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문제 정의
- 본 논문에서 CT와 MRI 단면 영상으로부터 간담도계 가상내시경에 이용하기위한 표면볼륨렌더링으로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 논문은 CT와 MRI을 이용하여 획득한 2차원의 복부영상을 영역분할, 문턱치법 등의 전처리과정을 거쳐 3차원영상을 생성하는 방법을 제시함으로써 가상내시경(virtual endoscopy)에 응용하고자 한다. 3차원영상 가시화 방법으로는 개인용 컴퓨터에서 이용되는 범용의 그래픽가속기를 이용하여 빠른 속도로 렌더링을 할 수 있는 장점을 가지는 표면볼륨렌더링 방법을 이용하였다.
제안 방법
- 3차원영상 만들기 위한 단면영상은 DICOM(digital image communication in medicine)을 지원하는 CT와 MRI을 이용하여 표 1과 같은 단면영상을 얻었다.
- PTC(percutaneous transhepatic colangiogram：경피경간담도조영) 후에 간내담도에 삽입하고 있는 관(tube)을 통해서 조영제(contrast medium)와 생리식염수를 1：10정도로 희석하여 약 50 ㎖를 주입한 후 두께(thickness) 3㎜로 CT 단면영상을 획득하였다. CT 영상은 한 번의 호흡정지만으로도 많은 단면영상을 얻을 수 있지만 방사선에 의한 생물학적 영향을 방지하기 위하여 적정한 두께를 선택하였다. 조영제를 적정농도로 희석하여 인공물(artifact)에 의한 영상의 왜곡현상을 방지한다.
- CT와 MRI 간담도계 단면영상으로부터 같은 문턱치(threshold value)끼리 연결하는 등위면을 형성하고 각 슬라이스 영상을 쌓아올려 3차원영상은 VRML 파일로 생성했다. 워크스테션이나 전용의 프로그램이 없더라도 웹 브라우저 상에서 실행되는 가상현실 모델링 언어(VRML, virtual reality modeling language)양식의 3차원 영상을 생성하기 위하여 Kitware에서 제공하는 공개프로그램인 vtk(Visualization Toolkit) 이용하였다[13].
- PTC(percutaneous transhepatic colangiogram：경피경간담도조영) 후에 간내담도에 삽입하고 있는 관(tube)을 통해서 조영제(contrast medium)와 생리식염수를 1：10정도로 희석하여 약 50 ㎖를 주입한 후 두께(thickness) 3㎜로 CT 단면영상을 획득하였다. CT 영상은 한 번의 호흡정지만으로도 많은 단면영상을 얻을 수 있지만 방사선에 의한 생물학적 영향을 방지하기 위하여 적정한 두께를 선택하였다.
- MRI의 단면영상들은 호흡중지 상태에서 영상을 얻는 방식인 half-Fourier acquisition single-shot turbo spin-echo(HASTE)이 이용하였다. Stationary fluid(bile, pancreatic juice)는 고 신호강도를, solid organ은 저 신호강도를, 그리고 flowing blood는 signal void를 나타내는 특성을 이용하여, 담즙이나 췌장액의 고 신호강도와 주위조직의 저 신호강도 사이의 대조도 차이를 이용함으로써 조영제를 사용하지 않고 영상을 획득하였다. 그림 3은 MRI 관상단면(cornal) 영상으로 DICOM Viewer에서 보여지는 모습이다.
- 여기에 이용한 알고리즘은 계산량이 적은 Marching Cubes 이다[10-11]. 그리고 워크스테션이나 전용의 프로그램이 없더라도 웹 브라우저 상에서 실행되는 가상현실 모델링언어(VRML, virtual reality modeling language) 양식의 3차원 영상을 생성하는 방법을 제시한다.
- 뢴트겐의 발견은 X-ray 비침습적인 방법으로도 인체 내부병변을 확인할 수 있도록 하였다. 이를 위해서 방사선과 전문의와 임상 의사들은 2차원 영상의 해석을 통하여 정상 또는 비정상 병변부위를 3차원의 해부학적 구조를 이해할 수밖에 없었다.
대상 데이터
- CT와 MRI에서 획득한 단면영상은 그림 4와 같은 과정을 거쳐 인피니트사의 DICOM server로 전송한 다음, 개인용 컴퓨터의 DICOM Viewer에서 영상을 획득하였다. 그림 4는 PACS (picture archiving a nd communica-tion system)의 구성도이다.
이론/모형
- 본 논문은 CT와 MRI을 이용하여 획득한 2차원의 복부영상을 영역분할, 문턱치법 등의 전처리과정을 거쳐 3차원영상을 생성하는 방법을 제시함으로써 가상내시경(virtual endoscopy)에 응용하고자 한다. 3차원영상 가시화 방법으로는 개인용 컴퓨터에서 이용되는 범용의 그래픽가속기를 이용하여 빠른 속도로 렌더링을 할 수 있는 장점을 가지는 표면볼륨렌더링 방법을 이용하였다. 여기에 이용한 알고리즘은 계산량이 적은 Marching Cubes 이다[10-11].
- MRI의 단면영상들은 호흡중지 상태에서 영상을 얻는 방식인 half-Fourier acquisition single-shot turbo spin-echo(HASTE)이 이용하였다.
- 3차원영상 가시화 방법으로는 개인용 컴퓨터에서 이용되는 범용의 그래픽가속기를 이용하여 빠른 속도로 렌더링을 할 수 있는 장점을 가지는 표면볼륨렌더링 방법을 이용하였다. 여기에 이용한 알고리즘은 계산량이 적은 Marching Cubes 이다[10-11]. 그리고 워크스테션이나 전용의 프로그램이 없더라도 웹 브라우저 상에서 실행되는 가상현실 모델링언어(VRML, virtual reality modeling language) 양식의 3차원 영상을 생성하는 방법을 제시한다.
- 의학영상의 분할(segmentation)이란 CT와 MRI로부터 획득한 2차원 슬라이스(slices) 데이터를 처리하여 간담도관의 구조(structure)를 나타내기 위해 간담도관 정보를 추출하는 것을 말한다. 영상분할에 쓰이는 알고리즘으로 문턱치(threshould), 모폴로지(morphology)을 이용하였다. 영역분할법은 어떤 구조를 나타내기 위하여 필요한 영역를 남기고 나머지를 일정한 틀로써 제거하는 방법을 말하며, 문턱치법은 영상전체의 히스토그램을 기준으로 원하는 부위의 화소값에 해당하는 값들은 남기고, 나머지 값은 0으로 처리하는 것으로 장점은 처리가 빠르며, 균일한 강도값을 갖는 피사체나 현격한 강도 차이를 갖는 구조에서의 분할이 유리하나 서로 다른 구조물이 많이 중복된 피사체의 분할에는 사용이 제한된다.
- 워크스테션이나 전용의 프로그램이 없더라도 웹 브라우저 상에서 실행되는 가상현실 모델링 언어(VRML, virtual reality modeling language)양식의 3차원 영상을 생성하기 위하여 Kitware에서 제공하는 공개프로그램인 vtk(Visualization Toolkit) 이용하였다[13].
- 직접볼륨렌더링은 물체를 구성하는 각 체적소를 분류해서 칼라 및 불투명도를 계산한 다음 가상의 카메라에 어떻게 나타날 것인가를 계산하는 기법이다. 직접볼륨렌더링으로 가시화된 3차원영상은 내부가 채워져 있는 복셀(voxels)로 구성되기 때문에 가상수술에 있어서 기관의 절단이나 변형(deformation)의 경우에 유용하나, 프레임의 변화가 많으면 계산량이 많아지므로 가상내시경을 위한 3차원영상의 가시화하는 방법으로는 적당하지 않아 계산량이 적은 간접 볼륨 렌더링이 사용되었으며 Marching Cube 알고리즘을 통해 표면을 계산하였다.
성능/효과
- 1) CT와 MRI 단면영상을 계산량이 적은 Marching Cubes 알고리즘을 이용하여 3차원영상의 가시화가 가능함을 확인하였다.
- 2) 개인용 컴퓨터에서 이용되는 범용의 그래픽 가속기를 이용하여 3차원영상의 가시화가 가 능함을 확인하였다.
- 2차원 영상의 파일의 해상도를 256×256에서 512×512으로 높이면 4배, 슬라이스 수에는 비례하여 노드가 증가함을 보이고, 3차원 영상 파일의 삼각형 수는 노드 수의 2배로 증가함을 보였다.
- 3) VRML을 형식으로 생성한 3차원 영상은 오프라인 웹 브라우저 상에서 실행할 수 있음을 확인하였다.
- 표 2는 3차원영상의 특성들을 나타내고 있다. CT의 3차원 영상 파일의 노드 수와 삼각형 수 및 크기는 각각 85,367, 174,150, 10,124이었고, MRI의 3차원 영상 파일의 노드 수와 삼각형 수 및 크기는 각각 34,029, 67,824, 3,804이었다. 2차원 영상의 파일의 해상도를 256×256에서 512×512으로 높이면 4배, 슬라이스 수에는 비례하여 노드가 증가함을 보이고, 3차원 영상 파일의 삼각형 수는 노드 수의 2배로 증가함을 보였다.
후속연구
- 본 논문에서 3차원 영상의 가시화 방법으로 제시한 표면볼륨렌더링 진단, 교육 훈련 등 다양한 이용이 가능할 것으로 여겨진다. 그러나 Web 서버 구축, 삼각형의 개수가 증가할 때의 속도저하를 가져오는 문제와 직접볼륨렌더링에 비해 부자연스러운 결과를 보여주는 문제를 해결하여야 할 것이다.
- CT 간담도 가상내시경은 PTC을 시행한 다음 삽입하고 있는 관(tube)를 통해 조영제를 주입하고 얻은 영상을 가지고 만든 영상을 가상내시경에 적용함으로써 협착이나 폐색의 원인 및 정도를 파악할 수 있어 수술계획에 도움이 될 것이다. 또한 수술 중에 삽입하고 있는 T-tube를 통해 조영제 주입 후 얻은 영상으로 만든 영상을 가상내시경에 적용함으로써 수술의 성공여부 평가에도 이용할 수 있다.
- 본 논문에서 3차원 영상의 가시화 방법으로 제시한 표면볼륨렌더링 진단, 교육 훈련 등 다양한 이용이 가능할 것으로 여겨진다. 그러나 Web 서버 구축, 삼각형의 개수가 증가할 때의 속도저하를 가져오는 문제와 직접볼륨렌더링에 비해 부자연스러운 결과를 보여주는 문제를 해결하여야 할 것이다.
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