KR20110122665A - 다파장 산포를 갖는 ｘ-선 빔으로부터의 다중 빔 촬영을 이용한 물체 영상 감지를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

다파장 산포를 갖는 ｘ-선 빔으로부터의 다중 빔 촬영을 이용한 물체 영상 감지를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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유니버시티 오브 노스캐롤라이나 앳 채플 힐
넥스트래이 인코포레이티드
브룩하벤 싸이언스 어쏘씨에이츠
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Abstract

다파장 에너지 산포를 갖는 X-선 빔으로부터 다중 빔 촬영 시스템을 이용하여 물체의 영상을 검출하는 시스템 및 방법이 기재된다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 방법은 다파장 에너지 산포를 갖는 제 1 X-선 빔을 발생하는 단계를 포함한다. 또한, 방법은 미리 설정된 위치에 복수의 분광 결정들을 위치시켜 제 1 X-선 빔을 바로 포착하여, 미리 설정된 에너지 레벨들을 갖는 복수의 제 2 X-선 빔들을 생성하는 단계를 포함한다. 또한, 물체를 통한 제 2 X-선 빔들의 전송 및 전송된 X-선 빔들의 물체로부터의 방사를 위해, 물체는 제 2 X-선 빔들의 경로에 위치될 수 있다. 전송된 X-선 빔들은 하나 또는 그 이상의 결정 분석기들의 입사각으로 각각 유도될 수 있다. 물체의 영상은 분석 결정들로부터 회절되는 빔들로부터 검출될 수 있다.

Description

다파장 산포를 갖는 Ｘ-선 빔으로부터의 다중 빔 촬영을 이용한 물체 영상 감지를 위한 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR DETECTING AN IMAGE OF AN OBJECT USING MULTI-BEAM IMAGING FROM AN X-RAY BEAM HAVING A POLYCHROMATIC DISTRIBUTION}
이하에 게시되는 주제는 X-선 촬영과 관련된다. 더 상세하게는, 이하에 게시되는 주제는 다파장 에너지 산포를 갖는 X-선 빔으로부터의 다중 빔 촬영을 이용한 물체 영상 감지를 위한 시스템 및 방법과 연관된다.
여기에 게시된 주제는 미연방정부 에너지부에 의해 시상된 계약번호 DE-AC02-98CH10886US 아래의 미연방정부 지원에 의해 이루어졌다. 그러므로 미연방 정부는 여기에 게시된 주제에 대해 어떠한 권리를 보유하고 있다.
X-선 촬영은 물체 촬영과 관련된 다양한 분야에 이용되어 왔다. 예를 들어, X-선 촬영은 비파괴적인 시험 및 X-선 컴퓨터 단층 촬영(CT)을 위한 의료분야에서 광범위하게 사용되어 왔다. 몇몇 현재 이용 가능한 의학적 촬영 기술들의 개요들이 이 부분의 아래에 요약되어 있다.
X-선 흡수를 이용한 X-선 방사선 촬영
종래의 X-선 방사선 촬영은 투사된 X-선의 물체의 흡수 또는 감쇠를 측정한다. 물체 내의 감쇠 차는 영상으로서 표시될 수 있는 내장된 특징들에 대한 콘트라스트(contrast)를 제공한다. 예를 들어, 암에 걸린 조직은 주변의 암에 걸리지 않은 조직보다 밀도가 높기 때문에 일반적으로 종래의 방사선 촬영에서 드러난다. 최고의 흡수 콘트라스트는 일반적으로 흡수가 높은 X-선 에너지에서 얻어진다. 종래의 방사선 촬영은 전형적으로 보다 낮은 X-선 에너지를 사용하여 더 많은 흡수를 허용하는 더 높은 조사선량에서 수행되었고, 그럼으로써 더 좋은 콘트라스트와 영상을 얻었다. 더 높은 에너지를 갖는 X-선을 사용하는 것은 환자의 안전 우려 때문에 일반적으로 더 낮은 조사선량을 요구한다. X-선 에너지 수준이 증가하고 X-선 조사선량이 감소함에 따라, 일반적으로 종래의 방사선 촬영 영상의 품질은 감소한다.
방사선 촬영 영상화 시스템의 현재 세대를 위한 X-선 자원은 표준 음극/양극 X-선 튜브에 기반한 디자인을 사용한다. X-선 튜브의 에너지 스펙트럼과 일반적 출력 특성은 주로 양극 재료와 배열에 의해 결정된다. 적절한 양극 재료의 선택은 응용 분야에, 특히 어떤 양상과 어떤 구조가 영상화되는 것인지에 강하게 기초한다.
유방 조영술에 있어서, 가장 평범한 양극 재료는 몰리브덴이지만, 로듐 역시 사용된다. 대략 18keV인 몰리브덴의 평균 에너지는 부드러운 조직을 영상화하기 위한 적절한 스펙트럼을 제공한다. 유방 조영술 시스템에 있어서, 양극은 종종 열을 감소시키기 위해 구리 블록 내에 고정되고 받쳐진다. 주요한 기술적 문제는 집중된 전자 빔에 의한 양극 내의 열 발생이다. 열을 제거하는 주요한 방법이 양극의 주위를 높은 열전도성을 갖는 구리로 둘러싸는 것이기 때문에 고정된 양극을 갖는 X-선 튜브는 더욱 가열되기 쉽다. X-선 튜브 개발에서의 진보는 회전하는 양극의 사용을 이끌어 왔고, 회전하는 양극은 음극에서 나온 전자 빔이 양극의 동일 영역을 충격하지 않도록 회전한다. 비교적 최근에 디지털 감지기가 출현하기 전까지, 방사선 촬영을 위한 주요한 감지 방법은 X-선 필름이었다.
유방 조영술 촬영을 위한 X-선 영상화는 유방암의 초기 단계를 확인하는데 사용되어 왔다. 물리적 유방 검진 또는 유방 자가 검진에 의해 발견된 암과 비교할 때, 감시되는 통제 아래에 있는 여성들 사이의 유방암 사망률이 상당히 감소될 수 있다는 것은 잘 알려져 있다. 유방암이 보다 작고 덜 진행된 단계에서의 치료는 더 나은 생존율을 이끌어낸다. 강화된 방사선 방법이 보다 매우 작고 이른 단계의 유방암 검사에 사용될 수 있다는 것은 상당히 명백하다. 임상적으로 명백한 유방암의 대략 10%가 종래의 유방 조영술 방법에 의해 얻어진 영상에서는 눈에 보이지 않는다. 게다가 종래의 방사선학을 사용하여 양성 병소와 악성 병소를 구분하는 것은 일반적으로 어렵다.
특히 종래의 유방 조영술 기술로 보이지 않는 유방암은 상대적으로 많은 양의 유선 조직을 가진 환자들에게 가장 빈번하게 발생한다. 유선 조직의 농도는 기저를 이루는 병리학이 잘 드러나지 않는 경향이 있다. 암의 초기 단기 단계를 발견하기 위해서, 보다 작고 이른 단계의 유방암을 발견하도록 유방 조영술의 감도를 증가시키는 것이 바람직하다. 유방암의 더 빠른 발견은 상당히 감소된 사망률을 이끌어낼 수 있다.
유방 조영술 기술은 지난 수십 년간 극적으로 향상되어 왔다. 예를 들어, 전문적인 유방 조영술 장비는 현재 적절한 X-선 빔 품질, 충분한 유방 압축 및 자동 노출 제어를 가진다. 그러나, 종래의 유방 조영술 기술은 여전히 정상 조직과 이상 조직 사이의 차이를 표현하기 위해서 X-선 흡수 기술에 의존한다.
종래 방사선학의 한계는 또한 부상을 치료하거나 발견할 때와 같은 연골 영상화 및 골관절염과 같은 퇴행성 관절 질환의 영상화에서 명백하다. 더 나은 영상화 기술은 그러한 퇴행성 질환을 보다 빨리, 되돌릴수 없는 피해를 입는 시점 이전에 발견하는데 이점을 줄 수 있을 것이다.
회절 강화 영상화( DEI , Diffraction Enhanced Imaging )
DEI는 종래 X-선 촬영 능력을 극적으로 확장한 X-선 촬영 기술이다. DEI 기술은 X-선 흡수, X-선 굴절, 초소형 각도 산란(scatter) 소멸(감광)로부터 콘트라스트를 생성할 수 있는 X-선 촬영 양식이다. 대조적으로, 종래 X-선 촬영 기술은 단지 X-선 흡수만을 측정한다. 사실상 산란 파괴가 자유로운 것을 제외하면, DEI 흡수 영상과 피크(peak) 영상은 종래의 방사선학과 동일한 정보를 보여준다. X-선 회절에 대한 브래그 법칙, nλ= 2d sin(θ)에 기초하면, DEI는 각도 변화를 강도 변화로 변환하는, 강도에서의 큰 변화를 각도에서의 작은 변화로 제공하는 완벽 결정 회절의 브래그 피크를 이용한다. 그러므로 DEI는 부드러운 조직의 영상화에 매우 적합하고, 유방 조영술 분야에 매우 장래성이 있다.
DEI 기술은 종래 X-선 촬영 기술과 비교했을 때, 물체 시각화 측면에서의 향상을 시연해 왔으나, 누구도 사용 가능한 에너지 범위를 확장할 가능성 및 X-선 흡수에 대한 요구를 제거하거나 감소할 가능성을 언급하지 않아 왔다. X-선 흡수의 감소 또는 제거는 의료 분야에서 중요한 관심사이다.
X-선 빔의 경로에서 실리콘 분석 결정(silicion analyer crystal)의 사용은 영상 콘트라스트, X-선 굴절 및 소멸광(초소형 각도 산란 차단)의 두 개의 추가적 유형을 생성한다. DEI는 완전 단결정 실리콘으로부터 X-선 회절에 의해 준비된 높게 시준된(collimated) X-선을 이용하며, 이전에는 영상을 생성하기 위해 싱크로트론의 높은 선속(flux) 및 에너지 범위를 요구했었다. 이 시준된 X-선들은 실질적으로 단색인 단일 X-선 에너지이며, 물체를 영상화하는 광선으로서 사용된다.
매우 작은 흡수 콘트라스트를 갖는 물체들은 상당한 굴절 및 소멸 콘트라스트를 가질 수 있으므로, 시각화가 향상되고 X-선 촬영의 사용을 확장할 수 있다. 생물학 및 재료 과학에 대한 DEI 기술의 응용들은 주류적인 의료 영상화 분야에서의 이용 가능성을 시사하는 콘트라스트 및 해상도 양쪽에서의 의미 있는 이득(gain)을 생성해 왔다. DEI가 특별히 효과적일 수 있는 의료 영역은 암진단을 위한 유방 영상화 분야이고, 그 분야에서 관심 있는 진단 구조들은 종종 시각화를 어렵게 하는 낮은 흡수 콘트라스트를 가진다. 악성 덩어리로부터 확장된 침골 모양과 같은 낮은 흡수 콘트라스트를 갖는 구조들은 높은 굴절 및 초소형 각도 산란 차단(rejection)을 갖는다. DEI 시스템에 X-선 기반 유방 영상화의 전문성과 민감성을 증가시키는 능력을 제공하는 것이 바람직하다.
여러 번의 연구들은 DEI의 의료 및 산업 분야 응용에서 향상된 영상 콘트라스트를 입증해왔다. 의료 분야에서 종래의 X-선 촬영 시스템을 능가하는 DEI 시스템의 이점들은 환자의 방사선 조사선량 감소 및 향상된 영상 품질을 포함한다. 조사선량 감소는 더 높은 X-선 에너지에서 동작하는 DEI 시스템의 능력에 기인한다. X-선 흡수는 광전 효과, Z2/E3, 여기서 Z는 원자 번호이고 E는 광자(photon) 에너지임, 에 의해 지배된다.
지금까지 DEI 시스템은 물체를 영상화하기 위해 다른 시스템 구성요소들에 의해 조작되는 초기 방사선 빔을 생산하기 위한 싱크로트론의 사용을 필요로 했다. 싱크로트론은 넓은 범위의 에너지에 걸쳐 높게 시준된 고(high) 선속 X-선 빔을 제공한다. 싱크로트론은 대전된 입자, 특히 전자,의 원형 궤도상의 운동을 통해 광자의 방출을 유발하는 방사선을 생성한다. 싱크로트론 방사선의 독특한 특성은 광범위한 응용 분야에 사용되는 넓은 에너지 영역에 걸친 고 선속 X-선을 생산한다.
DEI의 핵심 이론은 X-선 회절에 관한 브래그 법칙에 기반한다. 브래그 법칙은 다음 식에 의해 정의된다.
nλ=2dsin(θ)
여기서 λ는 입사된 X-선의 파장이고, θ는 입사된 각도며, d는 결정에서 원자층들 사이의 거리이고, n은 정수이다.
단일 에너지의 방사선 사진은 영상 콘트라스트 및 해상도에 영향을 미칠 수 있는 몇가지 요소들을 포함한다: 간섭성(coherent) 산란 요소 IBc, 비간섭성 산란 요소 IBIB, 그리고 전송된 요소. 밀도의 변화가 있는 물체 또는 매질을 통해 지나온 X-선들은 굴절될 수 있고, 그것은 각도 편차를 야기한다. 특히, X-선 범위에서의 편차들은 빔의 경로를 따른 ρt의 변동에 기인한다. 여기서 는 ρ밀도이고 t는 두께이다. 입사된 광자들의 파편은 또한 물체 내부의 구조에 의해 회절될 수 있고, 그것은 일반적으로 밀리라디안(milliradian) 정도인 작은 각도 산란으로서 언급된다. 이 상호작용의 전체 합은 방사선 사진의 기록된 강도(IBN)에 기여하고, 그것은 아래 식에 의해 나타내어질 수 있다.
IBNB=IBRB+IBDB+IBCB+IBIB
시스템 공간 해상도 및 콘트라스트는 간섭성 산란 및 비간섭성 산란의 기여에 의해 나빠질 것이다. 산란의 영향을 감소시키기 위하여 반-산란 격자들이 종종 의료적 촬영에 사용되지만, 성능은 제한적이고 격자의 사용은 강도 측면에서의 손실을 보상하기 위해 종종 높은 조사선량을 요구한다.
간섭성 산란 및 비간섭성 산란의 영향을 사실상 제거하기 위해서 DEI 기술은 후-물체(post-object) X-선 빔 경로에 있는 실리콘 분석 결정을 이용한다. 실리콘 분석 결정의 좁은 각도 수용 대역은 락킹 곡선(rocking curve)으로 언급되고, 그것은 DEI에 사용되는 X-선 에너지에 있어서 마이크로라디안(microradian) 정도이다. 분석기는 마치 절묘하게 민감한 각도 필터와 같이 동작하고, 그것은 굴절 및 소멸 콘트라스트를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 소멸 콘트라스트는 산란에 의한 입사된 광선의 강도 손실로서 정의되고, 소멸 콘트라스트는 콘트라스트 및 해상도 측면에서 상당한 향상을 만들어 낼 수 있다.
다윈 너비(DW)는 반사성 곡선을 기술하기 위해 사용되고, 그것은 대략 반사성 곡선의 1/2 최대치에서의 전체 너비(FWHM)가 된다. -1/2 DW 및 + 1/2 DW에서의 지점들은 특별한 분석기 반사 및 광선 에너지를 위해 단위 마이크로라디안 당 광자 강도에 있어서 가장 큰 변화를 만들어 내는 가파른 경사를 가진 곡선상의 지점들이다. 분석 결정 락킹 곡선의 피크에서의 콘트라스트는 X-선 흡수 및 소멸에 의해 지배되고, 근접 산란-자유 방사선 사진을 도출해낸다. 굴절 콘트라스트는 락킹 곡선의 경사가 가장 큰 지점, -1/2 및 +1/2 DW 위치에서 가장 높다. 영상 처리 기술에 기초한 어떤 DEI는 이 영상 쌍들로부터 굴절 및 외관상 흡수 콘트라스트 요소들을 추출하기 위해 이러한 지점들을 사용한다.
다음 문단은 영상 쌍으로부터 굴절 및 외관상 흡수 콘트라스트 요소들을 추출하기 위한 이 기술에 대해 서술한다. 주어진 반사 및 광선 에너지에 대해 분석 결정이 +/- 1/2 DW를 나타내는 각으로 설정될 때, 락킹 곡선의 경사는 상대적으로 일관되며, 다음 식에 나타난 바와 같이 2개 항의 테일러 급수 근사로서 표현될 수 있다.
Figure pct00001
만일 분석 결정이 락킹 곡선(rocking curve)의 낮은 각도 방면(-1/2 DW)으로 설정되면, 결과적인 영상 강도는 아래 식으로 표현될 수 있다.
Figure pct00002
높은 각도 위치(+1/2 DW)로 설정된 분석 결정에 의해 얻어진 영상에 대해 기록된 강도는 아래 식으로 표현될 수 있다.
Figure pct00003
이 식들은 다음 식에 의해 표현되는 Z-방향에서 관측된 각(DqBZB)에 대한 외관상 흡수(IBRB) 및 굴절에 의한 강도 변화들로 풀이될 수 있다.
Figure pct00004
Figure pct00005
이 식들은 DEI 외적 흡수 및 굴절 영상으로서 알려진 것들로 두 콘트라스트 요소를 분리하기 위해 픽셀 단위의 높고 낮은 각도 영상들에 적용될 수 있다. 그러나, DEI 외적 흡수 및 굴절 영상을 생성하는데 사용되는 단일 지점 락킹 곡선 영상들 각각이 유용하다는 것에 주목하는 것은 중요하다.
위에서 언급된 것처럼, 현재 DEI 시스템들은 X-선 광선을 만들기 위한 싱크로트론을 포함한다. 싱크로트론 기반의 DEI 시스템은 수년간 인상적인 결과들을 제공해왔다. 그러나 싱크로트론들은 크고 비싼 장비이며, 의료적 또는 산업적 응용 중 어느 하나에 대해서는 실용적이지 않다. 콘트라스트의 극적 증가 및 조사선량의 감소가 주어진다면, 광범위한 임상적 사용을 위한 DEI 시스템의 가능성을 증가시키는데 도움이 될 수 있다.
임상적 DEI 영상 장치의 발달은 다음과 같은 이유들 때문에 일반적으로 여성들의 건강 및 의료 촬영에 있어서 중요할 수 있다. (1) DEI는 유방암의 정의 및 발견에 가장 중요한 특징들에 대해 매우 높은 콘트라스트를 만들어 왔다. (2) DEI 물리학은 흡수 단독으로 사용되는 것보다 높은 X-선 에너지에서 촬영하는 것을 허용한다. (3) 흡수되는 광자를 필요로 하지 않고 콘트라스트를 생성하는 DEI의 능력은 극적으로 이온화를 감소시키고, 그러므로 흡수되는 조사선량을 감소시킨다.
나아가, 스크린-필름 유방 조영술은 지난 40년간 폭넓게 연구되어 왔고, 매우 많은 무작위 촬영 사례 덕분에, 대략 18~30%정도 유방암 사망률을 감소시킨다는 것이 알려졌다. 지난 수년간 유방암 사망률은 이 촬영 시험의 광범위한 사용 덕에 감소하기 시작했다. 그러나, 표준 스크린-필름 유방 조영술은 완벽하게 민감하지도 않고 정확도가 높지도 않다. 밀도 높은 유방 조직과 종양을 가진 유방의 산란된 관련물은 유방 조영술 촬영의 민감도를 감소시키는 경향이 있다. 밀도 높은 유방들을 가진 여성들에 있어서, 그것들의 광자를 흡수하는 능력이 주위의 지방질 조직보다 매우 크지는 않기 때문에, 발달하는 병소에서 시각화를 위한 작은 콘트라스트를 생성하는 것을 발견하는 것은 어렵다. 대략적으로 자가 검진 또는 물리적 검진에 의해 발견되는 유방암의 10~20%는 화면-막 유방 조영술에 의해 보이지 않는다. 게다가 병소가 유방 조영술 및 생체 검사에 의해 발견될 때, 단지 병소의 5~40%만이 악성인 것으로 판명된다. 나아가, 대략적으로 유방암의 30%는 이전의 유방 조영술을 되돌려 보았을 때 볼 수 있다.
현재 DEI 및 DEI 영상화 처리 기술은 종래의 촬영 이론에 강하게 기초하고 있고, 최소한 부분적으로는 영상 생성을 위한 X-선 흡수에 의존한다. 조사선량에 대한 주의가 필요한 의학적 촬영을 위한 응용 분야에서는 그와 같은 방사선 노출은 바람직하지 않고, 이러한 논거는 임상 및 산업적 변형을 어렵게 만드는 상당한 공학적 한계를 둔다. 그러므로, 고품질의 영상을 만들고, 방사선 흡수에 덜 의존하지만 동등한 진단 품질 및 특징 시각화를 갖는 영상을 생성하는 DEI 및 DEI 기술을 제공하는 것이 바람직하다.
따라서, DEI 및 DEI시스템과 연관된 바람직한 향상의 관점에서, 향상된 DEI, DEI 시스템 및 물체의 영상 감지를 위한 관련된 방법에 대한 수요가 존재한다.
본 발명의 목적은 다파장 산포를 갖는 X-선 빔으로부터의 다중 빔 촬영을 이용한 물체 영상 감지를 위한 시스템 및 방법을 제공하는 데에 있다.
여기에 게시되는 주제는 다파장 에너지 산포를 갖는 X-선 빔을 이용하여 물체의 영상을 검출하는 시스템들 및 방법을 포함한다. 일 측면에 따르면, 여기에 게시된 주제는 물체의 영상을 검출하는 방법을 포함한다. 방법은 다파장 에너지 산포를 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 방법은 분광기들(monochromators)을 미리 설정된 위치에 위치시켜 상기 제 1 X-선 빔을 바로(directly) 포착하여, 미리 설정된 에너지 레벨을 갖는 제 2 방사형 X-선 빔을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 물체를 통한 상기 제 2 X-선 빔들의 전송을 위해 그리고 전송된 X-선 빔들을 상기 물체로부터의 방사(emitting)를 위해 상기 제 2 X-선 빔들의 경로에 상기 물체가 위치될 수 있다. 상기 전송된 X-선 빔은 분석 결정의 입사각으로 유도될 수 있다. 또한, 상기 분석 결정으로부터 회절되는 빔으로부터 상기 물체의 영상이 검출될 수 있다.
다른 측면에 따르면, 여기에 게시된 주제에 따른 방법은 다파장 에너지 산포를 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제 1 X-선 빔의 일부는 차단되고, 상기 제 1 X-선 빔은 시준된 팬 빔(fan beam)이도록, 상기 제 1 X-선 빔의 일부는 차단될 수 있다. 미리 설정된 에너지 레벨을 갖는 제 2 X-선 빔이 생성되도록 분광 결정이 미리 설정된 위치에 위치되어 상기 시준된 팬 빔을 포착할 수 있다. 상기 방법은 물체를 통해 상기 제 2 X-선 빔의 전송 및 전송된 X-선 빔의 상기 물체로부터의 방사를 위해 상기 제 2 X-선 빔의 경로에 상기 물체가 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 상기 전송된 X-선 빔을 분석 결정의 입사각으로 유도하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 분석 결정으로부터 회절된 빔으로부터 상기 물체의 영상을 획득하는 것을 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 여기에 게시된 주제에 따른 방법은 X-선 점 소스로부터 서로 다른 방향들로 방사하는 복수의 X-선 빔들을 생성함으로써 다파장 에너지 산포를 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 미리 설정된 에너지 레벨을 갖는 제 2 X-선 빔이 생성되도록 상기 제 1 X-선 빔을 포착하는 분광 결정을 미리 설정된 위치에 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 상기 물체를 통한 상기 제 2 X-선 빔의 전송 및 전송된 X-선 빔의 상기 물체로부터의 방사를 위해 상기 물체를 상기 제 2 X_선 빔의 경로에 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 상기 전송된 X-선 빔은 분석 결정의 입사각으로 유도될 수 있다. 또한, 상기 방법은 상기 분석 결정으로부터 회절되는 빔으로부터 상기 물체의 영상을 검출하는 것을 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 여기에 게시된 주제에 따른 방법은 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들을 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들을 갖는 제 2 X-선 빔이 생성되도록 상기 제 1 X-선 빔을 차단하도록 미리 설정된 분광 결정을 위치시키는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 상기 제 2 X-선 빔의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들 중 하나를 선택적으로 차단하고, 상기 제 2 X-선 빔의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들 중 차단되지 않은 하나를 통과시키는 것을 포함할 수 있다. 물체는 상기 제 2 X-선 빔의 차단지 않은 특성 방사 라인의 상기 물체를 통한 전송 및 전송된 X-선 빔의 상기 물체로부터의 방사를 위해 상기 제 2 X-선 빔의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들 중 차단되지 않은 하나의 경로에 위치될 수 있다. 상기 방법은 상기 전송된 X-선 빔을 분석 결정의 입사각으로 유도하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 상기 방법은 상기 분석 결정으로부터 회절된 빔으로부터 상기 물체의 영상을 검출하는 것을 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 여기에 게시된 주제에 따른 방법은 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들을 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들을 갖는 제 2 X-선 빔이 생성되도록 상기 제 1 X-선 빔을 포착하도록 분광 결정이 미리 설정된 위치에 위치될 수 있다. 또한, 상기 방법은 상기 제 2 X-선 빔의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들의 상기 물체를 통한 전송 및 전송된 X-선 빔의 상기 물체로부터의 방사를 위해 상기 제 2 X-선 빔의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들의 경로에 상기 물체가 위치될 수 있다. 상기 전송된 X-선 빔은 분석 결정의 입사각으로 유도될 수 있다. 상기 방법은 분석 결정으로부터 회절되는 빔으로부터 상기 물체의 영상을 검출하는 것을 포함할 수 있다.
다른 특면에 따르면, 게시된 것은 물체의 영상을 검출하는 방법이다. 상기 방법은 다파장 에너지 산포를 갖는 적어도 하나의 X-선 빔을 생성하는 것, 각각 하나 또는 그 이상의 결정들을 포함하는 둘 또는 그 이상의 분광기들을 미리 설정된 위치에 위치시켜 상기 제 1 X-선 빔을 바로 포착하여, 각각 미리 설정된 에너지 레벨을 갖는 제 2 방사형 X-선 빔들을 생성하는 것, 상기 물체를 통한 상기 제 2 X-선 빔들의 전송을 위해 상기 제 2 X-선 빔들의 경로에 상기 물체를 위치시키고 복수의 전송된 X-선 빔들을 상기 물체로부터 방사하는 것, 상기 전송된 X-선 빔들 각각을 분석 결정 어레이 내의 대응하는 분석 결정의 입사각으로 유도하는 것, 그리고 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔들로부터 상기 물체의 영상을 검출하는 것을 포함한다.
다른 측면에 따르면, 게시된 것은 물체의 영상을 검출하는 다중 빔(beam) 회절 강화(enhanced) 촬영 시스템이다. 상기 시스템은 다파장 에너지 산포를 갖는 제 1 방사형(divergent) X-선 빔을 생성하도록 구성되는 X-선 소스, 각각 하나 또는 그 이상의 결정들을 포함하고 미리 설정된 위치에 위치되어 상기 제 1 X-선 빔을 바로 인터셉트하여 각각 물체를 통해 전송되기 위한 미리 설정된 에너지 레벨을 갖는 복수의 제 2 방사형 X-선 빔들을 생성하는 둘 또는 그 이상의 분광기, 각각 분석 결정의 입사각으로 전송되는 X-선 빔을 포착하도록 위치되는 복수의 분석 결정들, 그리고 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔들로부터 물체의 영상을 검출하도록 구성되는 영상 검출기를 포함한다.
다른 측면에 따르면, 게시된 것은 물체의 영상을 검출하는 방법이다. 상기 방법은 다파장 에너지 산포를 갖는 적어도 하나의 X-선 빔을 생성하는 것, 상기 제 1 X-선 빔의 일부를 차단하여 상기 제 1 X-선 빔이 시준된 팬 빔이 되는 것, 각각 하나 또는 그 이상의 결정들을 포함하는 둘 또는 그 이상의 분광기들을 미리 설정된 위치에 위치시켜 상기 시준된 팬 빔을 바로 포착하여, 각각 미리 설정된 에너지 레벨을 갖는 제 2 방사형 X-선 빔들을 생성하는 것, 상기 물체를 통한 상기 제 2 X-선 빔들의 전송을 위해 상기 제 2 X-선 빔들의 경로에 상기 물체를 위치시키고 복수의 전송된 X-선 빔들을 상기 물체로부터 방사하는 것, 상기 전송된 X-선 빔들 각각을 분석 결정 어레이 내의 대응하는 분석 결정의 입사각으로 유도하는 것, 그리고 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔들로부터 상기 물체의 영상을 검출하는 것을 포함한다.
다른 측면에 따르면, 게시된 것은 물체의 영상을 검출하는 다중 빔 회절 강화 촬영 시스템이다. 상기 시스템은 다파장 에너지 산포를 갖는 제 1 방사형 X-선 빔을 생성하도록 구성되는 X-선 소스, 상기 제 1 X-선 빔이 시준된 팬 빔 어레이가 되도록 상기 제 1 X-선 빔의 일부를 차단하도록 위치되는 어레이 시준기, 각각 하나 또는 그 이상의 결정들을 포함하고, 미리 설정된 위치에 위치되어 상기 시준된 팬 빔을 바로 차단하여, 각각 물체를 통해 전송되기 위한 미리 설정된 에너지 레벨을 갖는 복수의 제 2 방사형 X-선 빔들을 생성하는 둘 또는 그 이상의 분광기, 각각 분석 결정의 입사각으로 전송되는 X-선 빔을 포착하도록 위치되는 복수의 분석 결정들, 그리고 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔들로부터 물체의 영상을 검출하도록 구성되는 영상 검출기를 포함한다.
다른 측면에 따르면, 게시된 것은 물체의 영상을 검출하는 방법이다. 상기 방법은 X-선 점 소스로부터 서로 다른 방향들로 산개하는 복수의 X-선 빔들을 생성함으로써 다파장 에너지 산포를 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하는 것, 각각 하나 또는 그 이상의 결정들을 갖는 둘 또는 그 이상의 분광기들을 미리 설정된 위치에 위치시켜 상기 제 1 X-선 빔을 포착하고, 각각 미리 설정된 에너지 레벨을 갖는 복수의 제 2 방사형 X-선 빔들을 생성하는 것, 상기 물체를 통해 상기 제 2 X-선 빔들을 전송하기 위해 상기 제 2 X-선 빔들의 경로에 상기 물체를 위치시키고 상기 물체로부터 복수의 전송된 X-선 빔들을 방사하는 것, 대응하는 분석 결정들의 어레이의 입사각으로 상기 전송된 X-선 빔들 각각을 유도하는 것; 그리고 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔들로부터 상기 물체의 영상을 검출하는 것을 포함한다.
다른 측면에 따르면, 게시된 것은 물체의 영상을 검출하기 위한 다중 빔 회절 강화 촬영 시스템이다. 상기 시스템은 X-선 점 소스로부터 서로 다른 방향들로 산개하는 복수의 X-선 빔들을 생성함으로써, 다파장 에너지 산포를 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하도록 구성되는 X-선 튜브, 각각 하나 또는 그 이상의 결정들을 갖고, 각각 미리 설정된 위치에 위치되어 상기 제 1 X-선 빔을 인터셉트하여, 각각 물체를 통해 전송되기 위한 미리 설정된 에너지 레벨을 갖는 복수의 제 2 방사형 X-선 빔들을 생성하는 둘 또는 그 이상의 분광기들, 각각 분석 결정의 입사각으로 전송된 X-선 빔을 포착하도록 위치되는 복수의 분석 결정들, 그리고 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔들로부터 물체의 영상을 검출하도록 구성되는 영상 검출기를 포함한다.
다른 측면에 따르면, 게시된 것은 물체의 영상을 검출하는 방법이다. 상기 방법은 X-선 소스로부터 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들을 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하는 것, 각각 하나 또는 그 이상의 결정들을 포함하는 둘 또는 그 이상의 분광기들을 미리 설정된 위치에 위치시켜 상기 제 1 X-선 빔을 포착하고, 각각 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들을 갖는 복수의 제 2 X-선 빔들을 선택 및 생성하는 것, 상기 제 2 X-선 빔들 각각의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들 중 하나를 선택적으로 차단하고, 상기 제 2 X-선 빔들 각각의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들 중 차단되지 않은 하나가 통과하도록 허용하는 것, 상기 제 2 X-선 빔들의 차단되지 않은 특성 라인들의 상기 물체를 통한 전송을 위해 상기 제 2 X-선 빔들의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들 중 차단되지 않은 하나의 경로에 상기 물체를 위치시키고, 복수의 전송된 X-선 빔들을 상기 물체로부터 방사하는 것, 대응하는 분석 결정들의 어레이의 입사각으로 상기 전송된 X-선 빔들 각각을 유도하는 것, 그리고 상기 분석 결정들로부터 회절된 복수의 빔들로부터 상기 물체의 영상을 검출하는 것을 포함한다.
다른 측면에 따르면, 게시된 것은 물체의 영상을 검출하기 위한 다중 빔 회절 강화 촬영 시스템이다. 상기 시스템은 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들을 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하도록 구성되는 X-선 소스, 각각 하나 또는 그 이상의 결정들을 포함하고, 각각 미리 설정된 위치에 위치되어 상기 제 1 X-선 빔을 포착하고, 각각 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들을 갖는 복수의 제 2 X-선 빔들을 선택 및 생성하는 둘 또는 그 이상의 분광기들, 상기 제 2 X-선 빔들 각각의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들 중 하나를 선택적으로 차단하기 위한 조절 가능한 틈(slit)을 갖고, 상기 제 2 X-선 빔들 각각의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들 중 차단되지 않은 하나가 물체를 통한 전송을 위해 통과하도록 허용하는 시준기, 각각 분석 결정의 입사각으로 전송된 X-선 빔을 포착하도록 위치되는 복수의 분석 결정들, 그리고 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔들로부터 물체의 영상을 검출하도록 구성되는 영상 검출기를 포함한다.
다른 측면에 따르면, 게시된 것은 물체의 영상을 검출하기 위한 방법이다. 상기 방법은 X-선 소스로부터 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들을 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하는 것, 각각 하나 또는 그 이상의 결정들을 포함하는 복수의 분광기들을 미리 설정된 위치에 위치시켜 상기 제 1 X-선 빔을 포착하고, 각각 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들을 갖는 복수의 제 2 X-선 빔들을 선택 및 생성하는 것, 상기 제 2 X-선 빔들의 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들의 물체를 통한 전송을 위해 상기 제 2 X-선 빔들의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들의 경로에 상기 물체를 위치시키고, 복수의 전송된 X-선 빔들을 상기 물체로부터 방사하는 것, 대응하는 분석 결정들의 어레이의 입사각으로 상기 전송된 X-선 빔들 각각을 유도하는 것, 그리고 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔들로부터 상기 물체의 영상을 검출하는 것을 포함한다.
다른 측면에 따르면, 게시된 것은 물체의 영상을 검출하기 위한 다중 빔 회절 강화 촬영 시스템이다. 상기 시스템은 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들을 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하도록 구성되는 X-선 소스, 각각 하나 또는 그 이상의 결정들을 포함하고, 각각 미리 설정된 위치에 위치되어 상기 제 1 X-선 빔을 포착하고, 각각 물체를 통한 전송을 위한 제 1 및 제 2 특성 방사 라인들을 갖는 복수의 제 2 X-선 빔들을 선택 및 생성하는 복수의 분광기들, 각각 분석 결정의 입사각으로 전송된 X-선 빔을 포착하도록 위치되는 복수의 분석 결정들, 그리고 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔들로부터 물체의 영상을 검출하도록 구성되는 영상 검출기를 포함한다.
다른 측면에 따르면, 게시된 것은 물체의 영상을 검출하기 위한 방법이다. 상기 방법은 X-선 소스로부터 Kα1 및 Kα2 특성 방사 라인들을 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하는 것, 각각 하나 또는 그 이상의 결정들을 포함하는 복수의 분광기들을 미리 설정된 위치에 위치시켜 상기 제 1 X-선 빔을 포착트하고, 각각 Kα1 및 Kα2 특성 방사 라인들을 갖는 복수의 제 2 X-선 빔들을 선택 및 생성하는 것, 상기 제 2 X-선 빔들의 Kα1 및 Kα2 특성 방사 라인들의 물체를 통한 전송을 위해 상기 제 2 X-선 빔들의 상기 Kα1 및 Kα2 특성 방사 라인들의 경로에 상기 물체를 위치시키고, 복수의 전송된 X-선 빔들을 상기 물체로부터 방사하는 것, 대응하는 분석 결정들의 어레이의 입사각으로 상기 전송된 X-선 빔들 각각을 유도하는 것, 그리고 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔들로부터 상기 물체의 영상을 검출하는 것을 포함한다.
다른 측면에 따르면, 게시된 것은 물체의 영상을 검출하기 위한 다중 빔 회절 강화 촬영 시스템이다. 상기 시스템은 Kα1 및 Kα2 특성 방사 라인들을 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하도록 구성되는 X-선 소스, 각각 하나 또는 그 이상의 결정들을 포함하고, 각각 미리 설정된 위치에 위치되어 상기 제 1 X-선 빔을 포착하고, 각각 물체를 통한 전송을 위한 Kα1 및 Kα2 특성 방사 라인들을 갖는 복수의 제 2 X-선 빔들을 선택 및 생성하는 복수의 분광기들, 각각 분석 결정의 입사각으로 전송된 X-선 빔을 포착하도록 위치되는 복수의 분석 결정들, 그리고 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔들로부터 물체의 영상을 검출하도록 구성되는 영상 검출기를 포함한다.
본 발명에 따르면, 다파장 산포를 갖는 X-선 빔으로부터의 다중 빔 촬영을 이용한 물체 영상 감지를 위한 시스템 및 방법이 제공된다.
여기에 게시된 주제의 실시 예들이 참조된 도면들을 참조하여 설명된다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시 예에 따라, 단일 분광 결정과, 피사체의 영상을 생성하기 위한 구성들을 포함하는 DEI 시스템의 상부 투시도, 측면도 들이다.
도 1d 내지 도 1e는 본 발명의 실시 예에 따른 다른 동작 모드로 작동하는 DEI 시스템을 보여주는 도면들이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고정 X-선 튜브 형태를 기반으로 하는 X-선 튜브이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 도 1a 내지 도 1e의 DEI 시스템의 탑 뷰를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 도 1a 내지 도 1e에 도시된 DEI 시스템을 사용한 물체를 영상화하는 예시적인 과정을 보여주는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 도 1a 내지 도 1e, 및 도 3의 DEI 시스템의 사이드 뷰를 나타내는 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 실시 예에 따른 부정합 분광 결정과, 물체의 영상을 생성하기 위한 장치들을 포함하는 DEI 시스템의 상부 투시도를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 도 6a 내지 도 6b에 도시된 DEI 시스템을 사용한 물체를 영상화하는 예시적인 절차들 보여주는 순서도이다.
도 8 내지 도 10은 서로 다른 파장대에서 게르마늄 [333]과 실리콘 [333] 결정들에 대한 듀몽드 다이어그램들이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 도 6a, 6b의 DEI 시스템에 포함되는 게르마늄 분광 결정 및 실리콘 분광 결정의 사이드 뷰를 보여준다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 부정합 분광 결정들과 물체의 영상을 생성하기 위한 장치들을 포함하는 DEI 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 X-선 튜브와, 스코폴드 상에 단일 분광 결정을 가지는 분광 탱크의 배열 예를 보여준다.
도 17은 여기에 게시된 주제의 실시 예에 따른 X-선 튜브의 X-선 빔 출구부의 영상이다.
도 18은 도 17에 도시된 X-선 튜브의 X-선 빔 출구 부분의 다른 영상이다.
도 19는 Al 필터, 시준기, 그리고 다른 시준기의 영상이다.
도 20은 분해되고 잘라지나 X-선 튜브의 끝에 맞도록 구부러지지 않는 쉴딩 캡의 영상이다.
도 21은 X-선 튜브의 끝으로부터 X-선 빔의 바라지 않은 방사를 막기 위하여 X-선 튜브의 끝에 있는 쉴딩 캡의 영상이다.
도 22는 분광 탱크로부터 X-선 빔들의 바라지 않은 방사를 막기 위한 납 쉴딩을 포함하는 분광 탱크의 영상이다.
도 23은 분광 탱크로부터 X-선 빔들의 바라지 않은 방사을 막기 위한 납 쉴딩을 포함하는 분광 탱크의 영상이다.
도 24는 X-선 튜브의 사이드로부터 X-선 빔의 바라지 않은 방사를 막기 위하여 X-선 튜브의 끝 근처에 위치한 쉴딩의 다른 부분의 영상이다.
도 25는 서로에 대하여 동작 위치에 있는 X-선 튜브와 분광 탱크의 영상이다.
도 26은 분광 탱크의 내부 요소들의 프런트 뷰의 영상이다.
도 27은 본 발명의 실시 예에 따른 DEI 시스템의 탑 투시도이다.
도 28은 본 발명의 실시 예에 따른 분광 결정의 사이드 뷰, 탑 뷰, 그리고 프런트 뷰를 포함하는 개략도이다.
도 29는 안쪽/바깥쪽 지역들과 치와 쎄타 회전 각들을 보여주는 분광 결정의 투시도이다.
도 30은 실리콘 [111], [3333], [444], 및 [555] 결정 회절 평면들을 사용하는 NSLS X15A hutch 내의 분광 빔 선속을 설명하는 그래프이다.
도 31은 FWHM의 감소가 락킹 커브의 기울기를 증가시키는 것을 설명하는 그래프이다.
도 32는 본 발명의 실시 예에 다른 싱크로트론 X-선 빔을 사용하는 DEI 시스템의 실험적 세트업의 개략도이다.
도 33은 여기에 게시된 본 발명에 따른 예시적 알루미늄 필터 히트싱크의 영상이다.
도 34는 24시간 주기 이상 써미스터에 의해 측정된 온도를 나타내는 그래프이다.
도 35는 예시적으로 개조된 제 2 분광기 베이스와 온도 저하를 위한 수냉을 갖는 지지 판의 오버헤드 뷰 영상이다.
도 36은 시간주기에 걸쳐 분석기 피크 위치를 나타낸 18 keV에서의 시스템 안정성 테스트의 그래프이다.
도 37은 18 keV 안정성 테스트 동안에 NSLS X-선 링 전류의 그래프이다.
도 38은 시간주기에 걸쳐 분석기 피크 위치를 보인 40 keV 시스템 안정성 테스트의 그래프이다.
도 39는 40 keV 안정성 테스트 동안에 NSLS X-선 링 전류의 그래프이다.
도 40a 내지 도 40c 는 18 keV 싱크로트론 방사선 사진, +1/2 다윈 폭 분석 결정 위치로부터 얻어진 18keV DEI 영상, 및 피크 분석 결정 위치로부터 얻어진 18 keV DEI 영상들을 각기 보여준다.
도 41a 내지 도 41c는 30 keV 싱크로트론 방사선 사진, -1/2 다윈 폭 분석 결정 위치로부터 얻어진 30 keV DEI 영상, 및 피크 분석 결정 위치로부터 획득된 30 keV DEI 영상을 각기 보여준다.
도 42a 내지 도 42c 는 피크 분석 결정 위치 내에서, 브래그 [333], 30 keV에서 획득된 MISTY 팬텀의 3가지 다른 영역들의 영상들이다.
도 43은 에너지 대 유방에서 흡수, 비간섭성 산란, 및 간섭성 산란의 기여 정도들을 보여주는 그래프이다.
도 44는 통상의 방사선 촬영 시스템에서 촬영된 하나의 예시적인 유방 견본의 영상이다.
도 45a 내지 도 45f는 여기에 게시된 주제에 따른 기술들을 이용하여, 각각 18 keV, 25 keV, 30 keV, 40 keV, 50 keV, 및 60 keV의 빔 에너지들에서 동일한 샘플에 대한 싱크로트론 방사선 사진들이다.
도 46a 내지 46f는 각각 18 keV, 25 keV, 30 keV, 40 keV, 50 keV, 및 60 keV의 MIR 빔 에너지들을 이용한 유방 견본의 영상들이다.
도 47a 내지 도 47f는 각각 18 keV, 25 keV, 30 keV, 40 keV, 50 keV, 및 60 keV의 빔 에너지들에 대한 평균 유선 조사선량과 산포를 보여주는 그래프들이다.
도 48은 여기에 게시된 주제에 따라서 MIR를 위해 사용된 에너지 대 X-선 빔 에너지를 보여주는 그래프이다.
도 49는 MIR를 이용한 섬유 직경의 평가를 나타내는 영상이다.
도 50은 나일론 섬유 굴절 프로파일을 보여주는 그래프이다.
도 51은 직경 조절(교정)에 적합한 MIR 굴절을 보여주는 그래프들이다.
도 52a 내지 52c는 유방암 견본들의 MIR 굴절 영상들이다.
도 53은 여기에 게시된 주제에 따른 DEI 시스템에 의해서 얻어진 국부적인 유방암 덩어리 및 침골 모양의 MIR 세트의 영상이다.
도 54a 내지 54e는 통상의 방사선 사진과 비교하여 DEI에서 소섬유의 시각화를 보여주는 영상들이다.
도 55a 내지 도 55c는 여기에 게시된 주제의 실시 예에 따른 컴퓨터 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션된 DEI 시스템을 보여주는 개략도이다.
도 56은 여기에 게시된 주제의 실시 예에 따른 DEI 분광 결정에 연결된 로그-나선 초점 소자의 투시도이다.
도 57은 카우스틱에서 소스와 함께 로그-나선 소자의 영향을 집중하는 것을 보여주는 투시도이다.
도 58a 및 도 58b는 각각 실험적 연구를 위한 특성화 시스템의 평면도 및 정면도이다.
도 59는 다이렉트 X-선 전하 변환 검출기(일반적으로 5900으로 표시됨)의 개략도이다.
도 60a 및 도 60b는 각각 여기에 게시된 주제들에 따른 싱크로트론 기반 시스템 및 X-선 튜브 기반 시스템에 의해 생성된 동일한 나일론 섬유 영상이다.
도 61은 여기에 게시된 주제에 따른 기술을 사용하는 도 44 및 도 45a 내지 도 45f에 도시된 동일한 유방 조직의 싱크로트론 굴절 영상이다.
도 62a 및 도 62b는 각각 여기에 게시된 주제에 따른 X-선 튜브 및 싱크로트론을 사용하여 획득된 유방 조직의 동일한 영역의 영상들이다.
도 63은 여기에 게시된 주제에 따른 X-선 튜브를 이용하여 획득된 유방암 절제 표본의 영상이다.
도 64 및 65는 본 발명의 실시 예에 따른, 복수의 분광 결정을 포함하고 물체의 영상들을 생산하도록 동작할 수 있는 멀티 빔 시스템의 개략도이다.
여기에 게시된 주제는 다파장 산포를 갖는 X-선 광선으로부터의 다중-빔 영상화를 사용하여 물체의 영상을 감지하는 시스템 및 방법을 포함한다. 특히, 여기에 게시된 주제는 개량된 DEI와 DEI 시스템 및 물체의 영상을 감지하기 위한 관련된 방법을 개시한다.
일 측면에 따르면, 여기에 게시된 주제는 물체의 영상을 감지하는 방법을 포함할 수 있다. 상기 방법은 다파장 에너지 산포를 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 나아가, 상기 방법은 미리 설정된 에너지 수준을 갖는 제 2 X-선 빔을 생산하도록 상기 제 1 X-선 빔을 포착하기 위해(intercept) 분광 결정을 미리 설정된 위치에 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 나아가, 물체는 상기 제 2 X-선 빔의 상기 물체를 통한 전송 및 전송된 X-선 빔으로서 상기 물체로부터의 방출을 위해 상기 제 2 X-선 빔의 경로에 배치될 수 있다. 상기 전송된 X-선 빔은 결정 분석기에 대한 입사 각도로 향할 수 있다. 나아가, 상기 물체의 영상은 상기 분석 결정으로부터의 회절된 빔으로부터 감지될 수 있다.
이 시스템들 및 방법들은 예를 들어, 그것들이 의학적 응용에서의 극단적으로 낮은 조사선량, 빠른 스캔 시간, 높은 해상도, 상대적으로 낮은 동작과 설치 비용들을 제공할 수 있기 때문에 모범적일 수 있다.
여기에 게시된 주제에 따른 DEI를 이용한 영상화 처리 기술은 물체의 겉보기 흡수 및 굴절 열상을 생성하기 위하여 락킹 곡선의 대칭 점들에서 얻어진 영상들을 사용할 수 있다. DEI 겉보기 흡수(apparent absorption) 영상은 종래의 방사선 촬영 영상과 유사하지만, 산란 소멸 때문에 훨씬 큰 콘트라스트를 보여준다. DEI 굴절 영상들은 대규모의 굴절 지수 특성에 의해 초래된 작은 빔 편향들의 크기를 묘사할 수 있다. DEI 소멸 영상은 콘트라스트의 주요한 기제가 마이크로라디안 정도의 물체에 의해 산란되는 광자 때문인 락킹 곡선의 지점들에서 생성된다. 또 다른 DEI 기반 촬영 처리 기술은 물체의 X-선 흡수, 굴절 및 초소각도 산란을 나타내는 정량적인 영상들을 생성하기 위해 락킹 곡선상의 다중 점을 사용하는 다중 영상 촬영(MIR)이라 한다.
여기에 게시된 주제에 따른 시스템들 및 방법들은 분석 락킹 곡선상의 어떤 지점에서 영상들을 생성할 수 있고, 그러므로 (1) 어떤 분석기 위치에서 단일 영상 DEI (2) DEI 겉보기 흡수 및 굴절 영상들 (3) MIR 흡수, 굴절, 산란 영상들 및 (4) 고밀도 영상들을 생성할 수 있다. 이 과정들 및 어떤 다른 DEI 기반 처리 기술을 위해 요구되는 원시 영상 데이터를 생성하는 능력은 모든 DEI반 처리 기술들에 유용하다. 게다가, 여기에 설명된 시스템들 및 방법들은 컴퓨터 단층 촬영에 잘 적용될 수 있고, 원시 데이터를 어떤 DEI-기반 컴퓨터 단층 촬영 알고리즘에서의 사용에 제공할 수 있다.
물질과의 광자 상호 작용
이 부분은 X-선 생성, 포토닉스 및 물질과의 광자 상호 작용에 대한 개요를 제공한다. 나아가 이 부분은 X-선 흡수, 굴절 및 산란의 물리적 기제들과 그것들이 DEI 및 DEI 영상 처리 방법들과 어떻게 관련되는지를 설명한다. 에너지 퇴적(energy deposition), 조사선량 측정 및 방사능 노출의 관련된 건강에의 영향에 대한 주제들이 또한 논의된다.
방사선 촬영에서의 가장 중요한 근본적인 물리적 상호작용들 중의 하나는 광전 효과이다. X-선 영상화에 대한 이 이론의 응용은 종래의 방사선 촬영에서 콘트라스트가 어떻게 얻어지는 지를 설명하도록 돕는다. 유방 조직과 같은 물체를 통과하는 X-선들은 전자를 가격하고 그것의 에너지를 그 궤도의 결합 에너지보다 높은 수준까지 올린다. 이것이 발생하면, 전자는 핵의 인력을 극복할 충분한 에너지를 가질 것이고 입사 광자의 에너지에서 전자의 결합에너지를 뺀 것과 같은 전체 에너지를 가지고 원자를 떠날 것이다. 생물학적 조직들에서, 입사 X-선들은 돌연변이 및 다른 유해한 영향들을 초래하는 DNA와 다른 세포 조직들과 상호 작용할 수 있는 직접 또는 간접 자유 라디칼 구조를 유발할 수 있다. 이 상호작용의 긍정적 측면은 X-선 광자의 에너지가 전자로 전달되는 것이고, 이는 그 에너지가 영상화 시스템의 필름 또는 감지기와 만나지 않을 것임을 의미한다. 물체를 통하여 전송되는 X-선 양의 감소는 X-선 감쇠라 불리고, 종래 촬영에 있어서 이 과정의 주요한 요소는 광전 효과를 통해 흡수를 끝마친다.
매 단위 물질당 발생하는 광전 흡수의 가능성은 ZP3P/EP3 에 비례하고, 여기서 Z는 원자 번호이고, E는 입사 광자의 에너지이다. 의학적 촬영에 있어서, 상기 식은 종종 빔 에너지의 영향을 반사하기 위해 광전 흡수의 가능성이 1/EP3에 비례하게 되도록 단순화된다. 종래 방사선 촬영에서의 콘트라스트는 흡수에 기초하기 때문에, 흡수 콘트라스트는 보다 높은 에너지 수준에서 급격히 감소될 것이다. 이러한 경향의 예외는 각 요소에 특유한 특징적인 에너지인 원자의 K-흡수 경계에서 발생한다. 광전 상호작용이 발생할 가능성은 입사 광자 에너지가 K-흡수 에너지 또는 K-경계 바로 아래일 때 상당히 증가한다.
광전 효과 흡수는 보다 높은 원자 번호 및 보다 낮은 빔 에너지와 함께 증가하기 때문에, 유방 조직을 영상화하는 것은 힘든 시도가 된다. 부드러운 조직에서의 주요한 요소들의 대부분은 산소, 탄소, 질소 및 산소로 구성되고, 그것들 전부는 상대적으로 낮은 원자 번호들과 1keV이하의 흡수 경계들을 갖는다. 유방 조직의 부드러운 조직을 구성하는 주요한 요소들의 상대적으로 낮은 평균 원자 번호 및 낮은 흡수 에너지 양자는 양성과 악성 특질들 사이의 차이를 결정하는 것을 힘들게 만들고, 특히 병의 초기 단계에서는 더욱 그러하다.
종래의 X-선 생성에 내재한 물리적 상호작용은 독일어로 "정지하는 방사선"이라고 하는 제동 복사(bremssstrahlung radiation)의 상호작용이다. 촬영 시스템에서 사용되는 비 상대론적인 속도들에서 전자는 전압을 통해 가속되고, 아래 식에 의해 정의되는 운동 에너지를 갖는다.
Figure pct00006
X-선 튜브의 양극과 같은, 금속에서 방출된 전자들은 그들이 밀집한 원자를 통과할 때 굴절될 수 있고, 급격히 감속될 수 있다. 전자는 통과하는 전자가 핵에 얼마나 가까운지에 의존하는 에너지 손실로서 0부터 전체 합이 KE인 범위에서 에너지들을 방출할 수 있다. 낮은 에너지 방출을 야기하는 굴절은 큰 에너지 방출을 야기하는 굴절보다 훨씬 높은 가능성을 가진다. 높은 전위에서 가속되고 속도에서 상당한 감소를 야기하는 핵과의 강한 상호작용을 갖는 전자들은 에너지 스펙트럼의 X-선 대역에서 광자의 방출을 야기한다. 진단 X-선 튜브에서 생성된 X-선의 주 원천은 제동 복사 방사선으로부터 온다.
원자와 상호작용하는 가속된 전자는 특성 X-선으로 알려진, 상기 물체의 원자적 성질에 주로 기반하는 X-선의 또 다른 전형을 생산할 수 있다. 가속된 전자가 원자 궤도에서 전자를 만나면, 그것의 에너지의 일부는 전달될 수 있고 충격된 전자를 보다 높은 에너지 수준으로 올릴 수 있다. 전달된 에너지가 충격된 전자의 결합 에너지보다 크거나 같다면, 상기 충격된 전자의 방출은 발생한다. 만일, 이 전자들 중의 하나를 방출하는 상호 작용이 발생하면, 보다 높은 에너지 수준으로부터 전자는 차이를 메우기 위해 떨어질 것이다. 이 전자들은 높은 에너지 수준에서 낮은 에너지 수준으로 가고 있기 때문에, 에너지 수준에서의 변화는 에너지 방출을 수반한다. 제 2 에너지 수준에서 제 1 에너지 수준(n=2 to n=1)으로의 전자 천이는 KBa X-선이라 한다. 제 3 에너지 수준으로부터 제 1 에너지 수준(n=3 to n=1)으로의 천이는 KBbB X-선이라 한다. 이러한 전자 충돌에 기초하여 발생할 수 있는 다수의 천이가 있지만, 특성 X-선을 생성하는 상호작용은 보다 낮은 원자 에너지 수준에서의 천이에 의해 생산된다.
X-선 목표의 에너지 출력 스펙트럼은 사용되는 금속의 성질에 의존할 것이다. 특별한 촬영 응용을 위해 필요한 평균 에너지를 결정하는 것은 목표를 선택하는데 있어 중요하다. 단색 X-선을 이용하는 응용에 있어서, 목표에 의해 생산된 특성 X-선들은 특별히 중요하다.
X-선 흡수에 관해서, X-선 광자가 물질을 만날 때, 상기 상호작용은 흡수된 X-선 부분 및 전송된 부분과 함께 입사 X-선의 감쇠를 초래한다. X-선 감쇠는 전자 밀도 및 물체의 평균 원자 번호에 기초한 광자 강도에서의 손실이다. X-선 산란도 또한 광자가 물질을 통과하고 강도에서 손실을 초래할 때 발생할 수 있지만, 이 요소는 종래의 방사선 촬영에서는 측정하기가 어렵다. 광자가 두께 X의 물체를 통과할 때 흡수되는 광자의 양을 정하는 것은 입사 광선에 있는 광자의 수(IBoB)에 비해 전송되는 광자(IBtB)가 얼마나 많은 지에 의해 결정된다. 광자들이 물질을 통과할 때, 광자가 감쇠되는 정도는 측정될 수 있는 물질적 특성이고, cmP-1단위를 갖는 감쇠 계수(m)로 불린다. 선형 감쇠 계수들에서의 차이는 높고 낮은 감쇠 영역에서 가장 높은 콘트라스트를 갖는 X-선 영상 콘트라스트를 허용한다.
선형 흡수 계수는 횡단하는 물질의 밀도에 비례하고, 표로 작성된 값은 종종 m/r로서 같이 표현된다. 이 값은 집합 흡수 계수로 불리고 물질의 물리적 상태(고체, 액체 또는 기체)에 독립적이다.
빛이 어떤 매질에서 또 다른 매질로 진행할 때 빛의 굴절은 빌레브로드 스넬에 의해 최초로 발견되었고, 이 과정을 정의하는 법칙은 스넬의 법칙으로 알려져 있다. 수학적으로, 이 관계는 다음 식에 의해 정의된다.
Figure pct00007
여기서 입사 매질은 매질 1이고, 굴절 매질은 매질 2이다.
한 매질에서 다른 매질로 진행하는 전자기파의 통과는 매질을 통과하는 가시 광선과 유사하고, 지수 차에 의존하는 편차를 가진다. 가시 광선의 전형적 예를 이용하면, 한 굴절 지수로부터 더 높은 지수를 가진 매질로 이동하는 빛은 굴절될 수 있다. 이 예는 일반적으로 가시 광선의 굴절을 설명하는데 사용되지만, 그 법칙은 또한 X-선에 대해서도 적용된다. 그러나, X-선에 있어서, 복소 굴절 지수들의 실수부들은 1 보다 작고 다음 식에 의해 표현될 수 있다.
Figure pct00008
고 에너지 X-선과 낮은 평균 원자 번호를 갖는 물질을 사용하였을 때, δ에 대한 근사식이 다음 식에 의해 제공된다.
Figure pct00009
여기서, N은 표본 물질의 단위 부피당 전자의 수이고, re는 전형적인 전자의 반지름이며, l는 X-선의 파장이다. 이 식들을 사용하면, 별개의 굴절 지표들을 갖는 두 영역 사이의 선형 인터페이스를 보여줄 수 있고, 입사 광자는 다음 식에 의해 근사화된 각도 △θ로 편향될 것이다.
Figure pct00010
광자는 그들이 물체를 만났을 때 주로 세 가지 현상들을 겪을 수 있다: 그들은 어떤 상호작용 없이 통과할 수 있고, 그들은 광전 효과를 통해 흡수될 수 있고, 또는 그들은 산란 현상을 겪을 수 있다. 그것의 가장 일반적인 정의에 있어, 산란은 또 다른 물체와의 상호작용에 버금가는 광자 경로상의 각 편차이다. 광자 및 광자가 진행하는 매질의 특성과 광자가 만나는 물체의 성질은 상호 작용의 결과에 깊은 영향을 갖는다.
에너지의 손실이나 전달 없이 발생하는 상호작용들은 탄력적이고, 입사 광자에서의 관련된 에너지 손실 없이 발생하는 X-선 상호작용들은 탄력적 산란 또는 간섭성 산란으로 불린다. 간섭성 산란 현상에서, 주된 X-선 광자의 에너지는 먼저 완벽하게 흡수되고 그 다음 단일 원자의 전자들에 의해 재-방출된다. 상기 상호 작용에는 어떤 에너지 순 손실도 없지만, 상기 광자 재-방출의 방향은 완전히 임의적이다. 의학적 영상화에 있어서, 간섭성 산란 상호작용들은 광전 상호작용 또는 에너지 손실을 가지고 발생하는 산란 현상,비간섭성 산란으로서 알려진, 보다 훨씬 덜 중요하다.
진단적 촬영에 사용되는 에너지 범위들에 있어서, 지배적이고 종종 문제가 있는 산란 상호작용은 비간섭성 산란이다. 이 효과는 콤프턴 산란으로서 알려져 있다. 콤프턴 산란 상호작용은 X-선 광자와 원자의 외곽 에너지 수준에 있는 전자 사이의 충돌로서 설명될 수 있다. 외곽 전자를 결합하는 에너지는 매우 작고, 상기 광자와 상기 전자 사이의 상호작용에서 손실된 에너지 전부는 상기 전자에 운동 에너지로서 전달된다. 이 에너지 전달은 감소된 에너지 또는 증가된 파장을 갖는 광자 및 원자로부터 충격된 전자의 방출을 야기한다. 상기 충돌에 있어서 에너지와 운동량 양자는 정반대가 되고, 그래서 산란된 광자의 에너지와 각도 편차는 전자에 전달된 에너지의 양에 의존할 것이다. 파장에서의 상기 변화를 설명하기 위해 사용되는 콤프턴 산란 방정식은 다음 식에 의해 제공된다.
Figure pct00011
여기서, l는 입사 광자 파장이고, l'는 산란된 광자 파장이다.
고 에너지 X-선 광자들은 전형적으로 소량의 에너지를 전달하고, 상기 광자의 초기 궤도에 비해 산란 각도를 작게 만든다. 역으로, 저 에너지 X-선 광자의 산란은 보다 등방성 성질을 가진다. 종래 방사선 촬영에서의 문제점은 진단 촬영에 사용되는 저 에너지 X-선이 등방성으로 산란되는 동안에, 감지되는 산란된 광자들이 직진하는 것이다. 이 산란된 광자들은 영상을 생성하는 데 사용되도록 희망되는 광자들과 비교하였을 때 유사한 에너지 및 방향을 가질 수 있다. 에너지 및 방향에서의 상기 유사성은 반-산란 격자 및 에너지 필터에 의한 산란 광자들의 제거를 어렵게 한다. 이러한 이유에서, 콤프턴 산란은 결과적인 영상을 흐려지게 함으로써 해상도 및 콘트라스트를 감소시킬 수 있다. 방사선 촬영에 미치는 콤프턴 산란의 영향을 감소시키기 위해 기발한 방법들이 사용되어 왔지만, 어떤 종래의 X-선 촬영 기술도 이 영향을 완전히 제거하는데 성공적이지 못했다.
이온화 방사선을 사용하는 촬영 시스템의 사용 및 개발은 물체 또는 환자의 내부 구조를 시각화하는데 사용되는 전자기 방사선에 의해 가능하고 근거가 있게 된다.다. X-선 촬영은 가장 일반적으로 사용된 이온화 영상화 양식이지만, 다른 해부학적 및 기능적 촬영 양식들이 진단 정보를 얻기 위해 이온화 방사선을 사용한다. 이온화 방사선 사용의 불가피한 결과는 이온화 방사선의 사용과 연관된 조사선량이므로, 측정된 조사선량이 얼마인지 및 관련된 건강 영향들에 대한 이해가 필수적이다. 다른 측정 시스템과 함께, 방사선 노출량의 정함은 많은 단위들 및 방법들을 만들어내며 발전하고 변화해 왔다.
조사선량은 대상 혹은 물체에 의해 흡수되거나 대상 혹은 물체에 노출되는 방사선의 양으로서 정의된다. 뢴트겐은 X-선 또는 감마 방사선에 의해 대기 중에서 생산되는 이온화를 측정하기 위한 노출량의 단위이다. 뢴트겐의 관점에서 노출을 결정하는 것은 대기의 용적에 있는 광자들에 의해 자유화된 모든 전자들이 대기 중에서 완전히 정지된 때 대기 중에서 생산되는 한 부호의 모든 이온들에 있는 전기적 전하의 합을 상기 용적에 있는 대기의 양으로 나눈 값을 결정하는 것과 관련된다. 1 뢴트겐(R)은 대기 1 킬로그램마다 X-선 또는 감마선에 의해 생산되는 2.58 x 10P-4P 쿨롱 전하로서 정의된다. 뢴트겐은 또한 표준 온도 및 압력하의 건조한 대기 1cc에서 1 esu (2.08 x 10P9P 이온 쌍들)전하를 생산하는 X-선 또는 감마 방사선의 양으로서 정의된다. 뢴트겐의 사용은 X 및 감마 방사선을 측정하는데 제한적이고, 보다 중요하게 뢴트겐은 흡수된 조사선량의 척도가 아니다. 그것의 사용은 의학적 영상화 장치에 있어 일반적이지 않지만, 대기 이온화의 측정은 다른 분야에서 여전히 폭넓게 사용되기 때문에 뢴트겐의 사용은 지속되고 있다.
좀더 유용한 방사량 척도로는 타깃이나 물체에 흡수된 조사선량을 고려해야 하는 생체 촬영 장비에서 주로 고려된다. 즉, 라드(rad) 단위이다. 1 라드는 1g의 조직에 흡수되는 100 erg의 에너지에 해당한다. 국제적으로 공인된 방사선의 흡수 단위는 그레이(gray, 1gray = 100 rads)이다. 라드나 그레이는 조직의 그램당 흡수된 조사선량의 크기를 말할 뿐, 총 에너지의 척도는 아니다. 전달된 총 에너지를 결정하기 위해서는, 노출된 조직의 양을 알아야 한다. 라드나 그레이 단위 모두가 조사선량에 대한 흡수량의 측정 단위를 제공하지만, 여전히 전체 조직에 대한 에너지 흡수량의 측정 단위로 사용되고 있다.
방사선의 특정 방사 방식에 의한 효과를 검출하는 것과 함께, 방사선에 노출되는 조직의 종류 또한 전체 효과에 큰 영향을 미친다. 특정 종류의 조직(예를 들면, 조혈모세포, 장표피, 정자형성세포 등과 같은 세포들)은 방사선에 대해서 다른 종류의 조직들보다 더 민감하게 반응하여 빠르게 분열한다. 유효 조사선량은 조사된 조직의 종류에 대한 등가 조사선량과 조직 가중치 인자(Tissue Weighting Factor)를 사용하여 다음의 수학식과 같이 계산된다.
Figure pct00012
생명활동에 필수적인 기능을 수행하기 위하여 생명체는 세포들과 조직들에 의한 고도의 복잡한 시스템에 의존한다. 전리성 방사(Ionizing radiation)는 세포 동작을 방해하여 세포 기능을 제거하거나, 세포의 생명을 앗아갈 수 있다. 신체 내에서 분자들은 화학 결합이나, 효소나 생물학적 기구에 의해서 지지되는 상호 작용에 의해서 결합된다. 전리(이온화)에 의해서 방출되는 에너지는 화학 결합을 깨뜨릴 수 있으며, 잠재적으로는 이들 분자의 형태나 기능을 변형할 수 있다. 세포에 미치는 충격은 세포 내에서 장애가 발생한 부분과, 주어진 시간에 얼마나 많은 이벤트가 발생했는지에 달렸다.
세포 내에서 가장 민감하고 치명적인 부분이 바로 세포 복제(cellular replication), 세포 전사(transcription), 그리고 그에 따른 번역(translation)을 담당하는 DNA(deoxyribonucleic acid)이다. 만일, 전자의 방출을 유도하는 DNA 내에서 전리 작용이 발생하면, 전하가 DNA 내부에서 형성될 수 있다. 이러한 방식으로 발생하는 상호 작용은 직접 작용(Direct action)이라고도 불리며, 전리 작용은 DNA 내부에서 또는 이웃하는 분자로부터의 영향에 의해서 직접적으로 발생한다. X-선에 의해 이탈된 전자가 물분자와 충돌할 때 발생하는 유리 라디칼 발생의 2/3는 간접적 작용으로 분류되고 있다. 이러한 작용은 물분자를 이온화시키고, 유리 라디칼을 발생하는 단계들로 유도할 수 있다. 일단 발생한 유리 라디칼은 안정적인 가전자 상태로 돌아가기 위해서 다른 분자와 매우 격렬하게 반응한다. 만일, 유리 라디칼이 DNA 분자와 상호 작용하게 되면, 세포의 일시적인 기능장애나 불안정화를 야기시키고, 결국에는 세포의 죽음으로 유도하는 등의 세포 오류를 야기시킨다.
과도한 방사선에 대한 노출은 세포를 죽음으로 유도할 수 있으며, 두 가지의 기본적인 형태로 드러난다. 전리 작용은 세포를 손상시켜 더 이상 유지되지 못하게 되고결과적으로 세포는 죽게될 수 있다. 세포의 기능은 유지되지만, 더 이상 세포 복제가 차단되는 세포유사분열저해(Mitotic inhibition) 현상도 발생할 수 있다. 세포 레벨에서 발생하여 영향을 미치는 상술한 효과들은 조직(Organ), 시스템, 도는 유기체 레벨에까지 확대 적용될 수 있다. 전신에 대한 100 그레이의 조사선량은 24 내지 48 시간 이내에 죽음에 이르게 할 수 있다. 전신에 대한 2.5 내지 5 그레이의 조사선량은 수주 이내에 죽음에 이르게 할 수 있다. 조직이나 일부 신체 부위에 대한 국부적인 노출은 조직의 종류에 따른 민감도에 영향을 받는 상해에 따른 국소 세포의 죽음, 기능장애를 유발할 수 있다.
세포 죽음은 전리 방사에 대한 노출의 단지 하나의 결과일 뿐이며, DNA의 변경은 DNA 청사진(blueprint)에 대한 오류를 야기시킬 수 있다. 어떤 세포들에 있어서, DNA 손상의 결과가 암으로 발전될 수 있다. DNA 오류는 세포 조절 능력에 결함을 야기할 수 있고, 결과적으로 조절이 불가능한 증식과 암으로의 발달로 이어질 수 있다. 또한, 세균 세포들의 DNA에 대한 오류 유도를 통해서 세균들의 유전 결함을 야기시킬 수 있고, 수대에 걸쳐서 발생하지 못하도록 할 수도 있다.
DEI , DEI 시스템, 그리고 그것들에 관련된 방법들
여기에 게시된 본 발명의 일 실시 예에 따른 DEI 시스템은 X-선 튜브로부터 방출되는 특정 X-선을 차단(rejecting)하기 위한 하나의 분광 결정을 포함한다. 도 1a 내지 도 1c는 본 발명의 실시 예에 따라, 단일 분광 결정을 포함하며 피사체(O)의 영상을 생성할 수 있는 DEI 시스템(100)의 상부 투시도, 측면도 들이다. 더불어, 도 1d 내지 도 1e는 본 발명의 실시 예에 따른 다른 동작 모드로 작동하는 DEI 시스템(100)을 보여주는 도면들이다. 도 1a 내지 도 1b를 참조하면, DEI 시스템(100)은 다파장의 X-선 빔(XB)을 생성하거나, 소스로부터 다양한 방향으로 산개되는 복수의 X-선을 생성하기 위한 X-선 튜브(XT)를 포함한다. X-선 빔(XB)은 서로 다른 에너지를 가지는 광자들을 포함할 수 있다. 예시적으로, X-선 튜브(XT)는 X-선 빔(XB)D이 방사될 수 있는 점 광원을 가진 텅스텐 X-선 튜브일 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 고정 X-선 튜브 형태를 기반으로 하는 X-선 튜브(XT)이다. 도 2를 참조하면, X-선 튜브(XT)는 전자 빔(EB)을 생성하는 음극(C)을 포함한다. 음극(C)은 텅스텐으로 구성될 수 있다. 음극(C)과 양극(A) 사이에 고전압이 인가되면, X-선 튜브(XT)의 내부 진공(V)에는 고전위차가 생성된다. 전위차는 양극 연결(ANC)에 의해서 양극(A)에 인가된다. X-선 튜브(XT)는 음극(C)을 가열하기 위한 필라멘트(F)를 포함할 수 있다. 필라멘트(F)는 필라멘트 연결(FC)에 의해서 전원과 연결될 수 있다.
내부 진공(V)은 X-선 튜브 하우징(XTH)의 내부에 형성된다. 음극(C)의 가열에 의해서 전자가 음극(C)으로부터 열방출될 수 있다. 전자 초점 컵(EFC)은 양극(A) 방향으로 흐르는 전자의 초점을 맞추기 위하여 전자 방출점 주위를 둘러싸도록 형성된다. 게다가, 음극(C)에서 방출된 전자들은 양극(A)과의 사이의 내부 진공(V)에서 회로의 양단에 인가되는 전압에 의해서 결정되는 속도를 갖도록 가속 및 집중된다.
음극(C)에서 방출된 전자들은 양극(A)의 텅스텐 타깃(T)으로 진행하여 입사될 수 있다. 텅스텐 타깃(T)에서의 전자 충돌에 의해서 X-선 빔(XB)이 생성된다. X-선 빔(XB)은 X-선 창(XW)을 통해서 내부 진공(V)으로부터 방사된다. X-선 빔(XB)은 특성 방출선(characteristic emission lines)과 제동 복사를 포함할 수 있다.
X-선 발생기의 한 예로, ISOVOLT TITAN 160(GE Inspection Technologies of Ahrensburg, Germany)를 들 수 있다. X-선 튜브의 다른 예로는, MXR-160HP/20 X-ray tube(Comet AG of Flamatt, Switzerland)와 같은 COMET MXR-160 시리즈가 있다. 다른 예시적인 X-선 튜브들로는 텅스텐이 아닌 몰리브덴, 철, 구리 등으로 형성하는 양극(A)을 포함하는 것들이 있다. 어떤 X-선 튜브는 헥사붕소 바륨이나, 사마륨으로 형성되는 X-선 타깃을 포함할 수 있다. 헥사붕소 바륨으로 형성된 타깃은 약 30 keV의 X-선을 생성할 수 있다. 사마륨 타깃은 약 40 keV의 Kα1 X-선을 생성할 수 있다. 일 실시 예에 따르면, X-선 튜브의 양극(A)은 X-선이 방사될 수 있도록 회전하는 형태로 제작될 수 있다. 또 다른 실시 예에서는, 양극(A)은 X-선이 방사될 수 있는 고정 형태로 제작될 수 있다.
다시 도 1a 및 1b를 참조하면, 시준기(C1)는 분광 결정(MC)으로의 입사 각도를 벗어나는 X-선 빔(XB)들을 차단하도록 위치할 수 있다. DEI 시스템(100)은 X-선 튜브(XT)와 분광 결정(MC) 사이에 분광 결정(MC)으로의 입사 허용 각도를 벗어나는 X-선 빔(XB)들을 차단하기 위한 추가적인 분광 결정(MC)을 더 포함할 수 있다. 시준기(C1)는 X-선 빔(XB)이 분광 결정(MC)에 도달할 수 있도록 슬릿(slit)이나 구멍으로 형성될 수 있다. 게다가, 시준기는 납과 같이 X-선 빔(XB)을 차단할 수 있는 물질로 구성될 수 있다. X-선 튜브(XT)와 시준기(C1) 사이의 간격(X)은 약 100 mm일 수 있다.
분광 결정(MC)은 입사되는 X-선 빔(XB)들 중에서 특정 에너지에 대응하는 X-선 빔을 선택하도록 구성된다. 일 예로, 분광 결정(MC)은 X-선 빔(XB)들 중에서 바람직하지 못한 에너지를 가진 대부분의 광자를 차단하기 위한 실리콘 분광 결정으로 구성될 수 있다. 텅스텐 X-선 튜브에 있어서, 실리콘 분광 결정에 의해서 반사될 수 있는 빔 에너지의 범위가 존재한다. 이 경우, X-선 빔의 특성 방출선은 59.13 keV (Kα1)와 57.983 keV(Kα2), 그리고 분광 결정(MC)으로의 좁은 입사 각도에 떨어지는 제동 복사가 대응한다. 제동 복사의 밝기는 상술한 두 방출 라인(Kα)의 밝기보다 몇 차수 단위 낮은 등급이다.
X-선 빔(XB)들은 분광 결정(MC)에 의해서 서로 다른 방향으로 산란된다. 시준기(C2)는 분석 결정(AC)으로의 입사 허용 각도를 벗어나는 X-선 빔(XB)을 차단할 수 있는 위치에 장착될 수 있다. 시준기(C2)는 X-선 빔(XB)의 일부가 분석 결정(AC)에 도달하고 수용될 수 있도록 슬릿이나 구멍으로 형성될 수 있다. 일 예로, 분광 결정(MC)과 분석 결정(AC) 사이의 거리(Y)는 약 500 mm로 설정될 수 있다.
분석 결정(AC)은 특정 방향으로 진행하는 방사선량을 측정하기 위하여 회전할 수 있다. 일반적으로 수정체 시스템의 각도 민감성은 진성 락킹 커브(intrinsic rocking curve)로 불리며, 이러한 속성은 영상 굴절 콘트라스트를 생성하는데 사용된다. 만일, X-선 광자가 락킹 커브의 피크로 향하면, X-선 광자에 대한 분석 결정(AC)의 반사율과 강도는 증가한다. 만일, 물체 특성에 의해서 광자가 락킹 커브의 아래로 향하게 되거나, 최고 반사점으로부터 멀어지게 되면, 강도가 줄어들게 될 것이다.
상술한 샘플이나 물체는 공기나 물과 같은 결합 매개체에 형상화될 수 있다. 결합 매개체의 사용을 통해서 공기와 형상화될 물체의 지표(index) 경사도(gradient) 차를 줄여, 입사되는 X-선이 공기와 물체 접촉면에서의 급격한 굴절 없이 샘플에 도달할 수 있다. 이러한 결합 매개체의 사용은 대부분의 물체에 적용될 필요는 없으나, 물체의 내부 콘트라스트를 향상시키기 위한 DEI 방법의 적용이다.
일 예로, 분광 결정(MC)은 1차원에서 좁은 대칭 결정이다. 대칭 결정의 격자면들(X-선 빔들의 회절에 기여하는 원자층)은 결정의 표면과 평행하다. 대칭 결정은 입사되는 빔의 발산과 사이즈를 보존한다. 반면, 비대칭 결정은 입사되는 빔의 발산과 사이즈를 변경시킨다. 대칭 결정으로 구성되며, 큰 영상 필드(예를 들면, 100mm×100mm 의 영상 필드)를 가지는 2차원의 분광 결정(MC)은, 샘플 물체를 스캐닝하고, 대칭 결정을 이용하는 검출기로 구현될 수 있다. 비대칭 결정에 대한 대칭 결정의 이점의 하나로, 비대칭 결정은 영상 빔을 준비(예를 들면, X-선을 선택하고 조준)하기 위해서는 큰 분광 결정일 것이 요구되고, 큰 결정을 준비하기 위해서는 심각한 제한에 부닥치게 된다. 게다가, 비대칭 결정의 사이즈는 X-선 빔의 에너지가 증가할수록 더 커져야 하고, 59.13 keV의 X-선 대에서는 현실성이 없어진다. 반면, 여기에 개시되는 대칭 결정 구조의 분광 결정은 결정 크기를 약 30 mm 길이로 조정하여 59.13 keV의 X-선들에 사용 가능하다.
다시 도 1a 및 1b를 참조하면, 물체(O)는 물체(O)를 촬영하기 위한 스캐닝 대(ST)에 형성되는 X-선 빔(XB)의 진행 경로에 위치할 수 있다. 물체(O)는 화살표(A)로 표시된 X-선 빔(XB)의 수직 방향으로 스캐닝될 수 있다. 물체(O)를 스캐닝하는 동안, X-선 빔(XB)은 물체(O)를 통과하여 분석 결정(AC)에 도달한다. 분석 결정(AC)은 분광 결정(MC)과 매칭되는 실리콘[333] 결정일 수 있다. 분석 결정(AC)에 입사되는 X-선 빔(XB)은 디지털 검출기(DD) 또는 영상 평면에 의해서 포착하기 위해 회절될 수 있다. 디지털 검출기(DD)는 포착된 X-선 빔(XB)을 검출할 수 있고, 포착된 X-선 빔에 대응하는 전기 신호를 생성할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 라인 소스 스캐닝 시스템이 사용될 수 있다. 라인 소스 스캐닝 시스템은 물체(O)와 검출기 사이의 1:1 상관 관계를 가진다. 전기 신호는 운영자에 의한 분석과 디스플레이를 위해 컴퓨터(C)에 전달된다. 전기 신호에 의해서 결과적으로 표시되는 영상에는 Kα1 및 Kα2 에너지에 의해서 형성되는 영상이 포함된다. 예시적으로, 관심 있는 X-선 대역은 59.319 keV 에너지의 Kα1이다. 이 실시 예에서 X-선 빔들 중에서 Kα2 에너지에 의해서 생성되는 영상 성분은 영상 처리 과정에서 제거될 수 있다. 만일, Kα2 에너지의 X-선 빔에 의해서 형성되는 영상 성분이 기대한 해상도에 미치지 못하는 거리에 형성되면, 두 성분이 모두 사용될 수 있고, 영상 생성에 요구되는 전체 시간을 줄일 수 있다. 고해상도 영상에 적용할 때에는 Kα2 에너지 대에 의한 영상에는 그림자 효과가 발생할 수 있으며, 이러한 그림자 효과는 영상 처리를 통해서 제거될 수 있다. 컴퓨터(C)는 흡수 영상, 굴절 효과를 보여주는 영상, 그리고 후술하게 될 극소각 산란(ultra-small-angle scattering)을 보여주는 영상을 생성한다.
특히 도 1b를 참조하면, 분광 결정(MC)은 X-선 빔(XB)을 팬빔(fan beam) 형태로 전파시킬 수 있다. 팬빔은 불필요한 X-선을 차단하기 위한 시준기에 의해서 분리될 수 있고, 결과적으로 깨끗한 DEI 영상의 형성과, 낮은 방사선의 조사를 가능케 한다. 2차원 빔에 비하여, 팬빔을 사용하면 불필요한 X-선을 차단하기 위한 제어가 쉽게 이루어질 수 있다.
도 1c를 참조하면, X-선 튜브(XT, 도 1a 및 1b 참조)로부터 방사되는 X-선의 소스(S)와, 분광 결정(MC), 물체(O), 분석 결정(AC), 그리고 검출기(DD) 사이의 예시적 거리가 도시되어 있다. 상술한 구성들 각각은 적용에 따라 또 다른 최적 거리에 위치하도록 설정될 수 있다. 예를 들면, DEI 시스템(100)은 유방 조영술에 사용되도록 설정될 수 있다.
도 1d 및 1e를 참조하면, 이들 도면들은 DEI 시스템(100)의 다른 동작 모드를 보여준다. 특성 방출선(Kα1 K1)과 특성 방출선(Kα2 K2)이 X-선 튜브(XT)에서 생성된다. 특성 방출선(Kα1 K1)과 특성 방출선(Kα2 K2)은 동일한 점(point) 소스(PS)로부터 생성된다. 상술한 바와 같이, 분광 결정(MC)은 X-선 빔 중에서 기대치에 대응하지 않는 에너지를 가진 대부분의 광자들을 차단한다. 이 경우, 도시한 바와 같이 특성 방출선(Kα1 K1)과 특성 방출선(Kα2 K2), 그리고 제동 복사 방사선은 분광 결정(MC)을 통과하여 분석 결정(AC)으로 진행하게 된다.
시준기(C2)는 방출선들(Kα1 K1 및 Kα2 K2)의 경로선상에 위치할 수 있다. 시준기(C2)는 방출선들이 선택적으로 분석 결정(AC)에 도달할 수 있도록 조정 가능한 슬릿으로 정의될 수 있다. 도 1d에 도시된 바와 같이, 슬릿은 점 소스(PS)로부터 400 mm 거리상에 0.6 mm의 구멍(X)으로 조정될 수 있고, 방출선(Kα1 K1)은 통과하고 방출선(Kα2 K2)는 차단하기 위한 위치에 설치될 수 있다. 따라서, 시준기(C2)는 방출선(Kα1 K1)과 매우 좁은 범위의 제동 복사 방사선을 제외한 대부분의 X-선들을 제거할 수 있다. 이러한 동작 모드에서 빔은 발산하지 않고, 따라서, 물체(O)와 검출기(DD)는 동일한 스캐닝 속도에 따라 반대 방향으로 스캔될 수 있다. 이러한 동작 모드에 따르면, 가능한 최대 면외(out-of-plane) 해상도(DEI의 콘트라스트 방향)를 구현할 수 있지만, X-선 빔의 일부를 제거하기 위한 비용이 소요되며, 따라서 방사선에 대한 노출 시간의 증가가 필요하다. 물체(O)에 대한 가상 점 소스는 VPS로 표시되어 있다.
도 1e를 참조하면, 제 2 동작 모드에서는 유사 에너지를 가지는 방출선들(Kα1 K1 및 Kα2 K2) 및 제동 복사 방사선이 시준기(C2)를 통과한다. 시준기(C2)의 슬릿은 방출선들(Kα1 K1 및 Kα2 K2) 및 제동 복사 방사선이 시준기(C2)를 통과하도록 점 소스(PS)로부터 400 mm 거리상에 2.0 mm의 구멍(X)으로 조정될 수 있다. 이러한 모드에서, 빔의 분산이 고려된다. 영상의 흐려짐 현상을 피하기 위하여, 물체(O)와 검출기(DD)는 동일한 각속도로 스캔될 수 있다. 검출기(DD)와 물체(O)가 올려진 샘플 스테이지 간의 상대적인 스캔 속도는 광원-물체 거리와 광원-검출기 거리에 따라서 결정될 수 있다. 이들 거리들은 빔의 진행 경로 상에서의 거리이다. 이러한 모드에서, 빔의 분산은 낮은 면외 해상도를 야기시킬 수 있지만, 많은 양의 X-선을 통과시켜 결과적으로 방사선에 대한 노출 시간을 줄일 수 있다. 검출기(DD)에 대한 가상 점 소스는 DVPS로 표시되어 있다. 부분원들(CP1, 체2)은 물체(O) 및 검출기(DD)의 가상 포인트 소스들을 각각의 중심으로 한다.
더불어 제 2 모드를 사용하는 실시 예에서, Kα 방출선과는 X-선 에너지가 다른 제동 복사 방사선이 포착될 수 있다. 따라서, 이 실시 예에서, DEI 시스템(100)의 X-선 에너지는 조정될 수 있어, 특성 방출 에너지로 제한되지 않는다. 이러한 기능은 분광 결정(MC)과 분석 결정(AC)의로 입사각을 조정함으로써 달성될 수 있다. 일 예로, 이러한 기능들은 브래그 법칙에 따라 입사각을 11.40도(degree)로 바꾸고, 구리 필터를 알루미늄 필터로 대체함으로써 달성될 수 있다. 이 예에 있어서, 영상은 30 keV의 X-선 에너지에서 맺혀질 수 있다. 이때의 X-선 에너지는 텅스텐 방출선 에너지보다 낮으며, 따라서, 상대적으로 얇은 물체(O)에 대해서 적용 가능하다.
일 실시 예에 있어서, 구리 필터는 의도하지 않은 결정 반사나 하모닉(고조파)을 줄이거나 제거하기 위하여 19 keV의 제동 복사 방사선을 제거하도록 설정될 수 있다. 이러한 필터링이 전제되지 않으면, 영상은 잠재적으로 저하될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 도 1a 내지 도 1e의 DEI 시스템(100)의 탑 뷰(top-view)를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, X-선 빔(XB)은 X-선 튜브(XT)의 소스로부터 발생된다. 시준기들(C1, C2)은 X-선 튜브(XT)의 소스로부터 5.7도(degree)의 입사각으로 분석 결정(AC)을 지나는 X-선 빔(XB) 중에서 확산되는 일부를 차단한다. 시준기들(C1, C2)을 통과하는 X-선 빔(XB)의 일부는 시준기들에 형성된 슬릿들을 통과하는 X-선 빔이다.
시스템(100)은 좌측 및 우측 각각에 요오드화나트륨 검출기들(D1, D2)을 포함할 수 있으며, 좌측 및 우측에 각각 분광 요오드화트륨 검출기들(D3, D4)을 포함할 수 있다. 검출기들(D1~D4)은 분석 결정(AC)의 정렬을 위해서 설치된다. 이들 검출기들(D1~D4)은 분광 결정이나 분석 결정(AC)으로부터 방출되는 회절된 X-선 빔의 강도를 측정하기 위해서 사용된다. 시스템의 정렬을 위해서, 검출기들(D1, D2)은 X-선 빔(XB)의 진행 방향에 있어서 분석 결정(AC)의 뒤편에 위치한다. 만일, 분석 결정(AC)이 바람직한 각도로 튜닝되지 못하면, 검출기들(D1, D2) 에 의해서 측정되는 강도에 의해서 이러한 현상이 인지되고, 시스템은 조정될 수 있다. 분광 결정(MC)의 뒤편에 위치하는 검출기들에 대해서도 이러한 방식은 적용될 수 있다. 더불어, 검출기들(D1~D4)은 실시간으로 X-선 빔을 측정하고 분석 결정(AC)을 조정할 수 있다. 검출기들(D1, D2)에 의하여 X-선 빔의 진행 방향에 대한 각(chi)이나, 검출기들(D3, D4)에 의하여 분광 결정각(chi)의 조정이 가능하다. 이들 분석기들(D1~D4)의 사용을 통한 측정, 설정, 및 분석 결정(AC)과 분광 결정(MC)의 조정은 성공적인 DEI 영상 혹들을 위해서 매우 중요하다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 도 1a 내지 도 1e에 도시된 DEI 시스템을 사용한 물체(O)를 영상화하는 예시적인 과정을 보여주는 순서도이다. 도 4를 참조하면, 블록(400)에서, 다파장 에너지 산포를 가지는 제 1 X-선 빔(XB)이 생성될 수 있다. 예를 들면, X-선 튜브(XB)에 의해서 생성된 X-선 빔(XB)은 다파장 에너지 산포를 가질 수 있다. 게다가, X-선 튜브(XT)는 X-선 빔을 생성하기 위하여 적어도 50 kW의 전력을 소모하도록 설정될 수 있다. 다른 대안의 예로, 의료용, 연구 및 개발용, 그리고 작은 동물 영상 용도 등으로 사용하기 위하여 X-선 튜브(XT)는 X-선 빔을 생성하기 위하여 50 kW보다 낮은 전력(예를 들면, 30 kW)을 소모하도록 설정될 수 있다. 적은 전력 사용을 통해서 비용은 절감될 수 있다. 제 1 X-선 빔은 약 10 keV 내지 60 keV 의 빔 에너지 범위를 가질 수 있다. 예를 들면, 제 1 X-선 빔은 싱크로트론에 의해서 생성될 수 있다.
블록(402)에서, 분광 결정(MC)은 제 1 X-선 빔을 포착하여 미리 설정된 에너지 레벨의 제 2 X-선 빔을 생성하도록 미리 설정된 위치에 고정될 수 있다. 예를 들면, 분광 결정(MC)의 표면은 X-선 빔(XB)의 진행 경로 상에 위치하여 빔을 포착할 수 있다. 상술한 바와 같이, 분광 결정(MC)은 X-선 빔에서 기대치의 에너지를 갖지 못하는 대부분의 광자들을 차단하도록 조정될 수 있다. 따라서, 제 2 X-선 빔은 미리 설정된 에너지 레벨로 생성될 수 있다. 일 예로, 분광 결정의 표면은 X-선 빔(XB)의 진행 경로에 대해 약 5~20도 정도의 각도를 갖도록 설치될 수 있다. 이 예에서, 이러한 각도는 [333] 반사에 사용된다. 다른 대안으로, 분광 결정의 표면은 다른 적당한 각도로 설정될 수 있다. 다른 실시 예에서, 분광 결정의 표면은 X-선 빔(XB)의 진행 경로에 대해 약 1도~20도 정도의 각도를 갖도록 설치될 수 있다. [333] 반사와 [111] 반사 모두가 사용되는 경우, 에너지 범위 10~70 keV에 대해 약 1도~40도의 각도 범위로 설정될 수 있다.
블록(404)에서, 물체(O)는 제 2 X-선 빔이 물체(O)에 전달되고, 전달된 빔이 물체(O)로부터 방사될 수 있도록 제 2 X-선 빔의 진행 경로 상에 위치할 수 있다. 예를 들면, 물체(O)는 X-선 빔의 진행 경로로 물체가 움직일 수 있도록 구성되는 스캐닝 스테이지(ST) 상에 위치할 수 있다.
블록(406)에서, 전달된 X-선 빔은 분석 결정(AC)에 입사각으로 진행한다. 예를 들면, 분석 결정(AC)은 X-선 빔의 전송 경로 상에 위치하여 입사각에 대해 X-선 빔을 포착할 수 있는 각도로 고정된다. 적어도 분석 결정(AC)에 의해서 포착된 일부의 빔은 검출기(DD)를 향하여 회절될 수 있다.
블록(408)에서, 물체(O)의 영상은 분석 결정(AC)으로부터 회절된 빔으로부터 검출될 수 있다. 예를 들면, 검출기(DD)는 분석 결정(AC)으로부터 회절된 빔을 검출할 수 있다. 회절된 빔은, 검출된 영상를 디지털화하는 검출기, 방사선 필름, 영상 평판들과 같은 예시적인 검출기들 중 하나에 의해서 검출될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 물체의 영상은 분석 결정의 락킹 커브의 피크 그리고/또는 피크의 근처에서 회절된 빔으로부터 검출될 수 있다. 검출된 영상은 컴퓨터(C)에 의해서 처리되어 운영자에게 디스플레이 될 것이다.
물체의 영상을 검출하는 다른 실시 예에 있어서, 제 1 각위치에 설치된 분석 결정(AC)으로부터 방사된 제 1 회절 빔으로부터 물체(O)의 제 1 각 영상이 검출될 수 있다. 물체(O)의 제 1 각 영상은 분석 결정(AC)의 낮은 락킹 커브 각도에서 검출될 수 있다. 더불어, 제 2 각위치에 설치된 분석 결정(AC)으로부터 방사된 제 2 회절 빔으로부터 물체(O)의 제 2 각 영상이 검출될 수 있다. 물체(O)의 제 2 각 영상은 분석 결정(AC)의 높은 락킹 커브 각도에서 검출될 수 있다. 제 1 내지 제 2 각 영상은 컴퓨터(C)에 의해서 결합되어 굴절 영상으로 도출될 수 있다. 더불어, 컴퓨터(C)는 굴절 영상으로부터 물체에 대한 고밀도 영상을 생성할 수 있다. 고밀도 영상은 컴퓨터(C)의 디스플레이를 통해서 운영자에게 시현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 도 1a 내지 도 1e, 및 도 3의 DEI 시스템(100)의 측면을 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 분석 결정(AC)의 표면에서의 특성 방출선들(Kα1 및 Kα2)의 회절을 보여준다. 하나 이상의 X-선 에너지에 대한 수용을 통해서 X-선의 선속을 향상시킬 수 있다.
다른 실시 예에서, 본 발명의 실시 예에 따른 DEI 시스템은 X-선 튜브에 의해서 방출되는 특정 X-선을 차단하기 위한 부정합 결정 구조를 포함할 수 있다. 이 구조에서, X-선 빔의 방출선(Kα2)은 분광기에서 제거될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 실시 예에 따른 부정합 분광 결정과, 물체(O)의 영상을 생성하기 위한 장치들을 포함하는 DEI 시스템(600)의 상부 투시도를 나타내는 도면이다. 도 6a 및 도 6b를 참조하면, DEI 시스템(600)은 X-선 빔(XB)을 생성하기 위한 X-선 튜브(XT)를 포함한다. 시준기(C1)는 제 1 분광 결정(MC1)으로의 수용 각도를 벗어나는 X-선 빔(XB)들을 차단(block)하도록 위치할 수 있다. 차단되지 않은 X-선 빔(XB)은 제 1 분광 결정(MC1)에 의해서 포착되고, 제 1 분광 결정(MC1)에 의해서 제 2 분광 결정(MC2)에 의해서 포착될 수 있는 방향으로 굴절된다.
제 1 분광 결정(MC1)은 회절 분광 빔이 제 2 분광 결정(MC2)으로 진행하도록 브래그 법칙에 따라 매우 좁은 범위의 광자 에너지를 선택할 수 있는 특정 각도로 조정될 수 있다. X-선 튜브(XT)로부터 생성된 X-선 빔(XB)의 발산 특성 때문에, 제 1 분광 결정(MC1)은 특성 방출선들(Kα1 및 Kα2), 그리고 유사한 에너지를 가지는 제동 복사 방사선의 에너지 범위의 빔들을 회절시킬 수 있다. 제 2 분광 결정(MC2)의 기능은 제 1 분광 결정(MC1)로부터 전달되는 회절 분광 빔이 입사빔과 평행한 방향으로 진행하도록 조정하고, 분석 결정(AC)과 배열을 맞추는 것이다. 만일, 시스템이 특정 에너지에 튜닝되면, 제 1 분광 결정이 먼저 조정되고, 그 이후에 제 2 분광 결정이 빔의 위치를 찾기 위해서 조정될 것이다.
제 2 분광 결정(MC2)이 조정되면, 분석 결정(AC)이 결정 상에서의 빔 위치를 찾기 위해서 스캔될 것이다. 분석 결정의 각위치가 제 2 분광 결정과 완전히 일치할 때 강도가 급격히 상승하는 빔의 위치를 찾기 위한 결정의 이동은 라디오 다이얼의 특정 위치를 찾기 위한 조정과 유사하다. 한번, 분석 결정이 조정되면, 시스템의 튜닝은 완료되며, 사용 준비가 된 것이다.
제 1 및 제 2 분광 결정(MC1, MC2)은 각각 X-선 튜브로부터 방출되는 특정 X-선을 차단하기 위한 부정합 결정 구조를 가지도록 설정될 수 있다. 분광 결정들(MC1, MC2)은 X-선 빔 중에서 방출선(Kα2)을 제거하기 위하여 사용될 수 있으며, 이러한 기능은 서로 다른 결정들에 대한 에너지에 대한 수용각을 사용함으로써 달성될 수 있다. 일 예로, 분광 결정들(MC1, MC2)은 각각 게르마늄 [333]과 실리콘 [333] 분광 결정으로 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 도 6a 내지 도 6b에 도시된 DEI 시스템을 사용한 물체(O)를 영상화하는 예시적인 절차들 보여주는 순서도이다. 도 7을 참조하면, 블록(700)에서, 다파장 에너지 산포를 가지는 제 1 X-선 빔(XB)이 생성될 수 있다. 예를 들면, X-선 튜브(XB)에 의해서 생성된 X-선 빔(XB)은 다파장 에너지 산포를 가질 수 있다. 게다가, X-선 튜브(XT)는 X-선 빔을 생성하기 위하여 적어도 50 kW의 전력을 소모하도록 설정될 수 있다. 제 1 X-선 빔은 약 10 keV 내지 60 keV 의 빔 에너지 범위를 가질 수 있다. 예를 들면, 제 1 X-선 빔은 싱크로트론에 의해서 생성될 수 있다.
블록(702)에서, 제 1 분광 결정(MC1)은 제 1 X-선 빔을 포착하여 미리 결정된 에너지 레벨의 제 2 X-선 빔을 생성하도록 미리 설정된 위치에 고정될 수 있다. 예를 들면, 제 1 분광 결정(MC1)의 표면은 X-선 빔(XB)의 진행 경로 상에 위치하여 빔을 포착할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제 1 분광 결정(MC1)은 X-선 빔에서 기대치의 에너지를 갖지 못하는 대부분의 광자들을 차단하도록 조정될 수 있다. 따라서, 제 2 X-선 빔은 미리 결정된 에너지 레벨로 생성될 수 있다. 일 예로, 제 1 분광 결정(MC1)의 표면은 X-선 빔(XB)의 진행 경로에 대해 약 5~20도 정도의 각도를 갖도록 설치될 수 있다.
블록(704)에서, 제 2 분광 결정(MC)은 제 2 X-선 빔을 포착하고, 포착된 제 2 X-선 빔을 이 분석 결정(AC)으로 진행하도록 위치가 설정된다. 일 예로, 제 2 분광 결정(MC2)은 제 2 X-선 빔이 시준기(C1)를 통과한 X-선 빔(XB)의 일부가 진행하는 경로와 평행한 방향의 진행 경로를 갖도록 위치가 설정될 수 있다. 다른 실시 예에서, 분광 결정들(MC1, MC2)은 부정합되도록 설정될 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 분광 결정들(MC1, MC2)은 X-선 빔(XB)에서 특정 부분을 차단하도록 선택될 수 있다. 또 다른 실시 예에서, 분광 결정들(MC1, MC2)은 게르마늄 [333]과 실리콘 [333] 분광 결정들 중 어느 하나일 수 있다.
블록(708)에서, 전달된 X-선 빔은 분석 결정(AC)에 입사각으로 진행한다. 예를 들면, 분석 결정(AC)은 X-선 빔의 전송 경로 상에 위치하여 입사각에 대해 X-선 빔을 포착할 수 있는 각도로 고정된다. 분석 결정(AC)을 가로막는 적어도 일부의 빔은 검출기(DD)를 향하여 회절될 수 있다.
블록 710에서, 물체(O)의 영상은 분석 결정(AC)으로부터 회절된 빔으로부터 검출될 수 있다. 예를 들면, 검출기(DD)는 분석 결정(AC)으로부터 회절된 빔을 검출할 수 있다. 회절된 빔은, 검출된 영상을 디지털화하는 검출기, 방사선 필름, 영상 평판들과 같은 예시적인 검출기들 중 하나에 의해서 검출될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 물체의 영상은 분석 결정의 락킹 커브의 피크(peak) 그리고/또는 피크의 근처에서 회절된 빔으로부터 검출될 수 있다. 이 실시 예에서, 피크는 락킹 커브의 다윈 폭(Darwin width)의 대략 1.5배 이내에서 발생할 수 있다. 검출된 영상은 컴퓨터(C)에 의해서 처리되어 운영자에게 디스플레이 될 것이다.
물체의 영상을 검출하는 다른 실시 예에 있어서, 제 1 각위치에 설치된 분석 결정(AC)으로부터 방사된 제 1 회절 빔으로부터 물체(O)의 제 1 각 영상이 검출될 수 있다. 물체(O)의 제 1 각 영상은 분석 결정(AC)의 낮은 락킹 커브 각도에서 검출될 수 있다. 더불어, 제 2 각위치에 설치된 분석 결정(AC)으로부터 방사된 제 2 회절 빔으로부터 물체(O)의 제 2 각 영상이 검출될 수 있다. 물체(O)의 제 2 각 영상은 분석 결정(AC)의 높은 락킹 커브 각도에서 검출될 수 있다. 제 1 내지 제 2 각 영상들은 컴퓨터(C)에 의해서 결합되어 굴절 영상으로 도출될 수 있다. 더불어, 컴퓨터(C)는 굴절 영상으로부터 물체에 대한 고밀도 영상을 생성할 수 있다. 고밀도 영상은 컴퓨터(C)의 디스플레이를 통해서 운영자에게 시현될 수 있다.
도 8 내지 도 10은 서로 다른 파장대에서 게르마늄 [333]과 실리콘 [333] 결정들에 대한 듀몽드(DuMond) 다이어그램들이다. 특히, 도 8은 텅스텐의 방출선들(Kα1 및 Kα2)에 대응하는 파장 범위에서의 게르마늄 [333]과 실리콘 [333] 결정들에 대한 듀몽드 다이어그램이다. 도 9는 텅스텐의 방출선(Kα1)에 대응하는 파장 범위에서의 게르마늄 [333]과 실리콘 [333] 결정들에 대한 듀몽드 다이어그램이다. 텅스텐(59.319 keV)의 방출선(Kα1)에 대응하는 파장대에서, 게르마늄 [333]과 실리콘 [333] 결정들에 대한 듀몽드 다이어그램은 거의 완전히 중첩된다. 따라서, 이것은 제 1 포착 결정(예를 들면, 게르마늄 분광 결정)과 제 2 포착 결정(예를 들면, 실리콘 분광 결정)에서 회절될 때, Kα1 에너지 대에 대응하는 빔에 대한 저지가 없음을 지시한다. 하지만 장파장대에서는, 주어진 각도에서 각각의 결정들에 대한 수용 파장은 분리된다.
도 10을 참조하면, 텅스텐(57.982 keV)의 방출선(Kα2)에 대응하는 파장대에서, 게르마늄 [333]과 실리콘 [333] 결정들에 대한 듀몽드 다이어그램에서 중첩되는 부분은 존재하지 않는다. 도 6a 및 도 6b에서 각각 도시된 바와 같이, 텅스텐 기반의 소스에 적용하면, 게르마늄과 실리콘 결정들은 평행한 형태로 위치할 수 있으며, 이러한 배치에 따라 Kα1 파장대의 빔에 대한 소실없는 반사와 Kα2 파장대의 빔에 대한 완전한 저지가 가능하다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 도 6a, 6b의 DEI 시스템(600)에 포함되는 게르마늄 분광 결정(MC1) 및 실리콘 분광 결정(MC2)의 측면을 보여준다. 도 11을 참조하면, 분광 결정들(MC1, MC2)은 텅스텐 X-선 튜브로부터 생성된 Kα1 파장대의 빔에 대한 완전반사와 Kα2 파장대의 빔에 대한 완전한 저지를 위하여 평행한 기하 형태를 가진다. 다시, 도 6a, 6b를 참조하면, 분광 결정들(MC1, MC2)을 통과하는 X-선 빔(XB)은 복수의 다른 방향으로 산란된다. 시준기(C2)는 분석 결정(AC)으로의 수용 각도를 벗어나는 X-선 빔(XB)들을 차단하도록 설정된 슬릿이나 홀을 포함할 수 있다.
물체(O)는 스캐닝 스테이지(ST)에 존재하는 X-선 빔(XB)의 진행 경로에 위치할 수 있다. 물체(O)를 스캐닝하는 동안, X-선 빔(XB)은 물체(O)를 통과하여 분석 결정(AC)에 도달한다. 분석 결정은 분광 결정(MC2)과 매칭되는 실리콘 [333] 결정일 수 있다. 분석 결정(AC)에 입사되는 X-선 빔(XB)은 디지털 검출기(DD) 또는 영상 평면에 의해서 포착되기 위해서 회절될 수 있다. 디지털 검출기(DD)는 포착된 X-선 빔(XB)을 검출할 수 있고, 컴퓨터(C)와 통신하기 위하여 포착된 X-선 빔에 대응하는 전기 신호를 생성할 수 있다. 컴퓨터(C)는 운영자에게 전기 신호를 분석하여 디스플레이할 수 있다. 특히, 컴퓨터(C)는 흡수 영상, 굴절 효과를 보여주는 영상, 그리고 후술하게 될 초소형 각도 산란을 보여주는 영상을 생성한다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 부정합 분광 결정들과 물체(O)의 영상을 생성하기 위한 장치들을 포함하는 DEI 시스템(1200)을 보여주는 개략도이다. 도 12를 참조하면, DEI 시스템(1200)은 화살표(A)로 표시한 방향으로 X-선 빔(XB)을 생성하기 위한 텅스텐 X-선 튜브(XT)를 포함한다. X-선 빔(XB)을 포착하기 위한 X-선 튜브(XT)의 빔 출구 끝단(BE)에 베릴륨(Be) 창이 위치할 수 있다. 베릴륨(Be) 창(BW)은 저에너지 X-선과 X-선 튜브(XT)의 내부 진공을 봉합하는 기능을 가진다. 베릴륨(Be) 창(BW)은 빔 출구 끝단(BE)와 접하도록 하우징(H1)에 의해서 지지된다.
알루미늄 필터(AF)는 빔 출구 끝단(BE)을 지나는 X-선 빔(XB)을 포착하기 위하여 베릴륨(Be) 창(BW)의 아래 측에 위치할 수 있다. 알루미늄 필터(AF)는 베릴륨(Be) 창(BW)의 하우징(H1)에 접하도록 고정된다. 알루미늄 필터(AF)는 기대 이하로 낮은 에너지의 X-선을 감쇄시킬 수 있다.
분광 탱크(MT)는 알루미늄 필터(AF)를 통과하는 X-선 빔(XB)을 포착하기 위해서 알루미늄 필터(AF)의 다음에 위치할 수 있다. 분광 탱크(MT)는 각각 부정합된 제 1 및 제 2 분광 결정들(MC1, MC2)과, X-선 빔(XB)이 통과할 수 있도록 슬릿으로 형성되는 시준기 쌍(C1, C2)을 포함한다. 분광 탱크(MT)는 X-선 빔(XB)의 입사 및 출사를 위한 양 종단(E1, E2)을 포함한다. 시준기들(C1, C2)은 X-선 빔(XB)의 일부를 조준한다. 제 1 및 제 2 분광 결정(MC1, MC2)은 X-선 튜브(XT)로부터 방출되는 특정 X-선을 차단할 수 있도록 부정합 결정 구조로 설계될 수 있다. 제 1 및 제 2 분광 결정(MC1, MC2)은 X-선 빔(XB)에서 Kα2 방출선을 제거하는데 사용될 수 있다. 일 예로, 분광 결정들(MC1, MC2)은 각각 게르마늄 [333]과 실리콘 [333] 분광 결정들로 구성될 수 있다. 분광 탱크(MT)는 X-선 빔(XB)의 에너지를 선택하기 위한 회전형 분광 결정들(MC1, MC2) 메커니즘을 수용할 수 있다.
DEI 시스템(1200)은 또 다른 시준기(C3), 이온함(IC), 그리고 분광 탱크(MT)에 후속하여 위치하는 셔터 어셈블리(SA)를 포함할 수 있다. 분광 탱크(MT)의 출구 측 종단(E2)을 통과한 X-선 빔(XB)의 일부는, X-선 빔(XB)의 조준과 특정 X-선을 차단하기 위하여 분광 탱크(MT)에 후속하여 위치하는 시준기(C3)의 수단으로 형성되는 슬릿을 통과할 수 있다. 이온함(IC)은 함을 통과하는 X-선 광자가 이온화되어 전압을 생성할 수 있다는 원리를 이용하여 X-선의 선속을 측정하도록 구성될 수 있다. 셔터 어셈블리(SA)는 X-선 빔(XB)을 선택적으로 투과 및 차단하도록 구성될 수 있으며, 따라서 X-선 빔(XB)에 대한 물체(O)의 선택적 노출 메커니즘을 제공할 수 있다.
물체(O)는 영상 형성 중에 X-선 빔(XB)의 경로상에서 스캐닝되기 위해서 스캐닝 스테이지 어셈블리(SSA)에 고정될 수 있다. 물체(O)의 스캐닝 동안, 물체(O)를 통과하는 X-선 빔(XB)은 제 2 분광 결정(MC2)과 정합되고, 실리콘 [333] 결정으로 구성될 수 있는 분석 결정(AC)에 의해서 분석될 수 있다. 설명된 바와 같이, 분석 결정(AC)은 분광 결정(MC2)에 대응하는 각도로 회전할 수 있다. X-선 빔(XB)은 움직일 수 있는 디지털 검출기(DD)에 의해서 포착되기 위해서 분석 결정(AC)에 입사되어 회절된다. 디지털 검출기(DD)는 포착된 X-선 빔(XB)을 검출할 수 있고, 컴퓨터(C)와 통신하기 위해서 포착된 X-선 빔에 대응하는 전기 신호를 생성할 수 있다. 컴퓨터(C)는 전기적 신호가 표시하는 내용을 분석하고, 운영자에게 물체에 대한 영상을 디스플레이 한다. 특히, 컴퓨터(C)는 후술하게 될 흡수 영상, 굴절 효과를 보여주는 영상을 생성할 수 있다. DEI 시스템(1200)은 또한, 초소형 각도 산란(ultra-small-angle scattering) 효과를 보여주는 영상을 표시하기 위한 DEI 기술에 따라 조정될 수 있다.
테이블(T)은 분광 탱크(MT), 시준기(C3), 이온함(IC), 그리고 셔터 어셈블리(SA)가 위치할 수 있는 화강암 상부(GT)를 포함한다. 보다 상세히 설명되겠지만, 테이블(T)은 DEI 시스템(1200)을 안정화를 위하여, 진동을 흡수하기 위한 각각의 하부 끝단과 플로어(F) 사이에 위치하는 고무 패드를 포함하는 복수의 다리들(L)을 포함할 수 있다. 테이블(T)은 분석 결정(AC)을 상하측의 수직 방향으로 움직일 수 있는 탄젠트 암(TA)을 포함할 수 있다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 실시 예에 따른 X-선 튜브(XT)와, 스코폴드(SC) 상에 단일 분광 결정(MC)을 가지는 분광 탱크(MT)의 배열 예를 보여준다. 특히, 도 13은 예시적인 측면을 보여주는 개략도이다. 도 13을 참조하면, 스코폴드(SC)는 복수의 플랫폼(PL)과, 각각의 분광 탱크(MT)에 X-선 튜브(XT)를 위치시키기 위하여 상호 연결된 막대들(RD)을 포함한다.
X-선 튜브(XT)와 분광 탱크(MT)는, X-선 튜브(XT)로부터 방사되는 X-선 빔(XB)이 분광 탱크(MT)에 구멍(A1)을 통해서 입사되고, 분광 결정(MC)의 창에 입사 수용각 이내에 떨어질 수 있도록 상호 정밀한 위치에 고정될 수 있다. 분광 결정(MC)에서 회절된 X-선 빔(XB)은 구멍(A2)를 통해서 분광 탱크(MT)로부터 출사된다. 도 13 내지 도 16에 숫자로 표시된 거리들은 별다른 언급이 없으면 인치 단위에 해당한다.
도 14는 도 13에서 도시된 예시적인 배열의 상면을 보여주는 개략도이다. 도 14를 참조하면, X-선 튜브(XT)의 내부 점(P)으로부터 연장되는 팬 형태의 X-선 빔(XB)이 도시되어 있다.
도 15 및 16은 도 13 및 14에 도시된 바람직한 정렬(exemplary arrangement)의 다른 측면 및 상면의 개략도(schematic diagram)를 각각 보여준다. 도 15 및 16을 참조하면, 그 배열은 쉴딩(shielding, S)을 설명하기 위하여, 사이드 플레이트들(side plates)과 탑 플레이트들(top plates)이 없는 것으로 도시되어 있다. 쉴딩(S)은 원하지 않는 방향들로 X-선 빔(XB)이 방사하는 것을 방지할 수 있다. 추가적인 쉴딩은 보호(protection)을 위해 이용될 수 있다. 더 나아가, 적합한 쉴딩(suitable shielding)은 필요로 하는 임상 장치(clinical device)에 제공될 수 있다.
도 17 내지 26은 본 명세서에 게시된 주제의 실시 예에 따른 DEI 시스템의 바람직한 예시 부분들의 영상들이다. 특히, 도 17을 참조하면, X-선 튜브(XT)의 X-선 빔 출구 부분이 도시되어 있다. X-선 빔들은 X-선 튜브(XT)로부터 그리고 Be 원도우(BW)를 통해서 방사될 수 있다. Be 원도우(BW)는 X-선 튜브(XT)에 부착되어 있고, X-선 빔들을 포착하는 위치에 있다. Be 윈도우(BW)는 내부 납 쉴딩(PS)의 두 개의 층들로 되어 있다.
도 18은 도 17에 도시된 X-선 튜브(XT)의 X-선 빔 출구 부분의 다른 영상이다. 이 영상에서, Al 필터(AF)와 시준기(C1)는 X-선 튜브(XT)에 부착되어 있고, X-선 빔들을 포착하는 위치에 있다. Al 필터(AF)는 두께가 약 2mm이다. 시준기(C1)는 X-선 빔들의 통행(passable)을 위해 슬릿(SL)을 포함한다. 이 예에서, 시준기(C1)는 탄탈륨(tantalum, Ta)으로 만들어지고, 두께는 약 1/8 인치이다. 한 예로서, 슬릿의 크기는 X-선 튜브 상의 스팟 크기(spot size)보다 근소한 차이로 더 크다. 한 예로서, 슬릿은 1.0mm이고, X-선 튜브 상의 스팟 크기는 0.4mm이다. 슬릿은 수직으로 시준된(vertically collimated) 팬 빔 용으로 제공할 수 있다.
도 19는 Al 필터(AF), 시준기(C1), 그리고 다른 시준기(C2)의 영상이다. 이 영상에서, 요소들(components)은 설명을 목적으로 분해(disassemble)될 수 있다. 요소들은 결합된 상태(assembled state)로 서로 인접하도록 맞춰질 수 있다.
도 20 및 21은 쉴딩 캡(shielding cap)과 X-선 튜브의 영상이다. 도 20은 분해되고 잘라지나 X-선 튜브(XT)의 끝에 맞도록 구부러지지 않는 쉴딩 캡(S1)의 영상이다. 도 21은 X-선 튜브(XT)의 끝으로부터 X-선 빔의 바라지 않은 방사를 막기 위하여 X-선 튜브(XT)의 끝에 있는 쉴딩 캡(S1)의 영상이다. 쉴딩 캡(S1)은 1/8 인치 납 종이(lead sheet)이다. 그 납 종이는 X-선 튜브(XT)의 끝에 맞춰지도록 캡(cap) 모양으로 잘라지거나 구부러진다.
도 22는 분광 탱크(MT)로부터 X-선 빔들의 바라지 않은 방사를 막기 위한 납 쉴딩(S3)을 포함하는 분광 탱크(MT)의 영상이다. 납 쉴딩(S3)은 약 1/2 인치 두께이고, X-선 빔들의 바라는 부분(desired portion)의 방사를 위한 슬릿(SL)을 포함한다. X-선 튜브로부터 방사된 X-선 빔들은 납 쉴딩(S3)의 슬릿(SL)을 경유하여 분광 탱크(MT)로부터 나온다.
도 23은 분광 탱크(MT)로부터 X-선 빔들의 바라지 않은 방사를 막기 위한 납 쉴딩(S3)을 포함하는 분광 탱크(MT)의 영상이다. 납 쉴딩(S3)은 약 1/4 인치 두께이고, X-선 빔들의 바라는 부분의 방사를 위한 슬릿(SL)을 포함한다. X-선 튜브로부터 방사된 X-선 빔들은 납 쉴딩(S3)의 슬릿(SL)을 경유하여 분광 탱크(MT)로 들어간다.
도 24는 X-선 튜브(XT)의 사이드(side)로부터 X-선 빔의 바라지 않은 방사를 막기 위하여 X-선 튜브(XT)의 끝 근처에 위치한 쉴딩(S2)의 다른 부분의 영상이다. 쉴딩(S2)은 1/16 인치 납 종이(lead sheet)이다. 그 납 종이는 X-선 튜브(XT)의 사이드에 맞춰질 수 있는 모양으로 잘라지거나 구부러진다. 납 종이의 1/8 인치는 1000 배만큼 150keV X-선을 줄일 수 있다.
도 25는 서로에 대하여 동작 위치(operational position)에 있는 X-선 튜브(XT)와 분광 탱크(MT)의 영상이다.
도 26은 분광 탱크(MT)의 내부 요소들의 정면 영상이다. 특히, 분광 결정(MC)이 보여진다. 더 나아가 쉴딩(S)는 분광 탱크(MT)의 측면들에 위치하고 있다.
도 27은 본 발명의 실시 예에 따른 DEI 시스템의 탑 투시도(top perspective view)이다. 도 27을 참조하면, DEI 시스템(2700)은 복수의 X-선 빔(XB)을 생산하기 위한 텅스턴 양극(tungsten anode)을 갖는 X-선 튜브(XT)를 포함할 수 있다. 시준기(collimator, C1)는 분광 결정(MC)의 각 수용 원도우(angular acceptance window) 밖에 있는 X-선 빔(XB) 부분을 차단하도록 위치할 수 있다. 이 예에서, 분광 결정(MC)은 실리콘 결정이다. 시준기(collimator, C2)는 분석 결정(AC)의 각 수용 원도우 밖에 있는 X-선 빔(XB) 부분을 차단하도록 위치할 수 있다.
시준기(C2)를 통과하는 X-선 빔(XB)의 부분은 구리 필터(copper filter, FTR)에 의해 포착될 수 있다. 구리 필터(FTR)는 열로(thermally) 열기(heat)를 격리하도록 구성되고, 동일 중요도로 X-선 튜브(XT)에 의해 생산된 20keV 제동 복사 X-선들을 약화시키도록 구성된다.
주어진 브래그 각에서, 분광기를 가로지르는 원하지 않는 결정 반사가 있을 수 있다. 59.13keV [333] 반사를 선택하기 위하여 약 5.7 정도의 브래그 각을 사용하는 한 예는 또한 19.71 kev [111] X-선들이 통과하기를 허용하는 각의 예 일 수 있다. 만약 이들 X-선들이 분광 결정(MC)을 가로질러 회절된다면, 그것들은 흔들림(blurring), 영상 인공물(image artifacts)를 유발하고, 그 결과로 전반적으로 영상 질(image quality)를 낮출 것이다. 구리 필터(FTR)는 X-선 빔(XB)으로부터 방사되고 분광(MC)를 가로질러 회절되는 더 낮은 X-선들, 특히 19.71 keV 제동복사인 X-선, X-선 광자를 약화시키는 데 사용된다.
분석 결정(AC)은 필터(FTR)를 지나가는 X-선 빔(XB)의 적어도 일부분을 포착하도록 위치할 수 있다. 더 나아가 물체는 그 촬영을 위한 스캐닝 스테이지(scanning state, ST)에 의해서 X-선 빔(XB)의 경로에 위치할 수 있다. 물체(O)의 스캐닝 동안에, X-선 빔(XB)은 물체(O)를 통해 지날 수 있고, 분석 결정(AC)에 의해 분석될 수 있다. 분석 결정(AC)은 분광 결정(MC)을 매치하는 실리콘 [333] 결정일 수 있다.
분석 결정(AC)에 대한 X-선 빔 입사는 디지털 검출기(DD)에 의한 포착을 위해 회절할 수 있다. 디지털 검출기(DD)는 포착된 X-선 빔(XB)을 검출할 수 있고, 포착된 X-선 빔들을 대표하는 전기 신호들(electrical signals)을 발생할 수 있다. 전기 신호들은 영상 분석(image analysis)과 운영자로의 디스플레이를 위해 컴퓨터에 전달될 수 있다. 컴퓨터는 흡수 영상 및 굴절 효과를 보여주는 영상을 발생하도록 구성될 수 있고, 이러한 타입들은 이하에서 상세하게 설명된다.
도 28은 본 발명의 실시 예에 따른 분광 결정(MC)의 측면, 상면, 그리고 정면을 포함하는 개략도(schematic diagram)이다. 도 28을 참조하면, 분광 결정(MC)의 측면, 상면, 그리고 정면은 각각 SV, TV, FV로 표시되어 있다. 분광 결정(MC)의 치수(dimensions)는 도면에 도시되어 있고, 약 ±0.5 mm일 수 있다. 선택적으로, 분광 결정은 다른 적당한 치수를 가질 수 있다. 그 치수들은 영상 응용분야(imaging application)에 의해 부분적으로 결정될 수 있다.
분광 결정(MC)의 표면 방향(surface orientation)은 결정의 큰 표면들과 병렬인 격자 면들(lattice planes)의 방향일 수 있다. 제조될 때, 다른 더 작은 직교 표면들(orthogonal surfaces)의 방향은 레퍼런스로 알려질 수 있다. 바람직한 예의 분광 결정은 게르마늄(germanium) [111] 분광 결정과 실리콘(silicon) [111] 분광 결정일 수 있다.
분광 결정(MC)은 스트레인 릴리프 컷(strain relief cuts)을 포함할 수 있다. 스트레인 릴리프 컷은 C로 표시되어 있고, 결정의 탑 부분(top portion) 내에 정의되어 있다. 컷(C)의 폭은 두께에 있어서 약 1/16 인치이다. 컷(C)의 폭은 다른 적당한 치수로 대체될 수도 있다. 컷(C)은 부착물(attachment) 용으로 사용되는 결정의 부분들을 제거하고, 분석 결정(AC)과 분광 결정(MC의 나머지 부분이 스트레인 프리(strain free)되도록 한다. 만약 스트레스나 스트레인이 분석 결정(AC) 또는 분광 결정(MC)의 영상 부분에서 유발된다면, 그것을 회절 특성을 바꾸고 시스템 성능에 부정적인 영향을 미칠 것이다.
멀티 빔 DEI 그리고 DEI 시스템들
본 발명의 다른 실시 예에 다른 촬영 시스템은 복수의 X-선 빔을 사용할 수 있다. 시스템은 X-선 튜브에 의해 방사되는 특별한 X-선들을 폐기하기 위한 두 개 또는 그 이상의 분광기를 포함할 수 있다. 각각의 분광기는 하나 또는 그 이상의 결정으로 구성될 수 있다.
도 64 및 65는 본 발명의 실시 예에 따른, 복수의 분광 결정을 포함하고 물체(O)의 영상들을 생산하도록 동작할 수 있는 멀티 빔 시스템(200)의 개략도이다. 앞에서 언급한 단일 분광 시스템과 마찬가지로, 촬영 시스템(200)은 다파장(polychromatic) X-선 빔(XB), 또는 X-선 튜브(XT)의 점 소스로부터 다른 방향으로 퍼지는 복수의 X-선 빔을 생산하도록 동작할 수 있는 X-선 튜브(XT)를 포함할 수 있다. 한 예로서, X-선 튜브(XT)는 X-선 빔(XB)이 방사될 수 있는 점 소스를 갖는 텅스텐 X-선일 수 있다. X-선 튜브(XT)는 여전히 싱글 튜브 소스일 수 있다. 그러나 그 소스는 큰 각도 지역(large angular area)으로 빛을 방사할 수 있다.
이 구성은 본질적으로 앞에서 언급한 촬영 시스템의 "스케일링(scaling)"으로 고려될 수 있다. 이 구성은 촬영 시간을 줄이기 위한 유일한 경로(unique path)를 제공할 수 있다. 단일 결정 분광기 또는 이중 결정 분광기 대신에, 각각이 하나 또는 그 이상의 결정으로 구성되는 둘 또는 그 이상의 분광기 (예를 들면, 복수의 분광 결정 MC)이 제공될 수 있다. 예를 들면, 도 64에서 설명되는 특별한 실시 예에서, 복수의 분광 결정(MC)은 제 1 분광 결정(MC-1), 제 2 분광 결정(MC-2), ..., 제 n 분광 결정(MC-n)을 포함할 수 있다.
도 65에서 설명되는 다른 실시 예에서, 복수의 분광 결정(MC)은 복수의 2-결정 분광기를 포함할 수 있다. 특히, 분광 결정(MC)은 제 1 분광 결정쌍(MC1-1, MC2-1), 제 2 분광 결정쌍(MC1-2, MC2-2), ..., 제 n 분광 결정쌍(MC1-n, MC2-n)을 포함할 수 있다. 이들 2-결정 분광기는 매치(예를 들면, 두 개의 실리콘 결정들)되거나 또는 미스매치(예를 들면, 하나의 실리콘 결정, 하나의 게르마늄 결정)될 수 있다.
다른 배열에서, 멀티 빔 시스템은 단일 X-선 튜브(XT), 단일 검출기(DD)를 사용할 수 있다. 그리고 멀티 분광 결정(MC)은 동일 진동-격리된 마운트(vibration-isolated mount, VIM)을 공유할 수 있다. 멀티-빔 디자인은 X-선 튜브(XT)에 의해 발생되는 더 많은 X-선 빔(XB)을 인터셉트할 수 있다. 결과적으로, 주어진 빔들의 수 n에 대하여, 촬영 시간은 단일 빔 구성과 비교하여 n 배만큼 줄어들 수 있다.
구성 요소들의 특별한 배열은 앞에서 언급한 촬영을 위한 구성들의 하나와 유사할 수 있다. 예를 들면, 각각의 분광 결정(MC)은 X-선 빔(XB)을 직접 포착도록 미리 설정된 위치에 위치할 수 있다. 그래서 각각 미리 설정된 에너지 레벨을 갖는 복수의 제 2 X-선 빔들이 생산된다. 특히, 각각의 분광 결정(MC)은 적절한 각(proper angle)에 위치될 수 있고, [333] 또는 [111] 반사를 가지고 텅스턴 Ka1과 Ka2 라인들을 반사하기 위하여 충분히 큰 결정면(crystal face)을 가질 수 있다.
어레이 시준기(CA)는 분광 결정들(MC)의 각 수용 원도우(angular acceptance window) 밖에 있는 X-선 빔(XB)의 일부분을 차단하도록 위치할 수 있다. 그것에 의해, X-선 튜브(XT)로부터 X-선 빔(XB)을 위한 멀티 빔 경로들이 허용된다. 어레이 시준기(CA)는 싱글 멀티 빔 촬영 시스템과 관련하여 앞에서 언급된 시준기(C1) (예를 들면, 싱글 슬릿 탄탈륨 시준기) 대신에 동작할 수 있다.
더 나아가, 앞에서 강조한 것처럼, 시스템(200)은 또한 추가적인 시준기들(CA2)을 포함할 수 있다. 이들은 X-선 튜브(XT)와 분광 결정들(MC) 사이에 위치할 수 있다. 분광 결정들(MC)은 분광 결정들(MC)의 각 수용 원도우 밖에 있는 X-선 빔(XB)의 일부분을 차단하도록 위치할 수 있다. 또는 X-선 빔(XB) (예를 들면, 특성 라인 Kα1과 Kα2 중 하나를 선택적으로 차단하고 특성 방사 라인들 중에 차단되지 않은 하나가 지나가도록 허용할 수 있다. 대안적으로, 추가적인 시준기들(CA2)은 특성 방사 라인들 중 하나를 선택적으로 차단하기 위하여 분광 결정들(MC)과 물체(O) 사이에 위치할 수 있다. 즉, 추가적인 시준기들은 X-선 빔(XB)이 분광 결정들(MC)에 의해 포착된 후에 특성 방사 라인들 중의 하나를 차단하는 위치에 있을 수 있다.
다시 도 64 및 65를 참조하면, 물체(O)는 X-선 빔(XB)의 경로에 있을 수 있다. 물체(O)를 스캐닝하는 동안에, X-선 빔(XB)은 물체(O)를 통하여 지나갈 수 있고, 분석 결정들(AC) (예를 들면, 제 1 분석 결정(AC-1), 제 2 분석 결정(AC-2), ..., 제 n 분석 결정(AC-n))에 의해 분석될 수 있도록 어느 입사각(angle of incidence)으로 맞춰질 수 있다. 각각의 분석 결정(AC)은 대응하는 분광 결정(MC)과 매치(match)될 수 있는 실리콘 결정일 수 있다.
분석 결정(AC)에 입사하는 X-선 빔(XB)은 디지털 검출기(DD) 또는 영상 플레이트(image plate)에 의해 포착되도록 회절될 수 있다. 디지털 검출기(DD)는 포착된 X-선 빔(XB)을 검출할 수 있고, 포착된 X-선 빔들을 대표하는 전기 선호들을 발생할 수 있다. 어떤 실시 예들에 있어서, 디지털 검출기(DD)는 큰 범위 검출기(large area detector)일 수 있다. 다른 실시 예들에 있어서, 디지털 검출기(DD)는 실릿 검출기들(slit detectors)의 어레이(array)일 수 있다.
앞에서 설명한 촬영 시스템 및 방법을 사용하면, 임상 촬영(clinical imaging)을 위해 전형적으로 필요로 하는 미리 설정된 범위 내인 것과 마찬가지로, 선속(flux)이 증가하고 촬영 시간을 줄일 수 있다. 더 많은 팬 빔은 촬영 시간을 줄이는 데 사용될 수 있다. 촬영 시간은 n 분광기들의 어레이를 위하여 n 배만큼 그 촬영을 줄일 수 있다.
DEI 및 DEI 시스템을 사용하기 위한 촬영 절차 및 품질 제어
여기에 게시된 주제와 관련하여 부정합 결정 디자인(mismatch crystal design)으로 구성된 DEI 시스템을 사용하는 영상 습득은 주어진 실험(given experiment)에 위한 적절한 빔 에너지(appropriate beam energy)의 선택으로 시작할 수 있다.
한 예에서, 빔 에너지는 약 10 keV와 약 60 keV 사이의 범위로부터 선택될 수 있다. 촬영을 위한 특별한 에너지의 선택은 바람직한 파장을 위한 적절한 각을 계산할 수 있는 브래그의 법칙을 사용하여 달성될 수 있다. 한 예에서, 분광기 내에 있는 제 1 결정은 선택된 빔 에너지를 제외한 입사 X-선 빔으로부터의 모든 에너지들을 제거하도록 특별한 각으로 맞춰질 수 있는 단지 하나의 움직임 축(axis of movement)을 가질 수 있다.
아래 표 1은 18 keV와 60 keV 사이의 영상들을 얻기 위한 제 1 분광 결정의 바람직한 각들의 예시를 보여준다. 브랙의 법칙
Figure pct00013
을 사용하여 계산된 실리콘의 이들 각들은, 마치 X-선 빔이 분광 결정(MC)를 가로질러 회절하는 것처럼, X-선 빔의 입사각(theta θ)와 회절된 각(theta θ)을 정의한다.
검출기는 각 2θ, 즉 X-선 빔 에너지를 선택하기 위한 제 1 결정에 사용되는 브래그 각의 두 배 되는 곳에 놓인다.
에너지 (keV) θ(degrees) 2θ(degrees)
18 19.23 38.46
19 18.19 36.38
20 17.25 34.50
21 16.41 32.82
22 15.64 31.28
23 14.94 29.88
24 14.30 28.60
25 13.72 27.44
26 13.18 26.36
27 12.69 25.38
28 12.23 24.46
29 11.80 23.60
30 11.40 22.80
31 11.03 22.06
32 10.68 21.36
33 10.35 20.70
34 10.05 20.10
35 9.76 19.52
36 9.48 18.96
37 9.22 18.44
38 8.98 17.96
39 8.75 17.50
40 8.53 17.06
41 8.32 16.64
42 8.12 16.24
43 7.93 15.86
44 7.75 15.50
45 7.57 15.14
46 7.41 14.82
47 7.25 14.50
48 7.10 14.20
49 6.95 13.90
50 6.81 13.62
51 6.68 13.36
52 6.55 13.10
53 6.43 12.86
54 6.31 12.62
55 6.19 12.38
56 6.08 12.16
57 5.97 11.94
58 5.87 11.74
59 5.77 11.54
60 5.67 11.34
표 1: 영상들을 얻기 위한 제 1 분광 결정의 실리콘[333] 반사의 예시 각들
부정합 결정 디자인(mismatch crystal design)으로 구성된 DEI 시스템은 조정되고(tuned) 주의 깊게 정렬(align)되어야 하는 3개의 결정, 분광 결정과 분석 결정에 있는 2개의 결정을 포함한다. 예를 들면, DEI 시스템(600)은 조정되고 정렬될 수 있는 분광 결정들(MC1, MC2)과 분석 결정(AC)을 포함한다. 제 1 결정(예를 들면, 도 6a 및 6b에 도시된 분광 결정 MC1)과 분석 결정(예를 들면, 도 6a 및 6b에 도시된 분석 결정 AC)은 각각의 에너지를 위해 계산된 각(theta 각)에 맞춰질 수 있다. 예를 들면, 25 keV에 시스템을 맞추기 위하여, 제 1 분광 결정은 13.17 도(degrees)로 설정되고, 분석 결정은 13.72 도(degrees)로 설정된다. 디지털 검출기 어셈블리는 분석 결정의 두 배 되는 각(이 예에서는 27.44 도)으로 설정될 수 있다.
제 2 분광 결정(예를 들면, 도 6a 및 6b에 도시된 분광 결정 MC2)은 chi 각으로 언급되어 있고, 수평 방향으로 조절될 수 있다. 만약 수평 얼라이먼트(horizontal alignment)가 이들 결정들 사이에서 오프(off) 된다면, 영상 내에서 왼쪽으로부터 오른쪽으로 강도 이동(intensity shift)일 수 있다. 두 개의 이온 챔버들은 분광 결정과 분석 결정으로부터 방사된 선속(flux)을 측정하는 데 사용될 수 있다. 분광 결정과 분석 결정은 둘 다 안쪽(inboard) 및 바깥쪽(outboard) 지역 안으로 나누어진다. 만약 소스로부터 검출기 어셈블리로 X-선 빔을 본다면, 안쪽 지역(inboard region)은 오른쪽에 있고, 바깥쪽 지역(outboard region)은 왼쪽에 있다. 안쪽과 바같쪽 지역들은 락킹 커브 피크들이 확실히 정렬되도록 샘플될 수 있다. 그렇지 않으면 치 각(chi angle)이 조절될 수 있다. 도 29는 안쪽/바깥쪽 지역들과 치(chi)와 쎄타(theta) 회전 각들을 보여주는 분광 결정의 투시도이다.
DEI 시스템에 의해 인가된 조사선량(dose)은 많은 방법들로 조절될 수 있다. 예를 들면, 조사선량은 알루미늄 필터 두께를 바꾸거나 X-선 빔의 경로에 흡수제들을 놓아둠으로써 조절될 수 있다. 조사선량은 또한 락킹 커브의 피크로부터 제 2 분광 결정을 디튠(detune)함으로써, 필요로 한다면 회절된 강도(diffracted intensity)를 극적으로 줄임으로써, 줄어들 수 있다. 한 예에서, X-선 튜브는 싱크로트론에 의해 교체될 수 있다. 싱크로트론의 경우에, 제 1 분광 결정에 대한 입사 선속은 싱크로트론의 링 전류(ring current)에 의해 결정된다.
샘플 획득 시간은, 단계들에서 측정된 샘플 스테이지의 변형률(translation rate)과 함께, 입사 선속에 의해 결정될 수 있다. 스캔 속도는 단계들에서 측정된, 조사선량을 조절함으로 증가하거나 감소될 수 있다. 스캔 속도는 노이즈의 양이 고정되어지는 영상 평면들(image plates)을 사용할 때의 임계 요소(critical factor)일 수 없고, 그것은 노이즈의 양이 부분적으로 획득 시간에 의해 결정되기 때문에 적분 디지털 검출기들(integrating digital detectors)을 사용할 때 고려되어야 한다. 디지털 검출기를 사용할 때, DEI 시스템은 스캔 스피드가 가능한 최대값에 가깝도록 맞춰져야 한다.
DEI 또는 DEI 시스템이 적절한 에너지와 조사선량에 맞춰지면, 촬영될 물체는 샘플 스테이지에 놓일 수 있고 정렬 될 수 있다. 한 예에서, X-선 빔의 최대 폭은 120mm이고, 이것은 결과 영상(resulting image) 폭의 물리적 한계이다. 120mm보다 작은 폭을 갖는 디지털 검출기 또는 영상 평면의 사용은 뷰 필드(field of view)를 더욱 제한할 수 있다. 한 예에서, 샘플 스테이지는 약 200mm의 최대 수직 디스플레이스먼트(displacement)를 갖는다. 그러나 샘플 높이(sample height)에 대한 물리적 제한은 없다. 물체의 특별한 영역을 촬영하기 위하여, 이 영역이 시스템을 위하여 200mm 이내에 놓여 있는지를 결정해야 한다. X-선 빔의 위치는 고정될 수 있다. 그래서 관심 있는 물체 수직 영역은 빔에 대한 상대적 위치에 의해 결정될 수 있다.
DEI 시스템에 사용되는 결정들은 결정의 주어진 영역에 대해 광자들의 회절 능력에 있어서 균질한 것으로 간주된다. 그러나 결정의 구조는 증가되거나 감소된 강도의 마이너한 영역들이 있을 뿐이다. 고정된 치수(fixed dimension)의 빔을 통해서 스캔될 물체 때문에, 이들 "글리치들(glitches)"은 영상의 수직 차원(vertical dimension)을 지나면서 희미하게 약해질 수 있다. "글리치"라는 용어는 종종 이들 수직 라인들에 적용된다. 그러나 이러한 효과들은 기대되고, 시스템의 알려지고 기대된 특성으로 간주되어야 한다.
시스템 성능 특성에 관한 실험
여기에 게시된 바와 같이, X-선 튜브들을 포함하는 DEI 및 DEI 시스템들을 만들기 전에, 실험들이 테스트 목적인 X-선 소스와 같이 싱크로트론을 사용하여 수행되고 있다. 초기 데몬스트레이션(initial demonstration)처럼, 18 keV와 59 keV X-선들을 사용하는 촬영 시간들과 선속 요구치(flux requirements)는, X-선 소스들을 기반으로 하는 텅스텐과 몰리브덴을 시뮬레이션하여 계산되고 있다. 더 나아가, 몇 가지 가정들이 픽셀 크기와 픽셀 당 광자들의 수와 같은 시스템 구성과 관련하여 만들어지고 있다. 이러한 값들은 필요에 따라 스케일될 수 있기 때문에, 조직의 5cm를 가로지는 픽셀 당 1000 광자들을 가진 100 마이크론의 픽셀 크기가 이 예에서 사용될 것이다.
100 마이크론 스퀘어 픽셀 당 필요로 하는 광자들의 수는 물체(이 예에서는 5cm 물)를 통해 광자들의 감쇄(attenuation)에 의해 기대되는 픽셀 당 광자들의 수를 나눔으로써 계산될 수 있다.
Figure pct00014
Figure pct00015
이와 같이, 18 keV X-선 소스를 위하여, 약 1.6 X 105 입사 광자(incident photons)이 100 마이크론 스퀘어 픽셀 각각에 대해 요구된다. 59 keV X-선들의 감소(attenuation)는 18 keV에서 훨씬 적다. 그것의 결과는 100 마이크론 스퀘어 픽셀 당 2.9 x 103 광자들의 줄어든 입사 광자 수요(reduced incident photon demand)로 나타난다.
방사 라인 소스를 사용하여 입체 각( solid angle ) 안으로 입사 X-선 유입( flux )
DEI와 DEI 시스템들에서 사용되는 결정 광학(crystal optics)은 높은 선택적 각 노치 필터처럼 동작한다. 노치 필터는 적절한 에너지 또는 각 발산을 갖지 않는 X-선 빔으로부터 광자들을 제거할 것이다. X-선 튜브에 근거한 소스를 위하여, 광자들은 모든 입체 각들(solid angles)로 거의 복사하도록 기대된다. 선속 요구치를 결정하기 위하여, 검출기와 X-선 결정 광학에 의해 정해지는 입체 각에 근거하여 선속을 계산해야 한다. X-선 튜브는 다파장 에너지 산포(polychromatic energy distribution)를 가질 것이고, 결정 시스템은 브래그 법칙에 의해 정의된 방사 라인들 중 하나를 선택할 것이다.
완전한 결정을 가졌다면, 주어진 반사를 위한 피크 반사도(peak reflectivity)는 브래그-노말 방향으로 진성 반사 폭(intrinsic reflection width) 또는 다윈 폭에 가까운 집적된 반사율(integrated reflectivity)을 만드는, 유니티(unity)에 매우 가깝도록 기대된다. 브래그 [333] 반사를 가진 실리콘 결정을 가정하면, 18 keV와 59 keV의 다윈 폭은 다음과 같다.
18 keV Si [333] DarwinWidth = 2.9 x 10-6 radians, and
59.3 keV Si [333] DarwinWidth = 0.83 x 10-6 radians.
결정 격자 평면들과 병렬 방향으로 이동하는 X-선들은 브래그-병렬(Bragg-paralle)로 알려져 있다. 그리고 브래그-병렬 방향에 있는 각 수용(angular acceptance)은 결정에 의해서가 아니라, 검출기 해상도에 의해 설정된다. 만약 촬영될 물체가 X-선 소스로부터 1 미터이고, 100 마이크론의 공간 해상도(spatial resolution)가 요구된다면, 브래그-병렬 수용 각(Bragg-parallel acceptance angle)은 100 마이크로 라디안이다. 100 마이크로 라디안 브래그-병렬 수용 각의 경우에, 18 keV와 59 keV에서 스테라디안(steradian) 당 요구되는 광자들의 수는 다음과 같다.
Figure pct00016

X-선 튜브 선속
X-선 튜브 기반 소스들은 그것들의 X-선 스펙트럼, 특성 방사 라인들 그리고 제동 복사에 두 개의 구성 요소를 가질 수 있다. DEI와 DEI 시스템의 결정 광학은 에너지들 중에 단지 하나의 바람직한 협소 대역(narrow band)의 선택을 수행한다. 협소 대역의 선택은 튜브 목표(tube target)의 특성 방사 라인에 중심을 두어야 한다. 이 경우에, 몰리브덴(17.478 keV)의 Kα1과 텅스텐(59.319 keV)의 Kα1은 각각의 소스로부터 이들 방사 라인들의 선속을 결정하는 데 사용될 수 있다.
멀티플 전압 및 전류 설정에서 몰리브덴과 텅스텐 X-선 튜브들의 몬테카를로 시뮬레이션들(Monte Carlo simulations)은 실제적인 촬영 조건들 아래에서 발생될 수 있는 선속을 결정하도록 발생된다. 10 kW의 파워와 75 kV 가속 전압을 사용하는 몰리브덴 목표를 가정하면, Kα1 안으로 방사되는 선속은 다음과 같다.
Figure pct00017
50 kW의 파워와 150 kV 가속 전압을 가진 텅스텐 목표를 사용하는 Kα1 방사는 다음과 같다.
Figure pct00018

측정된 영상 습득 시간
분석기가 피크 위치로부터 어떤 값 (80%)으로 디튠(detune)된다면, 굴절 콘트라스트와 소멸 콘트라스트를 포함하는 노출(exposure)을 얻을 수 있다. 이들 계산들은 싱글 분광 결정과 분석 결정을 가진 DEI 시스템을 가정한다. 이 시뮬레이션의 기하학적 구조는 National Synchrotron Light Source (NSLS) X15A beamline (located at Brookhaven National Laboratory, Upton, New York)에서 사용된 것과 일치한다. NSLS는 물체가 빔을 통해 스캔되는 라인 소스 X-선을 사용한다. 높이가 10cm이고 100 마이크론 픽셀 크기 (0.1mm)인 물체를 가정하면, 1000 스캔 라인들은 다음과이 요구될 것이다.
Figure pct00019
75 kV, 10 kW를 가정하면, 몰리브덴 목표 경우(약 18 keV)에는 다음과 같다.
Figure pct00020
150 kV, 50 kW를 가정하면, 텅스텐 목표 경우(약 59.3 keV)에는 다음과 같다.
Figure pct00021

최대 반사율(maximum reflectivity)의 80%를 가진 락킹 커브 상의 한 포인트에서 싱글 영상을 고려하면, 위의 파라미터들을 이용하는 몰리브덴 목표를 사용하는 데 필요로 하는 시간은 약 1.1 시간이다. 텅스텐 튜브에 대한 같은 반사율을 사용하는 데 필요로 하는 시간은 약 4.6분이다. 촬영 시간은 픽셀 당 필요한 광자들과 같은 변수들을 촬영하고 물체로부터 소스까지의 거리를 바꾸어줌으로 좀 더 감소될 수 있다.
소스를 가진 브래그 [333] 반사를 1000 mm의 물체 거리(object distance)에 사용하여 계산된 데이터에 근거로 하는, 예측 촬영 시간들은 다른 반사들과 거리들을 사용하여 측정될 수 있다. DEI, 브래그 [333] 및 브래그 [111] 반사들에 사용될 수 있는 2개의 결정 반사들이 있다. DEI 내의 굴절 및 소멸 대조, 그리고 DEI 둘 다 많은 부분에서 분석기 반사율 커브의 기울기에 의해 결정되고, 그 기울기는 각에 주어진 변화에 대해 더 큰 콘트라스트를 제공하는 더 가파른 기울기를 갖는다. 브래그 [333] 반사는 굴절 및 소멸 대조 관점에서 브래그 [111] 반사보다 더 우수할 수 있다. 그러나 [333] 반사로부터 회절된 선속은 대략적으로 [111] 보다 더 작은 크기의 차수(order of magnitude)를 갖는다.
도 30은 실리콘 [111], [3333], [444], 및 [555] 결정 회절 플레인들을 사용하는 NSLS X15A hutch 내의 분광 빔 선속을 설명하는 그래프이다. 선속에서 10 배 증가는 10 배만큼의 촬영 시간을 줄일 수 있고, 그것은 어떤 응용분야에 대해 [111] 반사에 장점으로 작용할 수 있다.
촬영 시간을 좀 더 줄이는 것은 소스로부터 물체까지의 거리를 줄임으로써 달성될 수 있고, 그것은 여기에 게시된 바와 같이 1000mm의 거리를 사용하여 계산될 수 있다. 소스로부터 촬영된 물체까지의 광자 강도는 1/r2 에 비례한다. 만약 물체 거리가 1000mm에서 500mm로 줄어든다면, 그 강도는 4배만큼 증가될 수 있다. 소스-물체 거리에 영향을 줄 수 있는 많은 요인들이 있고, 가장 중요한 것 중의 하나는 물체 크기이다. 분석기/검출기 어셈블리는 응용분야에 따라 요구되는 대로, 소스로부터 가까워지거나 멀어질 수 있다.
에너지가 증거됨에 따라 (예를 들면, 18 keV에서 3.86 마이크로라디안 그리고 60 keV에서 1.25 마이크로라디안), 분석기 락킹 커브의 FWHM(Full Width at Half Maximum)은 좁아진다. 폭 대 에너지(widths verse energy)의 락킹 커브의 예는 아래 표 2에 도시되어 있다. 특히 아래 표 2는 18, 30, 60 keV에서 [333] 분석기 락킹 커브의 측정된 그리고 이론적 FWHM을 보여준다. [333] 더블-브래그 분광기는 브래그 피그에 맞춰져 있다.
X-선 에너지 (keV) 측정된 FWHM (μrad) 이론적 FWHM (μrad)
18 3.86 3.64
30 2.15 2.10
60 1.25 1.11
표2: 18, 30 및 60keV에서의 [333] 분석기 락킹 커브의 측정된 그리고 이론적 FWHM
FWHM의 감소는 락킹 커브의 기울기를 증가시키고, 더 나아가 굴절 및 소멸 대조를 증가시킨다. 도 31은 FWHM의 감소가 락킹 커브의 기울기를 증가시키는 것을 설명하는 그래프이다. 50 kW에 대한 선속 계산들, 브래그 [333] 반사, 그리고 소스와 물체 사이의 1000mm 거리를 사용하여, 아래 표 3에 도시된 바와 같이, 다양한 거리들 및 결정 반사들에 요구되는 촬영 시간을 측정할 수 있다. 특히, 표 3은 결정 반사와 소스-물체 거리에 근거한 측정된 촬영 시간을 보여준다.
결정 굴절 소스에서 물체까지 (mm) 측정된 촬영 시간 (초)
브래그 [333] 1000 280
브래그 [333] 500 70
브래그 [111] 1000 28
브래그 [111] 500 7
표3: 결정 굴절 및 소스로부터 물체까지의 거리에 기반한 측정 촬영 시간
싱크로트론 기반의 DEI 및 DEI 시스템 실험
앞에서 언급한 바와 같이, DEI 및 DEI 시스템 실험들은 싱크로트론을 사용하여 수행되고 있다. 특히, NSLS X-15A 빔라인(beamline)은 여기에 게시된 바와 같이 DEI 및 DEI 실험들에 이용되고 있다. 여기에 게시된 바와 같이 실험들에 사용되는 싱크로트론 X-선 소스는 DEI 또는 DEI 영상들을 생산하기 위한 여기에 게시된 주제와 관련하여, X-선 튜브로 대체될 수 있다.
NSLS에서 X-선 링(ring)은 10 keV부터 60 keV까지의 고 선속 X-선들을 생산할 수 있는, 2.8 GeV의 싱크로트론이다. 도 32는 본 발명의 실시 예에 다른 싱크로트론 X-선 빔을 사용하는 DEI 시스템(3200)의 실험적 세트업의 개략도이다.
도 32를 참조하면, 싱크로트론에서 방사되는 X-선 빔(XB)은 약 0.2 밀리라디안의 수직 발산(vertical divergence)으로 높게 시준되어 있다. 16.3 미터 길이의 빔라인 파이프(도시되지 않음)는 실험용 허치(experimental hutch)를 싱크로트론 X-선 링에 연결한다. 고강도 다파장 X-선 빔(XB)은 실험용 허치로 들어가고, 더블 결정 분광 탱크(MT)의 사용를 통해 분광된다. 분광 탱크(MT)는 열적 부하(thermal loading)을 줄이도록 물로 냉각(water-cooled)되는 두 개의 분광 결정들(MC1, MC2) (각각 150 mm wide x 90 mm wide x 10 mm high)을 포함한다. 분광 탱크(MT)를 나오는 X-선 빔(XB)은 단색성이다.
단색성 X-선 빔들은 이온 챔버(IC)와 고속 셔터 어셈블리(high speed shutter assembly, SA)를 통해 샘플 스테이지 어셈블리(SSA)까지 진행하고, 최대 치수(maximum dimensions) 120mm 폭과 3mm 높이를 갖는 라인 소스 X-선 빔을 생산한다. 빔 위치가 고정되면, 어셈블리(SSA) 상의 샘플 물체(O)는 스텝퍼 모터(stepper motor)에 의해 구동되는 변형 스테이지(translation stage)을 사용하여 X-선 빔을 통해 이동된다.
종래의 방사선 사진들은 빔 경로에서 샘플 물체(O) 바로 뒤에 검출기(D1)을 놓음으로 얻어질 수 있고, 분석 결정(AC)의 효과들을 제거함으로 얻어질 수 있다. 이 구성에서 얻어진 영상들은 흡수가 주요 콘트라스트 매커니즘이라는 점에서 전통적인 X-선 시스템들과 유사하지만, 싱크로트론 방사선 사진들은 전통적인 X-선 시스템들을 사용하여 얻어진 영상들과 비교될 때 보다 더 콘트라스트를 가지도록 보여진다. 실험들이 여기에서 제공되는 동안에 얻어진 전통적인 방사선 사진들은 DEI 영상들과 비교를 위해 사용되고 있다.
DEI 영상들은 계산된 브래그 각의 두 배 되는 각에서 분석 결정(AC) 다음에 검출기(D2)를 놓음으로 얻어질 수 있다. 18~60 keV 범위에서 촬영을 위해 사용되는 각들의 요약은 위 표 1에 제시되어 있다. 라인 소스 X-선의 사용은 DEI를 위한 샘플과 반대되는 방향 및 싱크로트론 방사선 사진들을 얻기 위한 것과 같은 방향으로 검출기를 이동하는 것이 필요하게 한다.
이 실험에서, DEI 영상들은 Fuji HR V 영상 플레이트들을 사용하는 Fuji BAS2500 영상 평면 리더(image plate reader)를 사용하여 얻어지고 있다. 이것들은 Fuji Medical Systems of Stamford, Connecticut에서 이용할 수 있다. 평면들은 대략 0.5mm 두께이고, 유기 결합체(organic binder)로 결합된 사진 증진 형광 물질(photostimulable phosphor) (BaFBR: EuP2 +P)로 코팅된 플렉서블 플라스틱 평면(flexible plastic plate)으로 구성된다. 영상들은 50 마이크론의 해상도와 16 비트 그레이 레벨(gray level)에서 FUJI BAS2500을 사용하여 스캔된다.
더 나아가, 다른 실험에서, 디지털 검출기는 시스템에 더해져서 실제적이거나 가능하지 않는 DEI 어플리케이션들을 인에이블할 수 있다. DEI 어플리케이션은 회절 증강된 검퓨터 단층 촬영(diffraction Enhanced Computed Tomography) 및 멀티플 영상 방사선 촬영(Multiple Image Radiography; MIR)을 포함한다. 사용될 수 있는 검출기의 바람직은 예들은 50x100mm 액티브 영역과 12-비트 출력을 갖는 Shad-o-Box 2048을 포함한다. Shad-o-Box 2048은 Rad-icon imaging Corp of Santa Clara, California에서 얻을 수 있다. 이 검출기는 GdB2BOB2BS 신틸레이터 스크린(scintillator screen)과 직접 접촉하는 48 마이크론 픽셀 공간(spacing)을 가진 1024 x 2048 픽셀들을 포함하는 포토다이오드 어레이를 이용한다.
다른 바람직한 예의 검출기는 120mm x 80mm의 FOV와 30 마이크론 픽셀 크기를 가진 Photonic Science VHR-150 X-선 카메라를 포함한다. Photonic Science VHR-150 X-선 카메라는 Robersbridge of East Sussex, United Kingdom에서 이용할 수 있다. 이들 두 예의 검출기들은 영상 평면과 같은 방법, 즉 방사선 사진 촬영 또는 DEI 구성(configuration)으로 마운트(mount)될 수 있다.
빔에서 물체 없이 분석 결정 락킹 커브를 가로질러 영상들을 얻으면, 진성 락킹 커브를 발생할 수 있고, 이것은 분석기 반사율의 다른 레벨들에서 분광 결정과 분석 결정의 컨벌루션을 나타낸다. 진성 락킹 커브는 흡수, 굴절, 또는 초소형 각도 산란에 의해 변경되지 않을 것이다. 이것들은 뛰어난 기준 포인트를 이룰 수 있다. 물체가 빔에 놓일 때, 픽셀 대 픽셀 기반 상의 락킹 커브에 있어서의 변화는 어떤 X-선 상호 작용들이 주어진 픽셀에서 콘트라스트로 이끌고 있는가를 결정하는 데 사용될 수 있다.
ERA 방법으로 사용되는 모델은 락킹 커브를 대략적으로 가우시안 산포 (Gaussian distribution)로 만든다. 이것은 락킹 커브가 분광기와 분석기의 컨벌루션이고, 삼각 모양(triangular)을 이룬다. 이 모델에 대한 공식은 다음 식에 의해 제공된다.
Figure pct00022
여기에서, mBTB는 선형 흡수 계수이고, cBsB는 소멸 계수이고, t는 물체 두께이고, qBzB는 굴절각이며, wBsB 는 산란 산포를 갖는 가우시안이다.
MIR은 ERA 방법의 보다 개선된 버전이다. MIR은 종래의 프로세싱 기술에서 제시된 많은 문제를 다루고, 영상 콘트라스트 요소들의 좀 더 완전한 설명을 가능하게 한다. 앞에서 언급된 바와 같이, MIR 기술을 이용하여 처리된 영상들은 흡수와 굴절 영상을 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 초소형 각도 산한 영상도 발생할 수 있다. MIR은 또한 DEI 겉보기 흡수와 굴절 영상들(DEI)에 제시된 실체적 에러들을 수정해왔고, 노이즈에 좀 더 견고(robust)하다.
ERA 방법과 같이, MIR은 분석 결정 락킹 커브를 사용하여 물체의 흡수, 굴절, 그리고 초소형 각도 산란을 표현하는 영상들을 발생한다. 만약 진성 락킹 커브가 베이스라인(baseline)에 있다면, 광자 흡수가 전체적인 강를 줄일 것이기 때문에, 그 커브 아래에 있는 지역(area)을 줄이는 변화들은 흡수만으로 해석될 수 있다.
순수하게 굴절에 의한 경우에, 락킹 커브의 중심(centroid)은 이동되나, 락킹 커브의 폭은 일정하게 유지될 것이다. 초소형 각도 산란으로 이끄는 상호 작용들은 락킹 커브의 각 산포를 가로질러 광자들을 산란할 것이고, 이것은 그 커브를 더 넓어지게 할 것이다.
광자들이 락킹 커브의 수용 윈도우 밖으로 산란되지 않는다고 가정하면, 산란 효과는 그 커브의 모양처럼, 그 커브 아래 지역에 영향을 미치지 않을 것이다. 만약 락킹 커브가 본질적으로(in nature) 가우시안인 것으로 가정하면, 그 커브의 변화(variance)는 현존하는 산란의 양을 나타내는 데 사용될 수 있다.
에너지가 증가함에 따라 락킹 커브 폭은 감소하고, 이것은 이 변화를 설명하기 위해서 샘플링 절차를 변경하는 것을 필요하게 만들 수 있다. 18 keV에서 락킹 커브 FWHM은 3.64 마이크로라디안이고, 60 keV에서 1.11 마이크로라디안으로 감소한다. 락킹 커브가 좁아짐에 따라, 굴절 콘트라스트가 중요한 각 범위는 줄어든다. 이것을 보상하기 위하여, 각 샘플링 범위 및 증가분은 줄어들 수 있다. 60 keV 락킹 커브의 증가된 기울기는 그것이 마이크로라디안 당 강도에서 보다 큰 변화를 발생한다는 점에서 유용하다. X-선 튜브와 같이 선속 제한 X-소스들을 사용할 때, 이들의 특성은 주어진 선속에 대해 가능한 최고의 굴절을 발생하도록 최대화될 수 있다.
DEI 시스템 안정성
강도에 대한 각도 변화를 바꾸기 위해 분석 결정의 사용은 예외적인 콘트라스트도 허용하지만, 본 기술에서의 가정은 커브 위치를 진동시키는 분석 결정이 시간상의 상수를 남긴다는 것이다. 실제 예에서, 이것은 상기 경우가 아니고, 그러한 좁은 락킹 커브 폭으로서는 분석기 피크 위치 내에서의 작은 변화도 획득된 영상 내에서 심각한 에러를 가져올 수 있다. DEI 투명 흡수 및 굴절 영상, MRI, 및 MIR-CT 등과 같은 프로세싱 알고리즘의 응용은 고도의 시스템 안정성을 요한다. 유방 조직내에서 흡수,굴절, 및 산란 파라메터들을 결정하는 목표를 얻는 것은 불안정성을 유발하는 요소들을 격리하기 위해 NSLS X-15A 빔라인에 대한 시스템적 엔지니어링 분석기를 요구하였다.
이 실시예에서 DEI 시스템에 대한 안정성은 시간 연장 구간 상의 분석 결정 락킹 커브에 대한 상수 피크 위치를 유지하는 능력으로서 정의될 것이다. 리뷰를 위해, 다파장 X-선 빔은 분광기 내에서 제 1 결정상에 입사된다. 이것은 단일 팬텀 에너지를 선택하는 브래그의 법칙(Bragg's Law)을 사용하여 특정한 각도로 조정된다. 그러면 회절된 단색 빔은 입사 빔과 병렬의 방향으로 빔을 재 지도하는 기능을 가지며 분석 결정에 의해 정렬되는 제 2 분광 결정을 만나게 된다. 특별한 에너지를 위해 시스템을 조정할 때 제 1 분광 결정은 먼저 정렬된다. 그리고 제 2 결정은 조정되어 빔의 위치를 찾는다. 분광 탱크는 오존 발생을 줄이기 위해 지속적으로 헬륨으로 플러싱된다. 오존은 신속히 산화될 수 있고 탱크 내에서 중요한 부품들에게 해를 주기 때문이다.
제 2 분광 결정의 정렬에 따라, 분석기는 결정상에서 빔의 위치를 찾기 위해 스캔된다. 빔 위치를 찾는 결정을 진동시키는 것은 특별한 국을 찾기 위해 라디오 다이얼을 스캐닝 하는 것과 유사하며, 분석기의 각도 위치가 제 2 분광 결정과 완벽하게 정렬되었을 때 강도의 급격한 상승이 발생한다. 일단 분석기가 정렬되면 그 시스템은 조정되고 사용준비가 된다.
DEI 시스템 내에서 드리프트(drift)를 생성할 수 있는 요소들은 3가지 카테고리들로 분류된다. 즉, 진동, 기계적, 및 열적 요소들이다. DEI 시스템의 선택적 부분은 진동들에 민감하다. 결정들 상의 작은 진동조차도 각도에서 작은 변화를 유발할 수 있으므로 대조적으로 변화들을 야기한다. 큰 화강암 석판은 외부 환경으로부터 진동들을 완충하기 위해 NSLS X-15A 빔 라인에서 사용되었다. 포스트 분석기 X-선 빔을 모니터링하기 위해 오실로스코프를 사용하는 측정은 강도에서 약 2-3% 변화가 있다는 것을 나타내고 있다. 이는 빔라인에서의 외부 드라이브 팬들과 펌프들로부터의 진동들에 기인한다.
복수의 모터는 결정들을 정렬하고 샘플 스테이지와 검출기 어셈블리를 동작시키기 위해 사용되었다. 피코모터 드라이브는 쎄타 각도를 조정하기 위해 제 1 분광 결정, 제 2 분광 결정, 및 분석 결정과 함께 사용될 수 있다. 제 2 분광 결정과 분석 결정은 치(chi) 각도를 조절하기 위해 제 2 피코모터를 사용한다. 이들 드라이브 모터들에서의 어떤 불안정성은 시스템의 정렬에서 큰 편차들을 유발할 수 있으며, 기계적 드리프트는 DEI 시스템 불안정의 주된 요인이 될 수 있는 것으로 처음 생각되었다. 샘플 스테이지와 검출기 어셈블리를 구동하기 위해 사용되는 모터들은 영상 품질을 위해 중요하나, 그들은 X-선 빔의 안정성에 대하여 기여하지 않는다.
시스템 불안정성에 대한 제 3 요인은 열이며, 이는 입사 X-선 빔으로부터 생성된 열과 시스템 드라이브 모터와 증폭기들로부터 생성된 열 모두에 의해 야기된다. 시스템 내의 열적 변화들은 시스템 안정성에 일부 영향을 가질것으로 알려졌으나, 주된 비안정성 요소로는 고려되지는 않았다. 열적 변화들와 시스템 비안정성 사이의 연관 세심한 관찰이 행해졌을 때 입증되었으며, 분석기 내에서의 드리프트는 비교적 지속적이고 주기적이었다. 이 예에서, DEI 시스템내에서 주기적인 한가지 변화만이 있으며 이는 메인 X-선 셔터들을 개폐함에 의해 생성되고 소실되는 열이다.
실험적인 테스트들과 관찰들은 드리프트의 주된 소스로서 실리콘 결정 구조의 확장과 압축에 대한 불안정성 포인트의 소스들을 격리하기 위해 얻어진다. 이들 실험적 관찰들의 간략한 설명은 브래그의 법칙(
Figure pct00023
) 을 이용하여 수행될 것이다. 하나의 결정을 고려하는 것은 요구되는 에너지를 회절시키는 주어진 각도에서 시작하며, 격자 구조의 d 스페이싱내의 어떤 변화도 회절된 빔의 각도를 변화시킬 수 있다. 분광기내에서 X-선 빔으로부터 발생된 열은 선형확장 계수 Δd/d = 3x10P-6P ΔT (C) 에 따라 확장하는 실리콘 결정을 유발할 수 있다.
브래그의 법칙을 이용하여 d에 대하여 풀면, 아래와 같은 식을 얻는다.
Figure pct00024
Figure pct00025
.
식의 미분을 취하면 다음과 같은 식을 얻는다.
Figure pct00026
.
d 에 대하여 치환하고 재정리하면 다음의 식을 얻는다.
Figure pct00027
,
식은 다음과 같이 정리될 수 있다.
Figure pct00028
.
Figure pct00029
에 대하여 실리콘 선형 확장 계수를 대입하면 아래와 같은 식이 도출된다.
Figure pct00030
.
18 keV과 40 keV, 19.2 및 8.4 도에 대하여 각각 브래그 각도를 이용하면, 18 keV 에서 섭씨 도당 1.05 마이크로 라디안 및 40 keV 에서 섭씨 도당 0.44 마이크로 라디안의 각도 변화를 볼 수 있다. 드리프트의 이론적 설명으로서 이 계산을 이용하면, 전체 빔라인 안정성 증가와 빔 에너지 증가에 따른 분석기 드리프트 감소를 볼 수 있을 것이다.
초기 분석기 안정성 테스트는 평균 60초 이하의 피크 분석기 위치의 안정성을 가지고서는 시스템이 아주 불안정하였음을 나타낸다. 이것은 단일 영상 스캔에 대하여 수용될 수 있지만, MIR 및 어떠한 CT 응용에 대하여는 수용될 수 없다. 콜드 스타트로부터 12시간의 연속적인 동작을 통하여 분석기 위치 내에서 변화를 측정하는 멀티플 드리프트 평가는 50 과 100 사이의 마이크로 라디안으로 나타났다. 시스템 안정의 온도 중요성의 인식에 따라, 모든 시스템 성분의 포괄적 평가는 열 소스가 완화 또는 제거될 수 있다는 것을 결정하기 위해 수행되었다.
온도에서 큰 변화를 경험하는 한 시스템 성분은 알루미늄 필터 어셈블리이다. 이 필터 어셈블리는 원치 않는 낮은 에너지 X-선을 감쇠하기 위한 기능을 갖는다. 이들 0.5 밀리미터 두께의 알루미늄 시트는 싱크로트론 화이트 빔에 노출될 때 빠르게 뜨거워지고 그 빔이 턴오프되면 빠르게 냉각된다. 인접 분광 탱크 내에서 열적 민감 결정에 대하여 알루미늄 필터 어셈블리의 근접은 주된 소스의 불안정성을 야기한다. 히트 싱크는 필터들에 의해 발생된 열을 제거하고 알루미늄 필터 어셈블리를 열적으로 격리하기 위해 필요해진다. 도 33은 여기에 게시된 본 발명에 따른 예시적 알루미늄 필터 히트싱크의 영상이다. 도 33을 참조하면, 알루미늄 필터 삽입 포트와 냉각수 입/출력 튜브들이 나타나 있다.
구리 필터 어셈블리는 알루미늄 필터들에 의해 발생된 열을 열적으로 격리하고 고 유동 냉각 물 도관의 순환으로 열을 전달하기 위해 시스템 내에 구성되어진다. 알루미늄 필터들은 또한 복사 표면적을 제한하고 구리 히트싱크와 접촉을 증가하기 위해 사이즈 축소된다. 수냉 필터 어셈블리의 설치가, 전체 시스템 드리프트가 콜드 스타트로부터 12시간 연속 동작 드리프트 측정 평균 -6 마이크로 라디안으로, 대략 진폭의 오더 만큼 감소되었음을 나타낸 후에, 안정성 테스트가 얻어진다.
수냉 필터 히트싱크의 추가 후에 전체 시스템 드리프트에서 획기적인 감소는 분석 및 분광 결정에 대한 등온 환경을 유지하는 중요성을 명확하게 만들었다. 그러나 다른 소스들에 대한 변경이 추가로 열을 줄이는데 영향을 줄 수 있을 것이라는 것은 본 분야의 당업자에게 예측되어져야 한다. 각 시스템 구성품의 시스템적 분석과 외부 환경에서의 주기적인 변화들은 열적 드리프트의 잔존 소스들을 격리하기 위해 수행되어진다.
증폭기들과 제어 시스템들은 열을 줄이기 위해 실험 허치(hutch)로부터 제거될 수 있다. 드라이브 모터들은 또한 제거될 수 있다. 그러나 본 실시예에서 샘플 스테이지와 검출 어셈블리를 제어하는 드라이브 모터들은 제거되지 않을 수 있다. 또한, 허치 도어는 일정한 주위 공기 온도를 유지하는 돕기 위해 닫혀질 수 있다. 분석 결정 온도의 12시간 측정, 주위 공기 온도, 및 중력 냉각수 온도는 온도 내에서 어떠한 실질적인 변화를 나타내지 않았다. 연속된 실험은 제 2 분광 결정의 알루미늄 베이스내에서 큰 열적 변화기 있었다는 것을 나타낸다. 알루미늄 베이스는 제 2 분광 결정에 직접 접촉되어 가열된다.
제 2 분광 결정의 기능은 제 1 분광 결정으로부터의 단색 X-선 빔을 회절시키고 분석 결정에 대해 빔을 수평으로 정렬하기 위한 것이다. 이론적으로, X-선과 결정의 상호작용은 신축적이므로 열발생이 없어야 한다. 이는, 많은 고 강도, 다파장 싱크로트론 화이트 빔이 제 1 결정의 내부 구조에 흡수되므로, 제 1 분광 결정에 대한 경우가 아닌 것이다. 진동을 줄이기 위해, 중력 구동 수냉 시스템이 제 1 분광 결정으로부터의 과도한 열을 제거하기 위해 시스템 내로 설치된다. 액티브 냉각은 제 2 분광 결정에 대해 요구되진 않지만, 24시간 주기 이상 획득되는 온도 측정들은 변경이 필요하다는 것을 나타낸다.
써미스터는 알루미늄 지지 평면 상에 배치되고, 그 온도는 전형적인 24시간 주기 동작에서 매 5초단위로 측정된다. 도 34는 24시간 주기 이상 써미스터에 의해 측정된 온도를 나타내는 그래프이다. 지지 평면의 온도는 빔이 턴온 및 턴 오프된 경우에 주기로부터 약 1.3 ℃ 증가된다. 싱크로트론 스토리지 링의 전류는 시간과 함께 서서히 떨어지고, 덤프되고 충전된다. 이는 온도 그래프 내에서 증거로서 나타나 있다. 12시간 연속 동작 후에, 빔라인은 베이스라인으로 리턴하는 온도에 대하여 얼마나 걸리는지를 결정하기 위해 셧다운된다. 데이터의 분석은 액티브 수냉을 위해 지지 평면을 개량하는 것을 입증하기 위해 제 2 결정을 가열하는 것이 충분하였다는 것을 나타낸다. 도 34의 그래프는 정상 빔 라인 동작이 결정 온도에 얼마나 영향을 주는가를 텍스트로 나타낸다. 이 소스의 인식된 열적 불안정성에 따라, 구리 지지 평면은 물흐름과의 열교환을 위해 내부 도관으로서 제공된다. 도 35는 예시적으로 개조된 제 2 분광기 베이스와 온도 저하를 위한 수냉을 갖는 지지 판의 오버헤드 뷰 영상이다.
빔라인 동작의 약 2000시간 후에, 업그레이드된 분광기로 1000시간정도에서, 빔라인의 안정성의 예측 가능한 경향은 측정되고 평가되어져 왔다. 예측으로서, 이 광학에서 안정성을 유지하는데 있어서의 지배적인 요소는 온도이다. 온도의 절대 값은 온도 오버 타임에서의 변화들 만큼 중요하지는 않다. 등온 환경이 유지되면, 시스템은 평형상태로 도달하고 분광 및 분석 결정등 모두에서 드리프트가 약간 또는 없게 된다. NSLS에서의 영상은 스토리지 링내에서의 전류가 서서히 감소되나, 시간상으로는 예측되지 않으므로 독특한 문제를 나타낸다. 제 1 분광 결정상의 입사 X-선의 강도는 제 1 결정의 온도를 시간에 따라 감소하도록 하는 링 전류에 비례하여 감소될 것이다. 액티브 피드백 제어가 결정시스템에 존재하지 않는다면, 제 1 분석 결정은 d 공간과 회절된 에너지를 서서히 변화시키면서 오버타임을 제한할 수 있다. 제 1 결정에 대한 브래그 각도 내에서의 변화는 제 2 결정으로부터 방사된 회절 분광 팬텀 선속을 줄임에 의해 제 2 결정상의 빔의 위치를 변경할 것이다. 이것은 분석 결정상의 X-선 빔 입사의 강도를 줄이고 또한 분석기 드리프트에 기인하는 X-선 빔의 위치를 변화시킬 것이다.
분석기 드리프트의 영향은, 빔라인 부품들의 모두가 X-선 셔터들이 닫힌채로 적어도 24시간동안 실내온도에서 존재할 경우에, 빔라인의 콜드 스타트 업으로부터 가장 확실하게 제기된다. 일련의 안정성 테스트들은 분석기가 스타트업 후 초기 100분내에 어떻게 드리프트되는 가를, 시스템이 등온에 도달하는데 얼마나 오래 걸리는지를 결정하는 실용적인 목적을 가지고, 테스트하기 위해 수행되었다. 분석기의 단기 안정성 테스팅은, X-선 셔터들을 인에이블 시키고 분석기 위치를 제로로 리셋팅한 후에, 시스템을 즉각적으로 정렬하는 것에 의해 달성되었다. 분석기는 그러면 0.2 마이크로 라디안의 쎄타 증가를 가지고서 -10 에서 10 마이크로 라디안에 걸쳐 매 100초로 스캔되었다. 각 락킹 커브는 각 락킹 커브에 대한 중력의 중심을 결정하기 위해 연속적으로 해석되었다. 이는 피크 위치로서 기록되고 그의 대응되는 분석기 위치를 따라 기록되었다. 일단 시스템이 초기에 튜닝되고 실험이 초기화되면 더 이상의 튜닝이나 조정들이 필요치 않게 된다.
모든 다른 빔라인 파라미터들과 알루미늄 여과 셋은 노멀 영상 조건에서 사용되는 채로, 두 포톤 에너지 18 keV 와 40 keV은 테스팅을 위해 선택되었다. 보다 큰 에너지 X-선은 낮은 에너지 X-선보다 훨씬 관통하고, 요구되는 레벨로 선속을 줄이고 다파장 싱크로트론 화이트 빔내에서 존재하는 저 에너지 X-선을 감쇠시키기 위해 보다 많은 전-분광기기 필터를 요구한다. 여과의 양을 증가시키는 것은 X-선이 분광기로 들어가기 전에 발생하는 흡수의 양을, 제 1 분광 결정에 대한 열적 부하를 줄임에 의해 증가시킨다. 필터 어셈블리에서 일어나는 X-선 흡수로부터 발생되는 열을 제거하기 위해 수냉 히트싱크의 부가에 따라, 결정들은 싱크로트론 화이트 빔으로부터 열적 영향을 적게 받는 것으로 실험되었다. 고에너지에서 섭씨 온도당 각도 변화를 줄이는 것과 증가된 여과에 의해 분광기에 대한 열 부하를 감축하는 것에 대한 조합은 빔 에너지의 증가와 함께 안정성의 비례적인 증가를 가져온다.
빔라인의 콜드 스타트업으로부터 수행된 안정성 실험은 이 효과를 증명하였으며, 분석기는 링 전류에서의 감소를 밀접하게 추종한다. 전류 이론은 강력한 입사 싱크로트론 화이트 빔이 제 1 분광 결정을 거의 대부분 즉각적으로 가열하고 최대 온도에 신속히 도달한다는 것을 가정한 것이다. 시간에 따라 링 전류가 분산됨에 따라, 온도는 드리프트의 결과로서 서서히 감소한다. 시스템은 결국 에워 쌓인 주변 공기와 시스템 부품들을 가열하여, 단위 타임당 드리프트의 양이 안정화되도록 한다. 40 keV에서의 증가된 여과의 양은 열적 부하의 영향을 줄이는데 도움을 주고, 열적 평형에 도달하기 위해 시스템에 대한 시간의 양을 줄이는데 도움을 준다. 일단 빔라인이 5-7시간동안 연속적인 동작에 있게 되면, 각 결정에 대한 열 부하의 영향들은 최소화되고, 빔라인은 약간의 분석기 드리프트 또는 드리프트 없이 초 안정상태로 된다.
도 36 내지 도 39는 안정성 테스트 결과들의 그래프들이다. 특히, 도 36은 시간주기에 걸쳐 분석기 피크 위치를 나타낸 18 keV에서의 시스템 안정성 테스트의 그래프이다. 도 37은 18 keV 안정성 테스트 동안에 NSLS X-선 링 전류의 그래프이다. 도 38은 시간주기에 걸쳐 분석기 피크 위치를 보인 40 keV 시스템 안정성 테스트의 그래프이다. 도 39는 40 keV 안정성 테스트 동안에 NSLS X-선 링 전류의 그래프이다.
이 실험의 결과는 광학에서의 드리프트가 광학 등온에서 결정을 유지함에 의해 제어될 수 있다는 것을 제기한다. 이는 일정 온도를 유지하기 위해 정확한 가열 시스템을 사용하여 DEI 시스템에 근거하여 싱크로트론과 비-싱크로트론 모두에서 얻어질 수 있다. 시스템적 엔지니어링 해석이지만, 분석기/분광기의 불안전성 문제는 하찮은 곤란성에 대한 근본적 제한으로부터 감소되어져 왔다. 추가적 개선에 따라, 문제가 DEI 및 MIR 베이스의 모든 컴퓨터화된 토모그래피의 완전한 활용을 허용함에 의해 전적으로 제거될 수 있다.
DEI 의 최적 영상 파라미터들 및 DEI 를 결정하는 유방 조영술 팬텀들의 리더기 스터디 분석
상술한 바와 같이, DEI는 X-선 흡수, 굴절, 및 초소형 각도 산란(소멸 콘트라스트)으로부터 콘트라스트를 얻는 방사선 사진 기술이다. DEI는 X-선 흡수 및 굴절로부터 콘트라스트를 얻는 방사성 사진 기술과 유사하다. 플래나 및 CT와 같은 전형적인 방사선 사진 시스템은 물질을 통과함으로써 X-선의 감쇠에 근거하여 영상을 생성한다. X-선 흡수가 전자 밀도 및 평균 원자 수에 근거하므로, 콘트라스트는 물체 또는 환자 내에서의 감쇠 차이에 근거하여 얻어진다. 물체에 대하여 X-선 팬텀들의 상호 작용은 입사 빔으로부터 제거된 팬텀들의 수보다는 많은 구조적인 정보를 제공할 수 있다. DEI는 X-선 굴절 및 초소형 각도 산란의 측정을 조장하여, 정교한 민감 각도 필터로서 작용하는 X-선 빔의 경로에서 실리콘 분석 결정을 합체한다. 명목적 흡수 콘트라스트를 소유하는 물체는 물체의 속성이나 로컬 환경 중의 하나에 기인하여, 고굴절 및 초소형 각도 산란 콘트라스트를 가질 수 있다.
DEI 는, 질병의 초기 단계에서 특히, 유방 조직에서의 관심 구조가 낮은 흡수 콘트라스트를 가지고 있는 주어진 유방 영상 내에서 매우 큰 포텐셜을 가질 수 있다. DEI 는 전형적인 유방 조영술과 비교할 때 악성 유방 조직의 연구가 유방 종양의 침상 투시에 있어서의 실질적인 증가를 나타내고 있다. 유방에서의 주된 관심의 진단 구조는 칼슘화, 매스들, 및 피브릴(fibril)을 포함한다. 이들 모두는 주변의 동물성 지방과 분비선 조직과 비교될 때 큰 굴절과 산란 징후를 가질 수 있다. 유방 조영술에 대한 DEI의 활용을 적절히 투자하기 위하여, 독특한 시스템 파라미터들과 구성들은 유방 영상에 대하여 진단적으로 중요한 특징을 검출하기 위해 최적화되어야 한다. 이 연구의 필수 성분은 흡수, 굴절, 및 초소형 각도 산란 소멸(감광) 방사선 조사선량의 포텐셜 감소를 결정하는 것이다. 진단적으로 유용한 유방 조영술 시스템을 설계하고 구성하기 위하여 규명되어야 하는 주된 DEI 영상 성분들은 빔 에너지, 분석 결정 굴절, 및 분석 결정 락킹 커브의 위치이다.
이 연구의 실험은 NSLS에서 X-15A 빔라인에서 수행되었다. 분석되어 있는 파라미터들을 이해하기 위하여, 시스템의 간략한 설명이 차례로 된다. 이들 실험에 대한 X-선 소스는 NSLS에서 X-선 링이고, 10에서 60 keV까지 고 선속 X-선을 생성할 수 있는 2.8 GeV 싱크로트론이다. 더블 결정 실리콘 분광기는 입사 X-선 빔으로부터 특별한 에너지를 선택하기 위해 사용되었다. DEI 영상은 특별한 각도를 선택하기 위해 조정되는 실리콘 분석 결정을 물체의 뒤에 둠에 의해 얻어졌다. X-선 굴절 및 초소형 각도 산란을 측정하는 것을 촉진하는 분석기는 10 마이크로 라디안의 해상도를 가지는 각도 필터이다. 그의 반사 커브에 대하여 다른 위치로 분석기를 조정하는 것은 X-선 산포에서 이산적 각도들을 선택할 수 있고, 어떤 위치들은 물체와 상해 검출을 위한 유용한 정보를 제공한다.
브래그 [111] 및 브래그 [333] 반사와 같이, DEI 내에서 사용될 수 있는 다중 결정 반사들이 있다. DEI 굴절 콘트라스트는 분석 결정 락킹 커브의 기울기에 따라 증가하며, 이는 브래그 [111] 반사에 비해 많이 가파른 기울기를 가지는 브래그 [333] 반사에 따른다. 브래그 [333] 반사는 좋은 콘트라스트를 제공할 수 있지만, 브래그 [333] 반사에서 결정에 의한 입사 다파장 X-선 빔으로부터 선택될 수 있는 복수의 X-선 팬텀은 브래그 [111] 반사보다 적은 진폭으로 된다. 이들 반사들 간의 투시화에 있어서의 상대적인 차이를 결정하는 것은 진단적으로 DEI 시스템 기반의 설계에 있어서의 중요한 요소가 될 수 있다.
X-선 튜브들은 출력 스펙트럼 및 진폭과 양극 재료의 기능, 전압, 및 전류량을 가지고서, X-선을 생성하기 위해 양극/음극 구성을 사용할 수 있다. 유방 조영술 시스템은 28 에서 32 kVp까지의 전압 범위에서 X-선 빔을 생성하기 위해 몰리브덴 목표를 가지는 X-선 소스를 포함할 수 있다. 이 구성은 몰리브덴 Ka , 18 keV근방으로 중심화된 에너지 스펙트럼으로서 다파장, 발산형 X-선 빔을 생성한다. X-선 시스템 베이스 흡수는 촬영될 부드러운 조직에 대하여 이들 상대적인 저 에너지 X-선으로 세트된다. 18 keV X-선이 부드러운 조직내에서 큰 콘트라스트를 제공하지만, 한가지 결점은 저 에너지 X-선과 관련하여 조사선량을 흡수한 환자가 증가한다는 것이다. 일부의 이전 DEI 유방 촬영 연구들은 전형적인 유방 조영술 시스템에 필적하는 X-선 에너지에 근거되었다. 이들 기술들이 X-선 흡수를 측정하는데 있어 잠재적인 유용성을 가질 수 있지만, 굴절과 극 초소형 각도 산란의 부가적인 DEI 콘트라스트 메커니즘의 이점들을 적절히 조율하지는 않는다.
겉보기 흡수와 굴절 영상의 생성을 포함하여, DEI에 응용될 수 있는 여러가지 영상 처리 기술들이 있다. 또 다른 DEI 베이스 영상 처리 방법은 MIR이다. 이 MIR은 콘트라스트 성분을 보다 정확하고 상세하게 분리한다. MIR을 사용하는 예비 연구는 이 방법이 낮은 포톤 카운트 레벨에서 동작 가능하고 기존 X-선 소스에 대한 포텐셜 사용을 가진다는 것을 제기하였다. DEI를 가지고 작업하는 여러 그룹은 CT에 DEI 방법을 적용하는 과정에 있다. 이는 CT의 공간적 해결 능력과 DEI의 부가적인 콘트라스트 메커니즘을 결합한다. 이 연구가 평면 영상에 포커싱되어 있지만, 평면 영상에 대한 시스템 파라메터들은 싱크로트론 및 CT 응용 베이스의 비-싱크로트론 모두에 적용될 수 있다.
여기에 게시될 수 있는 실험들은 표준 유방 조영술 팬텀들의 촬영 동안에 획득된 파라미터들의 신중한 변화를 갖게한다. 이 연구에서 획득된 영상은 어떠한 2차 영상 처리 없이, 각 시스템 구성에서 획득된 원시 영상 데이터를 나타낸다. 전문가 리더기들은 이상적인 DEI 유방 조영술 유닛의 사양을 지원하기 위해 모든 실험 조건 하에서 공지의 팬텀 특징의 가시성을 다루었다.
엔지니어링과 의학적 관점 모두에서, 가장 중요한 시스템 파라미터들 중의 하나는 빔 에너지이다. 구조적인 가시성이 DEI내에서 에너지의 기능으로서 어떻게 변하는가에 대한 이해를 얻기 위해, 다음과 같은 에너지들이 이 연구에 대하여 선택되었다. 즉, 18 keV, 25 keV, 30 keV, 및 40 keV의 에너지들이 선택된다. 입사 싱크로트론 빔으로부터 원하는 에너지의 선택은 분광을 원하는 파장에 대하여 적절한 브래그 각도로 조정함에 의해 달성된다. 진단적으로 의미 있는 정보를 얻기 위한 분석 동안에 분석 결정 락킹 커브에 영향을 미치는 3개의 대표적 포인트들이 사용될 수 있다. 1/2 다윈 폭 (DW), 피크, 및 +1/2 DW 위치들이 빔 에너지/결정 굴절 조합을 위해 각기 선택된다. 대응되는 싱크로트론 방사선 사진이 비교를 위해 얻어졌다.
표준화된 유방 영상 팬텀들은 이 실험에 유방 조직과 유방암의 구조적인 특성을 시뮬레이션하기 위해 사용되었다. 초기 노력은 실제 유방 조직에 관련되었으나, 생물체의 조직과 악성 특징의 대상 평가 내의 변화물은 이 연구를 위해 보다 적절한 팬텀들의 사용을 만들었다. 여기에 개시되는 발명의 예에 따라 DEI 시스템이 다중 메커니즘으로부터 콘트라스트를 얻을 수 있으므로, 팬텀들은 각기 잘 처리될 수 있는 특징을 가지고 선택되었다. 이 실험에서, 다양한 직경 및 깊이를 갖는 일련의 일련의 원형 인덴션(indention)이 표면으로 가강된 루사이트(Lucite)로 만들어진, 콘트라스트-디테일 (CD) 팬텀 (the Sunnybrook and WomenResearch Institute at Toronto, Ontario, Canada에서 입수가능)이 채택되었다. 구경과 깊이에서의 변화는 평가 콘트라스트와 공간 해상도면에서 경사 유용성을 생성한다. 깊은 인덴테이션(indentations )은 감쇠 측면에서 증가된 차이를 야기하고 따라서 콘트라스트를 증가시킨다. 인덴션의 원형 에지들은 X-선 굴절에 대한 인터페이스 조장을 제공한다. 공지의 반경과 높이를 가지고, 각 실린터의 볼륨은 전체 가시 볼륨을 결정하기 위해 계산되어진다.
도 40a 내지 도 40c 와 도 41a 내지 도 41c 들은 18 keV and 30 keV 에서 각기 획득된 예시적인 CD 팬텀의 영상들이다. 특히, 도 40a 내지 도 40c 는 18 keV 싱크로트론 방사선 사진, +1/2 다윈 폭(DW) 분석 결정 위치로부터 얻어진 18keV DEI 영상, 및 피크 분석 결정 위치로부터 얻어진 18 keV DEI 영상들을 각기 보여준다. DEI 내에 사용된 결정 굴절은 브래그 [333] 굴절이다.
도 41a 내지 도 41c는 30 keV 싱크로트론 방사선 사진, -1/2 다윈 폭(DW) 분석 결정 위치로부터 얻어진 30 keV DEI 영상, 및 피크 분석 결정 위치로부터 획득된 30 keV DEI 영상을 각기 보여준다. DEI 내에 사용된 결정 굴절은 브래그 [333] 굴절이다. 콘트라스트는 18 keV 싱크로트론 방사선 사진에 비해 30 keV 싱크로트론 방사선 사진에서 감소되었다.
제 2 팬텀이 실험에 사용된다. 제 2 팬텀은 디지털 유방 조영술 시스템을 테스트하기 위해 국제 디지털 유방 조영술 디벨롭먼트 그룹(IDMDG) 용으로 설계되었다. 특별히 이 팬텀은 디지털 유방 조영술 영상 스크리닝 트라이얼(DMIST)용으로 개발되었으며, 이는 유방 조영술 영상 품질을 정량화하기 위해 사용될 수 있는 다양한 영역들을 포함하는 MISTY (Sunnybrook and WomenResearch Institute에서 입수가능)팬텀으로서 알려져 있다. 구조적으로 이 팬텀은 시스템 콘트라스트와 해상도를 정량화하는데 사용될 수 있는 다양한 고 해상도 디테일들을 포함하는 머큐리 인텐시파이드 오버레이를 가지는 폴리메칠메싸아크릴레이트(PMMA)로서 조성된다.
MISTY 팬텀으로부터의 3 영역들은 실험에 적용되기 위해 선택된다. 도 42a 내지 도 42c 는 피크 분석 결정 위치 내에서, 브래그 [333], 30 keV에서 획득된 MISTY 팬텀의 3가지 다른 영역들의 영상들이다. 특히, 도 42a는 일련의 라인 쌍 클러스터들의 영상이다. 여기서, 각 클러스터는 그들이 더 이상 분석되지 않을 때까지 감소하는 라인들의 간격으로서, 4라인을 포함한다.
도 42b는 유방 조직에서 칼슘화를 시뮬레이팅하는 일련의 스타 클러스터들의 영상이다. 각각이 6 스타들을 포함하는 7 클러스터들의 컬럼이 사용되었으며, 각 클러스터 스타들은 미싱 포인트를 가진 한 스타를 가진다. 해상도와 콘트라스트 감소에 따라, 스타들은 더 이상 가시화되지 않게 될 수 있으며 작은 반점으로서만 나타난다. 칼슘화 시뮬레이션은 이 실험에 적용되기 위해 반전되었다.
도 42c는 스텝웨지의 영상이다. 스텝웨지는 흡수 콘트라스트를 측정하기 위해 사용된다. 이 스텝웨지는 6웰 정의 인터페이스들을 포함한다.
이 실험에서, DEI 영상들은 Fuji BAS2500 영상 플레이트 리더기와 Fuji HR V 영상 플레이트를 사용함에 의해 얻어졌다. 상술한 바와 같이, 영상 플레이트들은, 약 0.5 mm 두께, 유기 바인더와 결합되고 사진증진 인광물질로 코팅된 신축성 있는 플라스틱 시트들이다. 게다가, 모든 영상은 50 mm 픽셀 사이즈와 16-bit 그레이 레벨을 사용하여 스캔되었다. 표면 조사선량은 에너지에 근거하여 변화된 영상 획득에 사용되었지만, 동일한 표면 조사선량이 각 에너지 세팅에서 방사선 사진과 DEI 영상 양쪽 모두에 사용되었다. 3.0 mGy의 표면 조사선량이 30 keV에서 획득된 영상에 사용되었고, 1.5 mGy가 25 keV에서, 0.2 mGy가 40 keV에서 획득된 영상에 사용되었다.
두 연구 리더기들이 실험에 CD와 MISTY 팬텀 영상 결과를 해석하는데 이용되었다. 대부분의 DEI 구성들 간의 큰 차이점으로 결합된 표준화 팬텀들의 사용은 두 리더기들이 만족할만한 파워의 적절한 레벨을 얻는데 충분하였으리라는 것을 나타낸다. 한 전문 유방 이미저와 한 메티컬 피지시스트가 이 연구에 참가되었다. 뷰잉 환경을 최적화하기 위해, 리더기 연구가 피크 루미넨스 500 cd/m2및 5 메가픽셀의 CRT모니터를 사용하여 특별히 설계된 암실에서 수행되었다. 리더기들은 각 영상들의 그레이 스케일을 조정하는 것이 허용되었고 최대 가시화를 위해 확대경이 제공되었다.
병변의 전체 둘레를 가시화하는 능력은 유방 조영술의 진단적 중요성을 갖는데, 일 예가 국한성의 경계를 잘 가지는 양성의 섬유 선종과 침골을 가지거나 가짐이 없는 잠재성의 악성 덩어리간의 차이이다. 부가적으로 칼슘화의 가시화와 그들의 모폴로지는 병리학으로의 통찰을 제공할 수 있다. 진단적 유방 조영술에 대한 진단적 응용을 반영하는 질문들은 리더기 스터디 디자인에 필수적이며, 이는 과제를 바람직한 경우에 뚜렷한 확신 차원으로 분리한다.
높은 성능을 주는 요소를 결정함에 있어, 8개의 성능 측정들이 리더기들에 의한 사용을 위해 정립되었다.
즉,
1. CD 팬텀내에서 보여질 수 있는 전체 둘레에 대한 써클의 볼륨;
2. CD 팬텀내에서 관찰되는 적어도 절반의 둘레에 대한 써클의 볼륨;
3. CD 팬텀내에서 보여지는 둘레의 어느 부분에 대한 써클의 볼륨;
4. MISTY 팬텀내에 관찰되는 라인 페어 그룹들의 수;
5. MISTY 팬텀의 칼시피케이션 시뮬레이션내에서 보여지는 스타들의 수;
6. MISTY 팬텀의 칼시피케이션 시뮬레이션내에서 보여지는 모든 포인트를 가진 라스트 클러스터 수;
7. MISTY 팬텀의 칼시피케이션 시뮬레이션내에서 보여지는 스펙의 수; 및
8. MISTY 팬텀의 스텝웨지 내에서 명확히 정의된 섹션들의 수.
영상들 내의 데이터의 코드화를 촉진하기 위해, 대응되는 성능 과제(performance task)를 가지고 각 팬텀의 그래픽적 묘사가 영상들을 매기기 위해 각 리더기로 제공된다. CD 팬텀에 대하여, 리더기는 써클들이 영상의 각 행과 열내에 보여진다는 것을 나타 내도록 요청되었다. MISTY 팬텀 라인 페어 영역을 평가하기 위해, 리더기에게 모두 4개의 라인이 명확히 보여질 수 있는 경우에 가장 높는 클러스터를 결정할 것이 요청되었다. 칼슘화 시뮬레이션의 스코어링은 보여질 수 있는 전체 스타들의 수의 제1 카운팅을 포함한다. 각 클러스터내에서 보여지는 스타 포인트들의 카운팅 수는 29 포인트들 이상이다. 덧붙여, 리더기는 가시화될 수 있는 반점들의 전체 수를 카운트 할 것이 요청된다. 관심의 스텝웨지 영역에 대하여, 리더기는 명확히 보여지는 6 인터페이스들을 마크할 것이 요청된다. 영상 프리젠테이션의 오더는 점수를 매기는 각 리더기에 대하여 불규칙하게 되었다.
변화 웨이 분석이 8개의 모든 결과를 맞추기 위해 사용되었다. 분석에서 빔 에너지 간의 모든 상호작용, 결정 굴절, 커브 위치, 및 리더기가 포함되었다. Box-Cox 트랜스포메이션은 정상 가정의 유효성을 입증하기 위해 어떤 결과물들에 대하여 적용되었다. 모든 인자들의 비교 시에 멀티플 결과들이 고려되었으므로, 중요레벨로서 0.05/8 (0.00625)를 세팅함에 의해 전체 타입 I 에러를 조절하기 위해 본페로니(Bonferroni) 테스트가 사용되었다. 이 중요 레벨에서, 우리는 모든 인자들의 조합 가운데 성능의 차이를 비교하기 위해 투키(Tukey) 테스트를 시용했다.
CD 팬텀 결과들
둘레의 어떤 부분이 보이는 써클들의 볼륨에 대하여, 두 리더기들(p-value=0.0185) 과 다른 에너지 레벨들(p-value=0.0176) 간에 큰 차이는 없었다. 그러나, 결정 굴절과 락킹 커브 위치, 뿐만 아니라 이들 간의 상호작용 모두는 3 p-values<0.001 로 되어 중요하다. 투키 테스트 분석은 더 큰 볼륨이 브래그 [333]굴절을 가지고 보여질 수 있다는 것을 나타낸다. 방사성 사진은 가장 적은 가시 볼륨을 가지며, 거기에서 -1/2 DW, +1/2 DW, 및 피크 분석 결정 위치들 간의 작은 차이가 있다.
결과물이 적어도 절반의 가시 둘레를 가지는 써클의 볼륨으로 될 때, 모든 요소들의 주된 영향들은 0.001 보다 적은 p-값들을 가지므로 중요하다. 투키 테스트 분석은 25 keV에서 최적 수행을 나타내며, 25 keV 및 30 keV는 18 keV 및 40 keV 보다 더 가시적인 볼륨을 생성한다. 데이터는 결정 굴절과 분석기 위치(p-value<0.001)간에 중요한 상호 작용이 있다는 것을 나타낸다. 브래그 [333] 굴절과 피크 분석기 위치의 결합은 최적의 가시 볼륨을 생성하며, 이는 비록 브래그 [333], +1/2 DW 및 브래그 [333], 1/2 DW 위치의 조합보다 더 잘 수행한다는 것을 지원하는 증거가 불충분하더라도 그러하다. 싱크로트론 방사선 사진은 최소의 가시 볼륨을 생성하였다.
전체 가시 둘레를 가지는 써클의 볼륨을 위해, 리더기의 주된 영향들, 빔 에너지, 및 락킹 커브 위치 만이 0.001이하, 0.0027와 동일, 0.001 이하의 p-값들을 각기 가지므로 중요하다. 투키 테스트 분석은 빔 에너지의 모든 레벨들 간의 차이를 찾지 못하였지만, 데이터의 경향이 25 keV 가 30 keV에 비해 낫다는 것을 나타낸다. 또한, 후자인 30 keV는 40kev 와 18kev 모두에 비해 더 낫게 수행된다. 다른 성능 측정에 따라, 싱크로트론 방사선 사진은 최소의 가시 볼륨을 생성하였다.
MISTY 팬텀
라인 쌍 그룹들의 분석은 빔 에너지의 메인 영향, 결정 굴절, 및 분석기 락킹 커브 위치가 모두 0.001보다 작은 p-값들을 가지므로 중요하다는 것을 나타낸다. 더욱이, 결정 굴절과 락킹 커브 위치(p-value<0.001)간의 중요한 상호 작용이 있다는 것을 나타낸다. 데이터는, 피크 분석기 위치 내에서 18 keV, 브래그 [333], 피크 내에서 25 keV, 브래그 [333], 또는 +1/2 DW 분석기 위치의 조합이 잘 수행됨을 나타낸다. 라인 페어 영역에 대한 최적 퍼포먼스는 +1/2 DW의 락킹 커브 위치에서 30 keV, 브래그 [333]이다.
고도로 시준된 X-선 빔을 가지고 시스템 내에서 X-선을 발산하기 위해 설계된 팬텀을 사용함에 의해 발생 된 많은 스타 클러스터 영상들 내에서 가공물이 존재하였다. 데이터는 완전성에 대하여 나타났으며 기존의 팬텀의 전체 구조적 설계가 얼마나 가시성에 영향을 미쳤나를 제기한다. 가시화된 스타들의 수의 분석은 빔 에너지만이 0.0026의 p-값을 가져, 중요하다는 것을 나타낸다. 테스트 결과는 25 keV가 최적의 선택이라는 것을 나타내지만, 30 keV와는 크게 다르지 않다. 요소들의 어느 것도 모든 포인트들이 보여지는 마지막 클러스터 수에 대하여 중요하지 않게 된다. 보여지는 반점들의 수로부터의 데이터는 최적의 조합이 18 keV 및 브래그 [111], 18 keV 및 브래그 [333], 그리고 브래그 [111] 이나 [333] 굴절 중의 하나를 가지는 30 keV 라는 것을 나타낸다.
스텝웨지 영역에 대하여, 빔 에너지 내에서의 다른 레벨들과 다른 락킹 커브 위치들 간에 큰 차이가 있게 됨을 나타낸다. 데이터는 18 keV, 25 keV, 및 30 keV의 빔 에너지들이 대략적으로 동일하나 모두 40 keV 에서 획득된 영상보다 더 좋게 수행되는 것을 나타낸다. 락킹 커브 위치에 대한 퍼포먼스 결과는 -1/2 DW의 위치, 피크, 및 +1/2 DW의 위치가 등가이고, 싱크로트론 방사선 사진의 퍼포먼스에 대하여 같다는 것을 나타낸다.
모든 성능 측정의 분석은 최적의 DEI 시스템 구성이 -1/2 DW 혹은 피크 분석 결정 위치에서 브래그 [333] 굴절을 사용하여, 25 또는 30 keV라는 것을 나타낸다. 테이블 4-6 은 리더기 연구 데이터의 요약을 보여준다. 구체적으로, 테이블 4는 X-선빔 에너지에 대한 리더기 연구 데이터의 요약을 보여준다. 테이블 5는 결정 굴절에 대한 리더기 연구 데이터의 요약을 보여준다. 테이블 6은 락킹 커브 위치에 따라 그룹화된 리더기 연구 데이터의 요약을 보여준다.
CD 패텀 전체 둘레 CD 팬텀 반 둘레 CD 팬텀 시각화 Misty 팬텀 라인 쌍 IDMDG 팬ㅌ스타 IDMDG 팬텀 스타 포인트 IDMDG 팬텀 스타 반점 IDMDG 스텝웨지
18 127.96
Figure pct00031
9.58		 210.49
Figure pct00032
68.98		 241.43
Figure pct00033
19.76		 1.625
Figure pct00034
1.147		 2
Figure pct00035
3.347		 0.125
Figure pct00036
0.341		 38.562
Figure pct00037
5.215		 4.562
Figure pct00038
0.964
25 185.63
Figure pct00039
73.62		 232.04
Figure pct00040
38.16		 247.96
Figure pct00041
9.66		 1.937
Figure pct00042
1.181		 5.187
Figure pct00043
6.295		 0.375
Figure pct00044
0.719		 41.875
Figure pct00045
0.341		 4.312
Figure pct00046
1.014
30 169.36
Figure pct00047
96.80		 227.56
Figure pct00048
48.73		 245.16
Figure pct00049
13.87		 1.812
Figure pct00050
1.223		 3
Figure pct00051
3.483		 2.687
Figure pct00052
10.486		 39.400
Figure pct00053
4.702		 4.687
Figure pct00054
1.250
40 134.24
Figure pct00055
107.30		 198.31
Figure pct00056
67.93		 237.85
Figure pct00057
23.65		 0.375
Figure pct00058
0.619		 0.375
Figure pct00059
0.885		 0
Figure pct00060
0		 14.937
Figure pct00061
12.615		 0.562
Figure pct00062
1.093
표 4: X-선 빔 에너지에 대한 리더기 연구 데이터의 요약
CD 패텀 전체 둘레 팬텀 반 둘레 팬텀 시각화 sty 팬텀 라인 쌍 MDG 팬ㅌ스타 MDG 팬텀 스타 포인트 MDG 팬텀 스타 반점 MDG 스텝웨지
111 150.96
Figure pct00063
95.99		 214.98
Figure pct00064
46.73		 242.89
Figure pct00065
10.74		 0.969
Figure pct00066
0.897		 2.031
Figure pct00067
3.605		 1.437
Figure pct00068
7.414		 33.935
Figure pct00069
13.394		 3.687
Figure pct00070
2.086
333 157.96
Figure pct00071
102.42		 219.22
Figure pct00072
67.90		 243.31
Figure pct00073
22.64		 1.906
Figure pct00074
1.328		 3.250
Figure pct00075
4.833		 0.156
Figure pct00076
0.448		 33.281 13.056 3.375
Figure pct00078
1.996
표 5: 결정 굴절에 대한 리더기 연구 데이터의 요약
CD 패텀 전체 둘레 팬텀 반 둘레 팬텀 시각화 sty 팬텀 라인 쌍 MDG 팬ㅌ스타 MDG 팬텀 스타 포인트 MDG 팬텀 스타 반점 MDG 스텝웨지
방사선 사진 110.61
Figure pct00079
85.90		 147.10
Figure pct00080
72.48		 218.21
Figure pct00081
18.46		 0.5
Figure pct00082
0.632		 0.375
Figure pct00083
0.806		 0
Figure pct00084
0		 29.375
Figure pct00085
13.490		 2.875
Figure pct00086
1.668
음의 DW 162.24
Figure pct00087
104.75		 241.13
Figure pct00088
21.21		 251.24
Figure pct00089
5.32		 1.687
Figure pct00090
1.078		 2.812
Figure pct00091
4.037		 2.750
Figure pct00092
10.478		 35.667
Figure pct00093
9.155		 3.937
Figure pct00094
1.948
양의 DW 165.51
Figure pct00095
102.42		 238.35
Figure pct00096
32.28		 252.28
Figure pct00097
3.80		 1.687
Figure pct00098
1.250		 3.187
Figure pct00099
5.128		 0.250
Figure pct00100
0.577		 31.187
Figure pct00101
18.605		 3.375
Figure pct00102
2.094
피크 178.83
Figure pct00103
95.13		 241.82
Figure pct00104
18.43		 250.67
Figure pct00105
5.60		 1.875
Figure pct00106
1.360		 4.187
Figure pct00107
5.009		 0.187
Figure pct00108
0.403		 38.312
Figure pct00109
7.208		 3.937
Figure pct00110
2.351
표 6: 락킹 커브 위치에 따라 그룹화된 리더기 연구 데이터의 요약
빔 에너지와 관련하여, 두 팬텀들에 대한 리더기 연구 데이터는 18 keV 이상의 에너지들이 DEI에 최적임을 나타내고 있다. 흡수 콘트라스트가 1/E3만큼 감소하기 때문에, 부드러운 조직 흡수 콘트라스트는 기존의 X-선 시스템에 대해 증가된 에너지에 따라 빠르게 감소한다. 리더기 연구 결과는 고 빔 에너지들에 대한 흡수 정보의 손실은 DEI- 특정 콘트라스트들의 정보 만큼으로 보상된다는 것을 나타내고 있다. 주 굴절이 있는 구조들에 대해, DEI 민감성은, 40 keV 이상의 에너지에서의 부드러운 조직내의 영상 획득을 위한 포텐셜에 대해, 1/E에 비례한다. 소멸에 기여하는 산란된 양자들의 거부는 에너지 독립적이지만, 산란 강도는 에너지 증가만큼 감소한다. 유방 조직에서의 가장 핵심적 진단 구조는 큰 굴절 및 산란 특성을 가지는 것으로 믿어지나, 흡수를 멀리하고 굴절 및 초소형 각도 산란 콘트라스트를 포커싱함에 의해 보다 고 에너지에서의 영상이 조장될 수 있을 것이다.
브래그 [333] 굴절에 대한 가시화의 증가는 특히 보다 고 성능 레벨에서 CD 팬텀에서 명확하다. 브래그 [333] 굴절은 다수의 성능 측정에서 우세하였으나, 이 굴절과 브래그 [111]절 간의 차이는 생각보다는 적었다. 이 것은, 브래그 [111] 굴절이 선속의 주어진 엔지니어링 고찰에 대하여 수용될 수 있다는 것을 나타내지만, 보다 나은 설명은 팬텀들의 설계가 X-선 굴절 및 소멸에 근거한 콘트라스트 메커니즘을 측정하는데 부적절하였다는 것이다.
동일한 논증이 분석 결정 위치에 대하여 적용될 수 있다. 즉, 피크 분석기 위치가 다수의 성능 측정에서 우세하였다는 논증이다. 흡수 콘트라스트 및 해상도는 비편차 양자들의 강도가 최대이고 분석기 락킹 커브의 피크 위치에 있을 때 최대가 될 것이다. 소멸 영향은 피크 위치에서 역할을 또한 수행한다. 여기서 역할은 락킹 커브의 테일들에 대해 양자들을 뿌리는 구조들이 엑스트라 콘트라스트에 기인하여 제거될 것이라는 역할이다. 이들 팬텀들(phantoms)이 영상 시스템에 근거한 X-선 흡수를 테스트하기 위해 설계되었으므로, 피크 위치가 이 타입의 연구에서 최적으로 수행되었을 것이라는 것이 기대된다. 굴절 콘트라스트는 락킹 커브의 피크에서 나타나지 않으며, 일반적으로 등가 혹은 -1/2 DW 및 +1/2 DW 감소된 퍼포먼스는 고도로 굴절된 팬텀 내에서의 구조의 결핍을 나타낸다.
이 연구는 각 시스템 성분이 영상 품질에 대해 미치는 영향을 고찰하기 위해 설계되었으며, 가장 유용한 영상 처리 방법에 대한 것이 아니다. 전체 영상 파라미터 공간을 좁게하는 것에 대한 첫 번째 단계로서, 각 구성에서 원시 데이터를 분석하는 것은 선명한 흡수와 굴절 영상을 생성하기 위해 DEI 영상 쌍을 처리하는 것 보다 훨씬 더 적절하다.
가장 빈번하게 만나는 결과들 중의 하나는 잠재적으로 40 keV 만큼 높게 고 에너지 X-선을 사용하는 능력이다. 매우 줄어든 방사선 조사선량에 기인하여, 고 에너지에서의 양전자 효과의 빠른 감소는 환자내에 흡수된 감소된 양자들의 수에 대응된다. 검출기(107ph/cm2)로 뻗는 동일 수의 양자들에 대하여, 5cm의 물을 통해 표면 흡수된 조사선량은 18 keV 에서 3.3 mGy, 30 keV 에서 0.045 mGy, 및 40 keV 에서 0.016 mGy이다. 이것은 18 keV에 비해 30 keV에서 조사선량으로 73 폴드 감소를 나타내고, 40 keV에서 206폴드 감소를 나타낸다. 흡수가 조직 두께에 따라 증가하므로, 조사선량의 감소는 두꺼운 표본들에 대하여 더 크다.
다중 영상 방사선 촬영을 이용한 유방암 콘트라스트 메커니즘의 분석
DEI 및 MIR 기술들을 이용한 유방 촬영 연구들은 통상의 유방 조영술과 비교할 때 시각화에 있어서 개선점들을 보여줘 왔다. 특히, 유방암 피브릴에서의 근원적인 콘트라스트 메커니즘을 분석하기 위해서 DEI기술들을 이용한 연구들은 X-선 소멸이 영상 콘트라스트에 큰 역할을 한다는 것을 보여준다. 게다가, 유방암 침골 모양들(spiculations)에 관한 연구들은 대응되는 방사선 사진과 비교할 때 DEI 피크 영상에 있어서 8에서 33 배의 증가를 보여 주었다. MIR은 물체의 초소형 각도 산란을 나타내주는 영상의 추가를 통해서 이러한 특성들에 대한 보다 완전하고 철저한 평가를 가능케 한다.
이 연구는 X-선 소스의 이용 가능한 에너지 범위를 확장하는 것 그리고 X-선 흡수의 필요성을 감소 혹은 제거 시키는 것을 다룬다. 부드러운 조직)에서의 흡수 콘트라스트는 증가하는 광자 에너지에 따라 급속히 감소하기 때문에, 유방 조직에서의 근원적인 X-선 콘트라스트 메커니즘은 대단히 중요한 비-싱크로트론 기반의 DEI 시스템들이 된다. 보다 높은 에너지의 X-선들을 이용하는 것은 검출기에 도달하는 입사 광자들의 개수를 증가 시킴으로써 DEI 시스템의 효율을 증가시키고, 그리고 X-선 흡수의 감소는 표면과 흡수된 양쪽 모두의 방사선 조사선량을 감소 시킨다. 하지만, 만약 흡수가 유방 조직 시각화를 위한 핵심적인 콘트라스트 메커니즘 이라면, 이 경우 어떤 DEI 시스템은 통상의 X-선 시스템들과 유사한 범위의 보다 낮은 에너지의 X-선들을 이용 할 수도 있다. 본 실험은 18 KeV 와 60 keV에서의 시스템 특징들을 비교한다.
유방 조직에서 에너지 의존적인 흡수, 굴절, 및 산란을 평가하기 위해서, 형태적 특징들을 갖는 네 개의 유방조직 견본들이 여러 X-선 에너지들에서 영상화 되었으며, 그리고 개별적인 콘트라스트 성분들을 분리시키기 위한 MIR을 이용하여 처리되었다. 본 연구에서 사용된 에너지 범위는 통상의 몰리브덴 및 텅스텐 X-선 튜브에서 사용되는 각각 18 keV 및 60 keV 에너지들에 근거하여 결정 되었다. 25 keV, 30 keV, 40 keV, 및 50 keV의 빔 에너지들이 각각의 MIR 콘트라스트 메커니즘을 위한 콘트라스트의 감소에 가깝게 따르도록 또한 선택되었다.
한 실험에서는, 세 개의 유방암 견본들이 NSLS X-15A 빔선에서 촬영을 위해 선택되었다. MIR 영상 세트들과 싱크로트론 방사선 사진들이 NSLS에서 X-15A 빔선을 이용하여 획득되었다. 120mm x 80mm 의 시야(FOV) 및 30 마이크론 픽셀 사이즈를 갖는 포토닉 사이언스 VHR-150 X-선 카메라 (Photonic Science VHR-150 X-ray camera)가 영상 획득을 위해 사용 되었다.
X-선 굴절과 산란 관련된 광전 효과의 급격한 감소는 일정한 표면 조사선량을 유지하는 것을 힘들게 만든다. 예를 들면, 18 keV에서 X-선 흡수를 위해 최적화된 표면 조사선량을 이용하여 획득된 영상은 광자 흡수의 감소 때문에 60 keV 와 같은 보다 높은 빔 에너지들에서 극심하게 과다 노출 되어 질 수 있다. 분광기를 MIR 촬영을 위해 사용되는 중간 에너지 범위인 40 keV로 조정함으로써 균형을 찾을 수 있었고, 그리고 평균적인 노출이 되게 만드는 표면 조사선량을 선택하는 것은 검출기의 다이나믹 범위의 대략 절반 이었다. 350 밀리라드(mrad)의 표면 조사선량이 18 keV, 25 keV, 30 keV, 및 40 keV에서 MIR 및 방사선 사진 촬영을 위해 선택 되었다. 50 keV 및 60 keV에서 사용된 표면 조사선량은, 50 keV 에서 20 밀리라드 그리고 60 keV에서 4 밀리라드로써, 굽은 마그네트 X-선 소스(bending magnet X-ray source)로 부터 이러한 에너지들에서의 광자 선속의 급격한 감소로 인해 감소 되었다. 분석 결정 락킹 곡선의 반치폭 (FWHM)은 에너지가 증가함에 따라 감소 한다. 굴절 콘트라스트는 락킹 곡선의 위쪽 부분의 왼쪽 및 오른쪽 부분(shoulders)에서 우세하며, 각각의 에너지를 위한 샘플링 변수들에 작은 수정들을 요구한다. 스물 한 개의 영상들이 락킹 곡선 폭에 상관 없이 각각의 MIR 세트를 위해서 획득 되었으며, 그리고 각도 범위 및 세타 증분(theta increment)은 반치폭의 감소를 조절하기 위해서 보다 높은 에너지들에서 감소 되었다. 도 43은 에너지 대(versus) 유방에서 흡수, 비간섭성 산란, 및 간섭성 산란의 기여 정도들을 보여주는 그래프이다.
네 개의 유방 견본들이 NSLS에서 촬영을 위해 선택 되었다. 18 keV 및 25 keV에서 얻어진 MIR 영상들은 최대치로부터 -5 에서 5까지의 마이크로 라디안 범위에 대해 얻어졌으며, 매 0.5 마이크로 라디안마다 샘플 되었다. 0.4 마이크로 라디안의 세타 증분과 함께, 샘플링 범위는 30 keV 및 40 keV에서 MIR 촬영을 위해 ±4 마이크로 라디안으로 감소 하였다. ±3 마이크로 라디안의 각도 범위가 0.3 마이크로 라디안의 세타 증분과 함께 50 keV에서 사용 되었으며, 그리고 60 keV에서 MIR 촬영을 위해서는 0.2 마이크로 라디안의 세타 증분과 함께 ±2 마이크로 라디안의 각도 범위가 사용되었다. 대응하는 싱크로트론 방사선 사진들이 각각의 에너지와 조사선량에서 획득 되었다. 게다가, 유방 견본들은 제너럴 일렉트릭 세노그래프 2000D(General Electric Senographe 2000D, 커넷티커트주 페어필드시의 제너럴 일렉트릭 회사로부터 이용 가능)를 사용하여 촬영 되었다. 각 에너지별 단일 영상을 위해 사용된 조사선량은 평균 유선 조사선량(mean glandular dose) 결정하기 위한 열형광 검출기들(thermo-luminescent detectors), 샘플을 통한 산포, 그리고 영상을 생성하기 위해 요구되는 선속을 이용하여 측정 되었다.
통상의 기술들과 비교 목적을 위하여, 도 44는 통상의 방사선 촬영 시스템에서 촬영된 하나의 예시적인 유방 견본의 영상이다. 이 견본은 100 마이크론 픽셀 해상도를 갖는 제너럴 일렉트릭 세노그래프 2000D를 이용하여 공기중에서 촬영되었다. 도 45a 내지 도 45f는 여기에 게시된 주제에 따른 기술들을 이용하여, 각각 18 keV, 25 keV, 30 keV, 40 keV, 50 keV, 및 60 keV의 빔 에너지들에서 동일한 샘플에 대한 싱크로트론 방사선 사진들이다. 이러한 영상들은 NSLS에서 촬영 위해 사용된 압축 수준과 비슷한 수준으로 공기중에서 획득 되었다.
도 46a 내지 46f는 각각 18 keV, 25 keV, 30 keV, 40 keV, 50 keV, 및 60 keV의 MIR 빔 에너지들을 이용한 유방 견본의 영상들이다. 특히, 도 46a는 0.5 마이크로 라디안의 세타 증분과 ±5 마이크로 라디안의 샘플링 변수들을 갖는 18 keV에서의 MIR 을 이용한 유방 견본 영상이다. 도 46b는 0.5 마이크로 라디안의 세타 증분과 ±5 마이크로 라디안의 샘플링 변수들을 갖는 25 keV에서의 MIR 을 이용한 유방 견본 영상이다. 도면 46c는 0.4 마이크로 라디안의 세타 증분과 ±4 마이크로 라디안의 샘플링 변수들을 갖는 30 keV에서의 MIR 을 이용한 유방 견본 영상이다. 도 46d는 0.4 마이크로 라디안의 세타 증분과 ±4 마이크로 라디안의 샘플링 변수들을 갖는 40 keV에서의 MIR 을 이용한 유방 견본 영상이다. 도면 46e는 0.3 마이크로 라디안의 세타 증분과 ±3 마이크로 라디안의 샘플링 변수들을 갖는 50 keV에서의 MIR 을 이용한 유방 견본 영상이다. 도면 46f는 0.2 마이크로 라디안의 세타 증분과 ±2 마이크로 라디안의 샘플링 변수들을 갖는 60 keV에서의 MIR 을 이용한 유방 견본 영상이다.
평균 유선 조사선량과 산포는 열형광 검출기들을 이용하여 측정 되었다. 도 47a 내지 도 47f는 각각 18 keV, 25 keV, 30 keV, 40 keV, 50 keV, 및 60 keV의 빔 에너지들에 대한 평균 유선 조사선량과 산포를 보여주는 그래프들이다.
도 48은 여기에 게시된 주제에 따라서 MIR를 위해 사용된 에너지 대 X-선 빔 에너지를 보여주는 그래프이다. 각 에너지에서 얻어진 선량 측정(dosimetry) 데이터를 이용하여, 각각의 방사선 사진과 DEI 세트들의 성분을 획득하기 위해 사용된 선속이 계산 되었고, 그리고 도면에 나타나 있다.
위의 실험 결과들은 MIR을 이용하는 유방 촬영이 어떻게 넓은 범위의 에너지들에 걸쳐 수행되는지를 보여 준다. 만약 흡수만을 고려한다면, 40 keV 혹은 그 이상의 에너지들에서 흡수 콘트라스트는 거의 없으며, 또한 부드러운 조직에서의 콘트라스트가 에너지 증가에 따라 극적으로 떨어지는 것을 예측할 수 있다. 각 에너지에서의 싱크로트론 방사선 사진들은 특히 근본적으로 부드러운 조직에서 제로(0) 흡수 콘트라스트가 존재하는 60 keV에서의 콘트라스트의 감소를 보여 준다.
몰리브덴 소스들을 사용하는 통상의 X-선 튜브들에 근거한 영상 포착 시간은 임상용 촬영을 위해 필요한 시간 윈도우(time window)를 상당히 초과하는 10,000초 정도로 높을 수 있다. 몰리브덴 X-선 튜브들은 열 방산을 제한하고 단위 시간당 생성될 수 있는 선속에 상당한 기술적 제약들을 주는 정지 양극(stationary anode)을 포함한다. 텅스텐 X-선 튜브들은 크고, 회전하는 양극들을 포함하며, 그리고 훨씬 더 높은 전압들과 암페어의 전류들에 견딜 수 있다. 텅스텐 X-선 튜브들은 선속과 열 방산에서 많은 장점들을 제공할지라도, 텅스텐에 의해 생성된 특유의 X-선들은 부드러운 조직에서 흡수 콘트라스트를 생성하기에는 너무 높다. 하지만, 본 실험은 MIR 특유의 굴절과 산란의 콘트라스트 메커니즘들은 X-선 흡수의 필요성 없이 훌륭한 부드러운 조직 콘트라스트를 생성할 수 있다는 것을 보여 주었다.
보다 높은 에너지들에서 광자들의 감소는 조사선량 산포 곡선들에서 명백하며, 산포 곡선들에는 18 keV 및 60 keV에서 산포들 사이에 차이가 표기되어 있다. 18 keV에서, 조직에서의 흡수에 기인한 선속의 큰 떨어짐이 있다. 이러한 선속의 떨어짐은 증가하는 에너지에 따라 감소하며, 50 keV 및 60 keV에서 가장 높은 광자들의 전송이 일어난다. 흡수의 감소는 효율성의 증가로 바뀌어지며, 이는 도면 48에 나타내어진 선속 측정량으로 부터 명확하다.
실험을 위한 적합한 알고리즘을 교정하기 위해서, 직경과 굴절률이 알려져 있는 복수의 나일론 모노필라멘트 섬유(nylon monofilament fibers) 및 루사이트(Lucite) 막대들이 분석을 위해 선택 되었다. 보다 작은 나일론 섬유가 유방암 침골 모양들의 직경과 구조를 근사화 하기 위해 선택 되었다. 각 견본과 해당하는 싱크로트론 방사선 사진이 40 keV X-선 빔 에너지와 350 밀리라드 표면 조사선량을 이용하여 얻어졌다. MIR를 위해서, ±4 마이크로 라디안의 각도 산포가 0.4 마이크로 라디안의 세타 증분과 함께 선택 되었으며, 21 영상들을 만들어 내었다. 이러한 영상들은 X-선 흡수, 굴절, 및 산란으로부터 생성된 콘트라스트를 나타내는 영상들을 생성하기 위한 MIR방법을 이용하여 처리 되었다.
2-차원 영상으로부터 3-차원 정보를 추출하는 것은 상당히 도전적인 일이며, 특히 균일하지 않은 물체들의 경우 그러하다. 유방암 침골 모양들은 성질상 원통모양이며, 이는 유방암 침골 모양들의 물질 특성들 관련하여 근사치들이 만들어지는 것을 가능하게 한다. 유방암 침골 모양들에 관한 정보를 추출하기 위해서, 분석 방법을 설계하고 교정하는 것이 먼저 필요하다. 적합한 MIR 근거 분석 방법이 나일론 및 루사이트 섬유 그리고 유방암 침골 모양들 양쪽 모두의 직경과 굴절률을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 두 가지 결정적인 특성들을 가지고, 섬유 및 침골 모양들의 많은 다른 측면들이 분석되고 모델링될 수 있다. 비록 MIR 영상 속에는 3개의 콘트라스트 성분들이 있지만, 굴절 영상이 임상 영상 시스템을 위해서는 아마 가장 중요한 것일 것이다. 만약 촬영을 위해 보다 높은 에너지 X-선들이 사용된다면, 흡수 영상은 굴절 영상과 비교 할 때 질이 좋지 않을 것이다. 락킹 곡선의 끝 부분들(꼬리들)에서 선속의 중대한 감소와 더불어, 산란 영상 또한 굴절 영상에 두 번째 역할을 할 것이다. 복수의 유방암 견본들에 대한 굴절률 계산과 비교는 굴절 콘트라스트를 생성하는 물질 특성들이 일관적이고 변칙적이지 않다는 어느 정도의 확신을 제공 할 수 있다.
방법의 교정은 직경이 변하는 나일론 및 루사이트 섬유를 이용하여 수행되어 졌다. 200 마이크론, 360 마이크론, 및 560 마이크론의 직경들을 갖는 나일론 섬유가 -4 에서 4 마이크로 라디안 까지의 샘플링 범위 그리고 0.4 마이크로 라디안의 세타 증분으로 40 keV에서 MIR을 이용하여 촬영되었다. 이러한 소섬유는 임상적으로 중요한 침골 모양들의 구조와 직경을 근사화하기 위해 선택 되었다. 13,000 마이크론 및 19,000 마이크론의 직경을 갖는 보다 큰 루사이트 막대들이 보다 큰 직경의 물체들을 위한 알고리즘을 평가하기 위해 선택 되었다. 도 49는 MIR를 이용한 섬유 직경의 평가를 나타내는 영상이다. 나일론 섬유는 약하게 흡수하고 있으며, 따라서 DEI 및 MIR 콘트라스트를 평가하기 위한 완벽한 팬톰 물질(phantom material)이다. 도 49의 팬텀은 감소하는 직경의 나일론 소섬유를 사용하여 MIR 및 DEI의 콘트라스트와 해상도를 측정하기 위해 설계 되었다. 직경이 작으면 작을수록 촬영은 더욱 어려워 진다.
나일론 섬유 및 유방암 침골 모양들과 같은 원통형의 물체들은 도 50에 보여진 것과 같은 특성 굴절 프로파일(characteristic refraction profile) 보여 주며, 도 50은 나일론 섬유 굴절 프로파일을 보여주는 그래프이다. 굴절은 막대의 모서리들에서 최고 높으며, 중간에서 제로(0)이다. 만약 물체가 원통형이라고 가정한다면, 직경을 외삽하기(extrapolate) 위해서 MIR 혹은 DEI 굴절 영상으로부터의 굴절 파형 특성(refraction signature)을 이용 할 수 있다. 알려진 직경의 원통을 갖고서, 섬유 혹은 소섬유의 굴절률이 외삽되어 질 수 있다.
아래 표들 7 과 8은 나일론과 루사이트의 직경 및 굴절률 정보를 포함한다.
물질 에너지 (keV) 측정된
직경 (microns)		 계산된
직경
(microns)		 퍼센티지
에러
Nylon 40 200 208.96 4.48%
Nylon 40 360 387.36 7.60%
Nylon 40 560 617.90 10.30%
Lucite 40 13000 14210 9.31%
Lucite 40 19000 20938 10.20%
표 7: MIR 직경 교정
물질 에너지 (keV) 직경 (microns) 밀도 (g/cm3) 굴절률 계산된
굴절률		 퍼센티지
에러
Nylon 40 200 1.14 1.49 x 10-7 2.16 x 10-7 37.3%
Nylon 40 360 1.14 1.49 x 10-7 1.89 x 10-7 26.8%
Nylon 40 560 1.14 1.49 x 10-7 1.77 x 10-7 18.9%
Lucite 40 13000 1.19 1.42 x 10-7 2.01 x 10-7 41.5%
Lucite 40 19000 1.19 1.42 x 10-7 2.00 x 10-7 39.9%
표 8: MIR 굴절률 교정
도 51은 직경 조절(교정)에 적합한 MIR 굴절을 보여주는 그래프들이다. 알려진 차원(dimension)의 소섬유가 촬영 되었고 그리고 알고리즘이 굴절률과 직경을 계산하기 위해서 사용 되었다. 추론이 유방암에서 보여지는 침골 모양들이 나일론 섬유와 유사한 특성들을 갖고 있다는 것이었기 때문에, 따라서 나일론 팬톰이 시스템 교정을 위해 이용 되었다.
이 실험에서는, 나일론 및 루사이트 섬유에 대한 직경과 굴절률을 추출하기 위해 사용된 동일한 방법이 세 개의 서로 다른 유방암 견본들에서 관심 있는 다섯 곳의 영역들에 적용 되었다. 도 52a 내지 52c는 유방암 견본들의 MIR 굴절 영상들이다. 아래의 표 9는 계산된 침골 모양 직경 및 굴절률을 보여 준다.
관심영역 소섬유 직경 (micrometers) 굴절률
1 125.14 1.91 x 10P-7P
2 152.1 1.16 x 10P-7P
3 112.24 2.23 x 10P-7P
4 106.32 1.72 x 10P-7P
5 121.84 3.64 x 10P-7P
6 253.44 1.75 x 10P-7P
7 212.1 2.19 x 10P-7P
8 95.96 1.48 x 10P-7P
9 178.02 2.71 x 10P-7P
10 148.9 2.50 x 10P-7P
11 111.5 1.84 x 10P-7P
12 91.18 2.00 x 10P-7P
13 104.78 2.14 x 10P-7P
14 205.82 5.22 x 10P-8P
15 126.8 1.05 x 10P-7P
평균 굴절률 = 1.92 x 10P-7P
표준편차 = 7.40 x 10P-8P
표 9: 소섬유 굴절률
도 53은 여기에 게시된 주제에 따른 DEI 시스템에 의해서 얻어진 국부적인 유방암 덩어리 및 침골 모양의 MIR 세트의 영상이다.
도 54a 내지 54e는 통상의 방사선 사진과 비교하여 DEI에서 소섬유의 시각화를 보여주는 영상들이다. 특히, 도 54a는 침윤성 소엽암(invasive lobular carcinoma)을 포함하는 유방 조직 견본의 통상적인 방사선 사진의 영상이다. 1-센티미터 하얀 박스안에 소섬유는 종양의 표면으로부터 확장하는 길다란 종양들(fingers of tumor)에 해당한다는 것을 확인하기 위해 샘플은 조직학적 평가(histologic evaluation)를 받았다. 도 54b는 도 54a의 1-센티미터 하얀 박스로 지정된 영역의 확대된 그림을 보여주는 통상의 방사선 사진 영상이다. 도 54c 내지 54e는 도 54a의 1-센티미터 하얀 박스로 지정된 영역의 확대된 그림을 보여주는 DEI 영상들이다. 이러한 확대된 그림들에서, 조직 콘트라스트는 관심 있는 구조들이 거의 보이지 않는 통상의 방사선 사진보다 DEI 영상에서 더 높다는 것이 명백하다.
DEI의 개선된 콘트라스트를 정량화 하기 위해서, 소섬유의 콘트라스트 값들이 도 54b 내지 도 54e에서 수직 하얀 선들로 보이는 영상 프로파일들을 따라 계산 되었다. 이러한 계산은 조직 샘플의 다른 영역들에 대해서도 반복 되었다. 통계적인 분석은 피크 영상은 방사선 사진보다 12-33배 큰 콘트라스트를 가지는 반면, DEI 굴절 영상은 통상의 방사선 사진 보다 8-14배 큰 콘트라스트를 가진다는 것을 보여 주었다.
X-선 굴절 및 산란 촬영의 기저가 되는 물리학은 특히 100년 이상의 역사를 갖는 흡수 기반 X-선 촬영과 비교 할 때 아직 연구 초기 단계이다. 생물학적 조직들(biological tissues)의 내재적인 이질성(inherent inhomogeneity)이 주어질 때, 대략적인 원통형 유방암 침골 모양들에 대한 분석은 신뢰할 만하게 비교될 수 있는 여러 개의 조직 견본들보다도 진단하기에 유용한 특성을 제공해 준다.
공기중에서 촬영된 복수의 표준화된 동질의 원통들의 사용은 굴절에 근거한 적합(fitting) 알고리즘의 정확한 교정을 가능하게 한다. 생물학적 조직들을 분석하기 위한 이런 알고리즘의 사용은 생물학적 조직들의 비동질(non-homogenous) 특성으로 인해서 계산에 오차들이 생기게 할 수도 있지만, 하지만 유방 조직의 특성들과 진단용으로의 활용이 완전한 계산시에 이러한 오차들의 중요성을 감소 시킨다.
통상의 유방조영술의 근원적인 문제는 높은 흡수를 하는 지방 조직(adipose tissue) 배경 속에 담그어져 있는 낮은 콘트라스트의 물체들을 시각화하는데 어려움이 있다는 것이다.
종양성 병변(neoplastic lesions)은 크기와 밀도에서 시간에 따라 증가하며, 결국에는 배경 위로 보기에 충분할 정도로 크고 빽빽해 지며, 그리고 통상의 방법들을 이용하여 볼 수 있게 된다. 유방암 사망은 병변(lesion)의 크기와 진행에 직접 관련되어 있기 때문에, 악성 병변(malignant lesion)의 생성과 감지 사이에 시간을 줄이는 것이 모든 새로운 유방 촬영 양식들의 목표이다.
DEI와 MIR은 양성과 악성 구조들 사이의 차별화에 도움을 주기 위한 다중 X-선 콘트라스트 메커니즘에서의 차이점들을 활용함으로써 통상의 방사선 촬영을 개선 시킨다. 지방 조직은 작은 악성 병변과 유사한 X-선 감쇠를 가질 수는 있지만, 그러나 동일한 굴절 파형 특성들을 갖고 있지는 않다. 지방 조직은 아주 적은 굴절 및 산란 콘트라스트를 갖고 있지만, 그러나 유방암 병변의 작은 원통형 침골 모양들은 큰 굴절 및 산란 파형 특성들을 갖고 있다. 40keV에서, 부드러운 조직에서 흡수 콘트라스트가 최소이며, 게다가 관심 있는 병변과 배경 조직 사이에 전체적인 콘트라스트 경사도를 증가 시킨다.
침골 모양들을 위한 굴절 콘트라스트에서의 부가적인 이득은 그들의 구조로부터 기인하는데, 이는 X-선들의 굴절을 위해서 이상적이다. 원통형 물체에 입사하는 평행 X-선(collimated X-ray) 빔에 대해, 굴절 콘트라스트는 원통의 맨 윗부분과 맨 아랫부분에서 가장 높을 것이며, 중심에서 최소의 굴절 콘트라스트일 것이다. 원통의 직경이 감소함에 따라, 굴절 콘트라스트는 흡수 콘트라스트의 수준이 배경 속으로 희미하게 된 이후에도 물체의 구조 덕분에 유지 될 수 있다. 여러 개의 유방암 견본들을 통해 얻어진 굴절률 값들은 물질들의 특성들은 유사하며, 그리고 콘트라스트의 증가는 가장 유사한 암 견본들에서 관찰 되어야만 한다는 것을 나타낸다.
유방 조직에 향상된 시각화를 제공하는 근본적인 콘트라스트 메커니즘을 결정하는 것은 비-싱크로트론 기반의 DEI/MIR 시스템을 설계하는데 가장 중요한 단계이다. 본 연구는 MIR 특유의 굴절 및 산란의 콘트라스트 메커니즘이 구조적인 시각화에 중요한 역할을 하며, 또한 병변 시각화를 위한 X-선 흡수에 의존성을 줄인다는 것을 보여준다. X-선 흡수의 감소는 환자에 흡수된 조사선량의 의 감소를 의미하며, 이는 통상의 유방 조영술을 위해 상대적으로 높은 조사선량이 요구되는 것을 고려 할 때 커다란 장점이다.
이러한 실험들에서 나일론의 사용은 미래의 모델링 및 시뮬레이션 실험들을 위한 잠재적인 사용 가능성을 시사한다. 유사한 구조, 직경, 및 굴절률을 갖고서, 나일론 모노필라멘트(nylon monofilament)는 이러한 진단용으로 중요한 구조들이 왜 높은 콘트라스트를 생성하는지에 대한 통찰력을 제공해 줄 수 있다.
컴퓨터 시뮬레이션
컴퓨터 시뮬레이션 소프트웨어는 DEI 디자인의 테스트를 목적으로 개발되었다. 개발된 소프트웨어는 환자선량(patient dose)을 계산하고 DEI 시스템을 통한 X-선의 흐름을 추적하기 위하여, 명시된 배열 및 소스, 결정들, 물체, 및 검출기의 스텍에 기반하여 광학 선(ray) 추적을 사용한다. 결정 광학은 의도되지 않은 방향들로 X-선이 이동되는 것을 거부하므로, DEI의 주요 가능성의 장애는 생존하여 검출기 평면에 도달하는 충분한 수의 광자를 획득하는 것이다.
특정한 디자인을 위한 시스템 파라미터 스펙 및 시뮬레이션 결과의 목록이 테이블 10과 11에 각각 아래와 같이 제공된다.
픽셀 사이즈 50μm x 50μm
소스에서 프리모노까지 15 cm
소스에서 물체까지 83 cm
소스에서 검출기까지 100 cm
Si (4,4,0) 브래그 각 6.25 degree
최소 크리스탈 길이 9.2 cm
최소 테이크오프 각 1 degree
전자 스팟 사이즈 12 mm x 0.8 mm
Flux from W 목표로부터의 측정 선속 435 Kα1 photons/mA-s @ 150 kVp
요구되는 전하 120 mA-sec
요구되는 에너지 400 mA @ 150 kVp
영상 사이즈 20 cm x 25 cm
촬영 시간 6 seconds
표 10: 시스템 파라미터 스펙
5 cm 유방 압축
검출기에서의 흐름 564 photons/pixel
평균 유선 조사선량 0.004 mGy*
10 cm 유방 압축
검출기에서의 흐름 200 photons/pixel
평균 유선 조사선량 0.012 mGy*
* 모든 감쇠가 조직 내의 에너지 축적을 유발하는 최악의 경우의 측정
Table 11: 시스템 파라미터 결과
도 55a 내지 도 55c는 여기에 게시된 주제의 실시 예에 따른 컴퓨터 시뮬레이션 소프트웨어를 이용하여 시뮬레이션된 DEI 시스템(일반적으로 5500으로 지칭됨)을 보여주는 개략도이다. 더 상세하게는, 도 55a 내지 도 55c는 DEI 시스템의 투시도, 사이드 뷰, 및 탑 뷰이다. 도 55a 내지 도 55c를 참조하면, X-선 빔들은 라인 소스를 갖는 X-선 튜브(XT)에 의해 생성된다. 특정 시뮬레이션에서, X-선 튜브(XT)는 지멘스 메디컬 솔루션(Siemens Medical Solutions USA, Inc. of Malvern, Pennsylvania)에서 사용 가능한 지멘스(Siemens) DURATM Akron B .X-선 튜브로 시뮬레이션된다. 지멘스 X-선 튜브는 텅스텐 목표를 포함하므로, 59.3 keV의 Kα1 X-선을 생성한다. 따라서, X-선 튜브(XT)는 59.3 keV의 Kα1 X-선을 생성하도록 시뮬레이션된다. 빔이 환자에 부딪치기 전에 결정광학 시스템의 손실을 극복하기 위해 요구되는 흐름을 DEI 시스템이 달성하기 위하여, 강력한 파워의 튜브가 요구된다. 지멘스 X-선 튜브는 열을 없애는 회전 양극(rotating anode)을 가지며, 튜브가 고 전력(60kW)으로 가동되도록 한다. 시뮬레이션된 DEI 시스템은 튜브 상의 라인 소스 포트를 사용한다.
도 56은 여기에 게시된 주제의 실시 예에 따른 DEI 분광 결정(5602)에 연결된 로그-나선 초점 소자(5600)의 투시도이다. 도 56을 참조하면, 소자(5600)는 광자 흐름을 가속하도록 구성되는 구부러진 회절 결정일 수 있다. 소자(5600)는 고전력을 달성할 수 있는 X-선 소스를 위한 넓은 목표 영역을 제공하고, 방사된 방사선이 얇은 가상의 라인 소스를 형성하도록 집중한다. 가상의 라인 소스는 작고 매우 밝을 수 있다. 구부러진 회절 결정(5600)은 로그-나선의 일부인 표면을 가질 수 있다.
도 57은 카우스틱(caustic)에서 소스와 함께 로그-나선 소자의 영향을 집중하는 것을 보여주는 투시도이다. 표면 형상은 집중 장치로 동작하는 브래그-회절하는 소자를 만들 수 있다. 로그-나선 소자는 이하의 특성을 가진다. (1) 소자는 밝기가 최고인 고정된 테이크-오프(take-off) 각도로 넓은 목표 영역으로부터 방사되는 빛을 수집한다. (2) 소자는 빔을 분광한다. (3) 소자는 방사선을 집중하여 고광도의 가상 라인 소스를 형성한다. 도 58a 및 도 58b는 각각 실험적 연구를 위한 특성화 시스템의 평면도 및 정면도이다. 도 58a 및 도 58b를 참조하면, 도면들은 방사선을 집중하여 고광도의 가상 라인 소스를 형성하는 로그-나선 소자를 보여준다.
DEI 시스템(5500)은 프리-분광기, 분광기, 그리고 분석기의 세 결정들을 포함한다. 세 결정들 모두는 실리콘이고, 반사 순서대로 조정된다. 큰 결정들은 이 방향으로 잘라내어 형성될 수 있다. 이러한 결정들은 손쉽게 가능하다.
DEI 시스템(5500)의 시뮬레이션의 스캔 프로토콜은 검출기(D)를 위해 6초로 설정될 수 있다. 일 예로서, 검출기(D)는 영상 라인당 한 번 읽어지는 단일 라인 장치이다. 다른 예로서, 검출기(D)는 X-선 빔을 따라 물체(O)의 동작과 공시적(synchrony)으로 스캔되는 풀-필드 장치일 수 있다. 단일 라인 검출기 또는 풀-필드 검출기에서, 한번에 영상 데이터의 하나의 라인 또는 스트립(strip)이 획득된다.
다른 예로서, 검출기(D)는 두꺼운 흡수재를 사용하여 공간 해상도의 심각한 손실 없이 더 높은 에너지 효율을 달성하는 다이렉트 X-선 전하 변환 검출기일 수 있다. 도 59는 다이렉트 X-선 전하 변환 검출기(일반적으로 5900으로 표시됨)의 개략도이다. 검출기(5900)는 훌륭한 공간적 해상도를 제공할 수 있고, 텅스텐 X-선 튜브에 의해 생성되는 것과 같은 높은 X-선 에너지의 파워를 차단할 수 있다. 더 높은 Z 및 밀도의 검출기 물질들은 CZT, IbI2, 또는 HgI2 이 채용되어, 고 에너지 퍼포먼스가 향상될 수 있다.
시뮬레이션 결과는 검출기에서의 흐름은 통상적인 유방 조영상의 1/3 내지 1/9인 픽셀 당 600 광자이다. 따라서, 시뮬레이션 결과는 시뮬레이션된 MIR 시스템의 노이즈 레벨이 통상적인 유방 조영상에서보다 1.7 내지 3배 큼을 가리킨다. 그러나, 낮은 노이즈 레벨에서, 굴절 콘트라스트는 통상적인 유방 조영술에서보다 8 내지 33배일 수 있다.
또한, 시뮬레이션되는 DEI 시스템을 위해, 평균 유선 조사선량(mean glandular dose)은 5cm 압축(compression)의 통상적인 유방 조영술에서보다 250 내지 750 배 작은 0.004mGy이다. 10cm 압축에서, MIR에서 흡수된 조사선량은 동일 압축의 통상적인 유방 조영술에서보다 수천배 낮은 0.019mGy이다.
예시적인 촬영 결과
상술된 바와 같이, 싱크로트론 및 X-선 튜브는 여기에 게시된 주제들에 따른 DEI 영상을 생성하기 위한 X-선 소스의 가능한 두 가지 형태이다. 비교의 목적을 위하여, 도 60a 및 도 60b는 각각 여기에 게시된 주제들에 따른 싱크로트론 기반 시스템 및 X-선 튜브 기반 시스템에 의해 생성된 동일한 나일론 섬유 영상이다. 도 60a의 영상은 싱크로트론에 의해 생성된 60keV의 X-선 빔, 그리고 4.0mrad의 조사선량으로 +0.4 마이크로라디안의 분석기 락킹 커브 위치에서 획득된다. 도 60b의 영상은 0.4mrad의 조사선량으로 +0.4 마이크로라디안의 분석기 랑킹 커브 위치, 그리고 160kV 및 6.2mA의 튜브 설정에 의해 생성된다. 촬영된 나일론 섬유는 560 micron (탑 섬유), 360 micron (중간 섬유), 200 micron (바닥 섬유)의 직경을 갖는다. 나일론 섬유는 매우 약하게 흡수하므로, 이 영상들은 약하게 흡수하는 물질들을 보여주기 위한 굴절 영상을 사용하는 장점의 예를 보여준다. 더 상세하게는, 예를 들어, 이 결과들이 부드러운 조직들의 영상들이 여기에 게시된 주제들에 다른 160kV의 전압을 사용하는 X-선 튜브로 획득될 수 있다는 것을 가리킴을 아는 것이 중요하다.
도 61은 여기에 게시된 주제에 따른 기술을 사용하는 도 44 및 도 45a 내지 도 45f에 도시된 동일한 유방 조직의 싱크로트론 굴절 영상이다. 이 예에서, 빔 에너지는 4mrad 조사선량의 60keV이다.
비교의 목적을 위하여, 도 62a 및 도 62b는 각각 여기에 게시된 주제에 따른 X-선 튜브 및 싱크로트론을 사용하여 획득된 유방 조직의 동일한 영역의 영상들이다. 도 62a에 도시된 영상은 0.4 mrad의 조사선량의 X-선 튜브를 이용하여 획득된다. 도 62b에 도시된 영상은 +0.4 마이크로라디안의 분석기 위치에서 40keV의 싱크로트론 및 350 mrad의 조사선량을 이용하여 획득된다. 유방 조직 표본은 4.5cm의 물에 담긴다.
도 63은 여기에 게시된 주제에 따른 X-선 튜브를 이용하여 획득된 유방암 절제 표본의 영상이다. 영상은 0.4 mrad의 조사선량으로 7.0cm의 전체 두께가 최소로 압축된 유방 조직을 통해 획득된다. 0.5 mrad 또는 그 이하가 적절한 영상을 달성하기 위하여 다른 물체 또는 조직에 인가될 수 있다. 이 영상은 통상적인 유방 조영상보다 수백 배 적은 조사선량에서 전체 두께의 유방 조직의 진단 특성을 보여준다. 높은 두께의 부드러운 조직 물체의 영상을 달성할 수 있으므로, 여기에 게시된 주제는 우수하다. 기존의 싱크로트론 기반 장치들은 이러한 영상을 달성할 수 없다. 또한, 예를 들어, 여기에 게시된 주제는 부드러운 조직 물체와 같은 물체에 매우 낮은 조사선량을 인가하여 고화질 영상을 획득하기 위해 이용될 수 있다. 여기에 게시된 주제는 고화질 영상을 달성하기 위하여 통상적인 방사선 촬영보다 높은 에너지를 갖는 X-선 빔들을 사용할 수 있으므로, 환자 안전 우려 때문에 여기에 게시된 주제는 낮은 조사선량이 요구될 수 있다.
예시적인 응용
여기에 게시된 주제에 따른 시스템 및 방법은 의학적 응용에 다양하게 적용될 수 있다. 상술된 바와 같이, 여기에 게시된 시스템 및 방법은 유방 촬영에 적용될 수 있다. 또한, 예를 들어, 여기에 게시된 시스템 및 방법은 연골 촬영, 신경 촬영, 심장 촬영, 혈관 촬영(비교하며 또는 비교 없이), 폐 촬영, 뼈 촬영, 비뇨생식기 촬영, 위장 촬영, 일반적인 부드러운 조직 촬영, 조혈 시스템 촬영, 그리고 내분비계 촬영에 적용될 수 있다. 촬영 시간 및 조사선량에 더하여, 고에너지 X-선을 이용하는 주요 장점은 촬영될 물체의 두께이다. 유방 촬영과 같은 응용에서, 게시된 시스템은 임상적으로 현실적인 촬영 시간으로 전체 두께의 유방 조직의 촬영을 허용한다. 동일한 것이 머리, 목, 사지, 복부, 그리고 골반과 같은 신체의 다른 부분들에 말해질 수 있다. X-선 흡수의 제한 없이, 고에너지 X-선의 DEI의 사용은 X-선의 투과성을 극적으로 향상시킨다. 부드러운 조직들을 위해, 물체에 방사된 X-선 광자들 중 적은 일부만이 흡수되고, X-선 튜브로부터 검출기에 도달하는 방사된 광자들의 효율이 크게 향상된다.
폐 촬영과 관련하여, 여기에 게시된 DEI 기술은 폐에서 뛰어난 콘트라스트를 생성할 수 있고, 폐렴과 같은 폐 상태 진단을 위해 크게 사용될 수 있다. 폐 내의 저류(fluid collection)은 DEI로 쉽게 검출되는 뚜렷한 밀도 변화를 생성할 수 있다. 정상 폐 조직과 종양을 가진 조직의 밀도 변화, 주변 조직의 특성, 그리고 기하학적 차이는 클 수 있고, 훌륭한 콘트라스트를 생성할 수 있다. 또한, 여기에 게시된 DEI 기술은 폐암 검사 및 진단에 적용될 수 있다.
뼈 촬영과 관련하여, 여기에 게시된 DEI 기술은 통상적으로 매우 뛰어는 영상을 생성할 수 있다. DEI의 높은 굴절 및 소멸 콘트라스트는 뼈 내의 골절 및 병변을 시각화하는데 특히 유용할 수 있다.
또한, 여기에 게시된 주제에 따른 시스템 및 방법은 다양한 점검 및 산업 분야에 적용될 수 있다. 예를 들어, 시스템 및 방법은 가금류 점검과 같은 육류 점검에 응용될 수 있다. 예를 들어, 시스템 및 방법은 차단 그리고/또는 제거를 필요로 하는 육류 내의 뾰족한 뼈, 깃털, 그리고 다른 저콘트라스트 물체를 보는데 사용될 수 있다. 여기에 게시된 시스템 및 방법은 그러한 차단을 위해 응용될 수 있다.
여기에 게시된 시스템 및 방법은 제조 점검을 위해 적용될 수 있다. 예를 들어, 시스템 및 방법은 항공기 생산과 같은 분야에서 용점접의 점검을 위해 사용될 수 있다. 여기에 게시된 DEI 기술은 제트 터빈 블레이드(jet turbine blade)와 같이 심각한 마모 및 손상을 겪는 핵심적인 구조물을 점검하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 예를 들어, 여기에 게시된 시스템 및 방법은 회로 기판 또는 다른 전자 부품을 점검하기 위해 사용될 수 있다. 다른 예로서, 여기에 게시된 시스템 및 방법은 강철 벨트 및 트레드(tread)의 무결성(integrity)과 같은 타이어 점검을 위해 사용될 수 있다.
또한, 여기에 게시된 주제에 따른 시스템 및 방법은 보안 차단 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 시스템 및 방법은 공항 및 항구의 차단을 위해 사용될 수 있다. 여기에 게시된 DEI 기술은 플라스틱, 플라스틱 칼 및 복합 총(composite gun)과 같이 통상적인 X-선으로 검출이 어려운 저 흡수 콘트라스트 물체, 그리고 플라스틱 폭약을 차단하기 위해 사용될 수 있다. 공항 짐의 점검과 같이 더 큰 물체를 촬영하기 위하여, X-선 튜브와 검출기 사이의 거리가 증가되어 빔 산포(divergence)가 허용될 수 있다. 더 큰 팬(fan) 빔을 수용하기 위하여, 더 큰 분석기 결정이 필요할 수 있다.
게시된 장치는 단층 촬영 시스템 또는 DEI-CT로 해석되는 메커니즘을 제공할 수 있다. 3세대 단층 촬영 시스템과 유사한 DEI-CT 시스템은 중심점 주변을 회전하도록 최적화된 동일한 장치를 사용할 수 있다. 또는, 시스템은 시스템은 고정되게 유지되고, 물체, 샘플, 또는 환자기 빔에서 회전할 수 있다. 이 디자인의 DEI-CT 시스템은 X-선 흡수, 굴절, 그리고 매우 작은 각의 산란 소멸로 대표되는 영상을 생성할 수 있으나, 이들은 3차원으로 해결된다.
여기에 게시된 주제의 다양한 세부 사항들이 여기에 게시된 주제의 관점으로부터 멀어지지 않고 변화될 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 상술된 설명은 설명의 목적일 뿐이며, 한정의 목적이 아니고, 여기에 게시된 주제는 이하에 게시된 청구범위에 의해 정의된다.

Claims (30)

  1. 물체의 영상을 검출하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은:
    (a) 비-싱크로트론 X-선 소스로부터 다파장 에너지 산포를 갖는 제 1 방사형 X-선 빔을 생성하는 단계;
    (b) 각각 하나 또는 그 이상의 결정을 포함하는 둘 또는 그 이상의 분광기를 미리 설정된 위치에 위치시켜 상기 제 1 X-선 빔을 바로 포착하여, 각각 미리 설정된 에너지 레벨을 갖는 제 2 방사형 X-선 빔들을 생성하는 단계;
    (c) 물체를 통한 상기 제 2 X-선 빔들의 전송을 위해 상기 제 2 X-선 빔들의 경로에 상기 물체를 위치시키고, 복수의 전송된 X-선 빔을 상기 물체로부터 방사하는 단계;
    (d) 상기 전송된 X-선 빔들 각각을 분석 결정 어레이 내의 대응하는 분석 결정의 입사각으로 유도하는 단계; 그리고,
    (e) 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔으로부터 상기 물체의 영상을 검출하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 X-선 빔은 Kα1 및 Kα2의 특성 라인을 갖고,
    상기 둘 또는 그 이상의 분광기를 미리 설정된 위치에 위치시켜 상기 제 1 X-선 빔을 바로 포착하는 단계는, 상기 둘 또는 그 이상의 분광기를 위치시켜 각각 Kα1 및 Kα2의 특성 라인을 포함하는 좁은 에너지 밴드를 포함하는 복수의 제 2 X-선 빔을 선택 및 생성하는 단계를 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 X-선 빔을 생성하는 단계는,
    X-선 점 소스로부터 서로 다른 방향으로 산개하는 복수의 제 1 X-선 빔을 생성하는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 둘 또는 그 이상의 분광기를 위치시키는 단계는,
    상기 둘 또는 그 이상의 분광기를 단일 진동-절연 마운트에 위치시키는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 X-선 빔들의 경로에 상기 물체를 위치시키는 단계는 상기 물체를 제 1 아치형 경로를 통해 이동시키는 단계를 포함하고,
    상기 물체의 영상을 검출하는 단계는, 상기 제 1 아치형 경로를 통해 상기 물체가 이동되는 각속도와 대체로 동일한 각속도로 제 2 아치형 경로를 통해 검출기를 이동시킴으로써, 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔을 상기 검출기에서 수신하는 단계를 포함하는 방법.
  6. 물체의 영상을 검출하는 다중 빔 회절 강화 촬영 시스템에 있어서, 상기 촬영 시스템은:
    (a) 다파장 에너지 산포를 갖는 제 1 방사형 X-선 빔을 생성하도록 구성되는 비-싱크로트론 X-선 소스;
    (b) 각각 하나 또는 그 이상의 결정을 포함하고, 미리 설정된 위치에 위치되어 상기 제 1 X-선 빔을 바로 포착하여, 각각 물체를 통해 전송되기 위한 미리 설정된 에너지 레벨을 갖는 복수의 제 2 방사형 X-선 빔을 생성하는 둘 또는 그 이상의 분광기;
    (c) 각각 분석 결정의 입사각으로 전송되는 X-선 빔을 포착하도록 위치되는 복수의 분석 결정; 그리고
    (d) 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔으로부터 물체의 영상을 검출하도록 구성되는 영상 검출기를 포함하는 촬영 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 X-선 빔은 Kα1 및 Kα2의 특성 라인을 갖고,
    상기 둘 또는 그 이상의 분광기는 각각 Kα1 및 Kα2의 특성 라인을 포함하는 좁은 에너지 밴드를 포함하는 복수의 제 2 X-선 빔을 선택 및 생성하도록 위치되는 촬영 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 X-선 소스는 X-선 점 소스로부터 서로 다른 방향으로 산개하는 복수의 제 1 X-선 빔을 생성하도록 구성되는 촬영 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 둘 또는 그 이상의 분광기는 단일 진동-절연 마운트에 위치되는 촬영 시스템.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 촬영될 물체가 위치되는 스캐닝 스테이지를 더 포함하고,
    상기 스캐닝 스테이지는 상기 물체를 제 1 아치형 경로를 통해 이동시키도록 움직일 수 있고,
    상기 영상 검출기는 제 2 아치형 경로를 통해 움직일 수 있고,
    상기 제 2 아치형 경로를 통해 상기 검출기가 이동되는 각속도는 상기 물체가 상기 제 1 아치형 경로를 통해 이동되는 각속도와 대체로 동일한 촬영 시스템.
  11. 물체의 영상을 검출하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    (a) 비-싱크로트론 X-선 점 소스로부터 서로 다른 방향으로 산개하는 복수의 X-선 빔을 생성함으로써 다파장 에너지 산포를 갖는 제 1 방사형 X-선 빔을 생성하는 단계;
    (b) 각각 하나 또는 그 이상의 결정을 갖는 둘 또는 그 이상의 분광기를 미리 설정된 위치에 위치시켜 상기 제 1 X-선 빔을 포착하고, 각각 미리 설정된 에너지 레벨을 갖는 복수의 제 2 방사형 X-선 빔을 생성하는 단계;
    (c) 상기 물체를 통해 상기 제 2 X-선 빔들을 전송하기 위해 상기 제 2 X-선 빔들의 경로에 상기 물체를 위치시키고, 상기 물체로부터 복수의 전송된 X-선 빔을 방사하는 단계;
    (d) 대응하는 분석 결정들의 어레이의 입사각으로 상기 전송된 X-선 빔들 각각을 유도하는 단계; 그리고
    (e) 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔으로부터 상기 물체의 영상을 검출하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 X-선 빔은 Kα1 및 Kα2의 특성 라인을 갖고,
    상기 둘 또는 그 이상의 분광기를 미리 설정된 위치에 위치시키는 단계는,
    둘 또는 그 이상의 분광기를 위치시켜 각각 Kα1 및 Kα2의 특성 라인을 포함하는 좁은 에너지 밴드를 포함하는 복수의 제 2 X-선 빔을 선택 및 생성하는 단계를 포함하는 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 둘 또는 그 이상의 분광기를 위치시키는 단계는,
    상기 둘 또는 그 이상의 분광기를 단일 진동-절연 마운트에 위치시키는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 물체를 상기 제 2 X-선 빔들의 경로에 위치시키는 단계는 상기 물체를 제 1 아치형 경로를 통해 이동시키는 단계를 포함하고,
    상기 물체의 영상을 검출하는 단계는, 상기 물체가 상기 제 1 아치형 경로를 통해 이동되는 각속도와 대체로 동일한 각속도로 검출기를 제 2 아치형 경로를 통해 이동시킴으로써, 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔을 상기 검출기에서 수신하는 단계를 포함하는 방법.
  15. 물체의 영상을 검출하기 위한 다중 빔 회절 강화 촬영 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
    (a) X-선 점 소스로부터 서로 다른 방향으로 산개하는 복수의 X-선 빔을 생성함으로써, 다파장 에너지 산포를 갖는 제 1 방사형 X-선 빔을 생성하도록 구성되는 X-선 튜브;
    (b) 각각 하나 또는 그 이상의 결정을 갖고, 각각 미리 설정된 위치에 위치되어 상기 제 1 X-선 빔을 포착하여, 각각 물체를 통해 전송되기 위한 미리 설정된 에너지 레벨을 갖는 복수의 제 2 방사형 X-선 빔을 생성하는 둘 또는 그 이상의 분광기들;
    (c) 각각 분석 결정의 입사각으로 전송된 X-선 빔을 포착하도록 위치되는 복수의 분석 결정; 그리고
    (d) 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔으로부터 물체의 영상을 검출하도록 구성되는 영상 검출기를 포함하는 촬영 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 X-선 빔은 Kα1 및 Kα2의 특성 라인을 갖고,
    상기 둘 또는 그 이상의 분광기는 각각 Kα1 및 Kα2의 특성 라인을 포함하는 좁은 에너지 밴드를 포함하는 복수의 제 2 X-선 빔을 선택 및 생성하도록 위치되는 촬영 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 둘 또는 그 이상의 분광기는 단일 진동-절연 마운트(vibration-isolated mount)에 위치되는 촬영 시스템.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 촬영될 물체가 위치되는 스캐닝 테이블을 더 포함하고,
    상기 스캐닝 테이블은 상기 물체를 제 1 아치형 경로를 통해 이동시키도록 움직일 수 있고,
    상기 영상 검출기는 제 2 아치형 경로를 통해 움직일 수 있고,
    상기 제 2 아치형 경로를 통해 상기 검출기가 이동되는 각속도는 상기 제 1 아치형 경로를 통해 상기 물체가 이동되는 각속도와 대체로 동일한 촬영 시스템.
  19. 물체의 영상을 검출하는 방법에 있어서, 상기 방법은:
    (a) 비-싱크로트론 X-선 소스로부터 제 1 및 제 2 특성 방사 라인을 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하는 단계;
    (b) 각각 하나 또는 그 이상의 결정을 포함하는 둘 또는 그 이상의 분광기를 미리 설정된 위치에 위치시켜 상기 제 1 X-선 빔을 포착하고, 각각 제 1 및 제 2 특성 방사 라인을 갖는 복수의 제 2 X-선 빔을 선택 및 생성하는 단계;
    (c) 상기 제 2 X-선 빔들 각각의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인 중 하나를 선택적으로 차단하고, 상기 제 2 X-선 빔들 각각의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인 중 차단되지 않은 하나가 통과하도록 허용하는 단계;
    (d) 상기 제 2 X-선 빔들의 차단되지 않은 특성 라인들의 상기 물체를 통한 전송을 위해 상기 제 2 X-선 빔들의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인 중 차단되지 않은 하나의 경로에 상기 물체를 위치시키고, 복수의 전송된 X-선 빔들을 상기 물체로부터 방사하는 단계;
    (e) 대응하는 분석 결정들의 어레이의 입사각으로 상기 전송된 X-선 빔들 각각을 유도하는 단계; 그리고
    (f) 상기 분석 결정들로부터 회절된 복수의 빔으로부터 상기 물체의 영상을 검출하는 단계를 포함하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 둘 또는 그 이상의 분광기를 위치시키는 단계는,
    상기 둘 또는 그 이상의 분광기를 단일 진동-절연 마운트에 위치시키는 단계를 포함하는 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 제 2 X-선 빔들의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인 중 차단되지 않은 하나의 경로에 상기 물체를 위치시키는 단계는 상기 물체를 제 1 아치형 경로에 위치시키는 단계를 포함하고,
    상기 물체의 영상을 검출하는 단계는, 상기 제 1 아치형 경로를 통해 상기 물체가 이동되는 각속도와 대체로 동일한 각속도로 검출기를 제 2 아치형 경로를 통해 이동시킴으로써, 상기 분석 결정들로부터 회절되는 상기 복수의 빔을 상기 검출기에서 수신하는 단계를 포함하는 방법.
  22. 물체의 영상을 검출하기 위한 다중 빔 회절 강화 촬영 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
    (a) 제 1 및 제 2 특성 방사 라인을 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하도록 구성되는 비-싱크로트론 X-선 소스;
    (b) 각각 하나 또는 그 이상의 결정을 포함하고, 각각 미리 설정된 위치에 위치되어 상기 제 1 X-선 빔을 포착하여 각각 제 1 및 제 2 특성 방사 라인을 갖는 복수의 제 2 X-선 빔을 선택 및 생성하는 둘 또는 그 이상의 분광기;
    (c) 상기 제 2 X-선 빔들 각각의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인 중 하나를 선택적으로 차단하기 위한 조절 가능한 틈을 갖고, 상기 제 2 X-선 빔들 각각의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인 중 차단되지 않은 하나가 물체를 통한 전송을 위해 통과하도록 허용하는 시준기;
    (d) 각각 분석 결정의 입사각으로 전송된 X-선 빔을 포착하도록 위치되는 복수의 분석 결정; 그리고
    (e) 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔으로부터 물체의 영상을 검출하도록 구성되는 영상 검출기를 포함하는 촬영 시스템.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 둘 또는 그 이상의 분광기는 단일 진동-절연 마운트에 위치되는 촬영 시스템.
  24. 제 22 항에 있어서,
    촬영되는 상기 물체가 위치되는 스캐닝 스테이지를 더 포함하고,
    상기 스캐닝 스테이지는 상기 물체를 제 1 아치형 경로를 통해 이동시키도록 움직일 수 있고,
    상기 영상 검출기는 제 2 아치형 경로를 통해 움직일 수 있고,
    상기 영상 검출기가 상기 제 2 아치형 경로를 통해 이동되는 각속도는 상기 물체가 상기 제 1 아치형 경로를 통해 이동되는 각속도와 대체로 동일한 촬영 시스템.
  25. 물체의 영상을 검출하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은:
    (a) 비-싱크로트론 X-선 소스로부터 제 1 및 제 2 특성 방사 라인을 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하는 단계;
    (b) 각각 하나 또는 그 이상의 결정을 포함하는 복수의 분광기를 미리 설정된 위치에 위치시켜 상기 제 1 X-선 빔을 포착하여, 각각 제 1 및 제 2 특성 방사 라인을 갖는 복수의 제 2 X-선 빔을 선택 및 생성하는 단계;
    (c) 상기 제 2 X-선 빔들의 제 1 및 제 2 특성 방사 라인의 물체를 통한 전송을 위해 상기 제 2 X-선 빔들의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인의 경로에 상기 물체를 위치시키고, 복수의 전송된 X-선 빔을 상기 물체로부터 방사하는 단계;
    (d) 대응하는 분석 결정들의 어레이의 입사각으로 상기 전송된 X-선 빔들 각각을 유도하는 단계; 그리고
    (e) 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔으로부터 상기 물체의 영상을 검출하는 단계를 포함하는 방법.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 복수의 분광기들을 위치시키는 단계는,
    상기 복수의 분광기들을 단일 진동-절연 마운트에 위치시키는 단계를 포함하는 방법.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 2 X-선 빔들의 상기 제 1 및 제 2 특성 방사 라인의 경로에 상기 물체를 위치시키는 단계는 상기 물체를 제 1 아치형 경로를 통해 이동시키는 단계를 포함하고,
    상기 물체의 영상을 검출하는 단계는, 상기 제 1 아치형 경로를 통해 상기 물체가 이동되는 각속도와 대체로 동일한 각속도로 제 2 아치형 경로를 통해 검출기를 이동시킴으로써, 상기 복수의 분석 결정으로부터 회절되는 복수의 빔을 상기 검출기에서 수신하는 단계를 포함하는 방법.
  28. 물체의 영상을 검출하기 위한 다중 빔 회절 강화 촬영 시스템에 있어서, 상기 시스템은:
    (a) 제 1 및 제 2 특성 방사 라인을 갖는 제 1 X-선 빔을 생성하도록 구성되는 비-싱크로트론 X-선 소스;
    (b) 각각 하나 또는 그 이상의 결정을 포함하고, 각각 미리 설정된 위치에 위치되어 상기 제 1 X-선 빔을 포착하여, 각각 물체를 통한 전송을 위한 제 1 및 제 2 특성 방사 라인을 갖는 복수의 제 2 X-선 빔을 선택 및 생성하는 복수의 분광기;
    (c) 각각 분석 결정의 입사각으로 전송된 X-선 빔을 포착하도록 위치되는 복수의 분석 결정; 그리고
    (d) 상기 분석 결정들로부터 회절되는 복수의 빔으로부터 물체의 영상을 검출하도록 구성되는 영상 검출기를 포함하는 촬영 시스템.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 복수의 분광기는 단일 진동-절연 마운트에 위치되는 촬영 시스템.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 촬영되는 물체가 위치되는 스캐닝 스테이지를 더 포함하고,
    상기 스캐닝 스테이지는 제 1 아치형 경로를 통해 상기 물체를 이동시키도록 움직일 수 있고,
    상기 영상 검출기는 제 2 아치형 경로를 통해 움직일 수 있고,
    상기 제 2 아치형 경로를 통해 상기 검출기가 이동되는 각속도는 상기 제 1 아치형 경로를 통해 상기 물체가 이동되는 각속도와 대체로 동일한 촬영 시스템.
KR1020117015322A 2008-12-01 2009-12-01 다파장 산포를 갖는 ｘ-선 빔으로부터의 다중 빔 촬영을 이용한 물체 영상 감지를 위한 시스템 및 방법 KR20110122665A (ko)

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Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2010065532A2 (en) 2008-12-01 2010-06-10 The University Of North Carolina At Chapel Hill Systems and methods for detecting an image of an object using multi-beam imaging from an x-ray beam having a polychromatic distribution
CA2763367C (en) 2009-06-04 2016-09-13 Nextray, Inc. Strain matching of crystals and horizontally-spaced monochromator and analyzer crystal arrays in diffraction enhanced imaging systems and related methods
US8204174B2 (en) * 2009-06-04 2012-06-19 Nextray, Inc. Systems and methods for detecting an image of an object by use of X-ray beams generated by multiple small area sources and by use of facing sides of adjacent monochromator crystals
US8702080B2 (en) * 2010-05-18 2014-04-22 Lawrence Livermore National Security, Llc Method and system for dual resolution translation stage
US9068927B2 (en) * 2012-12-21 2015-06-30 General Electric Company Laboratory diffraction-based phase contrast imaging technique
US9008278B2 (en) 2012-12-28 2015-04-14 General Electric Company Multilayer X-ray source target with high thermal conductivity
US9535016B2 (en) 2013-02-28 2017-01-03 William Beaumont Hospital Compton coincident volumetric imaging
WO2014184179A1 (en) * 2013-05-13 2014-11-20 Koninklijke Philips N.V. X-ray beam shaping
JP6260125B2 (ja) * 2013-07-08 2018-01-17 富士通株式会社 分析装置、分析方法、成膜装置及び成膜方法
JP2015024097A (ja) * 2013-07-29 2015-02-05 株式会社ジョブ 低エネルギｘ線画像形成装置及びその画像の形成方法
GB201414393D0 (en) * 2014-08-13 2014-09-24 Nikon Metrology Nv Z-ray beam collimator
JP6395504B2 (ja) * 2014-08-20 2018-09-26 キヤノン株式会社 放射線撮影装置の評価方法、及び評価方法に用いるファントム
FR3036500B1 (fr) * 2015-05-18 2017-06-23 Alain Iltis Systeme et procede de detection de rayonnement gamma de type camera compton.
WO2016200983A1 (en) * 2015-06-09 2016-12-15 The Board of Trustees of the Leand Stanford Junior University System for determining tissue density values using polychromatic x-ray absorptiometry
CN108022272B (zh) * 2016-10-28 2021-12-21 卡尔蔡司X射线显微镜公司 用于基于分割和光谱的金属伪影降低的计算机程序和ct系统
DE102017003517A1 (de) * 2017-04-11 2018-10-11 Universität Hamburg Verfahren und Messvorrichtung zur Röntgenfluoreszenz-Messung
CN107273694B (zh) * 2017-06-28 2020-05-19 中国科学院新疆理化技术研究所 一种基于宇宙射线的电荷耦合器件电荷转移效率在轨测试方法
JP6391776B2 (ja) * 2017-06-29 2018-09-19 キヤノン株式会社 演算装置、演算プログラム、ｘ線測定システム、およびｘ線測定方法
EP3553506A3 (en) * 2018-04-13 2020-02-12 Malvern Panalytical B.V. Apparatus and method for x-ray analysis with hybrid control of beam divergence
CN108645879B (zh) * 2018-05-07 2019-12-03 中国科学院高能物理研究所 一种同步辐射的衍射增强成像方法
DE102019202359A1 (de) * 2019-02-21 2020-08-27 Siemens Healthcare Gmbh Verfahren zum Bestimmen einer Relativposition eines Objekts bezüglich einer Röntgenaufnahmevorrichtung
GB2585673B (en) * 2019-07-10 2022-05-04 The Nottingham Trent Univ A sample inspection system
CN111413357B (zh) * 2020-04-20 2022-01-07 中国科学院高能物理研究所 X射线吸收边探测信号增强方法、装置、设备及存储介质
CN111982344B (zh) * 2020-08-17 2022-04-22 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 激光惯性约束聚变热斑高空间分辨探测系统及方法
CN114839210B (zh) * 2022-04-11 2023-05-02 电子科技大学 基于ssa-bp神经网络的xrf元素定量分析方法

Family Cites Families (98)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3639039A (en) 1964-10-22 1972-02-01 Lockheed Aircraft Corp Apparatus utilizing spatial plane filtering for performing optical image enhancement
US3598471A (en) 1968-11-22 1971-08-10 Corning Glass Works Optical contrast enhancement system
US3801785A (en) 1972-11-01 1974-04-02 Raytheon Co Spatially modulated imaging system
US3882310A (en) 1972-11-01 1975-05-06 Raytheon Co Spatially modulated imaging system
JPS5836344B2 (ja) 1974-07-26 1983-08-09 富士写真フイルム株式会社 カラ−イメ−ジホログラムサイセイソウチ
US4284844A (en) 1979-05-07 1981-08-18 Belles Research Corp. Loudspeaker system
US4310227A (en) 1981-01-05 1982-01-12 Polaroid Corporation Diffracted energy auto-ranging system for a camera
US4532548A (en) 1983-01-27 1985-07-30 Hughes Aircraft Company Resolution enhancement and zoom
US4517599A (en) 1983-01-27 1985-05-14 Hughes Aircraft Company Resolution enhancement and zoom by degradation estimates
US4647154A (en) 1983-07-29 1987-03-03 Quantum Diagnostics Ltd. Optical image processor
US4767928A (en) 1984-06-25 1988-08-30 Nelson Robert S High resolution breast imaging device utilizing non-ionizing radiation of narrow spectral bandwidth
US4882619A (en) 1986-04-07 1989-11-21 Olympus Optical Co., Ltd. High resolution image pickup system with color dispersion means
JPH01241536A (ja) 1988-03-23 1989-09-26 Hitachi Ltd Ｘ線画像検出装置
JPH02204738A (ja) 1989-02-02 1990-08-14 Konica Corp Ｘ線ラジオグラフィシステム
JPH03262999A (ja) 1990-03-13 1991-11-22 Fujitsu Ltd 結晶分光器
US5497008A (en) * 1990-10-31 1996-03-05 X-Ray Optical Systems, Inc. Use of a Kumakhov lens in analytic instruments
US5634669A (en) 1991-04-16 1997-06-03 American Bank Note Holographics, Inc. Holographic check authentication article
RU2012872C1 (ru) 1991-05-14 1994-05-15 Виктор Натанович Ингал Способ получения изображения внутренней структуры объекта
US5541026A (en) 1991-06-13 1996-07-30 Nikon Corporation Exposure apparatus and photo mask
US5339305A (en) 1992-08-14 1994-08-16 Northrop Grumman Corporation Disk-based optical correlator and method
US5430807A (en) 1992-12-14 1995-07-04 Gravely Research Corporation Variable magnification color scanning light microscope
US5596620A (en) 1993-04-30 1997-01-21 The University Of Connecticut X-ray based extensometry device for radiography
US5347400A (en) 1993-05-06 1994-09-13 Ken Hunter Optical system for virtual reality helmet
US5802137A (en) 1993-08-16 1998-09-01 Commonwealth Scientific And Industrial Research X-ray optics, especially for phase contrast imaging
US5535291A (en) 1994-02-18 1996-07-09 Martin Marietta Corporation Superresolution image enhancement for a SIMD array processor
US5532814A (en) 1994-06-20 1996-07-02 Cha; Soyoung S. Holographic diffraction image velocimetry for three-dimensional three-component particle fields or solid objects
US5667736A (en) 1995-02-07 1997-09-16 Chien; Tseng Lu Method of making a laser generated lighting fixture
JP3468623B2 (ja) 1995-08-08 2003-11-17 理学電機株式会社 Ｘ線回折装置の光学系切換装置
US5801889A (en) 1995-08-16 1998-09-01 Eastman Kodak Company Technique to eliminate scattered light in diffractive optical elements
US5635720A (en) 1995-10-03 1997-06-03 Gatan, Inc. Resolution-enhancement device for an optically-coupled image sensor for an electron microscope
JP2000500881A (ja) 1995-10-31 2000-01-25 グレイブリー，ベンジャミン・ティ 作像システム
US6128364A (en) 1996-01-10 2000-10-03 Leica Microsystems Lithography Gmbh Condenser-monochromator arrangement for X-radiation
WO1998016817A1 (en) 1996-10-16 1998-04-23 Illinois Institute Of Technology Method for detecting an image of an object
JP2984232B2 (ja) 1996-10-25 1999-11-29 株式会社テクノス研究所 Ｘ線分析装置およびｘ線照射角設定方法
US6041098A (en) 1997-02-03 2000-03-21 Touryanski; Alexander G. X-ray reflectometer
US5974211A (en) 1997-02-07 1999-10-26 Kaiser Optical Systems Enhanced collection efficiency fiber-optic probe
JP2885398B2 (ja) 1997-04-01 1999-04-19 株式会社東芝 Ｘ線装置
CN1199872A (zh) 1997-05-15 1998-11-25 株式会社富特克 辐射成象方法与系统
US6049588A (en) 1997-07-10 2000-04-11 Focused X-Rays X-ray collimator for lithography
US5969864A (en) 1997-09-25 1999-10-19 Raytheon Company Variable surface relief kinoform optical element
US5867264A (en) 1997-10-15 1999-02-02 Pacific Advanced Technology Apparatus for image multispectral sensing employing addressable spatial mask
DE19820861B4 (de) * 1998-05-09 2004-09-16 Bruker Axs Gmbh Simultanes Röntgenfluoreszenz-Spektrometer
US5953161A (en) 1998-05-29 1999-09-14 General Motors Corporation Infra-red imaging system using a diffraction grating array
US5933277A (en) 1998-05-29 1999-08-03 General Motors Corporation Imaging system combining visible and non-visible electromagnetic radiation for enhanced vision
DE19833524B4 (de) 1998-07-25 2004-09-23 Bruker Axs Gmbh Röntgen-Analysegerät mit Gradienten-Vielfachschicht-Spiegel
US6163593A (en) 1998-08-21 2000-12-19 Varian Medical Systems, Inc. Shaped target for mammography
US6320648B1 (en) 1998-10-12 2001-11-20 Steven R. J. Brueck Method and apparatus for improving pattern fidelity in diffraction-limited imaging
US6100978A (en) 1998-10-21 2000-08-08 Naulleau; Patrick P. Dual-domain point diffraction interferometer
US6221579B1 (en) 1998-12-11 2001-04-24 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Patterned binding of functionalized microspheres for optical diffraction-based biosensors
US6411367B1 (en) 1999-03-29 2002-06-25 Vlsi Technology, Inc. Modified optics for imaging of lens limited subresolution features
JP3944330B2 (ja) 1999-04-12 2007-07-11 株式会社リガク Ｘ線回折装置及びｘ線ロッキングカーブの測定方法
KR100549776B1 (ko) 1999-07-01 2006-02-06 에이에스엠엘 네델란즈 비.브이. 공간필터링을 통한 이미지향상의 장치 및 방법
US6349004B1 (en) 1999-07-16 2002-02-19 Optics 1, Inc. Head mounted display viewing optics with improved optical performance
JP2001059825A (ja) 1999-08-23 2001-03-06 Kansai Tlo Kk スリット付モノクロメータ、ｘ線切換装置およびｘ線分析装置
US6399295B1 (en) 1999-12-17 2002-06-04 Kimberly-Clark Worldwide, Inc. Use of wicking agent to eliminate wash steps for optical diffraction-based biosensors
KR100837593B1 (ko) 2000-01-21 2008-06-13 플렉스 프로덕츠, 인코포레이티드 가변적 광학 특성의 보안 장치
AU2001253566A1 (en) * 2000-04-17 2001-10-30 Matthias Aurich Diffraction enhanced x-ray imaging of articular cartilage
JP3619165B2 (ja) 2000-04-20 2005-02-09 キヤノン株式会社 回折光学素子を用いた撮像装置
US6517490B1 (en) 2000-06-08 2003-02-11 Advanced Diagnostics Systems, Inc. Apparatus and process for enhancing imaging of subtle structures
UA59495C2 (uk) * 2000-08-07 2003-09-15 Мурадін Абубєкіровіч Кумахов Рентгенівський вимірювально-випробувальний комплекс
EP1324697B1 (en) 2000-09-28 2006-05-10 Koninklijke Philips Electronics N.V. Ct scanner for time-coherent large coverage
JP4190142B2 (ja) 2000-10-31 2008-12-03 株式会社リガク Ｘ線モノクロメータ
US6870896B2 (en) 2000-12-28 2005-03-22 Osmic, Inc. Dark-field phase contrast imaging
US6614878B2 (en) * 2001-01-23 2003-09-02 Fartech, Inc. X-ray filter system for medical imaging contrast enhancement
JP3676249B2 (ja) 2001-03-27 2005-07-27 独立行政法人科学技術振興機構 Ｘ線回折を用いた結晶の観察方法及びその観察装置
DE10122041A1 (de) 2001-05-07 2002-11-14 Philips Corp Intellectual Pty Verfahren und Vorrichtung zur Belichtung von Röntgenaufnahmen
DE10127449A1 (de) 2001-06-07 2002-12-12 Zeiss Carl Beleuchtungssystem mit einer Vielzahl von Einzelgittern
JP2003010162A (ja) 2001-07-04 2003-01-14 Nagata Seiki Co Ltd 位相コントラストｘ線撮像装置
JP4498663B2 (ja) * 2001-07-11 2010-07-07 学校法人東京理科大学 透過型結晶分析体の厚さ設定方法
US6953643B2 (en) 2002-01-08 2005-10-11 Antony J Bourdillon Mask shaping using temporal and spatial coherence in ultra high resolution lithography
US6685641B2 (en) 2002-02-01 2004-02-03 Siemens Medical Solutions Usa, Inc. Plane wave scanning reception and receiver
US6816570B2 (en) * 2002-03-07 2004-11-09 Kla-Tencor Corporation Multi-technique thin film analysis tool
JP2004004601A (ja) 2002-04-04 2004-01-08 Sony Corp 光スイッチング素子、光スイッチング素子アレイ、及び画像表示装置
US7245696B2 (en) 2002-05-29 2007-07-17 Xradia, Inc. Element-specific X-ray fluorescence microscope and method of operation
US20040121241A1 (en) 2002-07-09 2004-06-24 Dai Nippon Printing Co., Ltd. Volume hologram medium
US6991895B1 (en) 2002-08-20 2006-01-31 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. Defocus-invariant exposure for regular patterns
JP2004184309A (ja) 2002-12-05 2004-07-02 Pulstec Industrial Co Ltd 干渉計
GB0307923D0 (en) 2003-04-05 2003-05-14 Holographic Imaging Llc Spatial light modulator imaging system
US7315611B2 (en) * 2003-06-03 2008-01-01 Monochromatic X-Ray Technologies, Inc. X-ray reflector exhibiting taper, method of making same, narrow band x-ray filters including same, devices including such filters, multispectral x-ray production via unispectral filter, and multispectral x-ray production via multispectral filter
US6947521B2 (en) * 2003-06-17 2005-09-20 Illinois Institute Of Technology Imaging method based on attenuation, refraction and ultra-small-angle-scattering of x-rays
SE527138C2 (sv) 2003-07-08 2005-12-27 Xcounter Ab Skanningsbaserad detektering av joniserande strålning för tomosyntes
TWI237126B (en) 2003-08-14 2005-08-01 Benq Corp Image display apparatus
US20050062928A1 (en) 2003-09-24 2005-03-24 Po-Hung Yau Differactive micro-structure color wavelength division device
US7205051B2 (en) 2003-09-30 2007-04-17 Depuy Products, Inc. Medical implant or medical implant part
US7193767B1 (en) 2004-03-03 2007-03-20 Jonathan Peeri Method for enhancing visibility
US7076025B2 (en) 2004-05-19 2006-07-11 Illinois Institute Of Technology Method for detecting a mass density image of an object
US7594680B2 (en) 2004-06-03 2009-09-29 Datacard Corporation Identification documents with enhanced security
US7330530B2 (en) 2004-10-04 2008-02-12 Illinois Institute Of Technology Diffraction enhanced imaging method using a line x-ray source
KR100640871B1 (ko) 2004-10-04 2006-11-02 엘지전자 주식회사 투사표시장치
EP1731099A1 (en) 2005-06-06 2006-12-13 Paul Scherrer Institut Interferometer for quantitative phase contrast imaging and tomography with an incoherent polychromatic x-ray source
US20070013983A1 (en) 2005-07-04 2007-01-18 Dai Nippon Printing Co., Ltd. Holographic viewing device, and holographic viewing card incorporating it
TWI275895B (en) 2005-07-29 2007-03-11 Young Optics Inc Enhanced resolution projector using two projected beams
US7170669B1 (en) 2005-09-28 2007-01-30 Anvik Corporation Spatial light modulator array with heat minimization and image enhancement features
CN100457040C (zh) 2005-11-17 2009-02-04 中国科学院高能物理研究所 同步辐射x射线相位衬度ct成像装置及实验方法
CN101405596B (zh) 2006-01-24 2012-07-04 北卡罗来纳大学查珀尔希尔分校 使用具有多色分布的x射线束检测对象图像的系统和方法
WO2010065532A2 (en) 2008-12-01 2010-06-10 The University Of North Carolina At Chapel Hill Systems and methods for detecting an image of an object using multi-beam imaging from an x-ray beam having a polychromatic distribution
US8204174B2 (en) * 2009-06-04 2012-06-19 Nextray, Inc. Systems and methods for detecting an image of an object by use of X-ray beams generated by multiple small area sources and by use of facing sides of adjacent monochromator crystals
CA2763367C (en) * 2009-06-04 2016-09-13 Nextray, Inc. Strain matching of crystals and horizontally-spaced monochromator and analyzer crystal arrays in diffraction enhanced imaging systems and related methods

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