CT는 우리 일상 속에 익숙해져 있습니다.
몸이 안 좋거나 몸이 아플 때 "CT 한 번 찍어봐~!"라는 말을 합니다.
그렇다면 CT는 어떤 기술로 동작하는 것일까요?
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CT(Computed Tomography) 쉽게 이야기하기
오늘은 의료 영상 촬영장비 중 한 종류인 CT에 대해서 한 번 이야기해보겠습니다. CT는 통이 돌아가면서 X-ray를 찍는 것이라고 할 수 있습니다. 대학 병원이나 최근 개인 병원에서도 쉽게 볼 수
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Q. CT의 구성은 어떻게 되어 있을까?
- 가장 중요한 X-ray 발생 장치가 있습니다.
진공 튜브 내의 필라멘트에서 발생된 전다를 고전압으로 가속시키고 가속된 전자를 금속 타겟에 추돌시켜 엑스선을 발생시키는 장치입니다.
고전압이라는 단어를 통해 알 수 있듯이 많은 열에너지를 발생시키므로 열교환기는 필수적입니다.
그래서 항상 Cooling System이 함께 존재합니다.
- 이렇게 발생한 X-ray를 통해서 데이터를 수집하는 데이터 수집 장치가 있습니다.
데이터를 수집 장치는 검출기와 DAS로 이루어져 있습니다.
검출기는 여러 종류(Gas-ionization, Scientillation crystal, electronic)가 있습니다.
이 검출기들은 모두 인체를 투과한 X-ray를 전기적 신호로 바꾸게 됩니다.
DAS는 검출기와 컴퓨터 사이에 위치하고 있으며 엑스선 검출기에서 변환된 전기적 신호를 증폭하고, 증폭된 신호를 디지털 영상 신호로 변환하는 역할을 합니다.
- 이 변환된 데이터는 재구성을 위해 영상 구성 장치로 보내집니다.
영상 구성 장치에서는 Pre-processing, convolution, back projection의 3단계를 거치게 됩니다.
Pre-processing은 이미지 전처리 과정으로 연산에 도움되지 않는 데이터를 삭제하게 됩니다.
Convolution은 합성곱 단계로 근처 데이터끼리 묶어서 처리를 하게 됩니다.
Back projection은 역투사 방법으로 X-ray가 진행되었던 경로를 거슬러 진행하면서 경로상에 환산 값을 고르게 분배하는 방법입니다.
- 영상 구성 장치에서 만들어진 삼차원 영상은 디스플레이 장치에서 출력됩니다.
디스플레이 장치에서는 여러 형태로 가시화하는 방법이 적용되는 데, 인체 내 관심 부위의 대조도를 높이기 위해서 WW(Window Width), WL(Window Level) 파라미터를 활용합니다.
Q. CT 촬영 기술은 어떤 것들이 있을까?
CT 촬영 기술은 세대별로 분류합니다.
각 세대는 겐트리(Gantry)의 구동 방식, 선속의 형태, 검출기 채널의 수 등으로 구별되고 구동 방식에서 큰 차이를 보입니다.
특히 Spiral CT와 MDCT가 개발되면서 촬영 속도가 비약적으로 빨라졌습니다.
- 1세대(그림 좌측 상단)
최초로 개발된 방식이며 X-ray는 연필형 형태를 가지게 됩니다. 그리고 맞은편에 검출기가 있습니다.
여러 번의 Translation 구동을 하는 방식입니다. Translation을 구동시키고 회전시키고 다시 Translation을 구동시키는 방식이라 80X80 픽셀의 단면 영상을 하나 획득하는 데 시간이 5분 정도 걸렸으며 공간분해능도 3X3mm로 별로 좋지 않았습니다.
- 2세대(그림 우측 상단)
1세대에 비해서 X-ray가 10도 각도의 좁은 부채꼴 선속 형태입니다. 그리고 검출기 역시 약 20개가 있었습니다.
1세대의 Translation 구동 과정을 생략하고 Fan Beam으로 대체하여 시간을 약 20초 정도로 줄였습니다.
- 3세대(그림 좌측 중단)
2세대에 비해서 넓은 부채꼴 선속 형태를 가지게 하여 시간을 더욱 단축시켰습니다. 검출기의 수 역시 250~520까지 늘어나 회전 속도는 조금 느려졌지만 넓은 영역을 한꺼번에 검출하여 시간은 9초 이내로 더욱 짧게 만들었습니다.
이 방식은 단점이 있었는 데 검출기 효율에 너무 민감하게 반응했다는 것입니다. 0.1%의 검출 효율 오차에도 바로 링 아티팩트가 발생하는 것이었습니다.
- 4세대(그림 우측 중단)
3세대의 느려진 회전 속도를 개선한 방식입니다. 3세대에서 검출기가 너무 많아서 무게가 늘어나니 검출기를 그냥 360도 돌아가면서 겐트리에 고정한 방식입니다. 겐트리가 beam을 쏘면서 고속으로 회전하니 시간이 1초 정도로 3세대보다 더 빨라졌습니다. 이 방식은 3세대의 링 아티팩트 문제를 줄일 수도 있었습니다.
다만 장비의 가격이 높고 공간분해능이 저하된다는 문제점을 가지고 있었습니다.
- Spiral CT(그림 좌측 하단)
세계 최초로 Slip ring 기술을 도입하여 한 방향으로 연속하여 회전하며 스캔할 수 있는 장비를 개발하였습니다.
그 전에는 겐트리(Gantry)가 회전을 하더라도 환자 테이블이 움직이지 않았습니다. 하지만 Sprial CT 방식을 통해서 CT의 겐트리(Gantry)가 회전하는 동안 환자 테이블이 움직여서 회전운동과 수평운동을 교대로 반복하던 것을 나선형 회전운동으로 대체 함으로써 CT 촬영 시간을 획기적으로 단축시켰습니다.
이 방식은 3세대와 4세대 CT방식에 각각 적용할 수 있습니다.
- MDCT(그림 우측 하단)
Multi Detector row CT의 약자이며, 검출기를 다수 연결하여 배열한 형태입니다.
기존에는 CT가 한 번 회전할 때마다 영상 1개를 획득하였는 데, MDCT가 개발되면서 회전 속도가 2배 더 빨라지고 회전 1번당 4개의 영상이 획득 가능해져서 CT 촬영 속도가 8배 더 빨라졌습니다.
MDCT부터 X-ray가 부채꼴 형태가 아닌 Cone Beam 형태를 가지게 되었습니다. 초기 4채널 MDCT에서는 Cone Beam에서의 각도 차를 무시해서 오차가 조금 있었지만 8채널이 출시되면서 오차를 개선하였습니다.
Q. 영상 재구성 기술에는 어떤 것들이 있을까요?
영상 재구성 기술로는 역투영 방법(Back Projection), FBP, FDK 이 3가지가 대표적입니다.
- 역투영 방법
역투영 방법은 취득 방향 반대로 투사시키는 것입니다. 각각 이미지 View를 계속 겹치게 되면 이미지 점점 뚜렷해지는 부분이 있을 것이고 그 뚜렷한 이미지가 바로 물체의 단면 영상이라고 보는 것입니다.
이 방식을 사용하다 보니 물체 주변에 블러링이 생기게 되는 데 이 블러링 현상은 원천적으로 막을 수는 없습니다.
- FBP
역투영 방법에서 발생하는 데이터 번짐을 제거하기 위해서 필터를 먼저 처리하는 방법으로 처리 속도가 빠르면서 피사체와 근사한 영상을 얻을 수 있습니다. 그러나 금속 재질이 재구성 영상에서 강한 줄무늬로 나타나는 문제점이 있습니다.
- FDK
세 연구자의 이니셜을 조합하여 이름을 붙인 것으로 FBP를 개선해서 Cone Beam에도 적용될 수 있도록 개선한 것입니다. 그리고 이 알고리즘은 연산 과정이 픽셀 하나하나 독립적으로 처리할 수 있어서 병열 연산에 적합한 특징을 가지고 있습니다.
Cone Beam에 특화되어 있다 보니 MDCT에 널리 사용됩니다.
영상을 재구성하는 속도는 최근 GPU의 발달로 CPU를 활용할 때보다 50배 이상 빨라졌습니다.
* 2010년 한국전자통신연구원의 전자통신 동향 분석 제 25권 제 4호 2010년 8월 자료를 참고하여 작성하였습니다.
* 2010년 자료임으로 현재는 더 발달되었을 것으로 생각됩니다.
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