KR20150041239A - 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

엑스선 영상 장치는, 대상체 영역에 엑스선을 조사하는 엑스선 소스; 상기 조사된 엑스선을 검출하여 상기 대상체 영역에 관한 복수의 프레임 영상을 획득하는 엑스선 디텍터; 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선을 필터링하는 필터링부; 상기 복수의 프레임 영상에 기초하여, 상기 대상체 영역 내에 관심 영역을 설정하는 영상 처리부; 및 상기 대상체 영역 내의 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 상기 필터링부를 제어하고, 상기 비관심 영역에서의 상기 엑스선 디텍터의 이득이 상기 관심 영역보다 커지도록 상기 엑스선 디텍터를 제어하는 제어부; 를 포함할 수 있다.
이와 같은 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 관심 영역과 비관심 영역을 구분하여, 엑스선의 입사 선량뿐만 아니라 엑스선 디텍터의 이득를 영역별로 달리함으로 저선량으로 고품질의 영상을 생성할 수 있다. 또한, 관심 영역의 이동이 가능하므로 엑스선 동영상 분야에 적용할 수 있다.

Description

엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법{X-RAY IMAGING APPARATUS AND CONTROL METHOD FOR THE SAME}
대상체에 엑스선을 조사하여 그 내부를 영상화하는 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
엑스선 영상 장치는 대상체에 엑스선을 조사하고 대상체를 투과한 엑스선을 이용하여 대상체의 내부 영상을 획득할 수 있는 장치이다. 대상체를 구성하는 물질의 특성에 따라 엑스선의 투과성이 다르므로, 대상체를 투과한 엑스선의 세기 또는 강도를 검출하여 대상체의 내부 구조를 영상화할 수 있다.
한편, 엑스선 영상 장치의 안정성을 확보하기 위해 대상체의 엑스선 선량을 줄이는 것이 중요한 문제로 인식되고 있으며 엑스선 선량을 줄이기 위한 다양한 연구 및 개발이 진행되고 있다.
현재 상용화되어 있는 엑스선 선량 감소 기술은 관심 영역에만 엑스선 조사하는 방식을 주로 채택하고 있는바, 이러한 방식은 엑스선의 선량은 감소시키는 대신에 FOV(Field Of View)를 희생해야 하는 문제가 있다.
따라서, 엑스선의 선량을 감소시키면서 엑스선 영상의 FOV 손실을 최소화할 수 있는 기술에 대한 연구 및 개발이 필요하다.
관심 영역과 비관심 영역을 구분하여, 엑스선의 입사 선량뿐만 아니라 엑스선 디텍터의 이득를 영역별로 달리하는 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
또한, 관심 영역의 이동이 가능한 엑스선 영상 장치 및 그 제어방법을 제공한다.
엑스선 영상 장치는, 대상체 영역에 엑스선을 조사하는 엑스선 소스; 상기 조사된 엑스선을 검출하여 상기 대상체 영역에 관한 복수의 프레임 영상을 획득하는 엑스선 디텍터; 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선을 필터링하는 필터링부; 상기 복수의 프레임 영상에 기초하여, 상기 대상체 영역 내에 관심 영역을 설정하는 영상 처리부; 및 상기 대상체 영역 내의 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 상기 필터링부를 제어하고, 상기 비관심 영역에서의 상기 엑스선 디텍터의 이득이 상기 관심 영역보다 커지도록 상기 엑스선 디텍터를 제어하는 제어부; 를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제어부는, 상기 비관심 영역과 관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이에 기초하여 상기 엑스선 디텍터의 이득을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 비관심 영역과 관심 영역에서의 엑스선 디텍터의 이득 차이가 상기 비관심 영역과 관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이에 비례하도록 제어할 수도 있다.
그리고, 상기 필터링부는, 엑스선을 감쇠시키는 필터 물질로 이루어지는 관심영역 필터; 및 상기 관심 영역 필터를 이동시키는 필터 구동부를 포함하는 엑스선 영상 장치일 수 있다..
이 때, 상기 영상 처리부는, 상기 복수의 프레임 영상에 기초하여, 관심 영역에 관한 정보 및 영상 특성에 관한 정보를 획득하여 상기 제어부에 전송할 수 있다.
그리고, 상기 제어부는, 상기 관심 영역에 관한 정보에 기초하여, 상기 필터 구동부가 상기 관심영역 필터를 상기 비관심 영역에 대응되는 위치로 이동시키도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 영상 특성에 관한 정보에 기초하여, 상기 비관심 영역과 관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이를 결정할 수도 있다.
따라서, 상기 제어부는, 상기 결정된 엑스선의 선량 차이에 따라, 상기 관심영역 필터의 종류나 두께를 제어할 수 있다.
엑스선 영상 장치의 제어 방법은, 엑스선 소스가 대상체 영역에 엑스선을 조사하고; 엑스선 디텍터가 상기 조사된 엑스선을 검출하여 상기 대상체 영역에 관한 복수의 프레임 영상을 획득하고; 상기 복수의 프레임 영상을 기초하여, 상기 대상체 영역 내에 관심 영역을 설정하고; 상기 대상체 내의 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선을 필터링하고; 상기 비관심 영역에서의 상기 엑스선 디텍터의 이득이 상기 관심 영역보다 커지도록 제어하는; 것을 포함할 수 있다.
상기 비관심 영역에서의 상기 엑스선 디텍터의 이득이 상기 관심 영역보다 커지도록 제어하는 것은, 상기 비관심 영역과 관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이에 기초하여 상기 엑스선 디텍터의 이득을 제어하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법일 수 있다.
상기 비관심 영역에서의 상기 엑스선 디텍터의 이득이 상기 관심 영역보다 커지도록 제어하는 것은, 상기 비관심 영역과 관심 영역에서의 엑스선 디텍터의 이득 차이가 상기 비관심 영역과 관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이에 비례하도록 제어하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법일 수도 있다.
그리고 엑스선 영상 장치의 제어방법은, 상기 복수의 프레임 영상에 기초하여, 관심 영역에 관한 정보 및 영상 특성에 관한 정보를 획득하는; 것을 더 포함할 수도 있다.
그리고 상기 엑스선을 필터링하는 것은, 상기 관심 영역에 관한 정보에 기초하여, 상기 조사된 엑스선을 감쇠시키는 관심 영역 필터를 상기 비관심 영역에 대응되는 위치로 이동시키는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법일 수 있다.
또한, 상기 엑스선을 필터링하는 것은, 상기 영상 특성에 관한 정보에 기초하여, 상기 비관심 영역과 관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이를 결정하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법일 수도 있다.
상기 엑스선을 필터링하는 것은, 상기 결정된 엑스선의 선량 차이에 따라, 상기 관심영역 필터의 종류나 두께를 제어하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법도 가능하다.
관심 영역과 비관심 영역을 구분하여, 엑스선의 입사 선량뿐만 아니라 엑스선 디텍터의 이득를 영역별로 달리함으로 저선량으로 고품질의 영상을 생성할 수 있다.
또한, 관심 영역의 이동이 가능하므로 엑스선 동영상 분야에 적용할 수 있다.
도 1은 엑스선 영상 장치를 예시한 외관도이다.
도 2 는 엑스선 영상 장치의 일 실시예에 따른 제어 블록도이다.
도 3 은 엑스선 튜브의 내부 구조를 예시한 단면도이다.
도 4는 혈관 스텐트 삽입술의 경우에 대한 관심 영역의 예시를 나타낸 도면이다.
도 5 는 관심영역 필터가 구비된 필터링부를 예시한 측단면도이다.
도 6 은 관심영역 필터의 일 예시에 관한 평면도이다.
도 7 은 복수의 관심영역 필터가 구비된 필터링부를 예시한 측단면도이다.
도 8및 도 9는 관심 영역과 비관심 영역에 입사된 엑스선의 선량을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10 은 관심 객체의 움직임에 따른 관심 영역의 이동을 나타낸 도면이다.
도 11은 이동하는 관심 영역을 추적하는 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12 는 엑스선 디텍터의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 13에는 도 12에 도시된 엑스선 디텍터의 단일 픽셀 영역을 개략적으로 나타낸 회로도가 도시되어 있다.
도 14에는 이득이 제어 가능한 엑스선 디텍터의 단일 픽셀 영역을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 15는 관심 영역과 비관심 영역에서 엑스선 디텍터의 이득을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 16 은 이득 조정에 따른 비관심 영역의 화질 개선을 예시한 도면이다.
도 17 은 엑스선 영상 장치의 제어방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 개시된 발명의 일 측면에 따른 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법의 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
엑스선 영상 장치는 형광 투시법(fluoroscopy)을 이용한 엑스선 영상 장치, 혈관 조영술(angiography)을 이용한 엑스선 영상 장치 등 촬영 목적, 촬영 영역(FOV) 또는 엑스선 영상의 종류 따라 그 구조나 촬영 방식이 달라질 수 있다.
도 1은 엑스선 영상 장치를 예시한 외관도이다.
엑스선 영상 장치(100)는 엑스선 소스 어셈블리(107), 엑스선 디텍터(120), 테이블(109), 본체(103), 입력부(171), 디스플레이부(172) 포함할 수 있으며, 도 1에 도시된 바와 같이 C 형상의 암(C-arm) 구조를 가질 수 있다.
엑스선 소스 어셈블리(107)는 엑스선을 발생시켜 대상체에 조사하는 엑스선 소스(도 2의 110), 엑스선 소스(110)로부터 조사되는 엑스선을 필터링하는 필터링부(도 2의 140) 등을 구비하여, C-arm(101)의 일단에 장착될 수 있다. 여기서, 대상체는 엑스선 촬영 대상 혹은 진단 대상으로, 엑스선 영상 장치(100)에 의해 그 내부 구조가 영상화 될 수 있는 것이라면 제한없이 대상체가 될 수 있다.
엑스선 디텍터(120)는 C-arm(101)의 타단에 장착되어, 테이블(109)을 사이에 두고 엑스선 소스 어셈블리(107)의 맞은편에 위치할 수 있다. 따라서, 엑스선 소스(110)가 테이블(109) 상에 위치한 대상체에 엑스선을 조사하면, 엑스선 디텍터(120)는 대상체를 투과한 엑스선을 검출할 수 있다. 또한, 엑스선 디텍터(120)는 검출된 엑스선을 전기적 신호로 변환할 수도 있다.
C-arm(101)은 오비탈 방향(orbital direction)으로 회전 가능하며, 연결축(105)을 통해 본체(103)와 연결될 수 있다.
본체(103)는 엑스선 영상 장치(100)의 주요 구성요소 예를 들어, 제어부(도 2의 160)를 수납할 수 있다. 제어부(160)는 엑스선 소스(110)로부터 조사된 엑스선의 선량을 제어하거나, 엑스선 디텍터(120)의 이득을 제어하는 등 엑스선 영상 장치(100)의 동작을 위한 각종 제어신호를 생성할 수 있으며, 이에 대한 구체적인 설명은 후술하도록 한다.
입력부(171)는 테이블(109)의 측면에 구비되어, 사용자로부터 엑스선 영상 장치의 동작과 관련된 명령을 입력 받을 수 있으며, 입력부(171)에서 입력 받은 명령은 유선 통신이나 무선 통신을 통해 본체(103)로 전송될 수 있다. 여기서, 사용자는 엑스선 영상 장치(100)를 이용하여 대상체의 진단을 수행하는 자로서 의사, 방사선사, 간호사 등을 포함하는 의료진일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 엑스선 영상 장치(100)를 사용하는 자이면 모두 사용자가 될 수 있는 것으로 한다.
입력부(171)는 스위치, 키보드, 트랙볼, 터치 스크린중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
디스플레이부(172)는 엑스선 진단 과정에서 얻어진 영상을 표시하며, 표시된 영상을 사용자가 볼 수 있도록 홀더를 통해 천장에 장착될 수 있다.
디스플레이부(172)는 브라운관(Cathod Ray Tube: CRT)이나, 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display: LCD), 유기 발광다이오드 표시장치(Light Emitting Diode: LED) 등으로 적용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
도 2는 엑스선 영상 장치의 일 실시예에 따른 제어 블록도이다.
도 2를 참조하면, 엑스선 영상 장치(100)는 엑스선 소스(110), 필터링부(140), 엑스선 디텍터(120), 영상 처리부(150), 제어부(160), 입력부(171), 디스플레이부(172)에 의해 대상체 영역에 관한 엑스선 동영상을 생성할 수 있다.
여기서, 대상체 영역은 대상체를 포함하는 일정 영역으로서 엑스선 영상으로 영상화되는 영역을 의미한다. 따라서, 대상체 영역은 엑스선 영상 장치(100)의 촬영 영역(FOV)과 일치하거나 엑스선 영상 장치(100)의 촬영 영역을 포함할 수 있다. 또한, 대상체 영역은 관심 영역과 비관심 영역 중 적어도 하나를 포함한다. 대상체 영역 중 관심 영역이 아닌 영역은 비관심 영역이 되는바, 관심 영역과 비관심 영역에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
엑스선 소스(110)는 엑스선을 발생시켜 대상체(subject)에 조사하며, 엑스선의 발생을 위해 도 3에 도시된 바와 같은 엑스선 튜브(111)를 포함할 수 있다. 도 3은 엑스선 튜브의 내부 구조를 예시한 단면도이다.
엑스선 튜브(111)는 양극(111c)과 음극(111e)을 포함하는 2극 진공관으로 구현될 수 있고, 관체는 규산경질 유리 등을 재료로 하는 유리관(111a)일 수 있다.
음극(111e)은 필라멘트(111h)와 전자를 집속시키는 집속 전극(111g)을 포함하며, 집속 전극(111g)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. 다만, 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 하는 것도 가능하다.
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.
그리고 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 조사되며, 윈도우의 재료로는 베릴륨(Be) 박막을 사용할 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 엑스선의 선량(엑스선 광자의 수)이 증가된다. 즉, 관전압에 의해 엑스선의 에너지가 제어될 수 있고, 관전류 및 엑스선 노출 시간에 의해 엑스선의 선량이 제어될 수 있는 것이다.
한편, 엑스선 동영상을 생성하기 위해서는, 엑스선 튜브(111)가 엑스선을 연속적으로 발생해야 하며, 이를 위해 연속 노출 방식과 펄스 노출 방식이 적용될 수 있다. 구체적으로, 연속 노출 방식을 적용하는 경우에는 엑스선 튜브(111)에 낮은 관전류를 연속적으로 공급하여 엑스선을 연속적으로 발생시키고, 펄스 노출 방식을 적용하는 경우에는 엑스선을 짧은 펄스의 연속에 따라 발생시킨다. 따라서, 펄스 노출 방식을 적용하면 엑스선의 선량과 모션 블러링을 감소시킬 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 펄스 노출 방식을 적용하여 상술하도록 한다.
엑스선 소스(110)는, 전술한 엑스선 튜브(111)를 이용하여, 대상체에 소정의 시간 간격에 따라 복수회 조사할 수 있다. 여기서, 소정의 시간 간격은 펄스 레이트(pulse rate) 또는 프레임 레이트(frame rate)에 따라 결정될 수 있고, 펄스 레이트는 프레임 레이트에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 프레임 레이트는 초당 30프레임(30fps), 초당 15 프레임(15fps), 초당 7.5 프레임(7.5fps) 등으로 설정될 수 있다.
필터링부(140)는 관심 영역 필터(141)와 필터 구동부(143)를 포함할 수 있다.
엑스선을 흡수하는 물질로 이루어진 관심영역 필터(141)는, 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 엑스선 소스(110)로부터 조사되는 엑스선을 필터링한다. 이는 엑스선의 선량을 줄이기 위한 것으로서, 엑스선 필터링을 통해 대상체의 내부에 관한 유용한 정보를 많이 포함하는 관심 영역에는 비관심 영역보다 많은 선량의 엑스선을 가하고, 정보량이 적은 비관심 영역에는 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선을 가한다. 이 때, 비관심 영역에도 엑스선이 입사되므로, 촬영 영역(FOV)은 손실되지 않는다.
필터 구동부(143)는 관심영역 필터(141)를 이동시키기 위해 구비되는 것으로, 동력을 발생시키는 모터와 발생된 동력을 관심영역 필터(141)에 전달하는 기어 등의 기구적 구조물을 포함할 수 있다.
필터링부(140)의 더 구체적인 구조 및 동작에 관한 설명은 후술하도록 한다.
엑스선 디텍터(120)는 대상체를 투과한 엑스선을 검출하고, 검출된 엑스선을 전기적 신호로 변환하여, 대상체 영역에 대한 복수의 프레임 영상을 획득한다. 여기서, 프레임 영상은 엑스선 영상 장치(100)의 프레임 레이트에 따라 획득되는 복수의 엑스선 영상 각각을 의미한다.
엑스선 디텍터(120)는 재료 구성 방식, 검출된 엑스선을 전기적 신호로 변환시키는 방식 및 전기적 신호를 획득하는 방식에 따라 분류될 수 있다.
먼저, 엑스선 디텍터(120)는 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 각각 다른 소재로 구성되거나, 다른 공정으로 제조되는 경우에 해당한다. 예를 들어, 포토다이오드, CCD, CdZnTe 등의 수광 소자를 이용하여 엑스선을 검출하고 CMOS ROIC(Read Out Intergrated Circuit)을 이용하여 전기적 신호를 읽고 처리하는 경우, 스트립 디텍터를 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 디텍터(120)는 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 디텍터(120)가 이러한 이동을 전기적 신호로 변환한다. 직접변환방식에서 수광 소자에 사용되는 물질은 a-Se, CdZnTe, HgI2, PbI2 등이 있다.
간접변환방식에서는, 엑스선 소스(110)에서 조사된 엑스선이 섬광체(scintillator)와 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 디텍터(120)는 전기적 신호를 획득하는 방식에 따라, 전하를 일정 시간 동안 저장한 후에 그로부터 신호를 획득하는 전하누적방식(Charge Integration Mode)과 단일 엑스선 광자에 의해 신호가 발생될 때마다 계수하는 광자계수방식(Photon Counting Mode)으로 구분된다.
엑스선 디텍터(120)는 상술한 방식 중 어느 방식으로도 적용가능하나, 이하에서는 설명의 편의를 위해 엑스선으로부터 전기 신호를 직접 획득하는 직접 변환 방식, 엑스선을 검출하는 센서 칩과 독출 회로 칩이 결합되는 하이브리드 방식 및 광자계수방식을 적용하는 것으로 하여 상술하도록 한다.
엑스선 디텍터(120)는 복수의 픽셀을 포함하는 2차원 어레이 구조를 가질 수 있고, 검출된 엑스선을 픽셀 별로 전기적 신호로 변환하면 대상체 영역에 대한 하나의 엑스선 영상을 획득할 수 있게 된다.
또한, 엑스선 디텍터(120)는 비관심 영역에서의 엑스선 디텍터의 이득이 관심 영역보다 높도록 제어될 수 있으며, 이에 따라 비관심 영역의 화질이 개선될 수 있다.
엑스선 디텍터(120)의 구조 및 이득의 제어에 관한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
영상 처리부(150)는 엑스선 디텍터(120)가 획득한 프레임 영상들을 분석하여 영상 특성에 관한 정보, 구체적으로 프레임 영상에 나타나는 노이즈, 콘트라스트(contrast) 등과 같은 정보를 획득할 수 있다. 획득된 영상 특성에 관한 정보는 제어부(160)로 전송되어 엑스선 소스(110) 또는 필터링부(140)를 제어하는데 사용될 수 있으며, 이에 관한 내용은 후술하기로 한다.
또한, 영상 처리부(150)는 프레임 영상들의 분석으로 관심 영역에 관한 정보를 획득할 수 있으며, 이하 영상 처리부(150)가 관심 영역에 관한 정보를 획득하는 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
먼저, 영상 처리부(150)는 대상체 영역에 관한 프레임 영상으로부터 관심 객체(object)를 검출한다.
여기서, 관심 객체는 사용자가 엑스선 촬영 중 지속적으로 주시해야 하는 객체로서, 대상체에 사용되는 시술 도구(instrument)이거나 시술 부위일 수 있다. 예를 들어, 엑스선 영상 장치(100)가 혈관 조영술을 이용하는 경우, 가이드 와이어(guide wire), 카테터(catheter), 바늘, 풍선, 스텐트(stent) 등과 같은 시술 도구가 혈관에 삽입될 때 세밀한 관찰이 필요하므로, 영상 프로세서(150)는 시술 도구를 관심 객체로 설정할 수 있다. 또한, 영상 프로세서(150)는 협착증(stenosis), 동맥류(aneurysm), 암 영역(cancerous region) 등의 시술 부위를 관심 객체로 설정할 수도 있다.
관심 객체를 검출하기 위해서, 영상 처리부(150)는 관심 객체의 특징을 미리 저장하고 대상체 영역에 관한 프레임 영상으로부터 미리 저장된 특징에 대응되는 객체를 검출할 수 있다. 예를 들어, 형상(shape), 엑스선 흡수 특성, 움직임 특성 등 관심 객체가 갖는 특징 중 엑스선 영상으로부터 검출 가능한 특징이 미리 저장될 수 있다.
여기서, 관심 객체의 움직임 특성은 관심 객체의 움직임의 크기, 움직이는 방향 등과 같은 정보를 포함하며, 관심 객체의 움직임은 관심 객체의 이동을 포함한다. 움직임의 크기는 속도를 포함할 수 있으나, 관심 객체의 움직임은 일정한 패턴을 갖지 않을 수도 있다. 따라서, 움직임의 크기는 속도 이외에도 움직임의 정도를 나타내는 다양한 정보를 포함할 수 있다.
관심 객체가 검출되면, 영상 처리부(150)는 검출된 관심 객체를 포함하는 일정 영역을 관심 영역으로 설정한다. 이 때, 관심 영역의 위치와 크기는 관심 객체의 위치, 크기, 또는 관심 객체의 움직임 특성을 고려하여 결정될 수 있고, 관심 객체의 움직임 특성이 갖는 불확실성도 함께 고려될 수 있다. 예를 들어, 관심 객체의 움직임이 크거나 관심 객체의 움직임 특성이 예측하기 어려워 불확실성이 크면 관심 영역의 크기를 크게 설정할 수 있는 것이다.
도 4는 혈관 스텐트 삽입술의 경우에 대한 관심 영역의 예시를 나타낸 도면이다.
스텐트(13a)는 혈관의 폐색 등을 막기 위해 혈관에 주입되는 것으로, 그물망과 같은 형태를 갖는다. 스텐트(13a)는 접힌 상태로 긴 튜브 형태의 스텐트 기구(13) 끝부분에 장착되어 혈관 내로 주입되고, 필요한 위치에서 그물망 형태로 펼쳐진다.
도4을 참조하면, 대상체 영역의 혈관에 스텐트 기구(13)를 삽입하기 위해 먼저 가이드 와이어(11)를 삽입되고, 스텐트 기구(13)는 가이드 와이어(11)를 따라 혈관에 삽입된다.
가이드 와이어(11)가 삽입되는 동안은, 가이드 와이어(11) 또는 가이드 와이어(11)의 단부(tip)가 관심 객체가 될 수 있다. 그리고 스텐트 기구(13)가 삽입되는 동안은, 스텐트 기구(13) 특히, 단부의 스텐트(13a)가 관심 객체가 될 수 있고, 스텐트(13a)를 포함하는 일정 영역이 관심 영역이 될 수 있다. 도면에 도시되지는 않았으나, 혈관에 조영제를 주입하기 위해 카테터를 삽입하는 동안은 카테터 또는 카테터의 단부가 관심 객체가 될 수 있다.
한편, 영상 처리부(150)는 외부로부터 입력된 정보를 관심 객체의 검출에 사용할 수도 있다. 구체적으로, 시술 도구의 종류, 시술의 종류, 시술 부위에 관한 정보, 조영제의 주입 여부 등에 관한 정보가 입력되면, 입력된 정보에 기초하여 프레임 영상으로부터 관심 객체를 검출할 수 있다.
예를 들어, 시행하고자 하는 시술이 대동맥의 스텐트 삽입술이고, 삽입될 시술 도구가 스텐트 기구라는 정보가 입력되면, 영상 처리부(150)는 미리 저장된 스텐트의 특징에 관한 정보를 이용하여 대상체 영역에 대한 프레임 영상으로부터 대동맥 내의 스텐트를 검출한다.
또한, 영상 처리부(150)는 검출된 관심 객체를 추적하면서 관심 영역을 설정할 수 있다. 이 때, 관심 객체의 검출, 추적 및 관심 영역의 설정은 영상 처리부(150)로 입력된 프레임 영상들의 프레임 레이트에 따라 실시간으로 이루어질 수 있다.
관심 영역의 설정으로, 영상 처리부(150)는 관심 영역에 관한 정보를 획득할 수 있게 된다. 여기서, 관심 영역에 관한 정보는 관심 영역의 위치, 크기, 움직임 특성 등을 포함하며, 관심 영역의 움직임 특성은 관심 객체의 움직임 특성에 의해 정의된다. 획득한 관심 영역에 관한 정보는 제어부(160)로 전송되어 엑스선 소스(110)나 필터링부(140)를 제어하는데 사용할 수 있다. 이에 관한 자세한 내용은 후술하기로 한다.
한편, 영상 처리부(150)는 프레임 영상의 전체적인 화질 개선을 위한 영상 보정 또는 영상 강화를 수행할 수 있다.
예를 들어, 영상 처리부(150)는 공간적 필터(spatial filter), 시간적 필터(temporal filter), 시공적 필터(spatio-temporal filter), 초해상도 복원(super-resolution reconstruction) 등의 디노이징(denoising) 알고리즘을 사용하여 프레임 영상의 보정을 수행할 수 있다. 또한, 영상 처리부(150)는 히스토그램이나 웨이블렛(wavelet)에 기반한 대조 강화(contrast enhancement) 알고리즘, 에지 강화 필터 등의 디테일 강화 알고리즘 등을 사용하여 프레임 영상의 강화를 수행할 수 있다.
제어부(160)는 촬영 제어부(161), 필터링 제어부(162), 이득 제어부(163)을 포함할 수 있다.
촬영 제어부(161)는 엑스선 소스(110)를 제어하며, 더 정확하게는 엑스선 촬영에 적용되는 다양한 촬영 파라미터들을 제어한다. 촬영 파라미터는 노출 파라미터(exposure parameter)라고도 하며, 엑스선 영상 장치(100)에서 촬영 파라미터를 자동으로 제어하는 것을 자동 노출 제어(Auto Exposure Control)라고 한다.
촬영 파라미터는 관전압, 관전류, 노출 시간, 필터의 종류, 촬영 영역(FOV), 프레임 레이트, 펄스 레이트, 프레임 당 선량 등을 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
촬영 파라미터는 대상체 영역에 대한 프레임 영상에 기초하여 결정될 수도 있고, 엑스선 촬영을 시작하기 전에 입력된 사전 정보에 기초하여 결정될 수도 있으나, 이하에서는 전자의 경우를 구체적으로 설명하기로 한다.
촬영 제어부(161)가 프레임 레이트, 관전류, 프레임 당 선량 등의 촬영 파라미터를 결정하여 각각 또는 동시에 제어할 때, 영상 처리부(150)에서 획득된 관심 영역에 관한 정보에 기초할 수 있다. 예를 들어, 촬영 제어부(161)는 관심 객체의 움직임의 크기가 큰 경우에는 프레임 레이트를 증가시켜 관심 객체의 움직임에 관한 정보를 최대한 획득하고, 관심 객체의 움직임의 크기가 작은 경우에는 프레임 레이트를 감소시켜 대상체의 피폭을 줄일 수 있다.
또한, 촬영 제어부(161)가 촬영 파라미터를 제어할 때, 영상 처리부(150)에서 획득된 영상 특성에 관한 정보 기초할 수도 있다. 예를 들어, 촬영 제어부(161)는 관심 영역의 노이즈 레벨이 미리 설정된 기준치보다 높으면, 프레임 당 선량을 증가시켜 노이즈 레벨을 낮춤으로써 관심 영역이 더 선명하게 보일 수 있도록 하고, 관심 영역의 노이즈 레벨이 미리 설정된 기준치보다 낮으면, 프레임 당 선량을 감소시켜 대상체의 피폭을 줄일 수 있다.
필터링 제어부(162)는 영상 처리부(15)에서 획득된 관심 영역에 관한 정보에 기초하여 필터링부(140)를 제어한다. 필터링 제어부(162)의 동작을 설명하기 위해, 먼저 도 5 및 도 6을 참조하여 필터링부(140)의 구성을 구체적으로 상술하기로 한다.
도 5는 관심영역 필터가 구비된 필터링부를 예시한 측단면도이고, 도 6은 관심영역 필터의 일 예시에 관한 평면도이다.
도5를 참조하면, 전술한 바와 같이 필터링부(140)는 관심영역 필터(141)와 관심영역 필터(141)를 이동시키는 필터 구동부(143)를 포함한다.
관심영역 필터(141)는 필터 구동부(143)에 의해 xy 평면 또는 z축 상에서 이동할 수 있는바, xy 평면 상에서의 이동은 관심영역 필터(141)와 비관심 영역의 위치를 대응시키기 위한 것이고, z 축 상에서의 이동은 관심영역 필터(141)와 관심 영역의 크기를 대응시키기 위한 것이다.
엑스선 소스(110)의 전방, 즉 엑스선 조사 방향에는 콜리메이터(131)가 배치될 수 있다. 콜리메이터(131)는 납이나 텅스텐과 같이 엑스선을 흡수하거나 차단하는 물질로 구성되어 엑스선 소스(110)의 엑스선 조사 영역, 즉 촬영 영역(FOV)의 범위를 조절하고 엑스선의 산란을 감소시킨다.
관심영역 필터(141)는 콜리메이터(131)와 엑스선 검출기(120) 사이에 위치하여 엑스선 소스(110)로부터 조사되는 엑스선을 필터링할 수 있다. 관심영역 필터(141)는 엑스선을 감쇠시키는 물질로 이루어질 수 있는바, 엑스선은 관심영역 필터(141)를 통과하면서 감쇠되어 그 선량이 줄어든다. 따라서, 관심영역 필터(141)를 대상체 영역 중 비관심 영역에 대응되는 위치에 위치시키면, 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 할 수 있다.
일반적으로는 관심 영역이 비관심 영역에 둘러싸이게 되므로, 관심영역 필터(141)는 도 6에 도시된 바와 같이 가운데가 비어있는 즉, 가운데에 개구부(141b)가 형성된 링 형상을 가질 수 있다.
도 6의 좌측의 사각 링과 같이 개구부(141b)가 다각형인 링 형상을 가질 수도 있고, 도 6의 우측에 도시된 바와 같이 개구부(141b)가 원형인 링 형상을 가질 수도 있으나, 관심영역 필터(141)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니며, 관심영역 필터(141)는 관심 영역의 특징이나 관심 영역과 비관심 영역의 관계 등에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다.
전술한 필터링부(140)의 구성에 기초하여, 이하 필터링 제어부(162)의 동작을 설명하기로 한다.
필터링 제어부(162)는 관심 영역에 관한 정보에 기초하여 관심영역 필터(141)의 이동을 위한 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어 신호를 필터 구동부(143)에 전송하여 관심영역 필터(141)를 비관심 영역에 대응되는 위치로 이동시킬 수 있다.
구체적으로, 필터링 제어부(162)는 관심영역 필터(141)의 개구부(141b)가 관심 영역과 대응되는 위치로 위치하도록 관심영역 필터(141)의 xy 평면 상에서의 이동을 제어하고, 관심영역 필터(141)의 개구부가 관심 영역의 크기에 대응되도록 관심영역 필터(141)의 z 축 상에서의 이동을 제어할 수 있다.
필터링 제어부(162)는 관심영역 필터(141)의 위치뿐만 아니라, 관심영역 필터(141)의 종류나 두께를 제어하는 것도 가능하다. 이 때, 필터링 제어부(162)는 노이즈, 모션, 콘트라스트 등과 같은 영상 특성에 관한 정보에 기초하여, 관심영역과 비관심 영역에 입사될 엑스선의 선량 차이를 결정할 수 있고, 결정된 선량 차이에 따라 관심영역 필터(141)의 종류 또는 두께를 가변적으로 제어할 수 있다. 이하 도 7을 참조하여 관심영역 필터(141)의 종류나 두께를 제어하는 필터링 제어부(162)의 동작을 설명하도록 한다.
도 7은 복수의 관심영역 필터가 구비된 필터링부를 예시한 측단면도이다.
도 7을 참조하면, 관심영역 필터(141)는 xy평면 또는 z축 상에서 독립적으로 이동 가능한 복수의 필터 레이어(layer)로 이루어질 수 있으며, 각각의 필터 레이어는 제1관심영역 필터(141-1), 제2관심영역 필터(141-2) 및 제3관심영역 필터(141-3)가 된다.
제1관심영역 필터(141-1), 제2관심영역 필터(141-2) 및 제3관심영역 필터(141-3)는 필터 물질(fitration material)의 종류는 동일하고 두께가 다르거나, 필터 물질의 종류와 두께가 모두 다르거나, 필터 물질의 종류는 다르고 두께는 동일하거나, 필터 물질의 종류와 두께가 모두 동일할 수 있다.
필터링 제어부(162)는 영상 특성에 관한 정보에 기초하여 관심 영역과 비관심 영역에 입사될 엑스선의 선량 차이를 결정하고, 결정된 선량에 따라 엑스선을 입사시킬 수 있도록 제1관심영역 필터(141-1), 제2관심영역 필터(141-2) 및 제3관심영역 필터(141-3)의 조합을 결정한다.
예를 들어, 제2관심영역 필터와 제3관심영역 필터(141-3)가 필요한 것으로 결정된 경우, 필터링 제어부(162)는 제2관심영역 필터(141-2)와 제3관심영역 필터(141-3)를 필터링 위치에 위치시키고 제1관심영역 필터(141-1)는 필터링 위치에서 제외시킨다. 여기서, 필터링 위치는 엑스선 소스(110)에서 조사되거나 콜리메이터(131)를 통과한 엑스선을 필터링할 수 있는 위치를 의미한다.
필터링 제어부(162)는 관심영역 필터(141)를 z축 상에서 이동시키거나 xy 평면 상에서 이동시킴으써 그 위치를 제어할 수 있다. 관심영역 필터(141)를 Z축 상에서 이동시키는 경우에는, 엑스선 소스(110) 또는 콜리메이터(131)와 가까워질 수록 관심영역 필터(141)의 개구부(141b)를 통과하는 엑스선의 폭이 좁아지므로 필터링 위치에서 벗어나게 된다.
도 8및 도 9는 관심 영역과 비관심 영역에 입사된 엑스선의 선량을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 관심영역과 비관심 영역을 지나는 임의의 직선 AB상에 입사되는 엑스선의 선량을 나타낸다. 필터링 제어부(162)가 관심영역 필터(141)를 비관심 영역에 대응되는 위치로 이동시키면 도 8에 도시된 바와 같이 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사된다(d1<d2). 선량이 적기는 하나, 비관심 영역에도 엑스선이 입사되므로 전체 촬영 영역에 대한 정보를 얻을 수 있다.
전술한 바와 같이 엑스선 영상 장치(100)는 엑스선 촬영을 연속적으로 수행하여 동영상을 얻을 수 있는바, 대상체 영역에 관심 영역이 존재하는 한 관심 영역과 비관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량의 차이를 도 9에 도시된 바와 같이 유지할 수 있다.
도 10 은 관심 객체의 움직임에 따른 관심 영역의 이동을 나타낸 도면이고, 도 11은 이동하는 관심 영역을 추적하는 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
엑스선 동영상은 대상체 영역에 존재하는 움직임을 나타낼 수 있고, 움직임의 주체가 관심 객체인 경우에는 관심 객체의 움직임에 의해 관심 영역이 이동할 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이 혈관에 스텐트 기구(13)를 삽입하는 스텐트 삽입술을 수행하는 경우, 관심 객체인 스텐트(13a)는 혈관 내의 목표 위치로 이동하고, 스텐트(13a)의 움직임에 따라 관심 영역도 함께 이동한다.
앞서, 영상 처리부(150)가 관심 객체의 검출, 추적 및 관심 영역 설정을 실시간으로 수행할 수 있다고 언급한 바 있다. 따라서, 관심 객체가 이동하는 경우에는, 도 11에 도시된 바와 같이 영상 처리부(150)가 실시간으로 이를 추적하여 관심 영역을 설정한다. 바꾸어 말하면, 영상 처리부(150)가 실시간으로 관심 영역을 이동시킨다. 그리고 필터링 제어부(162)는 관심영역 필터(141)를 xy 평면 상에서 이동시킴으로써, 관심영역 필터(141)가 관심 영역의 이동에 동기되어 함께 이동하도록 한다.
한편, 도 11의 예시에서는 관심 객체의 이동에 따라 관심 영역도 함께 이동하는 것으로 하였으나, 관심 객체의 이동에 따라 관심 영역의 크기가 달라지는 것도 가능하다.
예를 들어, 관심 객체의 움직임의 크기가 크지 않은 경우, 즉 움직임의 크기가 일정 기준치 이하인 경우에는 영상 처리부(150)는 관심 영역의 위치는 고정시키되, 관심 객체를 포함할 수 있도록 그 크기를 증가시킬 수 있다. 따라서, 관심 객체의 움직임의 크기에 따라 관심 영역의 크기 증가율이 달라지게 된다. 이 경우, 필터 제어부(162)는 관심영역 필터(141)를 xy 평면 상에서는 이동시키지 않고 z축 상에서만 이동시켜, 관심영역 필터(141)의 z축 상에서의 위치가 관심 영역의 크기 변화에 동기될 수 있도록 한다.
이득 제어부(163)는 엑스선 디텍터(120)를 제어하며, 더 정확하게는 관심 영역과 비관심 영역에서의 엑스선 디텍터(120)의 이득을 제어한다.
비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되면, 비관심 영역에서의 신호 대 잡음비(Signal to Noise Ratio; SNR)가 관심 영역에 비해 낮게 나타나고, 대상체 영상 내에서 관심 영역과 비관심 영역의 화질 차이가 발생하게 된다. 즉, SNR이 낮은 비관심 영역의 화질이 관심 영역의 화질보다 저하된다.
이득 제어부(163)는 비관심 영역의 화질을 개선하기 위하여 엑스선 디텍터(120)의 이득을 제어하는 것이며, 이득 제어 방법에 대해 설명하기 위하여, 먼저 도 12 내지 도 14를 참조하여 엑스선 디텍터의 구조를 상술하기로 한다.
도 12는 엑스선 디텍터의 구조를 개략적으로 나타낸 모식도이다.
도 12를 참조하면, 엑스선 디텍터(120)는 엑스선을 검출하여 전기 신호를 발생시키는 수광 소자(121)와 발생된 전기 신호를 읽어 내는(read-out) 독출 회로 (122)을 포함할 수 있다.
수광 소자(121)로는 낮은 에너지와 적은 선량에서의 높은 해상도와 빠른 응답 시간 및 높은 동적 영역을 확보하기 위하여 단결정 반도체 물질이 사용될 수 있으며, 이 때 사용되는 단결정 반도체 물질은 Ge, CdTe, CdZnTe, GaAs 등이 있다.
수광 소자(121)는 고저항의 n형 반도체 기판(121b)의 하부에, 2차원 어레이 구조의 p형 반도체 기판(121c)이 접합되는 PIN 포토다이오드 형태를 형성할 수 있다.
CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 공정을 이용한 독출 회로(122)는 2차원 어레이 구조를 형성하여, 픽셀(50)별로 수광 소자(121)의 p형 기판(121c)과 결합될 수 있다. 이 때, 결합 방식은 땜납(PbSn), 인듐(In) 등의 범프(bump)(123)를 형성한 후 reflow하고 열을 가하며 압착하는 플립칩 본딩 방식이 이용될 수 있다.
도 13에는 도 12에 도시된 엑스선 디텍터의 단일 픽셀 영역을 개략적으로 나타낸 회로도가 도시되어 있고, 도 14에는 이득이 제어 가능한 엑스선 디텍터의 단일 픽셀 영역을 개략적으로 나타낸 도면이 도시되어 있다.
도 13을 참조하면, 엑스선의 광자(photon)가 수광 소자(121)에 입사하게 되면 가전도대(valance band)에 있던 전자들이 광자의 에너지를 전달 받아 밴드갭(band gap) 에너지 차이를 넘어 전도대(conduction band)로 여기된다. 이로써 전자와 정공이 존재하지 않은 공핍 영역에서 전자-정공쌍이 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 범프본딩(123)을 통해 독출 회로(122)로 입력된다.
독출 회로(122)에 입력된 전하는 전증폭기(pre-amplifier)(122a)에 전달되고, 그에 대응되는 전압 신호를 출력하게 된다.
전증폭기(122a)에서 출력된 전압 신호는 비교기(122b)로 전달되고, 비교기는 외부에서 제어될 수 있는 임의의 문턱 전압과 입력된 전압 신호를 비교하여, 그 결과에 따라 ‘1’ 또는 ‘0’의 펄스 신호를 출력한다. 즉, 비교기는 입력된 전압이 문턱 전압보다 크면 ‘1’의 신호를 출력하고, 문턱 전압보다 작으면 ‘0’의 신호를 출력한다. 카운터에서는 ‘1’이 몇 번 나왔는지를 계수하여 디지털 형태로 데이터를 출력한다.
이 때, 전증폭기(122a)는 가변 증폭기로 구비되어, 관심 영역과 비관심 영역을 구분하여 이득을 달리할 수 있다. 구체적으로, 관심 영역에 대응되는 픽셀(50)의 전증폭기(122a)는 제1이득을 갖고, 비관심 영역에 대응되는 픽셀(50)의 전증폭기(122a)는 제 2 이득을 갖는다.
도 14를 참조하면, 엑스선 디텍터(120)의 픽셀(50) 각각은 이득이 다른2개의 전증폭기(122-1a, 122-2a)를 구비하고, 그에 대응되게 비교기(122-1b 122-2b) 및 계수기(122-1c, 122-2c) 또한 2개씩 구비한다.
엑스선 디텍터(120)의 픽셀(50)이 어느 영역에 대응되는지에 따라, 제1 전증폭기(122-1a)가 작동할지 아니면 제2 전증폭기(122-2a)가 작동할지가 결정된다. 구체적으로, 엑스선 디텍터(120)의 픽셀(50)이 관심 영역을 투과한 엑스선을 검출하는 픽셀이라면, 독출 회로(122)에 입력된 전하는 제1 전증폭기(122-1a)로 전달되어 그에 대응된 전압 신호를 출력한다. 반면, 비관심 영역을 투과한 엑스선을 검출하는 픽셀이라면, 입력된 전하는 제2 전증폭기(122-2a)로 전달되어 그에 대응된 전압 신호를 출력한다.
그리고, 제1 전증폭기(122-1a)에서 출력된 전압 신호는 제 1 비교기(122-1b)의 문턱 전압과 비교되어 제 1 계수기(122-1c)에서 카운팅 되고, 제2 전증폭기(122-2a)에서 출력된 전압 신호는 제 2 비교기(122-2b)의 문턱 전압과 비교되어 제 2 계수기(122-2c)에서 카운팅 된다. 이 때, 제 1 비교기(122-1b)의 문턱 전압과 제 2 비교기(122-1b)의 문턱 전압은 동일한 것으로 할 수 있다.
이와 같은 구조의 엑스선 디텍터(120)를 이용하면, 즉 각 픽셀이 가변 증폭기를 포함하거나, 복수의 증폭기를 포함하는 엑스선 디텍터(120)를 이용하면, 관심 영역과 비관심 영역에서의 엑스선 티텍터(120)의 이득을 제어할 수 있다.
한편, 상술한 구조는 이득이 제어 가능한 엑스선 디텍터(120)의 일 예들에 불과하며, 엑스선 디텍터(120)의 각 픽셀의 가변 용량 소자를 포함하여, 관심 영역과 비관심 영역에서 서로 다른 정전용량을 갖는 것도 가능하다. 즉, 이득을 제어할 수만 있다면, 엑스선 디텍터(120)는 당업계에 알려져 있는 임의의 다른 형태로 구조화되더라도 무방하다.
상술한 엑스선 디텍터(120)의 구조에 기초하여, 이하 이득 제어부(120)의 이득 제어 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 15는 관심 영역과 비관심 영역에서 엑스선 디텍터의 이득을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15에서의 관심 영역과 비관심 영역, 그리고 직선 AB는 도 8과 동일한 것으로, 도 8을 다시 참조하면, 필터링 제어부(162)가 관심영역 필터(141)를 대상체 영역 중 비관심 영역에 대응되는 위치로 이동시켜, 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 한다.
이 때, 이득 제어부(163)는 엑스선의 입사 선량과 반비례하게 엑스선 디텍터(120)의 이득을 제어할 수 있다. 즉, 이득 제어부(163)는 도 15의 (a)에 도시된 바와 같이 관심 영역과 비관심 영역에 상관 없이 동일하게 적용되었던 엑스선 디텍터(120)의 이득(g1)을, 엑스선의 입사 선량이 상대적으로 적은 비관심 영역에서 증가시킨다. 따라서, 도 15의 (b)에 도시된 바와 같이 엑스선 디텍터(120)의 이득이 관심 영역 보다 비관심 영역에서 높아지게 된다(g1<g2).
이를 도 14의 복수의 증폭기를 포함하는 엑스선 디텍터(120)에 적용하면, 제2 전증폭기(122-2a)의 이득을 제1 전증폭기(122-1a)의 이득보다 높게할 수 있다. 그러면, 동일한 전하가 입력된다고 할 때, 제 2전증폭기(122-2a)에서 출력되는 전압 신호가 제1 전증폭기(122-1a)의에서 출력되는 전압 신호보다 커지게 되고, 전자가 후자보다 문턱 전압을 넘을 가능성이 더 커지게 된다. 따라서, 제 2 계수기(122-2c)의 카운팅 가능성이 제1계수기(122-1c)보다 커지며, 이는 비관심 영역에서의 엑스선 디텍터(120)의 이득이 관심 영역에서보다 높아지는 결과를 낳는다. 즉, 도 14와 같은 엑스선 디텍터(120)의 구조에서는, 이득 제어부(163)가 전증폭기(122-1a, 122-2a)의 이득을 결정함으로써 간접적으로 엑스선 디텍터(120)의 이득을 제어할 수 있는 것이다.
마찬가지로, 도 13의 가변 증폭기를 포함하는 엑스선 디텍터(120)에 대하여, 이득 제어부(163)는 비관심 영역에 대응되는 픽셀(50)의 전증폭기(122a)가 갖는 제2이득을, 관심 영역에 대응되는 픽셀(50)의 전증폭기(122a)가 갖는 제 1 이득보다 높게 하고, 이로써 엑스선 디텍터(120)의 이득이 비관심 영역에서 증가하하도록 한다.
또한, 엑스선 디텍터(120)의 각 픽셀이 가변 용량 소자를 포함하는 구조에도 적용할 수 있다. 관심 영역에 대응되는 픽셀의 소자가 비관심 영역에 대응되는 픽셀의 소자보다 더 큰 정전용량을 갖도록 하면, 비관심 영역에서의 엑스선 디텍터(120)의 이득이 관심 영역보다 높아지게 된다. 따라서, 이득 제어부(163)는 가변 용량 소자의 정전용량을 상술한 바와 같이 조정하여, 간접적으로 엑스선 디텍터(120)의 이득을 제어한다.
한편, 상술한 바에 따라 엑스선 디텍터(120)의 이득이 비관심 영역에서 증가하면, 비관심 영역에서의 SNR 또한 높아진다. 즉, 비관심 영역의 화질이 개선되며, 관심 영역과 비관심 영역의 화질 차이가 줄어들게 된다.
도 16은 이득 조정에 따른 비관심 영역의 화질 개선을 예시한 도면이다.
구체적으로, 관심 객체인 시술 도구를 포함한 일정 영역을 관심 영역으로 하고, 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되어 획득된 프레임 영상들이 도 16에 도시되어 있다. 도 16의 (a)는 엑스선 디텍터(120)의 이득을 관심 영역과 비관심 영역에 상관 없이 동일하게 적용하여 획득한 프레임 영상이며, 도 16의 (b)는 도 16의 (a)에 적용된 엑스선 디텍터(120)의 이득을 비관심 영역에서만 증가시켜 획득한 프레임 영상이다.
도 16의 (a)에 도시된 비관심 영역은 SNR이 낮아 상대적으로 노이즈가 부각되어 화질이 좋지 않으나, 도 16의 (b)에 도시된 비관심 영역은 SNR이 높아져 관심 영역과의 화질 차이가 거의 나타나지 않는다.
한편, 이득 제어부(163)가 엑스선 티텍터(120)의 이득을 제어하는 것은 필터링 제어부(162)에 의존하게 된다. 예를 들어, 필터링 제어부(162)가 관심영역 필터(141)의 두께를 제어하여 관심 영역과 비관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이 크게하면, 그에 비례하여 두 영역의 화질 차이도 커지게 된다. 이득 제어부(163)는 화질 차이를 최대한 줄이기 위하여 구비되는 것으로써, 이득 제어부(163) 또한 그에 대응하여 엑스선 디텍터(120)의 이득의 차이가 커지도록 제어하게 된다.
이상으로 엑스선 영상 장치의 구성 및 각 구성의 역할을 실시예들을 바탕으로 설명하였으며, 이하에서는 주어진 흐름도를 참조하여 엑스선 영상 장치의 제어 방법을 살펴보기로 한다.
도 17 은 엑스선 영상 장치의 제어 방법의 일 실시예에 따른 흐름도이다. 엑스선 영상 장치의 제어 방법에서는 전술한 엑스선 영상 장치(100)가 사용될 수 있다.
도 17을 참조하면, 대상체 영역에 미리 정해진 시간 간격으로 엑스선을 조사한다(310). 엑스선을 연속적으로 조사하는 것도 가능하나, 여기서는 엑스선의 선량 감소와 시간적 해상도(temporal resolution) 향상을 위해 일정한 시간 간격으로 엑스선을 조사하는 펄스 노출 방식을 채용하는 것으로 한다. 여기서, 미리 정해진 시간 간격은 펄스 레이트에 따라 결정될 수 있으며, 일 예로 펄스 레이트가 초당 30펄스(30pps)인 경우에는 엑스선을 1초에 30회 조사한다.
조사된 엑스선을 검출하여 대상체 영역에 관한 프레임 영상을 획득한다(320). 여기서, 대상체 영역은 엑스선 촬영 영역과 일치할 수 있으며 프레임 영상의 획득은 엑스선의 조사와 동기되어 실시간으로 이루어질 수 있다.
대상체 영역에 관한 프레임 영상으로부터 관심 영역에 관한 정보를 획득한다(330). 구체적으로, 대상체 영역에 관한 프레임 영상으로부터 관심 객체를 검출하고, 검출된 관심 객체를 포함하는 일정 영역을 관심 영역으로 설정한다. 관심 영역의 위치와 크기는 관심 객체의 위치, 크기, 또는 관심 객체의 움직임 특성을 고려하여 결정될 수 있으며, 관심 객체의 움직임 특성이 갖는 불확실성도 함께 고려될 수 있다. 관심 영역에 관한 정보는 관심 영역의 위치, 크기 또는 움직임 특성을 포함하며, 관심 영역의 움직임 특성은 관심 객체의 움직임 특성에 의해 정의될 수 있다.
이 때, 관심 객체 혹은 관심 영역이 존재 여부를 같이 판단할 수 있다(340). 관심 객체 혹은 관심 영역이 존재하지 않아 관심 영역에 관한 정보를 획득할 수 없다면, 엑스선 진단 과정을 종료한다.
그리고, 관심 영역이 존재하여 관심 영역에 관한 정보를 획득하면 350 단계로 넘어간다. 즉, 비관심 영역에서 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 필터링부(140)를 제어하고, 비관심 영역에서의 엑스선 디텍터의 이득이 관심 영역보다 크도록 엑스선 디텍터(120)를 제어한다(350).
필터링부(140)는 엑스선을 감쇠하는 물질로 이루어진 관심영역 필터(141)를 포함하며, 관심영역 필터(141)는 엑스선을 조사하는 엑스선 소스(110)와 엑스선을 검출하는 엑스선 검출기(120) 사이에서, 위치 제어가 가능하도록 구비되어 있다. 따라서, 관심영역 필터(141)를 비관심 영역에 대응되는 위치에 위치시켜 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 할 수 있다. 관심 영역의 설정은 프레임 레이트에 따라 실시간으로 수행될 수 있으며, 관심 영역이 이동하면 이를 추적하여 관심영역 필터(141)를 비관심 영역에 대응되는 위치로 이동시킨다.
한편, 관심영역 필터(141)의 제어는, 노이즈, 모션, 콘트라스트 등의 영상 특성에 관한 정보에 기초하여 관심 영역과 비관심 영역에 입사될 엑스선의 선량 차이를 조절하는 것도 포함할 수 있다.
비관심 영역에는 저선량의 엑스선이 입사되었으므로, 프레임 영상의 비관심 영역은 신호 대 잡음비(SNR)가 낮게 나타나고, 이는 비관심 영역에서의 화질 저하를 발생시킨다. 따라서, 비관심 영역에서의 화질 개선을 위해, 엑스선 디텍터(120)의 이득이 관심 영역 보다 비관심 영역에서 높아지도록 제어한다.
이 때, 관심 영역과 비관심 영역에서 이득의 차이는 두 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이에 비례하도록 제어한다.
이와 같이, 관심 영역과 비관심 영역에 입사되는 선량에 차이를 두고, 이와 동시에 엑스선 디텍터의 이득을 비관심 영역에서 증가시키면, 대상체에 입사되는 엑스선의 선량은 줄어들고 비관심 영역의 화질은 개선된 프레임 영상을 획득할 수 있게 된다(360).
이 때, 영상의 화질 개선을 위한 보정 및 강화 작업이 프레임 영상의 전 영역에서 수행될 수 있는바, 공간적 필터(spatial filter), 시간적 필터(temporal filter), 시공적 필터(spatio-temporal filter), 초해상도 복원(super-resolution reconstruction) 등의 디노이징(denoising) 알고리즘을 사용하여 프레임 영상을 보정할 수 있고, 히스토그램이나 웨이블렛(wavelet)에 기반한 대조 강화(contrast enhancement) 알고리즘, 에지 강화 필터 등의 디테일 강화 알고리즘 등을 사용하여 프레임 영상을 강화시킬 수 있다.
이렇게 획득된 프레임 영상은 디스플레이부에 실시간으로 표시된다(370).
이상과 같이 예시된 도면을 참조로 하여, 엑스선 영상 장치 및 엑스선 영상 장치의 제어 방법의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시 될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 엑스선 영상 장치 110 : 엑스선 소스
120 : 엑스선 디텍터 140 : 필터링부
141 : 관심영역 필터 142 : 필터 구동부
150 : 영상 처리부 160 : 제어부
161 : 촬영 제어부 162 : 필터링 제어부
163 : 이득 제어부 171 : 입력부
172 : 디스플레이부

Claims (23)

  1. 대상체 영역에 엑스선을 조사하는 엑스선 소스;
    상기 조사된 엑스선을 검출하여 상기 대상체 영역에 관한 복수의 프레임 영상을 획득하는 엑스선 디텍터;
    상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선을 필터링하는 필터링부;
    상기 복수의 프레임 영상에 기초하여, 상기 대상체 영역 내에 관심 영역을 설정하는 영상 처리부; 및
    상기 대상체 영역 내의 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 상기 필터링부를 제어하고, 상기 비관심 영역에서의 상기 엑스선 디텍터의 이득이 상기 관심 영역보다 커지도록 상기 엑스선 디텍터를 제어하는 제어부;
    를 포함하는 엑스선 영상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비관심 영역과 관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이에 기초하여 상기 엑스선 디텍터의 이득을 제어하는 엑스선 영상 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 비관심 영역과 관심 영역에서의 엑스선 디텍터의 이득 차이가 상기 비관심 영역과 관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이에 비례하도록 제어하는 엑스선 영상 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터링부는,
    엑스선을 감쇠시키는 필터 물질로 이루어지는 관심영역 필터; 및
    상기 관심 영역 필터를 이동시키는 필터 구동부를 포함하는 엑스선 영상 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 영상 처리부는,
    상기 복수의 프레임 영상에 기초하여, 관심 영역에 관한 정보 및 영상 특성에 관한 정보를 획득하여 상기 제어부에 전송하는 엑스선 영상 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 관심 영역에 관한 정보는,
    상기 관심 영역의 위치, 상기 관심 영역의 크기 및 상기 관심 영역의 움직임 특성 중 적어도 하나인 엑스선 영상 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 관심 영역에 관한 정보에 기초하여, 상기 필터 구동부가 상기 관심영역 필터를 상기 비관심 영역에 대응되는 위치로 이동시키도록 제어하는 엑스선 영상 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 영상 특성에 관한 정보에 기초하여, 상기 비관심 영역과 관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이를 결정하는 엑스선 영상 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 결정된 엑스선의 선량 차이에 따라, 상기 관심영역 필터의 종류나 두께를 제어하는 엑스선 영상 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑스선 디텍터의 각 픽셀은,
    가변 증폭기 또는 복수의 증폭기를 포함하는 엑스선 영상 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 관심 영역에 대응되는 픽셀의 증폭기는 제 1 이득을 갖고, 상기 비관심 영역에 대응되는 픽셀의 증폭기는 제 2 이득을 갖도록 제어하되,
    제 1 이득은 제 2이득보다 작은 것인 엑스선 영상 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑스선 디텍터의 각 픽셀은,
    가변 용량 소자를 포함하는 엑스선 영상 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 관심 영역에 대응되는 픽셀의 가변 용량 소자는 제 1 정전용량을 갖고, 상기 비관심 영역에 대응되는 픽셀의 가변 용량 소자는 제 2 정전용량을 갖도록 제어하되,
    제 1 정전용량은 제 2 정전용량보다 큰 것인 엑스선 영상 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 처리부는,
    상기 관심 영역의 설정을 프레임 레이트에 따라 실시간으로 수행하는 엑스선 영상 장치.
  15. 엑스선 소스가 대상체 영역에 엑스선을 조사하고;
    엑스선 디텍터가 상기 조사된 엑스선을 검출하여 상기 대상체 영역에 관한 복수의 프레임 영상을 획득하고;
    상기 복수의 프레임 영상을 기초하여, 상기 대상체 영역 내에 관심 영역을 설정하고;
    상기 대상체 내의 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선을 필터링하고;
    상기 비관심 영역에서의 상기 엑스선 디텍터의 이득이 상기 관심 영역보다 커지도록 제어하는;
    것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 비관심 영역에서의 상기 엑스선 디텍터의 이득이 상기 관심 영역보다 커지도록 제어하는 것은,
    상기 비관심 영역과 관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이에 기초하여 상기 엑스선 디텍터의 이득을 제어하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 비관심 영역에서의 상기 엑스선 디텍터의 이득이 상기 관심 영역보다 커지도록 제어하는 것은,
    상기 비관심 영역과 관심 영역에서의 엑스선 디텍터의 이득 차이가 상기 비관심 영역과 관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이에 비례하도록 제어하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수의 프레임 영상에 기초하여, 관심 영역에 관한 정보 및 영상 특성에 관한 정보를 획득하는;
    것을 더 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 엑스선을 필터링하는 것은,
    상기 관심 영역에 관한 정보에 기초하여, 상기 조사된 엑스선을 감쇠시키는 관심 영역 필터를 상기 비관심 영역에 대응되는 위치로 이동시키는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 엑스선을 필터링하는 것은,
    상기 영상 특성에 관한 정보에 기초하여, 상기 비관심 영역과 관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이를 결정하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 엑스선을 필터링하는 것은,
    상기 결정된 엑스선의 선량 차이에 따라, 상기 관심영역 필터의 종류나 두께를 제어하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 비관심 영역에서의 상기 엑스선 디텍터의 이득이 상기 관심 영역보다 커지도록 제어하는 것은,
    상기 엑스선 디텍터의 각 픽셀이 가변 증폭기 또는 복수의 증폭기를 포함하여, 상기 관심 영역에 대응되는 픽셀의 증폭기는 제 1 이득을 갖고, 상기 비관심 영역에 대응되는 픽셀의 증폭기는 제 2이득을 갖도록 제어하는 것을 포함하되,
    제 1 이득은 제 2이득보다 작은 것인 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
  23. 제 15 항에 있어서,
    상기 비관심 영역에서의 상기 엑스선 디텍터의 이득이 상기 관심 영역보다 커지도록 제어하는 것은,
    상기 엑스선 디텍터의 각 픽셀이 가변 용량 소자를 포함하여, 상기 관심 영역에 대응되는 픽셀의 가변 용량 소자는 제 1 정전용량을 갖고, 상기 비관심 영역에 대응되는 픽셀의 가변 용량 소자는 제 2 정전용량을 갖도록 제어하는 것을 포함하되,
    제 1 정전용량은 제 2 정전용량보다 큰 것인 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
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