KR20000052875A - 기준 이미지와 ｘ-레이 이미지와의 정합용 장치 - Google Patents

기준 이미지와 ｘ-레이 이미지와의 정합용 장치 Download PDF

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칼렌드앙드레엠.
그린베르거조엘
시모가카룬비.
아다나시오우차라람보스엔.
가나데다케오
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유니버시티 오브 피츠버그 오브 더 코몬웰츠 시스템 오브 하이어 에듀케이션
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Abstract

방사선요법 포털 이미지와 시뮬레이션 이미지와 같은 X-레이 이미지(53)는, 비교용으로 디스플레이될 수 있는 디지털화된 정합 신호를 생성하기위해 이미지를 디지털화하고 디지털화된 신호를 자동적으로 처리하는 장치에 의해 정합된다. 디지털화된 이미지는, 환자위에 위치한 X-레이 불투명 기점의 검출 그리고 식별(120)을 통해, 또는 2개의 이미지로부터 상호작용하여 선택된 시드점(110)으로부터 생성된 변환을 사용하여 먼저 대략 정렬이 이루어진다. 이후 2개 이미지(150)의 영역을 우선 교차시키고 상기 영역(154)을 향상시킴으로써 미세 정렬(35)은 수행된다. 두번째로, 연속적인 향상 레벨의 해상도에서 상기 영역내의 로버스트 이동흐름을 사용하여 갱신된 변환이 발생한다(160). 이후 갱신된 변환은 비교를 위해 디스플레이되는 이미지(167)를 정렬하는데 사용된다. 방사선요법 장비(140)를 제어하기위해 갱신된 변환이 또한 사용될 수 있다.

Description

기준 이미지와 Ｘ-레이 이미지와의 정합용 장치{APPARATUS FOR MATCHING X-RAY IMAGES WITH REFERENCE IMAGES}
응용 의학에는 X-레이 이미지의 정합이 필요하다. 예를 들어, 컴퓨터 제어 방사선요법에서, 종양을 둘러싸는 건강한 조직이 최소한 노출되면서 종양에 대한 방사선치료를 최대화하기위해 고 에너지 방사의 치료광선이 다수의 방향으로부터 종양으로 향해진다. 이러한 방사선요법 치료는 특히 시뮬레이션 위상, 및 실제 치료 위상인 2개의 특별한 위상을 갖는다. 시뮬레이션 위상에서, 고 에너지 방사선이 발생하지 않는 장비를 제외하고 환자는 치료 장비와 유사한 장비위에 위치하게 된다. 종양 치료 전문가에 의해 상기 설명되는 치료광선의 시퀀스 전달을 시뮬레이션하기위해 시뮬레이션 장비는 연속적으로 위치된다. 따라서 요구되는 치료광선을 전달하도록 그리고 장비와 환자사이에서 또는 장비의 이동성 구성요소사이에서 충돌없이 한개의 치료광선으로부터 그다음 치료광선으로 이동하도록 장비는 위치될 수 있다. 이러한 프로시저 동안, 시뮬레이션 이미지라 불리는 저 조사량 X-레이 이미지가 이용된다. (킬로전자 볼트범위에서) 사용되는 엑스레인선의 저 에너지 때문에 일반적으로 좋은 대조 및 세부를 갖는 상기 시뮬레이션 이미지로 인해 종양치료 전문가는 종양의 위치를 지정할 수 있고 이에따라 연속적인 치료광선을 전달하기위해 장비 구성요소의 위치를 확립한다.
실제 치료위상동안, 환자를 치료하기위해 전형적으로 메가전자볼트 범위의 정규 조사량 X-레이 방사선이 사용되기전에 시뮬레이션에서와 같이 환자는 장비위에서 정확히 동일한 위치에 배치된다. 상기 위상동안, 또다른 X-레이 이미지가 취해지고, 포털 이미지라 불린다.
치료의 완료후, 시뮬레이션 이미지와 포털 이미지는 시뮬레이션 이미지에서 식별된 바와같은 종양이 포털 이미지에서 방사선으로 적절히 치료되었는지를 결정하기위해 전문가에 의해 비교된다. 치료가 완전하지 않다면, 환자는 정정 치료를 받게된다.
현재 허용되는 치료프로시저에는 포털 이미지와 시뮬레이션 이미지와의 수동 비교가 포함된다. 상이한 장비에서 그리고 상이한 방사선 노출 정도로 2개의 X-레이가 흔히 이용된다는 사실에서 볼 때 정밀한 수동 비교가 매우 요구된다. 후자의 경우는 종양 영역이 흔히 포털 X-레이에서 보이지 않는다는 것을 의미하며, 따라서 포털 이미지를 시뮬레이션 이미지와 정합하는 것은 선명하게 보이지 않을 해부용 표시 차원인 수동 평가에 의존해야 한다.
종래에, 포털 이미지는 개발될 필요가 있는 X-레이 필름을 사용하여 생성되었다. 오직 한개 또는 몇개의 치료광선만이 이용된다는 것은 심각한 단점이 아니다. 그러나, 상기 X-레이 필름은 다수의 치료광선이 사용되는 컴퓨터 제어 방사선요법에서 상당한 제한요소이다. 전자 디스플레이 디바이스에 디스플레이될 수 있는 디지털화된 이미지를 생성하는 전자 포털 이미저가 개발되었다. 불행히도, 전자적으로 생성된 포털 이미지의 대조와 선명도에서도 같은 문제가 존재한다.
포털 이미지를 시뮬레이션 이미지와 정합시키는 문제에는 스큐, 스케일링 차이, 회전, 번역 및 차이로 인한 정위의 차이를 상기 이미지가 갖는다는 점이 있다.
정위 방사선학에서, 상기 2개의 프레임에 나타나는 공지된 고정 차원의 스틸 프레임으로부터 얻어진 스케일링을 가함으로써 디지털화된 컴퓨터 토모그래피 X-레이 이미지 및 자기 공명 이미지(MRI)가 자동적으로 정합되었다. 이러한 공지된 차원의 고정 표시는 종래의 방사선요법 이미지에서 이용할 수 없다.
따라서, 방사선요법에서 시뮬레이션 이미지를 X-레이 이미지와 자동적으로 정합시키고 특히 포털 이미지를 시뮬레이션 이미지와 정합시키는 장치가 필요하다.
다중 치료광선을 위한 시뮬레이션 이미지와 포털 이미지를 정합시킬 수 있는 이러한 장치가 필요하다.
스큐, 회전, 스케일링, 만곡, 또는 원근으로 인한 매우 상이한 대조, 선명도, 및 차이를 갖는 시뮬레이션 이미지와 포털 이미지를 정합시킬 수 있는 장치가 또한 필요하다.
컴퓨터 제어 방사선요법동안 환자의 정렬을 얻고 유지하며 또는 정렬이 허용가능하지 않다면 방사를 종료시키는 장치가 또한 필요하다.
발명의 개요
이러한 요구는, X-레이 이미지와 기준 이미지를 자동적으로 정합시키며, 방사선요법 치료가 적절한 것이었는지를 결정하기위해 또는 방사선요법 치료의 동작을 제어하도록 연속 포털 이미지를 정합시키기 위해, 특히 포털 이미지와 시뮬레이션 이미지를 정합시키는 장치에 대한 본 발명에 의해 해결된다. 이미지를 정합하는데 있어서, 디지털화 수단은 제 1 세트의 디지털 이미지 신호 즉 포털 이미지인 경우 디지털 포털 이미지 신호(DPIS)를 생성하기위해 포털 이미지와 같은 X-레이 이미지를 디지털화한다. 디지털화 수단은 또한 제 2 디지털 이미지 신호 즉 디지털 시뮬레이션 신호(DSIS)를 생성하기위해 시뮬레이션 이미지와 같은 기준 이미지를 디지털화한다. 처리 수단은 이러한 디지털 이미지를 처리하여 정합된 디지털 이미지 신호를 생성한다. 상기 처리는 이미지에서 어떠한 특징의 물리적 차원의 종래 지식없이 수행된다. 출력 수단은 예를 들어 정합된 디지털 이미지 신호로부터 디스플레이를 생성하며 그리고/또는 치료/진단 장비를 제어한다.
처리 수단은 우선 디지털 포털 이미지와 디지털 시뮬레이션 이미지 신호사이의 대략 정렬에 영향을 주는 대략 정렬 수단을 포함한다. DPIS로 표시되는 포털 이미지 그리고 DSIS로 표시되는 시뮬레이션 이미지내의 시드점을 선택함으로써 대략 정렬은 시작된다. 2개 이미지의 디스플레이위에 상응하는 점이 무엇인가를 선택하기위해 마우스와 같은 포인팅 디바이스를 사용하여, 또는 자동적으로 환자위에 배치된 X-레이 불투명 기점을 사용함으로써 시드점 선택은 상호작용식으로 행해질 수 있다. 어느 경우에서든지, 2개의 이미지사이의 변환을 계산하기위해 시드점이 사용된다. 이후 한 이미지에 있는 점을 다른 쪽 이미지의 좌표로 변환하기위해 디지털 이미지 신호 세트중 한개에 상기 변환을 적용하며, 이에따라 대략 정렬된 DPIS와 DSIS가 발생하는 수단이 사용된다.
대략 정렬 이후에, 미세 정렬이 수행된다. 상기 미세 정렬을 행하는데 있어서, 우선 교차하거나 중첩하는 이미지의 영역을 위해, 그리고 이미지의 교차영역내에서 직각과 같이 일반적인 형태의 영역을 위해 선택된 DPIS와 DSIS를 선택함으로써 대략 정렬된 DPIS와 DSIS가 준비된다. 이후 이러한 영역을 위한 디지털 이미지 신호는 향상되어 유사한 동적 범위와 픽셀 명암도를 갖는 준비된 이미지가 발생한다. 미세 정렬 수단은, 정합된 DPIS와 DSIS를 생성하기위해, 준비된 DPIS와 DSIS로부터 갱신된 변환을 생성하는 수단, 및 대략 DPIS와 DSIS 또는 준비된 DPIS와 DSIS에 갱신된 변환을 적용하는 수단을 포함한다.
갱신된 변환을 생성하는 수단은 준비된 DPIS와 DSIS로부터 이동흐름 성분을 생성하는 수단, 및 이동흐름 성분으로부터 갱신된 변환을 계산하는 계산 수단을 포함한다. 바람직하게, 이동흐름 성분을 생성하는 수단은 이동흐름 변화도 구성요소를 생성하고 계산 수단은 갱신된 변환을 계산하기위해 로버스트 최적화를 적용하는 수단을 포함한다. 갱신된 변환을 생성하는 수단은 갱신된 변환을 생성하기위해 준비된 DPIS와 DSIS의 연속적인 향상레벨의 해상도를 사용한다.
추적 모드에서, 연속 세트의 디지털 포털 이미지 신호사이의 움직임을 추적하기위해 갱신된 변환이 사용된다. 환자 움직임이 특정 한계를 초과한다면 방사를 종료시키기위해 추적이 사용될 수 있고, 또는 치료받을 영역이 적절한 정렬상태로 방사선을 유지하도록 환자 위치지정 어셈블리를 동작시키기위해 사용될 수 있다.
본 발명은, 또한 또다른 X-레이 이미지 또는 또다른 형태의 이미지일 수 있는 기준 이미지와 X-레이 이미지를 정합시키는데 사용될 수 있다.
본 발명은, 유사한 X-레이 이미지의 정합에 관한 것이며, 판단을 위해, 그리고/또는 치료 장비를 제어하기위해 원하는 타겟이 실질적으로 방사선치료를 받는 것을 측정하도록 시뮬레이션 기계에서 치료전에 생성된 시뮬레이션 이미지와 치료기계의 방사선요법 치료동안 생성된 포털 이미지를 온라인상에서 자동적으로 정합시키는 컴퓨터로 제어되는 방사선요법 장치에 특별히 응용된다.
본 발명을 전체 이해하는 것은 다음에 따르는 바람직한 실시예의 상세한 설명과 첨부된 도면으로 가능하다.
도 1은 본 발명을 실현하는 장치의 개략적인 도이다.
도 2a는 본 발명이 적용될 수 있는 시뮬레이션 이미지의 간략한 도이다.
도 2b는 본 발명이 적용될 수 있는 포털 이미지의 간략한 도이다.
도 2c는 본 발명을 이용하는 도 2a와 도 2b의 시뮬레이션 이미지와 포털 이미지를 중첩하는 디스플레이의 간략한 도이다.
도 3 내지 도 11은 도 1 장치에서 본 발명을 실현하는데 이용되는 소프트웨어의 흐름도이다.
본 발명은 X-레이 이미지를 기준 이미지와 정합시키는 것이며 컴퓨터 제어 방사선요법에서 생성된 포털 이미지를 시뮬레이션 이미지와 정합하는데 적용될 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 예를 들어 진단에서 사용된 것과 같이 다른 X-레이 이미지를 정합하는 데 있어서 응용 폭이 넓다는 것을 이해할 것이다. 명백하듯이, 본 발명은 또한 방사선의 게이팅 또는 환자의 위지지정을 제어하기위한 것과 같은 연속 포털 이미지로 움직임을 추적하는 응용을 갖는다.
도 1에서, 치료받을 환자(3)내부의 종양과 같은 영역의 위치를 결정하기위해 그리고 치료광선의 시퀀스를 설정하기위해 시뮬레이션 설정(1)이 사용된다. 설정 장비는 기계 베이스(9)에 의해 지지되는 수평 피봇(7)에 대해 회전용으로 장착된 갠트리(5)를 포함한다. 킬로전자볼트 범위의 저 에너지인, X-레이 광선(1)은 갠트리(5)위에 장착된 콜리메이터(13)에 의해 피봇(7)의 연장을 통해 대각선으로 연장되는 경로를 향한다.
환자(3)는 지지대에 대하여 3차원 번역을 위해 지지대(19)위의 소파(17)를 포함하는 환자 위치지정 어셈블리(15)위에서 지지된다. 지지대(19)는 회전테이블(21)위에 장착된다. 소파(17)의 번역을 통해, 피봇(7)에 대한 갠트리(5)의 회전과 회전테이블(21)의 회전, 복수의 치료광선이 시뮬레이션될 수 있다. 시뮬레이션 장비(1)를 연속 광선을 생성하기위해 필요한 위치에 배열함으로써, 필요한 모든 광선이 얻어질 수 있는지 여부 그리고 장비와 환자사이 또는 장비의 구성요소들 사이의 충돌을 피하기위해 광선 사이의 장비의 움직임이 조절될 수 있는지 여부가 결정될 수 있다.
콜리메이터(13)로부터 환자(3)의 다른 쪽에 X-레이 필름(23)을 X-레이 선(11)과 정렬하여 배치함으로써 시뮬레이션 이미지를 생성하기위해 저 에너지 X-레이 선(11)이 사용된다. 피봇 축(7)의 투영과 광선(11)의 교차인 설정의 등선량중심점에서 종양과 같은 치료받을 환자의 영역을 위치지정하는데 상기 시뮬레이션 이미지가 사용된다.
시뮬레이션의 완료후에, 환자(3)는 치료 설정(1')으로 이송된다. 도시된 바와같이, X-레이 광선(11')이 메가전자볼트 범위내라는 것을 제외하고 치료 설정(1')은 시뮬레이션 설정(1)과 유사하다. 포털 이미지는 치료 설정(1')에 의해 생성된다. 상기 포털 이미지는 시뮬레이션 설정에서와 같이 X-레이 필름에 의해 캡쳐될 수 있다. 그러나, 전자 포털 이미저(25)가 사용되는 것이 바람직하다. 가능하다면, 시뮬레이션 설정(1)에서 X-레이 필름(23)대신에 전자 이미저가 또한 사용될 수 있다.
상기에서와 같이, 시뮬레이션 이미지 및 포털 이미지는 상당히 상이할 수 있다. 이렇게 상이한 주요 이유중 한가지는 광선(11 및 11')의 에너지 차이에 있다. 치료 조사량이 적절한 치료영역에 전달되었는지를 결정하기위해 시뮬레이션과 포털 이미지를 정합시키는 본 발명이 사용될 수 있다. 움직임이 적정 한계를 초과한다면 X-레이 광선(11')의 생성을 종료시키기위해, 또는 장비를 조정하여 적절한 정렬을 유지하기위해 치료받는동안 환자 움직임을 검출하는데 본 발명이 또한 사용될 수 있다.
이미지 정합 시스템(27)은, X-레이 필름(23)에서 발생된 것과 같은 시뮬레이션 이미지, 및 전자 포털 이미저(25)에 의해 생성된 것과 같은 포털 이미지를 디지털화하는 디지타이저(29)를 포함한다. 보다 일반적인 의미에서, 정합 시스템(27)은 포털 이미지와 같은 X-레이 이미지를 시뮬레이션 이미지와 같은 기준 이미지와 정합시킨다.
이미지 정합 시스템(27)은 미세 정렬(35)용 모듈이 뒤따르는 대략 정렬(33)용 모듈을 포함하는 프로세서(31)를 더 포함한다. 프로세서의 출력은 디스플레이 디바이스(37)에 나타나는 정합된 포털(X-레이) 및 시뮬레이션(기준) 이미지일 수 있다. 디스플레이 디바이스(37)와 관련된 것으로는 마우스 또는 트랙볼과 같은 포인팅 디바이스(43)와 키보드(41)를 포함할 수 있는 인터페이스 디바이스(39)가 있다.
본 발명이 포털 X-레이 이미지를 시뮬레이션 기준 이미지와 정합시키는 것을 도 2a 내지 도 2c는 도시한다. 도 2a는 시뮬레이션 설정(1)을 사용하여 생성된 시뮬레이션 이미지(45)를 나타낸다. 상기 이미지를 위해 사용되는 저 에너지 X-레이는 대조와 세부를 갖는 이미지를 발생시키며, 따라서 종양(51)뿐만 아니라 환자와 뼈 구조(49)의 윤곽이 도시된다. 도 2b에서는, 보다 높은 에너지 치료 광선을 갖는 포털 이미지가 균일하게 어두운 부분과 같은 치료 영역(55)을 도시한다. 광선(11')을 종양의 형태에 대체적으로 맞추기위해 치료 영역(55)의 불규칙한 모서리는 콜리메이터(13)에서 사용되는 리브에 의해 발생한다. 포털 이미지(55)의 나머지는 매우 적은 세부를 도시하며 뼈의 위치를 나타내지 않는다. 명백하듯이, 2개의 이미지(45및 53)는 서로에 대하여 번역될 수 있고, 상이하게 스케일링될 수 있으며, 스큐되고 (예를 들어 90도로) 회전할 수 있다. 또한 2개의 이미지는 투시적이며 만곡되어 상이할 수 있다.
대략 정렬 모듈(33)은 2개 이미지의 일반적인 정렬을 발생시키며, 이후 미세 정렬 모듈(35)은 로버스트 이동흐름을 사용하여 완벽한 이미지 정합을 빠르고도 정밀하게 행한다. 디스플레이 디바이스(37)는 상이한 방식으로 정합된 이미지를 표시한다. 일실시예에서, 디스플레이(37)는 약 6 내지 20Hz로, 보통 약 12Hz로, 2개의 이미지사이에서 교체되고, 도 2c에 도시된 바와같이, 관찰자는 합성 이미지(59)처럼 중첩된 이미지를 보게된다. 예에서 도시된 바와같이, 정합된 포털 이미지의 치료 영역(55')은 정합된 시뮬레이션 이미지내의 종양(51')과 중첩된다. (도시되지 않은) 디스플레이의 또다른 형태에서, 포털 이미지로부터의 치료 영역의 윤곽은 처리되는 시뮬레이션 이미지위로 투영되고, 따라서 타겟인 종양이 실제로 치료받는다면 보일 것이다.
대략 정렬을 수행하는데 있어서, 대략 변환이 디지털화된 X-레이 또는 포털 이미지 신호(DPIS)에 적용되어 디지털 기준 또는 시뮬레이션 이미지 신호(DSIS)의 좌표 시스템으로 변환된다. 명백하듯이, 상기 변환을 생성하는데 필요한 정보는, 상호작용하여 2개의 이미지에서 상응하는 점으로 보이는 것을 포인터 디바이스(43)를 사용하는, 또는 시뮬레이션 설정 및 치료 설정(도 1 참조)에서 환자위에 배치된 X-레이 불투명 기점(61)을 자동적으로 사용하는 조작자에 의해 선택함으로써 생성될 수 있다. 이렇게 생성된 점은 시드점이라 불린다. 포털 이미지 좌표로부터 시뮬레이션 좌표로의 대략 변환(H)은 수학식 1과 같다.
(x y)벡터는 시뮬레이션 이미지와 상응하는 포털 이미지에 있는 각 시드점의 중심의 행과 열 좌표를 나타낸다. 행렬에서 4개의 로트스큐스케일 성분은 이미지를 대략적으로 정렬하는데 필요한 전체 아핀 변환을 설명한다. 이 단계에서, 그 다음 단계가 상당히 작은 편향을 조절할 수 있기 때문에 시드점의 상호작용적 선택 또는 기점의 배치는 정밀할 필요가 없다.
대략 정렬의 결과를 사용하여, 포털 이미지는 시뮬레이션 이미지를 향해 휘게 된다. 이후, 2개 이미지의 중첩 영역은 컴퓨터로 향상되어 상응하는 명암도 레벨이 유사하게 된다. 마지막으로, 이동흐름, 또는 미세 스케일 변환이 계산되며 포털 이미지는 시뮬레이션 이미지를 향해 차이 변화도로 미끄러진다. 이 단계에서, 입력 위치 벡터가 수학식 2로 표시되는 보다 포괄적인 변환 모델이 사용된다.
그리고 변환 행렬이 수학식 3으로 표시된다.
따라서 결과는 수학식 4이다.
여기서, Δ포털이고,이다. 파라미터(α0내지 α5)는 대략 정렬에서처럼 아핀 변환을 포함하며, 파라미터(P0, P1)는 투시적 변환을 포함하고, c는 예를 들어 호흡에 의해 발생될 수 있는 변형을 다룬다.
벡터()의 파라미터를 복구하기위해, 이동흐름의 결과로서 이미지 차이를, 또는 2개 이미지사이의 거리를 공식화한다.
여기서 ∀xf이고, f는 변형이 계산되는 이미지의 영역이다. 수학식 5에서, I(x)는 점(x)에서의 명암도 함수이고, t+1에서의 이미지는 포털 이미지이며, t에서는 시뮬레이션 이미지이다. 다양한 미분 기술을 사용하여, 수학식 6과 같은 변화도(또는 차이 변화도)를 사용하여 이동흐름이 공식화된다.
이 단계에서, (수학식 3 참조) Q 원소를 계산하기위해 비구속 최적화를 사용하여 로버스트 복귀 방법이 사용된다. 이러한 기술로서 2개의 이미지사이의 잉여 오차 차이뿐만 아니라 대략 정렬 단계로부터의 상당히 작은 편차에 대처할 수 있다. 로버스트 기술을 사용함으로써 노이즈와 잉여 오차에 의한 영향을 받을 수 있는 위험없이 주된 변환만이 복구될 것이다.
도 3 내지 도 11은 본 발명을 실현하는 소프트웨어의 흐름도이다. 도 3은, 블록(120)에서 자동적으로 또는 블록(110)에서 상호작용적으로 대략 정렬을 수행하는 것을 포함하는 주요 루틴(100)을 도시한다. 어느 경우에서든지, 수학식 1을 사용하여 포털 이미지와 시뮬레이션 이미지사이에서 변환의 대략적인 근사화가 계산된다. 이후 사용자는 대략적인 근사로 인해 130에서 이미지의 만족할만한 정렬이 제공되었는지 여부를 결정할 수 있다. 제공되었다면, 상기 프로시저는 완료된다. 그렇지 않다면, 미세 정렬이 수행된다. 설명된 바와같이, 환자 움직임을 추적하는데 본 발명이 또한 사용될 수 있으며, 이 경우 기점의 갱신된 위치를 대략적으로 결정하기위해 140에서 2개의 이미지사이의 변환이 이용된다. 추적동안 그리고 이미지 정합에서 사용자에 의한 요구가 있다면, 150에서 미세 정렬을 위한 이미지가 준비된다. 이후 160에서 정밀한 이미지 변환이 계산되며 이미지 정합 모드가 170에서 결정된 바와같이 선택된다면, 변환이 달성되며 180에서 상기 설명된 방식으로 이미지가 디스플레이된다. 190에서 추적 모드가 선택되었다면, 그다음 위치를 생성하기위해 200에서 140으로 루틴이 복귀된다. 다시 사용자는 이미지 정합이 만족할만지 여부를 결정하기위해 200에서 최종 결정을 한다. 만족스럽지 않다면, 루틴은 110으로 복귀되고 대략적인 계산이 다시 시작된다.
도 3의 블록(110)에서 상호작용적으로 요구되는 변환의 대략적인 근사를 계산하는 프로시저가 도 4에서 상세히 도시된다. 사용자는, 예를 들어 111에서 표시된 바와같이 마우스(43)를 사용하여 시뮬레이션 이미지와 포털 이미지의 영역 또는 상응하는 시드점을 선택한다. 선택된 영역 또는 점은 이후 112에 표시된 바와같이 프로시저(A)를 호출함으로써 포털 이미지와 시뮬레이션 이미지사이의 대략적인 변환을 계산하는데 사용된다. 이러한 대략적인 변환은 113에서 표시된 바와같이 프로시저(B)를 호출함으로써 포털 이미지를 시뮬레이션 이미지 좌표로 변환하는데 사용된다. 이후 이미지는 114에 표시된 바와같이 모니터(37)에 디스플레이된다.
대략적인 변환을 계산하는데 사용되는 프로시저(A)의 상세한 사항은 도 5에 도시된다. 사용자가 A1에서 결정된 것과 같은 영역을 표시했다면, 시스템은 A2에 표시된 것과 상응하는 영역 내부로부터 자동적으로 임의 점을 선택한다. 이후, 사용자가 영역이 아닌 점을 선택했다면, A3에 표시된 바와같은 최소 스퀘어(LSQ)방법을 사용하여 변환 파라미터를 계산하기위해 상응하는 영역 쌍이 사용된다.
포털을 시뮬레이션 좌표로 변환하는 프로시저(B)의 세부사항은 도 5에 도시된다. 먼저, 변환된 포털 이미지의 행과 열 극한은 수학식 1의 역인 변환 행렬(H)을 사용하여 B1에서 결정된다. 이후 결과로 나타나는 포털 이미지는 B2에서 래스터 주사되고, 각 픽셀을 위해 변환을 사용하여 위치가 결정된다. 초기 포털 이미지에서 주위의 픽셀 위치사이의 선형 보간법을 사용하여 각 픽셀을 위한 명암도값이 다음에 계산된다.
환자위의 기점을 사용하여 대략 정렬을 자동적으로 수행하는 루틴(120)은 도 7에 도시된다. 121에서 포털과 시뮬레이션 이미지에서 X-레이 불투명 기점(61)이 검출되고 상응하는 표시가 122에서 식별된다. 이후 도 5의 프로시저(A) 및 시드점인 각 표시의 도심을 사용하여 이미지 변환이 123에서 계산된다. 이후 도 6의 프로시저(B)와 계산된 변환을 사용하여 124에서 포털 이미지가 시뮬레이션 좌표로 변환된다. 125에서 결정된 바와같이 정합 모드일때, 이미지는 도 2a 내지 2c와 함께 상기 설명된 방식으로 126에서 디스플레이된다.
미세 정렬을 위해 대략 정렬된 디지털 이미지 신호를 준비하는 루틴(150)이 도 8에 도시된다. 우선, 포털과 시뮬레이션 이미지사이의 중첩에 대한 교차 영역은 수학식 1의 변환을 사용하여 151에서 계산된다. 이후, 교차 영역에 꼭 맞는 가장 큰 정사각형 영역이 152에서 계산된다. 사각형 등과 같이 다른 일반적인 기하학적 형태가 직사각형대신에 사용될 수 있다. 포털과 시뮬레이션 이미지의 직사각형 교차 영역을 나타내는 새로운 이미지는 153에서 형성된다. 이렇게 나타나는 이미지는 이후 준비된 디지털 이미지 신호를 생성하기위해 154에서 향상된다. 유사한 동적 범위과 픽셀 명암도를 갖는 준비된 이미지를 발생시키기위해 막대그래프 균일화, 가우스의 라플라시안, 고주파 필터링 및 다른 기술과 같이 향상된 다양한 형태가 사용된다.
도 9는 미세 정렬을 위해 갱신된 변환을 계산하는 루틴(160)을 도시한다. 이 프로세스는, 본 예에서 1/8 해상도인 최저 해상도로 시작되는 디지털 이미지 신호의 여러 레벨의 해상도에서 수행된다. 따라서, 161에서 준비된 포털과 시뮬레이션 이미지를 위한 최저 해상도에서의 이미지가 형성된다. 이러한 이미지는 가장 최근의 갱신된 변환 파라미터, 즉, 162에서 이전 레벨의 해상도에서 계산된 변환 파라미터를 사용하여 갱신된다. 본 발명의 중요한 부분은 미세 정렬을 수행하기위해 로버스트 이동흐름이 사용된다는 것이다. 특히, 이동흐름 변화도 구성요소는 163에서 생성된다. 변화도 구성요소를 사용하는 이동흐름의 응용은, 1993년 5월 독일 베를린 컴퓨터 비전(ICCV 93)의 제 4 차 국제회의에서 발표된 "A Framework for the robust estimation of optical flow"라는 M.J.Black과 P.Anandan의 논문에 설명되어 있다. 이동흐름은 한개 이미지의 픽셀이 다른 이미지의 상응하는 픽셀과 정렬되기위해 필요한 움직임에 가해진다. 로버스트 움직임은 이동한 대부분의 픽셀이 유사하게 이동한 만큼 움직임에 가해지는 한편, 상이한 움직임을 나타내는 다른 것이 있을 수 있다. 이후 갱신된 이미지 변환 파라미터가 로버스트 최적화를 사용하여 164에서 계산된다. 해상도의 상한이 165에서 결정된 바와같이 도달되지 않았다면, 해상도는 166에서 증가하며 갱신된 변환 파라미터는 새로운 레벨의 해상도에서 다시 계산된다.
최고 레벨의 해상도가 165에서 도달되었을 때, 최종 변환행렬(Q)이 167에서 생성된다. 도 9의 블록(164)의 로버스트 최적화를 사용하여 갱신된 이미지 변환 파라미터를 계산하는 루틴의 세부사항은 도 10에 도시된다. 상기 설명된 Black과 Anandan에 의한 논문에서 설명된 바와같이, 로버스트 움직임은 인라이어라 불리는 데이터 포인트에 의해 표시된다. 이렇게 존재하는 다른 움직임은 아웃라이너로서 식별된다. 본 발명에서, 데이터 포인트는 픽셀값이다. 픽셀은 일정한 이동흐름 벡터에 대한 정도에 근거하여 인라이어와 아웃라이어로 연속적으로 분리된다. 주요 이동흐름을 계산하기위해 인라이어 세트의 픽셀이 사용되며, 상기 벡터에 대한 정도는 로버스트 최적화동안 계산되는 가중 인자에 의존한다.
도 10에서, 개별적인 가중 인자를 사용하여 각 인라이어 포인트가 표시되는 164.1에서 루프가 시작된다. 처음에, 픽셀의 가중 인자는 모두 1로 설정되어 모든 픽셀이 인라이어로 된다. 164.2에서, 아웃라이어의 프로시저의 감도를 결정하는 최적화 파라미터(σ)가 설정된다. 가중 인자는 상기 파라미터(σ)에 의존한다. σ값이 작아질수록, 보다 많은 포인트가 인라이어로 제거되며 인라이어는 이동흐름 벡터의 현재 예측으로 보다 가깝게 된다. 따라서, 모든 포인트가 포함되도록 큰 σ이 처음에 사용된다. 연속적인 루프에서, σ는 σ스케쥴링이라 불린다. σ스케쥴링은 조심스럽게 행해져야 한다. σ이 너무 빨리 작아진다면, 해결책이 없을 수 있고, 반면에, σ을 너무 천천히 작게한다면 처리 시간이 길어지게 된다. 본 발명에 따라서, σ는 이동흐름 파라미터의 최대 에러에 의존하여 작아진다. 이후에, 164.4에서 Q행렬의 변환 파라미터를 위한 갱신된 값의 계산에서 각 인라이어 데이터 포인트가 사용되는 164.3에서 또다른 루프가 시작된다. 하강 변화도가 또한 사용될 수 있지만, 164.4에서 사용되는 수학식은 바람직하게 켤레 변화도를 사용하여 유도된다. 또한, 변환 파라미터를 결정하기위한 수학식을 유도하는데 이동흐름과 로버스트 통계가 사용된다. σ뿐만 아니라 최종 계산으로부터의 변화인 변환 파라미터의 에러는 픽셀을 위한 가중 인자를 조절하기위해 164.5에서 사용된다. 모든 인라이어 데이터 포인트/픽셀이 164.3에서 결정된 바와같이 사용되었을때, 해법이 원하는 정도까지 수렴되었는지 여부를 결정하기위해 164.6에서 검사가 행해진다. 그렇지 않다면, 루틴은 164.1로 복귀하며 갱신된 가중 인자를 사용하여 인라이어 데이터 포인트는 다시 표시된다.
도 11은 140에서의 추적 루틴을 도시한다. 141에서 나타난 바와같이, 증가 갱신 및 변환(H 그리고/또는 Q)은 결합되어 변환이 항상 초기 시뮬레이션 또는 기준 이미지와 다시 연관된다. 추적 루틴을 통한 초기 통과시에, 필요하다면 현재의 포털 이미지는 시뮬레이션 이미지를 대신하고, 이후 새로운 포털 이미지가 143에서 얻어진다. 추적이 계속됨에 따라, 연속적인 포털 이미지는 그다음 선행하는 포털 이미지와 정합되어 갱신된 변환이 생성된다. 144에서 나타난 바와같이, 광선을 온오프하고 그리고/또는 환자 위치지정 어셈블리를 구동하는 것과 같이 방사선요법 장비를 제어하도록 추적 신호를 생성하기위해 연속 포털 이미지로부터의 기점 패턴에 있어서의 변화 또는 기점의 연속 위치가 사용된다.
본 발명의 특정 실시예가 상세하 설명되었지만, 당 기술에 숙련된 당업자는 본 명세서의 전체 교시라는 관점에서 다양한 수정 및 변경이 발생할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 설명된 특정 장비는 단순히 도시된 것이며 본 발명의 사상을 제한하는 것이 아니고 본 발명에는 청구범위 및 청구범위와 등가인 것이 제공된다.

Claims (28)

  1. 포털 이미지(53)를 시뮬레이션 이미지(45)와 자동적으로 정합시키는 장치(27)에 있어서,
    디지털 포털 이미지 신호(DPIS)와 디지털 시뮬레이션 이미지 신호(DSIS)를 각각 생성하기위해 시뮬레이션 이미지(45)와 상기 포털 이미지(53)를 디지털화하는 수단(29);
    정합된 DPIS와 DSIS를 생성하기위해 상기 DPIS와 DSIS를 처리하는 처리 수단(31); 및
    상기 정합된 DPIS와 DSIS로부터 출력을 생성하는 출력 수단(37, 140)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 처리 수단(31)은, 상기 DPIS와 DSIS로부터 대략 정렬된 DPIS와 DSIS를 생성하는 대략 정렬 수단(33), 및 상기 시뮬레이션 이미지와 포털 이미지의 영역을 중첩하기위해 상기 대략 정렬된 DPIS와 DSIS로부터 상기 정합된 DPIS와 DSIS를 생성하는 미세 정렬 수단(35)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 대략 정렬 수단(33)은, 상기 DSIS에 의해 표시되는 상기 시뮬레이션 이미지(45)와 상기 DPIS로 표시되는 상기 포털 이미지(53)에서 상응하는 시드점을 선택하는 수단(111, 121, 122), 상기 상응하는 시드점으로부터 상기 시뮬레이션 이미지(45)와 상기 포털 이미지(53)사이의 변환을 계산하는 수단(112, 123), 및 상기 대략 정렬된 DPIS와 DSIS를 상기 DPIS와 상기 DSIS중 한 개와 함께 생성하기위해, 상기 변환을 상기 DPIS와 상기 DSIS중 한개에 적용하는 수단(113, 124)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  4. 제 3 항에 있어서, 상응하는 시드점을 선택하는 상기 수단(111)은 상기 DPIS와 DSIS로부터 생성된 디스플레이에서 상응하는 점을 선택하는 상호작용 수단(43)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  5. 제 3 항에 있어서, 상응하는 시드점을 선택하는 상기 수단(121, 122)은, 상기 DPIS와 DSIS에서 X-레이 불투명 기점을 검출하는 수단(121), 및 상기 DPIS와 DSIS의 상응하는 기점을 상기 상응하는 시드점으로 식별하는 수단(122)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 미세 정렬 수단(33)은, 상기 대략 정렬된 DPIS와 DSIS로부터 준비된 DPIS와 DSIS를 생성하는 수단(150), 상기 준비된 DPIS와 DSIS로부터 갱신된 변환을 생성하는 수단(161 내지 165), 및 상기 정합된 DPIS와 DSIS를 생성하기위해 준비된 대략 DPIS와 DSIS중 한 개에 상기 갱신된 변환을 적용하는 수단(167)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 미세 정렬 수단(33)은, 상기 대략 정렬된 DPIS와 DSIS로부터 준비된 DPIS와 DSIS를 생성하는 수단(150), 상기 준비된 DPIS와 DSIS로부터 갱신된 변환을 생성하는 수단(161 내지 165), 및 상기 정합된 DPIS와 DSIS를 생성하기위해 준비된 대략 DPIS와 DSIS중 한 개에 상기 갱신된 변환을 적용하는 수단(167)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 준비된 DPIS와 DSIS를 생성하는 상기 수단(150)은, 교차하는 상기 DPIS와 DSIS에 의해 표시되는 이미지의 영역을 위해 선택된 DPIS와 DSIS를 선택하는 수단(151, 152)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 준비된 DPIS와 DSIS를 생성하는 상기 수단(150)은 상기 선택된 DPIS와 DSIS를 향상시키는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 선택된 DPIS와 상기 선택된 DSIS를 선택하는 상기 수단(151, 152)은, 소정의 규칙적인 형태를 가지며 상기 DPIS와 DSIS에 의해 표시되는 이미지의 일부 영역내의 DPIS와 DSIS를 선택하는 수단(152)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  11. 제 7 항에 있어서, 상기 갱신된 변형을 생성하는 상기 수단(161 내지 165)은, 상기 준비된 DPIS와 DSIS로부터 이동흐름 성분(163)를 생성하는 수단, 상기 이동흐름 성분로부터 상기 갱신된 변환을 계산하는 계산 수단(164)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  12. 제 11 항에 있어서, 이동흐름 성분을 생성하는 상기 수단(163)은, 이동흐름 변화도 구성요소를 생성하고, 상기 계산 수단(164)은 상기 갱신된 변환을 계산하기위해 로버스트 최적화를 적용하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 갱신된 변환을 생성하는 상기 수단(161 내지 165)은, 상기 준비된 DPIS와 DSIS의 연속적인 향상 레벨의 해상도를 반복적으로 사용하는 상기 계산 수단과 이동흐름 변화도 구성요소를 생성하는 상기 수단(163)을 이용하는 수단(161, 162, 166)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  14. 제 7 항에 있어서, 상기 갱신된 변환을 생성하는 상기 수단(161 내지 165)은 상기 갱신된 변환을 생성하기위해 상기 준비된 DPIS와 DSIS의 연속적인 향상 레벨의 해상도를 사용하는 수단(161, 162, 166)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  15. 제 7 항에 있어서, 상기 갱신된 변환을 생성하는 상기 수단(161 내지 166)은 로버스트 이동흐름을 상기 준비된 DPIS와 DSIS에 적용하는 수단(164)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  16. 제 15 항에 있어서, 로버스트 이동흐름을 상기 준비된 DPIS와 DSIS에 적용하는 상기 수단(164)은, 상기 DPIS와 DSIS의 연속적인 향상 레벨의 해상도에 로버스트 이동흐름을 적용하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  17. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 수단(37, 140)은 상기 정합된 DPIS와 DSIS로부터 디스플레이(59)를 생성하는 디스플레이 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  18. 제 1 항에 있어서, 상기 출력 수단(37, 140)은 상기 DPIS에 의해 표시되는 상기 이미지에서의 움직임을 추적하는 추적 수단(140)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 출력 수단(37, 140)은, 상기 포털 이미지(53)를 생성하는 방사선에 대한 환자위치를 정하는 위치지정 수단(15'), 및 상기 추적 수단(140)에 의해 추적되는 움직임에 반응하여 상기 위치지정 수단(15')을 제어하는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 출력 수단(37, 140)은, 상기 추적 수단(140)에 의해 추적되는 움직임에 반응하여 상기 포털 이미지(53)를 발생시키는 방사선(11)의 생성을 제어하는 수단(9')을 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  21. 방사선요법 진단장비를 제어하기위해 포털 이미지를 정합시키는 장치에 있어서,
    연속적인 디지털 포털 이미지 신호(DPIS)의 세트를 생성하기위해 연속적인 포털 이미지를 디지털화하는 수단(29); 및
    연속적인 DPIS 세트사이의 움직임을 추적하는 추적 수단(140, 150, 160)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 추적 수단(140, 150, 160)은, 상기 연속적인 DPIS 세트에 로버스트 이동흐름을 적용함으로써 연속적인 포털 이미지(53)사이의 갱신된 변환을 생성하는 수단(160), 및 상기 연속적인 DPIS 세트사이의 상기 움직임을 추적하기위해 상기 갱신된 변환을 사용하는 수단(140)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 갱신된 변환을 생성하는 상기 수단(160)은, 상기 연속적인 DPIS 세트로부터 이동흐름 성분을 생성하는 수단, 및 상기 이동흐름 성분을 사용하여 연속적인 포털 이미지사이의 상기 갱신된 변환을 계산하는 수단(164)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  24. 제 23 항에 있어서, 이동흐름 성분을 생성하는 상기 수단(163)은 이동흐름 변화도 구성요소를 생성하고, 상기 계산 수단(164)은 상기 갱시된 변환을 계산하기위해 로버스트 최적화를 적용하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  25. 제 24 항에 있어서, 상기 갱신된 변환을 생성하는 상기 수단(160)은, 상기 연속적인 DPIS 세트의 연속적인 향상 레벨의 해상도를 반복적으로 사용하는 상기 계산 수단(164)과 이동흐름 변화도 구성요소를 생성하는 상기 수단(163)을 이용하는 수단(166)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  26. X-레이 이미지(53)를 기준 이미지(45)와 자동적으로 정합시키는 장치(27)에 있어서,
    제 1 디지털 이미지 신호와 제 2 디지털 이미지 신호를 생성하기위해 각각 상기 X-레이 이미지(53)와 기준 이미지(45)를 디지털화하는 수단(29);
    정합된 디지털 이미지 신호를 생성하기위해 상기 이미지내에서 어떠한 물리적 차원의 특성 입력없이 상기 제 1 그리고 제 2 디지털 신호를 처리하는 처리 수단(31); 및
    상기 정합된 디지털 이미지 신호로부터 디스플레이(59)를 생성하는 디스플레이 수단(37)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  27. 제 26 항에 있어서, 상기 처리 수단(31)은, 상기 제 1 그리고 제 2 디지털 이미지 신호로부터 대략 정렬된 디지털 이미지 신호를 생성하는 대략 정렬 수단(33), 로버스트 이동흐름을 사용하여 상기 X-레이와 기준 이미지의 영역을 중첩시키기위해 상기 대략 정렬된 디지털 이미지 신호사이의 변환을 생성하는 미세 정렬 수단(35, 160), 및 상기 정합된 디지털 이미지 신호를 생성하기위해 상기 대략 정렬된 디지털 이미지 신호중 한 개에 상기 변환을 적용하는 수단(167)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
  28. 제 27 항에 있어서, 상기 미세 정렬 수단(35)은, 유사한 동적 범위와 조명도를 갖는 준비된 대략 정렬 이미지 신호를 생성하기위해 상기 대략 정렬된 디지털 이미지 신호를 향상시키는 수단(154), 및 로버스트 이동흐름을 이용하여 상기 준비된 대략 정렬 디지털 이미지 신호사이의 상기 변환을 생성하는 수단(160)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(27).
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