KR20220166074A - 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템에 관한 것으로, 환자의 신체에 부착되는 관성측정장치(Inertial Measurement Unit; IMU) 센서; 상기 관성측정장치 센서로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 교란 신호 추정 프로세스에 따라 생성된 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하는 제어부; 및 상기 제어부에서 출력되는 보정된 움직임 데이터 신호를 시각적으로 인식 가능한 형태로 표시하는 디스플레이부;를 포함함으로써, 방사선 치료 환경 하의 자기장의 영향에 따른 교란 신호를 제거 보정하여 보다 정확하게 환자의 움직임을 파악할 수 있게 한다.
Description
본 발명은 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방사선 치료 환경 하의 자기장의 영향에 따른 교란 신호를 제거 보정하여 보다 정확하게 환자의 움직임을 파악할 수 있게 하는 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템에 관한 것이다.
방사선 치료는 수술, 항암 화학 요법과 더불어 3대 암 치료 방법 중 하나로, 종양 체적(암 조직)에 방사선을 조사하여 이를 파괴하는 방식의 치료 방법이다. 방사선 치료는 종양 체적(암 조직)에 방사선을 집중적으로 조사하면서도 주변 정상 조직 및 주요 장기에는 최소한의 선량을 조사하는 것을 목표로 수행된다.
방사선 치료는 CT, MRI, PET 등의 의료 영상 장비로 환자의 신체 촬영 데이터 얻고, 이러한 신체 촬영 데이터를 토대로 치료 계획 시스템을 이용하여 치료 선량 분포를 획득하며, 이러한 치료 선량 분포를 토대로 종양 체적(암 조직)에 방사선을 조사하는 방식으로 수행되고 있다.
이러한 방사선 치료와 관련하여, 광자선 기반의 방사선 치료 방법이 널리 시행되고 있으며, 3차원 정위적 방사선 치료(3D Conformal Radio Therapy; 3D CRT), 세기 변조 방사선 치료(Intensity Modulated Radio Therapy; IMRT), 체적 변조 회전 치료(Volume Modulated Arc Therapy; VMAT) 등의 치료 방법이 이용되고 있다.
그리고, 광자선 기반의 방사선 치료는, 특히 더욱 정밀한 방사선 조사가 가능하도록 영상 유도 방사선 치료(Image Guided Radiation Therapy; IGRT), 세기 변조 방사선 치료(Intensity Modulated Radiation Therapy; IMRT), 호흡 연동 방사선 치료(Respiratory Gated Radiation Therapy; RGRT)등의 치료 방법으로 수행된다.
그러나, 광자선 치료 방법은 방사선 치료 시 종양 체적(암 조직)에 주변 정상 조직의 피폭 가능성이 여전히 존재하고, 이에 따라 방사선 치료 중 환자의 호흡 및 움직임을 모니터링하기 위한 기술도 다수 개발되고 있다.
이와 관련하여, 방사선 치료 중 환자의 움직임을 모니터링하기 위한 방법으로 카메라를 이용하여 환자의 신체에 부착되는 광학 마커의 움직임을 추적 검출하여 환자의 움직임을 모니터링하는 광학 방식, 환자의 신체에 부착되는 관성측정장치(Inertial Measurement Unit; IMU) 센서의 정보를 토대로 환자의 움직임을 추적 검출하는 움직임 센서 방식 등이 소개되고 있다.
그러나, 광학 방식은 정확도가 높은 장점이 있으나 카메라와 마커 사이에 방해물(예: 환자 고정 장치, 방사선 치료기 등)이 놓였을 때 광학 마커의 움직임을 추적 검출할 수 없어 환자의 움직임을 모니터링하지 못하는 단점이 있고, 관성측정장치(Inertial Measurement Unit; IMU) 센서를 이용하는 움직임 센서 방식은 방사선 치료 환경 하의 자기장에 영향을 받기 때문에 광학 방식에 비하여 환자의 움직임의 모니터링 정확도가 떨어지는 단점이 있다.
전술한 문제점을 해소함에 있어, 본 발명의 목적은 방사선 치료 환경 하의 자기장의 영향에 따른 교란 신호를 제거 보정하여 보다 정확하게 환자의 움직임을 파악할 수 있게 하는 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템을 제공함에 있다.
아울러, 본 발명의 목적은 카메라를 이용하여 환자의 신체에 부착되는 광학 마커의 움직임을 추적 검출하여 환자의 움직임을 모니터링하는 종래의 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치에서 획득되는 환자의 움직임 데이터를 활용하여 교란 신호 추정 프로세스를 구성함으로써 방사선 치료 환경 하의 자기장의 영향에 따른 교란 신호를 제거 보정하는 새로운 방법론을 제시하는 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 실시예에 따른 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템은, 환자의 신체에 부착되는 관성측정장치(Inertial Measurement Unit; IMU) 센서; 상기 관성측정장치 센서로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 교란 신호 추정 프로세스에 따라 생성된 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하는 제어부; 및 상기 제어부에서 출력되는 보정된 움직임 데이터 신호를 시각적으로 인식 가능한 형태로 표시하는 디스플레이부;를 포함한다.
이 경우, 상기 제어부는, 상기 관성측정장치 센서로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 노이즈를 제거한 후 상기 교란 신호 추정 프로세스에 따라 생성된 최종 교란 데이터 신호를 제거하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 차원 축소 변환을 통해 1차원 데이터 신호 형태로 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.
아울러, 상기 제어부는, 카메라를 이용하여 환자의 신체에 부착되는 광학 마커의 움직임을 추적 검출하여 환자의 움직임을 모니터링하는 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 환자의 움직임 데이터 신호가 입력되는 경우에는 상기 관성측정장치 센서로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 상기 교란 신호 추정 프로세스에 따라 실시간으로 생성되어 업데이트된 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하고, 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 환자의 움직임 데이터 신호가 입력되지 않는 경우에는 상기 관성측정장치 센서로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 상기 교란 신호 추정 프로세스에 따라 기 생성되어 기 저장된 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하도록 구성될 수 있다.
한편, 상기 제어부는, 상기 관성측정장치 센서로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호 및 카메라를 이용하여 환자의 신체에 부착되는 광학 마커의 움직임을 추적 검출하여 환자의 움직임을 모니터링하는 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호를 이용하여 상기 교란 신호 추정 프로세스를 수행하도록 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 교란 신호 추정 프로세스는, 상기 관성측정장치 센서 및 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 각각 환자의 움직임 데이터 신호가 입력되는 통합 데이터 입력 단계; 상기 관성측정장치 센서 및 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 각각 입력된 환자의 움직임 데이터 신호에서 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 단계; 상기 노이즈 제거 단계에서 노이즈가 제거된 상기 관성측정장치 센서로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호와 상기 노이즈 제거 단계에서 노이즈가 제거된 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호를 비교하여 상기 관성측정장치 센서로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호 중의 교란 데이터 신호를 추출하는 교란 데이터 신호 추출 단계; 상기 교란 데이터 신호 추출 단계에서 추출된 교란 데이터 신호의 곡선 피팅을 수행하여 수정된 교란 데이터 신호를 생성하는 수정된 교란 데이터 신호 생성 단계; 및 상기 수정된 교란 데이터 신호 생성 단계에서 생성된 수정된 교란 데이터 신호를 토대로 기 저장된 최종 교란 데이터 신호를 업데이트하여 새로운 최종 교란 데이터 신호를 생성하는 최종 교란 데이터 신호 생성 단계;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 교란 데이터 신호 추출 단계는, 상기 노이즈 제거 단계에서 노이즈가 제거된 상기 관성측정장치 센서로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호와 상기 노이즈 제거 단계에서 노이즈가 제거된 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호를 시계열적인 데이터 신호에서 주파수 도메인으로 변환하는 도메인 변환 단계; 상기 도메인 변환 단계에서 주파수 도메인으로 변환된 상기 노이즈 제거 단계에서 노이즈가 제거된 상기 관성측정장치 센서로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호와 상기 도메인 변환 단계에서 주파수 도메인으로 변환된 상기 노이즈 제거 단계에서 노이즈가 제거된 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호의 계수값을 비교하여 상기 관성측정장치 센서로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호 중의 주파수 도메인 교란 데이터 신호를 추출하는 주파수 도메인 교란 데이터 신호 추출 단계; 및 상기 주파수 도메인 교란 데이터 신호 추출 단계에서 추출된 주파수 도메인 교란 데이터 신호를 교란 데이터 신호를 주파수 도메인에서 시계열적인 데이터 신호로 역 변환하는 도메인 역 변환 단계;를 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템은 방사선 치료 환경 하의 자기장의 영향에 따른 교란 신호를 제거 보정하여 보다 정확하게 환자의 움직임을 파악할 수 있게 한다.
아울러, 본 발명에 의한 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템은 카메라를 이용하여 환자의 신체에 부착되는 광학 마커의 움직임을 추적 검출하여 환자의 움직임을 모니터링하는 종래의 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치에서 획득되는 환자의 움직임 데이터를 활용하여 교란 신호 추정 프로세스를 구성함으로써 방사선 치료 환경 하의 자기장의 영향에 따른 교란 신호를 제거 보정하는 새로운 방법론을 제시한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템의 개략적인 구성을 표현하는 블록 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제어부에서 수행되는 교란 신호 추정 프로세스를 표현하는 순서도이다.
도 3은 도 2에 도시된 교란 데이터 신호 추출 단계의 구체적인 예를 표현하는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템을 데이터 입력 및 출력 측면에서 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 제어부에서 수행되는 교란 신호 추정 프로세스를 표현하는 순서도이다.
도 3은 도 2에 도시된 교란 데이터 신호 추출 단계의 구체적인 예를 표현하는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템을 데이터 입력 및 출력 측면에서 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 있어 첨부된 도면은 종래 기술과의 차별성 및 명료성, 그리고 기술 파악의 편의를 위해 과장된 표현으로 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어로써, 작업자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 기술적 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 한편, 실시예는 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적 사항에 불과하고, 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니며, 권리범위는 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술적 사상을 토대로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템의 개략적인 구성을 표현하는 블록 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 제어부에서 수행되는 교란 신호 추정 프로세스를 표현하는 순서도이고, 도 3은 도 2에 도시된 교란 데이터 신호 추출 단계의 구체적인 예를 표현하는 순서도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템을 데이터 입력 및 출력 측면에서 설명하기 위한 도면이다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템을 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템(100)은 관성측정장치(Inertial Measurement Unit; IMU) 센서(110), 제어부(120), 및 디스플레이부(130)를 포함한다.
특히, 상기 제어부(120)는 카메라를 이용하여 환자의 신체에 부착되는 광학 마커의 움직임을 추적 검출하여 환자의 움직임을 모니터링하는 종래의 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호를 이용하는 특징이 있다. 이때, 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)는 3개의 병진자유도에 관한 정보 및 3개의 회전자유도에 관한 정보를 가지는 6자유도 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치일 수 있다. 이러한 6자유도 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치는 다수 공지되어 있어 해당 장치에 대한 자세한 기술 설명은 생략하기로 한다.
상기 관성측정장치 센서(110)는 환자의 신체에 부착되는 구성이다.
상기 관성측정장치 센서(110)는 내장된 3축 가속도계와 3축 각속도계를 토대로 3개의 회전자유도에 관한 정보를 가지는 3자유도 관성측정장치 센서일 수 있다.
상기 관성측정장치 센서(110)는 환자의 신체에 부착되기 위하여 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)의 광학 마커와 하나의 모듈에 동시 설치되어 환자에 부착되도록 구성되는 것이 더욱 바람직하다.
상기 제어부(120)는 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 교란 신호 추정 프로세스(S100)에 따라 생성된 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하는 구성이다. 보다 구체적으로, 상기 제어부(120)는 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 방사선 치료 환경 하의 자기장의 영향에 따른 교란 신호(불규칙한 노이즈가 아니라 특정 주파수를 가지는 신호의 집합)를 제거하는 역할을 수행한다.
이 경우, 상기 제어부(120)는 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 노이즈를 제거한 후 상기 교란 신호 추정 프로세스(S100)에 따라 생성된 최종 교란 데이터 신호를 제거하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 노이즈는 통신 또는 전자 기기의 특성에 따라 불규칙하게 발생되어 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에 혼재되어 있는 신호를 의미하며, 노이즈 제거는 이동 평균 필터 방식을 적용하는 전처리 방식으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 제어부(120)는 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 교란 신호 추정 프로세스(S100)에 따라 생성된 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 차원 축소 변환을 통해 1차원 데이터 신호 형태로 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제어부(120)는 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력되는 3개의 회전자유도에 관한 정보 데이터 신호에서 노이즈 및 교란 신호를 제거함으로써 보정된 3개의 회전자유도에 관한 정보 데이터를 주성분 분석(Principle Component Analysis) 알고리즘을 이용하여 1차원 데이터 신호로 출력할 수 있다. 사용자(예: 방사선 치료자(특히, 방사선 치료실 내의 모니터링실 내에 있을 수 있음))는 이러한 1차원 데이터 신호를 토대로 환자의 호흡 패턴 등의 움직임을 추정할 수 있게 된다.
아울러, 상기 제어부(120)는 카메라를 이용하여 환자의 신체에 부착되는 광학 마커의 움직임을 추적 검출하여 환자의 움직임을 모니터링하는 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 환자의 움직임 데이터 신호가 입력되는 경우에는 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 상기 교란 신호 추정 프로세스(S100)에 따라 실시간으로 생성되어 업데이트된 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하고, 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 환자의 움직임 데이터 신호가 입력되지 않는 경우에는 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 상기 교란 신호 추정 프로세스(S100)에 따라 기 생성되어 기 저장된 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 상기 제어부(120)는 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)의 작동 시 카메라와 마커 사이에 방해물(예: 환자 고정 장치, 방사선 치료기 등)이 놓였을 때 광학 마커의 움직임을 추적 검출할 수 없는 경우에는 바로 직전에 생성되어 기 저장된 최종 교란 데이터 신호를 교란 신호로 인식하여 제거하도록 구성된다.
한편, 상기 제어부(120)는 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호 및 카메라를 이용하여 환자의 신체에 부착되는 광학 마커의 움직임을 추적 검출하여 환자의 움직임을 모니터링하는 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호를 이용하여 상기 교란 신호 추정 프로세스(S100)를 수행하도록 구성될 수 있다.
이 경우, 상기 교란 신호 추정 프로세스(S100)는 통합 데이터 입력 단계(S110), 노이즈 제거 단계(S120), 교란 데이터 신호 추출 단계(S130), 수정된 교란 데이터 신호 생성 단계(S140) 및 최종 교란 데이터 신호 생성 단계(S150)를 포함할 수 있다.
상기 통합 데이터 입력 단계(S110)는 상기 관성측정장치 센서(110) 및 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 각각 환자의 움직임 데이터 신호가 입력되는 단계이다. 이때, 환자의 움직임 데이터는 시계열적인 데이터 형태(즉, 시간 도메인)로 입력된다.
상기 노이즈 제거 단계(S120)는 상기 관성측정장치 센서(110) 및 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 각각 입력된 환자의 움직임 데이터 신호에서 노이즈를 제거하는 단계이다. 보다 구체적으로, 노이즈는 통신 또는 전자 기기의 특성에 따라 불규칙하게 발생되어 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호와 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에 혼재되어 있는 신호를 의미하며, 상기 노이즈 제거 단계(S120)는 이동 평균 필터 방식을 적용하는 전처리 방식으로 수행될 수 있다.
상기 교란 데이터 신호 추출 단계(S130)는 상기 노이즈 제거 단계(S120)에서 노이즈가 제거된 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호와 상기 노이즈 제거 단계(S120)에서 노이즈가 제거된 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호를 비교하여 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호 중의 교란 데이터 신호를 추출하는 단계이다. 즉, 방사선 치료 환경 하에서 자기장 등의 영향을 받지 않고 비교적 정확도 높게 환자의 움직임을 모니터링할 수 있는 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)의 장점을 토대로 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호의 교란 데이터 신호를 추정 추출하는 것이다.
이때, 상기 교란 데이터 신호 추출 단계(S130)는 도메인 변환 단계(S131), 주파수 도메인 교란 데이터 신호 추출 단계(S132) 및 도메인 역 변환 단계(S133)를 더 포함할 수 있다.
상기 도메인 변환 단계(S131)는 상기 노이즈 제거 단계(S120)에서 노이즈가 제거된 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호와 상기 노이즈 제거 단계(S120)에서 노이즈가 제거된 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호를 시계열적인 데이터 신호에서 주파수 도메인으로 변환하는 단계이다. 즉, 상기 도메인 변환 단계(S131)는 데이터를 시간 도메인에서 주파수 도메인으로 변환하는 단계로, 푸리에 변환 등을 적용하여 수행될 수 있다.
상기 주파수 도메인 교란 데이터 신호 추출 단계(S132)는 상기 도메인 변환 단계(S131)에서 주파수 도메인으로 변환된 상기 노이즈 제거 단계(S120)에서 노이즈가 제거된 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호와 상기 도메인 변환 단계(S131)에서 주파수 도메인으로 변환된 상기 노이즈 제거 단계(S120)에서 노이즈가 제거된 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호의 계수값을 비교하여 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호 중의 주파수 도메인 교란 데이터 신호를 추출하는 단계이다. 보다 구체적으로, 상기 주파수 도메인 교란 데이터 신호 추출 단계(S132)는 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력된 3개의 회전자유도에 관한 정보(노이즈 제거 및 주파수 도메인으로 변환됨)와 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 입력된 3개의 회전자유도에 관한 정보(노이즈 제거 및 주파수 도메인으로 변환됨)의 계수값의 차이를 주파수 도메인 교란 데이터 신호로 추정하여 추출하는 방식으로 수행될 수 있다.
상기 도메인 역 변환 단계(S133)는 상기 주파수 도메인 교란 데이터 신호 추출 단계(S132)에서 추출된 주파수 도메인 교란 데이터 신호를 교란 데이터 신호를 주파수 도메인에서 시계열적인 데이터 신호로 역 변환하는 단계이다. 즉, 상기 도메인 역 변환 단계(S133)는 데이터를 주파수 도메인에서 시간 도메인으로 변환하는 단계로, 푸리에 역 변환 등을 적용하여 수행될 수 있다.
상기 수정된 교란 데이터 신호 생성 단계(S140)는 상기 교란 데이터 신호 추출 단계(S130)에서 추출된 교란 데이터 신호의 곡선 피팅을 수행하여 수정된 교란 데이터 신호를 생성하는 단계이다. 이때, 곡선 피팅의 수행에 관하여는 다수의 기술이 공지되어 있는 바 자세한 설명을 생략한다.
상기 최종 교란 데이터 신호 생성 단계(S150)는 상기 수정된 교란 데이터 신호 생성 단계(S140)에서 생성된 수정된 교란 데이터 신호를 토대로 기 저장된 최종 교란 데이터 신호를 업데이트하여 새로운 최종 교란 데이터 신호를 생성하는 단계이다. 이 경우, 상기 최종 교란 데이터 신호 생성 단계(S150)는 수정된 교란 데이터 신호와 기 저장된 최종 교란 신호에 가중치를 적용하여 합산하는 방식(예를 들어, (수정된 교란 데이터 신호 * 0.1) + (기 저장된 최종 교란 데이터 신호 * 0.9))으로 새로운 최종 교란 데이터 신호를 생성하도록 수행될 수 있으며, 기 저장된 최종 교란 데이터 신호의 가중치를 더 높게 하는 것이 시스템의 안정적인 운용에 적합함을 실험적으로 확인할 수 있었다.
상기 디스플레이부(130)는 상기 제어부(120)에서 출력되는 보정된 움직임 데이터 신호를 시각적으로 인식 가능한 형태로 표시하는 구성이다.
상기 디스플레이부(130)는, 사용자(예: 방사선 치료자(특히, 방사선 치료실 내의 모니터링실 내에 있을 수 있음))의 휴대용 단말기(스마트폰, 태블릿, 노트북)이거나 별도의 단말기(방사선 치료실 내의 모니터링실 내에 구비되는 데스크탑, 모니터링 디스플레이기기 등)의 디스플레이 모듈일 수 있다.
한편, 본 발명에 실시예에 따른 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템(100)은 상기 관성측정장치 센서(110) 및 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)에서 입력되는 데이터와, 상기 제어부(120)에서 생성되는 데이터를 저장하기 위한 데이터베이스부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 실시예에 따른 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템(100)은 상기 관성측정장치 센서(110), 상기 제어부(120) 및 상기 디스플레이부(130)에 전원을 공급하는 전원부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 관성측정장치 센서(110), 상기 제어부(120), 상기 디스플레이부(130) 및 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)는 기 공지된 다양한 방식의 유무선 통신 방식을 적용하여 상호 간의 통신이 가능하게 구성될 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 실시예에 따른 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템(100)의 운용예를 간략하게 설명한다.
상기 관성측정장치 센서(110) 및 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 각각 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호는 시계열적인 데이터 형태(즉, 시간 도메인)를 가진다.
이때, 상기 관성측정장치 센서(110)가 3자유도 관성측정장치 센서이고, 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)가 6자유도 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치인 경우, 도 4의 위 2개의 이미지와 같은 움직임 데이터 신호가 입력된다.
이때, 상기 관성측정장치 센서(110)의 작동 시 전 구간(t1 - t5)에서 움직임 데이터 신호가 입력된다. 그러나, 이러한 움직임 데이터 신호에는 통신 또는 전자 기기의 특성에 따라 불규칙하게 발생되는 노이즈 신호와 방사선 치료 환경 하의 자기장의 영향에 따른 교란 신호가 혼재되어 있다.
그리고, 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)의 작동 시 비교적 정확한 움직임 데이터 신호가 입력되지만, 카메라와 마커 사이에 방해물(예: 환자 고정 장치, 방사선 치료기 등)이 놓였을 때 광학 마커의 움직임을 추적 검출할 수 없는 단속된 구간(t2, t4)이 발생한다. 이러한 움직임 데이터 신호에는 통신 또는 전자 기기의 특성에 따라 불규칙하게 발생되는 노이즈 신호가 혼재되어 있다.
이러한 상황에서 상기 제어부(120)는 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 상기 교란 신호 추정 프로세스(S100)에 따라 생성된 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 도 4 하단의 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하게 되는데, 상기 교란 신호 추정 프로세스(S100)는 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 입력되는 움직임 데이터 신호를 이용하여 최종 교란 데이터 신호를 생성한다.
보정된 움직임 데이터는 상기 제어부(120)가 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 교란 신호 추정 프로세스(S100)에 따라 생성된 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 차원 축소 변환을 통해 1차원 데이터 신호 형태로 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하도록 구성됨으로써 도 4 하단의 이미지와 같은 형태로 출력 표시될 수 있다.
특히, 상기 제어부(120)는 도 4의 t1, t3, t5의 구간(상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 환자의 움직임 데이터 신호가 입력되는 경우)에서는 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 상기 교란 신호 추정 프로세스(S100)에 따라 실시간으로 생성되어 업데이트된 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하도록 구성되고, 도 4의 t2, t4의 구간(상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치(140)로부터 환자의 움직임 데이터 신호가 입력되지 않는 경우)에는 상기 관성측정장치 센서(110)로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 상기 교란 신호 추정 프로세스(S100)에 따라 기 생성되어 기 저장된 최종 교란 데이터 신호(구체적으로, t2 구간에서는 t1 구간에서 마지막으로 생성된 최종 교란 데이터 신호, t4 구간에서는 t3 구간에서 마지막으로 생성된 최종 교란 데이터 신호)를 제거한 후 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하도록 구성된다.
이러한 동작을 통하여 도 4 하단의 보정된 움직임 데이터 신호가 출력되어 상기 디스플레이부(130)에 표시되며, 사용자(예: 방사선 치료자(특히, 방사선 치료실 내의 모니터링실 내에 있을 수 있음))는 이러한 1차원 데이터 신호를 토대로 환자의 호흡 패턴 등의 움직임을 추정할 수 있게 된다.
이상에서와 같이, 본 발명에 의한 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템은 방사선 치료 환경 하의 자기장의 영향에 따른 교란 신호를 제거 보정하여 보다 정확하게 환자의 움직임을 파악할 수 있게 하고, 카메라를 이용하여 환자의 신체에 부착되는 광학 마커의 움직임을 추적 검출하여 환자의 움직임을 모니터링하는 종래의 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치에서 획득되는 환자의 움직임 데이터를 활용하여 교란 신호 추정 프로세스를 구성함으로써 방사선 치료 환경 하의 자기장의 영향에 따른 교란 신호를 제거 보정하는 새로운 방법론을 제시한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 기초로 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해해야 한다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 이하 기술할 청구범위에 의하며, 상술한 발명의 구체적 내용을 토대로 정해져야 할 것이다.
본 발명은 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템에 관한 것으로, 방사선 암 치료와 관련된 의료 산업 분야에 이용 가능하다.
100: 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템
110: 관성측정장치 센서
120: 제어부
130: 디스플레이부
140: 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치
110: 관성측정장치 센서
120: 제어부
130: 디스플레이부
140: 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치
Claims (7)
- 환자의 신체에 부착되는 관성측정장치(Inertial Measurement Unit; IMU) 센서;
상기 관성측정장치 센서로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 교란 신호 추정 프로세스에 따라 생성된 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하는 제어부; 및
상기 제어부에서 출력되는 보정된 움직임 데이터 신호를 시각적으로 인식 가능한 형태로 표시하는 디스플레이부;
를 포함하는 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 관성측정장치 센서로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 노이즈를 제거한 후 상기 교란 신호 추정 프로세스에 따라 생성된 최종 교란 데이터 신호를 제거하는 것을 특징으로 하는 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 차원 축소 변환을 통해 1차원 데이터 신호 형태로 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
카메라를 이용하여 환자의 신체에 부착되는 광학 마커의 움직임을 추적 검출하여 환자의 움직임을 모니터링하는 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 환자의 움직임 데이터 신호가 입력되는 경우에는 상기 관성측정장치 센서로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 상기 교란 신호 추정 프로세스에 따라 실시간으로 생성되어 업데이트된 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하고, 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 환자의 움직임 데이터 신호가 입력되지 않는 경우에는 상기 관성측정장치 센서로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호에서 상기 교란 신호 추정 프로세스에 따라 기 생성되어 기 저장된 최종 교란 데이터 신호를 제거한 후 보정된 움직임 데이터 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제어부는,
상기 관성측정장치 센서로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호 및 카메라를 이용하여 환자의 신체에 부착되는 광학 마커의 움직임을 추적 검출하여 환자의 움직임을 모니터링하는 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 입력되는 환자의 움직임 데이터 신호를 이용하여 상기 교란 신호 추정 프로세스를 수행하는 것을 특징으로 하는 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템.
- 제5항에 있어서, 상기 교란 신호 추정 프로세스는,
상기 관성측정장치 센서 및 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 각각 환자의 움직임 데이터 신호가 입력되는 통합 데이터 입력 단계;
상기 관성측정장치 센서 및 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 각각 입력된 환자의 움직임 데이터 신호에서 노이즈를 제거하는 노이즈 제거 단계;
상기 노이즈 제거 단계에서 노이즈가 제거된 상기 관성측정장치 센서로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호와 상기 노이즈 제거 단계에서 노이즈가 제거된 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호를 비교하여 상기 관성측정장치 센서로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호 중의 교란 데이터 신호를 추출하는 교란 데이터 신호 추출 단계;
상기 교란 데이터 신호 추출 단계에서 추출된 교란 데이터 신호의 곡선 피팅을 수행하여 수정된 교란 데이터 신호를 생성하는 수정된 교란 데이터 신호 생성 단계; 및
상기 수정된 교란 데이터 신호 생성 단계에서 생성된 수정된 교란 데이터 신호를 토대로 기 저장된 최종 교란 데이터 신호를 업데이트하여 새로운 최종 교란 데이터 신호를 생성하는 최종 교란 데이터 신호 생성 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 교란 데이터 신호 추출 단계는,
상기 노이즈 제거 단계에서 노이즈가 제거된 상기 관성측정장치 센서로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호와 상기 노이즈 제거 단계에서 노이즈가 제거된 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호를 시계열적인 데이터 신호에서 주파수 도메인으로 변환하는 도메인 변환 단계;
상기 도메인 변환 단계에서 주파수 도메인으로 변환된 상기 노이즈 제거 단계에서 노이즈가 제거된 상기 관성측정장치 센서로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호와 상기 도메인 변환 단계에서 주파수 도메인으로 변환된 상기 노이즈 제거 단계에서 노이즈가 제거된 상기 광학 방식 환자 움직임 모니터링 장치로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호의 계수값을 비교하여 상기 관성측정장치 센서로부터 입력된 환자의 움직임 데이터 신호 중의 주파수 도메인 교란 데이터 신호를 추출하는 주파수 도메인 교란 데이터 신호 추출 단계; 및
상기 주파수 도메인 교란 데이터 신호 추출 단계에서 추출된 주파수 도메인 교란 데이터 신호를 교란 데이터 신호를 주파수 도메인에서 시계열적인 데이터 신호로 역 변환하는 도메인 역 변환 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 관성측정장치 센서 기반의 방사선 치료 중 환자 움직임 모니터링 시스템.
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