KR100952817B1 - 반자동 의료 영상 분할 방법 및 그 장치 - Google Patents

반자동 의료 영상 분할 방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영상의 원하는 영역 분할을 위한 사용자의 수작업을 최소화시키면서 오차의 수정 처리가 정밀하게 진행됨과 더불어 실시간 작업으로 고속 처리가 가능하도록 하는 반자동 의료 영상 분할 방법 및 그 장치를 제공한다.
이를 위해 본 발명은, 영상을 표시하기 위한 표시부와, 상기 표시부의 영상 위에 표시되는 포인터를 이동 조작하는 포인터 이동 조작부, 상기 표시부 상에서 표시된 영상에서 분할하고자 하는 영역의 윤곽 중 특정 범위를 선택하기 위한 분할 영역의 윤곽범위 선택 조작부를 구비하는 반자동 의료 영상 분할 장치에서의 반자동 의료 영상 분할 방법에 있어서, 상기 표시된 영상 중 분할하고자 하는 초기 영역을 설정하는 단계와, 상기 포인터 이동 조작부의 조작에 의한 포인터 위치에 따라 초기 영역의 윤곽에서 제어점을 설정하고, 그 제어점에 대해 가중치를 적용하여 상기 초기 영역 중 수정하고자 하는 윤곽 부분을 선택하는 단계, 상기 윤곽범위 선택 조작부의 사용자 조작에 따른 윤곽범위의 선택에 반응하여, 수정하고자 하는 영상의 윤곽 부분에 대해서 오차 수정을 위한 물리적 에너지 모델을 적용하여 정확한 윤곽 부분을 찾아 나가는 단계 및, 상기 물리적 에너지 모델의 적용에 의해 영상 영역의 정확한 윤곽 부분을 찾아서 수정하게 되면, 상기 수정된 영역을 최종적인 영상의 분할 영역으로 산출하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

반자동 의료 영상 분할 방법 및 그 장치 {Semi-automatic Medical Image Segmentation Method and Apparatus}
본 발명은 반자동 의료 영상 분할 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 영상 정보의 적용 용도에 따른 영역 분할에 대해 수작업을 최소화한 반자동 분할 기능을 통해 빠르고 정밀하게 진행할 수 있도록 하는 반자동 의료 영상 분할 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 영상 분할 기술은 종양과 질병의 검출, 혈관의 부피 측정, 컴퓨터의 도움을 받은 수술, 진단, 치료 계획, 해부학적 구조의 연구 등과 같은 의료 영상분야와, 위성 영상에서 도로, 숲 등과 같은 대상의 검출 등과 같은 지리 분야, 얼굴, 지문 등과 같은 생체 인식 분야, 법의학 분야, 과학 수사 분야, 정밀 계측 분야, 교량/건축물의 정밀 보수 분야 등과 같은 다양한 분야에서 컴퓨팅 기기를 이용하여 널리 응용하고 있다.
즉, 의료 분야의 경우에 치료, 수술 등의 의료 행위에 대한 계획 수립을 위한 정확한 치료, 수술 부위의 결정을 위해 인체의 특정 부위를 분할 측정하거나, 정밀 계측 분야의 경우에 계측하고자 하는 정확한 부위의 결정을 위해, 해당 영상 정보를 활용한 영상 분할 기술이 사용되고 있는 것이다.
컴퓨터 시각에서의 분할은 디지털 영상을 여러 개의 픽셀 집합으로 나누는 과정을 의미하고, 분할을 위한 주요 의도는 영상의 표현을 좀 더 의미있고 해석하기 쉬운 것으로 단순화하거나 변환하는 것으로서, 특히 영상에서 물체와 경계(선, 곡선 등)를 찾는데 사용된다.
종래의 영상 분할 방식은 사용자의 수작업에 크게 의존하는 반자동 방식으로 이루어져 있고, 이는 크게 두가지 방법으로 구분할 수 있다.
첫 번째 방법은 도 1a에 도시된 바와 같이, 영상의 영역 중에서 윤곽 부분의 특정 위치를 선택한 후에 그 선택된 특정 위치인 제어점을 사용자가 수작업을 통해 수정하고자 하는 위치로 이동시키는 방식으로 이루어져 있는데, 윤곽의 임의의 위치를 움직이게 되면 주변의 윤곽 부분이 분할 기법에 의하여 따라서 움직이도록 되어 있다는 특징을 가지고 있다. 일정 간격의 제어점들로 연결되어 구성되는 분할된 추출 영역은 분할하고자 하는 영상 정보의 윤곽 부분과 비교하여 오차가 발생하게 되는 바, 이러한 오차를 수정하기 위해서 사용자가 제어점을 선택하여 원하는 위치로 이동시킴으로써 오차 영역을 수정하도록 되어 있다.
그러나, 이 방식에서는 분할 영역을 연결하는 제어점들이 많을 수록 오차 부분에 대한 미세한 수정이 가능하지만 사용자의 수작업이 그에 비례하여 증가되고, 이와 반대로 제어점이 적은 경우에는 사용자의 수작업이 줄어들게 되지만 그만큼 영역 분할을 위한 정밀도가 떨어질 수 밖에 없다는 문제점이 있다.
두 번째 방법은 도 1b에 도시된 바와 같이, 영상의 특정 부위에서 사용자가 원하는 윤곽 부분을 따라서 수작업에 의해 직접 선을 그리면, 사용자가 그린 선을 기준으로 하여 최적의 값을 가지는 위치로 윤곽이 보정 되는 방식으로 이루어져 있다. 하지만 이 방법의 경우에는 사용자가 마우스 등의 입력 장치를 사용하여 원하는 경계 영역을 정확하게 그리는데 장시간이 소요될 뿐만 아니라, 상당한 정밀도를 요하는 숙련된 작업이기 때문에 작업성이 저하될 수 밖에 없다는 문제점이 있다.
더욱이, 상기한 두 가지 반자동 반자동 의료 영상 분할 방법은 공통적으로 사용자의 수작업에 의한 입력 위치에 대한 정보와 프로그램에 의해 자동으로 계산된 위치 정보 중에서 어느쪽의 정보를 더 신뢰성있는 정보로서 보존할지 결정하기 위하여, 각각의 영상 분할 작업 과정마다 가중치 파라메터를 일일이 조정해야 하는 불편함이 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 종래 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 영상의 원하는 영역 분할을 위한 사용자의 수작업을 최소화시키면서 오차의 수정 처리가 정밀하게 진행됨과 더불어 실시간 작업으로 고속 처리가 가능하도록 하는 반자동 의료 영상 분할 방법 및 그 장치를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 방법에 따르면, 영상을 표시하기 위한 표시부와, 상기 표시부의 영상 위에 표시되는 포인터를 이동 조작하는 포인터 이동 조작부, 상기 표시부 상에서 표시된 영상에서 분할하고자 하는 영역의 윤곽 중 특정 범위를 선택하기 위한 분할 영역의 윤곽범위 선택 조작부를 구비하는 반자동 의료 영상 분할 장치에서의 반자동 의료 영상 분할 방법에 있어서, 상기 표시된 영상 중 분할하고자 하는 초기 영역을 설정하는 단계와, 상기 포인터 이동 조작부의 조작에 의한 포인터 위치에 따라 초기 영역의 윤곽에서 제어점을 설정하고, 그 제어점에 대해 가중치를 적용하여 상기 초기 영역 중 수정하고자 하는 윤곽 부분을 선택하는 단계, 상기 윤곽범위 선택 조작부의 사용자 조작에 따른 윤곽범위의 선택에 반응하여, 수정하고자 하는 영상의 윤곽 부분에 대해서 오차 수정을 위한 물리적 에너지 모델을 적용하여 정확한 윤곽 부분을 찾아 나가는 단계 및, 상기 물리적 에너지 모델의 적용에 의해 영상 영역의 정확한 윤곽 부분을 찾아서 수정하게 되면, 상기 수정된 영역을 최종적인 영상의 분할 영역으로 산출하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반자동 의료 영상 분할 방법을 제공한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명의 장치에 따르면, 특정 영상에서 일정 영역을 분할하는 장치에 있어서, 영역을 분할하고자 하는 특정 영상을 입력하는 영상 입력 장치와, 상기 영상 위에 표시되는 포인터를 이동 조작하는 포인터 이동 조작부와, 상기 영상에서 분할하고자 하는 영역의 윤곽 중 특정 범위를 선택하기 위한 분할 영역의 윤곽범위 선택 조작부를 구비하는 사용자 입력부, 상기 특정 영상에 대해 분할하고자 하는 초기 영역이 설정되고서, 사용자 입력부의 사용자 조작에 따른 포인터 위치에 따라 제어점을 설정하고, 그 제어점을 근거로 수정하고자 하는 윤곽 부분을 추출하기 위한 수정 영역을 구획하는 영역 선택 계산부, 상기 영역 선택 계산부로부터의 제어점 및 수정 영역의 구획 정보에 대해 미리 설정된 가중치를 적용하여 수정하고자 하는 윤곽 부분을 선택하고, 상기 사용자 입력부의 사용자 조작에 따른 윤곽범위의 선택 입력에 반응하여, 수정하고자 하는 영상의 윤곽 부분에 대해서 물리적 에너지 모델을 적용하여 정확한 경계 부분을 찾는 작업을 거쳐서 최종적인 영상의 분할 영역을 산출하는 영역 조정부 및, 상기 수정하고자 하는 영상의 윤곽 부분의 선택 상태와 물리적 에너지 모델의 적용에 의해 영상이 수정되는 과정을 화면 표시하는 표시부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반자동 의료 영상 분할 장치를 제공한다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은, 특정 영상에서 일정 영역을 분할하고자 하는 경우에, 마우스의 휠 등을 이용하여 실시간으로 수정되는 영역을 직관적으로 확인하면서 윤곽 부분의 수정 정도를 조절 할 수 있도록 하고, 사용자의 실시간 작업에 근거한 고속 처리 알고리즘을 적용할 수 있도록 함에 따라, 영상에서 수정하고자 하는 영역을 직관적이면서 실시간으로 표현할 수 있게 됨과 더불어, 사용자의 입력을 최소화함과 동시에 영상 분할 영역의 수정 정밀도가 보다 향상될 수 있다는 효과를 갖게 된다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반자동 의료 영상 분할 방법 및 그 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
즉, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반자동 의료 영상 분할 장치의 블록 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반자동 의료 영상 분할 장치는, 영상 입력장치(100)와, 사용자 입력부(200), 프로그램 메모리(300), 데이터 메모리(400), 제어부(500), 표시부(600), 그래픽 처리부(700)로 구성된다.
상기 영상 입력장치(100)는 특정 분야에서 영상 분할을 위해 적용되는 영상 정보를 입력하기 위한 것으로서, 이는 본 발명의 반자동 의료 영상 분할 장치에 일체로 장착되어 소망하는 영상을 직접 촬영 및 입력받도록 하는 일체형 장치를 적용하거나, 본 발명의 반자동 의료 영상 분할 장치와는 별도로 이루어져서 미리 촬영 및 입력된 소망하는 영상 정보(예컨대 의료 분야의 경우에 CT(컴퓨터 단층 촬영) 영상)를 유선 또는 무선으로 제공하는 별도 장치(예컨대 CT 촬영 장치)를 적용하는 것도 가능하다.
상기 사용자 입력부(200)는 컴퓨팅 기기에 장착되는 마우스 장치로 이루어져서, 사용자의 조작에 의해 특정 영상에서 분할하고자 하는 초기 영역을 설정하거나, 분할 영역의 수정 작업을 위한 표시 화면 상의 마우스 포인터에 대한 위치좌표 정보를 입력하고, 분할 영역의 특정 범위에 대한 윤곽 수정을 위한 확장/축소 조작(예컨대, 마우스 휠의 상/하 조작)에 따른 윤곽범위 선택 정보를 입력하는 것으로서, 포인터의 위치를 이동 조작하기 위한 포인터 이동 조작부(210)와, 윤곽 수정을 위한 윤곽범위를 선택 입력하기 위한 윤곽범위 선택 조작부(220)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 사용자 입력부(200)는 마우스 장치로 이루어진 것으로 하고 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고 사용자의 보다 미세한 작업성을 고려하여 템 플릿(Template) 장치를 적용하는 것도 얼마든지 가능하다.
상기 프로그램 메모리(300)는 사용자의 수작업에 따라 분할하고자 하는 영역의 윤곽 부분을 계산하기 위한 영역 선택 계산 알고리즘을 갖춘 소프트웨어 프로그램과, 영상의 선택 영역의 윤곽 부분에 다양한 에너지 모델을 적용하여 분할 영역을 정확히 조정하는 영역 조정 알고리즘을 갖춘 소프트웨어 프로그램이 저장되어 있다.
상기 데이터 메모리(400)에는 상기 영상 입력장치(100)로부터 입력되는 특정 디지털 영상 데이터와, 영역 선택 및 영역 조정을 위한 계산처리 및 데이터 처리 상에서 발생되는 데이터를 임시 저장하게 된다.
여기서, 상기 프로그램 메모리(300) 및 데이터 메모리(400)는, 본 발명의 장치가 데스크탑 컴퓨터나 노트북 컴퓨터에 적용되는 경우에 일정 데이터 용량을 갖춘 하드디스크 드라이브로 이루어지고, 스마트 단말기나 UMPC(Ultra Mobile PC), PDA(Personal Digital Assistant), 이동통신 단말기 등과 같은 소형 정보 단말기에 적용되는 경우에는 반도체 메모리로 각각 이루어지는 것이 바람직하다.
상기 제어부(500)는 상기 영상 입력장치(100)로부터 특정 영상을 입력받아 상기 프로그램 메모리(300)로부터의 영역 선택 계산 알고리즘과 영역 조정 알고리즘을 갖춘 소프트웨어 프로그램을 구동하여, 해당 적용 용도에 따른 정확한 영역 분할을 위해, 상기 사용자 입력부(200)의 포인터 이동 조작부(210)로부터 입력되는 사용자의 수작업에 의한 위치좌표값에 따른 포인터 위치를 근거로 하여 수정하고자 하는 초기 영역 상의 윤곽 부분을 결정하고, 영상의 밝기 정보와 영역의 완만함 정 보, 제어점의 간격, 영역의 형태 정보, 이동 강도 정보를 감안하여 상기 사용자 입력부(200)의 윤곽범위 선택 조작부(220)로부터의 윤곽범위 선택 조작(예컨대, 마우스 장치의 휠 조작에 따른 움직임 조정)에 실시간으로 추종하는 정확한 분할 영역의 위치 조정을 위한 제어를 수행한다.
상기 표시부(600)는 상기 제어부(500)의 표시 제어하에 특정 영상의 영역 분할 작업 상태를 가시적으로 화면 표시한다.
상기 그래픽 처리부(700)는 상기 제어부(500)의 제어에 의해 상기 사용자 입력부(200)에 의해 입력된 화면 상의 포인터 위치값에 따라 그려지는 그래픽 캐릭터(즉, 그래픽 라인, 그래픽 포인트)와, 분할 영역의 윤곽에 대한 수정 계산에 따라 변화되는 영역의 그래픽 캐릭터를 상기 표시부(600)의 표시 화면 상에 표현하기 위한 구분적인 컬러 그래픽 처리를 수행한다.
그 다음에, 도 3은 도 1의 제어부에서 진행되는 영상 분할을 위한 영역 선택 및 수정 처리를 위한 상세 구성을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 반자동 의료 영상 분할 장치는 영역 선택 계산 알고리즘의 소프트웨어 프로그램에 의해 구동되는 영역 선택 계산부(510)와, 영역 조정 알고리즘의 소프트웨어 프로그램에 의해 구동되는 영역 조정부(520)를 포함하여 구성된다.
상기 영역 선택 계산부(510)는 인터페이스를 통해 분할하고자 하는 특정 영상 정보와, 자동 또는 수작업으로 분할되는 초기 영역 정보, 위치좌표값에 따른 포인터 위치 정보, 분할 영역의 윤곽 부분에 대한 범위를 확장/축소 조작하기 위한 윤곽범위 선택 정보를 입력받아서, 영상의 분할 영역에서 수정하고자 하는 윤곽 부분을 계산하는 것으로서, 이는 근접 영역 위치 설정부(512)와, 수정영역 구획부(514)를 포함한다.
여기서, 상기 초기 영역 정보는 통상의 자동 분할 알고리즘에 의해 자동적으로 생성된 것이거나, 상기 사용자 입력부(200)를 통해 사용자가 수작업으로 그려서 생성한 초기 정보에 해당된다.
상기 영역 선택 계산부(510)의 근접 영역 위치 설정부(512)는 상기 초기 영역 정보와 상기 사용자 입력부(200)의 포인터 이동 조작부(210) 조작에 의한 포인터 위치에 근거하여, 영상에서 근접하는 영역의 위치를 사용자의 작업에 대응하여 실시간으로 설정하기 위한 것이다.
상기 수정 영역 구획부(514)는 상기 근접 영역 위치 설정부(512)에 의해 설정된 근접 영역의 위치에서 상기 사용자 입력부(200)의 포인터 이동 조작부(210) 조작에 의한 포인터 위치 정보에 근거하여, 사용자의 조작 위치에 대해 실시간으로 수정이 필요한 영역을 계산하여 수정하고자 하는 위치를 구획화하기 위한 것이다.
도 3에서, 상기 영역 조정부(520)는 상기 영역 선택 계산부(510)로부터의 근접 영역 위치 및 수정 위치 구획 정보에 미리 설정된 가중치를 적용하여 수정하고자 하는 선택 영역의 윤곽 부분을 산출하고, 수정하고자 하는 영역에 대해 상기 사용자 입력부(200)의 윤곽범위 선택 조작부(220) 조작에 의한 특정 범위의 윤곽 수정을 위한 윤곽범위 선택 정보에 실시간으로 추종하면서 그 윤곽범위의 선택 조작을 근거로 물리적 에너지값을 적용함으로써 영상에서 분할 영역을 조정하여 정확한 영역의 범위를 결정하는 것으로서, 이는 가중치 커널 적용부(522)와, 균등 에너지 처리부(524), 완만함 에너지 처리부(526), 경계 에너지 처리부(528), 형태 에너지 처리부(530)를 포함하여 구성된다.
상기 가중치 커널 적용부(522)는 상기 영역 선택 계산부(510)로부터의 근접 영역 위치 및 수정 위치 구획 정보를 이용하여 수정하고자 하는 선택 영역의 윤곽 부분을 산출하기 위해 필요한 설정 요소로서 미리 설정된 가중치의 커널을 제공한다.
상기 가중치 커널은 영상의 미분값으로 표현되는 것으로서, 영상의 미분값은 영상의 밝기 변화를 의미하는 기울기값이다. 이는 잡음 성분으로 인하여 기울기값에 오차가 존재하기 때문에 가우시안 필터를 적용한 후 기울기값을 계산한다. 이러한 과정은 하기한 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112008082404145-pat00001
여기서, 상기 "G"는 가우시안 함수이고, "I"는 영상의 밝기값 정보이며, x,y는 포인터 위치이다.
한편, 통상적으로 사용자의 수작업에 의존한 영상의 영역 분할 작업은 도 4에 예시된 바와 같이, 의료 분야에서 폐 종양 영상의 종양 영역을 수작업으로 분할해야 하는 경우에, 사용자의 마우스 조작에 의한 수작업에 의해 영상에서 종양 영역을 정확하게 분할하여 그리기가 극히 어렵도록 되어 있기 때문에 분할 알고리즘을 이용한 자동 분할 처리가 필요하고, 자동 분할 처리도 영상의 모든 영역을 완전 히 정확히 분할하기가 어렵도록 되어 있어서, 자동 분할 결과를 이용하여 사용자의 수작업과 그 수작업을 근거로 한 계산 처리에 의해 후 보정 작업을 진행해야 한다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 상기 근접 영역 위치 설정부(512)에서 상기 사용자 입력부(200)의 조작에 의해 마우스 포인터의 위치(도면에서 빨간색 점)가 실시간으로 설정되어 화면 표시되면, 영상에 초기 영역 정보에 의해 그려진 초기 영역의 윤곽에 대한 그래픽 라인(도면에서 초록색 라인)이 표시되어 있는 상태에서, 상기 수정 영역 구획부(514)에서 상기 사용자 입력부(200)의 입력에 의해 설정된 포인터의 위치를 근거로 하여 초기 영역에서 수정하고자 하는 위치를 계산하게 되면, 상기 영역 조정부(520)의 가중치 커널 적용부(522)로부터의 가중치를 적용하여 초기 영역으로부터 수정하고자 하는 선택 영역의 윤곽 부분(즉, 도면에서 빨간색 그래픽 라인)을 산출하게 된다.
여기서, 상기 수정하고자 하는 영역의 윤곽 부분 산출은, 도 6a에 도시된 바와 같이 영상의 영역 경계가 비교적 간단한 경우에, 영상의 초기 영역 경계 부분을 따라 표시할 수 있는 다수의 경계점들 중에서 상기 마우스 포인터의 위치와 가장 근접한 제어점(즉, 근접하는 영역 위치)이 선택되면, 상기 가장 근접한 제어점을 기준으로 하여 상기 마우스 포인터 위치로부터 제어점까지의 거리(d)와 미리 설정된 가중치를 승산(즉, 가중치×거리(d))하여 수정하고자 하는 선택 영역의 윤곽 부분을 산출하게 된다.
또한, 도 6b에 도시된 바와 같이 영상의 영역 경계가 복잡한 경우에는, 기준이 되는 제어점으로서 설정하기 어려운 영역이 발생하게 되는데, 상기 영역선택 계 산부(510)에서는 초기 영역의 윤곽 경계 중에서 상기 마우스 포인터 위치와 미리 설정된 소정 범위 내에서 가까운 복수의 후보 제어점들을 각각 선택하여 추출한 다음에, 그 후보 제어점들의 각 위치를 평균화하여 후보 제어점의 중심을 기준 제어점으로 설정하게 되고, 상기 영역 조정부(520)에서는 상기 기준 제어점을 중심으로 하여 마우스 포인터 위치로부터 각 후보 제어점까지의 평균 거리(E(d))와 미리 설정된 가중치를 승산(즉, 가중치×평균 거리(E(d)))하여 수정하고자 하는 선택 영역의 윤곽 부분을 산출하게 된다.
여기서, 본 발명에서는 상기 선택 영역을 산출할 때 윤곽 부분의 수정을 위한 설정 요소로서 미리 설정할 수 있는 가중치만을 적용하도록 되어 있지만, 이에 한정되지 않고 사용자의 사용자 입력부(200)를 통한 사용자 조작에 의해 초기 영역의 윤곽에서 시작점 및 끝점을 직접 지정할 수 있도록 하는 것을 가중치로 간주함에 의해, 지정된 시작점 및 끝점을 근거로 하여 선택 영역을 산출하도록 하는 것도 얼마든지 가능하다.
도 3에서, 상기 영역 조정부(520)의 균등 에너지 처리부(524)와, 완만함 에너지 처리부(526), 경계 에너지 처리부(528), 형태 에너지 처리부(530)는 영상의 경계가 분명하지 않고 완만한 밝기값을 갖게 되어 분할 영역에 대한 임계값을 정확하게 정할 수 없게 되어 발생되는 오차를 수정하기 위한 것으로서, 이는 상기 사용자 입력부(200)의 윤곽범위 선택 조작부(220) 조작에 의한 윤곽범위 선택 정보(예컨대, 마우스 장치의 휠 버튼을 상/하로 조정함에 의해 발생되는 범위 조작값)에 실시간으로 추종하여 에너지 모델을 계산함에 의해 최적의 위치를 찾아서 분할 영 역을 조정할 수 있도록 한다.
예컨대, 상기 사용자 입력부(200)의 윤곽범위 선택 조작부(220) 조작 즉, 마우스 장치의 휠 버튼을 상측 또는 하측으로 선택적으로 조작하게 되면, 상기 표시부(600)의 화면 상에 선택 영역의 윤곽 부분에 대응하는 그래픽 라인이 풍선이 부풀거나 바람이 빠지는 것처럼 확대 또는 축소 표시되고, 그 확대 또는 축소되는 영역의 윤곽 범위에 대해 실시간으로 추종하는 과정에서 에너지 모델의 계산 결과로 최적의 위치를 찾게 되면 상기 선택 영역의 윤곽 부분에 대한 그래픽 라인이 자동으로 최적의 위치로 달라붙게 표시될 수 있도록 하는 것이다.
상기 영역 조정부(520)에서 선택 영역의 윤곽 부분을 최적의 위치로 수렴하기 위하여 적용되는 균등 에너지와, 완만함 에너지, 경계 에너지, 형태 에너지의 조합에 의한 영역 에너지 모델은 하기한 수학식 2와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112008082404145-pat00002
상기 균등 에너지 처리부(524)는 영상 영역의 윤곽을 제어하는 제어점의 간격을 균등하게 하여 제어점이 에너지가 큰 쪽으로 밀집되는 현상을 방지하기 위해 균등 에너지를 적용한다.
상기 균등 에너지는 영상 분할 영역 상의 모든 제어점들의 간격을 균등하게 하여 모든 제어점의 평균 간격과 각 제어점이 이웃하는 제어점과의 거리 차이를 최소한으로 줄일 수 있도록 하는 것으로서, 예를 들어 설명하면 풍선에 점들을 일정 간격으로 찍어두고 바람을 불어넣어 커지게 되면, 각 점들의 간격은 서로 멀어지지만 점들간의 간격 비율은 변화하지 않는 것과 같은 원리이다.
따라서, 상기 특징을 이용하여 제어점들의 평균 간격대비 최소 오차를 계산하는 함수를 균등 에너지로 정의하게 되는 바, 이는 수학식 3에 나타난 바와 같다.
Figure 112008082404145-pat00003
단, 상기 "pi"는 현재의 제어점이고, "pi+1" 및 "pi-1"는 현재 제어점으로부터 인접하는 전측 및 후측의 제어점이며, Dis(pi)는 pi와 이웃하는 제어점과의 거리이고, ω는 가중치이며, "E()"는 각 제어점들간의 평균 간격을 의미한다.
또한, 상기 완만함 에너지 처리부(526)는 영상의 잡음 성분에 의하여 발생되는 분할 영역의 윤곽 부분에 대한 지그재그 현상을 방지하기 위해 완만함 에너지를 적용하는 것으로서, 지그재그 현상이 크다는 것은 각 제어점 간의 각도가 작다는 것을 의미하므로, 상기 완만함 에너지를 적용함에 의해 분할 영역에서 서로 인접하는 제어점들간의 각도를 증가시켜서 지그재그 현상을 최소화하도록 하는 것이다.
즉, 상기 완만함 에너지가 적용되는 않은 경우에는, 도 8a에 도시된 바와 같이 지그재그 현상이 커지게 되어 부정확한 분할 영역을 형성하게 되지만, 도 8b에 도시된 바와 같이 상기 완만함 에너지를 증가시키게 되면 지그재그 현상이 최소화되어 분할 영역이 완만하게 형성될 수 있다.
상기 완만함 에너지에 대한 관계식은 하기한 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112008082404145-pat00004
상기 경계 에너지 처리부(528)는 영상의 분할 영역 상의 각 제어점이 영상의 경계에 위치하도록 하기 위해 경계 에너지를 적용하게 되는데, 상기 경계 에너지는 각 제어점들이 영상의 기울기 값이 큰 쪽으로 수렴하도록 하기 위하여 기울기값 정보를 이용하게 된다.
이를 위해, 상기 경계 에너지에 대한 관계식은 하기한 수학식 5와 같이 정의할 수 있다.
Figure 112008082404145-pat00005
여기서, "w(x,y)"는 가중치 커널의 x,y좌표의 값이고, Min(w)는 가중치 커널의 최소값이고, Max(w)는 가중치 커널의 최대값이다.
즉, 경계 에너지가 크다는 것은 가중치 커널 값이 크다는 것을 의미하고 이 값은 가중치 커널 값의 분포 정도 (Max(w)-Min(w))에 반비례하게 설정하여, 상기 수학식 5와 같이 경계 에너지를 주변의 경계 정보와의 변화율을 가지는 특성을 갖게 된다.
또한, 상기 형태 에너지 처리부(530)는 영상의 분할 영역 중에서 경계 에너지가 강하게 적용되어 왜곡이 발생되는 것을 방지하여 영역의 초기 형태를 보존하기 위해 형태 에너지를 적용한다.
즉, 도 8a에 도시된 영상의 초기 영역에서 상기 경계 에너지를 적용하게 되면서 도 8b에 도시된 바와 같이, 주변에 강한 에너지를 가지는 영역이 있게 되어 경계 에너지를 통해 수정하고자 하는 영역의 윤곽 부분이 이러한 강한 에너지를 가지는 영역으로 왜곡 수렴하는 문제가 발생 할 수 있는데, 도 8c에 도시된 바와 같이 초기 형태를 고려하여 형태 에너지를 적용함에 의해 왜곡 수렴의 문제를 방지할 수 있게 된다.
상기 형태 에너지는 영상의 에너지값이 초기의 형태와 유사한 형태를 가질수록 큰 에너지를 갖도록 하는 것으로서, 이를 위한 관계식은 하기한 수학식 6과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112008082404145-pat00006
여기서, "p"는 영역의 한 제어점이고, "F"는 사용자 입력부(200)의 윤곽범위 선택 정보 입력(즉, 마우스 휠의 조작 입력)으로 결정되는 힘 가중치이며, "Hann()"은 하닝 윈도우 함수(Hanning Window Function)이고, "υ"는 제어점의 이동 벡터이며, "i"는 제어점의 각 번호이고, "N"은 제어점의 수를 의미한다.
상기 수학식 6에서는 사용자의 조작에 의한 힘(즉, 상기 사용자 입력부(200) 의 윤곽범위 선택 조작부(220) 조작에 의한 윤곽범위 선택 정보의 입력으로 결정되는 힘)에 의해 이동된 위치와 제어점이 근접할수록 형태 에너지가 커질 수 있도록 하고, 제어점으로부터 멀어질수록 형태 에너지가 작아지도록 하여 원래의 형태로 복원될 수 있도록 하는 것이다.
이어, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 반자동 의료 영상 분할 방법에 대해 도 9a 내지 도 9f의 도면에서 의료 분야의 폐 종양 영상에 적용하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 9a에 도시된 바와 같이 폐 종양 영상에 대한 초기 영역 정보에서는 폐 종양의 우측 하부 방향에 있는 혈관이 인접해 있음에 따라 인접하는 혈관까지 영역이 분할되어 표시되고, 영상의 좌측 부분에는 폐벽으로 인해 초기 영역에 오차가 발생한다.
그 상태에서, 도 9b에 도시된 바와 같이, 상기 영역 선택 계산부(510)에서는 인접한 혈관으로 인해서 발생하는 초기 영역 정보의 오차를 수정하기 위해 상기 사용자 입력부(200)의 포인터 이동 조작부(210)로부터 사용자의 조작에 의해 입력되는 포인터 위치 정보를 근거로 하여 수정할 영역의 윤곽 부분을 선택하게 된다.
그 다음에, 도 9c에 도시된 바와 같이, 상기 영역 조정부(520)는 상기 사용자 입력부(200)의 윤곽범위 선택 조작부(220)로부터 사용자의 조작에 의해 입력되는 윤곽범위 선택 정보(즉, 마우스 장치의 휠 조작 정보)를 근거로 하여 가중치의 적용과 더불어, 균등 에너지와, 완만한 에너지, 경계 에너지, 형태 에너지의 물리 에너지 모델이 적용되어 분할 영역의 윤곽 부분에 대한 수정을 진행함에 따라, 인 접 혈관으로 인한 오차 부분이 수정될 수 있게 된다.
또한, 도 9d에 도시된 바와 같이, 폐벽으로 인해 발생된 분할 영역의 오차를 수정하기 위해 상기 사용자 입력부(200)의 사용자 조작에 의해 포인터 위치가 설정되면, 상기 영역 선택 계산부(510)에서는 상기 포인터 위치를 근거로 하여 영역의 윤곽을 실시간으로 계산하여 수정할 윤곽 부분을 선택하게 된다.
한편, 도 9e에 도시된 바와 같이, 상기 영역 조정부(520)에서는 상기 사용자 입력부(200)로부터 입력되는 윤곽범위 선택에 따른 수작업에 의한 영역의 범위 조정 상태에서, 상기 가중치와, 균등 에너지, 완만함 에너지, 경계 에너지, 형태 에너지를 적용하여 정확한 영역의 윤곽 부분을 찾게 되고, 도 9f에 도시된 바와 같이 최종적으로 정확한 영역의 윤곽 부분을 찾게 되면 해당 선택 영역의 그래픽 라인이 자동으로 최적의 위치로 달라붙도록 화면 표시된다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에서는 영상의 윤곽 부분에 대한 밝기값이 불분명하게 나타나 있는 경우에도 분할 영역의 정확한 윤곽 수정이 가능하도록 되어 있는 바, 도 10에 도시된 바와 같이 영상의 밝기값이 모호한 종양의 경우에 초기 영역의 정보가 실제 종양의 크기보다 더 크게 분할되어 나타나게 된다. 이러한 경우에는 영상 경계의 모든 영역을 선택하여 수정하게 되는데, 사용자의 포인터 이동 조작 및 윤곽범위 선택 조작(즉, 마우스 장치의 휠 조작)으로 단계적으로 영역이 변화되어 최적의 에너지를 갖는 영역으로 수렴해 갈 수 있게 된다.
상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명이 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같 은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
도 1a 및 도 1b는 종래의 반자동 영상 분할 방식을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반자동 의료 영상 분할 장치의 블록 구성도,
도 3은 도 1의 제어부에서 진행되는 영상 분할을 위한 영역 선택 및 수정 처리를 위한 상세 구성을 나타낸 도면,
도 4는 폐 종양 영상에서 종양의 영역을 수작업으로 분할한 결과를 예시적으로 보여주는 도면,
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 영상의 선택된 일부 영역을 수정하는 작업을 예시적으로 나타낸 도면,
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 마우스의 포인터 위치에 따라 제어점을 선택하여 분할 영역의 수정하고자 하는 윤곽 부분을 결정하는 방식을 나타낸 도면,
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 마우스의 포인터 조작에 의해 선택되어 계산된 분할 영역에 대해 형태 에너지가 적용되어 분할 영역이 수정되는 과정을 예시적으로 나타낸 도면,
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 마우스의 포인터 조작에 의해 선택되어 계산된 분할 영역에 대해 완만함 에너지가 적용되어 분할 영역이 수정되는 과정을 예시적으로 나타낸 도면,
도 9a 내지 도 9f는 본 발명에 따른 반자동 영상 분할 기능을 통해 영상의 분할 영역에 대한 오차가 수정되는 전체적인 과정을 예시적으로 보여주는 도면,
도 10은 본 발명에 따른 반자동 영상 분할 기능을 이용하여 밝기값이 모호하여 오차 범위가 큰 영상의 분할 영역에 대한 오차가 수정되는 과정을 예시적으로 보여주는 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100:영상 입력장치, 200:사용자 입력부,
300:프로그램 메모리, 400:데이터 메모리,
500:제어부, 510:영역 선택 계산부,
512:근접영역 위치 설정부, 514:수정영역 구획부,
520:영역 조정부, 522:가중치 커널 적용부,
524:균등 에너지 처리부, 526:완만함 에너지 처리부,
528:경계 에너지 처리부, 530:형태 에너지 처리부,
600:표시부, 700:그래픽 처리부.

Claims (12)

  1. 영상을 표시하기 위한 표시부와, 상기 표시부의 영상 위에 표시되는 포인터를 이동 조작하는 포인터 이동 조작부, 상기 표시부 상에서 표시된 영상에서 분할하고자 하는 영역의 윤곽 중 특정 범위를 선택하기 위한 분할 영역의 윤곽범위 선택 조작부를 구비하는 반자동 의료 영상 분할 장치에서의 반자동 의료 영상 분할 방법에 있어서,
    상기 표시된 영상 중 분할하고자 하는 초기 영역을 설정하는 제1단계와;
    상기 포인터 이동 조작부의 조작에 의한 포인터 위치에 따라 초기 영역의 윤곽에서 제어점을 설정하고, 그 제어점에 대해 가중치를 적용하여 상기 초기 영역 중 수정하고자 하는 윤곽 부분을 선택하는 제2단계;
    상기 윤곽범위 선택 조작부의 사용자 조작에 따른 윤곽범위의 선택에 반응하여, 수정하고자 하는 영상의 윤곽 부분에 대해서 오차 수정을 위한 물리적 에너지 모델을 적용하여 윤곽 부분을 찾아 나가는 제3단계; 및
    상기 물리적 에너지 모델의 적용에 의해 영상 영역의 윤곽 부분을 찾아서 수정하게 되면, 상기 수정된 영역을 최종적인 영상의 분할 영역으로 산출하는 제4단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반자동 의료 영상 분할 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1단계에서, 상기 초기 영역은 자동 분할 알고리즘에 따라 초기에 설 정되는 분할 영역과, 상기 사용자의 수작업으로 그려지는 영역 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반자동 의료 영상 분할 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2단계는, 상기 초기 영역의 윤곽 중에서 상기 포인터의 위치와 가장 근접한 영역의 한 점을 수정의 기준이 되는 제어점으로 결정하는 단계와,
    상기 제어점으로부터 포인터까지의 거리와,
    Figure 112009080545623-pat00007
    (단, 상기 "G"는 가우시안 함수, "I"는 영상의 밝기값 정보, x,y는 포인터 위치)
    의 수학식이 적용되어 영상 밝기 변화의 기울기값이 계산되는 상기 가중치를 승산하여 수정하고자 하는 윤곽 부분을 선택하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반자동 의료 영상 분할 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2단계는, 상기 초기 영역의 윤곽 중에서 상기 포인터 위치와 미리 설정된 범위 내에서 근접하는 복수의 후보 제어점을 각각 추출하는 단계와,
    상기 복수의 후보 제어점들의 위치를 평균화하여 중심 위치를 결정하고, 그 중심 위치를 기준 제어점으로 결정하는 단계 및,
    상기 복수의 후보 제어점들로부터 포인터 위치까지의 평균 거리와,
    Figure 112009080545623-pat00008
    (단, 상기 "G"는 가우시안 함수, "I"는 영상의 밝기값 정보, x,y는 포인터 위치)
    의 수학식이 적용되어 영상 밝기 변화의 기울기값이 계산되는 상기 가중치를 승산하여 상기 기준 제어점을 중심으로 수정하고자 하는 윤곽 부분을 선택하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 반자동 의료 영상 분할 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제3단계에서, 상기 가중치는 미리 설정된 가중치의 커널과, 사용자의 조작에 의해 지정되는 시작점 및 끝점의 정보 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반자동 의료 영상 분할 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제3단계에서, 상기 에너지 모델은 영상 영역의 윤곽에 설정되는 제어점의 간격을 균등하게 하여 제어점이 에너지가 큰 쪽으로 밀집되는 현상을 방지하기 위한 균등 에너지와, 영상의 잡음 성분에 의하여 발생되는 분할 영역의 윤곽 부분에 대한 지그재그 현상을 방지하기 위한 완만함 에너지, 영상의 분할 영역 상의 각 제어점이 영상의 경계에 위치하도록 하기 위한 경계 에너지, 영상의 분할 영역의 윤곽 부분 중에서 경계 에너지가 강하게 적용되어 왜곡이 발생되는 것을 방지하는 형태 에너지 중에서 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 반자동 의료 영상 분 할 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 균등 에너지는,
    Figure 112009080545623-pat00009
    (단, 상기 "pi"는 현재의 제어점, "pi+1" 및 "pi-1"는 현재 제어점으로부터 인접하는 전측 및 후측의 제어점, Dis(pi)는 pi와 이웃하는 제어점과의 거리, ω는 가중치,"E()"는 각 제어점들간의 평균 간격)
    의 수학식에 따라 적용되는 것을 특징으로 하는 반자동 의료 영상 분할 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 완만함 에너지는,
    Figure 112008082404145-pat00010
    (단, 상기 "pi"는 현재의 제어점, "pi+1" 및 "pi-1"는 현재 제어점으로부터 인접하는 전측 및 후측의 제어점)
    의 수학식에 따라 적용되는 것을 특징으로 하는 반자동 의료 영상 분할 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 경계 에너지는,
    Figure 112008082404145-pat00011
    (단, "w(x,y)"는 가중치 커널의 x,y좌표의 값, Min(w)는 가중치 커널의 최소값, Max(w)는 가중치 커널의 최대값)
    의 수학식에 따라 적용되는 것을 특징으로 하는 반자동 의료 영상 분할 방법.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 형태 에너지는,
    Figure 112008082404145-pat00012
    (단, "p"는 영역의 한 제어점, "F"는 윤곽범위 선택 조작부의 윤곽범위 선택 입력으로 결정되는 힘 가중치, "Hann()"은 하닝 윈도우 함수(Hanning Window Function), "υ"는 제어점의 이동 벡터, "i"는 제어점의 각 번호, "N"은 제어점의 수)
    의 수학식에 따라 적용되는 것을 특징으로 하는 반자동 의료 영상 분할 방법.
  11. 특정 영상에서 일정 영역을 분할하는 장치에 있어서,
    영역을 분할하고자 하는 특정 영상을 입력하는 영상 입력 장치와;
    상기 영상 위에 표시되는 포인터를 이동 조작하는 포인터 이동 조작부와, 상기 영상에서 분할하고자 하는 영역의 윤곽 중 특정 범위를 선택하기 위한 분할 영역의 윤곽범위 선택 조작부를 구비하는 사용자 입력부;
    상기 특정 영상에 대해 분할하고자 하는 초기 영역이 설정되고서, 사용자 입력부의 사용자 조작에 따른 포인터 위치에 따라 제어점을 설정하고, 그 제어점을 근거로 수정하고자 하는 윤곽 부분을 추출하기 위한 수정 영역을 구획하는 영역 선택 계산부;
    상기 영역 선택 계산부로부터의 제어점 및 수정 영역의 구획 정보에 대해 미리 설정된 가중치를 적용하여 수정하고자 하는 윤곽 부분을 선택하고, 상기 사용자 입력부의 사용자 조작에 따른 윤곽범위의 선택 입력에 반응하여, 수정하고자 하는 영상의 윤곽 부분에 대해서 물리적 에너지 모델을 적용하여 경계 부분을 찾는 작업을 거쳐서 최종적인 영상의 분할 영역을 산출하는 영역 조정부; 및
    상기 수정하고자 하는 영상의 윤곽 부분의 선택 상태와 물리적 에너지 모델의 적용에 의해 영상이 수정되는 과정을 화면 표시하는 표시부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반자동 의료 영상 분할 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 영역 조정부는, 영상 영역의 윤곽에 설정되는 제어점의 간격을 균등하게 하여 제어점이 에너지가 큰 쪽으로 밀집되는 현상을 방지하기 위해 균등 에너지 를 적용하는 균등 에너지 처리부와, 영상의 잡음 성분에 의하여 발생되는 분할 영역의 윤곽 부분에 대한 지그재그 현상을 방지하기 위해 완만함 에너지를 적용하는 완만함 에너지 처리부, 영상의 분할 영역 상의 각 제어점이 영상의 경계에 위치하도록 하기 위해 경계 에너지를 적용하는 경계 에너지 처리부, 영상의 분할 영역의 윤곽 부분 중에서 경계 에너지가 강하게 적용되어 왜곡이 발생되는 것을 방지하도록 형태 에너지를 적용하는 형태 에너지 처리부 중에서 적어도 어느 하나를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반자동 의료 영상 분할 장치.
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