KR101279332B1 - 골밀도 칼리브레이션 방법 및 시스템 - Google Patents
골밀도 칼리브레이션 방법 및 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 환자의 신체 부분, 특히 입/턱/얼굴(1) 부분의 조직 밀도를 이미지로 나타내고 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법에 따라, 삼차원 이미지 데이터로서 제공되고 이미 알려진 밀도를 갖는 칼리브레이션 팬텀(5, 8, 15)을 나타내는 칼리브레이션 데이터뿐만 아니라 신체 부분을 나타내는 삼차원 이미지 데이터를 이미지를 발생시켜 촬영하며 조직 밀도는 이미지 데이터와 칼리브레이션 데이터를 비교하여 얻어진다. 이미지 데이터 및 칼리브레이션 데이터는 환자의 직립위치, 특히 앉거나 서있는 동안 동일 샷의 프레임워크에서 사진촬영된다. 칼리브레이션 팬텀(5, 8, 15)이 환자의 신체에 독립적으로 고정되고 이미징 장치에 한정된 거리로 고정된 고정구(4, 10, 14)에 의해 샷 동안 사진촬영할 신체 부분(1)에 바로 근접하여 위치한다.
Description
본 발명은 환자의 신체 부분, 특히 턱 부분의 조직 밀도를 이미지로 나타내고 측정하기 위한 방법에 관한 것으로, 삼차원 이미지 데이터로서 제공되고 이미 알려진 밀도를 갖는 칼리브레이션 팬텀(calibration phantom)을 나타내는 칼리브레이션 데이터뿐만 아니라 신체 부분을 나타내는 삼차원 이미지 데이터를 이미지를 발생시켜 촬영하며 조직 밀도는 이미지 데이터와 칼리브레이션 데이터를 비교하여 얻어진다. 본 발명은 또한 이러한 방법을 실행하기 위한 시스템에 관한 것이다.
대체로,이러한 골밀도의 공간적으로 결정된 측정은, 상기 측정으로 인해 치아 임플란트 계획시 에러를 피할 수 있기 때문에, 특히 치과 매식학에서 중요하게 여겨진다. 임플란트 계획은 종종 사람의 입/턱/얼굴 부분(하기에서는 간단히 "턱 부분"으로 나타냄)의 삼차원 표시를 기초로 하여 착수되며, 삼차원 표시는 예를 들어, 컴퓨터 용적 단층촬영(computer volume tomography, DVT) 또는 컴퓨터 단층촬영(computer tomography, CT)에 의해 생성된 데이터를 기초로 한다. 이러한 삼차원 표시에서, 용적화소(voxel) 수치, 즉 각각의 볼륨 엘리먼트의 색 수치는 스캔된 용 적의 상이한 물질 특성에 상응한다
그러나, 널리 알려진 바와 같이, 이러한 수치는 오직 상대값으로서만 초기에 나타나며, 이러한 수치는 칼리브레이션 데이터에 의해서만 절대값으로 변환될 수 있다. 그러므로, CT의 경우 이미지 데이터의 칼리브레이션은 하운스필드 단위로 나타내진다. 그러나, 골밀도 측정의 경우 하운스필드 단위의 사용은 하운스필드 단위가 많은 요소에 의해 영향을 받는다는 점에서 중대한 단점이 된다. 예를 들어, 하운스필드 단위는 X-선 방사선의 유효 에너지 및 산란 방사선 둘 다에 좌우되므로, 실험할 신체 일부의 모양에 좌우된다. 이는 상이한 하운스필드 수치를 반향하는 상이한 두 장치에 의해 동일한 대상의 이미지를 야기한다.
골밀도 분포에 대한 명백한 추론을 형성하기 위하여, 알려진 밀도의 뼈와 등가의 물질로 만들어진 팬텀을 골밀도의 단위로 칼리브레이션을 위해 사용하였다. CT의 경우, 이미지화 동안에 U-자형의 칼리브레이션 팬텀이 누워있는 환자의 턱 위에 위치하는 방법이 공지되었다(K. Maki 등의, Dentomaxillofacial Radiology, (1997) 26, 39-44). 그러나, 다루기에 불편하고 재현 방식에 사용하기가 어려울 수 있는 칼리브레이션 팬텀 때문에, 실제 적용시 여기에 기재된 방법은 한정된 범위에서만 적절하다.
US 2002/0114425 A1로부터, 통상적인 X-선 프로젝션 이미징으로 턱뼈의 구조 및 밀도를 측정하는 방법이 공지되었다. 이러한 방법에서 의미있는 결과를 얻기 위해서, 예를 들어 치아에 부착한 칼리브레이션 팬텀은 노출될 X-선 필름 바로 앞에 위치하여 정렬되어 있어, 팬텀과 필름 사이에는 추가 흡수 물질이 존재하지 않는 다. 최종적으로, 이러한 방법에 따라 측정된 결과의 신뢰도에 관한 한, 외부 표준[GZ1]으로서 칼리브레이션 팬텀의 프로젝션이 다른 흡수 구조, 예를 들어 뼈에 의해 감춰지지 않는 것이 필수적이다. 오직 이차원 이미징에 적합한 이러한 방법에서, 칼리브레이션 팬텀은 다루기 불편하며, 후기 이미징에서 팬텀 또한 재현할 수 없다.
본 발명의 목적은, 간단한 수단을 가지고 경제적인 방식으로 실시될 수 있으며, 실제 적용시 적절한 간단한 조작으로 턱 부분, 특히 턱뼈의 조직의 높은 정확성 및 재현성을 갖는 삼차원 밀도 측정을 가능하게 하는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 칼리브레이션 팬텀을 위한 가능한 가장 단순한 형태의 고정구를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 제1항에 따른 방법 및 제7항에 따른 시스템에 의해 충족된다. 본 발명의 유리한 실시형태는 대표적인 종속항들에 나타나 있다.
본 발명에 따른 방법의 본질적인 중심 아이디어는 우선 환자의 직립 상태에서, 즉 환자가 앉아있거나 서있는 상태에서 턱 및 칼리브레이션 팬텀을 포함하는 삼차원 이미징을 만드는 것으로 구성되어 있다. 이러한 직립 상태에서 환자를 다루는 것이 더 쉽고 이미징 시스템에서 상당한 디자인 비용과 재정상 비용이 드는 특별한 이동 지지대도 필요가 없다. 이미지화 동안의 본 발명에 따른 직립 상태로 인해 상당히 소형이고 사용자에게 친밀감을 주는 이미징 시스템이 가능해졌다. 게다가, 환자를 고정하기 위한 지그(jig)의 사용이 가능하며 이는 이동 인공물을 상당히 감소시킨다.
환자가 누워있을 때의 정위와 비교해 보면, 직립 상태에서 환자의 해부학적 상황은 "자연스럽게" 완화된 상태로, 한쪽으로 가중된 결과로서 서로 관련된 뼈가 이동하게 되어 뒤이은 계획에 영향을 미치게 되는 위험이 감소하게 된다. 이러한 장점은 서로 관련되어 이동할 수 있는 턱뼈를 이미징할 때 특히 두드러진다.
언급한 바와 같이, 의미있는 추가 양상은 삼차원 이미지에 칼리브레이션 팬텀이 바로 통합되어 구성되며, 칼리브레이션 팬텀은 환자의 신체 내 또는 신체 상에서 유지되는 것이 아니라, 이미지화될 부분 바로 근처에서 스탠드 상에 위치한다. 상기 문장에서 용어 "바로 근처"는 칼리브레이션 팬텀 및 두개골이 단일 스캔시 함께 이미지화될 수 있는 상태를 의미한다. 이상적인 경우에서, 칼리브레이션 팬텀은 목표로 하는 부분으로부터 불과 몇 센티미터 떨어져 위치한다; 턱을 이미지화할 경우, 상기 칼리브레이션 팬텀은 특히 구강 내에 유지된다. 어떠한 경우의 이러한 배치에서, 팬텀은 이미징 장치와 한정된 거리를 두고 고정되고, 또한 유리하게는 환자와 한정된 거리를 두고 예를 들어 지그에 의해 고정되어 특히 우수한 이미지의 재현성을 확보한다.
알려진 밀도의 칼리브레이션 팬텀으로부터 수득된 데이터와 비교하여 조직의 절대 밀도 수치를 추정할 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 또한 신체 부분 및 칼리브레이션 팬텀 둘 다를 포함하는 삼차원 용적 내로 이미지를 얻는 것을 가능하게 만드는 특별한 장점을 제공하며, 이미지는 어떠한 오버레이도 나타내지 않는다. 예를 들어 골밀도의 정확한 측정만이 에러가 없는 이미지 결과를 확실히 산출해 낼 수 있다.
본 발명은 이미징 시스템에 관련하여 환자의 재현가능한 정위에 기여한다는 점에서 다른 중요한 장점을 가지며, 이는 이미지 데이터의 평가에 유용하며 심지어는 각각의 이미지를 반복하는 것을 가능하게 만든다. 그러므로, 본 발명에 따라서, 이미지화 동안 앉아있거나 서있는 환자에 대해 상대적인 칼리브레이션 팬텀의 정확하고 쉬운 정위를 위한 좋은 해결책이 제시되었다. 본 발명은 칼리브레이션 팬텀에 의해 직접적인 골밀도 칼리브레이션을 제공하는 치과 용적 단층촬영 이미지, 특히 콘-빔(cone-beam) CT 이미지를 생성하는 것을 가능하게 만든다.
수반되는 동일한 평가를 간단하게 하기 위해, 그리고 환자 및 팬텀으로부터 얻은 이미지 데이터간의 직접적인 비교를 가능하게 하기 위해, 심지어는 환자 외부에 배치된 팬텀의 경우에는, 이미지 데이터 및 칼리브레이션 데이터는 같은 데이터 레코드에 저장하며, 이로 인해 턱 부분 및 관련된 칼리브레이션 팬텀의 삼차원 이미지를 나타낸다.
본 발명에 따라, 골밀도 측정의 목적을 위해 정량적 CT(quantitative CT, QCT)로서 알려진 방법을 사용하며, 이 방법은 삼차원 이미징의 경우 특히 유리하고 칼리브레이션 팬텀을 사용한 시스템의 칼리브레이션을 기초로 한다. 유리하게, 칼리브레이션 팬텀은 알려진 밀도의 뼈와 등가의 물질, 예를 들어 물과 등가의 물질에 수침된 수산화인회석을 포함한다. 이러한 팬텀은, 동시에 환자 및 팬텀의 이미징을 갖고 뼈 및 팬텀의 회색 수치를 비교하여 높은 해상도에서 스캔된 뼈의 골밀도의 절대값에 대해 신뢰성 높은 추론을 할 수 있게 한다. 밀도 측정의 정확성은 칼리브레이션 팬텀이 턱에 가까이 위치할수록 향상된다. 본 발명은 예를 들어, 빔 경화효과 또는 스캔할 신체 각각의 형상에 의해 발생하는 에러 원인을 더 많이 고려하는 것을 가능하게 하며 에러 원인은 위치에 따라 다르다.
가장 간단한 경우에서, 실제 골밀도 측정은 "이미지"에 의해, 즉 턱 및 관련 팬텀의 처리 데이터 레코드에 의해 이뤄지며, 데이터 레코드는 관찰자, 특히 치료사에 의해 관찰되는 이미지로서 나타내어진다. 이러한 이미지는 보통 회색의 음영 형태의 구조로 보여진다. 그러나, 또한 특별한 콘트라스트를 더 강조하기 위해 색상이 있는 데이터 레코드를 제공할 수 있다. 기계 기반의 평가에 의해, 색 또는 회색 음영이 표시되는 절대 밀도 수치에 관련될 수 있다. 이러한 배치에서, 밀도 측정은 평가 프로그램에 의해 유리하게 수행되며 절대 밀도 수치는 오리엔테이션을 위해 관찰자에게 산출된다.
하기의 본 발명의 두 변이물은 바람직하다. 첫 번째 경우에서, 골밀도 등가 물질을 시스템 내에 이미 존재하는 지그 내로 직접적으로 포함시켰다. 이러한 접근은 팬텀에 대한 추가 고정구가 필요 없다는 점에서 유용하다. 게다가, 이러한 경우에 팬텀이 환자의 신체 내 치아 사이에 위치하여 특히 목표로 하는 부분에 매우 근접하게 위치한다.
두 번째 경우에서 팬텀은 외부로부터 환자의 턱 부분 바로 근처로 개별 고정구를 갖는다. 환자의 외부에 위치하는 것은 칼리브레이션 팬텀을 비용이 많이 드는 방식으로 완전히 소독할 필요가 전혀 없다는 점에서 유리하다. 팬텀은 유연하게 선회가능한 고정구 또는 환자 고정이나 환자 정위를 위해 고정된 고정구(예를 들어 지그)에 의해 유지될 수 있다. 이러한 배치에서, 환자의 정위를 위한 장치, 예를 들어 턱 지지대 내에 뼈와 등가의 물질을 직접적으로 내장하는 것 또한 장점이 될 수 있다. 뼈와 등가의 물질이 이미지 용적에서 알려진 위치에 위치하기 때문에, 정확하고 재현가능한 팬텀의 정위는 골밀도 용적화소 수치를 추출하기 위한 탐색 및 세그멘팅 알고리즘을 사용할 필요가 없어지게 한다. 환자 외부에 팬텀의 고정구를 배치하는 것은 또한 정위의 다양한 변동성을 가능하게 한다.
첫 번째 주요 아이디어에 관계없이, 추가 아이디어는 환자의 체강, 특히 구강 내에 이미지화 동안 칼리브레이션 팬텀을 삽입하여 이미지 데이터 및 칼리브레이션 데이터를 추가 보조수단 없이 동일 샷(shot)의 프레임워크로 촬영할 수 있는 것으로 구성되어 있다. 이러한 위치에서 팬텀은 조직의 정확한 측정이 가능하도록 활동 위치에서 최적으로 위치한다.
본 발명은 도 1 내지 도 3에 관한 자세한 내용을 하기에 설명하였다. 설명은 다음과 같다:
도 1 외부 고정구에 대한 칼리브레이션 팬텀으로 고정된 환자;
도 2 지그 내에 일체화된 칼리브레이션 팬텀; 및
도 3 변동가능한 고정구를 갖는 시스템.
도 1은 콘 빔 스캐너로 이미지 시퀀스를 얻기 위해 준비하고 있는 환자의 머리, 특히 턱 부분(1)을 도식적으로 나타낸 것이다. 이미지 시퀀스가 얻어지는 동안 머리가 고정되도록 하기 위해, 환자의 치아(2)가 치열 배치에 맞춘 매트릭스의 지그를 물고 있다. 지그는 지지대(3)에 의해 스탠드(4)에 매달려 있으며, 스탠드(4)는 고정되어 있다. 게다가, U-자 형태로 구부러진 칼리브레이션 팬텀(5)은 또한 스탠드에 부착되어 있으며, 칼리브레이션 팬텀(5)은 지그 아래에 위치한다. 칼리브레이션 팬텀(5)은 X-선 방사선이 통과하는 연질 플라스틱으로 만들어진 케이싱(6)을 포함하며, 케이싱(6)은 특히 유연하다. 케이싱(6)은 뼈와 등가인 물질, 예를 들어, 수산화인회석의 개별적인 실린더(7)를 포함하며, 실린더(7)는 상이하지만 규정된 밀도를 포함한다. 이러한 실린더들(7)의 이미지 데이터를 참조로 하여, 조직 밀도의 칼리브레이션을 나중에 실행하게 된다. 스탠드(4)에 매달려 있는 칼리브레이션 팬텀(5)은 높이를 조절할 수 있고 이 칼리브레이션 팬텀의 연성 케이싱(6)은 환자의 외형에 맞추어 조절할 수 있다. 이미지 용적에서 팬텀의 정확한 위치가 알려질 필요가 있다면 이러한 배치의 불변의 디자인은 장점이 될 수 있다.
도 2는 지그(8)를 나타내는 것으로, 뼈와 등가의 물질을 포함하는 실린더(9)는 직접적으로 일체화되어 있다. 고정하기 위해, 환자의 입은 고정구(10)에 의해 스탠드에 부착되는 이러한 지그(8)를 물고 있다. 각 이미지에서, 이러한 일체화된 지그는 어떠한 추가 비용 없이 평가를 가능하게 한다. 단일-사용 지그는 스캔하기 전에 뼈와 등가의 물질이 위치하며 나중에 뼈와 등가의 물질을 제거할 수 있는 공간(recess)을 포함한다. "고정구"는 일회용이다.
골 물질 요소가 지그의 중앙에 배치된 팬텀의 이러한 변이물에서, 영향력을 방해하는 것은 금속 인공물에 의해 최소화할 수 있다.
도 3은 통상적인 지그에 대한 고정구(12)가 컬럼(11)에 부착된 이미지 시스템의 일부를 나타낸 것이다. 컬럼은 앉아있거나 서있는 환자의 두개골 주위를 움직일 수 있는 X-선 소스와, 두개골, 특히 턱에 의해 약해진 X-선 방사선을 검출하는 검출 장치와, 그리고 시스템에서 두개골을 고정시키기 위한 장치, 특히 지그를 포함하는 시스템의 일부를 형성한다. 이러한 경우, 환자(13)의 입 안에 들어가 있는 지그는 보이지 않는다. 게다가, 이동성 고정구(14)는 컬럼에 부착되어 있으며, 이동성 고정구(14)는 도 1에서와 유사하게 칼리브레이션 팬텀(15)을 붙잡고 있다. 고정구(14)에 의해, 팬텀(15)은 선회할 수 있으며(화살표 A) 축방향으로 이동할 수 있다(화살표 B). 수직 운동 또한 가능하다. 스탠드는 여러 단계로 자유롭게 움직일 수 있으며 설정 위치로 부착할 수 있다. 위치를 정할 수 있는 연장 암(extension arm)으로서 디자인된 이러한 스탠드에 의해, 뼈와 등가의 물질이 턱 근처에 위치할 수 있다. 상응하는 팬텀은 필요할 경우 제거가능하다.
Claims (11)
- 환자의 신체 부분(1)의 조직 밀도를 이미지로 나타내고 측정하기 위한 방법으로서, 삼차원 이미지 데이터로서 제공되고 사전에 알려진 밀도를 갖는 칼리브레이션 팬텀(5, 8, 15)을 나타내는 칼리브레이션 데이터 및 신체 부분(1)을 나타내는 삼차원 이미지 데이터의 세트가 이미지를 형성함으로써 사진촬영됨과 동시에 조직 밀도가 이미지 데이터와 칼리브레이션 데이터의 비교로부터 유도되는 방법에 있어서,이미지 데이터 및 칼리브레이션 데이터는 환자의 직립위치에서 그리고 동일 샷의 프레임워크에서 사진촬영되고,환자의 신체에 독립적으로 고정되고 이미징 장치에 규정된 관계로 고정되는 고정구(4, 10, 14)를 이용한 샷 동안, 칼리브레이션 팬텀(5, 8, 15)은 사진촬영될 신체 부분(1)에 바로 근접하여 보유되고,고정구에 의해 유지되는 칼리브레이션 팬텀(8)은 재현가능한 위치에서 환자의 신체 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 환자는 칼리브레이션 팬텀에 규정된 관계로 위치함을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 이미지 데이터와 칼리브레이션 데이터를 비교하여 절대 밀도 수치의 공간분포를 추정함을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비교는 평가 프로그램에 의해 자동적으로 실행되어 절대 밀도 수치를 산출함을 특징으로 하는 방법.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 이미지 데이터 및 칼리브레이션 데이터는 콘-빔 기술을 사용하는 스캐너에 의해 취득됨을 특징으로 하는 방법.
- 환자의 신체 부분(1)의 조직 밀도를 이미지로 나타내고 측정하기 위한 방법을 실행하기 위한 시스템에 있어서,삼차원 이미지 데이터로서 제공되고 사전에 알려진 밀도를 갖는 칼리브레이션 팬텀(5, 8, 15)을 나타내는 칼리브레이션 데이터 및 신체 부분(1)을 나타내는 삼차원 이미지 데이터의 세트가 이미지를 형성함으로써 사진촬영됨과 동시에 조직 밀도가 이미지 데이터와 칼리브레이션 데이터의 비교로부터 유도되고,이미지 데이터 및 칼리브레이션 데이터는 환자의 직립위치에서 그리고 동일 샷의 프레임워크에서 사진촬영되고,환자의 신체에 독립적으로 고정되고 이미징 장치에 규정된 관계로 고정되는 고정구(4, 10, 14)를 이용한 샷 동안, 칼리브레이션 팬텀(5, 8, 15)은 사진촬영될 신체 부분(1)에 바로 근접하여 보유되고,- 앉거나 서있는 환자의 두개골 주위를 이동할 수 있는 X-선 소스와,- 두개골에 의해 약해진 X-선 방사선을 검출하는 검출 장치와,- 시스템에서 두개골을 고정하기 위한 장치와,- 고정구(4, 10, 12)에서 두개골 바로 근처에 위치하는 칼리브레이션 팬텀(5, 9, 15)을 포함하고,칼리브레이션 팬텀은 재현가능한 위치에 배치될 수 있고, X-선 방사선이 통과하는 연질 플라스틱으로 만들어진 구부림 가능한 케이싱을 포함하며, 케이싱에는 상이하지만 규정된 밀도를 포함하는 뼈와 등가인 물질의 개별적인 실린더(7)가 삽입되는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제6항에 있어서, 고정구(14)는 여러 단계로 자유롭게 이동할 수 있고 설정 위치에 고정될 수 있는 것을 특징으로 하는 시스템.
- 제6항에 있어서, 칼리브레이션 팬텀(8)은 두개골을 고정하기 위한 장치 내에 일체화된 것을 특징으로 하는 시스템.
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