KR101521382B1 - 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀에 관한 것으로서, 방사선 치료 대상의 변화에 대응하는 방사선 치료기기의 이동에 따른 가변 데이터를 얻기 위한 팬텀에 있어서, 계측기를 내장한 타겟을 X축, Y축, Z축의 3축으로 구동시키는 구동부; 및 거리 측정을 위한 마커를 정해진 위치에 내장한 스펀지블록을 3차원의 입체형상으로 쌓아, 상기 스펀지블록 사이의 공간을 통해 구동부의 타겟이 삽입되어 자유롭게 이동하도록 한 영상 정합을 위한 팬텀부;로 구성되어 상기 구동부 타겟의 이동에 의해 변형되는 스펀지블록의 마커의 위치 변화를 통해 상기 가변 데이터를 획득하도록 한 것이며, 하나의 팬텀에서 영상 정합과 3차원 구동을 유발할 수 있는 것이 가장 큰 장점을 가지는 효과가 있다. 이러한 효과에 의해 영상 정합과 구동부의 두 부분으로 구분되어 있던 팬텀의 역할을 하나로 통합하였고, 이로 인해 연구자와 병원 관계자에 있어서 경제적인 부담 또한 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀{Three-dimensional dynamic Voxel phantom for deformable image registration}

본 발명은 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀에 관한 것으로서, 상세히는 방사선 치료를 위한 가변 영상 일치 기술인 정합 알고리즘에서 사용되는 분석법을 모사할 수 있도록, 계측기를 내장한 타겟을 3축으로 이동시키는 구동부와 이 구동부의 타겟이 삽입되어 움직이는 마커가 내장된 스펀지블록을 쌓은 팬텀부로 구성된 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀에 관한 것이다.

최신 방사선 치료 동향은 정상세포와 종양세포의 위치를 더욱 정확히 파악하여 치료하는 것을 중점으로 하고 있다. 하지만 환자의 체중 증감과 같은 일상적인 생리적 변화 및 종양조직의 부피 변화와 같이 종양조직의 크기 및 모양 그리고 위치 등이 변하게 되면 전체 치료성적이 저하되고 환자에게 막대한 타격을 입히게 된다. 그에 따라 치료 전/중 과정으로 가변 영상 정합(deformable image registration)을 사용하여 방사선 조사의 타겟으로 되는 종양조직의 변화된 정확한 부피나 위치를 정확하게 파악하고 있다.

임상에서 가변 영상 정합은 demons 알고리즘을 사용하고 있으며 주로 정량적인 분석보다는 정성적인 분석을 더 많이 적용시킨다. 일반적으로 가변 영상 정합은 크게 특징 바탕법(feature)과 그레이 스케일 영상 바탕법(grayscale image)으로 나눌 수 있다. 특징 바탕법은 영상의 특정한 선이나 점 등의 특징을 근간으로 다른 영상에서의 같은 위치를 찾아내는 방법이다. 그레이 스케일 영상 바탕법은 특정 매질의 복셀의 값들이 두 영상 간에 큰 차이가 없도록 이미 보정이 되었다는 점을 근간으로 하고 있다.

상기 기술들은 현재 상용화되어 있는 팬텀으로는 한계가 있으며, 분석 프로그램 또한 외국산으로 지출이 막대하다. 또한 현재까지는 움직임을 모사하는 팬텀과 영상 정합을 목적으로 하는 팬텀은 분리되어 있어 두 기능이 하나로 되어 있는 팬텀을 필요로 하고 있다.

한국 등록특허공보 제10-0621143호 일본 공개특허공보 특개2011-200491

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은 현재 사용되는 팬텀의 경우 그 목적이 뚜렷하여 영상 정합을 위한 팬텀과 구동으로 1차원부터 3차원까지 타겟의 움직임을 구현하는 구동 팬텀의 역할이 확실히 정해져 있으므로, 이러한 구분된 목적을 하나로 통합하고자 X축, Y축, Z축의 3축으로 이동하는 구동부에 상기 구동부가 삽입되어 움직이도록 마커가 내장된 스펀지블록을 3차원의 입체형상으로 쌓은 영상 정합용 팬텀부를 추가로 구성하여, 상기 구동부의 움직임에 따른 스펀지블록의 찌그러짐으로 위치가 변화하는 마커에 의해 영상 정합을 위한 가변데이터를 얻도록 한 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀은, 방사선 치료 대상의 변화에 대응하는 방사선 치료기기의 이동에 따른 가변 데이터를 얻기 위한 팬텀에 있어서, 계측기를 내장한 타겟을 X축, Y축, Z축의 3축으로 구동시키는 구동부; 및 거리 측정을 위한 마커를 정해진 위치에 내장한 스펀지블록을 3차원의 입체형상으로 쌓아, 상기 스펀지블록 사이의 공간을 통해 구동부의 타겟이 삽입되어 자유롭게 이동하도록 한 영상 정합을 위한 팬텀부;로 구성되어 상기 구동부 타겟의 이동에 의해 변형되는 스펀지블록의 마커의 위치 변화를 통해 상기 가변 데이터를 획득하도록 한 것을 특징으로 하고 있다.

또 상기 구동부는, 프레임; 상기 프레임의 전면에서 상하좌우를 가로질러 연결된 X축과 Y축 이동축; 상기 X축과 Y축 이동축의 교차점에 연결된 Z축 구동축; 상기 Z축의 구동축 끝단부에 장착되어 계측기를 내장하고 있는 타겟; 및 상기 프레임 및 X축과 Y축 이동축의 교차점에 설치되어 X축과 Y축 이동축 및 Z축 구동축을 따라 상기 타겟을 이동시키는 각각의 모터;를 포함하는 것이 바람직하다.

또 상기 각 모터의 모터축에는 피니언이 연결되고, 상기 각 X축과 Y축 이동축 및 Z축의 구동축은 상기 피니언과 맞물리는 랙으로 구성되어, 상기 모터의 구동에 의한 피니언의 회전으로 X축과 Y축 이동축 및 Z축의 구동축의 랙이 직선이동하는 것에 의해 상기 타겟을 이동시키도록 하는 것이 바람직하다.

또 상기 프레임에 장착되어 프레임과 함께 X축과 Y축 이동축 및 Z축 구동축을 각각 X축, Y축, Z축에 따라 회전시키는 각각의 회전모터를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또 상기 타겟을 제외한 구동부는 진단장비의 외부에 위치하고, 상기 타겟을 포함한 팬텀부는 진단장비의 내부에 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀에 의하면, 하나의 팬텀에서 영상 정합과 3차원 구동을 유발할 수 있는 것이 가장 큰 장점을 가지는 효과가 있다. 이러한 효과에 의해 영상 정합과 구동부의 두 부분으로 구분되어 있던 팬텀의 역할을 하나로 통합하였고, 이로 인해 연구자와 병원 관계자에 있어서 경제적인 부담 또한 절감할 수 있는 효과가 있다.

종래 팬텀 기술에 비해 본 발명의 구동부는 CT나 MR 영상을 얻기 위한 촬영 범위 밖에 위치할 수 있는 장점이 있어, 이러한 장점에 의해 더 정확한 영상 정합이 구현될 수 있는 효과가 있다.

또한 팬텀부의 스펀지블록을 블록형태로 쌓아 올렸기 때문에 상기 스펀지블록 내의 정량적인 마커의 위치 계산과 타겟의 움직임으로 일그러졌을 스펀지블록의 형태와 마커의 움직임을 쉽게 계산하여 영상 정합에 이용할 수 있는 효과가 있다. 더욱이 스펀지블록 자체는 CT 기기와 같은 진단 장비 내에서는 소한 매질로 인식되어 마커의 위치를 잘 표시해 줄 수 있는 효과가 있고, 구동부의 타켓을 지지하는 한 축의 프레임은 CT 기기와 같은 진단 장비의 검사 방향 축과 일치시켜 놓아 축으로 인한 인공물의 간섭의 영향을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 구동 복셀 팬텀의 일부 구성인 구동부의 사시도
도 2는 본 발명에 따른 3차원 구동 복셀 팬텀의 사용상태 사시도
도 3은 다른 각도에서 본 본 발명에 따른 3차원 구동 복셀 팬텀의 사용상태 사시도

이하, 본 발명에 따른 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 3차원 구동 복셀 팬텀의 일부 구성인 구동부의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 3차원 구동 복셀 팬텀의 사용상태 사시도이며, 도 3은 다른 각도에서 본 본 발명에 따른 3차원 구동 복셀 팬텀의 사용상태 사시도를 도시한 것이다.

도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀은 X축, Y축, Z축의 3축의 3차원 방향으로 움직임이 가능한 구동부(1)와, 상기 구동부가 삽입되어 움직이는 영상 정합을 위한 팬텀부(2)를 기본 구성으로 하고 있다.

상기 구동부(1)는 사각의 프레임(3), X축 이동축(4), Y축 이동축(5), Z축 구동축(6) 및 상기 Z축 구동축(6) 끝단부에 장착되어 계측기를 내장하고 있는 타겟(7)으로 구성된다. 상기 X축 이동축(4)은 프레임(3)의 전면에서 좌우로 가로질러 연결되고, 상기 Y축 이동축(5)은 프레임(3)의 전면에서 상하로 가로질러 X축 이동축(4)과 교차하도록 연결되며, 상기 Z축 구동축(6)은 X축 이동축(4)과 Y축 이동축(5) 교차점에서 프레임(3)의 내외부로 길게 연결된다. 이러한 상기 Z축 구동축(6)의 끝단부에 상기한 바와 같이 계측기(미도시)를 내장하고 있는 타겟(7)이 장착되어 있어, 상기 계측기에 의해 구동 팬텀으로서의 역할을 수행하게 된다.

이와 같이 구성되는 X축 이동축(4)과 Y축 이동축(5)은 프레임(3) 전면의 일측 및 상측에 각각 설치된 모터(8a)(8b)에 연결되어 있고, 상기 X축 이동축(4)과 Y축 이동축(5)의 교차점에도 모터(8c)가 설치되어 Z축 구동축(6)이 연결된다, 이와 같은 각 모터(8a)(8b)(8c)에 의해 타겟(7)은 프레임(3) 상에서 X축 이동축(4)과 Y축 이동축(5) 및 Z축 구동축(6)을 따라 3축의 3차원 방향으로 움직일 수 있게 된다. 상기 타겟(7)이 X축 이동축(4)과 Y축 이동축(5) 및 Z축 구동축(6)을 따라 움직이는 것은, 예컨대 상기 각 모터(8a)(8b)(8c)에 피니언이 연결되고, X축 이동축(4), Y축 이동축(5)이 랙으로 구성됨으로써 이루어진다. 즉 각 모터(8a)(8b)(8c)의 모터축에는 피니언이 연결되고, 상기 각 X축과 Y축 이동축(4)(5) 및 Z축의 구동축(6)은 상기 피니언과 맞물리는 랙으로 구성됨으로써, 상기 모터의 구동에 의해 모터축에 연결된 피니언이 회전하게 되면, 상기 피니언과 맞물려 있는 랙으로 구성되는 X축과 Y축 이동축(4)(5) 및 Z축의 구동축(6)의 랙이 직선이동하고, 이에 따라 상기 Z축의 구동축(6)에 장착된 타겟(7)이 X축과 Y축 이동축(4)(5) 및 Z축의 구동축(6)을 따라 3축의 3차원 방향으로 이동하게 된다.

영상 정합을 위한 상기 팬텀부(2)는 내부에 마커(9)가 정해진 위치, 예컨대 정중앙에 위치한 다수개의 스펀지블록(10)을 상하좌우로 3차원의 입체형상으로 쌓아 구성하게 되며, 서로 밀착하여 연결되는 상기 스펀지블록(10)의 사이는 상기 구동부(1)의 Z축의 구동축(6)에 장착된 타겟(7)이 삽입되어 움직이기 용이한 공간으로 활용된다. 상기 팬텀부(2)와 타겟(7)은 CT 기기나 MRI 기기와 같은 진단 장비의 내부에 위치하게 되나, 상기 타겟(7)을 제외한 구동부(1)는 상기 진단 장비의 외부에 위치하게 된다.

한편 상기 프레임(3)에는 X축과 Y축 이동축(4)(5) 및 Z축의 구동축(6)을 X축과 Y축 및 Z축을 기준으로 프레임(3)과 함께 회전시키는 회전모터를 더 설치할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 3차원 구동 복셀 팬텀의 사용방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저 환자의 종양조직과 같은 치료 대상이 환자의 움직임이나 시간적인 차이로 인해 크기나 모양 그리고 위치 등이 변하게 되면, 변화된 크기나 모양 그리고 위치 등에 맞추어 방사선 치료기기가 이동하여 치료 대상에 방사선을 조사해야 하므로, 이렇게 변화된 크기나 모양 그리고 위치와 원래 위치 사이의 차이를 가변 데이터로써 정량적으로 미리 확인할 필요가 있다. 따라서 CT 기기나 MRI 기기와 같은 진단 장비로 종양과 같은 치료 대상의 변화된 크기나 모양 그리고 위치 등을 담은 영상을 이용하여 가변 데이터를 얻게 된다.

즉 상기 영상을 통해서 종양조직과 같은 치료 대상이 어느 쪽으로 이동하였는지 예측한 후에, 본 발명의 3차원 구동 복셀 팬텀의 구동부(1)의 타겟(7)을 팬텀부(2)의 스펀지블록(10)의 사이에 삽입하고, 이와 같이 타겟(7)을 삽입한 상태에서 상기 타겟(7)을 구동부(1)의 X축과 Y축 이동축(4)(5) 및 Z축의 구동축(6)을 따라 상기 치료 대상의 변화된 예측 위치에 맞추어 이동시킨다. 이에 따라 타겟(7)의 움직임에 의해 스펀지블록(10)이 찌그러짐을 자아내어 상기 타겟(7) 내의 마커(9)의 위치의 변형을 유발하게 되며, 이때 변형되기 전의 상기 마커(9)의 위치 영상과 변형된 후의 마커의 위치 영상으로 영상 정합의 기준을 마련할 수 있는 가변 데이터를 획득하게 된다.

이러한 가변 데이터를 양성자 치료기와 같은 방사선 치료기기의 이동을 위한 데이터로 입력하면, 변화된 치료 대상의 크기나 모양 그리고 위치 등에 맞추어 상기 방사선 치료기기가 이동하게 되고, 변화된 치료 대상의 크기나 모양 그리고 위치 등에 정확히 맞추어 이동했는지 확인하게 된다.

이렇게 확인과정을 거쳐 정확히 맞다면 방사선 치료기기를 이동시킨 상태에서 크기나 모양 그리고 위치 등이 변화된 종양조직과 같은 치료 대상에 방사선을 조사하게 된다. 또는 상기 확인과정에서 크기나 모양 그리고 위치 등이 변화된 종양조직에 방사선 치료기기가 맞지 않으면, 상기 구동부(1)의 타겟(7)을 다시 움직여 스펀지블록(10)을 더 일그러지게 한 후에 마커의 위치 변화를 통해 새로운 가변 데이터를 획득하여 상기 방사선 치료기기의 이동을 위한 데이터로 다시 적용한다. 상기 가변 데이터의 획득은 크기나 모양 그리고 위치 등이 변화된 종양에 정확히 맞추어 방사선 치료기기를 이동시킬 때까지 계속해서 이루어진다.

한편 상기한 가변 데이터를 확정하여 방사선 치료기기의 이동 데이터로 적용하면, 이 가변 데이터를 종양조직과 같은 동일한 치료 대상의 다음의 방사선 치료기기의 방사선 조사를 위한 기준 데이터로 사용하게 된다. 또한 상기 X축과 Y축 이동축(4)(5) 및 Z축의 구동축(6)은 회전모터에 의해 프레임(3)과 함께 회전도 할 수 있도록 되어 있으므로 종양조직과 같은 치료 대상의 변화된 크기나 모양 그리고 위치 등을 더욱 정확하게 측정할 수 있게 된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

1 : 구동부 2 : 팬텀부
3 : 프레임 4 : X축 이동축
5 : Y축 이동축 6 : Z축의 구동축
7 : 타겟 8a,8b,8c : 모터
9 : 마커 10 : 스펀지블록

Claims (5)

1. 방사선 치료 대상의 변화에 대응하는 방사선 치료기기의 이동에 따른 가변 데이터를 얻기 위한 팬텀에 있어서,
   계측기를 내장한 타겟을 X축, Y축, Z축의 3축으로 구동시키는 구동부; 및
   거리 측정을 위한 마커를 정해진 위치에 내장한 스펀지블록을 3차원의 입체형상으로 쌓아, 상기 스펀지블록 사이의 공간을 통해 구동부의 타겟이 삽입되어 자유롭게 이동하도록 한 영상 정합을 위한 팬텀부;
   로 구성되어 상기 구동부 타겟의 이동에 의해 변형되는 스펀지블록의 마커의 위치 변화를 통해 상기 가변 데이터를 획득하도록 한 것을 특징으로 하는 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀.
2. 제1항에 있어서,
   상기 구동부는,
   프레임;
   상기 프레임의 전면에서 상하좌우를 가로질러 연결된 X축과 Y축 이동축;
   상기 X축과 Y축 이동축의 교차점에 연결된 Z축 구동축;
   상기 Z축의 구동축 끝단부에 장착되어 계측기를 내장하고 있는 타겟; 및
   상기 프레임 및 X축과 Y축 이동축의 교차점에 설치되어 X축과 Y축 이동축 및 Z축 구동축을 따라 상기 타겟을 이동시키는 각각의 모터;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀.
3. 제2항에 있어서,
   상기 각 모터의 모터축에는 피니언이 연결되고, 상기 각 X축과 Y축 이동축 및 Z축의 구동축은 상기 피니언과 맞물리는 랙으로 구성되어, 상기 모터의 구동에 의한 피니언의 회전으로 X축과 Y축 이동축 및 Z축의 구동축의 랙이 직선이동하는 것에 의해 상기 타겟을 이동시키도록 한 것을 특징으로 하는 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
   상기 프레임에 장착되어 프레임과 함께 X축과 Y축 이동축 및 Z축 구동축을 각각 X축, Y축, Z축에 따라 회전시키는 각각의 회전모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀.
5. 제1항에 있어서,
   상기 타겟을 제외한 구동부는 진단장비의 외부에 위치하고, 상기 타겟을 포함한 팬텀부는 진단장비의 내부에 위치하는 것을 특징으로 하는 가변 영상 정합을 위한 3차원 구동 복셀 팬텀.

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