KR101349275B1 - 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템 및 그 방법 - Google Patents

피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 2차원 이미지(fluoroscopy)가 가상의 3차원 직육면체의 한 평면에 위치하도록 생성하고, 2차원 이미지에서 피두셜 마커를 인식하여 3차원 이미지(CT 3D)와 실시간 정합을 수행하는 시스템 및 그 방법을 제공함에 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 피두셜 마커가 포함된 3차원 이미지(CT 3D)를 3차원 영상장치로부터 입력받는 3차원 이미지 입력부; 마이크로 로봇이 체내에 삽입된 상태에서, 피두셜 마커가 포함된 2차원 이미지(fluoroscopy)를 취득하는 2차원 이미지 취득부; 및 상기 3차원 이미지 입력부를 통해 입력된 3차원 이미지와, 2차원 이미지 취득부를 통해 취득한 2차원 이미지를 정합함으로써, 정합된 3차원 이미지를 생성하는 정합부; 를 포함한다.

Description

피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MATCHING BETWEEN 2D IMAGE AND 3D IMAGE USING FIDUCIAL MARKER}
본 발명은 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2차원 이미지와 3차원 이미지 모두에서 인식이 가능한 피두셜(fiducial) 마커를 이용하여, 2차원의 X-ray 이미지를 3차원의 CT 이미지 상에 표현하기 위한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
이미지를 정합하는 기술과 관련해서는, 한국공개특허 제10-2007-0095788호(발명의 명칭: 국소-가중 적합화를 사용하는 이미지 정합)(이하, '선행문헌')외에 다수 출원 및 공개되어 있다.
상기한 선행문헌은, 각각의 이미지 좌표들을 갖는 다수의 제 1 이미지 지점들을 포함하는, 장기(organ)의 3차원(3D) 이미지를 수용하는 단계; 각각의 맵 좌표들을 갖는 다수의 제 2 맵 지점들을 포함하는, 상기 장기에 걸친 생리학적 변수값들의 분포를 정하는 맵을 수용하는 단계; 각각의 신뢰수준(confidence level)을 하나 이상의 상기 맵 좌표들 및 상기 이미지 좌표들과 연계시키는 단계; 상기 각각의 맵 좌표들과 이미지 좌표들의 상기 신뢰수준들에 반응하여, 상기 맵 지점들과 이미지 지점들 중 적어도 일부에 가중치들을 할당하는 단계; 상기 가중치들에 근거하여 상기 맵 좌표들과 상기 이미지 좌표들 간의 기하학적 변환을 계산하여, 상기 맵과 상기 3D 이미지를 맞추는 단계; 를 포함한다.
한편, X-ray 이미지 시스템에서 나타나는 영상정보를 CT 3차원 이미지 상에 표현하기 위해서는 두 좌표계간의 변환을 필요로 하며, 두 이미지 간의 정합이 가능하기 위해서는 동일한 형상의 점들을 각각의 좌표계에서 인식하고 수치적으로 표현이 가능해야 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 2차원 이미지(fluoroscopy)가 가상의 3차원 직육면체의 한 평면에 위치하도록 생성하고, 2차원 이미지에서 피두셜 마커를 인식하여 3차원 이미지(CT 3D)와 실시간 정합을 수행하는 시스템 및 그 방법을 제공함에 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템에 관한 것으로서, 피두셜 마커가 포함된 3차원 이미지(CT 3D)를 3차원 영상장치로부터 입력받는 3차원 이미지 입력부; 마이크로 로봇이 체내에 삽입된 상태에서, 피두셜 마커가 포함된 2차원 이미지(fluoroscopy)를 취득하는 2차원 이미지 취득부; 및 상기 3차원 이미지 입력부를 통해 입력된 3차원 이미지와, 2차원 이미지 취득부를 통해 취득한 2차원 이미지를 정합함으로써, 정합된 3차원 이미지를 생성하는 정합부; 를 포함한다.
또한 상기 2차원 이미지 취득부는, 엑스선 영상장치를 통해 2차원의 평면 및 측면 방향에 따른 적어도 하나 이상의 2차원 이미지를 취득하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 정합부는, 상기 2차원 이미지 취득부를 통해 취득한 2차원 이미지가 가상의 3차원 직육면체의 한 평면에 위치하도록 생성하고, 상기 2차원 이미지에서 피두셜 마커를 인식하여 3차원 이미지와 실시간 정합함으로써, 정합된 3차원 이미지를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 정합부는, 형상인식 알고리즘을 이용하여 피두셜 마커를 인식하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 2차원 이미지 취득부를 통해 취득한 2차원 이미지를 통해 마이크로 로봇의 좌표를 결정하고, 결정된 2차원 이미지 상의 위치를 상기 정합부를 통해 정합된 3차원 이미지 상에 출력하는 로봇 추적부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 방법에 관한 것으로서, (a) 3차원 이미지 입력부가 피두셜 마커가 포함된 3차원 이미지를 3차원 영상장치로부터 입력받는 단계; (b) 마이크로 로봇이 체내에 삽입되어 있으며, 피두셜 마커를 부착한 사용자가 엑스선 영상장치 내부에 위치한 상태에서, 2차원 이미지 취득부가 피두셜 마커가 포함된 2차원 이미지를 취득하는 단계; 및 (c) 정합부가 상기 (a) 단계를 통해 입력된 3차원 이미지와, 상기 (b) 단계를 통해 취득한 2차원 이미지를 정합함으로써, 정합된 3차원 이미지를 생성하는 단계; 를 포함한다.
또한 상기 (b) 단계에서, 상기 2차원 이미지 취득부가 엑스선 영상장치를 통해 2차원의 평면 및 측면 방향에 따른 적어도 하나 이상의 2차원 이미지를 취득하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 (c) 단계에서, 상기 정합부가 상기 (b) 단계를 통해 취득한 2차원 이미지가 가상의 3차원 직육면체의 한 평면에 위치하도록 생성하고, 상기 2차원 이미지에서 피두셜 마커를 인식하여 3차원 이미지와 실시간 정합함으로써, 정합된 3차원 이미지를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 (c) 단계에서, 상기 정합부가 형상인식 알고리즘을 이용하여 피두셜 마커를 인식하는 것을 특징으로 한다.
그리고 (d) 로봇 추적부가 상기 (b) 단계를 통해 취득한 2차원 이미지를 통해 마이크로 로봇의 좌표를 결정하는 단계; 및 (e) 상기 로봇 추적부가 결정된 2차원 이미지 상의 위치를 상기 (c) 단계를 통해 정합된 3차원 이미지 상에 실시간으로 출력하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 2차원 이미지(fluoroscopy)가 가상의 3차원 직육면체의 한 평면에 위치하도록 생성하고, 2차원 이미지에서 피두셜 마커를 인식하여 3차원 이미지(CT 3D)와 실시간 정합을 수행함으로써, 3차원 이미지 상에서의 마이크로 로봇의 위치를 확인할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템을 개념적으로 보이는 일예시도.
도 2 는 본 발명의 일실시예에 따른 피두셜 마커가 포함된 2차원 이미지를 보이는 일예시도.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 2차원 평면 및 측면 방향의 이미지 정보를 취득하기 위한 엑스선 영상장치를 보이는 일예시도.
도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 정합을 수행하기 위하여, 2차원 이미지가 가상의 3차원 직육면체의 한 평면에 위치하도록 생성한 모습을 보이는 일예시도.
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 로봇의 위치를 파악하기 위하여, 3차원 이미지 상에 실시간으로 출력되는 마이크로 로봇을 보이는 일예시도.
도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 방법에 관한 전체 흐름도.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템에 관하여 도 1 내지 도 5 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템(S)을 개념적으로 도시한 전체 구성도로서, 도시된 바와 같이 3차원 이미지 입력부(100), 2차원 이미지 취득부(200), 정합부(300) 및 로봇 추적부(400)를 포함하여 이루어진다.
먼저, 사용자의 신체 특정 부위에 피두셜(fiducial) 마커(10)가 부착된다.
이러한, 상기 피두셜 마커(10)는 2차원 이미지인 x-ray 이미지 및 3차원 이미지인 CT 이미지에서 모두 인식이 가능한 것으로서, 2차원 이미지 및 3차원 이미지 촬영 시 사용자에게 모두 부착되며, 다수개 바람직하게 적어도 3개 이상 사용될 수 있다.
3차원 이미지 입력부(100)는 피두셜 마커(10)가 포함된 3차원 이미지(CT 3D)를 3차원 영상장치(20)로부터 입력받는다.
즉, 이때의 3차원 이미지는, 마이크로 로봇(30)의 체내 삽입 등을 통한 시술이 이루어지기 전에 취득된 이미지이다.
마이크로 로봇(30)이 체내에 삽입되어 있으며, 피두셜 마커(10)를 부착한 사용자가 엑스선 영상장치(40) 내부에 위치한 시술 상태에서, 2차원 이미지 취득부(200)는 도 2 에 도시된 바와 같이 피두셜 마커(10)가 포함된 2차원 이미지(fluoroscopy)를 취득한다.
구체적으로, 2차원 이미지 취득부(200)는 도 3 에 도시된 바와 같은 엑스선 영상장치(40)를 통해 2차원의 평면 및 측면 방향의 적어도 하나 이상의 이미지, 바람직하게 두 개 이상의 2차원 이미지(fluoroscopy)를 취득한다.
이때, 엑스선 영상장치(40)에는 서로 수직하게 마련된 두 개의 엑스선 소스(41)로부터 2차원의 평면 및 측면 방향의 이미지 정보를 취득하기 위하여, 마이크로 로봇(30)을 전자기 구동시키기 위한 코일 유니트(42), 두 개의 엑스선 소스(41)와 코일 유니트(42)를 회전 구동시키기 위한 구동부(43) 등이 마련되며, 이러한 구성을 고정하는 본체부(44)는 수직한 두 개의 고정 프레임(44a), 두 개의 고정 프레임(44a) 사이에서 회동 가능하게 구비된 두 개의 회동 프레임(44b), 두 개의 엑스선 소스(41)를 고정하는 고정빔(44c) 등이 구성될 수 있다. 이때, 코일 유니트(42)는 두 개의 회동 프레임(44b) 또는 고정빔(44c)에 고정 설치되어 두 개의 엑스선 소스(41)와 함께 일체로 회전이 이루어진다.
본 실시예에서, 두 개의 엑스선 소스(41)가 서로 수직하게 마련된 것으로 설정하였으나, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
정합부(300)는 상기 3차원 이미지 입력부(100)를 통해 입력된 3차원 이미지와, 2차원 이미지 취득부(200)를 통해 취득한 두 개 이상의 2차원 이미지(fluoroscopy)를 정합함으로써, 정합된 3차원 이미지를 생성한다.
구체적으로, 정합부(300)는 상기 2차원 이미지 취득부(200)를 통해 취득한 2차원 이미지(fluoroscopy)가 가상의 3차원 직육면체의 한 평면에 위치한다고 가정하여, 도 4 에 도시된 바와 같이 가상의 3차원 직육면체의 한 평면에 위치하도록 생성하고, 2차원 이미지에서 피두셜 마커(10)를 인식하여 3차원 이미지(CT 3D)와 실시간 정합함으로써, 정합된 3차원 이미지를 생성한다.
정합 결과, 2차원 이미지의 투영방향을 3차원 이미지 상에서 얻어낼 수 있어, 피두셜 마커(10)의 위치 이동, 화면 왜곡 등을 판단할 수 있다.
즉, 정합부(300)는 3차원 이미지 입력부(100)의 3차원 이미지에서도 피두셜 마커(10)의 인식이 가능한 바, 정합이 이루어질 수 있는 것으로 보는 것이 바람직하며, 정합부(300)는 2차원 이미지와 3차원 이미지의 피두셜 마커(10) 일치 개수에 따라 정합이 제대로 이루어졌는지 여부를 판단할 수도 있다.
한편, 정합부(300)는 형상인식 알고리즘을 이용하여 피두셜 마커(10)를 인식한다. 피두셜 마커(10)를 타원형이라고 가정했을 경우, 장축 및 단축의 길이, 장축/단축의 길이비, 타원의 넓이, 타원의 둘레길이, 2차원 영상에서 차지하는 밀도(density)값 등의 인자(factor)를 이용할 수 있다.
로봇 추적부(400)는 상기 2차원 이미지 취득부(200)를 통해 취득한 두 개 이상의 2차원 이미지(fluoroscopy)를 통해 마이크로 로봇(30)의 좌표를 결정하고, 결정된 2차원 이미지 상의 위치를 상기 정합부(300)를 통해 정합된 3차원 이미지(CT 3D) 상에 실시간으로 출력한다.
이에 따라, 도 5 에 도시된 바와 같이 실시간으로 이동하는 마이크로 로봇(30)의 위치를 파악할 수 있다.
한편, 로봇 추적부(400)는 상기 피두셜 마커(10)의 인식 방법과 동일하게, 형상인식 알고리즘을 이용하여 마이크로 로봇(30)을 인식할 수도 있다. 마이크로 로봇(30)의 형상은 피두셜 마커(10)와 다르기 때문에, 인자(factor) 또는 인자의 수치들이 다르게 적용될 수 있다.
본 실시예에서, 마이크로 로봇의 위치를 추적하여 실시간으로 출력하는 것으로 설정하였으나, 본 발명이 이에 한정되지 않는 바, 카테터 등의 각종 의료 시술기구들이 적용되어 사용될 수 있다.
이하에서는, 상술한 시스템을 통한 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 방법에 관하여 도 6 을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 6 은 본 발명의 일실시예에 따른 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 방법에 관한 전체 흐름도로서, 도시된 바와 같이 시술 이전상태에서, 3차원 이미지 입력부(100)는 피두셜 마커(10)가 포함된 3차원 이미지(CT 3D)를 3차원 영상장치(20)로부터 입력받는다(S10).
이후, 마이크로 로봇(30)이 체내에 삽입되어 있으며, 피두셜 마커(10)를 부착한 사용자가 엑스선 영상장치(40) 내부에 위치한 시술 상태에서, 2차원 이미지 취득부(200)는 피두셜 마커(10)가 포함된 2차원 이미지를 취득한다(S20).
뒤이어, 정합부(300)는 3차원 이미지 입력부(100)를 통해 입력된 3차원 이미지와, 2차원 이미지 취득부(200)를 통해 취득한 두 개 이상의 2차원 이미지를 정합함으로써, 정합된 3차원 이미지를 생성한다(S30).
즉, 상기 2차원 이미지 취득부(200)를 통해 취득한 2차원 이미지(fluoroscopy)가 가상의 3차원 직육면체의 한 평면에 위치하도록 생성하고, 2차원 이미지에서 피두셜 마커(10)를 인식하여 3차원 이미지(CT 3D)와 실시간 정합함으로써, 정합된 3차원 이미지를 생성한다.
그리고, 로봇 추적부(400)는 상기 2차원 이미지 취득부(200)를 통해 취득한 두 개 이상의 2차원 이미지(fluoroscopy)를 통해 마이크로 로봇(30)의 좌표를 결정하고(S40), 결정된 2차원 이미지 상의 위치를 상기 정합부(300)를 통해 정합된 3차원 이미지(CT 3D) 상에 실시간으로 출력한다(S50).
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
S: 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템
100: 3차원 이미지 입력부 200: 2차원 이미지 취득부
300: 정합부 400: 로봇 추적부
10: 피두셜 마커 20: 3차원 영상장치
30: 마이크로 로봇 40: 엑스선 영상장치
41: 엑스선 소스 42: 코일 유니트
43: 구동부

Claims (10)

  1. 피두셜 마커가 포함된 3차원 이미지(CT 3D)를 3차원 영상장치로부터 입력받는 3차원 이미지 입력부;
    마이크로 로봇이 체내에 삽입된 상태에서, 피두셜 마커가 포함된 2차원 이미지(fluoroscopy)를 취득하는 2차원 이미지 취득부; 및
    상기 3차원 이미지 입력부를 통해 입력된 3차원 이미지와, 2차원 이미지 취득부를 통해 취득한 2차원 이미지를 정합함으로써, 정합된 3차원 이미지를 생성하는 정합부; 를 포함하되,
    상기 정합부는,
    상기 2차원 이미지 취득부를 통해 취득한 2차원 이미지가 가상의 3차원 직육면체의 한 평면에 위치하도록 생성하고, 상기 2차원 이미지에서 피두셜 마커를 인식하여 3차원 이미지와 실시간 정합함으로써, 정합된 3차원 이미지를 생성하는 것을 특징으로 하는 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 이미지 취득부는,
    엑스선 영상장치를 통해 2차원의 평면 및 측면 방향에 따른 적어도 하나 이상의 2차원 이미지를 취득하는 것을 특징으로 하는 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 정합부는,
    형상인식 알고리즘을 이용하여 피두셜 마커를 인식하는 것을 특징으로 하는 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 2차원 이미지 취득부를 통해 취득한 2차원 이미지를 통해 마이크로 로봇의 좌표를 결정하고, 결정된 2차원 이미지 상의 위치를 상기 정합부를 통해 정합된 3차원 이미지 상에 출력하는 로봇 추적부; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 시스템.
  6. (a) 3차원 이미지 입력부가 피두셜 마커가 포함된 3차원 이미지를 3차원 영상장치로부터 입력받는 단계;
    (b) 마이크로 로봇이 체내에 삽입되어 있으며, 피두셜 마커를 부착한 사용자가 엑스선 영상장치 내부에 위치한 상태에서, 2차원 이미지 취득부가 피두셜 마커가 포함된 2차원 이미지를 취득하는 단계; 및
    (c) 정합부가 상기 (a) 단계를 통해 입력된 3차원 이미지와, 상기 (b) 단계를 통해 취득한 2차원 이미지를 정합함으로써, 정합된 3차원 이미지를 생성하는 단계; 를 포함하되,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 정합부가 상기 (b) 단계를 통해 취득한 2차원 이미지가 가상의 3차원 직육면체의 한 평면에 위치하도록 생성하고, 상기 2차원 이미지에서 피두셜 마커를 인식하여 3차원 이미지와 실시간 정합함으로써, 정합된 3차원 이미지를 생성하는 것을 특징으로 하는 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서,
    상기 2차원 이미지 취득부가 엑스선 영상장치를 통해 2차원의 평면 및 측면 방향에 따른 적어도 하나 이상의 2차원 이미지를 취득하는 것을 특징으로 하는 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 방법.
  8. 삭제
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서,
    상기 정합부가 형상인식 알고리즘을 이용하여 피두셜 마커를 인식하는 것을 특징으로 하는 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    (d) 로봇 추적부가 상기 (b) 단계를 통해 취득한 2차원 이미지를 통해 마이크로 로봇의 좌표를 결정하는 단계; 및
    (e) 상기 로봇 추적부가 결정된 2차원 이미지 상의 위치를 상기 (c) 단계를 통해 정합된 3차원 이미지 상에 실시간으로 출력하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피두셜 마커를 이용한 2차원 이미지와 3차원 이미지의 정합 방법.
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