막 반사경(26)을 교대로 장착하고, 상기 광학 필터(20)의 전방에는 도 8에 도시된 바와 같이 상기 피사체(60)에 대한 1회 조사 시에 특정 에너지를 갖는 하나의 준단색 엑스선만을 조사할 수 있도록 해주는 금속 셔터(40)를 설치하는 것이다.

2 가지 종류의 다층박막 반사경(26)은 서로 다른 입사각(θ1, θ2)을 갖는 다층박막 반사경들이 하나씩 교대로 배열되거나[도 14의 (a)], 2개씩 그룹을 지어 배열되거나[도 14의 (b)], 3개씩 그룹을 지어 배열될 수 있다[도 14의 (c)]. 실질적으로 14의 (c)와 같이 전체 다층박막 반사경(26)들이 좌,우로 양분되어 배열되는 것이 금속 셔터(40)를 설치하는데 가장 용이하다.

상기한 이중 에너지 조사 방법은 이중 에너지 감산촬영법(Dual energy subtraction) 등에 효과적으로 활용될 수 있다. 이중 에너지 감산촬영법은 에너지 대역이 서로 다른 준단색 엑스선(E1, E2)으로 피사체를 각각 촬영한 뒤 시그널 값 에 로그를 취해 적당히 감산하는 방법이다. 감산 결과에 따라 한 가지 감쇠 계수를 갖는 동일 물질 1종의 시그널 값을 제로로 만들 수 있으므로 한 가지 물질에 대한 이미지를 사라지게 할 수 있다.

만일 유방 엑스선 촬영법(Mammography)이라면 유방을 구성하는 유선, 지방 등의 성분을 말소함으로써 암세포의 발견을 용이하게 할 수 있다. 이와 같이, 이중 에너지 조사 방법은 특정 물질을 백그라운드로 처리하고 이 백그라운드를 사라지게 할 수 있는 소위 Background cancellation 효과를 이용함으로써, 더욱더 손쉽게 병변을 발견할 수 있도록 해준다. 상기한 이중 에너지 감산촬영법에 있어서 중요한 것은 E1과 E2, 두 에너지 대역의 엑스선 스펙트럼이 서로 잘 분리되어야 하고, 한 가지 에너지 대역의 폭이 좁아서 노이즈 성분의 제거가 용이하도록 구성되어야 한다는 것이다.

도 15에는 이중 에너지 감산촬영법의 Background cancellation 효과에 대한 실험 결과가 도시되어 있다. 다색 엑스선과 준단색 엑스선 각각으로 아크릴 + 실버 페이스트 + 테플론의 삼중 구조로 된 피사체 팬톰을 촬영하였다. 준단색 엑스선은 중심 에너지가 22 keV와 36 keV인 복수 개의 다층박막 반사경을 사용하여 회전 촬영을 실시하였으며, 다색 엑스선은 W 타깃 소스의 관전압 40 keV 와 관전압 70 keV + W 0.5 mm 필터를 사용한 두 종류의 엑스선을 사용하였다. 실버 페이스트는 유방 조직에 대응되는 것으로 붓을 사용하여 아크릴 블록 표면에 유방 모양으로 도포하였다. 이중 에너지 감산촬영법에서도 SNR은 화질의 수준을 결정하는 중요한 인자이므로, SNR에 의한 비교 차이가 없도록 다색 엑스선과 준단색 엑스선의 촬영 영상의 노이즈 수준을 거의 동일하게 조절하였다.

도 15에서 화살표로 표시한 부분이 병변에 대응되는 테플론 조각인데, 일반 엑스선 촬영의 이미지 영상인 도 15의 (a)를 보면 테플론 조각을 거의 구별할 수 없지만, 준단색 엑스선을 사용하여 이중 에너지 촬영한 후에 감산 처리한 이미지 영상인 도 15의 (b)를 보면 실버 페이스트(유방 조직)가 백그라운드 처리됨으로써 테프론 조각(병변 조직)을 뚜렷하게 식별할 수 있다. 다색 엑스선을 사용하여 이중 에너지 촬영한 후에 감산 처리한 이미지 영상인 도 15의 (c)와 비교해 보면, 준단색 에너지를 이용한 감산촬영법이 더욱 효과적임을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 준단색 엑스선 촬영장치는 다층박막 반사경을 이용하여 에너지 폭이 좁고 다양한 에너지값의 선택이 용이한 준단색 엑스선을 광원으로 사용한다. 또한, 복수 개의 다층박막 반사경을 사용할 때 발생되는 그림자 문제를 다층박막 반사경을 광원 초점을 중심으로 회전 촬영시켜 균일한 빔 강도로 피사체에 조사될 수 있도록 함으로써 이를 해결하였다. 또한, 2 가지 회전 기구와 3 가지 얼라인먼트 기구를 구비하여 회전 촬영, 광원과의 초점 조절, 엑스선의 에너지 대역 조절, 피사체와의 거리 조절, 경사 촬영 등 다양한 기능들을 구비하고 있다.

따라서, 본 발명에 따른 실용적인 준단색 엑스선 촬영장치는 유방 엑스선 촬영(Mammography), 조영제 엑스선 촬영, 이중 에너지 유방 촬영, 이중 에너지 감산 촬영(Dual energy subtraction), 영상 합성 촬영(Tomosynthesis), 이중 에너지를 이용한 영상 합성 촬영(Dual energy tomosynthesis) 등에 널리 사용될 수 있을 것 이다.

도 1은 본 발명에 따른 준단색 엑스선 촬영장치를 도시한 도면.

도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 촬영장치의 회전 기구를 도시한 도면.

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 촬영장치의 얼라인먼트 기구를 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 다층박막 반사경으로 된 광학 필터를 도시한 도면.

도 5는 본 발명에 따른 다층박막 반사경의 단면 구조를 도시한 도면.

도 6은 본 발명에 따른 준단색 엑스선 생성 원리를 도시한 도면.

도 7은 다색 및 준단색 엑스선의 콘트라스트를 비교한 그래프.

도 8은 본 발명에 따른 회전 스캐닝 방법을 도시한 도면.

도 9는 본 발명의 회전 스캐닝에 따른 빔 강도 프로파일을 나타낸 그래프.

도 10은 본 발명의 회전 스캐닝에 의해 대면적을 촬영한 사진.

도 11은 본 발명에 따른 금속 슬릿의 설치 형태를 예시한 도면.

도 12는 본 발명에 따른 금속 슬릿의 설치 위치를 도시한 도면.

도 13은 본 발명에 따른 금속 슬릿의 효과를 나타낸 그래프.

도 14는 본 발명에 따른 이중 에너지 조사 방법을 도시한 도면.

도 15는 본 발명에 따른 이중 에너지 조사 효과를 비교한 사진.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명※

1: 메인 프레임 2: 슬라이더

3: 회전 프레임 4: 회동축

5: 스탠드 6: 이미지 디텍터부

7: 회전 장착구 8: 3축 이동기구

9: 회전 디스크 10: 광원 튜브

12: 광원 초점 14: 다색 엑스선

20: 광학 필터 22: 하우징

24: 장착 슬롯 26: 다층박막 반사경

28: 준단색 엑스선 30: 콜리메이트부

40: 금속 셔터 50: 금속 슬릿

60: 피사체

Claims

다색 엑스선을 발생시키는 빔 소스를 포함하는 광원 튜브(10);

하나 또는 둘 이상의 다층박막 반사경(26)이 일정 간격으로 장착되어 상기 광원 튜브(10)로부터 입사되는 다색 엑스선을 준단색 엑스선으로 반사시키는 광학 필터(20);

상기 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)가 상기 빔 소스에 위치하는 광원 초점(12)을 중심으로 일정한 각도로 함께 회전됨으로써 상기 준단색 엑스선이 피사체(60)에 등속도로 조사될 수 있도록 장착된 메인 프레임(1); 및

상기 피사체(60)를 투과한 준단색 엑스선으로부터 판독 가능한 이미지 영상을 획득하는 이미지 디텍터부(6);를 포함하는 것을 특징으로 하는 준단색 엑스선 촬영장치.
청구항 1에 있어서,

상기 다층박막 반사경(26)은 전자 밀도가 서로 다른 박막 물질의 쌍이 특정 에너지의 준단색 엑스선을 반사하는 브래그 회절 조건이 충족되도록 그 길이 방향을 따라 두께가 점진적으로 증가하는 형태로 반복 적층된 것을 특징으로 하는 준단색 엑스선 촬영장치.
청구항 2에 있어서,

상기 다층박막 반사경(26)은 상기 박막 물질의 쌍이 반복 적층된 반사경 양 끝단의 두께 차이를 그 길이로 나눈 기울기가 일정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 준단색 엑스선 촬영장치.
청구항 1에 있어서,

상기 광학 필터(20)는 2 가지 이상의 에너지를 갖는 준단색 엑스선을 상기 피사체(60)에 조사할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 준단색 엑스선 촬영장치.
청구항 4에 있어서,

상기 광학 필터(20)는 한 가지 에너지를 갖는 준단색 엑스선을 반사하는 다층박막 반사경(26)이 장착되고, 상기 피사체(60)에 대한 1회 조사 후에 다층박막 반사경(26)을 회전시켜 상기 다색 엑스선의 입사각을 변경할 수 있도록 설치된 것을 특징으로 하는 준단색 엑스선 촬영장치.
청구항 4에 있어서,

상기 광학 필터(20)는 서로 다른 에너지를 갖는 준단색 엑스선을 반사하는 다층박막 반사경(26)이 교대로 장착되고, 상기 광학 필터(20)의 전방에는 상기 피사체(60)에 대한 1회 조사 시에 특정 에너지를 갖는 하나의 준단색 엑스선만을 조사할 수 있도록 해주는 금속 셔터(40)가 설치된 것을 특징으로 하는 준단색 엑스선 촬영장치.
청구항 1에 있어서,

상기 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)는 상기 이미지 디텍터부(6)와의 거리를 조절할 수 있도록 상기 메인 프레임(1)에 이동 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 준단색 엑스선 촬영장치.
청구항 7에 있어서,

상기 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)는 상기 광원 초점(12)과 피사체(60)의 중심을 연결하는 직선상에서 상기 광학 필터(20)와 피사체(60) 사이에 위치하는 임의의 점을 중심으로 회동 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 준단색 엑스선 촬영장치.
청구항 8에 있어서,

상기 광학 필터(20)는 상기 메인 프레임(1)에 xyz 3축으로 이동 가능하게 설치된 것을 특징으로 하는 준단색 엑스선 촬영장치.
청구항 1에 있어서,

상기 광원 튜브(10)와 광학 필터(20)의 사이에는 상기 빔 소스로부터 상기 광학 필터(20)로 입사되는 엑스선의 일부를 차단해 주는 금속 슬릿(50)이 설치된 것을 특징으로 하는 준단색 엑스선 촬영장치.
청구항 10에 있어서,

상기 금속 슬릿(50)은 상기 광학 필터(20)의 상기 광원 튜브(10)와 가까운 쪽 일측에 밀착 설치된 것을 특징으로 하는 준단색 엑스선 촬영장치.
청구항 1에 있어서,

상기 광학 필터(20)와 피사체(60)의 사이에는 상기 광학 필터(20)로부터 반사되는 엑스선의 일부를 차단해 주는 금속 슬릿(50)이 설치된 것을 특징으로 하는 준단색 엑스선 촬영장치.
청구항 12에 있어서,

상기 금속 슬릿(50)은 상기 광학 필터(20)의 상기 광원 튜브(10)와 먼 쪽 일측에 밀착 설치된 것을 특징으로 하는 준단색 엑스선 촬영장치.
청구항 1에 있어서,

상기 광학 필터(20)와 피사체(60)의 사이에는 상기 준단색 엑스선이 상기 피사체(60)로만 조사될 수 있도록 해주는 콜리메이트부(30)가 설치된 것을 특징으로 하는 준단색 엑스선 촬영장치.