Cone-beam CT will become increasingly important in diagnostic imaging modality in the dental practice over the next decade. For dental diagnostic imaging, cone-beam computed tomography (CBCT) system based on large area flat panel imager has been designed and developed for three-dimensional volumetric image. The new CBCT system can provide a 3-D volumetric image during only one circular scanning with relatively short times (20-30 seconds) and requires less radiation dose than that of conventional CT. To reconstruct volumetric image from 2-D projection images, FDK algorithm was employed. The prototype of our CBCT system gives the promising results that can be efficiently diagnosed. This dissertation deals with assessment, enhancement, and optimization for dental cone-beam computed tomography with high performance.
A new blur estimation method was proposed, namely model based estimation algorithm. Based on the empirical model of the PSF, an image restoration is applied to radiological images. The accuracy of the PSF estimation under Poisson noise and readout electronic noise is significantly better for the R-L estimator than the Wiener estimator. In the image restoration experiment, the result showed much better improvement in the low and middle range of spatial frequency. Our proposed algorithm is more simple and effective method to determine 2-D PSF of the x-ray imaging system than traditional methods.
Image based scatter correction scheme to reduce the scatter effects was proposed. This algorithm corrects scatter on projection images based on convolution, scatter fraction, and angular interpolation. The scatter signal was estimated by convolving a projection image with scatter point spread function (SPSF) followed by multiplication with scatter fraction. Scatter fraction was estimated using collimator which is similar to SPECS method. This method does not require extra x-ray dose and any additional phantom. Maximum estimated error for interpolation was less than 7%. In interpolation procedure in CBCT, the scatter components variation was noticeably high in the range from 40° to 140°and from 220° to 320° because of the larger variations of SPR due to the thickness of head phantom. So, Non-equiangular sampling in that range was a very effective way to reduce estimation error of interpolation as well as the number of the samples.
Modern CBCT systems have commonly used FDK algorithm for volumetric reconstruction. But FDK algorithm has computational complexity that requires long reconstruction time. In order to make it applicable in a clinical setting, it is important that the development of an algorithm to reasonably reduce the required amount of time. The efficient implementation of FDK algorithm for fast reconstruction have implemented and optimized. By removing the redundant instructions which happen in circular cone-beam reconstruction procedure using the symmetry property, the reconstruction performance was considerably enhanced. Finally, maximizing the computing capability on the dual CPU computer by multi-threads, the performance for speed issue in the FDK algorithm was more efficiently optimized.
X-선을 이용한 치과용 진단에서 3차원 volumetric 영상을 제공하는 CBCT (Cone-beam Computed Tomography) 시스템을 설계·개발하였다. CBCT 시스템은 콘 형의x-선 빔, U-자형 회전 갠트리 (gantry), 그리고 대면적 2차원 평면 검출기 (a-Si flat-panel 검출기)로 구성되어있다. 검출기와 x-선 튜브 시스템은 U-자형 회전 갠트리에 탑재되어있으며, 단 한번의 회전(360°)을 통해 영상을 획득하고, 3차원 volume영상을 구현할 수 있으므로 영상획득 시간이 20~30초 정도로 짧은 시간에 고속 촬영이 가능하고 이에 따라 기존의 CT보다 방사선 피폭량이 적다는 장점을 가지고 있다. 획득된 2차원 projection 영상을 이용하여 3차원 영상으로의 재구성은 FDK알고리즘을 통해 구현하였고, 필터링은 램프필터(ramp filter)를 사용하였다. 개발된 시스템을 대상으로 영상획득 및 3차원 영상재구성 실험을 수행하였으며, 치과용 진단분야에서의 CBCT의 유용성을 확인하였다. 본 논문에서는 개발된 DCBCT (Dental cone-beam Computed Tomography)의 성능 향상을 위한 연구로서 영상평가, 산란선 제거 알고리즘을 제안하며, 그리고 3차원 영상 재구성 알고리즘의 speed를 향상시킬 수 있는 방법론을 제시하였고, 그 내용은 다음과 같다.
평면 x-선 검출기를 이용한 디지털 영상 진단 시스템에서의 2차원 PSF를 추정할 수 있는 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 간단한 구조를 가지는 phantom과 modified R-L 알고리즘을 이용하여 반복적으로PSF를 추정한다. 제안된 추정 알고리즘은 다양한 조건하에서 Wiener 방법보다 매우 우수한 추정결과를 보이고 있으나, 수렴 측면에서는 상대적으로 많은 시간을 요구하고 있다. 특히 Wiener 방법은 특정조건하에서Bessel 함수의 side lobe, 혹은 잡음에 의해 PSF를 제대로 추정할 수 없는 반면 제안된 방법은 항상 안정된 추정결과를 보이고 있다. 추정된 2차원 PSF를 이용하여 image restoration에 적용한 결과, 시스템의 blur현상을 효과적으로 제거함으로써 최고 20% 이상의 분해능 향상을 보였다. 따라서 제안된 방법은 평면형 x-선 검출 시스템의 2 차원 PSF를 기존의 방법보다 간단하고 효과적으로 결정할 수 있었다.
대면적 평면 검출기를 사용하는CBCT에서는 x-선과 물체와의 반응에서 발생되는 산란선의 영향이 직접적으로 영상의 질적 저하를 초래하게 된다. 이를 효과적으로 제거하고, 실제 시스템에서 응용할 수 있는 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 convolution과 scatter fraction을 이용하여 scatter 영상을 추출하는 방법이며 scatter fraction은 collimator를 이용하여 추정하였다. 또한 CBCT에서는 방대한 projection 영상들이 있으므로 이들 모두의 scatter 영상을 추출하는 것은 시간소모적이다. 따라서 본 연구에서는 획득된 projection들 중 일부를 샘플링하여 이들에 대해 scatter영상을 추출하고, 이들 사이를 interpolation 을 통해 전체 scatter영상을 결정하는 방법이다. Head 팬텀을 이용하여 실험을 수행 한 결과 linear interpolation 방법이 에러가 가장 작게 나타났으며, 최대 에러율이 7% 미만이었다. 이들 에러는40°∼140°, 220°∼320°사이에서 가장 크게 발생하였으며, 이는 이 부분에서의 머리의 thickness가 가장 두꺼운 부분으로 primary의 급격한 감소로 인한 SPR의 변화량이 크기 때문이다. 따라서 이 영역에서non-equiangular 샘플링을 적용한 결과 이 부분의 에러를 효과적으로 개선할 수 있었다.
마지막으로 FDK알고리즘에서 계산량을 최소화하여 고속 재구성을 할 수 있는 효과적인 방법을 제안하였다. 이는 cone-beam geometry에서 z-축상의 대칭성을 이용하여 계산량을 최소화하는 방법으로, 재구성된 영상의 질적인 저하 없이 처리속도가 상당히 향상되었다. 또한 dual CPU를 가지는 컴퓨터에서 multi-threads방법을 이용하여 구현된 알고리즘에서는 기존 보다 약 2배 정도 속도가 향상되었다.
본 논문에서 제안한 2-D PSF 추정 알고리즘, scatter correction 알고리즘, 고속 재구성 구현 방법은 CBCT 시스템에서의artifacts를 분석하고, 효과적으로 제거함으로써 보다 양질의 영상 구현에 기여할 수 있을 것이라 판단된다. 따라서 향후 다양한 치과진단분야의 여러 조건하에서 응용 연구를 수행하여 제안된 알고리즘의 유용성을 검증하려고 한다.
