Development of a single-arm robotic CT system = 단일 암 기반 로봇 CT 시스템 개발 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Among non-destructive testing (NDT) techniques utilizing X-rays, computed tomography (CT) plays a critical role in both medical and industrial applications by providing
three-dimensional tomographic images with excellent spatial and density resolution. However, conventional CT systems are limited by the fixed size of the gantry and the circular or helical scanning trajectories they support. Moreover, when projection data containing highly attenuating materials are directly used during image reconstruction, streak-shaped metal artifacts can arise across the entire image, hindering accurate analysis of regions of interest.
Such limitations make conventional CT systems unsuitable for inspecting modern advanced products, which are often composed of multiple metallic components intricately combined into large and complex assemblies. To address these challenges, research has been directed toward developing robotic CT systems. In these systems, an X-ray source and detector are mounted on robotic arms, providing high degrees of freedom to acquire projections from arbitrary three-dimensional trajectories. This approach enables the avoidance of projection paths prone to artifact generation, thereby improving image quality. This thesis focuses on three main objectives. First, a single-arm robotic CT system was developed to conduct preliminary studies prior to building a twin-arm system, with the goal of demonstrating that comparable results can be achieved. Second, experimental studies were carried out to verify that non-standard, robot-controlled scanning trajectories can effectively avoid scan positions that induce artifacts.
Finally, irregular projection data acquired from non-standard trajectories were reconstructed using both analytical and iterative algorithms, followed by performance evaluation to identify the most suitable reconstruction approach for arbitrary scan trajectories.

국문 초록 (Abstract)

엑스선을 이용한 비파괴검사 기술 중 CT (computed tomography)는 우수한 공간 및 밀도 분해능을 가지는 3차원 단층 영상을 제공해주기 때문에 의료 및 산업 분야에서 중요한 역할을 하고 있다. 하지만 기존의 CT 시스템은 제한된 크기의 갠트리를 가지며 원형 및 타원형의 제한 된 스캔 궤적을 가지는 한계가 있다. 그리고 CT 촬영 후 영상재구성 단계에서 엑스선 감쇠가 매 우 큰 물질이 포함된 투사영상을 그대로 사용하는 경우 영상 전체에 영향을 주는 줄무늬 형태의 메탈 아티팩트가 발생하며 이는 관심 있는 영역에 대한 분석을 어렵게 한다. 이러한 특징은 금속 물질로 이루어진 여러 구성 요소들이 복잡하게 결합 되어 큰 하나의 시스템을 이루는 현대 첨단 제품들을 검사하기에 알맞지 않다. 따라서 기존 CT 시스템의 한계를 극복하기 위한 연구가 진행 되고 있으며 그중 하나가 로봇 기반 CT 시스템이다. 이 시스템은 엑스선원과 디텍터를 각각의 로봇 암에 부착하여 높은 자유도를 바탕으로 3차원 전 영역에서 영상을 획득할 수 있도록 설계 된다. 이를 통해 영상재구성 시 아티팩트를 유발할 수 있는 투사영상 위치를 회피하여 아티팩트 없는 높은 품질의 영상을 획득하고자 한다. 본 논문에서 다루고자 하는 주제는 크게 세 가지이며 첫 번째는 트윈 암 시스템 구축 이전 관련 연구를 위해 구축한 단일 암 기반 로봇 CT 시스템에 대해 설명하고 및 트윈 암 시스템과 동일한 결과를 얻을 수 있는지를 증명하고자 하였다. 두 번 째는 실험을 통해 로봇 암을 이용한 비정형화된 스캔 궤적이 아티팩트를 유발할 수 있는 스캔 위 치를 회피할 수 있음을 확인하고자 하였다. 마지막으로 비정형화된 궤적을 통해 획득한 무질서한 투사영상 데이터에 대해 해석적 방법 및 반복법을 통해 영상을 재구성하고 성능 평가를 수행하여 임의의 궤적에 대해 알맞은 영상재구성 알고리즘은 무엇인지 확인하고자 하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1. Background 1
• 1.2. Objectives 3
• 2. Laboratory RCT system 4
• 2.1. Introduction 4
• 2.2. Validation of equivalence between single and twin-arm system 5
• 2.2.1. Vector calculation 6
• 2.2.2. Simulation 8
• 2.3. System implementation 9
• 3. Experiment with a robotic arm 10
• 3.1. Methods and materials 10
• 3.2. Results 12
• 3.2.1. Circular scan images without metal ball beads 12
• 3.2.2. Non-standard trajectory scan images with metal ball beads 13
• 4. Image reconstruction for RCT 14
• 4.1. Introduction 14
• 4.2. Methods and materials 16
• 4.2.1. Projection data acquisition 16
• 4.2.2. Image reconstruction algorithm 18
• 4.2.3. Evaluation metric 20
• 4.3. Results 21
• 5. Conclusion 26
• 6. Future study 27
• Bibliography 26