기도벽의 두께 측정 방법(Method for measuring thickness of airway wall)

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기도벽의 두께 측정 방법(Method for measuring thickness of airway wall)

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(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2012년10월11일
(11) 등록번호 10-1189739
(24) 등록일자 2012년10월04일
(51) 국제특허분류(Int. Cl.)
A61B 1/267 (2006.01) A61B 5/103 (2006.01)
A61B 6/03 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2011-0062197
(22) 출원일자 2011년06월27일
심사청구일자 2011년06월27일
(56) 선행기술조사문헌
US8019140 B2
(73) 특허권자
재단법인 아산사회복지재단
서울특별시 송파구 올림픽로43길 88 (풍납동)
(72) 발명자
서준범
서울특별시 송파구 양재대로 1089, 한양3차 아파
트 2동 408호 (방이동)
김남국
서울특별시 송파구 신천로 45, 장미아파트 27동
1002호 (신천동)
(74) 대리인
김순웅
전체 청구항 수 : 총 6 항 심사관 : 이재균
(54) 발명의 명칭 기도벽의 두께 측정 방법
(57) 요 약
1mm 이하의 기도벽에서 실제 기도를 더 정확하게 측정하는 기도벽의 두께 측정 방법이 기도벽 두께의 측정 방법
은 컴퓨터 단층 영상에서 기도벽을 따라 초기 밴드를 생성하는 단계; 상기 초기 밴드 안에 자동 분류자를 이용하
여 2 그룹으로 화소를 구분하고 이중 기도벽에 해당하는 화소 만을 선택하는 단계; 상기 초기 밴드를 기도 중심
에서 외측으로 확대해 가면서 밴드 프로파일을 생성하는 단계; 상기 밴드 프로파일을 비대칭 곡선으로 피팅하여
상기 밴드의 피크값을 검출하는 단계; 상기 기도 중심으로부터 상기 검출된 밴드의 피크값 까지의 유효 기도가
차지하는 프로파일 컴퓨터 단층 밀도를 적분하는 단계; 및 상기 기도 프로파일 컴퓨터 단층 밀도의 적분값 및 알
려진 기도의 컴퓨터 단층 밀도값을 기초로 하여 기도 벽의 두께를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로
한다.
대 표 도 - 도1
등록특허 10-1189739
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이 발명을 지원한 국가연구개발사업
과제고유번호 A102065
부처명 보건복지부
연구사업명 근거창출임상연구국가사업
연구과제명 만성기도폐쇄성질환 임상연구
주관기관 서울아산병원
연구기간 2004.12.01 ~ 2013.10.31
등록특허 10-1189739
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특허청구의 범위
청구항 1
(i) 컴퓨터 단층 영상에서 기도벽을 따라 초기 밴드를 생성하는 단계;
(ii) 상기 초기 밴드 안에 자동 분류자를 이용하여 2 그룹으로 화소를 구분하고 이중 기도벽에 해당하는 화소
만을 선택하는 단계;
(iii) 상기 초기 밴드를 기도 중심에서 외측으로 확대해 가면서 밴드 프로파일을 생성하는 단계;
(iv) 상기 밴드 프로파일을 비대칭 곡선으로 피팅하여 상기 밴드의 피크값을 검출하는 단계;
(v) 상기 기도 중심으로부터 상기 검출된 밴드의 피크값 까지의 유효 기도가 차지하는 프로파일 컴퓨터 단층 밀
도를 적분하는 단계; 및
(vi) 상기 기도 프로파일 컴퓨터 단층 밀도의 적분값 및 알려진 기도의 컴퓨터 단층 밀도값을 기초로 하여 기도
벽의 두께를 측정하는 단계를 포함하는 기도벽 두께의 측정 방법.
청구항 2
제1항에 있어서, 단계 (i)은
단순 문턱치 기법으로 기도 내강 마스크를 생성하는 단계;
상기 기도 내강 마스크를 기초로 하여 상기 기도의 중심축을 계산하는 단계;
상기 기도의 중심축에 수직인 수직 영상을 재건하여 기도 내강을 분할하는 단계;
초기 컴퓨터 단층 영상 값을 이용한 기도 안 측정 및 타원 피팅을 통하여 상기 내강의 장단 축을 계산
하는 단계; 및
상기 분할한 기도 내강 공간의 경계를 이용하여 상기 초기 밴드를 생성하는 단계를 포함하는 기도벽의
두께 측정 방법.
청구항 3
제1항에 있어서,
상기 기도 중심이 3차원으로 추출된 기도 트리의 중심선인 경우,
단계 (iii) 내지 (vi)에서 컴퓨터 단층 영상에서 3차원으로 추출된 기도 트리의 중심선을 따라 자동으로 밴드
기법으로 기도벽의 두께를 측정한 후, 다양한 측정치들을 3차원 기도벽에 컬러 코딩하여 시각화하는 단계를 더
포함하는 기도벽의 두께 측정 방법.
청구항 4
제1항에 있어서, 단계 (vi)에서, 상기 기도 프로파일 컴퓨터 단층 밀도의 적분값 = 알려진 기도의 컴퓨터 단층
밀도값 × 기도벽의 반쪽 두께이고, 상기 기도벽의 두께 = 상기 기도벽의 반쪽 두께 × 2인 기도벽 두께의 측정
방법.
청구항 5
제1항에 있어서, 단계 (vi)를 수행한 후, 상기 기도벽의 안쪽 경계, 바깥쪽 경계, 유효하지 않은 밴드 안 화소,
유효한 화소를 기존의 컴퓨터 단층 촬영 영상 위에 컬러 코딩하여 표현하는 단계를 더 포함하는 기도벽 두께의
측정 방법.
청구항 6
제1항에 있어서, 단계 (vi)를 수행한 후, 초기 문턱치로 분할한 기도안 면적 및 타원 피팅을 통한 기도안 면적,
장축, 단축, 상기 측정한 기도벽 두께, 재정의한 기도안 면적, 장축, 단축, 기도벽 면적/기도안 면적 비율로 이
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루어진 측정치 보고서를 작성하는 단계를 더 포함하는 기도벽 두께의 측정 방법.
명 세 서
기 술 분 야
본 발명은 기도벽에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기도벽의 두께를 측정하는 방법에 관한 것이다. [0001]
배 경 기 술
기관지 확장, 천식, 및 폐기종 등의 폐 질환은 기도 두께의 이상을 특징으로 한다. 다단면 컴퓨터 단층 촬영[0002]
(computed tomography; 이하 'CT'라 함)이 이와 같은 이상을 알아내기 위한 주요 수단이 된다. 그 이유는 CT의
고분해 성능 및 근사적 등방성 데이터를 이용하여, 스캔 면에 대하여 경사각에서 기도를 평가할 수 있기 때문이
다. 그러나, 기도 CT 영상의 임상적인 평가는 일반적으로 시각적인 검사로 제한하게 되고, 기도의 이러한 종류
의 체계적인 평가는 자동화 없이는 비실용적이라는 것이 판명되고 있다.
한편, 기도벽의 두께는 오랫동안 다양한 폐질환의 대리 표지자로 생각되어 왔다. 관련 종래 기술로는 미국특허[0003]
7116810 및 7346203 등 기존특허가 있다. 이러한 기존의 Full-Width-at-Half-Maximum (FWHM) 기법은 CT를 이용
한 기도벽 측정기법으로 보편적으로 받아지나, 팬텀 스터디 등을 통해 FWHM은 1mm 이하의 기도벽에 오차를 발생
하는 문제가 있다.
발명의 내용
해결하려는 과제
본 발명은 이상과 같은 종래의 문제점인 1mm 이하의 기도벽 두께를 측정하는데 문제가 있는 FWHM의 한[0004]
계를 극복하기 위해, 실제 기도를 더 정확하게 측정하는 기도벽의 두께 측정 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
과제의 해결 수단
본 발명에 따른 기도벽 두께의 측정 방법은 (i) 컴퓨터 단층 영상에서 기도벽을 따라 초기 밴드를 생성하는 단[0005]
계; (ii) 상기 초기 밴드 안에 자동 분류자를 이용하여 2 그룹으로 화소를 구분하고 이중 기도벽에 해당하는 화
소 만을 선택하는 단계; (iii) 상기 초기 밴드를 기도 중심에서 외측으로 확대해 가면서 밴드 프로파일을 생성
하는 단계; (iv) 상기 밴드 프로파일을 비대칭 곡선으로 피팅하여 상기 밴드의 피크값을 검출하는 단계; (v) 상
기 기도 중심으로부터 상기 검출된 밴드의 피크값 까지의 유효 기도가 차지하는 프로파일 컴퓨터 단층 밀도를
적분하는 단계; 및 (vi) 상기 기도 프로파일 컴퓨터 단층 밀도의 적분값 및 알려진 기도의 컴퓨터 단층 밀도값
을 기초로 하여 기도 벽의 두께를 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
발명의 효과
본 발명은 FWHM의 한계를 극복하기 위해 밴드 단위로 CT 밀도 프로파일을 피팅하고 이를 적분하여 1mm 이하의[0006]
기도벽에서 실제 기도를 더 정확하게 측정한다. 다양한 현실적 고려사항, 즉 기도벽이 불완전한 경우, 기도벽에
혈관이 붙여 있는 경우, 내강과 기도벽이 하나의 중심이 아닌 경우 등을 해결한다. 가상 팬텀, 실물 팬텀 스터
디 및 임상 데이터를 이용한 검증에서 새 방법이 더 좋은 결과를 얻어낸다. 본 발명의 방법은 CT를 이용한 기도
벽 두께를 더 정확하게 측정하여 폐질환 진단, 치료 평가 및 신약 개발시 대리 표지자로 사용될 가능성이 많다.
기도벽의 안쪽 경계, 바깥쪽 경계, 유효하지 않은 밴드 안 화소, 유효한 화소 등을 기존의 CT 영상 위에 컬러
코딩을 수행할 수 있다. 초기 문턱치로 분할한 기도안 면적 및 타원 피팅을 통한 기도 안 면적, 장축, 단축, 밴
드 기법으로 측정한 기도벽 두께, 재정의한 기도안 면적, 장축, 단축, 기도벽 면적/기도안 면적 비율 등의 측정
치 보고서를 작성할 수 있다.
도면의 간단한 설명
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 밴드 기반 기도벽 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.[0007]
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 밴드 및 FWHM 기법으로 측정한 기도벽을 나타낸 도면이다.
도 3 내지 도 5는 3차원 트리에서 중심선 추출 및 각 위치에서 기도 중심선에 수직인 CT 영상 재건 및 이를 이
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용한 기도벽 계산 및 기도 트리 전체에 기도벽 두께를 이용한 컬러 코딩을 나타낸 도면들이다.
도 6은 가상 기관지 경에 컬러 코딩 결과를 시각화한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 밴드 기반 기도벽 측정 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 Weibull 피팅을 통한 밴드의 피크 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 기도벽 측정 보고서의 일예를 나타낸 도면이다.
발명을 실시하기 위한 구체적인 내용
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발[0008]
명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수
있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을
고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정
의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 밴드 기반 기도벽 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 일반적으로 기[0009]
도 분석을 할 때 사용되는 절차로서, 본 발명에 적용될 수 있는 밴드 및 FWHM 기법으로 측정한 기도벽을 나타낸
도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 기도 분석을 할 때 사용되는 절차는 내강 마스크(S110) → 기도 축 검출(S120)[0010]
→ 수직 영상(S130) → 내강의 장단축 측정(S140) → FWHM 측정(S150) → 밴드 측정(S160) → 보고서 작성
(S170)의 순으로 수행된다.
이를 상세히 설명하면, 기본적으로 기도 내강 마스크(기도 안의 비어있는 공간 분할; S110)를 3차원[0011]
Skeletonization 등을 이용한 단순 문턱치 기법 (Simple Tresholding) 으로 생성한다(S110). 상기 기도 내강
마스크를 기초로 하여 기도의 중심축을 계산한다(S120).
그 후, 상기 기도의 중심축에 수직한 수직 영상(S130)을 재건하여, 즉 생성 및 확대하고, 초기 내강을 분할하고[0012]
초기 CT 값을 이용한 기도 안 측정 및 타원 피팅을 통하여 상기 내강의 장단축을 계산한 후(S140), 여기서 기존
의 FWHM 방법으로 분석을 한다.
그 후에 같은 위치에서 밴드 방식(S160)으로 분석을 하고, 이를 이용하여 측정 영상 및 리포트를 생성한다[0013]
(S170).
상기한 도 1의 밴드 측정 단계 (S160)은 초기 내강 분할(S161) → 초기 밴드 검출 (S162) → 밴드 확대(S163)[0014]
→ 피크 검출(S164) → 피크까지 적분(S165) → 기도벽 두께 측정(S166) → 경계 검출(S167) → 컬러 영상
(S168) → 측정 결과(S169)의 순으로 이루어진다.
이를 상세히 설명하면, 컴퓨터 단층 영상에서 초기 밴드를 단순 문턱치를 이용하여 분할한 기도공간의 경계를[0015]
타원 피팅하여 결정한다.
도 1을 참조하면, 초기 내강을 분할하고 초기 컴퓨터 단층 영상 값을 이용한 기도 안 측정 및 타원 피팅을 통하[0016]
여 상기 내강의 장단축을 계산한다(S161).
상기 분할한 기도 내강 공간의 경계를 이용하여 상기 초기 밴드를 생성하는 단계(S162).[0017]
상기 컴퓨터 단층 영상에서 초기 밴드 안에 자동 분류자를 이용하여 2 그룹으로 화소를 구분하고 이중 기도벽에[0018]
해당하는 화소 만을 선택한다.
초기 밴드가 정해지면 주변의 혈관의 영향을 줄이기 위해 밴드안에 기도벽만을 구분하기 위해서 자동 분류자(k-[0019]
means classifier)를 통해서 밴드중에 기도의 영상값만 가지는 부분을 구분합니다. 밴드에서 유효한 픽셀 선택
(Ray projection을 통한 유효 ray 측정. Attached Vessel을 제거하기 위해 자동 분류자를 이용하여 2개의 군으
로 나눈후 유효한 픽셀을 선택한다.
상기 컴퓨터 단층 영상에서 초기 밴드를 기도 중심에서 외측으로 기도벽이 존재 할만큼 확대해가면서 밴드 프로[0020]
파일을 생성한다(단계 S163). 기도 부분만 차지하는 밴드를 구분하여 그 부분의 영상의 평균값을 구하고, 밴드
를 점점 크게 확대해 가면서 이 값들로 이루어진 프로파일을 생성한다.
등록특허 10-1189739
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그 후, 상기 밴드 프로파일을 비대칭 곡선으로 피팅하여 상기 밴드의 피크값을 검출한다(S164). 도 8은 본 발명[0021]
의 실시예에 따른 Weibull 피팅을 통한 밴드의 피크 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 도 8의 빨간 점들이 하나
의 밴드의 평균 값이고, x축을 따라서 찍히는 점들이 밴드의 확대에 따른 프로파일이다. 이 프로파일이 비대칭
이므로 여기서는 Weibull 커브를 이용한 피팅을 통해서 피크 값을 예측한다.
상기 컴퓨터 단층 영상에서 기도 중심으로부터 상기 검출된 밴드의 피크값 까지의 유효 기도가 차지하는 프로파[0022]
일 컴퓨터 단층 밀도를 적분한다(S165). 결국 기도 밴드의 프로파일의 피크를 알게 됨으로써, 기도 중심에서 피
크까지의 유효 기도가 차지하고 있는 CT 영상의 밀도값의 합 (적분)을 계산한다.
이어서, 상기 기도 프로파일 컴퓨터 단층 밀도의 적분값 및 알려진 기도의 컴퓨터 단층 밀도값을 기초로 하여[0023]
기도 벽의 두께를 측정한다(S166).
이미 알려진 기도의 CT 밀도값 (사용자가 정할수 있음-> 질환에 따라 달라짐. 정상의 경우 보통 50HU를 사용)을[0024]
이용하여 반대로 CT의 partial volume effect에 의해 뭉개진 기도벽의 두께를 계산한다. 도 7은 본 발명의 실시
예에 따른 밴드 기반 기도벽 측정 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다. 계산 방법은 도 7를 참조하면, 이론상
기도벽의 밀도를 기반으로 한 Estimated 기도 중심(프로파일의 피크)에서 내부 경계까지 거리를 기도벽의 두께
(x)라고 놓고, CT의 부분 volume 효과에 의해 영향을 받은 기도 밀도값의 합 (적분)을 이용하여 다음 수학식으
로 얻는다.
수학식 1
[0025]
여기서, IC는 CT 영상에서 구한 기도 프로파일 밀도 값의 합 (적분값), 즉 상기 기도 프로파일 컴퓨터 단층 밀[0026]
도의 적분값이고, AH는 기도벽의 반쪽 두께이고, KC는 알려진 기도의 CT 밀도값으로서 정상의 경우 50HU이다.
실제 기도벽은 바깥쪽이 있으므로 계측된 기도벽의 반쪽 두께 × 2를 하여 다음 수학식 2로 계산한다. 찾은 밴
드의 피크 값을 기도벽의 중심으로 놓고 기도 중심에서 피크까지의 CT값을 적분함. 이 적분값과 실제 기도벽의
CT 값을 이용하여 기도벽 반쪽 두께를 측정함. 수학식 2를 이용하여 이 반쪽 두께를 두 배하여 기도벽 두께를
얻는다.
수학식 2
[0027]
여기서, AT는 기도벽의 두께이다.[0028]
그 후, 컴퓨터 단층 영상에서 기도벽의 안쪽 경계, 바깥쪽 경계(S167), 유효하지 않은 밴드안 화소, 유효한 화[0029]
소 등을 등을 계산하여, 사용자가 검산을 위해 기존의 CT 영상 위에 컬러 코딩하여 표현한다(S168). S168의 결
과는 도 2의 밴드 결과 부분이다.
한편, 초기 문턱치로 분할한 기도안 면적 및 타원 피팅을 통한 기도안 면적, 장축, 단축, Band 기법으로 측정한[0030]
기도벽 두께, 재정의한 기도안 면적, 장축, 단축, 기도벽 면적/기도안 면적 비율 등으로 이루어진 측정치 보고
서를 작성할 수 있다(S169)
단계 S162 ~ S166을 거쳐서 계산한 다양한 계산 결과값을 사용자에게 정량적 수치로 제공하는 보고서를 도 9에[0031]
도시된 바와 같이 작성한다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 기도벽 측정 보고서의 일예를 나타낸 도면이다.
컴퓨터 단층 영상에서 기존의 Full-Width-at-Half-Maximum (FWHM) 기법과 새로 개발한 밴드 기법을 이용하여 한[0032]
곳에서 동시에 2가지 기법으로 기도측정 및 비교하였고, 그 비교 결과로서 도 2의 오른쪽 FWHM result와 Band
Result가 시각적 비교이며 도 9의 보고서에는 양쪽 측정기법의 결과가 모두 수록되어 있어서 일관되고 양 방법
을 비교할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 3차원 트리에서 중심선 추출 및 각 위치에서 기도 중심선에 수직인 CT 영상 재건 및 이를 이[0033]
등록특허 10-1189739
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용한 기도벽 계산 및 기도 트리 전체에 기도벽 두께를 이용한 컬러 코딩을 나타낸 도면들이다. 도 3 내지 도 5
를 참조하면, 상기 기도 중심이 3차원으로 추출된 기도 트리의 중심선인 경우, 단계 S163 내지 S166에서 컴퓨터
단층 영상에서 3차원으로 추출된 기도 트리의 중심선을 따라 자동으로 밴드 기법으로 기도벽의 두께를 측정한
후, 다양한 측정치들을 3차원 기도벽에 컬러 코딩하여 시각화할 수 있다.
도 6은 가상 기관지 경에 컬러 코딩 결과를 시각화한 도면이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 새로운 Band 기반[0034]
기도 분석 기법을 3차원의 기도의 어느 위치에서나 계산할수 있게 기도 트리의 중심선을 따라 자동으로 모든 기
도벽을 측정하고 이를 3차원 기도벽에 컬러링 하여 시각화하는 것이다. 즉, 컴퓨터 단층 영상에서 다양한 기도
벽 측정치들을 3차원 기도벽에 컬러 코딩하여 기존의 기관지경의 정합 (Augmented Reality) 하거나 수술용 항법
장치 등과 연결하여 시술에 부과적인 정보를 줄 수 있다. 본 발명의 새로운 band 기반 기도 분석 기법의 결과의
활용에 관한 부분으로 기존의 기관지경에 이런 정보를 제공하여 임상의사에게 도움이 줄수 있는 수단이다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하[0035]
며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식
을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.
도면
도면1
등록특허 10-1189739
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도면2
도면3
도면4
등록특허 10-1189739
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도면5
도면6
도면7
등록특허 10-1189739
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도면8
도면9
등록특허 10-1189739
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