WO2018074650A1 - 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터와 이를 포함하는 콘빔 ct 장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

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조민형
이수열
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Definitions

  • the present invention relates to a two-dimensional X-ray detector incorporating a region of interest table for the region of interest and size so that the position and size of the region of interest can be changed every frame, a cone beam CT device using the same, and an operation method thereof.
  • a tomography apparatus CT using X-rays uses a phenomenon in which X-rays are attenuated while X-rays penetrate an object. While the X-rays penetrate the object, the intensity is gradually weakened by physical phenomena such as photo electric effect and Compton scattering, and the degree of attenuation is changed by the object component and its physical density.
  • An X-ray tomography image may be an image of an X-ray attenuation coefficient of an object component, and an X-ray attenuation coefficient generally increases with a higher density of a substance and a higher atomic number of a component of the substance.
  • bone tissue or teeth of the human body have a higher X-ray attenuation coefficient than soft tissue (in general, the X-ray attenuation coefficient decreases as the energy of X-ray photons increases).
  • a set of projection images obtained by irradiating X-rays to the human body at various angles is required, and the set of projection images is an X-ray source and an X-ray source. It is obtained by positioning the detector on one injection device and then rotating the injection device at an isometric angle.
  • some tomography apparatuses fix the X-ray source and the X-ray detector and rotate the object (object) to obtain a set of projection images.
  • the principle is the same.
  • the process of sequentially acquiring the projection image at a constant angle is called a scan.
  • X-ray CT using a single element type X-ray detector in an array is mainly used.
  • the single element type X-ray detector has a large and thick form, and has the advantage of high X-ray sensitivity, and can arrange one-dimensional projection data at one scanning angle at a time by arranging in an arc, and using one rotation of the scanning device. An image of the cross section can be obtained.
  • the single element type X-ray detector may arrange the X-ray detectors on a plurality of arcs to simultaneously acquire projection data for a plurality of cross sections, and acquire images of the plurality of cross sections with one rotation of the scanning apparatus.
  • Multi-ring CT is generally used because it can shorten the scanning time per section compared to single-ring CT.
  • the multi-ring CT shortens the imaging time of the X-ray CT and combines the helical scanning function to enable 3D tomography.
  • the multi-ring CT has a disadvantage in that the scanning device must be rotated several times for helical scanning, and in order to acquire a three-dimensional image by only one rotation of the scanning device, the number of detector rings must be at least several hundred. Therefore, there was an economic problem.
  • the technology of the two-dimensional surface detector has been developed and commercialized.
  • the number of pixels in the two-dimensional plane detector has evolved to more than millions, and the development of digital radiography, which is digital X-ray imaging, has also become common.
  • CT technology has been developed according to the development of the two-dimensional surface detector, which is commonly referred to as cone-beam CT.
  • Examples are dental CT and micro CT.
  • the cone beam CT acquires the projection image with the 2D plane detector, it is possible to reconstruct the 3D tomography image by only one rotation of the scanning apparatus. Therefore, in order to increase the resolution of the CT image, the pixel size of the X-ray detector must be small, and the total size of the detector must be large enough to contain a target object. There are more than 10,000.
  • the number of data bits of one pixel is generally 16 bits, and one projection image is 100M bits or more.
  • the data is transmitted at a transmission rate of 1 Gbps, theoretically, less than 10 images are collected per second. .
  • GigE or Camera Link and USB are generally used as transmission channels of the 2D X-ray detector.
  • the physical transmission rates of these channels are about 1.0 to 5.0 Gbps, and in the case of a commercial detector having a resolution of 2600 ⁇ 2600 as an example, GigE If you use the channel, you can collect about 7 images per second and Camera Link to collect about 15 images per second. Therefore, since CT imaging photographs about 450 or more images while rotating one rotation, a recording time of 30 seconds or more is required in the case of 15 images per second.
  • binning which increases the pixel size by combining adjacent pixel data such as 2 ⁇ 2, 4 ⁇ 4, 8 ⁇ 8, and 16 ⁇ 16.
  • the number of projection images per second can be increased.
  • the conventional method is a method for lowering the resolution fundamentally and is not suitable for a high resolution CT system, a method capable of performing high speed photography at high resolution while overcoming current transmission speed limitations is needed.
  • An object of the present invention is to provide a two-dimensional X-ray detector capable of dynamically setting a region of interest capable of performing high-speed imaging of a CT apparatus by overcoming a limitation of a transmission speed of projection data, a cone beam CT apparatus including the same, and an operation method thereof I would like to.
  • Another object of the present invention is to set the location and size of the ROI in every frame based on the embedded ROI table, and transmit only the projection data according to the set ROI to reduce the amount of projection data.
  • a two-dimensional X-ray detector capable of dynamic setting, a cone beam CT device including the same, and an operation method thereof are provided.
  • Another object of the present invention is to obtain the ROI projection data according to the ROI set in high resolution and to obtain a low resolution by applying a binning method to the projection data outside the ROI projected by X-rays irradiated into the ROI.
  • the present invention provides a two-dimensional X-ray detector capable of dynamically setting an ROI that can reduce the amount of projection data, a cone beam CT device including the same, and an operation method thereof.
  • the 2D X-ray detector uses the ROI table and the ROI table based on the ROI table and the ROI table in which a position and size of a region-of-interest (ROI) can be set every frame. It includes a region of interest control unit for controlling.
  • ROI region-of-interest
  • the ROI controller may acquire and transmit ROI projection data projected by X-rays irradiated onto the ROI.
  • the 2D X-ray detector may include a binning processor configured to reduce the amount of projection data by applying a binning method to projection data outside the ROI projected by X-rays irradiated into the ROI. It may further include.
  • the cone beam CT apparatus controls the region of interest based on a region of interest table capable of setting the position and size of a region-of-interest (ROI) every frame, and controls the region of interest.
  • 2D X-ray detector for processing projection data projected by the X-ray irradiated to the area and an image processing unit for reconstructing a tomography image by applying an image reconstruction algorithm to the projection data.
  • the 2D X-ray detector may include a region of interest table capable of setting the position and size of the region of interest in every frame and an ROI controller for controlling the ROI based on the ROI table.
  • the ROI controller may acquire and transmit ROI projection data projected by X-rays irradiated onto the ROI.
  • the 2D X-ray detector may further include a binning processor configured to reduce the amount of projection data by applying a binning method to projection data outside the ROI projected by the X-ray irradiated into the ROI.
  • a binning processor configured to reduce the amount of projection data by applying a binning method to projection data outside the ROI projected by the X-ray irradiated into the ROI.
  • the 2D X-ray detector may process the projection data by combining the ROI projection data projected into the ROI and the projection data outside the ROI projected into the ROI.
  • the image processor may reconstruct the tomography image after reconstructing virtual high resolution data by applying interpolation to projection data outside the ROI to which the binning method is applied.
  • a 2D X-ray detector capable of dynamically setting a region of interest and an operating method of a cone beam CT apparatus including the same may include setting a position and size of a region-of-interest (ROI) every frame. Controlling the region of interest based on the possible region of interest table, region of interest projection data projected by X-rays irradiated into the region of interest, and projected by the X-ray projected out of region of interest Transmitting projection data including projection data outside the ROI and reconstructing a tomography image by applying an image reconstruction algorithm to the projection data.
  • ROI region-of-interest
  • the high speed imaging of the CT device may be performed by overcoming the limitation of the transmission speed of the projection data.
  • the position and size of the ROI may be set for every frame based on the embedded ROI table, and only the projection data according to the set ROI may be transmitted to reduce the amount of projection data.
  • the ROI projection data according to the set ROI may be obtained in high resolution, and a binning method may be applied to the projection data outside the ROI projected by X-rays irradiated into the ROI. Acquisition at low resolution can reduce the amount of projection data.
  • 1 is a diagram illustrating an example of a cone beam CT device.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an example of obtaining projection data while scanning in a cone beam CT device.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a 2D X-ray detector according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of controlling the position and size of a region of interest in a 2D X-ray detector according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of a cone beam CT device including a 2D X-ray detector capable of dynamically setting a region of interest according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 illustrates an example of obtaining projection data using a cone beam CT device including a 2D X-ray detector capable of dynamically setting a region of interest according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a region of interest table.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a two-dimensional X-ray detector capable of dynamically setting a region of interest according to an embodiment of the present invention and a method of operating a cone beam CT apparatus including the same.
  • an embodiment As used herein, “an embodiment”, “an example”, “side”, “an example”, etc., should be construed that any aspect or design described is better or advantageous than other aspects or designs. It is not.
  • the term 'or' means inclusive or 'inclusive or' rather than 'exclusive or'.
  • the expression 'x uses a or b' means any one of natural inclusive permutations.
  • 1 is a diagram illustrating an example of a cone beam CT device.
  • the cone beam CT apparatus has an X-ray source 110 on one side of the object 100 and a two-dimensional X-ray detector 120 on the opposite side thereof. Or projection data 130.
  • X-rays radiated from the X-ray source 110 are limited by a collimator installed at the exit of the X-ray source 110, and generally, may be limited based on the size of different detectors in the horizontal and vertical directions of the viewing angle. .
  • the reason for limiting the size of the beam is to reduce the x-ray dose irradiated to the object 100 by limiting X-ray irradiation only within a field of view to be photographed.
  • the X-ray source 110 and the two-dimensional X-ray detector 120 may be configured to rotate and translate, and may have a rotational motion of 1 degree of freedom and a translational motion of a degree of freedom of 1 (linear motion).
  • center of rotation of the X-ray source 110 may exist on a translational axis Axis of the X-ray source 110.
  • the X-ray source 110 and the 2D X-ray detector 120 may be configured to face each other and may be rotated at a constant speed about the object 100.
  • the X-ray source 110 and the 2D X-ray detector 120 may be fixed, and the projection image 130 may be obtained by rotating the object 100.
  • the X-ray source 110 and the 2D X-ray detector may be obtained.
  • the principle of the projection image 130 projected by the rotation of 120 or the rotation of the object 100 is the same.
  • Means the viewing angle in the horizontal direction Means the viewing angle in the vertical direction.
  • the cone beam CT device In order to reconstruct the tomography image of the object 100, the projection image from various angles according to the horizontal and vertical viewing angles must be acquired, and thus the cone beam CT device has an X-ray source 110 and a two-dimensional X-ray around a rotation center axis.
  • the detector 120 may be moved every frame at a constant angle (unit injection angle).
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an example of obtaining projection data while scanning in a cone beam CT device.
  • the cone beam CT apparatus scans a plurality of scanning angles from the X-ray source 201 and the 2D X-ray detector 202 about the object 200.
  • the rotation center axis 203 for scanning is located at the center of the object 200.
  • the cone beam CT device may acquire projection data from the two-dimensional X-ray detector 202 projected by the X-ray radiated from the X-ray source 201 to the rotation center axis 203.
  • the cone beam CT apparatus may acquire a plurality of projection data in a unit scan angle which is a scan angle adjacent to the rotation center axis 203 and a rotation amount that rotates at the scan angle.
  • the number of projection data in the cone beam CT apparatus is generally determined at 1000 or less, but may be more or less depending on the embodiment.
  • the cone beam CT apparatus obtains a projection data set ⁇ p i (s, t) ⁇ according to scanning every frame, and may calculate a 3D tomography image f (x, y, z) from the projection data set.
  • f 3D tomography image
  • (x, y, z) means a 3D spatial coordinate in the object 100 as shown in FIG. 1.
  • a high-quality tomography image can be obtained, and an image reconstruction method is used to acquire a tomography image from the projection data set obtained from the cone beam CT device.
  • the image reconstruction method applies a method of spatially filtering the projection data and then performing back-projection.
  • a cone beam CT device uses a Feldkamp algorithm as a filtered back-projection extended in three dimensions. Filtered back-projection image reconstruction is widely used because of its good spatial resolution and high-speed operation, but an iterative reconstruction algorithm can be applied in addition to this method.
  • the cone beam CT apparatus needs to use a two-dimensional X-ray detector 202 having a small pixel size and a high resolution and a large number of pixels in order to acquire a high resolution image.
  • the 2D X-ray detector 202 of the conventional cone beam CT device has a limitation in processing speed due to the huge amount of projection data for obtaining high resolution, and has a limitation in low transmission speed.
  • the 2D X-ray detector sets a region-of-interest (ROI) in order to reduce the amount of projection data and processes the data for the region outside of the interest. I use it.
  • ROI region-of-interest
  • the amount of projection data is reduced to 1/9, and per second.
  • the number of projected images can be increased by nine times, reducing the shooting time to 1/9.
  • the projection data for the entire object 200 may not be obtained, and a problem may occur that only the ROI projection data is acquired as the 3D image.
  • the 2D X-ray detector applies a binning method for lowering the resolution of projection data outside the ROI projected by X-rays irradiated into the ROI.
  • the binning method is a method of increasing the pixel size by adding adjacent pixel data in the projection data to reduce the resolution and reducing the amount of data.
  • the binning method uses 2 ⁇ 2, 4 ⁇ 4, 8 ⁇ 8, and 16 ⁇ 16 binning modes.
  • 4 ⁇ 4 binning 16 pixels are combined into one pixel, so the amount of data is reduced to 1/16. Can be.
  • the 2D X-ray detector obtains only a region of interest of 1 / 3W ⁇ 1 / 3H at high resolution by applying the binning method, and applies the 4 ⁇ 4 binning to other regions at low resolution.
  • the 2D X-ray detector obtains only a region of interest of 1 / 3W ⁇ 1 / 3H at high resolution by applying the binning method, and applies the 4 ⁇ 4 binning to other regions at low resolution.
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration of a 2D X-ray detector according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the 2D X-ray detector 300 controls the position and size of the ROI based on the ROI table every frame.
  • the 2D X-ray detector 300 includes an ROI table 310 and an ROI controller 320.
  • the region of interest table 310 may set the position and size of a region-of-interest (ROI) every frame.
  • ROI region-of-interest
  • FIG. 7 is a diagram for explaining a region of interest table.
  • the ROI table is set by N scan angles to collect projection data, and the movement information (s 0 , t 0 , W R , h R of the ROI preset by N scan angles). ).
  • s 0 and t 0 represent the coordinates of the starting point of the ROI
  • W R represents the width of the size of the ROI
  • h R represents the height of the ROI.
  • the size including the movement coordinates, the width, and the height of the ROI included in the ROI table may be applied to an embodiment to which a cone beam CT device including a scan angle, a 2D X-ray detector, and a 2D X-ray detector is applied. It can be set according to various applications.
  • the 2D X-ray detector stores movement information including the location and size of the ROI in the ROI table and moves the ROI from the ROI table every frame. It can be extracted to control the region of interest.
  • the ROI controller 320 of the 2D X-ray detector 300 controls the ROI based on the ROI table 310.
  • the ROI controller 320 may acquire and transmit only ROI projection data projected by X-rays irradiated onto the ROI.
  • the ROI controller 320 may combine and transmit the ROI projection data projected by the X-rays irradiated to the ROI and the extra-ROI projection data projected by the X-rays irradiated to the ROI. have.
  • the 2D X-ray detector 300 reduces the amount of projection data by applying a binning method to projection data outside the ROI projected by X-rays irradiated into the ROI.
  • the binning processor 330 may be further included.
  • the 2D X-ray detector 300 may determine whether to transmit only ROI projection data or reduce projection resolution by obtaining projection data outside the ROI. This determination may be made based on a user's command command, and according to an embodiment, the determination may be made based on predetermined determination criteria of a program or software installed in the 2D X-ray detector 300 according to an embodiment of the present invention. It may be.
  • the ROI controller 320 of the 2D X-ray detector 300 may acquire only ROI projection data projected into the ROI, except for the ROI, and obtain the ROI projection. By transmitting only data, the amount of projection data can be reduced to improve the transmission speed.
  • the ROI control unit 320 obtains out-of-interest projection data projected into the out-of-interest area and relatively applies the binning method of adding pixels to the out-of-interest projection data from the binning processor 330. Low resolution projection data with low resolution can be obtained.
  • the ROI controller 320 obtains the ROI projection data projected into the ROI in high resolution, and obtains and combines the ROI projection data projected into the ROI at low resolution, thereby reducing the amount of projection data. You can.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of controlling the position and size of a region of interest in a 2D X-ray detector according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the 2D X-ray detector 400 controls the position and size of the ROI 401 based on the ROI table.
  • the 2D X-ray detector 400 may move the ROI 401 in the horizontal direction 405.
  • the 2D X-ray detector 400 may include the ROI 401 based on movement information of the ROI table including coordinates 402, width 403, and height 404 of the ROI 401. You can control the position and size of.
  • the 2D X-ray detector 400 uses a region of interest table including movement information of the region of interest 401 preset by N scanning angles, so that the frame is more accurate for each frame.
  • the size and movement of the ROI 401 may be controlled.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration of a cone beam CT device including a 2D X-ray detector capable of dynamically setting a region of interest according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the cone beam CT apparatus 500 including a 2D X-ray detector capable of dynamically setting a region of interest according to an embodiment of the present invention controls the position and size of the region of interest based on the region of interest table.
  • the tomography image is reconstructed by applying an image reconstruction algorithm to the projection data received from the 2D X-ray detector which processes the projection data projected by the X-ray irradiated onto the ROI.
  • the cone beam CT apparatus 500 includes a 2D X-ray detector 510 and an image processor 520.
  • the 2D X-ray detector 510 controls an ROI based on an ROI table in which a position and size of a region-of-interest (ROI) can be set every frame, and the X-ray irradiated to the controlled ROI Process the projection data projected by ROI.
  • ROI region-of-interest
  • the 2D X-ray detector 510 may control the position and size of the ROI in order of movement information based on the ROI table.
  • the 2D X-ray detector 510 may include a region of interest table (not shown) in which the position and size of the region of interest may be set in each frame, and an ROI controller (not shown) that controls the ROI based on the ROI table. And a binning processor (not shown) for reducing the amount of projection data by applying a binning method to projection data outside the ROI projected by X-rays irradiated to the outside of the ROI).
  • the 2D X-ray detector 510 may acquire only ROI projection data projected into the ROI except for the ROI, and reduce the amount of projection data by transmitting only the ROI projection data. This can improve the transmission speed.
  • the 2D X-ray detector 510 obtains projection data outside the ROI projected into the region of interest and applies a binning method to add pixels to the obtained projection data outside the ROI. It is possible to obtain low resolution projection data having a lower resolution than the projection data.
  • the 2D X-ray detector 510 obtains the ROI projection data projected into the ROI at high resolution, and acquires and combines the projection data outside the ROI projected into the ROI at low resolution, thereby combining the amount of projection data. It can be reduced and transmitted.
  • the image processor 520 reconstructs the tomography image by applying an image reconstruction algorithm to the processed projection data.
  • the projection data may include only ROI projection data, and may include all ROI projection data and projection data outside the ROI to which the binning method is applied, and include all projection images projected onto the 2D X-ray detector 510. It may be a term.
  • the image processor 520 may reconstruct a tomography image by applying an image reconstruction algorithm to at least one projection data of the ROI projection data and the projection data outside the ROI.
  • the image processor 520 may reconstruct the tomography image after reconstructing the virtual high resolution data by applying interpolation to projection data outside the ROI to which the binning method is applied.
  • the image reconstruction algorithm may be a method of performing back-projection after spatial filtering on the projection data, and in some embodiments, a three-dimensional extended back projection method called a Feldkamp algorithm may be used.
  • an iterative reconstruction method such as SART (Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique) may be applied as an image reconstruction algorithm.
  • the cone beam CT device 500 may further include a detector controller (not shown).
  • the detector controller may control the 2D X-ray detector 510 based on a user input.
  • the detector controller generates a control command according to whether to exclude an area of interest or to reduce projection resolution by obtaining projection data outside the area of interest of the area of interest, thereby controlling the operation of the 2D X-ray detector 510. You may.
  • control command may be at least one of adding, deleting, and changing movement information included in the ROI table, and at least any of on / off and motion of the 2D X-ray detector 510. It may be a control command according to one.
  • the cone-beam CT apparatus 500 is a projection data with reduced data amount (projection data including only the region of interest projection data, or a region of interest projection data of high resolution and a low resolution of interest).
  • Projection data including out-of-area projection data), and a reconstructed tomography image may further include a communication unit (not shown) for transmitting to the outside.
  • FIG. 6 illustrates an example of obtaining projection data using a cone beam CT device including a 2D X-ray detector capable of dynamically setting a region of interest according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • a cone beam CT device including a 2D X-ray detector capable of dynamically setting a region of interest may be provided to an object 602 from an X-ray source 601 and a 2D X-ray detector 600.
  • Acquire projection data projected image
  • a cone beam CT apparatus including a 2D X-ray detector capable of dynamically setting a region of interest may include a circle having a radius r about a center point 604 inside the object. 603, and projection data projected onto the 2D X-ray detector 600 by X-rays irradiated onto the ROI 603 of the object is obtained.
  • the X-rays irradiated to the center point 604 inside the object are connected to the center point 606 of the ROI in the 2D X-ray detector 600.
  • horizontal coordinates of the center point 606 of the region of interest are S 1 and the region of interest ( If the width of 605 is W R , S 1 and W R are changed each time by the scanning angle ⁇ according to the unit scan angle.
  • the coordinates and widths varying by the scanning angle may be obtained by the accurate S 1 , W R , and starting coordinates s 0 , t 0 of the region of interest 605 by simple geometric solutions, and according to embodiments.
  • S 1 may be a sine function depending on the scan angle.
  • the 2D X-ray detector 600 of the cone beam CT apparatus including the 2D X-ray detector capable of dynamically setting the ROI according to an embodiment of the present invention controls the position and size of the ROI 605 every frame. Projection data according to the ROI 603 of the object may be obtained in high resolution.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a two-dimensional X-ray detector capable of dynamically setting a region of interest according to an embodiment of the present invention and a method of operating a cone beam CT apparatus including the same.
  • the position and size of the ROI in the 2D X-ray detector may be determined based on the ROI table in which the position and size of the region-of-interest (ROI) can be set. To control.
  • ROI region-of-interest
  • the position and size of the ROI in the 2D X-ray detector may be sequentially controlled based on the ROI table.
  • the projection data including the ROI projection data projected by the X-ray irradiated to the ROI and the extra-ROI projection data projected by the X-ray radiated to the ROI is processed.
  • step 820 may be an operation of acquiring only the ROI projection data projected into the ROI except for the ROI.
  • step 820 is a binning method of acquiring out-of-interest projection data projected onto the two-dimensional X-ray detector by X-rays irradiated into the out-of-interest region and adding pixels to the acquired out-of-interest projection data. It may be a step of applying.
  • the image reconstruction algorithm is applied to the projection data to reconstruct the tomography image.
  • Step 830 may be a step of reconstructing a tomography image by applying an image reconstruction algorithm to at least one projection data of the ROI projection data and the projection data outside the ROI.
  • the method according to the embodiment may be embodied in the form of program instructions that can be executed by various computer means and recorded in a computer readable medium.
  • the computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • the program instructions recorded on the media may be those specially designed and constructed for the purposes of the embodiments, or they may be of the kind well-known and available to those having skill in the computer software arts.
  • Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic disks, such as floppy disks.
  • Examples of program instructions include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
  • the hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.

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Abstract

관심 영역의 위치 및 크기를 매 프레임마다 변경시킬 수 있도록 관심 영역 및 크기에 대한 관심영역 테이블을 내장한 2차원 엑스선 디텍터와 이를 이용한 콘빔 CT 장치 및 그 동작 방법에 관한 것으로서, 설정된 관심 영역에 따른 관심 영역 투영 데이터를 고해상도로 획득하고, 관심 외 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영된 관심 영역 외 투영 데이터에 비닝(binning) 방법을 적용하여 저해상도로 획득하여 투영 데이터의 양을 축소시킬 수 있다.

Description

관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터와 이를 포함하는 콘빔 CT 장치 및 그 동작 방법
본 발명은 관심 영역의 위치 및 크기를 매 프레임마다 변경시킬 수 있도록 관심 영역 및 크기에 대한 관심 영역 테이블을 내장한 2차원 엑스선 디텍터와 이를 이용한 콘빔 CT 장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.
엑스선을 이용한 단층촬영장치(CT)는 엑스선이 물체를 투과하면서 엑스선이 감쇄(attenuation)되는 현상을 이용한다. 엑스선은 물체를 투과하면서 광전효과(photo electric effect), 콤프턴 산란(Compton scattering) 등의 물리적 현상에 의해 그 강도가 점차 약해지는데, 물체 성분과 그 물리적 밀도에 의해 감쇄되는 정도가 달라진다.
엑스선 단층영상은 물체 성분의 엑스선 감쇄계수(attenuation coefficient) 영상을 보여주는 것이라 할 수 있으며, 엑스선 감쇄계수는 일반적으로 물질의 밀도가 높을수록, 물질을 이루는 성분의 원자번호가 높을수록 증가한다.
예를 들어, 인체를 촬영 대상으로 하는 경우, 인체의 뼈 조직이나 치아는 연부 조직에 비해 엑스선 감쇄계수가 높다(일반적으로 엑스선 감쇄계수는 엑스선 광자의 에너지가 높을수록 줄어든다.).
이에 따라서, 물체의 단층영상을 획득하기 위해서는 엑스선을 인체에 여러 각도로 조사하여 획득되는 투영영상(projection image)의 집합이 필요하며, 이러한 투영영상의 집합은 엑스선원(x-ray source) 및 엑스선 디텍터를 하나의 주사장치(gantry) 상에 위치시킨 후, 주사장치를 등각으로 회전시켜 획득된다.
예를 들어, 일부의 단층촬영장치는 엑스선원 및 엑스선 디텍터를 고정시키고 물체(대상체)를 회전시켜 투영영상의 집합을 얻기도 하는데 원리는 동일하다.
이렇게 일정한 각도로 투영영상을 순차적으로 획득하는 과정을 주사(scan)라 하며, 일반적으로는 단일 소자형 엑스선 디텍터를 배열형으로 구성한 엑스선 CT를 주로 사용하고 있다.
단일 소자형 엑스선 디텍터는 크고 두꺼운 형태로서, 엑스선 감도(sensitivity)가 높은 장점이 있으며, 원호에 배열하여 한 주사각도에서의 1차원 투영데이터를 일시에 획득할 수 있고, 주사장치의 일 회전으로 한 단면의 영상을 획득할 수 있다.
또한, 단일 소자형 엑스선 디텍터는 엑스선 디텍터를 복수 개의 원호에 배열하여 복수의 단면에 대한 투영데이터를 동시에 획득할 수 있고, 주사장치의 일 회전으로 복수의 단면의 영상을 획득할 수 있다.
이러한 구조를 가진 CT를 통상 멀티링(multi-ring) CT라 부른다. 멀티링 CT는 싱글링(single-ring) CT와 비교하여 단면당 주사시간을 단축할 수 있으므로, 일반적으로 사용되고 있다.
멀티링 CT는 엑스선 CT의 촬영시간을 단축시키고, 헬리컬(helical) 주사 기능을 겸비하여 3차원 단층촬영이 가능하다.
다만, 멀티링 CT는 헬리컬 주사를 위해 주사장치를 여러 번 회전시켜야 하는 단점이 존재하며, 단 일회의 주사장치 회전으로 3차원 영상을 획득하기 위해서는 디텍터 링(ring)의 수가 적어도 수백 개 이상이 되어야 하므로, 경제적 문제점이 존재하였다.
이러한 문제점을 극복하기 위한 2차원 면 디텍터의 기술이 개발되어 상용화되었다. 2차원 면 디텍터의 화소(pixel) 수는 수백만 개 이상이 되는 수준으로 발전하였으며, 이에 따른 개발로 디지털 엑스선 촬영인 디지털 라디오그래피(digital radiography)의 기술 또한 일반화되었다.
또한, 2차원 면 디텍터의 개발에 따른 CT 기술도 발전하였는데, 이러한 CT 기술을 일반적으로 콘빔(cone-beam) CT라 부른다. 실시예로는 치과 용 CT 및 마이크로 CT가 그 대표적인 예이다.
콘빔 CT는 투영영상을 2차원 면 디텍터로 획득하기 때문에, 주사장치의 일 회전만으로도 3차원 단층영상을 재구성(reconstruction)할 수 있다. 그러므로, CT 영상의 해상도를 높이기 위해서는 엑스선 디텍터의 화소 크기가 작아야 하며, 대상 물체를 충분히 포함할 수 있을 정도로 디텍터 전체 크기가 커야 하므로 고해상도 2차원 엑스선 디텍터의 화소 개수는 통상 2600×2600 이상, 즉 670 만개 이상이 된다.
이 경우, 한 화소의 데이터 비트 수는 일반적으로 16비트이며, 한 장의 투영영상은 100M 비트 이상이 되는데, 이 데이터를 1Gbps의 전송 속도로 전송할 경우, 이론적으로 초당 10장 미만의 영상을 수집하게 된다.
2차원 엑스선 디텍터의 전송 채널로는 보통 GigE 또는 Camera Link 및 USB 등이 사용되고 있는데, 이 채널들의 물리적 전송 속도는 약 1.0 내지 5.0Gbps 이며, 실제 예로서 2600×2600 해상도를 갖는 상용 디텍터의 경우, GigE 채널을 사용하면 초당 7장, Camera Link를 사용하면 초당 15장 정도의 영상을 수집하게 된다. 그러므로, CT 촬영은 일 회전하면서 약 450장 이상을 촬영하므로 초당 15장일 경우 30초 이상의 촬영 시간이 요구되어 촬영 속도를 높이는데 한계가 존재하였다.
이러한 2차원 엑스선 디텍터의 촬영 시간을 수초대로 줄이기 위한 종래 방법으로는 디텍터의 해상도를 떨어뜨려서 화소 수를 줄이는 방법이 많이 사용되고 있다. 화소 수를 줄이는 방법을 비닝(binning)이라 하는데, 2×2, 4×4, 8×8, 16×16 등 인접 화소 데이터를 합쳐서 화소 크기를 크게 하므로, 해상도는 떨어지지만 데이터 양을 줄일 수 있어, 초당 투영영상의 수를 높일 수 있다.
다만, 이러한 종래 방법은 근본적으로 해상도를 저하시키는 방법이어서 고해상도의 CT 시스템에는 적합하지 않으므로, 현재의 전송 속도 한계를 극복하면서 고해상도로 고속 촬영을 수행할 수 있는 방법이 필요하다.
본 발명의 목적은 투영 데이터의 전송 속도의 한계를 극복하여 CT 장치의 고속 촬영을 수행할 수 있는 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터와, 이를 포함하는 콘빔 CT 장치 및 그 동작 방법을 제공하고자 한다.
또 다른 본 발명의 목적은 내장된 관심 영역 테이블에 기초하여 매 프레임마다 관심 영역의 위치와 크기를 설정하고, 설정된 관심 영역에 따른 투영 데이터만을 전송하여 투영 데이터의 양을 축소시킬 수 있는 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터와, 이를 포함하는 콘빔 CT 장치 및 그 동작 방법을 제공하고자 한다.
또 다른 본 발명의 목적은 설정된 관심 영역에 따른 관심 영역 투영 데이터를 고해상도로 획득하고, 관심 외 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영된 관심 영역 외 투영 데이터에 비닝(binning) 방법을 적용하여 저해상도로 획득하여 투영 데이터의 양을 축소시킬 수 있는 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터와, 이를 포함하는 콘빔 CT 장치 및 그 동작 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터는 매 프레임마다 관심 영역(region-of-interest, ROI)의 위치 및 크기의 설정이 가능한 관심 영역 테이블 및 상기 관심 영역 테이블에 기초하여 상기 관심 영역을 제어하는 관심 영역 제어부를 포함한다.
상기 관심 영역 제어부는 상기 관심 영역으로 조사된 엑스선(X-ray)에 의해 투영되는 관심 영역 투영 데이터를 획득하여 전송할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터는 관심 외 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영되는 관심 영역 외 투영 데이터에 비닝(binning) 방법을 적용하여 투영 데이터의 양을 축소하는 비닝 처리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 콘빔 CT 장치는 매 프레임마다 관심 영역(region-of-interest, ROI)의 위치 및 크기의 설정이 가능한 관심 영역 테이블에 기초하여 상기 관심 영역을 제어하며, 상기 제어된 관심 영역으로 조사된 엑스선(X-ray)에 의해 투영되는 투영 데이터를 처리하는 2차원 엑스선 디텍터 및 상기 투영 데이터에 영상 재구성 알고리즘을 적용하여 단층영상을 재구성하는 영상 처리부를 포함한다.
상기 2차원 엑스선 디텍터는 매 프레임마다 상기 관심 영역의 위치 및 크기의 설정이 가능한 관심 영역 테이블 및 상기 관심 영역 테이블에 기초하여 상기 관심 영역을 제어하는 관심 영역 제어부를 포함할 수 있다.
상기 관심 영역 제어부는 상기 관심 영역으로 조사된 엑스선(X-ray)에 의해 투영되는 관심 영역 투영 데이터를 획득하여 전송할 수 있다.
또한, 상기 2차원 엑스선 디텍터는 관심 외 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영되는 관심 영역 외 투영 데이터에 비닝(binning) 방법을 적용하여 투영 데이터의 양을 축소하는 비닝 처리부를 더 포함할 수 있다.
상기 2차원 엑스선 디텍터는 상기 관심 영역으로 투영된 관심 영역 투영 데이터, 및 관심 외 영역으로 투영된 관심 영역 외 투영 데이터를 결합하여 상기 투영 데이터를 처리할 수 있다.
상기 영상 처리부는 상기 비닝 방법이 적용된 관심 영역 외 투영 데이터에 보간법(interpolation)을 적용하여 가상의 고해상도 데이터로 복원한 후, 상기 단층영상을 재구성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터와 이를 포함하는 콘빔 CT 장치의 동작 방법은 매 프레임마다 상기 관심 영역(region-of-interest, ROI)의 위치 및 크기의 설정이 가능한 관심 영역 테이블에 기초하여 상기 관심 영역을 제어하는 단계, 상기 관심 영역으로 조사된 엑스선(X-ray)에 의해 투영되는 관심 영역 투영 데이터, 및 관심 외 영역으로 조사된 상기 엑스선에 의해 투영되는 관심 영역 외 투영 데이터를 포함하는 투영 데이터를 전송하는 단계 및 상기 투영 데이터에 영상 재구성 알고리즘을 적용하여 단층영상을 재구성하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 투영 데이터의 전송 속도의 한계를 극복하여 CT 장치의 고속 촬영을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 내장된 관심 영역 테이블에 기초하여 매 프레임마다 관심 영역의 위치와 크기를 설정하고, 설정된 관심 영역에 따른 투영 데이터만을 전송하여 투영 데이터의 양을 축소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 설정된 관심 영역에 따른 관심 영역 투영 데이터를 고해상도로 획득하고, 관심 외 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영된 관심 영역 외 투영 데이터에 비닝(binning) 방법을 적용하여 저해상도로 획득하여 투영 데이터의 양을 축소시킬 수 있다.
도 1은 콘빔 CT 장치의 예를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 2는 콘빔 CT 장치에서 주사하면서 투영 데이터를 획득하는 예를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터의 구성을 설명하기 위한 블록도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터에서의 관심 영역의 위치 및 크기를 제어하는 예를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터를 포함하는 콘빔 CT 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터를 포함하는 콘빔 CT 장치를 이용하여 투영 데이터를 획득하는 예를 도시한 것이다.
도 7은 관심 영역 테이블을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터와 이를 포함하는 콘빔 CT 장치의 동작 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 명세서에서 사용되는 “실시예”, “예”, “측면”, “예시” 등은 기술된 임의의 양상(aspect) 또는 설계가 다른 양상 또는 설계들보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다.
또한, '또는' 이라는 용어는 배타적 논리합 'exclusive or' 이기보다는 포함적인 논리합 'inclusive or' 를 의미한다. 즉, 달리 언급되지 않는 한 또는 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 'x가 a 또는 b를 이용한다' 라는 표현은 포함적인 자연 순열들(natural inclusive permutations) 중 어느 하나를 의미한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 단수 표현("a" 또는 "an")은, 달리 언급하지 않는 한 또는 단수 형태에 관한 것이라고 문맥으로부터 명확하지 않는 한, 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 콘빔 CT 장치의 예를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 1을 참고하면, 콘빔 CT 장치는 대상체(100)를 중심으로 한 쪽에는 엑스선원(X-ray source, 110)을, 그리고 반대쪽에는 2차원 엑스선 디텍터(120)를 두고 주어진 각도에서 투영영상(혹은 투영 데이터, projection image, 130)을 획득한다.
엑스선원(110)에서 조사되는 엑스선은 엑스선원(110) 출구에 설치된 시준기(collimator)에 의해 제한되며, 일반적으로는 시야각의 수평방향 및 수직방향으로 각기 다른 디텍터의 크기에 기초하여 제한될 수 있다.
여기서, 빔의 크기를 제한하는 이유는 촬영하고자 하는 시야각(field of view) 내로만 엑스선의 조사를 제한함으로써, 대상체(100)에 조사되는 엑스선량(x-ray dose)을 줄이기 위함이다.
엑스선원(110) 및 2차원 엑스선 디텍터(120)는 회전 운동과 병진 운동이 가능한 구성으로 자유도 1의 회전 운동과 자유도 1의 병진 운동(선형 운동)이 가능하다.
또한, 엑스선원(110)의 회전중심은 엑스선원(110)의 병진 운동 축(Axis) 상에 존재할 수 있다.
실시예에 따라서, 엑스선원(110)과 2차원 엑스선 디텍터(120)는 서로 마주하도록 구성되어 대상체(100)를 중심으로 일정한 속도로 회전될 수 있다.
다른 실시예로는 엑스선원(110) 및 2차원 엑스선 디텍터(120)는 고정되고, 대상체(100)를 회전시켜 투영영상(130)을 획득할 수도 있으나, 엑스선원(110) 및 2차원 엑스선 디텍터(120)의 회전 또는 대상체(100)의 회전에 의해 투영되는 투영영상(130)의 원리는 동일하다.
다시 도 1을 참조하면,
Figure PCTKR2016012986-appb-I000001
는 수평방향의 시야각을 의미하고,
Figure PCTKR2016012986-appb-I000002
는 수직방향의 시야각을 의미한다. 대상체(100)에 대한 단층영상을 재구성하기 위해서는 수평방향 및 수직방향의 시야각에 따른 다양한 각도에서의 투영영상을 획득해야 하므로, 콘빔 CT 장치는 회전 중심축을 중심으로 엑스선원(110) 및 2차원 엑스선 디텍터(120)를 일정한 각도(단위주사각)로 매 프레임마다 이동시킬 수 있다.
도 2는 콘빔 CT 장치에서 주사하면서 투영 데이터를 획득하는 예를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 콘빔 CT 장치는 엑스선원(201) 및 2차원 엑스선 디텍터(202)로부터 대상체(200)를 중심으로 복수의 주사 각도에서의 주사를 수행한다. 이때, 주사를 위한 회전 중심축(203)은 대상체(200)의 중앙에 위치한다.
보다 상세하게는, 콘빔 CT 장치는 엑스선원(201)에서 회전 중심축(203)으로 조사된 엑스선에 의해 투영되는 2차원 엑스선 디텍터(202)에서의 투영 데이터를 획득할 수 있다.
예를 들어, 콘빔 CT 장치는 회전 중심축(203)을 기준으로 인접한 주사 각도(scan angle) 및 주사 각도로 회전하는 회전량인 단위주사각에서의 복수의 투영 데이터를 획득할 수 있다.
일반적으로 단위주사각이 작을수록 즉, 투영 데이터의 수가 많을수록 단층영상의 공간해상도는 향상되나 촬영시간이 길어지므로 환자가 받는 엑스선량이 증가하게 된다.
반면, 투영 데이터의 수가 너무 적으면 단층영상의 공간해상도가 저하될 뿐만 아니라 줄무늬 아티팩트(streak artifact)가 나타나며 단층영상의 가독성(readability)이 떨어질 수 있다.
그러므로, 콘빔 CT 장치에서의 투영 데이터의 수는 일반적으로 1000 이하에서 정해지나, 실시예에 따라서는 그 이상 또는 이하일 수도 있다.
콘빔 CT 장치는 매 프레임마다 주사에 따른 투영 데이터 집합{pi(s,t)}을 획득하며, 투영 데이터 집합으로부터 3차원 단층영상(f(x,y,z))을 산출해낼 수 있다.
이때, 투영 데이터(pi(s,t))에서 s 및 t는 2차원 엑스선 디텍터 면에서의 수평축 방향 및 수직축 방향으로의 좌표를 의미하며, i는 단위 주사각으로 회전한 수를 의미한다(즉 단위주사각을 △β라 할 때, i번째 회전에서 주사각은 β=i△β 이며, i=0,1,2,,,N-1이다.). 또한, 3차원 단층영상 f(x,y,z)에서 (x,y,z)는 도 1과 같이 대상체(100) 내에서의 3차원 공간좌표를 의미한다.
투영 데이터 집합이 많을수록 고화질의 단층영상을 획득할 수 있으며, 콘빔 CT 장치로부터 획득된 투영 데이터 집합으로부터 단층 영상을 획득하기 위해 영상 재구성(image reconstruction) 방법을 이용한다.
영상 재구성 방법은 투영 데이터를 공간 필터링(spatial filtering) 한 후, 역투영(back-projection)하는 방법을 적용한다.
일반적으로, 콘빔 CT 장치는 3차원으로 확장된 필터 역투영 방법(filtered back-projection)으로 Feldkamp 알고리즘을 사용한다. 필터 역투영(filtered back-projection) 영상 재구성 방법은 공간해상도가 좋고, 고속 연산이 가능하여 널리 쓰이지만, 이 방법 외에도 반복 재구성 알고리즘(iterative reconstruction algorithm)이 적용될 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 콘빔 CT 장치는 높은 해상도의 영상을 획득하기 위해 화소 크기가 작아 해상도가 좋고 화소 수가 많은 2차원 엑스선 디텍터(202)를 사용해야한다.
다만, 종래의 콘빔 CT 장치의 2차원 엑스선 디텍터(202)는 높은 해상도를 획득하기 위한 투영 데이터의 방대한 양으로 인해 처리 속도가 떨어지고, 전송 속도가 낮은 한계가 존재하였다.
이에 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터는 투영 데이터의 양을 축소시키기 위해 관심 영역(region-of-interest, ROI)을 설정하고, 관심 외 영역에 대한 데이터를 처리하는 방법을 이용한다.
예를 들면, 폭 W 및 높이 H 인 2차원 엑스선 디텍터(202)의 전체 크기 중, W×H에서 1/3W×1/3H의 작은 영역만 전송한다면 투영 데이터의 양은 1/9로 줄어들고, 초당 투영영상의 개수는 9배로 늘어나게 되어 촬영 시간을 1/9로 줄일 수 있다.
다만, 이러한 경우 대상체(200) 전체에 대한 투영 데이터는 획득하지 못하고, 관심 영역 투영 데이터만 3차원 영상으로 획득한다는 문제점이 야기될 수 있다.
이에 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터는 관심 외 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영되는 관심 영역 외 투영 데이터의 해상도를 낮추기 위한 비닝(binning) 방법을 적용한다.
상기 비닝 방법이란, 투영 데이터 내의 인접 화소 데이터를 합하여 화소 크기를 증가시켜 해상도를 떨어뜨리고 데이터 양을 줄이는 방법이다.
일반적으로 비닝 방법은 2×2, 4×4, 8×8, 16×16 비닝 모드가 사용되는데 4×4 비닝을 할 경우 16개 화소가 하나의 화소로 합쳐지므로 데이터 양이 1/16로 줄어들 수 있다.
이에 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터는 비닝 방법을 적용하여 1/3W×1/3H의 관심 영역만을 고해상도로 획득하고, 그 외 영역은 4×4 비닝을 적용하여 저해상도로 획득함으로써, 투영 데이터의 양을 축소시키고, 초당 투영 데이터(투영영상)의 개수를 늘릴 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터의 구성을 설명하기 위한 블록도를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터(300)는 매 프레임마다 관심 영역 테이블에 기초하여 관심 영역의 위치 및 크기를 제어한다.
이를 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터(300)는 관심 영역 테이블(310) 및 관심 영역 제어부(320)를 포함한다.
관심 영역 테이블(310)은 매 프레임마다 관심 영역(region-of-interest, ROI)의 위치 및 크기의 설정이 가능하다.
이하에서는 도 7을 참조하여 관심 영역 테이블에 대해 상세히 설명하고자 한다.
도 7은 관심 영역 테이블을 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 관심 영역 테이블은 투영 데이터를 수집하기 위해 N개의 주사 각도에 의해 설정되며, N 개의 주사 각도에 의해 기설정된 관심 영역의 이동 정보(s0, t0, WR, hR)를 포함한다.
여기서, s0 및 t0는 관심 영역의 시작점의 좌표를 나타내고, WR는 관심 영역의 크기의 폭을 나타내며, hR는 관심 영역의 크기의 높이를 나타낸다.
관심 영역 테이블에 포함된 관심 영역의 이동 좌표, 폭, 및 높이를 포함하는 크기는 주사 각도(scan angle), 2차원 엑스선 디텍터, 및 2차원 엑스선 디텍터를 포함하는 콘빔 CT 장치가 적용되는 실시예에 따라 다양하게 적용되어 설정될 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터는 관심 영역의 위치 및 크기를 포함하는 이동 정보를 관심 영역 테이블에 저장하여 포함하고, 매 프레임마다 관심 영역 테이블로부터 관심 영역의 이동 정보를 추출하여 관심 영역을 제어할 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터(300)의 관심 영역 제어부(320)는 관심 영역 테이블(310)에 기초하여 관심 영역을 제어한다.
보다 상세하게는, 관심 영역 제어부(320)는 관심 영역으로 조사된 엑스선(X-ray)에 의해 투영되는 관심 영역 투영 데이터만을 획득하여 전송할 수 있다.
실시예에 따라서는, 관심 영역 제어부(320)는 관심 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영되는 관심 영역 투영 데이터, 및 관심 외 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영되는 관심 영역 외 투영 데이터를 결합하여 전송할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터(300)는 관심 외 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영되는 관심 영역 외 투영 데이터에 비닝(binning) 방법을 적용하여 투영 데이터의 양을 축소하는 비닝 처리부(330)를 더 포함할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터(300)는 관심 영역 투영 데이터만을 전송할 것인지, 관심 영역 외 투영 데이터를 획득하여 해상도를 낮출 것인지를 판단할 수 있다. 이러한 판단은 사용자의 명령 커맨드(command)에 기반하여 이루어질 수 있으며, 실시예에 따라서는 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터(300)에 설치된 프로그램 또는 소프트웨어의 기설정된 판단 기준에 의해 이루어질 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터(300)의 관심 영역 제어부(320)는 관심 외 영역을 제외하고, 관심 영역으로 투영된 관심 영역 투영 데이터만을 획득할 수 있으며, 획득된 관심 영역 투영 데이터만을 전송함으로써 투영 데이터의 양을 감소하여 전송 속도를 향상시킬 수 있다.
실시예에 따라서는, 관심 영역 제어부(320)는 관심 외 영역으로 투영된 관심 영역 외 투영 데이터를 획득하고, 비닝 처리부(330)로부터 관심 영역 외 투영 데이터에 화소를 합하는 비닝 방법을 적용하여 상대적으로 해상도가 낮은 저해상도의 투영 데이터를 획득할 수 있다.
이에 따라서, 관심 영역 제어부(320)는 관심 영역으로 투영된 관심 영역 투영 데이터를 고해상도로 획득하고, 관심 외 영역으로 투영된 관심 영역 외 투영 데이터를 저해상도로 획득하여 결합함으로써, 투영 데이터의 양을 축소시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터에서의 관심 영역의 위치 및 크기를 제어하는 예를 설명하기 위해 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터(400)는 관심 영역 테이블에 기초하여 관심 영역(401)의 위치 및 크기를 제어한다.
예를 들어, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터(400)는 관심 영역(401)을 수평 방향(405)으로 이동시킬 수 있다.
실시예에 따라서, 관심 영역(401)의 좌표(402)를 O(s0, t0)라 하고, 폭(403)을 WR, 높이(404)를 hR이라 할 때, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터(400)는 관심 영역(401)의 좌표(402), 폭(403) 및 높이(404) 정보를 포함하는 관심 영역 테이블의 이동 정보에 기초하여 관심 영역(401)의 위치 및 크기를 제어할 수 있다.
이에 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 엑스선 디텍터(400)는 N개의 주사 각도에 의해 기설정된 관심 영역(401)의 이동 정보를 포함하는 관심 영역 테이블을 이용하여, 매 프레임마다 보다 정확한 관심 영역(401)의 크기 및 이동을 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터를 포함하는 콘빔 CT 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터를 포함하는 콘빔 CT 장치(500)는 관심 영역 테이블에 기초하여 관심 영역의 위치 및 크기를 제어하고, 관심 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영된 투영 데이터를 처리하는 2차원 엑스선 디텍터로부터 수신된 투영 데이터에 영상 재구성 알고리즘을 적용하여 단층영상을 재구성한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 콘빔 CT 장치(500)는 2차원 엑스선 디텍터(510) 및 영상 처리부(520)를 포함한다.
2차원 엑스선 디텍터(510)는 매 프레임마다 관심 영역(region-of-interest, ROI)의 위치 및 크기의 설정이 가능한 관심 영역 테이블에 기초하여 관심 영역을 제어하고, 제어된 관심 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영되는 투영 데이터를 처리한다.
예를 들어, 2차원 엑스선 디텍터(510)는 관심 영역 테이블에 기초하여 이동 정보의 순차대로 관심 영역의 위치 및 크기를 제어할 수 있다.
보다 상세하게는, 2차원 엑스선 디텍터(510)는 매 프레임마다 관심 영역의 위치 및 크기의 설정이 가능한 관심 영역 테이블(미도시), 관심 영역 테이블에 기초하여 관심 영역을 제어하는 관심 영역 제어부(미도시) 및 관심 외 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영되는 관심 영역 외 투영 데이터에 비닝(binning) 방법을 적용하여 투영 데이터의 양을 축소하는 비닝 처리부(미도시)를 포함할 수 있다.
실시예에 따라서, 2차원 엑스선 디텍터(510)는 관심 외 영역을 제외하고, 관심 영역으로 투영된 관심 영역 투영 데이터만을 획득할 수 있으며, 획득된 관심 영역 투영 데이터만을 전송함으로써 투영 데이터의 양을 축소시켜 전송 속도를 향상시킬 수 있다.
다른 실시예에 따라서, 2차원 엑스선 디텍터(510)는 관심 외 영역으로 투영된 관심 영역 외 투영 데이터를 획득하고, 획득된 관심 영역 외 투영 데이터에 화소를 합하는 비닝(binning) 방법을 적용하여 관심 영역 투영 데이터에 비해 상대적으로 해상도가 낮은 저해상도의 투영 데이터를 획득할 수 있다.
이에 따라서, 2차원 엑스선 디텍터(510)는 관심 영역으로 투영된 관심 영역 투영 데이터를 고해상도로 획득하고, 관심 외 영역으로 투영된 관심 영역 외 투영 데이터를 저해상도로 획득하여 결합함으로써, 투영 데이터의 양을 축소시켜 전송할 수 있다.
영상 처리부(520)는 처리된 투영 데이터에 영상 재구성 알고리즘을 적용하여 단층영상을 재구성한다.
상기 투영 데이터는 관심 영역 투영 데이터만을 포함할 수 있고, 관심 영역 투영 데이터 및 비닝 방법이 적용된 관심 영역 외 투영 데이터를 모두 포함할 수도 있으며, 2차원 엑스선 디텍터(510)에 투영된 투영영상을 모두 포함하는 용어일 수 있다.
예를 들어, 영상 처리부(520)는 관심 영역 투영 데이터, 및 관심 영역 외 투영 데이터 중 적어도 어느 하나 이상의 투영 데이터에 영상 재구성 알고리즘을 적용하여 단층영상을 재구성할 수 있다.
이때, 영상 처리부(520)는 비닝 방법이 적용된 관심 영역 외 투영 데이터에 보간법(interpolation)을 적용하여 가상의 고해상도 데이터로 복원한 후 단층영상을 재구성할 수 있다.
상기 영상 재구성 알고리즘은 투영 데이터에 공간 필터링(spatial filtering)한 후 역투영(back-projection)하는 방법일 수 있고, 실시예에 따라서는 Feldkamp 알고리즘이라는 3차원으로 확장된 역투영 방법이 사용될 수 있다.
또한, 영상 재구성 알고리즘으로는 SART (Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique)와 같은 반복 재구성(Iterative Reconstruction) 방법도 적용될 수 있다.
다른 실시예에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 콘빔 CT 장치(500)는 디텍터 제어부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
예를 들면, 디텍터 제어부는 사용자의 입력에 기반하여 2차원 엑스선 디텍터(510)를 제어할 수 있다.
또한, 디텍터 제어부는 관심 외 영역을 제외할 것인지, 관심 외 영역에 대한 관심 영역 외 투영 데이터를 획득하여 해상도를 낮출 것인지에 대한 판단에 따른 제어 커맨드를 생성하여 2차원 엑스선 디텍터(510)의 동작을 제어할 수도 있다.
여기서, 상기 제어 커맨드는 관심 영역 테이블에 포함된 이동 정보의 추가, 삭제 및 변경 중 적어도 어느 하나일 수 있고, 2차원 엑스선 디텍터(510)의 작동(on/off) 및 동작(motion) 중 적어도 어느 하나에 따른 제어 커맨드일 수도 있다.
또 다른 실시예에 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 콘빔 CT 장치(500)는 데이터 양이 축소된 투영 데이터(관심 영역 투영 데이터만 포함된 투영 데이터, 또는 고해상도의 관심 영역 투영 데이터 및 저해상도의 관심 영역 외 투영 데이터를 포함한 투영 데이터), 및 재구성된 단층영상 중 적어도 어느 하나 이상을 외부로 송신하기 위한 통신부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터를 포함하는 콘빔 CT 장치를 이용하여 투영 데이터를 획득하는 예를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터를 포함하는 콘빔 CT 장치는 엑스선원(601) 및 2차원 엑스선 디텍터(600)로부터 대상체(602)에 대한 투영 데이터(투영영상)을 획득한다.
예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터를 포함하는 콘빔 CT 장치는 대상체 내부의 중심점(604)을 중심으로 반경이 r인 원을 대상체의 관심 영역(603)으로 설정하고, 대상체의 관심 영역(603)으로 조사된 엑스선에 의해 2차원 엑스선 디텍터(600)에 투영된 투영 데이터를 획득한다.
이때, 대상체 내부의 중심점(604)으로 조사된 엑스선은 2차원 엑스선 디텍터(600)에서의 관심 영역의 중심점(606)으로 연결된다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터를 포함하는 콘빔 CT 장치 내에서, 관심 영역의 중심점(606)의 수평 좌표를 S1, 관심 영역(605)의 폭을 WR이라고 한다면, S1 및 WR은 단위주사각에 따른 주사 각도(β)에 의해 매번 달라지게 된다.
다만, 주사 각도에 의해 변동되는 좌표 및 폭은 간단한 기하학적 해법에 의해 정확한 S1, WR, 및 관심 영역(605)의 시작 좌표(s0, t0)로 획득될 수 있으며, 실시예에 따라서 S1는 주사 각도에 따른 sine 함수가 될 수 있다.
예를 들어, 주사 각도의 폭이 설정된 기준에서 크게 벗어나지 않는 경우 WR을 상수로 하여 S0=S1-WR/2로 근사해도 큰 무리가 없다.
그러므로, 본 발명의 실시예에 따른 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터를 포함하는 콘빔 CT 장치의 2차원 엑스선 디텍터(600)는 매 프레임마다 관심 영역(605)의 위치 및 크기를 제어하여 대상체의 관심 영역(603)에 따른 투영 데이터를 고해상도로 획득할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터와 이를 포함하는 콘빔 CT 장치의 동작 방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 단계 810에서 매 프레임마다 관심 영역(region-of-interest, ROI)의 위치 및 크기의 설정이 가능한 관심 영역 테이블에 기초하여 2차원 엑스선 디텍터에서의 관심 영역의 위치 및 크기를 제어한다.
단계 810은 관심 영역 테이블에 기초하여 순차대로 2차원 엑스선 디텍터에서의 관심 영역의 위치 및 크기를 제어하는 단계일 수 있다.
단계 820에서 관심 영역으로 조사된 엑스선(X-ray)에 의해 투영되는 관심 영역 투영 데이터, 및 관심 외 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영되는 관심 영역 외 투영 데이터를 포함하는 투영 데이터를 처리한다.
실시예에 따라서, 단계 820은 관심 외 영역을 제외하고, 관심 영역으로 투영된 관심 영역 투영 데이터만을 획득하는 단계일 수 있다.
다른 실시예에 따라서, 단계 820은 관심 외 영역으로 조사된 엑스선에 의해 2차원 엑스선 디텍터에 투영된 관심 영역 외 투영 데이터를 획득하고, 획득된 관심 영역 외 투영 데이터에 화소를 합하는 비닝(binning) 방법을 적용하는 단계일 수 있다.
단계 830에서 투영 데이터에 영상 재구성 알고리즘을 적용하여 단층영상을 재구성한다.
단계 830은 관심 영역 투영 데이터, 및 관심 영역 외 투영 데이터 중 적어도 어느 하나 이상의 투영 데이터에 영상 재구성 알고리즘을 적용하여 단층영상을 재구성하는 단계일 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (10)

  1. 매 프레임마다 관심 영역(region-of-interest, ROI)의 위치 및 크기의 설정이 가능한 관심 영역 테이블; 및
    상기 관심 영역 테이블에 기초하여 상기 관심 영역을 제어하는 관심 영역 제어부
    를 포함하는 2차원 엑스선 디텍터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 관심 영역 제어부는
    상기 관심 영역으로 조사된 엑스선(X-ray)에 의해 투영되는 관심 영역 투영 데이터를 획득하여 전송하는 2차원 엑스선 디텍터.
  3. 제1항에 있어서,
    관심 외 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영되는 관심 영역 외 투영 데이터에 비닝(binning) 방법을 적용하여 투영 데이터의 양을 축소하는 비닝 처리부
    를 더 포함하는 2차원 엑스선 디텍터.
  4. 매 프레임마다 관심 영역(region-of-interest, ROI)의 위치 및 크기의 설정이 가능한 관심 영역 테이블에 기초하여 상기 관심 영역을 제어하며, 상기 제어된 관심 영역으로 조사된 엑스선(X-ray)에 의해 투영되는 투영 데이터를 처리하는 2차원 엑스선 디텍터; 및
    상기 투영 데이터에 영상 재구성 알고리즘을 적용하여 단층영상을 재구성하는 영상 처리부
    를 포함하는 콘빔 CT 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 2차원 엑스선 디텍터는
    매 프레임마다 상기 관심 영역의 위치 및 크기의 설정이 가능한 관심 영역 테이블; 및
    상기 관심 영역 테이블에 기초하여 상기 관심 영역을 제어하는 관심 영역 제어부
    를 포함하는 콘빔 CT 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 관심 영역 제어부는
    상기 관심 영역으로 조사된 엑스선(X-ray)에 의해 투영되는 관심 영역 투영 데이터를 획득하여 전송하는 콘빔 CT 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 2차원 엑스선 디텍터는
    관심 외 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영되는 관심 영역 외 투영 데이터에 비닝(binning) 방법을 적용하여 투영 데이터의 양을 축소하는 비닝 처리부
    를 더 포함하는 콘빔 CT 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 2차원 엑스선 디텍터는
    상기 관심 영역으로 투영된 관심 영역 투영 데이터, 및 관심 외 영역으로 투영된 관심 영역 외 투영 데이터를 결합하여 상기 투영 데이터를 처리하는 콘빔 CT 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 영상 처리부는
    상기 비닝 방법이 적용된 관심 영역 외 투영 데이터에 보간법(interpolation)을 적용하여 가상의 고해상도 데이터로 복원한 후, 상기 단층영상을 재구성하는 콘빔 CT 장치.
  10. 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터와 이를 포함하는 콘빔 CT 장치의 동작 방법에 있어서,
    매 프레임마다 상기 관심 영역(region-of-interest, ROI)의 위치 및 크기의 설정이 가능한 관심 영역 테이블에 기초하여 상기 관심 영역을 제어하는 단계;
    상기 관심 영역으로 조사된 엑스선(X-ray)에 의해 투영되는 관심 영역 투영 데이터, 및 관심 외 영역으로 조사된 엑스선에 의해 투영되는 관심 영역 외 투영 데이터를 포함하는 투영 데이터를 처리하는 단계; 및
    상기 투영 데이터에 영상 재구성 알고리즘을 적용하여 단층영상을 재구성하는 단계
    를 포함하는 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터와 이를 포함하는 콘빔 CT 장치의 동작 방법.
PCT/KR2016/012986 2016-10-17 2016-11-11 관심 영역의 동적 설정이 가능한 2차원 엑스선 디텍터와 이를 포함하는 콘빔 ct 장치 및 그 동작 방법 WO2018074650A1 (ko)

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