KR20190075459A - 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치 및 방법 - Google Patents

엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치 및 방법이 개시되며, 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치는 엑스선을 발생시키고 상기 엑스선이 통과하는 출구 플랜지를 포함하는 엑스선 튜브, 상기 엑스선의 산란선을 감쇄시키는 그리드, 피사체를 투과한 엑스선의 그리드 영상을 검출하는 검출부 및 상기 초점위치를 측정하는 측정부를 포함하되, 상기 측정부는, 상기 그리드와 상기 검출부 사이의 이격거리에 따라 획득된 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 그리드 주파수를 측정하고, 상기 그리드 주파수에 따른 그리드 확대도에 기초하여 상기 출구 플랜지로부터 엑스선 초점위치까지의 초점위치거리를 연산할 수 있다.

Description

엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치 및 방법 {DEVICE AND METHOD FOR MEASURING FOCAL POSITION OF X-RAY TUBE}
본원은 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
음극에서 방출된 전자가 충돌하는 양극의 면적인 x선관의 초점은 일반방사선촬영 시스템의 질적인 측면에 직접적으로 영향을 미친다. 임상에서의 방사선 촬영 시스템의 acceptance 검사와 영상 화질 평가에서 초점크기 측정은 주요한 부분으로 인지된다. 더 나아가, 많은 x선 영상화 기술들, 특히 반복적 단층재구성, 위상차영상화와 같은 기술의 시스템 최적화를 위해 초점크기뿐만 아니라 초점위치를 측정하는 것이 필요하다.
전산화단층촬영(computed tomography, CT)과 디지털 단층합성촬영(digital tomosynthesis, DTS)과 같은 반복적 단층촬영기술에서 시스템 배치에 대한 정확한 정보가 정확한 영상재구성을 위해 필수적이다. 한편, 위상차영상화 기술은 물체를 투과한 파면의 위상이동을 이용하는 기술로, 기존 방사선 촬영 방법의 영상가시화 문제를 해결할 수 있는 유망한 방법이며, 영상대조도를 상당히 증가시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 최근에 개발된 단일격자기반 위상차 영상화 기술이라 불리는 위상차영상화기술과 그 시스템 최적화에 대해 연구한 바 있다. 이 영상화기술에서는 인공물을 제거하기 위해 사용된 x선관의 실제 초점위치가 필요하다. 그러나, 초점크기를 측정하는 방법은(예를 들어, 핀홀, 슬릿, 스타 패턴 기술) 개발된 바 있으나, 초점위치를 측정하는 기법에 대해서는 아직 명확하게 구체화되지 않은 실정이다.
본원의 배경이 되는 기술은 한국등록특허공보 제10-1214377호에 개시되어 있다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 엑스선 튜브의 초점위치를 정확히 측정할 수 있는 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, X선 영상화 응용 분야에서 실질적으로 활용될 수 있는 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제들도 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치는, 엑스선을 발생시키고 상기 엑스선이 통과하는 출구 플랜지를 포함하는 엑스선 튜브, 상기 엑스선의 산란선을 감쇄시키는 그리드, 피사체를 투과한 엑스선의 그리드 영상을 검출하는 검출부 및 상기 초점위치를 측정하는 측정부를 포함하되, 상기 측정부는, 상기 그리드와 상기 검출부 사이의 이격거리에 따라 획득된 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 그리드 주파수를 측정하고, 상기 그리드 주파수에 따른 그리드 확대도에 기초하여 상기 출구 플랜지로부터 엑스선 초점위치까지의 초점위치거리를 연산할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 측정부는, 상기 그리드의 제1위치에 따른 제1 그리드 주파수 및 상기 그리드의 제2위치에 따른 제2그리드 주파수에 기초하여 상기 그리드 확대도를 산출하되, 상기 제1위치는 상기 이격거리에 따른 상기 그리드 확대도가 1을 초과하는 위치이고, 상기 제2위치는 상기 이격거리에 따른 상기 그리드 확대도가1인 위치일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 측정부는, 수학식 1에 기초하여 상기 제2위치에 따른 상기 제2 그리드 주파수를 연산할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 측정부는, 상기 그리드의 제1위치에서의 상기 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 상기 제1위치에 따른 상기 제1 그리드 주파수를 측정하고, 상기 그리드의 제2위치에서의 상기 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 상기 제2위치에 따른 상기 제2 그리드 주파수를 측정하고, 수학식 2에 기초하여 상기 제1 그리드 주파수 및 상기 제2 그리드 주파수에 따른 상기 그리드 확대도를 연산할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 측정부는, 수학식 3에 기초하여 상기 그리드 확대도를 연산할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 측정부는, 수학식 4에 기초하여 상기 초점위치거리를 연산할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 방법은, 엑스선의 산란선을 감쇄시키는 그리드가 제1위치에 있을 때, 피사체를 투과한 상기 엑스선을 검출하는 검출부와 상기 그리드의 이격거리에 따른 제1그리드 주파수를 산출하는 단계, 상기 그리드가 제2위치에 있을 때, 상기 검출부와 상기 그리드의 이격거리에 따른 제2 그리드 주파수를 산출하는 단계, 상기 제1그리드 주파수 및 상기 제2 그리드 주파수에 기초하여 그리드 확대도를 연산하는 단계 및 상기 확대도에 기초하여 상기 엑스선이 통과하는 출구 플랜지로부터 엑스선 초점위치까지의 초점위치거리를 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 제1위치는 상기 이격거리에 따른 상기 그리드 확대도가 1을 초과하는 그리드의 위치이고, 상기 제2위치는 상기 이격거리에 따른 상기 그리드 확대도가1인 그리드의 위치일 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 그리드 주파수를 산출하는 단계는, 수학식 5에 기초하여 상기 제2위치에 따른 상기 제2 그리드 주파수를 연산할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 그리드 주파수를 산출하는 단계는, 상기 그리드의 제1위치에서의 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 상기 제1위치에 따른 상기 제1 그리드 주파수를 측정하고, 상기 제2 그리드 주파수를 산출하는 단계는, 상기 그리드의 제2위치에서의 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 상기 제2위치에 따른 상기 제2 그리드 주파수를 측정하고, 상기 그리드 확대도를 연산하는 단계는, 수학식 6에 기초하여 상기 제1 그리드 주파수 및 상기 제2 그리드 주파수에 따른 상기 그리드 확대도를 연산할 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 상기 초점위치거리를 연산하는 단계는, 수학식 7 및 수학식 8에 기초하여 상기 초점위치거리를 연산할 수 있다.
상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 엑스선 튜브의 초점위치를 측정할 수 있는 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, X선 영상화 응용 분야에서 실질적으로 활용될 수 있는 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 제1위치에 배치된 그리드의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 제2위치에 배치된 그리드의 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 초점위치 측정의 처리과정을 도시한 도면이다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 인터페이스를 도시한 도면이다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 그리드의 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 엑스선 튜브의 구성을 도시한다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 유효성을 검증하기 위한 실험예를 도시한 도면이다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 실험에 따른 그리드 영상을 도시한 도면이다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 실험에 따른 푸리에 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 11은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 나이퀴스트 조건에 따른 픽셀크기의 임계값의 그래프를 도시한 도면이다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 방법의 흐름을 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치(100)는 엑스선 튜브(110), 그리드(120), 검출부(130) 및 측정부(140)를 포함할 수 있다. 엑스선 튜브(110)는 엑스선(x-ray)을 발생시키고, 엑스선이 통과하는 출구 플랜지를 포함할 수 있다.
그리드(120)는 엑스선의 산란선을 감쇄시킬 수 있다. 엑스선의 산란선이 그리드(120)에 의해 감쇄됨에 따라 영상대조도가 향상될 수 있다. 종래의 일반적인 그리드는 알루미늄 및 납 스트립을 포함하는 재질로 형성될 수 있으나, 제조공정의 특성상 납 스트립의 균일성이 낮은 점이 있다. 이에 본원에서는 탄소섬유판으로 정밀 톱질하는 공정을 통해 제조된 그리드(120)를 활용한다. 상기 공정에 의하면, 약 30,000rpm으로 회전하는 마이크로컨트롤 다이아몬드 블레이드를 통해 정확하게 정렬된 그루브를 생성하고, 액체상태의 납 화합물을 상기 그루브에 투여하여 정확한 그리드 스트립을 생성한다. 생성된 그리드 스트립의 컷 폭은 다이아몬드 블레이드의 마모에 따라 ±2μm의 편차가 있을 수 있다.
검출부(130)는 피사체를 투과한 엑스선을 검출할 수 있다. 검출부(130)는 그리드(120)와 피사체를 투과한 그리드 영상을 생성 및 검출할 수 있다. 검출부(130)는 일예로 평판형 검출기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 측정부(140)는 초점위치를 측정할 수 있다. 측정부(140)는 엑스선 튜브(110), 그리드(120) 및 검출부(130) 중 적어도 일부와 전기/전자적으로 연결되어 위치할 수 있다. 초점위치는 상기 엑스선 튜브(110)에서 발생되는 엑스선이 집중되는 엑스선의 초점위치를 의미한다.
상기 그리드(120)는 엑스선 튜브(110)와 검출부(130) 사이의 일직선상에 배치될 수 있다. 측정부(140)는 그리드(120)와 검출부(130) 사이의 이격거리에 따라 획득된 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 그리드 주파수를 측정할 수 있다. 구체적으로, 검출부(130)는 엑스선 튜브(110)에서 발생되고 그리드(120)를 투과하여 검출된 엑스선을 통해 그리드 영상을 생성할 수 있고, 측정부(140)는 그리드 영상을 푸리에 처리한 푸리에 스펙트럼으로부터 그리드 주파수를 측정할 수 있다. 상기 그리드 주파수는 그리드 스트립 농도라고 표현될 수 있다.
본원의 일 실시예에 따르면, 측정부(140)는 그리드의 제1위치에 따른 제1그리드 주파수 및 그리드의 제2위치에 따른 제2그리드 주파수에 기초하여 그리드 확대도를 연산할 수 있다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 제1위치에 배치된 그리드의 예를 도시한 도면이고, 도 3은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 제2위치에 배치된 그리드의 예를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 그리드(120)는 엑스선 튜브(110)와 검출부(130) 사이에 거리를 두고 배치될 수 있다. 본 엑스선 튜브(110)의 초점위치 측정 장치(100)에서 출구 플랜지(111)부터 그리드(120) 사이의 거리는 dFG로 정의되고, 그리드(120)부터 검출부(130)사이의 거리는 dGD로 정의될 수 있으며, 초점위치(112)부터 출구 플랜지(111)사이의 거리 즉, 초점위치거리는 dFF로 정의될 수 있다. 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치(100)는 초점위치거리인 dFF를 산출함으로써, 출구 플랜지(111)로부터 dFF만큼 이격된 위치에 초점위치(112)가 형성되어 있는 것을 파악할 수 있다. 상기 그리드 확대도는 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치(100)가 구현된 기하학적 조건에 의해 결정되는 파라미터이며, 그리드(120)와 검출부(130)사이의 이격거리에 기초하여 연산될 수 있다. 그리드 확대도가 산출됨에 따라 출구 플랜지(111)로부터 초점위치(112)까지의 거리인 초점위치거리가 도출될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1위치는 그리드(120)와 검출부(130)사이의 이격거리에 따른 그리드 확대도(Mgrid)가 1을 초과하는 위치일 수 있다. 즉, 제1위치는 그리드(120)가 엑스선 튜브(110)와 검출부(130)사이에서 상호간 이격거리를 두고 배치되는 그리드(120)의 위치를 의미할 수 있다. 제1위치는 그리드(120)부터 검출부(130)사이의 거리인 dGD가 0보다 큰 상태를 의미한다. 다시 말해, 그리드 확대도가 1을 초과하는 것은, 도 2에 도시된 바와 같이, 그리드(120)가 엑스선 튜브(110)와 검출부(130) 사이의 일직선 상에 배치된 상태를 의미하며, 이는 엑스선이 그리드(120)를 투과하여 검출부(130)에서 검출된 엑스선의 그리드 스트립 농도 즉, 그리드 주파수(예를 들어 a 그리드 주파수(Ugrid))가 그리드(120)의 스트립 농도, 그리드 주파수(예를 들어 b 그리드 주파수(Ugrid0))보다 작은 상태(b 그리드 주파수/a 그리드 주파수 > 1)가 되도록 하는 위치를 의미한다.
제2위치는 그리드(120)와 검출부(130)사이의 이격거리에 따른 그리드 확대도가 1인 위치일 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 그리드(120)가 검출부(130)에 접촉된 상태를 의미한다(즉, 그리드(120)와 검출부(130)사이의 이격거리가 0인 그리드(120)의 위치). 제2위치에서는 그리드(120)가 검출부(130)와 접촉(이격거리=0)되므로, a그리드 주파수(Ugrid)와 b그리드 주파수(Ugrid0)가 같은 값을 가지며, 그리드 확대도가 1일 수 있다(b 그리드 주파수/a 그리드 주파수=1). 상술한 그리드 확대도의 범위(Mgrid>1, Mgrid=1)는 그리드 주파수를 산출하기 위한 그리드(120)의 위치에 따른 명목상 값이며, 실제 그리드(120)의 위치에 따른 그리드 확대도(실제 엑스선 튜브(110), 그리드(120), 검출부(130)의 위치에 대한 기하학적 조건에 의해 결정된 그리드 확대도)는 그리드 영상의 푸리에스펙트럼으로 부터 측정된 제1그리드 주파수 및 제2그리드 주파수에 의해 연산될 수 있다. 그리드 확대도의 연산은 후술하기로 한다.
도 4는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 초점위치 측정의 처리과정을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 측정부(140)는 그리드 확대도가 1을 초과(Mgrid>1)하는 경우(S10)의 푸리에 스펙트럼(S20)으로부터 제1그리드 주파수(Ugrid)를 획득 및 산출할 수 있고(S30), 그리드 확대도가 1인(Mgrid=1) 경우(S11)의 푸리에 스펙트럼(S21)으로부터 제2그리드 주파수(Ugrid0)를 획득 및 산출할 수 있다(S31). 제1그리드 주파수(Ugrid)는 그리드(120)가 제1위치에 있는 경우에 엑스선이 그리드(120)를 투과하여 검출부(130)에 투영된 그리드 영상으로부터 검출된 엑스선의 그리드 스트립 농도이다. 또한, 제2그리드 주파수(Ugrid0)는 그리드(120)가 제2위치에 있는 경우에 엑스선이 그리드(120)를 투과하여 검출부(130)에 투영된 그리드 영상으로부터 검출된 엑스선의 그리드 스트립 농도이다. 이 경우, 그리드(120)가 검출부(130)와 접촉(밀착)되어 있기 때문에 검출부(130)에 투영된 그리드 영상으로부터 검출된 엑스선의 그리드 스트립 농도와 그리드(120) 제원으로부터 연산된 그리드 스트립 농도가 같고, 이 그리드 스트립 농도가 제2그리드 주파수(Ugrid0)이다. 측정부(140)는 공지된 영상 분석 기법 등에 기초하여 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼(S20, S21)으로부터 그리드 주파수를 획득할 수 있다. 이후 측정부(140)는 제1그리드 주파수 및 제2그리드 주파수에 기초하여 그리드 확대도를 연산할 수 있다(S40). 측정부(140)는 그리드 주파수에 따른 그리드 확대도에 기초하여 출구 플랜지(111)로부터 엑스선 초점위치까지의 초점위치거리를 연산할 수 있다(S50). 그리드 확대도에 따른 초점위치거리의 연산은 보다 뒤에서 살펴보기로 한다.
도 5는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 인터페이스를 도시한 도면이다.
도 5는 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치를 기반으로 구현된 인터페이스의 예를 도시한다. 도 5를 참조하면, 검출부(130)의 치수(detector dimension), 픽셀 크기, 출구 플랜지(111)부터 그리드(120)사이의 거리(dFG) 및 그리드(120)부터 검출부(130)사이의 거리(dGD)를 입력한다. 또한, 측정부(140)는 그리드 확대도가 1을 초과(Mgrid>1)하는 경우와 그리드 확대도가 1인(Mgrid=1) 경우 각각의 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 제1그리드 주파수(Ugrid) 및 제2그리드 주파수(Ugrid0)를 검출하고, 검출된 그리드 주파수 값이 인터페이스에 입력될 수 있다. 또한, 입력값들에 의해 초점위치거리가 자동으로 연산되어 결과값으로 인터페이스에 표시된다. 도 5를 참조하면, 제1그리드 주파수(Ugrid)는 84.883 lines/inch으로 산출되고, 제2그리드 주파수(Ugrid0)는 199.051 lines/inch로 산출되었다. 또한, 그리드 확대도(Mgrid)는 2.345로 산출되었고, 초점위치거리(dFF)는 31.098 mm로 산출되었다.
도 6은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 그리드의 예를 도시한 도면이다.
도 6에 도시된 그리드(120)는 도 5의 예시에 활용된 그리드(120)와 동일한 것으로 한다. 도 6은 그리드의 제원을 나타내며, 도 6을 참조하면, 그리드(120)의 스트립 폭(d)는 25μm이고 높이(h)는 510μm이고, 그리드 스트립 사이의 거리(D)는 102μm이고, 초점위치(112)에서의 엑스선이 선형적으로 수렴하는 그리드와의 거리(f)는 50cm이다. 그리드 주기(P0)는 스트립 폭(d)과 그리드 스트립 간 사이의 거리(D)의 합(P0=d+D)이므로, 127μm이다.
한편, 측정부(140)는 그리드(120)의 주기에 기초하여 제2그리드 주파수를 연산할 수 있다. 측정부(140)는 수학식 1에 기초하여 제2위치에 따른 제2그리드 주파수를 연산할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, u grid 0는 상기 제2 그리드 주파수이고, P0는 그리드 주기이고, d는 그리드 스트립의 폭이고, D는 상기 그리드 스트립 간 사이의 거리를 의미한다.
또한, 측정부(140)는 제1그리드 주파수 및 제2그리드 주파수에 따른 그리드 확대도를 수학식 2에 기초하여 연산할 수 있다. 본원의 일 실시예에 따르면, 측정부(140)는 그리드 영상의 푸리에스펙트럼을 분석하여 제1그리드 주파수 및 제2그리드 주파수를 측정할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, M grid 는 상기 그리드 확대도이고, u grid 는 상기 제1그리드 주파수이고, u grid 0는 상기 제2 그리드 주파수이다.
또한, 그리드 확대도와 엑스선 튜브(110)의 초점위치 측정 장치(100)에서 출구 플랜지(111)부터 그리드(120) 사이의 거리는 dFG, 그리드(120)부터 검출부(130)사이의 거리는 dGD, 초점위치(112)부터 출구 플랜지(111)사이의 거리 dFF 간의 관계는 하기의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다. 측정부(140)는 수학식 3에 기초하여 그리드 확대도를 연산할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
여기서 M grid 는 상기 그리드 확대도이고, d FF 는 상기 초점위치거리이고, d FG 는 상기 출구 플랜지로부터 상기 그리드까지의 거리이고, d GD 는 상기 그리드로부터 상기 검출부 사이의 거리이다.
결과적으로, 초점위치거리를 산출하기 위해 상기 수학식 3을 변형하여 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다. 측정부(140)는 수학식 2 및 수학식 4에 기초하여 초점위치거리를 연산할 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
전술한 바와 같이, 제2위치에서는 그리드(120)가 검출부(130)와 매우 가깝거나 검출부(130)와 접촉되기 때문에, 제2위치에서의 그리드 스트립의 농도는 제2그리드 주파수와 상응할 수 있다. 도 6에서 설명한 그리드(120)의 제원을 이용하여 수학식 1을 통한 제2그리드 주파수는 200 lines/inch로 연산될 수 있다.
도 7은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 엑스선 튜브의 구성을 도시한다.
도 7에 도시된 엑스선 튜브(110)는 Jupiter 5000, Oxford Instruments로 예를 들어 설명한다. 도 7의 (a)는 엑스선 튜브(110)와 엑스선 튜브(110)의 출구 플랜지(111)를 도시하고, 도 7의 (b)는 엑스선 튜브(110)의 내부 구성을 도시한다. 상기 엑스선 튜브(110)의 제원(데이터 시트)에 따르면, 엑스선 튜브(110)의 초점위치(112)부터 출구 플랜지(111)까지의 초점위치거리는 31.05mm이다.
도 8은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 유효성을 검증하기 위한 실험예를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치(100)의 유효성을 검증하기 위한 실험에서, 엑스선 튜브(110)(Jupiter 5000, Oxford Instruments)의 기전력은 50kVp이고, 전류는 1mA이다. 그리드(120)는 도 6을 통해 설명한 바와 같이 200 lines/inch의 제2그리드 주파수를 갖는다. 검출부(130)는 CMOS 타입의 평판형 검출기이며, 픽셀 크기는 49.5μm이다. 상기 실험에서 출구 플랜지(111)부터 그리드(120)사이의 거리(dFG)는 40cm 이고 그리드(120)부터 검출부(130)사이의 거리(dGD)는 60cm으로 설정하기로 한다.
도 9는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 실험에 따른 그리드 영상을 도시한 도면이다.
도 9의 (a)는 그리드 확대도가 1인 경우(Mgrid=1)의 그리드 영상 및 X 영역의 부분확대도를 도시하고, 도 9의 (b)는 그리드 확대도가 1을 초과하는 경우(Mgrid>1)의 그리드 영상 및 Y영역의 부분확대도를 도시한다. 즉, 도 9의 (a)는 그리드(120)가 제2위치일 경우의 그리드 영상이고, 도 9의 (b)는 그리드(120)가 제1위치일 경우의 그리드 영상일 수 있다.
도 10은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 실험에 따른 푸리에 스펙트럼을 도시한 도면이다.
도 10의 (a)는 도 9에서 설명한 상기 X 영역의 푸리에 스펙트럼을 도시하고, 도 10의 (b)는 도 9에서 설명한 상기 Y 영역의 푸리에 스펙트럼을 도시한다. 즉, 도 10의 (a)는 그리드(120)의 제2위치에 따른 제2 그리드 주파수를 나타내고,. 도 10의 (b)는 그리드(120)의 제1위치에 따른 제1 그리드 주파수를 나타낸다. 도 10을 참조하면, 측정부(140)는 그리드(120)가 제1위치 일 때, 84.88 lines/inch의 제1그리드 주파수를 측정할 수 있고, 그리드(120)가 제2위치 일 때, 199.05 lines/inch의 제2그리드 주파수를 측정할 수 있다. 따라서, 상기 수학식 1을 통해 산출된 제2그리드 주파수(200 lines/inch)와 실제 푸리에 스펙트럼으로 측정된 제2 그리드 주파수(199.05 lines/inch)가 매우 유사함을 확인할 수 있다. 또한, 제1그리드 주파수는 84.88 lines/inch로 측정되었으며, 상기 수학식 2에 기초한 제1그리드 주파수 및 제2그리드 주파수에 따른 그리드 확대도는 2.35로 산출될 수 있다. 또한 수학식 2, 수학식 3 및 수학식 4를 통해 그리드 확대도를 이용하여 초점위치거리를 연산한 결과, 31.1가 산출되었다. 이는 도 7에서 설명한 엑스선 튜브(110)의 초점위치(112)부터 출구 플랜지(111)까지의 초점위치거리인 31.05mm와 매우 유사하므로, 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 유효성이 입증될 수 있다.
상기 실험에서 검출부(130)의 픽셀크기가 작은 값(49.5μm)을 가지므로 제2그리드 주파수를 푸리에 스펙트럼으로부터 직접 측정할 필요가 있다. 예시적으로, 나이퀴스트 조건에 의해 결정되는 픽셀크기의 임계값(δ)은 수학식 5와 같이 결정될 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00005
도 11은 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치의 나이퀴스트 조건에 따른 픽셀크기의 임계값의 그래프를 도시한 도면이다.
예시적으로, 제2그리드 주파수(200 lines/inch)일 경우 임계값(δ)은 수학식 5에 기초하여 64.5μm로 계산될 수 있다. 전술한 실험에서 검출부(130)의 픽셀크기는 49.5μm이므로 상기 임계값보다 작으며, 도 11의 X와 같이 임계값 영역 이내에 포함될 수 있다. 따라서, 푸리에 스펙트럼으로부터 제2그리드 주파수를 직접적으로 측정할 수 있다. 반면, 검출부(130)의 픽셀크기가 143μm 이면, 나이퀴스트 조건의 임계값을 초과하게 되므로, 도 11의 Y와 같이 임계값 영역 이외에 있게 된다. 이 경우, 모아레 주파수를 측정함으로써 그리드 주파수를 간접적으로 측정할 수 있다. 상기 나이퀴스트 조건 및 모아레 주파수 측정 기법은 공지된 기술이므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
전술한 바와 같이 고정밀의 탄소 재질로 형성된 그리드(Ugrid0=200 lines/inch)와 검출부(픽셀크기 49.5μm)를 사용한 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치(100)를 통해 정확한 초점위치거리의 도출이 가능함을 확인하였고, 이러한 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치(100)를 통해 X선 영상화 응용 분야에서 최적화되어 초점위치를 측정할 수 있다.
도 12는 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 방법의 흐름을 도시한 도면이다.
도 12에 도시된 본원의 일 실시예에 따른 엑스선 튜브의 초점위치 측정 방법은 앞선 도 1 내지 도 11을 통해 설명된 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치에 의하여 수행될 수 있다. 따라서 이하 생략된 내용이라고 하더라도 도 1 내지 도 11을 통해 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치에 대하여 설명된 내용은 도 12에도 동일하게 적용될 수 있다
도 12를 참조하면, 단계 S1210에서 측정부(140)는 엑스선의 산란선을 감쇄시키는 그리드(120)가 제1위치에 있을 때, 피사체를 투과한 상기 엑스선을 검출하는 검출부(130)와 그리드(120)의 이격거리에 따른 제1그리드 주파수를 산출할 수 있다. 상기 제1위치는 상기 이격거리에 따른 상기 그리드 확대도가 1을 초과하는 그리드(120)의 위치를 의미한다. 예시적으로, 상기 측정부(140)는 상기 그리드(120)의 제1위치에서의 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 상기 제1위치에 따른 상기 제1 그리드 주파수를 측정할 수 있다.
단계 S1220에서 측정부(140)는 상기 그리드(120)가 제2위치에 있을 때, 상기 검출부(130)와 그리드(120)의 이격거리에 따른 제2 그리드 주파수를 산출할 수 있다. 상기 제2위치는 상기 이격거리에 따른 상기 그리드 확대도가1인 그리드(120)의 위치를 의미한다. 예시적으로, 상기 측정부(140)는 상기 그리드(120)의 제2위치에서의 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 상기 제2위치에 따른 상기 제2 그리드 주파수를 측정할 수 있다. 또 다른 예시적으로, 측정부(140)는 수학식 6에 기초하여 상기 제2위치에 따른 상기 제2 그리드 주파수를 연산할 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00006
여기서, u grid 0는 상기 제2 그리드 주파수이고, p0는 그리드 주기이고, d는 그리드 스트립의 폭이고, D는 상기 그리드 스트립 간 사이의 거리를 의미한다.
단계 S1230에서 측정부(140)는 상기 제1그리드 주파수 및 상기 제2 그리드 주파수에 기초하여 그리드 확대도를 연산할 수 있다. 예시적으로, 측정부(140)는 수학식 7에 기초하여 상기 제1 그리드 주파수 및 상기 제2 그리드 주파수에 따른 상기 그리드 확대도를 연산할 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00007
여기서, M grid 는 상기 그리드 확대도이고, u grid 는 상기 제1그리드 주파수이고, u grid 0는 상기 제2 그리드 주파수를 나타낸다.
단계 S1240에서 측정부(140)는 상기 확대도에 기초하여 상기 엑스선이 통과하는 출구 플랜지(111)로부터 엑스선 초점위치(112)까지의 초점위치거리를 연산할 수 있다. 예시적으로, 측정부(140)는 수학식 8 및 수학식 9에 기초하여 상기 초점위치거리를 연산할 수 있다.
[수학식 8]
Figure pat00008
[수학식 9]
Figure pat00009
여기서 M grid 는 상기 그리드 확대도이고, d FF 는 상기 초점위치거리이고, d FG 는 상기 출구 플랜지로부터 상기 그리드까지의 거리이고, d GD 는 상기 그리드로부터 상기 검출부 사이의 거리를 의미한다.
본원의 일 실시 예에 따른, 엑스선 튜브의 초점위치 측정 방법은, 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치
110: 엑스선 튜브
111: 출구 플랜지
112: 초점위치
120: 그리드
130: 검출부
140: 측정부

Claims (12)

  1. 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치에 있어서,
    엑스선을 발생시키고 상기 엑스선이 통과하는 출구 플랜지를 포함하는 엑스선 튜브;
    상기 엑스선의 산란선을 감쇄시키는 그리드;
    피사체를 투과한 엑스선의 그리드 영상을 검출하는 검출부; 및
    상기 초점위치를 측정하는 측정부를 포함하되,
    상기 측정부는,
    상기 그리드와 상기 검출부 사이의 이격거리에 따라 획득된 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 그리드 주파수를 측정하고,
    상기 그리드 주파수에 따른 그리드 확대도에 기초하여 상기 출구 플랜지로부터 엑스선 초점위치까지의 초점위치거리를 연산하는 것인, 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 그리드의 제1위치에 따른 제1 그리드 주파수 및 상기 그리드의 제2위치에 따른 제2그리드 주파수에 기초하여 상기 그리드 확대도를 산출하되,
    상기 제1위치는 상기 이격거리에 따른 상기 그리드 확대도가 1을 초과하는 위치이고,
    상기 제2위치는 상기 이격거리에 따른 상기 그리드 확대도가1인 위치인 것인, 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 측정부는,
    수학식 1에 기초하여 상기 제2위치에 따른 상기 제2 그리드 주파수를 연산하고,
    Figure pat00010

    여기서, u grid 0는 상기 제2 그리드 주파수이고, P0는 그리드 주기이고, d는 그리드 스트립의 폭이고, D는 상기 그리드 스트립 간 사이의 거리인 것인, 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 측정부는,
    상기 그리드의 제1위치에서의 상기 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 상기 제1위치에 따른 상기 제1 그리드 주파수를 측정하고,
    상기 그리드의 제2위치에서의 상기 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 상기 제2위치에 따른 상기 제2 그리드 주파수를 측정하고,
    수학식 2에 기초하여 상기 제1 그리드 주파수 및 상기 제2 그리드 주파수에 따른 상기 그리드 확대도를 연산하고,
    [수학식 2]
    Figure pat00011

    여기서, M grid 는 상기 그리드 확대도이고, u grid 는 상기 제1그리드 주파수이고, u grid 0는 상기 제2 그리드 주파수인 것인, 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 측정부는,
    수학식 3에 기초하여 상기 그리드 확대도를 연산하고,
    [수학식 3]
    Figure pat00012

    여기서 M grid 는 상기 그리드 확대도이고, d FF 는 상기 초점위치거리이고, d FG 는 상기 출구 플랜지로부터 상기 그리드까지의 거리이고, d GD 는 상기 그리드로부터 상기 검출부 사이의 거리인 것인, 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 측정부는,
    수학식 4에 기초하여 상기 초점위치거리를 연산하는 것인, 엑스선 튜브의 초점위치 측정 장치.
    [수학식 4]
    Figure pat00013
  7. 엑스선 튜브의 초점위치 측정 방법에 있어서,
    엑스선의 산란선을 감쇄시키는 그리드가 제1위치에 있을 때, 피사체를 투과한 상기 엑스선의 그리드 영상을 검출하는 검출부와 상기 그리드의 이격거리에 따른 제1그리드 주파수를 산출하는 단계;
    상기 그리드가 제2위치에 있을 때, 상기 검출부와 상기 그리드의 이격거리에 따른 제2 그리드 주파수를 산출하는 단계;
    상기 제1그리드 주파수 및 상기 제2 그리드 주파수에 기초하여 그리드 확대도를 연산하는 단계; 및
    상기 확대도에 기초하여 상기 엑스선이 통과하는 출구 플랜지로부터 엑스선 초점위치까지의 초점위치거리를 연산하는 단계,
    를 포함하는 엑스선 초점위치 측정 방법.
  8. 제7항에 있어서
    상기 제1위치는 상기 이격거리에 따른 상기 그리드 확대도가 1을 초과하는 그리드의 위치이고,
    상기 제2위치는 상기 이격거리에 따른 상기 그리드 확대도가1인 그리드의 위치인 것인, 엑스선 튜브의 초점위치 측정 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제2 그리드 주파수를 산출하는 단계는,
    수학식 5에 기초하여 상기 제2위치에 따른 상기 제2 그리드 주파수를 연산하고,
    [수학식 5]
    Figure pat00014

    여기서, u grid 0는 상기 제2 그리드 주파수이고, P0는 그리드 주기이고, d는 그리드 스트립의 폭이고, D는 상기 그리드 스트립 간 사이의 거리인 것인, 엑스선 튜브의 초점위치 측정 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제1 그리드 주파수를 산출하는 단계는,
    상기 그리드의 제1위치에서의 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 상기 제1위치에 따른 상기 제1 그리드 주파수를 측정하고,
    상기 제2 그리드 주파수를 산출하는 단계는,
    상기 그리드의 제2위치에서의 그리드 영상의 푸리에 스펙트럼으로부터 상기 제2위치에 따른 상기 제2 그리드 주파수를 측정하고,
    상기 그리드 확대도를 연산하는 단계는,
    수학식 6에 기초하여 상기 제1 그리드 주파수 및 상기 제2 그리드 주파수에 따른 상기 그리드 확대도를 연산하고,
    [수학식 6]
    Figure pat00015

    여기서, M grid 는 상기 그리드 확대도이고, u grid 는 상기 제1그리드 주파수이고, u grid 0는 상기 제2 그리드 주파수인 것인, 엑스선 튜브의 초점위치 측정 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 초점위치거리를 연산하는 단계는,
    수학식 7 및 수학식 8에 기초하여 상기 초점위치거리를 연산하고,
    [수학식 7]
    Figure pat00016

    [수학식 8]
    Figure pat00017

    여기서 M grid 는 상기 그리드 확대도이고, d FF 는 상기 초점위치거리이고, d FG 는 상기 출구 플랜지로부터 상기 그리드까지의 거리이고, d GD 는 상기 그리드로부터 상기 검출부 사이의 거리인 것인, 엑스선 튜브의 초점위치 측정 방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항의 방법을 컴퓨터에서 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체.
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