KR102125127B1 - Method of brain disorder diagnosis via deep learning - Google Patents
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Abstract
본 발명은 뇌의 자기공명영상(Magnetic Resonance Image: MRI)에서 각 관심 영역 별 진단을 통해 전제 진단을 수행하는 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 의한 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법은 입력된 자기공명영상으로부터 뇌의 부피 정보를 갖는 뇌 부피 지도를 획득하는 단계; 상기 뇌 부피 지도로부터 해부학적 영역을 분할하여 복수의 관심 영역을 분리하고, 각 관심 영역별로 소정 개수의 표본을 추출하는 단계; 상기 추출된 소정 개수의 표본은 표본마다 다른 심층신경망을 이용하여 상기 추출된 소정 개수의 표본 수만큼 질환 확률을 획득하는 단계; 상기 표본 수만큼 획득된 질환 확률을 각 관심 영역별로 통합하여 상기 관심 영역마다 해당 관심 영역의 질환 확률을 계산하는 단계; 및 계산된 모든 관심 영역의 질환 확률을 최종 분류기의 입력값으로 사용하여 최종 진단 결과를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.The present invention relates to a method of diagnosing deep learning-based brain disease that performs premise diagnosis through diagnosis of each region of interest in a magnetic resonance image (MRI) of the brain.
Deep learning based brain disease diagnosis method according to an embodiment of the present invention comprises the steps of obtaining a brain volume map having the brain volume information from the input magnetic resonance image; Dividing a plurality of regions of interest by dividing an anatomical region from the brain volume map, and extracting a predetermined number of samples for each region of interest; Acquiring a disease probability as many as the predetermined number of samples of the extracted predetermined number of samples using a deep neural network different for each sample; Calculating a disease probability of a region of interest for each region of interest by integrating the disease probability acquired by the number of samples for each region of interest; And outputting a final diagnosis result using the calculated disease probability of all regions of interest as an input value of the final classifier.
Description
본 발명은 뇌 질환 진단 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 뇌의 자기공명영상(Magnetic Resonance Image: MRI)에서 각 관심 영역 (Region Of Interest: ROI)별 딥러닝을 통한 진단을 수행하고, 각 관심 영역별 진단을 통합하여 전체 진단을 수행하는 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for diagnosing brain disease, and more specifically, performs diagnosis through deep learning for each region of interest (ROI) in a magnetic resonance image (MRI) of the brain, and each interest It is related to a deep learning-based brain disease diagnosis method that performs overall diagnosis by integrating diagnosis by region.
사회의 발전에 따라 고령화가 이루어지고 있으며, 이에 따라 퇴행성 뇌질환이 증가하고 있다. 뇌 질환의 경우 침습하지 않고 병변에 대한 검출 및 진단이 필요하다.With the development of society, aging is occurring, and accordingly, degenerative brain diseases are increasing. In the case of brain disease, it is necessary to detect and diagnose lesions without invasion.
MRI를 통한 뇌 영상 검사 방법은 비침습적인 검사 방법으로, 뇌의 구조적, 기능적 변화로 발생하는 다양한 질환들을 검사 할 수 있다. The brain imaging test using MRI is a non-invasive test method that can test various diseases caused by structural and functional changes in the brain.
환자별 뇌의 생김새는 모두 다르지만, 공통된 변화 정도를 확인하기 위해 획일화된 템플릿으로 그 구조를 동일하게 변경하고, 각 질환별 변화 정도를 확인하는 방법을 사용한다.Although the appearance of the brain of each patient is different, the structure is identically changed with a uniform template to check the degree of change in common, and a method of checking the degree of change in each disease is used.
최근 기계학습의 일종인 딥러닝을 위한 심층신경망 기법이 발전함에 따라 컴퓨터를 통한 의료 영상 분석 시스템의 진단 정확도가 높은 성능을 보이는 것으로 알려져 있다. 관련된 선행 문헌으로 대한민국 등록특허 제10-1754291호가 있다. Recently, as a deep neural network technique for deep learning, which is a kind of machine learning, has been developed, it is known that a diagnostic accuracy of a medical image analysis system through a computer has high performance. Korean Patent Registration No. 10-1754291 is a related prior document.
그러나, 기존의 진단 시스템은 뇌 전체를 보고 판단하기 때문에, 뇌 영역의 각 부분별 진단 결과를 제공하지 않는다.However, the existing diagnostic system does not provide a diagnosis result for each part of the brain region because the entire brain is viewed and judged.
특히, 최근 좋은 성능을 보이는 심층 신경망의 한 종류인 컨볼루션 신경망(Convolutional Neural Network: CNN)은 컨볼루션 커널(Convolution kernel)을 통해 수용 영역(Receptive field)의 특징을 추출하는 방법으로, 슬라이딩 윈도우(Sliding window) 방식으로 입력 영상의 구조적 특징을 추출한다. Particularly, a convolutional neural network (CNN), which is a type of deep neural network that has recently shown good performance, is a method of extracting features of a receptive field through a convolution kernel, a sliding window ( Sliding window) method extracts structural features of the input image.
그러나, 병의 진행도가 미미한 경우 형태적 차이가 거의 없을 수 있기 때문에, 수용 영역의 슬라이딩 윈도우를 통한 방법으로 검출하기 어려우며, 학습해야 할 파라미터가 많기 때문에 많은 데이터를 필요로 한다.However, if the progression of the bottle is insignificant, since there may be little morphological difference, it is difficult to detect by the method through the sliding window of the receiving area, and it requires a lot of data because there are many parameters to be learned.
따라서 자기공명영상만을 가지고 의사의 의사 결정에 도움이 될 수 있을 뿐 아니라, 영역별 비정상성의 가시화를 통해 환자의 이해를 도울 수 있는 뇌 질환 진단 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.Therefore, it is necessary to study a method of diagnosing a brain disease that can help a patient's understanding through visualization of abnormalities in each region, as well as assisting a doctor in making a decision using a magnetic resonance imaging.
본 발명의 목적은 각 관심 영역에 대한 진단 정보를 통해 세부적인 진단 정보를, 최근 좋은 성능을 보이는 딥러닝을 활용한 기계학습 방법으로 더 신뢰성 있게 진단할 수 있는 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a deep learning-based brain disease diagnosis method capable of more reliably diagnosing detailed diagnostic information through diagnostic information for each region of interest, using a machine learning method utilizing deep learning that shows good performance in recent years. Has to do.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일실시예에 의하면, 입력된 자기공명영상으로부터 뇌의 부피 정보를 갖는 뇌 부피 지도를 획득하는 단계; 상기 뇌 부피 지도로부터 해부학적 영역을 분할하여 복수의 관심 영역을 분리하고, 각 관심 영역별로 소정 개수의 표본을 추출하는 단계; 상기 추출된 소정 개수의 표본은 표본마다 다른 심층 신경망을 이용하여 상기 추출된 소정 개수의 표본 수만큼 질환 확률을 획득하는 단계; 상기 표본 수만큼 획득된 질환 확률을 각 관심 영역별로 통합하여 상기 관심 영역마다 해당 관심 영역의 질환 확률을 계산하는 단계; 및 계산된 모든 관심 영역의 질환 확률을 최종 분류기의 입력값으로 사용하여 최종 진단 결과를 출력하는 단계를 포함하는 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법이 개시된다. In order to achieve the above object, according to an embodiment of the present invention, obtaining a brain volume map having brain volume information from the input magnetic resonance image; Dividing a plurality of regions of interest by dividing an anatomical region from the brain volume map, and extracting a predetermined number of samples for each region of interest; Acquiring a disease probability as many as the predetermined number of samples of the extracted predetermined number of samples using deep neural networks different for each sample; Calculating a disease probability of a region of interest for each region of interest by combining disease probabilities obtained by the number of samples for each region of interest; And outputting a final diagnosis result using the calculated disease probability of all regions of interest as an input value of the final classifier.
본 발명의 일실시예에 의한 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법은 한정된 수의 뇌 영상으로부터 뇌 질환을 보다 신뢰성 있게 진단하고 진단에 대한 분석에 유의한 정보를 각 관심 영역별로 제공하는 방법을 제공한다. The deep learning-based brain disease diagnosis method according to an embodiment of the present invention provides a method of more reliably diagnosing brain disease from a limited number of brain images and providing meaningful information for analysis of diagnosis for each region of interest.
본 발명의 일실시예에 의하면, 자기공명영상만을 가지고 의사의 의사 결정에 도움이 될 수 있을 뿐 아니라, 영역별 비정상성의 가시화를 통해 환자의 이해를 돕는 역할을 한다. According to an embodiment of the present invention, it is possible to not only help the doctor's decision making with the magnetic resonance image alone, but also to help the patient's understanding through visualization of abnormalities in each region.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 뇌 질환 진단 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예와 관련된 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 자기공명영상 기반의 뇌 질환 진단에 사용되는 모델의 프레임워크를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일실시예와 관련된 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법에 의해 분류된 영역별 알츠하이머병 환자일 확률을 나타낸다 뇌지도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예와 관련된 가중치 뇌지도이다.1 is a block diagram of an apparatus for diagnosing brain disease according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating a method for diagnosing a deep learning-based brain disease related to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining a deep learning-based brain disease diagnosis method related to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows a framework of a model used in the diagnosis of brain disease based on magnetic resonance imaging according to an embodiment of the present invention.
5 is a brain map showing the probability of a patient with Alzheimer's disease by region classified by a deep learning-based brain disease diagnosis method related to an embodiment of the present invention.
6 is a weighted brain map related to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 일실시예와 관련된 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법 및 장치에 대해 도면을 참조하여 설명하도록 하겠다.Hereinafter, a method and apparatus for diagnosing a deep learning-based brain disease related to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.As used herein, a singular expression includes a plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, the terms "consisting of" or "comprising" should not be construed as including all of the various components, or various steps described in the specification, among which some components or some steps It may not be included, or it should be construed to further include additional components or steps.
도 1은 본 발명의 일실시예와 관련된 뇌 질환 진단 장치의 블록도이다.1 is a block diagram of an apparatus for diagnosing brain disease according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 뇌 질환 진단 장치(100)는 전처리부(110), 관심 영역별 질환 확률 계산부(120), 최종 진단부(130)를 포함할 수 있다. As illustrated, the brain
상기 전처리부(110)는 입력된 자기공명영상을 전처리하여 상기 자기공명영상을 복수 개의 관심 영역으로 분리할 수 있다. 상기 전처리부(110)는 상기 복수 개의 관심 영역별로 소정 개수의 표본을 추출할 수 있다.The
상기 관심 영역별 질환 확률 계산부(120)는 각 관심 영역에 대응되는 소정 개수의 표본에 대해 각 표본마다 다른 심층 신경망을 이용하여 특징을 각각 추출하고, 상기 추출된 특징을 이용하여 관심 영역별로 질환 확률을 계산할 수 있다. The disease
상기 최종 진단부(130)는 각 관심 영역의 질환 확률을 입력값으로 통합하여 해당 질환의 최종 진단 결과를 출력할 수 있다. 최종 진단 결과에 의하여 진단 대상자가 환자인지 정상인지 여부가 결정될 수 있다. The
도 2는 본 발명의 일실시예와 관련된 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법을 나타내는 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예와 관련된 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법을 설명하기 위한 도면이다. 2 is a flowchart illustrating a deep learning-based brain disease diagnosis method related to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a diagram illustrating a deep learning-based brain disease diagnosis method related to an embodiment of the present invention.
먼저, 전처리부(110)는 진단 대상자의 뇌 전체의 자기공명영상을 입력 받는다. 상기 전처리부(110)는 상기 입력된 자기공명영상의 전처리를 수행할 수 있다(S210, S310). 상기 전처리 과정은 다음의 과정으로 진행될 수 있다. First, the
뇌의 부피 변화를 확인하기 위해서는 각기 다른 환자의 뇌를 동일한 공간에 사상하고, 그 변화를 확인해야 한다. 상기 전처리부(110)는 동일한 공간에 사상된 뇌 부피 지도를 획득할 수 있다. 상기 전처리부(110)는 정합 과정 및 뇌 조직 분할 과정을 통해 뇌의 부피 정보를 갖는 뇌 부피 지도를 획득할 수 있다. 구체적으로 상기 전처리부(110)는 우선 입력된 모든 영상의 대칭을 맞추는 작업을 한다. 다음으로 전처리부(110)는 분석에 사용될 뇌 영역을 제외한 영역(두개골, 소뇌 등)을 제거한다. 전처리부(110)는 얻어낸 뇌 영상의 오차를 보완하기 위하여 편이 보정 작업을 거친 후 뇌의 조직(백질, 회백질, 뇌척수액)을 분리한다. 상기 전처리부(110)는 모든 피험자의 뇌 조직은 같은 템플릿 공간으로 사상시키고 정합 과정을 거쳐 뇌의 부피 지도를 얻는다. 얻어진 뇌 부피 지도는 해부학적 영역별 진단을 위해 라벨링된 템플릿을 통하여 관심 영역으로 나누고 회백질 영역만을 사용할 수 있다. 따라서, 3차원 영상의 각 복셀(voxel)값은 해당하는 영역의 뇌 부피를 나타내게 된다.In order to check the volume change of the brain, the brains of different patients should be mapped to the same space and the changes must be confirmed. The
그리고 상기 전처리부(110)는 획득된 뇌 부피 지도로부터 해부학적 영역을 분할하여 관심 영역별 임의로 선택된 복셀값을 갖는 다수의 표본을 추출할 수 있다. 예를 들어, 상기 전처리부(110)는 우선 통계 분석 방법을 통해 그룹 간 큰 차이를 보이는 관심 영역별 복셀의 후보군을 선별하고, 소정 개수의 복셀을 갖는 표본 집합(각 관심 영역에 대응되는 소정 개수의 표본)을 추출할 수 있다. In addition, the
한편, 관심 영역의 크기에 따라 추출되는 표본의 수가 다르게 조절될 수 있다. 예를 들어, 관심 영역의 크기가 클수록 추출되는 표본 수가 많게 조절될 수 있다. 그리고 단순 무작위 복원 추출(예: Bootstrap sampling) 기법을 이용하여 k개의 임의의 복셀을 갖는 표본이 다수 추출될 수 있다.Meanwhile, the number of samples to be extracted may be adjusted differently according to the size of the region of interest. For example, the larger the size of the region of interest, the larger the number of samples to be extracted can be adjusted. In addition, a number of samples having k random voxels may be extracted using a simple random reconstruction extraction (eg, bootstrap sampling) technique.
상기 관심 영역별 질환 확률 계산부(120)는 각 관심 영역별로 추출된 소정 개수의 표본을 표본마다 다른 심층 신경망을 이용하여 상기 추출된 소정 개수의 표본 수만큼 질환 확률을 획득할 수 있다. 그리고 상기 관심 영역별 질환 확률 계산부(120)는 소정 개수의 표본 수만큼 획득된 질환 확률을 통합(예: 평균, 최대값, 최소값 등)하여 상기 관심 영역별로 해당 관심 영역의 질환 확률을 계산할 수 있다(S220, S320).The disease
예를 들어, 상기 관심 영역별 질환 확률 계산부(120)는 심층 신경망(Deep Neural Network)의 하나인 쌓아올린 디노이징 오토인코더(Stacked Denoising Auto-Encoder)로써 입력으로 사용된 뇌 부피 데이터로부터 환자와 정상인 클래스의 비선형적 관계를 학습한 모델을 추출할 수 있다. For example, the disease
본 발명의 일실시예에 의하면, 각각의 관심 영역에 대한 무작위로 추출한 복셀 표본의 특징으로 진단하기 위하여 각 관심 영역에서의 표본마다 모델을 만드는 방법이 사용될 수 있다. 이하, 실시예에서는 내재된 비선형적 특징을 추출하는 방법으로 SDAE(Stacked Denoising Auto-Encoder)가 사용된다. DAE는 오토인코더의 일종으로 하기 수학식 1 및 수학식 2로 표현하면 다음과 같다.According to an embodiment of the present invention, a method of creating a model for each sample in each region of interest may be used to diagnose characteristics of a randomly extracted voxel sample for each region of interest. Hereinafter, in the embodiment, a stacked denoising auto-encoder (SDAE) is used as a method of extracting an inherent nonlinear feature. DAE is a type of autoencoder and is expressed as
위의 식에서 W와 b는 은닉계층을 위 한 가중 벡터와 편향 벡터를 나타내고, W′와 b′는 출력 계층을 위한 가중 벡터와 편향 벡터를 나타낸다. Ψ는 비선형 활성함수이다. 상기 수학식 1에서 은 k차원을 갖는 표본 x∈Rk에 잡음이 추가된 벡터이다. Ψ함수는 은닉 계층 h의 유닛 값이 입력 벡터와 비선형적 관계를 갖도록 한다. 출력 계층을 위한 가중치 W′와 편향치 b′는 o가 원래의 표본 x값과 같아지도록 하는 파라미터이다. 이때, h의 유닛값은 입력 벡터로부터 원래의 표본을 잘 표현해 줄 수 있는 특징 벡터라고 볼 수 있다.In the above equation, W and b represent the weight vector and bias vector for the hidden layer, and W'and b'represent the weight vector and bias vector for the output layer. Ψ is a nonlinear activity function. In
이하 실시예에서 사용하는 모델은 도 4와 같다. The model used in the following examples is shown in FIG. 4.
도 4는 본 발명의 일실시예와 관련된 자기공명영상 기반의 뇌 질환 진단에 사용되는 모델의 프레임워크를 나타낸다.Figure 4 shows a framework of a model used in the diagnosis of brain disease based on magnetic resonance imaging according to an embodiment of the present invention.
도시된 바와 같이, 관심 영역 마다의 k개의 복셀을 갖는 x를 만들고, SDAE를 통하여 확률을 도출할 수 있다. 이 확률들을 모은 z를 앙상블하여 서포트벡터머신의 입력으로 최종 진단한다. 본 실시예에서 SDAE는 이러한 DAE를 쌓아올린 최종 출력 계층에서 분류를 위한 소프트맥스 함수가 사용될 수 있다. 이 소프트맥스의 출력값은 표본이 각 클래스에 속할 확률값으로 환자일 확률과 정상인일 확률을 나타낸다. 각 관심 영역의 정량적 분석을 위하여, 하나의 관심 영역에서 동일한 구조의 SDAE를 N개 학습하였고, 그 N개의 모델에서 환자일 확률 p의 평균 z를 구하여 한 관심 영역의 특징으로 사용할 수 있다.As illustrated, x having k voxels for each region of interest is created, and the probability can be derived through SDAE. Ensemble z that collects these probabilities and finally diagnose it as the input of the support vector machine. In this embodiment, the SDAE may use a softmax function for classification in the final output layer that stacks these DAEs. The output value of this Softmax is the probability that the sample belongs to each class, indicating the probability of being a patient and the probability of being a normal person. For quantitative analysis of each region of interest, N SDAEs of the same structure were trained in one region of interest, and the average z of the probability p of the patient can be obtained from the N models and used as a feature of one region of interest.
그리고 각 관심 영역의 특징 및 전체 특징 벡터는 하기 수학식 3 및 수학식 4와 같이 표현될 수 있다. In addition, the feature and the overall feature vector of each region of interest may be expressed as Equations 3 and 4 below.
즉, 전체 관심 영역이 R이라면, 각 관심 영역의 특징 zr을 구하는 수식을 수학식 3으로 나타낼 수 있다. 는 n번째 표본에서 r번째 관심 영역이 환자일 확률이고, zr은 r번째 관심 영역에서 전체 N개 모델에서의 환자일 확률의 평균이다. v는 전체 관심 영역의 해당 질환(예: 알츠하이머병(Alzheimer’s Disease: AD))일 특징을 앙상블한 특징 벡터라고 볼 수 있다. 이 특징 벡터는 분류기 서포트벡터머신(Support Vector Machine: SVM)의 입력으로 사용될 수 있다. 여기서 서포트벡터머신은 최종 진단부(130)에서 사용하는 최종 분류기의 일례이다. That is, if the entire region of interest is R, an equation for obtaining the feature z r of each region of interest can be expressed by Equation (3). Is the probability that the r-th region of interest is a patient in the n-th sample, and z r is the average of the probability of being patients in all N models in the r-th region of interest. v can be regarded as an ensemble feature vector that is a feature of the entire region of interest (eg, Alzheimer's Disease (AD)). This feature vector can be used as an input to a classifier support vector machine (SVM). Here, the support vector machine is an example of a final classifier used in the
즉, 최종 진단부(130)는 해당 관심 영역에 대한 질환 확률은 모두 통합되어 입력값으로 사용하여 최종 진단 결과를 출력할 수 있다(S230, S330). 도 4에서는 최종 진단을 위해 서포트벡터머신을 사용하였다. That is, the
그리고 상기 최종 분류기는 각 관심 영역별 가중치를 학습하고, 상기 학습을 통해 환자와 정상인을 분류할 수 있다. In addition, the final classifier may learn weights for each region of interest and classify patients and normal persons through the learning.
예를 들면, 각 관심 영역이 A, B, C라고 했을 때, 해당 질환(예, 알츠하이머병)은 B, C의 영역이 더 중요한 특징이라고 분류기에서 판단하면, 심층신경망에서 얻은 확률이 A, C에서 매우 낮은 확률을 갖는다고 할지라도, B에서 높다면 이 사람은 환자라고 진단할 수 있다. 물론 이와 반대의 경우도 가능하다. 즉, 심층신경망으로부터 질환일 확률을 얻고, 최종 분류기에서 확률들을 조합하여 정상인군과 환자군을 비교하여 유의한 영역에 가중치를 더 주어 진단할 수 있다.For example, when each region of interest is A, B, or C, the classifier determines that the regions of B and C are more important for the disease (e.g., Alzheimer's disease). Even if you have a very low probability at, if you are high at B, you can diagnose this person as a patient. Of course, the opposite is also possible. That is, it is possible to obtain a probability of a disease from a deep neural network and to compare the normal group and the patient group by combining the probabilities in the final classifier to diagnose by giving a weight to a significant area.
도 5는 본 발명의 일실시예와 관련된 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법에 의해 분류된 영역별 알츠하이머병 환자일 확률을 나타낸다 뇌지도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예와 관련된 가중치 뇌지도이다.5 is a brain map showing the probability of a patient with Alzheimer's disease by region classified by a deep learning-based brain disease diagnosis method related to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a weighted brain map related to an embodiment of the present invention .
본 실시예에서는 해당 영역의 정량적 분석을 위해 무작위 복원 추출한 표본을 SDAE를 통해 알츠하이머병 환자일 확률을 구하고, 그 확률의 평균을 특징으로 하여 전체 관심 영역에서 진단하였다. 전체의 관심 영역을 고려한 분류 성능은 76.36%의 정확도를 보였다. 진단 결과에 대하여 도 5와 같이 각각의 관심 영역마다의 알츠하이머병 환자일 확률을 한눈에 볼 수 있도록 시각화 할 수 있어, 영역별 정량적 분석이 가능하다. 또한, 그림 3과 S같이 서포트벡터머신의 가중치 뇌영역들에 매핑하여 시각화함으로써 어느 영역이 알츠하이머병을 진단하기 위한 잠재적 영상 바이오마커로 활용될 수 있을지에 대해 확인할 수 있다.In this example, for the quantitative analysis of the area, the randomized sample was reconstructed through SDAE to determine the probability of a patient with Alzheimer's disease, and characterized by the average of the probability to diagnose in the entire region of interest. The classification performance considering the entire region of interest showed an accuracy of 76.36%. As shown in FIG. 5, the probability of a patient with Alzheimer's disease for each region of interest can be visualized so that the diagnosis results can be visualized at a glance, and quantitative analysis for each region is possible. In addition, as shown in Figure 3 and S, it is possible to check which region can be used as a potential image biomarker to diagnose Alzheimer's disease by mapping and visualizing the weighted brain regions of the support vector machine.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법은 한정된 수의 뇌 영상으로부터 뇌 질환을 보다 신뢰성 있게 진단하고 진단에 대한 분석에 유의한 정보를 각 관심 영역별로 제공하는 방법을 제공한다. As described above, the deep learning-based brain disease diagnosis method according to an embodiment of the present invention more reliably diagnoses brain disease from a limited number of brain images and provides significant information for analysis of diagnosis for each region of interest Provide a method.
본 발명의 일실시예에 의하면, 자기공명영상만을 가지고 의사의 의사 결정에 도움이 될 수 있을 뿐 아니라, 영역별 비정상성의 가시화를 통해 환자의 이해를 돕는 역할을 한다.According to an embodiment of the present invention, it is possible to not only help the doctor's decision making with the magnetic resonance image alone, but also to help the patient's understanding through visualization of abnormalities in each region.
상술한 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 이때, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 한편, 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지된 것일 수도 있다.The above-described deep learning-based brain disease diagnosis method is implemented in a program instruction form that can be executed through various computer means and can be recorded in a computer-readable recording medium. In this case, the computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, or the like alone or in combination. Meanwhile, the program instructions recorded on the recording medium may be specially designed and configured for the present invention or may be known to those skilled in computer software.
컴퓨터로 판독 가능한 기록매체에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리, SSD (Solid State Drive)와 같은 메모리 저장장치 등 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. Computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs, DVDs, and magnetic media such as floppy disks. Included are hardware devices specifically configured to store and execute program instructions, such as magneto-optical media, and memory storage devices such as ROM, RAM, flash memory, and solid state drives (SSDs).
한편, 이러한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다.On the other hand, such a recording medium may be a transmission medium such as an optical or metal wire or waveguide including a carrier wave that transmits a signal specifying a program command, data structure, or the like.
또한, 프로그램 명령에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.In addition, the program instructions include not only machine language codes produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware device described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operation of the present invention, and vice versa.
상기와 같이 설명된 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법 및 장치는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.The deep learning-based brain disease diagnosis method and apparatus described above are not limited to the configuration and method of the above-described embodiments, and the above embodiments are all or part of each embodiment so that various modifications can be made. May be selectively combined.
100: 뇌 질환 진단 장치
110: 전처리부
120: 관심 영역별 질환 확률 계산부
130: 최종 진단부100: brain disease diagnosis device
110: pre-processing unit
120: disease probability calculation unit for each region of interest
130: final diagnosis unit
Claims (5)
상기 뇌 부피 지도로부터 해부학적 영역을 분할하여 제1관심 영역과 제2관심 영역을 포함하는 복수개의 관심 영역으로 분리하고, 각 관심 영역에 대응하는 복수개의 표본을 각각 추출하는 단계-상기 제1관심 영역의 크기는 제2관심 영역의 크기보다 크고, 상기 제1관심 영역에 대항하는 표본의 개수가 상기 제2관심 영역에 대응하는 표본의 개수보다 많음-;
상기 각 관심 영역에 대응되게 추출된 복수개의 표본은 각 표본마다 다른 심층신경망을 이용하여 상기 추출된 복수개의 표본 수만큼 질환 확률을 획득하는 단계;
상기 표본 수만큼 획득된 질환 확률을 통합하여 상기 관심 영역마다 해당 관심 영역의 질환 확률을 계산하는 단계; 및
계산된 모든 관심 영역의 질환 확률을 최종 분류기의 입력값으로 사용하여 최종 진단 결과를 출력하는 단계를 포함하되,
상기 해당 관심 영역의 질환 확률을 계산하는 단계는
상기 복수개의 표본 수만큼 획득된 복수개의 질환 확률을 통합하여 하나의 질환 확률로 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 딥 러닝 기반 뇌 질환 진단 방법.Obtaining a brain volume map having brain volume information from the input magnetic resonance image;
Dividing the anatomical region from the brain volume map into a plurality of regions of interest including a first region of interest and a second region of interest, and extracting a plurality of samples corresponding to each region of interest, respectively. The size of the region is larger than the size of the second region of interest, and the number of samples facing the first region of interest is greater than the number of samples corresponding to the second region of interest-;
Acquiring disease probabilities as many as the number of the plurality of samples extracted from the plurality of samples corresponding to the regions of interest using different deep neural networks for each of the samples;
Calculating disease probability of a region of interest for each region of interest by combining disease probabilities obtained by the number of samples; And
And outputting a final diagnosis result using the calculated disease probability of all regions of interest as an input value of the final classifier,
Calculating the probability of disease in the region of interest
A method of diagnosing a brain disease based on deep learning, comprising the step of integrating a plurality of disease probabilities obtained by the number of samples and calculating the probability of a disease.
상기 최종 분류기는 각 관심 영역별 가중치를 학습하고, 상기 학습을 통해 환자와 정상인을 분류하는 것을 특징으로 하는 딥러닝 기반 뇌 질환 진단 방법.According to claim 1,
The final classifier is a deep learning-based brain disease diagnosis method characterized by learning weights for each region of interest and classifying patients and normal people through the learning.
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