KR20230131823A - 방사선 검출 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

소스로부터 방사선을 처리하는 방법은, 소스로부터 방사선을 수신하도록 검출기를 포지셔닝하는 단계, 소스와 검출기 사이에 콜리메이터를 포지셔닝하는 단계 ― 콜리메이터는 복수의 조리개들을 가짐 ―, 소스로부터의 방사선이 콜리메이터를 통과하여 검출기에 입사되도록 하는 단계, 복수의 응답들을 수신하는 단계 ― 복수의 응답들 각각은 검출기 내에서 발생하는 입사 방사선과의 상호작용에 대한 응답임 ―, 복수의 응답들 각각에 대해 상호작용의 특성을 결정하는 단계 ― 특성은 검출기 내에서의 상호작용의 포지션 및 깊이를 적어도 포함함 ―, 검출기 상의 검출된 포지션 상에서 검출기에서 콜리메이터의 다수의 조리개들로부터 투사된 방사선 경로들의 중첩으로 인한 다중화 영향을 수용하도록 하는 방식으로 상호작용 데이터의 포지션 및 깊이를 동시에 처리함으로써, 상기 복수의 응답들을 처리하는 단계를 포함하여 기술된다. 특히, 상기 방법을 수행하기 위해, 소스로부터의 방사선의 검출을 위한 방사선 검출 시스템이 또한 기술된다.

Description

방사선 검출 시스템 및 방법

본 발명은 소스, 예를 들어, 방사성 동위원소 소스로부터 방사선을 검출하기 위한 방사선 검출 시스템에 관한 것으로, 특히, 소스가 검출기에서 낮은 신호를 생성하는 소스로부터 방사선을 검출하는 데 적합한 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이와 같은 소스로부터 방사선을 검출하는 방법에 관한 것이다.

소스에서 방출되고 검출 시스템에서 수신되는 방사선에 대한 더욱 정확한 정보를 얻는 것이 바람직할 수 있는 광범위한 시나리오들이 존재한다. 특히, 예를 들어, 공간적 및/또는 분광학적으로 정보를 분석하여, 소스 및/또는 소스와 검출기 사이에서 방사선이 통과한 재료들에 대한 추가 정보를 제공하는 것이 바람직한 시나리오들이 광범위하게 존재할 수 있다.

이와 같은 시나리오들에는 소스와 검출기가 의도적으로 이격되고, 테스트 객체의 높은 활동 영역들에서 방출되는 방사선을 검출기에서 측정하여, 테스트 객체에 관한 정보를 결정하는 시나리오들이 포함되지만, 이것들로 한정되는 것은 아니다.

이와 같은 후자의 시나리오들의 예들에는 방사성 동위원소 소스로부터의 방사선이 조사하고 있는 피험자의 신체 일부로 전달되도록 하고, 원격 검출기에서 수신된 방사선에 대한 공간적으로 등록된 정보를 사용하여, 환자 해부 구조의 해당 부위의 구조 및/또는 실시간 생리적 기능에 관한 정보를 얻으며, 예를 들어, 해당 구조 및/또는 생리적 기능의 이미지를 구축하는 핵의학 이미징 방법(nuclear medicine imaging method)들이 포함된다. 그러나, 이와 같은 애플리케이션들에 대한 논의는 단지 예시적인 것이며, 본 발명은 의료 또는 이미징 애플리케이션들로 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 원칙들은 소스로부터의 신호가 상대적으로 낮고, 검출기에 입사하는 소스로부터 방출되는 상대적으로 적은 수의 방사선 입자들로부터 분석 가능한 데이터의 신호가 결과적으로 감소하여, 의미 있는 정보를 배경에서 분리하기가 더 어려워지는 경우에 특히 적용된다. 이와 같은 고려 사항들은, 특히, 테스트 중에 피험자가 경험하는 방사선량을 최소화해야 하는 명확한 의무가 있는 의료 애플리케이션들에 적용될 수 있다. 따라서, 다시 핵의학 이미징은 본 발명의 원칙이 유리하게 적용될 수 있는 기술의 좋은 예를 제공한다.

그러나, 저레벨 신호들로부터 고레벨 정보를 분석하는 것에 관한 본 발명의 장점들은 일반적으로 소스로부터의 낮은 신호를 분해해야 하는 모든 경우에 적용된다. 낮은 신호가 예상되는 비의료 애플리케이션의 예로는 휴대용 감마 카메라들을 사용하는 핵 시설들의 검사를 들 수 있다.

본 발명의 장점들은 이미지들의 복원이 필요할 수 있는 상황과, 이미지들의 복원이 불필요하거나 바람직하지 않은 상황들에서 유사하고 상이한 방식들로 모두 발생할 수 있다.

확립된 핵의학 이미징 기술의 예로는 감마선을 사용하는 핵의학 단층 이미징 기법인 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영술(SPECT: single-photon emission computed tomography)이 있다. 이 기술은, 예를 들어, 혈류를 통해 감마 방출 방사성 동위원소(gamma-emitting radioisotope)를 환자에게 전달해야 한다. 전형적인 애플리케이션에서, 방사성 동위원소는 특정 리간드에 결합되어, 조사하고 있는 피험자의 신체에서 관심 장소 내로 운반되고 결합될 수 있다.

방사성 동위원소는 조사하고 있는 피험자의 조직을 통과하는 감마선들을 방출하고, 감마 카메라와 같은 적절한 검출기에서 검출될 수 있다. 감마 카메라에 의한 SPECT 이미징은 다수의 2차원 이미지들을 획득한 다음, 표준 단층 촬영 복원 기술(standard tomographic reconstruction technique)을 사용하여 3차원 데이터세트로 구축된다. 이러한 기술은 잠재적으로 신체의 관련 부위를 단순히 이미징하는 것뿐만 아니라, 생물학적 프로세스들의 능동적 기능 이미징을 가능하게 한다.

예를 들어, 유방암의 조기 검출로 이어질 수 있는 이상을 검출하기 위해 유방 조직을 이미징하는 것으로 알려진 기술은 유방조영술(mammography)이다. 표준 유방조영술은 X 레이를 사용하여 이미지들을 생성한다. 그런 다음, 이러한 이미지들은 비정상적인 발견들을 위해 분석되며, 특히, 예를 들어, 잠재적 종양들을 나타낼 수 있는 특징적인 고밀도의 종괴들에 대해 분석된다. 그런 다음, 이러한 환자들은 보통 더 침습적인 추가 검사를 받기 위해 의뢰된다. 따라서, 표준 유방조영술은 널리 채택된 1단계 스크리닝 기술이다.

그러나, 저에너지 X 레이에 대한 정상적이지만, 상대적으로 고밀도인 유방 조직의 반응은 많은 평범한 종양의 잠재적 발달을 나타낼 수 있는 일종의 종괴들의 반응과 유사할 수 있으며, 결과적으로 고밀도 유방 조직의 비율이 높은 환자들을 구별하는 이 기술의 능력은 감소된다.

MBI(Molecular breast imaging)는 위의 SPECT 유형 기술들의 많은 원칙들을 활용하는 발전된 핵의학 이미징 기술이다. 유방 조직 내에 로케이팅하도록 하는 적절한 리간드에 다시 전형적으로 결합된 방사성 동위원소 소스는 조사하고 있는 피험자에게 도입된다. 일반적으로 더욱 평범한 유방조영상(mammogram)에 해당하는 구성의 소형 반도체 기반 감마 카메라의 적합한 시스템은, 방사선이 유방 조직을 통과한 후, 소스로부터의 방사선을 검출하는 데 사용된다. 이 기술은 생리적 활동을 검출할 수 있기 때문에, 초기 종양들을 검출하는 데 특히 효과적일 수 있다. 그러나, 일반적으로 조사하고 있는 환자에게 더 높은 전체 방사선량이 노출되기 때문에, 1단계 스크리닝 기술로서의 적용이 제한하는 경향이 있다.

모든 핵의학 이미징 기술들에서는, 소스의 방사능을 유지하고, 조사하고 있는 피험자가 받는 최종 방사선량을 가능한 한 낮게 유지해야 한다는 분명한 의무가 있다. 결과적으로 검출기에서 수집되는 낮은 신호는 데이터의 검출 및 분해능과 관련하여 특정 문제들이 드러난다.

필요한 소스 신호에 영향을 미치는 인자는 검출 효율성이다. 특히, 이미징 기술들과 관련하여, 요구되는 공간 분해능을 얻기 위해서는, 개별적으로 어드레싱할 수 있는 복수의 검출 포인트들 또는 영역들을 구별하는 검출 시스템이 필요하다. 예를 들어, 평면 검출기들의 경우, 공간 분해능은 x 방향 및 y 방향에 있을 수 있다. 현재 실무에서는, 2차원(2D) 검출기들이 자주 사용되지만, 3차원(3D)으로도 검출이 가능하다.

이미징 시스템에서, 검출기에서의 각각의 포인트는 복원된 이미지 내의 픽셀 또는 복셀(voxel)에 대응할 수 있으며, 일반적으로 검출기 상의 픽셀로 지칭될 수 있다. 결과 이미지에서 효과적인 공간 및, 예를 들어, x, y 분해능을 획득하기 위해, x 방향 및 y 방향으로 개별적으로 어드레싱할 수 있는 "픽셀들" 각각에 대해 유효한 신호를 얻을 수 있게 하는 방식으로 x 방향 및 y 방향의 "픽셀들"을 구별하는 검출 시스템이 필요하다.

모든 유형의 방사선 검출기들, 특히, 기존의 의료 이미징 애플리케이션들에서 널리 사용되는 고체 상태 검출기들은 보통 이들의 효율성이 두께에 따라 달라지는 형상에 특징이 있다. 무시 가능한 관계는 아니지만, 대부분의 경우, 검출기가 두꺼울수록 효율이 높아진다. 통상적으로, 기존 의료 이미징 애플리케이션들에서 널리 사용되는 고체 상태 검출기들의 효율은 검출면의 x, y에 직교하거나 z 방향으로 적절한 깊이를 제공함으로써 향상된다.

그러나, x, y에서 포지션의 정합(registration)을 유지하기 위해, 검출기에 입사하는 소스로부터 방출된 신호를 시준해야 하는 경우가 종종 있다. 핵의학 이미징 기술에서 임의 이미지의 품질과 유용성은 콜리메이터 구조에 의해 심각한 영향을 받는다.

소스와 감마 카메라 사이의 확산 각도가 매우 작은 평행 홀 콜리메이터(parallel-hole collimator)와 같은 콜리메이터 또는 x, y 평면에서 거의 일대일 정합에 접근하는 소스와 검출기 사이의 신호에 정합을 생성하는 다른 검출기를 사용하는 것이 보통이다. 콜리메이터는 방사선의 해당 부분만을 통과시키는 다수의 밀집된 평행 홀들로 구성되어 있으며, 이 홀들은 콜리메이터 표면에 거의 수직이다. 결과적으로, 검출기는 방사선 소스의 단일 직교 프로젝션을 획득할 것이다. 이러한 이미지는, 2D 감마 카메라들의 경우에는, 직접 사용될 수 있지만, 3D SPECT 애플리케이션의 경우에는, 복원 알고리즘에 대한 충분한 정보를 얻기 위해, 환자 주위의 다수의 각도 포지션들에서 획득을 반복해야 한다.

따라서, SPECT 또는 MBI와 같은 기술들을 구현하는 핵의학 이미징을 위한 기기의 효과적인 개발은, 예를 들어, 매우 작은 확산 각도를 갖는 평행 홀 콜리메이터를 사용하여 x, y 방향으로 실질적으로 완전한 일대일 정합을 가진 효과적인 콜리메이션에 대한 요건과 콜리메이터에 의한 결과적인 신호 감소 및 가능한 최소의 방사선량 소스에 대한 요건 사이의 절충안이다.

특히, MBI 분야에서는, 유방 압박이 적당한 단일 및 이중 평면 검출기들의 사용에 관한 문헌이 풍부하다. 예를 들어, 최첨단 상용 시스템은 고분해능 평행 홀 콜리메이터를 구비한 CZT 검출기를 사용한다. 유방과의 근접성으로 인해 우수한 공간 분해능이 달성된다. 유방이 고밀도인 환자들의 경우, 기존의 유방 촬영술보다 검출 감도가 우수하지만, 방사선량이 더 높다. 방사선량을 줄이기 위한 노력들에는 노이즈/콘트라스트 강화를 줄이기 위한 콜리메이터 및 이미지 필터링의 선택이 포함되었지만, 이것들은 MBI를 스크리닝 도구로 사용할 수 있을 만큼 충분한 선량 감소를 달성하지 못했다.

이와 같은 시나리오들에서, 그리고, 예를 들어, 저강도 소스, 단기간 측정들 등으로부터 방사선에 관한 정보의 더 나은 분해능을 허용하는 대체 검출 시스템들 및 방법들을 제공하려는 일반적인 요구가 있다.

핵의학 이미징에 적용될 수 있고, 이러한 상충되는 고려 사항들을 더욱 효과적이고 효율적인 방식으로 해결할 수 있고, 환자의 생리학적 관련 데이터의 개선된 분해능 및/또는 SPECT 또는 MBI와 같은 핵의학 이미징 기술과 관련하여 감소된 방사선량 레벨을 제공할 수 있는 대안을 제공하고자 하는 특별한 요구가 있다.

예를 들어, z 방향으로 깊이가 깊지 않은 핀 홀 또는 슬릿으로 구성된 확산 각도가 작지 않은 다수의 조리개 콜리메이터들을 사용하는 것이 모색되었다.

예를 들어, 다중 핀 홀 콜리메이터들은 배율로 인해 고분해능 성능을 나타내는 전임상 시스템들에서 광범위하게 사용되었다. 고감도를 달성하기 위한 수단으로 고밀도로 채워진 미세한 핀 홀들과 조합하여 높은 고유 분해능을 사용하는 개념은 새로운 것이 아니며, 소형 설계를 가능하게 하는 추가적인 장점을 가지고 있다. 금속 적층 3D 프린팅의 개발로 인해 설계의 유연성이 더욱 향상되었다. VASH(variable angle slant hole) 및 슬릿-슬랫(slit-slat)을 포함하는 MBI에 대해 다양한 대체 콜리메이터들이 평가되었다.

예를 들어, 다중 슬릿 또는 다중 핀 홀 콜리메이터들과 같이 작은 확산 각도를 갖지 않는 다수의 조리개 콜리메이터들의 설계에서의 제한은, 발생할 수 있는 프로젝션 중첩(다중화)으로 인해, 이미지 아티팩트들이 생길 수 있다. 기존의 접근 방식은, 예를 들어, 핀 홀들을 분리하거나, 노출된 검출기를 제한하기 위해 내부 차폐를 도입하거나, 셔터 시스템을 사용하여 상이한 핀 홀들을 순차적으로 노출함으로써, 다중화를 피하는 것이지만, 이는 설계 옵션들을 제한할 수 있다. 다중화를 극복하는 수단으로서 2개의 서로 다른 대향 콜리메이터들을 사용하는 것도 제안되었다. 다수의 획득 거리들(합성 콜리메이션)을 사용하면, 전임상 이미징에서 다중화 아티팩트들을 감소시키는 것으로 나타났다. 수정된 MLEM 복원 내에서 반복적인 탈다중화(iterative de-multiplexing)에 대한 접근 방식도 제안되었다. 모든 경우들에서, 목적은 다수의 조리개 콜리메이터들에서 생길 수 있는 프로젝션 중첩(다중화)을 효과적으로 제거하거나 적어도 이로 인해 생성될 수 있는 다중화 아티팩트들을 크게 감소시키는 데 있다.

본 발명은 이러한 다중화 문제에 관한 것이며, 그리고 이와 같은 다중화의 영향들 중 일부를 완화하고/완화하거나 이와 같은 다중화가 존재할 수 있는 데이터를 더 잘 사용할 수 있게 하는 대체 솔루션을 제공하는 것에 관한 것이다. 본 발명은, 특히, 핵의학 이미징, 예를 들어, SPECT 또는 MBI와 같은 기술들에 적용될 수 있고, 환자로부터의 생리학적으로 관련된 데이터의 개선된 분해능 및/또는 감소된 방사선량 레벨들을 제공하기 위해 콜리메이션 손실 후에 선량 레벨들을 감소시키고 충분한 신호를 유지하는 상충되는 고려 사항을 해결할 수 있는 장치 및 방법들의 맥락에서 이러한 목적들을 달성하는 것에 관한 것이다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 소스로부터 방사선을 처리하는 방법은,

소스로부터 방사선을 수신하기 위해 적어도 하나의 검출기를 포지셔닝하는 단계,

소스와 검출기 사이에 콜리메이터를 포지셔닝하는 단계 ― 콜리메이터는 복수의 조리개들을 가짐 ―,

소스로부터의 방사선이 콜리메이터를 통과하여 검출기에 입사되도록 하는 단계,

복수의 응답들을 수신하는 단계 ― 복수의 응답들 각각은 검출기 내에서 발생하는 입사 방사선과의 상호작용에 대한 응답임 ―,

복수의 응답들 각각에 대한 상호작용의 특성을 결정하는 단계 ― 특성은 검출기 내에서의 상호작용의 포지션 및 깊이를 적어도 포함함 ― ,

검출기 상의 검출된 포지션 상에서 검출기에서 콜리메이터의 다수의 조리개들로부터 투사된 방사선 경로들의 중첩으로 인한 다중화 영향을 수용하도록 하는 방식으로 상호작용 데이터의 포지션 및 깊이를 동시에 처리함으로써 상기 복수의 응답들을 처리하는 단계를 포함한다.

본 명세서에서 검출기에 대해 참조가 이루어진 경우, 이는 복수의 응답들 각각에 대해 상호작용의 특성을 필요한 결정을 가능하게 하는 것과 같은 분해능으로 소스로부터 방사선을 수신하는 데 효과적인 임의의 검출기 형성물에 적용되며, 여기서, 특성은 적어도 검출기 내에서의 상호작용의 포지션 및 깊이를 포함하는 것임을 이해할 것이다. 특히, 단수는 복수를 포함한다. 본 발명은 다수의 개별 검출기 형성물들을 포함하는 검출 시스템 및/또는 다수의 개별 검출 영역들을 정의하는 단일 검출기 형성물 및/또는 개별적으로 어드레싱된 하위 영역들로 사실상 세분화되는 단일 연속 검출 영역을 정의하는 단일 검출기 형성물에 적용될 수 있다. 다수의 응답들은 다수의 검출기들로부터 수신될 수 있다.

본 발명의 일부 애플리케이션들에서, 적어도 하나의 검출기는 일반적으로 방사선 입사 방향에 수직으로 포지셔닝되어, 방사선 입사 방향에 수직인 x, y 입사 평면 및 검출기의 깊이에 대응하는 z 방향을 정의하고, 검출기 내에서의 상호작용의 포지션은 선형 검출기에 대해서는 x에서의 포지션을 구성할 수 있고, 영역 검출기에 대해서는 x, y에서의 포지션을 구성할 수 있으며, 검출기 내에서의 상호작용의 깊이는 z에서의 깊이를 구성할 수 있음을 이해할 것이다.

본 발명의 일부 애플리케이션들에서, 검출기는 픽셀화될 수 있으며, 이는 검출기가 개별 요소들 및/또는 개별적으로 어드레싱 가능한 영역들인 개별적으로 어드레싱 가능한 서브유닛들의 1차원 또는 2차원 어레이로 분할되어, 예를 들어, 일반적으로 방사선 입사 방향에 수직인 표면상에 정의될 수 있음을 의미하며, 검출기 내에서의 상호작용 포지션은 특정의 개별적으로 어드레싱 가능한 서브유닛에 대한 로컬리제이션(localisation)을 구성할 수 있고, 검출기 내에서의 상호작용의 깊이는 상기 서브유닛의 표면 아래의 깊이를 구성할 수 있음을 이해할 것이다. 서브유닛들은 개별적인 물리적 엔티티들일 수 있거나, 물리적으로 연속적일 수 있는 검출 영역이 가상으로 세분화되고, 포지션이 x, y로 결정되며, 이 결정된 포지션이 서브유닛에 상호작용을 할당하는 데 사용된다는 의미에서 디지털 방식으로 가상으로 정의될 수 있다.

본 명세서에서 픽셀들과 같은 서브유닛들에 대한 참조가 이루어지는 경우, 문맥상 명시적으로 달리 요구되지 않는 한, 이러한 용어는 물리적으로 개별적인 픽셀 서브유닛, 동일한 것의 클러스터, 및 위와 같이 디지털 방식으로 가상으로 정의된 서브유닛들을 포함하는 것으로 이해될 것이다.

본 발명은 검출기에서 다중화 영향을 생성하는 경향이 있는 방식으로 상이한 조리개들로부터 방사선 패턴들 사이에 중첩을 생성하도록 본질적으로 구성된 다수의 조리개들의 어레이를 갖는 콜리메이터의 사용, 검출기 내에서의 상호작용의 포지션과 깊이 양쪽 모두를 결정하여 이러한 복잡성을 캡처하기 위해 무시할 수 없는 깊이를 갖는 검출기의 사용, 및 처리 스테이지에서 이러한 검출된 복잡성을 사용하여 수용하고, 그리고, 예를 들어, 이와 같은 다중화의 기여를 완화하고 바람직하게는 또한, 추가의 유용한 추론들을 도출하기 위한 다중화의 추가 사용에 의해 위에서 논의된 종래 기술에 비해 뚜렷하게 특징지어진다.

즉, 콜리메이터가 각각의 조리개와 검출기 상의 주어진 영역 사이에 직접적인 정합이 필요한 것은 아니지만, 다중화의 가능성으로 이어질 수 있는 개개의 영역들에서 중첩될 수 있는 소스로부터의 방사선에 대해 도입된 3차원적 복잡성을 갖는다는 것이 본 발명에 내재되어 있다.

이는 조리개들 각각이 0이 아닌 각도 확산을 나타내는 조리개 너머의 방사선 프로젝션 구역을 정의하도록 하는 조리개들의 구조에 따른 결과이다. 예를 들어, 다중 홀 콜리메이터의 경우, 각각의 홀 조리개는 양의 각도 확산으로 조리개 너머의 방사선 프로젝션 콘(radiation projection cone)을 정의하도록 구성된다. 따라서, 각각의 조리개는, 이미징 기술에서 이해되는 바와 같이, 이미지 정보가 분석될 수 있는 적어도 일부 복잡성이 단일 조리개로부터의 방사선 프로젝션에 본질적으로 포함되어 있다는 점에서 사실상 이미징 조리개이다. 콜리메이터는 조리개 너머의 결과적인 방사선 프로젝션 구역들이 중첩되어 검출기에서 다중화 영향을 생성할 수 있도록 추가로 구성된다.

검출기가 검출기의 x, y 평면뿐만 아니라, 상호작용의 깊이 또는 z 방향의 검출기에서도 각각의 상호작용을 국한시키는 것이 본 발명의 실시예들의 추가 특징이다. x, y의 포지션뿐만 아니라, 상호작용의 깊이를 포함하는 이러한 데이터세트는 다중화 영향을 수용하고, 예를 들어, 완화할 수 있는 방식으로 소스로부터의 방사선 패턴의 그림을 복원하는 데 사용된다. 즉, 본 발명의 방법은 투사된 방사선 구역들이 중첩되는 다수의 조리개들을 갖는 콜리메이터를 사용하여, 결과적인 다중화 영향을 x, y에서의 상호작용 포지션의 원시 데이터에서 수용하지만, 예를 들어, 이와 같은 다중화의 기여를 수용하고 완화하기 위해 z에서의 상호작용의 깊이를 사용하는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 다중화를 추가로 사용하여 추가적인 유용한 추론들을 도출하도록 한다.

일부 실시예들에서, 방법은 검출기 내의 각각의 상호작용의 결정된 포지션 및 깊이를 포함하는 수집된 데이터세트를 처리하는 단계 및 상호작용이 입력 데이터세트에 국한된 겉보기 포지션(apparent position) 상의 검출기에서 콜리메이터 내의 다수의 조리개들로부터 투사된 방사선 경로들의 중첩으로 인한 다중화 영향을 수용하는 방식으로, 적어도 각각의 상호작용의 수정된 포지션에 대한 데이터, 및 예를 들어, 픽셀 및/또는 상기에 정의된 바와 같은 x, y 방향으로 각각의 상호작용을 국한시키는 데이터를 포함하는 수정된 데이터세트로부터 생성하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 방법은 다중화 영향을 감소시키는 단계를 포함하며, 예를 들어, 수정된 데이터세트로부터 다중화 영향을 실질적으로 제거하는 단계를 포함한다.

데이터가 하나 이상의 이미지들을 복원하는 데 사용될 수 있는 바람직한 실시예들에서, 본 발명은, 예를 들어, 복원된 이미지(들)에서 이미지 품질을 개선하고 아티팩트들을 감소시키기 위해 복원된 이미지(들)에서 다중화 영향들을 수용하도록 상호작용의 깊이를 사용하는 단계를 더 포함할 수 있다.

대조적으로, 전형적인 종래 기술에서, 통상적으로 사용되는 접근 방식은 하드웨어의 적절한 구성, 예를 들어, 픽셀 단위로 국한된, 검출된 상호작용들에 대해 단조로운 정합을 유지하는 것과 같은 콜리메이션 및 픽셀화의 적절한 구성에 의해 획득 스테이지에서 중첩을 완전히 완화하고 이상적으로는 실질적으로 제거하는 것이다. 전형적인 종래 기술 접근 방식에서, 다중화, 즉, x, y 포지션과 z의 변화는 원시 검출된 상호작용 데이터세트에 수용될 수 있는 특징으로 간주되지 않으며, 심지어 획득 스테이지에서 중첩을 최소화하거나 제거함으로써 원시 검출된 상호작용 데이터세트에서 최소화하거나 제거해야 하는 문제로 간주된다.

해당 종래 기술에서, 기존의 콜리메이션 시스템들은, 방사선 패턴이 소스에서 검출기로 통과할 때, x, y에서 실질적으로 단조로운 1대1 포지션 정합을 유지하도록 의도된다.

이것의 결점은 상당수의 광자들이 검출기에 도달하지 않는다는 점이다. 전형적인 MBI 시스템에서는, 아마도 10⁴개의 광자 중 한 개 정도의 광자만 정합된다. 다른 SPECT 유형 기술에서도 전형적으로 유사한 수준들이다.

결과적으로, 이미지를 생성하기 위해 검출기에서 만족스러운 개수의 광자 상호작용들을 얻으려면, 훨씬 더 높은 방사선 신호 소스가 필요하며, 의료용 이미징의 경우, 결과적으로 환자의 조직에 더 높은 방사선량이 필요하다. 예를 들어, 더 큰 치수의 홀들을 사용하여, 콜리메이터가 통과하는 각도를 완화하는 대안은 이미지의 분해능을 잃게 할 것이다.

대조적으로, 본 발명은 획득 스테이지에서 하드웨어 내에서의 다중화를 제거하는 것이 아니라, 상호작용 데이터의 깊이를 포함하는 본질적으로 다중화된 상호작용 데이터를 수집하고, 이러한 더욱 복잡한 데이터를 복원하고, 다중화 영향들을 수용하고, 예를 들어, 완화하기 위해 소스로부터의 방사선에 관한 추가적이거나 대안적인 추론들을 도출하기 위한 처리 단계를 제공하며, 선택적으로 다중화를 추가로 사용하여 유용한 추가 추론들을 도출하게 하는 것이 뚜렷한 특징이다.

결과적으로, 본 발명은 적절한 신호 유지/선량 감소와 이미지 콘트라스트 손실 사이에서 종래 기술에 존재하는 명백한 충돌에 대해 근본적으로 상이한 접근 방식을 취한다. 각각의 광자 상호작용의 깊이, 즉, 심도 검출기 내에서 z 방향의 포지션도 어느 정도 분석될 수 있다면, 각각의 광자 상호작용이 모든 x, y 및 z 좌표계에서 어느 정도 위치적으로 국한될 수 있는 데이터세트가 생성되어 추론들이 도출되게 할 수 있고, 적절한 처리 및 복원 모듈에서 적절한 복원 방법들에 의해 디컨볼루션되는 데이터세트는 거의 1 대 1의 x, y 정합을 목적으로 콜리메이션 및 픽셀화할 필요성을 없앨 수 있고, 결과적으로 필터를 통과하지 못하는 광자들의 개수를 현저히 감소시키고, 그에 따라 필터를 통과하여 검출 모듈에서 유용하게 수집되고, 의미있게 처리되는 광자들의 비율을 현저히 증가시킬 수 있다는 인식에 의존한다. 효과적인 데이터세트는 훨씬 더 낮은 고유의 방사능 소스 레벨에서 수집될 수 있으며, 예를 들어, 의료 이미징의 경우에 환자의 조직으로의 결과적으로 더 낮은 방사선량이 수집될 수 있다.

본 발명에 따르면, 방법은 최소화된 확산 각도를 갖지 않은 복수의 조리개들을 갖는 콜리메이터를 사용하는 것을 포함한다. 특히, 바람직한 경우에, 평행 홀 콜리메이터들 및 최소화된 확산 각도를 위해 설계된 다른 콜리메이터들조차도 모든 상황들에서 다중화를 제거하지 않을 수 있고, 그에 따라 본 발명의 방법의 원칙들이 사용될 수 있지만, 콜리메이터는 평행 홀 콜리메이터가 아니다.

실시예들에서, 콜리메이터는 1차원 어레이나 확산 각도가 최소화되지 않은 복수 조리개들의 2차원 어레이를 가질 수 있다. 예를 들어, 조리개들은 각각의 조리개가, 예를 들어, 짧은 길이 및/또는 출현하는 방사선 방향의 발산 프로파일을 참조하여 구성되는 방사선이 출사하는 부분을 정의하여, 조리개를 통과하는 방사선이 출사될 때, 확산 각도가 0이 아닌 경향을 갖도록 구성될 수 있다. 적절한 확산 각도는 적어도 15도일 수 있다.

일부 실시예들에서, 방법은 슬릿들의 어레이, 예를 들어, 슬릿-슬랫 배열을 갖는 콜리메이터를 사용하는 것을 포함한다. 다른 실시예들에서, 방법은 핀 홀들의 1차원 또는 2차원 어레이를 갖는 콜리메이터를 사용하는 것을 포함한다. 이와 같은 경우들에서, 슬릿들 또는 핀 홀들은 동일하거나 상이한 구성일 수 있으며, 균등하게 또는 상이하게 배치될 수 있다. 복수의 조리개들의 다른 배치들 및 구성들이 상정될 수 있다.

본 발명에 따르면, 방법은 검출기 내에서 발생하는 입사 방사선과의 대응하는 복수의 상호작용들에 대한 복수의 응답들을 수신하는 단계, 및 각각의 이와 같은 응답에 대해 적어도 상기 상호작용의 검출기 내에서 상호작용의 포지션 및 상호작용의 깊이를 결정하는 단계를 포함한다.

예를 들어, 본 발명의 방법은 검출기 내에서 발생하는 입사 방사선과의 상호작용이 3차원으로 검출기 내에서의 상호작용 포지션에 국한될 수 있도록 적응되거나 구성되는 검출기를 사용하는 것을 포함한다. 이와 같은 경우의 방법은 소스로부터의 방사선을 그와 같은 검출기에 입사시키는 단계 및 그에 따라 수신 단계 및 결정 단계를 수행하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 예를 들어, 본 발명은 3차원 복셀 어레이를 포함하는 검출기의 사용을 포함하며, 여기서, 복수의 응답들 각각에 대해 상호작용의 3차원에서의 포지션을 적어도 포함하는 상호작용의 특성을 결정하는 것은 상기 상호작용을 특정 복셀에 국한시키는 것을 포함한다.

일부 실시예들에서, 검출기는 검출기 내에서의 상호작용을 일반적으로 입사 방사선의 방향에 수직인 평면 내의 x 및 y 방향, 및 일반적으로 x, y 평면에 직교하는 방향에서 검출기 내에서의 깊이를 포함하는 z 방향 각각으로 국한시키기 위한 수단을 포함한다.

예를 들어, 방사선 검출기는 2개의 직교 방향들(이하, x 방향 및 y 방향이라 함) 각각으로 검출 표면을 가로질러 위치적으로 정의된 복수의 개별적으로 어드레싱 가능한 검출 부분들로 분할된 검출 표면 ― 이에 따라, 소스로부터 입사된 방사선 입자의 검출 모듈에서의 상호작용은 검출 부분으로 위치적으로 국한될 수 있음 ―, 및

제3 직교 방향(이하 z 방향)으로의 깊이를 포함하고, 방사선 검출기는 소스로부터 입사되는 방사선 입자의 검출 모듈에서의 상호작용이 z 방향의 깊이에 대해 위치적으로 추가 국한될 수 있도록 구성된다.

이 방법은, 예를 들어, 방사선 검출기와의 데이터 통신에 적합한 처리 모듈에서, 검출기에서의 연속적인 복수의 입자 상호작용들로부터의 방사선 데이터를 수신하고 처리하는 단계를 더 포함하며, 이에 따라, 각각은 특정 복셀 및/또는 x, y 및 z 좌표에 위치적으로 국한된다.

본 발명에 따르면, 방법은 소스로부터 방사선 패턴에 관한 추론들을 도출하는 단계를 포함한다. 특히, 검출기 상의 겉보기 포지션 및, 예를 들어, 상호작용이 발생하는 픽셀 상의 검출기에서 콜리메이터 내의 다수의 조리개들로부터 투사된 방사선 경로들의 중첩으로 인한 다중화 영향을 수용하도록 하는 방식으로 상호작용 데이터의 포지션 및 깊이를 동시에 처리함으로써, 추론이 도출될 수 있다.

일부 실시예들에서, 방법은, 예를 들어, 테스트 객체의 이미징을 위해 테스트 객체를 통해 전송된 후에 방사선 데이터를 수집하는 방법으로 적용되며, 시스템은 테스트 객체를 통해 전송된 후에 방사선 데이터를 수집하기 위한 시스템으로서 사용되도록 적응된다.

이와 같은 경우에, 방법은,

소스와 콜리메이터 사이에 테스트 객체를 포지셔닝하는 단계,

소스로부터의 방사선이 테스트 객체에 입사하게 하는 단계, 및 그로부터 출현하는 방사선의 적어도 일부가 필터를 통과하여 검출 모듈에 입사하게 하는 단계를 추가적으로 포함한다.

테스트 객체를 통한 전송 후에, 검출 모듈에서 수집된 연속적인 복수의 입자 상호작용들 각각은, 예를 들어, x, y 및 z 좌표에서 위치적으로 국한된다.

일반적인 원칙에서의 본 발명에 따르면, 방법은 검출기 내에서 발생하는 입사 방사선과의 대응하는 복수의 상호작용들에 대한 복수의 응답들을 수신하는 단계, 및 각각의 이와 같은 응답에 대해, 적어도 상기 상호작용의 검출기 내에서 상호작용의 포지션 및 상호작용의 깊이를 결정하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 방법은,

검출기 내에서의 각각의 상호작용의 결정된 포지션 및 깊이를 포함하는 입력 데이터세트를 결정하는 단계, 및

입력 데이터세트를 처리하고, 이로부터 다수의 조리개들로부터 투사된 방사선 경로들의 중첩으로 인한 다중화의 영향을 수용하도록 하는 방식으로 수정된 각각의 상호작용의 포지션을 포함하는 데이터를 적어도 포함하는 수정된 데이터세트를 생성하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 방법은 이미지 데이터세트를 생성하는 단계를 포함한다. 가능한 실시예들에서, 연속적인 복수의 입자 상호작용들에 대한 입력 데이터세트는 이미지 데이터세트를 생성하기 위해 처리된다. 방법은 이미지를 생성하는 단계 및 선택적으로 이미지를 추가로 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이와 같은 실시예들에서, 방법은 겉보기 포지션, 예를 들어, 결과적인 이미징 데이터세트 또는 이미지에서 다중화 아티팩트들을 감소시키기 위해 상호작용이 발생하는 픽셀 상의 검출기에서 콜리메이터 내의 다수의 조리개들로부터 투사된 방사선 경로들의 중첩으로 인한 다중화의 영향을 수용하도록 하는 방식으로 상호작용 데이터의 포지션 및 깊이를 동시에 처리하는 단계를 포함한다. 이와 같은 실시예들에서, 앞서 참조된 복원된 데이터세트는 이미지 데이터세트를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 방법은 의학적 검사, 예를 들어, 의료 이미징의 방법으로서 적용되고, 테스트 객체는 테스트 대상, 예를 들어, 인간 또는 인간이 아닌 동물 대상의 신체의 일부이다.

일부 실시예들에서, 방법은 이미지 데이터세트, 예를 들어, 단층 촬영 복원에 의한 이미지를 생성하는 단계를 포함한다. 이와 같은 경우에, 앞서 참조된 복원된 데이터세트는, 예를 들어, 그것의 이미지층을 나타내는 단층 촬영 이미지 데이터세트 또는 그 일부를 포함할 수 있다.

이와 같은 실시예들에서, 방법은, 예를 들어, 복원된 단층 촬영 이미지 내의 다중화 아티팩트들을 감소시키기 위해 복원된 단층 촬영 이미지 데이터세트에 대한 다중화 영향을 수용하도록 하는 방식으로 상호작용 데이터의 포지션 및 깊이를 동시에 처리하는 단계를 포함한다.

방법은 단층 촬영 이미지를 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.

일반적인 원칙에서, 단층 촬영 복원은 검출기에 입사하는 소스로부터의 방사선에 기인하는 방사선 상호작용 응답 데이터세트의 형태로 원시 데이터를 3D 이미지 데이터세트로 변환함으로써, 검출기에서 수집된 소스로부터의 방사선 데이터로부터 구축된 이미징을 포함한다. 제한된 수의 데이터와 프로젝션 각도들의 방향을 복원하는 것을 종종 단층 합성(tomosynthesis)이라 지칭한다.

이것의 가장 넓은 개념에서, 단층 촬영 복원에 적용될 때, 본 발명은 검출기 내에서의 각각의 상호작용의 결정된 포지션 및 깊이 양쪽 모두에 따라 방사선 상호작용 응답들의 수집된 데이터세트를 처리하고, 전자의 다중화 영향들을 수용하기 위해 후자를 사용함으로써, 예를 들어, 결과적인 이미지 데이터세트에서의 다중화 영향들을 완화하기 위해 원시 데이터 내의 잠재적인 다중화 영향들을 수용하는 것을 포함한다.

적합한 단층 촬영 복원 방법론은, 예를 들어, 공지된 단층 촬영 복원 방법론에 기초하여, 본 발명의 원칙들에 따른 수정들과 함께 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, ML-EM(Maximum-Likelihood Expectation-Maximisation) 이미지 복원 방법이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 방법은 정렬된 서브세트 알고리즘(OS-EM)과 조합될 수 있다. 다른 실시예들에서, One Step Late(한 단계 늦음) 방법 또는 고급 최적화 방법들과 같은 페널티화된 이미지 복원이 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 검출기 내에서의 각각의 상호작용의 결정된 포지션 및 깊이를 포함하는 입력 데이터세트가 처리되고, 다중화 영향들을 수용하고 후속 단층 촬영 복원 전에 수정된 데이터세트를 생성하기 위해 각각의 상호작용의 결정된 포지션 및 깊이 양쪽 모두를 고려한다. 일부 실시예들에서, 검출기 내에서의 각각의 상호작용의 결정된 포지션 및 깊이를 포함하는 입력 데이터세트가 처리되고, 다중화 영향들을 수용하기 위해 각각의 상호작용의 결정된 포지션 및 깊이 양쪽 모두를 고려하여 단층 촬영 복원과 동시에 수정된 데이터세트를 생성한다. 일부 실시예들에서, 입력 데이터세트는 다중화 영향들을 수용하기 위해 각각의 상호작용의 결정된 포지션과 깊이 양쪽 모두를 고려하여 처리되고, 단층 촬영 복원 전 및 단층 촬영 복원 동안에 수정된 데이터세트를 생성한다.

따라서, 구현예들에서, 방법은,

검출기 내에서의 각각의 상호작용의 결정된 포지션 및 깊이를 포함하는 입력 데이터세트를 결정하는 단계,

후속 단층 촬영 복원 전 및/또는 단층 촬영 복원 동안에 다중화 영향을 수용하고 수정된 데이터세트를 생성하기 위해 입력 데이터세트를 처리하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 위의 단계들 중 일부 또는 전부는 반복적으로 수행된다.

예를 들어, 일부 실시예들에서, 처리는 반복적인 복원 프로세스에서 사용되는 시스템 행렬에 다중화 영향이 통합되는 이미지 복원을 포함한다. 다른 실시예들에서, 처리는 기존의 이미지 복원을 사용하여 최종 이미지 복원 전에 프로젝션 공간에서 수행되는 별도의 반복적인 탈다중화 절차(iterative de-multiplexing procedure)를 포함한다. 추가의 실시예들에서, 이들 원칙들은 반복적인 방식으로 교대로 결합 및/또는 사용될 수 있다.

본 명세서에서 논의된 바와 같이, 다중화는 검출기 볼륨 내의 서로 다른 조리개들로부터의 프로젝션들의 중첩으로 구성된다. 최적의 탈다중화 절차는 검출기 볼륨 내의 상이한 깊이들에서의 다중화량에 따라 달라질 수 있다.

탈다중화 절차의 가능한 실시예들은, 다음의 단계들, 즉,

검출기 볼륨의 깊이를 상호작용 층들(물리적으로 또는 가상적으로 정의됨)의 상이한 깊이의 유한한 개수로 나누는 단계,

2차원 및 3차원 데이터 포맷 사이에서 데이터가 변환되는 동안, 알고리즘을 적용하여 다중화를 도입함으로써, 각각의 깊이층에 대한 가상 2차원의 다중 프리 프로젝션들을 추정하는 단계,

상호작용 층들의 개개의 깊이에서 다중화의 상이한 정도를 고려하여 탈다중화된 프로젝션 세트를 생성하는 단계

중 일부 또는 전부를 포함한다.

탈다중화된 데이터는 검출기 내의 선택된 DOI 평면 또는 임의의 원하는 가상 검출기 평면에서 결정될 수 있다.

일부 실시예들에서, 추정하는 단계는 각각의 깊이층에 대한 가상 2차원 다중 프리 프로젝션들을 추정하는 단계 및 2차원 데이터와 3차원 데이터 포맷 사이의 전방 프로젝션 및 후방 프로젝션에 의해 데이터가 변환되는 동안, 반복적인 ML-EM 알고리즘을 적용하는 단계를 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 탈다중화 프로젝션은 3차원 솔루션, 예를 들어, 3차원 이미지 데이터세트를 생성하는 데 사용된다.

이와 같은 모든 경우들에서, 본 발명은, 특히, 검출기에서의 중첩, 예를 들어, 검출기 상의 다수의 픽셀에 걸친 중첩을 수용하고 결과적인 이미지 아티팩트들의 감소를 가능하게 하는 역할을 할 수 있는 상호작용 데이터의 측정된 깊이를 사용하여 구별된다. 이는 검출기에서 중첩을 직접 감소시킴으로써, 이미지 아티팩트들을 감소시키려는 종래 기술 접근 방식의 대안으로서 제시된다. 본 발명의 원칙들에 따르면, 각각의 상호작용의 깊이가 어느 정도 분석될 수 있다면, 각각의 광자 상호작용이 모든 x, y 및 z 좌표에서 어느 정도 위치적으로 국한될 수 있는 데이터세트가 생성될 수 있고, 인접한 조리개들로부터의 프로젝션들 사이의 중첩을 방지하도록 견고하게 구성된 콜리메이터 없이도 생성된 이미지에서 아티팩트들이 감소될 수 있다.

본 발명에 따른 추가 양태에서, 소스로부터의 방사선 검출을 위한 방사선 검출 시스템은,

방사선 검출기와,

소스와 사용 중인 검출기 사이에 포지셔닝될 수 있는 콜리메이터 ― 콜리메이터는 복수의 조리개들을 가짐 ― 와,

처리 모듈을 포함하여 제공되고, 이 처리 모듈은,

검출기 내에서 발생하는 입사 방사선과의 상호작용에 대한 응답인 복수의 응답들을 각각 수신하고,

복수의 응답들 각각에 대한 상호작용의 특성 ― 특성은 검출기 내에서의 상호작용의 포지션 및 깊이를 적어도 포함함 ― 을 결정하고,

검출기에서 콜리메이터 내의 다수의 조리개들로부터 투사된 방사선 경로들의 중첩으로 인한 다중화 영향을 검출기 상의 검출된 포지션 상에 수용하도록 하는 방식으로 상호작용 데이터의 포지션 및 깊이를 동시에 처리함으로써, 각각의 상호작용의 결정된 포지션 및 깊이에 따라 상기 복수의 응답들을 처리하도록 작동 가능하다.

특히, 바람직하게는, 시스템은 본 발명의 제1 양태의 방법을 수행하도록 적응된 시스템이다.

따라서, 실시예들에서, 처리 모듈은 본 명세서에 정의된 바와 같은 본 발명의 방법의 하나 이상의 결정 단계 또는 처리 단계를 임의의 적절한 조합으로 수행하도록 추가로 작동 가능하다.

실시예들에서, 검출기 자체는 검출기 내에서 발생하는 입사 방사선과의 상호작용이 적어도 검출기 내에서의 상호작용의 포지션 및 깊이로 국한될 수 있도록 적응되거나 구성된다.

본 시스템은, 특히, 제1 양태의 방법의 수행에 적합한 시스템이고, 각각의 양태의 바람직한 특징들은 다른 양태에 적용 가능한 것으로 이해될 것이다.

특히, 시스템의 처리 모듈은 본 발명의 제1 양태의 방법의 단계들 중 임의의 단계들을 수행하도록 작동 가능하고/가능하거나 시스템은 본 발명의 제1 양태의 방법의 단계들 중 임의의 단계들을 수행하도록 작동 가능한 이미징 모듈과 같은 추가 모듈들을 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에서, 검출기는 검출기 x, y 평면 및 이에 직교하는 검출기 z 방향을 갖고, 처리 모듈은 검출기 x, y 평면에서의 포지션 및 검출기 z 방향에서의 상호작용의 깊이에 대해 각각의 상호작용을 국한하도록 작동 가능하다. 일부 실시예들에서, 검출기는 검출기 내에서 발생하는 입사 방사선과의 상호작용이 그렇게 국한될 수 있도록 적응되거나 구성된다.

예시적인 실시예들에서, 검출기는, 위에서 정의된 바와 같이, 복수의 개별적으로 어드레싱 가능한 검출기 서브유닛들로 픽셀화되고, 처리 모듈은 각각의 상호작용을 특정 서브유닛과 그 안의 상호작용의 깊이로 국한되도록 작동 가능하다. 일부 실시예들에서, 검출기는 검출기 내에서 발생하는 입사 방사선과의 상호작용이 그렇게 국한될 수 있도록 적응되거나 구성된다.

실시예들에서, 콜리메이터는 복수 조리개들의 1차원 어레이나 2차원 어레이를 가질 수 있다. 조리개들은, 예를 들어, 짧은 길이 및/또는 출현하는 방사선 방향의 발산 프로파일을 참조하여 구성되어, 조리개를 통과하는 방사선이 출사될 때, 확산 각도가 0이 아닌 경향을 갖도록 구성될 수 있다. 적절한 확산 각도는 적어도 15도일 수 있다.

일부 실시예들에서, 콜리메이터는 복수의 슬릿들, 예를 들어, 슬릿-슬랫 배열을 포함한다. 다른 실시예들에서, 콜리메이터는 핀 홀들의 2차원 어레이를 포함한다. 복수의 발산 조리개들의 다른 배열들이 상정될 수 있다.

일부 실시예들에서, 검출기는 검출기 내에서 발생하는 입사 방사선과의 상호작용이 3차원에서 검출기 내에서의 상호작용 포지션으로 국한될 수 있도록 적응되거나 구성된다.

예를 들어, 일부 실시예들에서, 검출기는 3차원 복셀 어레이를 포함하는 복셀 검출기이다. 이와 같은 경우에, 복수의 응답들 각각에 대해, 상호작용의 3차원에서 적어도 하나의 포지션을 포함하는 상호작용의 특성을 결정하는 것은 상기 상호작용을 특정 복셀에 국한시키는 것을 포함한다.

일부 실시예들에서, 검출기는 검출기 내에서의 상호작용을 일반적으로 입사 방사선의 방향에 수직인 평면 내의 x 및 y 방향, 및 일반적으로 x, y 평면에 직교하는 방향으로 검출기 내에서의 깊이를 포함하는 z 방향 각각으로 국한시키기 위한 수단을 포함한다.

예를 들어, 검출기는 2개의 직교 방향들(이하, x 방향 및 y 방향이라 함) 각각으로 검출 표면을 가로질러 위치적으로 정의된 복수의 개별적으로 어드레싱 가능한 검출 부분들로 분할된 검출 표면 ― 이에 따라, 소스로부터 입사된 방사선 입자의 검출 모듈에서의 상호작용은 검출 부분으로 위치적으로 국한될 수 있음 ―, 및

제3 직교 방향(이하, z 방향이라 함)으로의 깊이를 포함하고, 방사선 검출기는 소스로부터 입사되는 방사선의 입자의 검출 모듈에서의 상호작용이 z 방향의 깊이에 대해 위치적으로 추가 국한될 수 있도록 구성되어 있다.

따라서, 검출기는 각각의 광자 상호작용이 일어나는 상호작용의 깊이(즉, z 방향의 치수)를 결정할 수 있도록 구성된다. 이는 재료들, 구조적 특징들 및 처리 전자기기들의 조합을 통해 임의의 적절한 방법으로 달성될 수 있다.

예를 들어, 검출기는 벌크 결정 카드뮴 텔루라이드 유형의 고체 상태 반도체 검출기와 같이, 본질적으로 상호작용 깊이 정보가 추출되도록 허용하는 재료로 제작될 수 있다. 반도체 검출기를 구성하는 재료는, 예를 들어, 카드뮴 텔루라이드, 카드뮴 아연 텔루라이드(CZT), 카드뮴 망간 텔루라이드(CMT) 및 이들의 합금들로부터 선택되고, 예를 들어, 결정성 Cd_{1 -(a+b)}Mn_aZn_bTe, 여기서, a+b<1이고, a 및/또는 b는 0일 수 있다. 벌크 단결정 검출기들이 특히 바람직할 수 있다.

추가적으로 또는 대안적으로, 검출기는 적합한 검출기 재료들의 다수의 개별 층들을 z 방향으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 다층 신틸레이터 검출기들이 본 발명의 구현에 적합할 수 있다.

일부 실시예들에서, 방법은 이미지를 생성하는 단계를 추가로 포함할 수 있고 선택적으로 이미지를 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다. 시스템은 이미지 및 이미지 디스플레이를 생성하기 위한 이미지 생성 모듈을 더 포함할 수 있다. 방법은 단층 촬영 복원으로서 연속적인 이미지들을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다. 시스템은 동일한 효과를 내기 위해 단층 촬영 복원 모듈을 더 포함할 수 있다.

일부 실시예들에서, 이미지는 단층 촬영 이미지이고, 이미지 생성 모듈은, 예를 들어, 방사능 기원에 대한 불확실성들을 설명하기 위해 검출된 이벤트의 3D 로케이션을 활용하여, 단층 촬영 복원으로서, 연속 이미지들을 생성하기 위한 단층 촬영 이미지 복원 모듈을 포함한다. 선택적으로, 이것은 복원 내에서 또는 사전 처리 단계에서 직접 수행될 수 있다. 선택적으로, 이하에서 탐구하는 하이브리드 방법과 같은 하이브리드 접근 방식이 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 이미지는 시스템 작동의 검증에 적합한 선택된 객체 평면에 대한 추정 활동 분포이며, 이미지 생성 모듈은 사전 처리 단계로 방사능 기원의 불확실성들을 설명하기 위해 검출된 이벤트의 3D 로케이션을 활용하는 백 프로젝션(back projection)을 포함한다.

제2 양태의 시스템의 다른 바람직한 특징들은 제1 양태의 방법의 논의로부터의 유추에 의해 이해될 것이고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.

이제 본 발명은 첨부 도면들 중 도 1 내지 도 11을 참조하여, 예시로서만 설명될 것이다.
도 1은 다중화를 피하기 위해 검출 영역들이 이격되어 있는 예시적인 종래 기술의 다중 핀 홀 시스템을 예시한다.
도 2는 고정형 고분해능 검출기들과 저배율을 구비한 대안적인 많은 핀 홀 시스템(many-pinhole system)을 도시한다.
도 3은 핀 홀 프로젝션들의 다중화 원칙을 예시한다.
도 4는 본 발명의 원칙에 따라 다중화된 데이터의 단층 촬영 복원의 예시적인 방법들을 설명하는 개략적인 흐름도이다.
도 5는 정보 분해능의 깊이를 갖는 검출기에 적용되는 것과 같은 도 4의 방법의 개략도이다.
도 6 내지 도 11은 특정한 예시적인 구현예의 양태들을 예시한다.

도 1은 다중화를 피하기 위해 검출 영역들이 이격되어 있는 예시적인 종래 기술의 다중 핀 홀 시스템을 예시한다. 핀 홀 콜리메이터(6)는 객체(2)로부터 중첩을 피하기 위해 충분히 이격되도록 정의된 큰 검출 영역들 또는 픽셀들을 갖는 검출기(8) 상으로 투사하는 것으로 도시되어 있다.

콜리메이터(6) 내의 각각의 핀 홀(4)은 검출기 평면(8) 상에 객체(2)의 적어도 하나의 부분 이미지를 생성할 것이다. 검출기 데이터로부터의 전체 객체 이미지의 복원은 각각의 핀 홀(4)에 의해 생성된 모든 개별 이미지들로부터의 정보를 조합하는 것으로 구성될 것이다.

본 명세서에서 일반적으로 다중화라고 지칭되는 이러한 종류의 배열에서 부분 이미지들의 중첩은 전체 객체 이미지에 아티팩트들을 도입하는 경향이 있을 것이다. 당연히 다중화 영역들이 커질수록 복원된 객체 이미지의 아티팩트도 커질 것이다. 도시된 예시적인 시스템에서, 검출 영역들이나 픽셀들의 간격 및 핀 홀들의 간격은 콜리메이터 내의 핀 홀에 대응하는 각각의 검출 영역 또는 픽셀이 전체 객체 이미지의 복원 시의 중첩 및 이미지 아티팩트들의 생성을 피하기 위해 본질적으로 별개로 되도록 선택된다.

도 2는 고정형 고분해능 검출기들과 저배율을 갖는 많은 핀 홀 콜리메이터 배열(16)을 포함하는 대체 시스템을 도시한다. 콜리메이터(16)는 객체(12)로부터 대응하는 검출기(18) 상으로 투사한다. 시스템은 예상 분해능을 유지하면서 더 낮은 배율을 사용하기 위해 고분해능 검출기를 이용하려 하고, 이는, 검출기 표면을 확대시키지 않고도 핀 홀들의 수를 상당히 증가시킬 수 있다. 결과적으로, 많은 핀 홀은 이미지 품질 파라미터들을 향상시키는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 다수의 방향들에서 개별 수집들을 요구하지 않고도 3D 이미징을 얻을 수 있는 능력으로 이어질 수도 있다.

다중 핀 홀 콜리메이션을 설계하는 표준 방식은 개별 핀 홀들의 프로젝션들 사이에서 중첩이 없도록 한다. 핀 홀 밀도를 증가시키는 것은 다른 이유들로 유리할 수 있지만, 처리해야 하는 결과들과 함께 중첩 영역들을 도입할 것이다. 인접한 핀 홀들의 프로젝션들이 중첩되면, 2개 이상의 핀 홀들에서 발생하는 이벤트들을 기록하는 영역들이 검출기 상에 생성된다. 이벤트의 실제 기원들을 아는 것은 불가능하기 때문에, 검출된 신호에 추가적인 모호성이 도입된다. 전체 시스템 설계, 사용될 복원 방법들 및 소스 분포 자체의 본질에 따르면, 이러한 불확실성은 복원된 3D 이미지에 심각한 아티팩트들을 초래할 수 있다.

본 발명은 이러한 효과를 완화하고 아티팩트들을 제거하기 위해 검출 표면의 x, y 평면에서의 상호작용에 대한 데이터에 추가하여 검출기 z 방향에서의 상호작용의 깊이에 대해 획득된 데이터를 활용한다. 이것은, 예를 들어, 도 3을 참조하여 다중 핀 홀 콜리메이션의 맥락에서 논의되지만, 동일한 원칙들이 다른 적합한 조리개들의 어레이들에 적용될 것이다. "슬릿-슬랫(slit-slat)" 또는 "팬빔(fan-beam)"과 같이 동일한 방식으로 사용될 수 있는 다른 콜리메이터 구성들이 있다. 이들은 다중 핀 홀 콜리메이터들과 유사하게 각도 샘플링을 제공할 수 있으므로, 이하에 기술된 동일한 이미지 복원 원칙들을 적용하도록 할 수 있다.

검출기에서 상호작용 데이터의 깊이를 수집하는 것이 필요하다. 본질적으로 이것을 할 수 있는 검출기가 바람직하고, 일 실시예에서, 카드뮴 아연 텔루라이드(CZT)의 두꺼운 벌크 반도체 검출기가 사용된다. 이와 같은 검출기는 본질적으로 z 방향에서의 광자 상호작용의 깊이뿐만 아니라, x, y에서의 특정 픽셀의 로케이션이 결정되도록 한다. 그러나, 본 발명은 이와 같은 검출기들로 한정되는 것은 아니다. 이와 같은 반도체 검출기는, 예를 들어, 약간의 깊이 감지를 제공하기 위해 몇 개의 층들로 만들어진 신틸레이터 검출기 모듈들을 포함하는 임의의 "깊이 감지" 또는 "3D 포지션 감지" 검출기 구조로 대체될 수 있다.

실시예는 상호작용의 깊이(DOI: depth of interaction) 데이터를 얻기 위해 반도체 검출기의 두께를 활용하고, 이웃하는 핀 홀들로부터의 이미지들 사이의 특정 분리를 가능하게 한다. 검출기의 고유한 깊이 분해능은 사실상 다수의 독립적인 검출층들이 있다는 것을 의미한다. 핀 홀 프로젝션들은 검출층들 각각에서 중첩될 수 있지만, 중첩량이 서로 다르고, 프로젝션들의 상이한 부분들이 중첩하여 영향을 받는다. DOI 층들에서의 이러한 중첩의 변형은 복원 프로세스에 대한 추가 정보를 제공하고, 궁극적으로 다중화로부터의 모호성을 해결할 수 있게 하며, 이는 아티팩트 프리 이미징(artefact-free imaging)의 핵심이다.

도 3은 핀 홀 프로젝션들의 다중화 원칙을 예시한다. 중첩량과 중첩 로케이션은 각각의 검출층에서 상이하다. 이는 본 발명의 방법에 의해 이용된다.

일반적인 원칙에서, 본 발명은 인접한 조리개들로부터의 프로젝션들간의 중첩을 피하도록 구성되지 않은 다수의 조리개 콜리메이터, 상호작용 능력의 3D 포지션을 갖는 검출기, 및 복원 방법을 포함한다. 콜리메이터는 적어도 2개의 중첩 프로젝션들을 검출기 상으로 투사하도록 구성되며, 검출기는 다수의 깊이층들 내의 방사선을 정합시킨다. 아티팩트 감소, 이상적으로는 아티팩트 프리의 복원된 이미지는 다층 프로젝션 데이터를 사용하는 복원 알고리즘에 의해 제공된다.

복원 알고리즘은 다층 데이터를 처리할 수 있는 기존의 알고리즘일 수 있다.

대안적으로, 복원 알고리즘은 본 발명의 원칙에 따라 다중화된 데이터의 단층 촬영 복원의 예시적인 방법을 기술하는 개략적인 흐름도인 도 4를 참조하여 이하의 실시예에 의해 예시되는 것과 같은 신규의 탈다중화 방법 단계들을 통합할 수 있다.

다중화된 데이터의 단층 촬영 복원은 ML-EM 또는 OS-EM에 의한 반복적 복원 또는 정규화를 통합한 최신 알고리즘들을 포함하는 상이한 경로들을 따를 수 있다.

반복적인 복원 프로세스에 사용되는 시스템 행렬(SM)에 다중화(MX) 영향이 통합되는 직접 복원. (옵션 A)

기존의 이미지 복원을 사용하여 최종 이미지 복원 전에 별도의 반복적 탈다중화 절차가 프로젝션 공간에서 수행된다. (옵션 B)

옵션 A 및 옵션 B는 탈다중화 데이터를 사용한 복원의 출력과 직접 복원의 초기화에 의해 조합될 수 있다. (옵션 C)

이전 이미지들이 다음 단계의 초기화 또는 정규화로 사용되는 탈다중화와 복원 사이의 대체 방식들. (옵션 D)

하이브리드 방법: 위의 옵션 A 및 옵션 B와 조합하여 탈다중화 프로젝션 및 다중화 프로젝션 양쪽 모두를 사용하는 업데이트를 포함하는 복원(옵션 E).

최적의 알고리즘(주어진 계산 비용에 대한 이미지 품질 관점에서)은 서로 다른 층들의 다중화량에 따라 달라질 것이다. 시뮬레이팅된 데이터에 기초하여, 알고리즘과 그것의 파라미터들이 선택될 수 있다.

본 발명의 원칙들을 실현하는 예시적인 방법에서, 다중화(MX)는 검출기 볼륨(도 5의 상반부) 내의 상이한 핀 홀들로부터의 프로젝션들의 중첩으로 구성된다.

de-MX(de-multiplexing) 절차 동안, 상이한 핀 홀들로부터의 프로젝션 데이터는 별도로 처리된다(도 5의 하반부).

MX 프리(MX-free)인 가상 2D 프로젝션들은 반복적인 ML-EM 알고리즘으로 추정되며, 이 동안의 데이터는 2D 및 3D 데이터 포맷들 사이의 정방향 및 역방향 프로젝션(FP/BP)에 의해 변환되고, MX가 도입된다.

상이한 DOI 층들에서의 상이한 MX-도(MX-degree)들이 자동으로 고려되어, 안정적인 솔루션으로 이어진다.

다중화 작업들 FP/BP는 중첩/다중화된 영역들에서의 카운트들을 합산하여 구현될 수 있으며 매우 빠르다. 보다 정교한 구현예에서, FP/BP는 각각의 검출기 층의 분해능 속성들 및/또는 핀 홀 침투 영향(pinhole penetration effect)들을 고려할 수도 있다.

이는 예시로만 제공된다. 본 발명의 핵심은, 도 5에 도시된 바와 같이, 고유 또는 구성된 DOI 층들을 갖는 검출기를 사용하는 것이다. 각각의 광자 상호작용의 깊이, 즉, 심도 검출기 내에서의 z 방향의 포지션도 어느 정도 분석될 수 있다면, 각각의 광자 상호작용이 모든 x, y 및 z 좌표에서 어느 정도 위치적으로 국한될 수 있는 데이터세트가 생성될 수 있고, 인접한 조리개들로부터의 프로젝션들 사이의 중첩을 방지하도록 견고하게 구성된 콜리메이터 없이도 생성된 이미지에서 아티팩트들을 감소시킬 수 있다.

가능한 장점은 효과적인 데이터 세트가 훨씬 더 낮은 고유의 방사능 소스 레벨로 검출기에서 수집될 수 있으며, 예를 들어, 의료 이미징의 경우, 결과적으로 환자의 조직에 대한 더 낮은 방사선량이 수집될 수 있다.

구체적인 알고리즘들의 예시는 다음과 같다.

탈다중화 (De-Multiplexing)

획득된 다중화된 3D 프로젝션 데이터는 물리적 검출기에 대해 일부 선택된 포지션에서 2D 가상 데이터 평면의 사용을 포함하는 알고리즘으로 탈다중화될 수 있다. 탈다중화 알고리즘은 다음 단계들로 기술될 수 있으며, 이 단계들은 다수 회 반복된다.

여기서, 및 는, 각각, k번 반복한 후의 검출기 i 및 핀 홀 j에 대한 2D 가상 데이터 평면 및 3D 검출기 데이터이고, N _d 및 N _p 는, 각각, 2D 평면들의 개수와 검출기당 핀 홀들의 개수이고, A _i,j 는 2D 데이터 표현에서 3D 데이터 표현으로의 변환을 위한 행렬이고, B 는 다중화 연산자를 나타내는 행렬이며, Q _i 는 검출기 i에 대한 측정 데이터이다. 행렬 A 및 행렬 B 는 핀 홀 및 검출기의 기하학적 구조에 의해 결정된다.

이미지 병합(Image merger)

탈다중화 프로젝션 데이터에서 가중치 합산 프로세스를 통해 활동 분포의 간단한 이미지가 생성될 수 있다.

여기서, x는 이미지 내의 2D 포지션 좌표이며, x _j 는 핀 홀 j의 포지션이고, f _i 는 검출기 i에 대한 배율 인자이고, 이는 선택된 이미징 평면에 따라 달라지며, U (·)는 정규화에 사용되는 균일 분포이다.

이러한 유형의 이미지는 객체의 활동 분포에 대한 빠른 초기 개요를 얻고 품질 보증 목적으로도 사용될 수 있다.

이미지 복원(Image reconstruction)

ML-EM[Shepp & Vardi 1982]을 사용하여 다중화 또는 탈다중화(2D 또는 3D) 데이터에 기초하는 최종 이미지를 얻기 위해 다양한 접근 방식들이 사용될 수 있다.

여기서, H _i,j 는 검출기 i, 핀 홀 j에 대한 시스템 행렬이다. OS-EM 알고리즘[Hudson & Larkin 1994] 또는 당업자에게 공지된 다른 이미지 복원 알고리즘을 사용하는 것도 가능하다. 프로젝션 데이터 P 는 V 로 대체할 수 있고, 이 경우, 수정된 시스템 행렬 H 이 필요하다. 알고리즘은 가속화 목적들을 위해, 검출기 서브세트들과 핀 홀 서브세트들 양쪽 모두로 구현될 수 있다. 상이한 핀 홀들에 대한 탈다중화 프로젝션 데이터가 독립적이므로, 핀 홀 서브세트들의 사용이 가능하다.

대안적으로, MLEM을 예로서 다시 사용하여, 다중화된 프로젝션 데이터로부터 직접 이미지가 복원될 수 있다.

여기서, H _i 는 다중화가 있는 모든 핀 홀들을 포함하는 검출기 i에 대한 시스템 행렬이다. 시스템 행렬들 Hi (또는 시스템 행렬들과의 곱셈들)은 일부 실시예들에서 시스템 행렬들 H _i,j 및 다중화, 즉, 를 사용하여 단계별 프로세스에서 계산될 수 있다. 이러한 알고리즘은 검출기 서브세트들로 구현될 수 있다. 그러나, 서로 다른 핀 홀들에 대응하는 데이터가 다중화 영향으로 인해 상호 의존적이기 때문에, 핀 홀 서브세트들은 사용할 수 없다.

이들 다양한 처리 단계들 사이에서 교대될 수도 있다. 예시적인 실시예는 탈다중화의 몇 번의 반복, 탈다중화 데이터 복원의 몇 번의 반복, 다중화되지 않은 데이터 복원의 몇 번의 반복 사이에서 교대될 것이다. 이들 단계들에서, 다른 단계들의 정보를 포함하는 것이 유리할 수 있다. 특정 예는 탈다중화 단계가 탈다중화 데이터가 이전에 획득된 이미지 추정치의 다중화되지 않은 프로젝션에 근접해야 하는 페널티를 포함하는 경우일 것이다. 또 다른 예는, 교대는 없지만, 위의 단계들이 순서대로 수행되는 경우로서, 탈다중화 데이터의 복원을 최종 복원을 위한 초기화로 사용하는 경우이다. 최종 옵션은 프로젝션들의 탈다중화와 시스템 행렬에서의 직접 사용을 조합하여, 복원 알고리즘의 업데이트 내에서 이들을 조합하는 것이다. 따라서, 업데이트는 다중화되지 않은 추정된 예측과 탈다중화 원시 데이터의 비율, 및 추정된 다중화 프로젝션들과 원시 데이터의 비율 양쪽 모두를 기초로 한다.

예시 접근 방식들에 대한 상세한 논의(Detailed Discussion of Example Approaches)

다음은 본 발명의 원칙들에 따라 고정형 저선량 분자 유방 단층 합성에서 사용하기 위해 고도로 다중화된 데이터를 복원하는 새로운 접근 방식들의 예에 대한 논의이다. 이들은 검출된 γ 광자들의 입사 방향에 관한 모호성을 야기하는 다중화(MX)와 관련된 문제들을 해결하기 위한 것을 제공한다. DOI 정보를 이용하여 이미지 복원 전이나 도중에 de-MX를 수행함으로써 이러한 문제를 해결하기 위한 다양한 신규 접근 방식들을 개발하였다. 시스템의 기하학적 구조를 최적화함으로써, MX가 없는 시스템에 비해 유효 감도에서 2배를 얻을 수 있음을 보여주었다.

출원인은 DOI 및 MPH 콜리메이션을 구비한 CZT 검출기들에 기초하는 MBI용 고정형 단층 합성 시스템을 개발하고 있다. 기본 아이디어는 많은 수의 핀 홀들을 사용하여, MX를 허용함으로써, 감도를 높이고 샘플링을 향상시키는 것이다. MX를 사용하면, 검출된 γ 광자들의 입사 방향에 관하여 어느 정도의 모호성이 있어, 복원된 이미지들에서 아티팩트들로 이어질 수 있다. 그러나, 과거에는 다중화된 데이터와 다중화되지 않은 데이터를 조합하여, 아티팩트 프리 이미지들을 얻을 수 있는 것으로 입증된 바 있다. DOI 정보는 데이터에 다양한 양의 MX를 제공할 수 있는 잠재력이 있으므로 탈다중화에 도움이 될 수 있다.

시스템 성능을 최적화하기 위해, 다중 파라미터 공간에서 다양한 설계 구성들을 조사하였다. 또한, 복원 전에 프로젝션 데이터에 적용될 수 있는 신규의 de-MX 접근 방식을 개발하였다. 여기서는, 이러한 접근 방식을 시스템 행렬에 MX를 통합하는 직접 복원뿐만 아니라, 하이브리드 접근 방식과 비교한다.

재료들 및 방법들(Materials and Methods)

데이터 생성(Data generation)

예시적인 시스템은 서로 반대편에 배치된 2개의 평면 CZT 검출기 어레이들로 구성된다(도 6, 전체 시스템 기하학적 형상(좌측)과 다중화를 도시하는 코너 영역의 확대(우측)). 6cm의 평균 두께에 대해 가벼운 유방 압박을 사용한다고 가정한다. 픽셀 크기가 1x1mm인 16x16cm 검출기 크기와 1mm 층들에서의 DOI 추정에 대한 시뮬레이션을 수행하였다. 시스템 최적화를 위해, 이하의 파라미터들, 즉, 핀 홀들의 개수, 핀 홀 조리개 크기, 핀 홀 개방 각도 및 콜리메이터와 검출기간 거리를 조사하였다.

먼저, 파라미터 공간을 좁히기 위해 CNR(contrast-to-noise ratio)의 분석적 계산들을 사용하였다. 다음으로, 각각이 36개의 구들로 구성된 4개의 사분면들에 구형 병변(spherical lesion)들의 한 층을 포함하는 팬텀에 해당하는 프로젝션 데이터를 생성하는 분석 시뮬레이션들을 수행하였다. 구 직경은 6mm였고, 구 대 배경 비율(sphere-to-background ratio)들은 4사분면에서 각각 5, 10, 15 및 20이었다. 시뮬레이션들은 또한 15mm 간격으로 분리된 구들의 4개의 층들을 사용하여 수행되었다. 시뮬레이션들은 ^99mTc-MIBI의 150MBq의 주사 후의 10분 동안의 환자 스캔(scan)들을 나타내었다. 이것이 760 Bq/mL의 배경 활동 농도(background activity concentration)를 초래할 것이라고 추정하였다.

탈다중화 및 복원(De-multiplexing and reconstruction)

이 알고리즘은 각각의 핀 홀을 나타내는 가상 2D 평면들과 3D 검출기 블록들 사이에서 데이터가 전방 및 후방 투사되는 반복 절차로 구성된다(도 7, 역다중화 알고리즘에서의 순방향 변환 프로세스의 예시). 가상 평면들은 다층 검출기 블록들 상으로 투사(FP)되고 나서 다중화(MX)와 병합된다.

이 de-MX 방법은 단층 촬영 복원 프로세스와 완전히 독립적이라는 점에서 종래 기술의 예들과는 상이하다.

단층 촬영 복원을 위해, 다음의 세 가지 접근 방식들을 구현하였다. 1) 1단계: 시스템 행렬에 MX를 통합하는 직접 이미지 복원[옵션 A], 2) 2단계: 단층 촬영 복원 전에 프로젝션 데이터에 적용되는 de-MX[옵션 B], 3) 각각의 반복에서, MX 데이터와 de-MX 데이터로부터 얻어진 보정 인자들의 평균을 사용하여 이미지가 업데이트되는 2가지 방법들의 조합[옵션 E](도 8은 하이브리드 복원 알고리즘의 개략적인 설명을 도시한다. 보정 인자들은 MX 데이터 및 de-MX 데이터의 양쪽 모두에 기초하여 계산된다.) 분해능 평활화를 위해 거리 의존 평활화에 통해 얻어진 사전 값을 가진 MAP 알고리즘이 복원을 위해 사용되었다.

본 명세서에서는 대비와 노이즈 관점에서 세 가지 접근 방식들을 비교한다. 또한, 동일한 기하학적 구조에 대해 이상적인 프로젝션 데이터로 복원된 이미지들과 결과들을 비교하지만, MX는 없다(실제로는 불가능함).

결과들(Results)

단일층 팬텀에서의 구(sphere)들에 대해 TBR(Target-to-background ratio)들을 계산하였고, 구 평면에서 떨어진 균일한 영역에서 변동 계수를 계산하였다. 도 9는 10 내지 16, 18 및 20mm의 간격들로 헤드당 8x8개 내지 16x16개의 핀 홀들이 상이한 MPH 구성을 가진 TBR 대 CoV 곡선들을 도시한다. 원들이 있는 실선은 MX가 없는 이상적인(하지만 달성할 수 없음) 경우를 나타내는 한편, 원들이 있는 점선들은 MX 데이터에 대한 상이한 복원 접근 방식들을 나타낸다. 점선들은 동일한 핀 홀 간격으로 포인트들을 연결한다. 20mm 간격의 8x8 구성은 실제 MX 프리의 경우에 해당한다. 그래프는 "활 및 화살"과 유사하고, "화살표"는 이상적인 no-MX 상황에 해당하고, 다른 3개의 곡선들은 상이한 복원 접근 방식들에 해당한다. 그래프의 우측에 있는 MX 프리의 경우부터 시작하여 3개의 곡선들 모두 처음에는 이상적인 곡선과 거의 같은 방향으로 움직인다. 그런 다음, 해결되지 않은 MX 또는 노이즈 증폭으로 인해, 보이지 않는 장벽에 부딪히고 다른 방향으로 튕겨져나오는 것처럼 보인다. "보이지 않는 장벽"을 따라 본질적으로 동일하지만, 편향 대 노이즈 트레이드 오프(trade off)들이 상이한 다수의 솔루션들이 있다. "활"은 14.3mm까지의 핀 홀 간격에 대응하는 포인트에서 "화살표"를 교차한다. MX 프리의 경우와 비교하면, 이것은 핀 홀 밀도가 (20/14.3)² ≒ 2배 증가하는 것에 해당하며, 이는 감도의 효과적인 증가를 나타낸다.

추가 평가를 위해, 12mm 간격으로 14x14 핀 홀들이 있는 MPH 구성을 선택하였다. 복원된 이미지들은 상이한 복원 접근 방식들에 대해 도 10에 도시되어 있다. 14x14 핀 홀 구성(12mm 간격)에 대해 복원된 이미지들(횡축(trans-axial), 관상(coronal) 및 시상(sagittal))이 상이한 복원 접근 방식들, 즉, a) MX가 없는 이상적인 경우, b) 1단계, c) 2단계 및 d) 하이브리드 복원으로 표시된다.

도 11은 단층 팬텀과 다층 팬텀에서 상이한 복원 접근 방식들에 대한 TBR 대 CoV 곡선들을 도시한다. 반복 횟수들(1-8)이 상이한 BR 대 CoV 곡선들은 단일 층(상단) 및 다층 팬텀(하단)에서 상이한 복원 접근 방식에 대해 도시한다. no-MX 곡선은 실제로 불가능한 MX가 없는 이상적인 경우를 나타내므로, 항상 최상이다. 최적의 접근 방식(이상적인 no-MX 경우는 제외함)은 2개의 팬텀들에 대해 상이하고, 단층 팬텀의 경우는 1단계, 다층 팬텀의 경우는 2단계인 것을 알 수 있다. 두 경우들 모두에서, 하이브리드 방법의 결과들은 다른 두 방법 사이에 있으며, 좋은 절충안을 나타낸다.

Claims (25)

1. 소스로부터의 방사선을 처리하는 방법으로서,
   상기 소스로부터 방사선을 수신하도록 검출기를 포지셔닝하는 단계;
   상기 소스와 상기 검출기 사이에 콜리메이터를 포지셔닝하는 단계 ― 상기 콜리메이터는, 복수의 조리개들을 가짐 ―;
   상기 소스로부터의 방사선이 상기 콜리메이터를 통과하여 상기 검출기에 입사되도록 하는 단계;
   복수의 응답들을 수신하는 단계 ― 상기 복수의 응답들 각각은 상기 검출기 내에서 발생하는 입사 방사선과의 상호작용에 대한 응답임 ―;
   상기 복수의 응답들 각각에 대해 상기 상호작용의 특성을 결정하는 단계 ― 상기 특성은, 상기 검출기 내에서의 상기 상호작용의 포지션 및 깊이를 적어도 포함함 ―;
   상기 검출기 상의 검출된 포지션 상에서 상기 검출기에서 상기 콜리메이터의 다수의 조리개들로부터 투사된 방사선 경로들의 중첩으로 인한 다중화 영향을 수용하도록 하는 방식으로 상호작용 데이터의 포지션 및 깊이를 동시에 처리함으로써 상기 복수의 응답들을 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 검출기 내에서의 각각의 상호작용의 결정된 포지션 및 깊이를 포함하는 입력 데이터세트를 결정하는 단계; 및
   상기 입력 데이터세트를 처리하고, 이로부터 상기 다수의 조리개들로부터 투사된 방사선 경로들의 중첩으로 인한 다중화의 영향을 수용하도록 하는 방식으로 수정된 각각의 상호작용의 포지션을 포함하는 데이터를 적어도 포함하는 수정된 데이터세트를 생성하는 단계를 포함하는, 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   이미지 데이터세트를 생성하기 위해 연속적인 복수의 입자 상호작용들에 대한 상기 데이터를 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
4. 제3항에 있어서,
   상기 이미지 데이터세트는, 단층 촬영 복원에 의해 생성되는 것이고, 상기 방법은, 상기 복원된 단층 촬영 이미지에서 다중화 아티팩트들을 감소시키기 위해 상기 복원된 단층 촬영 이미지 데이터세트에 대한 다중화 영향을 수용하도록 하는 방식으로 상호작용 데이터의 포지션 및 깊이를 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 검출기 내에서의 각각의 상호작용의 결정된 포지션 및 깊이를 포함하는 입력 데이터세트를 결정하는 단계;
   상기 다중화 영향을 수용하고, 후속 단층 촬영 복원 전에 수정된 데이터세트를 생성하기 위해 상기 입력 데이터세트를 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
   상기 검출기 내에서의 각각의 상호작용의 결정된 포지션 및 깊이를 포함하는 입력 데이터세트를 결정하는 단계;
   상기 다중화 영향을 수용하고, 상기 단층 촬영 복원의 일부로서 수정된 데이터세트를 생성하기 위해 상기 입력 데이터세트를 처리하는 단계를 포함하는, 방법.
7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 복원된 단층 촬영 이미지 데이터세트에 대한 다중화 영향을 수용하기 위해 처리하는 단계는,
   상기 검출기 볼륨의 깊이를 상호작용 층들의 상이한 깊이의 유한한 개수로 나누는 단계;
   각각의 깊이층에 대한 가상 2차원 다중 프리 프로젝션들을 추정하고, 데이터가 2차원 및 3차원 데이터 포맷 사이에서 변환되는 알고리즘을 적용하여 다중화를 도입하는 단계;
   상기 상호작용 층들 개개의 깊이에서 다중화의 상이한 정도를 고려하여 탈다중화된 프로젝션 세트를 생성하는 단계중 일부 또는 전부를 포함하는 탈다중화 절차에 의해 수행되는 것인, 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 추정은, 각각의 깊이층에 대한 가상 2차원 다중 프리 프로젝션들을 추정하는 것, 및 상기 2차원 데이터와 상기 3차원 데이터 포맷 사이의 전방 프로젝션 및 후방 프로젝션에 의해 데이터가 변환되는 반복적인 ML-EM 알고리즘을 적용하는 것을 포함하는 것인, 방법.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 검출기는, 검출기 x, y 평면 및 이에 직교하는 검출기 z 방향을 갖고,
   상기 방법은, 각각의 상호작용을 검출기 x, y 평면에서의 포지션 및 검출기 z 방향에서의 상호작용의 깊이로 국한시키는 단계를 포함하는, 방법.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기는, 개별적으로 어드레싱 가능한 복수의 검출기 서브유닛들로 픽셀화되고,
    상기 방법은, 각각의 상호작용을 특정 서브유닛 및 그 내부의 상호작용의 깊이로 국한시키는 단계를 포함하는, 방법.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콜리메이터는,
    핀 홀들의 어레이, 예를 들어, 핀 홀들의 2차원 어레이;
    슬릿들의 어레이, 예를 들어, 슬릿-슬랫 배열(slit-slat arrangement)에서의 슬릿들의 어레이
    중 하나 이상을 포함하는 것인, 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기 내에서 발생하는 입사 방사선과의 상호작용이 3차원으로 상기 검출기 내에서의 상호작용 포지션에 국한될 수 있도록 적응되거나 구성되는 검출기를 사용하는 것을 포함하는, 방법.
13. 제12항에 있어서,
    3차원 복셀 어레이를 포함하는 검출기를 사용하는 것을 포함하고, 상기 복수의 응답들 각각에 대해 상기 상호작용의 3차원에서의 포지션을 적어도 포함하는 상호작용의 특성을 결정하는 것은 상기 상호작용을 특정 복셀에 국한시키는 것을 포함하는 것인, 방법.
14. 소스로부터의 방사선의 검출을 위한 방사선 검출 시스템으로서,
    방사선 검출기;
    상기 소스와 사용 중인 상기 검출기 사이에 포지셔닝될 수 있는 콜리메이터 ― 상기 콜리메이터는, 복수의 조리개들을 가짐 ―;
    처리 모듈을 포함하며, 상기 처리 모듈은,
    복수의 응답들을 수신하며 ― 상기 복수의 응답들 각각은 상기 검출기 내에서 발생하는 입사 방사선과의 상호작용에 대한 응답임 ―,
    상기 복수의 응답들 각각에 대해 상기 상호작용의 특성을 결정하며 ― 상기 특성은, 상기 검출기 내에서의 상호작용의 포지션 및 깊이를 적어도 포함함 ―,
    상기 검출기 상의 검출된 포지션 상에서 상기 검출기에서 상기 콜리메이터의 다수의 조리개들로부터 투사된 방사선 경로들의 중첩으로 인한 다중화 영향을 수용하도록 하는 방식으로 상호작용 데이터의 포지션 및 깊이를 동시에 처리함으로써, 각각의 상호작용의 결정된 포지션 및 깊이에 따라 상기 복수의 응답들을 처리하도록
    작동 가능한 것인, 시스템.
15. 제14항에 있어서,
    상기 처리 모듈은, 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항의 결정 단계나 처리 단계 중 하나 이상을 수행하도록 추가로 동작 가능한 것인, 시스템.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    상기 검출기는, 상기 검출기 내에서 발생하는 입사 방사선과의 상호작용이 적어도 상기 검출기 내에서의 상호작용의 포지션 및 깊이로 국한되는 것을 가능하게 하도록 적응되거나 구성되는 것인, 시스템.
17. 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기는, 검출기 x, y 평면 및 이에 직교하는 검출기 z 방향을 갖고;
    상기 처리 모듈은, 각각의 상호작용을 검출기 x, y 평면에서의 포지션 및 검출기 z 방향에서의 상호작용의 깊이로 국한시키도록 작동 가능한 것인, 시스템.
18. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기는, 개별적으로 어드레싱 가능한 복수의 검출기 서브유닛들로 픽셀화되고,
    상기 처리 모듈은 각각의 상호작용을 특정 서브유닛 및 그 내부의 상기 상호작용의 깊이로 국한시키도록 작동 가능한 것인, 시스템.
19. 제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 콜리메이터는,
    핀 홀들의 어레이, 예를 들어, 핀 홀들의 2차원 어레이;
    슬릿들의 어레이, 예를 들어, 슬릿-슬랫 배열(slit-slat arrangement)에서의 슬릿들의 어레이중 하나 이상을 포함하는 것인, 시스템.
20. 제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기는, 3차원 복셀 어레이를 포함하는 복셀 검출기인 것인, 시스템.
21. 제14항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기는, 반도체 검출기인 것인, 시스템.
22. 제21항에 있어서,
    상기 반도체 검출기는, 카드뮴 텔루라이드, 카드뮴 아연 텔루라이드(CZT), 카드뮴 망간 텔루라이드(CMT) 및 이들의 합금으로부터 선택되는 반도체 검출기 재료를 포함하고, 예를 들어, 결정성 Cd_{1 -(a+b)}Mn_aZn_bTe를 포함하며, 여기서, a+b<1이고, a 및/또는 b는 0일 수 있는 것인, 시스템.
23. 제14항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    이미지를 생성하기 위한 이미지 생성 모듈을 더 포함하는, 시스템.
24. 제23항에 있어서,
    상기 이미지는, 단층 촬영 이미지이고, 상기 이미지 생성 모듈은, 방사능 기원에 대한 불확실성들을 고려하기 위해 검출된 이벤트들의 3D 로케이션을 활용하여 단층 촬영 복원으로서 연속적인 이미지들을 생성하기 위한 단층 이미지 복원 모듈을 포함하는 것인, 시스템.
25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 이미지는, 시스템 작동의 검증에 적합한 선택된 객체 평면에 대한 추정 활동 분포이며, 상기 이미지 생성 모듈은, 사전 처리 단계로서 방사능 기원의 불확실성들을 고려하기 위해 검출된 이벤트들의 3D 로케이션을 활용하는 백 프로젝션(back projection)을 포함하는 것인, 시스템.