KR101999678B1

KR101999678B1 - Ｘ-선 단층촬영 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101999678B1
Application number: KR1020120041431A
Authority: KR
Inventors: 조승룡; 이태원; 정혜균
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2019-10-01
Anticipated expiration: 2032-04-20
Also published as: KR20130118509A

Abstract

본 발명은 X선 단층촬영 시스템 및 방법에 관한 것으로, 개방된 영역과 차단된 영역이 교대로 복수개 배열되고 회전 축에 평행한 방향으로 일정 주기로 진동하는 콜리메이터에 X선을 통과시킴으로써 투과 영상을 획득하고, 압축센싱 기반의 반복형 알고리즘을 사용하여 상기 투과 영상을 이미지 재구축하는 새로운 방식을 제공한다.

Description

Ｘ-선 단층촬영 시스템 및 방법{X-RAY COMPUTED TOMOGRAPHY SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 X-선 단층촬영 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

X-선 컴퓨터 토모그래피(Computed Tomography, 이하, 'CT'라 함)는 질병의 스크리닝 및 진단, 치료를 위한 중재적 이미징, 예후 평가 등의 다양한 임상 분야에서 널리 사용되어 왔다. 병원에서의 사용이 증가함에 따라, 선량 감소가 새로운 CT 기술이나 장비에 있어서 사람들이 추구하는 가장 중요한 특징으로 되었다.

기존의 CT 시스템을 활용하고 또한 선량 감소를 위해 새로운 엔지니어링을 도입하는 것에 대하여 많은 노력을 기울여 왔다. 예를 들어, 환자의 특성을 고려하여 관 전압을 적절하게 선택하는 방식, 해부학적으로 적응된 관 전류를 변조하는 방식, 방사선에 민감한 장기에 대한 적응적 선량을 차폐하는 방식 들이 개발되어 왔으며 임상 현장에서 사용되고 있다.

시스템의 효율을 개선하도록 새로운 검출기 기술들도 개발되어 왔다. 이러한 임상 방안 또는 엔지니어링 방안에 더하여, 환자에 대한 방사선 선량을 감소시키는 대부분의 직관적이며 간단한 방법들은 스캔 동안 관 전류를 감소시키거나, 이미지 재구축을 위한 투영을 덜 받게 하거나, 이 두 가지 모두를 취하는 것이다.

낮은 관 전류 상태에서 얻어지는 데이터로부터 재구축되는 이미지의 품질을 개선하도록 다수의 알고리즘들을 개발해 왔다. 이러한 알고리즘들은, 알고리즘의 성질에 따라 투영 공간, 또는 이미지 공간, 또는 이러한 두 가지 공간에서 기능한다. 이러한 점에서, CT 시스템의 주요 판매자들은 자신들의 고유한 알고리즘들로 개발해 왔으며, 이미지 품질을 절충하지 않으면서 상당한 선량 감소를 보고하였다.

압축 센싱 이론에 의해 고무된 다른 양호한 다수의 알고리즘들은 스파스-뷰(sparse-view) 투영으로부터 또는 불완전한 데이터로부터 이미지를 재구축하도록 개발되어 왔다. 이러한 알고리즘들의 성공적인 이미지 재구축 성능은 선량 감소가 다양한 것으로 보고되어 왔다. 그러나, 스파스-뷰 기술의 잠재적인 유용성에도 불구하고, 이를 임상 진단 CT 시스템에서 구현하는 것은 아직까지 발견되지 않고 있다. 이는 특히 초당 3회전을 초과하는 것처럼 매우 빠르게 회전하는 갠트리(gantry)를 이용하여 동작하는 시스템에 대하여 빠른 관전압 스위칭이 만약 불가능하지 않다면 매우 어렵다는 사실 때문일 것이다. 회전당 1000회 정도의 촬영을 하는 통상적인 CT 투영 데이타 프레임 레이트를 고려해 볼 때, 성공적인 관 전력 전환 시스템은 희박 뷰 이미징을 실현하도록 매우 높은 시간 분해능을 가져야 한다. 특히 냉음극 기술을 고려하여 이러한 빠른 전환 시스템을 실현할 가능성을 배제하는 것은 아니지만, 그러한 방향을 달성하려면 기술 혁신이 많이 요구된다.

본 발명은 상술한 목적을 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 멀티 슬릿 콜리메이터를 사용하여 스파스 데이터 샘플링(sparse data-sampling)하는 새로운 시스템 및 방법을 제안하고자 한다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일측면은 X선 단층촬영 시스템에 있어서, X선 발생원; 개방된 영역과 차단된 영역이 회전축과 나란한 방향으로 교대로 복수회 배열되는 콜리메이터로서, 상기 X선 발생원에서 발생된 X선을 통과시키고 회전 축에 수직한 방향을 따라 일정 주기로 진동하는 콜리메이터; 피검체를 사이에 두고 상기 X선 발생원과 대향되어 상기 콜리메이터를 통과한 X선 투과 영상을 검출하는 X선 검출기; 및 압축센싱 기반의 반복형 알고리즘을 사용하여 상기 투과 영상을 이미지 재구축하는 제어장치를 구비하는 X선 단층촬영 시스템을 제공한다.

바람직하게는, 상기 콜리메이터의 진동 주기는 수Hz에서 수십 Hz 정도로 조절될 수 있고, 콜리메이터의 진동 거리는 개방된 영역과 차단된 영역 하나의 쌍의 주기이며, 콜리메이터의 진동은 랜덤, 싸인 함수, 또는 선형 함수로 진동하도록 구현된다.

또한, 콜리메이터의 개방된 영역과 차단된 영역은 직사각형 형상이며, 상기 콜리메이터의 개방된 영역은 선량 저감을 고려할 때 차단된 영역에 비해 1/2 미만인 것이 바람직하다. 개방된 면적은 차단된 면적 대비 적을수록 CT 선량이 낮아진다는 점은 맹백하다. 따라서, 가능한 개방된 면적을 줄이는 것이 효과적이지만 너무 줄일 경우 압축 센싱 기반의 알고리즘으로도 원하는 영상 품질로 영상 재구축이 어려워 질 수 있는 문제가 있으며 일반적으로 1/10 이하로 줄이는 것은 그런 측면에서 매우 어려운 일이 된다.

본 발명의 다른 측면은 X선 단층촬영 방법에 있어서, 개방된 영역과 차단된 영역이 교대로 회전축과 나란하게 복수개 배열되고, 이들이 회전 축에 수직한 방향으로 일정 주기로 진동하는 콜리메이터에 X선을 통과시킴으로써 투과 영상을 획득하는 단계; 및 압축센싱 기반의 반복형 알고리즘을 사용하여 상기 투과 영상을 이미지 재구축하는 단계를 구비하는 X선 단층촬영 방법을 제공한다.

콜리메이터가 스캔 동안 움직임 없이 고정되어 있으면, 데이터 샘플링은 매우 불균일하게 발생하여, 재구축된 이미지 품질을 심각하게 열화시킬 수 있다. 따라서, 샘플링이 더욱 균일하게 발생하는 경향을 갖도록 스캔 동안 콜리메이터를 일정 주기로 진동시키는 것이 효과적이다.

한편, 콜리메이터는 회전 축에 수직한 방향을 따라 움직이는 방식이 바람직하다. 만약, 회전축에 수직하게 콜리메이터의 개방 슬릿을 두는 경우, 고정 형태로 사용하면, 환자의 단층 영상을 얻지 못하는 구간이 존재하게 되는 단점이 있고, 운동 형태로 사용시는 데이터의 샘플링이 불균일하게 되어 좋은 영상을 얻을 수 없는 단점이 있게 된다. 그러나, 회전축과 수평한 슬릿들을 포함하는 콜리메이터를 회전축과 수직 방향으로 움직임을 주면 압축센싱 기반의 영상 재건 알고리즘으로 충분히 좋은 영상을 구현할 수 있게 되고, 환자의 피폭 선량을 1/10 수준까지 충분히 낮출 수 있는 장점을 함께 가질 수 있게 된다.

콜리메이터의 차단 영역 부분은 X선 방사를 차단하므로, 콜리메이션은 방사선 선량을 크게 감소시키는 데 일조할 수 있다. 이러한 유형의 스캔을 멀티뷰 언더샘플링(many-view under-sampling; MVUS) 기술이라 칭할 수 있을 것이다.

멀티슬릿 콜리메이터는 슬릿 개구 외측의 X선빔을 차단하도록 방사선 불투과성 재료로 된 것이다. 따라서, 소정의 소스 위치에서, 슬릿 개구를 통해서만 투영 데이터를 얻게 된다.

본 발명에 의하면, 멀티슬릿 콜리메이터 유닛을 X선 빔 출구에 장착하고 신규한 소프트웨어를 통합함으로써, 종래의 시스템에 별도의 대규모 장치를 추가하지 않고도 비교적 쉽게 본 발명을 실현할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 의하면, 종래의 CT 스캐너에 저 선량 CT 스캐닝의 실행가능성이 높은 옵션을 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 멀티슬릿 콜리메이터를 사용함으로써, X선 관 전력을 전환하지 않고 스파스 뷰 이미징을 효과적으로 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 단층촬영 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 X선 단층촬영 시스템에서 실제 실험을 실시하는 장면을 도시한 그림과 쥐를 전체 투영하여 콜리메이트한 투영 데이터이다.
도 3의 a는 도 2의 전체 데이터 샘플링의 경우, 도 3의 (b)는 정적으로 콜리메이트된 경우, 도 3의 (c)는 기존의 스파스 뷰의 경우, 및 도 3의 (d)는 사인곡선형으로 콜리메이트된 경우에 해당하는 Sinusoidally 영상을 도시한다.
도 4는 도 2의 쥐 머리의 재구축된 이미지들이 도시된 도면이다.
도 5a와 도 5b에 도 4의 차이 이미지를 좁은 표시 윈도우로 도시하고, 이미지의 중간수평(midhorizontal) 라인에 걸쳐 라인 프로파일을 도시한 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 단층촬영 시스템의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 X선 단층촬영 시스템은, 크게 X선 발생원(100), 콜리메이터(200), 다열 X선 검출기(300) 및 제어장치(400) 등을 포함하여 이루어진다. 기타, 콜리메이터(200)을 이동시키는 기계적 수단 등의 일반적인 공지 구성에 대한 설명은 설명의 편의를 위해 생략한다.

여기서, X선 발생원(100)은 피검체(10)를 향하여 X선을 방사하는 기능을 수행한다. 이때, X선 발생원(100)은 예컨대, 입자빔을 발생시키는 입자원으로 대체할 수도 있다.

콜리메이터(200)는 X선 발생원(100)과 피검체(10) 사이에 배치되어 있으며, 그 길이 방향이 피검체(10)의 원형 스캔 회전축과 평행하게 배열된 복수의 스트립 살과 빈 공간부가 교대로 배치(즉, 주기적으로 일정하게 배열)되어 X선 발생원(100)에서 방사되는 X선의 일부를 차단하는 기능을 수행한다. 실제 제작에 있어서는 X선 발생원(100)은 점 소스이므로 검출기에 도달하는 빔은 퍼지므로 그림자 효과를 없애기 위해서 X선이 진행하는 방향을 기준으로 먼 쪽이 너비가 더 큰 방사형으로 디자인될 수 있다.

한편, 본 발명의 특징적 구성에 의하면, 콜리메이터(200)는 일정 주기를 가지고 진동한다. 진동하는 주기는 수Hz에서 수십 Hz 정도로 조절되는 것이 바람직하고, 예를 들어 20Hz일 수 있다. 이는 갠트리의 회전 속도 및 데이터 프레임 레이트와 관련하여 결정되어야 한다. 또한, 진동되는 거리는 복수의 스트립 살과 빈 공간부 중 하나의 쌍에 해당하는 거리 정도로 구현하는 것이 바람직하다. 진동되는 움직임은 랜덤한 동작으로 진행하는 것이 가장 이상적일 수 있으나 기계적이 어려운 점이 있으므로 싸인 함수, linear 함수 등의 형태로 진동하도록 하는 것이 실제 구현에 용이한 장점이 있다.

X선 검출기(300)는 다수의 열로 이루어진 평판형의 X선 검출기로서, 피검체(10)를 사이에 두고 X선 발생원(100)과 대향하도록 배치되어 있으며, 콜리메이터(200) 및 피검체(10)로 인해 X선 산란된 영상을 포함한 X선 투과영상 데이터를 검출하는 기능을 수행한다.

그리고, 제어장치(400)는 콜리메이트된 데이터로부터의 이미지 재구축을 위해 압축센싱 기반의 반복형 알고리즘을 사용한다. 압축센싱 이론은 신호의 복원에서 일반적으로 정석으로 알려진 나이퀴스트 주파수보다 작은 주파수의 데이터 샘플링으로 부터도 원 신호의 완벽한 복원이 가능하다는 것으로, 이는 원 신호가 서로 결맞음이 약하(incoherent)고 스파스(sparse)한 신호 분포를 갖는다는 전제 조건하에 만족되는 이론이다. CT의 경우 CT 영상의 미분 절대값 영상을 취해보면 대체로 0을 갖는 픽셀이 많게 된다. 바꾸어 말하면 CT 픽셀값이 일정한 장기 등은 미분 절대값에서 0으로 계산되게 된다. 이를 이용하여 영상 재구축 단계에서 영상 미분 절대값의 총합(이는 보통 영상의 총변동으로 알려져 있다.)을 최소화하는 알고리즘이 바로 압축 센싱에 기반한 영상 총변동 최소화 알고리즘이다. 이 알고리즘의 가장 큰 장점은 일반적인 알고리즘에서 영상 재구축하기에 크게 부족한 데이터로 부터 원하는 CT 영상을 복원할 수 있다는 것이다. 영상 총변동 최소화 알고리즘이 압축센싱 기반의 반복형 알고리즘을 대변하는 유일한 것은 아니나, 최근 들어 그 연구가 매우 활발하고 어느 정도 안정한 알고리즘으로 인정받는 것이기에 본 발명에 적용하는 것이 바람직하다. 제어장치의 구체적인 기능을 하기에 예를 들어 상세히 설명한다.

다음으로, 시뮬레이션 연구를 이용하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.

본 실시 형태는 전체 투영 데이터를 수치적으로 콜리메이트함으로써, 콜리메이트된 투영 데이터를 획득하고, 콜리메이트된 데이터로부터의 이미지 재구축을 위해 총 변동(total-variation) 최소화 알고리즘을 사용하여 실시하였다. 구체적으로는 수치 콜리메이션을 사용함으로써 시뮬레이트된 멀티뷰 언더샘플링 스캐닝 및 쥐의 마이크로 CT 데이터를 사용하였다. 시뮬레이션의 상세한 설명은 다사용되는 이미지 재구축 알고리즘과 함께 아래에 제시한다. 데이터 획득시 사용되는 스캐닝 파라미터는 표 1에 요약되어 있다.

파라미터	값
관 전압	90 kVp
검출기 크기	1232 x 1120, 100um 피치
스캔 범위	360
투영 수	360
소스와 대상 거리	113mm
소스와 검출기 거리	220mm

표 1: 투영 데이터 획득을 위해 사용된 스캐닝 조건

데이터 샘플링 기법

본 발명의 특징 중 하나는 스캔 동안 활성 X선 관과 함께 빠른 데이터 획득을 지연시키지 않고 데이터를 어떻게 스파스한 방식으로 샘플링할 수 있는지에 있다. 투영 데이터 어레이의 치수와 동일한 마스크 어레이를 사용하였다. 회전 축을 따라 긴 개방된 직사각형 면적들 및 차단된 직사각형 면적들은 회전 축에 대한 수직 방향을 가로질러 마스크 어레이에서 주기적으로 반복되고, 개방된 영역의 어레이 요소들은 1로 설정되고, 차단된 영역의 어레이 요소들은 0으로 설정된다.

종래의 스캔에 비해 선량이 인수 4에 의해 감소되는 것을 예상하여 마스크 어레이의 총 면적의 1/4을 개방된 면적으로서 갖는 마스크를 준비할 수 있다.

각 투영에 대하여, 데이터의 1/4만이 이미지 재구축을 위해 사용되도록 유지되는 한편 나머지 부분들은 도 2에 도시한 바와 같이 무시되도록 마스크 어레이를 승산함으로써 데이터를 수치적으로 콜리메이트하였다. 도 2는 본 발명에 따른 X선 단층촬영 시스템에서 실제 실험을 실시하는 장면을 도시한 그림과 쥐를 전체 투영하여 콜리메이트한 투영 데이터이다. 도 2의 (a)는 제안한 스캐닝 구성이 개략적으로 도시되어 있고, 도 2의 (b)에서는 콜리메이션 사용시 (c)에 도시한 이미지로 교체된다.

전체 투영 데이터에 걸쳐 움직이지 않는 콜리메이션을 사용하면 데이터 샘플링이 이미지 화소 도메인에서 매우 불균일하게 발생할 수 있음을 상상할 수 있다. 또한, 정적 콜리메이션이나 콜리메이터의 다른 움직임에 비해 콜리메이터의 랜덤한 움직임이 가장 랜덤하거나 균일한 샘플링 밀도 맵을 생성하게 된다. 그러나, 콜리메이터의 랜덤한 움직임을 실현하는 데 있어서 기계적인 과제를 고려해 볼 때, 정적으로 콜리메이트된 데이터로부터 본 발명에서의 콜리메이터의 사인곡선형 움직임을 사용함으로써 콜리메이트된 데이터로부터 재구축된 이미지들만을 비교하였다.

사인곡선형 움직임의 경우에는, sinogram 도메인에서의 검출기 빈(bins)에 대하여 샘플링이 거의 균일하게 발생하도록 움직임의 진폭을 결정하였다. 이미지 품질을 기존의 스파스 뷰 방안을 이용하여 재구축된 이미지들의 품질과 비교하기 위해, 뷰 각도에 있어서 서로 균등하게 분리되어 있는 언콜리메이트된(uncollimated) 투영 데이터의 1/4로부터 이미지를 또한 재구축하였다.

도 3의 (a)는 전체 데이터 샘플링의 경우, 도 3의 (b)는 정적으로 콜리메이트된 경우, 도 3의 (c)는 기존의 스파스 뷰의 경우, 및 도 3의 (d)는 사인곡선형으로 콜리메이트된 경우에 해당하는 Sinusoidally 영상을 도시한다.

총 변동 최소화 알고리즘

한편, 본 발명에 의하면, 이미지 재구축을 위해 총 변동 최소화 알고리즘을 사용하였다. 총 변동 최소화 알고리즘은 압축 감지 이론에 의해 고무되었으며, 스파스 뷰 CT 응용에 있어서 뛰어난 성능을 나타내고 있다. 총 변동 최소화 알고리즘은, 등식 또는 측정값의 소정의 계에 있어서 미지수를 감소시킴으로써, 이미지 도함수의 크기의 희박성을 이용한다. 다양한 최적화 기술들을 이용하여 알고리즘 수렴 또는 수렴 속도를 개선하기 위한 연구도 계속되어 왔다. Sidky 등이 개발한 ASD POCS(adaptive-steepest-descent projection-onto-convex-sets) 방안을 채택하였으며[E. Y. Sidky and X. Pan, Image reconstruction in circular cone-beam computed tomography by con-strained, total-variation minimization,Phys. Med. Biol., vol. 53, pp. 47774807, 2008. 참조], 콜리메이터 슬릿을 통해 측정된 데이터만이 계산에 사용되도록 POCS 반복에 있어서 마스킹 단계를 추가하였다.

알고리즘은 다음에 따르는 최적화 문제에 대한 해를 찾고자 하는 것이다.

(1)

여기서, f는 반복되는 이미지를 나타내고, f⁰은 최소 이미지 총 변동 해를 나타내고, A는 시스템 행렬을 나타낸다. 시스템 행렬은 선 구동 모델(ray-driven model)에 기초하여 구축되었으며, POCS 단계들만의 20회 반복 후 데이터 거리 값에 의해 경험적으로 설정되었다.

도 4는 쥐 머리의 재구축된 이미지들이 도시되어 있다. 이미지들은 (a) 전체 투영 데이터로부터 Feldkamp-Davis-Kress (FDK) 알고리즘에 의해, (b) 90개의 투영으로부터의 총 변동 최소화 알고리즘에 의해, (c) 정적으로 콜리메이트된 투영으로부터의 총 변동 최소화 알고리즘에 의해, (d) 사인곡선형으로 콜리메이트된 투영으로부터의 총 변동 최소화 알고리즘에 의해 재구축되었다.

도 4를 참조하면, 언콜리메이트된 360개 투영으로부터 Feldkamp-Davis-Kress (FDK) 알고리즘에 의해 재구축된 이미지는 도 4a에 참조 이미지로서 도시되어 있다. 뷰 각도에 있어서 서로 균등하게 분리되어 있는 언콜리메이트된 90개 투영으로부터 총 변동 최소화 알고리즘에 의해 재구축된 이미지가 도 4b에 도시되어 있다. 도 4c와 도 4d는 통계적으로 콜리메이트된 360개 투영 그리고 동적으로 콜리메이트된 360개 투영으로부터의 총 변동 최소화 알고리즘을 사용함으로써 재구축된 이미지들을 각각 도시한다.

재구축된 이미지들의 가시적 비교에 의해, 본 발명이 종래의 희박 뷰 기술에 의해 얻어지는 이미지들에 비교될만한 품질 이미지들을 제공할 수 있음을 확인하게 된다. 또한, 멀티슬릿을 이용한 정적 콜리메이션은 재구축된 이미지 품질 면에서 바람직하지 못하다. 추가 비교를 위해, 도 5a와 도 5b에 차이 이미지를 좁은 표시 윈도우로 도시하며, 또한, 이미지의 중간수평(midhorizontal) 라인에 걸쳐 라인 프로파일을 도시한다.

도 5 (a)에는 도 4 (b)와 도 3 (d)의 이미지들 간의 이미지 차이가 도시되어 있다. 표시 윈도우는 [-0.005.0.005] mm^-1이다. 중간수평 라인에 걸친 라인 프로파일들도 도 5(b)에 도시되어 있다. 실선은 도 3b의 라인 프로파일을 나타내고, 점선은 도 4d의 라인 프로파일을 나타낸다.

저 선량(low-dose) CT를 위한 MVUS 방법의 예상되는 장점들에 살펴보면 다음과 같다. 우선, 제안한 방법은 종래의 CT 스캐너에 있어서 저 선량 CT 스캐닝의 실행가능성이 높은 옵션을 제공한다. 추가 멀티슬릿 콜리메이터 유닛을 X선 빔 출구에 장착하고 신규한 재구축 소프트웨어를 통합함으로써, 종래의 시스템에 대한 MVUS 스캐닝 옵션을 비교적 쉽게 실현할 수 있다. 상업용 시스템에 있어서 저 선량 CT 스캔에 대한 현재의 방안들의 대부분은 이미 언급한 바와 같이 저 노출 기술에 한정되어 있다. MVUS 옵션을 추가함으로써, 저 선량 고품질의 CT 스캐닝을 위한 최적의 조건을 찾는 검색 공간을 강화하게 된다. 예를 들어, 본 발명의 실제 적용예에서는, 1/4로 설정된 콜리메이터의 개구부의 일부를 관 전류-시간의 곱과 함께 최적화할 수 있다.

환자 신체로 인한 X선 산란은, CT, 특히, 콘 빔(cone-beam) CT의 이미지 품질에 영향을 끼치는 주요 물리적 인자들 중 하나이다. 산란을 감소시키거나 보정하도록 많은 노력을 해 왔다. 본 발명의 MVUS 방안에서는, 소스와 환자 간에 멀티슬릿 콜리메이터가 존재함으로 인해 산란 감소가 자연스럽게 발생한다. 또한, 투영 데이터에 있어서 콜리메이터에 의해 차단된 영역들의 그림자로부터 산란 영향(scatter fluence)을 쉽게 추정할 수 있다. 그림자의 non-zero 화소값들은 콜리메이터를 통과한 후 환자 신체에 의해 산란된 X선 빔들에 기여한다. 이어서, 추정한 산란 영향을 투영 데이터로부터 감산할 수 있다. 산란의 감소 및 보정 모두는 본 발명의 MVUS 방안에서 간단하게 구현될 수 있으므로, 얻어지는 이미지들에는 대부분 산란 아티팩트가 없다.

이미징 모델에서의 시스템 행렬은 각 검출기 화소 상으로의 X선을 따른 선형 감쇄 계수들의 이상적인 선 적분에 기초한다. 그러나, 실제 측정은 산란, 빔 경화 및 노이즈 등의 물리적 인자들에 의해 영향을 받으며, 이에 따라 이미지 재구축이 부정확하다. 이러한 비이상적 인자들을 시스템 행렬 내에 취할 수 있지만, 이러한 인자들을 제거함으로써 시스템 행렬의 계산을 간략화하고 이미지 정확성과 품질을 향상시키는 데 크게 일조할 수 있다. 이러한 점에서, MVUS 방안은, 시스템 행렬에서 산란 효과를 제거함으로써 고 품질의 이미지를 매우 효율적으로 생성하는 잠재력을 갖고 있다.

한편, 콜리메이트된 투영 데이터는 프레임마다의 데이터 획득 동안 콜리메이터의 움직임으로 인해 날카롭지 않은 가장자리 또는 반영(penumbra) 효과를 가질 수 있다. 각 데이터 획득 프레임 동안 슬릿 가장자리의 이동 거리가 슬릿 크기에 비해 상당히 크면, 이에 따라 투영 데이터는 오염되며, 이미지 재구축을 위한 유용한 데이터를 제공하지 못할 수 있다. 그러나, 움직임 오염을 무시할만한 레벨 미만으로 또는 허용가능한 레벨 미만으로 억제할 수 있음을 검증할 수 있다.

예를 들어, 간트리가 초당 2번 회전하며 회전당 1000개의 투영을 취하는 CT 스캐너를 고려해 본다. 스캐너는 실제로 단일 프레임의 데이터 획득에 있어서 0.5msec 미만의 시간을 소모한다. 콜리메이터의 사인곡선 움직임의 주파수는 20Hz이면, 슬릿 가장자리가 25msec 내에 편도 이동을 완료하게 된다. 따라서, 콜리메이트된 데이터 가장자리들의 약 8% (= 4 x 0.5/25) 미만의 움직임 오염을 겪게 된다. 이미지 재구축을 위해 데이터의 오염된 부분을 간단히 폐기할 수 있고, 또는 적절한 보상 인자들을 승산함으로써, 오염된 부분을 보정할 수 있다. 빠른 회전 간트리(gantry) 유닛 내에서의 콜리메이터의 안정적 움직임을 보장하지 못할 우려가 있을 수도 있다. 그 결과, 콜리메이터의 궤적이 회전 프레임에서의 원하는 사인곡선 궤적으로부터 일탈할 수 있다. 그러나, 그 일탈이 극도로 크지 않다면 데이터 샘플링 면에서 허용될 수 있다.

본 발명에서는, 회전 축에 평행한 방향을 따라 데이터를 콜리메이트하는 것이 바람직함은 앞서 전술한 바와 같다. 그러나, 회전 축에 대한 수직 방향 등의 다른 방향을 따라 콜리메이션을 적용할 수도 있으며, 애퍼처 설계 및 제조가 일반적으로 임상 CT 시스템에서 사용하기에는 어려울 수 있지만 코딩된 애퍼처 방안 등의 희박 데이터 샘플링을 위한 더욱 복잡한 콜리메이션 기법을 채용하는 것도 가능하다.

100 :　X선 발생원, 200 : 콜리메이터,
300 : X선 검출기, 400 : 제어장치

Claims

X선 단층촬영 시스템에 있어서,
X선 발생원;
개방된 영역과 차단된 영역이 교대로 복수회 배열되는 판형 콜리메이터로서, 상기 콜리메이터는 피검체의 원형스캔 회전축과 평행하게 배열되어 상기 X선 발생원에서 발생된 X선을 부분 통과시키고 피검체의 원형스캔 회전축에 수직한 방향을 따라 일정 주기로 진동하는 콜리메이터;
피검체를 사이에 두고 상기 X선 발생원과 대향되어 상기 콜리메이터를 통과한 X선 투과 영상을 검출하는 X선 검출기; 및
압축센싱 기반의 반복형 알고리즘을 사용하여 상기 투과 영상을 이미지 재구축하는 제어장치를 구비하는 X선 단층촬영 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 콜리메이터의 진동 주기는 수Hz에서 수십 Hz 정도로 조절되는 것을 특징으로 하는 X선 단층촬영 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 콜리메이터의 진동 거리는 개방된 영역과 차단된 영역 하나의 쌍의 주기인 것을 특징으로 하는 X선 단층촬영 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 콜리메이터의 진동은 랜덤, 싸인 함수, 또는 linear 함수로 진동하도록 하는 것을 특징으로 하는 X선 단층촬영 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 콜리메이터의 개방된 영역과 차단된 영역은 직사각형 형상인 것을 특징으로 하는 X선 단층촬영 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 콜리메이터의 개방된 영역은 차단된 영역에 비해 1/2 미만인 것을 특징으로 하는 X선 단층촬영 시스템.
X선 단층촬영 방법에 있어서,
개방된 영역과 차단된 영역이 교대로 복수회 배열되고 피검체의 원형스캔 회전축과 평행하게 배열된 판형 콜리메이터를 피검체의 원형스캔 회전축에 수직한 방향을 따라 일정 주기로 진동하면서 X선 발생원에서 발생된 X선을 상기 개방된 영역과 차단된 영역을 통해 선택적으로 통과시킴으로써 투과 영상을 획득하는 단계; 및
압축센싱 기반의 반복형 알고리즘을 사용하여 상기 투과 영상을 이미지 재구축하는 단계를 구비하는 X선 단층촬영 방법.
제7 항에 있어서,
상기 콜리메이터의 진동은 수Hz에서 수십 Hz 정도의 주기로 조절되는 것을 특징으로 하는 X선 단층촬영 방법.
제7 항에 있어서,
상기 콜리메이터의 진동은 랜덤, 싸인 함수, 또는 linear 함수로 진동하는 것을 특징으로 하는 X선 단층촬영 방법.