KR20200145249A - 초음파 스캐너의 탐촉자의 위치 및 자세 추적을 이용한 초음파 영상 제공 장치 및 방법 - Google Patents

초음파 스캐너의 탐촉자의 위치 및 자세 추적을 이용한 초음파 영상 제공 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파 영상 제공 장치에 관한 것으로서, 대상체에 직접 접촉되는 부분인 탐촉자를 구비하고, 마커가 형성되어 있는 초음파 스캐너, 상기 마커를 촬영하기 위한 촬영부, 상기 초음파 스캐너의 탐촉자가 접촉된 부분의 2차원 깊이 단면 영상인 초음파 영상을 획득하고, 상기 촬영부를 통해 촬영된 영상을 통해 3차원 상에서의 상기 마커의 위치 및 자세를 추정하고, 추정된 상기 마커의 위치 및 자세 정보로부터 3차원 상에서의 상기 탐촉자의 위치 및 자세를 추정하고, 추정된 상기 탐촉자의 위치 및 자세 정보로부터 상기 초음파 영상의 화소들을 3차원 상의 점으로 변환한 포인트 클라우드를 생성하고, 생성된 포인트 클라우드를 기반으로 3차원 초음파 영상을 복원하는 초음파 영상 제공부 및 상기 초음파 영상 제공부에서 복원된 3차원 초음파 영상을 디스플레이하기 위한 디스플레이부를 포함한다. 본 발명에 의하면, 보다 적은 비용으로 간단하고 용이하게 3차원 초음파 영상을 제공할 수 있다는 효과가 있다.

Description

초음파 스캐너의 탐촉자의 위치 및 자세 추적을 이용한 초음파 영상 제공 장치 및 방법 {Apparatus and method for providing ultrasound image using tracing position and pose of probe in ultrasound scanner}
본 발명은 초음파 스캐너를 구비한 초음파 영상 제공 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음파 스캐너의 탐촉자의 위치 및 자세 추적을 이용한 실시간 3차원 초음파 영상 복원 기술에 관한 것이며, 2차원 초음파 스캐너의 구성 요소 중 환부에 직접 닿는 부분인 탐촉자(Probe)의 위치와 자세를 정밀 추적하여 인체의 내부 투시 영상을 3차원으로 실시간 복원하는 방법 및 장치에 대한 것이다.
일반적으로 초음파 시스템은 탐촉자(probe)인 트랜스듀서의 압전 효과에 의하여 검사하고자 하는 대상물에 초음파 신호를 발사하고, 그 결과 대상물의 불연속면에서 반사되어 되돌아오는 초음파 신호를 수신한 다음, 그 수신된 초음파 신호를 전기적 신호로 변환시켜 소정의 영상 장치에 출력함으로써 대상물의 내부 상태를 검사하는 시스템이다. 이러한 초음파 시스템은 의료 진단용, 비파괴 검사, 수중 탐색 기기 등에 널리 사용되고 있다.
즉, 초음파 진단장치는 탐촉자(probe)의 트랜스듀서(transducer)로부터 생성 되는 초음파 신호를 대상체의 체표로부터 체내의 타겟 부위를 향하여 조사하고, 반사된 초음파 신호(초음파 에코신호)의 정보를 수신하여 대상체 내부의 부위에 대한 연부조직의 단층이나 혈류에 관한 이미지를 무침습으로 얻어서, 대상체 내 부의 관찰, 이물질 검출 및 상해 측정 등의 의학적 목적으로 주로 사용된다.
이러한 초음파 진단장치는 X선 진단장치, X선 CT스캐너(Computerized Tomography Scanner), MRI(Magnetic Resonance Image), 핵의학 진단장치 등의 다른 영상진단장치와 비교할 때, 소형이고 저렴하며, 실시간으로 표시 가능하고, 방사선 등의 피폭이 없어 안전성이 높은 장점이 있으므로, 다른 화상 진단 장치와 함께 널리 이용되고 있다.
이처럼, 초음파 스캐너는 초음파의 반사 시간 차이를 통해 특정 위치에서의 2차원 깊이 단면 영상을 획득하는 장비로서, CT 스캐너 혹은 MRI 등의 다른 영상 장비와 달리 정보를 실시간으로 획득할 수 있고, 또한 X선 등으로 인한 방사선 피폭이 전혀 없다는 장점이 있다.
최근에는 이러한 2차원 초음파 스캐너를 응용한 3차원 초음파 영상 장치도 많이 사용되고 있지만, 이들은 대부분 고정된 위치에서의 국소 지역에 대해서만 3차원 복원이 가능하다는 한계가 있다.
대한민국 공개특허 10-2017-0115446
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 별도의 외부 카메라들을 이용하여 탐촉자의 위치 및 자세를 추적하고, 이를 통해 광범위한 3차원 모형을 정밀하게 복원하여 제공하는 초음파 영상 제공 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초음파 영상 제공 장치는 대상체에 직접 접촉되는 부분인 탐촉자를 구비하고, 마커가 형성되어 있는 초음파 스캐너, 상기 마커를 촬영하기 위한 촬영부, 상기 초음파 스캐너의 탐촉자가 접촉된 부분의 2차원 깊이 단면 영상인 초음파 영상을 획득하고, 상기 촬영부를 통해 촬영된 영상을 통해 3차원 상에서의 상기 마커의 위치 및 자세를 추정하고, 추정된 상기 마커의 위치 및 자세 정보로부터 3차원 상에서의 상기 탐촉자의 위치 및 자세를 추정하고, 추정된 상기 탐촉자의 위치 및 자세 정보로부터 상기 초음파 영상의 화소들을 3차원 상의 점으로 변환한 포인트 클라우드를 생성하고, 생성된 포인트 클라우드를 기반으로 3차원 초음파 영상을 복원하는 초음파 영상 제공부 및 상기 초음파 영상 제공부에서 복원된 3차원 초음파 영상을 디스플레이하기 위한 디스플레이부를 포함한다.
상기 초음파 영상 제공부는 상기 탐촉자가 이동함에 따라 생성된 3차원 상의 점 정보들을 기반으로 생성된 포인트 클라우드로부터 3차원 메쉬를 생성하고, 생성된 3차원 메쉬를 기반으로 3차원 초음파 영상을 복원할 수 있다.
상기 촬영부는 단일 카메라로 구성되어 있고, 상기 마커는 평면 이미지 마커이고, 상기 초음파 영상 제공부는 상기 단일 카메라에서 촬영된 영상에서 상기 평면 이미지 마커를 탐색하고, 상기 평면 이미지 마커의 위치 및 자세를 추정할 수 있다.
상기 촬영부는 다수의 위치에 설치된 다수의 다중 카메라로 구성되어 있고, 상기 마커는 막대 형태로 형성되어 있는 막대형 마커이고, 상기 초음파 영상 제공부는 상기 다중 카메라에서 촬영된 영상에서 상기 막대형 마커를 탐색하고, 상기 막대형 마커의 위치 및 자세를 추정할 수 있다.
상기 초음파 영상 제공부는 상기 마커의 위치 및 자세 정보와, 미리 실측한 상기 마커와 상기 탐촉자 간의 상대 거리 및 상대 각도 정보를 이용하여 상기 탐촉자의 위치 및 자세를 추정할 수 있다.
상기 초음파 영상 제공부는 상기 탐촉자의 위치로부터의 상대 거리에 따라 상기 초음파 영상의 화소들을 3차원 상의 점으로 변환한 포인트 클라우드를 생성할 수 있다.
본 발명의 대상체에 직접 접촉되는 부분인 탐촉자를 구비하고, 마커가 형성되어 있는 초음파 스캐너, 상기 마커를 촬영하기 위한 촬영부, 초음파 영상 제공부 및 디스플레이부를 포함하는 초음파 영상 제공 장치에서의 초음파 영상 제공 방법에서, 상기 초음파 영상 제공부는 상기 초음파 스캐너의 탐촉자가 접촉된 부분의 2차원 깊이 단면 영상인 초음파 영상을 획득하는 단계, 상기 초음파 영상 제공부는 상기 촬영부를 통해 촬영된 영상을 통해 3차원 상에서의 상기 마커의 위치 및 자세를 추정하는 단계, 상기 초음파 영상 제공부는 추정된 상기 마커의 위치 및 자세 정보로부터 3차원 상에서의 상기 탐촉자의 위치 및 자세를 추정하는 단계, 상기 초음파 영상 제공부는 추정된 상기 탐촉자의 위치 및 자세 정보로부터 상기 초음파 영상의 화소들을 3차원 상의 점으로 변환한 포인트 클라우드를 생성하는 단계 및 상기 초음파 영상 제공부는 생성된 포인트 클라우드를 기반으로 3차원 초음파 영상을 복원하여 상기 디스플레이부에서 복원된 3차원 초음파 영상이 디스플레이되도록 하는 단계를 포함한다.
상기 초음파 영상 제공부는 상기 탐촉자가 이동함에 따라 생성된 3차원 상의 점 정보들을 기반으로 생성된 포인트 클라우드로부터 3차원 메쉬를 생성하고, 생성된 3차원 메쉬를 기반으로 3차원 초음파 영상을 복원할 수 있다.
상기 촬영부는 단일 카메라로 구성되어 있고, 상기 마커는 평면 이미지 마커이고, 상기 초음파 영상 제공부는 상기 단일 카메라에서 촬영된 영상에서 상기 평면 이미지 마커를 탐색하고, 상기 평면 이미지 마커의 위치 및 자세를 추정할 수 있다.
상기 촬영부는 다수의 위치에 설치된 다수의 다중 카메라로 구성되어 있고, 상기 마커는 막대 형태로 형성되어 있는 막대형 마커이고, 상기 초음파 영상 제공부는 상기 다중 카메라에서 촬영된 영상에서 상기 막대형 마커를 탐색하고, 상기 막대형 마커의 위치 및 자세를 추정할 수 있다.
상기 초음파 영상 제공부는 상기 마커의 위치 및 자세 정보와, 미리 실측한 상기 마커와 상기 탐촉자 간의 상대 거리 및 상대 각도 정보를 이용하여 상기 탐촉자의 위치 및 자세를 추정할 수 있다.
상기 초음파 영상 제공부는 상기 탐촉자의 위치로부터의 상대 거리에 따라 상기 초음파 영상의 화소들을 3차원 상의 점으로 변환한 포인트 클라우드를 생성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 초음파 스캐너의 탐촉자의 위치 및 자세 추적을 이용하여 2차원의 초음파 영상을 실시간으로 3차원 초음파 영상으로 복원하여 제공할 수 있으므로, 보다 적은 비용으로 간단하고 용이하게 3차원 초음파 영상을 제공할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 의료 환경에서 특정 환부에 대해 실시간으로 3차원 내부 관측을 가능케 하므로, 복잡하고 묘사하기 어려운 인체의 해부학적 이상 징후를 정확하게 진단하고, 이를 처치함에 있어 직관적인 도움을 줄 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 영상 제공 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 영상 제공 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 교정 과정을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 카메라와 평면 이미지 마커를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 카메라와 막대형 마커를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 마커를 구비한 초음파 스캐너를 도시한 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 영상 취득 및 3차원 포인트 클라우드 생성 과정을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 포인트 클라우드로부터 3차원 메쉬를 생성하는 과정을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 막대형 마커 추적용 영상 취득 작업을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 정제 작업을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 최적 선분 탐색 작업을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 선분 복원 작업을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 최적 선분 탐색 작업을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료 기구에 대한 자세 추정 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 영상 제공 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 초음파 영상 제공 장치는 초음파 스캐너(100), 카메라(200), 초음파 영상 제공부(300), 디스플레이부(400)를 포함한다.
초음파 스캐너(100)는 대상체에 직접 접촉되는 부분인 탐촉자(Probe, 110)를 구비하고, 마커(120)가 형성되어 있다.
촬영부(200)는 마커(120)를 촬영하는 역할을 한다. 본 발명에서 촬영부(200)는 단일 카메라로 구성될 수도 있고, 또는 다수의 다중 카메라로 구성될 수도 있다.
초음파 영상 제공부(300)는 초음파 스캐너(100)의 탐촉자(110)가 접촉된 부분의 2차원 깊이 단면 영상인 초음파 영상을 획득한다. 그리고, 촬영부(200)를 통해 촬영된 영상을 통해 3차원 상에서의 마커(120)의 위치 및 자세를 추정한다.
그리고, 초음파 영상 제공부(300)는 추정된 마커(120)의 위치 및 자세 정보로부터 3차원 상에서의 탐촉자(110)의 위치 및 자세를 추정한다. 그리고, 추정된 탐촉자(110)의 위치 및 자세 정보로부터 초음파 영상의 화소들을 3차원 상의 점으로 변환한 포인트 클라우드를 생성하고, 생성된 포인트 클라우드를 기반으로 3차원 초음파 영상을 복원한다.
본 발명의 일 실시예에서 초음파 영상 제공부(300)는 탐촉자(110)가 이동함에 따라 생성된 3차원 상의 점 정보들을 기반으로 생성된 포인트 클라우드로부터 3차원 메쉬를 생성하고, 생성된 3차원 메쉬를 기반으로 3차원 초음파 영상을 복원할 수 있다.
디스플레이부(400)는 초음파 영상 제공부(300)에서 복원된 3차원 초음파 영상을 디스플레이하는 역할을 한다. 예를 들어, 디스플레이부(400)는 LCD, LED 등으로 구현될 수 있다.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 카메라와 평면 이미지 마커를 도시한 것이다.
도 5을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에서 촬영부(200)는 단일 카메라로 구성되어 있고, 마커(120)는 평면 이미지 마커로 구현될 수 있다. 이때, 초음파 영상 제공부(300)는 단일 카메라에서 촬영된 영상에서 평면 이미지 마커를 탐색하고, 평면 이미지 마커의 위치 및 자세를 추정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 카메라와 막대형 마커를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에서 촬영부(200)는 다수의 위치에 설치된 다수의 다중 카메라로 구성되어 있고, 마커(120)는 막대 형태로 형성되어 있는 막대형 마커로 구현될 수 있다. 막대형 마커는 막대 형태의 길이 방향으로 식별이 가능한 선분 형태로 구현될 수 있다. 막대형 마커는 얇은 폭의 직진 선분을 갖는 레이저 광선으로 구현하여 정밀도를 높일 수도 있고, 직진 선분을 갖는 막대 형태의 고체로 구현될 수도 있다.
이때, 초음파 영상 제공부(300)는 다중 카메라에서 촬영된 영상에서 막대형 마커를 탐색하고, 막대형 마커의 위치 및 자세를 추정할 수 있다.
초음파 영상 제공부(300)는 마커(120)의 위치 및 자세 정보와, 미리 실측한 마커(120)와 탐촉자(110) 간의 상대 거리 및 상대 각도 정보를 이용하여 탐촉자(110)의 위치 및 자세를 추정할 수 있다.
초음파 영상 제공부(300)는 탐촉자(110)의 위치로부터의 상대 거리에 따라 초음파 영상의 화소들을 3차원 상의 점으로 변환한 포인트 클라우드를 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 영상 제공 방법을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 촬영부(200)의 카메라 교정을 실시한다(S401). 본 발명에서는 촬영부가 단일 카메라인지 또는 복수의 다중 카메라인지에 따라 마커 추적용 카메라의 내부 정보, 위치 관계 등을 파악하는 카메라 교정을 실시한다.
그리고, 초음파 영상 제공부(300)는 촬영부(200)를 통해 촬영된 영상을 통해 3차원 상에서의 마커(120)의 위치 및 자세를 추정한다(S403, S405).
그리고, 초음파 영상 제공부(300)는 추정된 마커의 위치 및 자세 정보로부터 3차원 상에서의 탐촉자의 위치 및 자세를 추정한다.
그리고, 초음파 영상 제공부(300)는 초음파 스캐너(100)의 탐촉자(110)가 접촉된 부분의 2차원 깊이 단면 영상인 초음파 영상을 획득한다(S407).
그리고, 초음파 영상 제공부(300)는 추정된 탐촉자(110)의 위치 및 자세 정보로부터 초음파 영상의 화소들을 3차원 상의 점으로 변환한 포인트 클라우드를 생성한다(S409).
그리고, 초음파 영상 제공부(300)는 탐촉자(110)가 이동함에 따라 생성된 3차원 상의 점 정보들을 기반으로 생성된 포인트 클라우드로부터 3차원 메쉬를 생성하고, 생성된 3차원 메쉬를 기반으로 3차원 초음파 영상을 복원한다(S411).
그리고, 초음파 영상 제공부(300)는 생성된 포인트 클라우드를 기반으로 3차원 초음파 영상을 복원하여 디스플레이부(400)에서 복원된 3차원 초음파 영상이 디스플레이되도록 한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 교정 과정을 보여주는 도면이다.
도 3은 단일 카메라의 교정 과정을 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 단일 카메라의 경우, 카메라가 찍는 피사체의 실제 3차원 위치와 사진상에서의 2차원 위치 간의 관계를 정확하게 파악하기 위해 카메라 교정(Calibration) 과정을 수행한다.
먼저, 일정한 간격으로 나열된 점을 검출할 수 있는 교정판(Calibration Board)을 여러 번 촬영한 후, 이를 통해 카메라의 각종 고유 값(초점거리, 주점, 렌즈 왜곡 계수 등)을 추출한다. 일단 카메라의 고유 값을 추출하면 변하지 않으므로, 한번만 교정 과정을 수행하면 된다.
도 4는 다중 카메라의 교정 과정을 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 다중 카메라의 경우, 각각의 모든 카메라에 대해 단일 카메라 교정 과정을 진행함과 동시에, 최종적으로 카메라들 서로 간의 위치관계를 추출하는 과정을 수행한다.
먼저, 여러 카메라들이 동시에 하나의 피사체를 찍은 후, 찍힌 2차원 영상 위의 동일점 정보를 이용하여 카메라들 사이에서의 이동, 회전 값을 구한다.
다중 카메라의 경우, 카메라들의 상대적인 위치, 각도가 변할 때마다 교정 과정을 수행해야 하지만, 카메라들이 모두 고정된 상태라면 처음 한번만 수행하면 된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 카메라와 평면 이미지 마커를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 단일 카메라와 사각 평면 이미지 마커의 경우를 예시한 것으로서, 단일 카메라에서 취득한 영상에서 사각 평면 이미지 마커를 탐색하고, 마커의 위치 및 자세를 파악한다. 예를 들어, X: 50mm, Y: 30mm, Z: 400mm, 피치(pitch): 40, 요(yaw): 50, 롤(roll): 20으로 사격 평면 이미지 마커의 위치 및 자세를 추정할 수 있다. 이때 마커의 위치 및 자세를 파악하는 방법은 공지된 방법을 사용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 카메라와 막대형 마커를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 다중 카메라와 막대형 마커의 경우를 예시한 것으로서, 다중 카메라에서 취득한 영상에서 막대형 마커를 탐색, 마커의 위치 및 자세를 파악할 수 있다. 막대형 마커의 위치 및 자세는 3차원 복원 방법을 통해 추정할 수 있다.
도 6에서 보는 바와 같이, 막대형 마커(120)는 초음파 스캐너(100)의 후면에 길이방향으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로는 초음파 스캐너(100)의 전면에 탐촉자가 형성되어 있고, 그 반대면인 후면에 막대형 마커(120)가 길이 방향으로 형성될 수 있다. 초음파 영상을 복원하기 위해서는, 초음파 스캐너(100)의 회전 성분도 파악되어야 하므로, 길이 방향으로 형성된 선분 뿐 아니라 길이 방향 선분에 수직으로 형성되는 추가 선분(도 6, 7에 도시된 짧은 선분)이 부가된다. 3차원 선분 1개의 정보만을 이용하면 선분의 위치와 기울기를 추정할 수 있으나, Y축 회전 성분(Yaw 회전 성분이라 함)을 추정할 수 없다. 초음파 영상을 복원하기 위해서는 Yaw 회전 성분 정보가 필요하므로, 막대형 마커(120)로 일자형이 아니라 'ㅏ' 자 형태가 사용된다. 이 때, 막대형 마커(120)의 형상은 초음파 스캐너의 Y축 회전 성분(Yaw 회전 성분)을 추정할 수 있는 다른 형태로의 변형도 가능하다. 예를 들어, 짧은 선분을 복수개 부착할 수도 있고 짧은 선분의 형상을 선분이 아닌 다른 형상으로 형성할 수도 있다.
도 7은 본 발명의 마커를 구비한 초음파 스캐너를 도시한 것이다.
도 7에서 (a)는 평면 이미지 마커의 예시도이고, (b)는 막대형 마커의 예시도이다.
도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 미리 실측해 놓은 마커(120)와 탐촉자(110) 사이의 관계를 이용하여 탐촉자(110)의 3차원 위치 및 자세를 추정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 영상 취득 및 3차원 포인트 클라우드 생성 과정을 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 탐촉자(110)로부터 깊이 단면 영상을 취득한 후, 영상 내 화소들 중 일정 이상 밝기를 가진 점들을 탐촉자(110)의 위치, 자세 정보를 이용하여 3차원으로 복원한다. 이때, 실시간으로 탐촉자(110)가 움직이므로, 매 단위 시간마다 수많은 3차원 점 정보를 얻을 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 포인트 클라우드로부터 3차원 메쉬를 생성하는 과정을 도시한 것이다.
도 9에서 보는 바와 같이, 본 발명의 초음파 영상 생성 장치에서는 포인트 클라우드로부터 3차원 점 정보들을 연결하여 메쉬(mesh)들을 생성할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 막대형 마커 추적용 영상 취득 작업을 설명하기 위한 도면이다.
도 10에서는 추적용 다중 카메라(200)가 네 개의 카메라로 구비된 것을 예시하고, 각 카메라에서 촬영된 영상을 네 개의 영상 화면으로 나타낸 것이다.
도 10을 참조하면, 각 카메라에서 촬영된 모든 영상들은 매 프레임마다 실시간으로 취득된다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 정제 작업을 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 취득된 영상에서 각 카메라 별로 막대형 마커를 분리(예를 들어, 레이저 마커 등 막대형 마커의 경우 각 막대(레이저) 선분의 막대(레이저) 색상 범위를 분리)하고, 일정 면적 이하의 불필요한 노이즈를 최대한 제거한다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 2차원 최적 선분 탐색 작업을 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 각 영상별 2차원 최적 선분 탐색 과정에서는 통계적으로 강건한 라인 피팅 알고리즘을 이용하여 최적 선분을 탐색한다. 이때 라인 피팅 알고리즘은 이미 잘 알려진 알고리즘을 사용할 수 있으며, 예를 들어 Inui, Meer, Rousseeuw 등의 라인 피팅 알고리즘을 사용할 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 선분 복원 작업을 설명하기 위한 도면이고, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 최적 선분 탐색 작업을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 도 13 및 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적의 3차원 선분 복원 작업을 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.　
도 13 및 도 14를 참조하면, 3차원 선분 복원 작업은 2차원 선분 정보들과 미리 파악한 카메라들의 위치관계 정보를 이용하여 최적 3차원 선분을 복원할 수 있다. 도 14에 복원된 최적 3차원 선분이 도시되어 있다.
도 13을 참조하면, 3차원 선분 복원 작업은 2차원 선분 정보들을 소정 개수씩(예를 들어, 2개씩) 묶은 후, 미리 파악한 카메라들의 위치관계 정보를 이용하여 다수의 3차원 선분들을 복원할 수 있다. 도 13에 3차원 선분들이 도시되어 있다.
도 14를 참조하면, 3차원 최적 선분 탐색 과정은 다수의 3차원 선분들의 양 끝점 정보들을 다시 라인 피팅하여 최적의 3차원 선분들을 찾아낼 수 있다. 이때 라인 피팅 알고리즘은 전술한 공지의 알고리즘을 사용할 수 있다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 의료 기구에 대한 자세 추정 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 15를 참조하면, 의료 기구의 자세 추정 과정은 미리 측정한 의료 기구와 막대형 마커 간의 위치 관계를 이용하여 실제 의료 기구의 3차원 자세를 추정할 수 있다. 예를 들어, 막대형 마커 선분과 의료 기구(초음파 스캐너의 탐촉자)의 위치 관계를 이용하여 의료 기구 본체부의 3차원 자세를 추정할 수 있다. 이 경우, 막대형 마커 선분의 위치와 길이가 정밀하게 추정되면, 의료 기구(초음파 스캐너의 탐촉자)의 위치와 자세는 자동적으로 정확하게 추정될 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
100 초음파 스캐너 110 탐촉자
120 마커 200 카메라
300 초음파 영상 제공부 400 디스플레이부

Claims (12)

  1. 대상체에 직접 접촉되는 부분인 탐촉자를 구비하고, 마커가 형성되어 있는 초음파 스캐너;
    상기 마커를 촬영하기 위한 촬영부;
    상기 초음파 스캐너의 탐촉자가 접촉된 부분의 2차원 깊이 단면 영상인 초음파 영상을 획득하고, 상기 촬영부를 통해 촬영된 영상을 통해 3차원 상에서의 상기 마커의 위치 및 자세를 추정하고, 추정된 상기 마커의 위치 및 자세 정보로부터 3차원 상에서의 상기 탐촉자의 위치 및 자세를 추정하고, 추정된 상기 탐촉자의 위치 및 자세 정보로부터 상기 초음파 영상의 화소들을 3차원 상의 점으로 변환한 포인트 클라우드를 생성하고, 생성된 포인트 클라우드를 기반으로 3차원 초음파 영상을 복원하는 초음파 영상 제공부; 및
    상기 초음파 영상 제공부에서 복원된 3차원 초음파 영상을 디스플레이하기 위한 디스플레이부
    를 포함하는 초음파 영상 제공 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 초음파 영상 제공부는 상기 탐촉자가 이동함에 따라 생성된 3차원 상의 점 정보들을 기반으로 생성된 포인트 클라우드로부터 3차원 메쉬를 생성하고, 생성된 3차원 메쉬를 기반으로 3차원 초음파 영상을 복원하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상 제공 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 촬영부는 단일 카메라로 구성되어 있고,
    상기 마커는 평면 이미지 마커이고,
    상기 초음파 영상 제공부는 상기 단일 카메라에서 촬영된 영상에서 상기 평면 이미지 마커를 탐색하고, 상기 평면 이미지 마커의 위치 및 자세를 추정하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상 제공 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 촬영부는 다수의 위치에 설치된 다수의 다중 카메라로 구성되어 있고,
    상기 마커는 막대 형태로 형성되어 있는 막대형 마커이고,
    상기 초음파 영상 제공부는 상기 다중 카메라에서 촬영된 영상에서 상기 막대형 마커를 탐색하고, 상기 막대형 마커의 위치 및 자세를 추정하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상 제공 장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 초음파 영상 제공부는 상기 마커의 위치 및 자세 정보와, 미리 실측한 상기 마커와 상기 탐촉자 간의 상대 거리 및 상대 각도 정보를 이용하여 상기 탐촉자의 위치 및 자세를 추정하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상 제공 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 초음파 영상 제공부는 상기 탐촉자의 위치로부터의 상대 거리에 따라 상기 초음파 영상의 화소들을 3차원 상의 점으로 변환한 포인트 클라우드를 생성하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상 제공 장치.
  7. 대상체에 직접 접촉되는 부분인 탐촉자를 구비하고, 마커가 형성되어 있는 초음파 스캐너, 상기 마커를 촬영하기 위한 촬영부, 초음파 영상 제공부 및 디스플레이부를 포함하는 초음파 영상 제공 장치에서의 초음파 영상 제공 방법에서,
    상기 초음파 영상 제공부는 상기 초음파 스캐너의 탐촉자가 접촉된 부분의 2차원 깊이 단면 영상인 초음파 영상을 획득하는 단계;
    상기 초음파 영상 제공부는 상기 촬영부를 통해 촬영된 영상을 통해 3차원 상에서의 상기 마커의 위치 및 자세를 추정하는 단계;
    상기 초음파 영상 제공부는 추정된 상기 마커의 위치 및 자세 정보로부터 3차원 상에서의 상기 탐촉자의 위치 및 자세를 추정하는 단계;
    상기 초음파 영상 제공부는 추정된 상기 탐촉자의 위치 및 자세 정보로부터 상기 초음파 영상의 화소들을 3차원 상의 점으로 변환한 포인트 클라우드를 생성하는 단계; 및
    상기 초음파 영상 제공부는 생성된 포인트 클라우드를 기반으로 3차원 초음파 영상을 복원하여 상기 디스플레이부에서 복원된 3차원 초음파 영상이 디스플레이되도록 하는 단계
    를 포함하는 초음파 영상 제공 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 초음파 영상 제공부는 상기 탐촉자가 이동함에 따라 생성된 3차원 상의 점 정보들을 기반으로 생성된 포인트 클라우드로부터 3차원 메쉬를 생성하고, 생성된 3차원 메쉬를 기반으로 3차원 초음파 영상을 복원하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상 제공 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 촬영부는 단일 카메라로 구성되어 있고,
    상기 마커는 평면 이미지 마커이고,
    상기 초음파 영상 제공부는 상기 단일 카메라에서 촬영된 영상에서 상기 평면 이미지 마커를 탐색하고, 상기 평면 이미지 마커의 위치 및 자세를 추정하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상 제공 방법.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 촬영부는 다수의 위치에 설치된 다수의 다중 카메라로 구성되어 있고,
    상기 마커는 막대 형태로 형성되어 있는 막대형 마커이고,
    상기 초음파 영상 제공부는 상기 다중 카메라에서 촬영된 영상에서 상기 막대형 마커를 탐색하고, 상기 막대형 마커의 위치 및 자세를 추정하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상 제공 방법.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 초음파 영상 제공부는 상기 마커의 위치 및 자세 정보와, 미리 실측한 상기 마커와 상기 탐촉자 간의 상대 거리 및 상대 각도 정보를 이용하여 상기 탐촉자의 위치 및 자세를 추정하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상 제공 방법.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 초음파 영상 제공부는 상기 탐촉자의 위치로부터의 상대 거리에 따라 상기 초음파 영상의 화소들을 3차원 상의 점으로 변환한 포인트 클라우드를 생성하는 것을 특징으로 하는 초음파 영상 제공 방법.
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