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KR101905745B1 - ｋ 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

ｋ 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법 Download PDF

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KR101905745B1
KR101905745B1 KR1020170001916A KR20170001916A KR101905745B1 KR 101905745 B1 KR101905745 B1 KR 101905745B1 KR 1020170001916 A KR1020170001916 A KR 1020170001916A KR 20170001916 A KR20170001916 A KR 20170001916A KR 101905745 B1 KR101905745 B1 KR 101905745B1
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edge
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이승욱
오오성
왕거
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부산대학교 산학협력단
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Publication date
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Abstract

본 발명은 광자계수형 검출기(photon counting detector) 등의 에너지 선별 검출방식(energy-selective detection method)을 이용하여 서로 다른 물질 영상을 획득하여 단층 영상 복원을 효율적으로 수행하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 물체 내부로 조영제를 투여하고 에너지 선별측정 방식을 이용하여 k-edge를 기준으로 투사영상을 획득하는 투사 영상 획득부;영상재구성에 필요한 파라미터들을 초기화하는 파라미터 초기화부;ROI 내부를 복원하기 위하여 최초 수렴이 발생할 때까지 영상의 재구성을 위한 복원(reconstruction)을 실시하는 ROI 내부 복원부;획득한 재구성된 영상에서 알고 있는 조영제의 선형감쇄계수 및 혈액의 선형감쇄계수를 이용하여 농도 및 보상값(β)을 계산하는 농도 및 보상값 계산부;상기 농도 및 보상값 계산부에서 구한 보상값(β)을 이용하여 영상을 보상하는 영상 보상부;최대반복횟수에 도달하거나 보상값이 수렴하면 반복적 재구성 정지를 위한 판단을 하는 반복적 재구성 판단부;반복적 재구성 및 보상 방법을 이용하여 나온 결과 영상 및 그때의 농도(α)를 출력하는 재구성 영상 및 농도 출력부;를 포함하는 것이다.

Description

ｋ 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법{System and Method for Processing Interior Tomography Image based on ｋedge}
본 발명은 토모그라피 영상 처리에 관한 것으로, 구체적으로 광자계수형 검출기(photon counting detector)등의 에너지 선별 검출방식(energy-selective detection method)을 이용하여 서로 다른 물질 영상을 획득하여 단층 영상 복원을 효율적으로 수행하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
X선은 의료 및 산업 분야에서 물체를 파괴하지 않고 물체의 단면 영상을 획득할 수 있는 효과적인 방법의 하나로 이용된다.
일반적으로 X선 같은 방사선을 이용한 물체 내부의 단층 영상을 획득하기 위해서는 물체를 전부 덮을 수 있는 방사선 크기가 필요하다.
따라서, 매우 큰 물체의 단면을 획득하고자 할 경우, 매우 큰 방사선 영상 시스템이 필요하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 물체 내부의 관심영역만을 복원할 수 있는 내부 토모그라피(Interior tomography) 기술이 개발되었다.
도 1은 종래 기술의 (a)단층 촬영 기법 및 (b)내부 토모그라피(Interior tomography)의 영상 획득 차이를 나타낸 것이다.
이러한 내부 토모그라피 방법을 이용하게 되면 물체 내부의 관심영역만을 복원할 수 있기 때문에 단층 영상 기술과 비교하여 더욱 빠른 영상 획득, 더욱 작은 시스템 크기, 더욱 큰 물체의 이용 등 많은 장점이 존재한다.
종래 기술의 내부 토모그라피의 경우, 이론적으로는 물체 내부의 관심영역을 복원하는 정확한 방법이 존재하지 않는다.
하지만, 관심 영역 내부의 알고 있는 내부 값이 존재하거나(known sub-region), 관심영역 내부가 부분 상수(piecewise constant) 및 polynomial 할 경우(sparsity model) 등 몇몇 정보들을 알고 있다는 가정하에 물체의 정확한 복원이 가능하다.
이와 같은 경우에는 다음과 같은 문제가 있다.
(1) 실제 영상을 획득할 경우, 물체 내부의 known sub-region을 알 수 없다.
(2) 실제 물체는 sparsity model이 아니다.
(3) 물체 내부의 관심영역을 줄일 경우 그만큼 정확한 영상의 획득이 어렵다.
또한, 종래 기술의 경우에는 x-선 에너지를 모두 합쳐서 값을 출력하기 때문에 x-선 에너지에 따른 영상의 차이를 확인하기가 불가능하다.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 단층 영상 복원 기술의 개발이 요구되고 있다.
한국공개특허번호 10-2015-0099381호 한국공개특허번호 10-2013-0008739호 한국공개특허번호 10-2013-0055510호
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 단층 영상 복원 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, x-선을 에너지에 따라서 분류할 수 있는 광자계수형 검출기(photon counting detector)등의 에너지 선별 검출방식(energy-selective detection method)을 이용하여 서로 다른 물질 영상을 획득하여 단층 영상 복원을 효율적으로 수행하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 광자계수형 검출기 등의 에너지 선별 검출방식(energy-selective detection method) 및 물질의 k-edge를 이용하여 물체 내부 영상의 복원을 위하여 k-edge 좌우의 영상(low-energy region, high-energy region)을 이용하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 물체 내부로 값을 알고 있는 물질(조영제)을 넣어서 k-edge 좌우로 달라지는 물질의 선형감쇄계수를 이용하여 물체 내부를 복원하고, 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 비율을 곱하며 진행하고 물체 내부의 값을 보상해주는 방법으로 영상 재구성의 성능을 높인 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 물체 내부로 값을 알고 있는 물질(조영제)을 넣어서 k-edge 좌우로 달라지는 물질의 선형감쇄계수를 이용하여 물체 내부를 복원하고, 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 차이를 더하여 알고 있는 값으로 맞춰주면서 영상 복원을 실시하여 영상 재구성의 성능을 높인 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치는 물체 내부로 조영제를 투여하고 에너지 선별측정 방식을 이용하여 k-edge를 기준으로 투사영상을 획득하는 투사 영상 획득부;영상재구성에 필요한 파라미터들을 초기화하는 파라미터 초기화부;ROI 내부를 복원하기 위하여 최초 수렴이 발생할 때까지 영상의 재구성을 위한 복원(reconstruction)을 실시하는 ROI 내부 복원부;획득한 재구성된 영상에서 알고 있는 조영제의 선형감쇄계수 및 혈액의 선형감쇄계수를 이용하여 농도 및 보상값(β)을 계산하는 농도 및 보상값 계산부;상기 농도 및 보상값 계산부에서 구한 보상값(β)을 이용하여 영상을 보상하는 영상 보상부;최대반복횟수에 도달하거나 보상값이 수렴하면 반복적 재구성 정지를 위한 판단을 하는 반복적 재구성 판단부;반복적 재구성 및 보상 방법을 이용하여 나온 결과 영상 및 그때의 농도(α)를 출력하는 재구성 영상 및 농도 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 투사 영상 획득부는, 에너지 선별측정 방식을 이용하여 k-edge를 기준으로 투사영상을 획득하기 위하여 광자계수형 검출기(photon counting detector)등의 에너지 선별 검출방식(energy-selective detection method)을 이용하는 것을 특징으로 한다.
그리고 물체 내부로 조영제가 투여될 때 좌측의 조영제 값(L)과 우측의 조영제 값(R)은,
Figure 112017001592166-pat00001
으로 계산되고, IL은 k-edge를 기준으로 좌측 조영제 선형감쇄계수이고, BL은 좌측 혈액 선형감쇄계수이고, IR은 k-edge를 기준으로 우측 조영제 선형감쇄계수이고, BR은 우측 혈액 선형감쇄계수인 것을 특징으로 한다.
그리고 조영제와 혈액의 밀도 비율에 의해서 영상값이되는 선형감쇄계수가 결정되는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 조영제는, K-edge가 33.2keV인 아이오다인(Iodine) 또는 K-edge가 37.4keV의 에너지 값을 갖는 바륨(Barium)인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 ROI 내부 복원부는, ROI 내부를 복원하기 위하여 SART+TV minimization을 이용하여 최초수렴이 발생할 때까지 영상의 재구성을 위한 복원(reconstruction)을 실시하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 재구성 영상 및 농도 출력부는, 선형감쇄계수가 크게 늘어나는 에너지 경계면 k-edge를 기준으로 에너지가 낮은 영역의 에너지를 사용해서 촬영을 한 K-edge 좌측 영상 및 높은 영역의 에너지를 촬영을 한 K-edge 우측 영상을 출력하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 영상 보상부는, k-edge 좌우로 달라지는 물질의 선형감쇄계수를 이용하여 물체 내부를 복원하고, 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 비율을 곱하며 진행하여 물체 내부의 값을 보상하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 영상 보상부는, k-edge 좌우로 달라지는 물질의 선형감쇄계수를 이용하여 물체 내부를 복원하고, 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 차이를 더하여 알고 있는 값으로 맞춰주면서 영상 복원을 실시하는 것을 특징으로 한다.
다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 방법은 물체 내부로 조영제를 투여하고 에너지 선별측정 방식을 이용하여 k-edge를 기준으로 투사영상을 획득하는 투사 영상 획득 단계;영상재구성에 필요한 파라미터들을 초기화하는 파라미터 초기화 단계;ROI 내부를 복원하기 위하여 최초 수렴이 발생할 때까지 영상의 재구성을 위한 복원(reconstruction)을 실시하는 ROI 내부 복원 단계;획득한 재구성된 영상에서 알고 있는 조영제의 선형감쇄계수 및 혈액의 선형감쇄계수를 이용하여 농도 및 보상값(β)을 계산하는 농도 및 보상값 계산 단계;상기 농도 및 보상값 계산부에서 구한 보상값(β)을 이용하여 영상을 보상하는 영상 보상 단계;최대반복횟수에 도달하거나 보상값이 수렴하면 반복적 재구성 정지를 위한 판단을 하는 반복적 재구성 판단 단계;반복적 재구성 및 보상 방법을 이용하여 나온 결과 영상 및 그때의 농도(α)를 출력하는 재구성 영상 및 농도 출력 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, x-선을 에너지에 따라서 분류할 수 있는 광자계수형 검출기(photon counting detector) 등의 에너지 선별 검출방식(energy-selective detection method)을 이용하여 서로 다른 물질 영상을 획득하여 단층 영상 복원을 효율적으로 수행할 수 있다.
둘째, 에너지 선별 검출기 및 물질의 k-edge 좌우의 영상(low-energy region, high-energy region)을 이용하는 물체 내부 영상 복원으로 영상 재구성의 성능을 높일 수 있다.
셋째, 물체 내부로 값을 알고 있는 물질(조영제)을 넣어서 k-edge 좌우로 달라지는 물질의 선형감쇄계수를 이용하여 물체 내부를 복원하고, 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 비율을 곱하며 진행하고 물체 내부의 값을 보상해주는 방법으로 영상 재구성의 성능을 높인다.
넷째, 물체 내부로 값을 알고 있는 물질(조영제)을 넣어서 k-edge 좌우로 달라지는 물질의 선형감쇄계수를 이용하여 물체 내부를 복원하고, 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 차이를 더하여 알고 있는 값으로 맞춰주면서 영상 복원을 실시하여 영상 재구성의 성능을 높일 수 있다.
다섯째, 시스템 내부 관심영역의 영상을 보다 정확하게 재구성할 수 있고, 관심영역 내의 알고 있는 영역(known sub-region)을 알지 못하더라도 재구성이 가능하다.
도 1은 종래 기술의 (a)단층 촬영 기법 및 (b)내부 토모그라피(Interior tomography)의 영상 획득 차이를 나타낸 구성도
도 2는 X-선 에너지에 따른 조영제(Iodine) 및 기타 물질(blood)의 선형감쇄계수를 나타낸 그래프
도 3은 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치의 구성도
도 4는 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트
도 5는 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리에 사용된 팬텀
도 6는 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리에 의한 영상 구성도
도 7은 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리에 의한 영상 재구성 특성 그래프
이하, 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 2는 X-선 에너지에 따른 조영제(Iodine) 및 기타 물질(blood)의 선형감쇄계수를 나타낸 그래프이고, 도 3은 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치의 구성도이다.
본 발명은 광자계수형 검출기 등의 에너지 선별 검출방식(energy-selective detection method) 및 물질의 k-edge 좌우의 영상(low-energy region, high-energy region)을 이용하는 물체 내부 영상 복원으로 영상 재구성의 성능을 높일 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 물체 내부로 값을 알고 있는 물질(조영제)을 넣어서 k-edge 좌우로 달라지는 물질의 선형감쇄계수를 이용하여 물체 내부를 복원하고, 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 비율을 곱하며 진행하고 물체 내부의 값을 보상해주는 방법으로 영상 재구성의 성능을 높인 것이다.
본 발명은 물체 내부로 값을 알고 있는 물질(조영제)을 넣어서 k-edge 좌우로 달라지는 물질의 선형감쇄계수를 이용하여 물체 내부를 복원하고, 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 차이를 더하여 알고 있는 값으로 맞춰주면서 영상 복원을 실시하여 영상 재구성의 성능을 높일 수 있도록 한 것이다.
이하의 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법의 설명에서의 'k 에지'에 관하여 설명하면 다음과 같다.
물체의 X-선 선형감쇄계수는 에너지의 함수이다.
물체에서 어떤 특정 x선 에너지 구간에서 x선의 선형감쇄계수가 크게 늘어나는 에너지 경계면이 존재하는데 이 부분을 k-edge라고 한다.
이는 전자의 결합에너지에 의한 것이고, 광자와 반응하는 전자의 쉘에 따라서 k-edge, l-edge 등 여러 구간들이 존재한다.
광자의 에너지가 전자의 결합에너지보다 약간 높은 부분에서 반응확률이 급격히 높아지기 때문에 이러한 경계면 들이 발생한다.
그리고 'k 에지 좌우 영상'은 K-edge 에너지 경계면을 중심으로 에너지가 낮은 영역의 에너지를 사용해서 X-선 촬영을 하면 K-edge 좌측 영상이라고 하고, 높은 영역의 에너지를 촬영을 하면 K-edge 우측 영상이라고 한다.
K-edge 조영제가 있는 부분에서는 K-edge 좌우 영상의 차이가 확연하고, 없는 영상부분에서는 x선에 의한 감쇄의 차이가 미미하기 때문에 이를 영상 보정에 활용한다.
본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법의 실시 예에서 조영제로 Iodine 또는 Barium을 사용하는 것으로 설명하였으나, 이로 제한되지 않고 K-edge 등과 같은 특정 에너지 영역에서 선형감쇄계수가 크게 달라지는 물질이면 모두 사용 가능하다.
Iodine은 K-edge가 33.2keV이고, Barium은 37.4keV의 에너지 값을 갖고 이 에너지 영역은 진단 방사선에서 주로 사용되는 에너지 영역이다.
그리고 관심영역 내부의 알고 있는 내부값(known sub-region)은 촬영 이전에 이미 알고 있는 영역을 의미하는 것으로, 내부 값은 어떠한 사전 지식으로 알고 있거나 이전 단계에서 촬영할 수도 있다.
본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치는 관심영역 내부의 영상 복원을 위하여 광자계수형 검출기(photon counting detector) 등의 에너지 선별 검출방식(energy-selective detection method)을 이용한 단층 영상 복원 기술이다.
에너지 선별 검출기의 경우 기본의 검출기와는 달리 x-선을 에너지에 따라서 분류가 가능하기 때문에 에너지에 따른 서로 다른 물질 영상이 획득 가능하다.
이러한 성질을 이용하여 물체 내부로 값을 알고 있는 물질인 조영제를 넣어서 물질의 k-edge를 이용하여 물체를 복원한다.
도 2는 조영제로 많이 쓰이는 Iodine 및 기타 물질들의 x-선 에너지에 따른 감쇄선형계수를 나타낸다.
본 발명은 k-edge 좌우로 달라지는 물질의 선형감쇄계수를 이용하여 물체 내부를 복원에 이용한다.
본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치는 도 3에서와 같이, 에너지 선별측정 방식을 이용하여 k-edge 부근의 왼쪽영역(낮은에너지) 및 오른쪽영역(높은에너지)에서의 투사영상을 획득하는 투사 영상 획득부(31)와, 영상재구성에 필요한 여러 파라미터들을 초기화하는 파라미터 초기화부(32)와, ROI 내부를 복원하기 위하여 SART+TV minimization을 이용하여 최초수렴이 발생할 때까지 영상의 재구성을 위한 복원(reconstruction)을 실시하는 ROI 내부 복원부(33)와, 획득한 재구성된 영상에서 알고 있는 조영제의 선형감쇄계수 및 혈액의 선형감쇄계수를 이용하여 농도(α-전체밀도중 아이오다인의 비중) 및 필요한 보상값(β)을 계산하는 농도 및 보상값 계산부(34)와, 농도 및 보상값 계산부(34)에서 구한 보상값(β)을 이용하여 영상을 보상하는 영상 보상부(35)와, 최대반복횟수에 도달하거나 보상값이 수렴하면 반복적 재구성 정지를 위한 판단을 하는 반복적 재구성 판단부(36)와, 반복적 재구성 및 보상 방법을 이용하여 나온 결과영상들(왼쪽영상(낮은에너지), 오른쪽영상(높은에너지))을 출력하고 그때의 농도(α)를 출력하는 재구성 영상 및 농도 출력부(37)를 포함한다.
이와 같은 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치는 에너지 선별 검출기 및 물질의 k-edge를 이용하여 물체 내부 영상의 복원을 하는 것으로, k-edge 좌우의 영상(low-energy region, high-energy region)을 이용한다.
물체 내부로 조영제가 투여될 때 좌측의 조영제 값(L)과 우측의 조영제 값(R)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017001592166-pat00002
조영제는 주로 혈관 내로 들어가는데 혈관 내에는 조영제와 조영제가 아닌 물질(혈액)이 있다.
IL은 좌측 조영제 선형감쇄계수이고, BL은 좌측 혈액 선형감쇄계수이고, IR은 우측 조영제 선형감쇄계수이고, BR은 우측 혈액 선형감쇄계수이다.
조영제와 혈액의 밀도 비율에 의해서 영상값(선형감쇄계수)이 결정된다.
본원 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치는 물체 복원시에 내부가 정확히 복원이 되지 않는 문제를 해결하기 위하여 물체 내부의 값을 보상해주는 방법을 적용한다.
물체 내부의 값을 보상해주는 방법의 하나는 곱하는 방법(Multiplicative method)으로 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 비율을 곱하며 영상 복원 과정을 진행하는 것이다.
그리고 물체 내부의 값을 보상해주는 방법의 다른 하나는 더하는 방법(Additive method)으로 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 차이를 더하여 알고 있는 값으로 맞춰주면서 영상 복원을 실시하는 것이다.
먼저, 곱하는 방법(Multiplicative method)으로 물체 내부의 값을 보상해주기 위한 보상값을 구하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
ROI 내부를 복원하기 위하여 SART+TV minimization을 이용하여 최초 수렴이 발생할 때까지 영상의 재구성을 위한 복원(reconstruction)을 실시하는 과정에서 획득한 재구성된 영상에서 알고 있는 조영제의 선형감쇄계수 및 혈액의 선형감쇄계수를 이용하여 구해지는 좌측 중간값(ML) 및 우측 중값값(MR)은 수학식 2에서와 같다.
Figure 112017001592166-pat00003
그리고 곱하는 방법(Multiplicative method)으로 구해진 농도(α) 및 보상값(
Figure 112017001592166-pat00004
)은 수학식 3에서와 같다.
Figure 112017001592166-pat00005
그리고 더하는 방법(Additive method)으로 물체 내부의 값을 보상해주기 위한 보상값을 구하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
ROI 내부를 복원하기 위하여 SART+TV minimization을 이용하여 최초 수렴이 발생할 때까지 영상의 재구성을 위한 복원(reconstruction)을 실시하는 과정에서 획득한 재구성된 영상에서 알고 있는 조영제의 선형감쇄계수 및 혈액의 선형감쇄계수를 이용하여 구해지는 좌측 중간값(ML) 및 우측 중값값(MR)은 수학식 4에서와 같다.
Figure 112017001592166-pat00006
그리고 더하는 방법(Additive method)으로 구해진 농도(α) 및 보상값(
Figure 112017001592166-pat00007
)은 수학식 5에서와 같다.
Figure 112017001592166-pat00008
그리고 영상 복원은 sparsity model에서 정확히 복원을 할 수 있는 방법인 총 분산 최소화(Total variation minimization[TV minimization])법을 이용한다.
이와 같은 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 방법을 나타낸 플로우 차트이다.
먼저, 투사 영상 획득부(31)에서 에너지 선별측정 방식을 이용하여 k-edge 부근의 왼쪽영역(낮은에너지) 및 오른쪽영역(높은에너지)에서의 투사영상을 획득한다.(S401)
이어, 파라미터 초기화부(32)에서 영상재구성에 필요한 여러 파라미터들을 초기화한다.(S402)
그리고 ROI 내부 복원부(33)에서 ROI 내부를 복원하기 위하여 SART+TV minimization을 이용하여 최초 수렴이 발생할 때까지 영상의 재구성을 위한 복원(reconstruction)을 실시한다.(S403)
이어, 농도 및 보상값 계산부(34)에서 획득한 재구성된 영상에서 알고 있는 조영제의 선형감쇄계수 및 혈액의 선형감쇄계수를 이용하여 농도(α-전체밀도중 아이오다인의 비중) 및 필요한 보상값(β)을 계산한다.(S404)
그리고 농도 및 보상값 계산부(34)에서 구한 보상값(β)을 이용하여 영상 보상부(35)에서 영상을 보상한다.(S405)
이어, 반복적 재구성 판단부(36)에서 최대반복횟수에 도달하거나 보상값이 수렴하면 반복적 재구성 정지를 위한 판단을 한다.(S406)
그리고 재구성 영상 및 농도 출력부(37)에서 반복적 재구성 및 보상 방법을 이용하여 나온 결과영상들(왼쪽영상(낮은에너지), 오른쪽영상(높은에너지))을 출력하고 그때의 농도(α)를 출력한다.(S407)
이와 같은 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 방법에 의한 결과는 표 1에서와 같다.
Figure 112017001592166-pat00009
여기서, 'Value of the background'는 조영제가 포함된 혈관내의 혈액의 선형감쇄계수를 나타낸 것이다.
그리고 도 5는 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리에 사용된 팬텀이고, 도 6는 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리에 의한 영상 구성도이다.
도 6은 내부 토모그라피 영상 재구성 결과를 나타낸 것으로, (a)는 Filtered backprojection, (b)는 일반적인 내부 토모그라피 결과, (c)는 본 발명에 따른 곱하기 방법으로 보상하여 영상을 재구성한 결과를 나타낸 것이고, (d)는 본 발명에 따른 더하기 방법으로 보상하여 영상을 재구성한 결과를 나타낸 것이다.
그리고 도 7은 본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리에 의한 영상 재구성 특성 그래프이다.
본 발명에 따른 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리에 의한 영상 재구성 특성이 더 우수한 것을 알 수 있다.
시스템 내부 관심영역의 영상을 보다 정확하게 재구성할 수 있고, 관심영역 내의 알고 있는 영역(known sub-region)을 알지 못하더라도 재구성이 가능함을 알 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 ｋ 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치 및 방법은 x-선을 에너지에 따라서 분류할 수 있는 광자계수형 검출기(photon counting detector) 등의 에너지 선별 검출방식(energy-selective detection method)을 이용하여 서로 다른 물질 영상을 획득하여 단층 영상 복원을 효율적으로 수행할 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 에너지 선별 검출기 및 물질의 k-edge를 이용하여 물체 내부 영상의 복원을 위하여 k-edge 좌우의 영상(low-energy region, high-energy region)을 이용하는 것으로, 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 비율을 곱하며 진행하고 물체 내부의 값을 보상해주는 방법 또는 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 차이를 더하여 알고 있는 값으로 맞춰주면서 영상 복원을 실시하여 영상 재구성의 성능을 높인 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
31. 투사 영상 획득부 32. 파라미터 초기화부
33. ROI 내부 복원부 34. 농도 및 보상값 계산부
35. 영상 보상부 36. 반복적 재구성 판단부
37. 재구성 영상 및 농도 출력부

Claims (17)

  1. 물체 내부로 조영제를 투여하고 에너지 선별측정 방식을 이용하여 k-edge를 기준으로 투사영상을 획득하는 투사 영상 획득부;
    영상재구성에 필요한 파라미터들을 초기화하는 파라미터 초기화부;
    ROI 내부를 복원하기 위하여 최초 수렴이 발생할 때까지 영상의 재구성을 위한 복원(reconstruction)을 실시하는 ROI 내부 복원부;
    획득한 재구성된 영상에서 알고 있는 조영제의 선형감쇄계수 및 혈액의 선형감쇄계수를 이용하여 농도 및 보상값(β)을 계산하는 농도 및 보상값 계산부;
    상기 농도 및 보상값 계산부에서 구한 보상값(β)을 이용하여 영상을 보상하는 영상 보상부;
    최대반복횟수에 도달하거나 보상값이 수렴하면 반복적 재구성 정지를 위한 판단을 하는 반복적 재구성 판단부;
    반복적 재구성 및 보상 방법을 이용하여 나온 결과 영상 및 그때의 농도(α)를 출력하는 재구성 영상 및 농도 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 투사 영상 획득부는,
    에너지 선별측정 방식을 이용하여 k-edge를 기준으로 투사영상을 획득하기 위하여 광자계수형 검출기(photon counting detector)를 이용하는 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 물체 내부로 조영제가 투여될 때 좌측의 조영제 값(L)과 우측의 조영제 값(R)은,
    Figure 112017001592166-pat00010
    으로 계산되고,
    IL은 k-edge를 기준으로 좌측 조영제 선형감쇄계수이고, BL은 좌측 혈액 선형감쇄계수이고, IR은 k-edge를 기준으로 우측 조영제 선형감쇄계수이고, BR은 우측 혈액 선형감쇄계수인 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 조영제와 혈액의 밀도 비율에 의해서 영상값이 되는 선형감쇄계수가 결정되는 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 조영제는,
    K-edge가 33.2keV인 아이오다인(Iodine) 또는 K-edge가 37.4keV의 에너지 값을 갖는 바륨(Barium)인 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 ROI 내부 복원부는,
    ROI 내부를 복원하기 위하여 SART+TV minimization을 이용하여 최초수렴이 발생할 때까지 영상의 재구성을 위한 복원(reconstruction)을 실시하는 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 재구성 영상 및 농도 출력부는,
    선형감쇄계수가 크게 늘어나는 에너지 경계면 k-edge를 기준으로 에너지가 낮은 영역의 에너지를 사용해서 촬영을 한 K-edge 좌측 영상 및 높은 영역의 에너지를 촬영을 한 K-edge 우측 영상을 출력하는 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 영상 보상부는,
    k-edge 좌우로 달라지는 물질의 선형감쇄계수를 이용하여 물체 내부를 복원하고, 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 비율을 곱하며 진행하여 물체 내부의 값을 보상하는 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 영상 보상부는,
    k-edge 좌우로 달라지는 물질의 선형감쇄계수를 이용하여 물체 내부를 복원하고, 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 차이를 더하여 알고 있는 값으로 맞춰주면서 영상 복원을 실시하는 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 장치.
  10. 투사 영상 획득부에서 물체 내부로 조영제를 투여하고 에너지 선별측정 방식을 이용하여 k-edge를 기준으로 투사영상을 획득하는 투사 영상 획득 단계;
    파라미터 초기화부에서 영상재구성에 필요한 파라미터들을 초기화하는 파라미터 초기화 단계;
    ROI 내부 복원부에서 ROI 내부를 복원하기 위하여 최초 수렴이 발생할 때까지 영상의 재구성을 위한 복원(reconstruction)을 실시하는 ROI 내부 복원 단계;
    농도 및 보상값 계산부에서 획득한 재구성된 영상에서 알고 있는 조영제의 선형감쇄계수 및 혈액의 선형감쇄계수를 이용하여 농도 및 보상값(β)을 계산하는 농도 및 보상값 계산 단계;
    상기 농도 및 보상값 계산부에서 구한 보상값(β)을 이용하여 영상 보상부에서 영상을 보상하는 영상 보상 단계;
    반복적 재구성 판단부에서 최대반복횟수에 도달하거나 보상값이 수렴하면 반복적 재구성 정지를 위한 판단을 하는 반복적 재구성 판단 단계;
    재구성 영상 및 농도 출력부에서 반복적 재구성 및 보상 방법을 이용하여 나온 결과 영상 및 그때의 농도(α)를 출력하는 재구성 영상 및 농도 출력 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 물체 내부로 조영제가 투여될 때 좌측의 조영제 값(L)과 우측의 조영제 값(R)은,
    Figure 112017001592166-pat00011
    으로 계산되고,
    IL은 k-edge를 기준으로 좌측 조영제 선형감쇄계수이고, BL은 좌측 혈액 선형감쇄계수이고, IR은 k-edge를 기준으로 우측 조영제 선형감쇄계수이고, BR은 우측 혈액 선형감쇄계수인 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 ROI 내부 복원 단계에서,
    ROI 내부를 복원하기 위하여 SART+TV minimization을 이용하여 최초수렴이 발생할 때까지 영상의 재구성을 위한 복원(reconstruction)을 실시하는 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 재구성 영상 및 농도 출력 단계에서,
    선형감쇄계수가 크게 늘어나는 에너지 경계면 k-edge를 기준으로 에너지가 낮은 영역의 에너지를 사용해서 촬영을 한 K-edge 좌측 영상 및 높은 영역의 에너지를 촬영을 한 K-edge 우측 영상을 출력하는 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 방법.
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 영상 보상 단계에서,
    k-edge 좌우로 달라지는 물질의 선형감쇄계수를 이용하여 물체 내부를 복원하고, 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 비율을 곱하며 진행하여 물체 내부의 값을 보상하는 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 영상 보상 단계에서,
    곱하는 방법(Multiplicative method)으로 구해진 농도(α) 및 보상값(
    Figure 112017001592166-pat00012
    )은,
    Figure 112017001592166-pat00013
    이고,
    ML은 영상의 재구성을 위한 복원(reconstruction)을 실시하는 과정에서의 좌측 중간값, MR은 우측 중값값, IL은 k-edge를 기준으로 좌측 조영제 선형감쇄계수이고, BL은 좌측 혈액 선형감쇄계수이고, IR은 k-edge를 기준으로 우측 조영제 선형감쇄계수이고, BR은 우측 혈액 선형감쇄계수인 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 방법.
  16. 제 10 항에 있어서, 상기 영상 보상 단계에서,
    k-edge 좌우로 달라지는 물질의 선형감쇄계수를 이용하여 물체 내부를 복원하고, 알고 있는 물질의 값과 영상복원으로 인하여 획득한 값의 차이를 더하여 알고 있는 값으로 맞춰주면서 영상 복원을 실시하는 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 영상 보상 단계에서,
    더하는 방법(Additive method)으로 구해진 농도(α) 및 보상값(
    Figure 112017001592166-pat00014
    )은,
    Figure 112017001592166-pat00015
    이고,
    ML은 영상의 재구성을 위한 복원(reconstruction)을 실시하는 과정에서의 좌측 중간값, MR은 우측 중값값, IL은 k-edge를 기준으로 좌측 조영제 선형감쇄계수이고, BL은 좌측 혈액 선형감쇄계수이고, IR은 k-edge를 기준으로 우측 조영제 선형감쇄계수이고, BR은 우측 혈액 선형감쇄계수인 것을 특징으로 하는 k 에지 기반의 내부 토모그라피 영상 처리를 위한 방법.
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