Optimization of gain image acquisition technique for low noise flat-field correction with digital radiography sensors

Abstract

CCD(charge-coupled device, 전하 결합 소자) 디텍터 내부의 픽셀들은 각기 약간씩 다른 감도를 가지고 있다. 그렇기 때문에 동일한 크기의 x-ray를 디텍터에 보내어 주어도 동일한 x-ray 반응을 보이지 않는다. 이러한 픽셀 감도의 차이를 보상하기 위하여, flat-field correction이란 작업을 하게 되는데 이는 이미지 전처리 과정에서 매우 필수적인 과정 중의 하나라고 할 수 있다. flat-field correction을 하기 위해서는 raw 영상자료와 함께 dark 영상과 gain 영상이 함께 획득되어야만 한다. 본 연구에서는 linear CCD를 이용하여 획득한 x-ray 영상을 flat-field correction을 하고, 그 중 x-ray영상의 노이즈를 최소화하기 위한 gain 영상을 획득하는 최적 조건에 대하여 알아보기로 하였다. 본 연구에서는 4개의 CCD를 선형적으로 연결한 CCD 센서가 사용되었다. 그리고 X-ray를 조사한 물체로는 알루미늄 스텝 웻지를 사용하였다. 알루미늄 스텝 웻지는 일정하게 1.5mm 두께를 가진 알루미늄 스텝 23개로 구성되어 있는데, 0.5mm에서 1.5mm 차이로 점점 증가하며 맨 마지막은 33.5mm의 두께로 이루어져 있다. 그리고 각각의 스텝마다 관심 영역(Region of interest)을 선택하여 21개의 관심 영역들 안에서 SNR을 계산하였다. 최종 영상의 질을 판단하기 위하여 SNR을 계산하였는데 SNR이 높을수록 신호 대비 영상의 노이즈는 작음을 의미한다. 4개의 파라미터를 기준으로 영상을 획득하였는데. 그것은 바로 x-ray 튜브의 관전압과 관전류, 게인, 클락 주파수이다. 이 4개의 파라미터는 x-ray의 조사량에 영향을 줄 수 있는 파라미터들이다. 여기서 게인은 입력 시 전력과 출력시 전력의 비를 나타낸 것으로써 단위는 dB로 나타내고 실험 장비의 전기적 에러가 혹시 있는지 알아볼 수 있는 파라미터이다. clock frequency는 CCD sensor가 x-ray에 노출되는 시간의 역수이다. 관전압의 범위는 60, 80, 90 kVp 이다. 그리고 관전류는 5mA에서 9mA, 게인은 2dB과 15dB로 변화를 주어 측정하였다. 그리고 클락 주파수는 200Hz와 800Hz로 변화를 주면서 실험하였다. 각각의 파라미터 중 나머지 셋은 고정시키고 한 가지만 변화를 주어 그 파라미터가 어떤 조건일 때 x-ray영상의 노이즈가 최소가 되는지를 알아보았다. 이 실험에서의 범위 안에서는 스텝 웻지의 센서의 게인이나 클락 주파수나, 관전류의 영향보다는 관전압의 영향이 훨씬 큼을 알 수 있었다. Gain 영상의 획득 시 관전압이 낮을수록 최종 영상의 SNR은 좋은 결과를 보였다. 그리고 이 때 관전류는 클수록, 최종 영상의 SNR에 이득이 됨을 실험 결과를 통해 알 수 있었다. 클락 주파수는 SNR에 그리 큰 작용을 하지는 않았으나 미세하게나마 그 값이 커질수록, 곧 CCD센서가 x-ray 조사되는 시간이 짧을수록, 약간의 SNR의 향상을 보였다. 그리고 센서의 게인은 최종 영상의 SNR에 아무 영향을 주지 않음을 알 수 있었다. 본 연구를 통하여 flat-field correction 과정에서 최종 영상의 SNR을 향상시키기 위한 gain 영상의 획득 조건을 구할 수 있었다. 이 결과를 이용하여 영상 전처리 과정에 중요한 정보를 제공할 수 있으리라 기대한다.;Each pixel of digital radiography sensors may have a slightly different sensitivity to radiation or light. To reduce the spatial non-uniformity of the x-ray response, we need to calibrate raw image data with offset and gain images. This flat-field correction procedure is crucial in the process of x-ray imaging. As the noise in the gain image propagates to the final image, the quality of the final output image is directly related to the quality of the gain image. Signal-to-noise ratio (SNR) was used as a quality factor. The purpose of this study is to find an optimized condition of x-ray exposure when we acquire gain images for flat-field correction. A linear charge-coupled device (CCD) sensor was used as digital radiography sensors in this study. An aluminum step-wedge, that has 21 different thicknesses, was used as a phantom in this study. A region of interest (ROI) was selected for each step, so that total 21 ROI's were selected. Both an average pixel value and a standard deviation were calculated for all the ROI's. We varied four parameters that affect sesor signals during experiments. The parameters are the tube voltage, the tube current, the sensor gain, and the CCD clock frequency. The clock frequency represents the inverse of duration of CCD sensor for x-ray exposure. The ranges of the tube voltage, the tube current, the sensor gain and the clock frequency are 60-90 kVp, 5-9 mA, 2-15 dB and 200 -800 Hz, respectively. The unit kVp (kilo-voltage-peak) denotes the peak kilovolts, which is the unit of potential across x-ray tube. During experiments, we analyzed the temperature before and after x-ray exposure to prevent the effect of temperature on the measured image. Also, averaging a few gain images could produce better SNR in the output image. Therefore, eight uniform images were averaged in each experiment condition. Whenever experimental parameters vary, the gain image, the dark image of gain image, the step wedge image and the dark image of step wedge image were acquired eight times and averaged. In this experiment, the tube voltage of the step wedge image acquisition was the most affective condition. High tube current of gain image profits to produce better SNR. High clock frequency, which means short duration of CCD sensor for x-ray exposure, can improve SNR of the final output image. The sensor gain cannot affect SNR of the final output image. The SNR of the final output image can be influenced by three parameters, the tube voltage, the tube current and the clock frequency of the gain image. This study can be used for finding optimum gain image for low noise flat-field correction with other DR sensors.