KR101923927B1 - 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 시스템 및 방법 - Google Patents

사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 시스템 및 방법 Download PDF

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김형민
조해영
박기주
윤인찬
김승종
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한국과학기술연구원
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Abstract

본 발명에 따른 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 시스템은, 사용자의 스캐닝 영상을 획득하기 위한 촬영부; 상기 사용자의 해부학적 데이터에 기초하여 제작되며, 신체 부위 간의 상대적인 위치를 정의하기 위한 복수 개의 트래킹 마커(tracking marker)를 포함하는 트래커; 상기 복수 개의 트래킹 마커의 위치를 인식하기 위한 인식부; 및 상기 복수 개의 트래킹 마커의 위치에 기초하여, 상기 사용자의 스캐닝 영상을 정합하기 위한 영상 정합부를 포함한다. 상기 시스템에 의하면, 사용자의 3차원 스캐닝 영상에 기초하여 맞춤 제작된 트래커를 이용함으로써, 종래의 기점 마커 부착-영상 정합 과정을 거치지 않고도 사용자에게 트래커를 씌우는 것만으로 신체 부위와 스캐닝 영상을 자동으로 정합할 수 있다. 따라서, 사람에 의한 오차를 최소화한 보다 정확한 정합이 가능하며, 수술 중 필요에 따라 트래커를 탈부착 할 수 있고, 탈부착 후에도 정합의 정확도를 일정하게 유지할 수 있다.

Description

사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 시스템 및 방법{IMAGE REGISTRATION SYSTEM AND METHOD USING SUBJECT-SPECIFIC TRACKER}
본 발명은 영상 정합 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사용자의 신체 윤곽과 일치하도록 맞춤 제작된 트래커를 이용하여 사용자의 스캐닝 영상을 자동으로 정합하기 위한 영상 정합 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 의료 기술의 발달로 인해, 컴퓨터단층촬영(Computed Tomography) 장치(이하, 'CT' 장치), 자기공명영상(Magnetic Resonance Imaging) 촬영장치(이하, 'MRI 장치'), 형광 투시경 또는 X-ray 촬영을 통해 기 촬영된 환자의 영상을 이용하여 진행하는 영상유도 수술(image-guided surgery)이 많이 활용되고 있다. 이와 같은 수술 방법은, 뇌신경 수술이나 임플란트 수술과 같이 시술자가 직접 환자의 환부를 보기 어렵고, 환자 신체내의 주요 신경과 장기들을 회피하면서 수술을 진행하여야 하는 경우에 이용된다.
CT 장치 또는 MRI 장치로 촬영한 스캐닝 영상을 이용하여 수술을 진행하는 경우, 미리 촬영된 환자의 스캐닝 영상 좌표와 환자의 실제 신체 부위 좌표를 컴퓨터를 이용하여 정확히 매칭시키는 정합(registration) 과정을 거침으로써, 시술자는 마치 환자의 신체를 실시간으로 보는 것과 같이 미리 촬영된 스캐닝 영상을 모니터로 보면서 수술을 진행할 수 있다.
이와 같은 정합(registration) 과정은 일반적으로 수술용 항법 장치(Medical Navigation System)를 이용하여 수행되는데, 먼저 환자의 신체에 복수 개의 기점 마커(fiducial marker)를 부착하고, CT장치 또는 MRI 장치를 이용하여 3차원 스캐닝 영상을 촬영한다. 상기 기점 마커 주변에 트래커를 고정하고, 트래커를 인식할 수 있는 인식 장치로부터 기점 마커와 트래커간의 상대적인 위치를 측정하여 실제 수술 공간의 좌표를 계산하고, 상기 좌표와 CT 장치 또는 MRI 장치를 이용하여 미리 촬영한 3차원 스캐닝 영상의 좌표를 대응시키는 방식으로 이루어진다. 나아가, 수술 도구의 좌표를 스캐닝 영상의 좌표에 대응시킴으로써 시술자는 모니터에 디스플레이 되는 사용자의 신체 및 수술 도구를 간접적으로 보면서 수술을 진행할 수 있다.
종래의 수술공간-영상공간의 정합 방법에 의하면, 수술 중에 트래커와 환자 간의 위치 관계가 변하는 경우에 수술 도중 다시 정합 과정을 거쳐야 하므로 번거롭고 정합 자체의 정확도가 떨어진다는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 레이저 포인터 스캐너를 이용해 수술하고자 하는 범위를 스캐닝하여 영상을 정합하는 방식이 개발되었으나, 좌표가 오입력될 수 있는 여지가 있으며, 비교적 고가의 장비를 이용하여야 하므로 경제적이지 못하다는 단점이 있다.
또 다른 해결 방법으로서, 미국 특허 US 8,457,719 B2호에 따르면, 환자의 얼굴에 붙일 수 있는 플렉서블한 기판 및 상기 기판에 부착된 LED 트래킹 마커를 이용하는 정합 방법이 제공되는데, LED 트래킹 마커 간의 위치를 계산하여 환자의 얼굴 좌표와 수술 영상 좌표를 정합하는 방식을 이용하고 있다. 이 경우, 레이저 포인터 스캐너를 이용하는 방식에 비해 저렴하지만, 상기 플렉서블 기판이 사용자 맞춤형이 아니므로 기판이 움직이거나 LED 트래킹 마커의 위치가 바뀔 경우 다시 정합하여야 하며, 새로운 정합과정에서 정확도가 변할 수 있다는 단점이 있다.
미국 특허등록공보 제US 8,457,719 B2호
이에 본 명세서는, 사용자의 해부학적 데이터에 기초하여 신체 윤곽과 일치하도록 맞춤 제작된 트래커(tracker)를 이용하여 사용자의 스캐닝 영상을 정합(registration)하기 위한 영상 정합 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 사용자의 3차원 스캐닝 의료영상에 기초하여 맞춤 제작된 트래커를 이용함으로써, 종래의 기점 마커 부착 및 영상 정합 과정을 거치지 않고도 사용자의 신체 부위와 스캐닝 영상을 자동으로 정합하는 기술을 제공하고자 한다. 이에 따라, 사람에 의한 오차를 최소화한 보다 정확한 정합이 가능하며, 수술 중 필요에 따라 트래커를 탈부착 할 수 있고, 탈부착 후에도 정합의 정확도를 일정하게 유지할 수 있다.
일 실시예에 따른 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용하는 영상 정합 시스템은, 사용자의 스캐닝 영상을 획득하기 위한 촬영부; 상기 사용자의 해부학적 데이터에 기초하여 제작되며, 신체 부위 간의 상대적인 위치를 정의하기 위한 복수 개의 트래킹 마커(tracking marker)를 포함하는 트래커(tracker); 상기 복수 개의 트래킹 마커의 위치를 인식하기 위한 인식부; 및 상기 복수 개의 트래킹 마커의 위치에 기초하여, 상기 사용자의 스캐닝 영상을 정합하기 위한 영상 정합부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 촬영부는 컴퓨터단층촬영장치(CT) 또는 자기공명영상촬영장치(MRI)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 트래커는 사용자의 신체 윤곽과 일치하도록 맞춤 제작되는 마스크를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 트래커는 3D 프린팅 기법을 이용하여 맞춤 제작될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 트래커는 임플란트 가이드 부재 또는 초음파 집속 가이드 부재를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수 개의 트래킹 마커는 특정 파장의 빛을 반사하는 물질로 구성되고, 상기 인식부는 상기 특정 파장의 빛을 인식할 수 있는 광학 카메라를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수 개의 트래킹 마커는 LED 소자일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수 개의 트래킹 마커는 소정의 패턴 디자인으로 인쇄될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용하는 영상 정합 시스템은, 사용자의 스캐닝 영상을 획득하기 위한 촬영부; 특정 형태의 전자기장을 발생시키는 전자기장 발생부; 상기 사용자의 신체에 고정되며, 상기 전자기장 발생부로부터 발생된 전자기장을 측정함으로써 각각의 위치를 인식하기 위한 복수 개의 전자기장 센서; 상기 사용자의 해부학적 데이터에 기초하여 제작되며, 상기 복수 개의 전자기장 센서를 포함하는 트래커; 및 상기 복수 개의 전자기장 센서의 위치에 기초하여, 상기 사용자의 스캐닝 영상을 정합하기 위한 영상 정합부를 포함한다.
일 실시예에 따른 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용하는 영상 정합 방법은, 촬영부를 이용하여 사용자의 스캐닝 영상을 획득하는 단계; 인식부를 이용하여 상기 사용자의 신체 부위 간의 상대적인 위치를 정의하기 위한 복수 개의 트래킹 마커(tracking marker)로 구성된 트래커의 위치를 인식하는 단계; 및 상기 복수 개의 트래커의 위치에 기초하여, 상기 사용자의 스캐닝 영상을 정합하는 단계를 포함하되, 상기 트래커는 상기 사용자의 해부학적 데이터에 기초하여 제작되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 촬영부는 컴퓨터단층촬영장치(CT) 또는 자기공명영상촬영장치(MRI)일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 트래커는, 사용자의 신체 윤곽과 일치하도록 맞춤 제작되는 마스크일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 트래커는 3D 프린팅 기법을 이용하여 맞춤 제작될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 트래커는 임플란트 가이드 부재 또는 초음파 집속 가이드 부재를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수 개의 트래킹 마커는 특정 파장의 빛을 반사하는 물질로 구성되고, 상기 인식부는 상기 특정 파장의 빛을 인식할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수 개의 트래킹 마커는 LED 소자일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수 개의 트래킹 마커는 소정의 패턴 디자인으로 인쇄될 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 방법은, 촬영부를 이용하여 사용자의 스캐닝 영상을 획득하는 단계; 전자기장 발생부를 이용하여 특정 형태의 전자기장을 발생시키는 단계; 상기 사용자의 신체에 고정된 복수 개의 전자기장 센서를 이용하여, 상기 전자기장 발생부로부터 발생된 전자기장을 측정함으로써, 상기 복수 개의 전자기장 센서의 위치를 인식하는 단계; 및 상기 복수 개의 전자기장 센서의 위치에 기초하여, 상기 사용자의 스캐닝 영상을 정합하는 단계를 포함하되, 상기 복수 개의 전자기장 센서는, 상기 사용자의 해부학적 데이터에 기초하여 제작되는 트래커에 포함할 수 있다.
본 명세서에서 제공하는 실시예에 따른 사용자의 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 시스템은, 사용자의 신체 좌표와 스캐닝 영상 좌표를 정합하기 위하여, 상기 사용자의 신체 윤곽과 일치하도록 맞춤 제작되는 트래커를 이용한다. 상기 트래커는 신체 부위 간의 상대적인 위치를 정의하기 위한 복수 개의 트래킹 마커(tracking marker)를 포함하도록 제작된다.
상기 시스템에 의하면, 사용자의 3차원 스캐닝 영상에 기초하여 맞춤 제작된 트래커를 이용함으로써, 종래의 기점 마커 부착-영상 정합 과정을 거치지 않고도 사용자의 신체 부위와 스캐닝 영상을 자동으로 정합하는 기술을 제공하고자 한다. 이에 따라, 사람에 의한 오차를 최소화한 보다 정확한 정합이 가능하며, 수술 중 필요에 따라 트래커를 탈부착할 수 있고, 탈부착 후에도 정합의 정확도를 일정하게 유지할 수 있다.
상기 트래커는 3D 프린팅 기법에 의해 맞춤 제작될 수 있으므로 비용이 저렴하고, 필요에 따라 부재 또는 초음파 집속 가이드 부재를 더 포함할 수 있으므로 의료기기로서의 확장성도 매우 높다.
도 1은 사용자의 신체 좌표와 영상 좌표의 대응을 통한 영상 정합을 나타낸 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 자동 영상 정합 시스템의 대응관계를 나타낸 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 자동 영상 정합 방법의 각 단계를 나타낸 순서도이다.
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.
이하, 도면들을 참조하여 사용자 맞춤형 자동 영상 정합 시스템의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 사용자의 신체 좌표와 영상 좌표의 대응을 통한 영상 정합을 나타낸 도면이다. 시술자가 촬영 장치로 획득한 스캐닝 영상을 보면서 수술을 진행하는 경우, 우측과 같이 미리 촬영된 환자의 스캐닝 영상 좌표와 좌측의 환자의 실제 신체 부위 좌표를 컴퓨터를 이용하여 정확히 매칭시키는 정합(registration) 과정을 거침으로써, 시술자는 마치 환자의 신체를 실시간으로 보는 것과 같이 미리 촬영된 스캐닝 영상을 모니터로 보면서 수술을 진행할 수 있다.
상기 촬영 장치는, 3차원 스캐닝 영상을 획득하기 위해 일반적으로 이용되는 컴퓨터단층촬영장치(CT 장치) 또는 자기공명영상촬영장치(MRI 장치)를 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 여기서 3차원 스캐닝 영상이란, CT 장치나 MRI 장치에 의해 직접 촬영된 영상을 조작 또는 재구성한 영상을 포함하며, 실제 수술에 활용되는 다평면 재구성 영상 및 3차원 재구성 영상도 모두 포함하는 개념이다.
종래의 영상 정합 방법에 의하면, 뇌수술시 환자의 얼굴 또는 두개골에 하나 이상의 기점 마커(fiducial marker)를 부착하고 CT장치 또는 MRI 장치를 이용하여 3차원 스캐닝 영상을 촬영한 후에 상기 기점 마커로부터 일정한 위치에 트래커(tracker)를 고정하고, 트래커를 인식할 수 있는 인식 장치로부터 기점 마커와 트래커 간의 상대적인 위치를 인식한다. 이후, 영상 정합 장치(예를 들어, 의료용 컴퓨터)는 촬영 장치(예를 들어, CT 장치 또는 MRI 장치)를 이용하여 미리 촬영한 환자의 3차원 스캐닝 영상에서 보여지는 기점 마커와 인식 장치가 추적한 기점 마커의 위치를 좌표로 대응시켜 수술공간과 영상공간을 정합(registration)하고, 모니터에 표시하는 것이 일반적인 정합 시스템이다.
종래의 방법에 따르면, 기점 마커가 부착된 상태를 유지해야 하고, 수술 중에 트래커와 환자 간의 위치 관계가 변하는 경우에 수술 도중 다시 정합 과정을 거쳐야 하므로 번거롭고 정합 자체의 정확도가 떨어진다는 문제점이 있다.
도 2를 참조하면, 상기 문제점을 해결하기 위한 자동 영상 정합 시스템이 도시되어 있다. 도 2는 일 실시예에 따른 자동 영상 정합 시스템의 대응관계를 나타낸다.
상기 시스템은, 사용자 신체(20, 예를 들어 얼굴 또는 머리 부위)의 스캐닝 영상을 획득하기 위한 촬영 장치, 신체 부위 간의 상대적인 위치를 정의하기 위한 복수 개의 트래킹 마커를 포함하는 트래커(10), 상기 트래킹 마커 간의 위치를 인식하기 위한 인식부, 및 상기 트래킹 마커의 위치에 기초하여 사용자의 스캐닝 영상을 정합하기 위한 영상 정합부(30)를 포함한다.
촬영부는 도시되어 있지 않지만, 전술한 바와 같이 3차원 스캐닝 영상을 획득하기 위해 일반적으로 이용되는 컴퓨터단층촬영장치(CT 장치) 또는 자기공명영상촬영장치(MRI 장치)등을 포함한다. 촬영된 스캐닝 영상은 이하에서 후술하는 정합 과정을 거쳐 영상 정합 장치(30)에 포함된 모니터 상에 디스플레이 될 수 있다.
일 실시예에서, 트래커(10)는 상기 사용자의 신체 윤곽과 일치하도록 맞춤 제작되며(예를 들어, 사용자의 얼굴 윤곽과 일치하도록 맞춤 제작되는 마스크 형태), 이를 위해 3D 프린팅 기법을 이용하여 제작될 수 있다. 트래커(10)는 얼굴에 착용 가능한 마스크 형태뿐만 아니라, 사용자의 해부학적 데이터를 이용하여 신체 각 부위에 들어맞도록 맞춤 제작된 기판, 패치 등의 가이드 부재일 수 있으며 특정 부위를 위한 형태로 한정되는 것은 아니다.
3D 프린터는 앞뒤(x축), 좌우(y축)에 상하(z축) 운동을 더하여 3D 도면을 바탕으로 입체 물품을 만드는 모든 장치를 포함하며, 한 층씩 쌓아 올리는 적층형 3D 프린터나 한 덩어리를 깎아가는 절삭형 3D 프린터가 모두 이용될 수 있다. 다만, 일반적인 3D 프린팅 기법 외에도 사용자의 신체 윤곽에 따라 트래커를 형성할 수 있는 임의의 방법이 이용될 수 있으며 특정한 제작 기법에 한정되는 것은 아니다. 일 실시예에서, 트래커의 재질은 인체에 무해한 PLA(Poly Lactic Acid) 재질로 제작될 수 있으나, 특정 재질로 한정되는 것은 아니다.
도 2에 도시된 바와 같이, 트래커(10)는 복수 개의 트래킹 마커(11 내지 13)를 포함할 수 있는데, 트래커는 신체의 특정 부위에 고정되어 위치를 표시함으로써, 트래커에 포함된 트래킹 마커와 각 부위의 상대적인 위치를 정의하기 위해 이용된다. 일반적으로는 기준이 되는 인식 장치가 트래커에 고정된 트래킹 마커의 상대적인 위치를 기록하여 정합을 수행하는 컴퓨터로 좌표 정보를 송신한다.
본 발명의 일 실시예에서는, 환자의 3D 스캐닝 촬영 영상을 이용하여 트래커를 제작할 수 있으며, 이 경우 트래커 제작 과정에서 원하는 위치에 트래킹 마커가 고정되므로, 트래커가 사용자의 신체 윤곽과 일치하여 트래킹 마커의 위치가 변경되지 않는다. 따라서, 트래킹 마커가 포함된 트래커를 사용자에게 씌우는 것만으로 정합이 이루어진다.
광학식 트래킹 마커는 크게 액티브형과 패시브형으로 나뉘어 질 수 있다. 액티브형 트래킹 마커는 LED 소자와 같이 각각의 트래킹 마커가 스스로 자신의 위치 정보를 표시하도록 구성되고, 패시브형 트래킹 마커는 특정 파장의 빛을 반사하는 소자와 같이, 광학 카메라에 의하여 트래킹 마커를 촬영함으로써 각각의 트래킹 마커의 위치 정보를 획득하도록 구성된다.
일 실시예에서, 특정 파장의 빛을 반사하는 물질로 구성되거나 상기 물질을 착색한 후, 해당 파장의 빛을 인식할 수 있는 광학 카메라를 이용하여 트래킹 마커의 위치를 측정하는 패시브형 트래킹 마커를 이용할 수 있으나, 트래킹 방법은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, LED 소자로 구성된 액티브형 트래킹 마커 자체를 트래커에 삽입하는 방식이 이용될 수도 있다.
다른 예로서, 전자기장을 이용한 추적시스템의 경우, 트래킹 마커로 자기장 센서가 이용될 수 있다. 이 경우, 자기장 센서는 트래킹 마커의 역할과 전자기장 발생 장치로부터 생성된 자기장을 인식하는 인식부의 역할을 동시에 수행하며 전자기장 발생 장치로부터의 센서의 위치를 추적할 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 복수 개의 트래킹 마커는 소정의 패턴 디자인으로 인쇄되어 광학 카메라 등의 인식부를 이용하여 추적이 가능하다.
도 1을 참조하면, 트래커(10)에 포함된 복수 개의 트래킹 마커(11 내지 13)는 사용자의 신체(20)의 특정 부위(21 내지 23) 간의 상대적인 위치를 정의하는 역할을 한다. 실시예에서, 특정 파장의 빛을 반사하는 물질로 구성된 각각의 트래킹 마커를 인식하기 위한 광학 카메라가 이용될 수 있다. 이 경우, 광학 카메라는 반사되는 특정 파장의 빛을 인식할 수 있는 센서를 이용하여 트래킹 마커(11 내지 13)의 위치를 측정한다.
상기 촬영된 트래킹 마커의 위치 정보는 영상 정합 장치(30)로 송신되며, 영상 정합 장치(30)는 상기 트래킹 마커(11 내지 13)에 의해 정의되는 신체 부위의 좌표(21 내지 23)와 미리 촬영된 3차원 스캐닝 영상의 좌표(31 내지 33)를 대응시킴으로써 정합(registration)을 수행한다. 예를 들어, 트래킹 마커(11)는 신체 부위(21)와 영상 좌표(31)에 대응되며, 트래킹 마커(12)는 신체 부위(22)와 영상 좌표(32)에 대응되고, 트래킹 마커(13)는 신체 부위(23)와 영상 좌표(33)에 대응된다.
매트릭스를 이용하여 상이한 공간 좌표를 대응시키는 영상 정합 방법은 일반적으로 알려진 것이고 본 발명의 핵심적인 기술 사상이 아니므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
도 2에 도시된 트래커(10)의 형태, 트래커에 포함된 트래킹 마커(11 내지 13)의 위치 및 개수는 이해를 돕기 위해 단순화한 것으로서 예시적인 것에 불과하며, 특정한 형태나 위치, 개수에 한정되지 않는다. 실시예에 따라 트래커의 형태, 트래킹 마커의 위치와 개수는 변경이 가능하며, 트래킹 마커의 개수가 많을수록 트래커의 위치를 인식할 수 있는 공간의 범위가 넓어진다. 트래커의 위치 인식 범위가 넓어지면 위치 인식에 의한 영상 정합의 정확도가 향상될 수 있다. 또한, 종래의 발명 중, 플렉서블한 기판과 LED 트래킹 마커를 이용하는 정합 기술에 비하면, 3D 프린팅 과정에서 원하는 개수의 트래킹 마커를 원하는 위치에 배치할 수 있으므로 트래커의 인식이 편리하며 비용이 저렴한다.
일 실시예에서, 상기 트래커는 임플란트 가이드 부재 또는 초음파 집속 가이드 부재를 더 포함할 수 있으며, 이와 같은 부재들은 3D 프린팅 기법을 이용하여 사용자의 신체 윤곽 또는 치료하고자 하는 부위에 따라 맞춤형으로 제작될 수 있다. 이외에도, 실시하고자 하는 시술에 따라 사용자 신체 맞춤형 트래커는 의료기기로서 매우 높은 확장성을 가질 수 있다. 예를 들면, 저강도 집속 초음파 치료를 위한 사용자 맞춤형 음향 렌즈를 트래커에 부착함으로써, 높은 집속 효율을 실현하는 동시에 트래커를 이용하여 원하는 초점에 정확하게 초음파를 집속할 수 있다.
전술한 영상 정합 시스템에 의하면, 사용자의 3차원 스캐닝 영상에 기초하여 맞춤 제작된 트래커를 이용함으로써, 종래의 기점 마커 부착-영상 정합 과정을 거치지 않고도 사용자의 신체 부위와 스캐닝 영상을 자동으로 정합할 수 있다. 이에 따라, 매우 정확한 정합이 가능하며, 환자가 수술 중 필요에 따라 트래커를 탈부착할 수 있고, 탈부착 후에도 정합의 정확도를 일정하게 유지할 수 있다.
이하에서는, 도 3을 참조하여 사용자 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 방법을 설명하도록 한다.
먼저, 촬영부를 이용하여 사용자의 스캐닝 영상을 획득하는 단계가 수행된다(S100). 전술한 바와 같이, 촬영 장치는 3차원 스캐닝 영상을 획득하기 위해 일반적으로 이용되는 컴퓨터단층촬영장치(CT 장치) 또는 자기공명영상촬영장치(MRI 장치)등을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.
이어, 인식부를 이용하여 상기 사용자의 신체 부위 간의 상대적인 위치를 정의하기 위한 복수 개의 트래킹 마커(tracking marker)의 위치를 인식하는 단계가 수행된다(S200). 상기 복수 개의 트래킹 마커는 상기 사용자의 해부학적 데이터에 기초하여 제작되는 트래커(tracker)에 포함된다. 일 실시예에서, 상기 트래커는 3D 프린팅 기법을 이용하여 제작되는 마스크 형태일 수 있다. 상기 트래커의 재질은 인체에 무해한 PLA(Poly Lactic Acid) 재질로 제작될 수 있으나, 특정 재질로 한정되는 것은 아니다.
트래커(tracker)는 신체의 특정 부위에 고정되어 위치를 표시함으로써, 트래커에 포함된 트래킹 마커와 각 부위의 상대적인 위치를 정의하기 위해 이용된다. 전술한 바와 같이, 트래커 제작 과정에서 원하는 위치에 트래킹 마커가 고정되며, 트래커가 사용자의 신체 윤곽과 일치하여 트래킹 마커의 위치가 변경되지 않는다. 따라서, 트래킹 마커가 포함된 트래커를 사용자에게 씌우는 것만으로 정합이 이루어 진다.
일 실시예에서, 상기 트래커는 임플란트 가이드 부재 또는 초음파 집속 가이드 부재를 더 포함할 수 있다. 이와 같은 부재들은 3D 프린팅 기법을 이용하여 사용자의 신체 윤곽 또는 치료하고자 하는 부위에 따라 맞춤형으로 제작될 수 있다. 이외에도, 실시하고자 하는 시술에 따라 사용자 신체 맞춤형 트래커는 의료기기로서 매우 높은 확장성을 가질 수 있다. 예를 들면, 저강도 집속 초음파 치료를 위한 사용자 맞춤형 음향 렌즈를 트래커에 부착함으로써, 높은 집속 효율을 실현하는 동시에 트래커를 이용하여 원하는 초점에 정확하게 초음파를 집속할 수 있다.
상기 복수 개의 트래킹 마커는 특정 파장의 빛을 반사하는 물질로 구성된 패시브형 트래킹 마커일 수 있고, 이 경우에 상기 광학 카메라는 상기 특정 파장의 빛을 인식하기 위한 센서를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 트래킹 마커의 위치와 개수는 변경이 가능하며 트래킹 마커의 개수가 많을수록 트래커의 위치를 인식할 수 있는 공간의 범위가 넓어진다. 트래킹 마커의 종류와 개수는 특정 실시예에 한정되는 것이 아니며, LED 소자로 구성된 액티브형 트래킹 마커 자체를 트래커에 삽입하는 방식이 이용될 수 있다. 이 경우, LED 소자가 발광하는 빛을 카메라로 인식하여 트래킹 마커의 위치를 측정할 수 있다. 예를 들어, 상기 트래킹 마커는 LED 트래킹 마커, 또는 특정 패턴으로 인쇄된 디자인일 수 있으며, 이 경우 인식부는 상기 LED 트래킹 마커의 빛이나 인쇄 패턴을 인식하기 위한 카메라일 수 있다.
또한, 전자기장을 이용한 추적시스템의 경우, 상기 트래킹 마커로 자기장 센서가 이용될 수 있다. 이 경우, 자기장 센서는 트래킹 마커의 역할과 전자기장 발생 장치로부터 생성된 자기장을 인식하는 인식부의 역할을 동시에 수행하며 전자기장 발생 장치로부터의 센서의 위치를 추적할 수 있다.
이어, 상기 복수 개의 트래킹 마커의 위치에 기초하여 상기 사용자의 스캐닝 영상을 정합하는 단계가 수행될 수 있다(S300). 광학 카메라에 의해 촬영된 트래킹 마커의 위치 정보는 영상 정합 장치로 송신되며, 트래킹 마커에 의해 정의되는 신체 부위의 좌표와 미리 촬영된 3차원 스캐닝 영상의 좌표를 대응시킴으로써 정합을 수행한다.
전술한 바와 같이, 매트릭스를 이용하여 상이한 공간 좌표를 대응시키는 영상 정합 방법은 일반적으로 알려진 것이고 본 발명의 핵심적인 기술 사상이 아니므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
상기 영상 정합 방법에 따르면, 사용자의 3차원 스캐닝 영상에 기초하여 맞춤 제작된 트래커를 이용함으로써, 종래의 기점 마커 부착 및 정합 과정을 거치지 않고도 사용자에게 트래커를 씌우는 것만으로 신체 부위와 스캐닝 영상을 자동으로 정합할 수 있다. 따라서, 사람에 의한 오차를 최소화한 보다 정확한 정합이 가능하며, 수술 중 필요에 따라 트래커를 탈부착 할 수 있고, 탈부착 후에도 정합의 정확도를 일정하게 유지할 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.
10: 트래커
11 내지 13: 트래킹 마커
20: 사용자 신체
21 내지 23: 사용자 신체 좌표
30: 영상 정합부
31 내지 33: 스캐닝 영상 좌표

Claims (18)

  1. 사용자의 스캐닝 영상을 획득하기 위한 촬영부;
    상기 사용자의 스캐닝 영상에 기초하여 제작되며, 신체 부위 간의 상대적인 위치를 정의하기 위한 복수 개의 트래킹 마커를 포함하는 트래커;
    상기 복수 개의 트래킹 마커의 위치를 인식하기 위한 인식부; 및
    상기 복수 개의 트래킹 마커의 위치에 기초하여, 상기 사용자의 스캐닝 영상을 자동으로 정합하기 위한 영상 정합부를 포함하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촬영부는, 컴퓨터단층촬영장치(CT) 또는 자기공명영상촬영장치(MRI)인 것을 특징으로 하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 시스템
  3. 제1항에 있어서,
    상기 트래커는, 사용자의 신체 윤곽과 일치하도록 맞춤 제작되는 것을 특징으로 하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 시스템
  4. 제3항에 있어서,
    상기 트래커는, 3D 프린팅 기법을 이용하여 맞춤 제작되는 것을 특징으로 하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 시스템
  5. 제4항에 있어서,
    상기 트래커는, 임플란트 가이드 부재 또는 초음파 집속 가이드 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 시스템
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 트래킹 마커는 특정 파장의 빛을 반사하는 물질로 구성되고,
    상기 인식부는 상기 특정 파장의 빛을 인식할 수 있는 광학 카메라를 포함하는 것을 특징으로 하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 시스템
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 트래킹 마커는 LED 소자인 것을 특징으로 하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 트래킹 마커는 소정의 패턴 디자인으로 인쇄되는 것을 특징으로 하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 시스템.
  9. 사용자의 스캐닝 영상을 획득하기 위한 촬영부;
    특정 형태의 전자기장을 발생시키는 전자기장 발생부;
    상기 사용자의 신체에 고정되며, 상기 전자기장 발생부로부터 발생된 전자기장을 측정함으로써 각각의 위치를 인식하기 위한 복수 개의 전자기장 센서;
    상기 사용자의 스캐닝 영상에 기초하여 제작되며, 상기 복수 개의 전자기장 센서를 포함하는 트래커; 및
    상기 복수 개의 전자기장 센서의 위치에 기초하여, 상기 사용자의 스캐닝 영상을 자동으로 정합하기 위한 영상 정합부를 포함하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 시스템.
  10. 촬영부를 이용하여 사용자의 스캐닝 영상을 획득하는 단계;
    인식부를 이용하여 상기 사용자의 신체 부위 간의 상대적인 위치를 정의하기 위한 복수 개의 트래킹 마커의 위치를 인식하는 단계; 및
    상기 복수 개의 트래킹 마커의 위치에 기초하여, 상기 사용자의 스캐닝 영상을 자동으로 정합하는 단계를 포함하되,
    상기 복수 개의 트래킹 마커는, 상기 사용자의 스캐닝 영상에 기초하여 제작되는 트래커에 포함되는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 촬영부는, 컴퓨터단층촬영장치(CT) 또는 자기공명영상촬영장치(MRI)인 것을 특징으로 하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 트래커는, 사용자의 신체 윤곽과 일치하도록 맞춤 제작되는 것을 특징으로 하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 트래커는, 3D 프린팅 기법을 이용하여 맞춤 제작되는 것을 특징으로 하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 트래커는, 임플란트 가이드 부재 또는 초음파 집속 가이드 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 복수 개의 트래킹 마커는 특정 파장의 빛을 반사하는 물질로 구성되고,
    상기 인식부는 상기 특정 파장의 빛을 인식할 수 있는 것을 특징으로 하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 복수 개의 트래킹 마커는 LED 소자인 것을 특징으로 하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 복수 개의 트래킹 마커는 소정의 패턴 디자인으로 인쇄되는 것을 특징으로 하는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 방법.
  18. 촬영부를 이용하여 사용자의 스캐닝 영상을 획득하는 단계;
    전자기장 발생부를 이용하여 특정 형태의 전자기장을 발생시키는 단계;
    상기 사용자의 신체에 고정된 복수 개의 전자기장 센서를 이용하여, 상기 전자기장 발생부로부터 발생된 전자기장을 측정함으로써, 상기 복수 개의 전자기장 센서의 위치를 인식하는 단계; 및
    상기 복수 개의 전자기장 센서의 위치에 기초하여, 상기 사용자의 스캐닝 영상을 자동으로 정합하는 단계를 포함하되,
    상기 복수 개의 전자기장 센서는, 상기 사용자의 스캐닝 영상에 기초하여 제작되는 트래커에 포함되는, 사용자 신체 맞춤형 트래커를 이용한 영상 정합 방법.
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