KR101107513B1 - 이중 방사선 촬영 장비의 캘리브레이션 방법 및 이를 이용한 수술 후 관절 의 삼차원 위치 정보의 획득 방법 - Google Patents
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Abstract
이중 방사선 촬영 장비의 캘리브레이션 방법에 따르면, 수술 후 관절을 촬영하기 위한 이중 방사선 촬영 장비의 감지부와 방사선 영상 간의 배율을 설정한다. 수술 후 관절에 대한 상기 이중 방사선 촬영 장비의 방사선 조사부와 상기 감지부 간의 상대적인 위치를 설정한다. 상기 수술 후 관절을 서로 다른 두 방향들에서 촬영하기 위한 상기 방사선 조사부와 상기 감지부의 회전축을 설정한다. 따라서, 수술 후 정확한 관절의 삼차원 위치 정보를 획득할 수가 있다.
Description
본 발명은 이중 방사선 촬영 장비의 캘리브레이션 방법 및 이를 이용한 수술 후 관절의 삼차원 영상 획득 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 인공 관절을 삽입하는 수술 후의 관절을 촬영하기 위한 이중 방사선 촬영 장비를 캘리브레이팅하는 방법, 및 이러한 캘리브레이팅 방법을 이용해서 수술 후 관절에 대한 삼차원 위치 정보를 획득하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 인공 관절 수술 후에, X선을 이용한 방사선 촬영으로 획득한 방사선 사진을 통해서 수술 후의 관절 상태를 분석한다.
그러나, 방사선 사진은 이차원이기 때문에, 인공 관절의 삽입 위치 및 방향, 또는 대퇴부와 경골부 사이의 간격 등과 같은 정밀한 수술 분석을 방사선 사진을 통해서는 이루어질 수 없다.
이러한 문제를 해소하기 위해서, 방사선 촬영 장비를 이용해서 획득한 이차 원 영상 데이터를 미리 획득한 수술 전 관절에 대한 삼차원 형상 데이터와 정합시켜셔, 수술 후 관절의 삼차원 영상 데이터를 획득하는 방법이 개발되었다. 여기서, 수술 후 관절의 정확한 삼차원 영상 데이터를 획득하기 위해서는, 수술 후에 관절을 촬영한 방사선 영상에 수술 전 관절의 삼차원 형상 데이터가 대응되는 위치를 찾아 배치시키는 것이 우선적으로 요구된다.
그러나, 아직까지는 수술 후 관절에 대한 방사선 촬영 장비의 방사선 조사부와 탐지부의 상대적 위치를 정확하게 설정하기 위한 캘리브레이션 방법이 제시되지 못하고 있다.
본 발명은 수술 후 관절에 대한 방사선 조사부와 탐지부의 상대적 위치를 정확하게 설정할 수 있는 이중 방사선 촬영 장비의 캘리브레이션 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기된 캘리브레이션 방법을 이용해서 수술 후 관절의 정확한 삼차원 위치 정보를 획득하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 견지에 따른 이중 방사선 촬영 장비의 캘리브레이션 방법에 따르면, 수술 후 관절을 촬영하기 위한 이중 방사선 촬영 장비의 감지부와 방사선 영상 간의 배율을 설정한다. 수술 후 관절에 대한 상기 이중 방사선 촬영 장비의 방사선 조사부와 상기 감지부 간의 상대적인 위치를 설정한다. 상기 수술 후 관절을 서로 다른 두 방향들에서 촬영하기 위한 상기 방사선 조사부와 상기 감지부의 회전축을 설정한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 감지부와 상기 방사선 영상 간의 배율을 설정하는 단계는 상기 방사선 조사부를 향하고 수평 및 수직 방향을 따라 등간격으로 캘리브레이션 지점들이 배열된 제 1 면과 상기 감지부에 맞대어진 제 2 면을 갖는 캘리브레이션 큐브(calibration cube)를 상기 방사선 조사부와 상기 감지부 사이에 배치하는 단계, 상기 방사선 조사부로부터 상기 캘리브레이션 큐브로 방사선을 조사하여 상기 방사선 영상을 획득하는 단계, 상기 방사선 영상 상에 나타난 상기 캘리브레이션 지점들의 투영 지점들 간의 수평 거리 및 수직 거리를 측정 하는 단계, 및 상기 투영 지점들 간의 수평 거리 및 수직 거리에 대한 상기 캘리브레이션 큐브의 제 2 면 상에서의 상기 캘리브레이션 지점들 간의 수평 거리 및 수직 거리의 배율을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 방사선 조사부와 상기 감지부 간의 상대적인 위치를 설정하는 단계는 상기 방사선 영상 상의 투영 지점들의 좌표들에 상기 배율을 곱하여 상기 캘리브레이션 큐브의 제 2 면 상에서의 좌표들을 획득하는 단계, 및 상기 제 2 면 상의 각 좌표들로부터 상기 제 1 면 상의 각 해당 캘리브레이션 지점들을 통과하는 가상의 직선들이 만나는 지점을 상기 방사선 조사부의 위치로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 방사선 조사부와 상기 감지부의 회전축을 설정하는 단계는 상기 수평 및 수직 방향을 따라 등간격으로 캘리브레이션 지점들이 배열된 캘리브레이션 프레임(calibration frame)의 실제 영상을 획득하는 단계, 상기 캘리브레이션 프레임을 상기 방사선 조사부와 상기 감지부 사이에 배치하는 단계, 방사선 조사부와 감지부의 상대 위치를 이용하여 제 1 방향에서 촬영한 캘리브레이션 프레임의 3차원 위치를 산정하는 단계, 가상 회전축들을 중심으로 상기 캘리브레이션을 회전시키면서 서로 다른 두 방향들에서 상기 캘리브레이션 프레임을 촬영하여 가상 영상들을 획득하는 단계, 및 상기 가상 영상들과 상기 실제 영상을 비교하여, 상기 실제 영상과 매칭되는 어느 한 가상 영상의 가상 회전축을 상기 방사선 조사부와 상기 감지부의 회전축으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 견지에 따른 수술 후 관절의 삼차원 위치 정보 획득 방법에 따르면, 수술 전 관절의 삼차원 형상 데이터를 획득한다. 상기 수술에 사용되는 인공 관절의 삼차원 형상 데이터를 획득한다. 서로 다른 제 1 방향과 제 2 방향을 따라 상기 수술 후 관절의 제 1 이차원 영상 데이터 및 제 2 이차원 영상 데이터를 획득한다. 상기 수술 전 관절과 인공 관절의 삼차원 영상 데이터들을 상기 제 1 및 제 2 이차원 영상 데이터들에 정합(registration)시켜서, 수술 후 관절의 삼차원 위치 정보를 획득한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 및 제 2 이차원 영상 데이터들을 획득하는 단계는 상기 제 1 방향을 따라 배열된 이중 방사선 촬영 장비의 방사선 조사부와 감지부 사이에 상기 수술 후 관절을 배치하는 단계, 상기 방사선 조사부로부터 상기 제 1 방향을 따라 상기 수술 후 관절을 향해 방사선을 조사하여 상기 제 1 이차원 영상 데이터를 획득하는 단계, 상기 방사선 조사부와 상기 감지부가 상기 제 2 방향을 따라 배열되도록 상기 방사선 조사부와 상기 감지부를 회전시키는 단계, 및 상기 방사선 조사부로부터 상기 제 2 방향을 따라 상기 수술 후 관절을 향해 방사선을 조사하여 상기 제 2 이차원 영상 데이터를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 이차원 영상 데이터들을 획득하는 단계는 상기 이중 방사선 촬영 장비 내부에 상기 수술 후 관절의 촬영 위치를 설정하기 위해 상기 이중 방사선 촬영 장비를 캘리브레이팅(calibrating)하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 이중 방사선 촬영 장비를 캘리브레이팅하는 단계는 상기 감지부와 방사선 영상 간의 배율을 설정하는 단계, 상기 방사선 조사부와 상기 감지부 간의 상대적인 위치를 설정하는 단계, 및 상기 방사선 조사부와 상기 감지부의 회전축을 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 삼차원 위치 정보 획득 방법은 상기 제 1 및 제 2 이차원 영상 데이터로부터의 이차원 영상 이미지들 상에서 뼈의 윤곽(silhouette)이 명확하게 나타나도록 상기 이차원 영상 이미지들을 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이차원 영상 이미지들을 처리하는 단계는 상기 이차원 영상 이미지들의 휘도(brightness)와 명암(contrast)을 조정(adjust)하는 단계, 상기 뼈의 윤곽을 제외한 노이즈들을 상기 이차원 영상 이미지들로부터 제거(smoothing)하는 단계, 상기 뼈의 가장자리를 탐지하는 단계, 상기 탐지된 뼈의 가장자리를 문턱값(threshold)을 이용해서 수정(modify)하는 단계, 및 상기 수정된 뼈의 가장자리로부터 선형적으로 강도(intensity)가 감소하도록 상기 보정된 뼈의 가장자리를 확산(diffuse)시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 이중 방사선 촬영 장비 내에 수술 후 관절에 대한 방사선 조사부와 감지부의 상대적 위치를 정확하게 설정할 수가 있으므로, 수술 후 정확한 관절의 이차원 영상 데이터를 획득할 수가 있다. 따라서, 이차원 영상 데이터로부터 수술 후 관절의 정확한 삼차원 영상을 획득할 수가 있게 된다. 결과적으로, 인공 관절의 삽입 위치 및 방향, 대퇴부와 경골부 사이의 간격 등과 같 은 정밀한 수술 분석을 삼차원 영상을 통해서 수행할 수가 있게 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들 이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이중 방사선 촬영 장비의 캘리브레이션 방법
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이중 방사선 촬영 장비의 캘리브레이션 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이고, 도 2는 도 1의 캘리브레이션 방법에 포함된 감지부와 방사선 영상 간의 배율을 설정하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이며, 도 3은 도 1의 캘리브레이션 방법에 포함된 방사선 조사부와 감지부 간의 상대 위치를 설정하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이고, 도 4는 도 2 및 도 3의 방법들을 설명하기 위한 이중 방사선 촬영 장비를 나타낸 사시도이며, 도 5는 도 4의 캘리브레이션 큐브를 촬영한 방사선 영상의 사진이고, 도 6은 도 1의 캘리브레이션 방법에 포함된 방사선 조사부와 감지부의 회전축을 설정하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이며, 도 7은 도 6의 방법을 설명하기 위한 이중 방사선 촬영 장비를 나타낸 사시도이다.
도 4를 참조하면, 이중 방사선 촬영 장비는 방사선을 조사하는 방사선 조사 부(X), 및 방사선 조사부(X)로부터 조사되어 수술 후 관절을 투과한 방사선을 감지하는 감지부(D)를 포함한다. 본 실시예에서, 이중 방사선 촬영 장비는 수술 후 관절을 서로 다른 제 1 방향과 제 2 방향을 따라 촬영하여, 수술 후 관절에 대한 제 1 이차원 영상과 제 2 이차원 영상을 획득한다. 제 1 방향과 제 2 방향은 서로 직교를 이룰 수 있다.
여기서, 이차원 영상으로부터 수술 후 관절과 같은 피사체의 삼차원 위치 정보를 계산하기 위하여서는, 우선 감지부(D)와 방사선 조사부(X) 사이의 상대적 위치 관계가 설정될 것이 요구된다. 또한, 피사체를 제 1 방향을 따라 촬영한 후에 제 2 방향을 따라 촬영해야만 하므로, 방사선 조사부(X)와 감지부(D)를 회전축을 중심으로 회전시켜야 한다. 이때, 회전축에 대한 실세계 좌표의 삼차원 위치 정보가 정확하게 설정되어야만 정확한 제 2 이차원 영상에 대한 가상 투사 영상을 계산할 수 있다. 따라서, 수술 후 관절을 촬영하기 전에, 방사선 조사부(X)와 감지부(D) 간의 상대 거리 및 방사선 조사부(X)와 감지부(D)의 회전축을 정확하게 설정할 것이 요구된다.
이를 위해서, 도 1을 참조하면, 단계 ST100에서, 감지부(D)와 방사선 영상(R) 간의 배율을 설정한다. 여기서, 방사선 영상이란 피사체를 실제로 촬영한 영상이다.
구체적으로, 도 2 및 도 4를 참조하면, 단계 ST110에서, 캘리브레이션 큐브(C)를 감지부(D)에 맞닿도록 하여 방사선 조사부(X)와 감지부(D) 사이에 배치한다. 본 실시예에서, 캘리브레이션 큐브(C)는 방사선이 투과할 수 있는 알루미늄 재 질이면서 대략 직육면체 형상을 갖는다. 따라서, 캘리브레이션 큐브(C)는 방사선 조사부(X)를 향하는 제 1 면(P1), 및 제 1 면(P1)의 반대측이면서 감지부(D)와 맞대어진 제 2 면(P2)을 갖는다. 캘리브레이션 큐브(C)는 폭(d)을 가지므로, 감지부(D)와 제 1 면(P1) 간의 거리는 캘리브레이션 큐브(C)의 폭(d)에 해당된다. 또한, 복수개의 캘리브레이션 지점(C1)들이 캘리브레이션 큐브(C)의 제 1 면(P1) 상에 수평 및 수직 방향을 따라 등간격으로 배열된다.
단계 ST120에서, 방사선 조사부(X)에서 방사선을 캘리브레이션 큐브(C)로 조사한다. 방사선은 캘리브레이션 큐브(C)를 투과하고, 감지부(D)가 투과한 방사선을 감지하여, 도 5의 방사선 영상(R)으로 표시된다. 따라서 제 2 캘리브레이션 지점(C2)들은 방사선 영상(R)에 영상이 표시되어 각각에 대응하는 투영 지점(C3)들이 표시된다.
단계 ST130에서, 방사선 영상(R) 상의 투영 지점(C3)들 간의 수평 및 수직 거리들을 측정한다. 본 실시예에서, 투영 지점(C3)들 중 방사선 영상(R)의 네 모서리에 위치한 4개의 투영 지점(C3)을 선정하여, 각 투영 지점(C3)들을 기준으로 하는 투영 지점(C3)들 간의 수평 및 수직 거리들을 측정한다. 또한, 캘리브레이션 큐브(C)의 제 2 면(P2) 상의 제 2 캘리브레이션 지점(C2)들 간의 수평 및 수직 거리들도 측정한다.
단계 ST140에서, 방사선 영상(R) 상의 투영 지점(C3)들 간의 수평 및 수직 거리들에 대한 캘리브레이션 큐브(C)의 제 2 면(P2) 상에서의 제 2 캘리브레이션 지점(C2)들 간의 수평 및 수직 거리들의 각 배율을 산출한다. 따라서, 수평 방향 및 수직 방향에 따른 방사선 영상(R)에 대한 감지부(D)의 배율이 획득된다.
다시 도 1을 참조하면, 단계 ST200에서, 방사선 조사부(X)와 감지부(D) 간의 상대 위치를 결정한다.
구체적으로, 도 3 및 도 4를 참조하면, 단계 ST210에서, 도 2의 단계들을 통해 획득한 배율을 방사선 영상(R) 상의 투영 지점(I1)들의 좌표들에 각각 곱하여, 캘리브레이션 큐브(C)의 제 2 면(P2) 상에 제 1 캘리브레이션 지점(C1)들이 투영된 지점들(C3)의 좌표들을 획득한다.
단계 ST220에서, 캘리브레이션 큐브(C)의 제 2 면(P2) 상에 제 1 캘리브레이션 지점(C1)들이 투영된 지점들(C3)의 좌료들로부터 캘리브레이션 큐브(C)의 제 1 면(P1) 상의 캘리브레이션 지점(C1)들을 통과하는 가상의 직선들을 긋는다. 각 직선들은 어느 한 지점에 모이게 되고, 이러한 모인 지점을 방사선 조사부(X)의 위치로 설정한다.
다시 도 1을 참조하면, 단계 ST300에서, 방사선 조사부(X)와 감지부(D)의 회전축을 설정한다.
구체적으로, 도 6 및 도 7을 참조하면, 단계 ST310에서, 회전축(A) 설정에 사용되는 캘리브레이션 프레임(F)을 방사선 조사부(X)와 감지부(D) 사이에 배치한다. 본 실시예에서, 캘리브레이션 프레임(F)은 얇은 박판 형상을 갖는다. 복수개의 캘리브레이션 지점(F1)들이 캘리브레이션 프레임(F) 상에 수평 및 수직 방향을 따라 등간격으로 배열된다.
단계 ST320에서, 캘리브레이션 프레임(F)을 제 1 방향과 제 2 방향을 따라 촬영하여, 2개의 실제 영상들을 획득한다. 즉, 캘리브레이션 프레임(F)을 수평 방향을 따라 촬영한 후, 방사선 조사부(X)와 감지부(D)를 회전축을 중심으로 90ㅀ회전시킨 상태에서 캘리브레이션 프레임(F)을 수직 방향을 따라 촬영한다.
단계 ST330에서, 앞서 계산된 방사선 조사(X)부와 감지부(D)의 상대 위치를 이용하여 제 1지점 상태에서의 캘리브레이션 프레임(F)의 3차원 위치를 계산한다. 이 때, 방사선은 투사 투영되므로 캘리브레이션 프레임(F)의 3차원 위치는 유일하게 결정될 수 있다. 즉, 제 1지점 상태에서, 캘리브레이션 프레임(F)의 위치를 임의로 가정하고 이 상태에서 가상 투사한 영상에서의 캘리브레이션 지점(F1)들이 실제 촬영한 영상과 같아지는 지점을 찾을 때까지 캘리브레이션 프레임(F)의 위치를 바꾸어 보면서 캘리브레이션 프레임(F)의 위치를 찾아낸다.
단계 ST340에서, 방사선 시스템의 가상의 회전축(A)을 가정하고 이 회전축을 중심으로 제 1지점 상태의 방사선 조사부(X)와 감지부(D)를 90도 회전시킨 제 2지점 상태의 방사선 조사부와 감지부를 계산한다. 이렇게 가정한 위치의 제 2지점 상태에서 캘리브레이션 프레임(F)을 가상으로 촬영한 영상을 계산한다.
단계 ST350에서, 가정한 회전축들 중에서 가상 영상이 실제 영상과 일치하도록 하는 어느 한 회전축을 찾아 방사선 시스템의 회전축(A)의 3차원 위치를 알아낸다. 즉, 여러 회전축들 중에서 제 2지점 상태에서 캘리브레이션 프레임(F)을 실제 촬영한 영상과 가정한 회전축을 중심으로 제 1지점 상태에서 90되 회전한 상태에서 가상 투사한 영상이 일치되도록 하는 어느 한 회전축(A)을 계산한다.
상기와 같은 본 실시예에 따르면, 이중 방사선 촬영 장비의 방사선 조사부와 감지부 간의 상대 위치를 정확하게 설정할 수 있고, 또한 방사선 조사부와 감지부의 회전축도 정확하게 설정할 수 있다. 따라서, 서로 다른 두 방향에서의 수술 후 관절의 이차원 영상 데이터를 이중 방사선 촬영 장비를 이용해서 정확하게 획득할 수가 있게 된다.
수술 후 관절의 삼차원 위치 획득 방법
도 8은 도 1의 캘리브레이션 방법을 이용해서 수술 후 관절의 삼차원 위치 정보를 획득하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이고, 도 9는 수술 전 관절을 촬영한 CT 촬영하여 얻은 형상 데이터이며, 도 10은 인공 관절을 삼차원 측정한 형상데이터이고, 도 11은 도 8의 방법에 포함된 수술 후 관절의 이차원 영상을 획득하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이며, 도 12는 수술 후 관절을 촬영한 방사선 사진이고, 도 13는 도 8의 방법에 포함된 수술 후 관절의 이차원 영상을 처리하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이며, 도 14는 도 13의 방법을 설명하기 위한 수술 후 관절을 촬영한 사진들이고, 도 15는 수술 후 관절의 이차원 영상들과 수술 전 관절과 인공 관절의 삼차원 영상들을 정합하여 획득한 수술 후 관절의 삼차원 영상을 나타낸 사진이다.
도 8을 참조하면, 단계 ST400에서, 수술 전 관절의 삼차원 형상 데이터를 획득한다. 본 실시예에서, 수술 전 관절을 CT 촬영하여, 도 9에 도시된 수술 전 관절의 삼차원 형상 데이터를 획득한다. 여기서, 도 9의 관절은 무릎 관절이다.
단계 ST500에서, 관절에 삽입할 인공 관절의 삼차원 형상 데이터를 획득한다. 본 실시예에서, 수술에 사용될 인공 관절을 미리 삼차원 측정하여, 도 10에 도 시된 삼차원 형상 데이터를 획득한다.
단계 ST600에서, 인공 관절을 관절에 삽입하는 수술 후, 관절을 이중 방사선 촬영 장비를 이용해서 제 1 방향과 제 2 방향에서 촬영하여, 제 1 방향에서의 제 1 이차원 영상 데이터와 제 2 방향에서의 제 2 이차원 영상 데이터를 획득한다. 여기서, 이중 방사선 촬영 장비의 감지부와 방사선 영상 간의 배율, 방사선 조사부와 감지부 간의 상대 위치, 및 방사선 조사부와 감지부의 회전축은 전술된 방법에 의해서 알려진 상태이다.
구체적으로, 도 11을 참조하면, 단계 ST610에서, 수술 후 관절을 방사선 조사부와 감지부 사이에 배치한다.
단계 ST620에서, 방사선 조사부로부터 방사선을 제 1 방향을 따라 수술 후 관절로 조사한다. 감지부가 수술 후 관절을 투과한 방사선을 감지하여, 수술 후 관절에 관한 제 1 이차원 영상이 표시된다. 제 1 이차원 영상은 제 1 방향에 따른 수술 후 관절의 제 1 이차원 영상 데이터를 포함한다.
단계 ST630에서, 방사선 조사부와 감지부를 회전축을 중심으로 90ㅀ 회전시켜서, 방사선 조사부와 감지부를 제 2 방향을 따라 배열시킨다.
단계 ST640에서, 방사선 조사부로부터 방사선을 제 2 방향을 따라 수술 후 관절로 조사한다. 감지부가 수술 후 관절을 투과한 방사선을 감지하여, 수술 후 관절에 관한 제 2 이차원 영상이 표시된다. 제 2 이차원 영상은 제 2 방향에 따른 수술 후 관절의 제 2 이차원 영상 데이터를 포함한다. 도 12는 상기된 공정들을 통해 획득한 제 1 이차원 영상과 제 2 이차원 영상을 나타낸다.
여기서, 제 1 이차원 영상과 제 2 이차원 영상에는 근육 등의 연조직과 골수 등으로 인해 뼈의 윤곽이 명확하게 표시되지 못할 수 있다. 따라서, 뼈의 윤곽을 명확하게 표시하기 위해, 단계 ST700에서, 제 1 이차원 영상과 제 2 이차원 영상을 처리하는 공정이 부가적으로 수행될 수 있다.
구체적으로, 도 13 및 도 14를 참조하면, 단계 ST710에서, 이차원 영상 이미지들의 휘도(brightness)와 명암(contrast)을 조정(adjust)한다.
단계 ST720에서, 뼈의 윤곽을 제외한 노이즈들을 이차원 영상 이미지들로부터 제거한다. 본 실시예에서, 노이즈 제거는 smoothing 공정을 통해 이루어질 수 있다.
단계 ST730에서, 뼈의 가장자리를 탐지한다. 본 실시예에서, 뼈의 가장자리는 Canny edge filter를 이용하여 탐지할 수 있다.
단계 ST740에서, 탐지된 뼈의 가장자리를 보정(modify)하는 작업을 수행한다. 본 실시예에서, 뼈의 가장자리 보정은 이중 문턱값(double thresholding)을 이용해서 수행된다. 문턱값을 너무 낮게 설정하면, 뼈의 가장자리가 아닌 부분이 잔존할 수 있다. 반대로, 문턱값을 너무 높게 설정하면, 뼈의 가장자리가 부분적으로 배제될 수 있다. 따라서, 적정한 문턱값을 설정하여, 보정 작업을 수행할 것이 요구된다.
단계 ST750에서, 보정된 뼈의 가장자리를 확산(diffuse)시킨다. 뼈의 가장자리부터 외곽을 향해 강도(intensity)가 선형적으로 감소하도록 확산시켜서, 뼈의 윤곽이 뚜렷한 이차원 영상을 획득한다.
다시, 도 8을 참조하면, 수술 전 관절과 인공 관절의 삼차원 영상 데이터들을 처리된 제 1 및 제 2 이차원 영상 데이터들에 정합(registration)시켜서, 도 15에 도시된 수술 후 관절의 삼차원 영상을 획득한다.
본 실시예에서, 수술 후 관절의 제 1 및 제 2 이차원 영상을 기준으로, 도 9의 수술 전 관절의 3차원 형상 데이터와 도 10의 인공 관절의 3차원 형상 데이터의 3차원 위치 정보를 알아낸다. 수술 전 관절과 인공 관절의 3차원 형상 데이터들 각각에 대하여 각 형상 데이터들이 가상으로 투사된 영상 데이터와 실제 수술 후 관절의 제 1 및 제 2 이차원 영상 데이터들과 유사해질 때까지 반복하여 계산함으로써, 정확한 수술 후 관절 및 인공 관절의 삼차원 영상을 획득할 수 있다. 이 때, 가상으로 투사된 영상 데이터를 계산에는, 전술한 바와 같이, 방사선 조사부와 감지부 간의 상대 위치 및 방사선 조사부와 감지부의 회전축의 위치가 사용된다.
도 15의 수술 후 관절의 삼차원 영상으로부터 인공 관절의 삽입 위치 및 각도를 분석할 수가 있다.
예를 들어서, 도 16은 수술 후 관절의 대퇴부(femoral)와 경골부(tibial) 인공 관절이 뼈, 전후면, 측면과 이루는 여러 상대 각도(α, β, δ)와 하지의 해부축(anatomic axis) 사이의 각도인 대퇴경골각(femorotibial angle)이 자동적으로 표시되는 것을 나타낸 영상이다.
또한, 도 17은 대퇴부와 경골부 인공 관절의 외회전(external rotation) 정도를 계산하는 것을 표시한 영상이다.
도 18은 무릎을 펼때 대퇴부와 경골부 간의 간격(extension gap)이 평행한지 여부를 확인할 수 있는 것을 표시한 영상이다.
이와 같이, 본 발명의 방법을 통해 획득한 수술 후 관절의 삼차원 영상을 통해서 수술 후 관절에 대한 정확한 분석이 이루어질 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 이중 방사선 촬영 장비 내에 수술 후 관절에 대한 방사선 조사부와 감지부의 상대적 위치를 정확하게 설정할 수가 있으므로, 수술 후 정확한 관절의 이차원 영상 데이터를 획득할 수가 있다. 따라서, 이차원 영상 데이터로부터 수술 후 관절의 정확한 삼차원 영상을 획득할 수가 있게 된다. 결과적으로, 기존의 단순한 방사선 촬영으로는 확인할 수 없었던 인공 관절의 삽입 위치 및 방향, 대퇴부와 경골부 사이의 간격 등과 같은 정밀한 수술 분석을 삼차원 영상을 통해서 수행할 수가 있게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이중 방사선 촬영 장비의 캘리브레이션 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 도 1의 캘리브레이션 방법에 포함된 감지부와 방사선 영상 간의 배율을 설정하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 3은 도 1의 캘리브레이션 방법에 포함된 방사선 조사부와 감지부 간의 상대 위치를 설정하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 4는 도 2 및 도 3의 방법들을 설명하기 위한 이중 방사선 촬영 장비를 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 4의 캘리브레이션 큐브를 촬영한 방사선 영상의 사진이다.
도 6은 도 1의 캘리브레이션 방법에 포함된 방사선 조사부와 감지부의 회전축을 설정하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 7은 도 6의 방법을 설명하기 위한 이중 방사선 촬영 장비를 나타낸 사시도이다.
도 8은 도 1의 캘리브레이션 방법을 이용해서 수술 후 관절의 삼차원 영상을 획득하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 9는 수술 전 관절을 CT 촬영하여 얻은 삼차원 형상 데이터의 모습이다.
도 10은 수술 전 인공 관절을 삼차원 스캔하여 얻은 삼차원 형상 데이터의 모습이다.
도 11은 도 8의 방법에 포함된 수술 후 관절의 이차원 영상을 획득하는 방법 을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 12는 수술 후 관절을 촬영한 이중 방사선 사진이다.
도 13은 도 8의 방법에 포함된 수술 후 관절의 이차원 영상을 처리하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 14는 도 13의 방법을 설명하기 위한 수술 후 관절을 촬영한 사진들이다.
도 15는 수술 후 관절의 이차원 영상들과 수술 전 관절과 인공 관절의 삼차원 영상들을 정합하여 획득한 수술 후 관절의 삼차원 위치 정보가 계산된 사진이다.
도 16은 수술 후 관절의 대퇴부(femoral)와 경골부(tibial) 인공 관절이 뼈, 전후면, 측면과 이루는 여러 상대 각도(α, β, δ)와 하지의 해부축(anatomic axis) 사이의 각도인 대퇴경골각(femorotibial angle)이 자동적으로 표시되는 것을 나타낸 영상이다.
도 17은 대퇴부와 경골부 인공 관절의 외회전(external rotation) 정도를 계산하는 것을 표시한 영상이다.
도 18은 무릎을 펼때 대퇴부와 경골부 간의 간격(extension gap)이 평행한지 여부를 확인할 수 있는 것을 표시한 영상이다.
- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -
X ; 방사선 조사부 D ; 감지부
C ; 캘리브레이션 큐브 F ; 캘리브레이션 프레임
Claims (11)
- 수술 후 관절을 촬영하기 위한 이중 방사선 촬영 장비의 감지부와 방사선 영상 간의 배율을 설정하는 단계;상기 이중 방사선 촬영 장비의 방사선 조사부와 상기 감지부 간의 상대적인 위치를 설정하는 단계; 및상기 수술 후 관절을 서로 다른 두 방향들에서 촬영하기 위해 상기 방사선 조사부와 상기 감지부의 회전축을 설정하는 단계를 포함하는 이중 방사선 촬영 장비의 캘리브레이션 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 감지부와 상기 방사선 영상 간의 배율을 설정하는 단계는상기 방사선 조사부를 향하고 수평 및 수직 방향을 따라 등간격으로 캘리브레이션 지점들이 배열된 제 1 면과 상기 감지부에 맞대어진 제 2 면을 갖는 캘리브레이션 큐브(calibration cube)를 상기 방사선 조사부와 상기 감지부 사이에 배치하는 단계;상기 방사선 조사부로부터 상기 캘리브레이션 큐브로 방사선을 조사하여 상기 방사선 영상을 획득하는 단계;상기 방사선 영상 상에 나타난 상기 캘리브레이션 지점들의 투영 지점들 간의 수평 거리 및 수직 거리를 측정하는 단계; 및상기 투영 지점들 간의 수평 거리 및 수직 거리에 대한 상기 캘리브레이션 큐브의 제 2 면 상에서의 상기 캘리브레이션 지점들 간의 수평 거리 및 수직 거리의 배율을 산출하는 단계를 포함하는 이중 방사선 촬영 장비의 캘리브레이션 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 방사선 조사부와 상기 감지부 간의 상대적인 위치를 설정하는 단계는상기 방사선 영상 상의 투영 지점들의 좌표들에 상기 배율을 곱하여 상기 캘리브레이션 큐브의 제 2 면 상에서의 좌표들을 획득하는 단계; 및상기 제 2 면 상의 각 좌표들로부터 상기 제 1 면 상의 각 해당 캘리브레이션 지점들을 통과하는 가상의 직선들이 만나는 지점을 상기 방사선 조사부의 위치로 설정하는 단계를 포함하는 이중 방사선 촬영 장비의 캘리브레이션 방법.
- 제 1 항에 있어서, 상기 방사선 조사부와 상기 감지부의 회전축을 설정하는 단계는수평 및 수직 방향을 따라 등간격으로 캘리브레이션 지점들이 배열된 캘리브레이션 프레임을 상기 방사선 조사부와 상기 감지부 사이에 배치하는 단계;상기 캘리브레이션 프레임(calibration frame)의 실제 영상을 획득하는 단계;상기 방사선 조사부와 감지부의 상대 위치를 이용하여 제 1 방향에서 촬영한 캘리브레이션 프레임의 3차원 위치를 산정하는 단계,가상 회전축들을 중심으로 상기 캘리브레이션 프레임을 회전시키면서 서로 다른 두 방향들에서 상기 캘리브레이션 프레임을 촬영하여 가상 영상들을 획득하는 단계; 및상기 가상 영상들과 상기 실제 영상을 비교하여, 상기 실제 영상과 매칭되는 어느 한 가상 영상의 가상 회전축을 상기 방사선 조사부와 상기 감지부의 회전축으로 설정하는 단계를 포함하는 이중 방사선 촬영 장비의 캘리브레이션 방법.
- 수술 전 관절의 삼차원 영상 데이터를 획득하는 단계;상기 수술에 사용되는 인공 관절의 삼차원 영상 데이터를 획득하는 단계;상기 수술 후 서로 다른 제 1 방향과 제 2 방향을 따라 상기 관절의 제 1 이차원 영상 데이터 및 제 2 이차원 영상 데이터를 획득하는 단계; 및상기 수술 전 관절과 인공 관절의 삼차원 영상 데이터들을 상기 제 1 및 제 2 이차원 영상 데이터들에 정합(registration)시켜서, 수술 후 관절의 삼차원 영상 데이터를 획득하는 단계를 포함하는 수술 후 관절의 삼차원 위치 정보 획득 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 이차원 영상 데이터들을 획득하는 단계는상기 제 1 방향을 따라 배열된 이중 방사선 촬영 장비의 방사선 조사부와 감지부 사이에 상기 수술 후 관절을 배치하는 단계;상기 방사선 조사부로부터 상기 제 1 방향을 따라 상기 수술 후 관절을 향해 방사선을 조사하여 상기 제 1 이차원 영상 데이터를 획득하는 단계;상기 방사선 조사부와 상기 감지부가 상기 제 2 방향을 따라 배열되도록 상기 방사선 조사부와 상기 감지부를 회전시키는 단계; 및상기 방사선 조사부로부터 상기 제 2 방향을 따라 상기 수술 후 관절을 향해 방사선을 조사하여 상기 제 2 이차원 영상 데이터를 획득하는 단계를 포함하는 수술 후 관절의 삼차원 위치 정보 획득 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 이차원 영상 데이터들을 획득하는 단계는 상기 이중 방사선 촬영 장비 내부에 상기 수술 후 관절의 촬영 위치를 설정하기 위해 상기 이중 방사선 촬영 장비를 캘리브레이팅(calibrating)하는 단계를 더 포함하는 수술 후 관절의 삼차원 위치 정보 획득 방법.
- 제 7 항에 있어서, 상기 이중 방사선 촬영 장비를 캘리브레이팅하는 단계는상기 감지부와 방사선 영상 간의 배율을 설정하는 단계;상기 방사선 조사부와 상기 감지부 간의 상대적인 위치를 설정하는 단계; 및상기 방사선 조사부와 상기 감지부의 회전축을 설정하는 단계를 포함하는 수술 후 관절의 삼차원 위치 정보 획득 방법.
- 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 이차원 영상 데이터로부터의 이차원 영상 이미지들 상에서 상기 수술 후 관절의 뼈의 윤곽(silhouette)이 명확하게 나타나도록 상기 이차원 영상 이미지들을 처리하는 단계를 더 포함하는 수술 후 관절의 삼차원 위치 정보 획득 방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 이차원 영상 이미지들을 처리하는 단계는상기 이차원 영상 이미지들의 휘도(brightness)와 명암(contrast)을 조정(adjust)하는 단계;상기 뼈의 윤곽을 제외한 노이즈들을 상기 이차원 영상 이미지들로부터 제거(smoothing)하는 단계;상기 뼈의 가장자리를 탐지하는 단계;상기 탐지된 뼈의 가장자리를 문턱값(threshold)을 이용해서 보정(modify)하는 단계; 및상기 보정된 뼈의 가장자리로부터 선형적으로 강도(intensity)가 감소하도록 상기 보정된 뼈의 가장자리를 확산(diffuse)시키는 단계를 포함하는 수술 후 관절의 삼차원 위치 정보 획득 방법.
- 수술 전 관절의 삼차원 형상 데이터를 획득하는 단계;상기 수술에 사용되는 인공 관절의 삼차원 형상 데이터를 획득하는 단계;이중 방사선 촬영 장비의 감지부와 방사선 영상 간의 배율을 설정하는 단계;상기 이중 방사선 촬영 장비의 방사선 조사부와 상기 감지부 간의 상대적인 위치를 설정하는 단계;상기 방사선 조사부와 상기 감지부의 회전축을 설정하는 단계;제 1 방향을 따라 배열된 상기 방사선 조사부와 상기 감지부 사이에 수술 후 관절을 배치하는 단계;상기 방사선 조사부로부터 상기 제 1 방향을 따라 상기 수술 후 관절을 향해 방사선을 조사하여 제 1 이차원 영상 데이터를 획득하는 단계;상기 방사선 조사부와 상기 감지부가 상기 제 1 방향과 직교를 이루는 제 2 방향을 따라 배열되도록 상기 방사선 조사부와 상기 감지부를 회전시키는 단계;상기 방사선 조사부로부터 상기 제 2 방향을 따라 상기 수술 후 관절을 향해 방사선을 조사하여 제 2 이차원 영상 데이터를 획득하는 단계;상기 제 1 및 제 2 이차원 영상 데이터로부터의 이차원 영상 이미지들 상에서 뼈의 윤곽(silhouette)이 명확하게 나타나도록 상기 이차원 영상 이미지들을 처리하는 단계; 및상기 수술 전 관절과 인공 관절의 삼차원 영상 데이터들을 상기 처리된 제 1 및 제 2 이차원 영상 데이터들에 정합(registration)시켜서, 수술 후 관절의 삼차원 영상 데이터를 획득하는 단계를 포함하는 수술 후 관절의 삼차원 위치 정보 획득 방법.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| KR102216818B1 (ko) | 2018-12-28 | 2021-02-17 | 부산대학교 산학협력단 | 이중에너지 x선 흡수 계측법(dxa)의 이차원(2d) 이미지를 이용한 간 위치 추정 방법 |
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| KR20110040329A (ko) | 2011-04-20 |
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