KR20150039241A - 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
엑스선 영상 장치의 일 실시예로서, 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선을 순차적으로 대상체에 조사하는 엑스선 발생부; 상기 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 상기 복수의 에너지 대역에 대응되는 복수의 엑스선 데이터를 획득하는 엑스선 검출부; 상기 획득한 복수의 엑스선 데이터를 복수의 엑스선 영상으로 변환하고, 상기 복수의 엑스선 영상으로부터 상기 대상체의 혈관 엑스선 영상을 분리하는 영상 처리부; 및 상기 순차적으로 조사되는 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선이 일정 주기마다 반복하여 조사되도록 상기 엑스선 발생부의 동작을 제어하는 제어부 포함하되, 상기 엑스선 발생부는 각 주기에서 상기 복수의 엑스선을 제1시간 간격 마다 순차적으로 상기 대상체에 조사하고, 상기 제1시간 간격은 한 주기의 마지막 엑스선이 조사된 시점부터 다음 주기의 첫 엑스선이 조사된 시점 사이의 간격인 제2시간 간격과 다를 수 있다.
Description
본 발명은 대상체에 엑스선을 투과시켜 엑스선 영상을 생성하는 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
엑스선 영상 장치는 대상체에 엑스선을 조사하고 대상체를 투과한 엑스선을 이용하여 대상체의 내부 영상을 획득할 수 있는 장치이다. 대상체를 구성하는 물질의 특성에 따라 엑스선의 투과성이 다르므로, 대상체를 투과한 엑스선의 세기 또는 강도를 검출하여 대상체의 내부구조를 영상화할 수 있다.
구체적으로, 엑스선 발생부에서 엑스선을 발생시켜 대상체에 조사하면 엑스선 검출부가 대상체를 투과한 엑스선을 검출하고 검출된 엑스선을 전기적인 신호로 변환한다. 전기적인 신호의 변환은 픽셀 별로 이루어지기 때문에 각 픽셀에 대응되는 전기적인 신호를 조합하여 하나의 엑스선 영상을 얻을 수 있다.
엑스선 영상의 일환으로 디지털 감산 혈관 조영(digital subtraction angiography) 영상이 많이 활용된다. 기존의 조영 영상으로부터 혈관을 추출하는 방법은 영상의 질이 현저히 떨어지고, 엑스선 촬영시 심한 조명 변화가 발생하는 문제가 있었다. 그러나 디지털 감산 혈관 조영술은 잡음과 명암 대비가 심한 영상에서 혈관 영역을 두드러지게 표현할 수 있어 종래에 발생하던 문제를 제어할 수 있어, 그 활용 빈도가 높아지게 되었다.
엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법의 일 측면은 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선을 비 균일하게 생성하여 시간에 따른 조영제의 확산 정도로부터 발생하는 오차를 줄일 수 있는 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법을 제공한다.
엑스선 영상 장치의 일 실시예로서, 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선을 순차적으로 대상체에 조사하는 엑스선 발생부; 상기 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 상기 복수의 에너지 대역에 대응되는 복수의 엑스선 데이터를 획득하는 엑스선 검출부; 상기 획득한 복수의 엑스선 데이터를 복수의 엑스선 영상으로 변환하고, 상기 복수의 엑스선 영상으로부터 상기 대상체의 혈관 엑스선 영상을 분리하는 영상 처리부; 및 상기 순차적으로 조사되는 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선이 일정 주기마다 반복하여 조사되도록 상기 엑스선 발생부의 동작을 제어하는 제어부 포함하되, 상기 엑스선 발생부는 각 주기에서 상기 복수의 엑스선을 제1시간 간격 마다 순차적으로 상기 대상체에 조사하고, 상기 제1시간 간격은 한 주기의 마지막 엑스선이 조사된 시점부터 다음 주기의 첫 엑스선이 조사된 시점 사이의 간격인 제2시간 간격과 다를 수 있다.
엑스선 영상 장치 제어 방법의 일 실시예로서, 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선을 순차적으로 대상체에 조사하는 엑스선 조사 단계; 상기 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 상기 복수의 에너지 대역에 대응되는 복수의 엑스선 데이터를 획득하는 엑스선 데이터 획득 단계; 상기 획득한 복수의 엑스선 데이터를 복수의 엑스선 영상으로 변환하고, 상기 복수의 엑스선 영상으로부터 상기 대상체의 혈관 엑스선 영상을 분리하는 영상 처리 단계; 및 상기 엑스선 조사 단계가 일정 주기마다 반복되도록 제어하는 제어단계를 포함하되, 상기 엑스선 조사 단계는 각 주기에서 상기 복수의 엑스선을 제1시간 간격 마다 순차적으로 상기 대상체에 조사하고, 상기 제1시간 간격은 한 주기의 마지막 엑스선이 조사된 시점부터 다음 주기의 첫 엑스선이 조사된 시점 사이의 간격인 제2시간 간격과 다를 수 있다.
엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법의 일 측면에 따르면, 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선을 비 균일하게 조사하여 움직임에 의한 오차(motion artifact)를 줄일 수 있게 되고, 이에 따라 혈관 영상의 화질 저하를 막을 수 있다.
도 1은 일반적인 엑스선 영상 장치를 예시한 외관도이다.
도 2는 혈관 조영을 위한 엑스선 영상 장치를 예시한 외관도이다.
도 3에는 엑스선 영상 장치의 일 실시예에 관한 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 4은 엑스선 튜브의 구성을 예시한 도면이다.
도 5는 에너지와 감쇠계수와의 관계를 대상체 내부의 물질별로 나타낸 그래프이다.
도 6는 종래의 시간 감산법에서 사용되는 엑스선 영상을 간략하게 도시한 도면이다.
도 7a는 종래의 시간 감산법에 따라 엑스선을 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 종래의 시간 감산법에 따라 혈관 엑스선 영상을 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 에너지 감산법에 따라 엑스선을 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8b는 에너지 감산법에 따라 혈관 엑스선 영상을 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a는 균일하게 다중 에너지 엑스선을 순차적으로 조사할 때 생성되는 엑스선 펄스를 도시한 도면이다.
도 9b는 비 균일하게 다중 에너지 엑스선을 순차적으로 조사할 때 생성되는 엑스선 펄스를 도시한 도면이다.
도 10은 세 종류의 에너지를 가지는 엑스선이 비 균일하게 조사될 때 생성되는 엑스선 펄스를 도시한 도면이다.
도 11은 혈관 엑스선 영상을 획득 시점에 따라 구분하여 동시에 표시한 화면을 도시한 도면이다.
도 12는 복수의 혈관 엑스선 영상을 중첩하여 표시한 화면을 도시한 도면이다.
도 13은 혈관 엑스선 영상에서 혈관 영역의 색 또는 음영을 영상의 획득 시점에 따라 달리하여 표시할 수도 있다.
도 14은 각 시점에서 획득한 혈관 엑스선 영상을 동시에 화면에 표시한 화면으로, 배경 영역과 혈류 영역의 색을 달리한 도면이다.
도 15는 에너지 감산법의 흐름도이다.
도 16는 엑스선이 비 균일하게 조사되는 에너지 감산법의 흐름도이다.
도 2는 혈관 조영을 위한 엑스선 영상 장치를 예시한 외관도이다.
도 3에는 엑스선 영상 장치의 일 실시예에 관한 제어 블록도를 도시한 도면이다.
도 4은 엑스선 튜브의 구성을 예시한 도면이다.
도 5는 에너지와 감쇠계수와의 관계를 대상체 내부의 물질별로 나타낸 그래프이다.
도 6는 종래의 시간 감산법에서 사용되는 엑스선 영상을 간략하게 도시한 도면이다.
도 7a는 종래의 시간 감산법에 따라 엑스선을 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 종래의 시간 감산법에 따라 혈관 엑스선 영상을 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 에너지 감산법에 따라 엑스선을 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8b는 에너지 감산법에 따라 혈관 엑스선 영상을 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a는 균일하게 다중 에너지 엑스선을 순차적으로 조사할 때 생성되는 엑스선 펄스를 도시한 도면이다.
도 9b는 비 균일하게 다중 에너지 엑스선을 순차적으로 조사할 때 생성되는 엑스선 펄스를 도시한 도면이다.
도 10은 세 종류의 에너지를 가지는 엑스선이 비 균일하게 조사될 때 생성되는 엑스선 펄스를 도시한 도면이다.
도 11은 혈관 엑스선 영상을 획득 시점에 따라 구분하여 동시에 표시한 화면을 도시한 도면이다.
도 12는 복수의 혈관 엑스선 영상을 중첩하여 표시한 화면을 도시한 도면이다.
도 13은 혈관 엑스선 영상에서 혈관 영역의 색 또는 음영을 영상의 획득 시점에 따라 달리하여 표시할 수도 있다.
도 14은 각 시점에서 획득한 혈관 엑스선 영상을 동시에 화면에 표시한 화면으로, 배경 영역과 혈류 영역의 색을 달리한 도면이다.
도 15는 에너지 감산법의 흐름도이다.
도 16는 엑스선이 비 균일하게 조사되는 에너지 감산법의 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 측면에 따른 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법에 관한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
엑스선 영상 장치는 촬영 부위, 엑스선 영상의 종류 또는 촬영 목적에 따라 그 구조나 촬영 방식이 달라질 수 있다. 구체적으로, 흉부, 팔, 다리 등을 촬영하는 일반적인 엑스선 영상 장치, 유방 촬영 기술인 맘모그래피(mammography)를 이용한 엑스선 영상 장치, 형광 투시법(fluoroscopy)을 이용한 엑스선 영상 장치, 혈관 조영술(angiography) 또는 심혈관 조영술(cardiovascular angiography)을 이용한 엑스선 영상 장치, 단층 촬영법(computed tomography)을 이용한 엑스선 영상 장치 등이 있는바, 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치는 상기 엑스선 영상 장치 중 어느 하나이거나, 두 종류 이상의 엑스선 영상 장치가 결합된 것일 수도 있다.
도 1은 일반적인 엑스선 영상 장치를 예시한 외관도이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 엑스선 영상 장치는 엑스선 발생부(110), 엑스선 검출부(120), 호스트 장치(170)을 포함할 수 있다.
엑스선 발생부(110)는 대상체(35)에 대한 엑스선 영상을 얻기 위하여 엑스선을 발생시키고, 발생된 엑스선을 피검체(30)에 조사할 수 있다.
여기서 피검체(subject; 30)는 인간이나 동물의 생체가 될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 엑스선 영상 장치(100)에 의해 그 내부 구조가 영상화 될 수 있는 것이면 피검체(30)가 될 수 있다..
또한, 대상체(35)는 피검체(30) 내부에서 엑스선 영상 장치(100)를 이용한 진단의 대상이 되는 부분, 즉 엑스선 촬영 부위를 의미한다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 피검체(35)가 테이블 위에 눕혀진 경우, 대상체(35)는 머리, 흉부, 팔, 다리 등이 될 수 있다.
엑스선 발생부(110)는 천장에서 테이블 길이 방향으로 이동 가능하게 장착될 수 있다. 엑스선 발생부(110)가 테이블 길이 방향으로 이동됨으로써, 엑스선 발생부(110)의 위치가 대상체(35)의 위치에 대응되도록 할 수 있다.
엑스선 검출부(120)는, 대상체(35)를 사이에 두고 엑스선 발생부(110) 반대편에 배치되어, 엑스선 발생부(110)에서 조사되어 대상체(35)를 투과한 엑스선을 검출할 수 있다. 또한, 엑스선 검출부(120)는 검출된 엑스선을 전기적 신호로 변환할 수 있다.
엑스선 검출부(120)를 테이블 내부에서 테이블 길이 방향으로 이동 가능하게 장착될 수 있다. 엑스선 발생부(110)와 마찬가지로, 엑스선 검출부(120)의 위치를 테이블 길이 방향에서 대상체(35)의 위치에 대응되게 이동시킬 수 있다.
도 1에 도시된 바와 달리, 피검체(30)를 테이블 위에 눕히고, 엑스선 발생부(110)를 천장에서 테이블 길이 방향으로 이동 가능하게 장착하고, 엑스선 검출부(120)를 테이블 내부에서 테이블 길이 방향으로 이동 가능하게 장착하는 것도 가능하다.
호스트 장치(170)에는 사용자로부터 명령을 입력 받는 입력부(171)와 엑스선 영상을 표시하는 디스플레이부(172)가 구비되어, 사용자 인터페이스를 제공할 수 있다. 여기서 사용자는 엑스선 영상 장치(100)를 이용하여 대상체(35)의 진단을 수행하는 자로서 의사, 방사선사, 간호사 등을 포함하는 의료진일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 엑스선 영상 장치(100)를 사용하는 자이면 모두 사용자가 될 수 있는 것으로 한다.
입력부(171)의 구성에 있어, 스위치, 키보드, 트랙볼, 터치 스크린 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
디스플레이부(172)는 브라운관(Cathod Ray Tube: CRT)이나, 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display: LCD), 유기 발광다이오드 표시장치(Light Emitting Diode: LED) 등으로 적용할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
도 2는 혈관 조영을 위한 엑스선 영상 장치를 예시한 외관도이다.
엑스선 영상 장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같은 C-arm 구조를 가질 수 있다. 엑스선 발생 어셈블리(107)와 엑스선 검출부(120)는 C 형상의 암(C-arm)(101)의 양쪽 단부에 각각 장착될 수 있다. C-arm(101)은 연결축(105)을 통해 본체(103)와 연결되며 오비탈 방향(orbital direction)으로 회전할 수 있다.
엑스선 발생 어셈블리(107)의 내부에는 엑스선 발생부(110), 콜리메이터(131) 및 필터링부(140)가 구비될 수 있다. 엑스선 발생 어셈블리(107)와 엑스선 검출부(120) 사이에는 환자 테이블(109)이 위치하고 환자 테이블(109) 상에 대상체가 위치하면 엑스선 발생부(110)가 대상체에 엑스선을 조사하고 엑스선 검출부(120)가 조사된 엑스선을 검출하여 대상체에 대한 엑스선 영상을 획득한다.
혈관 조영을 위한 엑스선 영상 장치(100)는 다양한 이미징 모드에 따라 엑스선 촬영을 수행할 수 있고, 대상체에 대한 실시간 동영상을 얻을 수 있는바, 사용자는 복수의 화면을 구비하여 시술 또는 진단에 필요한 여러 영상을 표시 할 수 있는 디스플레이부(172)를 보면서 시술 또는 진단을 수행할 수 있다.
사용자는 엑스선 영상 장치(100)에 구비된 입력부(171)를 통해 필요한 정보를 입력할 수 있다. 예를 들어, 후술할 엑스선 발생부가 엑스선을 반복하여 조사하도록 입력부를 통해 주기를 입력할 수 있다. 입력된 주기는 제어부(140)에 전달되어, 제어부(140)가 입력된 주기에 따라 엑스선 발생부(110)를 제어할 수 있다.
도 3에는 엑스선 영상 장치의 일 실시예에 관한 제어 블록도가 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 엑스선 영상 장치(100)의 일 실시예는 엑스선을 발생시켜 대상체(35)에 조사하는 엑스선 발생부(110), 대상체(35)를 투과한 엑스선을 검출하여 엑스선 데이터를 획득하는 엑스선 검출부(120), 엑스선 데이터를 엑스선 영상으로 변환하는 영상 처리부(130)를 포함한다. 또한 엑스선 발생부(110)의 엑스선 조사 패턴을 제어하는 제어부(140)를 포함할 수 있다.
엑스선 발생부(110)는 엑스선을 발생시켜 대상체(35)에 조사한다. 엑스선 발생부(110)는 전원 공급부(미도시)로부터 전원을 공급받아 엑스선을 발생시키며, 관전압에 의해 엑스선의 에너지가 제어될 수 있고, 관전류 및 엑스선 노출 시간에 의해 엑스선의 세기 또는 선량이 제어될 수 있다.
엑스선 발생부(110)는 단색광(monochromatic) 엑스선 또는 다색광(polychromatic) 엑스선을 조사할 수 있으나, 당해 실시예에서는, 엑스선 발생부(110)가 일정 에너지 대역을 갖는 다색광 엑스선을 조사하는 것으로 하고, 조사되는 엑스선의 에너지 대역은 상한과 하한에 의해 정의되는 것으로 한다.
엑스선 발생부(110)는 엑스선을 발생시키는 엑스선 튜브(111)를 포함한다.
도 4은 엑스선 튜브의 구성을 예시한 도면이다.
도 4을 참조하면, 엑스선 튜브(111)는 양극(111c)과 음극(111e)을 포함하는 2극 진공관으로 구현될 수 있고, 관체는 규산경질 유리 등을 재료로 하는 유리관(111a)일 수 있다.
음극(111e)은 필라멘트(111h)와 전자를 집속시키는 집속 전극(111g)을 포함하며, 집속 전극(111g)은 포커싱 컵(focusing cup)이라고도 한다. 유리관(111a) 내부를 약 10mmHg 정도의 고진공 상태로 만들고 음극의 필라멘트(111h)를 고온으로 가열하여 열전자를 발생시킨다. 필라멘트(111h)의 일 예로 텅스텐 필라멘트를 사용할 수 있고 필라멘트에 연결된 전기도선(111f)에 전류를 가하여 필라멘트(111h)를 가열할 수 있다. 다만, 개시된 발명의 실시예가 음극(111e)에 필라멘트(111h)를 채용하는 것에 한정되는 것은 아니며, 고속 펄스로 구동 가능한 카본 나노 튜브(carbon nano-tube)를 음극으로 하는 것도 가능하다.
양극(111c)은 주로 구리로 구성되고, 음극(111e)과 마주보는 쪽에 타겟 물질(111d)이 도포 또는 배치되며, 타겟 물질로는 Cr, Fe, Co, Ni, W, Mo 등의 고저항 재료들이 사용될 수 있다. 타겟 물질의 녹는점이 높을수록 초점 크기(focal spot size)가 작아진다.
그리고 음극(111e)과 양극(111c) 사이에 고전압을 걸어주면 열전자가 가속되어 양극의 타겟 물질(111d)에 충돌하면서 엑스선을 발생시킨다. 발생된 엑스선은 윈도우(111i)를 통해 외부로 조사되며, 윈도우의 재료로는 베릴륨(Be) 박막을 사용할 수 있다.
타겟 물질(111d)은 로터(111b)에 의해 회전할 수 있으며, 타겟 물질(111d)이 회전하게 되면 고정된 경우에 비해 열 축적율이 단위 면적당 10배 이상 증대될 수 있고, 초점 크기가 감소된다.
엑스선 튜브(111)의 음극(111e)과 양극(111c) 사이에 가해지는 전압을 관전압이라 하며, 그 크기는 파고치 kvp로 표시할 수 있다. 관전압이 증가하면 열전자의 속도가 증가되고 결과적으로 타겟 물질에 충돌하여 발생되는 엑스선의 에너지(광자의 에너지)가 증가된다. 엑스선 튜브(111)에 흐르는 전류는 관전류라 하며 평균치 mA로 표시할 수 있고, 관전류가 증가하면 엑스선의 선량(엑스선 광자의 수)이 증가된다.
따라서, 관전압에 의해 엑스선의 에너지 대역이 제어될 수 있고, 관전류 및 엑스선 노출 시간에 의해 엑스선의 강도 또는 선량이 제어될 수 있는바, 대상체(35)의 종류나 특성에 따라 조사되는 엑스선의 에너지 대역 및 강도를 제어할 수 있다.
엑스선 발생부(110)는 위에서 설명한 엑스선 튜브(111)를 이용하여 엑스선을 발생시키고, 발생된 엑스선을 피검체(30)에, 더 정확하게는 대상체(35)에, 조사한다.
엑스선 발생부(110)로부터 대상체(35)에 엑스선이 조사되면, 대상체(35) 내부의 물질에 따라, 그리고 조사되는 엑스선의 에너지 대역에 따라 엑스선이 감쇠하는 정도가 달라진다. 여기서, 엑스선이 감쇠하는 정도를 수치적으로 나타낸 것을 감쇠계수(attenuation coefficient)라고 한다.
첫째로, 대상체(35) 내부의 물질에 따라 감쇠계수가 달라진다.
그 예를 위해, 도 5를 참조하여 살펴보도록 한다. 도 5는 에너지와 감쇠계수와의 관계를 대상체 내부의 물질별로 나타낸 그래프이다. x축은 대상체(35)에 조사되는 광자 에너지를 의미하고, y축은 감쇠계수를 나타낸다.
도 5의 그래프를 보면, 뼈의 감쇠계수를 나타내는 곡선이 연조직(근육, 지방)의 감쇠계수를 나타내는 곡선보다 위에 위치하고 요도드의 감쇠계수를 나타내는 곡선이 뼈의 감쇠계수를 나타내는 곡선보다 위에 위치한다. 구체적으로, 동일한 에너지 대역의 엑스선 예를 들어 E1이 조사될 때, 뼈의 감쇠계수는(B1)는 근육의 감쇠계수(M1)보다 크고, 근육의 감쇠계수(M1)는 지방의 감쇠계수(F1)보다 크며, 요오드의 감쇠계수(I1)는 뼈의 감쇠계수(B1)보다 크다.
즉, 대상체(35) 내부의 서로 다른 물질은 서로 다른 감쇠계수를 갖고, 원자번호 또는 밀도가 높을수록 감쇠계수가 증가하게 된다.
둘째로, 조사되는 엑스선의 에너지 대역에 따라 감쇠계수가 달라진다.
도 5의 그래프에서, 대상체(35) 내부의 물질인 뼈에 대하여 에너지 대역이 E1, E2인 엑스선이 각각 조사될 때, 에너지 대역이 낮은 E1에서의 감쇠계수(μ1)가 에너지 대역이 높은 E2에서의 감쇠계수(μ2)보다 크다. 대상체(35) 내부의 물질이 근육이나 지방인 경우에도, 에너지 대역이 낮은 E1이 조사될 때의 감쇠계수(M1, F1)가 에너지 대역이 높은 E2이 조사될 때의 감쇠계수(M2, F2)보다 크다는 것을 각각 확인할 수 있다. 또한, 요오드도 마찬가지임을 확인할 수 있다.
즉, 대상체(35)에 조사되는 엑스선의 에너지 대역이 낮을수록 감쇠계수가 증가하게 된다.
이와 같은 감쇠계수는 아래의 [수학식 1]로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
여기서, I0는 물질에 조사된 엑스선의 강도이고, I는 물질을 투과한 엑스선의 강도이며, μ(E)는 에너지 E를 갖는 엑스선에 대한 물질의 감쇠계수이다. T는 엑스선이 투과되는 물질의 두께이다.
[수학식 1]에 의하면 감쇠계수가 증가할수록(즉, 물질의 성질이 단단할수록 또는 조사되는 엑스선의 에너지 대역이 낮을수록), 그리고 물질의 두께가 두꺼울수록 투과한 엑스선의 강도가 작아짐을 알 수 있다.
혈관과 같은 동적 장기에 대한 엑스선 영상을 구하기 위해서는 복수회의 촬영이 요구된다. 따라서 일반적으로는 사용자가 입력부(171)를 통해 촬영 주기를 설정하고, 주기마다 대상체(35)로 엑스선을 조사하여 대상체의 시간에 따른 변화를 엑스선 영상에 반영하게 된다.
이 때, 혈관 엑스선 영상을 획득하기 위하여 조사되는 엑스선의 에너지 대역을 달리 할 수 있다. 즉, 조영제의 성분인 요오드의 감쇠계수가 조사되는 엑스선의 에너지 대역에 따라 다름을 이용하면 엑스선 영상에서 혈관에 대한 영상만을 분리해 낼 수 있다.
이를 위해 일정한 주기를 가지는 복수의 에너지 대역의 엑스선을 생성하고 대상체(35)에 순차적으로 조사할 수 있다. 이 과정에서 순차적으로 조사되는 엑스선의 조사 시간차에 의한 오차(motion artifact) 발생을 줄이기 위해, 엑스선은 비균일하게 조사될 수 있다. 이에 대하여는 후술하기로 한다.
다시 도 3를 참조하면, 엑스선 검출부(120)는 대상체(35)를 투과한 엑스선을 검출하고, 검출된 엑스선을 전기적인 신호로 변환하여 엑스선 데이터를 획득한다.
일반적으로, 엑스선 검출부(120)는 재료 구성 방식, 검출된 엑스선을 전기적인 신호로 변환시키는 방식 및 엑스선 데이터를 획득하는 방식에 따라 구분될 수 있는바, 이하 엑스선 검출부가 엑스선을 검출하고 검출된 엑스선을 전기적 신호로 변환하여 엑스선 데이터를 획득하는 다양한 방식에 대해 설명하도록 한다.
먼저 엑스선 검출부(120)는 엑스선을 전기적 신호로 변환시키는 방식에 따라 직접변환방식과 간접변환방식으로 구분된다.
직접변환방식에서는, 엑스선이 조사되면 수광 소자 내부에 일시적으로 전자-정공 쌍이 생성되고, 수광 소자의 양단에 인가되어 있는 전장에 의해 전자는 양극으로 정공은 음극으로 이동하는바, 엑스선 검출부가 이러한 이동을 전기적 신호로 변환한다. 직접변환방식에서 수광 소자에 사용되는 물질은 a-Se, CdZnTe, HgI2, PbI2 등이 있다.
간접변환방식에서는, 수광 소자와 엑스선 발생부 사이에 섬광체(scintillator)를 구비하여 엑스선 발생부에서 조사된 엑스선이 섬광체와 반응하여 가시광 영역의 파장을 갖는 광자(photon)를 방출하면 이를 수광 소자가 감지하여 전기적 신호로 변환한다. 간접변환방식에서 수광 소자로 사용되는 물질은 a-Si 등이 있고, 섬광체로는 박막 형태의 GADOX 섬광체, 마이크로 기둥형 또는 바늘 구조형 CSI(T1) 등이 사용된다.
또한, 엑스선 검출부는 엑스선 데이터를 획득하는 방식에 따라, 전하를 일정시간 동안 저장한 후에 그로부터 신호를 획득하는 전하 누적 방식(Charge Integration Mode)과 단일 엑스선 광자에 의해 신호가 발생될 때마다 문턱 에너지(threshold energy) 이상의 에너지를 갖는 광자를 계수하는 광자 계수 방식(Photon Counting Mode)으로 구분된다.
한편, 엑스선 검출부(120)의 재료 구성 방식과 전기적인 신호의 변환 방식에는 제한이 없으나 이하 상술할 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 엑스선으로부터 전기 신호를 직접 획득하는 직접 변환 방식 및 엑스선을 검출하는 수광 소자와 독출 회로 칩이 결합되는 하이브리드 방식을 적용하는 것으로 하여 구체적인 실시예를 설명하도록 한다.
엑스선 검출부(120)는 대상체(35)를 투과한 엑스선을 검출하고, 검출된 엑스선을 전기적인 신호로 변환하여 출력한다.
영상 처리부(130)에서는 엑스선 검출부(120)로부터 전달받은 엑스선 데이터를 기초로 엑스선 영상을 획득할 수 있다. 특히 혈관 엑스선 영상을 획득하는 경우, 영상 처리부(130)는 엑스선 데이터에서 원하는 내부 조직을 분리하여 혈관 엑스선 영상을 획득할 수 있다.
영상 처리부(130)는 전달받은 엑스선 데이터로부터 엑스선 영상을 생성하는 영상 생성부(131)와 획득한 엑스선 영상으로부터 원하는 내부 물질을 분리하는 물질 분리부(132)를 포함할 수 있다. 또한, 물질 분리부(132)로부터 전달받은 영상을 통해 참조 데이터를 다시 물질 분리부 (132)로 제공하는 참조 데이터 제공부(133)를 포함할 수 있다.
이하에서는 도 5 내지 7을 참조하여, 종래의 시간 감산법(temporal subtraction)과 비교를 통해 에너지 감산법(energy subtraction)을 이용하는 영상 처리부(130)의 각 구성에 대한 설명한다.
도 6는 종래의 시간 감산법에서 사용되는 엑스선 영상을 간략하게 도시한 도면이다. 도 6에서 a는 마스크(mask) 영상을 의미한다. 마스크 영상이란 조영제가 주입되기 전에 대상체(35)에 대하여 획득한 엑스선 영상을 말한다. b는 조영제가 주입된 대상체(35)로부터 획득한 엑스선 영상을 의미한다. c는 시간 감산법에 의해 최종적으로 획득한 혈관 엑스선 영상이다.
원래 혈관은 단순한 엑스선 촬영에서는 보이지 않는다. 그러나 혈관속에 조영제를 주입하고 엑스선 촬영을 하면 혈관의 모양을 엑스선 촬영으로 확인할 수 있다. 이러한 방법을 혈관 조영술이라고 한다.
시간 감산법은 혈관 조영술의 한 방법이다. 도 7은 종래의 시간 감산법으로부터 혈관 엑스선 영상을 획득하는 과정을 도시한 도면이다. 시간 감산법에서 조사하는 엑스선은 단일 에너지 대역(single polychromatic spectrum)을 갖는 것으로 한다.
도 7a는 종래의 시간 감산법에 따라 엑스선을 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다. XS0, XS1, XS2, XS3는 각각 조사 시점이 t0, t1, t2, t3 인 단일 에너지 엑스선을 의미한다. IS는 t0+α 시점에서 대상체(35)에 주입된 조영제를 의미한다. 도 7b는 종래의 시간 감산법에 따라 혈관 엑스선 영상을 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. MS0는 시점 t0에서 획득한 마스크 영상이며, CS1, CS2, CS3는 조영제 주입 후 시점 t1, t2, t3 에서 획득한 단일 에너지 엑스선 영상이다. 그리고 AS1, AS2, AS3는 조영제 주입 후 시점 t1, t2, t3 에서 추출한 혈관 엑스선 영상이다.
도 7a와 같이 먼저 대상체(35)에 대하여 조영제를 주입하기 전의 영상인 마스크 영상을 촬영하기 위해 시점 t0에서 단일 에너지 엑스선 XS0 을 조사한다. 조사된 엑스선 XS0로부터 도 6b의 마스크 영상인 MS0를 획득할 수 있다. 마스크 영상이 획득된 시점 t0로부터 소정의 시간이 흐른 시점 t0+α에 대상체(35)로 조영제 IS를 주입한다. 혈관 영상을 얻기 위해 조영제가 혈관을 따라 확산되도록 충분한 시간이 흐른 후, 원하는 시점 t1 에서 단일 에너지 엑스선 XS1을 조사한다. 이렇게 조사된 엑스선 XS1으로부터, t1 시점에서의 조영제 주입 후 엑스선 영상 CS1를 획득할 수 있다. 최종적으로 조영제 주입 후의 엑스선 영상 CS1과 마스크 영상 MS0을 비교하면 t1 시점에서의 혈관 엑스선 영상 AS1을 추출할 수 있다.
시간 감산법은 두 영상의 획득시점 사이에 시간차가 존재한다. 앞서 언급한 것처럼, 이러한 시간차는 조영제가 혈관 속에서 일정 정도 확산되도록 충분한 시간이 흐른 후 엑스선 영상을 획득하기 때문에 발생한다. 예를 들어 도 7a, 7b와 같이, 마스크 영상의 획득 시점인 t0 와 그 이후의 엑스선 조사 시점 t1 간에 시간차가 존재하게 된다.
이러한 시간차는 추출된 혈관 엑스선 영상에 오차를 발생시킨다. 조영제 주입 후 엑스선 영상과 마스크 영상을 비교할 때, 배경의 구조적 차이와 명암대비가 일치한다면 완벽하게 혈관 영역만을 추출할 수 있다. 그러나 조영제의 확산이 일어나는 시간 동안 환자, 즉 피검체(30)가 움직일 경우, 예를 들면, 환자의 호흡에 의한 움직임이나 심장박동에 의한 내부 장기의 움직임 등에 의하여 엑스선 영상의 기하학적인 변형이 일어날 수 있다. 또는 대상체(35) 자체의 수축이나 팽창과 같은 고유의 움직임이 혈관 영역의 추출에 있어 오차를 유발시킬 수 있다.
이러한 오차를 줄이기 위해 에너지 감산법이 이용될 수 있다. 에너지 감산법도 시간 감산법과 마찬가지로 혈관 조영술의 한 방법이다. 도 8은 에너지 감산법을 설명하기 위한 도면이다. 단일 에너지 엑스선을 이용하는 시간 감산법과는 다르게, 서로 다른 에너지 대역의 엑스선을 대상체(35)로 조사하게 된다. 도 8에서는 저 에너지 엑스선과 고 에너지 엑스선을 대상체(35)에 조사하는 경우에 대하여 서술한다. 여기서, 고에너지 대역과 저에너지 대역은 서로 상대적인 개념이며, 대상체(35)에 따라 달라질 수 있다.
도 8a는 에너지 감산법에 따라 엑스선을 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다. XML1, XML2, XML3 는 각각 조사 시점이 t11, t21, t31 인 저 에너지 엑스선을 의미하고, XMH1, XMH2, XMH3 는 각각 조사 시점이 t12, t22, t32 인 고 에너지 엑스선을 의미한다. IM은 t0 시점에서 대상체(35)에 주입된 조영제를 의미한다. 도 8b는 에너지 감산법에 따라 혈관 엑스선 영상을 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. CL1, CL2, CL3는 조영제 주입 후 시점 t11, t21, t31 에서 획득한 저 에너지 엑스선 영상이고, CH1, CH2, CH3는 조영제 주입 후 시점 t12, t22, t32 에서 획득한 고 에너지 엑스선 영상이다. 그리고 AM1, AM2, AM3는 조영제 주입 후 시점 t1, t2, t3 에서 획득한 혈관 엑스선 영상이다.
도 8a와 같이, 엑스선을 조사하기에 앞서 조영제 IM을 대상체(35)에 주입한다. 조영제 주입 후, 혈관 영상을 얻기 위해 조영제가 혈관을 따라 확산되도록 충분한 시간이 요구된다.
먼저 서로 다른 두 에너지 대역에 대응되는 엑스선 영상을 획득하기 위해 엑스선 발생부(110)에서 엑스선을 조사한다. 이를 위해, 엑스선 발생부(110)에서 고 에너지 대역의 엑스선과 저 에너지 대역의 엑스선을 각각 조사하거나, 엑스선 발생부(110)에서는 두 에너지 대역을 모두 포함하는 광대역 엑스선을 한 번 조사하고, 엑스선 검출부(120)에서 검출된 엑스선을 고 에너지 대역과 저 에너지 대역으로 분리할 수 있다. 엑스선 영상 장치 및 제어 방법의 일 실시예로 엑스선 검출부(120)는 고 에너지와 저 에너지 대역의 엑스선을 각각 순차적으로 조사하는 것으로 전제하고 이하 설명한다. 도 8a를 참조하면, 조영제가 확산되도록 충분한 시간이 흐른 시점 t11, t12 에서, 저 에너지 엑스선 XML1과 고 에너지 엑스선 XMH1을 조사한다.
엑스선 영상에서 두 종류의 물질을 분리하고자 하는 경우, 분리하고자 하는 물질은 서로 다른 엑스선 감쇠 특성을 가져야 하고, 서로 다른 에너지 대역에 대응되는 엑스선 영상을 획득해야 한다. 이를 위해 영상 생성부(131)는 서로 다른 에너지 대역에 대응되는 엑스선 영상을 생성할 수 있다. 예를 들어, 도 8b와 같이, 엑스선 XML1과 XMH1에 대응하여, 영상 생성부(131)는 조영제 주입 후의 저 에너지 엑스선 영상 CL1과 고 에너지 엑스선 영상 CH1을 순차적으로 생성할 수 있다.
이렇게 생성된 엑스선 영상 CL1 및 CH1에서 분리하고자 하는 내부 물질인 조영제(혈관; lumen)와 조영제를 제외한 인체 구성 물질(예를들어, 뼈 및 석회화 조직 등)간의 밝기 차이가 다르게 나타난다. 이는 전술한 바와 같이, 에너지 대역 별로 내부 물질의 감쇠 특성 차이가 다르기 때문이다.
물질 분리부(132)는 영상 생성부(131)에서 생성된 원본 영상으로부터 혈관 영상을 분리한다. 물질 분리부 (132)는 두 개의 엑스선 영상 CL1 및 CH1 중 적어도 하나에 가중치를 곱한 후 감산하는 두 번의 연산을 수행하여 두 개의 물질 영상을 분리할 수 있다. 이를 이중에너지 감산법(Dual-Energy X-ray Absorptiometry)라고도 한다.
예를 들어, 혈관을 뼈 및 석회화 조직으로부터 분리하기 위해 저 에너지 엑스선 영상 CL1에 일정 가중치를 곱한 후 고 에너지 엑스선 영상 CH1에서 감산하여 혈관 엑스선 영상을 얻을 수 있다. 즉. 뼈 및 석회 물질이 제거되고 혈관이 선명하게 보이는 영상을 얻을 수 있다.
또 다른 예로서, 분리하고자 하는 물질이 혈관을 포함하여 3종류 이상인 경우에는 영상 생성부(131)에서 3개 이상의 에너지 대역에 각각 대응되는 3개 이상의 엑스선 영상을 생성하고, 물질 분리부 (132)에서 각 영상에 적절한 가중치를 곱한 후 감산하여 혈관을 포함한 3종류 이상의 물질 영상을 분리할 수 있다.
전술한 바와 같이, 엑스선 영상 장치(100)는 분리되는 물질의 수에 제한을 두지 않으며, 분리하고자 하는 물질의 수에 따라 원본 영상을 획득하고, 물질 별 감쇠 특성을 이용하여 각각의 물질 영상을 분리할 수 있다.
또한, 영상에 가중치를 곱한 후 감산하여 물질 영상을 분리하는 방법 역시 물질 분리부 (132)에서 사용할 수 있는 방법 중 하나에 불과하며, 이 외에 다항식 회귀(polynomial regression) 등 물질 별 두께를 예측하는 물질 분리 알고리듬도 사용될 수 있다.
이처럼 물질 분리부 (132)는 엑스선 영상 CL1과 CL2를 이용하여 혈관 엑스선 영상 AM1을 생성할 수 있다. 결국 저 에너지 엑스선과 고 에너지 엑스선을 순차적으로 조사한 결과, 그에 대응하는 하나의 혈관 엑스선 영상을 획득하게 된다.
에너지 감산법은 다중 에너지 기반 혈관 엑스선 영상의 기초가 되는 저 에너지 영상과 고 에너지 영상의 획득 시점의 차이(수~수백 ms)가 시간 감산법에서의 마스크 영상 획득 시점과 조영제 주입 후 엑스선 영상의 획득 시점간의 시간차(수~수십 s)보다 작다. 시간 감산법에서는 조영제가 확산되는 동안 새로운 마스크 영상을 얻을 수 없어서 시간이 지날수록 마스크 영상 획득 시점과 조영제 주입 후 엑스선 영상의 획득 시점간의 차이가 점점 커질 수 밖에 없지만, 에너지 감산법은 마스크 영상을 필요로 하지 않고 서로 다른 에너지 대역에 대응하는 엑스선 영상간의 획득시점 차이가 일정하기 때문이다.
따라서 에너지 감산법을 적용할 때 피검체(30) 또는 대상체(35)의 움직임이 발생할 시간이 더 짧다. 그 결과, 두 영상의 획득 시점간의 차이 동안 피검체(30) 또는 대상체(35)의 움직임에 의해 발생할 수 있는 오차도 다중 에너지 기반 혈관 조영술이 시간 감산법에 비해 작다고 할 수 있다.
다시 도 3를 참조하면, 제어부(140)는 다중 에너지 엑스선을 순차적으로 조사하는 과정을 일정 주기마다 반복하도록 엑스선 발생부(110)의 동작을 제어할 수 있다. 이런 과정을 통해 일정 주기마다 반복적으로 혈관 엑스선 영상을 획득 할 수 있다.
도 7a, 7b와 같이 종래의 혈관 조영술인 시간 감산법을 반복적으로 실시하면 복수의 혈관 엑스선 영상의 획득이 가능하다. 구체적으로, t2, t3 시점에 엑스선 XS2, XS3를 조사하여 조영제 주입 후 엑스선 영상 CS2, CS3를 얻고, 마스크 영상 MS0과 비교하면 t2, t3 시점에서의 혈관 엑스선 영상 AS2, AS3를 추출해 낼 수 있다. 이렇게 혈관 엑스선 영상을 복수 획득(AS1, AS2, AS3)하여 동영상의 형태로 사용자에게 제공할 수 있다.
이 경우, 엑스선 조사가 반복될수록 그에 대응하는 엑스선 영상의 획득 시점과 마스크 영상의 획득 시점간의 차이(t0와 t1의 차이, t0와 t2의 차이, t0와 t3의 차이)가 점점 더 커지게 되어, 위에서 언급한 오차가 발생할 확률이 높아진다.
에너지 감산법도 일정 주기마다 반복하여 혈관에 대한 엑스선 영상을 획득함으로써 사용자에게 혈류의 흐름을 나타내는 동영상을 제공할 수 있다. 이 때, 에너지 감산법을 사용함으로써 움직임에 따른 오차를 더 줄일 수 있다.
도 8a 및 도 8b와 같이, t21, t22 시점에 엑스선 XML2, XMH2를 조사하고, t31, t32 시점에 엑스선 XML3, XMH3을 조사하여 조영제 주입 후 저 에너지 엑스선 영상 CL2, CL3를 얻고, 고 에너지 엑스선 영상 CH2, CH3를 얻는다. 최종적으로 엑스선 영상 CL2와 CH2를 이용하여 혈관 엑스선 영상 AM2를 획득하고, CL3와 CH3를 이용하여 AM3를 획득할 수 있다. 획득 시점을 기초로 혈관 엑스선 영상 AM1, AM2, AM3를 순차적으로 관찰하면, 시간에 따른 혈류의 움직임을 파악할 수 있다.
시점을 달리하여 엑스선 영상을 획득할 때마다 마스크 영상과 비교해야 하는 시간 감산법과 달리, 에너지 감산법은 동일한 주기에 속하는 엑스선(XML1과 XMH1, XML2와 XMH2, XML3과 XMH3)의 서로 다른 에너지 대역에 대응하는 엑스선 영상(CL1과 CH1, CL2와 CH2, CL3와 CH3)만을 비교하면 된다. 이러한 엑스선 영상은 매 주기마다 반복하여 획득되고, 동일한 주기에 속하는 엑스선 영상은 그 획득 시점에 있어 차이(t11과 t12의 차이, t21과 t22의 차이, t31과 t32의 차이)가 크지 않기 때문에 움직임에 의한 오차발생의 확률이 낮아지게 된다.
제어부(140)는 한 주기동안 다중 에너지 엑스선을 비 균일하게 조사하도록 엑스선 발생부(110)의 동작을 제어할 수 있다. 여기서 비 균일하다는 것은, 조사되는 복수의 엑스선의 조사 간격이 동일하지 않음을 의미한다.
도 9은 에너지 감산법에 따라 조사되는 엑스선 펄스를 도시한 도면이다. 여기서 다중 에너지 엑스선은 저 에너지와 고 에너지를 가지는 것으로 한다. 도 9a는 균일하게 다중 에너지 엑스선을 순차적으로 조사할 때 생성되는 엑스선 펄스이며, 도 9b는 비 균일하게 다중 에너지 엑스선을 순차적으로 조사할 때 생성되는 엑스선 펄스이다.
다중 에너지 엑스선을 일정한 주기마다 대상체(35)로 조사하고자 할 때, 사용자가 조사되는 엑스선 펄스의 주기를 입력할 수 있다. 이 경우 입력 받은 주기 동안 다중 에너지 엑스선이 균일하게 조사될 수 있다.
예를 들어, 도 9a와 같이 주기를 T로 하여 저 에너지 엑스선과 고 에너지 엑스선을 균일하게 순차적으로 조사하면, 하나의 혈관 엑스선 영상에 관여하는 저 에너지 엑스선 L1과 고 에너지 엑스선 H1 사이의 조사 간격은 TLH이 되고, 서로 다른 혈관 엑스선 영상에 관여하는 고 에너지 엑스선 H1과 저 에너지 엑스선 L2 사이의 조사 간격은 THL이 된다. 이때, 다중 에너지 엑스선이 균일하게 조사되었으므로, TLH와 THL은 동일한 값을 갖는다.
앞서 언급한 것처럼 혈관 엑스선 영상을 획득하는데 기초가 되는 저 에너지 엑스선 영상과 고 에너지 엑스선 영상의 획득시점에 차이(TLH)가 존재한다. 이는 비록 시간 감산법에 의할 때보다 짧은 시간이기는 하나, 피검체(30) 또는 대상체(35)의 움직임이 발생할 가능성이 존재한다. 따라서 그 시간차이(TLH)를 줄여 피검체(30) 또는 대상체(35)의 움직임이 발생할 가능성을 낮출 필요가 있다.
도 9b는 주기를 T로 하여 저 에너지와 고 에너지의 엑스선을 비 균일하게 조사한다. 구체적으로, 하나의 혈관 엑스선 영상에 관여하는 저 에너지 엑스선 L1과 고 에너지 엑스선 H1 사이의 조사 간격은 TLH가 되고, 서로 다른 혈관 엑스선 영상에 관여하는 고 에너지 엑스선 H1과 저 에너지 엑스선 L2 사이의 조사 간격은 THL이다. 도 9b에서 확인할 수 있듯이, 다중 에너지 엑스선이 비 균일하게 조사되는 바, TLH와 THL 값이 서로 다르다.
특히 혈관 엑스선 영상을 획득할 때 발생하는 피검체(30) 또는 대상체(35)의 움직임에 의한 오차를 줄이기 위해서는, TLH가 THL보다 작아야 한다. 서로 다른 혈관 엑스선 영상에 관여하는 엑스선의 조사 간격(THL)은 아무리 길어도 각각 획득되는 혈관 엑스선 영상에 영향을 미치지 않는다. 그러나 하나의 혈관 엑스선 영상을 생성하는데 관여하는 엑스선의 조사 간격은 짧을수록 피검체(30) 또는 대상체(35)의 움직임이 발생할 확률이 줄어든다. 따라서 TLH이 작을수록 더 정확한 혈관 엑스선 영상을 획득할 수 있다.
도 9a와 9b에서는 두 종류의 에너지를 가지는 엑스선, 즉 저 에너지 엑스선과 고 에너지 엑스선을 기반으로 하는 혈관 조영술에 대하여 도시하였으나, 조사되는 엑스선의 에너지 종류는 이에 한정되지 않는다. 도 10과 같이 세 종류의 에너지를 가지는 엑스선이 비 균일하게 조사될 수도 있다. L1, L2, L3는 저 에너지 엑스선을 의미하고, M1, M2, M3는 중간 에너지 엑스선을 의미하며, H1, H2, H3는 고 에너지 엑스선을 의미한다.
두 종류의 에너지를 가지는 엑스선을 기반으로 하는 혈관 조영술과 마찬가지로, 하나의 혈관 엑스선 영상을 획득하는 데 관여하는 엑스선의 조사 간격은 짧을수록 오차 발생 확률이 줄어든다. 따라서 저 에너지, 중간 에너지 및 고 에너지 엑스선을 순차적으로 조사할 때, 그 조사 간격이 비 균일하여야 한다.
도 10와 같이 주기를 T로 할 때, 저 에너지, 중간 에너지 및 고 에너지의 엑스선을 비 균일하게 조사할 수 있다. 구체적으로, 하나의 혈관 엑스선 영상에 관여하는 저 에너지 엑스선 L1과 중간 에너지 엑스선 M1 사이의 조사 간격은 TLM이 되고, 동일한 하나의 혈관 엑스선 영상에 관여하는 중간 에너지 엑스선 M1과 고 에너지 엑스선 H1 사이의 조사 간격은 TMH이 된다. 또한 서로 다른 혈관 엑스선 영상에 관여하는 고 에너지 엑스선 H1과 저 에너지 엑스선 L2 사이의 조사 간격은 THL이 된다.
도 10에서 확인할 수 있듯이, 다중 에너지 엑스선이 비 균일하게 조사되는 바, TLM과 TMH 값은 작고, THL은 그에 비해 크다. TLM과 TMH는 동일한 혈관 엑스선 영상에 관여하는 엑스선의 조사 시간차를 의미하므로, 엑스선을 비 균일하게 조사함으로써 그 간격을 짧게 하여 오차가 발생할 확률을 줄일 수 있다.
물질 분리부 (132)는 복수의 혈관 엑스선 영상을 하나로 합하여 혈류 정보 영상을 생성할 수도 있다. 이에 대하여는 후술하도록 한다.
다시 도 3을 참조하면, 참조 데이터 제공부(133)는 물질 분리부 (132)로부터 분리된 혈관 엑스선 영상을 보정하는데 참조 데이터를 제공할 수 있다.
참조 데이터 제공부(133)는 조영제가 주입되기 전의 엑스선 영상인 마스크 영상을 물질 분리부 (132)에 제공할 수 있다. 마스크 영상은 에너지 감산법의 진행에 앞서 획득된 것 일수도 있고, 물질 분리부가 엑스선 영상에서 조영제를 분리해 낸 영상일 수도 있으나, 이는 일 실시예에 불과하므로, 물질 분리부 (132)가 혈관 엑스선 영상을 분리해 낼 때 마스크 영상을 제공할 수 있으면 충분하다.
참조 데이터 제공부(133)는 조영제 주입 전의 마스크 영상을 제공하여, 조영제 주입 후의 엑스선 영상과의 대조가 이루어지도록 할 수 있다. 이러한 과정을 통해 조영제에 의한 대상체(35) 내부의 변화등이 제거된 혈관 엑스선 영상을 획득할 수 있다.
또한 참조 데이터 제공부(133)는 동일한 에너지 대역에 대응되는 엑스선 데이터 간의 차이를 참조 데이터로서 제공할 수도 있다. 혈관 엑스선 영상을 획득할 때, 피검체(30) 또는 대상체(35)의 움직임에 의한 오차는 항상 존재할 수 있으므로, 이를 보정해 줄 필요가 있다. 따라서 동일한 에너지 대역에 대응되는 엑스선 데이터 중에 획득 시점이 인접한 엑스선 데이터간의 차이를 구하고, 차이를 이용하여 혈관 엑스선 영상을 보정할 수 있다.
또한 이와 같은 차이가 혈류의 흐름에 따른 결과를 반영할 수도 있으므로, 움직임에 의한 차이인지, 혈류의 흐름에 따른 차이인지를 구분하여 보정을 수행할 수 있다.
다시 도 3를 참조하면, 디스플레이부(172)는 영상 처리부(130)에서 획득한 혈관 엑스선 영상을 화면에 표시할 수 있다. 디스플레이부(172)는 브라운관(Cathod Ray Tube: CRT)이나, 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display: LCD), 유기 발광다이오드 표시장치(Light Emitting Diode: LED) 등으로 적용할 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
디스플레이부(172)는 획득한 복수의 혈관 엑스선 영상을 획득 시점에 따라 구분하여 하나의 화면에 표시할 수 있다. 디스플레이부(172)는 영상 처리부(130)가 일정한 주기마다 반복하여 생성한 혈관 엑스선 영상을 전달받을 수 있다. 이렇게 전달받은 복수의 혈관 엑스선 영상을 하나의 화면에 표시하여, 사용자가 혈류의 흐름을 파악하도록 도와줄 수 있다.
도 11은 혈관 엑스선 영상을 획득 시점에 따라 구분하여 동시에 표시한 화면에 표시한 도면이다. 혈관 엑스선 영상이 획득된 순서대로 혈관 엑스선 영상이 하나의 화면에 표시될 수 있으며, 혈관 엑스선 영상과 함께 획득 시점이 함께 표시될 수 있다. 점선으로 표현된 부분은 이해를 돕기 위해 전체 혈관의 윤곽을 표현한 것으로, 화면에는 표시되지 않을 수 있다. 어둡게 표현된 부분이 조영제가 존재하는 영역으로, 이를 통해 혈관의 형태와 혈류의 방향 등의 혈류 정보를 예측할 수 있다.
최초 t1 시점에서 획득된 혈관 엑스선 영상에서 혈류는 아래쪽에 위치함을 확인할 수 있다. 그 다음 시점인 t2 시점에서 획득된 혈관 엑스선 영상에서는, t1 시점에서 획득된 혈관 엑스선 영상을 통해 확인한 혈류의 위치보다 위쪽에 위치함을 확인할 수 있다. 따라서 혈류는 혈관을 따라 화면의 아래쪽에서 윗쪽으로 흐르고 있음을 확인할 수 있다. 마지막 시점인 t3 시점에서 획득된 혈관 엑스선 영상에서는 t2 시점의 혈관 엑스선 영상을 통해 확인한 혈류가 혈관을 따라 다른 방향으로 이동해 나감을 확인할 수 있다.
디스플레이부(172)는 영상 처리부(130)가 획득한 복수의 혈관 엑스선 영상을 중첩하여 화면에 도시할 수 있다. 도 12는 도 11의 각 영상을 중첩하여 표시한 화면을 도시한 도면이다. 도 11을 통해 시점에 따른 혈류의 진행 방향과, 각 시점에서 관찰된 혈관의 형태를 판단할 수 있었다면, 도 12와 같이 복수의 혈관 엑스선 영상을 중첩시켜 하나의 화면에 표시함으로써 혈관 전체의 형태를 파악할 수 있다. 혈관 전체의 형태를 파악하면, 사용자는 혈관의 이상유무를 판단하기에 용이하다.
복수의 혈관 엑스선 영상을 중첩시켜 표시하되, 도 13와 같이 색 또는 음영을 달리하여 표시할 수도 있다. 이와 같이 화면에 표시하면, 혈관 전체의 형태를 파악할 수 있음은 물론이고, 혈류가 어떻게 흐르고 있는지 판단할 수도 있다. 이와 같은 방법으로 화면에 표시를 하면, 동맥경화나 뇌출혈과 같은 혈관질환의 진단에 도움을 줄 수 있다.
이와는 달리 디스플레이부(172)는 엑스선 영상 장치 내부적으로 판단한 혈류 정보를 화면에 표시할 수도 있다. 도 13의 중첩영상을 기초로 하여 혈관의 윤곽, 혈관의 길이, 혈관의 직경, 혈류의 진행방향, 혈류의 진행 속도 등의 혈류 정보를 화면에 표시할 수도 있다. 이러한 혈류 정보는 엑스선 영상 장치의 내부 연산에 의해 판단될 수 있다. 이를 통해 사용자가 보다 명확하게 피검체(30)의 혈류 정보를 파악하고, 그에 맞는 조치를 취할 수 있다.
또는 단순한 중첩영상과 달리, 실제 혈관에서 혈류가 흐르는 모습을 표현하는 혈관 엑스선 동영상을 화면에 표시할 수도 있다.
먼저 물질 분리부 (132)에서 획득 시점이 상이한 복수의 혈관 엑스선 영상을 하나의 혈관 엑스선 동영상으로 변환할 수 있다. 즉, 혈류 정보 영상은 최초로 혈관 엑스선 영상을 획득한 시점부터 마지막 혈관 엑스선 영상을 획득한 시점 사이에, 혈관을 따라 흐르는 혈류에 대한 정보를 포함할 수 있다.
혈류 정보 영상이 생성되면, 디스플레이부(172)는 혈관 엑스선 동영상을 화면에 표시할 수 있다. 이러한 혈류 정보 혈류 정보 영상을 통해, 특정 시점에서의 혈류를 확인하는 것이 아니라, 시점의 변화에 따른 혈류 정보를 시각적으로 획득할 수 있다.
또한 디스플레이부(172)는 혈관 엑스선 영상의 혈류(조영제)가 위치하는 영역과 배경 영역의 색을 달리하여 화면에 표시할 수 있다. 도 14는 각 시점에서 획득한 혈관 엑스선 영상을 동시에 화면에 표시한 화면으로, 배경 영역과 혈류 영역의 색을 달리한 도면이다. 이를 통해 사용자가 혈관의 형태를 보다 선명하게 인식할 수 있고, 이는 정확한 진단의 기초가 될 수 있다.
색을 달리하여 표시하는 것뿐만 아니라, 혈류가 위치하는 영역과 배경 영역의 음영값에 가중치를 주어 화면에 표시할 수도 있다. 색을 달리하여 표시하는 것과 마찬가지로, 디스플레이부(172)는 배경으로부터 혈관을 부각시켜 표시할 수 있다.
도 15는 에너지 감산법의 흐름도이다.
먼저 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선을 대상체(35)에 순차적으로 조사한다.(200) 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선은 저 에너지 엑스선과 고 에너지 엑스선일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 서로 다른 에너지 대역을 가지는 복수의 엑스선이 조사되면 충분하다.
이렇게 엑스선이 조사되면, 조사된 각 엑스선의 에너지 대역에 대응되는 엑스선 데이터를 획득할 수 있다.(210) 도 5에서 살핀 바와 같이, 대상체(35)의 내부 물질은 물질마다 감쇠계수가 다름은 물론이고, 하나의 물질이라도 조사되는 엑스선의 에너지에 따라 감쇠계수가 변한다. 따라서 서로 다른 에너지 대역의 엑스선이 대상체(35)를 투과하면, 서로 다른 에너지 대역에 대응되는 대상체(35) 내부 물질에 대한 정보를 포함하게 된다. 그러므로 대상체(35)를 투과한 엑스선을 검출하면, 각 엑스선이 가지는 에너지 대역 별 엑스선 데이터를 획득할 수 있다.
서로 다른 에너지 대역에 대응되는 엑스선 데이터를 획득한 후, 이로부터 혈관 엑스선 영상을 생성하게 된다.(220)
구체적으로, 먼저 복수의 엑스선 데이터를 복수의 엑스선 영상으로 변환한다. 예를 들어 저 에너지 엑스선과 고 에너지 엑스선을 조사하여 2 종류의 엑스선 데이터를 획득하였다면, 이를 저 에너지 엑스선 영상과 고 에너지 엑스선 영상으로 변환할 수 있다.
다음으로, 변환된 복수의 엑스선 영상으로부터 혈관 엑스선 영상을 분리해 낸다. 혈관 엑스선 영상을 분리하기 위해 복수의 엑스선 영상 중, 적어도 하나에 가중치를 곱하여 감산하는 연산을 통해 혈관 엑스선 영상을 분리할 수 있다. 위의 예와 같이 엑스선 데이터를 변환하여 저 에너지 엑스선 영상과 고 에너지 엑스선 영상을 획득한 경우, 이중 에너지 감산법에 의해 혈관 엑스선 영상을 분리해 낼 수도 있다.
그러나 영상에 가중치를 곱한 후 감산하여 혈관 엑스선 영상을 분리하는 방법은 영상 분리 방법의 일 실시예에 불과하므로, 이 외에 다른 방법으로 혈관 엑스선 영상을 분리해 내는 것도 가능하다.
마지막으로, 혈관 엑스선 영상을 더 획득할 필요가 있는지 판단한다.(230) 앞서 살핀 바와 같이, 촬영 시점에 변화를 주면서 복수의 혈관 엑스선 영상을 획득하면, 혈류의 흐름과 같은 혈류 정보를 파악하여 그 이상 여부를 진단할 수 있다. 따라서 혈관 엑스선 영상을 더 획득할 필요가 있는지 판단하고, 그렇다면 위의 과정을 반복하여 수행하게 된다.
도 16는 비 균일하게 조사되는 에너지 감산법의 흐름도이다.
하나의 혈관 엑스선 영상에 관여하는 복수의 엑스선의 조사간격이 클 수록, 피검체(30) 및 대상체(35)의 움직임에 의한 오차 발생 확률이 높아짐은 앞서 확인한 바 있다. 따라서 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선의 조사 간격을 줄이기 위해, 엑스선을 비 균일하게 조사할 수 있다.
먼저 T1 마다 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선을 대상체(35)에 순차적으로 조사한다.(300) 여기서 T1은 사용자가 임의로 정하거나, 엑스선 영상 장치 내부 연산에 의하여 정해질 수 있다. T1이 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선의 조사 간격을 의미하므로, 짧을수록 움직임에 의한 오차 발생 확률이 줄어든다.
서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선은 저 에너지 엑스선과 고 에너지 엑스선일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 서로 다른 에너지 대역을 가지는 복수의 엑스선이 조사되면 충분하다.
다음으로, 이렇게 조사된 각 엑스선의 에너지 대역에 대응되는 엑스선 데이터를 획득한다.(310) 각 엑스선 데이터가 가지는 서로 다른 에너지 대역에 따라 대상체(35)를 투과하는 정도가 달라지므로, 획득된 엑스선 데이터는 대상체(35) 내부 물질에 대한 정보를 포함하게 된다.
조사된 엑스선의 수만큼 엑스선 데이터가 획득된다. 예를 들어, 저 에너지 엑스선과 고 에너지 엑스선을 대상체(35)에 조사한 경우, 각각의 엑스선에 대응하여 2종류의 엑스선 데이터가 획득된다.
엑스선 데이터를 획득한 후, 이로부터 혈관 엑스선 영상을 획득할 수 있다.(320)
구체적으로, 먼저 복수의 엑스선 데이터를 복수의 엑스선 영상으로 변환한다. 다음으로, 변환된 복수의 엑스선 영상으로부터 혈관 엑스선 영상을 분리해 낸다. 혈관 엑스선 영상을 분리하기 위해 복수의 엑스선 영상 중, 적어도 하나에 가중치를 곱하여 감산하는 연산을 통해 혈관 엑스선 영상을 분리할 수 있다. 그러나 영상에 가중치를 곱한 후 감산하여 혈관 엑스선 영상을 분리하는 방법은 영상 분리 방법의 일 실시예에 불과하므로, 이 외에 다른 방법으로 혈관 엑스선 영상을 분리해 내는 것도 가능하다.
마지막으로 혈관 엑스선 영상을 더 획득할 필요가 있는지 판단한다.(330) 획득 시점을 달리하는 복수의 혈관 엑스선 영상을 충분히 획득한 경우라면 진행을 종료한다.
만약 혈관 엑스선 영상을 더 획득할 필요가 있는 경우, 다시 앞선 절차를 반복하여 수행하게 된다. 이 때, 마지막으로 엑스선이 조사된 시점으로부터 T2의 시간이 흐른 후, 다시 T1마다 순차적으로 서로 다른 에너지 대역의 엑스선을 조사하게 된다.(335)
엑스선이 비 균일하게 조사될 필요가 있으므로, T1과 T2는 서로 다를 수 있다. 즉, 하나의 혈관 엑스선 영상을 획득하는데 관여하는 엑스선 간에는 조사 간격이 T1이 되겠으나, 서로 다른 혈관 엑스선 영상을 획득하는데 관여하는 엑스선 간에는 조사 간격이 T1일 필요는 없다.
특히, T1은 T2보다 작을 수 있다. T1을 작게 할수록, 피검체(30) 또는 대상체(35)의 움직임에 의한 오차를 줄일 수 있다. 그러나 T2는 이러한 오차와는 전혀 무관하고, 오직 새로운 혈관 엑스선 영상의 획득 시점에만 관련된다. 따라서 T2와 무관하게 T1을 작게 제어하면, 서로 다른 에너지 대역의 엑스선을 비 균일하게 조사할 수 있다.
100 : 엑스선 영상 장치
110 : 엑스선 발생부
120 : 엑스선 검출부
130 : 영상 처리부
131 : 영상 생성부
132 : 물질 분리부
133 : 참조 데이터 제공부
140 : 제어부
171 : 입력부
172 : 디스플레이부
110 : 엑스선 발생부
120 : 엑스선 검출부
130 : 영상 처리부
131 : 영상 생성부
132 : 물질 분리부
133 : 참조 데이터 제공부
140 : 제어부
171 : 입력부
172 : 디스플레이부
Claims (18)
- 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선을 순차적으로 대상체에 조사하는 엑스선 발생부;
상기 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 상기 복수의 에너지 대역에 대응되는 복수의 엑스선 데이터를 획득하는 엑스선 검출부;
상기 획득한 복수의 엑스선 데이터를 복수의 엑스선 영상으로 변환하고, 상기 복수의 엑스선 영상으로부터 상기 대상체의 혈관 엑스선 영상을 분리하는 영상 처리부; 및
상기 순차적으로 조사되는 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선이 일정 주기마다 반복하여 조사되도록 상기 엑스선 발생부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하되,
상기 엑스선 발생부는 각 주기에서 상기 복수의 엑스선을 제1시간 간격 마다 순차적으로 상기 대상체에 조사하고,
상기 제1시간 간격은 한 주기의 마지막 엑스선이 조사된 시점부터 다음 주기의 첫 엑스선이 조사된 시점 사이의 간격인 제2시간 간격과 다른 엑스선 영상장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 제1시간 간격은 제2시간 간격보다 작은 엑스선 영상 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 영상 처리부는 상기 한 주기와, 상기 한 주기의 이전 주기 및 다음 주기에서 획득한 복수의 엑스선 데이터 중에서 동일한 에너지 대역에 대응되는 엑스선 데이터들간의 차이를 참조하여 상기 혈관 엑스선 영상을 보정하는 엑스선 영상 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 혈관 엑스선 영상은 조영제가 주입된 상기 대상체로부터 획득되고,
상기 영상 처리부는 상기 대상체로 상기 조영제가 주입되기 전에 상기 대상체를 촬영한 엑스선 영상과 상기 혈관 엑스선 영상의 차이를 참조하여 상기 혈관 엑스선 영상을 보정하는 엑스선 영상 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 혈관 엑스선 영상을 화면에 표시하는 디스플레이부를 포함하는 엑스선 영상 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 디스플레이부는 상기 복수의 혈관 엑스선 영상을 획득 시점에 따라 구분하여 하나의 화면에 표시하는 엑스선 영상 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 디스플레이부는 상기 복수의 혈관 엑스선 영상을 중첩하여 한 화면에 표시하는 엑스선 영상 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 영상 처리부는 상기 복수의 혈관 엑스선 영상을 혈관 엑스선 동영상으로 변환하고,
상기 디스플레이부는 상기 변환된 혈관 엑스선 동영상을 상기 화면에 표시하는 엑스선 영상 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 디스플레이부는 상기 혈관 엑스선 영상에서 배경 영역과 혈관 영역의 색을 다르게 하여 상기 화면에 표시하는 엑스선 영상 장치. - 서로 다른 에너지 대역의 복수의 엑스선을 순차적으로 대상체에 조사하는 엑스선 조사 단계;
상기 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 상기 복수의 에너지 대역에 대응되는 복수의 엑스선 데이터를 획득하는 엑스선 데이터 획득 단계;
상기 획득한 복수의 엑스선 데이터를 복수의 엑스선 영상으로 변환하고, 상기 복수의 엑스선 영상으로부터 상기 대상체의 혈관 엑스선 영상을 분리하는 영상 처리 단계; 및
상기 엑스선 조사 단계가 일정 주기마다 반복되도록 제어하는 제어단계를 포함하되,
상기 엑스선 조사 단계는 각 주기에서 상기 복수의 엑스선을 제1시간 간격 마다 순차적으로 상기 대상체에 조사하고,
상기 제1시간 간격은 한 주기의 마지막 엑스선이 조사된 시점부터 다음 주기의 첫 엑스선이 조사된 시점 사이의 간격인 제2시간 간격과 다른 엑스선 영상 장치 제어 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 엑스선 조사 단계는 제2시간 간격을 제1시간 간격보다 작도록 제어하는 엑스선 영상 장치 제어 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 영상 처리 단계는 상기 한 주기와, 상기 한 주기의 이전 주기 및 다음 주기에서 획득한 복수의 엑스선 데이터 중에서 동일한 에너지 대역에 대응되는 엑스선 데이터들간의 차이를 참조하여 상기 혈관 엑스선 영상을 보정하는 엑스선 영상 장치 제어 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 혈관 엑스선 영상은 조영제가 주입된 상기 대상체로부터 획득되고,
상기 영상 처리 단계는 상기 조영제가 주입되기 전에 상기 대상체를 촬영한 엑스선 영상과 상기 혈관 엑스선 영상의 차이를 참조하여 상기 혈관 엑스선 영상을 보정하는 엑스선 영상 장치 제어 방법. - 제 10 항에 있어서,
상기 혈관 엑스선 영상을 화면에 표시하는 디스플레이 단계를 포함하는 엑스선 영상 장치 제어 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 디스플레이 단계는 상기 복수의 혈관 엑스선 영상을 획득 시점에 따라 구분하여 한 화면에 화면에 표시하는 엑스선 영상 장치 제어 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 디스플레이 단계는 상기 복수의 혈관 엑스선 영상을 중첩하여 한 화면에 표시하는 엑스선 영상 장치 제어 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 영상 처리 단계는 상기 복수의 혈관 엑스선 영상을 혈관 엑스선 동영상으로 변환하고,
상기 디스플레이 단계는 상기 변환된 상기 혈관 엑스선 동영상을 상기 화면에 표시하는 엑스선 영상 장치 제어 방법. - 제 14 항에 있어서,
상기 디스플레이 단계는 상기 복수의 혈관 엑스선 영상에서 배경 영역과 혈관 영역의 색을 다르게 하여 상기 화면에 표시하는 엑스선 영상 장치 제어 방법.
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Family Applications (1)
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