KR20140111818A - 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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강성훈
성영훈
스티븐슨 앤드루
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E. 구레이에프 티무르
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Abstract

개시된 발명의 일 측면은, 서로 다른 복수의 에너지 대역에 대응되는 위상차 영상 신호를 이용하여 대상체에 관한 정량적인 정보를 추정하고, 추정된 정보를 다양한 방식으로 사용자에게 제공하는 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
개시된 발명의 일 실시예에 따른 위상차 영상을 생성하는 엑스선 영상 장치는, 엑스선을 발생시켜 대상체에 조사하는 엑스선 소스; 상기 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 서로 다른 복수의 에너지 대역 별로 상기 대상체의 위상차 영상 신호를 획득하는 엑스선 검출기; 및 상기 에너지 대역 별 위상차 영상 신호와 상기 대상체를 구성하는 적어도 하나의 구성 물질에 대한 정량 정보 사이의 관계를 이용하여 상기 구성 물질에 대한 근사 정량 정보를 연산하고, 상기 근사 정량 정보에 정규화(regularization) 함수를 반복적으로 적용하여 상기 구성 물질의 정량 정보를 추정하는 정량 정보 획득부를 포함한다.

Description

엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법{X-RAY IMAGING APPARATUS AND CONTROL METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 대상체에 엑스선을 투과시켜 엑스선 영상을 생성하는 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
엑스선 영상 장치는 대상체에 엑스선을 조사하고 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 대상체의 내부 구조를 영상화 할 수 있는 장치이다.
기존에는 대상체를 구성하는 물질의 특성에 따라 엑스선의 감쇠(attenuation) 특성 또는 흡수 특성이 다르다는 점에 기초하여, 대상체를 투과한 엑스선의 세기(intensity)로부터 대상체의 내부구조를 영상화하였다.
엑스선을 전자기파 관점에서 파악하면, 엑스선은 대상체를 통과하면서 대상체를 구성하는 물질에 의해 굴절 및 간섭 현상이 발생하며, 이로 인해 엑스선의 위상이 변하게 된다. 물질의 특성에 따라 위상 변화 특성도 달라지는바, 최근에는 엑스선의 위상차(phase contrast)를 이용하여 대상체 내부를 영상화하는 기술이 개발되고 있다.
엑스선은 물질 별 흡수 계수보다 위상 변이(phase shift) 계수가 더 크기 때문에 위상차 영상 기술을 이용하면 저선량에서 고대조도 영상을 획득할 수 있는바, 이에 관한 더 다양한 연구 및 개발이 요구된다.
개시된 발명의 일 측면은, 서로 다른 복수의 에너지 대역에 대응되는 위상차 영상 신호를 이용하여 대상체에 관한 정량적인 정보를 추정하고, 추정된 정보를 다양한 방식으로 사용자에게 제공하는 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
개시된 발명의 일 실시예에 따른 위상차 영상을 생성하는 엑스선 영상 장치는, 엑스선을 발생시켜 대상체에 조사하는 엑스선 소스; 상기 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 서로 다른 복수의 에너지 대역 별로 상기 대상체의 위상차 영상 신호를 획득하는 엑스선 검출기; 및 상기 에너지 대역 별 위상차 영상 신호와 상기 대상체를 구성하는 적어도 하나의 구성 물질에 대한 정량 정보 사이의 관계를 이용하여 상기 구성 물질에 대한 근사 정량 정보를 연산하고, 상기 근사 정량 정보에 정규화(regularization) 함수를 반복적으로 적용하여 상기 구성 물질의 정량 정보를 추정하는 정량 정보 획득부를 포함한다.
개시된 발명의 일 실시예에 따른 위상차 영상을 생성하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법은, 대상체에 대한 서로 다른 에너지 대역 별 위상차 영상 신호를 획득하고; 상기 에너지 대역 별 위상차 영상 신호와 상기 대상체를 구성하는 적어도 하나의 구성 물질에 대한 정량 정보 사이의 관계를 이용하여 상기 구성 물질에 대한 근사 정량 정보를 연산하고; 상기 근사 정량 정보에 정규화(regularization) 함수를 반복적으로 적용하여 상기 구성 물질의 정량 정보를 추정하는 것을 포함한다.
상기 정량 정보 획득부는, 상기 추정된 정량 정보의 신뢰도를 검증하기 위해 미리 설정된 검증 조건의 만족 여부를 판단할 수 있다.
상기 정량 정보 획득부는, 상기 검증 조건이 만족되는 것으로 판단되면, 추정된 정량 정보를 상기 구성 물질의 정량 정보로서 획득할 수 있다.
상기 엑스선 영상 장치의 제어 방법은 상기 추정된 정량 정보의 신뢰도를 검증하기 위해 미리 설정된 검증 조건의 만족 여부를 판단하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 엑스선 영상 장치의 제어 방법은 상기 검증 조건이 만족되는 것으로 판단되면, 상기 추정된 정량 정보를 상기 구성 물질의 정량 정보로서 획득하는 것을 더 포함할 수 있다.
상기 엑스선 영상 장치의 제어 방법은 상기 검증 조건이 만족되지 않는 것으로 판단되면, 상기 추정된 정량 정보에 상기 정규화 함수를 다시 적용하여 새로운 정량 정보를 추정하는 것을 더 포함할 수 있다.
개시된 발명의 일 측면에 의하면, 서로 다른 복수의 에너지 대역에 대응되는 위상차 영상 신호를 이용하여 대상체에 관한 정량적인 정보를 추정하고, 추정된 정보를 다양한 방식으로 사용자에게 제공할 수 있다.
도 1에는 엑스선이 대상체를 투과할 때 발생되는 현상을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 2에는 엑스선의 감쇠 특성을 이용하여 엑스선 영상을 획득하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 3에는 엑스선의 감쇠 특성과 위상 변이 특성의 민감도를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
도 4a에는 유방의 내부 구성 물질을 모식적으로 나타낸 도면이 도시되어 있고, 도 4b에는 유방의 내부 구성 물질에 대한 감쇠계수 그래프가 도시되어 있다.
도 5a에는 위상차 영상을 획득하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있고, 도 5b에는 엑스선 검출기를 이동시키면서 위상차 영상을 획득하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 6에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치에 관한 제어 블록도가 도시되어 있다.
도 7에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 외관도가 도시되어 있다.
도 8에 엑스선 소스에 포함되는 엑스선 튜브 내부의 구성이 도시되어 있다.
도 9에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 엑스선 검출기의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 10에는 엑스선 소스에서 조사할 수 있는 엑스선의 에너지 대역을 개략적으로 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
도 11a에는 도 9에 도시된 엑스선 검출기의 단일 픽셀 영역의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 11b에는 검출된 엑스선을 복수 에너지 대역 별로 분리할 수 있는 단일 픽셀 영역의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 12에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 영상 제어부를 구체화한 제어 블록도가 도시되어 있다.
도 13에는 영상 제어부에 포함되는 정량 정보 획득부의 구성을 구체화한 제어 블록도가 도시되어 있다.
도 14에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치에서 영상 처리부의 구성이 구체화된 제어 블록도가 도시되어 있다.
도 15에는 위상 검색을 설명하기 위해 대상체와 엑스선 검출기의 위치를기하학적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 16에는 정량 정보 맵을 생성할 수 있는 엑스선 영상 장치에 관한 제어 블록도가 도시되어 있다.
도 17에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 순서도가 도시되어 있다.
도 18에는 두께 정보를 표시하는 방법의 일 실시예가 구체화된 순서도가 도시되어 있다.
도 19에는 사용자가 물질 영상을 선택할 수 있는 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 순서도가 도시되어 있다.
도 20에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법중 구성 물질 별 두께 맵을 생성하는 과정을 나타낸 순서도가 도시되어 있다.
도 21에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법 중 구성 물질 별 두께 정보가 포함된 하나의 영상을 생성하는 과정을 나타낸 순서도가 도시되어 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법의 일 측면에 관한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
도 1에는 엑스선이 대상체를 투과할 때 발생되는 현상을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
입자성과 파동성을 모두 갖는 엑스선을 전자기파로 파악하면, 도 1에 도시된 바와 같이 엑스선은 대상체를 통과하면서 진폭이 감소하고 위상 변이(δ, phase shift)가 발생한다. 엑스선의 진폭이 감소하는 것은 대상체를 구성하는 물질에 의해 엑스선이 흡수(β)되었기 때문이며, 이를 엑스선의 감쇠(attenuation)이라 한다.
도 2에는 엑스선의 감쇠 특성을 이용하여 엑스선 영상을 획득하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
대상체를 구성하는 물질마다 엑스선의 감쇠 특성, 즉 엑스선을 흡수하는 정도가 다르다. 기존에는 엑스선의 감쇠 특성을 이용하여 대상체 내부를 영상화하였는바, 이하 상술할 실시예에서는 엑스선의 감쇠 특성을 이용한 영상을 흡수 영상이라 하기로 한다. 흡수 영상을 생성하기 위해서는, 도 2에 도시된 바와 같이 엑스선 소스(1)에서 엑스선을 발생시켜 대상체(3)에 조사하고 대상체(3)를 투과한 엑스선을 대상체(3)와 인접한 거리에 위치하거나 대상체와 접촉된 엑스선 검출기(2)를 통해 검출한다. 검출된 엑스선의 세기(intensity)는 엑스선의 감쇠 정보를 포함하므로 이를 이용하여 대상체의 흡수 영상을 생성할 수 있다.
도 3에는 엑스선의 감쇠 특성과 위상 변이 특성의 민감도를 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
엑스선이 대상체를 통과하면서 그 위상이 변이되는 것은 대상체를 구성하는 물질에 의해 엑스선에 굴절 밀 간섭 현상이 나타나기 때문이다. 엑스선의 감쇠 특성을 나타내는 지수를 β라 하고, 위상 변이 특성을 나타내는 지수를 δ라 하면, 이 두 계수의 비율인 민감도 비율(δ/β, sensitivity ratio)은 도 3에 도시된 바와 같다. 도 3을 참조하면, 엑스선의 에너지와 대상체를 구성하는 물질에 따라 민감도 비율이 달라지기는 하나, 위상 변이 특성이 감쇠 특성보다 최대 수천배까지 민감하게 나타남을 알 수 있다.
도 4a에는 유방의 내부 구성 물질을 모식적으로 나타낸 도면이 도시되어 있고, 도 4b에는 유방의 내부 구성 물질에 대한 감쇠계수 그래프가 도시되어 있다.
도 4a를 참조하면, 유방(50)의 조직은 유방의 둘레를 둘러싸면서 형태를 유지시켜주는 섬유 조직(51), 유방 전체에 분포되는 지방 조직(52), 모유를 생산하는 유선 조직(53), 모유의 이동 통로인 유관 조직(54) 등으로 구성된다. 이 중에서 유선 조직(53)과 유관 조직(54) 등 모유의 생산과 공급에 관계되는 조직을 유방의 실질 조직(fibroglandular tissue)이라 하는바, 도 4b에 도시된 바와 같이 실질 조직은 종양(tumour) 등의 병변과 엑스선의 감쇠 계수(μ)가 유사하다.
또한, 유방은 연조직으로만 이루어지기 때문에 도 4b에 도시된 바와 같이 그 내부 구성 물질 간의 엑스선 감쇠 특성에 차이가 크지 않다. 따라서, 흡수 영상 만으로는 유방의 내부 구성 물질에 대한 정확한 정보를 얻기 어렵다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이, 엑스선의 위상 변이 특성이 감쇠 특성보다 수십배 내지 수천배 더 민감하게 나타나므로, 유방과 같이 구성 물질 별 감쇠 특성 차이가 크지 않은 대상체는 엑스선의 위상 변이 특성을 이용하여 더 선명하고 구분력이 강화된 엑스선 영상을 얻을 수 있다.
대상체를 구성하는 물질마다 엑스선의 위상 변이 특성이 다르게 나타난다는 점을 이용하여 대상체 내부를 영상화하는 기술을 위상차 영상화(phase contrast imaging) 기술이라 하고, 위상차 영상화 기술을 통해 생성된 영상을 위상차 영상이라 한다.
위상차 영상을 생성하는 방식으로는 간섭계 측정법(interferometry), 회절 증강 영상법(diffraction-enhanced imaging), 인라인 위상차 영상법(in-line phase contrast imaging) 및 회절 격자 간섭계 측정법(grating interferometry) 등이 있다. 이 중 인라인 위상차 영상법은 회절 격자나 반사판과 같은 별도의 광학적 부품을 요하지 않고 일반적인 엑스선 영상 장치와 유사한 구성으로 구현될 수 있는바, 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치는 인라인 위상차 영상법을 적용하여 위상차 영상을 획득하는 것으로 한다.
도 5a에는 위상차 영상을 획득하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있고, 도 5b에는 엑스선 검출기를 이동시키면서 위상차 영상을 획득하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
인라인 위상차 영상법에 의하면, 도 5a에 도시된 바와 같이, 엑스선 검출기(20)를 대상체(3)로부터 R2만큼 이격된 거리에 위치시키고, 대상체(3)는 엑스선 소스(10)로부터 R1만큼 이격된 거리에 위치시킨다. 그리고, 엑스선 소스(10)에서 대상체(3)에 엑스선을 조사하면, 조사된 엑스선이 대상체(3)를 투과한 후, 대상체(3)로부터 R2만큼 이격된 엑스선 검출기(20)에 의해 검출된다. 여기서, R1와 R2는 대상체의 특성이나 엑스선 촬영 조건에 따라 결정될 수 있다.
대상체(3)와 엑스선 검출기(20) 사이의 공간을 자유 공간(free space)이라 하며, 대상체(3)를 투과한 엑스선이 자유 공간에서 전파(propagation)되는 동안 엑스선의 위상 변이가 엑스선 검출기(20)에 의해 검출되는 엑스선의 세기에 반영된다. 즉, 대상체(3)와 엑스선 검출기(20)가 일정 거리만큼 이격되어 그 사이에 자유 공간이 존재하면, 대상체(30)를 투과하면서 발생된 엑스선의 위상 변이에 관한 정보가 검출 가능한 엑스선의 세기에 반영된다.
다만, 인라인 위상차 영상법에 의해 위상차 영상을 획득하기 위해서는 서로 다른 특성을 갖는 위상 변이 정보가 필요하다. 도 5b에 도시된 바와 같이 자유 공간 상에서 엑스선의 전파 거리(R2',R2'',R2''')에 따라 파면(wavefront)이 왜곡되는 정도가 달라지고 이는 곧 엑스선의 세기에 위상 변이 정보가 반영되는 정도가 달라짐을 의미한다. 즉, 대상체(3)와 엑스선 검출기(20) 사이의 거리에 따라 엑스선의 세기에 반영되는 위상 변이 정보의 특성이 달라진다. 따라서, 도 5b에 도시된 바와 같이, 엑스선 검출기(20)의 위치를 2회 이상 바꿔가면서 엑스선을 검출하여 서로 다른 특성을 갖는 복수의 위상차 영상 신호를 획득하고, 이를 이용하여 위상차 영상을 생성한다.
그러나, 엑스선 검출기(20)의 위치를 이동시켜가면서 촬영을 할 경우, 대상체(3)의 움직임에 의한 모션 아티팩트(motion artifact)가 발생할 수 있고, 엑스선 촬영을 여러 번 수행해야 하므로 대상체(3)가 엑스선에 과다하게 노출되는 문제가 있다.
따라서, 개시된 발명의 일 측면에 따른 엑스선 영상 장치는 엑스선 검출기를 이동시키지 않고 한 위치에서 엑스선 촬영을 수행하여 서로 다른 에너지 대역 별 영상 신호를 획득한다.
도 6에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치에 관한 제어 블록도가 도시되어 있고, 도 7에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 외관도가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 엑스선 영상 장치(100)는 엑스선을 발생시켜 대상체에 조사하는 엑스선 소스(110), 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 서로 다른 복수의 에너지 대역 별 영상 신호를 획득하는 엑스선 검출기(120), 에너지 대역 별 영상 신호를 이용하여 대상체를 구성하는 구성 물질에 대한 정량적인 정보를 획득하는 영상 제어부(130) 및 획득된 정량적인 정보를 표시하는 디스플레이부(141)를 포함한다. 엑스선 검출기(120)에서 출력되는 픽셀 별 신호를 이용하면 위상차 영상을 생성할 수 있으므로, 이하 상술할 실시예에서는 엑스선 검출기(120)에서 출력되는 엑스선의 세기에 관한 신호를 위상차 영상 신호라 하기로 한다.
도 7을 참조하면, 엑스선 소스(110)와 엑스선 검출기(120)는 하우징(101)에 상하 방향으로 이동 가능하게 장착되며, 대상체(3)는 고정 어셈블리(103)에 의해 고정될 수 있다. 고정 어셈블리(103) 역시 하우징(101)에 상하 방향으로 이동 가능하게 장착되며, 대상체(3)를 지지하는 지지대(103b)와 대상체(3)를 압착하는 압착 패들(103a)을 포함할 수 있다.
유방과 같이 연조직으로 이루어진 대상체를 촬영하는 경우에는 고정 어셈블리(103)에 의해 대상체를 압착 및 고정하는 것이 필요하지만, 대상체에 따라 엑스선 촬영에 있어 압착이나 고정이 필요하지 않은 경우도 있다. 따라서, 엑스선 영상 장치(100)는 대상체에 따라 고정 어셈블리(103)를 구비하지 않거나, 고정 어셈블리(103) 중 지지대(103b)만 구비하는 것도 가능하다.
대상체(3)는 인체를 포함하는 생체일 수도 있고, 생체가 아니더라도 엑스선이 투과되어 그 내부가 영상화될 수 있는 것이면, 엑스선 영상 장치(100)의 촬영 대상인 대상체(3)가 될 수 있다.
엑스선 소스(110)와 고정 어셈블리(103)의 위치를 조절하여 엑스선 소스(110)와 대상체(3) 사이의 거리(R1)를 제어할 수 있으며, 고정 어셈블리(103)와 엑스선 검출기(120)의 위치를 조절하여 대상체(3)와 엑스선 검출기(120) 사이의 거리(R2)를 제어할 수 있다.
엑스선 소스(110)와 대상체(3) 사이의 거리(R1) 및 대상체(3)와 엑스선 검출기(120) 사이의 거리(R2)가 적절하게 설정되면, 엑스선 소스(110), 고정 어셈블리(103) 및 엑스선 검출기(120)의 위치를 설정된 거리(R1,R2)에 대응되는 위치에 고정하고 엑스선 촬영을 수행한다.
엑스선 촬영을 통해 엑스선 검출기(120)가 서로 다른 특성을 갖는 복수의 위상차 영상 신호를 획득하여 출력하면 영상 제어부(130)가 이를 이용하여 대상체의 구성 물질에 관한 정량적인 정보를 획득하고, 대상체의 위상차 영상 또는 흡수 영상을 생성한다. 여기서, 위상차 영상 신호가 갖는 서로 다른 특성은 대상체와 엑스선 검출기(120) 사이의 거리에 따라 달라지는 특성이 아니라 위상차 영상 신호에 대응되는 에너지 대역에 따라 달라지는 특성이다.
호스트 장치(140)에는 영상 제어부(130)에서 생성한 영상을 표시하는 디스플레이부(141)와 엑스선 영상 장치(100)의 동작에 관한 사용자의 명령을 입력받는 입력부(142)가 구비된다.
이하, 엑스선 영상 장치(100)의 각 구성요소의 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
엑스선 소스(110)는 전원 공급부로부터 전원을 공급받아 엑스선을 발생시키며, 관전압에 의해 엑스선의 에너지가 제어될 수 있고, 관전류 및 엑스선 노출 시간에 의해 엑스선의 세기 또는 선량이 제어될 수 있다.
조사되는 엑스선이 일정 에너지 대역을 갖는 경우, 에너지 대역은 상한과하한에 의해 정의될 수 있다. 에너지 대역의 상한, 즉 조사되는 엑스선의 최대 에너지는 관전압의 크기에 의해 조절될 수 있고, 에너지 대역의 하한, 즉 조사되는 엑스선의 최소 에너지는 엑스선 소스(110)의 내부 또는 외부에 구비된 필터에 의해 조절될 수 있다. 필터를 이용하여 저에너지 대역의 엑스선을 여과시키면, 조사되는 엑스선의 평균 에너지를 높일 수 있다.
위상차 영상을 생성하기 위해서는 조사되는 엑스선의 위상이 모두 일치해야 하는바, 이러한 특성을 갖는 엑스선을 공간적 결맞음 엑스선(spatial coherent x-ray)이라 한다. 따라서, 엑스선 소스(110)는 높은 공간적 결맞음성을 갖는 방사광(synchrotron radiation), 엑스선 레이저 또는 고차조화파를 발생시키는 장치로 구현되거나 일반적인 엑스선 튜브를 이용하여 초점 크기(focal spot size)를 축소시킨 점광원(point source)으로 구현될 수 있다.
도 8에 엑스선 소스에 포함되는 엑스선 튜브 내부의 구성이 도시되어 있다.
전술한 바와 같이, 개시된 발명의 일 실시예에서는 엑스선 영상 장치(100)가 일반적인 엑스선 튜브(111)를 사용하여 공간적 결맞음 엑스선을 조사하는 것이 가능하다.
도 8을 참조하면, 엑스선 소스(110)는 엑스선 튜브(111)를 포함하며, 엑스선 튜브(111)는 양극(111c)과 음극(111e)을 포함하는 2극 진공관으로 구현될 수 있다. 음극(111e)은 필라멘트(311h)와 전자를 집속시키는 집속 전극(111g)을 포함하며, 집속 전극(311g)은 포커싱 컵(focusing cup)이라고도 한다.
유리관(111a) 내부를 약 10mmHg 정도의 고진공 상태로 만들고 음극의 필라멘트(111h)를 고온으로 가열하여 열전자를 발생시킨다. 필라멘트(111h)의 일 예로 텅스텐 필라멘트를 사용할 수 있고 필라멘트에 연결된 전기도선(111f)에 전류를 가하여 필라멘트(111h)를 가열할 수 있다.
양극(111c)은 주로 구리로 구성되고, 음극(111e)과 마주보는 쪽에 타겟 물질(111d)이 도포 또는 배치되며, 타겟 물질로는 Cr, Fe, Co, Ni, W, Mo 등의 고저항 재료들이 사용될 수 있다. 타겟 물질의 녹는점이 높을수록 초점 크기(focal spot size)가 작아진다. 여기서, 초점은 실효 초점(effective focal spot)을 의미한다. 또한, 타겟 물질은 일정 각도로 기울어져 있는바, 기울어진 각도가 작을수록 초점 크기가 작아진다.
그리고 음극(111e)과 양극(111c) 사이에 고전압을 걸어주면 열전자가 가속되어 양극의 타겟 물질(111g)에 충돌하면서 엑스선을 발생시킨다. 발생된 엑스선은 윈도우(111i)를 통해 외부로 조사되며, 윈도우의 재료로는 베릴륨(Be) 박막을 사용할 수 있다. 이 때, 윈도우(111i)의 전면 또는 후면에는 필터를 위치시켜 특정 에너지 대역의 엑스선을 필터링할 수 있다.
타겟 물질(111d)은 로터(111b)에 의해 회전할 수 있으며, 타겟 물질(111d)이 회전하게 되면 고정된 경우에 비해 열 축적율이 단위 면적당 10배 이상 증대될 수 있고, 초점 크기가 감소된다.
엑스선 튜브(111)의 음극(111e)과 양극(111c) 사이에 가해지는 전압을 관전압이라 하며, 그 크기는 파고치 kvp로 표시할 수 있다. 관전압이 증가하면 열전자의 속도가 증가되고 결과적으로 타겟 물질에 충돌하여 발생되는 엑스선의 에너지(광자의 에너지)가 증가된다. 엑스선 튜브(111)에 흐르는 전류는 관전류라 하며 평균치 mA로 표시할 수 있고, 관전류가 증가하면 필라멘트에서 방출되는 열전자의 수가 증가하고 결과적으로 타겟 물질(111d)에 충돌하여 발생되는 엑스선의 선량(엑스선 광자의 수)이 증가된다.
따라서, 관전압에 의해 엑스선의 에너지가 제어될 수 있고, 관전류 및 엑스선 노출 시간에 의해 엑스선의 세기 또는 선량이 제어될 수 있는 것이다. 더 구체적으로, 조사되는 엑스선이 일정 에너지 대역을 갖는 경우, 에너지 대역은 상한과 하한에 의해 정의될 수 있다. 에너지 대역의 상한, 즉 조사되는 엑스선의 최대 에너지는 관전압의 크기에 의해 조절될 수 있고, 에너지 대역의 하한, 즉 조사되는 엑스선의 최소 에너지는 필터에 의해 조절될 수 있다. 필터를 이용하여 저에너지 대역의 엑스선을 여과시키면, 조사되는 엑스선의 평균 에너지를 높일 수 있다.
엑스선 검출기(120)에서 복수의 에너지 대역 별로 위상차 영상 신호를 획득하기 위해, 엑스선 소스(111)는 다색광(polychromatic) 엑스선을 조사할 수 있고 다색광 엑스선의 에너지 대역은 상한과 하한에 의해 정의될 수 있다.
개시된 발명의 일 실시예에서는 엑스선 영상 장치(100)가 일반적인 엑스선 튜브(111)를 사용하여 공간적 결맞음성 엑스선을 조사하는 것이 가능하다. 예를 들어, 초점 크기를 수 μm 내지 수십 μm 수준으로 작게 만들면, 공간적 결맞음성 엑스선을 발생시킬 수 있다. 앞서 타겟 물질(111d)의 녹는 점 및 회전 속도가 클수록, 기울기 각도가 작을 수록 초점 크기가 작아진다고 하였는바, 그 밖에도 초점 크기는 관전압, 관전류, 필라멘트의 크기, 집속 전극의 크기, 양극과 음극 사이의 거리 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 상기 조건 중 제어 가능한 조건을 조절하여 초점 크기를 수 μm 내지 수십 μm 수준으로 작게 만들면, 공간적 결맞음성 엑스선을 발생시킬 수 있고, 초점 크기는 대상체의 특성에 따라서도 달라질 수 있다.
도면에 도시되지는 않았으나, 엑스선 영상 장치(100)에는 자동 노출 제어기(Auto Exposure Controller)가 구비되어 관전압, 관전류, 노출 시간, 양극의 타겟 물질의 종류, 필터의 종류 등의 촬영 조건을 제어할 수 있다. 이를 위해, 프리샷(pre-shot)을 수행하고, 프리샷 영상으로부터 대상체의 특성을 파악하여 대상체의 특성에 맞는 촬영 조건을 설정할 수 있다. 아울러, 엑스선 소스(110)와 대상체(3) 사이의 거리 및 대상체(3)와 엑스선 검출기(120) 사이의 거리도 대상체의 특성에 따라 조절될 수 있고, 초점 크기 역시 대상체의 특성에 따라 조절되는 것이 가능하다.
엑스선 검출기(120)는 대상체를 투과한 엑스선을 검출하고, 검출된 엑스선을 전기적인 신호로 변환하여 위상차 영상 신호를 획득한다.
일반적으로, 엑스선 검출기는 재료 구성 방식, 검출된 엑스선을 전기적인 신호로 변환시키는 방식 및 영상 신호를 획득하는 방식에 따라 구분될 수 있다.
먼저, 엑스선 검출기는 재료 구성 방식에 따라 단일형 소자로 구성되는 경우와 혼성형 소자로 구성되는 경우로 구분된다.
단일형 소자로 구성되는 경우는, 엑스선을 검출하여 전기적 신호를 발생시키는 부분과 전기적 신호를 읽고 처리하는 부분이 단일 소재의 반도체로 구성되거나, 단일 공정으로 제조되는 경우에 해당하며, 예를 들어, 수광 소자인 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)를 단일하게 이용하는 경우이다.
혼성형 소자로 구성되는 경우는, 엑스선을 검출하여 전기적 신호를 발생시키는 부분과 전기적 신호를 읽고 처리하는 부분이 각기 다른 소재로 구성되거나, 다른 공정으로 제조되는 경우에 해당한다. 예를 들어, 포토다이오드나 CdZnTe 등의 수광 소자를 이용하여 엑스선을 검출하고 CMOS ROIC(Read Out Intergrated Circuit)을 이용하여 전기적 신호를 읽고 처리하는 경우, 스트립 검출기를 이용하여 엑스선을 검출하고 CMOS ROIC를 이용하여 전기적 신호를 읽고 처리하는 경우 및 a-Si 또는 a-Se 플랫 패널 시스템을 이용하는 경우 등이 있다.
그리고, 엑스선 검출기는 엑스선을 전기적 신호로 변환시키는 방식에 따라 직접변환방식과 간접변환방식으로 구분된다.
직접변환방식에서는, 엑스선이 조사되면 수광 소자 내부에 일시적으로 전자-정공 쌍이 생성되고, 수광 소자의 양단에 인가되어 있는 전장에 의해 전자는 양극으로 정공은 음극으로 이동하는바, 엑스선 검출기가 이러한 이동을 전기적 신호로 변환한다. 직접변환방식에서 수광 소자에 사용되는 물질은 a-Se, CdZnTe, HgI2, PbI2 등이 있다.
간접변환방식에서는, 수광 소자와 엑스선 소스 사이에 섬광체(scintillator)를 구비하여 엑스선 소스에서 조사된 엑스선이 섬광체와 반응하여 가시광 영역의 파장을 갖는 광자(photon)를 방출하면 이를 수광 소자가 감지하여 전기적 신호로 변환한다. 간접변환방식에서 수광 소자로 사용되는 물질은 a-Si 등이 있고, 섬광체로는 박막 형태의 GADOX 섬광체, 마이크로 기둥형 또는 바늘 구조형 CSI(T1) 등이 사용된다.
또한, 엑스선 검출기는 영상 신호를 획득하는 방식에 따라, 전하를 일정시간 동안 저장한 후에 그로부터 신호를 획득하는 전하 누적 방식(Charge Integration Mode)과 단일 엑스선 광자에 의해 신호가 발생될 때마다 문턱 에너지(threshold energy) 이상의 에너지를 갖는 광자를 계수하는 광자 계수 방식(Photon Counting Mode)으로 구분된다.
한편, 엑스선 검출기(120)의 재료 구성 방식과 전기적인 신호의 변환 방식에는 제한이 없으나 이하 상술할 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 엑스선으로부터 전기 신호를 직접 획득하는 직접 변환 방식 및 엑스선을 검출하는 수광 소자와 독출 회로 칩이 결합되는 하이브리드 방식을 적용하는 것으로 하여 구체적인 실시예를 설명하도록 한다.
도 9에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 엑스선 검출기의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 9를 참조하면, 엑스선 검출기(120)는 엑스선을 검출하여 전기적인 신호로 변환하는 수광 소자(121)와 전기적인 신호를 읽어 내는 독출 회로(122)를 포함한다. 여기서, 독출 회로(122)는 복수의 픽셀 영역을 포함하는 2차원 픽셀 어레이 형태로 이루어진다. 수광 소자(121)를 구성하는 물질로는 낮은 에너지와 적은 선량에서의 높은 해상도와 빠른 응답 시간 및 높은 동적 영역을 확보하기 위하여 단결정 반도체 물질을 사용할 수 있고, 단결정 반도체 물질은 Ge, CdTe, CdZnTe, GaAs 등이 있다.
수광 소자(121)는 고저항의 n형 반도체 기판(121b)의 하부에 p형 반도체가 2차원 픽셀 어레이 구조로 배열된 p형 층(121c)을 접합하여 PIN 포토다이오드 형태로 형성할 수 있고, CMOS 공정을 이용한 독출 회로(122)는 각 픽셀 별로 수광 소자(121)와 결합된다. CMOS 독출 회로(122)와 수광 소자(121)는 플립 칩 본딩 방식으로 결합할 수 있는바, 땜납(PbSn), 인듐(In) 등의 범프(bump)(123)를 형성한 후 reflow하고 열을 가하며 압착하는 방식으로 결합할 수 있다. 다만, 상술한 구조는 엑스선 검출기(120)의 일 실시예에 불과하며, 엑스선 검출기(120)의 구조가 이에 한정되는 것은 아니다.
엑스선 영상 장치(100)는 대상체의 위상차 영상을 생성하기 위하여 서로 다른 복수의 에너지 대역 별로 위상차 영상 신호를 각각 획득한다. 이를 위해, 엑스선 소스(110)에서 서로 다른 에너지 대역의 엑스선을 각각 조사할 수도 있고, 엑스선 소스(110)에서는 복수의 에너지 대역을 포함하는 광대역 엑스선을 한 번 조사하고 엑스선 검출기(120)에서 이를 검출하여 복수의 에너지 대역 별로 분리할 수도 있다.
도 10에는 엑스선 소스에서 조사할 수 있는 엑스선의 에너지 대역을 개략적으로 나타낸 그래프가 도시되어 있다.
서로 다른 에너지 대역 별 위상차 영상 신호를 획득하기 위한 일 예시로서, 전술한 바와 같이 엑스선 소스(110)에서 서로 다른 에너지 대역의 엑스선을 각각 조사할 수 있고, 조사되는 에너지 대역의 일 예시는 도 10과 같이 나타낼 수 있다.
도 10을 참조하면, 엑스선 소스(110)는 제1에너지 대역(E1)의 엑스선, 제2에너지 대역(E2)의 엑스선 및 제3에너지 대역(E3)의 엑스선을 각각 조사할 수 있고, 상기 복수의 에너지 대역은 일부 겹칠 수 있다.
각 에너지 대역의 엑스선을 발생시키기 위한 일 예로서, 제1에너지 대역(E1)의 엑스선을 조사하기 위해 엑스선 소스(110)에 25kVp의 관전압을 공급하여 25keV를 최대 에너지(E1max)로 갖는 엑스선을 발생시킨다. 그리고 엑스선 소스(110)의 내부 또는 외부에 구비된 필터를 이용하여 조사되는 엑스선의 최소 에너지(E1min)를 10keV로 조절한다. 이로써, 제1에너지 대역(E1:10-25keV)을 갖는 엑스선이 조사된다.
마찬가지로, 제2에너지 대역(E2)의 엑스선을 조사하기 위해 엑스선 소스(110)에 35kVp의 관전압을 공급하여 35keV를 최대 에너지(E2max)로 갖는 엑스선을 발생시키고, 필터를 이용하여 조사되는 엑스선의 최소 에너지(E2min)를 15keV로 조절한다. 이로써, 제2에너지 대역(E2:15-35keV)을 갖는 엑스선이 조사된다.
마찬가지로, 제3에너지 대역(E3)의 엑스선을 조사하기 위해 엑스선 소스(110)에 50kVp의 관전압을 공급하여 50keV를 최대 에너지(E3max)로 갖는 엑스선을 발생시키고, 필터를 이용하여 조사되는 엑스선의 최소 에너지(E3min)를 30keV로 조절한다. 이로써, 제3에너지 대역(E3:30-50keV)을 갖는 엑스선이 조사된다.
엑스선 검출기(120)는 조사된 엑스선을 각각 검출하고, 전기적 신호 즉,위상차 영상 신호로 변환하여 영상 제어부(130)로 전송한다.
서로 다른 에너지 대역 별 위상차 영상 신호를 획득하기 위한 다른 예시로서, 전술한 바와 같이 엑스선 검출기(120)에서 엑스선을 검출하여 복수의 에너지 대역 별로 분리할 수 있다.
이 경우에는, 엑스선 소스(110)에서는 복수의 에너지 대역(E1-E3)을 포함하는 광대역 엑스선을 조사하고, 엑스선 검출기(120)가 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 E1, E2, E3 복수의 에너지 대역 별로 각각 분리한다. 이하, 검출된 엑스선을 에너지 대역 별로 분리할 수 있는 엑스선 검출기(120)의 구조를 설명하도록 한다.
도 11a에는 도 9에 도시된 엑스선 검출기의 단일 픽셀 영역의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있고, 도 11b에는 검출된 엑스선을 복수 에너지 대역 별로 분리할 수 있는 단일 픽셀 영역의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 11a를 참조하면, 엑스선의 광자(photon)가 수광 소자(121)에 입사하게 되면 가전도대에 있던 전자들이 광자의 에너지를 전달 받아 밴드 갭 에너지 차이를 넘어 전도대로 여기 된다. 이로써 공핍 영역에서 전자-정공 쌍이 발생된다.
수광 소자(121)의 P형 층과 n형 기판에 각각 메탈 전극을 형성하고 역방향 바이어스를 걸어주면 공핍 영역에서 발생된 전자-정공 쌍 중 전자는 n형 영역으로, 정공은 p형 영역으로 끌려간다. 그리고, p형 영역으로 끌려간 정공이 범프 본딩(123)을 통해 독출 회로(122)로 입력되어 광자에 의해 발생된 전기 신호를 읽을 수 있도록 한다. 그러나, 수광 소자(121)의 구조와 걸어주는 전압 등에 따라 독출 회로(122)에 전자가 입력되어 전기 신호를 생성하는 것도 가능하다.
독출 회로(122)는 수광 소자(121)의 p형 반도체와 대응되는 2차원 픽셀 어레이 구조로 형성될 수 있으며, 각 픽셀 별로 전기 신호를 읽어 낸다. 범프 본딩(123)을 통해 수광 소자(121)에서 독출 회로(122)로 전하가 입력되면, 독출 회로(122)의 전증폭기(pre-amplifier)(122a)에서 하나의 광자로부터 발생된 입력 전하를 축적(charging)하고 이에 대응되는 전압 신호를 출력한다.
그리고, 전증폭기(122a)에서 출력된 전압 신호는 비교기(122b)로 전달되고, 비교기(122b)는 외부에서 제어될 수 있는 문턱 전압(threshold voltage)과 입력 전압신호를 비교하여 그 결과에 따라 ‘1’ 또는 ‘0’의 펄스 신호를 출력하고, 카운터(122c)에서는 ‘1’이 몇 번 나왔는지를 계수하여 디지털 형태로 영상 신호를 출력한다. 픽셀 별 영상 신호를 조합하면 대상체의 엑스선 영상을 획득할 수 있다.
여기서, 문턱 전압은 문턱 에너지(threshold energy)에 대응되는 것으로서, E 이상의 에너지를 갖는 광자의 개수를 계수하고자 하는 경우 문턱 에너지 E에 대응되는 문턱 전압을 비교기(122b)에 입력한다. 문턱 에너지와 문턱 전압을 대응시킬 수 있는 것은, 광자가 갖는 에너지에 따라 수광 소자에서 발생되는 전기적인 신호(전압)의 크기가 달라지기 때문이다. 따라서, 광자의 에너지와 발생되는 전압 사이의 관계식을 이용하여 원하는 문턱 에너지에 대응되는 문턱 전압을 계산할 수 있고, 이하 상술할 실시예에서 엑스선 검출기(120)에 문턱 에너지를 입력한다는 것은 문턱 에너지에 대응되는 문턱 전압을 입력한다는 것과 같은 의미로 사용될 수 있다.
개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치(100)는 에너지 대역 별로 서로 다른 특성을 갖는 위상차 영상 신호를 획득하기 위해 엑스선 소스(110)는 복수의 에너지 대역을 포함하는 엑스선 즉, 광대역 엑스선을 1회 조사하고, 엑스선 검출기(120)가 이를 검출하여 복수의 에너지 대역 별로 분리할 수 있다.
이를 위해, 도 11b에 도시된 바와 같이 비교기와 카운터를 복수 개 비교하여 복수의 에너지 대역 별로 광자를 계수한다. 도 11b의 예시에는 비교기와 카운터를 각각 3개씩 구비하는 것으로 하였으나, 개시된 발명의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고 분리하고자 하는 에너지 대역의 수에 따라 비교기와 카운터를 구비할 수 있다.
도 11b를 참조하면, 단일 광자에 의해 발생된 전자 또는 정공이 전증폭기(122a)로 입력되어 전압 신호로 출력되면 이 전압 신호는 3 개의 비교기(122b-1,122b-2,122b-3)로 입력된다. 그리고 각각의 비교기에 문턱 전압 1(Vth1) 내지 문턱 전압 3(Vth3)을 입력하면 비교기 1(122b-1)에서는 문턱 전압 1과 입력 전압을 비교하고 카운터 1(122b-1)에서는 문턱 전압 1보다 큰 전압을 발생시킨 광자의 개수를 계수한다. 같은 방식으로 비교기 2(122b-2)에서는 문턱 전압 2와 입력 전압을 비교하고 카운터 2(122c-2)에서 문턱 전압 2보다 큰 전압을 발생시킨 광자의 개수를 계수하고, 비교기 3(122b-3)에서는 문턱 전압 3과 입력 전압을 비교하고 카운터 3(122c-3)에서는 문턱 전압 3보다 큰 전압을 발생시킨 광자의 개수를 계수한다.
다만, 상기 도 10에 도시된 에너지 스펙트럼과 상기 도 11a 및 도 11b에 도시된 엑스선 검출기의 구조는 엑스선 영상 장치(100)에 적용될 수 있는 일 예시에 불과하고, 엑스선 영상 장치(100)에서 조사 및 분리되는 엑스선의 에너지 대역과 그에 대응되는 엑스선 검출기의 구조가 상기 예시에 한정되는 것은 아니다. 앞서 언급한 바와 같이, 엑스선 소스(110)에서 발생되어 조사되는 엑스선의 에너지 대역은 대상체의 특성에 따라 달라질 수 있으며, 엑스선 검출기(120)에서 분리되는 에너지 대역의 범위 및 에너지 대역의 수는 대상체의 특성 또는 얻고자 하는 위상차 영상의 선명도 또는 해상도에 따라 달라질 수 있다. 분리되는 에너지 대역의 수가 많을수록 위상차 영상의 에지 강조(edge enhancement) 효과가 증대되고 더 선명해진다.
엑스선 소스(110)에서 서로 다른 에너지 대역의 엑스선을 각각 조사하든지 또는 엑스선 검출기(120)에서 검출된 엑스선을 서로 다른 에너지 대역 별로 분리하든지, 엑스선 검출기(120)는 서로 다른 에너지 대역 별 위상차 영상 신호를 획득하여 출력할 수 있다.
영상 제어부(130)는 서로 다른 에너지 대역 별 위상차 영상 신호를 이용하여 대상체의 구성 물질에 관한 정량적인 정보를 획득하고, 대상체의 위상차 영상 또는 흡수 영상을 생성하여 디스플레이부(141)를 통해 출력할 수 있다.
도 12에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 영상 제어부를 구체화한 제어 블록도가 도시되어 있고, 도 13에는 영상 제어부에 포함되는 정량 정보 획득부의 구성을 구체화한 제어 블록도가 도시되어 있다.
도 12를 참조하면, 엑스선 영상 장치(100)의 영상 제어부(130)는 엑스선 검출기(120)에서 출력한 서로 다른 에너지 대역 별 위상차 영상 신호를 이용하여 대상체의 위상차 영상을 생성하는 영상 처리부(131) 및 상기 위상차 영상 신호를 이용하여 대상체의 구성 물질에 관한 정량적인 정보를 획득하는 정량 정보 획득부(132)를 포함한다.
도 13을 참조하면, 정량 정보 획득부(132)는 대상체의 구성 물질에 관한 정량적인 정보를 추정하는 정량 정보 추정부(132a)와 추정된 정량적인 정보를 검증하는 검증부(132b)를 포함할 수 있다. 이하, 정량 정보 획득부(132)의 일 실시예를 구체적으로 설명하도록 한다.
대상체의 구성 물질은 대상체의 내부를 구성하는 물질로서, 예를 들어, 대상체가 생체인 경우에는 뼈와 연조직을 포함할 수 있고, 더 구체적으로 대상체가 인체의 유방인 경우에는 섬유 조직, 실질 조직 및 지방 조직을 포함할 수 있다. 대상체마다 그 내부를 구성하는 구성 물질의 수와 종류가 상이할 수 있는바, 대상체의 내부에는 적어도 하나의 구성 물질이 포함되는 것으로 한다.
구체적으로, 정량 정보 추정부(132a)는 서로 다른 에너지 대역 별 위상차 영상 신호와 정량 정보 사이의 관계식을 이용하여 근사 정량 정보를 연산하고, 여기에 정규화(regularization) 함수를 반복적으로 적용하여 구성 물질의 정량 정보를 추정할 수 있다.
그리고, 검증부(132b)는 추정된 정량 정보의 신뢰도를 검증하기 위해 미리 설정된 검증 조건의 만족 여부를 판단한다.
엑스선 영상 장치(100)에서 획득할 수 있는 정량적인 정보의 일 실시예로서, 구성 물질의 두께를 들 수 있는바, 이하 정량 정보 획득부(132)에서 구성 물질의 두께를 획득하는 것으로 하여 구체적인 실시예를 설명한다.
먼저, 에너지 대역 별 위상차 영상 신호와 M(≥1인 정수)개의 구성 물질각의 두께(tj) 사이의 관계를 흡수 계수(μj)와 위상 변이 계수(φj)를 이용하여 아래 [수학식 1]로 근사할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001

IEi는 서로 다른 복수의 에너지 대역 중 i번째 에너지 대역에 대응되는 위상차 영상 신호를 나타내며, IEi FF는 해당 에너지 대역에서 대상체 없이(flat-field) 획득된 위상차 영상 신호를 나타낸다. IEi과 IEi FF는 모두 픽셀 값이거나, 미리 정의된 일정 영역의 대표값일 수 있다. 그리고, z는 대상체와 엑스선 검출기(120) 사이의 거리 즉, 자유 공간 전파 거리이다.
대상체의 총 두께(L)를 안다고 가정하면, 상기 [수학식 1]은 아래 [수학식 2]와 같이 정리될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002

여기서,
Figure pat00003
이고,
Figure pat00004
이다. 엑스선 검출기(120)에서 N(≥M인 정수)개의 서로 다른 에너지 대역에 대응되는 위상차 영상 신호를 획득하면, 정량 정보 추정부(132a)는 상기 [수학식 2]를 이용하여 M개의 구성 물질 각각의 근사 두께를 연산할 수 있다. 이 때, 각 물질의 흡수 계수(μj)와 위상 변이 계수(φj)는 정량 정보 추정부(132a)에 사전 정보로서 미리 제공받아 설정될 수 있고, 대상체의 총 두께(L)는 고정 어셈블리(103)로부터 압축 패들(103a)과 지지대(103b) 간의 거리에 관한 정보를 제공받아 설정될 수 있다. 한편, 상기 [수학식 2]를 이용한 근사 두께의 연산은 픽셀 별 또는 미리 정의된 영역 별로 수행될 수 있다.
정량 정보 추정부(132a)는 연산된 근사 두께에 정규화(regularization) 함수를 반복적(iterative)으로 적용하여 추정되는 두께 정보의 신뢰도를 향상시킬 수 있는바, 일 예로서, 하기 [수학식 3]에 따른 정규화 함수를 적용할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00005

여기서,
Figure pat00006
이고,
Figure pat00007
이다. A는 구성 물질의 두께를 상기 [수학식 2]에 따라
Figure pat00008
로 변환하는 오퍼레이터이고, αj는 오차 검색 비율을 조정하는 특정 상수값이다.
Figure pat00009
는 상기 [수학식 3]에 의해 새로 추정되는 두께 정보로서, 새로 추정된 두께 정보를 다시 [수학식 3]의 arg min 함수에 대입하여 새로운 두께 정보를 추정한다.
상기 [수학식 3]의 정규화 함수는 추정되는 두께 정보의 오차를 최소화시키는 함수로서, 이는 정규화 함수의 일 예시에 불과하다. 따라서, 정량 정보 추정부(132a)에서 적용되는 정규화 방식은 상기 [수학식 3]에 한정되지 않는다.
검증부(132b)는 추정된 두께의 신뢰도를 검증하여 정규화 함수의 적용을 중단해도 되는지 여부를 판단한다. 이를 위해, 검증부(132b)는 검증 조건의 만족 여부를 판단하는바, 검증 조건의 예로서, 정규화 함수의 적용이 미리 결정된 횟수만큼 수행되었는지 여부 또는 두께 오차 값이 미리 설정된 기준 값 이하인지 여부 등을 들 수 있다. 검증부(132b)에서 검증 조건이 만족된 것으로 판단하면, 정량 정보 추정부(132a)에서 마지막으로 추정한 값이 정량 정보 획득부(132)에서 최종적으로 획득되는 두께 정보가 된다. 반대로, 검증부(132b)에서 검증 조건이 만족되지 않은 것으로 판단하면, 정량 정보 추정부(132a)는 정규화 함수를 다시 적용하여 새로운 두께를 추정한다. 검증부(132b)에서의 검증은 정규화 함수의 적용 시마다 즉, 두께 정보가 추정될 때마다 이루어질 수도 있고, 또는 정규화 함수의 적용이 미리 정의된 일정 횟수만큼 수행될 때마다 이루어질 수도 있다.
정량 정보 획득부(132)에서 획득된 정량 정보는 다양한 방식으로 사용자에게 제공될 수 있는바, 일 예로서, 디스플레이부(141)를 통해 정량 정보 자체가 표시될 수도 있고, 정량 정보를 포함하는 영상을 표시할 수도 있다. 후자에 관한 설명은 후술하도록 한다.
도 14에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치에서 영상 처리부의 구성이 구체화된 제어 블록도가 도시되어 있다.
도 14를 참조하면, 영상 처리부(131)는 대상체의 위상차 영상을 생성하는 위상차 영상 생성부(131a)와 구성 물질 별 물질 영상을 생성하는 물질 영상 생성부(131b)를 포함할 수 있다.
위상차 영상 생성부(131a)는 엑스선 검출기(120)에서 출력된 서로 다른 에너지 대역 별 위상차 영상 신호를 이용하여 대상체의 위상차 영상을 생성한다. 이하, 위상차 영상을 생성하는 일 실시예를 구체적으로 설명하도록 한다.
도 15에는 위상 검색을 설명하기 위해 대상체와 엑스선 검출기의 위치를기하학적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
먼저, 위상차 영상 생성부(131a)는 엑스선 검출기(120)에서 출력된 위상차 영상 신호로부터 위상 검색(phase retrieval)을 수행한다. 이를 위해, 도 15에 도시된 기하학적 관계를 이용하는바, 도 15를 참조하면, 대상체(3)와 엑스선 검출기(120)는 x축, y축 및 z축으로 정의되는 3차원 공간 상에 위치하고, 대상체(3)는 대상체 평면 상에 존재하며 엑스선 검출기(120)는 영상 평면 상에 존재하는 것으로 한다. 여기서, z축은 엑스선이 전파되는 광축에 해당하며, 대상체 평면은 z=0, 영상 평면은 z=R에 위치하는 것으로 한다.
검출된 엑스선의 세기(I)와 위상(φ) 분포는 복소 굴절률(complex index of refraction)의 선형 적분(line integrals)의 측면에서 표현될 수 있으며, 복소 굴절률 n은 아래 [수학식 4]에 의해 정의될 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00010

여기서, 허수부인 β는 엑스선의 흡수 또는 감쇠를 나타내고, 실수부인 δ는 대상체의 구성 물질에 의한 위상 변이를 나타낸다. n은 │n-1│≪ 1을 만족하고, r은 (r⊥,z)에 의해 정의된다.
그리고, 엑스선 세기(I) 및 위상(φ)의 분포는 아래 [수학식 5] 및 [수학식6]에 의해 정의된다.
[수학식 5]
Figure pat00011
Where,
Figure pat00012

[수학식 6]
Figure pat00013

여기서, M은 흡수 또는 감쇠를 나타낸다. 복소 굴절률(n)의 허수부(β)와 실수부(δ)의 파장(λ)에 대한 의존성은 아래 [수학식 7] 및 [수학식 8]에 의해 표현될 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00014

[수학식 8]
Figure pat00015

대상체 평면 z=0에서부터 영상 평면 z=R 까지의 엑스선 전파는 프레넬 적분(Fresnel integral)에 의해 표현될 수 있으며, 프레넬 적분은 TIE(Transport of Intensity Equation)을 이용하여 아래 [수학식 9]으로 근사될 수 있다.
[수학식 9]
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018

상기 [수학식 9]에서 대상체 평면에서의 엑스선 세기 분포와 영상 평면에서의 엑스선 세기 분포가 크게 다르지 않으면, 우변은
Figure pat00019
로 대체될 수 있다.
그리고, 상기 [수학식 5] 내지 [수학식 8]를 종합하면, 상기 [수학식 9]은 하기 [수학식 10]로 다시 쓸 수 있다.
[수학식 10]
Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022

여기서, σ = λ/λ0 이고, γ = Rλ/2π 이다. 일 예로서, 엑스선 검출기(120)에서 세 개의 에너지 대역 별로 위상차 영상 신호를 분리한 경우 즉, 위상차 영상 신호가 세 개의 서로 다른 파장(λ0, λ1, λ2)에 대응되는 경우에는 하기 [수학식 11]을 정의할 수 있다.
[수학식 11]
Figure pat00023
Where,
Figure pat00024

여기서, 우변의 함수 Fi = ln[I(r⊥,R,λi)]는 엑스선 검출기(120)에서 출력된 세 개의 에너지 대역 별 위상차 영상 신호 즉, 세 개의 에너지 대역 별 엑스선의 세기를 이용하여 산출할 수 있다. 따라서, 엑스선 감쇠를 나타내는 M과 라플라시안(Laplacian) 위상 분포는 상기 [수학식 11]의 해로서 획득할 수 있으며, 위상 분포는 하기 [수학식 12]로 표현된 푸아송 방정식(Poisson equation)을 계산하여 검색될 수 있다.
[수학식 12]
Figure pat00025

위상 분포(φ)가 검색되면, 상기 [수학식 4] 내지 [수학식 6]에 의해 복소 굴절률(n)의 값이 결정된다. 위상차 영상 생성부(131a)는 전술한 과정에 의해 복소 굴절률(n)의 값을 결정하고, 이를 이용하여 대상체의 위상차 영상을 생성할 수 있다. 생성된 대상체의 위상차 영상은 대상체를 구성하는 물질의 윤곽을 뚜렷하게 나타내고, 작은 디테일도 선명하게 나타낼 수 있다.
한편, 위상차 영상 생성부(131a)는 flat field correction, noise reduction 등 엑스선 영상의 화질 향상을 위한 영상 후처리(calibration)를 수행할 수 있고, 영상 후처리를 마친 대상체의 위상차 영상은 디스플레이부(141)를 통해 표시될 수 있다.
또한, 영상 처리부(130)는 엑스선의 위상차 정보를 포함하지 않는 흡수 영상도 생성할 수 있는바, 필요에 따라 흡수 영상 또는 위상차 영상을 선택적으로 생성하거나 모두 생성하여 디스플레이부(141)를 통해 표시하는 것이 가능하다. 흡수 영상을 생성하기 위해서는 대상체(3)와 엑스선 검출기(120) 사이의 거리(R2)를 0으로 하여 엑스선 촬영을 수행할 수 있다.
물질 영상 생성부(131b)는 정량 정보 획득부(132)에서 획득한 구성 물질의 정량적인 정보를 포함하는 물질 영상을 생성한다. 일 실시예로서, 정량 정보 획득부(132)에서 구성 물질 별 두께 정보를 획득한 경우, 물질 영상 생성부(131b)는 두께 정보를 포함하는 물질 영상을 생성한다. 물질 영상은 대상체의 구성 물질 중 적어도 하나의 구성 물질이 그 두께 정보와 함께 표시되는 영상으로서, 예를 들어, 병변 영상에는 대상체의 구성 물질 중 병변이 그 두께 정보와 함께 표시된다. 물질 영상이 두께 정보를 포함하는 방식에는 여러 가지가 있다.
예를 들어, 구성 물질에 대응되는 각 픽셀의 밝기 값이 해당 픽셀에서의 두께 정보에 대응되도록 할 수 있는바, 구성 물질에 대응되는 픽셀은, 물질 영상에서 구성 물질이 위치하는 영역의 픽셀을 의미한다. 구성 물질의 두께와 엑스선 투과량 사이의 관계에 기초하여 해당 픽셀에서의 두께가 두꺼울수록 밝기 값을 높게 할 수도 있고, 또는 그 반대로 하는 것도 가능하다. 또한, 이와 함께 각 픽셀의 두께 정보를 정량적으로 표시하는 것도 가능하다.
하나의 물질 영상에는 하나의 구성 물질만이 나타나는 것도 가능하고, 엑스선 투과 방향으로 서로 겹치지 않는 둘 이상의 구성 물질이 나타나는 것도 가능하다.
생성된 물질 영상은 디스플레이부(141)를 통해 표시될 수 있다.
물질 영상 생성부(131b)는 대상체를 구성하는 모든 구성 물질에 대해 물질영상을 생성할 수도 있고, 일부 구성 물질에 대해 물질 영상을 생성할 수도 있다.
또한, 물질 영상의 생성 또는 표시는 사용자에 의해 선택될 수도 있는바, 사용자는 호스트 장치(140)의 입력부(142)를 통해 구성 물질에 대한 선택을 입력할 수 있다. 예를 들어, 대상체의 위상차 영상 또는 흡수 영상이 디스플레이부(141)를 통해 표시되고, 사용자가 표시된 영상을 보고 특정 구성 물질에 대한 선택을 입력하면 물질 영상 생성부(131b)는 선택된 구성 물질에 대한 물질 영상을 생성할 수 있다. 또는, 물질 영상 생성부(131b)에서는 모든 구성 물질에 대해 물질 영상을 생성하여 저장하고, 사용자에 의해 선택된 물질 영상만 표시하는 것도 가능하다.
또는, 대상체의 각 구성 물질의 두께 정보를 하나의 영상으로 확인할 수 있도록 하기 위해, 물질 영상 생성부(131b)가 생성한 각각의 물질 영상에 서로 다른 컬러 채널을 맵핑하고, 이들을 합성하여 하나의 영상으로 출력하는 것도 가능하다. 예를 들어, RGB 컬러 스페이스를 사용하는 경우에는, 구성 물질 A에는 R채널을 맵핑하고 구성 물질 B에는 G채널을 맵핑하고 구성 물질 C를 맵핑할 수 있다. 개시된 발명의 실시예에서 사용되는 컬러 스페이스의 종류에는 제한이 없는바, RGB 컬러 스페이스 외에도 YCbCr 컬러 스페이스, CMY 컬러 스페이스, CMYK 컬러 스페이스 등 다양한 컬러 스페이스가 사용될 수 있다.
각 물질 영상에서의 두께 정보는 맵핑된 채널 값으로 표현된다. 예를 들어, 구성 물질 A의 영상에서는 픽셀 별 두께 정보에 따라 각 픽셀의 R채널 값이 달라지고, 나머지 두 영상에 대해서도 마찬가지이다.
디스플레이부(141)에 표시된 합성된 영상에서, 각 구성 물질은 서로 다른 컬러로 구별되고, 각 구성 물질의 두께 정보는 컬러의 밝기로서 표현될 수 있다.
도 16에는 정량 정보 맵을 생성할 수 있는 엑스선 영상 장치에 관한 제어 블록도가 도시되어 있다.
도 16을 참조하면, 영상 제어부(130)는 정량 정보 획득부(132)에서 획득한정량 정보가 픽셀 별로 또는 미리 설정된 영역 별로 맵핑된 정량 정보 맵을 구성 물질 별로 생성하는 맵 생성부(133)를 더 포함할 수 있다.
획득되는 정량 정보가 두께 정보인 것으로 하여 설명하면, 맵 생성부(133)는 정량 정보 획득부(132)에서 획득한 두께 정보를 그에 대응되는 픽셀 또는 미리 설정된 영역에 맵핑시켜 두께 정보 맵을 생성한다. 구체적인 예로서, 구성 물질 A가 m개의 픽셀 영역에 위치하는 경우, 구성 물질 A의 두께 정보 맵에는 m개 픽셀 영역 각각에 대응되는 구성 물질 A의 두께 정보가 픽셀 별로 맵핑되어 저장될 수 있다. 맵 생성부(133)는 이러한 두께 정보 맵을 구성 물질 별로 생성하여 저장한다.
영상 처리부(131)는 맵 생성부(133)에 저장된 정량 정보 맵을 이용하여 구성 물질 별 정량 정보를 사용자에게 제공할 수 있다.
이하, 개시된 발명의 일 측면에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 실시예를 설명하도록 한다.
도 17에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 순서도가 도시되어 있다.
도 17을 참조하면, 먼저 대상체에 대한 서로 다른 에너지 대역 별 위상차 영상 신호를 획득한다(310). 위상차 영상 신호는 대상체와 엑스선 검출기(120) 사이의 거리를 적절하게 조절하여 획득할 수 있고, 서로 다른 에너지 대역에서 위상차 영상 신호를 획득하기 위해 엑스선 소스(110)에서 서로 다른 에너지 대역의 엑스선을 각각 조사하거나, 엑스선 검출기(110)에서 서로 다른 에너지 대역 별로 엑스선을 분리할 수 있다.
획득된 위상차 영상 신호를 이용하여 구성 물질의 정량 정보를 추정한다(311). 구성 물질의 정량 정보는 픽셀 별 또는 미리 정의된 영역 별로 추정될 수 있으며, 일 예로서, 위상차 영상 신호와 정량 정보 사이의 관계를 이용하여 근사 정량 정보를 연산하고, 여기에 정규화 함수를 반복적으로 적용하여 신뢰성이 향상된 두께 정보를 추정할 수 있다.
정량 정보가 추정되면, 추정된 정량 정보를 검증한다. 즉, 미리 정의된 검증 조건이 만족되는지 여부를 판단하고(312), 검증 조건이 만족되지 않았으면(312의 아니오), 상기 정규화 함수를 다시 적용하여 새로운 두께 정보를 추정한다. 검증 조건의 예로서, 반복 추정이 미리 결정된 횟수만큼 수행되었는지 여부 또는 정량 정보의 오차 값이 미리 결정된 기준 값 이하인지 여부 등을 들 수 있다.
검증 조건이 만족되었으면(312의 예), 반복 추정을 중단하고 추정된 구성 물질의 정량 정보를 사용자에게 표시한다(313). 추정된 정량 정보는 그 자체로 사용자에게 표시될 수도 있으나, 추정된 정량 정보가 포함된 영상의 형태로 표시되는 것도 가능하다. 후자에 관한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
엑스선 영상 장치의 제어 방법에 의하면, 대상체의 구성 물질에 관한 정량적인 정보를 획득할 수 있는바, 이하 상술할 실시예에서는 구성 물질에 관한 정량적인 정보 중 두께 정보를 획득하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 18에는 두께 정보를 표시하는 방법의 일 실시예가 구체화된 순서도가 도시되어 있다.
도 18을 참조하면, 대상체에 대한 서로 다른 에너지 대역 별 위상차 영상 신호를 획득하고(320), 획득된 위상차 영상 신호를 이용하여 구성 물질의 두께 정보를 추정한다(321). 두께 정보의 추정은 상기 [수학식 1] 내지 [수학식 3]을 이용할 수 있다.
그리고, 검증 조건을 만족하는지 여부를 판단하여(322), 검증 조건이 만족되지 않으면(322의 아니오) 정규화 함수를 다시 적용하여 구성 물질의 새로운 두께 정보를 추정한다.
검증 조건이 만족되면(322의 예), 구성 물질 별 두께 정보를 포함하는 물질 영상을 생성한다(323). 한편, 두께 정보의 추정은 구성 물질 별로, 해당 구성 물질에 대응되는 픽셀 또는 미리 정의된 일정 영역 별로 수행될 수 있다. 물질 영상은 대상체의 구성 물질 중 적어도 하나의 구성 물질이 분리된 영상으로서, 물질 영상이 두께 정보를 포함하는 방식에는 구성 물질에 대응되는 각 픽셀의 밝기 값을 해당 픽셀의 두께 정보에 대응시킬 수 있다.
그리고, 생성된 물질 영상을 디스플레이부를 통해 표시하여(324), 사용자에게 제공한다.
도 19에는 사용자가 물질 영상을 선택할 수 있는 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 순서도가 도시되어 있다.
도 19를 참조하면, 대상체에 대한 서로 다른 에너지 대역 별 위상차 영상 신호를 획득하고(330), 획득된 위상차 영상 신호를 이용하여 구성 물질의 두께 정보를 추정한다(331). 그리고, 검증 조건을 만족하는지 여부를 판단하여(332), 검증 조건이 만족되지 않으면(332의 아니오) 정규화 함수를 다시 적용하여 구성 물질의 새로운 두께 정보를 추정하고, 검증 조건이 만족되면(332의 예), 대상체의 위상차 영상을 생성하여 표시한다(333). 한편, 두께 정보의 추정은 구성 물질 별로, 해당 구성 물질에 대응되는 픽셀 또는 미리 정의된 일정 영역 별로 수행될 수 있다.
대상체의 위상차 영상을 생성하는 방법은 전술한 엑스선 영상 장치(100)의 실시예에서 설명한 바와 같으므로 여기서는 자세한 설명을 생략하도록 한다. 또한, 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법은 구성 물질의 두께 추정과 대상체의 위상차 영상 생성 사이의 선후 관계를 제한하지 않는바, 구성 물질의 두께 추정과 대상체의 위상차 영상 생성이 동시에 수행되거나 대상체의 위상차 영상 생성이 먼저 수행되는 것도 가능하다.
대상체의 위상차 영상이 디스플레이부(141)를 통해 표시되면, 사용자는 표시된 영상을 보고 정량적인 정보를 알고 싶은 대상체의 구성 물질을 선택할 수 있다. 사용자로부터 구성 물질의 선택이 입력되면(334), 선택된 구성 물질의 두께 정보를 포함하는 물질 영상을 생성하고(335), 생성된 물질 영상을 표시한다. 앞서 설명한 바와 같이, 물질 영상이 두께 정보를 포함하는 방식에는 구성 물질에 대응되는 각 픽셀의 밝기 값을 해당 픽셀의 두께 정보에 대응시킬 수 있다.
도 20에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법중 구성 물질 별 두께 맵을 생성하는 과정을 나타낸 순서도가 도시되어 있다.
도 20을 참조하면, 대상체에 대한 서로 다른 에너지 대역 별 위상차 영상 신호를 획득하고(340), 획득된 위상차 영상 신호를 이용하여 구성 물질의 두께 정보를 추정한다(341). 구성 물질의 두께 추정은 구성 물질 별로 수행되고, 해당 구성 물질에 대응되는 픽셀 별 또는 미리 정의된 일정 영역 별로 수행될 수 있으나, 당해 실시예에서는 픽셀 별로 수행되는 것으로 한다.
그리고, 검증 조건이 만족되는지 여부를 판단하고(342), 검증 조건이 만족되지 않으면(342의 아니오), 정규화 함수를 다시 적용하여 구성 물질의 두께를 새로 추정한다.
검증 조건이 만족되면(342의 예), 마지막으로 추정된 두께 정보를 최종적인 두께 정보로서 획득하고, 해당 구성 물질의 두께 맵에 획득된 두께 정보를 추가한다(343).
그리고, 해당 구성 물질에 대응되는 모든 픽셀에 대해 완료되었는지 여부를 판단하고(344), 모든 픽셀에 대해 완료되지 않았으면(344의 아니오), 두께 정보가 추정되지 않은 픽셀에 대해 두께 정보를 추정하고 두께 정보 맵에 추가한다.
모든 픽셀에 대해 완료되었으면(344의 예), 모든 구성 물질에 대해 완료되었는지 여부를 판단하고(345), 모든 구성 물질에 대해 완료되지 않았으면(345의 아니오) 두께 정보가 추정되지 않은 구성 물질에 대해 두께 정보를 추정하여 두께 정보 맵을 생성한다. 모든 구성 물질에 대해 완료되었으면(345의 예), 두께 정보 맵의 생성을 종료한다.
엑스선 영상 장치의 제어 방법에서 구성 물질의 두께 정보를 표시하거나 이를 포함하는 물질 영상을 생성함에 있어 상기 과정에 의해 생성된 두께 맵을 이용할 수 있다.
상기 도 18 및 도 19에서는 구성 물질의 두께 정보가 포함된 물질 각각의 물질 영상을 생성하는 과정을 설명하였는바, 도 21에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법 중 구성 물질 별 두께 정보가 포함된 하나의 영상을 생성하는 과정을 나타낸 순서도가 도시되어 있다.
도 21을 참조하면, 대상체에 대한 서로 다른 에너지 대역 별 위상차 영상 신호를 획득하고(350), 획득된 위상차 영상 신호를 이용하여 구성 물질 별 두께 정보를 획득한다(351). 두께 정보의 획득은 반복 연산을 통한 추정 방식을 이용할 수 있다.
획득된 두께 정보를 이용하여 구성 물질 별 두께 맵을 생성하고(352), 구성물질 별 두께 정보를 포함하는 물질 영상을 생성한다(353). 물질 영상 생성에 관한 내용은 전술한 바와 같다.
그리고, 구성 물질 별 물질 영상에 서로 다른 컬러 채널을 맵핑한다(354). 예를 들어, RGB 컬러 스페이스를 사용하는 경우에는, 구성 물질 A에는 R채널을 맵핑되고 구성 물질 B에는 G채널을 맵핑되고 구성 물질 C를 맵핑할 수 있다. 각 물질 영상에서의 두께 정보는 맵핑된 채널 값으로 표현된다. 예를 들어, 구성 물질 A의 영상에서는 픽셀 별 두께 정보에 따라 각 픽셀의 R채널 값이 달라지고, 나머지 두 영상에 대해서도 마찬가지이다. 개시된 발명의 실시예에서 사용되는 컬러 스페이스의 종류에는 제한이 없는바, RGB 컬러 스페이스 외에도, YCbCr 컬러 스페이스, CMY 컬러 스페이스, CMYK 컬러 스페이스 등 다양한 컬러 스페이스가 사용될 수 있다.
그리고, 컬러 채널이 맵핑된 물질 영상을 합성하여 표시한다(355). 합성된 영상에서 각 구성 물질은 서로 다른 컬러로 구별되고, 각 구성 물질의 두께 정보는 컬러의 밝기로서 표현된다.
전술한 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 실시예는 구성 물질의 정량 정보를 두께 정보로 하여 설명하였으나, 상기 설명은 구체적인 수학식을 제외하고는 두께 정보 이외의 정량 정보에도 적용될 수 있다.
100 : 엑스선 영상 장치 110: 엑스선 소스
120 : 엑스선 검출기 130 : 영상 제어부
103 : 고정 어셈블리 132 : 정량 정보 획득부

Claims (31)

  1. 위상차 영상을 생성하는 엑스선 영상 장치에 있어서,
    엑스선을 발생시켜 대상체에 조사하는 엑스선 소스;
    상기 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 서로 다른 복수의 에너지 대역 별로 상기 대상체의 위상차 영상 신호를 획득하는 엑스선 검출기; 및
    상기 에너지 대역 별 위상차 영상 신호와 상기 대상체를 구성하는 둘 이상의 구성 물질에 대한 정량 정보 사이의 관계를 이용하여 상기 구성 물질에 대한 근사 정량 정보를 연산하고, 상기 근사 정량 정보에 정규화(regularization) 함수를 반복적으로 적용하여 상기 구성 물질의 정량 정보를 추정하는 정량 정보 획득부를 포함하는 엑스선 영상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정량 정보 획득부는,
    상기 추정된 정량 정보의 신뢰도를 검증하기 위해 미리 설정된 검증 조건의 만족 여부를 판단하는 엑스선 영상 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 정량 정보 획득부는,
    상기 검증 조건이 만족되는 것으로 판단되면, 추정된 정량 정보를 상기 구성 물질의 정량 정보로서 획득하는 엑스선 영상 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 정량 정보 획득부는,
    상기 검증 조건이 만족되지 않는 것으로 판단되면, 상기 추정된 정량 정보에 상기 정규화 함수를 다시 적용하여 새로운 정량 정보를 추정하는 엑스선 영상 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 정량 정보 획득부는,
    상기 정규화 함수의 반복적 적용이 미리 설정된 횟수만큼 수행되었는지 여부를 상기 검증 조건으로서 판단하는 엑스선 영상 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 정량 정보 획득부는,
    상기 추정된 정량 정보의 오차 값이 미리 설정된 기준 값 이하인지 여부를 상기 검증 조건으로서 판단하는 엑스선 영상 장치.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 정량 정보 획득부는,
    상기 정규화 함수의 적용 시마다 상기 검증 조건을 판단하는 엑스선 영상 장치.
  8. 상기 정량 정보 획득부는,
    상기 정규화 함수의 적용이 미리 설정된 횟수만큼 수행될 때마다 상기 검증 조건을 판단하는 엑스선 영상 장치.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 정량 정보 획득부는,
    미리 설정된 영역 별로 상기 구성 물질의 정량 정보를 획득하고,
    상기 미리 설정된 영역은, 단일 픽셀을 포함하는 엑스선 영상 장치.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 획득된 구성 물질의 정량 정보를 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는 엑스선 영상 장치.
  11. 제 4 항에 있어서,
    상기 구성 물질의 정량 정보는 두께 정보를 포함하는 엑스선 영상 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 획득된 정량 정보가 미리 설정된 영역 별로 맵핑된 정량 정보 맵을 구성 물질 별로 생성하여 저장하는 맵 생성부를 더 포함하는 엑스선 영상 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 획득된 구성 물질의 정량 정보를 포함하는 물질 영상을 생성하는 물질 영상 생성부를 더 포함하는 엑스선 영상 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 물질 영상 생성부는,
    상기 구성 물질에 대응되는 각 픽셀의 밝기 값이 해당 픽셀에서의 상기 구성 물질의 정량 정보에 대응되는 값을 갖도록 하는 엑스선 영상 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    구성 물질에 대한 선택을 입력받는 입력부를 더 포함하고,
    상기 물질 영상 생성부는,
    선택된 구성 물질에 대해 상기 물질 영상을 생성하는 엑스선 영상 장치.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 물질 영상 생성부는,
    상기 물질 영상이 복수개인 경우, 상기 복수의 물질 영상에 각각 서로 다른 컬러 채널을 맵핑하고, 서로 다른 컬러 채널이 맵핑된 복수의 물질 영상을 합성하는 엑스선 영상 장치.
  17. 위상차 영상을 생성하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 있어서,
    대상체에 대한 서로 다른 에너지 대역 별 위상차 영상 신호를 획득하고;
    상기 에너지 대역 별 위상차 영상 신호와 상기 대상체를 구성하는 적어도 하나의 구성 물질에 대한 정량 정보 사이의 관계를 이용하여 상기 구성 물질에 대한 근사 정량 정보를 연산하고;
    상기 근사 정량 정보에 정규화(regularization) 함수를 반복적으로 적용하여 상기 구성 물질의 정량 정보를 추정하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 추정된 정량 정보의 신뢰도를 검증하기 위해 미리 설정된 검증 조건의 만족 여부를 판단하는 것을 더 포함하는 엑스선 영상 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 검증 조건이 만족되는 것으로 판단되면, 상기 추정된 정량 정보를 상기 구성 물질의 정량 정보로서 획득하는 것을 더 포함하는 엑스선 영상 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 검증 조건이 만족되지 않는 것으로 판단되면, 상기 추정된 정량 정보에 상기 정규화 함수를 다시 적용하여 새로운 정량 정보를 추정하는 것을 더 포함하는 엑스선 영상 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 검증 조건의 만족 여부를 판단하는 것은,
    상기 정규화 함수의 반복적 적용이 미리 설정된 횟수만큼 수행되었는지 여부를 상기 검증 조건으로서 판단하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 검증 조건의 만족 여부를 판단하는 것은,
    상기 추정된 정량 정보의 오차 값이 미리 설정된 기준 값 이하인지 여부를 상기 검증 조건으로서 판단하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치.
  23. 제 20 항에 있어서,
    상기 검증 조건의 만족 여부를 판단하는 것은,
    상기 정규화 함수의 적용 시마다 또는 상기 정규화 함수의 적용이 미리 설정된 횟수만큼 수행될 때마다 이루어지는 엑스선 영상 장치.
  24. 제 20 항에 있어서,
    상기 정량 정보의 획득은, 미리 설정된 영역 별로 이루어지고,
    상기 미리 설정된 영역은, 단일 픽셀을 포함하는 엑스선 영상 장치.
  25. 제 20 항에 있어서,
    상기 획득된 구성 물질의 정량 정보를 표시하는 것을 더 포함하는 엑스선 영상 장치.
  26. 제 20 항에 있어서,
    상기 구성 물질의 정량 정보는 두께 정보를 포함하는 엑스선 영상 장치.
  27. 제 24 항에 있어서,
    상기 획득된 정량 정보가 미리 설정된 영역 별로 맵핑된 정량 정보 맵을 구성 물질 별로 생성하여 저장하는 것을 더 포함하는 엑스선 영상 장치.
  28. 제 24 항에 있어서,
    상기 획득된 구성 물질의 정량 정보를 포함하는 물질 영상을 생성하는 것을 더 포함하는 엑스선 영상 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 물질 영상을 생성하는 것은,
    상기 구성 물질에 대응되는 각 픽셀의 밝기 값이 해당 픽셀에서의 상기 구성 물질의 정량 정보에 대응되는 값을 갖도록 하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치.
  30. 제 28 항에 있어서,
    구성 물질에 대한 선택을 입력받는 것을 더 포함하고,
    상기 물질 영상은 상기 선택된 구성 물질에 대해 생성되는 엑스선 영상 장치.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 물질 영상이 복수개인 경우, 상기 복수의 물질 영상에 각각 서로 다른 컬러 채널을 맵핑하고;
    서로 다른 컬러 채널이 맵핑된 복수의 물질 영상을 합성하는 것을 더 포함하는 엑스선 영상 장치.
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