Dual energy x-ray radiography can be used to separate soft and dense-material images for medical and industrial applications. It can be performed successfully with a line-scanning system because of its scatter-free nature. With area detectors, however, scattered radiation also contributes to the signal. This undesired behavior of scattered x-ray photons in radiography causes serious degradation of contrast in observed images, and poor separation of soft- and dense-material images. The percentage of scattered photons is typically 60 % to 70 % in the lungs and 80 % to 95 % in the mediastinum for a standard PA chest radiograph. Even though anti-scatter grids can reduce the scatter fractions to 20 % to 30 % in the lungs and 40 % to 60 % in the mediastinum, dual-energy radiography requires additional scatter correction. Several methods for scatter correction have been suggested to improve results. Such methods, however, require additional lead blocks or detectors, and additional exposures to estimate the scatter fraction for every correction. Others have used only one or two convolution kernels, even though the scatter point spread functions have different shapes as a function of object thickness.
A new scatter correction method in dual-energy radiography called the TB scatter correction method is suggested by this study, based on iterative thickness estimation using unique scatter point spread functions. The TB correction method uses information from a dual-energy algorithm to correct the images. In order to verify the effectiveness of this method, a set of MCNP simulation and experiment was performed. The scatter information for each combination of thickness of two materials, aluminum-water phantom in simulation and aluminum-acryl phantom in experiment, was represented in the form of a scatter point spread function. Scatter point spread functions can be either simulated, or measured and induced by Fourier transform. The way to measure the scatter point spread function is also proposed, and it may give the great possibility for various other applications to the TB correction method. In TB correction, based on the uncorrected signals, the thickness of each material is calculated by a conventional dual-energy algorithm. The scatter information of corresponding thickness from the database of the scatter spread function is then used to correct the original signals. For the aluminum-water simulation, the iteration of TB scatter correction reduced the relative-thickness error from 32 % to 3.4 % in aluminum, and from 41 % to 2.8 % in water. As the experimental verification using aluminum and acryl, the TB correction method reduced the relative errors by 50 % to 5 %.
The suggested TB scatter correction method has several merits over conventional methods. It does not use any additional hardware or exposure, and has better performance than others because of nearly exact correction in spatial distribution of scatter signals using material and thickness-dependent unique scatter point spread functions. One drawback of the proposed approach arises from a characteristic of the scatter point spread function. Scatter point spread functions with several different orders of object materials or with a different thickness of air gap may have different shapes and magnitudes. In contrast with CT, dual-energy radiography does not specify the arrangement of the material (i.e., which material is located on the top and which is on the bottom) These effects were not taken into account in this study, since preliminary simulation results indicated that these differences were insignificant in the range of interest for this study. And moreover, an idea for the modified TB correction method is suggested in this study for the application to chest radiography. Overall, the TB correction method considerably improved the dual-energy imaging. The TB scatter correction method can be applied to two-material dual-energy radiography such as mammography, contrast imaging, and industrial inspections.
As additional application examples of dual-energy radiography, two works are also presented in this study. Preliminary experiments have been performed for detection of organic materials focusing on organic material detection by different high-energy detectors, which are use CsI and CWO as a scintillator. Organic and inorganic materials were successfully separated in a thin objects range. Generally, plastic explosives contain a high concentration of organic material, especially nitrogen and oxygen, and have a higher density than other organic materials. Using these characteristics, the organic material detection capability of a dual-energy method can be applied to an inspection system with simple modification of conventional systems. Volume estimation of solitary pulmonary nodules in chest radiography using dual-energy algorithm is suggested as the second application. Successful elimination of rib shadows with tissue-selective imaging and volume estimation of nodule with background rejection were performed. This method gave an accurate estimation of isolated solitary pulmonary nodules from the lung boundary, but with some errors for overlapping with the lung boundary. This estimation method, based on dual-energy subtraction, could be applied to detection and measurement of lung nodules in chest radiographic CAD. Even though those works do not use scatter correction method, further research may show other applications for the dual-energy scatter correction method.
하나의 엑스선 에너지 스펙트럼을 이용하는 기존의 일반 방사선영상기법과 달리, 이중 에너지를 이용한 방사선영상은 피사체의 방사선 감쇄계수에 따른 밀도 영상뿐만 아니라, 피사체의 구성 성분을 고밀도 물질 부분과 저밀도 물질 부분으로 구분해서 분리 된 영상을 얻을 수 있다. 그러나 과거 선형 검출기를 이용한 주사방식과는 달리, 최근에는 2차원 평면 검출기를 이용하기 때문에 산란 엑스선의 영향을 무시할 수 없다. 산란 엑스선의 영향으로, 영상의 명암대비의 저하와 그에 따른 분리된 영상에서의 왜곡이 발생하고, 따라서 직간접적인 방법을 통한 산란선의 제거 또는 보정이 필요하다. 기존의 산란 보정 방법은 일반 방사선영상기법에서 응용되어 오던 방법으로, 추가적인 장치와 추가 피폭, 혹은 완전하지 못한 성능을 보이고 있다.
본 연구에서는 이중에너지 방사선영상기법이 가지는 특징인 분리된 영상의 두께 정보를 이용하여, 별도의 장치나 추가 피폭을 피하면서도, 산란매체인 피사체의 정보를 이용함으로서 보다 정확한 산란 보정을 할 수 있는 방법을 제안하고, 이를 TB산란보정방법으로 칭하였다. 산란 엑스선의 양과 분포는 산란 매체인 피사체의 종류와 두께에 따라 달라지므로, 두께 정보를 이용한 산란영상의 재구성은 기존의 방법에 비해 우수한 보정 결과를 얻을 수 있다. 방사선 거동 모사코드를 이용하여 방법의 정당성을 확인하였으며, 실험을 통해 산란선의 보정 정도와, 보정을 통한 영상의 개선 정도를 기존 산란보정 방법중의 하나인 커널 방법과 비교하여 그 우수성을 검증 하였다. 시뮬레이션은 MCNPX 코드를 이용해 알루미늄과 물의 두 가지 물질로 구성된 피사체에 대해 적용하였다. 각 물질의 두께 조합에 따른 산란 정보를 기반으로, 이중 에너지 방법을 통해 피사체 두께를 예측한 후 해당하는 두께에 따른 산란 영상을 재구성하여 원본 영상을 보정하였다. 0 - 5 mm 알루미늄과 0 - 5 cm 물로 구성된 피사체에 대해 상대적인 결과 영상의 오차는 TB 산란보정 전후로 각각 32 %에서 3.4 %로, 41 %에서 2.8 %로 감소하였다. 실험을 통한 적용은 실험의 편의를 위해 알루미늄과 아크릴을 피사체로 사용하였으며, 이는 방사선에 대한 특성이 아크릴과 물 모두 인체의 살과 매우 유사해 향후 의료영상에의 응용을 염두에 두고 선정하였다. 모 팬텀 영상으로부터 일련의 과정을 통해 산란분포함수를 측정하여 보정에 사용하였으며, 이러한 산란분포함수의 측정 방법은 향후 여러 가지 다른 분야에의 응용을 현실화 시키는데 기여할 수 있다. 실험 결과 시뮬레이션을 통한 결과에 미치지는 못하지만, 평균 오차가 2 배에서 20배정도 줄어드는 것을 확인할 수 있었으며, 기존의 산란보정 방법 보다 우수한 결과를 보였다. 응용 연구로서 수화물 검색 시 유기물을 검출할 수 있는 방사선 영상기법에 대한 소개와 실험 결과를 통해 이중 에너지 방사선영상기법이 산업적으로 이용될 경우의 우수성을 검토하였다. 또한, 산란선 보정은 적용되지 않았지만 흉부 방사선영상에서 폐 결절의 부피 계산 방법을 제시하고, 그 결과를 토대로 향후 응용 가능성을 제시하였다. 별도의 장치와 추가 피폭 없이 산란선의 공간분포를 우수하게 재구성해 보정할 수 있는 점이 본 연구에서 제시하는 산란 보정 방법의 가장 큰 특징이라 할 수 있다. 비록 의료용 흉부 방사선영상에서와 같이 두꺼운 피사체에 의한 산란은 그 분포와 양에 있어 두께정보만으로 보정하기 어려운 점이 있으나, 6장에서 제시한 수정된 TB산란보정방법을 이용한다면 기존의 산란보정방법보다 우수한 효과를 얻을 수 있다. 제시된 TB산란보정방법은 유방암 진단이나 골밀도 측정장치, 나아가 흉부 엑스선 영상에 이용되어 보다 우수한 이중에너지 방사선영상을 얻는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.