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KR-20260061988-A - High-Resolution 3D Imaging Tomosynthesis Apparatus Without Object Movement Based on Multiple Radial Symmetric Cone-Beam X-rays

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Abstract

본 발명은 피사체의 이동 없이 고해상도 3D 영상 획득이 가능한 단층합성 시스템(Tomosynthesis)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수 개의 콘빔 X선원(Cone-beam X-ray)들이 피사체를 중심으로 다각도의 방사형으로 배치되어 X선원 또는 피사체의 기계적 움직임 없이 다수 X선원의 상이한 포지션 및/또는 각도로 피사체를 이미징하여 3차원 영상을 획득할 수 있고, 방사대칭형 배열의 다각도로 배치된 콘빔 X선원들에 의해서 이미징할 때 피사체에서 각 X선원들까지의 거리가 모두 일정하기 때문에 3D 영상 재구성(reconstruction)이 용이하고, 각 개별 X선원들이 다양한 X선 조사 조건으로 영상을 촬영할 수 있어 피사체 또는 진단 목적의 최적인 3D 영상 재구성이 가능한 단층합성 시스템(Tomosynthesis)에 관한 것이다.

Inventors

  • 신석균
  • 신영훈

Assignees

  • 주식회사 빅스캔

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (9)

  1. 다수 개의 콘빔 X선원이 구비된 X선원부; 상기 다수 개의 X선원을 고정하기 위한 고정부; 디텍터; 상기 각 X선원의 X선 조사 조건(관전압, 관전류, 조사시간 포함)과 전체 영상 촬영 과정을 제어하고 상기 고정부를 전후좌우 일정한 각도로 움직이거나 높이를 조절할 수 있게 하는 제어부; 영상획득부; 및 영상처리 및 합성부를 포함하여 이루어지고, 상기 고정부는 반구형의 구조를 가지고, 상기 다수 개의 X선원을 이루는 X선원들은 피사체의 중심으로부터 각 X선원까지의 거리가 모두 R로 일정하며, 상기 다수 개의 X선원을 이루는 X선원들은 3차원 구(sphere, 球) 상에 방사대칭형(radial symmetry arrangement)으로 배열되고, 상기 다수 개의 X선원을 이루는 X선원들의 수는 3개 이상으로 상기 고정부에 피사체의 중심에서 다각도의 방사대칭형(radial symmetry arrangement)으로 배열되는 것을 특징으로 하는 피사체 이동 없는 방사대칭형 다수 콘빔 X선 기반 고해상도 3D 영상 단층합성장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 디텍터의 상면에 대응하는 평면인 영상을 획득하는 영상획득면에 대하여 상기 X선원들의 정사영(orthogonal projection)을 하였을 때 각 수선의 발에 대응하는 투영(投影)들의 배열로 보았을 때, 상기 영상획득면의 중심점(반구의 천정에 위치하는 X선원의 투영)으로부터 뻗어나가는 각 반직선 상에 상기 X선원들의 정사영에 의한 투영들이 적어도 1개 이상 위치하며, 상기 반직선들은 인접한 반직선들 간의 각도가 최대 120도인 것을 특징으로 하는 피사체 이동 없는 방사대칭형 다수 콘빔 X선 기반 고해상도 3D 영상 단층합성장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 영상획득면 상의 상기 중심점에 대응하는 상기 반구 상의 X선원이 존재하는 것을 특징으로 하는 피사체 이동 없는 방사대칭형 다수 콘빔 X선 기반 고해상도 3D 영상 단층합성장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 영상획득면 상의 상기 중심점에 대응하는 상기 반구 상의 X선원이 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 피사체 이동 없는 방사대칭형 다수 콘빔 X선 기반 고해상도 3D 영상 단층합성장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 영상획득면에 정사영한 상기 X선원들의 투영들을 기준으로 볼 때, 개별 X선원들의 투영은 상기 피사체의 위치에 대응하는 상기 중심점의 위치를 중심으로 반지름이 상이한 다수의 동심원 상에 다수 배치되고, 개별 X선원부에 해당하는 위치들 즉 상기 투영들은 상기 영상획득면에 해당하는 평면상에서 방사대칭형 배열을 이루는 것을 특징으로 하는 피사체 이동 없는 방사대칭형 다수 콘빔 X선 기반 고해상도 3D 영상 단층합성장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 X선원들은 제너레이터(도시하지 않음)의 전원 공급을 통해서 상기 X선원 1개씩 순차적으로 작동하며, 이 때 개별 X선원의 작동 순서는 프로그래밍 할 수 있도록 하여, 사용자가 원하는 상기 다수 개의 X선원의 조사 순서, 조사 간격, 각 X선원의 촬영 조건을 설정할 수 있는 것을 특징으로 하는 피사체 이동 없는 방사대칭형 다수 콘빔 X선 기반 고해상도 3D 영상 단층합성장치.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 제어부는 제어회로 및 기계구조를 포함하여 이루어지고 상기 다수 개의 X선원들이 조립된 상기 반구형(hemi-sphere) 구조물을 전후좌우 이동(회전 운동) 및 상하 이동(평행 이동)하여 상이한 위치 및 각도들에서 상기 X선원들을 작동할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 피사체 이동 없는 방사대칭형 다수 콘빔 X선 기반 고해상도 3D 영상 단층합성장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 다수 개의 X선원이 장착된 반구형 구조물인 상기 고정부는 일정한 각도로 회전하면서(전후좌우 이동) 피사체에 대한 조사가 이루어지도록 하며, 상기 일정한 각도의 간격은 최소 1도이고, 각도를 변경할 때마다 X선 조사 조건을 변경하면서 조사가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 피사체 이동 없는 방사대칭형 다수 콘빔 X선 기반 고해상도 3D 영상 단층합성장치.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 다수 개의 X선원이 장착된 반구형 구조물인 상기 고정부는 상기 구조물의 높이가 변경되면서 피사체에 대한 조사가 이루어지도록 하며, 높이가 변경될 때마다 X선 조사 조건을 변경하면서 조사가 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 피사체 이동 없는 방사대칭형 다수 콘빔 X선 기반 고해상도 3D 영상 단층합성장치.

Description

피사체 이동 없는 방사대칭형 다수 콘빔 X선 기반 고해상도 3D 영상 단층합성장치{High-Resolution 3D Imaging Tomosynthesis Apparatus Without Object Movement Based on Multiple Radial Symmetric Cone-Beam X-rays} 본 발명은 피사체의 이동 없이 고해상도 3D 영상 획득이 가능한 단층합성 시스템(Tomosynthesis)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수 개의 콘빔 X선원(Cone-beam X-ray)들이 피사체를 중심으로 다각도의 방사대칭형(radial symmetry arrangement)으로 배치되어 X선원 또는 피사체의 기계적 움직임 없이 다수 X선원의 상이한 포지션 및/또는 각도로부터 피사체를 이미징하여 3차원 영상을 획득할 수 있다. 방사대칭형 배열의 다각도로 배치된 콘빔 X선원들에 의해서 이미징할 때 피사체에서 각 X선원들까지의 거리가 모두 일정하기 때문에 3D 영상 재구성(reconstruction)이 용이하고, 각 개별 X선원이 다양한 X선 조사 조건으로 영상을 촬영할 수 있어 피사체 또는 진단 목적의 최적인 3D 영상 재구성이 가능한 단층합성 시스템 (Tomosynthesis)에 관한 것이다. 종래의 3D 영상을 획득하는 방법으로는 CT (Computed Tomography)와 단층 합성 시스템 (Tomosynthesis)이 있는 데, CT는 X선원이 촬영하려는 물체의 주위를 360도 회전하면서 다수의 2차원 이미지를 촬영하고 촬영된 이미지를 컴퓨터가 처리하여 단면을 재구성(reconstruction)한다. 이렇게 360도 범위에서 얻은 이미지를 이용하여 고해상도의 3차원 단면 이미지를 생성하고, 피사체의 각 단면을 피사체의 선형 움직임을 통해서 연속적으로 연결하여 완성된 3차원 전체 구조를 상세히 보여준다. 이러한 CT 영상 획득 과정은 여러 각도에서 다수의 영상을 획득하기 때문에, 총 방사선량이 상당히 많다. 한편, 단층 합성 시스템(Tomosynthesis)은 여러 각도에서 X선 영상을 촬영하고 이를 합성하여 3차원 이미지를 생성한다. X선원이 한쪽 방향으로 이동하며 연속적으로 이미지를 획득하는 CT와는 달리 360도가 아닌 제한된 각도 범위에서 얻은 2D 이미지들을 기반으로 하여 3차원적으로 재구성(reconstruction)하여, 결과적으로 여러 층으로 나누어진 단면 이미지를 제공하게 된다. 이 영상 획득 과정에서의 방사선 노출량이 CT 등에 비해 비교적 작으며, 현재 널리 적용되고 있는 맘모그래피(Mammography)의 경우에서 보면, 방사선 노출량이 기존의 2차원 맘모그래피와 유사하거나 약간 더 많은 수준에서 좋은 영상을 얻고 있다. 종래에는 단층 합성(Tomosynthesis) 영상을 획득하기 위해서 (1) 1개의 X선원을 가지고 기계적으로 X선원을 움직이면서 여러 각도의 영상을 획득하거나, (2) 각도가 다른 여러 개의 X선원들을 설치하여 X선을 순차적으로(sequentially) 조사하여 여러 각도의 영상들을 획득한다. 그러나, 점차 환자에 대한 피폭량(exposure dose)을 줄이고 편의 증진을 위한 의료 분야의 요구와 빠른 검사 시간을 통해 비파괴 검사(Non-Destructive Test)의 생산성을 높이려는 산업 분야의 요구를 고려하면, (1)의 방법은 기계 구조의 부피가 크고 X선원의 기계적 움직임이 필요하여 고속 3D X선 영상을 재구성하는 데는 한계가 있다는 단점이 있고, (2)의 경우에는 X선원의 기계적 움직임이 없어 정밀한 영상 촬영은 가능하지만, 제한된 개수의 영상을 얻게 되므로 CT에 비해서 관상면 (Frontal plane)에서 화질은 우수하나 시상면 (Sagittal plane)에서 화질은 제한적이라는 한계가 있다. 이 때문에 단층 합성 영상은 납작하여 시상면 방향으로 높은 분해능이 필요치 않은 맘모그래피(Mammography) 또는 정해진 시상면의 일부 층의 정보만 필요한 반도체 검사 장비에 사용되고 있다. 도 1은 기존 3D 영상을 획득하기 위해 (a) X선원과 디텍터가 링(ring) 모양으로 회전하여 각 슬라이스(slice)의 영상을 획득하고 피사체의 선형 운동을 통해 각 슬라이스 영상들을 조립하여 3차원 영상을 재구성하는 방식과 (b) 콘빔(cone-beam) 형태의 X선을 방사하는 X선원과 영상을 획득하는 디텍터는 고정하고 피사체를 360도 회전하면서 2D 영상들을 획득하여 재구성하는 방식을 설명하고 있다. 도 2는 본 발명에서 개별 X선원부는 피사체를 중심으로 구(sphere) 상에 방사대칭형으로 배열되고 개별 X선원부에서는 X선빔(beam)이 원추형(cone-beam, 圓錐形)으로 방사되어 상이한 포지션 및/또는 각도로부터 피사체를 이미징하는 기하학적 구성에 대해 설명하고 있다. 도 3은 본 발명에서 개별 X선원부는 피사체를 중심으로 구(sphere) 상에 방사대칭형 (radial symmetry arrangement)으로 배열되는 다수 개의 X선원을 정사영(orthogonal projection)한 영상획득면에서 중심에 피사체를 중심으로 120도, 90도, 60도, 45도, 30도 등으로 정다각형으로 배치하는 실시예이다. 도 4는 본 발명에서 개별 X선원부는 피사체를 중심으로 구(sphere) 상에 방사대칭형 (radial symmetry arrangement)으로 배열되는 다수 개의 X선원을 영상획득면으로 정사영(orthogonal projection)한 면에서 피사체를 중심으로 동심원 모양 상에 다수 배치한 예이다. 도 5에서 본 발명에서 방사대칭형으로 배열된 다수의 다각도 콘빔 X선을 이용한 단층합성장치의 개별 X선원부는 피사체를 중심으로 구(sphere) 상에 방사대칭형으로 배열되고 개별 X선원부에서는 X선빔(beam)이 원추형(cone-beam, 圓錐形)으로 방사되어 상이한 포지션 및/또는 각도로부터 피사체를 X선 이미징하는 것을 설명하는 블록 예시도이다. 도 6은 본 발명에서 개별 X선원부가 피사체를 중심으로 구(sphere) 상에 방사대칭형 (radial symmetry arrangement)으로 배열되는 다수 개의 X선원으로 구성되고 전체 X선원들이 조립된 반구형(hemi-sphere) 구조물이 암(arm)과 모터의 동작에 의해서 전후 좌우로 움직여서, 다수 개의 X선 영상을 획득하게 하는 시스템의 예시도이다. 도 7은 본 발명에서 개별 X선원부는 피사체를 중심으로 구(sphere) 상에 방사대칭형(radial symmetry arrangement)으로 배열되는 다수 개의 X선원으로 구성되고 전체 X선원들이 조립된 반구형(hemi-sphere) 구조물은 암(arm)과 모터의 동작에 의해서 상하로 움직여서, 다수 개의 X선 영상을 획득하게 하는 시스템의 예시도이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 구체예들을 상세히 설명한다. 본 발명의 특징과 이점, 그리고 그것들을 구현하는 수단들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 구체예들을 통해 명확해질 것이다. 그러나, 이하에서 기술하는 본 발명의 구체예들은 단지 예시적인 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 기술된 구체예들로만 제한하고자 하는 것은 아니다. 또한, 각 구체예들의 구성 요소들은 다른 언급이나 상호간에 모순이 없는 한 구체예 내에서 또는 구체예 상호 간에 다양한 조합이 가능할 수 있다. 그리고, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소들과는 상관없이 이 구성요소를 반드시 포함한다는 의미이지 다른 구성 요소들의 추가를 배제하고자 하는 것이 아니다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재나 소자를 사이에 두고 “간접적으로” 또는 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 명세서 전체에서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 또한, '제1, 제2' 등과 같은 표현은, 다수 개의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다. 본원에서 “구(球; Sphere) 상”이라는 어구는 입체도형인 구(sphere)의 내부가 아닌 구의 표면(surface)에 해당하는 위치를 뜻한다. 또한 구(球; sphere) 또는 반구(半球; hemisphere)라는 표현이 사용된 경우, 예를 들어 반구형 구조물이라고 할 때와 같은 경우, 구조물 자체가 완전한 반구형이어야 한다는 뜻이 아니며, 가상의 구형, 또는 가상의 반구형을 염두에 두고 X선원을 배치할 때, 각 X선원의 위치가 구 또는 반구의 표면에 있다는 뜻일 뿐이다. 따라서 X선원들을 고정하는 구조물은 그러한 조건을 만족하는 한 어떤 형태의 구조물이어도 상관이 없고, 모두 구 또는 반구의 형태에 포함되는 것으로 한다. 또한 본원에서 “영상획득면(image acquisition plane)”이라는 어구는 일부 구체예에서 예를 들어 디텍터의 표면이 평면이고 피사체가 디텍터 상에 위치하는 경우를 상정할 때 디텍터의 표면에 해당하는 수평면을 뜻한다. 도 1은 기존 3D 영상을 획득하기 위해 (a) X선원과 디텍터가 링(ring) 모양으로 회전하여 각 슬라이스(slice)의 영상을 획득하고 피사체의 선형 운동을 통해 각 슬라이스 영상들을 조립하여 3차원 영상을 재구성하는 방식과 (b) 콘빔(cone-beam) 형태의 X선을 방사하는 X선원과 영상을 획득하는 디텍터는 고정하고 피사체를 360도 회전하면서 2D 영상들을 획득하여 재구성하는 방식을 설명하고 있다. 도 2는 본 발명에서 개별 X선원부가 피사체를 중심으로 구(sphere) 상에 방사대칭형으로 배열되고 개별 X선원부에서는 X선 빔(beam)이 원추형(cone-beam, 圓錐形)으로 방사되어 상이한 포지션 및/또는 각도로부터 피사체를 이미징하는 기하학적 구성에 대