KR101467346B1 - 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법 - Google Patents

영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법 Download PDF

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KR101467346B1
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이동훈
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Abstract

본 발명은 영상화 대상을 횡 방향 또는 종 방향으로 움직여, 자기공명영상기기 중심에서 영상을 분할획득하고, 이를 접합하여 관심영역을 확대함과 동시에 위치정보 및 크기정보 왜곡이 없는 단면영상을 구성하게 하며, GUI기반으로 이루어진, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법에 관한 것이다.
본 발명의 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법은, 자기공명(MR) 영상시스템에서, MR자극선부의 중심에 위치된 영상화 대상을 횡 방향 또는 종 방향으로 움직여서 영상을 부위별로 분할획득하되, 동일한 관심영역의 크기를 기준으로, 겹쳐지는 부분이 발생하도록 분할획득되며, 분할획득된 부위별 영상들을 연산처리부에서 수신하는, 자기공명 영상획득 단계; 연산처리부에 수신된 각 부위별 영상에서 기준영상을 설정하는, 각 부위별 영상에서 기준영상 설정 단계; 기준영상과 스티칭하고자 하는 영상을 스티칭하기 위한 특징점을 추출하는, 포인트 지정방식이, 사용자에 의한 포인트 지정방식 설정모드인지, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식 설정모드인지를, 명령입력부로부터 연산처리부가 수신하는 포인트 지정방식 설정단계; 기준영상과 스티칭하고자 하는 영상을 스티칭을 수행하되, 포인트 지정방식 설정단계에서 설정된 포인트 지정방식에 따라 특징점의 포인트들을 지정하고, 상기 포인트들을 이용하여, 영상의 스티칭을 수행하는, 영상 스티칭 단계; 영상 스티칭 단계 후에, 자기공명 영상획득 단계에서 연산처리부에서 수신한 부위별 영상 전부가 스티칭이 행하여졌는지 판단하여, 부위별 영상 전부가 스티칭이 행하여진 것이 아니라면, 영상 스티칭 단계에서 스티칭된 영상을 기준영상으로 하고, 포인트 지정방식 설정단계로 가는, 스티칭 종료여부 판단단계; 스티칭 종료여부 판단단계에서, 부위별 영상 전부가 스티칭이 행하여진 것이라면, 영상 스티칭이 완료된 영상을 저장하고 출력하는, 저장 및 화면출력단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법{Magnetic resonance imaging registration and composition method}
본 발명은 영상화 대상을 횡 방향 또는 종 방향으로 움직여, 자기공명영상기기 중심에서 영상을 분할획득하고, 이를 접합하여 관심영역을 확대함과 동시에 위치정보 및 크기정보 왜곡이 없는 단면영상을 구성하게 하며, GUI기반으로 이루어진, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법에 관한 것이다.
MRI는 영상의 경사자계 비선형성으로 인한 기하학적 영상 왜곡이 생기는데, 이로인해, MRI를 방사선 치료에 임상 적용하는 데 걸림돌이 되고 있다.
종래에 폐쇄형 자기공명영상기기에서 관심영역 내 종 방향으로 환자 테이블 움직임을 통해 제한된 관심영역을 극복하여 인체의 전체(whole body)영상화가 가능하도록 하는 기술이 다수 제안되었다. 이들 대부분의 종래의 방법은 전문가가 아니면 사용하기 어렵게 이루어져 있다.
또한, 종래기술은 부분적으로 획득한 자기공명영상의 스티칭을 자동적으로 수행하는 알고리즘으로 구성되어 있으며 이는 영상의 움직임이 있는 경우 상대적으로 정합에 불리하다. 즉, 영상의 움직임이 있는 경우 종래의 정합 및 합성방법을 사용하면 영상의 움직임을 인지하지 못한 채 단순히 위아래 방향으로 정합 및 합성을 한다.
따라서, 겹쳐지는 부분의 포인트 설정에 있어서, 사용자에 의해 설정되어 추출하고 이를 기준으로 정합 및 합성을 수행하여 보다 정확성을 높이는 것이 요망된다.
또한 사용자에 의해 포인트를 지정하는 번거로움을 피하기 위하여 두 영상간에 특징점을 추출하는 알고리즘을 적용하여 자동으로 영상의 특징점을 추출하며, 화면에 표시된 추출된 포인트들을 사용자가 선택적으로 선정하여 정합 및 합성을 수행하도록 하여, 보다 편리하면서 보다 정확성을 높이는 것이 요망된다.
또한, 알고리즘 구현의 접근성 및 편의성을 위하여 GUI 기반의 알고리즘 구현 방법으로 이루어지는 것이 요망된다.
동 발명자들은 국내 특허출원 제10-2013-0016157호 '개방형 자기공명영상기기에서 자장중심자기공명영상화 방법'을 기 출원한 바 있으며, 이 발명은, 관심영역 내 기하학적 왜곡이 적은 영역을 왜곡자유영역으로 설정한 뒤, 영상화 대상을 횡 방향으로 움직여, 자기공명영상기기 중심에서 영상을 왜곡자유영역단위로 분할획득하고, 이를 접합하여 관심영역을 확대함과 동시에 위치정보 및 크기정보 왜곡이 없는 단면영상을 구성하는, 개방형 자기공명영상기기에서 자장중심자기공명영상화 방법에 관한 것이었다.
본 발명은, 폐쇄형 자기공명영상기기에서 영상화 대상을 횡 방향 또는 종 방향으로 움직여, 자기공명영상기기 중심에서 영상을 왜곡자유영역단위로 분할획득하고, 이를 접합하여 관심영역을 확대함과 동시에 위치정보 및 크기정보 왜곡이 없는 단면영상을 구성한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 영상화 대상을 횡 방향 또는 종 방향으로 움직여, 자기공명영상기기 중심에서 영상을 분할획득하고, 이를 접합하여 관심영역을 확대함과 동시에 위치정보 및 크기정보 왜곡이 없는 단면영상을 구성하게 하며, GUI기반으로 이루어진, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 사용자에 의하여 겹쳐지는 부분의 포인트를 설정하여 추출하고, 이를 기준으로 자동적으로 정합 및 합성을 수행하도록 이루어져, 영상의 움직임이 있는 경우에도 높은 정확성을 얻을 수 있는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 두 영상간에 특징점을 추출하는 알고리즘을 적용하여 자동으로 영상의 특징점을 추출하며, 화면에 표시된 추출된 포인트들을 사용자가 선택적으로 선정하여, 정합 및 합성을 수행하도록 하여, 보다 편리하면서 보다 정확성을 높이도록 이루어진, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법은, 자기공명(MR) 영상시스템에서, MR자극선부의 중심에 위치된 영상화 대상을 횡 방향 또는 종 방향으로 움직여서 영상을 부위별로 분할획득하되, 동일한 관심영역의 크기를 기준으로, 겹쳐지는 부분이 발생하도록 분할획득되며, 분할획득된 부위별 영상들을 연산처리부에서 수신하는, 자기공명 영상획득 단계; 연산처리부에 수신된 각 부위별 영상에서 기준영상을 설정하는, 각 부위별 영상에서 기준영상 설정 단계; 기준영상과 스티칭하고자 하는 영상을 스티칭하기 위한 특징점을 추출하는, 포인트 지정방식이, 사용자에 의한 포인트 지정방식 설정모드인지, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식 설정모드인지를, 명령입력부로부터 연산처리부가 수신하는 포인트 지정방식 설정단계; 기준영상과 스티칭하고자 하는 영상을 스티칭을 수행하되, 포인트 지정방식 설정단계에서 설정된 포인트 지정방식에 따라 특징점의 포인트들을 지정하고, 상기 포인트들을 이용하여, 영상의 스티칭을 수행하는, 영상 스티칭 단계; 영상 스티칭 단계 후에, 자기공명 영상획득 단계에서 연산처리부에서 수신한 부위별 영상 전부가 스티칭이 행하여졌는지 판단하여, 부위별 영상 전부가 스티칭이 행하여진 것이 아니라면, 영상 스티칭 단계에서 스티칭된 영상을 기준영상으로 하고, 포인트 지정방식 설정단계로 가는, 스티칭 종료여부 판단단계; 스티칭 종료여부 판단단계에서, 부위별 영상 전부가 스티칭이 행하여진 것이라면, 영상 스티칭이 완료된 영상을 저장하고 출력하는, 저장 및 화면출력단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명의 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법은, 자기공명(MR) 영상시스템에서, MR자극선부의 중심에 위치된 영상화 대상을, 영상화 대상의 장축방향으로 움직여서, 영상을 경추, 흉추, 요추의 부위별로 분할획득하되, 동일한 관심영역의 크기를 기준으로, 겹쳐지는 부분이 발생하도록 분할획득되며, 분할획득된 부위별 영상들을 연산처리부에서 수신하는, 자기공명 영상획득 단계; 연산처리부에 수신된 각 부위별 영상에서 경추 또는 흉추 중의 하나의 부위별 영상을 기준영상을 설정하고, 기준영상과 스티칭하고자 하는 영상으로서, 경추 또는 흉추 중의 다른 하나의 부위별 영상을 설정하는, 제1 기준영상 설정 단계; 제1 기준영상 설정 단계 후, 기준영상과 스티칭하고자 하는 영상을 스티칭하기 위한 특징점을 추출하는, 포인트 지정방식이, 사용자에 의한 포인트 지정방식 설정모드인지, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식 설정모드인지를, 명령입력부로부터 연산처리부가 수신하는 제1 포인트 지정방식 설정단계; 기준영상과 스티칭하고자 하는 영상을 스티칭을 수행하되, 포인트 지정방식 설정단계에서 설정된 포인트 지정방식에 따라 특징점의 포인트들을 지정하고, 상기 포인트들을 이용하여, 영상의 스티칭을 수행하여, 경추의 부위별 영상과 흉추의 부위별 영상을 스티칭한 영상을 획득하는, 제1영상 스티칭 단계; 제1영상 스티칭 단계에서 획득된, 경추의 부위별 영상과 흉추의 부위별 영상을 스티칭한 영상을, 기준영상으로 하고, 스티칭하고자 하는 영상을 요추의 부위별 영상으로 설정하는, 제2 기준영상 설정 단계; 제2 기준영상 설정 단계 후, 기준영상과 스티칭하고자 하는 영상을 스티칭하기 위한 특징점을 추출하는, 포인트 지정방식이, 사용자에 의한 포인트 지정방식 설정모드인지, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식 설정모드인지를, 명령입력부로부터 연산처리부가 수신하는 제2 포인트 지정방식 설정단계; 기준영상과 스티칭하고자 하는 영상을 스티칭을 수행하되, 포인트 지정방식 설정단계에서 설정된 포인트 지정방식에 따라 특징점의 포인트들을 지정하고, 상기 포인트들을 이용하여, 영상의 스티칭을 수행하여, 경추의 부위별 영상과 흉추의 부위별 영상과 요추의 부위별 영상을 스티칭한 영상을 획득하는, 제2영상 스티칭 단계; 제2영상 스티칭 단계 후에, 경추의 부위별 영상과 흉추의 부위별 영상과 요추의 부위별 영상을 스티칭한 영상을 저장하고 출력하는, 저장 및 화면출력단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
저장 및 화면출력단계에서 저장되는 영상은 DICOM 저장방식 또는 JPEG 저장방식으로 저장되는 것을 특징으로 한다.
사용자에 의한 포인트 지정방식은, GUI 기반의 명령입력부에서, 기준영상과 스티칭하기 위한 영상을 화면에 디스플레이한 상태에서 겹쳐진 부분을 사용자가 시각적으로 확인하면서, 기준영상의 특징점을 지정하고, 스티칭하기 위한 영상에서, 상기 기준영상의 특징점에 대응되는 특징점을 지정하여, 기준영상과 스티칭하기 위한 영상에 지정된 특징점들을 명령입력부로부터 연산처리부가 수신하도록 이루어진 다.
자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식은, 입력영상 I(x, y)에 분산 σ를 갖는 가우시안(Gaussian) 필터를 적용한 각 스케일(scale)에 해당하는 차이 영상과의 컨볼루션(convolution) 계산을 통하여 영상을 재구성하되, DoG(가우시안의 차)영상은
Figure 112013079627627-pat00001
(단, D(x, y, σ)은 DoG 영상을 의미하며, G(x, y, kσ)는 k번째 스케일에 해당하는 가우시안 필터링 영상을 나타내고, I(x, y)는 입력영상을 나타냄)
으로 나타내며, 가우시안 필터를 적용하여 획득한 영상을, σ가 2배가 될 때마다 영상을 1/2로 다운샘플링하여, 순차적으로 크기를 다운 샘플링을 하여 피라미드식 구조의 영상트리를 형성하며, 획득한 DoG 값에서 극대값과 극소값을 구하고, 극대값과 극소값의 샘플포인트의 위치를 기준으로, 상, 하, 좌, 우로 이웃한 픽셀을 비교하여 특징점들을 추출한다.
자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식에 의해 추출된 특징점들을, 기준영상과 스티칭하기 위한 영상 각각에 디스플레이하며, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식에 의해 추출된 특징점들을 바탕으로 사용자가 원하는 포인트들을 재설정한다.
영상 스티칭 단계의 영상 블렌딩과정에서, 기준영상과 스티칭하기 위한 영상의 두 영상을 혼합하되, 두 영상간의 겹쳐진 영역(Q)은
Figure 112013079627627-pat00002
(단, f(x)는 선형블렌딩 함수로서 겹쳐진 영역의 투명도를 정의하며, I1 과 I2는 인접한 두 영상에서 겹쳐진 각 영역임)
에 의해 구하여지며, f(x)는
Figure 112013079627627-pat00003
(단, 파라미터 p는 블렌딩 형태의 곡률이고 a는 양의 실수임)
에 의해 구하여 지며, 파라미터 p는 2이다.
영상 블렌딩과정을 수행 후, 공간변환함수(transformation function)를 적용하는 공간변환 과정을 수행하며, 공간변환함수는
Figure 112013079627627-pat00004
(단, T는 아핀변환, x와 b는 벡터를 나타내고 A는 행렬형태의 아핀변환군을 나타냄)
아핀변환(affine transformation) 행렬을 적용하되, 아핀변환군은 4가지의 변환형태로 평행이동(translation), 회전(rotation), 확대/축소(scaling), 찌그러짐(shearing)을 나타낸다.
아핀변환군이 평행이동(translation)의 변환형태로 표현되었을때, 아핀변환군 행렬은
Figure 112013079627627-pat00005
(단, x1, x2, x3는 기준벡터의 위치를 나타내고, q1, q2, q3가 포함된 행렬은 변환 행렬(변환 매트릭스)을 나타냄)
로 나타내진다.
아핀변환군이, 회전(rotation)의 변환형태로서, X축, Y축, Z축의 3축의 회전의 변환형태로 표현되었을때
Figure 112013079627627-pat00006
(단, x1, x2, x3는 기준벡터의 위치를 나타내고, q4, q5, q6이 포함된 행렬은 변환 행렬(변환 매트릭스)을 나타냄)
로 나타내진다.
아핀변환군이 확대/축소(scaling)의 변환형태로 표현되었을때,
Figure 112013079627627-pat00007
(단, x1, x2, x3는 기준벡터의 위치를 나타내고, q7, q8, q9가 포함된 행렬은 변환 행렬(변환 매트릭스)을 나타냄)
로 나타내진다.
아핀변환군이 찌그러짐(shearing)의 변환형태로 표현되었을때,
Figure 112013079627627-pat00008
(단, x1, x2, x3는 기준벡터의 위치를 나타내고, q10, q11, q12가 포함된 행렬은 변환 행렬(변환 매트릭스)을 나타냄)
로 나타내진다.
공간변환 과정 후, 영상신호의 공간변환에 따라 발생한, 영상의 경계면에서의 신호소실 부분에 대하여, ‘0’의 값으로 채우는 제로패딩(zero-padding)방법, 또는, 주변값을 기준으로 복사하여 채우는 방법을 사용하는 영상패딩(padding) 과정을 거친다.
명령입력부는, GUI 화면 상에, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식을 적용할 것인지 여부를 설정하는 설정부를 구비한다.
명령입력부는, GUI 화면 상에, 스티칭이 완료된 영상을, DICOM 영상으로 저장할 것인지를 설정하는 설정부와, JPEG 영상으로 저장할 것인지를 설정하는 설정부를 구비한다.
명령입력부는, GUI 화면 상에, 스티칭이 완료된 영상을 디스플레이 하는 윈도우를 구비하되, 스크롤바를 이용하여, 스티칭이 완료된 영상의 좌측 또는 우측의 영상을 볼 수 있도록 이루어진다.
본 발명의 자기공명영상 정합 및 합성 방법에 대한 컴퓨터 프로그램 소스를 저장한 기록매체를 특징으로 한다.
본 발명의 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법에 의하면, 영상화 대상을 횡 방향(인체의 단축방향) 또는 종 방향(인체의 장축방향)으로 움직여, 자기공명영상기기 중심에서 영상을 분할획득하고, 이를 접합하여 관심영역을 확대함과 동시에 위치정보 및 크기정보 왜곡이 없는 단면영상을 구성하게 하며, GUI기반으로 이루어져, 종래의 위아래 방향으로만 정합 및 합성하던 것에 비해, 영상의 움직임이 있는 경우에도 정확성이 높은 결과를 얻을 수 있으며, 초보자라도 손쉽게 사용할 수 있도록 이루어진다.
특히, 본 발명에서는 GUI 기반의 알고리즘 구현 방법을 사용하여, 본 발명의 알고리즘 구현의 접근성 및 편의성을 높였다.
또한 본 발명은, 사용자에 의하여 겹쳐지는 부분의 포인트를 설정하여 추출하고, 이를 기준으로 자동적으로 정합 및 합성을 수행하도록 이루어져, 영상의 움직임이 있는 경우에도 높은 정확성을 얻을 수 있다.
즉, 종래기술은 부분적으로 획득한 자기공명영상의 스티칭을 자동적으로 수행하는 알고리즘으로 구성되어 있으며 이는 영상의 움직임이 있는 경우 상대적으로 본 발명보다 정합에 불리한 조건을 가질 수 있다. 영상의 움직임이 있는 경우 기존의 정합 및 합성방법을 사용하면 영상의 움직임을 인지하지 못한 채 단순히 위아래 방향으로 정합 및 합성을 하지만, 본 발명의 경우 사용자에 의하여 겹쳐지는 부분의 포인트를 설정하여 추출하고 이를 기준으로 정합 및 합성을 수행하기 때문에 상대적으로 정확성이 높다.
또한 본 발명은, 두 영상간에 특징점을 추출하는 알고리즘을 적용하여 자동으로 영상의 특징점을 추출하며, 화면에 표시된 추출된 포인트들을 사용자가 선택적으로 선정하여, 정합 및 합성을 수행하도록 하여, 보다 편리하면서 보다 정확성을 높이도록 이루어져 있다.
즉, 본 발명은, 사용자에 의해 포인트를 지정하는 번거로움을 피하기 위하여 두 영상간에 특징점을 추출하는 알고리즘을 적용하여 자동으로 영상의 특징점을 추출할 수 있도록 하였으며 화면에 표시된 추출된 포인트들을 바탕으로 정합 및 합성을 동일하게 수행할 수 있도록 하였다.
본 발명은, 자기공명영상 장비의 송신코일과 수신코일의 영상영역증가에 의한 물리적 한계성을 보완하여 영상획득에 강점을 나타낼 수 있으며, 환자의 진단 및 치료와 지속적인 관리의 측면에서 보다 전체적이고 종합적이며 정확한 영상진단정보를 제공할 수 있으며, 자기공명영상 시스템을 이용한 넓은 영상영역의 확보는 향후 미래첨단의료 융복합 영상 구현의 토대 마련 및 진단치료기술의 정확성 확보를 위한 기반기술이 될 수 있다. 또한, 본 발명은 개방형 또는 ?쇄용 MRI 장비에 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법을 적용하는 자기공명(MR) 영상시스템의 구성을 개략적으로 설명하는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 3은 블랜딩 비율을 나타내는 그래프이다. 즉, 도 3은 수학식 3의 Q 함수를 통해 결정되는 그래프의 단면을 나타낸다.
도 4는 도 2의 각부분별 자기공명 영상획득 및 확인단계에서, 여러 단면의 각 부분별 단면영상을 획득한 결과의 일예이다.
도 5는 도 2의 각 부분별 획득된 영상의 스티칭을 위한 기준영상 선택 단계에서, 각 부분별 영상이 여러 단면으로 구성되었을 경우 기준영상을 설정하는 과정을 도식으로 나타낸 예이다
도 6은 2개의 영상에서 포인트 설정의 일예로, 즉, 겹쳐지는 부분에서의 각 포인트의 위치별 일대일 대응 관계에 대한 결과도식의 예이다.
도 7은 영상의 블렌딩 과정을 표현한 영상의 예이다.
도 8은 본 발명에서, 경추, 흉추, 요추의 자기공명영상 정합 및 합성을 위한, 그래픽 유저 인터페이스(GUI) 화면의 일예이다.
이하, 본 발명의 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법을 적용하는 자기공명(MR) 영상시스템의 구성을 개략적으로 설명하는 블럭도로, 자기공명(MR) 자극선부(20), 경사 코일구동부(210), RF 코일구동부(230), 데이터 획득부(250), 시퀀스 제어부(270), 연산처리부(310), 디스플레이부(330), 명령입력부(350)를 포함하여 구성된다.
자기공명(MR) 영상시스템은 원통형으로 이루어진 MR자극선부(20)의 중앙 공간(40) 내에 환자(피험자)(5)가 위치되게 된다. 환자(5)는 침대지지대위에 장착된 침대상판(크래들)(19)위에 누운상태에서, 침대상판(19)이 이동하여, MR자극선부(20)의 중앙 통공인 촬상공간 내에 환자가 위치되게 된다.
자기공명(MR) 영상시스템은 촬상공간을 가로질러 균일한 정전 자기장(이하 B0 자기장이라 함)을 제공하기 위하여, MR자극선부(20)는, 원통형으로 이루어진 주 자석부(11)를 구비하며, 주 자석부(11)의 내측에 위치되며 원통형으로 이루어진 경사 코일부(12)를 구비하고, 경사 코일부(12)의 내측에 위치되며, 원통형으로 이루어진 RF 코일부(16)를 구비한다. 경사 코일부(12)는 X-축, Y-축, 및 Z-축을 나타내는 3개의 경사코일이 포함된다. 경사 코일부(12)에 파워를 공급하여, 전류가 통하게 되면 지정된 방향으로 경사진 자기장을 발생시킨다.
MR자극선부(20)는 주 자석부(11), 경사 코일부(12), RF 코일부(16) 및 수신 코일부(17)를 포함한다. 주 자석부(11), 경사 코일부(12) 및 RF 코일부(16)는 실질적으로 가운데 통공을 형성하고 있는 원통 형상을 하며, 동일 한 중심축을 공유한다. 침대상판(크래들)(19) 상에 놓인 촬영 대상(환자 또는 피검체)이 이송 수단에 의해 촬상공간으로 이동된다.
주 자석부(11)는 촬상공간에 정자장을 생성한다. 정자장의 방향은 피검체의 몸축 방향과 실질적으로 직교하는 수직 자장을 생성한다. 주 자석부(11)는 영구 자석이나 초전도 자석(마그네트) 또는 저항성 자석으로 형성될 수도 있다.
경사 코일부(12)는, 서로 수직인 3개의 축, 즉 X-축, Y-축, 및 Z-축(다시말해, 슬라이스축과 주파수축 및 위상축)을 따라 정자장 세기가 그래디언트를 가지는데 이용되는 3개의 경사 자장을 생성한다. 3개의 경사 자장의 생성을 위해, 경사 코일부(12)는 3개의 경사 코일을 포함한다.
RF 코일부(16)는 피검체로 소정 주파수의 RF 펄스를 인가한다.
수신 코일부(17)는 RF 펄스의 인가로 여기되는 정자장 공간에 놓이는 피검체에서의 스핀에 의해 발생된 전자파, 즉 자기공명 신호를 수신한다. 수신 코일부(17)에 의해 수신된 신호는 데이터 획득부(250)로 전달된다.
경사 코일구동부(210)는 경사 코일부(12)에 접속되고, 경사 코일부(12)에 구동 신호를 인가하여 경사 자장을 발생시킨다. 경사 코일구동부(210)는 경사 코일부(12)에 포함된 3개의 경사코일(13, 14, 15)(31, 34, 35)과 관련된 3개의 구동 회로인 X축경사 코일구동부(211), Y축경사 코일구동부(213) 및 Z축경사 코일구동부(215)를 포함한다. 여기서, X축경사 자장은 슬라이스축의 방향에 대응하는 경사 자장으로서 슬라이스 경사 자장(slice selection gradient; GS)이라고 칭할 수 있고, Y축경사 자장은 주파수축의 방향에 대응하는 경사 자장으로서 주파수 경사 자장(frequency encoding gradient; GF 또는 리딩 인코딩 경사 자장)이라고 칭할 수 있으며, Z축경사 자장은 위상축의 방향에 대응하는 경사 자장을 위상 인코딩 경사 자장(phase encoding gradient; GP)이라고 칭할 수 있다.
RF 코일구동부(230)는 RF 코일부(16)에 접속되어 있다. RF 코일구동부(230)는 RF 코일부(16)에 구동 신호를 송신하여 RF 펄스를 인가한다. RF 코일부(16)는 정자장 공간에서, 촬영 피검체 내에 스핀을 여기하는데 이용되는 고주파 자장을 형성한다. 고주파 자장을 형성하는 것을 RF 여기 신호의 송신이라고 말하고, RF 여기 신호를 RF 펄스라고 한다.
여기된 스핀에 의해 발생된 전자파, 즉 자기 공명(MR) 신호는 수신 코일부(17)에 의해 수신된다. 수신 코일부(17)에는 데이터 획득부(250)가 접속되어 있다.
데이터 획득부(250)는 수신 코일부(17)가 수신한 에코(MR 수신 신호)를 디지털 데이터의 형태로 획득하여 연산처리부(310)로 전달한다. 데이터 획득부(250)는 수신 코일부(17)를 통해 획득한 MR 신호는, 주파수 도메인, 예를 들면 푸리에 공간에서 정의된 신호이다. 그 방향이 위상축 방향 및 주파수축 방향에 대응하는 경사자장이 인가되어, 2개의 축을 따라 MR 신호의 소스의 분포를 인코딩한다.
시퀀스 제어부(270)는 경사 코일구동부(210)와 RF 코일구동부(230)에 각각 접속되어 있다. 시퀀스 제어부(270)는 펄스 시퀀스를 계산 및 제어하고 메모리(미도시)를 포함하는 하나의 컴퓨터로 구현될 수 있다. 시퀀스 제어부(270)에 제공될 명령을 기술하는 프로그램 및 다양한 종류의 데이터가 메모리에 저장된다.
연산처리부(310)는 시퀀스 제어부(270)에 포함된 펄스 시퀀스 계산 및 제어와는 다른 신호 계산 및 제어를 수행하며, 메모리를 포함하는 또하나의 컴퓨터(300)로 구성될 수 있다. 상기 메모리는 연산처리부(310)에 제공된 명령을 기술하는 프로그램 및 다양한 종류의 데이터를 저장한다.
연산처리부(310)는 데이터 획득부로부터 수신한 자기공명 신호를 푸리에 변환(FT)하여 자기공명의 영상을 획득한다. 피험자가 누워있는 채로 테이블의 수직 상, 하 방향의 움직임을 통하여 영상을 획득하되, 각 부분별 획득되는 영상은 동일한 관심영역의 크기를 기준으로 획득되며 겹쳐지는 부분이 발생하도록 영상을 획득한다. 연산처리부(310)는 획득된 영상에서 영상의 왜곡 발생이 없는지 유무를 판단하고, 각 부분별 획득된 영상의 신호차이가 크게 발생하는지의 유무를 판단한다.
연산처리부(310)는 인체내 장축방향을 기준으로 각 부분별 획득된 영상이 단일한 단면(single slice)의 영상으로 획득되어졌는지, 여러 단면(multi slice)의 영상으로 획득되어졌는지를 판단하고, 각 부분별 영상이 단일한 단면으로 구성되었을 경우 이를 기준영상으로 사용하고, 각 부분별 영상이 여러 단면으로 구성되었을 경우 인체의 가장 중심부위를 포함하는 각 부분별 단면 영상들을 기준영상으로 사용한다.
즉, 연산처리부(310)는 기준영상을 읽어들이고, 후술되는 포인트지정 방식 설정에 따라, 지정된 방식으로 포인트가 설정되면, 선택된 각 부분별 기준영상을 바탕으로 영상의 스티칭을 수행한다. 각 부분별 기준영상이 모두 스티칭이 완료되면 영상스티칭이 완료된 영상을 저장하고 화면에 출력한다.
본 발명에서, 피검자, 즉 영상화 대상을 횡 또는 종 방향으로 이동시켜, 자기공명영상기기 중심에서 영상을 분할 단위영역(왜곡자유영역단위)로 분할획득하고, 이를 접합하여 관심영역을 확대함과 동시에 위치정보 및 크기정보 왜곡이 없는 단면영상을 구한다. 연산처리부(310)는, 데이터 획득부(250)가 획득하는 데이터를 메모리에 저장하며, 연산처리부(310)에서 출력된 영상은 디스플레이부(330)로 출력된다.
디스플레이부(330)는 연산처리부(310)로부터 전송된 재구성 화상 및 각종의 정보를 디스플레이한다.
명령입력부(350)는 GUI 화면을 포함하는 키보드 등으로 실현된다. 명령입력부(미도시)는, GUI 화면을 통해 사용자에 의해서 조작되어 펄스 시퀀스 데이터베이스(PSD)에 기록된 다양한 종류의 명령 또는 정보가 연산처리부(310)에 전달된다.
또한, 명령입력부(350)는 영상정합 및 접합방식의 설정으로, 사용자에 의한 포인트 지정방식 설정모드, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식 설정모드를 구비한다.
도 2는 본 발명의 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법의 개략적인 흐름도이다.
자기공명 영상획득 및 확인단계로, 자기공명(MR) 영상시스템을 이용하여, 인체내 장축방향의 구조적인 영상을 획득하기 위해 폐쇄형 자기공명영상장비에 피험자가 누워있는 채로 침대상판(19)의 수직 상, 하 방향(즉, 피험자의 장축방향)의 움직임을 통하여 영상을 획득하되, 각 부분별 획득되는 영상은 동일한 관심영역의 크기를 기준으로 획득되며 겹쳐지는 부분이 발생하도록 영상을 획득하며, 연산처리부(310)는 영상의 왜곡 발생이 없이 획득되었는지 유무를 판단하고, 각 부분별 획득된 영상의 신호차이가 기설정된 기준보다 크게 발생하는지의 유무를 판단하여, 크다면 다시 영상을 획득한다(S110). 여기서, 각 부분별 획득되는 영상의 겹쳐지는 정도는 사용자에 의해서 조절될 수 있으며, 각 부분별 획득되는 영상은 인체의 가운데 부분을 중심으로 좌.우 방향으로 몇 개의 단면을 분할하여 획득할 수 있다.
각 부분별 획득된 영상의 스티칭을 위한 기준영상 설정 단계로, 인체내 장축방향을 기준으로 각 부분별 획득된 영상이 단일한 단면(single slice)의 영상으로 획득되어졌는지, 여러 단면(multi slice)의 영상으로 획득되어졌는지를 판단하고, 각 부분별 영상이 단일한 단면으로 구성되었을 경우 이를 기준영상으로 사용하고, 각 부분별 영상이 여러 단면으로 구성되었을 경우 인체의 가장 중심부위를 포함하는 각 부분별 단면 영상들을 기준영상으로 사용한다(S120). 각 부분별 영상이 여러 단면으로 구성되었을 경우 기준영상을 사용자의 선택에 의해 설정되어질 수 있으며, 컴퓨터에 의해 설정될 수 있다.
포인트 지정방식 설정단계로, 선택된 각 부분별 기준영상을 바탕으로 영상의 스티칭을 수행하기 위해서, 스티칭하고자 하는 2개의 영상에서 포인트를 설정을, 사용자에 의한 포인트 지정방식 설정모드로 할 것인지, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식 설정모드로 할 것인지를 사용자가 명령입력부(350)를 통해 설정하고, 연산처리부(310)는 명령입력부(350)로부터 포인트 지정방식 설정모드를 수신한다(S130).
각 부분별 획득된 영상의 스티칭 단계로, 선택된 각 부분별 기준영상을 바탕으로 영상의 스티칭을 수행하되, 포인트 지정방식 설정단계(S120)에서 설정된 포인트 지정방식에 따라 포인트들을 지정하고, 상기 포인트들을 이용하여, 영상의 스티칭을 수행한다(S140).
스티칭 종료여부 판단단계로, 선택된 각 부분별 기준영상을 바탕으로 영상의 스티칭을 수행하며, 각 부위별 영상이 모두 스티칭이 행하여 졌는지를 판단하여 그렇지 않다면, 기준영상과 스티칭이 행하여진 영상을 기준영상으로 하고, 포인트 지정방식 설정단계로 되돌아 간다(S150). 이는 자기공명 영상획득 및 확인단계에서 분할획득된 영상 수에 따라 카운터를 세트하고, 각 부분별 획득된 영상의 스티칭 단계를 수행시 상기 카운터를 하나씩 감소시켜, 각 부위별 영상이 모두 스티칭이 행하여 졌는지를 판단할 수 있다.
즉, 부분별 획득된 영상이 2개의 단면영상을 구비한 경우는, 이 영상의 스티칭 단계를 한번 수행하지만, 여러 개의 단면영상(3개 이상)을 스티칭하는 경우에는 이 영상의 스티칭 단계를 점진적으로 반복 수행한다. 여러 개의 단면영상(3개 이상)을 스티칭하는 경우 인체의 상, 하 방향을 기준으로 순차적으로 수행하며, 하나의 예로서 3개의 영상의 경우 제1영상과, 제2영상의 스티칭을 수행한 후 생성된 결과영상과 제3영상의 스티칭을 다시 수행하여 최종적으로 3개의 영상을 스티칭한 결과를 획득한다.
저장 및 화면출력(미리보기)단계로, 영상스티칭이 완료된 영상을 저장하고 출력한다(S160). 영상을 저장하는 것은 의료용 디지털 영상 및 통신 표준을 따르는 DICOM 저장방식과 JPEG 압축방식을 사용하는 JPEG 저장방식으로 구분하여 저장가능하고, 완료된 영상을 확인하기 위하여 디스플레이창을 통하여 영상이 출력된다.
이하, 본 발명의 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 과정을 보다 구체적으로 설명한다.
본 발명에서 영상 스티칭 과정은 포인트 설정을 기반으로 수행하며, 포인트 설정은 각 부분별 영상의 겹쳐지는 부분에서 서로의 영상에서 동일한 지점의 위치를 찾는 과정이며, 이렇게 설정된 포인트의 해당 위치를 바탕으로 두 영상간에 스티칭을 수행하게 된다.
예를들어, 제1영상과 제2영상의 2개의 영상을 기준으로 고려하면, 겹쳐지는 부분에서의 포인트 설정은 다음과 같은 방법으로 수행된다.
두 영상간의 겹쳐지는 부분에서, 제1영상에서 제1포인트, 즉 제1영상의 제1포인트(예로, 도 6의 ①) 위치를 지정하고, 제2영상에서 제1영상의 제1포인트 위치와 동일한 지점에 대한 포인트, 즉 제2영상의 제1포인트(예로, 도 6의 ①') 위치를 지정한다.
두 영상간의 겹쳐지는 부분에서, 제1영상에서 제2포인트, 즉 제1영상의 제2포인트(예로, 도 6의 ②) 위치를 지정하고, 제2영상에서 제1영상의 제2포인트 위치와 동일한 지점에 대한 포인트, 즉 제2영상의 제2포인트(예로, 도 6의 ②') 위치를 지정한다.
두 영상간의 겹쳐지는 부분에서, 제1영상에서 제3포인트, 즉 제1영상의 제3포인트(예로, 도 6의 ③) 위치를 지정하고, 제2영상에서 제1영상의 제3포인트 위치와 동일한 지점에 대한 포인트, 즉 제2영상의 제3포인트(예로, 도 6의 ③') 위치를 지정한다.
이와같이, 두 영상의 스티칭 과정에 있어서 최소한 3쌍(①-①', ②-②', ③-③')의 포인트 위치 지정이 필요하다.
영상간의 포인트 위치설정은 사용자의 설정에 의해서 두 가지 방법으로 수행가능한되, 그 중 하나는 사용자에 의한 메뉴얼(manual)적인 포인트 설정방법이고, 다른 하나는 자동(automatic) 특징추출에 의한 포인트 설정방법이 있다.
사용자에 의한 매뉴얼 포인트 설정방법은, 사용자가 두 영상을 화면에 디스플레이한 상태에서 겹쳐진 부분을 시각적으로 확인하면서 해당 포인트 쌍을 지정해 주는 방법이다.
자동 특징추출에 의한 포인트 설정방법은, 디지털 영상의 특징점 추출방식을 이용하여 포인트를 자동으로 추출한다.
특징점 추출방법은 입력영상 I(x, y)에 분산 σ(시그마)를 갖는 가우시안(Gaussian) 필터를 적용한 각 스케일(scale)에 해당하는 차이 영상과의 컨볼루션(convolution) 계산을 통하여 영상을 재구성하며, 이 차이 영상을 DoG(Difference-of-Gaussian, 가우시안의 차)영상으로 정의하며 수학식1로 표현될 수 있다.
Figure 112013081622232-pat00009
일반적으로 가우시안 필터에서 σ는 0에서 1 사이의 값을 가진다.
수학식1에서 D(x, y, σ)은 DoG 영상을 의미하며 G(x, y, kσ)는 k번째 스케일에 해당하는 가우시안 필터링 영상을 나타내고 I(x, y)는 입력영상을 나타내며 가우시안 필터링 영상차이와의 컨볼루션 관계를 나타내고 있다.
Figure 112013079627627-pat00010
수학식2는 가우시안 필터링을 수행하기 위한 연산과정을 나타내고 있으며 2차원 가우시안 필터링을 위하여 (x, y)의 크기를 설정하며, σ 을 통한 필터의 반치폭을 결정한다.
가우시안 필터를 적용하여 획득한 영상을 순차적으로 크기를 다운 샘플링을 시키며 변화시키며 피라미드식 구조의 영상트리를 획득하고 영상의 크기는 (가로/2, 세로/2)로 점진적으로 변화시킨다.
σ가 2배가 될 때마다 영상을 1/2로 다운샘플링하며 반복하는 과정을 수행한다. 즉, 영상을 1/2로 다운샘플링하여, 영상의 크기를 줄어든다.
획득한 DoG 값은 영상의 블러링 정도의 차이를 나타내며 이때의 극대값과 극소값은 영상에서 특징점으로 추출하기 용이한 지점이므로 해당 위치의 샘플포인트의 위치를 기준으로 상, 하, 좌, 우로 이웃한 픽셀을 비교하여 값을 추출한다. 이는, 상기 해당 위치의 샘플포인트의 위치의 절대치 값을 자승한 값이, 상, 하, 좌, 우로 이웃한 각 픽셀의 위치의 자승의 값을 더한 값을 루트한 값보다 크다는 것에 근거한다.
추출된 값들에 대하여 재 보정을 수행하며 이는 낮은 대조도(contrast)나 에지(edge) 정보를 포함하는 위치에 대해 일정한 역치값(threshold)을 사용하여 보정하는 방법을 이용한다.
자동 특징추출에 의한 포인트 설정 결과는 두 영상에서 화면에 디스플레이하여 사용자가 확인할 수 있도록 하며, 화면에 표현된 자동으로 추출된 지점을 바탕으로 사용자가 다시 원하는 포인트들을 교차설정한다.
사용자에 의한 메뉴얼(manual)적인 포인트 설정 혹은 자동(automatic) 특징추출에 의한 포인트 설정을 통해 추출된 포인트들의 위치는 저장되며, 이는 영상의 스티칭을 위하여 사용된다.
저장된 포인트들을 바탕으로 영상간의 스티칭 과정을 수행하며, 여러단면 영상을 획득하여 영상 스티칭을 수행하는 경우, 기준영상을 바탕으로 설정되어 저장된 포인트들은 여러 단면영상들에 동일한 위치로서 설정되어 다음의 과정(블렌딩, 공간변환, 패딩)이 각 단면 영상별로 수행되어 최종적인 결과들을 도출한다.
스티칭 과정은 영상의 블렌딩 과정을 수행한 후 영상의 결합을 위한 공간변환 함수(transformation function)의 적용과 영상 패딩(padding) 방법을 통하여 최종적으로 스티칭 과정을 완료한다.
영상 블렌딩은 정합되는 영상간의 경계면에서 부드러운 영상강도를 갖도록 하는 과정으로, 영상의 블렌딩을 위한 과정은 다음과 같은 단계로 수행된다.
인체 내 데이터 획득의 경우 영상의 겹쳐지는 해당 부분에 대하여 디지털 픽셀들의 신호레벨(signal level)이 균일하지 않으며, 이를 위한 스무딩(smooting)과정을 적용하기 위하여 다음과 같은 수학식 3의 함수(Q)를 사용한다.
Figure 112013079627627-pat00011
수학식 3에서 I1 및 I2 는 두 영상에서 겹쳐지는 영역을 나타내며, f(x)는 블렌딩 함수이며 p는 블렌딩 정도를 결정하는 파라미터(블렌딩 형태의 곡률)이고, a는 양의 실수이다. 본 발명에서는 p는 기준값 2로 정의되어 사용될 수 있다.
도 3은 블랜딩 비율을 나타내는 그래프이다. 즉, 도 3은 수학식 3의 Q 함수를 통해 결정되는 그래프의 단면을 나타낸다. 도 3의 수직축은 블렌딩 정도를 나타내고, 도 3의 수평축은 좌표를 나타내며, 도 3은 상술된 f(x) = axp에 의해 구하여진다.
겹쳐지는 영상에 해당 함수를 적용하여 픽셀값의 스무딩(smooting)을 수행한다.
영상블렌딩을 수행한 두 영상간의 스티칭은 다음단계인 공간변환함수(transformation function)의 적용과 영상 패딩(padding)을 수행하여 최종결과를 획득한다.
공간변환함수(transformation function)의 적용은 아핀변환(affine transformation) 행렬을 적용하는데, 아핀변환은 하나의 벡터공간을 다른 벡터공간으로 대응시키는 변환방법으로 선형변환과 평행이동 변환의 합성으로 이루어지며 다음과 같은 수식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112013079627627-pat00012
T는 아핀변환, x와 b는 벡터를 나타내고 A는 행렬형태의 아핀변환군을 나타낸다. 아핀변환군은 4가지의 변환형태로 표현가능하며 평행이동(translation), 회전(rotation), 확대/축소(scaling), 찌그러짐(shearing)으로 나타낸다.
우선, 아핀변환군이 평행이동(translation)의 변환형태로 표현되었을때, 수학식 5와 같은 아핀변환군 행렬로 나타낼 수 있다.
Figure 112013079627627-pat00013
수학식 5는 평행이동(translation)에 관한 아핀변환군 행렬을 나타내며, 여기서, x1, x2, x3는 기준벡터의 위치를 나타내고, q1, q2, q3가 포함된 행렬은 변환 행렬(변환 매트릭스)을 나타낸다. 즉, x1좌표를 평행이동한 정도가 q1이고, x1좌표를 이동한 결과가 y1이다.
아핀변환군이, 회전(rotation)의 변환형태로 표현되었을때, 다시말해, X축, Y축, Z축의 3축의 회전의 변환형태로 표현되었을때 수학식 6과 같은 아핀변환군 행렬로 나타낼 수 있다.
Figure 112013079627627-pat00014
수학식 6은 3축의 회전(rotation)에 관한 아핀변환군 행렬을 나타내며, 여기서, x1, x2, x3는 기준벡터의 위치를 나타내고, q4, q5, q6이 포함된 행렬은 변환 행렬(변환 매트릭스)을 나타낸다. 즉, 수학식 6은 어느 축을 기준으로 회전할 것인가를 나태내며, cos(q4) 등으로 이루어진 행렬 부분은 회전 각도를 나타낸다.
아핀변환군이 확대/축소(scaling)의 변환형태로 표현되었을때, 수학식 7과 같은 아핀변환군 행렬로 나타낼 수 있다.
Figure 112013079627627-pat00015
즉, 수학식 7은 확대/축소(scaling)에 관한 아핀변환군 행렬을 나타내며, x1, x2, x3는 기준벡터의 위치를 나타내고, q7, q8, q9가 포함된 행렬은 변환 행렬(변환 매트릭스)을 나타낸다. q7, q8, q9 등으로 확대, 축소의 정도를 나타낸다.
아핀변환군이 찌그러짐(shearing)의 변환형태로 표현되었을때, 수학식 8과 같은 아핀변환군 행렬로 나타낼 수 있다.
Figure 112013079627627-pat00016
수학식 8은 찌그러짐(shearing)에 관한 아핀변환군 행렬을 나타내며, x1, x2, x3는 기준벡터의 위치를 나타내고, q10, q11, q12가 포함된 행렬은 변환 행렬(변환 매트릭스)을 나타낸다. 즉, q10, q11, q12등으로 찌그러짐(왜곡)의 정도를 나타낸다.
아핀변환은 12개의 변환 파라미터(q1 내지 q12)를 가지며, 3차원 영상의 형태를 기준으로 기술된다.
영상패딩(padding) 방법은 영상신호의 공간변환에 있어서 영상의 경계면에서의 신호소실 부분(영상정보가 존재하지 않는 부분)에 대하여 ‘0’의 값으로 채우는 제로패딩(zero-padding)방법과, 주변값을 기준으로 복사하여 사용하는 방법을 사용한다.
블렌딩이 수행된 각 영상간에 아핀변환과 패딩방법의 적용을 통하여 최종적으로 스티칭 된 영상을 획득할 수 있다.
다음은, 저장 및 화면출력(미리보기) 단계(도 2의 S160)에서, 영상스티칭이 완료된 영상을 저장한다. 영상을 저장하는 것은 의료용 디지털 영상 및 통신 표준을 따르는 DICOM 저장방식과 JPEG 압축방식을 사용하는 JPEG 저장방식으로 구분하여 저장가능하고, 완료된 영상을 확인하기 위하여 디스플레이창을 통하여 영상이 출력된다.
GUI 화면의 일측에 각 부위별 영상을 디스플레이하여, 기준영상을 설정하게 하고, 설정된 기준영상을 저장할 수 있게 하며, 또한 차후 저장된 기준영상을 읽어들여 디스플레이 가능하게 한다. 특히 사용자는 디스플레이된 각 부위별 영상을 통하여, 영상의 왜곡정도를 확인할 수 있다.
GUI 화면의 중간부에는 포인트 지정방식 설정 및 영상 스티칭 수행부를 구비하여, 사용자에 의한 포인트 지정방식 설정모드를 사용자가 선택하거나, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식 설정모드를 선택할 수 있게 한다. 즉, 각 부위별 영상에서, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식을 적용할 것인지 여부를 설정하고, 이에 따라 포인트 지정방식 설정되어, 포인트를 지정하게 되고 영상 스티칭을 수행하게 된다.
그리고, GUI 화면상에서, 기준영상의 포인트를 기준으로 여러 단면 영상들의 경우, 모든 단면 영상들에 동일하게 적용하여 스티칭을 수행하게 할 것인지 여부를 설정한다.
또한 GUI 화면상에서, 각 부위별 기준영상의 스티칭 영상 미리보기 윈도우 및 스티칭된 영상 미리보기(Stitched Images Preview) 버튼을 구비하여 스티칭된 영상을 디스플레이할 수 있으며, GUI 화면상에 저장 형식 설정부를 구비하여, 스티칭이 완료되면 DICOM 영상 또는 JPEG 영상으로 저장하게 한다.
또한 GUI 화면상에 전체 단면 영상의 최종 스티칭 영상 미리보기 윈도우를 구비하며, 최종 스티칭 영상 미리보기 윈도우는 스크롤바를 이용하여, 영상단면의 좌측 또는 우측의 영상을 볼 수 있다.
도 4는 도 2의 각부분별 자기공명 영상획득 및 확인단계에서, 여러 단면의 각 부분별 단면영상을 획득한 결과의 일예이다.
즉, 도 2의 자기공명 영상획득 및 확인단계에서, 자기공명(MR) 영상시스템을 이용하여, 인체내 장축방향의 구조적인 영상으로서, 경추, 흉추, 요추로 연결되는 척추영상을 획득한 경우의 일예로, 도 4의 (a)는 경추의 영상이고, 도 4의 (b)는 흉추의 영상이고, 도 4의 (c)는 요추의 영상이다. 도 4에서 A는 인체의 전면을 나타내고, P는 인체의 후면을 나타낸다.
도 4은 폐쇄형 자기공명영상장비에 피험자가 누워있는 채로 침대상판(19)을, 피험자의 장축방향으로 움직임을 통하여 경추, 흉추, 요추의 영상을 획득하되, 각 부분별 획득되는 영상은 동일한 관심영역의 크기를 기준으로 획득되며 겹쳐지는 부분이 발생하도록 영상을 획득한 것으로, 각 부분별 획득되는 영상은 인체의 가운데 부분을 중심으로 좌.우 방향으로 몇 개의 단면으로 분할하여 획득한 것이다.
도 5는 도 2의 각 부분별 획득된 영상의 스티칭을 위한 기준영상 선택 단계에서, 각 부분별 영상이 여러 단면으로 구성되었을 경우 기준영상을 설정하는 과정을 도식으로 나타낸 예이다
도 2의 각 부분별 획득된 영상의 스티칭을 위한 기준영상 선택 단계에서, 각 부분별 영상이 여러 단면으로 구성되었을 경우, 인체의 가장 중심부위를 포함하는 각 부분별 단면 영상들을 기준영상으로 사용한다. 도 5에서 R은 오른쪽을 나타내며, L은 왼쪽을 나타낸다.
도 6은 2개의 영상에서 포인트 설정의 일예로, 즉, 겹쳐지는 부분에서의 각 포인트의 위치별 일대일 대응 관계에 대한 결과도식의 예이다.
제1영상과 제2영상의 2개의 영상에서 5쌍(①-①', ②-②', ③-③', ④-④', ⑤-⑤')의 포인트 위치를 지정한 경우의 일예이다.
도 7은 영상의 블렌딩 과정을 표현한 영상의 예로, 붉은색 박스로 표현된 부분인, 도 7의 (a)와 도 7의 (b)의 두 영상간의 겹쳐지는 부분을 나타내며, 해당 부분의 영상신호 강도의 조절을 위한 블렌딩 과정이 적용되어, 정합되는 영상간의 경계면에서 부드러운 영상강도를 갖도록 한다.
도 8은 본 발명에서, 경추, 흉추, 요추의 자기공명영상 정합 및 합성을 위한, 그래픽 유저 인터페이스(GUI) 화면의 일예이다.
도 8의 ①은 기준영상 또는 각 부위별 영상을 디스플레이하기 위한 부분으로, 도 8의 경우는 기준 영상 로드(Base Image Load) 버튼을 이용하여 기준영상을 읽어들여 디스플레이하며, 경추(C-Spine) 부위 영상을 읽어들여 디스플레이하며, 흉추(T-Spine) 부위 영상을 읽어들여 디스플레이하며, 요추(L-Spine) 부위 영상을 읽어들여 디스플레이한다. 사용자는 디스플레이된 각 부위별 영상을 통하여, 영상의 왜곡정도를 확인할 수 있다.
도 8의 ②는 각 부위별 영상에서 포인트를 지정하고, 영상 스티칭을 수행하게 하는 부분으로, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식을 적용할 것인지 여부를 설정한다.
도 8의 ②의 상부(Group 1)는 경추와 흉추 영상의 스티칭을 위한 부분으로, 사용자가 자동 특징점 추출(Automatic Featured Point Search)의 체크박스에 체크를 할 경우, 경추와 흉추 영상의 포인트를 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식을 적용하게 되며, 상기 체크박스에 체크하지 않을 경우는 사용자에 의한 포인트 지정방식을 적용하게 된다.
도 8의 ②의 하부(Group 2)는 경추와 흉추 스티칭 영상과 요추 영상의 스티칭을 위한 부분으로, 사용자가 자동 특징점 추출(Automatic Featured Point Search)의 체크박스에 체크를 할 경우, 경추와 흉추 스티칭 영상과 요추 영상의 포인트를 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식을 적용하게 되며, 상기 체크박스에 체크하지 않을 경우는 사용자에 의한 포인트 지정방식을 적용하게 된다.
도 8의 ③은 기준영상의 포인트를 기준으로 여러 단면 영상들의 경우, 모든 단면영상들에 동일하게 적용하여 스티칭을 수행하게 할 것인지(All Image Stitching) 여부를 설정하는 부분이다.
도 8의 ④는 영상 미리보기(Stitched Images Preview)를 하거나, 스티칭된 영상을 저장시, DICOM 영상으로 저장할 것인지, JPEG 영상으로 저장할 것인지 등을 설정하는 부분이다.
도 8의 ⑤는 각 부위별 기준영상의 스티칭 영상 미리보기 윈도우로, 도 8의 ②의 설정에 의해, 스티칭이 완료된 경우마다 스티칭 영상을 디스플레이하여 사용자가 확인할 수 있도록 한다. 즉, 도 8의 ②의 상부(Group 1)의 설정에 따라, 경추와 흉추 영상의 스티칭이 완료되면 경추-흉추 영상의 스티칭 결과를 디스플레이하고, 도 8의 ②의 하부(Group 2)의 설정에 따라, 경추와 흉추 스티칭 영상과 요추 영상의 스티칭이 완료되면 경추-흉추-요추 영상의 스티칭 결과를 다시 디스플레이한다.
도 8의 ⑥은 전체 단면 영상의 최종 스티칭 영상 미리보기 윈도우이다.
도 8의 ⑦은 도 8의 ⑥에 디스플레이된 영상을, 좌우로 움직여 영상을 보게 하기 위한 스크롤바이다. 즉, 도 8의 ⑦에서, 여러 단면영상이 스티칭된 경우에, 스크롤바를 이용하여, 영상단면의 좌측 또는 우측의 영상을 볼 수 있다.
본 발명의 특징으로, 첫째는 GUI의 기반으로 알고리즘이 구현된 점이며, 둘째는 사용자에 의한 포인트 지정방식 설정모드와, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식 설정모드를 구비한 점으로, 사용자에 의한 포인트 지정방식 설정모드는, 영상정합 및 합성을 위하여 사용자에 의한 매뉴얼포인트 방식을 이용하며, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식 설정모드는, 영상정합 및 합성을 위하여 자동으로 특징추출방식을 이용하여 포인트 지정한다. 셋째는, 지정된 포인트 혹은 자동으로 설정된 포인트를 기준으로 영상을 정합 및 접합하기 위하여 interpolation방법 (affine, similarity), padding 방법(nearest, bilinear)을 사용한다는 점이며, 넷째는, 멀티슬라이스 영상들의 스티칭의 경우 가운데 영상을 기준으로 측정된 포인트를 나머지 다른 단면영상들에 적용하여 스티칭을 수행한다는 점이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
5 : 환자(피험자) 11 : 주 자석부
12 : 경사 코일부 13,14,15 : 경사코일
16 : RF 코일부 17 : 수신 코일부
19 : 침대상판(크래들) 20 : 자기공명(MR) 자극선부
31,34,35 : 경사코일 40 : 중앙 공간
210 : 경사 코일구동부 211 : X축경사 코일구동부
213 : Y축경사 코일구동부 215 : Z축경사 코일구동부
230 : RF 코일구동부 250 : 데이터 획득부
270 : 시퀀스 제어부 300 : 컴퓨터
310 : 연산처리부 330 : 디스플레이부
350 : 명령입력부

Claims (21)

  1. 자기공명(MR) 영상시스템에서, MR자극선부의 중심에 위치된 영상화 대상을 횡 방향 또는 종 방향으로 움직여서 영상을 부위별로 분할획득하되, 동일한 관심영역의 크기를 기준으로, 겹쳐지는 부분이 발생하도록 분할획득되며, 분할획득된 부위별 영상들을 연산처리부에서 수신하는, 자기공명 영상획득 단계;
    연산처리부에 수신된 각 부위별 영상에서 기준영상을 설정하는, 각 부위별 영상에서 기준영상 설정 단계;
    기준영상과 스티칭하고자 하는 영상을 스티칭하기 위한 특징점을 추출하는, 포인트 지정방식이, 사용자에 의한 포인트 지정방식 설정모드인지, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식 설정모드인지를, 명령입력부로부터 연산처리부가 수신하는 포인트 지정방식 설정단계;
    기준영상과 스티칭하고자 하는 영상을 스티칭을 수행하되, 포인트 지정방식 설정단계에서 설정된 포인트 지정방식에 따라 특징점의 포인트들을 지정하고, 상기 포인트들을 이용하여, 영상의 스티칭을 수행하는, 영상 스티칭 단계;
    영상 스티칭 단계 후에, 자기공명 영상획득 단계에서 연산처리부에서 수신한 부위별 영상 전부가 스티칭이 행하여졌는지 판단하여, 부위별 영상 전부가 스티칭이 행하여진 것이 아니라면, 영상 스티칭 단계에서 스티칭된 영상을 기준영상으로 하고, 포인트 지정방식 설정단계로 가는, 스티칭 종료여부 판단단계;
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    스티칭 종료여부 판단단계에서, 부위별 영상 전부가 스티칭이 행하여진 것이라면, 영상 스티칭이 완료된 영상을 저장하고 출력하는, 저장 및 화면출력단계;
    를 더 구비한 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  3. 자기공명(MR) 영상시스템에서, MR자극선부의 중심에 위치된 영상화 대상을, 영상화 대상의 장축방향으로 움직여서, 영상을 경추, 흉추, 요추의 부위별로 분할획득하되, 동일한 관심영역의 크기를 기준으로, 겹쳐지는 부분이 발생하도록 분할획득되며, 분할획득된 부위별 영상들을 연산처리부에서 수신하는, 자기공명 영상획득 단계;
    연산처리부에 수신된 각 부위별 영상에서 경추 또는 흉추 중의 하나의 부위별 영상을 기준영상을 설정하고, 기준영상과 스티칭하고자 하는 영상으로서, 경추 또는 흉추 중의 다른 하나의 부위별 영상을 설정하는, 제1 기준영상 설정 단계;
    제1 기준영상 설정 단계 후, 기준영상과 스티칭하고자 하는 영상을 스티칭하기 위한 특징점을 추출하는, 포인트 지정방식이, 사용자에 의한 포인트 지정방식 설정모드인지, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식 설정모드인지를, 명령입력부로부터 연산처리부가 수신하는 제1 포인트 지정방식 설정단계;
    기준영상과 스티칭하고자 하는 영상을 스티칭을 수행하되, 포인트 지정방식 설정단계에서 설정된 포인트 지정방식에 따라 특징점의 포인트들을 지정하고, 상기 포인트들을 이용하여, 영상의 스티칭을 수행하여, 경추의 부위별 영상과 흉추의 부위별 영상을 스티칭한 영상을 획득하는, 제1영상 스티칭 단계;
    제1영상 스티칭 단계에서 획득된, 경추의 부위별 영상과 흉추의 부위별 영상을 스티칭한 영상을, 기준영상으로 하고, 스티칭하고자 하는 영상을 요추의 부위별 영상으로 설정하는, 제2 기준영상 설정 단계;
    제2 기준영상 설정 단계 후, 기준영상과 스티칭하고자 하는 영상을 스티칭하기 위한 특징점을 추출하는, 포인트 지정방식이, 사용자에 의한 포인트 지정방식 설정모드인지, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식 설정모드인지를, 명령입력부로부터 연산처리부가 수신하는 제2 포인트 지정방식 설정단계;
    기준영상과 스티칭하고자 하는 영상을 스티칭을 수행하되, 포인트 지정방식 설정단계에서 설정된 포인트 지정방식에 따라 특징점의 포인트들을 지정하고, 상기 포인트들을 이용하여, 영상의 스티칭을 수행하여, 경추의 부위별 영상과 흉추의 부위별 영상과 요추의 부위별 영상을 스티칭한 영상을 획득하는, 제2영상 스티칭 단계;
    를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    제2영상 스티칭 단계 후에, 경추의 부위별 영상과 흉추의 부위별 영상과 요추의 부위별 영상을 스티칭한 영상을 저장하고 출력하는, 저장 및 화면출력단계;
    를 더 구비한 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  5. 제2항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    저장 및 화면출력단계에서 저장되는 영상은 DICOM 저장방식 또는 JPEG 저장방식으로 저장되는 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  6. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    사용자에 의한 포인트 지정방식은, GUI 기반의 명령입력부에서, 기준영상과 스티칭하기 위한 영상을 화면에 디스플레이한 상태에서 겹쳐진 부분을 사용자가 시각적으로 확인하면서, 기준영상의 특징점을 지정하고, 스티칭하기 위한 영상에서, 상기 기준영상의 특징점에 대응되는 특징점을 지정하여,
    기준영상과 스티칭하기 위한 영상에 지정된 특징점들을 명령입력부로부터 연산처리부가 수신하도록 이루어진 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  7. 제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식은, 입력영상 I(x, y)에 분산 σ를 갖는 가우시안(Gaussian) 필터를 적용한 각 스케일(scale)에 해당하는 차이 영상과의 컨볼루션(convolution) 계산을 통하여 영상을 재구성하되, DoG(가우시안의 차)영상은
    Figure 112013079627627-pat00017

    (단, D(x, y, σ)은 DoG 영상을 의미하며, G(x, y, kσ)는 k번째 스케일에 해당하는 가우시안 필터링 영상을 나타내고, I(x, y)는 입력영상을 나타냄)
    으로 나타내며,
    가우시안 필터를 적용하여 획득한 영상을, σ가 2배가 될 때마다 영상을 1/2로 다운샘플링하여, 순차적으로 크기를 다운 샘플링을 하여 피라미드식 구조의 영상트리를 형성하며,
    획득한 DoG 값에서 극대값과 극소값을 구하고, 극대값과 극소값의 샘플포인트의 위치를 기준으로, 상, 하, 좌, 우로 이웃한 픽셀을 비교하여 특징점들을 추출하는 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식에 의해 추출된 특징점들을, 기준영상과 스티칭하기 위한 영상 각각에 디스플레이하며, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식에 의해 추출된 특징점들을 바탕으로 사용자가 원하는 포인트들을 재설정하는 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    영상 스티칭 단계의 영상 블렌딩과정에서, 기준영상과 스티칭하기 위한 영상의 두 영상을 혼합하되, 두 영상간의 겹쳐진 영역(Q)은
    Figure 112013079627627-pat00018

    (단, f(x)는 선형블렌딩 함수로서 겹쳐진 영역의 투명도를 정의하며, I1 과 I2는 인접한 두 영상에서 겹쳐진 각 영역임)
    에 의해 구하여지며,
    f(x)는
    Figure 112013079627627-pat00019

    (단, 파라미터 p는 블렌딩 형태의 곡률이고 a는 양의 실수임)
    에 의해 구하여 지는 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    파라미터 p는 2인 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    영상 블렌딩과정을 수행 후, 공간변환함수(transformation function)를 적용하는 공간변환 과정을 수행하며,
    공간변환함수는
    Figure 112013079627627-pat00020

    (단, T는 아핀변환, x와 b는 벡터를 나타내고 A는 행렬형태의 아핀변환군을 나타냄)
    아핀변환(affine transformation) 행렬을 적용하되,
    아핀변환군은 4가지의 변환형태로 평행이동(translation), 회전(rotation), 확대/축소(scaling), 찌그러짐(shearing)을 나타내는 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    아핀변환군이 평행이동(translation)의 변환형태로 표현되었을때, 아핀변환군 행렬은
    Figure 112013079627627-pat00021

    (단, x1, x2, x3는 기준벡터의 위치를 나타내고, q1, q2, q3가 포함된 행렬은 변환 행렬(변환 매트릭스)을 나타냄)
    로 나타내지는 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    아핀변환군이, 회전(rotation)의 변환형태로서, X축, Y축, Z축의 3축의 회전의 변환형태로 표현되었을때
    Figure 112013079627627-pat00022

    (단, x1, x2, x3는 기준벡터의 위치를 나타내고, q4, q5, q6이 포함된 행렬은 변환 행렬(변환 매트릭스)을 나타냄)
    로 나타내지는 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    아핀변환군이 확대/축소(scaling)의 변환형태로 표현되었을때,
    Figure 112013079627627-pat00023

    (단, x1, x2, x3는 기준벡터의 위치를 나타내고, q7, q8, q9가 포함된 행렬은 변환 행렬(변환 매트릭스)을 나타냄)
    로 나타내지는 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    아핀변환군이 찌그러짐(shearing)의 변환형태로 표현되었을때,
    Figure 112013079627627-pat00024

    (단, x1, x2, x3는 기준벡터의 위치를 나타내고, q10, q11, q12가 포함된 행렬은 변환 행렬(변환 매트릭스)을 나타냄)
    로 나타내지는 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  16. 제11항에 있어서,
    공간변환 과정 후, 영상신호의 공간변환에 따라 발생한, 영상의 경계면에서의 신호소실 부분에 대하여, ‘0’의 값으로 채우는 제로패딩(zero-padding)방법, 또는, 주변값을 기준으로 복사하여 채우는 방법을 사용하는 영상패딩(padding) 과정을 거치는 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    명령입력부는, GUI 화면 상에, 자동 특징점 추출에 의한 포인트 지정방식을 적용할 것인지 여부를 설정하는 설정부를 구비한 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  18. 제1항에 있어서,
    명령입력부는, GUI 화면 상에, 스티칭이 완료된 영상을, DICOM 영상으로 저장할 것인지를 설정하는 설정부와, JPEG 영상으로 저장할 것인지를 설정하는 설정부를 구비한 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  19. 제1항에 있어서,
    명령입력부는, GUI 화면 상에, 스티칭이 완료된 영상을 디스플레이 하는 윈도우를 구비하되, 스크롤바를 이용하여, 스티칭이 완료된 영상의 좌측 또는 우측의 영상을 볼 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 하는, 영상영역확장을 위한 자기공명영상 정합 및 합성 방법.
  20. 제7항의 자기공명영상 정합 및 합성 방법에 대한 컴퓨터 프로그램 소스를 저장한 기록매체.
  21. 제8항의 자기공명영상 정합 및 합성 방법에 대한 컴퓨터 프로그램 소스를 저장한 기록매체.
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