Development and Performance Evaluation of an Ultra-Compact CT with Auto Calibration of Detector Center Axis

검출기 중심축을 자동 보정하는 초소형 CT 개발 및 성능평가

Abstract

In this study, we designed and fabricated an ultra-compact CT that automatically calibrates the detector's center axis and verified its performance. The three-dimensional reconstruction performance was evaluated using 3D CAD data and X-ray data acquired by manually calibrating the center axis of the CT detector. The results showed that tilting the center axis by more than 0.25° causes circle break phenomenon, which rapidly degrades the quality of the 3D reconstructed image. By applying the automatic calibration device of a detector center axis, the 3D reconstruction performance was enhanced by calibrating the detector center axis to match the specimen rotation axis.

본 연구에서는 검출기의 중심축을 자동 보정하는 초소형 CT를 설계 및 제작하고 성능을 검증하였다. 3D CAD 데이터와 초소형 CT 검출기 중심축을 수동으로 보정하여 촬영한 X-ray 데이터를 사용하여 3차원 재구성 성능을 평가하였다. 그 결과, 중심축이 0.25° 이상 기울면 원형 깨짐 현상이 발생하면서 3차원 재구성 영상의 품질이 급격히 저하된다는 사실을 발견하였다. 검출기 중심축 자동보정 장치를 적용하여 검출기 중심축이 시편 회전축과 일치하도록 보정하여 3차원 재구성 성능을 향상시켰다.

Ⅰ. INTRODUCTION

의료와 산업 현장에서 환자 또는 제품의 정밀하고 3차원 검사를 위해 CT (Computed Tomography, 전산화단층촬영, CT) 검사가 많이 사용된다^[1,2,3]. 일반 X-ray 검사로는 발견하기 힘든 인체나 공업용 부품의 불량들은 CT 영상들을 통해 찾아낼 수 있다. 하지만 CT 장비들은 크고 무거우므로 이동이 제한적이다.

이를 해결한 소형 CT로는 의료분야에서 사람의 치아를 검사하기 위해 사용되는 모델이 있으며 치아의 상태를 파악하는 성능이 탁월하다^[4]. 작은 물체나 동물을 검사하기 위한 소형 CT는 일반 승용차에 적재할 수 있는 크기로 연구 개발된 사례가 있다^[5].

상용화 된 이동이 가능한 CT^[6]는 BRUKER사의 SkyScan 1174 모델이나 RF Systemlab사의 NAOMI-CT 3D-L 모델 등이 있으며 크기는 1000 mm × 600 mm × 600 mm 이하이고, 질량은 100 kg 미만 이다. 그러나, 현재 초소형 CT 제품은 고가이며 검출기의 중심축을 자동으로 보정 하는 기능이 없어 사용 전 수동 보정하는 불편함이 존재한다.

본 연구에서는 휴대용 X-ray 발생기와 소형 DR 검출기를 사용하고 검출기 모듈과 샘플 스테이지, 회로를 제작하여 초소형 CT를 설계 및 제작하였다. 본 논문에서는 검출기의 위치 오차를 휴대용 X-ray 발생장치와 치과용 검출기를 통해 얻은 2차원 X-ray 영상의 후처리를 통해 위치 오차를 측정하고 보정하였으며^[7] 중심축이 틀어진 정도에 따른 3차원 정합 결과를 확인하여 중심축 자동보정 장치의 성능을 수치모사와 실험을 통해서 평가하였다.

Ⅱ. MATERIAL AND METHODS

1. 초소형 CT 설계 및 제작

본 연구에서 제작한 초소형 CT의 상세 스펙은 Table 1과 같다. Fig. 1-(a)는 초소형 CT의 3D (Three-Dimensional) 설계 모습이다. 샘플 스테이지는 리드 스크류와 베벨 기어를 사용하여 수동으로 높이 조절이 가능하며 스텝 모터를 구동하여 X-ray 발생기와 검출기 사이에서 X-ray 영상의 초점과 크기를 맞추기 위해 이동할 수 있다. X-ray 발생기의 촬영 버튼을 자동으로 누르기 위해 스텝 모터와 CAM 기구를 적용하였다. 내부 모습을 실시간으로 확인하기 위해 웹 카메라와 내부를 밝게 비춰줄 LED 조명을 내부에 설치하였다. 검출기의 자동 중심축 보정에는 2개의 스텝 모터와 LM (Linear Motion) 가이드와 리드 스크류를 사용하여 검출기의 기울기를 조정하거나 좌우로 이동할 수 있도록 설계하였다.

Table 1. Specification for ultra-compact CT

Fig. 1. Design and fabrication of ultra-compact CT.

20 × 20 mm² 알루미늄 프로파일을 사용하여 외부 프레임을 제작하였다. X-ray 누출을 최소화하기 위해 외부 케이스는 0.8T 납판과 3T 강판을 사용하였다^[8,9]. 내부 모듈들은 3D 프린터로 출력한 부품과 알루미늄 프로파일을 사용하여 조립하였다. 스텝 모터는 샘플 스테이지의 회전 테이블, 샘플 스테이지 거리 조절, X-ray 발생장치 버튼 제어, 검출기 자동보정을 위한 모터 2개를 포함해서 5개가 사용되었다. 회전 테이블과 검출기 보정에 사용된 스텝 모터는 정확한 위치제어를 위해 AS5600 엔코더를 사용했다. 그리퍼 제어에 사용된 서보모터는 아두이노 우노를 사용하여 제어하였다. 장비 내부 작동 상황을 실시간 모니터링할 수 있도록 웹 카메라를 장비 내부에 설치하였으며 어두운 장비 내부를 밝게 비춰줄 LED 바를 내부 상단에 설치하였다. 초소형 CT를 제작하는데 들어간 재료비의 원가는 약 600만원이 사용되었다. 초소형 CT는 Fig. 1-(c)와 같이 PC1대와 방사선 측정기가 초소형 CT의 우측 상단에 배치되어 시간당 μSv를 측정한다. 초소형 CT의 내부 및 외부 모습은 Fig. 1-(b), (c)와 같다.

2. CT의 회로 구성

초소형 CT의 제어부 및 회로의 블럭도는 Fig. 2와 같다. 아두이노 우노에는 샘플 고정대의 그리퍼 제어를 위한 서보모터가 연결된다. 시편 회전 모터의 열을 냉각시키기 위한 냉각팬과 정렬을 위한 레이저에 전원을 공급한다. 12V 릴레이와 1N4001 다이오드를 이용한 보호 장치가 연결되어 쇼트와 역전류로부터 회로를 보호하고^[10] 전원공급장치에 연결된 전원 공급부 내부에 퓨즈가 장착되어 있다. 장비 외부 상단에 위치한 컨트롤 버튼 모듈 좌측과 우측에는 초록색과 빨간색 LED가 하나씩 위치해 있으며 좌측 LED는 A4988 드라이버 보드의 전원 공급 상태를 나타내고, 우측 LED는 X-ray 발생장치의 전원공급상태를 나타낸다.

Fig. 2. Block diagram of control unit.

시편의 회전을 담당하는 스텝 모터와 검출기의 좌우 이동에 사용된 스텝 모터 분해능은 1.8°이며 검출기의 기울기를 조정하는 스텝 모터는 1/16 마이크로스텝을 사용하여 0.1125°의 각도 분해능을 갖는다^[11]. 시편의 회전을 담당하는 스텝 모터와 검출기 보정에 사용되는 스텝 모터 2개는 12 bit의 분해능을 가진 엔코더를 장착하였다^[12]. 3개의 AS5600 엔코더를 아두이노 메가로 제어하기 위해 TCA9546 4채널 I2C (Inter-Integrated Circuit) Multiplexer를 사용하였다.

3. CAD 모델로 만든 3차원 재구성

회전축이 틀어진 정도에 따른 3차원 재구성 (3D reconstruction) 결과 분석을 위해 Fig. 3와 같이 3D CAD 모델 데이터를 사용하여 시편의 회전축 틀어짐에 따른 3차원 재구성 수치모사를 진행하였다^[13]. 시편 회전축은 0~0.5°까지 0.1°씩 기울어진 경우로 진행했으며 3차원 재구성에 사용된 영상 개수는 91, 46개이다. 저장된 영상은 Xeon W-2275 워크스테이션에서 FBP (Filtered Back Projection) 알고리즘^[14,15]을 사용하여 3차원 재구성하였다. 3차원 재구성 영상들을 관찰한 결과, 시편 회전축이 0~0.2° 틀어졌을 때는 최외곽 원이 1개로 보이지만 시편 회전축이 0.3° 틀어졌을 때부터 원형 깨짐 현상 (Circle Break Phenomenon) 이 발생하면서 최외곽 원이 2개로 보이며 재구성 결과가 급격히 나빠졌다. 시편 회전축이 틀어진 정도에 따른 배터리 모델 데이터 91장에 대한 3차원 재구성 결과는 Fig. 4과 같다.

Fig. 3. CAD model for 21700 battery.

Fig. 4. 3D reconstruction with 91 CAD images.

Fig. 5는 배터리 모델 데이터 46장에 대한 3차원 재구성 결과다. 91장을 3차원 재구성했을 때와는 다르게 시편의 회전축 틀어짐에 따른 재구성 결과를 비교할 수 없을 정도로 모든 결과가 좋지 않은 것을 확인할 수 있다.

Fig. 5. 3D reconstruction with 46 CAD images.

Fig. 4 ~ 5는 각각 영상 91, 46장을 이용하여 3차원 재구성 결과로서, 각 영상은 2, 4° 간격으로 시편을 회전하면서 3차원 재구성한 영상이다.

4. 초소형 CT의 3차원 재구성 실험

초소형 CT를 사용한 실제 CT 촬영은 Fig. 6-(b)와 같은 환경에서 진행되었다. 알루미늄 테이프를 사용하여 제작한 원통형 배터리 모형을 사용하여 CT 촬영실험을 진행했으며 배터리 모형별로 불량과 양품 시편을 제작하여 CT 촬영실험을 진행하였다. Fig. 6-(a)은 초소형 CT 내부에서 CT 촬영에 사용되는 주요 부품들만 보였다.

Fig. 6. Design and fabrication of X-ray and gripper.

CT 촬영이 시작되면 회전 테이블을 2° 단위로 회전시키면서 X-ray 촬영을 총 91번을 촬영하여 회전 테이블을 180°만 회전하고 91장 촬영이 끝나면 회전 테이블을 반대 방향으로 180° 회전시켜 원위치한다. X-ray 2차원 영상 1회 촬영에 걸리는 시간은 10초이며 91장을 촬영하는 데는 18분이 소요된다.

검출기의 중심축 보정 정도에 따라 3차원 재구성 결과를 확인하는 실험을 진행하였다. Fig. 7-(a)은 검출기 중심축을 보정하였지만 여전히 검출기의 중심축이 0.5° 틀어져 있고 좌측으로 15픽셀 밀려 있다. Fig. 7-(b)은 검출기 중심축을 수동으로 보정했지만 여전히 검출기의 중심축이 0.25° 틀어져 있는 상태이다.

Fig. 7. Superimposition of 0 and 180-deg images.

촬영된 알루미늄 배터리 모형들의 2차원 X-ray 영상은 초소형 CT에서 2차원 X-ray 영상이 91개 자동 촬영되고 저장된다. X-ray 촬영조건은 70 kV, 2mA, 노출 시간은 0.1 초이다. 촬영 및 저장된 영상은 전과 동일한 알고리즘을 사용하여 3차원 재구성 하였다.

Fig. 8-(a)은 Fig. 7-(a)와 같이 검출기의 중심축이 완전히 틀어진 상태에서 촬영된 CT의 3차원 정합 결과이다. Fig. 8-(a)에서 3차원 재구성한 시편의 형태가 원본과 다름을 확인할 수 있다. 검출기 중심축을 수동으로 보정한 Fig. 7-(b)의 3차원 재구성 결과는 Fig. 8-(b)와 같으며 여전히 원본 시편의 형태와 다름을 확인할 수 있다.

Fig. 8. 3D reconstructions with experiments.

3D CAD 데이터의 3차원 재구성 결과와 초소형 CT의 3차원 재구성 결과를 통해 검출기의 중심축 또는 시편의 회전축이 0.25~0.3° 틀어졌을 때부터 최외곽 원이 깨져서 2개로 보이는 원형 깨짐 현상이 나타나면서 재구성 결과가 급격히 악화되는 것을 확인할 수 있었으며 이를 해결하기 위한 검출기 중심축 자동보정 기능의 필요성을 확인하였다.

5. 검출기 중심축 자동보정 장치

CT의 중요한 셋업 작업은 검출기 중심축과 시편의 회전축을 평행하게 맞추는 것이다. 검출기 중심축 자동보정 장치는 Fig. 9와 같이 설계되었다. 샘플을 원위치 영상 및 180° 회전 후 좌우반전된 영상을 서로 겹쳤을 때 두 영상이 정확히 겹치지 않으면 검출기의 중심축이 틀어진 것을 의미한다.

Fig. 9. Design of center axis auto-calibrator.

검출기 중심축 자동보정 장치의 성능을 확인하기 위해 Fig. 10과 같이 알루미늄 테이프와 종이를 사용하여 원통형 이차전지 모형을 제작하였다. 검출기를 좌우로 평행이동 하거나 기울기를 조정하는 스텝 모터가 1개씩 사용되었다. 좌우 평행이동에 사용된 리드 스크류는 1회전 당 2 mm 이동하므로 좌우 이동을 담당한 스텝 모터가 1.8° 회전 시검출기는 10 μm 씩 이동한다. 검출기의 기울기 보정용 스텝 모터는 1/16 마이크로스텝을 사용하여 0.1125°의 분해능을 갖는다. 검출기 중심축 자동보정 장치를 이용한 검출기 중심축 보정 과정은 Fig. 11와 같다.

Fig. 10. Test sample with cylindrical aluminum tape.

Fig. 11. Automatic calibration method of detector.

Fig. 12-(a)와 같이 검출기를 원점으로 이동시킨 후 샘플 스테이지의 회전 테이블을 원위치한 상태와 180° 회전한 상태에서 X-ray 촬영을 진행한다. 촬영된 2차원 X-ray 영상은 jpg 형식으로 저장된다. 기울기와 밀린 픽셀은 line profile을 사용하여 계산하였다. 기울기 오차는 Fig. 9의 D3번 이동 방향으로 움직여 기울기를 먼저 보정하면 Fig. 12-(b)와 같은 상태가 된다. 마지막으로 improfile 명령어를 사용하여 픽셀 오차를 측정하고 측정된 픽셀 수에 해당하는 모터 펄스 값을 아두이노 시리얼 모니터에 입력해서 Fig. 3의 D1번 이동 방향 또는 D2번 이동 방향으로 움직여 좌우 보정을 하면 Fig. 12-(c)와 같이 검출기의 중심축 보정이 완료된다.

Fig. 12. Auto calibration process of detector center and rotation axis.

Ⅲ. RESULT

1. CT의 검출기 중심축 자동보정 실험

검출기 중심축 자동보정 실험을 하기 위해서는 먼저 회전 테이블을 원위치 및 180° 회전한 상태에서 X-ray 촬영을 진행한다. Fig. 13은 회전 테이블 모터에 장착된 AS5600 엔코더로 목표 위치까지 위치 제어한 결과를 보였다. 회전 테이블의 원위치 각도는 136°이고 원위치에서 180° 회전한 각도는 316°이다. 위치 각도를 그래프로 그린 결과 0.05°이하의 오차를 확인했다.

Fig. 13. Position accuracy by feedback with encoders.

검출기 중심축 보정에 사용된 표준시편은 금속칼날을 사용하였다. 먼저 검출기를 원점으로 이동시킨 다음 회전 테이블을 원위치한 후 와 180° 회전한 영상을 좌우 반전 후 겹쳐진 영상은 Fig. 14-(a)와 같다. 검출기 중심축이 기울어져서 두 영상이 제대로 겹치지 않았다. 검출기의 중심축 보정을 위해 기울기 오차를 측정하여 보정한 후 좌우 오차를 측정하여 보정을 진행하면 Fig. 14-(b)와 같이 보정된다. 확대한 Fig. 14-(c)에 보이는 것처럼 기울기와 좌우 보정이 완료됐음에도 수직 으로 위치 오차가 소폭 발생한 것을 확인하였다.

Fig. 14. Automatic calibration process.

2. 초소형 CT의 검출기 중심축 자동보정 후 3차원 재구성 성능평가

검출기의 중심축 자동보정 장치를 사용하여 검출기의 중심축을 보정한 후 3차원 재구성 결과를 확인하는 실험을 진행하였다.

Fig. 15는 검출기 중심축 자동보정 장치로 검출기의 중심축이 보정된 상태이다. Fig. 14-(c)과 같은 수직 오차를 줄이기 위해서는 회전 스테이지의 평탄도를 맞추는 것이 중요하다.

Fig. 15. With automatic calibration.

촬영된 알루미늄 배터리 모형들의 2차원 X-ray 영상은 초소형 CT에서 2차원 X-ray 영상이 91개 자동 촬영되고 저장된다. X-ray 촬영조건과 3차원 재구성 알고리즘은 전과 동일하다.

검출기 중심축 자동보정한 후 3차원 정합한 결과는 Fig. 16과 같으며 원본 시편의 형태를 확인할 수 있다.

Fig. 16. 3D reconstructions with experiments.

Ⅳ. DISCUSSION

본 연구에서 제작된 검출기 중심축 자동보정 장치는 기울기 보정에 사용된 스텝모터에 1/16 마이크로스텝을 사용한 0.1125°가 최대 분해능으로 이보다 더 정확한 보정이 불가능하다는 제한점이 존재한다. Fig. 4~5, Fig. 8, Fig. 16을 살펴보면, 실험 결과와 수치모사 결과 모두 검출기가 기울어진 중심축이 0.25~0.3° 기울어진 경우, 3차원 재구성한 결과의 영상이 급격하게 나빠짐을 확인할 수 있었다. 따라서, 검출기 중심축 자동보정 장치가 필요하며 이를 통해 CT의 3차원 재구성 영상의 성능 개선이 가능하다.

현재 자동보정 장치에 사용된 리드 스크류가 아닌 정밀도가 높은 볼 리드 스크류를 사용하고 스텝 모터 드라이버와 엔코더도 분해능이 더 높은 모델을 사용하여 더 높은 분해능을 갖추면 보정 정확도를 높일 수 있을 것이다.

Ⅴ. CONCLUSION

휴대용 X-ray 발생장치를 사용하여 일반 승용차로 이동 가능한 초소형 CT를 설계 및 제작하였고 성능을 확인하였다.

초소형 CT의 검출기의 중심축을 자동으로 보정하는 기능을 구현하여 장비 셋업을 편하게 만들었다. 시편의 회전축 또는 검출기의 중심축을 점점 기울이면서 3D CAD와 초소형 CT를 이용한 실험 및 수치모사를 통해 3차원 재구성한 영상을 확인한 결과, 0.25° 이상으로 회전축이 기울면 원형 깨짐 현상이 발견되면서 3차원 재구성 영상 화질이 급격히 나빠짐을 확인할 수 있었고 회전축 자동 보정 기능이 중요함을 확인할 수 있었다.