KR20160061555A - 동적 시준을 이용한 임의의 형상을 가지는 관심 영역에 대한 단층촬영 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 단층촬영 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 볼록한 곡면 등 임의의 형상을 가지는 관심 영역에 대하여 동적 시준을 적용하여 단층촬영을 실시함으로써, 피사체에 대한 엑스선 조사선량을 줄일 수 있는 단층촬영 방법 및 시스템에 관한 것이다
본 발명은 엑스선원(x-ray source), 시준기(collimator) 및 엑스선 검출부를 포함하는 단층촬영 시스템에서, 피사체 내부의 관심 영역에 대한 단층촬영을 위하여, 상기 피사체의 관심 영역에 대한 엑스선의 조사 방향을 변경시키면서 상기 피사체의 관심 영역에 대한 투영 데이터를 생성하는 투영 데이터 생성 단계; 및 상기 투영 데이터를 이용하여 상기 관심 영역을 포함하는 영상을 재구성하는 영상 재구성 단계를 포함하며, 상기 피사체의 관심 영역은 임의의 형상을 가질 수 있으며, 상기 투영 데이터 생성 단계에서는, 상기 피사체의 관심 영역에 대한 엑스선의 조사 방향이 변경됨에 따라 상기 피사체의 관심 영역을 고려하여 상기 시준기를 제어하는 것을 특징으로 하는 단층촬영 방법을 개시하는 효과를 갖는다.

Description

동적 시준을 이용한 임의의 형상을 가지는 관심 영역에 대한 단층촬영 방법 및 시스템 {Method and system of tomography for region-of-interest with arbitrary shape using dynamic collimation}
본 발명은 단층촬영 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 볼록한 곡면 등 임의의 형상을 가지는 관심 영역에 대하여 동적 시준을 적용하여 단층촬영을 실시함으로써, 피사체에 대한 엑스선 조사선량을 줄일 수 있는 단층촬영 방법 및 시스템에 관한 것이다.
단층촬영(Computed Tomography, CT)은 영상 의학 분야에서 가장 폭넓게 활용되는 진단 방법 중 하나라고 할 수 있다. 특히, 단층촬영은 피사체의 내부를 비침습적으로 검사할 수 있는 유용한 진단 방법이라고 할 수 있으나, 최근 들어서는 단층촬영에 사용되는 엑스선(x-ray)의 위험성이 강조되면서, 단층촬영에서의 엑스선 조사선량을 줄이기 위한 연구가 이루어지고 있다.
이에 대하여, 단층촬영에 있어서 엑스선이 조사되는 영역을 피사체 중 일부인 관심 영역(region of interest, ROI)으로 제한하는 방법은 피사체에 대한 엑스선의 조사선량을 줄일 수 있는 유력한 대안 중 하나라고 할 수 있다. 통상적으로 관심 영역 단층촬영(ROI CT)에서는 파일럿 스캔(pilot scan)을 통하여 관심 영역(ROI)을 결정하고, 상기 관심 영역이 단층촬영(CT) 장비의 회전 중심과 일치하도록 피사체를 이동하게 된다. 또한, 상기 피사체의 관심 영역에 대한 시야각(field of view, FOV)을 결정하고, 이에 따라 시준기(collimator)를 조정한 후, 엑스선을 조사하여 투영 데이터를 획득하고, 최종적으로 영상을 재구성하게 된다.
그런데, 상기와 같은 관심 영역 단층촬영(ROI CT)은 엑스선의 시야각이 피사체 중 관심 영역에 한정되면서 엑스선 조사선량을 감소시킬 수 있는 반면, 파일럿 스캔 후에 관심 영역의 중심을 보정하기 위한 피사체의 이동이 필요하고, 나아가 엑스선 조사가 관심 영역으로 한정되면서 투영 데이터의 절단이 나타나게 된다.
특히, 투영 데이터의 절단이 나타나는 경우 관심 영역에 대한 재구성 영상에 다양한 인공물(artifact)이 나타나는 등 재구성 영상의 심각한 왜곡을 초래하는 문제점이 나타날 수 있다. 이에 따라, 절단된 투영 데이터로부터 영상을 재구성함에 있어서 나타날 수 있는 왜곡을 줄이기 위한 다양한 연구들이 시도되고 있는 상황이다.
또한, 의료진들에게 필요한 관심 영역(ROI)는 길다란 형태 등 임의의 형상으로 표현될 수 있으나, 종래에는 관심 영역 단층촬영(ROI CT)를 실시함에 있어서는 상기 관심 영역(ROI)을 통상적으로 정사각형 또는 원형의 영역으로 설정하였다. 이에 따라, 관심 영역을 길다란 형태 등 임의의 형상 전부를 포함하는 정사각형 또는 원형의 형상으로 설정하는 경우, 상기 길다란 형태 등 임의의 형상을 제외한 정사각형 또는 원형 중 나머지 영역에는 엑스선이 불필요하게 조사되면서 조사선량이 증가하는 문제점이 나타날 수 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 임의의 형상을 가지는 관심 영역을 고려하여 불필요한 영역에 조사되는 엑스선을 줄임으로써, 피사체의 엑스선 조사선량을 줄일 수 있는 단층촬영 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 임의의 형상을 가지는 관심 영역에 대한 투영 데이터를 이용하여 영상을 재구성하더라도, 재구성된 영상에서 인공물(artifact) 등 영상의 왜곡을 억제할 수 있는 단층촬영 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 단층촬영 방법은 엑스선원(x-ray source), 시준기(collimator) 및 엑스선 검출부를 포함하는 단층촬영 시스템에서, 피사체 내부의 관심 영역에 대한 단층촬영을 위하여, 상기 피사체의 관심 영역에 대한 엑스선의 조사 방향을 변경시키면서 상기 피사체의 관심 영역에 대한 투영 데이터를 생성하는 투영 데이터 생성 단계; 및 상기 투영 데이터를 이용하여 상기 관심 영역을 포함하는 영상을 재구성하는 영상 재구성 단계를 포함하며, 상기 피사체의 관심 영역은 임의의 형상을 가질 수 있으며, 상기 투영 데이터 생성 단계에서는, 상기 피사체의 관심 영역에 대한 엑스선의 조사 방향이 변경됨에 따라 상기 피사체의 관심 영역을 고려하여 상기 시준기를 제어하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 투영 데이터 생성 단계는, 상기 관심 영역에 대한 마스크를 생성하는 단계; 및 상기 피사체의 관심 영역에 대한 엑스선의 조사 방향이 변경됨에 따라 상기 마스크를 이용하여 상기 시준기를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 마스크는 타원형, 정사각형이 아닌 다각형, 복수의 볼록한 곡면으로 이루어지는 형상, 복수의 직선으로 이루어지는 형상, 볼록한 곡면과 직선의 조합으로 이루어지는 형상 중 하나의 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 투영 데이터 생성 단계에서, 상기 시준기는 상기 피사체의 관심 영역 외부로 조사되는 엑스선을 줄일 수 있도록 제어될 수 있다.
또한, 상기 투영 데이터 생성 단계에서, 상기 엑스선원, 시준기 및 엑스선 검출부는 하나의 중심점을 기준으로 회전하면서 상기 피사체에 대한 단층촬영을 진행할 수 있다.
또한, 상기 투영 데이터 생성 단계에서, 자동 노출 조절(Automatic Exposure Control)을 이용하여 상기 투영 데이터를 생성할 수 있다.
또한, 상기 피사체에 대한 파일럿 스캔을 거쳐 상기 피사체에 대한 관심 영역을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 영상 재구성 단계에서는, 상기 피사체의 관심 영역 내부에 대한 제1 투영 데이터와, 상기 제1 투영 데이터보다 낮은 해상도의 상기 관심 영역 외부에 대한 제2 투영 데이터에 대하여, 상기 제1 투영 데이터와 제2 투영 데이터의 데이터 충실도(data fidelity)을 향상시키면서, 상기 제1 투영 데이터와 제2 투영 데이터에 의하여 재구성되는 피사체 영상의 총분산(total variation)을 최소화하는 재구성 영상을 산출하는 과정을 반복 수행할 수 있다.
또한, 상기 제1 투영 데이터는 상기 투영 데이터 생성 단계에서 생성되며,
상기 제2 투영 데이터는 상기 피사체에 대한 파일럿 스캔을 통하여 생성될 수 있다.
또한, 상기 재구성되는 피사체 영상의 총분산(total variation)을 최소화하는 재구성 영상을 산출함에 있어, 상기 관심 영역 내부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치는 상기 관심 영역 외부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치 이상의 값을 가질 수 있다.
또한, 상기 관심 영역 내부의 영상에서의 총분산이 감소함에 따라, 상기 관심 영역 외부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치도 감소할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 단층촬영 시스템은 피사체 내부의 관심 영역을 포함하는 방향으로 엑스선을 방사하는 엑스선원(x-ray source); 상기 엑스선원에서 방사된 엑스선의 일부 또는 전부를 차폐할 수 있는 시준기(collimator); 피사체를 투과한 엑스선을 검출하여 투영 데이터를 생성하는 엑스선 검출부; 및 상기 투영 데이터를 이용하여 상기 피사체의 관심 영역을 포함하는 영상을 재구성하는 영상 재구성부를 포함하여 구성되며, 상기 피사체의 관심 영역은 임의의 형상을 가질 수 있고, 상기 엑스선원은 미리 정해진 경로를 따라 이동하면서 엑스선을 방사하며, 상기 시준기는 상기 엑스선원의 이동에 따라 상기 피사체의 관심 영역을 고려하여 상기 엑스선을 차폐하는 영역을 조절하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 시준기는, 상기 관심 영역에 대하여 생성된 마스크를 이용하여, 상기 엑스선원의 이동에 따라 상기 엑스선을 차폐하는 영역을 조절할 수 있다.
또한, 상기 마스크는 타원형, 정사각형이 아닌 다각형, 복수의 볼록한 곡면으로 이루어지는 형상, 복수의 직선으로 이루어지는 형상, 볼록한 곡면과 직선의 조합으로 이루어지는 형상 중 하나의 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 시준기는 상기 피사체의 관심 영역 외부로 조사되는 엑스선을 줄일 수 있도록 제어될 수 있다.
또한, 상기 영상 재구성부에서는, 상기 피사체의 관심 영역 내부에 대한 제1 투영 데이터와, 상기 제1 투영 데이터보다 낮은 해상도의 상기 관심 영역 외부에 대한 제2 투영 데이터에 대하여, 상기 제1 투영 데이터와 제2 투영 데이터의 데이터 충실도(data fidelity)을 향상시키면서, 상기 제1 투영 데이터와 제2 투영 데이터에 의하여 재구성되는 피사체 영상의 총분산(total variation)을 최소화하는 재구성 영상을 산출하는 과정을 반복 수행하여, 상기 피사체의 관심 영역을 포함하는 영상을 재구성할 수 있다.
또한, 상기 영상 재구성부에서, 상기 재구성되는 피사체 영상의 총분산(total variation)을 최소화하는 재구성 영상을 산출함에 있어, 상기 관심 영역 내부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치는 상기 관심 영역 외부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치 이상의 값을 가질 수 있다.
또한, 상기 관심 영역 내부의 영상에서의 총분산이 감소함에 따라, 상기 관심 영역 외부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치도 감소할 수 있다.
본 발명에 따르면, 임의의 형상을 가지는 관심 영역에 대하여 엑스 선원의 이동에 따른 상기 관심 영역에 대한 시야각(FOV)를 산정하고, 이를 고려하여 시준기(collimator)를 제어하면서 단층 촬영을 실시함으로써, 피사체에 대한 엑스선 조사선량을 줄일 수 있는 단층촬영 방법 및 시스템을 구현하는 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 따르면, 임의의 형상을 가지는 관심 영역 내부 및 외부의 투영 데이터에 대하여 데이터 충실도(data fidelity)를 향상시키고 재구성 영상의 총분산(total variation)을 최소화하는 과정을 반복적으로 수행함에 있어, 관심 영역 내부에서의 데이터 충실도 오차의 감소 추세에 따라 관심 영역 외부에서의 데이터 충실도에 대한 가중치를 조절하면서 영상을 재구성함으로써, 재구성된 영상에서 인공물(artifact) 등 영상의 왜곡을 억제할 수 있는 단층촬영 방법 및 시스템을 구현하는 효과를 가진다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단층촬영 방법의 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 정적 시준과 동적 시준의 비교도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 임의의 형상의 관심 영역에 대한 영상 재구성 방법의 설명도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단층촬영 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 사용된 대조도 팬텀의 구조도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 재구성된 대조도 팬텀의 영상과 절대 차분 영상의 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 재구성된 대조도 팬텀의 영상과 절대 차분 영상의 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 재구성된 대조도 영상들의 픽셀 값 프로파일 비교 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 관심 영역(ROI) 및 동적 시준 마스크 예시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 관심 영역이 길다란 다각형 형상인 경우의 재구성 영상, 절대 차분 영상과 관심 영역(ROI) 및 동적 시준 마스크 예시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 재구성된 돼지 하퇴골의 영상 및 절대 차분 영상의 예시도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 단층촬영 방법 및 시스템의 예시적인 실시 형태들을 상세히 설명한다.
도 1에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 단층촬영 방법의 순서도를 도시하고 있다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 단층촬영 방법은 피사체에 대한 파일럿 스캔을 거쳐 상기 피사체에 대한 관심 영역을 결정하는 단계(S110), 상기 관심 영역에 대한 임의의 형상을 가지는 마스크를 생성하는 단계(S120), 상기 엑스선원의 회전에 따라 상기 마스크를 이용하여 상기 시준기를 제어하면서 상기 피사체에 대한 투영 데이터를 생성하는 단계(S130) 및 상기 투영 데이터를 이용하여 상기 관심 영역을 포함하는 영상을 재구성하는 단계(S140)를 포함하여 구성될 수 있다.
아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 단층촬영 방법을 각 단계별로 나누어 자세하게 살핀다. 먼저, 피사체에 대한 파일럿 스캔을 거쳐 상기 피사체에 대한 관심 영역을 결정하는 단계(S110)에 대하여 검토한다.
본 단계(S110)에서는 피사체 내부의 관심 영역(region-of-interest, ROI)을 결정하기 위하여, 피사체 전체 영역에 대한 파일럿 스캔(pilot scan)을 실시한다. 본 발명의 일 실시예로서, 상기와 같은 파일럿 스캔을 거쳐 피사체에 대한 저해상도의 전체 영역 투영 데이터(global projection data)를 획득하고, 이로부터 저해상도의 영상을 재구성하게 된다. 이어서, 재구성된 영상에서 관심 영역을 결정할 수 있게 된다.
이때, 재구성된 영상으로부터 관심 영역을 결정함에 있어서 수동적인 방식으로 관심 영역을 결정하는 것도 가능하나, 단층촬영에서의 높은 시간 비용과 낮은 재현성 등을 고려해 볼 때, 자동적으로 관심 영역을 결정하도록 하는 것도 바람직하다고 할 수 있다.
또한, 종래 기술에 따라 단층촬영을 하는 경우에는 시준기(collimator)가 정적 시준, 즉 시준기가 고정된 상태에서 단층촬영이 이루어지게 되므로, 통상 상기 관심 영역이 결정되면 관심 영역의 중심이 단층촬영 장비의 중심과 일치할 수 있도록 피사체를 이동하여 주게 되지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 단층촬영 방법에서는 관심 영역의 중심이 단층촬영 장비의 중심과 일치하지 않더라도, 시준기가 동적으로 제어되면서 시준할 수 있으므로 반드시 피사체를 이동시켜야 할 필요가 없어지므로, 단층촬영에 있어서 피사체 이동에 따른 오차 발생의 위험을 줄일 수 있고, 피사체 이동에 따른 불편함도 해소할 수 있게 된다.
또한, 상기 시준기(collimator)는 피사체의 관심 영역에 대한 시야각(field of vew, FOV)이 결정되면, 엑스선원에서 조사되는 엑스선이 피사체의 관심 영역에만 도달하도록 시준(collimation)하기 위한 장치를 말한다. 단층 촬영에서의 시준은 정적 시준과 동적 시준으로 구분할 수 있는데, 정적 시준은 단층촬영 장비가 투영 데이터를 얻기 위하여 회전하는 경우에도 시준기가 고정된 상태로 유지되는 경우를 말하며, 반면 동적 시준은 엑스선원 등 단층촬영 장비가 회전함에 따라 시준기가 동적으로 제어되는 경우라고 할 수 있다.
도 2에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 임의의 형상의 관심 영역에 대한 정적 시준과 동적 시준의 비교도를 보여주고 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 피사체에 대한 파일럿 스캔을 실시하는 경우 도 2(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 정적 시준을 이용하여 피사체 전체 영역에 대한 저해상도의 투영 데이터를 획득할 수 있다. 물론, 필요에 따라서는 피사체에 대한 파일럿 스캔을 실시함에 있어 시준기를 동적 제어하는 것도 가능하다.
반면, 도 2(b) 내지 도 2(f)에서는 동적 시준을 적용하는 경우를 예시하고 있다. 파일럿 스캔을 거쳐 관심 영역이 결정되면 엑스선원 등 단층촬영 장비를 회전 등 이동시키면서 피사체의 관심 영역에 대한 투영 데이터를 생성하게 된다. 이때, 동적 시준을 적용하는 경우에는 도 2(b) 내지 도 2(f)에서 볼 수 있는 바와 같이 엑스선원의 회전에 따른 관심 영역에 대한 시야각을 고려하여, 상기 관심 영역에만 엑스선이 조사될 수 있도록 시준기를 동적으로 제어(도 2(b) 내지 도 2(f)에서는 시준기 A 및 시준기 B를 각각 제어하면서 엑스선의 조사 영역을 조정)하게 된다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따라 동적 시준을 적용하여 시준기를 제어하는 경우, 단층촬영 장비가 회전함에 따라 관심 영역에 대한 시야각(FOV)이 지속적으로 변경되더라도, 상기 시준기를 동적으로 제어함으로써, 임의의 형태를 가지는 관심 영역에 대해서도 정확하게 시준을 하고, 투영 데이터를 얻을 수 있게 된다.
나아가, 상기 시준기로서 다엽시준기(Multi-leaf collimator, MLC)가 사용될 수도 있다. 다엽 시준기를 사용하는 경우, 피사체의 관심 영역에 조사되는 엑스선을 보다 정밀하게 제어할 수 있다는 장점이 있다.
다음으로 상기 관심 영역에 대하여 임의의 형상을 가지는 마스크를 생성하는 단계(S120)에서는 앞서 파일럿 스캔을 거쳐 결정된 관심 영역에 대한 마스크를 생성하게 된다.
예를 들어, 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 파일럿 스캔을 거쳐 생성된 저해상도의 투영 데이터(도 3(a))를 압축검출(compressed sensing, CS) 기법 등을 사용하여 영상을 재구성한 후, 재구성된 영상에서 관심 영역을 결정하고, 이어서 상기 관심 영역에 대한 마스크를 생성하게 된다. 예를 들어, 도 3(b)에서는 우측 4개의 원을 포함하는 영역을 다각형 관심 영역으로 결정하는 경우를 보여주고 있으며, 도 3(c)에서는 상기 4개의 원을 포함하는 다각형 관심 영역에 대한 마스크를 생성하는 경우를 예시하고 있다.
또한, 상기 관심 영역에 대한 마스크를 생성함에 있어서, 반드시 상기 도 3(c)와 같이 다각형을 사용하여야 하는 것은 아니며, 원형이나 정사각형 형태, 나아가 타원형, 복수의 볼록한 곡면으로 이루어지는 형상, 복수의 직선으로 이루어지는 형상, 볼록한 곡면과 직선의 조합으로 이루어지는 형상 등 임의의 형상으로 마스크를 생성하는 것도 가능하다.
상기와 같이 다각형 등 임의의 형상으로 생성된 마스크는 상기 엑스선원 등 단층촬영 장비의 이동에 따라 시준기를 동적 제어하기 위한 데이터로 사용될 수 있게 된다.
이어서, 상기 엑스선원의 회전에 따라 상기 마스크를 이용하여 상기 시준기를 제어하면서 상기 피사체의 관심 영역에 대한 투영 데이터를 생성하는 단계(S130)에서는 앞서 생성된 마스크를 이용하여 시준기를 동적으로 제어하면서 상기 피사체의 관심 영역에 대한 투영 데이터를 생성하게 된다.
본 발명의 일 실시예로서, 도 3(c)에서와 같이, 상기 관심 영역에 대한 마스크가 생성되면, 도 3(d)에서 볼 수 있는 바와 같이 생성된 마스크에 대하여 엑스선원이 회전하는 경우에 대한 전방향 투영 데이터를 산출한 후 산출된 투영 데이터를 이진화하게 된다. 이진화된 마스트 투영 데이터는 관심 영역에 대한 시야각(FOV)으로 사용될 수 있으므로, 이를 이용하여 시준기를 동적으로 제어하면서 관심 영역에 대한 고해상도의 투영 데이터를 생성(도 3(e))할 수 있게 된다.
나아가, 상기 엑스선원 등 단층촬영 장비는 피사체를 중심으로 회전 등 이동하면서 엑스선 조사각을 변동시켜 엑스선 투영 데이터를 생성하는 방식으로 단층촬영을 진행하게 된다. 그런데, 사람을 피사체로 하여 단층촬영을 하는 등의 경우에는 피사체의 움직임에 따른 오차가 나타날 수 있고, 단층촬영에 있어서 피사체가 불편함을 느낄 수 있으므로, 상기 엑스선원, 시준기 및 엑스선 검출부가 하나의 중심점을 기준으로 회전하면서 상기 피사체에 대한 단층촬영을 진행하는 것이 바람직하다. 물론, 경우에 따라서는 피사체를 회전시키면서 단층촬영을 진행하도록 구성하는 것도 가능하다.
마지막으로, 상기 투영 데이터를 이용하여 상기 관심 영역을 포함하는 영상을 재구성하는 단계(S140)에서는 앞서 일련의 단계에서 동적 시준을 적용하여 생성된 관심 영역에 대한 투영 데이터를 이용하여 상기 관심 영역을 포함하는 영역에 대한 영상을 재구성하게 된다.
본 발명의 일 실시예로서, 보다 구체적으로는 앞서 파일럿 스캔을 거쳐 생성된 피사체 전체 영역에 대한 투영 데이터로부터 관심 영역 내부와 외부에 해당하는 투영 데이터를 분리하여 저해상도의 외부 영역 투영 데이터를 추출하고, 상기 저해상도의 외부 영역 투영 데이터와 상기 관심 영역에 대한 고해상도의 투영 데이터를 사용하여 최종적으로 관심 영역을 포함하는 영역에 대한 영상을 재구성하게 된다.
본 발명의 일 실시예로서 상기 관심 영역을 포함하는 영역에 대한 영상을 재구성함에 있어, 다양한 영상 재구성 기법들이 적용될 수 있다. 아래에서는 압축검출(compressed sensing, CS) 기법, 스카우트-뷰 도움 체내 단층촬영(Scout-view assisted interior tomography, SV-IT) 기법, 외부영상 도움 압축검출(Exterior-view assisted compressed sensing, EV-CS) 기법을 적용하는 경우에 대하여 순차적으로 설명한다.
먼저, 압축검출(CS) 기법은 획득된 투영 데이터가 고전적인 Nyquist-Shannon 샘플링 정리를 만족하지 않는 경우에도 영상을 효과적으로 복원할 수 있는 방법이다. 압축검출(CS) 기법은 데이터 충실도(data fidelity)를 강화하기 위한 과정과 총분산(total variation)을 최소화하기 위한 과정을 반복적으로 적용하여 아래의 수학식 1의 최적화 문제에 대한 해를 구하는 방법이다.
[수학식 1]
Figure pat00001
본 발명의 일 실시예로서, 광폭 빔(fan-beam)을 사용한 단층촬영 구조에서 상기 x 는 재구성된 2차원 공간 영상을 나타내며, 상기 y 는 투영 데이터를 나타내고, 이때 상기 A 는 투영을 나타내는 시스템 행렬이 된다. 이때, 상기 | Ax -y| 를 감소시켜 데이터 충실도를 강화하기 위한 기법으로서 OS-SART(Ordered-Subset Simultaneous Algebraic Reconstruction Techniques)를 사용할 수 있고, 총분산(TV)를 최소화하기 위해서 최급하강법(steepest descent method)를 사용할 수도 있다.
다음으로, 스카우트-뷰 도움 체내 단층촬영(SV-IT) 기법은 다중 해상도의 투영 데이터와 상기 압축검출(CS) 기법을 결합한 영상 재구성 방법으로서, 소수의 스카우트-뷰(scout-view) 투영 데이터와 고전적인 Nyquist-Shannon 샘플링 정리를 만족하는 고해상도의 관심 영역(ROI) 투영 데이터를 사용하여 고해상도의 관심 영역(ROI) 영상을 복원하는 방법이다.
본 발명의 일 실시예로서, 상기 스카우트-뷰 도움 체내 단층촬영(SV-IT) 기법을 적용하는 경우에는 우선, 소수의 스카우트-뷰(scout-view) 투영 데이터에 압축검출(CS) 기법을 적용하여 저해상도의 영상을 재구성하고, 이를 이용하여 고해상도 관심 영역(ROI) 투영 데이터에서 절단된 부분의 투영 데이터를 산출한다. 산출된 절단 부분 투영 데이터와 고해상도 관심 영역(ROI) 투영 데이터를 간단한 보간법을 사용하여 결합한다. 이어서, 상기 결합된 투영 데이터에 대하여 여과역투영법(filtered back projection, FBP)을 적용하여 최종적으로 관심 영역에 대한 영상을 재구성하게 된다. 스카우트-뷰 도움 체내 단층촬영(SV-IT) 기법은 고해상도의 관심 영역 영상을 비교적 고속으로 획득할 수 있다는 점에서 장점이 있지만, 관심 영역 투영 데이터가 비교적 성기게(sparsely) 샘플링되어 Nyquist-Shannon 샘플링 정리를 만족하지 않는 경우에는 선형 인공물(streak artifacts)을 발생시킬 수 있다는 단점을 가진다.
이에 대하여, 외부영상 도움 압축검출(EV-CS) 기법을 적용하는 경우를 살핀다. 압축검출(CS) 기법에서는 두 종류의 투영 데이터를 사용하여 영상을 재구성하게 된다. 첫번째 투영 데이터는 시야각(FOV)이 피사체 관심 영역의 외부 영역에 대하여 각도 방향으로 성기게(sparsely) 획득한 외부 영역(exterior) 투영 데이터이고, 다른 하나는 관심 영역의 내부 영역에 대하여 상기 외부 영역 투영 데이터보다 높은 해상도로 생성된 내부 영역(interior) 투영 데이터이다. 외부 영역 투영 데이터를 y ext 라고 하고, 내부 영역 투영 데이터를 y int 라고 하면, 외부영상 도움 압축검출(EV-CS) 기법은 아래의 수학식 2와 같은 최적화 문제의 해를 구하는 방식으로 영상을 재구성하게 된다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, 상기 A int 와 A ext 는 각각 y int 와 y ext 에 대응하는 선형 시스템 모델의 투영 시스템 행렬에 해당한다. 또한, 상기 τ는 y ext 의 데이터 충실도를 강화하기 위한 | A ext x -y ext | 항의 제어 매개 변수로서, 상기 τ는 0
Figure pat00003
τ
Figure pat00004
1 범위의 값으로 설정할 수 있다. 관심 영역 단층촬영(ROI CT)의 경우 관심 영역 내부 영상에 대한 데이터 충실도가 관심 영역 외부 영상에 대한 데이터 충실도보다 더 중요하게 다루어지므로(관심 영역 내부의 영상이 외부의 영상보다 중요), | A int x - y int | 항의 데이터 오차가 감소함에 따라 τ 의 값이 감소하도록 하여 | A ext x - y ext | 의 영향이 작아지도록 하게 된다.
본 발명의 일 실시예로서 외부영상 도움 압축검출(EV-CS) 기법을 적용하는 경우에는 (1) 매개 변수를 초기화하는 단계, (2) y int 및 y ext 에 대하여 OS-SART 방법 등을 적용하여 데이터 충실도를 향상시키는 단계, (3) y ext 에 대한 데이터 충실도 향상 스텝을 제어하기 위한 매개 변수 τ 를 계산하는 단계, 그리고 (4) 재구성 영상 x의 총분산(total variation, TV)을 최소화하는 단계를 구성하고, 상기 (2) ~ (4) 단계를 반복하여 수행함으로써 상기 수학식 2의 해에 근접하는 영상을 재구성할 수 있게 된다.
상기 외부영상 도움 압축검출(EV-CS) 기법을 적용하는 경우에는 파일럿 스캔에서 생성한 관심 영역 외부의 투영 데이터를 이용할 수 있고, 이에 더하여 관심 영역 내부에 대해서도 종래 기술의 경우와 비교할 때 비교적 성기게(sparsely) 투영 데이터를 생성하더라도 관심 영역 내부 영상을 정확하게 재구성할 수 있어, 피사체에 대한 엑스선 조사량을 더욱 줄일 수 있다는 장점도 가질 수 있다.
도 4에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 단층촬영 시스템(400)의 구성도를 도시하고 있다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 단층촬영 시스템(400)은 피사체(450) 내부의 관심 영역을 포함하는 방향으로 엑스선을 방사하는 엑스선원(x-ray source)(410a, 410b), 상기 엑스선원(410)에서 방사된 엑스선의 일부 또는 전부를 차폐할 수 있는 시준기(collimator)(420a, 420b), 피사체(450)를 투과한 엑스선을 검출하여 투영 데이터를 생성하는 엑스선 검출부(430a, 430b) 및 상기 투영 데이터를 이용하여 상기 피사체(450)의 관심 영역을 포함하는 영상을 재구성하는 영상 재구성부(440)를 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 상기 피사체(450)의 관심 영역은 임의의 형상을 가질 수 있고, 상기 엑스선원(410)은 미리 정해진 경로를 따라 이동하면서 엑스선을 방사하며, 상기 시준기(420)는 상기 엑스선원(410)의 이동에 따라 상기 피사체(450)의 관심 영역을 고려하여 상기 엑스선을 차폐하는 영역을 조절하게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예로서 상기 시준기(420)는 상기 관심 영역에 대하여 생성된 마스크를 이용하여 상기 엑스선원(410)의 이동에 따라 상기 엑스선을 차폐하는 영역을 조절할 수도 있다. 이때, 상기 마스크로서 타원형, 정사각형이 아닌 다각형, 복수의 볼록한 곡면으로 이루어지는 형상, 복수의 직선으로 이루어지는 형상, 볼록한 곡면과 직선의 조합으로 이루어지는 형상 등 다양한 형상이 사용될 수 있다. 상기와 같이, 시준기(420)를 동적으로 제어함에 따라 상기 피사체(450)의 관심 영역 외부로 조사되는 엑스선을 줄일 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예로서, 상기 영상 재구성부(440)는 앞서 설명한 외부영상 도움 압축검출(EV-CS) 기법을 적용하여 피사체의 관심 영역에 대한 영상을 재구성할 수 있다. 이에 따라, 상기 영상 재구성부(440)에서는 상기 피사체(450)의 관심 영역 내부에 대한 제1 투영 데이터와, 상기 제1 투영 데이터보다 낮은 해상도의 상기 관심 영역 외부에 대한 제2 투영 데이터를 사용하여 상기 피사체(450)의 관심 영역을 포함하는 영상을 재구성하게 된다. 이때, 상기 영상 재구성부(440)는 상기 제1 투영 데이터와 제2 투영 데이터의 데이터 충실도(data fidelity)을 향상시키면서, 상기 제1 투영 데이터와 제2 투영 데이터에 의하여 재구성되는 피사체 영상의 총분산(total variation)을 최소화하는 재구성 영상을 산출하는 과정을 반복 수행하여, 상기 피사체(450)의 관심 영역을 포함하는 영상을 재구성하게 된다.
보다 구체적으로, 상기 영상 재구성부(440)에서는 상기 재구성되는 피사체 영상의 총분산(total variation)을 최소화하는 재구성 영상을 산출함에 있어, 상기 관심 영역 내부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치가 상기 관심 영역 외부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치 이상의 값을 가지도록 할 수 있다. 이는, 관심 영역을 포함하는 영상이 관심 영역 외부의 영상보다 중요하게 다루어져야 하기 때문이다. 나아가, 상기 관심 영역 내부의 영상에서의 총분산이 감소함에 따라 상기 관심 영역 외부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치도 감소하도록 할 수도 있다.
실험예. 대조도 팬텀과 돼지 하퇴골에 대한 단층촬영 실험
본 발명에 대한 성능 평가를 위하여 micro-CT 장비를 사용하여 대조도 팬텀과 돼지 하퇴골에 대한 단층촬영 실험을 실시하였다. 본 실험에 사용한 micro-CT는 마이크로 초점을 가진 엑스선원(L8121-01, 하마마츠, 일본)과 평판형 엑스선 검출기(C7942, 하마마츠, 일본)를 포함하여 구성되며, 투영 데이터는 피사체를 회전하는 방식으로 촬영되었다. 평판형 엑스선 검출기는 50μm 픽셀크기의 2240 x 2240 행렬 구조를 가지며, 본 실험에서는 평판형 엑스선 검출기의 중앙선에 위치한 배열 검출기에서 획득되는 1차원 투영 데이터를 광폭 빔(Fan-beam)을 사용하는 단층 촬영 구조에서 획득되는 투영 데이터라고 간주하여 사용하였다.
본 발명에 대한 실험예로서, 상기와 같은 구조의 Micro-CT를 사용하여 대조도 팬텀(contrast phantom)과 돼지의 하퇴골(porcine leg bone)에 대한 단층촬영을 실시하였다. 대조도 팬텀에 대한 촬영에서는 관전압과 관전류를 40kVp와 0.50mA로, 돼지의 하퇴골 촬영에서는 65kVp와 0.47mA로 각각 설정하였으며, 평판형 엑스선 검출기는 2 x 2 binning 모드로 설정하였다.
상기 대조도 팬텀은 7개의 인서트(insert)를 포함하여 구성되며, 그 중 한 개는 뼈와 동일한 밀도를 가지고 있고, 나머지 6개는 물과 비슷한 밀도를 가지고 있다. 7개의 인서트는 5mm의 직경을 갖고 있으며, 직경 40mm 크기의 아크릴 원기둥 수조에 도 5와 같이 배치되었다. 대조도 팬텀의 인서트는 상용 전자 밀도 팬텀(Model 76-430, Nuclear Associates, NY, USA)을 이용하여 제작되었다.
이어서, 상기한 Micro-CT를 이용하여 대조도 팬텀과 돼지 하퇴골에 대하여 각각 각도 방향으로 총 900-샘플링(900-view)의 투영 데이터를 획득하였다. 대조도 팬텀의 경우, 900-샘플링의 투영 데이터를 각도 방향으로 180개로 데시메이션(decimation)하고 압축검출(CS) 기법으로 영상을 재구성하여, 재구성된 영상을 본 실험에서의 기준 영상으로 사용하였다. 또한, 상기 900개의 투영 데이터를 각도 방향으로 25-샘플링 (25-view)으로 데시메이션(decimation)하여 파일럿 스캔에서 획득되는 전체 영역 투영 데이터로 사용하였으며, 상기 전체 영역 투영 데이터에서 관심 영역에 해당하는 부분을 제거하여 외부 영역 투영 데이터로 사용하였다. 또한, 180-샘플링(180-view)의 전체 영역 투영 데이터에서 관심 영역에 해당하는 부분만을 추출하여 내부 영역 투영 데이터로 사용하였다.
돼지 하퇴골의 경우, 뼈 내부의 구조를 촬영하기 위하여, 900-샘플링의 투영 데이터를 각도 방향으로 300-샘플링(300-view)으로 데시메이션(decimation)하고 압축검출(CS) 기법으로 영상을 재구성하여, 산출된 영상을 본 실험에서의 기준 영상으로 사용하였다. 상기 900-샘플링의 투영 데이터를 각도 방향으로 25-샘플링으로 데시메이션(decimation)하여 파일럿 스캔에서 획득되는 전체 영역 투영 데이터로 사용하였으며, 상기 전체 영역 투영 데이터에서 관심 영역에 해당하는 부분을 제거하여 외부 영역 투영 데이터로 사용하였다. 또한, 300-샘플링의 전체 영역 투영 데이터에서 관심 영역에 해당하는 부분만을 추출하여 내부 영역 투영 데이터로 사용하였다.
또한, 본 실험에서는 재구성된 관심 영역 영상의 화질을 비교하기 위하여 아래의 수학식 3과 같이 정의될 수 있는 MAPE(Mean Absolute Percentage Error)를 사용하였다. MAPE는 기준 영상과 비교 대상 재구성 영상의 차이의 백분율 오차의 평균값으로 나타내므로, 관심 영역의 평균 백분율 오차를 정량적으로 비교할 수 있다는 특징을 가진다.
[수학식 3]
Figure pat00005
여기서, 상기 N 은 영상에 포함된 픽셀의 개수이며, 상기
Figure pat00006
와
Figure pat00007
는 재구성 영상과 기준 영상 각각의 픽셀 값들이다.
도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 재구성된 대조도 팬텀의 영상과 절대 차분 영상의 예시도를 보여주고 있다. 보다 구체적으로 도 6에서는 상기한 바와 같이 Micro-CT를 사용하여 획득한 투영 데이터를 이용하여 재구성한 영상들을 나타내고 있다. 도 6(a)는 25-샘플링 전체 영역 투영 데이터로부터 압축검출(CS) 기법을 사용하여 재구성한 영상이며, 상기 재구성 영상을 이용하여 관심 영역이 결정되었다. 도 6(b)는 180-샘플링 전체 영역 투영 데이터로부터 압축검출(CS) 기법을 사용하여 재구성한 영상이며, 대조도 팬텀의 재구성된 영상들에 대한 기준 영상으로 사용되었다. 도 6(c)는 180-샘플링 내부 영역 투영 데이터와 25-샘플링 전체 영역 투영 데이터로부터 스카우트-뷰 도움 체내 단층촬영(SV-IT) 기법을 사용하여 재구성한 영상이며, 도 6(d)는 도 6(b)와 6(c)의 절대 차분 영상을 확대한 영상이다. 스카우트-뷰 도움 체내 단층촬영(SV-IT) 기법으로 재구성된 도 6(c)에서 두 종류의 투영 데이터를 사용하여 밝은 밴드 형상의 인공물(bright-band artifacts)을 효과적으로 억제하는 것을 볼 수 있다. 그러나, 각도 방향의 샘플링이 성긴(sparse) 경우, 스카우트-뷰 도움 체내 단층촬영(SV-IT) 기법은 내부적으로 여과역투영법(FBP)이 사용되므로 예상할 수 있는 바와 같이, 도 6(d)에 나타난 절대 차분의 확대 영상에서와 같이 선형 형상의 인공물(streak artifacts)이 발생할 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 단층촬영 방법으로서, 동적 시준을 이용하여 관심 영역을 원형과 다각형으로 설정하고 외부영상 도움 압축검출(EV-CS) 기법을 사용하여 재구성한 영상을 도 7에 나타내었다. 도 7(a)와 7(b)는 각각 관심 영역이 원형인 경우와 다각형인 경우에 동적 시준을 이용하여 획득한 투영 데이터로부터 재구성한 영상이다. 이 영상의 재구성을 위해 180-샘플링 내부 영역 투영 데이터와 25-샘플링 외부 영역 투영 데이터가 사용되었다. 도 7(c)와 7(d)는 각각 도 6(b)에 나타낸 기준 영상과 도 7(a)와 7(b)의 절대 차분 영상을 확대한 영상이다. 도 7(c)와 7(d)에서 볼 수 있는 바와 같이, 각각의 관심 영역 내부는 상대적으로 정확하게 재구성되었으며, 관심 영역 외부에는 상대적으로 큰 오차가 나타날 수 있음을 확인할 수 있다.
관심 영역이 원형인 경우에 스카우트-뷰 도움 체내 단층촬영(SV-IT) 기법과 외부영상 도움 압축검출(EV-CS) 기법을 사용하여 영상을 재구성하고, 또한 관심 영역이 다각형인 경우에 외부영상 도움 압축검출(EV-CS) 기법을 사용하여 영상을 재구성한 경우에 대하여 재구성 영상들의 픽셀 값 프로파일을 도 8에 나타내었다. 관심 영역 내에 존재하는 인서트들의 프로파일을 비교하기 위하여 도 6(a)의 흰색 선들을 따라 프로파일을 설정하였다. 프로파일 비교를 위한 재구성 영상으로는 도 6(b)와 6(c) 그리고 도 7(a)와 7(b)가 사용되었다. 우선, 도 6(a)의 흰색 점선을 따른 재구성 영상들의 픽셀 값 프로파일을 도 8(a)에 나타내었다. 스카우트-뷰 도움 체내 단층촬영(SV-IT) 기법에 의해 재구성된 영상은 도 6(d)에서 나타낸 바와 같이 기준 영상의 값에 비하여 큰 오차를 나타내고 있다. 그러나, 외부영상 도움 압축검출(EV-CS) 기법에 의해 재구성된 영상들은 도 7(c)와 7(d)에서 나타낸 바와 같이 거의 오차가 없음을 알 수 있다. 도 6(b)의 흰색 실선을 따른 재구성 영상들의 픽셀 값 프로파일을 도 8(b)에 나타내었다. 외부영상 도움 압축검출(EV-CS) 기법에 의해 재구성된 영상들의 경우에는 다각형 관심 영역이 원형 관심 영역과 공통된 영역이므로, 관심 영역이 원형이거나 다각형일 때 모두 오차가 상당히 적다는 것을 확인할 수 있다. 관심 영역이 다각형인 영역의 바깥 영역에 해당하는 도 8(b)의 A와 B 영역에 대하여 확대된 프로파일을 도 8(c)와 8(d)에 나타내었다. 확대된 프로파일을 보면, 외부영상 도움 압축검출(EV-CS) 기법에 의해 재구성된 영상의 경우, 시야각(FOV)가 설정된 영역에 따라 약간의 차이가 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 각각의 설정된 관심 영역 내부에서는 거의 동일한 값을 갖는 것을 알 수 있으며, 외부영상 도움 압축검출(EV-CS) 기법이 설정된 관심 영역의 형태에 따라, 관심 영역 내부에 대한 영상을 보다 정확하게 재구성하는 것을 알 수 있다.
도 9(a)와 9(b)에는 도 7의 대조도 팬텀 영상들 실험에 사용한 원형 관심 영역과 다각형 관심 영역에 대하여 생성된 마스크를 나타내고 있다. 상기 관심 영역에 대한 마스크에 대하여 엑스선원이 회전 등 이동하는 경우에 대한 전방향 투영 데이터를 산출하고, 산출된 투영 데이터를 이진화하여 도 9(c)와 9(d)에서와 같이 동적 시준 마스크를 획득할 수 있다. 상기 관심 영역이 원형이고, 관심 영역에 대한 내부 영역 투영 데이터가 180-샘플링인 경우, 도 9(c)에서 나타낸 동적 시준 마스크에서 0이 아닌 요소의 수는 49,666개이다. 한편, 관심 영역이 다각형이고, 관심 영역에 대한 내부 영역 투영 데이터가 동일하게 180-샘플링 경우, 도 9(d)에서 나타낸 동적 시준 마스크에서의 0이 아닌 요소의 수는 41,209개이다. 즉, 관심 영역이 다각형인 경우의 0이 아닌 요소의 수는 관심 영역이 원형인 경우의 83.0% 수준이며, 이는 17.0% 정도의 엑스선 조사가 동적 시준으로 인하여 감소되었다는 것을 의미한다.
도 10(a)에는 관심 영역이 한 방향으로 긴 축을 갖는 경우에 대한 재구성 영상을 나타내고 있다. 도 10(b)는 본 발명의 일 실시예에 따라 재구성된 영상과 기준 영상에 대한 절대차분영상을 확대하여 도시하고 있다. 관심 영역 내부 영역에서는 앞서 살핀 실험 결과와 유사하게 비교적 정확하게 영상을 재구성하는 것을 알 수 있으나, 관심 영역이 뼈와 같이 높은 물리적 밀도를 갖는 영역을 부분적으로 포함하는 경우, 포함되지 않는 관심 영역 외부에 강한 선형 인공물(streak artifacts)이 발생하는 것을 알 수 있다. 도 10(c)와 10(d)에서는 관심 영역 마스크와 이에 대한 투영 데이터를 계산하여 이진화하여 얻은 동적 시준 마스크를 나타내었다. 도 10(d)에 도시된 동적 시준 마스크의 경우, 내부 영역 투영 데이터가 180-샘플링인 경우, 0이 아닌 요소의 수는 37,838개이었다. 이는 도 9(c)에 도시된 동적 시준 마스크에 비하여 76.2% 수준이며, 이는 23.8% 정도의 엑스선 조사가 동적 시준으로 인하여 감소되었다는 것을 의미한다.
도 11에서는 돼지 하퇴골에 대한 영상 재구성 결과를 도시하고 있다. 도 11(a)는 300-샘플링 전체 영역 투영 데이터로부터 압출검출(CS) 기법을 사용하여 재구성한 영상이며, 돼지 하퇴골의 재구성 영상에 대한 기준 영상으로 사용되었다. 도 11(b)는 관심 영역을 결정하기 위한 파일럿 스캔의 재구성 영상으로써, 25-샘플링 내부 영역 투영 데이터로부터 압출검출(CS) 기법을 사용하여 재구성되었다. 상기 재수성 영상으로부터 결정된 관심 영역은 도 11(c)의 빨간색 다각형으로 표시되었다. 결정된 관심 영역에 대하여, 300-샘플링 내부 영역 투영 데이터와 25-샘플링 전체 영역 투영 데이터로부터 외부영상 도움 압축검출(EV-CS) 기법을 사용하여 재구성한 영상을 도 11(c)에 나타내었다. 또한, 도 11(d)에서는 기준 영상과 도 11(c)의 차분영상을 보여주고 있다. 도 11(d)에서 볼 수 있는 바와 같이, 대조도 팬텀 실험의 경우와 유사하게 관심 영역 내부 영역에 대해서 정확하게 영상이 재구성된 것을 확인할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
400 : 단층촬영 시스템
410, 410a, 410b : 엑스선원
420, 420a, 420b : 시준기
430, 430a, 430b : 엑스선 검출부
440 : 영상 재구성부
450 : 피사체

Claims (18)

  1. 엑스선원(x-ray source), 시준기(collimator) 및 엑스선 검출부를 포함하는 단층촬영 시스템에서,
    피사체 내부의 관심 영역에 대한 단층촬영을 위하여, 상기 피사체의 관심 영역에 대한 엑스선의 조사 방향을 변경시키면서 상기 피사체의 관심 영역에 대한 투영 데이터를 생성하는 투영 데이터 생성 단계; 및
    상기 투영 데이터를 이용하여 상기 관심 영역을 포함하는 영상을 재구성하는 영상 재구성 단계를 포함하며,
    상기 피사체의 관심 영역은 임의의 형상을 가질 수 있으며,
    상기 투영 데이터 생성 단계에서는,
    상기 피사체의 관심 영역에 대한 엑스선의 조사 방향이 변경됨에 따라 상기 피사체의 관심 영역을 고려하여 상기 시준기를 제어하는 것을 특징으로 하는 단층촬영 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 투영 데이터 생성 단계는,
    상기 관심 영역에 대한 마스크를 생성하는 단계; 및
    상기 피사체의 관심 영역에 대한 엑스선의 조사 방향이 변경됨에 따라 상기 마스크를 이용하여 상기 시준기를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 단층촬영 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 마스크는 타원형, 정사각형이 아닌 다각형, 복수의 볼록한 곡면으로 이루어지는 형상, 복수의 직선으로 이루어지는 형상, 볼록한 곡면과 직선의 조합으로 이루어지는 형상 중 하나의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 단층촬영 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 투영 데이터 생성 단계에서,
    상기 시준기는 상기 피사체의 관심 영역 외부로 조사되는 엑스선을 줄일 수 있도록 제어되는 것을 특징으로 하는 단층촬영 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 투영 데이터 생성 단계에서,
    상기 엑스선원, 시준기 및 엑스선 검출부는 하나의 중심점을 기준으로 회전하면서 상기 피사체에 대한 단층촬영을 진행하는 것을 특징으로 하는 단층촬영 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 투영 데이터 생성 단계에서,
    자동 노출 조절(Automatic Exposure Control)을 이용하여 상기 투영 데이터를 생성하는 것을 특징으로 하는 단층촬영 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 피사체에 대한 파일럿 스캔을 거쳐 상기 피사체에 대한 관심 영역을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단층촬영 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 영상 재구성 단계에서는,
    상기 피사체의 관심 영역 내부에 대한 제1 투영 데이터와,
    상기 제1 투영 데이터보다 낮은 해상도의 상기 관심 영역 외부에 대한 제2 투영 데이터에 대하여,
    상기 제1 투영 데이터와 제2 투영 데이터의 데이터 충실도(data fidelity)을 향상시키면서,
    상기 제1 투영 데이터와 제2 투영 데이터에 의하여 재구성되는 피사체 영상의 총분산(total variation)을 최소화하는 재구성 영상을 산출하는 과정을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 단층촬영 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 투영 데이터는 상기 투영 데이터 생성 단계에서 생성되며,
    상기 제2 투영 데이터는 상기 피사체에 대한 파일럿 스캔을 통하여 생성되는 것을 특징으로 하는 단층촬영 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 재구성되는 피사체 영상의 총분산(total variation)을 최소화하는 재구성 영상을 산출함에 있어,
    상기 관심 영역 내부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치는 상기 관심 영역 외부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치 이상의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 단층촬영 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 관심 영역 내부의 영상에서의 총분산이 감소함에 따라,
    상기 관심 영역 외부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치도 감소하는 것을 특징으로 하는 단층촬영 방법.
  12. 피사체 내부의 관심 영역을 포함하는 방향으로 엑스선을 방사하는 엑스선원(x-ray source);
    상기 엑스선원에서 방사된 엑스선의 일부 또는 전부를 차폐할 수 있는 시준기(collimator);
    피사체를 투과한 엑스선을 검출하여 투영 데이터를 생성하는 엑스선 검출부; 및
    상기 투영 데이터를 이용하여 상기 피사체의 관심 영역을 포함하는 영상을 재구성하는 영상 재구성부를 포함하여 구성되며,
    상기 피사체의 관심 영역은 임의의 형상을 가질 수 있고,
    상기 엑스선원은 미리 정해진 경로를 따라 이동하면서 엑스선을 방사하며,
    상기 시준기는 상기 엑스선원의 이동에 따라 상기 피사체의 관심 영역을 고려하여 상기 엑스선을 차폐하는 영역을 조절하는 것을 특징으로 하는 단층촬영 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 시준기는,
    상기 관심 영역에 대하여 생성된 마스크를 이용하여,
    상기 엑스선원의 이동에 따라 상기 엑스선을 차폐하는 영역을 조절하는 것을 특징으로 하는 단층촬영 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 마스크는 타원형, 정사각형이 아닌 다각형, 복수의 볼록한 곡면으로 이루어지는 형상, 복수의 직선으로 이루어지는 형상, 볼록한 곡면과 직선의 조합으로 이루어지는 형상 중 하나의 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 단층촬영 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 시준기는 상기 피사체의 관심 영역 외부로 조사되는 엑스선을 줄일 수 있도록 제어되는 것을 특징으로 하는 단층촬영 시스템.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 영상 재구성부에서는,
    상기 피사체의 관심 영역 내부에 대한 제1 투영 데이터와,
    상기 제1 투영 데이터보다 낮은 해상도의 상기 관심 영역 외부에 대한 제2 투영 데이터에 대하여,
    상기 제1 투영 데이터와 제2 투영 데이터의 데이터 충실도(data fidelity)을 향상시키면서,
    상기 제1 투영 데이터와 제2 투영 데이터에 의하여 재구성되는 피사체 영상의 총분산(total variation)을 최소화하는 재구성 영상을 산출하는 과정을 반복 수행하여,
    상기 피사체의 관심 영역을 포함하는 영상을 재구성하는 것을 특징으로 하는 단층촬영 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 영상 재구성부에서,
    상기 재구성되는 피사체 영상의 총분산(total variation)을 최소화하는 재구성 영상을 산출함에 있어,
    상기 관심 영역 내부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치는 상기 관심 영역 외부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치 이상의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 단층촬영 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 관심 영역 내부의 영상에서의 총분산이 감소함에 따라,
    상기 관심 영역 외부의 영상에서의 총분산에 대한 가중치도 감소하는 것을 특징으로 하는 단층촬영 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111012371A (zh) * 2019-12-17 2020-04-17 东软医疗系统股份有限公司 Ct扫描建像的方法及ct扫描建像的装置

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