KR20130103394A - 방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템 - Google Patents

방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템은 바이오피드백 처리된 호흡유도 시그널 영상을 처리하는 호흡유도 시스템에서, 상기 호흡유도 시그널 영상을 처리하는 공정은, (a) 방사선 치료를 요하는 환자의 치료 부위에 촬상 장치를 이용하여 상기 치료 부위의 호흡유도 시그널 영상을 획득하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 획득된 영상에 대해 임계값을 이용하여 상기 영상 영역을 이진화하는 단계; (c) 상기 (b) 단계로부터의 이진화된 영상 영역에 대해 왜곡 여부를 판단하는 단계; (d) 상기 영상을 합성하는 단계; (e) 상기의 합성된 영상에 대한 영역 분리가 필요한지 여부를 판단하는 단계; 및 (f) 상기 호흡유도 시그널 영상에 패턴 매칭을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템은 환자의 안정적인 호흡 또는 움직임을 요하는 곳에서 환자 자신의 움직임을 직접 보면서 개개인이 컨트롤할 수 있어 방사선 치료 과정에서의 안정성을 확보할 수 있다.

Description

방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템{System for inducing respiration using biofeedback principle}
본 발명은 방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 환자의 측정된 호흡 주기 및 호흡 패턴을 영상화하여 처리한 후 바이오피드백 신호를 융합하여 안정된 호흡을 유도하게 하는 방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템에 관한 것이다.
환자에 대하여 4차원 방사선 치료 또는 호흡동조 방사선 치료시 유의해야 할 중요한 요소 중 하나는 방사선 치료 중 장기 움직임이 일정하다는 전제를 가지고 이루어져야 한다는 점이다. 인체의 장기 움직임에 영향을 주는 운동 요소는 다양한 종류가 있을 수 있지만, 그 중에서도 호흡을 일관되게 유지하는 것은 방사선 치료에 있어서 매우 중요한 요소이다.
의료용 방사선 치료기를 이용한 방사선 치료는 종양 부위에 방사선을 집중적으로 조사하고 주변 정상 조직에는 최소한의 선량이 전달되도록 하는 것이 가장 중요한 요소일 수 있다. 특히, 움직이는 장기에 대한 방사선 치료는 방사선 치료중 발생하는 장기의 기하하적인 움직임의 변동에 따라 빔을 제어하는 기술은 필수 불가결하다.
상기와 같은 방사선 치료시 호흡과 관련된 전제조건을 이루기 위해 여러 장치들이 사용되고 있지만, 이러한 장치들은 대부분 가이드 신호만을 사용하여 환자 자신의 호흡상태를 환자 자신이 확인할 수 없고, 직관적으로 연습한 대로만 호흡을 하고 있는 실정이다.
이를 위해 종래의 방사선 치료 기술은 RPM(Real-time position management) 시스템을 사용하여 의료용 방사선 치료기를 제어하여 치료하는 게이팅(gating) 방법을 주로 사용하고 있다. 하지만 이 기술의 치료 성패는 방사선 치료환자의 호흡의 안정성에 있고, 호흡이 불안정한 환자의 호흡동조 방사선 치료는 치료시간이 길어진다는 문제점이 상존한다. 뿐만 아니라, 상기 RPM 시스템은 호흡 주기만을 가지고 호흡의 상(phase)을 설정하여 호흡동조 방사선 치료에 적용하기 때문에 호흡 패턴 또는 호흡량에 대한 고려가 없어 치료의 정확성은 매우 떨어지게 된다.
특히, 움직이는 장기에 대한 체부 정위방사선치료는 다른 방사선 치료에 비해 치료시간이 현격히 길고, 부작용의 위험도 또한 매우 클 수 있으므로, 이를 해소하기 위해 안정된 호흡 주기 및 호흡량을 갖도록 환자를 교육하고 호흡을 연습하는 것은 더욱 중요하게 된다.
또한, 폐와 관련된 질병이 있는 방사선 치료 환자의 경우에는 안정된 호흡주기 및 호흡량을 유지시키는 것이 실제적으로 매우 힘들어 안정된 호흡 상태에서만 방사선을 조사해야 하는 호흡동조 방사선 치료 기술을 상기와 같은 폐질환 환자들에게 적용시 호흡의 보조적인 장치는 필수적이다는 현실적인 필요성이 꾸준히 제기되고 있다.
종래의 특허문헌을 참조하여 바이오피드백을 이용한 훈련제어방법을 설명하면 다음과 같다. 한국등록특허 제10-0601932호 및 제10-0943180호를 참조하면, 모두 공통적으로 측정된 생체신호를 수집 및 분석하고 이를 바이오피드백 시스템을 이용하여 환자에게 적절히 제공하는 과정을 통해서 환자의 호흡을 안정되게 하거나 신체의 이완을 도와 결과적으로 사용자 스스로 자기 조절을 가능하게 한다는 것을 알 수 있다.
한편, 상기 종래의 특허문헌들은 수집된 생체 정보를 영상 신호를 이용하여 처리하는 과정에서 측정 환경에 따라 다양한 영상 처리방법을 제공하는 데에는 한계가 있다는 문제점이 있다. 즉, 인체로부터 수집된 영상을 전처리하고 적절히 재조합함으로써 가능할 수 있는 영상 추적 알고리즘에 대한 기재가 되어 있지 않다는 점에서 가이드되는 호흡과 실재 호흡 간의 패턴을 정확히 매칭하는 데에 어려움이 상존하게 된다.
한국등록특허 제10-0601932호 한국등록특허 제10-0943180호
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서, 방사선 치료 과정에서 인체로부터 실제로 수집되는 영상에 대해 적절한 임계치를 부여한 정밀한 전처리 과정을 시행하고, 상기의 전처리된 영상을 이용하여 각각의 환경별로 최적의 영상 추적을 시행하는 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명에 따른 방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템은 바이오피드백 처리된 호흡유도 시그널 영상을 처리하는 호흡유도 시스템에서, 상기 호흡유도 시그널 영상을 처리하는 공정은, (a) 방사선 치료를 요하는 환자의 치료 부위에 촬상 장치를 이용하여 상기 치료 부위의 호흡유도 시그널 영상을 획득하는 단계; (b) 상기 (a) 단계에서 획득된 영상에 대해 임계값을 이용하여 상기 영상 영역을 이진화하는 단계; (c) 상기 (b) 단계로부터의 이진화된 영상 영역에 대해 왜곡 여부를 판단하는 단계; (d) 상기 영상을 합성하는 단계; (e) 상기의 합성된 영상에 대한 영역 분리가 필요한지 여부를 판단하는 단계; 및 (f) 상기 호흡유도 시그널 영상에 패턴 매칭을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 호흡유도 시그널 영상을 처리하는 공정은, 상기 (c) 단계에서, 상기 이진화된 영상 영역에 대해 왜곡이 있는 경우에, (g) 에지 검출(egde detection)을 실시하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 (g) 단계에서, 상기 윤곽선 검출에 사용되는 마스크는 Prewitt, Roberts, Sobel, Laplacian, Canny 를 포함하는 그룹 중 어느 하나 이상을 채용하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 호흡유도 시그널 영상을 처리하는 공정은, 상기 (e) 단계에서, 상기의 합성된 영상에 대한 영역 분리가 필요한 경우에, (h) 상기 호흡유도 시그널 영상에 대해 관심 영역을 설정하는 단계; 및 (i) 상기 설정된 관심 영역에 대한 템플릿 이미지를 지정하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템은 환자의 안정적인 호흡 또는 움직임을 요하는 곳에서 환자 자신의 움직임을 직접 보면서 개개인이 컨트롤할 수 있어 방사선 치료 과정에서의 안정성을 확보할 수 있다. 구체적으로는, 호흡을 유도하는 신호와 바이오 피드백된 호흡의 유사성을 분석하여 실제 치료시의 호흡과 모의 치료시의 유도된 호흡의 유사성을 분석하는 과정을 거치게 된다.
특히, 환자 자신이 움직임을 컨트롤하기 힘든 경우에, 불안정적인 움직임에 대해서 직접 장비를 통제 및 알람하게 하여 안전한 치료를 확보할 수 있게 한다.
또한, 본 발명은 4차원 방사선 치료 환자의 방사선 치료전 모의치료 과정에서 컴퓨터 단층 촬영 영상의 질 향상을 위해 인체 움직임의 규칙도를 향상한다.
도 1은 본 발명에 따른 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 장치에 사용되는 영상 추적 프로그램의 개략도,
도 2는 개인별 호흡 패턴을 이용하는 바이오 피드백 시스템의 개략도, 및
도 3은 본 발명에 따른 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 장치에서 수집된 영상을 처리함으로써 호흡유도 시그널과 바이오 피드백 시그널 간의 패턴을 매칭하는 과정을 나타낸 알고리즘이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템을 상세히 설명하기로 한다.
바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템의 구성 설명
본 발명에 따른 호흡유도 시스템은 바이오 피드백 원리를 이용하여 방사선 모의치료 또는 실제 방사선 치료시 안정적이고 규칙적인 호흡을 유도하기 위한 환자교육 시스템을 구축하거나 영상추적 기법 및 영상처리를 이용한 실시간 호흡 모니터링이 가능하다.
본 발명은 시각 장치를 이용한 바이오 피드백 신호를 환자에게 디스플레이 하여 안정적이고 규칙적인 호흡유도를 가능하게 하거나 방사선 치료기와 연동하여 치료기를 직접 통제 또는 알람을 발생하게 한다.
본 발명에서는 호흡 유도되는 시그널을 종래에 일반적으로 사용되는 sine 형태의 시그널 뿐만 아니라 호흡 모델별 환자 개인별 맞춤 시그널로 다양화할 수 있다.
본 발명은 환자로부터 실시간으로 획득한 영상을 분석하여 디스플레이함으로써 50 msec 미만, 바람직하게는 30 msec 미만으로 실시간 기술을 구현할 수 있게 하는 동시에 실제 상황을 디스플레이하여 사용자의 효과적인 판단에 도움을 줄 수 있다.
더불어, 효과적인 추적분석을 위한 ROI(region of interest) 설정 방법을 이용하여 실시간 기술의 속도를 최적화하고, PID 자동 제어 방식을 통하여 불규칙도의 증가에 따른 치료기의 자동 제어 기술을 구현하는 동시에 알람을 발생하게 한다.
또한, 호흡유도 시그널과 바이오 피드백 시그널의 시간차를 두어 초기 유도된 호흡에 가장 적합한 호흡을 유도하여, 실시간 바이오 피드백 신호를 통한 호흡을 확인할 수 있다.
한편, 본 발명은 호흡 신호를 수신 및 분석하기 위하여 영상을 이용하는 것에 한정되는 것이 아니고, 상기 호흡 신호를 수신할 수 있는 다른 종류의 인식 방법도 포함한다.
이하, 상술한 본 발명의 특징을 구현 가능하게 하기 위한 영상 추적 프로그램 및 영상 처리 및 패턴 매칭 수행 과정을 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템에 사용되는 영상 추적 프로그램을 설명한다.
본 발명에 적용되는 영상 추적 프로그램은 환자의 치료부위로부터 영상을 획득하고, 상기의 획득된 영상에 대하여 필요한 영상 처리를 시행한다. 영상 처리 후 확인을 요하는 대상 물체와의 정밀한 비교 분석을 위해 영상 추적을 시행한다. 상기의 영상 추적이 종료된 경우에는 결과값을 도출하고 도출된 결과를 저장한다.
다음, 도 2를 참조하여 규칙적인 호흡을 유도하기 위하여 개인별 호흡 패턴을 이용하는 바이오 피드백 시스템을 설명한다.
규칙적인 호흡이 요구되는 대상자인 호흡 불안정 환자를 선정하여 자연스럽게 호흡이 이루어지게 하고(10), 상기 호흡이 이루어지는 과정에서 발생하는 호흡 신호를 획득한다(20). 상기의 획득된 호흡 신호에 대해 추적이 원활하게 되도록 신호를 처리하고(30), 상기 처리된 신호를 바탕으로 신호를 추적하고(40), 그 이후에 추적된 신호를 바탕으로 결과를 도출한다(50). 상기 도출된 결과를 바탕으로 최적의 호흡 패턴을 찾고(60), 상기의 도출된 호흡 패턴을 호흡 불안정 환자에게 가이드하게 한다(70).
상기 도 1 및 도 2는 모두 바이오 피드백 원리를 이용하는 일련의 과정을 통해 방사선 치료시 안정적이며 규칙적인 호흡을 유도하게 한다.
다음으로, 도 3의 시계열적으로 배열된 순서도를 참조하여 본 발명에서 적용되는 영상 처리 및 패턴 매칭 수행 과정을 설명하고자 한다.
먼저, 방사선 치료 과정에 임하는 환자의 치료 부위에 CCD, 적외선 카메라 등의 촬상 장치를 이용하여 치료부위의 영상을 획득한다(S10).
S10 단계 이후, 영상 추적 기술의 정확성 향상을 위해 이진화 방법 및 임계치(threshold value)를 이용하여 영상을 전처리한다(S20). 본 발명에서는 일 예로서 획득된 영상을 '0'과 '1'의 디지털 값을 가진 이진 영상으로 변환하며, 소정의 임계값을 정하여 해당 획득된 영상의 화소값이 임계값보다 크면 백색으로 표현하고, 반대로 해당 영상의 화소값이 임계값보다 작으면 흑색으로 이진화하는 이진화 방법을 적용할 수 있다.
상기 S20 단계에서의 임계치를 이용한 이진화 단계를 거친 후에 얻어진 영상에 왜곡이 있는지 여부를 제어부에서 판단한다(S30). S30 단계에서 전체 영상에서 시각적 화질이 상대적으로 저하되는 영역이 존재하거나, 영상이 겹쳐지거나 또는 측정되는 대상 물체의 기본적인 형상과 비교하여 현저히 벗어나는 경우 등을 영상 왜곡으로 판단할 수 있다.
S30 단계에서 영상에 왜곡이 있다고 판단되는 경우의 일 대처방안으로서 윤곽선 검출(egde detection)을 실시할 수 있다. 왜곡 영상의 이미지 영역에서 나타나는 시각적으로 경계가 아닌 윤곽선을 독립적으로 검출하여 고주파 향상 필터의 적용으로 인한 화질 저하를 방지하고 라인의 경계를 손실 없이 강조함으로써 화질 개선된 최종 영상을 획득할 수 있다(S40). 상기 윤곽선 검출은 미분연산자에 의한 밝기 값의 변화를 이용하여 찾아내는 것으로서, 그 알고리즘은 여러 가지 종류가 있다. 또한, 편미분 연산을 이용하여 미분 값을 구하는 것도 있으며, 프로그래밍을 하는데 있어서 직접적인 계산보다는 마스크를 이용하여 빠른 계산을 하는 것이 더욱 효과적일 수 있고, 상기 마스크의 특징은 상기 마스크 내의 모든 픽셀의 합이 0 이라는 것이다. 여기에서, 상기 윤곽선 검출에 사용되는 마스크는 Prewitt, Roberts, Sobel, Laplacian, Canny 등을 포함하는 그룹 중에 어느 하나 이상을 채용하여 사용할 수 있다.
S30 단계에서 영상에 왜곡이 없거나 S40 단계를 거친 후에는 영상을 합성하게 된다(S50). 상기 S50 단계에서는 S20 단계에서 전처리된 영상을 각각의 환경별로 다양한 영상처리 방법을 선택 적용함으로써 최적화된 영상추적을 가능하게 한다.
S50 단계를 거치는 동안에 방사선 치료 과정에 임하는 환자의 치료부위에 대해서 영역 분리가 필요한지 여부에 대해 판단한다(S60).
상기 S60 단계에서 영역 분리가 필요하다고 판단되는 경우에는 관심 영역(ROI,region of interest)을 설정하여 실시간 기술의 속도를 최적화함으로써 효과적인 추적 분석을 가능하게 한다. 즉, 방사선 치료를 요하는 특정된 종양 부위에 대한 영상을 관심 영역으로 설정할 수 있다(S70).
상기 S70 단계에서 관심 영역으로 설정한 특정된 인체부위의 영상을 지정한 경우에, 이에 대하여 템플릿 이미지를 설정한다(S80). 여기에서, 템플릿 이미지는 설정된 관심 영역에 대한 기준 이미지로서 이해할 수 있다.
상기 S60 단계에서 영역 분리가 필요하지 않거나 S70 및 80 단계를 거치면서 관심 영역 및 템플릿 이미지가 설정된 경우에는 패턴 매칭을 수행한다(S90).
구체적으로는, S50 단계에서 합성된 영상이나 S70 및 80 단계에서의 관심 영역 및 템플릿 이미지를 이용하여 환자에게 유도된 호흡과 바이오 피드백된 호흡의 유사성을 분석하고 디스플레이하는 과정을 통해 현재 호흡과 유도된 호흡의 유사성을 용이하게 파악할 수 있게 하는 것이다.
한편, 본 발명은 이동식 기기를 이용한 자가호흡 연습장치로서 기능할 수 있다. 구체적으로, 스마트폰 및 PDA를 포함한 다양한 이동식 기기를 이용하여 환자의 기동성을 증진시키고 자가 호흡에 환자가 익숙하게 되도록 호흡을 연습하게 한다. 그리고, 실제 방사선 치료에 앞서서 모의 치료시에 환자 맞춤형 호흡 패턴을 획득하여 주기적으로 디스플레이한 이후에 모의 치료와 실제 방사선 치료 간의 일정 시간 동안 환자가 호흡의 규칙성을 높일 수 있게 한다.
또한, 본 발명은 4차원 방사선 치료 환자의 방사선 치료전 모의치료 과정에서 컴퓨터 단층 촬영 영상의 질 향상을 위해 인체 움직임의 규칙도를 향상한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템은 환자의 안정적인 호흡 또는 움직임을 요하는 곳에서 환자 자신의 움직임을 직접 보면서 개개인이 컨트롤할 수 있어 방사선 치료 과정에서의 안정성을 확보할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 바이오피드백 처리된 호흡유도 시그널 영상을 처리하는 호흡유도 시스템에서,
    상기 호흡유도 시그널 영상을 처리하는 공정은,
    (a) 방사선 치료를 요하는 환자의 치료 부위에 촬상 장치를 이용하여 상기 치료 부위의 호흡유도 시그널 영상을 획득하는 단계;
    (b) 상기 (a) 단계에서 획득된 영상에 대해 임계값을 이용하여 상기 영상 영역을 이진화하는 단계;
    (c) 상기 (b) 단계로부터의 이진화된 영상 영역에 대해 왜곡 여부를 판단하는 단계;
    (d) 상기 영상을 합성하는 단계;
    (e) 상기의 합성된 영상에 대한 영역 분리가 필요한지 여부를 판단하는 단계; 및
    (f) 상기 호흡유도 시그널 영상에 패턴 매칭을 수행하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 호흡유도 시그널 영상을 처리하는 공정은,
    상기 (c) 단계에서, 상기 이진화된 영상 영역에 대해 왜곡이 있는 경우에,
    (g) 윤곽선 검출(egde detection)을 실시하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (g) 단계에서, 상기 윤곽선 검출에 사용되는 마스크는 Prewitt, Roberts, Sobel, Laplacian, Canny 를 포함하는 그룹 중 어느 하나 이상을 채용하는 것을 특징으로 하는,
    방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 호흡유도 시그널 영상을 처리하는 공정은,
    상기 (e) 단계에서, 상기의 합성된 영상에 대한 영역 분리가 필요한 경우에,
    (h) 상기 호흡유도 시그널 영상에 대해 관심 영역을 설정하는 단계; 및
    (i) 상기 설정된 관심 영역에 대한 템플릿 이미지를 지정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    방사선 치료시 바이오피드백 원리를 이용한 호흡유도 시스템.
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