KR20090098842A - 이미지 유도 중재 시술에서 수술중 움직임을 보상하는 개선된 이미지 정합 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음파 이미징을 이용하여 중재 의료 시술을 유도하기 위한 방법 및 시스템을 제공한다. 개선된 이미지 융합 기술을 이용하여, 본 발명은 유연성 표적 볼륨 및/또는 유연성 주변 구조의 치료를 위한 개선된 방법을 제공한다.
초음파, CT, 수술, 시술, 의료, 카테터
Description
본 발명의 기술적 분야는 중재 의료 시술에서 초음파 유도(guidance)를 위한 방법 및 시스템이다.
중재 의료 시술은 전형적으로는 소형 바이오 의료 디바이스(예를 들면, 바늘 또는 카테터)를 진단 또는 치료 목적으로 표적 해부학 위치의 환자 신체 안으로 삽입하는 것을 수반한다. 다양한 이미징 장치로부터의 이미지는 디바이스의 삽입을 유도 및/또는 이 디바이스의 위치를 조정하기 위해 사용된다. 하나의 이러한 장치는 실시간으로 정적 이미지 및/또는 이미지를 제공하는 초음파 그레이 스케일 이미징인데, 이는 침습적이지 않고, 저가로 동작한다. 초음파 스캐너는 또한 효율적으로 중재용 디바이스를 시각화하고 쉽게 디바이스와 결합하여 사용된다.
그러나, 예시적으로 주변의 건강한 조직에 관련하여 일관성이 없거나 또는 특정되지 않은 음향 지문을 갖는 특정 타입의 조직을 이미징하기 위해 초음파 그레이 스케일 양식을 이용하는 것은 어렵다. 예를 들면, 간세포암은 검출하기 어렵운데, 왜냐하면 이들은 주변의 건강한 간의 선세포 조직에 대해 저에코(hypoechoic), 고에코(hyperechoic) 또는 등에코(isoechoic)이기 때문이다. 그러므로, 이러한 타입 및 유사한 타입의 악성 조직을 성공적으로 초음파 유도 중재 치료하는 것은 어렵다. 그러므로, 더 민감한 방식(modality)(예를 들면, 컴퓨터 단층 촬영(CT: Computer Tomography), 조영제 적용 초음파(CEUS: Contrast Enhanced Ultrasound), 또는 자기 공명 이미징(MRI: Magnetic Resonance Imaging))으로부터 획득된 정보는 표적 볼륨의 시술전 이미지를 생성하기 위해 사용되지만, 반면에 중재용 디바이스를 이미징하기 위해 초음파 그레이 스케일을 여전히 사용한다. 이후 정합(co-registration) 기술은 시술전 이미지와 실시간 초음파 이미지를 결합한다. 시술전 이미지로부터의 표적 볼륨 위치와 초음파 이미지로부터 디바이스 위치를 결합하는 것은 중재용 디바이스의 위치에서의 내과의사의 신뢰 및 정확성에 더해진다.
현재의 정합 기술은 상이한 방식(예를 들면, CT 및 초음파 이미지)으로부터 이미지를 등록하는 것을 포함한다. 크로스 방식(cross-modality) 정합은 종종 비싸고 긴 계산 시간을 요구한다. CEUS와 그레이 스케일 초음파 사이의 정합은 또한 어려울 수 있는데, 왜냐하면 표적 볼륨을 검출하기 위해 사용된 CEUS 이미지는 시간에 따라 변하고(time variant), 반면에 중재용 디바이스를 모니터링하기 위해 사용되는 그레이 스케일 초음파 이미지는 시간에 따라 변하지 않는다.
더욱이, 가장 최근의 정합 기술은 표적 기관 및 주변 구조가 정적 고체 대상임을 가정하고 중재 시술 동안 기관 움직임 또는 변형을 무시한다. 그러나, 기관(예를 들면, 호흡기 및/또는 심장) 움직임 또는 환자의 일반적 신체 움직임은 종종 치료 동안 무시할 수 없다. 복부 표적에서 약 10-30mm의 전형적인 전 위(displacement)가 관찰된다(Rohlfing T. Maurer CR Jr. O'dell WG. Zhong J. Medical Physics. 31(3): 427-32, 2004 Mar). 이들 변위는 표적 볼륨의 정확한 위치에 대한 불량한 예측을 만들고 따라서 결국 부정확한 치료를 야기한다.
이미지 유도 신경 외과 수술에서, 시술전 이미지 또는 데이터 세트의 움직임("뇌의 변위(brain-shift)"로서 알려짐) 보상의 문제점은 전위 예측에 대하여 수술전후 초음파를 이용하는 연구에 의해 해소되고 있다. Lunn 등에 의한 최근 연구에서, 예를 들면 스테인레스 스틸 구슬이 돼지 뇌에 임플란트되었다(Lunn, K.E, Paulsen, K.D., Roberts, D.W., Kennedy, F.E., Hartov, A., West, J.D. Medical Imaging, IEEE Transactions on, 22(11), pp. 1358-1368, Nov. 2003). 이 구슬을 마커로서 이용하면, 뇌는 3차원 시술전 CT 스캔으로 이미징되며, 이후 초음파에 의해 추적되었다. 이러한 추적은 뇌의 변위 움직임 모델의 평행 이동 벡터를 검색하는 것을 허용하였다. 시술전 데이터 세트는 이후 추론된 평행 이동 벡터를 반전시킴으로써 보정되었다. 이러한 방법의 주요한 단점은 마커(marker)의 침습적 삽입, 및 평행 이동만의 움직임 가정이며, 이는 소프트한 표적 구조(예시적으로는, 뇌 또는 간) 또는 소프트 및/또는 움직이는 조직 세포에 둘러싸인 구조(예시적으로는, 심장 또는 횡경막) 내에서 발생하는 변형을 무시한다. 표적 움직임에 대하여 이미징 데이터를 보정하는 개선된 방법에 대한 필요성이 있다.
따라서, 여기에 제공된 본 발명의 특징을 이루는 실시예는 체강(bodily cavity) 내에 유연성 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 침습적이지 않게 계산하는 방법이며, 이 방법은, 시술전 이미징 방식(modality)을 이용하여 표적 볼륨을 둘러싸는 영역의 시술전 이미지를 생성하고, 초기 표적 볼륨 계산을 산출하는 생성 및 산출 단계로서, 상기 영역은 표적 볼륨을 포함하고 상기 방식은 그레이 스케일 초음파가 아닌, 생성 및 산출 단계; 초음파 이미징 방식을 이용하여 표적 볼륨을 둘러싸는 영역의 초음파 이미지를 생성하고, 이미지 정합 기술을 이용하여 상기 초음파 이미지와 시술전 이미지를 공간적으로 정렬시켜, 이에 의해 갱신 표적 볼륨 계산을 제공하고, 중첩 기술을 이용하여 상기 초음파 이미지와 시술전 이미지를 결합하는 생성, 제공 및 결합 단계로서, 상기 영역은 표적 볼륨을 포함하는, 생성, 제공 및 결합 단계; 및 상기 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 계산하는 속도 벡터 필드 계산 단계로서, 상기 필드 계산은 침습적이지 않고 표적 볼륨 및 주변 조직 세포의 유연성값에 맞추어지는, 속도 벡터 필드 계산 단계를 포함한다.
이 방법의 관련 실시예에서, 시술전 이미지 및/또는 시술전 방식(modality)은 다음 타입 중 적어도 하나이다: 자기 공명, 컴퓨터 단층 촬영, 조영제 적용 초음파 등.
또 다른 관련 실시예에서, 초기 표적 볼륨 계산 및 갱신 표적 볼륨 계산 중 적어도 하나는 다음 표적 볼륨 파라메터 중 적어도 하나를 추가로 포함한다: 표적 볼륨의 위치, 범위 및 모양.
또 다른 관련 실시예에서, 초음파 이미지는 2차원 이미지 또는 3차원 이미지이다. 관련 실시예에서, 초음파 이미지는 초음파 세기 데이터의 연속적인 프레임을 비교함으로써 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 예측하기 위해 사용된다.
위 방법의 관련 실시예에서, 속도 벡터 필드를 계산하는 단계는 변위 필드(displacement field)를 계산하는 단계를 포함한다. 또 다른 관련 실시예에서, 속도 벡터 필드 및/또는 변위 필드를 계산하는 단계는 다음 표적 볼륨 파라메터 중 적어도 하나를 계산하는 단계를 포함한다: 표적 볼륨의 회전, 평행 이동 및 변형.
관련 실시예는 다음 단계 중 적어도 하나에 의해 계산 시간을 감소시키는 단계를 포함한다: 단일의 시술전 이미지를 생성하는 단계, 단일 이미지 정합을 이용하는 단계, 및 속도 벡터 필드 및/또는 변위 필드를 계산하기 위해 단일의 이미징 방식을 이용하는 단계.
여기에 제공된 본 발명의 또 다른 특징화된 실시예는 유연성 표적 볼륨의 진단 또는 치료를 위해 중재 의료 시술을 유도하는 방법이며, 이 방법은, 표적 볼륨 계산을 실시간으로 수정하도록 상기 표적 볼륨의 속도 벡터 필드 및/또는 변위 필드를 이용하는 단계로서, 상기 필드 계산은 침습적이지 않으며 표적 볼륨 및 주변 조직 세포의 유연성 값에 맞추어지는, 이용하는 단계; 실시간으로 중재용 디바이스의 적어도 하나의 초음파 이미지를 생성하는 단계; 및 상기 중재용 디바이스의 위치를 변경하기 위해 상기 중재용 디바이스의 실시간 초음파 이미지와 초음파 표적 볼륨 계산을 이용하고, 이에 의해 유연성 표적 볼륨의 진단 또는 치료를 위해 중재 의료 시술을 유도하는 단계를 포함한다.
위 방법의 관련 실시예에서, 표적 볼륨 계산은 다음 파라메터 중 적어도 하나를 포함한다: 표적 볼륨의 위치, 범위 및 모양.
또 다른 관련 실시예에서, 초음파 이미지는 2차원 이미지 또는 3차원 이미지이다.
또 다른 예시적인 실시예는 중재 의료 시술을 유도하기 위해 복수 타입의 의료 이미지를 결합하는 방법이다. 이 방법은, 이미징 방식을 이용하여 표적 볼륨을 둘러싸는 영역의 초기 이미지를 생성하는 단계로서, 상기 영역은 상기 표적 볼륨을 포함하고 상기 방식은 그레이 스케일 초음파가 아닌, 생성단계; 대응하는 초음파 인덱스 이미지를 생성하는 생성 단계; 상기 표적 볼륨의 초음파 이미지를 실시간으로 생성하는 단계; 상기 초음파 인덱스 이미지와 실시간 초음파 이미지 사이에서 이미지 기반 정합하는 단계; 및 중첩 기술 및/또는 상기 초음파 인덱스 이미지를 이용하여 상기 초기 이미지와 실시간 초음파 이미지를 결합하는 단계를 포함한다.
위 방법의 관련 실시예에서, 이미지 또는 이미징 방식은 다음 타입 중 적어도 하나를 포함한다: 컴퓨터 단층 촬영, 자기 공명 이미징, 조영제 적용 초음파 등.
또 다른 관련 실시예에서, 실시간 초음파 이미지는 중재 시술 동안 생성된다.
또 다른 예시적인 실시예는 복수의 이미징 방식을 이용하여 중재 의료 시술을 유도하는 시스템이다. 이 시스템은 다음 콤포넌트를 포함한다: 시술전 이미지를 생성하고 초기 표적 볼륨 계산을 산출하는 시술전 이미징 방식으로서, 그레이 스케일 초음파가 아닌, 시술전 이미징 방식; 중재 의료 디바이스의 이미지를 실시간으로 생성 및/또는 상기 표적 볼륨의 속도 벡터 필드 및/또는 변위 필드를 계산하기 위한 초음파 이미징 방식으로서, 상기 필드는 갱신 표적 볼륨 계산을 생성하기 위해 사용되는, 초음파 이미징 방식; 및 상기 표적 볼륨 안으로 삽입하는 중재 의료 디바이스로서, 상기 갱신 표적 볼륨 계산 및 상기 중재 디바이스의 실시간 이미지는 상기 중재 디바이스의 위치를 변경하기 위해 사용되는, 중재 의료 디바이스.
위 방법의 관련 실시예에서, 시술전 방식 또는 시술전 이미지는 다음 타입 중적어도 하나를 포함한다: 컴퓨터 단층 촬영, 자기 공명 이미징, 조영제 적용 초음파 등.
또 다른 관련 실시예에서, 초기 표적 볼륨 계산 및/또는 갱신 표적 볼륨 계산은 다음 표적 볼륨 파라메터 중 적어도 하나를 포함한다: 표적 볼륨의 위치, 범위 및 모양.
도 1은 이미징 데이터를 이용하여 중재 의료 시술의 유도를 보여주는 흐름도.
여기에 제공된 방법 및 시스템의 예시적인 실시예가 도 1에 도시된다. 시술전 데이터 세트(도 1에서 POD로 식별됨)는 이미징 방식(modality)(예를 들면, CT, MRI, 및/또는 CEUS)에 의해 계산된다. 이러한 데이터 세트는 초기 표적 볼륨 계산(도 1에서 TV0으로 식별됨)을 생성하기 위해 사용된다. 초음파 데이터 세트는 이후 초음파 이미징 방식을 이용하여 계산된다. 이후, 이 초음파 데이터 세트는 정합 기술을 이용하여 시술전 데이터 세트와 정렬된다(aligned). 시술전 데이터 세트와 초음파 데이터 세트의 정렬화(aligning)는 갱신 표적 볼륨 계산(도 1에서 TV로서 식 별됨)을 제공한다. 이후 연속적인 초음파 데이터 세트가 실시간으로 계산되고 표적 볼륨의 속도 벡터 필드 및/또는 변위 필드를 계산하기 위해 사용된다. 이 속도 벡터 필드 및/또는 변위 필드는 추가적인 갱신 표적 볼륨 계산을 제공한다. 이 갱신 표적 볼륨은 이후 중재용 디바이스의 실시간 초음파 이미지 상에 중첩되며, 이는 환자 신체 내에서 이 디바이스의 유도 및 항해를 개선한다.
중재 의료 시술은 전형적으로는 소형 바이오 의료 디바이스(예를 들면, 바늘 또는 카테터)를 진단 또는 치료 목적을 위해 표적 해부 위치의 환자 신체 내로 삽입하는 단계를 수반한다. 중재 의료 시술의 예는 다음을 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다: 무선 주파수(radio frequency) 절제술, 냉동 절제술, 및 초단파 절제술.
각 이미지 융합 기술은 또한 예를 들면 침습적이지 않은 의료 시술 또는 예를 들면 의료적이지 않은 시술과 같은 중재 의료 시술 유도와 관련된 및/또는 관련되지 않은 응용에 유용하다. 유사하게는, 유연성 표적 볼륨의 속도 벡터 필드 및/또는 변위 필드를 계산하기 위해 본 명세서에 제공된 방법은 또한 예를 들면 침습적이지 않은 의료 시술 또는 예를 들면 의료적이지 않은 시술과 같은, 중재 의료 시술의 유도와 관련 및/또는 관련되지 않은 응용에 유용하다.
여기에 쓰인 "표적 볼륨"이라는 어구는 중재 치료의 의도된 사이트이거나 또는 이를 포함하는 환자 신체 내의 물리적 3차원 영역을 설명한다. 표적 볼륨 계산은 표적 볼륨의 환자 신체 내의 크기, 모양, 범위 및/또는 위치의 예측을 포함한다.
여기에 쓰인 "유연성 표적 볼륨"은 유연성값을 갖는 표적 볼륨을 설명한다. 유연성 값은 구부리기(bend), 유연하기(flex), 비틀기(distort), 변형하기(deform) 등의 능력 또는 성질을 설명한다. 더 높은 유연성값은 구부리기(bend), 유연하기(flex), 비틀기(distort), 변형하기(deform) 등의 증가된 능력 또는 성질에 대응한다.
시술전 데이터 세트가 사용되어 표적 볼륨을 최적으로 검출하고 이를 주변 실질 조직(parenchyma)과 구별한다. 여기에 사용된 데이터 세트는 이미징 방식에 의해 계산된 데이터를 나타내고 "이미지"라는 용어와 같은 뜻으로 사용된다. 여기에 제공된 방범 및 시스템에서, CT, MRI 및/또는 CEUS 방식은 시술전 데이터 세트를 제공한다.
초음파 이미징(또한 의료 음파 진단술(sonography) 또는 초음파 진단술(ultrasonography) 명칭됨)은 진단 의료 이미징 기술이며, 이 진단 의료 이미징 기술은 인간의 청력의 상한보다 더 큰 주파수(한계는 약 20kilohertz임)를 갖는 음파를 사용한다. 초음파 이미징은 다양한 내부 기관의 크기, 구조 및/또는 위치를 시각화하기 위해 사용되며 또한 때때로 병리적 병변을 이미징하기 위해 사용된다. 그레이 스케일 초음파 및 CEUS를 포함하여 수개 타입의 초음파 이미징이 있다. 일반적으로, 그레이 스케일 디지털 이미지는 각 픽셀의 값이 단일의 샘플인 이미지이다. 이러한 종류의 디스플레이된 이미지는 전형적으로 회색의 음영(shades of gray)으로 구성되며, 이는 범위가 가장 희미한 세기의 흑색으로부터 가장 짙은 세기의 백색까지 이르지만, 그러나 원리적으로는 샘플은 임의 컬러의 음영으로 디스 플레이되거나 또는 심지어 상이한 세기에 대하여 다양한 컬러로 코딩된다. 그레이 스케일 이미지는 흑백 이미지와 다르며, 이 흑백 이미지는, 컴퓨터 이미징의 상황에서, 흑색과 백색인 2가지 컬러로만 이루어진 이미지이며, 그레이 스케일 이미지는 흑색과 백색의 이분법 사이의 회색의 많은 중간 음영을 갖는다. 달리 지정되지 않는다면, 여기에 제공된 초음파, 예를 들면 초음파 이미지(들), 초음파 스캐너(들), 또는 초음파 방식(들)에 대한 임의 참조는 그레이 스케일 초음파를 나타낸다.
여기에 제공된 방법은 수개 목적을 위해 초음파 이미지를 사용한다. 초음파 이미지는 실시간으로 중재용 디바이스의 위치를 제공한다. 초음파 이미지가 또한 2D 및/또는 3D로 사용되어 표적 볼륨의 속도 필드 및/또는 변위 필드를 예측한다. 속도 벡터 필드는 표적 볼륨의 움직임의 속도 및 방향이 시간에 따라 어떻게 변경되는 지를 설명한다. 변위 필드는 표적 볼륨의 위치가 시간에 따라 어떻게 변하는지를 설명한다. 이 필드는 연속적인 초음파 이미지로부터의 초음파 세기 값을 비교함으로써 계산된다. 속도 필드 및/또는 변위 필드는 다음 파라메터 중 적어도 하나를 포함한다: 표적 볼륨 및/또는 주변 조직 세포의 회전, 평행 이동 및 변형.
비록 계산 시간이 속도 필드 및/또는 변위 필드 예측의 복잡도 레벨에 따라 증가할지라도, 2개의 초음파 데이터 세트를 사용하는 현재 방법에 대한 계산 시간은 종래 기술의 계산 시간과 비교하여 상당히 감소되며, 이 경우 필드 계산은 상이한 방식으로부터의 이미지의 이미지 기반 정합을 수반한다.
초음파는 고 해상도에서 움직임 예측을 달성하기 위한 효과적인 방식이다. 예를 들면, 여기에 제공된 방법은 높은 프레임 속도의 블럭 매칭 기술을 이용하며, 이에 의해 축 방향(이미징의 축과 평행)으로 밀리미터의 약 1/20의 해상도를 획득한다.
전형적인 블럭 매칭 방법에서, 이미지 프레임은 픽셀 블럭으로 분할된다(여기서는 "블럭"으로 명명됨). 표준 블럭은 직사각형 모양이다. 블럭 매칭 알고리즘이 이후 한 픽셀씩 기반으로 연속적인 이미지 또는 이미지의 일부 사이의 유사성을 측정하기 위해 사용된다. "연속적인 이미지"는 시간상으로 잇따라 획득된 이미지이다. 예를 들면, 5개 이미지가 초당 획득되고, 제 2 이미지가 제 1 이미지의 연속적인 이미지이고, 제 3 이미지가 제 2 이미지의 연속적인 이미지이며, 제 4 이미지는 제 3 이미지의 연속적인 이미지가 되는 방식으로 진행한다. 현재 프레임으로부터의 블럭이 위치되고 특정 검색 전략을 이용하여 이전 프레임 주위로 이동된다. 기준이 정해져 대상 블럭이 이전 프레임 내의 대응하는 블럭과 얼마나 잘 매칭하는 지를 결정한다. 이 기준은 다음 중 하나 이상을 포함한다: 평균 제곱 오차, 최소 절대차, 제곱차의 합 및 절대차의 합. 블럭 매칭 기술의 목적은 한 프레임으로부터 다음 프레임으로 블럭의 상대적 전위를 계산함으로써 각 블럭의 움직임 벡터를 계산하는 것이다.
조영제 적용 초음파(CEUS: Contrast-Enhanced UltraSound)는 초음파 조영제(ultrasound contrast agent)의 사용과 그레이 스케일 초음파 이미징 기술의 결합을 설명한다. 초음파 조영제는 정맥 혈관 주사로 투여되어 체순환하는 가스로 채워진 미세 공기 방울(microbubble)이다. 미세 공기 방울은 높은 정도의 에코발생도 를 가지며, 이 에코발생도는 초음파를 반사하기 위한 대상의 능력이다. 미세 공기 방울 내의 가스와 신체의 부드러운 조직 세포 주변 사이의 에코 발생도 차이는 매우 크다. 따라서, 미세 공기 방울 조영제를 사용하는 초음파 이미징은 초음파의 초음파 후방산란(backscatter) 또는 초음파 반사를 강화시켜 높은 에코 발생도 차이로 인해 증가된 콘트라스트를 갖는 고유한 초음파도(sonogram)를 산출한다. CEUS는 기관에서의 혈액 관류(blood perfusion)를 이미징하기 위해, 심장 및 다른 기관에서의 혈류 속도를 측정하기 위해 사용되며, 또한 다른 어플리케이션을 갖는다.
컴퓨터 단층 촬영(CT: Computed Tomography)은 단일 회전축 주위에서 취해진 수개의 2차원 X선 이미지로부터 대상의 내부의 3차원 이미지를 생성하는 의료 이미징 방법을 기술한다. CT는 구조가 X선 빔을 어떻게 차단하는 지에 기초하여 다양한 구조를 예증하도록 윈도윙(windowing)으로서 알려진 프로세스를 통하여 조작될 수 있는 데이터의 볼륨을 산출한다. 현대식 스캐너는 또한 다량의 데이터(a volume of data)를 산출한다. 현대식 스캐너는 또한 다량의 데이터가 구조의 다양한 평면(2D 이미지로서) 또는 용적 측정(3D) 표현으로서 재포맷화되는 것을 허용한다.
또한 자기 공명 촬영(MRT: Magnetic Resonance Tomography) 또는 핵 자기 공명(NMR: Nuclear Magnetic Resonance)로서 명명되는 자기 공명 이미징(MRI: Magnetic Resonance Imaging)은 강한 자석 및 라디오파(radio wave)를 이용하여 살아있는 유기체의 내부를 시각화하기 위해 사용되는 방법을 묘사한다. MRI는 주로 살아있는 조직 세포의 병리적 또는 다른 생리적 변경을 예증하기 위해 사용되며, 의료 이미징의 흔하게 사용되는 폼이다. 잠재적으로 유해한 방사선(x-선)을 이용하 는 종래의 방사선 촬영 및 CT 이미징과 달리, MRI 이미징은 원자의 자기적 성질에 기초된다. 강한 자석은 지구의 자기장 보다 대략 10,000배 더 강한 자기장을 생성한다. 예를 들면 인간 신체와 같은 신체 내로 아주 적은 퍼센트의 수소 원자는 이러한 자기장에 따라 정렬될 것이다. 집중된 라디오파 펄스는 조직 세포내의 정렬된 수소 원자쪽으로 브로드캐스팅되며, 이후 조직 세포는 신호를 반사한다. 다양한 신체 조직 세포로부터의 그 신호에서의 미묘한 차이는 MRI가 기관을 구별하는 것을 가능하게 하고, 잠재적으로는 양성과 악성의 조직 세포를 콘트라스하는 것을 가능하게 한다. 임의 이미징 평면(또는 조각(slice))이 투사되고, 컴퓨터에 저장되거나 필름상으로 인쇄될 수 있다. MRI는 옷 및 뼈를 통과하여 이미징하기 위해 사용된다. 그러나, 관심 영역에 있는 특정 타입의 금속은 최종적인 이미지에서 아티팩트라고 불리는 중요한 에러를 야기할 수 있다.
이미지 공동-정합은 보통 3차원에서 공간 좌표를 이용하여 공간적으로 이미지를 정렬하는 것을 수반한다. 일부 실시예에서, 정합은 수동적 이미지 유사성 평가를 수반한다. 다른 실시예에서, 정합은 이미지 기반 자동화된 이미지 유사성 평가를 수반한다. 일부 실시예에서, 정합은 이미지 사이의 이미지 기반 랜드마크 정합을 수반한다. 정합 이후, 중첩 단계는 데이터의 통합된 디스플레이를 위해 중요하다. 이미지 융합은 이미지 중첩을 수반하는 이미지 정합의 프로세스를 나타낸다.
이미지 중첩은 시각적으로 2개 이미지를 하나의 디스플레이로 병합하는 것을 수반한다. 예를 들면, 2D 실시간 초음파 이미지가 초기 이미지의 삼평면(3D) 뷰에 중첩된다. 대안적으로는, 예를 들면, 3D 초음파 이미지는 투명성 중첩을 이용함으 로써 초기 이미지상으로 중첩된다. 가상 초음파 탐침은 이후 초음파 이미지의 상단에서 렌더링되어 물리적 초음파 탐침에 따라 이미지의 좌-우 방위를 위한 단서(cue)를 제공한다. 여기에 사용된 바와 같이, 가상 초음파 탐침은 초음파 이미징 방식에 의해 디스플레이되는 물리적 초음파 탐침의 디지털 표현을 설명한다. 여기에 사용된 바와 같이, 물리적 초음파 탐침은 초음파 이미징 시스템의 일부를 설명하며, 이는 초음파 이미징 시스템에 의해 산출된 이미지를 수정하기 위해 동작자에 의해 이동된다. 초음파 탐침이 이동됨에 따라, 이 장면이 재렌더링된다(예를 들면, 초당 약 5개 프레임으로). 초음파 이미지 및 초기 이미지는 종종 서로 구별하기 위해 이미지 중첩 동안 상이한 컬러로 보여진다.
대안적인 실시예는 대안적인 이미지 융합 기술을 제공하며, 이는 다음 단계를 포함한다: 초기 이미지 및 대응하는 초음파 인덱스 이미지를 생성하는 단계; 실시간으로 초음파 이미지를 생성하는 단계; 인덱스 이미지와 실시간 이미지를 정합하는 단계(co-registering)(예를 들면, Philips Qlab software를 이용); 및 이미지 중첩 알고리즘을 이용하여 초기 이미지를 실시간 이미지상으로 중첩하는 단계. 이 기술에서, 정합은 수동식 및/또는 이미지 기반 초기 이미지 유사성 평가 및 인덱스 이미지와 실시간 이미지 사이의 이미지 기반 랜드마크 정합을 수반한다.
여기에 사용된 바와 같이, 인덱스 이미지는 또한 초기 시술전 이미지에 의해 이미징되는 환자 신체의 영역을 묘사하는 초음파 이미지를 묘사한다. 예를 들면, CT 이미징 방식은 환자 신체 내의 영역의 초기 이미지를 생성하도록 사용되고, 대응하는 초음파 인덱스 이미지는 환자 신체 내의 약 등가적인 크기, 모양 및/또는 위치를 갖는 영역을 이미징하기 위해 사용된다.
다른 정합 방법과 비교하여, 여기에 제공된 방법 및 시스템은 수개의 이점을 갖는다. 이 방법은 침습적이지 않다(예를 들면, 스테인레스 스틸 구슬과 같은 인공적인 마커를 신체내로 삽입하는 단계를 수반하는 다른 방법과 비교하여). 속도 벡터 필드 및/또는 변위 필드는 표적 볼륨 및/또는 주변의 구조의 유연성 값을 설명하며, 이는 결국 표적 볼륨의 더 정확한 치료를 야기한다. 계산 시간은 대단히 감소되는데, 왜냐하면 (1) 기관 움직임의 상이한 위상에 대응하는 수개 볼륨보다는 오히려 단지 하나의 시술전 데이터 세트 산출, (2) 하나의 크로스-방식(cross-modality) 이미지 정합만의 실행(예컨데, CT-초음파나 MRI-초음파), (3) 복수의 방식보다는 오히려 단일 이미징 방식 (초음파)를 이용하여 속도 및/또는 변위 필드의 계산 때문이다.
대안적인 이미지 융합 기술은 다음 이점을 갖는데, 즉 이는 2개의 이미징 방식 사이의 직접적인 이미지 정합을 피하게 하고; 대신에 이는 초기(예를 들면, CT) 이미지를 실시간 초음파 이미지에 간접적으로 매칭하기 위해 인덱스 초음파 이미지를 이용하며; 이는 중재 치료 동안 인공적인 마커의 사용을 요구하지 않으며; 초기 이미지가 중재 치료에 앞서(예를 수일 전에) 취합될 수 있다. 더욱이, 만일 이중 이미징 능력을 갖는 초음파 이미징 시스템을 이용한다면, CEUS 초기 이미지와 초음파 인덱스 이미지는 동시에 동일한 이미징 평면으로부터 획득된다. 게다가, 실시간 콘트라스트 이미지 대신에 현존하는 콘트라스 이미지의 사용은 시간과 비용을 절약하게 하고 증기 구름에 의해 야기된 이미징 문제를 피하게 하며, 이는 세포를 열적 으로 치료함으로써 생성된 다량의 수증기(a collection of water vapor)를 설명한다.
더욱이, 본 발명, 및 위와 청구항에 기술된 특정 및 예시적인 실시예와 본 발명의 다른 및 추가 형태는 첨부된 청구항 및 이들의 균등물의 기술 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서도 발명될 수 있음이 명백할 것이며, 그러므로 이러한 본 발명의 범위는 이들 균등물을 포함하고 설명 및 청구항은 예시적인 것으로 의도되고 추가적인 제한으로서 이해되지 않아야함이 의도된다.
본 발명은 중재 의료 시술에서 초음파 유도(guidance)를 위한 방법 및 시스템에 이용 가능하다. 이 방법은, 시술전 이미징 방식(modality)을 이용하여 표적 볼륨을 둘러싸는 영역의 시술전 이미지를 생성하고, 초기 표적 볼륨 계산을 산출하는 생성 및 산출 단계로서, 이 영역은 표적 볼륨을 포함하고 상기 방식은 그레이 스케일 초음파가 아닌, 생성 및 산출 단계; 초음파 이미징 방식을 이용하여 표적 볼륨을 둘러싸는 영역의 초음파 이미지를 생성하고, 이미지 정합 기술을 이용하여 상기 초음파 이미지와 시술전 이미지를 공간적으로 정렬시켜, 이에 의해 갱신 표적 볼륨 계산을 제공하고, 중첩 기술을 이용하여 초음파 이미지와 시술전 이미지를 결합하는 생성, 제공 및 결합 단계로서, 이 영역은 표적 볼륨을 포함하는, 생성, 제공 및 결합 단계; 및 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 계산하는 속도 벡터 필드 계산 단계로서, 상기 필드 계산은 침습적이지 않고 표적 볼륨 및 주변 조직 세포의 유연성값에 맞추어지는, 속도 벡터 필드 계산 단계를 포함한다.
Claims (19)
- 체강(bodily cavity) 내에 유연성 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 침습적이지 않게 계산하는 방법으로서,시술전 이미징 방식(modality)을 이용하여 표적 볼륨을 둘러싸는 영역의 시술전 이미지를 생성하고, 초기 표적 볼륨 계산을 산출하는 생성 및 산출 단계로서, 상기 영역은 표적 볼륨을 포함하고 상기 방식은 그레이 스케일 초음파가 아닌, 생성 및 산출 단계;초음파 이미징 방식을 이용하여 표적 볼륨을 둘러싸고, 표적 볼륨을 포함하는 영역의 초음파 이미지를 생성하고, 이미지 정합 기술을 이용하여 상기 초음파 이미지와 시술전 이미지를 공간적으로 정렬시켜(align), 이에 의해 갱신 표적 볼륨 계산을 제공하고, 중첩 기술을 이용하여 상기 초음파 이미지와 시술전 이미지를 결합하는 생성, 제공 및 결합 단계;상기 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 계산하는 속도 벡터 필드 계산 단계로서, 상기 필드 계산은 침습적이지 않고 표적 볼륨과 주변 조직의 유연성 값에 맞추어지고 이에 의해 체강 내의 유연한 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 침습적이지 않게 계산하는, 속도 벡터 필드 계산 단계를 포함하는, 체강 내에 유연성 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 침습적이지 않게 계산하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 시술전 이미지 또는 시술전 방식은 자기 공명 이미징(Magnetic Resonance Imaging), 컴퓨터 단층 촬영(Computed Tomography), 조영제 적용 초음파(Contrast Enhanced Ultrasound) 등으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나인, 체강 내에 유연성 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 침습적이지 않게 계산하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 초기 표적 볼륨 계산 및 갱신 표적 볼륨 계산 중 적어도 하나는 상기 표적 볼륨의 위치, 범위, 모양으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 표적 볼륨 파라메터를 추가로 포함하는, 체강 내에 유연성 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 침습적이지 않게 계산하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 초음파 이미지는 2차원 이미지인, 체강 내에 유연성 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 침습적이지 않게 계산하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 초음파 이미지는 3차원 이미지인, 체강 내에 유연성 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 침습적이지 않게 계산하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,초음파 세기 데이터의 연속적인 프레임을 비교함으로써 상기 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 예측하기 위해 초음파 이미지를 사용하는 단계를 추가로 포함하는, 체강 내에 유연성 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 침습적이지 않게 계산하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 속도 벡터 필드를 계산하는 단계는, 변위 필드를 계산하는 단계를 포함하는, 체강 내에 유연성 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 침습적이지 않게 계산하는 방법.
- 제 6 항에 있어서,상기 속도 벡터 필드 및/또는 변위 필드 계산 단계는 상기 표적 볼륨의 회전, 평행 이동, 및 변형으로 이루어지는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 표적 볼륨 파라메터를 계산하는 단계를 추가로 포함하는, 체강 내에 유연성 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 침습적이지 않게 계산하는 방법.
- 제 1 항에 있어서,상기 속도 벡터 필드 및/또는 변위 필드를 계산하기 위해, 단일의 시술전 이미지를 생성하는 단계, 단일 이미지 정합을 이용하는 단계, 및 단일 이미징 방식을 이용하는 단계로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 단계에 의해 계산 시간을 감소시키는 단계를 추가로 포함하는, 체강 내에 유연성 표적 볼륨의 속도 벡터 필드를 침습적이지 않게 계산하는 방법.
- 유연성 표적 볼륨의 진단 또는 치료를 위해 중재 의료 시술을 유도하는 방법으로서,표적 볼륨 계산을 실시간으로 수정하도록 상기 표적 볼륨의 속도 벡터 필드 및/또는 변위 필드를 이용하는 단계로서, 상기 필드 계산은 침습적이지 않으며 표적 볼륨 및 주변 조직 세포의 유연성 값에 맞추어지는, 이용하는 단계;실시간으로 중재용 디바이스의 적어도 하나의 초음파 이미지를 생성하는 단계; 및상기 중재용 디바이스의 위치를 변경하기 위해 상기 중재용 디바이스의 실시간 초음파 이미지와 초음파 표적 볼륨 계산을 이용하고, 이에 의해 유연성 표적 볼륨의 진단 또는 치료를 위해 중재 의료 시술을 유도하는 단계를 포함하는, 유연성 표적 볼륨의 진단 또는 치료를 위해 중재 의료 시술을 유도하는 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 표적 볼륨 계산은 상기 표적 볼륨의 위치, 범위 및 모양으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 표적 볼륨 파라메터를 추가로 포함하는, 유연성 표적 볼륨의 진단 또는 치료를 위해 중재 의료 시술을 유도하는 방법.
- 제 10 항에 있어서,상기 초음파 이미지는 2차원 이미지인, 유연성 표적 볼륨의 진단 또는 치료를 위해 중재 의료 시술을 유도하는 방법
- 제 10 항에 있어서,상기 초음파 이미지는 3차원 이미지인, 유연성 표적 볼륨의 진단 또는 치료를 위해 중재 의료 시술을 유도하는 방법.
- 중재 의료 시술을 유도하기 위해 복수 타입의 의료 이미지를 결합하는 방법으로서,이미징 방식을 이용하여 표적 볼륨을 둘러싸는 영역의 초기 이미지를 생성하고 대응하는 초음파 인덱스 이미지를 생성하는 생성 단계로서, 상기 영역은 상기 표적 볼륨을 포함하고 상기 방식은 그레이 스케일 초음파가 아닌, 생성단계;상기 표적 볼륨의 초음파 이미지를 실시간으로 생성하고, 상기 초음파 인덱스 이미지와 실시간 초음파 이미지 사이에서 이미지 기반 정합하는 생성 및 정합 단계; 및중첩 기술 및 상기 초음파 인덱스 이미지 중 적어도 하나를 이용하여 상기 초기 이미지와 실시간 초음파 이미지를 결합하는 단계를 포함하는, 중재 의료 시술을 유도하기 위해 복수 타입의 의료 이미지를 결합하는 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 이미지 또는 이미징 방식은, 컴퓨터 단층 촬영, 자기 공명 이미징, 조영제 적용 초음파 등으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나인, 중재 의료 시술을 유도하기 위해 복수 타입의 의료 이미지를 결합하는 방법.
- 제 14 항에 있어서,상기 실시간 초음파 이미지가 상기 중재 시술 동안 생성되는, 중재 의료 시술을 유도하기 위해 복수 타입의 의료 이미지를 결합하는 방법.
- 복수의 이미징 방식을 이용하여 중재 의료 시술을 유도하는 시스템으로서,시술전 이미지를 생성하고 초기 표적 볼륨 계산을 산출하는 시술전 이미징 방식으로서, 그레이 스케일 초음파가 아닌, 시술전 이미징 방식;중재 의료 디바이스의 이미지를 실시간으로 생성, 및 상기 표적 볼륨의 속도 벡터 필드 및/또는 변위 필드 계산 중 적어도 하나를 위한 초음파 이미징 방식으로서, 상기 필드는 갱신 표적 볼륨 계산을 생성하기 위해 사용되는, 초음파 이미징 방식; 및상기 표적 볼륨 안으로 삽입하는 중재 의료 디바이스로서, 상기 갱신 표적 볼륨 계산 및 상기 중재 디바이스의 실시간 이미지는 상기 중재 디바이스의 위치를 변경하기 위해 사용되는, 중재 의료 디바이스를 포함하는, 복수의 이미징 방식을 이용하여 중재 의료 시술을 유도하는 시스템.
- 제 17 항에 있어서,상기 시술전 방식 또는 시술전 이미지는 컴퓨터 단층 촬영, 자기 공명 이미징, 조영제 적용 초음파 등으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나인, 복수의 이미징 방식을 이용하여 중재 의료 시술을 유도하는 시스템.
- 제 18 항에 있어서,초기 표적 볼륨 계산 및 갱신 표적 볼륨 계산 중 적어도 하나는 상기 표적 볼륨의 위치, 범위, 및 모양으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 표적 볼륨 파라메터를 추가로 포함하는, 복수의 이미징 방식을 이용하여 중재 의료 시술을 유도하는 시스템.
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