KR100860374B1 - 염증 진단 장치 및 그에 의한 염증 진단 방법 - Google Patents

Abstract

개시되는 염증 진단 장치는, 제1 촬영부, 열 분포 영상을 촬영하기 위한 제2 촬영부 및 제1 촬영부와 제2 촬영부에서 촬영된 영상을 이미지 퓨전하기 위한 제어부를 구비하고, 그에 의한 염증성 질환 진단 방법은, 상기 동물의 칼라 영상 및 적외선 열상 이미지를 촬영하는 영상 입력 단계, 상기 영상 입력 단계에서 촬영한 적외선 열상 이미지를 칼라 맵핑하는 칼라 맵핑 단계 및 상기 영상 입력 단계에서 촬영된 칼라 영상과 상기 칼라 맵핑 단계에서 칼라 맵핑된 적외선 열상 이미지를 퓨전하는 이미지 퓨전 단계를 포함함으로써, 방사선 노출없이 염증성 질환에 대한 비침습적인 방법으로 조기 진단이 가능하며 진단에 요구되는 시간이 단축된다.

씨씨디(CCD), 적외선, 퓨전

Description

염증 진단 장치 및 그에 의한 염증 진단 방법{APPARATUS FOR INFLAMMATION DIAGNOSIS AND METHOD FOR INFLAMMATION DIAGNOSIS BY THE SAME}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염증 진단 장치를 설명하기 위한 도면.

도 2는 도 1의 적외선 카메라를 통해 얻어진 로 데이터(raw data)의 열분포 이미지를 보인 도면.

도 3은 도 2의 로 데이터를 바탕으로 컬러 맵핑한 예들을 보인 도면.

도 4는 도 1에서 적외선 카메라와 씨씨디 카메라를 통해 얻어진 손 이미지의 합성 영상을 보인 도면.

도 5는 본 발명에 따라 류마티스 관절염 마우스에 대한 적외선 비교 영상을 보인 도면.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 염증 진단 방법을 보인 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 촬영부 102 : CCD 카메라

104 : 적외선 카메라 106 : 제어부

108 : 출력부 200 : 피사체

본 발명은 무냉식 적외선 카메라를 통해 촬영된 피사체에 대한 열 분포 영상과 일반적인 씨씨디(CCD) 카메라를 이용해 얻어진 영상을 바탕으로 두 영상을 이미지 퓨전(image fusion)하여 생체 내 발생된 염증성 질환에 대한 조기 진단을 가능하게 하는 염증 진단 장치 및 그에 의한 염증 진단 방법에 관한 것이다.

염증(inflammation)이라 함은 생체에 있어서 해로운 자극에 대한 방어 반응으로서, 자극이 가해지고 나서 회복 과정까지의 모든 경과를 가리킨다. 상기 해로운 자극에는 물리적 자극, 기계적 자극, 화학적 자극 및 생물학적 자극 등 다양한 자극이 있다.

염증에 있어서, 자극이 가해지고 나서 회복되는 과정까지의 경과 과정을 제1 기 내지 제3 기로 나눠서 살펴보면 이하와 같다.

먼저, 제1 기는 혈관의 확장과 혈관 투과성의 항진이 발생하는 과정이고, 다음으로, 제2기는 백혈구의 유주와 점착 과정이며, 마지막으로, 제3기는 육아의 형성과 혈관의 신생 과정이다.

이들 모든 과정은 염증 부위로부터의 히스타민, 브라디키닌, 프로스타글란단 등의 화학 전달 물질에 의해 진행된다. 상기 염증으로 인한 국소 증상은 발적, 종창, 열감, 동통, 기능 장애 등의 징후가 있다. 이와 같은 생체 내의 방어 반응은 생체 내의 주변부에 비해 더 높은 온도를 발열시키게 되고, 인체 내의 대칭적인(symmetric) 열 분포의 열 균형을 나타내게 된다.

상기 염증을 진단하기 위해 종래에는 냉각식(예를 들면, 액체 질소를 이용한 냉각 방식) 적외선 카메라를 사용하여 측정된 열분포 영상을 바탕으로 환자의 염증성 질환에 대한 조기 진단을 수행해 왔다.

예를 들어, 현재까지 관절염이나 유방암에 대한 진단 방법은 엑스레이(X-ray)를 이용한 영상 방법, 조직 검사에 의한 방법, 내시경에 의한 조사 방법, 혈액 검사에 의한 조사 방법 등의 방법이 주로 사용되어져 왔다. 그러나 유방암 조직의 경우 그 암 조직의 크기가 1cm 이하의 초기 상태에서 진단하는 것은 통상적으로 불가능한 것으로 되어 있다. 그러므로 암 조직의 크기 가 1cm 이하의 작은 암을 영상화하는 기술은 매우 진보적인 기술이라 할 수 있다.

또한, 관절염의 경우 엑스레이를 통해 형태학적 특이성을 판별하기에는 관절염이 많이 진행된 상태에 해당되며, 형태학적 분석기법의 부정확성은 적외선 열상 이미지를 통한 질환 분석 기술의 필요성을 인식하게 하는 부분이라 할 수 있다. 암 조기 진단의 중요성은 크기가 작으며 치료에 의해 영구적 내지 장기간에 걸쳐 치유가 가능한 진행도의 암을 진단함으로써 치료 가능성이 높이고, 다른 장기로 전이 가 되지 않은 상태에서 암을 외과적 수술이나 적절한 치료제로 치료가 가능하기 때문이다.

이와 같이 관절염의 경우 역시 조기 진단과 치료의 중요성은 많은 선행 연구를 통해 입증되어 있다.

현재까지 암 조기 진단을 위한 신규 조영제의 개발은 대부분 양전자방출단층촬영(PET), 단일광자방출단층촬영(SPECT)과 컴퓨터 단층촬영(CT)에 집중되어 있다. 그 이유는 현재 국내 병원의 방사성 관련 연구자 대부분이 PET/CT 또는 PET/SPECT 에 관한 연구를 진행하고 있기 때문이다. 그러나, 임상적으로 가장 많은 활용이 되고 있는 PET/CT 또는 PET/SPECT 영상 장비는 1cm 이하의 작은 암을 진단하는 데 상당한 어려움을 겪고 있다.

최근에 암과 같은 질환에 대한 조기 진단의 방법으로 적외선 영상 기술의 유용성이 부각되고 있다. 적외선 영상 기법의 경우, 지금까지 주로 사용된 영상 장비(image modality) 들과 비교할 때, 비침습적(non-invasive)이고, 방사선 노출이 전혀 없고(non-ionizing), 비접촉 방식으로 측정이 가능하므로 환자들에게 거부감을 일으키지 않는다는 장점이 있다. 또한 가격이 다른 영상 장비에 비해 현격히 저렴하기 때문에 상업적인 상품으로 확장될 수 있는 가능성이 매우 높다고 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 염증성 질환에 대한 조기 진단을 가능하게 하는 장치 및 방법을 구현하기 위하여 무냉식 적외선 카메라와 CCD 카메라의 영상을 이미지 퓨전하여, 환부에 대한 정확한 위치의 열분포 영상을 획득한 후, 발열 부위와 정상 부위 간의 차이 영상을 통한 염증성 질환에 대한 진단을 가능하게 하는 염증 진단 장치 및 그에 의한 염증 진단 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 종래 염증성 질환을 진단하기 위하여 사용되는 엑스레이와 같은 영상 장비의 한계점을 극복하고 진료의 용도로 활용하기 위한 염증 진단 장치 및 그에 의한 염증 진단 방법을 제공함에 있다.

상기의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 염증 진단 장치는, 피사체의 영상을 촬영하기 위한 제1 촬영부; 상기 피사체의 열 분포를 나타내는 열 분포 영상을 촬영하기 위한 제2 촬영부; 및 상기 제1 촬영부 및 상기 제2 촬영부에서 촬영된 영상을 이미지 퓨전하기 위한 제어부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1 촬영부는 씨씨디(CCD) 카메라일 수 있다.

또한, 상기 제2 촬영부는 적외선 카메라일 수 있고, 상기 적외선 카메라는 무냉식 적외선 카메라일 수 있다.

또한, 상기 무냉식 적외선 카메라에서 촬영된 영상은 흑백 적외선 열상 이미지일 수 있다.

또한, 상기 제어부는 상기 흑백 적외선 열상 이미지를 24 비트 RGB 칼라 영상으로 재구성할 수 있다.

상기의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 인간을 제외한 동물의 염증성 질환 진단 방법은, 상기 동물의 칼라 영상 및 적외선 열상 이미지를 촬영하는 영상 입력 단계; 상기 영상 입력 단계에서 촬영한 적외선 열상 이미지를 칼라 맵핑하는 칼라 맵핑 단계; 및 상기 영상 입력 단계에서 촬영된 칼라 영상과 상기 칼라 맵핑 단계에서 칼라 맵핑된 적외선 열상 이미지를 퓨전하는 이미지 퓨전 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 칼라 맵핑 단계에서의 칼라 맵핑은 적어도 세 종류 이상의 모드로 구별될 수 있다.

또한, 상기 세 종류 이상의 모드는, 적색 톤의 핫(hot) 모드; 청색 톤의 쿨(cool) 모드; 및 다양한 색상의 레인보우(rainbow) 모드를 포함할 수 있다.

이하에서는 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 이하의 설명들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게 본 발명에 대한 보다 철저한 이해를 돕기 위한 의도 이외에는 다른 의도없이 예를 들어 도시되고 한정된 것에 불과하므로, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 사용되어서는 아니 될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 염증 진단 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 제1 촬영부인 씨씨디(CCD) 카메라(102), 제2 촬영부인 적외선 카메라(104), 제어부(106), 출력부(108) 및 피사체(200)가 도시되어 있다.

상기 제1 촬영부인 씨씨디 카메라(102)는 상기 피사체(200)를 촬영하기 위한 부분이고, 상기 제2 촬영부인 적외선 카메라(104)는 상기 피사체(200)의 열 분포를 나타내는 열 분포 영상을 촬영하기 위한 부분으로서, 상기 제1 촬영부 및 제2 촬영부는 촬영부를 구성한다.

그리고, 상기 제어부(106)는 상기 제1 촬영부(102) 및 상기 제2 촬영부(104)에서 촬영된 영상을 이미지 퓨전(image fusion), 즉 합성하는 부분이다.

상기 제2 촬영부인 적외선 카메라(104)는 무냉식 적외선 카메라일 수 있고, 상기 무냉식 적외선 카메라에서 촬영된 영상은 흑백 적외선 열상 이미지일 수 있다.

그리고, 상기 제어부(106)는 상기 흑백 적외선 열상 이미지를 24 비트(bit) RGB 칼라 영상으로 재구성할 수 있다.

이하에서는 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 염증 진단 장치를 보다 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 염증 진단 장치는 도 1을 참조하여 설명된 바와 같이, 적외선 영상 카메라, 예를 들어, 무냉식의 소형 적외선 카메라가 상기 적외선 영상 카메라일 수 있다.

예를 들면, 본 발명에서 사용한 무냉식 적외선 카메라는 무냉식으로 운영되기 때문에, 별도의 냉각 파트를 장착하지 않아도 되므로, 냉각식에 비해 더 가볍고, 더 작고, 더 적은 비용으로 적외선 영상을 촬영할 수 있다.

또한 일반적으로 무냉식 적외선 카메라의 경우, 0.05C의 정확도(sensitivity)를 보증하기 때문에, 진단용으로도 적용하는 것이 가능하다. 또한, 0℃ 에서 40℃ 범위의 온도 측정이 가능하고, 동영상을 획득할 수 있으므로, 실시간 진단 시스템 구축을 가능하게 한다.

본 발명에서는 두 개의 카메라로부터 획득되어지는 적외선 영상과 일반적인 RGB 영상을 융합하는 기술을 구현해야 하므로 두 카메라의 초기 위치를 고정한다. 다음으로 두 개의 카메라로부터 들어오는 영상은 별도의 추가적인 작업없이 사용자의 편의를 고려한 이미지 퓨전, 즉 합성을 가능하게 해야 한다.

따라서, 두 영상의 이미지 퓨전, 즉 이미지 합성을 자동으로 구현하기 위한 초기 카메라 위치 설정 및 범위를 미리 계산하는 프로그램을 구축한다. 또한 적외선 카메라에서 들어오는 흑백 영상은 각 픽셀(pixel)의 강도를 바탕으로 칼라 맵핑을 실행한다. 그리고, 칼라 맵핑이 이루어지기 전에 적외선 카메라에서 적용되는 영상은 환자 개인의 체온이 다르다는 점을 고려하여 정상 부위에 대한 환부의 상대 온도를 계산하여 온도를 적용하여야 하기 때문에 레퍼런스 온도에 대한 환부의 상대 온도를 계산하는 과정이 필요하다. 마지막 단계는 임상 실험을 통해 직접적으로 얻어진 환자의 증상에 대한 데이터베이스를 바탕으로 온도 측정값을 통해 얻어진 환부의 상대를 통해 환자의 병환의 경중을 분류하고 결과를 시각화하는 인터페이스(interface)를 구성한다.

도 2는 적외선 카메라를 통해 얻어진 로 데이터(raw data)의 열분포 이미지이다.

도 2를 참조하면, 적외선 카메라를 통해 획득되어지는 흑백 적외선 영상으로서, 상기 흑백 적외선 영상은 카메라를 통해 얻어진 영상이다. 예를 들면, 상기 흑백 적외선 영상은 IEEE1394 포트를 통해 받아들여진 영상을 캡쳐한 영상일 수 ㅇl있다.

도 3은 적외선 카메라를 통해 얻어진 데이터를 바탕으로 컬러 맵핑한 예들을 보인 도면이다. 특히, 도 3a는 적색 톤의 핫 모드(hot mode)를 예시한 도면이고, 도 3b는 청색 톤의 쿨 모드(cool mode)를 예시한 도면이며, 도 3c는 다양한 색상의 레인보우 모드(raiobow mode)를 예시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 입력되어진 흑백 적외선 영상을 바탕으로 본 발명에 따른 다양한 칼라 맵핑(color mapping)을 적용한 예로서, 흑백 영상에서는 사람의 시각 으로 잘 구분되지 않는 열 분포를 이와 같이 칼라 맵핑함으로써 정확하게 구분할 수 있다. 도 3에서는 세 가지 모드의 칼라 맵핑이 예시되어져 있지만, 사용자의 편의에 따라 그 이상으로도 다양하게 구현될 수 있다.

도 4는 적외선 카메라와 씨씨디 카메라를 통해 얻어진 손 이미지의 합성 영상을 보인 도면이다. 특히, 도 4a는 씨씨디 카메라로 촬영한 영상을 보인 도면이고, 도 4b는 적외선 카메라로 촬영한 적외선 열상 이미지를 보인 도면이며, 도 4c는 본 발명에 따라 이미지 합성한 영상을 보인 도면이다.

도 4를 참조하면, 사람의 손 이미지에 대하여 씨씨디 카메라를 통해 얻어진 영상과 적외선 카메라를 통해 얻어진 적외선 열상 이미지를 합성한 경우로서, 관절염이 진행 중인 환자의 경우에는 관절 부위에서 발생하는 열이 일반인에 비해 높으므로, 온도 분포가 일반인에 비해 다르게 나타나므로 정량적인 비교 분석이 가능해 진다.

도 5은 류마티스 관절염 마우스에 대한 적외선 비교 영상을 보인 도면이다. 특히, 도 5a는 적외선 열상 이미지를 보인 도면이고, 도 5b는 쿨 모드로 칼라 맵핑한 영상을 보인 도면이며, 도 5c는 핫 모드로 칼라 맵핑한 영상을 보인 도면이다.

도 5를 참조하면, 류마티스 관절염이 발생한 쥐(mouse) 영상을 관절염이 진행된 상태에 따라 비교하고 있는데, 무냉식 적외선 카메라로부터 획득된 흑백 적외선 열상 이미지를 도 4에서 설명한 핫 모드 또는 쿨 모드에 따라 칼라 맵핑을 적용하였다. 상기 영상들의 경우, 쥐의 상태는 우측에서부터 비교군, 발병 26일, 57일, 188일이 진행된 상태이다. 도 5을 통해 알 수 있는 바와 같이, 오리지널 이미지에 서 획득된 흑백의 적외선 영상을 온도 분포에 대해 칼라 맵핑이 적용된 후에 발병 진행 상태에 따른 구분된 영상을 볼 수 있다. 특히, 쥐의 말단 부위의 경우, 대조군과 실험 후 188일이 지난 류마티즘 말기군인 쥐의 말단부위와 열분포 차이를 관찰할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 염증 진단 방법을 보인 도면이다.

도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 염증 진단 방법을 설명하면 이하와 같다.

본 발명의 일 실시예에 따라 인간을 제외한 동물의 염증 진단 방법은, 상기 동물의 칼라 영상 및 적외선 열상 이미지를 촬영하는 영상 입력 단계(S10), 상기 영상 입력 단계에서 촬영한 적외선 열상 이미지를 칼라 맵핑하는 칼라 맵핑 단계(S20), 및 상기 영상 입력 단계에서 촬영된 칼라 영상과 상기 칼라 맵핑 단계에서 칼라 맵핑된 적외선 열상 이미지를 퓨전하는 이미지 퓨전 단계(S40)를 포함한다.

상기 칼라 맵핑 단계에서의 칼라 맵핑은 적어도 세 종류 이상의 모드 즉, 적색 톤의 핫 모드, 청색 톤의 쿨 모드, 다양한 색상의 레인보우 모드를 포함할 수 있다. 상기 모드들에 대해서는, 앞서 본 발명의 일 실시예에 따른 염증 진단 장치에서 충분히 설명되어졌으므로 중복되는 설명은 생략한다.

요컨대, 본 발명에 따른 염증 진단 방법은, 우선 적외선 카메라로부터 제공되는 흑백의 열상 이미지에 대하여 진단에 용이하도록 칼라 맵핑을 실행하는 과정이 필요하다. 따라서 본 발명에 따른 염증 진단 방법에서는, 진료에 효과적인 칼라 매핑 테이블을 구성하기 위한 RGB 적용 함수를 구성하여 획득된 흑백 적외선 열상 이미지를 24비트 RGB 칼라 영상으로 재구성한다. 그리고, 적외선 영상 이미지는 엑스레이(X-ray)나 PET 영상과 같이 방사선에 노출되지 않는다는 장점이 있음에도 불구하고 환부에 대한 형태학적 경계가 불분명하다는 단점을 가지고 있다. 따라서 이러한 단점은 일반적인 씨씨디 카메라에 의해 해소될 수 있다. 즉, 다음 과정에서, 일반적인 씨씨디 카메라를 통해 동일 부위에 대해 촬영한 영상에 대하여 적외선 영상과 동일 위치를 융합하는 기술이 적용된다.

그러므로, 본 발명에서는, 이들 두 카메라 사이의 하드웨어적인 위치 차이를 계산하고, 적외선 영상에 대한 불투명도 조정을 통하여 두 영상의 이미지를 효과적으로 융합할 수 있는 영상 융합 알고리즘이 적용될 수 있다. 또한 신체에서 방출되는 열 분포 정보는 환부 조직의 두께와 혈관의 분포에 따라 적외선 투과도와 온도가 각기 상이하기 때문에 환부의 위치에서 측정되는 온도 분포에 절대 온도가 아닌 정상 부위와 이상 부위 사이의 상대 온도를 통하여 진단에 사용하도록 구성하고, 온도 측정시, 주변 온도에 독립적인 측정이 가능하도록 하는 외부 변수를 반영하는 표준화 과정도 적용될 수 있다.

그리하여, 본 발명에 따른 염증 진단 방법에서는 정상 부위의 온도 분포와 염증성 질환이 나타나는 부위의 이상적인 열분포를 상대적인 계수값과 비대칭적 특성을 비교하여 염증성 질환부위의 상대적인 값을 계산하게 된다. 따라서, 최종적으로 이상 부위에 대한 상대적 온도차를 분석할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 염증 진단 장치 및 그에 의한 염증 진단 방법은 상기 실시 예들에 한정되지 않고, 본 발명의 기본 원리를 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 설계되고, 응용될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자에게는 자명한 사실이라 할 것이다.

그리하여, 본 발명은 개선된 염증 진단 장치 및 그에 의한 염증 진단 방법을 제공함으로써, 염증성 질환에 대한 조기 진단을 가능하게 하는 장치 및 방법을 구현하기 위하여 무냉식 적외선 카메라와 씨씨디 카메라의 영상을 이미지 퓨전하여, 환부에 대한 정확한 위치의 열분포 영상을 획득한 후, 발열 부위와 정상 부위 간의 차이 영상을 통한 염증성 질환에 대한 진단을 가능하게 하는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 개선된 염증 진단 장치 및 그에 의한 염증 진단 방법을 제공함으로써, 종래 염증성 질환을 진단하기 위하여 사용되는 엑스레이와 같은 영상 장비의 한계점을 극복하고 진료의 용도로 활용할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (9)

1. 피사체의 영상을 촬영하기 위한 제1 촬영부;

   상기 피사체의 열 분포를 나타내는 열 분포 영상을 촬영하기 위한 제2 촬영부; 및

   상기 제1 촬영부 및 상기 제2 촬영부에서 촬영된 영상을 이미지 합성하기 위한 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 염증 진단 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 촬영부는 씨씨디(CCD) 카메라인 것을 특징으로 하는 염증 진단 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2 촬영부는 적외선 카메라인 것을 특징으로 하는 염증 진단 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 적외선 카메라는 무냉식 적외선 카메라인 것을 특징으로 하는 염증 진단 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 무냉식 적외선 카메라에서 촬영된 영상은 흑백 적외선 열상 이미지인 것을 특징으로 하는 염증 진단 장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제어부는 상기 흑백 적외선 열상 이미지를 24 비트 RGB 칼라 영상으로 재구성하는 것을 특징으로 하는 염증 진단 장치.
7. 인간을 제외한 동물의 염증 진단 방법에 있어서:

   상기 동물의 칼라 영상 및 적외선 열상 이미지를 촬영하는 영상 입력 단계;

   상기 영상 입력 단계에서 촬영한 적외선 열상 이미지를 칼라 맵핑하는 칼라 맵핑 단계; 및

   상기 영상 입력 단계에서 촬영된 칼라 영상과 상기 칼라 맵핑 단계에서 칼라 맵핑된 적외선 열상 이미지를 합성하는 이미지 합성 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 염증 진단 방법.
8. 제7항에 있어서,

   상기 칼라 맵핑 단계에서의 칼라 맵핑은 적어도 세 종류 이상의 모드로 구별되는 것을 특징으로 하는 염증성 질환 진단 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 세 종류 이상의 모드는

   적색 톤의 핫(hot) 모드;

   청색 톤의 쿨(cool) 모드; 및

   다양한 색상의 레인보우(rainbow) 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 염증 진단 방법.

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