KR101258814B1 - Nonrigid registration method and system with density correction of each tissue and rigidity constraint of tumor in dynamic contrast-enhanced breast mr images - Google Patents

Nonrigid registration method and system with density correction of each tissue and rigidity constraint of tumor in dynamic contrast-enhanced breast mr images Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A nonrigid registration method and system applying the tumor rigidity constraint and the density correction of each tissue in a dynamic contract enhanced breast MR image are provided to accurately classify a tissue by regularizing a contrast density. CONSTITUTION: A breast region is automatically divided by removing a breast skin and a pectoral(S110). A fuzzy C-means grouping method is used in the divided breast region. A breast tissue is classified into fat, the mammary gland, a tumor, and a blood vessel(S120). The tumor is divided by using a density and a morphological operation(S130). The density is corrected in the fat and the mammary gland(S140). [Reference numerals] (AA) Start; (BB) End; (S110) Breast division based on slope and direction information; (S120) Tissue classification using a fuzzy C-means grouping method; (S130) Tumor division based on brightness value and shape information; (S140) Rigid body matching based on normalized mutual information and brightness value correction; (S150) Non-rigid body matching applying tumor rigid constraints;

Description

동적조영증강 유방 MR 영상에서 조직별 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합 방법 및 시스템{Nonrigid Registration Method and System with Density Correction of Each Tissue and Rigidity Constraint of Tumor in Dynamic Contrast-Enhanced Breast MR Images}Nonrigid Registration Method and System with Density Correction of Each Tissue and Rigidity Constraint of Tumor in Dynamic Contrast-Enhanced Breast MR Images}

본 발명은 비강체 정합 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동적조영증강 유방 MR 영상에서 조직별 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합 방법 및 시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a non-rigid registration method and system, and more particularly, to a non-rigid registration method and system applying tissue-specific brightness correction and tumor stiffness constraint in dynamic contrast enhanced breast MR imaging.

조영제 주입 전과 주입 후 일정 시간 간격으로 4~5번 연속 촬영된 동적조영증강 MR 유방영상(DCE-MR: Dynamic Contrast-Enhanced MR breast image)에서 종양의 관류를 분석하는 것은 종양의 악성 여부를 진단하고 악성 종양의 치료 계획 수립 및 효과 관찰을 가능하게 하는 비침습적인 방법 중의 하나이다. Analyzing tumor perfusion on dynamic contrast-enhanced MR breast images (DCE-MR) taken four to five times at regular intervals before and after the contrast agent was diagnosed It is one of the non-invasive methods that enable treatment planning and observation of effects of malignant tumors.

동적조영증강 MR 유방영상 획득 시 호흡 차이 및 심장 박동 등으로 인하여 유방 내·외부가 부분적으로 변형될 수 있으므로 조영 전·후 증강영상 간 비강체 정합이 필요하다.
Since dynamic contrast-enhanced MR breast imaging can be partially altered inside and outside of the breast due to respiratory differences and heart rate, non-rigid registration between pre and post-enhancement imaging is required.

본 발명의 실시예는 전술한 바와 같은 필요성에 따라 창안된 것으로서, 동적조영증강 유방 MR 영상에서 조직별 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합 방법 및 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
Embodiments of the present invention have been made in accordance with the necessity as described above, and an object of the present invention is to provide a non-rigid registration method and system applying brightness correction and tumor stiffness constraint for each tissue in a dynamic contrast enhanced breast MR image.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 비강체 정합 방법은, 기울기 및 방향 정보를 이용하여 유방피부와 흉근을 제거함으로써 유방 영역을 자동 분할하는 단계; 상기 자동 분할단계에 의해 분할된 유방 영역 내에 fuzzy C-means 군집화 기법을 이용하여 지방, 유선조직, 종양 및 혈관으로 유방조직을 분류하는 단계; 상기 분류단계에 의해 분류된 종양 정보 또는 타겟과 소스영상에서 조영 정도에 따른 밝기값 차이를 이용하여 종양의 위치를 자동 추출하고 밝기값 및 형태학적인 연산을 이용하여 종양 부위를 분할하는 단계; 상기 타겟과 소스영상 간 정규화된 상호정보 기반의 강체 정합을 수행하고, 조영제의 영향으로 서로 다른 밝기값을 갖게 되는 지방과 유선조직에 대하여 밝기값 보정을 수행하는 단계; 및 상기 종양 부위의 밝기값 차이로 인한 변형을 줄여주기 위해 상기 분할된 종양 부위에 강성 구조를 유지하도록 제약을 주고 각 유방조직별 정규화 가중치를 적용한 데몬기반 비강체 정합을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Non-rigid registration method according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the step of automatically segmenting the breast region by removing the breast skin and pectoral muscle using the slope and direction information; Classifying breast tissue into fat, mammary tissue, tumor, and blood vessel using fuzzy C-means clustering technique in the breast region divided by the automatic segmentation step; Automatically extracting the location of the tumor by using brightness information according to the degree of contrast in the tumor information classified by the classification step or the target image and dividing the tumor site by using the brightness value and morphological calculation; Performing a rigid registration based on normalized mutual information between the target and the source image, and correcting brightness values of fat and mammary gland tissue having different brightness values under the influence of contrast medium; And performing daemon-based non-rigid registration applying constraints to maintain the rigid structure in the divided tumor areas and applying normalized weights to each breast tissue to reduce deformation due to the difference in brightness values of the tumor areas. It is characterized by.

여기서, 조영제 주입 전 증강영상을 타겟(target)영상, 조영제 주입 후 증강영상을 소스(source)영상으로 정의하고, 상기 소스영상은 소정 간격으로 연속 촬영된 데이터 셋으로 구성될 수 있다.Herein, the enhancement image before the contrast agent injection is defined as a target image, and the enhancement image after the contrast agent injection is a source image, and the source image may be configured as a data set continuously photographed at predetermined intervals.

상기 자동 분할단계는, 에지와 같은 중요한 정보는 유지하면서 잡음을 제거할 수 있는 비등방성 확산 필터링(anisotropic diffusion filtering) 적용 후 유방 영역을 분할하고, 데이터마다 다르게 나타나는 유방조직의 조영 정도를 보정하기 위해 밝기값을 정규화시킨 후 조직 분류를 수행함으로써 유방 분할 및 조직 분류의 수행 정확성을 높일 수 있다.In the automatic segmentation step, after anisotropic diffusion filtering is applied to remove noise while maintaining important information such as edges, the automatic segmentation step is performed to correct the degree of contrast of breast tissue that is different for each data. By performing the tissue classification after normalizing the brightness value, the accuracy of performing breast segmentation and tissue classification can be improved.

상기 종양 부위 분할단계는, fuzzy C-mean clustering으로 분류된 종양 정보로부터 종양 부위의 위치를 알아낼 수 있고, 조영 정도가 낮아 분류된 종양 정보를 이용하여 종양 부위의 위치를 알아내기 어려운 경우 상기 타겟 및 소스영상 간 종양의 조영 차이를 이용하여 종양의 위치를 자동 추출할 수 있다.The tumor site segmentation step may determine the location of the tumor site from the tumor information classified as fuzzy C-mean clustering, and if the location of the tumor site is difficult to locate using the classified tumor information due to low contrast, the target and The location of the tumor can be automatically extracted by using the contrast image of the tumor between the source images.

상기 강체 정합 및 밝기값 보정단계는, 타겟 및 소스 영상의 밝기값 차이에 영향을 받지 않고 최적의 강체 변환을 구함으로써 전역적 움직임을 보정할 수 있고, 이때 샘플링을 통해 계산량을 줄일 수 있으며, 밝기값 보정을 통해 소스영상에서 지방과 유선조직의 조영제의 영향을 보정할 수 있다.In the rigid body matching and brightness value correcting step, the global motion can be corrected by obtaining an optimal rigid body transform without being affected by the difference between the brightness values of the target and source images. Value correction can be used to correct the effects of contrast agents on fat and mammary glands in the source image.

상기 비강체 정합 수행단계는, 호흡 차이 및 심장 박동으로 인한 상기 타겟 및 소스 영상 내 유방 영역 간 종양 부위의 볼륨 및 형태 변형을 줄이면서 지역적 움직임을 보정할 수 있다.The non-rigid registration step may correct local movement while reducing volume and morphological deformation of the tumor region between the breast region in the target and source images due to respiration difference and heartbeat.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 비강체 정합 시스템은, 기울기 및 방향 정보를 이용하여 유방피부와 흉근을 제거함으로써 유방 영역을 자동 분할하는 유방 분할부; 상기 유방 분할부에 의해 분할된 유방 영역 내에 fuzzy C-means 군집화 기법을 이용하여 지방, 유선조직, 종양 및 혈관으로 유방조직을 분류하는 조직 분류부; 상기 조직 분류부에 의해 분류된 종양 정보 또는 타겟과 소스영상에서 조영 정도에 따른 밝기값 차이를 이용하여 종양의 위치를 자동 추출하고 밝기값 및 형태학적인 연산을 이용하여 종양 부위를 분할하는 종양 분할부; 상기 타겟과 소스영상 간 정규화된 상호정보 기반의 강체 정합을 수행하고, 조영제의 영향으로 서로 다른 밝기값을 갖게 되는 지방과 유선조직에 대하여 밝기값 보정을 수행하는 정합 및 보정부; 및 상기 종양 부위의 밝기값 차이로 인한 변형을 줄여주기 위해 강성 구조를 유지하도록 제약을 주고 각 유방조직별 정규화 가중치를 적용한 데몬기반 비강체 정합을 수행하는 비강체 정합부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Non-rigid registration system according to an embodiment of the present invention for achieving the above object, the breast segmentation unit for automatically segmenting the breast area by removing the breast skin and pectoral muscle using the slope and direction information; A tissue classification unit classifying breast tissue into fat, mammary tissue, tumor, and blood vessel using a fuzzy C-means clustering technique in the breast region divided by the breast division; Tumor segmentation unit for automatically extracting the location of the tumor using the difference of the brightness value according to the degree of contrast in the tumor information or target and source image classified by the tissue classification unit, and segmenting the tumor site using the brightness value and morphological operations ; A matching and correction unit configured to perform rigid registration based on normalized mutual information between the target and the source image, and to correct brightness values of fat and mammary gland tissue having different brightness values under the influence of contrast medium; And a non-rigid registration unit that performs a daemon-based non-rigid registration applying constraints to maintain rigid structures and reducing normalized weights for each breast tissue in order to reduce deformation due to differences in brightness values of the tumor site. do.

여기서, 조영제 주입 전 증강영상을 타겟(target)영상, 조영제 주입 후 증강영상을 소스(source)영상으로 정의하고, 상기 소스영상은 소정 간격으로 연속 촬영된 데이터 셋으로 구성될 수 있다.Herein, the enhancement image before the contrast agent injection is defined as a target image, and the enhancement image after the contrast agent injection is a source image, and the source image may be configured as a data set continuously photographed at predetermined intervals.

상기 유방 분할부, 에지와 같은 중요한 정보는 유지하면서 잡음을 제거할 수 있는 비등방성 확산 필터링(anisotropic diffusion filtering) 적용 후 유방 영역을 분할하고, 데이터마다 다르게 나타나는 유방조직의 조영 정도를 보정하기 위해 밝기값을 정규화시킨 후 조직 분류를 수행함으로써 유방 분할 및 조직 분류의 수행 정확성을 높일 수 있다.After applying anisotropic diffusion filtering to remove noise while maintaining important information such as the breast segmentation part and the edge, the breast region is divided and brightness is corrected to correct the degree of contrast of the breast tissue that is different for each data. By performing tissue classification after normalizing the values, the accuracy of performing breast division and tissue classification can be improved.

상기 종양 분할부는, fuzzy C-mean clustering으로 분류된 종양 정보로부터 종양 부위의 위치를 알아낼 수 있고, 조영 정도가 낮아 분류된 종양 정보를 이용하여 종양 부위의 위치를 알아내기 어려운 경우 상기 타겟 및 소스영상 간 종양의 조영 차이를 이용하여 종양의 위치를 자동 추출할 수 있다.The tumor segmentation unit may determine the location of the tumor site from the tumor information classified by fuzzy C-mean clustering, and when the location of the tumor site is difficult to locate using the classified tumor information due to low contrast, the target and source images The difference in the contrast of the liver tumor can be used to automatically extract the location of the tumor.

상기 정합 및 보정부는, 타겟 및 소스 영상의 밝기값 차이에 영향을 받지 않고 최적의 강체 변환을 구함으로써 전역적 움직임을 보정할 수 있고, 이때 샘플링을 통해 계산량을 줄일 수 있으며, 밝기값 보정을 통해 소스영상에서 지방과 유선조직의 조영제의 영향을 보정할 수 있다.The matching and correction unit may correct the global motion by obtaining an optimal rigid body transformation without being affected by the difference between the brightness values of the target and the source image. In this case, the matching amount may be reduced by sampling, and the brightness value correction may be performed. In the source image, the effect of contrast agent on fat and mammary tissue can be corrected.

상기 비강체 정합부는, 호흡 차이 및 심장 박동으로 인한 상기 타겟 및 소스 영상 내 유방 영역 간 종양 부위의 볼륨 및 형태 변형을 줄이면서 지역적 움직임을 보정할 수 있다.
The non-rigid registration unit may correct local movement while reducing volume and shape deformation of the tumor region between the breast region in the target and source images due to respiration difference and heartbeat.

본 발명의 실시예에 따른 MR 영상에서 유방 및 종양 분할과 정합 방법 및 시스템은 종양의 악성 여부 진단 및 악성 종양의 치료 효과를 관찰하는데 효과적으로 이용될 수 있으며, X-ray, 초음파 등 다른 모달리티로 촬영된 유방 영상과의 정합을 통한 유방 및 종양 분석에 응용될 수 있다.
In the MR image according to an embodiment of the present invention, the breast and tumor segmentation and matching method and system can be effectively used for diagnosing the tumor malignancy and observing the therapeutic effect of the malignant tumor, and photographing with other modalities such as X-ray and ultrasound. It can be applied to breast and tumor analysis through registration with the breast image.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유방조직별 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 k값에 따른 비등방성 확산 필터링 결과를 비교한 도면이다.
도 3은 유방영역 분할 과정을 나타낸 도면이다.
도 4는 유방조직 분류를 나타낸 도면이다.
도 5는 종양 위치 추출 및 분할 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 밝기값 보정 전후 히스토그램을 비교한 도면이다.
도 7은 종양 부위 강성 제약 적용 여부에 따른 비강체 정합 결과를 비교한 도면이다.
도 8은 밝기값 보정 및 종양 강성 제약의 적용 여부에 따른 비강체 정합 결과를 나타낸 도면이다.
도 9는 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합의 정확성 평가 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은 강체 및 비강체 정합 수행시간을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 유방조직별 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
1 is a flow chart showing a non-rigid registration method applying the brightness value correction and tumor stiffness constraint for each breast tissue according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram comparing anisotropic diffusion filtering results according to k values.
3 is a diagram illustrating a breast region division process.
4 is a diagram showing breast tissue classification.
5 is a view showing a tumor location extraction and segmentation process.
6 is a diagram comparing histograms before and after correcting brightness values.
7 is a view comparing the results of non-rigid registration according to whether the tumor site stiffness constraint applied.
8 is a view showing a non-rigid registration result according to whether brightness value correction and tumor stiffness constraint are applied.
9 is a view showing the results of evaluating the accuracy of non-rigid registration applying the brightness correction and tumor stiffness constraint.
10 is a view showing a rigid and non-rigid matching execution time.
FIG. 11 is a diagram schematically illustrating a non-rigid registration system applying brightness correction and tumor rigidity constraint for each breast tissue according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 당업자에게 주지 저명한 기술에 대해서는 그 상세한 설명을 생략할 수 있다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description, a detailed description of known techniques well known to those skilled in the art may be omitted.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 동일한 명칭의 구성 요소에 대하여 도면에 따라 다른 참조부호를 부여할 수도 있으며, 서로 다른 도면임에도 불구하고 동일한 참조부호를 부여할 수도 있다. 그러나, 이와 같은 경우라 하더라도 해당 구성 요소가 실시예에 따라 서로 다른 기능을 갖는다는 것을 의미하거나, 서로 다른 실시예에서 동일한 기능을 갖는다는 것을 의미하는 것은 아니며, 각각의 구성 요소의 기능은 해당 실시예에서의 각각의 구성요소에 대한 설명에 기초하여 판단하여야 할 것이다.In describing the constituent elements of the present invention, the same reference numerals may be given to constituent elements having the same name, and the same reference numerals may be given thereto even though they are different from each other. However, even in such a case, it does not mean that the corresponding component has different functions according to the embodiment, or does not mean that the different components have the same function. It should be judged based on the description of each component in the example.

또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.In the following description of the embodiments of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.In addition, in describing the component of this invention, terms, such as 1st, 2nd, A, B, (a), (b), can be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements. When a component is described as being "connected", "coupled", or "connected" to another component, the component may be directly connected or connected to the other component, Quot; may be "connected," "coupled," or "connected. &Quot;

DCE-MR 유방영상에서 유방의 지역적 움직임을 보정하는 기존 연구로써 Rueckert 등은 b-스플라인 기반 자유 형태 변형을 이용한 비강체 정합을 제안하였다. 이 방법은 영상 간 유사성을 평가하기 위한 정규화된 상호정보식과 2차 미분을 이용한 스무딩 함수로 이루어진 비용함수를 최소화함으로써 최적의 변형 벡터들을 구하였다. 이 방법은 조영 전·후 증강영상에서 종양의 볼륨 및 형태 차이가 없지만 조영제로 인한 밝기값 변화로 변형되는 결과를 보였다. As a previous study to correct regional motion of breast in DCE-MR breast imaging, Rueckert et al. Proposed non-rigid registration using b-spline-based free-form deformation. In this method, optimal deformation vectors are obtained by minimizing the cost function consisting of the normalized mutual information and the smoothing function using the second derivative to evaluate the similarity between images. In this method, there was no difference in the volume and shape of tumors before and after contrast imaging, but it was transformed by the change of brightness due to contrast agent.

이를 보정하기 위한 종양의 강성구조를 유지하는 다양한 비강체 정합 연구들이 제안되었다. Tanner 등은 b-스플라인 기반 비강체 정합을 수행할 때, 종양 부위에 해당하는 기준점(control point)들을 축이음(coupling) 시키고 주변 변형 벡터들의 평균 벡터를 구하여 종양 부위에 적용함으로써 종양 부위가 동일한 크기와 방향으로 강체 변환되도록 하였다. 또한, Rohlfing 등은 b-스플라인 기반 비강체 정합에서 최적화를 위한 비용함수를 정규화된 상호정보(normalized mutual information)와 야코비안 행렬식(Jacobian determinant)의 합으로 정의하였고, 비용함수를 최소함으로써 종양 부위의 볼륨 및 형태 변형을 줄여주면서 비강체 정합을 수행하였다. 또한, Li 등은 방사상 기반 함수(radial basis function)를 이용한 밝기값 기반 비강체 정합 알고리즘을 제안하였다. Various non-rigid registration studies have been proposed to maintain the rigid structure of the tumor to correct this. Tanner et al., When performing b-spline-based non-rigid registration, coaxial the control points corresponding to the tumor site, obtain an average vector of the surrounding deformation vectors, and apply the same to the tumor site. Rigid body transformation in the and directions. Rohlfing et al. Also defined the cost function for optimization in b-spline-based non-rigid registration as the sum of normalized mutual information and Jacobian determinant, and minimized the cost Non-rigid registration was performed while reducing volume and shape deformation. In addition, Li et al. Proposed a brightness value-based non-rigid matching algorithm using a radial basis function.

방사상 기반 함수는 조영 전·후 증강영상 내 대응되는 기준점을 정의하고 기준점 외의 픽셀들에 대하여 기준점과의 거리에 따라 지역적 변형을 보간해 주는 근사모델이다. 종양 볼륨 및 형태 변형을 줄여주기 위해 종양 부위에 대한 야코비안 행렬식를 비용함수에 추가하였다. 이와 같은 종양 부위에 강성 제약을 주는 방법들뿐 아니라, 조영 전·후 증강영상 간 조영제로 인한 밝기값의 차이를 줄여줌으로써 종양의 변형을 줄이고 비강체 정합 정확성을 높여주기 위한 연구들도 제안되었다. Sun 등은 밝기값 기반 비강체 정합에서 조영 전·후 증강영상에서 조건 확률 밝기값 함수(conditional probability density function)를 기반으로 밝기값의 평균과 분산을 이용하여 밝기값을 정규화 시켰다. The radial-based function is an approximation model that defines the corresponding reference point in the pre- and post-enhancement image and interpolates the local deformation according to the distance from the reference point for pixels other than the reference point. Jacobian determinants for tumor sites were added to the cost function to reduce tumor volume and morphology. In addition to methods of restricting the stiffness of the tumor site, studies have been proposed to reduce the deformation of the tumor and increase the accuracy of non-rigid registration by reducing the difference in brightness due to the contrast agent between before and after contrast imaging. Sun et al. Normalized brightness values using average and variance of brightness values based on conditional probability density function in pre- and post-enhanced augmented images in brightness-based non-rigid registration.

정규화된 밝기값을 가진 조영 전·후 증강영상에서 밝기값 차이를 이용하여 비용함수를 계산하였고, 종양과 같은 일정 임계값 이상의 밝기값 차이를 갖는 영역은 계산하지 않음으로써 조영제의 영향으로 인한 잘못된 변형을 줄여주었다. Hayton 등은 MR 영상 촬영 시 유방 코일과 같은 인공물의 영향으로 인해 유방 내 동일 조직임에도 불구하고 다른 밝기값을 갖게 되는 문제를 편향 지역 보정(bias field correction)을 통해 보완한 후 비강체 정합을 수행하였다. 또한, Zheng 등은 graph cut을 이용하여 유방을 15개의 영역으로 분류하고 조영증강맵을 생성한 후, 조영 후 증강영상에서 조영증강맵을 이용하여 조영의 영향을 줄여준 후 비강체 정합을 수행하였다. The cost function was calculated using the difference of brightness values in the pre and post contrast enhancement images with normalized brightness values, and the area with the difference in brightness values above a certain threshold such as tumor was not calculated. Reduced. Hayton et al. Performed a non-rigid registration after compensating for the problem that the same tissue in the breast had different brightness values due to the influence of artifacts such as breast coils through MR field imaging through bias field correction. . In addition, Zheng et al. Classified the breast into 15 regions using graph cuts, generated contrast enhancement maps, and then performed non-rigid registration after reducing the effects of contrast using contrast enhancement maps in augmented images.

본 발명에서는 조영 전·후 증강영상에서 유방조직별 밝기값을 보정하고 종양의 볼륨 및 형태 변형을 줄이면서 유방 영역의 움직임을 보정하기 위한 데모기반 비강체 정합 기법을 제안한다. In the present invention, we propose a demo-based non-rigid registration technique for correcting the brightness of each breast tissue in pre- and post-enhanced augmented images and correcting the movement of the breast region while reducing tumor volume and shape deformation.

조영 전·후 증강영상에서 유방조직마다 조영의 정도가 다르기 때문에 유방조직별 밝기값 보정을 수행하기 위해 기울기 및 방향 정보를 기반으로 유방 영역을 분할하고 fuzzy C-means clustering을 이용하여 조직을 분류한다. 또한 종양 부위에 강성 제약을 주기 위해 밝기값 및 형태 정보를 이용하여 종양 부위를 분할한다. 정규화된 상호정보 기반 강체 정합과 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합은 조영제의 영향으로 인해 발생할 수 있는 유방 영역의 변형을 줄이고 종양 부위는 강체 변환되면서 유방 영역은 변형시킴으로써 유방의 조영 전·후 증강영상 간 전역적, 지역적 움직임을 보정해 준다.Since the degree of contrast is different for each breast tissue before and after contrast imaging, the breast region is segmented based on the slope and direction information and the tissue is classified using fuzzy C-means clustering. . In addition, in order to give rigidity to the tumor site, the tumor site is segmented using brightness and shape information. Normalized mutual information-based rigid matching, brightness correction, and non-rigid registration with tumor stiffness constraints reduce the deformation of the breast area that may be caused by the effects of contrast agents, and the tumor area is rigidly transformed while the breast area is deformed, thereby preforming the breast. · Compensate for global and regional movements between augmented images.

도 1은 본 발명에서 제안하는 유방조직별 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합의 순서도이다. 조영제 주입 전 증강영상을 타겟(target)영상, 조영제 주입 후 증강영상을 소스(source)영상으로 정의하고, 소스영상은 84초 간격으로 연속 촬영된 네 개의 데이터 셋으로 구성된다. 본 발명에서 제안하는 비강체 정합 방법은 크게 네 단계로 구성된다. 1 is a flow chart of non-rigid registration applying the brightness correction and tumor stiffness constraint for each breast tissue proposed in the present invention. The augmented image before the contrast agent injection is defined as a target image, and the augmentation image after the contrast agent injection is defined as the source image, and the source image is composed of four data sets taken continuously at intervals of 84 seconds. The non-rigid registration method proposed in the present invention is largely composed of four steps.

첫째, 기울기 및 방향 정보를 이용하여 유방피부와 흉근을 제거함으로써 유방 영역을 자동 분할하고 분할된 유방 영역 내에 fuzzy C-means 군집화 기법을 이용하여 지방, 유선조직, 종양 및 혈관으로 유방조직을 분류한다(S110). 둘째, 분류된 종양 정보 또는 타겟과 소스영상에서 조영정도에 따른 밝기값 차이를 이용하여 종양의 위치를 자동 추출하고 밝기값 및 형태학적인 연산을 이용하여 종양 부위를 분할한다(S120). 셋째, 타겟과 소스영상 간 정규화된 상호정보 기반 강체 정합을 수행하고 조영제의 영향으로 서로 다른 밝기값을 갖게 되는 지방과 유선조직에 대하여 밝기값 보정을 수행한다(S130). 넷째, 종양 부위의 밝기값 차이로 인한 변형을 줄여주기 위해 종양 부위에 강성 구조를 유지하도록 제약을 주고 각 유방조직별 정규화 가중치를 적용한 데몬기반 비강체 정합을 수행한다(S140).First, the breast region and the pectoral muscle are removed using the slope and direction information, and the breast region is automatically segmented, and the breast tissue is classified into fat, mammary tissue, tumor, and blood vessel using fuzzy C-means clustering technique. (S110). Second, the location of the tumor is automatically extracted by using the difference in brightness value according to the degree of contrast in the classified tumor information or the target image and the source image, and the tumor area is segmented using the brightness value and the morphological operation (S120). Third, normalized mutual information-based rigid body registration between target and source images is performed, and brightness values are corrected for fat and mammary gland tissues having different brightness values under the influence of contrast medium (S130). Fourth, in order to reduce the deformation caused by the difference in the brightness value of the tumor site, a constraint based on maintaining the rigid structure at the tumor site is performed, and daemon-based non-rigid registration is applied by applying normalized weights to each breast tissue (S140).

먼저, 단계 S110 및 단계 S120의 과정을 살펴본다.First, the process of step S110 and step S120 will be described.

조영제의 영향으로 인하여 타겟과 소스영상은 서로 다른 밝기값의 분포를 가지게 되고, 이는 데몬기반 비강체 정합 수행 시 변형 되지 말아야할 영역에 변형을 발생시킬 수 있는 요인이 될 수 있다. 이러한 잘못된 변형의 발생을 줄여주기 위해 두 영상 내 동일 유방조직 간 밝기값 보정이 필요하고, 이를 위해서는 유방 영역의 분할과 조직 분류가 먼저 수행되어야 한다.Due to the influence of the contrast agent, the target and source images have different distributions of brightness values, which may be a factor that can cause deformation in areas that should not be deformed when performing daemon-based non-rigid registration. In order to reduce the occurrence of such a false deformation, it is necessary to correct the brightness between the same breast tissue in the two images, and to do this, segmentation and tissue classification of the breast region must be performed first.

유방 영역의 분할과 조직 분류는 동적조영증강 MR 영상에서 유방조직별 다른 조영의 정도를 보여주는 소스영상에서 수행한다. 유방 분할 및 조직 분류의 수행 정확성을 높여주기 위해 먼저 MR 영상에 비등방성 확산 필터링(anisotropic diffusion filtering)을 적용한다. 비등방성 확산 필터는 MR 영상 내 밝기값의 차이가 큰 에지와 같은 주요 정보에 대한 손실 정도를 줄이면서 잡음을 제거해 주는 필터링 기법으로 수학식 1 및 수학식 2를 이용하여 수행된다.Segmentation and tissue classification of the breast region are performed on a source image showing the degree of contrast between different breast tissues in a dynamic contrast enhanced MR image. Anisotropic diffusion filtering is first applied to MR images to improve the accuracy of breast segmentation and tissue classification. An anisotropic diffusion filter is a filtering technique that removes noise while reducing loss of important information such as edges having large differences in brightness values in MR images, and is performed using Equations 1 and 2 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112011088578732-pat00001
Figure 112011088578732-pat00001

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112011088578732-pat00002
Figure 112011088578732-pat00002

이때, Δ는 라플라시안, ∇는 기울기, div(·)는 발산 연산자를 의미한다. c(x, y, t)는 시간 t에서 (x, y) 좌표의 발산 계수로써 일반적으로 영상의 기울기 함수가 사용된다. 수학식 2는 c(x, y, t)를 위해 정의된 기울기 함수이다. k는 에지의 민감도를 조절하는 상수로써 0~1 사이의 값으로 정의된다.In this case, Δ is a Laplacian, ∇ is a slope, div (·) is a divergence operator. c (x, y, t) is a divergence coefficient of the (x, y) coordinate at time t. In general, the gradient function of the image is used. Equation 2 is a slope function defined for c (x, y, t). k is a constant that controls the sensitivity of the edge and is defined as a value between 0 and 1.

도 2는 k값에 따른 비등방성 확산 필터링의 결과를 보여준다. 도 2의 (a)는 원본 소스영상이고, 도 2의 (b), (c) 및 (d)는 50번의 동일한 반복횟수에서 k값을 각 0.2, 0.5, 0.8로 주었을 때의 결과이다. k값의 수치가 커질수록 상대적으로 잡음이 많이 제거되지만 영상이 스무딩되는 경향을 보이게 된다. 잡음을 제거하면서 영상이 많이 스무딩되지 않도록 하기 위하여 본 발명에서는 실험적으로 k값을 0.5로 정의하였다.2 shows the results of anisotropic diffusion filtering according to k values. (A) of FIG. 2 is an original source image, and (b), (c) and (d) of FIG. 2 show results of k values of 0.2, 0.5, and 0.8 at 50 identical repetitions. As the value of k increases, the noise is removed relatively, but the image tends to smooth. In the present invention, the k value is experimentally defined as 0.5 to remove the noise and to prevent the image from being smoothed much.

도 3은 비등방성 확산 필터를 적용한 후에 각 슬라이스에서 유방 영역을 분할하는 과정을 보여준다. 3 shows a process of dividing a breast region in each slice after applying an anisotropic diffusion filter.

도 3의 (a)는 공기-유방피부와 유방피부-유방의 경계점들을 추출하는 과정을 보여준다. 영상은 시상(sagittal) 방향으로 촬영되었고 공기 영역은 평균 0~50의 신호강도를 보이며 유방 피부영역은 150~450의 신호강도를 보인다. 이러한 조직별 밝기값의 차이를 이용하여 공기-유방피부 경계점을 추출하고, 추출된 공기-유방피부 경계점들로부터 유방 안쪽으로 5mm 내에서 법선 방향으로 기울기가 가장 큰 점을 유방피부-유방의 경계점으로 추출한다. Figure 3 (a) shows a process of extracting the boundary points of the air-breast skin and breast skin-breast. The images were taken in the sagittal direction, and the air region showed an average signal intensity of 0 to 50 and the breast skin region showed a signal intensity of 150 to 450. The air-breast skin boundary point is extracted by using the difference of brightness values for each tissue, and the point of inclination in the normal direction within 5 mm from the extracted air-breast skin boundary points to the inside of the breast is defined as the breast skin-breast boundary point. Extract.

도 3의 (b)는 추출된 유방피부-유방의 경계점들을 b-스플라인을 이용하여 보간 후, 유방피부를 제거한 결과이다. Figure 3 (b) is the result of removing the breast skin after interpolation of the extracted breast skin-breasts using b-splines.

또한, 도 3의 (c)는 유방-흉근의 경계점들을 추출하는 과정을 보여준다. V형태로 관심 영역을 정의하고 선형 필터링(linear filtering)을 통해 기울기가 큰 수직선들을 추출한다. 점선으로 표시된 y축 중심선에서 기울기가 가장 큰 한 점 (i, j)를 추출하고 위, 아래 양방향으로 기울기가 큰 점을 추적해 나간다. 이 때, 점 (i, j)의 x좌표에서 왼쪽으로 2픽셀, 오른쪽으로 2픽셀 내에 존재하는 5개의 점 중 기울기가 가장 큰 점을 추적해 나감으로써 유방-흉근 경계점을 추출한다. In addition, (c) of Figure 3 shows the process of extracting the boundary points of the breast-thoracic muscle. We define the region of interest in V-shape and extract the vertical lines with high slope through linear filtering. Extract the point with the largest slope (i, j) from the y-axis centerline indicated by the dotted line and track the point with the largest slope in both the up and down directions. At this time, the breast-thoracic boundary point is extracted by tracing the point where the slope is the largest among five points existing within 2 pixels to the left and 2 pixels to the right from the x coordinate of the point (i, j).

도 3의 (d)는 도 3의 (b)의 결과에서 추출된 유방-흉근 경계점들을 b-스플라인을 이용하여 보간한 후 흉근을 제거한 최종 유방 영역 분할 결과이다. FIG. 3 (d) shows the final breast region segmentation result of removing the pectoral muscle after interpolating breast-thoracic boundary points extracted from the result of FIG. 3 b using b-splines.

분할된 유방 영역 내에는 지방, 유선조직, 종양 및 혈관의 유방조직이 존재하게 되고 데이터마다 조영의 정도가 다르므로 분할된 유방 영역 내 최대 밝기값과 최소 밝기값을 0에서 1사이의 값으로 정규화 시킨다. 이 때, 전체 픽셀 수에서 하위 5%에 해당하는 픽셀은 0, 상위 5%에 해당하는 픽셀은 1의 값을 준다. Within the segmented breast region, the breast tissues of fat, mammary tissue, tumor and blood vessels are present and the degree of contrast is different for each data, so the maximum and minimum brightness values in the segmented breast region are normalized to a value between 0 and 1. Let's do it. At this time, the pixel corresponding to the lower 5% of the total number of pixels is 0, and the pixel corresponding to the upper 5% is 1.

도 4의 (a)는 하나의 데이터에 대하여 분할된 유방 영역 내 밝기값을 정규화시킨 히스토그램이다. 소스영상에서 지방은 유선조직 및 종양에 비해 상대적으로 어두운 밝기값으로 나타나고 유선조직과 종양은 조영이 되어 상대적으로 밝은 밝기값으로 나타난다. 유방조직을 지방, 유선조직, 종양 및 혈관으로 분류하기 위해 fuzzy C-means 군집화 기법을 이용하여 6개의 계층으로 나눈다. 이때, 조직 간 분류가 잘 될 수 있도록 조영이 잘 된 소스영상에서 군집화 기법을 수행하는데 악성 종양을 가진 데이터는 첫 번째 소스영상에서 양성 종양을 가진 데이터는 네 번째 소스영상에서 수행하였다. 유방 내 각 픽셀은 6개의 계층에 대한 소속 확률을 갖게 되고 소속 확률들의 합은 1이 되어야 한다. 군집화를 위한 각 픽셀의 초기 소속 확률은 도 4(a)의 히스토그램을 이용하여 자동으로 정의해 준다. 정규화된 밝기값 히스토그램의 범위를 0.0, 0.0~0.25, 0.26~0.50, 0.51~0.75, 0.76~0.99, 1.0의 6개의 범위로 나누고 지방에 해당할 확률이 높은 정규화 수치 0.0에 해당하는 픽셀은 계층 1에 1.0의 소속 확률을 주고 0.0~0.25에 해당하는 픽셀은 계층 1, 2, 3에 각 0.25, 0.5, 0.25, 0.26~0.50에 해당하는 픽셀은 계층 1, 2, 3에 각 0.25, 0.25, 0.5의 소속 확률을 주었다. 유선조직에 해당할 확률이 높은 정규화 수치 0.51~0.75에 해당하는 픽셀은 계층 4, 5에 각 0.7, 0.3의 소속 확률을 주고 0.76~0.99에 해당하는 픽셀은 계층 4, 5에 각 0.3, 0.7의 소속 확률을 주었다. 종양에 해당할 확률이 높은 정규화 수치 1.0에 해당하는 픽셀은 계층 6에 1.0의 소속 확률을 주었다. 각 계층의 소속 확률이 높은 픽셀들에 대하여 평균 밝기값을 구하고 각 픽셀의 밝기값과 각 계층의 평균 밝기값 간 차이에 따라 각 계층에 속할 소속 확률이 반복적으로 계산된다. 이 때, 이전에 계산된 소속 확률과 현재 계산된 소속 확률의 차이가 일정 수치(0.01) 이하로 거의 변하지 않으면 수렴하게 되고 각 픽셀은 6개의 계층 중 소속 확률이 가장 큰 계층으로 분류된다. 도 4의 (b)는 fuzzy C-means 군집화를 통해 6개의 계층(3개의 유방조직)으로 분류된 결과이다.FIG. 4A is a histogram of normalized brightness values in a divided breast region with respect to one data. In the source image, fat appears darker than mammary tissue and tumor, while mammary tissue and tumor are contrasted, resulting in relatively bright brightness. To classify breast tissue into fat, mammary gland, tumor and blood vessel, it is divided into six layers using fuzzy C-means clustering technique. In this case, the clustering technique is performed on a well-concealed source image so that the tissue can be classified well. The data with malignant tumors are performed on the first source image and the fourth source image. Each pixel in the breast has a probability of belonging to six layers and the sum of belonging probabilities must be one. The initial belonging probability of each pixel for clustering is automatically defined using the histogram of FIG. Divide the normalized brightness histogram into six ranges: 0.0, 0.0 to 0.25, 0.26 to 0.50, 0.51 to 0.75, 0.76 to 0.99, and 1.0. Give a probability of belonging to 1.0, and pixels corresponding to 0.0 to 0.25 are 0.25, 0.5, 0.25, and 0.26 to 0.50 for layers 1, 2, and 3, respectively, 0.25, 0.25, and 0.5 for layers 1, 2, and 3, respectively. Gave the probability of belonging. Pixels with normalization values of 0.51 to 0.75, which are likely to correspond to the mammary gland, give the probability of belonging to 0.7 and 0.3 in layers 4 and 5, and pixels corresponding to 0.76 to 0.99 in layers 4 and 5, respectively. Gave a chance to belong. A pixel corresponding to a normalization value of 1.0, which is likely to correspond to a tumor, gave Tier 6 a probability of membership of 1.0. The average brightness value is obtained for pixels having a high probability of belonging to each layer, and the probability of belonging to each layer is repeatedly calculated according to the difference between the brightness value of each pixel and the average brightness value of each layer. In this case, if the difference between the previously calculated membership probability and the currently calculated membership probability hardly changes below a certain value (0.01), the convergence is converged, and each pixel is classified into the layer having the largest membership probability among the six layers. Figure 4 (b) is the result classified into six layers (three breast tissues) through the fuzzy C-means clustering.

다음에, 단계 S130의 과정을 살펴본다.Next, the process of step S130 will be described.

비강체 정합 수행 시 종양에 강성 제약을 주기 위해서는 종양 부위를 알아야 하므로 종양 분할이 수행되어야 한다. 단계 S120에서 분류된 종양 부위는 작게 분할되는 경향을 보이고 혈관을 포함하고 있으므로 종양 부위를 정확하게 분할하는 것이 필요하다. Tumor segmentation should be performed because the tumor site needs to be known in order to give rigid constraints to the tumor when performing non-rigid registration. Since the tumor site classified in step S120 tends to be smallly divided and contains blood vessels, it is necessary to accurately segment the tumor site.

양성 종양과 같이 종양 부위의 조영 정도가 낮아 단계 S120에서 분류된 종양 정보를 이용하여 종양 부위의 위치를 알아내기 어려운 경우, 타겟 및 소스영상 간 종양의 조영 차이를 이용하여 종양의 위치를 자동 추출한다. If the location of the tumor site is low, such as a benign tumor, and the location of the tumor site is difficult to determine using the tumor information classified in step S120, the location of the tumor is automatically extracted using the difference in the contrast between the target and source images. .

도 5는 종양 위치를 자동 추출하고 분할하는 과정을 보여준다. 5 shows the process of automatic extraction and segmentation of tumor location.

종양 위치를 자동으로 추출하기 위하여 도 5의 (a)와 같이 소스영상에서 타겟영상의 밝기값을 뺌으로써 차영상을 생성하고, 잡음을 제거하기 위하여 도 5의 (b)와 같이 평균 필터링(mean filtering)을 수행한다. 그리고 작은 컴포넌트들을 제거해 주기 위해 도 5의 (c)와 같이 회색조 열림 연산(gray-scale opening operation)을 수행한다. 히스토그램 분석을 통해 픽셀 수를 가장 많이 차지하는 최고(peak) 밝기값 × 0.5로 임계값을 자동 정의하고 정의된 임계값을 이용하여 이진 영상으로 만든 후 3D 연결 성분 라벨링(connected component labeling)을 통해 가장 볼륨 크기가 큰 컴포넌트를 선택한다. 이때, 폐, 심장과 같은 내부조직이 크기가 가장 큰 컴포넌트로 선택되는 것을 방지하기 위해 앞서 단계 S110에서 분할된 유방 영역 내에서 컴포넌트를 선택한다. 도 5의 (d)는 선택된 컴포넌트를 이진 영상으로 보여준 결과이고 이 영역이 종양의 위치가 된다. 도 5의 (e)와 같이 fuzzy C-means clustering으로 분류된 종양 부위 또는 차영상을 이용하여 선택된 컴포넌트의 최적볼륨에서 1.5배 큰 볼륨을 종양의 관심영역으로 정의한다. 그리고 소스영상에서 추출된 종양 부위를 씨앗점으로 종양의 관심영역 내에서 3D 영역성장법을 수행함으로써 초기 종양 부위를 분할한다. 종양 내부에는 괴사로 인하여 조영이 되지 않은 영역이 나타날 수 있는데 이러한 영역을 종양 영역으로 포함시켜 주기 위해 홀 채움을 수행한다. 홀 채움은 종양 관심영역 내에서 초기 종양 분할 영역이 아닌 배경을 씨앗점으로 3D 영역성장법을 수행한 후에 결과를 반전시킴으로써 도 5의 (f)와 같은 결과를 얻는다. 종양과 연결되어 있는 혈관을 제거해 주기 위해 형태학적 연산인 닫힘 연산을 수행함으로써 도 5의 (g)와 같이 종양을 분할한다.In order to automatically extract the tumor location, a difference image is generated by subtracting the brightness value of the target image from the source image as shown in FIG. 5 (a), and average filtering as shown in FIG. 5 (b) to remove the noise. filtering). In order to remove small components, a gray-scale opening operation is performed as shown in (c) of FIG. 5. Histogram analysis automatically defines the threshold with the peak brightness value × 0.5, which occupies the largest number of pixels, creates a binary image using the defined threshold, and then generates the highest volume through 3D connected component labeling. Select a large component. At this time, in order to prevent the internal tissues such as the lungs and the heart from being selected as the largest component, the components are selected in the breast region divided in step S110. 5 (d) shows a result of showing the selected component as a binary image, and this region becomes the location of the tumor. As shown in (e) of FIG. 5, the region of interest of the tumor is defined as 1.5 times larger in the optimal volume of the selected component using the tumor region or the difference image classified as fuzzy C-means clustering. The initial tumor site is segmented by performing the 3D region growth method within the region of interest of the tumor with the seed site as a seed point extracted from the source image. Inside the tumor, areas that are not contrasted due to necrosis may appear, and hole filling is performed to include these areas as tumor areas. Hole filling results in a result as shown in FIG. 5 (f) by inverting the result after performing the 3D region growth method with the seed point against the background of the initial tumor segment in the tumor region of interest. The tumor is divided as shown in (g) of FIG. 5 by performing a close operation, which is a morphological operation, to remove blood vessels connected to the tumor.

다음에, 단계 S140의 과정을 살펴본다.Next, the process of step S140 will be described.

타겟 및 소스영상은 일정 시간 간격(84초 간격으로 실행될 수 있다)으로 다른 시점에서 촬영되기 때문에 호흡 차이 및 심장 박동 등으로 인한 위치 및 회전 차이가 발생할 수 있다. 이러한 전역적 움직임을 보정하기 위해 강체 정합을 수행한다. Since the target and source images are photographed at different time points at predetermined time intervals (which can be executed at 84 second intervals), positional and rotational differences may occur due to respiratory differences and heartbeats. Rigid registration is performed to compensate for this global motion.

본 발명에서는 타겟 및 소스영상의 밝기값 차이에 영향을 받지 않고 최적의 강체 변환 벡터를 구하기 위해 밝기값의 분포를 이용하는 정규화된 상호정보 기반 강체 정합을 수행한다. 이 때, 계산량을 줄여주기 위해 원본 영상에서 x, y축으로 4픽셀, z축으로 슬라이스 2장 간격으로 샘플링하여 정규화된 상호정보를 계산한다. In the present invention, the normalized mutual information-based rigid body matching using the distribution of the brightness values is performed to obtain an optimal rigid body transform vector without being affected by the difference between the brightness values of the target and source images. At this time, the normalized mutual information is calculated by sampling at intervals of 4 pixels on the x and y axes and 2 slices on the z axis in the original image to reduce the amount of computation.

유선조직은 지방에 비해 상대적으로 더 많이 조영되기 때문에 타켓 및 소스영상 간 밝기값 차이가 크게 나타나고, 반면에 지방은 유선조직에 비해 조영 정도가 크지 않다. 이와 같이 유방조직별 조영 정도가 다르기 때문에 강체정합 수행 후 수학식 3을 이용하여 각 유방조직(지방, 유선조직)별 밝기값 보정을 수행한다.Since the mammary gland is more contrasted than the fat, the difference in brightness between the target and the source image is large, whereas the fat is not much larger than the mammary gland. As described above, since the degree of contrast for each breast tissue is different, the brightness value correction for each breast tissue (fat, mammary tissue) is performed using Equation 3 after performing rigid registration.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112011088578732-pat00003
Figure 112011088578732-pat00003

x는 종양 부위를 제외한 지방 또는 유선조직에 해당하는 픽셀들을 의미하고 Vs(x)와 V′s(x)는 각각 원본 소스영상의 밝기값과 보정 후 소스영상의 밝기값을 의미한다. Ps는 소스영상 내 지방 또는 유선조직의 히스토그램에서 픽셀 수를 가장 많이 차지하는 최고(peak) 밝기값을, Pt는 타겟영상 내 대응되는 조직의 히스토그램에서 최고 밝기값을 의미한다. x means pixels corresponding to adipose or mammary gland except tumor area, and V s (x) and V ′ s (x) refer to brightness values of the original source image and brightness values of the source image after correction, respectively. P s is the peak brightness value that occupies the largest number of pixels in the histogram of fat or mammary tissue in the source image, and P t is the highest brightness value in the histogram of the corresponding tissue in the target image.

소스 및 타겟영상의 최고 밝기값의 차이를 이용한 히스토그램 매칭을 수행함으로써 소스영상의 밝기값을 보정하고 밝기값 보정 후 0 이하의 밝기값을 갖는 픽셀에 대해서는 0의 밝기값을 갖는다. 또한, 유방조직 경계에서 나타나는 불연속적인 밝기값을 연속적으로 만들어 주기 위해 가우시안 마스크를 이용한 밝기값 스무딩을 수행한다. By performing histogram matching using the difference between the highest brightness values of the source and target images, the brightness value of the source image is corrected, and after brightness correction, pixels having a brightness value of 0 or less have a brightness value of zero. In addition, brightness value smoothing using a Gaussian mask is performed to continuously create discrete brightness values that appear at the border of breast tissue.

도 6은 밝기값 보정 전과 후에 타겟 및 소스영상에서 대응되는 지방과 유선조직의 히스토그램을 분석한 것이다. 도 6의 (a)는 타겟영상과 조영 후 촬영된 4개의 소스영상에서의 히스토그램을 분석한 결과이다. 또한, 도 6의 (b)는 밝기값 보정 후 타겟 및 소스영상의 히스토그램으로 소스영상들의 밝기값 분포가 타겟영상과 유사해졌음을 보여준다.FIG. 6 analyzes histograms of fat and mammary gland corresponding to target and source images before and after brightness correction. FIG. 6A shows a result of analyzing histograms of a target image and four source images photographed after imaging. 6 (b) shows that the brightness value distribution of the source images is similar to the target image as a histogram of the target and the source image after the brightness value correction.

마지막으로, 단계 S150의 과정을 살펴본다.Finally, the process of step S150 will be described.

호흡 차이 및 심장 박동으로 인한 타겟 및 소스 영상 내 유방 영역 간 지역적 움직임을 보정하기 위하여 비강체 정합이 필요하다. 종양 부위의 조영제의 영향으로 인한 밝기값 차이는 데몬기반 비강체 정합 수행 시 종양의 형태 및 볼륨을 변형시킨다. 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 분할된 종양 부위에 강성 제약을 적용한 데몬기반 비강체 정합을 수행한다.Non-rigid registration is required to correct regional movement between breast regions in target and source images due to respiratory differences and heartbeats. The difference in brightness due to the influence of contrast agent on the tumor site alters the shape and volume of the tumor when daemon-based non-rigid registration is performed. In order to solve this problem, the present invention performs daemon-based non-rigid registration applying rigid constraints to divided tumor sites.

소스영상의 유방 영역은 타겟영상의 유방 영역과 유사하게 변형되고 유방 내 종양 부위를 제외한 각 픽셀들의 변형 벡터 u(x)는 수학식 4와 같이 계산된다.The breast region of the source image is modified similarly to the breast region of the target image, and the deformation vector u (x) of each pixel except for the tumor region in the breast is calculated as in Equation 4.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112011088578732-pat00004
Figure 112011088578732-pat00004

이때, Vt(x)와 Vs(T(x))는 각각 타겟영상의 유방 영역과 강체 변환된 소스영상의 유방 영역에서 픽셀 x의 밝기값을 의미하고, ∇Vt와 ∇Vs는 타겟영상과 소스영상에서 기울기이며, ∥·∥는 기울기의 크기를 의미한다. α와 β는 가중치로써 각 0.5로 정의하였다. 데몬기반 비강체 정합에서 기울기는 변형 벡터의 방향을, 두 영상 간 밝기값 차이는 변형 벡터의 크기를 결정하게 된다. 두 영상 간 밝기값 차이가 클수록 변형 벡터의 크기가 커지게 되므로 타겟 및 소스영상에서 조영제의 영향으로 인해 발생하는 종양의 밝기값 차이는 변형 벡터로 인해 종양의 형태 및 볼륨을 변형시키는 요인이 된다. In this case, V t (x) and V s (T (x)) denote brightness values of the pixel x in the breast region of the target image and the breast region of the rigid-converted source image, respectively, and ∇V t and ∇V s The slope in the target image and the source image, ∥ · ∥ means the magnitude of the slope. α and β were defined as 0.5 for each weight. In daemon-based non-rigid registration, the slope determines the direction of the transform vector and the difference in brightness between the two images determines the size of the transform vector. Since the larger the difference between the brightness values between the two images, the larger the size of the modified vector is, the difference in the brightness value of the tumor caused by the influence of the contrast agent on the target and source images is a factor that changes the shape and volume of the tumor due to the modified vector.

도 7의 (a)는 데몬기반 비강체 정합을 수행한 결과로써 종양의 볼륨이 축소되고 형태가 변형되었음을 알 수 있다. 종양 부위에 강성 제약을 주기 위해 도 7의 (b)와 같이 종양 부위의 경계로부터 전파된 종양 주변 영역(3mm)을 정의하고 수학식 5를 이용하여 종양 주변 영역에 해당하는 픽셀들의 평균 변형 벡터를 구한다. 7 (a) shows that the tumor volume is reduced and the shape is modified as a result of the daemon-based non-rigid registration. In order to constrain the stiffness of the tumor region, as shown in FIG. Obtain

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112011088578732-pat00005
Figure 112011088578732-pat00005

이때, Ω는 종양 주변 영역을 의미하고 N은 해당 영역의 픽셀 개수를 의미한다. 종양 부위에 해당하는 모든 픽셀은 동일한 방향과 크기를 갖는 변형 벡터 utumor를 갖게 되므로 종양 부위의 강성 구조를 유지하게 된다. In this case, Ω means the area around the tumor and N means the number of pixels in the area. Since all pixels corresponding to the tumor site have the modified vector u tumor having the same direction and size, the rigid structure of the tumor site is maintained.

유방은 연조직(soft tissue)이므로 한 픽셀에서의 변형 벡터는 주변 변형 벡터들과 겹치지 않고 연속적으로 나타나야 한다. 이러한 변형 벡터의 정규화(regularization)를 위해 가우시안 마스크를 이용한 벡터 스무딩(smoothing)을 수행하였고 종양, 종양 주변 영역, 유선조직, 지방, 그 밖의 영역에 따라 각 1.0, 0.7, 0.5, 0.3, 0.0의 정규화 가중치를 주었다. 종양 부위는 가장 높은 가중치를 주고 종양으로부터 거리가 멀어질수록 낮은 가중치를 주며, 가중치가 높을수록 벡터 스무딩의 정도를 크게 함으로써 강성 구조를 유지하고 가중치가 낮을수록 벡터 스무딩의 정도를 작게 함으로써 변형이 많이 일어날 수 있도록 하였다. Since the breast is a soft tissue, the strain vector at one pixel must appear continuously without overlapping the surrounding strain vectors. Vector smoothing using a Gaussian mask was performed for regularization of the modified vector and normalization of 1.0, 0.7, 0.5, 0.3, and 0.0 according to the tumor, the area around the tumor, the mammary tissue, the adipose, and other regions. Weighted. The tumor site is given the highest weight and the lower the distance from the tumor, the lower the weight.The higher the weight, the greater the degree of vector smoothing to maintain the rigid structure, and the lower the weight, the smaller the degree of vector smoothing. To make it happen.

비강체 정합은 비용함수가 최소화되고 이전과 현재 시점에서 구해진 비용함수 수치가 임계값(0.05) 이하로 거의 변화가 없을 때까지 반복되며 비용함수는 수학식 6과 같이 정의된다. Non-rigid matching is repeated until the cost function is minimized and the cost function values obtained at the previous and present time are almost unchanged below the threshold (0.05), and the cost function is defined as in Equation 6.

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112011088578732-pat00006
Figure 112011088578732-pat00006

Г는 유방 영역, Vt와 Vs는 타겟과 소스영상에서 픽셀 x의 밝기값을 의미한다. Φ는 종양 부위, N은 종양 부위의 전체 픽셀 개수이다. α는 가중치로써 본 발명에서는 1.0으로 정의하였다. J는 야코비의 행렬식으로써 픽셀 x에 대하여 J의 절대값이 1보다 크면 x의 주변이 확장, 1보다 작으면 축소, 1이면 변화 없음을 의미한다. 이를 통해 종양 볼륨의 변형 정도를 측정할 수 있으며 수치가 커질수록 종양 부위가 많이 변형되었음을 의미하기 때문에 CF가 최소화되도록 비강체 정합을 수행함으로써 종양 부위의 변형을 줄여준다.Г is the breast region, and V t and V s are the brightness values of pixel x in the target and source images. Φ is the tumor site and N is the total number of pixels in the tumor site. α is defined as 1.0 in the present invention as a weight. J is Jacoby's determinant, which means that if the absolute value of J is greater than 1 for pixel x, the periphery of x is expanded, if it is less than 1, it is reduced, and if it is 1, there is no change. Through this, the degree of deformation of the tumor volume can be measured, and as the value increases, the tumor area is deformed much. Therefore, the deformation of the tumor area is reduced by performing non-rigid registration so that CF is minimized.

본 실험은 TR=4.9초, TE=1.83초, flip angle=12°, FOV=170×170mm의 시퀀스로 셋팅된 Siemens Sonata 1.5T로 촬영한 하나의 악성 또는 양성 종양을 가지고 있는 총 6명의 환자 데이터에 대하여 수행하였다. 각 실험데이터는 조영제 주입 전과 주입 후 84초 간격으로 연속 촬영된 총 5개의 DCE-MR 볼륨 영상들로 이루어져 있으며 네 개 데이터의 영상 크기는 448×448픽셀, 픽셀 크기는 0.38×0.38mm2이다. 다른 두 개 데이터의 영상 크기는 896×896픽셀, 픽셀 크기는 0.19×0.19mm2로 해당 데이터는 0.38×0.38mm2의 픽셀 크기를 갖는 448×448픽셀의 영상으로 크기를 줄여 실험하였다. 슬라이스 간격은 1.0~1.4mm이고 슬라이스 장수는 96장이다. The experiments consisted of a total of six patient data with one malignant or benign tumor taken with Siemens Sonata 1.5T set with a sequence of TR = 4.9 sec, TE = 1.83 sec, flip angle = 12 °, FOV = 170 × 170 mm. Was performed against. Each experimental data consisted of five DCE-MR volume images taken continuously before and after the injection of contrast medium, with 448 × 448 pixels and 0.38 × 0.38 mm 2 pixel size. The other two data images were 896 × 896 pixels, the pixel size was 0.19 × 0.19mm 2, and the data was reduced to 448 × 448 pixels with a pixel size of 0.38 × 0.38mm 2 . The slice interval is 1.0 ~ 1.4mm and the number of slices is 96.

본 발명에서 제안한 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합 방법을 평가하기 위하여 육안 평가, 정확성 평가 및 수행시간 측정 결과를 분석하였다. In order to evaluate the non-rigid registration method applying the brightness correction and tumor stiffness constraint proposed in the present invention, the results of visual evaluation, accuracy evaluation and execution time were analyzed.

도 8은 악성 및 양성 종양을 가진 환자데이터에 대하여 비강체 정합 전과 밝기값 보정 및 종양 강성 제약의 적용 여부에 따른 비강체 정합 후의 결과를 보여준다. FIG. 8 shows the results of non-rigid registration before and after non-rigid registration according to whether brightness correction and tumor rigidity constraints are applied to patient data with malignant and benign tumors.

도 8의 (a)와 (e)는 각각 소스영상과 타겟영상을 보여준다. 소스영상 내 종양, 유선조직 등은 조영제의 영향으로 인하여 타겟영상 내 대응되는 조직들에 비해 밝게 나타난다. 도 8의 (b)는 강체 정합 후 변환된 소스영상으로 이동 및 회전 변환과 함께 전역적 움직임 차이가 보정되었으나 그 정도가 크지 않아 원본 소스영상과 유사한 결과를 보인다. 8 (a) and 8 (e) show a source image and a target image, respectively. Tumors and mammary tissues in the source image appear brighter than the corresponding tissues in the target image due to the influence of contrast medium. 8 (b) shows the result similar to the original source image because the global motion difference is corrected with the movement and rotation conversion to the transformed source image after rigid registration, but the degree is not large.

또한, 도 8의 (c)는 기존의 데몬기반 비강체 정합을 수행한 후에 변형된 소스영상으로, 조영제 차이로 인한 소스와 타겟 영상 간 밝기값 차이가 변형 벡터를 발생시킴으로써 종양의 볼륨 및 형태가 변형되었다. 그러나 제안한 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합을 수행한 후에는 그림 8(d)와 같이 종양의 볼륨 및 형태 변형이 거의 발생하지 않았다. In addition, Figure 8 (c) is a modified source image after performing the conventional daemon-based non-rigid registration, the difference in brightness and volume between the source and the target image due to the contrast medium to generate a modified vector, thereby reducing the volume and shape of the tumor Transformed. However, after the non-rigid registration with proposed brightness correction and tumor stiffness constraint, the tumor volume and morphology were hardly changed as shown in Fig. 8 (d).

도 8의 (f)-(i)는 (a)-(d)의 소스영상과 타겟영상 도 8의 (e) 간의 차 영상으로 두 영상 간 정합 오차를 보여준다. 도 8의 (h)와 (i)를 비교하였을 때, 기존 데몬기반 비강체 정합에 비해 제안 방법이 종양을 제외한 유방 영역의 조영제 및 움직임 차이를 더 잘 보정하였고 종양 부위의 볼륨 및 형태 변형이 거의 발생하지 않아 조영제로 인한 밝기값 차이를 보다 명확하게 보여줌을 알 수 있다.(F)-(i) of FIG. 8 is a difference image between the source image of (a)-(d) and the target image (e) of FIG. 8 and shows a matching error between the two images. When comparing (h) and (i) of FIG. 8, the proposed method more accurately corrected the contrast and motion difference in the breast region excluding the tumor, compared to the conventional daemon-based non-rigid registration. It can be seen that the difference in brightness due to the contrast agent is more clearly shown.

밝기값 보정 및 종양 강성 제약의 적용 여부에 따른 비강체 정합의 결과를 비교하기 위하여 유방 전체 영역에 대한 밝기값 차이(SSD: sum of squared difference) 수치를 측정하였다. 소스와 타겟영상 간 SSD는 수학식 7을 이용하여 계산된다.The sum of squared difference (SSD) of the entire breast area was measured in order to compare the results of non-rigid registration according to the adjustment of the brightness value and the application of the constraint of tumor stiffness. The SSD between the source and the target image is calculated using Equation 7.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112011088578732-pat00007
Figure 112011088578732-pat00007

이때, u와 v는 각각 소스와 타겟영상을 의미한다. x는 타겟영상에서 유방 전체 영역(Γ) 내 복셀들의 3D 좌표이고 N은 유방 영역 내 복셀들의 전체 개수이며 T(x)는 비강체 정합 후 복셀 x의 좌표이다. 밝기값 차이는 두 영상 간 정합의 정확성이 높을수록 낮은 수치를 보이게 된다. In this case, u and v mean a source and a target image, respectively. x is the 3D coordinate of voxels in the entire breast region Γ in the target image, N is the total number of voxels in the breast region, and T (x) is the coordinate of voxel x after non-rigid registration. The brightness difference is lower as the accuracy of matching between the two images is higher.

도 9는 SSD 측정 결과를 보여준다. 데이터 당 측정된 수치는 타겟영상과 4개의 소스영상 간 비강체 정합을 수행한 후에 평균으로 계산되었다. 도 9에서 6개 데이터에 대한 SSD의 초기 오차는 평균 28.53±6.20이었고 강체 정합 후에는 27.40±5.88로 약간 감소하였다. 기존 데몬기반 비강체 정합 후에는 24.56±5.50까지 SSD 수치가 줄어들었으나, 도 8의 (h)에서 보여지는 것과 같이 종양의 볼륨 및 형태가 심하게 축소되었다. 제안한 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합 후에는 조영제의 영향으로 인해 발생하게 되는 잘못된 변형 벡터의 발생이 줄어들고 유방 영역이 변형됨으로써 SSD 수치가 10.55±4.29까지 감소하였다. 이는 초기 SSD 수치보다 기존 데몬기반 비강체 정합 방법은 13.9%, 제안 방법은 63.0% 감소한 결과로써 제안한 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합 기법이 조영제의 영향 없이 유방의 전역 및 지역적인 움직임을 보정함으로써 정합 정확성을 높일 수 있음을 보여준다.9 shows the results of SSD measurement. The measured values per data were calculated as averages after performing non-rigid registration between the target image and the four source images. In FIG. 9, the initial error of SSD for 6 data was 28.53 ± 6.20 on average and decreased slightly to 27.40 ± 5.88 after rigid registration. After the daemon-based non-rigid registration, the SSD value decreased to 24.56 ± 5.50, but the volume and shape of the tumor were severely reduced as shown in FIG. After non-rigid registration using the proposed brightness correction and tumor stiffness constraint, the number of erroneous deformation vectors caused by the influence of contrast medium was reduced and the breast area was deformed, resulting in the reduction of SSD to 10.55 ± 4.29. This results in a 13.9% reduction in the conventional daemon-based non-rigid registration method and a 63.0% reduction in the proposed method, compared to the initial SSD. By correcting this, we can increase the matching accuracy.

소스영상에서 조영된 종양은 밝은 밝기값을 보이고 타겟영상에서 조영되지 않은 종양은 어두운 밝기값으로 나타나므로, 밝은 밝기값의 종양이 어두운 밝기값으로 비강체 정합되면 종양의 볼륨이 줄어들게 된다. 종양 볼륨을 유지하기 위한 종양 강성 제약의 효과를 평가하기 위하여, 강체 및 비강체 정합 전과 후의 종양 볼륨 축소율을 수학식 8을 이용하여 측정하였다. Since the tumors in the source image show bright brightness values and the non-contrast tumors in the target image appear dark brightness values, the tumor volume decreases when the tumors with bright brightness values are non-rigid matched with dark brightness values. To assess the effect of tumor stiffness constraints on maintaining tumor volume, tumor volume reduction rates before and after rigid and non-rigid registration were measured using Equation 8.

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112011088578732-pat00008
Figure 112011088578732-pat00008

이때, Vafter와 Vbefore는 각각 정합 전과 후의 소스영상에서 자동 분할된 종양 볼륨의 복셀 수를 의미한다. In this case, V after and V before refer to the number of voxels of the tumor volume automatically divided in the source image before and after registration, respectively.

표 1은 6개 데이터에 대하여 종양 볼륨 축소율을 보여준다. Table 1 shows the tumor volume reduction rate for the six data.

[표 1][Table 1]

Figure 112011088578732-pat00009
Figure 112011088578732-pat00009

강체 정합 후에는 종양 볼륨의 변화가 없었고 기존 데몬기반 비강체 정합 후에는 평균 36.71%까지 종양 볼륨이 축소되었다. 그러나 제안한 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합 수행 후에는 9.38%의 종양 볼륨 축소율을 보임으로써 종양 강성 제약을 적용하지 않았을 때에 비해 27.33%의 종양 볼륨의 축소를 방지할 수 있었다. 종양 강성 제약 적용 후 나타나는 종양 볼륨의 축소는 종양 주변 영역의 변형 벡터가 정규화 되면서 종양의 경계 부분에 영향을 주었기 때문에 나타났다. There was no change in tumor volume after rigid registration, and tumor volume was reduced by an average of 36.71% after conventional daemon-based non-rigid registration. However, after performing the non-rigid registration with the proposed brightness correction and tumor stiffness constraint, the tumor volume reduction rate was 9.38%, which prevented the reduction of the tumor volume by 27.33%. The reduction in tumor volume after tumor stiffness constraints was due to the normalization of the deformation vector in the peri-tumor region, thus affecting the border of the tumor.

도 10은 6개의 데이터에 대하여 강체 및 비강체 정합의 수행시간을 보여준다. 강체 정합의 수행시간은 31.88에서 47.16초의 범위를 보였고 평균과 표준편차는 33.29±1.93초였다. 강체 정합 시, x, y축으로 4픽셀, z축으로 슬라이스 2장 간격으로 샘플링을 적용하여 최적화를 수행함으로써 샘플링 적용 전에 비해 계산량을 32배까지 감소시킬 수 있었다. 제안한 비강체 정합의 수행시간은 64.63에서 107.14초의 범위를 보였고 평균과 표준편차는 84.81±11.05초였다. 이때, 유방 영역에 해당하는 복셀에 대해서만 변형 벡터를 계산하기 때문에 제안한 비강체 정합의 수행시간은 환자의 유방 크기에 영향을 받게 된다.10 shows the performance time of rigid and non-rigid registration for six data. Rigid matching time ranged from 31.88 to 47.16 seconds with mean and standard deviation of 33.29 ± 1.93 seconds. In the case of rigid registration, the optimization was performed by applying sampling at intervals of 4 pixels on the x and y axes and 2 slices on the z axis, thereby reducing the calculation amount by 32 times compared to before applying the sampling. The performance time of the proposed non-rigid registration ranged from 64.63 to 107.14 seconds and the mean and standard deviation were 84.81 ± 11.05 seconds. In this case, since the deformation vector is calculated only for the voxels corresponding to the breast region, the execution time of the proposed non-rigid registration is affected by the breast size of the patient.

본 발명에서는 동적조영증강 MR 유방영상에서 종양의 관류 분석을 위한 조영 전후 증강영상 간 전역적, 지역적 움직임 보정 방법을 제안하였다. 샘플링을 적용한 정규화된 상호정보 기반 강체 정합은 조영제로 인한 밝기값 차이에도 견고하게 전역적 움직임을 보정할 수 있었다. 유방조직별 밝기값 보정을 위해 유방스킨과 흉근을 제거함으로써 유방 영역을 분할하고 분할된 유방 영역 내 조직을 fuzzy C-means 군집화 기법을 이용하여 지방, 유선조직, 종양 및 혈관으로 분류하였다. 또한 종양 강성 제약을 주기위해 밝기값 및 형태 정보를 이용하여 종양 부위를 분할하였다. 유방조직별 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합은 유방 영역 내 조영제의 영향으로 인해 발생할 수 있는 변형을 줄임으로써 정합 정확성을 높여주었고 종양 부위가 강성 구조를 유지하면서 강체 변환되도록 함으로써 비강체 정합 시 종양의 변형을 줄여 주었다. 실험결과, 조영 전후 증강영상 간 초기 밝기값 차이는 28.53±6.2에서 비강체 정합 후에 10.55±4.3으로 63%까지 감소하였고, 종양 강성 제약을 적용한 후에 적용 전보다 27.33%의 종양 볼륨의 축소를 방지할 수 있었다. 강체 정합의 평균 수행 시간은 33.29±1.93초였고 비강체 정합의 평균 수행 시간은 84.81±11.05초를 보였다. The present invention proposes a global and regional motion correction method between before and after contrast enhancement images for perfusion analysis of tumors in dynamic contrast enhanced MR breast images. Normalized mutual information-based rigid-body matching using sampling was able to robustly compensate for global movements even with differences in brightness due to contrast agents. The breast region and breast muscles were removed to correct the brightness of each breast tissue. The breast region was divided and the tissues in the divided breast region were classified into adipose, mammary tissue, tumor and blood vessel using fuzzy C-means clustering technique. In addition, the tumor region was segmented by using brightness and shape information to constrain the tumor stiffness. Non-rigid registration using brightness correction and tumor stiffness constraints for each breast tissue improves the accuracy of registration by reducing the deformation that may occur due to the influence of contrast agent in the breast area. Tumor deformity was reduced during registration. As a result, the difference in initial brightness between pre and post-enhancement images decreased from 28.53 ± 6.2 to 10.55 ± 4.3 after non-rigid registration, and prevented reduction of tumor volume by 27.33% after application of tumor stiffness constraint. there was. The average execution time of the rigid registration was 33.29 ± 1.93 seconds and the average execution time of the non-rigid registration was 84.81 ± 11.05 seconds.

본 발명에서 제안한 MR 영상에서 유방 및 종양 분할과 정합 방법은 종양의 악성 여부 진단 및 악성 종양의 치료 효과를 관찰하는데 효과적으로 이용될 수 있으며, X-ray, 초음파 등 다른 모달리티로 촬영된 유방 영상과의 정합을 통한 유방 및 종양 분석에 응용될 수 있다.In the MR image proposed in the present invention, the breast and tumor segmentation and matching method can be effectively used for diagnosing the tumor malignancy and observing the therapeutic effect of the malignant tumor, and comparing the breast image with other modalities such as X-ray and ultrasound. It can be applied to the analysis of breast and tumor through registration.

한편, 도 1의 유방조직별 밝기값 보정 및 종양 강성 제약을 적용한 비강체 정합 방법은 도 11에 도시한 바와 같은 비강체 정합 시스템에 의해 구현될 수도 있다. 이 경우, 비강체 정합 시스템은 유방 분할부(210), 조직 분류부(220), 종양 분할부(230), 정합 및 보정부(240) 및 비강체 정합부(250)를 포함할 수 있다.Meanwhile, the non-rigid registration method applying the brightness value correction and the tumor stiffness constraint for each breast tissue of FIG. 1 may be implemented by the non-rigid registration system as shown in FIG. 11. In this case, the non-rigid registration system may include a breast divider 210, a tissue sorter 220, a tumor divider 230, a match and corrector 240, and a non-rigid matcher 250.

여기서, 유방 분할부(210), 조직 분류부(220), 종양 분할부(230), 정합 및 보정부(240) 및 비강체 정합부(250)는 각각 단계 S110, 단계 S120, 단계 S130, 단계 S140 및 단계 S150를 기능 및 동작을 수행할 수 있으며, 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다.Here, the breast dividing unit 210, the tissue sorting unit 220, the tumor dividing unit 230, the matching and correcting unit 240, and the non-rigid registration unit 250 are the step S110, the step S120, the step S130, and the step, respectively. Functions and operations may be performed at step S140 and step S150, and a detailed description thereof will be omitted.

이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.The present invention is not necessarily limited to these embodiments, as all the constituent elements constituting the embodiment of the present invention are described as being combined or operated in one operation. In other words, within the scope of the present invention, all of the components may be selectively operated in combination with one or more. In addition, although all of the components may be implemented as one independent hardware, some or all of the components may be selectively combined to perform a part or all of the functions in one or a plurality of hardware. As shown in FIG. In addition, such a computer program may be stored in a computer-readable medium such as a USB memory, a CD disk, a flash memory, etc., and read and executed by a computer, thereby implementing embodiments of the present invention. As the storage medium of the computer program, a magnetic recording medium, an optical recording medium, a carrier wave medium, or the like may be included.

또한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 상세한 설명에서 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Furthermore, all terms including technical or scientific terms have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs, unless otherwise defined in the Detailed Description. Terms used generally, such as terms defined in a dictionary, should be interpreted to coincide with the contextual meaning of the related art, and shall not be interpreted in an ideal or excessively formal sense unless explicitly defined in the present invention.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 또한, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이며, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. In addition, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the scope of the present invention but to limit the scope of the technical idea of the present invention. Accordingly, the scope of protection of the present invention should be construed according to the claims, and all technical ideas within the scope of equivalents should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (12)

기울기 및 방향 정보를 이용하여 유방피부와 흉근을 제거함으로써 유방 영역을 자동 분할하는 단계;
상기 자동 분할단계에 의해 분할된 유방 영역 내에 fuzzy C-means 군집화 기법을 이용하여 지방, 유선조직, 종양 및 혈관으로 유방조직을 분류하는 단계;
상기 분류단계에 의해 분류된 종양 정보 또는 타겟과 소스영상에서 조영 정도에 따른 밝기값 차이를 이용하여 종양의 위치를 자동 추출하고 밝기값 및 형태학적인 연산을 이용하여 종양 부위를 분할하는 단계;
상기 타겟과 소스영상 간 정규화된 상호정보 기반의 강체 정합을 수행하고, 조영제의 영향으로 서로 다른 밝기값을 갖게 되는 지방과 유선조직에 대하여 밝기값 보정을 수행하는 단계; 및
상기 종양 부위의 밝기값 차이로 인한 변형을 줄여주기 위해 상기 분할된 종양 부위에 강성 구조를 유지하도록 제약을 주고 각 유방조직별 정규화 가중치를 적용한 데몬기반 비강체 정합을 수행하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 비강체 정합 방법.
Automatically segmenting the breast region by removing breast skin and pectoral muscle using tilt and direction information;
Classifying breast tissue into fat, mammary tissue, tumor, and blood vessel using fuzzy C-means clustering technique in the breast region divided by the automatic segmentation step;
Automatically extracting the location of the tumor by using brightness information according to the degree of contrast in the tumor information classified by the classification step or the target image and dividing the tumor site by using the brightness value and morphological calculation;
Performing a rigid registration based on normalized mutual information between the target and the source image, and correcting brightness values of fat and mammary gland tissue having different brightness values under the influence of contrast medium; And
Performing daemon-based non-rigid registration applying constraints to maintain the rigid structure in the divided tumor areas and applying normalized weights to each breast tissue to reduce deformation due to the difference in brightness values of the tumor areas;
Non-rigid registration method comprising a.
제 1항에 있어서,
조영제 주입 전 증강영상을 타겟(target)영상, 조영제 주입 후 증강영상을 소스(source)영상으로 정의하고, 상기 소스영상은 소정 간격으로 연속 촬영된 데이터 셋으로 구성되는 것을 특징으로 하는 비강체 정합 방법.
The method of claim 1,
Non-rigid registration method characterized in that the enhancement image before the contrast medium injection (target), the contrast image after the contrast medium injection is defined as the source (source), the source image is composed of a data set continuously photographed at a predetermined interval .
제 1항에 있어서, 상기 자동 분할단계는,
에지와 같은 중요한 정보는 유지하면서 잡음을 제거할 수 있는 비등방성 확산 필터링(anisotropic diffusion filtering) 적용 후 유방 영역을 분할하고, 데이터마다 다르게 나타나는 유방조직의 조영 정도를 보정하기 위해 밝기값을 정규화시킨 후 조직 분류를 수행함으로써 유방 분할 및 조직 분류의 수행 정확성을 높이는 것을 특징으로 하는 비강체 정합 방법.
The method of claim 1, wherein the automatic splitting step,
After applying anisotropic diffusion filtering to remove noise while maintaining important information such as edges, segment the breast area, and normalize the brightness values to correct the degree of contrast of the breast tissue, which is different for each data. A non-rigid registration method characterized by increasing the accuracy of performing breast division and tissue classification by performing tissue classification.
제 1항에 있어서, 상기 종양 부위 분할단계는,
fuzzy C-mean clustering으로 분류된 종양 정보로부터 종양 부위의 위치를 알아낼 수 있고, 조영 정도가 낮아 분류된 종양 정보를 이용하여 종양 부위의 위치를 알아내기 어려운 경우 상기 타겟 및 소스영상 간 종양의 조영 차이를 이용하여 종양의 위치를 자동 추출하는 것을 특징으로 하는 비강체 정합 방법.
The method of claim 1, wherein the tumor segmentation step,
Tumor difference between the target and source images when the location of the tumor site can be determined from the tumor information classified by fuzzy C-mean clustering, and the location of the tumor site is difficult to locate using the classified tumor information due to low contrast. Non-rigid registration method, characterized in that for automatically extracting the location of the tumor using.
제 1항에 있어서, 상기 강체 정합 및 밝기값 보정단계는,
타겟 및 소스 영상의 밝기값 차이에 영향을 받지 않고 최적의 강체 변환을 구함으로써 전역적 움직임을 보정할 수 있고, 이때 샘플링을 통해 계산량을 줄일 수 있으며, 밝기값 보정을 통해 소스영상에서 지방과 유선조직의 조영제의 영향을 보정하는 것을 특징으로 하는 비강체 정합 방법.
The method of claim 1, wherein the rigid matching and brightness value correction step,
It is possible to compensate for global movement by obtaining the optimal rigid body transformation without being influenced by the difference in brightness value between target and source images.In this case, the calculation amount can be reduced by sampling, and the brightness value correction can reduce fat and wire in the source image. A non-rigid registration method comprising correcting the influence of contrast agent on a tissue.
제 1항에 있어서, 상기 비강체 정합 수행단계는,
호흡 차이 및 심장 박동으로 인한 상기 타겟 및 소스 영상 내 유방 영역 간 종양 부위의 볼륨 및 형태 변형을 줄이면서 지역적 움직임을 보정하는 것을 특징으로 하는 비강체 정합 방법.
The method of claim 1, wherein performing the non-rigid registration step,
A non-rigid registration method comprising correcting local movement while reducing volume and morphological changes of tumor regions between breast regions in the target and source images due to respiratory differences and heartbeats.
기울기 및 방향 정보를 이용하여 유방피부와 흉근을 제거함으로써 유방 영역을 자동 분할하는 유방 분할부;
상기 유방 분할부에 의해 분할된 유방 영역 내에 fuzzy C-means 군집화 기법을 이용하여 지방, 유선조직, 종양 및 혈관으로 유방조직을 분류하는 조직 분류부;
상기 조직 분류부에 의해 분류된 종양 정보 또는 타겟과 소스영상에서 조영 정도에 따른 밝기값 차이를 이용하여 종양의 위치를 자동 추출하고 밝기값 및 형태학적인 연산을 이용하여 종양 부위를 분할하는 종양 분할부;
상기 타겟과 소스영상 간 정규화된 상호정보 기반의 강체 정합을 수행하고, 조영제의 영향으로 서로 다른 밝기값을 갖게 되는 지방과 유선조직에 대하여 밝기값 보정을 수행하는 정합 및 보정부; 및
상기 종양 부위의 밝기값 차이로 인한 변형을 줄여주기 위해 강성 구조를 유지하도록 제약을 주고 각 유방조직별 정규화 가중치를 적용한 데몬기반 비강체 정합을 수행하는 비강체 정합부;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 비강체 정합 시스템.
A breast dividing unit for automatically dividing a breast region by removing breast skin and pectoral muscle using tilt and direction information;
A tissue classification unit classifying breast tissue into fat, mammary tissue, tumor, and blood vessel using a fuzzy C-means clustering technique in the breast region divided by the breast division;
Tumor segmentation unit for automatically extracting the location of the tumor using the difference of the brightness value according to the degree of contrast in the tumor information or target and source image classified by the tissue classification unit, and segmenting the tumor site using the brightness value and morphological operations ;
A matching and correction unit configured to perform rigid registration based on normalized mutual information between the target and the source image, and to correct brightness values of fat and mammary gland tissue having different brightness values under the influence of contrast medium; And
A non-rigid registration unit that performs daemon-based non-rigid registration applying constraints to maintain rigid structures and applying normalized weights for each breast tissue to reduce deformation due to differences in brightness values of the tumor site;
Non-rigid matching system comprising a.
제 7항에 있어서,
조영제 주입 전 증강영상을 타겟(target)영상, 조영제 주입 후 증강영상을 소스(source)영상으로 정의하고, 상기 소스영상은 소정 간격으로 연속 촬영된 데이터 셋으로 구성되는 것을 특징으로 하는 비강체 정합 시스템.
8. The method of claim 7,
A non-rigid registration system, characterized in that the augmented image before the contrast agent injection is defined as a target image, and the augmented image after the contrast medium is injected as the source image, and the source image is composed of data sets continuously photographed at predetermined intervals. .
제 7항에 있어서, 상기 유방 분할부,
에지와 같은 중요한 정보는 유지하면서 잡음을 제거할 수 있는 비등방성 확산 필터링(anisotropic diffusion filtering) 적용 후 유방 영역을 분할하고, 데이터마다 다르게 나타나는 유방조직의 조영 정도를 보정하기 위해 밝기값을 정규화시킨 후 조직 분류를 수행함으로써 유방 분할 및 조직 분류의 수행 정확성을 높이는 것을 특징으로 하는 비강체 정합 시스템.
According to claim 7, wherein the breast portion,
After applying anisotropic diffusion filtering to remove noise while maintaining important information such as edges, segment the breast area, and normalize the brightness values to correct the degree of contrast of the breast tissue, which is different for each data. A non-rigid registration system characterized by increasing the accuracy of performing breast division and tissue classification by performing tissue classification.
제 7항에 있어서, 상기 종양 분할부는,
fuzzy C-mean clustering으로 분류된 종양 정보로부터 종양 부위의 위치를 알아낼 수 있고, 조영 정도가 낮아 분류된 종양 정보를 이용하여 종양 부위의 위치를 알아내기 어려운 경우 상기 타겟 및 소스영상 간 종양의 조영 차이를 이용하여 종양의 위치를 자동 추출하는 것을 특징으로 하는 비강체 정합 시스템.
The method of claim 7, wherein the tumor divider,
Tumor difference between the target and source images when the location of the tumor site can be determined from the tumor information classified by fuzzy C-mean clustering, and the location of the tumor site is difficult to locate using the classified tumor information due to low contrast. Non-rigid registration system, characterized in that for automatically extracting the location of the tumor using.
제 7항에 있어서, 상기 정합 및 보정부는,
타겟 및 소스 영상의 밝기값 차이에 영향을 받지 않고 최적의 강체 변환을 구함으로써 전역적 움직임을 보정할 수 있고, 이때 샘플링을 통해 계산량을 줄일 수 있으며, 밝기값 보정을 통해 소스영상에서 지방과 유선조직의 조영제의 영향을 보정하는 것을 특징으로 하는 비강체 정합 시스템.
The method of claim 7, wherein the matching and correcting unit,
It is possible to compensate for global movement by obtaining the optimal rigid body transformation without being influenced by the difference in brightness value between target and source images.In this case, the calculation amount can be reduced by sampling, and the brightness value correction can reduce fat and wire in the source image. A non-rigid registration system characterized by correcting the influence of contrast agent on a tissue.
제 7항에 있어서, 상기 비강체 정합부는,
호흡 차이 및 심장 박동으로 인한 상기 타겟 및 소스 영상 내 유방 영역 간 종양 부위의 볼륨 및 형태 변형을 줄이면서 지역적 움직임을 보정하는 것을 특징으로 하는 비강체 정합 시스템.
The method of claim 7, wherein the non-rigid matching portion,
A non-rigid registration system, characterized in that it compensates for regional movement while reducing volume and morphological changes of the tumor region between the breast region in the target and source images due to respiratory differences and heartbeats.
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