최근 디지털 영상장비 개발 기술의 발전으로 인하여 중재 시술이 일반화되고 있다. 중재 영상시술은 미세한 카테터와 가이드와이어를 체내에 삽입하고 시술하는 기술적 특성으로 인하여, 시술의 효과와 안전성을 높이기위해서는 엑스선영상의 고화질이어야 한다. 이로인하여 방사선 피폭량이 증가하는 문제점을 갖고 있다. 따라서 엑스선 디텍터의 성능을 개선하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한, 혈관 조영술을 기반으로 한 중재시술은 참조 영상 처리와 3D 의료 영상처리 기술이 요구된다. 본 논문에서는 중재시술을 지원하기 위한 가이드 시스템을 제안하고자 한다. 뇌혈관질환의 중재시술에 기존 혈관조형검사기반의 2D 의료영상이 갖고 있는 문제점을 해결하고, 중재시술 도구인 카테터와 가이드와이어의 목표 병변까지 실시간 위치 추적과 최적의 경로를 안내 해주고자 한다. 이를 위한 전체 시스템은 의료영상 획득부와 영상처리부 그리고 디스플레이 디바이스부로 구성하였다. 그리고 제안한 시스템에서 제공하는 가이드서비스의 실험환경은 브레인 팬텀(Complete intracranial model with aneurysms, ref H+N-S-A-010)을 엑스선으로 촬영하면서 실험하였다. 그리고 참조 영상을 생성하기 위해서 라프라시안 알고리즘 기반의 뇌혈관 모델링과 DICOM에서 추출한 이미지 처리를 위해 Volume ray casting 기법을 적용하였다. 그리고 카테터와 가이드와이어의 위치추적과 경로 제공을 위해 $A^*$알고리즘을 적용하였다. 끝으로 제안한 시스템에서 제공하는 카테터와 가이드와이어의 위치추적 수행결과를 보인다. 제안한 시스템은 향후 중재시술에 유용한 안내 서비스를 제공할 것으로 기대하고 있다.
최근 디지털 영상장비 개발 기술의 발전으로 인하여 중재 시술이 일반화되고 있다. 중재 영상시술은 미세한 카테터와 가이드와이어를 체내에 삽입하고 시술하는 기술적 특성으로 인하여, 시술의 효과와 안전성을 높이기위해서는 엑스선영상의 고화질이어야 한다. 이로인하여 방사선 피폭량이 증가하는 문제점을 갖고 있다. 따라서 엑스선 디텍터의 성능을 개선하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 또한, 혈관 조영술을 기반으로 한 중재시술은 참조 영상 처리와 3D 의료 영상처리 기술이 요구된다. 본 논문에서는 중재시술을 지원하기 위한 가이드 시스템을 제안하고자 한다. 뇌혈관질환의 중재시술에 기존 혈관조형검사기반의 2D 의료영상이 갖고 있는 문제점을 해결하고, 중재시술 도구인 카테터와 가이드와이어의 목표 병변까지 실시간 위치 추적과 최적의 경로를 안내 해주고자 한다. 이를 위한 전체 시스템은 의료영상 획득부와 영상처리부 그리고 디스플레이 디바이스부로 구성하였다. 그리고 제안한 시스템에서 제공하는 가이드서비스의 실험환경은 브레인 팬텀(Complete intracranial model with aneurysms, ref H+N-S-A-010)을 엑스선으로 촬영하면서 실험하였다. 그리고 참조 영상을 생성하기 위해서 라프라시안 알고리즘 기반의 뇌혈관 모델링과 DICOM에서 추출한 이미지 처리를 위해 Volume ray casting 기법을 적용하였다. 그리고 카테터와 가이드와이어의 위치추적과 경로 제공을 위해 $A^*$ 알고리즘을 적용하였다. 끝으로 제안한 시스템에서 제공하는 카테터와 가이드와이어의 위치추적 수행결과를 보인다. 제안한 시스템은 향후 중재시술에 유용한 안내 서비스를 제공할 것으로 기대하고 있다.
Due to the recent advancement in digital imaging technology, development of intervention equipment has become generalize. Video arbitration procedure is a process to insert a tiny catheter and a guide wire in the body, so in order to enhance the effectiveness and safety of this treatment, the high-q...
Due to the recent advancement in digital imaging technology, development of intervention equipment has become generalize. Video arbitration procedure is a process to insert a tiny catheter and a guide wire in the body, so in order to enhance the effectiveness and safety of this treatment, the high-quality of x-ray of image should be used. However, the increasing of radiation has become the problem. Therefore, the studies to improve the performance of x-ray detectors are being actively processed. Moreover, this intervention is based on the reference of the angiographic imaging and 3D medical image processing. In this paper, we propose a guidance system to support this intervention. Through this intervention, it can solve the problem of the existing 2D medical images based vessel that has a formation of cerebrovascular disease, and guide the real-time tracking and optimal route to the target lesion by intervention catheter and guide wire tool. As a result, the system was completely composed for medical image acquisition unit and image processing unit as well as a display device. The experimental environment, guide services which are provided by the proposed system Brain Phantom (complete intracranial model with aneurysms, ref H+N-S-A-010) was taken with x-ray and testing. To generate a reference image based on the Laplacian algorithm for the image processing which derived from the cerebral blood vessel model was applied to DICOM by Volume ray casting technique. $A^*$ algorithm was used to provide the catheter with a guide wire tracking path. Finally, the result does show the location of the catheter and guide wire providing in the proposed system especially, it is expected to provide a useful guide for future intervention service.
Due to the recent advancement in digital imaging technology, development of intervention equipment has become generalize. Video arbitration procedure is a process to insert a tiny catheter and a guide wire in the body, so in order to enhance the effectiveness and safety of this treatment, the high-quality of x-ray of image should be used. However, the increasing of radiation has become the problem. Therefore, the studies to improve the performance of x-ray detectors are being actively processed. Moreover, this intervention is based on the reference of the angiographic imaging and 3D medical image processing. In this paper, we propose a guidance system to support this intervention. Through this intervention, it can solve the problem of the existing 2D medical images based vessel that has a formation of cerebrovascular disease, and guide the real-time tracking and optimal route to the target lesion by intervention catheter and guide wire tool. As a result, the system was completely composed for medical image acquisition unit and image processing unit as well as a display device. The experimental environment, guide services which are provided by the proposed system Brain Phantom (complete intracranial model with aneurysms, ref H+N-S-A-010) was taken with x-ray and testing. To generate a reference image based on the Laplacian algorithm for the image processing which derived from the cerebral blood vessel model was applied to DICOM by Volume ray casting technique. $A^*$ algorithm was used to provide the catheter with a guide wire tracking path. Finally, the result does show the location of the catheter and guide wire providing in the proposed system especially, it is expected to provide a useful guide for future intervention service.
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문제 정의
따라서 현재 2D기반의 혈관조영술(Angiography)의 문제점을 해결하고 3D 의료영상을 통해 목표 병변 지점까지 도달하는데 가이드 서비스를 제공하여 전체 시술 시간을 줄여서 방사선 피폭을 감소시키는 효과적인 중재시술을 지원하고자 한다.
따라서, 본 논문은 중재 시술 시술자에게 경로와 현재 카테터와 가이드와이어의 위치추적을 통해 목표 병변 지점까지 가이드 하고자 하였다.
본 논문에서는 뇌혈관 질환 환자의 중재 시술에서 가이드와이어와 카테터가 목표 병변 지점까지 도달하는데 실시간으로 추적하여 현재 위치뿐만 아니라 최적경로 및 시술에 필요한 다양한 의료 정보들을 영상처리를 통해 제공하는 중재시술 지원 시스템에 대하여 기술한다.
본 논문에서는 제안한 시스템은 중재시술을 지원하기 위한 가이드 서비스를 제공하는데 있다. 중재시술 특성상 실시간으로 진행하며 정확함과 빠른 속도가 요구된다.
본 논문에서는 중재시술에서 가이드 와이어와 카테터를 목표 병변까지 이동하는데 기존 2D의료영상을 이용한 방법에서 3D영상과 복잡한 혈관에서 분기되는 지점의 안내를 통해 중재시술을 지원하기 위한 시스템을 제안한다.
제안 방법
DICOM 파일들로 추출하여 얻어진 연속된 이미지들은 하나의 디렉터리에 저장되는데 이렇게 저장된 이미지들을 읽어서 Texture Slicing과 Volume ray casting을 통해 3D이미지를 렌더링한다[11]. 렌더링된 3D 오브젝트와 측면 및 정면에서 찍은 엑스선 이미지를 함께 제공하는 기본연구 환경을 구성한다.
의료 영상처리는 .NET 기반 Windows 7 운영체제를 기반으로 OpenCV 라이브러리를 사용하여 개발 하였고, 의료 영상 파일 표준인 DICOM 파일에서 영상정보를 추출하기 위하여 Fellow oak DICOM 라이브러리와 DCMTK라이브러리를 사용하였다.
실험을 위하여 카테터의 끝 검출을 카테터와 가이드와이어 끝 부분에 테이프를 부착하여 특정 넓이 이상의 값으로 검출하였다. 검출한 끝부분에 노란색 사각형으로 외곽을 그리도록 하였으며, 이전 프레임과 병합하여 지나온 경로를 추적할 수 있도록 하였다.
이를 위해 혈관의 3D모델링이 요구된다. 따라서 앞서 언급한 브레인 팬텀을 이용해 찍은 의료영상을 이용하여 뇌혈관 위주로 경계선을 검출 하였다.
DICOM 파일들로 추출하여 얻어진 연속된 이미지들은 하나의 디렉터리에 저장되는데 이렇게 저장된 이미지들을 읽어서 Texture Slicing과 Volume ray casting을 통해 3D이미지를 렌더링한다[11]. 렌더링된 3D 오브젝트와 측면 및 정면에서 찍은 엑스선 이미지를 함께 제공하는 기본연구 환경을 구성한다.
전체 시스템 구성은 그림 1과 같이 엑스선 발생기와 평판형 엑스선 디텍터 그리고 실시간 영상처리기와 디스플레이 디바이스로 구성된다. 본 논문에서 제안하는 X-ray 소스는 스펠만 모노블럭 타입과 평판 디텍터는 베리안의 PaxScan 1515DXT를 이용하여 투시영상을 얻어 가이드 서비스를 개발하였다.
시술 전 엑스선 발생기와 평판형 엑스선 디텍터에서 투시영상을 얻으면 이를 실시간 영상처리기에 의료 영상이 DICOM 파일 형태로 수집된다. 수집한 DICOM 파일에서 이미지를 추출하여 이를 볼륨 렌더링을 통해 3D 이미지를 얻고 혈관 이미지를 검출하는 영상처리를 하여 시술 시에 의사에게 제공되는 레퍼런스 영상을 생성한다.
실험을 위하여 카테터의 끝 검출을 카테터와 가이드와이어 끝 부분에 테이프를 부착하여 특정 넓이 이상의 값으로 검출하였다. 검출한 끝부분에 노란색 사각형으로 외곽을 그리도록 하였으며, 이전 프레임과 병합하여 지나온 경로를 추적할 수 있도록 하였다.
이를 위해 두 영상 사이의 특징적인 대응관계를 비교하여 선형적 또는 공간적 방식으로 정합한다. 이를 반자동 방식으로 컴퓨터가 기본적인 정합을 해주고 의사가 검토를 하는 방법을 사용하여 정합하여 불확실성을 줄인다.
위와 같은 기능을 제공하기 위해선 실제 영상의 좌표와 만들어진 이미지의 각 서로 다른 좌표계를 하나의 좌표계로 정합하여야 한다. 이를 위해 두 영상 사이의 특징적인 대응관계를 비교하여 선형적 또는 공간적 방식으로 정합한다. 이를 반자동 방식으로 컴퓨터가 기본적인 정합을 해주고 의사가 검토를 하는 방법을 사용하여 정합하여 불확실성을 줄인다.
정합된 이미지를 통해 인터벤션 도구의 이동방향과 현재 인터벤션 도구 위치의 혈관 상태 등을 의사가 시술에 필요한 정보들을 디스플레이 디바이스를 통해 제공해 준다.
제안하는 뇌혈관 가이드 시스템의 소프트웨어 구성요소에서 의료영상처리를 위해서 엑스선 발생기로부터 얻은 DICOM 파일로부터 이미지를 추출하여 가공하여야한다. 이미지는 그림 5와 같이 단층 형태의 연속된 이미지들로 생성된다.
제안하는 시스템은 카테터 또는 가이드와이어의 위치를 확인하고 그 위치에서 혈관의 지름 및 상태 등을 그 위치에서의 DICOM 이미지 정보를 통해 얻고, 이를 볼륨렌더링한 3D 이미지를 출력한다. 또한 카테터와 가이드와이어의 방향성을 체크하여 Z축으로 들어가거나 나온 복잡한 혈관형태의 경우 의사에게 주의를 알리며, 위치가 겹쳐서 확인이 힘든 경우 CT촬영을 요구하는 등의 인터액티브한 인터페이스를 제공한다.
뇌혈관 중재시술 지원 시스템의 안내 서비스를 제공하기 위한 전체 처리과정은 다음 그림 4와 같다. 제안한 시스템의 처리과정은 크게 2부분으로 시술 전과 시술 시로 구분하여 레퍼런스 영상과 실시간 영상의 정합을 통해 중재시술을 지원하도록 하였다.
대상 데이터
시술 전 엑스선 발생기와 평판형 엑스선 디텍터에서 투시영상을 얻으면 이를 실시간 영상처리기에 의료 영상이 DICOM 파일 형태로 수집된다. 수집한 DICOM 파일에서 이미지를 추출하여 이를 볼륨 렌더링을 통해 3D 이미지를 얻고 혈관 이미지를 검출하는 영상처리를 하여 시술 시에 의사에게 제공되는 레퍼런스 영상을 생성한다.
전체 시스템 구성은 그림 1과 같이 엑스선 발생기와 평판형 엑스선 디텍터 그리고 실시간 영상처리기와 디스플레이 디바이스로 구성된다. 본 논문에서 제안하는 X-ray 소스는 스펠만 모노블럭 타입과 평판 디텍터는 베리안의 PaxScan 1515DXT를 이용하여 투시영상을 얻어 가이드 서비스를 개발하였다.
이론/모형
경계선 검출은 소벨마스크와 라플라시안을 이용한 방법을 사용하여 모델링하였다. 소벨마스크는 돌출된 값을 비교적 잘 평균화하여 경계선을 검출하는 방법이지만 에지의 영역 검출 시 끊기는 문제점을 갖고 있다.
최단 경로 뿐 아니라 혈관 상태에 따라 경로를 가이드 해주는 기능이 필요하다. 최단 경로를 계산하기 위하여 3D 모델링 과정에서 Map을 만들고 이를 AStar 알고리즘에 적용하여 최단 경로를 찾는다. 다음 그림10은 이에 대한 알고리즘을 보이고 있다.
성능/효과
그림 8은 뇌혈관 중재시술을 위해 검출된 동맥자루 병변 영역에 대한 DICOM 파일을 이용하여 라플라시안 마스크를 이용하여 경계를 검출하고 이미지에서 잡음을 제거한 영상의 결과를 보이고 있다. 이 결과 혈관의 형태와 크기 그리고 병변 영역에 대해 구분이 용이함을 알 수 있었다.
후속연구
향후 연구에서는 전체적인 처리 과정에 맞추어 개발구성요소를 통합하고 실험을 통해 제안한 시스템의 효과를 증명하고자 전체 시술시간의 시뮬레이션과 방사선 피폭 선량을 측정하는 연구를 진행할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
중재 시술의 장점은 무엇인가?
이러한 중재 시술은 비침습적이기 때문에 환자의 신체적 부담이 적어 회복기간 및 입원 기간도 짧아져 의료비용이 감소할 수 있다. 또한 기존에 외과적인 수술을 받기힘든 상태의 환자도 적은 신체적 부담으로 시술을 받을 수 있는 등의 장점을 갖는다.
중재시술의 단점은 무엇인가?
그러나 중재시술의 특성상 가이드 와이어와 카테터를 목표 병변까지 도달하여 치료하기 위해서는 지속적인 엑스선 촬영이 불가피하기 때문에 의사 및 환자에게 많은 양의 방사선이 피폭되는 단점을 갖고 있다. 이에 따라 의료분야에서 납 장갑 및 차폐장치를 사용하거나 각 시술별로 방사선 피폭 선량을 측정하여 환자 및 의사들이 관리하도록 하는 등의 연구들이 진행 되고 있으며, 의료영상 장비 분야에서는 방서선 피폭량을 줄이기 위한 엑스선 디텍터의 성능을 개선하여 저선량 / 고화질에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다[1, 2].
중재 시술이 도입되고 있는 진료 과목은 무엇이 있는가?
최근 의료 영상처리기술과 디지털 의료 영상장비의 발전으로 인하여 중재 시술이 일반화 되고 있다. 이에 따라 심뇌혈관외과, 심장내과 등에서는 비침습적 방법으로 외과적인 치료를 할 수 있게 하는 하이브리드 형의 수술실이 도입되고 있다.
참고문헌 (13)
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