KR20210102843A - 엑스선 영상 처리 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 엑스선 영상 처리 장치 및 방법에 대한 것이고, 더욱 상세하게는 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 처리 장치는 외부의 피사체의 내부 구조를 나타내는 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 생성하는 데이터 획득부 및 상기 데이터 획득부로부터 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 전달 받고, 상기 피사체의 움직임을 검출하고, 상기 피사체의 움직임에 기반하여 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상으로부터 최종 이미지 영상을 생성하는 영상 처리부를 포함하되, 상기 데이터 획득부는 상기 피사체의 움직임에 기반하여 조사하는 엑스선 펄스를 능동적으로 제어한다.

Description

엑스선 영상 처리 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROCESSING X-RAY IMAGE}
본 개시는 영상 처리 기술에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 엑스선 투사 영상을 출력하는 엑스선 영상 처리 장치 및 방법에 관한 것이다.
엑스선(X-RAY) 영상 장치는 엑스선을 피사체에 투사(Projection)하여, 피사체의 내부 구조를 이미지로 획득하는 영상 장치이다. 엑스선 영상 장치는 피사체의 파괴 없이 피사체의 내부 구조를 관찰하는데 용이하게 이용된다. 엑스선 영상 장치는 MRI 장치 또는 CT 장치와 같은 다른 의료 영상 장치에 비하여 짧은 시간 내에 피사체의 내부 구조 이미지를 획득할 수 있다는 장점을 가진다. 따라서, 엑스선 영상 장치는 식품의 이물 검사, 항공 보안 검사, 산업용 비파괴 검사, 의료 진단 등에 널리 이용되고 있다. 엑스선 영상 장치에 이용되는 엑스선은 방사선이므로 인체에 유해하다는 단점을 가진다. 따라서, 엑스선 영상 장치를 인체에 이용하는 경우, 인체에 노출되는 방사선량을 최소화하기 위한 대책이 강구되어야 한다.
수술 중 이용되는 C-arm과 같은 엑스선 영상 장치는 인체에 연속적으로 엑스선을 조사하여 실시간으로 투사 영상을 확인하므로, 불필요한 시간에도 인체가 엑스선에 노출된다는 단점을 가진다. 한편, 펄스 엑스선을 이용하여 방사선 피폭을 줄이기 위한 영상 장치가 최근에 제안되었으나, 해당 영상 장치는 초당 프레임 수(Frame Per Second, FPS)를 세밀하게 조정하기에 어려움이 있고, 수동으로 조작 가능하므로 실시간으로 변화하는 피사체의 움직임에 대응하지 못한다는 단점을 가진다. 따라서, 엑스선 촬영 횟수 및 인체에 노출되는 방사선량을 최소화하면서, 피사체에 대한 다양한 정보들을 정확하게 획득할 수 있도록 하는 엑스선 영상 장치의 개발의 필요성이 대두된다.
본 개시는 피사체의 움직임에 따라 엑스선 선량을 능동적으로 변화시키는 엑스선 영상 처리 장치 및 방법을 제공하는 것으로 목적으로 한다.
본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 처리 장치는 외부의 피사체의 내부 구조를 나타내는 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 생성하는 데이터 획득부 및 상기 데이터 획득부로부터 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 전달 받고, 상기 피사체의 움직임을 검출하고, 상기 피사체의 움직임에 기반하여 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상으로부터 최종 이미지 영상을 생성하는 영상 처리부를 포함하되, 상기 데이터 획득부는 상기 피사체의 움직임에 기반하여 조사하는 엑스선 펄스를 능동적으로 제어한다.
예로서, 상기 데이터 획득부는 엑스선을 방출하는 엑스선 조사부, 상기 방출된 엑스선이 상기 피사체에 조사되어 감쇠된 엑스선을 감지하고, 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 생성하고, 생성된 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 출력하는 엑스선 디텍터 및 상기 엑스선 조사부에서 방출되는 상기 엑스선의 펄스를 제어하고, 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 생성하기 위하여 상기 엑스선 디텍터를 제어하는 제어부를 포함한다.
예로서, 상기 제어부는 엑스선의 펄스의 진폭 및 펄스의 폭 중 적어도 하나를 제어하는 방식에 기반하여 상기 엑스선의 펄스를 제어한다.
예로서, 상기 제어부는 상기 엑스선 조사부 및 상기 엑스선 디텍터를 제어하기 위한 인스트럭션을 저장하는 내부 메모리 및 상기 인스트럭션을 실행하여 상기 엑스선 조사부 및 상기 엑스선 디텍터에 대한 제어 동작을 수행하는 프로세서를 포함한다.
예로서, 상기 엑스선 디텍터는 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상 중에서 특정한 이미지 영상 및 상기 특정한 이미지 영상에 후속하는 후속 이미지 영상을 비교하여 상기 피사체의 움직임을 추출한다.
예로서, 상기 피사체의 움직임을 추출하는 경우, 인공지능 알고리즘이 이용될 수 있다.
예로서, 상기 인공지능 알고리즘은 CNN(Convolutional Neural Network) 또는 RNN(Recurrent Neural Network)일 수 있다.
예로서, 상기 영상 처리부는 미리 설정된 최소 초당 표시 프레임 수와 최대 초당 표시 프레임 수를 기준으로 표준화된 상기 피사체의 움직임 속도를 연산한다.
예로서, 상기 영상 처리부는 상기 피사체의 움직임 속도에 기반하여 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상에 대한 평균화 또는 레벨링 동작을 수행한다.
예로서, 상기 엑스선 영상 처리 장치는 상기 최종 이미지 영상을 표시하는 디스플레이를 더 포함한다.
예로서, 상기 엑스선 영상 처리 장치는 영상 표시 프레임율이 최대 영상 표시 프레임 수와 동일한 경우, 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 상기 최종 이미지 영상으로 출력하고, 상기 영상 표시 프레임율이 상기 최대 영상 표시 프레임 수보다 작은 경우, 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상에 대한 평균화 동작을 통하여 획득된 이미지 영상을 상기 최종 이미지 영상으로 출력한다.
본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 펄스를 능동적으로 가변시키는 엑스선 영상 처리 장치의 엑스선 영상 처리 방법에 있어서, 상기 엑스선 영상 처리 방법은 상기 엑스선 펄스를 가변시키기 위한 복수의 기준 값들을 설정하는 단계, 상기 복수의 기준 값들에 기반하여 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 획득하는 단계, 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상에 기반하여 피사체의 움직임을 감지하는 단계, 상기 피사체의 움직임에 기반하여 영상 표시 프레임율을 연산하는 단계 및 상기 영상 표시 프레임율에 기반하여 최종 이미지를 출력하는 단계를 포함한다.
예로서, 상기 엑스선 영상 처리 방법은 상기 피사체의 움직임에 기반하여 상기 엑스선 펄스를 변조시키는 단계를 더 포함한다.
예로서, 상기 엑스선 영상 처리 방법은 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상 중에서 특정한 이미지 영상 및 상기 특정한 이미지 영상에 후속하는 후속 이미지 영상을 비교하여 상기 피사체의 움직임을 추출하는 단계를 더 포함한다.
예로서, 상기 엑스선 영상 처리 방법은 미리 설정된 최소 초당 표시 프레임 수와 최대 초당 표시 프레임 수를 기준으로 표준화된 상기 피사체의 움직임 속도를 연산하는 단계를 더 포함한다.
예로서, 상기 엑스선 영상 처리 방법은 상기 피사체의 움직임 속도에 기반하여 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상에 대한 평균화 또는 레벨링 동작을 수행하는 단계를 더 포함한다.
예로서, 상기 엑스선 영상 처리 방법은 상기 영상 표시 프레임율이 최대 영상 표시 프레임 수와 동일한 경우, 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 상기 최종 이미지 영상으로 출력하고, 상기 영상 표시 프레임율이 상기 최대 영상 표시 프레임 수보다 작은 경우, 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상에 대한 평균화 동작을 통하여 획득된 이미지 영상을 상기 최종 이미지 영상으로 출력한다.
본 개시에 따른 엑스선 영상 처리 장치 및 방법에 의하면, 피사체의 움직임에 따라 엑스선 선량을 능동적으로 제어함으로써, 피사체에 대한 불필요한 방사선 피폭을 방지할 수 있다.
도 1은 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 처리 장치의 구성을 나타내기 위한 블록도이다.
도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 데이터 획득부의 구성을 나타내기 위한 블록도이다.
도 3은 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 선량을 제어하는 방식을 나타내기 위한 도면이다.
도 4는 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 처리 장치의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 처리 장치에서 이용되는 파라미터들의 상관 관계를 나타내기 위한 도면이다.
도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 처리 장치의 엑스선 영상 처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7a 및 도 7b는 피사체의 움직임에 따른 엑스선 누적 선량을 나타내기 위한 도면이다.
이하에서, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로, 본 발명의 실시 예들이 명확하고 상세하게 기재될 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용된 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises) 및/또는 포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 "제 1 및/또는 제 2" 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하기 위하여 사용될 수 있으나, 이는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 목적으로만 사용될 뿐, 해당 용어로 지칭되는 구성요소를 한정하기 위한 것은 아니다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않는 한, 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있으며, 제 2 구성요소 또한 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 잇는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서, 전문에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지칭할 수 있다.
도 1은 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 처리 장치(10)의 구성을 나타내기 위한 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 처리 장치(10)는 데이터 획득부(100) 및 영상 처리부(200)를 포함할 수 있다.
데이터 획득부(100)는 피사체에 엑스선을 조사하여 피사체의 내부 구조를 나타내는 제 1 이미지(IM_1)를 생성할 수 있다. 데이터 획득부(100)는 제 1 이미지(IM_1)를 생성하기 위한 기초 데이터를 생성할 수 있다. 기초 데이터는 엑스선 감지 결과를 나타내는 전기 신호로 형성될 수 있다. 데이터 획득부(100)는 제 1 이미지(IM_1)를 영상 처리부(200)로 출력할 수 있으며, 데이터 획득부(100)의 상세한 구성 요소 및 동작 원리에 대하여는 후술할 도 2에서 상세히 설명할 것이다.
영상 처리부(200)는 데이터 획득부(100)로부터 입력된 제 1 이미지(IM_1)에 기반하여 피사체의 내부 구조를 나타내는 출력 영상인 제 2 이미지(IM_2)를 생성할 수 있다. 영상 처리부(200)는 제 2 이미지(IM_2)를 생성하기 위하여 제 1 이미지(IM_1)의 처리, 변환 및 분석 등의 동작을 수행할 수 있다. 도 1에 도시되지 않았으나, 영상 처리부(200)는 인스트럭션(instruction)을 실행하는 프로세서(processor) 및 내부 메모리를 포함할 수 있다.
영상 처리부(200)에 포함되는 프로세서는 그래픽 처리를 위한 그래픽 프로세서(Graphic Processing Unit, GPU)를 포함할 수 있다. 프로세서는 코어(core)와 그래픽 프로세서(GPU)를 통합한 SoC(System On Chip)으로 구현될 수 있다. 프로세서는 싱글 코어, 듀얼 코어, 트리플 코어, 쿼드 코어 및 그 배수의 코어를 포함할 수 있다. 프로세서는 인스트럭션(instruction)을 실행하여 제 1 이미지(IM_1)의 처리, 변환 및 분석 등의 동작을 수행할 수 있다.
영상 처리부(200)에 포함되는 내부 메모리는 엑스선 영상 처리 장치(10)의 외부에서 입력되는 신호 또는 데이터를 저장하거나, 엑스선 영상 처리 장치(10)에서 수행되는 다양한 동작들의 저장 영역으로 사용되는 RAM(Random Access Memory)을 포함할 수 있다. 또한, 영상 처리부(200)에 포함되는 내부 메모리는 엑스선 영상 처리 장치(10)의 제어를 위한 제어 프로그램 및 프로세서에 의하여 실행되는 인스트럭션을 저장하기 위한 ROM(Read Only Memory)을 포함할 수 있다.
영상 처리부(200)의 제 1 이미지(IM_1)의 처리, 변환 및 분석 등의 동작에 대하여는 후술할 도 4에서 상세히 설명할 것이다. 또한, 도 1에 도시되지 않았으나, 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 처리 장치(10)는 영상 처리부(200)로부터 생성되는 제 2 이미지(IM_2)를 표시하기 위한 디스플레이(display)를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 데이터 획득부(100)의 구성을 나타내기 위한 블록도이다. 도 2를 참조하면, 데이터 획득부(100)는 엑스선 조사부(110), 엑스선 디텍터(120) 및 제어부(130)를 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 피사체(OB)는 설명의 편의를 위하여 도시된 것일 뿐, 데이터 획득부(100)의 구성 요소로서 도시된 것은 아니다.
엑스선 조사부(110)는 엑스선을 발생시켜 피사체(OB)로 엑스선을 조사할 수 있다. 도 2에 도시되지 않았으나, 엑스선 조사부(110)는 엑스선을 발생시키는 엑스선 소스 및 엑스선의 조사 영역을 조절하는 콜리메이터(collimator)를 포함할 수 있다. 엑스선 조사부(110)는 내부적으로 포함되는 진공간의 음극 및 양극 사이에 고전압을 인가하여 엑스선을 발생시킬 수 있다. 엑스선 조사부(110)에서 출력되는 엑스선의 강도(intensity)는 진공관에 인가되는 엑스선 튜브의 관전압, 관전류 및 펄스 형태에 따라서 달라질 수 있다.
엑스선 디텍터(120)는 엑스선 조사부(110)로부터 조사되어 피사체(OB)를 투사한 엑스선을 검출할 수 있다. 엑스선 조사부(110)에서 출력된 엑스선은 피사체(OB)를 통과하면서 감쇠될 수 있다. 엑스선 디텍터(120)는 감쇠된 엑스선을 감지하여, 피사체(OB)의 내부 구조를 나타내는 제 1 이미지(IM_1)를 생성할 수 있다. 구체적으로, 엑스선 디텍터(120)는 감쇠된 엑스선을 전기적인 신호로 변환하고, 변환된 신호에 기반하여 제 1 이미지(IM_1)를 생성할 수 있다. 엑스선 디텍터(120)는 영상 처리부(200, 도 1 참조)로 생성된 제 1 이미지(IM_1)를 출력할 수 있다.
제어부(130)는 데이터 획득부(100)가 제 1 이미지(IM_1)를 생성하기 위하여 수행하는 동작들을 제어할 수 있다. 예로서, 엑스선 조사부(110) 및 엑스선 디텍터(120)는 제어부(130)의 제어에 따라서 제 1 이미지(IM_1)를 생성하기 위한 엑스선 조사 및 엑스선 감지 동작을 수행할 수 있다. 또한, 제어부(130)는 엑스선 디텍터(120)의 엑스선 감지 결과에 기반하여 제 1 이미지(IM_1)를 생성하도록 엑스선 조사부(110) 및 엑스선 디텍터(120)를 제어할 수 있다.
도 2에 도시되지 않았으나, 제어부(130)는 인스트럭션을 실행하는 프로세서 및 내부 메모리를 포함할 수 있다. 제어부(130)에 포함되는 프로세서는 그래픽 처리를 위한 그래픽 프로세서(GPU)를 포함할 수 있다. 프로세서는 코어와 그래픽 프로세서(GPU)를 통합한 SoC으로 구현될 수 있다. 프로세서는 싱글 코어, 듀얼 코어, 트리플 코어, 쿼드 코어 및 그 배수의 코어를 포함할 수 있다. 프로세서는 인스트럭션을 실행하여 엑스선 조사부(110) 및 엑스선 디텍터(120)에 대한 제어 동작을 수행할 수 있다.
제어부(130)에 포함되는 내부 메모리는 엑스선 영상 처리 장치(10)의 외부에서 입력되는 신호 또는 데이터를 저장하거나, 엑스선 영상 처리 장치(10)에서 수행되는 다양한 동작들의 저장 영역으로 사용되는 RAM을 포함할 수 있다. 또한, 제어부(130)에 포함되는 내부 메모리는 엑스선 조사부(110) 및 엑스선 디텍터(120)의 제어를 위한 제어 프로그램 및 프로세서에 의하여 실행되는 인스트럭션을 저장하기 위한 ROM을 포함할 수 있다.
엑스선 영상 처리에 있어서, 피사체(OB)의 움직임이 있는 경우 엑스선 투사 영상의 초당 프레임 수(Frame Per Second, FPS)에 대한 조절이 필요하다. 예로서, 피사체(OB)가 움직이지 않는 경우 엑스선 투사 영상의 초당 프레임 수(FPS)를 낮추고, 피사체(OB)의 움직임이 빨라질 때 엑스선 투사 영상의 초당 프레임 수(FPS)를 높여 시간당 조사되는 엑스선을 양을 적절히 조절하여야 한다. 엑스선 선량은 엑스선 튜브의 관전압, 관전류, 펄스 폭 및 펄스 주기에 의하여 결정될 수 있으며, 본 개시에 따른 실시 예에서, 제어부(130)는 피사체(OB)의 움직임에 기반하여 능동적으로 엑스선 조사부(110)로부터 출력되는 엑스선 선량을 조절하여 엑스선을 피사체(OB)로 조사할 수 있다. 제어부(130)에 의하여 엑스선 선량을 조절하는 방식은 후술할 도 3에서 상세히 설명할 것이다.
도 3은 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 선량을 제어하는 방식을 나타내기 위한 도면이다. 좀 더 상세하게, 도 3의 (a)는 엑스선의 펄스 폭은 동일하나 관전류, 즉 펄스의 진폭을 변화시켜 제어하는 방식(Pulse Amplitude Modulation, PAM)을 개시한다. 도 3의 (b)는 관전류는 일정하나 엑스선의 펄스 폭을 변화시켜 제어하는 방식(Pulse Width Modulation, PWM)을 개시한다. 도 3의 (c)는 관전류와 펄스폭을 모두 제어하는 방식(PAM+PWM)을 개시한다.
엑스선 조사부(110, 도 2 참조)로부터 조사되는 엑스선의 선량은 엑스선 튜브(tube)의 관전압, 관전류, 펄스 폭 및 펄스의 주기에 따라 결정될 수 있다. 엑스선의 선량은 관전압, 관전류가 커질수록, 펄스 폭이 길어질수록, 펄스의 주기가 짧아질수록 증가할 수 있다. 특히, 펄스의 주기를 변화시켜 선량을 제어하는 경우, 엑스선 영상 처리 장치(10, 도 1 참조)의 초당 프레임 수(FPS)가 변할 수 있다.
도 3의 (a)에 개시된 PAM 방식에 따르면, 제어부(130, 도 2 참조)는 피사체(OB, 도 2 참조)의 움직임의 속력에 비례하여 관전류가 변화하도록 엑스선을 제어한다. 즉, 제어부(130)는 피사체(OB)의 움직임이 느릴수록 관전류를 감소시키고, 움직임이 빨라질수록 관전류를 증가시킨다. 도 3의 (b)에 개시된 PWM 방식에 따르면, 제어부(130)는 피사체(OB)의 움직임의 속력에 비례하여 펄스 폭이 변화하도록 엑스선을 제어한다. 즉, 제어부(130)는 피사체(OB)의 움직임이 느릴수록 펄스 폭을 감소시키고, 움직임이 빨라질수록 펄스 폭을 증가시킨다. 도 3의 (c)에 개시된 PAM+PWM 방식에 따르면, 제어부(130)는 피사체(OB)의 움직임에 비례하여 관전류 및 펄스 폭이 변화하도록 엑스선을 제어한다. 즉, 제어부(130)는 피사체(OB)의 움직임이 느릴수록 관전류 및 펄스 폭을 감소시키고, 움직임이 빨라질수록 관전류 및 펄스 폭을 증가시킨다.
도 3에 도시되지 않았으나 PAM+PWM 방식에서, 제어부(130)는 피사체(OB)의 움직임이 느릴 때 관전류를 감소시키고, 펄스폭을 증가시키고, 움직임이 빨라질수록 관전류를 증가시키고, 펄스폭을 감소시킬 수 있다. 제어부(130)가 피사체(OB)의 움직임이 빨라질 때 펄스폭을 감소시킬 경우, 움직임에 의한 영상 흐림을 방지하는 반면 관전류를 증가시켜 선량 감소를 막을 수 있다.
도 3에 개시된 엑스선 선량 제어 방식은 3가지의 방식으로 분류되나, 이는 일부 실시 예들일 뿐 다양한 엑스선 선량 제어 방식이 이용될 수 있다. 예로서, 관전압에 의한 선량 조절 방식에 의하여 엑스선 선량이 제어될 수 있다. 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 처리 장치(10)는 제어부(130)에 의하여 다양한 엑스선 선량 조절 방식 중 어느 하나에 기반하여 엑스선 조사부(110)를 제어하여 조사되는 엑스선 선량을 조절할 수 있다.
도 4는 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 처리 장치(10, 도 1 참조)의 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 4에서는, 피사체(OB, 도 2 참조)의 움직임에 따라 펄스 폭을 변화시키는 방식에 기반하여 엑스선 선량을 제어하는 방식에 따른 실시 예를 개시한다. 피사체(OB)의 움직임에 따라 펄스 폭을 변화시키는 방식에 따르면, 엑스선 영상 처리 장치(10)는 최종적으로 초당 영상 프레임 수(FPS)가 가변되고, 이 때, 엑스선 선량의 가변 정도를 적응 가변 선량율(Adaptively Variable Dose-rate, AVD)로 지칭한다.
본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 장치(10)의 엑스선 디텍터(120, 도 2 참조)는 최대 초당 프레임의 수(FPS)에 기반하여 엑스선 영상(IM_a1, IM_a2, …, IM_a8)을 획득하고, 피사체(OB)의 움직임을 감지하고, 이에 기반하여 최종 영상(IM_o1, IM_o2, …, IM_o5)을 출력할 수 있다. 피사체(OB)가 정지 상태에 있는 경우, 엑스선 영상 장치(10)는 엑스선 선량을 최소화하여 획득한 복수의 저선량 영상들을 평균화(IM_p1, IM_p2)하여 출력할 수 있다. 이 경우, 초당 프레임 수(FPS)는 작지만, 노이즈가 최소화된 최종 영상(IM_o1, IM_o2, …, IM_o5)이 출력될 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 장치(10)는 피사체(OB)의 움직임이 감지되면 엑스선의 선량을 늘리고, 평균화 대상인 영상 개체 수를 줄여 초당 프레임 수(FPS)를 그에 맞추어 증가시킬 수 있다. 이 경우, 피사체(OB)의 움직임이 최대가 되는 경우, 영상의 평균화 동작 없이 최대 초당 프레임 수(FPS)로 최종 영상이 출력될 수 있다.
도 4에 개시된 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 처리 장치(10)는 일정한 주기로 엑스선 영상을 획득하고, 영상 처리 과정을 거쳐 최종 영상을 출력할 수 있다. 예로서, 최고 초당 프레임 수(FPS)가 30일 경우, 약 33.3ms 주기로 엑스선 영상을 획득하고, 영상 처리 과정을 거쳐 최종 영상을 출력할 수 있다. 이 때, 피사체(OB)의 움직임에 따라 엑스선 선량이 변화될 수 있고, 그에 따라 획득된 영상의 평균화 프레임의 수가 달라지므로 최종적으로 출력되는 영상의 프레임의 수는 가변적일 수 있으나, 최종적으로 출력되는 영상은 동일한 신호대잡음비의 영상으로, 동일한 품질의 영상이 표시될 수 있다.
엑스선 영상 처리 장치(10)는 관전압(kV), 관전류(mA), 최소 펄스폭(MinW), 최대 펄스폭(MaxW), 프레임당 최대 피사체 위치 변화(MaxPPF), 최소 초당 표시 프레임 수(DFPSmin) 및 최대 초당 표시 프레임 수(DFPSmax)를 설정하고 설정된 관전압, 관전류 및 최대 펄스폭으로 엑스선 디텍터(120)의 게인(gain) 보정을 수행할 수 있다. 엑스선 디텍터(120)로부터 매 프레임마다 획득되는 영상은 이전 프레임과 비교하여 해당 프레임의 피사체(OB)의 움직임(PPFi)을 추출할 수 있다.
저선량으로 영상이 획득될 때 노이즈로 인해 추출된 피사체(OB)의 움짐임이 정확하지 않을 수 있으므로 여러 프레임, 즉 N개 프레임의 평균으로 피사체의 움직임을 측정할 수 있다. 이 때 미리 설정된 최소 초당 표시 프레임 수와 최대 초당 표시 프레임 수를 기준으로 표준화된, 즉 정지상태에서는 0, 최대 속도에서는 1의 값을 가지는 피사체(OB)의 움직임 속도(OV)를 연산할 수 있다. 피사체(OB)의 움직임 속도는 인공지능 알고리즘에 의하여 연산될 수 있다. 인공지능 알고리즘은 CNN(Convolutional Neural Network), RNN(Recurrent Neural Network)과 같은 딥러닝 기술이 이용될 수 있다. 이 값을 기준으로 펄스 폭(W), 영상 표시 프레임율(DFPS) 및 평균화 프레임 수(NAF)를 수학식 1 내지 수학식 3으로부터 계산할 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
엑스선 펄스 및 초당 프레임 수(FPS)에 기반하여 획득된 영상은 영상 처리부(200, 도 1 참조)에 의하여 최종 출력 영상 생성을 위한 이미지 처리 동작을 수행할 수 있다. 예로서, 이미지 처리 동작은 평균화 또는 레벨링(leveling) 동작을 포함할 수 있다. 이미지 처리 동작에 있어서, 최종 이미지 생성을 위하여 펄스 폭, 영상 표시 프레임율 및 평균화 프레임 수 등 다양한 파라미터들이 활용될 수 있다.
도 4에서는, 설명의 편의를 위하여 관전압, 관전류 및 펄스 주기는 동일하나, 피사체(OB, 도 2 참조)의 움직임에 따라 펄스 폭을 변화시키는 방식에 기반하여 엑스선 선량을 제어하는 방식에 따른 실시 예를 개시하나, 보다 효율적인 엑스선 선량 제어를 위하여 피사체(OB)의 움직임에 따라 관전압 및 관전류를 가변 시킬 수 있다.
도 5는 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 처리 장치(10, 도 1 참조)에서 이용되는 파라미터들의 상관 관계를 나타내기 위한 도면이다.
피사체(OB, 도 2 참조) 움직임이 커져서 피사체(OB)의 움직임 속도(OV)가 커지면 초당 표시 프레임 수는 최대 초당 표시 프레임 수(DFPSmax)까지 증가하고, 피사체(OB)의 움직임 속도(OV)가 작아지면 초당 표시 프레임 수는 최소 초당 표시 프레임 수(DFPSmin)까지 줄어들 수 있다. 예를 들어 최대 초당 표시 프레임 수(DFPSmax)는 30, 최소 초당 표시 프레임 수(DFPSmin)는 1의 값을 가질 수 있다. 연산된 펄스 폭(W)은 다음 프레임 영상을 위해 엑스선 조사부(110, 도 2 참조)에 전달되어 엑스선의 펄스 폭을 변경할 수 있다.
연산된 영상 표시 프레임율(DFPS)이 최대 초당 표시 프레임 수(DFPSmax)이면 앞서 획득한 프레임을 그대로 출력시키고, 그렇지 않다면 영상 표시 프레임율(DFPS)에 맞추어 여러 장의 프레임을 평균화하여 영상을 출력한다. 예를 들어 영상 표시 프레임율(DFPS)이 15로 연산된 경우, 초당 30장 획득되는 영상 중 2장씩 영상을 평균화하여 최종 영상 출력은 초당 15장의 영상이 출력될 수 있다. 또 영상 표시 프레임율(DFPS)이 1인 경우는 30장의 영상을 평균화하여 초당 1장의 영상을 출력할 수 있다.
도 5에서 개시된 파라미터들은 피사체(OB) 움직임에 선형적으로 비례하는 값을 가지는 것으로 도시되었으나 이는 하나의 실시 예일 뿐, 반드시 선형적일 필요는 없다. 다시 말하면, 효과적인 영상 표시를 위해 로그, 지수, 다항식 등 다양한 함수관계를 가질 수 있다.
도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 엑스선 영상 처리 장치(10, 도 1 참조)의 영상 처리 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 이하, 상술한 내용과 중복되는 내용은 생략된다.
S110 단계에서, 엑스선 영상 처리 장치(10)는 기준 값 및 엑스선 디텍터(120, 도 2 참조)를 설정할 수 있다. 예로서, 기준 값은 관전압(kV), 관전류(mA), 최소 펄스폭(MinW), 최대 펄스폭(MaxW), 프레임당 최대 피사체 위치 변화(MaxPPF), 최소 초당 표시 프레임 수(DFPSmin) 및 최대 초당 표시 프레임 수(DFPSmax)를 포함할 수 있다. 엑스선 영상 처리 장치(10)는 설정된 관전압, 관전류 및 최대 펄스폭으로 엑스선 디텍터(120, 도 2 참조)의 게인(gain) 보정을 수행할 수 있다.
S120 단계에서, 엑스선 영상 처리 장치(10)는 S110 단계에서 설정된 다양한 파라미터들에 기반하여 제 1 내지 제 n 영상을 획득하고, 획득된 제 1 내지 제 n 영상을 내부 메모리에 저장할 수 있다. 획득된 제 1 내지 제 n 영상의 프레임 수는 설정된 초당 프레임 수에 기반할 수 있다.
S130 단계에서, 엑스선 영상 처리 장치(10)는 매 프레임마다 획득되는 영상은 이전 프레임과 비교하여 해당 프레임의 피사체(OB)의 움직임, 즉 피사체(OB)의 위치 변화를 추출할 수 있다. 피사체(OB)의 위치 변화는 인공지능 알고리즘에 의하여 추출될 수 있다. 인공지능 알고리즘은 CNN, RNN과 같은 딥러닝 기술이 이용될 수 있다. 또한, 프레임당 위치 변화에 기반하여 복수의 프레임 전체에 대한 평균 위치 변화를 연산할 수 있다.
S140 단계에서, 엑스선 영상 처리 장치(10)는 미리 설정된 최소 초당 표시 프레임 수와 최대 초당 표시 프레임 수를 기준으로 표준화된, 피사체(OB)의 움직임 속도(OV)를 연산할 수 있다. 또한, 엑스선 영상 처리 장치(10)는 피사체(OB)의 움직임 속도(OV)에 대한 연산 결과를 반영하여 엑스선의 펄스 폭을 변경할 수 있다.
S150 단계에서, 엑스선 영상 처리 장치(10)는 영상 표시 프레임율(DFPS) 및 평균화 프레임 수(NAF)를 연산할 수 있다. 피사체(OB) 움직임이 커져서 피사체(OB)의 움직임 속도(OV)가 커지면 영상 표시 프레임 수는 최대 초당 표시 프레임 수(DFPSmax)까지 증가하고, 피사체(OB)의 움직임 속도(OV)가 작아지면 영상 표시 프레임 수는 최소 초당 표시 프레임 수(DFPSmin)까지 줄어들 수 있다.
S160 단계에서, 엑스선 영상 처리 장치(10)는 영상 표시 프레임율 및 평균화 프레임 수에 기반하여 최종 영상을 출력할 수 있다. 연산된 영상 표시 프레임율이 최대 초당 표시 프레임 수(DFPSmax)이면 앞서 획득한 프레임을 그대로 출력시키고, 그렇지 않다면 영상 표시 프레임율에 맞추어 여러 장의 프레임을 평균화하여 영상을 출력한다. 최종 영상이 출력되면, 절차는 종료한다.
도 7a 및 도 7b는 피사체(OB, 도 2 참조)의 움직임에 따른 엑스선 누적 선량을 나타내기 위한 도면이다. 좀 더 상세하게는, 도 7a는 피사체(OB)의 움직임에 따라 수동으로 초당 프레임 수를 조절하는 경우의 엑스선 누적량을 도시한 것이고, 도 7b는 본 개시의 실시 예에 따른 능동 가변 엑스선 영상 처리 장치(10, 도 1 참조)에 의하여 피사체(OB)의 움직임에 따라 능동적으로 초당 프레임 수를 조절하는 경우의 엑스선 누적량을 도시한 것이다.
도 7a를 참조하면, 제한된 범위 내에서 초당 프레임 수의 설정이 가능하므로, 피사체(OB)의 움직임이 빨라지거나 느려지더라도 초당 프레임 수가 일정 수준 유지되어야 하므로, 시간의 흐름에 따라 엑스선 누적량이 증가한다.
한편, 도 7b를 참조하면, 초당 프레임 수를 능동적으로 변화시킴으로써, 초당 프레임 수가 일정한 경우보다 누적 엑스선 선량이 줄어든다. 특히, 피사체(OB)의 움직임 변화가 급격한 경우(예를 들어 정지 상황이 빈번히 발생하는 경우), 더 많은 엑스선 선량 감소 효과를 얻을 수 있다. 또한, 전계 방출원 기반의 디지털 엑스선 소스에 본 개시에 따른 엑스선 제어 원리를 적용하면, 관전류와 펄스 형태를 즉각적으로 빠르게 변화시킬 수 있으므로 보다 효과적으로 방사선 피폭량 감소 효과를 얻을 수 있다.
상술된 내용은 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들이다. 본 발명은 상술된 실시 예들 뿐만 아니라, 단순하게 설계 변경되거나 용이하게 변경할 수 있는 실시 예들 또한 포함할 것이다. 또한, 본 발명은 실시 예들을 이용하여 용이하게 변형하여 실시할 수 있는 기술들도 포함될 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술된 실시 예들에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 발명의 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 엑스선 영상 처리 장치
100 : 데이터 획득부
200 : 영상 처리부

Claims (15)

  1. 외부의 피사체의 내부 구조를 나타내는 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 생성하는 데이터 획득부; 및
    상기 데이터 획득부로부터 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 전달 받고, 상기 피사체의 움직임을 검출하고, 상기 피사체의 움직임에 기반하여 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상으로부터 최종 이미지 영상을 생성하는 영상 처리부를 포함하되,
    상기 데이터 획득부는 상기 피사체의 움직임에 기반하여 조사하는 엑스선 펄스를 능동적으로 제어하는 엑스선 영상 처리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터 획득부는:
    엑스선을 방출하는 엑스선 조사부;
    상기 방출된 엑스선이 상기 피사체에 조사되어 감쇠된 엑스선을 감지하고, 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 생성하고, 생성된 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 출력하는 엑스선 디텍터; 및
    상기 엑스선 조사부에서 방출되는 상기 엑스선의 펄스를 제어하고, 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 생성하기 위하여 상기 엑스선 디텍터를 제어하는 제어부를 포함하는 엑스선 영상 처리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 엑스선의 펄스의 진폭 및 펄스의 폭 중 적어도 하나를 제어하는 방식에 기반하여 상기 엑스선의 펄스를 제어하는 엑스선 영상 처리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제어부는:
    상기 엑스선 조사부 및 상기 엑스선 디텍터를 제어하기 위한 인스트럭션을 저장하는 내부 메모리; 및
    상기 인스트럭션을 실행하여 상기 엑스선 조사부 및 상기 엑스선 디텍터에 대한 제어 동작을 수행하는 프로세서를 포함하는 엑스선 영상 처리 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 엑스선 디텍터는 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상 중에서 특정한 이미지 영상 및 상기 특정한 이미지 영상에 후속하는 후속 이미지 영상을 비교하여 상기 피사체의 움직임을 추출하는 엑스선 영상 처리 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 영상 처리부는 미리 설정된 최소 초당 표시 프레임 수와 최대 초당 표시 프레임 수를 기준으로 표준화된 상기 피사체의 움직임 속도를 연산하는 엑스선 영상 처리 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 영상 처리부는 상기 피사체의 움직임 속도에 기반하여 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상에 대한 평균화 또는 레벨링 동작을 수행하는 엑스선 영상 처리 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 최종 이미지 영상을 표시하는 디스플레이를 더 포함하는 엑스선 영상 처리 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    영상 표시 프레임율이 최대 영상 표시 프레임 수와 동일한 경우, 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 상기 최종 이미지 영상으로 출력하고,
    상기 영상 표시 프레임율이 상기 최대 영상 표시 프레임 수보다 작은 경우, 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상에 대한 평균화 동작을 통하여 획득된 이미지 영상을 상기 최종 이미지 영상으로 출력하는 엑스선 영상 처리 장치.
  10. 엑스선 영상 처리 방법에 있어서:
    상기 엑스선 펄스를 가변시키기 위한 복수의 기준 값들을 설정하는 단계;
    상기 복수의 기준 값들에 기반하여 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 획득하는 단계;
    상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상에 기반하여 피사체의 움직임을 감지하는 단계;
    상기 피사체의 움직임에 기반하여 영상 표시 프레임율을 연산하는 단계; 및
    상기 영상 표시 프레임율에 기반하여 최종 이미지를 출력하는 단계를 포함하는 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 피사체의 움직임에 기반하여 상기 엑스선 펄스를 변조시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상 중에서 특정한 이미지 영상 및 상기 특정한 이미지 영상에 후속하는 후속 이미지 영상을 비교하여 상기 피사체의 움직임을 추출하는 단계를 더 포함하는 방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    미리 설정된 최소 초당 표시 프레임 수와 최대 초당 표시 프레임 수를 기준으로 표준화된 상기 피사체의 움직임 속도를 연산하는 단계를 더 포함하는 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 피사체의 움직임 속도에 기반하여 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상에 대한 평균화 또는 레벨링 동작을 수행하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 영상 표시 프레임율이 최대 영상 표시 프레임 수와 동일한 경우, 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상을 상기 최종 이미지 영상으로 출력하고,
    상기 영상 표시 프레임율이 상기 최대 영상 표시 프레임 수보다 작은 경우, 상기 제 1 내지 제 N 이미지 영상에 대한 평균화 동작을 통하여 획득된 이미지 영상을 상기 최종 이미지 영상으로 출력하는 방법.
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