KR101540402B1 - 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 삽입점(entry point)으로부터 대상(target)까지의 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에서, 대상(target) 및 해부학적 구조물을 포함하는 의료 영상이 준비되는 단계; 그리고 가중치가 부여된 삽입 경로와 해부학적 구조물 간의 거리를 포함하는 침습량, 및 가중치가 부여된 삽입 경로의 거리가 함께 고려되어 삽입 경로가 추출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에 관한 것이다.

Description

의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법{METHOD FOR GENERATING INSERTION TRAJECTORY OF SURGICAL NEEDLE}
본 개시(Disclosure)는 전체적으로 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에 관한 것으로, 특히 삽입 경로를 자동으로 생성하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에 관한 것이다.
여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).
의료 영상 기반 생체검사(Biopsy)는 주위의 정상조직에 대한 피해를 최소화하고, 종양 질환(neoplastic disease)의 병리적 진단에 필요한 견본을 뽑아내는 중재 시술(interventional procedure)로서, 부신, 췌장, 림프절 등의 후 복막, 폐 종격, 척추, 사지골 등의 부위에 광범위하게 적용된다. 의료 영상 기반 생체검사는 고해상의 영상을 이용하여 병변 부위를 섬세하게 3차원적으로 지역화(localization) 하고 조직 내에 진입한 생검 바늘(Biopsy Needle)을 볼 수 있어서 작은 크기의 병변 감지가 용이하다.
의료 영상 기반 생체검사를 시행하는 시술장에서 CT 또는 C-arm 플로로스코피(fluoroscopy) 영상에 의해 생검 바늘의 삽입 경로가 가이드될 수 있다. 방사선 노출 등의 문제로 인해 삽입 경로는 사전에 진단 영상에서 계획되는 것이 일반적이다. 예를 들어, 삽입 경로의 계획에서 환자 몸에 생검 바늘의 진입 각도가 중요하며, 진입 각도 및 삽입점을 정함으로써 삽입 경로가 계획된다. 그러나 이러한 삽입 경로의 계획은 혈관이나 뼈 등에 대한 침습의 정도에 대한 객관적 근거에 의해 결정된 것이라기보다는 의사의 경험에 크게 의존하고 있다. 따라서 동일한 병변의 생검에 있어서 의사마다 최적의 삽입 경로를 다르게 정할 수도 있다. 특히 플로로스코피를 사용한 폐의 생검에서는 엑시얼(axial) 2차원 영상에서 최단 거리의 삽입 경로를 선택하는 것이 일반적이다. 그러나 실재 시술장에서는 생검시 출혈 발생이 빈번하며, 큰 위험이 되고 있다.
의료 영상 기술, 특히 X-ray CT 이미지의 발전은 생체 내에서 밀리미터 이하의 작은 구조들을 관찰하는 것을 가능하게 한다. 공간적 해상도뿐만 아니라 시간적 해상도에서도 빠른 진보가 있어 왔다. 그러나 폐 혈관의 형태학적인 복잡한 구조, 예를 들어, 밀집된 분포, 근접 교차하는 케이스들, 나란하게 이웃한 다른 혈관들 등 때문에 폐혈관을 완전히 회피하여 삽입 경로를 잡는 것이 어렵다. 따라서 삽입 경로가 어느 정도 혈관을 침습하는지 및 삽입 경로의 거리가 어느 정도인지 등에 대해 보다 객관적이고 정량적인 근거를 제공하는 것이 필요하다. 또한, 이러한 최소 침습 경로 및 최단 거리 삽입 경로를 3차원으로 자동으로 생성하여 의료 영상에 삽입 경로가 생성된다면 매우 편리하고 시술의 안전성 향상에 크게 기여할 것이다.
미국 특허공보 제6,487,431에서는 복수의 CT 슬라이스를 실시간으로 의료 영상에 표시하여 가이드 라인을 따라 생검 바늘이 가이드 되도록 하는 기술이 개시되어 있다. 그러나 삽입점과 대상(target)을 연결하는 가이드 라인(삽입 경로) 자체가 얼마나 침습적인지, 최적의 경로인지 여부에 대해 객관적 및 정량적으로 판단하는 방법에 대한 개시는 없다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).
본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 삽입점(entry point)으로부터 대상(target)까지의 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에서, 대상(target) 및 해부학적 구조물을 포함하는 의료 영상이 준비되는 단계; 그리고 가중치가 부여된 삽입 경로와 해부학적 구조물 간의 거리를 포함하는 침습량, 및 가중치가 부여된 삽입 경로의 거리가 함께 고려되어 삽입 경로가 추출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법이 제공된다.
이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.
도 1은 본 개시에 따른 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 2는 분할된 폐 영상의 일 예를 나타내는 도면,
도 3은 디스턴스 맵을 구하는 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 4는 폐혈관 트리를 만드는 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 5는 레이 케스팅 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 6은 삽입 경로 추출 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 7 안전 여유 밖으로 축소된 삽입 경로를 나타내는 도면,
도 8은 선택된 삽입 경로로부터 일정한 간격의 거리에 위치한 혈관의 크기별 개수를 보여주는 도면,
도 9는 시술장에서 호흡 등 움직임을 고려하여 삽입 경로의 일부가 제거되는 방법을 설명하는 도면,
도 10은 도 8 및 도 9에서 설명된 삽입 경로가 실제 구현된 예를 나타내는 도면,
도 11은 도 10에서 보여진 삽입 영역과 최적 삽입 경로가 MPR위에 표시된 예를 설명하는 도면.
이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)).
도 1은 본 개시에 따른 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.
의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에서, 먼저 대상(target)을 포함하는 의료 영상이 준비된다(S11). 의료용 영상을 사용하여 의료용 바늘의 삽입점(entry point)이 정해지고, 삽입점으로부터 대상(100; 도 6 참조)까지 삽입 경로에 의한 침습량 및 삽입 경로의 거리 중 적어도 하나가 고려되어 삽입 경로가 추출된다(S41).
의료 영상은 의료 영상 장치로부터 생성된 기초 의료 영상을 영상처리 과정(예: segmentation)하는 과정을 통해 준비될 수 있다. 분할(segmentation)의 결과, 의료 영상에 포함된 해부학적 구조물(예: 혈관, 뼈 등)이 복셀(voxel)의 3차원 집합으로 구해질 수 있다. 복셀의 집합을 사용하여 디스턴스 맵(distance map)이 생성될 수 있고(S21), 분할된 의료 영상에서 의료용 바늘의 대상(target)이 선정될 수 있다(S31). 삽입 경로를 추출하기 위해 삽입점으로부터 대상까지 삽입 경로의 거리에 가중치가 부여되고, 삽입 경로로부터 의료 영상에 포함된 해부학적 구조물까지의 각각의 거리, 즉 침습량에 가중치가 부여된 후, 이들이 합산되어 허용치 이하의 적어도 하나의 삽입 경로가 생성될 수 있다(S31). 추출된 복수의 삽입 경로가 콘 형상의 삽입 영역을 이룰 수 있으며, 안전 여유를 고려하여 삽입 영역이 축소될 수 있다(S51). 이렇게 결정된 삽입 경로가 의료 영상에 입력되어 수술 계획이 될 수 있다. 시술장에서 시술장 영상이 획득되며, 계획 영상과 시술장 영상이 정합되어 시술장 영상에 삽입 경로가 표시됨으로써 시술이 가이드될 수 있다(S61). 삽입 경로는 사용자 인터페이스를 통해 수정될 수 있고(S71), 호흡 또는 움직임을 고려하여 부적절한 삽입 경로가 제거될 수 있다(S81).
이하, 각 과정이 상세히 설명된다.
도 2는 분할된 폐 영상의 일 예를 나타내는 도면이다.
의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법은 폐, 신장, 간 등의 장기(organ)에 적용될 수 있으며, 장기 이외의 부위에도 적용이 배제되는 것은 아니다. 본 예에서는 폐를 중심으로 설명된다.
예를 들어, 볼륨 흉부 시티 영상(volumetric chest CT images; 이하 폐 영상)을 획득한 후, 폐 영상이 분할되어 분할된 폐 영상이 준비된다(S11). 예를 들어, 폐 영상에 포함된 해부학적 구조물(예: 혈관, 갈비뼈, 에어웨이(airway), 폐 경계 등)이, 분할 기법(예: 어뎁티브 쓰레쉬홀드(adaptive threshold))에 의해 분할(segmentation)된다. 분할의 결과, 혈관 등의 해부학적 구조물이 복셀의 3차원 집합으로 추출된다(예: 도 4의 좌측에서 첫 번째 그림에 나타난 분할된 혈관 참조). 도 2는 혈관 등의 해부학적 구조물이 분할된 폐 영상의 엑시얼(axial) 단면을 보여준다. 폐 영상으로부터 분할된 혈관, 갈비뼈(rib), 에어웨이(airway) 등의 해부학적 구조물이 폐 마스크(lung mask), 혈관 마스크(vessel mask), 립 마스크(Rib mask), 에어웨이 마스크(airway mask) 등으로 저장될 수 있다.
도 3은 디스턴스 맵을 구하는 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.
이후, 폐 마스크(lung mask), 혈관 마스크(vessel mask), 립 마스크(Rib mask), 에어웨이 마스크(airway mask) 등을 사용하여 폐 경계 디스턴스 맵(distance map of lung boundary), 립 디스턴스 맵(distance map of rib), 폐혈관 디스턴스 맵(distance map of pulmonary vessel), 에어웨이 디스턴스 맵(distance map of airway) 등이 만들어질 수 있다(S21).
예를 들어, 폐혈관 디스턴스 맵의 생성 과정은 폐 영상의 모든 복셀들에 혈관의 경계로부터 모든 복셀들까지의 거리 정보가 부여되는 과정을 포함할 수 있다. 폐 경계 디스턴스 맵, 립 디스턴스 맵 및 에어웨이 디스턴스 맵의 생성 과정도 마찬가지로, 각각 폐 경계로부터 거리, 갈비뼈 경계로부터 거리 및 에어웨이 경계로부터 거리 정보가 복셀들에 부여되는 과정들을 포함할 수 있다. 이와 같은 디스턴스 맵들을 사용하여 삽입 경로의 거리 또는 삽입 경로와 해부학적 구조물 사이의 거리가 계산될 수 있다. 따라서 의료용 바늘의 삽입 경로와 교차되는 해부학적 구조물을 찾을 수 있다.
도 3(a)에는 유클리드 디스턴스 맵(Euclidean Distance map)이 생성되는 방법의 일 예가 나타나 있다. 폐 영상의 복셀들의 집합에서 분할된 우측 폐 및 좌측 폐를 복셀들의 집합으로서 수학적으로 각각 LR, LL ⊂Γ로 표시할 수 있다. 여기서, 폐의 복셀 집합은
Figure 112013117604018-pat00001
= {c | c= (i, j, k), i=1,···, nx, j=1,···, ny, k=1,···, nz}이다. 예를 들어, 폐 경계 디스턴스 맵의 생성을 위해 상기 LR, LL에 대해 이들의 경계(5;도 3(b) 참조)로부터 유클리드 디스턴스 맵이 생성될 수 있다. 디스턴스 맵의 생성 방법으로는 유클리드 디스턴스 맵 이외에 다양한 방법이 사용될 수 있음을 당업자는 알 것이다.
미설명 부호(7)에 대해서는 후술된다.
도 4는 폐혈관 트리를 만드는 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.
전술된 디스턴스 맵은 후속되는 침습량 및 삽입 경로의 거리를 계산하는 과정에 사용될 수 있다. 침습량 및 삽입 경로의 거리를 계산하는 데 있어서, 디스턴스 맵을 사용하는 방법 이외에, 폐혈관 트리(tree)를 사용하는 방법이 고려될 수 있다.
예를 들어, volumetric chest CT images로부터 복셀들의 집합으로서 폐혈관들을 추출하고(a point set extraction; 도 4(a)), construction energy minimization 방법에 의해 초기 폐혈관 트리(tree)가 생성된다(initial tree construction; 도 4(b)). 이후, 초기 폐혈관 트리로부터 뿌리 영역(mediastinal region)이 잘려져서(cutting the proximal region; 도 4(c)) 초기 폐혈관 트리의 가지들(branches)이 서브 트리(sub-trees)로 자동적으로 분할(segmentation)된다(automatically separated branches; 도 4(d)). 그 다음, 초기 폐혈관 트리의 가지들로부터 잘려진 뿌리 영역으로 가지들이 연장되어 서브 트리가 재결합된다(tree reconstruction and merging; 도 4(e)). 그 후, 재결합된 초기 트리를 기초로 폐혈관이 폐동맥 및 폐정맥으로 구분(classification)되어 구분된(classified) 폐혈관 트리가 생성된다(artery and vein selection; 도 4(f)).
구분된 폐혈관 트리를 사용하여, 후속되는 과정에서 삽입 경로에 의해 삽입 경로와 만나는 혈관의 개수 및 혈관이 침습되는 정도가 계산될 수 있다.
삽입 경로를 생성하는 것은 일반적으로 진단 영상에서 수행되며, 전술된 것과 같이 폐혈관 트리를 생성하는 경우, 진단 영상에서는 폐동맥 및 폐정맥을 구분하는 과정까지 수행하면, 후속 과정에서 도움이 될 수 있다. 예를 들어, 폐정맥에 공기가 들어가면 환자가 죽을 수도 있어서 폐동맥 및 폐정맥을 구분하는 것이 중요하지만, 실제 시술 영상에서는 구분하기가 어려움이 있다. 따라서 기본은 폐혈관 분할을 수행하되, 진단영상에서 동맥 및 정맥 분할 정보를 만들어서 시술 영상에 오버레이(overlay)해서 사용하는 방법도 가능하다. 도 4(f)는 분할된 폐혈관 트리의 시상(sagittal view)이며, 이 영상에서 폐동맥과 폐정맥이 다른 색으로 표시되어 구분될 수 있다(도 4(f)에는 색 구별이 표시되지 않음).
그러나, 반드시 폐혈관 트리를 사용해야 하는 것은 아니며, 전술한 것과 같이, 디스턴스 맵들을 사용하여 침습량 및 삽입 경로의 거리를 구할 수 있다. 다만, 폐혈관 트리를 이용하면, 삽입 경로와 혈관의 교차(intersection)의 계산 정확도가 더 좋을 수 있다.
이하, 도 4에 도시된 것과 같이 구분된 폐혈관 트리를 생성하는 방법을 수학식을 사용하여 설명한다.
먼저, 혈관이 복셀의 집합으로 구해지기 전에 우측 폐 및 좌측 폐가 명확히 복셀의 집합으로서 LR, LL ⊂Γ로 분할된다. 여기서,
Figure 112013117604018-pat00002
= {c | c= (i, j, k), i=1,···, nx, j=1,···, ny, k=1,···, nz}을 시티 스캔(CT scans)으로부터 구성된 폐 영상의 복셀들의 집합(set)이라 하고, I(c)를 복셀 c의 attenuation 인텐시티라 하자. 먼저 vascular points V={vi}⊂R3 가 추출된다. 여기서 v(c)=(x, y, z)T = ((ci-0.5)×dx,(cj-0.5)×dy,(ck-0.5)×dz)T는 대응하는 복셀 c의 중심 위치이다. 그러면 종류가 다른 복셀들은 초기 트리(tree) T=(V, E)을 구성함으로써 구분될 수 있다. 여기서 E는 가장자리의 집합(set of edges)이다. 상기 초기 트리는 아래의 방정식(1)에 의해 정의되는 minimizing the cost 방식에 의해 구성된다.
Figure 112013117604018-pat00003
(1)
여기서 wj는 vertex j의 가중치이고, eij는 edge (i, j)의 방향 가중치이며, α,β,γ ∈ R는 positive user-defined constants이다. wj는 vertex j의 연결특성을 지시하는 값이며,
Figure 112013117604018-pat00004
로 정의된다. I(vj)는 전체 vascular points에 의해 표준화된 vj의 attenuation 인텐시티이고,Φ(vj)는 혈관 경계들로부터 표준화된 거리이다. eij는 에지의 방향과 vj에서 평가된 vascular orientation 간의 방향 유사성을 나타내는 요소이다. 방정식(1)을 최소화하는 솔루션은 자연스럽게 minimum spanning tree (MST)가 된다.
초기 트리를 구성한 이후, 뿌리 영역(mediastinal region)을 자른다. 연결된 vertices만을 그룹핑함으로써 가지들은 서로 분리되어 자동적으로 서브 트리가 형성된다.
Ti=(Vi, Ei)⊂T를 i-th sub-tree of T 라고 하자. 자르기 전에 논문(Livny et al, "Automatic reconstruction of tree skeletal structures from point clouds",　ACM Transactions on Graphics, vol. 29(6), Article 151, 2010)로부터 유도된 아래의 방정식(2)를 최소화하는 전체적 최적화를 함으로써 모든 vertices의 방위 벡터들 {oi}이 다시 평가된다.
Figure 112013117604018-pat00005
Figure 112013117604018-pat00006
(2)
VP i는 vi의 parent vertex이다. {oi}를 사용하여 상기 그룹들은 각 뿌리 vertex로부터 끝이 절단된 영역까지 다시 증식되고, 오버랩되는 가지가 없다면 재결합된다. 마지막으로 재결합된 폐혈관 트리를 기초로 혈관의 타입들(동맥 또는 정맥)이 사용자 인터페이스에 의해 결정되어 구분된 폐혈관 트리가 생성된다. 구분된 폐혈관 트리가 다음 단계를 위해 각각 혈관의 마스크 TA, TV,로 저장된다.
선택 사항이지만, 폐혈관을 동맥과 정맥으로 구분함으로써, 이후의 과정에서 삽입 경로에 의한 침습된 혈관의 개수 및 두께뿐만 아니라 침습된 혈관이 동맥인지 정맥인지도 계산될 수 있다.
도 5는 레이 케스팅 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.
3D 레이 케스팅(ray casting) 방법으로 시점(viewpoin; 예: 대상(100))로부터 프로젝션(projection)된 레이(ray; 3)을 추적(tracing)하면 만나는 혈관의 위치를 찾을 수 있다. 즉 레이(3)와 만나는 혈관을 이루는 특정 위치의 복셀이 찾아지거나 혈관과의 거리가 구해질 수 있다.
예를 들어, 혈관 디스턴스 맵은 혈관 마스크에 나타난 혈관 경계로부터 모든 복셀까지 거리 정보를 포함한다. 마찬가지로 혈관 이외의 해부학적 구조물의 마스크를 사용하여 해부학적 구조물의 경계로부터 모든 거리를 계산해 놓으면, 즉 전술된 디스턴스 맵들을 사용하면 상기 레이의 경로 내에 혈관의 개수와 교차하는 혈관의 두께가 계산될 수 있다.
이와 다른 방법으로, 전술된 폐혈관 트리를 사용하여 침습량 및 삽입 경로의 거리를 구할 수도 있다. 일 예로, 폐혈관 트리와 오프셋 표면의 교차점을 찾는 방법이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 3(a)에서 설명된 유클리드 디스턴스 맵을 사용하여 폐 경계(5)로부터 동일 거리에 있는 가상의 오프셋 표면(7; offset surface)이 triangular mesh 형태로 추출될 수 있다(도 3(b) 참조). 상기 triangular mesh는 알려진 marching cubes algorithm을 사용하여 계산될 수 있으며, 이 계산 과정은 graphic processing units (GPUs)을 사용하는 parallel computing에 의해 시간효율적으로 수행될 수 있다. 이후, 예를 들어, 레이(3)와 혈관의 교차점이 어느 오프셋 표면(7)에 있는지 찾을 수 있다. 전술된 폐혈관 트리를 형성할 때, 혈관에 대한 기본 성분 분석을 수행함으로써 혈관의 방위백터가 구해질 수 있다. 그런데 구분된 폐혈관 트리의 혈관이 오프셋 표면(7)을 항상 수직으로 통과하는 것은 아니므로, 혈관의 직경 또는 면적을 구하기 위해서는 혈관을 오프셋 표면(7)에 수직으로 투영하여 오프셋 표면에서 혈관의 단면적인 오프셋 면적이 계산될 수 있다. 여기서 상기 오프셋 면적과 혈관의 방위 벡터를 사용하여 혈관의 방위 벡터에 수직인 방향으로 혈관의 반경이 계산될 수 있다. 따라서 삽입 경로와 만나는 혈관의 개수 및 두께(또는 면적) 등의 정량적 값이 계산될 수 있다.
도 6은 삽입 경로 추출 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.
전술된 것과 같이, 3D 레이 케스팅(ray casting)에 의해 삽입 경로와 만나는 혈관 등의 해부학적 구조물까지의 거리가 도 5에서 설명된 것과 같이 디스턴스 맵을 사용하거나, 폐혈관 트리를 사용하여 계산될 수 있다. 3D에서 삽입 경로를 생성하는 방식은 2D 방식으로 삽입 경로를 추출하는 방식을 포괄한다. 이와 같이, 3D에서 삽입 경로는 플로로스코피(fluoroscopy)와 같이 2D 단면(예: axial 단면) 상에서 삽입 경로를 가이드하는 방식의 한계를 넘어서 3D로, 즉 비스듬하게 삽입 경로를 생성할 수 있게 해준다. 즉 삽입 경로가 axial 면과 수직인 2개의 면(sagittal view, coronal view)에 대해 모두 기울기를 가지는 삽입 경로가 형성될 수 있다. 따라서 삽입 경로의 최적화를 위해 더욱 많은 선택 범위가 제공될 수 있다.
먼저, 360도 전체를 레이 케스팅하여 삽입 경로를 찾을 수도 있지만, 불필요한 계산을 생략하기 위해 사용자(예; 의사)가 삽입점(entry point)의 범위(20)를 정의해 줄 수 있다. 이때의 삽입점의 범위(20)는 의료용 바늘의 삽입이 의료적 관점에서 불허인 영역을 제외하고 넓게 선택될 수 있다. 삽입점의 범위(20)가 정해지면 컴퓨터가 삽입점의 범위(20) 내에서 자동으로 삽입점을 계속 변경해 가면서 삽입점으로부터 대상까지 삽입 경로가 설정되고, 각 삽입 영역에 대해 혈관 등에 대한 침습량과 삽입 경로의 거리를 계산할 수 있다. 예를 들어, 최단 거리 삽입 경로(300)의 삽입점을 기준으로 일정 범위가 삽입점 범위(20)로 주어지고, 이 범위 내에서 삽입점이 변경되면서 삽입 경로의 침습량과 거리가 계산될 수 있다. 도 6에는 2D 엑시얼 단면이 예시되어 있지만, 삽입 경로의 추출은 3D로 수행될 수 있음은 전술한 바와 같다. 여기서 침습량은, 예를 들어, 삽입 경로가 혈관 등 해부학적 구조물과의 만나는 개수 및 두께(또는 면적)이고, 삽입 경로의 거리는, 예를 들어, 폐의 경계의 삽입점으로부터 대상(100)까지 거리이다. 삽입 경로의 거리나 칩습량을 구하는 방법은 도 5 및 도 6에서 예시되었다.
예를 들어, 하기 수학식으로 표현된 것과 같이, 삽입점으로부터 대상(100)까지 삽입 경로의 거리(Dlung), 삽입 경로로부터 에어웨이까지 거리(Dairway), 삽입 경로로부터 혈관까지 거리(Dvessel), 삽입 경로로부터 갈비뼈까지 거리(Drip) 각각에 가중치(w1,w2,w3,w4)가 부여되고, 이들이 합산되어 삽입 경로의 각도(Φ)가 결정될 수 있다. 실재 적용 가능한 일 예로 w2, w4 = 10, w3 = 0.5, w1 = 0.5와 같이 가중치가 부여될 수 있다. 이 경우의 의미는 삽입 경로가 에어웨이(airway)와 갈비뼈(rib)을 절대로 지나지 말고, 폐 경계까지 거리와 혈관까지의 거리는 동등하게 취급하라는 의미이다.
수학식
Figure 112013117604018-pat00007
여기서, 사용자가 정하는 안전 여유
Figure 112013117604018-pat00008
에 의해 Drib는 무한대가 될 수 있다. 이것은 삽입 경로가 갈비뼈(rib)와 교차하는 것은 삽입 경로로서 생성되지 못하는 것을 의미한다. 이와 같이, 각각의 거리와 가중치를 사용하여 원하는 조건의 삽입 경로가 생성될 수 있다. 상기 수학식 중 삽입 경로의 거리(Dlung) 및 가중치 w1은 삽입 경로의 거리를 고려한 항이고, 에어웨이까지 거리(Dairway), 삽입 경로로부터 혈관까지 거리(Dvessel), 삽입 경로로부터 갈비뼈까지 거리(Drip), 가중치(w2,w3,w4)은 침습량을 고려한 항들이다. 예를 들어, 삽입 경로의 거리 가중치 w1=0 인 경우, 침습량만 고려되어 최소 침습량을 가지는 삽입 경로(200)가 추출될 수 있다. 또는 침습량 가중치(w2,w3,w4)가 모두 0인 경우, 최단 거리를 가지는 삽입 경로(300)가 추출될 수 있다. 실재 삽입 경로는 이 두 가지 방식을 포함한 그 사이에서 결정될 수 있다. 예를 들어, 침습량이 허용치 이하인 삽입 경로가 추출되고, 침습량이 허용치 이하인 삽입 경로 중에서 삽입 경로의 거리가 최소인 삽입 경로가 추출될 수 있다.
도 7 안전 여유 밖으로 축소된 삽입 경로를 나타내는 도면이다.
상기 수학식을 충족하는 복수의 삽입 경로가 추출될 수 있다. 이러한 복수의 삽입 경로는 대략 3차원의 삽입 영역(230)으로 표시될 수 있다. 삽입 영역(230)은 삽입점(271)으로부터 대상(100)까지 단면적이 감소하는 콘(cone) 형상을 이룰 수 있다.
경험적으로 또한 이론적으로 의료용 바늘의 삽입 영역의 안전 여유(safty margin)가 정해질 수 있다. 안전 여유는 혈관(140)이나 virtual wall(120; 예: 폐 이외의 다른 장기(organ) 등)의 침습되는 구조물로부터 일정 거리 영역이 될 수 있다. 따라서 상기 수학식에 의해 생성된 삽입 경로의 집합인 삽입 영역(230) 중에서 안전 여유 내의 삽입 경로는 제거되는 것이 바람직하다. 이와 같이 안전 여유 내의 삽입 경로가 제거된 결과 축소된 삽입 영역(235)가 생성될 수 있다.
도 8은 선택된 삽입 경로로부터 일정한 간격의 거리에 위치한 혈관의 크기별 개수를 보여주는 도면이다.
예를 들어, 상기 축소된 삽입 영역(235)에서 중심선이 일차적으로 삽입 경로(251)로 추출될 수 있다. 삽입 경로(251) 외에도 축소된 삽입 영역(235) 범위 내에서 삽입 경로가 선택될 수 있다. 이렇게 결정된 적어도 하나의 삽입 경로는 삽입 경로가 추출된 폐 영상 상에서 표시될 수 있고, 삽입 경로가 입력된 폐 영상은 수술 계획 영상이 된다(도 11의 좌측 그림 참조). 수술 계획 영상은 시술장에서 현재 환자로부터 획득된 시술장 폐 영상과 정합될 수 있다. 정합된 시술장 폐 영상에는 삽입 경로가 매핑되어 표시될 수 있다(도 11의 우측 그림 참조). 의사는 정합된 시술장 폐 영상에 나타난 삽입 경로를 사용자 인터페이스(예: 마우스 등)로 수정할 수 있다. 이때, 수정된 삽입 경로에 의한 침습량 및 삽입 경로의 거리가 자동 계산되어 정합된 폐 영상 또는 다른 장치에 표시될 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 것과 같이, 선택된 삽입 경로(251)을 기준으로 일정 간격별 면들(252, 254, 256)에 위치한 혈관의 크기별 개수가 측정되어 디스플레이될 수 있다. 디스플레이(예: 시술장 영상)에는 시술자가 삽입 경로를 조절 또는 수정할 때 삽입 경로를 결정하는데 도움을 주는 지표(예: 혈관 크기별 개수)가 표시될 수 있다.
도 9는 시술장에서 호흡 등 움직임을 고려하여 삽입 경로의 일부가 제거되는 방법을 설명하는 도면이다.
한편, 시술장 영상은 환자의 현재 영상이므로 환자의 호흡으로 인해 움직임이 있을 수 있다. 따라서 정합된 시술장 폐 영상에는 호흡으로 인해 안전 여유와 중첩되는 삽입 경로(142)와, 안전 여유로부터 더 멀어지는 삽입 경로(141)가 있을 수 있다. 이는 호흡의 사이클을 관찰함으로써 찾아질 수 있다. 따라서 호흡으로 인해 안전 여유와 중첩되는 삽입 경로(142)는 제거되는 것이 바람직하다.
도 10은 도 8 및 도 9에서 설명된 삽입 경로가 실제 구현된 예를 나타내는 도면이고, 도 11은 도 10에서 보여진 삽입 영역과 최적 삽입 경로가 MPR위에 표시된 예를 설명하는 도면이다.
실재 갈비뼈와, 갈비뼈 사이로 Cone 형상의 삽입 영역(235)과, 최적 삽입 경로(optimal path; 251)가 도 10에 도시된 것과 같이 3D로 시각화될 수 있다.
상기 3D 시각화된 삽입 영역(235)과, 최적 삽입 경로(251)를 더욱 확실하게 확인(confirm)하기 위해, MPR(multiplanar reconstruction; 예: axial view, coronal view, sagittal view) 상에 삽입 영역(235)과, 최적 삽입 경로(251) 및 User defined Path(257)가 오버레이되어 표시될 수 있다(도 11에는 axial view가 예시됨).
이와 같이, 침습량, 삽입 경로의 거리에서 최적화되고, 호흡까지 고려되며, MPR 상에서 확인된 삽입 경로를 따라 의료용 바늘이 가이드되어 생검(biopsy) 등 필요한 시술이 수행될 수 있다. 예를 들어, 최종 컨펌된 삽입 경로가 TCP/IP 또는 전용 통신 프로토콜을 이용하여 로봇 또는 항법 장치 등으로 전송되어 시술에 도움이 되게 할 수 있다.
이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.
(1) 삽입 경로가 추출되는 단계에서, 삽입점으로부터 대상까지 삽입 경로의 거리에 가중치가 부여되고, 삽입 경로로부터 의료 영상에 포함된 해부학적 구조물까지의 각각의 거리에 가중치가 부여된 후, 이들이 합산되어 삽입 경로의 삽입 각도가 결정되는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
(2) 삽입 경로가 추출되는 단계는: 삽입 경로의 거리 가중치가 0이고 최소 침습량을 가지는 삽입 경로가 추출되는 과정; 그리고 침습량 가중치가 0이고 최단 거리를 가지는 삽입 경로가 추출되는 과정; 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
(3) 삽입 경로가 추출되는 단계는: 침습량이 허용치 이하인 삽입 경로가 추출되는 과정; 그리고 침습량이 허용치 이하인 삽입 경로 중에서 삽입 경로의 거리가 최소인 삽입 경로가 추출되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
(4) 삽입 경로가 추출되는 단계에서, 복수의 삽입 경로가 추출되며, 복수의 삽입 경로는 삽입점으로부터 대상까지 단면적이 감소하는 콘(cone) 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
(5) 의료 영상이 준비되는 단계는: 폐 영상에 포함된 해부학적 구조물이 분할(segmentation)되는 과정; 분할된 폐 영상을 사용하여 해부학적 구조물의 디스턴스 맵(distance map)이 생성되는 과정; 그리고 분할된 폐 영상에서 대상(target)이 선정되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
(6) 해부학적 구조물의 디스턴스 맵(distance map)이 생성되는 과정은: 폐 경계 디스턴스 맵(Dlung; distance map of lung boundary), 립 디스턴스 맵(Drib; distance map of rib), 폐혈관 디스턴스 맵(Dvessel; distance map of pulmonary vessel) 및 에어웨이 디스턴스 맵(Dairway; distance map of airway)이 생성되는 과정을 포함하며,
삽입 경로에 의한 침습량 및 삽입 경로의 거리 중 적어도 하나가 허용치 이하인 삽입 경로가 추출되는 단계에서,
Figure 112013117604018-pat00009
여기서, Dlung는 삽입점으로부터 대상까지 삽입 경로의 거리, Dairway, Dvessel 및 Drib는 삽입 경로로부터 에어웨이, 혈관, 갈비뼈(rib)까지의 디스턴스 맵 상의 거리이고, w1, w2, w3, w4는 가중치로 표현되는 수학식을 만족하는 삽입 경로의 각도(Φ)가 생성되는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
본 개시는 대상(target)의 사이즈가 큰 경우 의료용 바늘이 대상에 닿는 목표점을 여러 개 잡는 방법을 고려하는 것까지 포함한다. 이 경우, 의료용 바늘을 비스듬이 찌르는 경로 대신 대상의 목표점을 옆으로 이동하면, 삽입 경로가 axial 면 내에 있으면서 최소침습이 되도록 하는 방법도 가능할 것이다. 다만, 대상의 사이즈가 커서 목표점을 이동할 수 있다면 axial면과 평행이게 찌르는 것이 공학적으로도 훨씬 간단하고 빠르지만 여러 군데를 생검을 해야하는 문제가 있을 수 있다.
(7) 삽입 경로가 추출되는 단계는: 폐의 3D 영상에 포함된 대상으로부터 3D 레이 케스팅(ray casting)에 의해 삽입 경로와 만나는 혈관의 개수 및 두께가 계산되는 과정; 그리고 폐의 3D 영상의 Dlung(distance map of lung boundary)을 이용하여 삽입 경로의 삽입점으로부터 대상까지의 최단 거리가 계산되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
(8) 삽입 경로가 생성된 폐 영상과 시술장 폐 영상이 정합되는 단계; 그리고
정합된 시술장 폐 영상에 옮겨진 삽입 경로에서 호흡시 해부학적 구조물로부터의 안전 여유에 가까워지는 삽입 경로가 제외되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 계획 방법.
(9) 의료 영상이 준비되는 단계는: 의료 영상 장치로부터 생성된 초기 폐 영상을 기초로 복셀들의 3D 집합으로서 혈관이 추출되는 과정; 초기 폐 영상에 포함된 폐혈관에 최소 스패닝 트리법(minimum spanning tree method)이 적용되어 초기 폐혈관 트리(tree)가 생성되는 과정; 초기 폐혈관 트리에서 폐혈관이 뭉쳐진 뿌리 영역이 제거되어 초기 폐혈관 트리가 서브 트리들(sub-trees)로 자동적으로 분리(separated)되는 과정; 초기 트리의 폐혈관이 제거된 뿌리 영역으로 연장되어 서브 트리들이 재결합되는(merged) 과정; 그리고 재결합된 초기 트리의 폐혈관이 폐동맥 및 폐정맥으로 구분(classification)되어 구분된 폐혈관 트리가 생성되는 과정; 분할된 폐 영상을 사용하여, Drib(distance map of rib), Dlung(distance map of lung boundary), Dvessel(distance map of pulmonary vessel) 및 Dairway(distance map of airway)을 포함하는 해부학적 구조물의 디스턴스 맵(distance map)이 생성되는 과정:을 포함하며, 삽입 경로가 추출되는 단계는:
폐의 3D 영상에 포함된 대상으로부터 3D 레이 케스팅(ray casting)에 의해 삽입 경로와 만나는 혈관의 개수 및 두께가 계산되는 과정; 그리고 폐의 3D 영상의 Dlung(distance map of lung boundary)을 이용하여 삽입 경로의 삽입점으로부터 대상까지의 최단 거리가 계산되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
본 개시에 따른 하나의 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에 의하면, 최소 침습 및 최단 거리 중 적어도 하나에 대해 객관적이고 정량적인 근거를 가지는 삽입 경로가 생성된다.
본 개시에 따른 다른 하나의 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에 의하면, 의료용 바늘을 이용한 생검 등의 시술에서 혈관 등의 침습을 감소하여 위험을 줄일 수 있다.
본 개시에 따른 또 다른 하나의 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에 의하면, 최소 침습 및 최단 거리 중 적어도 하나를 고려한 삽입 경로가 자동으로 생성되어 편리하다.
본 개시에 따른 또 다른 하나의 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에 의하면, 3D로 삽입 경로를 생성하므로 2D 단면상에서 삽입 경로를 계획 및 가이드하는 방식의 한계를 넘게 해준다.

Claims (10)

  1. 삽입점(entry point)으로부터 대상(target)까지의 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에서,
    대상(target) 및 해부학적 구조물을 포함하는 의료 영상이 준비되는 단계; 그리고
    가중치가 부여된 삽입 경로와 해부학적 구조물 간의 거리를 포함하는 침습량, 및 가중치가 부여된 삽입 경로의 거리가 함께 고려되어 삽입 경로가 추출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    삽입 경로가 추출되는 단계는:
    삽입 경로의 거리 가중치가 0이고 최소 침습량을 가지는 삽입 경로가 추출되는 과정; 그리고
    침습량 가중치가 0이고 최단 거리를 가지는 삽입 경로가 추출되는 과정;이 함께 고려되어 삽입 경로가 추출되는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
  4. 삽입점(entry point)으로부터 대상(target)까지의 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에서,
    대상(target) 및 해부학적 구조물을 포함하는 의료 영상이 준비되는 단계; 그리고
    삽입 경로에 의한 해부학적 구조물에 대한 침습량 및 삽입 경로의 거리가 함께 고려되어 삽입 경로가 추출되는 단계;로서, 침습량이 허용치 이하인 삽입 경로가 추출되는 과정, 및 침습량이 허용치 이하인 삽입 경로 중에서 삽입 경로의 거리가 최소인 삽입 경로가 추출되는 과정을 포함하는 삽입 경로가 추출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
  5. 삽입점(entry point)으로부터 대상(target)까지의 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에서,
    대상(target) 및 해부학적 구조물을 포함하는 의료 영상이 준비되는 단계; 그리고
    삽입 경로에 의한 해부학적 구조물에 대한 침습량 및 삽입 경로의 거리가 함께 고려되어 삽입 경로가 추출되는 단계;로서, 복수의 삽입 경로가 추출되며, 복수의 삽입 경로는 삽입점으로부터 대상까지 단면적이 감소하는 콘(cone) 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
  6. 삽입점(entry point)으로부터 대상(target)까지의 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에서,
    대상(target) 및 해부학적 구조물을 포함하는 의료 영상이 준비되는 단계; 그리고
    삽입 경로에 의한 해부학적 구조물에 대한 침습량 및 삽입 경로의 거리가 함께 고려되어 삽입 경로가 추출되는 단계;를 포함하며,
    의료 영상이 준비되는 단계는:
    폐 영상에 포함된 해부학적 구조물이 분할(segmentation)되는 과정;
    분할된 폐 영상을 사용하여 해부학적 구조물의 디스턴스 맵(distance map)이 생성되는 과정; 그리고
    분할된 폐 영상에서 대상(target)이 선정되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    해부학적 구조물의 디스턴스 맵(distance map)이 생성되는 과정은:
    폐 경계 디스턴스 맵(distance map of lung boundary), 립 디스턴스 맵(distance map of rib), 폐혈관 디스턴스 맵(distance map of pulmonary vessel) 및 에어웨이 디스턴스 맵(distance map of airway)이 생성되는 과정을 포함하며,
    삽입 경로에 의한 침습량 및 삽입 경로의 거리가 함께 고려된 삽입 경로가 추출되는 단계에서,
    수학식
    Figure 112015027615674-pat00010

    여기서, Dlung는 삽입점으로부터 대상까지 삽입 경로의 거리, Dairway, Dvessel 및 Drib는 삽입 경로로부터 에어웨이, 혈관, 갈비뼈(rib)까지의 디스턴스 맵 상의 거리이고, w1, w2, w3, w4는 가중치로 표현되는 수학식을 만족하는 삽입 경로의 각도(Φ)가 생성되는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
  8. 청구항 6에 있어서,
    삽입 경로가 추출되는 단계는:
    폐의 3D 영상에 포함된 대상으로부터 3D 레이 케스팅(ray casting)에 의해 삽입 경로와 만나는 혈관의 개수 및 두께가 계산되는 과정; 그리고
    폐의 3D 영상의 폐 경계 디스턴스 맵(distance map of lung boundary)을 이용하여 삽입 경로의 삽입점으로부터 대상까지의 최단 거리가 계산되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    삽입 경로가 생성된 폐 영상과 시술장 폐 영상이 정합되는 단계; 그리고
    해부학적 구조물로부터 일정 거리 내의 영역으로서 삽입 경로가 통과하는 것이 불허되는 안전 여유가 정의되며, 정합된 시술장 폐 영상에 옮겨진 삽입 경로에서 호흡시 해부학적 구조물로부터의 안전 여유에 가까워지는 삽입 경로가 제외되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
  10. 삽입점(entry point)으로부터 대상(target)까지의 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법에서,
    대상(target) 및 해부학적 구조물을 포함하는 의료 영상이 준비되는 단계; 그리고
    삽입 경로에 의한 해부학적 구조물에 대한 침습량 및 삽입 경로의 거리가 함께 고려되어 삽입 경로가 추출되는 단계;를 포함하며,
    의료 영상이 준비되는 단계는:
    의료 영상 장치로부터 생성된 초기 폐 영상을 기초로 복셀들의 3D 집합으로서 혈관이 추출되는 과정;
    초기 폐 영상에 포함된 폐혈관에 최소 스패닝 트리법(minimum spanning tree method)이 적용되어 초기 폐혈관 트리(tree)가 생성되는 과정;
    초기 폐혈관 트리에서 폐혈관이 뭉쳐진 뿌리 영역이 제거되어 초기 폐혈관 트리가 서브 트리들(sub-trees)로 자동적으로 분리(separated)되는 과정;
    초기 트리의 폐혈관이 제거된 뿌리 영역으로 연장되어 서브 트리들이 재결합되는(merged) 과정; 그리고
    재결합된 초기 트리의 폐혈관이 폐동맥 및 폐정맥으로 구분(classification)되어 구분된 폐혈관 트리가 생성되는 과정;을 포함하며,
    삽입 경로가 추출되는 단계는:
    폐의 3D 영상에 포함된 대상을 기준으로 3D 레이 케스팅(ray casting)하는 방법에 의해 구분된 폐혈관 트리와 삽입 경로가 만나는 혈관의 개수 및 두께가 계산되는 과정; 그리고
    폐의 3D 영상의 폐 경계 디스턴스 맵(distance map of lung boundary)을 이용하여 삽입점으로부터 대상까지의 최단 거리가 계산되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 바늘의 삽입 경로의 생성 방법.
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KR20130089037A (ko) * 2012-02-01 2013-08-09 삼성메디슨 주식회사 바늘 가이드 장치를 제어하는 방법 및 그를 위한 초음파 진단 장치

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