KR20150043630A - 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

개시된 발명의 일 측면은 픽셀마다 카운팅 회로를 구비할 필요 없이 기존의 전자 축적 방식에 적용되는 회로 구조를 이용하여 엑스선을 검출하고, 소프트웨어적인 방법으로 광자를 카운트하여 에너지 대역 별 엑스선 영상 및 다중 에너지 영상을 생성하는 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치는, 미리 설정된 광대역의 엑스선을 발생시켜 조사하는 엑스선 소스; 상기 엑스선의 1회 조사 시에 평균 10개 이하의 광자를 검출하여 전기적 신호로 변환하는 복수의 로우(raw) 픽셀로 구성되는 엑스선 검출기; 및 상기 전기적 신호에 따라 상기 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 복수의 에너지 대역 별로 분리하여 상기 복수의 에너지 대역에 각각 대응되는 복수의 단일 에너지 영상을 생성하고, 상기 복수의 단일 에너지 영상을 이용하여 다중 에너지 영상을 생성하는 영상 처리부를 포함한다.

Description

엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법{X-RAY IMAGE 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 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.
최근에는 대상체를 구성하는 물질 간의 대조도를 향상시키기 위해 다중 에너지 엑스선을 이용한 영상화 기술이 개발되고 있다. 다중 에너지 영상을 얻기 위해서는 서로 다른 에너지 대역 별 엑스선 영상이 필요한데, 서로 다른 에너지 대역 별 엑스선 영상을 얻기 위한 방법으로 엑스선 소스에서 서로 다른 에너지 대역을 갖는 엑스선을 각각 조사하고 엑스선 검출기에서 각 에너지 대역의 영상을 각각 검출하는 방법과 엑스선 소스에서 서로 다른 에너지 대역을 포함하는 엑스선을 1회 조사하고 엑스선 검출기에서 이를 검출하여 에너지 대역 별로 분리하는 방법이 있다.
대상체의 엑스선 노출을 최소화 하고 대상체의 움직임에 따른 움직임 아티팩트(motion artifact)를 방지하기 위해서는 후자의 방법이 선호되는바, 후자의 방법을 적용하기 위해서 종래의 기술에서는 엑스선 검출기를 광자 계수 검출기(PCD: Photon Counting Detector)로 구현해야 한다. 그러나, 광자 계수 검출기는 픽셀마다 카운팅 회로를 구비해야 하므로 대면적 평판형 엑스선 검출기의 수율이 낮아지고, 단일 광자를 구분할 수 있는 펄스를 생성할 수 있는 단결정 수광소자를 사용해야 하기 때문에 엑스선 검출기의 대면적화가 어렵다.
개시된 발명의 일 측면은 픽셀마다 카운팅 회로를 구비할 필요 없이 기존의 전자 축적 방식에 적용되는 회로 구조를 최소한으로 변형하여 엑스선을 검출하고, 소프트웨어적인 방법으로 광자를 카운트하여 에너지 대역 별 엑스선 영상 및 다중 에너지 영상을 생성하는 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치는, 미리 설정된 광대역의 엑스선을 발생시켜 조사하는 엑스선 소스; 상기 엑스선의 1회 조사 시에 평균 10개 이하의 광자를 검출하여 전기적 신호로 변환하는 복수의 로우(raw) 픽셀로 구성되는 엑스선 검출기; 및 상기 전기적 신호에 따라 상기 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 복수의 에너지 대역 별로 분리하여 상기 복수의 에너지 대역에 각각 대응되는 복수의 단일 에너지 영상을 생성하고, 상기 복수의 단일 에너지 영상을 이용하여 다중 에너지 영상을 생성하는 영상 처리부를 포함한다.
상기 영상 처리부는, 상기 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 개수에 따라 그룹화하여 복수의 가상 픽셀로 재구성할 수 있다.
상기 영상 처리부는, 상기 가상 픽셀에 포함된 로우 픽셀들의 전기적 신호를 상기 복수의 에너지 대역에 대응되는 기준값들과 비교하여 상기 로우 픽셀들을 상기 복수의 에너지 대역 별로 분리할 수 있다.
상기 영상 처리부는, 상기 복수의 에너지 대역 별로 분리된 로우 픽셀의 수를 카운트할 수 있다.
상기 영상 처리부는, 상기 카운트된 로우 픽셀의 수를 상기 가상 픽셀에 입사된 광자의 수로 추정하여 상기 복수의 에너지 대역 별로 단일 에너지 영상을 생성할 수 있다.
개시된 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 영상 장치는 미리 설정된 에너지 대역의 엑스선을 발생시켜 조사하는 엑스선 소스; 상기 엑스선의 1회 조사 시에 한 개 이하의 광자를 검출하여 전기적 신호로 변환하는 복수의 로우(raw) 픽셀로 구성되는 엑스선 검출기; 및 상기 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 개수에 따라 그룹화하여 복수의 가상 픽셀로 재구성하고, 상기 가상 픽셀에 포함되는 로우 픽셀들의 전기적 신호를 미리 설정된 기준 값과 비교하여 단일 에너지 영상을 생성하는 영상 처리부를 포함한다.
상기 영상 처리부는, 상기 가상 픽셀에 포함되는 로우 픽셀들 중 상기 미리 설정된 기준 값보다 큰 전기적 신호를 갖는 로우 픽셀의 수를 상기 가상 픽셀에 입사된 광자의 수로 추정하여 단일 에너지 영상을 생성할 수 있다.
개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법은 미리 설정된 광대역의 엑스선을 조사하는 단계; 복수의 로우 픽셀을 포함하는 엑스선 검출기를 이용하여 상기 엑스선에 포함된 광자를 픽셀 당 평균 10개 이하로 검출하여 전기적 신호로 변환하는 단계; 상기 전기적 신호에 따라 상기 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 복수의 에너지 대역 별로 분리하는 단계; 상기 복수의 에너지 대역 별로 분리된 로우 픽셀의 수에 기초하여 상기 복수의 에너지 대역에 각각 대응되는 복수의 단일 에너지 영상을 생성하는 단계; 및 상기 복수의 단일 에너지 영상을 이용하여 다중 에너지 영상을 생성하는 단계를 포함한다.
상기 엑스선 영상 장치의 제어 방법은 상기 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 개수에 따라 그룹화하여 복수의 가상 픽셀로 재구성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
개시된 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법은 미리 설정된 에너지 대역의 엑스선을 발생시켜 조사하는 단계;
복수의 로우 픽셀을 포함하는 엑스선 검출기를 이용하여 상기 엑스선에 포함된 광자를 로우 픽셀 당 평균 10개 이하로 검출하여 전기적 신호로 변환하는 단계; 상기 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 개수에 따라 그룹화하여 복수의 가상 픽셀로 재구성하는 단계; 및 상기 가상 픽셀에 포함되는 로우 픽셀들의 전기적 신호를 미리 설정된 기준값과 비교하여 단일 엑스선 영상을 생성하는 단계를 포함한다.
개시된 발명의 일 측면에 따른 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 픽셀마다 카운팅 회로를 구비할 필요 없이 기존의 전자 축적 방식에 적용되는 회로 구조를 이용하여 엑스선을 검출하고, 소프트웨어적인 방법으로 광자를 카운트하여 에너지 대역 별 엑스선 영상을 생성하고, 에너지 대역 별 엑스선 영상을 이용하여 물질 간 대조도가 향상된 다중 에너지 영상을 생성할 수 있다.
도 1은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 블록도이다.
도 2a는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치가 일반 엑스선 영상 장치인 경우의 외관도이다.
도 2b는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치가 유방을 촬영하는 경우의 외관도이다.
도 3a는 뼈, 근육 및 지방의 감쇠 계수를 나타낸 그래프이다.
도 3b는 유방을 구성하는 연조직들의 감쇠 계수를 나타낸 그래프이다.
도 4는 엑스선 튜브의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5a는 복수의 단일 에너지 영상에 대응되는 에너지 대역을 나타낸 그래프이다.
도 5b는 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선의 에너지 대역을 나타낸 그래프이다.
도 6은 기존의 광자 계수 방식 엑스선 검출기의 단일 픽셀의 회로 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 엑스선 검출기의 픽셀 사이즈를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 엑스선 검출기의 단일 픽셀의 회로 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치에 있어서 영상 처리부의 구성이 구체화된 제어 블록도이다.
도 10a 및 도 10b는 재구성된 가상 픽셀의 크기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 비교부에서 단일 가상 픽셀을 구성하는 로우 픽셀들을 에너지 대역 별로 분리하는 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12는 로우 에너지 대역 별 픽셀의 수에 기초하여 단일 에너지 영상을 생성하는 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 13은 다중 에너지 영상 생성부를 더 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 블록도이다.
도 14는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 순서도이다.
도 15는 단일 에너지 영상을 생성하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 측면에 따른 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법에 관한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
엑스선 영상 장치는 촬영 부위, 엑스선 영상의 종류 또는 촬영 목적 등에 따라 그 구조나 촬영 방식이 달라질 수 있다. 구체적으로, 흉부, 팔, 다리 등을 촬영하는 일반적인 엑스선 영상 장치(radiography), 유방 촬영 기술인 맘모그래피(mammography)를 이용한 엑스선 영상 장치, 형광 스크린 상에 대상체의 영상을 형성시키는 형광 투시법(fluoroscopy)을 이용한 엑스선 영상 장치, 혈관 조영술(angiography)을 이용한 엑스선 영상 장치, 심박동 기록(cardiography)을 위한 엑스선 영상 장치 등이 있는바, 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치는 상기 엑스선 영상 장치 중 어느 하나이거나, 두 종류 이상의 엑스선 영상 장치가 결합된 것일 수도 있다.
또한, 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치는 위상차 엑스선 영상(Phase Contrast X-ray image)을 생성하는데도 적용될 수 있다. 위상차 엑스선 영상은 엑스선이 대상체를 통과하면서 대상체를 구성하는 물질에 의해 굴절 및 간섭 현상이 발생하여 위상이 변하게 되는 특성을 이용한 영상으로서, 서로 다른 복수의 에너지 대역에 대해 획득된 엑스선 영상을 이용하여 위상차 영상을 생성할 수 있다.
도 1은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 블록도이고, 도 2a는 개시된 발명이 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치가 일반 엑스선 영상 장치인 경우의 외관도이고, 도 2b는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치가 유방을 촬영하는 경우의 외관도이다.
도 1을 참조하면, 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치(100)는 엑스선을 발생시켜 대상체에 조사하는 엑스선 소스(110), 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 엑스선 검출기(120), 엑스선 검출기(120)에서 변환된 전기적 신호에 기초하여 엑스선 검출기(120)에 입사된 광자를 서로 다른 복수의 에너지 대역 별로 카운트하고 대상체의 엑스선 영상을 생성하는 영상 처리부(130) 및 대상체의 엑스선 영상을 표시하는 디스플레이부(141)를 포함한다.
엑스선 소스(110)는 서로 다른 복수의 에너지 대역을 포함하는 광대역 엑스선을 조사하고, 엑스선 검출기(120)는 2차원 픽셀 어레이를 가지며, 엑스선 소스(110)로부터 엑스선이 1회 조사될 때에 픽셀 당 극소량의 광자가 검출될 수 있을 정도로 작은 픽셀 사이즈를 갖는다.
개시된 발명의 일 실시예에서 복수의 에너지 대역은 서로 다른 에너지 대역을 의미하며, 서로 다른 에너지 대역은 그 상한과 하한 중 적어도 하나가 다른 대역을 의미하는 것으로 한다.
또한, 개시된 발명의 일 실시예에서 광대역은 후술할 영상 처리부(130)에서 분리하는 에너지 대역에 대해 상대적인 것으로서, 단일 에너지 (single energy)영상에 대응되는 에너지 대역을 복수 개 포함하는 것을 광대역이라 하기로 한다.
영상 처리부(130)는 엑스선 검출기(120)의 각 픽셀에서 출력된 전기적 신호를 각 에너지 대역에 대응되는 기준 값과 비교하여 엑스선 검출기(120)를 구성하는 복수의 픽셀을 에너지 대역 별로 분리한다. 에너지 대역 별로 분리된 픽셀들을 이용하여 에너지 대역 별 단일 에너지 영상을 획득할 수 있고, 에너지 대역 별 단일 에너지 영상을 이용하여 다중 에너지 영상을 생성할 수 있다.
디스플레이부(141)는 생성된 다중 에너지 영상을 표시할 수 있고, 필요에 따라 단일 에너지 영상도 표시할 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 함께 참조하면, 대상체(30)는 엑스선 소스(110)와 엑스선 검출기(120) 사이에 위치하고 엑스선 소스(110)가 대상체(30)에 엑스선을 조사하면 엑스선 검출기(120)가 대상체(30)를 투과한 엑스선을 검출한다.
엑스선 영상 장치(100)는 사용자 인터페이스를 제공하는 호스트 장치(140)를 포함하며, 호스트 장치(140)에는 엑스선 영상을 표시하는 디스플레이부(141)와 사용자로부터 명령을 입력 받는 입력부(142)가 구비될 수 있다. 개시된 발명의 일 실시예에서, 사용자는 엑스선 영상 장치(100)를 이용하여 피검체의 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.
개시된 발명의 일 실시예에서, 대상체(object)는 엑스선 영상 장치(100)를 이용한 진단의 대상이 되는 피검체(subject)의 피검 부위 즉, 엑스선 촬영 부위를 의미한다. 피검체는 인체나 동물과 같은 생체일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 엑스선 영상 장치(100)에 의해 그 내부 구조가 영상화될 수 있는 것이면 피검체가 될 수 있다.
엑스선 영상 장치(100)가 일반 엑스선 영상 장치인 경우에는 도 2a에 도시된 바와 같이 대상체(30)에 대응되는 위치로 엑스선 소스(110)와 엑스선 검출기(120)를 이동시킨다. 엑스선 영상 장치(100)는 서 있거나 앉아 있는 피검체의 대상체(30)를 촬영하기 위해 천장에 연결되어 길이가 조절되는 홀더(102)에 엑스선 소스(110)를 장착하고, 엑스선 검출기(120)를 지지대(101)에 상하 이동 가능하게 장착할 수 있다. 또는, 피검체를 테이블에 눕히고, 엑스선 검출기(120)가 테이블 내부에서 테이블의 길이 방향으로 이동 가능하게 장착하고, 엑스선 소스(110)는 천장에서 테이블의 길이 방향으로 이동 가능하게 장착하는 것도 가능하다.
엑스선 영상 장치(100)가 유방을 촬영하기 위한 엑스선 영상 장치인 경우에는 도 2b에 도시된 바와 같이, 대상체(30)인 유방을 엑스선 검출기(120)의 상부에 위치시키고 대상체(30)의 상부에서 엑스선을 조사한다. 이 때, 유방에 대해 선명한 엑스선 영상을 얻기 위해 압착 패들(103)을 이용하여 유방(30)을 압착시킨다. 압착 패들(103)은 프레임(106)에 장착되어 상하 방향으로 이동할 수 있다.
엑스선 소스(110)와 엑스선 검출기(120)는 프레임(106)에 연결되고, 프레임(106)은 갠트리(105)에 연결되는바, 이 때 프레임(106)이 갠트리(105)의 길이 방향으로 이동하여 대상체(30)와의 위치를 맞출 수 있다.
전술한 바와 같이, 엑스선 영상 장치(100)는 대상체(30)를 구성하는 물질들의 엑스선 감쇠 특성 차이를 이용하여 대상체(30)의 내부를 영상화하는 장치이다. 물질 별 엑스선 감쇠 특성을 수치적으로 나타낸 것이 감쇠계수(attenuation coefficient)이고, 감쇠 계수는 아래의 [수학식 1]로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
I = I0 * exp(-μ(E)T)
여기서, I0는 대상체에 입사된 엑스선의 강도이고, I는 대상체를 투과한 엑스선의 강도이며, μ(E)가 에너지 E를 갖는 엑스선에 대한 물질의 감쇠계수이다. T는 엑스선이 투과되는 물질의 두께이다. [수학식 1]을 통해 감쇠계수가 클수록 투과된 엑스선의 강도가 작음을 알 수 있다.
도 3a는 뼈, 근육 및 지방의 감쇠 계수를 나타낸 그래프이고, 도 3b는 유방을 구성하는 연조직들의 감쇠 계수를 나타낸 그래프이다.
도 3a를 참조하면, 뼈의 감쇠 계수를 나타내는 곡선이 연조직(근육, 지방)의 감쇠 계수를 나타내는 곡선보다 위에 위치하는바, 뼈의 엑스선 투과율보다 연조직의 엑스선 투과율이 더 크다는 것을 의미한다. 그리고, 근육의 감쇠 계수를 나타내는 곡선과 지방의 감쇠 계수를 나타내는 곡선을 비교하면, 근육의 엑스선 투과율이 지방의 엑스선 투과율보다 더 작다는 것을 알 수 있다.
그리고, 에너지의 세기에 따라 감쇠계수들 간의 차이가 달라지는 것을 알 수 있다. 일 예로, 엑스선의 에너지가 30kev에 해당하는 경우의 뼈의 감쇠계수와 근육의 감쇠계수 차이(a1)는 엑스선의 에너지가 80kev에 해당하는 경우의 뼈의 감쇠계수와 근육의 감쇠계수 차이(a2)보다 크다. 즉, 엑스선의 에너지가 작을수록 뼈와 근육 사이의 감쇠계수 차이가 크다.
아울러, 뼈와 지방의 감쇠 계수 차이(c1,c2) 역시 같은 결과를 나타내며, 차이가 크지는 않지만 근육과 지방의 감쇠 계수 차이(b1,b2)도 저에너지 대역에서 더 크게 나타난다.
도 3b를 참조하면, 유방을 구성하는 연조직들도 마찬가지로 엑스선의 에너지 세기에 따라 유방 종양, 실질 조직((fibroglandular tissue) 및 지방 조직 간의 감쇠계수 차이가 달라지고, 저에너지 대역으로 갈수록 감쇠 계수 차이가 커진다는 것을 알 수 있다.
엑스선 영상 장치(100)는 대상체를 구성하는 물질 간의 대조도가 향상된 엑스선 영상을 얻기 위하여, 엑스선의 에너지에 따라 물질 간 감쇠계수 차이가 달라진다는 점을 이용할 수 있다. 구체적으로, 서로 다른 복수의 에너지 대역에 대응되는 엑스선 영상을 각각 획득하고, 획득된 엑스선 영상들을 이용하여 대상체를 구성하는 물질이 분리되거나 특정 물질이 다른 물질들에 비하여 더 선명하게 나타나는 엑스선 영상을 생성할 수 있다.
구체적인 예로서, 대상체에 대해 고에너지 영상과 저에너지 영상을 획득하고, 고에너지 영상과 저에너지 영상에 대해 각각 적절한 가중치를 가한 후 차감하여 연조직이 제거 또는 차감된 뼈 영상(bone image) 또는 뼈가 제거 또는 차감된 연조직 영상(soft tissue image)을 생성할 수 있다.
개시된 발명의 일 실시예에서는, 이러한 엑스선 영상을 다중 에너지 영상이라 하기로 하고, 각각의 에너지 대역에 대응되는 엑스선 영상을 단일 에너지 영상이라 하기로 한다.
다중 에너지 영상을 생성하기 위해, 먼저 에너지 대역 별로 엑스선 영상을 획득한다. 에너지 대역 별로 단일 에너지 영상을 획득하는 방식으로, 엑스선 소스에서 서로 다른 에너지 대역의 엑스선을 각각 조사하는 방식과 엑스선 소스에서는 서로 다른 에너지 대역을 모두 포함하는 엑스선을 1회 조사하고 엑스선 검출기에서 엑스선을 검출한 뒤에 에너지 대역 별로 분리하는 방식이 있다.
엑스선 영상 장치(100)는 대상체(30)의 엑스선 노출량과 엑스선 소스(110)의 로딩(loading)을 최소화하고, 고화질의 다중 에너지 영상을 얻기 위해 후자의 방식을 채용한다.
이하 엑스선 영상 장치(100)의 각 구성요소의 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 4는 엑스선 튜브의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
엑스선 소스(110)는 엑스선을 발생시키는 엑스선 튜브(111)를 포함한다. 도 4를 참조하면, 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. 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 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 있는바, 대상체(30)의 종류나 특성에 따라 조사되는 엑스선의 에너지 및 세기를 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 있고, 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.
도 5a는 획득하고자 하는 복수의 단일 에너지 영상에 대응되는 에너지 대역을 나타낸 그래프이고, 도 5b는 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선의 에너지 대역을 나타낸 그래프이다.
일 예로서, 엑스선 영상 장치(100)가 대상체(30)를 유방으로 하는 경우에는 다중 에너지 영상을 생성하기 위해 도 5a에 도시된 바와 같이 3개의 서로 다른 에너지 대역(Eband1, Eband2, Eband3)에 각각 대응되는 단일 에너지 영상을 획득할 수 있다.
이를 위해, 엑스선 소스(110)에서는 도 5b에 도시된 바와 같이 3개의 서로 다른 에너지 대역을 모두 포함하는 엑스선을 조사할 수 있다. 즉, 엑스선 소스(110)에서 조사되는 엑스선은 에너지의 상한을 50kev로 하고, 하한을 10kev로 할 수 있다. 구체적인 예로서, 엑스선 튜브(111)의 관전압을 50kvp로 하여 엑스선을 발생시키고 저에너지 대역(약 0-10kev)의 엑스선은 필터링할 수 있다.
도 6은 기존의 광자 계수 방식 엑스선 검출기의 단일 픽셀의 회로 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
기존에는 엑스선 소스에서 조사된 엑스선을 에너지 대역 별로 분리하기 위해 도 6에 도시된 단일 픽셀(10)을 복수 개 포함하는 광자 계수 방식의 엑스선 검출기를 사용하였다. 예를 들어, 도 5a에 도시된 바와 같이 3개의 에너지 대역으로 분리하고자 하는 경우에는, 단일 픽셀(10)에 3개의 비교 회로가 구비된다. 구체적으로, 단일 광자에 의해 수광 소자(11)에서 발생된 전자 또는 정공이 범프 본딩(13)을 통해 수광 소자(11)와 연결된 독출 회로(12)의 전증폭기(12a)를 거쳐 전압 신호로 출력되면, 이 전압 신호는 3개의 비교기(12b-1,12b-2,12b-3)으로 입력된다.
그리고, 각각의 비교기에 문턱 전압 1(Vth1) 내지 문턱 전압 3(Vth3)을 입력하면 비교기 1(12b-1)에서는 문턱 전압 1과 입력 전압을 비교하고 카운터 1(12c-1)에서는 문턱 전압 1보다 큰 전압을 발생시킨 광자의 개수를 카운트한다. 같은 방식으로 카운터 2(12c-2)에서는 문턱 전압 2보다 큰 전압을 발생시킨 광자의 개수를 카운트하고, 카운터 3(12c-3)에서는 문턱 전압 3보다 큰 전압을 발생시킨 광자의 개수를 카운트한다.
전술한 바와 같이, 광자 계수 방식의 엑스선 검출기는 단일 픽셀마다 카운팅 회로를 구비해야 하기 때문에 픽셀 회로가 복잡해져 수율이 낮아지고, 수광 소자로 단결정 광전도체(photoconductor)를 사용해야 하므로 대면적 엑스선 검출기를 구현하기 어렵다.
엑스선 영상 장치(100)의 엑스선 검출기(120)는 단일 픽셀 별로 카운팅 회로를 구비하지 않고, 일정 시간 동안 단일 픽셀에 입사된 전하를 축적한 후에 축적된 전하로부터 전기적 신호를 획득하는 전하 누적 방식(Charge Integration Mode)을 채용한다. 따라서, 엑스선 검출기(120)를 대면적으로 구현하는 것이 가능하다.
도 7은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 엑스선 검출기의 픽셀 사이즈를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 8은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 엑스선 검출기의 단일 픽셀의 회로 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
전하 누적 방식의 엑스선 검출기(120)를 채용하면서 대상체를 투과한 엑스선의 광자를 에너지 대역 별로 카운트하기 위해 전술한 바와 같이 엑스선 검출기(120)의 단일 픽셀이 극소량의 광자, 구체적인 예로서 평균 10개 이하의 광자를 검출할 수 있을 정도로, 작은 크기의 픽셀 사이즈와 적은 엑스선 선량을 갖도록 구현한다.
즉, 엑스선 검출기(120)를 구성하는 전체 픽셀에 대한 광자 검출량을 평균하였을 때 픽셀 당 광자 검출량이 10개 이하가 되도록 구현한다. 픽셀 당 평균 10개 이하의 광자가 검출되면, 엑스선 영상 장치(100)가 엑스선 검출기(120)의 각 픽셀에서 출력되는 신호를 단일 광자에 대응되는 신호로 가정하여 영상 처리를 수행하는데 대한 신뢰성을 확보할 수 있다.
픽셀 사이즈와 엑스선의 선량(엑스선 노출 시간 및 관전류)은 상호 관계를 함께 고려하여 실험, 이론 또는 통계적으로 결정된 기준 값 이하가 될 수 있다.
더 구체적인 예로서, 엑스선 검출기(120)의 단일 픽셀은 평균 한 개 이하의 광자가 검출되도록 설계될 수 있다. 픽셀 당 평균 한 개 이하의 광자가 검출되면, 엑스선 영상 장치(100)가 엑스선 검출기(120)의 각 픽셀에서 출력되는 신호를 단일 광자에 대응되는 신호로 가정하여 영상 처리를 수행하는데 대한 더 큰 신뢰성을 확보할 수 있다.
일 예로서, 도 7의 좌측에 도시된 바와 같이 기존의 엑스선 검출기가 55μm의 픽셀 사이즈를 가졌다면, 엑스선 영상 장치(100)의 엑스선 검출기(120)는 도 7의 우측에 도시된 바와 같이 5μm의 픽셀 사이즈를 가질 수 있다. 즉, 가로, 세로 길이가 각각 5μm인 픽셀 사이즈를 가질 수 있다.
도 8을 참조하면, 엑스선 검출기(120)의 일 예는 엑스선을 검출하여 전하로 변환하는 수광 영역(121)과 상기 전하의 양을 독출하여(read-out) 전기적 신호로 출력하는 독출 영역(122)을 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 엑스선의 광자가 수광 영역(121)에 입사하면, 가전도대에 있던 전자들이 광자의 에너지를 전달받아 밴드 갭 에너지 차이를 넘어 전도대로 여기된다. 이로 인해 공핍 영역에서 전자-정공 쌍이 발생되고, 수광 영역(121)에 바이어스를 걸어주면 공핍 영역에서 발생된 전자 또는 정공이 독출 영역(122)으로 흘러간다. 수광 영역(121)은 PN 포토 다이오드, PIN 포토 다이오드, 쇼트키(schottky)형 포토 다이오드, 애벌런치(avalanche)형 포토 다이오드 등의 소자를 포함할 수 있다.
독출 영역(122)은 2차원 픽셀 어레이 구조로 형성될 수 있으며, 각 픽셀 별로 독출 회로를 구비하여 전기적 신호를 읽어낼 수 있다. 도 8에 도시된 독출 영역(122)은 단일 픽셀의 독출 영역이다. 또한, 엑스선 검출기(120)는 픽셀 안에서 전기적 신호를 증폭시킬 수 있는 회로 구조를 갖는 능동 픽셀(active pixel)들로 구성되어 한 개의 광자로부터 생성되는 작은 전기적 신호도 읽어낼 수 있다.
수광 영역(121)으로부터 입력되는 전하의 흐름은 버퍼(122a)에 일정 시간 저장되었다가 전압 신호로 출력되어 증폭기(122b)로 입력되고, 출력된 전압 신호는 증폭기(122b)에서 일정 크기로 증폭되어 출력된다. 엑스선 검출기(120)의 단일 픽셀에는 한 개 이하의 광자가 입사되는 것으로 볼 수 있으므로, 증폭기(122b)를 통해 출력되는 전압 신호는 단일 광자에 의한 전압 신호인 것으로 추정할 수 있다.
전기적 신호가 증폭되는 비율을 이득(gain)이라 하며, 엑스선 검출기(120)의 이득을 검출 감도(sensitivity)라고도 한다. 증폭기(122b)의 이득은 캐패시터(122c)의 용량에 따라 달라질 수 있다. 단일 광자에 의해 생성된 전기적 신호를 손실 없이 기록하기 위해 엑스선 검출기(120)의 검출 감도가 충분히 높아야 하는바, 엑스선 검출기(120)의 단일 픽셀 구조가 도 8의 예시와 같은 경우 캐패시터(122c)는 단일 광자에 의해 생성된 전기적 신호를 손실 없이 기록할 수 있을 정도로 검출 감도를 높일 수 있는 용량을 가질 수 있다. 캐패시터(122c)의 용량 역시 실험, 통계 또는 이론에 기초하여 결정될 수 있다.
아울러, 엑스선 검출기(120)는 수 μm 이하의 픽셀 피치(pixel pitch)를 갖도록 구현하여 광자에 의해 생성된 전기적 신호의 손실을 최소화하고, 전술한 바와 같이 엑스선 소스(110)의 관전류 및 엑스선 노출 시간을 조절하여픽셀 당 입사되는 엑스선의 선량(flux)을 제한할 수 있다.
또한, 엑스선의 노출 시간 간격을 짧게 하여 픽셀 당 입사되는 광자의 수를 제한하는 것도 가능하다. 이를 위해 엑스선 검출기(120)가 영상 프레임을 단시간에 획득하도록 구현할 수 있다. 따라서, 엑스선 검출기(120)는 고속 독출이 가능한 검출기로 구현될 수 있고 구체적인 예로서, 비정질 실리콘(amorphous silicon) 대신 산화물을 이용한 TFT(Thin Film Transistor)를 사용하면 전자의 모빌리티(mobility)가 높아져 고속으로 엑스선 검출기(120)의 고속 구동이 가능해진다.
또 다른 예로서, 엑스선 검출기(120)를 CMOS 검출기로 구현하면 독출 속도가 현저히 개선되어 맘모그래피에서는 20fps 이상의 프레임 획득 속도를 구현할 수 있다.
한편, 엑스선 검출기(120)는 박막 형태의 GADOX 섬광체, 마이크로 기둥형 또는 바늘 구조형 CSI(T1) 등의 섬광체를 사용하여 엑스선 소스(110)로부터 조사된 엑스선을 가시광선으로 변환시키고, 이 가시광선을 a-si 등의 포토 다이오드를 수광 소자로 이용하여 전기적 신호로 변환하는 간접변환(indirect) 방식이 채용될 수 있다.
또는, a-Se, CdZnTe, HgI2, PbI2 등의 포토 컨덕터를 수광 소자로 이용하여 엑스선 소스(110)로부터 조사된 엑스선을 바로 전기적 신호로 변환하는 직접 변환(direct) 방식이 채용되는 것도 가능하다.
도 9는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치에 있어서 영상 처리부의 구성이 구체화된 제어 블록도이다.
도 9를 참조하면, 영상 처리부(130)는 엑스선 검출기(120)를 구성하는 복수의 픽셀을 그룹화하여 복수의 가상 픽셀로 재구성하는 재구성부(131), 픽셀의 전기적 신호를 미리 설정된 기준 값과 비교하여 에너지 대역 별로 분리하는 비교부(132), 에너지 대역 별로 분리된 픽셀의 수를 카운트하는 카운팅부(133) 및 에너지 대역 별 단일 에너지 영상을 생성하는 단일 에너지 영상 생성부(134)를 포함한다.
단일 가상 픽셀로 재구성되는 픽셀의 개수는 사용자에 의해 선택될 수 있는바, 엑스선 영상 장치(100)는 사용자로부터 단일 가상 픽셀로 재구성되는 픽셀의 개수에 대한 명령을 입력 받는 입력부(142)를 더 포함할 수 있다.
이하 상술할 실시예에서는, 엑스선 검출기(120)를 구성하는 픽셀과 영상 처리부(130)에서 재구성하는 가상 픽셀을 구분하기 위해 엑스선 검출기(120)의 픽셀을 로우(raw) 픽셀이라 하기로 한다.
엑스선 검출기(120)는 로우 픽셀 별로 획득한 전기적 신호를 영상 처리부(130)로 전송한다. 이 때, 엑스선 검출기(120)는 ADC(Analog to Digital Converter)를 구비하여 전기적 신호를 디지털 형태로 변환하여 전송할 수 있다.
엑스선 검출기(120)에서 영상 처리부(130)로 전송되는 것은 영상 데이터이다. 영상 데이터는 로우 픽셀 데이터들의 집합이며, 로우 픽셀 데이터에는 해당 픽셀에서 변환된 전기적 신호에 관한 정보가 포함된다. 또한, 영상 데이터의 포맷에 따라 로우 픽셀 데이터에는 해당 로우 픽셀의 위치 정보도 포함될 수 있다.
이하 도 10a 및 도 10b와 도 11을 참조하여 영상 처리부의 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
로우 픽셀은 한 개 이하의 광자가 입사될 정도의 작은 크기를 갖는다. 따라서, 재구성부(131)는 복수의 로우 픽셀을 그룹화(grouping)하여 복수의 가상 픽셀로 재구성할 수 있다.
도 10a 및 도 10b는 재구성된 가상 픽셀의 크기를 개략적으로 나타낸 도면이다.
일 예로서, 도 10a에 도시된 바와 같이 엑스선 검출기(120)의 로우 픽셀들이 mxn(m, n은 2 이상의 정수이며, 서로 동일할 수 있음)의 2차원 어레이 구조인 경우, 재구성부(131)는 mxn의 로우 픽셀들을 2x2 단위로 그룹화하여 m/2xn/2의 가상 픽셀들로 재구성할 수 있다. 이 경우, 영상 처리부(130)에서는 엑스선 검출기(120)로부터 전송된 영상 데이터가 m/2xn/2의 배열을 갖는 것으로 취급하게 된다.
다른 예로서, 도 10b에 도시된 바와 같이 재구성부(131)는 mxn의 로우 픽셀들을 6x6의 단위로 그룹화하여 m/6xn/6의 가상 픽셀들로 재구성할 수도 있다. 이 경우, 영상 처리부(130)에서는 엑스선 검출기(120)로부터 전송된 영상 데이터가 m/6xn/6의 배열을 갖는 것으로 취급하게 된다.
도 10a 및 도 10b의 도면은 재구성부(131)의 동작을 개략적으로 설명하기 위한 예시에 불과하고, 단일 가상 픽셀을 구성하는 로우 픽셀의 개수에는 제한이 없다. 단일 가상 픽셀을 구성하는 로우 픽셀의 개수는 영상 처리부(130)에서 자체적으로 설정하는 것도 가능하고, 전술한 바와 같이 사용자가 입력부(142)를 통해 설정하는 것도 가능하다.
도 11은 비교부에서 단일 가상 픽셀을 구성하는 로우 픽셀들을 에너지 대역 별로 분리하는 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
전술한 바와 같이, 다중 에너지 영상을 얻기 위해 엑스선 소스(110)에서는 복수의 에너지 대역을 포함하는 광대역 엑스선을 조사한다. 비교부(132)는 가상 픽셀을 구성하는 로우 픽셀들의 전기적 신호를 미리 설정된 기준값들과 비교한다. 이 때, 미리 설정된 기준값들은 복수의 에너지 대역에 각각 대응되는 것들이다. 엑스선 검출기(120)에 입사된 광자에 의해 발생되는 전기적 신호는 광자가 가진 에너지 즉, 엑스선의 에너지에 따라 달라진다. 따라서, 전기적 신호와 엑스선의 에너지 사이의 상관관계를 이용하여 복수의 에너지 대역에 각각 대응되는 전압 신호를 기준값으로 미리 설정하면, 비교부(132)에서 로우 픽셀들의 전기적 신호를 이 기준값과 비교하여 단일 가상 픽셀에 속하는 로우 픽셀들을 복수의 에너지 대역 별로 분리할 수 있다. 재구성부(131)에서 6x6의 로우 픽셀을 단일 가상 픽셀로 재구성한 경우를 예로 들어 구체적으로 설명한다.
도 11에는 단일 가상 픽셀에 해당하는 부분에 대해서만 도시되어 있다. 도 11의 예시에 따르면, 재구성부(131)에서 6x6의 로우 픽셀을 단일 가상 픽셀로 재구성하고, 비교부(132)에서 로우 픽셀의 전기적 신호를 미리 설정된 기준값들과 비교한다.
예를 들어, 세 개의 에너지 대역(제1에너지 대역,제2에너지 대역,제3에너지 대역)으로 분리하고자 하는 경우, 비교부(132)는 로우 픽셀들의 전기적 신호를 제1에너지 대역에 대응되는 제1기준값, 제2에너지 대역에 대응되는 제2기준값 및 제3에너지 대역에 대응되는 제3기준값과 비교하여 로우 픽셀들을 각 에너지 대역 별로 분리한다.
각 기준값들은 상한 기준값 또는 하한 기준값을 포함할 수 있는바, 로우 픽셀들의 전기적 신호를 각 에너지 대역에 대응되는 상한 기준값 또는 하한 기준값과 비교하면, 비교부(132)는 도 11의 우측에 도시된 바와 같이 로우 픽셀들로부터 제1에너지 픽셀, 제2에너지 픽셀 및 제3에너지 픽셀을 분리할 수 있다.
여기서, 제1에너지 픽셀은 제1에너지 대역에 속하는 에너지를 갖는 광자가 입사된 것으로 추정할 수 있는 로우 픽셀을 의미하고, 제2에너지 픽셀은 제2에너지 대역에 속하는 에너지를 갖는 광자가 입사된 것으로 추정할 수 있는 로우 픽셀을 의미하며, 제3에너지 픽셀은 제3에너지 대역에 속하는 에너지를 갖는 광자가 입사된 것으로 추정할 수 있는 로우 픽셀을 의미한다.
그리고, 카운팅부(133)는 각 에너지 대역 별로 분리된 로우 픽셀의 수를 카운트하고, 비교부(132)와 카운팅부(133)는 재구성된 모든 가상 픽셀에 대해 전술한 동작을 수행한다.
도 12는 로우 에너지 대역 별 픽셀의 수에 기초하여 단일 에너지 영상을 생성하는 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
전술한 바와 같이, 하나의 로우 픽셀에는 한 개 이하의 광자가 입사된다.따라서, 로우 픽셀의 전기적 신호는 단일 광자에 의해 생성된 것으로 볼 수 있으며, 카운팅부(133)에서 카운트한 로우 픽셀의 수는 가상 픽셀에 입사된 광자의 수로 추정할 수 있다.
단일 에너지 영상 생성부(134)는 카운트된 로우 픽셀의 수를 가상 픽셀에 입사된 광자의 수로 추정하여 가상 픽셀들로 구성되는 단일 에너지 영상을 복수의 에너지 대역 별로 생성한다.
엑스선 검출기(120)로부터 전송된 영상 데이터가 mxn의 2차원 픽셀 어레이를 갖는 경우, 도 12의 예시에 따른 단일 에너지 영상은 m/6xn/6의 픽셀 어레이를 갖게 된다. 도 12에 도시된 바와 같이, 카운팅부(133)에서 어느 단일 가상 픽셀에 포함되는 제1에너지 픽셀의 수를 9로 카운트하였다면, 단일 에너지 영상 생성부(134)는 해당 가상 픽셀의 픽셀 값 즉, 밝기 값을 9에 대응되는 값으로 할 수 있다.
비교부(132) 및 카운팅부(133)는 모든 가상 픽셀들에 대해서 로우 픽셀의 분리 및 카운트 동작을 수행하므로, 단일 에너지 영상 생성부(134)는 나머지 가상 픽셀들에 포함된 제1에너지 픽셀의 수를 제1에너지 대역에 포함되는 광자의 수로 추정하여 제1에너지 영상을 생성할 수 있다.
또한, 카운팅부(133)에서 어느 단일 가상 픽셀에 포함되는 제2에너지 픽셀의 수를 13으로 카운트하였다면, 단일 에너지 영상 생성부(134)는 해당 가상 픽셀의 픽셀 값을 13에 대응되는 값으로 할 수 있다. 그리고, 나머지 가상 픽셀들에 포함된 제2에너지 픽셀의 수 역시 제2에너지 대역에 포함되는 광자의 수로 추정하여 제2에너지 영상을 생성할 수 있다.
또한, 카운팅부(133)에서 어느 단일 가상 픽셀에 포함되는 제3에너지 픽셀의 수를 7으로 카운트하였다면, 단일 에너지 영상 생성부(134)는 해당 가상 픽셀의 픽셀 값을 7에 대응되는 값로 할 수 있다. 그리고, 나머지 가상 픽셀들에 포함된 제3에너지 픽셀의 수 역시 제3에너지 대역에 포함되는 광자의 수로 추정하여 제3에너지 영상을 생성할 수 있다.
다시 도 9를 참조하면, 엑스선 검출기(120)가 mxn의 로우 픽셀들로 구성되고 p개의 로우 픽셀을 단일 가상 픽셀로 재구성한 경우, 단일 에너지 영상 생성부(134)는 m/pxn/p의 픽셀 구조를 갖는 단일 에너지 영상들을 각각 생성할 수 있다.
엑스선 영상 장치(100)는 엑스선 검출기(120)의 픽셀 별로 광자 카운팅 회로를 구비하지 않고 일반 전하 누적 방식의 회로 구조를 이용하여 엑스선을 검출한 후에, 영상 처리부(130)에서 소프트웨어적인 방법으로 엑스선 또는 광자를 에너지 대역 별로 분리할 수 있다.
도 13은 다중 에너지 영상 생성부를 더 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 블록도이다.
도 13을 참조하면, 영상 처리부(130)는 에너지 대역 별 단일 에너지 영상을 이용하여 대상체를 구성하는 물질 간 대조도가 향상된 다중 에너지 영상을 생성하는 다중 에너지 영상 생성부(135)를 더 포함할 수 있다.
일 예로서, 다중 에너지 영상 생성부(135)에서 생성하는 다중 에너지 영상은 대상체를 구성하는 물질들을 분리한 영상일 수 있다. 대상체가 흉부이고, 단일 에너지 영상 생성부(134)에서 저에너지 영상과 고에너지 영상을 생성한 경우에는, 다중 에너지 영상 생성부(135)에서 이중 에너지 감산법(Dual Energy X-ray subtraction)을 적용하여 뼈 영상 또는 연조직 영상을 생성할 수 있다.
여기서, 저에너지와 고에너지는 상대적인 개념으로서, 대상체의 종류나 특성에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 대상체가 흉부인 경우에는 저에너지 대역의 최대 에너지가 70kev일 수 있고 고에너지 대역의 최대 에너지는 140kev일 수 있다. 대상체가 유방인 경우에는 저에너지 대역의 최대 에너지가 30kev일 수 있고, 고에너지 대역의 최대 에너지는 70kev일 수 있다.
이중 에너지 감산법은 고에너지에서 획득한 영상과 저에너지에서 획득한 영상을 대수화(logarithm)한 후 적절한 가중치를 가하여 두 영상의 차이를 구함으로써 뼈와 연조직 중 원하는 부분을 분리(또는 추출)하는 방법이다. 대수화된 영상에 가해지는 가중치는 엑스선의 에너지에 따른 뼈와 연조직의 감쇠 계수 변화의 차이에 기초하여 결정될 수 있다.
또는, 대상체가 유방이고 비교부(132)에서 로우 픽셀들을 세 개의 에너지 대역(저에너지 대역, 중간 에너지 대역, 고에너지 대역)에 따라 분리한 경우에는, 다중 에너지 영상 생성부(135)에서 유방을 구성하는 3개의 물질들을 분리할 수 있다.
다중 에너지 영상 생성부(135)에서 적용할 수 있는 물질 분리 방법의 일 예를 구체적으로 설명한다. 앞서 [수학식 1]에서 엑스선의 강도와 물질의 감쇠 계수 사이의 관계를 설명하였다. 에너지 E를 갖는 엑스선이 투과하는 물질의 종류가 M개이고, n(n은 M이하의 자연수)번 째 물질의 두께가 Tn이라고 하면, [수학식 1]은 아래 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
I = I 0 * e- {μ1(E)T1+ μ2(E)T2+ ... + μM(E) TM }
엑스선의 강도는 광자의 수로 나타낼 수 있다. 상기 수식을 기반으로, 양변을 측정 가능한 I 0으로 나누고, -log를 취하여 영상의 픽셀 값이 결정된다. 같은 방식으로 L개의 서로 다른 에너지 E1, E2, ... , EL 에 대하여 L개의 엑스선 영상을 얻으면 픽셀 값 P(E1)은 하기 [수학식 3]으로 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
P(E1) = -log(I(E1)/I0)
= μ1(E1)T1 + μ2(E1)T2 + ... + μM(E1)TM
따라서, L개의 단일 에너지 영상으로부터 각 화소에 대해 상기 [수학식 3]과 같은 L개의 방정식을 얻을 수 있으며, 이를 행렬식으로 표현하면 하기 [수학식 4]와 같다.
[수학식 4]
P = μ·T
따라서, L=M인 경우 물질 별 분리 영상은 행렬 연산 T = μ-1· P를 계산하여 얻을 수 있다. 상기 [수학식 4]는 이상적인 단색광(Monochromatic) 엑스선 영상을 가정하고 유도된 식이지만 일정 에너지 대역을 갖는 엑스선 영상을 이용할 경우 이에 맞게 상기 [수학식 4]를 변경하여 사용할 수 있다.
상술한 방식은 다중 에너지 영상 생성부(135)에서 적용 가능한 방식의 일 예에 불과하고, 저에너지 영상, 중간 에너지 영상 및 고에너지 영상에 적절한 가중치를 가하여 차를 구하는 방식도 적용할 수 있으며, 이 외에도 서로 다른 에너지 대역에서 획득된 복수의 단일 에너지 영상을 이용하여 대상체를 구성하는 복수의 물질을 분리하는 다양한 방식들이 적용될 수 있다.
그리고, 다중 에너지 영상 생성부(135)는 엑스선 영상에 적용되는 각종 영상 후처리를 다중 에너지 영상에 적용하여 디스플레이부(141)를 통해 표시할 수 있다. 당해 실시예에서의 영상 후처리는 영상 반전, 노이즈 제거, 에지 강화, 대조도 조정 등 각 픽셀에 입사된 광자의 수에 관한 정보를 포함하는 엑스선 영상을 생성한 후에 적용되는 처리를 의미하는 것으로 한다.
구체적인 예로서, 계조 처리 및 주파수 처리 등을 통해 영상의 계조 및 주파수 대응 특성을 조절할 수 있고, 공간 주파수 처리를 통해 진단 영상의 질을 향상시킬 수 있다. 또한, 계조 처리에 의해 객관적인 영상 강조를 실현할 수 있다.
한편, 단일 에너지 영상 생성부(134)에서도 에너지 대역 별 단일 에너지 영상에 영상 후처리를 적용하여 디스플레이부(141)를 통해 표시하는 것이 가능하다.
지금까지 상술한 실시예에서는 복수의 로우 픽셀을 하나의 단일 가상 픽셀로 재구성하고, 단일 가상 픽셀에 포함된 복수의 로우 픽셀들을 복수의 에너지 대역에 따라 분리하였으나 엑스선 영상 장치(100)의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다.
구체적으로, 복수의 로우 픽셀을 단일 가상 픽셀로 재구성하지 않고 복수의 에너지 대역에 따라 분리하여 에너지 대역 별 단일 에너지 영상 및 다중 에너지 영상을 생성하는 것도 가능하다.
또는, 복수의 로우 픽셀을 단일 가상 픽셀로 재구성하되, 복수의 에너지 대역에 따라 분리하지 않고 하나의 단일 에너지 영상을 생성하는 것도 가능하다. 이를 위해, 영상 처리부(130)가 가상 픽셀에 포함되는 로우 픽셀들의 전기적 신호를 미리 설정된 기준 값과 비교하여 단일 에너지 영상을 생성하는바, 구체적으로, 단일 가상 픽셀에 포함되는 로우 픽셀들 중 미리 설정된 기준 값보다 큰 전기적 신호를 갖는 로우 픽셀의 수를 단일 가상 픽셀에 입사된 광자의 수로 추정할 수 있다. 미리 설정된 기준 값은 생성하고자 하는 단일 에너지 영상에 대응되는 에너지 대역의 하한일 수 있다.
이하 개시된 발명의 일 측면에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 실시예를 설명하도록 한다. 개시된 발명의 일 측면에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법에는 전술한 실시예에 따른 엑스선 영상 장치(100)가 적용될 수 있다.
도 14는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 순서도이다. 당해 실시예에서는 대상체에 대한 다중 에너지 엑스선 영상을 생성한다.
도 14를 참조하면, 먼저 대상체에 복수의 에너지 대역을 포함하는 엑스선을 조사한다(311). 즉, 광대역 엑스선을 조사한다. 복수의 에너지 대역은 각각 서로 다른 에너지 대역을 가지며, 에너지 대역의 상한과 하한 중 적어도 하나가 다르면 서로 다른 대역인 것으로 한다. 에너지 대역의 범위는 대상체의 특성 또는 종류, 촬영 방식 또는 촬영 목적 등에 따라 미리 설정될 수 있다.
대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 전기적 신호로 변환한다(312). 엑스선의 검출 및 전기적 신호의 변환은 복수의 로우 픽셀을 포함하는 엑스선 검출기(120)에서 수행되며, 엑스선 검출기(120)의 로우 픽셀은 평균 10개 이하의 광자가 입사될 정도로 작은 크기를 갖는다. 구체적인 예로서, 평균 한 개 이하의 광자가 입사되는 크기로 구현할 수 있다. 아울러, 엑스선 검출기(120)의 로우 픽셀에 한 개 이하의 광자가 입사되도록 하기 위해, 엑스선 조사 단계에서의 관전류도 미리 설정된 값 이하로 조절할 수 있다.
전기적 신호에 관한 정보를 포함하는 영상 데이터를 영상 처리부로 전송한다(313). 영상 데이터는 엑스선 검출기(120)를 구성하는 로우 픽셀 데이터들의 집합이며, 로우 픽셀 데이터에는 전기적 신호에 관한 정보가 포함된다. 또한, 영상 데이터의 포맷에 따라 로우 픽셀 데이터에는 해당 로우 픽셀의 위치 정보도 포함될 수 있다.
복수의 로우 픽셀을 그룹화하여 복수의 가상 픽셀로 재구성한다(314). 전술한 바와 같이, 로우 픽셀은 한 개 이하의 광자가 입사될 정도로 작은 크기이므로 영상 처리부(130)는 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 개수에 따라 그룹화하여 복수의 가상 픽셀로 재구성할 수 있다. 단일 가상 픽셀로 재구성되는 로우 픽셀의 개수는 영상 처리부(130)가 자체적으로 설정할 수도 있고, 사용자의 명령에 따라 설정될 수도 있다.
가상 픽셀에 포함되는 로우 픽셀의 전기적 신호를 미리 설정된 기준 값들과 비교한다(315). 미리 설정된 기준 값들은 복수의 에너지 대역에 각각 대응되는 것들이며, 로우 픽셀의 전기적 신호를 미리 설정된 기준 값들과 비교하면 단일 가상 픽셀에 속하는 로우 픽셀들을 복수의 에너지 대역 별로 분리할 수 있게 된다.
상기 비교 결과에 기초하여 가상 픽셀에 포함되는 로우 픽셀의 수를 복수의 에너지 대역 별로 카운트한다(316). 즉, 복수의 에너지 대역 별로 분리된 로우 픽셀의 수를 카운트하며, 로우 픽셀의 분리 및 카운트는 모든 가상 픽셀에 대해 수행된다.
카운트된 로우 픽셀의 수를 가상 픽셀에 입사된 광자의 수로 추정하여 복수의 에너지 대역 별 단일 에너지 영상을 생성한다(317). 전술한 바와 같이, 하나의 로우 픽셀에는 한 개 이하의 광자가 입사되므로, 로우 픽셀의 전기적 신호는 단일 광자에 의해 생성된 것으로 볼 수 있다. 따라서, 카운트된 로우 픽셀의 수는 가상 픽셀에 입사된 광자의 수로 추정할 수 있고, 각 단일 에너지 영상을 구성하는 가상 픽셀의 픽셀 값을 카운트된 로우 픽셀의 수에 대응되는 값으로 하면 복수의 에너지 대역 별 단일 에너지 영상을 생성할 수 있다.
복수의 에너지 대역 별 단일 에너지 영상을 이용하여 다중 에너지 영상을 생성한다(318). 다중 에너지 영상은 대상체를 구성하는 물질 간 대조도가 향상된 영상으로서, 엑스선의 에너지에 따른 물질의 감쇠 계수 변화 차이를 이용하여 생성될 수 있다. 예를 들어, 흉부에서 뼈가 분리된 뼈 영상 또는 연조직이 분리된 연조직 영상이 다중 에너지 영상이 될 수 있으며, 유방에서 실질 조직이 분리된 실질 조직 영상, 병변 조직이 분리된 병변 조직 영상 또는 지방 조직이 분리된 지방 조직 영상이 다중 에너지 영상이 될 수 있다. 그리고, 생성된 다중 에너지 영상은 각종 영상 후처리를 거쳐 디스플레이부(141)를 통해 표시될 수 있다.
한편, 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법은 복수의 로우 픽셀을 단일 가상 픽셀로 재구성하지 않고 복수의 에너지 대역에 따라 분리하여 에너지 대역 별 단일 에너지 영상 및 다중 에너지 영상을 생성하는 것도 가능하다.
도 15는 개시된 발명의 다른 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 순서도이다.
개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법은 단일 에너지 영상을 생성하는데도 사용될 수 있다.
먼저, 대상체에 엑스선을 조사한다(321). 이 때 조사되는 엑스선은 전술한 바와 같이 복수의 에너지 대역을 포함하는 광대역 엑스선이 아니라 단일 에너지 대역 즉, 단일 에너지 영상을 생성하는데 적용되는 에너지 대역의 엑스선이다. 조사되는 엑스선의 에너지 대역은 대상체의 종류 또는 특성, 촬영 목적 또는 촬영 방식 등에 따라 미리 설정될 수 있다.
대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 전기적 신호로 변환하고(322), 전기적 신호에 관한 정보를 포함하는 영상 데이터를 영상 처리부로 전송한다(323). 이에 관한 설명은 도 14에서 설명한 바와 같다.
복수의 로우 픽셀을 그룹화하여 복수의 가상 픽셀로 재구성하고(324), 로우 픽셀의 전기적 신호를 미리 설정된 기준값과 비교한다(325). 이 때, 미리 설정된 기준값은 원하는 에너지 대역에 대응되는 것으로서, E1 이상의 에너지 대역에 속하는 광자를 이용하여 엑스선 영상을 생성하고자 하는 경우 E1에 대응되는 기준값을 미리 설정하여 로우 픽셀의 전기적 신호와 비교한다. E1은 조사된 엑스선의 에너지 대역의 하한일 수도 있고, 이와 다른 값일 수도 있다.
상기 비교 결과에 기초하여 가상 픽셀에 포함되는 로우 픽셀의 수를 카운트한다(326). 카운트된 로우 픽셀의 수를 가상 픽셀에 입사된 광자의 수로 추정하여 단일 에너지 영상을 생성한다(327). 전술한 바와 같이, 로우 픽셀에는 한 개 이하의 광자가 입사되므로, 가상 픽셀에 포함되는 로우 픽셀의 수는 해당 가상 픽셀에 입사된 광자의 수로 추정할 수 있다. 따라서, 단일 에너지 영상을 구성하는 가상 픽셀의 픽셀 값을 카운트된 로우 픽셀의 수에 대응되는 값으로 하면 단일 에너지 영상을 생성할 수 있다. 그리고, 생성된 단일 에너지 영상은 각종 영상 후처리를 거쳐 디스플레이부(141)를 통해 표시될 수 있다.
전술한 실시예에 따른 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 전하 축적 방식의 회로 구조를 갖는 엑스선 검출기를 사용하므로 엑스선 검출기를 대면적으로 구현할 수 있고, 엑스선 검출기의 픽셀 별로 카운팅 회로를 구비하지 않아도 되므로 엑스선 검출기의 수율을 크게 개선하여 제조 비용을 절감할 수 있다.
또한, 1회의 엑스선 노출로 대상체의 다중 에너지 영상을 얻을 수 있으므로 대상체의 방사선 피폭을 최소화할 수 있으며, 엑스선 소스의 파워 로딩(power loading)을 최소화할 수 있다.
100 : 엑스선 영상 장치 110: 엑스선 소스
120 : 엑스선 검출기 130 : 영상 처리부
131 : 재구성부 132 : 비교부
133 : 카운팅부 134 : 단일 에너지 영상 생성부
135 : 다중 에너지 영상 생성부

Claims (23)

  1. 미리 설정된 광대역의 엑스선을 발생시켜 조사하는 엑스선 소스;
    상기 엑스선의 1회 조사 시에 평균 10개 이하의 광자를 검출하여 전기적 신호로 변환하는 복수의 로우(raw) 픽셀로 구성되는 엑스선 검출기; 및
    상기 전기적 신호에 따라 상기 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 복수의 에너지 대역 별로 분리하여 상기 복수의 에너지 대역에 각각 대응되는 복수의 단일 에너지 영상을 생성하고, 상기 복수의 단일 에너지 영상을 이용하여 다중 에너지 영상을 생성하는 영상 처리부를 포함하는 엑스선 영상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상 처리부는,
    상기 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 개수에 따라 그룹화하여 복수의 가상 픽셀로 재구성하는 엑스선 영상 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 영상 처리부는,
    상기 가상 픽셀에 포함된 로우 픽셀들의 전기적 신호를 상기 복수의 에너지 대역에 대응되는 기준값들과 비교하여 상기 로우 픽셀들을 상기 복수의 에너지 대역 별로 분리하는 엑스선 영상 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 영상 처리부는,
    상기 복수의 에너지 대역 별로 분리된 로우 픽셀의 수를 카운트하는 엑스선 영상 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 영상 처리부는,
    상기 카운트된 로우 픽셀의 수를 상기 가상 픽셀에 입사된 광자의 수로 추정하여 상기 복수의 에너지 대역 별로 단일 에너지 영상을 생성하는 엑스선 영상 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 가상 픽셀로 재구성되는 로우 픽셀의 개수에 대한 명령을 입력 받는 입력부를 더 포함하고,
    상기 입력된 로우 픽셀의 개수가 상기 가상 픽셀 하나를 구성하는 로우 픽셀의 개수로 미리 설정되는 엑스선 영상 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑스선 검출기의 로우 픽셀은, 상기 전기적 신호를 증폭시키는 능동 회로를 포함하는 능동 픽셀인 것으로 하는 엑스선 영상 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑스선 검출기의 로우 픽셀 당 평균 10개 이하의 광자가 입사되도록, 상기 엑스선 소스의 엑스선 노출 시간 또는 관전류가 조절되는 엑스선 영상 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑스선 검출기는,
    산화물 TFT(Oxide Thin Film Transistor)를 포함하는 엑스선 영상 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑스선 검출기는,
    CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 검출기인 것으로 하는 엑스선 영상 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑스선 검출기는,
    엑스선을 가시광선으로 변환하는 섬광체; 및
    상기 변환된 가시광선을 전기적 신호로 변환하는 포토다이오드를 포함하는 간접방식(indirect) 검출기인 것으로 하는 엑스선 영상 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 엑스선 검출기는,
    포토 컨덕터(photoconductor)를 포함하여 엑스선을 전기적 신호로 변환하는 직접방식(direct) 검출기인 것으로 하는 엑스선 영상 장치.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 미리 설정된 광대역의 엑스선은,
    상기 미리 설정된 복수의 에너지 대역을 포함하는 엑스선인 것으로 하는 엑스선 영상 장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 다중 에너지 영상은,
    상기 엑스선이 조사된 대상체의 구성 물질 중 적어도 하나가 분리된 영상인 것으로 하는 엑스선 영상 장치.
  15. 미리 설정된 에너지 대역의 엑스선을 발생시켜 조사하는 엑스선 소스;
    상기 엑스선의 1회 조사 시에 평균 10개 이하의 광자를 검출하여 전기적 신호로 변환하는 복수의 로우(raw) 픽셀로 구성되는 엑스선 검출기; 및
    상기 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 개수에 따라 그룹화하여 복수의 가상 픽셀로 재구성하고, 상기 가상 픽셀에 포함되는 로우 픽셀들의 전기적 신호를 미리 설정된 기준 값과 비교하여 단일 에너지 영상을 생성하는 영상 처리부를 포함하는 엑스선 영상 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 영상 처리부는,
    상기 가상 픽셀에 포함되는 로우 픽셀들 중 상기 미리 설정된 기준 값보다 큰 전기적 신호를 갖는 로우 픽셀의 수를 상기 가상 픽셀에 입사된 광자의 수로 추정하여 단일 에너지 영상을 생성하는 엑스선 영상 장치.
  17. 미리 설정된 광대역의 엑스선을 조사하는 단계;
    복수의 로우 픽셀을 포함하는 엑스선 검출기를 이용하여 상기 엑스선에 포함된 광자를 픽셀 당 한 개 이하로 검출하여 전기적 신호로 변환하는 단계;
    상기 전기적 신호에 따라 상기 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 복수의 에너지 대역 별로 분리하는 단계;
    상기 복수의 에너지 대역 별로 분리된 로우 픽셀의 수에 기초하여 상기 복수의 에너지 대역에 각각 대응되는 복수의 단일 에너지 영상을 생성하는 단계; 및
    상기 복수의 단일 에너지 영상을 이용하여 다중 에너지 영상을 생성하는 단계를 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 개수에 따라 그룹화하여 복수의 가상 픽셀로 재구성하는 단계를 더 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 복수의 에너지 대역 별로 분리하는 단계는,
    상기 가상 픽셀에 포함되는 로우 픽셀들의 전기적 신호를 상기 복수의 에너지 대역에 대응되는 기준값들과 비교하여, 상기 복수의 로우 픽셀을 상기 복수의 에너지 대역 별로 분리하는 단계인 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 단일 에너지 영상을 생성하는 단계는,
    상기 복수의 에너지 대역 별로 분리된 로우 픽셀의 수를 카운트하는 단계; 및
    상기 카운트된 로우 픽셀의 수를 상기 가상 픽셀에 입사된 광자의 수로 추정하여 상기 가상 픽셀의 픽셀 값을 상기 광자의 수에 대응되는 값으로 설정하는 단계를 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
  21. 미리 설정된 에너지 대역의 엑스선을 발생시켜 조사하는 단계;
    복수의 로우 픽셀을 포함하는 엑스선 검출기를 이용하여 상기 엑스선에 포함된 광자를 로우 픽셀 당 한 개 이하로 검출하여 전기적 신호로 변환하는 단계;
    상기 복수의 로우 픽셀을 미리 설정된 개수에 따라 그룹화하여 복수의 가상 픽셀로 재구성하는 단계; 및
    상기 가상 픽셀에 포함되는 로우 픽셀들의 전기적 신호를 미리 설정된 기준값과 비교하여 단일 엑스선 영상을 생성하는 단계를 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 단일 엑스선 영상을 생성하는 단계는,
    상기 가상 픽셀에 포함되는 로우 픽셀들 중 상기 미리 설정된 기준 값보다 큰 전기적 신호를 갖는 로우 픽셀의 수를 상기 가상 픽셀에 입사된 광자의 수로 추정하는 단계를 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 단일 엑스선 영상을 생성하는 단계는,
    상기 가상 픽셀의 픽셀 값을 상기 추정된 광자의 수에 대응되는 값으로설정하여 상기 단일 엑스선 영상을 생성하는 단계를 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어 방법.
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