서 론
림프부종(lymphedema)은 림프계의 수송능력의 결여로 인 하여 간질, 특히 피하지방층에 림프액이 축적되는 상태로서, 암 치료 후 이차적으로 발생하는 림프부종은 수술 또는 방사선 치료로 인한 림프계의 손상으로 림프액 순환에 장애가 생겨 발
3차원 부피측정을 이용한 림프부종 측정시스템 개발
서종현1∙이원희1∙이해섭1∙정승현2∙김광기1
1국립암센터 융합기술연구부 의공학연구과
2국립암센터 지원진료센터 재활의학클리닉
Development of Lymphedema Measurement System using 3D volumetry
Jong Hyun Seo1, Wonhee Lee1, Hae Seob Lee1, Seung Hyun Chung2, Kwang Gi Kim1
1Biomedical Engineering Branch, National Cancer Center, Goyang, Korea
2Center for Clinical Specialty, Rehabilitation Clinic, National Cancer Center, Goyang, Korea
= Abstract =
Lymphedema is a condition of lymph retention beneath the subcutaneous fat layer caused by im- paired lymph flow. The method which measures the volume of limb has commonly used as an objec- tive indicator of lymphedema diagnosis. However, the previous methods acquired low reliability be- cause their results showed large error depending on the posture of the patient or the examiner. They have been unable to measure the localized lymphedema. In this study, we developed the system for creating a three-dimensional (3D) solid model of the upper limb and measuring its volume in real time with Kinect sensor which provides 3D depth images. We obtained four depth images taken by each of four Kinects at the same time and created 3D solid model for upper limb using the developed algo- rithm. Additionally, the volume of the 3D model was determined by summing the number of unit vol- ume (voxel) constituting the inside of it. The results of our measurement achieved comparable accura- cy to medical CT, regardless of the posture of the patient or the examiner. Moreover, it was possible to measure the volume of the upper limb at a high speed (within 1 min.) despite of its complex 3D struc- ture. The proposed system enabled accurate and rapid diagnosis for lymphedema and can be set up with efficient cost. Furthermore, this system potentially can detect the change of volume caused by lo- cal lymphedema.
Key words: Edema, Lymphedema, 3D volumetry, Kinect, Perspective transform
본 연구사업은 국립암센터 기관고유사업(1410560-1)의 지원을 받았 음.
통신저자: 김광기, (410-769) 경기도 고양시 일산동구 일산로 323, 국립암센터 의공학연구과
Tel: 031-920-2241 Fax: 031-920-2006 E-mail: [email protected]
생하게 된다[1].
암 치료 후 발생하는 림프부종은 암환자에게 미용적인 문제 및 불안, 우울 등의 정신적인 문제, 육체적 불편함과 관절 가동 범위 제한과 같은 기능적 손실을 초래할 수 있다[2-4]. 또한 환측 상지의 운동범위의 제한과 통증, 위약 또는 경직을 유발 할 수 있으며 이차적 정신적 문제로 불안, 우울, 성기능장애, 사회적 회피, 기존의 정신 질환의 악화를 야기한다[5-7].
림프부종 진단방법으로는 수조 부피측정법, 상지의 둘레를 줄자로 측정하여 부피를 계산하는 방법, 생체전기저항 진단법 (bioimpedence spectroscopy), 적외선 부피측정기 (infrared optoelectronic volumetry, Perometer) 등이 있 다. 그 외 림프관조영법, 자기공명영상, 림포신티그래피 (lym- phoscintigraphy) 등이 림프부종의 진단에 이용된다[8-12].
특히, 림프부종 진단의 객관적인 지표로서 부피를 측정하는 방법이 사용되고 있으며 이러한 방법들 중 줄자 측정법과 적외 선 부피 측정기를 이용한 방법이 주로 사용된다. 상지의 둘레 를 줄자로 측정하여 부피를 계산하는 방법은 큰 비용이 들지 않으며 부종의 부피를 계산할 수 있어 많이 사용되고 있으나, 양측 상지의 둘레를 4 cm 간격으로 열 군데 이상을 측정하기 때문에 시간 소요가 많고 숙련된 검사자가 필요하다. 대부분의 임상과 연구에서는 선별검사로 특정부위의 둘레를 재어 양측 을 비교하거나 이전 검사에 비해 2 cm의 차이를 보이면 부종 이 발생한 것으로 간주하고 있다. 이는 국소적인 부종이나 손 의 부종, 경도의 림프부종은 측정해내지 못하며 측정시간이 오 래 걸리는 단점이 있다. 적외선 부피측정기는 적외선을 이용하 여 3 mm 간격으로 횡단면의 외곽선을 측정하는 것으로 다른 진단법으로 측정하기 어려운 손, 발의 부종을 측정할 수 있다.
다른 검사법들보다 평가자간의 오차가 비교적 적기 때문에 신 뢰도가 좀 더 높고 수초 이내의 빠른 측정으로 임상에서 좀 더 편리하게 사용될 수 있다. 그러나 상지의 입체적인 구조를 평 면적으로 계산하는 근사오차가 존재하며 고가의 장비이기 때 문에 국내에서는 몇 개의 기관에서만 적외선 부피 측정기를 보 유하고 있다. 결국 테이프 측정법과 적외선 부피 측정기는 팔 의 전체적인 부피를 측정하는 것이 아니라 부분적으로 측정하 여 그로부터 전체 부피를 근사하게 되므로 항상 근사오차가 존 재하게 된다. 이러한 문제점을 보완하기 위해서는 부분적으로 측정하여 근사를 하는 것이 아닌 팔 전체에 대한 정확한 부피 를 측정하는 것이 필요하다.
본 연구에서는 팔에 대한 3차원 모델을 만들고 그 부피를 측 정함으로써 팔의 정확한 부피를 측정할 수 있는 시스템을 개발 하였다. 최근 3차원 깊이 영상을 제공하는 신기술 카메라들이 개발되었으며 이들은 피사체의 표면에 대한 3차원 좌표를 제
공하기 때문에 여러 장의 3차원 깊이 영상을 이용하면 피사체 에 대한 3차원 입체 모델을 만드는 것이 가능하다[13-15]. 개 발된 시스템은 깊이 영상 카메라 중의 하나인 키넥트 센서 (Kinect sensor)를 이용하여 3차원 깊이 영상을 실시간으로 얻어 3차원 입체 모델을 만들었다. 3차원 입체 모델의 내부를 채운 단위부피의 수를 더하면 정확하게 부피를 측정할 수 있 다. 또한 키넥트 깊이 영상의 오차를 줄이고 측정 시 안전성을 보장할 수 있도록 하드웨어를 제작하였다. 개발된 시스템을 이용하면 환자의 자세나 검사자에 무관하게 상지의 부피를 측 정하는 것이 가능하며 기존 방법과 비교하여 근사오차 및 측정 속도, 가격 면에서 많은 이점이 있다(표 1). 또한 국소적인 부 피의 변화를 시각적으로 확인할 수도 있어 단순한 림프부종의 발생 여부뿐만 아니라 림프부종이 나타난 위치와 진행 정도를 파악할 수 있으며 미세한 부피변화를 측정하여 림프부종을 조 기에 진단하여 선제적 치료를 통해 부작용을 최소화 할 수 있 다.
연구 방법
키넥트 (Kinect for windows, Microsoft) 센서(그림 1)는 3차원 깊이 센서와 컬러 카메라를 이용하여 사람의 움직임을 추적하거나 사진이나 비디오를 촬영하는 센서로, 흔히 사용하 는 카메라와 유사한 것으로 키넥트를 이용하여 많은 연구가 이 루어지고 있다[16-21].
키넥트는 크게 컬러센서와 적외선발광부, 적외선 깊이 센서 로 구성되어 있는데 깊이 영상은 적외선 깊이 센서로부터 얻게 된다. 깊이 영상은 센서로부터 측정 대상의 표면을 구성하는 각 점까지의 거리를 제공해 주며 이는 각 점에 대한 3차원 좌 표를 얻을 수 있음을 의미한다. 따라서 적절하게 구성한 3차원 공간상에 깊이 영상으로부터 얻은 3차원 좌표에 해당하는 위 치에 점을 찍어줌으로써 간단하게 3차원 모델을 구성할 수 있 다. 그러나 한 장의 깊이 영상으로는 정확한 3차원 모델을 만 들 수가 없기 때문에 피사체에 대한 다른 각도의 여러 장의 사 진이 필요하다. 때문에 개발된 시스템은 키넥트 센서 4개를 이 용하여 깊이 영상을 얻고 3차원 모델을 만드는 방법을 사용하 였다(그림 2). 4장의 깊이 영상으로부터 3차원 입체모델을 만
표 1. 줄자법, Perometer, 제안된 시스템(Kinect)과의 비교
측정 방법 측정 속도 가격 근사 오차
줄자법 Slow Low High
Perometer Fast High Low
Kinect Fast Low Low
드는 과정은 이전 논문[15]과 같은 과정을 따랐다.
먼저 측정을 진행하기 위해서는 교정을 해야만 한다. 이를 위해서 교정용 정육면체 모형을 제작하였다(그림 3). 제작한 정육면체 모형의 면들을 검출한 뒤 면들의 8개 교점을 찾아내 어 4장의 깊이 영상을 변환하는 행렬식을 만들어냈다. 이 행렬 식을 생성하는 과정은 4대의 키넥트들 사이의 위치를 설정해 주는 역할을 하는 것으로서 시스템의 초기 설정 단계에 한 번 만 필요하고 이후 상지의 부종을 측정하는 단계에서는 반복할 필요가 없다. 교정 모형은 무광택, 무반사로 제작되었는데 이 는 깊이 영상 측정 시 조사하는 광 패턴이 광택과 반사로 인해 제대로 인식되지 못하여 영상이 정상적으로 출력되지 않기 때 문이다.
그러나 제안된 시스템처럼 여러 대의 키넥트를 동시에 사용 할 경우 서로간의 광 패턴 간섭이 발생하는 문제가 있다. 키넥 트는 피사체에 미리 정해진 광 패턴을 조사하고 이를 읽어내어 깊이 정보를 얻는데 광 패턴의 간섭으로 인해 영상이 정상적으 로 찍히지 않게 된다. 본 연구에서는 이 문제를 회피하기 위하 여 네 대의 키넥트가 광 패턴을 조사하는 타이밍을 시분할하는
방법을 사용하였다.
3차원 모델을 정합하기 위해서는 또한 각각의 깊이 영상의 촬영 거리와 각도가 중요하다. 피사체에 대한 영상을 모두 담 을 수 있도록 각각의 키넥트의 위치는 90도의 차이가 나도록
그림 3. 키넥트 센서 이용 깊이 측정 교정 정육면체 모형 외형.
그림 1.Kinect 센서 구성 및 명세 사항.
그림 2. 키넥트의 구성과 배치도.
Kinect Array Specifications
Viewing angle 43。vertical by 57。horizontal field of view vertical tilt range ±27。
Frame rate 30 frames per second (FPS)
Resolution 640×480
배치되어야 하고, 촬영된 깊이 영상은 피사체로부터 1 m정도 떨어져 있을 때 좋은 영상을 얻을 수 있었기에 각 키넥트는 피 사체로부터 1 m터가 되도록 배치할 필요가 있었다. 위와 같은 조건을 만족시키기 위해 본 시스템에서는 키넥트 고정 프레임 을 제작하였다.
제작된 프레임은 중심의 피사체로부터 약 1 m의 거리와 90 도의 촬영각도를 유지할 수 있도록 키넥트 고정대를 위치시켰 고 각 고정대는 중심으로부터 90도의 차이가 나도록 하였다.
고정대는 유동적으로 위치를 변경할 수 있어 상황에 따라 자유 로운 구성이 가능하다. 또한 측정 시 팔을 올려놓을 수 있도록 팔 거치대를 추가하였다. 촬영된 깊이 영상은 영상의 중앙에 피사체가 위치할수록 좋은 품질을 보여주기 때문에 팔의 위치 를 중앙에 잡아줄 수 있는 것은 매우 중요하다. 측정 시 팔의 움직임과 피로를 덜어주는 역할도 할 수 있도록 하였다.
키넥트 고정 프레임의 이점은 무엇보다 견고하게 각각의 키 넥트의 위치와 각도를 변하지 않게 해준다는데 있다. 교정 이 후 얻어진 변환행렬은 한 번 만들어지면 이후에는 다양한 사물 에 대한 영상 획득과 3차원 재구성을 수행할 수 있지만 키넥트 의 위치가 항상 같아야 사용이 가능하며 하나의 키넥트라도 위 치나 촬영각도가 변경되면 다시 교정을 진행해야 하는 단점이 있다. 키넥트 고정 프레임은 이러한 단점을 보완해주며 또한 시스템 설정 시간을 줄여주는 역할을 한다.
이전 논문에서는 정육면체의 평면을 검출하는 방법으로 3 차원 랜덤 허프 변환 기법을 사용하였으나 각 면을 제한된 영 역에서 구한다는 점과 키넥트의 해상도로 인해 오차가 많이 발 생하는 문제점이 발견되었다[15].
이러한 문제점을 해결하기 위해 정육면체 모형의 각 면의 모 든 점들을 활용하고 해상도 문제를 줄일 수 있는 3차원 평면 맞춤(fitting)을 통해 평면을 검출하였다. 이렇게 하여 실제 평 면의 일부가 아닌 모든 좌표를 대표하는 평면을 검출할 수 있 었다.
4대의 키넥트에서 제공되는 4장의 깊이 영상을 정합하여 3 차원 입체 모델을 만들면 2 차원 정보만으로 3차원 공간을 재 구성해야 하기 때문에 부족한 정보로 인하여 평면 정보가 누락 된 영역이 발생한다. 부피를 계산하기 위해서는 이 영역을 보 완하여 입체의 내부와 외부의 경계를 구분해야 하며 본 연구에 서는 캐트멀-스트롬 보간기법을 원형 보간으로 수정하여 적용 하였다[21].
먼저 3차원 입체를 1 mm 간격으로 잘라 단면을 만들면 그 림처럼 내부와 외부가 완전하게 구분되지 않은 영상이 만들어 진다. 이 영상에 나타난 각 점을 영상의 중심을 기준으로 각의 크기 순서로 나열하였다. 각 정보가 중첩되는 점들이 발견될
경우 이들의 거리 평균을 새로운 평면을 구성하는 점으로 선정 했다. 이렇게 각도 순서로 나열된 점 리스트에 대해서 2 단계 원형 보간을 수행함으로써 비어 있는 각도 영역을 채워 폐곡선 으로 만들었다. 먼저 10 도 단위로 보간을 수행한 후에 1 도 단 위로 미세 샘플링 하여 다중 보간을 수행하였다. 그 결과 표면 의 중첩이나 누락이 발생한 경우에도 좀 더 부드러운 표면을 유지할 수 있었으며 부피 값도 보상이 되는 효과를 얻을 수 있 었다(그림 4).
결 과
제안한 방법의 실효성을 검증하기 위해 4대의 키넥트 센서 를 이용하여 사람의 팔을 3차원 재구성하고 부피를 측정하였 다(그림 5). 림프부종 환자의 부종 진행 상황을 검사하기 위한 방법으로 개발진행 하였으며 5% 이내의 정확도를 나타내는데 이는 의료용 CT를 이용하여 3차원 재구성하여 측정한 부피와 유사한 결과이다(표 2).
팔 부피를 10회의 측정한 결과 페로미터와 비교하여 매우 유 사한 결과를 보였으며 본 측정시스템이 부피가 작게 나타났다 (그림 6). 페로미터는 부피측정 시 적외선을 이용하여 3 mm 간격의 횡단면의 외곽선을 측정하는데 적외선의 간격이 크고 위와 옆에서 적외선을 조사하기 때문에 실제 부피보다 크게 측 정이 되는 경향이 있다. 페로미터보다 부피가 작게 측정이 되 는 것은 실제 부피에 더 가깝다고 할 수 있다.
완전한 입체의 표면 정보를 표시할 수 있도록 모든 면에 대 한 좌표정보를 확보하기 위하여 키넥트 센서 4대를 동시에 사 용하는 방법을 이용하였고 이는 측정 시간의 단축뿐만 아니라 영상 정합에 소요되는 과도한 계산 시간을 회피할 수 있었다.
기존 림프부종 측정 방법들이 둘레나 두께를 재어 근사적으로 부피를 추정하고 있는 것과는 달리 측정 대상의 표면 정보를
그림 4. 각도 중첩과 누락이 있는 경우2단계 샘플링을 통해 원형 보간 을 수행한 결과.
모두 이용하기 때문에 근사 오차가 발생하지 않으며 인체의 입 체적으로 복잡한 구조에도 불구하고 1분 이내로 CT와 유사한 수준의 정밀도를 갖는 부피 측정을 할 수 있었다.
또한 키넥트를 배치하고 팔을 거치하는데 용이한 키넥트 고 정 프레임을 제작하였다(그림 7). 평면 검출을 하기 위해 정육 면체 모형의 평면들을 검출한 뒤 이들의 교점을 계산함으로써 제어점을 얻는데 이를 위해서는 키넥트의 거리와 배치위치, 촬 영 각도 등이 매우 중요하다. 한번 만들어진 평면 검출의 변환 행렬은 다양한 사물에 대한 영상 획득과 3차원 재구성을 수행 할 수 있긴 하지만 키넥트의 위치가 변경되면 변환행렬을 다시 구해야만 하는 단점이 있는데 키넥트 고정 프레임을 사용한 결 과 견고하게 고정이 되어 효과적으로 변환 행렬을 구할 수 있 었으며 충격에도 흔들리지 않아 촬영이 용이했다. 사전실험을 통해 키넥트 센서는 피사체 약 1 m 거리(근거리 모드)에서 안 정적으로 동작함을 확인하였고 이를 근거로 4대의 키넥트들을 고정 프레임의 중앙으로부터 1 m 떨어지도록 배치하였다. 시 스템 설정 시간 또한 많은 단축이 가능했다. 키넥트 고정 프레 임이 없을 시에는 카메라 위치와 촬영각도 등 키넥트 설정 시 간이 30분 이상 걸렸지만 프레임 제작 후에는 5분 이내의 빠른 시간에 설정을 완료할 수 있었다.
토의 및 결론
본 연구를 통해 개발된 3차원 부피측정을 이용한 림프부종 측정시스템은 줄자 측정법이나 페로미터 측정법과 달리 팔의 부피를 팔 둘레의 길이를 이용하여 근사를 하는 것이 아니라 실제 팔 표면 전체를 3차원으로 표현한다. 3차원 입체를 구성 하는 1 mm3 크기의 단위부피(voxel)을 세는 방법을 통하여 입체의 부피를 계산해낸다. 또한 키넥트 고정 프레임을 이용하 여 측정 시 발생할 수 있는 흔들림에 의한 오차를 줄여 보다 안 정적인 데이터를 얻을 수 있었다.
개발된 시스템은 표면 정보를 모두 이용하기 때문에 인체의 입체적으로 복잡한 구조에도 불구하고 고속으로 CT와 유사한 수준의 정밀도를 갖는 부피 측정을 할 수 있었고 보다 정확한 림프부종 측정이 가능할 것이라 생각한다. 그리고 국소적인 림 프부종 변화를 시각적으로 쉽게 확인하도록 실제 환자의 피부
그림 5. 제안된 시스템을 사용하여 사람 팔에 대해서 적용한 모습.
그림 6. 페로미터 측정 결과와 개발된 시스템 팔 부피 측정결과 비교 (mL).
그림 7. 키넥트 고정 프레임 외형.
표 2. 세 가지 모형에 대한CT 부피 측정 비교 결과
Phantom Suggested CT (cm3) Difference (%) method (cm3)
Cylinder 4,065 4,168 2.47
Upper body 9,505 9,910 4.09
Upper limb 884 907 2.54
Volume
Number
perometer kinect
색을 그대로 표현할 수 있도록 깊이-컬러 영상 정합 방법을 이 용하는 연구가 진행 중이다.
그러나 개념적으로는 가장 정확하게 팔의 부피를 얻을 수 있 는 방법이지만 3차원 모델을 얻는 방법에 한계점이 아직 남아 있다. 키넥트를 비롯한 3D 스캐닝 방법들은 피사체에 미리 정 해진 광 패턴을 조사하고 이를 읽어내어 정보를 얻는데 여러 대의 장치에서 동시에 사용할 경우 서로간의 간섭이 발생하는 문제가 있다. 본 연구에서는 이 문제를 회피하기 위하여 네 대 의 키넥트가 광 패턴을 조사하는 타이밍을 달리하는 방법을 사 용하였다. 그로 인하여 2~3초 소요되며 이 때 피험자의 움직 임으로 인한 측정오차가 발생할 수 있어 촬영 시간을 줄일 수 있는 시스템 개선 연구가 필요하다. 또한 임상 연구를 수행하 여 본 시스템의 정확성을 확인하고 개선점을 확인하는 것이 필 요할 것으로 생각된다.
감사의 글
본 연구는 국립암센터 기관고유사업(1410560-1)으로 수행 되었습니다.
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=초 록=
림프부종(lymphedema)은 림프계의 손상으로 림프액 순환에 장애가 생겨 피하지방층에 림프액이 축적되는 상태이다. 림프부종 진단의 객관적인 지표로서 부피를 측정하는 방법이 사용되는데 기존의 방법들은 환자의 자 세나 검사자에 따라서 오차가 크게 발생하기 때문에 측정결과의 신뢰도가 낮으며, 국소적인 림프부종을 측정할 수 없었다. 본 연구에서는 3차원 깊이 영상을 제공하는 키넥트(Kinect) 센서를 이용하여 실시간으로 상지의 3차 원 입체 모델을 만들고 부피를 측정하는 시스템을 개발하였다. 4대의 키넥트를 이용하여 동시에 4장의 3차원 깊 이 영상을 얻고 개발된 알고리즘을 이용하여 3차원 입체모델을 만들었다. 부종의 부피는 입체의 내부를 구성하 는 단위부피(voxel) 들의 수를 합산하여 측정하였다. 측정결과 환자의 자세나 검사자에 무관하게 의료용 CT와 유사한 정확도로 상지의 부피를 측정하는 것이 가능하였다. 복잡한 상지의 입체적 구조에도 불구하고 1분이내의 고속으로 측정이 가능했다. 본 시스템은 정확하고 빠른 림프부종 진단이 가능하며 효율적인 비용으로 시스템을 구성할 수 있는 장점이 있다. 또한 잠재적으로 림프부종으로 인한 국소적인 부피 변화를 확인할 수 있는 시스템 이다.
