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단층촬영술

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목차

1. 개요

단층촬영술은 물체의 내부 구조를 다양한 물리 현상을 이용하여 영상으로 재구성하는 기술을 의미한다. 영상 재구성은 해석적, 대수적, 통계적 방법으로 분류되며, 필터 보정 역투영법(FBP)과 반복 근사 영상 재구성법(IR)이 주로 사용된다. 단층 촬영은 라돈 변환을 기반으로 하며, 평행 빔, 부채꼴 빔, 원뿔 빔 등 다양한 광학계를 사용한다. X선, 중성자, 뮤온, 지진파, 음파 등 다양한 데이터 소스를 활용하여 여러 종류의 단층 촬영 기술이 존재하며, 최근에는 여러 기술을 통합하여 사용하기도 한다. 볼륨 렌더링은 3차원 데이터 세트의 2차원 투영을 표시하는 데 사용되는 기술이며, 초점면 단층 촬영술은 1930년대에 개발되어 1970년대 후반 컴퓨터 단층 촬영술에 의해 대체되었다. 싱크로트론 X선 단층 현미경(SRXTM)은 화석 등 3차원 스캔에 사용되는 기술이다.

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단층촬영술
개요
종류의료 영상 기술
사용 목적신체 내부 구조 시각화
방법투과 방사선 측정 및 재구성
관련 학문물리학
수학
컴퓨터 과학
의학
원리
기본 원리인체에 X선 등의 투과력이 강한 방사선을 조사하여 흡수 정도의 차이를 측정, 컴퓨터를 이용하여 단면 영상을 재구성하는 기술
역사적 기원1917년 오스트리아의 수학자 Johann Radon이 수학적으로 증명한 Radon 변환에 기반
실제 의료 기술 적용1972년 영국의 Sir Godfrey Newbold Hounsfield가 X선을 이용한 컴퓨터 단층 촬영(CT) 장치 개발, 임상에 적용
종류
X선 단층 촬영 (CT)X선을 사용하여 인체 내부의 단면 이미지를 얻는 기술
양전자 방출 단층 촬영 (PET)방사성 동위원소를 체내에 투여하여 생체 내 대사 과정의 이미지를 얻는 기술
단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영 (SPECT)방사성 의약품을 사용하여 특정 장기 또는 조직의 기능을 평가하는 기술
자기 공명 영상 (MRI)강한 자기장과 고주파를 사용하여 인체 내부의 단면 이미지를 얻는 기술. 방사선을 사용하지 않음
초음파 단층 촬영초음파를 사용하여 인체 내부의 이미지를 얻는 기술
광학 단층 촬영 (OCT)빛을 사용하여 생체 조직의 미세 구조를 이미징하는 기술, 특히 안과 분야에서 활용
활용 분야
의료 분야질병 진단
치료 계획
수술 시뮬레이션
산업 분야비파괴 검사
품질 관리
재료 연구
과학 연구 분야생물학적 구조 연구
지구 과학
고고학
장단점
장점비침습적인 방법으로 인체 내부 구조를 시각화 가능
다양한 단층 촬영 기술을 통해 특정 목적에 맞는 정보 획득 가능
3차원 영상 재구성 가능
단점X선 CT의 경우 방사선 노출 위험 존재
MRI는 촬영 시간이 길고, 금속성 물질이 체내에 있는 경우 촬영 불가
PET, SPECT는 방사성 동위원소 사용에 따른 안전 문제 고려 필요
참고 문헌
추가 참고 문헌Fundamentals of Computerized Tomography: Image Reconstruction from Projections
X線CT―産業・理工学でのトモグラフィー実践活用
画像処理アルゴリズム (アルゴリズム・シリーズ)
情報数理の基礎―関数解析的展開 (Information & Computing)
科学計測のための画像データ処理―パソコン EWS活用による画像計測&処理技術

2. 영상 재구성 알고리즘

CT 영상 재구성법은 크게 해석적 재구성법, 대수적 재구성법, 통계적 재구성법으로 분류된다[21][38]. 대표적인 방법으로는 해석적 재구성법에 속하는 역투영법과, 대수적 및 통계적 재구성법에 속하는 반복 근사 영상 재구성법(Iterative reconstruction|IR법eng)이 있다[21][38].

오랫동안 CT 영상 재구성에는 필터 보정 역투영법(filtered back projection|FBP법eng)이 주류를 이루었으나, 최근에는 영상 노이즈 및 인공물 저감 효과가 우수한 반복 근사 영상 재구성법의 사용이 증가하는 추세이다[21][38]. 반복 근사 영상 재구성법은 계산 과정이 더 복잡하지만, 압축 센싱과 같은 최신 이론을 접목하여 발전하고 있다[38][39].

2. 1. 역투영법 (Back Projection)

역투영법은 CT 영상 재구성 방법 중 하나로, 해석적 재구성법으로 분류된다[21][38]. 이 방법은 한 번의 계산으로 재구성 영상을 구할 수 있다[38]. 오랫동안 CT 영상 재구성의 주류는 필터 보정 역투영법(filtered back projection: FBP법)이었으나, 최근에는 영상 노이즈 저감 효과와 인공물 저감 효과가 기대되는 반복 근사 영상 재구성법(iterative reconstruction: IR법)의 사용이 증가하고 있다[21][38].

2. 2. 반복 근사 영상 재구성법 (Iterative Reconstruction)

반복 근사 영상 재구성법(Iterative reconstruction|IR법eng)은 CT 영상 재구성법 중 대수적 재구성법과 통계적 재구성법으로 분류된다[21][38]. 이 방법은 처음에 초기 영상을 가정한 뒤, 이 영상으로부터 계산으로 생성한 투영(순투영)과 실제로 측정된 투영 데이터와의 일치성을 반복적인 계산을 통해 점차 높여나가는 방식으로 영상을 재구성한다[38][39].

과거 CT 영상 재구성에는 주로 필터 보정 역투영법(filtered back projection|FBP법eng)이 사용되었으나, 최근에는 반복 근사 영상 재구성법의 사용이 증가하는 추세이다[21][38]. 이는 IR법이 영상의 노이즈를 줄이고 인공물(artifact) 발생을 억제하는 데 효과적일 것으로 기대되기 때문이다[21][38].

IR법은 원하는 수준의 영상 품질을 얻기 위해 반복적인 계산 과정을 거쳐야 하므로, 한 번의 계산으로 결과를 얻는 역투영법에 비해 계산 시간이 많이 소요된다는 단점이 있다[38]. 하지만 컴퓨터 기술의 발달로 계산 속도가 빨라지면서 이러한 단점은 점차 극복되고 있다[38][39]. 또한, IR법은 재구성 과정에서 통계적 잡음의 특성, 장치의 분해능, 피사체의 형태적 특징(매끄러움 등)과 같은 다양한 사전 정보를 반영할 수 있는 유연성을 가진다. 최근에는 압축 센싱(compressed sensing) 이론과 같은 새로운 기술들이 도입되면서 IR법의 활용 가능성과 성능이 더욱 향상되고 있다[38][39].

3. 평행 빔 광학계를 이용한 단층 촬영 및 복원

단층 촬영 영상을 촬영하고 복원하는 방법에는 여러 가지가 있으며, 그중 하나가 평행 빔 광학계를 이용하는 방식이다. 이 외에도 부채꼴 빔(팬 빔)이나 원뿔 빔(콘 빔)을 사용하는 방법도 있다.

토모그래피의 수학적 기초는 라돈 변환과 라돈 역변환이다.[21] 라돈 변환은 토모그래피의 기본 원리일 뿐만 아니라, 하프 변환 등 다른 분야에도 응용된다.[40][41][42] 여기서는 토모그래피의 모델화 관점에서 평행 빔 광학계를 이용한 단층 촬영 및 복원의 기본 원리를 소개한다.

Figure2: 평행 빔 조사 광학계에 의한 토모그래프상 촬영 원리.
피사체와 투과광의 각도를 \theta로 하는 평행 빔 조사 광학계를 생각할 수 있다. 이 광학계로 얻는 투영상은 일종의 선적분 결과로 볼 수 있으며, 이는 피사체를 빔이 통과할 때 발생하는 감쇠량(attenuation)을 나타낸다. 그림 속 기호는 (1) 피사체, (2) 평행 빔 광원, (3) 스크린, (4) 투과광, (5) 평행 빔 광원 및 스크린의 궤도, (6) 궤도 중심, (7) 투영상(1차원 영상; p(s,\theta))을 의미한다.


평행 빔 광학계 방식에서, 특정 각도(\theta)로 피사체에 평행한 빔을 조사하고 투과된 광선의 강도를 측정한다. 이 측정값은 피사체 내부의 흡수 계수 분포(\mu(x,y))를 특정 경로에 따라 선적분한 값에 해당하며, 이를 투영 데이터(p(s,\theta))라고 한다.

수학적으로 이 과정은 다음과 같이 요약된다.

  • 라돈 변환: 피사체의 흡수 계수 분포(\mu(x,y))로부터 다양한 각도(\theta)와 위치(s)에서의 투영 데이터(p(s,\theta))를 얻는 과정을 모델링한다. 즉, 실제 측정 과정을 수학적으로 표현하는 것이다.
  • 라돈 역변환: 측정된 여러 각도의 투영 데이터(p(s,\theta))를 이용하여 원래 피사체의 내부 구조, 즉 흡수 계수 분포(\mu(x,y))를 복원하는 계산 과정이다.


평행 빔 광학계를 이용한 단층 촬영의 구체적인 수학적 모델링과 영상 복원 과정(라돈 역변환 계산)에 대한 자세한 내용은 이어지는 하위 섹션에서 다룬다.

3. 1. 평행 빔 광학계를 이용한 단층 촬영 모델링

토모그래피의 수학적 기초는 라돈 변환과 라돈 역변환이다.[21] 라돈 변환은 토모그래피의 기본 원리일 뿐만 아니라, 예를 들어 하프 변환 등에도 응용된다.[40][41][42] 여기서는 토모그래피의 모델화 관점에서 평행 빔 광학계를 이용한 단층 촬영 모델링을 설명한다.

좌표 (x, y)에서 피사체의 흡수 계수를 함수 \mu(x,y)라고 하자. 이 함수의 라돈 변환은 다음과 같이 주어진다.

:p(s,\theta) = -{\int}_{-\infty}^{\infty}\mu(s\cos \theta -t\sin \theta,s\sin \theta + t\cos \theta )\,dt

이는 함수 \mu(x,y)를 특정 직선 {l}_{[\theta,s]}(t)를 따라 선적분한 값에 음수를 취한 것이 라돈 변환의 (\theta,s)에서의 값 p(s,\theta)가 됨을 의미한다. 여기서 직선 {l}_{[\theta,s]}(t)는 다음과 같다.

:{l}_{[\theta,s]}(t) =\begin{bmatrix}

s\cos \theta -t\sin \theta \\

s\sin \theta + t\cos \theta \\

\end{bmatrix}



이 식에서 \theta는 직선의 기울기 각도를, s는 직선과 원점 사이의 거리를 나타낸다.

단층 촬영 과정을 모델링하면 다음과 같다.

# 피사체의 흡수 계수 분포 \mu(x,y)에 라돈 변환을 적용하여 측정 데이터인 투과상 p(s,\theta)를 얻는다.

# 측정된 p(s,\theta)에 라돈 역변환을 적용하여 원래의 흡수 계수 분포 \mu(x,y)를 복원한다.

라돈 변환은 피사체를 광선이 투과할 때 발생하는 감쇠를 고려하여 유도할 수 있다. 이때 광선은 기하 광학적인 빛으로 가정한다. 즉, 광선은 직진하며 흡수는 되지만 회절, 산란, 반사는 일어나지 않는다고 가정한다. 예를 들어 X선을 인체에 투과시키는 경우가 이에 해당한다.

흡광 현상이 람베르트-베어의 법칙[21]을 따른다고 가정하면, 광선의 입사 강도를 {I}_{0}, 투과 후 강도를 I라고 할 때 다음 식이 성립한다.

:I = I_0\exp\left({-\int\mu(x,y)\,dl}\right)

여기서 \int\mu(x,y)\,dl은 광선 경로 l을 따른 흡수 계수의 선적분이다. 따라서 광선 l을 따른 흡광도 p_{l}은 다음과 같이 정의된다.

:p_{l} = \ln (I/I_0) = -\int\mu(x,y)\,dl

이제 x-y 평면에서 각도 \theta를 이루는 평행 광선들을 생각해보자. 새로운 좌표계 s-t를 x-y 좌표계를 각도 \theta만큼 회전하여 정의한다.

:

\begin{bmatrix} s\\ t \end{bmatrix} = \begin{bmatrix}

\cos \theta & \sin \theta \\

  • \sin \theta & \cos \theta \\

\end{bmatrix}

\begin{bmatrix} x \\ y \end{bmatrix}



회전 행렬의 성질에 의해 역변환은 다음과 같다.

:

\begin{bmatrix} x\\ y \end{bmatrix} = \begin{bmatrix}

\cos \theta & -\sin \theta \\

\sin \theta & \cos \theta \\

\end{bmatrix}

\begin{bmatrix} s \\ t \end{bmatrix}

=\begin{bmatrix}

s\cos \theta -t\sin \theta \\

s\sin \theta + t\cos \theta \\

\end{bmatrix}



이 식에서 s와 \theta를 고정하면, t를 매개변수로 하는 직선의 방정식이 된다.

:

\begin{bmatrix} x\\ y \end{bmatrix}

= t

\begin{bmatrix}

  • \sin \theta \\

\cos \theta \\

\end{bmatrix} +

\begin{bmatrix}

s\cos \theta \\

s\sin \theta \\

\end{bmatrix}



이는 x-y 평면에서 각도 \theta를 이루고 원점으로부터 거리 s만큼 떨어진 직선 {l}_{[\theta,s]}(t)를 나타낸다. 이 직선 {l}_{[\theta,s]}(t)에 의한 흡광량을 p(s,\theta)로 쓰면 다음과 같다.

:p(s,\theta) = -{\int}_{-\infty}^{\infty}\mu(s\cos \theta -t\sin \theta,s\sin \theta + t\cos \theta )\,dt

이 식은 앞서 정의한 라돈 변환과 일치한다. 결국, x축에 대해 각도 \theta를 이루는 평행 광선으로 얻어지는 1차원 투과상의 프로파일 p(s,\theta)는 흡수 계수 분포 \mu(x,y)의 라돈 변환으로 주어지며, 이것이 CT 촬영에서 실제로 측정되는 데이터이다.

3. 2. 평행 빔 광학계를 이용한 단층 영상 복원

토모그래피의 수학적 기초는 라돈 변환과 라돈 역변환이다.[21] 라돈 변환은 토모그래피의 기본 원리일 뿐만 아니라, 하프 변환 등 다른 분야에도 응용된다.[40][41][42] 여기서는 토모그래피의 모델화 관점에서 설명한다.

좌표 (x, y)에서 피사체의 흡수 계수를 함수 \mu(x,y)라고 하자. 이 함수의 라돈 변환은 다음과 같이 주어진다.

:p(s,\theta) = {\int}_{-\infty}^{\infty}\mu(s\cos \theta - t\sin \theta, s\sin \theta + t\cos \theta )\,dt

즉, \mu(x,y)의 라돈 변환의 (\theta,s)에서의 값 p(s,\theta)는, 함수 \mu(x,y)를 특정 직선 {l}_{[\theta,s]}(t)을 따라 선적분한 값이다. 여기서 직선 {l}_{[\theta,s]}(t)는 다음과 같이 정의된다.

:{l}_{[\theta,s]}(t) =\begin{bmatrix} s\cos \theta - t\sin \theta \\ s\sin \theta + t\cos \theta \\ \end{bmatrix}

이 식은 파라미터 t에 대한 직선을 나타내며, 이때 \theta는 직선의 기울기 각도를, s는 원점과 직선 사이의 거리를 의미한다.

요약하면, 평행 빔 광학계를 이용한 단층 영상 복원 과정은 다음과 같이 모델링할 수 있다.

# 피사체의 흡수 계수 분포 \mu(x,y)에 라돈 변환을 적용하여 측정 결과인 투영 데이터 p(s,\theta)를 얻는다.

# 측정된 투영 데이터 p(s,\theta)에 라돈 역변환을 적용하여 원래 피사체의 흡수 계수 분포 \mu(x,y)를 복원한다.

라돈 역변환의 구체적인 계산 과정은 하위 섹션에서 더 자세히 다룬다.

3. 2. 1. 2차원 푸리에 변환

라돈 역변환이란 실측된 p(s,\theta)로부터 \mu(x,y)를 복원하는 작업을 말한다. 이를 설명하기 위해서는 2변수 함수의 푸리에 변환에 대해 알 필요가 있으므로 간단히 살펴본다.

먼저, \mu(x,y)의 푸리에 변환은 다음과 같이 정의된다.

: \hat{\mu}(u,v)={\int}_{-\infty}^{\infty}{\int}_{-\infty}^{\infty}\mu(x,y)\cdot exp(i(ux+vy))dxdy

여기서 \hat{\mu}(u,v)는 \mathcal{F\mu}(u,v)라고 표기하기도 한다. 수식 안의 "\cdot" 기호는 함수와 함수의 곱셈을 의미한다.

앞서 정의된 \hat{\mu}(u,v)와 원래 함수 \mu(x,y) 사이에는 다음 등식이 성립하며, 이를 푸리에 역변환이라고 한다.

: {\mu}(x,y)=\frac{1}{4{\pi}^{2}}{\int}_{-\infty}^{\infty}{\int}_{-\infty}^{\infty}\hat{\mu}(u,v)\cdot exp(i(xu+yv))dudv

즉, 어떤 함수를 푸리에 변환한 후 다시 푸리에 역변환을 하면 원래의 함수로 돌아온다. 여기서도 "\cdot" 기호는 함수와 함수의 곱셈을 의미한다.

3. 2. 2. 라돈 역변환

실제로 측정된 투영 데이터 p(s,\theta)로부터 원래의 함수, 즉 피사체의 흡수 계수 분포 \mu(x,y)를 복원하는 과정을 생각해 볼 수 있다. 이 복원 연산은 수학적으로 라돈 역변환이라고 불리며, 다음과 같은 2단계로 수행된다.

  • 라돈 역변환 단계 (1)

:\tilde{p}(r,\theta) = {\int}_{s = -\infty}^{s = \infty} p(s,\theta)\exp(isr)ds

을 계산하여 측정된 투영 데이터 p(s,\theta)를 변환한다.

  • 라돈 역변환 단계 (2)

: {\mu}(x,y)=\frac{1}{4{\pi}^{2}} {\int}_{r=0}^{r=\infty}{\int}_{\theta=0}^{\theta=2\pi} \tilde{p}(r,\theta)\exp(i<(r\cos\theta,-r\sin\theta )|(x,y) >)rdrd\theta

을 계산하여 1단계에서 얻은 \tilde{p}(r,\theta)를 이용해 최종적으로 원래의 흡수 계수 분포 \mu(x,y)를 복원한다.

이 두 단계의 계산을 통해 \mu(x,y)가 복원된다.

4. 부채꼴 빔(Fan Beam) 광학계를 이용한 단층 촬영 및 복원

단층 촬영 영상을 촬영하는 방법에는 평행 빔 광학계, 부채꼴 빔(팬 빔, Fan Beam) 광학계, 원뿔 빔(콘 빔, Cone Beam)을 사용하는 방법 등이 있다. 의료 기기에서는 주로 부채꼴 빔 방식을 사용한다.

부채꼴 빔(Fan Beam) 조사 광학계를 이용한 단층 촬영 원리

5. 원뿔 빔(Cone Beam) 광학계를 이용한 단층 촬영 및 복원

원뿔형(Cone Beam) 빔을 플랫 패널 검출기와 같이 2차원으로 배치된 검출 소자를 사용하여 검출하는 방식이다.[21] 1998년 소니가 이 기술을 활용한 선구적인 대시야 3차원 X선 CT 개발에 성공하였다.[43] 이 기술은 콘빔 CT나 멀티슬라이스 CT 등에 사용된다.

6. 단층 촬영의 종류

단층 촬영은 물체를 파괴하지 않고 내부 구조를 시각화하기 위해 다양한 물리적 원리를 활용한다. 대표적으로 X선을 이용하는 CT, 자기 공명 현상을 이용하는 MRI, 초음파를 이용하는 기법 등이 널리 사용된다. 이 외에도 감마선, 중성자, 뮤온과 같은 입자나 전기 용량, 전기 저항, 빛, 음파 등 다양한 물리 현상을 데이터 소스로 활용하는 여러 종류의 단층 촬영 기술이 개발되어 의학, 산업, 과학 연구 등 다양한 분야에서 응용되고 있다.[2][3][4][5][6][7][8][9][10][11][12][13][14][15]

최근에는 CT와 MRI를 결합하거나, CT와 PET를 결합하는 것처럼 서로 다른 물리 현상을 이용하는 기술들을 융합하여 더 정확하고 상세한 정보를 얻으려는 시도도 이루어지고 있다.

한편, 특정 물리 현상에 기반한 실험적 단층 촬영 기법 외에도 이산 단층 촬영술이나 기하 단층 촬영술과 같이, 결정처럼 이산적인 구조를 가지거나 균질한 물체의 영상을 재구성하는 수학적 방법론에 초점을 맞춘 연구 분야도 존재한다.

6. 1. 방사선 기반

방사선을 이용하여 물체 내부의 단면 영상을 얻는 단층촬영 기법들이 있다. 주요 방사선원으로는 X선, 중성자, 뮤온, 감마선 등이 사용된다.

  • X선 기반 단층촬영술:
  • X선 전산화 단층 촬영술 (CT 또는 CAT 스캔): 대표적인 기법으로, 1971년에 도입되었다. X선을 여러 각도에서 조사하여 얻은 데이터를 컴퓨터로 재구성하여 단면 영상을 얻는다.
  • 초점면 단층 촬영술: X선을 사용하는 초기 단층촬영 기법으로 1930년대에 도입되었다.
  • X선 마이크로 단층 촬영술 (microCT): X선을 이용하여 미세한 구조를 고해상도로 촬영하는 기법이다.[15]
  • 다중 소스 단층 촬영술: 여러 개의 X선 소스를 동시에 사용하여 촬영 속도를 높이거나 영상 품질을 개선하는 기법이다.[11][12]

  • 중성자 기반 단층촬영술:
  • 중성자 단층 촬영술: 중성자를 이용하여 물체 내부 구조를 시각화하는 기술이다. X선과는 다른 물질 투과 특성을 이용하여 특정 원소나 재료를 구분하는 데 유용하다. 중성자 영상 기법의 일종이다.[44]

  • 뮤온 기반 단층촬영술:
  • 뮤오그래피: 우주선에 의해 생성되어 지구로 쏟아지는 뮤온 입자를 이용하는 기법이다. 뮤온은 투과력이 매우 높아 수 킬로미터 두께의 암반도 통과할 수 있다. 이를 이용하여 화산의 마그마 활동 감시, 피라미드와 같은 거대 구조물의 내부 조사[45], 원자로 노심 상태 확인[46][47][48] 등 다양한 분야에서 활용된다.

  • 감마선 기반 단층촬영술:
  • 단일 광자 방출 전산화 단층 촬영술 (SPECT): 체내에 주입한 방사성 동위원소에서 나오는 감마선을 감지하여 기능적 영상을 얻는 핵의학 영상 기법이다.
  • 양전자 방출 단층 촬영술 (PET): 양전자를 방출하는 방사성 동위원소를 이용하며, 방출된 양전자가 전자와 소멸할 때 나오는 한 쌍의 감마선을 감지하여 몸속 생화학적 변화를 영상으로 만든다.
  • 양전자 방출 단층 촬영술 - 계산 단층 촬영술 (PET-CT): PET 스캔과 CT 스캔을 결합한 형태로, 기능 정보(PET)와 해부학 정보(CT)를 함께 얻어 진단 정확도를 높인다.
  • 감마선 방출 단층 촬영술 (TGS 또는 ECT): 감마선 방출을 이용하는 단층촬영 기법이다.
  • 감마선 투과 단층 촬영술 (TCT): 외부 감마선원을 사용해 물체를 통과한 감마선을 측정하여 내부 구조를 영상화한다.

6. 2. 지진파 기반

지진파 단층 촬영술은 지진파의 전파 시간을 이용하여 지구 내부의 3차원 속도 구조를 구하는 기법이다.

6. 3. 해양 음향 기반

해양 음향 단층 촬영술( Ocean Acoustic Tomography|해양 음향 단층 촬영술eng, OAT)은 음파 탐지기를 데이터 소스로 활용하는 단층 촬영 기법이다. 이 기술은 해양 속에서 음파의 전파 시간을 측정하여, 음파가 전달된 해양 내부의 상태를 조사하는 데 사용된다.

6. 4. 기타

주요 단층 촬영 기술 외에도 다양한 물리적 원리와 현상을 이용하는 여러 단층 촬영 기법들이 존재한다. 이들은 특정 대상이나 목적에 맞춰 개발되었으며, 의학뿐만 아니라 지질학, 재료 과학, 고고학 등 다양한 분야에서 활용된다.

  • '''전자기파 기반 기술'''
  • * 항공 단층 촬영술 (AT): 전자기파를 이용하며, 2020년에 도입되었다.
  • * 계산 단층 촬영 영상 분광기 (CTIS): 가시광선 분광 영상을 데이터 소스로 사용하며, 2001년에 도입되었다.[3]
  • * 화학 발광 계산 단층 촬영술 (CTC): 화학 발광하는 불꽃을 관찰하여 단층 영상을 얻는 기술로, 2009년에 소개되었다.[4][5]
  • * 적외선 마이크로 단층 촬영 영상: 중적외선을 이용하여 미세 구조를 촬영하는 기술로, 2013년에 개발되었다.[10]
  • * 마이크로파 단층 촬영술: 마이크로파를 이용하여 내부 구조를 영상화한다.[13]
  • * 광 간섭 단층 촬영술 (OCT): 빛의 간섭 현상을 이용하여 고해상도의 단층 영상을 얻는다. 특히 생체 조직의 얕은 부분(수 mm 깊이)을 세포 수준에서 관찰하는 데 유용하며, 깊이 5mm 미만의 단층 영상을 얻는 데 사용된다.[51]
  • * 광학 단층 촬영술 (ODT): 빛의 흡수 차이를 이용하여 내부 구조를 영상화한다.
  • * 광학 투영 단층 촬영술 (OPT): 광학 현미경을 기반으로 하여 3차원 영상을 재구성한다.
  • * 테라헤르츠 단층 촬영술 (THz-CT): 테라헤르츠 방사선(주파수 100GHz ~ 10THz, 파장 30um ~ 3mm)을 이용하여 물질 내부를 비파괴적으로 검사하고 영상화한다.[58]
  • * 전리층 단층 촬영술: 전리층을 통과하는 전파의 특성 변화를 분석하여 전리층의 구조를 파악한다.[60]
  • * 수증기 단층 촬영술: 여러 GPS 관측점에서 수신한 위성 신호의 대기 지연량을 분석하여 대기 중 수증기의 공간 분포를 계산하는 기술이다. GPS 기상학 분야에서 활용된다.[61][62]

  • '''입자 기반 기술'''
  • * 원자 탐침 단층 촬영술 (APT): 원자 탐침을 이용하여 원자 수준의 3차원 영상을 얻는 기술로, 1986년에 도입되었다.
  • * 극저온 전자 단층 촬영술 (CryoET): 시료를 극저온 상태로 유지하며 극저온 투과 전자 현미경으로 촬영하여 3차원 구조를 분석한다.
  • * 전자 단층 촬영술 (ET): 투과 전자 현미경을 이용하여 시료의 3차원 미세 구조를 재구성하는 기술로, 1968년에 처음 소개되었다.[7][8][9]
  • * 뮤온 단층 촬영술 (뮤오그래피): 우주선에 의해 생성되어 지표면에 도달하는 뮤온 입자는 투과력이 매우 높아 두꺼운 물질 내부를 조사하는 데 사용된다. 1km의 암반도 투과할 수 있어 화산의 마그마 활동 감시, 피라미드와 같은 거대 구조물의 내부 탐사[45], 원자로 노심 상태 확인[46][47][48] 등에 응용된다.
  • * 중성자 단층 촬영술 (중성자 영상): 중성자 빔을 시료에 투과시켜 내부 구조를 영상화하는 기술이다. X선과 상호작용 방식이 달라 특정 물질(특히 수소 함유 물질) 관찰에 유리하다.[44]

  • '''전기/자기 현상 기반 기술'''
  • * 전기 용량 단층 촬영술 (ECT): 물체 주변의 전기 용량 변화를 측정하여 내부의 유전율 분포를 영상화하는 기술로, 1988년에 도입되었다.[6][54][55] 전기 용량 체적 단층 촬영술(ECVT)은 이를 3차원으로 확장한 기술이다.
  • * 전기 저항 단층 촬영술 (ERT) / 비저항 단층 촬영술: 물체 표면에 전류를 흘려주고 전압을 측정하여 내부의 전기 저항 또는 전기 전도도 분포를 영상화한다. 주로 지질 탐사[49]나 산업 공정 모니터링에 사용된다.
  • * 전기 임피던스 단층 촬영술 (EIT): 전기 임피던스 분포를 영상화하는 기술로, 1984년에 도입되었다. 인체 내부 장기의 기능 변화 관찰 등 의료 분야 응용 연구가 진행 중이다.[53][54]
  • * 자기 유도 단층 촬영술 (MIT): 전자기 유도 현상을 이용하여 물체 내부의 전도율이나 투자율 분포를 영상화한다. 송신 코일로 유도 전류를 발생시키고, 이로 인해 생성된 자기장을 검출하여 내부 구조를 파악한다.[56]
  • * 자기 입자 영상 (MPI): 초상자성 나노 입자를 추적하여 영상화하는 기술로, 2005년에 개발되었다.

  • '''음파/탄성파 기반 기술'''
  • * 해양 음향 단층 촬영술 (OAT): 음파 탐지기를 이용하여 해양 내부에 음파를 전파시키고 그 도달 시간을 측정하여 해류나 수온 분포 등 해양 내부 상태를 광역적으로 파악하는 기술이다.
  • * 생체 의학에서의 광음향 영상 (PAT): 광음향 분광법 원리를 이용하여 레이저 펄스에 의해 조직 내에서 발생하는 초음파 신호를 감지하여 영상화한다.
  • * 지진 단층 촬영술: 지진파가 지구 내부를 통과하는 시간을 분석하여 지구 내부의 속도 구조를 3차원으로 재구성하는 기술이다.
  • * 탄성파 단층 촬영술: 인공적으로 발생시킨 탄성파를 이용하여 지질 구조를 영상화하는 기술이다.[49]
  • * 음향 단층 촬영술: 고주파 음파를 이용하여 지반, 구조물, 암반, 콘크리트 내부의 균열이나 수목 내부의 공동 등을 비파괴적으로 검사하고 가시화한다.[50]
  • * 열음향 영상 (TAT) / 열음향 단층 촬영술: 마이크로파나 레이저 등으로 대상체를 가열했을 때 발생하는 초음파 신호를 감지하여 내부 구조를 영상화한다. 광음향 분광법과 유사한 원리를 사용한다.[57]
  • * 초음파 변조 광학 단층 촬영술 (UOT): 초음파를 이용하여 조직 내부의 빛 산란 특성을 변화시키고 이를 감지하여 영상화하는 기술이다.
  • * 초음파 전산화 단층 촬영술 (USCT): 여러 각도에서 초음파를 투과시키거나 반사시켜 얻은 데이터를 컴퓨터로 재구성하여 단층 영상을 얻는다. 초음파 투과 단층 촬영술도 유사한 원리를 이용한다.

  • '''기타 기술'''
  • * 배열 단층 촬영술 (AT): 상관 광전자 현미경을 이용하여 시료의 연속 절편 이미지를 얻고 이를 3차원으로 재구성하는 기술로, 2007년에 도입되었다.[2]
  • * 레이저 주사 공초점 현미경 (LSCM): 레이저를 이용하여 시료의 특정 초점면 이미지만을 얻어 3차원 구조를 관찰하는 현미경 기술이다.
  • * 수압 단층 촬영술 (HT): 유체 흐름 데이터를 분석하여 지하의 수리적 특성 분포를 추정하는 기술로, 2000년에 도입되었다.
  • * 레이저 절제 단층 촬영술 (LAT): 레이저 절제 기술과 형광 현미경을 결합하여 시료를 얇게 깎아내면서 단면 이미지를 연속적으로 얻어 3차원 구조를 재구성하는 기술로, 2013년에 개발되었다.
  • * 광전자 방출 궤도 단층 촬영술 (POT): 각도 분해 광전자 분광법 데이터를 이용하여 분자 오비탈의 운동량 공간 분포를 재구성하는 기술로, 2009년에 소개되었다.[14]
  • * 양자 단층 촬영술 (QST): 미지의 양자 상태를 실험적으로 완전히 결정하는 과정을 의미한다. 양자 정보 처리 실험에서 중요한 역할을 한다.[59]
  • * 제만-도플러 영상: 별 표면의 자기장 분포를 제만 효과와 도플러 효과를 이용하여 재구성하는 천문학적 기법이다.


일부 최신 기술들은 CT와 혈관 조영술처럼 동일한 물리 현상(X선)을 다른 방식으로 활용하거나, CT/MRI, CT/PET와 같이 서로 다른 물리 현상을 이용하는 장비를 결합하여 더 많은 정보를 얻기도 한다.

한편, 이산 단층 촬영술이나 기하 단층 촬영술은 특정 물리 현상에 기반한 실험 기법이라기보다는, 결정과 같이 이산적인 구조를 가지거나 균질한 물체의 단층 영상을 재구성하는 수학적 방법론에 관한 연구 분야이다.

7. 볼륨 렌더링

3D 모델을 형성하기 위해 쌓아 올린 여러 장의 컴퓨터 단층 촬영술(QCT) X선 이미지


볼륨 렌더링은 3차원 스칼라 필드 형태의 이산적인 샘플링 데이터 세트를 2차원 투영 이미지로 보여주는 기술들을 통칭한다. 일반적으로 사용되는 3차원 데이터 세트는 CT, MRI, 또는 마이크로CT 스캐너를 통해 얻어진 여러 장의 2차원 단면 이미지들로 구성된다. 이 이미지들은 보통 일정한 간격(예: 매 밀리미터마다 한 장)으로 촬영되며, 각 이미지는 정해진 수의 픽셀로 이루어져 규칙적인 형태를 가진다.

이렇게 얻어진 3차원 데이터는 각 복셀(voxel, 부피 요소)이 주변 영역을 샘플링하여 얻은 단일 값으로 표현되는 정규 볼륨 그리드 형태를 띤다.

3차원 데이터 세트를 2차원 투영 이미지로 렌더링하기 위해서는 먼저, 가상의 카메라 위치를 볼륨 데이터 기준으로 설정해야 한다. 또한, 모든 복셀의 불투명도와 색상을 정의해야 하는데, 이는 주로 모든 가능한 복셀 값에 대해 RGBA(빨강, 녹색, 파랑, 알파) 값을 지정하는 전송 함수를 사용하여 이루어진다.

볼륨 데이터를 시각화하는 방법에는 여러 가지가 있다. 예를 들어, 볼륨 내에서 동일한 값을 가지는 지점들을 연결한 등면(isosurface)을 추출하여 이를 다각형 메시 형태로 렌더링할 수 있다. 마칭 큐브 알고리즘은 이러한 등면을 추출하는 데 널리 사용되는 기술이다. 또는 데이터 블록 자체를 직접 렌더링하는 직접 볼륨 렌더링 방식도 있으며, 이는 계산량이 많은 작업으로 다양한 기법을 통해 수행될 수 있다.

8. 역사

초점면 단층촬영술은 1930년대 방사선과 의사인 알레산드로 발레보나에 의해 개발되었다. 이 기술은 투사 방사선 촬영술에서 여러 구조물이 겹쳐 보이는 문제를 줄이는 데 유용했다. 초점면 단층촬영술은 초점면의 구조는 선명하게 보이고 다른 면의 구조는 흐릿하게 보이는 원리를 이용한다. 촬영 중 엑스선원과 필름을 서로 반대 방향으로 움직이는데, 이 움직임의 방향과 범위를 조절하여 원하는 구조물이 있는 특정 초점면을 선택할 수 있다.

1953년 의학 저널 ''흉부''에 실린 글에서 포트 윌리엄 요양소의 B. 폴락은 단층촬영술의 다른 이름인 평면 촬영술의 사용법을 설명하기도 했다.[19]

초점면 단층촬영술은 1970년대 후반 컴퓨터 단층 촬영술(CT)이 등장하면서 대부분 대체되었다.[20]

9. 싱크로트론 X선 단층 현미경 (SRXTM)

새로운 기술인 싱크로트론 X선 단층 현미경(synchrotron X-ray tomographic microscopyeng, 이하 SRXTM)을 이용하면 화석 등을 상세하게 3차원으로 스캔할 수 있다.[16][17]

1990년대 이후 3세대 싱크로트론 광원의 구축과 검출기 기술, 그리고 데이터 저장 및 처리 능력의 획기적인 향상은 SRXTM 기술 발전을 이끌었다. 이 기술은 시료 내에서 흡수율이 다른 상(phase)이나 미세한 구멍, 균열, 침전물 또는 입자 등을 시각화하고 정량적으로 분석하는 등 다양한 응용 분야에서 활용된다.

싱크로트론 방사선은 고진공 상태에서 자유 입자를 가속하여 생성된다. 전자기학 법칙에 따르면 이러한 입자의 가속은 전자기파 방출로 이어진다(Jackson, 1975). 선형 입자 가속기를 사용하는 방법도 있지만, 연속적인 방사선원을 얻기 위해서는 전하를 띤 입자를 닫힌 궤도에 유지하는 것이 더 실용적이다. 이를 위해 자기장을 사용하여 입자가 직선으로 날아가지 않고 원하는 궤도를 돌도록 강제한다. 이때 입자의 방향 변화와 관련된 방사 가속도가 방사선을 만들어낸다.[18]

참조

[1] 서적 Fundamentals of Computerized Tomography: Image Reconstruction from Projections Springer 2009
[2] 논문 Array Tomography: A New Tool for Imaging the Molecular Architecture and Ultrastructure of Neural Circuits 2007-07
[3] 논문 Computed Tomography-Based Spectral Imaging For Fluorescence Microscopy 2001-02
[4] 논문 Computed Tomography of Chemiluminescence (CTC): Instantaneous 3D measurements and Phantom studies of a turbulent opposed jet flame 2011-02
[5] 논문 Instantaneous 3D imaging of highly turbulent flames using computed tomography of chemiluminescence. 2017-09-10
[6] 논문 Capacitance-based tomographic flow imaging system 1988
[7] 논문 The ASTRA Toolbox: a platform for advanced algorithm development in electron tomography 2015
[8] 논문 The reconstruction of a three-dimensional structure from projections and its application to electron microscopy 1970-06-23
[9] 서적 Electron tomography: methods for three-dimensional visualization of structures in the cell https://archive.org/[...] Springer 2006
[10] 논문 3D spectral imaging with synchrotron Fourier transform infrared spectro-microtomography 2013-09
[11] 논문 Stationary Computed Tomography for Space and other Resource-constrained Environments 2018
[12] 논문 Multisource X-Ray and CT: Lessons Learned and Future Outlook https://www.research[...] 2014
[13] 논문 Three dimensions localization of tumors in confocal microwave imaging for breast cancer detection http://psasir.upm.ed[...] 2015-12
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[16] 논문 Synchrotron X-ray tomographic microscopy of fossil embryos. 2006-08-10
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[18] 서적 Advanced Tomographic Methods in Materials Research and Engineering Oxford University Press 2008
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