KR20140055791A - 엑스선 검출기를 교정하는 방법 - Google Patents

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Abstract

서로 다른 에너지 레벨의 스펙트럼을 가지는 복수 개의 소정의 엑스선들 각각에 대하여 복수 개의 문턱전압들을 이용하여 엑스선을 검출하고, 각 엑스선의 스펙트럼에서 최대 강도(intensity)를 가지는 에너지 및 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출되는 문턱전압 간의 대응관계를 판정하여, 판정된 대응관계에 기초로 문턱전압을 교정하는 엑스선 검출기의 문턱전압 교정 방법을 개시한다.

Description

엑스선 검출기를 교정하는 방법{METHOD OF CALIBRATING AN X-RAY DETECTOR}
엑스선 검출기를 교정하는 방법에 관한 것으로, 구체적으로 의료진단 분야, 보안 검색 분야 및 산업체 비파괴 검사 분야에 사용되는 엑스선 영상 시스템의 핵심 구성요소인 엑스선 검출기의 문턱전압을 교정하는 방법에 관한 것이다.
엑스선(X-ray)은 감마선과 자외선의 중간 파장에 해당하는 파장을 갖는 투과성이 강한 전자기파이다. 엑스선을 어떤 대상체에 조사하는 경우, 대상체를 이루는 물질과 대상체의 두께에 따라 엑스선의 투과율이 달라지는데, 이러한 원리를 이용하여, 엑스선 영상을 생성할 할 수 있다.
엑스선 영상 시스템의 구성 중 엑스선을 검출하는 엑스선 검출기의 경우, 최근 차세대 엑스선 검출기로써, 저선량 시스템을 실현하기 위해 광자계수형 검출기에 대하여 활발한 연구가 진행되고 있다. 입사되는 엑스선 광자 개개의 에너지를 계측하고자 하는 광자계수형 검출기에서는 적어도 하나의 문턱전압을 설정할 수가 있으며, 문턱전압을 기준으로 에너지를 구별하게 된다. 따라서 정밀한 에너지 계측을 위해서는 사전에 엑스선 검출기의 문턱전압에 대한 정확한 교정(calibration)이 수행되어야 한다.
문턱전압을 교정하는 방법으로 싱크로트론을 이용하는 방법, 방사선 동위원소를 이용하는 방법, 그리고 특성 엑스선 발생장치를 이용하는 방법 등이 있다.
엑스선의 에너지와 엑스선 검출의 기준이 되는 문턱전압과의 대응 관계에 기초하여, 엑스선 검출기의 문턱전압을 교정하는 방법을 제공하는 데 있다. 또한, 이와 같은 교정 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 복수 개의 단위 셀로 구성된 엑스선 검출기(X-ray detector)의 상기 각 단위 셀에 대하여 엑스선 검출의 기준이 되는 문턱전압을 교정하는(calibrating) 방법은 서로 다른 에너지 레벨의 스펙트럼을 가지는 복수 개의 소정의 엑스선들 각각에 대하여 복수 개의 문턱전압들을 이용하여 엑스선을 검출하는 단계, 각 엑스선의 스펙트럼에서 최대 강도(intensity)를 가지는 에너지 및 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출되는 문턱전압 간의 대응관계를 판정하는 단계 및 상기 판정된 대응관계에 기초하여, 상기 문턱전압을 교정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따라 상기 엑스선 검출기의 문턱전압을 교정하는 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체가 제공된다.
엑스선 검출기에서 엑스선의 에너지 크기를 문턱전압으로 구별하는 경우에 유용하게 사용할 수 있다.
도 1은 엑스선 영상 시스템의 개괄적인 모습을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 엑스선 촬영 장치의 주요 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 엑스선 조사부에서 엑스선이 조사될 때, 대상체를 투과한 엑스선이 엑스선 검출기에 도달하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 4는 엑스선 검출기의 문턱전압을 교정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 5는 도 4의 420 단계를 상세하게 나타낸 상세 흐름도이다.
도 6은 도 4의 430 단계를 상세하게 나타낸 상세 흐름도이다.
도 7은 문턱 전압들에 대하여, 각각의 문턱전압보다 큰 에너지를 가지는 광자의 계측 수를 나타내는 제 1 함수의 그래프이다.
도 8은 문턱 전압들에 대하여, 각각의 문턱전압보다 큰 에너지를 가지는 광자의 계측 수를 나타내는 제 1 함수에 허용 노이즈를 초과하는 노이즈가 존재하는 경우의 그래프이다.
도 9는 문턱 전압들에 대하여, 특정 문턱전압에 해당하는 에너지를 갖는 광자의 수를 나타내는 제 2 함수의 그래프이다.
도 10은 문턱 전압들에 대하여, 특정 문턱전압에 해당하는 에너지를 갖는 광자의 수를 나타내는 제 2 함수에 노이즈가 존재하는 경우의 그래프이다.
도 11은 문턱 전압들에 대하여, 각각의 문턱전압보다 큰 에너지를 가지는 광자의 계측 수를 나타내는 제 1 함수에 허용 노이즈를 초과하는 노이즈가 존재하는 경우, 회귀 분석에 의해 제 1 함수의 변곡점 영역의 노이즈가 제거된 대체 함수를 함께 도시한 그래프이다.
도 12는 스펙트럼 시뮬레이터를 이용하여 추정한, 조사된 엑스선의 스펙트럼과 최대 강도를 나타내는 에너지를 도시한 도면이다.
도 13은 조사된 엑스선의 스펙트럼에서 최대 강도(intensity)를 가지는 에너지와 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출되는 문턱전압 간의 대응관계를 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명을 한정하지 아니하고 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 하기 실시예는 본 발명을 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리 범위를 제한하거나 한정하는 것이 아님은 물론이다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
본 실시예들은 엑스선 검출기를 교정하는 방법에 관한 것으로서 이하의 실시예들이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려져 있는 사항들에 관해서는 자세한 설명을 생략한다. 엑스선 검출기는 의료진단 분야, 보안 검색 분야 그리고 산업체 비파괴 검사 분야 등 다양한 분야에 널리 사용되며, 이하에서 설명하는 엑스선 검출기를 구비하는 엑스선 영상 시스템 역시 특정 분야에 한정되지 않는다.
도 1은 엑스선 영상 시스템의 개괄적인 모습을 도시한 도면이다. 도 1에 도시된 엑스선 영상 시스템(100)은 엑스선 촬영 장치(110), 영상 처리 장치(120) 및 영상 표시 장치(130)으로 구성된다.
엑스선 촬영 장치(110)는 엑스선 조사부와 엑스선 검출기를 구비한다. 엑스선 조사부는 대상체를 향하여 엑스선을 조사한다. 엑스선 검출기는 대상체를 통과한 엑스선을 검출하고 이를 전기적 신호로 생성한다. 엑스선을 짧은 시간 동안 대상체에 조사한 뒤 대상체를 통과한 엑스선만을 엑스선 검출기에서 검출하고 엑스선이 검출된 위치에 기초하여 대상체 내부의 정보를 파악할 수 있다. 엑스선 검출기에서 생성된 복수 개의 전기적 신호는 대상체 내부 정보를 담고 있는 영상 데이터로 변환되며, 영상 데이터는 영상 처리 장치(120)로 전달된다.
영상 처리 장치(120)는 엑스선 촬영 장치(110)로부터 영상 데이터를 전달받는다. 영상 처리 장치(120)는 영상 데이터를 이용하여 영상 표시 장치(130)에 표시될 영상을 생성한다.
영상 표시 장치(130)는 영상 처리 장치(120)에서 생성된 영상을 전달받아 이를 영상 표시 장치(130)에 디스플레이한다.
도 2는 도 1에 도시된 엑스선 촬영 장치의 주요 구성을 도시한 블록도이다. 엑스선 촬영 장치(200)는 입력부(210), 제어부(220), 엑스선 조사부(230), 엑스선 검출기(240), 영상 데이터 생성부(250), 스토리지(260), 출력부(270)를 포함한다.
입력부(210)는 엑스선 영상 시스템(100)의 사용자로부터 엑스선 촬영에 대한 명령을 입력받는다. 엑스선 조사 명령, 엑스선 스펙트럼을 달리하기 위한 파라미터 조정 명령, 엑스선 조사에 따라 생성된 영상 데이터 저장에 관한 명령 등 엑스선 촬영 장치(200)를 제어하는 모든 명령을 입력받는다. 사용자로부터 받은 모든 명령에 관한 정보는 제어부(220)로 전달된다. 제어부(220)는 사용자의 명령에 따라 엑스선 촬영 장치(200) 내의 구성들을 제어한다.
엑스선 조사부(230)는 엑스선 조사에 관한 모든 명령을 제어부(220)로부터 전달받는다. 엑스선 조사부(230)는 적절한 스펙트럼의 엑스선을 대상체를 향하여 조사한다. 이때 대상체에 피폭되는 엑스선 량을 고려하여 적절한 횟수와 적절한 선량(dose)으로 조사한다.
본 발명에서는 일반적인 상용 엑스선 발생장치를 사용하며, 서로 다른 에너지 레벨의 스펙트럼을 가지는 엑스선들을 사용한다. 엑스선 스펙트럼이란 엑스선의 파장에 대한 세기의 분포 다른 말로, 엑스선의 에너지에 대한 강도(intensity)를 말한다. 엑스선은 엑스선관(X-ray tube) 내의 음극에서 나온 가속전자가 양극에 부딪혀 갑자기 정지될 때 제동방사로서 방출하는 연속파장의 연속 스펙트럼(continuous X-ray)과 양극을 이루고 있는 원자 내에서 일정 궤도를 회전하던 전자가 큰 에너지를 받아 바깥 방향으로 튀어나가고 그 자리에 다른 전자가 들어오면서 방출되는 에너지에 의해 발생 되는 특성 스펙트럼(characteristic X-ray)이 있다. 따라서 가속전자가 부딪히는 타겟에 해당하는 양극을 구성하는 물질을 바꾸면 같은 전압으로도 스펙트럼이 다른 엑스선을 획득할 수 있고, 양극을 구성하는 원소를 바꾸지 않더라도 강한 전압을 걸어주면 가속전자가 더 빠르게 양극에 충돌하여 스펙트럼이 다른 엑스선을 획득할 수 있다. 다시 말해서 이종의(heterogeneous) 스펙트럼을 가지는 엑스선들을 발생시키려면 엑스선관 내의 음극과 양극에 가하는 전압 즉, 관전압과 양극을 이루고 있는 물질을 바꾸면 된다.
엑스선 조사부(230) 내에는 이종의 스펙트럼을 발생시키기 위한 파라미터 조절부가 존재할 수 있다. 이종의 엑스선 스펙트럼을 발생시키기 위한 파라미터가 관전압인 경우, 파라미터 조절부는 엑스선관 내의 음극과 양극에 가해지는 전압 즉, 관전압을 조절하는 전압 조절부와 같은 형태일 수 있다. 또한 이종의 엑스선 스펙트럼을 발생시키기 위한 파라미터가 가속전자가 부딪히는 양극을 구성하는 물질인 경우 타겟이 되는 양극을 바꾸어주는 타겟 변경부와 같은 형태가 될 수 있다. 엑스선 조사부(230) 내에 각각 서로 다른 물질로 이루어져 있는 복수 개의 양극이 있는 경우 타겟 변경부는 가속전자가 부딪히는 위치에 복수 개의 양극 중 어느 하나의 양극을 위치시키는 역할을 함으로써 이종의 스펙트럼을 가지는 엑스선을 발생시킬 수 있다.
엑스선 검출기(240)는 대상체를 통과한 엑스선들을 검출한다. 엑스선 조사부(230)에서 엑스선이 조사될 때, 대상체를 통과 후 엑스선 검출기(240)에 도달하는 엑스선들을 검출한다. 엑스선 검출기(240)는 복수 개의 단위 셀들의 집합으로 볼 수 있다. 각각의 셀에 감지되는 엑스선 신호를 전기적 신호로 변환하고, 변환된 전기적 신호와 각각의 셀에 설정된 문턱전압을 비교하여, 문턱전압 이상인 전기적 신호에 대해서는 이를 계측한다. 엑스선 검출기(240)로써 광전도체 엑스선 검출기 또는 광자계수형 엑스선 검출기 등이 사용될 수 있다.
영상 데이터 생성부(250)는 엑스선 검출기(240)의 각 셀로부터 엑스선 검출 신호 예를 들어, 문턱접압 이상인 전기적 신호의 계측 정보들을 수신한다. 영상 데이터 생성부(250)는 엑스선 검출기(240)를 구성하는 모든 셀로부터 수신된 엑스선 검출 신호들을 이용하여, 대상체 내부의 정보를 담고 있는 영상 데이터를 생성한다. 각각의 엑스선 조사에 대해, 대상체 내부에 대한 정보를 담고 있는 각각의 영상 데이터가 생성된다.
스토리지(260)는 영상 데이터 생성부(250)에 의해 생성된 영상 데이터를 저장한다. 스토리지(260)는 사용자의 요청에 의해 저장된 영상 데이터를 출력부(270)로 전달한다.
도 3은 엑스선 조사부에서 엑스선이 조사될 때, 대상체를 투과한 엑스선이 엑스선 검출기에 도달하는 모습을 나타낸 도면이다. 이하 도 3을 참조하여 엑스선 검출기(330)가 대상체(320)를 투과한 엑스선을 검출하는 과정을 설명한다. 엑스선 조사부(310)에서 대상체(320)를 향하여 엑스선이 조사되며, 조사되는 엑스선은 콘빔(cone-beam) 형태가 될 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 대상체(320)를 투과한 엑스선만이 엑스선 검출기(330)에 도달하는데, 엑스선 검출기(330)는 도 3에 표시된 바와 같이 일정 크기의 단위 셀로 분해될 수 있다. 엑스선 검출기(330)의 임의의 셀과 엑스선 조사부(310) 사이의 엑스선이 조사된 경로상에 대상체(320)가 위치하며, 엑스선은 이와 같은 대상체(320)를 투과하면서 기하 급수적으로 감쇠되는 성질이 있다. 따라서 엑스선 검출기(330) 내의 임의의 셀에 도달하는 엑스선을 검출함으로써, 그 엑스선이 대상체(320) 내에서 감쇠되는 정도를 파악할 수 있으며, 이로부터 엑스선이 투과한 대상체(320) 내부의 정보를 획득할 수 있다. 이때, 엑스선 검출기(330)의 임의의 셀은 셀의 위치에 따라 (i,j)번째 셀로 표현할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 달리, 대상체(320) 없이 엑스선을 조사하여 엑스선 검출기(330)에 의해 검출된 엑스선 검출 신호들로부터 생성되는 영상을 화이트(white) 영상이라고 하며, 대상체(320) 뿐만 아니라 엑스선의 조사도 없이 엑스선 검출기(330)에 의해 검출된 엑스선 검출 신호들로부터 생성되는 영상을 다크(dark) 영상이라고 한다. 다크 영상은 엑스선의 조사 없이, 엑스선 검출기(330)가 가지는 자체의 특성으로 인하여 출력되는 신호로부터 생성되는 영상이며, 엑스선 검출기의 자체 특성으로 인한 일종의 노이즈 영상이라고 볼 수 있다.
도 4는 엑스선 검출기의 문턱전압을 교정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
410 단계에서, 엑스선 조사부(310)에서 조사될 엑스선을 설정한다. 즉, 조사될 엑스선의 에너지 값이 다르도록 사용자가 소정의 엑스선을 설정할 수 있다. 구체적으로, 엑스선을 발생시키는 엑스선관 내의 음극과 양극에 가하는 관전압 또는 엑스선관의 양극을 이루고 있는 물질을 변경함으로써 서로 다른 에너지 레벨의 스펙트럼을 가지는 엑스선을 설정할 수 있다.
420 단계에서, 엑스선 검출기(330)는 복수 개의 문턱전압들을 이용하여, 엑스선을 검출한다. 예를 들어, 엑스선 검출기(330)에 도달한 엑스선의 광자가 가지는 에너지가 문턱전압의 에너지보다 크면, 엑스선이 검출된다. 광자계수형 엑스선 검출기는 문턱전압의 에너지보다 큰 에너지를 갖는 광자들을 계측하여 엑스선을 검출한다. 엑스선 검출기(330)가 허용하는 최소 문턱전압과 최대 문턱전압 사이의 복수 개의 문턱전압들을 이용하여, 엑스선 조사부(310)로부터 조사되는 엑스선을 검출한다. 이때, 엑스선 검출기(330)를 구성하는 각 셀에 동일한 엑스선이 조사되더라도, 각 셀을 구성하는 소자들의 자체 특성에 의해 각 셀로부터 수집되는 엑스선의 검출 신호들에 차이가 있을 수 있는데, 엑스선 검출시 발생하는 이러한 오차를 줄이기 위한 보정이 필요할 수 있다. 각각의 문턱전압에서의 엑스선 검출 신호, 예를 들어, 각각의 문턱전압에서의 계측된 광자의 수를 복수 개의 문턱 전압들에 대하여 통합함으로써, 각 문턱전압에 대하여 문턱전압보다 큰 에너지를 가지는 광자를 계측한 수를 나타내는 함수를 획득할 수 있다. 420 단계의 구체적인 내용에 대해서는 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
도 5는 도 4의 420 단계를 상세하게 나타낸 상세 흐름도이다.
510 단계에서, 엑스선 검출기(330)의 각 셀의 초기 문턱전압을 설정한다. 각 셀에 설정될 수 있는 문턱전압은 적어도 하나 이상이며, 복수 개의 문턱전압들을 설정할 수 있다. 엑스선 검출기(330)에 입사되는 엑스선이 전기적 신호로 변환될 때, 변환된 전기적 신호와 각 셀에 설정된 적어도 하나의 문턱전압을 비교하여, 문턱전압 이상인 전기적 신호만이 계측되며, 문턱전압이 복수 개인 경우 엑스선의 광자가 갖는 에너지의 크기에 따라 특정 문턱전압 값에 대응된다.
520-1 단계에서, 엑스선을 조사하지 않고, 엑스선 검출기(330)의 각 셀로부터 엑스선 검출 신호들을 복수 번 수집한다. 엑스선을 조사하지 않더라도, 엑스선 검출기(330)의 각 셀로부터 출력 신호들이 수집될 수 있는데, 이는 엑스선 검출기(330)의 각 셀을 구성하는 소자 자체의 특성에 따른 일종의 노이즈 값이다. 즉, 520-1 단계에서는 엑스선 검출기(330)의 각 셀이 가지는 고유의 출력 신호들을 파악하기 위해서 엑스선을 조사하지 않은 상태에서 각 셀로부터 엑스선 검출 신호들을 수집하는 것이다. 이와 같은 엑스선 검출 신호들을 복수 번 수집함으로서, 각 셀에서의 평균적인 엑스선 검출 신호들을 알 수 있다. 엑스선을 조사하지 않고, 엑스선 검출기(330)의 각 셀로부터 수집한 엑스선 검출 신호들을 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
,
Figure pat00003
는 엑스선 검출기(330) 내의 셀의 위치를 나타내고,
Figure pat00004
는 문턱전압을 의미한다.
530-1 단계에서, 엑스선을 조사하지 않고, 복수 번 예를 들어,
Figure pat00005
번 수집한 엑스선 검출 신호들의 각 셀에서의 평균을 구한다. 이는 각 셀들 간의 특성 차이에 의해 생기는 오차를 보정하는데 이용될 수 있으며, 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
Figure pat00006
520-2 단계에서, 엑스선을 조사하여, 엑스선 검출기(330)의 각 셀로부터 엑스선 검출 신호들을 복수 번 수집한다. 동일한 엑스선에 대해서도, 각 셀의 특성에 따라 각 셀로부터 다른 엑스선 검출 신호들이 수집될 수 있다. 즉, 520-2 단계에서는 엑스선 검출기(330)의 각 셀이 가지는 게인 또는 오프셋 차이에 따른 엑스선 검출 신호들을 확인하기 위하여, 엑스선을 조사하여 각 셀로부터 엑스선 검출 신호들을 수집하는 것이다. 이와 같은 엑스선 검출 신호들을 복수 번 수집함으로서, 각 셀에서의 평균적인 엑스선 검출 신호들을 알 수 있다.
Figure pat00007
에서 최대 강도를 가지는 엑스선을 조사하여, 엑스선 검출기(330)의 각 셀로부터 수집한 엑스선 검출 신호들을 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
Figure pat00008
530-2 단계에서, 엑스선을 조사하여, 복수 번 예를 들어,
Figure pat00009
번 수집한 엑스선 검출 신호들의 각 셀에서의 평균을 구한다. 이는 각 셀들 간의 특성 차이에 의해 생기는 오차를 보정하는데 이용될 수 있으며, 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
Figure pat00010
540 단계에서, 엑스선을 조사하여 엑스선 검출기(330)의 각 셀로부터 수집한, 각 문턱전압에서의 엑스선 검출 신호들에 대해 게인-오프셋 보정(gain-offset correction)을 수행한다. 이는 엑스선 검출기(330)의 각 셀마다 가지고 있는 고유한 특성의 차이에 의해 생성되는 각 셀들간의 오차를 줄이기 위함이다. 이러한 게인-오프셋 보정은 각 문턱전압에서 복수 번 수집한 엑스선 검출 신호들의 평균 값들을 이용한다. 게인-오프셋 보정이 수행된 엑스선 검출 신호를 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
Figure pat00011
이때, ROI는 Region Of Interest를 말하며, 오프셋 보정을 수행한 엑스선 검출 신호들, 즉, 엑스선 검출 신호들에 대한 게인맵에서 비교적 균일한 게인을 나타내는 영역을 ROI로 설정하여 그 영역에 대한 평균 게인 값을 엑스선 검출 신호들에 대한 평균 게인으로 가정하는 것을 의미한다.
550 단계에서, 엑스선 검출기(330)의 각 셀에 설정되어 있는 문턱전압이 엑스선 검출기(330)가 허용하는 최대 문턱전압인지 확인한다. 엑스선 검출기(330)가 허용하는 최대 문턱전압까지, 다양한 문턱전압들 각각에 대하여 엑스선 검출기(330)의 각 단위 셀로부터 엑스선 검출 신호들을 수집하기 위함이다. 설정되어 있는 문턱전압이 최대 문턱전압이 아닌 경우, 560 단계가 수행되고, 최대 문턱전압인 경우, 570 단계가 수행된다.
560 단계에서, 설정되어 있는 문턱전압을 다음 차례의 문턱전압으로 변경한다. 설정되어 있는 문턱전압이 복수 개인 경우, 이와 같은 복수 개의 문턱전압 모두에 대해서 문턱전압을 변경한다. 변경된 문턱전압을 엑스선 검출기(330)의 각 셀의 문턱전압으로 설정한다.
570 단계에서, 각각의 문턱전압에서의 엑스선 검출 신호들을 모든 문턱 전압들에 대하여 통합함으로써, 문턱전압의 변화에 따른, 엑스선 검출 신호를 나타내는 함수를 획득할 수 있다. 광자계수형 검출기의 경우 엑스선 검출 신호는 문턱전압보다 큰 에너지를 가지는 광자의 계측 수가 되며, 모든 문턱전압들에 대하여 각각의 문턱전압보다 큰 에너지를 가지는 광자를 계측한 수를 나타낸 제 1 함수를 획득할 수 있다. 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
Figure pat00012
다시 도4를 참고하면, 430 단계에서, 엑스선 조사부(310)에서 조사된 엑스선의 스펙트럼에서 최대 강도(intensity)를 가지는 에너지를 확인하고, 420 단계에서 획득한 각 문턱전압에 대하여 문턱전압보다 큰 에너지를 가지는 광자를 계측한 수를 나타내는 제 1 함수로부터 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출되는 문턱전압을 확인한다. 430 단계의 구체적인 내용에 대해서는 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6은 도 4의 430 단계를 상세하게 나타낸 상세 흐름도이다.
610 단계에서, 각 문턱전압에 대하여 문턱전압보다 큰 에너지를 가지는 광자를 계측한 수를 나타내는 제 1 함수의 값이 허용 노이즈를 초과하는 노이즈를 가지고 있는지 판단한다. 그 판단결과에 따라, 제 1 함수를 이용하여 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출된 문턱전압을 확인하는 방법이 달라진다.
도 7은 문턱 전압들에 대하여, 각각의 문턱전압보다 큰 에너지를 가지는 광자의 계측 수를 나타내는 제 1 함수의 그래프이다. 이때,
Figure pat00013
은 최대 문턱전압을 의미한다. 이와 같이 제 1 함수에 허용 노이즈 미만의 노이즈가 존재하는 경우 620 단계가 수행된다.
도 8은 문턱 전압들에 대하여, 각각의 문턱전압보다 큰 에너지를 가지는 광자의 계측 수를 나타내는 제 1 함수에 허용 노이즈를 초과하는 노이즈가 존재하는 경우의 그래프이다. 이러한 경우 미분을 하여 얻게 되는 함수에도 노이즈의 영향이 그대로 존재하여 미분된 함수에서 최대값을 가지는 문턱전압을 추출하는데 어려움이 따른다. 이와 같이 제 1 함수에 허용 노이즈를 초과하는 노이즈가 존재하는 경우 630 단계가 수행된다.
다시 도6을 참고하면, 620 단계에서, 제 1 함수를 상기 문턱전압에 대하여 미분하여, 특정 문턱전압에 해당하는 에너지를 갖는 광자의 수를 나타내는 제 2 함수를 구할 수 있으며, 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.
Figure pat00014
제 2 함수에서 최대값을 갖는 문턱전압은 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출되는 문턱전압을 의미한다. 이와 같은 최대값을 나타내는 문턱전압은 가우시안 함수로 회귀 분석하여 추출할 수 있다.
도 9는 문턱 전압들에 대하여, 특정 문턱전압에 해당하는 에너지를 갖는 광자의 수를 나타내는 제 2 함수의 그래프이다. 그래프를 보면,
Figure pat00015
에서 최대값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
다시 도6을 참고하면, 630 단계에서, 허용 노이즈를 초과하는 노이즈를 가지는 제 1 함수 대신, 회귀분석(regression analysis)에 의해 결정된 대체 함수를 이용한다. 즉, 제 1 함수에 존재하는 노이즈를 제거하기 위하여, 제 1 함수를 에러 함수로 회귀분석한다.
도 10은 문턱 전압들에 대하여, 특정 문턱전압에 해당하는 에너지를 갖는 광자의 수를 나타내는 제 2 함수에 노이즈가 존재하는 경우의 그래프이다. 즉, 제 1 함수가 허용 노이즈를 초과하는 노이즈를 가지고 있으므로, 제 1 함수를 미분하여 얻어지는 제 2 함수 역시 도 10에 도시된 바와 같이 심한 노이즈가 존재한다. 이와 같이 노이즈가 심하게 존재하는 제 2 함수에서는 그 최대값을 정확히 찾기 어려우며, 이에 따라 제 2 함수의 최대값을 갖는 문턱전압 역시 정확히 구별하기 어렵다. 따라서, 이러한 경우에는 허용 노이즈를 초과하는 노이즈를 가지고 있는 제 1 함수를 대신할 대체 함수가 필요하다.
도 11은 문턱 전압들에 대하여, 각각의 문턱전압보다 큰 에너지를 가지는 광자의 계측 수를 나타내는 제 1 함수에 허용 노이즈를 초과하는 노이즈가 존재하는 경우, 회귀 분석에 의해 제 1 함수의 변곡점 영역의 노이즈가 제거된 대체 함수를 함께 도시한 그래프이다. 제 2 함수는 제 1 함수를 미분하여 획득되는 것이므로, 제 2 함수에서 최대값을 정확히 찾기 위해서는 제 2 함수의 최대값 영역에 대응되는 제 1 함수의 변곡점 영역의 노이즈가 제거된 대체 함수가 필요하다. 도 11을 보면, 제 1 함수의 변곡점 영역을 잘 기술하는 대체 함수
Figure pat00016
를 파선으로 도시하였으며, 이를 미분하여 제 2 함수로써 사용하더라도 대체 함수
Figure pat00017
가 제 1 함수의 변곡점 영역에 대해서는 노이즈만 제거하고 그대로 사용하고 있으므로 제 2 함수의 최대값 영역 부근의 값들을 신뢰할 수 있게 된다.
따라서, 제 1 함수가 허용 노이즈를 초과하는 노이즈를 가지는 경우에는 회귀분석에 의하여 결정된 대체 함수를 이용하여 이로부터 제 2 함수를 구하며, 이와 같은 제 2 함수에서 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출된 문턱전압을 확인하는 것이 가능하다.
다시 도6을 참고하면, 640 단계에서, 엑스선 조사부(310)에서 조사된 엑스선의 스펙트럼 및 최대 강도를 가지는 에너지를 확인한다. 먼저, 엑스선 스펙트럼의 반가층(half-value layer)을 측정하고, 스펙트럼 시뮬레이터를 이용하여 측정한 반가층에 기초하여 엑스선의 스펙트럼을 추정한다. 추정된 엑스선 스펙트럼에서 최대 강도를 나타내는 에너지를 확인한다.
도 12는 스펙트럼 시뮬레이터를 이용하여 추정한, 조사된 엑스선의 스펙트럼과 최대 강도를 나타내는 에너지를 도시한 도면이다. 그래프 상에서 엑스선 스펙트럼의 최대값을 나타내는 에너지인
Figure pat00018
를 확인할 수 있다. 이와 같은 최대값을 나타내는 에너지는 가우시안 함수로 회귀 분석하여 추출할 수 있다.
다시 도4를 참고하면, 440 단계에서, 다른 에너지 레벨의 스펙트럼을 가지는 소정의 엑스선에 대해서 위의 420 단계 및 430 단계를 수행할 필요가 있는지 판단한다. 엑스선의 에너지와 문턱전압 간의 관계를 1차 식으로 얻기 위해서는 적어도 2개의 다른 스펙트럼을 가지는 엑스선에 대하여 420 단계 및 430 단계를 수행하여야 하기 때문이다.
450 단계에서, 다른 스펙트럼을 가지는 엑스선에 대해서 420 단계 및 430 단계를 반복 수행하여야 하는 경우, 엑스선을 발생시키는 엑스선관 내의 음극과 양극에 가하는 관전압 또는 상기 엑스선관의 상기 양극을 이루고 있는 물질을 변경함으로써 다른 에너지 레벨의 스펙트럼을 가지는 엑스선을 설정할 수 있다. 이와 같이 설정된 다른 스펙트럼을 가지는 엑스선에 대하여 위의 420 단계 내지 440 단계를 반복하여 수행한다.
460 단계에서, 엑스선의 에너지와 문턱전압 간의 관계를 판정할 수 있는 충분한 데이터를 확보하였다면, 엑스선 조사부(310)에서 조사된 엑스선의 스펙트럼에서 최대 강도(intensity)를 가지는 에너지 및 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출되는 문턱전압 간의 대응관계를 판정한다. 엑스선 조사부(310)에서 조사되는 각 엑스선의 스펙트럼에서 최대 강도(intensity)를 가지는 에너지와 이와 같은 각 엑스선이 엑스선 검출기(330)에 도달할 때 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출되는 문턱전압이 결정되면, 선형 회귀 분석(linear regression anallysis)을 수행하여 대응관계를 판정할 수 있다.
도 13은 조사된 엑스선의 스펙트럼에서 최대 강도(intensity)를 가지는 에너지와 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출되는 문턱전압 간의 대응관계를 도시한 도면이다. 도 9 및 도 12에서 각각 확인된 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출되는 문턱전압 및 조사된 엑스선 스펙트럼에서 최대 강도를 나타내는 에너지의 데이터 쌍을 이용하여 1차 식으로 회귀분석을 수행하는 것을 나타내고 있다. 복수 개의 데이터 쌍으로부터 엑스선의 에너지와 문턱전압 간의 대응관계를 결정할 수 있다. 도 13에서
Figure pat00019
는 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출되는 문턱전압과 엑스선 스펙트럼에서 최대 강도를 갖는 에너지와의 관계를 나타내는 계수(coefficient)가 된다.
다시 도4를 참고하면, 470 단계에서, 460 단계에서 판정된 엑스선의 에너지와 문턱전압 간의 대응관계에 기초하여, 문턱전압을 교정한다. 이와 같은 문턱전압의 교정은 엑스선 검출기(330)에서 엑스선의 에너지 크기를 문턱전압으로 구별하는 경우에 유용하게 사용할 수 있다. 또한, 엑스선의 에너지와 문턱전압 간의 대응관계를 파악하여 엑스선 검출기의 문턱전압을 교정하므로, 일반적인 상용 엑스선 발생 장치에도 적용할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예에 따른 엑스선 검출기를 교정하는 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 ... 엑스선 영상 시스템
110 ... 엑스선 촬영 장치
120 ... 영상 처리 장치
130 ... 영상 표시 장치
200 ... 엑스선 촬영 장치
210 ... 입력부
220 ... 제어부
230 ... 엑스선 조사부
240 ... 엑스선 검출기
250 ... 영상 데이터 생성부
260 ... 스토리지
270 ... 출력부
310 ... 엑스선 조사부
320 ... 대상체
330 ... 엑스선 검출기

Claims (15)

  1. 복수 개의 단위 셀들로 구성된 엑스선 검출기(X-ray detector)의 상기 각 단위 셀에 대하여 엑스선 검출의 기준이 되는 문턱전압을 교정하는(calibrating) 방법에 있어서,
    서로 다른 에너지 레벨의 스펙트럼을 가지는 복수 개의 소정의 엑스선들 각각에 대하여 복수 개의 문턱전압들을 이용하여 엑스선을 검출하는 단계;
    각 엑스선의 스펙트럼에서 최대 강도(intensity)를 가지는 에너지 및 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출되는 문턱전압 간의 대응관계를 판정하는 단계; 및
    상기 판정된 대응관계에 기초하여, 상기 문턱전압을 교정하는 단계를 포함하는 문턱전압 교정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑스선 검출기는 광자계수형 검출기(photon-counting detector)이고,
    상기 엑스선을 검출하는 단계는 상기 각각의 문턱전압보다 큰 에너지를 갖는 광자를 계측하는 문턱 전압 교정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑스선을 검출하는 단계는,
    서로 다른 값을 가지는 복수 개의 문턱전압들 각각에 대하여 상기 각 단위 셀로부터 엑스선 검출 신호들을 수집하는 문턱전압 교정 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 엑스선을 검출하는 단계는,
    상기 수집된 엑스선 검출 신호들에 대하여, 상기 각 단위 셀의 특성에 따라 발생할 수 있는 오차를 줄이기 위한 보정 작업을 수행하는 단계를 더 포함하는 문턱전압 교정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 엑스선 검출 신호들을 수집하는 단계는,
    상기 문턱전압들 각각에 대하여, 상기 소정의 엑스선을 조사하지 않고 복수 번 수집하는 단계; 및
    상기 문턱전압들 각각에 대하여, 상기 소정의 엑스선을 조사하여 복수 번 수집하는 단계를 포함하고,
    상기 소정의 엑스선을 조사하여 수집된, 상기 복수 번 중 어느 한 번의 엑스선 검출 신호들에 대하여 게인-오프셋 보정(gain-offset correction)을 수행하는 문턱전압 교정 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 게인-오프셋 보정은 상기 각 문턱전압에서 상기 복수 번 수집한 엑스선 검출 신호들의 평균 값들을 이용하는 문턱전압 교정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 엑스선의 스펙트럼에서 최대 강도를 가지는 에너지는,
    스펙트럼 시뮬레이터를 이용하여 상기 엑스선 스펙트럼의 반가층(half-value layer)을 측정한 것에 기초하여, 상기 각 엑스선의 스펙트럼을 추정하고, 상기 추정된 엑스선 스펙트럼에서 최대 강도를 나타내는 에너지인 문턱전압 교정 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 추정된 엑스선 스펙트럼에서 최대 강도를 나타내는 에너지는 가우시안 함수로 회귀 분석하여 추출하는 문턱전압 교정 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출되는 문턱전압은,
    상기 복수 개의 문턱전압들에 대하여 상기 각각의 문턱전압보다 큰 에너지를 가지는 광자를 계측한 수를 나타내는 제 1 함수를 이용하여 구하는 문턱전압 교정 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출되는 문턱전압은,
    상기 제 1 함수를 상기 문턱전압에 대하여 미분하여, 특정 문턱전압에 해당하는 에너지를 갖는 광자의 수를 나타내는 제 2 함수에서 최대값을 갖는 문턱전압인 문턱전압 교정 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 함수에서 최대값을 갖는 문턱전압은 가우시안 함수로 회귀 분석하여 추출하는 문턱전압 교정 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 함수의 값이 허용 노이즈를 초과하는 경우, 상기 제 2 함수에서 최대값 영역에 대응되는 상기 제 1 함수의 변곡점 영역의 노이즈가 제거된 대체 함수를 이용하고, 상기 대체 함수를 미분하여 상기 제 2 함수로써 사용하는 문턱전압 교정 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 대응관계를 판정하는 단계는,
    상기 각 엑스선의 스펙트럼에서 최대 강도(intensity)를 가지는 에너지와 상기 각 엑스선에 대하여 에너지 크기가 서로 같은 광자들이 최대로 검출되는 문턱전압이 결정되면, 선형 회귀 분석을 수행하여 상기 대응관계를 판정하는 문턱전압 교정 방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 소정의 엑스선들은 엑스선을 발생시키는 엑스선관 내의 음극과 양극에 가하는 관전압 또는 상기 엑스선관의 상기 양극을 이루고 있는 물질을 달리함으로써 서로 다른 에너지 레벨의 스펙트럼을 가지는 엑스선들인 문턱전압 교정 방법.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중에 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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