KR20140055948A - 방사선 촬영 장치 및 영상 복원 방법 - Google Patents

방사선 촬영 장치 및 영상 복원 방법 Download PDF

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Abstract

영상 복원 방법 및 영상 복원 방법을 이용하는 방사선 촬영 장치에 관한 것으로, 방사선 촬영 장치는 피사체에 대해 다중 에너지 스펙트럼의 방사선을 조사하는 방사선 조사부, 상기 피사체를 투과한 다중 에너지 스펙트럼의 방사선을 검출하여 측정 데이터를 출력하는 방사선 검출부, 상기 방사선 검출부가 출력하는 측정 데이터를 기초로 상기 피사체에 대한 방사선 영상을 복원하되, 피사체 내부의 (α+β)개의 물질에 대한 밀도에 대한 정보를 포함하는 영상 복원값을 이용하여 상기 피사체의 내부 구조에 대한 시뮬레이션 데이터를 연산하고, 상기 측정 데이터와 상기 시뮬레이션 데이터의 상이함을 최소화하는 영상 복원값에 대한 수정값을 획득하고, 상기 수정값을 이용하여 상기 영상 복원값을 갱신하는 영상 복원부를 포함할 수 있다. 여기서 상기 K, α 및 β는 자연수일 수 있다.

Description

방사선 촬영 장치 및 영상 복원 방법{X-ray imaging apparatus and method for reconstructing X-ray image}
영상 복원 방법과 촬영한 영상을 복원할 수 있는 영상복원 장치에 관한 것이다.
영상 장치는 다양한 외부의 정보를 수집하고 수집된 정보를 기초로 수집된 정보에 상응하는 소정의 영상을 복원 및 생성한다. 다양한 외부의 정보는 가시광선, 적외선, 방사선, 초음파 또는 마이크로파 등이 이용될 수 있다. 영상 장치는 수집하는 외부의 정보의 종류에 따라서 다양한 종류가 있을 수 있다. 예를 들어 영상 장치로는 카메라, 적외선 카메라, 방사선 촬영 장치, 초음파 영상 장치 및 레이더(radar) 등이 있다.
여기서 방사선 촬영 장치는 피사체에 방사선을 조사하여 피사체 내부에 대한 영상을 획득하기 위한 영상 시스템이다. 여기서 피사체는 인체일 수도 있고, 수화물 등과 같은 물건일 수도 있다.또한 방사선은 엑스선(X-ray)일 수도 있다.
이와 같은 방사선 촬영 장치는,피사체의 파괴 없이 피사체 내부 구조를 용이하게 파악할 수 있다는 장점 때문에 의료 분야 등에서 의학적 진단을 하거나 공항 등에서 수하물 내부를 검사하거나, 또는 산업 또는 건설 현상에서 물체나 부품의 내부 구조를 파악하는 등 다양한 분야에서 널리 이용되고 있다.
방사선 촬영 장치의 예로는, 디지털 방사선 촬영 장치(DR, digital radiography), 형광 투시 영상 장치(fluoroscopy), 심전도 측정기(cardiography), 컴퓨터 단층 촬영 장치(CT, Computed tomography)나 유방 촬영 장치(마모그라피, mammography) 등이 있을 수 있다.
피사체에 조사되는 방사선의 에너지 스펙트럼의 종류의 개수보다 더 많은 수의 물질을 분리하여 방사선 영상을 복원할 수 있는 방사선 촬영 장치 및 영상 복원 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
방사선 촬영을 통한 영상의 복원 과정에 있어서 영상 품질의 저하 없이 높은 정확도의 방사선 영상을 복원할 수 있도록 하는 방사선 촬영 장치 및 영상 복원 방법을 제공하는 것도해결하고자 하는 과제가 될 수 있다.
또한 뼈와 조영제를 명확하게 구분하여 분리할 수 있는 방사선 촬영 장치 및 영상 복원 방법을 제공하는 것 역시 해결하는 과제가 될 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 영상 복원 방법 및 방사선 촬영 장치가 제공된다.
영상 복원 방법은, 피사체에 대해 K-에너지 스펙트럼의 방사선을 조사하고, 상기 피사체를 투과한 K-에너지 스펙트럼의 방사선을 검출하여 피사체 내부에 대한 측정 데이터를 획득하는 측정 데이터 획득 단계, 영상 복원값을 초기화하는 초기화 단계, 상기 측정 데이터와 시뮬레이션 데이터의 상이함을 최소화하는 영상 복원값에 대한 수정값을 획득하되, 상기 시뮬레이션 데이터는 상기 초기화된 영상 복원값을 이용하여 획득 가능한 상기 피사체의 내부 구조에 대한 데이터인 수정값 획득 단계 및 상기 수정값을 이용하여 상기 영상 복원값을 갱신하는 영상 복원값 갱신 단계를 포함할 수 있다. 여기서 상기 영상 복원값은, 피사체 내부의 K+α개의 물질에 대한 정보를 포함할 수 있다. 상기 K 및 α는 자연수이다.
방사선 촬영 장치는, 피사체에 대해 다중 에너지 스펙트럼의 방사선을 조사하는 방사선 조사부, 상기 피사체를 투과한 다중 에너지 스펙트럼의 방사선을 검출하여 측정 데이터를 출력하는 방사선 검출부, 상기 방사선 검출부가 출력하는 측정 데이터를 기초로 상기 피사체에 대한 방사선 영상을 복원하는 영상 복원부를 포함할 수 있다. 여기서 영상 복원부는,상기 측정 데이터와 시뮬레이션 데이터의 상이함을 최소화하는 영상 복원값에 대한 수정값을 획득하고, 상기 수정값을 이용하여 상기 영상 복원값을 갱신하도록 할 수 있다. 이 경우 상기 시뮬레이션 데이터는 피사체 내부의 K+α개의 물질에 대한 정보를 포함하는 영상 복원값을 이용하여 획득 가능한 상기 피사체의 내부 구조에 대한 데이터일 수 있다.상기 K 및 α는 자연수로 정의된다.
개시된 방사선 촬영 장치 및 영상 복원 방법에 의하면, 영상 장치를 이용하여 피사체 내부 구조를 파악함에 있어서 피사체 내부 물질을 더욱 다양하게 분리할 수 있게 되어 실제 조직과 일치하는 정확한 영상을 복원할 수 있게 된다.
또한 방사선 촬영 장치의 경우 피사체에 조사되는 방사선의 에너지 스펙트럼의 종류의 개수보다 더 많은 수의 피사체 내부 물질을 분리하여 방사선 영상을 복원할 수 있게 된다. 따라서 더 적은 종류의 에너지 스펙트럼의 방사선을 피사체에 조사하는 것만으로도 다종의 물질을 분리할 수 있게 되는 효과도 얻을 수 있다.
또한 영상 품질의 저하 없이 높은 정확도의 방사선 영상을 복원할 수 있고, 한편으로는 뼈와 조영제를 명확하게 구분하여 분리할 수도 있게 됨으로써 피사체 내부에 대한 방사선 영상을 더욱 정확하게 복원할 수 있게 되는 효과를 얻을 수도 있다.
뿐만 아니라 복원된 영상 상에서 빔 하드닝아티팩트(beam hardening artifact)와 같은 각종 아티팩트(artifact)의 발생을 억제하거나 최소화할 수 있는 장점도 얻을 수 있다.
도 1은 방사선 촬영 장치의 일 실시예에 대한 구성도이다.
도 2는 방사선 촬영 장치의 일 실시예에 대한 도면이다.
도 3은 방사선 조사부 및 방사선 조사부의 동작의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 방사선 조사부의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 방사선 조사부의 일 실시예에 대한 개념도이다.
도 6은 조사되는 방사선을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 방사선 검출부의 일 실시예에 대한 사시도이다.
도 8은영상 복원부의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 9는 영상 복원부의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 10은 영상 복원 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
도 11은 영상 복원 방법의 다른실시예에 대한 흐름도이다.
이하 영상 복원 방법을 이용하는 영상 장치의 일 실시예로서 방사선 촬영 장치에 대해 설명하도록 한다.그러나 영상 복원을 이용하는 방사선 촬영 장치는 이하에서 설명되는 방사선 촬영 장치에 한정되는 것 역시 아니다. 디지털 방사선 촬영 장치, 형광 투시 영상 장치, 심전도 측정기, 컴퓨터 단층 촬영 장치나 유방 촬영 장치 등 역시 영상 복원 방법을 이용하는 방사선 촬영 장치의 일례가 될 수 있다. 또한 영상 복원을 이용하는 방사선 촬영 장치는 듀얼 에너지 컴퓨터 단층 촬영 장치(dual energy CT)나 씨-아암 컴퓨터 단층 촬영 장치(C-arm CT) 등과 같은 단층 촬영 기법(tomosynthesis)을 이용하는 각종 단층 촬영 장치(tomography) 등에서도 이용될 수 있다.
도 1은 방사선 촬영 장치의 일 실시예에 대한 구성도이다.
도 1에 도시된 바를 참조하면 방사선 촬영 장치는, 일 실시예에 있어서 방사선 조사부(100), 방사선 검출부(200), 영상복원부(300)를 포함할 수 있으며, 사용자 인터페이스부(400) 및 제어부(500)를 더 포함할 수도 있다.
방사선 조사부(100)는 소정 에너지 스펙트럼의 방사선을 생성하여 피사체(ob)로 조사할 수 있다.
방사선 조사부(100)는 서로 상이한 에너지 스펙트럼의 방사선을 생성하여 피사체(ob)로 조사하는 것도 가능하다.방사선 조사부(100)는 복수 회수로 방사선을 생성하여 피사체(ob)로 조사하도록 할 수도 있다. 이 경우 방사선 조사부(100)는 매 조사 시마다 서로 상이한 에너지 스펙트럼의 방사선을 생성하여 피사체(ob)로 조사하도록 할 수도 있다.
방사선 조사부(100)는 일 실시예에 의하면 단일파장의 에너지 스펙트럼의 방사선을 피사체(ob)로 조사할 수도 있다. 또한 다른 실시예에 의하면 방사선 조사부(100)는 다파장(polychromatic)의 에너지 스펙트럼의 방사선을 피사체(ob)로 조사하도록 할 수도 있다.
또한 방사선 조사부(100)는 서로 상이한 에너지 스펙트럼의 방사선을 동시에 조사하도록 할 수도 있다. 이 경우 방사선 조사부(100)는 서로 상이한 방사선을 생성하는 복수의 방사선 튜브를 포함할 수도 있다.
실시예에 따라서 방사선 촬영 장치는 하나의 방사선 조사부(100)를 포함할 수도 있고, 복수의 방사선 조사부(100)를 포함할 수도 있다. 또한 방사선 조사부(100)는 고정된 것일 수도 있고, 이동 가능한 것일 수도 있다.
방사선 조사부(100)에서 방사선이 조사되면, 피사체(ob) 내부의 조직은 조직의 특성에 따라서 조사된 방사선의 일부는 흡수하고 일부는 투과시킨다. 이 경우 각 조직이 방사선을 흡수하거나 투과하는 정도를 수치적으로 표현한 것이 감쇠계수이다. 감쇠계수는조직마다서로 상이하다. 또한 조사되는 방사선의 에너지 스펙트럼에 따라서도 감쇠계수는 상이할 수 있다.
구체적으로 방사선 영상 장치에 있어서 소정의 조직을 투과한 방사선 강도는 다음의 수학식 1에 따라 주어진다.
Figure pat00001
여기서 I0는 방출되는 방사선의 강도를 의미하고, I는 피사체(ob)를 투과한 방사선의 강도를 의미한다. μ는 피사체(ob) 내부 조직 등에 따른 감쇠계수를 의미하고, t는 방사선이 투과하는 피사체(ob) 내부 조직의 두께를 의미한다. 수학식 1에 도시된 바와 같이 피사체 내부 조직의 두께가 크거나 또는 감쇠 계수가 클수록 방사선이 더욱 많이 감쇠함을 알 수 있다.
피사체(ob)는 인체, 동물 등과 같은 생명체일 수도 있고, 수화물이나 공작기계, 건축물 등과 같은 무생물일 수도 있다.
실시예에 따라서 피사체(ob) 내부에는 소정의 조영제(contrast agent)가 투입되어 있을 수 있다.조영제란인체나 동물의 체내에 투입하여 방사선 검사시내부 물질, 일례로 조직이나 혈관을 다른 조직과 분명하게 구별될 수 있도록 내부 물질의 대조도(contrast)를 증가시키는 약품이다. 보다 구체적으로 조영제는 자기공명영상 촬영 또는 컴퓨터단층 촬영과 같은 방사선 촬영 시 피사체(ob) 내부 물질의 방사선 흡수 차이를 인위적으로 증가 또는 감소시켜 내부 물질의 대조도를 증가시킨다.따라서 조영제를 사용하게 되면 생체 구조나 병변 등이 주변과 잘 구별될 수 있기 때문에 환자 등의 진단을 더욱 용이하고 정확하게 할 수 있게 된다.
피사체(ob) 내부로 한 종류의 조영제가 투입될 수도 있고, 복수의 조영제가 투입될 수도 있다. 피사체(ob) 내부로 복수의 조영제가 투입되는 경우 방사선 조사부(100)는 투입된 각각의 조영제 종류의 개수에 따라서복수의 서로 상이한 에너지 스펙트럼의 방사선을 피사체(ob)로 조사하도록 할 수 있다.
이와 같은 조영제로는 요오드(Iodine), 요오드 가돌리늄 복합체(Iodine-Gadolinium) 또는 황산 바륨(BaSO4) 등이 있을 수 있다. 이외에 탄산 가스와 같은 기체도 조영제로 이용되기도 한다.
피사체(ob)를투과한 방사선은 방사선 검출부(200)에 의해 검출될 수 있다.
방사선 검출부(200)는 방사선 조사부(100)에서 조사된 방사선을 수광하여수광한 방사선에 상응하는 소정의 전기적 신호를 출력할 수 있다. 이 경우 방사선 검출부(200)가 수광하는 방사선은 피사체(ob)를 투과하여 피사체(ob) 내부 물질에 의해 감쇠된 방사선일 수 있다.
방사선 촬영 장치는 실시예에 따라서 하나의 방사선 검출부(200)를 포함할 수도 있고, 복수의 방사선 검출부(200)를 포함할 수도 있다. 또한 방사선 검출부(200)는 고정된 것일 수도 있고, 이동 가능한 것일 수도 있다.
방사선 검출부(200)에서 출력되는 소정의 전기적 신호는 아날로그 디지털 변환(A/D converting)이나 증폭 등의 과정을 더 거쳐 영상 복원부(200)로 전달될 수 있다. 이하 영상 복원부(200)로 전달되는 전기적 신호를 측정 데이터라고 한다.
영상 복원부(200)는 방사선 조사부(100) 및 방사선 검출부(200)를 통해 획득한 측정 데이터를 기초로 소정의 방사선 영상을 복원하도록 할 수 있다.
사용자 인터페이스부(400)는 방사선 영상을 표시하거나 또는 사용자로부터 소정의 지시나 명령, 각종 데이터를 입력받을 수 있다.
제어부(500)는 방사선 촬영 장치의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어 제어부(500)는 방사선 조사부(100) 및 방사선 검출부(200) 중 적어도 하나의 이동 동작을 제어하도록 하거나 방사선 조사부(100)의 방사선 조사 동작을 제어하도록 할 수도 있다. 실시예에 따라서 제어부(500)는 사용자 인터페이스부(400)를 통해 입력되는 사용자의 지시나 명령에 따라서 방사선 조사부(100)나 방사선 검출부(200)의 이동, 방사선 조사부(100)의 방사선 조사 등을 제어하도록 할 수도 있다.
도 2는 방사선 촬영 장치의 일 실시예에 대한 도면이다.
보다 구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이 방사선 촬영 장치는 인체 등의 내부를 촬영하기 위한 디지털 방사선 촬영 장치일 수도 있다. 일반적인 방사선 촬영 장치는 방사선 조사부(100) 및 방사선 검출부(200) 외에도, 거치부(20), 콘솔 장치(10) 및 사용자 인터페이스부(400)를 더 포함할 수 있다.
거치부(20)는 피사체(ob)가 거치될 수 있다. 거치부(20)는 피사체(ob)에 방사선이 조사되고 피사체(ob)를 투과한 방사선을 수광할 수 있도록 방사선 조사부(100)와 방사선 검출부(200) 사이에 위치할 수 있다. 여기서 피사체(ob)는 인체나 동물 등과 같은 생물일 수도 있고, 수화물과 같은 무생물일 수도 있다.
콘솔 장치(10)는 방사선 조사부(100) 및 방사선 검출부(200) 중 적어도 하나와 유선 또는 무선으로 연결되어 방사선 조사부(100) 및 방사선 검출부(200) 중 적어도 하나와각종 제어 명령이나 데이터를 송신하거나 또는 수신할 수 있다. 콘솔 장치(10)에는 상술한 방사선 촬영 장치의 영상복원부(300) 및 제어부(500)가 마련되어 있을 수 있다. 물론 실시예에 따라서 영상복원부(300)나 제어부(500)가 콘솔 장치(10)에 마련되지 않고, 방사선 검출부(200) 등에 마련되어 있을 수도 있을 것이다.
사용자 인터페이스부(400)는 도 2에 도시된 바와 같이 표시부(410)와 입력부(420)를 포함할 수 있다.
표시부(410)는 영상 복원부(300) 복원된 방사선 영상을 표시할 수 있다. 예를 들어 표시부(410)는 콘솔 장치(10)와 유선 또는 무선으로 연결된 모니터 장치일 수 있다.실시예에 따라서 표시부(410)는 일반적인 이차원 영상을 표시하는 디스플레이 장치일 수도 있고, 삼차원 영상을 표시하기 위한 디스플레이 장치일 수도 있다.표시부(410)는 실시예에 따라서 방사선 조사부(100)의 외장 하우징에 설치되어 있을 수도 있다.
입력부(420)는 방사선 촬영 장치의 조작자, 일례로 의사, 방사선사, 간호사 또는 환자 등으로부터 소정의 정보, 지시 또는 명령을 입력받을 수 있다.입력부(420)는 입력받은 각종 정보, 지시 또는 명령을 콘솔 장치(10) 등에 마련된 제어부(500)로 전달하도록 할 수 있다.입력부(420)는 콘솔 장치(10)에 마련된 제어부(500)로 각종 지시, 명령 또는 정보를 전달하기 위하여 콘솔 장치(10)와 유선 또는 무선으로 연결되어 있을 수 있다.
실시예에 따라서 입력부(420)는 방사선 촬영 장치의 일부 모듈, 일례로 방사선 조사부(100)에 직접 설치되어 있을 수도 있다.
입력부(420)는,예를 들어 각종 버튼, 키보드, 마우스, 트랙볼(track-ball), 트랙패드(track-pad) 또는 각종 레버(lever), 핸들(handle)이나 스틱(stick) 등 중 적어도 하나일 수 있고, 또는 이들 중 적어도 둘 이상의 조합으로 이루어진 것일 수도 있다.또한 입력부(420)는 터치스크린 패널을 포함하는 터치 스크린 모듈일 수도 있다. 입력부(420)가 터치 스크린 모듈인 경우 입력부(420)는 표시부(410)의 기능도 함께 수행할 수도 있다.
도 3은 방사선 조사부 및 방사선 검출부의 동작의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바에 따르면, 방사선 조사부(100)는 원호 운동을 하면서 피사체(ob)로 방사선을 조사할 수 있다.
방사선 조사부(100)는 원호 운동을 하면서 다파장의 에너지 스펙트럼의 방사선이나 서로 상이한 에너지 스펙트럼의 방사선을 피사체(ob)로 조사하도록 할 수 있다. 예를 들어 방사선 촬영 장치가 컴퓨터 단층 촬영 장치인 경우, 방사선 조사부(100)는 갠트리가 일 회전을 하는 동안에 동시에 또는 이시에다파장의 에너지 스펙트럼 또는 서로 상이한 에너지 스펙트럼의 방사선을 피사체(ob)로 조사하도록 할 수도 있다. 이 경우 실시예에 따라서 매 회전마다 서로 상이한 에너지 스펙트럼의 방사선을 피사체(ob)로 조사하는 것도 가능하다.
방사선 검출부(200)는 일 실시예에 의하면 고정되어 방사선 조사부(100)에서 조사되는 방사선을 수광할 수도 있고, 또한 다른 실시예에 의하면 도 3에 도시된 바와 같이 방사선 조사부(100)의 원호 운동에 상응하여 동일하게 원호 운동을 하면서 방사선 조사부(100)에서 조사된 방사선을 수광하도록 할 수 있다.
방사선 검출부(200)에서 수집된 측정 데이터는 영상 복원부(300)로 전달될 수 있다.
도 4는 방사선 조사부의 동작의 다른 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이 복수의 방사선 조사부, 일례로 제1 방사선 조사부(100a) 및 제2 방사선 조사부(100b)가 방사선 촬영 장치에 마련되어 있을 수 있다. 이 경우 각각의 방사선 조사부(100a, 100b)는 서로 상이한 에너지 스펙트럼의 방사선을 피사체(ob)로 조사하도록 할 수 있다.제1 방사선 조사부(100a) 및 제2 방사선 조사부(100b) 중 적어도 하나는 도 3에 도시된 바와 같이 원호 운동을 하면서 이동할 수도 있다. 물론 모든 방사선 조사부(100a, 100b)가 원호 운동을 하면서 이동하는 것도 가능하다.
방사선 촬영 장치는 일 실시예에 의하면 도 4에 도시된 바와 같이 하나의 방사선 검출부(200)가 마련되어 복수의 방사선 조사부(100a, 100b)에서 조사되는 방사선을 수광하도록 할 수도 있다. 또한 다른 일 실시예에 의하면 각각의 복수의 방사선 조사부(100a, 100b)에 대응하는 복수의 방사선 검출부(200)가 마련되어 각각의 방사선 검출부(200)가 상응하는 각각의 방사선 조사부(100a, 100b)에서 조사되는 방사선을 수광하도록 할 수도 있다.
방사선 검출부(200)는 고정되어 방사선 조사부(100)에서 조사된 방사선을 수광할 수도 있고, 방사선 조사부(100)의 원호 운동에 상응하여 동일하게 원호 운동을 하면서 방사선 조사부(100)에서 조사된 방사선을 수광하도록 할 수 있다.
상술한 바와 동일하게 방사선 검출부(200)에서 수집된 측정 데이터는 영상 복원부(300)로 전달될 수 있다.
이하 방사선 조사부(100)의 일 실시예에 대해 보다 상세하게 설명한다.도 5는 방사선 조사부의 일 실시예를 도식적으로 도시한 도면이다.
상술한 바와 같이 방사선 촬영 장치의 방사선 조사부(100)는 소정 에너지의 방사선을 생성하고, 생성된 방사선을 소정의 방향, 일례로 피사체(ob) 방향으로 조사하도록 할 수 있다. 이를 위해서 방사선 조사부(100)는 도 5에 도시된 바와 같이 방사선을 생성하는방사선 튜브(110) 및 방사선 튜브(110)에 소정 전압의 전류를 인가하는 전원(120)을 포함하고 있을 수 있다.
방사선 튜브(110)는 관체(111), 음극(112) 및 양극(애노드, 114)을 포함할 수 있다.
관체(111)는 음극(112) 및 양극(114)과 같은 각종 부품을 내장하고 있을 수 있으며, 동시에 관체(111) 내의 음극(112) 및 양극(114)를 안정적으로 고정하고 있을 수 있다.또한 관체(110)는 음극(112)에서 발생하여 양극(114)으로 이동하는 전자가 외부로 누출되지 않도록 차폐할 수 있다. 관체(110) 내부의 진공도는 10-7mmHg 정도로 높게 유지되어 있을 수 있다.이와 같은 관체(111)는 예를 들어 소정의 규산 경질 유리로 이루어진 유리관일 수 있다.
음극(112)은 전원(120)에서 인가되는 소정 전압(V)의 전류에 따라 복수의 전자로 이루어진 전자빔을 양극(114) 방향으로 조사하도록 할 수 있다.
구체적으로 음극(112)에는 전자가 집결되는 필라멘트(113)가 형성되어 있을 수 있다.음극(112)의 필라멘트(113)는 전원(120)과 연결되어 전원(120)에서 인가되는 전압에 따라 가열될 수 있다. 인가되는 전압에 의해 가열된음극(112)의 필라멘트(113)의 전자는관체(111) 내부로 방출시킨다.(전자빔)이 경우 전자의 에너지는 관전압에 따라 결정될 수 있다. 음극의 필라멘트(113)는 일 실시예에 있어서 텅스텐(W)으로 이루어질 수 있다. 음극(112)는 필요에 따라서 방출되는 전자를 집속시키는집속 전극을 포함할 수 있다.
한편 실시예에 따라서 음극(112)에는 필라멘트(113) 대신에 카본 나노 튜브(carbon nano tube)가 형성되어 있을 수도 있다.음극(112)의 필라멘트(113)에서 방출되는 전자는 관체(111) 내에서 가속되면서 양극(114) 방향으로 이동하게 된다.
양극(114)은 가속되는 전자를 급격히 감속시키고 에너지 보존 법칙에 따라서 소정의 방사선을 생성하도록 할 수 있다.
구체적으로 양극(114)에는 필타멘트(113)에서 발생된 전자가 충돌하면서 감속하는 타겟(115)이 형성되어 있을 수 있다.양극(114) 방향으로 이동하던 가속 전자는 양극(114)에 형성된 타겟(115)에 충돌하면서 쿨롱힘에 의해 급격하게 감속하게 되는데, 전하가 감속될 때 에너지 보전 법칙에 따라서 인가된 관전압에 상응하는 에너지의 방사선이 발생하게 된다.
양극(114)은 일 실시예에 의하면 도 5에 도시된 바와 같이 고정 양극일 수도있다. 고정 양극(114)은 도 5에 도시된 바와 같이 소정의 절삭각으로 절삭되어 있을 수 있다. 필라멘트(113)에서 방출되어 가속된 전자가 충돌하게 되는 타겟(115)은 고정 양극(114)의 절삭된 부분에 형성될 수 있다. 이 경우 고정 양극(114)의 절삭각은관축을 중심으로 수직 방향으로 20도 정도일 수 있다. 타겟(115)에는 가속된 전자가 충돌하게 되는 충돌면인 초점이 형성되어 있을 수 있다. 초점은 직사각형일 수 있다. 초점에서는 가속된 전자의 충돌에 따라 소정의 방사선이 방출될 수 있다.
이와 같은 양극(114)은 구리 등의 금속으로 형성될 수 있으며, 타겟(115)은 텅스턴(W), 크롬(Cr), 철(Fe), 니켈(Ni) 등의 금속으로 형성될 수 있다.
다른 실시예에 의하면 양극은 회전 가능한 원판의 형상을 구비한 회전 양극일 수도 있다.(미도시)회전 양극은 가속 전자가 이동하는 방향을 축으로 하여 회전할 수 있다. 회전 양극의 회전 속도는 3,600회/분 내지 10,800회/분일 수 있다. 회전 양극의 말단 부분, 즉 원판의 말단 부분은 고정 양극과 유사하게 소정의 각도로 절삭되어 있을 수 있다. 필라멘트(13)에서 방출된 전자가 충돌하게 되는 타겟은회전 양극의 말단 부분의 절삭된 부위에 형성될 수 있다. 상술한 바와 동일하게 타겟(115)에는 가속된 전자가 충돌하게 되는 충돌면인 초점이 형성되어 있을 수 있다. 회전 양극은 회전 양극에 결합된 로터에 의해 회전될 수 있으며, 회전 양극의 회전에 따라 원판의 경계면의 절삭된 부위에 형성된 타겟역시 동일하게 회전하게 된다.
회전 양극의 경우 고정 양극의 경우보다 열 축적율의 증대 및 초점 크기 감소의 효과를 얻을 수 있다.또한 더 나아가 더욱 선명한 방사선 영상의 획득이 가능해질 수도 있다.
양극(115)에서 방사선이 발생하면 발생된 방사선은 피사체(ob) 방향으로 조사될 수 있다. 일 실시예에 의하면 방사선의 조사 방향 상에는 방사선의 조사 범위 등을 조절할 수 있도록 하는 콜리메이터(130)가 형성되어 있을 수 있다.
콜리메이터(130)는 특정 방향으로 진행하는 방사선은 통과시키고 특정 방향 외의 방향으로 진행하는 방사선은 흡수하거나 반사시켜 방사선을 필터링(filtering)할 수 있다. 이에 따라 콜리메이터(130)는 방사선 조사부(100)가 소정의 범위 또는 소정의 방향으로 방사선이 조사될 수 있도록 할 수 있다. 콜리메이터(139)는 방사선을 흡수할 수 있는 납(Pb)과 같은 소재로 제작될 수 있다.
실시예에 따라서 콜리메이터(130)를 통과한 방사선은 알루미늄(Al)이나 구리(Cu)로 이루어진 소정의 필터를 더 투과할 수도 있다. 콜리메이터(130)를 통과한 방사선은 소정의 필터를 통과하면서 일정 정도로 감쇠될 수 있다. 그 결과 피사체(ob)에 대한 피폭량을 일정 정도로 절감할 수 있다. 소정의 필터는 조사되는 방사선의 에너지 스펙트럼을 변화시킬 수 있다. 이 경우 하나의 필터를 이용할 수도 있고, 서로 다른 에너지 스펙트럼을 구비한 복수의 필터를 조합하여 이용할 수도 있다.
전원(120)은 방사선 튜브(110)의 양극(114)과 음극(112)에 소정의 전압(V)의 전류를인가할 수 있다.여기서 방사선 튜브(22)의 음극 필라멘트(211)와 애노드(222) 사이의 전위차를 관전압이라 하고, 애노드(222)에 충돌하는 전자에 의해 흐르는 전류를 관전류라 한다. 관전압이 증가하면 전자의 속도가 증가하므로 발생하는 방사선의 에너지의 크기가 증가하게 된다. 관전류가 증가하면 방사선의 선량이 증가할 수 있다. 이를 이용하여 전원(120)은 인가되는 전압(V)과 전류를 조절하여 방사선 조사부(100)에서 조사되는 방사선의 에너지 스펙트럼과 피폭량을 조절하도록 할 수 있다.
도 6은 조사되는 방사선을 설명하기 위한 도면이다. 도 6에서 가로축은 광자 에너지를 의미하고, 세로축은 세기(intensity)를 의미한다.
방사선 조사부(100)는 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 서로 상이한 복수의 에너지 스펙트럼(E1 내지 E3)의 방사선을 생성하여 피사체(ob)에 조사하도록 할 수 있다. 이 경우 방사선 조사부(100)는 방사선 튜브(110)에 서로 다른 관전압을 복수 회수로 인가하여 상이한 에너지 대역의 방사선을 생성하도록 할 수 있다. 방사선 검출부(200)는 서로 상이한 복수의 에너지 스펙트럼(E1 내지 E3)의 방사선을 검출하여 각각의 에너지 스펙트럼(E1 내지 E3)에 상응하는 복수의 측정 데이터를 획득하도록 할 수 있다.
또한 방사선 조사부(100)는 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 광대역 에너지 스펙트럼을 갖는 방사선을 피사체(ob)에 조사하도록 할 수도 있다. 이 경우 상술한 방사선 조사부(100)의 양극(114)은 텅스텐(W) 등과 같은 소재로 이루어져 있을 수 있다.방사선 검출부(200)는 광대역 에너지를 복수 개의 에너지 영역(E1 내지 E3)으로 분할하여 각각의 에너지 영역(E1 내지 E3)에 대응되는 측정 데이터를 획득하도록 할 수도 있다.
이하 방사선 검출부(200)의 일 실시예에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다.도 7은 방사선 검출부의 일 실시예에 대한 사시도이다.
방사선 검출부(200)는 직접 방식에 의해 방사선을 수광하여 검출하도록 할 수 있다. 구체적으로 방사선 검출부(200)는 도 7에 도시된 바와 같이 콜리메이터(201)와 방사선 검출 패널(210) 및 소정의 기판(220)을 포함할 수 있다.
콜리메이터(201)는 피사체(ob)를 투과한 방사선 중 특정 방향의 방사선만이 방사선 검출 패널(210)에 도달할 수 있도록 하여 방사선 검출 패널(210)이 피사체(ob) 내부에 대한 정확한 정보를 수집하도록 할 수 있다.방사선 조사부(100)에서 조사된 방사선이 피사체(ob) 내부를 투과하는 경우 피사체 내부 조직의 특징, 성질이나 구조에 따라서 굴절하거나 산란되기도 한다. 콜리메이터(201)는 이와 같이 피사체(ob) 내부에서 산란되거나 굴절된 방사선을 필터링하여 방사선 검출 패널(210)의 각각의 픽셀(pixel)이적절한 방사선을 수광하도록 할 수 있다.
일 실시예에 의하면 콜리메이터(201)는 방사선을 흡수하는 납(Pb) 등의 재질로 이루어진 복수의 격벽을 포함할 수 있다. 복수의 격벽 사이에는 방사선이 통과하는 투과공(202)이 형성되어 있을 수 있다. 복수의 격벽은산란되거나 굴절된 방사선은 복수의 격벽에 흡수되고, 적절한 방사선은 투과공(202)을 투과하여 방사선 검출 패널(210)의 각 픽셀에 도달할 수 있다.
방사선 검출 패널(210)은, 제1 전극(211)과, 제1 전극(211)의 하단에 설치되는 반도체 물질층(222)과, 반도체 물질층(222)의 하단에 설치되는 평면판(213)을 포함할 수 있다. 평면판(213)에는 적어도 하나의 제2 전극(pixel electrode, 223a)이 배치되어 있을 수 있다.
제1 전극(211)은 양(+)극 또는 음(-)극의 극성을 가질 수 있고, 적어도 하나의 제2 전극(223a)은 제1 전극(211)의 극성과 반대로 음(-)극 또는 양(+)극의 극성을 가질 수 있다. 제1 전극(211)과 적어도 하나의 제2 전극(223a) 사이에는 소정의 바이어스 전압이 인가될 수 있다.
방사선의 입사 및 흡수에 따라서 반도체 물질층(222)에는 소정의 전하 정공 쌍이 생성될 수 있다. 생성된 전하 정공 쌍은 제1 전극(211) 및 적어도 하나의 제2 전극(223a)의 극성에 따라제1 전극(211) 또는 적어도 하나의 제2 전극(223a)으로 이동하게 된다. 일 실시예에 의하면 반도체 물질층(222)은 광도전체(photo conductor)일 수 있으며, 구체적으로 비정질셀레늄(Amorphous Selenium)일 수 있다.
평면판(213)은 생성된 전하 또는 정공이 전달되는 적어도 하나의 제2 전극(223a) 및 적어도 하나의 박막 트랜지스터(213b)를 포함할 수 있다. 평면판(213)에는 적어도 하나의 제2 전극(213a)가 적어도 하나의 열(array)로 배열되어 있을 수 있다. 예를 들어 평면판(213)의 각각의 제2 전극(213a)는 일차원어레이(1D array)로 배열되어 있을 수도 있고, 도 7에 도시된 바와 같이 이차원 어레이(2D array)로 배열되어 있을 수도 있다. 평면판(213)는 실시예에 따라서 적어도 하나의 씨모스칩(CMOS chip)을 포함할 수 있다. 각각의 씨모스칩 상에는 하나의 제2 전극(223a) 및 하나의 박막 트랜지스터(213b)가 설치되어 있을 수 있다.
제2 전극(223a)은 반도체 물질층(222)에서 전달된 정공 또는 음전하를 전달받을 수 있다. 제2 전극(223a)에 전달된 정공 또는 음전하는 소정의 저장 소자, 일례로 커패시터(capacitor)에 저장될 수 있다.
박막 트랜지스터(213b)는 제2 전극(223a)에서 전달되거나 또는 소정의 저장 소자에 저장된 전기적 신호를 독출할 수 있다. 박막 트랜지스터(213b)는각각의 제2 전극(213a)마다 연결되어 각각의 제2 전극(213a)에서 출력되는 전기적 신호를 독출할 수 있다.
방사선 검출부(200)는 간접 방식에 의해 방사선을 수광하여 검출하도록 할 수 있다. 이 경우 콜리메이터(201)와 방사선 검출 패널(210) 사이에는 형광 스크린(phosphorscreen)이 배치되어 있을 수도 있다. 형광 스크린은 방사선 조사부(100)에서 조사된 방사선을 수광하고 소정의 빛을 출력하도록 할 수 있다. 이 경우 소정의 빛을 수광하기 위하여평면판(213) 상에는 제2 전극(223a) 대신에 적어도 하나의 포토 다이오드(photo diode)가 설치되어 있을 수 있다. 적어도 하나의 포토 다이오드는 제2 전극(223a)와 마찬가지로 일차원어레이로 배열되어 있을 수도 있고 이차원 어레이로 배열되어 있을 수도 있다.
또한 방사선 검출 패널은, 방사선을 수광하고 수광된 방사선에 따라서 소정의 가시 포톤(visible photon)을 출력하는 신틸레이터(scintillator)과, 신틸레이터에서 출력된 가시 광선 포톤을 감지하는 광 감지 소자, 일례로 포토다이오드를 더 포함할 수 있다. 포토다이오드는 가시 광선 포톤에 따라서 소정의 전기적 신호, 일례로 정공 또는 음전하로 이루어진 전기 전하 패킷을 출력하도록 할 수 있다. 출력된 전기 전하 패킷은 소정의 저장 소자, 일례로 커패시터에 저장될 수 있다.
한편 방사선 검출부(200)는 일 실시예에 의하면 포톤 카운팅디텍터(PCD, photon counting detector)일 수도 있다. 포톤 카운팅디텍터는 방사선 신호로부터 임계 에너지 이상의 포톤(photon)을 계수하여 소정의 측정 데이터를 획득하도록 할 수 있다. 이 경우 포톤 카운팅디텍터는 입력되는 방사선 신호를 증폭하도록 하고, 증폭된 전기적 신호와 임계 에너지를 비교하여 증폭된 전기적 신호가 임계 에너지보다 크거나 또는 작은 전기적 신호인지 여부를 비교 판단하고 그에 따른 비교 결과 신호를 출력한 후, 전달되는 비교 결과 신호를 이용하여 임계 에너지 이상의 포톤을 계수하고 포톤에 대한 계수 결과 정보를 출력하도록 할 수 있다. 이와 같은 계수 결과 정보는 방사선 강도일 수 있다. 포톤 카운팅디텍터는증폭된 전기적 신호와 비교되는 임계 에너지를 조절하여 소정 에너지 스펙트럼의 방사선을 별도로 검출하도록 할 수 있다.
기판(220)은 방사선 검출 패널(210)의 이면에 부착되어 형성될 수 있다. 기판(200)은 방사선 검출 패널(210)을 안정적으로 고정하도록 할 수도 있고, 방사선 검출 패널(210)에 의해 검출된 전기적 신호의 독출을 제어하도록 할 수도 있다.
방사선 검출부(200)는 이와 같은 방법을 통하여 피사체(ob)를 투과한 방사선을 검출하여 피사체 내부에 대한 측정 데이터를 획득할 수 있다. 획득된 측정 데이터는 영상 복원부(300)로 전달될 수 있다.
영상 복원부(300)는 획득된 측정 데이터를 이용하여 방사선 영상을 복원할 수 있다.
구체적으로 영상 복원부(300)는 알고자 하는 피사체(ob) 내부의 조직에 대한 소정의 시뮬레이션 데이터를 먼저 생성하고, 생성된 시뮬레이션 데이터와 측정 데이터 사이의 편차(discrepancy)를 반복적으로 감소시킴으로써 획득된 측정 데이터에 따른 피사체(ob) 내부의 구조에 대한 영상 복원값을 획득하고, 획득된 영상 복원값을 이용하여 영상을 생성하도록 할 수 있다.
구체적으로 방사선 검출부(200)에 의해 획득되는 측정 데이터는 피사체(ob) 내부의 복수의 조직을 투과하면서 감쇠된 방사선에 대한 정보, 일례로 방사선 강도일 수 있다. 방사선 검출부(200)를 통해 획득된 측정 데이터를 이용하여 피사체(ob) 내부의 복수의 조직에 대한 정보를 획득해야 하는데 이를 복원(reconstruction)이라고 한다.
방사선 검출부(200)의 방사선 검출 패널(210)의 i번째 픽셀에서 측정된 데이터 yi은 다음의 수학식 2와 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00002
여기서yi는 측정 데이터를 의미하고,si(ε)는, 방사선 조사부(100)에서 조사되는 방사선의 에너지 스펙트럼을 의미한다.
한편 함수 ρ는 에너지 스펙트럼E의 방사선이 조사된 경우 피사체의 (x,y,z) 위치에서감쇠 특성을 나타낸다.
아울러함수 ρ에 적용된
Figure pat00080
은함수 ρ에 대한 선적분을 의미하는데, 구체적으로는 방사선의 경로 사이에 존재하는 물질들의 감쇠 특성의 선적분을 의미한다. 즉, 방사선 조사부(100)와 방사선 검출부(200)의 방사선 검출 패널(210)의 i번째 픽셀 사이에 존재하는 물질들의 감쇠 특성을 반영하도록 하는수단에 해당한다. 피사체(ob) 내부의 복수의 물질들은 각각 고유의 특성에 따라서 각각의 물질에 도달한 방사선을 감쇠시키기 때문에방사선 검출 패널(210)에 도달하는 방사선은 이와 같은 복수의 물질에 의해 감쇠된 방사선이다. 따라서 상술한 선적분은피사체(ob) 내부의 물질들의 감쇠 특성을 반영할 수 있게 한다.
수학식 2와 같이 측정 데이터가 주어지는 경우, 측정 데이터 yi는 이미 획득된 값이기 때문에, 획득된 측정 데이터 yi를 이용해서 ρ(x,y,z,E)에 대한 값을 획득해야 방사선 내부의 물질을 파악할 수 있게 된다. 이와 같이 하는 것이 획득된 측정 데이터 yi를 이용해서 ρ(x,y,z,E)에 대한 값을 알아내는 것이 방사선 촬영 장치에 있어서 복원에 해당한다.
이하 ρ(x,y,z,E)를 영상 복원값이라고 한다.
영상 복원부(300)는 소정의 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00081
)를획득한 후 시뮬레이션 데이터를 이용하여 영상 복원값, 즉 ρ(x,y,z,E),영상 복원값의 근사값 또는 영상 복원값으로 추정되는 값을 획득함으로써 영상을 복원하도록 할 수 있다.
구체적으로 영상 복원부(300)는 시뮬레이션 데이터를 생성한 후, 시뮬레이션 데이터와 측정 데이터 사이의 편차가 최소화되는 값을 획득하여 영상 복원값을 결정 및 획득하고, 결정 및 획득된 영상 복원값을 이용하여 영상을 복원하도록 할 수 있다.다시 말해서 영상 복원부(300)는 시뮬레이션 데이터와 측정 데이터 사이의 편차가 가장 작아질 때의 시뮬레이션 데이터에 상응하는 영상 복원값을결정 및 획득하고, 결정 및 획득한 영상 복원값을 이용하여 영상을 복원할 수 있다.
만약 영상 복원부(300)에서 획득된 시뮬레이션 데이터와 방사선 검출부(200)를 통해 검출한 측정 데이터 사이의 편차가 작으면 작을 수록, 시뮬레이션 데이터와 측정 데이터는 유사해질 것이다. 만약 시뮬레이션 데이터와 측정 데이터 사이의 편차는 0이 되거나 또는 매우 작은 값이라면, 시뮬레이션 데이터와 측정 데이터가 서로 동일하거나 또는 매우 근사한 값일 수 있다. 이와 같이 시뮬레이션 데이터와 측정 데이터가 동일하거나 또는 매우 근사한 값인 경우, 측정 데이터와 동일하거나 또는 매우 근사한 시뮬레이션 데이터에 해당하는 영상복원값을 획득하면, 실제 측정 데이터에 따른 영상 복원값을 획득할 수 있게 된다. 따라서 실제 측정 데이터에 따른피사체(ob) 내부 물질과 동일하거나 유사한 방사선 영상을 복원할 수 있게 된다.
영상 복원부(300)는 정의된 시뮬레이션 데이터와 측정 데이터 사이의 편차에 대한 소정의 함수(이하 편차 함수)를 이용하여 시뮬레이션 데이터에 상응하는 영상 복원값을 획득하도록 할 수 있다.여기서 시뮬레이션 데이터는 측정 데이터와 동일하거나 또는 유사한 데이터일 수 있다. 구체적으로 영상 복원부(300)는 소정의 편차 함수의 최소값에 해당하는 시뮬레이션 데이터를 획득함으로써 측정 데이터와 동일하거나 또는 유사한 시뮬레이션 데이터에 상응하는 영상 복원값을 획득하도록 할 수도 있다.
한편 영상 복원부(300)는 일 실시예에 있어서 소정의 코스트 함수(cost function)와 시뮬레이션 데이터를 이용하여 영상 복원값을 획득하도록 할 수도 있다.이 경우 영상 복원부(300)는 편차 함수 대신에 편차 함수과 관련된 소정의 코스트 함수를 이용하여 영상 복원값을 획득할 수도 있다.구체적으로 영상 복원부(300)는편차 함수의 최소값 대신에 코스트 함수의 최소값에 해당하는 새로운 시뮬레이션 데이터를 획득함으로써측정 데이터와 동일하거나 또는 유사한 시뮬레이션 데이터에 상응하는 영상 복원값을 획득하도록 할 수 있다.
영상 복원부(300)는 코스트 함수를 이용하는 경우, 코스 함수에 대한 영상 복원값을 반복적으로 획득함으로써 영상 복원에 이용될 최종적인 영상 복원값을 획득하도록 할 수도 있다. 구체적으로 영상 복원부는 시뮬레이션 데이터와 소정의 코스트 함수를 이용하여 새로운 시뮬레이션 데이터를 획득하고, 획득된 새로운 시뮬레이션 데이터와 소정의 코스트 함수를 이용하여 새로운 시뮬레이션 데이터 또는 영상 복원값을 획득하도록 할 수도 있다. 이 경우 각 단계에서 이용되는 코스트 함수는 동일할 수도 상이할 수도 있다. 또한 각 단계에서 이용되는 코스트 함수는 함께 이용되는 시뮬레이션 데이터에 따라 결정될 수도 있다.이와 같은 과정을 반복하여 영상 복원부(300)는 편차 함수의 최소값과 동일하거나 또는 근사한 코스트 함수의 최소값을 획득하고, 코스트 함수의 최소값에 상응하는 영상 복원값을 획득하여, 영상 복원에 이용하도록 할 수 있다.
도 8은 영상 복원부의 동작을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8의 가로축은 시뮬레이션 데이터 또는 측정 데이터를 의미하고, 세로축은 시뮬레이션 데이터와 측정 데이터 사이의 편차를 의미한다. 도 8에서 GID는 시뮬레이션 데이터 또는 측정 데이터 사이의 편차를 나타내는 편차 함수이고, c1 및 c2는 코스트 함수를 의미한다.
상술한 바와 같이 편차 함수가 최소값일 때의 시뮬레이션 데이터(도 8의
Figure pat00082
)에 상응하는 영상 복원값을 획득하여 영상을 복원할 수 있다. 만약 편차 함수를 직접적으로 연산하기 어렵거나, 편차 함수의 직접 연산에 요구되는 장비의 리소스가 크거나 또는 편차 함수 연산 시간에 소비되는 시간이 긴 경우 등과 같이 편차 함수를 이용하기 어려운 상황인 경우, 편차 함수에 상응하는 소정의 코스트 함수를 이용할 수도 있다.
예를 들어 도 8에서는 제1 코스트 함수(c1) 및 제2 코스트 함수(c2)를 이용하고 있다. 이하 도 8을 참조하여 코스트 함수를 이용하여 영상 복원값을 획득하는 과정을 설명하도록 한다.
먼저 제1 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00083
)를 획득한다.
이 경우 제1 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00084
)와 편차 함수를 최소화하는 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00085
)는 도 8에 도시된 바와 같이 d1m의 정도로 서로 상이할 수 있다. 이와 같은 상이함은 실제 피사체(ob) 내부 물질과 복원되는 영상 간의 오차로 작용될 수 있다. 실제 피사체(ob) 내부 물질과 복원되는 영상 간의 오차가 수용하기 어려운 경우 제2 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00086
)를 획득하도록 한다.
만약 실제 피사체(ob) 내부 물질과 복원되는 영상 간의 오차가 수용하기 어려운 경우 제1 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00087
)에 따라서 편차 함수(GID)에 대응하는 제2 코스트 함수(c2)를 획득하도록 한다. 제2 코스트 함수(c2)는 제1 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00088
)에 대응하는 값에서 편차 함수(GID)와 만날 수 있다.(A 지점)
그리고 제2 코스트 함수(c2)를 최소화하는 새로운 시뮬레이션 데이터, 즉 제2 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00089
)를 획득한다. (B 지점) 새로 획득된 제2 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00090
)와 편차 함수를 최소화하는 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00091
)는 도 8에 도시된 바와 같이 d2m의 정도로 서로 상이할 수 있다. 만약 이와 같은 상이함, 즉 오차가 받아들일 수 있는 범위 내가 아닌 경우 새로운 시뮬레이션 데이터, 즉 제3 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00092
)를 획득하도록 한다.
이 경우 제2 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00093
)에 따라서 편차 함수(GID)에 대응하는 제1 코스트 함수(c1)를 획득하도록 한다. 제1 코스트 함수(c1)는 제2 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00094
)에 대응하는 값에서 편차 함수와 만날 수 있다. (C 지점)
다시 제1 코스트 함수(c1)를 최소화하는 새로운 시뮬레이션 데이터, 즉 제3 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00095
)를 획득한다. (D 지점) 새로 획득된 제3 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00096
)와 편차 함수를 최소화하는 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00097
)는 도 8에 도시된 바와 같이 d3m의 정도로 서로 상이할 수 있다. 만약 이와 같이 상이함을 수용하기 어려운 경우 다시 제3 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00098
)에 따르는 새로운 코스트 함수를 획득하여 새로운 시뮬레이션 데이터를 획득하도록 할 수 있다.
이와 같은 과정을 반복하여 편차 함수(GID)의 최소값과 동일하거나 또는 근사한 코스트 함수의 최소값을 획득하고, 획득된 코스트 함수의 최소값의 시뮬레이션 데이터에 대응하는 영상 복원값을 획득하도록 할 수 있다.
영상 복원부(300)는 상술한 바와 같이각각의 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00099
내지(
Figure pat00100
)을 반복적으로 연산하여 영상 복원값을획득하도록 할 수 있다. 또한 영상 복원부(300)는각각의 시뮬레이션 데이터(
Figure pat00101
내지(
Figure pat00102
)을 반복적으로 연산할 필요 없이, 사전에 미리 연산된 결과에 따라 획득된 소정의 수학식을 이용하여 영상 복원값을 획득하도록 할 수도 있다.
도 9는 영상 복원부의 일 실시예에 대한 블록도이다.
도 9에 도시된 바에 의하면 일 실시예에 있어서 영상 복원부(300)는 데이터 수신부(310), 복원값처리부(320), 시뮬레이션 데이터 연산부(330), 수정값획득부(340) 및 영상 획득부(350)를 포함할 수 있다.
데이터 수신부(310)는 방사선 검출부(200)에서 전달되는 측정 데이터를 수신할 수 있다. 데이터 수신부(310)가 수신하는 측정 데이터는 방사선 검출부(200)에서 직접 전달되는 원시 데이터(raw data)일 수도 있고, 원시 데이터(raw data)를 증폭하거나 또는 소정의 변환, 일례로 아날로그 디지털 변환을 수행한 데이터일 수도 있다.
복원값처리부(320)는 영상 복원값을 초기화하거나 또는 수정값획득부(340)에서 획득된 수정값에 따라서 영상 복원값을 갱신하도록 할 수 있다. 이 경우 영상 복원값은피사체 내부의 (K+α)개의 물질에 대한 정보를 포함하고 있을 수 있다.
복원값처리부(320)는 영상 복원값을 소정의 초기값으로 설정하여 영상 복원값을 초기화하도록 할 수 있다. 이 경우 소정의 초기값은 사용자나 시스템 설계자에 의해 임의로 주어지는 값일 수 있다. 소정의 초기값은 방사선 촬영 장치의 종류, 피사체(ob)의 종류, 피사체(ob)에서 촬영하고자 하는 부분, 조영제의 종류, 조사되는 방사선의 에너지 스펙트럼의 종류 또는 획득하고자 하는 방사선 영상의 종류 등에 따라 결정될 수도 있다.
시뮬레이션 데이터 연산부(330)는 초기화된 영상 복원값 또는 갱신된 영상 복원값을 이용하여 소정의 시뮬레이션 데이터를 연산하도록 할 수 있다. 이 경우 시뮬레이션 데이터 연산부(330)는 수신된 측정 데이터에 따라서 시뮬레이션 데이터를 연산하도록 할 수 있다. 물론 필요에 따라서 반드시 시뮬레이션 데이터를 연산해야 하는 것은 아니다.실시예에 따라 시뮬레이션 데이터는 별도로 연산되지 않을 수도 있다.
수정값획득부(340)는 복원값처리부(320)의 영상 복원값 또는 시뮬레이션 데이터 연산부(330)에서 연산된 시뮬레이션 데이터를 이용하여 영상 복원값에 대한 수정값을획득하도록 할 수 있다. 이 경우 수정값은측정 데이터와 시뮬레이션 데이터의 상이함을 최소화하는 값에 대응되는 값일 수 있다. 즉, 수정값은편차 함수(GID) 또는 코스트 함수(c1, c2)를 최소화하는 시뮬레이션 데이터에 상응하는 값일 수 있다.
수정값획득부(340)에서 획득된 수정값은 영상 획득부(350) 또는 복원값처리부(320)로 전달될 수 있다.
영상 획득부(350)는 수정값획득부(340)에서 획득된 수정값을 기초로 영상을 복원하여 방사선 영상을 획득하도록 할 수 있다. 실시예에 따라서 영상 획득부(350)는 복원값처리부(320)에서 초기화된 시뮬레이션 데이터에 대응하는 영상 복원값을 이용하여 영상을 복원하도록 할 수도 있다.
영상 획득부(350)에서 획득된 방사선 영상은 디스플레이 장치 등의 출력부(410)로 전달되어 사용자에게 표시될 수 있다.
또한 필요에 따라서 영상 획득부(350)에서 획득된 방사선 영상은 출력부(410)로 전달되면서 동시에 또는 이시에 별도의 저장부(430)로 전달될 수도 있다. 이 경우 방사선 영상은 출력부(410)로 전달되기 전 별도의 저장부(430)로 먼저 전달될 수도 있다. 저장부(430)는 전달된 방사선 영상을 일시적 또는 비일시적으로 저장하도록 할 수 있다. 저장부(430)는 방사선 검출부(200) 또는 콘솔 장치(10) 내부에 설치된 내장 메모리 장치일 수도 있고, 콘솔 장치(10) 등과 유무선 데이터망을 이용하여 연결 가능한 외장 메모리 장치일 수도 있다. 또한 저장부(430)는 자기디스크를 이용하는 자기 메모리 장치일 수도 있고, 소정의 반도체 칩을 이용하는 메모리 장치일 수도 있다. 이외에 데이터를 저장할 수 있는 다양한 저장 매체 역시 저장부(430)로 이용될 수도 있다.
한편 수정값획득부(340)에서 획득된 수정값은복원값처리부(320)로 전달될 수도 있으며, 복원값처리부(320)는 전달된 수정값을 이용하여 영상 복원값을 갱신하도록 할 수 있다. 이 경우 복원값처리부(320)는 기존에 설정된 영상 복원값은 폐기할 수도 있다. 새로 갱신된 영상 복원값은 상술한 시뮬레이션 데이터 연산부(330)로 전달될 수 있다.
만약 수정부획득부(340)에서 획득된 수정값이복원값처리부(320) 및 영상 획득부(350) 양자 모두에게 전달된다면, 복원값처리부(320)에서 갱신된 영상 복원값은, 영상 복원에 이용되는 영상 복원값, 즉 수정값과 동일할 것이다.
실시예에 따라서 수정값획득부(340)에서 획득된 수정값을 이용하여 먼저 영상 복원값을 갱신하고, 갱신된 영상 복원값을 영상 획득부(350)로 전달하여 영상을 복원하도록 하는 것도 가능할 것이다.
이하 상술한 영상 복원부(300)의 동작의 일 실시예에 대해서 수학식을 참조하여 보다 구체적으로 설명하도록 한다.
복원하려는 물체의 j번째 복셀의 밀도는 다음의 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00003
여기서 Nc는 조영제의 개수이며, Nc = K-1로 주어질 수 있다.
Figure pat00103
는 가상으로 분리될 물질의 기저 밀도(basis density)를 의미한다.여기서 ρj는 상술한 영상 복원값으로 이용될 수 있다.
복원하려는 물체의 j번째 복셀의상대적 부분 밀도(relative partial density)에 대한 벡터를 다음의 수학식 4와 같이 정의하자.
Figure pat00004
여기서 α+1은 가상으로 분리될 물질의 개수를 의미한다.
ρj와 xj의 관계는 다음의 수학식 5와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00005
여기서 f(
Figure pat00104
) 는 기저 밀도로부터 (α+1)개의 물질의 부분(fraction)을 정의하는 함수로 하기의 수학식 6과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00006
(K+α)에 대한 선적분(line projection)을 다음의 수학식 7 내지 수학식 9와 같이 정의한다.
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
수학식 8 및 수학식 9에서 aij는 피사체(ob)의 j번째 복셀값이 방사선 검출 패널(210)의 i번째 픽셀에 기여하는 정도를 의미한다. 즉, aij는 j번째 복셀값이 측정된 측정 데이터에 대한 기여도를 의미한다.
또한 (K+α) 물질에 대한 물질 감쇠 벡터(mass attenuation vector)를 다의 수학식 10과 같이 정의하도록 하자.
Figure pat00010
수학식 3 내지 수학식 10에서 정의한 바에 따르면, 방사선 검출 패널(210)의 i번째 픽셀에서 측정된 데이터 yi은 다음의 수학식 11과 같이 쓰여질 수 있다. 즉, 상술한 수학식 2는 다음의 수학식 11과 같이 쓰여질 수 있다.
Figure pat00011
상술한 수학식 11과 같이 측정 데이터 yi에 대한 모델이 결정된 것을 전제로, 측정 데이터 yi와 시뮬레이션 데이터
Figure pat00105
에 대한 소정의 편차 함수를 최소화시키는 값을 획득하여 영상 복원값에 대한 수정값을 획득하도록 할 수 있다.
구체적으로 소정의 편차 함수는 다음의 수학식 12와 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00106
여기서 ψ(x)는 x가 1일 때 최소값에 도달하는 볼록 함수이다. 다시 말해서 ψ(x)는 다음의 수학식 13을 만족한다.
Figure pat00013
구체적으로 ψ(x)는 두 함수, 즉 f(r)과 g(r)가 동일할 때 최소값에 도달한다. 따라서 수학식 12 및 수학식 13에 의하면 두 함수, 즉 f(r)과 g(r) 사이의 상이함에 대한 정의가 가능해진다. 따라서 각각의 함수에 측정 데이터yi에 대한 모델과 시뮬레이션 데이터
Figure pat00107
에 대한 모델을 대입하면 측정 데이터yi와 시뮬레이션 데이터
Figure pat00108
사이의 차이를 정의할 수 있게 되고, 그에 따라 측정 데이터yi와 시뮬레이션 데이터
Figure pat00109
사이의 차이를 최소화하는 값을 연산할 수 있게 된다. 측정 데이터yi와 시뮬레이션 데이터
Figure pat00110
사이의 차이를 최소화하는 값에 대응하는 내부 물질에 대한 값, 일례로 내부 물질의 밀도 ρj를 구하면 피사체(ob) 내부 물질에 대한 복원값을 얻을 수 있게 된다. 복원값이 정확할수록 측정 데이터yi와 시뮬레이션 데이터
Figure pat00111
는 서로 동일하거나 또는 매우 근사하게 될 것이다.
이 경우 수학식 12에 도시된 바와 같은 편차 함수를 어떻게 정의하느냐에 따라서 다양한 방법으로 측정 데이터 yi와 시뮬레이션 데이터
Figure pat00112
사이의 차이를 최소화하는 값에 대응하는 내부 물질에 대한 복원값을 획득할 수 있게 된다.
제1 실시예에 의하면, 수학식 12에 도시된 바와 같은 편차 함수는 다음의 수학식 14와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00014
여기서 yi는 측정 데이터이고
Figure pat00113
는 시뮬레이션 데이터를 의미한다.
시뮬레이션 데이터
Figure pat00114
는 영상 복원부(300)의 시뮬레이션 데이터 연산부(330)에 의해 획득될 수 있다.
시뮬레이션 데이터 연산부(330)는 상술한 수학식 11 등을 이용하여 피사체(ob) 내부의 물질에 대한 시뮬레이션 데이터
Figure pat00115
를 연산하도록 할 수 있다. 만약 상술한 복원값처리부(320)가 영상 복원값을 초기화하여 영상 복원값에 대한 초기값을 설정한 경우, 시뮬레이션 데이터 연산부(330)는 영상 복원값에 대한 초기값을 상술한 수학식 11 등에 대입하여 피사체(ob) 내부의 물질에 대한 시뮬레이션 데이터
Figure pat00116
를 연산하도록 할 수 있다.
한편 수학식 14를 전개하면 다음의 수학식 15와 같은 부등식을 얻을 수 있다.
Figure pat00015
여기서 di(pi,E)와 mi(pi,E)는 다음의 수학식 16 및 수학식 17과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00016
Figure pat00017
수학식 15에서 우변을 대용 목적 함수(surrogate objective function) c라고 하면, 대용 함수 c는 특정 ψ함수에 대해서 볼록하다. 예를 들어 특정 ψ함수는 다음의 수학식 18 및 수학식 19와 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00018
Figure pat00019
수학식 18과 같이 특정 ψ함수가 주어지는 경우, 대용 함수 c는 α가 0보다 크고(α는 0은 아니다), β가 0 이상인 경우 볼록하게 된다. 또한 수학식 19와 같이 특정 ψ함수가 주어지는 경우, 대용 함수 c는 β가 0보다 크면(β는 0은 아니다) 볼록하게 된다.
수학식 17이 볼록하기 때문에 수학식 17은 다음의 수학식 20과 같이 더욱 간단하게 전개될 수 있다.
Figure pat00020
여기서 에너지에 대해 주변합(marginal sum)을 수행한 결과를 위첨자ξ로 표현하면 수학식 20은 다음의 수학식 21과 같이 더욱 간단하게 표현될 수 있다.
Figure pat00021
여기서 하기의 수학식 22를 정의하자.
Figure pat00022
여기서 αij는 다음의 수학식 23 및 수학식 24에 따라 정의될 수 있다.
Figure pat00023
Figure pat00117
그러면 수학식 21과 수학식 22는 다음의 수학식 25과 같은 관계를 가질 수 있다.
Figure pat00118
상술한 수학식 20 내지 22는 상술한 코스트 함수로 이용될 수 있다.
만약 상술한 수학식 22에 뉴튼 방법(Newton's method)를 적용하면 다음의 수학식 26과 같은 갱신 방정식을 얻을 수 있다.
Figure pat00026
여기서 ρj는 새로 획득되는 영상 복원값에 대한 수정값을 의미하고,
Figure pat00119
는 시뮬레이션 데이터에 상응하는 영상 복원값을 의미한다.
실시예에 따라서
Figure pat00120
는 초기화된 영상 복원값일 수 있다. 다시 말해서 측정 데이터를 기초로 영상을 복원하는 경우, 영상 복원값을 초기화하면 초기화된 영상 복원값
Figure pat00121
과 측정 데이터 및 시뮬레이션 데이터를 이용하여 영상 복원값에 대한 수정값, 즉 ρj를 획득할 수 있게 된다.
아울러 영상 복원값의수정값을 다시
Figure pat00122
에 적용하고 상술한 수학식 26을 연산하면영상 복원값을 다시 수정하기 위한 수정값 ρj를 획득할 수 있게 된다.
이와 같은 과정을 반복하여 적절한 영상 복원값을 획득할 수 있게 된다.
한편 수학식 26에서
Figure pat00123
는 다음의 수학식 27에 따를 수 있다.
Figure pat00124
한편
Figure pat00125
는다음의 수학식 28과 같이 주어질 수 있고,
Figure pat00126
는 다음의 수학식 30과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00028
여기서 M(E)는 하기의 수학식 29로 정의될 수 있다.
Figure pat00029
Figure pat00030
여기서 ei는 다음의 수학식 31과 같이 정해진다.
Figure pat00031
상술한 수학식 26 내지 수학식 31 중 적어도 하나의 연산은 상술한 수정값획득부(340)에서 수행될 수 있다.영상 복원값에 대한 수정값, 즉 ρj이 획득되면 획득된 수정값ρj는 복원값처리부(320)에 전달되어 영상 복원값을 갱신하는데 이용될 수도 있고, 영상 획득부(350)로 전달되어 영상을 복원하는데 이용될 수도 있다.
만약 수정값ρj를 이용하여 영상 복원값을 갱신한다면, 수정값ρj는 반복되는 수정값 연산에 있어서 상술한 수학식 26에서의
Figure pat00127
로 이용될 수 있다.
이와 같은 결과를 반복하면 수정값ρj는 최종적으로 피사체(ob)의 본래의 물질의 밀도와 동일하게 되거나 또는 매우 유사하게 될 수 있다. 따라서 복원되는 영상이 피사체(ob)의 본래의 모습을 동일하거나 또는 매우 유사하게 반영하도록 할 수 있게 된다.
수학식 26을 간단히 하면 다음의 수학식 32와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00032
이 경우 제1 조정값Nj와 제2 조정값dj는 수학식 33 및 수학식 34와 같이 정의될 것이다. 이와 같은 제1 조정값Nj 및 상기 제2 조정값dj는 상기 일반화된 정보 이론 편차 함수 또는 상기 일반화된 정보 이론 편차의 근사 함수에서 유도되었음이 이미 설명하였다.
Figure pat00033
Figure pat00034
제2 실시예에 의하면, 수학식 12에 도시된 바와 같은 편차 함수는 다음의 수학식 35와 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00035
여기서 상술한 ψ함수는 모든 변수에 대해 양의 값을 갖는 양(+)의 함수일 수 있다.
Bi는 임의의 상수이다. Bi는 비어있는 공간에 대한 소정의 페널티(penalty)를 부가하여 결과적으로 방사선 영상 상에서 배경 부분에 가중치를 부가해서 발생하는 오차를 수정하는 효과를 줄 수 있다.
Ei는 임의의 상수이다. 상수 Ei는
Figure pat00128
가 항상 양이 되도록 하는 상수이다.
Bi 및 Ei는 측정 데이터 yi가 배경에서는 1이거나 또는 1에 근사한 값이고 그 외의 부분에서는 1보다 매우 작다는 성질을 이용하여 다음의 수학식 36 및 수학식 37과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00036
Figure pat00129
한편 zi는 다음의 수학식 38로 정의될 수 있다.
Figure pat00130
즉, zi는 상술한 측정 데이터 yi에 대한 모델에 음의 로그값을 더 부가한 것이다.
수학식 35를 이용하면 다음의 수학식 39와 같은 부등식을 유도할 수 있게 된다.
Figure pat00039
여기서 βi는 주변합(marginal sum)이 수학식 35의 Bi인 임의의 양의 함수이다. 또한 ti(pi,E)는 다음의 수학식 40과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00040
여기서 εi(E)는 총합이 Ei를 만족시키는 임의의 양의 함수이다.
수학식 39를 기초로 다음의 수학식 41과 같은 부등식을 유도할 수 있으며, 결과적으로 수학식 41과 같은 코스트 함수를 획득할 수 있게 된다.
Figure pat00041
여기서 fi(pi,E)는 다음의 수학식 42와 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00042
Figure pat00043
수학식 41은 상술한 수학식 15와 유사한 형태를 가진다. 따라서 수학식 15 내지 수학식 25와 같은 방법으로 갱신 방정식을 얻을 수 있다.
이 경우 갱신 방정식은 수학식 44와 같다.
Figure pat00044
상술한 수학식 26과 수학식 44를 비교하면 갱신 방정식은 동일함을 알 수 있다. 다만 여기서 수학식 44의
Figure pat00131
와
Figure pat00132
는 수학식 26의
Figure pat00133
와
Figure pat00134
와 상이할 수 있다.
수학식 44에서
Figure pat00135
는 다음의 수학식 45와 같이 주어질 수 있고,
Figure pat00136
는 다음의 수학식 46과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00045
Figure pat00046
여기서 ei는 다음의 수학식 47과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00047
제3 실시예에 의하면, 수학식 12에 도시된 바와 같은 편차 함수는 다음의 수학식 48과 같이 정의될 수 있다.
Figure pat00048
여기서 zi는 상술한 수학식 38을 따르는 값이다. 한편 Y는 양의 상수이다. 한편 이 경우 ψ(x) 함수는 x가 0과 소정의 양수 사이의 값인 경우 음의 값을 갖는다고 가정한다.
수학식 48을 이용하여 상술한 실시예와 같은 방법을 통하여 연산하면 수학식 26과 수학식 44와 동일한 갱신 방정식을 획득할 수 있다. 다만 수학식 44에서의 경우와 마찬가지로 수학식 48의
Figure pat00137
와
Figure pat00138
는 수학식 26 및 수학식 44의
Figure pat00139
와
Figure pat00140
와 상이할 수 있다. 수학식 48에서
Figure pat00141
는 다음의 수학식 49와 같이 주어질 수 있고,
Figure pat00142
는 다음의 수학식 50과 같이 주어질 수 있다.
Figure pat00049
Figure pat00050
ei의 값은 상술한 수학식 47과 동일하다. 한편 U(E)는 에너지에 대한 총합이 Y와 동일한 함수이다.
이하 영상 복원 방법의 여러 실시예에 대해 설명한다.
도 10은 방사선 촬영 장치를 이용하는 영상 복원 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.
여기서 방사선 촬영 장치는 다파장의 방사선을 피사체(ob)로 조사하는 다파장 방사선 촬영 장치일 수 있다. 또한 방사선 촬영 장치는 컴퓨터 단층 촬영 장치일 수도 있다.
도 10에 도시된 바와 같이 영상 복원 방법의 일 실시예에 의하면 먼저 피사체(ob)로K-에너지 스펙트럼의 방사선을 조사할 수 있다. (s600)실시예에 따라서 복수의 방사선 조사부(100a, 100b)를 이용하여 방사선을 피사체(ob)로 조사할 수도 있고, 하나의 방사선 조사부(100)를 이용하여 방사선을 피사체(ob)로 조사할 수도 있다. 또한 피사체(ob)의 주변을 회전하면서 K-에너지 스펙트럼의 방사선이 조사될 수도 있다.
이어서 조사되고 피사체를 투과한 방사선을 검출하여검출된 방사선에 상응하는 측정 데이터를 획득하도록 한다.(s610) 이 경우 획득되는 측정 데이터는 조사되는 방사선의 에너지 스펙트럼, 피사체(ob) 내부 물질의 종류, 밀도 또는 피사체(ob) 내부의 방사선이 통과하는 거리 등에 따라서 결정될 수 있다. 이와 같은 측정 데이터의 값은 상술한 수학식 1 및 수학식 2에 따라 주어질 수 있다.
먼저 영상복원값이 초기화된다. 즉, 영상 복원값에 대한 소정의 초기값이 주어진다.(s620, s621)여기서 영상 복원값은, 피사체 내부의 K+α개의 물질에 대한 정보를 포함하고 있을 수 있다.
영상 복원값에 대해 주어지는 소정의 초기값은 사용자나 시스템 설계자에 의해 임의로 주어지는 값일 수도 있고, 방사선 촬영 장치에 의해 임의적으로 결정되는 값일 수도 있다. 영상 복원값에 대한 소정의 초기값은 방사선 촬영 장치의 종류, 방사선 에너지 스펙트럼의 개수나 종류, 피사체(ob)의 종류, 피사체(ob)에서 촬영하고자 하는 부분 또는 획득하고자 하는 방사선 영상의 종류 등에 따라 결정될 수도 있다.
먼저 초기화된 영상복원값을 이용하여 시뮬레이션 데이터가 연산될 수 있다. (s630)실시예에 따라서 단계 s630은 생략될 수도 있다.
영상복원값에 대한 수정값이 획득된다. (s640) 일 실시예에 의하면 초기화된 영상 복원값 또는 시뮬레이션 데이터를 이용하여 영상 복원값에 대한 수정값이획득될 수 있다. 이 경우 수정값은,측정 데이터와 시뮬레이션 데이터의 상이함을 최소화하는 값에 상응하는 값일 수 있다.
이어서 획득된 수정값을 이용하여 영상 복원값을 갱신하도록 한다. (s650) 이 경우 영상 복원값 필드에는 초기값이 삭제되고 수정값이 기록됨으로써 영상 복원값이 갱신될 수 있다.
만약 갱신된 영상 복원값, 즉 획득된 수정값이 영상 복원에 적절한 값이라고 고려되는 경우, (s660의 예)획득된 영상 복원값을 이용하여 복원된 영상을획득하도록 할 수 있다. (s670)
만약 갱신된 영상 복원값이 영상 복원에 적절한 값이 아닌 경우, (s660의 아니오)획득된 영상 복원값을이용하여 다시 단계 s630 내지 s650을 반복하여 영상 복원값을 다시 갱신한다. (s661)
일 실시예에 의하면 사용자 또는 시스템 설계자에 의해 미리 결정된 반복 회수에 따라서 상술한 단계 s630 내지 s650을 계속 반복하여 영상 복원값을 계속 갱신할 수 있다. 또한 다른 실시예에 의하면 영상 복원값이미리 결정된 수치에 도달하는 경우까지 상술한 단계 s630 내지 s650을 계속 반복하여 영상 복원값을 반복적으로 갱신하도록 할 수도 있다.
그 결과 본래의 피사체(ob) 내부 물질에 상응하는 정확한 방사선 영상이 복원될 수 있다. 예를 들어 3개의 조영제를 피사체(ob)에 투입하고, 복수(예를 들어 3개 이상)의 서로 상이한 에너지 스펙트럼의 방사선을 조사하여 측정 데이터를 획득하는 경우 3개의 조영제뿐만 아니라연조직이나 뼈를 더분리하여 방사선 영상을 복원하도록 할 수 있게 된다.
도 11은 영상 복원 방법의 다른 실시예에 대한 흐름도이다.
도 11에 도시된 바와 같이 영상 복원 방법의 다른 실시예에 의하면 먼저 피사체(ob)로K-에너지 스펙트럼의 방사선을 조사하고, (s700) 조사된 방사선을 수광하여방사선을 검출하고, 검출된 방사선에 상응하는 소정의 측정 데이터 획득하도록 할 수 있다.(s710) 상술한 바와 같이 획득되는 측정 데이터는 조사되는 방사선의 에너지 스펙트럼, 피사체(ob) 내부 물질의 종류, 밀도 또는 피사체(ob) 내부의 방사선이 통과하는 거리 등에 따라서 결정될 수 있으며, 이는 수학식 1 및 수학식 2로 표기될 수 있다.
이이서 소정의 초기값을 영상복원값으로 결정하여 영상 복원값을 초기화시킨다.(s720, s721)영상 복원값은, 피사체 내부의 K+α개의 물질에 대한 정보를 포함하고 있을 수 있다. 상술한 바와 같이 영상 복원값의 초기값은 임의적으로 결정될 수 있고, 촬영 환경이나 목적에 따라 결정될 수도 있다.
초기화된 영상복원값을 이용하여 시뮬레이션 데이터가 연산되고, (s730) 연산된 시뮬레이션 데이터에 대한 음의로그값이 연산된다. (s731) 즉, 시뮬레이션 데이터에 음의 로그를 취하여 시뮬레이션 데이터에 대한 음의 로그값이 연산된다.
상술한 시뮬레이션 데이터에 대한 음의 로그값을 이용하여 영상복원값에 대한 수정값이 획득된다. (s740) 이 경우 수정값은, 측정 데이터의 음의 로그값와 시뮬레이션 데이터의 음의 로그값의 상이함을 최소화하는 값에 대응되는 값일 수 있다.
획득된 수정값을 이용하여 영상 복원값을 갱신하도록 한다. (s750)
만약 갱신된 영상 복원값, 즉 획득된 수정값이 영상 복원에 적절한 값이라고 고려되는 경우, (s760의 예) 획득된 영상 복원값을 이용하여 영상을 복원하도록 한다.(s770)
만약 갱신된 영상 복원값이 영상 복원에 적절한 값이 아닌 경우, (s760의 아니오) 획득된 영상 복원값을 이용하여 다시 단계 s730 내지 s750을 반복하여 영상 복원값을 다시 갱신한다. (s761) 이 경우 반복 회수는 사용자, 시스템 설계자에 의해 결정될 수도 있고, 방사선 촬영 장치에 의해 결정될 수도 있다.
100 :방사선 조사부 200 : 방사선 검출부
300 :영상복원부 400 : 사용자인터페이스부
500 :제어부

Claims (16)

  1. 피사체에 대해 K-에너지 스펙트럼의 방사선을 조사하고, 상기 피사체를 투과한 K-에너지 스펙트럼의 방사선을 검출하여 피사체 내부에 대한 측정 데이터를 획득하는 측정 데이터 획득 단계;
    영상복원값을 초기화하는 초기화 단계;
    상기 측정 데이터와 시뮬레이션 데이터의 상이함을 최소화하는 영상 복원값에 대한 수정값을 획득하되, 상기 시뮬레이션 데이터는 상기 초기화된 영상 복원값을 이용하여 획득 가능한 상기 피사체의 내부 구조에 대한 데이터인수정값 획득 단계; 및
    상기 수정값을 이용하여 상기 영상 복원값을 갱신하는 영상 복원값 갱신 단계;
    를 포함하되,
    상기 영상 복원값은, 피사체 내부의 K+α개의 물질에 대한 정보를 포함하고, 상기 K 및 α는 자연수인 영상 복원 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 갱신된 영상 복원값을 이용하여 상기 수정값 획득 단계 및 상기 영상 복원값 갱신 단계를 반복하는 반복 단계;
    를 더 포함하는 영상 복원 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 영상 복원값은, 상기 피사체 내부의 물질의 밀도에 대한 정보를 포함하는 영상 복원 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수정값 획득 단계는, 일반화된 정보 이론 편차 함수(GID, Generalized information theory discrepancy)를 최소화하여 상기 측정 데이터와 상기 시뮬레이션 데이터의 상이함을 최소화하는 영상 복원값에 대한 수정값을 획득하는영상 복원 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기일반화된 정보 이론 편차 함수는 하기의 수학식 1로 정의되는 영상 복원 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00051

    여기서 ψ(v)는v가 1일 때 최소값에 도달하고, 하기의 수학식 2를 만족하는 볼록 함수이며, f(x) 및 g(x)는 서로 상이한 정도가 비교되는 임의의 함수.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 수정값 획득 단계는, 하기의 수학식 2를 연산하여 상기 측정 데이터와 상기 시뮬레이션 데이터의 상이함을 최소화하는 영상 복원값에 대한 수정값을 획득하는 영상 복원 방법.
    [수학식 2]
    Figure pat00052

    여기서 ρj는 j번째 복셀(voxel)에서의 밀도를 의미하고,
    Figure pat00143
    는 j번째 복셀의 밀도에 대한 시뮬레이션 데이터를 의미하며, Nj는 제1 조정값이고, dj는제2 조정값이며, 상기 제1 조정값 및 상기 제2 조정값은상기 일반화된 정보 이론 편차 함수 또는 상기 일반화된 정보 이론 편차의 근사 함수에서 유도되는 값.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 조정값은하기의 수학식 3으로 정의되는 영상 복원 방법.
    [수학식 3]
    Figure pat00144

    여기서 aij는 물질 내의 j번째 복셀이 방사선 검출부의 i번째 픽셀에 대한 기여도이고,
    Figure pat00145
    이고,
    Figure pat00146
    는 상기 일반화된 정보 이론 편차 함수 또는 상기 일반화된 정보 이론 편차의 근사 함수로부터 유도되는 값이며,
    Figure pat00147
    는, 하기의 수학식 4와 같이 정의되고,x j 는 j번째 복셀에 포함되는 각각의 물질에 대한 상대적 부분 밀도(relative partial density)이고, f(x)는 추가로 복원될 α개의 물질에 대한 비중을 정의하는 함수이고, ρB는 가상으로 분리될 물질의 기저 밀도(basis density)이고, Nc는 K-1, INc는 항등 행렬.
    [수학식 4]
    Figure pat00148
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 조정값은 하기의 수학식 5에 의해 정의되는 영상 복원 방법.
    [수학식 5]
    Figure pat00055

    여기서
    Figure pat00149
    는 상기 일반화된 정보 이론 편차 함수 또는 상기 일반화된 정보 이론 편차의 근사 함수로부터 유도되는 값이고, 이고, pi는 (K+α) 물질에 대한 선적분(line projection)이고,
    Figure pat00150
    는 시뮬레이션에 따른 (K+α) 물질에 대한 선적분값.
  9. 제8항에 있어서,
    Figure pat00151
    는 하기의 수학식 6과 같이 정의되고,
    Figure pat00152
    는 하기의 수학식 7와 같이 정의되는 영상 복원 방법.
    [수학식 6]
    Figure pat00056

    [수학식 7]
    Figure pat00057

    여기서 ei는 하기의 수학식 8로 정의되고, M(E)는 하기의 수학식 9로 정의되고,
    Figure pat00153
    는 하기의 수학식 10으로 정의되며, 여기서 μ는 선형 감쇠율(linear attenuation)이고, si(E)는 방사선 조사부에서 방사되는 방사선의 스펙트럼.
    [수학식 8]
    Figure pat00154

    [수학식 9]
    Figure pat00155

    [수학식 10]
    Figure pat00156
  10. 제8항에 있어서,
    Figure pat00157
    는 하기의 수학식 11과 같이 정의되고,
    Figure pat00158
    는 하기의 수학식 12와 같이 정의되는 영상 복원 방법.
    [수학식 11]
    Figure pat00061

    [수학식 12]
    Figure pat00062

    여기서 ei는 하기의 수학식 13으로 정의되고, μ는 선형 감쇠율이고, si(E)는 방사선 조사부에서 방사되는 방사선의 스펙트럼이고, ti는 하기의 수학식 14에 의해 정의되고, βi는 주변합(marginal sum)이 Bi인 임의의 양의 함수이고, Bi는 임의의 상수이며, zi는 yi에 음의 로그(-log)를 취한 값이고, ξi(E)는 그 합이
    Figure pat00159
    를 만족시키는 임의의 양의 함수.
    [수학식 13]
    Figure pat00063

    [수학식 14]
    Figure pat00160
  11. 제8항에 있어서,
    Figure pat00161
    는 하기의 수학식 15와 같이 정의되고,
    Figure pat00162
    는 하기의 수학식 16과 같이 정의되는 영상 복원 방법.
    [수학식 15]
    Figure pat00163

    [수학식 16]
    Figure pat00164

    여기서 ei는 하기의 수학식 13으로 정의되고, μ는 선형 감쇠율이고, si(E)는 방사선 조사부에서 방사되는 방사선의 스펙트럼이고, ti는 하기의 수학식 14에 의해 정의되고, U(E)는 그 합이 Y를 만족시키는 임의의 함수.
    [수학식 13]
    Figure pat00067

    [수학식 14]
    Figure pat00165
  12. 피사체에 대해 다중 에너지 스펙트럼의 방사선을 조사하는 방사선 조사부;
    상기 피사체를 투과한 다중 에너지 스펙트럼의 방사선을 검출하여 측정 데이터를 출력하는 방사선 검출부;
    상기 방사선 검출부가 출력하는 측정 데이터를 기초로 상기 피사체에 대한 방사선 영상을 복원하는 영상 복원부;
    를 포함하되,
    상기 영상 복원부는,상기 측정 데이터와 시뮬레이션 데이터의 상이함을 최소화하는 영상 복원값에 대한 수정값을 획득하고, 상기 수정값을 이용하여 상기 영상 복원값을 갱신하되, 상기 시뮬레이션 데이터는 피사체 내부의 K+α개의 물질에 대한 정보를 포함하는 영상 복원값을 이용하여 획득 가능한 상기 피사체의 내부 구조에 대한 데이터이고, 상기 K 및 α는 자연수인 방사선 촬영 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 영상 복원부는, 상기 영상 복원값을 초기화하고, 상기 초기화된 영상 복원값을 이용하여 상기 시뮬레이션 데이터를 연산하는 방사선 촬영 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 영상 복원부는, 상기 영상 복원값을 적어도 일 회 이상 갱신하는 방사선 촬영 장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 영상 복원값은, 상기 피사체 내부의 적어도 하나의 물질의 밀도에 대한 정보인 방사선 촬영 장치.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 영상 복원부는, 일반화된 정보 이론 편차 함수를 최소화하여 상기 측정 데이터와 상기 시뮬레이션 데이터의 상이함을 최소화하는 영상 복원값에 대한 수정값을 획득하는 방사선 촬영 장치.
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KR20190033690A (ko) * 2017-09-21 2019-04-01 주식회사 제타이미징 방사선 검출 장치

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