Microsoft Word - 7.이정원_특집_.doc
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- 용민 국
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1 컴퓨터단층촬영 (CT) 기술동향 Computed Tomography Technology IT 융합기술의미래전망특집 이정원 (J.W. Lee) 이수열 (S.Y. Lee) 유동훈 (D.H. Yoo) 유헬스연구팀선임연구원유헬스연구팀팀장유헬스연구팀연구원 목차 Ⅰ. 서론 Ⅱ. CT의구성 Ⅲ. CT 촬영기술 Ⅳ. 영상재구성기술 V. 결론 CT는종래의엑스선촬영기법으로얻은인체내부의투영데이터를컴퓨터로재구성하여단층영상을만들어내는기술이다. 1972년최초의상용화 CT가개발된이후로촬영속도개선의측면에서비약적인발전을이루었다. 겐트리구동방식의발전과 Spiral CT, MDCT 기술의도입이스캔시간단축에큰역할을하였다. 특히 MDCT의개발로다양한임상적활용이가능해졌다. 한편 O-arm CT 기술은 CT를공간적제약에서벗어나게하였다. 이는 CT가수술실현장에서활용될수있다는임상적의미를가진다. O-arm CT는즉석에서활용되어야하므로촬영과동시에영상이실시간으로재구성되는것도중요하다. 최근에도입되기시작한 GPU 프로그래밍기술은고성능 GPU 하드웨어의발전을등에업고실시간 CT 재구성을가능하게할것으로보인다. 60 C 2010 한국전자통신연구원
2 이정원외 / 컴퓨터단층촬영 (CT) 기술동향 Ⅰ. 서론 CT는컴퓨터단층촬영을일컫는다. 종래의엑스선촬영기법으로얻은인체의투영데이터를컴퓨터로재구성하여단층영상을만들어내는기술이다. 뢴트겐의엑스선발견이후 1917년 Radon이피사체의여러방향에서얻은투영데이터로부터 2차원영상을재구성할수있다는이론이증명되면서 CT 기술이싹트기시작했다. 1961년 Oldendorf는 CT 스캐너의기본원리를연구하였고, 1967년 Hounsfield의연구로 1969년최초로 CT 장치가제작되었다. 1972년 EMI사에서 computed axial transvers scanning이라는실용적인 CT가처음발표된이래 CT는임상분야에서활용을넓혀가고있다. 우리나라에는 1977년경희의료원에 EMI brain CT가최초로도입되었다. 최초의 CT는하나의단면영상을재구성하기위해필요한투영데이터를촬영하는시간만해도수십분정도였다. 또한투영데이터로삼차원영상을재구성하는데에도수십분이걸렸다. 지난 40여년간 CT 발전의역사는큰축으로보아촬영시간단축의역사였다. 현재의 128채널 MDCT는흉부전체를촬영하는데수초정도면충분하며, 흉부전체영상을삼차원으로재구성하는데필요한시간은수분이내이다. CT가비약적인발전을통해시간의굴레를벗어던지면서임상적적용범위도넓어졌다. 폐종양과같은지름 2mm 정도의인체내작은구조물도호흡에의한흔들림없이촬영할수있게된것이다. MDCT가시간적제약을벗어던진기술이라면 CT에공간적해방을가져온기술은최근에사용화되기시작한 O-arm CT이다. O-arm CT는 C-arm 형태의투시영상장치와 CT의장점을결합한장치이다. O-arm CT는이동이가능하여주로수술실에서활용된다. 수술중누워있는환자에게 O-arm CT가접근하여촬영하는것이가능하게되었다. 기존에는수술을받은환자가수술후촬영실에가서 CT를찍어보고수술결과를확인해야했지만, O- arm CT를활용하면수술실에서수술도중에라도수술상황을확인할수있게된것이다. CT가촬영실을벗어나수술실현장에서사용되기시작하면서촬영과동시에영상이재구성되어나오는실시간영상재구성이이슈가되었다. CT를마치폴라로이드사진기처럼즉석에서사용할수있다면수술실에서의효용은더욱커질것이다. 본기고에서는먼저 CT 장치의구성을간략히살펴보고, 촬영속도를개선하기위한기술적발전, O-arm CT의특징, 영상재구성시간을단축하기위한기술적해결법들을소개한다음, 결론에서다시실시간영상재구성의의미와필요성을강조하고자한다. Ⅱ. CT 의구성 우선 CT 장치의구성을간략히살펴보자. CT 장치는엑스선발생장치, 데이터수집장치, 영상구성장치, 디스플레이장치로구성된다. 1. 엑스선발생장치진공튜브내의필라멘트에서열방출된전자를텅스텐, 볼리브덴, 구리등의금속사이에서고전압으로가속시키고, 가속된전자를금속타킷에추돌시켜엑스선을발생시키는장치이다. CT에사용되는엑스선튜브는매우큰열용량을요구하므로열교환기가반드시필요하다. 고전력을감당하기위해서 focal spot의크기도크며, 중량이수십 kg에달하는 ultra high cooling 과같은대형튜브를사용하기도한다. 2. 데이터수집장치데이터수집장치는검출기와 DAS로이루어진다. 검출기의종류에는 gas-ionization 검출기, scintillation crystal 검출기, electronic 검출기가있다. Gas-ionization 검출기는인체를투과한엑스선의 C 2010 한국전자통신연구원 61
3 양에비례하여안정된 Xe-gas를이온화하는단계를거쳐서, 양극과음극의플레이트를이용하여이온화된전자들을잡아들여전기적신호로바꾼다. Scintillation crystal 검출기는인체를투과한엑스선의양에비례하여형광으로변환하고포토다이오드를이용하여형광을전기신호로바꾼다. Electronic 검출기는고체의물질을투과한엑스선이이온화된것을바로전기적신호로변환한다. DAS는검출기와컴퓨터사이에위치하며엑스선검출기에서변환된전기적신호를증폭하고, 증폭된신호를디지털영상신호로변환하는역할을한다. DAS에서변환된데이터는영상재구성을위하여 IPU으로보내진다. CT와 MDCT가개발되면서촬영속도가비약적으로개선되었다. 가. 1세대방식최초의 CT는 1972년 EMI사에서 Hounsfield에의해개발된방식을따른다. 엑스선빔은연필형 (pencil beam) 형태를가지며맞은편에검출기가붙은형태이다. 주사방식은여러번의 translation 구동후일정각도로엑스선튜브와검출기를회전시키고, 다시 translation 구동을하는방식이다. 이방식은 픽셀의단면영상하나당획득시간이약 5 분정도로길었으며, 공간분해능도 3 3mm 정도로좋지않았다 (( 그림 1) 참조 ). 3. 영상구성장치영상구성장치는데이터수집장치로부터얻은데이터를재구성하기위한장치이다. 영상재구성과정은 pre-processing, convolution, back-projection의 3단계로이루어진다. 각각의단계에대한자세한소개는생략한다. 4. 디스플레이장치 1-deg increments 45 th translation x-ray tube first translation 영상구성장치에서만들어진삼차원영상은모니터에출력된다. 이단계에서는재구성된삼차원영상을여러형태로가시화하는방법이적용된다. 인체내관심부위의대조도를높이기위해서는 WW, WL 파라미터를활용한다. ( 그림 1) 1 세대 CT x-ray detector Ⅲ. CT 촬영기술 1. 세대별구분 CT 장치의세대별구분은겐트리 (gantry) 구동방식, 선속 (x-ray beam) 의형태, 검출기 (detector) 채널의수등에의해구분되며구동방식에뚜렷한차이를보인다. 1세대에서 4세대로발전하고 Spiral 나. 2세대방식 2세대방식은 1974년 Ledley에의해개발되었다. 엑스선빔은약 10도각도의좁은부채꼴선속 (narrow fan beam) 의형태이며, 약 20개의검출기로구성되었다. 이방식은 1세대방식에서의 translation 구동을생략하고 fan beam으로대체하여스캔시간을슬라이스당약 20초정도로단축하였다 (( 그림 2) 참조 ). 62 C 2010 한국전자통신연구원 62
4 이정원외 / 컴퓨터단층촬영 (CT) 기술동향 6-deg increments 8 th translation x-ray tube 다. 3 세대방식 first translation ( 그림 2) 2 세대 CT x-ray detector 라. 4 세대방식 4세대방식은 3세대방식의느려진회전속도를개선한방식이다. 3세대방식에서검출기무게가늘어나면서회전속도가느려진문제를해결하기위해서수천개의검출기를 360 돌아가며겐트리에고정한방식이다. 겐트리가 fan beam을주사하면서고속으로회전하므로스캔시간이슬라이스당 1초정도로빨라졌다. 이방식은링아티팩트를줄일수있는장점을가지지만장비가격이높고, 산란엑스선에의한공간분해능이저하되는단점도가진다 (( 그림 4) 참조 ). stationary detector rotating tube 3세대방식은 2세대방식의좁은부채꼴선속 (narrow fan beam) 을넓은부채꼴선속 (wide fan beam) 으로대체하여스캔시간을더욱단축하였다. 검출기의수가 250~520개정도로늘어나면서무게때문에회전속도가느려졌지만, 넓은영역을한꺼번에영상화하므로스캔시간은 9초이내로더욱짧아졌다. 또한이방식은상용화하기에까다로운면이있었는데검출기의검출효율에대단히민감하기때문이었다. 검출효율 0.1% 의오차에도링아티팩트 (ring artifact) 가발생하여검출기효율을균일하게하고, 링아티팩트를제거하는소프트웨어기법을개발한 GE, Siemens 에서먼저상용화에성공하였다 (( 그림 3) 참조 ). x-ray tube detector ( 그림 3) 3 세대 CT projection ( 그림 4) 4세대 CT 마. Spiral CT 1987년 Siemens 와 Toshiba 에서는세계최초로 slip ring 기술을도입하여한방향으로연속하여회전하며스캔할수있는장비를개발하였다. 나선형 CT 이전의 CT는겐트리가 360 회전하는동안겐트리회전축인 z축방향으로이동을하지않는방식이었다. 나선형 CT는엑스선튜브가회전하면서투영영상을얻는동안환자가위치한테이블이 z축방향으로연속적으로움직인다. 그러므로환자입장에서엑스선튜브를보면나선운동을하게된다. 3세대와 4세대방식의 CT에각각나선형 CT 방식을적용할수있다. 엑스선튜브의회전운동과수평운동을교대로반복하던것을나선형회전운동을대체함으로써스캔시간이획기적으로단축되었다. 스캔후영상재구성부위를원하는대로재편집이가능하다는장점도있다 (( 그림 5) 참조 ). C 2010 한국전자통신연구원 63
5 (a) (a) patient/table movement patient/table movement (b) ( 그림 5) Single-slice System(a) 과 Single-slice Spiral CT(b) 바. MDCT 방식 MDCT는 multi detector row CT를일컬으며 multi-detector CT, multi-slice CT라고도한다. 1992년이스라엘의 ELSCINT 사에의해서개발된 MDCT는나선형 CT 이후또한번의획기적인기술적진보를이루었다. MDCT는기계적운동은나선형 CT와동일하면서검출기를다수연결하여배열한형태이다. 이방식의장점은나선형 CT에비해서도스캔속도가획기적으로개선되었다는것이다. 기존의 CT는회전당한개의영상을획득하였는데 4채널 MDCT 가개발되면서회전속도가 2배빨라졌을뿐만아니라회전당 4개의영상획득이가능해져스캔속도가 8배빨라졌다. 현재는 128개의검출기열을가진 MDCT가개발되어스캔속도에서혁명적인개선을이루었다. Siemens에서개발된 128 채널 MDCT(Definition AS+) 는 0.24mm 의해상도성능과 0.3초의고속촬영성능을보인다. 스캔시간이단축되면서새로운임상응용범위가크게확대되었다. 환자움직임에의한아티팩트를최소화하고환자가호흡을참을수있는시간동안흉부전체를촬영할수있게되어임상적으로큰 (b) ( 그림 6) Multidetector System(a) 과 Multidetector Spiral CT(b) 실효성을확보하게되었다. 또한혈관조영 (angiography), 관류영상 (perfusion) 등의기능적영상기법도가능하게되었다. MDCT는같은조영제의양으로보다많은부위를검사할수있고, 보다향상된 z축해상력으로이전보다좋은삼차원영상을얻을수있게한다 (( 그림 6) 참조 ). SDCT에서는엑스선빔이부채꼴모양의 fan beam이어서 x-y 평면과직각을이루었으나, MDCT 에서는검출기에도달하는엑스선빔이 x-y 평면과항상직각이되지않고, detector row의위치에따라경사가질수있다. 이러한엑스선빔을 cone beam이라하며 z축과이루는경사각을 cone angle 이라고한다. 검출기중심부에위치한열은 cone angle이작고바깥쪽에위치한열은 cone angle이커진다. 초기의 4채널 MDCT 는 cone angle을무시하고엑스선빔이 z축과직각으로검출기열에도달하는것으로가정하고재구성알고리듬을적용했기때문에약간의오차를감수해야했다. 그러나 2001 년에출시된 8채널 MDCT 이후로는기존의 cone beam correction algorithm을사용하여오차를개선하였다. Cone beam에적용되는대표적인영상재구성방법으로는 FDK 알고리듬이있다. 64 C 2010 한국전자통신연구원 64
6 이정원외 / 컴퓨터단층촬영 (CT) 기술동향 2. 용도별구분가. 진단용 CT 보통의진단용 CT는엑스선이차폐된촬영실에고정되어있다. 환자가테이블에누우면테이블이이동하여머리나흉부등특정관심부위를겐트리중심에놓고촬영하는형태이다 (( 그림 7) 참조 ). ( 그림 8) Medtronic 에서개발한 O-arm CT Ⅳ. 영상재구성기술 1. 재구성알고리듬 ( 그림 7) 진단용 CT 나. 수술용 O-arm CT 보통의 CT는촬영실에서진단용으로촬영하는경우가대부분이지만, 수술실에서수술진행상황을점검하기위한용도로사용되는 CT도있다. 수술용 CT는환자가움직일수없는상황에서 CT를촬영해야하므로 CT가이동가능해야한다. O-arm CT는 C-arm 형태의투시영상장치 (fluoroscopy) 와 CT의장점을결합한형태의 CT이다. O자형태로생긴겐트리의한쪽이열리면서환자테이블이드나들수있는형태가된다. 환자테이블이겐트리중앙에위치하면 C자형태의겐트리를닫아 O자형태로만들어 CT 촬영을실시한다. 진단용 CT보다화질이나성능이떨어지지만이동가능한장점이있어수술실에서의활용이늘고있는추세다 (( 그림 8) 참조 ). DAS로부터 IPU에들어온투영데이터는 measurement data 라고하는데, 이중연산에도움이되지않는데이터를제거하는단계를거치면 raw data 가만들어진다. 예를들면, 오프셋데이터나 beamhardening effect에관계하는정보를삭제하는것이다. 이러한 pre-processing 이후에는다양한영상재구성알고리듬이적용될수있다. ART, SART, DART, EM, FBP, FDK, back projection 등여러가지영상재구성알고리듬이있으나본기고에서는널리활용되는 back projection, FBP, FDK에대해서만간략히알아보고자한다. 가. 역투영법역투영법 (back projection) 은 summation method, linear superposition method라고도하며, 각방향에서얻어진투영영상의값을거꾸로되돌려서연속해서합산하는방법이다. 합산이다된후에전체픽셀값중에서가장수치가낮은기본값을각각의픽셀값에서뺀다음다시픽셀들의최소공배수값으로나누어원래의픽셀값으로재구성한다. 필연적으로오브젝트주위에블러링이생기는데, 필터링으로약간은보정이가능하지만원천적으로번짐현상을막을수는없다 (( 그림 9) 참조 ). C 2010 한국전자통신연구원 65
7 view 1 view 2 reconstruction filtering back projection view 3 reconstruction (a) using 3 views (b) using many views ( 그림 9) Back Projection 재구성기법 ( 그림 11) Back Projection 과 Filtered Back Projection 의비교 나. FBP 역투영법에서발생하는역투영데이터의번짐을제거하기위해서필터를먼저처리하는방법이다. 기존의역투영법은역투영상의합산후필터처리를하는반면에, 필터보정역투영법은투영영상에대해서필터처리를한다음역투영한다. FBP는처리속도가빠르면서도피사체와근사한영상을얻을수있어현재쓰이는 CT에서널리사용되고있다 (( 그림 10) 참조 ). 그러나 FBP를사용할경우금속재질이재구성영상에강한줄무늬로나타나는문제점이생기는데, 이를해결하기위해서통계학적영상재구성기법이나 ART 기법등의순환적방식을사용하기도한다. 그러나순환적방법은 FBP에비하여처리시간이오래걸리는단점이있다. ( 그림 11) 은단순역투영법과 FBP에서의화질을비교하여보여준다. 필터처리를거친후 back projection 을실시하는 FBP의결과영상의해상도가훨씬좋다. filtered view 2 filtered view 1 다. FDK FDK는세연구자 Feldkamp, Davis, Kress의이름에서이니셜을조합하여이름붙인것이다. 1984년그들이제안한알고리듬은 FBP 을기본으로하여 cone beam CT에적용하도록개선한것이다. FDK 알고리듬은재구성연산속도가빠르면서도결과가좋아 CT 재구성방법으로널리사용되고있다. 또한 FDK 알고리듬은재구성연산과정이픽셀하나하나독립적으로처리할수있어병렬연산처리에적합한특징이있다. Cone beam 형태의선속을사용하는 MDCT 나 O-arm CT에서널리사용된다 (( 그림 12) 참조 ). Y Pφ(Y(r),Z(r)) Z r X X1 Y1 Z 1 O S d D ( 그림 12) FDK 알고리듬 filtered view 3 (a) using 3 views (b) using many views ( 그림 10) Filtered Back Projection 재구성기법 2. 재구성속도개선방법 초기의 CT 기술은영상의해상도가낮고단면영상의간격도넓어서영상재구성을위한계산량이상 66 C 2010 한국전자통신연구원 66
8 이정원외 / 컴퓨터단층촬영 (CT) 기술동향 대적으로적은편이었다. 그러나 Spiral CT나 MDCT 기술이개발되면서 CT 촬영시간이수초이내로단축되고영상의해상도가발전하여대용량투영데이터를재구성하는시간이비약적으로증가하게되었다. MDCT 기술로촬영한투영데이터를삼차원영상으로재구성하는것은최신컴퓨터로도수백초이상걸리는방대한작업이되었다. 몇몇업체에서는고해상도삼차원영상재구성시간을단축하기위해서상용주문제작하드웨어솔루션을활용하기도했는데, TeraRecon에서 ASIC 을, Mercury Systems에서 FPGA를사용한예가있다. 그러나 ASIC 과 FPGA 과같은특수목적의영상처리보드는매우고가이고유연성이좋지않아서 CT 장비의기술적진보에쉽게대처할수없는문제가있다. 최근 GPU의발전속도는 CPU를앞서고있다. 최신상용 GPU는한 instruction에여러개의데이터를동시에처리하는 vector processing 기능을갖도록설계되어있어서컴퓨터게임등에사용되는대용량영상을초당 30 frame 정도로처리할수있는성능을보인다. GPU가이런성능을보이자삼차원영상재구성분야에서도 GPU를돌파구로삼아영상재구성시간을단축하는연구가급속히진전되고있다. GPU는 back projection 알고리듬수행시간을획기적으로줄일수있다. 이는 back projection 알고리듬이픽셀간간섭없이독립적으로수행되는구조로되어있어 GPU를이용한병렬처리에적합하기때문이다. 초창기의 GPU는 8비트나 12비트의정수연산만수행할수있어서계산의정확도나성능에제한이있었지만, 최신 GPU는실수연산이나제곱근, 삼각함수연산까지가능해져서 GPU를활용한 back projection 알고리듬수행시연산시간을더욱줄일수있게되었다. 2007년이후 GPU에는 programmability가추가되어 back projection 뿐만아니라필터링단계까지 GPU 내에서처리할수있게되었다. 최신 GPU는최대 2GB의메모리를장착하고있어서수백장의투영데이터도처리할수 있게되었다. GPU 에서구현한대용량영상재구성알고리듬은 CPU 를활용할때보다 50배이상빠르다. Ⅴ. 결론 지난 40여년간 CT 개발의역사는화질의개선과함께촬영시간단축의역사였다. 최초의 CT는단면영상하나를얻는데에도수십분이소요되었는데, 겐트리의하드웨어구동방식이발전되고 Spiral CT와 MDCT 등의새로운기술이도입되면서촬영시간이획기적으로단축되었다. 최신의 MDCT 는흉부전체를수초내에고해상도로촬영할수있다. 이러한촬영시간단축은고해상도영상을얻는데에도기여한다. 환자의호흡이나심장박동이영상의질을떨어뜨리는요인이되는데, 시간이단축되면서환자가숨을참는동안촬영을완료할수있게되었기때문이다. 또같은시간에더많은영상을얻을수있어단면영상의간격도줄어들어 x-y 평면해상도 (0.5mm 이내 ) 와비슷한정도로 z축해상도가좋아졌다. 촬영시간이수분이내로단축되면서수술실에서도 CT 활용이가능해졌다. 수술실에서는이동이가능한 O-arm CT가활용되는데, O-arm CT는수술계획수립단계나수술결과를즉석에서확인하기위한목적으로사용된다. O-arm CT는진단용 CT 에비해서촬영속도가수십초정도로느리고영상의화질도떨어지지만환자가움직이지않아도촬영이가능하다는장점때문에수술실에서의활용이늘고있다. 진단용 CT의촬영시간이줄어수초내에대용량데이터수집이가능해지고, 수술실에서 O-arm CT가수술결과를즉석에서확인하는목적으로사용되면서영상재구성시간단축이새로운이슈로떠올랐다. 기존에활용되던 ASIC이나 FPGA는유연성이떨어지고고가여서활용이줄것으로예상된다. 반면에 GPU는고속병렬처리가가능하여 GPU 프로그래밍으로 FBP나 FDK 영상재구성알고리듬을구현하면대용량삼차원데이터도수초내에재구 C 2010 한국전자통신연구원 67
9 성이가능하다. GPU는최신의고성능 GPU 도 100만원이내로가격이책정될정도여서 ASIC 이나 FPGA 에비해비용도저렴하다. O-arm CT가촬영과동시에투영데이터를영상으로재구성하는것도가능하다. O-arm CT 촬영에걸리는시간이십여초인데 GPU를활용한영상재구성시간이수초이므로, 촬영종료와동시에재구성이완료되는실시간재구성이가능한셈이다. 폴라로이드사진기처럼수술실현장에서즉석으로 CT 를활용하게될날도머지않았다. ART ASIC CPU CT 용어해설 O-arm CT: C-arm 형태의투시영상장치와 CT 의장점을결합한형태의 CT 이다. 이동이가능하여수술실에서수술을계획하거나수술결과를즉석에서확인하는용도로사용된다. FDK: Feldkamp, Davis, Kress가 FBP(Filtered Back Projection) 을기본으로하여 cone beam CT에적용한영상재구성알고리듬이다. GPU: Graphics Processing Unit 의약어이다. 컴퓨터의 CPU 처럼연산기능을수행하는유닛으로서그래픽응용에적합한고속병렬처리를지원한다. 약어정리 Algebraic Reconstruction Technique Application Specific Integrated Circuit Central Processing Unit Computer Tomography DART DAS EM FBP FPGA GPGPU GPU IPU MDCT SART SDCT WL WW Discrete Algebraic Reconstruction Technique Data Acquisition System Expectation Maximization Filtered Back Projection Field-Programmable Gate Array General-Purpose computing on Graphics Processing Units Graphics Processing Unit Image Processing Unit Multi Detector row CT Simultaneous Algebraic Reconstruction Technique Single Detector CT Window Level Window Width 참고문헌 [1] 정경일, CT 의역사와장치구성, 전산화단층기술학회연수강좌, 1999 년 6 월. [2] 유호선, Data Acquisition & Data Processing, 전산화단층기술학회연수강좌, 1999 년 6 월. [3] 정우진, Display of the Computed Tomography, 전산화단층기술학회연수강좌, 1999 년 6 월. [4] 임흥선, Principle of Spiral CT, 전산화단층기술학회연수강좌, 1999 년 6 월. [5] 김문찬, 3-D Reconstruction Methods, 전산화단층기술학회연수강좌, 1999 년 6 월. [6] 하동윤, 16 MDCT 의기본물리와 AMC Heart Protocol, 대한전산화단층기술학회지. 68 C 2010 한국전자통신연구원 68
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