KR20150058672A - 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents
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Abstract
관심영역 필터를 이용하여 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 함으로써, 저선량의 엑스선 촬영을 구현함과 동시에 엑스선 영상의 FOV 손실은 최소화할 수 있는 엑스선 영상 장치 및 그 제어방법을 제공한다. 또한, 관심영역의 이동과 관심영역 필터의 이동을 동기화시킴으로써 엑스선 동영상 분야에 적용 가능한 엑스선 영상 장치 및 그 제어방법을 제공한다.
일 측면에 따른 엑스선 영상 장치는 일 측면에 따른 엑스선 영상 장치는 대상체 영역에 엑스선을 조사하는 엑스선 소스; 상기 조사된 엑스선을 검출하여 상기 대상체 영역에 관한 복수의 프레임 영상을 획득하는 엑스선 검출기; 및 상기 엑스선 소스와 상기 엑스선 검출기 사이에 상기 엑스선 소스 및 상기 엑스선 검출기를 향하여 이동 가능하게 배치되어 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선을 필터링하는 필터를 포함한다.
일 측면에 따른 엑스선 영상 장치는 일 측면에 따른 엑스선 영상 장치는 대상체 영역에 엑스선을 조사하는 엑스선 소스; 상기 조사된 엑스선을 검출하여 상기 대상체 영역에 관한 복수의 프레임 영상을 획득하는 엑스선 검출기; 및 상기 엑스선 소스와 상기 엑스선 검출기 사이에 상기 엑스선 소스 및 상기 엑스선 검출기를 향하여 이동 가능하게 배치되어 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선을 필터링하는 필터를 포함한다.
Description
개시된 내용은 대상체에 엑스선을 조사하여 그 내부를 영상화하는 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 내부 구조를 영상화할 수 있다.
한편, 엑스선 영상 장치의 안전성을 확보하기 위해 대상체의 엑스선 선량을 줄이는 것이 중요한 문제로 인식되고 있다.
관심영역 필터를 이용하여 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 함으로써, 저선량의 엑스선 촬영을 구현함과 동시에 엑스선 영상의 FOV(Field Of View) 손실은 최소화할 수 있는 엑스선 영상 장치 및 그 제어방법을 제공한다.
또한, 관심영역의 이동과 관심영역 필터의 이동을 동기화시킴으로써 엑스선 동영상 분야에 적용 가능한 엑스선 영상 장치 및 그 제어방법을 제공한다.
일 측면에 따른 엑스선 영상 장치는 대상체 영역에 엑스선을 조사하는 엑스선 소스; 상기 조사된 엑스선을 검출하여 상기 대상체 영역에 관한 복수의 프레임 영상을 획득하는 엑스선 검출기; 및 상기 엑스선 소스와 상기 엑스선 검출기 사이에 상기 엑스선 소스 및 상기 엑스선 검출기를 향하여 이동 가능하게 배치되어 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선을 필터링하는 필터를 포함한다.
상기 필터는, 상기 대상체 영역 중 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선을 필터링할 수 있다.
상기 엑스선 영상 장치는, 상기 필터가 x, y, z 축에 의해 정의되는 3차원 공간 상에서 상기 관심 영역의 이동 또는 상기 관심 영역의 크기에 따라 이동하도록 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
일 측면에 따른 엑스선 영상 장치의 제어방법은 대상체 영역에 엑스선을 조사하는 단계; 상기 조사된 엑스선을 검출하여 상기 대상체 영역 중 관심 영역에 관한 정보를 획득하는 단계; 및 상기 관심 영역의 이동 또는 상기 관심 영역의 크기에 따라 상기 대상체 영역 중 비관심 영역에 입사되는 엑스선을 필터링하는 필터가 이동하도록 제어하는 단계;를 포함한다.
상기 필터가 이동하도록 제어하는 단계는, 상기 관심 영역의 이동 또는 상기 관심 영역의 크기에 따라 상기 필터가 x, y, z 축에 의해 정의되는 3차원 공간 상에서 이동하도록 제어하는 것을 포함할 수 있다.
관심영역 필터를 이용하여 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 함으로써, 저선량의 엑스선 촬영을 구현함과 동시에 엑스선 영상의 FOV 손실은 최소화할 수 있다.
또한, 관심영역의 이동과 관심영역 필터의 이동을 동기화시킴으로써 엑스선 동영상 분야에 적용할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치에 포함되는 엑스선 튜브의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 혈관 스텐트 삽입술의 경우에 대한 관심 영역의 예시를 나타낸 도면이다.
도 4a는 관심영역 필터의 측단면도이고, 도 4b는 관심영역 필터의 예시에 관한 평면도이다.
도 5a및 도 5b는 관심영역과 비관심 영역에 입사된 엑스선의 선량을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 관심 영역의 크기에 따라 관심영역 필터의 z축 상에서의 이동을 제어하는 동작을 나타낸 도면이다.
도 7a 는 관심 객체의 움직임에 따른 관심 영역의 이동을 나타낸 도면이고, 도 7b는 이동하는 관심 영역을 추적하는 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 관심영역의 이동에 따른 관심영역 필터의 이동을 나타낸 도면이다.
도 9는 복수의 레이어로 구성되는 관심영역 필터의 측단면도이다.
도 10은 복수의 레이어로 구성되는 관심영역 필터의 분해 사시도이다.
도 11a 내지 도 11d는 복수의 레이어가 개별적으로 이동하는 관심영역 필터의 측단면도이다.
도 12a 내지 도 12d는 관심영역 필터가 xy 평면 상에서 이동하여 필터링 위치에서 벗어나는 동작을 나타낸 측단면도이다.
도 13a는 분리 가능한 관심영역 필터의 평면도이고, 도 13b는 분리된 관심영역 필터가 y축 양 방향으로 이동하여 필터링 위치에서 벗어나는 동작을 나타낸 도면이다.
도 14는 엑스선의 선량이 조절된 프레임 영상의 화질을 복원하고 엑스선 촬영 파라미터를 제어할 수 있는 엑스선 영상 장치의 제어 블록도이다.
도 15는 프레임 영상의 결합에 의한 화질 복원을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 외관도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 순서도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어방법에 있어서, 복수의 필터 레이어를 선택하는 실시예에 관한 순서도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치에 포함되는 엑스선 튜브의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.
도 3은 혈관 스텐트 삽입술의 경우에 대한 관심 영역의 예시를 나타낸 도면이다.
도 4a는 관심영역 필터의 측단면도이고, 도 4b는 관심영역 필터의 예시에 관한 평면도이다.
도 5a및 도 5b는 관심영역과 비관심 영역에 입사된 엑스선의 선량을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6a 내지 도 6c는 관심 영역의 크기에 따라 관심영역 필터의 z축 상에서의 이동을 제어하는 동작을 나타낸 도면이다.
도 7a 는 관심 객체의 움직임에 따른 관심 영역의 이동을 나타낸 도면이고, 도 7b는 이동하는 관심 영역을 추적하는 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 관심영역의 이동에 따른 관심영역 필터의 이동을 나타낸 도면이다.
도 9는 복수의 레이어로 구성되는 관심영역 필터의 측단면도이다.
도 10은 복수의 레이어로 구성되는 관심영역 필터의 분해 사시도이다.
도 11a 내지 도 11d는 복수의 레이어가 개별적으로 이동하는 관심영역 필터의 측단면도이다.
도 12a 내지 도 12d는 관심영역 필터가 xy 평면 상에서 이동하여 필터링 위치에서 벗어나는 동작을 나타낸 측단면도이다.
도 13a는 분리 가능한 관심영역 필터의 평면도이고, 도 13b는 분리된 관심영역 필터가 y축 양 방향으로 이동하여 필터링 위치에서 벗어나는 동작을 나타낸 도면이다.
도 14는 엑스선의 선량이 조절된 프레임 영상의 화질을 복원하고 엑스선 촬영 파라미터를 제어할 수 있는 엑스선 영상 장치의 제어 블록도이다.
도 15는 프레임 영상의 결합에 의한 화질 복원을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 16은 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 외관도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 순서도이다.
도 18은 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어방법에 있어서, 복수의 필터 레이어를 선택하는 실시예에 관한 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 엑스선 영상 장치 및 그 제어 방법의 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 블록도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치에 포함되는 엑스선 튜브의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1을 참조하면, 엑스선 영상 장치(100)는 엑스선을 발생시켜 조사하는 엑스선 소스(110), 조사된 엑스선을 검출하여 프레임 영상을 획득하는 엑스선 검출기(120), 엑스선 소스(110)로부터 조사되는 엑스선을 필터링하는 필터링부(140), 획득된 프레임 영상으로부터 관심 영역을 검출하는 영상 프로세서(150) 및 필터링부(140)를 제어하는 제어부(160)를 포함한다.
도 2를 참조하면, 엑스선 소스(110)는 엑스선을 발생시키는 엑스선 튜브(111)를 포함할 수 있다. 엑스선 튜브(111)의 유리관(111a) 내부에는 양극(111b)과 음극(111e)이 마련되며, 유리관(111a) 내부를 고진공 상태로 만들고 음극(111e)의 필라멘트(111h)를 가열하여 열전자를 발생시킨다. 필라멘트에 연결된 전기도선(111f)에 전류를 가하면 필라멘트(111h)를 가열할 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.
그리고, 양극(111b)과 음극(111e) 사이에 고전압을 걸어주면 열전자가 가속되어 양극의 타겟 물질(111d)에 충돌하면서 엑스선을 발생시킨다. 양극의 타겟 물질(111d)로는 Cr, Fe, Co, Ni, W, Mo 등의 고저항 재료들이 사용될 수 있다. 발생된 엑스선은 윈도우(111i)를 통해 외부로 조사되며, 일 예로 베릴륨(Be) 박막을 윈도우(111i)의 재료로 사용할 수 있다.
양극(111b)과 음극(111e) 사이에 가해지는 전압을 관전압이라 하며, 그 크기는 파고치 kvp로 나타낼 수 있다. 관전압이 증가하면 열전자의 속도가 증가되고 결과적으로 타겟 물질에 충돌하여 발생되는 엑스선의 에너지(광자의 에너지)가 증가된다. 또한, 엑스선의 조사 방향에 필터를 배치하여 엑스선의 에너지를 조절할 수도 있는바, 윈도우(111i)의 전면 또는 후면에 특정 파장 대역의 엑스선을 필터링하는 필터를 위치시켜 특정 에너지 대역의 엑스선을 필터링할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄이나 구리와 같은 필터를 배치하면, 저에너지 대역의 엑스선이 필터링되면서 조사되는 엑스선의 에너지가 증가된다.
엑스선 튜브(111)에 흐르는 전류는 관전류라 하며 평균치 mA로 표시할 수 있고, 관전류와 엑스선 노출 시간을 결합하여 관전류량(mAs)으로 나타내기도 한다. 관전류가 증가하면 엑스선의 선량(엑스선 광자의 수)이 증가된다. 따라서, 관전압에 의해 엑스선의 에너지가 제어될 수 있고, 관전류 및 엑스선 노출 시간 즉, 관전류랑(mAs)에 의해 엑스선의 선량이 제어될 수 있다.
한편, 엑스선 영상 장치(100)는 엑스선 투시법(fluoroscopy)을 적용하여 엑스선 동영상을 생성할 수 있고, 혈관 조영술(angiography) 등의 엑스선 진단 분야 또는 이를 이용한 각종 시술 분야에 적용될 수 있다. 이 때, 엑스선 동영상은 실시간으로 생성되어 표시될 수 있다.
엑스선 영상 장치(100)는 엑스선 동영상을 생성하기 위해 엑스선 촬영을 연속적으로 수행한다. 엑스선 촬영을 연속적으로 수행하는 방식에는 연속 노출 방식과 펄스 노출 방식이 있다.
연속 노출 방식을 적용하는 경우에는 엑스선 튜브(111)에 낮은 관전류를 연속적으로 공급하여 엑스선을 연속적으로 발생시키고, 펄스 노출 방식을 적용하는 경우에는 엑스선을 짧은 펄스의 연속에 따라 발생시킨다. 따라서, 펄스 노출 방식을 적용하면 엑스선의 선량과 모션 블러링을 감소시킬 수 있다. 엑스선 영상 장치(100)는 상기 두 방식 모두 적용 가능하나, 이하 상술할 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 펄스 노출 방식을 적용하는 것으로 하여 설명하도록 한다.
엑스선 소스(110)는 대상체(subject) 영역에 미리 정해진 시간 간격 또는 임의의 시간 간격에 따라 엑스선을 복수 회 조사할 수 있다. 여기서, 미리 정해진 시간 간격 또는 임의의 시간 간격은 펄스 레이트(pulse rate) 또는 프레임 레이트(frame rate)에 따라 결정될 수 있고, 펄스 레이트는 프레임 레이트에 따라 결정되거나 또는 그 반대일 수 있다. 프레임 레이트는 초당 30프레임(30fps), 초당 15 프레임(15fps), 초당 7.5 프레임(7.5fps) 등으로 설정될 수 있는바, 일 예로 프레임 레이트가 15fps로 설정되면 펄스 레이트가 15pps로 설정되어 1초에 15회 엑스선을 발생시키거나 7.5pps로 설정되어 1초에 7.5회 엑스선을 발생시킬 수 있다.
대상체는 그 내부를 엑스선 영상으로 나타내고자 하는 촬영 대상이며, 대상체 영역은 대상체를 포함하는 일정 영역으로서 엑스선 영상으로 영상화되는 영역을 의미한다. 따라서, 대상체 영역은 엑스선 영상 장치(100)의 촬영 영역(FOV)과 일치하거나 엑스선 영상 장치(100)의 촬영 영역을 포함할 수 있다.
대상체 영역은 관심 영역과 비관심 영역 중 적어도 하나를 포함한다. 대상체 영역 중 관심 영역이 아닌 영역은 비관심 영역이 되는바, 관심 영역과 비관심 영역에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
엑스선 검출기(120)는 엑스선을 검출하여 대상체 영역에 대한 복수의 프레임 영상을 획득한다. 프레임 영상은 엑스선 영상 장치(100)의 프레임 레이트에 따라 획득되는 복수의 엑스선 영상 각각을 의미한다. 엑스선 검출기(120)는 복수의 픽셀을 포함하는 2차원 어레이 구조를 가질 수 있고, 검출된 엑스선을 픽셀 별로 전기적 신호로 변환하면 대상체 영역에 대한 하나의 엑스선 영상이 된다.
엑스선 검출기(120)는 엑스선을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 다양한 구조 중 어느 것이든 적용될 수 있다. 일 예로서, a-Se 등의 광전소자(photoconductor)를 이용하여 엑스선이 전기적 신호로 직접 변환되는 직접 (direct) 방식과 CSI 등의 섬광체를 이용하여 엑스선이 가시광선으로 변환되고 가시광선이 전기적 신호로 변환되는 간접(indirect) 방식 중 어느 것이 적용되어도 무방하다.
필터링부(140)는 엑스선을 흡수하는 물질로 이루어진 관심영역 필터(141)와 관심영역 필터(141)를 이동시키는 필터 구동부(143)를 포함한다. 필터 구동부(143)는 동력을 발생시키는 모터와 발생된 동력을 관심영역 필터(141)에 전달하는 기어 등의 기구적 구조물을 포함할 수 있다.
관심영역 필터(141)는 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 엑스선 소스(110)로부터 조사되는 엑스선을 필터링한다. 이는 엑스선의 선량을 줄이기 위한 것으로서, 엑스선 필터링을 통해 대상체의 내부에 관한 유용한 정보를 많이 포함하는 관심 영역에는 비관심 영역보다 많은 선량의 엑스선을 가하고, 정보량이 적은 비관심 영역에는 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선을 가한다. 비관심 영역에도 엑스선이 입사되므로, 촬영 영역(FOV)이 손실되지 않는바, 필터링부(140)의 더 구체적인 구조 및 동작에 관한 설명은 후술하도록 한다.
앞서 언급한 바와 같이, 엑스선 영상 장치(100)는 엑스선 촬영을 연속적으로 수행하여 대상체 영역에 관한 엑스선 동영상을 얻을 수 있다. 엑스선 검출기(120)가 획득한 프레임 영상들은 영상 프로세서(150)로 입력되며, 영상 프로세서(150)는 입력된 프레임 영상들을 분석하여 관심 영역에 관한 정보를 획득할 수 있다. 관심 영역에 관한 정보가 제어부(160)로 전달되면 제어부(160)가 필터링부(140)를 제어하여 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사될 수 있도록 한다.
이하 영상 프로세서(150)가 관심 영역에 관한 정보를 획득하는 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
먼저, 영상 프로세서(150)는 대상체 영역에 관한 프레임 영상으로부터 관심 객체(object)를 검출한다. 관심 객체를 검출하기 위해, 관심 객체의 특징을 미리 저장하고 대상체 영역에 관한 프레임 영상으로부터 미리 저장된 특징에 대응되는 객체를 검출할 수 있다. 예를 들어, 관심 객체의 형상(shape), 엑스선 흡수 특성, 움직임 특성 등 관심 객체가 갖는 특징 중 엑스선 영상으로부터 검출 가능한 특징이 미리 저장될 수 있다. 여기서, 관심 객체의 움직임 특성은 관심 객체의 이동에 관한 정보를 포함하며, 이동에 관한 정보는 이동 방향, 이동 속도 및 위치 변화를 포함할 수 있다.
관심 객체는 사용자가 엑스선 촬영 중 지속적으로 주시해야 하는 객체로서, 대상체에 사용되는 시술 도구(instrument)이거나 시술 부위일 수 있다. 예를 들어, 엑스선 영상 장치(100)가 혈관 조영술에 사용되는 경우, 가이드 와이어(guide wire), 카테터(catheter), 바늘, 풍선, 스텐트(stent) 등의 시술 도구가 혈관에 삽입될 때에 이들 시술 도구에 대한 세밀한 관찰이 필요하다. 따라서, 시술 도구를 관심 객체로 설정하여 그 특징에 관한 정보를 미리 저장할 수 있다.
또한, 시술 부위가 관심 객체로 설정되는 경우에는 협착증(stenosis), 동맥류(aneurysm), 암 영역(cancerous region) 등의 부위가 관심 객체가 될 수 있다.
관심 객체가 검출되면, 영상 프로세서(150)는 검출된 관심 객체를 포함하는 일정 영역을 관심 영역으로 설정한다. 따라서, 관심 영역의 위치와 크기는 관심 객체의 위치, 크기, 또는 관심 객체의 움직임 특성을 고려하여 결정될 수 있다.
도 3은 혈관 스텐트 삽입술의 경우에 대한 관심 영역의 예시를 나타낸 도면이다. 이하 도 3을 참조하여 관심 영역의 설정에 관한 구체적인 예시를 설명하도록 한다.
스텐트(13a)는 혈관의 폐색 등을 막기 위해 혈관에 주입되는 것으로, 그물망과 같은 형태를 갖는다. 스텐트(13a)는 접힌 상태로 긴 튜브 형태의 스텐트 기구(13) 끝부분에 장착되어 혈관 내로 주입되고, 필요한 위치에서 그물망 형태로 펼쳐진다.
도3을 참조하면, 대상체 영역의 혈관에 스텐트 기구(13)를 삽입하기 위해 먼저 가이드 와이어(11)를 삽입한다. 스텐트 기구(13)는 가이드 와이어(11)를 따라 혈관에 삽입되며, 스텐트 기구(13)가 삽입되는 동안은 스텐트 기구(13) 특히, 단부의 스텐트(13a)가 관심 객체가 될 수 있고, 스텐트(13a)를 포함하는 일정 영역이 관심 영역이 될 수 있다.
가이드 와이어(11)가 삽입되는 동안은 가이드 와이어(11) 또는 가이드 와이어(11)의 단부(tip)가 관심 객체가 될 수 있으며, 도면에 도시되지는 않았으나 혈관에 조영제를 주입하기 위해 카테터를 삽입하는 동안은 카테터 또는 카테터의 단부가 관심 객체가 될 수 있다.
한편, 영상 프로세서(150)는 외부로부터 입력된 정보를 관심 객체의 검출에 사용할 수도 있다. 예를 들어, 시술 도구의 종류, 시술의 종류, 시술 부위에 관한 정보, 조영제의 주입 여부 등에 관한 정보가 입력되면, 입력된 정보에 기초하여 프레임 영상으로부터 관심 객체를 검출할 수 있다.
일 예로서, 시행하고자 하는 시술이 대동맥의 스텐트 삽입술이고, 삽입될 시술 도구가 스텐트 기구라는 정보가 입력되면, 영상 프로세서(150)는 미리 저장된 스텐트의 특징에 관한 정보를 이용하여 대상체 영역에 대한 프레임 영상으로부터 대동맥 내의 스텐트를 검출한다.
영상 프로세서(150)는 검출된 관심 객체를 추적하면서 관심 객체의 움직임 특성을 판단할 수 있으며, 관심 객체의 검출, 추적 및 이들을 포함하는 관심 영역에 관한 정보 획득은 영상 프로세서(150)로 입력된 프레임 영상들의 프레임 레이트에 따라 실시간으로 이루어질 수 있다. 여기서, 관심 영역에 관한 정보의 획득은 관심 객체의 검출, 추적 및 이를 기초로 한 관심 영역의 설정을 포함한다.
관심 객체의 움직임 특성은 관심 객체의 움직임의 크기, 움직이는 방향 등과 같은 정보를 포함하며, 관심 객체의 움직임은 관심 객체의 이동을 포함한다. 움직임의 크기는 속도를 포함할 수 있으나, 관심 객체의 움직임은 일정한 패턴을 갖지 않을 수도 있다. 따라서, 움직임의 크기는 속도 이외에도 움직임의 정도를 나타내는 다양한 정보를 포함할 수 있다.
관심 영역은 관심 객체를 포함하는 일정 영역이므로 관심 객체에 의해 정의되는바, 관심 객체의 움직임 특성에 따라 관심 영역의 움직임 특성이 결정될 수 있다.
그리고, 영상 프로세서(150)에서 획득한 관심 영역에 관한 정보, 구체적으로 관심 영역의 위치, 크기 또는 움직임 특성과 같은 정보는 제어부(160)로 전송되어 필터링부(140)를 제어하는데 사용된다.
한편, 영상 프로세서(150)는 프레임 영상에 나타나는 노이즈, 콘트라스트(contrast) 등의 영상 특성에 관한 정보를 획득할 수도 있고 이러한 특성들은 제어부(160)로 전송되어 엑스선 촬영 조건을 제어하는데 사용되거나 관심 영역과 비관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량 차이를 결정하는데 사용될 수 있다. 이에 관한 내용은 후술한다.
전술한 바에 따라 영상 프로세서(150)가 대상체 영역에 관한 프레임 영상을 분석하여 관심 영역에 관한 정보를 획득하면, 제어부(160)에 의해 그 이동이 제어되는 관심영역 필터(141)가 비관심 영역에 입사되는 엑스선을 필터링하여 비관심 영역에 저선량의 엑스선이 입사되도록 한다.
도 4a는 관심영역 필터의 측단면도이고, 도 4b는 관심영역 필터의 예시에 관한 평면도이다.
도 4a를 참조하면, 엑스선 소스(110)의 전방에 해당하는 엑스선 조사 방향에는 콜리메이터(131)가 배치될 수 있다. 콜리메이터(131)는 납이나 텅스텐과 같이 엑스선을 흡수하거나 차단하는 물질로 구성되어 엑스선 소스(110)의 엑스선 조사 영역에 해당하는 촬영 영역(FOV)의 범위를 조절하고 엑스선의 산란을 감소시킨다.
관심영역 필터(141)는 콜리메이터(131)와 엑스선 검출기(120) 사이에 위치하여 엑스선 소스(110)로부터 조사되는 엑스선 중 비관심 영역에 입사되는 엑스선을 필터링할 수 있다. 관심영역 필터(141)는 엑스선을 감쇠시키는 물질로 이루어질 수 있는바, 알루미늄(Al), 구리(Cu), 지르코늄(Zr), 몰리브데넘(Mo), 은(Ag), 이리듐(Ir), 철(Fe), 주석 (Sn), 금(Pt), 백금(Au), 탄탈륨(Ta) 등 엑스선 감쇠 특성을 갖는 다양한 물질 또는 이들간의 혼합물이 관심영역 필터(141)를 구성하는데 사용될 수 있다. 이러한 엑스선 감쇠 특성을 갖는 물질을 필터 물질(filtration material)이라 할 수 있다.
관심영역 필터(141)는 x, y, z 축에 의해 정의되는 3차원 공간 상에서 이동하여 비관심 영역에 대응되는 위치에 위치할 수 있다. 여기서, z축은 엑스선 소스(110)와 엑스선 검출기(120)를 연결하는 수직선에 대응되고, x축 및 y축은 z축에 수직이다.
예를 들어, 관심영역 필터(141)는 xy 평면 또는 z축 상에서 이동할 수 있는바, xy 평면 상에서의 이동은 관심영역 필터(141)와 비관심 영역의 위치를 대응시키기 위한 것이고, z 축 상에서 또는 z축 방향으로의 이동은 관심영역 필터(141)와 관심 영역의 크기를 대응시키기 위한 것이다.
일반적으로는 관심 영역이 비관심 영역에 둘러싸이게 되므로, 관심영역 필터(141)는 도 4b에 도시된 바와 같이 가운데가 비어있는, 다시 말하면 가운데에 개구부(141b)가 형성된 링 형상을 가질 수 있다. 개구부(141b)의 주위는 필터 물질(141a)이 둘러싸게 된다.
도 4b의 좌측의 사각 링과 같이 개구부(141b)가 다각형인 링 형상을 가질 수도 있고, 도 4b의 우측에 도시된 바와 같이 개구부(141b)가 원형인 링 형상을 가질 수도 있으나, 관심영역 필터(141)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니며, 관심영역 필터(141)는 관심 영역의 특징이나 관심 영역과 비관심 영역의 기하학적 관계 등에 따라 다양한 형상을 가질 수 있다.
한편, 엑스선이 어떤 물질을 지나가면서 그 선량이 감소되거나 필터링되면 엑스선이 투과한다고 표현할 수 있고, 그 선량이 감소되거나 필터링되지 않고 해당 물질을 지나기 전의 성질과 동일한 성질을 유지하면 엑스선이 통과한다고 표현할 수 있다.
엑스선 소스(110)로부터 조사되는 엑스선 중 필터 물질(141a)에 입사되는 엑스선은 필터 물질(141a)을 투과하면서 그 선량이 줄어들고, 개구부(141b)에 입사되는 엑스선은 개구부(141b)를 통과하면서 그 선량이 유지된다. 따라서, 관심영역 필터(141), 더 정확하게는 관심영역 필터(141)의 필터 물질이 대상체 영역 중 비관심 영역에 대응되는 위치에 위치하도록 하면, 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 할 수 있다. 예를 들어, 비관심 영역에 입사되는 엑스선 양은 관심영역에 입사되는 엑스선 양의 1/5, 1/10 또는 1/20이하일 수 있다.
도 5a및 도 5b는 관심영역과 비관심 영역에 입사된 엑스선의 선량을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5a는 관심영역과 비관심 영역을 지나는 임의의 직선 AB상에 입사되는 엑스선의 선량을 나타낸다. 제어부(160)가 관심영역 필터(141)를 비관심 영역에 대응되는 위치로 이동시키면 도 5a에 도시된 바와 같이 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사된다. 선량이 적기는 하나, 비관심 영역에도 엑스선이 입사되므로 전체 촬영 영역에 대한 정보를 얻을 수 있다.
전술한 바와 같이 엑스선 영상 장치(100)는 엑스선 촬영을 연속적으로 수행하여 동영상을 얻을 수 있는바, 대상체 영역에 관심 영역이 존재하는 한 관심 영역과 비관심 영역에 입사되는 엑스선의 선량의 차이를 도 5b에 도시된 바와 같이 유지하면서 엑스선 촬영을 수행할 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 관심 영역의 크기에 따라 관심영역 필터의 z축 상에서의 이동을 제어하는 동작을 나타낸 도면이다.
엑스선 영상 장치(100)에 관심영역 필터(141)가 구비되어 있다 하더라도, 전체 촬영 영역(Full FOV)에 대한 영상이 필요한 경우가 있다. 예를 들어, 관심 객체의 움직임이 일정 기준치 이상으로 큰 경우 또는 혈관에 조영제를 주입하거나 엑스선 영상 장치(100)의 이미징 모드를 DSA(Digital Subtraction Angiography) 모드로 설정하여 전체 영상을 관찰하고자 하는 경우에는 전체 촬영 영역에 대해 균일한 선량의 엑스선을 입사시킨다.
이러한 경우에는 도 6a에 도시된 바와 같이, 관심영역 필터(141)를 콜리메이터(131)의 바로 아래에 위치시켜 필터링 위치에서 벗어나도록 한다. 여기서, 필터링 위치는 엑스선 소스(110)에서 조사되거나 콜리메이터(131)를 통과한 엑스선을 필터링할 수 있는 위치를 의미한다.
구체적으로는, 콜리메이터(131)를 통과한 엑스선 중 최외각 엑스선이 관심영역 필터(141)의 개구부(141b) 안쪽으로 들어오게 하여 필터링 위치를 벗어날 수 있다. 제어부(160)가 관심영역 필터(141)를 콜리메이터(131)의 바로 아래로 이동시켜 필터링 위치에서 벗어나게 하면, 콜리메이터(131)를 통과한 엑스선이 관심 영역과 비관심 영역의 구분 없이 균일하게 입사된 전체 촬영 영역(Full FOV) 영상을 얻을 수 있다.
전술한 바와 같이, 제어부(160)는 필터 구동부(143)에 제어 신호를 전송하고, 필터 구동부(143)가 전송된 제어 신호에 따라 관심영역 필터(141)를 이동시키는 것이나, 설명의 편의를 위하여 제어부(160)가 관심영역 필터(141)를 이동시키는 것으로 표현할 수 있는 것으로 한다.
전체 촬영 영역에 대한 영상일 필요한 경우가 아닌 경우에는, 도 6b및 도 6c에 도시된 바와 같이 비관심 영역에 저선량의 엑스선을 입사시키기 위해 관심영역 필터(141)를 필터링 위치에 위치시킬 수 있다.
엑스선 소스(110)로부터 조사되는 엑스선은 주로 콘빔(cone beam) 또는 팬빔(fan beam)의 형태를 가지므로, 엑스선이 입사되는 면이 엑스선 소스(110)로부터 멀어질수록 엑스선의 입사 면적이 커진다. 따라서, 일정한 크기의 개구부(141b)를 갖는 관심영역 필터(141)를 엑스선 소스(110)의 전방에 위치시킬 때, 관심영역 필터(141)와 엑스선 소스(110)의 거리에 따라 개구부(141b)를 통과하여 관심영역 필터(141)에 의해 필터링되지 않은 엑스선의 입사 면적이 달라진다.
따라서, 제어부(160)는 관심 영역의 크기에 따라 관심영역 필터(141)의 z축 상에서의 위치를 다르게 제어하는바, 관심영역 필터(141)에 의해 필터링되지 않은 엑스선의 입사 면적과 관심 영역의 크기를 대응시키기 위해 관심영역 필터(141)의 z축 상에서의 이동을 제어할 수 있다.
구체적으로, 도 6b의 예시와 같이 관심 영역의 크기가 촬영 영역의 2분의 1(1/2FOV)에 해당하는 경우에는 제어부(160)가 이에 대응되는 관심영역 필터(141)의 z축 상에서의 위치를 계산하고, 관심영역 필터(141)를 계산된 위치로 이동시킨다. 이동 전 관심영역 필터(141)가 도 6a에 도시된 바와 같이 콜리메이터(131)의 바로 아래에 위치했던 경우에는 관심영역 필터(141)를 엑스선 검출기(120) 방향으로 일정 거리만큼 이동시킨다.
또한, 도 6c의 예시와 같이 관심 영역의 크기가 촬영 영역의 4분의 1(1/4FOV)에 해당하는 경우에는 제어부(160)가 이에 대응되는 관심영역 필터(141)의 z축 상에서의 위치를 계산하고, 관심영역 필터(141)를 계산된 위치로 이동시킨다. 이동 전 관심영역 필터(141)가 도 6b의 위치에 있었던 경우에는 관심영역 필터(141)를 엑스선 검출기(120) 방향으로 일정 거리만큼 이동시킨다.
상기 도 6a 내지 도 6c의 예시에 따르면, 제어부(160)는 관심 영역의 크기가 클수록 관심영역 필터(141)를 엑스선 검출기(120)로부터 멀리 위치시키고, 관심 영역의 크기가 작을수록 관심영역 필터(141)를 엑스선 검출기(120)와 가깝게 위치시킨다. 이를 위해, 제어부(160)는 관심 영역의 크기와 관심영역 필터(141)의 위치 관계를 미리 저장하고, 미리 저장된 관계를 이용하여 관심 영역의 크기에 따른 관심영역 필터(141)의 위치 특히, z축 상에서의 위치를 계산할 수 있다.
도 7a 는 관심 객체의 움직임에 따른 관심 영역의 이동을 나타낸 도면이고, 도 7b는 이동하는 관심 영역을 추적하는 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 8은 관심영역의 이동에 따른 관심영역 필터의 이동을 나타낸 도면이다.
엑스선 동영상은 대상체 영역에 존재하는 움직임을 나타낼 수 있고, 움직임의 주체가 관심 객체인 경우에는 관심 객체의 움직임에 의해 관심 영역이 이동할 수 있다. 일 예로서, 도 7a에 도시된 바와 같이 혈관에 스텐트 삽입술을 수행하는 경우, 관심 객체인 스텐트(13a)는 혈관 내의 목표 위치로 이동하고, 스텐트(13a)의 움직임에 따라 관심 영역도 함께 이동한다.
앞서, 영상 프로세서(150)가 관심 객체의 검출 및 추적을 실시간으로 수행할 수 있다고 하였는바, 관심 영역이 이동하는 경우에는 도 7b에 도시된 바와 같이 영상 프로세서(150)가 실시간으로 이를 추적하고, 제어부(160)는 도 8에 도시된 바와 같이 관심영역 필터(141)를 xy 평면 상에서 이동시켜 관심 영역 또는 비관심 영역의 위치와 관심영역 필터(141)의 위치가 동기되도록 한다.
한편, 도 7b및 도 8의 예시에서는 관심 객체의 이동에 따라 관심 영역 및 관심영역 필터(141)도 함께 이동하는 것으로 하였으나, 관심 객체의 이동에 따라 관심 영역의 크기가 달라지는 것도 가능하다. 예를 들어, 관심 객체의 움직임의 크기가 크지 않은 경우, 다시 말하면, 움직임의 크기가 일정 기준치 이하인 경우에는 영상 프로세서(150)가 관심 객체의 이동에 따라 관심 영역의 크기를 증가시키고, 관심 영역의 위치는 고정시킬 수 있다. 관심 영역은 그 위치가 고정된 상태에서, 이동된 관심 객체를 포함해야 하므로 관심 객체의 움직임의 크기에 따라 관심 영역의 크기 증가율이 달라진다.
이 경우, 제어부(160)는 관심영역 필터(141)를 xy 평면 상에서는 이동시키지 않고 z축 상에서만 이동시켜, 관심영역 필터(141)의 z축 상에서의 위치가 관심 영역의 크기 변화에 동기될 수 있도록 한다.
도 9는 복수의 레이어로 구성되는 관심영역 필터의 측단면도이고, 도 10은 복수의 레이어로 구성되는 관심영역 필터의 분해 사시도이다.
관심영역 필터(141)는 xy평면 또는 z축 상에서 독립적으로 이동 가능한 복수의 필터 레이어로 이루어질 수 있으며, 도 9의 예시에서는 3개의 필터 레이어로 이루어지는 것으로 한다. 각각의 필터 레이어는 제1관심영역 필터(141-1), 제2관심영역 필터(141-2) 및 제3관심영역 필터(141-3)가 된다.
제1관심영역 필터(141-1), 제2관심영역 필터(141-2) 및 제3관심영역 필터(141-3)는 필터 물질(fitration material)의 종류와 두께가 모두 동일하거나, 종류는 동일하고 두께가 다르거나, 필터 물질의 종류와 두께가 모두 다르거나, 도 9 및 도 10의 예시와 같이 필터 물질의 종류는 다르고 두께는 동일할 수 있다.
제어부(160)는 관심 영역에 관한 정보에 기초하여 관심영역과 비관심 영역에 입사될 엑스선의 선량 차이를 결정할 수 있는바, 여기서 관심 영역에 관한 정보는 노이즈, 모션, 콘트라스트 등 관심 영역과 비관심 영역에 나타나는 영상 특성을 더 포함할 수 있다. 결정된 선량 차이에 따라 관심영역 필터(141)의 종류 또는 두께를 가변적으로 제어할 수 있다.
제어부(160)는 제1관심영역 필터(141-1), 제2관심영역 필터(141-2) 및 제3관심영역 필터(141-3)의 조합을 이용하여 비관심 영역에 입사될 엑스선의 선량을 제어할 수 있는바, 이하 도 11a 내지 도 12d를 참조하여 필터 레이어의 조합을 이용한 선량 제어 동작을 구체적으로 설명하도록 한다.
도 11a 내지 도 11d는 복수의 레이어가 개별적으로 이동하는 관심영역 필터의 측단면도이다. 도 11a 내지 도 11d에서 관심영역 필터(141)의 이동은 z축 상에서의 이동이다.
전체 촬영 영역을 관찰해야 하는 경우나 관심 객체의 움직임이 일정 기준치 이상으로 큰 경우에는 도 11a에 도시된 바와 같이, 제1관심영역 필터(141-1), 제2관심영역 필터(141-2) 및 제3관심영역 필터(141-3)를 모두 엑스선 소스(110) 방향으로 이동시켜 필터링 위치에서 벗어나게 함으로써, 전체 촬영 영역에 대한 엑스선 영상을 얻을 수 있다.
또는, 결정된 비관심 영역의 엑스선 선량에 대응되는 필터가 제3관심영역 필터(141-3)인 경우에는, 도 11b에 도시된 바와 같이, 제1관심영역 필터(141-1)와 제2관심영역 필터(141-2)는 엑스선 소스(110) 방향으로 이동시켜 필터링 위치에서 벗어나게 하고, 제3관심영역 필터(141-3)는 관심 영역의 크기에 맞는 필터링 위치로 이동시켜 비관심 영역에 제어부(160)에 의해 결정된 선량을 갖는 엑스선이 입사되도록 한다.
또는, 결정된 비관심 영역의 엑스선 선량에 대응되는 필터가 제2관심영역 필터(141-2)와 제3관심영역 필터(141-3)인 경우에는, 도 11c에 도시된 바와 같이, 제1관심영역 필터(141-1)는 엑스선 소스(110) 방향으로 이동시켜 필터링 위치에서 벗어나게 하고 제2관심영역 필터(141-2)와 제3관심영역 필터(141-3)는 관심 영역의 크기에 맞는 필터링 위치로 이동시켜 비관심 영역에 제어부(160)에 의해 결정된 선량을 갖는 엑스선이 입사되도록 한다. 이 경우, 제2관심영역 필터(141-2)와 제3관심영역 필터(141-3)가 함께 필터링을 수행하므로, 제3관심영역 필터(141-3)만 필터링을 수행할 때보다 비관심 영역으로 입사되는 엑스선의 선량이 더 감소된다.
또는, 결정된 비관심 영역의 엑스선 선량에 대응되는 필터가 제1관심영역 필터(141-1), 제2관심영역 필터(141-2)와 제3관심영역 필터(141-3)인 경우에는, 도 11d에 도시된 바와 같이, 제1관심영역 필터(141-1), 제2관심영역 필터(141-2)와 제3관심영역 필터(141-3)를 모두 관심 영역의 크기에 맞는 필터링 위치로 이동시켜 비관심 영역에 제어부(160)에 의해 결정된 선량을 갖는 엑스선이 입사되도록 한다. 이 경우, 제1관심영역 필터(141-1), 제2관심영역 필터(141-2)와 제3관심영역 필터(141-3)가 모두 필터링을 수행하므로, 제2관심영역 필터(141-2)와 제3관심영역 필터(141-3)가 필터링을 수행하는 경우 또는 제3관심영역 필터(141-3)만 필터링을 수행하는 경우보다 비관심 영역으로 입사되는 엑스선의 선량이 더 감소된다.
상기 도 11a 내지 도 11d에서는 관심영역 필터(141)가 필터링 위치에서 벗어나기 위해 z축 상에서 엑스선 소스(110) 방향으로 이동하는 것으로 하였으나, 관심영역 필터(141)가 xy 평면 상에서 이동하여 필터링 위치에서 벗어나는 것도 가능하다. 이하 도 12a 내지 도 12d를 참조하여 설명한다.
도 12a 내지 도 12d는 관심영역 필터가 xy 평면 상에서 이동하여 필터링 위치에서 벗어나는 동작을 나타낸 측단면도이다.
전체 촬영 영역을 관찰해야 하는 경우나 관심 객체의 움직임이 일정 기준치 이상으로 큰 경우에는 도 12a에 도시된 바와 같이, 제1관심영역 필터(141-1), 제2관심영역 필터(141-2) 및 제3관심영역 필터(141-3)를 모두 xy 평면 상에서, 일 예로, y축 방향으로 이동시켜 필터링 위치에서 벗어나게 함으로써, 전체 촬영 영역에 대한 엑스선 영상을 얻을 수 있다.
또는, 결정된 비관심 영역의 엑스선 선량에 대응되는 필터가 제2관심영역 필터(141-2)인 경우에는, 도 12b에 도시된 바와 같이, 제1관심영역 필터(141-1)와 제3관심영역 필터(141-3)는 y축 방향으로 이동시켜 필터링 위치에서 벗어나게 하고, 제2관심영역 필터(141-2)는 관심 영역의 크기에 맞는 필터링 위치로 이동시켜 비관심 영역에 제어부(160)에 의해 결정된 선량을 갖는 엑스선이 입사되도록 한다.
또는, 결정된 비관심 영역의 엑스선 선량에 대응되는 필터가 제3관심영역 필터(141-3)인 경우에는, 도 12c에 도시된 바와 같이, 제1관심영역 필터(141-1)와 제2관심영역 필터(141-2)는 y축 방향으로 이동시켜 필터링 위치에서 벗어나게 하고, 제3관심영역 필터(141-3)는 관심 영역의 크기에 맞는 필터링 위치로 이동시켜 비관심 영역에 제어부(160)에 의해 결정된 선량을 갖는 엑스선이 입사되도록 한다.
또는, 결정된 비관심 영역의 엑스선 선량에 대응되는 필터가 제1관심영역 필터(141-1)인 경우에는, 도 12d에 도시된 바와 같이, 제2관심영역 필터(141-2)와 제3관심영역 필터(141-3)는 y축 방향으로 이동시켜 필터링 위치에서 벗어나게 하고, 제1관심영역 필터(141-1)는 관심 영역의 크기에 맞는 필터링 위치로 이동시켜 비관심 영역에 제어부(160)에 의해 결정된 선량을 갖는 엑스선이 입사되도록 한다.
필터링 위치에서 벗어나는 또 다른 방법으로, 관심영역 필터(141)가 분리 가능하게 구현되고 분리된 관심영역 필터(141)가 y축 양방향으로 이동하는 것도 가능하다.
도 13a는 분리 가능한 관심영역 필터의 평면도이고, 도 13b는 분리된 관심영역 필터가 y축 양 방향으로 이동하여 필터링 위치에서 벗어나는 동작을 나타낸 도면이다.
도 13a를 참조하면, 관심영역 필터(141)는 두 조각(141a)으로 분리 가능하게 구현될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 세 조각 이상으로 분리되는 것도 가능하다.
도 13b를 참조하면, 제1관심영역 필터(141-1), 제2관심영역 필터(141-2) 및 제3관심영역 필터(141-3)는 분리된 조각들이 y축 상에서 서로 반대방향으로 이동함으로써 필터링 위치에서 벗어날 수 있다. 다만, 이는 예시에 불과하고, 분리된 조각들이 xy 평면 상에서 엑스선으로부터 멀어지는 방향으로 각각 이동하기만 하면 된다.
도 13b의 예시에서는 제1관심영역 필터(141-1), 제2관심영역 필터(141-2) 및 제3관심영역 필터(141-3)가 모두 이동하는 것으로 하였으나, 당해 예시에서도 마찬가지로 관심영역 필터들은 각각 독립적으로 이동할 수 있다.
도 14는 엑스선의 선량이 조절된 프레임 영상의 화질을 복원하고 엑스선 촬영 파라미터를 제어할 수 있는 엑스선 영상 장치의 제어 블록도이다.
영상 프로세서(150)는 프레임 영상으로부터 관심 영역에 관한 정보 또는 프레임 영상의 관심 영역과 비관심 영역에 나타나는 영상 특성을 획득하는 동작을 수행하는 영상 분석부(151)와 프레임 영상을 복원하는 영상 복원부(152)를 포함할 수 있다.
엑스선의 선량이 적으면 엑스선 영상의 신호 대 잡음비(SNR)가 낮아질 수 있다. 따라서, 영상 복원부(152)는 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되는 동안 획득된 프레임 영상을 적어도 한 장의 이전 프레임 영상을 이용하여 복원할 수 있다.
영상 복원부(152)는 현재 프레임 영상을 적어도 한 장의 이전 프레임 영상과 결합하여 복원할 수 있다. 프레임 영상 간의 결합은 비관심 영역에 대해서 이루어질 수 있다.
도 15는 프레임 영상의 결합에 의한 화질 복원을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 15를 참조하면, 영상 복원부(152)는 비관심 영역의 현재 프레임 영상을 두 장의 이전 프레임 영상과 결합하여 복원함으로써, 고선량의 엑스선이 입사된 관심 영역에 대한 프레임 영상과 같이 우수한 신호 대 잡음비를 갖는 프레임 영상을 얻을 수 있다.
현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상을 결합하는 방법의 예로서, 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상을 합산하는 방법, 현재 프레임 영상과 적어도 하나의 이전 프레임 영상을 평균하는 방법, 에지 방향과 같은 영상 특성을 고려하여 현재 프레임 영상에 적용되는 필터를 가변하거나, 움직임 보상 시간적 필터링(motion-compensated temporal filtering)을 적용하는 방법, 움직임 보상 공간적 필터링(motion-compensated spatial filtering)을 적용하는 방법 등이 있다. 여기서, 합산은 단순 합산일 수도 있고 가중치 합산일 수도 있으며 평균은 단순 평균일 수도 있고 가중치 평균일 수도 있다.
또한, 영상 복원부(152)는 복원된 프레임 영상의 비관심 영역에 대해 추가적인 영상 강화를 수행할 수 있다. 일 예로서, 현재 프레임 영상과 이전 프레임 영상을 결합할 때 발생할 수 있는 해상도의 저하 및 영상 블러링(image blurring)을 저감하기 위해 프레임 영상 간 정렬(alignment) 또는 정합(registration)이나 모션 예측/보상을 수행할 수 있다.
프레임 영상 간 정합을 위한 알고리즘으로는 특징 기반 알고리즘(feature-based algorithm), 신호세기 기반 알고리즘(intensity-based algorithm), 또는 특징과 신호세기가 혼합된 알고리즘이 사용될 수 있다.
모션 예측/보상을 위한 모션 필드 모델로는 병진 모션(translational motion), 블록 기반 구분적 병진 모션(block-based piecewise translational motion), 회전, 스케일링(scaling), 변형 가능한 모션(non-rigid deformable motion) 등이 사용될 수 있다.
한편, 영상 복원부(152)는 프레임 영상의 관심 영역에 대해서도 화질 개선을 위한 복원 작업을 수행할 수 있다. 구체적으로, 영상 복원부(152)는 공간적 필터(spatial filter), 시간적 필터(temporal filter), 시공적 필터(spatio-temporal filter), 초해상도 복원(super-resolution reconstruction) 등의 디노이징(denoising) 알고리즘을 사용하여 프레임 영상의 관심 영역을 복원할 수 있다.
또한, 영상 복원부(152)는 히스토그램이나 웨이블렛(wavelet)에 기반한 대조 강화(contrast enhancement) 알고리즘, 에지 강화 필터 등의 디테일 강화 알고리즘 등을 사용하여 프레임 영상의 관심 영역을 강화시킬 수 있다.
그리고, 영상 복원부(152)는 프레임 영상의 관심 영역과 비관심 영역의 밝기 및 콘트라스트를 일치시키기 위한 영상 평활화(image equalization) 알고리즘을 수행할 수 있다.
제어부(160)는 필터링부(140)를 제어하는 필터 제어부(161)와 엑스선 촬영에 사용되는 촬영 파라미터를 제어하는 촬영 제어부(162)를 포함한다.
촬영 제어부(162)는 엑스선 촬영에 적용되는 다양한 촬영 파라미터들을 제어한다. 촬영 파라미터는 노출 파라미터(exposure parameter)라고도 하며, 엑스선 영상 장치(100)에서 촬영 파라미터를 자동으로 제어하는 것을 자동 노출 제어(Auto Exposure Control)라고 한다.
촬영 파라미터는 관전압, 관전류, 노출 시간, 필터의 종류, 촬영 영역(FOV), 프레임 레이트, 펄스 레이트, 타겟 물질의 종류를 포함하는 그룹에서 선택되는 적어도 하나일 수 있다.
촬영 파라미터는 대상체 영역에 대한 프레임 영상에 기초하여 결정될 수도 있고, 엑스선 촬영을 시작하기 전에 입력된 사전 정보에 기초하여 결정될 수도 있다. 이하 전자의 경우에 관한 실시예를 구체적으로 설명한다.
촬영 제어부(162)는 영상 분석부(151)의 분석 결과에 기초하여 촬영 파라미터를 결정할 수 있다. 예를 들어, 영상 분석부(151)가 프레임 영상을 분석하여 대상체의 두께나 밀도와 같은 특성을 판단하면, 촬영 제어부(162)는 그 판단 결과에 기초하여 대상체의 특성에 맞는 관전압, 관전류, 노출 시간, 필터 종류, 타겟 물질 종류 등의 촬영 파라미터를 결정할 수 있다.
또한, 촬영 제어부(162)는 영상 분석부(151)에서 획득된 관심 영역에 관한 정보에 기초하여 촬영 파라미터를 결정할 수도 있다. 일 실시예로서, 촬영 제어부(162)는 관심 객체의 움직임의 크기나 관심 영역에 나타난 영상의 특성에 따라서 프레임 레이트, 관전류, 프레임 당 선량 등의 촬영 파라미터를 결정하여 각각 또는 동시에 제어할 수 있다.
예를 들어, 촬영 제어부(162)는 관심 객체의 움직임의 크기가 큰 경우에는 프레임 레이트를 증가시켜 관심 객체의 움직임에 관한 정보를 최대한 획득하고, 관심 객체의 움직임의 크기가 작은 경우에는 프레임 레이트를 감소시켜 대상체의 피폭을 줄일 수 있다.
또한, 촬영 제어부(162)는 관심 영역의 노이즈 레벨에 따라 프레임 당 선량을 제어할 수도 있다. 예를 들어, 관심 영역의 노이즈 레벨이 미리 설정된 기준치보다 높으면, 프레임 당 선량을 증가시켜 노이즈 레벨을 낮춤으로써 관심 영역이 더 선명하게 보일 수 있도록 하고, 관심 영역의 노이즈 레벨이 미리 설정된 기준치보다 낮으면, 프레임 당 선량을 감소시켜 대상체의 피폭을 줄일 수 있다.
도 16은 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 외관도이다.
엑스선 영상 장치(100)는 도 16에 도시된 바와 같은 C-arm 구조를 가질 수 있다. 엑스선 소스 어셈블리(107)와 엑스선 검출기(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 소스 어셈블리(107)의 내부에는 엑스선 소스(110), 콜리메이터(131) 및 필터링부(140)가 구비될 수 있다. 엑스선 소스 어셈블리(107)와 엑스선 검출기(120) 사이에는 환자 테이블(109)이 위치하고 환자 테이블(109) 상에 대상체가 위치하면 엑스선 소스(110)가 대상체에 엑스선을 조사하고 엑스선 검출기(120)가 조사된 엑스선을 검출하여 대상체에 대한 엑스선 영상을 획득한다.
전술한 바와 같이, 엑스선 영상 장치(100)는 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.
앞서 언급한 바와 같이, 영상 분석부(151)가 관심 영역에 관한 정보를 획득하거나 촬영 제어부(161)가 촬영 파라미터를 설정하는 경우에 있어서, 사용자로부터 입력되는 정보를 이용할 수 있다. 사용자는 엑스선 영상 장치(100)에 구비된 입력부(171)를 통해 필요한 정보를 입력할 수 있다.
이하 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 실시예를 설명하도록 한다.
도 17은 일 실시예에 따른 엑스선 영상 장치의 제어 방법에 관한 순서도이다. 제어 방법에는 전술한 엑스선 영상 장치(100)가 사용될 수 있다.
도 17을 참조하면, 대상체 영역에 엑스선을 조사한다(310). 엑스선을 연속적으로 조사하는 것도 가능하나, 엑스선의 선량 감소와 시간적 해상도(temporal resolution) 향상을 위해 일정한 시간 간격으로 엑스선을 조사하는 펄스 노출 방식을 채용할 수도 있으며, 연속 노출 방식을 채용할 수도 있다.
조사된 엑스선을 검출하여 대상체 영역에 관한 복수의 프레임 영상을 획득한다(311). 프레임 영상의 획득은 엑스선의 조사와 동기되어 실시간으로 이루어질 수 있다.
대상체 영역에 관한 프레임 영상으로부터 관심 영역에 관한 정보를 획득한다(312). 관심 영역에 관한 정보의 획득은 관심 객체의 검출 및 검출된 관심 객체에 기초한 관심 영역의 설정을 포함한다. 구체적으로, 대상체 영역에 관한 프레임 영상으로부터 관심 객체를 검출하고, 검출된 관심 객체를 포함하는 일정 영역을 관심 영역으로 설정한다. 관심 영역에 관한 정보는 관심 영역의 위치, 크기 또는 움직임 특성을 포함하며, 관심 영역의 움직임 특성은 관심 영역의 이동에 관한 정보를 포함할 수 있다.
그리고, 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 하는바, 이를 위해 관심 영역의 이동 또는 관심 영역의 크기에 따라 관심영역 필터가 3차원 공간 상에서 이동하도록 제어한다(313). 구체적으로, 관심 영역이 이동하면, 관심영역 필터(141)를 xy 평면 상에서 관심 영역 또는 비관심 영역에 대응되는 위치로 이동시켜 관심 영역 또는 비관심 영역의 변화되는 위치와 관심영역 필터(141)의 위치를 동기시킬 수 있다. 그리고, 관심영역 필터(141)에 의해 필터링되지 않은 엑스선의 입사 면적과 관심 영역의 크기를 대응시키기 위해 관심영역 필터(141)를 z축 상에서 이동시킬 수 있다.
관심영역 필터(141)가 관심 영역 또는 비관심 영역에 대응되는 위치로 이동하여 비관심 영역에 저선량의 엑스선이 입사되도록 하면, 비관심 영역에 저선량의 엑스선이 입사되는 동안 획득된 프레임 영상을 복원한다(314). 구체적으로, 현재 프레임 영상을 적어도 한 장의 이전 프레임 영상을 이용하여 복원하여 비관심 영역의 화질을 개선할 수 있다. 현재 프레임 영상을 적어도 하나의 이전 프레임 영상과 결합할 수 있으며, 현재 프레임 영상과 이전 프레임 영상을 결합하는 방법으로는 현재 프레임 영상과 이전 프레임 영상을 평균 또는 합산하거나, 이전 프레임 영상에 나타나는 노이즈, 에지 방향과 같은 영상 특성을 고려하여 현재 프레임 영상에 적용되는 필터를 가변적으로 적용하거나, 움직임 보상 시간적 필터링(motion-compensated temporal filtering)을 적용하는 방법, 움직임 보상 공간적 필터링(motion-compensated spatial filtering)을 적용하는 방법 등이 있다. 여기서, 영상 간 결합은 비관심 영역에 대해 이루어질 수 있다.
그리고, 복원된 프레임 영상에 대해 추가적인 영상 강화를 수행할 수 있다. 일 예로서, 현재 프레임 영상과 이전 프레임 영상을 결합할 때 발생할 수 있는 해상도의 저하 및 영상 블러링(image blurring)을 저감하기 위해 프레임 영상 간 정렬(alignment) 또는 정합(registration)이나 모션 예측/보상을 수행할 수 있다.
한편, 영상의 화질 개선을 위한 복원 작업은 프레임 영상의 관심 영역에 대해서도 수행될 수 있는바, 공간적 필터(spatial filter), 시간적 필터(temporal filter), 시공적 필터(spatio-temporal filter), 초해상도 복원(super-resolution reconstruction) 등의 디노이징(denoising) 알고리즘을 사용하여 프레임 영상의 관심 영역을 복원할 수 있고, 히스토그램이나 웨이블렛(wavelet)에 기반한 대조 강화(contrast enhancement) 알고리즘, 에지 강화 필터 등의 디테일 강화 알고리즘 등을 사용하여 프레임 영상의 관심 영역을 강화시킬 수 있다.
그리고, 프레임 영상의 관심 영역과 비관심 영역의 밝기 및 콘트라스트를 일치시키기 위한 영상 평활화(image equalization) 알고리즘을 수행하고, 복원된 프레임 영상을 디스플레이부에 실시간으로 표시할 수 있다.
엑스선 영상 장치의 제어방법에 사용되는 관심영역 필터(141)는 상기 도 9에서 설명한 바와 같이 복수의 필터 레이어로 이루어질 수 있다. 이하 프레임 영상에 나타나는 영상 특성에 기초하여 복수의 필터 레이어를 적절하게 조합하는 엑스선 영상 장치의 제어방법에 관한 실시예를 설명하도록 한다.
도 18은 엑스선 영상 장치의 제어방법에 있어서, 복수의 필터 레이어를 선택하는 실시예에 관한 순서도이다. 당해 실시예에 사용되는 관심영역 필터는 복수의 필터 레이어로 이루어지는바, 복수의 필터 레이어는 두께와 필터 물질이 다르거나, 둘 중 하나만 다르거나, 둘 다 동일할 수 있다.
도 18을 참조하면, 대상체 영역에 엑스선을 조사하고(320), 조사된 엑스선을 검출하여 대상체 영역에 관한 복수의 프레임 영상을 획득한다(321). 획득된 프레임 영상으로부터 관심 영역에 관한 정보를 획득하는바(322), 여기서 관심 영역에 관한 정보는 프레임 영상의 관심 영역 또는 비관심 영역에 나타나는 영상 특성을 더 포함할 수 있다.
관심 영역에 관한 정보 중 프레임 영상의 관심 영역 또는 비관심 영역에 나타나는 영상 특성에 기초하여 필터링에 사용될 필터 레이어를 선택한다(323).
그리고, 선택되지 않은 필터 레이어는 필터링 위치에서 벗어나도록 제어하고(324), 선택된 필터 레이어는 필터링 위치로 이동하도록 제어한다(325). 필터 레이어를 필터링 위치에서 벗어나도록 제어하는 것은, 상기 도 11a 내지 도 11d에서 설명한 바와 같이 해당 필터 레이어를 z축 상에서 이동시킴으로써 수행될 수도 있고, 상기 도 12a 내지 도 12d에서 설명한 바와 같이 해당 필터 레이어를 xy 평면 상에서 이동시킴으로써 수행될 수도 있으며, 상기 도 13a 및 도 13b에서 설명한 바와 같이 해당 필터 레이어를 두 조각 이상으로 분리하고 분리된 조각을 xy 평면 상에서 엑스선으로부터 멀어지게 이동시킴으로써 수행될 수도 있다.
지금까지 상술한 엑스선 영상 장치 및 그 제어방법에 의하면, 관심영역 필터를 이용하여 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 함으로써, 저선량의 엑스선 촬영을 구현함과 동시에 엑스선 영상의 FOV 손실은 최소화할 수 있다. 또한, 관심영역의 이동과 관심영역 필터의 이동을 동기화시킴으로써 엑스선 동영상 분야에 적용할 수 있다. 또한, 관심영역 필터가 관심 영역의 위치 변화에 따라 자동적으로 이동할 수 있으며, 이를 통해 엑스선 영상 장치를 이용한 시술 과정의 연속성을 보장할 수 있다.
100 : 의료 영상 장치 110 : 엑스선 소스
120 : 엑스선 검출기
140 : 필터링부
150 : 영상 프로세서
160 : 제어부
120 : 엑스선 검출기
140 : 필터링부
150 : 영상 프로세서
160 : 제어부
Claims (25)
- 대상체 영역에 엑스선을 조사하는 엑스선 소스;
상기 조사된 엑스선을 검출하여 상기 대상체 영역에 관한 복수의 프레임 영상을 획득하는 엑스선 검출기; 및
상기 엑스선 소스와 상기 엑스선 검출기 사이에 상기 엑스선 소스 및 상기 엑스선 검출기를 향하여 이동 가능하게 배치되어 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선을 필터링하는 관심영역 필터를 포함하는 엑스선 영상 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 관심영역 필터는,
상기 대상체 영역 중 비관심 영역에 관심 영역보다 적은 선량의 엑스선이 입사되도록 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선을 필터링하는 엑스선 영상 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 관심영역 필터가 x, y, z 축에 의해 정의되는 3차원 공간 상에서 상기 관심 영역의 이동 또는 상기 관심 영역의 크기에 따라 이동하도록 제어하는 제어부를 더 포함하는 엑스선 영상 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 복수의 프레임 영상 중 적어도 하나로부터 상기 관심 영역에 관한 정보를 획득하여 상기 제어부로 전송하는 영상 프로세서를 더 포함하는 엑스선 영상 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 관심 영역에 관한 정보는,
상기 관심 영역의 위치, 크기, 움직임 특성 및 상기 프레임 영상의 관심 영역과 비관심 영역에 나타나는 영상 특성 중 적어도 하나를 포함하는 엑스선 영상 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 영상 프로세서는,
상기 프레임 영상으로부터 관심 객체를 검출하고, 상기 관심 객체의 위치, 크기 및 움직임 특성 중 적어도 하나에 기초하여 상기 관심 영역을 설정하는 엑스선 영상 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 영상 프로세서는,
상기 관심 영역을 미리 정해진 프레임 레이트에 따라 실시간으로 설정하는 엑스선 영상 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 관심영역 필터가 상기 z축 방향을 따라 상기 관심영역의 크기에 대응되는 위치로 이동하도록 제어하거나, 또는 상기 x축 및 y축에 의해 정의되는 xy 평면 상에서 상기 관심영역의 위치에 대응되는 위치로 이동하도록 제어하는 엑스선 영상 장치. - 제 8 항에 있어서,
상기 관심영역 필터는,
상기 비관심 영역에 입사되는 엑스선을 감쇠시키는 필터 물질(filtration material)을 포함하고, 상기 관심 영역에 입사되는 엑스선을 통과시키는 개구부(opening)가 형성된 엑스선 영상 장치. - 제 9 항에 있어서,
상기 관심영역의 크기에 대응되는 위치는,
상기 개구부를 통과한 엑스선의 입사 영역이 상기 관심 영역과 일치하도록 하는 위치인 엑스선 영상 장치. - 제 7 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 관심영역 필터가 상기 실시간으로 설정되는 관심 영역에 따라 실시간으로 이동하도록 제어하는 엑스선 영상 장치. - 제 5 항에 있어서,
상기 관심영역 필터는 복수의 필터 레이어를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 복수의 필터 레이어의 이동을 각각 독립적으로 제어하는 엑스선 영상 장치. - 제 12 항에 있어서
상기 제어부는,
상기 프레임 영상의 관심 영역과 비관심 영역의 영상 특성에 기초하여 상기 대상체 영역의 비관심 영역에 입사될 엑스선의 선량 차이를 결정하는 엑스선 영상 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 결정된 선량 차이에 따라 상기 복수의 필터 레이어 중 적어도 하나를 선택하고, 상기 선택된 필터 레이어가 필터링 위치에 위치하도록 제어하는 엑스선 영상 장치. - 제 14 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 복수의 필터 레이어 중 선택되지 않은 필터 레이어가 상기 z축 방향으로 이동하거나, 또는 상기 x축 및 y 축에 의해 정의되는 xy 평면 상에서 이동하여 상기 필터링 위치에서 벗어나도록 제어하는 엑스선 영상 장치. - 제 12 항에 있어서
상기 복수의 필터 레이어는,
필터 물질의 종류와 두께 중 적어도 하나가 다른 엑스선 영상 장치. - 대상체 영역에 엑스선을 조사하는 단계;
상기 조사된 엑스선을 검출하여 상기 대상체 영역 중 관심 영역에 관한 정보를 획득하는 단계; 및
상기 관심 영역의 이동 또는 상기 관심 영역의 크기에 따라 상기 대상체 영역 중 비관심 영역에 입사되는 엑스선을 필터링하는 관심영역 필터가 이동하도록 제어하는 단계;를 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어방법. - 제 17 항에 있어서,
상기 관심영역 필터가 이동하도록 제어하는 단계는,
상기 관심 영역의 이동 또는 상기 관심 영역의 크기에 따라 상기 관심영역 필터가 x, y, z 축에 의해 정의되는 3차원 공간 상에서 이동하도록 제어하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 관심 영역에 관한 정보는,
상기 관심 영역의 위치, 크기, 움직임 특성 및 상기 프레임 영상의 관심 영역과 비관심 영역에 나타나는 영상 특성 중 적어도 하나를 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 관심영역 필터가 이동하도록 제어하는 단계는,
상기 관심영역 필터가 상기 z축 방향을 따라 상기 관심영역의 크기에 대응되는 위치로 이동하도록 제어하는 것 또는 상기 x축 및 y축에 의해 정의되는 xy 평면 상에서 상기 실시간으로 획득되는 관심 영역에 관한 정보에 따라 실시간으로 이동하도록 제어하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 관심 영역에 관한 정보는,
미리 정해진 프레임 레이트에 따라 실시간으로 획득되는 엑스선 영상 장치의 제어방법. - 제 18 항에 있어서,
상기 관심영역 필터는 복수의 필터 레이어를 포함하고,
상기 관심영역 필터가 이동하도록 제어하는 단계는,
상기 복수의 필터 레이어의 이동을 각각 독립적으로 제어하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어방법. - 제 22 항에 있어서
상기 관심영역 필터가 이동하도록 제어하는 단계는,
상기 관심 영역에 관한 정보에 기초하여 상기 관심 영역과 비관심 영역에 입사될 엑스선의 선량 차이를 결정하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어방법. - 제 23 항에 있어서,
상기 관심영역 필터가 이동하도록 제어하는 단계는,
상기 결정된 선량 차이에 따라 상기 복수의 필터 레이어 중 적어도 하나를 선택하고, 상기 선택된 필터 레이어가 필터링 위치에 위치하도록 제어하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어방법. - 제 24 항에 있어서,
상기 관심영역 필터가 이동하도록 제어하는 단계는,
상기 복수의 필터 레이어 중 선택되지 않은 필터 레이어가 상기 z축 방향으로 이동하거나, 또는 상기 x축 및 y축에 의해 정의되는 xy 평면 상에서 이동하여 상기 필터링 위치에서 벗어나도록 제어하는 것을 포함하는 엑스선 영상 장치의 제어방법.
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