KR101977294B1

KR101977294B1 - 전산유체역학을 이용한 기관지 분석 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR101977294B1
Application number: KR1020160069397A
Authority: KR
Inventors: 박상준
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2015-06-05
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2019-05-10
Also published as: KR20160143560A

Abstract

전산유체역학을 이용한 기관지 분석 방법 및 그 장치가 개시된다. 기관지 분석 장치는 인체 영상으로부터 기관지 영역을 분할하고, 기관지 영역에서 기도에 위치한 시작점부터 기관지 말단의 끝점을 연결하는 중심선을 파악하고, 중심선이 분기되는 분기점을 파악하고, 기관지 영역의 볼륨 데이터를 표면정보와 내부정보를 모두 포함하는 볼륨-메시 데이터로 변환한 후 볼륨-메시 데이터에 전산유체역학을 적용하여 분기점을 포함하는 기관지 영역의 각 지점에서의 공기 흐름의 물리적 속성을 파악한다.

Description

전산유체역학을 이용한 기관지 분석 방법 및 그 장치{Method and apparatus for analyzing bronchus using computational fluid dynamics}

본 발명은 기관지 분석 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전산유체역학(CFD)을 이용하여 기관지 내 공기 흐름이 정상적인지 분석하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

인체 장기 중 혈관이나 기관지 등과 같은 관형 구조물은 혈액이나 공기와 같은 유체가 이동하는 통로로 이용된다. 이러한 혈관이나 기관지는 다양한 원인으로 인해 좁아지거나 늘어나면 유체가 정상적으로 이동하지 못하는 경우가 발생할 수 있으며, 정도가 심할 경우 목숨을 위협하는 응급한 상황을 초래하기도 한다. 그러나 CT(Computed Tomography) 영상 등을 통해서 인체 내 관형 구조물의 이상 여부를 확인하는데에는 한계가 있다.

공개특허공보 제2014-0120235호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 3차원 의료영상에 전산유체역학기법을 적용하여 기관지 등과 같은 인체 내 관형 구조물 내 유체 또는 기류 흐름에 대한 속성을 파악하여 환자의 병변 여부를 정확하게 분석할 수 있는 방법 및 그 장치를 제공하는 데 있다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 기관지 분석 방법의 일 예는, 인체 영상으로부터 기관지 영역을 분할하는 단계; 상기 기관지 영역에서 기도에 위치한 시작점부터 기관지 말단의 끝점을 연결하는 중심선을 파악하는 단계; 상기 중심선이 분기되는 분기점을 파악하는 단계; 상기 기관지 영역의 볼륨 데이터를 표면정보와 내부정보를 모두 포함하는 볼륨-메시 데이터로 변환하는 단계; 및 상기 볼륨-메시 데이터에 전산유체역학을 적용하여 상기 분기점을 포함하는 기관지 영역의 각 지점에서의 공기 흐름의 물리적 속성을 파악하는 단계;를 포함한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 기관지 분석 장치의 일 예는, 인체 영상으로부터 기관지 영역을 분할하는 영역분할부; 상기 기관지 영역에서 기도의 시작점부터 기관지 말단의 끝점을 연결하는 중심선을 파악하고, 상기 중심선이 분기되는 분기점을 파악하는 중심선파악부; 상기 기관지 영역의 볼륨 데이터를 볼륨-메시 데이터로 변환하는 데이터변환부; 및 상기 볼륨-메시 데이터에 전산유체역학을 적용하여 상기 분기점을 포함하는 기관지 영역의 각 지점에서의 공기 흐름의 물리적 속성을 파악하는 유체분석부;를 포함한다.

본 발명에 따르면, 기관지 내 공기 흐름에 대한 속도나 압력 등의 물리적 속성을 파악하여 환자의 병변 여부를 용이하게 파악할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전산유체역학을 이용한 기관지 분석 장치의 일 실시 예의 구성을 도시한 도면,
도 2는 3차원 인체 영상으로부터 기관지 영역을 분할한 결과의 일 예를 도시한 도면,
도 3a
은 도 2의 기관지 영역에 대해 중심선 및 분기점을 파악한 일 예를 도시한 도면,
도 4는 기관지 영역에 대한 볼륨 데이터의 표면 좌표를 3차원 폴리곤(polygon)의 정점(vertex) 정보로 변환하여 메시 데이터로 재구성한 일 예를 도시한 도면,
도 5는 도 4의 메시 데이터의 부분 결손을 보완한 일 예를 도시한 도면,
도 6은 볼륨-메시 데이터에 전산유체역학을 적용하여 기관지 내 공기 흐름의 속도를 계산하고 이를 시각적으로 도시한 일 예,
도 7 및 도 8은 전산유체역학을 이용하여 기관지 내 공기 흐름의 속도를 파악한 일 예를 도시한 도면,
도 9 및 도 10은 전산유체역학을 이용하여 기관지 내 공기 흐름의 압력를 파악한 일 예를 도시한 도면, 그리고
도 11은 본 발명에 따른 전산유체역학을 이용한 기관지 분석 방법의 일 실시 예의 흐름을 도시한 도면이다.

이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 전산유체역학을 이용한 기관지 분석 방법 및 그 장치에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전산유체역학을 이용한 기관지 분석 장치의 일 실시 예의 구성을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 기관지 분석 장치(100)는 영역분할부(110), 중심선파악부(120), 데이터변환부(130) 및 유체분석부(140)를 포함한다.

영역분할부(110)는 영상촬영부(150)에 의해 획득된 인체의 3차원 영상으로부터 도 2와 같은 기관지 영역(200)을 분할한다. 기관지 영역을 추출하는 다양한 방법이 존재할 수 있으며, 일 예로 본 출원인이 2013년 출원한 특허출원번호 제2013-0091595호에 개시된 방법을 이용하여 기관지의 보다 정확한 영역을 추출할 수 있다. 영상촬영부(150)가 획득한 3차원 영상의 일 예로, CT(Computed Tomography) 영상, MRI(Magnetic Resonance Imaging) 영상 등이 있다.

중심선파악부(120)는 관형 구조물인 기관지의 내부를 지나는 중심선을 파악하고, 중심선이 분기되는 분기점의 위치를 파악한다. 기관지는 도 3b와 같이 많은 분기점(340)이 존재하는데, 사람마다 상이한 기관지 형상을 정규화하기 위하여 분기점(340)의 위치를 분석한다.

중심선파악부(120)는 분기점의 위치를 파악하기 위하여 거리지도(distance map)를 활용하여 기관지의 중심선 분석(centerline analysis)를 수행한다. 도 3b를 참조하면, 중심선 분석은 기도 상단의 시작점(310)부터 기관지 말단의 끝점(end point)(330)까지의 1 픽셀(pixel)의 두께를 갖는 가상의 선(320)을 정의하는 과정이다. 가상의 선(320)이 갈라지는(분기되는) 포인트를 분기점(340)이라고 하며, 개인마다 기관지 형상의 차이, 영상의 품질, 추출 알고리즘의 성능 등의 요인으로 이러한 분기점(340)의 개수와 끝점(330)의 개수는 달라질 수 있다.

중심선 분석 과정을 보다 구체적으로 살펴보면, 먼저 중심선파악부(120)는 기도의 일정 위치를 시작점(310)으로 설정한다. 시작점의 설정은 분할된 기관지 영역(300)의 무게 중심을 기초로 설정되거나, 기도 상단의 임의의 점이 자동으로 설정되거나, 사용자가 특정 위치를 시작점으로 설정할 수 있다. 그리고 중심선파악부(120)는 기관지 영역 내 각 복셀(voxel)과 시작점 사이의 최단 경로의 거리를 나타내는 DFS(distance from starting point) 및 각 복셀과 기관지 표면 사이의 최단 거리를 나타내는 DFB(distance from the boundary)를 구한다. 여기서, DFB를 구할 때의 거리는 유클리디안 거리(Euclicean Distance)를 이용한다.

중심선파악부(120)는 시작점(310)과의 거리를 기초로 기관지 말단의 끝점(330)을 파악한다. 예를 들어, 중심선파악부(120)는 시작점부터 기관지의 말단에 위치한 복수의 복셀들과 각각 연결되는 최단 경로들을 DFS를 이용하여 파악하고, 이중 가장 큰 값의 최단 경로를 가진 복셀을 끝점으로 파악한다.

시작점(310)과 끝점(330)의 파악이 완료되면, 중심선파악부(120)는 각 복셀에게 DFB의 역수를 가중치로 부여하고 시작점(310)부터 각 끝점(330)까지 가중치의 합이 최소가 되는 복셀들로 구성되는 경로를 중심선(320)으로 파악한다. 예를 들어, 중심선파악부(120)는 최소 비용 스패닝 트리(minimum-cost spanning tree) 기법을 적용하여 가중치의 합이 최소가 되는 경로를 파악할 수 있다.

중심선 분석을 통해 파악된 중심선은 도 3a와 같이 부드럽지 아니하고 꾸불꾸불한 부분(350)이 존재할 수 있다. 만약 중심선을 따라 가상내시경 같은 시스템을 연동했을 때 카메라 시점이 중심선을 따라 이동하는데 카메라 시점이 많이 흔들리는 문제점이 있다. 따라서 도 3b와 같은 매끄러운 형태의 중심선을 만들기 위하여 중심선 분석을 통해 파악된 도 3a의 꾸불꾸불한 중심선(350)을 매끄러원 형태로 만드는 피팅작업(fitting)을 수행한다. 피팅작업은 보간(interpolation) 기법을 활용할 수 있으며, 보간법의 일 예로, 비스플라인(b-slpine), 베지어(bezier) 보간법 등이 있다.

중심선파악부(120)는 또한 도 3b와 같이 중심선이 구해지면, 중심선을 도 3c와 같은 트리형태로 정의할 수 있다. 예를 들어, 도 3b 및 도 3c를 참조하면, 노드1을 시작점(310)을 나타내는 타입 'S'로 정의하고, 노드 2,3,4 등과 같이 중간에 위치한 노드들을 분기점(340)을 나타내는 타입 'B'로 정의하고, 말단에 위치한 노드 5,6,7,8 등은 끝점(330)을 나타내는 타입 'E'로 정의한다. 또한, 이러한 노드 사이에 위치한 일반 점들을 타입 'R'로 정의한다. 따라서 사람마다 형상이 다른 기관지들을 동일한 트리 형태로 정규화할 수 있다.

데이터변환부(130)는 복셀로 구성된 볼륨 데이터를 볼륨-메시 데이터(volmun-mesh data)로 변환한다. 기관지 영역에 대해 볼륨 데이터는 복셀로 구성되어 있어 표면에 대한 정보를 포함하지 아니하므로 유체역학 해석을 위하여 표면 정보를 가진 메시 데이터로 변환한다. 도 4는 기관지 영역에 대한 볼륨 데이터의 표면 좌표를 3차원 폴리곤의 정점 정보로 변환하여 메시-데이터로 재구성한 일 예를 도시한 도면이다. 물체 표면의 정보가 중요시되는 구조역학 분석을 위해서는 도 4와 같은 변환 과정이 필요하다. 그러나 폴리곤의 정점 정보의 변환시 메시 내 결손 부분이 존재할 수 있으므로 이를 보완하여 도 5와 같은 메시 데이터로 구성된 기하학적 구조를 얻을 수 있다.

그러나 일반 메시 데이터는 표면만 존재하고 내부에 대한 정보가 존재하지 아니하므로, 기관지 내부에 병변 등으로 인해 일부가 막혀 있거나 변형이 있는 경우가 반영되지 아니하므로, 본 실시 예에서, 데이터변환부는 볼륨 데이터를 표면 정보뿐만 아니라 내부 정보를 함께 포함하는 기하학 모델(geometry model)을 나타내는 볼륨-메시 데이터로 변환한다. 볼륨 데이터를 메시 데이터로 변환하는 종래의 다양한 방법이 존재하므로, 변환 방법 그 자체에 대한 상세한 설명은 생략한다.

유체분석부(140)는 볼륨-메시 데이터에 전산유체역학을 적용하여 분기점(340)을 포함하는 기관지 영역(300)의 각 지점에 대한 속도나 압력 등의 물리적 속성을 분석한다. 전산유체역학을 이용하여 기관 내 공기 흐름의 속도를 색깔로 구분하여 표시한 일 예가 도 6에 도시되어 있다.

유체분석부(140)는 기관지 내 공기 흐름의 변화를 분석하기 위하여 전산유체역학에서 소개되는 역학방정식을 이용하여 유체의 흐름을 정의하고, 역학방정식의 보존식을 이산화하여 움직임을 예측할 수 있는데, 이를 아래 수학식 1 및 수학식 2를 통해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 유체분석부(140)는 수학식 1과 같은 편미분 방정식인 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes Equation)을 기관지 내 공기 흐름의 분석을 위한 기본 방정식으로 이용할 수 있다.

여기서, u는 유체속도, ρ는 유체밀도, f는 단위체적당 걸리는 외력, p는 압력, v는 점성계수를 나타낸다. 유체는 공기나 혈액과 같이 적용대상에 따라 달라지며 온도 및 점성도 상이하다.

따라서 본 실시 예의 기관지 분석을 위하여 기관지 내 공기 흐름을 이산화하고 다양한 속성을 반영하기 위해 위 수학식 1을 다음 수학식 2와 같이 확장한다.

여기서, S는 물질의 저항, 부력, 회전 등을 감안한 외력 분포 질량을 나타내고, h는 열에넌지, Q_H는 단위 부피당 열원, τ는 점성전단응력, q는 확산열유속을 나타낸다.

본 실시 예에서, 수학식1 및 수학식 2는 전산유체역학을 본 실시 예에 따른 기관지 분석에 적용하기 위한 일 예를 나타내는 것일 뿐 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 전산유체역학을 적용하여 관형 구조물의 속도나 압력 등을 파악하는 방법 그 자체는 종래에 이미 알려진 기술이므로, 본 실시 예는 수학식 1,2 외에 종래 다양한 전산유체역학 모델링 방법 등을 이용할 수 있다.

유체분석부(140)는 기관지 내 각 지점에 대해 파악된 공기 흐름의 물리적 속성을 기초로 기관지의 정상 여부 등을 파악할 수 있다.

예를 들어, 도 7(a)와 같이 기관지의 각 분기점의 위치가 파악되고, 각 분기점을 포함한 기관지 내 각 지점에서의 속도가 도 7(c)와 같이 파악되면, 정상 기관지에 대한 기관지 내 각 지점에서의 속도(도 7(b))와 비교하여 기관지 내 이상이 있는 부분을 파악하여 도 7(d)와 같은 영상으로 나타낼 수 있다. 정상 기관지(도 7(b))의 공기 흐름의 속도와 비정상 기관지(도 7(c))의 공기 흐름의 속도를 표와 그래프로 나타내면 도 8과 같다.

다른 예로, 도 9와 같이 기관지의 각 분기점을 포함한 각 지점에서 압력의 물리적 속성을 파악하고(도 8(c)), 정상 기관지(도 8(b))의 각 지점의 압력과 비교하여, 이상 영역 부분을 영상(도 8(d))으로 나타내거나, 도 10과 같이 표 또는 그래프로 나타낼 수 있다.

이 외에도, 유체분석부(140)는 정상 상태의 기관지의 공기 흐름에 대한 물리적 속성에 대한 값을 도 3c와 같은 트리 형태로 만들고, 검사대상자의 기관지에 대한 물리적 속성 또한 도 3c와 같은 트리 형태로 만들어, 양자를 비교함으로써 이상 여부를 용이하게 파악할 수 있다.

유체분석부(140)는 볼륨-메시 데이터를 통해 구현된 기하학적 구조에 다양한 종류의 병변을 삽입한 팬텀 모델을 생성하고, 여기서 발생하는 공기 흐름의 변화를 관찰할 수도 있다.

도 11은 본 발명에 따른 기관지 분석 방법의 일 실시 예의 흐름을 도시한 도면이다.

도 11을 참조하면, 기관지 분석 장치는 3차원 인체 영상으로부터 기관지 영역을 분할한다(S1100). 기관지 분석 장치는 분할된 기관지 영역 내 중심선을 파악하고(S1110), 중심선이 분기되는 분기점을 파악한다(S1120). 그리고 기관지 분석 장치는 기관지 영역에 대한 볼륨 데이터를 내외부의 표면 정보를 모두 포함하는 볼륨-메시 데이터로 변환하고(S1130), 볼륨-메시 데이터를 통해 파악되는 기하학적 구조에 전산유체역학을 적용하여 분기점을 포함한 기관지 내 각 지점에서의 속도나 압력 등의 물리적 속성을 파악한다(S1140). 기관지 내 공기 흐름에 대한 물리적 속성을 정상 기관지의 물리적 속성과 비교하여 기관지의 이상 여부를 판별할 수 있다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

기관지분석장치에 의해 수행되는 기관지 분석 방법에 있어서,
상기 기관지 분석 방법은,
복셀로 구성된 3차원 인체 영상으로부터 기관지 영역을 분할하는 단계;
상기 기관지 영역에서 기도에 위치한 시작점부터 기관지 말단의 끝점을 연결하는 중심선을 파악하는 단계;
상기 중심선이 분기되는 분기점을 파악하는 단계;
상기 기관지 영역의 복셀로 구성된 볼륨 데이터를 표면정보와 내부정보를 모두 포함하는 볼륨-메시 데이터로 변환하는 단계;
상기 볼륨-메시 데이터에 전산유체역학을 적용하여 상기 분기점을 포함하는 기관지 영역의 각 지점에서의 공기 흐름의 물리적 속성을 파악하는 단계; 및
상기 인체 영상으로부터 파악된 공기 흐름의 물리적 속성과, 기 저장되어 있는 정상 상태의 기관지의 공기 흐름에 대한 물리적 속성을 비교하여 이상 여부를 판별하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기관지 분석 방법.
제 1항에 있어서, 상기 중심선을 파악하는 단계는,
기관지 영역의 기도 부분에 시작점을 설정하는 단계;
상기 기관지 영역의 각 복셀에 대해 상기 시작점과의 거리, 표면과의 최단 거리를 구하는 단계;
상기 시작점과의 거리가 최대인 기관지 말단의 끝점을 파악하는 단계; 및
상기 각 복셀에 상기 최단 거리의 역수를 가중치로 부여한 후, 상기 시작점부터 상기 끝점까지 상기 가중치의 합이 최소가 되는 경로를 중심선으로 파악하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기관지 분석 방법.
제 1항에 있어서,
정상 기관지의 공기 흐름의 속도 또는 압력을 포함하는 제1 물리적 속성과 상기 인체 영상을 분석하여 얻은 공기 흐름의 속도 또는 압력을 포함하는 제2 물리적 속성을 비교하여 기관지의 정상 여부를 파악하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기관지 분석 방법.
복셀로 구성된 3차원 인체 영상으로부터 기관지 영역을 분할하는 영역분할부;
상기 기관지 영역에서 기도의 시작점부터 기관지 말단의 끝점을 연결하는 중심선을 파악하고, 상기 중심선이 분기되는 분기점을 파악하는 중심선파악부;
상기 기관지 영역의 복셀로 구성된 볼륨 데이터를 볼륨-메시 데이터로 변환하는 데이터변환부; 및
상기 볼륨-메시 데이터에 전산유체역학을 적용하여 상기 분기점을 포함하는 기관지 영역의 각 지점에서의 공기 흐름의 물리적 속성을 파악하고, 상기 인체 영상으로부터 파악된 공기 흐름의 물리적 속성과, 기 저장되어 있는 정상 상태의 기관지의 공기 흐름에 대한 물리적 속성을 비교하여 이상 여부를 판별하는 유체분석부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기관지 분석 장치.
제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.