KR102256164B1 - 모의피폭체 제작을 위한 영상합성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모의피폭체 제작을 위한 영상합성방법에 관한 것으로, 제1영상 및 제2영상을 선택하는 단계, 여기서 상기 제1영상과 상기 제2영상은 서로 다른 개인의 영상임; 및 상기 제1영상 및 제2영상을 합성하는 단계를 포함하며, 상기 제1영상 및 상기 제2영상은, 서로 다른 개인의 영상이며, 서로 독립적으로 목뼈 및 척추뼈 중 어느 하나의 영상이며, 2차원 단층영상이다.

Description

모의피폭체 제작을 위한 영상합성방법{Method of fusing images for human phantom construction}

본 발명은 모의피폭체 제작을 위한 영상합성방법에 관한 것이다.

선량평가용 모의피폭체(팬텀)는 CT나 MRI와 같은 인체의 2차원단층영상을 3D로 구현하여 형상을 제작한다. 원전 작업 종사자 등 관련 업종의 관계자 중 방사성물질에 오염되었을 때 폐카운터(Lung counter)나 전신계수기(Whole body counter)를 통해 선량을 측정하게 된다. 그러므로 평상시 이러한 계측기들의 교정이 허용범위 내 오차 수준에서 이루어져야 하는 데, 사람을 대신하여 그 구조나 특징이 유사한 인체 팬텀을 사용하게 된다.

인체팬텀은 각 개개인의 특성을 반영할 수 없으므로, 한국인 성인의 평균크기를 반영하여 제작된다. 일반적으로 통계청에서 단위 주기별로 제공하는 한국인 성인 실측 데이터를 이용하여 표준체격을 설정하고, 이 범위 내에 속하는 개인의 전신단층영상을 획득하여 팬텀 제작의 기본 자료로 사용하였다.

하지만 이는 키와 몸무게의 평균에만 국한된 값으로 개인별 차이가 큰 장기에 대한 기준은 제공할 수 없었다. 또한, 연구데이터 수집에 있어 기관생명윤리위원회(IRB)의 심사 강화로 인해 질병 치료 목적 외의 연구용 개인의 전신 단층 촬영이 허용되지 않는다.

기증용 해부학 시신의 단층 촬영 데이터를 이용하는 경우도 있으나, 체격 및 내부장기의 크기가 용도에 적절하지 않아 적용이 어렵다. 이에 전신을 제작범위로 하는 인체팬텀을 위한 데이터 획득을 위해 다수인의 영상을 합성하는 방법의 개발이 필요하다.

한국 특허 공개 제2012-0034977호(2012년 04월 13일 공개)

따라서 본 발명의 목적은 모의피폭체 제작을 위한 영상합성방법을 제공하는 것이다.

상기 본 발명의 목적은 모의피폭체 제작을 위한 영상합성방법에 있어서, 제1영상 및 제2영상을 선택하는 단계, 여기서 상기 제1영상과 상기 제2영상은 서로 다른 개인의 영상임; 및 상기 제1영상 및 제2영상을 합성하는 단계를 포함하며, 상기 제1영상 및 상기 제2영상은, 서로 다른 개인의 영상이며, 서로 독립적으로 목뼈 및 척추뼈 중 어느 하나의 영상이며, 2차원 단층영상인 것에 의해 달성된다.

상기 합성 단계는, 상기 제1영상 및 상기 제2영상에 공통적으로 포함되어 있는 해부학적 기준점을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 합성 단계는, 상기 제1영상 및 상기 제2영상에서 상기 해부학적 기준점을 중심으로 x, y, z축의 길이를 측정하는 단계; 중심좌표를 설정하고 상기 중심좌표에 포인터를 생성하는 단계; 및 상기 제1영상 및 상기 제2영상의 상기 해부학적 랜드마크의 중심에 상기 포인터를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 합성 단계는, 상기 제1영상 및 상기 제2영상에서 상기 해부학적 기준점을 중심으로 x, y, z축의 길이를 측정하는 단계; 중심좌표를 설정하고 상기 중심좌표에 포인터를 생성하는 단계; 및 상기 제1영상 및 상기 제2영상의 상기 해부학적 기준점의 중심에 상기 포인터를 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제1영상 및 제2영상은 각각 DICOM 파일1 및 DICOM 파일2을 포함하며, 상기 합성 단계는, 상기 DICOM 파일1 및 상기 DICOM 파일 2에서 접합할 슬라이스를 선택하는 단계와; 상기 접합할 슬라이스에 대해 상기 DICOM 파일1 및 상기 DICOM 파일2의 UID를 동일하게 하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 모의피폭체 제작을 위한 영상합성방법이 제공된다.

도 1은 DICOM 포맷의 예를 나타낸 것이고,
도 2는 DICOM 헤더 구조를 나타낸 것이고,
도 3은 3D 포맷의 종류를 나타낸 것이고,
도 4는 해부학적 기준점를 나타낸 것이고,
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 영상합성방법을 나타낸 순서도이고,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 영상합성방법을 나타낸 순서도이고,
도 7 내지 도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 영상합성방법을 설명하기 위한 도면이고,
도 11 및 도 12는 본 발명의 실제 활용예에서 뼈 측정을 나타낸 것이고,
도 13은 본 발명의 실제 활용예에서 제1실시예에 따른 영상합성을 나타낸 것이고,
도 14는 본 발명의 실제 활용예에서 제2실시예에 따른 DICOM 헤더 정보 편집을 나타낸 것이고,
도 15는 본 발명의 실제 활용예에서 합성 목뼈의 팬텀을 나타낸 것이고,
도 16은 본 발명의 실제 활용예에서 합성 목뼈의 길이 측정을 나타낸 것이다.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다. 또한 첨부된 도면은 각 구성요소 간의 관계를 설명하기 위해 크기와 간격 등이 실제와 달리 과장되어 있을 수 있다.

'DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)'은 의료용 디지털영상 및 통신 표준을 말한다. 본 발명에서의 '영상'은 DICOM 포맷을 가진 영상, 특히 CT영상일 수 있다.

본 발명에서의 '척추뼈'는 목뼈, 등뼈, 허리뼈 및 골반뼈를 포함한다.

의료기관의 PACS시스템에 저장된 모든 의료영상은 DICOM포맷(.dcm)으로 구성되어 있다.

도 1은 DICOM 포맷의 예를 나타낸 것이고, 도 2는 DICOM 헤더 구조를 나타낸 것이다.

'STL(Stereolithography)'은 3D 시스템즈가 개발한 CAD 소프트웨어의 파일 포맷이다. STL은 삼각형의 집합을 3차원 형상을 표현하는 방법이며, 3D 프린팅을 위해 개발된 파일포맷으로 다수의 삼각형들은 솔리드 모델의 외벽을 구성한다. 삼각형을 이루는 세 개의 꼭지점(좌표)과 방향벡터를 가진 형식으로, 인접한 삼각형과 두 개의 꼭지점을 공유하게 된다.

도 3은 3D 포맷의 종류를 나타낸 것으로, 본 발명은 STL 포맷 외 도 3에 나타낸 3D 포맷에 모두 적용 가능하다.

'해부학적 기준점(Anatomical landmark)'은 동일한 높이에 있는 내부 해부학적 구조물을 정의해 놓은 기준이며, 의료분야에서 주로 사용한다. 도 4는 해부학적 기준점를 나타낸 것이다.

'IOD(Information Object Definition)'는 서로 다른 회사의 영상장비에서 정보교환을 위한 정보의 내용과 형식을 표준화하는 데 사용한다. 예를 들어, 환자정보(환자번호, 이름, 성별), 검사정보(검사일자와 내용, 검사장비, 검사부위), 영상정보(영상의 픽셀크기, 비트수, 색상 등)등이다.

'UID(Unique identifier)'는 국제표준기구 ISO의 방식에 의해, 모든 영상에 부여하는 고유번호를 뜻한다.

이하 설명하는 본 발명에 따른 영상합성방법은 컴퓨터 내지 제어장치에서 수행될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 영상합성방법을 나타낸 순서도이다.

머리뼈와 목뼈 7개의 범위가 필요하나 동일인의 CT영상이 존재하지 않을 수 있다. A사람의 머리 CT와 B사람의 목 CT 영상이 필요한데, 일반적으로 머리 CT는 머리끝부터 목뼈 4-5번까지만 포함하여 촬영하며, 목 CT는 광대뼈부터 등뼈 1-2번까지 포함하여 촬영할 수 있다.

먼저, 머리 CT(영상 1)와 목 CT(영상 2)에서 공통으로 적용할 수 있는 해부학적 기준점을 찾는다(S101).

가급적 크기가 같거나 비슷한 CT영상의 합성이 최종결과물의 왜곡이나 변형을 최소화할 수 있으므로, 영상에서 합성하고자 동일한 부위에서 가로, 세로의 길이를 측정한다(S102). 측정은 직접 접하는 CT 단면영상(slice)에서 수행된다.

이후 영상 1과 영상 2를 각각 3D 모델로 재구성하며(S103), 각각 모델 1과 모델 2로 명명한다.

이후 3D 편집 프로그램을 이용하여 중심좌표에 포인터를 생성한다(S104).

중심좌표는 편집프로그램의 중심(0,0,0)을 의미한다. 만약 머리뼈 CT의 2번째 목뼈의 최하 슬라이스와 목뼈 CT의 3번째 슬라스의 최상 슬라이스를 붙인다면, 3D 편집 프로그램에서 3D 모델을 불러오면(import), 각 모델의 중심이 화면의 중심(0,0,0)에 위치하게 된다.

이후 모델 1과 모델 2를 불러오고 각 모델의 기준점 중심이 포인터 중심과 일치하도록 설정하고 저장한다(S105 내지 S108).

만약 머리뼈 모델을 불러오게 되면 그 모델의 중심인 목뼈 1번 위치가 화면의 중심으로 자리잡게 될 수 있다. 목뼈 CT는 모델의 중심인 4번 목뼈의 위치가 화면의 중심에 자리잡게 될 수 있다. 그러므로 원하는 위치에서 두 모델이 접할 수 있도록 중심을 잡아주어야 한다.

이 때 포인터는 위치를 육안으로 식별할 수 있도록 인위적으로 삽입하는 모델로서 포인터의 중심에 머리뼈 모델의 2번째 목뼈의 끝이, 포인터의 중심에 목뼈 모델의 3번째 목뼈의 시작부분이 올 수 있도록 위치를 정해준다.

접하는 부분이 중심위치에 존재하므로 서로 합성할 수 있는 조건이 만들어진다.

이후, 양 3D모델을 지정하여 합성(S109)하고, 모델간이 경계면을 편집(S110)하고 포인터는 제거(S111)한다.

도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 영상합성방법을 나타낸 순서도이고, 도 7 내지 도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 영상합성방법을 설명하기 위한 도면이다.

DICOM은 각 촬영별 매 영상마다 고유의 식별정보를 가지고 있다. 하나의 DICOM을 기준으로 DICOM편집기를 이용하여 또 다른 DICOM 헤더에 기준 DICOM과 일치하는 분류번호를 부여하면 3D 변환프로그램에서 2인의 영상을 하나의 DICOM으로 인식하여 재구성이 가능하다.

제2실시예에 따른 영상합성방법을 자세히 설명하면 다음과 같다.

예를 들어, A의 머리 CT는 대략 60장의 슬라이스로 구성되고, 각 슬라이스는 DICOM 포맷으로 저장되어 있으며, 이 CT 슬라이스 전체를 DICOM 파일이라 부른다.

먼저, DICOM VIEW 프로그램에서 DICOM 1과 DICOM 2를 접합할 슬라이스를 결정한다(S201). 이후 기준 DICOM을 열고 접합할 슬라이스의 DICOM TAG를 확인한다(S202). 이후 DICOM EDITOR에서 DICOM 2의 접합 슬라이스를 불러온다(S203).

이 단계까지는 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한다.

도 7에 표시한 기준 DICOM 파일, M1은 Series No가 1283이고, 합성할 대상인 도 8에 표시한 DICOM 파일 M2는 75000이다. M2의 32와 33의 파일을 M1으로 이동시키고, 각각 35와 36으로 데이터의 이름을 순차적으로 부여한다. 이후 DICOM VIEWER에서 영상을 불러온다. 도 9와 같이 동일 폴더 내에 존재하나 각각 다른 영상정보를 가지고 있기 때문에 2개의 파일로 인식하게 된다.

이후 도 10과 같이 DICOM 편집기를 이용하여 M1과 M2의 파일을 불러온뒤 M2의 데이터를 M1과 동일한 UID를 갖도록 부여하고, 합성 단면 영상에 동일 SERIES No.에서 순차적인 값을 부여(S204)한다.

이후 DICOM VIEW 프로그램을 활용하여 동일 DICOM 파일로 인식되는지 확인한다(S205). 도 10은 하나의 DICOM 파일로 인식하게 된 것을 나타낸 것이다.

이후 DICOM TO 3D MODEL 변환 프로그램에서 합성 DICOM 파일을 불러오고(S206), IMAGE SEGMENTATION, RENDERING 및 EDITOR 과정을 통해 3D 모델로 변환한다(S207).

이하에서는 이상 설명한 영상합성방법을 실제 적용한 예시를 설명한다.

실제 활용예

1) 척추뼈 중 2인의 목뼈 합성을 목적으로 하였다.

2) 합성할 영상을 샘플링하였다. 100인의 CT 영상에서 목뼈의 길이(뼈 길이 측정점 참조)를 측정하였다. 목뼈 길이의 평균값을 산출하여, 100인 영상 중 가장 평균과 가까운 길이를 가진 샘플 영상 2개를 추출했다(7번째 목뼈를 기준점(Landmark)으로, 기준 DICOM 파일1과 합성 DICOM 파일2를 추출).

이후 합성할 영상을 샘플링하였으며 각 측정점에서 척추뼈의 평균 크기를 비교하였다.

도 11 및 도 12는 본 발명의 실제 활용예에서 뼈 측정을 나타낸 것이다.

평균에 근사한 크기를 갖는 DICOM 파일1과 DICOM 파일2를 표 1에서 비교하였다.

<표 1>

CT 영상에서 목뼈7번과 등뼈1번이 이루는 관절부위 길이 측정 결과

TPD: Distance between lateral point of the two transverse processes 왼쪽부터 오른쪽의 횡돌기(가로돌기)의 거리

BH: Height of the vertebral body 척추뼈 몸통의 높이

WH: Width of the vertebral body 척추뼈 몸통의 가로 너비

LH: anterior-posterior length of vertebral body 척추뼈 몸통의 세로 길이

BSD: Distance from anterior edge of vertebral body to tip of spinous process 척추뼈 몸통의 앞쪽 끝에서 극돌기(가시돌기)까지의 거리

C7: 7th Cervical vertebra 7번째 목뼈

T1: 1st Thoracic vertebra 1번째 등뼈

방법 1. 제1실시예의 방법에 따라 DICOM을 STL 파일로 변환 후 기준점을 중심으로 접합하였다.

도 13은 본 발명의 실제 활용예에서 제1실시예에 따른 영상합성을 나타낸 것이다.

방법 2. 제2실시예의 방법에 따라 DICOM의 HEADER 정보를 동일하게 편집한 뒤 합성하였다.

도 14는 본 발명의 실제 활용예에서 제2실시예에 따른 DICOM 헤더 정보 편집을 나타낸 것이다.

이후 3D 프린터를 활용하여 합성 3D 모델을 실물로 제작하였다. 제작된 척추팬텀을 CT 촬영하여 길이를 계측하고, 특성을 비교하였다.

도 15는 본 발명의 실제 활용예에서 합성 목뼈의 팬텀을 나타낸 것이고, 도 16은 본 발명의 실제 활용예에서 합성 목뼈의 길이 측정을 나타낸 것이다.

3D프린터로 제작된 척추팬텀과 CT촬영 영상의 비교 결과는 표 2와 같다.

표 2는 표1의 샘플링에서 선정된 DICOM 파일1과 DICOM 파일2를 도 5와 6의 방법으로 합성하여 시제품을 제작한 후 그 크기를 비교한 결과이다. 제작된 시제품은 도 15와 같다.

Model 1, 2, 3은 3D 프린터와 간이주형을 이용하여 제작된 시제품의 명칭이다. Model 1은 도 5, Model 2는 도 6의 영상합성방법을 통해 2인의 비동일인의 척추뼈가 하나의 뼈로 가공되었다. Model 3은 DICOM 파일1의 동일인의 뼈를 Model 1과 2의 동일 제작범위에서 시제품으로 가공한 것이다.

표 2에서 Original CT는 DICOM 파일 1의 CT영상에서 측정된 항목별 길이이고, 각 시제품에서 동일한 위치의 길이를 측정하여 Original CT의 값과 비교하였다.

각 측정항목은 도 16에 나타나 있으며, (a) Juction 1 (관절 1), (b) Junction 2(관절 2), (c) BSD(척추뼈 몸통의 앞쪽 끝에서 극동기(가시돌기)까지의 거리, (d) LH(척추뼈 몸통의 세로길이), (e) WH(척추뼈 몸통의 가로너비), (f) TPD(왼쪽부터 오른쪽의 횡돌기(가로돌기)의 거리, (g) 오른쪽 횡돌기(가로돌기)와 극돌기(가시돌기)가 이루는 각도, (h) 왼쪽 횡돌기(가로돌기)와 극돌기(가시돌기)가 이루는 각도이다.

<표 2>

Original CT image를 영상합성 과정없이 3D 모델링하여 시제품 제작한 Model 3은 이론상 그 길이의 차이가 작거나 없어야하나, 형상으로 가공 중 척추뼈 몸통의 길이(BH)에서 0.3cm의 차이가 발생하였다. 이는 모든 측정항목에서 가장 큰 수치이다. Model 1과 2는 0~0.2cm의 길이 차이가 발생하였다. 이는 Model 3의 길이의 결과와 비교하여 단순 가공상의 오차로, 합성에 의한 차이로 볼 수 없다.전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. 모의피폭체 제작을 위한 영상합성방법에 있어서,
   제1영상 및 제2영상을 선택하는 단계, 여기서 상기 제1영상과 상기 제2영상은 서로 다른 개인의 영상임; 및
   상기 제1영상 및 제2영상을 합성하는 단계를 포함하며,
   상기 제1영상 및 상기 제2영상은,
   서로 다른 개인의 영상이며,
   서로 독립적으로 목뼈 및 척추뼈 중 어느 하나의 영상이며,
   2차원 단층영상이며,
   상기 제1영상 및 제2영상은 각각 DICOM 파일1 및 DICOM 파일2을 포함하며,
   상기 합성 단계는,
   상기 DICOM 파일1 및 상기 DICOM 파일 2에서 접합할 슬라이스를 선택하는 단계와;
   상기 접합할 슬라이스에 대해 상기 DICOM 파일1 및 상기 DICOM 파일2의 UID를 동일하게 하는 단계를 포함하는 영상합성방법.
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5. 삭제

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