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다중 문턱전압을 이용한 의료영상기기의 신호처리 시스템 및 방법Signal processing system and method for medical image equipment using multi threshold voltage

분야의료기기
거래유형특허지원
업체-

기술개요

2.1.1 기술의 배경
○ 최근 들어, 전 세계적으로 경제성장, 고령화, 건강에 대한 관심증가에 따라 비침습적으로 생체 내부를 영상 형태로 나타내어 정확한 질병진단에 필요한 정보를 제공하는 의료용 영상진단기기가 의료 분야에서 널리 사용되고 있다.
○ 이러한 의료용 영상기기 중에서도 단층영상 획득기기는 X선 전산화단층촬영장치(Computed Tomography, CT), 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI) 및 핵의학 영상기기 등이 활용되고 있다.
○ 특히, CT와 MRI는 인체의 상세한 해부학적 영상을 제공하고, 방사성동위원소를 이용하는 핵의학 영상은 인체 내 생리학적 현상을 나타내는 영상을 제공한다.
○ 이러한 의료용 영상진단기기에서 의료 영상 획득을 위해 사용되는 데이터 신호 처리 시스템은 다채널 확장 시 개발 비용이 증가하고, 시스템의 크기 또한 커진다는 문제점이 있다.
○ 뿐만 아니라, 신호 처리 시스템 내 다채널 확장 시 시스템의 크기를 줄이기 위해서 ASIC을 사용하거나 ADC, TDC를 이용하지만 이로 인하여 비용이 높아지며, 각 채널의 동기화 문제 및 많은 데이터 처리를 위한 데이터 신호처리 시스템 내부 자원 부족현상이 발생하는 문제점을 가진다.

2.2.2 기술의 내용
○ 본 발명은 다중 문턱전압을 이용한 방사선 영상진단기기의 신호처리 시스템 및 방법에 관한 것으로, 특히 의료 영상 분야의 방사선 검출신호를 서로 다른 값을 갖는 다수의 문턱전압을 이용하여 방출된 방사선의 에너지 정보, 시간 정보 및 위치 정보를 용이하게 측정하는 다중 문턱전압을 이용한 방사선 영상진단기기의 신호처리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
- 본 발명의 다중 문턱전압을 이용한 방사선 영상진단기기의 신호처리 시스템(100)은 신호 검출기(120), 아날로그 신호처리부(140) 및 디지털 신호처리부(160)로 구성된다.
- 신호 검출기(120)는 대상체 내부로 주입된 방사성의약품으로부터 방출된 방사선 또는 상기 대상체로 조사되어 투과된 방사선을 검출하여 체내 분포 또는 장기 내 분포를 나타내는 방사선 검출신호를 생성하여 출력한다.
- 이러한 신호 검출기는 SPECT 검출기, 감마 카메라, X-선 검출기, PET 검출기 중 하나를 포함할 수 있고, 출력되는 방사선 검출신호는 가우시안(Gaussian) 신호 또는 세미 가우시안(Semi-Gaussian) 신호 형태로 출력될 수 있다.
- 아날로그 신호처리(140)부가 상기 신호 검출기(120)로부터 출력된 각 채널별 방사선 검출신호를 입력받아, 균일한 이득을 갖도록 상기 방사선 검출신호를 증폭시킨다.
- 상기 아날로그 신호처리부(140)가 기설정된 복수 개의 서로 다른 문턱전압값을 입력받아, 증폭된 상기 방사선 검출신호와, 상기 복수 개의 서로 다른 문턱전압값에 따른 신호를 상호 비교하여 비교신호를 생성하여 출력한다.
- 이러한 비교신호를 생성하는 과정을 좀 더 자세히 살펴보면, 증폭기(142)가 상기 신호 검출기(120)로부터 출력된 각 채널별 방사선 검출신호를 입력받아, 상기 방사선 검출신호의 이득이 균일하도록 상기 방사선 검출신호를 증폭시킨다.
- 이후, 복수 개의 비교기(143, 144, 145, 146)가 증폭된 상기 방사선 검출신호 및 서로 다른 값으로 기설정된 복수 개의 문턱전압값을 입력받아, 증폭된 상기 방사선 검출신호와 입력받은 복수 개의 문턱전압값에 따른 신호를 각각 비교하여 복수 개의 비교신호로 변환되어, 변환된 비교신호는 디지털 신호처리부(160)로 입력된다.
- 디지털 신호처리부(160)가 상기 아날로그 신호처리부(140)로부터 출력된 복수 개의 상기 비교신호를 복수 개의 입출력 포트(I/O pin)를 통해 각각 입력받고, 입력받은 신호 중 가장 낮은 문턱전압이 설정된 제1 비교기(143)로부터 출력된 비교신호가 상기 디지털 신호처리부(160)로 입력될 때, 가장 높은 카운터 값이 저장되고, 이와 반대로 가장 높은 문턱전압이 설정된 제4 비교기(146)로부터 출력된 비교신호가 상기 디지털 신호처리부(160)로 입력될 때, 가장 낮은 카운터 값이 저장되는 것을 알 수 있다.
- 이때, 디지털 신호처리부(160)가 FPGA로 이루어질 수 있는데, 특히, 상기 FPGA는 내부의 클럭 제너레이터(161)로부터 생성된 350 MHz 보다 작은 내부 클럭에 의해 동작되며, 각각의 비교기(143, 144, 145, 146)로부터 출력된 복수 개의 비교신호가 디지털 신호처리부(160)로 입력될 때, 상기 내부 클럭에 의해 동작하는 카운터(162)의 카운터 값이 별도로 저장된다.
- 이처럼, 각각의 비교기별로 서로 다른 비교신호가 출력되고, 출력된 각각의 비교신호에 따라 서로 다른 카운터 값이 저장되며, 이와 같이 저장된 카운터 값을 이용하여 대상체로부터 검출된 방사선에 대한 반응 에너지 정보 및 반응 시간 정보를 연산한다.
- 이하에서는 대상체로부터 검출된 방사선에 대한 반응 에너지 정보, 및 반응 시간 정보의 연산과정에 대하여 자세히 살펴보면 다음과 같다.
- 먼저, 방사선의 반응 에너지 정보는 저장된 카운터 값의 폭을 적분하여 연산될 수 있다.
- 또한, 반응 시간 정보는 코스 타임 스탬프, 타임워크 보정값 및 대상체로 주입된 방사선의 에너지량에 기초하여 연산될 수 있다.
- 이에 더하여, 방사선의 반응 위치 정보는 상기 비교신호를 각각 입력받은 FPGA의 입출력(I/O) 핀의 위치를 이용하여 방사선의 반응 위치 정보를 획득한다.
- 또한, 상술한 아날로그 신호처리 과정에서, 배타적 논리연산기를 이용하여 사용하는 출력채널 수를 감소시킬 수 있다.
- 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다중 문턱전압을 이용한 의료 영상기기의 신호처리 시스템(200)은 신호 검출기(미도시), 아날로그 신호처리부(240), 및 디지털 신호처리부(260)를 포함한다. 이때, 상기 신호 검출기, 및 디지털 신호처리부(260)는 앞서 그림 1을 통해 상술한 구성과 동일하므로, 이에 대한 자세히 설명은 생략하도록 한다.
- 아날로그 신호처리부(240)는 복수 개의 증폭기(242a, 242b, 242c, 242d), 복수 개의 비교기를 포함하는 복수 개의 비교기 블록(243a, 243b, 243c, 243d), 및 배타적 논리합 연산기(244)를 포함한다.
- 복수 개의 증폭기(242a, 242b, 242c, 242d)는 신호 검출기를 통해 검출된 각 채널별 방사선 검출신호를 입력받아, 상기 방사선 검출신호의 이득이 균일하도록 입력받은 상기 방사선 검출신호를 증폭시킨다.
- 하나의 비교기 블록 내 포함된 복수 개의 제1 내지 제4 비교기가 입력받은 증폭신호와, 서로 다른 값을 갖도록 설정되어 입력받은 복수 개의 문턱전압값에 따른 신호를 상호 비교하고, 복수 개의 비교신호를 각각 생성하여 출력한다.
- 배타적 논리합 연산기(244)는 상기 하나의 비교기 블록 내 제1 내지 제4 비교기로부터 각각 출력된 복수 개의 비교신호를 입력받아, 입력받은 복수 개의 비교신호간에 배타적 논리합(eXclusive OR)을 각각 연산하여 XOR 출력 신호를 출력하고, 출력한 XOR 출력 신호를 디지털 신호처리부(260)로 전달한다.
- 이때, 상기 배타적 논리합 연산기(244)는 비교기 블록별로 출력된 신호간에 배타적 논리합 연산을 수행하게 된다. 즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 하나의 증폭신호에 대하여 총 4개의 서로 다른 문턱전압값을 갖는 4개의 비교기가 각각 비교하므로, 하나의 비교기 블록 내 포함된 4개의 비교기가 4개의 비교 신호를 출력하고, 이와 같이 출력된 4개의 비교신호에 대하여 배타적 논리합 연산기가 배타적 논리합 연산을 수행하여 총 1개의 XOR 출력신호를 생성하여 출력한다. 결국, 상기 배타적 논리합 연산기(244)는 비교기 블록 당 하나씩의 XOR 출력신호를 생성하여 출력한다.
- 따라서, 총 4개의 비교기 블록이 각각 4개씩의 비교기를 포함한다고 가정한 경우, 총 16개의 출력신호가 생성되지만, 상기 배타적 논리합 연산기를 이용하는 경우, 비교기 블록 당 하나의 출력신호만을 생성하여 총 4개의 출력신호가 생성되는 바, 결국 방사선 영상진단기기에서 사용되는 출력 채널의 수를 1/4로 크게 줄일 수 있다
- 이후, 상기 디지털 신호처리부(260)가 배타적 논리합 연산기를 통해 출력된 XOR 출력신호를 입력받고,이에 대하여 상기 XOR 출력신호를 처음 입력받은 시간을 대상체 내 방사선이 검출된 시간으로 판단한다.
- 또한, 상기 디지털 신호처리부(260)가 상기 XOR 출력신호의 처음 하이(high) 상태부터 두 번째 하이 상태까지의 신호를 측정한 후, 분석하여 상기 대상체 내 방사선 검출 에너지량을 측정할 수 있다.

기술특징

○ 본 발명의 다중 문턱전압을 이용한 방사선 영상진단기기의 신호처리 시스템 및 방법은 서로 다른 값으로 설정된 복수 개의 문턱전압이 비교기로 인가되고, 이를 통해 신호 검출기로부터 출력된 신호를 분리한 후, 분리된 신호에 기초하여 방사선 검출에 대한 에너지, 시간, 위치 등의 정보를 용이하게 파악할 수 있음
○ 또한 본 발명의 다중 문턱전압을 이용한 방사선 영상진단기기의 신호처리 시스템 및 방법은 비교기에 인가되는 복수 개의 서로 다른 문턱전압을 통해 신호 검출기의 출력신호를 분리함으로써, ADC 또는 TDC를 사용하여 방사선 검출에 대한 에너지, 시간, 위치 등의 정보를 파악해야 하는 종래 기술에 비하여 신호 처리 시스템의 크기 및 비용이 증가하는 것을 방지할 수 있다.
○ 더불어, 본 발명의 다중 문턱전압을 이용한 방사선 영상진단기기의 신호처리 시스템 및 방법은 아날로그 신호처리부 내 비교기로부터 출력되는 복수 개의 비교 신호간에 배타적 논리합 연산을 수행함으로써, 방사선 영상진단기기에서 사용되는 출력채널 수를 크게 줄임으로써, 데이터 획득을 위한 처리 시간을 크게 단축시킬 수 있음

문의처

문의처 - 회사명, 담당자, 전화번호, 팩스번호, 이메일 정보 제공
회사명	한국보건산업진흥원	담당자	김대현
전화번호	043-713-8840	팩스번호	043-713-8908
이메일	technomart@khidi.or.kr

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