KR20010026857A - 대상체 분리를 위한 초음파영상장치 - Google Patents

대상체 분리를 위한 초음파영상장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 목적하는 대상체를 배경으로부터 분리하여 3차원 영상으로 보여주기 위한 초음파영상화장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 목적하는 대상체의 윤곽을 자동적으로 분리/추출하고, 추출된 정보를 이용하여 대상체를 3차원으로 영상화하는 초음파영상화장치 및 방법에 관한 것이다. 따라서, 이렇게 추출된 정보를 바탕으로 대상체를 3차원으로 영상화 함으로써 수술과 같은 물리적인 처리없이 대상체의 형태를 관찰할 수 있다. 그리고, 실제 외과적인 수술없이 대상체를 임의의 각도에서 절단한 경우의 2차원 절단면의 형태를 모니터상에 디스플레이하는 것이 가능하다. 또한, 부수적으로 3차원 대상체의 형태 정보를 가지고 있으므로 진단에 필요한 장치의 부피를 특별한 부가 계산없이 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

대상체를 분리/추출하기 위한 초음파영상화장치 및 방법{Ultrasound imaging apparatus and method for a target separation from background}
본 발명은 목적하는 대상체를 배경으로부터 분리/추출하여 3차원 영상화하는 초음파영상화장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 목적하는 대상체의 윤곽을 자동적으로 분리/추출하고, 추출된 정보를 이용하여 대상체의 형태를 재구성하여 3차원 영상화가 가능한 초음파영상화장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 초음파검사장치는 초음파신호를 검사하고자 하는 대상체에 발사하고, 그 결과 대상체의 불연속면에서 반사되어 되돌아오는 초음파신호를 수신한 다음, 그 수신된 초음파신호를 전기적신호로 변환하여 소정의 영상장치에 출력함으로써 대상체의 내부 상태를 검사한다. 이러한 초음파검사장치는 의료진단용, 비파괴검사 및 수중탐색등에 널리 사용되고 있다.
기존의 초음파 영상을 이용하여 목적하는 대상체의 부피를 측정하는 방법으로는 다음의 2가지 방법이 있다. 첫째는 모든 횡단면상에서 목적하는 대상체의 윤곽을 트레이스 한 후, 횡단면 각각의 면적을 계산한다. 그리고, 두께를 고려하여 그 부피를 계산한다. 도 1은 이러한 연속 횡단면상에서의 부피를 계산하는 일 예를 보여주는 도면이다. 전술한 첫번째 방법을 도 1을 참조하여 설명하겠다. 예를들어, 남성의 전립선의 부피를 구하기 위해, 0.5㎝ 간격으로 촬영된 경 직장적 초음파 단층상들을 기초로 전립선 횡단상에 묘출되어 있는 모든 단면에 있어서 전립선 면적을 계측한다. 그리고, 두께 0.5㎝를 곱해서 계산하면 전립선의 부피가 구해진다. 이러한 방법은 다음의 수학식 1로 표현 가능하다.
여기서, V는 전립선의 부피를, S는 각 횡단면상의 전립선의 표면적을 나타내는데 이 표면적은 관찰자가 마우스등을 이용하여 초음파 영상이 보여지는 화면상에서 수동으로 전립선의 윤곽선을 그리고, 이 윤곽선을 기초로 면적을 계산한 값이다.
두번째로, 기존의 초음파 영상을 이용한 인체의 특정 장기의 부피를 측정하기 위해, 최대 횡단면에 대해서만 윤곽을 트레이스(trace)하고, 그 면적을 계산하는 방법이 제시된다. 그리고, 장기의 형태를 타원으로 가정한 후 장축에 대해 최대 횡단면을 회전시킨 경우의 부피를 정해진 공식으로 계산한다. 이 방법은 일명 1단면 회전 타원체 근사법이라고도 불리우는데, 최대 횡단상의 면적을 S, 장축을 X, 장축 X를 회전축으로 해서 면적 S의 타원을 회전시켰을때의 회전 타원체의 부피 V를 구하는 방법으로, 그 계산식은 다음의 수학식 2에 보여진다.
전술한 첫번째 방법은 매우 정확한 부피를 얻을 수 있으나 모든 횡단면에서 윤곽을 수동으로 트레이스 해야 하기 때문에 많은 시간이 필요하다. 또한, 두번째 방법은 한번의 수동 트레이스만 수행하면 다음은 정해진 공식으로 부피가 계산되기 때문에 빠른 처리가 가능한 반면 그 정확도가 매우 낮다. 전술한 두가지 방법 모두는 목적하는 대상체를 배경과 분리하여 별도로 영상화 하지 못함으로 인해, 목적하는 대상체의 3차원적인 정확한 형태와, 그 대상체를 임의의 각도에서 절단했다고 가정했을 경우 2차원 절단면의 형태 등을 관찰자에게 보여주지 못하는 단점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 2차원 초음파영상으로부터 얻은 볼륨데이타를 이용하여 목적하는 대상체를 배경으로부터 분리/추출하여 3차원 영상화하는 초음파영상화장치 및 방법을 제공함에 있다.
도 1은 종래의 초음파영상을 이용하여 연속 횡단면상에서의 부피를 계산하는 일 예를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 초음파 영상데이타를 이용하여 목적하는 대상체를 배경으로부터 분리/추출하여 3차원 영상화하는 초음파영상화장치를 보여주는 도면,
도 3은 대상체를 배경으로부터 분리하기 위한 회전축 및 기준점을 보여주는 도면,
도 4는 임의의 평면에 대해 자동 추출된 윤곽과 그때의 정점들을 보여주는 도면,
도 5는 관측창 적용의 일 예를 보여주는 도면,
도 6은 이진화된 영상을 보여주는 도면,
도 7은 소 영역이 제거된 이진화된 영상을 보여주는 도면,
도 8은 후처리된 결과 영상을 보여주는 도면
도 9는 정점들을 이용하여 그래픽처리를 위한 철선프레임을 제작한 것을 보여주는 도면,
도 10은 합성된 3차원 영상을 보여주는 도면.
＜ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ＞
21 : 볼륨데이타 획득부 22 : 기준점 및 회전축 설정부
23 : 데이타 회전부 24 : 회전각 제어부
25 : 3차원 영상생성부 30 : 윤곽추출수단
31 : 자동윤곽추출부 32 : 정점정의부
33 : 정점위치 미세조정부
위와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 목적하는 대상체를 배경으로부터 분리하여 3차원 영상으로 보여주기 위한 초음파영상화장치에 있어서, 초음파의 연속적인 주사(scan)로부터 얻은 2차원 초음파영상들을 조합하여 볼륨데이타를 구하는 볼륨데이타획득부; 상기 볼륨데이타를 회전시키는 기준이 되는 회전축을 설정하고, 이 회전축과 대상체가 만나는 점들을 기준점으로 정하는 기준점 및 회전축 설정부; 상기 회전축을 중심으로 미리 정해진 각도만큼씩 상기 볼륨데이타를 회전시키는 데이타회전부; 상기 볼륨데이타를 회전시켜 얻은 2차원 평면들 각각에 대한 윤곽을 추출하고, 추출된 윤곽을 조합하여 3차원 영상을 구성하는데 필요한 정점들을 상기 윤곽선 상에서 설정하는 윤곽추출수단; 및 상기 설정된 정점들을 이용하여 3차원 영상의 그래픽처리를 위한 철선프레임을 제작하고, 철선프레임에 컴퓨터 그래픽의 명암법(shading) 또는 질감매핑(texture mapping)을 적용하여 3차원 영상을 생성하는 3차원 영상생성부를 포함하는 초음파영상화장치에 있다.
위와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징은 목적하는 대상체를 배경으로부터 분리하여 보여주기 위한 초음파영상화방법에 있어서, (1) 목적하는 대상체의 2차원 초음파영상들을 조합하여 볼륨데이타를 획득하는 단계; (2) 상기 볼륨데이타를 임의의 회전축을 기준으로 미리 정해진 각도만큼씩 회전시키면서 얻어진 각 2차원 평면에 대한 윤곽을 추출하는 단계; 및 (3) 상기 윤곽선들 상에서 일정 간격으로 정점들을 선택하고, 이 정점들을 이용하여 3차원영상화의 그래픽처리를 위한 철선프레임을 제작하고, 컴퓨터 그래픽 기법을 이용하여 대상체를 3차원으로 영상합성하는 단계를 포함하는 초음파영상화방법에 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하겠다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 목적하는 대상체를 배경으로부터 분리/추출하여 3차원 영상화하는 초음파영상화장치를 보여주는 도면이다.
본 발명은 초음파의 연속적인 주사(scan)를 통한 2차원 초음파 영상들을 조합하여 볼륨데이타를 구하는 볼륨데이타획득부(21)를 포함한다. 기준점 및 회전축 설정부(22)는 볼륨데이타의 회전기준이 되는 회전축을 정의하고, 이 축과 배경으로부터 분리하고자 하는 대상체가 만나는 2개의 점을 기준점으로 정한다. 데이타회전부(23)는 임의의 회전축을 기준으로 회전각제어부(24)의 제어하에 미리 정해진 각도로 볼륨데이타를 회전시킨다. 또한, 본 발명의 장치는 회전시킨 각 평면에 대한 윤곽을 추출하고, 추출된 윤곽들 상에서 그래픽처리에 이용되는 철선프레임(wire frame)을 제작하는데 필요한 정점들을 정의하는 윤곽추출수단(30)을 포함한다. 이 윤곽추출수단(30)은 자동윤곽추출부(31)와, 정점정의부(32) 및 정점위치 미세조정부(33)로 이루어진다. 3차원 영상생성부(24)는 윤곽추출수단(30)에서 정의된 정점들을 이용하여 철선프레임을 제작하고 컴퓨터 그래픽 기법을 이용하여 대상체를 3차원 영상으로 구성한다.
위와같은 구성을 갖는 본 발명의 장치를 좀더 상세히 설명하겠다.
볼륨데이타획득부(21)는 초음파의 연속적인 주사를 통한 일련의 2차원 초음파 영상들을 얻고, 이 영상들을 조합하여 볼륨데이타를 생성한다. 즉, 2차원 초음파영상을 모아 하나의 체적을 구성한다. 기준점 및 회전축설정부(22)는 볼륨데이타획득부(21)에서 생성된 볼륨데이타를 360˚회전시키기 위한 회전축을 설정하고, 이 축과 대상체의 경계가 만나는 2개의 점을 기준점으로 설정한다. 이 과정은 도 3에 보여진 바와같다.
도 3은 목적하는 대상체를 배경으로부터 분리하기 위한 회전축 및 기준점을 보여주는 도면으로써, 수직선이 회전축이고, 두개의 삼각형은 기준점을 나타낸다. 이러한 기준점들은 나중에 윤곽선을 추출하기 위한 기초데이타로 사용된다. 회전각제어부(24)는 정해진 각도로 볼륨데이타를 회전시키는 제어신호를 데이타회전부(23)로 출력한다. 이에 따라, 데이타회전부(23)는 볼륨데이타를 정해진 각도로 회전시키면서 각각의 각도에서 2차원 초음파영상을 생성해 낸다. 윤곽추출수단(30)의 자동윤곽추출부(31)는 각각의 2차원 초음파영상평면에 대한 영상을 이진화하고, 영역을 분할한다. 그리고, 소 영역들은 제거한 후 하나의 영역만이 존재하도록 영역들을 수정한다. 그리고, 그 단일 영역의 윤곽선을 추출한다. 이러한 자동윤곽추출부(31)의 자세한 설명은 후술하겠다. 정점정의부(32)는 윤곽선 상에서 일정 간격으로 정점들을 선택하고, 그 정점들을 이용하여 그래픽처리를 위한 철선프레임을 제작한다. 도 4는 전술한 바와같이, 임의의 평면에 대해 자동 추출된 윤곽과 그때의 정점들을 보여주는 도면이다. 이렇게 자동으로 추출된 대상체의 윤곽 및 정점들이 완전히 원래 대상체의 테두리와 일치하지 않을 수 있다. 따라서, 정점위치 미세조정부(33)는 원래의 대상체의 윤곽과 일치하도록 하기 위해 자동 추출된 정점들의 위치를 수동으로 미세 조정한다. 3차원 영상생성부(25)는 추출된 정점들을 이용하여 3차원 철선프레임을 제작한다(도 9 참조). 그리고, 이 철선프레임에 컴퓨터 그래픽의 명암법(shading) 또는 질감매핑을 적용하여 3차원 영상을 생성한다. 이는 도 10에 보여진다.
다음에서, 도 5내지 도 8을 참조하여 전술한 자동윤곽추출부(31)에서의 윤곽 추출방법을 좀더 상세히 설명하겠다.
먼저, 자동윤곽추출부(31)는 목적하는 대상체의 대략적인 위치 및 크기를 보여주는 관측창을 설정한다(도 5 참조). 대상체의 볼륨데이타를 회전시키지 않은 첫번째 프레임에서, 추출하고자 하는 대상체는 회전축을 중심으로 존재하고 있다고 가정한다. 그리고, 기준점 간의 거리에 비례하게 수직 및 수평방향의 크기를 추정한다. 이때, 대상체의 정확한 형태를 알 수 없기 때문에 앞에서 추출된 수직 및 수평길이를 가진 사각형을 관측창으로 정의하여 대상체의 크기를 표시한다. 그 다음, 정해진 각도만큼 볼륨데이타를 회전시켜서 구한 두번째 프레임에 대해서는 앞 프레임에서 구해진 대상체의 윤곽정보에 약간의 여유를 두고 관측창의 크기를 조정한다. 이러한 과정은 볼륨데이타가 완전히 360。회전할때까지 반복된다. 도 7은 상술한 임의의 프레임에 대해 관측창을 적용시킨 모습을 보여주고 있다. 도면에 보여진 바와같이, 관측창은 실제 대상체의 크기보다는 어느 정도 크면서 대상체를 모두 감싸고 있다.
그 다음, 대상체를 배경으로부터 분리하기 위한 이진화를 적응적으로 수행한다. 즉, 전술한 관측창 자체가 분리하고자 하는 대상체의 대략적인 크기를 나타내고 있기 때문에 대상체를 배경으로부터 분리하기 위한 이진화를, 입력되는 영상전체에 적용하지 않고 관측창 내에서만 적용하여 좀더 정확한 이진화 영상을 얻을 수 있다. 도 6은 이진화된 영상을 보여주는 도면이다.
이렇게 이진화된 영상은 많은 잡음성분들을 가지고 있다. 따라서, 이러한 잡음성분들을 제거하기 위해 형태론적 필터(morphological filter)를 적용한다.
형태론적 필터가 적용된 이진화 영상은 잡음성분이 많이 제거된다. 그러나, 아직은 많은 소 영역들이 존재하고 있다. 따라서, 정확한 대상체의 추출을 위해서는 이러한 소 영역들을 제거해야 한다. 소 영역을 제거하는 방법으로 이진화된 영상에서 각 영역의 크기를 조사한 다음 정해진 기준에 따라 대상체영역 또는 배경영역으로 분류한다. 예를들어, 도 6에서, 대상체의 영역으로 분류되었지만 크기가 기준보다 작은 영역은 배경영역으로, 그 반대의 경우에는 배경영역을 대상체 영역으로, 영역의 성질을 변환하여 소 영역을 제거한다. 도 7은 전술한 소 영역이 제거된 이진화 영상을 보여주는 도면이다.
소 영역들이 제거된 이진화 영상은 몇개의 큰 영역들로 구성될 수 있다. 소 영역들이 제거된 이진화 영상에 다시 형태론적인 필터를 적용하여 영상을 단순화하고, 대상체에 해당하는 영역들 중에서 크기가 가장 큰 하나의 영역만을 추출해 낸다. 도 8은 후처리에 의한 영상을 보여주는 도면으로서, 최종적으로 추출된 영역의 경계를 대상체의 윤곽으로 결정한다. 이때, 영역의 경계에서 급격한 변화가 많이 존재한다. 이러한 급격한 변화들은 실제 자연계에서 존재할 수 없는 특성이기 때문에 경계를 따라 평활필터를 적용하여 제거한다.
본 발명은 앞서 설명한 바와같이 회전축을 정의하고, 이 회전축을 기준으로 3차원 볼륨데이타를 회전시키면서 목적하는 대상체의 윤곽을 획득하여 대상체를 배경으로부터 분리한다. 이때, 윤곽을 얻는 방법으로 자동으로 윤곽을 추출하고, 추출된 윤곽을 수동적으로 미세 수정하여 최종 윤곽정보를 얻는다. 그러므로, 수행시간이 많이 필요하지만, 자동적인 윤곽추출없이 수동적으로 정해진 숫자의 정점들의 위치만을 조정해줌으로써 대상체의 윤곽을 형성할 수 있고 이 정보만으로 3차원 영상을 합성해 내는 방법도 가능하다.
이상과 같이, 본 발명은 목적하는 대상체의 윤곽을 자동으로 추출하고, 추출된 윤곽을 미세 조정하여 대상체를 배경으로부터 신속하면서도 정확하게 분리하여 추출하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 이렇게 추출된 정보를 바탕으로 대상체를 3차원적으로 영상화 함으로써 수술과 같은 물리적인 처리없이 대상체의 형태를 관찰할 수 있다. 그리고, 대상체를 임의의 각도에서 절단한 경우의 2차원 절단면의 형태를 바로 디스플레이 하는 것이 가능하다. 또한, 부수적으로 3차원 대상체의 형태 정보를 가지고 있으므로 진단에 필요한 장치의 부피를 특별한 부가 계산없이 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 목적하는 대상체를 배경으로부터 분리하여 3차원 영상으로 보여주기 위한 초음파영상화장치에 있어서,
    초음파의 연속적인 주사(scan)로부터 얻은 2차원 초음파영상들을 조합하여 볼륨데이타를 구하는 볼륨데이타획득부;
    상기 볼륨데이타를 회전시키는 기준이 되는 회전축을 설정하고, 이 회전축과 대상체가 만나는 점들을 기준점으로 정하는 기준점 및 회전축 설정부;
    상기 회전축을 중심으로 미리 정해진 각도만큼씩 상기 볼륨데이타를 회전시키는 데이타회전부;
    상기 볼륨데이타를 회전시켜 얻은 2차원 평면들 각각에 대한 윤곽을 추출하고, 추출된 윤곽을 조합하여 3차원 영상을 구성하는데 필요한 정점들을 상기 윤곽선 상에서 설정하는 윤곽추출수단; 및
    상기 설정된 정점들을 이용하여 3차원 영상의 그래픽처리를 위한 철선프레임을 제작하고, 철선프레임에 컴퓨터 그래픽의 명암법(shading) 또는 질감매핑(texture mapping)을 적용하여 3차원 영상을 생성하는 3차원 영상생성부를 포함하는 초음파영상화장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 윤곽추출수단은
    상기 2차원 평면들에 대한 영상을 이진화하여 영역을 분할하고, 분할된 영역들중 하나의 영역만을 선택하여 그 영역의 윤곽선을 추출하는 자동윤곽추출부;
    상기 추출된 윤곽선 상에서 일정 간격으로 정점들을 선택하는 정점정의부; 및
    상기 자동 추출된 정점들의 위치가 원래의 대상체의 윤곽과 일치하도록 조정하는 미세조정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파영상화장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 자동윤곽추출부는 분할된 영역들중 가장 큰 영역을 선택하는 것을 특징으로 하는 초음파영상화장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 자동윤곽추출부는 목적하는 대상체를 배경으로부터 분리하기 위한 적응적인 이진화를 수행하며, 이진화된 영상에 포함된 잡음성분들을 제거하기 위해 형태론적인 필터링을 수행하는 것을 특징으로 하는 초음파영상화장치.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 데이타회전부는 정해진 각도로 상기 볼륨데이타를 회전시키기 위한 회전각도를 출력하는 회전각제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파영상화장치.
  6. 목적하는 대상체를 배경으로부터 분리하여 보여주기 위한 초음파영상화방법에 있어서,
    (1) 목적하는 대상체의 2차원 초음파영상들을 조합하여 볼륨데이타를 획득하는 단계;
    (2) 상기 볼륨데이타를 임의의 회전축을 기준으로 미리 정해진 각도만큼씩 회전시키면서 얻어진 각 2차원 평면에 대한 윤곽을 추출하는 단계; 및
    (3) 상기 윤곽선들 상에서 일정 간격으로 정점들을 선택하고, 이 정점들을 이용하여 3차원영상화의 그래픽처리를 위한 철선프레임을 제작하고, 컴퓨터 그래픽 기법을 이용하여 대상체를 3차원으로 영상합성하는 단계를 포함하는 초음파영상화방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 (2) 단계는
    (a) 상기 대상체의 위치 및 크기를 보여주는 관측창을 설정하는 단계;
    (b) 상기 대상체와 배경을 분리하기 위한 이진화를 상기 설정된 관측창 내에서 수행하는 적응적 이진화 단계;
    (c) 상기 이진화된 영상에 포함된 잡음성분들을 제거하기 위해 형태론적 필터(morphological filter)를 적용하는 단계;
    (d) 상기 필터링된 이진화 영상에 존재하는 다수의 소 영역들을 제거하는 단계;
    (e) 상기 소 영역들이 제거되어 남게된 큰 영역들중 가장 크기가 큰 하나의 영역만을 추출하는 단계;
    (f) 상기 추출된 영역의 윤곽선에 평활필터(average filter)를 적용하여 최종적으로 추출된 영역의 경계를 상기 대상체의 윤곽으로 결정하는 단계를 포함하는 초음파영상화방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 (a)단계는
    회전을 시키지 않은 초음파 볼륨데이타의 첫번째 프레임에 대해 기준점간의 거리에 비례하게 수직 및 수평방향의 크기를 추정하여 상기 대상체가 상기 관측창 내에 포함되도록 보여주는 단계; 및
    상기 볼륨데이타를 기설정된 각도만큼 회전시킨 프레임에서 있어서, 이전 프레임에서 구해진 대상체의 윤곽정보에 소정의 마진을 두고 관측창의 크기를 조정하는 단계를 상기 볼륨데이타의 회전시작부분으로 되돌아올때까지 반복수행하는 것을 특징으로 하는 초음파영상화방법.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 (d)단계는 이진화된 영상에서 각 영역의 크기를 조사한 다음 정해진 기준에 의해 각 영역들을 대상체 또는 배경으로 분리하여 소 영역을 제거하는 것을 특징으로 하는 초음파영상화방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 기준보다 크기가 작은 영역들은 배경으로 분리하고, 기준보다 크기가 큰 영역들은 대상체로 분리하여 소 영역을 제거하는 것을 특징으로 하는 초음파영상화방법.
  11. 제 7항에 있어서, 상기 (e)단계는 소 영역이 제거된 다수의 큰 영역들로 이루어진 이진화 영상에 형태론적 필터를 적용하여 영상을 단순화하고, 가장 큰 하나의 영역만을 추출하는 것을 특징으로 하는 초음파영상화방법.
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