KR101144579B1 - Apparatus and method for nonrigid lung registration between end-exhale and end-inhale computed tomography scan - Google Patents

Apparatus and method for nonrigid lung registration between end-exhale and end-inhale computed tomography scan Download PDF

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Abstract

본 발명은 호기와 흡기에 각각 촬영된 흉부의 컴퓨터 단층촬영(Computed Tomography, CT) 영상을 정합(registration)하는 방법을 제공한다. 본 발명의 영상 정합 방법에 따르면 호기 영상과 흡기 영상에 대한 강체 변환(rigid body transformation) 또는 어파인 변환(affine transformation)을 일차적으로 수행하고, 이차적으로 호기 영상(end-exhale) 및 흡기 영상(end-inhale)의 각 셀의 기울기에 따라 경계면을 비강체 정합(non-rigid body registration)하는 2단계 정합 과정이 개시된다.The present invention provides a method for registration of a computed tomography (CT) image of a chest taken respectively on an exhalation and an inspiration. According to the image matching method of the present invention, a rigid body transformation or an affine transformation is firstly performed on an exhalation image and an inspiration image, and an end-exhale and an intake image step registration process in which non-rigid body registration is performed according to the slope of each cell of the cell.

본 발명의 정합 방법에서 2단계인 비강체 정합 과정에서는 정합 과정의 가속 및 계산 량의 감소를 위하여 활성 셀(active cell)과 비활성 셀(inactive cell)을 분리하고, 활성 셀에 대하여 비강체 정합 과정을 수행할 수 있다.In the matching method of the present invention, in the non-rigid matching process of the second step, an active cell and an inactive cell are separated from each other in order to accelerate the matching process and reduce the calculation amount, Can be performed.

컴퓨터 단층촬영 영상, 강체 정합, 비강체 정합, 활성 셀, 활성-셀 Computed tomography, Rigid body matching, Non - rigid body matching, Active cell, Active - cell

Description

호기 및 흡기 컴퓨터 단층촬영 영상의 비강체 폐 영상 정합 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR NONRIGID LUNG REGISTRATION BETWEEN END-EXHALE AND END-INHALE COMPUTED TOMOGRAPHY SCAN}[0001] APPARATUS AND METHOD FOR NONRIGID LUNG REGISTRATION BETWEEN END-EXHALE AND END-INHALE COMPUTED TOMOGRAPHY SCAN [0002]

본 발명은 호기와 흡기에 각각 컴퓨터 단층촬영 (Computed Tomography, CT)에 의하여 얻어지는 흉부 CT 영상 간의 폐 영상 정합을 수행하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for performing lung image matching between thoracic CT images obtained by computed tomography (CT) at the expiration and inspiration, respectively.

폐암은 세계에서 가장 빈도가 높은 암이고 연간 130만 명 이상을 사망케 하는 치명적인 질병이다. 우리나라에서 폐암에 의한 사망자는 2002년 12000명을 넘어섰으며 폐암에 의한 사망률도 가장 높은 것으로 나타났다. 폐결절은 흉부방사선 영상에서 흔히 발견되며 염증성 육아종, 양성 종양, 악성 종양(폐암)등의 임상적 형태를 가진다. 따라서 폐결절의 단순 발견뿐만 아니라 폐결절의 양성/악성 여부를 판별하는 것이 폐암 조기 진단 및 신속한 치료에 매우 중요하다.Lung cancer is the most common cancer in the world and is a fatal disease that kills more than 1.3 million people annually. The number of deaths from lung cancer in Korea surpassed 12,000 in 2002, and mortality from lung cancer was the highest. Pulmonary nodules are commonly found on chest radiography and have clinical forms such as inflammatory granuloma, benign tumors, and malignant tumors (lung cancer). Therefore, it is very important to determine whether the pulmonary nodule is benign / malignant as well as the simple detection of pulmonary nodule in the early diagnosis and rapid treatment of lung cancer.

폐결절의 양성/악성을 판별하는 것은 숙련된 전문가에게도 어려운 일이며, 컴퓨터 단층촬영 (CT: computed tomography)영상을 이용할 경우에도 판별 정확도가 2/3정도라고 알려져 있다. 실제 의료 현장에서는, 이러한 이유로 폐결절의 양성/악성 최종판별을 위하여 생체의 직접적인 검증에 많이 의존하는 형편이다.It is known that discrimination of pulmonary nodule positivity / malignancy is difficult for a skilled expert, and the accuracy of discrimination is known to be about 2/3 even when computed tomography (CT) images are used. In the actual medical field, for this reason, it relies heavily on direct verification of the living body for the positive / malignant final discrimination of pulmonary nodules.

한편, 환자는 살아 있는 한 호흡을 계속 하게 되므로 환자의 호흡 상태에 따라서 폐의 부피 및 형태가 변화한다. 호기 또는 흡기, 즉 서로 다른 호흡 상태에서 얻어진 폐 조직 주변 영역의 영상 간 폐 정합은 치료 계획 수립 (treatment planning), 폐쇄성 폐질환의 정량적 평가, 폐 움직임 분석 등의 임상적인 응용을 위하여 필수적이다.On the other hand, as the patient continues to breathe alive, the volume and shape of the lung changes according to the patient's breathing state. Pulmonary maturation of the lungs around the pulmonary tissues in the expiratory or inspiratory, ie, different respiratory tracts, is essential for clinical applications such as treatment planning, quantitative assessment of obstructive pulmonary disease, and pulmonary motion analysis.

특히 호흡에 따른 폐의 변형은 통상적인 강체 정합 (rigid body registration), 또는 어파인 정합 (affine registration)으로는 보정하기 어렵고 보정을 위해서는 비강체 정합 과정을 거쳐야 한다. 강체 정합 또는 어파인 정합은 폐 조직의 이동 변이 (translation mismatch) 나 전역적 확장 (global expansion)을 보정하는 데 이용되나 호흡에 따른 폐의 국지적 변형을 보정할 만큼의 충분한 자유도 (degree of freedom)를 가지고 있지는 못하기 때문이다.In particular, lung deformation due to respiration is difficult to correct with conventional rigid body registration or affine registration, and calibration requires non-rigid body matching. Rigid or affine matching is used to correct for translational mismatch or global expansion of the lung tissue, but enough degrees of freedom to compensate for the local deformation of the lung due to breathing. Because they can not have.

비강체 정합의 한 예로는 CT 영상의 모든 픽셀로부터 조밀한 변위 벡터 (displacement vector)를 계산하여 각 픽셀을 정합하는 방법이 제안된 바 있다. 그러나 이러한 방법은 CT 영상의 해상도가 높은 경우에는 처리해야 할 데이터의 양이 너무도 방대하여 정합 과정에 필요한 계산량이 너무 크고 수행 시간이 길어지는 문제점이 있다.As an example of non-rigid body matching, a method of calculating a dense displacement vector from all the pixels of a CT image and matching each pixel has been proposed. However, this method has a problem that the amount of data to be processed is too large when the resolution of the CT image is high, so that the amount of calculation required for the matching process is too large and the execution time is long.

문헌[M. M. Coselmon, J. M. Balter, D. L. McShan and M. L. Kessler, "Mutual information based CT registration of the lung at exhale and inhale breathing states using thin-plate splines," Med. Phys. Vol. 31, pp. 2942-2948, 2004.]에서 Coselmon 등은 다른 호흡 상태에서 얻어진 CT 영상 간 폐 조직의 비강체 정합을 위한 방법을 제안하였다. 이에 따르면 수동으로 검출된 30 개의 제어점 쌍을 이용하여 두 영상 간 상호 정보량 (mutual information)이 최대가 되도록 씬-플레이트 스플라인 와핑 (thin-plate spline warping)을 수행하였다.[M. M. Coselmon, J. M. Balter, D. L. McShan, and M. L. Kessler, "Mutual information based CT registration of the lung at exhalation and inhale breathing states using thin-plate splines," Med. Phys. Vol. 31, pp. 2942-2948, 2004.], Coselmon et al. Proposed a method for non-rigid body matching of lung tissue between CT images obtained from different respiratory conditions. According to this, thin-plate spline warping is performed so that mutual information between two images is maximized by using 30 pairs of manually detected control points.

문헌[E. Rietzel and G. T. Chen, "Deformable registration of 4D computed tomography data," Med. Phys. Vol. 33, pp. 4423-4430, 2006.]에서 Rietzel 등은 비-소세포 폐암 (non-small cell lung cancer)을 가진 환자의 4차원 CT 영상을 정합하기 위하여 B-spline 기반 정합 방법을 제안하였다. 이에 따르면 움직임이 큰 폐 조직과 상대적으로 움직임이 작은 갈비뼈 사이의 불연속성으로 인한 오정합을 줄이기 위하여 폐와 종격 (mediastinum)에만 정합 기법을 적용하였다.E. Rietzel and G. T. Chen, "Deformable registration of 4D computed tomography data," Med. Phys. Vol. 33, pp. 4423-4430, 2006.], Rietzel et al. Proposed a B-spline-based matching method to match four-dimensional CT images of patients with non-small cell lung cancer. According to this, a matching technique is applied only to the lung and mediastinum to reduce misregistration due to discontinuity between the large lung tissue and the relatively small motion rib.

문헌[D. A. Torigian, W. B. Gefter, J. D. Affuso, K. Emami and L. Dougherty, "Application of an optical flow method to inspiratory and expiratory lung MDCT to assess regional air trapping: a feasibility study," Am. J. Roentgenol. Vol. 188, pp. 276-280, 2007.] 및 문헌[L. Dougherty, J. C. Asmuth and W. B. Gefter, "Alignment of CT lung volumes with an optical flow method," Acad. Radiol. Vol. 10, pp. 249-254, 2003.] 에서는 폐를 정합하고 호기-흡기 CT 영상 간 밝기 값 차이를 가시화하기 위해 광 흐름 (optical flow)에 기반한 방법이 제안되었다.D. A. Torigian, W. B. Gefter, and J. D. Affuso, K. Emami and L. Dougherty, "Application of an optical flow method to an inspiratory and expiratory lung MDCT to assess regional air trapping: a feasibility study, Am. J. Roentgenol. Vol. 188, pp. 276-280, 2007, and L. Dougherty, J. C. Asmuth and W. B. Gefter, "Alignment of CT lung volumes with an optical flow method," Acad. Radiol. Vol. 10, pp. 249-254, 2003.], a method based on optical flow has been proposed to visualize the difference in brightness value between the lungs and the expiratory-inspiratory CT images.

다만 상기와 같은 방법들은 폐 조직의 광역 이동에 대한 정합 과정에 특화되거나 광역 정합이 완료된 상태에서의 국지적 변형에 대한 정합 과정에 특화되어 있어 만일 폐 조직의 광역 이동 및 국지적 변형 정도가 모두 큰 경우에는 계산 량이 매우 방대하고, 따라서 최적 수렴 과정에 소요되는 시간이 길어지는 문제점이 있다. 따라서 폐의 큰 변형에 대해서도 안정적으로 최적 수렴 과정을 거칠 뿐 아니라 정합 과정을 가속화할 수 있는 비강체 정합 방법의 개발이 필요성이 대두된다.However, the above-mentioned methods are specialized in the matching process for the wide-area movement of the lung tissue or in the matching process for the local deformation in the state in which the wide-area matching is completed. Therefore, if the wide- There is a problem that the calculation amount is very large and thus the time required for the optimum convergence process becomes long. Therefore, it is necessary to develop a non-rigid body matching method that can stably and optimally converge the large deformation of the lung, as well as accelerate the matching process.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 컴퓨터 단층촬영(Computed Tomography, CT) 영상에 의하여 얻어지는 호기 CT 영상 (End-Exhale CT Scan) 및 흡기 CT 영상 (End-Inhale CT Scan)의 정합 과정에 걸리는 시간을 단축하기 위한 영상 정합 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명은 호기 CT 영상 및 흡기 CT 영상 간의 정합의 정확도를 높일 수 있는 영상 정합 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in order to solve the above problems of the prior art, and it is an object of the present invention to provide an End-Exhale CT Scan and an End-Inhale CT Scan obtained by Computed Tomography (CT) And an image matching method and apparatus for shortening the time required for the matching process. It is another object of the present invention to provide an image matching method and apparatus capable of increasing the accuracy of matching between an exhaled CT image and an inspiratory CT image.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여 먼저 강체 정합을 이용하여 호기 CT 영상을 흡기 CT 영상으로 전역 정합 (global registration)한 후에 전역 정합된 호기 CT 영상을 비강체 정합 (non-rigid body registration)한다. 강체 정합을 통한 전역 정합을 수행함으로써 비강체 정합을 위한 기반 데이터가 갖추어지게 된다.In order to achieve the above object, first, a global registration of an exhalation CT image to an inspiratory CT image is performed using rigid body matching, and then a non-rigid body registration of the globally matched exhaled CT image is performed . By performing global matching through rigid body matching, base data for non-rigid body matching is prepared.

본 발명은 비강체 정합 과정에서 불필요한 계산 과정을 줄임으로써 정합 과 정을 가속할 수 있는 비강체 정합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 반복적으로 수행되는 비강체 정합의 각 단계에서, 이미 정합도가 높은 영역을 비활성 셀(inactive cell)로 지정함으로써 불필요한 계산을 줄일 수 있고 변형에 의한 접힘 현상 (deformation folding)을 줄일 수 있다.The present invention aims to provide a non-rigid body matching method capable of accelerating the matching process by reducing unnecessary calculation processes in the non-rigid body matching process. In each step of the non-rigid body matching which is repeatedly performed, designation of an area having high matching degree as an inactive cell can reduce unnecessary calculation and reduce deformation folding due to deformation.

본 발명은 호기 CT 영상 및 흡기 CT 영상의 대응 양상에 따라 최적 수렴 해를 빠르게 탐색할 수 있는 정합 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 비강체 정합 방법은 호기 CT 영상 및 흡기 CT 영상의 기울기 정보를 함께 이용함으로써 흡기 CT 영상의 기울기 정보(gradient)가 약한 영역에서도 빠르게 수렴하는 최적 수렴 해를 탐색할 수 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a matching method capable of quickly searching for an optimal convergence solution according to a corresponding aspect of an expiration CT image and an inspiration CT image. The non-rigid body matching method of the present invention can search for an optimal convergent solution that rapidly converges even in a region where the gradient of the inspiration CT image is weak by using the inclination information of the exhalation CT image and the inspiration CT image together.

본 발명의 일 실시예에 따른 영상 정합 방법은 컴퓨터 단층촬영 (Computed Tomography, CT) 영상에 의하여 생성된 호기 폐 영상 및 흡기 폐 영상을 정합한다. 상기 영상 정합 방법은 호기 폐 영상으로부터 폐, 기관지 및 폐혈관 영역을 분할하고, 부유 영상을 생성하는 단계, 흡기 폐 영상으로부터 폐, 기관지 및 폐혈관 영역을 분할하고, 기준 영상을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 영상 정합 방법은 부유 영상을 협대역 거리 전파(narrowband distance propagation)에 기반한 어파인 변환(affine transformation)을 이용하여 기준 영상에 대하여 일차 정합하는 단계, 일차 정합된 부유 영상 및 기준 영상의 활성 셀(active cell) 및 비활성 셀(inactive cell)을 분리하는 단계, 상기 일차 정합된 부유 영상의 활성 셀의 기 울기 정보를 이용하여 상기 일차 정합된 부유 영상을 상기 기준 영상에 대하여 비강체 정합하는 단계; 및 상기 기준 영상의 밝기 값을 상기 비강체 정합된 부유 영상의 밝기 값으로부터 차감하고, 상기 밝기 값 차이를 영상 코딩하는 단계를 포함할 수 있다.An image matching method according to an embodiment of the present invention matches a lung lung image and an inspiration lung image generated by a computed tomography (CT) image. The image matching method includes dividing the lung, bronchus, and pulmonary vascular region from the lung lung image, generating a floating image, dividing the lung, bronchus, and pulmonary vascular region from the lung lung image, and generating a reference image do. The image matching method includes a first matching step of matching the floating image with respect to the reference image using an affine transformation based on narrowband distance propagation, a step of matching the first matching floated image and the active image of the reference image separating an active cell and an inactive cell from each other, performing non-rigid-body matching of the first-matched floating image with respect to the reference image using the tilting information of the active cell of the first-matched floating image; And subtracting the brightness value of the reference image from the brightness value of the non-rigid-body-matched floating image, and image-coding the brightness value difference.

이 때 상기 영상 정합 방법의 상기 비강체 정합하는 단계는 상기 기준 영상의 경계면 복셀(voxel)의 기울기 정보 및 상기 일차 정합된 부유 영상의 경계면 복셀의 기울기 정보에 기초하여 데몬 힘(demon force)을 계산하는 단계, 및 상기 데몬 힘에 따라 상기 일차 정합된 부유 영상의 경계면을 상기 기준 영상의 경계면 방향으로 국지적으로 변형하는 단계를 포함할 수 있다.At this time, the non-rigid-body matching step of the image matching method calculates a demon force based on the slope information of the boundary voxel of the reference image and the slope information of the boundary voxel of the first- And locally modifying a boundary surface of the primary-matched floating image according to the daemon force to a boundary surface direction of the reference image.

또한 상기 영상 정합 방법의 상기 데몬 힘을 계산하는 단계는 상기 기준 영상의 경계면 복셀의 기울기 정보 및 상기 일차 정합된 부유 영상의 경계면 복셀의 기울기 정보 각각에 가중치를 곱하여 합산함으로써 상기 데몬 힘을 계산할 수 있다.Also, the step of calculating the daemon force of the image matching method may calculate the daemon force by multiplying the slope information of the interface voxel of the reference image and the slope information of the interface voxel of the primary-matched floating image by a weight, .

또한 상기 영상 정합 방법의 비강체 정합하는 단계는 상기 데몬 힘을 계산하는 단계 및 상기 일차 정합된 부유 영상의 경계면을 상기 기준 영상의 경계면 방향으로 국지적으로 변형하는 단계를 반복적으로 수행하여 최적의 수렴 값을 탐색할 수 있다.Also, the non-rigid body matching step of the image matching method may include calculating the daemon force and locally modifying the boundary surface of the primary matched floating image to the boundary of the reference image to obtain an optimal convergence value . ≪ / RTI >

상기 영상 정합 방법의 상기 일차 정합된 부유 영상 및 상기 기준 영상의 활성 셀 및 비활성 셀을 분리하는 단계는 다음의 과정을 포함할 수 있다.The step of separating the active and inactive cells of the primary-matched floating image and the reference image of the image matching method may include the following steps.

상기 일차 정합된 부유 영상 및 상기 기준 영상의 상응하는 셀 간의 밝기 값 차이가 제1 임계값보다 작은지 여부를 판정하는 단계, 상기 상응하는 셀에 대한 데몬 힘을 계산하는 단계, 상기 데몬 힘의 노옴이 제2 임계값보다 작은지 여부를 판정하는 단계, 및 상기 상응하는 셀 간의 밝기 값 차이가 상기 제1 임계값보다 작고, 상기 데몬 힘의 노옴이 상기 제2 임계값보다 작으면 상기 상응하는 셀을 비활성 셀로 지정하는 단계.Determining whether a difference in brightness value between the corresponding first-match floating image and a corresponding cell of the reference image is less than a first threshold, calculating a daemon force for the corresponding cell, Is less than the second threshold value, and if the brightness value difference between the corresponding cells is less than the first threshold value and the norm of the daemon force is less than the second threshold value, To an inactive cell.

본 발명의 일 실시예 따른 영상 정합 장치는 CT scan에 의하여 얻어진 호기 폐 영상 및 흡기 폐 영상의 정합을 수행한다. 상기 영상 정합 장치는 상기 호기 폐 영상으로부터 폐, 기관지 및 폐혈관 영역을 분할하고, 부유 영상을 생성하고, 상기 흡기 폐 영상으로부터 폐, 기관지 및 폐혈관 영역을 분할하고, 기준 영상을 생성하는 영상 분할부, 상기 부유 영상을 협대역 거리 전파에 기반한 어파인 변환을 이용하여 상기 기준 영상으로 일차 정합하는 광역 정합부, 상기 일차 정합된 부유 영상 및 상기 기준 영상의 활성 셀 및 비활성 셀을 분리하고, 상기 일차 정합된 부유 영상의 활성 셀의 기울기 정보를 이용하여 상기 일차 정합된 부유 영상을 상기 기준 영상으로 비강체 정합하는 비강체 정합부, 및 상기 기준 영상의 밝기 값을 상기 비강체 정합된 부유 영상의 밝기 값으로부터 차감하고, 상기 밝기 값 차이를 영상 코딩하는 영상 코딩부를 포함할 수 있다.The image matching apparatus according to an embodiment of the present invention performs matching of an expiration lung image and an inspiration lung image obtained by a CT scan. The image matching apparatus divides the pulmonary, bronchial and pulmonary vascular regions from the expiratory lung image, generates a floating image, divides the pulmonary, bronchial and pulmonary vascular regions from the inspiratory lung image, and generates a reference image A wide matching unit for matching the floating image with the reference image using affine transformation based on narrowband distance propagation, separating the active and inactive cells of the primary matching floating image and the reference image, A non-rigid body matching unit for performing non-rigid body matching of the primary matched floating image to the reference image using the slope information of the active cell of the primary matched floating image, and a non-rigid body matching unit for matching the brightness value of the reference image with the non-rigid matched floating image And an image coding unit for subtracting the brightness value from the brightness value and image-coding the brightness value difference.

상기 영상 정합 장치의 상기 비강체 정합부는 상기 기준 영상의 경계면 복셀의 기울기 정보 및 상기 일차 정합된 부유 영상의 경계면 복셀의 기울기 정보에 기초하여 데몬 힘을 계산하고, 상기 데몬 힘에 따라 상기 일차 정합된 부유 영상의 경계면을 상기 기준 영상의 경계면 방향으로 국지적으로 변형할 수 있다.Wherein the non-rigid body matching unit of the image matching apparatus calculates the daemon force based on the slope information of the interface voxel of the reference image and the slope information of the interface voxel of the primary matched floating image, It is possible to locally transform the boundary surface of the floating image to the boundary surface direction of the reference image.

상기 영상 정합 장치의 상기 비강체 정합부는 상기 데몬 힘에 기초하여 상기 기준 영상 및 상기 일차 정합된 부유 영상의 상응하는 셀 중 활성 셀과 비활성 셀을 분리하고, 상기 활성 셀에 대하여 상기 데몬 힘에 따라 상기 일차 정합된 부유 영상의 경계면을 상기 기준 영상의 경계면 방향으로 국지적으로 변형할 수 있다.Wherein the non-rigid body matching unit of the image matching apparatus separates active and inactive cells among corresponding cells of the reference image and the primary-matched floating image based on the daemon force, It is possible to locally transform the boundary surface of the primary-matched floating image to the boundary surface direction of the reference image.

상기 영상 정합 장치의 상기 비강체 정합부는 상기 국지적으로 변형된 부유 영상 및 상기 기준 영상에 대하여 상기 데몬 힘을 재계산하고, 상기 재계산된 데몬 힘에 따라 활성 셀 및 비활성 셀을 재분리하고, 상기 국지적으로 변형된 부유 영상의 경계면을 재변형할 수 있다.Wherein the non-rigid body matching unit of the image matching apparatus recomputes the demon force for the locally deformed floating image and the reference image, re-separates the active and inactive cells according to the re-computed daemon force, The boundary surface of the locally deformed floating image can be re-transformed.

본 발명의 영상 정합 방법 및 장치에 따르면 컴퓨터 단층촬영(Computed Tomography, CT) 영상에 의하여 얻어지는 호기 CT 영상 (End-Exhale CT Scan) 및 흡기 CT 영상 (End-Inhale CT Scan)의 정합 과정에 걸리는 시간을 단축할 수 있다. 또한 본 발명의 영상 정합 방법 및 장치는 호기 CT 영상 및 흡기 CT 영상 간의 정합의 정확도를 높일 수 있다.According to the image matching method and apparatus of the present invention, the time required for the matching process between the end-Exhale CT scan and the end-intake CT scan obtained by computed tomography (CT) Can be shortened. Also, the image matching method and apparatus of the present invention can improve the accuracy of matching between an expiration CT image and an inspiration CT image.

본 발명은 먼저 강체 정합을 이용하여 호기 CT 영상을 흡기 CT 영상으로 전역 정합 (global registration)한 후에 전역 정합된 호기 CT 영상을 비강체 정합한다. 강체 정합을 통한 전역 정합을 수행함으로써 비강체 정합을 위한 기반 데이터가 갖추어질 수 있다.The present invention firstly performs global registration of an exhalation CT image to an inspiratory CT image using rigid body matching, and then non-rigidly matches the globally matched exhaled CT image. By performing global matching through rigid body matching, underlying data for non-rigid matching can be provided.

본 발명은 반복적으로 수행되는 비강체 정합의 각 단계에서, 이미 정합도가 높은 영역을 비활성 셀로 지정함으로써 불필요한 계산을 줄일 수 있고 변형에 의한 접힘 현상 (deformation folding)을 줄일 수 있다. 본 발명은 비강체 정합 과정에서 불필요한 계산 과정을 줄임으로써 정합 과정을 가속할 수 있다.In the present invention, unnecessary calculations can be reduced and deformation folding due to deformation can be reduced by designating regions having high matching degrees as inactive cells at each step of non-rigid body matching which is repeatedly performed. The present invention can accelerate the matching process by reducing unnecessary calculation processes in the non-rigid matching process.

본 발명의 영상 정합 방법은 호기 CT 영상 및 흡기 CT 영상의 기울기 정보를 함께 이용함으로써 최적 수렴 솔루션을 빠르게 탐색할 수 있다. 종래의 기술은 호기 CT 영상 및 흡기 CT 영상 간의 대응 관계에 따라서는 최종 솔루션의 수렴에 긴 시간이 필요한 경우가 발생하였다. 본 발명은 호기 CT 영상 및 흡기 CT 영상의 기울기 정보를 함께 상보적으로 이용함으로써 종래 기술에서 가속하기 어려웠던 경우에도 수렴 과정을 가속시킬 수 있는 효과를 가진다.The image matching method of the present invention can quickly search for an optimal convergence solution by using inclination information of an expiration CT image and an inspiration CT image together. There has been a case where a long time is required for the convergence of the final solution according to the correspondence relationship between the expiration CT image and the inspiration CT image. The present invention uses the inclination information of the exhalation CT image and the inspiration CT image together in a complementary manner, thereby accelerating the convergence process even when it is difficult to accelerate in the prior art.

이하에서, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to or limited by the embodiments. Like reference symbols in the drawings denote like elements.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 영상 정합 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.FIG. 1 is a flowchart illustrating an image matching method according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 1을 참조하면, 상기 폐 영상 정합 방법은 호기 CT 영상 및 흡기 CT 영상에서 폐, 기관지, 폐혈관에 대응하는 영역을 분할한다 (S110). 상기 폐 영상 정합 방법은 정합의 계산 범위를 폐 영역 내로 한정하기 위하여 호기 CT 영상 및 흡기 CT 영상 각각으로부터 폐 영역, 기관지 영역, 폐혈관 영역을 분할한 후 기관지 영 역 및 폐혈관 영역을 제외하여 폐 영역 만을 정합을 위한 계산 범위로 지정할 수 있다.Referring to FIG. 1, the lung image matching method divides regions corresponding to pulmonary, bronchial, and pulmonary blood vessels in an exhaled CT image and an inspired CT image (S110). The lung image matching method divides lung area, bronchial area, and pulmonary vein area from each of expiratory CT and inspiration CT images in order to limit the calculation range of the matching to the lung area, Only the region can be specified as the calculation range for matching.

본 명세서에서는 이하의 설명을 간략하게 하기 위하여 폐 영역 만이 분리된 흡기 CT 영상을 기준 영상 (reference image)으로, 폐 영역 만이 분리된 호기 CT 영상을 부유 영상 (floating image)으로 정의하여 사용한다. 흡기 CT 영상이 기준 영상이 되는 것은 흡기 CT 영상의 폐 영역이 일반적으로 호기 CT 영상의 폐 영역보다 크기 때문이며, 상기 폐 영상 정합 방법은 부유 영상을 확장 변형하여 기준 영상과 동일하거나 유사한 형태를 가질 때까지 정합한다.In this specification, in order to simplify the following description, an excitation CT image divided into only a closed region is defined as a reference image, and an expired CT image separated from a closed region is defined as a floating image. The reason why the inspiratory CT image is the reference image is that the closed area of the inspiratory CT image is generally larger than the closed area of the expiratory CT image and the scarce image matching method has the same or similar shape as the reference image by expanding the floating image .

상기 폐 영상 정합 방법은 부유 영상 (폐 영역이 분리된 호기 CT 영상)을 기준 영상 (폐 영역이 분리된 흡기 CT 영상)에 대하여 어파인(affine) 영상 정합한다 (S120). 이 때 어파인 영상 정합은 협대역 거리 전파(narrowband distance propagation)를 이용하여 수행된다.In the waste image matching method, affinity image matching is performed on the reference image (the inspected CT image of the closed region) separated from the floating image (closed CT image of the closed region) (S120). At this time, affine image matching is performed using narrowband distance propagation.

어파인 정합은 어파인 변환(affine transformation)을 이용한 정합으로서, 부유 영상을 어파인 변환하여 기준 영상과 일치시키는 정합 과정을 의미한다. 어파인 변환은 강체(rigid body)를 가정한 선형 변환으로서, 부유 영상의 특정 위치 벡터 x의 어파인 변환을 T(x)라 하면, T(x) = Ax + b 의 형태를 취한다. 이 때 A는 행렬, b는 x와 동일한 차원을 가지는 위치 벡터이다.Affine matching is a matching process using affine transformation, which means that the floating image is affine transformed to match the reference image. The affine transformation is a linear transformation assuming a rigid body, and takes the form of T (x) = Ax + b, where T (x) is the affine transformation of a particular position vector x in the floating image. Where A is a matrix and b is a position vector with the same dimensions as x.

어파인 정합은 폐 영역을 강체로 취급하여 정합하는 것이므로, 호기와 흡기에 변형된 폐 조직에 따른 형태의 불일치를 해소할 수는 없다. 따라서 어파인 정합에 의하여 기준 영상과 부유 영상은 광역 정합 (global registration)되고, 이후 비강체 정합에 의하여 국지적으로(locally) 정합된다.Affinity matching treats the lung area as a rigid body, and therefore, it can not solve the mismatch of shapes due to the lung tissue deformed by the exhalation and the inspiration. Therefore, the reference image and the floating image are globally registered by affine matching, and then locally matched by non-rigid matching.

비강체 정합은 단계(S130) 내지 단계(S160)에 의하여 수행된다. 상기 폐 영상 정합 방법은 기준 영상 및 부유 영상 각각의 폐 경계면에서 소정의 크기의 복셀(voxel)을 설정하고, 복셀에서 CT 영상의 기울기(gradient)를 구한다. 상기 폐 영상 정합 방법은 기준 영상과 부유 영상의 상응하는 복셀을 탐색하고, 상응하는 복셀의 기울기 정보에 따라 데몬 힘(demon force)을 계산한다 (S130).Non-rigid body matching is performed by steps S130 to S160. In the closed-image matching method, a voxel having a predetermined size is set on the lung interface of each of the reference image and the floating image, and a gradient of the CT image is obtained in the voxel. In the waste image matching method, a corresponding voxel of the reference image and the floating image is searched and a demon force is calculated according to the corresponding voxel inclination information (S130).

상기 폐 영상 정합 방법은 기준 영상 및 부유 영상 각각을 소정의 셀(cell)로 분할하고, 기준 영상 및 부유 영상에서 상응하는 셀을 탐색한다. 상기 폐 영상 정합 방법은 상응하는 셀에 대하여 활성 셀인지 비활성 셀인지 여부를 판정한다 (S140).The closed image matching method divides each of the reference image and the floating image into predetermined cells and searches corresponding cells in the reference image and the floating image. The waste image matching method determines whether the corresponding cell is an active cell or an inactive cell (S140).

활성 셀이 남아 있는지 여부를 판정하고 (S150), 활성 셀이 남아 있지 않으면 프로세스를 종료한다. 활성 셀이 남아 있으면 활성 셀과 관련하여, 부유 영상의 경계면의 복셀을 데몬 힘에 따라 변형하여 기준 영상의 상응하는 복셀에 대하여 정합한다 (S160).It is determined whether or not there is an active cell (S150), and if no active cell remains, the process is terminated. With respect to the active cell, if the active cell remains, the voxel at the interface of the floating image is deformed according to the daemon force and matched to the corresponding voxel of the reference image (S160).

이 때 상기 폐 영상 정합 방법은 기준 영상 및 부유 영상 간의 밝기 값의 차이를 가시화하기 위하여 기준 영상의 밝기 값을 부유 영상의 밝기 값으로부터 차감하고, 밝기 값 차이를 색상 코딩 (color coding)할 수 있다.In this case, in the waste image matching method, the brightness value of the reference image may be subtracted from the brightness value of the floating image, and the difference of brightness values may be color-coded to visualize a difference between brightness values between the reference image and the floating image .

본 발명에 이용되는 각 구성 상의 세부적인 기술 중 공지된 구성은 하기의 문헌에 일부 기재되었다. 예를 들어 문헌[P. J. Burt and E. H. Adelson, "The laplacian pyramid as a compact image code," IEEE Trans. on Comm. Vol. 31, pp. 532-540, 1983.]에서는 라플라시안 피라미드를 이용하여 각 CT 영상으로부터 계층적으로 다중 해상도 영상을 생성하는 과정이 소개되었고 이를 이용하여 상응하는 두 CT 영상 간에 변위를 계산하는 방법이 제안되었다.Some known structures among the detailed structures used in the present invention have been partially described in the following documents. See, e.g., P. J. Burt and E. H. Adelson, "The laplacian pyramid as a compact image code," IEEE Trans. on Comm. Vol. 31, pp. 532-540, 1983.], a process of generating a hierarchical multi-resolution image from each CT image using a Laplacian pyramid was introduced, and a method of calculating the displacement between corresponding two CT images was proposed.

문헌[D. Sarrut, V. Boldea, S. Miguet and C. Ginestet, "Simulation of four-dimensional CT images from deformable registration between inhale and exhale breath-hold CT scans," Med. Phys. Vol. 33, pp. 605-617, 2006], 문헌[J. P. Thirion, "Image matching as a diffusion process: An analogy with Maxwell’s demons," Med. Image Anal. Vol. 2, pp. 243-260, 1998.] 및 문헌[X. Pennec, C. Cachier, N. Ayache, "Understanding the demon's algorithm: 3D non-rigid registration by gradient descent," in Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention, MICCAI’99, Vol. 1679, pp. 597-605.]에서는 이른바 데몬 알고리즘 (demon algorithm)에 기반한 폐 정합 방법이 제안되었다. 이에 따르면 환자가 호흡하는 동안 폐의 밝기 값 변화를 고려하기 위하여 볼륨의 z축 방향을 따라 두 영상의 상응하는 영역 간에 평균 밝기 값을 차감함으로써 호기 CT 영상의 밝기 값을 보정하는 아이디어가 소개되었다. 일반적으로 호기 CT 영상에서의 폐 조직은 흡기 CT 영상에서의 폐 조직보다 크기가 작고 폐 조직의 밀집도가 높다. 폐 조직의 밀집도의 차이에 의하여 CT 영상에서의 밝기 값의 차이가 발생하며 이러한 밝기 값의 차이를 보정하기 위한 정합 방법이 소개되었다.D. Sarrut, V. Boldea, S. Miguet and C. Ginestet, "Simulation of four-dimensional CT images from deformable registration between inhale and exhale breath-hold CT scans," Med. Phys. Vol. 33, pp. 605-617, 2006], JP Thirion, "Image matching as a diffusion process: An analogy with Maxwell ' s demons, Image Anal. Vol. 2, pp. 243-260, 1998, and X. Pennec, C. Cachier, N. Ayache, "Understanding the demon's algorithm: 3D non-rigid registration by gradient descent," in Medical Image Computing and Computer-Assisted Intervention, MICCAI'99 , Vol. 1679 , pp. 597-605] proposed a lung matching method based on the so-called daemon algorithm. The idea of correcting the brightness value of the exhaled CT image by subtracting the average brightness value between the corresponding regions of the two images along the z-axis direction of the volume was introduced in order to consider the change in the brightness value of the lung during the patient's breathing. In general, the lung tissue on the expiratory CT image is smaller than the lung tissue on the inspiratory CT image and the density of the lung tissue is high. Differences in density of pulmonary tissue caused differences in brightness values in CT images, and a matching method was introduced to correct for differences in brightness values.

문헌[H. Wang, L. Dong, J. O'Daniel, R. Mohan, A. S. Garden, K. K. Ang, D. A. Kuban, M. Bonnen, J. Y. Chang and R. Cheung, "Validation of an accelerated 'demons' algorithm for deformable image registration in radiation therapy," Phys. Med. Biol. Vol. 50, pp. 2887-2905, 2005.]에서는 호기 CT 영상의 기울기 정보 (gradient)를 이용하여 상기의 demon algorithm을 가속화하는 방법이 소개되었다. 이에 따르면 호기 CT 영상에 수동으로 그려진 폐종양의 경계선을 흡기 CT 영상에 대응하도록 변형하는 과정이 제시되었다.H. Wang, L. Dong, J. O'Daniel, R. Mohan, AS Garden, KK Ang, DA Kuban, M. Bonnen, JY Chang and R. Cheung, radiation therapy, "Phys. Med. Biol. Vol. 50, pp. 2887-2905, 2005.), a method of accelerating the above-mentioned demon algorithm using gradient information of an expiration CT image has been introduced. In this study, we propose a procedure to modify the boundary of pulmonary tumor manually drawn on the expiratory CT image to correspond to the inspiratory CT image.

문헌[W. G. Lu, M. L. Chen, G. H. Olivera, K. J. Ruchala and T. R. Mackie, "Fast free-form deformable registration via calculus of variations," Phys. Med. Biol. Vol. 49, pp. 3067-3087, 2004.]에서는 변분법 (calculus of variation)을 이용하여 정합 과정의 최적화 문제를 편미분 방정식의 집합으로 표현하는 기법이 소개되었다. 이에 따르면 가우스-자이델 (Gauss-Seidel) 방법이 도입되어 편미분 방정식들을 반복적으로 계산함으로써 호기 영상을 흡기 영상으로 정합하는 과정이 제안되었다.[W. G. Lu, M. L. Chen, G. H. Olivera, K. J. Ruchala and T. R. Mackie, "Fast free-form deformable registration via calculus of variations," Phys. Med. Biol. Vol. 49, pp. 3067-3087, 2004.] introduced a technique of expressing the optimization problem of the matching process as a set of partial differential equations using a calculus of variation. According to this, a Gauss-Seidel method has been introduced to recompute the exhalation image to the inspiratory image by repeatedly calculating the partial differential equations.

단계(S110)에서, 호기 CT 영상 및 흡기 CT 영상 각각으로부터 폐 영역을 분할하기 위하여 기울기와 밝기 값 분포를 이용한다. 먼저 CT scan의 밝기 값에 기반한 분할 방법으로 초기 폐 영역 및 경계선을 분할하고 기관지와 폐혈관은 분할 영역으로부터 제외한다.In step S110, a slope and a brightness value distribution are used to divide the lung region from each of the exhalation CT image and the inspiration CT image. First, the initial lung area and boundary are divided by the resolution based on the brightness value of the CT scan, and the bronchial and pulmonary blood vessels are excluded from the segment.

CT 영상의 밝기 값은 Hounsfield Unit (HU) scale로 나타내어지며, 물질에 따라 서로 다른 값을 가진다. 공기는 -1000 HU로 정의되고, 지방(fat)은 -120 HU, 물(water)은 0 HU의 값을 가진다. 일반적으로 근육(muscle)은 약 40 HU, contrast는 약 130 HU, 뼈(bone)는 400 HU 이상의 값을 가진다.The brightness values of the CT image are represented by the Hounsfield Unit (HU) scale and have different values depending on the material. Air is defined as -1000 HU, fat has a value of -120 HU, and water has a value of 0 HU. Generally, muscle has about 40 HU, contrast is about 130 HU, and bone has more than 400 HU.

상기 영상 정합 방법은 CT 영상으로부터 -400 HU을 임계값으로 한 3차원 영역성장법 (region growing)을 적용하여 폐와 기관지를 분할한다. 3차원 영역 성장법은 다음과 같이 수행된다. 먼저, 기관에 위치하는 하나의 씨앗 복셀(seed voxel)을 설정한다. 씨앗 복셀로부터 -950 HU 이하의 밝기 값을 가지는 이웃한 복셀들을 영역에 포함시킴으로써 영역을 성장시킨다. 씨앗 복셀의 좌표는 상위 단면 영상의 중앙에 위치한 복셀들 중 임계값보다 작은 밝기 값을 가지고 있는 복셀들의 좌표를 평균하여 결정한다. 폐혈관은 분할된 폐 영역 내에서 -400 HU보다 높은 밝기 값을 가지는 영역을 검출하여 분할한다. 이후, 적응적 길이를 가진 기울기 프로파일을 생성하고 분석하여 경계선이 이동할 수 있는 범위를 설정한다. 이와 같은 범위의 설정은 경계선이 이 영역 바깥으로 누출되지 않도록 막는 효과가 있으며, 경계선 이동의 효율성을 높여준다. 설정된 범위 내에서 속도 함수에 따라 경계선을 전파시킨다. 속도함수는 기울기와 밝기 값 분포에 기반하여 경계선이 국지적인 기울기의 극대 또는 극소 값으로 수렴하는 것을 방지한다. The image matching method divides the lung and bronchi using a 3-dimensional region growing method with a threshold value of -400 HU from the CT image. The three-dimensional region growth method is performed as follows. First, we set up a seed voxel located in the organ. The region is grown by including neighboring voxels having a brightness value of -950 HU or less from the seed voxel in the region. The coordinates of the seed voxel are determined by averaging the coordinates of the voxels having brightness values smaller than the threshold value among the voxels located at the center of the upper sectional image. Pulmonary blood vessels detect and divide areas with brightness values greater than -400 HU in the segmented lung area. Then, a gradient profile having an adaptive length is generated and analyzed to set a range in which the boundary line can move. The setting of this range has the effect of preventing the boundary line from leaking out of this area and enhancing the efficiency of boundary movement. The boundary line is propagated according to the velocity function within the set range. The velocity function prevents the boundary line from converging to the local maximum or minimum value of the local slope based on the slope and brightness distribution.

본 발명의 영상 정합 방법은 단계 (S120)에서 전역 강체 정합을 수행하고 단계(S130) 내지 단계(S160)에서 국지적 비강체 정합을 수행한다. CT 영상 획득 시 환자의 움직임과 호흡으로 인해 호기 영상 및 흡기 영상 간의 폐의 위치, 부피, 형태 등은 달라진다. 폐의 이동 변이와 전역적 확장(global expansion)을 보정하기 위하여 앞에서 설명한 어파인 정합(affine registration)이 적용될 수 있다. 그러나 폐의 뒤틀림 등 국지적인 변형에 대하여는 어파인 정합으로는 정합이 완료되지 않는다. 따라서 호흡하는 동안의 폐의 움직임을 충분히 반영하기 위하여는 비강체 정합 과정이 필요하다.The image matching method of the present invention performs global rigid matching in step S120 and performs local non-rigid matching in steps S130 to S160. During CT acquisition, the position, volume, and shape of the lungs between the expiratory and inspiratory images are different due to patient movement and respiration. The affine registration described above can be applied to compensate for the movement variations and global expansion of the lungs. However, for local deformation such as lung distortion, matching is not completed with affine matching. Therefore, a non-rigid body matching process is necessary to fully reflect the movement of the lung during breathing.

단계(S120)에서, 부유영상의 폐는 협대역 거리 전파를 이용한 경계면 기반 정합 방법 (surface-based registration)에 의해 기준영상으로 정합된다. 먼저, 기준 영상 및 부유 영상으로부터 추출한 폐를 포함하는 최적 경계 볼륨(optimal cube)을 생성한 후 기준 영상의 최적 경계 볼륨 및 부유 영상의 최적 경계 볼륨 간 초기 정합을 수행하여 이동 변이를 보정한다. 폐 경계로부터 협대역 거리 전파를 이용하여 3차원 거리 맵을 생성한 후, 선택적 거리 측정을 통해 두 경계 간 거리 차이가 최소인 위치로 영상을 정합한다. 협대역 거리 전파는 국지적으로 폐 경계로부터 확장된 가상의 복수의 경계를 설정하고, 복수의 경계들 중 정합 대상이 되는 기준 영상과의 경계 간 거리 차이가 최소인 위치로 영상을 정합하는 과정이다. 즉, 부유 영상의 경계면으로부터 확장된 제1 경계, 제1 경계보다 확장된 제2 경계, 및 제2 경계보다 확장된 제3 경계를 설정한 후 제1 내지 제3 경계들 중 기준 영상과의 경계 간 거리 차이가 최소인 경계를 선택한다.In step S120, the lungs of the floating image are matched to the reference image by a surface-based registration method using narrow-band distance propagation. First, an optimal cube including the lungs extracted from the reference image and the floating image is generated, and an initial matching between the optimal boundary volume of the reference image and the optimal boundary volume of the floating image is performed to correct the movement variation. After generating the 3D distance map using the narrowband propagation from the lung boundary, the image is matched to the position where the distance difference between the two boundaries is minimum through the selective distance measurement. The narrow-band-distance propagation is a process of locally setting a plurality of imaginary boundaries extended from the closed boundary and matching the images to positions where the distance between the boundaries of the reference image and the boundary among the plurality of boundaries is minimum. That is, a first boundary extended from the boundary surface of the floating image, a second boundary extended from the first boundary, and a third boundary extended from the second boundary are set, and then the boundary between the first and the third boundary Select the boundary with the smallest distance difference.

협대역 거리 전파를 이용한 경계면 기반 정합 방법에 대한 보다 상세한 기술은 문헌[H. Hong, J. Lee and Y. Yim, "Automatic lung nodule matching on sequential CT images," Comput. Biol. Med. Vol. 38, pp. 623-634, 2008.] 및 문헌[이정진, 홍헬렌, 신영길, 지역적 거리전파를 이용한 자동 폐 정합, 정보과학회논문지: 소프트웨어 및 응용, 제32권, 제1호, 2005년 1월.]을 참고할 수 있다.A more detailed description of a boundary-based registration method using narrow-band distance propagation is given in [H. Hong, J. Lee and Y. Yim, "Automatic lung nodule matching on sequential CT images," Comput. Biol. Med. Vol. 38, pp. 623-634, 2008.) and Lee Jung-jin, Hong Helen, Shin Young-gil, Automatic Lung Registration Using Local Distance Propagation, Software and Applications, Vol. 32, No. 1, January 2005. .

단계(S130)에서 어파인 정합된 부유영상의 폐는 데몬 알고리즘에 기반한 비강체 정합 방법을 이용하여 변형된다. 데몬 알고리즘은 기준 영상의 특정 복셀들 에 데몬을 위치시키고 데몬 힘(demon force)를 이용하여 부유 영상이 기준 영상으로 확산되도록 한다. 상기의 인용 문헌에서 언급된 기존 데몬 알고리즘에서는, 복셀 x의 데몬 힘 u(x)는 하기 수학식 1을 이용하여 계산된다. In step S130, the lungs of the affine-matched floating image are transformed using the non-rigid matching method based on the daemon algorithm. The daemon algorithm locates the daemon in specific voxels in the reference image and uses the daemon force to spread the floating image to the reference image. In the conventional daemon algorithm mentioned in the cited document, the daemon force u (x) of the voxel x is calculated using the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112009050297871-pat00001
Figure 112009050297871-pat00001

Ins(x)는 기준 영상의 복셀 x의 밝기 값, Ex(T(x))는 일차 정합된 부유 영상의 복셀 T(x)의 밝기 값을 나타낸다. ▽Ins는 기준 영상의 복셀 x의 편미분 값들의 합(gradient)이다. α는 데몬 힘의 크기를 한정하는 파라미터로서, 데몬 힘은 1/2 α로 한정된다.(X) represents the brightness value of the voxel x of the reference image, and Ex (T (x)) represents the brightness value of the voxel T (x) of the primary-matched floating image. Ins is the gradient of the partial derivatives of the voxel x of the reference image. α is a parameter that defines the magnitude of the daemon force, and the daemon force is limited to ½ α.

데몬 힘 u(x)는 두 영상 간 정합 유사도(similarity measure)를 평가하기 위해 사용되는 SSD (sum of squared difference) 의 기울기로서, 기준 영상의 기울기 방향으로 부유 영상을 확장하여 두 영상 간의 SSD가 최소가 되도록 만드는 역할을 한다. 이 힘은 기준 영상의 기울기에 의해 방향이 결정되므로 기준 기울기 힘 (reference gradient force)이라고 정의한다. 한편 SSD는 하기 수학식 2와 같이 정의된다.The power of the daemon, u (x), is the slope of the sum of squared difference (SSD) used to evaluate the similarity measure between two images. The SSD of the two images is minimized by extending the floating image in the slope direction of the reference image. . This force is defined as the reference gradient force because it is determined by the slope of the reference image. The SSD is defined as shown in Equation (2) below.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112009050297871-pat00002
Figure 112009050297871-pat00002

그러나, 이 힘은 종래의 데몬 알고리즘에서와 같이 설정된 경우(상기 수학식 1) 기준 영상의 폐 경계선에서 주로 작용하기 때문에, 기준 영상의 폐 경계선과 멀리 떨어져 있으며 기준 영상에 의해 간접적으로 영향을 받는 부유 영상의 폐 경계선에서는 변형이 느리다. 종래의 데몬 알고리즘에서는 부유 영상의 폐 경계면을 기준 영상에 대하여 정합하면서도 데몬 힘을 기준 영상의 폐 경계면에서 얻어지는 척도만을 가지고 계산함으로써 결과적으로 최적 수렴 과정이 지연되는 결과를 초래하였다.However, since this force is set as in the conventional daemon algorithm (Equation (1) above), it acts mainly at the lung boundary of the reference image, and therefore, the distance from the lung boundary of the reference image and indirectly influenced by the reference image Deformation is slow at the lung boundary of the image. In the conventional daemon algorithm, the deadweight boundary of the floating image is matched against the reference image, but the daemon force is calculated using only the scale obtained from the boundary surface of the reference image. As a result, the optimal convergence process is delayed.

따라서 본 발명의 폐 영상 정합 방법은 기준 영상의 기울기 정보와 부유 영상의 기울기 정보를 함께 사용하는 데몬 알고리즘을 제안함으로써 최적 수렴 과정에서의 가속을 가능하게 할 수 있다. 기준 영상의 경계면의 기울기 정보가 작더라도 부유 영상의 경계면의 변형이 큰 영역에서는 부유 영상의 기울기 정보는 크게 마련이다. 반대로, 부유 영상의 경계면의 기울기 정보가 작더라도 기준 영상의 경계면의 변형이 큰 경우에는 본 발명이 새롭게 제안하는 데몬 알고리즘에 따르면 빠른 최적 수렴을 달성할 수 있다.Therefore, the waste image matching method of the present invention can accelerate the optimal convergence process by suggesting a daemon algorithm that uses the slope information of the reference image and the slope information of the floating image together. Even if the slope information of the boundary surface of the reference image is small, the slope information of the floating image is large in a region where the deformation of the boundary surface of the floating image is large. On the contrary, even if the slope information of the boundary surface of the floating image is small, when the deformation of the boundary surface of the reference image is large, fast optimum convergence can be achieved according to the daemon algorithm newly proposed by the present invention.

본 발명에서는, 데몬 힘을 하기 수학식 3과 같이 기준 영상의 기울기 정보에 기반한 기준 기울기 힘과 부유 영상의 기울기 정보에 기반한 부유 기울기 힘 (floating gradient force)의 가중치 합으로 계산한다. In the present invention, the daemon force is calculated by summing the weights of the floating gradient force based on the slope information of the reference image and the slope information of the floating image based on the slope information of the reference image as shown in Equation (3).

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112009050297871-pat00003
Figure 112009050297871-pat00003

이때, β는 부유 기울기 힘에 대한 가중치이다. ▽Ex는 부유 영상의 상응하는 복셀 T(x)에서의 기울기 정보이다.At this time,? Is a weight for the floating slope force. Ex is the slope information in the corresponding voxel T (x) of the floating image.

부유 기울기 힘은 기준 기울기 힘이 약한 부유 영상의 폐 경계선에서 주로 작용하여 기준 영상의 폐 경계선으로 끌어당기는 것을 돕는다. 본 발명에서는, 부유 기울기 힘과 기준 기울기 힘 각각이 가중치가 곱해진 채로 합산되었다. 이때의 가중치 β는 최적화 과정 동안 고정된다. The floating tilt force helps to pull the reference boundary of the reference image mainly by acting on the lung boundary of the floating image with the reference tilt force. In the present invention, each of the floating slope force and the reference slope force is added with the weight multiplied. At this time, the weight? Is fixed during the optimization process.

실시예에 따라서는, 파라미터 β는 초기에 0.5보다 큰 값으로 설정하였으며 반복 회수가 많아짐에 따라 감소하도록 설정될 수 있다. 초기에 두 영상의 폐 간 거리차가 크기 때문에 부유 기울기 힘에 상대적으로 큰 가중치를 적용함으로써 부유 영상의 폐를 가능한 가까이 기준 영상의 폐로 끌어당긴다. 부유 영상의 폐가 기준 영상의 폐로 가까이 이동한 후에 β를 감소시켜 기준 기울기 힘을 강조함으로써 지역적 변형이 있는 폐의 하단 부분에서 정합의 정확성을 향상시킬 수 있다. 실시예에 따라서는, β는 초기에 0.6으로 설정하고 정합 과정이 진행됨에 따라 0.1 씩 감소될 수 있다.Depending on the embodiment, the parameter beta is initially set to a value greater than 0.5 and may be set to decrease as the number of iterations increases. Initially, the difference in pulmonary distance between the two images is so large that the lung of the floating image is pulled as close to the reference image as possible by applying a relatively large weight to the floating gradient force. The accuracy of registration can be improved in the lower part of the lung with regional deformation by emphasizing the reference tilt force by reducing β after moving the lung reference image close to the lung reference image. Depending on the embodiment,? May initially be set to 0.6 and may be reduced by 0.1 as the registration process progresses.

부유영상의 기울기 정보를 이용한 데몬 알고리즘은 다음의 최적화 과정을 반복적으로 적용함으로써 정합을 수행한다. 최적화 과정의 내부 루프에서의 반복회수는 n, 외부 루프에서의 반복회수는 N으로 표시한다. 내부 루프는 다음의 네 단계를 반복적으로 적용함으로써 변위 장을 계산한다. 먼저, 두 영상 간의 유사도가 높아지도록 상기 수학식 2를 이용하여 각 데몬 위치에서 힘을 계산한다(S130). 두 번째, 이웃한 힘 벡터 간 연속적이고 부드럽게 힘의 장(force field)이 생성되도록 하기 위해 힘의 장를 가우시안 필터(Gaussian filter)를 이용하여 평활화 (smoothing)한다. 세 번째, 힘을 누적하여 변위(displacement)를 계산한다. 네 번째, 변위 장(displacement field)을 평활화한다. 힘의 장과 변위 장은 하기 수학식 4를 이용하여 평활화한다. The daemon algorithm using the slope information of the floating image performs matching by repeatedly applying the following optimization process. The number of iterations in the inner loop of the optimization process is denoted by n, and the number of iterations in the outer loop is denoted by N. The inner loop calculates the displacement field by repeatedly applying the following four steps. First, the force is calculated at each daemon position using Equation 2 so that the similarity between the two images is high (S130). Second, the field of force is smoothed using a Gaussian filter so that a force field is generated continuously and smoothly between neighboring force vectors. Third, accumulate forces to calculate displacements. Fourth, smooth the displacement field. The field and displacement field of the force are smoothed using the following equation (4).

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112009050297871-pat00004
Figure 112009050297871-pat00004

이때, V는 가우시안 필터 내에 있는 x의 이웃 복셀들의 집합을 말하며 σ는 가우시안 분포의 표준편차를 말한다.Where V is the set of neighboring voxels of x in the Gaussian filter and σ is the standard deviation of the Gaussian distribution.

최적화 과정의 내부 루프는 다음의 두 가지 정지 조건을 만족할 때까지 반복된다. 하기 수학식 5의 NSAD (normalized sum of absolute difference)와 하기 수학식 6의 변위 장 노옴(norm) || U(x) || 의 변화치를 매 반복회수마다 계산하여 두 값 중 하나가 발산하는 경우에 최적화 과정이 정지한다. 최적화 과정의 외부 루프는 변위 장을 계산하는 위의 과정을 일정 회수만큼 반복한다. 각 단계 N에서 계산된 변위 장을 누적하여 최종 변위 장을 계산한다. The inner loop of the optimization process is repeated until the following two stop conditions are satisfied. The normalized sum of absolute difference (NSAD) of Equation (5) and the displacement field norm || U (x) || The optimization process stops when one of the two values diverges. The outer loop of the optimization process repeats the above process of calculating the displacement field a predetermined number of times. The final displacement field is calculated by accumulating the calculated displacement field in each step N.

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure 112009050297871-pat00005
Figure 112009050297871-pat00005

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112009050297871-pat00006
Figure 112009050297871-pat00006

이때, M은 각 영상의 복셀 개수를 나타내며, U(x)는 각 복셀 x에서의 변위를 나타낸다. In this case, M represents the number of voxels in each image, and U (x) represents the displacement in each voxel x.

변형의 정도가 큰 부분에 대해서 정합을 빠르고 효과적으로 수행하기 위해, 다중 해상도 (multi-resolution) 볼륨을 생성한다. 기준영상 Ex0와 부유영상 Ins0 로부터 가우시안 피라미드 (Gaussian pyramid) [15]를 이용하여 저해상도 볼륨 Exk와 Insk (k=1, 2, 3, 4)를 생성한다. 파라미터 k가 증가할수록, 저해상도 볼륨의 크기는 감소하며 단위 셀(cell)에 포함되는 복셀의 개수는 많아진다. 원 영상의 해상도가 512 × 512 × 512인 볼륨은 k가 1부터 4까지 증가함에 따라 볼륨 크기는 256 × 256 × 256, 128 × 128 × 128, 64 × 64 × 64, 32 × 32 × 32로 감소하며, 셀의 크기는 2 × 2 × 2, 4 × 4 × 4, 8 × 8 × 8, 16 × 16 × 16으로 증가한다. 상응하는 저해상도 볼륨들 간 변위 장은 해상도가 가장 낮은 단계 (k=4)부터 가장 높은 단계 (k=1)까지 순차적으로 계산된다. 한 단계에서 최적화 과정이 끝난 후, 계산된 변위가 다음 해상도의 최적화를 위한 초기값으로 사용된다. 저해상도 변위를 고해상도를 가진 다음 단계의 변위로 변환하기 위해 3차원 선형 보간 (trilinear interpolation)이 사용된다. To achieve fast and efficient matching for high-distortion areas, a multi-resolution volume is created. A low-resolution volume Ex k and Ins k (k = 1, 2, 3, 4) are generated from the reference image Ex 0 and the floating image Ins 0 using a Gaussian pyramid [15]. As the parameter k increases, the size of the low resolution volume decreases and the number of voxels contained in the unit cell increases. As the original image has a resolution of 512 × 512 × 512, the volume is reduced to 256 × 256 × 256, 128 × 128 × 128, 64 × 64 × 64, and 32 × 32 × 32 as k increases from 1 to 4 , And the cell size increases by 2 × 2 × 2, 4 × 4 × 4, 8 × 8 × 8, and 16 × 16 × 16. The displacement field between the corresponding low resolution volumes is sequentially calculated from the lowest resolution step (k = 4) to the highest step (k = 1). After the optimization process is completed in one step, the calculated displacement is used as the initial value for optimization of the next resolution. A trilinear interpolation is used to transform the low-resolution displacement into the next-stage displacement with high resolution.

본 발명의 정합 방법에서는, 기준 기울기 힘과 부유 기울기 힘의 가중치 합이 부유 영상을 기준 영상에 대응하여 변형시키는데 사용된다. 이 가중치 합은 기준 기울기 힘이 약한 부유 영상의 폐 경계선에서도 빠른 수렴을 가능하게 한다. 본 발명은 최적화 과정 동안 β를 적응적으로 선택함으로써 정합 과정을 빠르게 수렴시키고, 수렴 과정을 반복함에 따라 국지적 변형을 가진 폐 하단 부분에서 정합의 정확도를 높일 수 있다.In the matching method of the present invention, the weighted sum of the reference tilt force and the floating tilt force is used to deform the floating image corresponding to the reference image. This weighting sum enables fast convergence even at the lung boundary of the floating image with weak reference slope force. The present invention rapidly converges the convergence process by adaptively selecting β during the optimization process and repeats the convergence process, thereby increasing the accuracy of matching at the lower part of the lung with local deformation.

기준 영상 및 부유 영상 간에 폐가 정합될 때 각 셀의 변위는 힘을 누적함으로써 계산된다. 변위의 변화가 무시할 만큼 작은 경우 그 셀은 더 이상 변형되지 않는다. 본 명세서에서는, 이와 같이 잘 정합된 셀에 대한 불필요한 계산을 피하기 위해 정합도에 따라 선택적으로 최적화를 수행하는 활성-셀 기반 데몬 알고리즘이 제공된다. When the lung is matched between the reference image and the floating image, the displacement of each cell is calculated by accumulating the force. If the change in displacement is negligibly small, the cell is no longer deformed. In this specification, an active-cell-based daemon algorithm is provided that selectively optimizes according to the degree of matching to avoid unnecessary computation for such well-matched cells.

저해상도 볼륨에서 각 셀의 활성도는 기준 영상 및 부유 영상의 상응하는 셀 간 유사도를 평가함으로써 결정된다. 다음의 두 가지 조건들을 모두 만족하는 셀은 충분히 정합되었다고 간주하여 비활성-셀(inactive cell)로 지정된다(S140). 하기 수학식 7 및 하기 수학식 8 중 어느 하나라도 만족하지 않으면 활성-셀(active cell)로 지정된다. The activity of each cell in the low resolution volume is determined by evaluating the corresponding intercell similarity of the reference image and the floating image. A cell satisfying both of the following two conditions is regarded as sufficiently matched and designated as an inactive cell (S140). If any one of the following equations (7) and (8) is not satisfied, it is designated as an active cell.

[수학식 7]&Quot; (7) "

Figure 112009050297871-pat00007
Figure 112009050297871-pat00007

[수학식 8]&Quot; (8) "

Figure 112009050297871-pat00008
Figure 112009050297871-pat00008

Figure 112009050297871-pat00009
(세번째 조건식)
Figure 112009050297871-pat00009
(Third conditional expression)

이때, Exk(T(x)) 및 Insk(x)는 각각 부유 영상과 기준영상의 k번째 저해상도 볼륨의 셀 x에서의 밝기 값이다. dk(x)는 Exk(T(x)) 및 Insk(x)의 밝기 값 차이의 절대치이다.

Figure 112009050297871-pat00010
는 기울기 벡터
Figure 112009050297871-pat00011
Figure 112009050297871-pat00012
간의 각도이다.In this case, Ex k (T (x)) and Ins k (x) are brightness values in the cell x of the k-th low-resolution volume of the floating image and the reference image, respectively. d k (x) is the absolute value of the difference in brightness values of Ex k (T (x)) and Ins k (x).
Figure 112009050297871-pat00010
Is a slope vector
Figure 112009050297871-pat00011
Wow
Figure 112009050297871-pat00012
.

상기 수학식 7은 k번째 셀에 대한 기준 영상 및 부유 영상의 밝기 값 차가 제1 임계값 T1보다 작아야 함을 나타낸다. 제1 임계값 T1은 밝기 값 차의 분포를 고려하여 하기 수학식 9와 같이 결정된다.Equation (7) indicates that the brightness difference between the reference image and the floating image for the k-th cell should be smaller than the first threshold value T 1 . The first threshold value T 1 is determined according to the following equation (9) in consideration of the distribution of the brightness difference.

[수학식 9]&Quot; (9) "

Figure 112009050297871-pat00013
Figure 112009050297871-pat00013

이 때 μdk 은 dk의 평균, δdk는 dk의 표준편차를 나타내며, ωN은 활성-셀의 비율을 조절하는 가중치로서, 0 내지 1 사이의 범위를 가진다.In this case, μ dk represents the average of d k , δ dk represents the standard deviation of d k , and ω N is a weight for adjusting the ratio of active-cells, and ranges from 0 to 1.

dk의 히스토그램(histogram)이 0 HU부터 오른쪽으로 갈수록 단조 감소하는 경향이 있기 때문에 평균 μdk 에는 0이 할당된다. 파라미터 ωN은 표준편차의 10% 만큼 임계 값을 설정하기 위해 초기에 0.1로 설정된다. 이 값은 수행 시간을 줄이면서도 정합의 정확성을 떨어뜨리지 않도록 보수적으로 설정될 수 있다. 반복 회수가 증가함에 따라 활성-셀의 비율을 줄이기 위해 ωN 은 표준편차의 30% 씩 증가 할 수 있다.Since the histogram of d k tends to decrease monotonically from 0 HU to the right, 0 is assigned to the mean μ dk . The parameter ω N is initially set to 0.1 to set the threshold by 10% of the standard deviation. This value can be conservatively set so as not to degrade the accuracy of the match while reducing the run time. As the number of iterations increases, ω N may increase by 30% of the standard deviation to reduce the active-cell ratio.

하기 수학식 8은 데몬 힘의 노옴이 무시할 만큼 작아야 한다는 것을 나타낸다. 실시예에 따라서는 0.25보다 작은 크기를 가지는 힘은 변위에 거의 영향을 주지 못하므로 임계값 T2는 0.25로 설정될 수 있다. The following equation (8) indicates that the norm of the daemon force should be negligibly small. Depending on the embodiment, the force having a magnitude of less than 0.25 has little effect on the displacement, so the threshold T 2 can be set to 0.25.

수학식 (세번째 조건식)은 기준 영상과 부유 영상의 기울기 벡터간 각도가 임계값 T2보다 작아야한다는 것을 나타낸다. T2는 실험적으로 30도로 설정되었다. The equation (third conditional expression) indicates that the angle between the slope vector of the reference image and the floating image should be smaller than the threshold value T2. T2 was experimentally set at 30 degrees.

이 때 셀과 복셀은 동일한 구획의 다른 이름일 수도 있고, 다르게 구획된 영역을 나타낼 수도 있다. 셀은 낮은 해상도로 설정되고, 복셀은 보다 정밀하게 설정될 수도 있다.In this case, the cell and the voxel may be different names of the same segment or may represent differently segmented regions. The cell is set to a lower resolution, and the voxel may be set more precisely.

도 2는 정합 과정이 반복 수행되는 동안 활성-셀의 비율이 점차 감소하는 과정을 도시하는 도면이다. 녹색으로 밝게 표시된 부분이 활성-셀을 나타낸다. 폐 영역에 포함되지 않은 대부분의 셀들과 변형이 작은 폐 윗부분의 셀들은 첫 번째 정합 과정이 수행된 이후 비활성-셀로 설정되었다. 반면, 폐 우측 하단의 변형이 큰 셀들은 세 번째 정합 과정이 수행된 이후에도 활성-셀로 남는다. 도 2로부터 측정된 비율은 반복회수 N이 증가함에 따라 11.03%, 7.1%, 4.81%로 감소되었다. FIG. 2 is a diagram illustrating a process in which the ratio of active-cells gradually decreases while the matching process is repeatedly performed. Green highlighted active cells. Most of the cells not included in the closed area and the cells in the upper part of the deformed lung were set as inactive cells after the first matching process was performed. On the other hand, cells with large deformation at the lower right side of the lung remain active - cell even after the third matching process is performed. The ratio measured from FIG. 2 decreased to 11.03%, 7.1%, and 4.81% as the number of repetitions N increased.

단계 (S140)에서 비활성 셀이 지정된 후, 단계(S150)에서는 활성 셀이 남아 있는지 여부를 판정한다. 활성 셀이 남아 있지 않는 경우 프로세스가 종료되고, 활성 셀이 남아 있는 경우 단계(S160)이 활성 셀에 대하여 수행된다. 힘의 장과 변위 장에 대한 3차원 가우시안 평활화는 활성-셀과 비활성-셀 간 불연속성을 방지 하기 위해 활성-셀과 활성-셀에 이웃한 셀들에 대해서 수행된다. After the inactive cell is designated in step S140, it is determined in step S150 whether there is any active cell remaining. If no active cell remains, the process terminates, and if active cell remains, step S160 is performed on the active cell. Three - dimensional Gaussian smoothing of force field and displacement field is performed on the active - cell and active - cell neighboring cells to prevent discontinuity between active - cell and inactive - cell.

본 발명의 영상 정합 방법에서는, 기준영상과 부유영상이 비강체 정합을 통해서 정합된 후 정합의 정확성을 확인하고 영상간 밝기값 차이를 가시화하기 위해 두 영상을 차감하여 차감 영상을 구한다. 밝기 값 차이를 쉽게 확인하기 위해 차감 영상의 밝기 값을 색상 범위에 사상(mapping)하여 색상 맵 영상으로 표현한다. In the image matching method of the present invention, the reference image and the floating image are matched through non-rigid body matching, and then the accuracy of registration is confirmed, and a subtracted image is obtained by subtracting the two images to visualize the difference in brightness value between images. In order to easily identify the difference in brightness value, the brightness value of the subtraction image is mapped into the color range and expressed as a color map image.

활성-셀 기반 데몬 알고리즘은 정합될 두 영상의 상응하는 셀들 간에 정합도를 평가함으로써 셀의 활성도를 결정한다. 활성-셀에 대해서만 최적화를 수행함으로써 불필요한 변위 누적을 방지할 수 있다. 그 결과 정합 과정이 가속화되며 변형 접힘 현상을 감소시킬 수 있다. The active-cell-based daemon algorithm determines cell activity by evaluating the degree of matching between the corresponding cells of the two images to be matched. By performing optimization only for active-cells, it is possible to prevent unnecessary accumulation of displacement. As a result, the registration process can be accelerated and the deformation folding phenomenon can be reduced.

도 3은 관상면 (coronal view)에서의 폐 비강체 정합 과정을 도시하는 도면이다. 관상면 (coronal view, coronal plane or frontal plane)은 인체를 앞, 뒤로 나누는 임의의 종단면을 말한다. 도 3의 (a)는 폐 영역이 분리된 호기 CT 영상을 나타낸다. (b)는 어파인 변환된 호기 CT 영상, 즉 부유 영상을 나타낸다. (c)는 기준 영상에 대하여 비강체 정합된 부유 영상을 나타낸다.3 is a view showing a lung non-rigid body matching process in a coronal view. A coronal view (coronal plane or frontal plane) is an arbitrary profile that divides the human body forward and backward. 3 (a) shows an expiration CT image in which a closed region is separated. (b) shows an aerial-converted expiration CT image, that is, a floating image. (c) shows the non-rigid-matched floating image with respect to the reference image.

한편 (d)는 흡기 CT 영상, 즉 기준 영상을 나타내고 (e)는 기준 영상에 대하여 설정된 변위 장을 나타낸다. (f)는 색상 코딩된 색상 맵 영상을 나타낸다.(D) represents an inspiratory CT image, that is, a reference image, and (e) represents a displacement field set for the reference image. (f) shows a color-coded color map image.

이하에서는, 본 발명의 영상 정합 방법을 실제로 적용한 예를 제시하여 설명한다. 본 발명은 최대 호기와 최대 흡기에 얻어진 두 흉부 CT 영상에 적용되었다. 5명의 환자에 대해 Sensation 16 스캐너 (Siemens, Erlangen, Germany)를 사용하여 0.7mm 간격의 씬-섹션 CT 스캐닝(thin-section CT scanning)을 수행하였다. 모든 영상은 512 x 512 픽셀의 해상도를 가지며 각 픽셀의 크기는 0.55mm 내지 0.63mm이며 각 스캔 당 영상의 수는 421장 내지 480장이다. 표 1은 실험에서 사용한 볼륨데이터의 해상도와 복셀 크기를 나타낸다. Hereinafter, an example in which the image matching method of the present invention is actually applied will be described. The present invention has been applied to both chest CT images obtained at maximal expiration and maximal inspiration. Five patients were subjected to thin-section CT scanning at 0.7 mm intervals using a Sensation 16 scanner (Siemens, Erlangen, Germany). All images have a resolution of 512 x 512 pixels, the size of each pixel is 0.55 mm to 0.63 mm, and the number of images per scan is 421 to 480. Table 1 shows the resolution and voxel size of the volume data used in the experiment.

[표 1][Table 1]

데이터data 해상도resolution 복셀 크기 (mm)Voxel size (mm) Ex-Ins1Ex-Ins1 512 × 512 × 421512 × 512 × 421 0.57 × 0.57 × 0.70.57 x 0.57 x 0.7 Ex-Ins2Ex-Ins2 512 × 512 × 480512 × 512 × 480 0.63 × 0.63 × 0.70.63 x 0.63 x 0.7 Ex-Ins3Ex-Ins3 512 × 512 × 441512 × 512 × 441 0.55 × 0.55 × 0.70.55 x 0.55 x 0.7 Ex-Ins4Ex-Ins4 512 × 512 × 435512 × 512 × 435 0.62 × 0.62 × 0.70.62 x 0.62 x 0.7 Ex-Ins5Ex-Ins5 512 × 512 × 448512 × 512 × 448 0.60 × 0.60 × 0.70.60 x 0.60 x 0.7

얻어진 호기 CT 영상 및 흡기 CT 영상 각각에 대해 폐 영역의 부피를 측정한 결과, 좌우의 폐에 대해 부피의 평균(표준편차)은 호기 CT 영상이 2185.94 (688.53) cc, 흡기 CT 영상의 경우 3867.86 (649.93) cc 였다. 두 영상 간 부피의 평균 차이는 우폐에서 954.78 (347.13)cc이고 좌폐에서 793.63 (203.4)cc였다. 흡기 동안 부피의 증가치는 좌폐보다 우폐에서 더 컸음을 알 수 있다. The mean volume (standard deviation) of the left and right lungs was 2185.94 (688.53) cc on the expiratory CT image and 3867.86 (d) on the inspiratory CT image, 649.93) cc. The mean difference in volume between the two images was 954.78 (347.13) cc in the right and 793.63 (203.4) cc in the left. It can be seen that the increase in volume during inspiration was greater in the blindness than in the left arm.

본 발명의 정합 방법의 폐 비강체 정합 결과를 평가하기 위한 항목으로 육안 평가, 정확성 평가, 수행시간을 선정하였다. 먼저 부유 영상의 기울기 정보를 사용함으로써 얻을 수 있는 효과는 기준 기울기 힘을 사용한 종래 방법 (방법 A)과 기준 기울기 힘 및 부유 기울기 힘을 함께 사용한 본 발명의 영상 정합 방법 (방법 B)을 비교함으로써, 활성-셀 사용의 효과는 활성-셀을 사용한 본 발명의 영상 정합 방법 (방법 B)과 활성-셀/비활성-셀을 구분하지 않은 종래 방법 (방법 C)을 비교함 으로써 평가하였다. 위의 세 방법의 가우시안 평활화를 위해 동일한 파라미터가 사용되었다. 힘의 장과 변위 장의 가우시안 평활화를 위한 표준 편차 σ는 2로 설정되었다. 가우시안 필터의 크기는 k가 1과 2일 때는 5× 5× 5, k가 3과 4일 때는 3× 3× 3으로 설정되었다. Visual evaluation, accuracy evaluation, and execution time were selected as items for evaluating the results of the lung non-rigid body matching method of the present invention. First, the effect obtained by using the slope information of the floating image is compared with the conventional method (method A) using the reference tilt force and the image matching method (method B) of the present invention using the reference tilt force and the floating tilt force together, The effect of active-cell use was evaluated by comparing the image matching method (method B) of the present invention using the active-cell and the conventional method (method C) not distinguishing the active-cell / inactive-cell. The same parameters were used for Gaussian smoothing of the above three methods. The standard deviation σ for Gaussian smoothing of the field of force and the displacement field was set to 2. The size of the Gaussian filter was set to 5 × 5 × 5 for k 1 and 2, and 3 × 3 × 3 for k 3 and 4.

방법 A와 방법 B를 비교하기 위해 정규화된 상호 상관관계 (normalized cross correlation, NCC)를 측정하여 정합의 정확도를 평가하였다. NCC는 전체 폐와 변형이 큰 하단 30%에 대해 각각 측정하였다. To compare Method A and Method B, the accuracy of the matching was evaluated by measuring the normalized cross correlation (NCC). NCC was measured for the lower lung 30% of the total lung and deformation.

도 4는 표 1의 데이터 Ex-Ins1에 대하여 방법 A와 방법 B 각각을 적용한 경우의 NCC를 도시하는 비교 그래프이다. 기준 영상과 변형된 부유 영상 간 밝기 값에 대한 NCC는 수학식 10을 이용하여 계산된다.4 is a comparative graph showing the NCC when the methods A and B are applied to the data Ex-Ins1 of Table 1, respectively. The NCC for the brightness value between the reference image and the deformed floating image is calculated using Equation (10).

[수학식 10]&Quot; (10) "

Figure 112009050297871-pat00014
Figure 112009050297871-pat00014

이 때, x는 복셀의 인덱스, M은 복셀의 개수이며, Ex(x)는 부유 영상의 복셀 x의 밝기 값, Ins(x)는 기준 영상의 복셀 x의 밝기 값을 나타낸다.

Figure 112009050297871-pat00015
는 부유영상의 평균 밝기 값,
Figure 112009050297871-pat00016
는 기준영상의 평균 밝기값이며, σEx는 부유영상의 밝기 값의 표준편차, σIns는 기준영상의 밝기 값의 표준편차를 나타낸다.Here, x is an index of a voxel, M is a number of voxels, Ex (x) is a brightness value of a voxel x of a floating image, and Ins (x) is a brightness value of a voxel x of a reference image.
Figure 112009050297871-pat00015
The average brightness value of the floating image,
Figure 112009050297871-pat00016
Is the average brightness value of the reference image,? Ex is the standard deviation of the brightness value of the floating image, and? Ins is the standard deviation of the brightness value of the reference image.

NCC가 높을수록 기준 영상과 부유 영상의 정합 정도가 높은 것으로 간주할 수 있다. 도 4를 참조하면, 방법 B가 적용되었을 때의 NCC가 방법 A가 적용되었을 때의 NCC보다 모든 수행 단계(반복회수)에서 더 높음을 알 수 있다. 두 방법의 NCC 수치간 최대 차이는 (a) 전체 폐 영역에서 1.67%, (b) 폐 하단 30% 영역에 대해 8.75%였다. 방법 B (본 발명)는 변형이 큰 폐 하단 30% 영역에서 더 효과적임을 알 수 있다.The higher the NCC, the higher the degree of matching between the reference image and the floating image. Referring to FIG. 4, it can be seen that the NCC when method B is applied is higher in all the execution steps (the number of iterations) than the NCC when method A is applied. The maximum difference between the NCC values of the two methods was (a) 1.67% in the total lung area and (b) 8.75% in the lower 30% area. It can be seen that Method B (the present invention) is more effective in the region of the lower 30% of the lung where the deformation is large.

도 5는 종래 방법과 본 발명의 정합 방법 각각을 적용한 경우의 상관관계 분포를 도시하는 박스 플롯이다. 도 5를 참조하면 다섯 명의 환자 데이터에 대하여 측정된 두 영상 간의 NCC의 박스 플롯(box plot)이 도시된다. (a) 전체 폐 영역에 대하여 방법 B가 적용되었을 때에 평균 NCC는 0.954, 표준편차는 0.018 이었고 방법 A가 적용되었을 때에 평균 NCC는 0.947, 표준편차는 0.023으로 본 발명인 방법 B가 종래 기술인 방법 A에 비하여 정합 정도가 우수한 것으로 나타난다. 호흡 상태에 따른 변형이 심한 (b) 하단 30% 영역에서는 방법 B가 적용되었을 때에 방법 A보다 더욱 높은 NCC를 나타냄을 알 수 있으며, 종래 기술에 비해 더욱 효과적인 정합 수단임을 알 수 있다.5 is a box plot showing the correlation distribution when applying the conventional method and the matching method of the present invention, respectively. Referring to FIG. 5, a box plot of the NCC between two measured images for five patient data is shown. (a) When Method B was applied to the entire lung area, the mean NCC was 0.954 and the standard deviation was 0.018. When Method A was applied, the mean NCC was 0.947 and the standard deviation was 0.023. The degree of matching is superior. It can be seen that NCC is higher than Method A when the method B is applied in the lower 30% region where the deformation due to the respiration state is severe, which is more effective matching means than the conventional art.

본 발명의 정합 방법의 효과를 평가할 수 있는 항목 중 하나로서 변형 접힘 현상의 확률 및 빈도를 들 수 있다. 변형 접힘 현상의 확률은 낮을수록 정합 정도가 우수한 것으로 평가된다. 좌표 (x, y, z)로 이루어진 복셀의 위치 벡터

Figure 112009050297871-pat00017
에서 변위 벡터를 U(
Figure 112009050297871-pat00018
)로 표시한다. 변형 접힘 현상의 확률은 음수 야코비 행렬식 (negative Jacobian determinant)에 의하여 계산되며, 하기 수학식 11과 같이 나타내어질 수 있다.One of the items that can evaluate the effect of the matching method of the present invention is the probability and frequency of the deformed folding phenomenon. The lower the probability of the deformed folding phenomenon, the better the match degree. The position vector of the voxel with coordinates (x, y, z)
Figure 112009050297871-pat00017
The displacement vector is denoted by U (
Figure 112009050297871-pat00018
). The probability of the deformation-folding phenomenon is calculated by a negative Jacobian determinant and can be expressed by Equation (11).

[수학식 11]&Quot; (11) "

Figure 112009050297871-pat00019
Figure 112009050297871-pat00019

여기서

Figure 112009050297871-pat00020
=(x, y, z), U(
Figure 112009050297871-pat00021
)=(Ux, Uy, Uz)로 나타내어진다.here
Figure 112009050297871-pat00020
= (x, y, z), U (
Figure 112009050297871-pat00021
) = (Ux, Uy, Uz).

변환의 야코비 행렬식은 변환의 가역성 (invertibility)을 판단할 수 있는 척도이다. 음수 야코비 행렬식을 가진 복셀은 가역 변환이 불가능하므로 이러한 복셀에서는 국지적으로 변환 접힘 현상이 발생한다.The Jacobian determinant of the transform is a measure of the invertibility of the transform. Since the voxel with negative Jacobian determinant can not be reversible transformed, the transformed folding phenomenon occurs locally in such a voxel.

도 6은 종래 기술 (방법 C)과 본 발명의 정합 방법(방법 B) 각각을 적용한 경우의 음수 야코비 행렬식의 확률을 도시하는 박스 플롯이다. 방법 B는 활성-셀과 비활성-셀을 나누고, 비활성-셀에 대하여는 비강체 정합 과정을 더 이상 수행하지 않는 본 발명의 구성을 따른다. 활성-셀과 비활성-셀을 구분하는 기준으로, 복 셀 또는 셀의 새롭게 제안된 데몬 힘 (하기 수학식 3) 및 노옴을 이용할 수 있음은 앞에서 설명한 바와 같다. 반면 방법 C는 활성-셀과 비활성-셀을 나누지 않고 모든 셀 영역에 대하여 비강체 정합 과정을 수행하는 종래 기술이다.FIG. 6 is a box plot showing the probability of the negative Jacobian determinant when applying the prior art (method C) and the inventive matching method (method B), respectively. Method B follows the configuration of the present invention in which the active-cell and the inactive-cell are separated and the non-rigid-body matching process is no longer performed for the inactive-cell. As previously described, it is possible to use the newly proposed daemon force of a cell or cell (Equation 3) and norms as a criterion for distinguishing an active-cell from an inactive-cell. On the other hand, Method C is a conventional technique for performing a non-rigid matching process on all cell regions without dividing the active-cell and the inactive-cell.

도 6의 박스 플롯은 상한, 하한, 평균 값을 나타낸다. 도 6을 참조하면 방법 B가 적용된 경우는 평균 2.713%의 확률을 나타내고 (표준편차 1.261) 방법 C가 적용된 경우는 평균 3.177%의 확률을 나타내어 (표준편차 1.545) 통계적으로 유의미하게 방법 B의 적용 결과가 방법 C보다 낮은 변형 접힘 확률을 가짐을 보여주고 있다.The box plots in Fig. 6 show upper, lower, and average values. Referring to FIG. 6, when the method B is applied, the probability of the average 2.713% (standard deviation 1.261) and the probability of the average of 3.177% when the method C is applied (standard deviation 1.545) Has a lower deformation folding probability than Method C.

본 발명의 정합 방법은 활성-셀에 대해서만 변위를 계산하고 평활화함으로써 불필요한 변형이 누적되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해 본 발명의 정합 방법은 변형 접힘 확률을 낮출 수 있으며 정합 시 영상의 왜곡 현상을 방지할 수 있다.The matching method of the present invention can prevent unnecessary deformation from accumulating by calculating and smoothing the displacement only for the active-cell. Accordingly, the matching method of the present invention can lower the deformation folding probability and prevent image distortion during registration.

본 발명의 정합 방법은 활성-셀 기반 정합 방법을 이용함으로써 전체적인 정합 과정의 수행 시간을 단축하는 효과를 가진다. 이와 같은 효과는 방법 B와 방법 C에 의한 전체 수행 시간을 비교함으로서도 평가할 수 있다.The matching method of the present invention has the effect of shortening the execution time of the overall matching process by using the active-cell based matching method. Such an effect can also be evaluated by comparing the total execution time by Method B and Method C.

하기 표 2는 방법 B와 방법 C의 각 정합 수행 단계에서의 수행 시간을 비교하는 도표이다.Table 2 below is a chart comparing the execution times in each of the matching process steps of Method B and Method C.

[표 2][Table 2]

수행 단계Steps to Perform 방법 BMethod B 방법 CMethod C 다중 해상도 볼륨 생성Create a multi-resolution volume 76.6776.67 76.9676.96 힘의 장 계산Calculate length of force 8.768.76 14.8514.85 힘의 장 평활화Smoothing of power 127.83127.83 363.37363.37 변위 장 평활화Smoothing displacement field 116.77116.77 417.18417.18 저해상도 볼륨의 변환Conversion of low resolution volumes 21.2621.26 33.7233.72 셀의 활성도 결정Determine cell activity 2.632.63 0.000.00 원 영상의 변환Conversion of original image 59.4659.46 62.8162.81 총 수행 시간Total Run Time 413.38413.38 968.89968.89

[단위: 초][Unit: second]

표 2를 참조하면 2.67GHz Intel Pentium Core i7 및 3.23GB 메모리를 탑재한 시스템에서 수행된 정합 과정의 단계 별 수행 시간이 제시된다. 방법 B는 총 6분 53초가 수행되었고 방법 C는 16분 9초가 수행되었다. 방법 B는 방법 C에 대하여 57%의 수행 시간 감소 효과를 보인다. 특히 평활화 단계에서 수행 시간 단축 효과가 두드러지는데 이 부분에서 약 72%의 수행 시간 감소 효과를 나타내었다.Table 2 shows the execution time of each step of the matching process performed in a system equipped with 2.67 GHz Intel Pentium Core i7 and 3.23 GB memory. Method B performed a total of 6 minutes and 53 seconds and Method C performed 16 minutes and 9 seconds. Method B shows a 57% reduction in execution time for Method C. In particular, the execution time reduction effect is noticeable in the smoothing step, which shows a 72% reduction in execution time.

평활화 과정은 부유 영상 및 기준 영상의 각 셀에 대한 데몬 힘을 계산하기 전에 각 셀의 공간 척도를 등가적인 (equivalent) 관계에 놓기 위하여 수행하는 과정으로, 방법 B(본 발명)는 비활성-셀을 분리하여 활성-셀에 대해서만 평활화 과정을 수행하지만 방법 C는 모든 셀에 대하여 평활화 과정을 수행하므로 단계가 반복 수행되고 정합 결과가 누적될수록 방법 B의 수행 시간 단축 효과가 두드러질 것으로 기대된다.The smoothing process is performed to set the spatial scale of each cell to an equivalent relation before calculating the daemon force for each cell of the floating image and the reference image. The method B (present invention) However, since the method C performs a smoothing process for all cells, it is expected that the step is repeated and the shorter the execution time of the method B becomes, the more the matching result accumulates.

결과적으로, 본 발명은 기준 영상으로부터 얻어진 기울기 값과 부유 영상으로부터 얻어진 기울기 값을 모두 이용함으로써 폐 조직의 변형 양상이 변화되더라도 항상 최적 수렴 값을 탐색하는 과정을 가속화할 수 있으며, 활성-셀 기반 정합 기법을 사용함으로써 수행 시간을 단축하고 불필요한 변형 누적을 방지하여 변형 접힘 현상의 발생 확률 또는 빈도를 줄일 수 있다.As a result, by using both the slope value obtained from the reference image and the slope value obtained from the floating image, it is possible to accelerate the process of searching for the optimum convergence value even if the deformation pattern of the lung tissue changes, and the active- It is possible to shorten the execution time and prevent the accumulation of unnecessary deformation, thereby reducing the occurrence probability or frequency of the deformation folding phenomenon.

본 발명의 일 실시예에 따른 정합 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The matching method according to an exemplary embodiment of the present invention may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be those specially designed and constructed for the present invention or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

이러한 본 발명의 영상 정합 방법은 하드웨어적인 모듈에 의하여 구현될 수도 있다. 이 때, 최초의 CT 영상에서 폐의 각 부분을 분할하고, 폐 영역을 분리해 내는 기능은 분리 모듈이 수행할 수 있다. 한편 분리되어 생성된 부유 영상을 기 준 영상에 대하여 강체 정합하는 기능은 강체 정합 모듈에 의하여 수행될 수 있다. 강체 정합된 부유 영상을 개선된 데몬 힘과 활성 셀 탐색 알고리즘에 기초하여 비강체 정합하는 기능은 비강체 정합 모듈에 의하여 수행될 수 있다. 이 때 개선된 데몬 힘은 기준 영상의 경계면의 기울기 및 부유 영상의 경계면의 기울기를 함께 이용하여 구해질 수 있다.The image matching method of the present invention may be implemented by a hardware module. At this time, the separation module can perform the function of dividing each part of the lung and separating the lung area from the initial CT image. On the other hand, the function of rigid body matching of the separately generated floating image to the reference image can be performed by the rigid body matching module. The function of non - rigid matching based on the rigid - body - matched floating image on the basis of the improved daemon force and the active cell search algorithm can be performed by a non - rigid matching module. At this time, the improved daemon force can be obtained by using both the slope of the boundary surface of the reference image and the slope of the boundary surface of the floating image.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. This is possible.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폐 영상 정합 방법을 도시하는 동작 흐름도이다.FIG. 1 is a flowchart illustrating an image matching method according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.

도 2는 정합 과정이 반복 수행되는 동안 활성-셀의 비율이 점차 감소하는 과정을 도시하는 도면이다.FIG. 2 is a diagram illustrating a process in which the ratio of active-cells gradually decreases while the matching process is repeatedly performed.

도 3은 관상면에서의 폐 비강체 정합 과정을 도시하는 도면이다.Fig. 3 is a view showing a lung non-rigid body matching process on the coronal plane.

도 4는 데이터 Ex-Ins1에 대하여 종래 방법과 본 발명의 정합 방법 각각을 적용한 경우의 상관관계를 도시하는 비교 그래프이다.Fig. 4 is a comparative graph showing the correlation when the conventional method and the matching method of the present invention are applied to the data Ex-Ins1.

도 5는 종래 방법과 본 발명의 정합 방법 각각을 적용한 경우의 상관관계 분포를 도시하는 박스 플롯이다.5 is a box plot showing the correlation distribution when applying the conventional method and the matching method of the present invention, respectively.

도 6은 종래 방법과 본 발명의 정합 방법 각각을 적용한 경우의 음수 야코비 행렬식의 확률을 도시하는 박스 플롯이다.6 is a box plot showing the probability of the negative Jacobian determinant when applying the conventional method and the matching method of the present invention, respectively.

Claims (9)

컴퓨터 단층촬영 영상에 의하여 생성된 호기 폐 영상 및 흡기 폐 영상의 정합 방법에 있어서,A method for matching a lung lung image and an inspiratory lung image generated by a computed tomography image, 상기 호기 폐 영상으로부터 폐, 기관지 및 폐혈관 영역을 분할하고, 부유 영상을 생성하는 단계;Dividing lung, bronchus, and pulmonary vascular regions from the expiration lung image and generating a floating image; 상기 흡기 폐 영상으로부터 폐, 기관지 및 폐혈관 영역을 분할하고, 기준 영상을 생성하는 단계;Dividing lung, bronchus and pulmonary vascular regions from the inspiratory lung images and generating a reference image; 상기 부유 영상을 협대역 거리 전파에 기반한 어파인 변환을 이용하여 상기 기준 영상에 대하여 일차 정합하는 단계;Performing a first-order matching of the floating image with respect to the reference image using affine transformation based on narrow-band-distance propagation; 일차 정합된 부유 영상 및 상기 기준 영상의 활성 셀 및 비활성 셀을 분리하는 단계;Separating active and inactive cells of the primary matched floating image and the reference image; 일차 정합된 부유 영상의 활성 셀의 기울기 정보를 이용하여 상기 일차 정합된 부유 영상을 상기 기준 영상에 대하여 비강체 정합하는 단계; 및Performing non-rigid-body matching of the first-matched floating image with respect to the reference image using slope information of active cells of a first-matched floating image; And 상기 기준 영상의 밝기 값을 상기 비강체 정합된 부유 영상의 밝기 값으로부터 차감하고, 상기 밝기 값 차이를 영상 코딩하는 단계Subtracting the brightness value of the reference image from the brightness value of the non-rigid-body-matched floating image, and image-coding the brightness value difference 를 포함하는 폐 영상 정합 방법.Wherein the method comprises the steps of: 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 비강체 정합하는 단계는The non-rigid body matching step 상기 기준 영상의 경계면 복셀의 기울기 정보 및 상기 일차 정합된 부유 영상의 경계면 복셀의 기울기 정보에 기초하여 데몬 힘을 계산하는 단계; 및Calculating a daemon force based on slope information of a boundary surface voxel of the reference image and slope information of a boundary surface voxel of the primary matched floating image; And 상기 데몬 힘에 따라 상기 일차 정합된 부유 영상의 경계면을 상기 기준 영상의 경계면 방향으로 국지적으로 변형하는 단계And locally transforming a boundary surface of the primary-matched floating image according to the daemon force to a boundary surface direction of the reference image 를 포함하는 폐 영상 정합 방법.Wherein the method comprises the steps of: 제2항에 있어서,3. The method of claim 2, 상기 데몬 힘을 계산하는 단계는The step of calculating the daemon force 상기 기준 영상의 경계면 복셀의 기울기 정보 및 상기 일차 정합된 부유 영상의 경계면 복셀의 기울기 정보 각각에 가중치를 곱하여 합산함으로써 상기 데몬 힘을 계산하는 폐 영상 정합 방법.And calculating the daemon force by multiplying the slope information of the boundary voxel of the reference image and the slope information of the boundary voxel of the primary matched floating image by the weights. 제2항에 있어서,3. The method of claim 2, 비강체 정합하는 단계는The non-rigid body matching step 상기 데몬 힘을 계산하는 단계 및 상기 일차 정합된 부유 영상의 경계면을 상기 기준 영상의 경계면 방향으로 국지적으로 변형하는 단계를 반복적으로 수행하여 최적의 수렴 값을 탐색하는 폐 영상 정합 방법.Calculating the daemon force, and locally modifying the boundary surface of the primary matched floating image to the boundary plane of the reference image to search for an optimum convergence value. 제1항에 있어서,The method according to claim 1, 상기 일차 정합된 부유 영상 및 상기 기준 영상의 활성 셀 및 비활성 셀을 분리하는 단계는The step of separating the active and inactive cells of the primary matched floating image and the reference image comprises: 상기 일차 정합된 부유 영상 및 상기 기준 영상의 상응하는 셀 간의 밝기 값 차이가 제1 임계값보다 작은지 여부를 판정하는 단계;Determining whether a difference in brightness value between the first-matched floating image and a corresponding cell of the reference image is smaller than a first threshold value; 상기 상응하는 셀에 대한 데몬 힘을 계산하는 단계;Calculating a daemon force for the corresponding cell; 상기 데몬 힘의 노옴이 제2 임계값보다 작은지 여부를 판정하는 단계; 및Determining whether the norm of the daemon force is less than a second threshold; And 상기 상응하는 셀 간의 밝기 값 차이가 상기 제1 임계값보다 작고, 상기 데몬 힘의 노옴이 상기 제2 임계값보다 작으면 상기 상응하는 셀을 비활성 셀로 지정하는 단계Designating the corresponding cell as an inactive cell if the brightness difference between the corresponding cells is smaller than the first threshold value and the norm of the daemon force is smaller than the second threshold value 를 포함하는 폐 영상 정합 방법.Wherein the method comprises the steps of: 컴퓨터 단층촬영 영상에 의하여 생성된 호기 폐 영상 및 흡기 폐 영상의 정합 장치에 있어서,An apparatus for matching a lung lung image and an inspiratory lung image generated by a computed tomography image, 상기 호기 폐 영상으로부터 폐, 기관지 및 폐혈관 영역을 분할하고, 부유 영상을 생성하고, 상기 흡기 폐 영상으로부터 폐, 기관지 및 폐혈관 영역을 분할하고, 기준 영상을 생성하는 영상 분할부;An image segmentation unit for segmenting lung, bronchus and pulmonary vascular regions from the lung lung image, generating a floating image, dividing lung, bronchial and pulmonary vascular regions from the lung lung image, and generating a reference image; 상기 부유 영상을 협대역 거리 전파에 기반한 어파인 변환을 이용하여 상기 기준 영상에 대하여 일차 정합하는 광역 정합부;A wide matching unit for performing a first-order matching of the floating image with respect to the reference image using affine transformation based on the narrow-band distance propagation; 일차 정합된 부유 영상 및 상기 기준 영상의 활성 셀 및 비활성 셀을 분리하고, 상기 일차 정합된 부유 영상의 활성 셀의 기울기 정보를 이용하여 일차 정합된 부유 영상을 상기 기준 영상에 대하여 비강체 정합하는 비강체 정합부; 및And a non-rigid-body matching unit for performing a non-rigid matching of the first-matched floating image with respect to the reference image by using the first-matched floating image and the active and inactive cells of the reference image and using the slope information of the active- A rigid body matching portion; And 상기 기준 영상의 밝기 값을 상기 비강체 정합된 부유 영상의 밝기 값으로부터 차감하고, 상기 밝기 값 차이를 영상 코딩하는 영상 코딩부An image coding unit for subtracting the brightness value of the reference image from the brightness value of the non-rigid-body-matched floating image, and image-coding the brightness value difference, 를 포함하는 폐 영상 정합 장치.And an image pickup device for picking up an image. 제6항에 있어서,The method according to claim 6, 상기 비강체 정합부는The non-rigid body matching portion 상기 기준 영상의 경계면 복셀의 기울기 정보 및 상기 일차 정합된 부유 영상의 경계면 복셀의 기울기 정보에 기초하여 데몬 힘을 계산하고,Calculating a daemon force based on the slope information of the interface voxel of the reference image and the slope information of the interface voxel of the primary matched floating image, 상기 데몬 힘에 따라 상기 일차 정합된 부유 영상의 경계면을 상기 기준 영상의 경계면 방향으로 국지적으로 변형하는 폐 영상 정합 장치.Wherein the first matching unit transforms the boundary surface of the first matched floating image locally in the direction of the boundary surface of the reference image according to the daemon force. 제7항에 있어서,8. The method of claim 7, 상기 비강체 정합부는The non-rigid body matching portion 상기 데몬 힘에 기초하여 상기 기준 영상 및 상기 일차 정합된 부유 영상의 상응하는 셀 중 활성 셀과 비활성 셀을 분리하고,Separating an active cell and an inactive cell among corresponding cells of the reference image and the primary-matched floating image based on the daemon force, 상기 활성 셀에 대하여 상기 데몬 힘에 따라 상기 일차 정합된 부유 영상의 경계면을 상기 기준 영상의 경계면 방향으로 국지적으로 변형하는 폐 영상 정합 장치.Wherein the active matching unit locally transforms the boundaries of the primary matched floating image to the boundary of the reference image according to the daemon force. 제7항에 있어서,8. The method of claim 7, 상기 비강체 정합부는The non-rigid body matching portion 국지적으로 변형된 부유 영상 및 상기 기준 영상에 대하여 상기 데몬 힘을 재계산하고, 상기 재계산된 데몬 힘에 따라 활성 셀 및 비활성 셀을 재분리하고, 상기 국지적으로 변형된 부유 영상의 경계면을 재변형하는 폐 영상 정합 장치.Recalculating the demon force for the locally deformed floating image and the reference image, re-separating the active and inactive cells according to the re-computed daemon force, and re-transforming the locally deformed floating image boundary To-waste image matching device.
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