KR20190038574A - 시공간적으로 오버랩하는 x선들로부터 3d 영상을 재구성하는 방법과 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 시공간적으로 오버랩하는 X선들로부터 3D 영상을 재구성하는 방법과 장치에 관한 것으로, 디텍터의 화소에 입사하는 x선의 강도를 나타내는 신호를 생성하는 디텍터; 적어도 2개의 x선 소스에서 나온 x선이 ROI를 투과하고 디텍터의 화소에서 시공간적으로 오버랩하도록 배열된 다수의 x선 소스; 및 디텍터의 화소에 입사하는 x선의 강도를 나타내는 신호를 받아, 상기 화소에서 오버랩하는 x선 각각으로 인한 강도 추정치를 생성하는 프로세싱 유닛을 포함한다.
Description
본 발명은 X선 촬영에 관한 것으로, 구체적으로는 시공간적으로 오버랩하는 X선들로부터 3D 영상을 재구성하는 방법과 장치에 관한 것이다.
x선에서 3D(3차원) 영상을 재구성하는 것은 다른 무엇보다도 의료 영상촬영, 공업적 검사, 공항 보안 분야에서 아주 중요한 문제이다. x선 촬영은 대부분 평면 방사선촬영이 기본이다. 이 방식은 일단의 진공튜브들로 이루어진 하나의 포인트형 x선 소스를 이용해 광범위한 에너지와 전류 위로 원추형이나 부채꼴형의 하나의 x선 빔을 조사한다. 그러나, 이런 포인트형 x선 소스들로 가능한 촬영방식은 그 형상이 아주 제한되는데, 이는 x선이 상당한 면적을 커버하도록 x선 소스를 촬영할 물체나 사람에서 상당히 멀리 띄어두어야 하기 때문이다.
기존의 x선 장치에서는 소스와 물체의 큰 간격을 SOD(Source to Object Distance 또는 stand-off-distance)라 하고 상당한 전력을 필요로 한다. 이런 전력을 공급하려면 고가의 중후장대(수십 킬로미터)의 전원이 필요하고, 이런 전원은 냉각수단이 필요하며 x선 장치를 더 무겁게 한다.
또, 평면 방사선촬영은 2차원 영상만 만들 뿐이고, X선 단층촬영이나 섹션별 촬영을 이용해 3D 영상을 만든다. 일반적으로 x선 단층촬영은 다양한 방향에서 고정된 물체나 사람의 영상들을 여러개 취한 다음, 이들 2D 영상들을 이용해 3D 영상을 재구성한다. 일반적으로, 하나의 x선 소스(진공튜브)를 일련의 위치를 EK라 움직이는데 기계식 갠트리가 필요해, 장치의 크기와 비용을 증가시킨다. 또, 차례대로 영상들을 취하기 때문에, 필요한 것보다 더 긴 영상캡처 시간이 필요하다.
영상캡처 시간을 최소화하려면, 촬영할 물체나 사람 둘레의 고정된 여러 위치에 다수의 진공튜브 소스들을 배치하고, 소스별로 선택적으로 작동시켜야 한다. 이런 구조는 전체적인 영상캡처 시간을 단축시킬 수 있지만, 소스의 비용과 그 체적 때문에 실용적이지 못하다. 또, 각각의 진공관 소스의 큰 크기 때문에, 이런 장치는 제한된 수의 뷰잉 각도만 수용할 수 있다. 요컨대, 소스의 크기 때문에, 제한된 방향에서만 물체나 사람을 촬영할 수 있어, 고해상 3D 영상을 만드는 기능을 저해한다.
다른 방법은 이미터 어레이내의 하나의 분산된 소스에서 다수의 x선 소스들을 생성하는 것이다. FEE(Field Enhanced Emitter) 어레이(Field Emitter Arrays라고도 함)를 x선 튜브에 사용할 수도 있다. 고전압에서 FEE 어레이는 x선의 이미터로 작용하고, 각각의 팁들을 x선을 방출하도록 선택하여 x선 소스 기능을 하도록 한다. 마찬가지로, 탄소 나노튜브(CNT)에서 생긴 캐소드로 저전압에서의 전자방출을 제어해, 각각의 CNT들이 x선을 방출하도록 선택할 수도 있다. 어떤 경우에도, 이런 FEE 어레이를 통해 다수의 x선 소스들을 만들 수 있다.
(이미터 어레이로도 알려진) 분산 소스 어레이는 다양한 개별 이미터들(예; 몰리브덴 팁, CNT 등)을 선택적으로 작동시켜 여러 뷰잉 각도에서 물체를 촬영할 수 있어, 무거운 진공관계 소스를 물체나 사람 둘레에서움직일 필요도 없고, 이런 진공관계 소스를 다수 채택할 필요도 없다. 예를 들어, 평판형 이미터 어레이의 경우, 어레이의 사이즈가 크고 어레이 모서리의 소스 하나(예; 첫번째 이미터 소자)에서 반대쪽 모서리의 두번째 소스(예; 두번째 이미터 소자)까지 상당한 거리를 움직일 수 있다. 소스, 좀더 구체적으로는 어레이에 배치된 이미터소자들을 작동시켜, 여러 뷰잉 각도에서 다수의 영상을 동시에 구할 수 있어, 단일소스 장치에 비해 영상 캡처시간을 최소화하면서도 여러 각도에서 물체를 촬영해 3D 영상을 재구성할 수도 있다.
이때문에 분산 소스 어레이는 단층촬영과 단층영상합성을 하여 고해상의 제한된 각도의 단층촬영이 가능하다. 그러나, 이런 장치도 시스템의 설계시 심각한 형상적 제한이 있다. 어레이내 소스나 이미터 각각이 자체 x선 콘을 생성하기 때문에, 물체나 물체내 ROI(관심구역; region of interest)의 완벽한 커버리지를 위해서는, x선 콘들이 일정량 공간적인 오버랩을 하여야만 한다. 그러나, 이런 공간적 오버랩, 구체적으로는 디텍터에서의 x선 오버랩의 경우, 여러 각도로 물체의 특징들에 조사하기 때문에 이런 어레이를 이용해 형성된 영상들에는 다수의 음영이 있을 수밖에 없다.
기존의 재구성 방법들은 시공간적인 x선 오버랩을 적절히 분리할 수 없다. 따라서, 시공간적 x선 오버랩이 없는 기존의 장치에서는, 필요한 해상도를 얻기위해 SOD를 좁은 범위로 유지해야만 한다. 이 관계가 아래와 같다:
여기서 M은 영상해상도를 조절하는 설계 매개변수로서 1과 4 사이의 값(예; M=2)이고, d max 는 주어진 설계조건으로 특정 해상도로 촬영할 수 있는 물체의 최대 두께이며, δ는 SOD이다. M이 클수록 해상도도 높아지지만 SOD는 더 제한된다. 주어진 소스의 피치와 조준각도가 d max 와 δ의 함수이기 때문에, 이런 제한은 소스와 디텍터의 형상을 심각하게 제한한다. 무엇보다도 이런 제한으로 인해 몸체 부분의 여러 부분들을 촬영할 때마다 이미터 어레이 패널 형상을 각각 다르게 해야 한다.
따라서, 기존의 영상 재구성 방법들을 이용해서는 디텍터에서 x선들이 동시에 전혀 오버랩하지 않는 x선 영상장치를 설계해야만 한다. 이는, 오버랩하는 x선들로부터의 측정이 선형이 아니고 선형 압축센싱과 같은 기존의 재구성 방법들은 x선 오버랩에 의한 비선형 제한조건들을 제대로 취급할 수 없기 때문이다. 이런 제한 때문에, 기존의 x선 영상 재구성 방법들은 시공간적 x선 오버랩으로 설계된 장치와는 관계가 멀다.
오버랩을 해결하는 종래의 방법들은 안티-스캐터 그리드를 이용하고, 이는 디텍터에 대한 x선의 허용 각도에 제한을 가해 오버랩을 방해한다. 안티-스캐터 그리드는 x선으로 커버되는 면적을 제한해 주어진 피복에서 구할 수 있는 정보를 제한하기도 한다. 또는, 이미터들을 선택적으로 작동시켜, 디텍터에서 x선을 오버랩하지 않고도 완전히 커버할 수 있다. 그러나, 분산 소스 어레이에서의 공간적 오버랩을 피한다는 것은 각각의 소스가 ROI 전체를 커버해야만 함을 의미하고, 이는 필요한 전력을 높이거나, 영상을 획득하는 시간이 길어진다. 후자의 경우 x선 주사중에 움직여야만 하는 어린이나 다친 환자의 경우 특히 문제가 된다.
따라서, 소스(이미터소자)와 디텍터 사이의 간격과 조준각도의 크기의 선택시 좀더 큰 융통성이 있고 촬영 형상에도 융통성이 큰 x선 촬영장치와 방법이 필요하다. 또, 정확한 3D 영상을 만들면서도 종래에 비해 영상캡처에 필요한 시간을 최소화하도록 배열된 장치와 방법도 필요하다. 또, 시공간적으로 오버랩하는 x선들을 적절히 취급할 수 있는 장치와 방법도 필요하다.
본 발명은 시공간적으로 오버랩하는 x선들로부터 3D 영상을 재구성하는 시스템과 방법과 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 디텍터의 화소에 입사하는 x선의 강도를 나타내는 신호를 생성하는 디텍터; 적어도 2개의 x선 소스에서 나온 x선이 ROI(관심구역; region of interest)를 투과하고 디텍터의 화소에서 시공간적으로 오버랩하도록 배열된 다수의 x선 소스; 및 디텍터의 화소에 입사하는 x선의 강도를 나타내는 신호를 받아, 상기 화소에서 오버랩하는 x선 각각으로 인한 강도 추정치를 생성하는 프로세싱 유닛;을 포함하는 x선 영상장치를 제공한다.
x선들의 시공간적 오버랩은 제어된 방식으로 디텍터에서 의도적으로 생성될 수 있다. 이어서 새로운 재구성 기술을 이용해 촬영된 물체나 사람이나 ROI의 정확한 3D 영상들을 재구성하는데, 이때 오버랩하는 x선들로 인한 측정을 일부라도 이용한다.
프로세싱 유닛은 디텍터의 화소에서 오버랩하는 x선들 각각으로 인한 1개 이상의 강도 추정치를 이용해 ROI의 3D 표현을 만들 수 있다.
또, 프로세싱 유닛에 디스플레이가 연결되고, 이 디스플레이는 상기 ROI의 3D 표현 중의 1개 이상의 2D 뷰들을 디스플레이할 수 있다.
다수의 x선 소스들은 분산 소스어레이의 2개 이상의 이미터소자들을 포함할 수 있다. 프로세싱 유닛은 ROI를 다수의 3D 논-오버랩 복셀들로 복셀화하고, 각각의 복셀로 인한 감쇠계수를 추정하며, 각각의 복셀로 인한 추정 감쇠계수에 의거하여 상기 ROI를 다수의 3D 논-오버랩 복셀들로 재복셀화할 수 있다.
프로세싱 유닛이 정지기준을 충족할 때까지 상기 재복셀화를 반복할 수 있다. 프로세싱 유닛이 각각의 복셀로 인한 감쇠계수를 압축센싱 알고리즘을 이용해 추정할 수 있다.
압축센싱 알고리즘은 추정 감쇠계수에 적용되는 최적화-선형화 알고리즘, 포워드-백워드 스플리팅 알고리즘, 및 이들의 조합 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
x선 소스와 디텍터 각각이 x선 소스와 디텍터의 상대적 위치를 결정하도록 배열된 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다.
이 장치가 x선 영상장치를 제어하는 컨트롤러를 더 포함하고, 이 컨트롤러는 다수의 x선 소스들의 부분집합을 작동시킬 수 있다.
디텍터는 x선에 응답해 전자신호들을 생성할 수 있다. 이 신호들은 디텍터에서의 x선의 강도에 응답해 변하면서, 물체나 사람에 의한 감쇠율(예; x선 강도의 약화나 흡수율)을 측정할 수 있다. x선 영상장치가 다수의 x선 소스를 포함할 수도 있다. 이들 소스 중의 적어도 2개는 x선이 물체나 사람을 투과한 다음 디텍터의 화소에서 시공간적으로 오버랩하도록 x선을 방출할 수 있다.
일례로, x선 소스들이 분산 소스 어레이내의 분산 이미터소자들을 포함할 수 있다. 오버랩하는 x선으로 인한 신호를 포함한 신호들을 디텍터로부터 받는 프로세싱 유닛은 디텍터에서 오버랩하는 x선 각각으로 인한 강도를 추정하고 촬영된 물체나 사람의 ROI의 정확한 3D 재구성을 하는 새로운 재구성 기술을 채택한다. 통상의 기술자라면 알 수 있듯이, 디텍터의 다른 소자들과는 구분할 수 있는 신호를 생성하는 디텍터 내부의 이산소자나 센서가 화소이다.
본 발명은 또한, x선 소스에서 나온 x선들이 ROI에 전달되고 디텍터의 화소에서 시공간적으로 오버랩하도록 x선 소스들을 작동시키는 단계; 디텍터의 화소에 입사하는 오버랩하는 x선들의 강도를 검출하는 단계; 및 디텍터의 화소에 입사한 오버랩하는 x선들의 전체 강도를 이용해 디텍터의 화소에서 오버랩하는 2개 이상의 x선들 각각으로 인한 강도 추정치를 생성하는 단계를 포함하는 x선 영상 재구성 방법도 제공한다.
본 발명의 실시예들이 시공간적으로 오버랩하는 x선들로부터 3D 영상을 재구성하는 방법을 포함할 수도 있다. 이런 방법에 의하면, 디텍터의 화소에서 오버랩하는 2개 이상의 x선들 각각으로 인한 하나 이상의 강도 추정치를 이용해 ROI의 3D 표현을 생성하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
이 방법은 ROI의 3D 표현 중의 하나 이상의 2D 뷰를 디스플레이하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 방법이 ROI를 다수의 3D 논-오버랩 복셀들로 복셀화하는 단계; 각각의 복셀로 인한 감쇠계수를 추정하는 단계; 및 각각의 복셀로 인한 추정 감쇠계수에 의거해 상기 ROI를 다수의 3D 논-오버랩 복셀들로 재복셀화하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
또, 이 방법이 정지기준을 충족할 때까지 상기 재복셀화를 반복하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
또, 이 방법이 압축센싱 알고리즘을 이용해 각 복셀로 인한 상기 감쇠계수를 추정하는 단계를 더 포함할 수도 있다. 이런 압축센싱 알고리즘은 최적화-선형화 알고리즘, 포워드-백워드 스플리팅 알고리즘, 및 이들의 조합 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또, 본 발명의 방법이, x선을 한번에 하나씩 방출하도록 각각의 소스를 작동시키는 단계들을 포함해 보정을 하는 단계; 및 상기 x선들이 디텍터의 화소에서 오버랩하도록 x선 소스들을 집합으로 작동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또, 이 방법이 영상획득속도, 화질 및 ROI 커버리지 중의 적어도 하나를 최적화하게 x선을 방출하도록 2개 이상의 x선 소스들을 선택하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 x선 영상장치의 일례의 블록도;
도 2는 본 발명에 따른 이미터 어레이의 평면도;
도 3은 본 발명에 따른 x선 영상 재구성 방법의 순서도.
도 2는 본 발명에 따른 이미터 어레이의 평면도;
도 3은 본 발명에 따른 x선 영상 재구성 방법의 순서도.
도 1은 본 발명의 x선 영상시스템(100)의 일례의 블록도로서, 이 x선 영상시스템(100)에 있는 2개 이상의 x선 소스(110)로는 예컨대 분산소스어레이의 이미터 소자들을 사용한다.
각각의 소스(110) 가까이 있는 시준기(도시 안됨)를 사용해 소스 각각에서 방출된 x선 빔(130)의 크기와 형상을 조절한다. x선 빔(130)은 형상이 원추형이어서 원뿔덮개 형태인 것이 보통이지만, 다른 형상으로 이루어질 수 있다. 원뿔덮개는 이미터 어레이 전체의 방출과 각각의 이미터의 방출을 구분하는데 사용될 수 있다.
도 2의 실시예에서는 소스들(110)이 FEE와 같은 분산소스어레이의 일부를 형성할 수 있다. 일례로 분산소스어레이(200)는 다수의 각각의 분산된 이미터 소자들을 포함하고, 각각의 이미터소자가 x선 소스(110)이다. 도시된 것처럼, 각각의 소즈(110)의 중심이 정삼각형 그리드의 노드포인트에 배치되기 때문에, 각각의 소스(110)가 이미터 어레이(200) 전체에 (수평수직으로) 등간격으로 떨어져 있지만, 이런 소스들이 다른 구성으로 배열될 수도 있어, 예를 들면 y축보다 x축에서 더 멀리 떨어져 배치되면서 정삼각형, 정사각형, 육각형과 같은 다양한 그리드 패턴으로 이루어지거나, 랜덤하게나 의사랜덤하게 분산될 수도 있다.
x선 영상시스템(100)에 있는 하나 이상의 디텍터(140)는 이곳에 부딪치는 x선 빔(130)의 강도에 반응하는 전기신호를 내는 소자들을 갖고 있어, 물체(160)로 인한 감쇠율(x선 강도의 흡수나 약화 정도)을 제공한다. 전술한 것처럼, 이런 전기신호들이 물체(160)의 수캔 부분으로 인한 감쇠율을 제공하기 때문에, 이런 전기신호들을 처리하여 물체(160)의 ROI의 3차원 재구성을 할 수 있다. 여기서는, 디텍터(140)가 다수의 디텍터 화소(또는 센싱 다이오드)로 이루어지고, 각각의 디텍터 화소는 부딪치는 x선 빔(130)의 강도를 나타내는 전기신호를 내도록 배열될 수 있다.
사용중에, 적어도 2개의 소스들(110)에서 방출된 x선 빔들(130)의 디텍터(140)에서의 시공간적인 오버랩에 적어도 하나의 ROI의 노출이나 스캔이 관여하도록 도 1의 x선 영상시스템(100)이 구성될 수 있다. 이런 구성은 다양하게 이루어질 수 있다. 예컨대, 소스들(110)에 컨트롤러(180)를 연결하여, 소스(110)의 부분집합을 선택적으로 작동시킬 수 있다. 컨트롤러(180)는 각각의 소스(110)에 공급되는 전력을 조절해 방출점 활성화를 조절함으로써, 부분집합별로 소스들(110)이 x선 빔(130)을 방출하도록 하고, 오버랩되는 소스들(110)을 선택하도록 할 수도 있다.
X선 영상시스템(100)은 프로세싱 유닛(150)을 가질 수 있고, 이런 프로세싱 유닛은 하나 이상의 프로세서, 컴퓨터, CPU 등의 장치를 포함하며, 디텍터(140)에 입사하는 x선 빔(130)의 강도와 같은 영상정보를 처리한다. 예를 들면, 디텍터(140)에 부딪치는 x선 빔(130)의 강도에 대응하는 전자신호와 같은 데이터를 디텍터로부터 받드록 프로세싱 유닛을 디텍터(140)에 연결할 수 있다.
프로세싱 유닛(150)이 디텍터(140)에서이 x선 빔들(130)의 시공간적 오버랩으로 인한 감쇠치를 디콘볼루션하는 프로세스를 구현할 수도 있다. x선 빔들(130)의 강도를 나타내는 전자신호를 내는 디텍터(140) 부분(예; 디텍터 화소)과 주어진 노출에서 활성화되는 각각의 소스(110)의 위치들과 같은 소스와 디텍터의 상대적 위치를 알면, 프로세싱 유닛(150)이 디텍터(140)에서 붇은 전자신호들을 ROI 전체의 여러 지점들에서의 감쇠도를 나타내는 3D 데이터어레이로 변환할 수 있다.
또, 프로세싱 유닛(150)이 물체(160)나 물체의 ROI를 3차원의 오버랩하지 않는 체적요소나 복셀들로 나눌 수도 있다. 이때 프로세싱 유닛(150)은 각각의 복셀을 물체(160)의 일부가 차지하고 균질한 물질로 이루어진 것으로 모델화할 수 있고, 이런 균질한 물질의 감쇠계수는 하나의 데이터 포인트를 나타내며, 이런 감쇠계수는 복셀 내부의 물질을 x선이 얼마나 쉽게 투과하는지를 나타낸다. 이어서, 프로세싱 유닛(150)은 어레이내의 이런 데이터 포인트 전부를 수집하고, 이를 벡터라 한다.
프로세싱 유닛(150)은 이런 모델화된 벡터를 디텍터(140)에 부딪치는 x선 빔들(130)의 강도에 해당하는 (디텍터에서 받은) 전자신호들에 비교함으로써, 각 복셀의 모델화된 감쇠율을 각 복셀로 인해 감지된 감쇠율에 비교한다. 프로세싱 유닛(150)은 이어서 압축센싱법에 의거한 재구성 알고리즘을 이용해 실제 측정치들에 이거한 모델화된 벡터를 반복적으로 정제하고, 이런 반복 결과들을 이용해 ROI의 3D 모델을 재구성한다.
이 시스템의 메모리(170)는 프로세싱 유닛(150)의 일부이거나 프로세싱 유닛에 연결된다. 1회 이상의 x선 주사에서 구한 데이터는 프로세싱 유닛에 의한 후처리를 위해 메모리(170)에 저장된다. 일반적으로 환자나 물체는 짧은 시퀀스의 x선 피폭(1~50회나 5~10회 피폭)에 노출되고, 매 노출시에 측정된 감쇠율과 같은 데이터가 메모리에 저장된 다음, 이를 이용해 후술하는 것처럼 영상재구성을 한다.
물체(160)의 ROI 부분으로 인한 감쇠율을 결정하려면, 각각의 소스(110)와 디텍터(140)나 디텍터화소 사이의 상대적 위치(거리와 방향)을 알아야 한다. 고정된 설치의 경우, 설치할 때 필요한 측정을 하고 일상적인 유지관리에서 이를 확인할 수 있다. 한편, 기계식 측정을 포함해 다른 여러 방법으로 상대적 위치를 결정할 수도 있다.
또, 본 발명의 시스템에서, 디텍터(140)에 대한 소스(110)의 상대적 위치나 그 반대를 결정하기 위한 하나 이상의 센서들(190)을 배치할 수도 있다. 이런 센서(190)는 소스(110)와 디텍터(140)의 간격을 결정하는 근접센서일 수 있다. 이 간격은 물체(160)을 촬영할 때 사용하기에 적절한 소스(110) 부분집합을 선택하는데 이용된다. 예를 들어, 오퍼레이터나 방사선기사가 컨트롤러(180)를 이용해 물체(160)의 ROI를 선택할 수 있다. 이어서, SOD의 범위가 프로세싱 유닛(150) 등을 이용해 미리 계산된 다음, 제조된 소스들(110)의 고정피치와 조준각 및 촬영할 ROI에 의거해 오퍼레이터에게 제공된다. 오퍼레이터나 기사는 특정 SOD 범위에 디텍터(140)를 배치할 수 잇다. 소스(110)와 디텍터(140)의 간격이나 소스와 물체(160)의 간격을 센서(190)가 측정하고, 디텍터(140)의 화소에서 시공간적으로 오버랩하는 2개 이상의 소스들(110)을 포함한 소스 부분집합을 프로세싱 유닛(150) 등으로 계산하여 영상획득 속도, 화질 및/또는 ROI 커버리지를 최적화할 수 있다. 시공간적 오버랩은 2개 이상의 x선이 샘플링 시간간격내에 디텍터의 화소에 입사하는 경우를 포함한다.
시스템(100)의 디스플레이 겸용 시각화 웍스테이션(120)은 프로세싱 유닛(150)에 연결되어, 물체(160)의 ROI의 재구성된 3D 영상을 보는데 이용된다. 예컨대, 웍스테이션(120)은 프로세싱 유닛(150)에 의해 결정된 3D 데이터어레이를 오퍼레이터나 기사에게 보여주는 ROI의 내부 뷰(예; 2D 슬라이스)로 변환하는 계산을 할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 x선 영상 재구성 방법의 순서도로서, 501 단계에서 시작하여, 공기감쇠, 각 소스(110)의 공간적 변동, 디텍터(140) 감도변동을 상쇄하고 디텍터의 고장화소를 보상하는 등의 수단으로서 에어샷이나 공기보정과 같은 보정과정을 실행할 수 있다. 보정데이터는 디텍터(140) 반응의 비선형성을 이해하는데 사용될 수 있는데; 기존의 디지털 데텍터들은 선형이지만, 입사각이 다르면 더이상 그렇지 않을 수 있다.
2단계 보정을 할 수도 있어, 각 소스(110)를 한번에 하나씩 활성화한 다음 그룹이나 집합으로 소스들을 활성화시키되 적어도 2개의 x선 빔(130)이 디텍터(140)에서 시공간적으로 오버랩되게 한다. 이런 2단계 보정이 가능한 모든 변동을 고려할 수는 없지만, 1차 응답들의 오프셋이 주어진 문맥에서 생기도록 할 수 있다.
도 3의 첫번째 단계(502 단계 이전)에서 이런 보정을 할 수 있다. 도 3의 방법을 하기 직전에 이런 보정을 할 필요가 없을 수도 있고 매일이나 매주 보정을 하여 (온도 등으로 인한) 성능 변화나 (노화나 x선 피폭이나 물리적 손상으로 인한) 부식을 캡처할 수도 있다. 이런 보정결과는 재구성 알고리즘을 조절하는데 사용되고, 이런 보정에서 오는 데이터는 메모리(170)에 저장되었다가 프로세싱 유닛(150)에 의해 처리될 수 있다.
도 3에서, 보정결과가 허용한계 안에 있고 모든 구성 변화나 수정된 측정치들이 기록되었고, 하나 이상의 데이터 획득과정들이 수행될 수 있다고 가정한다(502~505 단계). 먼저, 502 단계에서 물체(160)나 사람의 3D ROI를 선택하되, 컨트롤러(180)를 이용해 오퍼레이터나 방사선기사가 선택을 하거나, 통상의 기술자라면 알 수 있는 방법으로 선택한다. 선택된 ROI와, 소스들(110)의 피치와 조준각 및 SOD에 의거해, 503 단계에서는 ROI를 촬영하는데 사용될 소스(110) 집단이나 부분집합을 선택한다. ROI 형상과 피치와 조준각과 SOD를 취하는 기하학적 보정은 영상획득 속도, 화질 및/또는 ROI 커버리지를 최적화하는데 이용될 수 있다.
또, 제조된 소스들(110)의 고정피치와 조준각에 의거해 SOD 범위를 계산해 제공할 수도 있다. 오퍼레이터는 소스(110)와 디텍터(140) 사이로 계산된 SOD 범위내에 물체(160)를 둔다. 소스(110)와 디텍터(140)의 간격을 센서(190)로 측정하거나 기계적으로 측정할 수 있다. 한편, 소스(110)와 디텍터(140)를 고정할 수도 있고, 양자의 상대적 위치를 x선 주사과정 내내 알 수 있도록 할 수도 있다(예; 소스 및/또는 디텍터가 공지의 패턴으로 움직인다).
504 단계에서는, 503 단계에서 선택된 소스 부분집합이 활성화되고, 502 단계에서 선택된 ROI가 일련의 x선 피폭에 노출된다. 물체(160)를 통과한 뒤 디텍터(140)에 부딪치는 x선 빔(130)의 강도의 국부적 변동을 505 단계에서 측정하여, 물체(160)로 인한 감쇠를 측정한다. 505 단계에서 측정된 감쇠치는 메모리(170)나 프로세싱 유닛(150)에 저장된다. 이런 감쇠 측정치들은 이전의 주사에서 구한 감쇠 측정치들에 첨부될 수 있다. 데이터를 원하는 ROI 영상으로 변환하기에 충분한 원시데이터가 캡처될 때까지 이 과정을 반복할 수 있다.
다음 506~507 단계에서, 물체(160)의 ROI의 3D 표현을 재구성하도록 반복적 재구성 과정을 구현한다. 506 단게에서 ROI가 오버랩되지 않은 3차원 체적요소(복셀)들로 분할된다. 이런 복셀을 형성하거나 재형성하는 과정을 복셀화나 재복셀화라 한다. 각각의 복셀은 균일한 방사선 흡수율(동일한 감쇠계수)를 갖는 것으로 모델화된다. 이렇게 하여, 각각의 복셀이 하나의 샘플이나 데이터 포인트(예; 하나의 감쇠계수)를 나타낼 수 있다. 이런 데이터 포인트 전체는 벡터라고 하는 어레이에 수집된다. 이런 복셀화 과정은 프로세싱 유닛(150)에 의해 또는 통상의 기술자라면 알 수 있는 다른 여러 수단에 의해 실행된다.
시공간적으로 오버렙되는 2개 이상의 x선 빔 각각을 결정하는 압축센싱 방법을 이용해 505 단계에서 구한 데이터를 최적화하는 감쇠계수 집합을 결정한다. 이렇게 하여, 소정의 최적상태(예; 원하는 해상도)를 달성하는 등, 정지기준을 만족할 때까지 복셀화를 반복적으로 진행하여(506, 507 단계 반족) 적절한 복셀화가 결정된다. 특정 복셀화를 위한 감쇠계수를 결정하는데 사용된 압축센싱 방법들이 보통 1회 이상의 반복을 수반하기 때문에, 각각의 연속적인 복셀화 정제를 외부반복이라 하고, 압축센싱 방법의 각각의 연속적인 반복은 내부반복이라 한다.
(재)복셀화 이후 507 단계에서, 압축센싱법을 이용해, 공간적으로 오버랩하는 x선들로 인한 강도측정치들을 디콘볼루션하여, 각 복셀을 차지하는 재료로 인한 감쇠, 더 자세하게는 감쇠계수를 결정한다. 압축센싱은 영상의 희박도를 이용해 필요한 것보다 적은 측정으로 재구성을 할 수 있도록 하는 수학적 기법이다. 기존에는 무한히 많은 해법을 갖는 미결정된 선형시스템 관련 문제들을 추구하여, 가장 적은 논-제로 엔트리들을 갖는 해법을 찾으려 했다. 수학적으로 이 개념은 아래와 같이 표현된다:
각각 다른 소스(110)에서 나오는 2개 이상의 x선 빔(130)이 디텍터(140)에서 오버랩할 경우, 이렇게 오버랩하는 x선들로부터의 측정치들은 선형이 아니다. 대신에, 2개의 x선 빔9130)이 디텍터(140)에서나 디텍터의 화소에서 오버랩하면, 측정 j에서의 감쇠가 아래와 같이 합쳐진다:
여기서 우변의 2개 항 각각은 x선 빔(140) 각각으로 인한 측정치, IEjK는 이미터나 소스 k에서의 방사선, IDj는 디텍터 j에서의 방사선, ξijk는 k번째 소스(110)를 나온 x선 빔(130)이 i번째 복셀을 통과하는 움직인 거리를 나타낸다. 디텍터(140)의 j번째 화소에서 오버랩하는 pj x선들에 대한 좀더 일반식은 아래와 같다:
2개의 충분히 가까운 양수 a, b 과 [0,1]내 λ에 대해, 라 하여 측정값들의 비선형성을 무시하면 비선형 제약조건 (2)가 선형화된다. 오버랩하는 x선 빔들(130)의 문맥에서, 제약 (20가 아래와 같이 단순화된다:
또는 , 여기서 b는 bj의 벡터이고 는 간격 의 음의 볼록조합으로 이루어진 행렬, pj는 측정 j에서 오버랩하는 x선 소스 수이다. 는 순차적 피폭에서 생기는 대응 선형측정 행렬 의 압축버전으로 번역될 수 있다:
위는 비선형 측정들의 첫번째 선형근사를 제공한다. 그러나, 오버랩하는 x선 빔들(130)을 따라 생기는 감쇠차에 따라서는 식(4)의 2개 항이 위 간소화 식을 만족시키기에는 너무 다를 수도 있다.
따라서, 각각의 측정 j에 대해 선형화를 결정하는 파라미터 τ1을 반복적으로 추정할 수 있다. 이어서 이런 파라미터들에 의거해 해당 모델을 최적화한다.
아래 제약조건이 생긴다:
이상에 의거해, 아래 재구성(최적화 및 선형화) 알고리즘이 형성될 수 있는데, 여기서 측정된 x선 집합은 x선과 복셀의 교차길이의 희소행렬 안에 표현되는데, 이때 m(측정횟수)은 n(복셀수)보다 훨씬 적을 수 있다: 희소행렬과 벡터측정들이 모이면, 아래 식이 풀리면서 벡터 x가 충분히 커버될 때까지 t=1,2,...에 대해 반복적으로 정제될 수 있다.
1. 업데이트 x:
여기서 μ>0은 희박성 프라이어(sparsity prior)와 데이터 충실도 항 사이의 균형을 이루는 정규화 매개변수이고, 희박성 프라이어 는 , 전변동노름(Total Variation Norm) 또는 이 둘의 볼록조합이다.
2. 업데이트 τ:
아래를 먼저 계산할 수 있는 곳에서 초기화를 할 수 있다:
이제 오버랩으로 재구성 문제를 푸는 다른 방법을 설명한다. (2)에 대해, 벡터 x의 희소 재구성에 관심을 두고 L1 프라이어로 최소화하면
데이터 제약조건 항의 노이즈를 위해, 13의 최소제곱 공식이 아래와 같이 유도된다:
여기서 μ>0은 희박성 프라이어(sparsity prior)와 데이터 충실도 항 사이의 균형을 이루는 정규화 매개변수이다. 식 (15)는 아래 형태의 최적화 문제에 대응한다:
그리고 볼록 미분불가함수 f:R"→R
또, 부분적 볼록 미분 g:R"→R
t=0,1,2...와 x0=0에 대한 1차 포워드-백워드 스플리팅 업데이트 시퀀스를 이용해 식 (16)의 최적화 문제를 풀 수 있다:
그리고 수렴율 이고 스텝 사이즈 λ=1/L이다. f가 하위 반연속 볼록함수이고 g는 볼록 미분가능하며 립시츠 연속구배를 가지면 업데이트 시퀀스 (19)가 (16)의 최소값에 수렴한다.
(16)의 특수예로서 (15)를 최적화하려면, x의 초기화를 보다 작게해야 하는데, 이는 g가 에 대해 부분적으로 볼록하기 때문이다. 또, 모든 반복 t에 대해 가 보장되도록 스텝사이즈 λ를 선택해야 한다. 스텝사이즈 λ는 백트래킹 라인서치 알고리즘을 이용해 결정할 수 있다(예; λ←λc). 로 측정을 하면,
가 필요하지만 에 대한 충분조건은 아니다. 이상에 의거해, 아래 두번째 재구성(포워드-백워드 스플리팅) 알고리즘이 이루어져, ROI나 ROI의 일부의 3D 재구성을 생성하는데 사용된다: 아래는 505 단계에서 구한 측정치들에 의거해 조립될 수 있다:
다음, 초기화 x0=0을 실행할 수 있고, 아래를 풀고 t=1,2..등에 대해 반복적으로 정제할 수 있다:
1. 검색방향 계산:
2. 라인서치 백트래킹:
λ=1/L
3. 업데이트 x:
4. 정지기준:
모의 측정과 실제 측정 둘다를 이용한 실험결과에 의하면, 이상 설명한 재구성 알고리즘은 선형 제약조건들에도 재구성 정확도를 크게 개선시킨다. 이런 실험은 본 발명의 방법들을 이용해도 평균 최대 2회의 오버랩까지 순차(논오버랩) 피폭과 거의 같은 화질을 회복할 수 있으면서도 SOD와 이미터 조준각도에 대한 견고성을 크게 높이고 영상 캡처시간을 상승시킴을 보여준다. 요컨대, 평균적으로 디텍터(140)의 화소당 시공간적인 x선 오버랩이 2개 이하의 소스들(110)에 기인할 때 본 발명의 방법이 최적의 결과를 보여준다. 일반적으로 디텍터(140)의 화소의 부분집합이 하나 이하의 x선 빔(140)을 감지하므로, 본 발명의 방법에 의하면 2개 이상의 소스(110)로부터의 시공간적 오버랩 x선들을 두번째 화소 부분집합이 감지할 수 있는 구성이 가능하다.
507 단계에서의 매회 내부 반복의 끝(예; 압축센싱 알고리즘을 풀고 반복적으로 정제)에서, 후속 외부반복을 실행할 수 있다(506 단계). 후속 외부반복을 할 때마다, 이전 복셀화의 각각의 복셀이 507 단계에서 결정된 감쇠계수에 의거해 바뀔 수 있다. 예컨대, 측정된 감쇠율을 더 맞추기 위해, 복셀을 더 작은 복셀들로 더 나누거나 2개 이상의 인접 복셀들을 하나의 복셀로 합칠 수 있다. 정지기준을 충족할 때까지(예; 원하는 영상해상도) 복셀화를 반복 수정하여 최적의 복셀화를 할 수 있다.
반복 루프의 끝에서(506, 507 단계), 각각의 복셀용으로 유도된 결과 x값(감쇠계수)를 사용해 ROI 물체(160)의 3D 그래픽 표현을 만들 수 있다. 이런 그래픽 표현은 3D 영상이나 (예컨대 z축을 따라) 2D 슬라이스"의 집합으로 디스플레이된다(508 단계). 이런 식으로 오퍼레이터나 방사선기사가 ROI를 검사할 수 있다.
이상 설명한 방법은 예를 든 것일 뿐이고, 단계들을 다른 순서로 할 수도 있다. 또, 각 단계가 반드시 설명된대로 이루어지지 않을 수도 있다.
본 발명 분야의 통상의 기술자라면 이상 설명한 실시예들로 기존의 시스템의 디자인 한계를 극복할 수 있을 것인데, 이는 논-오버랩 조건의 제거로 좀더 강건한 시스템 구성을 할 수 있기 때문이다. 예컨대, 두툼한 물체를 단층영상합성할 경우 논-오버랩 조건들의 완화가 특히 유용할 수 있다. 이 경우, 물체의 상단에서 완벽한 x선 커버리지를 확보하려면 물체의 하단에 상당한 오버랩이 있게 되는데, 이는 x선이 원추형이나 부채꼴이기 때문이다. 기존의 시스템은 이런 오버랩을 취급할 수 없기 때문에, 이런 물체의 상단은 물체의 하단에 비해 보통 언더-샘플되어 선명하지 못하다. 본 발명의 경우 x선 오버랩 때문에 물체의 상단에서 하이어 샘플링이 가능하여 영상이 더 선명해진다.
또, 의료분야에서는 총 피폭 시간이 환자의 움직임 때문에 (보통 0.1초로) 제한되는 반면, 기존의 시스템은 x-y 평면(디텍터 평면)과 z-방향(x-y 평면에 수직)으로 얻을 수 있는 해상도 사이의 균형을 해칠 수밖에 없다. z-방향의 해상도를 높이려면, 좀더 큰 둔각의 조준각도를 이용해야 하고, 이 경우 허용 시한(예; 0.1초)에 받는 적은 피폭으로 인한 오버랩을 피하기가 어렵다. 본 발명의 경우, 예각과 둔각의 조준각도들을 갖는 소스들(110)나 이미터들을 섞어 이런 한계를 극복하는데, 예각은 x-y 평면의 해상도를 높이는데 도움을 주고 둔각은 z-방향의 해상도 상승에 도움을 준다.
또, 의료 세팅의 경우, 소스(110)와 디텍터(140)가 저대로 정렬되지 않아 소스의 피치와 기울우짐이 디텍터와 동일평면에 있지 않을 수도 있는데, 이 경우 허용가능한 SOD에서도 x선 오버랩이 일어날 수 있다. 오버랩을 견디는 본 발명의 기능은 이런 문제를 배제하고, 환자가 x선 촬영을 할 때 침대 발치부터 똑바로 촬영을 할 수 있는 융통성을 확보할 수 있어, 무거운 소스를 환자 위에 매달아두지 않아도 된다.
본 발명은 각각 다른 ROI들을 취급한다는 점에서 기존의 시스템보다 크게 유리하기도 하다. ROI가 디텍터와 비슷한 면적을 가질 경우, 소스(110)나 이미터를 더 추가하지 않고도 x선 오버랩에 의해 ROI의 가장자리를 더 잘 샘플링할 수 있어, 작업속도가 증가한다. x선 오버랩을 허용할 수 없는 기존의 시스템에서는, 가장자리의 소스나 이미터들(예; 기존의 이미터 패널에서 바깥 행렬의 이미터)은 보통 ROI의 작은 부분을 커버한다. 이미터, 구체적으로는 각각의 이미터의 x선이 오버랩하지 않기 때문에, 오퍼레이터나 방사선기사가 가장자리 이미터들을 별도로 작동시켜야 하고, 이때문에 본 발명에 비해 필요한 것보다 더 많은 스캔(주사)을 해야 한다.
ROI가 디텍터에 비해 작은 경우, 각각의 이미터로부터의 x선들이 효과적으로 오버랩하여 전체 ROI를 커버한다는 사실로 본 발명은 획득시간을 절반까지 줄일 수 잇다. 이런 식으로, 오퍼레이터나 방사선기사가 영상들을 더 빨리 받아볼 수 있어, 모션 아티팩트의 수를 줄일 수 있다. 이런 특징은 움직임이 큰 문제이고 신체 크기(두께)가 작은 어린이나 노약자 환자의 경우 특히 유리하다.
Claims (19)
- 디텍터의 화소에 입사하는 x선의 강도를 나타내는 신호를 생성하는 디텍터;
적어도 2개의 x선 소스에서 나온 x선이 ROI(관심구역; region of interest)를 투과하고 디텍터의 화소에서 시공간적으로 오버랩하도록 배열된 다수의 x선 소스; 및
디텍터의 화소에 입사하는 x선의 강도를 나타내는 신호를 받아, 상기 화소에서 오버랩하는 x선 각각으로 인한 강도 추정치를 생성하는 프로세싱 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 x선 영상장치. - 제1항에 있어서, 상기 프로세싱 유닛이 디텍터의 화소에서 오버랩하는 x선들 각각으로 인한 1개 이상의 강도 추정치를 이용해 ROI의 3D 표현을 만드는 것을 특징으로 하는 x선 영상장치.
- 제2항에 있어서, 상기 프로세싱 유닛에 디스플레이가 연결되고, 이 디스플레이는 상기 ROI의 3D 표현 중의 1개 이상의 2D 뷰들을 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 x선 영상장치.
- 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 다수의 x선 소스들이 분산 소스어레이의 2개 이상의 이미터소자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 x선 영상장치.
- 제1항 내지 제4항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 프로세싱 유닛이 ROI를 다수의 3D 논-오버랩 복셀들로 복셀화하고, 각각의 복셀로 인한 감쇠계수를 추정하며, 각각의 복셀로 인한 추정 감쇠계수에 의거하여 상기 ROI를 다수의 3D 논-오버랩 복셀들로 재복셀화하는 것을 특징으로 하는 x선 영상장치.
- 제5항에 있어서, 상기 프로세싱 유닛이 정지기준을 충족할 때까지 상기 재복셀화를 반복하는 것을 특징으로 하는 x선 영상장치.
- 제6항에 있어서, 상기 프로세싱 유닛이 각각의 복셀로 인한 상기 감쇠계수를 압축센싱 알고리즘을 이용해 추정하는 것을 특징으로 하는 x선 영상장치.
- 제7항에 있어서, 상기 압축센싱 알고리즘이 추정 감쇠계수에 적용되는 최적화-선형화 알고리즘, 포워드-백워드 스플리팅 알고리즘, 및 이들의 조합 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 x선 영상장치.
- 제1항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 x선 소스와 디텍터 각각이 x선 소스와 디텍터의 상대적 위치를 결정하도록 배열된 하나 이상의 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 x선 영상장치.
- 제1항 내지 제9항 중의 어느 하나에 있어서, x선 영상장치를 제어하는 컨트롤러를 더 포함하고, 이 컨트롤러는 다수의 x선 소스들의 부분집합을 작동시키는 것을 특징으로 하는 x선 영상장치.
- x선 소스에서 나온 x선들이 ROI에 전달되고 디텍터의 화소에서 시공간적으로 오버랩하도록 x선 소스들을 작동시키는 단계;
디텍터의 화소에 입사하는 오버랩하는 x선들의 강도를 검출하는 단계; 및
디텍터의 화소에 입사한 오버랩하는 x선들의 전체 강도를 이용해 디텍터의 화소에서 오버랩하는 2개 이상의 x선들 각각으로 인한 강도 추정치를 생성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 x선 영상 재구성 방법. - 제11항에 있어서, 디텍터의 화소에서 오버랩하는 2개 이상의 x선들 각각으로 인한 하나 이상의 강도 추정치를 이용해 ROI의 3D 표현을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 x선 영상 재구성 방법.
- 제12항에 있어서, ROI의 3D 표현 중의 하나 이상의 2D 뷰를 디스플레이하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 x선 영상 재구성 방법.
- 제11항 내지 제13항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 ROI를 다수의 3D 논-오버랩 복셀들로 복셀화하는 단계; 각각의 복셀로 인한 감쇠계수를 추정하는 단계; 및 각각의 복셀로 인한 추정 감쇠계수에 의거해 상기 ROI를 다수의 3D 논-오버랩 복셀들로 재복셀화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 x선 영상 재구성 방법.
- 제14항에 있어서, 정지기준을 충족할 때까지 상기 재복셀화를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 x선 영상 재구성 방법.
- 제15항에 있어서, 압축센싱 알고리즘을 이용해 각 복셀로 인한 상기 감쇠계수를 추정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 x선 영상 재구성 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 압축센싱 알고리즘이 최적화-선형화 알고리즘, 포워드-백워드 스플리팅 알고리즘, 및 이들의 조합 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 x선 영상 재구성 방법.
- 제11항 내지 제17항 중의 어느 하나에 있어서, x선을 한번에 하나씩 방출하도록 각각의 소스를 작동시키는 단계들을 포함해 보정을 하는 단계; 및 상기 x선들이 디텍터의 화소에서 오버랩하도록 x선 소스들을 집합으로 작동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 x선 영상 재구성 방법.
- 제11항 내지 제17항 중의 어느 하나에 있어서, 영상획득속도, 화질 및 ROI 커버리지 중의 적어도 하나를 최적화하게 x선을 방출하도록 2개 이상의 x선 소스들을 선택하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 x선 영상 재구성 방법.
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