WO2021085700A1 - 이중에너지 콘빔 ct 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 방법 - Google Patents

이중에너지 콘빔 ct 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 방법 Download PDF

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  • the correlation reference line (P) is composed of any one of a linear function, a polynomial function, a log function, and a sigmoidal function, and curve fitting obtains a linear function such as principal component analysis (PCA), least squares method (LSM), RANSAC, etc.
  • PCA principal component analysis
  • LSM least squares method
  • RANSAC RANSAC
  • An algorithm may be adopted, or an algorithm for obtaining a function having asymtotical properties such as a polynomial function or a log function or a sigmoidal function may be adopted.
  • FIG. 10 is a diagram conceptually showing a relationship between a correlation reference line P and a HU value in the present invention.
  • the projection point coordinates can be determined from the relationship that the slope product of two straight lines orthogonal to each other is -1.
  • the projection point coordinates may be determined by obtaining a linear derivative and then obtaining a normal having a slope at which the product of the linear derivative is -1.

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Abstract

본 발명은 일반적으로 이중에너지 콘빔 CT를 캘리브레이션하여 HU 값의 산출 정확도를 개선하는 기술에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 치과에서 사용하기에 적합한 이중에너지 콘빔 CT 장비에서 피사체 이중에너지 촬영 후 HU 값 산출에 활용하기 위해서 이중에너지로 획득한 팬텀 영상으로부터 정확한 HU 값을 산출하기 위한 캘리브레이션 파라미터 값을 정밀하게 추출해내는 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 기술에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 이중에너지 콘빔 CT의 HU 값 정확도를 개선함으로써 치과에서 CT 영상을 정확하고 정밀하게 생성할 수 있으며 이를 통해 구강암 진단 및 골밀도 검사의 정확도를 개선할 수 있는 장점이 있다.

Description

이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 방법
본 발명은 일반적으로 이중에너지 콘빔 CT를 캘리브레이션하여 HU 값의 산출 정확도를 개선하는 기술에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 치과에서 사용하기에 적합한 이중에너지 콘빔 CT 장비에서 피사체 이중에너지 촬영 후 HU 값 산출에 활용하기 위해서 이중에너지로 획득한 팬텀 영상으로부터 정확한 HU 값을 산출하기 위한 캘리브레이션 파라미터 값을 정밀하게 추출해내는 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 기술에 관한 것이다.
일반적으로 임플란트 시술을 하기 위해서는 시술 위치의 골 상태를 정확하게 파악하고 있어야 하는데, 특히 골량(bone quantity)과 골질(bone quality)이 중요한 요소이다. 골량은 임플란트 식립 시 유용한 골의 양을 나타내고 골질은 골의 생리, 광화 작용의 정도 등을 나타낸다. 골질에 따라 임플란트 형태와 시술 방법이 결정될 뿐만 아니라 치유기간, 드릴링 시간, 드릴링 방식이 달라져야 하므로 골질에 대한 정보 파악은 대단히 중요하다.
치과에서는 일반적으로 1993년에 미국 Misch가 제안한 골질 분류를 사용하는데, 이 분류법에서는 도 1과 같이 골질을 D1, D2, D3, D4의 네 가지로 분류하고 있다. D1은 긴밀한 치밀골로서 임플란트 초기 고정이 우수하고 교합력의 분산 효과가 좋으나 임플란트 주위의 골 접촉률이 80%에 이르고 절삭시 과열 위험이 있다. D2는 두꺼운 다공성 치밀골과 거친 골소두로 구성되어 임플란트 초기 고정이 우수하고 골 접촉률이 75%에 이르고 혈액 공급이 풍부하여 골의 치유가 원활하다. D3는 다공성 치밀골과 미세한 골소주로 구성되어 100 rpm 이하의 드릴링 속도로 절삭해야 하고 이중 드릴은 사용이 금지되며 임플란트 식립 후 6 개월 이상의 치유시간이 필요하다. D4는 치밀골이 매우 얇거나 없고 골밀도가 대단히 낮은 상태로서 임플란트 초기 고정이 불량하므로 Self-Tapping 및 표면이 거친임플란트를 사용하는 것이 좋으며 임플란트 식립 후 8 개월 이상의 치유기간이 필요하다.
그에 따라 임플란트 시술 환자에 대해 골질을 정확하게 파악하는 것이 대단히 중요하다. 일반적으로 치과에서는 임플란트 시술을 시작하기 전에 컴퓨터 단층촬영장치(CT)로 골량과 골질을 조사한다. CT 장치로 임플란트 시술환자의 구강 내부를 촬영하여 각각의 골 위치에 대해 HU(Hounsfield units) 값을 측정한 후에 그 HU 값에 따라 그 위치의 골질을 판단한다. HU 값이 1,260 HU 이상이면 그 위치의 골질은 D1이고, 850 ~ 1,250 HU이면 골질은 D2이고, 350 ~ 850 HU이면 골질이 D3이며, 150 ~ 300 HU 정도이면 골질이 D4라고 판단한다. 이 HU 값은 문헌에 따라서는 CT 넘버(CT number)라고 부르기도 한다.
도 2는 치과에서 일반적으로 사용하는 컴퓨터 단층촬영장치(CT 장치)의 일례를 도시한 것이다. CT 장치의 구성 및 작동 방식에 대해서는 본 출원인의 특허출원 제10-2016-0155094호(출원일 : 2016. 11. 21) "이중에너지 방식의 콘빔 컴퓨터 단층촬영장치"에 기술되어 있다. 본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 거의 그대로 그 내용을 옮겨 기술한다.
도 2를 참조하면, CT 장치는 수직 몸체부(10), 수평부(20), 360도 회전 가능한 회전부재(30), X-레이 방사부(40), 디텍터(50), 조작부(60)로 구성된다. 환자의 구강 부위를 X-레이 방사부(40)와 디텍터(50) 사이에 위치시킨 후, 회전부재(30)를 360도로 회전시키면서 X-레이 방사구(42)에서 환자의 구강 부위에 X-레이 빔을 주사한다. 디텍터(50)가 X-레이의 투과흡수치를 검출하면 컴퓨터 디지털 처리하여 3차원 영상을 획득한다.
이러한 치과용 CT에는 단일에너지(관전압) CT가 사용되어 왔는데 HU 값의 정확도가 떨어진다는 문제점이 있었다. 이에 이중에너지(dual-energy) CT의 사용이 시도되고 있다. X-레이는 X-레이 튜브에 고전압을 인가하여 캐소드(Cathode)에서 방출된 전자를 애노드(Anode)에 가속 충돌시켜 생성한다. 이때, 캐소드와 애노드 사이에 인가된 전압에 대응하여 X-레이의 에너지 준위가 결정되는데, 도 3에 나타낸 바와 같이 물질마다 에너지 영역대에 따른 감쇄율 특성이 상이하게 나타낸다. 이에, 이중에너지 CT 방식에서는 상이한 에너지 준위를 갖는 X-레이를 방사하여 각각에 대한 X-레이 투사 결과를 얻고 이들을 분석하여 골질을 식별한다. 이중에너지 방식에 의하면 단일에너지(single energy) 방식에 비해 골질 판단의 정확도가 높다. 이중에너지 방식에서 상대적으로 높은 에너지를 고에너지(High Energy, HE)라 부르고 상대적으로 낮은 에너지를 저에너지(Low Energy, LE)라고 부른다. 예를 들어, 고에너지(HE)를 얻기 위해 90 kVp의 전압을 인가하고 저에너지(LE)를 얻기 위해 60 kVp의 전압을 인가할 수 있다.
도 4는 컴퓨터 단층촬영(CT)에서 사용하는 팬빔 단층촬영(FBCT)과 콘빔 단층촬영(CBCT)을 대비하여 나타낸 도면이다. 팬빔 CT(Fan Beam CT)는 도 4의 (a)와 같이 부채꼴 형태의 X-레이 빔을 주사하는 방식이고 콘빔 CT(Cone Beam CT)는 도 4의 (b)와 같이 원뿔 형태의 X-레이 빔을 주사하는 방식이다.
일반적으로 콘빔 CT 장비는 진단 정확도를 관리하기 위하여 팬텀(phantom)을 이용한다. HU 값의 분포를 미리 알고있는 팬텀을 CT 장비로 촬영한 후에 그 HU 산출 결과가 명목치가 나오도록 장비를 캘리브레이션하는 과정을 정기적으로 수행하는 것이다. 물(water)의 HU 값이 0 이고 공기(air)의 HU 값이 -1000 임을 알고 있으므로 이 HU 값을 이용하는 것이 일반적이다. 도 5는 종래기술에 따른 CT 캘리브레이션 라인을 나타내는 도면인데, 물과 공기가 일정 영역에 채워져있는 팬텀을 CT 장비로 촬영한 후에, 각각의 영역에 대한 HU 값이 각각 0과 -1000으로 산출되도록 해당 CT 장비의 파라미터 값을 구하여 저장한다.
콘빔 CT는 기술적으로 메디컬 CT(MDCT)에 대비하여 HU 값이 부정확하게 얻어지는 문제점이 있으나 치과에서는 골 조직의 형상 정도만 파악하면 되므로 종래로는 크게 문제되지 않았다. 그러나, 최근 들어서는 치과에서도 구강암 진단이나 골밀도 검사 등을 위해 HU 값의 정확도를 높여야할 필요가 생겼다. 구강암은 골 파괴가 이루어지기 전까지는 연조직 상에서 발병되는 경우가 많은데, 현재의 치과용 콘빔 CT의 HU 정확도로는 이러한 부분을 진단하기 어렵다.
하지만, 치과 병원에 통상의 메디컬 CT 장비를 비치하여 운영하도록 하는 것은 비현실적이므로 콘빔 CT의 정확도를 개선하는 접근법이 바람직하다. 콘빔 CT의 진단 정확도를 높이기 위한 한가지 방안으로 본 발명에서는 캘리브레이션 방식을 개선하는 아이디어를 제시한다. 특히, 종래기술에서는 물과 공기의 값만을 이용하므로 경조직에서 HU 값을 도출할 경우 오차가 커지는 문제가 있었기에 그와 같은 문제점을 개선할 수 있는 기술을 제시한다.
본 발명과 관련하여 발명자가 참고한 선행기술문헌은 다음과 같다.
(1) 대한민국 공개특허 10-2008-0007623호 "골밀도 칼리브레이션 방법 및 시스템"
(2) 대한민국 공개특허 10-2011-0015950호 "이중에너지 원리를 이용한 임플란트 잇몸조직 CT 영상 해석방법"
(3) 대한민국 공개특허 10-2015-0057013호 "CT 촬영 장치, CT 촬영 방법, CT 촬영을 위한 표적 팬텀 및 이를 이용한 CT 영상"
(4) 미국 공개특허 US 2015/0348259 A1 "Quantitative Method for 3-D Bone Mineral Density Visualization and Monitoring"
(5) 미국 공개특허 US 2018/0014809 A1 "Calibration Phantom"
본 발명의 목적은 일반적으로 이중에너지 콘빔 CT를 캘리브레이션하여 HU 값의 산출 정확도를 개선하는 기술을 제공하는 것이다.
특히, 본 발명의 목적은 치과에서 사용하기에 적합한 이중에너지 콘빔 CT 장비에서 피사체 이중에너지 촬영 후 HU 값 산출에 활용하기 위해서 이중에너지로 획득한 팬텀 영상으로부터 정확한 HU 값을 산출하기 위한 캘리브레이션 파라미터 값을 정밀하게 추출해내는 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 기술을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 공기 및 HU 값이 미리 알려진 하나이상의 기준 물질로 채워진 미리 설정된 구획 공간을 복수 개 구비한 팬텀을 이용한 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 방법을 제시한다.
본 발명에 따른 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 방법은, 고에너지(HE)와 저에너지(LE)에서 팬텀에 대한 이중에너지 콘빔 CT 영상(이하, '팬텀 영상'이라 함)을 획득하는 제 1 단계; 고에너지(HE)와 저에너지(LE)에서 획득한 각각의 팬텀 영상에서 구획 공간에 대한 팬텀영역 이미지와 공기영역 이미지의 고에너지 HU 값(HU_HE) 및 저에너지 HU 값(HU_LE)을 좌표로 하는 이중에너지 도메인 상의 상관관계 분포(이하, '이중에너지 상관관계 분포'라 함)를 생성하는 제 2 단계; 이중에너지 상관관계 분포에서 커브 피팅을 통해 상관관계 기준 라인(P)의 함수를 획득하는 제 3 단계; 이중에너지 상관관계 분포에서 구획 공간에 대응하는 팬텀 영역의 픽셀들(이하, '상관관계 픽셀'이라 함)을 상관관계 기준 라인(P)으로 투사하여 상관관계 픽셀들에 대한 투사점을 획득하는 제 4 단계; 투사점들의 이중에너지 도메인 상의 좌표값 및 팬텀 영역 각각의 미리 알려진 HU 참값으로부터 상관관계 기준 라인(P)을 HU 참값으로 매핑하는 CT 캘리브레이션 라인(C)의 함수를 획득하는 제 5 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 제 2 단계는, 고에너지(HE) 및 저에너지(LE)에서 획득한 팬텀 영상으로부터 미리 설정된 구획 공간에 대응하는 팬텀영역 이미지 및 공기영역 이미지의 경계선 및 중심점을 식별하는 제 21 단계; 그 식별된 중심점으로부터 미리 설정된 범위 내의 픽셀들에 대해 고에너지(HE)에서 획득한 팬텀 영상으로부터 HU 값(이하, '고에너지 HU 값(HU_HE)'이라 함)을 획득하는 제 22 단계; 그 식별된 중심점으로부터 미리 설정된 범위 내의 픽셀들에 대해 저에너지(LE)에서 획득한 팬텀 영상으로부터 HU 값(이하, '저에너지 HU 값(HU_LE)'이라 함)을 획득하는 제 23 단계; 그 식별된 중심점으로부터 미리 설정된 범위 내의 픽셀들에 대해 그 획득된 고에너지 HU 값(HU_HE) 및 저에너지 HU 값(HU_LE)을 좌표로 하는 이중에너지 도메인 상의 상관관계 분포(이하, '이중에너지 상관관계 분포'라 함)를 생성하는 제 24 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 제 5 단계는, 이중에너지 상관관계 분포에서 팬텀 영역 각각에 대하여 투사점 중심 좌표(CPP_A ~ CPP_C)를 획득하는 제 51 단계; 팬텀 영역 각각에 대하여 미리 알려진 HU 참값(HU_A ~ HU_C)을 식별하는 제 52 단계; 상관관계 기준 라인(P)을 HU 참값으로 매핑하는 CT 캘리브레이션 라인(C)의 수식을 설정하는 제 53 단계; 팬텀 영역 각각에 대하여 투사점 중심 좌표(CPP_A ~ CPP_C)를 미리 알려진 HU 참값(HU_A ~ HU_C)으로 매핑하는 CT 캘리브레이션 라인(C)의 수식 파라미터를 획득하는 제 54 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상관관계 기준 라인(P)은 직선 함수, 다차 다항식 함수, log 함수, sigmoidal 함수 중 어느 하나로 구성되고, 커브 피팅은 주성분 분석(PCA), 최소자승법(LSM), RANSAC 등과 같이 직선 함수를 얻는 알고리즘이 채택될 수도 있고, 다차 다항식 함수 또는 log 함수나 sigmoidal 함수와 같이 점근적(asymtotical) 성질을 갖는 함수를 얻는 알고리즘이 채택될 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 컴퓨터프로그램은 하드웨어와 결합되어 이상과 같은 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 것이다.
본 발명에 따르면 이중에너지 콘빔 CT의 HU 값 정확도를 개선함으로써 치과에서 CT 영상을 정확하고 정밀하게 생성할 수 있으며 이를 통해 구강암 진단 및 골밀도 검사의 정확도를 개선할 수 있는 장점이 있다.
도 1는 미국 Misch에 의한 골질 분류를 나타내는 도면.
도 2는 치과에서 사용하는 컴퓨터 단층촬영장치의 일 예를 나타내는 도면.
도 3은 에너지 준위에 따른 X-레이 감쇄율 특성을 나타내는 도면.
도 4는 팬빔 단층촬영과 콘빔 단층촬영을 대비하여 나타내는 도면.
도 5는 종래기술에 따른 CT 캘리브레이션 라인을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따른 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 방법의 전체 프로세스를 나타내는 도면.
도 7은 본 발명을 위한 팬텀 영상의 예를 나타내는 도면.
도 8은 본 발명에서 이중에너지 콘빔 CT 영상의 이중에너지 상관관계 분포 및 상관관계 기준 라인(P)을 나타내는 도면.
도 9는 본 발명에서 상관관계 픽셀을 기준 라인(P)으로 투사하는 개념을 나타내는 도면.
도 10은 본 발명에서 상관관계 기준 라인(P)과 HU 값 간의 관계를 개념적으로 나타내는 도면.
도 11은 본 발명에서 이중에너지 콘빔 CT 영상을 위한 CT 캘리브레이션 라인(C)을 나타내는 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명에 따른 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 방법의 전체 프로세스를 나타내는 도면이다. 치과용 이중에너지 콘빔 CT(DE CBCT)와 관련하여 기존 HU 캘리브레이션에 본 발명에 따른 DE 캘리브레이션 방법론을 추가 구성할 수 있다. 이중에너지를 이용해서 획득한 콘빔 CT 영상에 본 발명을 통해 캘리브레이션 파라미터를 획득하여 컴퓨터 기억장치에 저장해두고 CT 촬영에 활용한다. 이를 통해, 임플란트 시술 환자에 대해 CT 촬영을 할 때에 HU 값 또는 골밀도를 정확하게 산출할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 과정에 대해 구체적으로 살펴본다.
단계 (S110) : 공기 및 HU 값이 미리 알려진 하나이상의 기준 물질(예: 물, 뼈, 폴리에틸렌, 아크릴 등)로 채워진 구획 공간을 복수 개 구비한 팬텀(phantom)을 마련하고, 이 팬텀에 대하여 고에너지(HE)와 저에너지(LE)에서 팬텀에 대한 이중에너지 콘빔 CT 영상을 획득한다. 이처럼 팬텀을 촬영한 이중에너지 콘빔 CT 영상을 본 명세서에서는 '팬텀 영상'이라 부른다.
도 7은 본 발명을 위한 팬텀 영상의 예를 나타내는 도면이다. 예를 들어, 본 발명을 위해서는 실린더 형상의 팬텀에 위 아래로 로드(rod)가 삽입되어 있는 형태의 팬텀이 양호하게 사용될 수 있다. 이 로드에는 공기 및 기준 물질이 채워져 있다. 도 7의 (a)는 8개의 로드가 삽입된 실린더 형상의 팬텀에 대한 이중에너지 콘빔 CT 영상을 나타낸 것이다.
단계 (S120) : 팬텀 영역의 추출 정확도 향상을 위해 팬텀 영상에 기초 디지털 영상 처리를 수행하며, 이를 통해 도 7의 (b)에 나타난 바와 같이 일반적으로 팬텀 영상에서 노이즈가 제거되고 전체적으로 스무딩되는 효과가 나타난다. 이와 같은 기초 디지털 영상 처리는 CT 영상을 촬영할 때에 일반적으로 수행하는 과정이므로 본 발명의 특유 구성은 아니다.
단계 (S130, S140) : 팬텀 영상으로부터 그 구획 공간에 대한 팬텀영역 이미지와 공기영역 이미지에 대한 경계선을 식별하고 이들 팬텀영역 이미지와 공기영역 이미지의 중심점을 식별한다. 팬텀의 내부에는 공간이 구획되어 있으며, 이들 구획 공간에는 공기와 기준 물질이 각각 채워져있다. 팬텀 내부에 어떠한 구획 공간을 마련하고 이들 구획 공간을 각각 무엇으로 채울지는 미리 약속되어 있다. 그에 따라, 팬텀 영상을 컴퓨터 소프트웨어를 통해 이미지 처리를 수행함으로써 도 7의 (c)와 같이 구획 공간의 경계선을 식별할 수 있다. 도 7의 (c)에는 총 8개의 경계선이 식별되었다. 그리고 나서, 도 7의 (d)에서와 같이 팬텀영역 이미지와 공기영역 이미지에 대해 중심점을 식별한다.
단계 (S150) : 팬텀 영상에서 앞서 식별된 각각의 구획 공간에 대한 팬텀영역 이미지와 공기영역 이미지의 복수의 픽셀에 대하여 고에너지(HE)와 저에너지(LE)에서 획득한 각각의 팬텀 영상으로부터 고에너지 HU 값(HU_HE)과 저에너지 HU 값(HU_LE)을 얻는다. 즉, 팬텀의 동일 위치(픽셀)에 대하여 고에너지(HE) 영상과 저에너지(LE) 영상에서 각각 HU 값을 산출하고, 이들을 각각 고에너지 HU 값(HU_HE)과 저에너지 HU 값(HU_LE)이라고 부른다.
그리고 나서, 본 발명에서는 이중에너지 도메인을 정의한다. 이중에너지 도메인은 동일 픽셀에 대해 획득한 고에너지 HU 값(HU_HE)과 저에너지 HU 값(HU_LE)을 (x, y) 좌표로 하는 좌표계이다. 팬텀영역 이미지와 공기영역 이미지의 복수의 픽셀에 대하여 고에너지 HU 값(HU_HE)과 저에너지 HU 값(HU_LE)을 획득하여 이중에너지 도메인에 배치하면 도 8에 도시된 것과 같은 상관관계 분포를 얻을 수 있는데, 본 명세서에서는 이를 편의상 '이중에너지 상관관계 분포'라 부른다. 팬텀 물체에서 동일 픽셀은 실제로는 하나의 HU 값을 가지는데, 이 픽셀에 대해 해당 CT 장비에서는 고에너지(HE)와 저에너지(LE)에서 각각 어떠한 HU 값을 나타내는지에 대한 상관관계를 도출하는 것이다.
발명자의 실험에 따르면 각각의 구획 공간 별로 이중에너지 도메인에서 타원형 분포를 나타내는데, 이를 '팬텀 영역'이라고 부른다. 하나의 구획 공간 내부는 단일 물질로 채워지므로 이상적으로는 이중에너지 도메인에서 각 구획 공간 별로 하나의 점만 나타나야 한다. 하지만, 실제로는 다양한 결함과 오류가 존재하므로 타원형의 분포가 나타나는 것이다.
본 발명에서 팬텀 영상으로부터 이중에너지 상관관계 분포를 획득하는 과정의 일 실시예는 다음과 같다.
먼저, 고에너지(HE) 및 저에너지(LE)에서 획득한 팬텀 영상으로부터 미리 설정된 구획 공간에 대응하는 팬텀영역 이미지 및 공기영역 이미지의 경계선 및 중심점을 식별한다. 그리고, 중심점으로부터 미리 설정된 범위 내의 복수의 픽셀들에 대해 각각 고에너지(HE)에서 획득한 팬텀 영상으로부터 HU 값(고에너지 HU 값(HU_HE))과 저에너지(LE)에서 획득한 팬텀 영상으로부터 HU 값(저에너지 HU 값(HU_LE))을 획득한다.
이들 픽셀들에 대해 고에너지 HU 값(HU_HE)과 저에너지 HU 값(HU_LE)을 좌표로 하는 이중에너지 도메인 상의 상관관계 분포를 생성하는데, 이것이 해당 팬텀 영상에 대한 '이중에너지 상관관계 분포'가 된다.
단계 (S160) : 그리고 나서, 이중에너지 상관관계 분포에서 커브 피팅을 통해 상관관계 기준 라인(P)의 함수를 획득한다. 도 8에는 본 발명에서 이중에너지 콘빔 CT 영상의 이중에너지 상관관계 분포로부터 얻어진 상관관계 기준 라인(P)이 도시되어 있다. 이중에너지 상관관계 분포에서 각 팬텀 영역은 타원형의 분포를 나타내는데, 이러한 점의 분포를 대변할 수 있는 함수를 구하고 이를 상관관계 기준 라인(P)이라고 부른다. 상관관계 기준 라인(P)은 일차함수(직선 함수), 다차 다항식 함수, log 함수, sigmoidal 함수 등이 가능하다.
이때, 커브 피팅(curve fitting)은 주성분 분석(PCA), 최소자승법(LSM), RANSAC(RANdom SAmple Consensus) 등과 같이 직선 함수를 얻는 알고리즘이 채택될 수도 있고, 다차 다항식 함수 또는 log 함수나 sigmoidal 함수와 같이 점근적(asymtotical) 성질을 갖는 함수를 얻는 알고리즘이 채택될 수도 있다. 주성분 분석(PCA)에서는 그 분포된 점들의 분산을 최소화하는 벡터가 구해지는데, 이 벡터의 방향을 직선의 기울기로 사용해서 일차함수의 상관관계 기준 라인(P)을 획득할 수 있다. 최소자승법(LSM)이나 RANSAC 등의 커브 피팅 혹은 커브 추정 기법을 이용하여 일차함수 혹은 다차함수를 얻을 수도 있다. 이때, 상관관계 기준 라인(P)의 차수는 설계자에 의해 미리 결정될 수 있다.
단계 (S170) : 이어서, 이중에너지 상관관계 분포에서 구획 공간에 대응하는 팬텀 영역의 픽셀들(이하, '상관관계 픽셀'이라 함)을 상관관계 기준 라인(P)으로 투사(projection)하여 상관관계 픽셀들에 대한 투사점을 획득한다. 도 9는 이중에너지 상관관계 분포에서 팬텀 영역 A에 속하는 5개의 상관관계 픽셀을 상관관계 기준 라인(P)으로 투사하는 모습을 나타낸다.
상관관계 기준 라인(P)이 일차 함수인 경우에, 직선 위로 점들을 투사할 때에는 서로 직교하는 두 직선의 기울기 곱이 -1 이라는 관계로부터 투사점 좌표를 결정할 수 있다. 상관관계 기준 라인(P)이 다차 함수인 경우에는 일차 도함수를 구한 후에 이 일차 도함수와의 곱이 -1이 되는 기울기를 갖는 법선을 구하여 투사점 좌표를 결정할 수 있다.
이러한 접근법에 의해 상관관계 기준 라인(P)으로 상관관계 픽셀들을 투사하는 과정에서 차원 축소가 이루어지고, 이러한 차원 축소로 인해서 HU 참값과의 오차가 다소 줄어들게 되는 효과가 있다.
단계 (S180) : 그리고 나서, 투사점들의 이중에너지 도메인 상의 좌표값 및 팬텀 영역 각각의 미리 알려진 HU 참값으로부터 상관관계 기준 라인(P)을 HU 참값으로 매핑하는 CT 캘리브레이션 라인(C)의 함수를 획득한다.
도 10은 본 발명에서 상관관계 기준 라인(P)과 HU 값 간의 관계를 개념적으로 나타내는 도면이다. 각각의 구획 공간에는 HU 값이 미리 알려져있는 기준 물질(예: 물, 뼈, 폴리에틸렌, 아크릴 등)이 채워져있기 때문에 각각의 투사점이 HU 값의 어디에 매핑되어야 하는지 알고 있다. 예를 들어, 팬텀 영역 A의 상관관계 픽셀로부터 얻어진 투사점은 팬텀 영역 A의 구획 공간에 실제로 채워져있는 기준 물질의 HU 값으로 매핑되어야 한다. 다른 팬텀 영역에 대해서도 이와 마찬가지의 매핑이 만족되어야 한다. 이러한 매핑 조건으로부터 CT 캘리브레이션 라인(C)의 함수를 획득하는 것이다. 도 10에는 일차 함수(HU = mP + n)이 제시되어 있으나 다차 함수로 구현하는 것도 배제하지 않는다.
본 발명에서 투사점의 좌표값과 미리 알려진 HU 참값으로부터 CT 캘리브레이션 라인(C)의 함수를 획득하는 과정의 일 실시예는 다음과 같다.
먼저, 이중에너지 상관관계 분포에서 팬텀 영역 A, B, C 각각에 대하여 투사점 중심 좌표(CPP_A ~ CPP_C)를 획득하고, 이들 팬텀 영역 A, B, C 각각에 대하여 미리 알려진 HU 참값(HU_A ~ HU_C)을 식별한다. 이중에너지 도메인 각각의 팬텀 영역이 팬덤 실물에서 어떠한 기준 물질에 대응하는지 미리 설정되어 있으므로 이들의 HU 참값도 미리 알려져 있다.
다음으로, 상관관계 기준 라인(P)(즉, 도 10의 x 축)을 HU 값(즉, 도 10의 y 축)으로 매핑하기 위한 CT 캘리브레이션 라인(C)의 수식을 설정한다. 도 10에는 일차 함수(HU = mP + n)이 제시되어 있으나 다차 함수로 구현하는 것도 배제하지 않는다. 팬텀 영역 각각에 대하여 투사점 중심 좌표(CPP_A ~ CPP_C)를 미리 알려진 HU 참값(HU_A ~ HU_C)으로 매핑하는 CT 캘리브레이션 라인(C)의 수식 파라미터, 즉 도 10에서 m, n을 획득한다.
이때, 투사점 중심 좌표(CPP_A ~ CPP_C)를 HU 참값(HU_A ~ HU_C)으로 완전히 매핑하는 CT 캘리브레이션 라인(C)을 획득하는 것에 한정되지 않는다. 오차가 가장 적게 혹은 기준치 이하가 되는 매핑 결과를 제공하는 CT 캘리브레이션 라인(C)을 획득하는 구현 예도 가능하다.
도 11은 본 발명에서 이중에너지 콘빔 CT 영상을 위한 CT 캘리브레이션 라인(C)을 나타내는 도면이다.
팬텀으로부터 이중에너지 콘빔 CT 영상을 얻고, 팬텀영역 이미지 및 공기영역 이미지의 픽셀들에 대해 고에너지 HU 값(HU_HE)과 저에너지 HU 값(HU_LE)을 산출하여 이중에너지 도메인에서의 팬텀 영역 A, B, C 및 이들을 대표하는 상관관계 기준라인(P)을 획득한다. 팬텀 영역 A, B, C의 픽셀들을 상관관계 기준라인(P)으로 투사하여 투사점을 얻고, 이들 투사점을 팬텀 영역 A, B, C의 HU 참값(HU_A ~ HU_C)으로 매핑하는 CT 캘리브레이션 라인(C)을 얻는다.
이상의 과정을 통해 얻어진 상관관계 기준라인(P)의 함수와 CT 캘리브레이션 라인(C)의 함수는 해당 이중에너지 콘빔 CT 장비에 대한 캘리브레이션 파라미터로서 저장해두었다가 이중에너지 CT 영상을 생성할 때에 활용한다. 즉, 임플란트 시술 환자에 대해 이중에너지 콘빔 CT 촬영을 할 때에 각 픽셀 별로 고에너지 HU 값(HU_HE)과 저에너지 HU 값(HU_LE)을 산출하고, 상관관계 기준라인(P)으로 투사하여 투사점을 얻은 후에, 다시 CT 캘리브레이션 라인(C)의 함수에 대입하여 해당 픽셀에 대한 HU 값을 생성하는 것이다.
한편, 본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 비휘발성 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드의 형태로 구현되는 것이 가능하다. 이러한 비휘발성 기록매체로는 다양한 형태의 스토리지 장치가 존재하는데 예컨대 하드디스크, SSD, CD-ROM, NAS, 자기테이프, 웹디스크, 클라우드 디스크 등이 있고 네트워크로 연결된 다수의 스토리지 장치에 코드가 분산 저장되고 실행되는 형태도 구현될 수 있다. 또한, 본 발명은 하드웨어와 결합되어 특정의 절차를 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터프로그램의 형태로 구현될 수도 있다.

Claims (5)

  1. 공기 및 HU 값이 미리 알려진 하나이상의 기준 물질로 채워진 미리 설정된 구획 공간을 복수 개 구비한 팬텀을 이용한 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 방법으로서,
    고에너지(HE)와 저에너지(LE)에서 상기 팬텀에 대한 이중에너지 콘빔 CT 영상(이하, '팬텀 영상'이라 함)을 획득하는 제 1 단계;
    고에너지(HE)와 저에너지(LE)에서 획득한 각각의 팬텀 영상에서 상기 구획 공간에 대한 팬텀영역 이미지와 공기영역 이미지의 고에너지 HU 값(HU_HE) 및 저에너지 HU 값(HU_LE)을 좌표로 하는 이중에너지 도메인 상의 상관관계 분포(이하, '이중에너지 상관관계 분포'라 함)를 생성하는 제 2 단계;
    상기 이중에너지 상관관계 분포에서 커브 피팅을 통해 상관관계 기준 라인(P)의 함수를 획득하는 제 3 단계;
    상기 이중에너지 상관관계 분포에서 상기 구획 공간에 대응하는 팬텀 영역의 픽셀들(이하, '상관관계 픽셀'이라 함)을 상기 상관관계 기준 라인(P)으로 투사하여 상기 상관관계 픽셀들에 대한 투사점을 획득하는 제 4 단계;
    상기 투사점들의 이중에너지 도메인 상의 좌표값 및 상기 팬텀 영역 각각의 미리 알려진 HU 참값으로부터 상기 상관관계 기준 라인(P)을 HU 참값으로 매핑하는 CT 캘리브레이션 라인(C)의 함수를 획득하는 제 5 단계;
    를 포함하여 구성되는 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 2 단계는,
    고에너지(HE) 및 저에너지(LE)에서 획득한 팬텀 영상으로부터 상기 미리 설정된 구획 공간에 대응하는 팬텀영역 이미지 및 공기영역 이미지의 경계선 및 중심점을 식별하는 제 21 단계;
    상기 식별된 중심점으로부터 미리 설정된 범위 내의 픽셀들에 대해 고에너지(HE)에서 획득한 팬텀 영상으로부터 HU 값(이하, '고에너지 HU 값(HU_HE)'이라 함)을 획득하는 제 22 단계;
    상기 식별된 중심점으로부터 미리 설정된 범위 내의 픽셀들에 대해 저에너지(LE)에서 획득한 팬텀 영상으로부터 HU 값(이하, '저에너지 HU 값(HU_LE)'이라 함)을 획득하는 제 23 단계;
    상기 식별된 중심점으로부터 미리 설정된 범위 내의 픽셀들에 대해 상기 획득된 고에너지 HU 값(HU_HE) 및 저에너지 HU 값(HU_LE)을 좌표로 하는 이중에너지 도메인 상의 상관관계 분포(이하, '이중에너지 상관관계 분포'라 함)를 생성하는 제 24 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 5 단계는,
    상기 이중에너지 상관관계 분포에서 상기 팬텀 영역 각각에 대하여 투사점 중심 좌표(CPP_A ~ CPP_C)를 획득하는 제 51 단계;
    상기 팬텀 영역 각각에 대하여 미리 알려진 HU 참값(HU_A ~ HU_C)을 식별하는 제 52 단계;
    상기 상관관계 기준 라인(P)을 HU 참값으로 매핑하는 CT 캘리브레이션 라인(C)의 수식을 설정하는 제 53 단계;
    상기 팬텀 영역 각각에 대하여 상기 투사점 중심 좌표(CPP_A ~ CPP_C)를 상기 미리 알려진 HU 참값(HU_A ~ HU_C)으로 매핑하는 CT 캘리브레이션 라인(C)의 수식 파라미터를 획득하는 제 54 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 상관관계 기준 라인(P)은 직선 함수, 다차 다항식 함수, log 함수, sigmoidal 함수 중 어느 하나로 구성되고,
    상기 커브 피팅은 주성분 분석(PCA), 최소자승법(LSM), RANSAC 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 방법.
  5. 하드웨어와 결합되어 청구항 1 내지 4 중 어느 하나의 항에 따른 이중에너지 콘빔 CT 영상의 캘리브레이션 파라미터 생성 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 컴퓨터프로그램.
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