KR20180037344A - 전산단층촬영장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 컨베이어 벨트 위에 놓여 갠트리 터널로 들어오는 피검체에 선형 엑스선 소스가 발생하는 엑스선을 투시해서 피검체 투시 영상을 획득하는 CT 장치에 관한 것이다. 본 발명은 갠트리 원주 상에 설치되고 팬 빔(fan beam) 방식의 엑스선을 발생하는 엑스선 소스와, 상기 엑스선 소스를 x 축 방향 또는 y 축 방향으로 선형운동하도록 함으로써 피검체가 이송되는 동안 상기 엑스선 소스가 1회 이상 스캔할 수 있도록 하는 액추에이터와, 상기 엑스선 소스가 설치된 지점의 반대 측 원주 상에 설치되고, 고에너지 영상과 저에너지 영상을 동시에 획득하는 듀얼 에너지 디텍터를 구비한 CT 장치를 제공한다.

Description

전산단층촬영장치 및 방법{DEVICE AND METHOD OF COMPUTED TOMOGRAPHY}

본 발명은 엑스 선(X-ray)을 이용한 컴퓨터 단층촬영장치(computed tomography; CT)에 관한 것으로서, 특히 항공 보안검색대 또는 수하물 검색대와 같은 산업용 목적의 단층촬영장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 컨베이어 위에 올려져 들어오는 수하물의 3D 투영이미지를 고해상도로 획득하기 위한 CT 기술에 관한 것이다.

엑스선 컴퓨터 단층촬영(이하, "CT"라 칭함)은 진단, 수술중 실시간 이미징, 수술후 예후평가 등 다양한 임상분야에 사용되고 있다. 또한, CT는 의료용 영상진단기기뿐 아니라, 항공화물검색 목적 또는 마이크로구조물과 같은 산업체 생산품에 대한 비파괴검사(nondestructive inspection) 목적에도 응용되고 있다.

항공보안검색 또는 항공화물검색 목적으로 사용되는 CT 장치는, 컨베이어 벨트 위에 올려져 들어오는 피검체에 엑스선을 입사시켜 투과된 방사선을 검출기로 검출한 후, 각 검출기의 출력 데이터를 전기신호로 변환해서 영상을 재구성함으로써 피검체의 단층 영상을 획득함으로써, 위해물품, 위험물품 등을 판독할 수 있도록 한다.

종래기술에 따라 회전식 갠트리(gantry) 방식을 적용할 경우 갠트리에 대한 전력제어 및 위치제어에 기술적 어려움이 있고, 고정식 갠트리 방식을 채용할 경우에는 획득 영상의 수가 부족하므로 고해상도의 피검체 영상을 얻는 것이 용이하지 않다. 특히, 항공 보안검색대 경우, 밀려드는 승객의 숫자와 소지품에 대처해서 신속하게 검색작업을 완료하기 위해서는, 엑스레이 터널을 1회 통과함으로써 신속하게 단층 영상데이터를 획득하고, 획득된 투영데이터를 재구성하여 3차원 고해상도 입체영상을 신속히 얻는 것이 필요하다.

1. 미국특허 US Patent No. 7,142,629 B2. 2. 미국특허 US Patent No. 7,664,222 B2. 3. 미국특허 US Patent No. 7,324,625 B2.

본 발명의 목적은 항공 보안검색 또는 화물검색 목적의 CT 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명은 V_conveyer 속도로 컨베이어 벨트(컨베이어 벨트의 이송 방향을 z 축 방향으로 한다) 위에 놓여 갠트리 터널로 들어오는 피검체에 선형 엑스선 소스가 발생하는 엑스선을 투시해서 피검체 투시 영상을 획득하는 CT 장치에 있어서, 갠트리 원주 상에 설치되고 팬 빔(fan beam) 방식의 엑스선을 발생하는 엑스선 소스; 상기 엑스선 소스를 V_actuator의 속도로 x 축 방향 또는 y 축 방향으로 선형운동하도록 함으로써 피검체가 이송되는 동안 상기 엑스선 소스가 1회 이상 스캔할 수 있도록 하는 액추에이터; 및 상기 엑스선 소스가 설치된 지점의 반대 측 원주 상에 설치되고, 고에너지 영상과 저에너지 영상을 동시에 획득하는 듀얼 에너지디텍터를 구비한 CT 장치를 제공한다.

본 발명은 단일소스와 멀티디텍터를 사용함으로써 회전식 갠트리 방식의 문제점을 해결하고 동시에 고정식 갠트리방식이 지니는 부족한 영상숫자를 해결한다. 기구적 밸런스가 회전식 갠트리 방식에 비해 간단하며, 회전식이 아니라 리니어 액추에이터로 소스가 운동을 왕복하므로 배선상의 장점이 있다. 본 발명은 팬빔(fan beam) 소스를 사용해서 연속조사를 함으로써, 수하물 진행방향으로의 이미지 분해능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 듀얼 에너지 디텍터를 사용하기 때문에, 고효율 고해상도의 영상을 실시간으로 획득하는 것이 가능하다.

도1은 본 발명에 따른 CT 장치를 구성하는 제1 갠트리(gantry)에 장착된 소스와 디텍터를 나타낸 도면.
도2는 제1 갠트리와 제2 갠트리를 함께 도시한 도면.
도3a 내지 도3f는 본 발명에 따라 선형 운동을 하는 엑스선 소스가 발생시키는 팬 빔을 검출하는 과정을 나타내는 도면.
도4는 리니어 액추에이터에 의해 구동하는 엑스선 소스의 위치와 속도를 그래프로 나타낸 도면.

이하, 첨부도면 도1 내지 도4를 참조해서 본 발명에 따른 CT 장치 및 구동 메커니즘을 상세히 설명한다. 아래의 설명에서는, 본 발명에 따른 CT 장치의 양호한 실시예로서, 제1 갠트리와 제2 갠트리 두 개로 구성하는 CT 장치를 설명하고 있으나, 반드시 여기에 국한할 필요는 없으며 갠트리를 추가로 여러 개 구비하여 CT 장치를 구성할 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 CT 장치를 구성하는 제1 갠트리(gantry)에 장착된 소스와 디텍터를 나타낸 도면이다. 도면에는 원형의 갠트리 형상을 도시 생략하고 있음에 유의한다. 본 발명에 따른 갠트리는 회전(rotational)하는 것이 아니라, 고정식(stationary)인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 양호한 실시예로서, 고정형 갠트리(stationary gantry)를 2개 사용하고, 제1 갠트리의 소스는 x 축 방향(컨베이어 진행방향을 z 방향이라 할 때에 진행방향의 수직인 평면이 x-y 평면이 되며, 편의상 x축 방향을 수평방향, y축 방향을 수직 방향으로 한다)으로 소정의 길이만큼 왕복 선형 운동(linear translational motion)을 한다.

본 발명에 따른 제2 갠트리의 소스는 y축 방향으로 소정의 길이만큼 왕복 선형 운동(linear translational motion)을 한다. 본 발명에 따른 엑스레이 소스는 듀얼 에너지(dual energy)를 엑스선을 발생하고, 팬 빔(fan beam) 방식의 엑스선을 방사할 수 있다.

도1을 참조하면, 수하물, 승객소지품 등과 같은 피검체(200)는 컨베이어 벨트(300) 위에 놓여 있으며, 제어장치의 제어에 따라 컨베이어 벨트(300)은 z 방향으로 피검체(200)를 이송한다. 도면에서, 갠트리가 놓인 평면, 즉 컨베이어 밸트(300) 진행방향의 수직평면을 편의상 x-y 평면으로 잡았다.

이하에서는, 본 발명에 따른 제1 갠트리에는 팬 빔(fan beam) 형상의 엑스선을 피검체(200)에 조사하는 소스(100)와 디텍터(400)를 한 개 구성하고 있으나, 본 발명의 또 다른 실시예로서 소스-디텍터 쌍을 복수 개 구비할 수도 있다. 본 발명의 양호한 실시예로서, 총6쌍의 소스(100)와 디텍터(400)가 제1 갠트리 둘레 원주 상에 같은 간격으로 배열될 수도 있다(도시 생략). 여기서, 디텍터(400)는 소스의 반대편에는 어레이(detector array) 형태로서, 제1 갠트리 둘레 원주 상에 배열할 수 있다.

다시 도1을 참조하면, 본 발명에 따라 제1 갠트리에 설치된 엑스선 소스는 리니어 액추에이터(linear actuator)에 의해 선형 운동을 하며, x 축 방향으로 소정의 구간을 왕복운동하며 연속적으로 엑스선을 발생시킨다. 도1을 참조하면, 소스(100)는 팬빔(fan beam; 50) 방식의 엑스선을 발생하며, 연속적으로 선형 운동을 하면서 피검체(200)를 조사하므로, 디텍터(400) 측에서는 다양한 각도에서의 피검체 투시 영상을 획득할 수 있다.

본 발명에 따른 제2 갠트리에는, 제1 갠트리에 설치된 것과 유사하게, 엑스선 소스(100)와 디텍터(400)를 y 축 방향에 평행하게 설치하는 것을 특징으로 한다.

도2는 제1 갠트리와 제2 갠트리를 함께 도시한 도면이다. 도2를 참조하면, 제1 갠트리(10)와 제2 갠트리(20) 터널 안으로 컨베이어 벨트(300)가 피검체(200)를 실어 들어가고 있다. 각각의 터널 입구에는 감지센서(250, 350)가 설치되어 있어서 피검체(200)가 터널 입구로 들어오는 것이 감지되면, 엑스레이 소스(100A, 100B)가 왕복 선형 운동을 할 수 있도록 리니어 액추에이터(linear actuator)가 구동되기 시작한다.

다시 도2를 참조하면, 제1 갠트리(10)에는 x 방향으로 왕복운동을 하는 엑스선 소스(100A)가 설치되어 있으며, 팬 빔을 발사하는 엑스선 소스(100A)의 반대편에는 디텍터(400A)가 설치되어 있다. 제2 갠트리(20)에는 y 방향으로 왕복운동을 하는 엑스선 소스(100B)가 설치되어 있으며, 팬 빔을 발사하는 엑스선 소스(100B)의 반대편에는 디텍터(400B)가 설치되어 있다.

도3a 내지 도3f는 본 발명에 따라 선형 운동을 하는 엑스선 소스가 발생시키는 팬 빔을 검출하는 과정을 나타내는 도면이다. 본 발명의 이해를 돕기 위하여, T₀ ~ T₅ 구간별로 엑스선 소스를 선형적으로 움직이면서 검출되는 모습을 도시하고 있다.

도3a를 참조하면, x 방향으로 운동을 하는 엑스레이 소스(100A)의 이동에 따라 팬빔(50A)이 점차 우측으로 이동하는 것을 보여주고 있으며, y 방향으로 운동을 하는 엑스레이 소스(100B)의 이동에 따라 팬빔(50B)이 점차 아래에서 위로 이동하는 것을 보여주고 있다. 이와 같이 리니어 액추에이터가 구동하는 엑스선 소스의 운동 속도와 컨베이어벨트의 피검체 이송속도를 상대적으로 적절히 조절함으로써, 검색감시원이 원하는 해상도의 투시영상을 얻을 수 있다.

도4는 리니어 액추에이터에 의해 구동하는 엑스선 소스의 위치와 속도를 그래프로 나타낸 도면이다. 도4에서 둥근 점선 A로 표시한 부분은 x 축 방향으로 선형 왕복운동을 하는 엑스선소스(100A)의 위치와 속도를 나타낸 그래프이고, 둥근 점선 B로 표시한 부분은 y 축 방향으로 선형 왕복운동을 하는 엑스선소스(100B)의 위치와 속도를 나타낸 그래프이다.

도4를 참조하면, 구간 (a)는 가속/감속 구간으로서 이미지 획득을 하는 것보다는 등속도 병진운동을 하는 구간 (b)의 이미지를 획득하는 것이 더 좋다.

본 발명의 또 다른 실시예로서, 제1 갠트리와 제2 갠트리를 두 개로 각각 사용하는 대신에, x 축으로 움직이는 소스-디텍터 구성과 y축으로 움직이는 소스-디텍터 구성을 하나의 갠트리에 설치할 수도 있다.

이하에서, 본 발명에 따른 이미지 획득 메커니즘을 상세히 설명하기로 한다. 1회 스캔하는데 걸리는 시간(엑스선 N번 촬영시)을 T_N 이라 표시하기로 한다. 다시 설명하면, 리니어 액추에이터 1회 편도 이동하는 시간(엑스선 N번 촬영시)을 T_N 이라 할 수 있다. 그리고 이때에 갠트리의 길이, 즉 리니어 액추에이터가 이동할 수 있는 거리를 ℓ_actuator라 하고, 리니어 액추에이터의 속도를 V_actuator라 하고, 컨베이어의 속도를 V_conveyer라 하고, 피검체의 이동거리를 S_object라 표기하기로 한다.

엑스선을 N번 촬영하여 1회 스캔하는 시간 T_N 은 다음과 같이 표현된다.

따라서 1회 스캔 시 피검체의 이동거리 S_object 는 다음과 같이 계산된다.

실제 피검체의 길이(컨베이어 벨트 방향으로의 길이)에 따라 1회 스캔 시에 피검체를 Full Scan 할 수 있을지 없을지가 결정된다. 피검체의 길이(컨베이어 벨트 방향으로의 길이)를 ℓ_object 라 할 때, 촬영해야 할 scan 수는 n x T_N(n은 스캔 횟수)으로 계산된다. 여기서 스캔 횟수 n은 다음과 같이 계산된다.

따라서 촬영해야 할 scan 시간은 결국 다음과 같이 표현된다.

따라서 성능이 좋은 CT 장치를 운영하기 위해서는, n x T_N의 시간이 작은 값을 가지는 갠트리 구현이 필요한 것이다. 한편, 엑스레이 1회 촬영 시 피검체의 이동거리를 계산하면 다음과 같다.

즉, 영상획득의 분해능은 위 수학식 5로 표현되며, S_object가 작을수록 해상도는 좋다. 다시 설명하면, 영상 해상도를 높이기 위해서는 촬영 횟수(N)를 증가하면서, 속도(V_actuator)는 빠르고 짧은 길이(ℓ_actuato)를 가지는 리니어 액추에이터와, 컨베이어 속도(V_conveyer)는 느리게 운용하는 것이 바람직하다.

전술한 내용은 후술할 발명의 특허청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개선하였다. 본 발명의 특허청구범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들이 이하에서 상술 될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.

또한, 본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용될 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술 분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허 청구 범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 진화, 치환 및 변경이 가능하다.

본 발명은 단일소스와 멀티디텍터를 사용함으로써 화전식 갠트리 방식의 문제점을 해결하고 동시에 고정식 갠트리방식이 지니는 부족한 영상숫자를 해결한다. 기구적 밸런스가 회전식 갠트리 방식에 비해 간단하며, 회전식이 아니라 리니어 액추에이터로 소스가 운동을 왕복하므로 배선상의 장점이 있다. 본 발명은 팬빔(fan beam) 소스를 사용해서 연속조사를 함으로써, 수하물 진행방향으로의 이미지 분해능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 듀얼 에너지 디텍터를 사용하기 때문에, 고효율 고해상도의 영상을 실시간으로 획득하는 것이 가능하다.

Claims (3)

1. V_conveyer 속도로 컨베이어 벨트(컨베이어 벨트의 이송 방향을 z 축 방향으로 한다) 위에 놓여 갠트리 터널로 들어오는 피검체에 선형 엑스선 소스가 발생하는 엑스선을 투시해서 피검체 투시 영상을 획득하는 CT 장치에 있어서,
   갠트리 원주 상에 설치되고 팬 빔(fan beam) 방식의 엑스선을 발생하는 엑스선 소스;
   상기 엑스선 소스를 V_actuator의 속도로 x 축 방향 또는 y 축 방향으로 선형운동하도록 함으로써 피검체가 이송되는 동안 상기 엑스선 소스가 1회 이상 스캔할 수 있도록 하는 액추에이터; 및
   상기 엑스선 소스가 설치된 지점의 반대 측 원주 상에 설치되고, 고에너지 영상과 저에너지 영상을 동시에 획득하는 듀얼 에너지디텍터
   를 구비한 CT 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 갠트리 입구에는 피검체가 컨베이어 벨트 위에 놓여 들어오는 것을 감지하는 감지센서를 구비하고, 상기 감지 센서가 피검체 유입을 감지할 경우 상기 엑스선 소스를 턴온 하고 리니어 액추에이터를 기동시키는 것을 특징으로 하는 CT 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 CT 장치는 2개의 갠트리(제1 갠트리와 제2 갠트리)를 구비하고, 상기 제1 갠트리의 엑스선 소스는 x 방향으로 선형운동을 하고, 상기 제2 갠트리의 엑스선 소스는 y 방향으로 선형운동을 하는 것을 특징으로 하는 CT 장치.
   

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