KR101799680B1 - A method for brain image segmentation using a combination of expectation maximization algorithm and watershed transform - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a method for analyzing a brain image, and more particularly, to a method for dividing a brain image for efficient image analysis. According to the present invention, an EM algorithm is combined with a marker-controlled watershed division and the EM algorithm is introduced to divide an image into a cluster. The method comprises the steps of: obtaining an image; obtaining a foreground marker and a background marker; obtaining an initial gradient image; and applying watershed division.

Description

기대값 최대화 알고리즘 및 워터쉐드 변환을 이용하여 뇌이미지를 구획화 하는 방법 {A method for brain image segmentation using a combination of expectation maximization algorithm and watershed transform}[0001] The present invention relates to a method of maximizing an expectation value and a method of segmenting a brain image using a water-

본 발명은 뇌이미지를 분석하는 방법에 관한 것으로서, 효율적인 이미지 분석을 위해 뇌이미지를 구획화하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for analyzing a brain image, and more particularly, to a method for segmenting a brain image for efficient image analysis.

이미지분할은 많은 이미지분석 작업에 있어 필수 단계이다 (Grau et al., 2004; Weisenfeld et al., 2006; Yahya et al., 2013). 이미지분할의 목적은 이미지를 균일한 영역으로 구획화하고 영역의 윤곽을 정확하게 할당하는 것이다. 효과적인 이미지분할은 다양한 의료영상분석 작업에서 매우 중요하며, 영상유도수술, 방사선치료 및 수술계획에서 임상의 및 연구자에게 도움을 준다 (Cates et al., 2005; Tek et al., 2004; Rodriguez et al., 2005). 자기공명영상 (MRI)는 높은 콘트라스로 인해 특히 의료영상분할에 사용된다 (Pham et al., 1999; Cercignani et al., 2001; Grau et al., 2003). 뇌조직의 정확한 분할은 간단한 작업이 아닌데, 이는 노이즈가 존재하고 및 다른 효과들 사이의 큰 불균일성이 있기 때문이다 (Despotovic et al., 2015). 워터쉐드 변환은 수학적 형태학에 기초하며, 의학영상 분할을 위한 효과적인 방법으로서, Digabel과 Lantuejoul이 최초로 제안하였다. 워터쉐드 방법은 영상의 픽셀 값을 높이로 생각하고 영상을 2차원 지형으로 가정하여 예를 들어, 물을 채웠을 때 하나의 윤곽선으로 둘러싸여 진 웅덩이의 분할된 영역으로 분할하는 방법이다. 워터쉐드 방법에서 높은 값을 갖는 픽셀들은 봉우리 (peak) 또는 워터세드 라인 (watershed line)으로 표현되고, 낮은 값을 갖는 픽셀들은 골짜기 (valley) 또는 국부 최소값 (regional minimum)으로 표현된다. 이와 같이, 이미지 내의 픽셀들의 집합을 하나의 지형으로 간주하고 높낮이를 분석하는 방법으로서, 이미지의 지형표면 (topographic surface)을 중요시 한다. 워터쉐드는 다음 3가지 포인트 유형을 고려한다: (a) 국부 최소에 속하는 것; (b) 단일 최소로 확실하게 떨어지는 것; (c) 하나 이상의 그러한 최소에 동일한 정도로 떨어지게 되는 것. 유역분지 (Catchment basins)는 상기 (b) 조건을 만족하는 점들의 결과값이며, 상기 조건 (c)를 만족하는 것들은 다른 유역분지를 나누는 능선들을 형성하며, 이는 상기 워터쉐드 라인으로 언급된다. 유역분지는 본 발명에서 얻고자 하는 구획이다. 분할 결과인 객체의 수는 이미지에 존재하는 로컬 최소에 의존한다. 워터쉐드는 간단하고 직관적이며, 비록 콘트라스트 (명암 대비)가 열악한 경우에도 별도의 영역으로 완성된 이미지 분할을 수행하므로, MRI, CT, 및 X-Ray 등과 함께 널리 이용되고 있으며, 임의의 추후 가공 작업, 예컨데 윤곽 결합을 수행할 필요가 없다. 그러나, 워터쉐드 변환의 단점은 과분할이며, 이는 이미지가 지나치게 많은 영역으로 분할되거나 너무 많은 객체가 구획화된다는 것이다. 이러한 과분할은 일반적인 현상이며 이는 이미지에 지나치게 많은 국부 최소가 존재하기 때문이다. 워터쉐드 분할의 다른 한계는 노이즈 민감도이다. 따라서, 필터링 작업이 MR이미지에서 노이즈 및 바람직하지 않은 것들을 제거하기 위해 사용된다. 또한, 형태학적 복원과 마커 추출의 개념이, 구배 이미지상에 워터쉐드 변환을 적용하여 생성된 과분할의 제거를 위해 사용될 수 있다. 형태학적 워터쉐드 분할은 종래기술에 폭넓게 기재되어 있다 (Nallaperumal 등, 2007;. Pesaresi 등, 2001;. 하리스 등, 1998;. Mukhopadhyay 등, 2003;.. 응우 엔 등, 2003;. Hamarneh 등, 2009; 한 등, 2012;. 파르바티 등, 2008;.. 루이스 등, 2012;. 곤잘레스 등, 2009). 마커조절 워터쉐드 분할과 함께 실행되는 MR이미지 분할은 과분할의 문제를 해결하지만, 뇌 이미지에서 회백질과 뇌척수액을 제대로 표시 할 수 없다. 따라서, 클러스터링 과정이 도입되었다. 구배 이미지상의 종래 워터쉐드 이미지는 심각하게 과분할된 결과를 가져온다. Image segmentation is an essential step in many image analysis tasks (Grau et al., 2004; Weisenfeld et al., 2006; Yahya et al., 2013). The purpose of image segmentation is to partition the image into uniform regions and to accurately assign the contours of the regions. Effective image segmentation is very important in a variety of medical image analysis tasks, and it helps clinicians and researchers in image-guided surgery, radiotherapy and surgery planning (Cates et al., 2005; ., 2005). Magnetic resonance imaging (MRI) is used for medical image segmentation, especially due to high contrast (Pham et al., 1999; Cercignani et al., 2001; Grau et al., 2003). Precise segmentation of brain tissue is not a simple task because there is a large amount of non-uniformity between noise and other effects (Despotovic et al., 2015). WaterShed transformations are based on mathematical morphology and are the first to be proposed by Digabel and Lantuejoul as effective methods for medical image segmentation. The water shed method is a method of dividing an image into two-dimensional terrains, for example, a divided area of a puddle surrounded by one contour when water is filled, assuming that the pixel value of the image is height. In the Watershed method, pixels with high values are represented by peaks or watershed lines, and pixels with low values are represented by valleys or regional minimums. Thus, we consider the topographic surface of the image as a way of considering the set of pixels in the image as a terrain and analyzing the elevation. Water scenes consider three types of points: (a) belonging to a local minimum; (b) reliably falling to a single minimum; (c) falling to the same degree as at least one such minimum. Catchment basins are the results of the points satisfying the condition (b), and those satisfying the condition (c) form ridges dividing other basin basins, which are referred to as the water shed lines. The watershed basin is a section to be obtained in the present invention. The number of objects as a result of the division depends on the local minimum present in the image. Water scenes are simple and intuitive and have been widely used with MRI, CT, and X-Ray because they perform image segmentation in a separate area even if the contrast is poor, For example, do not need to perform outline combining. However, the disadvantage of the WaterShed transformation is excessive, because the image is divided into too many areas or too many objects are compartmentalized. This overdispersion is a common phenomenon because there are too many local minima in the image. Another limitation of water shed splitting is noise sensitivity. Thus, a filtering operation is used to remove noise and undesirable from the MR image. In addition, the concept of morphological reconstruction and marker extraction can be used for the elimination of hyperfine created by applying a watermark transformation on a gradient image. Morphological water shedding is widely described in the prior art (Nallaperumal et al., 2007; Pesaresi et al., 2001; Harris et al., 1998; Mukhopadhyay et al., 2003; ; Hahn et al., 2012; Parvati et al., 2008; Lewis et al., 2012; Gonzalez et al., 2009). MR image segmentation, performed with marker-adjusted water-sheath segmentation solves the problem of over-estimation, but gray matter and cerebrospinal fluid can not be properly displayed in the brain image. Thus, a clustering process has been introduced. Conventional water shed images on gradient images yield severely overdetermined results.

J.E. Cates, R.T. Whitaker, and G.M. Jones, Case study: an evaluation of user-assisted hierarchical watershed segmentation, Med Image Anal 9 (2005), 566-578. J.E. Cates, R.T. Whitaker, and G.M. Jones, Case study: an evaluation of user-assisted hierarchical watershed segmentation, Med Image Anal 9 (2005), 566-578. M. Cercignani, M. Inglese, M. Siger-Zajdel, and M. Filippi, Segmenting brain white matter, gray matter and cerebro-spinal fluid using diffusion tensor-MRI derived indices, Magnetic Resonance Imaging 19 (2001), 1167-1172. M. Cercignani, M. Inglese, M. Siger-Zajdel, and M. Filippi, Segmenting brain white matter, Gray matter and cerebrospinal fluid using diffusion tensor-MRI derived indices, Magnetic Resonance Imaging 19 (2001), 1167-1172 . A.P. Dempster, N.M. Laird, and D.B. Rubin, Maximum likelihood from incomplete data via the EM algorithm, Journal of the Royal Stat Soc 39 (1977), 1-38. A.P. Dempster, N.M. Laird, and D.B. 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본 발명은 뇌 이미지를 구획화 하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. It is an object of the present invention to provide a method for segmenting a brain image.

또한 본 발명은 뇌 조직 분할을 위한 효과적인 방법을 제공한다.The present invention also provides an effective method for brain tissue segmentation.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 EM 알고리즘을 마커-조절 워터쉐드 분할과 조합하였다. 여기서 EM 알고리즘은 클러스터 내로 이미지를 분할하기 위해 도입되었다. 구체적으로, 본 발명은 뇌 MR 이미지를 수득하고 위너필터링 (Wiener filtering) 처리하여 필터링된 이미지를 수득하는 단계; 상기 필터링된 뇌 MR 이미지를 기대값-최대화 알고리즘 (EM algorithm)에 적용하여 클러스터링된 이미지를 수득하는 단계; 상기 클러스터링된 이미지를 스레스홀딩 (thresholding)하여 이진화 이미지 (binary image)를 수득한 다음 소벨 필터링 (Sobel filtering)으로 초기 구배 이미지를 수득하는 단계; 및 상기 초기 구배 이미지로부터 마커-조절 구배 이미지를 얻은 후, 워터쉐드 (Watershed) 분할을 적용하는 것을 포함하는, EM 알고리즘과 마커-조절 워터쉐드 분할을 조합하여, 뇌 이미지를 구획화하는 방법을 제공한다. 상기 기대-최대값 (EM) 클러스터링 알고리즘은 비지도 방법으로 소프트 클러스터 알고리즘을 수행한다. 이진화를 수행하기 위해 영상 이진화 작업이 수행된다. EM 알고리즘과 마커-조절 워터쉐드 분할은 회백질과 뇌척수액을 효율적으로 표시할 수 있는 효과적인 분할 결과를 제공한다. To achieve the above object, the present invention combines the EM algorithm with marker-controlled water-shedding. Where the EM algorithm was introduced to partition the image into clusters. Specifically, the present invention relates to a method for obtaining a brain MR image and Wiener filtering to obtain a filtered image; Applying the filtered brain MR image to an expectation-maximization algorithm (EM algorithm) to obtain a clustered image; Thresholding the clustered image to obtain a binary image and then obtaining an initial gradient image by Sobel filtering; And obtaining a marker-adjusted gradient image from the initial gradient image, and then applying a Watershed segmentation, wherein the EM algorithm and the marker-adjusted water-sheath segmentation are combined to compartmentalize the brain image . The expectation-maximum value (EM) clustering algorithm performs a soft cluster algorithm in a non-mapping manner. Image binarization is performed to perform binarization. EM algorithms and marker-controlled water-sheath splitting provide effective partitioning results that can effectively display gray matter and CSF.

본 발명의 다른 일 구현예에서, 상기 기대값-최대화 알고리즘 (EM algorithm)과 함께 복원 작업 (reconstruction opration)이 수행된다. In another embodiment of the present invention, a reconstruction operation is performed with the expectation-maximization algorithm (EM algorithm).

본 발명의 다른 일 구현예에서, 가장 밝은 클러스터가 선택되고 임계화 작업 (thresholding)을 사용하여 이진화이미지 (binary image)로 전환된다. 초기 구배 이미지는 이진화이미지에 소벨 연산 (sobel filtering)을 사용하여 수득한 반면, 최종 구배 이미지는 최소값을 초기 구배 이미지와 전경 및 배경 마커 상에 도입하여 수득하였다. In another embodiment of the present invention, the brightest cluster is selected and converted to a binary image using thresholding. The initial gradient image was obtained by using Sobel filtering on the binarized image while the final gradient image was obtained by introducing a minimum value onto the initial gradient image and foreground and background markers.

본 발명의 다른 일 구현예에서, 추가적 평가를 위해, 본 발명의 결과를 오츠 멀티레벨 임계화 및 국부 이진화 피팅 모델과 비교하였다. In another embodiment of the present invention, for further evaluation, the results of the present invention are compared with Otsu multi-level thresholding and localized binomial fitting models.

본 발명의 다른 일 구현예에서, 본 발명자들은 알고리즘을 평가하기 위해, 3가지 MR 뇌 이미지를 선택하였다. 구배 이미지 상으로의 종래 워터쉐드 알고리즘은 심각한 과분할을 초래하고, 이러한 결과는 실질적으로 무용하다. 도 2(b), 3(b) 및 4(b)에 도시된 것과 같이, 종래 알고리즘을 사용하는 경우 수백 또는 수천의 과발현 영역을 확인 할 수 있었다. 이는 여러 개의 극소 값을 생성하는 MR 이미지 내에 존재하는 노이즈 때문이다. 따라서, 본 발명에서는 위너필터가 이미지 내의 노이즈 아티팩트 제거를 위해 적용된다. 한편, 이미지들에 적용함에 있어, 마커-조절 워터쉐드 단독으로는 회백질과 뇌척수액을 정확하게 분할 할 수 없다. 실제로, 도 2(c), 3(c) 및 4(c)에 도시된 것과 같이 많은 객체가 표지되지 않은 상태로 남아 있다. 따라서, 필터링 작업, EM 알고리즘, 임계값 작업, 복원 작업 (reconstruction operation) 및 마커 추출이 효과적으로 분할된 결과를 제공하기 위해 결합된다. In another embodiment of the present invention, the inventors selected three MR brain images to evaluate the algorithm. Conventional watermark algorithms on gradient images lead to severe over-division, and these results are substantially useless. As shown in Figs. 2 (b), 3 (b) and 4 (b), when using conventional algorithms, it was possible to identify hundreds or thousands of overexposed regions. This is due to the noise present in the MR image producing multiple minima. Therefore, in the present invention, a Wiener filter is applied to remove noise artifacts in an image. On the other hand, when applied to images, the marker-adjusted water shed alone can not accurately divide the gray matter and cerebrospinal fluid. In fact, many objects remain unmarked as shown in Figures 2 (c), 3 (c), and 4 (c). Thus, the filtering operation, the EM algorithm, the threshold operation, the reconstruction operation, and the marker extraction are combined to provide an effectively partitioned result.

뇌 MR 이미지는 일반적으로 세 개의 조직 즉, 회백질, 백질 및 뇌척수액으로 구성된다. 이에 따라, EM 알고리즘은 3개의 클러스터가 함께 사용된다. 클러스터링된 이미지는 도 2(d), 3(d) 및 4(d)와 같다. 본 발명자들은 이들이 가장 밝은 클러스터 내에 포함된 것을 확인하였다. 따라서, 가장 밝은 클러스터의 평균 값이 임계값 (threshold value)으로 사용된다. 도 2, 3 및 4에 도시된 MR 이미지에 대해 사용된 임계값은 각각 71, 60 및 90 였다. 결과 값은 이진화이미지이다. 초기 구배 크기 이미지는 이러한 이진화 이미지에 기초하여 얻을 수 있다. Brain MR images generally consist of three tissues: gray matter, white matter and cerebrospinal fluid. Accordingly, the EM algorithm uses three clusters together. The clustered images are shown in Figs. 2 (d), 3 (d) and 4 (d). We have found that these are contained within the brightest clusters. Therefore, the average value of the brightest clusters is used as the threshold value. The thresholds used for the MR images shown in Figures 2, 3 and 4 were 71, 60 and 90, respectively. The resulting value is a binary image. An initial gradient magnitude image can be obtained based on this binarized image.

전경 (foreground)과 배경 (background) 마커는 형태학적 복원 작업, 예컨데 침식 기반 및 팽창 기반 작업을 필터링된 이미지 상에서 적절한 구조 요소를 선택함에 의해 컴퓨팅될 수 있다. 이에 따라, 최종 구배 이미지는 초기 구배 이미지, 및 전경 및 배경 마커에 기초한 최소값 부과기술을 사용하여 얻어진다. 이에 따라, 최종 구배 크기 상에 적용된 워터쉐드 변환이 도 2(e), 3(e) 및 4(e)에 제시된 효과적인 분할결과를 제공한다. 이들 도에 제시된 것과 같이, 비록 뇌 조직을 분할하는 동안 최종 결과물 내에 몇몇의 과분할된 선들이 생성된다고 하더라도, 이러한 결과는 구배 이미지상 종래의 워터쉐드 알고리즘 결과 및 단순 마커-조절 워터쉐드 분할보다 훨씬 더 향상된 결과이다. 이와 같이, 본 발명은 뇌조직을 효율적으로 이미징 할 수 있다.The foreground and background markers can be computed by morphological restoration operations, such as erosion based and expansion based operations, by selecting appropriate structural elements on the filtered image. Thus, the final draft image is obtained using the initial draft image, and the minimum value technique based on the foreground and background markers. Thus, the watermark transformation applied on the final gradient magnitude provides the effective splitting results shown in Figures 2 (e), 3 (e) and 4 (e). As shown in these figures, even though some excess lines are generated in the final result while dividing the brain tissue, this result is much less than the conventional water-seed algorithm results on the gradient image and the simple marker-controlled water- This is a better result. Thus, the present invention can efficiently image brain tissue.

본 발명의 일 구현예에서, 알고리즘을 오츠 멀티레벨 임계화와 비교하기 위해 함께 테스트하였다 (Otsu et al., 1979; Kalavathi et al., 2013). 오츠 임계화는 임계화에 기초한 이미지 분할을 위한 가장 성공적인 방법이며, 이는 클래스 내 분산을 최소화 하는 기준에 기초한다. 본 발명의 일구현예에서는 회백질과 뇌척수액을 분할하고자 하였으며, 뇌 이미지에 대한 오츠 멀티레벨 임계화로부터 수득한 임계화 값을 도 2, 3 및 4에 각각 82, 85 및 98로 나타냈다. 이들 값을 이용하여 이진화이미지를 수득할 수 있다. 본 발명의 알고리즘을 사용하여 적용된 워터쉐드 분할은 도 2(e), 3(e) 및 4(e)에 도시된 분할결과를 가져왔다. 도 2(f) 및 도 4(f)에 제시된 결과는 본 발명의 방법을 사용하여 얻은 결과와 비교할 수 있다. 그러나, 도 3(f)에서 수득한 결과를 비교 할 때, 본 발명의 방법은 오츠 방법과 워터쉐드 변환을 조합한 것으로부터 얻은 결과 보다 현저히 우수하였다. 본 발명의 방법과 오츠 방법에 의해 얻은 몇몇 결과를 비교하면, 오츠 방법은 계산적으로 비효율적이다. 계층분산의 비효율적인 공식은, 특히 다중 임계값 선택에서, 알고리즘 계산 비용을 증가시킨다. 알고리즘의 계산 복합도는 임계값의 수에 따라 기하급수적으로 증가한다. 유사하게, 오츠 방법은 먼저 그레이 레벨 히스토그램의 계산을 요구한다. 유사하게, 본 발명의 알고리즘을 국소 이진화 피팅 모델에서 실험하였다 (Li et al., 2007). 도 5는 MR 뇌 이미지 상의 국소 이진화 피팅 모델의 분할결과를 도시한다. 결과의 분석은 2개 모델이 상호 경쟁할 만함을 제시한다. 그러나, 국소 이진화 피팅 모델이 매개변수 값의 정확한 튜닝에 대해 민감하다는 것을 인식하여야 한다. 부적절한 매개변수 값은 부정확한 분할과 오랜 계산 시간을 초래한다. 따라서, 정확한 매개변수 값의 추정은 정확한 분할을 위해 매우 중요하다. 이와 같이, 본 발명의 방법이 현저히 우수하다. In one embodiment of the invention, the algorithms were tested together to compare Otsu multilevel thresholding (Otsu et al., 1979; Kalavathi et al., 2013). Ots thresholding is the most successful method for image segmentation based on thresholding, which is based on a criterion that minimizes intra-class variance. In one embodiment of the present invention, the gray matter and cerebrospinal fluid were divided, and the threshold values obtained from the Otsu multi-level thresholding on the brain image are shown in FIGS. 2, 3 and 4 as 82, 85 and 98, respectively. These values can be used to obtain a binarized image. The watermark partitioning applied using the algorithm of the present invention resulted in the splitting results shown in Figures 2 (e), 3 (e) and 4 (e). The results shown in Figures 2 (f) and 4 (f) can be compared with the results obtained using the method of the present invention. However, when comparing the results obtained in Fig. 3 (f), the method of the present invention was significantly superior to the results obtained from the combination of the Oats method and the water shed conversion. Comparing the method of the present invention with some results obtained by the Oats method, the Oats method is computationally inefficient. The inefficient formulation of hierarchical dispersion increases the cost of algorithm computation, especially in multi-threshold selection. The computational complexity of the algorithm increases exponentially with the number of thresholds. Similarly, the Oats method first requires the calculation of a gray-level histogram. Similarly, the algorithm of the present invention was tested in a localized binomial fitting model (Li et al., 2007). Figure 5 shows the result of the segmentation of the local binomial fitting model on the MR brain image. Analysis of the results suggests that the two models compete with each other. However, it should be appreciated that the local binarization fitting model is sensitive to accurate tuning of the parameter values. Inappropriate parameter values result in inaccurate partitioning and long computation time. Therefore, the estimation of exact parameter values is very important for accurate partitioning. Thus, the method of the present invention is significantly superior.

본 발명의 방법에 따르면, 분할된 뇌 이미지를 효과적으로 생성할 수 있다. According to the method of the present invention, a divided brain image can be generated effectively.

도 1은 본 발명의 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2a 는 최초 이미지, 도 2b는 전통적인 워터쉐드 알고리즘의 결과, 도 2c는 마커-조절된 워터쉐드 분획 알고리즘 결과, 도 2d EM 알고리즘을 사용하여 클러스터링된 이미지, 도 2e는 본 발명의 방법에 다른 결과, 도 2f는 오츠 방법과 워터쉐드 분획을 조합한 결과를 각각 나타낸다.
도 3a 는 최초 이미지, 도 3b는 전통적인 워터쉐드 알고리즘의 결과, 도 3c는 마커-조절된 워터쉐드 분획 알고리즘 결과, 도 3d EM 알고리즘을 사용하여 클러스터링된 이미지, 도 3e는 본 발명의 방법에 다른 결과, 도 3f는 오츠 방법과 워터쉐드 분획을 조합한 결과를 각각 나타낸다.
도 4a 는 최초 이미지, 도 4b는 전통적인 워터쉐드 알고리즘의 결과, 도 4c는 마커-조절된 워터쉐드 분획 알고리즘 결과, 도 4d EM 알고리즘을 사용하여 클러스터링된 이미지, 도 4e는 본 발명의 방법에 다른 결과, 도 4f는 오츠 방법과 워터쉐드 분획을 조합한 결과를 각각 나타낸다.
도 5은 LBF 모델을 사용한 분획으로서, 도 5a는 최초 이미지, 도 5b는 초기 윤곽, 도 5c는 최종 결과를 각각 나타낸다.
Figure 1 is a flow chart illustrating the method of the present invention.
Fig. 2 (a) is an original image, Fig. 2 (b) is a result of a conventional watermark algorithm, Fig. 2 (c) is a marker-adjusted watermark fragmentation algorithm result, , And Fig. 2F shows the result obtained by combining the Oats method and the water shade fraction.
FIG. 3A shows the result of the conventional watermark algorithm, FIG. 3C shows the marker-adjusted watermark fragmentation algorithm result, FIG. 3D shows the clustered image using the EM algorithm, , And Fig. 3F shows the result of combining the Oats method and the water shade fraction.
Fig. 4A shows the result of the conventional watermark algorithm, Fig. 4C shows the marker-adjusted watermark fragmentation algorithm result, Fig. 4D shows the clustered image using the EM algorithm, Fig. , And FIG. 4F shows the result of combining the Oats method and the water shade fraction.
Fig. 5 shows a fraction using the LBF model. Fig. 5A shows the initial image, Fig. 5B shows the initial contour, and Fig. 5C shows the final result.

본 발명에서 구배 이미지는 입력 뇌 MR이미지 상에 소벨필터를 적용하여 수득하였다. 소벨필터는 검출말단에서 잘 작동하였으며, 차별화 및 스무딩 효과를 제공하였다. 구배 이미지에 적용되는 경우, 워터쉐드 변환은 몇몇 과분할을 생성하는데, 이는 지나치게 많은 국부 최소가 생성되기 때문이다. 이미지에 적용할 때, 워터쉐드 변환은 많은 국부 최소화를 생성하여 심각한 과분할을 생기게 한다. MRI 상에 존재하는 노이즈 및 아티팩트도 결과에 영향을 미친다. 따라서, 이러한 노이즈 및 아티팩트 제거를 위해 필터링 과정이 전처리 단계로서 사용된다. EM 알고리즘에 더하여, 복원 작업 및 마커 추출이 과분할을 제거하고 바람직한 결과를 수득하기 위해 적용된다. 본 발명의 방법의 순서도가 도 1에 제시된다. In the present invention, a gradient image was obtained by applying a Sobel filter on the input brain MR image. The Sobel filter worked well at the detection end and provided differentiation and smoothing effects. When applied to gradient images, the WaterShad transform produces some excess, because too many local minima are generated. When applied to images, the WaterShad transform generates a lot of local minima, resulting in serious over-division. Noise and artifacts present on the MRI also affect the outcome. Therefore, a filtering process is used as a preprocessing step to remove such noise and artifacts. In addition to the EM algorithm, restoration operations and marker extraction are applied to eliminate redundancy and obtain desired results. A flow chart of the method of the present invention is shown in Fig.

(1) 여과 작업 (Filtering Operation)(1) Filtering Operation

본 발명자들은 뇌 MRI를 본 발명의 일 구현예에서 사용하였으며, 이는 뇌 MRI가 사람 뇌의 내부 부위에 대해 상세한 정보를 생성하기 때문이다. 그러나, MRI는 다양한 원하지 않는 노이즈, 예컨데 가우시안, 점잡음 (slat and pepper noise) 등에 민감하고, 이는 바람직하지 않은 결과를 가져온다. 따라서, MRI 이미지는 노이즈를 제거하기 위해 필터링 작업으로 전처리되어야 한다 (Sivasundari et al., 2014; Kumar et al., 2015). 본 구현예에서, 본 발명자들은 위너필터 (Wienner filter)를 사용하였다. 위너필터링은 역 필터링과 노이즈 스무딩 사이에서 최적의 트레이드오프를 실행한다. 이는 추가 노이즈를 제거함과 동시에 블러링을 역행시킨다. 위너필터링은 평균제곱오차에서 최적이며, 이는 역 필터링 및 노이즈 스무딩 과정에서 전체 평균제곱오차를 최소화한다. 상기 위너필터링은 원본 이미지의 선형 추정값이다. We have used brain MRI in one embodiment of the present invention because brain MRI produces detailed information about the internal regions of the human brain. However, MRI is sensitive to a variety of unwanted noise, such as Gaussian, slat and pepper noise, which leads to undesirable results. Therefore, the MRI image should be preprocessed with a filtering operation to remove noise (Sivasundari et al., 2014; Kumar et al., 2015). In this embodiment, the present inventors used a Wienner filter. Wiener filtering performs an optimal trade-off between inverse filtering and noise smoothing. This removes the added noise and reverses the blurring. Wiener filtering is optimal at a mean square error, which minimizes the overall mean square error in the inverse filtering and noise smoothing process. The Wiener filtering is a linear estimate of the original image.

(2) (2) EMEM ( ( 기대값Expected value -- 최대값Maximum value ) 알고리즘) algorithm

EM 알고리즘은 반복 방법으로 최대우도를 발견하기 위한 알고리즘 계열의 하나이다. EM 알고리즘은 비지도 클러스터링 내에서 데이터 포인트의 밀도 추정을 위해 널리 사용되는 방법이다. 상기 EM 알고리즘은 결과가 수렴할 때까지 기대값 (E) 및 최대화 (M)의 교대를 반복적으로 수행하는 단계를 포함한다. 우도 기대값은 상기 (E) 단계에서 잠재 변수를 포함하여 계산하며, 변수의 최대 우도는 최종 E 단계에 기초한 M 단계상에서 상기 기대 우도를 최대화 함에 의해 수행된다. 상기 M 단계상에서 발견된 변수에 기초하여, 다른 E 단계를 시작하고, 상기 과정은 수렴이 이뤄질때 까지 반복수행된다. 상기 EM 알고리즘은 의료 이미지처리와 이미지 보간을 포함하여 광범위한 분야에서 사용될 수 있다 (Lama et al., 2016).The EM algorithm is one of a series of algorithms for finding the maximum likelihood as an iterative method. The EM algorithm is a widely used method for estimating the density of data points within a non-geographic clustering. The EM algorithm includes iteratively performing an alternation of the expected value E and the maximized M until the result converges. The likelihood expectation value is calculated by including the latent variable in the step (E), and the maximum likelihood of the variable is performed by maximizing the expected likelihood on the M step based on the final E step. Based on the variables found on the M step, another E step is started and the process is repeated until convergence is achieved. The EM algorithm can be used in a wide variety of fields including medical image processing and image interpolation (Lama et al., 2016).

EM (Expectation Maximization) 알고리즘을 클러스터로 화상을 분할하는데 사용하였다. 데이터 포인트는 단지 하나의 클러스터에 할당되는 대신에, 다른 클러스터에 부분적으로 할당된다. 클러스터링은 비지도 학습 (unsupervised learning)의 일종이며, 라벨 데이터 없이 주어진 데이터들을 가장 잘 설명하는 ㅋ클러스터를 찾아내고자 하는 것이다. 데이터를 분류 (classification) 하기 위해서는 데이터 및 각각의 데이터에 대한 라벨링이 필요하지만, 대부분의 데이터는 존재하나 그 데이터의 라벨이나 카테고리는 불명확하다. 따라서, 분류 (classfication)가 아닌 다른 방법으로 데이터들을 설명해야 하는 경우가 발생하는 것이다. 본 발명에서 EM 알고리즘에 따른 각 클러스터는 부분적인 할당에 대한 확률분포를 사용하여 모델링될 수 있다. 따라서, 데이터 포인트는 특정 확률 클러스터와 연관되고, K-mean 클러스터링과 다르게 최종 할당에서 가장 높은 확률 클러스터에 속하였다. 참고로, K-means 알고리즘은 각각의 데이터 포인트를 그 중심이 가장 가까이 있는 클러스터에 할당한다. 다음, 각각의 클러스터에 대해, 클러스터 중심은 할당된 데이터 포인트에 따라 갱신되고, 이 과정은 클러스터 라벨이 더이상 변경되지 않을 때까지 반복된다. K-means 클러스터링 알고리즘은 간단하나 K-means 보다 국소 최적 내에 쉽게 놓이는 경향이 있다. EM 알고리즘은 가우시안 혼합 모델 파라미터의 초기화를 필요로 하였다. 그레이 레벨의 K라고 불리는 확률분포 함수의 유리수로 추정되고, 각 화소의 분포는 하나의 가우시안에 의해서 모델링 될 수 있었다. 다음 식은 이 혼합체의 확률 밀도의 형태를 나타낸다.An Expectation Maximization (EM) algorithm was used to partition the images into clusters. Data points are only partially allocated to other clusters, instead of being assigned to only one cluster. Clustering is a type of unsupervised learning that attempts to find clusters that best describe given data without labeling data. Classifying data requires labeling of the data and each piece of data, but most of the data is present, but the label or category of the data is unclear. Therefore, it is necessary to explain the data by a method other than classfication. In the present invention, each cluster according to the EM algorithm can be modeled using a probability distribution for partial allocation. Thus, the data points are associated with a particular probability cluster and, unlike K-mean clustering, belong to the highest probability cluster in the final allocation. For reference, the K-means algorithm assigns each data point to a cluster closest to its center. Next, for each cluster, the cluster center is updated according to the assigned data point, and this process is repeated until the cluster label is no longer changed. The K-means clustering algorithm is simple but tends to be more easily localized than K-means. The EM algorithm required initialization of the Gaussian mixture model parameters. It is estimated as the rational number of a probability distribution function called K of the gray level, and the distribution of each pixel can be modeled by one Gaussian. The following formula shows the probability density of this mixture.

Figure 112016056046013-pat00001
(1)
Figure 112016056046013-pat00001
(One)

여기서, x는 특징벡터이고,

Figure 112016056046013-pat00002
Figure 112016056046013-pat00003
이다. 유사하게, 매개변수
Figure 112016056046013-pat00004
Figure 112016056046013-pat00005
,
Figure 112016056046013-pat00006
, 및
Figure 112016056046013-pat00007
로 구성되고,
Figure 112016056046013-pat00008
이다. 그러므로, Here, x is a feature vector,
Figure 112016056046013-pat00002
And
Figure 112016056046013-pat00003
to be. Similarly,
Figure 112016056046013-pat00004
The
Figure 112016056046013-pat00005
,
Figure 112016056046013-pat00006
, And
Figure 112016056046013-pat00007
≪ / RTI >
Figure 112016056046013-pat00008
to be. therefore,

Figure 112016056046013-pat00009
(2)
Figure 112016056046013-pat00009
(2)

이며,Lt;

각 단계 별로,For each step,

1. 초기화가

Figure 112016056046013-pat00010
, 공분산이
Figure 112016056046013-pat00011
, 혼합계수가
Figure 112016056046013-pat00012
일때, 다음 로그 공산값이 초기값을 평가한다.1. Initialization
Figure 112016056046013-pat00010
, Covariance
Figure 112016056046013-pat00011
, The mixing coefficient is
Figure 112016056046013-pat00012
, The next logarithmic value evaluates the initial value.

2. E (Expectation) 단계2. E (Expectation) step

E 단계에서, 본 발명자들은 현재 매개변수값을 사용하여 기대값을 평가하였다.At step E, we evaluated the expected value using the current parameter values.

Figure 112016056046013-pat00013
Figure 112016056046013-pat00014
Figure 112016056046013-pat00015
(3)
Figure 112016056046013-pat00013
Figure 112016056046013-pat00014
Figure 112016056046013-pat00015
(3)

3. M (Maximization) 단계3. Maximization step

M-단계에서, 본 발명자들은 매개변수를 업데이트 하였다.At the M-step, we updated the parameters.

상기 업데이트된 평균은 하기 식 (4)와 같이 계산될 수 있다.The updated average may be calculated as Equation (4) below.

Figure 112016056046013-pat00016
Figure 112016056046013-pat00017
(4)
Figure 112016056046013-pat00016
Figure 112016056046013-pat00017
(4)

상기 업데이트 된 공분산은 하기 식 (5)와 같이 계산될 수 있다.The updated covariance may be calculated as: < EMI ID = 5.0 >

Figure 112016056046013-pat00018
Figure 112016056046013-pat00019
(5)
Figure 112016056046013-pat00018
Figure 112016056046013-pat00019
(5)

상기 업데이트 된 혼합계수는 다음 식 (6)으로 계산될 수 있다.The updated mixing coefficient can be calculated by the following equation (6).

Figure 112016056046013-pat00020
Figure 112016056046013-pat00021
(6)
Figure 112016056046013-pat00020
Figure 112016056046013-pat00021
(6)

여기서, here,

Figure 112016056046013-pat00022
이다.
Figure 112016056046013-pat00022
to be.

4. 상기 로그 우도는 하기 식 (7)에 의해 평가된다.4. The log likelihood is evaluated by the following equation (7).

Figure 112016056046013-pat00023
(7)
Figure 112016056046013-pat00023
(7)

로그 우도 값은 수식 7을 이용하여 수렴을 검출하기 위해 연산처리되었다. 수렴의 기준이 충족되지 않으면, 알고리즘은 E 단계로 돌아간다.Log likelihood values were computed to detect convergence using Equation 7. If the convergence criterion is not met, the algorithm returns to step E.

(3) 임계값처리(3) Threshold processing

임계값처리는 단순성으로 인해 이미지분할에 위해 널리 사용되는 방법이다. 임계값처리는 이것이 객체에 속하는 픽셀의 그레이레벨을 배경에 속하는 픽셀의 그레이레벨을 분리하기 때문에 이미지분할에서 중요한 부분이다. 따라서, 이것은 배경으로부터 객체를 분리하는데 중요한 역할을 한다. 임계값 처리는 기본적으로 사용되는데, 이는 고속 연산과 구현의 용이성을 제공하기 때문이다. 만약

Figure 112016056046013-pat00024
가 임계값 T에서
Figure 112016056046013-pat00025
의 임계 버전이면, 하기 식 (8)을 만족한다.Threshold processing is a widely used method for image segmentation due to its simplicity. Threshold processing is an important part of image segmentation because it separates the gray levels of the pixels belonging to the object into the gray levels of the pixels belonging to the background. Thus, it plays an important role in separating objects from the background. Threshold processing is used by default because it provides high-speed operation and ease of implementation. if
Figure 112016056046013-pat00024
Lt; RTI ID = 0.0 > T &
Figure 112016056046013-pat00025
The following expression (8) is satisfied.

Figure 112016056046013-pat00026
(8)
Figure 112016056046013-pat00026
(8)

(4) 복원작업(4) Restoration work

동일한 도메인에서 정의된 두개의 그레이스케일 이미지 M과 N이 있고, 이 때

Figure 112016056046013-pat00027
이 되도록 할때, M으로부터 N의 침식의 복원은 안정성에 도달할 때까지 M "above" N의 그레이 스케일 침식을 반복하여 얻어진다.There are two grayscale images M and N defined in the same domain,
Figure 112016056046013-pat00027
, The recovery of M to N erosion is obtained by repeating the gray scale erosion of M "above" N until stability is reached.

Figure 112016056046013-pat00028
(9)
Figure 112016056046013-pat00028
(9)

다음 그레이스케일 이미지

Figure 112016056046013-pat00029
Figure 112016056046013-pat00030
기본 침식을 하기와 같이 얻었다. Next grayscale image
Figure 112016056046013-pat00029
of
Figure 112016056046013-pat00030
Basic erosion was obtained as follows.

Figure 112016056046013-pat00031
(10)
Figure 112016056046013-pat00031
(10)

여기서

Figure 112016056046013-pat00032
는 점의 최대를 나타내고,
Figure 112016056046013-pat00033
는 b라고 명시한 평면구조 요소에 의한 M의 침식을 나타낸다.here
Figure 112016056046013-pat00032
Represents the maximum of points,
Figure 112016056046013-pat00033
Represents the erosion of M by a planar structural element denoted b.

M으로부터 N의 팽창에 의한 복원은 안정성에 도달할 때까지 M "under" N의 그레이 스케일 지연연산을 반복함으로써 얻을 수 있다. The reconstruction by expansion of M to N can be obtained by repeating the gray scale delay calculation of M "under" N until stability is reached.

Figure 112016056046013-pat00034
(11)
Figure 112016056046013-pat00034
(11)

Figure 112016056046013-pat00035
그레이 스케일 이미지의
Figure 112016056046013-pat00036
기본팽창을 하기와 같이 얻을 수 있다.
Figure 112016056046013-pat00035
Of a grayscale image
Figure 112016056046013-pat00036
The basic expansion can be obtained as follows.

Figure 112016056046013-pat00037
(12)
Figure 112016056046013-pat00037
(12)

여기서

Figure 112016056046013-pat00038
는 점의 최소를 나타내고,
Figure 112016056046013-pat00039
는 b로 표시된 평면구조요소에 의한 M의 팽창이다. here
Figure 112016056046013-pat00038
Represents the minimum of the points,
Figure 112016056046013-pat00039
Is the expansion of M by a planar structural element denoted b.

(5) (5) 마커Marker 추출 extraction

상기한 바와 같이, 구배 이미지상에 워터쉐드 변환을 직접 적용하는 것은 MRI 내에 포함된 불규칙과 노이즈로 인하여 과분할을 생성한다. 따라서, EM 알고리즘과 복원작업이 뇌 조직을 효율적으로 표시하기 위해 적용된다. 복원작업, 예컨데, 침식기반 및 팽창기반의 그레이스케일 이미지복원 등을 수행하였다. 둘 모두 동일하며, 차이점은 본 발명자들이 침식작업을 팽창으로 변경하거나 그 반대로 단순히 변경하는 것이다. 관심영역 내의 전경 마커와 배경 내의 포함된 배경 마커는 복원 작업으로부터 얻을 수 있다. 이 마커들은 최소값 부과기술 (minima imposition technology)에 의해 EM 알고리즘으로부터 얻어진 구배이미지를 수정하는데 도움을 주므로 매우 중요하다. 수정된 구배 크기상에 수행된 워터쉐드는 뇌 조직을 효율적으로 분할하는데 도움을 준다.As described above, direct application of the water-shear transformation on the gradient image produces over-division due to irregularities and noise included in the MRI. Thus, the EM algorithm and restoration work are applied to efficiently display brain tissue. Restoration operations, such as erosion-based and expansion-based grayscale image restoration, were performed. Both are identical, the difference being that the present inventors changed the erosion work to expansion and vice versa. A foreground marker within the region of interest and an embedded background marker within the background can be obtained from the restore operation. These markers are very important because they help to modify the gradient image obtained from the EM algorithm by the minima imposition technology. A water sample performed on a modified gradient size helps to partition brain tissue efficiently.

본 발명은 뇌 이미지를 효과적으로 구분하고 획득할 수 있는 방법을 제공한다. 따라서, 임상에서 뇌 이미지를 분석하고 뇌 질환 또는 병변을 진단하거나 모니터링하는데 유용하게 이용될 수 있다.The present invention provides a method for effectively distinguishing and obtaining a brain image. Therefore, it can be used clinically to analyze brain images and diagnose or monitor brain diseases or lesions.

Claims (4)

뇌 MR 이미지를 수득하고 위너필터링 (Wiener filtering) 처리하여 필터링된 이미지를 수득하는 단계;
상기 필터링된 뇌 MR 이미지를 기대값-최대화 알고리즘 (EM algorithm)에 적용하여 클러스터링된 이미지를 수득함과 함께, 상기 필터링된 뇌 MR 이미지에 대한 복원작업 (reconstruction operation)을 수행하는 단계로서, 상기 복원작업은 침식기반 및 팽창기반의 그레이스케일 이미지복원을 수행하여, 전경 마커 (foreground marker)와 배경 마커 (background marker)를 수득하는 것인, 단계;
상기 클러스터링된 이미지에 대해 가장 밝은 클러스터의 평균값을 임계값으로 사용하는 임계화 작업 (thresholding)를 수행하여 이진화 이미지 (binary image)를 수득한 다음, 소벨 필터링 (Sobel filtering)으로 초기 구배 이미지를 수득하는 단계; 및
상기 초기 구배 이미지에 대해, 상기 전경 마커와 배경 마커에 기초한 최소값을 도입하여 마커-조절 구배 이미지를 얻은 후, 워터쉐드 (Watershed) 분할을 적용하는 것을 포함하는,
EM 알고리즘과 마커-조절 워터쉐드 분할을 조합하여, 뇌 회백질, 백질 및 뇌척수액 이미지를 구획화하는 방법.
Obtaining a brain MR image and subjecting it to Wiener filtering to obtain a filtered image;
Applying the filtered brain MR image to an expectation-maximization algorithm (EM algorithm) to obtain a clustered image and performing a reconstruction operation on the filtered brain MR image, Wherein the operation is to perform erosion based and expansion based grayscale image restoration to obtain foreground and background markers;
Thresholding is performed on the clustered image using the average value of the brightest clusters as a threshold value to obtain a binary image and then Sobel filtering is performed to obtain an initial gradient image step; And
For the initial gradient image, introducing a minimum value based on the foreground marker and background marker to obtain a marker-adjusted gradient image, and then applying a Watershed segmentation.
A method for segmenting brain gray matter, white matter, and cerebrospinal fluid images by combining an EM algorithm and a marker-adjusted water-shedding split.
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