KR101531654B1 - Improvement method of convergence speed using gradient total variation in compressed sensing for three dimensional iterative imaging reconstruction - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 3차원 영상 재구성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 컴퓨터 단층촬영(computed tomography, CT) 기반의 3차원 영상 반복적 재구성(iterative reconstruction, IR)에서 압축센싱(compressed sensing, CS) 알고리즘을 이용한 반복적 재구성의 수렴속도를 개선할 수 있는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a 3D reconstruction method, and more particularly, to a 3D reconstruction method using a compressed sensing (CS) algorithm in an iterative reconstruction (IR) based on computed tomography (CT) To a method for improving convergence speed of iterative reconstruction.
지난 수십 년간 엑스-선(X-ray)을 이용하여 환자의 신체부위나 물체를 투시하여 3차원 영상화하는 의료용 또는 산업용 컴퓨터 단층촬영(computed tomography, 이하 CT) 기술이 활발히 연구되어 왔으며, 그 이용범위가 점차 확대되고 있다. BACKGROUND ART For the past several decades, medical or industrial computed tomography (CT) techniques have been actively studied in which three-dimensional imaging is performed through the body part or object of a patient using X-ray, Is gradually expanding.
주지된 바와 같이 CT는 엑스-선 등의 광선을 사용하여 여러 각도로부터 물체의 투영 이미지를 촬영하고, 그 후 계산을 통해 3차원 영상으로 재구성한 뒤 단면 이미지(2차원 슬라이드 영상)를 얻는 기술이다.As is well known, CT is a technique of capturing a projected image of an object from various angles using rays such as X-rays, reconstructing it into a three-dimensional image through calculation, and obtaining a cross-sectional image (two-dimensional slide image) .
최근 CT 기술의 동향에서는 환자를 투시하여 3차원 영상화할 때 환자가 받는 선량을 최소화하기 위한 저선량화(low dose)가 핵심 키워드이다. In recent trends of CT technology, low dose is the key keyword for minimizing the dose received by the patient when three-dimensional imaging is performed through the patient.
선량의 최소화를 위한 방법에는 CT의 촬영횟수(영상 획득의 수)를 줄이는 방법, 엑스-선 선원(X-ray source)의 관전류(mA)를 낮추는 방법, 그리고 엑스-선 선원의 전체 발생시간(ms)을 줄이는 방법 등이 있다.Methods for minimizing the dose include a method of reducing the number of CT scans (number of acquisitions), a method of lowering the tube current (mA) of the X-ray source, and a total generation time of the X- ms).
이 중 영상 획득의 수(촬영횟수)를 줄이는 방법으로서, 3차원 영상의 재구성에서 가장 널리 이용되고 있는 Feldkamp, Davis 그리고 Kress(이하 FDK) 방법에서는 영상 획득수의 감소가 심각한 알리아싱 인공 결함(aliasing artifact)의 문제 등을 발생시킨다. In the Feldkamp, Davis, and Kress (FDK) methods, which are widely used in reconstruction of 3D images, aliasing artifacts ) And the like.
그리고 관전류(mA)와 발생시간(ms)의 감소는 재구성된 영상에서의 잡음(noise)을 증가시키는 문제를 야기한다. The decrease of the tube current (mA) and the generation time (ms) causes a problem of increasing the noise in the reconstructed image.
특히 상기 FDK에서 나타나는 문제들은 환자의 병변을 진단하거나 확인하는데 있어서 바람직하지 않기 때문에 보다 개선된 영상 재구성의 방법이 요구되고 있는 실정이다.In particular, since the problems in the FDK are not desirable for diagnosing or diagnosing a lesion of a patient, a method of reconstructing an image is demanded.
압축센싱(compressed sensing, CS) 이론은 영상 획득의 수가 작고 잡음이 있는 데이터에서도 높은 영상 화질로 3차원 영상의 재구성이 가능하다는 것이 증명되면서 널리 연구되고 있다. Compressed sensing (CS) theory has been widely studied because it is proved that 3D image reconstruction is possible with high image quality even with small number of image acquisition and noisy data.
특히 전체변이(total variation, TV)의 방법은 인체 조직을 관통할 때 발생하는 엑스-선 감쇠의 최소 변이(minimum variation)를 이용하므로 CT 영상의 재구성에 실제로 유익할 뿐만 아니라, 저선량화를 위한 바람직한 해를 제공할 수 있다.Particularly, the total variation (TV) method utilizes the minimum variation of the x-ray attenuation that occurs when penetrating the human tissue, and thus is not only beneficial to reconstruction of the CT image, You can provide solutions.
전체변이를 적용한 압축센싱의 중요한 문제는 하기의 제한된 컨벡스 최적화(constrained convex optimization)의 문제를 해결하는 것이다.An important problem of compression sensing with full variation is to solve the problem of constrained convex optimization described below.
여기서 는 놈(norm) 2이고, 는 최종 구하고자 하는 CT 볼륨 영상의 값, A는 라돈 전달연산자, b는 측정된 투시 데이터, λ는 규칙상수, 그리고 는 규칙항에서 전체변이(TV)를 나타낸다. here Is the norm 2, A is the radon transfer operator, b is the measured perspective data, λ is the rule constant, and Represents the total variation (TV) in the rule term.
상기 수학식 1에서 3차원 CT 볼륨 (i,j,k)는 (1×N) 차원 행렬로 벡터화되고, 전체변이(TV)는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.In the above equation (1), a three-dimensional CT volume (i, j, k) is vectorized into a (1 x N) dimensional matrix, and the total variation (TV) can be expressed by the following equation (2).
상기 수학식 1에서 첫 번째 정확도 항(fidelity term)은 측정된 투시 데이터로부터의 정확성을 강화시키는 항이고, 두 번째 규칙항(regularization term)은 인체의 엑스-선 감쇠 특성에 내재되어 있는 희소성(sparsity)을 촉진시키는 역할을 한다.The first fidelity term in
도 1은 헤드 팬텀(head phantom)을 CT로 촬영하여 3차원으로 재구성한 것을 다시 2차원 슬라이스 영상으로 나타낸 것이다. FIG. 1 is a two-dimensional slice image obtained by capturing a head phantom by CT and reconstructing it in three dimensions.
또한 도 2는 도 1에서 상기 수학식 2의 전체변이(TV)를 구한 것을 나타낸 것으로, 대부분의 값이 0인 검은색으로 나타내어지고, 영상의 일부 모서리(edge) 부분에서만 큰값을 갖는 흰색으로 나타내어진다.FIG. 2 shows that the entire transition (TV) of Equation (2) is obtained in FIG. 1. In FIG. 2, most of the values are represented by black with 0 and are represented by white having a large value only at a part of the edge of the image Loses.
상기 수학식 1의 문제를 해결하기 위해서 널리 이용되는 방법으로서, 해를 음수가 아닌 것으로 강제화를 시킨 상태에서 투영된 경사 방향에서 반복적으로 해를 찾는 경사 투시 알고리즘(gradient projection algorithm)이 이용되고 있다. As a widely used method for solving the problem of Equation (1), a gradient projection algorithm which finds a solution repeatedly in a projected slope direction while a solution is forced to be non-negative is used.
상기 수학식 1에서 의 경사(gradient) 함수 은 하기 수학식 3과 같이 정의된다.In Equation (1) The gradient function of Is defined by the following equation (3).
상기 수학식 3에서 T는 물리적으로 의 역투시로 설명되는 라돈 전치행렬 A의 전달연산자이고, n은 컨벡스 최소화를 위한 반복횟수를 나타내며, 는 수학식 2의 전체변이를 에 대해서 미분한 것이다(후술하는 수학식 7 참조). In Equation (3), T is physically Of a transfer operator of radon transposed matrix A will be described as when yeoktu, n represents the number of iterations for minimizing convex, ≪ / RTI >< RTI ID = 0.0 > (See Equation (7) to be described later).
이때 경사 투시 알고리즘을 하기와 같이 반복적으로 이용하여 상기 수학식 1의 문제를 해결할 수 있다.At this time, the oblique perspective algorithm can be repeatedly used as follows to solve the problem of Equation (1).
상기 수학식 4에서 은 아래의 수학식 5와 같이 정의될 수 있다.In Equation (4) Can be defined as Equation (5) below.
상기 수학식 4 및 수학식 5에서, 은 n 반복에서 조정치(step size)이고, l은 복셀 위치, 그리고 은 에서 의 투시된 경사를 나타낸다. In the above equations (4) and (5) Is the step size in n iteration, l is the voxel position, and silver in Lt; / RTI >
따라서 수학식 4에서 각 반복의 조정치 의 선택에 따라서 수렴속도는 아주 종속적인데, 큰 값을 선택할 경우 수렴은 빠르지만 지역 최소치(local minimum)에 빠지는 문제가 발생할 수 있고, 너무 작은 값을 선택할 경우 수렴속도가 늦기 때문에 많은 계산시간이 요구되는 단점이 있다. Therefore, in equation (4) The convergence speed is very fast depending on the selection of a large value. However, when the large value is selected, the convergence is fast, but the problem may fall into the local minimum value. If the value is too small, .
상기 수학식 4에서 빠른 수렴을 얻을 수 있는 또 다른 방법은 수학식 1의 희소성을 촉진시키는 규칙항을 개선하여 수렴속도를 높이는 방법이다.
Another method for obtaining fast convergence in Equation (4) is to improve the convergence rate by improving the rule term that promotes the scarcity of Equation (1).
따라서, 본 발명은 상기한 점을 고려하여 창출한 것으로서, 희소성을 촉진시키는 규칙항을 개선하여 수렴속도를 높일 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method for improving a convergence rate by improving a rule term for promoting scarcity.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 투시 데이터로부터 압축센싱 기법을 이용하여 3차원적으로 재구성되는 CT(computed tomography) 볼륨 영상의 값 (i,j,k)를 구하기 위하여, 투시 데이터로부터 정확도를 강화시키기 위한 정확도 항(fidelity term)과, 희소성(sparsity)을 촉진시키는 규칙항(regularization term)을 포함하는 목적 함수를 구하는 단계; 경사 투시 알고리즘에 따라 상기 목적 함수를 미분한 경사 함수를 구하는 단계; 및 상기 경사 함수로부터 컨벡스 최소화를 위한 반복적 연산을 통하여 수렴되는 최종 결과값 (i,j,k)을 구하여 3차원 영상을 재구성하는 단계;를 포함하는 3차원 반복적 영상 재구성 과정에서, 상기 목적 함수는 규칙항에 전체변이(total variation)와, 전체변이를 에 대해 미분한 경사 전체변이(gradient total variation)를 함께 적용하여 구해지는 것을 특징으로 하는 3차원 반복적 영상 재구성의 수렴속도 개선방법을 제공한다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a method of reconstructing a three-dimensionally reconstructed CT (computed tomography) volume image from a perspective data using a compression sensing technique, obtaining an objective function including a fidelity term for enhancing the accuracy from the perspective data and a regularization term for promoting sparsity to obtain (i, j, k); Obtaining a slope function that differentiates the objective function according to a slope perspective algorithm; And a final result value converged through an iterative operation for minimizing convex from the slope function (i, j, k), and reconstructing the three-dimensional image. In the three-dimensional iterative image reconstruction process, the objective function includes a total variation and a total variation And the gradient total variation is differentiated with respect to the total variation of the three-dimensional repetitive image reconstruction.
이에 따라, 본 발명에서는 3차원 영상 재구성의 압축센싱(CS) 알고리즘에서 제한된 켄벡스 최적화 문제를 해결하기 위한 반복적 방법에 경사 전체변이(GTV)를 추가로 적용하고 규칙상수를 상황에 맞게 적절히 사용함으로써 수렴속도를 개선할 수 있고, 결국 3차원 영상의 반복적 재구성을 위한 전체 연산 시간을 줄일 수 있게 된다.
Accordingly, in the present invention, by applying GTV to the iterative method for solving the limited Kenbex optimization problem in the compression-sensing (CS) algorithm of the three-dimensional image reconstruction and using the rule constant appropriately according to the situation The convergence speed can be improved, and the total computation time for repeated reconstruction of the three-dimensional image can be reduced.
도 1은 헤드 팬텀(head phantom)을 CT 촬영하여 3차원으로 재구성한 것을 다시 2차원 슬라이스 영상으로 나타낸 예시도이다.
도 2는 도 1에서 전체변이(TV)를 구한 것을 나타낸 예시도이다.
도 3은 도 2의 전체변이를 미분하여 구한 경사 전체변이(GTV) 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 3차원 영상 반복적 재구성의 과정을 나타내는 순서도이다.
도 5는 비교예의 도면으로서, 3차원 의료영상 재구성에 가장 널리 이용되고 있는 FDK 방법의 재구성 결과를 2차원 슬라이스 영상으로 나타낸 예시도이다.
도 6는 비교예의 도면으로서, 압축센싱에서 전체변이(TV)를 이용하여 3차원 영상을 재구성한 결과를 2차원 슬라이스 영상으로 나타낸 예시도이다.
도 7은 비교예의 도면으로서, 경사 전체변이(GTV)만을 이용하여 3차원 영상을 재구성한 결과를 2차원 슬라이스 영상으로 나타낸 예시도이다.
도 8은 실시예의 도면으로서, 전체변이(TV)에 경사 전체변이(GTV)를 추가로 이용하여 3차원 영상을 재구성한 결과를 2차원 슬라이스 영상으로 나타낸 예시도이다. FIG. 1 is a diagram showing an example in which a head phantom is CT-reconstructed in a three-dimensional manner, again using a two-dimensional slice image.
Fig. 2 is an exemplary diagram showing the total variation (TV) obtained in Fig.
FIG. 3 is an exemplary view showing an inclination total variation (GTV) obtained by differentiating the entire variation of FIG.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a process of a 3D image repetitive reconstruction according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram of a comparative example, showing an example of a reconstruction result of a FDK method, which is most widely used for 3D medical image reconstruction, as a two-dimensional slice image.
6 is a diagram of a comparative example, in which a result obtained by reconstructing a three-dimensional image using all the displacements (TV) in compression sensing is shown as a two-dimensional slice image.
FIG. 7 is a diagram of a comparative example, in which a result obtained by reconstructing a three-dimensional image using only the gradient total transition (GTV) is shown as a two-dimensional slice image.
FIG. 8 is an example of a 2D slice image obtained by reconstructing a three-dimensional image by further using an inclination total variation (GTV) on the entire side TV.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, which will be readily apparent to those skilled in the art to which the present invention pertains.
본 발명은 희소성을 촉진시키는 규칙항을 개선하여 수렴속도를 높일 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것으로서, 기존 전체변이(TV)를 이용하는 방법에 경사 전체변이(gradient total variation, GTV)를 추가하여 희소성(sparsity)을 더욱 촉진시키는 방법이다. The present invention provides a method for improving the convergence rate by improving the rule for promoting scarcity. The present invention provides a method for increasing the convergence speed by adding a gradient total variation (GTV) sparsity.
그 접근 방법에서는 수학식 1의 제한된 컨벡스 최적화(constrained convex optimization) 문제를 해결하기 위하여 하기와 같이 두 번째 항에서 희소성(sparsity)을 촉진시키는 목적으로 경사 전체변이(GTV)를 추가한다.In that approach, to solve the constrained convex optimization problem of Equation (1), we add the slope total variation (GTV) for the purpose of promoting sparsity in the second term as follows.
이하, 설명에서 는 압축센싱 기법에서 목적 함수를, 은 목적 함수 를 에 대하여 미분한 함수, 즉 경사 투시 알고리즘의 미분에 의한 경사 함수를 나타낸다.Hereinafter, Is an objective function in the compression sensing technique, Is an objective function To Represents a function of differentiation with respect to the gradient function, that is, a slope function by the derivative of the slope perspective algorithm.
먼저, 를 최소화하는 식은 하기 수학식 6과 같다.first, Is expressed by Equation (6). &Quot; (6) "
여기서 는 놈(norm) 2이고, 는 최종 구하고자 하는 CT 볼륨 영상의 값, A는 라돈 전달연산자, b는 측정된 투시 데이터를 나타내며, λ는 규칙상수, 그리고 는 규칙항에서 전체변이(TV), 는 경사 전체변이(GTV)를 나타낸다. here Is the norm 2, Where A is the radon transfer operator, b is the measured perspective data, λ is the rule constant, and Is the total variation (TV) in the rule term, (GTV).
상기 수학식 6에서 경사 전체변이 는 수학식 2의 전체변이를 에 대해서 하기와 같이 미분한 것이다.In the above Equation 6, ≪ / RTI >< RTI ID = 0.0 > Is differentiated as follows.
본 발명에서는 3차원 영상 반복적 재구성을 위한 압축센싱에서 수학식 6에 나타낸 바와 같이 경사 전체변이를 규칙항에 추가로 반영한 계산이 이루어지며, 따라서 희소성을 촉진시키는 규칙항은 의 규칙항과 의 규칙항의 합으로 나타내어진다.In the present invention, in the compression sensing for the three-dimensional image repetitive reconstruction, as shown in Equation (6), the inclination total variation is additionally calculated to reflect the rule term, and therefore, the rule term for promoting the scarcity And Is the sum of the rule terms of
이때 컨벡스 최적화 문제를 해결하기 위한 규칙항에서 전체변이(TV: )에 적용되는 규칙상수와 경사 전체변이(GTV: )에 적용되는 규칙상수는 동일 값(λ)이거나 다른 값(λ1,λ2)이 될 수 있다.At this time, in the rule for solving the convex optimization problem, (GTV: constant) ) Can be the same value (?) Or different values (? 1 ,? 2 ).
만약 동일 값일 경우 규칙항은 수학식 6에서와 같이 이 되지만, 다른 값일 경우 규칙항은 이 된다(여기서 λ1≠λ2 임).If it is the same value, the rule term is expressed by Equation 6 , But for other values, the rule term is (Where l 1 ? 2 ).
도 3은 상기 수학식 6에서 수학식 7을 적용하여 경사 전체변이(GTV)를 구한 값을 나타내는 도면으로, 대부분이 검은 색인 0에 가까운 값을 가지며, 극히 일부만이 흰색으로 나타내어진다.FIG. 3 is a graph showing a value obtained by calculating an inclination total variation (GTV) by applying Equation (7) in Equation (6). Most of the values have a value close to 0, which is black, and only a part thereof is shown in white.
상기 수학식 6의 최소화를 위한 접근 방법은 도 4의 순서도에 나타낸 바와 같이 투시된 경사의 방향에서 해를 반복적으로 찾는 경사 투시 알고리즘(gradient projection algorithm)을 이용한다. The approach for minimizing Equation (6) uses a gradient projection algorithm that repeatedly finds the solution in the direction of the oblique slope as shown in the flow chart of FIG.
도 4는 본 발명에 따른 3차원 영상 반복적 재구성의 과정을 나타내는 순서도로서, 이를 참조하면, 3차원 영상 반복적 재구성의 과정은, 촬영된 투시 데이터(CT 파라미터)를 호출하고 촬영된 투시 데이터로부터 영상을 재구성하는데 이용하는 세팅값들을 세팅하는 과정, 역전파 방법에 의한 재구성 초기화 과정, 라돈 전달연산자 A와 그 전치 행렬 A T를 구하는 과정 등 공지의 과정들을 포함하며, 이에 더하여 전체변이와 경사 전체변이를 압축센싱에 적용하여 반복적으로 해를 찾는 과정을 포함한다. FIG. 4 is a flowchart illustrating a process of a 3D image repetitive reconstruction according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the process of the 3D image repetitive reconstruction includes the steps of calling the captured perspective data (CT parameters) Setting the setting values used for reconstruction, initializing the reconstruction by the back propagation method, and obtaining the radon transfer operator A and its transpose matrix A T , and additionally, the entire mutation and the inclination total mutation are compressed And applying it to sensing to repeatedly search for solutions.
요컨대, 본 발명에서는 압축센싱 기법을 이용하여 3차원적으로 재구성되는 영상의 값 를 구하기 위하여, 투시 데이터로부터 정확도를 강화시키기 위한 정확도 항(fidelity term)과, 희소성(sparsity)을 촉진시키는 규칙항(regularization term)을 포함하는 함수 의 규칙항에 전체변이(TV)와 경사 전체변이(GTV)를 함께 적용한 후, 경사 투시 알고리즘의 미분에 의한 경사 함수 으로부터 컨벡스 최소화를 위한 반복적 연산을 통하여 수렴되는 결과값 를 구함으로써 3차원 영상을 재구성하게 된다. In other words, in the present invention, a value of an image reconstructed three-dimensionally using a compression sensing technique A function that includes a fidelity term for enhancing accuracy from the perspective data and a regularization term that promotes sparsity, (TV) and GTV (GTV) are applied to the rule terms of the oblique perspective algorithm, Which is converged through iterative operations for minimizing the convexes, The 3D image is reconstructed.
여기서 정확도 항은 종래와 마찬가지로 오차를 나타내는 항이고, 규칙항은 를 최소값으로 만들어주기 위해 정확도 항에 더해지는 항이 된다.Here, the accuracy term is a term indicating an error as in the conventional case, Is added to the term of accuracy to make it the minimum value.
경사 투시 알고리즘에서 수학식 6을 미분한 수식, 즉 의 경사(gradient) 함수 은 하기 수학식 8과 같이 나타내어진다. In the oblique perspective algorithm, Equation (6) The gradient function of Is expressed by the following equation (8).
상기 수학식 8에서 T는 물리적으로 의 역투시로 설명되는 라돈 전치행렬 A의 전달연산자이고, 는 상기 수학식 7을 에 대해서 미분한 결과이다. In Equation (8), T is physically Is the forward operator of the radon transpose matrix A , (7) As shown in Fig.
수학식 8을 참조하면, 을 미분한 식 은 경사 전체변이 과 2차 경사 전체변이 에 각각 규칙상수(λ)를 적용한 항들의 합을 포함하는 식이 된다.Referring to Equation 8, Lt; / RTI > All slopes And secondary slope total mutation And the sum of the terms applying the rule constant ([lambda]).
만약, 규칙상수가 동일 값일 경우 수학식 8에서와 같이 이 되지만, 만약 다른 값일 경우 이 된다.If the rule constant is the same value, , But if it is another value .
또한 경사 투시 알고리즘을 하기 수학식 9와 같이 반복적으로 이용하여 상기 수학식 6의 최소화 문제를 해결할 수 있으며, 이 최소화될 수 있는 은 을 0으로 하여 구해지는 수렴 값으로서 아래와 같이 구해질 수 있다. Also, the minimization problem of Equation (6) can be solved by repeatedly using the oblique perspective algorithm as shown in Equation (9) This can be minimized silver Can be obtained as follows.
상기 수학식 9에서 은 아래의 수학식 10과 같이 정의될 수 있다.In Equation (9) Can be defined as Equation (10) below.
수학식 9와 수학식 10에서, 은 n 반복에서 조정치(step size)이고, l은 복셀 위치, 그리고 은 에서 함수 의 투시된 경사를 나타낸다.In the equations (9) and (10) Is the step size in n iteration, l is the voxel position, and silver Functions in Lt; / RTI >
수학식 6의 두 번째 규칙항에 경사 전체변이(GTV)를 추가한 것은 희소성을 촉진시키는 규칙항을 개선하여 수렴속도를 높이기 위한 것으로, 알려진 전체변이(TV)는 희소성(sparsity)을 촉진시키지만, 한 번에 완벽한 희소성을 얻지 못하기 때문에 반복적 재구성으로 최적의 해에 도달하는 경향이 있다. The addition of the slope total variation (GTV) to the second rule term in Equation (6) is intended to improve the convergence rate by improving the rules for promoting scarcity. The known total variation (TV) promotes sparsity, Repetitive reconstruction tends to reach the optimal solution because it does not acquire perfect perfection at one time.
따라서 경사 전체변이(GTV)를 도입함으로써 희소성을 더욱 촉진시키는 효과를 얻는다. Therefore, by introducing the gradient total transition (GTV), the effect of further promoting the scarcity is obtained.
이러한 본 발명의 효과를 확인하기 위하여 본 발명자는 위에서 설명한 본 발명의 방법들을 적용하고 흉부 팬텀(chest phantom)을 이용하여 3차원 의료영상을 재구성(3D reconstruction)한 뒤 영상의 화질 비교 실험을 수행하였다.In order to confirm the effect of the present invention, the present inventors have applied the above-described methods of the present invention and reconstructed a 3D medical image using a chest phantom (3D reconstruction), and then conducted an image quality comparison experiment .
비교 실험에서는 3차원 의료영상에서 가장 널리 이용되고 있는 FDK의 방법을 적용한 경우, 기존의 수학식 1과 같이 전체변이(TV)만을 적용한 경우, 수학식 6에서 두 번째 항의 경사 전체변이(GTV)만을 단독 적용한 경우, 그리고 본 발명에서 제시하는 바와 같이 수학식 6에서 두 번째 항으로 전체변이(TV)와 경사 전체변인(GTV)를 함께 적용한 경우(TV+GTV)를 비교하였다. In the comparative experiment, when the FDK method most widely used in 3D medical images is applied, when only the total variation (TV) is applied as in Equation (1), only GTV of the second term in Equation (6) (TV + GTV) in which the total variation (TV) and the inclined total variable (GTV) are applied together in the second term in Equation (6) as shown in the present invention.
도 5는 FDK의 방법을 적용하여 재구성한 영상을 나타내고, 도 6은 전체변이만을 적용하여 재구성한 영상을 나타내며, 도 7은 경사 전체변이만을 적용하여 재구성한 영상을, 그리고 도 8은 전체변이와 경사 전체변이를 함께 적용하여 재구성한 영상을 나타낸다.FIG. 5 shows an image reconstructed by applying the FDK method, FIG. 6 shows an image reconstructed by applying only the entire variation, FIG. 7 shows an image reconstructed by applying only the slope whole mutation, and FIG. We show reconstructed images by applying the inclination whole mutation together.
비교 실험을 위한 투시 영상 데이터 수로는 91, 121, 181, 361장을 사용하였고, 반복적 재구성 방법에서 TV, GTV, 그리고 TV+GTV의 경우에 대해서는 반복횟수 10, 16, 22, 27을 기준으로 하여 성능을 비교하였다.In the case of TV, GTV, and TV + GTV in the iterative reconstruction method, the number of repetition times is 10, 16, 22, 27, Performance was compared.
동일한 투시 영상(projection image) 수의 실험 결과 중에서 분석적 방법(analytic method)인 FDK의 실험 결과를 살펴보면, 도 5의 FDK 반복적 방법(iterative method)을 적용한 경우 도 6, 도 7, 그리고 도 8의 결과에 비해 영상 화질 측면에서 크게 떨어지는 것을 알 수 있고, 특히 361장의 투시 영상을 적용한 FDK 방법이 다른 반복적 방법에서 181장의 투시 영상 수를 사용한 결과와 비교하여 화질 측면에서 거의 비슷한 수준을 나타내고 있음을 알 수 있다. The experimental result of the same number of projection images shows that the experimental result of the analytical method FDK is as shown in FIG. 6, FIG. 7, and FIG. 8 when the iterative method of FIG. 5 is applied. And the FDK method using 361 of the perspective images is similar to the result of using 181 of the number of perspective images in the other iterative methods in terms of image quality, have.
명의 방법들을 적용하고 흉부 팬텀(chest phantom)을 이용하여 3차원 의료영상을 재구성(3D reconstruction)한 뒤 영상의 화질 비교 실험을 수행하였다.After reconstructing the 3D medical image using chest phantom, we performed the image quality comparison experiment.
비교 실험에서는 3차원 의료영상에서 가장 널리 이용되고 있는 FDK의 방법을 적용한 경우, 기존의 수학식 1과 같이 전체변이(TV)만을 적용한 경우, 수학식 6에서 두 번째 항의 경사 전체변이(GTV)만을 단독 적용한 경우, 그리고 본 발명에서 제시하는 바와 같이 수학식 6에서 두 번째 항으로 전체변이(TV)와 경사 전체변인(GTV)를 함께 적용한 경우(TV+GTV)를 비교하였다. In the comparative experiment, when the FDK method most widely used in 3D medical images is applied, when only the total variation (TV) is applied as in Equation (1), only GTV of the second term in Equation (6) (TV + GTV) in which the total variation (TV) and the inclined total variable (GTV) are applied together in the second term in Equation (6) as shown in the present invention.
도 5는 FDK의 방법을 적용하여 재구성한 영상을 나타내고, 도 6은 전체변이만을 적용하여 재구성한 영상을 나타내며, 도 7은 경사 전체변이만을 적용하여 재구성한 영상을, 그리고 도 8은 전체변이와 경사 전체변이를 함께 적용하여 재구성한 영상을 나타낸다.FIG. 5 shows an image reconstructed by applying the FDK method, FIG. 6 shows an image reconstructed by applying only the entire variation, FIG. 7 shows an image reconstructed by applying only the slope whole mutation, and FIG. We show reconstructed images by applying the inclination whole mutation together.
비교 실험을 위한 투시 영상 데이터 수로는 91, 121, 181, 361장을 사용하였고, 반복적 재구성 방법에서 TV, GTV, 그리고 TV+GTV의 경우에 대해서는 반복횟수 10, 16, 22, 27을 기준으로 하여 성능을 비교하였다.In the case of TV, GTV, and TV + GTV in the iterative reconstruction method, the number of repetition times is 10, 16, 22, 27, Performance was compared.
동일한 투시 영상(projection image) 수의 실험 결과 중에서 분석적 방법(analytic method)인 FDK의 실험 결과를 살펴보면, 도 5의 FDK 반복적 방법(iterative method)을 적용한 경우 도 6, 도 7, 그리고 도 8의 결과에 비해 영상 화질 측면에서 크게 떨어지는 것을 알 수 있고, 특히 361장의 투시 영상을 적용한 FDK 방법이 다른 반복적 방법에서 181장의 투시 영상 수를 사용한 결과와 비교하여 화질 측면에서 거의 비슷한 수준을 나타내고 있음을 알 수 있다. The experimental result of the same number of projection images shows that the experimental result of the analytical method FDK is as shown in FIG. 6, FIG. 7, and FIG. 8 when the iterative method of FIG. 5 is applied. And the FDK method using 361 of the perspective images is similar to the result of using 181 of the number of perspective images in the other iterative methods in terms of image quality, have.
또한 반복적 방법에서 기존 방법인 도 6의 전체변이 방법의 경우 도 7의 경사 전체변이 방법에 비해 우수한 결과를 보였다. Also, in the case of the iterative method, the overall variation method of FIG. 6, which is an existing method, showed better results than the inclination total variation method of FIG.
그러나 본 발명에서 제시한 도 8의 TV+GTV의 방법은 도 6의 TV 방법과 도 7의 GTV 방법보다도 우수한 결과를 나타내었으며, 특히 TV+GTV 방법은 TV와 GTV보다 반복횟수에서 10회 이상을 적게 반복하고도 우수한 결과를 나타내어 수렴속도 측면에서 좋은 결과를 보이는 것을 알 수 있었다. However, the TV + GTV method shown in FIG. 8 is superior to the TV method shown in FIG. 6 and the GTV method shown in FIG. 7. In particular, the TV + GTV method has more than 10 repetitions The results showed good results in terms of convergence speed.
이상으로 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였는바, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것이 아니며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당 업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited thereto. Various modifications and improvements And are included in the scope of the invention.
Claims (6)
경사 투시 알고리즘에 따라 상기 목적 함수를 에 대해 미분한 경사 함수를 구하는 단계; 및
상기 경사 함수로부터 컨벡스 최소화를 위한 반복적 연산을 통하여 수렴되는 최종 결과값 (i,j,k)을 구하여 3차원 영상을 재구성하는 단계를 포함하는 3차원 반복적 영상 재구성 과정에서, 상기 목적 함수는 규칙항에 전체변이(total variation)와, 전체변이를 에 대해 미분한 경사 전체변이(gradient total variation)를 함께 적용하여 구해지는 것을 특징으로 하는 3차원 반복적 영상 재구성의 수렴속도 개선방법.
The value of the CT (computed tomography) volume image reconstructed three-dimensionally from the perspective data using the compression sensing technique obtaining an objective function including a fidelity term for enhancing the accuracy from the perspective data and a regularization term for promoting sparsity to obtain (i, j, k);
According to the oblique perspective algorithm, Obtaining a differentiated slope function with respect to the slope function; And
A final result value converged through an iterative operation for minimizing convex from the slope function (i, j, k), and reconstructing the three-dimensional image. In the three-dimensional iterative image reconstruction process, the objective function includes a total variation and a total variation Wherein the gradient total variation is obtained by applying a derivative gradient total variation to the three-dimensional iterative image reconstruction.
상기 목적 함수는 하기 식 E1으로 구해지는 것을 특징으로 하는 3차원 반복적 영상 재구성의 수렴속도 개선방법.
E1:
여기서 는 목적 함수, 는 놈(norm) 2, A는 라돈 전달연산자, b는 측정된 투시 데이터, λ는 규칙상수, 는 전체변이, 는 경사 전체변이임.
The method according to claim 1,
Wherein the objective function is obtained by the following equation (E1).
E1:
here Is an objective function, Is the norm 2, A is the radon transfer operator, b is the measured perspective data, λ is the rule constant, The total variation, Is the total variation of slope.
상기 목적 함수는 하기 식 E2로 구해지는 것을 특징으로 하는 3차원 반복적 영상 재구성의 수렴속도 개선방법.
E2:
여기서 는 목적 함수, 는 놈(norm) 2, A는 라돈 전달연산자, b는 측정된 투시 데이터, λ1 및 λ2(λ1≠λ2)는 규칙상수, 는 전체변이, 는 경사 전체변이임.
The method according to claim 1,
Wherein the objective function is obtained by the following equation (E2).
E2:
here Is an objective function, Is the norm 2, A is the radon transfer operator, b is the measured perspective data, λ 1 and λ 2 (λ 1 ≠ λ 2 ) are the rule constants, The total variation, Is the total variation of slope.
상기 경사 함수는 하기 식 E3로 구해지는 것을 특징으로 하는 3차원 반복적 영상 재구성의 수렴속도 개선방법.
E3:
여기서 은 경사 함수, T는 물리적으로 의 역투시로 설명되는 라돈 전치행렬 A의 전달연산자, n은 컨벡스 최소화를 위한 반복횟수, 는 경사 전체변이 를 에 대하여 미분한 값임.
The method of claim 2,
Wherein the gradient function is obtained by the following equation (E3).
E3:
here Is the slope function, T is physically The number of times of the transmission operator of radon transposed matrix A will be described as when yeoktu, n is repeated for the convex minimized, All slope variants To Lt; / RTI >
상기 경사 함수는 하기 식 E4로 구해지는 것을 특징으로 하는 3차원 반복적 영상 재구성의 수렴속도 개선방법.
E4:
여기서 은 경사 함수, T는 물리적으로 의 역투시로 설명되는 라돈 전치행렬 A의 전달연산자, n은 컨벡스 최소화를 위한 반복횟수, 는 경사 전체변이 를 에 대하여 미분한 값임.
The method of claim 3,
Wherein the gradient function is obtained by the following equation (E4).
E4:
here Is the slope function, T is physically The number of times of the transmission operator of radon transposed matrix A will be described as when yeoktu, n is repeated for the convex minimized, All slope variants To Lt; / RTI >
상기 전체변이 와 경사 전체변이 는 각각 하기 식 E5와 식 E6로 정의되는 것을 특징으로 하는 3차원 반복적 영상 재구성의 수렴속도 개선방법.
E5:
E6:
The method according to any one of claims 2 to 5,
The entire mutation And inclined whole mutation Are defined by the following equations (E5) and (E6), respectively.
E5:
E6:
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