KR102663960B1

KR102663960B1 - 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR102663960B1
Application number: KR1020220189980A
Authority: KR
Inventors: 이동훈; 신인철; 홍대기
Original assignee: 주식회사 써지컬에이아이
Priority date: 2022-12-29
Filing date: 2022-12-29
Publication date: 2024-05-10

Abstract

하나의 좌표면을 형성하는 그리드 상에서 고관절, 무릎관절 및 발목관절 부분을 각각 촬영한 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상을 획득하는 단계; 상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상에서 하지 정렬을 위한 제1 기준점, 제2 기준점 및 제3 기준점의 위치를 결정하는 단계; 및 상기 제1 기준점과 상기 제3 기준점의 상기 좌표면 상에서의 좌표값을 기반으로, 상기 제1 기준점과 상기 제3 기준점을 잇는 정렬선과 상기 제2 기준점 사이의 거리에 해당하는 오프셋을 연산하는 단계를 포함하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법이 개시된다.

Description

엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR ACQUIRING LEG ALIGNMENT INFORMATION USING PARTIAL X-RAY IMAGE}

본 발명은 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체의 하지 변형을 교정하기 위한 근위경골절골술(high tibial osteotomy) 등을 포함한 교정수술(corrective osteotomy)을 실시하는 과정에서 획득되는 하지 각 관절의 부분 엑스레이 영상을 활용하여 하지 전체의 정렬 정도를 판단할 수 있는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법 및 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 휘어진 다리, O-다리 및 X-다리 등의 명칭으로 알려진 내반슬 및 외반슬은 미용상으로 좋지 못할 뿐만 아니라, 정형외과학적으로도 특정 관절에 상대적으로 과도한 부하가 누적되어 연골 손상 및 퇴행성 관절염을 발생시키거나 악화시킬 수 있으므로 교정하는 것이 바람직하다.

휘어진 다리의 교정을 위하여 근위경골절골술을 포함하여 다양한 교정절골술이 시행되는데 이러한 수술에서 가장 중요한 것은 수술 중 교정된 다리의 정렬을 정확하게 파악할 수 있어야 한다는 것이다.

수술 전 수술실 외부에서 촬영하는 엑스레이 장비는 하지 전체의 정렬을 판단할 수 있는 영상의 촬영이나 합성이 가능한 것이나, 수술 중에 하지 전체의 정렬을 판단하기 위한 영상을 획득할 수 있는 엑스레이 촬영 장비는 현존하지 않는다.

수술 중 사용 가능한 엑스레이 촬영장비인 C-암(arm) 엑스레이 촬영 장비는 신체의 부분 촬영만 가능하며 하지 전체를 파악하기 위한 영상 획득 또는 합성 작업이 불가능하다. 현재 수술 중에 하지 전체의 정렬을 파악하기 위하여 C-암 엑스레이촬영 등을 이용하여 하지의 고관절 부분, 무릎관절 부분 및 발목 부분을 개별 촬영하고 각각의 개별 촬영된 영상을 적절하게 정렬하는 방식이 주로 채택되고 있다.

종래의 하지 정렬 영상 획득 방법은, 하지 각 부위의 개별 영상을 이용하여 고관절의 중심점과 발목관절의 중간점을 잇는 가상선이 무릎관절에서 지나가는 위치를 파악하여 하지 정렬을 파악할 수 있는 영상을 획득할 수 있게 된다.

그러나, 종래의 하지 정렬 영상 획득 방법은 하지 정렬을 위한 각 부위의 부분 영상이 사용되기에, C-암 엑스레이촬영 영상만으로는 전체 하지에 대한 정렬 영상 생성이 불가능하고, 엑스레이의 고유 특성인 투사형태가 원추방사형이고, 전자기파의 반사, 굴절, 회절, 간섭 현상에 의해 영상 왜곡이 발생되며, 엑스레이 촬영 장치의 엑스레이 감지부의 가장자리 부분에 일부 굴곡면이 있는 특성에 의해서도 촬영 영상의 변형이 발생한다. 이런 영상 왜곡의 문제를 해결하기 위해 C-암 엑스레이 촬영을 하는 동안 실시간으로 영상을 보고 각 부위의 기준점과 엑스레이 발생부의 중심점을 최대한 일치시켜 촬영한 영상을 획득하는데, 이런 과정이 어렵고 시간 소요가 많기 때문에 하지 정렬 영상의 생성에 어려움이 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

한국등록특허 제10-1938361호(2019.01.08.) 한국공개특허 제10-2013-0083677호(2013.07.23.)

이에 본 발명은, 인체의 변형 정도에 해당하는 오프셋을 정확히 계산하여 근위경골절골술(high tibial osteotomy) 등을 포함한 교정수술(corrective osteotomy)을 실시하는데 도움을 줄 수 있는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법 및 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 기술한 내용으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 해결 과제 및 장점들은 이하의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자라면 본 발명의 해결 과제 및 장점들이 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,

하나의 좌표면을 형성하는 그리드 상에서 고관절, 무릎 관절 및 발목 관절 부분을 각각 촬영한 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상을 획득하는 단계;

상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상에서 하지 정렬을 위한 제1 기준점, 제2 기준점 및 제3 기준점의 위치를 결정하는 단계; 및

상기 제1 기준점과 상기 제3 기준점의 상기 좌표면 상에서의 좌표값을 기반으로, 상기 제1 기준점과 상기 제3 기준점을 잇는 선과 상기 제2 기준점 사이의 거리에 해당하는 오프셋을 연산하는 단계;

를 포함하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법을 제공한다.

본 발명의 실시예는, 상기 그리드 상에서 상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상을 정렬하기 위한 기준 그리드선을 결정하는 단계; 및 상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 상기 제3 소스영상을 상기 기준 그리드선이 일치하도록 순서대로 일렬로 정렬하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에는, 상기 제1 소스영상에서 상기 제1 기준점을 중심으로 하는 제1 정렬영상을 추출하며, 상기 제2 소스영상에서 상기 제2 기준점을 상기 제1 기준점과 상기 제3 기준점을 잇는 선 상으로 상기 오프셋 만큼 이동 시킨 수정 기준점을 중심으로 하는 제2 정렬영상을 추출하고, 상기 제3 소스영상에서 상기 제3 기준점을 중심으로 하는 제3 정렬영상을 추출하는 단계; 및 상기 제1 정렬영상, 제2 정렬영상 및 제3 정렬영상을 상기 제1 기준점과 상기 수정 기준점과 상기 제3 기준점을 잇는 선인 정렬선이 일치하도록 순서대로 일렬로 정렬하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1 정렬영상, 상기 제2 정렬영상 및 상기 제3 정렬영상의 사이즈는 상호 동일할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 제1 기준점은 상기 제1 소스영상에 나타나는 고관절의 중심점이고, 상기 제2 기준점은 상기 제2 소스영상에 나타나는 무릎관절의 중간점이며, 상기 제3 기준점은 상기 제3 소스영상에 나타나는 발목관절의 중간점일 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,

하나의 좌표면을 형성하는 그리드 상에서 하지의 고관절, 무릎관절 및 발목관절 부분을 각각 촬영한 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상을 생성하는 엑스레이 촬영 장치; 및

상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상에서 하지 정렬을 위한 제1 기준점, 제2 기준점 및 제3 기준점의 위치를 결정하고, 상기 제1 기준점과 상기 제3 기준점의 상기 좌표면 상에서의 좌표값을 기반으로, 상기 제1 기준점과 상기 제3 기준점을 잇는 정렬선과 상기 제2 기준점 사이의 거리에 해당하는 오프셋을 연산하는 영상 처리부;

를 포함하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 시스템을 제공한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 영상 처리부는, 상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상 각각에 나타나는 인체 구조 및 그리드의 변형을 보상하도록 영상을 수정하고, 상기 그리드 상에서 상기 제1내지 제3 소스영상을 정렬하기 위한 기준 그리드선을 결정하며, 상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상을 상기 기준 그리드선이 서로 일직선으로 배치되게 일렬로 정렬할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 영상 처리부는, 상기 제1 소스영상에서 상기 제1 기준점을 중심으로 하는 제1 정렬영상을 추출하며, 상기 제2 소스영상에서 상기 제2 기준점을 상기 오프셋 만큼 상기 정렬선 상으로 이동 시킨 점을 중심으로 하는 제2 정렬영상을 추출하고, 상기 제3 소스영상에서 상기 제3 기준점을 중심으로 하는 제3 정렬영상을 추출하며, 상기 정렬선을 따라 상기 제1내지 제3 정렬영상을 일렬로 정렬할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 영상 처리부는, 사전 학습된 인공 지능 네트워크를 이용하여 상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상에서 상기 제1 기준점, 제2 기준점 및 제3 기준점을 각각 추출할 수 있다.

상기 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 정보 획득 방법 및 시스템에 따르면, 하나의 좌표면을 나타내는 그리드를 활용하여 하지의 부분영상을 획득하고 이를 적절하게 처리함으로써 하지의 변형 정도에 해당하는 오프셋을 정확히 계산하여 휘어진 하지의 정렬 영상을 획득할 수 있다. 이에 따라,상기 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 정보 획득 방법 및 시스템에 따르면, 정밀한 근위경골절골술(high tibial osteotomy) 등을 포함한 교정수술(corrective osteotomy)의 실시가 가능하여 그 성공율을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 용이하게 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 다음의 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 시스템을 도시한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 시스템의 영상 처리부를 더욱 상세하게 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법의 흐름도이다.
도 4 내지 도 8은 도 3의 각 단계에서 적용되는 그리드 및 영상의 예를 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예에 따른 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법 및 시스템을 상세하게 설명한다.

이하에서 설명되는 실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법을 구현하기 위한 시스템에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 시스템을 도시한 블록 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 시스템의 영상 처리부를 더욱 상세하게 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법은 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같은 시스템에 의해 구현될 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 시스템은, 하지의 개별 부분을 엑스레이 촬영하여 복수의 소스영상을 생성하는 엑스레이 촬영 장치(10)와, 엑스레이 촬영 장치에서 생성된 복수의 소스영상을 이용하여 하지의 정렬 영상을 생성하는 영상 처리부(20)를 포함할 수 있다.

엑스레이 촬영 장치(10)는 당 기술분야에 사용되고 있는 다양한 엑스레이 촬영 장치가 적용될 수 있으며, 특히 누워 있는 상태의 인체의 하지를 엑스레이 촬영하되 하지 전체를 하나의 좌표면을 형성하는 그리드 상에 위치시키고 하지의 주요 관절 부분에 대한 엑스레이 영상을 획득할 수 있는 C-arm 엑스레이 촬영 장치일 수 있다.

더욱 구체적으로, 엑스레이 촬영 장치(10)는 하나의 좌표면을 형성하는 그리드 상에서 하지의 고관절, 무릎관절 및 발목관절 부분을 각각 촬영한 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상을 생성할 수 있다.

엑스레이 촬영 장치(10)에 의해 생성된 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상은 영상 처리부(20)에 제공되고, 영상 처리부(20)는 입력 받은 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상에 대한 영상 처리를 통해 하지의 정렬 영상을 생성할 수 있다.

영상 처리부(20)는, 입력 받은 소스영상들에 대한 처리 알고리즘을 수행하여 원하는 형태의 하지 정렬 영상을 획득하는 일종의 컴퓨팅 시스템으로, 사전 설정된 알고리즘을 수행하는 프로세서와 영상 처리 알고리즘 및 영상 처리 과정에서 필요한 정보를 저장하기 위한 저장부를 포함하는 컴퓨팅 시스템일 수 있다.

도 2를 참조하면, 영상 처리부(20)는, 왜곡 보정부(21), 기준점 추출부(22), 정렬영상 생성부(23)를 포함하여 구성될 수 있다.

왜곡 보정부(21)는 엑스레이 촬영 장치(10)에서 생성된 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상을 입력 받고, 각각의 소스영상에 내 발생한 왜곡을 보정하는 요소이다.

입력 받는 각각의 소스영상은 엑스레이 촬영 장치(10)의 설정 상태에 따라 촬영된 인체 부위 및 그리드선의 형태가 변형되는 등 왜곡을 포함할 수 있다. 왜곡 보정부(21)는 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상 각각에 나타나는 인체 부위와 본 발명에서 사용하는 그리드의 왜곡을 보정하고, 기울어져 있을 수 있는 각각의 소스영상을 바르게 재배치하도록 영상을 수정할 수 있다. 왜곡 보정부(21)에 의해 수행되는 왜곡 보정은 영상 처리 분야에 공지된 다양한 영상 보정 알고리즘을 통해 구현될 수 있다.

기준점 추출부(22)는 하지의 정렬영상을 생성하는데 참조되는 기준 그리드선을 결정하고, 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상 각각에서 하지 정렬에 필요한 기준점을 추출할 수 있다.

또한, 기준점 추출부(22)는 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상 각각에서 하지 정렬에 필요한 기준점을 추출하고 좌표면을 나타내는 그리드를 참조하여 그 위치(좌표)를 결정할 수 있다.

예를 들어, 기준점 추출부(22)는 제1 소스영상에서 고관절의 중심점에 해당하는 제1 기준점을 추출할 수 있고, 제2 소스영상에서 무릎관절의 중간 지점에 해당하는 제2 기준점을 추출할 수 있으며, 제3 소스영상에서 발목관절의 중간 지점에 해당하는 제3 기준점을 추출할 수 있다.

기준점 추출부(22)가 소스 영상들 내에서 하지 관절의 뼈 중심점 또는 중간점을 추출하는 기법은, 엑스레이 영상에 대한 영상처리 기술 및 사전에 많은 학습 데이터를 이용한 기계 학습을 수행한 인공 지능 네트워크를 통해 이뤄질 수 있다. 즉, 투시된 인체 구조가 중첩되어 보여지는 엑스레이 영상은 경계면과 선이 불명확하고, 흑백계열로 구성되어 색상의 차이를 구분하기가 어려워 영상 필터링 기법을 적용하고, 이후 추출하고자 하는 지점에 가장 근접한 계수들을 분석하여 구현할 수 있다, 또한, 영상에서 특정 지점을 추출하도록 마련된 인공 지능 네트워크에 사전 마련된 다량의 학습 데이터를 입력하여 기계 학습시키고 그에 대한 검증을 수행한 이후 이를 적용하여 기준점 추출부(22)를 구현할 수 있다.

또한, 기준점 추출부(22)는 하지 정렬영상을 생성하는데 참조되는 기준 그리드선을 결정할 수 있다. 기준 그리드선은 하지에 대한 엑스레이 촬영시 사용된 좌표면을 형성하는 그리드 중 각 소스 영상에서 공통으로 나타나는 그리드선 중 하나가 선택될 수 있으며, 바람직하게는 각 소스영상들의 기준점에 가장 가까운 그리드 선으로 결정될 수 있다.

또한, 기준점 추출부(22)는 추출된 기준점들에 대해 좌표면을 형성하는 그리드를 참조하여 그 좌표값을 결정할 수 있다. 기준점 추출부(22)는 이 기준점을 이용하여 제1 기준점과 제3 기준점을 잇는 직선과 제2 기준점 사이의 거리에 해당하는 오프셋을 연산할 수 있다. 오프셋을 연산하는 구체적인 기법에 대해서는 후술하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법의 실시예에 대한 설명에서 더욱 상세하게 설명하기로 한다.

정렬영상 생성부(23)는 결정된 기준 그리드선이 일치하도록 일렬로 제1 내지 제3 소스영상을 배열한 영상을 생성할 수 있다.

또한, 정렬영상 생성부(23)는, 기준점 추출부(22)에서 연산된 오프셋을 기반으로 제2 기준점을 지나는 직선이 제1 기준점과 제3 기준점을 잇는 직선과 직교하는 점인 수정 기준점을 생성하고, 제1 기준점, 제3 기준점 및 수정 기준점을 지나는 정렬선을 표시한 정렬 영상을 생성할 수 있다.

정렬영상 생성부(23)는, 제1 소스영상에서 제1 기준점을 중심으로 하는 제1 정렬영상을 추출하고, 제2 소스영상에서 수정 기준점을 중심으로 하는 제2 소스영상을 추출하며, 제3 소스영상에서 제3 기준점을 중심으로 하는 제3 정렬영상을 추출할 수 있다.

이어, 정렬영상 생성부(23)는 추출된 제1 내지 제3 정렬영상을 정렬선이 일치하도록 일렬로 정렬하여 하지의 최종적인 정렬 영상을 획득할 수 있다. 이 때, 제1 내지 제3 정렬영상의 크기는 제1 내지 제3 소스영상보다 같거나 작은 범위이며, 각각 제1 기준점, 수정 기준점 및 제3 기준점을 중심으로 가능한 최대 길이의 동일한 지름값을 가질 수 있다. 여기서, 영상의 크기가 같다, 작다 혹은 작은 범위라는 것은, 영상 파일의 크기를 비교한 것이 아니라 표시되는 영상 영역의 크기를 비교한 것이다.

전술한 것과 같은 시스템에 의해 구현되는 본 발명의 실시예에 따른 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법을 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법의 흐름도이고, 도 4 내지 도 8은 도 3의 각 단계에서 적용되는 그리드 및 영상의예를 도시한 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법은, 그리드 상에 인체의 하지를 배치하고 하지의 주요 관절 부분에 해당하는 고관절, 무릎관절 및 발목관절 부분을 각각 개별적으로 엑스레이 촬영한 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상을 획득하는 단계(S11)로부터 시작될 수 있다.

도 4는 인체의 하지가 배치되는 그리드의 일례를 도시한 것이며, 도 5는 그리드와 함께 촬영된 하지 전체의 엑스레이 영상을 도시한 것이며, 도 6은 소스영상의 예를 도시한 것이다.

하지의 엑스레이 촬영을 위해 인체가 누운 상태로 배치되는 베드 상에는 도 4에 도시된 것과 같은 좌표면을 형성하는 그리드가 형성될 수 있으며, 이러한 그리드 상에 누운 상태의 인체가 배치되면 C-arm 엑스레이 장비가 이동하면서 하지의 주요 관절에 해당하는 위치를 각각 엑스레이 촬영할 수 있다.

도 4에 도시된 것과 같이 그리드의 가로선 및 세로선이 일정 간격으로 배치되어 좌표면을 형성할 수 있으며, 그리드 상의 각 점에 대해서는 좌표값이 부여될 수 있다.

도 5는 도 4에 도시된 그리드 상에서 하지 전체가 촬영된 경우의 예를 도시한 것으로, 촬영된 엑스레이 영상의 각 부분에 대해서 좌표값이 부여될 수 있으며, 그에 따라 각 점간 거리나 직선이 이루는 각도 등이 도출될 수 있다.

한편, 실제 C-arm 엑스레이 장비(10)에 의해 촬영되는 부분은 도 5의 R1, R2, R3로 표시된 영역이 된다. 즉, 도 5에서 R1, R2, R3로 표시된 영역을 촬영한 영상이 도 6에 도시된 것과 같은 소스 영상이 된다. 본 발명의 실시예는 이러한 개별 소스영상을 적절하게 처리하여 하지 전체를 촬영한 것과 같이 정렬된 영상을 생성하는 것이다.

엑스레이 촬영 장비(10)에 의해 제1 소스영상(R1), 제2 소스영상(R2) 및 제3 소스영상(R3)이 획득된 후(S11) 영상 처리부(20)로 전달되면, 왜곡 보정부(21)가 제1 내지 제3 소스영상(R1-R3)에 존재하는 왜곡을 보정할 수 있다(S12).

단계(S12)에서, 왜곡 보정부(21)는 제1 내지 제3 소스영상(R1-R3) 각각에 나타나는 인체 부위와 그리드의 변형(왜곡)을 보정하고 기울어짐을 적절히 재배치하도록 영상을 수정할 수 있다.

이어, 단계(S13)에서, 기준점 추출부(22)는 제1 소스영상(R1), 제2 소스영상(R1) 및 제3 소스영상(R1) 각각에서 하지 정렬에 필요한 기준점(A, B, C)을 추출하고 좌표면을 나타내는 그리드를 참조하여 그 좌표를 결정할 수 있다(S13).

단계(S13)에서, 기준점 추출부(22)는 제1 소스영상(R1)에서 고관절의 중심점에 해당하는 제1 기준점(A)을 추출할 수 있고, 제2 소스영상(R2)에서 무릎관절의 중간점에 해당하는 제2 기준점(C)을 추출할 수 있으며, 제3 소스영상(R3)에서 발목관절의 중간점에 해당하는 제3 기준점(B)을 추출할 수 있다.

전술한 바와 같이, 기준점 추출부(22)가 소스 영상들 내에서 하지 관절의 뼈 중심점을 추출하는 기법은, 엑스레이 영상에 대한 영상처리 기술 및 사전에 많은 학습 데이터를 이용한 기계 학습을 수행한 인공 지능 네트워크를 통해 이뤄질 수 있다.

또한, 단계(S13)에서, 기준점 추출부(22)는 추출된 기준점들(A, B, C)에 대해 좌표면을 형성하는 그리드를 참조하여 그 좌표값을 결정할 수 있다.

또한, 단계(S13)에서, 기준점 추출부(22)는 하지 정렬 영상을 생성하는데 참조되는 기준 그리드선(L*)을 결정할 수 있다. 단계(S13)에서 결정되는 기준 그리드선은 하지에 대한 엑스레이 촬영시 사용된 좌표면을 형성하는 그리드 중 각 소스 영상에서 공통으로 나타나는 그리드선 중 하나가 선택될 수 있으며, 바람직하게는 각 소스영상들의 기준점에 가장 가까운 그리드 선으로 결정될 수 있다.

이어, 기준점 추출부(22)는, 제1 기준점(A)과 제3 기준점(B)을 잇는 직선과 제2 기준점(C) 사이의 거리에 해당하는 오프셋(O)을 연산할 수 있다(S14). 여기서, 오프셋(O)은 고관절의 중심점과 발목관절의 중간점을 잇는 직선에 해당하는 곧게 정렬된 하지의 무릎관절 중간점과 실제 엑스레이 촬영된 하지의 무릎관절 중간 지점 사이의 거리에 해당하는 것으로, 하지 전체의 변형 정도를 판단할 수 있는 수치적 표현이 될 수 있다.

단계(S14)에서 오프셋(O)은 다양한 방식으로 도출될 수 있다.

예를 들어, 그리드에 의한 좌표 상에서 기준점(A, B, C)의 좌표를 알 수 있으므로, 그리드의 가로축을 x축으로 하고 그리드의 세로축을 y축으로 하는 좌표 평면에서 기준점(A)와 기준점(B)를 지나는 직선의 방정식과 기준점(C)의 좌표 사이의 거리를 연산하여 오프셋(O)을 연산할 수 있다. 또한, 기준점(C)에서 기준점(A)와 기준점(B)를 지나는 직선에 내린 교선이 교차하는 점인 수정 기준점(C')의 좌표도 연산할 수 있다.

뿐만 아니라, 기준점(A, B, C)에 의해 형성된 삼각형의 각 변의 길이(기준점 사이의 거리), 기준점(A, B, C)에 의해 형성된 삼각형의 각 내각의 크기 등도 쉽게 도출이 가능하므로, 도출된 좌표, 직선, 도형 등 다양한 정보를 이용하여 오프셋(O)이 연산 가능하고 기준점(C)를 지나는 직선과 정렬선(L_a)이 직교하는 점(C')의 좌표도 쉽게 구할 수 있다.

이어, 단계(S15)에서, 정렬영상 생성부(23)는 결정된 기준 그리드선(L*)의 방향에 따라 제1 내지 제3 소스영상(R1-R3)을 정렬하여 각 소스영상(R1-R3)이 하지 방향으로 일렬 배치되게 할 수 있다. 단계(S15)에서, 기준 그리드선(L*)을 따라 일렬로 정렬된 제1 내지 제3 소스영상(R1-R3)의 예가 도 7에 도시된다. 도 7에 나타난 것과 같이, 단계(S15)에서 각 소스영상들(R1-R3)은 기준 그리드선(L*)이 서로 일직선으로 일치하도록 배치되게 하여 그 순서대로 정렬될 수 있다.

이어, 단계(S16)에서, 정렬영상 생성부(23)는 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 소스영상(R1)에서 제1 기준점(A)을 중심으로 하는 제1 정렬영상(S1)을 추출하고, 제3 소스영상(R3)에서 제3 기준점(B)을 중심으로 하는 제3 정렬영상(S3)을 추출할 수 있다. 또한, 정렬영상 생성부(23)는 단계(S15)에서 연산한 오프셋 만큼 제2 기준점(C)을 정렬선 상으로 이동시킨 점인 수정 기준점(C')을 중심으로 하는 제2 정렬영상(S2)을 추출할 수 있다.

단계(S16)에서, 정렬영상 생성부(23)는 추출된 제1 내지 제3 정렬영상을 정렬선(L_a)을 따라 일렬로 정렬하여 하지의 정렬 영상을 획득할 수 있다. 여기서 정렬선(L_a)은 제1 기준점, 수정 기준점 및 제3 기준점을 지나는 직선으로 각 정렬영상의 중심을 지나는 직선이 될 수 있다.

단계(S16)에서, 정렬영상 생성부(23)는, 제1 내지 제3 정렬영상(S1-S3)의 그 크기가 서로 동일하게 생성할 수 있고, 소스영상(R1-R3)보다 같거나 작으며, 제1 기준점(A), 수정 기준점(C') 및 제3 기준점(B)을 중심으로 하는 최대한 길게 형성된 동일한 지름값을 가질 수 있다. 제1 내지 제3 정렬영상(S1-S3) 내에 정렬선(L_a), 기준점 및 수정 기준점을 표시하여 제2 정렬영상(S2) 내에 정렬선(L_a)과 제2 기준점(C) 사이의 거리를 시각적으로 표시하여 교정이 필요한 정도를 쉽게 인식하게 할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 여러 실시예에 따른 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법 및 시스템은, 하나의 좌표면을 나타내는 그리드를 활용하여 하지의 부분영상을 획득하고 이를 적절하게 처리함으로써 하지의 변형 정도에 해당하는 오프셋을 정확히 계산하여 휘어진 하지의 정렬 영상을 획득할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 여러 실시예에 따른 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법 및 시스템은 인체의 하지 휘어짐(변형)을 교정하기 위한 근위경골절골술(high tibial osteotomy) 등을 포함한 교정수술(corrective osteotomy)을 실시하는 데 큰 도움을 줄 수 있다.

10: 엑스레이 촬영 장치 20: 영상 처리부
21: 왜곡 보정부 22: 기준점 추출부
23: 정렬영상 생성부

Claims

하나의 좌표면을 형성하는 그리드 상에서 고관절, 무릎관절 및 발목관절 부분을 각각 촬영한 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상을 획득하는 단계;
상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상에서 하지 정렬을 위한 제1 기준점, 제2 기준점 및 제3 기준점의 위치를 결정하는 단계;
상기 제1 기준점과 상기 제3 기준점의 상기 좌표면 상에서의 좌표값을 기반으로, 상기 제1 기준점과 상기 제3 기준점을 잇는 선과 상기 제2 기준점 사이의 거리에 해당하는 오프셋을 연산하는 단계; 및
상기 제2 소스영상에서 상기 제2 기준점을 상기 제1 기준점과 상기 제3 기준점을 잇는 선 상으로 상기 오프셋만큼 이동시킨 수정 기준점을 중심으로 하는 제2 정렬영상을 추출하는 단계;
를 포함하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 그리드 상에서 상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상에 대한 기준 그리드선을 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 소스영상에서 상기 제1 기준점을 중심으로 하는 제1 정렬영상을 추출하며, 상기 제3 소스영상에서 상기 제3 기준점을 중심으로 하는 제3 정렬영상을 추출하는 단계; 및 상기 제1 정렬영상, 제2 정렬영상 및 제3 정렬영상을 상기 제1 기준점과 상기 수정 기준점과 상기 제3 기준점을 잇는 선인 정렬선이 일치하도록 순서대로 일렬로 정렬하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 제1 정렬영상, 상기 제2 정렬영상 및 상기 제3 정렬영상의 사이즈는 상호 동일한 것을 특징으로 하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 기준점은 상기 제1 소스영상에 나타나는 고관절의 중심점이고, 상기 제2 기준점은 상기 제2 소스영상에 나타나는 무릎관절의 중간점이며, 상기 제3 기준점은 상기 제3 소스영상에 나타나는 발목관절의 중간점인 것을 특징으로 하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법.
하나의 좌표면을 형성하는 그리드 상에서 하지의 고관절, 무릎관절 및 발목관절 부분을 각각 촬영한 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상에서 하지 정렬을 위한 제1 기준점, 제2 기준점 및 제3 기준점의 위치를 결정하고, 상기 제1 기준점과 상기 제3 기준점의 상기 좌표면 상에서의 좌표값을 기반으로, 상기 제1 기준점과 상기 제3 기준점을 잇는 선과 상기 제2 기준점 사이의 거리에 해당하는 오프셋을 연산하고, 상기 제2 소스영상에서 상기 제2 기준점을 상기 오프셋만큼 상기 제1 기준점과 상기 제3 기준점을 잇는 선 상으로 이동시킨 수정 기준점을 중심으로 하는 제2 정렬영상을 추출하는 영상 처리부;
를 포함하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 영상 처리부는,
상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상 각각에 영상 왜곡으로 나타나는 인체부위 및 그리드의 변형을 보정하도록 영상을 수정하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 영상 처리부는,
상기 그리드 상에서 상기 제1 내지 제3 소스영상에 대한 기준 그리드선을 결정하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 영상 처리부는,
상기 제1 소스영상에서 상기 제1 기준점을 중심으로 하는 제1 정렬영상을 추출하며, 상기 제3 소스영상에서 상기 제3 기준점을 중심으로 하는 제3 정렬영상을 추출하며, 상기 제1 기준점, 상기 수정 기준점 및 상기 제3 기준점을 잇는 정렬선이 일치하도록 순서대로 상기 제1 정렬영상, 제2 정렬영상 및 제3 정렬영상을 일렬로 정렬하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 시스템.
청구항 9에 있어서,
상기 제1 정렬영상, 상기 제2 정렬영상 및 상기 제3 정렬영상의 사이즈는 동일하고, 상기 제1 소스영상, 상기 제2 소스영상 및 제3 소스영상보다 같거나 작으며, 각각 제1 기준점, 수정 기준점 및 제3 기준점을 중심으로 가능한 최대 길이의 동일한 지름값을 갖는 것을 특징으로 하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 제1 기준점은 상기 제1 소스영상에 나타나는 고관절의 중심점이고, 상기 제2 기준점은 상기 제2 소스영상에 나타나는 무릎관절의 중간점이며, 상기 제3 기준점은 상기 제3 소스영상에 나타나는 발목관절의 중간점인 것을 특징으로 하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 영상 처리부는,
사전 학습된 인공 지능 네트워크를 이용하여 상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상에서 상기 제1 기준점, 제2 기준점 및 제3 기준점을 각각 추출하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상 각각에 영상 왜곡으로 나타나는 인체부위 및 그리드의 변형을 보정하도록 영상을 수정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상을 상기 기준 그리드선이 서로 일치하도록 순서대로 일렬로 정렬하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 방법.
청구항 8에 있어서, 상기 영상 처리부는,
상기 제1 소스영상, 제2 소스영상 및 제3 소스영상을 상기 기준 그리드선이 일치하도록 순서대로 일렬로 정렬하는 것을 특징으로 하는 엑스레이 부분 영상을 이용한 하지 정렬 영상 획득 시스템.