KR20120055468A - 화상 처리장치, 화상 처리방법, 및 비일시적 기억매체 - Google Patents

화상 처리장치, 화상 처리방법, 및 비일시적 기억매체 Download PDF

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Abstract

방사선 발생원과 2차원 검출기를 사용한 토모신세시스 촬영에 의해 얻어진 화상을 처리하는 화상 처리장치가 제공된다. 이 화상 처리장치는, 상기 토모신세시스 촬영시에 상기 2차원 검출기로부터 출력된 복수의 투영 데이터를 취득하도록 구성된 취득 유닛과, 상기 토모신세시스 촬영에 의해 얻어진 상기 복수의 투영 데이터를, 상기 방사선 발생원의 조사 중심 방향과 수직이 되도록 가상적으로 설정된 가상 CT 검출면 상의 가상 투영 데이터로 변환하지 않고, 상기 복수의 투영 데이터로부터 피검체의 단층 화상의 분석 재구성 처리를 행하도록 구성된 재구성 유닛을 구비한다.

Description

화상 처리장치, 화상 처리방법, 및 비일시적 기억매체{IMAGE PROCESSING APPARATUS, IMAGE PROCESSING METHOD, AND NON-TRANSITORY STORAGE MEDIUM}
본 발명은, 화상 처리장치, 화상 처리방법 및 비일시적 기억매체에 관한 것이다.
최근, X선 촬영장치에 있어서, X선관을 이동시키면서 다른 각도에서 피검체에 X선을 조사해서 피검체에 대해 촬영을 행함으로써 얻어진 투영 화상으로부터 원하는 단층 화상을 얻는 토모신세시스(tomosynthesis)가 활발히 행해지고 있다. 이 방법은 CT 장치 등의 대규모의 장치를 필요로 하지 않으면서 짧은 촬영 시간에 단층 화상을 얻을 수 있다. 이 때문에, 이 기술은 페이션트 스루풋(patient throughput)이 높아, 저피폭의 촬영기술로서 크게 주목받고 있다.
토모신세시스에서는, X선 촬영장치가 이 장치의 특성과 필요한 단층 화상에 따라 X선 조사 각도를 바꾸면서 X선 검출기를 평행 이동(혹은 고정)함으로써, 다른 투영각에서 피검체를 투영하여 복수의 X선 화상을 취득한다. 그리고, 이 장치는 이들 X선 화상을 재구성하여 단층 화상을 작성한다.
CT 분야에서는, 수학적으로 정밀도가 높은 단층상을 얻는 기술로서, 필터드 백 프로젝션(filtered back projection)을 사용한 재구성 기술이 알려져 있다. 특히, 콘 빔(cone beam)을 사용하는 3차원 재구성 기술로서, 비특허 문헌 1(practical cone beam algorithm, L. A. Feldkamp, L. C. Davis, and J. W. Kress, J Opt Soc Am(1984))에 개시된 것과 같은 Feldkamp법이 알려져 있다. 이 방법은, 콘 빔과 X선 검출기를 대향시킨 상태에서 피검체의 주위에 X선 검출기를 회전시키면서 얻은 투영 상을 사용하여, 직접 단층상을 생성할 수 있다.
이와 같이 CT에서 사용된 필터드 백 프로젝션을 사용해서 토모신세시스 재구성을 행할 수 있으면, 블러가 적고, 콘트라스트가 높은 단층상을 얻을 수 있다. 그렇지만, 토모신세시스에서의 X선 발생원 및 X선 검출기의 위치 관계(기하 구성)가 CT에서와 차이가 있으므로, CT에서 사용된 화상 재구성 알고리즘을 직접 토모신세시스에 적용하는 것은 곤란하다. 특허문헌 1(USP 6,256,370)에 따르면, 도 7에 나타낸 것과 같이, 콘 빔 CT 촬영에 있어서 검출기에 대응하는 가상 CT 검출기(7002)를 설정한다. 이 문헌에는, 가상 CT 검출기(7002)에서 얻어질 것으로 예측되는 가상적인 투영 데이터를 임시로 얻고 나서, X선 발생원(7000)으로부터의 X선을 사용하여 토모신세시스용 검출기(7001)에 의해 얻어진 화상을 상기한 Feldkamp법 등의 CT의 재구성 알고리즘을 사용하여 재구성을 행하는 방법이 기재되어 있다.
그렇지만, 도 7에 나타낸 것과 같이, 토모신세시스에서 균등하게 배치되어 있는 검출기(7001)에 의해 얻어진 화소들을 가상 CT 검출기(7002)의 배치로 기하 변환하면, 이들 화소들이 불균등한 배치로 된다. 이 때문에, 각 점의 화소값을 주변의 화소값으로 보간해서 화소값들을 생성한다.
그렇지만, 이와 같은 보간조작은 공간적인 로패스 필터에 해당하므로, 이 기하 변환시에 고주파 정보가 손실된다. 그 결과, 콘 빔 CT 알고리즘을 사용하여 재구성에 의해 얻어진 단층 화상의 공간 분해능이 저하해 버린다.
더구나, 특허문헌 1에 개시된 기술에서는, 콘 빔 CT의 화상을 기하 변환하고, 그 결과 얻어진 화상을 유지하는 메모리 공간이 필요하게 된다. 또한, 여분의 처리, 즉 기하 변환 및 보간으로 인해, 처리 시간이 짧은 것에 장점이 있는 토모신세시스에 있어서 재구성에 걸리는 처리 시간이 길어져 버린다.
본 발명은, 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 토모신세시스에 의해 얻어진 투영 화상을 콘 빔 CT의 가상 검출기용 데이터로 기하 변환을 행하지 않고, 직접 역투영을 행하여, 단층상을 얻는 기술을 제공한다. 이것은 공간 분해능이 높고 처리 부하가 낮은, 토모신세시스에 의한 단층상을 제공한다.
본 발명의 일면에 따르면, 방사선 발생원과 2차원 검출기를 사용하여 토모신세시스 촬영에 의해 얻어진 화상을 처리하는 화상 처리장치로서, 토모신세시스 촬영시에 상기 2차원 검출기로부터 출력된 복수의 투영 데이터를 취득하도록 구성된 취득 유닛과, 토모신세시스 촬영에 의해 얻어진 상기 복수의 투영 데이터를, 상기 방사선 발생원의 조사 중심 방향과 수직이 되도록 가상적으로 설정된 가상 CT 검출면 상의 가상 투영 데이터로 변환하지 않고, 상기 복수의 투영 데이터로부터 피검체의 단층 화상의 분석 재구성 처리(analytical reconstruction processing)를 행하도록 구성된 재구성 유닛을 구비한 화상 처리장치가 제공된다.
본 발명의 또 다른 국면에 따르면, 방사선 발생원과 2차원 검출기를 사용하여 토모신세시스 촬영에 의해 얻어진 화상을 처리하는 화상 처리방법으로서, 토모신세시스 촬영시에 상기 2차원 검출기로부터 출력된 복수의 투영 데이터를 취득하는 취득단계와, 토모신세시스 촬영에 의해 얻어진 상기 복수의 투영 데이터를, 상기 방사선 발생원의 조사 중심 방향과 수직이 되도록 가상적으로 설정된 CT 검출면 상의 가상 투영 데이터로 변환하지 않고, 상기 투영 데이터를 사용하여 분석 재구성 처리를 행함으로써 피검체의 단층 화상을 재구성하는 재구성 단계를 포함하는 화상 처리방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징은 첨부된 도면을 참조하여 주어지는 이하의 실시예의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 단층 화상 진단장치의 기능 구성을 예시하는 도면.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 단층 화상 생성처리의 절차의 일례를 도시한 도면.
도 3은 실시형태 1에 있어서의 콘볼루션(convolution) 적분 좌표의 일례를 도시한 도면.
도 4는 2차원의 재구성을 예시적으로 설명하는 도면.
도 5a 및 도 5b는 2차원의 재구성을 예시적으로 설명하는 그래프.
도 6은 실시형태 1에 있어서 백 프로젝션 좌표의 일례를 도시한 도면.
도 7은 종래예의 과제를 도시한 도면.
(실시형태)
이하, 본 발명의 실시형태에 따른 단층 화상 진단장치(화상 처리장치) 및 단층 화상 생성방법에 대해 첨부도면을 참조해서 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 단층 화상 진단장치의 기능 구성을 도시한 블록도이다. 단층 화상 진단장치(100)는, 복수의 조사 각도에서 콘 빔 형상으로 X선을 조사할 수 있는 X선관(101)과, 피검체(102)를 눕힐 수 있는 침대(103)와, X선을 수상(受像)해서 X선 화상을 취득하는 X선 검출기(106)를 구비하고 있다. 이 경우, X선 검출기(106)는 2차원의 촬상면을 갖는 2차원 검출기이다. X선관(101)과 X선관으로부터 조사되는 X선을 검출하는 X선 검출기(106)는, 피검체를 사이에 끼워 서로 대향하도록 배치되어 있다. 기구 제어부(105)는 X선관(101)과 X선 검출기(106)의 위치의 제어를 행한다. 이 단층 화상 진단장치(100)는 단순 촬영 및 긴 길이 촬영 이외에 토모신세시스 촬영을 행할 수 있다. 이 경우에, 단순 촬영이란 피검체(102)에 X선을 조사해 1매의 X선 화상을 얻는 촬영 방법이다. 긴 길이 촬영이란, 전신이나 전체 척추, 또는 하지 전체 길이 등의 큰 피사체를 복수의 촬영으로 나누어 부분마다 촬영하는 촬영 방법이다. 기구 제어부(105)는, X선관(101) 및 X선 검출기를 촬영 부위를 따라 이동시키면서 복수회 촬영을 행한다. 긴 길이 촬영에서 얻어진 화상을 서로 연결시켜 1매의 피사체 화상을 얻는다. 토모신세시스 촬영에서는, 장치가, X선관(101)의 초점 위치와 X선 검출기(106)의 촬상면의 중심 위치의 거리를 바꾸면서 X선관(101) 및 X선 검출기(106)의 적어도 한쪽을 평행 이동시킨다. 이것은, X선관(101)이 복수회 X선을 조사하게 하고, 각 조사에 따라 X선 검출기(106)에서 얻어지는 복수의 투영 데이터를 얻는 촬영 방법이다. X선관 또는 X선 검출기(106)의 이동은 투영 데이터로부터 피검체(102)의 투영 부위의 단층 화상을 재구성한다.
촬영 제어부(104)는 X선 검출기(106)를 전기적으로 제어하여, X선 화상을 취득한다. X선 발생장치 제어부(107)는 X선관(101)을 전기적으로 제어하여, 소정의 조건에서 X선을 발생시킨다. X선 촬영 시스템 제어부(108)는, 기구 제어부(105)와 촬영 제어부(104)를 제어하여, 복수의 X선 조사 각도에서의 X선 화상을 취득한다. 이 X선 화상은, 피검체(102)의 촬영 부위의 투영 데이터이다. 더구나 X선 촬영 시스템 제어부(108)는, 화상처리부(109) 및 화상보존부(112)가 구비되고, 1 또는 복수의 정보처리장치(컴퓨터)가 내장된다. 각각의 컴퓨터에는, 예를 들면, CPU 등의 주 제어부, ROM(Read Only Memory) 및 RAM(Random Access Memory) 등의 기억부가 구비된다. 컴퓨터는, GPU(Graphics Processing Unit) 등의 그래픽 제어부, 네트워크 카드 등의 통신부, 키보드, 디스플레이 또는 터치패널 등의 입출력부 등을 더 구비하여도 된다. 이때, 이들의 각 구성부는, 버스를 거쳐 서로 접속되고, 주 제어부가 기억부에 기억된 프로그램을 실행함으로써 제어된다.
화상처리부(109)는, X선관(101)과 X선 검출기(106)를 사용한 토모신세시스 촬영에 의해 얻어진 화상(투영 데이터)을 처리한다. 화상처리부(109)는, X선 촬영 시스템 제어부(108)로부터의 지시에 따라 취득한 X선 화상을 재구성하여, 단층 화상을 생성한다. 이를 위해, 화상처리부(109)는, 전처리부(113), 계수 계산부(114), 콘볼루션 적분부(115), 가중치 계산부(116) 및 백 프로젝션부(117)를 구비한다.
전처리부(113)는, X선 촬영 시스템 제어부(108)에 의해 촬영 제어부(104)를 거쳐 X선 검출기(106)로부터 취득한 다양한 X선 조사 각도에서의 복수의 X선 화상(이하, "투영 화상 또는 투영 데이터"라고 부른다)을 수신한다. 투영 화상에는 결함 보정이나 게인 보정 등이 행해진다. 그 결과 얻어진 화상에 대해 대수 변환(로그 변환)이 행해진다. 이것에 의해 X선 검출기(106)와 X선관(101)에 기인하는 X선 조사 불균일과 화소 결함이 보정된다.
계수 계산부(114)는, X선 검출기(106) 위의 검출점들과 X선관(101)의 기하 배치로부터 결정되는 계수의 계산을 행한다. 이 경우, 기하 배치란, X선관(101)과 X선 검출기(106)의 사이의 상대적 및 물리적인 위치 관계를 말하고, 더 구체적으로는, X선관(101)의 위치와, X선 검출기(106)의 촬상면 상의 각 화소의 위치 사이의 관계이다. 촬영시마다 X선 검출기(106)와 X선관(101)의 기하 배치가 다르므로, 각각의 X선 조사마다, 각각의 화소에 대응하는 계수가 다르다.
콘볼루션 적분부(115)는, 재구성용의 필터 함수와, 계수 계산부(114)에 의해 계산된 계수와 X선 검출기(106)의 검출점에서의 화소값에 의해 계산된 계수들의 곱 사이에서 콘볼루션 적분을 행한다. 이 콘볼루션 적분부(115)는 X선 검출기(106)의 검출면에 평행한 좌표축 위에서 이와 같은 콘볼루션 적분을 행한다. 재구성용의 필터 함수로서는, 일반적인 재구성에 사용되는 ramp 필터나 shepp & Logan 필터 등을 사용하면 된다. 이 결과, 투영 화상에 재구성 필터처리를 행하여 얻어진 화상(필터드(filtered) 화상)이 생성된다.
가중치 계산부(116)는 가중치 계산부(116)의 재구성점들과 X선관(101)의 상대적인 위치 관계를 나타내는 기하 배치에 의해 결정되는 가중치 계수의 계산을 행한다. 재구성점이란, 필터처리된 투영 화상을 재구성에 의해 생성할 때에, 투영 화상의 화소의 위치를 나타내는 아이소센터(isocenter)를 원점으로 갖는 3차원 좌표 상의 점이다. 아이소센터란 X선관의 조사 방향을 바꾸었을 때 기준축(빔 중심 또는 조사 중심)이 교차하는 회전중심을 말한다. 가중치 계산부(116)는, X선관의 조사 방향을 바꾸었을 때에 빔 중심이 교차하는 회전 중심을 원점으로 하여, 필터 처리된 투영 화상의 화소의 위치를 나타내는 3차원 좌표 상의 점과, X선관과의 상대적인 위치 관계를 나타내는 기하 배치로부터 가중치 계수를 계산한다.
백 프로젝션부(117)는, 가중치 계산부(116)에 의해 계산된 재구성점들과 X선관의 기하 배치로부터 결정되는 가중치로 화상을 승산하면서, 콘볼루션 적분부(115)에서 계산된 필터드 화상에 대해 역투영처리를 행한다. 이와 같은 조작에 따라, 필터드 백 프로젝션에 의한 재구성처리를 행함으로써, 백 프로젝션부(117)는 원하는 피검체의 단층 화상을 재구성할 수 있다. 이때, 가중치의 승산은, 백 프로젝션에 있어서 필수적인 것은 아니다. 그러나, 피검체의 단층 화상(투영 화상)의 재구성을 보다 정밀도 좋게 행하기 위해서는, 가중치의 승산을 행할 수 있다. 단층 화상의 재구성에 사용하는 구체적인 계수와 이론계산식에 대해서는 후술한다.
통상의 CT 장치 등의 단층 화상 진단장치와 단층 화상 진단장치 100의 다른 점은, 통상의 단층 화상 진단장치가 일반 촬영장치나 형광투시 촬영장치 등을 사용하여 단층 화상이 촬영하는 점이다. 이 때문에, X선관(101)은 피검체(102)의 주변을 180도보다 작은 각도, 예를 들면 ±40도 정도의 각도에서 촬영을 행하는 반면, X선 검출기(106)는 수평 방향으로 슬라이드하거나, 또는 고정 상태로 촬영을 행한다. 이에 따라, 대규모의 CT 장치를 사용하지 않아도, 소정의 범위에서 조사각을 변경가능한 일반 촬영장치를 사용하여 단층상을 촬영할 수 있어, 단층 화상 진단장치의 대폭적인 코스트 다운을 할 수 있다. 또한, 짧은 촬영 시간과 개방적인 공간에서 촬영을 할 수 있기 때문에, 피검체의 부담을 작게 할 수 있다.
다음에, 도 2를 참조하여, 도 1에 나타낸 단층 화상 진단장치(100)에 있어서의 단층 화상 생성처리 절차의 일례에 대해 설명한다. 우선, 스텝 S201에서는, 단층 화상 진단장치(100)가 투영 화상을 취득한다. 이 장치는, X선관(101)의 X선 조사 각도를 -40°?40°까지 바꾸면서, 피검체(102)를 X선으로 촬영하는 것에 의해 이 동작을 행한다. 촬영 매수는 임의의 수가 가능하지만, 이 장치는 80매의 투영 화상을 15FPS으로 6초 정도에 취득할 수 있다. X선의 촬영 조건도 임의로 설정가능하지만, 이 장치는 가슴을 100kV 및 1mAs 정도에서 촬영하면 된다. 또한, X선 검출기(106)와 X선관(101) 사이의 거리는 형광투시 촬영장치나 일반 촬영장치의 설정 범위에 들어가도록 100cm?150cm 정도로 설정된다.
X선관(101)은 원호형의 궤도를 그릴 수 있다. 그러나, 형광투시 촬영장치나 일반 촬영장치에서는 기구적으로 원호형의 궤도를 그리는 것이 어렵다. 이 경우, 장치는, 침대(103)의 장축 방향으로 X선관(101)을 이동하면서, X선 조사각 β를 바꾸면서 촬영동작을 행하면 된다. 이때의 X선 조사각과 이동한 X선관(101)의 위치 관계는 Dtanβ로 주어지며, 여기에서, D는 β=0일 때의 X선관(101)의 초점과 아이소센터 사이의 거리이다.
또한, 이 장치는 X선 검출기(106)를 X선관(101)에 대해 평행 이동시킨다. 이때의 평행 이동량은 Ptanβ로 주어지고, 이때 P는 아이소센터와 X선 검출기(106)의 중심까지의 거리이다. 이와 같이 X선 검출기(106)를 평행 이동시키면, X선관(101)의 X선 조사 방향이 변하는 것에 무관하게, 기준축은 X선 검출기(106)의 중심을 항상 통과하게 된다.
형광투시 촬영장치와 일반 촬영장치가 X선 검출기(106)를 평행이동시키는 기구를 구비하지 않는 경우도 있다. 이 경우에는, 아이소센터를 X선 검출기(106)의 특정한 위치, 예를 들면 중심 위치와 일치시키면, X선 검출기(106)를 평행 이동시키지 않아도 X선 검출기(106)를 고정한 상태에서 토모신세시스 촬영이 가능하다. 단, X선 검출기(106)를 이동하는 기구가 없으면, X선 조사 각도 β가 커짐에 따라, X선 조사 범위가 X선 검출기(106)로부터 튀어나온다, 그 결과, 유효 시야(effective field of view) FOV의 일부가 손실되어, 재구성할 수 있는 단층 화상의 범위가 작아진다.
스텝 S201에서 얻어진 일련의 투영 화상은 화상처리부(109)에 입력된다. 우선, 장치는 스텝 S202에서 전처리를 행한다. 이 경우, 장치는, X선 검출기(106)의 제조과정에서 생긴 결함 화소와, X선관(101)에 기인하는 조사 불균일을 보정한다. 이들 처리는 X선 검출기에서 일반적으로 행해지는 처리를 사용하면 된다. 또한, 전처리부에서는 식 (1)로 표시되는 대수 변환(로그 변환)이 행해진다.
Figure pat00001
여기에서, I는 투영 화상의 화소값이고, log은 자연대수이다. 이 처리에 의해, 투영 화상의 화소값에 X선 감쇠계수가 더해진다. 장치는, 이 X선 감쇠계수의 가법성(加法性: additivity)에 근거하여 X선 화상을 재구성한다.
계수 계산부(114)는, 스텝 S203에서 X선관(101)과 X선 검출기(106) 상의 검출점의 상대적인 위치 관계를 나타내는 기하 배치에 의해 결정되는 계수를 계산한다. 구체적으로는, 이 계수는 식 (2)로 표시된다.
Figure pat00002
이때,
Figure pat00003
각 변수들의 관계는 도 3의 재구성 좌표계에 의해 표시된다. 3차원 좌표축 x, y 및 z는 아이소센터를 원점으로 갖는 재구성 좌표 공간을 나타낸다. xz 평면은 X선 검출기(106)의 검출면에 평행한 면이며, 아이소센터(301)를 통과하는 면이다. 또한, y축은 X선 검출기(106)의 검출면에 수직한 법선으로 되어 있다. xt과 zt는 X선 검출기(106) 상의 점과 X선관(101)의 초점(302)을 연결하는 직선 303이, xz 평면과 교차하는 점의 x 좌표 및 z 좌표로 한다. y축과 X선관(101)의 기준축이 이루는 각 β가, X선 조사 각도(투영 각도)이다. 식 (2)는 직선 303과 직선 304가 이루는 각의 코사인 값을 표시하고 있다. 직선 304는 직선 303이 xz 평면과 교차하는 점으로부터 z축에 내린 수선이 교차하는 점과 초점(302)을 연결하는 선이다. 이때, 이 식 (2)은 발명을 실시하기 위해 구체적으로 계수를 수식으로 표시한 것이다. 따라서, 식 (2)에 해당하는 계수의 계산에는 다른 수학적 방법으로 사용할 수 있다. 즉, 식 (2)에 의한 계산에 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
콘볼루션 적분부(115)는, 재구성용의 필터 함수와, 식 (2)으로 주어지는 계수와 X선 검출기(106) 상의 대응하는 점의 곱 사이의 콘볼루션 적분을 계산함으로써 필터 처리를 행한다. 구체적으로는, 이 계산은 식 (3)으로 표시된다.
Figure pat00004
이때, h[xt'-xt]은 ramp 필터나 shepp & Logan 필터 등의 재구성용 필터 함수이고, q(xt, zt, β)는 X선 검출기(106) 상의 대응하는 점을 나타낸다. 식 (3)의 콘볼루션 적분은 X선 검출기(106)에 평행한 좌표축 xt 상의 1차원의 콘볼루션 적분을 나타내고 있다. 스텝 S205에서 이 콘볼루션 적분을 X선 검출기(106)의 검출면 내(전체 횡 라인(혹은 전체 종 라인))에 있어서 행함으로써, 필터처리된 투영 화상으로서 2차원 필터드 화상 G(xt', zt, β)가 얻어진다.
여기에서, 식 (2)과 식 (3)이 나타내는 콘볼루션 적분처리를 직감적으로 설명하기 위해, 도 4와 도 5a 및 도 5b를 참조해서 2차원의 재구성의 설명을 행한다. 원래, 필터드 백 프로젝션에 의해 수학적으로 엄밀한 재구성을 행하기 위해서는, 도 4에 나타낸 것과 같이, X선을 선형으로 콜리메이트하고 회전을 하면서, 평행 스캔을 반복하여, t축 상의 투영 데이터 p(t', θ)을 얻을 필요가 있다. 이와 같이 하여 얻어진 투영 데이터는 식 (4)을 사용함으로써 재구성이 가능하다.
Figure pat00005
식 (4)는 CT 재구성의 원리식의 일 형태로서 라돈 변환(Radon Transform)을 동치(同値) 변형해서 얻어지는 식이다. 여기에서, h[t-t']은 재구성용의 필터 함수이다.
그렇지만, 상기한 방법에서는 평행 스캔과 미소 회전을 반복하기 때문에, 데이터의 취득에 시간이 많이 걸려, 피검체의 피폭량도 매우 켜져 버린다. 따라서, 요즈음에는 의료용의 X선 CT에 사용되는 일은 거의 없다.
이와 같은 상황에서, 팬 빔(fan beam)이나 콘 빔을 사용한 CT에 의해, 평행 스캔을 행하지 않고, 2차원이나 3차원의 단면 상을 생성하는 것이 요즈음에는 활발히 행해지고 있다.
팬 빔이나 콘 빔을 사용하는 필터드 백 프로젝션에 의한 재구성은 식 (4)을 팬 빔이나 콘 빔에 적합한 형태로 변환하여 직접 재구성을 허용하여 행해진다. 따라서, 본 발명에서는 팬 빔이나 콘 빔과 마찬가지로 토모신세시스에 맞춘 형태로 식 (4)를 변환함으로써, 특허문헌 1과 같이 콘 빔 C로의 기하 변환 및 그것에 따른 보간처리를 행하지 않고, 직접적으로 단층상을 얻는 기술을 제공한다.
본 실시형태에서 제안하는 식 (3)은 식 (4)로 주어지는 투영 데이터에 식 (2)을 곱하고, 콘볼루션 적분축을 t'으로부터 xt로 치환하여 얻어진 형태이다. 상기한 것과 같이, 식 (2)는 직선 303과 직선 304가 이루는 각의 코사인 값을 표시하고 있다. 이것은 직감적으로 도 5를 사용해서 이해할 수 있다. 도 5a의 피사체(501)는 두께 1, X선 감쇠계수 α의 피검체이다. 이것에, 도 4와 같이 평행한 빔으로 스캔을 한 경우, 투영 화상 502와 같이 균일한 분포를 얻는다. X선의 물질 내의 감쇠는 식 (5)로 표시된다. 식 (1)로 표시되는 대수 변환(로그 변환)을 행하면 감쇠계수의 분포가 얻어진다.
Figure pat00006
한편, 도 5b에 나타낸 것과 같이, 평행하지 않은 광선을 포함하는 팬 빔을 사용해서 얻어지는 투영 화상은 참조번호 503과 같이 원호형의 분포를 나타낸다. 이것은, 중심의 빔(505)에 비해, 주변의 빔(504)이 피사체(501)의 내부를 1/cosφ만큼 긴 경로를 따라 통과하기 때문이다. 따라서, X선의 물질 내의 감쇠는 다음 식으로 주어진다.
Figure pat00007
이 식으로 알 수 있는 것과 같이, 정확한 감쇠계수의 분포를 얻기 위해서는, 식 (1)로 표시되는 대수 변환(로그 변환)을 먼저 행한 후에, 그 결과 얻은 데이터에 cosφ을 곱하면 된다. 도 5b는 직감적인 표시를 나타내기 위해, 팬 빔을 사용한 간단한 예를 나타내었다. 콘 빔이나 토모신세시스를 사용한 처리에 대해서도 유사한 아이디어가 성립한다. 실제로는, 식 (4)을 토모신세시스의 직접 재구성에 적합한 형태로 변환하는 과정에서, 수학적으로 식 (3)(단 zt=0인 경우)이 도출되게 된다.
이상에서 2차원의 라돈 변환으로부터 얻어지는 2차원의 CT 재구성 이론 및 이 이론을 토모신세시스 재구성 알고리즘으로 변환하는 것을 설명했지만, 이 알고리즘을 3차원 알고리즘으로 확장함으로써 토모신세시스의 재구성 식이 얻어진다. 3차원 알고리즘으로의 확장은, 이론에 근거하여 3차원의 라돈 변환에 따라 행해도 되고, Feldkamp의 콘 빔 CT 재구성 알고리즘과 마찬가지로 콘 빔을 복수의 팬 빔의 모임으로 생각함으로써 2차원식으로부터 3차원식을 도출해도 된다
장치가 스텝 S203과 S205의 전체 라인을 처리하지 않은 경우(스텝 S206에서 No), 다음 라인으로 처리가 진행되고(S204), 계수계산처리(S203) 및 콘볼루션 적분처리(S205)가 모든 라인에 대해 적용될 때까지 이들 처리를 실행한다. 계수계산(S203) 및 콘볼루션 적분(S205)의 처리가 모든 라인에 대해 적용됨으로써(S206에서 Yes), 2차원 필터드 화상 G(xt', zt, β)가 얻어진다.
스텝 S203과 S205의 처리를 전체 라인에 적용함으로써 얻어진 2차원 필터드 화상 G(xt', zt, β)에 대해 스텝 S208에서 백 프로젝션을 행함으로써, 단층상을 얻을 수 있다. 장치는, 스텝 S208에서 백 프로젝션할 때에 스텝 S207에서 계산되는 가중치를 필터드 화상에 곱하면서 백 프로젝션을 행한다. 스텝 S207에 있어서, 장치는 가중치 계수의 계산을 행한다. 이 가중치는 재구성점과 X선관의 토모신세시스 기하 배치에 의해 결정되고, 구체적으로는 식 (7)로 표시된다.
Figure pat00008
도 6에 백 프로젝션(역투영)처리의 개략도를 나타낸다. 참조번호 602는 토모신세시스의 재구성에 의해 생성되는 단층상을 나타낸 것이다. 참조번호
Figure pat00009
는 아이소센터를 원점으로 갖는 단층상(602) 위의 재구성점(601)을 나타내는 3차원 벡터를 나타내다. 참조번호 603은 평행 이동하는 X선관의 초점을 나타내고, 604는 초점(603)과 함께 이동하는 X선 검출기를 나타내다. 참조번호
Figure pat00010
는 X선관의 기준축(빔 중심)을 따른 단위 벡터이다. 식 (7)에 의해 계산되는 가중치 계수를 백 프로젝션시에 곱함으로써, X선관(101)의 X선 조사 각도 β와 평행 이동(혹은 고정)하는 X선 검출기(106)의 검출면에 평행한 좌표축 xt에 관한 재구성식이 얻어진다. 이에 따라, 토모신세시스 화상 데이터로부터의 직접 재구성이 가능해진다.
최종적으로, 토모신세시스의 직접 재구성은 스텝 S208에서 백 프로젝션을 행함으로써 달성되어, 단층상을 얻을 수 있다. 스텝 S208의 백 프로젝션에서는, 장치가 식 (7)에 의해 계산되는 가중치를 필터드 화상의 대응하는 화소값에 곱하면서, X선관의 조사 각도 범위에서 적분을 행한다. 구체적으로는, 이 동작은 다음 식으로 표시된다.
Figure pat00011
여기에서, βm은 최대 X선 조사각, -βm은 최소의 X선 조사각이며,
Figure pat00012
은 단층상의 화소값이다. 즉, 장치는, 단층 위치
Figure pat00013
와 X선관의 초점(603)을 연결하는 직선이 X선 검출기(604)와 교차하는 점에서의 화소값들을 전체 투영 각도 β에 대해 총합계함으로써 토모신세시스 백 프로젝션을 행한다. 단, X선 검출기(604)에 의해 얻어진 화소값은 스텝 S205에서 식 (3)에 의해 필터링된 것이다. 장치는, 스텝 S207에서 식 (7)에 의해 계산되는 토모신세시스 기하배치에 의해 결정되는 가중치로 각 화소값을 곱하면서 이와 같은 총합계를 행한다.
이 식은, Feldkamp의 콘 빔 CT 재구성 알고리즘에 있어서 필터 콘볼루션의 축을 2차원 검출기와 평행한 평면의 축으로 변형함으로써 얻어진 재구성 알고리즘에 근거하여 투영 데이터를 재구성하기 위한 식이다. 또한, 이 식은, X선 검출기(106)에 평행한 평면으로부터 직접 각 재구성점에서의 화소값을 재구성하는 식이다. 이 식은 X선 검출기(106)에 의해 얻어진 투영 데이터에 보간처리를 행하지 않고 직접 재구성 알고리즘을 적용하도록 설계된다. 이에 따라, 특허문헌 1에 기재된 것과 같은 콘 빔 CT 기하 배치로의 기하변환, 및 그것에 수반하는 보간을 행하지 않고 직접 토모신세시스 재구성을 행하는 것이 가능해진다.
상기한 식 (8)은, 식 (3)에서 얻어지는 필터드 화상 G를, 토모신세시스의 기하 배치에서 결정되는 계수로 곱하면서 역투영 처리하도록 설계된다. 식 (8)을 사용함으로써, 특허문헌 1에서 설명한 것과 같이 실제의 검출기에 의해 얻어진 투영 데이터를 변환하여 가상 CT 검출기로부터 가상 투영 데이터를 얻지 않고, 직접적으로 실제 투영 데이터를 재구성하여 단층 화상을 얻을 수 있다. 예를 들면, 흉부를 촬영 부위로 하여 토모신세시스 촬영했을 때에, 일반 촬영에서는 확인하기가 어려운 흉골의 깊은 곳에 위치한 구조를 단층 화상으로서 영상화할 수 있다. 이에 따라, 변환시에 인접 화소의 가산에 의한 보간처리를 행하지 않고 재구성이 가능해지기 때문에, 처리부하의 증가를 억제하면서 화질을 향상시킨 단층 화상을 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 토모신세시스에서 얻어진 투영 화상을 콘 빔 CT의 배치로 기하변환을 행하지 않고, 직접 필터드 백 프로젝션을 행하여, 단층상을 구하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 종래의 기술보다 공간 분해능이 높고 처리 시간이 짧은, 토모신세시스에 의한 단층상을 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시형태를 설명하였다. 그러나, 본 발명은 전술하고 첨부도면에 도시된 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 적절히 변형해서 실시할 수 있는 것이다. 예를 들면, 본 발명은, 예를 들면, 시스템, 장치, 방법, 프로그램 기억매체 등으로서의 실시형태를 채용할 수도 있다. 구체적으로는, 복수의 기기로 구성되는 시스템에 적용해도 되고, 또는, 1개의 기기로 이루어진 장치에 적용해도 된다.
이때, 위에서 예시한 구성요소들 이외에, 얻어진 단층 화상을 표시하는 표시 유닛, 및 표시 제어 유닛을 추가로 구비하고 있어도 된다.
상기한 예에 따르면, 장치는 이론식 (8)에 근거한 계산을 행한다. 그러나, 디지털 컴퓨터에서의 처리에 따른 이론식 (8)에 근거한 이산화를 행해도 되는 것은 물론이다. 이 경우, 식 (3)에 따르면, 필터 합성의 처리는 콘볼루션 연산이다. 이때, 식 (8) 이외의 식을 디지털 컴퓨터가 처리하는 경우에 있어서, 디지털 값을 사용한 계산 처리에 기인한 오차와, 계산량 및 기타의 이유에 의한 근사 오차는 허용된다.
상기한 경우에, 화상처리부(109)가 재구성처리를 행한다. 그러나, 단체의 화상 처리장치가 이와 같은 처리를 실행하는 것으로 해도 되고, 또는 복수의 장치로 이루어진 시스템이 기능을 분산시켜 처리하는 것으로 해도 된다.
상기한 경우에, 장치는 콘 빔 형상의 X선을 발생시키는 X선 발생원을 사용한다. 그러나, 본 발명은 이것에 한정하지 않고, X선이 조리개의 형상에 의존하여 사각 피라미드 형상으로 형성되어도 된다.
상기한 예에서는 X선 촬영을 예로 나타내었다. 그러나, 본 발명은 다른 종류의 방사선 촬영에도 사용할 수 있다. 위에서 설명한 재구성처리는 분석 재구성처리 기술 중에서 한가지이다.
이상과 같이, 상기한 실시형태에 따르면, 화상처리부(109)의 전처리부(113) 또는 취득부(미도시)가 토모신세시스 촬영시에 2차원 검출기가 출력하는 복수의 투영 데이터를 취득한다. 계수 계산부(114), 콘볼루션 적분부(115), 가중치 계산부(116) 및 백 프로젝션부(117)(역투영 처리부)로 이루어진 재구성 처리부는, 토모신세시스 촬영에서 얻어진 복수의 투영 데이터를, X선관(101)의 조사 중심 방향과 수직이 되도록 가상적으로 설정된 가상 CT 검출면 상의 가상 투영 데이터로 변환하지 않고 역투영처리를 행하여 피검체의 단층 화상을 재구성한다.
이에 따라, 변환시에 인접 화소의 가산에 의한 보간처리를 행하지 않고 직접 재구성이 가능해지기 때문에, 처리부하를 억제하면서 화질을 향상시킨 단층 화상을 얻을 수 있다.
또한, 콘볼루션 적분부(115)는 상기 투영 데이터와 재구성 필터를 합성한다. 백 프로젝션부(117)는 역투영 처리를 행한다. 이에 따라, 토모신세시스에 의해 얻어진 투영 화상을 콘 빔 CT의 배치로 기하변환을 행하지 않고, 직접 필터드 백 프로젝션을 행하여, 단층상을 구하는 것이 가능해진다. 이에 따라, 종래의 기술보다 공간분해능이 높고 처리시간이 짧은, 토모신세시스에 의한 단층상을 제공할 수 있다.
Feldkamp법 등 이론식을 변환해서 얻어지는 재구성식을 사용하기 때문에, CT 촬영에 의한 재구성에 사용하는 ramp 필터, shopp & Logan 필터, 또는 기타의 재구성 필터를 그대로 이용할 수 있다. 물론, 토모신세시스 촬영에 수반하는 조사각 부족을 감안하여 토모신세시스용 필터를 사용하는 것도 가능하다.
기타 실시형태
본 발명의 국면은, 전술한 실시예(들)의 기능을 수행하기 위해 기억장치에 기록된 프로그램을 판독하여 실행하는 시스템 또는 장치(또는 CPU 또는 MPU 등의 소자)의 컴퓨터나, 예를 들면, 전술한 실시예(들)의 기능을 수행하기 위해 기억장치에 기록된 프로그램을 판독하여 실행함으로써, 시스템 또는 장치의 컴퓨터에 의해 수행되는 단계들을 갖는 방법에 의해 구현될 수도 있다. 이와 같은 목적을 위해, 예를 들어, 네트워크를 거쳐, 또는 기억장치로서의 역할을 하는 다양한 종류의 기록매체(예를 들어, 컴퓨터 판독가능한 매체)로부터 이 프로그램이 컴퓨터로 주어진다.
예시적인 실시예들을 참조하여 본 발명을 설명하였지만, 본 발명이 이러한 실시예에 한정되지 않는다는 것은 자명하다. 이하의 청구범위의 보호범위는 가장 넓게 해석되어 모든 변형, 동등물 구조 및 기능을 포괄하여야 한다.

Claims (17)

  1. 방사선 발생원과 2차원 검출기를 사용하여 토모신세시스 촬영에 의해 얻어진 화상을 처리하는 화상 처리장치로서,
    상기 토모신세시스 촬영시에 상기 2차원 검출기로부터 출력된 복수의 투영 데이터를 취득하도록 구성된 취득 유닛과,
    상기 토모신세시스 촬영에 의해 얻어진 상기 복수의 투영 데이터를, 상기 방사선 발생원의 조사 중심 방향과 수직이 되도록 가상적으로 설정된 가상 CT 검출면 상의 가상 투영 데이터로 변환하지 않고, 상기 복수의 투영 데이터로부터 피검체의 단층 화상의 분석 재구성 처리를 행하도록 구성된 재구성 유닛을 구비한 화상 처리장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 재구성 유닛은, 재구성 필터를 상기 투영 데이터와 합성하여 역투영 처리를 행하는 화상 처리장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 재구성 유닛은, 상기 방사원과, 상기 복수의 투영 데이터의 각 화소값에 대응하는 상기 2차원 검출기 상의 위치 사이의 배치 관계에 근거하여 재구성처리를 행하는 화상 처리장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 재구성 유닛은, 상기 복수의 투영 데이터와 재구성 필터 사이의 상기 배치 관계에 근거하여 역투영처리를 행하는 화상 처리장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 재구성 유닛은, 상기 배치 관계에 의해 정해지는 제1 계수를 곱하면서 상기 재구성 필터와 상기 투영 데이터를 합성하고, 이 합성된 데이터에 상기 배치 관계로부터 정해지는 제2 계수를 곱해서 역투영처리를 행하는 화상 처리장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 재구성 유닛은, 가상 검출기의 좌표계 상에의 투영에 기인해서 행해지는, 상기 투영 데이터에 근접하는 위치에 있는 화소값들을 가산하여 상기 가상 검출기에 있어서 가상 화소를 보간하는 처리를 행하지 않는 화상 처리장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 재구성 유닛은, 상기 2차원 검출기에 의해 얻어진 투영 데이터에 직접 재구성 알고리즘을 적용하는 화상 처리장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 재구성 유닛은, 상기 2차원 검출기와 평행한 평면로부터 직접 각 재구성점의 화소값을 재구성하는 화상 처리장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 재구성 유닛은, Feldkamp의 콘 빔 CT 재구성 알고리즘에 있어서 필터 콘볼루션의 축을 상기 2차원 검출기에 평행한 평면의 축으로 변형함으로써 얻어진 재구성 알고리즘에 근거하여 상기 투영 데이터를 재구성하는 화상 처리장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 토모신세시스 촬영은 방사선 발생원과 2차원의 촬상면을 갖는 2차원 검출기에 의한 촬영이며, 상기 토모신세시스 촬영은, 상기 방사선 발생원의 초점 위치와 상기 촬상면의 중심 위치 사이의 거리를 변화시키면서 그리고 상기 방사선 발생원 및 상기 2차원 검출기의 적어도 어느 한쪽을 이동시키면서 상기 방사선 발생원이 복수회 방사선을 조사하고, 각 조사에 따라 2차원 검출기에 의해 얻어지는 복수의 투영 데이터를 얻는 촬영방법인 화상 처리장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 재구성된 상기 피검체의 단층 화상을 표시 유닛이 표시하게 하도록 구성된 표시 제어 유닛을 더 구비한 화상 처리장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    하기의 식에 근거하여 연산을 행하도록 구성된 연산 유닛을 더 구비한 화상 처리장치:
    Figure pat00014
    .
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 연산 유닛은, 상기 식을 이산화해서 연산을 행하는 화상 처리장치.
  14. 방사선 발생원과 2차원 검출기를 사용하여 토모신세시스 촬영에 의해 얻어진 화상을 처리하는 화상 처리방법으로서,
    상기 토모신세시스 촬영시에 상기 2차원 검출기로부터 출력된 복수의 투영 데이터를 취득하는 취득단계와,
    상기 토모신세시스 촬영에 의해 얻어진 상기 복수의 투영 데이터를, 상기 방사선 발생원의 조사 중심 방향과 수직이 되도록 가상적으로 설정된 CT 검출면 상의 가상 투영 데이터로 변환하지 않고, 상기 투영 데이터를 사용하여 분석 재구성 처리를 행함으로써 피검체의 단층 화상을 재구성하는 재구성단계를 포함하는 화상 처리방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 재구성단계에서는, 재구성 필터를 상기 투영 데이터와 합성하여 역투영 처리를 행하는 화상 처리방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 재구성단계에서는, Feldkamp의 콘 빔 재구성 알고리즘에 있어서 상기 투영 데이터와 재구성 필터 사이의 합성축을 상기 2차원 검출기에 평행한 축으로 변형함으로써 얻어진 재구성 알고리즘을 사용하여 재구성 처리를 행하는 화상 처리방법.
  17. 방사선 발생원과 2차원 검출기를 사용하여 토모신세시스 촬영에 의해 얻어진 화상을 처리하는 화상 처리방법을 컴퓨터에 실행하게 하는 프로그램을 기억한 비일시적 기억매체로서,
    상기 화상 처리방법이.
    상기 토모신세시스 촬영시에 상기 2차원 검출기로부터 출력된 복수의 투영 데이터를 취득하는 취득단계와,
    상기 투영 데이터를, 상기 방사선 발생원의 조사 중심 방향과 수직이 되도록 가상적으로 설정된 가상 CT 검출면 상의 가상 투영 데이터로 변환하지 않고, 상기 투영 데이터를 사용하여 분석 재구성 처리를 행함으로써 피검체의 단층 화상을 재구성하는 재구성단계를 포함하는 비일시적 기억매체.
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