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  • [Phys Med Biol.] Geometry calibration and image reconstruction for carbon-nanotube-based multisource and multidetector CT

    2021년 10월호
    [Phys Med Biol.] Geometry calibration and image reconstruction for carbon-nanotube-based multisource and multidetector CT탄소나노튜브 기반 다중 소스 및 다중 검출기 CT를 위한 형상 보정 및 이미지 재구성 연구

    연세대 / 문승혁, 최승원, 백종덕*

  • 출처
    Phys Med Biol.
  • 등재일
    August 2021
  • 저널이슈번호
    Volume 66, Number 16
  • 내용

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    Abstract
    Conventional intraoperative computed tomography (CT) has a long scan time, degrading the image quality. Its large size limits the position of a surgeon during surgery. Therefore, this study proposes a CT system comprising of eight carbon-nanotube (CNT)-based x-ray sources and 16 detector modules to solve these limitations. Gantry only requires 45° of rotation to acquire the whole projection, reducing the scan time to 1/8 compared to the full rotation. Moreover, the volume and scan time of the system can be significantly reduced using CNT sources with a small volume and short pulse width and placing a heavy and large high-voltage generator outside the gantry. We divided the proposed system into eight subsystems and sequentially devised a geometry calibration method for each subsystem. Accordingly, a calibration phantom consisting of four polytetrafluoroethylene beads, each with 15 mm diameter, was designed. The geometry calibration parameters were estimated by minimizing the difference between the measured bead projection and the forward projection of the formulated subsystem. By reflecting the estimated geometry calibration parameters, the projection data were obtained via rebinning to be used in the filtered-backprojection reconstruction. The proposed calibration and reconstruction methods were validated by computer simulations and real experiments. Additionally, the accuracy of the geometry calibration method was examined by computer simulation. Furthermore, we validated the improved quality of the reconstructed image through the mean-squared error (MSE), structure similarity (SSIM), and visual inspections for both the simulated and experimental data. The results show that the calibrated images, reconstructed by reflecting the calibration results, have smaller MSE and higher SSIM values than the uncalibrated images. The calibrated images were observed to have fewer artifacts than the uncalibrated images in visual inspection, demonstrating that the proposed calibration and reconstruction methods effectively reduce artifacts caused by geometry misalignments.

     

    그림1. (a) 제안한 CT 시스템의 top view. (b) 한 서브시스템의 trimetric view.

     

    그림 2. 보정 팬텀의 (a) 보정 전, (b) 보정 후의 복원 영상.

     

    그림 3. 트레일믹스 팬텀의 (a) 보정 전, (b) 보정 후의 복원 영상.

     

    시뮬레이션을 통해 제안된 보정 방법으로 추정된 매개변수의 값과 실제 값의 차이로 보정 오차를 계산했습니다. 보정 오차를 통해, 기하 보정의 목표 정밀도(복원 영상의 1 복셀 미만)를 만족함을 확인했습니다. 그리고 보정 전후 복원 영상의 mean square error (MSE), structural similarity (SSIM)을 비교하여 제안된 보정 방법이 효과적으로 인공음영을 제거함을 정량적으로 확인했습니다. 또한 제안된 시스템의 프로토타입을 제작하고, 실제 시스템에서의 보정 성능을 보정 팬텀과 트레일믹스 팬텀의 복원 영상을 통해 육안으로 확인했습니다. 보정 전 영상의 빨간색 화살표는 기하학적 오정렬로 인한 인공음영을 나타냅니다. 보정된 영상에서는 이러한 인공음영이 감소하여 영상 품질이 향상되었으며, 녹색 화살표로 표시된 것처럼 비드 부착에 사용된 테이프까지도 명확하게 관찰되었습니다.

     

    affiliations

    Seunghyuk Moon3,1, Seungwon Choi3,1, Hanjoo Jang1, Minsik Shin2, Youngjun Roh2 and Jongduk Baek1
    1 School of Integrated Technology, Yonsei University, Incheon, Republic Of Korea

    2 KohYoung Technology, Yongin, Republic Of Korea

  • 연구소개
    기존의 수술 중 사용되는 CT는 스캔 시간이 길어서 영상 품질이 저하되고, 큰 크기로 인해 수술 중 의사의 위치가 제한되기도 합니다. 따라서 이러한 한계를 해결하기 위해 8개의 탄소나노튜브(carbon-nanotube; CNT) 기반 X선 소스와 16개의 검출기 모듈로 구성된 CT 시스템을 제안합니다. 제안한 시스템은 갠트리를 45도만 회전하여 전체 투영 영상을 얻을 수 있으므로 스캔 시간이 1/8로 줄어듭니다. 또한 부피가 작고 짧은 펄스 폭을 가진 CNT 소스를 사용하고, 무겁고 큰 고전압 발생기를 갠트리 외부에 배치하여 시스템의 부피와 스캔 시간을 줄였습니다. 본 연구에서는 제안한 시스템을 위한 기하학적 보정 방법을 고안했으며, 이를 위해 4개의 비드로 구성된 보정 팬텀을 설계했습니다. 전체 시스템을 8개의 서브시스템으로 나누고, 측정된 비드 투영과 공식화된 서브시스템의 투영 간의 차이를 최소화하는 기하학적 보정 매개변수를 추정했습니다. 그리고 추정된 매개변수를 반영하여 영상 재구성을 진행했습니다. 제안된 보정 및 재구성 방법은 컴퓨터 시뮬레이션과 제작한 프로토타입 시스템을 이용한 실제 실험을 통해 검증되었습니다. 그 결과, 제안된 보정 방법이 기하학적 오정렬로 인한 영상의 인공음영을 효과적으로 줄일 수 있음을 확인했습니다.
  • 편집위원

    작은 CNT x선원을 여러개 사용하고 검출기도 여러 개 사용해서 소형 CT를 만드는 기술에 적용하였다. 선원이 8개 이기 때문에 45도만 회전시켜도 영상을 얻을 수 있었고, 영상의 질도 훌륭하였다

    덧글달기2021-10-05 15:56:13

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