KR101308409B1 - 물체형상 3차원 측정 장치 - Google Patents

물체형상 3차원 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 피검체(유방)의 표면을 스캔하여 3차원 형상을 측정 할 수 있는 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 장치는, 물체형상에 대한 3차원 측정 장치에 있어서, 레이저 선을 이용하여 측정하고자 하는 피검체에 조양함으로써, 상기 피검체의 단면 윤곽선에 대한 폐곡선 형상을 생성하는 다수의 라인 레이저와, 상기 생성된 폐곡선 형상을 영상으로 획득하는 카메라를 포함하되, 상기 다수의 라인 레이저는, 상기 피검체의 크기에 따라 상기 라인 레이저의 개수가 결정 되며, 상기 피검체 주위에 배치되어 미리 결정된 단계별로 상하 이동한다.
마이크로파 이미징, 유방암 진단, 형상 측정, 영상처리

Description

물체형상 3차원 측정 장치{APPARATUS FOR THREE-DIMENSIONAL MEASUREMENT OF OBJECT SHAPE}
본 발명은 물체형상을 측정하는 장치에 관한 것으로, 특히 물체의 형상을 3 차원으로 측정하는 장치에 관한 것이다.
"본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[2007-F-043-03, 전자파 기반 진단 및 방호 기술 연구]."
일반적으로, 유방암은 유방에 발생하는 선암(adenocarcinoma)으로 여성에게 가장 흔한 암의 한 종이며, 이에 대한 진단 및 치료에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다.
현재, 가장 보편적으로 사용되는 유방암의 조기 진단 방법은 기계적인 검사를 통하여 유방에 존재하는 이질적인 조직을 검출하는 것이고, 좀 더 자세한 검사 방법으로는 엑스(X)-선 촬영법(mammography)이 있다. 하지만, 이러한 엑스(X)-선 촬영법은 X-선에 대해 빈번하고 과다한 노출로 인해 인체에 나쁜 영향을 미칠 수 있다. 또 다른 방법으로는 인체에 해롭지 않은 미약 전자파를 이용한 마이크로파 단층 촬영법(microwave tomography)이 있다.
마이크로파 단층 촬영법은 미약 전자파를 발생시켜 피검체(유방)의 내부를 통과하면서 산란된 전자파의 역산란 해석을 근거하여 피검체(유방)의 내부 영상(유전율 및 도전율에 대한 분포 값)을 예측 및 복원하여 피검체(유방) 내부에 종양의 유무를 진단하게 된다. 이러한, 마이크로파 이미징 장치에 있어서 좋은 품질의 영상 복원, 특히 3차원 영상 복원을 하기 위해서는 피검체(유방)의 표면을 스캔하여 정확한 3차원 형상을 측정하는 것이 중요하다. 하지만, 일반적으로 피검체(유방)를 액체가 담긴 수조에 잠기게 하고, 전파 송수신 안테나가 피검체(유방)를 둘러싸고 있는 마이크로 이미징 장치 구조상, 기존의 스캔 시스템으로 3차원 형상을 측정하는 것은 구현이 복잡하고 곤란하였다.
따라서 본 발명에서는 피검체(유방)의 표면을 스캔하여 3차원 형상을 측정할 수 있는 장치를 제공한다.
본 발명의 실시 예에 따른 장치는, 물체형상에 대한 3차원 측정 장치에 있어서, 레이저 선을 이용하여 측정하고자 하는 피검체에 조양함으로써, 상기 피검체의 단면 윤곽선에 대한 폐곡선 형상을 생성하는 다수의 라인 레이저와, 상기 생성된 폐곡선 형상을 영상으로 획득하는 카메라를 포함하되, 상기 다수의 라인 레이저는, 상기 피검체의 크기에 따라 상기 라인 레이저의 개수가 결정 되며, 상기 피검체 주위에 배치되어 미리 결정된 단계별로 상하 이동한다.
또한, 보다 바람직하게는 상기 다수의 라인 레이저를 일정한 각도로 유지시키면서, 상기 미리 결정된 단계별로 상기 다수의 라인 레이저를 상하 이동시키는 레이저 상하 구동 기구를 더 포함할 수 있다.
또한, 보다 바람직하게는 상기 미리 결정된 단계별로 이동하는 상기 다수의 라인 레이저에 의해 생성된 폐곡선 형상들을 상기 카메라를 이용하여 영상으로 획득하고, 상기 획득된 영상들을 미리 결정된 영상처리 알고리즘을 이용하여 3차원 형상으로 복원할 수 있다.
본 발명에 따른 다수의 라인 레이저 및 상하 운동 기구, 영상 획득 카메라를 이용하면 액체가 담긴 수조 및 전파 송수신 안테나와의 간섭 없이 단순한 기구 및 구동 구조로 피검체(유방)의 3차원 형상을 측정할 수 있는 효과가 있다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 또한, 이하에서 설명되는 각 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 사용된 것일 뿐이며, 각 제조 회사 또는 연구 그룹에서는 동일한 용도임에도 불구하고 서로 다른 용어로 사용될 수 있음에 유의해야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른, 영상 획득용 카메라를 이용한 마이크로파 이미징 장치의 배치도를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 마이크로파 이미징을 위한 3차원 물체 형상 측정 장치는 종양 유무를 진단하고자 하는 피검체(유방)(100)와, 피검체(유방)(100) 주위의 스캔 형상을 형성하기 위한 다수개의 라인 레이저(110a,110b)와, 레이저 상하 구동 기구(120a, 120b)와, 상기 피검체(유방)(100)의 정면에 위치해 라인 레이저(110a, 110b)에 의해 생성된 폐곡선 형상을 영상으로 획득하는 카메라(130)를 포함한다.
라인 레이저(110a, 110b)는 레이저 선을 이용하여 피검체(유방)(100)에 조양 하여 폐곡선 형상을 생성한다. 영상을 획득하는 카메라(130)는 상기 생성된 폐곡선 형상을 영상으로 획득한다.
레이저 상하 구동 기구(120a, 120b)는 라인 레이저(110a, 110b)를 일정한 각도로 유지하고, 고정하는 라인 레이저 고정부(120a)와 상기 고정부(120a)를 직접 상하 구동시키는 구동부(120b)로 구성된다.
구동부(120b)는 피검체(100)의 다른 단면에 대해 연속적으로 측정하고자 할 때, 처음으로 측정하고자 하는 단면을 제 1단면이라 하고, 임의의 간격으로 떨어져 두 번째로 측정하고자 하는 제 2단면이라 하면, 라인 레이저(110a, 110b)의 위치를 제 1단면에서 제 2 단면의 위치로 상하 구동시킨다.
즉, 상기 구동부(120b)는 먼저 제 1단면 위치로 라인 레이저(110a, 110b)를 이동한다. 그리고 제 1단면 위치로 라인 레이저(110a, 110b)의 이동이 완료되면, 영상 획득 카메라(130)는 제 1단면에 대한 영상 획득한다.
그리고 상기 구동부(120b)는 라인 레이저(110a, 110b)를 제 2 단면 위치까지 정해진 간격 만큼 이동하고, 영상 획득 카메라(130)를 이용하여 제 2 단면에 대한 영상을 획득한다.
본 발명에서는 영상 획득을 위해 피검체(유방)(100)의 단면을 폐곡선 영상으로 촬영할 때, 제 1단면과 제 2단면의 촬영에만 국한 되는 것은 아니며, 임의의 간격으로 미리 결정된 서로 다른 복수개의 단면을 반복적으로 촬영하여 보다 정밀한 피검체(유방)(100)의 형상에 대한 폐곡선 영상을 획득할 수 있다. 또한, 상기와 같은 동작으로 얻어진 영상들을 미리 결정된 영상처리 알고리즘 기법을 이용하여 해석한 후, 3차원 형상으로 복원할 수 있다.
도 1에 표시된 수조(140), 액체(150), 전파 송수신 안테나(160) 등은 본 발명의 기구 구조에 대한 이해를 돕고 본 발명의 특징을 쉽게 설명하기 위해 나타낸 것으로 간략하게 설명하도록 한다.
도 1에 도시된 전자파를 이용하여 유방암을 진단하는 장치는 소정의 액체가 채워진 수조(140) 내에 미리 결정된 개수만큼의 송수신 겸용 안테나(160)를 구비한다. 예를 들어, 송수신 겸용 안테나의 개수가 16개라 가정한다. 이러한 16개의 송수신 겸용 안테나들(#1, #2,…, #16)은 원형으로 배열된다. 원형으로 배열된 16개의 송수신 겸용 안테나들(#1, #2,…, #16) 사이에 피검체(유방)(100)가 삽입된다.
먼저, 1번 안테나(#1)가 전자파를 송신을 하고, 그 나머지 15개 안테나들(#2, #3,…, #16)은 그 산란된 전자파를 수신한다. 그러면, 15개 안테나들(#2, #3,…, #16)에서 수신된 전자파의 크기와 위상 정보를 획득한다. 다음으로, 2번 안테나(#2)가 전자파를 송신하고, 그 나머지 15개 안테나들(#1, #3, #4,…, #16)은 그 산란된 전자파를 수신한다. 그러면, 15개 안테나들(#1, #3, #4,…, #16)은 수신된 전자파의 크기와 위상 정보를 획득한다.
이와 같은 방법으로 16번 안테나까지 반복한다. 반복된 결과를 전자파 역산란 해석을 통해 유방의 단층 영상을 복원하여 피검체(유방)(100)의 내부에 존재하는 선암(adenocarcinoma)의 유무 및 위치를 진단할 수 있다.
상기 진단된 선암(adenocarcinoma)의 위치를 영상으로 표시하기 위해서는 피검체(유방)(100)의 표면을 스캔하여 정확한 3 차원 형상을 측정하는 것이 중요하다.
따라서, 본 발명에서는 라인 레이저(110a, 110b), 레이저 상하 구동 기구(120a, 120b) 및 영상을 획득하는 카메라(130)를 구비하고, 라인 레이저(110a, 110b)의 중심에서 일정한 거리만큼 떨어진 지점에 카메라(130)의 중심을 일치시키고 레이저 상하 구동 기구(120a, 120b)를 카메라(130)와 평행한 방향으로 이동 시키면서 영상을 획득한다.
상기 카메라(130)에서 획득된 영상에 대해 미리 결정된 영상처리 알고리즘을 사용하여 3차원으로 피검체(유방)(100)의 형상을 측정하는 것을 할 수 있는 장치를 제공한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 3차원 물체형상 측정 장치의 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 측정하고자 하는 피검체(유방)(200)의 주위에 다수의 라인 레이저(210a, 210b, 210c)가 배치된다. 라인 레이저(210a, 210b, 210c)의 개수는 피검체(유방)(200)의 크기에 따라 가변 되며, 도 2에서는 설명의 편의를 위해 라인 레이저의 개수가 3 개(210a, 210b, 210c)인 경우에 대해 설명하도록 한다.
카메라(240)는 피검체(유방)(200)의 제 1단면(250a)에서 라인 레이저(210a, 210b, 210c)에 의해 생성된 폐곡선의 형상을 촬영하여 획득한다.
마이크로파 이미징을 위한 피검체(유방)(200)의 3차원 형상을 측정 하기 위해서는 제 1 단면에 위치한 라인 레이저(210a, 210b, 210c)를 미리 결정된 간격만큼 떨어진 다음 단면들로 이동시켜야 한다. 예를 들어, 다음 단면들이란, 제 2단면, 제 3단면, 제 4단면 등이 될 수 있으며, 단면의 개수가 많아질수록 카메라(240)에서 각 단계별로 획득하는 영상이 많아져 피검체(유방)(200)의 형상을 보다 정교하게 3차원 형상으로 복원할 수 있다.
도 2에서는 편의상 제 2 단면(250b) 까지만 존재하는 경우에 대해서만 설명하도록 한다.
제 2단면(250b)에 형성된 폐곡선의 형상을 획득하기 위해서는, 제 1 단면에 위치한 라인 레이저(210a, 210b, 210c)를 제 2단면(250b)의 위치까지 라인 레이저 상하 구동 기구(230a, 230b)로 카메라(240)와 평행하게 수직 이동해야 한다. 그러면, 라인 레이저의 위치는 220a, 220b, 220c가 된다. 이때, 라인 레이저(220a, 220b, 220c)에 의해 생성된 제 2단면의 폐곡선 형상을 카메라(240)로 획득한다. 상기 획득된 영상에는 원하지 않는 영상인 라인 레이저가 전파 송수신 안테나(160)에 가려져(blocking) 통과하지 못해 영상 끊김이 발생한다.
제 1단면(250a)에서 카메라(240)에 의해 획득된 폐곡선 형상(270)에서 점선이 없는 부분(260)이 상기 끊김 현상이 발생한 부분이다. 제 2단면(250b)에서도 마찬가지로 카메라(240)에 의해 획득된 폐곡선 형상(280)에서 점선이 없는 부분이 끊김 현상이 발생한 부분이다. 상기 끊김 현상이 제거된 각 단면 별로 획득된 영상들은 미리 결정된 영상처리 알고리즘을 이용하여 해석한 후 3 차원 형상으로 복원할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른, 3차원 물체형상 측정 장치의 동작 원리에 관한 도면이다.
도 3은 도 2의 실시 예에서 폐곡선 형상을 획득하기 위해 카메라의 개수를 3 개 사용한 경우이다.
도 3에서는 피검체(유방)(200)의 형상을 획득하기 위해서 서로 다른 방향 X, Y, Z에 존재하는 세 개의 카메라(240, 302, 304)를 이용하여 촬영하며, 서로 다른 방향에서 물체를 바라보는 카메라의 개수가 많으면 많을수록 보다 정교한 영상을 획득할 수 있다.
피검체(유방)(200)의 형태(shape)는 다양하다. 예를 들어, 겨드랑이 부분 쪽으로 퍼진 모양, 납작한 모양, 처진 모양 등이 존재할 수 있다. 이렇게 다양한 피검체(유방)(200)의 모양을 3차원 형상으로 획득하기 위해서는 정면의 카메라(240) 하나만 사용하였을 때보다 좌측 카메라(302) 및 우측 카메라(304)를 추가하여 사용한다면 보다 정확한 모양을 획득할 수 있다.
또한, 본 발명에서 카메라의 개수는 3개에 한정 되는 것은 아니고, 상황에 따라서 가변적으로 결정될 수 있으며, 카메라의 개수가 많아질수록 보다 정교한 영상을 얻을 수 있다. 도 3에서는 설명의 편의를 위해 3개인 경우에 대해서만 설명하도록 한다.
좌측 카메라(302)와 우측 카메라(304)가 폐곡선 형상을 획득하는 동작은 도 2에서 설명한 정면에 존재하는 카메라(240)가 폐곡선 형상을 획득하는 방법과 동일하다. 그러나, 도 3의 실시 예에서는 3개의 카메라를 이용하기 때문에, 제 1단면, 제 2단면 등과 같이 미리 결정된 각 단면에서 획득된 영상은 3장이다.
상기 획득된 3장의 영상은 좌측 카메라(302)에서 획득된 피검체(유방)(200)의 좌측 영상과, 우측 카메라(304)에서 획득된 피검체(유방)(200)의 우측 영상과, 정면에 있는 카메라(240)에서 획득된 피검체(유방)(200)의 정면 영상이다.
각 단계별로 획득된 좌측 영상, 우측 영상, 정면 영상에 관한 3장의 영상은 피검체(유방)(200)의 완전한 폐곡선 형상을 획득하기 위해 상기 3장의 영상을 결합하여 1장의 폐곡선 영상으로 만들어야 한다.
3개의 카메라(240, 302, 304)들이 피검체(유방)(200)를 바라보는 각도들이 다르기 때문에, 정면에 있는 카메라(240)를 기준 카메라로 결정한다.
그리고, 좌측 카메라(302) 및 우측 카메라(304)가 피검체(유방)(200)를 바라보는 각도는 삼각함수를 이용하여 정면 카메라(240)의 방향에서 피검체(유방)(200)를 바라보는 것처럼 시야각을 계산해서 피검체(유방)(200)의 폐곡선 영상을 생성해야 한다. 상기 생성된 영상은 미리 결정된 알고리즘을 사용하여 3 차원 형상으로 복원할 수 있다.
도 4는 본 발명에 실시 예에 따른, 우측 카메라에서 피검체(유방)(200)의 영상을 획득하는 동작을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 3의 우측 카메라(304)를 사용하여 피검체(유방)(200)의 우측 영상을 획득하는 방법에 관한 것으로, 좌측 카메라(302)도 상기와 동일한 방법으로 피검체(유방)(200)의 좌측 영상을 획득할 수 있다.
영상을 획득하기 위한 3개의 카메라(240, 302, 304)들은 피검체(유방)(200)에 다수개의 라인 레이더(210a, 210b, 210c)에 의해 형성된 폐곡선 형상을 획득한다.
정면 카메라(240)에서 바라본 피검체(유방)(200)의 폐곡선 형상은 참조부호 402평면에 맺히게 되며, 정면 카메라(240)를 이용하여 상기 영상을 획득한다.
그러나, 우측 카메라(304)의 경우, 정면 카메라(240)와 미리 결정된 일정한 거리만큼 떨어져 있고 피검체(유방)(200)를 바라보는 시야각이 달라지게 되어, 우측 카메라(304)에서 폐곡선 형상이 맺히는 평면과 정면 카메라(240)에서 폐곡선 형상이 맺히는 평면이 틀려진다. 예를 들어 설명하면, 정면 카메라(240)에서 피검체(유방)(200)의 폐곡선 형상이 맺히는 평면을 L평면(402) 이라 하면, 우측 카메라(304)에서 피검체(유방)(200)의 폐곡선 형상이 맺히는 평면은 상기 설명한 시야각이 발생하여 L'평면(404)가 된다.
우측 카메라(304)에서 폐곡선 형상이 맺히는 L'평면(404)을 삼각함수를 이용하여
Figure 112013033414216-pat00001
만큼 변환해 주어야 정면 카메라(240)에서 폐곡선 형상이 맺히는 L평면(402)과 동일하게 할 수 있다. 이를 수학식으로 표현하면 하기 <수학식 1>과 같다.
Figure 112009079116614-pat00002
상기 설명한 바와 같이, 좌측 카메라(302)에서도 마찬가지로 좌측 폐곡선 형상이 맺히는 평면도 삼각함수를 이용하여 시야각 만큼 변환해 주어야 정면 카메라(240)에서 폐곡선 형상이 맺히는 L평면(402)과 동일하게 할 수 있다.
상기 획득된 동일한 평면의 좌측 폐곡선 영상, 우측 폐곡선 영상 및 정면 폐곡선 영상에 관한 3장의 영상은 피검체(유방)(200)의 완전한 폐곡선 형상을 획득하기 위해 상기 3장의 영상을 결합하여 1장의 폐곡선 영상을 생성할 수 있다. 상기 생성된 영상은 미리 결정된 알고리즘을 사용하여 3 차원 형상으로 복원 할 수 있다.
상기 서술한 바와 같이, 본 발명에서는 피검체(유방)(200)의 표면을 스캔하여 3차원 형상을 측정 할 수 있는 장치를 제공한다. 또한 본 발명은, 상기 구성의 일부 또는 전부에 의해 구현될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른, 영상 획득용 카메라를 이용한 마이크로파 이미징 장치의 배치도를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른, 3차원 물체형상 측정 장치의 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른, 3차원 물체형상 측정 장치의 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 실시 예에 따른, 우측 카메라에서 피검체의 영상을 획득하는 동작을 나타내는 도면이다.

Claims (6)

  1. 물체형상에 대한 3차원 측정 장치에 있어서,
    레이저 선을 이용하여 측정하고자 하는 피검체에 조양함으로써, 상기 피검체의 단면 윤곽선에 대한 폐곡선 형상을 생성하는 다수의 라인 레이저와,
    상기 생성된 폐곡선 형상을 영상으로 획득하는 카메라를 포함하되,
    상기 다수의 라인 레이저는,
    상기 피검체의 크기에 따라 상기 라인 레이저의 개수가 결정 되며, 상기 피검체 주위에 배치되어 미리 결정된 단계별로 상하 이동하는, 물체형상 3차원 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 라인 레이저를 일정한 각도로 유지시키면서, 상기 미리 결정된 단계별로 상기 다수의 라인 레이저를 상하 이동시키는 레이저 상하 구동 기구,
    를 더 포함 하는, 물체형상 3차원 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 레이저 상하 구동 기구는,
    상기 다수의 라인 레이저를 일정한 각도로 유지시키고, 고정시키기 위한 라인 레이저 고정부와,
    상기 라인 레이저 고정부를 직접 상하 이동시키는 구동부,
    를 포함 하는, 물체형상 3차원 측정 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 미리 결정된 단계별로 이동하는 상기 다수의 라인 레이저에 의해 생성된 폐곡선 형상들을 상기 카메라를 이용하여 영상으로 획득하고, 상기 획득된 영상들을 미리 결정된 영상처리 알고리즘을 이용하여 3차원 형상으로 복원하는, 물체형상 3차원 측정 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 카메라는,
    상기 피검체를 정면에서 바라본, 정면 폐곡선 형상을 영상으로 획득하는 정면 카메라와,
    상기 피검체를 우측에서 바라본, 우측 폐곡선 형상을 영상으로 획득하는 우측 카메라와,
    상기 피검체를 좌측에서 바라본, 좌측 폐곡선 형상을 영상으로 획득하는 좌측 카메라를 포함 하는, 물체형상 3차원 측정 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 좌측 폐곡선 형상 및 우측 폐곡선 형상이 맺히는 평면을 상기 정면 폐곡선 형상이 맺히는 평면과 동일하도록 삼각함수를 이용하여 변환 하는, 물체형상 3차원 측정 장치.
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