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KR102201407B1 - 엑스선 영상장치 및 그 제어방법 - Google Patents

엑스선 영상장치 및 그 제어방법 Download PDF

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KR102201407B1
KR102201407B1 KR1020130140234A KR20130140234A KR102201407B1 KR 102201407 B1 KR102201407 B1 KR 102201407B1 KR 1020130140234 A KR1020130140234 A KR 1020130140234A KR 20130140234 A KR20130140234 A KR 20130140234A KR 102201407 B1 KR102201407 B1 KR 102201407B1
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Abstract

개시된 발명의 일 측면은 칼만필터를 이용하여 관심객체의 위치를 추적하고 추적의 정확도를 나타내는 공분산을 산출하여, 산출된 관심객체의 위치와 공분산이 엑스선이 조사되는 영역의 위치 및 면적과 연동되도록 콜리메이터를 제어하는 엑스선 영상장치 및 그 제어방법을 제공한다. 개시된 발명의 일 측면에 따른 엑스선 영상장치는 엑스선 소스, 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선의 조사영역을 조절하는 콜리메이터 및 엑스선 영상에서 관심영역을 결정하고, 상기 관심영역에서 관심객체의 위치를 추적하여 엑스선이 조사되는 영역이 상기 관심객체의 추적결과에 연동되도록 상기 콜리메이터를 제어하는 프로세서;를 포함한다.

Description

엑스선 영상장치 및 그 제어방법{X-RAY IMAGING APPARATUS AND CONTROL METHOD THEREOF}
개시된 발명은 대상체에 엑스선을 조사하여 그 내부를 영상화하는 엑스선 영상장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
엑스선 영상장치는 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.
최근에는 대상체의 내부에서 나타나는 움직임을 관찰할 수 있도록 엑스선 동영상 기술이 개발되어 혈관 조영술(angiography)과 같은 인터벤션(intervention) 시술이나 엑스선 투시법(fluoroscopy) 등의 엑스선 영상 분야에 적용되고 있다.
한편, 엑스선 영상 장치의 안정성을 확보하기 위해 대상체에 조사되는 엑스선 선량을 줄이는 것이 중요한 문제로 인식되고 있으며 엑스선 선량을 줄이기 위한 다양한 연구 및 개발이 진행되고 있다.
그러나 엑스선 선량을 줄이는 방법이 시술자의 워크플로우(workflow)를 방해하거나, 시술자에게 복잡한 작업이 되는 경우, 시술자들은 엑스선 선량의 감소보다 원활한 시술을 택하는 경우가 많다.
따라서, 시술자의 시술을 방해하지 않으면서 대상체에 조사되는 엑스선 선량을 감소시키는 기술의 개발이 요구되고 있다.
개시된 발명의 일 측면은, 칼만필터를 이용하여 관심객체의 위치를 추적하고 추적의 정확도를 나타내는 공분산을 산출하여, 산출된 관심객체의 위치와 공분산이 엑스선이 조사되는 영역의 위치 및 면적과 연동되도록 콜리메이터를 제어하는 엑스선 영상장치 및 그 제어방법을 제공한다.
개시된 발명의 일 측면에 따른 엑스선 영상장치는 엑스선 소스; 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선의 조사영역을 조절하는 콜리메이터; 및 엑스선 영상에서 관심영역을 결정하고, 상기 관심영역에서 관심객체의 위치를 추적하여 엑스선이 조사되는 영역이 상기 관심객체의 추적결과에 연동되도록 상기 콜리메이터를 제어하는 프로세서;를 포함한다.
개시된 발명의 일 측면에 따른 엑스선 영상장치의 제어방법은 엑스선 영상에서 관심영역을 결정하고; 상기 관심영역에서 관심객체의 위치를 추적하고; 엑스선이 조사되는 영역이 상기 관심객체의 추적결과에 연동되도록 상기 콜리메이터를 제어하는 것;을 포함한다.
개시된 발명의 일 측면에 다른 엑스선 영상장치는 엑스선 소스; 상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선의 조사영역을 조절하는 콜리메이터; 및 엑스선 영상에서 관심영역을 결정하고 상기 관심영역에서 관심객체의 위치를 추적하고 상기 추적의 정확도를 나타내는 공분산을 산출하는 프로세서; 엑스선이 조사되는 영역의 위치가 상기 추적된 관심객체의 위치를 추종하고, 엑스선이 조사되는 영역의 크기가 상기 공분산에 연동되도록 상기 콜리메이터의 구동을 제어하는 컨트롤러;를 포함한다.
개시된 발명의 일 측면에 의하면, 대상체에 대한 엑스선 조사량을 저감시킬 수 있다.
또한, 시술자는 엑스선 조사량의 저감을 위해 별도의 조치를 취할 필요 없이 시술에 집중할 수 있다.
도 1은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 외관도이다.
도 2는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 제어 블록도이다.
도 3은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치에 포함되는 엑스선 튜브의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.
도 4는 에너지와 감쇠계수와의 관계를 대상체 내부의 물질 별로 나타낸 그래프이다.
도 5는 시간 감산법에서 사용되는 엑스선 영상을 간략하게 도시한 도면이다.
도 6a는 시간 감산법에 따라 엑스선을 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6b는 시간 감산법에 따라 혈관 엑스선 영상을 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a는 에너지 감산법에 따라 엑스선을 발생시키는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 에너지 감산법에 따라 혈관 엑스선 영상을 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 개시된 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치에서 관심객체를 추적하고 추적결과에 엑스선 조사영역을 연동시키기 위해 콜리메이터의 구동을 제어하는 과정을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 9는 혈관 스텐트 삽입술의 경우에 대한 관심을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 10및 도 11은 확장칼만필터를 이용하여 관심객체를 추적하는 과정을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 12는 관심객체의 추적결과에 연동되어 엑스선 조사영역이 변하는 것을 도시한 도면이다.
도 13은 콜리메이터의 마스크가 추적결과에 의해 형성된 타원에 대응하여 엑스선 조사영역을 조절하는 것을 도시한 도면이다.
도 14는 개시된 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 제어방법을 나타낸 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 개시된 발명의 일 측면에 따른 엑스선 영상장치 및 그 제어 방법의 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.
도 1은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 외관도이고, 도 2는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 제어 블록도이며, 도 3은 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치에 포함되는 엑스선 튜브의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1에 도시된 것처럼, 혈관 조영을 위한 엑스선 영상장치(100)는 C-arm 구조를 가질 수 있다. 엑스선 발생 어셈블리(107)와 엑스선 검출부(120)는 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 소스(110), 콜리메이터(111) 및 필터링부(미도시)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 소스(110)가 대상체에 엑스선을 조사하고 엑스선 검출부(120)가 조사된 엑스선을 검출하여 대상체에 대한 엑스선 영상을 획득한다.
혈관 조영을 위한 엑스선 영상장치(100)는 다양한 이미징 모드에 따라 엑스선 촬영을 수행할 수 있고, 대상체에 대한 실시간 동영상을 얻을 수 있다. 사용자는 복수의 화면을 구비하여 시술 또는 진단에 필요한 여러 영상을 표시 할 수 있는 디스플레이(172)를 보면서 시술 또는 진단을 수행할 수 있다.
사용자는 엑스선 영상장치(100)에 구비된 입력부(171)를 통해 필요한 정보를 입력할 수 있다. 예를 들어, 엑스선 소스(110)가 엑스선을 반복하여 조사하도록 입력부를 통해 주기를 입력할 수 있다. 입력된 주기는 제어부(160)에 전달되어, 제어부(160)가 입력된 주기에 따라 엑스선 소스(110)를 제어할 수 있다.
도 2에는 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치(100)의 주요 구성을 나타내는 블록도가 도시되어 있다. 도 2를 참조하여 엑스선 영상장치(100)의 주요 구성을 보다 구체적으로 설명한다. 도2를 참조하면, 엑스선 영상장치(100)는 엑스선을 발생시켜 조사하는 엑스선 소스(110), 엑스선 소스(110)에서 조사되는 엑스선의 조사범위를 조절하는 콜리메이터(111), 대상체를 투과한 엑스선을 검출하여 프레임 데이터를 획득하는 엑스선 검출부(120), 관심영역(Region Of Interest)의 관심객체를 추적하고, 추적결과에 연동하여 엑스선 조사영역이 조절될 수 있도록 콜리메이터의 구동을 제어할 수 있는 신호를 출력하는 프로세서(150), 엑스선 촬영을 위한 파라미터를 설정하고 프로세서에서 출력된 신호에 따라 콜리메이터(111)의 구동을 제어하는 제어부(160) 및 복수의 화면을 구비하여 시술 또는 진단에 필요한 여러 영상을 표시 할 수 있는 디스플레이(172)를 포함한다.
엑스선 소스(110)는 엑스선을 발생시켜 대상체에 조사한다. 엑스선 소스(110)는 전원 공급부(미도시)로부터 전원을 공급받아 엑스선을 발생시킨다. 엑스선의 에너지는 관전압 또는 필터 중 적어도 하나에 의해 제어될 수 있고, 엑스선의 세기 또는 선량은 관전류 및 엑스선 노출 시간에 의해 제어될 수 있다. 엑스선 소스(110)는 엑스선을 발생시키는 엑스선 튜브(111)를 포함한다.
도 3은 엑스선 튜브의 구성을 예시한 도면이다. 도 3을 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) 내부가 약 10mmHg 정도의 고진공 상태가 되고 음극의 필라멘트(111h)가 고온으로 가열되면 열전자가 발생될 수 있다.
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, 윈도우는 베릴륨(Be) 박막을 사용하여 구현될 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, 열전자의 속도가 증가되면 타겟 물질에 충돌하여 발생되는 엑스선의 에너지(광자의 에너지)가 증가된다.
또한, 엑스선의 에너지를 조절하기 위해 엑스선의 조사 방향에 필터가 배치될 수 있다. 윈도우(111i)의 전면 또는 후면에 특정 파장 대역의 엑스선을 필터링하는 필터가 마련될 수 있고, 필터는 특정 에너지 대역의 엑스선을 필터링할 수 있다. 예를 들어, 알루미늄이나 구리로 형성된 필터가 배치되면, 저에너지 대역의 엑스선이 필터링되면서 조사되는 엑스선의 에너지가 증가된다.
엑스선 튜브(111)에 흐르는 전류는 관전류라 하며 평균치 mA로 표시할 수 있고, 관전류가 증가하면 엑스선의 선량(엑스선 광자의 수)이 증가된다.
전술한 관전압에 의해 엑스선의 에너지 대역이 제어될 수 있고, 관전류 및 엑스선 노출 시간에 의해 엑스선의 강도 또는 선량이 제어될 수 있다. 따라서, 대상체의 종류나 특성에 따라 관전압과 관전류를 조절하여, 조사되는 엑스선의 에너지 대역 및 강도를 제어할 수 있다.
엑스선 소스(110)는 위에서 설명한 엑스선 튜브(111)를 이용하여 엑스선을 발생시키고, 발생된 엑스선을 대상체에 조사한다.
엑스선 소스(110)로부터 대상체에 엑스선이 조사되면, 대상체 내부의 물질에 따라, 그리고 조사되는 엑스선의 에너지 대역에 따라 엑스선이 감쇠하는 정도가 달라진다.
엑스선이 감쇠하는 정도를 수치적으로 나타낸 것을 감쇠계수(attenuation coefficient)라고 한다. 도 4는 에너지와 감쇠계수와의 관계를 대상체 내부의 물질 별로 나타낸 그래프로, 도 4를 참조하여 감쇠계수에 대해 설명한다.
첫째로, 감쇠계수는 대상체 내부의 물질에 따라 달라질 수 있다.
도 4에 도시된 그래프에서, x축은 대상체에 조사되는 광자 에너지를 의미하고, y축은 감쇠계수를 나타낸다. 도 4의 그래프를 보면, 뼈의 감쇠계수를 나타내는 곡선이 연조직(근육, 지방)의 감쇠계수를 나타내는 곡선보다 위에 위치하고 요오드의 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 내부의 서로 다른 물질은 서로 다른 감쇠계수를 갖고, 물질의 성질이 단단할수록 감쇠계수가 증가하게 된다.
둘째로, 감쇠계수는 조사되는 엑스선의 에너지 대역에 따라 달라진다.
도 4의 그래프에서, 대상체 내부의 물질인 뼈에 대하여 에너지 대역이 E1, E2인 엑스선이 각각 조사될 때, 에너지 대역이 낮은 E1에서의 감쇠계수(B1)가 에너지 대역이 높은 E2에서의 감쇠계수(B2)보다 크다.
대상체 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. 요오드도 마찬가지인 것을 알 수 있다.
즉, 대상체에 조사되는 엑스선의 에너지 대역이 낮을수록 감쇠계수가 증가하게 된다.
이와 같은 감쇠계수는 아래의 [수학식 1]로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
I=Io·e-μ(E)·T
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 획득하기 위해서는 시점을 달리하는 복수회의 촬영이 요구된다. 따라서 일반적으로는 사용자가 입력부(171)를 통해 촬영 주기를 설정하고, 주기마다 대상체로 엑스선을 조사하여 대상체의 시간에 따른 변화를 엑스선 영상에 반영하게 된다.
이 때, 혈관 엑스선 영상을 획득하기 위하여 시간 감산법 또는 에너지 감산법에 따라 엑스선을 조사할 수 있다. 특히 에너지 감산법을 따를 때, 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. 이에 대하여는 후술하기로 한다.
한편, 개시된 발명의 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치(100)는 엑스선 투시법(fluoroscopy)을 적용하여 엑스선 동영상을 생성할 수 있고, 혈관 조영술(angiography), 심혈관 조영술(cardiovascular angiography) 등의 엑스선 진단 분야 또는 이를 이용한 각종 시술 분야에 적용될 수 있다. 이 때, 엑스선 동영상은 실시간으로 생성되어 표시될 수 있다.
엑스선 영상장치(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 영상장치(100)는 상기 두 방식 모두 적용 가능하다.
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 발생시킬 수 있다.
대상체는 엑스선 촬영 대상 즉, 그 내부를 엑스선 영상으로 나타내고자 하는 대상을 의미하며, 대상체 영역은 대상체를 포함하는 일정 영역으로서 엑스선 영상으로 영상화되는 영역을 의미한다. 따라서, 대상체 영역은 엑스선 영상장치(100)의 촬영 영역(FOV)과 일치하거나 엑스선 영상장치(100)의 촬영 영역을 포함할 수 있다. 엑스선 소스(110)의 전방, 즉 엑스선 조사 방향에는 콜리메이터(111)가 배치될 수 있다.
콜리메이터(111)는 납이나 텅스텐과 같이 엑스선을 흡수하거나 차단하는 물질로 구성되는 복수의 마스크(mask)를 포함하여 엑스선 소스(110)의 엑스선 조사 영역, 즉 촬영 영역(FOV)의 범위를 조절하고 엑스선의 산란을 감소시킨다.
마스크(M)는 복수의 레이어로 형성될 수 있고, 각 레이어를 구성하는 마스크(M)들이 제어신호에 따라 이동하여 엑스선이 조사되는 영역을 다양한 형태로 형성할 수 있다.
엑스선 검출부(120)는 엑스선을 검출하여 대상체 영역에 대한 복수의 프레임 데이터를 획득한다. 프레임 데이터는 엑스선 영상장치(100)의 프레임 레이트에 따라 획득되는 복수의 엑스선 데이터 각각을 의미한다.
엑스선 검출부(120)는 복수의 픽셀을 포함하는 2차원 어레이 구조를 가질 수 있다. 엑스선 검출부(120)가 검출된 엑스선을 픽셀 별로 전기적 신호로 변환하면 대상체 영역에 대한 하나의 엑스선 데이터가 된다.
일반적으로, 엑스선 검출부(120)는 검출된 엑스선을 전기적인 신호로 변환시키는 방식 및 엑스선 데이터를 획득하는 방식 등에 따라 구분될 수 있다.
이하 엑스선 검출부(120)가 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 구분될 수 있다.
직접변환방식에서는, 엑스선이 조사되면 수광 소자 내부에 일시적으로 전자-정공 쌍이 생성되고, 수광 소자의 양단에 인가되어 있는 전장에 의해 전자는 양극으로 정공은 음극으로 이동하는바, 엑스선 검출부(120)가 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 구비한다. 섬광체는 엑스선 발생부에서 조사된 엑스선과 반응하여 가시광 영역의 파장을 갖는 광자(photon)를 방출한다. 수광 소자는 섬광체에서 방출된 광자를 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 사용될 수 있다.
또한, 엑스선 검출부(120)는 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 구분될 수 있다.
엑스선 소스(110)에서 엑스선이 조사되고, 엑스선 검출부(120)에서 설정된 프레임 레이트로 대상체를 투과한 프레임 데이터를 획득하면, 프로세서(150)에서는 엑스선 검출부(120)로부터 전달받은 프레임 데이터를 기초로 엑스선 영상을 획득할 수 있다. 특히 혈관 엑스선 영상을 획득하는 경우, 프로세서(150)는 엑스선 데이터에서 원하는 내부 조직을 분리하여 혈관 엑스선 영상을 획득할 수 있다.
이하에서는 도 5 내지 7을 참조하여, 혈관 조영의 방법으로 시간 감산법(temporal subtraction)과 에너지 감산법(energy subtraction)을 나누어, 혈관 조영 시 프로세서(150)의 역할을 설명한다.
도 5는 시간 감산법에서 사용되는 엑스선 영상을 간략하게 도시한 도면이다. 도 5에서 a는 마스크(mask) 영상을 나타낸다. 마스크 영상이란 조영제가 주입되기 전에 대상체에 대하여 획득한 엑스선 영상을 의미한다. b는 조영제가 주입된 후 대상체로부터 획득한 엑스선 영상을 나타낸다. c는 시간 감산법에 의해 최종적으로 획득한 혈관 엑스선 영상은 나타낸다.
일반적으로 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 6은 시간 감산법에 따라 혈관 엑스선 영상을 획득하는 과정을 도시한 도면이다. 시간 감산법을 따를 때 조사하는 엑스선은 단일 에너지 대역을 갖는 것으로 한다.
도 6a는 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 대상체에 주입된 조영제를 의미한다.
도 6b는 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 시간 감산법에 따라 획득된 혈관 엑스선 영상이다.
도 6a와 같이 먼저 대상체에 대하여 조영제를 주입하기 전의 영상인 마스크 영상을 촬영하기 위해 시점 t0에서 단일 에너지 엑스선 XS0를 조사한다. 조사된 엑스선 XS0로부터 도 5b의 마스크 영상인 MS0를 획득할 수 있다.
마스크 영상이 획득된 시점 t0로부터 소정의 시간이 흐른 시점 t0+α에 대상체로 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, 프로세서(150)는 t1 시점에서의 조영제 주입 후 엑스선 영상 CS1를 획득할 수 있다. 프로세서(150)는 조영제 주입 후의 엑스선 영상 CS1을 마스크 영상 MS0와 비교한다.
대상체의 움직임이 없다는 가정하에 두 영상의 차이는 조영제의 분포를 의미하므로, 두 영상의 차 영상을 구하면 t1 시점에서의 혈관 엑스선 영상 AS1을 획득할 수 있다.
시간 감산법을 따를 경우, 마스크 영상과 엑스선 영상의 획득시점 간에 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 6a, 6b와 같이, 마스크 영상의 획득 시점인 t0 와 그 이후의 엑스선 조사 시점 t1 간에 시간차가 존재하게 된다.
이러한 시간차는 획득된 혈관 엑스선 영상에 오차를 발생시킨다. 조영제 주입 후 엑스선 영상과 마스크 영상을 비교할 때, 배경의 구조적 차이와 명암대비가 일치한다면 비교적 정확하게 혈관 영역만을 추출할 수 있다. 그러나 조영제의 확산이 일어나는 시간 동안 환자, 즉 대상체가 움직일 경우 엑스선 영상의 기하학적인 변형이 일어날 수 있다. 또는 대상체 자체의 수축이나 팽창과 같은 고유의 움직임이 혈관 영역의 추출에 있어 오차를 유발시킬 수 있다.
이러한 오차를 줄이기 위해 에너지 감산법에 따른 혈관 조영술이 이용될 수 있다. 도7은 에너지 감산법에 따른 혈관 조영술을 설명하기 위한 도면이다. 에너지 감산법은 단일 에너지 엑스선을 이용하는 시간 감산법과는 다르게, 서로 다른 에너지 대역의 엑스선을 대상체로 조사한다.
도 7에서는 저 에너지 엑스선과 고 에너지 엑스선을 대상체에 조사하는 경우에 대하여 서술한다. 여기서, 고에너지 대역과 저에너지 대역은 서로 상대적인 개념이며, 대상체에 따라 달라질 수 있다.
도 7a는 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 대상체에 주입된 조영제를 의미한다.
도 7b는 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 에너지 감산법에 의해 획득된 혈관 엑스선 영상이다.
도 7a와 같이, 엑스선을 조사하기에 앞서 조영제 IM을 대상체에 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 소스(110)에서 엑스선을 조사한다. 이를 위해, 엑스선 소스(110)에서 고 에너지 대역의 엑스선과 저 에너지 대역의 엑스선을 각각 조사하거나, 엑스선 소스(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 영상장치(100) 및 제어 방법의 일 실시예로 엑스선 검출부(120)는 고 에너지와 저 에너지 대역의 엑스선을 각각 순차적으로 조사하는 것으로 전제하고 이하 설명한다. 도7a를 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 프로세서(150)는 서로 다른 에너지 대역에 대응되는 엑스선 영상을 생성할 수 있다. 예를 들어, 도 7b와 같이, 엑스선 XML1과 XMH1에 대응하여, 프로세서(150)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 혈관(조영제)과 뼈 및 석회화 조직 간의 밝기 차이가 다르게 나타난다. 이는 전술한 바와 같이, 에너지 대역 별로 내부 물질의 감쇠 특성 차이가 다르기 때문이다.
프로세서(150)는 원본 영상으로부터 혈관 영상을 분리한다. 프로세서(150)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 프로세서(150)에서 3개 이상의 에너지 대역에 각각 대응되는 3개 이상의 엑스선 영상을 생성하고, 각 영상에 적절한 가중치를 곱한 후 감산하여 혈관을 포함한 3종류 이상의 물질 영상을 분리할 수 있다.
전술한 바와 같이, 엑스선 영상장치(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 프로세서(150)에서 사용할 수 있는 방법 중 하나에 불과하며, 이 외에 다른 방법들도 물질 영상 분리에 사용될 수 있다.
이처럼 프로세서(150)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 감산법에 따른 혈관 조영술은 획득되는 혈관 엑스선 영상의 기초가 되는 저 에너지 영상과 고 에너지 영상의 획득 시점의 차이가, 시간 감산법에 의할 때의 마스크 영상 획득 시점과 조영제 주입 후 엑스선 영상의 획득 시점간의 시간차보다 작다. 시간 감산법에서는 조영제가 확산되는 동안 엑스선을 조사할 수 없지만, 에너지 감산법은 이러한 제약 없이 다중 에너지의 엑스선을 순차적으로 조사할 수 있기 때문이다.
따라서 에너지 감산법을 적용할 때 대상체의 움직임이 발생할 시간이 더 짧다. 그 결과, 두 영상의 획득 시점간의 차이 동안 대상체의 움직임에 의해 발생할 수 있는 오차도 에너지 감산법이 시간 감산법에 비해 작다고 할 수 있다.
그러나 에너지 감산법을 통해 획득되는 혈관 엑스선 영상은 시간 감산법을 통해 획득되는 혈관 엑스선 영상에 비해 낮은 신호 대 잡음 비(SNR: Signal to Noise Ratio)를 가진다.
신호 대 잡음 비가 클수록 획득되는 영상의 화질이 선명함을 의미하므로, 시간 감산법에 의할 때 에너지 감산법보다 잡음이 덜 섞인 선명한 엑스선 영상을 획득할 수 있다.
이와 같이 시간 감산법은 높은 신호 대 잡음 비를 가짐에도 불구하고 대상체의 움직임에 따른 오차 발생의 가능성이 높은 반면, 에너지 감산법은 시간 감산법에 비해 낮은 신호 대 잡음 비를 가지나 대상체의 움직임에 의한 오차를 줄일 수 있다.
제어부(160)는 조영제의 주입과 관련된 파라미터, 엑스선 촬영과 관련하여 엑스선 소스(110), 콜리메이터(111), 엑스선 검출부(120)를 제어하기 위한 촬영 파라미터(imaging parameter) 등을 설정하여 조영제의 주입이나 엑스선 촬영이 최적의 조건에서 이루어질 수 있도록 한다.
조영제의 주입과 관련된 파라미터들은 조영제 주입량, 주입시간, 농도 등을 포함할 수 있다. 촬영 파라미터는 노출 파라미터(exposure parameter)라고도 하며, 엑스선 영상장치(100)에서 촬영 파라미터를 자동으로 제어하는 것을 자동 노출 제어(Auto Exposure Control) 또는, Automatic Brightness Control, Automatic Dose Control, Automatic Dose Rate Control이라고 한다.
촬영 파라미터는 관전압, 관전류, 노출 시간, 필터의 종류, 촬영 영역(FOV), 프레임 레이트, 펄스 레이트, 타겟 물질의 종류 등을 포함할 수 있다.
촬영 파라미터는 프로세서(150)에서 획득한 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.
제어부(160)는 프로세서(150)의 분석 결과에 기초하여 촬영 파라미터를 결정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(150)가 프레임 영상을 분석하여 대상체의 두께나 밀도와 같은 특성을 판단하면, 제어부(160)는 그 판단 결과에 기초하여 대상체의 특성에 맞는 관전압, 관전류, 노출 시간, 필터 종류, 타겟 물질 종류 등의 촬영 파라미터를 결정할 수 있다.
또한, 제어부(160)는 프로세서(150)에서 획득된 관심 영역에 관한 정보에 기초하여 촬영 파라미터를 결정할 수도 있다. 일 실시예로서, 제어부(160)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, 제어부(160)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, 제어부(160)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.
또한, 제어부(160)는 프로세서(150)에서 대상체 영역 중 관심영역(ROI)이 설정되거나, 오퍼레이터에 의해 관심영역(ROI)이 설정되면, 관심영역(ROI)에만 엑스선이 조사될 수 있도록 콜리메이터(111)를 조절하여 촬영영역을 관심영역(ROI)으로 제한되도록 할 수 있다. 촬영영역을 관심영역(ROI)으로 제한하면, 대상체에 조사되는 엑스선이 감소되므로 대상체의 피폭량을 줄일 수 있는 장점이 있다. 개시된 실시예는 대상체의 엑스선 피폭량을 줄이기 위해 관심영역의 관심객체(예를 들면 카테터와 같은 시술도구)를 확장칼만필터와 같은 추적필터를 이용하여 추적하고, 관심객체의 추적결과를 콜리메이터에 연동시켜 엑스선 조사영역을 자동적으로 조절할 수 있는 방법을 제안한다. 이하 이에 대해 구체적으로 설명한다.
도 8에는 개시된 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치에서 관심객체를 추적하고 추적결과에 엑스선 조사영역을 연동시키기 위해 콜리메이터의 구동을 제어하는 과정이 개념적으로 도시되어 있다. 도 9에는 혈관 스텐트 삽입술의 경우에 대한 관심 영역이 예시적으로 도시되어 있다. 도 10및 도 11에는 확장칼만필터를 이용하여 관심객체를 추적하는 과정이 개념적으로 도시되어 있다. 도 12에는 관심객체의 추적결과에 연동되어 엑스선 조사영역이 변하는 것이 도시되어 있고, 도 13에는 콜리메이터의 마스크(M)가 추적결과에 의해 형성된 타원에 대응하여 엑스선 조사영역을 조절하는 것이 도시되어 있다.
프로세서(150)는 엑스선 검출부에서 획득한 데이터에 기초하여 엑스선 영상을 획득하고, 엑스선 영상에서 관심영역을 설정한다. 프로세서(150)는 대상체 영역에 대한 프레임 영상에서 관심영역(ROI)을 결정한다. 관심영역(ROI)은 대상체 영역 중 관심객체가 존재하는 영역을 의미한다. 관심영역(ROI)을 결정하기 위해 프로세서(150)는 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 영상장치(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) 등과 같은 병변 영역이 관심 객체가 될 수 있다.
관심 객체가 검출되면, 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 9에는 혈관 스텐트 삽입술의 경우에 대한 관심 영역이 예시적으로 도시되어 있다. 도 9를 참조하면, 스텐트(13a)는 혈관의 폐색 등을 막기 위해 혈관에 삽입되는 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.
대상체 영역의 혈관에 스텐트 기구(13)를 삽입하기 위해 먼저 가이드 와이어(11)가 삽입된다. 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, 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. 또한, 관심영역(ROI)은 시술자에 의해 선택되어 결정될 수도 있다.
이렇게 관심영역(ROI)이 결정되면, 프로세서(150)는 관심객체를 추적한다. 여기서 관심객체는 시술도구, 예를 들면 카테터의 단부로 설정될 수 있다. 프로세서(150)는 관심객체의 위치를 추적하기 위해 확장칼만필터를 추적필터로 사용할 수 있다.
도 10및 도 11을 참조하면, 확장칼만필터는 관심객체의 위치의 추정값에 대한 예측값과 관심객체가 예측된 위치에 존재할 확률을 나타내는 오차 공분산의 추정값에 대한 예측값을 산출하고(400), 엑스선 영상으로부터 검출한 관심객체의 위치의 측정값을 이용하여 관심객체의 위치의 추정값에 대한 예측값과 오차 공분산의 추정값에 대한 예측값을 갱신(420)함으로써 관심객체의 위치의 추정값과 오차 공분산의 추정값을 산출하여 관심객체의 위치를 추적한다. 하기의 수학식은 확장칼만필터의 예측과정과 갱신과정을 나타낸다.
< Prediction >
<수학식1>
Figure 112013104889086-pat00001
<수학식2>
Figure 112013104889086-pat00002

< Update >
<수학식3>
Figure 112013104889086-pat00003
<수학식4>
Figure 112013104889086-pat00004
<수학식5>
Figure 112013104889086-pat00005

관심객체의 상태의 추정값에 대한 예측은 수학식1에 나타나 있다. Xk는 추적 대상이 되는 관심객체의 상태를 나타내는 변수이고,
Figure 112013104889086-pat00006
은 관심객체의 상태의 추정값이며,
Figure 112013104889086-pat00007
은 관심객체의 상태의 추정값에 대한 예측값을 나타낸다. 관심객체의 상태를 나타내는 변수는 관심객체의 위치와 속도를 포함할 수 있다.
수학식1을 통한 예측값의 정확도를 나타내는 오차 공분산의 추정값을 예측하는 것이 수학식 2에 나타나 있다. Q는 프로세스 공분산을 나타내고,
Figure 112013104889086-pat00008
는 오차 공분산의 추정값을 나타내며,
Figure 112013104889086-pat00009
는 오차 공분산의 추정값에 대한 예측값을 나타낸다. F는 시스템의 모델링을 통해 얻게 되는 매트릭스이다.
수학식 1과 수학식2로 나타나는 예측과정을 통해 프로세서(150)는 관심객체의 위치의 추정값을 예측하고, 예측된 위치에 관심객체가 존재할 확률을 나타내는 오차 공분산의 추정값을 예측한다.
수학식 3 내지 수학식 5를 참조하면, 확장칼만필터는 예측 과정에서 획득한 관심객체의 위치의 추정값에 대한 예측값과 오차 공분산의 추정값에 대한 예측값을 관심객체의 위치의 측정값을 이용하여 갱신함으로써 관심객체의 위치의 추정값과 오차 공분산의 추정값을 획득한다. 확장칼만필터는 이 과정에서 칼만게인을 산출하고, 칼만게인을 측정값과 예측값의 차이에 대한 가중치로 사용한다.
수학식3에서, Kk는 칼만게인을 나타내고, R은 측정 공분산을 나타낸다. 수학식 4에서 Yk는 엑스선 영상에서 검출한 관심객체 위치에 대한 측정값이다. 예측과정에서 획득한 예측값(
Figure 112013104889086-pat00010
,
Figure 112013104889086-pat00011
)을 측정값과 측정 공분산(Yk,R)을 이용하여 갱신함으로써, 관심객체의 위치의 추정값(
Figure 112013104889086-pat00012
)과 추정된 위치에 관심객체가 존재할 확률을 나타내는 오차 공분산의 추정값(
Figure 112013104889086-pat00013
)을 획득한다.
확장칼만필터는 도 11에 도시된 것처럼, 예측과 갱신과정을 반복함으로써 관심객체의 위치를 추적한다. 관심객체가 정지해 있거나, 명확한 이동경로를 따라 이동하여 관심객체의 추적이 잘 이루어지면(410단계에서 "예"로 이동) 예측과 갱신과정을 통해 오차 공분산의 값은 작아지게 된다. 이 경우, 관심객체를 포함하는 작은 영역에만 엑스선을 조사하여도 관심객체의 추적을 수행할 수 있다. 그러나, 관심객체가 갑작스럽게 이동하거나 조영제의 주입 등으로 관심객체의 위치가 불명확할 때에는 엑스선 영상에서 관심객체를 검출할 수 없게 되어 갱신과정의 진행없이 예측과정만 반복적으로 진행된다(410 단계에서 "아니오"로 이동). 따라서 오차 공분산이 점차적으로 커지게 된다. 이 경우 관심객체를 검출할 수 있도록 엑스선이 조사되는 영역을 확장시켜야 한다.
오차 공분산을 콜리메이터에 의해 조절되는 엑스선 조사영역과 연동시켜 엑스선 조사영역이 공분산의 변화에 따라 조절되도록 할 경우, 관심객체의 추적이 잘 이루어지고 있을 때는 오차 공분산이 감소하므로 자동적으로 엑스선 조사영역이 감소되고, 관심객체를 놓치는 등 관심객체의 추적이 잘 이루어지지 않고 있을 때는 오차 공분산이 증가하므로 자동적으로 엑스선 조사영역이 증가된다.
이와 같이, 엑스선 조사영역이 공분산에 연동되도록 콜리메이터를 제어하게 되면, 도 12에 도시된 것처럼, 관심객체, 예를 들면 카테터의 추적이 정상적으로 이루어질 때에는 카테터를 포함하는 좁은 영역에만 엑스선이 조사되어 대상체의 엑스선 피폭량을 줄일 수 있다. 급한 기동이나 차폐로 인해 카테터가 추적되지 않을 때에는 확장칼만필터에서 갱신과정이 수행되지 않고 예측과정만 수행되어 도 12에 도시된 것처럼 엑스선이 조사되는 영역이 자동적으로 확장되게 된다. 즉, 카테터가 급한 기동을 보이는 등의 상황에서는 자동적으로 넓은 영역에 엑스선이 조사되고, 다시 카테터의 이동이 멈추는 등의 상황에서 자동적으로 좁은 영역에 엑스선이 조사되어 엑스선 피폭량을 줄일 수 있다.
이와 같이 엑스선 조사영역을 오차 공분산의 변화에 연동시키면 시술자의 워크플로우를 방해하지 않게 되고, 관심객체를 효율적으로 추적할 수 있는 동시에 대상체에 대한 엑스선 피폭량 또한 감소시킬 수 있다.
엑스선 조사영역이 오차 공분산의 변화에 연동되도록, 프로세서(150)는 확장칼만필터의 출력값인 관심객체의 위치 추정값과 오차 공분산의 추정값을 이용하여 하기의 수학식6과 같은 식을 설정할 수 있다. 하기의 수학식5에 따르면 중심이
Figure 112013104889086-pat00014
인 타원이 형성된다.
<수학식6>
Figure 112013104889086-pat00015

프로세서(150)는 도 13에 도시된 것처럼 엑스선 조사영역이 타원의 장축과 단축의 길이에 대응되는 길이를 갖는 변으로 구성된 사각형으로 형성되도록 콜리메이터의 마스크(M)를 제어하여 엑스선 조사영역이 확장칼만필터의 공분산의 변화에 연동되도록 한다. 프로세서에서(150) 콜리메이터의 조절을 위한 신호를 출력하면, 제어부(160)에서 해당 신호에 따라 콜리메이터의 마스크(M)를 구동시킨다.
전술한 것처럼, 추적대상이 되는 관심객체의 상태를 나타내는 변수에 관심객체의 위치뿐만 아니라 관심객체의 이동속도 또한 포함되므로, 관심객체의 위치뿐만 아니라 속도 추정치도 획득할 수 있다. 따라서 관심객체가 소정의 속도로 이동하여 진행방향이 결정되면 관심객체의 진행방향에 대한 공분산이 증가하여 수학식 5에 따라 형성되는 타원의 장축이 진행방향으로 증가하게 된다.
도 14는 개시된 일 실시예에 따른 엑스선 영상장치의 제어방법을 나타낸 순서도이다.
도 14를 참조하면, 프로세서(150)는 엑스선 영상에서 관심영역을 결정하고(500), 관심영역에 존재하는 관심객체의 위치와 공분산을 예측한다(510). 엑스선 영상에서 관심객체의 위치가 측정되면(520) 관심객체의 위치의 측정값에 기초하여 관심객체의 위치 및 공분산의 예측을 갱신한다(530). 관심객체의 위치 및 공분산이 갱신되면, 갱신된 관심객체의 위치 및 공분산에 기초하여 관심객체의 위치와 공분산을 예측하여(560), 예측과 갱신과정을 반복한다.
프로세서(150)는 엑스선 검출부에서 획득한 데이터에 기초하여 엑스선 영상을 획득하고, 엑스선 영상에서 관심영역을 설정한다. 프로세서(150)는 대상체 영역에 대한 프레임 영상에서 관심영역(ROI)을 결정한다. 관심영역(ROI)은 대상체 영역 중 관심객체가 존재하는 영역을 의미한다. 관심영역(ROI)을 결정하기 위해 프로세서(150)는 관심 객체(object)를 검출한다. 관심 객체는 사용자가 엑스선 촬영 중 지속적으로 주시해야 하는 객체로서, 대상체에 사용되는 시술 도구(instrument)이거나 시술 부위일 수 있다. 예를 들어, 엑스선 영상장치(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) 등과 같은 병변 영역이 관심 객체가 될 수 있다.
관심 객체가 검출되면, 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.
한편, 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. 또한, 관심영역(ROI)은 시술자에 의해 선택되어 결정될 수도 있다.
이렇게 관심영역(ROI)이 결정되면, 프로세서(150)는 관심객체를 추적한다. 여기서 관심객체는 시술도구, 예를 들면 카테터의 단부로 설정될 수 있다. 프로세서(150)는 관심객체의 위치를 추적하기 위해 확장칼만필터를 추적필터로 사용할 수 있다.
확장칼만필터는 관심객체의 위치의 추정값에 대한 예측값과 관심객체가 예측된 위치에 존재할 확률을 나타내는 오차 공분산의 추정값에 대한 예측값을 산출하고, 엑스선 영상으로부터 검출한 관심객체의 위치의 측정값을 이용하여 관심객체의 위치의 추정값에 대한 예측값과 오차 공분산의 추정값에 대한 예측값을 갱신함으로써 관심객체의 위치의 추정값과 오차 공분산의 추정값을 산출하여 관심객체의 위치를 추적한다.
엑스선 영상에서 관심객체의 위치가 측정되지 않으면(520) 엑스선 조사영역이 예측된 관심객체의 위치 및 공분산에 연동되도록 콜리메이터를 제어하고(540), 관심객체의 위치 및 공분산이 갱신되면, 엑스선 조사영역이 갱신된 관심객체의 위치 및 공분산에 연동되도록 콜리메이터를 제어한다(550).
확장칼만필터는 도 11에 도시된 것처럼, 예측과 갱신과정을 반복함으로써 관심객체의 위치를 추적한다. 관심객체가 정지해 있거나, 명확한 이동경로를 따라 이동하여 관심객체의 추적이 잘 이루어지면(520단계에서 "예"로 이동) 예측과 갱신과정을 통해 오차 공분산의 값은 작아지게 된다. 이 경우, 관심객체를 포함하는 작은 영역에만 엑스선을 조사하여도 관심객체의 추적을 수행할 수 있다. 그러나, 관심객체가 갑작스럽게 이동하거나 조영제의 주입 등으로 관심객체의 위치가 불명확할 때에는 엑스선 영상에서 관심객체를 검출할 수 없게 되어 갱신과정의 진행없이 예측과정만 반복적으로 진행된다(520 단계에서 "아니오"로 이동). 따라서 오차 공분산이 점차적으로 커지게 된다. 이 경우 관심객체를 검출할 수 있도록 엑스선이 조사되는 영역을 확장시켜야 한다.
오차 공분산을 콜리메이터에 의해 조절되는 엑스선 조사영역과 연동시켜 엑스선 조사영역이 공분산의 변화에 따라 조절되도록 할 경우, 관심객체의 추적이 잘 이루어지고 있을 때는 오차 공분산이 감소하므로 자동적으로 엑스선 조사영역이 감소되고, 관심객체를 놓치는 등 관심객체의 추적이 잘 이루어지지 않고 있을 때는 오차 공분산이 증가하므로 자동적으로 엑스선 조사영역이 증가된다.
이와 같이, 엑스선 조사영역이 공분산에 연동되도록 콜리메이터를 제어하게 되면, 도 12에 도시된 것처럼, 관심객체, 예를 들면 카테터의 추적이 정상적으로 이루어질 때에는 카테터를 포함하는 좁은 영역에만 엑스선이 조사되어 대상체의 엑스선 피폭량을 줄일 수 있다. 급한 기동이나 차폐로 인해 카테터가 추적되지 않을 때에는 확장칼만필터에서 갱신과정이 수행되지 않고 예측과정만 수행되어 도 12에 도시된 것처럼 엑스선이 조사되는 영역이 자동적으로 확장되게 된다. 즉, 카테터가 급한 기동을 보이는 등의 상황에서는 자동적으로 넓은 영역에 엑스선이 조사되고, 다시 카테터의 이동이 멈추는 등의 상황에서 자동적으로 좁은 영역에 엑스선이 조사되어 엑스선 피폭량을 줄일 수 있다.
이와 같이 엑스선 조사영역을 오차 공분산의 변화에 연동시키면 시술자의 워크플로우를 방해하지 않게 되고, 관심객체를 효율적으로 추적할 수 있는 동시에 대상체에 대한 엑스선 피폭량 또한 감소시킬 수 있다.
100 : 엑스선 영상장치
110 : 엑스선 소스
120 : 엑스선 검출부
150 : 프로세서
160 : 제어부
172 : 디스플레이

Claims (17)

  1. 엑스선 소스;
    상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선의 조사영역을 조절하는 콜리메이터; 및
    엑스선 영상에서 관심영역을 결정하고, 상기 관심영역에서 관심객체의 위치를 추적하여 엑스선이 조사되는 영역이 상기 관심객체의 추적결과에 연동되도록 상기 콜리메이터를 제어하는 프로세서;를 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 관심객체의 위치를 예측하고, 상기 예측의 정확도를 나타내는 공분산을 예측하고, 엑스선 영상에서의 상기 관심객체의 위치의 측정값에 기초하여 상기 관심객체의 위치와 상기 공분산의 예측을 갱신함으로써 상기 관심객체의 위치를 추적하는 엑스선 영상장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 갱신된 관심객체의 위치 및 공분산에 연동하여 상기 엑스선이 조사되는 영역의 위치와 면적이 결정되도록 상기 콜리메이터를 제어하는 엑스선 영상장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 갱신된 관심객체의 위치 및 공분산에 기초하여 관심객체의 위치가 포함된 타원영역을 설정하고, 엑스선의 조사영역의 면적이 상기 타원영역의 면적에 대응하도록 상기 콜리메이터를 제어하는 엑스선 영상장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 엑스선 영상에서 상기 관심객체의 위치가 측정되지 않으면, 상기 예측된 관심객체의 위치 및 공분산에 기초하여 다시 관심객체의 위치 및 공분산을 예측하는 과정을 반복하는 엑스선 영상장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 예측된 관심객체의 위치 및 공분산에 연동하여 상기 엑스선이 조사되는 영역의 위치와 면적이 결정되도록 상기 콜리메이터를 제어하는 엑스선 영상장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 예측된 관심객체의 위치 및 공분산에 기초하여 관심객체의 위치가 포함된 타원영역을 설정하고, 엑스선의 조사영역의 면적이 상기 타원영역의 면적에 대응하도록 상기 콜리메이터를 제어하는 엑스선 영상장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 관심영역에서 상기 관심객체의 위치 및 속도를 추적하는 엑스선 영상장치.
  9. 엑스선 영상에서 관심영역을 결정하고;
    상기 관심영역에서 관심객체의 위치를 추적하고;
    엑스선이 조사되는 영역이 상기 관심객체의 추적결과에 연동되도록 엑스선의 조사영역을 조절하는 콜리메이터를 제어하는 것;을 포함하고,
    상기 관심객체의 위치를 추적하는 것은,
    프로세서에서 상기 관심객체의 위치를 예측하고, 상기 예측의 정확도를 나타내는 공분산을 예측하고;
    엑스선 영상에서의 상기 관심객체의 위치의 측정값에 기초하여 상기 관심객체의 위치와 상기 공분산의 예측을 갱신함으로써 상기 관심객체의 위치를 추적하는 것;을 포함하는 엑스선 영상장치의 제어방법.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 콜리메이터를 제어하는 것은,
    상기 갱신된 관심객체의 위치 및 공분산에 연동하여 상기 엑스선이 조사되는 영역의 위치와 면적이 결정되도록 상기 콜리메이터를 제어하는 것;을 포함하는 엑스선 영상장치의 제어방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 콜리메이터를 제어하는 것은,
    상기 프로세서에서 상기 갱신된 관심객체의 위치 및 공분산에 기초하여 관심객체의 위치가 포함된 타원영역을 설정하고;
    엑스선의 조사영역의 면적이 상기 타원영역의 면적에 대응하도록 상기 콜리메이터를 제어하는 엑스선 영상장치의 제어방법.
  13. 제9항에 있어서,
    엑스선 영상에서 상기 관심객체의 위치가 측정되지 않으면, 상기 예측된 관심객체의 위치 및 공분산에 기초하여 다시 관심객체의 위치 및 공분산을 예측하는 과정을 반복하는 것;을 더 포함하는 엑스선 영상장치의 제어방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 콜리메이터를 제어하는 것은,
    상기 예측된 관심객체의 위치 및 공분산에 연동하여 상기 엑스선이 조사되는 영역의 위치와 면적이 결정되도록 상기 콜리메이터를 제어하는 것;을 포함하는 엑스선 영상장치의 제어방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 콜리메이터를 제어하는 것은,
    상기 예측된 관심객체의 위치 및 공분산에 기초하여 관심객체의 위치가 포함된 타원영역을 설정하고;
    엑스선의 조사영역의 면적이 상기 타원영역의 면적에 대응하도록 상기 콜리메이터를 제어하는 것;을 포함하는 엑스선 영상장치의 제어방법.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 관심객체의 위치를 추적하는 것은,
    상기 관심영역에서 상기 관심객체의 위치 및 속도를 추적하는 것;을 포함하는 엑스선 영상장치의 제어방법.
  17. 엑스선 소스;
    상기 엑스선 소스에서 조사되는 엑스선의 조사영역을 조절하는 콜리메이터; 및
    엑스선 영상에서 관심영역을 결정하고 상기 관심영역에서 관심객체의 위치를 추적하고 상기 추적의 정확도를 나타내는 공분산을 산출하는 프로세서;
    엑스선이 조사되는 영역의 위치가 상기 추적된 관심객체의 위치를 추종하고, 엑스선이 조사되는 영역의 크기가 상기 공분산에 연동되도록 상기 콜리메이터의 구동을 제어하는 컨트롤러;를 포함하는 엑스선 영상장치.
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