KR20130126074A - 이식체 시뮬레이션을 위한 3차원 매시 생성 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생체 이식체의 시뮬레이션을 위한 3차원 매시 생성 방법에 관한 것으로, a)인체의 관심 영역의 3차원 이미지 중 물성치가 상이한 적어도 둘의 대상 영역으로 구획하는 단계; b)상기 대상 영역의 제1 표면 매시(surface mesh)를 생성하는 단계; c)상기 대상 영역 중 어느 하나에 삽입되는 이식체의 3차원 이미지를 생성하는 단계; d)상기 이식체의 3차원 이미지의 제2 표면 매시(surface mesh)를 생성하는 단계; e)상기 제1 표면 매시와 제2 표면 매시를 병합하여 제3 표면 매시(surface mesh)를 생성하는 단계;및 f)상기 제3 표면 매시를 입체 매시(volume mesh)로 변환하는 단계;를 포함하는 3차원 매시 생성 방법를 제공하여, 이식체의 구조를 보다 정확하게 나타낼 수 있는 유리한 효과를 제공한다.

Description

이식체 시뮬레이션을 위한 3차원 매시 생성 방법{3-Dimensional Mesh Generation Method for Simulating Implantable}

본 발명은 3차원 매시 생성 방법에 관한 것으로, 생체 이식체의 시뮬레이션을 위한 3차원 매시 생성 방법에 관한 것이다.

인간의 장기가 완전히 기능을 상실하거나 일부 능력을 상실하여 지속적으로 외부의 도움을 필요할 때, 생체 이식형 의료기기는 장기의 기능을 일부 대체하거나 장기의 재활을 돕는 용도로서 많이 사용되고 있다. 하지만 생체 이식형 의료기기는 생체에 직접적으로 영향을 준다. 이에 임상단계에 사용하려면 가능한 많은 상황에서 안정성과 효능을 검증 받아야 한다.

이러한 생체 이식형 의료기기의 안정성과 효능을 검증하는 방법 중 하나로, 생체모델에 생체 이식형 의료기기를 넣어서 정상작동 할 때에 주변의 조직이나 장기에 어느 정도 영향을 끼치는 지에 대해 시뮬레이션 하는 방법이 있다. 하지만 이러한 방법은 생체모델 자체를 만들기 힘들다는 단점이 있다. 설사 생체모델을 제작하였다 하더라도, 생체 이식형 장비를 생체모델과 결합시키기는 매우 어려운 문제가 있다.. 이에 따라 생체모델표면 혹은 내부에 생체 이식형 모델을 결합시키는 방법이 제안되었다.

생체모델의 제작은 일반적으로, 자기공명장치나 컴퓨터 단층 찰영으로 얻어진 3차원 이미지을 기초로 한다. 그러나, 생체 대상 영역의 3차원 이미지와 생체 이식형 의료기기의 3차원 이미지를 영상 처리(image processing)하는 과정에서, 최종 결과물인 입체 매시(volume mesh)의 정밀도가 기초가 되는 생체 대상 영역의 3차원 이미지의 정밀도에 제한되는 문제가 있다.

특히, 초소형으로 제작되는 생체 이식형 의료기기의 이미지는. 생체 대상 영역의 3차원 이미지의 정밀도의 한계로 인하여, 정확한 구조를 나타낼 수 없는 문제점이 있다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 생체에 삽입되는 이식체의 구조를 정확하게 나타낼 수 있는 3차원 매시 생성 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, a)인체의 관심 영역의 3차원 이미지 중 물성치가 상이한 적어도 둘의 대상 영역으로 구획하는 단계와, b)상기 대상 영역의 제1 표면 매시(surface mesh)를 생성하는 단계와, c)상기 대상 영역 중 어느 하나에 삽입되는 이식체의 3차원 이미지를 생성하는 단계와, d)상기 이식체의 3차원 이미지의 제2 표면 매시(surface mesh)를 생성하는 단계와, e)상기 제1 표면 매시와 제2 표면 매시를 병합하여 제3 표면 매시(surface mesh)를 생성하는 단계 및 f)상기 제3 표면 매시를 입체 매시(volume mesh)로 변환하는 단계를 포함하는 3차원 매시 생성 방법을 제공한다.

바람직하게는, e-1) 상기 e)단계는, 상기 제1 표면 매시와 제2 표면 매시의 인터섹션(intersection)을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 e-1)단계에서, 상기 인터섹션이 일부 발생하는 경우, 상기 인터섹션의 발생 영역의 요소들을 삭제하고 다시 복원할 수 있다.

바람직하게는, 상기 e-1)단계에서, 상기 인터섹션이 일부 발생하는 경우, 상기 인터섹션이 발생하지 않는 위치로 상기 제1 표면 매시 및 상기 제2 표면 매시 중 적어도 어느 하나를 이동시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 e-1)단계에서, 상기 제1 표면 매시 및 상기 제2 표면 매시의 요소들이 완전히 일치되어 인터섹션이 발생하는 경우, 중첩되는 상기 제1 표면 매시 및 상기 제2 표면 매시의 요소를 하나의 요소로 합산할 수 있다.

바람직하게는, 상기 대상 영역은 뇌의 백색질, 뇌의 회색질, 뇌수척액, 두개골 및 피부 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

본 발명에 따른 3차원 매시 생성 방법에 따르면, 대상 영역의 3차원 이미지의 표면 매시(surface mesh)와 이식체의 3차원 이미지의 표면 매시(surface mesh)를 각각 별개로 형성하고 이를 병합함으로써, 이식체의 구조를 보다 정확하게 나타낼 수 있는 유리한 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 3차원 매시 생성 방법의 단계를 설명하기 위해 도시한 블록도,
도 2는 도 1에서 도시한 S100A 단계에서, 물성치에 따라 구획된 대상 영역을 나타낸 그림,
도 3은 도 1에서 도시한 S200A 단계에서 생성한 대상 영역들의 제1 표면 매시를 나타낸 그림,
도 4는 도 1에서 도시한 S100B 단계에서, 이식체의 3차원 이미지를 도시한 그림,
도 5는 도 1에서 도시한 S300 단계에서, 대상 영역의 제1 표면 매시와 이식체의 제2 표면 매시가 병합되어 생성된 제3 표면 매시를 도시한 그림,
도 6은 도 1에서 도시한 S310 단계에서 인터섹션을 삭제하고 복원하는 과정을 나타낸 그림,
도 7은 도 1에서 도시한 S400 단계의 입체 매시를 도시한 그림,
도 8은, 동일 이식체에 있어서, 종래의 3차원 매시 생성 방법에 의한 이식체의 입체 매와, 본 발명에 따른 3차원 매시 생성 방법에 의한 이식체의 입체 매시를 비교한 그림이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

본 발명은, 의료용 이식체를 신체에 삽입하여 물리적 자극 또는 전기적 자극을 부가할 때, 주변 생체 조직에 어느 정도 영향을 미치는지 모의 검증하기 위한 것으로, 대상 영역의 3차원 이미지와 이식체의 3차원 이지미를 영상 처리하여 합성하지 않고, 각각의 표면 매시(surface mesh)를 생성하여 병합한 후, 병합된 표면 매시를 입체 매시(volume mesh)로 생성하는 것을 기술적 특징으로 한다.

여기서, 대상 영역이라 함은, 신체의 관심 영역, 즉, 심장, 간, 뇌와 같은 장기 중에 물성치가 상이한 조직들을 의미한다. 또한, 이식체란, 신체에 삽입되어 물리적 또는 전기적 자극을 부가하는 장치로서, 심장 제세동기 또는 뇌에 삽입되어 전기적 자극을 부가하는 전극체 등을 예로 할 수 있다.

그리고, 매시(mesh)란, 구조물을 요소(element)로 구획하여 요소망으로 재형상화한 것을 의미한다. 생체 구조물을 표현하는 매시로서, 사면체 구조의 매시가 사용되는 것이 통상적이다. 표면 매시(surface mesh)란, 구조물의 표면상에 매시를 나타낸 것이며, 입체 매시(volume mesh)란, 3차원으로 이루어지는 매시로서 구조물의 내부도 매시로 이루어진 것을 의미한다. 통상적으로 입체 매시를 생성하기 위해서는 대상 구조물의 표면 매시를 사전에 생성한다.

한편, 대상 영역의 3차원 이미지는 자기공명장치나 컴퓨터 단층촬영 장치를 통해 얻을 수 있으며, 이식체의 3차원 이미지는 모델링을 통해 얻을 수 있다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 3차원 매시 생성 방법은 대상 영역의 제1 표면 매시와 이식체의 제2 표면 매시를 별개로 형성한다.

도 1을 참조하면, 대상 영역의 제1 표면 매시를 생성하기 위하여, 먼저, 인체 장기 또는 뇌와 같은 관심 영역의 3차원 이미지 중 물성치가 상이한 대상 영역으로 구획한다.(S100A)

도 2는 도 1에서 도시한 S100A 단계에서, 물성치에 따라 구획된 대상 영역을 나타낸 그림이다. 도 2를 참조하면, 뇌를 포함한 인체의 머리부를 관심 영역으로 예사하며, 이 관심 영역은 빨간색선, 흰선, 노란선, 보라색선을 기준으로 구획되어 대상 영역들을 형성함을 확인 할 수 있다.

일실시예에 있어서, 대상 영역들은 피부, 두개골, 뇌수척액층, 뇌 회색질, 뇌 백색질로 예시한다. 이러한, 대상 영역들은 물성치가 상이하다. 특히, 상술한 대상 영역들은 전기전도도가 상이하기 때문에, 이를 기초하여 뇌의 전기 자극 모델을 구현하ㅣ

다음으로, 대상 영역의 3차원 이미지 별로 제1 표면 매시를 생성한다.(S200A)

도 3은 도 1에서 도시한 S200A 단계에서 생성한 대상 영역들의 제1 표면 매시를 나타낸 그림이다. 도 2를 참조하면, 피부, 두개골, 뇌수척액층, 뇌 회색질, 뇌 백색질의 제1 표면 매시가 각각 생성됨을 확인할 수 있다.

도 4는 도 1에서 도시한 S100B 단계에서, 이식체의 3차원 이미지를 도시한 그림이다.

한편, 이식체의 제2 표면 매시를 생성하기 위하여, 이식체의 3차원 이미지를 모델링을 통해 생성한다.(S100B)

일실시예에 있어서, 도 4를 참조하면, 이식체는 뇌의 생체 조직에 삽입되어 전기 자극을 부가하는 전극체(10)를 예시한다. 전극체(10)는 원통형의 기판(11) 하부에 형성되는 원통형의 전극(12)으로 이루어진다. 전극체(10)는 그 지름(d)이 5mm이고, 기판의 높이(h1)는 1mm이며, 전극의 높이(h2)는 0.1mm인 초소형의 구조물이다.

이러한, 전극체(10)를 모델링하여 3차원 이미지를 생성한다. 이때, 종래와 같이, 전극체(10)의 3차원 이미지를 대상 영역의 3차원 이미지와 영상처리(image processing)를 하게 되면, 영상 처리된 이미지는 대상 영역의 3차원 이미지의 해상도에 제한된다. 이에, 상술한 초소형의 전극체(10)의 경계부분 또는 기타 이식체의 미세 돌출 부분이 표현되지 않을 수 있다.

때문에, 전극체(10)의 3차원 이미지에 대한 제2 표면 매시를 별도로 생성한다.(S200B)

다음으로, 제1 표면 매시와 제2 표면 매시를 병합하여 제3 표면 매시를 생성한다.(S300)

도 5는 도 1에서 도시한 S300 단계에서, 대상 영역의 제1 표면 매시와 이식체의 제2 표면 매시가 병합되어 생성된 제3 표면 매시를 도시한 그림이다.

도 5에서 도시한 바와 같이. 제3 표면 매시는 대상 영역의 제1 표면 매시(20)에 전극체(10)의 제2 표면 매시(10A)가 병합되어 형성된다. 이때, 제1 표면 매시(20)와 제2 표면 매시(10A)의 병합 과정 중에 인터섹션이 발생할 수 있다.

여기서, 인터섹션(intersection)이란, 제1 표면 매시 및 제2 표면 매시를 이루는 사면체 요소가 위치상 중첩되는 상태를 의미한다. 이러한 인터섹션이 발생하면, 제3 표면 매시를 입체 매시로 형성할 수 없기 때문에, 이를 반드시 제거한다.(S310)

인터섹션을 제거하는 방법으로, 3가지를 예로 든다.

첫째로, 인터섹션 발생 영역의 요소들을 삭제하고 다시 요소들을 복원한다. 도 6은 도 1에서 도시한 S310 단계에서 인터섹션을 삭제하고 복원하는 과정을 나타낸 그림이다. 도 6에서 도시한 바와 같이, 인터섹션 발생 영역(도 6의 적색선의 내부 영역)의 요소들을 삭제하여 인터섹션을 제거한다. 이후, 삭제된 영역을 커버하는 영역(도 6의 청색선 내부 영역)의 요소들을 복원한다.

둘째로, 인터섹션이 발생하지 않는 위치로 제1 표면 매시 또는 제2 표면 매시를 이동시킨다.

셋째로, 인터섹션 발생 영역에서, 제1 표면 매시의 요소들과 제2 표면 매시의 요소들이 완전히 일치하는 경우, 각 요소들을 하나의 요소로 합산하여 인터섹션을 제거한다.

다음으로, 제3 표면 매시를 입체 매시로 변환한다.(S400) 도 7은 도 1에서 도시한 S400 단계의 입체 매시를 도시한 그림이다. 도 7(b)에서 도시한 바와 같이, 대상 영역의 입체 매시(30)에 이식체의 입체 매시(40a)가 나타난 상태에서, 도 7의 (a)에서 도시한 바와 같이, 대상 영역의 내부가 매시로 구성됨을 확인할 수 있다.

한편, 도 8의 (a)는, 동일 이식체에 있어서, 종래의 3차원 매시 생성 방법에 의한 이식체의 입체 매시를 도시한 그림이고, 도 8의 (b)는 본 발명에 따른 3차원 매시 생성 방법에 의한 이식체의 입체 매시를 도시한 그림이다.

도 8의 (a)를 참조하면, 일실시예에 있어서, 전극체의 3차원 이미지를 대상 영역의 3차원 이미지와 영상처리(image processing)를 한 다음 이를 기초로 표면 매시와 입체 매시를 생성하는 종래의 방법에 따르면, 대상 영역의 입체 매시(20)에 삽입된 이식체의 입체 매시(1) 구조가 정확히 표현되지 않음을 확인할 수 있다. 이는 대상 영역의 3차원 이미지의 해상도에 이식체의 3차원 이미지의 해상도가 제한되기 때문이다.

반면에, 도 8의 (b)를 참조하면, 도 8의 (a)와 달리, 대상 영역의 입체 매시(30)에 삽입된 이식체의 입체 매시(40A) 구조가 정확히 표현됨을 확인할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 전극체
10A : 제2 표면 매시
20 : 제1 표면 매시
30 : 대상 영역의 입체 매시
40a : 이식체의 입체 매시

Claims (6)

1. a)인체의 관심 영역의 3차원 이미지 중 물성치가 상이한 적어도 둘의 대상 영역으로 구획하는 단계;
   b)상기 대상 영역의 제1 표면 매시(surface mesh)를 생성하는 단계;
   c)상기 대상 영역 중 어느 하나에 삽입되는 이식체의 3차원 이미지를 생성하는 단계;
   d)상기 이식체의 3차원 이미지의 제2 표면 매시(surface mesh)를 생성하는 단계;
   e)상기 제1 표면 매시와 제2 표면 매시를 병합하여 제3 표면 매시(surface mesh)를 생성하는 단계;및
   f)상기 제3 표면 매시를 입체 매시(volume mesh)로 변환하는 단계;를 포함하는 3차원 매시 생성 방법.
2. 제1 항에 있어서,
   e-1)상기 e)단계는, 상기 제1 표면 매시와 제2 표면 매시의 인터섹션(intersection)을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 매시 생성 방법.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 e-1)단계에서, 상기 인터섹션이 일부 발생하는 경우, 상기 인터섹션의 발생 영역의 요소들을 삭제하고 다시 복원하는 것을 특징으로 하는 3차원 매시 생성 방법.
4. 제2 항에 있어서,
   상기 e-1)단계에서, 상기 인터섹션이 일부 발생하는 경우, 상기 인터섹션이 발생하지 않는 위치로 상기 제1 표면 매시 및 상기 제2 표면 매시 중 적어도 어느 하나를 이동시키는 것을 특징으로 하는 3차원 매시 생성 방법.
5. 제2 항에 있어서,
   상기 e-1)단계에서, 상기 제1 표면 매시 및 상기 제2 표면 매시의 요소들이 완전히 일치되어 인터섹션이 발생하는 경우, 중첩되는 상기 제1 표면 매시 및 상기 제2 표면 매시의 요소를 하나의 요소로 합산하는 것을 특징으로 하는 3차원 매시 생성 방법.
6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 대상 영역은 뇌의 백색질, 뇌의 회색질, 뇌수척액, 두개골 및 피부 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 3차원 매시 생성 방법.

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