WO2021157962A1 - 조직의 기능적 영상 획득 장치 및 이의 생성 방법 - Google Patents

조직의 기능적 영상 획득 장치 및 이의 생성 방법 Download PDF

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WO2021157962A1
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    • G06T2207/30101—Blood vessel; Artery; Vein; Vascular

Definitions

  • Functional imaging is a medical imaging technology for detecting or measuring changes in metabolism, blood flow, local chemical composition, and the like.
  • Functional images in contrast to structural images are used to reveal physiological activities in specific tissues or organs.
  • Such a functional image is also used to acquire images by using a contrast agent or a tracer for a specific substance. It is also possible to acquire functional images.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus for acquiring a functional image of a tissue and a method for generating the same, which can improve the accuracy, reliability, and robustness of a functional image while minimizing the time required for calibration in acquiring a functional image. am.
  • the present specification includes an incoherent light source and a coherent light source for irradiating a tissue to be photographed in a non-contact or contact manner, wherein the light irradiated from the light source is scattered in the tissue.
  • An image acquisition unit that acquires an image (speckle pattern image in the case of a coherent light source) but acquires a plurality of images having different exposure times, based on the plurality of image data acquired by the image acquisition unit
  • An image processing unit for generating an image (functional image), and a control unit for controlling the amount of light irradiated to the tissue and controlling the operation of the image acquisition unit so that the plurality of images having different exposure times have brightness values in a common range
  • the control unit measures a change in the brightness value of an image according to a change in the amount of light for each exposure time, and corresponds to each exposure time so that the plurality of images having different exposure times have a brightness value in a common range. It is possible to provide an apparatus for acquiring a functional image of a tissue including a control element for determining an appropriate light intensity value.
  • the control unit controls to acquire a plurality of sample images while intermittently adjusting the amount of light for each exposure time, and based on the plurality of sample images, changes the image brightness value according to the change in the amount of light at a specific exposure time based on the plurality of sample images.
  • the light source may further include a light amount adjusting unit capable of changing the amount of light irradiated from the light source to the tissue, and the controller may control the light amount adjusting unit to adjust the amount of light irradiated to the tissue.
  • control unit controlling to obtain a plurality of sample images while adjusting the amount of light for each exposure time, analyzing the brightness values of the obtained plurality of sample images to determine the amount of light and the sample image brightness values at each exposure time deriving a correlation between the steps, and determining an appropriate light amount value for each exposure time based on the derived correlation so that the plurality of images having different exposure times have a brightness value in a common range.
  • the correlation is derived through linear regression analysis or curve fitting analysis based on the light quantity and brightness value information of the plurality of sample images, or the correlation is a polynomial in which the brightness value is the light quantity as a variable It can be derived in the form of a function.
  • the plurality of sample images may be acquired at least 4 times or more and 20 times or less for each exposure time.
  • the number of sample images acquired at a relatively short exposure time may be greater than or equal to the number of sample images acquired at a relatively long exposure time.
  • the range of change in the amount of light between the sample images obtained at a relatively short exposure time may be greater than the range of change in the amount of light between the sample images obtained at a relatively long exposure time.
  • the controller may measure a relatively short exposure time first than a relatively long exposure time.
  • the change in the image brightness value is measured by acquiring a plurality of sample images while sequentially increasing the amount of light at each exposure time. Measurement of change in value can be terminated.
  • the preset reference may be determined based on a preset brightness value or based on a measurement result of a change in an image brightness value according to a change in the amount of light obtained at the exposure time previously performed.
  • the step of deriving the correlation includes: acquiring a sample image of acquiring a plurality of sample images while intermittently adjusting the amount of light for each exposure time; and an analysis step of deriving a correlation between image brightness values.
  • various fields in which functional imaging is used such as diagnosis of various lesions, monitoring of surgical procedures, monitoring of effects after treatment, etc., by providing rapid and accurate calibration technology in acquiring functional images using multiple exposure imaging techniques It can be widely applied to medical imaging and contribute to accurate diagnosis and treatment using functional imaging.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an apparatus for acquiring a functional image of a tissue and an object to be photographed according to the present disclosure
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating the calibration step of FIG. 5;
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating an apparatus for acquiring a functional image of a tissue and an object to be photographed according to the present disclosure.
  • the image acquisition device 10 of FIG. 1 is a device for acquiring an image using a multi-exposure speckle imaging method, and is a tissue through speckle contrast imaging obtained by photographing at various exposure times. to acquire a functional image of
  • the speckle image is caused by the random interference of coherent light, such as a laser.
  • coherent light such as a laser.
  • an object to be photographed e.g, a tissue or a sample
  • the speckle pattern detected by the detection unit forms various light intensity patterns due to various interference phenomena of the scattered light.
  • the position and characteristics of the scattering particles are changed due to a change in metabolism, this appears as a change in the speckle pattern.
  • the image acquisition device can generate a functional image by measuring and analyzing it.
  • the functional image acquisition device 10 requires a plurality of images from which correlated time information can be obtained. Accordingly, the functional image acquisition apparatus 10 acquires a plurality of speckle pattern images having different exposure times, and generates a functional image of the tissue by using the images. In this case, when the brightness value between the plurality of images is constant, the noise deviation of the image is reduced, so that a precise diagnosis and high-resolution functional image can be obtained. Accordingly, the functional image acquisition apparatus disclosed herein is provided to perform a calibration step so that images photographed at different exposure times have corresponding brightness values prior to the main photographing for acquiring a functional image.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating the main configuration of the functional image acquisition device of FIG. 1 .
  • the image acquisition apparatus according to the present embodiment will be described in more detail with reference to FIG. 2 .
  • the light irradiator 100 is configured to irradiate light to a target object, and irradiates light in the process of acquiring a sample image in the above-described calibration step as well as the main photographing for acquiring a functional image.
  • the light irradiation unit 100 may include a light source 110 , a light amount control unit 120 , and a light diffusion unit 130 .
  • the light source 110 is configured to generate light irradiated to the target object in the photographing step and the calibration step. Light generated from the light source 110 has a coherent property to be scattered in the tissue to form a speckle pattern.
  • the light source 110 of this embodiment is configured as a laser light source to generate a laser having a wavelength in the visible or near-infrared band. The laser light may have a central wavelength in the vicinity of 632 nm, 780 nm, and 808 nm.
  • the light amount adjusting unit 120 is configured to adjust the amount of light generated by the light source 110 and irradiated to the photographing target. As shown in FIG. 2 , the light amount adjusting unit 120 is disposed between the light source 110 and the target object, and may adjust the light amount by adjusting the transmittance of light.
  • the light amount control unit 120 is an acousto optic modulator (AOM), an electro optic modulator (EOM), a polarizer (polarizer), various devices for modulating the intensity of light passing through the current control device (intensity) can be configured using .
  • the light diffusion unit 130 includes an optical element disposed between the light source 110 and the target object.
  • the light diffusion unit 130 diffuses the light irradiated from the light source 110, so that the light quantity distribution is irradiated in a spatially uniform state, but a contact type light source is used between the light source and the target object using an optical fiber/optical waveguide. It is possible to investigate
  • the target object as a photographing object may be irradiated with light in a photographing step or a calibration step and appear in an image or a sample image.
  • the target object may be a body tissue, specifically, may be a skin tissue such as a hand or a foot, or various body tissues or organs that may be exposed on an optical path in various ways, such as a fundus.
  • the target object may be a sample sample tissue collected, or a sample or phantom manufactured for the calibration step.
  • the image acquisition unit 200 is configured to acquire an image by receiving light irradiated from the light irradiator 100 and reflected from the target object. As described above, the light irradiated from the light irradiator 100 is scattered by the target object to form various speckle patterns, and the image acquisition unit 200 may acquire an image including the speckle pattern.
  • the image acquisition unit 200 includes at least one optical element (eg, a lens) 210 and an image detection unit 220 . In addition, it is possible to acquire an image by contact between the target object and the image acquisition unit using an optical fiber/optical waveguide.
  • At least one or more optical elements 210 are disposed in front of the image detection unit 220 (disposed between the target object and the image detection unit), and the light reflected and scattered from the target object is to be detected by the image detection unit 220 .
  • the light can be focused or modulated so that Accordingly, the speckle pattern formed by being scattered from the target object may be detected as an image by the image detection unit 220 through the optical element 210 .
  • the image detection unit 220 includes a sensor capable of detecting an image by receiving light.
  • the image detection unit 220 of the present embodiment may be a sensor having high quantum efficiency in light of wavelengths of visible light and near-infrared bands, and may be configured as an image sensor such as a CCD sensor or a CMOS sensor.
  • the image acquisition unit 200 of this embodiment is controlled by the controller 500 to be described later. and acquiring a plurality of images by varying the exposure time.
  • the plurality of images having different exposure times acquired by the image acquisition unit are transmitted to the image processing unit 300 , and the image processing unit 300 generates a functional image using the plurality of transmitted images.
  • the functional image includes functional information such as tissue characteristics or physiological activity, and the functional information may be displayed overlaid on the structural image of the object.
  • the image processing unit 300 may be configured using an arithmetic element such as a processor. In FIG. 2 , the image processing unit 300 is illustrated as a sub-component of the control unit 500 , but is not limited thereto and may be implemented as a separate component.
  • the functional image generated by the image processing unit 300 may be displayed through the display unit 400 to transmit functional information of the object to the user.
  • control unit 500 transmits a control signal to each component constituting the image acquisition device 10 to control the operation of each component, and collects and processes various types of information detected in each component, collects or It is a configuration that transmits processed information to other components.
  • the control unit 500 may include an arithmetic processing device such as a processor and a data storage device such as a memory. Accordingly, the operation details of the light irradiation unit 100 , the image acquisition unit 200 , and the display unit 400 of the present embodiment may be controlled by the control unit 500 .
  • the image processing unit 300 of this embodiment is provided as a sub-component of the control unit, but when the image processing unit is provided separately from the control unit, the control unit may control an image generating operation of the image processing unit and an operation of providing the generated image to the display unit. .
  • the functional image acquisition apparatus of this embodiment generates a functional image by using a plurality of images having different exposure times, and the controller 500 controls the image acquisition unit 200 to control each image acquired.
  • the controller 500 may control the operation time or operation timing of the image detection unit 220 to variously control the exposure time of the obtained image.
  • the control unit 500 may variously adjust the exposure time of the acquired image by controlling the operation of the shutter.
  • the amount of light irradiated from the light irradiator 100 and the exposure time of the images acquired by the image acquisition unit 200 may be controlled in conjunction with each other.
  • the controller 500 can control the plurality of images having different exposure times to have corresponding brightness values.
  • FIG. 3 is a graph illustrating a measurement result performed in a calibration step.
  • a calibration step performed in the image acquisition apparatus of the present embodiment will be described in detail with reference to FIG. 3 .
  • the controller 500 measures a plurality of samples for each exposure time.
  • the plurality of samples may be a plurality of sample images obtained while sequentially changing the light amount value, thereby measuring the change in the brightness value of the image according to the change in the light amount value at the corresponding exposure time. These measurements are performed for n exposure times t 1 , t 2 , to t n , respectively, and the n exposure times may be all or part of the settable exposure times.
  • the controller 500 acquires a plurality of sample images by controlling the light irradiator 100 and the image acquisition unit 200 in a state where the photographing exposure time of the image acquisition unit is fixed to t 1 .
  • the plurality of sample images obtained are images obtained while sequentially increasing the light quantity value, and each sample image is obtained by different light quantity values. there is.
  • the control unit 500 may control the above-described light amount adjusting unit 120 to adjust the light amount value.
  • the amount of light can be adjusted by changing the diffraction characteristics of the acousto-optic modulator by adjusting the voltage value applied to the light amount adjusting unit (refer to the horizontal axis of FIG. 3 ).
  • the brightness value of the sample image obtained under each light value condition is measured (refer to the vertical axis of FIG. 3 ).
  • the brightness value of the image or the sample image may be an average value of signal intensity detected in each pixel of the image detection unit 220 .
  • the present invention is not limited thereto, and an intermediate value of the pixel detection signals may be used or defined and used in various other ways.
  • the light quantity value can be varied even with an unequal width, and the number of samples measured at a single exposure time can be determined within the minimum range that can approximate the correlation between the light quantity value and the image brightness value at the exposure time.
  • the number of sample images acquired at one exposure time may be 4 to 20, and more specifically, may not exceed 15.
  • the controller 500 measures the brightness value of the sample image according to the light amount value in the above-described manner for each exposure time t 1 to t n .
  • the measurement at a relatively short exposure time may be first performed rather than the measurement at a relatively long exposure time. That is, the measurement at the exposure time t 1 may be performed first, and then sequentially from t 2 , t 3 to t n (here, t 1 ⁇ t 2 ⁇ ... ⁇ t n ).
  • the change width of the light amount value at each exposure time may be different, and the change in the light amount width at a relatively short exposure time (eg, t i ) is a relatively long exposure time (eg, t j , It can be controlled to have a larger value than the change in the light quantity width at i ⁇ j) (refer to FIG. 3 ).
  • the controller 500 derives a correlation between the light quantity value and the image brightness value at each exposure time based on the measured sample information.
  • 4 is a graph illustrating a correlation between a light quantity value and an image brightness value based on sample information measured at a single exposure time.
  • Such correlation may be derived through linear regression analysis or curve fitting analysis of the measured sample information, and the derived correlation may be derived as a linear graph as shown in FIG. 3 or FIG. 4 ( See the solid line in FIG. 3).
  • the above-described correlation may be derived so that the brightness value of the image has a polynomial function value using the light amount value as a variable, and the function form may be as follows.
  • the process of deriving the correlation may be performed by determining a constant value of the polynomial function.
  • the brightness value in the common range may be set differently according to the type and tissue of the functional image to be generated.
  • the brightness value in the common range may be a value determined based on the maximum brightness value at a specific exposure time (eg, a brightness value corresponding to 90% of the maximum brightness measured at the shortest exposure time t 1 ).
  • the brightness values in the common range may be one target value as shown in FIG. 3 , and in addition to this, may be a range including some deviations from one target value.
  • the appropriate light amount value for each exposure time determined by this method corresponds to a light amount value at a position where the correlation curve according to each exposure time and the target value curve representing a common brightness value intersect in the graphs of FIGS. 3 and 4 .
  • an appropriate light quantity value may be determined as a solution corresponding to the corresponding brightness value in the polynomial function representing the correlation.
  • the appropriate light amount value is not limited to the light amount value intermittently controlled when measuring the sample in the calibration step, and as shown in FIG. 4 , an optimal value calculated from the correlation can be determined as the appropriate light amount value (in FIG. 4 ) of calibrated input).
  • FIG. 3 the same number of samples are measured for each exposure time, and the result of deriving a correlation based on this is shown (measurement of 10 samples for each exposure time based on the graph of FIG. 3 ).
  • the present invention is not limited thereto, and the number of samples measured according to each exposure time may be differently controlled.
  • the maximum brightness value is Y 1 by measuring N samples while sequentially increasing the light amount value at the exposure time t 1 .
  • the calibration step is a process for deriving an appropriate light quantity value to have a common brightness value, sample information exceeding the maximum brightness value at the previously performed exposure time is likely to have a low weight in determining an appropriate light level value. . Therefore, in measuring a plurality of samples at a specific exposure time, if the maximum brightness value at the previous exposure time is exceeded, after measuring the minimum number of samples required to derive the correlation (eg, 4), additional Sample measurement can be terminated.
  • the sample measurement may be terminated without completing N measurements.
  • the time required for the calibration step can be reduced by not measuring the same number of samples for each exposure time and ending additional measurement of the samples when the preset criterion is exceeded.
  • the controller 500 controls to acquire an image for each exposure time using the appropriate light amount value determined in the main photographing step. Accordingly, a plurality of images used for generating a functional image have a brightness value in a common range even though they are photographed at different exposure times, thereby making it possible to generate an accurate functional image with high resolution.
  • FIG. 5 is a flowchart illustrating a step of generating a functional image using the functional image acquisition device of FIG. 2
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating the calibration step of FIG. 5
  • FIG. 7 is a main photographing step of FIG. It is one flow chart.
  • the image acquisition apparatus performs a calibration step before performing the main photographing (S10).
  • the calibration step consists of measuring a sample for each exposure time (S11) and deriving a correlation between a light amount value for each exposure time and an image brightness value (S12), as shown in FIG. 6 .
  • sample measurement is performed in a similar manner from the second exposure time (t 2 ) to the n-th exposure time (t n ), so that the change in the amount of light at each exposure time is observed.
  • the number of sample images (N i ) acquired at a relatively short exposure time ( t i ) is obtained at a relatively long exposure time (t j ), rather than the sample measurement being made over N times at every exposure time. It may be greater than or equal to the number of sample images (N j ) (eg, if t i ⁇ t j , N i ⁇ N j ).
  • a step of determining an appropriate light amount value for each exposure time is performed (S20).
  • the controller 500 determines an appropriate light amount value for each exposure time based on the derived correlation and a preset common brightness value (see FIG. 4 ). That is, the determination for each titration intensity value for the total n of the exposure time to one exposure time proper light quantity value (x n) of the appropriate intensity value the n-th exposure time (t n) from (x 1) of the (t 1) do.
  • the determined appropriate light amount value may be different from the light amount value of the sample measured in the calibration step.
  • this step is illustrated as a separate step different from the calibration step and the main photographing step to be described later, but this step is not interpreted as being limited thereto as an example.
  • this step may be performed as a part of the calibration step.
  • this step may be performed as a part of the main photographing step.
  • the controller 500 controls the light irradiation unit 100 and the image acquisition unit 200 to obtain a plurality of images by adjusting the amount of light for different exposure times ( S31 ).
  • the amount of light is controlled by the determined appropriate light amount value (x 1 to x n ) for each exposure time, respectively.
  • the plurality of images obtained in this step have brightness values in a common range even if they are photographed at different exposure times.
  • the plurality of images acquired through the above steps are transferred from the image acquisition unit 200 to the image processing unit 300 .
  • the image processing unit 300 generates a functional image by processing the plurality of images (S32), and displays it to the user through the display unit 400 (S33).
  • the functional image generated by the image processing unit 300 and displayed to the user is generated based on images with minimized noise deviation, it is possible to display accurate functional information with high resolution.

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Abstract

본 발명은 조직의 기능적 영상 획득 장치 및 이의 생성 방법에 대한 것으로, 촬영 대상이 되는 조직에 가간섭성의 광을 조사하는 광원, 상기 광원에서 조사된 광이 상기 조직에서 산란되어 형성되는 스페클 패턴의 이미지를 획득하되 서로 상이한 노출 시간을 갖는 복수의 이미지를 획득하는 이미지 획득부, 상기 이미지 획득부에서 획득되는 상기 복수의 이미지에 근거하여 상기 조직의 기능적 영상(functional image)을 생성하는 영상 처리부, 및 서로 상이한 노출시간을 갖는 상기 복수의 이미지가 공통된 범위의 밝기값을 갖도록 상기 조직으로 조사되는 광의 광량을 조절하고 상기 이미지 획득부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 각 노출 시간마다 상기 광의 광량 변화에 따른 이미지의 밝기값 변화를 측정하고, 서로 상이한 노출 시간을 갖는 상기 복수의 이미지가 공통된 범위의 밝기값을 갖을 수 있도록 각 노출 시간에 상응하는 적정 광량값 및 이를 위한 제어 파라메터들을 결정하도록 제어하는 조직의 기능성 영상 획득 장치 및 이를 이용한 기능성 영상 획득 방법을 제공한다.

Description

조직의 기능적 영상 획득 장치 및 이의 생성 방법
본 발명은 조직의 기능적 영상 획득 장치 및 이의 생성 방법에 대한 것으로, 보다 구체적으로는 가간섭성 광의 스페클 패턴 영상을 이용하여 조직의 기능적 영상을 획득하는 장치 및 이의 생성 방법에 대한 것이다.
기능적 영상(functional image)은 신진대사, 혈류, 지역적인 화학 조성 등의 변화 등을 검출 또는 측정하기 위한 의료 영상 기술이다. 구조적 영상(structural image)과 대비되는 의미의 기능적 영상은 특정 조직이나 기관 내의 생리학적 활동을 밝히는데 이용된다. 이러한 기능적 영상은 조영제 또는 특정 물질에 대한 트레이서를 이용하여 이미지를 획득하는 방식도 이용되나, 다중 노출 영상 기법을 통해 복수의 영상을 얻고 스페클 패턴 기반의 영상처리를 통하여 별도의 물질을 주입하지 않고도 기능적 영상을 획득하는 것도 가능하다.
그러나, 이러한 스페클 패턴에 대한 다중 노출 영상 기법의 경우, 정량적이며 신뢰성 있는 기능영상 구현을 위하여 다중 촬영에 따른 영상간 밝기 편차, 노이즈 레벨 편차에 의한 오류를 최소화하기 위한 캘리브레이션 과정이 필요하나, 이러한 과정에 많은 시간이 소요되어 캘리브레이션을 빈번하게 진행하기 어려운 단점이 있다.
본 발명은 이를 해결하기 위한 것으로, 기능적 영상을 획득함에 있어 캘리브레이션에 소요되는 시간을 최소화하면서도 기능영상의 정확성과 신뢰도, robustness를 향상시킬 수 있는 조직의 기능적 영상 획득 장치 및 이의 생성 방법을 제공하기 위함이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 명세서는, 촬영 대상이 되는 조직을 비접촉 혹은 접촉식으로 조사하는 비간섭성광원과 가간섭성 광원을 포함하며, 상기 광원에서 조사된 광이 상기 조직에서 산란되어 형성되는 영상 (가간섭 광원의 경우 스페클 패턴의 이미지) 획득하되 서로 상이한 노출 시간을 갖는 복수의 이미지을 획득하는 이미지 획득부, 상기 이미지 획득부에서 획득되는 상기 복수의 이미지데이터에 근거하여 상기 조직의 기능적 영상(functional image)을 생성하는 영상 처리부, 및 서로 상이한 노출시간을 갖는 상기 복수의 이미지가 공통된 범위의 밝기값을 갖도록 상기 조직으로 조사되는 광의 광량을 조절하고 상기 이미지 획득부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 각 노출 시간마다 상기 광의 광량 변화에 따른 영상의 밝기값 변화를 측정하고, 서로 상이한 노출 시간을 갖는 상기 복수의 영상이 공통된 범위의 밝기값을 갖을 수 있도록 각 노출 시간에 상응하는 적정 광량값을 결정하도록 하는 제어요소를 포함한 조직의 기능성 영상 획득 장치를 제공할 수 있다.
이때, 상기 제어부는 각 노출 시간마다 상기 광의 광량을 단속적으로 조절하면서 복수의 샘플 이미지를 획득하도록 제어하고, 상기 복수의 샘플 이미지에 근거하여 특정 노출 시간에서의 광량 변화에 따른 이미지 밝기값의 변화를 측정할 수 있다. 그리고, 상기 광원에서 상기 조직으로 조사되는 광의 광량을 변화시킬 수 있는 광량 조절부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 광량 조절부를 제어하여 상기 조직으로 조사되는 광의 광량을 조절할 수 있다.
한편, 상기 제어부는, 각 노출 시간마다 상기 광의 광량을 조절하면서 복수의 샘플 이미지를 획득하도록 제어하는 단계, 상기 획득된 복수의 샘플 이미지의 밝기값을 분석하여 각 노출 시간에서 광량과 샘플 이미지 밝기값 사이의 상관 관계를 도출하는 단계, 및 서로 상이한 노출 시간을 갖는 상기 복수의 이미지가 공통된 범위의 밝기값을 갖도록 상기 도출된 상관 관계에 근거하여 각 노출 시간별 적정 광량값을 결정하는 단계를 수행할 수 있다.
이때, 상기 상관 관계는 상기 복수의 샘플 이미지의 광량 및 밝기값 정보에 근거하여 선형 회기 분석 또는 곡선 맞춤 분석(curve fitting analysis)을 통해 도출되거나, 상기 상관 관계는 밝기 값이 광량을 변수로 하는 다항식 함수 형태로 도출될 수 있다. 그리고, 상기 복수의 샘플 이미지는 각 노출 시간마다 적어도 4회 이상 20회 이하로 획득될 수 있다.
한편, 각 노출 시간에서의 광량 변화에 따른 이미지 밝기값의 변화를 측정함에 있어, 상대적으로 짧은 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지의 수는 상대적으로 긴 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지의 수 이상일 수 있다. 또한, 상대적으로 짧은 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지간의 광량 변화 폭은 상대적으로 긴 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지간의 광량 변화 폭 보다 클 수 있다. 그리고, 상기 제어부는 상대적으로 긴 노출 시간 보다 상대적으로 짧은 노출 시간에 대해 먼저 측정할 수 있다.
또한, 각 노출시간에서 광량을 순차적으로 증가시키면서 복수의 샘플 이미지를 획득하여 이미지 밝기값의 변화를 측정하되, 상기 제어부는 이미지 밝기값이 기 설정된 기준을 초과하면 해당 노출 시간에서의 광량 대비 이미지 밝기값의 변화 측정을 종료할 수 있다.
이때, 상기 기 설정된 기준은 기 설정된 밝기값에 근거하거나, 앞서 수행된 노출 시간에서 획득된 광량 변화에 따른 이미지 밝기값의 변화의 측정 결과에 근거하여 결정될 수 있다.
한편, 전술한 본 발명의 목적은, 서로 상이한 노출 시간을 갖는 복수의 이미지를 이용하여 조직의 기능적 영상(functional image)을 생성하는 방법에 있어서, 각 노출 시간별로 조직에 조사되는 광량 변화에 따른 이미지 밝기값의 변화를 측정하여 각 노출 시간별 광량과 이미지 밝기값의 상관 관계를 도출하는 단계, 서로 상이한 노출 시간을 갖는 복수의 이미지가 공통된 범위의 밝기값을 갖도록 상기 도출된 상관 관계에 근거하여 각 노출 시간별 적정 광량값을 결정하는 단계, 조직에 가간섭성의 광을 조사하여 서로 상이한 노출 시간을 갖는 복수의 이미지를 획득하되 상기 노출 시간 및 조직에 조사되는 광량은 상기 결정된 각 노출 시간별 적정 광량값에 상응하도록 제어되는 복수의 이미지 획득 단계, 및 상기 획득된 복수의 이미지에 근거하여 상기 조직의 기능적 영상을 생성하는 것 기능적 영상 생성 단계를 포함하는 조직의 기능적 영상 생성 방법에 의해서도 달성될 수 있다.
이때, 상기 상관 관계를 도출하는 단계는, 각 노출시간 별로 상기 광의 광량을 단속적으로 조절하면서 복수의 샘플 이미지를 획득하는 샘플 이미지 획득 단계, 및 상기 획득된 복수의 샘플 이미지를 분석하여 각 노출 시간별 광량과 이미지 밝기값의 상관 관계를 도출하는 분석 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상관 관계를 도출하는 단계에서, 상대적으로 짧은 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지 수는 상대적으로 긴 노출시간에서 획득되는 샘플 이미지 수 이상일 수 있다. 그리고, 상대적으로 짧은 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지간의 광량 변화 폭은 상대적으로 긴 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지간의 광량 변화 폭 보다 클 수 있다. 나아가, 상대적으로 긴 노출 시간보다 상대적으로 짧은 노출 시간에서의 상관 관계를 먼저 도출할 수 있다.
본 발명에 의할 경우, 다중 노출 영상 기법을 이용하여 기능적 영상을 획득함에 있어 신속하고 정확한 캘리브레이션 기술을 제공함으로써, 각종 병변 진단, 수술 과정의 모니터링, 치료 후 효과 모니터링 등 기능적 영상이 이용되는 다양한 분야에 폭 넓게 적용되어 기능적 영상을 이용한 정확한 진단과 시술에 기여할 수 있다.
도 1은 본 개시에 따른 조직의 기능적 영상 획득 장치 및 촬영 대상을 도시한 블록도,
도 2는 도 1의 기능적 영상 획득 장치의 주요 구성을 도시한 블록도,
도 3은 캘리브레이션 단계에서 수행되는 측정 결과를 도시한 그래프,
도 4는 단일 노출 시간에서 측정된 샘플 정보에 근거하여 광량값과 이미지 밝기값의 상관 관계를 도시한 그래프,
도 5는 도 2의 기능적 이미지 획득 장치를 이용하여 기능적 이미지를 생성하는 단계를 도시한 순서도,
도 6은 도 5의 캘리브레이션 단계를 도시한 순서도이고,
도 7은 도 5의 본 촬영 단계를 도시한 순서도이다.
이하에서는 도면을 참고하여, 본 출원의 실시예에 따른 조직의 기능적 영상 획득 장치 및 이의 생성 방법에 대해 구체적으로 설명한다. 아래의 설명에서 각 구성요소의 위치 관계는 원칙적으로 도면을 기준으로 설명한다. 도면은 설명의 편의를 위해 실시의 구조를 단순화하거나 필요할 경우 과장하여 표시될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 이 이외에도 각종 장치를 부가하거나, 변경 또는 생략하여 실시될 수 있다.
이하에서, 조직이라 함은 인체의 피부, 안 조직, 혈관과 같은 인체의 기관을 구성하는 다양한 조직을 포함하며, 인체 조직 이외의 동물 조직 또한 포함할 수 있다. 그리고 기능적 영상이라 함은, 조직의 형상 및 경계와 같은 구조적 정보를 넘어 조직의 내재적 특성 또는 신진 대사와 같은 생리적 활동에 대한 정보를 포함하는 영상을 의미한다. 예를 들어, 피하 조직의 혈류 정보, 안저의 혈류 정보, 안저의 산소 포화도 정보, 피부 조직이 탄성 정보, 온도 정보 등 다양한 조직의 다양한 특성 정보 또는 생리적 정보를 포함하는 영상이 이에 해당할 수 있다.
또한, 이하에서, '광량값'이라함은 광량의 정량적 수치를 의미할 수도 있고, 광량값과 함수 관계를 갖는 광량을 제어하기 위한 제어값을 포함하는 의미일 수 있다. 또한, '이미지 밝기값'이라함은 사용자의 정의에 따라 이미지의 밝기를 정량적으로 수치화한 값을 포함하는 의미일 수 있다.
도 1은 본 개시에 따른 조직의 기능적 영상 획득 장치 및 촬영 대상을 도시한 블록도이다. 도 1의 영상 획득 장치(10)는 다중 노출 스페클 이미징(Multi-exposure speckle imaging) 방식으로 영상을 획득하는 장치로서, 다양한 노출 시간에서 촬영하여 얻은 스페클 대조 이미지(speckle contrast imaging)를 통하여 조직의 기능적 영상을 획득한다.
스페클 이미지는 레이저와 같은 가간섭성 광의 불규칙한 간섭에 의해 발생한다. 가간섭성의 광이 촬영 대상이 되는 객체(예를 들어, 조직 또는 샘플)에 조사되면, 광은 대상 객체 내의 다양한 산란 입자에 의해 산란되면서 다양한 경로로 이동한다. 이에 의해, 검출 유닛에서 검출되는 스페클 패턴은 산란된 광의 다양한 간섭 현상으로 인해 다양한 광 강도 패턴을 형성한다. 이때, 신진 대사의 변화 등으로 인해 산란 입자의 위치 및 특성이 변화하게 되면, 이는 스페클 패턴의 변화로 나타난다. 따라서, 이러한 스페클 패턴의 시간적 공간적 통계는 촬영 대상이 되는 조직 및 샘플의 기능적 변화에 대한 정보를 제공하므로, 영상 획득 장치는 이를 측정 및 분석함에 따라 기능적 영상을 생성하는 것이 가능하다.
이러한 기능적 영상 획득 장치(10)는 상관된 시간 정보(correlation time information)를 얻을 수 있는 복수의 이미지가 요구된다. 따라서, 기능적 영상 획득 장치(10)는 서로 상이한 노출 시간을 갖는 복수의 스페클 패턴 이미지를 획득하고, 이를 이용하여 조직의 기능적 영상을 생성한다. 이때, 복수의 이미지들 사이의 밝기값이 일정하면 이미지의 노이즈 편차가 작아지므로, 정밀한 진단 및 해상도 높은 기능적 영상을 획득할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 개시되는 기능적 영상 획득 장치는 기능적 영상을 획득하기 위한 본 촬영에 앞서, 상이한 노출 시간으로 촬영되는 이미지들이 서로 상응하는 밝기값을 갖도록 캘리브레이션 단계를 수행하도록 구비된다.
도 2는 도 1의 기능적 영상 획득 장치의 주요 구성을 도시한 블록도이다. 이하에서는 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 영상 획득 장치를 보다 구체적으로 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 영상 획득 장치(10)는, 광 조사부(100), 이미지 획득부(200), 제어부(500), 영상 처리부(300) 및 디스플레이부(400)를 포함하여 구성된다.
우선, 광 조사부(100)는 대상 객체로 광을 조사하는 구성으로, 기능적 영상 획득을 위한 본 촬영 뿐 아니라 전술한 캘리브레이션 단계에서 샘플 이미지를 획득하는 과정에서도 광을 조사한다. 광 조사부(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 광원(110), 광량 조절 유닛(120) 및 광 확산 유닛(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
광원(110)은 촬영 단계 및 캘리브레이션 단계에서 대상 객체에 조사되는 광을 발생시키는 구성이다. 광원(110)에서 발생되는 광은 조직에서 산란되어 스페클 패턴을 형성하도록 가간섭 특성을 갖는다. 본 실시예의 광원(110)은 레이저 광원으로 구성되어 가시광 또는 근적외선 대역의 파장을 갖는 레이저를 발생시킨다. 상기 레이저 광은 632nm, 780nm, 808nm 부근에서 중심 파장을 갖을 수 있다.
광량 조절 유닛(120)은, 광원(110)에서 발생되어 촬영 대상으로 조사되는 광의 광량을 조절하는 구성이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 광량 조절 유닛(120)은 광원(110)과 대상 객체 사이에 배치되며, 광의 투과율을 조절하는 방식 등으로 광량을 조절할 수 있다. 광량 조절 유닛(120)은 음향 광학 변조기(acousto optic modulator, AOM), 전기 광학 변조기(electro optic modulator, EOM), 편광자 (polarizer), 전류제어장치 등 통과하는 광의 강도(intensity)를 변조하는 각종 장치를 이용하여 구성할 수 있다.
광 확산 유닛(130)은 광원(110)과 대상 객체 사이에 배치되는 광학 소자로 구성된다. 이러한 광 확산 유닛(130)은 광원(110)에서 조사되는 광을 확산시켜, 광량 분포가 공간적으로 균일한 상태로 조사되게 되나 광원에서 대상 객체사이에 광섬유/광도파로등을 이용하여 접촉식으로 광원을 조사하는 것이 가능하다.
여기서, 대상 객체는 촬영 대상으로서 촬영 단계 또는 캘리브레이션 단계에서 광이 조사되고 이미지 또는 샘플 이미지에 나타날 수 있다. 예를 들어, 대상 객체는 신체 조직이 수 있으며, 구체적으로 손, 발과 같은 피부조직이거나, 안저와 같이 다양한 방식으로 광 경로 상에 노출될 수 있는 각종 신체 조직 또는 기관일 수 있다. 또는, 대상 객체는 채취된 시료 샘플 조직일 수도 있으며, 또는 캘리브레이션 단계를 위해 제작된 샘플 또는 팬텀(phantom)일 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 이미지 획득부(200)는 광 조사부(100)에서 조사되어 대상 객체로부터 반사되는 광을 수광하여 이미지를 획득하는 구성이다. 전술한 바와 같이, 광 조사부(100)에서 조사된 광은 대상 객체에 의해 산란되어 다양한 스페클 패턴을 형성하고, 이미지 획득부(200)는 이러한 스페클 패턴를 포함하는 이미지를 획득할 수 있다. 이러한 이미지 획득부(200)는 적어도 하나의 광학 소자(예를 들어, 렌즈)(210) 및 이미지 검출 유닛(220)을 포함한다. 또한 대상객체와 이미지 획득부 사이에 광섬유/광도파로등을 이용하여 접촉식으로 이미지를 획득하는 것이 가능하다.
적어도 하나 이상의 광학 소자(210)는 이미지 검출 유닛(220)의 전방에 배치되며(대상 객체와 이미지 검출유닛 사이에 배치), 대상 객체로부터 반사 및 산란되는 광이 이미지 검출 유닛(220)에서 검출될 수 있도록 광을 집광하거나 변조할 수 있다. 이에 의해, 대상 객체에서 산란되어 형성되는 스페클 패턴은 광학 소자(210)를 거쳐 이미지 검출 유닛(220)에 상으로 검출될 수 있다.
이미지 검출 유닛(220)은 광을 수광하여 이미지를 검출할 수 있는 센서로 구성된다. 본 실시예의 이미지 검출 유닛(220)은 가시광 및 근적외선 대역의 파장의 광에서 높은 양자 효율을 갖는 센서일 수 있으며, CCD 센서 또는 CMOS 센서와 같은 이미지 센서로 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 명세서에서의 기능적 영상 획득 장치(10)는 다중 노출 스페클 이미징 방식으로 기능적 영상을 생성하므로, 본 실시예의 이미지 획득부(200)는 후술하는 제어부(500)의 제어에 따라 노출 시간을 달리하여 복수의 이미지를 획득하도록 구성된다.
이미지 획득부에서 획득된 상이한 노출 시간을 갖는 복수의 이미지들은 영상 처리부(300)로 전달되며, 영상 처리부(300)는 전달된 복수의 이미지를 이용하여 기능적 영상을 생성한다. 기능적 영상은 전술한 바와 같이 조직의 특성 또는 생리적 활동과 같은 기능적 정보를 포함하며, 이러한 기능적 정보는 객체의 구조적 이미지 상에 중첩되어 표시될 수 있다. 이러한 영상 처리부(300)는 프로세서와 같은 연산 가능한 소자를 이용하여 구성될 수 있다. 도 2에서 영상 처리부(300)는 제어부(500)의 하위 구성요소로 도시되어 있으나, 이에 국한되는 것은 아니며 별도의 구성으로 실시되는 것도 가능하다.
영상 처리부(300)에서 생성된 기능적 영상은 디스플레이부(400)를 통해 표시되어 객체의 기능적 정보를 사용자에게 전달할 수 있다.
한편, 제어부(500)는 이미지 획득 장치(10)를 구성하는 각 구성 요소에 제어 신호를 전달하여 각 구성요소의 동작을 제어하고, 각 구성요소에서 검출되는 각종 정보를 수집하여 가공하거나, 수집 또는 가공된 정보를 다른 구성 요소로 전달하는 구성이다. 이러한 제어부(500)는 프로세서와 같은 연산 처리 장치 및 메모리와 같은 데이터 저장 장치 등을 포함하여 구성될 수 있다. 따라서, 본 실시예의 광 조사부(100), 이미지 획득부(200), 디스플레이부(400)는 제어부(500)에 의해 각각의 동작 내용이 제어될 수 있다. 본 실시예의 영상 처리부(300)는 제어부의 하위 구성으로 구비되나, 영상 처리부가 제어부와 별로로 구비되는 경우 제어부는 영상 처리부의 영상 생성 동작 및 생성된 영상을 디스플레이부로 제공하는 동작을 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 실시예의 기능적 이미지 획득 장치는 서로 상이한 노출 시간을 갖는 복수의 이미지를 이용하여 기능적 이미지를 생성하는 바, 제어부(500)는 이미지 획득부(200)를 제어하여 획득되는 각각의 이미지의 노출 시간을 다양하게 조절할 수 있다. 구체적으로, 제어부(500)는 이미지 검출 유닛(220)의 동작 시간 또는 동작 타이밍을 제어하여, 획득되는 이미지의 노출 시간을 다양하게 제어할 수 있다. 또는, 이미지 획득부의 광학 소자가 셔터를 포함하여 구성되는 경우, 제어부(500)는 셔터의 동작을 제어함으로써 획득되는 이미지의 노출 시간을 다양하게 조절하는 것도 가능하다.
또한, 제어부(500)는 광 조사부(100)를 제어하여 대상 객체에 조사되는 광의 광량을 조절할 수 있다. 광량 제어는 다양한 방식으로 이루어질 수 있으나, 본 실시예에서는 음향 광학 변조기(AOM)로 구성되는 광량 조절 유닛(120)을 제어함으로써 광량을 조절할 수 있다. 본 실시예의 광량 조절 유닛(120)은 광원에서 조사되는 광이 관통하도록 배치되며, 광량 조절 유닛(120)에 인가되는 전압에 따라 광이 투과율이 조절되는 구성이다. 따라서, 제어부(500)는 광량 조절 유닛(120)에 인가되는 전압 신호를 제어함으로써 광원(110)으로부터 대상 객체로 조사되는 광의 광량을 조절할 수 있다. 다만, 다른 예로서, 별도의 광량 조절 유닛을 구비하지 않고, 제어부가 광원의 출력을 조절하도록 제어함으로써 광량을 조절하는 것도 가능하다.
이러한 제어부의 제어에서, 광 조사부(100)로부터 조사되는 광량 및 이미지 획득부(200)에서 획득되는 이미지들의 노출 시간은 서로 연동하여 제어될 수 있다. 전술한 바와 같이, 복수의 이미지는 서로 상응하는 밝기값을 갖을 때 노이즈 편차가 최소화되면서 높은 해상도의 기능적 영상을 획득할 수 있다. 따라서, 제어부(500)는 광의 광량 및 노출시간을 서로 연동하여 제어함으로써 서로 상이한 노출시간을 갖는 복수의 이미지를 촬영하더라도 서로 상응하는 밝기값을 갖도록 제어할 수 있다.
이를 위해, 제어부(500)는 본 촬영 단계를 수행하기 앞서, 캘리브레이션 단계를 수행할 수 있다. 캘리브레이션 단계는, 각각의 이미지들이 상응하는 밝기값을 갖도록, 각 노출 시간에 따른 적정 광량값을 도출하기 위해 수행된다. 각 노출 시간에 따른 적정 광량값은 촬영이 진행되는 환경, 대상 객체, 장치 오차 등에 의해 상이한 값을 갖는다. 따라서, 제어부(500)는 캘리브레이션 단계를 통해 각 노출 시간에서 광량값과 밝기값 사이의 상관 관계를 측정하고, 이에 근거하여 각각의 이미지가 기 설정된 밝기값을 갖도록 각 노출 시간에 따른 적정 광량값을 설정한다.
도 3은 캘리브레이션 단계에서 수행되는 측정 결과를 도시한 그래프이다. 이하에서는 도 3을 참조하여, 본 실시예의 이미지 획득 장치에서 수행되는 캘리브레이션 단계를 구체적으로 설명한다.
캘리브레이션 단계에서, 제어부(500)는 각 노출 시간마다 복수회의 샘플을 측정한다. 여기서, 복수회의 샘플은 광량값을 순차적으로 변화시키면서 획득되는 복수의 샘플 이미지일 수 있으며, 이에 의해 해당 노출 시간에서 광량값의 변화에 따른 이미지의 밝기값의 변화를 측정할 수 있다. 이러한 측정은 n개의 노출 시간(t1, t2, 내지 tn)에 대해 각각 수행되며, n개의 노출 시간은 설정 가능한 전체 노출 시간이거나 이 중 일부일 수 있다.
일 예로, 특정 노출 시간 t1에서 광량값과 샘플 이미지의 밝기값을 측정하는 경우를 설명한다. 우선, 제어부(500)는 이미지 획득부의 촬영 노출 시간을 t1으로 고정한 상태에서, 광 조사부(100) 및 이미지 획득부(200)를 제어하여 복수의 샘플 이미지를 획득한다. 이때, 획득되는 복수의 샘플 이미지는 광량값을 순차적으로 증가시키면서 각각 획득된 이미지로서, 각 샘플 이미지는 상이한 광량값에 의해 획득되는 바 이로부터 광량값 변화에 따른 이미지 밝기값의 변화를 측정할 수 있다.
이때, 제어부(500)는 전술한 광량 조절 유닛(120)을 제어하여 광량값을 조절할 수 있다. 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 광량 조절 유닛에 인가되는 전압값을 조절하여 음향 광학 변조기의 회절특성을 변화시킴으로써 광량을 조절할 수 있다(도 3의 가로축 참조). 그리고, 각 광량값 조건에서 획득된 샘플 이미지의 밝기값을 측정한다(도 3의 세로축 참조). 여기서, 이미지 또는 샘플 이미지의 밝기값은 이미지 검출 유닛(220)의 각 픽셀에서 검출되는 신호 강도(intensity)의 평균값일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 픽셀 검출 신호들의 중간값을 이용하거나 이외에도 다양한 방식으로 정의하여 사용할 수 있다.
이처럼, 제어부(500)는 광 조사부(100) 및 이미지 획득부(200)를 제어함으로써, 하나의 노출 시간에서 광량값 에 따른 샘플 이미지의 밝기값 정보를 측정한다. 그리고, 이에 근거하여, 해당 노출 시간에서의 광량값과 밝기값의 상관 관계를 도출할 수 있다. 이때, 단일 노출 시간에서 측정하는 샘플의 수가 많아지면 상기 상관 관계를 정밀하게 도출할 수 있으나, 다수의 샘플 데이터 취득을 위한 소요 시간이 길어짐에 따라 캘리브레이션 단계를 신속하게 수행하기 어려운 단점이 있다. 따라서, 본 실시예에서는 단일 노출 시간(예를 들어, 노출 시간 t1)에서 광량값을 조밀하게 연속적으로 변화시키는 것이 아니라, 광량값을 희소적이며(sparse) 단속적으로 증가시키면서 샘플 이미지를 획득할 수 있다. 광량값은 비균등한 폭으로도 변화시킬 수 있으며 단일 노출 시간에서 측정되는 샘플의 수는, 해당 노출 시간에서 광량값과 이미지 밝기값의 상관 관계를 근사하게 도출할 수 있는 최소 범위에서 결정할 수 있다. 일 예로서, 하나의 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지 수는 4개 내지 20개일 수 있으며, 보다 구체적으로는 15개를 초과하지 않을 수 있다.
제어부(500)는, 각각의 노출 시간 t1 내지 tn에 대해, 전술한 방식으로 광량값에 따른 샘플 이미지의 밝기값을 측정한다. 이때, 각 노출 시간에 대해 측정을 수행함에 있어, 상대적으로 긴 노출 시간에서의 측정보다 상대적으로 짧은 노출 시간에서의 측정을 먼저 수행할 수 있다. 즉, 노출 시간 t1에서의 측정을 먼저 수행하고, t2, t3부터 tn까지 순차적으로 수행할 수 있다(여기서, t1<t2<...<tn). 이때, 각 노출 시간에서 광량값의 변화 폭은 상이할 수 있으며, 상대적으로 짧은 노출 시간(예를 들어, ti)에서의 광량 폭의 변화는 상대적으로 긴 노출 시간(예를 들어, tj, i<j)에서의 광량 폭의 변화보다 큰 값을 갖도록 제어될 수 있다(도 3 참조).
각 노출 시간에서 광량의 변화에 대한 샘플 이미지 밝기값 변화가 측정되면, 제어부(500)는 측정된 샘플 정보에 근거하여 각 노출 시간에서의 광량값과 이미지 밝기값의 상관 관계를 도출한다. 도 4는 단일 노출 시간에서 측정된 샘플 정보에 근거하여 광량값과 이미지 밝기값의 상관 관계를 도시한 그래프이다. 이러한 상관 관계는 측정된 샘플 정보를 선형 회기 분석 또는 곡선 맞춤 분석(curve fitting analysis)을 통해 도출될 수 있으며, 도출된 상관관계는 도 3 또는 도 4에 표시된 바와 같이 선형 그래프로 도출될 수 있다(도 3의 실선 참조). 또는, 전술한 상관 관계는 이미지의 밝기값이 광량값을 변수로 하는 다항식 함수값을 갖도록 도출할 수 있으며, 이러한 함수형태는 하기와 같을 수 있다.
Figure PCTKR2021001195-appb-I000001
(y: 이미지 밝기값, x : 광량값, a, b, c, x0 : 상수)
따라서, 상관 관계를 도출하는 과정은 상기 다항식 함수의 상수값을 결정하는 방식으로 이루어질 수 있다. 다만, 전술한 방식 이외에도 다양한 데이터 분석 방식을 이용하여 측정된 샘플 데이터로부터 광량값과 이미지 밝기값 사이의 상관 관계를 도출하는 것도 가능하다.
이와 같이 각 노출 시간에서의 광량값과 이미지 밝기값 사이의 상관 관계가 도출되면, 이에 근거하여 각 노출 시간에서 획득되는 이미지가 공통된 범위의 밝기값을 갖기 위한 적정 광량값을 결정한다. 이때, 공통된 범위의 밝기값은 생성하고자 하는 기능적 영상의 종류 및 조직에 따라서 상이하게 설정될 수 있다. 또는, 공통된 범위의 밝기값은 특정 노출 시간에서의 최대 밝기값에 근거하여 결정된 값일 수 있다(예를 들어, 가장 짧은 노출 시간 t1에서 측정된 최대 밝기 중 90%에 해당하는 밝기값). 공통된 범위의 밝기값은 도 3에 도시된 바와 같이 하나의 타겟 값일 수 있으며, 이 이외에도 하나의 타겟 값에서 일부 편차까지 포함된 범위일 수 있다.
이에 의해 결정된 노출 시간별 적정 광량값은, 도 3 및 도 4의 그래프에서 각 노출 시간에 따른 상관 관계 곡선과 공통된 밝기값을 나타내는 타겟값 선도가 교차하는 위치의 광량값이 이에 해당한다. 또는, 상관 관계를 나타내는 다항식 함수에서 해당 밝기값에 상응하는 해로서 적정 광량값이 결정될 수 있다. 이때, 적정 광량값은 캘리브레이션 단계에서 샘플 측정시 단속적으로 제어된 광량값에 제한되지 않고, 도 4에 도시된 바와 같이 상관 관계로부터 연산되는 최적의 값을 적정 광량값으로 결정할 수 있다(도 4에서의 calibrated input 참조).
한편, 도 3에서는, 각 노출 시간마다 동일한 개수의 샘플을 측정하고, 이에 근거하여 상관 관계를 도출한 결과를 도시하고 있다(도 3의 그래프를 기준으로 각 노출 시간별 10개의 샘플 측정). 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 각 노출 시간에 따라 측정되는 샘플의 수가 상이하게 제어될 수 있다.
예를 들어, 노출 시간 t1에서 광량값을 순차적으로 증가시키며 N회의 샘플을 측정하여 최대 밝기값이 Y1인 것으로 나타났다고 가정한다. 이후에 진행되는 노출 시간 t2 내지 tn에서의 샘플 측정에 있어, N회 측정에 도달하기 전에 획득된 샘플 이미지의 밝기값이 Y1을 초과하는 경우 나머지 샘플에 대한 측정을 생략할 수 있다. 캘리브레이션 단계는 공통된 밝기값을 갖기 위한 적정 광량값을 도출하기 위한 과정이므로, 앞서 수행된 노출 시간에서의 최대 밝기값을 초과하는 샘플 정보는 적정 광량값을 결정하는데 낮은 가중치를 갖을 가능성이 높기 때문이다. 따라서, 특정 노출 시간에서 복수의 샘플을 측정함에 있어, 선행된 노출 시간에서의 최대 밝기값를 초과하게 되면, 상관 관계 도출에 필요한 최소한 수만큼의 샘플을 측정한 후(예를 들어, 4개) 추가적인 샘플 측정을 종료할 수 있다.
또 다른 예로, 공통된 밝기값(도 3에서의 타겟값)이 기 설정된 경우, 각 노출 시간별 샘플을 측정함에 있어 측정된 샘플의 밝기값이 타겟값을 초과하는 것으로 나타나면 상관 관계 도출에 필요한 최소한 수만큼의 샘플을 측정한 후 N회 측정을 완료하지 않은 상태에서 샘플 측정을 종료할 수 있다.
이처럼, 전술한 두 예에서 확인할 수 있듯이, 각 노출 시간별로 동일한 수의 샘플을 측정하지 않고, 기 설정된 기준을 초과하는 경우에는 샘플의 추가적인 측정을 종료함으로써 캘리브레이션 단계에 소요되는 시간을 줄일 수 있다.
이러한 캘리브레이션 단계를 통해 각 노출 시간별 적정 광량값이 결정되면, 제어부(500)는 본 촬영 단계에서 결정된 적정 광량값을 이용하여 각 노출시간별 이미지를 획득하도록 제어한다. 따라서, 기능적 이미지를 생성에 활용되는 복수의 이미지는 서로 상이한 노출 시간으로 촬영되었음에도 공통된 범위의 밝기값을 갖고, 이로 인해 높은 해상도의 정확한 기능적 이미지를 생성하는 것이 가능하다.
이하에서는, 도 5 내지 도 7을 참조하여 본 실시예에 따른 기능적 이미지 획득 장치를 이용하여 기능적 이미지를 생성하는 방법에 대해 구체적으로 설명한다. 도 5는 도 2의 기능적 이미지 획득 장치를 이용하여 기능적 이미지를 생성하는 단계를 도시한 순서도이고, 도 6은 도 5의 캘리브레이션 단계를 도시한 순서도이고, 도 7은 도 5의 본 촬영 단계를 도시한 순서도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 이미지 획득 장치는 본 촬영을 수행하기에 앞서 캘리브레이션 단계를 수행한다(S10). 캘리브레이션 단계는 도 6에 도시된 바와 같이, 노출 시간별로 샘플을 측정하는 단계(S11) 및 노출 시간별 광량값과 이미지 밝기값의 상관 관계를 도출하는 단계(S12)로 구성된다.
우선, 노출 시간별 샘플을 측정하는 단계(S11)는, 각 노출 시간별로 광량값의 변화에 따른 이미지 밝기값의 변화 정보를 획득하는 단계이다. 구체적으로, 제어부(500)는 이미지 획득부(200)의 노출 시간을 제1 노출 시간(t1)으로 고정한 상태에서, 광 조사부(100) 및 이미지 획득부(200)를 제어하여 광량값을 단속적으로 증가시키면서 각각의 광량값에 대한 샘플 이미지를 획득한다. 이로 인해, 제1 노출 시간에서의 광량값의 변화에 따른 이미지의 밝기값 변화 정보를 획득할 수 있다. 제1 노출 시간에서의 샘플 측정이 종료되면, 제2 노출 시간(t2) 내지 제n 노출 시간(tn)에 이르기까지 유사한 방식으로 샘플 측정을 진행하여, 각 노출 시간에서의 광량값 변화에 따른 이미지 밝기값 변화에 대한 정보를 획득한다.
이때, 전술한 바와 같이 짧은 노출 시간에 대한 샘플 측정부터 진행할 수 있다. 그리고, 각 노출 시간별 복수의 샘플을 측정함에 있어, 제어부(500)는 짧은 노출 시간에서 각 샘플간 광량값의 변화폭을 상대적으로 크게 제어할 수 있다.
그리고, 제어부(500)는 각 노출 시간별로 N회에 걸쳐 샘플을 측정하여 N개의 샘플 이미지를 획득하도록 제어할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 제어부는 각 노출 시간에서 순차적으로 광량값을 증가시키면서 샘플 이미지를 획득하되, 기 설정된 기준을 초과하면 N회 측정이 완료되기 이전이라도 해당 노출 시간에서의 샘플 측정을 종료할 수 있다. 이때, 기 설정된 기준은, 앞서 설명한 바와 같이, 기 설정된 밝기값에 근거하여 설정될 수 있고, 또는 앞서 수행된 노출 시간에서의 측정 결과에 근거하여 설정될 수 있다(예를 들어, 노출 시간 ti에서의 샘플 측정시, 선행된 t1 내지 ti-1의 측정 결과에 근거하여 측정 종료 시점 결정). 이 경우, 모든 노출 시간에서 N회에 걸쳐 샘플 측정이 이루어지는 것이 아니라, 상대적으로 짧은 노출 시간(ti)에서 획득되는 샘플 이미지의 수(Ni)는 상대적으로 긴 노출 시간(tj)에서 획득되는 샘플 이미지의 수(Nj) 이상일 수 있다(예를 들어, ti<tj 이면, Ni≥Nj).
상기와 같은 단계를 통해 노출 시간 별 샘플 측정이 완료되면, 제어부(500)는 측정된 정보에 근거하여 각 노출 시간별 광량값과 이미지 밝기값 사이의 상관 관계를 도출한다(S12). 본 단계는, 전술한 바와 같이, 선형 회기 분석 방식 또는 곡선 맞춤 분석 방식을 이용하여 상관 관계를 도출하거나, 기 설정된 다항식 함수 형태로 상관 관계를 도출할 수 있다.
상기 단계를 통해 캘리브레이션 단계가 수행되면, 각 노출 시간별 적정 광량값을 결정하는 단계를 수행한다(S20). 본 단계에서, 제어부(500)는 상기 도출된 상관 관계와 기 설정된 공통 밝기값에 근거하여 노출 시간별 적정 광량값을 결정한다(도 4 참조). 즉, 제1 노출 시간(t1)의 적정 광량값(x1)부터 제n 노출 시간(tn)의 적정 광량값(xn)까지 총 n개의 노출 시간에 대한 각각의 적정 광량값을 결정한다. 이때, 결정되는 적정 광량값은 캘리브레이션 단계에서 측정된 샘플의 광량값과 상이한 값일 수 있다.
한편, 도 5에서는, 본 단계가 캘리브레이션 단계 미 후술하는 본 촬영 단계와 구분되는 별도의 단계로 도시하고 있으나, 이는 일 예로서 이에 한정되어 해석되는 것은 아니다. 예를 들어, 공통 밝기값이 고정된 값인 경우, 본 단계는 캘리브레이션 단계의 일부로서 수행될 수 있다. 또는, 공통 밝기값이 본 촬영 단계의 내용에 따라 상이하게 결정되는 경우, 본 단계는 본 촬영 단계의 일부로서 수행될 수도 있다.
상기 단계를 통해 노출 시간별 적정 광량값이 결정되면, 이에 근거하여 본 촬영 단계를 수행한다(S30).
도 7에 도시된 바와 같이, 제어부(500)는 광 조사부(100) 및 이미지 획득부(200)를 제어하여, 상이한 노출 시간별로 광량을 조절하여 복수의 이미지를 획득한다(S31). 이때, 광량은 상기 결정된 노출 시간별 적정 광량값(x1 내지 xn)으로 각각 제어된다. 본 단계에서 획득되는 복수의 이미지는 각각 상이한 노출 시간으로 촬영되더라도 공통된 범위의 밝기값을 갖는다.
상기 단계를 통해 획득된 복수의 이미지는 이미지 획득부(200)로부터 영상 처리부(300)로 전달된다. 그리고, 영상 처리부(300)는 복수의 이미지를 처리하여 기능적 영상을 생성하고(S32), 이를 디스플레이부(400)를 통해 사용자에게 표시한다(S33). 이때, 영상 처리부(300)에서 생성되어 사용자에게 표시되는 기능적 영상은 노이즈 편차가 최소화된 이미지들에 근거하여 생성되는바, 높은 해상도의 정확한 기능적 정보를 표시하는 것이 가능하다.
이상에서는, 개시된 기능적 영상 획득 장치 및 이의 생성 방법에 대해 상세하게 기술하였으나, 상기 실시예에 기술에 한정하여 해석되는 것은 아니다. 해당 기술 분야에 대해 통상의 지식을 가진 사람이면, 첨부된 청구범위에 정의된 사항을 벗어나지 않으면서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음은 밝혀둔다.

Claims (21)

  1. 촬영 대상이 되는 조직에 가간섭성의 광을 조사하는 광원;
    상기 광원에서 조사된 광이 상기 조직에서 산란되어 형성되는 스페클 패턴의 이미지를 획득하되, 서로 상이한 노출 시간을 갖는 복수의 이미지를 획득하는 이미지 획득부;
    상기 이미지 획득부에서 획득되는 상기 복수의 이미지에 근거하여 상기 조직의 기능적 영상(functional image)을 생성하는 영상 처리부; 및,
    서로 상이한 노출시간을 갖는 상기 복수의 이미지가 공통된 범위의 밝기값을 갖도록, 상기 조직으로 조사되는 광의 광량을 조절하고 상기 이미지 획득부의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는, 각 노출 시간마다 상기 광의 광량 변화에 따른 이미지의 밝기값 변화를 측정하고, 서로 상이한 노출 시간을 갖는 상기 복수의 이미지가 공통된 범위의 밝기값을 갖을 수 있도록 각 노출 시간에 상응하는 적정 광량값을 결정하는 조직의 기능적 영상 획득 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 각 노출 시간마다 상기 광의 광량을 단속적으로 조절하면서 복수의 샘플 이미지를 획득하도록 제어하고, 상기 복수의 샘플 이미지에 근거하여 특정 노출 시간에서의 광량 변화에 따른 이미지 밝기값의 변화를 측정하는 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 획득 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광원에서 상기 조직으로 조사되는 광의 광량을 변화시킬 수 있는 광량 조절부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 광량 조절부를 제어하여 상기 조직으로 조사되는 광의 광량을 조절하는 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 획득 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
    각 노출 시간마다 상기 광의 광량을 조절하면서 복수의 샘플 이미지를 획득하도록 제어하는 단계;
    상기 획득된 복수의 샘플 이미지의 밝기값을 분석하여 각 노출 시간에서 광량과 샘플 이미지 밝기값 사이의 상관 관계를 도출하는 단계;
    서로 상이한 노출 시간을 갖는 상기 복수의 이미지가 공통된 범위의 밝기값을 갖도록 상기 도출된 상관 관계에 근거하여 각 노출 시간별 적정 광량값을 결정하는 단계;를 수행하는 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 획득 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 상관 관계는 상기 복수의 샘플 이미지의 광량 및 밝기값 정보에 근거하여 선형 회기 분석 또는 곡선 맞춤 분석(curve fitting analysis)을 통해 도출되거나,
    상기 상관 관계는 밝기 값이 광량을 변수로 하는 다항식 함수 형태로 도출되는 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 획득 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 상관 관계는 밝기 값이 광량 제어값을 변수로 하는 다항식 함수 형태로 도출될 수 있으며, 상기 상관 관계는 수치해석/해석적 방법으로 목표로 하는 공통 밝기 값에 대한 해(근, root)들(광량 제어값 벡터)을 구하는 단계를 포함한다.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 샘플 이미지는 각 노출 시간마다 적어도 4회 이상 20회 이하로 획득되는 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 획득 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    각 노출 시간에서의 광량 변화에 따른 이미지 밝기값의 변화를 측정함에 있어, 상대적으로 짧은 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지의 수는 상대적으로 긴 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지의 수 이상인 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 획득 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    각 노출 시간에서의 광량 변화에 따른 이미지 밝기값의 변화를 측정함에 있어, 상대적으로 짧은 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지간의 광량 변화 폭은 상대적으로 긴 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지간의 광량 변화 폭 보다 큰 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 획득 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    각 노출 시간에서의 광량 변화에 따른 이미지 밝기값의 변화를 측정함에 있어, 상기 제어부는 상대적으로 긴 노출 시간 보다 상대적으로 짧은 노출 시간에 대해 먼저 측정하는 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 획득 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    각 노출시간에서 광량을 순차적으로 증가시키면서 복수의 샘플 이미지를 획득하여 이미지 밝기값의 변화를 측정하되, 상기 제어부는 이미지 밝기값이 기 설정된 기준을 초과하면 해당 노출 시간에서의 광량 대비 이미지 밝기값의 변화 측정을 종료하는 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 획득 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기 설정된 기준은 기 설정된 밝기값에 근거하거나, 앞서 수행된 노출 시간에서 획득된 광량 변화에 따른 이미지 밝기값의 변화의 측정 결과에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 획득 장치.
  13. 서로 상이한 노출 시간을 갖는 복수의 이미지를 이용하여 조직의 기능적 영상(functional image)을 생성하는 방법에 있어서,
    각 노출 시간별로 조직에 조사되는 광량 변화에 따른 이미지 밝기값의 변화를 측정하여, 각 노출 시간별 광량과 이미지 밝기값의 상관 관계를 도출하는 단계;
    서로 상이한 노출 시간을 갖는 복수의 이미지가 공통된 범위의 밝기값을 갖도록, 상기 도출된 상관 관계에 근거하여 각 노출 시간별 적정 광량값을 결정하는 단계;
    조직에 가간섭성의 광을 조사하여 서로 상이한 노출 시간을 갖는 복수의 이미지를 획득하되, 상기 노출 시간 및 조직에 조사되는 광량은 상기 결정된 각 노출 시간별 적정 광량값에 상응하도록 제어되는 복수의 이미지 획득 단계; 및
    상기 획득된 복수의 이미지에 근거하여 상기 조직의 기능적 영상을 생성하는 것 기능적 영상 생성 단계;를 포함하는 조직의 기능적 영상 생성 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 상관 관계를 도출하는 단계는,
    각 노출시간 별로 상기 광의 광량을 단속적으로 조절하면서 복수의 샘플 이미지를 획득하는 샘플 이미지 획득 단계; 및
    상기 획득된 복수의 샘플 이미지를 분석하여 각 노출 시간별 광량과 이미지 밝기값의 상관 관계를 도출하는 분석 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 생성 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 샘플 이미지 획득 단계는 각 노출 시간마다 적어도 4회 이상 20회 이하로 샘플 이미지를 획득하는 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 생성 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 분석 단계는 상기 복수의 샘플 이미지의 광량 및 밝기값 정보에 근거하여 선형 회기 분석 또는 곡선 맞춤 분석(curve fitting analysis)를 통해 도출되거나,
    각 노출 시간에서의 상기 상관 관계는 밝기값이 광량을 변수로 하는 다항식 함수 관계를 갖으며, 상기 분석 단계는 상기 다항식 함수를 도출하는 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 생성 방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 상관 관계를 도출하는 단계에서,
    상대적으로 짧은 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지 수는 상대적으로 긴 노출시간에서 획득되는 샘플 이미지 수 이상인 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 생성 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 상관 관계를 도출하는 단계에서,
    상대적으로 짧은 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지간의 광량 변화 폭은 상대적으로 긴 노출 시간에서 획득되는 샘플 이미지간의 광량 변화 폭 보다 큰 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 생성 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 상관 관계를 도출하는 단계에서,
    상대적으로 긴 노출 시간보다 상대적으로 짧은 노출 시간에서의 상관 관계를 먼저 도출하는 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 생성 방법.
  20. 제13항에 있어서, 상기 상관 관계를 도출하는 단계에서,
    각 노출시간에서 광량을 순차적으로 증가시키면서 복수의 샘플 이미지를 획득하여 이미지 밝기값의 변화를 측정하되, 제어부는 이미지의 밝기값이 기 설정된 기준을 초과하면 해당 노출 시간에서의 광량 대비 이미지 밝기값의 변화 측정을 종료하는 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 생성 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 기 설정된 기준은 기 설정된 밝기값에 근거하거나, 앞서 수행된 노출 시간에서 획득된 측정 결과에 근거하여 결정되는 것을 특징으로 하는 조직의 기능적 영상 생성 방법.
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