KR20160077993A

KR20160077993A - 산란선 대 일차선비를 이용한 영상 보정 방법 및 컴퓨터 판독가능한 기록 매체

Info

Publication number: KR20160077993A
Application number: KR1020140188590A
Authority: KR
Inventors: 전호상; 박달; 채종서
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2014-12-24
Filing date: 2014-12-24
Publication date: 2016-07-04
Also published as: KR101676304B1

Abstract

본 발명은 산란선 대 일차선비(SPR, Scatter to Primary Ratio)를 이용한 영상 보정 방법 및 컴퓨터 판독가능한 기록매체에 관한 것으로서, 상기 방법은 측정 대상의 두께 T를 측정하는 단계; 상기 측정 대상에 대해 MV 영상을 촬영하여 측정값 C(x,y)를 획득하는 단계; 상기 측정 대상의 두께 T에 대한 산란선 대 일차선비 SPR(T) 값을 산출하는 단계; 상기 C(x,y) 및 상기 SPR(T) 값을 적용하여 C' (x,y) 값을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 C' (x,y) 값을 적용하여, 보정 영상을 출력하는 단계를 포함한다.

Description

산란선 대 일차선비를 이용한 영상 보정 방법 및 컴퓨터 판독가능한 기록 매체{IMAGE REFINEMENT METHOD AND COMPUTER READABLE STORAGE MEDIUM USING SPR}

본 발명은 산란선 대 일차선비(SPR)를 이용한 영상 보정 방법 및 컴퓨터 판독가능한 기록 매체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산란선 대 일차선비(SPR)을 이용하여 고에너지 X선 영상의 산란을 보정함으로써 영상을 개선하는 방법 및 기록 매체에 관한 것이다.

영상유도 방사선치료(IGRT, Image Guided Radiation Therapy)를 위해 사용되는 투과 X선 영상은 사용되는 에너지의 크기에 따라 치료방사선을 그대로 이용하는 고에너지(MV, mega-voltage) X선 영상과 별도의 X선 발생기를 이용하는 저에너지(kV, kilo-voltage) X선 영상으로 나눌 수 있다.

특히, 고에너지 (MV, Mega-voltage) X선 영상은 조사야의 영상 검증이 가능한 유일한 방법으로 널리 사용되고 있다. 그러나 고에너지 특유의 높은 콤프턴 산란 반응 특성으로 인해 저에너지 영상에 비해 화질이 크게 낮다는 문제점이 있어, 1990년대에 디지털 MV 영상이 소개된 이후 화질을 보완하기 위한 연구들이 활발히 이루어져 왔다. MV 영상이 저화질을 가짐에도, MV 영상을 이용하는 이유는 치료용 방사선을 직접 영상 촬영에 이용할 수 있으므로 방사선 치료 조사야의 직접적인 확인이 가능하기 때문이다. 방사선을 조사하는 대상에 대해 고화질의 kV 장치만 사용할 경우 이 같은 확인이 불가능하다.

도 1에 도시된 바와 같이, kV 영상(도 1의 (a))은 MV 영상(도 1의 (b))에 비해 상대적으로 높은 해상도(resolution)와 대조도(contrast)를 제공하므로 환자 위치 확인이나 호흡 감시 등을 위해 널리 사용되고 있으나 치료 조사야 검증(field verification) 등 치료방사선에 대한 직접적인 검증이 어려우므로, 일반적으로 kV 영상에 기반한 IGRT를 시행할 때에도 MV 영상은 필수불가결한 실정이다.

도 1의 (b)에 나타난 MV 영상의 낮은 해상도와 대조도는 고에너지 X선의 높은 투과성과 산란성에 기인하는 것으로 잘 알려져 있다. 이 때문에 MV 영상의 가독성은 kV 영상의 가독성에 비해 현저히 낮으며, 치료 현장에서 종종 정확한 치료 조사야 검증이 어렵거나 반복 촬영으로 인한 환자의 과다 피폭 가능성이 있다는 문제점들이 존재한다.

한편, 1990년대에 Amorphous silicon array를 기반으로 하는 디지털 MV 영상 획득 방법이 처음 제안되었고, 이때부터 MV 영상의 화질을 개선하기 위한 다양한 연구들도 함께 진행되어 왔는데, 이는 크게 두 가지로 나누어 볼 수 있다.

첫 번째는 일반 디지털 영상 처리 분야에서 널리 사용되어 왔던 다양한 영상 처리 필터(filter)들을 사용하는 방법이다. 이 방법은 사용자의 의도에 따라 비교적 자유롭고 간편하게 영상을 조작할 수 있다는 장점이 있지만, 사용자의 경험에 의존하는 주관적인 경향이 강할 뿐 아니라 영상에 나타난 환자의 해부학적 정보들이 다소 왜곡될 가능성이 있어, 의료용 영상에 부적절하다는 문제점을 갖는다.

두 번째는 전산 모사(Monte Carlo simulation)나 분석적 방법 등을 이용하여 MV 영상시스템의 산란 특성을 표현하는 고유의 커널(kernel)을 획득한 후 이를 이용하여 산란 효과에 의한 영상 잡음(Noise)을 제거하는 방법으로, 산란 효과가 MV 영상에 실제로 미치는 영향을 파악한 후 이를 제거하기 때문에 영상이 실제와 다르게 왜곡될 위험성이 작고 환자의 실제 투사 영상에 근접하게 복원할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 이를 위해서는 치료 빔의 특성 및 MV 영상시스템의 특성이 정확히 반영된 커널 정보가 모든 치료 조건들마다 주어져야 하며 최종적으로 개선된 MV 영상을 얻기까지 상당한 계산 시간 및 비용이 소요되므로 임상 현장에서는 현실적으로 사용하기 어렵다는 문제점이 있다.

이와 같이, 기존의 연구 방법들이 MV 영상의 보정 효과를 나타내지 못하고, 상용화되기 어려운 문제점들이 있어, 실질적으로 보정된 영상 결과물을 얻을 수 있는 MV 영상의 보정 방법에 대한 필요성이 대두되고 있다.

본 발명의 목적은 디지털 영상처리 기법을 이용하거나 산란 커널 계산을 통해 화질을 개선하는 기존의 방법 대신, 측정된 산란선 대 일차선비 (SPR, Scatter to Primary Ratio)를 이용하는 새로운 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 산란선 대 일차선비(SPR, Scatter to Primary Ratio)를 이용한 영상 보정 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 측정 대상의 두께 T를 측정하는 단계; 상기 측정 대상에 대해 MV 영상을 촬영하여 측정값 C(x,y)를 획득하는 단계; 상기 측정 대상의 두께 T에 대한 산란선 대 일차선비 SPR(T) 값을 산출하는 단계; 상기 C(x,y) 및 상기 SPR(T) 값을 적용하여 C' (x,y) 값을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 C' (x,y) 값을 적용하여, 보정 영상을 출력하는 단계를 포함한다.

본 발명의 방법에서, 상기 두께 T를 측정하는 단계 이전에, 측정 대상이 없는 상태에서 MV 영상을 촬영하여 O(x,y)를 획득하는 단계; 다양한 두께를 갖는 하나 이상의 물팬톰에 대해 MV 영상을 촬영하여 각각에 대한 I(x,y)를 획득하는 단계; 상기 O(x,y)와 I(x,y) 영상을 이용하여 상기 하나 이상의 물팬톰에 대한 각각의 산란선 대 일차선비(SPR(t)) 값을 산출하는 단계; 및 산출된 상기 하나 이상의 물팬톰에 대한 각각의 산란선 대 일차선비(SPR(t)) 값들을 저장하는 단계를 더 포함할 수 있고, 여기서, 측정 대상의 두께 T에 대한 산란선 대 일차선비 SPR(T) 값을 산출하는 단계는, 상기 두께 T를 측정하는 단계에서 측정된 T 값에 따라, 두께 T를 갖는 물팬톰에 대해 저장된 상기 산란선 대 일차선비(SPR(t))를 적용하여 SPR(T) 값을 산출할 수 있다.

본 발명의 다른 측면은, 산란선 대 일차선비(SPR)를 이용한 영상 보정을 수행하는 컴퓨터 판독가능한 기록매체에 관한 것으로서, 상기 컴퓨터 판독가능한 기록매체의 동작은, 측정 대상의 두께 T를 측정하는 단계; 상기 측정 대상에 대해 MV 영상을 촬영하여 측정값 C(x,y)를 획득하는 단계; 상기 측정 대상의 두께 T에 대한 산란선 대 일차선비 SPR(T) 값을 산출하는 단계; 상기 C(x,y) 및 상기 SPR(T) 값을 적용하여 C' (x,y) 값을 산출하는 단계; 및 상기 산출된 C' (x,y) 값을 적용하여, 보정 영상을 출력하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면 인위적인 영상 조작을 거치지 않으므로 환자의 해부학적 정보가 왜곡될 가능성이 낮으며, 산란 커널에 기반한 계산적인 방법 대신 직접적인 측정을 통해 산란 성분을 제거하므로 시간과 비용을 크게 줄일 수 있다는 이점이 있다.

특히, 본 발명에서 제안하는 영상 보정 방법을 이용하면 히스토그램의 폭이 감소하는데, 히스토그램의 폭이 감소함에 따라 동일한 크기의 밀도 차이를 표현할 때 상대적으로 더 많은 비트를 할당할 수 있게 되어, 영상의 대조도가 크게 개선될 수 있으며, 이는 MV 영상의 주요 사용 목적인 환자 내부의 해부학적 구조 식별을 용이하게 한다.

본 발명에서 제안하는 보정 방법은, 환자에 대해 영상 촬영 전에 물팬톰을 이용한 두께별 SPR(t) 값 데이터를 미리 확보해두고, 촬영 시 환자의 두께에 따라 적용한 SPR(T) 값을 손쉽게 획득할 수 있어, 기존에 제안되던 보정 방법에 비해 산술적으로 간단하여 연산 시간이 매우 짧고, MV 영상 판독 소요 시간을 줄일 수 있어서 보다 효율적인 판독이 가능하다는 이점이 있고, 상용화가 용이하다.

도 1의 (a)는 종래 kV 영상을, (b)는 종래 MV 영상을 촬영한 것으로서 양자를 비교하기 위해 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 보정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 보정 방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 보정 방법을 통해 물 팬텀 두께에 따른 SPR 값들을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 보정 방법을 이용하여 보정을 실행한 영상을 비교 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 보정 방법을 이용한 보정 영상의 일부분을 특정하여 비교가능하도록 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 보정 방법을 검증하기 위한 히스토그램을 도시한 것이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 언급되는 경우에, 이는 그 외의 다른 구성요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 보정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 2의 (a)는 피사체(예컨대, 환자)가 존재하지 않을 때 영상을 촬영하면 물질과의 상호작용 없이 입사한 방사선 신호 O(x,y) 만이 영상 검출기(Detector plane)에 도달하는 경우를 도시한 것이고, 도 2의 (b)는 피사체가 존재하는 경우 감쇄된 방사선 신호 P(x,y)와 산란된 방사선 신호 S(r)를 도시한 것이다. 피사체를 삽입한 것 외에 다른 실험 조건은 모두 동일하다.

본 발명은 환자에 대한 MV 영상 촬영 전에, 물팬톰 두께별 SPR 값을 미리 획득하여 데이터를 확보하는 과정을 거치고, 실제 환자(측정대상)에 대한 MV 촬영 시 미리 확보한 SPR 데이터 값 중 해당 두께의 SPR(T)값을 찾아내 적용하도록 구현될 수 있다.

먼저, 본 발명에서 이용되는 MV 영상 장치는 방사선 초점(radiation focal spot)에서 방사선을 출력하여 영상 검출기에 도달하도록 구현된다. 상술한 것처럼, 피사체가 없는 경우에 출력된 방사선 O(r)은 영상 검출기에 그대로 도달할 수 있다. 그러나 피사체가 존재하는 경우에는 피사체에 의해 흡수, 산란 또는 반사되어 감쇄된 방사선 P(r)이 영상 검출기에 도달하고, 산란 또는 반사된 방사선 S(r)이 영상 검출기에 도달할 수 있다.

기존에는 배경기술에서 기술한 종래의 영상 보정 방법을 이용하더라도, 정확한 S(r) 값을 예측하기 어려워, 측정된 P(r) 값의 효과적인 보정이 어려웠다.

본 발명은 이러한 문제점을 개선하고자, 측정된 산란선 대 일차선비(SPR, Scatter to Primary Ratio) 값을 이용하여 보정된 P' (r) 값을 연산하는 것으로, 본 발명에서 제안하는 연산 방법을 통해 얻은 보정된 영상은 기존의 방법보다 보정효과가 뛰어나다는 점을 검증할 수 있다. 검증 결과에 대해서는 도 4 내지 7을 참조하여 더 상세히 설명한다.

본 발명에서 제안하는 영상 보정 방법의 연산 과정은 다음과 같다.

먼저, 그림 2(b)와 같이 환자를 대신할 피사체(예컨대, 고체 물 팬톰(phantom))을 설치한 후 촬영하면 영상 검출기에는 피사체에 의해 감쇄된 방사선 신호 P(x,y) 가 검출되며, 그 크기는 산란 효과를 무시하면 식 (1)과 같이 계산할 수 있다. 이 때, μ_eff는 방사선의 에너지 스펙트럼을 고려한 물에서의 평균 감쇄 계수이며, x와 y는 영상검출기 표면에서 중심 좌표가 (0,0) 일 때 해당 방사선이 입사한 위치의 좌표를 의미한다. t(x,y) 은 해당 방사선이 실제로 투과한 팬톰의 두께를 나타낸다.

…(1)

한편, 팬톰과 방사선의 상호작용으로 인해 발생하는 산란선 S(x,y) 이 추가로 검출기에 입사하게 되며, 이에 따라 영상 검출기에서 얻어지는 최종적인 MV 영상 신호 I(x,y) 은 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.

…(2)

본 발명에 대한 연구에서는 환자의 MV 영상 촬영 부위의 두께가 균일하다고 가정하므로 t(x,y) 는 팬톰의 두께와 같은 상수로 간주하였으며, sheikh-Bagheri 등이 제시한 6MV 에너지 스펙트럼 및 NIST에서 제공하는 물에 대한 에너지별 감쇄 계수를 사용하여 특정 두께의 팬톰을 촬영하였을 때의 μ_eff를 산출하였다. 이를 이용하면, 측정된 O(x,y) 와 식 (1)을 통해 산란선이 제외된 순수한 감쇄 방사선인 P(x,y) 를 간단히 계산할 수 있다.

단, 이 때에는 방사선 빔이 팬톰 표면에 수직인 방향으로 평행하게 입사해야 한다는 가정이 필요한데, 실제 방사선 빔은 일정한 입체각(Solid angle)을 가지고 피사체에 입사한다. 그러나 본 연구에서 사용한 실험 조건들을 토대로 계산해 보면 P(0,0) 에 해당하는 팬톰 두께와 P(r _max ) 에 해당하는 팬톰 투과 두께의 차이는 약 0.9 %에 불과하므로 평행 입사 가정으로 인한 큰 오차는 발생하지 않는다. 이 때, r _max 는 영상검출기의 최대 반경을 의미한다.

결과적으로 두께 t 를 가지는 팬톰에 대한 SPR 은 O(x,y) 와 I(x,y) 의 측정을 통해 식 (3)과 같이 계산할 수 있다. I(x,y) 는 영상 기계에서 검출되는 방사선(즉, 우리가 결과물로 보게 되는 방사선)으로서, S(x,y)와 P(x,y)의 합과 같다.

단, 영상 측정 과정에서 발생하는 랜덤 노이즈(random noise)의 영향을 제거하기 위하여 측정된 O(x,y) 와 I(x,y) 를 각각 곡면 피팅(surface fitting) 처리한 후에 사용하였다.

…(3)

본 발명은 두께가 t 인 피사체가 있을 때, 식 (3)을 이용하여 SPR(t) 값을 연산하여 확보하여, 다수의 t 값에 대한 SPR(t) 값을 테이블 형태로 저장해둘 수 있다. 즉, 두께별 SPR 값을 미리 확보함으로써, 실제 두께 T인 환자에 대해 영상 촬영 시 SPR(t)값에 대한 테이블 데이터를 이용하여 SPR(T) 값을 용이하게 구할 수 있다.

다음으로, 위의 식 (3)의 SPR(t) 값을 이용하여, 촬영 부위의 두께가 t인 임의의 환자의 MV 영상 C(x,y) 에서 산란 기여분을 제거한 영상 C'(x,y) 는 최종적으로 식 (4)와 같이 얻어진다.

…(4)

C(x,y)는 상기 I(x,y)를 환자에게 적용한 예를 말하며, C'(x,y)는 본 발명의 보정방법에 의해 얻어지는 보정된 영상을 말한다.

여기서, 식(4)를 도출하는 과정은 다음과 같다. 먼저, 복부 두께가 t인 환자의 MV 영상을 촬영하고 획득한 영상을 C(x,y)라 하자. 상술한 것처럼, C(x,y)는 일차선(P)과 산란선(S) 성분을 모두 가지고 있다. 산란선인 S값을 제거하고 본 발명에서 얻고자 하는 보정된 영상을 C'(x,y)라 할 때, SPR=S/C'(SPR의 정의)이고, C-S=C'이다. 이 두 가지 식에서 S 값을 소거하고 연립하면 C-C'×SPR=C'가 되고 C' 값을 정리하면 위의 식 (4)와 같은 결과를 얻을 수 있다.

일 실시예로서, 두께가 T 인 환자에 대한 SPR(T)값을 확보한 경우에는, 상기 식(4)에 SPR(T)값을 적용하여, 아래와 같은 식(5)를 통해 C' (x,y)값을 구할 수 있다. 즉, 실제 환자의 두께 T를 측정하여 영상 보정을 수행하기 이전에, 측정 대상이 없는 상태에서 MV 영상을 촬영하여 O(x,y)를 획득하고, 다양한 두께를 갖는 하나 이상의 물팬톰에 대해 MV 영상을 촬영하여 각각에 대한 I(x,y)를 획득하고, 상기 O(x,y)와 I(x,y) 영상을 이용하여 상기 하나 이상의 물팬톰에 대한 각각의 산란선 대 일차선비(SPR(t)) 값을 산출하여, 복수의 산란선 대 일차선비(SPR(t)) 값을 데이터로(예컨대, 테이블 형태로) 저장해둘 수 있다.

이후에, 실제 환자에 대해 본 발명의 보정 영상 방법을 적용할 때에는, 환자의 두께 T에 대한 산란선 대 일차선비 SPR(T) 값을 산출하는 단계에서, 두께 T를 갖는 물팬톰에 대해 저장된 산란선 대 일차선비(SPR(t))에 T값을 적용하여 SPR(T) 값을 획득할 수 있다. 획득한 SPR(T) 값을 식(4)에 적용하여, 아래와 같이 식(5)의 연산을 통해 두께 T의 환자에 대한 보정 영상 C' (x,y)를 구한다.

…(5)

위와 같은 연산 방법을 통해 보정된 영상 C' 값을 얻을 수 있고, 본 발명의 연산 방법에 의해 얻어진 C' 영상은 기존 보정 방법에 의한 보정 영상보다 실질적인 대비(contrast)와 왜곡현상이 개선되었다.

본 발명에 대한 연구 시, 일 실시예로서, MV 영상 장치는 전자영상포털장치(EPID, Electronic portal imaging device) 를 이용하였는데, 치료용 선형가속기인 Varian 사의 Clinac iX 에 장착된 aS1000 모델을 사용하였다. 이 EPID의 영상화 면적(active area)은 40cm x 30cm 이며, 14 bit의 방사선 영상을 제공한다. 매 영상당 약 1.3 MU(monitor unit)를 사용하였으며, 영상 잡음의 최소화를 위해 매 조건마다 20장의 영상을 반복 측정하여 평균 영상을 획득하였다. 또한 영상 신호 해석의 편의상 촬영한 모든 영상들을 반전(conversion) 처리하여 사용하였다. 본 발명의 연구에서 모든 실험 조건은 실제 임상 조건과 최대한 일치하도록 설정하였는데, 고체 물 팬톰(SP34, IBA dosimetry)은 30 cm x 30 cm x t cm 의 직육면체로 구성하였고 팬톰의 질량중심점이 선형가속기의 회전중심점과 일치하도록 설치하였다. 본 실험에 사용한 t 는 실제 환자의 부위별 두께 정도를 고려하여 5, 10, 15, 20cm 로 결정하였다. 선원에서 회전중심점까지의 거리는 100cm, 회전중심점에서 EPID 표면까지의 거리는 50cm 이며 MV 영상 촬영 시 빔 조사야의 크기는 40cm x 40cm 를 사용하였다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 보정 방법을 도시한 순서도이다. 도 3은 도 2에서 설명한 영상 보정 방법을 환자에게 적용하는 방법으로서 보정된 환자의 영상을 얻는 방법에 대해 설명한다.

먼저, 실제 환자의 두께 T를 측정하여 영상 보정을 수행하기 이전에, 측정 대상이 없는 상태에서 MV 영상을 촬영하여 O(x,y)를 획득하고, 다양한 두께를 갖는 하나 이상의 물팬톰에 대해 MV 영상을 촬영하여 각각에 대한 I(x,y)를 획득하고, 상기 O(x,y)와 I(x,y) 영상을 이용하여 상기 하나 이상의 물팬톰에 대한 각각의 산란선 대 일차선비(SPR(t)) 값을 산출하여, 복수의 산란선 대 일차선비(SPR(t)) 값을 데이터로(예컨대, 테이블 형태로) 저장해둘 수 있다.

본 발명의 영상 보정 방법은 피사체의 두께 t를 이용하여 보정을 수행하는 바, 먼저 환자의 두께 T를 측정한다. 상술한 것처럼, 실제 환자의 측정 부위 두께가 일정치 않으나 평행 입사 가정으로 인한 큰 오차는 발생하지 않으므로, 환자의 평균 두께 T를 측정한다(S310). 일 실시예로서, 본 발명은 평균 두께 T를 이용하여 보정 영상 값을 산출하는 과정에 대해 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 환자의 촬영 부위 두께를 하나 이상 측정하여 각각의 두께에 대해 영상의 보정을 실시할 수 있다.

다음으로, 환자의 MV 영상을 촬영하여, 측정된 영상의 C(x,y)값을 획득할 수 있다(S320). C(x,y)는 상술한 것처럼 피사체를 통과하여 검출기에 도달하는 일차선 P 값과 산란 또는 반사되는 산란선 S 값의 합으로서, 검출기에서 측정되는 영상 값을 말한다.

본 발명의 영상 보정 장치는, S310 단계를 통해 획득한 환자의 두께 T에 대한 SPR(T) 값을 연산할 수 있다(S330). SPR(T) 값은 미리 저장해두었던 데이터를 이용하는 방법으로서, 두께 T를 갖는 물팬톰에 대해 저장된 산란선 대 일차선비(SPR(t))에 T값을 적용하여 SPR(T) 값을 산출한다.

다음으로, 영상 보정 장치는 획득한 SPR(T) 값과 C(x,y)를 이용하여, 상술한 식(5) 통해 보정 영상 C' (x,y)를 획득할 수 있다(S340). 영상 보정 장치는 보정 영상 C' (x,y)를 이용하여 보정 영상을 출력한다(S350).

본 발명에서 제안하는 보정 방법은, 기존에 제안되던 보정 방법에 비해 산술적으로 간단하여 연산 시간이 매우 짧고, 신속한 결과를 얻을 수 있다는 이점이 있어, 상용화가 용이하다. 또한 기존의 보정 방법보다 보정 효과를 개선하여 대비(contrast)와 선명도가 좋아 치료 목적에도 적합하다.

이하에서는, 본 발명에서 제안하는 영상 보정 방법에 대한 검증에 대해 설명하고자 한다. 본 발명에서 제안한 MV 영상의 산란 보정 알고리즘에 대한 검증은 두 가지 방법으로 수행되었다.

첫째로, Line pair (LP) 팬텀의 MV 영상을 촬영한 후 산란 보정을 시행하고 그 결과를 분석하였다. LP 팬텀의 촬영 조건은 그림 2(b)에 묘사한 SPR 촬영 조건과 동일하며, LP팬텀은 20cm 두께의 고체 물 팬톰 위에 1 cm x 12 cm x 0.5 cm 의 알루미늄 막대 10개를 1cm의 간격으로 배열하여 사용하였다. 둘째로, 실제 환자의 골반 부위 MV 영상을 획득한 후 산란 보정을 시행하여 그 결과를 분석하였다. 환자 영상의 경우 LP 팬텀의 그것과 달리 내부의 정확한 물성 정보를 얻는 것은 어려우므로, 임상에서 환자 위치 확인을 위해 많이 사용되는 골반연(Pelvic brim) 경계면 등의 영역에서 대조도를 분석하는 방법으로 산란 보정의 효과를 검증하였다.

도 4는 일반적으로 MV 영상을 촬영했을 때, 피사체인 물 팬텀 두께에 따른 SPR 값들을 나타내는 도면이다. 도 4의 (a)는 물 팬텀 두께에 따라 검출기 중앙을 지나는 SPR 프로파일 값을 비교 도시한 것이고, 도 4의 (b)는 물 팬텀의 두께가 20cm일 때 SPR 분포를 나타내고 있다.

6MV X선 빔의 에너지 스펙트럼과 물에 대한 에너지별 감쇄 계수들을 근거로 고체 물 팬톰의 두께에 따라 이론적으로 계산된 투과율은 약 32~74% 범위로 나타났으며, 구체적인 값들은 표 1에 제시되어 있다.

t (cm)
5	0.7374
10	0.5499
15	0.4143
20	0.3151

주어진 두께들을 가진 팬톰에 대하여 O(x,y) 과 I(x,y) 를 촬영한 후 식 (4)를 이용하여 최종적으로 SPR 을 획득하였으며, 그 결과는 도 4에 나타나 있다. 도 4의 (a)는 영상검출기의 중앙을 지나는 SPR 프로파일을 팬톰 두께의 변화에 따라 도시하였는데, 팬톰이 두꺼울수록 SPR이 증가하는 것을 알 수 있으며, 전체적인 SPR의 분포는 중심부에서 가장 높고 가장자리로 갈수록 낮아지는 양상을 보인다. 일차선 성분에 대한 감쇄가 없는 경우에는 그래프가 평평하게 나타나야하지만, 산란에 의해 SPR 값이 가우시안 분포 형태로 나타나는 것을 볼 수 있다.

SPR 분포의 분석 결과 팬톰이 두꺼울수록 SPR도 증가하였으며, 영상 중앙과 외곽 영역의 산란 성분의 차이도 함께 증가하는 것으로 나타났다. 특히 두께 20cm 의 경우 SPR은 그 차이가 최대 3배 정도로 나타났다. 이는 X선의 에너지가 높을수록 전방 산란 확률이 높다는 Klein-Nishina Formula의 이론적 예측으로 설명이 가능하다. 단, 이론적으로는 SPR 분포가 온전한 방사성 대칭 구조를 가져야 하지만 선형가속기의 조준기(Collimator) 시스템 내부 구조로 인해 도 4의 (b)와 같이 외곽 영역에서는 약간의 비대칭성을 가진다.

도 4와 비교하여, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 보정 방법을 이용하여 보정을 실행한 영상을 도시한 것이다. 도 5의 (a), (b)는 20cm 두께의 물 팬톰을 피사체로 이용하고, 알루미늄 막대 10개를 배열하여 MV 영상 장치로 촬영한 것이다. 도 5의 (a)는 도 4에서 도시한 것처럼 영상 보정을 수행하지 않고 가우시안 분포를 띄는 SPR 값에 따라 촬영된 영상 출력물이고, 도 5의 (b)는 본 발명의 영상 보정 방법에 의해 보정된 영상 출력물이다. 도 5의 (c)는 도 5의 (a), (b) 중심 라인의 픽셀 값을 나타낸 것으로, (a)가 no correction 그래프에 대응되고, (b)가 SPR correction 그래프에 대응된다.

본 발명의 모든 영상들은 정확한 화질 성능 비교를 위하여 각자의 최소 화소값과 최대 화소값 범위의 윈도우를 사용하여 표시하였다. 도 5의 (b)는 LP 팬텀 영상의 산란 보정을 수행한 결과를 보여주고 있는데, 영상의 대조도가 크게 개선되었음을 알 수 있다. 도 5의 (a)는 산란 성분으로 인해 중심부분이 밝고 나머지 부분이 어두우면서 촬영된 대상 자체도 희미하게 출력되는데 반해, 도 5의 (b)는 촬영된 대상이 선명하고 대비(contrast)가 훨씬 개선된 결과를 볼 수 있고, 중심부와 주변부의 밝기 차이도 감소한 것을 볼 수 있다.

도 5의 (c)는 촬영한 영상에 대해 식(4)를 적용하여 출력한 것으로서, 도 5의 (c)에 나타난 프로파일 비교 결과를 참조하면, 영상에 전체적으로 퍼져 있던 산란 성분이 제거된 것을 정량적으로 확인할 수 있다. 특히, 산란 성분의 불균일성에 의해 야기되었던 영상의 중앙 부분과 외곽 부분의 화소값의 과도한 차이가 크게 감소한 것을 알 수 있는데, 이는 산란 보정된 MV 영상이 LP 팬텀의 실제 밀도를 잘 표현하고 있음을 의미한다. 즉, no correction 그래프는 도 4에서 설명한 것처럼 산란 성분에 의해 정규분포를 띄고 있는 반면, SPR correcion 그래프는 균일한 픽셀값을 나타낸다.

도 5의 (c)에 제시된 LP 팬텀을 이용한 검증 결과는 MV 영상의 산란 성분 제거라는 본 발명의 목적이 명확히 나타나 있다. 산란 성분에 의해 과다 측정되었던 화소값이 보정 후에는 전체적으로 감소하였음을 정량적으로 확인하였고, 특히 전방 산란에 의한 완만한 굴곡이 거의 제거되었음을 확인하였다. 결과적으로 보정된 영상의 프로파일은 LP 팬텀의 실제 밀도 정보에 관해 훨씬 정확한 정보를 제공하고 있음을 알 수 있다. 나아가, 실제 의료 영상에 적용 시, 뼈와 살의 경계부분에 대한 해상도를 늘려서 세밀하게 관찰 가능하다는 장점이 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 보정 방법을 이용한 보정 영상의 일부분을 특정하여 비교가능하도록 도시한 것이다.

본 발명은 총 5개의 관심영역(ROI, region of interest)을 지정하였으며, 이 때 각 ROI영상의 히스토그램은 뼈 부분의 화소값과 조직 부분의 화소값을 반영하는 두 개의 피크(peak)를 가지게 된다. 각 ROI의 대조도 C _ROI 는 식 (5)를 이용하여 산출하였는데, HV 는 두 개의 피크 중 높은 값이며, LV 는 낮은 값을 의미한다. 마지막으로 보정 전후 영상 간의 정확한 대조도 비교를 위하여 전체 영상의 히스토그램의 폭 W _global 을 이용하여 정규화하였다.

환자의 골반 영상 보정 결과는 도 6에 나타나 있으며, 산란 보정 후 영상의 대조도가 전체적으로 개선되었음을 육안으로 확인할 수 있다. 도면상에 표시된 5개의 ROI 에서 각각 계산한 대조도는 표 2에 제시되어 있는데, 산란 보정 결과 모든 ROI 에서 대조도가 증가하였으며 평균 증가율은 48% 로 나타났다. 즉, ROI1 내지 ROI5의 평균 대조도(Mean) 값이 0.133에서 0.197로 증가한 것을 볼 수 있다.


	no correction	SPR correction
ROI1	0.111	0.250	0.139
ROI2	0.167	0.194	0.027
ROI3	0.132	0.139	0.007
ROI4	0.118	0.181	0.063
ROI5	0.139	0.222	0.083
Mean	0.133	0.197	0.064

여기서, ROI 마다 증가율이 상이한 이유는 환자 몸의 해부학적 상황 및 위치 등 여러 요인들에 의한 것인 바, 평균값을 비교하는 것이 바람직하며, 평균값을 참고할 때 보정된 영상의 대조도가 훨씬 증가함으로써, 본 발명의 보정 방법에 의한 보정 효과가 매우 개선된 것임을 확인할 수 있다.

도 6의 모든 ROI에서 대조도가 개선된 사실은 산란 보정이 영상에 전체적으로 영향을 주었음을 보여주는 도면이다. 기존 영상의 경우 산란 성분으로 인한 굴곡 때문에 판독하고자 하는 세부 부위에 따라 윈도우 설정을 변경하여야 만족할 만한 성능을 얻을 수 있었지만, 보정된 영상은 고정된 윈도우 설정에서도 전체적으로 고른 대조도를 제공하므로 MV 영상 판독 소요 시간을 줄일 수 있어서 보다 효율적인 판독이 가능하다는 이점이 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 보정 방법을 검증하기 위한 히스토그램을 도시한 것이다. 도 7의 (a)는 알루미늄 막대 이미지를 촬영한 것이고, (b)는 골반 이미지를 촬영한 히스토그램을 도시한 것이다.

도 7의 (a)에 나타난 LP 팬텀 영상의 히스토그램을 통해서도 동일한 검증이 가능하다. 보정 전 히스토그램(no correction)에서는 서로 잘 구별되지 않는 여러 개의 피크가 혼재되어 있으나, 보정 후 히스토그램(SPR correction)에서는 명확한 두 개의 피크가 나타나는데, 이로써 영상에서 알루미늄 막대가 존재하는 영역과 그렇지 않은 영역이 명확히 구별됨을 알 수 있다.

또한, 산란 성분에 의한 완만한 굴곡이 제거되었기 때문에 보정 과정을 거치면서 전체 히스토그램의 폭이 약 16%로 크게 감소한 것을 알 수 있는데, 이는 디지털 영상의 화질 관점에서 매우 중요한 의미를 갖는다. 일반적으로 디지털 영상장비의 주요 설계 인자인 비트(Bit) 수는 장비 제조 시에 특정 값으로 결정되는데, 이 때 히스토그램의 폭이 감소하면 동일한 크기의 밀도 차이를 표현할 때 상대적으로 더 많은 비트를 할당할 수 있게 되기 때문이다. 따라서, 영상의 대조도가 크게 개선될 수 있으며, 해당 부위를 확대하여 세부적인 분석이 가능해지고, 이는 MV 영상의 주요 사용 목적인 환자 내부의 해부학적 구조 식별을 용이하게 한다.

이상에서, 본 발명은 이해를 돕기 위해 상기 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었으므로 본 명세서에서 나타낸 구성요소, 그들의 접속 및 관계, 및 그들의 기능들은 단지 예시적인 것을 의미한다. 본 발명에 있어서, 각 구성요소들은 필요에 따라 물리적으로 분리된 형태 또는 하나 이상의 구성요소가 통합된 형태로도 구현될 수 있다.

본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

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 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

산란선 대 일차선비(SPR, Scatter to Primary Ratio)를 이용한 영상 보정 방법에 있어서,
측정 대상의 두께 T를 측정하는 단계;
상기 측정 대상에 대해 MV 영상을 촬영하여 측정값 C(x,y)를 획득하는 단계;
상기 측정 대상의 두께 T에 대한 산란선 대 일차선비 SPR(T) 값을 산출하는 단계;
상기 C(x,y) 및 상기 SPR(T) 값을 수식
에 적용하여 C' (x,y) 값을 산출하는 단계; 및
상기 산출된 C'(x,y) 값을 적용하여, 보정 영상을 출력하는 단계를 포함하는 산란선 대 일차선비를 이용한 영상 보정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 두께 T를 측정하는 단계 이전에,
측정 대상이 없는 상태에서 MV 영상을 촬영하여 O(x,y)를 획득하는 단계;
다양한 두께를 갖는 하나 이상의 물팬톰에 대해 MV 영상을 촬영하여 각각에 대한 I(x,y)를 획득하는 단계;
상기 O(x,y)와 I(x,y) 영상을 이용하여 상기 하나 이상의 물팬톰에 대한 각각의 산란선 대 일차선비(SPR(t)) 값을 산출하는 단계; 및
산출된 상기 하나 이상의 물팬톰에 대한 각각의 산란선 대 일차선비(SPR(t)) 값들을 저장하는 단계를 더 포함하고,
상기 측정 대상의 두께 T에 대한 산란선 대 일차선비 SPR(T) 값을 산출하는 단계는, 상기 두께 T를 측정하는 단계에서 측정된 T 값에 따라, 두께 T를 갖는 물팬톰에 대해 저장된 상기 산란선 대 일차선비(SPR(t))를 적용하여 SPR(T) 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 산란선 대 일차선비를 이용한 영상 보정 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 측정값 C(x,y)는 일차선 성분 P(x,y)와 산란선 성분 S(x,y)의 합인 것을 특징으로 하는 산란선 대 일차선비를 이용한 영상 보정 방법.
제 3 항에 있어서,

이고,
상기 O(x,y)는 피사체 없이 촬영 시 조사한 방사선 값이고,
상기 t는 측정 대상의 두께 T이고,
μ_eff는 방사선의 에너지 스펙트럼을 고려한 물에서의 평균 감쇄 계수이며,
x와 y는 영상검출기 표면에서 중심 좌표가 (0,0) 일 때 해당 방사선이 입사한 위치의 좌표인 것을 특징으로 하는 산란선 대 일차선비를 이용한 영상 보정 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 SPR(T)는 두께 t가 T일 때,

이고,
상기 I(x,y)는 상기 C(x,y)인 것을 특징으로 하는 산란선 대 일차선비를 이용한 영상 보정 방법.
제 3 항에 있어서,
상기 t(x,y)는 상기 측정 대상의 평균 두께에 해당하는 상수인 것을 특징으로 하는 산란선 대 일차선비를 이용한 영상 보정 방법.
제5항에 있어서,
상기 O(x,y) 및 I(x,y) 는 각각 곡면 피팅(surface fitting) 처리한 값인 것을 특징으로 하는 산란선 대 일차선비를 이용한 영상 보정 방법.
컴퓨터 프로그램으로 인코드된(encoded) 컴퓨터 판독가능한 기록 매체로서, 상기 프로그램은 데이터프로세싱 장치에 의한 실행 시 상기 데이터프로세싱 장치가 동작들을 실시하도록 하는 명령들을 포함하고, 상기 동작은,
측정 대상의 두께 T를 측정하는 단계;
상기 측정 대상에 대해 MV 영상을 촬영하여 측정값 C(x,y)를 획득하는 단계;
상기 측정 대상의 두께 T에 대한 산란선 대 일차선비 SPR(T) 값을 산출하는 단계;
상기 C(x,y) 및 상기 SPR(T) 값을 수식
에 적용하여 C' (x,y) 값을 산출하는 단계; 및
상기 산출된 C' (x,y) 값을 적용하여, 보정 영상을 출력하는 단계를 포함하는 컴퓨터 판독가능한 기록 매체.
제 8 항에 있어서,
상기 두께 T를 측정하는 단계 이전에,
측정 대상이 없는 상태에서 MV 영상을 촬영하여 O(x,y)를 획득하는 단계;
다양한 두께를 갖는 하나 이상의 물팬톰에 대해 MV 영상을 촬영하여 각각에 대한 I(x,y)를 획득하는 단계;
상기 O(x,y)와 I(x,y) 영상을 이용하여 상기 하나 이상의 물팬톰에 대한 각각의 산란선 대 일차선비(SPR(t)) 값을 산출하는 단계; 및
산출된 상기 하나 이상의 물팬톰에 대한 각각의 산란선 대 일차선비(SPR(t)) 값들을 저장하는 단계를 더 포함하고,
상기 측정 대상의 두께 T에 대한 산란선 대 일차선비 SPR(T) 값을 산출하는 단계는, 상기 두께 T를 측정하는 단계에서 측정된 T 값에 따라, 두께 T를 갖는 물팬톰에 대해 저장된 상기 산란선 대 일차선비(SPR(t))를 적용하여 SPR(T) 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 산란선 대 일차선비를 이용한 컴퓨터 판독가능한 기록 매체.
제 9 항에 있어서,
상기 측정값 C(x,y)는 일차선 성분 P(x,y)와 산란선 성분 S(x,y)의 합인 것을 특징으로 하는 산란선 대 일차선비를 이용한 컴퓨터 판독가능한 기록 매체.
제 10 항에 있어서,

이고,
상기 O(x,y)는 피사체 없이 촬영 시 조사한 방사선 값이고,
상기 t는 상기 측정 대상의 두께 T이고,
μ_eff는 방사선의 에너지 스펙트럼을 고려한 물에서의 평균 감쇄 계수이며,
x와 y는 영상검출기 표면에서 중심 좌표가 (0,0) 일 때 해당 방사선이 입사한 위치의 좌표인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 판독가능한 기록 매체.
제 11 항에 있어서,
상기 SPR(T)는 두께 t가 T일 때,

이고,
상기 I(x,y)는 상기 C(x,y)인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 판독가능한 기록 매체.
제 10 항에 있어서,
상기 t(x,y)는 상기 측정 대상의 평균 두께에 해당하는 상수인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 판독가능한 기록 매체.
제 12 항에 있어서,
상기 O(x,y) 및 I(x,y) 는 각각 곡면 피팅(surface fitting) 처리한 값인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 판독가능한 기록 매체.