KR20150034406A - 엑스선 촬영 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

심장과 같이 움직이는 대상체에 대한 4차원 영상의 품질을 향상시킬 수 있으며, 환자나 의료진이 받는 방사선 피폭량을 감소시킬 수 있는 엑스선 촬영 장치 및 그 제어 방법이 개시된다.
엑스선 촬영 장치의 일 실시예는 움직이는 대상체로 엑스선을 조사하는 엑스선 발생부; 상기 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 엑스선 검출부; 상기 엑스선 발생부 및 상기 엑스선 검출부가 마주보도록 설치되며, 보어를 중심으로 회전하는 갠트리; 상기 대상체의 생체 신호 주기 마다 상기 갠트리를 회전시키되, 상기 생체 신호 주기가 시작될 때마다 상기 갠트리가 서로 다른 시작 위치에서부터 회전되도록 제어하는 제어부; 및 상기 변환된 전기적 신호로부터 획득된 복수의 2차원 투영 영상에 기존 영상에 기반한 압축 센싱 영상 복원 알고리즘을 적용하여, 상기 대상체에 대한 4차원 영상을 생성하는 영상 처리부를 포함한다.

Description

엑스선 촬영 장치 및 그 제어 방법{X-ray imaging apparatus and x-ray imaging apparatus control method}
심장과 같이 움직이는 대상체에 대한 4차원 영상의 품질을 향상시킬 수 있으며, 환자나 의료진이 받는 방사선 피폭량을 감소시킬 수 있는 엑스선 촬영 장치 및 그 제어 방법이 개시된다.
엑스선 촬영 장치는 엑스선(X-ray)을 인체나 물건과 같은 대상체에 조사하여, 대상체의 내부에 대한 영상을 획득하는 영상 장치이다. 엑스선 촬영 장치는 대상체 내부 구조를 용이하게 파악할 수 있기 때문에 의료 분야 등에서 인체 내부의 병변과 같은 이상을 검출하거나, 물체나 부품의 내부 구조를 파악하기 위해서 사용된다. 또한 엑스선 촬영 장치는 공항 등에서 수하물 내부를 확인하기 위해 사용되기도 한다.
이와 같은 엑스선 촬영 장치로는 디지털 엑스선 촬영 장치(Digital Radiography; DR), 컴퓨터 단층 촬영 장치(Computed tomography; CT), 유방 촬영 장치(Full Field Digital Mammography; FFDM; 마모그라피) 등을 예로 들 수 있다.
엑스선 촬영 장치의 동작 원리에 대해 살펴보면 다음과 같다. 엑스선 촬영 장치는 인체나 물건 등의 대상체에 엑스선을 조사한 다음, 대상체를 투과하거나 대상체를 투과하지 않고 직접 도달하는 엑스선을 수광한다. 그리고 수광된 엑스선을 전기적 신호로 변환시키고, 변환된 전기적 신호를 독출함으로써 엑스선 영상을 생성한다. 생성된 엑스선 영상은 디스플레이부를 통해 디스플레이된다. 이로써 사용자는 대상체의 내부 구조를 파악할 수 있다.
심장과 같이 움직이는 대상체에 대한 4차원 영상의 품질을 향상시킬 수 있으며, 환자나 의료진이 받는 방사선 피폭량을 감소시킬 수 있는 엑스선 촬영 장치 및 그 제어 방법이 개시된다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 엑스선 촬영 장치의 일 실시예는 움직이는 대상체로 엑스선을 조사하는 엑스선 발생부; 상기 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 엑스선 검출부; 상기 엑스선 발생부 및 상기 엑스선 검출부가 마주보도록 설치되며, 보어를 중심으로 회전하는 갠트리; 상기 대상체의 생체 신호 주기 마다 상기 갠트리를 회전시키되, 상기 생체 신호 주기가 시작될 때마다 상기 갠트리가 서로 다른 시작 위치에서부터 회전되도록 제어하는 제어부; 및 상기 변환된 전기적 신호로부터 획득된 복수의 2차원 투영 영상에 기존 영상에 기반한 압축 센싱 영상 복원 알고리즘을 적용하여, 상기 대상체에 대한 4차원 영상을 생성하는 영상 처리부를 포함한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 엑스선 촬영 장치 제어 방법의 일 실시예는 상기 엑스선 발생부 및 상기 엑스선 검출부가 마주보도록 설치된 갠트리를 움직이는 대상체의 생체 신호 주기 마다 회전시키되, 상기 생체 신호 주기가 시작될 때마다 상기 갠트리가 서로 다른 시작 위치에서부터 회전되도록 제어하는 단계; 및 상기 대상체에 대한 복수의 2차원 투영 영상에 기존 영상에 기반한 압축 센싱 영상 복원 알고리즘을 적용하여, 상기 대상체에 대한 4차원 영상을 생성하는 단계를 포함한다.
두 번의 심장 주기 동안 갠트리를 2회 회전시켜, 각 심장 주기 별로 복수의 2차원 투영 영상을 획득하되, 각 심장 주기의 동일한 심장 위상에 대하여 서로 다른 위치에서 엑스선이 조사될 수 있도록 엑스선 발생부의 위치를 조절함으로써, 여러 번의 심장 주기에 대한 2차원 투영 영상을 획득하지 않더라도, 2차원 투영 영상으로부터 4차원 영상을 복원할 때, 복원된 영상의 품질을 향상시킬 수 있다.
심장 주기 중 특정 위상을 제외한 나머지 위상에서는 엑스선량을 조절함으로써, 환자나 의료진이 받는 방사선 피폭량을 줄일 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 엑스선 촬영 장치의 사시도이다.
도 2a 및 도 2b는 엑스선 촬영 장치에서 갠트리를 회전시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 엑스선 촬영 장치의 제어구성을 도시한 도면이다.
도 4는 엑스선 발생부에 포함되는 엑스선 튜브의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 엑스선 검출부의 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 엑스선량 조절 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 영상 처리부의 구성을 보다 상세히 도시한 도면이다.
도 8은 제1 기존 영상을 생성하는데 필요한 투영 영상 선택 방법의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 9는 제1 기존 영상을 생성하는데 필요한 투영 영상 선택 방법의 다른 실시예를 도시한 도면이다.
도 10은 심장 주기를 복수의 구간으로 나누었을 때, 각 구간에 해당하는 심장 위상에 대하여 영상 복원을 수행할 때, 어떤 종류의 기존 영상이 활용되는지를 도시한 도면이다.
도 11은 영상 처리부의 전체적인 동작 과정을 도시한 도면이다.
도 12는 제1 기존 영상을 예시한 도면이다.
도 13a는 1회 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들에 기초하여, 영상 복원을 수행한 결과를 예시한 도면이다.
도 13b는 2회 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들에 기초하여, 영상 복원을 수행한 결과를 예시한 도면이다.
도 14a는 1회 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들에 기초하여, 영상 복원을 수행한 결과를 예시한 도면이다.
도 14b는 2회 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들에 기초하여, 영상 복원을 수행한 결과를 예시한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 엑스선 촬영 장치 및 그 제어 방법에 대한 실시예들을 설명한다. 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.
엑스선 촬영 장치로는 디지털 엑스선 촬영 장치(Digital Radiography; DR), 컴퓨터 단층 촬영 장치(Computed tomography; CT), 유방 촬영 장치(Full Field Digital Mammography; FFDM; 마모그라피)를 예로 들 수 있다. 이하의 설명에서는 엑스선 촬영 장치가 CT인 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 엑스선 촬영 장치의 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 엑스선 촬영 장치(100)는 테이블(190), 하우징(101), 입력부(130) 및 디스플레이부(170)를 포함할 수 있다.
하우징(101)의 내부에는 갠트리(102)가 장착된다. 갠트리(102)의 내부에는 엑스선 발생부(110) 및 엑스선 검출부(120)가 서로 마주보도록 장착된다. 갠트리(102)는 보어(105)의 주위를 180도 내지 360도의 각도로 회전할 수 있다. 갠트리(102)가 회전함에 따라 엑스선 발생부(110) 및 엑스선 검출부(120)도 회전하게 된다. 갠트리(102)의 회전이 시작되는 위치는 사전에 결정될 수 있다. 갠트리(102)의 회전이 시작되는 시점은 대상체(30)의 생체 신호에 기초하여 결정될 수 있다. 대상체(30)의 생체 신호로는 심전도(electrocardiogram, ECG, EKG)를 예로 들 수 있다. 갠트리(102)의 회전 방법에 대해서는 도 2a 및 도 2b를 참조하여 후술하기로 한다.
대상체(30)는 대상체(30)의 심전도를 측정하기 위한 적어도 하나의 전극을 부착한 상태로 테이블(190) 위에 놓여진다.
테이블(190)은 엑스선 촬영의 대상이 되는 대상체(30)를 보어(bore, 105)의 내부로 이송시킨다. 테이블(190)은 지면에 대해 수평 상태를 유지하면서 전, 후, 좌, 우, 상, 하 방향으로 이동될 수 있다. 일 예로, 테이블(190)은 대상체(30)의 중심이 보어(105)의 중심(Cbore)에 일치하도록 좌우 위치나 상하 높이가 조절된 후, 보어(105)의 내부로 이동될 수 있다. 다른 예로, 테이블(190)은 보어(105)의 내부로 이동된 다음, 보어(105)의 중심(Cbore)과 대상체(30)의 중심이 일치하도록 좌우 위치나 상하 높이가 조절될 수 있다.
입력부(130)는 엑스선 촬영 장치(100)의 동작을 제어하기 위한 지시나 명령을 입력받을 수 있다. 이를 위하여 입력부(130)는 키보드, 마우스 및 풋 페달(food pedal) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
디스플레이부(170)는 대상체(30)에 대한 엑스선 영상을 디스플레이할 수 있다. 엑스선 영상으로는, 대상체(30)로 엑스선을 조사하고 대상체(30)를 투과한 엑스선을 검출하여 획득한 2차원 투영 영상(2D projection image), 복수의 2차원 투영 영상으로부터 볼륨이 복원된 3차원 영상, 3차원 영상을 시간에 따라 나열한 4차원 영상을 예로 들 수 있다.
디스플레이부(170)는 적어도 하나의 디스플레이를 포함할 수 있다. 도 1은 디스플레이부(170)가 제1 디스플레이(171) 및 제2 디스플레이(172)를 포함하는 경우를 도시하고 있다. 이 경우, 제1 디스플레이(171) 및 제2 디스플레이(172)에는 서로 다른 종류의 엑스선 영상이 디스플레이될 수 있다. 예를 들면, 제1 디스플레이(171)에는 2차원 투영 영상이 디스플레이되고, 제2 디스플레이(172)에는 3차원 영상 또는 3차원 입체 영상이 디스플레이될 수 있다. 또는 제1 디스플레이(171) 및 제2 디스플레이(172)를 통틀어 한 종류의 엑스선 영상이 디스플레이될 수도 있다.
이상으로 일 실시예에 따른 엑스선 촬영 장치의 외관을 설명하였다. 다음으로, 도 2a 및 도 2b를 참조하여, 갠트리(102)의 회전 방법에 대하여 설명하기로 한다.
갠트리(102)는 2회의 심장 주기 동안 보어(105)를 중심으로 제1 방향으로 2회 회전할 수 있다. 즉, 갠트리(102)는 1회 심장 주기마다 1회 회전할 수 있다. 여기서 심장 주기에 대해서 간단히 설명하기로 한다.
인체의 심장은 두 개의 심방과 두 개의 심실로 구성된다. 심장은 일정한 주기로 박동하는데, 한 번의 심박에서 다음 심박까지를 심장 주기(cardiac cycle)라 한다. 1회 심장 주기(single cardiac cycle)는 심방 수축기(atrial systole), 심실 수축기(ventricular systole), 및 심방·심실 이완기로 나뉘어질 수 있다. 심방 수축기에서는 좌심방 및 우심방이 수축하고, 좌심실 및 우심실이 이완된다. 심실 수축기에서는 좌심방 및 우심방이 이완되고, 좌심실 및 우심실이 수축된다. 심방·심실 이완기에서는 좌우 심방 및 좌우 심실이 모두 이완된다.
심전도는 심장의 수축에 따른 활동 전류 및 활동 전위차를 파상 곡선으로 기록한 도면이다. 심전도 파형은 상향되는 부위와 하향되는 부위가 번갈아서 나타내는데, 이들 부위에는 차례로 P파, Q파, R파, S파, T파라는 명칭이 붙여진다.
심전도 파형에서, P파는 심방의 탈분극 시기에 발생한다. QRS군(QRS-복합체; QRS-Complex)은 심실 탈분극 시기에 발생한다. 그리고 T파는 심실 재분극 시기에 발생한다.
P파는 좌·우 심방의 수축 과정을 기록한 파형인 것으로 이해될 수 있다. QRS군은 좌·우 심실의 수축 과정을 기록한 파형인 것으로 이해될 수 있다. T파는 좌·우 심실이 이완되는 과정을 기록한 파형인 것으로 이해될 수 있다.
어떤 파에서 다시 그 파가 반복될 때까지를 심장 주기라 한다.
실시예에 따르면, 갠트리(102)의 첫 번째 회전이 시작될 때의 엑스선 발생부(110)의 위치와, 갠트리(102)의 두 번째 회전이 시작될 때의 엑스선 발생부(110)의 위치는 서로 다르다. 이하의 설명에서는 갠트리(102)의 첫 번째 회전이 시작될 때의 엑스선 발생부(110)의 위치를 '제1 위치'라 칭하기로 한다. 그리고 갠트리(102)의 두 번째 회전이 시작될 때에의 엑스선 발생부(110)의 위치를 '제2 위치'라 칭하기로 한다.
도 2a는 엑스선 발생부(110)의 제1 위치를 예시하고 있다. 도 2a는 제1 위치가 대상체(30)의 좌측 수평한 지점으로 설정된 경우를 도시하고 있다. 이처럼 엑스선 발생부(110)가 제1 위치에 위치해 있는 상태에서 심장 주기가 시작되면, 갠트리(102)는 보어(105)를 중심으로 제1 방향으로 회전된다. 갠트리(102)가 회전되는 동안 엑스선 발생부(110)는 대상체(30)로 엑스선을 복수회 조사하고, 엑스선 검출부(120)는 대상체(30)를 투과한 엑스선을 검출한다. 그 결과, 복수의 2차원 투영 영상이 획득된다. 예를 들면, 1000장 정도의 2차원 투영 영상이 획득될 수 있다.
도 2b는 엑스선 발생부(110)의 제2 위치를 예시하고 있다. 도 2b는 제2 위치가 제1 위치로부터 보어(105)를 중심으로 제1 방향으로 90도만큼 회전된 위치인 경우를 예시하고 있다. 이처럼 엑스선 발생부(110)가 제2 위치에 위치해 있는 상태에서 새로운 심장 주기가 시작되면, 갠트리(102)는 보어(105)를 중심으로 제1 방향으로 회전된다. 갠트리(102)가 회전되는 동안 엑스선 발생부(110)는 대상체(30)로 엑스선을 복수회 조사하고, 엑스선 검출부(120)는 대상체(30)를 투과한 엑스선을 검출한다. 그 결과, 복수의 2차원 투영 영상이 획득된다. 예를 들면, 1000장 정도의 2차원 투영 영상이 획득될 수 있다.
이처럼 심장 주기에 맞추어 갠트리(102)를 회전시키되, 갠트리(102)의 회전이 시작되는 위치를 서로 다르게 하면, 각 심장 주기의 동일한 심장 위상(cardiac phase)에 대하여, 중복된 정보를 포함하는 2차원 투영 영상이 획득되는 것을 줄일 수 있다.
한편, 도 2a 및 도 2b는 제1 위치와 제2 위치 사이의 중심각(central angle)이 90도인 경우를 예시하고 있다. 그러나 제1 위치와 제2 위치 사이의 중심각이 반드시 90도로 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 위치 및 제2 위치 사이의 중심각이 180도 이내라면, 개시된 발명의 범주에 속하는 것으로 이해될 수 있다. 제1 위치와 제2 위치 사이의 중심각을 얼마로 할 것인지는 사전에 조작자에 의해 설정될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 갠트리(102)가 2회의 심장 주기 동안 2회 회전됨에 따라, 대상체(30)로 엑스선이 조사되고, 그 결과 각 심장 주기에 대해 복수의 2차원 투영 영상이 획득된다. 일 예로, 복수의 2차원 투영 영상은 심전도에서 서로 연속된 2회의 심장 주기 동안에 획득된 것일 수 있다. 다른 예로, 복수의 2차원 투영 영상은 심전도에서 서로 연속되지 않은 2회의 심장 주기 동안에 획득된 것일 수 있다. 심전도에서 서로 연속된 2회의 심장 주기에 대하여 복수의 2차 투영 영상을 획득할 것인지, 서로 연속되지 않은 2회의 심장 주기에 대하여 복수의 2차원 투영 영상을 획득할 것인지는 사전에 조작자에 의해 설정될 수 있다.
2차원 투영 영상을 획득하는 방법에 따라, 갠트리(102)의 회전 방식이 달라질 수 있다.
일 예로, 심전도에서 연속된 2회의 심장 주기에 대하여 복수의 2차원 투영 영상을 획득하려는 경우, 갠트리(102)의 첫 번째 회전 및 두 번째 회전은 일정한 속도로 연속해서 이루어질 수 있다. 또한, 갠트리(102)는 첫 번째 회전 및 두 번째 회전에서 각각 360도 이상을 회전할 수 있다.
구체적으로, 갠트리(102)의 첫 번째 회전은 제1 심장 주기 동안 이루어진다. 제1 심장 주기 동안 갠트리(102)는 엑스선 발생부(110)가 제1 위치에서부터 제1 방향으로 회전하기 시작하여 제2 위치에 도달할 때까지 회전된다. 즉, 첫 번째 회전에서 갠트리(102)는 보어(105)를 중심으로 450도를 회전한다. 이러한 방식으로 갠트리(102)를 회전시키면, 갠트리(102)의 첫 번째 회전이 완료되었을 때, 엑스선 발생부(110)가 제2 위치에 위치한다. 따라서 제1 심장 주기와 연속한 제2 심장 주기가 시작됨에 따라, 곧바로 갠트리(102)의 두 번째 회전을 시작할 수 있다. 제2 심장 주기 동안에도 갠트리(102)는 제2 위치에서부터 제1 방향으로 450도를 회전할 수 있다.
다른 예로, 심전도에서 연속되지 않은 2회의 심장 주기에 대하여 복수의 2차원 투영 영상을 획득하려는 경우, 갠트리(102)의 회전은 3단계로 이루어질 수 있다.
구체적으로, 심전도에서 제1 심장 주기 동안에는 갠트리(102)의 첫 번째 회전이 이루어진다. 제1 심장 주기 동안 갠트리(102)는 엑스선 발생부(110)가 제1 위치에서부터 제1 방향으로 회전하기 시작하여 다시 제1 위치에 도달할 때까지 회전된다. 즉, 첫 번째 회전에서 갠트리(102)는 보어(105)를 중심으로 360도를 회전한다. 그 다음, 제1 심장 주기에 연속한 제2 심장 주기 동안에는 엑스선 발생부(110)가 제1 위치에서 제2 위치에 위치하도록 갠트리(102)가 회전된다. 그 다음, 제2 심장 주기와 연속한 제3 심장 주기가 시작되면, 갠트리(102)의 두 번째 회전이 시작된다. 제3 심장 주기 동안 갠트리(102)는 엑스선 발생부(110)가 제2 위치에서부터 제1 방향으로 회전하기 시작하여 다시 제2 위치에 도달할 때까지 회전된다. 즉, 두 번째 회전에서 갠트리(102)는 회전축을 중심으로 360도 회전한다.
갠트리 회전 방법과 관련된 실시예들 중에서 전자의 경우, 갠트리(102)는 1회 회전 시 450도를 회전해야 하므로, 후자에 비하여 갠트리(102)의 회전 속도가 빠르게 설정될 수 있다. 또한 전자의 경우, 갠트리(102)가 일정한 속도로 2회 연속으로 회전하기 때문에, 후자에 비하여 갠트리(102)의 회전이 보다 자연스럽게 이루어질 수 있다. 이하의 설명에서는 전자의 경우 즉, 갠트리(102)를 일정한 속도로 연속 2회 회전시키는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
도 3은 일 실시예에 따른 엑스선 촬영 장치(100)의 제어구성을 도시한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 엑스선 촬영 장치(100)는 입력부(130), 심전도 측정기(150), 제어부(140), 갠트리(102), 엑스선 발생부(110), 엑스선 검출부(120), 영상 처리부(160), 디스플레이부(170) 및 저장부(180)를 포함할 수 있다.
입력부(130)는 앞서 설명한 바와 같이 엑스선 촬영 장치(100)의 동작을 제어하기 위한 지시나 명령, 엑스선 촬영 장치(100)의 동작을 제어하는데 필요한 데이터를 조작자로부터 입력받을 수 있다. 예를 들면, 입력부(130)는 테이블(190)의 위치를 조정하는 명령, 제1 위치와 제2 위치 사이의 중심각에 대한 정보, 복수의 2차원 투영 영상을 획득하는 방법에 대한 정보 등을 입력받을 수 있다.
심전도 측정기(150)는 대상체(30)의 심전도를 측정한다. 심전도 측정기(150)는 예를 들어, 대상체(30)의 심장 주변에 부착되는 적어도 하나의 전극, 본체, 전극과 본체를 연결하는 리드를 포함할 수 있다. 심전도 측정기(150)에 의해 측정된 신호는 후술될 제어부(140)로 제공된다.
엑스선 발생부(110)는 엑스선을 발생시켜 대상체(30)에 조사한다. 엑스선 발생부(110)는 엑스선을 발생시키는 엑스선 튜브를 포함한다. 여기서 엑스선 튜브에 대한 보다 구체적인 설명을 위해 도 4를 참조하기로 한다.
도 4는 엑스선 발생부(110)에 포함되는 엑스선 튜브의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4를 참조하면, 엑스선 튜브(111)는 양극(111c)과 음극(111e)을 포함하는 2극 진공관으로 구현될 수 있다. 이 때 관체는 규산경질 유리 등을 재료로 하는 유리관(111a)일 수 있다.
음극(111e)은 필라멘트(111h)와 전자를 집속시키는 집속 전극(111g)을 포함한다. 집속 전극(111g)은 포커싱 컵(focusing cup)이라고도 한다. 유리관(111a)의 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. 그러나 개시된 발명의 실시예가 음극(111e)에 필라멘트(111h)를 채용하는 것에 한정되는 것은 아니며, 고속 펄스로 구동 가능한 카본 나노 튜브(carbon nano-tube)를 음극으로 할 수도 있다.
양극(111c)은 주로 구리로 구성되고, 음극(111e)과 마주보는 쪽에 타겟 물질(111d)이 도포 또는 배치된다. 타겟 물질로는 예를 들어, Cr, Fe, Co, Ni, W, Mo 등의 고저항 재료들이 사용될 수 있다. 타겟 물질의 녹는점이 높을수록 초점 크기(focal spot size)가 작아진다.
음극(111e)과 양극(111c) 사이에 고전압을 걸어주면 열전자가 가속되어 양극의 타겟 물질(111d)에 충돌하면서 엑스선을 발생시킨다. 발생된 엑스선은 윈도우(111i)를 통해 외부로 조사된다. 윈도우의 재료로는 베릴륨(Be) 박막이 사용될 수 있다. 이 때, 윈도우(111i)의 전면 또는 후면에는 필터(미도시)를 위치시켜 특정 에너지 대역의 엑스선을 필터링할 수 있다.
타겟 물질(111d)은 로터(111b)에 의해 회전될 수 있다. 타겟 물질(111d)이 회전하게 되면 타겟 물질(111d)이 고정된 경우에 비하여 열 축적율이 단위 면적당 10배 이상 증대될 수 있고, 초점 크기가 감소될 수 있다.
엑스선 튜브(111)의 음극(111e)과 양극(111c) 사이에 가해지는 전압을 관전압(tube voltage)이라 한다. 관전압의 크기는 파고치(단위 kVp)로 표시할 수 있다.
관전압이 증가하면 열전자의 속도가 증가된다. 그 결과 타겟 물질에 충돌하여 발생되는 엑스선의 에너지(광자의 에너지)가 증가한다. 엑스선의 에너지가 증가하면, 대상체(30)를 투과하는 엑스선의 양이 증가한다. 엑스선의 투과량이 증가하면 엑스선 검출부(120)에 의해 검출되는 엑스선의 양이 증가한다. 그 결과, 신호대잡음비(Signal to Noise Ratio; SNR)가 높은 엑스선 영상 즉, 고품질의 엑스선 영상을 얻을 수 있다.
반대로 관전압이 낮아지면 열전자의 속도가 감소되고, 타겟 물질에 충돌하여 발생되는 엑스선의 에너지가 감소한다. 엑스선의 에너지가 감소하면, 대상체(30)로 흡수되는 엑스선의 양이 증가하고, 엑스선 검출부(120)에 의해 검출되는 엑스선의 양이 감소한다. 그 결과, 신호대잡음비가 낮은 영상 즉, 저품질의 엑스선 영상이 얻어진다.
엑스선 튜브(111)에 흐르는 전류는 관전류(tube current)라 하며 평균치(단위 mA)로 표시할 수 있다. 관전류가 증가하면 엑스선량(엑스선 광자의 수; dose)이 증가하고, 신호대잡음비가 높은 엑스선 영상이 얻어진다. 반대로 관전류가 감소하면 엑스선량이 감소하고, 신호대잡음비가 낮은 엑스선 영상이 얻어진다.
요약하면, 관전압을 제어하여 엑스선의 에너지를 제어할 수 있다. 그리고 관전류 및 엑스선 노출 시간을 조절하여 엑스선의 선량 또는 세기를 제어할 수 있다. 따라서 대상체(30)의 종류나 특성에 따라 관전압 및 관전류를 제어하여, 조사되는 엑스선의 에너지 및 선량을 제어할 수 있다.
엑스선 소스(110)에서 조사되는 엑스선은 일정 에너지 대역을 갖고, 에너지 대역은 상한과 하한에 의해 정의될 수 있다. 에너지 대역의 상한, 즉 조사되는 엑스선의 최대 에너지는 관전압의 크기에 의해 조절될 수 있다. 에너지 대역의 하한, 즉 조사되는 엑스선의 최소 에너지는 엑스선 소스(110)에 구비된 필터에 의해 조절될 수 있다. 필터를 이용하여 저에너지 대역의 엑스선을 여과시키면, 조사되는 엑스선의 평균 에너지를 높일 수 있다. 한편, 조사되는 엑스선의 에너지는 최대 에너지 또는 평균 에너지로 나타낼 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 엑스선 검출부(120)는 대상체(30)를 투과한 엑스선을 검출하여 전기적 신호로 변환한다. 여기서 엑스선 검출부(120)에 대한 보다 상세한 설명을 위해 도 5를 참조하기로 한다.
도 5를 참조하면, 엑스선 검출부(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 있다. 단결정 반도체 물질의 예로는 Ge, CdTe, CdZnTe, GaAs 를 들 수 있다.
수광 소자(121)는 고저항의 n형 반도체 기판(121a)의 하부에 p형 반도체가 2차원 픽셀 어레이 구조로 배열된 p형 층(121b)을 접합하여 PIN 포토다이오드 형태로 형성될 수 있다. CMOS 공정을 이용한 독출 회로(122)는 각 픽셀별로 수광 소자(121)와 결합된다. CMOS 독출 회로(122)와 수광 소자(121)는 플립 칩 본딩 방식으로 결합할 수 있다. 구체적으로, 땜납(PbSn), 인듐(In) 등의 범프(bump; 123)를 형성한 후 리플로우(reflow)하고 열을 가하며 압착하는 방식으로 결합할 수 있다. 다만, 상술한 구조는 엑스선 검출부(120)의 일 실시예에 불과하며, 엑스선 검출부(120)의 구조가 이에 한정되는 것은 아니다.
다시 도 3을 참조하면, 제어부(140)는 심전도 측정기(150)로부터 수신한 심전도 신호를 분석하여, 심장 주기에 대한 정보를 획득할 수 있다. 심장 주기에 대한 정보가 획득되면, 제어부(140)는 심장 주기에 맞추어 갠트리(102)의 회전 속도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 심장 주기가 1초인 경우, 제어부(140)는 1초 동안 갠트리(102)가 450도 회전할 수 있도록 갠트리(102)의 회전 속도를 결정할 수 있다. 갠트리(102)의 회전 속도가 결정되면, 제어부(140)는 심장 주기에 맞추어 갠트리(102)를 회전시킬 수 있다.
또한, 제어부(140)는 심장 위상 별로 서로 다른 엑스선량에 따른 엑스선이 조사되도록 엑스선 발생부(110)의 관전류를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어부(140)는 심장 주기 중에서 심장의 움직임이 가장 적은 심장 위상에서는 기준 엑스선량에 따른 엑스선이 조사되도록 엑스선 발생부(110)의 관전류를 제어한다. 심장 주기 중에서 심장의 움직임이 가장 적은 심장 위상으로는, 심장이 최대로 수축되었을 때의 심장 위상, 심장이 최대로 이완되었을 때의 심장 위상을 예로 들 수 있다. 이하의 설명에서는 심장이 최대로 수축되었을 때의 심장 위상을 '제1 심장 위상'이라 칭하기로 한다. 그리고 심장이 최대로 이완되었을 때의 심장 위상을 '제2 심장 위상'이라 칭하기로 한다. 심전도 신호를 참조하여 설명하면, QRS군은 제1 심장 위상에 대응되며, T파 이후의 구간은 제2 심장 위상에 대응된다.
제어부(140)는 심장 주기 중에서 제1 심장 위상 및 제2 심장 위상을 제외한 심장 위상에서는 기준 엑스선량 보다 적은 엑스선량에 따른 엑스선이 조사되도록 엑스선 발생부(110)의 관전류를 제어한다. 이 때, 기준 엑스선량은 일반적인 심장 컴퓨터 단층촬영에서 사용되는 수준의 엑스선량인 것으로 이해될 수 있다.
도 6을 참조하면, 심장 주기에서 QRS군 및 T파 이후의 구간에서는 관전류가 기준값으로 유지되는 것을 알 수 있다. 그리고 심장 주기에서 QRS군, 및 T파 이후의 구간을 제외한 나머지 구간에서는 기준 엑스선량 보다 적은 엑스선량에 따른 엑스선이 조사될 수 있도록 관전류가 기준값보다 낮은 값으로 유지되는 것을 알 수 있다.
상술한 바와 같이, 심장 주기 내에서 심장 위상 별로 관전류를 제어하면, 심장 주기 내내 관전류를 기준값으로 유지하는 경우에 비하여, 환자 및 의료진에 대한 방사선 피폭량을 줄일 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 영상 처리부(160)는 엑스선 검출부(120)의 각 픽셀에서 출력된 전기적 신호를 기초로 복수의 2차원 투영 영상을 생성할 수 있다. 또한, 영상 처리부(160)는 복수의 2차원 투영 영상을 대상으로 영상 복원을 수행함으로써, 심장에 대한 4차원 영상을 생성할 수 있다. 이 때, 영상 처리부(160)는 예를 들어, 기존 영상(Prior Image)에 기반한 압축 센싱(Compressed Sensing) 영상 복원 알고리즘을 사용할 수 있다.
기존 영상에 기반한 압축 센싱 영상 복원 알고리즘은 적은 개수의 2차원 투영 영상들로부터 움직이는 4차원 영상(4D dynamic image)을 정확하게 복원할 수 있는 알고리즘이다. 기존 영상에 기반한 압축 센싱 영상 복원 알고리즘에서는 우선, 적은 개수의 데이터 세트(undersampled data set)로부터 기존 영상(prior image)을 복원하고, 이 기존 영상을 활용하여 목표 영상(target image)을 얻는다. 여기서 기존 영상에 기반한 압축 센싱 영상 복원 알고리즘에 대해서 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저, 압축 센싱에 대해서 설명하기로 한다. 의료 영상에서 표준 영상 복원 이론(standar image reconstruction theory)에 따르면, 얼라이어싱 아티팩트(aliasing aftifacts)를 피하기 위해서는 샘플링 레이트(sampling rate)가 새넌-나이퀴스트 샘플링 이론(Shannon/Nyquist Samplin Theorem)을 만족해야한다. 새넌-나이퀴스트 샘플링 이론이란 어떤 신호를 샘플링할 때, 샘플링 주파수가 상기 신호에 포함되어 있는 최대 주파수의 적어도 두배가 되어야 한다는 것이다. 이렇게 샘플링을 하면, 샘플링된 신호로부터 원래 신호를 복원해 낼 수 있다.
그러나 새넌-나이퀴스트 샘플링 이론은 영상에 대한 어떠한 기존 정보(prior information)도 가정하지 않는다. 따라서, 영상 복원 과정에 기존 정보를 활용할 수 있다면, 새넌-나이퀴스트 샘플링 레이트를 만족하지 않더라도, 영상이 정확하게 복원될 수 있다.
압축 센싱은 언더샘플링된 데이터 세트로부터 체계적이고 정확하게 성긴 영상(sparse image)을 복원하도록 만들어졌다. 여기서, 언더샘플링된 데이터 세트란 새넌-나이퀴스트 샘플링 레이트 미만의 샘플링 레이트로 샘플링 샘플링된 데이터 세트를 의미한다.
성김(sparsity)이란 신호 길이(signal length)에 비하여, 의미 있는(예를 들어, 0이 아닌) 구성요소들의 개수가 상대적으로 적은 것을 말한다. 예를 들어, 신호 x의 구성요소들이 다음과 같다면, 이 신호는 성긴 신호인 것으로 볼 수 있다.
x=[1, 0, 10, 0, 0, 0, 0, 0, ... , 0, 0]
신호의 성김은 lp-norm 으로 표현된다. 예를 들어, l0-norm은 x의 구성요소들 중에서 0이 아닌 구성요소들의 개수를 의미한다. 이에 비하여, l1-norm은 x의 구성요소들 중에서 0이 아닌 구성요소들의 절대값을 더한 것을 의미한다. 만약, x=[1, -1, 2, 0]이라면, l0-norm=3 이고, l1-norm=4 이다.
실제 의료 영상은 성긴 신호가 아닐 수 있다. CT 영상을 예로 들면, 조영제 주입 전의 영상 또는 조영제 주입 후의 영상은 성긴 신호가 아니다. 이처럼 성긴 신호가 아닌 의료 영상에 수학적 변환들(mathematical transforms)을 적용하면 해당 영상을 성긴 신호로 만들 수 있다. 이처럼 영상을 성기게 만드는 수학적 변환을 성김 변환(sparsifying transforms)이라 한다. 성김 변환의 예로는 이산 경도 변환(discrete gradient transform) 및 위이블릿 변환(wavelet transform)을 예로 들 수 있다.
이산 경도 변환은 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
[수학식 1]에서, X(m,n)는 픽셀 (m,n)에서 영상 값(image value)을 나타낸다. DxX=X(m+1,n)-X(m,n) 이며, DyX=X(m+1,n)-X(m,n) 이다. 원본 영상에 [수학식 1]과 같은 이산 경도 변환을 적용하여 얻은 결과를 이상 경도 영상(discrete gradient image)이라 한다면, 이산 경도 영상은 원본 영상에 비하여 3배 정도 성겨진다.
압축 센싱 영상 복원에서는 목표 영상을 직접 복원하는 대신, 목표 영상의 성긴 영상(sparsified image)을 복원한다. 성긴 영상을 복원한 후에는, 성긴 영상을 목표 영상으로 되돌리기 위하여, 역 성김 변환(inver sparsifying transform)이 사용된다.
성김 변환은 Ψ 로 나타낸다. 압축 센싱 영상 복원은 [수학식 2]의 최소화 문제(minimization problem)를 해결함으로써 구현된다.
Figure pat00002
[수학식 2]에서
Figure pat00003
는 N 차원 벡터 z의 l1 norm 이다. 벡터 X는 벡터화된 목표 영상이다. 매트릭스 A는 엑스선 투영 측정기(x-ray projection measurements)를 묘사하기 위한 시스템 매트릭스이다. 벡터 Y는 선 적분 값들(line integral values)이다. 압축 센싱 영상 복원은 AX=Y 를 만족하는 모든 영상들 중에서 성긴 영상(sparsfied image)의 l1 norm 을 최소화하는 영상을 선택한다.
기존 영상에 기반한 압축 센싱 영상 복원 알고리즘에서, 기존 영상(XP)은 예를 들어, 표준 FBP(standard filtered backprojection) 복원 알고리즘을 사용하여 투영 영상들로부터 복원될 수 있다. 기존 영상(XP)은 압축 센싱 영상 복원 방법을 제한하기 위해 사용될 수 있다. 복원된 기존 영상에서는 동적인 정보는 손실되지만, 영상 내의 고정적인 구조들(static structures)은 언더샘플링으로 인한 아티팩트 없이 잘 복원될 수 있다.
목표 영상(X)에서 기존 영상(XP)을 뺀 감산 영상(X-XP)에는 목표 영상(X)의 모든 고정적인 구조들이 제거되고, 목표 영상(X)의 동적 구성요소들만이 남는다. 이러한 감산 동작으로 인해 목표 영상(X)은 성겨질 수 있다. 이 후, 감산된 영상(X-XP)에는 성김 변환 Ψ1 이 적용될 수 있다. 요약하면, 기존 영상에 기반한 압축 센싱 영상 복원 알고리즘은 [수학식 3]의 제한된 최소화 문제를 해결함으로써 구현된다.
Figure pat00004
[수학식 3]에서 벡터 X는 벡터화된 목표 영상을 의미한다. 벡터 XP는 벡터화된 기존 영상을 나타낸다. Ψ1 및 Ψ2 는 성김 변환들(sparsifying transforms)을 나타낸다. 예를 들어, Ψ1 및 Ψ2 는 모두 이산 경도 변환이 사용될 수 있다. 제어 파라미터 α는 1 미만의 숫자로 정해질 수 있다. 만약, α가 0으로 설정되면, [수학식 3]은 [수학식 2]와 같아지는 것을 알 수 있다.
도 7은 영상 처리부(160)의 구성을 보다 구체적으로 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 영상 처리부(160)는 투영 영상 생성부(161), 기존 영상 생성부(163), 및 영상 복원부(165)를 포함할 수 있다.
투영 영상 생성부(161)는 엑스선 검출부(120)의 각 픽셀에서 출력된 전기적 신호를 기초로 2차원 투영 영상을 생성할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 갠트리(102)가 보어(105)를 중심으로 회전하는 동안 엑스선 발생부(110)에서는 대상체(30)로 엑스선이 복수회 조사된다. 그 결과, 대상체(30)에 대한 복수의 2차원 투영 영상이 획득된다. 갠트리(105)가 1회 회전할 때마다 예를 들어, 1000장의 2차원 투영 영상이 획득될 수 있다.
기존 영상 생성부(163)는 2회의 심장 주기 동안에 획득된 2차원 투영 영상들 중에서 소정 기준에 따라 2차원 투영 영상들을 선택하고, 선택된 2차원 투영 영상들을 대상으로 영상 복원을 수행하여 기존 영상(prior image)을 생성할 수 있다. 기존 영상은 심장 위상 별로 3차원 볼륨을 복원할 때, 기존 정보로서 활용될 수 있는 영상이다. 다르게 표현하면, 기존 영상은 심장 위상 별로 3차원 영상을 생성하는데 필요한 영상이다.
기존 영상 생성부(163)는 제1 심장 위상에 대한 제1 기존 영상과, 제2 심장 위상에 대한 제2 기존 영상을 생성할 수 있다. 제1 기존 영상과 제2 기존 영상은 동일한 방법으로 생성될 수 있다. 이하의 설명에서는 제1 기존 영상을 생성하는 방법 위주로 설명하기로 한다.
우선, 기존 영상 생성부(163)는 엑스선 발생부(110)의 전체 스캔 범위 중에서 제1 심장 위상에 대응하는 지점을 기준으로 일정한 스캔 범위 내에서 획득된 2차원 투영 영상들을 선택한다.
일 예로, 2차원 투영 영상 선택은 제1 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들을 대상으로 이루어질 수 있다. 도 8은 제1 기존 영상을 생성하는데 필요한 2차원 투영 영상들의 선택이 제1 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들을 대상으로 이루어지는 경우를 예시하고 있다. 도 8을 참조하면, 엑스선 발생부(110)의 전체 스캔 범위 중에서, 제1 심장 위상에 대응하는 지점을 기준으로 180도의 스캔 범위 내에서 획득된 2차원 투영 영상들이 선택된 것을 알 수 있다.
다른 예로, 2차원 투영 영상 선택은 제2 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들을 대상으로 이루어질 수 있다.
또 다른 예로, 2차원 투영 영상 선택은 제1 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들 및 제2 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들을 대상으로 이루어질 수 있다. 도 9는 제1 기존 영상에 필요한 2차원 투영 영상들의 선택이 제1 심장 주기 및 제2 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들을 대상으로 이루어지는 경우를 예시하고 있다.
도 9를 참조하면, 제1 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들 중에서, 제1 심장 위상에 대응하는 지점을 기준으로 90도의 스캔 범위 내에서 획득된 2차원 투영 영상들이 선택된 것을 알 수 있다. 또한, 제2 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들 중에서, 제1 심장 위상에 대응하는 지점을 기준으로 90도의 스캔 범위 내에서 획득된 2차원 투영 영상들이 선택된 것을 알 수 있다.
2차원 투영 영상 선택이 완료되면, 기존 영상 생성부(163)는 선택된 2차원 투영 영상들로부터 제1 심장 위상에 대한 3차원 볼륨을 복원한다. 복원 결과는 제1 기존 영상인 것으로 이해될 수 있다.
기존 영상 생성부(163)는 제1 기존 영상 생성 방법과 동일한 방법으로 제2 기존 영상을 생성할 수 있다. 이처럼 제1 기존 영상과 제2 기존 영상 중에서 어느 하나가 먼저 생성된 다음, 다른 하나가 생성될 수도 있고, 제1 기존 영상과 제2 기존 영상이 동시에 생성될 수도 있다.
한편, 제1 기존 영상 또는 제2 기존 영상을 생성할 때, 도 9와 같은 방법으로 선택된 2차원 투영 영상들을 이용하면, 도 8과 같은 방법으로 선택된 2차원 투영 영상들을 이용하는 경우에 비하여 시간 해상도(temporal resoulution)을 향상시킬 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 영상 복원부(165)는 2회의 심장 주기 동안에 획득된 2차원 투영 영상들을 동일한 심장 위상에서 획득된 2차원 투영 영상들끼리 그룹핑한다. 그 다음, 심장 위상별로 영상 복원을 수행한다. 영상 복원이 완료되면, 실제 심장과 유사한 3차원 영상이 심장 위상 별로 획득된다.
영상 복원부(165)는 심장 위상 별로 영상 복원을 수행할 때, 기존 영상에 기반한 압축 센싱 영상 복원 알고리즘을 사용할 수 있다. 앞서 설명하였듯이, 기존 영상에 기반한 압축 센싱 영상 복원 알고리즘은 영상 복원 시, 목표 영상의 기존 영상에 대한 정보를 활용하는 것을 말한다. 기존 영상에 기반한 압축 센싱 영상 복원 알고리즘을 사용하면, 적은 수의 2차원 투영 영상들만을 사용하여 영상 복원을 수행하더라도 품질이 좋은 3차원 영상을 얻을 수 있다.
영상 복원 시, 제1 기존 영상과 제2 기존 영상 중에서 어떠한 것을 활용할 것인지는, 영상 복원을 수행할 심장 위상이 심장 주기 중 어떤 구간에서 획득된 것인지에 따라 결정될 수 있다. 이에 대한 보다 구체적인 설명을 위해 도 10을 참조하기로 한다.
도 10은 심장 주기가 제1 구간(11), 제2 구간(12) 및 제3 구간(13)으로 구분된 모습을 도시하고 있다. 제1 구간(11)은 심장이 100% 이완된 시점부터 50% 수축된 시점까지를 말한다. 제2 구간(12)은 심장이 50% 수축된 시점부터 50% 이완된 시점까지를 말한다. 제3 구간(13)은 심장이 50% 이완된 시점부터 100% 이완된 시점까지를 말한다.
이와 같은 경우, 제1 구간(13)에 해당하는 심장 위상 및 제3 구간(13)에 해당하는 심장 위상에 대하여 영상 복원을 수행할 때에는 제2 기존 영상이 활용될 수 있다. 이에 비하여, 제2 구간(12)에 해당하는 심장 위상에 대하여 영상 복원을 수행할 때에는 제1 기존 영상이 활용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 제1 기존 영상 또는 제2 기존 영상을 활용하여, 심장 위상 별로 3차원 영상이 획득되면, 영상 복원부(165)는 심장 위상 별로 획득된 3차원 영상을 시간 순서에 따라 나열하여, 움직이는 4차원 영상(dynamic 4D image)을 생성할 수 있다.
도 11은 영상 처리부(160)의 전체적인 동작 과정을 도시한 도면이다.
도 11을 참조하면, 2회의 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들을 동일한 심장 위상에서 획득된 투영 영상들끼리 그룹핑하는 것, 제1 기존 영상 및 제2 기존 영상 중 하나를 활용하여 심장 위상 별로 영상 복원을 수행하는 것, 심장 위상별로 획득된 3차원 영상을 시간 순서에 따라 나열하는 것이 도시되어 있다.
도 11에는 심장 주기가 n개의 심장 위상(위상 1, 위상 2, ···, 위상 n)으로 나누진 것을 알 수 있다. 그리고 n개의 위상(위상 1, 위상 2, ···, 위상 n)에 대응하는 n개의 3차원 영상(볼륨 1, 볼륨 2, ···, 볼륨 n)이 획득된 것을 알 수 있다. 그리고 n개의 3차원 영상(볼륨 1, 볼륨 2, ···, 볼륨 n)이 시간에 따라 나열된 것을 알 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 저장부(180)는 각종 데이터 및 알고리즘을 저장할 수 있다. 예를 들면, 저장부(180)는 엑스선 촬영 장치(100)의 동작과 관련하여 조작자가 입력한 각종 설정 정보를 저장할 수 있다.
저장부(180)는 심전도 신호를 분석하기 위한 알고리즘, 갠트리(102)의 회전 속도를 산출하기 위한 알고리즘, 제1 기존 영상 또는 제2 기존 영상을 생성하는데 필요한 알고리즘, 및 심장 위상 별 영상 복원에 필요한 알고리즘 중 적어도 하나를 저장할 수 있다.
저장부(180)는 영상 처리부(160)에서 생성된 영상들 예를 들어, 2차원 투영 영상, 제1 기존 영상, 제2 기존 영상, 심장 위상 별 3차원 영상, 심장에 대한 4차원 영상 등을 저장할 수도 있다.
이러한 저장부(180)는 휘발성 메모리 소자, 비휘발성 메모리 소자, 하드 디스크, 광 디스크 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 그러나 저장부(180)는 상술한 예로 한정되는 것은 아니며, 당업계에 알려져 있는 임의의 다른 형태로 구현될 수도 있다.
디스플레이부(170)는 영상 처리부(160)에 의해 생성된 영상을 디스플레이할 수 있다. 예를 들면, 2회의 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들, 심장 위상 별로 복원된 3차원 영상, 심장에 대한 4차원 영상 중 적어도 하나를 디스플레이할 수 있다.
이상으로 엑스선 촬영 장치(100)의 제어 구성을 설명하였다. 이하, 도 10, 도 12 내지 도 14를 참조하여, 개시된 엑스선 촬영 장치(100)에서 획득되는 결과 영상들에 대해 설명하기로 한다.
도 12는 제1 기존 영상을 예시한 도면이다.
도 13a 및 도 13b는 심장이 100% 수축되었을 때의 심장 위상에 대한 영상 복원 결과를 예시한 도면이다. 도 10을 참조하면, 심장이 100% 수축되었을 때의 심장 위상은 심장 주기 중 제2 구간(12)에 속한다. 따라서 해당 심장 위상에 대한 영상 복원 시, 도 12의 제1 기존 영상이 활용된다.
도 13a는 1회 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들에 기초하여, 영상 복원을 수행한 결과를 예시한 것이다. 도 13b는 2회 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들에 기초하여, 영상 복원을 수행한 결과를 예시한 것이다. 도 13a와 도 13b를 비교하면, 도 13a의 영상에서 표현되지 않았던 부분들이 도 13b의 영상에서 표현된 것을 알 수 있다(화살표로 표시된 부분 참조).
도 14a 및 도 14b는 심장이 62% 수축되었을 때의 심장 위상에 대한 영상 복원 결과를 예시한 도면이다. 도 10을 참조하면, 심장이 62% 수축되었을 때의 심장 위상은 심장 주기 중 제2 구간(12)에 속한다. 따라서 해당 심장 위상에 대한 영상 복원 시, 도 12의 제1 기존 영상이 활용된다.
도 14a는 1회 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들에 기초하여, 영상 복원을 수행한 결과를 예시한 것이다. 도 14b는 2회 심장 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들에 기초하여, 영상 복원을 수행한 결과를 예시한 것이다. 도 14a와 도 14b를 비교하면, 도 14a의 영상에서 표현되지 않았던 부분들이 도 14b의 영상에서 표현된 것을 알 수 있다(화살표로 표시된 부분 참조).
이상으로 실시예들을 설명하였다. 예시된 실시예들에서 엑스선 촬영 장치(100)를 구성하는 일부 구성요소들은 일종의 모듈로 구현될 수 있다.
여기서, '모듈'은 소프트웨어 또는 Field Programmable Gate Array(FPGA) 또는 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 모듈은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 모듈은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 모듈은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다.
따라서, 일 예로서 모듈은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 모듈들에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 모듈들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 모듈들로 더 분리될 수 있다. 게다가, 상기 구성요소들 및 모듈들은 디바이스 내에서 하나 또는 그 이상의 CPU를 실행할 수 있다.
전술한 실시예들에 더하여, 본 발명의 실시예들은 전술한 실시예의 적어도 하나의 처리 요소를 제어하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 코드/명령을 포함하는 매체 예를 들면, 일시적인 컴퓨터 판독 가능한 매체를 통해 구현될 수도 있다. 상기 매체는 상기 컴퓨터 판독 가능한 코드의 저장 및/또는 전송을 가능하게 하는 매체/매체들에 대응할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 코드는, 매체에 기록될 수 있을 뿐만 아니라, 인터넷을 통해 전송될 수도 있는데, 상기 매체는 예를 들어, 마그네틱 저장 매체(예를 들면, ROM, 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학 기록 매체(예를 들면, CD-ROM 또는 DVD)와 같은 기록 매체, 반송파(carrier wave)와 같은 전송매체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 매체는 비일시적인 컴퓨터 판독 가능한 매체일 수도 있다. 상기 매체들은 분산 네트워크일 수도 있으므로, 컴퓨터로 읽을 수 있는 코드는 분산 방식으로 저장/전송되고 실행될 수 있다. 또한 더 나아가, 단지 일 예로써, 처리 요소는 프로세서 또는 컴퓨터 프로세서를 포함할 수 있고, 상기 처리 요소는 하나의 디바이스 내에 분산 및/또는 포함될 수 있다.
이상과 같이 예시된 도면을 참조로 하여, 개시된 발명의 실시예들을 설명하였지만, 개시된 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 개시된 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 엑스선 촬영 장치
110: 엑스선 발생부
120: 엑스선 검출부
130: 입력부
140: 제어부
150: 심전도 측정기
160: 영상 처리부
170: 디스플레이부
180: 저장부
190: 테이블

Claims (14)

  1. 움직이는 대상체로 엑스선을 조사하는 엑스선 발생부;
    상기 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 엑스선 검출부;
    상기 엑스선 발생부 및 상기 엑스선 검출부가 마주보도록 설치되며, 보어를 중심으로 회전하는 갠트리;
    상기 대상체의 생체 신호 주기 마다 상기 갠트리를 회전시키되, 상기 생체 신호 주기가 시작될 때마다 상기 갠트리가 서로 다른 시작 위치에서부터 회전되도록 제어하는 제어부; 및
    상기 변환된 전기적 신호로부터 획득된 복수의 2차원 투영 영상에 기존 영상에 기반한 압축 센싱 영상 복원 알고리즘을 적용하여, 상기 대상체에 대한 4차원 영상을 생성하는 영상 처리부를 포함하는, 엑스선 촬영 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    2회의 생체 신호 주기 동안 상기 갠트리를 회전시키는, 엑스선 촬영 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는
    서로 연속된 상기 2회의 생체 신호 주기 동안 상기 갠트리를 회전시키는, 엑스선 촬영 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 서로 불연속된 2회의 생체 주기 동안 상기 갠트리를 회전시키는, 엑스선 촬영 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 시작 위치들 간의 중심각은 180도 이내인, 엑스선 촬영 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 대상체의 생체 신호 주기 내에서 제1 위상과 제2 위상을 제외한 구간에 대해서는 기준 엑스선량 보다 적은 엑스선량에 따른 엑스선이 조사되도록 상기 엑스선 발생부의 관전류를 제어하되,
    상기 제1 위상은 상기 생체 신호 주기 내에서 상기 대상체가 최대로 수축되었을 때의 위상이고,
    상기 제2 위상은 상기 생체 신호 주기 내에서 상기 대상체가 최대로 이완되었을 때의 위상인, 엑스선 촬영 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 영상 처리부는
    상기 복수의 2차원 투영 영상 중에서 소정 기준에 따라 선택된 2차원 투영 영상들을 대상으로 영상 복원을 수행하여 기존 영상을 생성하는 기존 영상 생성부; 및
    상기 복수의 2차원 투영 영상을 동일한 위상에서 획득된 2차원 투영 영상들끼리 그룹핑한 다음, 위상별로 영상 복원을 수행하는 영상 복원부를 포함하는, 엑스선 촬영 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 기존 영상 생성부는
    상기 엑스선 발생부의 전체 스캔 범위 중에서 상기 제1 위상에 대응하는 지점을 기준으로 일정한 스캔 범위 내에서 획득된 2차원 투영 영상들을 대상으로 영상 복원을 수행하여 제1 기존 영상을 생성하고,
    상기 엑스선 발생부의 전체 스캔 범위 중에서 상기 제2 위상에 대응하는 지점을 기준으로 일정한 스캔 범위 내에서 획득된 2차원 투영 영상들을 대상으로 영상 복원을 수행하여 제2 기존 영상을 생성하는, 엑스선 촬영 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 기존 영상 생성부는
    제1 생체 신호 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들 중 상기 일정한 스캔 범위 내에서 획득된 2차원 투영 영상들을 대상으로 영상 복원을 수행하는, 엑스선 촬영 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 기존 영상 생성부는
    제1 생체 신호 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들 중 상기 일정한 스캔 범위 내에서 획득된 2차원 투영 영상들, 및 제2 생체 신호 주기 동안 획득된 2차원 투영 영상들 중 상기 일정한 스캔 범위 내에서 획득된 2차원 투영 영상들을 대상으로 영상 복원을 수행하는, 엑스선 촬영 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 영상 복원부는
    위상별로 영상 복원을 수행할 때, 영상 복원을 수행할 위상에 따라, 제1 기존 영상 및 제2 기존 영상 중 하나를 활용하여 영상 복원을 수행하는, 엑스선 촬영 장치.
  12. 상기 엑스선 발생부 및 상기 엑스선 검출부가 마주보도록 설치된 갠트리를 움직이는 대상체의 생체 신호 주기 마다 회전시키되, 상기 생체 신호 주기가 시작될 때마다 상기 갠트리가 서로 다른 시작 위치에서부터 회전되도록 제어하는 단계; 및
    상기 대상체에 대한 복수의 2차원 투영 영상에 기존 영상에 기반한 압축 센싱 영상 복원 알고리즘을 적용하여, 상기 대상체에 대한 4차원 영상을 생성하는 단계를 포함하는, 엑스선 촬영 장치 제어 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는
    2회의 생체 신호 주기 동안 상기 갠트리가 회전되도록 제어하는 단계를 포함하는, 엑스선 촬영 장치 제어 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는
    상기 시작 위치들 간의 중심각이 180도 이내가 되도록 제어하는 단계를 포함하는, 엑스선 촬영 장치 제어 방법.
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