KR20160089976A - 엑스선 영상장치 및 엑스선 영상생성방법 - Google Patents
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Abstract
개시된 발명의 일 측면은, 저선량의 엑스선을 조사함에도 고해상도의 영상을 얻을 수 있는 엑스선 영상장치 및 엑스선 영상생성방법을 제공한다. 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치는 대상체에 엑스선을 조사하는 엑스선 소스; 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 엑스선 데이터가 포함된 프레임 영상을 생성하는 엑스선 검출부; 상기 복수의 엑스선 데이터를 이용하여 상기 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리하는 영상분리부; 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션보정을 수행하여 현재 프레임 영상을 복원하는 영상생성부;를 포함한다.
Description
개시된 기술은 대상체에 엑스선을 조사하여 그 내부를 영상화하는 엑스선 영상장치 및 엑스선 영상생성방법에 관한 것이다.
엑스선 영상장치는 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 이용하여 대상체의 내부 구조를 영상화할 수 있다. 최근에는 대상체의 내부에서 나타나는 움직임을 관찰할 수 있도록 엑스선 동영상 기술이 개발되어 혈관 조영술(angiography)과 같은 인터벤션(intervention) 시술이나 엑스선 투시법(fluoroscopy) 등의 엑스선 진단 분야에 적용되고 있다.
개시된 실시예는, 저선량의 엑스선을 조사함에도 고해상도의 영상을 얻을 수 있는 엑스선 영상장치 및 엑스선 영상생성방법을 제공한다.
일 실시예에 따른 엑스선 영상장치는 대상체에 엑스선을 조사하는 엑스선 소스; 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 엑스선 데이터가 포함된 프레임 영상을 생성하는 엑스선 검출부; 상기 복수의 엑스선 데이터를 이용하여 상기 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리하는 영상분리부; 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션보정을 수행하여 현재 프레임 영상을 복원하는 영상생성부;를 포함한다.
또한, 상기 영상생성부는, 모션보정이 수행된 동일한 물질영상들을 합성하고, 합성된 복수의 물질영상들을 합성하여 현재 프레임 영상을 복원할 수 있다.
또한, 상기 영상생성부는, 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션추정 및 보상을 수행할 수 있다.
또한, 상기 영상분리부는, 복수의 물질의 엑스선 감쇠특성의 차이를 이용하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 복수의 엑스선 데이터로부터 복수의 물질영상을 분리할 수 있다.
또한, 상기 엑스선 소스는, 상기 복수의 에너지 대역을 포함하는 엑스선을 상기 대상체에 조사할 수 있다.
또한, 상기 엑스선 소스는, 상기 복수의 에너지 대역에 각각 대응하는 에너지 대역을 갖는 엑스선을 상기 대상체에 조사할 수 있다.
또한, 관심영역보다 배경영역에 적은 선량의 엑스선이 조사되도록 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선을 필터링하는 필터링부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 엑스선 검출부는, 상기 배경영역의 엑스선을 검출하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 엑스선 데이터가 포함된 상기 배경영역의 프레임 영상과 상기 관심영역의 엑스선을 검출하여 관심영역의 프레임 영상을 생성할 수 있다.
또한, 상기 영상분리부는 상기 복수의 엑스선 데이터를 이용하여 상기 배경영역의 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리하고, 상기 영상생성부는, 상기 배경영역의 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션보정을 수행하여 상기 배경영역의 현재 프레임 영상을 복원하고, 상기 관심영역의 프레임 영상에 대해 고해상도 영상복원을 수행하여 관심영역의 현재 프레임 영상을 복원할 수 있다.
또한, 상기 영상생성부는 상기 복원된 배경영역의 프레임 영상과 관심영역의 프레임 영상을 합성하여 상기 대상체의 프레임영상을 생성할 수 있다.
일 실시예에 따른 엑스선 영상장치는 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리하는 영상분리부; 및 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션보정을 수행하여 현재 프레임 영상을 복원하는 영상생성부;를 포함한다.
또한, 상기 영상생성부는, 모션보정이 수행된 동일한 물질영상들을 합성하고, 합성된 복수의 물질영상들을 합성하여 현재 프레임 영상을 복원한다.
또한, 상기 영상생성부는, 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션추정 및 보상(motion estimation and compensation)을 수행한다.
또한, 상기 영상분리부는, 복수의 물질의 엑스선 감쇠특성의 차이를 이용하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 복수의 엑스선 데이터로부터 복수의 물질영상을 분리한다.
또한, 상기 영상분리부는 배경영역의 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리하고, 상기 영상생성부는 상기 배경영역의 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션보정을 수행하여 상기 배경영역의 현재 프레임 영상을 복원하고, 상기 관심영역의 프레임 영상에 대해 고해상도 영상복원을 수행하여 관심영역의 현재 프레임 영상을 복원한다.
또한, 상기 영상생성부는 상기 복원된 배경영역의 프레임 영상과 관심영역의 프레임 영상을 합성하여 상기 대상체의 프레임영상을 생성한다.
일 실시예에 따른 엑스선 영상생성방법은 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 엑스선 데이터가 포함된 프레임 영상을 생성하는 단계; 상기 복수의 엑스선 데이터를 이용하여 상기 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리하는 단계; 및 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션보정을 수행하여 현재 프레임 영상을 복원하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 프레임 영상을 복원하는 단계는, 모션보정이 수행된 동일한 물질영상들을 합성하는 단계; 및 상기 합성된 복수의 물질영상들을 합성하여 현재 프레임 영상을 복원하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 프레임 영상을 복원하는 단계는, 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션추정 및 보상을 수행하는 것 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 물질영상으로 분리하는 단계는, 복수의 물질의 엑스선 감쇠특성의 차이를 이용하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 복수의 엑스선 데이터로부터 복수의 물질영상을 분리하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 복수의 에너지 대역을 포함하는 엑스선을 대상체에 조사하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 복수의 에너지 대역에 각각 대응하는 에너지 대역을 갖는 엑스선을 대상체에 조사하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 프레임 영상을 생성하는 단계는, 배경영역의 엑스선을 검출하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 엑스선 데이터가 포함된 상기 배경영역의 프레임 영상을 생성하는 단계; 및 관심영역의 엑스선을 검출하여 상기 관심영역의 프레임 영상을 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 물질영상으로 분리하는 단계는, 상기 복수의 엑스선 데이터를 이용하여 상기 배경영역의 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리하는 것을 포함하고, 상기 영상을 복원하는 단계는, 상기 배경영역의 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션보정을 수행하여 상기 배경영역의 현재 프레임 영상을 복원하는 것을 포함할 수 있다.
또한, 상기 관심영역의 프레임 영상에 대해 고해상도 영상복원을 수행하여 관심영역의 현재 프레임 영상을 복원하는 단계; 및 상기 복원된 배경영역의 프레임 영상과 관심영역의 프레임 영상을 합성하여 상기 대상체의 프레임영상을 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 엑스선 영상장치 및 엑스선 영상생성방법에 의하면, 환자에 대한 엑스선 피폭을 저감시킬 수 있고, 고해상도의 영상을 획득할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치에 관한 제어 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 엑스선 영상치에 포함되는 엑스선 튜브의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 에너지와 감쇠계수와의 관계를 대상체 내부의 물질 별로 나타낸 그래프이다.
도 4a는 에너지 대역 별로 분리된 엑스선 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4b는 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선 스펙트럼의 예시를 나타낸 그래프이다.
도 5는 광자 계수 방식의 엑스선 검출부의 단일 픽셀 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 개시된 실시예에 따른 엑스선 영상장치에서 물질분리를 수행하는 것을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 영상생성부에서 물질영상들로부터 프레임 영상을 복원하는 것을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 이전 프레임 영상과의 평균에 의해 프레임 영상의 노이즈가 감소되는 효과를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 프레임 영상을 합성하는 방법을 도시한 도면이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 엑스선 영상장치에 관한 제어 블록도이다.
도 13은 필터링부에 포함되는 관심영역 필터의 측단면도이다.
도 14는 관심영역과 배경 영역에 입사된 엑스선의 선량을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 외관도이다.
도 16은 일 실시예에 따른 엑스선 영상생성방법을 나타낸 순서도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 엑스선 영상생성방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 엑스선 영상치에 포함되는 엑스선 튜브의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 에너지와 감쇠계수와의 관계를 대상체 내부의 물질 별로 나타낸 그래프이다.
도 4a는 에너지 대역 별로 분리된 엑스선 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 4b는 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선 스펙트럼의 예시를 나타낸 그래프이다.
도 5는 광자 계수 방식의 엑스선 검출부의 단일 픽셀 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 개시된 실시예에 따른 엑스선 영상장치에서 물질분리를 수행하는 것을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 영상생성부에서 물질영상들로부터 프레임 영상을 복원하는 것을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 이전 프레임 영상과의 평균에 의해 프레임 영상의 노이즈가 감소되는 효과를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9 및 도 10은 프레임 영상을 합성하는 방법을 도시한 도면이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 엑스선 영상장치에 관한 제어 블록도이다.
도 13은 필터링부에 포함되는 관심영역 필터의 측단면도이다.
도 14는 관심영역과 배경 영역에 입사된 엑스선의 선량을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15는 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 외관도이다.
도 16은 일 실시예에 따른 엑스선 영상생성방법을 나타낸 순서도이다.
도 17은 다른 실시예에 따른 엑스선 영상생성방법을 나타낸 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 엑스선 영상장치 및 엑스선 영상생성방법의 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치에 관한 제어 블록도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치에 포함되는 엑스선 튜브의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 엑스선 영상장치(100)는 엑스선을 발생시켜 조사하는 엑스선 소스(110), 조사된 엑스선을 검출하여 프레임 영상을 획득하는 엑스선 검출부(120), 엑스선 소스 및 엑스선 검출부 의 동작을 제어하는 제어부(130), 엑스선 검출부에서 획득한 프레임 영상에 대해 영상 처리를 수행하는 영상 처리부(140) 및 사용자에게 정보를 제공하고 사용자로부터 제어 명령을 수신하는 사용자 인터페이스(150)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 엑스선 소스는 엑스선을 발생시키는 엑스선 튜브(111)를 포함한다. 엑스선 튜브는 양극(111c)과 음극(111e)을 포함하는 2극 진공관으로 구현될 수 있고, 관체는 규산경질 유리 등을 재료로 하는 유리관(111a)일 수 있다. 음극은 필라멘트(111h)와 전자를 집속시키는 집속 전극(111g)을 포함한다. 엑스선 튜브의 유리관 내부가 고진공 상태로 조성되고, 필라멘트에 연결된 전기도선(111f)에 전류가 인가되어 필라멘트가 가열되면 열전자가 발생된다. 하지만 음극은 필라멘트에만 한정되는 것은 아니며, 고속 펄스로 구동 가능한 카본 나노 튜브(carbon nano-tube)를 음극으로 하는 것도 가능하다.
양극은 주로 구리로 구성되고, 음극과 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)는 작아진다.
양극과 음극 사이에 고전압이 인가되면 필라멘트에서 발생된 열전자는 가속되어 양극의 타겟 물질에 충돌하게 되고, 이로 인해 엑스선이 발생하게 된다. 발생된 엑스선은 윈도우(111i)를 통해 외부로 조사되며, 윈도우의 재료로는 베릴륨(Be) 박막이 사용될 수 있다. 타겟 물질은 로터(111b)에 의해 회전할 수 있으며, 타겟 물질이 회전하게 되면 고정된 경우에 비해 열 축적율이 단위 면적당 10배 이상 증대될 수 있고, 초점 크기가 감소된다.
양극과 음극 사이에 가해지는 전압을 관전압이라 하며, 그 크기는 파고치 kvp로 나타낼 수 있다. 관전압이 증가하면 열전자의 속도가 증가되고 결과적으로 타겟 물질에 충돌하여 발생되는 엑스선의 에너지(광자의 에너지)가 증가된다. 또한, 엑스선의 조사 방향에 필터를 배치하여 엑스선의 에너지를 조절할 수도 있는바, 윈도우의 전면 또는 후면에 특정 파장 대역의 엑스선을 필터링하는 필터를 위치시켜 특정 에너지 대역의 엑스선을 필터링할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄이나 구리와 같은 필터를 배치하면, 저에너지 대역의 엑스선이 필터링되면서 조사되는 엑스선의 에너지가 증가된다. 엑스선 튜브에 흐르는 전류는 관전류라 하며 평균치 mA로 표시할 수 있고, 관전류가 증가하면 엑스선의 선량(엑스선 광자의 수)이 증가된다. 따라서, 관전압 또는 필터 중 적어도 하나에 의해 엑스선의 에너지가 제어될 수 있고, 관전류 및 엑스선 노출 시간에 의해 엑스선의 선량이 제어될 수 있다.
한편, 엑스선 영상장치는 엑스선 동영상을 생성할 수 있고, 엑스선 투시법(fluoroscopy)이나 혈관 조영술(angiography) 등의 엑스선 진단 분야 또는 이를 이용한 각종 시술 분야에 적용될 수 있다. 엑스선 동영상은 실시간으로 생성되어 디스플레이부(151)에 표시될 수 있다. 엑스선 영상장치는 엑스선 동영상을 생성하기 위해 엑스선 촬영을 연속적으로 수행한다. 엑스선 촬영을 연속적으로 수행하는 방식에는 연속 노출 방식과 펄스 노출 방식이 있다.
연속 노출 방식을 적용하는 경우에는 엑스선 튜브에 낮은 관전류를 연속적으로 공급하여 엑스선을 연속적으로 발생시키고, 펄스 노출 방식을 적용하는 경우에는 엑스선 튜브에 짧은 펄스의 관전압을 공급하여 엑스선을 펄스 형태로 발생시킨다. 실시예에서는 두 방식 중 어느 방식이 적용되어도 무방하다.
엑스선 소스는 대상체(subject) 영역에 미리 정해진 시간 간격 또는 임의의 시간 간격에 따라 엑스선을 복수 회 조사할 수 있다. 여기서, 미리 정해진 시간 간격 또는 임의의 시간 간격은 펄스 레이트(pulse rate) 또는 프레임 레이트(frame rate)에 따라 결정될 수 있고, 펄스 레이트는 프레임 레이트에 따라 결정되거나 또는 그 반대일 수 있다. 프레임 레이트는 초당 30프레임(30fps), 초당 15 프레임(15fps), 초당 7.5 프레임(7.5fps) 등으로 설정될 수 있는바, 일 예로 프레임 레이트가 15fps로 설정되면 펄스 레이트가 15pps로 설정되어 1초에 15회 엑스선을 발생시킬 수 있다.
대상체는 엑스선 촬영 대상, 다시 말해 그 내부를 엑스선 영상으로 나타내고자 하는 대상을 의미하며, 대상체 영역은 대상체를 포함하는 일정 영역으로서 엑스선 영상으로 영상화되는 영역을 의미한다. 따라서, 대상체 영역은 엑스선 영상장치의 촬영 영역(Field of View)과 일치하거나 엑스선 영상장치의 촬영 영역을 포함할 수 있다. 대상체 영역은 관심 영역과 배경 영역을 포함하고, 대상체 영역 중 관심 영역이 아닌 영역은 배경 영역이 된다. 따라서, 관심 영역의 위치를 알면 배경 영역의 위치도 알 수 있다. 관심 영역은 관심 객체를 포함하는 일정 영역이 될 수 있다. 관심 객체는 사용자가 엑스선 촬영 중 지속적으로 주시해야 하는 객체로서, 대상체에 사용되는 시술 도구(instrument)이거나 시술 부위 또는 병변 부위일 수 있다. 예를 들어, 엑스선 영상장치가 혈관 조영술에 사용되는 경우, 가이드 와이어(guide wire), 카테터(catheter), 바늘, 풍선, 스텐트(stent) 등의 시술 도구가 혈관에 삽입될 때에 이들 시술 도구에 대한 세밀한 관찰이 필요하다. 따라서, 시술 도구를 관심 객체로 설정하여 그 특징에 관한 정보를 미리 저장할 수 있다. 또한, 시술 부위나 병변 부위가 관심 객체로 설정되는 경우에는 협착증(stenosis), 동맥류(aneurysm), 암 영역(cancerous region) 등의 부위가 관심 객체가 될 수 있다.
엑스선 검출부는 엑스선을 검출하여 대상체 영역에 대한 복수의 프레임 영상을 획득한다. 프레임 영상은 엑스선 영상장치의 프레임 레이트에 따라 획득되는 복수의 엑스선 영상 각각을 의미한다. 엑스선 검출부는 복수의 픽셀을 포함하는 2차원 어레이 구조를 가질 수 있고, 검출된 엑스선을 픽셀 별로 전기적 신호로 변환하면 대상체 영역에 대한 하나의 엑스선 영상을 생성할 수 있다.
엑스선 검출부는 검출된 엑스선을 전기적인 신호로 변환시키는 방식 및 엑스선 데이터를 획득하는 방식 등에 따라 구분될 수 있다.
먼저, 엑스선 검출부는 엑스선을 전기적 신호로 변환시키는 방식에 따라 직접변환방식과 간접변환방식으로 구분될 수 있다. 직접변환방식에서는, 엑스선이 조사되면 수광 소자 내부에 일시적으로 전자-정공 쌍이 생성되고, 수광 소자의 양단에 인가되어 있는 전장에 의해 전자는 양극으로 정공은 음극으로 이동하는바, 엑스선 검출부가 이러한 이동을 전기적 신호로 변환한다. 직접변환방식에서 수광 소자에 사용되는 물질은 a-Se, CdZnTe, HgI2, PbI2 등이 있다. 간접변환방식에서는, 수광 소자와 엑스선 발생부 사이에 섬광체(scintillator)를 구비한다. 섬광체는 엑스선 발생부에서 조사된 엑스선과 반응하여 가시광 영역의 파장을 갖는 광자(photon)를 방출한다. 수광 소자는 섬광체에서 방출된 광자를 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 사용될 수 있다.
또한, 엑스선 검출부는 엑스선 데이터를 획득하는 방식에 따라, 전하를 일정시간 동안 저장한 후에 그로부터 신호를 획득하는 전하 누적 방식(Charge Integration Mode)과 단일 엑스선 광자에 의해 신호가 발생될 때마다 문턱 에너지(threshold energy) 이상의 에너지를 갖는 광자를 계수하는 광자 계수 방식(Photon Counting Mode)으로 구분될 수 있다.
엑스선 소스에서 엑스선이 조사되고, 엑스선 검출부에서 설정된 프레임 레이트로 대상체를 투과한 프레임 영상을 획득하면, 디스플레이부는 프레임 영상을 표시하여 대상체에 대한 엑스선 동영상을 제공할 수 있다.
전술한 것처럼, 엑스선 동영상 촬영을 위해서 엑스선 영상장치는 초당 수 프레임에서 수십 프레임에 달하는 엑스선 영상을 획득하여 한다. 이 때, 대상체, 예를 들어 환자는 신체의 일부분에 지속적인 엑스선 피폭을 받게 된다. 엑스선 동영상을 이용한 시술에 소요되는 시간이 짧게는 수분에서 길게는 한 시간 이상 지속되므로 환자의 엑스선 피폭을 줄이는 방법이 필요하다.
환자의 엑스선 피폭량을 줄이기 위해, 저선량의 엑스선을 조사할 수 있다. 그러나 저선량의 엑스선을 조사하여 획득한 프레임 영상은 신호 대 잡음비가 낮기 때문에 해상도가 떨어진다. 이러한 문제는 저선량의 엑스선으로 획득한 이전의 복수의 프레임 영상을 합성(mluti-frame restoration)하여 디스플레이부에 표시될 현재 프레임 영상의 신호 대 잡음비를 증가시키는 방식으로 해결될 수 있다. 이 경우, 대상체의 움직임이 발생하게 되면, 합성된 영상에 대상체의 움직임에 의한 이미지 블러링(image blurring)이 발생하여 합성영상이 흐려질 수 있다. 대상체의 모션에 의한 영향을 보정하여 이미지 블러링을 방지하기 위해 프레임 영상 간에 모션 추정 및 보상(motion estimation and compensation)방식이 적용될 수 있다. 물체의 표면만 보이는 일반적인 영상과 달리 엑스선 영상은 여러 조직이 투과되어 촬영되므로, 움직임 특성이 다른 여러 조직의 영상에 겹쳐져 나타난다. 따라서, 일반적인 모션보정방법이 적용될 경우, 실제로 모션이 없는 조직까지 함께 보정될 수 있고, 이로 인해 모션 보정이 적용된 프레임 영상을 합성하여 획득한 엑스선 영상에 뒤틀림이 발생할 수 있다. 개시된 실시예는 대상체의 움직임이 잦고 저선량의 엑스선을 조사해야 하는 환경에서 발생할 수 있는 이런 문제를 해결하기 위한 방법을 제공한다. 다시 말해, 개시된 실시예는, 대상체의 엑스선 피폭을 줄이기 위해 저선량의 엑스선을 조사하여 엑스선 동영상을 획득하면서도, 프레임 영상의 신호 대 잡음비를 증가시켜 엑스선 동영상의 해상도를 향상시킬 수 있는 방법을 제공한다.
개시된 실시예에 따른 엑스선 영상장치는 저선량의 복수의 에너지 대역의 엑스선을 조사하여 프레임 영상을 획득하고, 프레임 영상을 복수의 에너지 대역에 대응하는 복수의 엑스선 영상으로 분리하여 모션 보정을 수행한다. 복수의 에너지 대역의 엑스선을 조사하여 프레임 영상을 획득하는 방법에 대해 구체적으로 설명하고, 그렇게 획득한 복수의 프레임 영상을 서로 다른 움직임 특성을 갖는 물질 별로 분리하는 것에 대해 설명한다.
엑스선 소스로부터 대상체에 엑스선이 조사되면, 대상체 내부의 물질에 따라, 그리고 조사되는 엑스선의 에너지 대역에 따라 엑스선이 감쇠하는 정도가 달라진다. 여기서, 엑스선이 감쇠하는 정도를 수치적으로 나타낸 것을 감쇠계수(attenuation coefficient)라고 한다. 감쇠계수는 대상체 내부의 물질에 따라 달라진다.
도 3은 에너지와 감쇠계수와의 관계를 대상체 내부의 물질 별로 나타낸 그래프이다. x축은 대상체에 조사되는 광자 에너지를 의미하고, y축은 감쇠계수를 나타낸다. 도 3의 그래프를 보면, 뼈의 감쇠계수를 나타내는 곡선이 연조직(근육, 지방)의 감쇠계수를 나타내는 곡선보다 위에 위치한다. 구체적으로, 동일한 에너지 대역의 엑스선 예를 들어 E1이 조사될 때, 뼈의 감쇠계수(μ 1)는 근육의 감쇠계수(M1)보다 크고, 근육의 감쇠계수(M1)는 지방의 감쇠계수(F1)보다 크다. 다시 말해, 대상체 내부의 서로 다른 물질은 서로 다른 감쇠계수를 갖고, 원자번호 또는 밀도가 높을수록, 물질의 성질이 단단할수록 감쇠계수가 증가하게 된다. 또한, 감쇠계수는 조사되는 엑스선의 에너지 대역에 따라 달라진다. 도 3의 그래프에서, 대상체 내부의 물질인 뼈에 대하여 에너지 대역이 E1, E2인 엑스선이 각각 조사될 때, 에너지 대역이 낮은 E1에서의 감쇠계수(μ 1)가 에너지 대역이 높은 E2에서의 감쇠계수(μ 2)보다 크다. 대상체 내부의 물질이 근육이나 지방인 경우에도, 에너지 대역이 낮은 E1이 조사될 때의 감쇠계수(M1, F1)가 에너지 대역이 높은 E2이 조사될 때의 감쇠계수(M2, F2)보다 크다는 것을 각각 확인할 수 있다. 다시 말해, 대상체에 조사되는 엑스선의 에너지 대역이 낮을수록 감쇠계수가 증가하게 된다. 이와 같은 감쇠계수는 아래의 [수학식 1]로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
여기서, I0는 물질에 조사된 엑스선의 강도이고, I는 물질을 투과한 엑스선의 강도이며, μ(E)는 에너지 E를 갖는 엑스선에 대한 물질의 감쇠계수이다. T는 엑스선이 투과되는 물질의 두께이다.
[수학식 1]에 의하면 감쇠계수가 증가할수록(즉, 물질의 성질이 단단할수록 또는 조사되는 엑스선의 에너지 대역이 낮을수록), 그리고 물질의 두께가 두꺼울수록 투과한 엑스선의 강도가 작아짐을 알 수 있다.
도 3의 그래프를 통해 나타낸 것처럼 에너지의 세기에 따라 물질 간 감쇠계수의 차이가 달라지므로, 서로 다른 에너지 대역의 엑스선 영상을 획득하고, 각 에너지 대역에서의 물질 별 감쇠 특성을 이용하면 서로 다른 에너지 대역의 엑스선 영상으로부터 각 물질이 분리된 영상을 얻을 수 있다.
예를 들어, 3가지 물질에 대한 분리 영상을 얻고자 하는 경우 도 4a에 도시된 바와 같이 서로 다른 에너지 대역(Eband1, Eband2, Eband3)에 대응되는 엑스선 영상을 획득한다.
도 4a는 에너지 대역 별로 분리된 엑스선 스펙트럼을 나타낸 그래프이고, 도 4b는 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선 스펙트럼의 예시를 나타낸 그래프이다. 편의상 도 4a 및 도 4b의 그래프의 세로축이 광자 수로 표시되었으나, 이는 엑스선의 강도(intensity)로 대체 가능하다. 서로 다른 에너지 대역 별 엑스선 영상을 획득하는 방법으로는, 엑스선 소스에서 에너지 대역을 달리 하여 엑스선을 복수 회 조사하는 방법과 엑스선 소스에서는 복수의 에너지 대역을 포함하는 광대역 엑스선을 한 번 조사하고 엑스선 검출부에서 이를 검출하여 에너지 대역 별로 분리하는 방법이 있다. 엑스선 영상장치에서 전자의 방법을 적용하는 경우에는, 엑스선 소스에서 Eband1의 엑스선을 조사하고 엑스선 검출부에서 이를 검출하여 Eband1에 대응되는 엑스선 영상을 획득한다. Eband2, Eband3에 대해서도 각각 같은 방식으로 엑스선 영상을 획득한다. 엑스선 영상장치에서 후자의 방법을 적용하는 경우에는, 엑스선 소스에서는 도 4b에 도시된 바와 같이 3개의 에너지 대역을 포함하는 광대역 엑스선을 한 번 조사하고, 엑스선 검출부에서 이를 검출하여 각 에너지 대역 별로 분리한다.
도 4b에 도시된 바와 같이 예를 들어, 에너지의 하한을 10keV로 하고 에너지의 상한을 50keV로 하는 엑스선을 발생시켜 조사할 수 있다. 이를 위해 관전압을 50kvp로 하여 엑스선을 발생시키고, 저에너지 대역(약 0-10kev)을 필터링하여 엑스선을 조사할 수 있다. 이 때, y축으로 표현되는 엑스선의 선량(광자의 수)은 관전류 및 엑스선 노출 시간에 의해 제어될 수 있다.
검출된 엑스선을 에너지 대역 별로 분리하기 위해 엑스선 검출부가 광자 계수 방식으로 구현될 수 있다. 도 5에는 광자 계수 방식의 엑스선 검출부의 단일 픽셀 구조를 나타낸 도면이 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 엑스선의 광자(photon)가 수광 소자(121)에 입사하게 되면 가전도대에 있던 전자들이 광자의 에너지를 전달 받아 밴드 갭 에너지 차이를 넘어 전도대로 여기 된다. 이로써 공핍 영역에서 전자-정공 쌍이 발생된다. 수광 소자에 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 범프 본딩(123)을 통해 독출 회로(122)로 입력되면, 독출회로는 광자에 의해 발생된 전기 신호를 읽을 수 있다. 그러나, 수광 소자의 구조와 걸어주는 전압 등에 따라 독출 회로에 전자가 입력되어 전기 신호를 생성하는 것도 가능하다. 독출 회로는 2차원 픽셀 어레이 구조로 형성될 수 있으며, 각 픽셀 별로 전기 신호를 읽어 낸다. 범프 본딩을 통해 수광 소자에서 독출 회로로 전하가 입력되면, 독출 회로의 전치증폭기(pre-amplifier)(122a)에서 하나의 광자로부터 발생된 입력 전하를 축적(charging)하고 이에 대응되는 전압 신호를 출력한다. 그리고, 전치증폭기에서 출력된 전압 신호는 비교기(122b)로 입력된다. 비교기는 외부에서 제어될 수 있는 문턱 전압(threshold voltage)과 입력된 전압신호를 비교하여 그 결과에 따라 1 또는 0의 펄스 신호를 출력한다. 카운터(122c)는 1이 몇 번 나왔는지를 카운팅하여 디지털 형태로 엑스선 데이터를 출력한다. 픽셀 별 엑스선 데이터를 조합하면 대상체의 엑스선 영상을 획득할 수 있다. 여기서, 문턱 전압은 문턱 에너지(threshold energy)에 대응되는 것으로서, E 이상의 에너지를 갖는 광자의 개수를 카운팅하고자 하는 경우 문턱 에너지 E에 대응되는 문턱 전압이 비교기에 입력될 수 있다. 문턱 에너지와 문턱 전압을 대응시킬 수 있는 것은, 광자가 갖는 에너지에 따라 수광 소자에서 발생되는 전기적인 신호(전압)의 크기가 달라지기 때문이다. 따라서, 광자의 에너지와 발생되는 전압 사이의 관계식을 이용하여 원하는 문턱 에너지에 대응되는 문턱 전압을 계산할 수 있다. 이하 엑스선 검출부에 문턱 에너지를 입력한다는 것은 문턱 에너지에 대응되는 문턱 전압을 입력한다는 것과 같은 의미로 사용될 수 있다. 검출된 엑스선을 복수의 에너지 대역 별로 분리하기 위해 비교기를 복수 개 구비할 수 있다. 도 5의 예시에는 비교기를 3개 구비하는 것으로 하였으나, 엑스선 검출부의 실시예가 이에 한정되는 것은 아니고 분리하고자 하는 에너지 대역의 수에 따라 비교기를 구비할 수 있다.
단일 광자에 의해 발생된 전자 또는 정공이 범프 본딩을 통해 전치증폭기로 입력되어 전압 신호로 출력되면 이 전압 신호는 3 개의 비교기(122b-1,122b-2,122b-3)로 입력된다. 그리고 각각의 비교기에 문턱 전압 1(Vth1) 내지 문턱 전압 3(Vth3)을 입력하면 비교기 1(122b-1)에서는 문턱 전압 1과 입력 전압을 비교하고 카운터 1(122c-1)에서는 문턱 전압 1보다 큰 전압을 발생시킨 광자의 개수를 카운팅한다. 같은 방식으로 카운터 2(122c-2)에서는 문턱 전압 2보다 큰 전압을 발생시킨 광자의 개수를 카운팅하고, 카운터 3(122c-3)에서는 문턱 전압 3보다 큰 전압을 발생시킨 광자의 개수를 카운팅한다. 엑스선 검출부에서 카운팅한 에너지 대역 별 광자의 수 즉는 엑스선 데이터로써 디지털 형태로 영상처리부에 입력된다. 개시된 실시예에 따른 엑스선 검출부는 전술한 방법들에 따라 각 프레임마다 복수의 에너지 대역, 예를 들면 세 개의 에너지 대역인 Eband1, Eband2, Eband3에 대응하는 엑스선 데이터를 영상분리부(143)로 입력할 수 있다. 다시 말해, 프레임 레이트에 따라 엑스선 검출부에서 획득하여 영상분리부로 입력되는 프레임 영상은 복수의 에너지 대역에 대응하는 복수의 엑스선 데이터를 포함한다.
영상 분리부는 엑스선 검출부로부터 입력된 복수의 프레임 영상으로부터 물질영상을 분리한다. 일 실시예로서, 분리하고자 하는 물질이 두 종류인 경우, 영상 분리부는 프레임 영상에 포함된 두 개의 에너지 대역에 대응하는 엑스선 데이터 중 적어도 하나에 가중치를 곱한 후 감산하는 두 번의 연산을 수행하여 두 개의 물질 영상을 분리할 수 있다. 이를 이중에너지 감산법(Dual-Energy X-ray Absorptiometry)라고도 한다. 예를 들어, 분리하고자 하는 물질이 뼈와 연조직인 경우, 저에너지 대역에 대응되는 엑스선 데이터(이하 저에너지 데이터라 함)에 일정 가중치를 곱한 후 고에너지 대역에 대응되는 데이터(이하 고에너지 데이터라 함)에서 감산하여 연조직 영상을 얻을 수 있다. 다시 말해, 뼈가 제거되고 연조직이 선명하게 보이는 영상을 얻을 수 있다. 반대로, 고에너지 데이터에 일정 가중치를 곱한 후 저에너지 데이터에서 감산하여 뼈 영상을 얻을 수 있다. 다시 말해, 연조직이 제거되고 뼈가 선명하게 보이는 영상을 얻을 수 있다. 또는, 저에너지 데이터와 고에너지 데이터에 각각 적절한 가중치를 곱한 후 감산을 수행하여, 연조직 영상 또는 뼈 영상을 획득하는 것도 가능하다. 전술한 방법을 통해 영상분리부는 각각의 프레임 영상을 뼈와 연조직과 같이 모션 특성이 다른 두 개의 물질로 분리하여 복수의 물질영상을 생성할 수 있다. 또 다른 예로서, 분리하고자 하는 물질이 3종류 이상인 경우, 영상분리부는 프레임 영상에 포함된 세 개의 에너지 대역에 대응하는 각 엑스선 데이터에 적절한 가중치를 곱한 후 감산하여 3종류 이상의 물질 영상을 분리할 수 있다. 예를 들어, 영상분리부는 각각의 프레임 영상을 뼈, 연조직 및 혈관과 같이 모션 특성이 다른 세 개의 물질로 분리하여 복수의 물질영상을 생성할 수 있다. 개시된 실시예에 따른 엑스선 영상장치는 분리되는 물질의 종류나 그 수에 제한을 두지 않으며, 분리하고자 하는 물질의 수에 대응하는 엑스선 데이터를 포함하는 프레임 영상을 획득하고, 물질 별 감쇠 특성을 이용하여 각각의 프레임 영상으로부터 물질 영상을 분리할 수 있다. 또한, 영상에 가중치를 곱한 후 감산하여 물질 영상을 분리하는 방법 역시 영상 분리부에서 사용할 수 있는 방법 중 하나에 불과하며, 이 외에 다른 방법들도 물질 영상 분리에 사용될 수 있다.
도 6은 개시된 실시예에 따른 엑스선 영상장치에서 물질분리를 수행하는 것을 개념적으로 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 영상분리부는 각 프레임마다(..., n-2, n-1, n) 엑스선 검출부로부터 입력되는 프레임 영상(..., fn-2, fn-1, fn)을 복수의 물질영상으로 분리한다. 예를 들면, 영상분리부는 n-2번째, n-1번째, n번째 프레임 영상들을 각각 뼈영상, 장기영상 및 혈관영상으로 분리한다. 이러한 프레임 영상의 분리는 각각의 프레임 영상을 서로 다른 모션 특성을 반영한 영상들로 분리하기 위한 것이다. 그러나, 개시된 실시예에서 모션 특성에 기초하여 프레임 영상을 분리하지 않고, 서로 다른 조직으로 프레임 영상을 분리하는 것은 서로 다른 조직들이 일반적으로 서로 다른 모션 특성을 나타내기 때문이다. 예를 들면, 뼈는 모션 정도가 크지 않거나 거의 없다고 볼 수 있고, 장기와 같은 연조직은 주기적인 모션을 보이며, 혈관은 다소 랜덤한 모션을 보인다. 따라서, 서로 다른 물질영상으로 프레임 영상을 분리하여도 서로 다른 모션 특성을 반영할 수 있다. 분리된 물질영상이 분리해내고자 하는 모션특성에 대응되지 않는 경우도 발생할 수 있으므로, 분리하고자 하는 모션특성에 대응하는 에너지 대역에 대한 정보를 미리 저장하여 모션특성의 분리에 사용할 수도 있을 것이다.
도 6에 도시된 것처럼, 영상분리부에서 복수의 프레임 영상 각각을 서로 다른 물질영상으로 분리하면, 영상생성부(147)는 분리된 물질영상들에 모션 추정 및 보상을 수행하여 신호 대 잡음비가 증가된 프레임 영상을 복원한다. 이하 영상생성부에서 프레임 영상을 복원하는 것에 대해 구체적으로 설명한다.
도 7은 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 영상생성부에서 물질영상들로부터 프레임 영상을 복원하는 것을 개념적으로 나타낸 도면이다. 우선 영상생성부는 도 7에 도시된 것처럼, 각각의 프레임 영상으로부터 분리된 복수의 물질영상들 중 동일한 물질을 나타내는 영상들을 합성하여 신호 대 잡음비를 증가시킨다. 예를 들면, 영상생성부는 현재 프레임의 뼈 영상(bn)을 이전 프레임의 뼈 영상(bn-2, bn-1, ...)들과 합성하여 신호 대 잡음비가 증가된 현재 프레임의 뼈 영상을 복원할 수 있다. 영상생성부는 장기나 혈관 또한 마찬가지 방식으로 신호 대 잡음비가 증가된 영상으로 복원할 수 있다. 현재 프레임의 물질영상과 적어도 하나의 이전 프레임의 물질영상을 합성하는 방법의 예로서, 현재 프레임의 물질영상과 적어도 하나의 이전 프레임의 물질영상을 합산하는 방법, 현재 프레임의 물질영상과 적어도 하나의 이전 프레임의 물질영상을 평균하는 방법 등이 있다. 여기서, 합산은 단순 합산일 수도 있고 가중치 합산일 수도 있으며 평균은 단순 평균일 수도 있고 가중치 평균일 수도 있다.
도 8을 참조하면, 현재 프레임의 물질영상을 프레임 영상 m이라 하면, 프레임 영상 m을 복원하기 위해 프레임 영상 m과 프레임 영상 m-1을 평균할 수 있고, 필요에 따라 프레임 영상 m과 더 많은 이전 프레임 영상들을 함께 평균할 수도 있다. 평균에 사용되는 이전 영상의 수가 증가되면 영상의 노이즈 감소율도 증가된다. 일 예로 프레임 영상 m과 4장의 이전 프레임 영상을 평균하면 노이즈를 대략 60% 정도까지 줄일 수 있다. 영상생성부는 현재 프레임의 물질영상의 노이즈와 영상 지연(image lag) 등을 고려하여 평균에 사용되는 이전 프레임의 물질영상의 수를 결정할 수 있다.
도 9 및 도 10은 프레임 영상을 합성하는 방법을 도시한 도면이다. 도 9를 참조하면, 영상생성부는 정해진 개수의 영상이 입력될 때마다 영상 복원을 수행할 수 있다. 예를 들어, 물질영상(IFR)이 6장 입력될 때마다 영상 복원을 수행할 수 있다. 부연 설명하면, 영상생성부는 물질영상이 6장 입력될 때까지 기다렸다가 6장이 입력되면 이들을 정합하여 한 장의 우수한 신호 대 잡음비를 갖는 물질영상(IHR)을 복원하고, 다시 물질영상이 6장 입력될 때까지 기다렸다가 한 장의 우수한 신호 대 잡음비를 갖는 물질영상을 복원할 수 있다.
도 10을 참조하면, 영상생성부는 도9에 도시된 것처럼, 물질영상(IFR)이 6장 입력될 때까지 기다리지 않고, 슬라이딩 윈도우(sliding window) 방식을 적용하여 한 장씩 시프트(shift)해 나가면서 영상 복원을 수행할 수 있다. 여기서, 영상 복원에 사용되는 물질영상의 개수에는 제한이 없으나, 당해 예시에서는 6장의 물질영상을 이용하여 한 장의 우수한 신호 대 잡음비를 갖는 물질영상(IHR)을 복원하는 것으로 하였다. 전술한 것처럼, 현재 프레임의 물질영상을 이전 프레임의 물질영상들과 합성하여 신호 대 잡음비를 개선할 수 있으나, 프레임 사이에 대상체의 움직임이 존재하면 이미지 블러링이 발생할 수 있다. 특히 개시된 실시예에 따른 엑스선 영상장치는 저선량의 엑스선을 조사하므로, 영상의 정합에 많은 프레임을 사용하게 되면 대상체의 움직임에 의한 이미지의 블러링이 더욱 두드러질 수 있다. 이에 개시된 실시예는 도 7에 도시된 것처럼 현재 프레임의 물질영상을 이전 프레임의 물질영상들과 합성할 때, 발생할 수 있는 이미지 블러링(image blurring)을 저감하기 위해 각 프레임의 물질영상 간 모션 추정 및 보상 같은 영상강화를 수행할 수 있다. 모션 추정/보상을 위한 모션 필드 모델로는 병진 모션(translational motion), 블록 기반 구분적 병진 모션(block-based piecewise translational motion), 회전, 스케일링(scaling), 변형 가능한 모션(non-rigid deformable motion) 등이 사용될 수 있다.
영상생성부는 전술한 것처럼, 현재 프레임의 물질영상을 이전 프레임들의 동일한 물질영상과 합성하여 우수한 신호 대 잡음비를 갖는 물질영상을 복원하고, 복원하는 과정에서 모션추정 및 보상방식을 적용하여 대상체의 움직임에 의한 이미지의 블러링을 방지한다. 영상생성부는 이렇게 신호 대 잡음비와 이미지 블러링이 개선된 현재 프레임의 각 물질영상을 합성하여 최종적으로 현재 프레임 영상을 복원한다. 이러한 저선량 영상복원기법을 통해 복원된 프레임 영상은 저선량의 엑스선을 조사하여 획득하였음에도 우수한 신호 대 잡음비와 해상도를 갖는다. 따라서, 개시된 실시예에 따른 엑스선 영상장치는 대상체의 엑스선 피폭을 줄일 수 있고, 사용자에게 우수한 해상도의 엑스선 동영상을 제공할 수 있다.
전술한 실시예에 따라 복원된 우수한 신호 대 잡음비를 갖는 프레임 영상은 디스플레이부에 표시될 때, 서로 다른 물질이 서로 다른 컬러로 맵핑되어 표시될 수도 있다. 도 11은 다른 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 제어 블록도를 도시한 도면이다. 다른 구성에 대한 설명은 전술한 실시예와 동일하므로, 컬러맵핑과 관련된 구성에 대해서만 설명한다.
도 11을 참조하면, 영상처리부(140)는 엑스선 검출부(120)에서 전송된 프레임 영상으로부터 물질 영상을 분리하는 영상 분리부(143) 및 엑스선 검출부에서 전송된 프레임 영상으로부터 밝기 정보를 획득하는 밝기 정보 획득부(141) 및 분리된 물질 영상에 각각 다른 컬러 채널을 맵핑하고 이들을 합성하면서 밝기 정보 획득부(141)에서 획득한 밝기 정보를 적용하여 최종 영상을 생성하는 영상생성부(147)를 포함한다.
영상분리부에 대한 설명은 전술한 실시예와 동일하므로 생략한다.
밝기 정보 획득부(141)는 엑스선 검출부에서 전송된 프레임 영상으로부터 영상생성부에서 생성되는 최종 영상에 적용할 밝기 정보를 획득한다. 구체적으로, 밝기 정보 획득부(141)는 프레임 영상 중 하나를 선택하여 선택된 원본 프레임 영상의 밝기 정보를 그대로 가져올 수도 있고, 프레임 영상들을 평균한 평균 영상을 생성하여 평균 영상으로부터 밝기 정보를 가져올 수도 있으며, 프레임 영상들의 가중 합을 통해 생성된 가중 합 영상으로부터 밝기 정보를 가져올 수도 있다. 원본 프레임 영상, 평균 영상 및 가중 합 영상은 모두 흑백 영상으로서 그 자체로 밝기 정보를 나타내므로, 밝기 정보라 함은 각각의 영상 자체를 의미할 수 있다.
영상생성부의 컬러 맵핑부(148)는 영상 분리부에서 분리한 각각의 물질 영상에 서로 다른 컬러 채널을 맵핑한다. 예를 들어, 영상 분리부에서 두 종류의 물질 영상을 분리한 경우, 물질 영상 1에는 컬러 채널 1을 맵핑하고, 물질 영상 2에는 컬러 채널 2를 맵핑하며, 영상 분리부에서 세 종류의 물질 영상을 분리한 경우에는, 물질 영상 1에 컬러 채널 1을 맵핑하고, 물질 영상 2에는 컬러 채널 2를 맵핑하며, 물질 영상 3에는 컬러 채널 3을 맵핑한다. 그리고, 영상생성부의 영상합성부(149)는 서로 다른 컬러 채널이 맵핑된 복수의 물질 영상들을 합성하고, 여기에 밝기 정보 획득부(141)에서 획득한 밝기 정보를 적용하여 하나의 영상을 생성한다. 다시 말해, 영상합성부는 각각의 물질 영상이 맵핑된 컬러 채널과 밝기 정보 획득부(141)에서 획득한 밝기 정보 또는 밝기 영상이 맵핑된 밝기 채널을 합성하여 하나의 영상을 생성한다. 이하, 컬러 맵핑부와 영상합성부의 구체적인 동작을 설명하도록 한다.
컬러 맵핑부는 다양한 컬러 스페이스를 사용하여 컬러 채널을 맵핑할 수 있다. 예를 들어, 색 정보와 밝기 정보가 분리된 YUV 컬러 스페이스, HSI(Hue Saturation Intensity) 컬러 스페이스, HSV(Hue Saturation Value) 컬러 스페이스 및 HSL(Hue Saturation Lightness) 컬러 스페이스와 색 정보에 밝기 정보가 포함된 CMY(Cyan Magenta Yellow) 컬러 스페이스, CMYK(Cyan Magenta Yellow blacK) 컬러 스페이스 및 RGB(Red Green Blue) 컬러 스페이스 등의 다양한 컬러 스페이스가 컬러 맵핑부에서 사용될 수 있다. 구체적으로, YUV 컬러 스페이스를 사용하는 경우를 예로 들어 설명한다. YUV 컬러 스페이스는 밝기 정보(Y)와 색 정보(U,V)를 이용하여 영상을 나타내는 컬러 스페이스이다. 색 정보(U,V)는 대표적으로 Cb(chrominance blue), Cr(chrominance red)로 나타낼 수 있는바, Cb 는 파란색의 색차 값이고, Cr 은 빨간색의 색차 값이다. 영상 분리부에서 두 개의 물질 영상을 분리한 경우, 컬러 맵핑부는 물질 영상 1에는 Cb 채널을 맵핑하고, 물질 영상 2에는 Cr 채널을 맵핑할 수 있다. 그리고, 영상합성부에서 밝기 정보를 나타내는 Y 채널을 밝기 정보 획득부(141)에서 획득한 밝기 영상에 맵핑하여 Cb 채널에 맵핑된 물질 영상 1 및 Cr 채널에 맵핑된 물질 영상 2와 함께 합성하면 최종적으로 물질 1과 물질 2가 서로 다른 컬러에 맵핑되어 물질 간 구분력이 향상된 하나의 영상을 생성할 수 있게 된다.
HSI 컬러 스페이스는 컬러(Hue), 채도(Saturation) 및 밝기(Intensity)로 영상을 표현하는 컬러 스페이스이다. 따라서, 컬러 맵핑부에서 각각의 물질 영상에 서로 다른 컬러를 맵핑하고, 영상합성부에서 컬러가 맵핑된 물질 영상을 합성하고 여기에 밝기 정보 획득부(141)에서 획득한 밝기 정보를 적용한다. 다시 말해, 물질 영상이 맵핑된 컬러 채널과 밝기 정보가 맵핑된 밝기 채널을 합성한다. 한편, 컬러를 맵핑할 때에 채도는 고정값을 갖도록 할 수도 있고, 물질 영상 마다 채도를 다르게 맵핑하는 것도 가능하다. 상술한 실시예는 모두 밝기 정보와 컬러 정보가 분리된 컬러 스페이스를 적용하였으나, 컬러 정보에 밝기 정보가 포함된 컬러 스페이스를 적용할 수도 있다.
앞서 언급한 CMY 컬러 스페이스, CMYK 컬러 스페이스 및 RGB 컬러 스페이스는 모두 컬러 정보에 밝기 정보가 포함된 컬러 스페이스이다. 예를 들어, RGB 컬러 스페이스를 적용하는 경우, 컬러 맵핑부는 분리된 두 개의 물질 영상에 레드 채널과 블루 채널을 각각 맵핑하고, 영상합성부는 가장 밝게 느껴지는 그린 채널에 밝기 영상을 맵핑하여 레드 채널 및 블루 채널과 합성할 수 있다. CMYK 컬러 스페이스를 사용하는 경우에는 C(Cyan) 채널, M(Magenta) 채널, Y(Yellow) 채널 및 K(Black) 채널 중 두 개 또는 세 개의 채널에 각각 물질 영상을 맵핑하고, 물질 영상이 맵핑되지 않은 나머지 채널에 밝기 영상을 맵핑하여 이들을 합성할 수 있다.
한편, 대상체 영역 중 관심영역은 사용자가 엑스선 촬영 중 지속적으로 주시해야 하는 관심객체를 포함하게 되므로 관심영역에 대해서는 조사되는 엑스선 선량을 다소 증가시키더라도 우수한 해상도의 영상을 획득하는 것이 우선시될 수 있다. 그에 반해 대상체 영역 중 관심영역이 아닌 배경영역은 관심객체를 포함하지 않으므로, 엑스선의 선량을 증가시켜 고해상도의 영상을 획득하기 보다는 다소 화질이 떨어지는 영상을 획득하더라도 엑스선의 선량을 감소시켜 대상체의 엑스선 피폭을 줄이는 것이 우선시될 수 있다. 이하 설명할 실시예는 관심영역에 조사되는 엑스선의 선량을 증가시켜 관심영역에 대해서는 고해상도의 영상을 획득하고, 배경영역에는 관심영역보다 낮은 선량의 엑스선을 조사하되, 전술한 실시예에 따른 저선량 영상복원기법을 이용하여 배경영역에 대해서도 우수한 신호 대 잡음비를 갖는 영상을 획득할 수 있는 엑스선 영상장치를 제공한다. 이하 또 다른 실시예에 따른 엑스선 영상장치에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 엑스선 영상장치에 관한 제어 블록도이고, 도 13은 필터링부에 포함되는 관심영역 필터의 측단면도이며, 도 14는 관심영역과 배경 영역에 입사된 엑스선의 선량을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 엑스선 영상장치(100)는 엑스선을 발생시켜 조사하는 엑스선 소스(110), 조사된 엑스선을 검출하여 프레임 영상을 획득하는 엑스선 검출부(120), 배경영역에 입사되는 엑스선을 필터링하는 필터링부(160), 엑스선 소스, 엑스선 검출부 및 필터링부 의 동작을 제어하는 제어부(130), 엑스선 검출부에서 획득한 프레임 영상에 대해 영상 처리를 수행하는 영상 처리부(140) 및 사용자에게 정보를 제공하고 사용자로부터 제어 명령을 수신하는 사용자 인터페이스(150)를 포함한다. 전술한 실시예와 동일한 구성에 대한 설명은 생략한다.
필터링부는 엑스선 소스로부터 조사되는 엑스선을 필터링하여 배경영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 한다. 이는 대상체의 피폭을 감소시키기 위한 것으로서, 엑스선 필터링을 통해 대상체의 내부에 관한 유용한 정보를 많이 포함하는 관심 영역에는 배경영역보다 상대적으로 많은 선량의 엑스선을 가하고, 정보량이 적은 배경영역에는 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선을 가한다. 도 13을 참조하면, 필터링부는 관심영역 필터(161)와 관심영역 필터를 이동시키는 필터 구동부(163)를 포함한다. 필터 구동부는 동력을 발생시키는 모터와 발생된 동력을 관심영역 필터에 전달하는 기어 등의 기구적 구조물을 포함할 수 있다. 관심영역 필터는 필터 구동부에 의해 x, y, z축으로 정의되는 3차원 공간 상에서 이동할 수 있다. 구체적인 예로서, xy 평면 또는 z축 상에서 이동할 수 있는바, xy 평면 상에서의 이동은 관심영역 필터와 배경 영역의 위치를 대응시키기 위한 것이고, z 축 상에서의 이동은 관심영역 필터와 관심 영역의 크기를 대응시키기 위한 것이다.
엑스선 튜브의 전방인 엑스선 조사 방향에는 콜리메이터(113)가 배치될 수 있다. 콜리메이터는 납이나 텅스텐과 같이 엑스선을 흡수하거나 차단하는 물질로 구성되어 엑스선 소스의 엑스선 조사 영역인 촬영 영역(FOV)의 범위를 조절하고 엑스선의 산란을 감소시킨다. 관심영역 필터는 콜리메이터와 엑스선 검출부 사이에 위치하여 엑스선 검출부에 입사되는 엑스선을 필터링할 수 있다. 관심영역 필터는 엑스선을 감쇠시키는 물질로 이루어질 수 있는바, 엑스선은 관심영역 필터를 통과하면서 감쇠되어 그 선량이 줄어든다. 따라서, 관심영역 필터를 대상체 영역 중 배경 영역에 대응되는 위치에 위치시키면, 배경 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 할 수 있다. 일반적으로는 관심 영역이 배경 영역에 둘러싸이게 되므로, 관심영역 필터는 가운데가 비어있는, 예를 들어, 가운데에 개구부(opening)가 형성된 링 형상을 가질 수 있다.
영상 처리부는 엑스선 검출부가 획득한 프레임 영상으로부터 관심 객체를 검출하고, 관심 객체를 포함하는 일정 영역을 관심 영역으로 설정할 수 있다. 관심 객체는 사용자가 엑스선 촬영 중 지속적으로 주시해야 하는 객체로서, 대상체에 사용되는 시술 도구(instrument)이거나 시술 부위 또는 병변 부위일 수 있다. 제어부는 영상처리부에서 획득한 관심 영역에 관한 정보에 기초하여 관심영역 필터의 이동을 위한 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어 신호를 필터 구동부에 전송하여 관심영역 필터를 배경 영역에 대응되는 위치로 이동시킬 수 있다. 관심영역 필터가 배경 영역에 대응되는 위치로 이동하면, 배경 영역에 입사되는 엑스선은 관심영역 필터에 의해 필터링되고, 관심 영역 필터의 개구부를 통과한 엑스선은 관심 영역에 입사된다. 엑스선 튜브에서 팬빔(fan beam) 또는 콘빔(cone beam) 형태의 엑스선을 조사하는 경우, 관심영역 필터가 엑스선 튜브 또는 콜리메이터와 가까워질 수록 관심영역 필터에 입사되는 엑스선의 폭이 좁아지고, 반대의 경우 관심영역 필터에 입사되는 엑스선의 폭이 넓어진다. 관심영역 필터에 입사되는 엑스선의 폭이 넓을수록 필터링 영역도 넓어진다. 따라서, 필터링 영역을 줄여 관심 영역을 늘리고자 하는 경우에는 관심영역 필터를 z축 상에서 엑스선 튜브 또는 콜리메이터 쪽으로 이동시키고, 필터링 영역을 늘려 관심 영역을 줄이고자 하는 경우에는 관심영역 필터를 z축 상에서 엑스선 튜브 또는 콜리메이터의 반대 쪽으로 이동시킨다.
한편, 영상 처리부는 관심 영역에 관한 정보뿐만 아니라 프레임 영상의 영상 특성에 관한 정보도 획득하여 제어부에 전달할 수 있고, 제어부는 전달된 정보에 기초하여 엑스선 소스와 필터링부를 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부는 관심 영역의 노이즈 레벨에 따라 프레임 당 선량을 엑스선 튜브에 공급되는 관전류 및 노출 시간을 통해 제어할 수 있다. 예를 들어, 관심 영역의 노이즈 레벨이 미리 설정된 기준치보다 높으면, 프레임 당 선량을 증가시켜 노이즈 레벨을 낮추고, 관심 영역의 노이즈 레벨이 미리 설정된 기준치보다 낮으면, 프레임 당 선량을 감소시켜 대상체의 피폭을 줄일 수 있다. 또한, 제어부는 노이즈, 모션, 콘트라스트 등 관심 영역과 배경 영역의 영상 특성에 기초하여 관심 영역과 배경 영역에 입사된 엑스선의 선량 차이를 결정할 수 있고, 결정된 선량 차이에 따라 배경 영역에 입사될 엑스선의 선량을 조절할 수 있다. 이를 위해, 필터링부는 엑스선 감쇠량이 서로 다른 복수의 관심영역 필터를 포함할 수 있고, 제어부는 관심영역 필터를 교체하거나 복수의 관심영역 필터를 선택적으로 조합함으로써 배경 영역에 입사되는 엑스선의 선량을 조절할 수 있다. 다만, 전술한 관심영역 필터는 적용될 수 있는 일 예시에 불과하며, 이 외에도 배경 영역에 입사되는 엑스선의 선량을 감소시키는 다양한 필터 구조가 적용될 수 있다.
도 14에는 관심 영역과 배경 영역을 지나는 임의의 직선 AB상에 입사되는 엑스선의 선량이 도시되어 있다. 제어부가 관심영역 필터를 배경 영역에 대응되는 위치로 이동시키면 도 14에 도시된 바와 같이 배경 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사된다. 배경 영역에 저선량의 엑스선이 입사되므로, 대상체의 엑스선 피폭을 감소시킬 수 있다. 배경 영역에 저선량의 엑스선이 입사되면, 그 프레임 영상의 신호 대 잡음비가 저하될 수 있으나, 전술한 실시예에 따른 저선량 영상복원기법을 통해 프레임 영상의 신호 대 잡음비를 증가시킬 수 있다. 즉, 영상 분리부는 엑스선 검출부로부터 입력된 배경영역에 대한 복수의 프레임 영상에 대해 물질분리를 수행하여 저선량 영상복원기법을 적용하지만, 관심영역에 대한 복수의 프레임 영상에 대해서는 물질분리를 수행하지 않는다. 본 실시예에 따르면 관심영역에는 비교적 고선량의 엑스선이 조사되므로, 전술한 실시예와 달리, 영상분리부가 관심영역에 대한 프레임 영상에 대해 저선량 영상복원을 위한 물질분리를 수행하지 않는다. 그러나 본 실시예에서는 전술한 컬러맵핑을 위해서 관심영역의 영상을 복수의 물질영상을 분리할 수도 있다. 따라서, 관심영역에 대한 물질영상의 분리는 선택적으로 활용될 수 있다.
엑스선 검출부에서 관심영역에 대한 프레임 영상을 생성하여 영상생성부로 입력하면, 영상생성부는 관심영역의 프레임 영상에 대해 고해상도 영상복원을 수행한다.
관심 영역은 대상체에 대한 진단 또는 시술에 있어 관심을 갖고 지켜봐야 할 영역이기 때문에, 움직임을 세밀하게 포착하는 것도 중요하지만 프레임 영상을 고해상으로 표현하여 미세한 물체까지 잘 보일 수 있도록 하는 것도 중요하다. 관심 영역의 프레임 영상을 고해상도로 표현하기 위한 일 실시예로서, 여러 장의 프레임 영상을 합성하여 한 장의 고해상도 영상으로 복원하는 고해상도 영상 복원 기법이 적용될 수 있다. 영상생성부는 정해진 개수의 영상이 입력될 때마다 영상 복원을 수행할 수 있다. 예를 들어, 프레임 영상이 6장 입력될 때마다 영상 복원을 수행할 수 있다. 다시 말해, 영상생성부는 프레임영상이 6장 입력될 때까지 기다렸다가 6장이 입력되면 이들을 정합하여 한 장의 고해상도 프레임영상을 복원하고, 다시 프레임영상이 6장 입력될 때까지 기다렸다가 한 장의 고해상도 프레임영상을 복원할 수 있다. 또는, 영상생성부는 프레임 영상이 6장 입력될 때까지 기다리지 않고, 슬라이딩 윈도우(sliding window) 방식을 적용하여 한 장씩 시프트(shift)해 나가면서 영상 복원을 수행할 수 있다. 여기서, 영상 복원에 사용되는 프레임영상의 개수에는 제한이 없으나, 당해 예시에서는 6장의 프레임영상을 이용하여 한 장의 우수한 신호 대 잡음비를 갖는 프레임영상을 복원하는 것으로 하였다.
영상생성부는 프레임 영상의 기존 픽셀들 사이에 적절한 값을 갖는 픽셀을 삽입하는 영상 보간(interpolation)을 통해 관심 영역의 프레임 영상을 고해상도 영상으로 복원할 수 있다. 이를 위해 다양한 고해상도 영상 복원 기법이 적용될 수 있는데, 고해상도 영상 복원 기법으로는 저해상도 영상과 고해상도 영상의 관계를 주파수 영역에서 분석하여 고해상도 영상을 복원하는 기법, POCS(Projections Onto Convex Set)를 적용한 기법, MAP(Maximum A Posteriori) 추정 기반 기법, MAP 추정 기반 기법과 POCS를 적용한 기법을 융합한 하이브리드 기법 등이 있다.
또한, 영상생성부는 연속되는 복수의 프레임 영상을 정합함에 있어 부화소 정밀도(sub-pixel accuracy) 단위의 모션 추정을 수행할 수 있다. 모션 추정 방식으로는 영상 간 이산 푸리에 변환(Discrete Fourier Transform: DFT)을 통한 주파수 영역에서의 상호 상관 스펙트럼을 구하는 방식과 원본 영상의 부화소를 탐색하여 부화소 단위의 움직임 정보를 추출해 내는 방식이 있다.
이렇게 복원된 관심 영역의 고해상도 프레임 영상은 배경 영역의 프레임 영상과 합성되어 대상체 영역을 나타내는 전체 영상이 되고, 이 전체 영상은 디스플레이부에 표시된다.
배경영역의 프레임 영상을 복원하기 위해 엑스선 검출부에서 각 프레임마다 복수의 에너지 대역, 예를 들면 세 개의 에너지 대역인 Eband1, Eband2, Eband3에 대응하는 배경영역의 엑스선 데이터를 영상분리부로 입력할 수 있다. 다시 말해, 프레임 레이트에 따라 엑스선 검출부에서 획득하여 영상분리부로 입력되는 배경영역에 대한 프레임 영상은 복수의 에너지 대역에 대응하는 복수의 엑스선 데이터를 포함한다.
영상 분리부는 엑스선 검출부로부터 입력된 배경영역에 대한 복수의 프레임 영상으로부터 물질영상을 분리한다. 물질영상을 분리하는 방법은 전술한 실시예와 동일하므로 설명을 생략한다.
도 6에 도시된 것처럼, 영상분리부에서 복수의 프레임 영상 각각을 서로 다른 물질영상으로 분리하면, 영상생성부는 분리된 물질영상들에 모션 추정 및 보상을 수행하여 신호 대 잡음비가 증가된 프레임 영상을 획득한다. 우선 영상생성부는 도 7에 도시된 것처럼, 각각의 프레임 영상으로부터 분리된 복수의 물질영상들 중 동일한 물질을 나타내는 영상들을 합성하여 신호 대 잡음비를 증가시킨다. 예를 들면, 영상생성부는 현재 프레임의 뼈 영상(bn)을 이전 프레임의 뼈 영상(bn-2, bn-1, ...)들과 합성하여 신호 대 잡음비가 증가된 현재 프레임의 뼈 영상을 복원할 수 있다. 영상생성부는 장기나 혈관 또한 마찬가지 방식으로 신호 대 잡음비가 증가된 영상으로 복원할 수 있다. 현재 프레임의 물질영상과 적어도 하나의 이전 프레임의 물질영상을 합성하는 방법은 전술한 실시예와 동일하므로 그 설명을 생략한다.
전술한 것처럼, 현재 프레임의 물질영상을 이전 프레임의 물질영상들과 합성하여 신호 대 잡음비를 개선할 수 있으나, 프레임 사이에 대상체의 움직임이 존재하면 이미지 블러링이 발생할 수 있다. 특히 개시된 실시예에 따른 엑스선 영상장치는 저선량의 엑스선을 조사하므로, 영상의 정합에 많은 프레임을 사용하게 되면 대상체의 움직임에 의한 이미지의 블러링이 더욱 두드러질 수 있다. 이에 개시된 실시예는 현재 프레임의 물질영상을 이전 프레임의 물질영상들과 합성할 때, 발생할 수 있는 이미지 블러링(image blurring)을 저감하기 위해 모션 추정 및 보상과 같은 추가적인 영상강화를 수행할 수 있다. 이에 대한 설명은 전술한 실시예와 동일하므로 생략한다.
영상생성부는 전술한 것처럼, 현재 프레임의 물질영상을 이전 프레임들의 동일한 물질영상과 합성하여 우수한 신호 대 잡음비를 갖는 물질영상을 복원하고, 복원하는 과정에서 모션추정 및 보상방식을 적용하여 대상체의 움직임에 의한 이미지의 블러링을 방지한다. 영상생성부는 이렇게 신호 대 잡음비와 이미지 블러링이 개선된 현재 프레임의 각 물질영상을 합성하여 최종적으로 배경영역의 현재 프레임 영상을 복원한다. 이렇게 복원된 배경영역의 프레임 영상은 저선량의 엑스선을 조사하여 획득하였음에도 우수한 신호 대 잡음비와 해상도를 갖는다.
영상 처리부는 추가적으로 관심 영역의 프레임 영상과 배경 영역의 프레임 영상의 밝기 및 콘트라스트를 일치시키기 위한 영상 평활화(image equalization) 알고리즘을 수행할 수도 있다.
본 실시예에 따라 관심영역에는 비교적 고선량의 엑스선을 조사하고 배경영역에는 관심영역보다 낮은 선량의 엑스선을 조사하여 프레임 영상을 획득하면, 관심영역뿐만 아니라 저선량의 엑스선이 조사된 배경영역에 대해서도 우수한 해상도를 갖는 프레임 영상을 획득할 수 있고, 대상체의 엑스선 피폭을 저감시킬 수도 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 외관도이다.
일 예로서, 엑스선 영상장치는 도 15에 도시된 바와 같은 C-arm 구조를 가질 수 있다. 엑스선 소스 (110)와 엑스선 검출부는 C 형상의 암(C-arm)(101)의 양쪽 단부에 각각 장착될 수 있다. C-arm은 연결축(105)을 통해 본체(103)와 연결되며 오비탈 방향(orbital direction)으로 회전할 수 있다.
엑스선 소스의 내부에는 엑스선 튜브, 콜리메이터 및 필터링부가 구비될 수 있다. 엑스선 소스와 엑스선 검출부 사이에는 대상체 테이블(109)이 위치하고 대상체 테이블 상에 대상체가 위치하면 엑스선 소스가 대상체에 엑스선을 조사하고 엑스선 검출부가 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 대상체에 대한 엑스선 영상을 획득한다.
전술한 바와 같이, 엑스선 영상장치는 대상체에 대한 실시간 동영상을 얻을 수 있는바, 사용자는 복수의 화면을 구비하여 시술 또는 진단에 필요한 여러 영상을 표시 할 수 있는 디스플레이부를 보면서 시술 또는 진단을 수행할 수 있다.
사용자는 입력부(152)를 통해 전술한 실시예에 따른 저선량 영상복원기법의 사용 여부를 선택할 수 있다. 다시 말해, 검사부위나 검사목적에 따라 사용자는 자유롭게 저선량 영상복원기법의 선택여부를 결정할 수 있다. 입력부를 통해 저선량 영상복원기법이 선택되면, 제어부는 영상처리부에서 저선량 영상복원기법을 수행할 수 있도록 영상처리부를 제어할 수 있다. 또는 입력부에서 바로 영상처리부로 저선량 영상복원기법의 수행명령을 전달할 수도 있다.
전술한 것처럼, 사용자에 의해 저선량 영상처리기법이 선택될 수도 있고, 제어부가 검사부위 또는 검사부위의 모션특성에 기초하여 저선량 영상복원기법의 적용여부를 자동적으로 결정할 수도 있다. 대상체의 움직임이 큰 경우 영상처리 알고리즘으로 정교한 모션 추정이 어려우므로 검사부위나 검사부위의 모션특성 등과 같은 정보에 기초하여 저선량 영상복원기법이 해당 검사부위에 효과적으로 적용가능한지 여부를 제어부에서 결정하는 것이다.
또한, 저선량 영상복원기법의 적용에 있어서, 전술한 제어부의 분석에 따른 결정과 사용자의 선택에 따른 결정이 함께 고려될 수도 있다. 예를 들면, 제어부의 분석결과 저선량 영상복원기법의 적용이 효과적이지 않다는 결정이 도출된 경우, 사용자가 저선량 영상복원기법을 선택하기 전 또는 선택한 후, 사용자가 저선량 영상복원기법 선택 결정을 다시 한번 생각할 수 있도록 제어부의 분석결과를 포함하는 메시지를 출력할 수도 있을 것이다.
일반적으로 엑스선 동영상 기능을 제공하는 엑스선 영상장치의 경우, 저선량 모드(low dose mode)를 제공하므로, 입력부를 통해 저선량 모드가 선택된 경우에만 저선량 영상복원기법이 수행되도록 설정할 수도 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 엑스선 영상생성방법을 나타낸 순서도이다.
도 16에 도시된 것처럼, 엑스선 소스는 복수의 에너지 대역을 포함하는 저선량의 엑스선을 대상체에 조사하고(800), 엑스선 검출부는 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 복수의 엑스선 데이터가 포함된 프레임 영상을 생성한다(810).
전술한 실시예에 설명한 것처럼, 서로 다른 에너지 대역 별 엑스선 데이터를 획득하는 방법으로는, 엑스선 소스에서 에너지 대역을 달리 하여 엑스선을 복수 회 조사하는 방법과 엑스선 소스에서는 복수의 에너지 대역을 포함하는 광대역 엑스선을 한 번 조사하고 엑스선 검출부에서 이를 검출하여 에너지 대역 별로 분리하는 방법이 있다. 엑스선 영상장치에서 전자의 방법을 적용하는 경우에는, 엑스선 소스에서 Eband1의 엑스선을 조사하고 엑스선 검출부에서 이를 검출하여 Eband1에 대응되는 엑스선 영상을 획득한다. Eband2, Eband3에 대해서도 각각 같은 방식으로 엑스선 영상을 획득한다. 엑스선 영상장치에서 후자의 방법을 적용하는 경우에는, 엑스선 소스에서는 도 4b에 도시된 바와 같이 3개의 에너지 대역을 포함하는 광대역 엑스선을 한 번 조사하고, 엑스선 검출부에서 이를 검출하여 각 에너지 대역 별로 분리한다. 구체적인 설명은 생략한다.
개시된 실시예에 따른 엑스선 검출부는 전술한 방법들에 따라 각 프레임마다 복수의 에너지 대역, 예를 들면 세 개의 에너지 대역인 Eband1, Eband2, Eband3에 대응하는 엑스선 데이터를 영상분리부로 입력할 수 있다.
엑스선 검출부에서 복수의 에너지 대역에 대응하는 복수의 엑스선 데이터가 포함된 프레임 영상을 영상분리부로 입력하면, 영상분리부는 복수의 엑스선 데이터를 이용하여 각 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리한다(820).
분리하고자 하는 물질이 두 종류인 경우, 영상 분리부는 프레임 영상에 포함된 두 개의 에너지 대역에 대응하는 엑스선 데이터 중 적어도 하나에 가중치를 곱한 후 감산하는 두 번의 연산을 수행하여 두 개의 물질 영상을 분리할 수 있다. 분리하고자 하는 물질이 3종류 이상인 경우, 영상분리부는 프레임 영상에 포함된 세 개의 에너지 대역에 대응하는 각 엑스선 데이터에 적절한 가중치를 곱한 후 감산하여 3종류 이상의 물질 영상을 분리할 수 있다. 예를 들어, 영상분리부는 각각의 프레임 영상을 뼈, 연조직 및 혈관과 같이 모션 특성이 다른 세 개의 물질로 분리하여 복수의 물질영상을 생성할 수 있다.
영상분리부에서 복수의 프레임 영상 각각을 복수의 물질영상으로 분리하면, 영상생성부는 동일한 물질영상들에 대해 모션 추정/보상을 수행하고, 동일한 물질영상들을 합성한다(830). 그리고 영상생성부는 합성된 물질영상들을 합성하여 프레임 영상을 복원하고(840), 디스플레이부는 복원된 프레임 영상을 표시한다(850).
도 17은 다른 실시예에 따른 엑스선 영상생성방법을 나타낸 순서도이다.
도 17에 도시된 것처럼, 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선은 필터링부에 의해 배경영역에는 관심영역보다 낮은 선량이 조사되고(900), 엑스선 검출부는 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 관심영역과 배경영역에 대한 프레임 영상을 생성한다(910).
영상생성부는 관심영역의 프레임 영상에 고해상도 영상복원기법을 적용하여 관심영역에 대한 프레임 영상을 복원한다(920). 영상분리부는 배경영역의 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리하고(930), 영상분리부에서 물질영상이 분리되면 영상생성부는 동일한 물질영상들에 대해 모션 추정 및 보상을 수행하고, 동일한 물질영상들을 합성한다(940). 그리고 영상생성부는 합성된 물질영상을 합성하여 배경영역에 대한 프레임 영상을 복원한다(950).
영상생성부는 복원된 관심영역의 프레임 영상과 배경영역의 프레임 영상을 합성하여 대상체 영역에 대한 프레임 영상을 생성하고(960), 디스플레이부는 생성된 대상체 영역에 대한 프레임 영상을 표시한다(970).
영상생성부는 복원된 관심영역의 프레임 영상과 배경영역의 프레임 영상을 합성하여, 대상체 영역을 나타내는 전체영상을 생성하고, 디스플레이부에 대상체 영역에 대한 전체영상을 표시한다. 영상생성부는 추가적으로 관심 영역의 프레임 영상과 배경 영역의 프레임 영상의 밝기 및 콘트라스트를 일치시키기 위한 영상 평활화(image equalization) 알고리즘을 수행할 수도 있다. 본 실시예에 따라 관심영역에는 비교적 고선량의 엑스선을 조사하고 배경영역에는 관심영역보다 낮은 선량의 엑스선을 조사하여 프레임 영상을 획득하면, 관심영역뿐만 아니라 저선량의 엑스선이 조사된 배경영역에 대해서도 우수한 해상도를 갖는 프레임 영상을 획득할 수 있고, 대상체의 엑스선 피폭을 저감시킬 수도 있다.
100 : 엑스선 영상장치
110 : 엑스선 소스
120 : 엑스선 검출부
130 : 제어부
140 : 영상 처리부
150 : 사용자 인터페이스
110 : 엑스선 소스
120 : 엑스선 검출부
130 : 제어부
140 : 영상 처리부
150 : 사용자 인터페이스
Claims (29)
- 대상체에 엑스선을 조사하는 엑스선 소스;
대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 엑스선 데이터가 포함된 프레임 영상을 생성하는 엑스선 검출부;
상기 복수의 엑스선 데이터를 이용하여 상기 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리하는 영상분리부;
현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션보정을 수행하여 현재 프레임 영상을 복원하는 영상생성부;를 포함하는 엑스선 영상장치. - 제1항에 있어서,
상기 영상생성부는,
모션보정이 수행된 동일한 물질영상들을 합성하고, 합성된 복수의 물질영상들을 합성하여 현재 프레임 영상을 복원하는 엑스선 영상장치 - 제1항에 있어서,
상기 영상생성부는,
현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션추정 및 보상(motion estimation and compensation)을 수행하는 엑스선 영상장치. - 제1항에 있어서,
상기 영상분리부는,
복수의 물질의 엑스선 감쇠특성의 차이를 이용하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 복수의 엑스선 데이터로부터 복수의 물질영상을 분리하는 엑스선 영상장치. - 제1항에 있어서,
상기 엑스선 소스는,
상기 복수의 에너지 대역을 포함하는 엑스선을 상기 대상체에 조사하는 엑스선 영상장치. - 제1항에 있어서,
상기 엑스선 소스는,
상기 복수의 에너지 대역에 각각 대응하는 에너지 대역을 갖는 엑스선을 상기 대상체에 조사하는 엑스선 장치. - 제1항에 있어서,
상기 엑스선 소스는,
관접압과 필터 중 적어도 하나를 달리하여 상기 조사되는 엑스선의 에너지 대역을 변화시키는 엑스선 영상장치. - 제1항에 있어서,
관심영역보다 배경영역에 적은 선량의 엑스선이 조사되도록 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선을 필터링하는 필터링부;를 더 포함하는 엑스선 영상장치. - 제8항에 있어서,
상기 엑스선 검출부는,
상기 배경영역의 엑스선을 검출하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 엑스선 데이터가 포함된 상기 배경영역의 프레임 영상과 상기 관심영역의 엑스선을 검출하여 관심영역의 프레임 영상을 생성하는 엑스선 영상장치. - 제9항에 있어서,
상기 영상분리부는 상기 복수의 엑스선 데이터를 이용하여 상기 배경영역의 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리하고,
상기 영상생성부는,
상기 배경영역의 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션보정을 수행하여 상기 배경영역의 현재 프레임 영상을 복원하고, 상기 관심영역의 프레임 영상에 대해 고해상도 영상복원을 수행하여 관심영역의 현재 프레임 영상을 복원하는 엑스선 영상장치. - 제10항에 있어서,
상기 영상생성부는 상기 복원된 배경영역의 프레임 영상과 관심영역의 프레임 영상을 합성하여 상기 대상체의 프레임영상을 생성하는 엑스선 영상장치. - 제1항에 있어서,
상기 분리된 복수의 물질영상에 서로 다른 컬러 채널을 맵핑하는 컬러 맵핑부;를 더 포함하는 엑스선 영상장치. - 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리하는 영상분리부; 및
현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션보정을 수행하여 현재 프레임 영상을 복원하는 영상생성부;를 포함하는 엑스선 영상장치. - 제13항에 있어서,
상기 영상생성부는,
모션보정이 수행된 동일한 물질영상들을 합성하고, 합성된 복수의 물질영상들을 합성하여 현재 프레임 영상을 복원하는 엑스선 영상장치 - 제13항에 있어서,
상기 영상생성부는,
현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션추정 및 보상(motion estimation and compensation)을 수행하는 엑스선 영상장치. - 제13항에 있어서,
상기 영상분리부는,
복수의 물질의 엑스선 감쇠특성의 차이를 이용하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 복수의 엑스선 데이터로부터 복수의 물질영상을 분리하는 엑스선 영상장치. - 제13항에 있어서,
상기 영상분리부는 배경영역의 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리하고,
상기 영상생성부는 상기 배경영역의 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션보정을 수행하여 상기 배경영역의 현재 프레임 영상을 복원하고, 상기 관심영역의 프레임 영상에 대해 고해상도 영상복원을 수행하여 관심영역의 현재 프레임 영상을 복원하는 엑스선 영상장치. - 제17항에 있어서,
상기 영상생성부는 상기 복원된 배경영역의 프레임 영상과 관심영역의 프레임 영상을 합성하여 상기 대상체의 프레임영상을 생성하는 엑스선 영상장치. - 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 엑스선 데이터가 포함된 프레임 영상을 생성하는 단계;
상기 복수의 엑스선 데이터를 이용하여 상기 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리하는 단계; 및
현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션보정을 수행하여 현재 프레임 영상을 복원하는 단계;를 포함하는 엑스선 영상생성방법. - 제19항에 있어서,
상기 프레임 영상을 복원하는 단계는,
모션보정이 수행된 동일한 물질영상들을 합성하는 단계; 및
상기 합성된 복수의 물질영상들을 합성하여 현재 프레임 영상을 복원하는 단계;를 포함하는 엑스선 영상생성방법. - 제19항에 있어서,
상기 프레임 영상을 복원하는 단계는,
현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션추정 및 보상을 수행하는 것 포함하는 엑스선 영상생성방법. - 제19항에 있어서,
상기 복수의 물질영상으로 분리하는 단계는,
복수의 물질의 엑스선 감쇠특성의 차이를 이용하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 복수의 엑스선 데이터로부터 복수의 물질영상을 분리하는 것을 포함하는 엑스선 영상생성방법. - 제19항에 있어서,
복수의 에너지 대역을 포함하는 엑스선을 대상체에 조사하는 단계;를 더 포함하는 엑스선 영상생성방법. - 제19항에 있어서,
복수의 에너지 대역에 각각 대응하는 에너지 대역을 갖는 엑스선을 대상체에 조사하는 단계;를 더 포함하는 엑스선 영상생성방법. - 제19항에 있어서,
상기 프레임 영상을 생성하는 단계는,
배경영역의 엑스선을 검출하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 엑스선 데이터가 포함된 상기 배경영역의 프레임 영상을 생성하는 단계; 및
관심영역의 엑스선을 검출하여 상기 관심영역의 프레임 영상을 생성하는 단계;를 포함하는 엑스선 영상생성방법. - 제25항에 있어서,
물질영상으로 분리하는 단계는,
상기 복수의 엑스선 데이터를 이용하여 상기 배경영역의 프레임 영상을 복수의 물질영상으로 분리하는 것을 포함하고,
상기 영상을 복원하는 단계는,
상기 배경영역의 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상의 동일한 물질영상들에 대해 모션보정을 수행하여 상기 배경영역의 현재 프레임 영상을 복원하는 것을 포함하는 엑스선 영상생성방법. - 제26항에 있어서,
상기 관심영역의 프레임 영상에 대해 고해상도 영상복원을 수행하여 관심영역의 현재 프레임 영상을 복원하는 단계; 및
상기 복원된 배경영역의 프레임 영상과 관심영역의 프레임 영상을 합성하여 상기 대상체의 프레임영상을 생성하는 단계;를 더 포함하는 엑스선 영상생성방법. - 제19항에 있어서,
엑스선 영상장치가 저선량 모드(low dose mode)로 동작 중인지 결정하는 단계;를 더 포함하고,
상기 프레임 영상을 생성하는 단계는,
상기 엑스선 영상장치가 저선량 모드로 동작 중이면, 상기 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 엑스선 데이터가 포함된 프레임 영상을 생성하는 것을 포함하는 엑스선 영상생성방법. - 제19항에 있어서,
사용자에 의해 물질영상의 분리를 통한 프레임 영상의 복원모드가 선택되었는지 여부를 결정하는 단계;를 더 포함하고,
상기 프레임 영상을 생성하는 단계는,
상기 프레임 영상의 복원모드가 선택되면, 상기 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 복수의 에너지 대역에 대응하는 엑스선 데이터가 포함된 프레임 영상을 생성하는 것을 포함하는 엑스선 영상생성방법.
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