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KR102216460B1 - X-선 이미지를 생성하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

X-선 이미지를 생성하기 위한 방법 및 시스템 Download PDF

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KR102216460B1
KR102216460B1 KR1020167001950A KR20167001950A KR102216460B1 KR 102216460 B1 KR102216460 B1 KR 102216460B1 KR 1020167001950 A KR1020167001950 A KR 1020167001950A KR 20167001950 A KR20167001950 A KR 20167001950A KR 102216460 B1 KR102216460 B1 KR 102216460B1
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KR
South Korea
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model
anatomical structure
ray
virtual radiograph
image data
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밀란 이키츠
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마코 서지컬 코포레이션
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Abstract

이미지를 생성하는 방법은, 해부학적 구조의 3차원 이미지 데이터를 제공하는 단계, 상기 해부학적 구조의 일부의 모델을 제공하는 단계, 및 상기 이미지 데이터로부터의 정보와 상기 모델로부터의 정보를 사용하여 상기 해부학적 구조의 타깃 부분의 가상 방사선 사진을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 변경된 상태의 상기 해부학적 구조의 일부를 표현하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 변경된 상태는 상기 해부학적 구조의 절제, 병진이동, 회전, 및/또는 다른 방식으로 변경된 부분이다. 상기 방법은 보철 디바이스의 가상 이미지를 상기 가상 방사선 사진에 가산하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 가상 방사선 사진은 상기 3차원 이미지 데이터에 광선 투사 공정을 실행하는 것에 의해 생성될 수 있다.

Description

X-선 이미지를 생성하기 위한 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR X-RAY IMAGE GENERATION}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 전체 내용이 본 명세서에 병합된 2013년 7월 23일에 출원된 미국 출원 번호 13/948,592의 이익과 우선권을 주장한다.
본 발명은 일반적으로 x-선 시각화(x-ray visualization) 분야에 관한 것이다. 본 발명은 보다 구체적으로 수술 준비 시 보조 뷰(assistive view)를 제공하는 2차원 x-선 이미지를 생성하는 것에 관한 것이다.
전문 의료진은 수술 계획 방법에서 전통적인 x-선 이미지를 사용하는 것에 익숙해져 있어서, 전문 의료진에 편리한 동일한 유형의 이미지를 사용하여 수술 계획과 해부학적 구조 시각화(anatomy visualization)를 개선하는 것이 바람직하다. 동시에, 전통적인 x-선 모델을 사용하는 것에는 제한이 있는데, 예를 들어, 해부학적 구조 이미지에서 환자의 해부학적 구조의 위치를 교정하는 능력이 없다. 수술 계획시에, 특정 위치에 타깃 해부학적 구조를 가지는 것이 바람직할 수 있으나, x-선 이미지는 이미지가 생성될 때 x-선 테이블에 있는 환자의 위치로 제한된다. 나아가, 전통적인 x-선 이미지는, 수술 계획을 가이드하고 수술후 레코드와 비교할 수 있도록 회전된/재위치된 해부학적 구조 또는 임플란트(implant), 예를 들어, 정형 외과 조인트 보철물(orthopedic joint prosthesis)을 x-선 이미지에 보여주도록 조작될 수 없다.
본 발명의 일 구현은 이미지를 생성하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 해부학적 구조의 3차원 이미지 데이터를 제공하는 단계, 상기 해부학적 구조의 일부의 모델을 제공하는 단계, 및 상기 이미지 데이터로부터의 정보 및 상기 모델로부터의 정보를 사용하여 상기 해부학적 구조의 타깃 부분의 가상 방사선 사진(virtual radiograph)을 생성하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 가상 방사선 사진에, 변경된 상태의 상기 해부학적 구조의 일부를 표현하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 변경된 상태는 상기 해부학적 구조의 일부의 병진이동 또는 회전 또는 절제(resection)일 수 있다. 상기 해부학적 구조의 일부는 수술전 계획(preoperative plan)에 따라 변경될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 가상 방사선 사진으로부터 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 이미지 데이터를 감산(subtract)하는 단계를 포함할 수 있다. 나아가 상기 가상 방사선 사진은 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 이미지 데이터를 변경하는 것과, 상기 변경된 이미지 데이터를 상기 가상 방사선 사진에 가산(add)하는 것에 의해 생성될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 보철 디바이스(prosthetic device)의 이미지를 상기 가상 방사선 사진에 가산하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 보철 디바이스의 이미지는 수술전 계획에 따라 상기 가상 방사선 사진에 가산될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 해부학적 구조의 일부의 모델은 분할된 뼈 모델(segmented bone model)이다. 다른 실시예에서, 상기 모델은 상기 3차원 이미지 데이터 내에 상기 해부학적 구조의 일부의 경계(boundary)를 제공할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는 상기 3차원 이미지 데이터에 제1 볼륨 광선 투사 공정(volume ray casting process)을 실행하는 단계를 포함할 수 있고, 상기 모델에 의해 한정된(bounded) 상기 3차원 이미지 데이터에 제2 볼륨 광선 투사 공정을 실행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는 상기 제1 볼륨 광선 투사 공정 동안 누적된 감쇠값(accumulated attenuation value)의 제1 세트를 계산하는 단계, 상기 누적된 감쇠값의 제1 세트를 상기 가상 방사선 사진에 가산하는 단계, 상기 제2 볼륨 광선 투사 공정 동안 누적된 감쇠값의 제2 세트를 계산하는 단계, 및 상기 가상 방사선 사진으로부터 상기 누적된 감쇠값의 제2 세트를 감산하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는 수술전 계획에 따라 상기 누적된 감쇠값의 제2 세트를 변경하는 단계 및 상기 누적된 감쇠값의 변경된 제2 세트를 상기 가상 방사선 사진에 가산하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는 보철 디바이스의 이미지를 상기 가상 방사선 사진에 가산하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는 임플란트 모델(implant model)에 제3 볼륨 광선 투사 공정을 수행하는 단계, 상기 제3 볼륨 광선 투사 공정으로부터 누적된 감쇠값의 제3 세트를 계산하는 단계, 및 상기 누적된 감쇠값의 제3 세트를 상기 누적된 감쇠값의 제1 및 제2 세트의 차이에 가산하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 임플란트 모델이 수술전 계획에 따라 상기 3차원 이미지 데이터, 상기 모델, 또는 상기 해부학적 구조의 일부에 대해 위치되고 배향되는 것을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현은 프로세서와 메모리를 구비하는 처리 회로, 입력/출력 인터페이스, 상기 입력/출력 인터페이스에 결합된 디스플레이를 포함하는 이미지 생성 시스템이다. 상기 처리 회로는 해부학적 구조의 3차원 이미지 데이터를 검색하는 동작, 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 해부학적 구조의 모델을 검색하는 동작, 상기 3차원 이미지 데이터와 상기 모델로부터의 정보를 사용하여 가상 방사선 사진을 생성하는 동작, 및 합성 가상 방사선 사진을 상기 디스플레이 상에 디스플레이하는 동작을 수행하도록 구성된다.
다른 실시예에서, 상기 처리 회로는 수술전 계획에 따라 상기 해부학적 구조의 일부를 변경하도록 더 구성된다. 상기 처리 회로는, 상기 가상 방사선 사진에서, 변경된 상태의 상기 해부학적 구조의 일부를 디스플레이하도록 더 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 처리 회로는 상기 가상 방사선 사진으로부터 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 이미지 데이터를 감산하도록 더 구성되고, 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 상기 이미지 데이터를 변경하도록 구성될 수 있고, 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 상기 변경된 이미지 데이터를 상기 가상 방사선 사진에 가산하도록 더 구성될 수 있다. 상기 처리 회로는 수술전 계획에 따라 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 상기 이미지 데이터를 변경하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 처리 회로는 보철 디바이스의 가상 이미지를 상기 가상 방사선 사진에 가산하도록 더 구성된다.
본 발명의 또 다른 구현은 디스플레이 디바이스 상에 디스플레이하기 위한 가상 방사선 사진을 생성하는 방법이다. 상기 방법은, 프로세서와 메모리 디바이스를 포함하는 처리 회로를 구비하고, 상기 디스플레이 디바이스에 결합된 이미지 생성 시스템을 제공하는 단계, 상기 메모리에 저장된 해부학적 구조의 3차원 이미지 데이터를 검색하는 단계, 상기 메모리에 저장된 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 3차원 뼈 모델을 검색하는 단계, 상기 3차원 뼈 모델이 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 상기 3차원 이미지 데이터 내 제1 한정된 볼륨을 포함하는 제1 경계를 한정하도록 상기 3차원 뼈 모델을 상기 3차원 이미지 데이터와 연관시키는 단계, 및 상기 3차원 이미지 데이터에 볼륨 광선 투사 공정을 수행하는 단계를 포함한다. 상기 볼륨 광선 투사 공정은 스크린 공간 직사각형 내 제1 픽셀을 통해 그리고 상기 제1 한정된 볼륨을 통해 원점으로부터 광선을 투사하는 단계, 상기 광선을 따라 복수의 샘플링 단계들에서 상기 제1 한정된 볼륨을 샘플링하는 단계로서, 상기 샘플링 단계들은 샘플링 거리만큼 분리되고, 상기 샘플링은, 상기 광선과 상기 제1 경계의 전방 지향 교차점(front facing intersection)에 근접한 위치와, 상기 광선과 상기 제1 경계의 후방 지향 교차점(back facing intersection)에 근접한 위치 사이 상기 광선의 단편(segment)으로 제한되는, 상기 샘플링하는 단계, 상기 샘플링 단계들 각각에서의 샘플에 기초하여 상기 샘플링 단계들 각각에서 상기 광선의 감쇠 계수(attenuation coefficient)를 연산하는 단계, 상기 광선을 따라 상기 제1 한정된 볼륨의 제1 누적된 감쇠값을 계산하는 단계, 상기 스크린 공간 직사각형의 제2 픽셀을 따라 제2 광선을 투사하는 단계, 상기 스크린 공간 직사각형의 상기 제2 픽셀에 대해 상기 샘플링하는 단계, 연산하는 단계, 및 계산하는 단계를 반복하여 상기 제1 한정된 볼륨의 제2 누적된 감쇠값을 계산하는 단계, 및 상기 제1 한정된 볼륨의 누적된 감쇠값을 저장하는 단계를 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 상기 3차원 이미지 데이터의 제2 한정된 볼륨을 한정하는 제2 경계를 제공하는 단계, 상기 3차원 이미지 데이터의 상기 제2 한정된 볼륨에 상기 볼륨 광선 투사 공정을 수행하는 단계, 상기 제2 한정된 볼륨의 누적된 감쇠값을 상기 가상 방사선 사진에 가산하는 단계, 및 상기 가상 방사선 사진으로부터 상기 제1 한정된 볼륨의 누적된 감쇠값을 감산하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 상기 제1 한정된 볼륨과 연관된 데이터를 변경하는 단계를 더 포함한다. 상기 제1 한정된 볼륨과 연관된 데이터는 상기 제1 한정된 볼륨 내 3차원 이미지 데이터, 상기 제1 한정된 볼륨의 감쇠 계수, 상기 제1 한정된 볼륨의 상기 누적된 감쇠값, 및 상기 제1 한정된 볼륨과 연관된 컬러 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 제1 한정된 볼륨과 연관된 데이터를 변경하는 단계는 병진이동, 회전, 및 절제 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 데이터를 변경하는 것은 수술전 계획에 대응하도록 더 수행될 수 있다. 상기 제1 한정된 볼륨과 연관된 데이터는 상기 제1 한정된 볼륨의 누적된 감쇠값일 수 있고, 상기 제1 한정된 볼륨의 변경된 누적된 감쇠값을 상기 가상 방사선 사진에 가산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 임플란트 모델의 감쇠값을 계산하는 단계 및 상기 임플란트 모델의 감쇠값을 상기 가상 방사선 사진에 가산하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 임플란트 모델은 수술전 계획에 따라 상기 3차원 이미지 데이터에 대해 위치될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 방법은 상기 제1 한정된 볼륨의 누적된 감쇠값을 컬러 정보로 변환하는 단계 및 상기 컬러 정보를 상기 디스플레이에 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
대안적인 예시적인 실시예는 일반적으로 청구범위에 언급될 수 있는 다른 특징 및 특징들의 조합에 관한 것이다.
본 발명은 동일한 참조 부호가 동일한 요소를 나타내는 첨부 도면과 함께 제공된 다음의 상세한 설명으로부터 보다 충분히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 이미지 생성 시스템의 블록도;
도 2는 예시적인 실시예에 따른 x-선 시각화 공정의 흐름도;
도 3a 내지 도 3d는 예시적인 실시예에 따른 도 2의 x-선 시각화 공정을 도시하는 도면;
도 4는 예시적인 실시예에 따라 도 2의 x-선 시각화 공정의 광선 투사 공정의 흐름도;
도 5는 예시적인 실시예에 따라 도 2의 광선 투사 공정을 위한 누적된 감쇠를 연산하는 공정의 흐름도;
도 6a 내지 도 6b는 예시적인 실시예에 따라 도 5의 광선 투사 알고리즘을 도시하는 도면;
도 7은 예시적인 실시예에 따라 도 4의 x-선 시각화 공정을 위한 일정한 감쇠 모델(constant attenuation model)을 드로잉(drawing)하는 공정의 흐름도;
도 8a 내지 도 8d는 예시적인 실시예에 따라 x-선 이미지에 설정될 수 있는 여러 휘도 및 콘트라스트 값의 효과를 도시하는 도면; 및
도 9는 예시적인 실시예에 따라 이미지 생성 시스템을 구현할 수 있는 예시적인 사용자 인터페이스를 도시하는 도면.
예시적인 실시예를 상세히 도시하는 도면을 참조하기 전에, 본 출원은 상세한 설명에 제시되거나 또는 도면에 도시된 상세사항 또는 방법으로 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한 용어는 단지 설명을 위한 것일 뿐 발명을 제한하려고 의도된 것이 전혀 아닌 것으로 이해되어야 한다.
일반적으로 도면을 참조하면, 2차원(2-D) x-선 이미지를 생성하는 시스템 및 방법이 도시되고 설명된다. 본 명세서에서 설명된 시스템 및 방법은 일반적으로 환자 CT(computed tomography) 스캔, 분할된 뼈 모델, 및 수술을 위한 수술전 계획을 사용하여 본 명세서에서 x-선 이미지로도 언급되는 대화식(interactive) 고품질 가상 방사선 사진을 생성할 수 있다. 생성된 x-선 이미지는 임플란트 계획(또는 임의의 다른 수술 계획)을 위한 전체 전후 방향 뷰(full antero-posterior view)를 제공할 수 있다. 생성된 x-선 이미지는 수술후 레코드와 비교하는 것으로 더 사용될 수 있다. 이미지는 수술전 수술 계획 공정 동안 사용자를 보조할 수 있는 디지털 도구로 증강된 사용자 인터페이스에 디스플레이된다.
일 실시예에서, 본 명세서에서 시스템 및 방법은 환자의 골반(pelvis)과 대퇴골(femur)에 대해 맞춤가능한 뷰(customizable view)를 제공하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 골반과 대퇴골의 x-선 이미지가 생성되고 나서, 해부학적 구조의 순수 전후 방향 또는 측방향 관점을 제공하는 방식으로 조작될 수 있다. 이것은, 전통적인 x-선 이미징 기술이 x-선 테이블에서의 환자의 위치에 따른 효과로 제한된다는 점에서 전통적인 x-선 이미징 기술에 대해 개선을 제공할 수 있다. 나아가, 임플란트 모델이 x-선 이미지에 가산되어, 수술 계획을 준비할 때 사용되고 수술후 레코드와 비교하는데 사용될 수 있다.
x-선 이미지는 수술 준비를 위한 여러 뷰를 제공하도록 조작된다. 일반적으로 도 1 내지 도 2를 참조하면, 이미지 생성 시스템(100)과, 이 이미지 생성 시스템(100)에 의해 실행가능한 공정(200)이 도시되고 설명된다. 이미지 생성 시스템(100)은 일반적으로 전문 의료진이 보기 위한 x-선 이미지를 생성하도록 구성될 수 있다. 이미지 생성 시스템(100)은 일 실시예에 따라 다른 의료-관련 소프트웨어와 통합된 컴포넌트일 수 있다.
시스템(100)은 환자의 해부학적 구조를 나타내는 데이터, 예를 들어, 이미징 시스템(132)으로부터 환자 CT 스캔 또는 통계적 변형가능한 모델, 분할된 뼈 모델, 및 수술을 위한 수술전 계획을 사용하여 x-선 이미지를 생성할 수 있다. 수술전 계획의 일 예에서 의사 및/또는 의사 보조자는 수술 동안 수행될 예상된 조직 절제, 임플란트 식립, 및/또는 다른 의도된 동작 또는 수술로부터 실현된 결과를 설계할 수 있다. 시스템(100)은 입력/출력(I/O) 인터페이스(108)를 통해 사용자로부터 이러한 정보를 수신하고/하거나, 데이터베이스(110)로부터 이러한 정보를 검색할 수 있다. 분할된 뼈 모델은 활선 분할 기술(livewire segmentation technique), 미믹스(Mimics) 소프트웨어 방법, 또는 이 기술 분야에 알려진 다른 방법에 의해 생성될 수 있다.
시스템(100)은 일반적으로 프로세서(104)와 메모리(106)를 구비하는 처리 회로(102)를 포함한다. 프로세서(104)는 하나 이상의 마이크로프로세서, 응용 특정 집적 회로(application specific integrated circuit: ASIC), 하나 이상의 처리 컴포넌트를 포함하는 회로, 분산 처리 컴포넌트 그룹, 마이크로프로세서를 지원하는 회로, 또는 처리하도록 구성된 다른 하드웨어이거나 이를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에 따라, 프로세서(104)는 본 명세서에서 설명된 동작을 완성하고 제공하기 위해 메모리(106)에 저장된 컴퓨터 코드를 실행하도록 구성된다. 메모리(106)는 본 명세서에서 설명된 동작과 관련된 데이터 또는 컴퓨터 코드를 저장할 수 있는 임의의 휘발성 또는 비-휘발성 메모리 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 메모리(106)는 프로세서(104)에 의해 실행되도록 구성된 컴퓨터 코드 모듈(예를 들어, 실행가능한 코드, 목적 코드, 소스 코드, 스크립트 코드, 기계 코드 등)인 여러 모듈을 포함하는 것으로 도시된다. 프로세서(104)에 의해 실행될 때, 처리 회로(102)는 본 명세서에서 설명된 동작을 완성하도록 구성된다.
메모리(106)는 공정(200)을 실행하는 여러 모듈을 포함하는 것으로 도시된다. x-선 이미지를 생성하는 공정(200)은 일반적으로 가산 모델(additive model)과 감산 모델(subtractive model)을 드로잉하는 볼륨 광선 투사 컴포넌트, 일정한 감쇠 모델을 드로잉하는 컴포넌트, 및 2개의 제1 컴포넌트에 의해 연산된 감쇠값과 두께 값으로부터 출력 컬러를 연산하는 컴포넌트를 포함할 수 있다. 메모리(106)는 볼륨 광선 투사 모듈(112), 감쇠 모델 모듈(114), 및 공정(200)의 컴포넌트를 실행하는 컬러 모듈(116)을 포함하는 것으로 도시된다. 광선 투사 모듈(112)은 일반적으로 제공된 CT 스캔 이미지에서 하나 이상의 특징부를 회전시키거나 또는 절제하도록 구성될 수 있다. 감쇠 모델 모듈(114)은 일반적으로 시스템(100)에 의해 출력된 x-선 이미지에서 이러한 특징부를 나타내도록 구성될 수 있고, 컬러 모듈(116)은 디스플레이를 위한 이미지에 그레이 스케일(grayscale) 컬러 설정을 제공하도록 구성될 수 있다. 모듈(112 내지 116)의 동작은 후속 도면에 대해 아래에서 보다 상세히 설명된다.
메모리(106)는 x-선 이미지 생성 공정 동안 데이터를 일시적으로 저장하는 하나 이상의 버퍼(118 내지 124)를 포함할 수 있다. 메모리(106)는 광선 투사 공정 동안 연산된 가산 및 감산 감쇠값을 저장하는 감쇠 버퍼(118)를 포함한다. 메모리(106)는 입력 모델의 두께를 저장하는 두께 버퍼(120)와, 입력 모델의 전방 및 후방 부분(front and back fragments)의 XYZ 좌표를 저장하는 전방 버퍼(front buffer)(122)와 후방 버퍼(back butter)(124)를 더 포함한다. 버퍼(118 내지 124)의 사용은 후속 도면에 대하여 아래에서 보다 상세히 설명된다.
메모리(106)는 디스플레이 모듈(126)을 더 포함한다. 디스플레이 모듈(126)은 생성된 x-선 이미지를 포함하는 사용자를 위한 디스플레이를 생성하도록 구성될 수 있다. 디스플레이 모듈(126)은 도 8 내지 도 9를 참조하여 설명된 바와 같이 사용자가 x-선 이미지와 상호작용할 수 있게 하는 디스플레이(130) 상에 디스플레이하기 위한 사용자 인터페이스를 생성하도록 더 구성될 수 있다.
시스템(100)은 입력/출력(I/O) 인터페이스(108)를 더 포함한다. I/O 인터페이스(108)는, 이미징 시스템(132)으로부터 정보를 수신하고, 외부 디스플레이(130)로부터 정보를 수신하고 이 정보를 외부 디스플레이로 송신하도록 구성될 수 있다. I/O 인터페이스(108)는 무선으로 또는 유선 연결을 통해 디스플레이(130) 상에 디스플레이하기 위한 하나 이상의 x-선 이미지를 송신하도록 구성될 수 있다. 디스플레이(130)는 디스플레이 컴퓨터 또는 다른 디바이스를 위한 디스플레이와 같은 임의의 유형의 디스플레이일 수 있다. 디스플레이(130)를 통해 디스플레이될 수 있는 x-선 이미지의 일 예는 도 9에 보다 상세히 도시된다. I/O 인터페이스(108)는 디스플레이(130), 디스플레이(130)와 연관된 입력 디바이스(예를 들어, 키보드, 마우스, 터치스크린 상의 터치 등), 다른 주변 디바이스, 및/또는 더 넓은 수술 시스템 플랫폼 내에 포함된 다른 시스템을 통해 입력을 더 수신할 수 있다. 시스템(100)과 보다 구체적으로 시스템(100)의 모듈은 입력을 해석하고 이 입력에 기초하여 x-선 이미지를 생성하도록 구성될 수 있다.
도 2를 다시 참조하면, x-선 이미지를 생성하기 위한 x-선 시각화 공정(200)의 하이 레벨 흐름도가 도시된다. 공정(200)은 일반적으로 환자의 CT 스캔, 이 기술 분야에 알려진 임의의 수단에 의해 생성된 분할된 뼈 모델, 및 수술전 계획에 기초하여 x-선 이미지를 생성하도록 구성될 수 있다.
공정(200)은 일반적으로, 감쇠 버퍼(118)와 두께 버퍼(120)(단계 202, 204)를 클리어(clear)한 후, 볼륨 광선 투사 공정(206)을 포함할 수 있다. 광선 투사 공정(206)은, 예를 들어, 볼륨 광선 투사 모듈(112)에 의해 실행될 수 있다. 광선 투사 공정(206)은 일반적으로 CT 스캔으로부터 이미지에 있는 각 픽셀에 대한 CT 볼륨의 경계 박스(bounding box)를 통해 원점(608)으로부터 광선을 투사하는 것에 의해 CT 스캔으로부터 x-선 이미지를 생성하는 것을 포함할 수 있다. 광선을 따라 CT 값으로부터 연산된 감쇠는 누적된다. 볼륨 광선 투사 공정(206)에 의해 생성된 x-선 이미지는 도 3a의 이미지(300)에 도시된다. 이미지(300)는 이미지에 임의의 조작이 일어나기 전의 CT 스캔의 x-선 뷰(x-ray view)이다.
광선 투사 공정(206)은 일반적으로, 동일한 보기 파라미터(viewing parameter)를 사용하여, 예시적인 실시예에서와 같이 예를 들어 양쪽 대퇴골을 조작하기 위해 선택된 분할된 뼈 모델의 특정 부분 내 CT 볼륨의 이미지를 생성하는 것을 더 포함할 수 있다. 누적된 감쇠값은 이전의 연산된 감쇠로부터 감산되어, x-선 이미지에 도시된 수술 계획과 해부학적 구조의 임의의 필요한 조작을 보조할 수 있다. 도 3b의 이미지(310)를 참조하면, 도시된 x-선 이미지는 누적된 감쇠값을 감산한 결과를 도시한다. 예를 들어, 분할된 대퇴골 뼈 모델에 대해, 대퇴골은 x-선 이미지로부터 "감산된" 것으로 도시된다.
원하는 위치에서 환자의 해부학적 구조의 x-선 이미지를 획득하기 위하여, 광선 투사 공정(206)은 일반적으로 병진이동, 회전, 절제, 및/또는 다른 방식으로 변경된 뼈 모델 내 CT 볼륨의 이미지를 생성하는 것을 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서 이 변경은 수술전 계획에 따라 이루어진다. 누적된 감쇠값은 원하는 위치에서 이전의 연산된 감쇠에 가산될 수 있다. 도 3c의 이미지(320)를 더 참조하면, 도시된 x-선 이미지는 누적된 감쇠값을 가산한 결과를 보여준다. 도면에 도시된 예시적인 대퇴골 뼈에 대하여, 가상으로 변경된 대퇴골 뼈는 x-선 이미지에 다시 가산된다. 도시된 실시예에서, 분할된 뼈 모델에 대해 한정될 수 있는 기계적인 축은 골반 정중선 축(pelvic midline axis)과 정렬되고, 수술측 대퇴골 뼈 모델이 수술전 계획에 기초하여 절제되고 감소된다.
광선 투사 공정(206) 후, 공정(200)은 감쇠 모델을 드로잉하는 감쇠 모델 공정(208)을 포함한다. 공정(208)은 일반적으로 임플란트 모델의 이미지를 생성하는 것을 포함할 수 있고, 여기서 감쇠는 모델의 총 뷰에 종속하는 두께(aggregate view-dependent thickness)에 비례하고, 임플란트 모델은 수술전 계획에 따라 식립된다. 생성된 감쇠값은 공정(206)에 연산된 감쇠에 가산된다. 도 3d의 이미지(330)를 참조하면, 도시된 x-선 이미지는 공정(208)의 결과를 보여준다. 공정(206, 208)은 각각 도 4 및 도 7을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된다.
공정(200)은 연산된 감쇠값을 그레이 스케일 컬러에 맵핑하는 단계(단계(210)) 및 컬러 정보를 갖는 x-선 이미지를 스크린 또는 다른 디스플레이(130)에 제공하는 단계를 더 포함한다. 단계(210)는 광선 투사 공정(206) 동안 생성된 감쇠 버퍼(118)에 있는 데이터와 감쇠 모델 공정(208) 동안 생성된 두께 버퍼(120)에 있는 데이터를 사용한다.
공정(200)을 실행하는 것에 의해, 회전 또는 다른 방식으로 조작된 특징부(예를 들어, 이미지(320)에서 대퇴골 뼈), 및/또는 임플란트 모델(예를 들어, 이미지(330)에서 임플란트 모델)의 계획된 위치를 도시하는 도 3b 내지 도 3d의 이미지(310, 320, 및 330)에 도시된 것과 같은 x-선 이미지가 생성된다. 특징부는 수술 준비를 위해 또는 다른 의료적 이유 때문에 외과 의사 또는 다른 전문 의료진에 추가적인 보조 뷰를 제공하기 위해 도시된다. 광선 투사 공정은 일반적으로 x-선 이미지에서 특징부를 조작하도록 구성될 수 있고, 감쇠 모델 공정은 일반적으로 절차와 관련된 변화와 특징부를 도시하도록 구성될 수 있다.
이제 도 4를 참조하면, 광선 투사 공정(206)이 보다 상세히 설명된다. 광선 투사 공정(206)은 전체 CT 볼륨에 대해 및 초기 x-선 이미지를 변경하는데 사용되는 다수의 분할된 뼈 모델에 대해 실행될 수 있다. 예를 들어, 입체(cube) 또는 분할된 뼈 모델에 의해 한정된 전체 CT 볼륨일 수 있는 그 다음 모델(단계 402)을 선택한 후, 공정(206)은 3개의 렌더링 패스(rendering pass)를 실행하는 것을 포함한다. 첫째, 이 모델의 전방 면(front face)은 전방 버퍼(122)로 드로잉된다(단계 404). 이것은 아래에 설명된 바와 같이 단계(408)에서 사용된 모델 표면과 각 광선(606)의 전방 지향 교차점(610)의 세계 공간 좌표(world space coordinate)를 저장한다. 또한, 모델의 후방 면(back face)은 후방 버퍼(124)로 드로잉된다(단계 406). 이것은 단계(408)에서 사용된 모델 표면과 각 광선(606)의 후방 지향 교차점(612)의 세계 우주 좌표를 저장한다. 또한, (도 6에 도시된 바와 같이) 스크린 공간 직사각형(602)은 광선 투사 알고리즘을 위한 GLSL 셰이더(shader)를 실행하도록 드로잉될 수 있다.
광선 투사 공정(206)은 광선 투사하는 동작과, 광선 투사 동작으로부터 초래되는 누적된 감쇠를 연산하고 저장하는 동작을 더 포함한다(공정(408)). 공정(408)은 도 5에 보다 상세히 설명된다. 그 결과 누적된 감쇠는 감쇠 버퍼(118)에 저장되고, 공정(206)은 이동하여 처리할 모델이 더 있는지 여부를 체크한다(단계 410).
도 5를 참조하면, 누적된 감쇠를 연산하고 저장하는 공정(408)은 제일 먼저 여러 파라미터, 예를 들어, 광선 위치, 방향, 및 작업 볼륨 거리를 초기화하는 것을 포함한다(단계(502)). 단계(502)는 버퍼(122, 124)로부터 모델의 전방 및 후방 지향 교차점(610, 612)의 세계 우주 좌표를 룩업(look up)하는 것을 포함할 수 있다. 광선 위치(예를 들어, 광선(606)의 시작점), 광선의 방향, 및 광선의 작업 볼륨 거리가 연산되고, 별도의 길이 변수가 0으로 초기화된다. 각 광선(606)을 위한 작업 볼륨 거리는 전방 지향 교차점(610)과 후방 지향 교차점(612) 사이에 광선(606)을 따른 거리로 연산될 수 있다. 공정(408)은 작업 볼륨 거리가 유효한 수가 아닌지(예를 들어, 무한대, 수가 아님(NaN) 또는 일부 다른 무효 값인지)를 체크하는 것을 더 포함한다(단계 504).
공정(408)은 데이터 값을 룩업하는 것과, 감쇠를 연산하고 누적하는 것을 더 포함한다(단계(506)). 단계(506)의 동작은 도 6a 내지 도 6b에 도시된다. 도 6a는 예시적인 스크린 공간 직사각형(602)과 모델을 위한 볼륨(604)을 도시하는 것(600)이고, 도 6b는 볼륨(604)을 통과하는 광선(606)의 탑-다운 뷰(top-down view)를 도시하는 것(620)이다. 단계(506)는 제일 먼저 모델을 저장하는 버퍼(414)로부터 3D 모델을 검색하는 것을 포함한다. 데이터 값을 획득하기 위해, 지정된 광선 위치와 방향을 갖는 광선(606)은 원점(608)으로부터 송신된다. 각 광선(606)은 원점(608)으로부터, 스크린 공간 직사각형(602) 내 해당 픽셀의 중심을 통해, 볼륨(604)의 경계 박스를 지나 송신된다. 일 실시예에서, 광선(606)은 스크린 공간 직사각형(602) 내 각 픽셀에 대해 연산될 수 있다. 다른 실시예에서, 다수의 광선(606)은 스크린 공간 직사각형(602) 내 각 픽셀에 대해 연산될 수 있고, 픽셀의 감쇠 또는 컬러는 각 해당 픽셀과 연관된 다수의 광선으로부터 감쇠 또는 컬러의 평균으로 연산된다. 광선 투사기(ray caster)는 볼륨의 전방 지향측으로부터 볼륨의 후방 지향측으로 주어진 샘플링 거리(622)에서 광선(606)을 따라 이동한다. 샘플링 거리(622)는 허용가능한 시각화를 제공하도록 선택되어야 하고, 예를 들어, 너무 거친(coarse) 샘플링 거리를 선택하면 하나의 샘플과 그 다음 샘플 사이에 블렌딩이 곤란한 것으로 인해 아티팩트(artifact)와 스페이스의 발생을 초래할 수 있다. 제1 샘플은 전방 지향 교차점(610)에서 취해질 수 있다. 각 단계에서 (예를 들어, 각 샘플링 거리(622)에서), 광선 투사기는 볼륨을 샘플링하여 보간된 CT 값을 획득한다. CT 값은 (전달 함수와 보다 구체적으로 수식 (18) 및 (19)에 대해 아래에 설명된) 감쇠 계수로 변환된다. CT 값은 각 샘플링 거리마다 누적된다. 누적된 CT 값은 누적된 감쇠값(A)으로 표현될 수 있다:
Figure 112016007416728-pct00001
여기서 μ(pk)는 광선(606)을 따라 샘플링 위치(pk)에서 CT 값(v(pk))으로부터 연산된 감쇠 계수이고, d는 단계 길이(예를 들어, 샘플링 거리(622))이다.
각 단계 후에 광선(606)의 위치는 (볼륨(604)의 볼륨을 통해 광선(606)을 전진시키기 위해) 업데이트된다. 길이 변수도 또한 샘플링 거리(622)만큼 증가된다. 길이 변수가 연산된 작업 볼륨 거리 이하인 경우(단계 508), 공정(408)은 볼륨(604) 내 광선을 따라 샘플링 위치를 전진시키기 위해 단계(506)로 리턴하는 것을 포함한다. 길이 변수가 연산된 작업 볼륨 거리를 초과하는 경우, 누적된 감쇠가 감쇠 버퍼(118)에 저장될 수 있다(단계 510). 감쇠가 계산되었거나, 또는 NaN 또는 무한대인 것으로 결정된 경우, 스크린 공간 직사각형(602) 내 각 픽셀에 대한 공정(408)은 종료될 수 있고, 그렇지 않은 경우 공정은 스크린 공간 직사각형(602) 내 각 나머지 픽셀에 대해 계속될 수 있다. 일 실시예에서 공정(408)은 프로세서(104)에 의해 병렬로 각 픽셀에 대해 실행될 수 있다. 이 공정(408)의 결과 디스플레이할 X-선 이미지를 생성하는데 사용되는 스크린 공간 직사각형(602) 내 각 픽셀에 대해 감쇠 버퍼(118)에 저장된 감쇠들이 누적된다. 감쇠 버퍼(118)는 일반적으로 아래에 설명된 가산 및 감산 누적된 감쇠값을 저장하도록 구성된다.
단계(506)의 볼륨 광선 투사 공정은 폐쇄된 배향된 매니폴드 표면(manifold surface)과 같은 임의의 경계 모델(bounding model)을 지원한다. 예를 들어, 대퇴골의 X-선 뷰만을 생성하기 위해, 분할된 대퇴골 모델은 광선 투사 컴포넌트를 위한 경계 박스로 사용될 수 있다. 임의의 개수의 경계 모델이 시각화에 가산될 수 있다. 각 경계 모델로부터 누적된 감쇠는 모델의 유형에 따라 총 감쇠에 가산되거나 총 감쇠로부터 감산된다. 누적된 감쇠를 감산하는 것을 사용하여 (도 3b에 도시된) X-선 이미지에서 주어진 뼈의 기여를 마스킹(mask)한다. 가산 모델과 감산 모델은 별개로 누적될 수 있다:
Figure 112016007416728-pct00002
누적된 감쇠는 그레이 스케일 컬러로 변환된다(단계(210)):
Figure 112016007416728-pct00003
컬러 계산은 감산 모델을 취급하도록 변경될 수 있다:
Figure 112016007416728-pct00004
수식 5가 음(negative)의 A+ 을 양(positive)의 A-에 가산하는 것을 포함하지만, 본 명세서에서 사용된 바와 같이 이 동작이 음의 지수 함수(exponential function)에서 수행되기 때문에 이러한 동작 및 유사한 동작은 A+ 값으로부터 A- 값을 감산하는 것으로 고려된다. 유사한 방식에서, 이러한 동작 및 유사한 동작은 본 명세서에서 사용된 바와 같이, A+ 값을 A- 값에 가산하는 것으로 또한 고려될 수 있다. 그 결과 A+ 값은 그 해당 픽셀의 휘도를 증가시키는 경향이 있는 반면, A- 값은 그 해당 픽셀의 휘도를 감소시키는 경향이 있다. 더 높은 방사선 밀도 볼륨은 더 어두운 것으로 보이고, 더 낮은 방사선 밀도 볼륨은 더 밝은 것으로 보이는 것이 바람직할 수 있는 대안적인 실시예에서, A+ 및 A- 앞에 있는 부호는 본 명세서에서 사용된 바와 같이 가산 동작과 감산 동작의 특성을 변경함이 없이 상호 교환될 수 있다. 계산된 컬러 (c)는 그레이 스케일 이미지를 디스플레이하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 8-비트 RGB 디스플레이에서, 계산된 컬러 (c)는 다음 수식에 따라 적색, 녹색, 및 청색 값을 계산하는데 사용될 수 있다:
Figure 112016007416728-pct00005
전술한 바와 같이, CT 값(v(pk))은 전달 함수를 통해 감쇠 계수 값(μ(pk))으로 변환될 수 있다. 균일한 물질을 통한 X-선 세기의 감쇠는 비어-람버트 법칙(Beer-Lambert law)으로 특징지어진다:
Figure 112016007416728-pct00006
I0는 입력 세기이고, I는 출력 세기이고, μ는 물질의 방사선 밀도(radiodensity)를 나타내는 선형 감쇠 계수이고, Δx는 X-선 빔이 물질 내에서 진행한 거리이다. 불균일한 매체에서는, 수식은 다음 수식에 따라 이산 합계(discrete summation)로 근사화될 수 있다:
Figure 112016007416728-pct00007
각 라인 단편은 일정한 감쇠 계수(μk)를 갖는 균일한 물질을 횡단하는 동일한 길이인 것으로 가정된다.
방사선학에서 하운스필드 스케일(Hounsfield scale)은 물질의 방사선 밀도를 특징으로 하는 표준화된 방식으로 사용된다. 하운스필드 유닛(Hounsfield Unit: HU)과 선형 감쇠 계수 사이의 관계는 다음 수식으로 표현된다:
Figure 112016007416728-pct00008
여기서 μ0은 물의 선형 감쇠 계수이다. 감쇠는 입사하는 X-선 광자 에너지의 함수이다. 예를 들어, 100 keV의 X-선 빔에 대해, μ0 = 0.17 ㎝-1이고, 이는 1 ㎝의 물이 빔 광자를 1-e-0.17 = 15.6%만큼 감쇠시킨다는 것을 의미한다. 동일한 조건 하에서, 뼈의 감쇠 계수가 μ = 0.3 ㎝-1로 주어진 경우, 이것은 765의 HU 값을 초래한다. 일반적으로, 뼈에 대한 HU 값은 해면 조직(cancellous)에서의 700으로부터 피질 뼈(cortical bone)에서의 3000에 이르는 범위를 가진다.
CT 값은 DICOM(digital imaging and communications in Medicine) 파일로 저장될 수 있다. CT 값(v)은 다음과 같이 HU 값과 관련된다.
Figure 112016007416728-pct00009
여기서 기울기(slope)와 절편(intercept)은 스캐너의 파라미터이고 데이터 파일에 저장된다. 기울기와 절편 값은 상이한 제조사의 여러 표준에 따라 상이할 수 있다.
수식 (11) 및 (12)를 조합하면 상대적인 감쇠 계수가 CT 값의 선형 함수인 것을 양산한다:
Figure 112016007416728-pct00010
여기서 α = 기울기/1000이고 β = 절편/1000 + 1이다. CT 데이터 값 범위의 하한은 0 또는 음이므로, 연산된 감쇠 계수가 음이 아닌 수인 것을 보장하기 위해 추가적인 클램핑(clamping)이 요구된다.
X-선 이미지의 특성은 더 높은 X-선 감쇠를 갖는 조직 구조가 이미지에서 더 밝게 보이는 것이다. 생성된 X-선 시각화에서 조직 구조를 강조하거나 억압하기 위해, HU 값은 윈도잉(windowing)이라고 불리우는 공정에서 재스케일링(rescaled)된다:
Figure 112016007416728-pct00011
여기서 HU0 및 HU1은 윈도우 범위를 지정하고, HU최소 및 HU최대는 데이터로부터 최소 및 최대 HU 값이다. 수식 (9)를 수식 (11)에 대입하면 윈도잉은 CT 값에 직접 수행될 수 있다:
Figure 112016007416728-pct00012
여기서 v최소 및 v최대는 데이터에서 최소 및 최대 CT 값이다.
윈도잉은 CT 값 범위를 재스케일링하여서, v0 아래 CT 값을 갖는 조직은 억압되고 v1을 넘는 CT 값을 갖는 조직은 강조되며, v0과 v1 사이의 CT 값을 갖는 조직은 원활한 전이를 가지게 된다. 윈도잉을 사용하면 사용자는 시각화에 선택된 CT 값 범위만을 포함할 수 있다.
사용자 인터페이스(도 8a 내지 도 8d 및 도 9 참조)는 생성된 X-선 이미지에서 강조되는 조직 구조를 제어하는 휘도 및 콘트라스트 슬라이더(slider)를 아이콘 툴바(icon toolbar)에 포함할 수 있다. 이러한 구조에 대한 윈도우는 다음 수식에 따라 연산된다:
Figure 112016007416728-pct00013
여기서:
Figure 112016007416728-pct00014
그리고 0 ≤ B, C ≤ 1은 휘도 및 콘트라스트 슬라이더의 값이다.
연산을 간략화하기 위해, 수식 (10)과 수식 (12)는 합해질 수 있다:
Figure 112016007416728-pct00015
여기서:
Figure 112016007416728-pct00016
수식 (20), (21) 및 (22)는 공정(408)에서 획득된 CT 값을 감쇠값으로 변환하는데 사용될 수 있는 수식이다. 감쇠값은 수식 (2) 및 (3)을 참조하여 설명된 바와 같이 누적된다.
사용되는 IGS(image guided system) 파일은 스캐너로부터 원래의 CT 값과 동일하지 않은 데이터 값을 포함할 수 있다. IGS 변환 공정에 DICOM 동안, 원래의 CT 값은 DICOM 헤더 내 스케일 및 오프셋 파라미터를 사용하여 재스케일링되어 표준 HU 값을 생성한다. 그 다음, 이 HU 값은 평균 HU 값이 윈도우 내에 있는 경우 DICOM 헤더 내에 윈도잉 파라미터를 사용하여 변경된다. 그렇지 않은 경우, 데이터는 최소 HU 값이 출력에서 0으로 맵핑되도록 이동된다. 이 공정은 IGS 헤더로부터 적용된 변환이 어느 것인지 명확치 않기 때문에 HU 값의 복구를 방지할 수 있다. 두 변환을 수용하기 위해, 두 수식 (21) 및 (22)를 사용하여 기울기를 1로 설정하고 절편을 -1000으로 설정하면, α = 1/1000이 되고 β = 0이 된다. 수식 (20)에서 최대 함수는 이러한 구현에서 반드시 필요한 것은 아니다.
도 7을 참조하면, 일정한 감쇠 모델을 드로잉하는 공정(208)이 보다 상세히 설명된다. 공정(208)은 광선 투사 공정 후에 실행될 수 있고 여기서 감쇠값이 감쇠 버퍼(118)에 저장될 수 있다. 공정(208)은 x-선 이미지 생성 공정에서 사용되는 다수의 모델에 대해 실행될 수 있다. 그 다음 모델을 선택한 후(단계 702), 모델의 모든 삼각형 면(triangle face)이 드로잉된다(단계 704). 후방 지향 깊이 값은 두께 버퍼(120)에 있는 값으로부터 감산되고, 전방 지향 깊이 값은 두께 버퍼에 있는 값에 가산된다. 공정(208)에서 일정한 감쇠 모델을 드로잉한 후, 두께 버퍼(120)는 일정한 감쇠 모델의 총 뷰에 종속하는 두께를 포함한다. 공정(208)은 드로잉되는 모든 모델에 대해 반복되고, 마지막 모델이 렌더링된 후에 종료된다(단계 706).
(수술전 계획의 일부인) 임플란트 컴포넌트는 CT 볼륨의 일부가 아니므로, 데이터는 별도의 렌더링 패스에서 가산될 수 있다. 일 실시예에서, 속력을 위하여 임플란트의 각 컴포넌트는 동일한 물질로 만들어지는 것으로 가정된다, 뷰에 따라 두께(t)가 각 임플란트 컴포넌트에 대해 연산될 수 있다. 누적된 감쇠(Aimp)가 두께로부터 연산된다:
Figure 112016007416728-pct00017
여기서 μ는 다음 수식과 같이 대응하는 HU 값으로부터 연산된 임플란트 물질의 선형 감쇠 계수이다:
Figure 112016007416728-pct00018
수식 (5)의 컬러 계산은 모든 임플란트 컴포넌트로부터 기여를 포함하도록 변경될 수 있다:
Figure 112016007416728-pct00019
플란트 컴포넌트로부터 기여는 예시적인 실시예에 따라 휘도 및 콘트라스트 슬라이더에 의해 영향을 받지 않는다.
도 8a 내지 도 8d를 더 참조하면, x-선 이미지에 대한 여러 휘도 및 콘트라스트 값의 효과가 도시된다. 사용자는 사용자 인터페이스(도 9)에 있는 휘도 및 콘트라스트 슬라이더를 조절하여 X-선 이미지의 외양(look)을 미세 튜닝하고 여러 스캐너들 사이에 데이터의 차이를 나타낼 수 있다. 이 능력은 전문 의료진이 해부학적 구조의 여러 특징부를 보고, 예를 들어, 환자의 피부, 뼈 부분만, 뼈와 연질 조직 등의 표현을 보고, 수술 계획을 보조하거나 또는 절차에 유익한 다른 정보를 제공하는데 매우 유익할 수 있다. 도 8a의 이미지(800)에서, 휘도 및 콘트라스트 값은 0으로 설정된다. 도 8b의 이미지(810)에서, 휘도 및 콘트라스트 값은 0.5로 설정된다. 도 8c의 이미지(820)에서, 휘도 및 콘트라스트 값은 각각 0.15 및 0.25로 설정된다. 도 8d의 이미지(830)에서, 휘도 및 콘트라스트 값은 각각 0.6 및 0.75로 설정된다. 일 실시예에서 휘도값은 일반적으로 0.0 내지 0.99에 이를 수 있고 콘트라스트 값은 0.0 내지 1.0에 이를 수 있다.
도 9를 참조하면, 예시적인 실시예에 따라 x-선 이미지를 디스플레이할 수 있는 사용자 인터페이스(900)가 도시된다. 사용자 인터페이스(900)는 수술전 계획 페이지 또는 모드의 일부로서 사용자에 디스플레이되는 사용자 인터페이스일 수 있다. 사용자 인터페이스(900)는 3D 뷰, CT 슬라이서 뷰(slicer view), 및 3D 슬라이서 뷰에 더하여 별도의 보기 모드(viewing mode)에서 제공될 수 있다.
사용자가 아이콘 툴바에 있는 x-선 뷰 토글 버튼(x-ray view toggle button) 또는 사용자 인터페이스(900)를 토글할 때 사용자는 x-선 뷰를 활성화시킬 수 있다. 사용자 인터페이스(900)는 도 8a 내지 도 8d에 설명된 바와 같이 이미지의 시각적 외관(visual appearance)을 조절하는 휘도 및 콘트라스트 슬라이더를 포함할 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 하나의 슬라이더는 휘도 제어와 콘트라스트 제어 사이를 토글하는 기능을 구비할 수 있다. 사용자 인터페이스(900)는 x-선 이미지의 뷰를 회전시키거나, 이 x-선 이미지의 뷰에 패닝(panning) 또는 줌(zooming) 동작을 수행하는 것을 포함하는 대화식 뷰 조작을 지원하는 여러 제어를 더 포함할 수 있다. 사용자 인터페이스(900)는 여러 특징부를 나타내는 여러 라인을 디스플레이할 수 있다. 예를 들어, 도 9에서, 디폴트 배향으로 도시된 골반 정중선과 전상장골극(anterior superior iliac spine: ASIS)을 나타내는 라인이 도시된다. 더 적은 전자 랜드마크(trochanter landmark)와 힙 길이 지시자 라인(hip length indicator line)이 또한 도시된다. 임플란트 위치는 임플란트 위치 버튼을 클릭하는 것에 의해 또는 컵 플랜 및 스템 플랜 모드(cup plan and stem plan modes)에서 임플란트 모델을 클릭하고 드래그하는 것에 의해 지원된다.
하나의 대안적인 접근법은 분할 마스크(segmentation mask)와 유사하게 뼈 모델과 임플란트 모델을 위한 래스터화된 표현(rasterized representation)을 사용하는 것이다. 시각적 품질이 영향을 받지 않지만, 래스터 데이터를 사용하는데 요구되는 여분의 텍스처 룩업(texture lookup)이 렌더링 성능을 감소시킬 수 있다.
x-선 이미지를 조작하는 다른 대안적인 접근법은 분할 동안 CT 볼륨에서 데이터 값을 조작하는 것에 의해 임플란트 시각화 및 회전 정정을 구현하는 것이다. 이러한 접근법은 대량의 데이터를 이동시키고 계산하는 것을 요구하고, CT 스캔의 해상도에 의해 제한될 수 있다.
제3 대안적인 접근법은 보기 광선(viewing ray)을 따라 누적된 데이터 값을 연산하는 것을 제일 먼저 포함할 수 있다:
Figure 112016007416728-pct00020
그 다음, 누적된 값은 입력 데이터 값의 범위로 정규화된다:
Figure 112016007416728-pct00021
여기서 v최대합계는 X-선 이미지에 대해 연산된 모든 v합계값의 최대값이고, v최소는 0으로 가정된다. 정규화는 연산의 감도를 선택된 단계 사이즈로 감소시키는데 유리할 수 있다.
마지막으로, 정규화된 누적된 값은 다음 수식에 따라 그레이 스케일 컬러로 맵핑된다:
Figure 112016007416728-pct00022
여기서 v0 및 v1은 수식 (13) 및 (14)를 사용하여 연산된다. 수식 (25)에서 휘도 및 콘트라스트 값만을 사용하여 정규화된 누적된 값을 컬러로 맵핑하는 방법을 제어하기 때문에, 사용자가 응용에서 휘도 및 콘트라스트 값을 변화시킬 때 구현시 수식 (23)의 누적 단계를 수행할 것이 요구되지 않는다.
CT 스캔 동안 요구되는 데이터와 같은 데이터로부터 2차원 x-선 이미지를 생성하고, 본 발명에 따라 x-선 시각화의 방법을 수행하는 것에 의해, 전문 의료진은 이미지를 조작하여 수술 계획과 수행을 보조하는 추가된 능력을 가지고 사용자에 친숙한 x-선 시각화를 계속 사용할 수 있다.
여러 예시적인 실시예에 도시된 시스템 및 방법의 구성과 배열은 단지 예시를 위한 것이다. 본 명세서에는 단지 일부 실시예만이 상세히 설명되었으나, 많은 변경이 가능하다(예를 들어, 여러 요소의 사이즈, 치수, 구조, 형상과 비율, 파라미터 값, 장착 배열, 물질, 컬러, 배향의 사용 등의 변경). 예를 들어, 요소의 위치는 역전되거나 다른 방식으로 변경될 수 있고, 이산 요소들 또는 위치의 특성이나 개수는 변경될 수 있다. 따라서, 모든 변경은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 임의의 공정 또는 방법 단계의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시예에 따라 변경되거나 또는 재-정렬될 수 있다. 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 예시적인 실시예의 설계, 동작 조건과 배열에서 다른 대체, 변경, 변화, 및 생략이 이루어질 수 있다.
본 발명은 여러 동작을 달성하는 방법, 시스템 및 임의의 기계-판독가능한 매체 상의 프로그램 제품을 고려한다. 본 발명의 실시예는 기존의 컴퓨터 프로세서를 사용하여 구현되거나, 또는 이 목적 또는 다른 목적을 위해 병합된 적절한 시스템을 위한 특수 목적 컴퓨터 프로세서에 의해 구현되거나, 또는 유선 시스템에 의해 구현될 수 있다. 본 발명의 범위 내에 있는 실시예는 기계-실행가능한 명령 또는 데이터 구조를 운반하거나 저장한 기계-판독가능한 매체를 포함하는 프로그램 제품을 포함한다. 이러한 기계-판독가능한 매체는 일반 목적 또는 특수 목적 컴퓨터 또는 프로세서를 갖는 다른 기계에 의해 액세스될 수 있는 임의의 이용가능한 매체일 수 있다. 예로서, 이러한 기계-판독가능한 매체는, 기계-실행가능한 명령 또는 데이터 구조 형태로 원하는 프로그램 코드를 운반하거나 저장하는데 사용될 수 있고, 일반 목적 또는 특수 목적 컴퓨터 또는 프로세서를 갖는 다른 기계에 의해 액세스될 수 있는, RAM, ROM, EPROM, EEPROM, CD-ROM 또는 다른 광 디스크 저장, 자기 디스크 저장 또는 다른 자기 저장 디바이스, 또는 임의의 다른 매체를 포함할 수 있다. 정보가 네트워크 또는 다른 통신 연결(유선, 무선, 또는 유선 또는 무선의 조합)을 통해 기계로 전달되거나 제공될 때, 이 기계는 이 연결을 적절히 기계-판독가능한 매체로 본다. 따라서, 임의의 이러한 연결은 적절히 기계-판독가능한 매체로 언급된다. 상기의 조합은 또한 기계-판독가능한 매체의 범위 내에 포함된다. 기계-실행가능한 명령은, 일반 목적 컴퓨터, 특수 목적 컴퓨터, 또는 특수 목적 처리 기계에 특정 기능 또는 기능의 그룹을 수행하게 하는, 예를 들어, 명령과 데이터를 포함한다.
도면은 방법 단계의 특정 순서를 보여줄 수 있으나, 이들 단계의 순서는 도시된 것과는 다를 수 있다. 또한 2개 이상의 단계들이 동시에 수행되거나 부분적으로 동시에 수행될 수 있다. 이러한 변형은 선택된 소프트웨어 및 하드웨어 시스템과 설계자 선택에 종속할 수 있다. 모든 변형은 본 발명의 범위 내에 있다. 또한, 소프트웨어 구현은 여러 연결 단계, 처리 단계, 비교 단계 및 판정 단계를 달성하도록 규칙 기반 로직 및 다른 로직을 가지는 표준 프로그래밍 기술에 의해 달성될 수 있다.

Claims (42)

  1. 이미지를 생성하는 방법으로서,
    해부학적 구조(anatomy)의 3차원 이미지 데이터를 제공하는 단계;
    상기 해부학적 구조의 일부의 모델을 제공하는 단계; 및
    상기 이미지 데이터로부터의 정보와 상기 모델로부터의 정보를 사용하여 상기 해부학적 구조의 타깃 부분의 가상 방사선 사진(virtual radiograph)을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는
    상기 3차원 이미지 데이터에서의 제1 볼륨 광선 투사 공정(volume ray casting process) 동안 누적된 감쇠값의 제1 세트를 계산하는 단계;
    상기 누적된 감쇠값의 제1 세트를 상기 가상 방사선 사진에 가산하는 단계;
    상기 모델에 의해 한정된 상기 3차원 이미지 데이터에서의 제2 볼륨 광선 투사 공정 동안 누적된 감쇠값의 제2 세트를 계산하는 단계; 및
    상기 가상 방사선 사진으로부터 누적된 감쇠값의 제2 세트를 감산하는 단계를 포함하는, 이미지를 생성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는 변경된 상태의 상기 해부학적 구조의 일부를 표현하는 단계를 포함하는, 이미지를 생성하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 변경된 상태는 상기 해부학적 구조의 일부의 병진이동 또는 회전 중 적어도 하나인, 이미지를 생성하는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 변경된 상태는 상기 해부학적 구조의 일부의 절제인, 이미지를 생성하는 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 해부학적 구조의 일부는 수술전 계획에 따라 변경된, 이미지를 생성하는 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는 상기 가상 방사선 사진으로부터 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 이미지 데이터를 감산(subtracting)하는 단계를 포함하는, 이미지를 생성하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 이미지 데이터를 변경하는 단계 및 상기 변경된 이미지 데이터를 상기 가상 방사선 사진에 가산(adding)하는 단계를 포함하는, 이미지를 생성하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 모델은 분할된 뼈 모델(segmented bone model)인, 이미지를 생성하는, 이미지를 생성하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 보철 디바이스(prosthetic device)의 이미지를 상기 가상 방사선 사진에 가산하는 단계를 더 포함하는, 이미지를 생성하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 보철 디바이스의 이미지는 수술전 계획에 따라 상기 가상 방사선 사진에 가산되는, 이미지를 생성하는 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 보철 디바이스는 힙 임플란트(hip implant)의 적어도 하나의 컴포넌트인, 이미지를 생성하는 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 해부학적 구조의 일부는 대퇴골의 적어도 일부인, 이미지를 생성하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는 수술전 계획에 따라 상기 누적된 감쇠값의 제2 세트를 변경하는 단계 및 상기 누적된 감쇠값의 변경된 제2 세트를 상기 가상 방사선 사진에 가산하는 단계를 포함하는, 이미지를 생성하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는 보철 디바이스의 이미지를 상기 가상 방사선 사진에 가산하는 단계를 포함하는, 이미지를 생성하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 보철 디바이스의 이미지는 수술전 계획에 따라 상기 가상 방사선 사진에 가산되는, 이미지를 생성하는 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는,
    임플란트 모델에 제3 볼륨 광선 투사 공정을 수행하는 단계;
    상기 제3 볼륨 광선 투사 공정으로부터 누적된 감쇠값의 제3 세트를 계산하는 단계; 및
    상기 누적된 감쇠값의 제3 세트를 상기 누적된 감쇠값의 제1 및 제2 세트의 차이에 가산하는 단계를 포함하는, 이미지를 생성하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 임플란트 모델은 수술전 계획에 따라 상기 3차원 이미지 데이터, 상기 모델, 또는 상기 해부학적 구조의 일부에 대해 위치되고 배향된, 이미지를 생성하는 방법.
  18. 이미지 생성 시스템으로서,
    프로세서와 메모리를 구비하는 처리 회로;
    입력/출력 인터페이스; 및
    상기 입력/출력 인터페이스에 연결된 디스플레이를 포함하되;
    상기 처리 회로는,
    해부학적 구조의 3차원 이미지 데이터를 검색하는 동작;
    상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 해부학적 구조의 모델을 검색하는 동작;
    상기 3차원 이미지 데이터와 상기 모델로부터의 정보를 사용하여 가상 방사선 사진을 생성하는 동작으로서,
    상기 3차원 이미지 데이터에서의 제1 볼륨 광선 투사 공정 동안 누적된 감쇠값의 제1 세트를 계산하는 동작,
    상기 누적된 감쇠값의 제1 세트를 상기 가상 방사선 사진에 가산하는 동작,
    상기 모델에 의해 한정된 상기 3차원 이미지 데이터에서의 제2 볼륨 광선 투사 공정 동안 누적된 감쇠값의 제2 세트를 계산하는 동작, 및
    상기 가상 방사선 사진으로부터 누적된 감쇠값의 제2 세트를 감산하는 동작을 포함하는, 가상 방사선 사진을 생성하는 동작; 및
    합성 가상 방사선 사진을 상기 디스플레이 상에 디스플레이하는 동작을 수행하도록 구성된, 이미지 생성 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 처리 회로는, 상기 가상 방사선 사진에, 변경된 상태의 상기 해부학적 구조의 일부를 디스플레이하도록 더 구성된, 이미지 생성 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 처리 회로는 수술전 계획에 따라 상기 해부학적 구조의 일부를 변경하도록 더 구성된, 이미지 생성 시스템.
  21. 제18항에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 가상 방사선 사진으로부터 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 이미지 데이터를 감산하도록 더 구성된, 이미지 생성 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 상기 이미지 데이터를 변경하도록 더 구성된, 이미지 생성 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 처리 회로는 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 상기 변경된 이미지 데이터를 상기 가상 방사선 사진에 가산하도록 더 구성된, 이미지 생성 시스템.
  24. 제23항에 있어서, 상기 처리 회로는 수술전 계획에 따라 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 상기 이미지 데이터를 변경하도록 더 구성된, 이미지 생성 시스템.
  25. 제23항에 있어서, 상기 모델은 분할된 뼈 모델인, 이미지 생성 시스템.
  26. 제23항에 있어서, 상기 해부학적 구조의 일부는 대퇴골의 적어도 일부인, 이미지 생성 시스템.
  27. 제18항에 있어서, 상기 처리 회로는 보철 디바이스의 가상 이미지를 상기 가상 방사선 사진에 가산하도록 더 구성된, 이미지 생성 시스템.
  28. 제18항에 있어서, 상기 디스플레이 상에 디스플레이된 상기 이미지의 휘도와 콘트라스트 중 적어도 하나를 조작하도록 구성된 사용자 인터페이스를 상기 디스플레이 상에 더 포함하는, 이미지 생성 시스템.
  29. 이미지를 생성하는 방법으로서,
    해부학적 구조의 3차원 이미지 데이터를 검색하는 단계;
    상기 해부학적 구조의 일부의 모델을 검색하는 단계;
    상기 모델이 상기 해부학적 구조의 일부에 대응하는 상기 3차원 이미지 데이터 내 한정된 볼륨을 한정하도록 상기 모델을 상기 3차원 이미지 데이터와 연관시키는 단계; 및
    상기 해부학적 구조의 일부의 가상 방사선 사진을 생성하는 단계를 포함하고,
    상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는
    상기 한정된 볼륨을 통해 원점으로부터 복수의 광선을 투사하는 단계;
    각각의 광선에 대해, 상기 광선을 따라 복수의 샘플링 단계에서 상기 한정된 볼륨을 샘플링하는 단계로서, 상기 샘플링 단계들은 샘플링 거리만큼 분리되는, 샘플링하는 단계; 및
    각각의 광선에 대해, 샘플에 기초하여 상기 광선을 따라 상기 한정된 볼륨의 누적된 감쇠값을 계산하는 단계를 포함하는, 가상 방사선 사진을 생성하는 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 해부학적 구조의 일부는 상기 해부학적 구조의 제1 부분이고,
    상기 모델은 제1 모델이고,
    상기 한정된 볼륨은 제1 한정된 볼륨이고,
    상기 가상 방사선 사진을 생성하는 방법은
    상기 해부학적 구조의 제2 부분의 제2 모델을 검색하는 단계로서, 상기 해부학적 구조의 제2 부분은 상기 해부학적 구조의 제1 부분의 서브세트인, 제2 모델을 검색하는 단계, 및
    상기 제2 모델이 상기 해부학적 구조의 제2 부분에 대응하는 상기 3차원 이미지 데이터 내 제2 한정된 볼륨을 한정하도록 상기 제2 모델을 상기 3차원 이미지 데이터와 연관시키는 단계로서, 상기 제2 한정된 볼륨은 상기 제1 한정된 볼륨의 서브세트인, 상기 제2 모델을 상기 3차원 이미지 데이터와 연관시키는 단계를 더 포함하고,
    상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는
    상기 제2 한정된 볼륨을 통해 원점으로부터 복수의 광선을 투사하는 단계;
    각각의 광선에 대해, 상기 광선을 따라 복수의 샘플링 단계에서 상기 제2 한정된 볼륨을 샘플링하는 단계로서, 상기 샘플링 단계들은 샘플링 거리만큼 분리되는, 샘플링하는 단계;
    각각의 광선에 대해, 샘플에 기초하여 상기 광선을 따라 상기 제2 한정된 볼륨의 누적된 감쇠값을 계산하는 단계; 및
    상기 제1 한정된 볼륨에 대한 누적된 감쇠값으로부터 상기 제2 한정된 볼륨에 대한 누적된 감쇠값을 감산하는 단계를 더 포함하는, 가상 방사선 사진을 생성하는 방법.
  31. 제30항에 있어서, 상기 제2 모델의 변경을 수신하는 단계를 더 포함하고,
    상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는
    상기 제2 모델의 변경에 따라 상기 제2 한정된 볼륨에 대한 누적된 감쇠값을 변경하는 단계, 및
    변경된 누적된 감쇠값을 상기 제1 한정된 볼륨에 대한 누적된 감쇠값에 가산하는 단계를 더 포함하는, 가상 방사선 사진을 생성하는 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 제2 모델의 변경은 상기 제2 모델의 병진이동, 상기 제2 모델의 회전, 또는 상기 제2 모델의 절제 중 적어도 하나를 포함하는, 가상 방사선 사진을 생성하는 방법.
  33. 제31항에 있어서, 상기 제2 모델의 변경은 수술전 계획에 따른 것인, 가상 방사선 사진을 생성하는 방법.
  34. 제29항에 있어서, 임플란트의 모델을 검색하는 단계를 더 포함하고,
    상기 가상 방사선 사진을 생성하는 단계는
    상기 임플란트의 모델에 대한 뷰를 선택하는 단계,
    상기 임플란트의 모델에 대한 뷰에 종속하는 두께(view-dependent thickness)를 결정하는 단계,
    상기 뷰에 종속하는 두께에 기초하여, 선택된 뷰에 대하여 상기 임플란트의 모델을 위한 누적된 감쇠값을 계산하는 단계, 및
    상기 임플란트에 대한 누적된 감쇠값을 상기 한정된 볼륨에 대한 누적된 감쇠값에 가산하는 단계를 더 포함하는, 가상 방사선 사진을 생성하는 방법.
  35. 제34항에 있어서, 상기 임플란트는 힙 임플란트(hip implant)의 적어도 하나의 컴포넌트인, 가상 방사선 사진을 생성하는 방법.
  36. 제34항에 있어서, 상기 임플란트에 대한 누적된 감쇠값이 수술전 계획에 따라 상기 한정된 볼륨에 대한 누적된 감쇠값에 가산되는, 가상 방사선 사진을 생성하는 방법.
  37. 제29항에 있어서, 각 누적된 감쇠값을 컬러로 변환하는 단계 및 변환된 컬러에 기초하여 상기 가상 방사선 사진의 이미지를 디스플레이하는 단계를 더 포함하는, 가상 방사선 사진을 생성하는 방법.
  38. 제29항에 있어서,
    상기 모델은 분할된 뼈 모델인, 가상 방사선 사진을 생성하는 방법.
  39. 삭제
  40. 삭제
  41. 삭제
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