Physics and Engineering of Computed Tomography

Tomography

다른 평면의 구조 윤곽을 제거한 단일 평면을 촬영하는 X선 촬영 기술

Computed Tomography

CT란 Computed Tomography의 약어로 X-선을 투과시켜 흡수 차이를 컴퓨터로 재구성하여 단면영상(Cross-sectional Image)을 얻거나 3차원적인 입체영상을 얻는 영상진단법이다.

X-ray

독일의 물리학자 Wilhelm Conrad Röntgen이 처음 발견하여 이름을 붙였으며, 이 발견으로 최초의 노벨 물리학상을 수상
X선은 전자기 방사선의 한 형태(빛과 동일)
$\lambda$ (wavelength) : 0.05 nm ~ 10 nm
E = ~ 10‐15 to 10‐14 J

X-rays Attenuation

Attenuation은 X-ray beam의 강도가 감소하는 현상을 말한다. 이는 beam으로부터의 광자의 흡수 또는 편향(deflection), 산란(scatter)에 의해 발생할 수 있으며, beam 에너지 및 흡수체의 원자 번호 등 다양한 요인에 의해 영향을 받을 수 있다. 감쇠계수는 특정 두께의 흡수체에 의한 방사선 감쇠량의 측정값이다.
-> N = N0 * exp-$\mu$x
N: 투과한 x-ray 강도, N0: 초기 X-ray 강도, $\mu$: 선형 감쇠계수, x: 깊이 or 두께
* 총 감쇠를 측정하지만 분포는 측정하지 않는다.

Radiographs

X-ray가 인체를 투과하여 몸 안의 물질의 종류, 밀도 등으로 인하여 감쇠되고, 감쇠된 부분을 detector를 통하여 영상화하는 것이다. 이는 연조직의 제한된 가시성을 이용하는 것이다. 일반적으로 촬영하는 사진(Photography)과 다른 점은 사진은 물체를 반사한 빛을 검출하여 영상화하는 반면 X-ray 검사는 물체를 투과한 방사선을 검출하여 영상화한다는 것이다. 예전에는 이미지를 필름에 찍어내는 방식을 이용한 X-ray 검사를 많이 진행했지만 근래에는 필름 대신 카세트라고 불리는 이미지 플레이트를 이용해 영상을 확인하는 CR(Computed Radiography)과 이미지를 플레이트에 저장하지 않고 직접 전공해 영상화 할 수 있는 DR(Digital Radiography)도 점차 많이 사용되고 있다.

Conventional Tomography

X-ray tube와 기록 장치(필름 스크린 카세트)의 동기화된 움직임으로 인해 한 평면에 초점이 맞춰지고 overlying and underlying 조직이 흐려진다.
* Tomographic angle : X-ray가 켜져있는 동안 X-ray tube가 이동하는 각도

Motion Tomography

Conventional Tomography Limitations

• Focal plane에 가까운 plane은 거의 흐릿하지 않음
• 슬라이스 두께가 tan(tomographic angle / 2)에 반비례함
• motion의 방향의 수직으로 작은 흐림이 있음(circular, tri-spiral 등으로 확장된 motion)
• 각각의 관심있는 평면마다 새로운 획득이 필요함

Digital Tomosynthesis

• 일련의 digital images가 sweep 동안 일련의 위치에서 획득된다는 점을 제외하고 geometric tomography와 유사함
• 몇몇의 digital image processing이 필요함
• CT보다 더 적은 예측이 필요하고, 모든 평면을 한 번의 획득으로 재구성할 수 있으므로 방사선량 효율이 높음
• CT는 피사체에 대해 적어도 180도 회전하여 이미지를 재구성할 수 있는 완전한 데이터 세트를 얻지만 DTS는 15~60도 정도의 제한된 회전 각도만 사용하고 개별 노출 수가 더 적음
• 유방 촬영, 심장 혈관, 폐암
• Low‐dose alternative to CT

Tomography and/or DTS(Digital Tomosynthesis)

* 근본적인 Limitations

• 기존의 tomography는 focal plane 위와 아래의 물체를 흐리게 하지만 focal plane의 구조 간의 대비를 증가시키지는 않음
• 흐릿한 overlying 구조물이 이미지의 품질을 저하시킴

Computed Tomography History

• 1940년 초 projections으로부터 image reconstruction이 시도되었지만 컴퓨터가 없었음
• 1917년 오스트리아 수학자 J.Radon의 multiple projections에서 물체를 재구성하기 위한 수학적 공식
• R.N. Bracewell은 태양 표면을 가로지르는 일련의 방사선 측정으로부터 태양 마이크로파 방출의 지도를 재구성하기 위해 이 기술을 적용함

Parallel Beam Projection

• Source에서 나온 얇은 두께의 평행의 X-ray가 인체(object)를 통과한 후 detector에 투영(projection)된다. Source-detector의 시스템을 각 $\theta$만큼 회전하여 projection을 얻고 다시 회전하고 하는 것을 반복하여 얻은 projection들을 이용하여 data를 재구성한다.

CT Input and Output

Sampling Geometries

CT scanners의 sampling geometry는 위의 세 가지로 표현될 수 있다.
Fan beam(부채살 광선) CT scanner는 시준기(collimator)라고 하는 기구를 X-ray source 앞에 놓아서 얇은 평면의 fan beam을 물체(인체)를 통과한 후 detector에 모으는 것이다. 이 때 각 source 위치에서 나온 fan beam이 물체를 완전히 덮을 수 있게 넓게 나오도록 한다. Detectors는 크게 등각(equiangular)과 등거리(equidistance) 종류가 있다.
Cone beam(원뿔형)은 얇은 면의 X-ray를 CT의 source에서 내보내고, 물체를 통과시킨 후 source의 반대쪽에 2차 array의 detector로 선적분 값을 모은다. Source-detector array 시스템이 어떤 궤적을 지나면서 project data를 얻을 수 있는데, 이 궤적이 완전하면 물체를 완전히 재구축할 수 있다.

First Generation: Parallel Beam Geometry

Source에서 나온 얇은 두께의 평행의 X-ray가 인체(object)를 통과한 후 detector에 투영(projection)된다. Source-detector의 시스템을 각 $\theta$만큼 회전하여 projection을 얻고 다시 회전하는 것을 반복하여 얻은 projections를 이용하여 data를 재구축한다. Parallel beam(평행 광선)은 CT scan에서 X-ray의 각 $\theta$에 대해 source와 detector가 이동해야 하고, 스캐닝 시간이 기므로 방사선에 노출되는 시간도 길어진다는 단점이 있다. Fan beam이 이러한 단점을 보완했다.

Second Generation: Fan Beam, Multiple Detectors

• linear beams 대신에 fan형의 beams를 사용함
• 더 큰 회전 증가 및 더 짧은 scan 시간
• Transrate와 rotation 획득은 여전히 사용되었고, 하나의 detector보다 더 많은 범위를 사용할 수 있음
• 1세대보다 평균 검사를 받는 시간이 1시간에서 몇 분으로 단축되어 훨씬 더 빠름
• 각 slice는 1세대에서는 5분이 걸렸지만 2세대에서는 20초로 단축

Third Generation: Fan Beam, Rotating Detectors

• 물체를 완전히 포함하는 fan beam을 사용함(큰 X-ray detector 사용)
• Source와 detector가 object 주위를 회전함(X-ray source와 detector가 함께 회전)
• 단단한 링을 사용하여 X-ray tube와 detector를 환자 주위로 회전하도록 장착
• 훨씬 짧은 scan 시간(< 1sec)
• Detector collimation은 좋지만 detector drift가 문제가 될 수 있음

Fourth Generation: Fan Beam, Rotation Stationary Detectors

• 3세대와 유사하지만 4세대는 source만 움직임(detector가 전체 원을 둘러싸고 있음)
• 속도 측면에서는 3세대랑 동일(< 1sec)
• Source와 결합되지 않았으므로 detector를 collimate할 수 없음
• Self-calibration이 가능하므로 drift는 심각한 문제가 아님
• 더이상 이용할 수 없음

Fifth Generation: Scanning Electron Beam

• X-ray source 물질과 detector가 모두 stationary 상태
• Electron beam은 target ring(anode, 양극)을 따라 전기적으로 sweep되어 회전하는 X-ray를 생성
• 4세대와 장단점은 유사하지만 scan 속도가 더 빠름(~50ms)
• 더이상 이용할 수 없음

Reference

Animated CT Generations [1st, 2nd, 3rd, 4th, 5th Gen CT] for Radiologic Technologists
Estimate for Sliced Images by Computed Tomography