Acquisition of High Resolution Images and its Application using Synchrotron Radiation Imaging System

방사광 X-선을 이용한 고해상도 영상획득과 응용

Synchrotron radiation (SR) has several advantages over convetional x-rays, including its phase, collimation, and high flux. A synchrotron radiation beamline 5C1 at Pohang Light Source (PLS) was recently built for imaging applications. We have shown that a SR imaging system is useful in imaging microscopic structures. SR with broad-band energy spectrum were adjusted to an object by Si wafers and their energy were approximately ranging from 6 keV to 30 keV. SR were passed through an object and finally transformed into visible lights by CdWO$_4$ scintillator screen. The visible lights which were reflected at an angle of 90 degrees by gold plated mirror were detected by a CCD camera and the image data were acquired using image acquisition system. A high-resolution phantom, capacitor, adult tooth, child tooth, cancerous breast tissue, and mouse lumbar vertebra were imaged with SR imaging system. The Objects were rotated within the field of view of the CCD detector, and their projection image data were obtained at 250 steps over 180 degrees rotation. Image reconstructions were carried out in a PC by using IDLTM(Research systems, Inc., US) program. The spatial resolution of the images acquired by the SR imaging system was measured with a high-resolution chart manufactured for several micrometer resolution. The specimens were also imaged with conventional x-ray radiography system to compare the image quality of radiography obtained with the SR imaging system. The results showed more structural details and high contrast images with SR imaging system than conventional x-ray radiography system. The SR imaging system may have a potential for imaging in biological researches, material applications, and clinical radiography.

물질의 X-선 흡수도에 의해 영상을 얻는 일반 X-선 시스템과 달리 방사광 X-선은 위상이 일치하고 평행하며 진동방향이 일치하는 특성들을 이용하면 고 분해능, 고 대조도의 투사영상을 얻을 수 있다. 국내에서는 포항 방사광 가속기 연구소에 최근 건설된 5C1 빔라인에 미세구조 X-선 영상 획득을 위한 영상시스템을 구축하여 여러 기초 생물, 의학연구분야의 고 분해능 영상획득이 가능하게 되었다. 방사광 X-선을 이용하여 얻은 고 해상도 투사영상들 및 단층 재구성 영상들을 일반 X-선을 사용하는 유방찰영시스템, 치아 X-선 찰영시스템, 전신측정용 CT 시스템에서 각각 획득한 동일한 대상의 영상들과 비교하였다. 실험에 사용한 방사광 X-선은 6 ～30 keV 사이의 연속적인 에너지 분포를 가지며, 실험의 대상에 따라서 실리콘웨이퍼 필터들을 사용하여 빔의 세기와 에너지 스펙트럼 분포를 조절하여 사용하였다. 실험 대상 물체를 통과한 방사광 X-선의 투사영상은 형광판 (CdWO$_4$ scintillator)과 반응하여 가시광선으로 바뀐 후, 금도금된 거울을 통해 90$^{\circ}$ 반사되어 CCD 카메라로 획득하며, 이러한 디지털 영상정보는 PC로 전송되어 저장된다. 방사광 X-선의 공간 분해능 특성은 X-선 시험패턴(25 $\mu$m)과 초 고해상도 패턴 (13.5 $\mu$m)을 방사광 X-선 영상획득시스템 과 일반 X-선을 사용하는 유방촬영시스템에서 획득하여 분석하였다. 영상획득 실험대상으로는 일반 구조물로 커패시터, 생체조직으로 성인치아, 유아치아, 생쥐 척추뼈 및 유방암조직을 대상으로 실험하였다. 단층영상은 각각의 샘플을 0.72$^{\circ}$ 간격으로 180$^{\circ}$ 회전시켜 250개의 투과영상들로부터 재구성한 후 컴퓨터 단층촬영기에서 얻은 영상과 비교하였다. 포항 방사광가속기연구소 5C1 빔라인에 간단하고, 경제적인 방사광 X-선 영상획득시스템을 성공적으로 구축할 수 있었고, 획득한 투사 영상과 재구성한 단층영상을 기존 X-선을 사용한 시스템으로 획득한 단층영상들과 분해능, 대조도의 특성들을 비교, 분석하였다. 방사광 X-선을 사용하여 획득한 영상들은 일반 시스템에서 얻은 영상보다 고 해상도의 영상 질을 보여주었고, 기초 의학영상 연구 측면에서 많은 정보를 제공해 주었다. 방사광 X-선을 이용한 영상획득시스템은 고 분해능과 고 대조도로 미세구조의 상세한 의학영상을 얻기 위한 유용한 방법으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 향후 해부학적, 병리학적 및 임상학적 의료영상 분야에 효과적으로 응용하기 위하여 X-선 선량 정량 분석과 수치적 영상 해석연구가 계속되어야 할 것으로 사료된다.