KR20200021156A - High Quality Four Dimensional Cone Beam Computerized Tomography System Using Prior Image - Google Patents

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Abstract

Embodiments of the present invention provide a high quality four-dimensional cone beam computerized tomography system capable of reconfiguring a high quality image using the small number of projection images by classifying a plurality of pieces of projection data into a plurality of groups according to a breathing cycle of a subject and generating a restored image by applying a weight relaxation map to partial projection data belonging to a classified group and reconstructing the partial projection data.

Description

사전 영상을 이용하는 고품질의 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템 {High Quality Four Dimensional Cone Beam Computerized Tomography System Using Prior Image}High Quality Four Dimensional Cone Beam Computerized Tomography System Using Prior Image}

본 발명이 속하는 기술 분야는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a four-dimensional cone beam computed tomography system.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The contents described in this section merely provide background information on the present embodiment and do not constitute a prior art.

4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템(Four Dimensional Cone Beam Computed Tomography, 4D CBCT)는 호흡 주기 상에서 해부 체적 영상을 제공한다. 4D CBCT 영상은 방사선 치료 전에 호흡하는 동안 연속적으로 획득되는 영상으로 치료 계획과 동일하게 환자 위치를 교정하거나 표적(또는 종양)이 계획한 물리적인 범위 내에 위치하는지 평가하기 위한 목적으로 사용된다.Four Dimensional Cone Beam Computed Tomography (4D CBCT) provides anatomical volumetric images over the respiratory cycle. 4D CBCT images are images that are acquired continuously during breathing prior to radiation therapy and are used for the purpose of correcting the patient's position or evaluating whether the target (or tumor) is within the planned physical range in the same manner as the treatment plan.

도 1은 4D CBCT가 프로젝션 데이터를 분류하고 영상을 재구성하는 동작을 나타낸 도면이다. 4D CBCT는 프로젝션 영상 또는 외부 장치로부터 추출된 호흡 신호에 따라 x선 프로젝션을 다중 호흡 주기 빈으로 분류한 다음, FDK 등의 복원 알고리즘을 사용하여 각 호흡 주기 빈에서 독립적으로 3D CBCT 영상으로 재구성한다. FIG. 1 is a diagram illustrating an operation in which 4D CBCT classifies projection data and reconstructs an image. The 4D CBCT classifies the x-ray projection into multiple respiratory cycle bins according to the projection image or respiration signal extracted from an external device, and then reconstructs the 3D CBCT images independently in each respiratory cycle bin using a reconstruction algorithm such as FDK.

도 2는 4D CBCT가 비균일 샘플링된 프로젝션 데이터를 재구성한 영상을 나타낸 도면이다. 4D CBCT는 일정 시간 내에 여러 CBCT 영상들을 획득하기 위해 슬라이스 간 간격이 크게 촬영되므로, 정보량이 적고 호흡 중 연속 촬영으로 인한 움직임 인공음영(Motion Artifact)이 발생한다. 4D CBCT에서 갠트리가 저속으로 회전하기 때문에 스캔 시간이 증가하고 환자에게 조사되는 방사선량이 증가한다.2 is a diagram illustrating an image in which 4D CBCT reconstructs non-uniformly sampled projection data. Since 4D CBCT is photographed with large intervals between slices in order to acquire several CBCT images within a certain time, there is little information and motion artifact occurs due to continuous photographing during respiration. In 4D CBCT, the gantry rotates at low speed, increasing scan time and increasing radiation dose to the patient.

따라서 각 호흡 주기 빈에서 적절한 개수의 프로젝션이 필요하다. 특히, 각 호흡 주기 빈에는 약간 다른 시간 지점에서 동일한 대상을 캡쳐한 중복 정보를 포함하는 인접 프로젝션 데이터가 포함되어 있기 때문에 더 많은 수의 프로젝션이 필요하다. 각 위상 빈의 프로젝션 수가 부적절하면 아티팩트가 선명한 낮은 품질의 4D CBCT 영상을 획득하게 된다.Therefore, the appropriate number of projections in each respiratory bin is required. In particular, a larger number of projections are needed because each breathing cycle bin contains adjacent projection data containing duplicate information that captured the same subject at slightly different time points. Inadequate number of projections for each phase bin results in a low quality 4D CBCT image with clear artifacts.

한국등록특허공보 제10-1767069호 (2017.08.04.)Korea Patent Publication No. 10-1767069 (2017.08.04.)

본 발명의 실시예들은 복수의 프로젝션 데이터를 피검사체의 호흡 주기에 따라 복수의 그룹으로 분류하고, 분류된 그룹에 속하는 부분 프로젝션 데이터에 가중치 완화 맵을 적용하고 부분 프로젝션 데이터를 재구성하여 복원 영상을 생성함으로써, 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템이 적은 수의 프로젝션 영상으로 재구성한 복원 영상의 품질을 개선하는 데 발명의 주된 목적이 있다.Embodiments of the present invention classify a plurality of projection data into a plurality of groups according to the respiratory cycle of the subject, apply a weighted relaxation map to the partial projection data belonging to the classified group, and reconstruct the partial projection data to generate a reconstructed image Therefore, the main purpose of the invention is to improve the quality of the reconstructed image reconstructed by a small number of projection images by the four-dimensional cone beam computerized tomography system.

본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.Still other objects of the present invention may be additionally considered within the scope that can be easily inferred from the following detailed description and effects thereof.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템에 있어서, 적어도 일 방향으로 회전 가능하도록 형성된 갠트리, 상기 갠트리에 연결되며 피검사체에 방사선 빔을 조사하는 방사선 헤드, 상기 갠트리에 연결되며 상기 피검사체를 투과한 방사선 빔을 감지하여 복수의 프로젝션 데이터를 획득하는 패널 감지기, 및 상기 복수의 프로젝션 데이터를 상기 피검사체의 호흡 주기에 따라 복수의 그룹으로 분류하고, 상기 분류된 그룹에 속하는 부분 프로젝션 데이터에 가중치 완화 맵을 적용하고 상기 부분 프로젝션 데이터를 재구성하여 복원 영상을 생성하는 처리부를 포함하는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템을 제공한다.According to an aspect of the present embodiment, in a four-dimensional cone beam computerized tomography system, a gantry formed to be rotatable in at least one direction, a radiation head connected to the gantry and irradiating a radiation beam to an object to be inspected, connected to the gantry A panel detector that detects a radiation beam that has passed through the subject and obtains a plurality of projection data, and classifies the plurality of projection data into a plurality of groups according to the breathing cycle of the subject, and partial projection belonging to the classified group Provided is a four-dimensional cone beam computed tomography system including a processor for applying a weighted relaxation map to data and reconstructing the partial projection data to generate a reconstructed image.

본 실시예의 다른 측면에 의하면, 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템에 의한 영상 재구성 방법에 있어서, 적어도 일 방향으로 회전 가능하도록 형성된 갠트리, 상기 갠트리에 연결되며 피검사체에 방사선 빔을 조사하는 방사선 헤드, 상기 갠트리에 연결되며 상기 피검사체를 투과한 방사선 빔을 감지하여 복수의 프로젝션 데이터를 획득하는 패널 감지기, 및 처리부는 패널 감지기가 획득한 복수의 프로젝션 데이터를 피검사체의 호흡 주기에 따라 복수의 그룹으로 분류하는 단계, 및 처리부는 상기 분류된 그룹에 속하는 부분 프로젝션 데이터에 가중치 완화 맵을 적용하고 상기 부분 프로젝션 데이터를 재구성하여 복원 영상을 생성하는 단계를 포함하는 영상 재구성 방법을 제공한다.According to another aspect of the present invention, in the image reconstruction method by a four-dimensional cone beam computed tomography system, a gantry formed to be rotatable in at least one direction, a radiation head connected to the gantry and irradiating a radiation beam to the object under test, A panel detector connected to the gantry and detecting a radiation beam passing through the test object to obtain a plurality of projection data, and the processing unit classifies the plurality of projection data acquired by the panel detector into a plurality of groups according to the breathing cycle of the test object. And a processing unit applying a weighted relaxation map to partial projection data belonging to the classified group, and reconstructing the partial projection data to generate a reconstructed image.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 복수의 프로젝션 데이터를 피검사체의 호흡 주기에 따라 복수의 그룹으로 분류하고, 분류된 그룹에 속하는 부분 프로젝션 데이터에 가중치 완화 맵을 적용하고 부분 프로젝션 데이터를 재구성하여 복원 영상을 생성함으로써, 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템이 적은 수의 프로젝션 영상으로 재구성한 복원 영상의 품질을 개선할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the exemplary embodiments of the present invention, the plurality of projection data are classified into a plurality of groups according to the breathing period of the subject, a weighted relaxation map is applied to the partial projection data belonging to the classified group, and the partial projection is performed. By reconstructing the data to generate a reconstructed image, the 4D cone beam computed tomography system has an effect of improving the quality of the reconstructed image reconstructed into a small number of projection images.

여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.Even if the effects are not explicitly mentioned herein, the effects described in the following specification and the tentative effects expected by the technical features of the present invention are treated as described in the specification of the present invention.

도 1은 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템이 프로젝션 데이터를 분류하고 영상을 재구성하는 동작을 나타낸 도면이다.
도 2는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템이 비균일 샘플링된 프로젝션 데이터로 재구성한 영상을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템을 예시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템이 사전 영상과 가중치 완화 맵을 이용하여 영상을 재구성하는 동작을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템이 사전 영상의 화질을 개선하기 위한 선속 구동 방식을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템이 분할한 사전 영상과 분할한 타겟 영상을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템이 제약 최적화 기반의 반복적 재구성 알고리즘에 따라 영상을 재구성하는 동작을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 영상 재구성 방법을 예시한 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들이 재구성한 영상을 예시한 도면이다.
1 is a diagram illustrating an operation of classifying projection data and reconstructing an image by a 4D cone beam computed tomography system.
FIG. 2 is a diagram illustrating an image reconstructed by non-uniformly sampled projection data by a 4D cone beam computed tomography system.
Figure 3 is a block diagram illustrating a four-dimensional cone beam computerized tomography system according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating an operation of reconstructing an image using a prior image and a weighted relaxation map by a 4D cone beam computed tomography system according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a beam driving method for improving a quality of a prior image by a 4D cone beam computed tomography system according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a divided preliminary image and a divided target image by the 4D cone beam computed tomography system according to an exemplary embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating an operation of reconstructing an image according to a constraint optimization based repetitive reconstruction algorithm according to an embodiment of the present invention.
8 is a flowchart illustrating an image reconstruction method according to another embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating an image reconstructed by embodiments of the present invention.

이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.Hereinafter, in the following description of the present invention, if it is determined that the subject matter of the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted and some embodiments of the present invention will be omitted. It will be described in detail through an exemplary drawing.

4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템은 원추형으로 발산하는 X선을 조사하고, 환자의 호흡 주기에 따라 획득한 투사 영상에서 단층 영상으로 복원하는 장비이다. The four-dimensional cone beam computed tomography system is a device for irradiating conical divergent X-rays and restoring to a tomography image from a projection image acquired according to the patient's breathing cycle.

도 3은 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템을 예시한 블록도이다.3 is a block diagram illustrating a four-dimensional cone beam computed tomography system.

도 3에 도시한 바와 같이, 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템(100)은 갠트리(Gantry, 110), 방사선 헤드(Radiation Head, 120), 패널 감지기(Panel Detector, 130), 처리부(Processor, 140)를 포함한다. 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템(100)은 도 3에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. As shown in FIG. 3, the cone beam computerized tomography system 100 includes a gantry 110, a radiation head 120, a panel detector 130, and a processor 140. do. The cone beam computed tomography system 100 may omit some of the various components illustrated in FIG. 3 or further include other components.

갠트리(110)는 본체부에 연결되며 적어도 일 방향으로 회전 가능하도록 형성된다. 갠트리(110)는 방사선 헤드(120) 및 패널 감지기(130) 사이에 위치한 피검사체 주위를 360도 회전한다. 갠트리(120)는 경사계 센서를 추가로 포함할 수 있다.The gantry 110 is connected to the main body and is formed to be rotatable in at least one direction. The gantry 110 rotates 360 degrees around the inspected object located between the radiation head 120 and the panel detector 130. The gantry 120 may further include an inclinometer sensor.

방사선 헤드(120)는 갠트리(110)에 연결되며 피검사체에 방사선 빔을 조사한다. 방사선 헤드(120)는 피검사체를 촬영하는 스캔 시간 동안 작동한다.The radiation head 120 is connected to the gantry 110 and irradiates a beam of radiation to the object under test. The radiation head 120 operates during the scan time for photographing the subject.

패널 감지기(130)는 갠트리(110)에 연결되며 피검사체를 투과한 방사선 빔을 감지하여 복수의 프로젝션(Projection) 데이터를 획득한다.The panel detector 130 is connected to the gantry 110 and detects a radiation beam that has passed through the object to obtain a plurality of projection data.

처리부(260)는 복수의 프로젝션 데이터에 재구성 알고리즘을 적용하여 재구성 영상을 생성한다. 처리부(260)는 복수의 프로젝션 데이터를 피검사체의 호흡 주기에 따라 복수의 그룹으로 분류한다. 처리부(260)는 분류된 그룹에 속하는 부분 프로젝션 데이터에 가중치 완화 맵을 적용하고 부분 프로젝션 데이터를 재구성하여 복원 영상을 생성한다.The processor 260 generates a reconstructed image by applying a reconstruction algorithm to the plurality of projection data. The processor 260 classifies the plurality of projection data into a plurality of groups according to the breathing cycle of the subject. The processor 260 generates a reconstructed image by applying a weighted relaxation map to the partial projection data belonging to the classified group and reconstructing the partial projection data.

도 4는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템이 사전 영상과 가중치 완화 맵을 이용하여 영상을 재구성하는 동작을 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating an operation of reconstructing an image using a prior image and a weighted relaxation map by a 4D cone beam computed tomography system.

처리부는 부분 프로젝션 데이터를 사전 영상으로 적용하고 가중치 완화 맵을 타겟 영상으로 적용하고, 사전 영상과 타겟 영상을 비교한 차영상으로 정의된 제1 목적 함수를 최소화하는 제약 최적화(Constraint Optimization) 기반의 반복적 재구성(Iterative Reconstruction) 알고리즘에 따라 복원 영상을 생성한다. 프로젝션 볼륨을 재구성하여 복원 영상을 생성하고, 복원 영상을 리프로젝션(Reprojection)하여 재투영 영상을 생성하고, 재투영 영상에 가중치 완화 맵을 적용하고, 다시 반복적 재구성 알고리즘을 적용한다.The processor applies the partial projection data as the pre-image, applies the weighted relaxation map as the target image, and minimizes the first objective function defined as the difference image comparing the pre-image with the target image. A reconstructed image is generated according to an iterative reconstruction algorithm. A reconstructed image is generated by reconstructing the projection volume, a reprojection is generated by reprojecting the reconstructed image, a weighted relaxation map is applied to the reprojected image, and an iterative reconstruction algorithm is applied again.

가중치 완화 맵은 비교되는 영상 간에 불일치 영역을 검출하고 불일치 영역의 픽셀 또는 복셀의 인텐시티 정보를 거리 변환하여 산출된다. 상기 가중치 완화 맵에 포함된 픽셀 또는 복셀은 불일치 영역의 분포 특징을 나타내는 완화 계수를 대표한다. 완화 계수는 최적화 함수의 반복 횟수를 조절하는 계수이며, 반복적 재구성 알고리즘의 반복 횟수가 변경될 수 있다. 가중치 완화 맵의 완화 계수는 불일치 정도가 높을수록 높은 가중치가 할당되고, 불일치 정도가 낮을수록 낮은 가중치가 할당된다.The weighted relaxation map is calculated by detecting an inconsistency region between images to be compared and distance converting intensity information of pixels or voxels of the inconsistency region. A pixel or voxel included in the weighted relaxation map represents a relaxation coefficient representing a distribution characteristic of a mismatched region. The relaxation coefficient is a coefficient for adjusting the number of iterations of the optimization function, and the number of iterations of the iterative reconstruction algorithm may be changed. The relaxation factor of the weighted relaxation map is assigned a higher weight as the degree of inconsistency is higher, and a lower weight is assigned as the degree of inconsistency is lower.

제1 목적 함수는 압축 센싱(Compressed Sensing) 방식의 목적 함수에 사전 영상과 타겟 영상 간의 차영상(μd)을 고려한 형태로 수학식 1과 같이 표현된다. 사전 영상은 방사선 요법 치료 첫 날에 촬영되어 전체 투영법을 사용하여 재구성된 영상이 사용될 수 있다.The first objective function is expressed by Equation 1 in consideration of the difference image μ d between the pre-image and the target image in the compressed function. Preliminary images may be taken on the first day of radiation therapy treatment and reconstructed using full projection.

Figure pat00001
Figure pat00001

Figure pat00002
는 재구성 단면 영상 (l, m, n) 좌표에서 이산 기울기 변환 함수를 통해 얻어진 기울기를 의미하며, 수학식 2와 같이 표현된다.
Figure pat00002
Denotes the slope obtained through the discrete gradient transformation function in the reconstructed cross-sectional image (l, m, n) coordinates, and is represented by Equation 2 below.

Figure pat00003
Figure pat00003

처리부는 목적 함수 최소화를 위해 데이터 적합도 함수와 영상 적합도 함수를 교대로 최소화하는 제약 최적화 기법을 적용한다. The processor applies a constraint optimization technique that alternately minimizes the data fit function and the image fit function to minimize the objective function.

처리부는 제1 목적 함수에 경계 영역과 잡음 영역을 분리하는 이방 계수(Anisotropic Penalty, ωj)를 추가하여 주변 픽셀과의 대조도에 따라 차등적으로 계산한다. 이방 계수가 추가된 제1 목적 함수는 수학식 3과 같이 표현되고, 이방 계수는 수학식 4와 같이 표현된다. 주변 화소들(μm)에 비해 상대적으로 높은 대조도를 보이는 경계들은 보존되고, 낮은 대조도를 보이는 잡음 복셀들은 억제된다.The processor adds an anisotropic coefficient (ω j ) that separates the boundary region and the noise region to the first objective function to calculate differentially according to the contrast with the surrounding pixels. The first objective function to which the anisotropy coefficient is added is expressed as in Equation 3, and the anisotropic coefficient is expressed in Equation 4. Borders showing a relatively high contrast compared to the surrounding pixels [mu] m are preserved, and noise voxels showing a low contrast are suppressed.

Figure pat00004
Figure pat00004

Figure pat00005
Figure pat00005

경계 영역과 잡음 영역을 분리하기 위한 보존 파라미터 δ는 각 단면 영상으로부터 밝기 값의 기울기 값을 계산하고, 이를 누적한 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function, CDF) 히스토그램을 통하여 최적의 보존 파라미터를 결정할 수 있다.The retention parameter δ for separating the boundary area and the noise area may be calculated by calculating a gradient value of the brightness value from each cross-sectional image and determining an optimal retention parameter through a cumulative cumulative distribution function (CDF) histogram. .

도 5는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템이 사전 영상의 화질을 개선하기 위한 선속 구동 방식을 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating a beam driving method for improving a quality of a previous image by a 4D cone beam computed tomography system.

처리부는 선속 구동형 역투영(Ray Driven Backprojection) 방식을 적용하여 사전 영상의 화질을 개선한다. 선속 구동형 역투영 방식은 실제 X-선의 기하학적 투사 궤도를 반영한 기법이다. 모델링하기 위해서는 모든 각도에 따른 X선원의 위치 (x1, y1, z1)를 샘플링해야 한다.The processor applies a ray driven backprojection method to improve the quality of the previous image. Beam-driven reverse projection is a technique that reflects the actual X-ray geometric projection trajectory. To model, we need to sample the position (x1, y1, z1) of the X-ray source along all angles.

처리부는 계산 시간의 단축하기 위하여, 사전 영상의 복셀의 8개의 모서리로부터 패널 감지기에 대응하는 픽셀의 위치를 산출한다. 처리부는 대응하는 픽셀을 포함하는 볼록 집합(Convex Hull) 내부의 픽셀에 대하여만 패널 감지기의 각 채널의 중심 위치로부터 선속(Ray)를 시작하여 복셀을 투과하면서 복셀에서 교차되는 길이를 산출한다. 처리부는 교차되는 길이만큼의 가중치를 적용하여 복셀을 갱신할 수 있다. 선속 구동형 역투영 방식은 두드러진 경계들을 유지하면서 잡음 픽셀들을 부드럽게 만든다.The processing unit calculates the position of the pixel corresponding to the panel sensor from eight corners of the voxel of the prior image, in order to shorten the calculation time. The processor calculates the length crossing the voxel while passing through the voxel starting the ray from the center position of each channel of the panel detector only for the pixels inside the convex hull including the corresponding pixel. The processor may update the voxel by applying a weight equal to the length that is crossed. The flux-driven backprojection softens the noisy pixels while maintaining prominent boundaries.

처리부는 선속 구동형 역투영 방식을 이용하여 획득한 고선명 사전 영상에 반자동 분할도구를 이용하여 분할 사전 영상을 생성하고 이를 가중치 완화 맵(Weighted Relaxation Map)을 갱신하는 데 활용할 수 있다. 분할 사전 영상은 사전 영상의 밝기 값을 기준으로 임계치와 비교하여 분할된 영상이다.The processor may generate a segmented dictionary image by using a semi-automatic segmentation tool on the high-definition dictionary image obtained by using a beam-driven reverse projection method, and use the same to update the weighted relaxation map. The divided pre-image is an image divided by comparing with a threshold based on the brightness value of the pre-image.

처리부는 반복적 재구성 알고리즘을 수행하면서 매 반복과정동안 업데이트 된 재구성 단면 영상에 클러스터링 알고리즘을 적용하여 분할한 타겟 영상을 생성한 후에, 분할 사전 영상과의 비교를 통해 가중치 완화 맵을 갱신할 수 있다.The processor may generate a split target image by applying a clustering algorithm to the reconstructed cross-sectional image updated during each iteration while performing an iterative reconstruction algorithm, and then update the weighted relaxation map through comparison with the split prior image.

도 6의 (a)는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템이 고선명 사전 영상에 반자동 분할도구를 적용하여 얻은 분할 사전 영상이고, 도 6의 (b)는 반복적 재구성 알고리즘이 수행되면서 매 반복과정동안 업데이트된 재구성 타겟 영상에 클러스터링 알고리즘을 적용한 분할 타겟 영상을 나타내며, 그룹화된 복셀 별로 다른 색상으로 가시화하였다.FIG. 6 (a) is a segmented pre-image obtained by applying a semi-automatic segmentation tool to a high-definition pre-image in a 4D cone beam computed tomography system, and FIG. 6 (b) is updated during every iteration while an iterative reconstruction algorithm is performed. The segmented target image, which is a clustering algorithm applied to the reconstructed target image, is visualized in a different color for each grouped voxel.

처리부는 반복적 재구성 알고리즘 적용시 매 반복과정동안 업데이트된 타겟 영상의 영역을 분할한다. 처리부는 타겟 영상의 밝기 값이 특정 그룹에 속할 가능성을 기준으로 타겟 영상의 밝기 값으로 정의된 제2 목적 함수를 최적화하여 타겟 영상을 그룹화한다.When the iterative reconstruction algorithm is applied, the processor divides the region of the target image updated during each iteration. The processor groups the target images by optimizing the second objective function defined as the brightness values of the target images based on the possibility that the brightness values of the target images belong to a specific group.

처리부는 특정 그룹의 중심 벡터로부터 가까운 벡터는 높은 가중치를 갖도록 설정하고 특정 그룹의 중심 벡터로부터 먼 벡터는 낮은 가중치를 갖도록 설정하여 사전 영상의 밝기 값을 분류한다. 처리부는 모든 그룹의 중심 벡터를 다시 산출하며 산출한 중심 벡터가 바뀌지 않을 때까지 가중치를 부여하는 과정을 반복하여 수행한다. 처리부는 동일 넘버를 갖는 그룹을 분류한다.The processor classifies the brightness value of the prior image by setting a vector that is close to the center vector of the specific group to have a high weight and a vector that is far from the center vector of the specific group to have a low weight. The processor recalculates the center vectors of all groups and repeatedly performs the process of assigning weights until the calculated center vectors do not change. The processing unit classifies groups having the same number.

처리부는 클러스터의 개수 c(2=c≤=n)을 정하고 지수의 가중(exponential weight) m(1<m<∞)을 선택한다. 초기 소속함수 U(0)를 초기화하고, 알고리즘 반복 회수를 r(r=0, 1, 2, ...)로 표시할 때, 소속함수 U는 0과 1사이의 값을 갖고, 소속 정도의 합은 항상 1로 설정될 수 있다. 소속 정도는 수학식 5와 같이 표현된다.The processor determines the number of clusters c (2 = c ≦ = n) and selects the exponential weight m (1 <m <∞). When initializing the initial membership function U (0) and expressing the number of iterations of the algorithm as r (r = 0, 1, 2, ...), the membership function U has a value between 0 and 1, The sum can always be set to one. Degree of belonging is expressed as in Equation 5.

Figure pat00006
Figure pat00006

제2 목적 함수는 수학식 6과 같이 표현되며, 제2 목적 함수의 값이 최소로 접근하기 위해서 반복적으로 수행한다.The second objective function is expressed as in Equation 6, and is repeatedly performed in order to minimize the value of the second objective function.

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서 uik는 0과 1사이의 값으로 1번째 클러스터에 속해져 있는 xk의 k번째 데이터의 소속 정도를 의미한다. vi는 i번째 클러스터 중심벡터이고, j(j=1, 2, 3, ..., L)는 특정 공간 상의 변수이다.Where u ik is a value between 0 and 1, indicating the degree of belonging to the k-th data of x k belonging to the first cluster. v i is the i th cluster center vector and j (j = 1, 2, 3, ..., L) is a variable in a specific space.

처리부는 수학식 7을 이용하여 퍼지 클러스터의 중심 {vi|i=1, 2, ..., c} 을 계산한다.The processor calculates the center {v i | i = 1, 2, ..., c} of the fuzzy cluster using Equation 7.

Figure pat00008
Figure pat00008

새로운 소속 함수 U(r+1)는 수학식 8을 통하여 계산된다.The new membership function U (r + 1) is calculated through equation (8).

Figure pat00009
Figure pat00009

처리부는 수학식 9를 계산해서 만일 △>ε이면 r=r+1로 정하고 퍼지 클러스터 중심을 다시 계산하고 위 단계를 반복 수행한다. △≤ε이면 알고리즘을 종료한다. ε는 임계값을 의미한다.The processor calculates Equation (9), and if Δ> ε, sets r = r + 1, recalculates the fuzzy cluster center, and repeats the above steps. If Δ≤ε, the algorithm ends. ε means the threshold value.

Figure pat00010
Figure pat00010

도 7은 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템이 제약 최적화 기반의 반복적 재구성 알고리즘에 따라 영상을 재구성하는 동작을 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating an operation of reconstructing an image according to a constraint optimization based repetitive reconstruction algorithm, using a 4D cone beam computed tomography system.

처리부는 제1 목적 함수를 최소화하기 위하여, 제1 목적 함수의 데이터 적합도를 최소화하고 제1 목적 함수의 영상 적합도를 최소화한다.The processor minimizes data suitability of the first objective function and minimizes image suitability of the first objective function in order to minimize the first objective function.

처리부가 데이터 적합도를 최소화하는 것은 가중치 완화 맵을 기반으로 반복적 재구성 알고리즘을 적용할 수 있다. 반복 재구성 기법인 SART(Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique)에 가중치 완화 계수를 적용할 수 있다.The processing unit may apply an iterative reconstruction algorithm based on a weight relaxation map to minimize data suitability. The weighted relaxation coefficient may be applied to the SART (Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique).

처리부가 영상 적합도를 최소화하는 것은 적응적 경사 하강법(Steepest Gradient Descent)을 적용할 수 있다. 적응적 경사 하강법을 적용하여 제1 목적 함수를 최소화하고, 두드러진 경계들을 유지하면서 잡음 복셀들이 부드러워지는 최적의 경사 하강법의 반복 회수를 파인 튜닝(Fine Tuning)을 통하여 결정할 수 있다. 파인 튜닝을 통하여 이미 존재하는 모델에 추가 데이터를 입력하여 파라미터를 갱신한다. 전역 변형(Total Variation)에 관한 정규함수를 최소화한다. The processing unit may apply adaptive gradient descent to minimize image fit. By applying adaptive gradient descent, the optimal number of iterations of the optimal gradient descent that softens the noise voxels while minimizing the first objective function can be determined through fine tuning. Fine tuning updates parameters by entering additional data into an existing model. Minimize the canonical function with respect to global variation.

처리부는 복원 영상의 밝기 값으로 정의된 제3 목적 함수에 적응적 경사 하강법(Gradient Descent)을 적용하고, 제3 목적 함수를 최적화하는 파라미터를 검출하는 과정을 반복하여 복원 영상을 필터링할 수 있다.The processor may filter the reconstructed image by applying an adaptive gradient descent method to the third objective function defined as the brightness value of the reconstructed image and repeating the process of detecting a parameter that optimizes the third objective function. .

전역 변형 저감화(Total Variation Denoising, TVD) 기법을 적용한 제3 목적 함수는 수학식 10과 같이 표현된다.The third objective function to which the Total Variation Denoising (TVD) technique is applied is expressed by Equation 10.

Figure pat00011
Figure pat00011

P(u,v)에서 X선 영상의 (u,v) 좌표에서의 밝기 값이고, G(P(u,v))는 X선 영상의 (u,v)에서 계산된 이산 기울기 변환 함수를 통해 얻어진 기울기 값을 의미한다. 적응적 경사 하강법(Steepest Gradient Descent)을 적용하여 제3 목적 함수를 최소화하고 이는 수학식 11과 같이 표현된다.P ( u, v ) is the brightness value at the (u, v) coordinate of the X-ray image, and G (P ( u, v )) is the discrete gradient conversion function calculated at (u, v) of the X-ray image. It means the slope value obtained through. Adaptive Gradient Descent is applied to minimize the third objective function, which is expressed by Equation 11.

Figure pat00012
Figure pat00012

λ는 반복 단계가 진행됨에 따라 부드러움 정도가 감소될 수 있도록 제어하는 적응 파라미터이고, 각 경사 하강법 단계에서 갱신된 값이 반복 회수가 증가함에 따라 보다 작은 값으로 지정되도록 제어한다. t는 반복 회수를 의미한다.[lambda] is an adaptation parameter that controls the degree of smoothness as the repetition step proceeds, and the updated value in each gradient descent step is controlled to be set to a smaller value as the number of repetitions increases. t means the number of repetitions.

▽R(Pj)는 각 경사 하강법 단계에서 계산되는 제3 목적 함수의 X선 영상의 j번째 색인된 위치에서의 기울기를 의미하고 모든 위치에서 계산된 기울기의 제곱근의 합 |▽R(Pj)|는 정규화된 기울기 계산을 위해 요구된다. 이러한 기울기는 수학식 12와 수학식 13과 같이 표현된다.▽ R (P j ) means the slope at the j-th indexed position of the X-ray image of the third objective function calculated at each gradient descent step and the sum of the square roots of the slopes calculated at all positions j ) | is required for the normalized slope calculation. This slope is expressed by Equation 12 and Equation 13.

Figure pat00013
Figure pat00013

Figure pat00014
Figure pat00014

적응적 경사 하강법(Steepest Gradient Descent)에 관한 알고리즘은 표 1과 같이 표현될 수 있다.The algorithm for the adaptive gradient descent can be expressed as shown in Table 1.

Figure pat00015
Figure pat00015

4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템에 포함된 구성요소들이 도 3에서는 분리되어 도시되어 있으나, 복수의 구성요소들은 상호 결합되어 적어도 하나의 모듈로 구현될 수 있다. 구성요소들은 장치 내부의 소프트웨어적인 모듈 또는 하드웨어적인 모듈을 연결하는 통신 경로에 연결되어 상호 간에 유기적으로 동작한다. 이러한 구성요소들은 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 이용하여 통신한다.Although components included in the 4D cone beam computed tomography system are separately illustrated in FIG. 3, the plurality of components may be combined with each other to be implemented as at least one module. The components are connected to a communication path connecting a software module or a hardware module inside the device and operate organically with each other. These components communicate using one or more communication buses or signal lines.

4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템은 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합에 의해 로직회로 내에서 구현될 수 있고, 범용 또는 특정 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수도 있다. 장치는 고정배선형(Hardwired) 기기, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA), 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 등을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 장치는 하나 이상의 프로세서 및 컨트롤러를 포함한 시스템온칩(System on Chip, SoC)으로 구현될 수 있다.The four-dimensional cone beam computed tomography system may be implemented in a logic circuit by hardware, firmware, software, or a combination thereof, or may be implemented using a general purpose or special purpose computer. The device may be implemented using a hardwired device, a field programmable gate array (FPGA), an application specific integrated circuit (ASIC), or the like. The device may also be implemented as a System on Chip (SoC) including one or more processors and controllers.

4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템은 하드웨어적 요소가 마련된 컴퓨팅 디바이스에 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합하는 형태로 구현될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신장치, 프로그램을 실행하기 위한 데이터를 저장하는 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 명령하기 위한 마이크로프로세서 등을 전부 또는 일부 포함한 다양한 장치를 의미할 수 있다.The four-dimensional cone beam computerized tomography system may be implemented in the form of software, hardware, or a combination thereof in a computing device provided with hardware elements. The computing device includes various or all communication devices such as a communication modem for performing communication with various devices or wired and wireless communication networks, a memory for storing data for executing a program, and a microprocessor for executing and operating a program. It can mean a device.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 영상 재구성 방법을 예시한 흐름도이다. 영상 재구성 방법은 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템에 의하여 수행될 수 있으며, 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템이 수행하는 동작에 관한 상세한 설명과 중복되는 설명은 생략하기로 한다.8 is a flowchart illustrating an image reconstruction method according to another embodiment of the present invention. The image reconstruction method may be performed by a 4D cone beam computed tomography system, and a detailed description of the operations performed by the 4D cone beam computed tomography system and a duplicate description thereof will be omitted.

단계 S810에서, 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템은 획득한 복수의 프로젝션 데이터를 피검사체의 호흡 주기에 따라 복수의 그룹으로 분류한다.In step S810, the 4D cone beam computed tomography system classifies the obtained plurality of projection data into a plurality of groups according to the breathing cycle of the subject.

단계 S820에서, 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템은 분류된 그룹에 속하는 부분 프로젝션 데이터에 가중치 완화 맵을 적용하고 상기 부분 프로젝션 데이터를 재구성하여 복원 영상을 생성한다.In operation S820, the 4D cone-beam computed tomography system applies a weighted relaxation map to the partial projection data belonging to the classified group, and reconstructs the partial projection data to generate a reconstructed image.

복원 영상을 생성하는 단계(S820)는 부분 프로젝션 데이터를 사전 영상으로 적용하고 가중치 완화 맵을 타겟 영상으로 적용하고, 사전 영상과 타겟 영상을 비교한 차영상으로 정의된 제1 목적 함수를 최소화하는 제약 최적화(Constraint Optimization) 기반의 반복적 재구성(Iterative Reconstruction) 알고리즘에 따라 복원 영상을 생성한다.The generating of the reconstructed image (S820) may include applying partial projection data as a pre-image, applying a weighted relaxation map as a target image, and minimizing a first objective function defined as a difference image comparing the pre-image with the target image. A reconstructed image is generated according to an Iterative Reconstruction algorithm based on a Constraint Optimization.

가중치 완화 맵은 비교되는 영상 간에 불일치 영역을 검출하고 불일치 영역의 픽셀 또는 복셀의 인텐시티 정보를 거리 변환하여 산출되며, 가중치 완화 맵에 포함된 픽셀 또는 복셀은 불일치 영역의 분포 특징을 나타내는 완화 계수를 대표하며, 완화 계수에 따라 반복적 재구성 알고리즘의 반복 횟수가 변경될 수 있다. 가중치 완화 맵의 완화 계수는 불일치 정도가 높을수록 높은 가중치가 할당되고, 불일치 정도가 낮을수록 낮은 가중치가 할당될 수 있다.The weighted relaxation map is calculated by detecting an inconsistency region between compared images and distance converting intensity information of pixels or voxels of the inconsistency region, and the pixels or voxels included in the weighted relaxation map represent relaxation coefficients representing distribution characteristics of the inconsistency region. In addition, the number of iterations of the iterative reconstruction algorithm may be changed according to the relaxation coefficient. The relaxation coefficient of the weighted relaxation map may be assigned a higher weight as the degree of inconsistency is higher, and a lower weight may be assigned as the degree of inconsistency is lower.

복원 영상을 생성하는 단계(S820)는 제1 목적 함수를 최소화하기 위하여, 제1 목적 함수의 데이터 적합도를 최소화하고 제1 목적 함수의 영상 적합도를 최소화하며, 데이터 적합도를 최소화하는 것은 가중치 완화 맵을 기반으로 반복적 재구성 알고리즘을 적용하고, 영상 적합도를 최소화하는 것은 적응적 경사 하강법을 적용할 수 있다. 제1 목적 함수에 경계 영역과 잡음 영역을 분리하는 이방 계수를 추가하여 주변 픽셀과의 대조도에 따라 차등적으로 계산할 수 있다.Generating the reconstructed image (S820) may include minimizing data suitability of the first objective function, minimizing image suitability of the first objective function, and minimizing data suitability in order to minimize the first objective function. Applying an iterative reconstruction algorithm based on this, and minimizing the image fit can apply an adaptive gradient descent method. An anisotropic coefficient that separates the boundary region and the noise region may be added to the first objective function to calculate differentially according to the degree of contrast with the surrounding pixels.

복원 영상을 생성하는 단계(S820)는 복셀의 8개의 모서리로부터 패널 감지기에 대응하는 픽셀의 위치를 산출하고 대응하는 픽셀을 포함하는 볼록 집합(Convex Hull) 내부의 픽셀에 대하여만 패널 감지기의 각 채널의 중심 위치로부터 선속(Ray)를 시작하여 복셀을 투과하면서 복셀에서 교차되는 길이를 산출하고 교차되는 길이만큼의 가중치를 적용하여 복셀을 갱신할 수 있다.Generating the reconstructed image (S820) calculates the position of the pixel corresponding to the panel detector from the eight corners of the voxel and for each channel of the panel detector only for the pixels inside the convex hull containing the corresponding pixel. The length of the crossing in the voxel may be calculated while passing through the voxel from the center position of the ray, and the voxel may be updated by applying a weight equal to the length of the crossing.

복원 영상을 생성하는 단계(S820)는 반자동분할도구를 이용해 분할된 사전 영상과 반복적 재구성 알고리즘의 매 반복과정동안 업데이트된 재구성 타겟 영상에 클러스터링 알고리즘을 적용해 얻은 분할 타겟 영상을 이용하여 가중치 완화 맵을 갱신할 수 있다. 타겟 영상의 영역을 분할하는 과정은 타겟 영상의 밝기 값이 특정 그룹에 속할 가능성을 기준으로 타겟 영상의 밝기 값으로 정의된 제2 목적 함수를 최적화하여 타겟 영상을 그룹화할 수 있다. 타겟 영상의 영역을 분할하는 과정은 특정 그룹의 중심 벡터로부터 가까운 벡터는 높은 가중치를 갖도록 설정하고 특정 그룹의 중심 벡터로부터 먼 벡터는 낮은 가중치를 갖도록 설정하여 타겟 영상의 밝기 값을 분류하며, 모든 그룹의 중심 벡터를 다시 산출하며 산출한 중심 벡터가 바뀌지 않을 때까지 가중치를 부여하는 과정을 반복하여 수행할 수 있다.The generating of the reconstructed image (S820) may be performed by using the segmentation target image obtained by applying the clustering algorithm to the reconstructed target image updated during every iteration of the pre-partitioned image and the repetitive reconstruction algorithm using the semi-automatic segmentation tool. Can be updated. In the process of dividing an area of the target image, the target image may be grouped by optimizing a second objective function defined as the brightness value of the target image based on the possibility that the brightness value of the target image belongs to a specific group. In the process of dividing the region of the target image, the brightness vector of the target image is classified by setting a vector close to the center vector of the specific group to have a high weight and a vector far from the center vector of the specific group to have a low weight. The process of repeating the process of assigning the weights until the calculated center vector does not change again can be performed.

복원 영상을 생성하는 단계(S820)는, 복원 영상의 밝기 값으로 정의된 제3 목적 함수에 적응적 경사 하강법(Gradient Descent)을 적용하고, 제3 목적 함수를 최적화하는 파라미터를 검출하는 과정을 반복하여 복원 영상을 필터링할 수 있다.The generating of the reconstructed image (S820) may include applying an adaptive gradient descent method to a third objective function defined as a brightness value of the reconstructed image and detecting a parameter for optimizing the third objective function. The reconstructed image may be filtered repeatedly.

도 9의 (a)는 FDK 복원 알고리즘을 이용하여 재구성한 영상이고, 도 9의 (b)는 CS 복원 알고리즘을 이용하여 재구성한 영상이고, 도 9의 (c)는 PICCS 복원 알고리즘을 이용하여 재구성한 영상이고, 도 9의 (d)는 본 실시예에 따른 복원 알고리즘을 이용하여 재구성한 영상이다. 본 실시예에 따른 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템이 적은 수의 프로젝션 데이터를 이용하여 고품질의 복원 영상을 획득할 수 있음을 확인할 수 있다.9 (a) is an image reconstructed using the FDK reconstruction algorithm, FIG. 9 (b) is an image reconstructed using the CS reconstruction algorithm, and FIG. 9 (c) is reconstructed using the PICCS reconstruction algorithm. 9 (d) is an image reconstructed using the reconstruction algorithm according to the present embodiment. It can be seen that the 4D cone-beam computed tomography system according to the present embodiment can obtain a high quality reconstructed image using a small number of projection data.

도 8에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 8에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.Although each process is described as being sequentially executed in FIG. 8, this is merely an example, and a person skilled in the art may change the order described in FIG. 8 without departing from the essential characteristics of the exemplary embodiment of the present invention. It may be possible to apply various modifications and variations, or to execute one or more processes in parallel or to add other processes.

본 실시예들에 따른 동작은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 실행을 위해 프로세서에 명령어를 제공하는 데 참여한 임의의 매체를 나타낸다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 자기 매체, 광기록 매체, 메모리 등이 있을 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드, 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.The operations according to the embodiments may be implemented in the form of program instructions that may be executed by various computer means, and may be recorded in a computer readable medium. Computer-readable media refers to any medium that participates in providing instructions to a processor for execution. Computer-readable media can include program instructions, data files, data structures, or a combination thereof. For example, there may be a magnetic medium, an optical recording medium, a memory, and the like. The computer program may be distributed over networked computer systems so that the computer readable code is stored and executed in a distributed fashion. Functional programs, codes, and code segments for implementing the present embodiment may be easily inferred by programmers in the art to which the present embodiment belongs.

본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The present embodiments are for explaining the technical idea of the present embodiment, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present embodiment should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present embodiment.

100: 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템
110: 갠트리
120: 방사선 헤드
130: 패널 감지기
140: 처리부
100: four-dimensional cone beam computed tomography system
110: gantry
120: radiation head
130: panel detector
140: processing unit

Claims (17)

4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템에 있어서,
적어도 일 방향으로 회전 가능하도록 형성된 갠트리;
상기 갠트리에 연결되며 피검사체에 방사선 빔을 조사하는 방사선 헤드;
상기 갠트리에 연결되며 상기 피검사체를 투과한 방사선 빔을 감지하여 복수의 프로젝션 데이터를 획득하는 패널 감지기; 및
상기 복수의 프로젝션 데이터를 상기 피검사체의 호흡 주기에 따라 복수의 그룹으로 분류하고, 상기 분류된 그룹에 속하는 부분 프로젝션 데이터에 가중치 완화 맵을 적용하고 상기 부분 프로젝션 데이터를 재구성하여 복원 영상을 생성하는 처리부
를 포함하는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템.
In a four-dimensional cone beam computed tomography system,
A gantry formed to be rotatable in at least one direction;
A radiation head connected to the gantry and irradiating a radiation beam to the object under test;
A panel detector connected to the gantry and configured to detect a radiation beam passing through the inspected object to obtain a plurality of projection data; And
A processor configured to classify the plurality of projection data into a plurality of groups according to a breathing cycle of the subject, apply a weighted relaxation map to the partial projection data belonging to the classified group, and reconstruct the partial projection data to generate a reconstructed image
Four-dimensional cone beam computerized tomography system comprising a.
제1항에 있어서,
상기 처리부는 상기 부분 프로젝션 데이터를 사전 영상으로 적용하고 상기 가중치 완화 맵을 타겟 영상으로 적용하고, 상기 사전 영상과 상기 타겟 영상을 비교한 차영상으로 정의된 제1 목적 함수를 최소화하는 제약 최적화(Constraint Optimization) 기반의 반복적 재구성(Iterative Reconstruction) 알고리즘에 따라 상기 복원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템.
The method of claim 1,
The processor may apply the partial projection data as a prior image, apply the weighted relaxation map as a target image, and minimize a first objective function defined as a difference image comparing the prior image with the target image. And a reconstructed image according to an iterative reconstruction algorithm based on an optimization.
제2항에 있어서,
상기 가중치 완화 맵은 비교되는 영상 간에 불일치 영역을 검출하고 상기 불일치 영역의 픽셀 또는 복셀의 인텐시티 정보를 거리 변환하여 산출되며, 상기 가중치 완화 맵에 포함된 상기 픽셀 또는 상기 복셀은 상기 불일치 영역의 분포 특징을 나타내는 완화 계수를 대표하며, 상기 완화 계수에 따라 상기 반복적 재구성 알고리즘의 반복 횟수가 변경되는 것을 특징으로 하는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템.
The method of claim 2,
The weighted relaxation map is calculated by detecting an inconsistency region between images to be compared and distance converting intensity information of pixels or voxels of the inconsistency region, and the pixels or voxels included in the weighted relaxation map are distributed of the inconsistency region. And a repetition coefficient of the repetitive reconstruction algorithm according to the remission coefficient.
제3항에 있어서,
상기 가중치 완화 맵의 상기 완화 계수는 불일치 정도가 높을수록 높은 가중치가 할당되고, 불일치 정도가 낮을수록 낮은 가중치가 할당되는 것을 특징으로 하는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템.
The method of claim 3,
The relaxation coefficient of the weighted relaxation map is assigned a higher weight as the degree of inconsistency is higher, and a lower weight is assigned as the degree of inconsistency is lower.
제2항에 있어서,
상기 처리부는 상기 제1 목적 함수를 최소화하기 위하여, 상기 제1 목적 함수의 데이터 적합도를 최소화하고 상기 제1 목적 함수의 영상 적합도를 최소화하며, 상기 데이터 적합도를 최소화하는 것은 상기 가중치 완화 맵을 기반으로 반복적 재구성 알고리즘을 적용하고, 상기 영상 적합도를 최소화하는 것은 적응적 경사 하강법을 적용하는 것을 특징으로 하는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템.
The method of claim 2,
In order to minimize the first objective function, the processor minimizes data suitability of the first objective function, minimizes image suitability of the first objective function, and minimizing the data suitability based on the weight relaxation map. Applying an iterative reconstruction algorithm, and minimizing the image suitability, applies an adaptive gradient descent method.
제2항에 있어서,
상기 처리부는 상기 제1 목적 함수에 경계 영역과 잡음 영역을 분리하는 이방 계수를 추가하여 주변 픽셀과의 대조도에 따라 차등적으로 계산하는 것을 특징으로 하는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템.
The method of claim 2,
And the processor adds an anisotropy coefficient for separating a boundary region and a noise region to the first objective function to calculate differentially according to the degree of contrast with surrounding pixels.
제2항에 있어서,
상기 처리부는 상기 사전 영상의 복셀의 8개의 모서리로부터 상기 패널 감지기에 대응하는 픽셀의 위치를 산출하고 상기 대응하는 픽셀을 포함하는 볼록 집합(Convex Hull) 내부의 픽셀에 대하여만 상기 패널 감지기의 각 채널의 중심 위치로부터 선속(Ray)를 시작하여 상기 복셀을 투과하면서 상기 복셀에서 교차되는 길이를 산출하고 상기 교차되는 길이만큼의 가중치를 적용하여 상기 복셀을 갱신하는 것을 특징으로 하는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템.
The method of claim 2,
The processing unit calculates a position of a pixel corresponding to the panel detector from eight corners of the voxel of the preliminary image, and each channel of the panel detector only for pixels in a convex hull including the corresponding pixel. Four-dimensional cone-beam computed tomography, characterized in that the line is transmitted from the center to calculate the length crossing the voxel while passing through the voxel and updating the voxel by applying the weight of the crossing length. system.
제2항에 있어서,
상기 처리부는 상기 사전 영상의 영역을 반자동분할도구를 이용하여 분할하고, 상기 분할한 사전 영상과 반복적 재구성 알고리즘의 매 반복과정동안 업데이트된 타겟 영상에 클러스터링 알고리즘을 적용해 얻은 분할 타겟 영상을 이용하여 상기 가중치 완화 맵을 갱신하는 것을 특징으로 하는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템.
The method of claim 2,
The processor divides the region of the preliminary image using a semi-automatic segmentation tool, and uses the divided target image obtained by applying a clustering algorithm to the target image updated during every iteration of the preliminary image and the iterative reconstruction algorithm. And a weighted mitigation map.
제8항에 있어서,
상기 타겟 영상의 영역을 분할하는 것은, 상기 사전 영상의 밝기 값이 특정 그룹에 속할 가능성을 기준으로 상기 사전 영상의 밝기 값으로 정의된 제2 목적 함수를 최적화하여 상기 사전 영상을 그룹화하는 것을 특징으로 하는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템.
The method of claim 8,
The segmentation of the region of the target image may include grouping the dictionary images by optimizing a second objective function defined as the brightness value of the prior image based on a possibility that the brightness value of the prior image belongs to a specific group. 4D cone beam computed tomography system.
제9항에 있어서,
상기 처리부는 상기 특정 그룹의 중심 벡터로부터 가까운 벡터는 높은 가중치를 갖도록 설정하고 상기 특정 그룹의 중심 벡터로부터 먼 벡터는 낮은 가중치를 갖도록 설정하여 상기 타겟 영상의 밝기 값을 분류하며, 모든 그룹의 중심 벡터를 다시 산출하며 산출한 중심 벡터가 바뀌지 않을 때까지 가중치를 부여하는 과정을 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템.
The method of claim 9,
The processor is configured to classify the brightness value of the target image by setting a vector close to the center vector of the specific group to have a high weight and a vector far from the center vector of the specific group to have a low weight. And calculating the weight again until the calculated center vector does not change.
제2항에 있어서,
상기 처리부는 상기 복원 영상의 밝기 값으로 정의된 제3 목적 함수에 적응적 경사 하강법(Gradient Descent)을 적용하고, 상기 제3 목적 함수를 최적화하는 파라미터를 검출하는 과정을 반복하여 상기 복원 영상을 필터링하는 것을 특징으로 하는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템.
The method of claim 2,
The processor applies an adaptive gradient descent method to a third objective function defined as a brightness value of the reconstructed image, and repeats the process of detecting a parameter for optimizing the third objective function. 4D cone beam computed tomography system, characterized in that for filtering.
갠트리, 방사선 헤드, 패널 감지기, 및 처리부를 포함하는 4차원 콘빔 전산화 단층 촬영 시스템에 의한 영상 재구성 방법에 있어서,
상기 처리부는 상기 패널 감지기가 획득한 복수의 프로젝션 데이터를 피검사체의 호흡 주기에 따라 복수의 그룹으로 분류하는 단계; 및
상기 처리부는 상기 분류된 그룹에 속하는 부분 프로젝션 데이터에 가중치 완화 맵을 적용하고 상기 부분 프로젝션 데이터를 재구성하여 복원 영상을 생성하는 단계
를 포함하는 영상 재구성 방법.
In the image reconstruction method by a four-dimensional cone beam computerized tomography system comprising a gantry, a radiation head, a panel detector, and a processing unit,
The processing unit classifying the plurality of projection data acquired by the panel detector into a plurality of groups according to the breathing period of the subject; And
The processor generates a reconstructed image by applying a weighted relaxation map to the partial projection data belonging to the classified group and reconstructing the partial projection data.
Image reconstruction method comprising a.
제12항에 있어서,
상기 복원 영상을 생성하는 단계는,
상기 부분 프로젝션 데이터를 사전 영상으로 적용하고 상기 가중치 완화 맵을 타겟 영상으로 적용하고, 상기 사전 영상과 상기 타겟 영상을 비교한 차영상으로 정의된 제1 목적 함수를 최소화하는 제약 최적화(Constraint Optimization) 기반의 반복적 재구성(Iterative Reconstruction) 알고리즘에 따라 상기 복원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 영상 재구성 방법.
The method of claim 12,
Generating the reconstructed image,
Constraint Optimization based on applying the partial projection data as a prior image, applying the weighted relaxation map as a target image, and minimizing a first objective function defined as a difference image comparing the prior image and the target image And reconstructing the reconstructed image according to an iterative reconstruction algorithm.
제12항에 있어서,
상기 복원 영상을 생성하는 단계는,
상기 제1 목적 함수를 최소화하기 위하여, 상기 제1 목적 함수의 데이터 적합도를 최소화하고 상기 제1 목적 함수의 영상 적합도를 최소화하며, 상기 데이터 적합도를 최소화하는 것은 상기 가중치 완화 맵을 기반으로 반복적 재구성 알고리즘을 적용하고, 상기 영상 적합도를 최소화하는 것은 적응적 경사 하강법을 적용하는 것을 특징으로 하는 영상 재구성 방법.
The method of claim 12,
Generating the reconstructed image,
In order to minimize the first objective function, minimizing data suitability of the first objective function, minimizing image suitability of the first objective function, and minimizing the data suitability are iterative reconstruction algorithms based on the weight relaxation map. And minimizing the image suitability by applying an adaptive gradient descent method.
제12항에 있어서,
상기 복원 영상을 생성하는 단계는,
상기 사전 영상의 영역 및 상기 타겟 영상의 영역을 분할하고, 상기 분할한 사전 영상과 상기 분할한 타겟 영상을 이용하여 상기 가중치 완화 맵을 갱신하는 것을 특징으로 하는 영상 재구성 방법.
The method of claim 12,
Generating the reconstructed image,
And dividing the region of the preliminary image and the region of the target image and updating the weighted relaxation map by using the divided preliminary image and the divided target image.
제15항에 있어서,
상기 타겟 영상의 영역을 분할하는 것은, 상기 타겟 영상의 밝기 값이 특정 그룹에 속할 가능성을 기준으로 상기 타겟 영상의 밝기 값으로 정의된 제2 목적 함수를 최적화하여 상기 타겟 영상을 그룹화하는 것을 특징으로 하는 영상 재구성 방법.
The method of claim 15,
The segmentation of the region of the target image may include grouping the target images by optimizing a second objective function defined as the brightness value of the target image based on a possibility that the brightness value of the target image belongs to a specific group. Image reconstruction method.
제12항에 있어서,
상기 복원 영상을 생성하는 단계는,
상기 복원 영상의 밝기 값으로 정의된 제3 목적 함수에 적응적 경사 하강법(Gradient Descent)을 적용하고, 상기 제3 목적 함수를 최적화하는 파라미터를 검출하는 과정을 반복하여 상기 복원 영상을 필터링하는 것을 특징으로 하는 영상 재구성 방법.
The method of claim 12,
Generating the reconstructed image,
Filtering the reconstructed image by applying adaptive gradient descent to a third objective function defined as a brightness value of the reconstructed image and repeating the process of detecting a parameter that optimizes the third objective function. The image reconstruction method characterized by.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021215726A1 (en) * 2020-04-24 2021-10-28 연세대학교 산학협력단 Multi non-coplanar arc-based cone beam computed tomography system and image reconstruction method
CN117243627A (en) * 2023-11-16 2023-12-19 有方(合肥)医疗科技有限公司 CBCT image processing method and device

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008546464A (en) * 2005-06-22 2008-12-25 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Suppression of band artifact in cardiac CT scan
JP2010501856A (en) * 2006-08-22 2010-01-21 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Artifact correction for motion artifact images
US20120207370A1 (en) * 2010-12-20 2012-08-16 Benjamin Pooya Fahimian Systems and Methods for Simultaneous Acquisition of Scatter and Image Projection Data in Computed Tomography
US20140192952A1 (en) * 2011-07-28 2014-07-10 The University Of Sydney Modulating gantry rotation speed and image acquisition in respiratory correlated (4d) cone beam ct images
JP5619707B2 (en) * 2005-09-07 2014-11-05 株式会社東芝 X-ray computed tomography system
JP2015535434A (en) * 2013-02-13 2015-12-14 三菱電機株式会社 Method for simulating a chest 4DCT
KR101767069B1 (en) 2015-12-03 2017-08-11 서울여자대학교 산학협력단 Method and apparatus for tumor tracking during radiation treatment using image registration and tumor matching between planning 4d mdct and treatment 4d cbct

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008546464A (en) * 2005-06-22 2008-12-25 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Suppression of band artifact in cardiac CT scan
JP5619707B2 (en) * 2005-09-07 2014-11-05 株式会社東芝 X-ray computed tomography system
JP2010501856A (en) * 2006-08-22 2010-01-21 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Artifact correction for motion artifact images
US20120207370A1 (en) * 2010-12-20 2012-08-16 Benjamin Pooya Fahimian Systems and Methods for Simultaneous Acquisition of Scatter and Image Projection Data in Computed Tomography
US20140192952A1 (en) * 2011-07-28 2014-07-10 The University Of Sydney Modulating gantry rotation speed and image acquisition in respiratory correlated (4d) cone beam ct images
JP2015535434A (en) * 2013-02-13 2015-12-14 三菱電機株式会社 Method for simulating a chest 4DCT
KR101767069B1 (en) 2015-12-03 2017-08-11 서울여자대학교 산학협력단 Method and apparatus for tumor tracking during radiation treatment using image registration and tumor matching between planning 4d mdct and treatment 4d cbct

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021215726A1 (en) * 2020-04-24 2021-10-28 연세대학교 산학협력단 Multi non-coplanar arc-based cone beam computed tomography system and image reconstruction method
KR20210131631A (en) * 2020-04-24 2021-11-03 연세대학교 산학협력단 Cone Beam Computerized Tomography System and Image Reconstruction Method based on Multiple Non-Coplanar Arcs
CN117243627A (en) * 2023-11-16 2023-12-19 有方(合肥)医疗科技有限公司 CBCT image processing method and device
CN117243627B (en) * 2023-11-16 2024-02-09 有方(合肥)医疗科技有限公司 CBCT image processing method and device

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