KR102084251B1 - 수술용 네비게이터를 위한 의료 영상 처리 장치 및 의료 영상 처리 방법 - Google Patents

수술용 네비게이터를 위한 의료 영상 처리 장치 및 의료 영상 처리 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수술용 네비게이터를 위한 의료 영상 처리 장치 및 의료 영상 처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수술용 네비게이터의 사용시 제공되는 영상을 처리하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은, 의료용 항법 장치를 위한 의료 영상 처리 장치로서, 대상체 내에서의 의료용 항법 장치의 위치 정보를 획득하는 위치 추적부; 상기 대상체에 대한 의료 영상에 기초하여 생성된 의료 영상 데이터를 저장하는 메모리; 및 상기 의료 영상 데이터를 기준으로 한 상기 의료용 항법 장치의 위치 정보에 기초하여 관심 영역을 설정하고, 상기 관심 영역에 대응하는 부분 의료 영상 데이터를 생성하는 프로세서; 를 포함하는 의료 영상 처리 장치 및 이를 이용한 의료 영상 처리 방법을 제공한다.

Description

수술용 네비게이터를 위한 의료 영상 처리 장치 및 의료 영상 처리 방법{Medical Image Processing Apparatus and Medical Image Processing Method for Surgical Navigator}
본 발명은 수술용 네비게이터를 위한 의료 영상 처리 장치 및 의료 영상 처리 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수술용 네비게이터의 사용시 제공되는 영상을 처리하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
수술 시 환자의 절개 부위를 최소화하는 최소 침습 수술이 널리 사용되고 있다. 최소 침습 수술은 절개 부위를 최소화하고 그에 따른 실혈(blood loss)과 회복기간을 최소화할 수 있는 장점이 있으나, 의사의 시야가 제한되어 일부 수술들의 경우 뇌수막 손상, 안구 손상 등의 위험 요인을 갖고 있다. 의사의 시야가 제한되는 최소 침습 수술의 단점을 극복하기 위한 도구의 하나로써, 의료용 항법 장치(또는, 수술 항법 장치)가 사용되고 있다. 의료용 항법 장치는 사전에 확보된 환자의 의료 영상을 기준으로 환자의 환부에 삽입된 기구의 위치 정보를 실시간으로 추적하여 제공한다. 또한, 이러한 의료용 항법 장치는 내시경과 결합하여 사용될 수도 있다.
의료용 항법 장치에서 삽입된 시술 기구의 실시간 위치 추적을 위해 광학식 또는 전자기식 위치 추적 장치가 사용될 수 있다. 시술 기구의 위치 추적을 위한 일 예로, 적외선 방출 장치와 패시브 형태의 이미지 센서를 포함하는 광학식 위치 추적 장치가 사용될 수 있다. 광학식 위치 추적 장치는 적외선 방출 장치를 통해 기준 광을 방사하고, 복수의 마커들에 의해 반사되는 이미지를 이미지 센서를 통해 수집한다. 해당 위치 추적 장치는 복수의 마커들의 위치를 기초로 시술 기구의 위치 정보를 획득할 수 있다. 한편, 시술 기구의 위치 추적을 위한 다른 예로, 자기장 생성기 및 전도성 금속 물체를 포함하는 전자기식 위치 추적 장치가 사용될 수 있다. 전자기식 위치 추적 장치는 자기장 생성기에 의해 생성된 자기장 내에서 전도성 금속 물체에 발생하는 맴돌이 전류를 측정하여 시술 기구의 위치 정보를 획득할 수 있다. 위치 추적 장치에서 시술 기구와 신체 부위의 위치 관계를 정확하게 표시하기 위해, 환자의 신체 부위에 대한 의료 데이터와 시술 기구간의 최초 위치 관계를 정의하는 정합 과정이 필요할 수 있다.
도 1은 의료용 항법 장치의 출력 영상의 일 실시예를 도시한다. 의료용 항법 장치는 신체 부위에 대한 수평면(horizontal), 시상면(sagittal) 및 관상면(coronal)의 영상들 중 적어도 하나를 디스플레이 할 수 있다. 시술자(또는, 의사)는 각 영상들을 해석하여 시술 기구의 3차원적 위치를 판단하고, 인접한 위험 요소 등을 파악한다. 그러나 이러한 단면 영상들은 신체 부위 내에서의 시술 기구의 위치를 직관적으로 표현할 수 없다. 따라서, 복수의 단면 영상들을 대조하여 시술 기구의 정확한 위치를 판단하기 위해서 시술자의 숙련도가 필요할 뿐만 아니라 많은 시간이 소요될 수 있다. 또한, 시술 기구의 위치 파악을 위해 의료용 항법 장치의 모니터를 주시하는 시간이 길어질 경우, 전체적인 시술 기간이 길어져 시술자와 환자 모두의 피로를 증가시킬 수 있다.
본 발명은 환자의 신체 내의 시술 부위 및 인접한 요소들에 대한 정보를 시술자가 직관적으로 파악할 수 있도록 하는 의료 영상 처리 방법을 제공하기 위한 목적을 가지고 있다.
또한, 본 발명은 사전에 수집된 환자의 의료 영상과 실시간으로 수집되는 시술 부위 영상을 효과적으로 렌더링 하기 위한 목적을 가지고 있다.
또한, 본 발명은 환자의 해부학적 구조를 파악하기 용이한 의료용 항법 장치를 제공하기 위한 목적을 가지고 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 다음과 같은 의료 영상 처리 장치 및 의료 영상 처리 방법을 제공한다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따르면, 의료용 항법 장치를 위한 의료 영상 처리 장치로서, 대상체 내에서의 의료용 항법 장치의 위치 정보를 획득하는 위치 추적부; 상기 대상체에 대한 의료 영상에 기초하여 생성된 의료 영상 데이터를 저장하는 메모리; 및 상기 의료 영상 데이터를 기준으로 한 상기 의료용 항법 장치의 위치 정보에 기초하여 관심 영역을 설정하고, 상기 관심 영역에 대응하는 부분 의료 영상 데이터를 생성하는 프로세서; 를 포함하는 의료 영상 처리 장치가 제공된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 의료용 항법 장치를 위한 의료 영상 처리 방법으로서, 대상체 내에서의 의료용 항법 장치의 위치 정보를 획득하는 단계; 상기 대상체에 대한 의료 영상에 기초하여 생성된 의료 영상 데이터를 저장하는 단계; 상기 의료 영상 데이터를 기준으로 한 상기 의료용 항법 장치의 위치 정보에 기초하여 관심 영역을 설정하는 단계; 및 상기 관심 영역에 대응하는 부분 의료 영상 데이터를 생성하는 단계; 를 포함하는 의료 영상 처리 방법이 제공된다.
이때, 상기 관심 영역은 상기 의료 영상 데이터의 수평면, 시상면 및 관상면 중 적어도 하나를 기준으로, 상기 의료용 항법 장치의 위치로부터 기 설정된 거리 이내의 영역에 기초하여 설정된다.
또한, 상기 수평면, 시상면 및 관상면 각각을 기준으로 한 기 설정된 거리는 사용자의 입력에 의해 결정된다.
일 실시예에 따르면, 상기 부분 의료 영상 데이터는 상기 관심 영역 내에서 기 설정된 HU 범위 이내의 값을 갖는 복셀(voxel)들을 렌더링하여 생성된다.
또한, 상기 기 설정된 HU 범위는 상기 대상체의 특정 조직의 CT 수치에 기초하여 결정된다.
또한, 상기 특정 조직은 사용자의 선택에 의해 결정된다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 상기 부분 의료 영상 데이터는 상기 의료용 항법 장치의 위치에 기초한 기 설정된 지점의 가상의 광원으로부터 빛이 방출되었을 때의 상기 관심 영역의 복셀들을 렌더링하여 생성된다.
이때, 상기 부분 의료 영상 데이터의 각 픽셀 값
Figure 112017084595643-pat00001
는 다음 수학식에 기초하여 결정된다.
Figure 112017084595643-pat00002
여기서, S0는 광선 투사에 의해 샘플링 되는 최초 복셀, Sn은 광선 투사에 의해 샘플링 되는 최종 복셀,
Figure 112017084595643-pat00003
는 복셀 x의 값, τ(t)는 복셀 t의 감쇄 계수, Kref는 반사 계수, P0는 가상의 광원의 위치, L은 가상의 광원의 P0에서의 밝기 값.
이때, 상기 Kref는 다음 수학식에 기초하여 결정된다.
Figure 112017084595643-pat00004
여기서, G(x)는 복셀 x에서의 기울기 벡터, Vp0 ->x는 가상의 광원의 위치 P0에서 복셀 x로의 방향 벡터.
또한, 상기 의료 영상 데이터는 상기 대상체에 대한 의료 영상을 이용하여 생성된 복셀들이며, 상기 부분 의료 영상 데이터는 상기 관심 영역에 대응하는 복셀들을 광선 투사하여 획득한 볼륨 렌더링 데이터이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 환자의 의료 영상과 시술 부위 영상을 효과적으로 렌더링 함으로 수술 및 의료 진단의 편의성을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 시술자가 환자의 해부학적 구조를 용이하게 파악할 수 있도록 하여 시술의 편의성 및 집중도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 의료용 항법 장치의 출력 영상의 일 실시예를 도시한다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 볼륨 렌더링 기법을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 의료 영상 처리 장치의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 의료 영상 처리 장치의 프로세서의 더욱 상세한 블록도이다.
도 6은 대상체에 대한 관심 영역을 설정하는 일 실시예를 도시한다.
도 7은 도 6에 의해 설정된 관심 영역에 대응하는 부분 의료 영상 데이터를 도시한다.
도 8은 대상체의 관심 영역을 설정하기 위한 유저 인터페이스의 일 실시예를 도시한다.
도 9 및 도 10은 다양하게 설정된 관심 영역에 대응하는 부분 의료 영상 데이터를 도시한다.
도 11은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 부분 의료 영상 데이터 생성 방법을 도시한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도, 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한 특정 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는, 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가진 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 함을 밝혀두고자 한다.
명세서 전체에서, 어떤 구성이 다른 구성과 “연결”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 구성요소를 사이에 두고 “전기적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 구성이 특정 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 이에 더하여, 특정 임계값을 기준으로 “이상” 또는 “이하”라는 한정 사항은 실시예에 따라 각각 “초과” 또는 “미만”으로 적절하게 대체될 수 있다.
이하, 각 도면을 참조로 본 발명의 실시예에 따른 의료 영상 처리 장치 및 의료 영상 처리 방법을 설명하도록 한다. 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 장치 및 영상 처리 방법은 인체 및 동물체를 포함하는 대상체에 대한 의료 영상에 적용될 수 있다. 의료 영상은 X-ray 영상, 컴퓨터 단층 촬영(Computed Tomography, CT) 영상, 양전자 방출 단층 촬영(Positron Emission Tomography, PET) 영상, 초음파 영상 및 자기 공명 영상(Magnetic Resonance Imaging, MRI)을 포함하며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 또한, 본 명세서에서 의료 영상 데이터는 의료 영상 자체뿐만 아니라 의료 영상을 렌더링하여 생성된 다양한 형태의 데이터를 포함하는 넓은 의미의 용어로 사용된다. 일 실시예에 따르면, 의료 영상 데이터는 의료 영상을 볼륨 렌더링한 데이터를 가리킬 수 있다. 또한, 의료 영상 데이터는 2차원의 의료 영상들의 그룹으로 구성된 3차원 데이터 세트를 가리킬 수도 있다. 이와 같이 구성된 3차원 데이터 세트의 정규 격자 단위의 값을 복셀(voxel)이라고 한다. 본 발명의 실시예에 따른 의료 영상 처리 장치 및 의료 영상 처리 방법은 내시경 및/또는 의료용 항법 장치에 의해 제공되는 영상을 생성하거나 처리할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 볼륨 렌더링 기법을 도시한다. 볼륨 렌더링은 3차원 샘플 데이터 세트에 대한 2차원 투영을 표시하는 기술이다. 일반적인 3차원 데이터 세트는 전술한 의료 영상들로부터 수집된 2차원의 단층 촬영 이미지들의 그룹으로 구성될 수 있다. 상기 그룹의 이미지들은 규칙적인 패턴 및 개수의 픽셀들을 가질 수 있다. 이와 같이 구성된 3차원 데이터 세트의 정규 격자 단위의 값을 복셀(voxel)이라고 한다.
도 2는 볼륨 렌더링에서 사용될 수 있는 광선 투사(ray-casting) 기법을 도시한다. 광선 투사 방식은 볼륨을 구성하는 복셀들이 반투명하여 스스로 빛을 내는 성질을 갖는 것으로 정의한다. 광선 투사 방식은 사용자의 시선(또는, 카메라의 위치 및 방향)에 따라 결정된 각 광선(r0, r1, … , r4)을 따라 샘플링된 복셀 값들을 누적하여 렌더링 값을 획득 한다. 이때, 생성해야 할 광선의 개수는 결과 영상의 해상도에 따라 결정된다. 사용자의 시선에 따라 3차원 볼륨 데이터를 적절하게 렌더링하기 위해 컬러 큐브 기법이 사용될 수 있다.
도 3은 볼륨 렌더링에서 사용되는 컬러 큐브를 도시한다. 볼륨 렌더링을 위해서는 모든 복셀의 투명도와 색상이 정의되어야 한다. 이를 위해, 모든 복셀 값에 대한 RGBA(red, green, blue, alpha) 값을 정의하는 RGBA 변환 함수가 정의될 수 있다. RGBA 변환 함수의 일 실시예에로, 컬러 큐브가 사용될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 컬러 큐브는 원점(0, 0, 0)에 검정색을 지정하고, 대각선 맞은편 꼭지점(1, 1, 1)에 흰색을 지정하며, 큐브 내에서 각 좌표 값이 증가할수록 해당 RGB 값의 강도가 증가하게 된다. 각 좌표에 따른 RGB 값은 정규화된 텍스쳐 샘플링 좌표 값으로 사용된다.
볼륨 렌더링에서 각 광선의 시작점과 끝점을 정의하기 위해, 동일한 크기(즉, 픽셀 사이즈)를 갖는 전면 영상과 후면 영상의 두 장의 영상이 생성될 수 있다. 생성된 두 장의 영상 각각의 동일한 위치에서 획득되는 값이 그 위치에 대응하는 광선의 시작점과 끝점이 된다. 이와 같이 결정된 시작점부터 끝점까지 광선을 따라 일정 간격으로 의료 영상의 3차원 텍스쳐 샘플링을 진행하며 획득되는 값을 누적하면, 의도한 볼륨 렌더링 결과가 획득될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료 영상 처리 장치(20)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 의료 영상 처리 장치(20)는 프로세서(21), 통신부(22), 입력부(23), 메모리(24), 위치 추적부(25) 및 디스플레이 출력부(26)를 포함할 수 있다.
먼저, 통신부(22)는 외부 장치와 통신을 수행하기 위한 다양한 프로토콜의 유/무선 통신 모듈을 포함한다. 입력부(23)는 의료 영상 처리 장치(20)에 대한 사용자 입력을 수신하기 위한 다양한 형태의 인터페이스를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 입력부(23)는 키보드, 마우스, 카메라, 마이크, 포인터, USB, 외부 장치와의 연결 포트 등을 포함할 수 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 의료 영상 처리 장치는 통신부(22) 및/또는 입력부(23)를 통해 대상체의 의료 영상을 미리 획득할 수 있다. 메모리(24)는 의료 영상 처리 장치(10)에서 사용되는 제어 프로그램 및 이와 관련된 각종 데이터를 저장한다. 예를 들어, 메모리(24)는 사전에 획득된 대상체의 의료 영상을 저장할 수 있다. 또한, 메모리(24)는 대상체의 의료 영상을 렌더링하여 생성된 의료 영상 데이터를 저장할 수 있다.
위치 추적부(25)는 대상체 내에서의 의료용 항법 장치(55)의 위치 정보를 취득한다. 본 발명의 실시예에서 의료용 항법 장치(55)는 다양한 종류의 수술 항법 장치를 포함할 수 있다. 의료용 항법 장치의 위치 추적을 위해 광학식 위치 추적 방법 또는 전자기식 위치 추적 방법이 사용될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 의료용 항법 장치(55)로부터 획득된 위치 정보가 대상체의 의료 영상 데이터와 정합되지 않은 경우, 위치 추적부(25)는 정합 과정을 수행하여 의료 영상 데이터를 기준으로 한 의료용 항법 장치(55)의 위치 정보를 생성할 수 있다. 위치 추적부(25)는 의료용 항법 장치(55)와 유선 또는 무선으로 연결되어 의료용 항법 장치(55)로부터 위치 정보를 수신할 수 있다.
디스플레이 출력부(26)는 본 발명의 실시예에 따라 생성된 영상을 출력한다. 즉, 디스플레이 출력부(26)는 후술하는 바와 같이 대상체의 관심 영역에 대응하는 의료 영상 데이터를 출력할 수 있다. 디스플레이 출력부(26)에 의해 출력된 영상은 의료 영상 처리 장치(20)와 연결된 모니터(65)에 의해 디스플레이 될 수 있다.
본 발명의 프로세서(21)는 다양한 명령 또는 프로그램을 실행하고, 의료 영상 처리 장치(20) 내부의 데이터를 처리할 수 있다. 또한, 프로세서(21)는 전술한 의료 영상 처리 장치(20)의 각 유닛을 제어하며, 유닛들 간의 데이터 송수신을 제어할 수 있다.
도 4에 도시된 의료 영상 장치(20)는 본 발명의 일 실시예에 따른 블록도로서, 분리하여 표시한 블록들은 해당 장치의 엘리먼트들을 논리적으로 구별하여 도시한 것이다. 따라서 상술한 의료 영상 장치(20)의 엘리먼트들은 해당 장치의 설계에 따라 하나의 칩으로 또는 복수의 칩으로 장착될 수 있다. 또한, 도 4에 도시된 의료 영상 장치(20)의 구성들 중 일부 구성이 생략될 수 있으며, 추가적인 구성이 의료 영상 장치(20)에 포함될 수도 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 의료 영상 처리 장치(20)의 프로세서(21)의 더욱 상세한 블록도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 의료 영상 처리 장치(20)의 프로세서(21)는 관심 영역 설정부(210), 의료 영상 데이터 생성부(220) 및 부분 의료 영상 데이터 생성부(230)를 포함할 수 있다.
관심 영역 설정부(210)는 대상체에 대한 사용자의 관심 영역을 설정한다. 더욱 구체적으로, 관심 영역 설정부(210)는 위치 추적부(25)로부터 의료용 항법 장치(55)의 위치 정보를 수신하고, 상기 위치 정보에 기초하여 관심 영역을 설정한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 관심 영역은 의료 영상 데이터의 수평면, 시상면 및 관상면 중 적어도 하나를 기준으로, 의료용 항법 장치(55)의 위치로부터 기 설정된 거리 이내의 영역에 기초하여 설정된다. 이를 위해, 관심 영역 설정부(210)는 수평면, 시상면 및 관상면 각각을 기준으로 한 기 설정된 거리에 대한 정보(즉, 영역 설정 정보)를 사용자 입력으로 사전에 수신할 수 있다. 관심 영역 설정부(210)는 의료용 항법 장치(55)의 위치로부터 수평면을 기준으로 제1 거리 이내, 시상면을 기준으로 제2 거리 이내 및/또는 관상면을 기준으로 제3 거리 이내에 포함된 영역을 크롭(crop)하여 관심 영역으로 설정한다. 만약 사용자가 수평면, 시상면 및 관상면 중 적어도 하나의 기준면에 대한 영역 설정 정보를 입력하지 않은 경우, 관심 영역 설정부(210)는 해당 면을 기준으로 한 크롭핑(cropping)을 수행하지 않을 수 있다. 관심 영역 설정부(210)에서 획득된 관심 영역 정보는 부분 의료 영상 데이터 생성부(230)로 전달된다.
다음으로, 의료 영상 데이터 생성부(220)는 대상체의 의료 영상을 렌더링하여 의료 영상 데이터를 생성한다. 전술한 바와 같이, 의료 영상은 X-ray 영상, CT 영상, PET 영상, 초음파 영상 및 MRI 중 적어도 하나를 포함한다. 의료 영상 데이터는 대상체에 대한 의료 영상을 이용하여 생성된 복셀들을 가리킬 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 의료 영상 데이터는 대상체에 대한 의료 영상을 볼륨 렌더링한 데이터를 가리킬 수도 있다.
다음으로, 부분 의료 영상 데이터 생성부(230)는 대상체에 대한 의료 영상 데이터 중 관심 영역에 대응하는 부분의 의료 영상 데이터를 추출하여 렌더링한다. 더욱 구체적으로, 부분 의료 영상 데이터 생성부(230)는 관심 영역의 복셀들을 선별적으로 광선 투사하여 볼륨 렌더링을 수행할 수 있다. 이에 따라, 대상체 내에서 관심 영역 이외의 개체들이 관심 영역의 개체들과 중첩되는 것을 방지하여, 시술자가 대상체의 해부학적 구조를 용이하게 파악할 수 있게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 부분 의료 영상 데이터 생성부(230)는 다양한 방법으로 볼륨 렌더링 데이터를 생성할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 부분 의료 영상 데이터 생성부(230)는 관심 영역 내에 포함된 복셀들 전체에 광선 투사를 수행하여 볼륨 렌더링 데이터를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 부분 의료 영상 데이터 생성부(230)는 관심 영역 내에서 기 설정된 HU 범위 이내의 값을 갖는 복셀들에 선별적으로 광선 투사를 수행하여 볼륨 렌더링 데이터를 생성할 수 있다. 이때, 기 설정된 HU 범위는 대상체의 특정 조직(tissue)의 CT 수치에 기초하여 결정될 수 있다. 또한, 볼륨 렌더링을 수행하기 위한 특정 조직은 사용자에 의해 선택될 수 있다. 이를 통해, 관심 영역 내에서 사용자의 설정에 의해 선택된 특정 조직에 대응하는 복셀들에만 선별적으로 광선 투사를 수행하여 볼륨 렌더링 데이터를 생성할 수 있다.
가장 널리 사용되는 의료 영상인 CT의 경우, 인체의 각 구성 요소가 갖는 CT 수치는 아래 표 1과 같다. 이때, 각 수치의 단위는 HU(Hounsfield Unit)이다.
조직(tissue) CT Number (HU)
뼈 +1000
간 40 ~ 60
백색질 -20 ~ -30
회백질 -37 ~ -45
혈액 40
근육 10 ~ 40
콩팥 30
뇌척수액 (CSF) 15
물 0
지방 -50 ~ -100
공기 -1000
의료 영상 표준인 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)에 따르는 데이터는 픽셀당 2byte를 사용한다. 따라서, 각 픽셀이 가질 수 있는 값의 범위는 216으로 -32768부터 32767까지이다. 임플란트 등의 이물질이 인체에 삽입될 수도 있으나, 재구성 과정에서 적정 수준의 값으로 치환되어 +/-1000HU 범위 밖의 값은 CT에서 사용되지 않는다.
상기 표 1을 통해 나타난 바와 같이, 인체의 각 구성 요소가 갖는 CT 수치의 범위는 미리 결정되어 있다. 만약 사용자가 대상체의 관심 영역 중에서 회백질만을 선별적으로 확인하고 싶다면, 사용자는 -37 내지 -45의 CT 수치 범위에 포함된 임의의 값 또는 해당 범위를 포함하는 CT 수치 범위를 입력부(23)를 통해 입력할 수 있다. 뿐만 아니라, 사용자는 기 설정된 대상체의 조직들 중 회백질에 대한 선택을 입력부(23)를 통해 입력할 수도 있다. 부분 의료 영상 데이터 생성부(230)는 사용자의 입력에 기초하여 대상체의 관심 영역 중에서 회백질에 해당하는 복셀들에만 선별적으로 광선 투사를 수행하여 볼륨 렌더링 데이터를 생성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 부분 의료 영상 데이터 생성부(230)는 의료용 항법 장치(55)의 위치에 기초한 기 설정된 지점의 가상의 광원으로부터 빛이 방출되었을 때의 관심 영역의 복셀 값들을 렌더링하여 부분 의료 영상 데이터를 생성할 수 있다. 더욱 구체적으로, 부분 의료 영상 데이터 생성부(230)는 의료용 항법 장치(55)의 위치에 기초한 기 설정된 지점에 가상의 광원이 존재한다고 가정하여, 가상의 광원으로부터 빛이 방출되었을 때의 관심 영역의 복셀 값들을 설정할 수 있다. 부분 의료 영상 데이터 생성부(230)는 이와 같이 설정된 복셀들에 광선 투사를 수행하여 볼륨 렌더링 데이터를 생성할 수 있다. 이에 대한 구체적인 실시예는 후술하도록 한다.
부분 의료 영상 데이터 생성부(230)에서 생성된 부분 의료 영상 데이터는 디스플레이 출력부(26)의 출력 영상으로 제공될 수 있다.
도 6은 대상체에 대한 관심 영역을 설정하는 일 실시예를 도시한다. 도 6을 참조하면, 볼륨 렌더링을 수행하기 위한 컬러 큐브 내에서 시상면을 기준으로 특정 거리 이내에 포함된 영역이 관심 영역으로 설정되어 있다. 도 7은 이와 같이 설정된 관심 영역에 대응하는 부분 의료 영상 데이터를 도시한다. 더욱 구체적으로, 도 7(a)는 큐브 내에 포함된 대상체의 볼륨 렌더링 데이터를 나타내며, 도 7(b)는 도 6에 의해 설정된 관심 영역에 대응하는 볼륨 렌더링 데이터를 나타낸다. 도 7(b)에 나타난 바와 같이, 사용자의 관심 영역 설정에 따라, 대상체의 시상면을 기준으로 특정 거리 이내에 포함된 영역만이 볼륨 렌더링되어 디스플레이 될 수 있다.
도 8은 대상체의 관심 영역을 설정하기 위한 유저 인터페이스의 일 실시예를 도시한다. 도 8을 참조하면, 유저 인터페이스는 대상체의 수평면, 시상면 및 관상면 각각을 기준으로 한 기 설정된 거리에 대한 정보(즉, 영역 설정 정보)를 사용자로부터 수신할 수 있다. 관심 영역은 의료 영상 데이터의 수평면, 시상면 및 관상면 중 적어도 하나를 기준으로, 의료용 항법 장치(55)의 위치로부터 기 설정된 거리 이내의 영역에 기초하여 설정된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 위치 추적부(25)로부터 획득된 의료용 항법 장치(55)의 위치 정보가 유저 인터페이스의 각 기준면에 대한 슬라이드 바 상에서 특정 좌표로 표시될 수 있다. 사용자는 각 슬라이드 바에 표시된 좌표를 기준으로 관심 영역에 포함될 기준 거리를 설정할 수 있다. 관심 영역 설정부(210)는 수평면을 기준으로 한 제1 거리 정보, 시상면을 기준으로 한 제2 거리 정보 및 관상면을 기준으로 한 제3 거리 정보 중 적어도 하나를 유저 인터페이스를 통해 수신한다. 관심 영역 설정부(210)는 의료용 항법 장치(55)의 위치로부터 수평면을 기준으로 제1 거리 이내, 시상면을 기준으로 제2 거리 이내 및/또는 관상면을 기준으로 제3 거리 이내에 포함된 영역을 크롭(crop)하여 관심 영역으로 설정한다.
도 9 및 도 10은 다양하게 설정된 관심 영역에 대응하는 부분 의료 영상 데이터를 도시한다. 도 9(a)는 대상체의 시상면을 기준으로 관심 영역이 설정된 경우를, 도 9(b)는 대상체의 수평면을 기준으로 관심 영역이 설정된 경우를, 도 9(c)는 대상체의 관상면을 기준으로 관심 영역이 설정된 경우를 각각 나타낸다. 또한, 도 10은 대상체의 시상면, 수평면 및 관상면 모두를 기준으로 관심 영역이 설정된 경우를 나타낸다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면 사용자의 설정에 따라 다양한 형태로 관심 영역이 설정될 수 있으며, 관심 영역에 대응하는 의료 영상만을 선별적으로 렌더링하여 사용자에게 제공할 수 있다.
한편, 상기 실시예들에서는 관심 영역이 의료 영상 데이터의 수평면, 시상면 및 관상면을 기준으로 설정되는 것으로 설명되었으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명에서 관심 영역은 의료 영상 데이터의 임의의 기준 축 또는 기준 면에 대하여 설정될 수 있다.
도 11은 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 부분 의료 영상 데이터 생성 방법을 도시한다. 전술한 바와 같이, 부분 의료 영상 데이터 생성부(230)는 관심 영역(30)에 대한 특수 효과를 위해, 기 설정된 지점의 가상의 광원으로부터 빛이 방출된다는 가정 하에 관심 영역의 복셀 값들을 렌더링하여 부분 의료 영상 데이터를 생성할 수 있다.
먼저, 일반적인 광선 투사 방법을 이용한 볼륨 렌더링 데이터의 각 픽셀 값
Figure 112017084595643-pat00005
은 아래 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017084595643-pat00006
여기서, S0는 광선 투사에 의해 샘플링 되는 최초 복셀, Sn은 광선 투사에 의해 샘플링 되는 최종 복셀을 가리킨다. 또한,
Figure 112017084595643-pat00007
는 복셀 x의 값(또는, 복셀 x의 강도) 이고,
Figure 112017084595643-pat00008
는 최초 복셀 S0부터 현재 복셀 x까지 누적된 투명도를 나타낸다. τ(t)는 복셀 t의 감쇄 계수를 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따르면, 의료용 항법 장치(55)의 위치에 기초한 기 설정된 지점 P0에 가상의 광원이 존재한다고 가정하고, 가상의 광원으로부터 빛이 방출되었을 때의 관심 영역(30)의 복셀 값들을 설정할 수 있다. 이때, 복셀 x의 값
Figure 112017084595643-pat00009
는 아래 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112017084595643-pat00010
여기서, R(x)는 가상의 광원에서 방출된 빛에 의해 조정되는 복셀 값이며 아래 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112017084595643-pat00011
여기서, Kref는 반사 계수, P0는 가상의 광원의 위치, L은 가상의 광원의 P0에서의 밝기 값을 각각 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따르면, 반사 계수 Kref는 아래 수학식 4와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112017084595643-pat00012
여기서, G(x)는 복셀 x에서의 기울기 벡터, Vp0 ->x는 가상의 광원의 위치 P0에서 복셀 x로의 방향 벡터를 각각 나타낸다. 일 실시예에 따르면, 기울기 벡터 G(x)는 복셀 x를 기준으로 주변 복셀 값들이 가장 크게 변화하는 참조면의 법선으로 정의될 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 부분 의료 영상 데이터의 각 픽셀 값
Figure 112017084595643-pat00013
는 아래 수학식 5에 기초하여 결정될 수 있다.
Figure 112017084595643-pat00014
부분 의료 영상 데이터 생성부(230)는 이와 같이 생성된 볼륨 렌더링 데이터를 부분 의료 영상 데이터로 생성한다. 이와 같은 본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 관심 영역 내부 또는 관심 영역 주변에 조명이 삽입된 것과 같은 효과를 나타낼 수 있다. 관심 영역 내부 또는 주변에 조명이 삽입되면 관심 영역에 대한 그림자 효과로 인해 관심 영역의 입체감이 극대화 될 수 있으며, 관심 영역에 대한 사용자의 식별도가 증가될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아는 것으로 해석해야 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
20: 의료 영상 처리 장치
55: 의료용 항법 장치
65: 모니터

Claims (20)

  1. 의료용 항법 장치를 위한 의료 영상 처리 장치로서,
    대상체 내에서의 의료용 항법 장치의 위치 정보를 획득하는 위치 추적부;
    상기 대상체에 대한 의료 영상에 기초하여 생성된 의료 영상 데이터를 저장하는 메모리; 및
    상기 의료 영상 데이터를 기준으로 한 상기 의료용 항법 장치의 위치 정보에 기초하여 관심 영역을 설정하고, 상기 관심 영역에 대응하는 부분 의료 영상 데이터를 생성하는 프로세서;
    를 포함하되,
    상기 관심 영역은 상기 의료 영상 데이터의 수평면, 시상면 및 관상면 중 적어도 하나의 평면을 기준으로, 상기 의료용 항법 장치의 위치에 기초한 평면으로부터 기 설정된 거리 이내의 영역을 포함하는 3차원의 영역으로 설정되고,
    상기 프로세서는 3차원의 상기 관심 영역 내의 복셀들을 볼륨 렌더링하여 상기 부분 의료 영상 데이터를 생성하는 의료 영상 처리 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 수평면, 시상면 및 관상면 각각을 기준으로 한 기 설정된 거리는 사용자의 입력에 의해 결정되는 의료 영상 처리 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 부분 의료 영상 데이터는 상기 관심 영역 내에서 기 설정된 HU 범위 이내의 값을 갖는 복셀(voxel)들을 렌더링하여 생성되는 의료 영상 처리 장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 기 설정된 HU 범위는 상기 대상체의 특정 조직의 CT 수치에 기초하여 결정되는 의료 영상 처리 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 특정 조직은 사용자의 선택에 의해 결정되는 의료 영상 처리 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 부분 의료 영상 데이터는 상기 의료용 항법 장치의 위치에 기초한 기 설정된 지점의 가상의 광원으로부터 빛이 방출되었을 때의 상기 관심 영역의 복셀들을 렌더링하여 생성되는 의료 영상 처리 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 부분 의료 영상 데이터의 각 픽셀 값
    Figure 112017084595643-pat00015
    는 다음 수학식에 기초하여 결정되는 의료 영상 처리 장치.
    Figure 112017084595643-pat00016

    여기서, S0는 광선 투사에 의해 샘플링 되는 최초 복셀, Sn은 광선 투사에 의해 샘플링 되는 최종 복셀,
    Figure 112017084595643-pat00017
    는 복셀 x의 값, τ(t)는 복셀 t의 감쇄 계수, Kref는 반사 계수, P0는 가상의 광원의 위치, L은 가상의 광원의 P0에서의 밝기 값.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 Kref는 다음 수학식에 기초하여 결정되는 의료 영상 처리 장치.
    Figure 112017084595643-pat00018

    여기서, G(x)는 복셀 x에서의 기울기 벡터, Vp0 ->x는 가상의 광원의 위치 P0에서 복셀 x로의 방향 벡터.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 의료 영상 데이터는 상기 대상체에 대한 의료 영상을 이용하여 생성된 복셀들이며, 상기 부분 의료 영상 데이터는 상기 관심 영역에 대응하는 복셀들을 광선 투사하여 획득한 볼륨 렌더링 데이터인 의료 영상 처리 장치.
  11. 의료 영상 처리 장치의 의료 영상 처리 방법으로서,
    대상체 내에서의 의료용 항법 장치의 위치 정보를 획득하는 단계;
    상기 대상체에 대한 의료 영상에 기초하여 생성된 의료 영상 데이터를 저장하는 단계;
    상기 의료 영상 데이터를 기준으로 한 상기 의료용 항법 장치의 위치 정보에 기초하여 관심 영역을 설정하는 단계; 및
    상기 관심 영역에 대응하는 부분 의료 영상 데이터를 생성하는 단계;
    를 포함하되,
    상기 관심 영역은 상기 의료 영상 데이터의 수평면, 시상면 및 관상면 중 적어도 하나의 평면을 기준으로, 상기 의료용 항법 장치의 위치에 기초한 평면으로부터 기 설정된 거리 이내의 영역을 포함하는 3차원의 영역으로 설정되고,
    상기 부분 의료 영상 데이터는 3차원의 상기 관심 영역 내의 복셀들을 볼륨 렌더링하여 생성되는 의료 영상 처리 방법.
  12. 삭제
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 수평면, 시상면 및 관상면 각각을 기준으로 한 기 설정된 거리는 사용자의 입력에 의해 결정되는 의료 영상 처리 방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 부분 의료 영상 데이터는 상기 관심 영역 내에서 기 설정된 HU 범위 이내의 값을 갖는 복셀(voxel)들을 렌더링하여 생성되는 의료 영상 처리 방법.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 기 설정된 HU 범위는 상기 대상체의 특정 조직의 CT 수치에 기초하여 결정되는 의료 영상 처리 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 특정 조직은 사용자의 선택에 의해 결정되는 의료 영상 처리 방법.
  17. 제11 항에 있어서,
    상기 부분 의료 영상 데이터는 상기 의료용 항법 장치의 위치에 기초한 기 설정된 지점의 가상의 광원으로부터 빛이 방출되었을 때의 상기 관심 영역의 복셀들을 렌더링하여 생성되는 의료 영상 처리 방법.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 부분 의료 영상 데이터의 각 픽셀 값
    Figure 112017084595643-pat00019
    는 다음 수학식에 기초하여 결정되는 의료 영상 처리 방법.
    Figure 112017084595643-pat00020

    여기서, S0는 광선 투사에 의해 샘플링 되는 최초 복셀, Sn은 광선 투사에 의해 샘플링 되는 최종 복셀,
    Figure 112017084595643-pat00021
    는 복셀 x의 값, τ(t)는 복셀 t의 감쇄 계수, Kref는 반사 계수, P0는 가상의 광원의 위치, L은 가상의 광원의 P0에서의 밝기 값.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 Kref는 다음 수학식에 기초하여 결정되는 의료 영상 처리 방법.
    Figure 112017084595643-pat00022

    여기서, G(x)는 복셀 x에서의 기울기 벡터, Vp0 ->x는 가상의 광원의 위치 P0에서 복셀 x로의 방향 벡터.
  20. 제11 항에 있어서,
    상기 의료 영상 데이터는 상기 대상체에 대한 의료 영상을 이용하여 생성된 복셀들이며, 상기 부분 의료 영상 데이터는 상기 관심 영역에 대응하는 복셀들을 광선 투사하여 획득한 볼륨 렌더링 데이터인 의료 영상 처리 방법.
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