KR20210112436A - Method of non-rigid registration for multi-modality based on features of blood vessel, recording medium and device for performing the method - Google Patents

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Abstract

A multi-modality non-rigid body registration method based on blood vessel feature information comprises the steps of: performing rigid body registration in order to match a space of a three-dimensional CTA image taken before surgery with a space of a two-dimensional XA image taken during surgery; generating a three-dimensional blood vessel graph and a two-dimensional blood vessel graph for a blood vessel structure represented by vertices, edges, and roots from each blood vessel centerline of the three-dimensional CTA image and the two-dimensional XA image; reconstructing candidate segments of the two-dimensional blood vessel graph by searching for a path of the two-dimensional blood vessel graph corresponding to the segment connected between parent and child nodes in the three-dimensional blood vessel graph; matching the vertices of the three-dimensional blood vessel graph with the vertices of the two-dimensional blood vessel graph, respectively, based on a vertical inclination of one vertex of the three-dimensional CTA image and the distance between the one vertex and an adjacent vertex within a preset range; selecting candidate line of a two-dimensional blood vessel by comparing the similarity between the segments of the three-dimensional blood vessel graph and the candidate segments of the two-dimensional blood vessel graph; and performing non-rigid body transformation of moving the position of the vertex of the three-dimensional blood vessel graph to the vertex of the candidate line of the selected two-dimensional blood vessel by using a gradient descent method such that a predefined energy function has a minimum value. Accordingly, it is possible to provide accurate blood vessel information by providing a fast registration technology of the three-dimensional CTA image and the two-dimensional XA image.

Description

혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치{METHOD OF NON-RIGID REGISTRATION FOR MULTI-MODALITY BASED ON FEATURES OF BLOOD VESSEL, RECORDING MEDIUM AND DEVICE FOR PERFORMING THE METHOD}Multimodality non-rigid body registration method based on blood vessel characteristic information, recording medium and apparatus for performing the same

본 발명은 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 시술자에게 유용한 가이딩 정보 제공을 위해 동일 환자의 시술 전 촬영된 3D CTA 영상과 시술 중 촬영된 2D XA 영상의 빠르고 정확한 정합 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a method for registering a multimodality non-rigid body based on blood vessel characteristic information, a recording medium and an apparatus for performing the same, and more particularly, to a 3D CTA image taken before the procedure of the same patient and to provide useful guiding information to an operator. It relates to a technology for fast and accurate registration of 2D XA images taken during the procedure.

의료 시술이나 수술시에 사용되는 의료 영상 기술은 대표적으로 X-ray(X선 영상 기술, radiography)와 CT(전산화 단층 촬영 기술, Computed Tomography)가 있다.Medical imaging technologies used in medical procedures or surgeries are typically X-ray (X-ray imaging technology, radiography) and CT (Computed Tomography).

X-ray는 각 부위 조직의 투과된 X선의 감쇄 특성을 이용하여 평면 형광판이나 필름에 생체 내부 구조를 영상화하는 반면, CT는 인체의 단면 주위를 돌면서 X-선을 투사하고 X-선이 인체를 통과하면서 감소되는 양을 측정하여 내부 구조를 영상화한다.X-ray images the internal structure of the living body on a flat fluorescent plate or film by using the attenuation characteristics of the transmitted X-rays of each tissue, whereas CT projects X-rays while traveling around the cross section of the human body, and X-rays The internal structure is imaged by measuring the amount that decreases as it passes.

수술 전에는 주로 3D인 CT 영상을 찍고, 수술 중에는 2D X-ray 영상을 사용하는 경우가 많으므로, 두 이종 영상 간의 정확한 정합 기술은 의료 분야에서 매우 중요하다. 기존에 수행되었던 관상동맥의 2D 및 3D 비강체 정합 연구는 다음과 같다.Since 3D CT images are mainly taken before surgery and 2D X-ray images are often used during surgery, accurate matching between two heterogeneous images is very important in the medical field. Previously performed 2D and 3D non-rigid body registration studies of coronary arteries are as follows.

Rivest-Henault 등은 CTA 영상과 Biplane XA 영상으로부터 혈관 중심선을 추출하여 에너지 함수를 이용한 비강체 정합 기법을 제안하였다. 두 혈관의 정렬을 위해 아핀 변환을 통해 거리가 최소가 되는 지점으로 정합을 수행하였다. 지역적 변형을 위해 기울기 기반 대응점 탐색을 수행하였으며, Biplane 영상 간 Epipolar Constraint 적용을 통해 기하학적 관계에 대한 대응점 탐색 오류를 최소화하였다. Rivest-Henault et al. proposed a non-rigid body registration technique using an energy function by extracting a vessel centerline from a CTA image and a biplane XA image. To align the two blood vessels, registration was performed to the point where the distance was minimized through affine transformation. For regional transformation, slope-based matching point search was performed, and the matching point search error for geometrical relationships was minimized by applying Epipolar Constraint between biplane images.

또한, 자연스러운 변형을 위해 혈관의 강성, 심근의 영향을 고려한 에너지 항을 설계 및 적용하였다. 그러나, 3D 공간상에서의 기하학적 관계를 활용하여 정확도를 높였지만, 단일 XA 영상에서는 수행할 수 없다는 단점이 존재한다. 또한, 수행시간이 매우 오래 걸린다는 단점이 존재한다.In addition, for natural deformation, an energy term was designed and applied in consideration of the stiffness of blood vessels and the effect of myocardium. However, although the accuracy is improved by utilizing geometric relationships in 3D space, there is a disadvantage that it cannot be performed on a single XA image. In addition, there is a disadvantage that the execution time is very long.

Baka 등은 CTA 영상과 XA 영상에서 추출된 혈관 중심선 사이의 OGMM(Oriented Gaussian Mixture Model) 이용한 비강체 정합 기법을 제안하였다. 혈관 중심선에 대하여 방향 벡터를 추가하여 4D GMM으로 구성하고, SSM(Statistical Shape Model)과 변형된 L2 거리 측정법을 이용하여 두 혈관 사이의 거리 값이 최소가 되도록 정합을 수행하였다. Baka et al. proposed a non-rigid registration technique using the Oriented Gaussian Mixture Model (OGMM) between the vessel centerline extracted from the CTA image and the XA image. A 4D GMM was formed by adding a direction vector to the blood vessel centerline, and matching was performed so that the distance value between the two blood vessels was minimized using SSM (Statistical Shape Model) and a modified L2 distance measurement method.

방향 정보를 추가함으로써 강건성을 향상시켰지만, 방향 벡터를 포함시킴으로써 차원 증가와 함께 연산 복잡도가 증가하였고, 이로 인해 수행시간이 오래 걸린다는 단점이 존재한다.Robustness is improved by adding direction information, but computation complexity increases along with dimensionality increase by including direction vectors, which has a disadvantage in that it takes a long time to perform.

Gatta 등은 SIFT(Scale Invariant Feature Transform) flow를 이용한 비강체 정합 기법을 제안하였다. XA 영상은 혈관 증강 필터(Vessel Enhancement Filter)를 이용하여 불필요한 배경을 제거하여 사용하였고, CTA 영상은 혈관을 분할하여 C-arm의 Dicom 정보를 기반으로 DRR 영상을 생성하여 정합에 사용하였다. Gatta et al. proposed a non-rigid body matching technique using SIFT (Scale Invariant Feature Transform) flow. The XA image was used by removing an unnecessary background using a vessel enhancement filter, and the CTA image was used for registration by dividing the blood vessel and generating a DRR image based on the Dicom information of the C-arm.

두 혈관은 SIFT flow 에너지 함수 최소화를 통해 정합을 수행하였다. 하지만, 배경 제거의 한계로 인한 오정합이 발생할 수 있으며, DRR 영상의 생성과정에서 수행시간이 오래 걸린다는 단점이 존재한다.The two vessels were matched by minimizing the SIFT flow energy function. However, misalignment may occur due to the limitation of background removal, and there are disadvantages in that it takes a long time to generate the DRR image.

Kim 등은 XA 영상과 CTA 영상으로부터 혈관의 Centerline을 추출하고, 3D 혈관을 2D 혈관으로 투영한 후 정합을 수행하였다. 정확한 정합을 위해 투영된 혈관에 대하여 회전, 이동, 크기변환을 반복적으로 수행하여 혈관들 사이의 거리 최적화를 수행하였다. Kim et al. extracted the centerline of the blood vessel from the XA image and the CTA image, projected the 3D blood vessel into the 2D blood vessel, and then performed registration. For accurate registration, rotation, movement, and size transformation were repeatedly performed on the projected blood vessels to optimize the distance between the blood vessels.

또한, Chui 등이 제안한 TPS-RPM 기반 비강체 정합을 수행하여 혈관의 부분적 변형을 통한 정확도 향상을 시도하였다. 하지만, 3D CTA 혈관의 Centerline을 2D 영상으로 일회 투영한 후, 정합과정은 오직 2D에서 이루어짐으로써 3D 객체의 변환을 고려하지 않아 3D CTA 혈관의 토폴로지 정보가 보존되지 못하는 문제점이 있다. 또한, 깊이 정보 부족으로 인해 지역적 오류가 존재하는 영역에서 국부 최소에 수렴하여 잘못된 정합 결과를 가져올 수 있는 한계가 있다.In addition, TPS-RPM-based non-rigid registration proposed by Chui et al. was performed to improve accuracy through partial deformation of blood vessels. However, after the centerline of the 3D CTA blood vessel is projected onto the 2D image once, the registration process is performed only in 2D, so there is a problem in that the 3D CTA blood vessel topology information cannot be preserved because the transformation of the 3D object is not considered. In addition, due to the lack of depth information, there is a limit in that it may converge to a local minimum in a region where a local error exists, resulting in an erroneous matching result.

US 2014/0301618 A1US 2014/0301618 A1 US 7,450,743 B2US 7,450,743 B2 KR 10-2014-0120145 AKR 10-2014-0120145 A

수술 중 촬영된 2D XA 영상과 수술 전 촬영된 3D CTA 영상의 고속 강체 정합 기법, 박태용, 신용빈, 임선혜, 이정진, 한국멀티미디어학회논문지, 16권 12호 1454p ~ 1464p, 2013 High-speed rigid body registration technique of 2D XA images taken during surgery and 3D CTA images taken before surgery, Taeyong Park, Shin Yongbin, Lim Seonhye, Jeongjin Lee, Journal of the Korean Society for Multimedia, Vol. 16, No. 12 1454p ~ 1464p, 2013

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 동일 환자의 시술 전 촬영된 3D CTA 영상과 시술 중 촬영된 2D XA 영상의 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the technical problem of the present invention has been conceived in this regard, and an object of the present invention is to provide a multimodality non-rigid body registration method based on vascular characteristic information of a 3D CTA image taken before the procedure and a 2D XA image taken during the procedure of the same patient. will do

본 발명의 다른 목적은 상기 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a recording medium in which a computer program for performing the multimodality non-rigid body matching method based on blood vessel characteristic information is recorded.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide an apparatus for performing the multimodality non-rigid body matching method based on the blood vessel characteristic information.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법은, 시술 전 촬영된 3D CTA 영상과 시술 중 촬영되는 2D XA 영상의 공간을 일치시키기 위한 강체 정합을 수행하는 단계; 상기 3D CTA 영상과 상기 2D XA 영상의 각 혈관 중심선(Centerline)으로부터 정점(Point), 에지(Edge) 및 루트(Root)로 표현되는 혈관 구조에 대한 3D 혈관 그래프 및 2D 혈관 그래프를 생성하는 단계; 상기 3D 혈관 그래프에서 부모와 자식 노드로 연결된 절편(Segment)에 대응하는 상기 2D 혈관 그래프의 경로를 탐색하여, 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들을 재구성하는 단계; 상기 3D CTA 영상의 한 정점에 대한 수직 기울기 및 상기 한 점과 미리 설정한 범위내의 인접하는 정점과의 거리를 기초로, 상기 3D 혈관 그래프의 정점과 상기 2D 혈관 그래프의 정점을 각각 매칭하는 단계; 상기 3D 혈관 그래프의 절편과 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들의 유사성을 비교하여 2D 혈관의 후보 라인을 선정하는 단계; 및 미리 정의된 에너지 함수가 최소값을 갖도록 경사 하강법(Gradient Decent Method)을 이용하여 상기 3D 혈관 그래프의 정점의 위치를 선정된 2D 혈관의 후보 라인의 정점으로 이동시키는 비강체 변형 단계;를 포함한다.The multi-modality non-rigid body registration method based on blood vessel characteristic information according to an embodiment for realizing the object of the present invention is rigid body registration for matching the space of the 3D CTA image taken before the procedure and the 2D XA image taken during the procedure. performing the steps; generating a 3D vascular graph and a 2D vascular graph for vascular structures represented by vertices, edges, and roots from each vascular centerline of the 3D CTA image and the 2D XA image; reconstructing candidate segments of the 2D blood vessel graph by searching a path of the 2D blood vessel graph corresponding to a segment connected to a parent and child node in the 3D blood vessel graph; matching the vertices of the 3D blood vessel graph and the vertices of the 2D blood vessel graph, respectively, based on a vertical inclination of one vertex of the 3D CTA image and a distance between the one point and an adjacent vertex within a preset range; selecting a candidate line of a 2D blood vessel by comparing the similarity between the slices of the 3D blood vessel graph and the candidate slices of the 2D blood vessel graph; and a non-rigid body transformation step of moving the position of the vertex of the 3D blood vessel graph to the vertex of the candidate line of the selected 2D blood vessel using the gradient descent method so that the predefined energy function has a minimum value. .

본 발명의 실시예에서, 상기 강체 정합을 수행하는 단계는, 상기 2D XA 영상 촬영 시 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) 정보를 획득하는 단계; 상기 DICOM 정보를 상기 3D CTA 영상으로부터 추출된 3D 혈관 중심선에 적용하여, 상기 2D XA 영상이 획득 될 당시의 가상환경을 생성하는 단계; 및 상기 3D 혈관 중심선과 2D 혈관 중심선을 상기 가상환경에 투영하여 정합공간을 일치시키는 정밀 정합을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, performing the rigid body registration may include: acquiring Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) information when capturing the 2D XA image; generating a virtual environment when the 2D XA image is acquired by applying the DICOM information to a 3D blood vessel centerline extracted from the 3D CTA image; and projecting the 3D blood vessel center line and the 2D blood vessel center line to the virtual environment to perform precise registration to match the registration space.

본 발명의 실시예에서, 상기 정밀 정합을 수행하는 단계는, 상기 3D 혈관 중심선과 2D 혈관 중심선의 세선화 과정을 수행하는 단계; 세선화된 3D 혈관 중심선과 2D 혈관 중심선의 거리맵을 생성하는 단계; 상기 거리맵을 기초로 유사성 비교를 수행하는 단계; 및 파웰 최적화 기법을 적용한 변환 함수(Transformation Function)를 사용하여 정밀 정합을 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, performing the precise registration includes: performing a thinning process of the 3D blood vessel center line and the 2D blood vessel center line; generating a distance map between the thinned 3D blood vessel center line and the 2D blood vessel center line; performing a similarity comparison based on the distance map; and performing precise matching using a transformation function to which the Powell optimization technique is applied.

본 발명의 실시예에서, 상기 정밀 정합을 수행하는 단계는, 상기 가상환경에 투영된 3D 혈관 중심선의 중심점을 원점으로 이동시키는 단계; 기 원점을 기준으로 상기 3D 혈관 중심선의 회전 벡터와 이동 벡터를 순차적으로 변환하는 단계; 및 상기 2D 혈관 중심선의 중심점으로 상기 3D 혈관 중심선의 중심점을 이동하는 단계;를 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the performing of the precise registration includes: moving the center point of the 3D blood vessel center line projected on the virtual environment to the origin; sequentially converting a rotation vector and a movement vector of the 3D blood vessel center line based on the origin; and moving the center point of the 3D blood vessel center line to the center point of the 2D blood vessel center line.

본 발명의 실시예에서, 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들을 재구성하는 단계는, 상기 3D 혈관 그래프 및 상기 2D 혈관 그래프의 형태 속성은 유사하고, 일정 범위 내에 존재한다는 가정하에 수행될 수 있다.In an embodiment of the present invention, the step of reconstructing the candidate segments of the 2D blood vessel graph may be performed on the assumption that the shape properties of the 3D blood vessel graph and the 2D blood vessel graph are similar and exist within a certain range.

본 발명의 실시예에서, 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들을 재구성하는 단계는, 상기 3D 혈관 그래프 및 상기 2D 혈관 그래프의 형태 속성의 거리가 미리 설정한 임계치 보다 낮은 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들을 추출하는 단계; 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들 중 상기 3D 혈관 그래프의 형태 속성과 가장 유사한 하나의 후보 절편을 선정하는 단계; 선정된 후보 절편의 모든 경로를 탐색하여 연결 가능한 구조를 생성하는 단계; 및 선정된 후보 절편의 2D 혈관의 후보 라인에 대하여 연결 관계 분석을 수행하여 부모 후보 라인과 연결되지 않는 자식 후보 라인은 제거하는 단계;를 포함할 수 있다. In an embodiment of the present invention, the step of reconstructing the candidate fragments of the 2D blood vessel graph includes extracting the candidate fragments of the 2D blood vessel graph in which the distance between the 3D blood vessel graph and the shape attribute of the 2D blood vessel graph is lower than a preset threshold. to do; selecting one candidate segment most similar to the shape attribute of the 3D blood vessel graph from among the candidate segments of the 2D blood vessel graph; generating a connectable structure by searching all paths of the selected candidate fragment; and performing a connection relationship analysis on the candidate line of the 2D blood vessel of the selected candidate fragment to remove the child candidate line that is not connected to the parent candidate line.

본 발명의 실시예에서, 상기 연결 관계 분석은 리프(Leaf) 노드를 포함하는 최하위 레벨(Level)에서 루트(Root) 노드를 포함하는 최상위 레벨까지 순서대로 수행할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the connection relationship analysis may be sequentially performed from the lowest level including the leaf node to the highest level including the root node.

본 발명의 실시예에서, 상기 유사성을 비교하여 2D 혈관의 후보 라인을 선정하는 단계는, 상기 3D 혈관 그래프의 절편과 상기 2D 혈관의 후보 라인 사이의 거리, 기울기, 길이 및 두께 차이를 이용하여 유사성을 비교할 수 있다.In an embodiment of the present invention, the step of selecting a candidate line of a 2D blood vessel by comparing the similarity includes using a difference in distance, slope, length, and thickness between the intercept of the 3D blood vessel graph and the candidate line of the 2D blood vessel to compare the similarity. can be compared.

본 발명의 실시예에서, 상기 3D 혈관 그래프의 정점의 위치를 선정된 2D 혈관의 후보 라인의 정점으로 이동시키는 비강체 변형 단계는, 상기 에너지 함수는 연속성(Continuous)을 계산하는 에너지 항, 곡률을 계산하는 에너지 항 및 3D 혈관을 2D 혈관에 맞추어 위치와 형태가 변화하도록 만들어주는 에너지 항을 포함할 수 있다.In an embodiment of the present invention, in the non-rigid deformation step of moving the position of the vertex of the 3D vessel graph to the vertex of the candidate line of the selected 2D vessel, the energy function is an energy term for calculating continuity, curvature It may include an energy term to calculate and an energy term to change the position and shape of the 3D vessel to match the 2D vessel.

상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에는, 상기 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록되어 있다. In a computer-readable storage medium according to an embodiment for realizing another object of the present invention, a computer program for performing the multimodality non-rigid body matching method based on the blood vessel characteristic information is recorded.

상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 장치는, 시술 전 촬영된 3D CTA 영상과 시술 중 촬영되는 2D XA 영상의 공간을 일치시키기 위한 강체 정합을 수행하는 강체 정합부; 상기 3D CTA 영상과 상기 2D XA 영상의 각 혈관 중심선(Centerline)으로부터 정점(Point), 에지(Edge) 및 루트(Root)로 표현되는 혈관 구조에 대한 3D 혈관 그래프 및 2D 혈관 그래프를 생성하는 그래프 생성부; 상기 3D 혈관 그래프에서 부모와 자식 노드로 연결된 절편(Segment)에 대응하는 상기 2D 혈관 그래프의 경로를 탐색하여, 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들을 재구성하는 혈관 분석부; 상기 3D CTA 영상의 한 정점에 대한 수직 기울기 및 상기 한 점과 미리 설정한 범위내의 인접하는 정점과의 거리를 기초로, 상기 3D 혈관 그래프의 정점과 상기 2D 혈관 그래프의 정점을 각각 매칭하는 매칭부; 상기 3D 혈관 그래프의 절편과 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들의 유사성을 비교하여 2D 혈관의 후보 라인을 선정하는 유사도 비교부; 및 미리 정의된 에너지 함수가 최소값을 갖도록 경사 하강법(Gradient Decent Method)을 이용하여 상기 3D 혈관 그래프의 정점의 위치를 선정된 2D 혈관의 후보 라인의 정점으로 이동시키는 비강체 변형부;를 포함한다.A multimodality non-rigid body matching device based on blood vessel characteristic information according to an embodiment for realizing another object of the present invention is to match the space of the 3D CTA image taken before the procedure and the 2D XA image taken during the procedure. a rigid body matching unit that performs rigid body registration; Graph generation for generating 3D blood vessel graphs and 2D blood vessel graphs for blood vessel structures represented by vertices, edges, and roots from each blood vessel centerline of the 3D CTA image and the 2D XA image wealth; a blood vessel analyzer reconstructing candidate segments of the 2D blood vessel graph by searching a path of the 2D blood vessel graph corresponding to a segment connected to a parent and a child node in the 3D blood vessel graph; A matching unit that matches the vertices of the 3D blood vessel graph and the vertices of the 2D blood vessel graph, respectively, based on the vertical inclination of one vertex of the 3D CTA image and the distance between the one point and an adjacent vertex within a preset range ; a similarity comparison unit for selecting a candidate line of a 2D blood vessel by comparing the similarity between the slices of the 3D blood vessel graph and the candidate slices of the 2D blood vessel graph; and a non-rigid deformation unit that moves the position of the vertex of the 3D blood vessel graph to the vertex of the candidate line of the selected 2D blood vessel using the gradient descent method so that the predefined energy function has a minimum value. .

이와 같은 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법에 따르면, 혈관의 심장 박동과 호흡 등 기타 외부 요인에 따른 위치와 형태 변화를 반영 가능하도록 함으로써 강체 정합의 한계를 극복하여 보다 정확한 혈관 정보를 제공할 수 있다.According to this multimodality non-rigid body registration method based on vessel characteristic information, it is possible to provide more accurate vessel information by overcoming the limitation of rigid body registration by allowing changes in the position and shape of blood vessels according to external factors such as heartbeat and respiration to be reflected. have.

또한, 본 발명은 관상동맥 중재술 뿐 아니라 진단, 치료 확인, 혈관 자동 Labeling, 추적(Follow-up) 검사와 연구 등을 위한 보조 영상으로도 활용될 수 있다. 또한, 심혈관 뿐 아니라 다른 혈관 혹은 혈관과 유사한 시술/수술 도구를 분할하는 응용 분야에 적용될 수 있다.In addition, the present invention can be used as an auxiliary image for diagnosis, treatment confirmation, automatic blood vessel labeling, follow-up examination and research as well as coronary intervention. In addition, it can be applied not only to the cardiovascular system, but also to other blood vessels or an application field that divides a procedure/surgical tool similar to a blood vessel.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 장치의 블록도이다.
도 2는 도 1의 그래프 생성부에서 혈관 구조에 대한 그래프를 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 혈관 분석부에서 3D 혈관의 절편(Segment)을 추출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3의 3D 혈관의 절편과 대응하는 2D 혈관의 조합 가능한 모든 연결 구조를 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 거리와 기울기를 이용한 정점 매칭을 종래 기술과 비교한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법의 흐름도이다.
1 is a block diagram of a multimodality non-rigid body matching apparatus based on blood vessel characteristic information according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining a process of generating a graph for a blood vessel structure in the graph generating unit of FIG. 1 .
FIG. 3 is a diagram for explaining a process of extracting a segment of a 3D blood vessel in the blood vessel analysis unit of FIG. 1 .
FIG. 4 is a view for explaining a process of generating all possible connection structures of the 2D blood vessel corresponding to the fragment of the 3D blood vessel of FIG. 3 .
5 is a view comparing the vertex matching using the distance and the slope of the present invention with that of the prior art.
6 is a flowchart of a method for matching multiple modality non-rigid bodies based on blood vessel feature information according to an embodiment of the present invention.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0010] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0010] DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS [0023] Reference is made to the accompanying drawings, which show by way of illustration specific embodiments in which the present invention may be practiced. These embodiments are described in sufficient detail to enable those skilled in the art to practice the present invention. It should be understood that the various embodiments of the present invention are different but need not be mutually exclusive. For example, certain shapes, structures, and characteristics described herein with respect to one embodiment may be embodied in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention. In addition, it should be understood that the location or arrangement of individual components within each disclosed embodiment may be changed without departing from the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the detailed description set forth below is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the invention, if properly described, is limited only by the appended claims, along with all scope equivalents to those claimed. Like reference numerals in the drawings refer to the same or similar functions throughout the various aspects.

이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 장치의 블록도이다.1 is a block diagram of a multimodality non-rigid body matching apparatus based on blood vessel characteristic information according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 장치(10, 이하 장치)는 시술자에게 유용한 가이딩 정보 제공을 위해 동일 환자의 시술 전 촬영된 3D CTA 영상과 시술 중 촬영된 2D XA 영상의 빠르고 정확한 정합 기법을 제공한다.The multimodality non-rigid body matching device (10, hereinafter device) based on blood vessel characteristic information according to the present invention provides fast and rapid 3D CTA images and 2D XA images taken during the procedure of the same patient in order to provide useful guiding information to the operator. It provides an accurate matching technique.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 장치(10)는 강체 정합부(100), 그래프 생성부(200), 혈관 분석부(300), 매칭부(400), 유사도 비교부(500) 및 비강체 변형부(600)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the apparatus 10 according to the present invention includes a rigid body matching unit 100 , a graph generating unit 200 , a blood vessel analyzing unit 300 , a matching unit 400 , a similarity comparing unit 500 and a ratio It includes a rigid deformable part 600 .

본 발명의 상기 장치(10)는 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합을 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)가 설치되어 실행될 수 있으며, 상기 강체 정합부(100), 상기 그래프 생성부(200), 상기 혈관 분석부(300), 상기 매칭부(400), 상기 유사도 비교부(500) 및 상기 비강체 변형부(600)의 구성은 상기 장치(10)에서 실행되는 상기 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합을 수행하기 위한 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다. In the apparatus 10 of the present invention, software (application) for performing multimodality non-rigid registration based on blood vessel characteristic information may be installed and executed, and the rigid body matching unit 100, the graph generating unit 200, and the The configuration of the blood vessel analysis unit 300 , the matching unit 400 , the similarity comparison unit 500 , and the non-rigid body deforming unit 600 is a multi-modality non-rigid body based on the vessel characteristic information executed in the device 10 . It can be controlled by software to perform the registration.

상기 장치(10)는 별도의 단말이거나 또는 단말의 일부 모듈일 수 있다. 또한, 상기 강체 정합부(100), 상기 그래프 생성부(200), 상기 혈관 분석부(300), 상기 매칭부(400), 상기 유사도 비교부(500) 및 상기 비강체 변형부(600)의 구성은 통합 모듈로 형성되거나, 하나 이상의 모듈로 이루어 질 수 있다. 그러나, 이와 반대로 각 구성은 별도의 모듈로 이루어질 수도 있다.The device 10 may be a separate terminal or a module of the terminal. In addition, the rigid body matching unit 100 , the graph generating unit 200 , the blood vessel analyzing unit 300 , the matching unit 400 , the similarity comparing unit 500 , and the non-rigid body deforming unit 600 . A configuration may be formed of an integrated module, or may consist of one or more modules. However, on the contrary, each configuration may be formed of a separate module.

상기 장치(10)는 이동성을 갖거나 고정될 수 있다. 상기 장치(10)는, 서버(server) 또는 엔진(engine) 형태일 수 있으며, 디바이스(device), 기구(apparatus), 단말(terminal), UE(user equipment), MS(mobile station), 무선기기(wireless device), 휴대기기(handheld device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. The device 10 may be movable or stationary. The apparatus 10 may be in the form of a server or an engine, and may be a device, an application, a terminal, a user equipment (UE), a mobile station (MS), or a wireless device. (wireless device), may be called other terms such as a handheld device (handheld device).

상기 장치(10)는 운영체제(Operation System; OS), 즉 시스템을 기반으로 다양한 소프트웨어를 실행하거나 제작할 수 있다. 상기 운영체제는 소프트웨어가 장치의 하드웨어를 사용할 수 있도록 하기 위한 시스템 프로그램으로서, 안드로이드 OS, iOS, 윈도우 모바일 OS, 바다 OS, 심비안 OS, 블랙베리 OS 등 모바일 컴퓨터 운영체제 및 윈도우 계열, 리눅스 계열, 유닉스 계열, MAC, AIX, HP-UX 등 컴퓨터 운영체제를 모두 포함할 수 있다.The device 10 may execute or manufacture various software based on an operating system (OS), that is, the system. The operating system is a system program for software to use the hardware of the device, and is a mobile computer operating system such as Android OS, iOS, Windows Mobile OS, Bada OS, Symbian OS, Blackberry OS, and Windows series, Linux series, Unix series, It can include all computer operating systems such as MAC, AIX, and HP-UX.

상기 강체 정합부(100)는 시술 전 촬영된 3D CTA(Computed Tomography Angiography) 영상과 시술 중 촬영되는 2D XA(X-ray Angiogram) 영상의 공간을 일치시키기 위한 강체 정합을 수행한다.The rigid body matching unit 100 performs rigid body registration to match the space of a 3D computed tomography angiography (CTA) image taken before the procedure and a 2D X-ray angiogram (XA) image taken during the procedure.

다중 모달리티(Multi-Modality) 영상의 정합은 2D XA 영상과 3D CTA 영상의 정합 공간 일치를 선행한다. 이는 2D XA 영상 촬영 시 함께 획득되는 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) 정보를 기반으로 한다. The registration of the multi-modality image precedes the registration spatial matching of the 2D XA image and the 3D CTA image. This is based on DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) information acquired together with 2D XA imaging.

DICOM 정보는 3D CTA 영상으로부터 추출된 3D 혈관 중심선(Centerline)에 적용되며, 2D XA 영상이 획득 될 당시의 가상환경을 만들고, 이를 아래의 수학식 1에 적용 및 투영하여 정합공간을 일치한다. DICOM information is applied to the 3D blood vessel centerline extracted from the 3D CTA image, creates a virtual environment at the time the 2D XA image is acquired, and applies and projects it to Equation 1 below to match the registration space.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

그러나, DICOM 정보에는 이동 변수 t가 존재하지 않으며, 혈관의 위치는 환자의 자세, 심장 박동과 호흡 등 기타 외부 요인에 영향을 받기 때문에 오차를 최소화하기 위하여 정밀 정합을 수행한다. However, since there is no movement variable t in the DICOM information and the location of blood vessels is affected by other external factors such as the patient's posture, heart rate and respiration, precise matching is performed to minimize errors.

빠르고 정확한 거리 비교를 위하여 세선화 과정을 수행한 후, 거리맵을 생성하여 유사성 비교를 수행한다. 또한, 파웰 최적화 기법을 적용한 변환 함수(Transformation Function)를 사용하여 정밀 정합을 수행한다.After performing the thinning process for quick and accurate distance comparison, a distance map is generated and similarity comparison is performed. In addition, precise matching is performed using a transformation function to which the Powell optimization technique is applied.

상기 변환 함수는 x축, y축, z축 방향에 대한 이동 벡터(

Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
)와 x축, y축, z축을 중심으로 하는 회전 벡터(
Figure pat00005
,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
)로 이루어진다. 이를 위해 투영된 3D 혈관 Centerline의 중심점(
Figure pat00008
)을 원점으로 이동시킨 뒤 회전 벡터와 이동 벡터를 순차적으로 변환한다. The transformation function is a movement vector (
Figure pat00002
,
Figure pat00003
,
Figure pat00004
) and the rotation vector (
Figure pat00005
,
Figure pat00006
,
Figure pat00007
) is made of For this purpose, the center point of the projected 3D vessel Centerline (
Figure pat00008
) to the origin, and then the rotation vector and the movement vector are sequentially transformed.

이어서 2D 혈관 중심선의 중심점(

Figure pat00009
)으로 3D 혈관 중심선의 중심점(
Figure pat00010
)을 이동하여 아래의 수학식 2와 같이 변환한다.Then, the center point of the 2D vessel centerline (
Figure pat00009
) as the center point of the 3D vessel centerline (
Figure pat00010
) to transform it as shown in Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00011
Figure pat00011

그러나, 상기 강체정합의 상세한 과정은 일 실시예에 불과하고, 2D XA 영상과 3D CTA 영상간의 다른 강체정합 기술로 대체하여 사용할 수도 있다.However, the detailed process of the rigid body registration is only an example, and other rigid body registration techniques between the 2D XA image and the 3D CTA image may be used instead.

상기 그래프 생성부(200)는 상기 3D CTA 영상과 상기 2D XA 영상의 각 혈관 중심선(Centerline)으로부터 정점(Point), 에지(Edge) 및 루트(Root)로 표현되는 혈관 구조에 대한 3D 혈관 그래프 및 2D 혈관 그래프를 생성한다.The graph generating unit 200 includes a 3D blood vessel graph for a blood vessel structure represented by a vertex, an edge, and a root from each blood vessel centerline of the 3D CTA image and the 2D XA image, and Create a 2D blood vessel graph.

도 2는 도 1의 그래프 생성부에서 혈관 구조에 대한 그래프를 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 2 is a view for explaining a process of generating a graph for a blood vessel structure in the graph generating unit of FIG. 1 .

도 2를 참조하면, 본 발명에서는 혈관 구조의 복잡도를 낮추어 효율적인 2D 혈관 및 3D 혈관 비교를 수행하기 위하여 혈관 구조에 대한 그래프 구조를 생성한다. 이는 그래프구조

Figure pat00012
와 형태 속성
Figure pat00013
로 구성된
Figure pat00014
로 표현한다. Referring to FIG. 2 , in the present invention, a graph structure of a blood vessel structure is generated in order to efficiently compare 2D blood vessels and 3D blood vessels by reducing the complexity of the blood vessel structure. This is a graph structure
Figure pat00012
and shape properties
Figure pat00013
composed of
Figure pat00014
expressed as

그래프 구조

Figure pat00015
는 정점
Figure pat00016
, Edge
Figure pat00017
Figure pat00018
, Root
Figure pat00019
로 구성되며
Figure pat00020
로 표현한다. 형태 속성
Figure pat00021
는 Edge당 n개의 혈관 중심선의 중점들(Centerline Points)로 구성되어 있고, 이는
Figure pat00022
Figure pat00023
로 표현한다.graph structure
Figure pat00015
is the vertex
Figure pat00016
, Edge
Figure pat00017
Figure pat00018
, Root
Figure pat00019
is composed of
Figure pat00020
expressed as shape properties
Figure pat00021
is composed of n centerline points per edge, which is
Figure pat00022
Wow
Figure pat00023
expressed as

Figure pat00024
는 분지점이 명확하게 구분되어 분할되어 있기 때문에 트리 구조가 생성된다. 반면, 2D 혈관 구조는 배경의 혼란으로 인해 잘못된 분지점이 발생될 수 있다. 또한, 깊이(Depth) 정보 부족으로 인해 혈관이 겹쳐지거나 교차하는 영역이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해 도 2와 같이 가장 작은 단위로 생성한다.
Figure pat00024
A tree structure is created because the branch points are clearly divided and divided. On the other hand, the 2D vasculature may cause false branching points due to background confusion. Also, a region where blood vessels overlap or intersect may occur due to lack of depth information. In order to improve this problem, it is generated in the smallest unit as shown in FIG. 2 .

상기 혈관 분석부(300)는 상기 3D 혈관 그래프에서 부모와 자식 노드로 연결된 절편(Segment)에 대응하는 상기 2D 혈관 그래프의 경로를 탐색하여, 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들을 재구성한다.The blood vessel analyzer 300 reconstructs candidate segments of the 2D blood vessel graph by searching the path of the 2D blood vessel graph corresponding to the segment connected to the parent and child nodes in the 3D blood vessel graph.

도 3은 도 1의 혈관 분석부에서 3D 혈관의 절편(Segment)을 추출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 도 3의 3D 혈관의 절편과 대응하는 2D 혈관의 조합 가능한 모든 연결 구조를 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. FIG. 3 is a diagram for explaining a process of extracting a segment of a 3D blood vessel in the blood vessel analysis unit of FIG. 1 . FIG. 4 is a view for explaining a process of generating all possible connection structures of the 2D blood vessel corresponding to the fragment of the 3D blood vessel of FIG. 3 .

본 발명에서는 도 3과 같이 추출된

Figure pat00025
에 대응하는
Figure pat00026
에 대하여 혈관구조 재구성을 위해 다음과 같은 2가지 사실을 전제로 수행한다. 1) 동일 환자의 2D, 3D 혈관 데이터를 사용하기 때문에 정확하게 분할된
Figure pat00027
Figure pat00028
는 유사하다. 2) 강체정합을 통해 동일한
Figure pat00029
Figure pat00030
는 일정 범위 내에 존재한다.In the present invention, the extracted
Figure pat00025
corresponding to
Figure pat00026
In order to reconstruct the vasculature, the following two facts are premised. 1) Because 2D and 3D blood vessel data of the same patient are used,
Figure pat00027
Wow
Figure pat00028
is similar 2) the same through rigid body registration
Figure pat00029
Wow
Figure pat00030
is within a certain range.

이러한 가정을 기반으로 각

Figure pat00031
에 대하여
Figure pat00032
를 만족하는
Figure pat00033
Figure pat00034
에 대한 후보 절편(Candidate Segment)의 집합을
Figure pat00035
Figure pat00036
라고 정의한다. 이때,
Figure pat00037
은 2D 후보 절편 개수를 의미한다. Based on these assumptions, each
Figure pat00031
about
Figure pat00032
to satisfy
Figure pat00033
cast
Figure pat00034
A set of candidate segments for
Figure pat00035
Figure pat00036
define it as At this time,
Figure pat00037
is the number of 2D candidate fragments.

이어서,

Figure pat00038
을 이용하여
Figure pat00039
와 유사한 하나의 연결된 구조를 생성한다.
Figure pat00040
에 대하여 생성된 연결된 구조를
Figure pat00041
라 정의한다.
Figure pat00042
은 모든 경로를 탐색하여 후보 절편 사이의 연결 가능한 모든 구조를 도 4와 같이 생성한다.next,
Figure pat00038
using
Figure pat00039
Creates a single linked structure similar to
Figure pat00040
The linked structure created for
Figure pat00041
define it as
Figure pat00042
searches all paths to generate all connectable structures between candidate fragments as shown in FIG. 4 .

마지막으로, 후보 절편들을 구성하는 후보 라인(Candi-Line)에 대하여 연결 관계 분석을 수행하여 불필요한 후보 라인을 제거한다. 연결 관계 분석은 리프(Leaf) 노드를 포함하는 최하위 레벨(Level)에서 루트(Root) 노드를 포함하는 최상위 레벨 순서로 수행할 수 있다. Finally, an unnecessary candidate line is removed by performing a connection relationship analysis on a candidate line (Candi-Line) constituting the candidate fragments. The connection relationship analysis may be performed in order from the lowest level including the leaf node to the highest level including the root node.

3D 혈관 구조는 끊어짐 없는 하나의 연결된 구조이기 때문에 인접한 부모-자식 노드로 연결된 3D 절편(Segment)을 기준으로 2D 후보 라인의 연결요소를 분석한다. 이때, 부모 후보 라인과 연결되지 않는 자식 후보 라인은 불필요한 후보 라인으로 간주하고 제거할 수 있다.Since the 3D blood vessel structure is a single, uninterrupted structure, the connection elements of the 2D candidate line are analyzed based on the 3D segment connected by the adjacent parent-child nodes. In this case, the child candidate line not connected to the parent candidate line may be regarded as an unnecessary candidate line and removed.

상기 매칭부(400)는 상기 3D CTA 영상의 한 정점에 대한 수직 기울기 및 상기 한 점과 미리 설정한 범위내의 인접하는 정점과의 거리를 기초로, 상기 3D 혈관 그래프의 정점과 상기 2D 혈관 그래프의 정점을 각각 매칭한다.The matching unit 400 compares the vertex of the 3D blood vessel graph and the 2D blood vessel graph based on the vertical inclination of one vertex of the 3D CTA image and the distance between the one point and an adjacent vertex within a preset range. Match each vertex.

도 5는 본 발명의 거리와 기울기를 이용한 정점 매칭을 종래 기술과 비교한 도면이다.5 is a view comparing the vertex matching using the distance and the slope of the present invention with that of the prior art.

도 5(a)는 거리 기반의 매칭 방법이고, 도 5(a)는 기울기 기반의 매칭 방법을 나타낸다. 3D 혈관 중심선의 각 정점(Point)과 매칭(Matching)되는 최적의 2D 혈관 중심선의 정점을 찾기 위해 혈관 중심선의 곡률 정보를 이용한다. FIG. 5(a) is a distance-based matching method, and FIG. 5(a) illustrates a gradient-based matching method. The curvature information of the vessel center line is used to find the optimal 2D vessel center line vertex that matches each point of the 3D vessel center line.

도 5를 참조하면, 단순 곡률만을 이용한 Point Matching을 수행할 경우, 분할 혹은 정합 과정에서 발생하는 오차, 박동, 호흡 등과 같은 변형으로 인해 일부 영역에서 잘못된 Point Matching이 이루어질 수 있다. 또한, 2D XA 영상의 깊이(Depth) 정보 부족으로 인해 여러 개의 Point가 Matching 될 수 있다. Referring to FIG. 5 , when point matching using only simple curvature is performed, erroneous point matching may be performed in some areas due to deformations such as errors, beats, and respirations occurring in the division or matching process. Also, due to the lack of depth information of the 2D XA image, multiple points may be matched.

이러한 오차를 고려하여 강건하고 정확한 Matching을 수행하기 위해, 본 발명에서는 주변 인접 Point의 정보를 함께 이용하여 아래의 수학식 3을 이용한다.In order to perform robust and accurate matching in consideration of such an error, in the present invention, Equation 3 below is used by using information of neighboring adjacent points together.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00043
Figure pat00043

Figure pat00044
는 3D 혈관 중심선의
Figure pat00045
번째 Point에 대한 수직 기울기를 나타내고,
Figure pat00046
Figure pat00047
와 Matching된 2D Point를 나타낸다.
Figure pat00048
Figure pat00049
의 인접 Point 개수를 나타내고,
Figure pat00050
는 두 점 사이의 유클리드 거리를 나타낸다.
Figure pat00051
Figure pat00052
를 기울기로 갖고
Figure pat00053
를 지나는 직선의
Figure pat00054
절편을 나타낸다.
Figure pat00055
는 자유 파라미터이다.도 5(c)는 본 발명의 방식으로 수행된 Point Matching 결과를 보여준다. 도 5(c)를 참조하면, 곡률만을 이용하거나 한 점만을 이용한 Point Matching 보다 인접 Point의 정보를 활용한 Point Matching 기법이 균등하고 정확하게 이루어진다.
Figure pat00044
is the 3D vessel centerline
Figure pat00045
Represents the vertical inclination to the th Point,
Figure pat00046
Is
Figure pat00047
2D Point matched with
Figure pat00048
silver
Figure pat00049
represents the number of adjacent Points of
Figure pat00050
is the Euclidean distance between two points.
Figure pat00051
Is
Figure pat00052
have a slope of
Figure pat00053
of a straight line passing through
Figure pat00054
indicates the intercept.
Figure pat00055
is a free parameter. FIG. 5(c) shows the result of point matching performed by the method of the present invention. Referring to FIG. 5( c ), a point matching technique using information of adjacent points is performed equally and accurately rather than point matching using only a curvature or using only one point.

상기 유사도 비교부(500)는 상기 3D 혈관 그래프의 절편과 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들의 유사성을 비교하여 2D 혈관의 후보 라인을 선정한다.The similarity comparison unit 500 compares the similarity between the slices of the 3D blood vessel graph and the candidate slices of the 2D blood vessel graph to select a candidate line for the 2D blood vessel.

본 발명에서는 정확한 유사성 비교를 위해 3D 절편과 후보 라인(Candi-Line) 사이의 거리, 기울기, 길이, 두께 차이를 이용하여 아래의 수학식 4를 통해 최적의 후보 라인을 선별한다.In the present invention, an optimal candidate line is selected through Equation 4 below by using the difference between the distance, slope, length, and thickness between the 3D intercept and the candidate line (Candi-Line) for accurate similarity comparison.

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00056
Figure pat00056

수학식 4 에서

Figure pat00057
,
Figure pat00058
,
Figure pat00059
는 3D 절편과 후보 라인 사이의 기울기, 두께, 길이 차이를 의미한다.
Figure pat00060
는 0이상의 값을 가지며, 각 항에 대해 끼치는 영향의 정도를 의미한다. 이는 실험적으로 결정될 수 있으며, 각각의 항들은 아래의 수학식 5 내지 수학식 7과 같이 정의된다.in Equation 4
Figure pat00057
,
Figure pat00058
,
Figure pat00059
denotes the difference in slope, thickness, and length between the 3D intercept and the candidate line.
Figure pat00060
has a value of 0 or more, indicating the degree of influence on each term. This may be determined experimentally, and each term is defined as in Equations 5 to 7 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00061
Figure pat00061

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00062
Figure pat00062

[수학식 7][Equation 7]

Figure pat00063
Figure pat00063

Figure pat00064
Figure pat00065
는 혈관의 두께를 나타내며,
Figure pat00066
Figure pat00067
는 투영된 3D 절편과 2D 후보 라인의 길이를 나타낸다. 3D 혈관의 두께는 혈관의 기울기에 대하여 수직인 벡터의 길이를 통해 측정한다. 길이는 두 혈관이 Matching된 시작점과 끝점
Figure pat00068
,
Figure pat00069
사이의 경로
Figure pat00070
에 대하여
Figure pat00071
에서
Figure pat00072
를 조건으로 아래의 수학식 8과 같이 구성된다.
Figure pat00064
Wow
Figure pat00065
represents the thickness of the blood vessel,
Figure pat00066
Wow
Figure pat00067
denotes the projected 3D intercept and the length of the 2D candidate line. The thickness of the 3D blood vessel is measured through the length of the vector perpendicular to the slope of the vessel. The length is the starting point and the ending point where the two blood vessels are matched.
Figure pat00068
,
Figure pat00069
path between
Figure pat00070
about
Figure pat00071
at
Figure pat00072
It is constructed as in Equation 8 below.

[수학식 8][Equation 8]

Figure pat00073
Figure pat00073

Figure pat00074
의 길이는 아래의 수학식 9와 같이 Matching된 Point들의 유클리드 거리의 합으로 정의된다.
Figure pat00074
The length of is defined as the sum of the Euclidean distances of the Matched Points as in Equation 9 below.

[수학식 9][Equation 9]

Figure pat00075
Figure pat00075

여기서

Figure pat00076
은 점
Figure pat00077
의 차원을 나타낸다.상기 비강체 변형부(600)는 미리 정의된 에너지 함수가 최소값을 갖도록 경사 하강법(Gradient Decent Method)을 이용하여 상기 3D 혈관 그래프의 정점의 위치를 선정된 2D 혈관의 후보 라인의 정점으로 이동시킨다.here
Figure pat00076
silver point
Figure pat00077
The non-rigid body deforming unit 600 determines the position of the vertex of the 3D blood vessel graph by using the gradient descent method so that the predefined energy function has a minimum value as a candidate line of the selected 2D blood vessel. move to the vertex of

혈관 중심선의 위치와 형태를 변화시키기 위해 에너지 함수를 정의하고 에너지 함수가 최소값을 갖도록 경사 하강법(Gradient Decent Method)을 이용하여 3D 혈관 Centerline Point들의 위치를 변동시킨다. 에너지 함수는 아래의 수학식 10과 같이 3개의 항으로 정의된다.To change the position and shape of the vessel centerline, an energy function is defined and the positions of the 3D vessel centerline points are changed using the gradient descent method so that the energy function has a minimum value. The energy function is defined by three terms as shown in Equation 10 below.

[수학식 10][Equation 10]

Figure pat00078
Figure pat00078

각 에너지 항은 3D 혈관 중심선의 토폴로지 정보를 보존하면서 형태와 위치가 2D 혈관 중심선에 근사하도록 유도하는 역할을 한다.

Figure pat00079
는 혈관 중심선의 연속성(Continuous)을 나타낸다. 혈관 중심선
Figure pat00080
Figure pat00081
개의 점
Figure pat00082
으로 구성될 때,
Figure pat00083
번째 Point에서의
Figure pat00084
는 아래의 수학식 11과 같다.Each energy term serves to induce the shape and position to approximate the 2D vessel centerline while preserving the topological information of the 3D vessel centerline.
Figure pat00079
represents the continuity of the vessel center line. blood vessel center line
Figure pat00080
go
Figure pat00081
dog dots
Figure pat00082
When composed of
Figure pat00083
at the second point
Figure pat00084
is the same as in Equation 11 below.

[수학식 11][Equation 11]

Figure pat00085
Figure pat00085

Figure pat00086
는 인접 점간의 평균거리를 나타내며, 혈관 중심선의 인접점 간격이 일정하게 유지되도록 한다.
Figure pat00087
는 혈관 중심선이 진동하거나 급격한 굴곡 변화가 생기지 않고, 완만하며 자연스러운 형태를 만드는 역할을 한다.
Figure pat00088
는 곡률을 계산하는 에너지 항을 의미하며, 아래의 수학식 12와 같이 표현된다.
Figure pat00086
represents the average distance between adjacent points, and ensures that the distance between adjacent points on the center line of blood vessels is kept constant.
Figure pat00087
It plays a role in creating a smooth and natural shape without causing the blood vessel centerline to vibrate or abrupt change in curvature.
Figure pat00088
denotes an energy term for calculating the curvature, and is expressed as in Equation 12 below.

[수학식 12][Equation 12]

Figure pat00089
Figure pat00089

Figure pat00090
Figure pat00091
는 혈관 중심선의 기본 구조를 결정하는데 사용되는 에너지 항인 반면,
Figure pat00092
는 혈관 중심선의 특징을 반영한다. 즉, 3D 혈관을 2D 혈관에 맞추어 위치와 형태가 변화하도록 만들어주는 에너지 항으로 아래의 수학식 13과 같이 정의된다.
Figure pat00090
Wow
Figure pat00091
is the energy term used to determine the basic structure of the vessel centerline, whereas
Figure pat00092
reflects the characteristics of the vessel centerline. That is, it is an energy term that makes the position and shape of the 3D blood vessel change according to the 2D blood vessel, and is defined as in Equation 13 below.

[수학식 13][Equation 13]

Figure pat00093
Figure pat00093

Figure pat00094
Figure pat00095
을 나타낸다.
Figure pat00096
일 경우는 1) 매칭 Point가 없거나 2) 두 점 사이의 거리가
Figure pat00097
를 벗어났을 경우이며, 나머지는 모두
Figure pat00098
로 정의한다.
Figure pat00099
Figure pat00100
에 매칭된 Point를 나타낸다.이에 따라, 본 발명은 혈관의 심장 박동과 호흡 등 기타 외부 요인에 따른 위치와 형태 변화를 반영 가능하도록 함으로써 강체 정합의 한계를 극복하여 보다 정확한 혈관 정보를 제공할 수 있다.
Figure pat00094
Is
Figure pat00095
indicates
Figure pat00096
If 1) there is no matching point or 2) the distance between the two points is
Figure pat00097
out of , and all others are
Figure pat00098
to be defined as
Figure pat00099
Is
Figure pat00100
The point matched to .

또한, 본 발명은 관상동맥 중재술 뿐 아니라 진단, 치료 확인, 혈관 자동 Labeling, 추적(Follow-up) 검사와 연구 등을 위한 보조 영상으로도 활용될 수 있다. 또한, 심혈관 뿐 아니라 다른 혈관 혹은 혈관과 유사한 시술/수술 도구를 분할하는 응용 분야에 적용될 수 있다.In addition, the present invention can be used as an auxiliary image for diagnosis, treatment confirmation, automatic blood vessel labeling, follow-up examination and research as well as coronary intervention. In addition, it can be applied not only to the cardiovascular system, but also to other blood vessels or an application field that divides a procedure/surgical tool similar to a blood vessel.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법의 흐름도이다.6 is a flowchart of a method for matching multiple modality non-rigid bodies based on blood vessel feature information according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법은, 도 1의 장치(10)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 1의 장치(10)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다. The multimodality non-rigid body matching method based on blood vessel characteristic information according to the present embodiment may be performed in substantially the same configuration as the apparatus 10 of FIG. 1 . Accordingly, the same components as those of the device 10 of FIG. 1 are given the same reference numerals, and repeated descriptions are omitted.

또한, 본 실시예에 따른 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법은 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합을 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)에 의해 실행될 수 있다.In addition, the multimodality non-rigid body registration method based on blood vessel characteristic information according to the present embodiment may be executed by software (application) for performing multi-modality non-rigid body registration based on blood vessel characteristic information.

본 발명에 따른 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법은 시술자에게 유용한 가이딩 정보 제공을 위해 동일 환자의 시술 전 촬영된 3D CTA 영상과 시술 중 촬영된 2D XA 영상의 빠르고 정확한 정합 기법을 제공한다.The multimodality non-rigid body registration method based on blood vessel characteristic information according to the present invention provides a fast and accurate registration technique of a 3D CTA image taken before the procedure and a 2D XA image taken during the procedure of the same patient in order to provide useful guiding information to the operator. .

도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법은, 시술 전 촬영된 3D CTA 영상과 시술 중 촬영되는 2D XA 영상의 공간을 일치시키기 위한 강체 정합을 수행한다(단계 S10). Referring to FIG. 6 , the multimodality non-rigid body registration method based on blood vessel characteristic information according to the present embodiment performs rigid body registration to match the space of a 3D CTA image taken before the procedure and a 2D XA image taken during the procedure ( step S10).

상기 강체 정합을 수행하는 단계(단계 S10)는, 상기 2D XA 영상 촬영 시 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) 정보를 획득하는 단계, 상기 DICOM 정보를 상기 3D CTA 영상으로부터 추출된 3D 혈관 중심선에 적용하여, 상기 2D XA 영상이 획득 될 당시의 가상환경을 생성하는 단계 및 상기 3D 혈관 중심선과 2D 혈관 중심선을 상기 가상환경에 투영하여 정합공간을 일치시키는 정밀 정합을 수행하는 단계를 수행할 수 있다.The step of performing the rigid body registration (step S10) includes obtaining DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) information when the 2D XA image is taken, and applying the DICOM information to the 3D blood vessel centerline extracted from the 3D CTA image. Thus, the steps of generating a virtual environment at the time the 2D XA image is acquired and projecting the 3D blood vessel center line and the 2D blood vessel center line onto the virtual environment to perform precise registration to match the registration space may be performed.

상기 정밀 정합을 수행하는 단계는, 상기 3D 혈관 중심선과 2D 혈관 중심선의 세선화 과정을 수행하는 단계, 세선화된 3D 혈관 중심선과 2D 혈관 중심선의 거리맵을 생성하는 단계, 상기 거리맵을 기초로 유사성 비교를 수행하는 단계 및 파웰 최적화 기법을 적용한 변환 함수(Transformation Function)를 사용하여 정밀 정합을 수행하는 단계를 수행할 수 있다.The performing of the precise registration includes performing a thinning process of the 3D blood vessel center line and the 2D blood vessel center line, generating a distance map between the thinned 3D blood vessel center line and the 2D blood vessel center line, and based on the distance map A step of performing similarity comparison and a step of performing precise matching using a transformation function to which the Powell optimization technique is applied may be performed.

여기서, 상기 정밀 정합을 수행하는 단계는, 상기 가상환경에 투영된 3D 혈관 중심선의 중심점을 원점으로 이동시키는 단계, 상기 원점을 기준으로 상기 3D 혈관 중심선의 회전 벡터와 이동 벡터를 순차적으로 변환하는 단계 및 상기 2D 혈관 중심선의 중심점으로 상기 3D 혈관 중심선의 중심점을 이동하는 단계를 수행할 수 있다.Here, the performing of the precise registration includes moving the center point of the 3D blood vessel center line projected on the virtual environment to the origin, and sequentially converting the rotation vector and the movement vector of the 3D blood vessel center line based on the origin. and moving the center point of the 3D blood vessel center line to the center point of the 2D blood vessel center line.

상기 3D CTA 영상과 상기 2D XA 영상의 각 혈관 중심선(Centerline)으로부터 정점(Point), 에지(Edge) 및 루트(Root)로 표현되는 혈관 구조에 대한 3D 혈관 그래프 및 2D 혈관 그래프를 생성한다(단계 S20).A 3D blood vessel graph and a 2D blood vessel graph are generated for a blood vessel structure represented by a point, an edge, and a root from each blood vessel centerline of the 3D CTA image and the 2D XA image (step S20).

본 발명에서는 혈관 구조의 복잡도를 낮추어 효율적인 2D 혈관 및 3D 혈관 비교를 수행하기 위하여 혈관 구조에 대한 그래프 구조를 생성한다. 이는 그래프구조

Figure pat00101
와 형태 속성
Figure pat00102
로 구성된
Figure pat00103
로 표현한다. In the present invention, a graph structure of the blood vessel structure is generated in order to efficiently compare 2D blood vessels and 3D blood vessels by reducing the complexity of the blood vessel structure. This is a graph structure
Figure pat00101
and shape properties
Figure pat00102
composed of
Figure pat00103
expressed as

그래프 구조

Figure pat00104
는 정점
Figure pat00105
, Edge
Figure pat00106
Figure pat00107
, Root
Figure pat00108
로 구성되며
Figure pat00109
로 표현한다. 형태 속성
Figure pat00110
는 Edge당 n개의 혈관 중심선의 중점들(Centerline Points)로 구성되어 있고, 이는
Figure pat00111
Figure pat00112
로 표현한다.graph structure
Figure pat00104
is the vertex
Figure pat00105
, Edge
Figure pat00106
Figure pat00107
, Root
Figure pat00108
is composed of
Figure pat00109
expressed as shape properties
Figure pat00110
is composed of n centerline points per edge, which is
Figure pat00111
Wow
Figure pat00112
expressed as

Figure pat00113
는 분지점이 명확하게 구분되어 분할되어있기 때문에 트리 구조가 생성된다. 반면, 2D 혈관 구조는 배경의 혼란으로 인해 잘못된 분지점이 발생될 수 있다. 또한, 깊이(Depth) 정보 부족으로 인해 혈관이 겹쳐지거나 교차하는 영역이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해 도 2와 같이 가장 작은 단위로 생성한다.
Figure pat00113
A tree structure is created because the branch points are clearly divided and divided. On the other hand, the 2D vasculature may cause false branching points due to background confusion. Also, a region where blood vessels overlap or intersect may occur due to lack of depth information. In order to improve this problem, it is generated in the smallest unit as shown in FIG. 2 .

상기 3D 혈관 그래프에서 부모와 자식 노드로 연결된 절편(Segment)에 대응하는 상기 2D 혈관 그래프의 경로를 탐색하여, 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들을 재구성한다(단계 S30).The path of the 2D blood vessel graph corresponding to the segment connected to the parent and child nodes in the 3D blood vessel graph is searched, and candidate segments of the 2D blood vessel graph are reconstructed (step S30).

상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들을 재구성하는 단계(단계 S30)는, 상기 3D 혈관 그래프 및 상기 2D 혈관 그래프의 형태 속성은 유사하고, 일정 범위 내에 존재한다는 가정하에 수행된다.The step of reconstructing the candidate segments of the 2D blood vessel graph (step S30) is performed on the assumption that the shape properties of the 3D blood vessel graph and the 2D blood vessel graph are similar and exist within a certain range.

구체적으로, 상기 3D 혈관 그래프 및 상기 2D 혈관 그래프의 형태 속성의 거리가 미리 설정한 임계치 보다 낮은 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들을 추출하고, 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들 중 상기 3D 혈관 그래프의 형태 속성과 가장 유사한 하나의 후보 절편을 선정한다. Specifically, the 3D blood vessel graph and the 2D blood vessel graph have a distance of a shape attribute lower than a preset threshold, and candidate fragments of the 2D blood vessel graph are extracted, and the shape of the 3D blood vessel graph among the candidate fragments of the 2D blood vessel graph. One candidate fragment with the most similar properties is selected.

선정된 후보 절편의 모든 경로를 탐색하여 연결 가능한 구조를 생성하고, 선정된 후보 절편의 2D 혈관의 후보 라인에 대하여 연결 관계 분석을 수행하여 부모 후보 라인과 연결되지 않는 자식 후보 라인은 제거하는 과정을 거친다.The process of creating a connectable structure by exploring all paths of the selected candidate fragment, and removing the child candidate lines that are not connected to the parent candidate line by performing a connection relationship analysis on the candidate line of the 2D blood vessel of the selected candidate fragment. rough

상기 연결 관계 분석은 리프(Leaf) 노드를 포함하는 최하위 레벨(Level)에서 루트(Root) 노드를 포함하는 최상위 레벨까지 순서대로 수행할 수 있다.The connection relationship analysis may be sequentially performed from the lowest level including the leaf node to the highest level including the root node.

상기 3D CTA 영상의 한 정점에 대한 수직 기울기 및 상기 한 점과 미리 설정한 범위내의 인접하는 정점과의 거리를 기초로, 상기 3D 혈관 그래프의 정점과 상기 2D 혈관 그래프의 정점을 각각 매칭한다(단계 S40).Based on the vertical inclination of one vertex of the 3D CTA image and the distance between the one point and an adjacent vertex within a preset range, the vertices of the 3D blood vessel graph and the vertices of the 2D blood vessel graph are respectively matched (step S40).

단순 곡률만을 이용한 Point Matching을 수행할 경우, 분할 혹은 정합 과정에서 발생하는 오차, 박동, 호흡 등과 같은 변형으로 인해 일부 영역에서 잘못된 Point Matching이 이루어질 수 있다. 또한, 2D XA 영상의 깊이(Depth) 정보 부족으로 인해 여러 개의 Point가 Matching 될 수 있다. In case of performing point matching using only simple curvature, incorrect point matching may occur in some areas due to deformations such as errors, beats, and respirations occurring in the division or matching process. In addition, due to the lack of depth information of the 2D XA image, multiple points may be matched.

이러한 오차를 고려하여 강건하고 정확한 Matching을 수행하기 위해, 본 발명에서는 주변 인접 Point의 거리와 기울기 정보를 함께 이용한다.In order to perform robust and accurate matching in consideration of such an error, in the present invention, the distance and slope information of the neighboring points are used together.

상기 3D 혈관 그래프의 절편과 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들의 유사성을 비교하여 2D 혈관의 후보 라인을 선정한다(단계 S50).A candidate line of the 2D blood vessel is selected by comparing the similarity between the slices of the 3D blood vessel graph and the candidate slices of the 2D blood vessel graph (step S50).

최적의 후보 라인을 선별하기 위해 상기 3D 혈관 그래프의 절편과 상기 2D 혈관의 후보 라인 사이의 거리, 기울기, 길이 및 두께 차이를 이용하여 유사성을 비교한다.In order to select an optimal candidate line, the similarity is compared using the difference in distance, slope, length, and thickness between the intercept of the 3D blood vessel graph and the candidate line of the 2D blood vessel.

미리 정의된 에너지 함수가 최소값을 갖도록 경사 하강법(Gradient Decent Method)을 이용하여 상기 3D 혈관 그래프의 정점의 위치를 선정된 2D 혈관의 후보 라인의 정점으로 이동시키는 비강체 변형한다(단계 S60). A non-rigid transformation is performed by moving the position of the vertex of the 3D blood vessel graph to the vertex of the candidate line of the selected 2D vessel using the gradient descent method so that the predefined energy function has a minimum value (step S60).

상기 에너지 함수는 연속성(Continuous)을 계산하는 에너지 항, 곡률을 계산하는 에너지 항 및 3D 혈관을 2D 혈관에 맞추어 위치와 형태가 변화하도록 만들어주는 에너지 항을 포함할 수 있다.The energy function may include an energy term for calculating continuity, an energy term for calculating curvature, and an energy term for changing the position and shape of a 3D blood vessel to a 2D blood vessel.

이에 따라, 본 발명은 혈관의 심장 박동과 호흡 등 기타 외부 요인에 따른 위치와 형태 변화를 반영 가능하도록 함으로써 강체 정합의 한계를 극복하여 보다 정확한 혈관 정보를 제공할 수 있다.Accordingly, the present invention can provide more accurate blood vessel information by overcoming the limitation of rigid body registration by allowing changes in the position and shape of blood vessels according to other external factors, such as heartbeat and respiration, to be reflected.

이와 같은, 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. Such a blood vessel characteristic information-based multimodality non-rigid body matching method may be implemented as an application or implemented in the form of program instructions that may be executed through various computer components and recorded in a computer-readable recording medium. The computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.

상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. The program instructions recorded on the computer-readable recording medium are specially designed and configured for the present invention, and may be known and available to those skilled in the computer software field.

컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. Examples of the computer-readable recording medium include a hard disk, a magnetic medium such as a floppy disk and a magnetic tape, an optical recording medium such as a CD-ROM, a DVD, and a magneto-optical medium such as a floppy disk. media), and hardware devices specially configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like.

프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device may be configured to operate as one or more software modules to perform processing according to the present invention, and vice versa.

이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although described above with reference to the embodiments, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention described in the claims below You will understand.

본 발명은 동일 환자의 시술 전 촬영된 3D CTA 영상을 이용하여 시술 중 촬영되는 2D XA 영상과 융합 가시화하기 위한 빠르고 정확한 정합 기법을 제공하므로, 2D XA 영상을 활용하여 시술을 진행하는 임상의가 혈관 구조 파악을 쉽게 할 수 있도록 도움을 줄 수 있다. 이에 따라, 임상의에게 네비게이션 정보를 제공하고, 시술 및 수술 시간을 단축하여 의료 분야에 효율적으로 활용될 수 있다.The present invention provides a fast and accurate registration technique for visualizing the fusion with the 2D XA image taken during the procedure using the 3D CTA image taken before the procedure of the same patient. It can help to make it easier to understand the structure. Accordingly, it can be efficiently utilized in the medical field by providing navigation information to the clinician and shortening the operation and operation time.

10: 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 장치
100: 강체 정합부
200: 그래프 생성부
300: 혈관 분석부
400: 매칭부
500: 유사도 비교부
600: 비강체 변형부
10: Multimodality Non-Rigid Body Matching Device Based on Vessel Characteristic Information
100: rigid body registration part
200: graph generating unit
300: blood vessel analysis unit
400: matching unit
500: similarity comparison unit
600: non-rigid deformation part

Claims (11)

시술 전 촬영된 3D CTA 영상과 시술 중 촬영되는 2D XA 영상의 공간을 일치시키기 위한 강체 정합을 수행하는 단계;
상기 3D CTA 영상과 상기 2D XA 영상의 각 혈관 중심선(Centerline)으로부터 정점(Point), 에지(Edge) 및 루트(Root)로 표현되는 혈관 구조에 대한 3D 혈관 그래프 및 2D 혈관 그래프를 생성하는 단계;
상기 3D 혈관 그래프에서 부모와 자식 노드로 연결된 절편(Segment)에 대응하는 상기 2D 혈관 그래프의 경로를 탐색하여, 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들을 재구성하는 단계;
상기 3D CTA 영상의 한 정점에 대한 수직 기울기 및 상기 한 점과 미리 설정한 범위내의 인접하는 정점과의 거리를 기초로, 상기 3D 혈관 그래프의 정점과 상기 2D 혈관 그래프의 정점을 각각 매칭하는 단계;
상기 3D 혈관 그래프의 절편과 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들의 유사성을 비교하여 2D 혈관의 후보 라인을 선정하는 단계; 및
미리 정의된 에너지 함수가 최소값을 갖도록 경사 하강법(Gradient Decent Method)을 이용하여 상기 3D 혈관 그래프의 정점의 위치를 선정된 2D 혈관의 후보 라인의 정점으로 이동시키는 비강체 변형 단계;를 포함하는, 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법.
performing rigid body registration to match the space between the 3D CTA image taken before the procedure and the 2D XA image taken during the procedure;
generating a 3D vascular graph and a 2D vascular graph for vascular structures represented by vertices, edges, and roots from each vascular centerline of the 3D CTA image and the 2D XA image;
reconstructing candidate segments of the 2D blood vessel graph by searching a path of the 2D blood vessel graph corresponding to a segment connected to parent and child nodes in the 3D blood vessel graph;
matching the vertices of the 3D blood vessel graph and the vertices of the 2D blood vessel graph, respectively, based on a vertical inclination of one vertex of the 3D CTA image and a distance between the one point and an adjacent vertex within a preset range;
selecting a candidate line of a 2D blood vessel by comparing the similarity between the slices of the 3D blood vessel graph and the candidate slices of the 2D blood vessel graph; and
A non-rigid body transformation step of moving the position of the vertex of the 3D blood vessel graph to the vertex of the candidate line of the selected 2D vessel using the gradient descent method so that the predefined energy function has a minimum value; A multimodality non-rigid registration method based on vascular feature information.
제1항에 있어서, 상기 강체 정합을 수행하는 단계는,
상기 2D XA 영상 촬영 시 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) 정보를 획득하는 단계;
상기 DICOM 정보를 상기 3D CTA 영상으로부터 추출된 3D 혈관 중심선에 적용하여, 상기 2D XA 영상이 획득 될 당시의 가상환경을 생성하는 단계; 및
상기 3D 혈관 중심선과 2D 혈관 중심선을 상기 가상환경에 투영하여 정합공간을 일치시키는 정밀 정합을 수행하는 단계;를 포함하는, 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법.
The method of claim 1, wherein performing the rigid body registration comprises:
acquiring DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) information when taking the 2D XA image;
generating a virtual environment when the 2D XA image is acquired by applying the DICOM information to a 3D blood vessel centerline extracted from the 3D CTA image; and
Projecting the 3D blood vessel center line and the 2D blood vessel center line to the virtual environment to perform precise registration to match the registration space;
제2항에 있어서, 상기 정밀 정합을 수행하는 단계는,
상기 3D 혈관 중심선과 2D 혈관 중심선의 세선화 과정을 수행하는 단계;
세선화된 3D 혈관 중심선과 2D 혈관 중심선의 거리맵을 생성하는 단계;
상기 거리맵을 기초로 유사성 비교를 수행하는 단계; 및
파웰 최적화 기법을 적용한 변환 함수(Transformation Function)를 사용하여 정밀 정합을 수행하는 단계;를 포함하는, 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법.
The method of claim 2, wherein performing the precise matching comprises:
performing a thinning process of the 3D blood vessel center line and the 2D blood vessel center line;
generating a distance map between the thinned 3D blood vessel center line and the 2D blood vessel center line;
performing a similarity comparison based on the distance map; and
Performing precise registration using a transformation function to which Powell's optimization technique is applied; A multimodality non-rigid body registration method based on blood vessel feature information, comprising a.
제3항에 있어서, 상기 정밀 정합을 수행하는 단계는,
상기 가상환경에 투영된 3D 혈관 중심선의 중심점을 원점으로 이동시키는 단계;
상기 원점을 기준으로 상기 3D 혈관 중심선의 회전 벡터와 이동 벡터를 순차적으로 변환하는 단계; 및
상기 2D 혈관 중심선의 중심점으로 상기 3D 혈관 중심선의 중심점을 이동하는 단계;를 포함하는, 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법.
The method of claim 3, wherein performing the precise matching comprises:
moving the center point of the 3D blood vessel center line projected on the virtual environment to the origin;
sequentially converting a rotation vector and a movement vector of the 3D blood vessel centerline based on the origin; and
Moving the center point of the 3D blood vessel center line to the center point of the 2D blood vessel center line; including, a multi-modality non-rigid body matching method based on blood vessel characteristic information.
제1항에 있어서, 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들을 재구성하는 단계는,
상기 3D 혈관 그래프 및 상기 2D 혈관 그래프의 형태 속성은 유사하고, 일정 범위 내에 존재한다는 가정하에 수행되는, 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법.
The method of claim 1, wherein reconstructing the candidate segments of the 2D blood vessel graph comprises:
The 3D blood vessel graph and the 2D blood vessel graph have similar shape properties and are performed on the assumption that they exist within a certain range.
제5항에 있어서, 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들을 재구성하는 단계는,
상기 3D 혈관 그래프 및 상기 2D 혈관 그래프의 형태 속성의 거리가 미리 설정한 임계치 보다 낮은 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들을 추출하는 단계;
상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들 중 상기 3D 혈관 그래프의 형태 속성과 가장 유사한 하나의 후보 절편을 선정하는 단계;
선정된 후보 절편의 모든 경로를 탐색하여 연결 가능한 구조를 생성하는 단계; 및
선정된 후보 절편의 2D 혈관의 후보 라인에 대하여 연결 관계 분석을 수행하여 부모 후보 라인과 연결되지 않는 자식 후보 라인은 제거하는 단계;를 포함하는, 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법.
The method of claim 5, wherein reconstructing the candidate segments of the 2D blood vessel graph comprises:
extracting candidate fragments of the 2D blood vessel graph whose distance between the shape attribute of the 3D blood vessel graph and the 2D blood vessel graph is lower than a preset threshold;
selecting one candidate segment most similar to the shape attribute of the 3D blood vessel graph from among the candidate segments of the 2D blood vessel graph;
generating a connectable structure by searching all paths of the selected candidate fragment; and
A method for matching multiple modality non-rigid bodies based on blood vessel characteristic information, comprising: performing a connection relationship analysis on candidate lines of 2D blood vessels of the selected candidate fragment to remove child candidate lines that are not connected to parent candidate lines.
제6항에 있어서,
상기 연결 관계 분석은 리프(Leaf) 노드를 포함하는 최하위 레벨(Level)에서 루트(Root) 노드를 포함하는 최상위 레벨까지 순서대로 수행하는, 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법.
7. The method of claim 6,
and wherein the connection relationship analysis is sequentially performed from the lowest level including the leaf node to the highest level including the root node.
제1항에 있어서, 상기 유사성을 비교하여 2D 혈관의 후보 라인을 선정하는 단계는,
상기 3D 혈관 그래프의 절편과 상기 2D 혈관의 후보 라인 사이의 거리, 기울기, 길이 및 두께 차이를 이용하여 유사성을 비교하는, 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법.
The method of claim 1, wherein the selecting a candidate line for a 2D blood vessel by comparing the similarity comprises:
A multimodality non-rigid registration method based on blood vessel characteristic information, which compares similarities using differences in distance, slope, length, and thickness between the intercept of the 3D blood vessel graph and the candidate line of the 2D blood vessel.
제1항에 있어서, 상기 3D 혈관 그래프의 정점의 위치를 선정된 2D 혈관의 후보 라인의 정점으로 이동시키는 비강체 변형 단계는,
상기 에너지 함수는 연속성(Continuous)을 계산하는 에너지 항, 곡률을 계산하는 에너지 항 및 3D 혈관을 2D 혈관에 맞추어 위치와 형태가 변화하도록 만들어주는 에너지 항을 포함하는, 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법.
According to claim 1, wherein the non-rigid deformation step of moving the position of the vertex of the 3D blood vessel graph to the vertex of the candidate line of the selected 2D blood vessel,
The energy function includes an energy term for calculating continuity, an energy term for calculating curvature, and an energy term for changing the position and shape of a 3D vessel to a 2D vessel. matching method.
제1항에 있어서,
상기 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체.
According to claim 1,
A computer-readable storage medium in which a computer program for performing the multimodality non-rigid body matching method based on the blood vessel characteristic information is recorded.
시술 전 촬영된 3D CTA 영상과 시술 중 촬영되는 2D XA 영상의 공간을 일치시키기 위한 강체 정합을 수행하는 강체 정합부;
상기 3D CTA 영상과 상기 2D XA 영상의 각 혈관 중심선(Centerline)으로부터 정점(Point), 에지(Edge) 및 루트(Root)로 표현되는 혈관 구조에 대한 3D 혈관 그래프 및 2D 혈관 그래프를 생성하는 그래프 생성부;
상기 3D 혈관 그래프에서 부모와 자식 노드로 연결된 절편(Segment)에 대응하는 상기 2D 혈관 그래프의 경로를 탐색하여, 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들을 재구성하는 혈관 분석부;
상기 3D CTA 영상의 한 정점에 대한 수직 기울기 및 상기 한 점과 미리 설정한 범위내의 인접하는 정점과의 거리를 기초로, 상기 3D 혈관 그래프의 정점과 상기 2D 혈관 그래프의 정점을 각각 매칭하는 매칭부;
상기 3D 혈관 그래프의 절편과 상기 2D 혈관 그래프의 후보 절편들의 유사성을 비교하여 2D 혈관의 후보 라인을 선정하는 유사도 비교부; 및
미리 정의된 에너지 함수가 최소값을 갖도록 경사 하강법(Gradient Decent Method)을 이용하여 상기 3D 혈관 그래프의 정점의 위치를 선정된 2D 혈관의 후보 라인의 정점으로 이동시키는 비강체 변형부;를 포함하는, 혈관 특징 정보 기반 다중 모달리티 비강체 정합 장치.
a rigid body matching unit that performs rigid body registration to match the space between the 3D CTA image taken before the procedure and the 2D XA image taken during the procedure;
Graph generation for generating 3D blood vessel graphs and 2D blood vessel graphs for blood vessel structures represented by vertices, edges, and roots from each blood vessel centerline of the 3D CTA image and the 2D XA image wealth;
a blood vessel analyzer configured to reconstruct candidate segments of the 2D blood vessel graph by searching a path of the 2D blood vessel graph corresponding to a segment connected to a parent and a child node in the 3D blood vessel graph;
A matching unit that matches the vertices of the 3D blood vessel graph and the vertices of the 2D blood vessel graph, respectively, based on the vertical inclination of one vertex of the 3D CTA image and the distance between the one point and an adjacent vertex within a preset range ;
a similarity comparison unit for selecting a candidate line of a 2D blood vessel by comparing the similarity between the slices of the 3D blood vessel graph and the candidate slices of the 2D blood vessel graph; and
A non-rigid deformation unit that moves the position of the vertex of the 3D blood vessel graph to the vertex of the candidate line of the selected 2D blood vessel using the gradient descent method so that the predefined energy function has a minimum value; A multimodality non-rigid body matching device based on vessel characteristic information.
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