KR20210082047A - 이중에너지 엑스선을 이용한 물질 분별 방법 및 물질분별 계수 산출 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이중에너지 엑스선을 이용한 물질 분별 방법 및 이 방법을 수행하는 교정 팬텀 장치 및 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화물검색기에서 회전하는 원기둥 모양 또는 타원기둥 모양의 교정 팬텀을 통해 얻은 투과영상에 대해 감쇠 기반의 복수 개의 기저를 생성함으로써 물질분별 계수를 교정하고, 상기 교정된 물질 분별 계수를 이용하여 물질을 분별하는 방법 및 이 방법을 수행하는 교정 팬텀 장치 및 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 이중에너지 엑스선을 이용한 물질 분별 방법 및 이 방법을 수행하는 물질분별 계수 산출 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화물검색기에서 회전하는 원기둥 모양 또는 타원기둥 모양의 교정 팬텀을 통해 얻은 투과영상을 이용하여 물질을 분별하는 방법 및 이 방법을 수행하는 물질분별 계수 산출 장치에 관한 것이다.
최근, 각 국가는 안전상의 이유로 항만이나 공항과 같이 국제 화물을 취급하는 시설에서 화물에 대한 보안검색을 강화하고 있다. 이에, 화물을 빠르게 검색하기 위하여 컨테이너 검색기와 같이, 화물을 실은 컨테이너를 컨테이너 검색기에 통과시켜 컨테이너에 적재된 대규모의 화물을 빠르게 검색하는 장치가 많이 사용되고 있다. 화물 검색은 방사선으로 X-ray를 일반적으로 사용하게 된다.
X선 화물 검색기는 방사선원, 이송대차, 검출기로 구성이 되는데, X선을 이용하여 화물의 직접적인 개장검사 없이도 화물의 내부를 검색할 수 있다.
이중에너지 X선 화물 검색기는 단일 에너지 X선 대비 더 많은 물질정보를 제공해준다. 특히 대형 화물검색에 사용되는 X선은 MeV급이며 이중에너지 X선을 발생하기 위한 가속기도 국내에서 상용화될 정도로 개발되었다.
X선 화물 검색기가 대상체에 대한 영상의 질을 확보하기 위해서는 일정 기간마다 검출기의 교정 작업이 필요하고, 이러한 교정 작업을 위해, 팬텀을 사용하게 된다.
팬텀은 물질 분별 알고리즘을 교정하기 위한 것으로, 이중에너지(dual energy)를 이용하여 유기물 및 무기물을 구분할 때, 팬텀의 3D 영상을 확보하고, 3D 영상의 정보를 컨테이너 검색기로부터 획득된 화물 영상에 적용하여 유기물 및 무기물을 분별하는 알고리즘을 이용하게 된다. 이때, 물질분별 알고리즘에 사용되는 선형 감쇠계수의 값을 얻고 이를 교정함으로써 검출기의 성능을 확보할 수 있게 된다.
보다 상세하게는, 각 대표물질(예컨대, 물, 알루미늄, 철 또는 납)에 대해서 교정 팬텀 장치를 이용하여 물질분별 계수를 찾는 방법이 일반적으로 사용되는 이중에너지 물질분별 방법이다.
그리고, 화물을 엑스선으로 촬영하기에 앞서, 원자번호별로 대표하는 물질에 대해서 교정을 수행한다. 이 후, 물질 분별의 정확도는 교정 방법 및 교정 팬텀에 따라 매우 큰 영향을 받는다.
하지만 가속기에서 발생하는 X선은 다색 에너지 스펙트럼을 가지고 있기 때문에 물체를 투과하면서 빔하드닝(beam hardening)이 일어나는데, 빔하드닝으로 인하여 동일 물질에 대해서도 그 물질의 밀도 및 두께에 따라서 물질 분별에 필요한 계수가 변하게 된다.
따라서, 동일 물질에 대해서도 그 물질의 두께 및 밀도에 따라서 물질 분별에 필요한 계수를 다르게 사용해야 한다. 그래서 물질의 두께 변화를 고려한 교정방법 및 이를 위한 다양한 두께 정보를 포함하는 교정 팬텀이 필요한 실정이다.
그러나 두께 및 밀도에 따라서 다른 계수를 모두 데이터베이스 구축하고 각 두께 및 밀도에 대한 팬텀을 제작하기는 힘들 뿐만 아니라, 실제 교정에는 시간이 많이 소요되기 때문에 모든 계수에 대한 교정 작업은 매우 힘든 작업이다.
한편, 임의의 두께 몇 샘플을 선정하여 계수를 구하여 물질분별을 수행하는 방법은 부정확하며, 물질 분별 성능을 크게 저하시키는 단점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 다양한 물질의 두께 및 밀도 정보를 고려한 교정 팬텀 장치 및 이 장치를 이용한 물질분별 방법을 제공한다.
본 발명은 물질분별 성능을 향상시키고 더 나아가 교정하지 못하는 물질의 감쇠영역에 대해서도 신뢰도 있는 물질분별을 위한 방법을 제공하고자 하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 장치는 단일 물질로 이루어진 적어도 2개 이상의 복수의 피검체 팬텀들을 포함하고, 상기 복수의 피검체 팬텀 각각은 서로 다른 물질로 이루어진 것을 특징으로 하며, 상기 복수의 피검체 팬텀들은 엑스선이 조사되는 방향에 수직한 방향으로 적층되는 구조를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 장치는 상기 복수의 피검체 팬텀들은 타원기둥 또는 원형기둥인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 장치는 상기 복수의 피검체 팬텀은 단일 물질로 이루어진 제1 피검체 팬텀; 상기 제1 피검체 팬텀과 다른 물질로 이루어진 제2 피검체 팬텀을 포함하고, 상기 제2 피검체 팬텀의 반지름은 제1 피검체 팬텀의 반지름보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 장치는 상기 복수의 피검체 팬텀 각각의 두께가 서로 다른 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 장치는 상기 복수의 피검체 팬텀들을 회전시키는 모터를 더 포함하고, 상기 모터는 상기 복수의 피검체 팬텀들이 적층된 방향과 같은 축 상에 배치되고, 상기 모터의 회전에 따라 상기 복수의 피검체 팬텀들이 회전하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 시스템은 교정 팬텀 장치 및 물질분별 계수 산출 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 시스템의 물질분별 계수 산출 장치는 엑스선 검출기로부터 획득한 피검체 팬텀 투과 영상을 수신하는 투과 영상 수신부; 상기 수신한 피검체 팬텀 투과 영상을 배경 신호에 대하여 로그 변환하여 감쇠 영상 데이터를 산출하는 감쇠 영상 데이터 산출부; 상기 산출한 감쇠 영상 데이터에 대하여 복수개의 단계별 역치를 기준으로 복수개의 영상 데이터로 분리하여 기저를 생성하는 기저 생성부; 상기 생성된 기저를 기초로 영상 데이터를 재건하는 영상 재건부; 및 상기 재건된 영상 데이터로부터 물질분별 계수를 산출하는 물질분별 계수 산출부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 시스템의 물질분별 계수 산출 장치는 상기 복수개의 단계별 역치의 개수가 n개인 경우, 복수의 m개 피검체 팬텀들 각각에 대해 모두 수행되어, 상기 물질분별 계수는 (m x n) 개가 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 시스템의 물질분별 계수 산출 장치는 상기 감쇠 영상 데이터 산출부가 하기 수학식을 통해 감쇠 영상 데이터를 산출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
감쇠 영상 데이터 = -log(b/a)
(여기서 a는 배경신호, b는 투과 영상 신호이다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 시스템의 물질분별 계수 산출 장치는 상기 기저 생성부가 상기 복수개의 단계별 역치는 소정의 간격으로 순차적으로 구성되어 복수개의 구간을 형성하고, 상기 감쇠 영상 데이터의 각 픽셀의 값이 상기 복수개의 구간 중 어느 하나의 구간에 해당하는 경우, 해당 픽셀의 감쇠 영상 데이터 값만 유지하고 나머지 픽셀은 0인 영상 데이터를 출력하여 상기 복수개의 구간 개수만큼의 영상 데이터를 출력하여, 상기 출력된 영상 데이터를 상기 복수개의 구간에 대한 영상 데이터로 나누는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 시스템의 물질분별 계수 산출 장치는 영상 재건부가 각 역치 구간에 대해 분리된 영상 데이터 별로 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중에너지 엑스선을 이용한 물질 분별 방법은 엑스선 검출기가 엑스선 발생원으로부터 조사된 피검체 팬텀 투과 영상을 획득하는 단계(a); 물질분별 계수 산출 장치가 상기 피검체 팬텀 투과 영상을 배경 신호에 대하여 로그 변환하여 감쇠 영상 데이터를 획득하는 단계(b); 상기 물질분별 계수 산출 장치가 상기 감쇠 영상 데이터에 대하여 복수개의 단계별 역치를 기준으로 복수개의 영상 데이터로 분리하여 기저를 생성하는 단계(c); 상기 물질분별 계수 산출 장치가 상기 생성된 기저를 기초로 영상 데이터를 재건하는 단계(d); 및 상기 물질 분별 계수 산출 장치가 재건된 영상 데이터로부터 물질분별 계수를 산출하는 단계(e)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중에너지 엑스선을 이용한 물질 분별 방법은 상기 복수개의 단계별 역치의 개수가 n개인 경우, 상기 단계들이 복수의 m개 피검체 팬텀들 각각에 대해 모두 수행되어, 상기 물질분별 계수는 (m x n) 개가 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 감쇠 영상 데이터를 획득하는 단계(b)는, 하기 수학식을 통해 획득할 수 있다.
감쇠 영상 데이터 = -log(b/a)
(여기서 a는 배경신호, b는 투과 영상 신호이다.)
본 발명의 일 실시예에 따른 기저를 생성하는 단계(c)는, 상기 복수개의 단계별 역치는 소정의 간격으로 순차적으로 구성되어 복수개의 구간을 형성하는 단계 및 상기 감쇠 영상 데이터의 각 픽셀의 값이 상기 복수개의 구간 중 어느 하나의 구간에 해당하는 경우, 해당 픽셀의 감쇠 영상 데이터 값만 유지하고 나머지 픽셀은 0인 영상 데이터를 출력하여 상기 복수개의 구간 개수만큼의 영상 데이터를 출력하는 단계; 및 상기 출력된 영상 데이터를 상기 복수개의 구간에 대한 영상 데이터로 나누는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 분리된 복수개의 영상 데이터를 재건하는 단계(d)는 각 역치 구간에 대해 분리된 영상 데이터 별로 수행되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은, 이중에너지 X선의 투과영상을 감쇠 기반의 기저로 나누어서 물질의 두께 및 밀도 변화를 고려함으로써 물질분별이 가능하게 하고 물질 검색 시에 물질분별 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
또한 본 발명은 획득한 영역의 계수를 이용하여 측정되지 못한 물질의 두께 영역에 대해서도 신뢰성있는 물질 분별이 가능하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 교정 팬텀 장치가 투과영상을 감쇠기반으로 나누어 교정을 수행하기 때문에 두께 및 밀도의 차이에 따른 계수를 구할 수 있는 장점이 있다.
즉, 본 발명은 물질의 두께 및 밀도의 차이에 따라 다른 물질분별 계수를 보다 세밀하게 교정할 수 있다.
또한, 교정은 X선이 투과 가능한 모든 두께 범위에 대해서 수행하는 것이 좋은데, 실제로 이는 비용 및 시간 측면에서 부담이 될 수 있다. 본 발명은 감쇠기반의 기저로 나누어 교정을 수행하기 때문에, 얻지 못한 데이터 영역에 대해서는 선형보간법 및 보외법을 이용하여 합리적으로 물질분별이 가능한 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 장치를 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 교정 팬텀 장치를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 시스템의 블록도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 시스템을 이용하여 물질을 분별하는 방법의 순서도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 단계별 역치를 예시로 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따라 복수개의 영상 데이터로 분리하는 방법을 나타낸다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 분리된 기저를 기초로 재건한 영상을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 물질분별 계수를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 교정 팬텀 장치를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 시스템의 블록도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 시스템을 이용하여 물질을 분별하는 방법의 순서도를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 단계별 역치를 예시로 나타낸다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 따라 복수개의 영상 데이터로 분리하는 방법을 나타낸다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 분리된 기저를 기초로 재건한 영상을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 물질분별 계수를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, "제 1"및 "제 2"라는 용어는 본 명세서에서 구별 목적으로만 사용되며, 어떠한 방식으로도 서열 또는 우선 순위를 나타내거나 예상하는 것을 의미하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서 전체에서 “기저”는 여러 개의 영상 데이터로 분리된 영상 데이터를 지칭할 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 장치를 도시하고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 교정 팬텀 장치를 도시한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 장치는 단일 물질로 이루어진 적어도 2개 이상의 복수개의 피검체 팬텀들을 포함하고, 상기 복수의 피검체 팬텀 각각은 서로 다른 물질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 복수개의 피검체 팬텀은 물질 분별 계수를 교정하기 위한 데이터 베이스를 확보하는데 사용되는 교정용 팬텀이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 피검체 팬텀을 각각 구성하는 물질은 모든 종류의 물질들을 밀도 및 원자번호를 기준으로 나누었을 때 각 영역에서 대표적인 물질 4가지로 선정될 수 있다. 예컨대 복수개의 피검체 팬텀들은 각각 아크릴 팬텀(101,201), 알루미늄 팬텀(102,202), 철 팬텀(103,203) 및 납 팬텀(104,204)을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 피검체 팬텀들은 X선이 조사되는 방향에 수직한 방향으로 적층된 구조를 갖도록 구성될 수 있다.
X선은 X선 선원(106)으로부터 발생되어 콜리메이터(107)를 거쳐 교정 팬텀 장치(1000)로 조사될 수 있다. 한편, 콜리메이터는 X선 선원(106)에서 방사되는 엑스선의 조사 범위 외 영역을 차단하기 위해 X선 선원(106)의 빔 출구 또는 검출기 앞에 설치될 수 있다.
교정 팬텀 장치(1000)로 조사되는 엑스선은 피검체 팬텀(101, 102, 103, 104)의 기둥 옆면에 수직으로 입사할 수 있다. 보다 상세하게는 피검체 팬텀(101, 102, 103, 104)의 기둥 옆면의 점선 부분에 X선이 입사될 수 있다.
피검체 팬텀(101, 102, 103, 104)을 투과한 투과 영상은 검출기에서 획득될 수 있다. 상기 검출기와 상기 X선 선원(106)의 사이에 피검체가 있도록 상기 X선 선원과 대향하도록 배치될 수 있다(미도시).
본 발명의 일 실시예에 따른 피검체 팬텀들은 도 1에 도시된 바와 같이 타원형 기둥(101, 102, 103, 104)으로 형성될 수 있거나, 도 2에 도시된 바와 같이 원형 기둥(201, 202, 203, 204)으로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라 피검체 팬텀들이 타원형 기둥(101, 102, 103, 104) 또는 원형 기둥(201, 202, 203, 204)으로 형성됨으로써, 피검체 팬텀의 두께가 얇은 부분부터 두꺼운 부분까지의 다양한 두께에 대한 많은 데이터를 획득할 수 있다. 그리고 피검체 팬텀들이 타원형 기둥 또는 원형 기둥으로 형성됨으로써, 다양한 두께에 대한 데이터가 가우시안 분포를 이루면서, 데이터가 골고루 획득될 수 있는 장점이 있다.
반면, 피검체 팬텀이 삼각형이나 사각형으로 형성된다면 특정 두께에 대한 데이터만 획득되는 단점이 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 장치는 상기 복수의 피검체 팬텀들(101, 102, 103, 104, 201, 202, 203, 204)을 회전시키는 모터(105, 205)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모터(105, 205)는 피검체 팬텀들이 적층된 방향과 같은 축 상에 배치될 수 있다. 상기 모터는 등속 원운동을 하면서 360도 회전할 수 있다.
엑스선 검출기는 상기 모터(105, 205)의 회전에 따라 피검체 팬텀들도 회전하면서 각각의 피검체 팬텀들을 통과한 투과 영상을 촬영한다. 이 투과 영상을 통해 각 피검체 팬텀을 구성하는 물질의 두께 변화에 대한 물질분별 계수를 획득할 수 있다.
상기 획득된 다양한 두께 변화에 대한 물질분별 계수를 획득하여 각 물질에 대한 데이터 베이스를 구축할 수 있다.
한편, 복수의 피검체 팬텀들을 순서대로 각각 회전시키면서 물질분별 계수를 획득할 수도 있고, 복수의 피검체 팬텀들을 한꺼번에 회전시키면서 각 물질에 대한 물질분별 계수를 동시에 획득할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 시스템의 블록도를 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 교정 팬텀 장치를 사용하여 획득되는 팬텀 투과 영상을 이용하여 물질분별 계수를 산출하고 데이터베이스화 할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 시스템은 교정 팬텀 장치(1000) 및 물질 분별 계수 산출 장치(2000)를 포함할 수 있고, 물질 분별 계수 산출 장치(2000)는 투과 영상 수신부(2100), 감쇠 영상 데이터 산출부(2200), 기저 생성부(2300), 영상 재건부(2400) 및 물질분별 계수 산출부(2500)을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 교정 팬텀 시스템을 이용하여 물질을 분별하는 방법의 순서도를 도시한다.
이중에너지 엑스선을 이용한 물질 분별 방법은 엑스선 검출기가 엑스선 발생원으로부터 조사된 피검체 팬텀 투과 영상을 획득하여 투과 영상 수신부(2100)가 상기 투과 영상을 수신하는 단계(a, S100); 물질분별 계수 산출 장치(2000)의 감쇠 영상 데이터 산출부(2200)가 상기 피검체 팬텀 투과 영상을 배경 신호에 대하여 로그 변환하여 감쇠 영상 데이터를 획득하는 단계(b, S200);
기저 생성부(2300)가 상기 감쇠 영상 데이터에 대하여 복수개의 단계별 역치를 기준으로 복수개의 영상 데이터로 분리함으로써 기저를 생성하는 단계(c, S300); 영상 재건부(2400)가 상기 생성된 기저를 기초로 영상 데이터를 재건하는 단계(d, S400); 및 물질분별 계수 산출부(2500)가 재건된 영상 데이터로부터 물질분별 계수를 산출하는 단계(e, S500)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이중에너지 엑스선을 이용한 물질 분별 방법은 상기 산출된 물질분별 계수를 데이터베이스화 한 다음, 최종적으로 새롭게 촬영되는 피사체에 대하여 상기 데이터베이스에 구축된 물질 분별 계수를 이용하여 물질분별을 수행할 수 있다.
X선 촬영한 피사체에 대한 물질분별 방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 로그 변환 감쇠기법을 기반으로 영상을 나누고, 상기 구축된 물질 분별 계수를 이용하여 물질분별을 수행할 수 있다.
한편, 구축된 물질 분별 계수를 이용하여 물질 분별을 수행하는 방법은 종래의 기법이 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수개의 단계별 역치를 나타내고, 도 6a은 본 발명의 일 실시예에 따라 복수개의 영상 데이터로 분리하는 방법을 나타낸다. 도 6b는 모든 물질에 대한 분리된 영상 데이터를 각 물질별로 나눠 도시한 것을 나타낸다.
도 5 및 도 6a을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 감쇠기법을 기반으로 영상을 나누고, 물질 분별 계수에 대한 데이터베이스를 구축하는 방법을 설명한다.
본 발명의 일 실시에에 따른 감쇠기법은 피검체 팬텀 투과 영상을 배경 신호에 대하여 로그 변환하여 감쇠시키는 기법을 지칭하며, 보다 상세하게는 하기 수학식 1을 통해 수행될 수 있다.
여기서 a는 배경 신호를 의미하고, b는 투과 영상 신호를 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수학식을 통해 산출된 감쇠 영상 데이터는 여러 개의 영상 데이터로 분리된다. 여러 개의 영상 데이터로 분리된 영상 데이터는 본 명세서 전체에서 “기저”로 지칭될 수 있다. 본 발명은 상기 감쇠 기반의 분리된 기저를 사용하여 물질분별을 수행하는 것을 특징으로 한다.
도 5 및 도 6a을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 감쇠기법을 기반으로 여러 개의 영상으로 나누어 기저를 생성하는 방법에 대하여 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이 감쇠 영상 데이터의 최저 값(예컨대 0) 부터 최대 값(예컨대 n) 까지 데이터 분포가 있을 때, 소정의 간격으로 순차적으로 n개의 구간을 나누어 복수 개(n개)의 단계별 역치를 설정한다.
그리고 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 감쇠 영상 데이터의 각 픽셀 값이 상기 구간들 중 어느 하나의 구간에 해당하는 경우, 해당 픽셀의 감쇠영상 데이터 값만 유지하고 나머지 픽셀은 0으로 설정하여, 단계별 역치 개수만큼 영상 데이터를 나누어 기저를 생성한다.
보다 구체적으로, 0과 1 구간 사이에 대한 분리된 영상 a1은 0이상 1이하의 값을 가지는 픽셀만 값을 유지하고 나머지 픽셀은 0으로 설정되고, n-1 과 n 구간 사이에 대한 분리된 영상 an은 n-1 초과 n 이하의 값을 가지는 값을 가지는 픽셀만 값을 유지하고 나머지 픽셀은 0으로 설정되어 n개의 분리된 영상 데이터가 출력된다.
도 6b는 모든 물질에 대한 분리된 영상 데이터를 각 물질별로 나눠 도시한 것을 나타낸 것으로, 아크릴 물질(501), 알루미늄 물질(502), 철 물질(503) 및 납 물질(504)에 대한 분리된 데이터를 도시한다.
한편, 본 발명의 일 실시예는 고에너지 및 저에너지를 포함하는 이중 에너지 엑스선을 이용하는 것이다. 일반적으로 고에너지 선원을 사용한 쪽이 신호가 높은데, 고에너지 영상을 기초로 감쇠 값을 나눈 뒤, 거기서 나뉜 데이터의 공간적 정보를 이용하여 저에너지 영상을 감쇠기반으로 분리한다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 기저 분리 기법은 저에너지 영상을 기초로 수행된다.
상술한 내용을 종합하여 보다 구체적으로 설명하면, 획득한 투과영상을 
,
라 할 때 로그변환된 감쇠 영상 데이터는 아래 수학식 2(저에너지 영상), 수학식 3(고에너지 영상)으로 구할 수 있다.
감쇠기반의 기저 생성 기법은 저에너지 영상에 대해서만 수행한다. 본 발명의 일 실시예에 따라 감쇠 기반의 분리된 기저는 여러 개의 단층 영상으로 재건되고, 피검체 팬텀들 별로 각각 수행될 수 있다. 영상 재건은 2D Filter Back Projection을 통해 재건된다. 분리된 모든 기저 영상의 합은 기존의 분리되지 않은 영상의 데이터의 재건 영상과 수학적으로 동일하다.
감쇠기반으로 분리된 투과영상을 
라 할 때 재건된 영상을 다음 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
여기서 
은 라돈 변환을 가리키고 
는 그것의 역변환으로 일반적인 재건을 의미한다. 또, 
은 1에서 N의 값을 가지고 모두가 N개의 기저를 나타낸다. 고에너지 영상에 대해서는 분리 영상을 구성하지 않고 재건영상을 구한다. 고에너지 영상에 대한 재건 영상은 아래 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.
도 7 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 분리된 기저를 기초로 재건한 영상을 도시한다.
도 7a 및 도 7b는 아크릴 팬텀(101)에 대한 기저를 기초로 재건된 영상을 도시하는데, 도 7a는 감쇠기법이 적용된 고에너지 영상을 도시하고, 도 7b는 감쇠 기반의 분리된 저에너지 기저 영상을 도시한다.
아래 표 1은 도 7b에 적용된 기저 분리 기법에 사용된 단계별 역치(threshold)를 도시한다.
| Basis | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 역치 값(c) | -0.808724 | -0.814247 | -0.817843 | -0.821842 | -0.827337 |
도 8a 및 도 8b는 철 팬텀(101)에 대한 기저를 기초로 재건된 영상을 도시하는데, 도 8a는 감쇠기법이 적용된 고에너지 영상을 도시하고, 도 8b는 감쇠 기반의 분리된 저에너지 기저 영상을 도시한다.
아래 표 2는 도 8b에 적용된 기저 분리 기법에 사용된 단계별 역치(threshold)를 도시한다.
| Basis | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 역치 값(c) | -0.814218 | -0.827726 | -0.835303 | -0.843476 | -0.854032 |
본 발명의 일 실시예에 따른 물질 분별 방법의 알고리즘은 각 기저 데이터에서 물질 분별 계수를 산출하는데, 교정 팬텀 장치에 포함된 모든 물질에 대해서 물질 분별 계수를 정한다.
상술한 바와 같이 구한 고에너지 영상과 저에너지 기저 영상을 이용한 물질분별 계수 결정 비용함수(E)는 다음 수학식 6과 같다.
여기서 
는 영상의 공간 좌표를 나타내고 
는 물질분별 계수를 나타낸다.
상기 비용함수(E)는 물질분별 계수에 대한 미분 식을 0으로 함으로써 해석적으로 결정할 수 있다. 즉, 각 기저의 값과 물질분별 계수의 곱의 합을 최소화시키는 계수를 물질분별 계수로 결정할 수 있다.
이 과정을 모든 물질 팬텀에 대해서 동일하게 적용하면 각 물질에 대한 교정 계수를 구할 수 있다. 위에서 얻어진 물질분별 계수는 항상 1보다 작은 값을 가지게 되는데 그 이유는 항상 저에너지의 감쇠가 고에너지의 감쇠보다 크기 때문이다. 그리고 이는 해당 물질의 해당 기저에서의 감쇠비라고 해석할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 물질분별 계수를 나타낸다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 같은 물질에 대해서도 여러 개의 물질분별 계수를 획득할 수 있다. 즉, 한 종류의 물질에 대하여 본 발명의 일 실시예에 따라 분리된 기저 개수만큼 물질분별 계수를 얻을 수 있으므로, 본 발명은 물질의 두께 및 밀도의 차이에 따라 다른 물질분별 계수를 보다 세밀하게 교정할 수 있는 장점이 있다.
상술한 바와 같이 물질분별 계수 교정 작업을 완료하여 물질분별 계수에 대한 데이터베이스를 구축한 후, 화물 피사체를 촬영하여 해당 피사체에 대한 물질 분별을 수행한다.
화물 피사체에 대한 투과 영상에 대하여 본 발명의 일 실시예에 따른 방법과 동일하게 감쇠기반으로 저에너지 영상을 분리하는 작업을 수행한다. 그리고 특정 하나의 영상 데이터의 픽셀 좌표에 대해 그 좌표가 가지는 감쇠가 해당 기저에서 계산된 저에너지와 고에너지 영상의 감쇠비와 가장 유사한 물질분별 계수를 기 구축된 데이터베이스로부터 찾는다.
기 저장된 물질분별 계수와 가장 유사한 물질분별 계수를 찾으면, 그 물질분별 계수가 속한 물질 레이블을 화물 피사체 투과 영상의 상기 픽셀 위치에 할당해준다. 화물 피사체에 대한 물질분별은 상기 물질 레이블링 과정을 모든 영상 좌표에 대해 수행하는 것을 의미한다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000 : 교정 팬텀 장치
101, 201 : 아크릴 팬텀
102, 202 : 알루미늄 팬텀
103, 203 : 철 팬텀
104, 204 : 납 팬텀
105, 205 : 모터
106 : X선 선원
107 : 콜리메이터
2000 : 물질 분별 계수 산출 장치
2100 : 투과 영상 수신부
2200 : 감쇠 영상 데이터 산출부
2300 : 기저 생성부
2400 : 영상 재건부
2500 : 물질분별 계수 산출부
101, 201 : 아크릴 팬텀
102, 202 : 알루미늄 팬텀
103, 203 : 철 팬텀
104, 204 : 납 팬텀
105, 205 : 모터
106 : X선 선원
107 : 콜리메이터
2000 : 물질 분별 계수 산출 장치
2100 : 투과 영상 수신부
2200 : 감쇠 영상 데이터 산출부
2300 : 기저 생성부
2400 : 영상 재건부
2500 : 물질분별 계수 산출부
Claims (10)
- 이중에너지 엑스선을 이용한 물질 분별 방법에 있어서,
엑스선 검출기가 엑스선 발생원으로부터 조사된 피검체 팬텀 투과 영상을 획득하는 단계(a);
물질 분별 계수 산출 장치가 상기 피검체 팬텀 투과 영상을 배경 신호에 대하여 로그 변환하여 감쇠 영상 데이터를 획득하는 단계(b);
상기 물질 분별 계수 산출 장치가 상기 감쇠 영상 데이터에 대하여 복수개의 단계별 역치를 기준으로 복수개의 영상 데이터로 분리하여 기저를 생성하는 단계(c);
상기 물질 분별 계수 산출 장치가 상기 생성된 기저를 기초로 영상 데이터를 재건하는 단계(d); 및
상기 물질 분별 계수 산출 장치가 재건된 영상 데이터로부터 물질 분별 계수를 산출하는 단계(e)를 포함하는 이중에너지 엑스선을 이용한 물질 분별 방법. - 제1항에 있어서,
상기 복수개의 단계별 역치의 개수가 n개인 경우,
상기 단계들은 복수의 m개 피검체 팬텀들 각각에 대해 모두 수행되어, 상기 물질 분별 계수는 (m x n) 개가 산출되는 것을 특징으로 하는 이중에너지 엑스선을 이용한 물질 분별 방법. - 제1항에 있어서,
상기 감쇠 영상 데이터를 획득하는 단계(b)는,
하기 수학식을 통해 획득하는 것인 이중에너지 엑스선을 이용한 물질 분별 방법.
감쇠 영상 데이터 = -log(b/a)
(여기서 a는 배경신호, b는 투과 영상 신호이다.) - 제1항에 있어서,
상기 기저를 생성하는 단계(c)는,
상기 복수개의 단계별 역치는 소정의 간격으로 순차적으로 구성되어 복수개의 구간을 형성하는 단계 및
상기 감쇠 영상 데이터의 각 픽셀의 값이 상기 복수개의 구간 중 어느 하나의 구간에 해당하는 경우,
해당 픽셀의 감쇠 영상 데이터 값만 유지하고 나머지 픽셀은 0인 영상 데이터를 출력하여 상기 복수개의 구간 개수만큼의 영상 데이터를 출력하는 단계; 및
상기 출력된 영상 데이터를 상기 복수개의 구간에 대한 영상 데이터로 나누는 단계를 포함하는 이중에너지 엑스선을 이용한 물질 분별 방법. - 제1항에 있어서,
상기 분리된 복수개의 영상 데이터를 재건하는 단계(d)는 각 역치 구간에 대해 분리된 영상 데이터 별로 수행되는 것을 특징으로 하는 이중에너지 엑스선을 이용한 물질 분별 방법. - 물질분별 계수 산출 장치에 있어서,
엑스선 검출기로부터 수신한 피검체 팬텀 투과 영상을 배경 신호에 대하여 로그 변환하여 감쇠 영상 데이터를 산출하는 감쇠 영상 데이터 산출부;
상기 산출한 감쇠 영상 데이터에 대하여 복수개의 단계별 역치를 기준으로 복수개의 영상 데이터로 분리하여 기저를 생성하는 기저 생성부;
상기 생성된 기저를 기초로 영상 데이터를 재건하는 영상 재건부; 및
상기 재건된 영상 데이터로부터 물질분별 계수를 산출하는 물질분별 계수 산출부를 포함하는 물질분별 계수 산출 장치. - 제6항에 있어서,
상기 복수개의 단계별 역치의 개수가 n개인 경우,
상기 투과 영상 수신부, 상기 감쇠 영상 데이터 산출부, 상기 기저 생성부, 상기 영상 재건부 및 상기 물질분별 계수 산출부는 복수의 m개 피검체 팬텀들 각각에 대해 모두 수행하여, 상기 물질분별 계수는 (m x n) 개가 산출되는 것을 특징으로 하는 물질분별 계수 산출 장치. - 제6항에 있어서,
상기 감쇠 영상 데이터 산출부는,
하기 수학식을 통해 감쇠 영상 데이터를 산출하는 것인 물질분별 계수 산출 장치.
감쇠 영상 데이터 = -log(b/a)
(여기서 a는 배경신호, b는 투과 영상 신호이다.) - 제6항에 있어서,
상기 기저 생성부는,
상기 복수개의 단계별 역치는 소정의 간격으로 순차적으로 구성되어 복수개의 구간을 형성하고,
상기 감쇠 영상 데이터의 각 픽셀의 값이 상기 복수개의 구간 중 어느 하나의 구간에 해당하는 경우,
해당 픽셀의 감쇠 영상 데이터 값만 유지하고 나머지 픽셀은 0인 영상 데이터를 출력하여 상기 복수개의 구간 개수만큼의 영상 데이터를 출력하여,
상기 출력된 영상 데이터를 상기 복수개의 구간에 대한 영상 데이터로 나누는 것을 특징으로 하는 물질분별 계수 산출 장치. - 제6항에 있어서,
상기 영상 재건부는 각 역치 구간에 대해 분리된 영상 데이터 별로 수행되는 것을 특징으로 하는 물질분별 계수 산출 장치.
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|---|---|---|---|---|
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