Synchrotron radiation을 사용한

고해상도 의학영상획득과 3차원

입체영상 재구성

연세대학교 대학원

의과학사업단

홍 진 오

Synchrotron radiation을 사용한

고해상도 의학영상획득과 3차원

입체영상 재구성

지도 김 희 중 교수

이 논문을 석사 학위논문으로 제출함

2001년 12월 일

연세대학교 대학원

의과학사업단

홍 진 오

홍진오의 석사 학위논문을 인준함

심사위원 인

심사위원 인

심사위원 인

연세대학교 대학원

2001년 12월 일

감사의 글

본 논문이 완성되기까지 세심한 배려와 깊은 관심으로

이끌어 주신 김희중 지도 교수님께 진심으로 감사드립니

다. 부족한 부분을 지적해 주시고 충고와 조언을 아끼지

않으신 서진석 교수님, 이규호 교수님께 깊은 감사를 드리

며 연구환경을 마련해 주신 유형식 교수님께 감사의 마음

을 전합니다. 전반적인 연구진행에 많은 도움을 주신 정해

조 선생님, 실험시스템구성에 도움을 주시고 실험시간을

배려해주신 포항공대 신소재공학과 제정호 교수님과 동물

실험을 가능케 도와주셨던 김보라 선생님께도 감사의 말씀

을 드립니다. 영상처리와 데이터분석을 위해 늦은 밤까지

작업을 도와주시고 격려를 해준 연구실 동료 여러분들께

감사를 드리고, 오늘이 있기까지 저를 믿고 끝없는 보살핌

으로 이끌어주신 부모님께 기쁨으로 사랑의 마음을 전합니

다. 마지막으로 지금까지 은혜 가운데 인도하여 주신 하나

님께 감사드립니다 .

2001. 12.

저 자 씀

차 례

그림 차례

국문요약

Ⅰ. 서 론 ....................................................................................... 3

Ⅱ. 재료 및 방법 ......................................................................... 6

1. 방사광가속기 ................................................................. 6

2. 영상획득시스템 구성 ................................................... 9

3. 영상획득과정 ............................................................... 11

4. 영상처리 및 재구성 ................................................... 13

Ⅲ. 결 과 ...................................................................................... 14

Ⅳ. 고 찰 ...................................................................................... 19

Ⅴ. 결 론 ...................................................................................... 22

참고문헌 .............................................................................. 24

영문요약 .............................................................................. 26

그림 차례

그림 1. 포항 방사광 가속기 연구소 ..................................... 7

그림 2. 광속에 가까운 속도로 가속된 전자가 커브를 틀

때 그 접선방향으로 방출되는 좁은 퍼짐의 광인

방사광 ........................................................................... 7

그림 3. 방사광 X- 선 영상시스템 구성사진 ....................... 8

그림 4. 방사광 X- 선 영상시스템 세부구성도 ................... 9

그림 5. 회전 스텝모터 및 모터 콘트롤 장치와 제어프로

그램 .............................................................................. 10

그림 6. 고- 분해능 X- 선 시험패턴 ....................................... 14

그림 7. 유방촬영기 정도관리 팬텀 ...................................... 15

그림 8. 마우스 척추 뼈 ........................................................... 17

그림 9. 마우스 척추 뼈의 방사광 X- 선 투사영상에 대한

단층촬영 및 3- D 재구성영상 ................................ 18

국문요약

Synchr ot r on r adi at i on을 사용한 고해상도 의학영상획득과 3차원

입체영상 재구성

방사선 의학영상분야에서 고해상도 영상과 3차원 영상의 필요성이 점점

더 요구되고 있지만 기존의 일반 X- 선을 이용하여 수 마이크로 단위로 고

해상도의 의학영상을 획득하는데는 한계가 있고 그에 따른 3차원 영상재구

성이 과제로 남아 있다. 초 미세구조의 생체 표본(specimen)에서 높은 분

해능과 높은 해상도를 가진 의료영상을 획득하기 위해 방사광(synchrotron

radiation ) X- 선을 이용하는 연구가 선진국을 중심으로 진행되고 있다. 본

실험은 포항공과대학과 연세의료원의 공동 연구팀이 방사광 X- 선을 이용

한 영상획득을 위해 계획되었으며, 실험연구 중 한 분야로 마우스 척추 뼈

에 대한 고해상도 의학영상을 획득하고 영상처리 및 영상재구성을 목적으

로 진행하였다. 방사광 가속기에서 발생된 비 단일파장(unmonochromatic)

X- 선 빔(beam )을 이용하여 마우스 척추 뼈에 대한 투사영상(projection

image)을 획득하고 이 영상들을 영상 재구성 프로그램으로 재구성한 뒤 3

차원 영상으로 볼륨 렌더링(volume rendering )을 하여 영상의 효용성에 대

해 고찰하였다.

실험은 포항방사광 가속기 연구소의 5C1 빔 라인(beamline)에 의학영상획

득시스템을 구축하여 진행하였고, 비 단일파장 빔인 백색광(white beam )을

사용하여 고분해능 X- 선 시험 패턴, 유방촬영기 정도관리 팬텀 그리고 마

우스 척추 뼈의 투사영상들을 획득하였다. 물체를 투과한 X- 선들은 얇은

신틸레이터(scintillator )와 반응하여 가시광선을 발생하고, 가시광선의 영상

정보는 광학 렌즈로 확대된 후 CCD 카메라에 도달하며, 획득된 디지털 정

- 1 -

보는 CCD 카메라와 연결된 컴퓨터의 영상 처리 프로그램을 사용하여 저

장 및 분석하였다. 대상 표본 중 마우스 척추 뼈에 대해서는 일정한 각도

로 회전시키면서 투사영상들을 획득하였고 단층 촬영영상(tomography

image)으로 재구성 한 뒤 볼륨 렌더링을 통해 3차원 영상으로 구성하였다.

방사광 X- 선 영상시스템에서 얻은 표본들의 투사영상은 일반 X- 선 기기

에서 얻을 수 없는 고해상도의 영상을 보여주었고, 이러한 고해상도 투사

영상을 단층 촬영영상과 3차원 영상으로 재구성하여 미세 생체구조의 구조

적 형상을 가시화 할 수 있었다. 방사광 X- 선 영상시스템이 아직 연구단

계에 있지만 이를 이용하면 임상에서 요구되는 연구목적의 표본에 대해 많

은 구조적 정보와 병리학적 정보를 제공해줄 것으로 사료되며, 임상에 적

용하기 위해서는 방사광 X- 선의 선량(dose)측면에 대해 정량적인 분석과

안전성 검토, 그리고 영상획득시스템의 자동화측면은 계속 연구되어야 할

과제로 남아있다.

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

핵심 되는 말: 방사광, 고해상도, 단층 촬영, 3차원 재구성

- 2 -

Synchr ot r on r adi at i on을 사용한 고해상도 의학영상획득과 3차원

입체영상 재구성

<지도교수 김희중>

연세대학교 대학원 의과학사업단

홍진오

Ⅰ. 서 론

디지털 기술이 발달함에 따라 의료계에서도 의학영상을 디지털화하고 이

를 네트워크로 전송하여 관리하는 PACS (Picture Archiving and

Communication System )를 도입하기 시작하였다. PACS를 도입함으로써

환자 서비스의 질적 향상과 병원 효율성의 증대를 가져오는 등 기존의 전

통적인 필름관리 시스템과 비교하여 많은 이익을 가져다주지만, 초기 단계

인 만큼 앞으로 더욱 관심을 가지고 개발을 해야하는 분야는 고해상도 의

학영상과 기능적 3- D 영상 재구성에 관한 분야이다. 의료 기기 제조업체

에서는 X- 선을 사용한 진단장치에서 고해상도 영상을 얻기 위해 고성능

진단 기기를 개발하고 있으며, 특히 Multi- spiral CT (Computed

T omography )의 등장과 함께 대량의 의학영상을 단시간에 획득할 수 있게

되면서 임상에 도움을 줄 수 있는 고해상도 3- D 영상재구성이 가능해지

고, MR Angiography, 3- D Angiography, 3- D Sonography 등 3차원 영상

의 사용이 증가될 것이므로 PACS에서도 MIP (Maximum Intensity

Projection ), MPR(Multiplanar Reprojection ), 볼륨 렌더링(volume

rendering ) 등 3- D 디스플레이 기능이 제공되어 대화식 3차원 탐색이 가능

- 3 -

해지고 단층 촬영 영상의 판독 중 상당부분은 3- D 영상 디스플레이를 통

해 이루어질 것이다. 하지만 현재 임상에서 주로 사용되는 일반 X- 선 기

기와 CT 는 수백 마이크로미터 단위 이하의 해상도를 가진 영상을 획득할

수 없고, 비교적 고해상도로 인체유방과 같은 소프트 조직(soft t is sue)을

촬영대상으로 하는 일반 X- 선 유방촬영기 또한 35 마이크로미터 이하의

병변(lesion )은 확인할 수 없는 해상도의 한계가 있기 때문에 수 마이크로

미터 단위의 초 미세구조 생체 계의 물리, 화학적 신호들을 인식하는데는

사용할 수 없다. 또한 3- D 영상 재구성에 관한 연구도 일반 CT 나

MRI(Magnetic Resonance Imaging )등에서 획득한 영상을 대상으로 디스플

레이 하는 수준이며 임상적인 진단을 위해 실용화가 되려면 임상 전문의들

과 의학물리학자들이 서로 협력하여 기술적인 문제를 해결하는데 노력해야

한다. 이와 같은 이유들로 위상이 일치하고 평행한 빔 특성을 가진 방사광

(synchrotron radiation )을 이용하면 고해상도의 투사영상(projection

image)을 획득할 수 있다는 이론에 관심이 모아지고 있으며 연구가 활발

히 진행되고 있다. 세계적으로 방사광을 이용한 영상획득에 관한 연구는

1965년 Cornell 대학의 Ulrich Bonse와 Michael Hart에 의해 시도되었고1 ,

현재 Structural Biology , X- ray Microscopy , Radiation Cell Biology 등의

in - vitro study와 인체 대상인 Coronary Arteries , Lungs, Breast

T umors (in - vitro tis sues), 동물실험인 Head and Neck, Brain T umors 등

의 in - vivo study로 진행되고 있다.2 방사광을 이용한 의학연구용 마이크로

CT 에 대한 연구 또한 선진국을 중심으로 활발히 진행되고 있으며 수 마이

크로미터 이하의 공간 분해능을 갖는 3- D 영상을 제공할 수 있다고 연구

보고 되고 있다.3 의학영상에 관한 국내 연구는 1995년 포항 방사광 가속

기 연구소가 설립되고 최근에 포항공과대학, 연세의료원의 공동 연구팀에

의하여 PLS (Pohang Light Source)에 synchrotron 5C1 beamline 이 건설

- 4 -

되면서 비 단일파장(unmonochromatized) 방사광 X- 선을 이용한 고- 분해

능과 고- 대조도의 영상을 획득하는 간단하면서도 경제적인 방사광 X- 선

영상시스템을 구축하면서 시작되었다.4 구축된 시스템에서 고해상도의 의

학영상을 획득할 수 있고, 이를 이용하여 영상처리, 단층 촬영 영상구성,

3- D 영상 재구성을 통해 가시화 함으로써 앞으로의 임상응용가능성에 대

해 평가해보고자 한다.

- 5 -

Ⅱ . 재 료 및 방법

1 . 방사광 가 속기

의학영상 분야에서 일반 X- 선을 이용한 영상정보는 주로 물질의 X- 선

흡수도 차이에 의해서 나타나는 반면에 방사광 가속기에서 나오는 빛은 위

상이 일치하고 평행한 특성으로 이를 이용하면 기존 일반 X- 선 영상시스

템보다 고해상도 및 고대조도의 영상 획득이 가능하다는 이론을 바탕으로

연구를 시작하였다. 또한 방사광을 이용한 영상시스템을 구축하고 획득한

생체 초 미세구조의 고해상도 영상들을 단층 촬영 영상과 3- D 영상으로

재구성함으로써 초 미세구조에 대한 보다 많은 구조적 정보를 제공하는 것

을 목적으로 하였다.

포항 방사광 가속기 연구소에 있는 제 3세대 방사광가속기는 전자총에서

나온 전자들이 총 길이 150 m의 선형가속기(linear accelerator )에 의해서

2.0 GeV의 에너지로 가속되어 원형에 가까운 총 둘레 280 m 궤도의 저장

링(storage ring )에 보내지고, 평균적으로 2- 2.5 GeV 전자 에너지와 250

mA 전류로 회전하게 된다(그림 1). 방사광은 저장링내의 각 빔 라인

(beamline)의 시작부분에 설치된 휨자석에 의하여 가속된 전자빔이 방향을

바꿀 때 제동복사 형태로 방출되는 저 에너지 적외선 영역부터 고 에너지

X- 선 영역까지의 연속적인 에너지 분포를 갖는 매우 강력한 백색광을 의

미한다(그림 2). 여기서 방출된 방사광은 10 m 떨어진 곳에서 4 mm이내

의 좁은 퍼짐을 가지는 강력한 빛이다.

- 6 -

그 림 1 . 포항 방사광 가속기 연구소(PLS : Pohang Light Source).

그 림 2 . 광속에 가까운 속도로 가속된 전

자가 커브를 틀 때 그 접선방향으로 방출

되는 좁은 퍼짐의 광인 방사광.

방사광 X- 선을 이용한 영상획득에는 크게 3가지 방법으로 구분되는데

X- ray Interferometry , Diffraction - enhanced Imaging , 그리고

Phase- contrast Radiography로 나눌 수 있다.5 방사광 X- 선 영상시스템을

사용하는 많은 연구에서 단일 파장(monochromatic) 방사광 X- 선을 이용하

여 물질의 X- 선 흡수도 차이와 특히 물질과 물질의 경계 부분에서

phase- shift에 의해서 높은 대도조의 영상을 얻는 방법이 연구되어 왔다.6 ,7

방사광 가속기내 저장링에서의 휨자석(bending magnet )에서 발생한 백색

- 7 -

광(white beam : polychromatic or unmonochromatic beam )으로부터 단일

파장 빔을 얻기 위해서는 고가의 정밀한 실리콘 모노크로메터(silicon

monochromator )를 사용하여야하고, 이러한 장치를 사용하면 빔의 강도가

크게 감소하여 같은 영상의 질을 얻기 위해서 빔에 대한 노출시간을 증가

시켜야하며 이는 실시간 영상획득(real time imaging )과 같은 방법에 제한

을 받게 된다. 본 실험에서는 최근에 새로 설치한 빔 라인을 이용하여 경

제적이면서 구성이 간편한 영상획득장치를 구현하여 phase- contrast 효과

8 ,9를 극대화함으로써 단일 파장 빔에서 얻는 영상에 버금가는 해상도의 영

상을 얻는 것10과 여기서 얻은 영상의 재구성을 목적으로 진행하였다. 또한

단일 파장 빔을 사용하여 획득한 투사영상이 기존의 일반 X- 선을 이용한

유방촬영기에서 획득한 영상보다 해상도와 대조도 면에서 우수하고, 이러

한 영상을 재구성하여 단층 촬영 영상과 3- D 영상으로 표현했을 때의 임

상용 혹은 연구용으로 적합한지에 대해 파악하고자 실험을 하였다. 본 연

구의 공동 연구팀은 비 단일파장 방사광 X- 선을 이용한 고- 분해능과 고-

대조도의 영상을 획득하는 간단하면서도 경제적인 방사광 X- 선 영상시스

템을 포항 방사광 가속기연구소 5C1 빔 라인 말단부위의 빔 실험실(hutch )

내부에 구축하였다(그림 3).

그림 3 . 방사광 X- 선 영상시스템 구성사진.

- 8 -

2 . 영상획 득시스템 구성

빔 실험실 내부에는 방사광이 최고 16 keV, 1010 - 101 1 photons/ sec 의 특

성으로 입사되며 실험실 외부에서 사용자가 가스 압력식 개폐가 가능한 실

리콘웨이퍼(SiO2 ) 필터(감쇠기)들의 모듈을 제어하면서 빔의 세기를 조절할

수 있게 설치하였다. 빔의 세기는 두께 0.5 mm 실리콘웨이퍼 필터들을 이

용해 5∼16 keV의 X- 선 에너지 분포를 갖게 조절하고, 빔의 크기는 신틸

레이터(scintillator ) 크기에 적합하도록 슬릿(slit )을 사용하여 8 x 6 mm2로

맞춘다. 실험대상 물체를 투과한 X- 선들은 얇은 CdWO4 신틸레이터(10×

10×0.1 mm3 )와 반응하여 가시광선을 발생한다. 이러한 가시광선의 영상정

보는 금으로 도금된 거울에 의하여 90°로 반사되어 5배율 광학 렌즈로

확대된 후 CCD(charge- coupled device) 카메라(CoolSNAP - ProT M , Media

Cybernetics, Balt imore, Maryland, U .S .A )에 도달하며 렌즈의 노출시간은

50 ms, 유효시야는 4.3×3.2 mm 2로 구성하였다(그림 4).

그 림 4 . 방사광 X- 선 영상시스템 세부구성도.

- 9 -

마우스 척추 뼈에 대한 단층 촬영 영상과 이것을 이용해 3차원 영상을 재

구성하기 위해서는, 일반 CT 에서 X- 선 소스와 검출기가 대상물체주위를

회전하는 방식과는 달리 방사광 X- 선 영상시스템의 빔 소스는 고정되어

있기 때문에 대상물체를 일정한 각도로 회전시키는 1세대 CT 기기 방식이

필요하다. 대상표본의 회전은 분해능이 0.072°의 기본 스텝 각을 갖는 5상

스텝모터(CSK564AP - T G10, Oritental Motors , Ueno, T aitoku, T okyo,

Japan )를 사용하였고 회전에 의한 관성의 영향을 줄이기 위해 댐퍼

(damper )를 모터의 섀프트(shaft )에 부착하였다. 모터를 제어하는 콘트롤러

는 PCB기판에 마이크로 콘트롤러를 사용하여 자체제작 후 PIC- BASIC언

어(컴파일 테크놀로지, Yonsan - Gu, Seoul, Korea )로 EEPROM (electrically

erasable and programmable ROM )에 단위 회전각도와 회전방향 등에 대

한 명령어를 저장하였다(그림 5).

그림 5. 회전 스텝모터 및 모터 콘트롤 장치와 제어프로그램

대상표본의 회전을 위한 회전기기(rotator )의 하드웨어적 제어는 개인용 컴

퓨터에서 GUI(Graphic User Interface)에 유용한 Microsoft사의 Visual

Basic 6.0을 사용하여 시리얼 포트(serial port )로 회전명령을 전송함으로

- 10 -

0.72°단위의 양방향 회전과 연속 회전, 그리고 여러 각도의 조합 회전이

가능하게 구성하여 대상물체의 회전에 따른 방사광 투사영상을 얻을 수 있

게 설치하였다.

3 . 영상획 득과정

방사광을 이용한 영상획득에 사용된 CCD 카메라는 1392 x 1040 픽셀

(140만 화소, 4.65 micron pixel)을 갖는 해상도로 영상을 캡쳐하며 영상은

12bit gray - scale을 갖는 monochrome으로 표현된다. CCD 카메라에 입력

된 디지털 영상정보들은 CCD 카메라와 연결된 PC에서 영상 처리 프로그

램(Image- Pro Plus , Media Cybernetics, Baltimore, Maryland, U.S .A )을

사용하여 획득하였다. 실험에 사용되는 대상으로는 고분해능 X- 선 시험

패턴(20 line pair s mm - 1 )을 28 kVp, 83 mAs X- 선량 조건하에 일반 X- 선

유방촬영기(GE SenographeT M DMR, Milwaukee, Wisconsin , U .S .A )에서

획득하고 이 필름영상은 일반 스캐너를 사용하여 1200 dpi의 해상도로 스

캔한 후 디지털 영상으로 만들고, 동일한 대상을 5∼16 keV, 100∼150 mA

조건하의 방사광 X- 선 영상시스템에서 획득한 디지털 영상과 해상도 차이

를 비교하였다. 일반 X- 선 유방촬영기의 정도관리(Quality Control)로 사용

되는 팬텀(Mammographic Accreditation Phantom Model- 156, Gammex

RMI, Middleton , WI, U.S .A )도 동일한 방법으로 28 kVp, 79 mA s 조건에

서 simulated micro- calcification부분을 유방촬영기로 촬영 후 디지털 영상

화하여 방사광 X- 선 영상시스템으로 얻은 영상과 비교하였다.

또한 실제 생체 표본에서의 미세구조를 가시화 하기 위해 10주령 된

29.7g의 C57BL/ 6J 마우스를 사용하였고, 마우스 척추 뼈(cervical vertebra,

lumbar vertebra)들을 직경 3 mm크기의 원통형 구조로 채취하였다. 채취

한 표본을 일반 X- 선 유방촬영기로 22kVp, 40mAs 조건하에 촬영한 후

- 11 -

방사광 X- 선 영상시스템에서 투사영상을 획득하여 해상도를 비교하였다.

마우스 척추 뼈 표본들에 대해서는 단층 촬영영상과 3- D 영상 재구성을

위해 대상 표본을 회전기기 위에 위치시켜 0.72°씩 회전시키면서 총

180°회전시켜 방사광 X- 선에 대한 250개의 투사영상을 각각 획득하였다.

- 12 -

4 . 영상처 리 및 재구성

방사광을 이용한 영상획득장치에 저장된 실험대상의 투사영상들은 데이터

분석/처리/ 가시화에 유용한 프로그램(IDL 5.4, Research Systems Inc,

Pearl East Circle Boulder , CO, U .S .A )을 사용하여 영상처리를 하였다. 영

상처리 프로그램에서 CCD 카메라 자체가 가지고 있는 노이즈(noise)를 없

애기 위해 투사영상에서 빔 입사 없이 저장한 dark current 영상을 제거하

였다. 또한 실험대상 표본의 투사영상에서 표본 없이 촬영한 영상(null

image)을 제거함(background subtraction )으로써 대기중의 노이즈와 신틸

레이터 및 반사거울에서 나타나는 artifact를 제거하여 투사영상에 대한 영

상 질을 높였다. 단층 촬영영상을 구성하기 위해 180°에 해당하는 250개

의 투사영상들에 대해 filtered backprojection 알고리즘을 사용하여 프로그

래밍 함으로써 사이노그램(sinogram )과 단층 촬영영상으로 구성하였고,

Shepp and Logan 필터를 적용하여 단층 촬영영상의 재구성과정에서 생

기는 ring artifact를 제거하였다.11 구성된 단층 촬영 영상을 대상으로 3차

원 배열인 볼륨 데이터로 저장한 후 영상처리 프로그램에서 제공하는 3- D

구성 라이브러리인 SLICER- 3 함수(function )를 호출하여 3차원 볼륨 렌더

링(volume rendering )을 통해 입체 영상으로 구성함으로써 실험대상 표본

(마우스 척추 뼈)의 미세구조에 대한 해부학적 형태를 가시화하고 그 효용

성에 대해 고찰하였다.

- 13 -

Ⅲ . 결 과

포항 방사광 가속기 연구소의 5C1 빔 라인에 방사광 X- 선 영상시스템이

성공적으로 구축되어 고분해능 X- 선 시험 패턴과 유방촬영기 정도관리 팬

텀, 그리고 마우스 척추 뼈들의 방사광에 대한 투사영상을 CCD 카메라를

통해 획득할 수 있었다. 일반 X- 선 유방촬영기에서 촬영한 고분해능 X- 선

시험패턴은 최대 14 line pair s mm - 1 (35μm )의 분해능을 가지고 있지만,

방사광 X- 선 영상시스템에서 획득한 고분해능 X- 선 시험 패턴 영상은 시

험 패턴의 최소 단위인 20 line pair s mm - 1 (25μm )의 패턴 바(pattern bar )

를 뚜렷이 구분 할 수 있었으며, 투사영상의 경계면 형상에 대해서도 일반

X- 선 유방촬영기의 영상에 비하여 높은 대조도를 보여주었다(그림 6).

그림 6 . 고- 분해능 X- 선 시험 패턴 20 line pair s mm - 1 ; (a)시

험 패턴, (b ) 일반 X- 선 유방촬영시스템에서 획득한 영상, (c)

방사광 X- 선 영상시스템에서 획득한 영상.

- 14 -

일반 X- 선 유방촬영기의 정도관리로 사용되는 유방촬영기 정도관리 팬텀

의 영상은 0.40 mm 크기를 나타내는 simulated micro- calcification의 유무

만을 확인 할 수 있었으나, 방사광 X- 선 영상시스템에서 얻은 영상은

calcification의 경계선 형태까지도 뚜렷이 보여주는 고해상도의 영상 획득

이 가능하였다(그림 7).

그림 7 . 유방촬영기 정도관리 팬텀(Mammographic Accreditation

Phantom Model- 156); (a) 팬텀, (b)도해(Schematic view ), (c) 일반

X- 선 유방촬영기에서 획득한 영상, (d) 방사광 X- 선 영상시스템에서

획득한 영상.

- 15 -

마우스 척추 뼈에서 채취한 경추 골과 요추 골에 대한 투사영상은 일반

X- 선을 사용한 유방촬영기에서는 자세한 구조를 알아볼 수 없었고 외부형

태만 알아볼 수 있는 영상을 획득할 수 있었다. 방사광 X- 선 영상시스템

에서는 미세 구조물인 경추 골 몸통(cervical vertebral body )과 몸통사이,

요추 골 몸통(lumbar vertebral body )과 몸통사이가 20μm이하의 간격으로

척추사이원반(intervertebral disc)이 위치하는 공간으로 나누어진 해부학적

구조를 고해상도 영상으로 자세히 관찰할 수 있었으며, 뼈 내부의

trabecular bone 패턴의 투사영상도 구분할 수 있었다(그림 8). 마우스 척

추 뼈들에 대해 재구성한 단층 촬영 영상은 현미경이나 일반 X- 선을 사용

한 CT 기기로 확인할 수 없는 마우스의 척추골 몸통내부의 trabecular

bone 패턴의 구조를 고해상도로 가시화 할 수 있었다. 또한 마우스 척추

뼈의 단층 촬영영상을 3차원으로 재구성한 볼륨 데이터를 구성하여 원하는

단면 영상을 획득할 수도 있었고 볼륨영역을 블록단위로 지정하면서 내부

구조를 확인하는 것도 가능하였으며 원하는 위치에서 3차원 영상으로 가시

화 할 수 있었다(그림 9).

- 16 -

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f )

그림 8 . 마우스 척추 뼈(mouse vertebrae); (a ) 경추 골,

(b ) 요추 골, (c) 경추 골의 일반 X- 선 투사영상, (d) 요

추 골의 일반 X- 선 투사영상, (e) 경추 골의 방사광 X-

선 투사영상, (f) 요추 골의 방사광 X- 선 투사영상

[FOV : 4.3×3.2mm2 ]. (Black bar = 1mm )

- 17 -

(a) (b )

(c) (d)

(e) (f)

그림 9 . 마우스 척추 뼈의 방사광 X- 선 투사영상에

대한 단층촬영 및 3- D 재구성영상; (a) 경추 골

sinogram, (b) 요추 골 sinogram , (c) 경추 골 단층 촬

영 영상, (d) 요추 골 단층 촬영 영상, (e) 요추 골

3- D 영상, (f) 경추 골 3- D 영상 (Black bar = 1mm )

- 18 -

Ⅳ . 고 찰

의학영상분야에서 정확한 진단을 위해서는 획득된 영상이 구조적, 기능적

으로 실제의 형태과 일치하여야 하며 평면 2차원 영상에 대해 숙련된 전문

의의 판독과 해석에 의해 3차원으로 재 조합하는 능력이 요구된다. 디지털

기술이 발달함에 따라 고해상도 영상획득을 위한 진단 기기 들과 다양한

영상처리 및 영상재구성 기술이 응용되고 있지만 현재의 일반 X- 선을 광

원으로 사용한 의학영상획득은 수 마이크로미터 단위의 생체 구조에 대해

디스플레이 하는 데는 한계가 있다. 방사광 X- 선 영상시스템은 아직 연구

단계에 있지만 빛의 퍼짐 성이 적고 위상이 일치하는 빔 특성을 이용하여

생체 표본에 대해 투사영상을 획득하여 재구성함으로써 임상에 적용되었을

때 어느 정도의 상세한 해부학 및 구조적 정보를 제공해 줄 수 있는지 알

아보기 위해 실험을 진행하였다. 방사광 X- 선 영상시스템으로 획득한 고

분해능 X- 선 시험 패턴과 유방촬영기 정도관리 팬텀의 투사영상은 일반

X- 선 영상시스템으로 획득한 영상에서 볼 수 없는 고해상도의 구조적 영

상을 경계 면이 뚜렷한 형태로 확인할 수 있었고, 이것은 방사광 X- 선과

같이 빔의 위상이 일치하며 퍼짐 성이 매우 적은 조건에서 나타나는

phase contrast 효과로 알려져 있다.12 ,13

지름 3 mm 정도의 마우스 경추 골과 요추 골에 대한 투사영상도 물질과

물질사이의 경계 면이 뚜렷한 고해상도 영상을 보여 주었는데, 이것으로

CT 의 원리에 따라 영상을 획득하여 재구성 한 결과 trabecular bone 패턴

과 같은 척추 뼈 내부구조 형태를 미세 생체구조에서도 확인할 수 있는 단

층 촬영영상으로 가시화 할 수 있었다. 하지만 마우스 척추 뼈 자체가 미

세 구조물이며 채취하여 보관하고 실험을 거치면서 마우스 척추 뼈의 가시

돌기(spinous process )나 가로돌기(transver se process )등과 같은 척추몸통

- 19 -

보다 작은 구조물들이 훼손되어 가시화하기 어려웠다. 또한 방사광 X- 선

이 발생하는 원리에 의해 빔 실험실에 입사되는 빔의 단면의 크기가 제한

되어 있고, 방사광 X- 선을 가시광선으로 바꿔주는 신틸레이터가 크기에

비례하여 고가인 문제와 빔의 크기를 확장하였을 때 나타나는 X- 선 강도

(intensity )의 손실 때문에 표본을 검출기 유효시야(4.3×3.2 mm 2 )에 맞는

크기로 선정해야 했다. 방사광 X- 선의 강도에 대한 손실을 최소화하면서

방사광 X- 선 영상시스템의 FOV를 넓히는 것은 앞으로 해결해야 할 과제

로 남아있다.

빔 실험실 내부에 구성한 시스템 구성에 있어서 신틸레이터와 대상 물체

와의 거리는 제한된 거리(470mm : slit과 scintillator사이의 거리)내에서

280mm로 구성하였는데 이것은 CCD 카메라에 의해 획득된 영상을 유관으

로 관찰하였을 때 최적의 영상 해상도를 나타낸 결과였다. 일반적으로 빛

의 회절(diffraction )에 의한 edge enhancement" 효과는 굴절(refraction )에

의한 효과보다 크다고 알려져 있다. 굵기가 가는 선(micro wire)과 같이

단순한 경계면 형태를 가진 대상물체의 경우 빛의 회절에 의한 "edge

enhancement " 효과는 대상 물체로부터 detector간의 거리가 멀수록 크게

나타난다. 하지만 Hwu Y et al14에 의해 실험된 결과에 의하면 대상 물체

의 구조가 단순하지 않고 마우스 척추 뼈와 같은 복잡한 볼륨을 가진 생체

표본일 경우 각각의 조직 경계 면에서 회절에 의한 줄무늬(fringe)가 나타

나는 현상이 detector에서 중첩되어 나타남으로 인해 해상도가 높지 않으

며 물체의 투사영상을 해석하는데 어려움이 있다. 본 실험의 경우 방사광

의 입사선 상에서 대상물체와 detector간의 실험거리를 조절하는 방법에

의해 최적의 영상을 나타내는 지점(280mm )에서 실험을 하였고, 여러 생체

표본 대상 물체의 다양한 기하학적 형상에 의한 상관관계를 정량적으로 밝

혀내는 실험이 계속 되어야 하겠다.

- 20 -

단층 촬영영상에 대해 3- D 볼륨 데이터로 재구성하여 3차원 영상데이터

를 블록단위로 나누어 디스플레이 할 수 있었고, 표본 내부의 형태를 원하

는 위치영역에 대해 가시화 할 수 있었다. 본 실험에서 구성한 표본의

3- D 볼륨데이터는 3차원 위치의 단면을 고해상도로 보여줄 수 있었고 입

체적으로 재구성하여 많은 구조적 정보를 제공해 주었지만 3- D영상 구성

을 위한 상용제품처럼 histogram 조절기능과 segmentation 기능 등의 영

상처리 기능이 추가된다면 미세 생체 표본의 내부구조를 좀더 간편하고 쉽

게 이해하는데 도움이 되는 자료를 제공해 줄 것으로 기대된다.

- 21 -

Ⅴ . 결 론

방사광 X- 선 영상시스템에서 비 단일파장 빔을 이용하여 고해상도의 의

학영상을 획득하였으며, 이를 영상처리를 통한 단층 촬영영상과 3차원 입

체영상으로 재구성을 하여 앞으로의 임상연구 가능성에 대해 평가해보았

다. 물질의 X- 선 흡수도 차이에 의해 영상 정보를 나타내는 일반 X- 선과

달리 퍼짐 성이 매우 적은 특성과 파장의 위상이 일치하는 특성을 갖는 방

사광 X- 선을 이용하여 획득한 의학영상은 일반 X- 선 영상에 비해 고분해

능, 고대조도 영상정보를 제공해 주었다. 방사광 X- 선 영상시스템을 사용

하여 얻은 투사영상들을 컴퓨터 프로그램을 사용하여 영상 재구성한 단층

영상과 3- D 볼륨 렌더링 영상 또한 표본의 해부학적 구조를 나타내는데

유용하게 쓰일 것으로 기대된다. 방사광 X- 선 영상시스템이 아직 연구단

계에 있지만, 이를 이용하면 임상에서 요구되는 연구목적의 표본에 대해

많은 구조적 정보와 병리학적 정보를 제공해줄 것이다. 다양한 표본의 실

험을 위해 X- 선의 강도가 감소하지 않는 범위 안에서 유효 시야(Field of

View )를 넓히는 개발이 필요하고, 가까운 거리에서 CCD 카메라 렌즈의

광학 굴절 현상으로 인해 렌즈의 중심으로부터 가장자리로 멀어짐에 따라

나타나는 미세한 영상왜곡을 보정 해주는 연구가 진행되어야 한다. 또한

3- D 영상 재구성에 관한 연구도 일반 CT 나 MRI 등에서 획득한 단층 영

상들을 대상으로 디스플레이 하는 수준이며 임상적인 진단을 위해 실용화

가 되려면 임상 전문의들과 의공학 및 의학물리 학자들이 서로 협력하여

기술적인 문제를 해결하는데 노력해야 한다. 방사광 X- 선 영상시스템에

기존의 CT 나 MRI와 같이 영상획득 전과정이 단면 영상 획득 모듈이나

3- D 영상의 재구성 모듈이 추가되면 임상에 적용됐을 때 진단과 연구 및

교육에 많은 도움을 줄 것으로 사료된다. 임상에 적용하기 위해서는 방사

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광 X- 선 조사선량에 대한 정량적인 분석, 생체 조직에 미치는 영향고찰,

생명체에 대한 안전성 검토, 그리고 영상 획득시스템의 자동화측면은 계속

연구되어야 할 과제로 남아있다.

- 23 -

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- 25 -

Abst r ac t

Hi gh Resol ut i on Medi cal Imagi ng and 3- D Recons t r uct i on Usi ng

Synchr ot r on Radi at i on X- r ays

J i n- O Hong

Brai n Korea 21 Proj ect f or Medi cal Sci ences

The Graduat e School , Yonsei Uni ver s i t y

(Directed by Professor Hee- Joung Kim )

An importance of high resolution and 3- D image has recently been

realized in radiological science of medical field, but there are some

limitation to detect micro range lesion from normal tis sue and to

reconstruct it s 3- D volume image. So, many other research groups of

other countries are researching for high resolution imaging studies

using synchrotron radiation X- ray s to detect micro structure of

biological specimens . A collaboration team consisting of the Pohang

University of Science and T echnology and Yonsei Univer sity Medical

Center has recently commissioned a new beamline in Pohang Light

Source(PLS ) in Korea for medical applications using phase- contrast

effect . Our research w as to acquire some high resolution projection

images of mouse vertebrae using unmonochromatized synchrotron

radiation X- ray s and to reconstruct it s tomography and 3- D images,

and to investigate the possibility of their medical applications .

- 26 -

T he experimental imaging system was set up in a 5C1 beamline hutch

for medical applications using synchrotron radiation X- rays . T he

specimens for this experiment w ere a high resolution X- ray test

pattern , a mammographic accreditation phantom Model- 156 to identify

image resolution , and mouse vertebrae for image reconstruction . T he

synchrotron X- ray s passed the specimens, then transferred the CdWO4

scintillator , then w as converted to a visible ray with phase- contrast

characteristic. Light photon images of the object s were magnified by

optical lens and finally reached the CCD camera. T he projection images

of the mouse vertebrae were reconstructed to tomography and 3- D

volume rendering image, then we discussed it s usefulness for medical

field.

T he images of the unmonochromatized synchrotron X- ray imaging

sy stem showed fine and numerous detail structure, which may not be

able to be visualized using other X- ray imaging modalities . T he

tomography and 3- D images could be reconstructed with the high

resolution micro range images and show ed much detailed structural

informations . T he synchrotron X- ray imaging system, which is a early

stage of research, is applicable for imaging studies in fundamental

medicine and biology . Further studies of synchrotron x - ray for medical

field such as X- ray dose analysis , clinical safety , and automatic image

acquisition system should be continued to apply clinical applications .

____________________________________________________________________

Key Words : synchrotron , high resolution , tomography , 3- D

reconstruction

- 27 -