KR20070041754A - 기울어진 기하학적 구조를 이용한 3ｄ 재구성 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물체의 3D 단층 촬영 영상을 작성하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서는 방사선원(1), 특히 X-선원(X-ray source)이 운동 평면(6) 내에 있는 물체와 관련하여 회전 센터(rotating center)를 중심으로 움직인다. 상기 방사선원(1)은 광원뿔(light cone)(2) 내에서 방사선을 방출하며, 상기 광원뿔의 중앙 광선(3)이 물체에 부딪친다. 이때, 중앙 광선 내에는 방사선원에서 먼 쪽을 면한 물체의 측면에 상응하게 종동하는 검출기(4)가 배치되고, 물체에 의해 강도가 약화된 방사선이 상기 검출기에 부딪치게 된다. 이러한 운동은 중앙 광선(3)이 운동 평면(6)에 대해 임의의 각도만큼 기울어지는 방식으로 수행된다.

Description

기울어진 기하학적 구조를 이용한 3Ｄ 재구성{3D RECONSTRUCTION WITH OBLIQUE GEOMETRY}

본 발명은 물체의 3D 단층 촬영 영상을 작성하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법에서는 방사선원, 특히 X-선원(X-ray source)이 운동 평면 내에 있는 물체와 관련하여 회전 센터(rotating center)를 중심으로 움직인다. 상기 방사선원은 광원뿔(light cone) 내에서 방사선을 방출하며, 상기 광원뿔의 중앙 빔이 물체에 부딪친다. 이때, 중앙 빔 내에는 방사선원에서 먼 쪽을 면한 물체의 측면에 상응하게 종동하는 검출기가 배치되고, 물체에 의해 강도가 약화된 방사선이 상기 검출기에 부딪치게 된다. 본 발명은 또한 전술한 방법의 변형을 위한 장치와도 관련이 있다.

단층 촬영은 오늘날 의료 분야에서 방사선이 조사된 물체 및 인체의 영상을 작성하기 위해 이용되는 중요한 기술이다. 단층 촬영에서는 미리 정해진 트랙을 따라 물체 주변을 움직이는 X-선원에 의해 물체가 조사된다. 광선 경로 내에서 물체 뒤에는 검출기 요소들의 배열로 구성된 검출기가 배치되고, 상기 검출기 위로 물체가 투사된다. 각각의 검출기 요소는 상기 요소들의 배열에 부딪쳐 물체 내에서 흡수되어 약화된 X-선의 부분 광선들을 검출하며, 이때 상기 신호들로부터 컴퓨 터에 의해 영상이 작성된다.

전술한 기술에서는 원추형 광선이 이용되는데, 이 경우 X-선원이 물체로 광원뿔을 투사한다. 상기 물체의 2차원 투사체가 검출기 요소들에 부딪친다. 광원과 검출기의 운동에 의해 서로 다른 방향에서의 투사체들이 수집되는데, 이때 광원과 검출기 상호간의 배치는 변하지 않고 유지된다. 이 기술을 통해 조사된 물체의 체적 재구성이 가능하다. 매우 바람직한 한 배치에서는, X-선원과 검출기가 중심축을 중심으로 물체 주변을 회전하는 C-arm의 끝에 각각 배치되고, 이 경우 다수의 2차원 영상이 촬영된다. 상기 투사체들로부터 3차원 물체가 재구성될 수 있다. 공지된 일차 광선 기술에서는 방사선원이 원추형 운동 또는 타원형 운동을 수행하는데, 이때 중앙 광선이 회전축에 수직으로 뻗는다.

3차원 물체의 재구성을 위해 펠트캄프(Feldkamp)의 일차 광선 기술이 이용된다("Praktische Primaerstrahlalgorithmen(Practical primary beam algorithm)", L.A. Feldkamp 및 J. Opt. Soc. Am. A 공저/ 제 1판, Nr. 6, 1984년 6월). "여과 후 역투사(filtered backprojection, FBP)"라는 용어로도 알려져 있는 상기 기법에서는, 먼저 모든 투사 영상이 여과된 다음 입체적 형태로 역투사된다. 이 기법은 상용 단층 촬영 스캐너, 특히 나선식 CT(Spiral CT) 또는 일차 광선 C-arm에서 사용된다.

상기 기법에서는 3차원 디스플레이가 올바르게 재구성될 수 있도록 하기 위해 상기와 같은 기하학적 구조의 보정 시스템이 필요하다. 보정은 스캐닝 중에 실시간으로 수행될 수도 있고 오프라인으로 수행될 수도 있는데, 오프라인 보정은 공 지되어 있는 기하학적 구조를 가진 참조 대상(보정 모델)을 기준으로 1회 실시된다.

기존에 공지된 방법들의 단점은, 상기 방법들이, 특히 치과용 애플리케이션에서, 인공물(artifact)을 포함하는 객체 내부의 불균질성에 민감하게 반응한다는 사실에 있다. 이와 관련하여 특히 사람 턱의 단층 촬영에 의한 영상 작성을 언급할 수 있는데, 그러한 영상의 품질은 치아에 씌워진 금속 치관들의 분포에 따라 크게 좌우된다. 또한, 공지되어 있는 방법들에서는 인체의 개별 해부도를 고려하기가 어렵다.

본 발명의 목적은, 간단한 수단을 이용하여 저렴한 비용으로 변형될 수 있으면서 낮은 조사선량에서 높은 영상 품질을 보증하는 일반적인 방법을 제공하는 것이다. 또한, 상기 방법을 변형하기 위한, 물리적으로 간단하게 구성된 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은 청구항 1에 제시된 특징들을 가진 방법 및 청구항 8에 따른 장치를 통해 달성된다. 본 발명의 특별한 구현형의 특징들은 각각의 종속항들에 언급되어 있다.

본 발명의 핵심은, 중앙 광선이 기존과 같이 운동 평면 내에서 방사되지 않고, 상기 운동 평면에 대해 임의의 경사각으로 기울어져서 방사되는 촬영 기법 및 관련 일차 광선 장비를 제공하는 것이다. 여기서 말하는 운동은 대부분의 경우 검사 대상을 중심으로 한 회전이며, 그에 상응하여 중앙 광선은 회전 평면에 대해 기울어지기 때문에 더 이상 회전축에 수직으로 뻗지 않는다.

회전 운동에, 나선식 CT에서와 같이, 회전축을 따르는 선형 운동이 중첩되는 현상이 방지되지 않을 수도 있다. 이러한 경우 운동 평면이 기울어져서 나선을 형성한다. 본 발명에 따르면 상기 경우에도 중앙 광선과 회전축이 90°와 같지 않은 각도를 형성한다. 또 다른 특수한 경우, 예컨대 하악 촬영시 어깨 부분을 공백 처리하기 위한 경우, 특정 각도 영역에서 회전 운동의 평면을 벗어난 후 추후 다시 상기 평면으로 복귀하는 것이 바람직할 수 있다. 이때, 방사선원과 검출기가 먼저 상향 운동을 실행한 다음 다시 이전의 운동 평면으로 하강한다. 이 경우, 운동이 본질적으로 끝난다. 이러한 특수한 경우들도 본 발명에 포함된다.

그러나 영상을 수학적으로 더 간단하게 재구성하고 상기 영상의 내용을 더 수월하게 해석할 수 있다는 측면에서 C-arm을 통한 종래의 검사에서처럼 회전 평면이 회전축에 수직으로 배치되고, 운동 궤도가 타원형이거나 원형인 것이 매우 바람직하다. 본 발명의 이러한 실시예의 또 다른 장점은 간단한 물리적 변형에 있다. 본 발명의 장점은 일반적으로 방사선량 및 인공물의 감소에 있으며, 이는 영상 품질의 향상에 상당한 기여를 한다. 하기에서는 치과용 애플리케이션에서의 해부학적 장점들을 더 상세히 설명한다.

본 장점들은, X-선원 및 검출기로 구성된 시스템의 회전축이 지금까지는 중앙 X-선에 오직 수직으로 배치되었던 공지된 C-arm과 관련한 본 발명의 변형시 특히 중요하다. 물론, 본 발명에 따라 중앙 광선이 회전축에 대해 수직으로 배치되지 않는 경우에도 시스템의 보정은 가능하다.

본 발명의 한 특별한 장점은 물리적 배치에 있으며, C-arm을 이용한 치과학 촬영시 효과적이다. 상기 치과학 촬영시 중앙 광선의 각도는 상기 중앙 광선 아래쪽의 주변 광선(marginal ray)이 대략 수평으로 뻗도록 조정될 수 있다. 상기 조정의 기하학적 구조는 한 편으로 검출기가 환자의 어깨를 수월하게 통과할 수 있도록 한다. 이때, 검출기가 환자에게 더 가까이 접근할 수 있기 때문에 영상으로 촬영되는 체적이 더 확대될 수 있고, 장비의 치수들이 최적화될 수 있다.

또 다른 한 장점은 방사선량의 흡수와 관련이 있다. 즉, 기울어진 기하학적 구조로 인해, 예컨대 매우 민감하거나 방사선 흡수력이 높은 두개저(skull base)와 같은 해부학적 구조들이 광선 경로 내부로 진입되지 않도록 할 수 있다. 그 결과, 예컨대 방사선을 강화시키는 산물과 같이, 상기 해부학적 구조들에 의해 나타나는 측정 오류가 방지된다. 그럼으로써 동일한 영상 품질에서 환자에게 조사되는 방사선량이 감소할 수 있다.

또한, 본 발명을 통해 금속 물체에 의해 발생하는 인공물이 감소하는 장점이 얻어진다. 즉, 예컨대 치과용 충전재(dental filling)가 더 많이 존재하는 경우와 같이, 흡수율 증대(폐색(occlusion)에 의해 발생하는 금속 인공물들이 바로 C-arm에서 방지된다. 이 경우, 흡수력이 강한 물체들은 X-선을 완전히 흡수할 수 있고, 이는 촬영된 데이터 기록 내에서 정보 오류와 같이 작용한다. 이러한 정보 손실은 특히 재투사 프로세스가 합산 방식으로 이루어지는 전형적인 재구성 알고리즘이 사용되는 경우에 오류를 발생시키며, 이때 폐색이 나타나는 경우에는 합산이 일관되지 않아서 허용 범위 밖의 값들이 포화 상태에 이른다.

분석을 위해, 전술한 펠트캄프 재구성 원리를 이용하는 것이 바람직하다. 상기 원리에서는 입체적 디스플레이의 재구성을 위해 여러 각도에서 촬영된 모든 부분 광선들이 합쳐진다. 이 경우, 계산의 복잡도를 줄이기 위해 더 이상 중첩될 수 없는 대각들(0°와 180°)로부터의 투사체들이 고려되는 것이 바람직하다. 중앙 광선이 회전축에 대해 수직으로 정렬되지 않음으로써, 재투사 단계에서 정보의 미보상으로 인해 야기되는 인공물의 생성이 감소할 수 있다. 미보상 정보에 의해 발생하는 인공물보다 금속 흡수력에 의한 인공물이 훨씬 더 강력하다는 사실이 실험을 통해 밝혀졌다. 따라서 본 발명에서의 악영향은 아주 미미하다.

C-arm의 경우 특정 오프라인 보정 모델의 일차 광선 재구성을 사용하는 것이 바람직하다("Kalibrierungsdummys fuer bildgebende Roentgensysteme(X-선 영상 시스템을 위한 보정 모델)", Mitschke 외 공저, 미국 특허공보 제 6,715,918호). 상기 모델은 이진 부호를 나타내는 구체(ball)들로 구성된 원형 코일이다. 투사된 구체들은 변형될 수 있는 패턴을 형성한다. 따라서 각 구체의 위치는 3차원 공간과 2차원 영상 모두에서 공지된다. 기하학적 구조는 투사 행렬(projection matrix)의 변환을 통해 알 수 있다. 상기 행렬들은 3차원 디스플레이를 재구성하는데 사용된다. 상기 모델은 모든 일차 광선 기하학 하에서 회전축, 중심 광선, 검출기 면적의 모든 배치를 사용할 수 있도록 한다.

하기에서는 도면들을 참고로 본 발명을 더 상세히 설명한다.

도 1은 광원 및 검출기를 구비한 일차 광선 스캐너 시스템의 개략도이다.

도 2는 치과용 일차 광선 스캐너의 기울어진 기하학적 구조를 도시한 도면이다.

도 3은 치과용 충전재를 관통하는 광선을 도시한 도면이다.

도 1에는 X-선 소오스(1)를 구비한 일차 광선 스캐너 시스템이 개략적으로 도시되어 있다. 상기 소오스(1)는 중앙 광선(3)을 가진 광원뿔(2)을 방사한다. 상기 광선(2)은 도시되지 않은 물체를 통과한 후 다수의 개별 검출기를 포함한 검출기 배열(4)에 부딪친다. 각각의 검출기는 물체의 조사(irradiation)로 인해 약화된 광원뿔(2)의 부분 광선을 검출한다. 추후 상기 물체의 3차원 재구성 영상의 작성을 위해, 소오스(1)와 검출기(4)로 이루어진 배치 구조가 축(5)을 중심으로 회전한다(화살표 A). 상기 회전 운동은 도면에 표시된 평면(6)에 평행한 한 평면을 정의한다. 본 발명에서는 중앙 광선(3)이 상기 운동 평면(6)에 대해 각도 α만큼 기울어지게 배치된다. 각 α는 조건에 따라 조정될 수 있다. 중앙 광선(3)이 검출기(4)에 수직으로 부딪치는 도 1a에 따른 실시예와 달리, 도 1b에 따른 검출기의 배치는 회전축(5)에 평행하다. 따라서 상기 두 실시예는 수학적 분석에 기초한 형식주의에 있어서만 차이가 있다.

도 2에는, X-선원(8) 및 기울어지게 배치된 검출기(9)를 구비하고 축(7)을 중심으로 회전 가능한 "C-arm"이 도시되어 있다. 광원뿔(10)은 환자(11)의 하부 두개(cranium)를 조사한다. X-선원(8)과 검출기의 기울기는 하부 주변 광선(12)이 수평으로 뻗도록 선택된 것을 명백히 알 수 있다. 이러한 배치에 의해 어깨가 조 사되지 않도록 할 수 있고, 검출기(9)가 상대적으로 환자(11)에게 더 가깝게 접근될 수 있다.

도 3에서는 동일한 "C-arm"의 구조를 볼 수 있는데, 여기서는 환자의 하악(12)이 도시되어 있다. 하악의 치아들 내에는 금속 충전재(13)가 존재하며, 이 충전재들은 영역 14 내부의 광선을 차폐함으로써 재구성에서 오류를 야기한다. 그러나 기울어진 구조로 인해 존재하는 3개의 충전재(13)가 모두 관여되지 않고, 원칙적으로 단 1개의 충전재만 관여되는 것을 명백히 알 수 있다. 그럼으로써 폐색이 방지된다.

Claims (11)

1. 물체의 3D 단층 촬영 영상을 작성하는 방법으로서,

   방사선원(1), 특히 X-선원(X-ray source)이 운동 평면(6) 내에 있는 물체와 관련하여 회전 센터(rotating center)를 중심으로 움직이고, 상기 방사선원(1)은 광원뿔(radiation cone)(2) 내에서 방사선을 방출하며, 상기 광원뿔의 중앙 광선(3)이 물체에 부딪치고, 상기 중앙 광선 내에는 방사선원에서 먼 쪽을 면한 물체의 측면에 상응하게 종동하는 검출기(4)가 배치되며, 상기 물체에 의해 강도가 약화된 방사선이 상기 검출기에 부딪치게 되며,

   상기 운동은 상기 중앙 광선(3)이 상기 운동 평면(6)에 대해 임의의 각도만큼 기울어지는 방식으로 수행되는,

   물체의 3D 단층 촬영 영상의 작성 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 검출기(4)는 검출기 요소들의 배열을 포함하고, 상기 운동이 수행되는 동안 상기 물체가 상기 배열에 투사되며, 상기 운동을 통해 수집된 검출기 요소들의 신호들로부터 3차원 정보를 가진 단층 촬영 영상이 작성되는,

   물체의 3D 단층 촬영 영상의 작성 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 방사선원(1)은 원추면 궤도, 특히 원형 또는 타원형 궤도상에서 물체 주변으로 안내되고, 상기 중앙 광선(3)의 광선 경로 내에 놓인 검출기(4)가 상기 운동을 상응하게 재현하는,

   물체의 3D 단층 촬영 영상의 작성 방법.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 검출기 배열에 적어도 거의 전체 광원뿔(2)이 부딪치고, 상기 검출기 배열의 활성 면이 상기 중앙 광선(3)에 수직으로 놓이는,

   물체의 3D 단층 촬영 영상의 작성 방법.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 검출기 배열에 적어도 거의 전체 광원뿔(2)이 부딪치고, 상기 검출기 배열의 활성 면이 상기 회전축(5)에 평행하게 놓이는,

   물체의 3D 단층 촬영 영상의 작성 방법.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 방사선원(1, 8) 및/또는 상기 검출기(4, 9)의 경사각이 상기 운동 동안 변하는,

   물체의 3D 단층 촬영 영상의 작성 방법.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 방사선원(1, 8)과 상기 검출기(4, 9)로 구성된 시스템이 상기 회전 동안 상기 회전축을 따라 움직이는,

   물체의 3D 단층 촬영 영상의 작성 방법.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기 위한, X-선원(8) 및 검출기(9)를 포함한 장치, 특히 C-arm으로서,

   상기 X-선원(8)의 광원뿔(10)이 상기 검출기(9)의 검출기 요소들의 배열에 부딪치고, 상기 장치는 회전축(7)을 중심으로 회전할 수 있으며,

   상기 광원뿔(2, 10)의 중앙 광선(3)이 상기 회전 평면에 대해 기울어져서 배치되는,

   X-선원(8) 및 검출기(9)를 포함한 장치.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 방사선원(1, 8) 및/또는 상기 검출기(4, 9)의 경사각은 조정 가능한,

   X-선원(8) 및 검출기(9)를 포함한 장치.
10. 제 8항 또는 제 9항에 있어서,

    상기 회전시 상기 광원뿔(2, 10)의 하부 주변 광선(marginal ray)(12)이 수평 평면을 스쳐 지나가는,

    X-선원(8) 및 검출기(9)를 포함한 장치.
11. X-선 디스플레이 장비, 특히 일차 광선 기술을 사용하는 C-arm에서 사용되는, 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 방법의 용도.

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