KR101954868B1 - 혈관 중재 시술을 위한 내비게이션 시스템 및 가상의 엑스선 이미지 생성 방법 - Google Patents

혈관 중재 시술을 위한 내비게이션 시스템 및 가상의 엑스선 이미지 생성 방법 Download PDF

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Abstract

환자에 대해 촬영된 3차원 이미지를 획득하는 단계; 엑스선 장치의 엑스선 소스와 환자 사이의 위치 관계를 고려하여, 3차원 이미지의 투영 방향을 결정하는 단계; 및 결정된 투영 방향에서 3차원 이미지를 2차원 평면에 투영하여 가상의 엑스선 이미지를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상의 엑스선 이미지 생성 방법이 개시된다.

Description

혈관 중재 시술을 위한 내비게이션 시스템 및 가상의 엑스선 이미지 생성 방법{NAVIGATION SYSTEM FOR VASCULAR INTERVENTION AND METHOD FOR GENERAING VIRTUAL X-RAY IMAGE}
본 발명은 이미지 처리 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 3차원 이미지로부터 가상의 엑스선 이미지를 생성하거나, 3차원 이미지의 국소 모델을 가상의 또는 실제의 엑스선 이미지에 정합하는 분야에 관한 것이다.
일반적으로, 혈관 중재 시술은 별도의 외과적 절개 없이 엑스선(X-ray) 영상 장치를 이용하여 획득된 투시 영상을 기반으로 혈관 내 병변에 바늘이나 카테터를 경피적으로 삽입하여 약물 치료를 하고 아울러 스텐트 삽입을 시행하는 시술 방법을 가리킨다. 부연하면, 엑스선 이미지 장치는 대상체 내부 구조를 용이하게 파악할 수 있기 때문에 의료 분야 등에서 인체 내부의 병변과 같은 이상을 검출하거나 물체나 부품의 내부 구조를 파악하기 위해서 사용된다.
종래의 혈관 중재 시술의 경우, 체내 삽입된 수술 도구의 위치 및 혈관 현상의 실시간 파악을 위해 수술 중 엑스선 이미징을 빈번하게 시행함으로써 환자 및 의료진 모두 과도한 양의 방사선에 피폭될 우려가 있다.
아울러, 시술을 하는데 있어 깊이 정보가 결여된 2차원의 엑스선 영상만 참고하기 때문에 혈관의 3차원 형상 구조 및 수술 도구의 위치 파악이 쉽지 않으며, 가령 카테터가 잘못된 경로로 전진할 경우 혈관 천공이 발생될 위험성도 존재한다. 또한, 혈관 폐색으로 인해 조영제가 도달하지 못하여 엑스선 영상에 가시화되지 못하는 영역의 경우 카테터의 진행 방향을 결정하기가 매우 어려워지며 이로 인해 시술의 정확성 및 안정성이 시술자의 경험 또는 숙련도에 크게 의존하는 경향이 있게 된다.
따라서, 혈관 중재 시술의 정확도 및 안정성을 증대시킬 수 있는 새로운 구성의 혈관 중재 시술을 위한 내비게이션 시스템의 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 혈관 중재 시술을 위한 내비게이션 시스템 및 가상의 엑스선 이미지 생성 방법은 3차원 이미지로부터 가상의 엑스선 이미지를 생성하여 환자에 대한 엑스선 피폭량을 감소시키는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 혈관 중재 시술을 위한 내비게이션 시스템 및 가상의 엑스선 이미지 생성 방법은 가상의 엑스선 이미지 또는 실제 엑스선 이미지에 3차원 이미지의 국소 모델을 정합하여 정확한 시술이 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가상의 엑스선 이미지 생성 방법은,
환자에 대해 촬영된 3차원 이미지를 획득하는 단계; 엑스선 장치의 엑스선 소스와 환자 사이의 위치 관계를 고려하여, 상기 3차원 이미지의 투영 방향을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 투영 방향에서 상기 3차원 이미지를 2차원 평면에 투영하여 가상의 엑스선 이미지를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 3차원 이미지의 투영 방향을 결정하는 단계는, 상기 엑스선 소스에 부착된 엑스선 소스 센서에 대한 위치 측정기의 제 1 위치 정보, 상기 환자에 대해 부착된 환자 센서에 대한 상기 위치 측정기의 제 2 위치 정보 및, 상기 엑스선 소스 센서의 기준 좌표와 상기 엑스선 소스의 기준 좌표 사이의 변환 관계를 이용하여, 상기 엑스선 소스와 환자 사이의 위치 관계를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 엑스선 소스와 환자 사이의 위치 관계를 결정하는 단계는, 상기 제 1 위치 정보, 팬텀에 부착된 팬텀 센서에 대한 상기 위치 측정기의 제 3 위치 정보, 상기 팬텀 센서의 기준 좌표와 상기 팬텀의 기준 좌표 사이의 변환 관계 및 상기 팬텀의 기준 좌표와 상기 엑스선 소스의 기준 좌표 사이의 변환 관계를 이용하여, 상기 엑스선 소스 센서의 기준 좌표와 상기 엑스선 소스의 기준 좌표 사이의 변환 관계를 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 가상의 엑스선 이미지를 생성하는 단계는, 상기 3차원 이미지의 각 복셀의 좌표를 하기의 수학식 1에 적용하여 상기 가상의 엑스선 이미지를 생성하는 단계를 포함하되,
[수학식 1]
T = I·X-1·A-1·C·R
상기 수학식에서, I는 상기 엑스선 소스와 디텍터 사이의 위치 관계를 나타내는 내적 파라미터, X는 상기 엑스선 소스 센서의 기준 좌표와 상기 엑스선 소스의 기준 좌표 사이의 변환 관계, A는 상기 제 1 위치 정보, C는 상기 제 2 위치 정보 및 R은 상기 환자 센서의 기준 좌표와 상기 3차원 이미지의 기준 좌표 사이의 변환 관계를 나타낼 수 있다.
상기 가상의 엑스선 이미지 생성 방법은, 상기 환자에 대해 부착된 환자 센서를 기준으로 한 수술 도구의 위치 정보에 기초하여, 상기 3차원 이미지에서의 수술 도구 위치를 결정하는 단계; 및 상기 3차원 이미지에서 상기 결정된 수술 도구 위치에 식별 마크를 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 3차원 이미지에서의 수술 도구 위치를 결정하는 단계는, 하기의 수학식 2에 따라 수술 도구 위치를 결정하는 단계를 포함하고,
[수학식 2]
N = R-1·C-1·E
상기 수학식 2에서 N은 3차원 이미지에서의 수술 도구 위치 좌표, R은 상기 환자 센서의 기준 좌표와 상기 3차원 이미지의 기준 좌표 사이의 변환 관계, E는 상기 수술 도구에 대한 위치 추적기의 제 4 위치 정보를 나타낼 수 있다.
상기 가상의 엑스선 이미지 생성 방법은, 상기 3차원 이미지에 포함된 마커의 좌표 정보와 상기 환자에게 표시된 마커상에 위치하는 프로브에 대한 위치 추적기의 좌표 정보, 및 상기 환자 센서에 대한 위치 측정기의 제 2 위치 정보를 고려하여 상기 환자 센서의 기준 좌표와 상기 3차원 이미지의 기준 좌표 사이의 변환 관계를 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 가상의 엑스선 이미지 생성 방법은, 상기 생성된 가상의 엑스선 이미지에 상기 3차원 이미지의 국소 모델을 중첩하여 표시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 내비게이션 시스템은,
환자에 대해 촬영된 3차원 이미지를 획득하고, 엑스선 장치의 엑스선 소스와 환자 사이의 위치 관계를 고려하여, 상기 3차원 이미지의 투영 방향을 결정하고, 상기 결정된 투영 방향에서 상기 3차원 이미지를 2차원 평면에 투영하여 가상의 엑스선 이미지를 생성할 수 있다.
상기 내비게이션 시스템은, 상기 생성된 가상의 엑스선 이미지를 화면에 표시하거나, 상기 생성된 가상의 엑스선 이미지상에 상기 3차원 이미지의 국소 모델을 정합시켜 화면에 표시할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 내비게이션 방법은,
환자에 대해 촬영된 3차원 이미지를 획득하는 단계; 엑스선 장치의 엑스선 소스와 환자 사이의 위치 관계를 고려하여, 상기 3차원 이미지의 투영 방향을 결정하는 단계; 상기 3차원 이미지의 투영 방향을 고려하여 상기 3차원 이미지 내의 국소 모델을 추출하는 단계; 및 상기 환자에 대한 시술 중에 촬영되는 실제의 엑스선 이미지에 상기 추출된 국소 모델을 정합하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 혈관 중재 시술을 위한 내비게이션 시스템 및 가상의 엑스선 이미지 생성 방법은 3차원 이미지로부터 가상의 엑스선 이미지를 생성하여 환자에 대한 엑스선 피폭량을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 혈관 중재 시술을 위한 내비게이션 시스템 및 가상의 엑스선 이미지 생성 방법은 가상의 엑스선 이미지 또는 실제 엑스선 이미지에 3차원 이미지의 국소 모델을 정합하여 정확한 시술이 가능하게 할 수 있다.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 혈관 중재 시술을 위한 내비게이션 시스템 및 가상의 엑스선 이미지 생성 방법이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내비게이션 시스템이 적용되는 환경을 도시하는 예시적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상의 엑스선 이미지 생성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3은 엑스선 장치의 보정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 엑스선 소스의 기준 좌표와 엑스선 소스 센서의 기준 좌표 사이의 변환 관계를 도출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 환자 센서의 기준 좌표와 3차원 이미지의 기준 좌표 사이의 변환 관계를 도출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 환자와 엑스선 소스 사이의 위치 관계에 따라 3차원 이미지의 투영 방향을 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 3차원 이미지의 투영 방향 및 3차원 이미지로부터 생성된 가상의 엑스선 이미지를 도시하는 도면이다.
도 8은 3차원 이미지의 국소 모델이 가상의 엑스선 이미지에 중첩된 이미지를 도시하는 도면이다.
도 9는 3차원 이미지에서 카테터의 위치를 결정하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 카테터의 위치에 대해 식별 마크가 표시된 3차원 이미지를 도시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 '~부(유닛)', '모듈' 등으로 표현되는 구성요소는 2개 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나 또는 하나의 구성요소가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화될 수도 있다. 또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 기술적 사상에 따른 예시적인 실시예들에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내비게이션 시스템(100)이 적용되는 환경을 도시하는 예시적인 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 내비게이션 시스템(100)은 범용의 컴퓨터로 구현될 수 있으며, 통신 기능, 이미지 처리 기능 및 디스플레이 기능을 포함할 수 있다. 또한, 내비게이션 시스템(100)은 메모리, 디스플레이 및 제어부를 포함할 수 있으며, 메모리와 제어부는 적어도 하나의 프로세서로 구현되어 메모리에 저장된 프로그램에 따라 동작할 수 있다.
내비게이션 시스템(100)은 3차원 이미징 장치(200)에 의해 촬영되는 환자(10)의 3차원 이미지를 3차원 이미징 장치(200)로부터 수신하거나, 기타, 별도의 서버로부터 수신할 수 있다. 상기 3차원 이미징 장치(200)는 컴퓨터 단층 촬영(CTA, computed tomographic angiography) 장치를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 환자(10)의 3차원의 단층 영상을 얻을 수 있다면 다른 장치가 적용될 수 있다.
환자(10)는 C 암(c-arm) 타입의 엑스선 장치(300)의 이미징 영역, 즉, 엑스선 소스(310)와 디텍터(350) 사이에서 혈관 중재 시술을 받을 수 있는데, 이 때, 내비게이션 시스템(100)은 위치 추적기(400)로부터 전달되는 위치 정보로부터 엑스선 장치(300)의 엑스선 소스(310)와 환자(10) 사이의 위치 관계를 도출하고, 도출된 위치 관계에 따라 3차원 이미지로부터 가상의 엑스선 이미지를 생성 및 디스플레이할 수 있다.
종래 혈관 중재 시술이 진행되는 동안 환자(10)에 대한 엑스선 이미지가 계속 촬영됨에 따라 환자(10)에게 가해지는 피폭량이 현저하다는 문제점이 있었는데, 본 발명의 일 실시예에서는 시술 전에 미리 획득되는 3차원 이미지로부터 가상의 엑스선 이미지를 생성하므로, 환자(10)에 대한 피폭량을 대폭 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가상의 엑스선 이미지에 3차원 이미지 내의 국소 모델(예를 들어, 시술의 대상이 되는 3차원 혈관 모델)을 정합시키거나, 엑스선 장치(300)를 통해 실제 촬영된 엑스선 이미지에 국소 모델을 정합시킴으로써, 환자(10)의 혈관의 3차원 구조를 의료진에게 보다 명확히 알려줄 수 있다.
한편, 공지된 바와 같이, C암 타입의 엑스선 장치(300)에서는 엑스선 소스(310)가 대상체(즉, 환자(10))로 엑스선을 방사하고, 디텍터(350)는 대상체를 투과하여 수용되는 엑스선을 검출하여 환자(10)에 대한 2차원 이미지를 획득한다. 본 명세서에서 3차원 이미지로부터 생성되는 2차원의 엑스선 이미지를 '가상의 엑스선 이미지'라 참조하고, 엑스선 소스(310)의 엑스선 방사에 따라 생성되는 2차원의 엑스선 이미지를 '실제의 엑스선 이미지'라 참조한다.
이하에서는, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 가상의 엑스선 이미지를 생성하는 과정에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가상의 엑스선 이미지를 생성하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
S210 단계에서, 내비게이션 시스템(100)은 엑스선 장치(300)를 보정(calibration)한다. 엑스선 장치(300)를 보정한다는 것은 엑스선 장치(300)의 내적 파라미터(I)와 외적 파라미터(E)를 획득한다는 것을 의미한다.
도 3을 참조하면, 내적 파라미터(I)는 엑스선 소스(310)의 기준 좌표(a)와 디텍터(350)의 기준 좌표(c)의 변환 관계에 해당한다. 도 3에서 내적 파라미터(I)에 대응하는 화살표는 내적 파라미터(I)가 디텍터(350)를 기준으로 한 엑스선 소스(310)의 상대적인 이동 정보를 포함한다는 것을 의미한다. 내적 파라미터(I)는 아래의 행렬로서 표현될 수 있다.
[내적 파라미터]
Figure 112017035757447-pat00001
상기 내적 파라미터(I)에서 αx, αy는 엑스선 소스(310)와 디텍터(350) 간의 수직 거리에 대응하는 초점거리를 의미하는데, αx는 초점거리를 디텍터(350)의 픽셀의 세로 변 및 가로 변 중 어느 하나의 변의 길이로 나눈 값을 의미하고, αy는 초점거리를 디텍터(350)의 픽셀의 세로 변 및 가로 변 중 다른 하나의 변의 길이로 나눈 값을 의미한다. 또한, x0, y0는 엑스선 소스(310)의 중심점을 디텍터(350)에 수직 투영한 지점과 디텍터(350)의 중심점 간의 오프셋 거리를 나타내는 영상 주점을 의미하며, s는 디텍터(350)의 픽셀의 가로 변과 세로 변 사이의 기울기인 왜도를 나타낸다.
또한, 도 3을 참조하면, 외적 파라미터(E)는 엑스선 소스(310)의 기준 좌표(a)와 엑스선 장치(300)의 이미징 영역에 위치하는 팬텀(phantom)(500)의 기준 좌표(b) 사이의 변환 관계에 해당한다. 도 3에서 외적 파라미터(E)에 대응하는 화살표는 외적 파라미터(E)가 엑스선 소스(310)를 기준으로 한 팬텀(500)의 상대적인 이동 및 회전 정보를 포함한다는 것을 의미한다. 외적 파라미터(E)는 아래의 행렬로 표현될 수 있다.
[외적 파라미터]
Figure 112017035757447-pat00002
상기 외적 파라미터(E)의 행렬에서 r은 회전 각도와 관련된 요소들, t는 이동 거리와 관련된 요소들을 나타낸다.
내적 파라미터(I)는 엑스선 장치(300)의 제조시 미리 계산되어 저장되어 있을 수 있으며, 외적 파라미터(E)는 팬텀(500)을 엑스선 장치(300)의 이미징 영역(즉, 엑스선 소스(310)와 디텍터(350) 사이의 영역)에 위치시킬 때 미리 계산될 수 있다. 구현예에 따라서는, 팬텀(500)을 이미징 영역에 위치시키고, 팬텀(500)을 촬영하여 생성되는 엑스선 이미지(351)에 기초하여 내적 파라미터(I)와 외적 파라미터(E)가 계산될 수도 있다.
예를 들어, 팬텀(500)의 기준 좌표(b)를 기준으로 한 팬텀(500)의 특징점의 좌표를 (X, Y, X)라 하고, 디텍터(350)의 기준 좌표(c)를 기준으로 한 팬텀(500) 영상 내 동일 특징점의 좌표를 (u, v)라 하였을 때, 이 두 좌표 사이의 관계는 아래의 수학식 1에 해당할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112017035757447-pat00003
상기 수학식 1에서 w는 거리 가중치이고, P는 3×4의 투영 행렬이다. 미리 알고 있는 특징점들의 좌표 값들에 따라 SVD(single value decomposition) 알고리즘을 통해 P가 획득되면, 투영 행렬 P를 QR 분해(QR decomposition)하여 내적 파라미터(I)와 외적 파라미터(E)가 획득될 수 있다.
상기 내적 파라미터(I)는 후술하는 가상의 엑스선 이미지를 생성하는데 이용될 수 있으며, 상기 외적 파라미터(E)는 엑스선 소스 센서(410)의 기준 좌표(c)와 엑스선 소스(310)의 기준 좌표(a) 사이의 변환 관계를 산출하는데 이용될 수 있다.
다시 도 2를 보면, S220 단계에서, 내비게이션 시스템(100)은 엑스선 소스 센서(410)의 기준 좌표(c)와 엑스선 소스(310)의 기준 좌표(a) 사이의 변환 관계(X)를 산출한다.
도 4를 참조하여 설명하면, 도시된 바와 같이, 엑스선 소스(310)에는 엑스선 소스 센서(410)가 부착되고, 팬텀(500)에는 팬텀 센서(420)가 부착된다. 상기 엑스선 소스 센서(410)와 팬텀 센서(420)는 상기 위치 추적기(400)에 의해 감지될 수 있는 것으로서, 위치 추적기(400)는 엑스선 소스 센서(410) 및 팬텀 센서(420)를 감지하여 위치 정보를 생성할 수 있다.
구체적으로, 엑스선 소스(310)에 부착된 엑스선 소스 센서(410)에 대한 제 1 위치 정보(A)와, 팬텀(500)에 부착된 팬텀 센서(420)에 대한 제 2 위치 정보(B)가 위치 추적기(400)에 의해 생성되고, 제 1 위치 정보(A)와 제 2 위치 정보(B)는 내비게이션 시스템(100)으로 전달된다. 제 1 위치 정보(A)와 제 2 위치 정보(B)는 위치 추적기(400)의 기준 좌표(d)를 기준으로 하였을 때, 엑스선 소스 센서(410)와 팬텀 센서(420)의 상대적인 이동 정보 및 상대적인 회전 정보를 포함한다. 도 4에 도시된 변환 관계 Y는 팬텀 센서(420)의 기준 좌표(e)와 팬텀(500)의 기준 좌표(b) 사이의 변환 관계로서, 최초 팬텀(500)을 설계 및 설치할 때 미리 결정되는 값이다. 변환 관계 Y는 팬텀 센서(420)를 기준으로 한 팬텀(500)의 상대적인 이동 정보 및 상대적인 회전 정보를 포함한다.
내비게이션 시스템(100)은 제 1 위치 정보(A), 제 2 위치 정보(B), 변환 관계(Y) 및 외적 파라미터(E)를 이용하여, 하기의 수학식 2에 따라 엑스선 소스 센서(410)의 기준 좌표(c)와 엑스선 소스(310)의 기준 좌표(a) 사이의 변환 관계(X)를 도출할 수 있다. 도 4에서 변환 관계(X)에 대응하는 화살표는 변환 관계(X)가 엑스선 소스 센서(410)를 기준으로 한 엑스선 소스(310)의 상대적인 이동 및 회전 정보를 포함한다는 것을 의미한다.
[수학식 2]
A·X = B·Y·E-1
X = (A-1)·B·Y·(E-1)
엑스선 소스 센서(410)에 대한 위치 추적기(400)의 제 1 위치 정보(A)와 상기 계산된 변환 관계(X)를 연쇄 곱셈함으로써 변화하는 엑스선 소스(310)의 이동 및 회전 정보를 위치 추적기(400)를 기준으로 실시간 파악할 수 있다.
다시 도 2를 보면, S230 단계에서, 내비게이션 시스템(100)은 3차원 이미지(210)의 기준 좌표(g)와 환자(10)에게 부착된 환자 센서(430)의 기준 좌표(f) 사이의 변환 관계(R)를 산출한다.
이에 대해 도 5를 참조하여 설명하면, 환자(10)에게는 위치 추적기(400)에 의해 추적이 가능한 환자 센서(430)가 부착된다. 또한, 앞서 설명한 3차원 이미지(210)를 생성하기 전에 환자(10)의 신체에 3차원 이미징 장치(200)로 촬영될 수 있는 마커(e1)를 부착하여, 마커(e2)가 3차원 이미지(210) 내에 포함되도록 한다. 즉, 시술 전 3차원 이미지(210)를 촬영하기 전에 마커(e1)를 환자(10)의 신체에 부착하거나 신체 내부에 삽입시키는 것이다. 3차원 이미지(210)의 기준 좌표(g)를 기준으로 3차원 이미지(210) 내에 포함된 마커(e2)의 좌표 정보가 식별될 수 있다.
또한, 위치 추적기(400)로 추적 가능한 프로브(440)를, 환자(10)의 신체에 부착 또는 삽입된 마커(e1)에 접근 또는 접촉시켜 위치 추적기(400)를 기준으로 하는 프로브(440)의 위치 정보(D)를 획득한다.
위치 추적기(400)는 환자 센서(430)를 추적할 수 있으므로, 환자 센서(430)의 제 3 위치 정보(C)와 프로브(440)의 위치 정보(D)에 기초하여, 환자 센서(430)의 기준 좌표(f)를 기준으로 하는 프로브(440)의 좌표 정보가 도출될 수 있다.
내비게이션 시스템(100)은 3차원 이미지의 기준 좌표(g)를 기준으로 하는 마커(e2)의 좌표 정보와, 환자 센서(430)의 기준 좌표(f)를 기준으로 하는 마커(e1)의 좌표 정보를 통해, 3차원 이미지(210)의 기준 좌표(g)와 환자 센서(430)의 기준 좌표(f) 사이의 변환 관계(R)를 도출할 수 있다. 이는, 3차원 이미지(210) 내 마커(e2)와 마커(e1)에 접촉된 프로브(440)의 위치는 실질적으로 동일 지점을 나타내기 때문이다. 상기 변환 관계(R)은 환자 센서(430)를 기준으로 한 3차원 이미지(210)의 상대적인 이동 및 회전 정보를 포함할 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, S240 단계에서, 내비게이션 시스템(100)은 엑스선 소스(310)와 환자(10) 사이의 위치 관계를 고려하여 투영 방향을 결정한다.
이에 대해 도 6을 참조하여 설명하면, 내비게이션 시스템(100)은 엑스선 소스 센서(410)에 대한 제 1 위치 정보(A), 환자 센서(430)에 대한 제 3 위치 정보(C), 및 엑스선 소스 센서(410)와 엑스선 소스(310) 사이의 변환 관계(X)를 알 수 있으므로, 엑스선 소스(310)와 환자(10)(즉, 환자 센서(430)) 사이의 상대적인 위치 관계를 도출할 수 있다.
또한, 내비게이션 시스템(100)은 환자 센서(430)와 3차원 이미지(210) 사이의 변환 관계(R)를 알고 있으므로, 엑스선 소스(310)와 환자(10) 사이의 위치 관계를 고려하여 3차원 이미지(210)의 투영 방향을 결정할 수 있다.
3차원 이미지(210)의 투영 방향(M)은 아래의 수학식 3으로 표현될 수 있다.
[수학식 3]
M = X-1·A-1·C·R
S250 단계에서, 내비게이션 시스템(100)은 결정된 투영 방향에 따라 3차원 이미지(210)로부터 가상의 엑스선 이미지를 생성한다.
S240 단계에서, 3차원 이미지(210)의 투영 방향이 결정되었으므로, 엑스선 소스(310)와 디텍터(350) 사이의 관계를 나타내는 내적 파라미터(I)를 이용함으로써 3차원 이미지(210)의 기준 좌표(g)와 디텍터(350)의 기준 좌표(c) 사이의 변환 관계가 아래의 수학식 4로 도출될 수 있다.
[수학식 4]
T = I·M
변환 관계 T에 3차원 이미지(210) 내 각 복셀의 좌표 값들을 곱하면 3차원 이미지(210)의 각 복셀을 2차원 평면(즉, 디텍터(350)에 대응하는 가상의 2차원 평면)의 어느 지점에 투영하여야 할지를 알 수 있으므로, 내비게이션 시스템(100)은 상기 수학식 4의 변환 관계(T)를 이용하여 3차원 이미지(210)로부터 가상의 엑스선 이미지를 생성할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 3차원 이미지(210)의 투영 방향이 결정되면, 해당 투영 방향으로 엑스선을 조사하여 생성하는 실제의 엑스선 이미지와 동일한 가상의 엑스선 이미지(230)가 생성될 수 있는 것이다.
구현예에 따라서는 도 8에 도시된 바와 같이, 가상의 엑스선 이미지(230)의 3차원 이미지의 국소 모델(250)을 정합시킬 수 있으며, 또는, 엑스선 소스(310)와 환자(10) 사이의 위치 관계를 알 수 있고, 이에 따라 3차원 이미지(210)의 투영 방향을 결정할 수 있으므로, 환자(10)의 실제 엑스선 이미지에 국소 모델(250)을 정합시킬 수도 있다. 이에 의해, 예를 들면 혈관 폐색으로 인해 엑스선 이미지에서 식별 불가능한 영역에 이르기까지 가시화가 가능해진다.
도 9 및 도 10은 3차원 이미지(210)에 카테터(450)의 위치 정보를 표시하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
위치 추적기(400)에 의해 위치 추적이 가능한 카테터 센서(미도시)를 카테터(450)에 부착시킨 후, 환자(10)의 혈관으로 삽입하면 카테터(450)의 위치 정보(E)가 위치 추적기(400)에 의해 생성된다.
또한, 내비게이션 시스템(100)은 환자 센서(430)에 대한 제 3 위치 정보(C)를 알고 있으므로, 환자 센서(430)의 기준 좌표(f)를 기준으로 하는 카테터(450)의 좌표 정보를 도출할 수 있다. 또한, 내비게이션 시스템(100)은 환자 센서(430)와 3차원 이미지(210) 사이의 변환 관계(R)를 알 수 있으므로, 3차원 이미지(210) 상에서 카테터(450)의 좌표 정보를 도출할 수 있다. 이는 하기의 수학식 5로 표현될 수 있다.
[수학식 5]
N = R-1·C-1·E
상기 N은 3차원 이미지(210)에서의 카테터(450)의 좌표 정보를 나타내며, 카테터(450)의 위치 정보가 도출되면, 내비게이션 시스템(100)은 도 10에 도시된 바와 같이, 3차원 이미지(210) 내에서 확인된 카테터(450)의 위치에 식별 마크(211)를 표시 및 디스플레이하여 의료진에게 카테터(450)가 환자(10)의 어느 부분에 위치하는지를 알려줄 수 있다.
구현예에 따라서는, 내비게이션 시스템(100)은 엑스선 소스(310)와 환자(10) 사이의 위치 관계 등을 고려하여 3차원 이미지(210)와 엑스선 이미지 사이의 위치 관계를 알 수 있으므로, 3차원 이미지(210)에서 확인된 카테터(450)의 좌표 정보를 2차원의 엑스선 이미지에서의 좌표 정보로 변환하고, 2차원의 엑스선 이미지에 식별 마크를 표시할 수도 있다. 즉, 의료진은 3차원 이미지(210) 및/또는 2차원의 엑스선 이미지로부터 카테터(450)의 위치를 확인할 수 있는 것이다.
도 9 및 도 10에서는 카테터(450)의 위치가 추적되는 것으로 설명하였지만, 카테터(450)는 하나의 예시일 뿐이며, 센서를 부착함으로써, 카테터 이외에 다양한 종류의 수술 도구의 위치 역시 추적될 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 작성된 프로그램은 매체에 저장될 수 있다.
상기 매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 내비게이션 시스템
200: 3차원 이미징 장치
300: 엑스선 장치
310: 엑스선 소스
350: 디텍터
400: 위치 추적기
410: 엑스선 소스 센서
420: 팬텀 센서
430: 환자 센서
440: 프로브
450: 카테터

Claims (12)

  1. 내비게이션 시스템에 의한 가상의 엑스선 이미지 생성 방법에 있어서,
    3차원 이미징 장치로부터 환자에 대해 촬영된 3차원 이미지를 수신하는 단계;
    위치추적기로부터 전달받은 엑스선 장치의 엑스선 소스와 환자 사이의 위치 관계를 고려하여, 상기 3차원 이미지의 투영 방향을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 투영 방향에서 상기 3차원 이미지를 2차원 평면에 투영하여 가상의 엑스선 이미지를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상의 엑스선 이미지 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 이미지의 투영 방향을 결정하는 단계는,
    상기 엑스선 소스에 부착된 엑스선 소스 센서에 대한 상기 위치 추적기의 제 1 위치 정보, 상기 환자에 대해 부착된 환자 센서에 대한 상기 위치 추적기의 제 2 위치 정보 및, 상기 엑스선 소스 센서의 기준 좌표와 상기 엑스선 소스의 기준 좌표 사이의 변환 관계를 이용하여, 상기 엑스선 소스와 환자 사이의 위치 관계를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상의 엑스선 이미지 생성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 엑스선 소스와 환자 사이의 위치 관계를 결정하는 단계는,
    상기 제 1 위치 정보, 팬텀에 부착된 팬텀 센서에 대한 상기 위치 추적기의 제 3 위치 정보, 상기 팬텀 센서의 기준 좌표와 상기 팬텀의 기준 좌표 사이의 변환 관계 및 상기 팬텀의 기준 좌표와 상기 엑스선 소스의 기준 좌표 사이의 변환 관계를 이용하여, 상기 엑스선 소스 센서의 기준 좌표와 상기 엑스선 소스의 기준 좌표 사이의 변환 관계를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 가상의 엑스선 이미지 생성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 가상의 엑스선 이미지를 생성하는 단계는,
    상기 3차원 이미지의 각 복셀의 좌표를 하기의 수학식 1에 적용하여 상기 가상의 엑스선 이미지를 생성하는 단계를 포함하되,

    [수학식 1]
    T = I·X-1·A-1·C·R

    상기 수학식에서, I는 상기 엑스선 소스와 디텍터 사이의 위치 관계를 나타내는 내적 파라미터, X는 상기 엑스선 소스 센서의 기준 좌표와 상기 엑스선 소스의 기준 좌표 사이의 변환 관계, A는 상기 제 1 위치 정보, C는 상기 제 2 위치 정보 및 R은 상기 환자 센서의 기준 좌표와 상기 3차원 이미지의 기준 좌표 사이의 변환 관계를 나타내는 것을 특징으로 하는 가상의 엑스선 이미지 생성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가상의 엑스선 이미지 생성 방법은,
    상기 환자에 대해 부착된 환자 센서를 기준으로 한 수술 도구의 위치 정보에 기초하여, 상기 3차원 이미지에서의 수술 도구 위치를 결정하는 단계; 및
    상기 3차원 이미지에서 상기 결정된 수술 도구 위치에 식별 마크를 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상의 엑스선 이미지 생성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 3차원 이미지에서의 수술 도구 위치를 결정하는 단계는,
    하기의 수학식 2에 따라 수술 도구 위치를 결정하는 단계를 포함하고,

    [수학식 2]
    N = R-1·C-1·E
    상기 수학식 2에서 N은 3차원 이미지에서의 수술 도구 위치 좌표, R은 상기 환자 센서의 기준 좌표와 상기 3차원 이미지의 기준 좌표 사이의 변환 관계, E는 상기 수술 도구에 대한 위치 추적기의 제 4 위치 정보를 나타내는 것을 특징으로 하는 가상의 엑스선 이미지 생성 방법.
  7. 제4항 또는 제6항에 있어서,
    상기 가상의 엑스선 이미지 생성 방법은,
    상기 3차원 이미지에 포함된 마커의 좌표 정보와 상기 환자에게 표시된 마커상에 위치하는 프로브에 대한 위치 추적기의 좌표 정보, 및 상기 환자 센서에 대한 위치 추적기의 제 2 위치 정보를 고려하여 상기 환자 센서의 기준 좌표와 상기 3차원 이미지의 기준 좌표 사이의 변환 관계를 산출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상의 엑스선 이미지 생성 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가상의 엑스선 이미지 생성 방법은,
    상기 생성된 가상의 엑스선 이미지에 상기 3차원 이미지의 국소 모델을 중첩하여 표시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가상의 엑스선 이미지 생성 방법.
  9. 3차원 이미징 장치로부터 환자에 대해 촬영된 3차원 이미지를 획득하고, 위치추적기로부터 전달받은 엑스선 장치의 엑스선 소스와 환자 사이의 위치 관계를 고려하여 상기 3차원 이미지의 투영 방향을 결정하며, 상기 결정된 투영 방향에서 상기 3차원 이미지를 2차원 평면에 투영하여 가상의 엑스선 이미지를 생성하는 것을 특징으로 하는 내비게이션 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 내비게이션 시스템은,
    상기 생성된 가상의 엑스선 이미지를 화면에 표시하거나, 상기 생성된 가상의 엑스선 이미지상에 상기 3차원 이미지의 국소 모델을 정합시켜 화면에 표시하는 것을 특징으로 하는 내비게이션 시스템.
  11. 환자에 대해 촬영된 3차원 이미지를 획득하는 단계;
    엑스선 장치의 엑스선 소스와 환자 사이의 위치 관계를 고려하여, 상기 3차원 이미지의 투영 방향을 결정하는 단계;
    상기 3차원 이미지의 투영 방향을 고려하여 상기 3차원 이미지 내의 국소 모델을 추출하는 단계; 및
    상기 환자에 대한 시술 중에 촬영되는 실제의 엑스선 이미지에 상기 추출된 국소 모델을 정합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 내비게이션 시스템에 의한 내비게이션 방법.
  12. 하드웨어와 결합하여 제1항의 가상의 엑스선 이미지 생성 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된 프로그램.
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