KR102180569B1 - Apparatus for Enhancing Contrast and Resolution in a Grating Interferometer by Machine Learning - Google Patents

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KR102180569B1 KR1020180092483A KR20180092483A KR102180569B1 KR 102180569 B1 KR102180569 B1 KR 102180569B1 KR 1020180092483 A KR1020180092483 A KR 1020180092483A KR 20180092483 A KR20180092483 A KR 20180092483A KR 102180569 B1 KR102180569 B1 KR 102180569B1
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Abstract

본 발명은 기계학습(machine learning)을 통해 격자간섭계에서 영상의 민감도와 공간해상도를 모두 개선시킬 수 있도록 한 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치에 관한 것으로, 대칭형 격자간섭계로부터 샘플의 위치를 선형이동 시킴으로써 고해상도 영상과 고민감도 영상을 획득하는 격자간섭계 영상획득부;기계학습을 수행하기 위한 수치팬텀을 생성하는 수치팬텀생성부;합성곱 신경망의 연산과정을 수행하여 입력데이터로부터 특징을 추출하는 합성곱 계층 생성부;ReLu(Rectified linear unit)활성화 함수를 합성곱 연산의 출력값에 적용하여 원활한 반복 기계학습을 수행할 수 있는 활성화 함수 적용 연산부;Forward propagation 및 backward propagation과정을 반복적으로 수행하면서 합성곱 연산인자를 수정하는CNN 반복 기계 학습부;CNN 반복 기계 학습부의 반복 기계 학습으로 추출된 특징들을 정합하여 출력하는 영상 정합 출력부;를 포함하는 것이다.The present invention relates to an apparatus for improving sensitivity and resolution in a lattice interferometer through machine learning to improve both the sensitivity and spatial resolution of an image in a lattice interferometer through machine learning. A lattice interferometer image acquisition unit that obtains a high-resolution image and a high-sensitivity image by linearly moving the position of the sample; a numerical phantom generator that generates a numerical phantom for performing machine learning; from the input data by performing an operation process of a convolutional neural network Convolutional layer generator for extracting features; ReLu (Rectified linear unit) activation function applied to the output value of the convolution operation to perform smoothly iterative machine learning; The forward propagation and backward propagation processes repeatedly It includes a CNN iterative machine learning unit for modifying the convolution operator while performing; an image matching output unit for matching and outputting features extracted by the iterative machine learning of the CNN iteration machine learning unit.

Description

기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치{Apparatus for Enhancing Contrast and Resolution in a Grating Interferometer by Machine Learning}Device for enhancing sensitivity and resolution in a grating interferometer through machine learning {Apparatus for Enhancing Contrast and Resolution in a Grating Interferometer by Machine Learning}

본 발명은 격자간섭계에 관한 것으로, 구체적으로 기계학습(machine learning)을 통해 격자간섭계에서 영상의 민감도와 공간해상도를 모두 개선시킬 수 있도록 한 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a lattice interferometer, and specifically, an apparatus for improving sensitivity and resolution in a lattice interferometer through machine learning to improve both the sensitivity and spatial resolution of an image in the lattice interferometer through machine learning. It is about.

방사선의 한 종류인 엑스선과 중성자는 물체를 손상시키지 않고 그 내부를 볼 수 있다는 점에서 비파괴 검사에 널리 이용되고 있다.X-rays and neutrons, which are a type of radiation, are widely used in non-destructive testing because they can see the inside of an object without damaging it.

엑스선과 중성자는 물체를 투과하면서 각각 전자와 원자의 핵에 반응하지만, 반응을 통해 감소하는 에너지 차이를 통해 영상화하여 검사한다는 점에 동일한 원리를 사용한다.The same principle is used in that X-rays and neutrons transmit through an object and react to the nuclei of electrons and atoms, respectively, but are imaged and inspected through the energy difference that decreases through the reaction.

일반적으로 비파괴 검사에서 사용되는 방사선 영상은 흡수 영상(absorption imgaing)으로 물체가 가지는 고유한 선형감쇠계수(linear attenuation coefficient)에 따라 선흡수차(absoprtion contrast)를 나타낸다.In general, radiographic images used in non-destructive testing are absorption imgaing and show the absoprtion contrast according to the inherent linear attenuation coefficient of an object.

방사선 영상은 과학의 발전에 따라 다양한 어플리케이션을 통해 발전되었다. Radiation imaging has developed through various applications as science advances.

그 중 방사선에 간섭 원리를 적용시킨 격자 간섭계(grating interferometer)를 이용한 위상차 영상(phase contrast imaging)과 다크필드 영상(dark field imaging)이 있다.Among them, there are phase contrast imaging and dark field imaging using a grating interferometer applying the principle of interference to radiation.

일반적인 엑스선 격자간섭계는 도 1에서와 같이, 선원격자 G0, 위상격자 G1, 그리고 흡수격자 G2의 세 격자가 사용된다.As shown in FIG. 1, a general X-ray grating interferometer uses three gratings: a ray remote grating G0, a phase grating G1, and an absorption grating G2.

수 ㎛간격의 미세한 패턴으로 제작된 격자는 피사체의 위상정보를 획득하기 위하여 각각의 역할을 가진다.Grids made with fine patterns at intervals of several µm have their respective roles to acquire phase information of the subject.

선원격자 G0는 엑스선의 공간 간섭성(spatial coherence)을 개선시키고, G0격자를 투과한 엑스선은 위상격자 G1을 투과하면서 엑스선의 파동성질에 의한 간섭무늬(interference pattern)를 발생시킨다.The ray remote grid G0 improves the spatial coherence of X-rays, and the X-rays transmitted through the G0 grid pass through the phase grid G1 and generate an interference pattern due to the wave nature of the X-rays.

이러한 간섭무늬는 특정한 주기를 가지면서 그 세기가 변하는데, 그 주기에 따른 특정위치에 흡수격자 G2를 위치시키고 격자의 phase stepping과정을 추가적으로 수행하게 되면 일반적인 디텍터로부터 피사체의 위상정보 △Φ를 획득할 수 있다.The intensity of the interference pattern changes while having a specific period. If the absorption grating G2 is placed at a specific location according to the period and the phase stepping process of the grating is additionally performed, the phase information △Φ of the subject can be obtained from a general detector. I can.

이렇게 획득한 △Φ값은 종래의 엑스선 영상에서 획득한 선형 감쇄계수 μ보다 더욱 민감하므로 물질 간 구분능(contrast)을 월등히 개선시킬 수 있다. Since the ΔΦ value obtained in this way is more sensitive than the linear attenuation coefficient μ obtained in the conventional X-ray image, the contrast between substances can be significantly improved.

이와 같은 엑스선 격자간섭계에서 높은 구분능(고민감도)의 영상을 획득하기 위해서는 격자 및 피사체의 위치가 매우 중요하다.In order to obtain an image with high resolution (high sensitivity) in such an X-ray grating interferometer, the location of the grating and the subject is very important.

도 2는 피사체의 위치

Figure 112018078435976-pat00001
에 따른 영상의 민감도 관계를 나타낸 것이다.2 is the location of the subject
Figure 112018078435976-pat00001
It shows the relationship of the sensitivity of the image according to.

도 2에서와 같이, 피사체가 위상격자 G1의 바로 앞, 뒤에 위치할 때 가장 고민감도의 영상을 획득할 수 있으며, 위상격자 G1에서 멀어질수록 선형적으로 민감도가 감소한다.As shown in FIG. 2, when the subject is positioned immediately in front of or behind the phase grid G1, an image with the highest sensitivity can be obtained, and the sensitivity decreases linearly as the object moves away from the phase grid G1.

여기서, 거리

Figure 112018078435976-pat00002
는 격자의 패턴주기, 도금깊이 및 엑스선 에너지 등에 의해 결정되기 때문에 피사체의 위치에 따른 공간해상도를 추가적으로 고려할 수 없다. Where, distance
Figure 112018078435976-pat00002
Since is determined by the grid pattern period, plating depth, and X-ray energy, spatial resolution according to the location of the subject cannot be additionally considered.

도 3a와 도 3b는 피사체의 위치에 따른 공간해상도의 관계를 나타낸 것이다.3A and 3B show the relationship between spatial resolution according to the position of the subject.

피사체가 엑스선원에 가까이 위치할수록 배율이 증가하나 선명도(sharpness)가 떨어지고, 멀어질수록 배율은 감소하지만 선명도(sharpness)는 증가한다.As the subject is positioned closer to the X-ray source, the magnification increases but the sharpness decreases. As the subject increases, the magnification decreases but the sharpness increases.

이러한 관계를 통해 각 시스템의 최고해상도 구간을 결정할 수 있다.Through this relationship, the maximum resolution section of each system can be determined.

이와 같이 격자간섭계의 민감도와 엑스선 영상의 해상도를 결정하는 요인이 서로 독립적이기 때문에 사실상 피사체의 고민감도 및 고해상도를 획득할 수 있는 물리적 구간을 결정하는 것은 불가능하다.As such, since the factors that determine the sensitivity of the grating interferometer and the resolution of the X-ray image are independent of each other, it is virtually impossible to determine a physical section in which high sensitivity and high resolution of a subject can be obtained.

종래 기술의 하나로는 입력 영상과 패턴 영상을 학습시키는 컨볼루션 신경망(CNN: Convolution Neural Network)을 기반으로 하는 컨볼루션 신경망 기반의 영상 패턴화를 이용한 딥러닝 시스템에 관한 기술이 있다.(대한민국 공개특허 제10-2017-0096298호)As one of the prior art, there is a technology related to a deep learning system using image patterning based on a convolutional neural network based on a convolutional neural network (CNN) that learns an input image and a pattern image. No. 10-2017-0096298)

다른 하나로는 미리 정의된 공간 필터를 이용하여 컨벌루션 필터링 하는 컨벌루션 신경망 기반의 표면 영상 처리 방법에 관한 기술이 있다.(대한민국 등록특허 제10-1804840호)The other is a technology related to a surface image processing method based on a convolutional neural network that performs convolutional filtering using a predefined spatial filter (Korean Patent No. 10-1804840).

또 다른 하나로는 복수의 단면영상들 각각의 병변 공간 특징 표현을 기초로 재귀 신경망(Recurrent Neural Network)을 이용하여, 복수의 단면 영상들의 깊이 방향에 따라 복수의 단면영상들 각각의 병변 특징 표현을 추출하는 기술이 있다.(대한민국 공개특허 제10-2018-0021635호)Another option is to extract the lesion feature expression of each of the plurality of cross-sectional images according to the depth direction of the plurality of cross-sectional images by using a recurrent neural network based on the representation of the lesion spatial feature of each of the plurality of cross-sectional images. (Republic of Korea Patent Publication No. 10-2018-0021635)

그러나 이와 같은 종래 기술들은 격자간섭계에서 피사체의 고민감도 및 고해상도를 동시에 획득할 수 있도록 하는 것이 사실상 어렵다.However, with such conventional techniques, it is practically difficult to simultaneously obtain high sensitivity and high resolution of a subject in a grating interferometer.

따라서, 격자간섭계에서 영상의 민감도와 공간해상도를 모두 개선시킬 수 있는 새로운 기술의 개발이 요구되고 있다.Therefore, development of a new technology capable of improving both the sensitivity and spatial resolution of an image in a grating interferometer is required.

대한민국 공개특허 제10-2017-0096298호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2017-0096298 대한민국 등록특허 제10-1804840호Korean Patent Registration No. 10-1804840 대한민국 공개특허 제10-2018-0021635호Republic of Korea Patent Publication No. 10-2018-0021635

본 발명은 이와 같은 종래 기술의 격자간섭계에서의 영상 처리 기술의 문제를 해결하기 위한 것으로, 기계학습(machine learning)을 통해 격자간섭계에서 영상의 민감도와 공간해상도를 모두 개선시킬 수 있도록 한 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the problem of the image processing technology in the conventional lattice interferometer, and machine learning in which both the sensitivity and spatial resolution of the image in the lattice interferometer can be improved through machine learning. It is an object of the present invention to provide an apparatus for improving sensitivity and resolution in a grating interferometer.

본 발명은 합성곱 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)을 이용하여 격자간섭계 시스템에서 피사체의 다양한 위치에서의 영상으로 고민감도, 고해상도를 가진 영상정보를 추출할 수 있도록 한 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention uses a convolutional neural network (CNN) to extract image information with high sensitivity and high resolution into images at various locations of a subject in a grid interferometer system. An object thereof is to provide an apparatus for improving sensitivity and resolution.

본 발명은 위상차 영상의 민감도와 해상도를 합성곱 신경망을 이용하여 개선하여 높은 품질의 의료영상을 제공할 수 있도록 한 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention provides an apparatus for improving the sensitivity and resolution of a phase difference image in a lattice interferometer through machine learning to provide a high-quality medical image by improving the sensitivity and resolution of a phase difference image using a convolutional neural network. have.

본 발명은 위상차 영상의 민감도와 해상도를 합성곱 신경망을 이용하여 개선할 수 있도록 하여 엑스선, 중성자 영상분야를 넘어 기타 의료영상 시스템으로의 적용가능성을 높이고, 새로운 의료기기 시장을 개척할 수 있도록 한 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention enables the sensitivity and resolution of phase difference images to be improved using a convolutional neural network to increase the applicability to other medical imaging systems beyond the X-ray and neutron imaging fields, and to pioneer a new medical device market. Its purpose is to provide a device for improving sensitivity and resolution in a grating interferometer through learning.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치는 대칭형 격자간섭계로부터 샘플의 위치를 선형이동 시킴으로써 고해상도 영상과 고민감도 영상을 획득하는 격자간섭계 영상획득부;기계학습을 수행하기 위한 수치팬텀을 생성하는 수치팬텀생성부;합성곱 신경망의 연산과정을 수행하여 입력데이터로부터 특징을 추출하는 합성곱 계층 생성부;ReLu(Rectified linear unit)활성화 함수를 합성곱 연산의 출력값에 적용하여 원활한 반복 기계학습을 수행할 수 있는 활성화 함수 적용 연산부;Forward propagation 및 backward propagation과정을 반복적으로 수행하면서 합성곱 연산인자를 수정하는CNN 반복 기계 학습부;CNN 반복 기계 학습부의 반복 기계 학습으로 추출된 특징들을 정합하여 출력하는 영상 정합 출력부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.The apparatus for improving sensitivity and resolution in a grating interferometer through machine learning according to the present invention to achieve this object is a grating interferometer image that obtains a high-resolution image and a high-sensitivity image by linearly moving the position of a sample from a symmetrical grating interferometer. Acquisition unit; Numerical phantom generation unit for generating a numerical phantom for performing machine learning; Convolutional layer generation unit for extracting features from input data by performing a computational process of a convolutional neural network; ReLu (rectified linear unit) activation function Activation function applying operation unit that can perform seamless iterative machine learning by applying to the output value of the convolution operation; CNN iterative machine learning unit that modifies the convolution operator while repeatedly performing forward propagation and backward propagation processes; CNN iterative machine learning And an image matching output unit for matching and outputting features extracted by negative repetition machine learning.

여기서, 격자간섭계 영상획득부는, 대칭형의 격자간섭계를 설치하여 피사체의 위치를 선형이동 시킴으로써 고민감도의 영상과 고해상도의 영상 한 쌍을 획득하며 각 영상의 상이한 배율을 맞추기 위한 영상크기 재배열 과정을 수행하는 것을 특징으로 한다.Here, the grating interferometer image acquisition unit acquires a pair of high-sensitivity and high-resolution images by installing a symmetrical grating interferometer to linearly move the location of the subject, and performs an image size rearrangement process to match different magnifications of each image. Characterized in that.

그리고 수치팬텀 생성부는, 획득한 위상차 영상의 해상도,민감도 및 영상잡음(noise)을 측정하여 이와 동일한 수준의 영상을 수치적 시뮬레이션으로 구현하며, 높은 정확도를 위해 복수 개의 수치팬텀을 생성시키는 것을 특징으로 한다.In addition, the numerical phantom generator measures the resolution, sensitivity, and image noise of the acquired phase difference image and implements an image of the same level as a numerical simulation, and generates a plurality of numerical phantoms for high accuracy. do.

그리고 합성곱 계층 생성부는, 입력 데이터를 합성곱(convolution)하기 위하여 합성곱 연산인자인 필터(filter)를 생성하며 필터의 가로, 세로 크기는 입력데이터보다 작고 필터의 개수는 32개 또는 그 이상이 되도록 하는 것을 특징으로 한다.In addition, the convolutional layer generator generates a filter, which is a convolution operation factor, in order to convolution the input data, and the width and height of the filter are smaller than the input data and the number of filters is 32 or more. It is characterized by being able to.

그리고 합성곱 계층 생성부에서의 입력 데이터와 필터의 합성곱 연산에서, 합성곱 연산의 결과가 입력영상의 가로 및 세로크기를 동일하게 유지하기 위하여 zero padding, 이동간격(stride), 생성한 필터 크기를 설정하고, 출력데이터의 크기는,

Figure 112018078435976-pat00003
으로 이루어지고, 여기서, (Co,Ro)는 출력데이터의 크기(C=column, R=row), (Ci,Ri)는 입력데이터의 크기, S는 스트라이드, P는 zero-padding, 그리고 (Cf,Rf)는 필터의 크기인 것을 특징으로 한다.And in the convolution operation of the input data and the filter in the convolutional layer generator, the result of the convolution operation is zero padding, the stride, and the generated filter size to keep the horizontal and vertical dimensions of the input image the same. And the size of the output data is,
Figure 112018078435976-pat00003
Where (C o ,R o ) is the size of the output data (C=column, R=row), (C i ,R i ) is the size of the input data, S is the stride, and P is the zero-padding , And (C f ,R f ) are the size of the filter.

그리고 합성곱 계층 생성부에서의 입력 데이터와 필터의 합성곱 연산에서, 입력데이터의 가장자리 정보들이 사라지는 문제를 해결하기 위하여 zero padding을 수행하고, 합성곱 연산은 필터를 입력데이터 내에서 이동할 때 이동간격을 1(stride=1)로 잡아 출력데이터의 크기를 입력값과 동일한 크기로 맞추는 것을 특징으로 한다.And in the convolution operation of the input data and the filter in the convolutional layer generator, zero padding is performed to solve the problem that edge information of the input data disappears, and the convolution operation is the movement interval when the filter is moved within the input data. It is characterized in that the size of the output data is set to the same size as the input value by setting is 1 (stride=1).

그리고 활성화 함수 적용 연산부는, 각 합성곱 계층의 연산으로부터 계산된 출력값에 ReLu 함수를 적용하여 이 후수행되는 반복 기계 학습 시 발생할 수 있는 오차를 줄이는 것을 특징으로 한다.In addition, the activation function application operation unit is characterized in that the ReLu function is applied to an output value calculated from an operation of each convolutional layer, thereby reducing an error that may occur during the iterative machine learning performed thereafter.

그리고 CNN 반복 기계 학습부에서, forward propagation은 시뮬레이션으로 생성한 입력데이터와 합성곱 연산인자와의 합성곱 연산을 통해 최종적으로 손실함수(cost function)의 손실값을 산출하는 것이고, back propagation은 손실값을 최소화하기 위해서 forward propagation 연산의 역방향으로 합성곱 연산인자를 편미분 함으로써 weight 및 bias 수정을 하는 것을 특징으로 한다.And in the CNN iterative machine learning unit, forward propagation is to finally calculate the loss value of the cost function through the convolution operation between the input data generated by the simulation and the convolution operator, and the back propagation is the loss value. In order to minimize the value, weight and bias are corrected by partial differentiation of the convolution operator in the reverse direction of the forward propagation operation.

그리고 CNN 반복 기계 학습부는, 입력영상으로부터 수행된 합성곱 연산의 결과값과 참값(ground truth)의 차이를 평균 제곱법을 통해 축소시키는 cost function을 생성하고, 생성된 cost function이 줄어드는 방향으로 forward propagation 및 backward propagation 과정을 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the CNN iterative machine learning unit generates a cost function that reduces the difference between the result of the convolution operation performed on the input image and the ground truth through the mean square method, and forward propagation in the direction in which the generated cost function decreases. And the backward propagation process is repeatedly performed.

이와 같은 본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치는 다음과 같은 효과를 갖는다.The apparatus for improving sensitivity and resolution in a grating interferometer through machine learning according to the present invention has the following effects.

첫째, 기계학습(machine learning)을 통해 격자간섭계에서 영상의 민감도와 공간해상도를 모두 개선시킬 수 있도록 한다.First, it is possible to improve both the sensitivity and spatial resolution of the image in the lattice interferometer through machine learning.

둘째, 합성곱 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)을 이용하여 격자간섭계 시스템에서 피사체의 다양한 위치에서의 영상으로 고민감도, 고해상도를 가진 영상정보를 추출할 수 있다.Second, by using a convolutional neural network (CNN), it is possible to extract image information with high sensitivity and high resolution from images at various locations of a subject in a grid interferometer system.

셋째, 위상차 영상의 민감도와 해상도를 합성곱 신경망을 이용하여 개선하여 높은 품질의 의료영상을 제공할 수 있다.Third, high quality medical images can be provided by improving the sensitivity and resolution of the phase difference image using a convolutional neural network.

넷째, 위상차 영상의 민감도와 해상도를 합성곱 신경망을 이용하여 개선할 수 있도록 하여 엑스선, 중성자 영상분야를 넘어 기타 의료영상 시스템으로의 적용가능성을 높이고, 새로운 의료기기 시장을 개척할 수 있도록 한다.Fourth, the sensitivity and resolution of the phase difference image can be improved using a convolutional neural network to increase the applicability to other medical imaging systems beyond X-ray and neutron imaging fields, and to pioneer a new medical device market.

도 1은 일반적인 엑스선 격자간섭계 구성도
도 2는 피사체의 위치

Figure 112018078435976-pat00004
에 따른 영상의 민감도 관계를 나타낸 구성도
도 3a와 도 3b는 피사체의 위치에 따른 공간해상도의 관계를 나타낸 구성도
도 4는 엑스선 격자간섭계에서 민감도와 해상도의 관계를 나타낸 구성도
도 5는 본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치의 구성도
도 6은 합성곱 신경망(CNN)의 동작 메커니즘을 나타낸 구성도
도 7은 합성곱 연산과정을 나타낸 구성도
도 8a와 도 8b는 반복 기계학습을 위한 forward propagation 및 backward propagation 연산과정을 나타낸 구성도
도 9는 본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 방법을 나타낸 플로우 차트
도 10a와 도 10b는 본 발명에 따른 본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 구성도1 is a configuration diagram of a general X-ray grating interferometer
2 is the location of the subject
Figure 112018078435976-pat00004
Diagram showing the relationship of sensitivity of images according to
3A and 3B are configuration diagrams showing the relationship between spatial resolution according to the location of a subject
4 is a block diagram showing a relationship between sensitivity and resolution in an X-ray grating interferometer
5 is a block diagram of an apparatus for improving sensitivity and resolution in a grating interferometer through machine learning according to the present invention
6 is a block diagram showing an operation mechanism of a convolutional neural network (CNN)
7 is a block diagram showing a convolutional operation process
8A and 8B are configuration diagrams showing a forward propagation and backward propagation calculation process for iterative machine learning
9 is a flow chart showing a method for improving sensitivity and resolution in a lattice interferometer through machine learning according to the present invention.
10A and 10B are configuration diagrams showing simulation results of a device for improving sensitivity and resolution in a lattice interferometer through machine learning according to the present invention according to the present invention.

이하, 본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of an apparatus for improving sensitivity and resolution in a lattice interferometer through machine learning according to the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.Features and advantages of an apparatus for improving sensitivity and resolution in a lattice interferometer through machine learning according to the present invention will become apparent through detailed description of each embodiment below.

도 2와 도 4는 엑스선 격자간섭계에서 민감도와 해상도의 관계를 나타낸 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치의 구성도이다.2 and 4 are configuration diagrams showing a relationship between sensitivity and resolution in an X-ray grating interferometer, and FIG. 5 is a configuration diagram of an apparatus for improving sensitivity and resolution in a grating interferometer through machine learning according to the present invention.

본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치 및 방법은 대칭형 격자간섭계로부터 도 2에서와같이 고민감도의 영상과 고해상도의 영상을 모두 획득하고, 기계학습(machine learning)을 통해 저하된 민감도와 해상도를 모두 개선시킬 수 있도록 한 것이다.The apparatus and method for improving the sensitivity and resolution in a grating interferometer through machine learning according to the present invention acquires both a high-sensitivity image and a high-resolution image as shown in FIG. 2 from a symmetric grating interferometer, and machine learning. Through this, both the reduced sensitivity and resolution can be improved.

기계학습은 사람이 학습모델을 제공하면 컴퓨터가 축적된 데이터를 바탕으로 영상의 특징을 종합해 답을 이끌어 내는 기술이다.Machine learning is a technology in which a person provides a learning model and a computer synthesizes the features of an image based on accumulated data to derive an answer.

본 발명에서는 여러 기계학습 알고리즘 중 인공신경망의 한 종류인 합성곱 신경망(Convolutional Neural Network, CNN)을 적용할 수 있고, 이로 제한되지 않는다.In the present invention, a convolutional neural network (CNN), which is a kind of artificial neural network among several machine learning algorithms, can be applied, but is not limited thereto.

CNN은 이미지를 이해하고 이로부터 높은 수준의 추상화된 정보를 추출하거나, 새로운 질감을 가진 그림을 그리는 등 다양한 영상처리, 컴퓨터 비전 분야에서 많이 연구되고 있다.CNN is being studied in various image processing and computer vision fields such as understanding images and extracting high-level abstracted information from them or drawing pictures with new textures.

이렇게 추상적인 정보를 추출할 수 있는 능력을 기반으로 격자간섭계 시스템에서 피사체의 다양한 위치에서의 영상으로 고민감도, 고해상도를 가진 영상정보를 추출해 낼 수 있도록 하기 위한 것이다.Based on the ability to extract abstract information, the grid interferometer system is intended to extract image information with high sensitivity and high resolution from images at various locations of the subject.

도 4는 엑스선 격자간섭계에서 민감도와 해상도의 관계를 나타낸 구성도이다.4 is a block diagram showing a relationship between sensitivity and resolution in an X-ray grating interferometer.

본 발명에 적용되는 합성곱 신경망의 동작 메커니즘은 도 5에서와 같다.The operation mechanism of the convolutional neural network applied to the present invention is as shown in FIG. 5.

기계학습에 사용되는 입력 데이터는 3차원 행렬(영상의 가로, 영상의 세로, 피사체의 위치 별 영상의 개수)의 형태로 배열된다.The input data used for machine learning is arranged in the form of a three-dimensional matrix (the number of images per image horizontal, vertical image, and subject position).

이러한 3차원 행렬은 합성곱 연산인자(filter)와의 합성곱(convolution)연산을 수행한 후, ReLU(Rectifier linear unit) 함수를 적용하여 연산 결과값의 비선형성 관계를 추출한다.This 3D matrix performs a convolution operation with a convolution operator, and then extracts a nonlinear relationship between the result of the operation by applying a ReLU (rectifier linear unit) function.

합성곱연산과정에서 피사체의 위치 별 영상의 개수에 해당하는 3차원 값을 통합하여 고민감도, 고해상도 정보를 모두 추출하면서 깊이를 1로 설정한다.In the convolutional process, 3D values corresponding to the number of images for each location of the subject are integrated to extract all high-sensitivity and high-resolution information, and the depth is set to 1.

더불어, 영상의 가로 및 세로의 크기는 일정하게 유지시키는 방향으로 합성곱 계층을 생성한다.In addition, a convolutional layer is created in a direction in which the horizontal and vertical dimensions of the image are kept constant.

시뮬레이션으로 구현한 수치팬텀을 입력 데이터로 하여 합성곱 계층에서 반복적인 합성곱 연산을 수행하면 합성곱 신경망이 생성된다.A convolutional neural network is created by repeatedly performing a convolution operation in a convolutional layer using a numerical phantom implemented by simulation as input data.

반복 기계 학습을 통해 생성된 합성곱 신경망은 격자간섭계로부터 획득한 피사체의 위치 별 위상차 영상의 특징을 추출하여 고민감도와 고해상도를 가지는 결과영상을 생성한다.The convolutional neural network generated through iterative machine learning extracts the features of the phase difference image for each position of the subject acquired from the lattice interferometer to generate a result image with high sensitivity and high resolution.

구체적으로 본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치는 도 5에서와 같이, 격자간섭계로부터피사체의 위치 별 영상을 획득하는 격자간섭계 영상획득부(10)와, 시뮬레이션을 통해 실제 실험영상과 유사한 수치팬텀을 추가로 생성하는 수치팬텀생성부(20)와, 합성곱 신경망을 구축하기 위한 합성곱 계층 생성부(30)와, ReLu(Rectified linear unit) 활성화 함수를 합성곱 연산결과에 적용하여 효율적인 반복학습을 수행하는 활성화 함수 적용 연산부(40)와, 생성된 합성곱 계층 및 활성화 함수 적용부를 forward propagation 및 backward propagation과정을 반복적으로 수행함으로써 합성곱 신경망을 완성시키는 CNN 반복 기계 학습부(50)와, CNN 반복 기계 학습부(50)의 반복 기계 학습으로 추출된 특징들을 정합하여 출력하는 영상 정합 출력부(60)를 포함한다.Specifically, the apparatus for improving sensitivity and resolution in a grating interferometer through machine learning according to the present invention includes a grating interferometer image acquisition unit 10 that acquires an image for each position of a subject from the grating interferometer, as shown in FIG. A numerical phantom generator 20 that additionally generates a numerical phantom similar to the actual experimental image, a convolutional layer generator 30 for constructing a convolutional neural network, and a ReLu (rectified linear unit) activation function are synthesized. CNN repetition to complete the convolutional neural network by repeatedly performing the forward propagation and backward propagation processes of the activation function application operation unit 40 that applies to the product operation result and performs efficient iterative learning, and the generated convolutional layer and activation function application unit It includes a machine learning unit 50 and an image matching output unit 60 for matching and outputting features extracted by the iterative machine learning of the CNN repetition machine learning unit 50.

여기서, forward propagation은 수치적 시뮬레이션을 통해 생성된 입력영상의 크기가 유지되는 방향으로 합성곱 신경망을 구축하여 합성곱(convolution) 연산을 수행하는 것으로, 수 차례의 합성곱 연산을 거쳐 발생되는 결과값들은 참조값(ground-truth)과 평균 제곱 오차법을 통해 비교하는 과정을 거친 후,손실 값을 산출하기 위한 과정이다.Here, forward propagation is a convolution operation by constructing a convolutional neural network in a direction in which the size of the input image generated through numerical simulation is maintained, and the result value generated through several convolution operations. Are a process for calculating a loss value after a process of comparing through a reference value (ground-truth) and a mean squared error method.

그리고 back propagation은 산출된 에러 값들을 축소시키기 위하여 연산의 진행방향을 역으로 수행함으로써 합성곱 인자인 weight 및 bias 수정을 하는 것으로, forward propagation 및 back propagation 과정을 여러 차례 반복 수행함으로써 이상적인 weight 및 bias를 추론할 수 있도록 하는 것이다.In addition, back propagation is the correction of weights and biases, which are convolutional factors, by performing the operation direction in reverse to reduce the calculated error values. Ideal weights and biases are achieved by repeating the forward propagation and back propagation processes several times. It is to be able to reason.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치에서 기계학습 알고리즘을 엑스선 격자간섭계에 적용하여 고민감도, 고해상도의 영상을 유도하는 기술은 단계별로 구분하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.In the apparatus for improving sensitivity and resolution in a grating interferometer through machine learning according to the present invention having such a configuration, a technique for inducing a high-sensitivity and high-resolution image by applying a machine learning algorithm to an X-ray grating interferometer is divided into stages. Specifically, it is as follows.

도 6은 합성곱 신경망(CNN)의 동작 메커니즘을 나타낸 구성도이고, 도 7은 합성곱 연산과정을 나타낸 구성도이다.6 is a block diagram showing an operation mechanism of a convolutional neural network (CNN), and FIG. 7 is a block diagram showing a convolutional operation process.

먼저, 격자간섭계 영상획득부(10)는 대칭형 격자간섭계로부터 피사체의 위치를 검출기에 가깝게 위치시킨 고해상도 및 저민감도의 영상획득과 피사체의 위치를 위상격자(G1)에 가깝게 위치시킨 고민감도 및 저해상도의 영상을 획득하는 방법이다.First, the grating interferometer image acquisition unit 10 acquires high-resolution and low-sensitivity images in which the location of the subject is located close to the detector from the symmetrical grating interferometer. This is how to acquire an image.

획득한 영상으로부터 각 영상의 민감도,영상잡음(noise) 및 해상도 정보를 측정하고,이러한 정보를 수치적 시뮬레이션으로 구현하는 수치팬텀생성부(20)에는 민감도 및 해상도 별 영상과 참조영상 (피사체의 형상정보 및 민감도 정보를 알고 있는 샘플, ground-truth)을 제작하는 과정을 포함한다.The numerical phantom generator 20, which measures the sensitivity, image noise, and resolution information of each image from the acquired image, and implements this information as a numerical simulation, includes images and reference images according to sensitivity and resolution (the shape of the subject). It includes the process of creating a sample, ground-truth) that knows information and sensitivity information.

보다 정확한 기계학습을 위해 다양한 형태의 샘플들을 수만개 이상 생성시킨다.For more accurate machine learning, tens of thousands of samples of various types are generated.

그리고 합성곱 계층 생성부(30)는 입력 데이터를 합성곱(convolution)하기 위하여 여러 개의 필터(filter)를 생성하며, 한 개의 합성곱 계층에서 생성하는 필터의 가로, 세로 크기는 입력데이터보다 작고 필터의 개수는 32개 혹은 그 이상이 되도록 한다.In addition, the convolutional layer generation unit 30 generates several filters to convolution the input data, and the horizontal and vertical sizes of the filters generated in one convolutional layer are smaller than the input data. Make sure that the number of is 32 or more.

생성되는 합성곱 계층의 개수는 3개 혹은 그 이상이 되도록 하며 생성된 합성곱 계층의 개수가 많을수록 기계학습의 정확도가 올라간다.The number of generated convolutional layers is 3 or more, and the accuracy of machine learning increases as the number of generated convolutional layers increases.

도 7은 입력 데이터와 필터의 합성곱 연산에 대한 과정을 도식적으로 나타낸 것이다.7 schematically shows a process for a convolution operation between input data and a filter.

일반적으로 합성곱 신경망의 연산과정은 입력 데이터의 크기를 줄이는 것이므로 도 7의 zero padding을 수행하지 않을 경우 입력데이터의 가장자리 정보들이 사라지는 문제가 발생하므로 zero padding을 수행한다.In general, since the operation of the convolutional neural network is to reduce the size of the input data, if zero padding of FIG. 7 is not performed, edge information of the input data disappears, so zero padding is performed.

합성곱 연산은 필터를 입력데이터 내에서 이동할 때 이동간격을 1(stride=1)로 잡아 출력데이터의 크기를 입력값과 동일한 크기로 맞춘다.In the convolution operation, when the filter is moved within the input data, the movement interval is set to 1 (stride = 1), and the size of the output data is adjusted to the same size as the input value.

수학식 1을 통해서 출력데이터의 크기를 계산할 수 있다.The size of the output data can be calculated through Equation 1.

Figure 112018078435976-pat00005
Figure 112018078435976-pat00005

여기서, (Co,Ro)는 출력데이터의 크기(C=column, R=row), (Ci,Ri)는 입력데이터의 크기, S는 스트라이드, P는 zero-padding, 그리고 (Cf,Rf)는 필터의 크기이다.Here, (C o ,R o ) is the size of the output data (C=column, R=row), (C i ,R i ) is the size of the input data, S is the stride, P is the zero-padding, and (C f , R f ) is the size of the filter.

영상정합을 위한 합성곱연산은 연산과정에서 입력 데이터의 크기가 동일하게 유지되어야 하므로, 수학식 1을 통해 적절한 zero padding, stride 및 필터의 크기를 설정하도록 한다.In the convolution operation for image matching, since the size of the input data must be kept the same during the operation process, appropriate zero padding, stride, and filter sizes are set through Equation 1.

그리고 활성화 함수 적용 연산부(40)는 ReLu(Rectified linear unit) 활성화 함수적용 연산을 하는 것으로, Relu함수의 정의에 따라 합성곱 연산의 결과값이 0보다 큰 경우 결과값 그대로 출력하고 0보다 작은 경우 0을 출력한다.In addition, the activation function application operation unit 40 performs a ReLu (rectified linear unit) activation function application operation. If the result value of the convolution operation is greater than 0 according to the definition of the Relu function, the result value is output as it is, and if it is less than 0, the result value is 0. Prints.

도 8a는 CNN 반복 기계학습을 위한 forward propagation 계산식을 나타내고 최종적으로 손실값c를 산출한다.8A shows a forward propagation calculation equation for CNN iterative machine learning, and finally a loss value c is calculated.

도 8b는 CNN 반복 기계학습을 위한 backward propagation 계산식을 나타내고 합성곱 연산인자인 weight를 수정하기 위하여 forward propagation의 계산식에 편미분을 취하여 그래디언트를 산출하는 과정을 나타낸다.8B shows a backward propagation calculation formula for CNN iterative machine learning, and shows a process of calculating a gradient by taking a partial derivative to a calculation formula of forward propagation in order to correct the weight, which is a convolution operation factor.

그리고 CNN 반복 기계 학습부(50)는 반복적인 forward propagation 및 backward propagation 연산과정을 통해 평균 제곱 오차법을 통해 산출된 손실함수(cost function)의 손실값을 최소가 되도록 하는 것이다.In addition, the CNN iterative machine learning unit 50 minimizes the loss value of the cost function calculated through the mean squared error method through repetitive forward propagation and backward propagation calculation processes.

CNN 반복 기계 학습부(50)를 통해서 격자간섭계 영상의 고해상도,고민감도 영상을 정합할 수 있는 CNN 신경망이 구축되고, 격자간섭계 영상획득부(10)에서 획득한 실제 의료영상을 CNN 신경망에 적용함으로써 최종적으로 얻고자 하는 고해상도,고민감도 영상을 획득할 수 있다.The CNN neural network that can match the high-resolution and high-sensitivity images of the interfering system images is constructed through the CNN repetition machine learning unit 50, and the actual medical images acquired from the interfering system image acquisition unit 10 are applied to the CNN neural network You can acquire the high-resolution, high-sensitivity image you want to finally get.

본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.A method for improving sensitivity and resolution in a lattice interferometer through machine learning according to the present invention will be described in detail as follows.

도 9는 본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 방법을 나타낸 플로우 차트이다.9 is a flow chart showing a method for improving sensitivity and resolution in a lattice interferometer through machine learning according to the present invention.

본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 방법은 도 9에서와 같이, 대칭형 격자간섭계로부터 샘플의 위치를 선형이동 시킴으로써 고해상도 영상과 고민감도 영상을 획득한다.(S901)In the method for improving sensitivity and resolution in a grating interferometer through machine learning according to the present invention, a high-resolution image and a high-sensitivity image are obtained by linearly moving the position of a sample from a symmetrical grating interferometer as shown in FIG. 9 (S901).

(S901)에서 획득한 위상차 영상을 통해 영상의 해상도,민감도 및 영상잡음(noise)을 측정하여 시뮬레이션을 통해 이와 유사한 수치팬텀을 생성한다.(S902)A similar numerical phantom is generated through simulation by measuring the resolution, sensitivity, and image noise of the image through the phase difference image acquired in (S901). (S902)

그리고 입력데이터를 합성곱(convolution)하기 위하여 다양한 weight 및 bias로 이루어진 필터(filter)를 생성함으로써 합성곱 계층을 생성한다.In addition, a convolution layer is created by generating a filter composed of various weights and biases in order to convolution the input data.

합성곱 연산과정에서 입력데이터의 가로 및 세로 크기가 동일하게 출력 되도록 필터크기, zero padding 및 stride값을 적절하게 설정한다.(S903)During the convolution operation, the filter size, zero padding, and stride values are appropriately set so that the horizontal and vertical sizes of the input data are output identically (S903).

그리고 ReLu 함수를 적용하여 입력데이터의 합성곱 연산결과값을 활성화 시킨다.(S904)And by applying the ReLu function, the result of the convolution operation of the input data is activated (S904).

여러 개의 합성곱 계층과 ReLu 활성화 함수의 연속적인 배치를 통해 forward propagation 및 backward propagation 연산과정을 반복적으로 수행하여 합성곱 연산인자인 weight 및 bias를 수정한다.(S905)Forward propagation and backward propagation operations are repeatedly performed through the successive arrangement of multiple convolutional layers and ReLu activation functions to correct weight and bias, which are convolutional factors (S905).

이어, 합성곱 연산의 반복수행으로 합성곱 신경망을 완성하고 (S901)에서 획득한 위상차 영상을 합성곱 신경망에 적용시킴으로써 최종적으로 고민감도 고해상도의 영상 출력을 한다.(S906)Subsequently, the convolutional neural network is completed by repeating the convolutional operation, and the phase difference image obtained in (S901) is applied to the convolutional neural network, thereby finally outputting a high-sensitivity, high-resolution image (S906).

이상에서 설명한 본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치 및 방법은 대칭형 격자간섭계로부터 피사체의 위치를 선형이동 시킴으로써 고민감도의 영상과 고해상도의 영상을 획득하는 방법과 여기서 획득한 영상에서 발생하는 해상도 및 민감도 저하의 문제를 합성곱신경망(Convolutional Neural Network, CNN)을 이용하여 보완하는 것을 포함한다.The apparatus and method for improving sensitivity and resolution in a grating interferometer through machine learning according to the present invention described above include a method of obtaining a high-sensitivity image and a high-resolution image by linearly moving the position of a subject from a symmetric grating interferometer, and here It includes supplementing the problem of resolution and sensitivity reduction occurring in the acquired image using a convolutional neural network (CNN).

이와 같은 본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치 및 방법의 시뮬레이션 결과를 보면, 위상차 영상의 민감도와 해상도를 합성곱 신경망을 이용하여 개선하여 높은 품질의 의료영상을 제공할 수 있음을 확인할 수 있다.Looking at the simulation results of the apparatus and method for improving the sensitivity and resolution in the grating interferometer through machine learning according to the present invention, the sensitivity and resolution of the phase difference image are improved using a convolutional neural network to produce high quality medical images. You can see that it can be provided.

도 10a 내지 도 10b는 본 발명에 따른 본 발명에 따른 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치의 시뮬레이션 결과를 나타낸 구성도이다.10A to 10B are configuration diagrams showing simulation results of an apparatus for improving sensitivity and resolution in a lattice interferometer through machine learning according to the present invention.

이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.As described above, it will be understood that the present invention is implemented in a modified form without departing from the essential characteristics of the present invention.

그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.Therefore, the specified embodiments should be considered from a descriptive point of view rather than a limiting point of view, and the scope of the present invention is shown in the claims rather than the above description, and all differences within the scope equivalent thereto are included in the present invention. It will have to be interpreted.

10. 격자간섭계 영상획득부 20. 수치팬텀 생성부
30. 합성곱 계층 생성부 40. 활성화 함수 적용 연산부
50. CNN 반복 기계 학습부 60. 영상 정합 출력부
10. Grating interferometer image acquisition unit 20. Numerical phantom generation unit
30. Convolutional layer generation unit 40. Activation function application operation unit
50. CNN iteration machine learning unit 60. Image matching output unit

Claims (9)

대칭형 격자간섭계로부터 샘플의 위치를 선형이동 시킴으로써 고해상도 영상과 고민감도 영상을 획득하는 격자간섭계 영상획득부;
기계학습을 수행하기 위한 수치팬텀을 생성하는 수치팬텀생성부;
합성곱 신경망의 연산과정을 수행하여 입력데이터로부터 특징을 추출하는 합성곱 계층 생성부;
ReLu(Rectified linear unit)활성화 함수를 합성곱 연산의 출력값에 적용하여 원활한 반복 기계학습을 수행할 수 있는 활성화 함수 적용 연산부;
Forward propagation 및 backward propagation과정을 반복적으로 수행하면서 합성곱 연산인자를 수정하는 CNN 반복 기계 학습부;
CNN 반복 기계 학습부의 반복 기계 학습으로 추출된 특징들을 정합하여 출력하는 영상 정합 출력부;를 포함하고,
상기 수치팬텀 생성부는, 획득한 위상차 영상의 해상도,민감도 및 영상잡음(noise)을 측정하여 이와 동일한 수준의 영상을 수치적 시뮬레이션으로 구현하며, 높은 정확도를 위해 복수 개의 수치팬텀을 생성시키는 것을 특징으로 하는 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치.
A grating interferometer image acquisition unit that obtains a high-resolution image and a high-sensitivity image by linearly moving the position of the sample from the symmetric grating interferometer;
A numerical phantom generator for generating a numerical phantom for performing machine learning;
A convolutional layer generator for extracting features from input data by performing an operation of the convolutional neural network;
An activation function application operation unit capable of performing seamless repetitive machine learning by applying a ReLu (Rectified linear unit) activation function to an output value of a convolution operation;
A CNN iterative machine learning unit that modifies a convolution operator while repeatedly performing forward propagation and backward propagation processes;
Including; an image matching output unit for matching and outputting the features extracted by the iterative machine learning of the CNN iteration machine learning unit,
The numerical phantom generator measures the resolution, sensitivity, and image noise of the acquired phase difference image to implement an image of the same level as a numerical simulation, and generates a plurality of numerical phantoms for high accuracy. A device for improving sensitivity and resolution in grating interferometers through machine learning.
제 1 항에 있어서, 격자간섭계 영상획득부는,
대칭형의 격자간섭계를 설치하여 피사체의 위치를 선형이동 시킴으로써 고민감도의 영상과 고해상도의 영상 한 쌍을 획득하며 각 영상의 상이한 배율을 맞추기 위한 영상크기 재배열 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치.
The method of claim 1, wherein the grid interferometer image acquisition unit,
Machine learning, characterized in that a symmetrical lattice interferometer is installed to linearly move the position of the subject to obtain a pair of high-sensitivity images and high-resolution images, and to rearrange image sizes to match different magnifications of each image. Device for improving sensitivity and resolution in grating interferometer through
삭제delete 제 1 항에 있어서, 합성곱 계층 생성부는,
입력 데이터를 합성곱(convolution)하기 위하여 합성곱 연산인자인 필터(filter)를 생성하며 필터의 가로, 세로 크기는 입력데이터보다 작고 필터의 개수는 32개 또는 그 이상이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치.
The method of claim 1, wherein the convolutional layer generation unit,
A machine characterized in that a filter, which is a convolution operation factor, is created to convolution of input data, and the width and height of the filter are smaller than the input data and the number of filters is 32 or more. A device for improving sensitivity and resolution in a grating interferometer through learning.
제 1 항에 있어서, 합성곱 계층 생성부에서의 입력 데이터와 필터의 합성곱 연산에서,
합성곱 연산의 결과가 입력영상의 가로 및 세로크기를 동일하게 유지하기 위하여 zero padding, 이동간격(stride), 생성한 필터 크기를 설정하고,
출력데이터의 크기는,
Figure 112018078435976-pat00006
으로 이루어지고,
여기서, (Co,Ro)는 출력데이터의 크기(C=column, R=row), (Ci,Ri)는 입력데이터의 크기, S는 스트라이드, P는 zero-padding, 그리고 (Cf,Rf)는 필터의 크기인 것을 특징으로 하는 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치.
The method of claim 1, wherein in the convolution operation of the input data and the filter in the convolutional layer generator,
In order for the result of the convolution operation to maintain the same horizontal and vertical size of the input image, zero padding, stride, and generated filter size are set,
The size of the output data is,
Figure 112018078435976-pat00006
Is made of,
Here, (C o ,R o ) is the size of the output data (C=column, R=row), (C i ,R i ) is the size of the input data, S is the stride, P is the zero-padding, and (C An apparatus for improving sensitivity and resolution in a lattice interferometer through machine learning, characterized in that f , R f ) is the size of a filter.
제 1 항에 있어서, 합성곱 계층 생성부에서의 입력 데이터와 필터의 합성곱 연산에서,
입력데이터의 가장자리 정보들이 사라지는 문제를 해결하기 위하여 zero padding을 수행하고,
합성곱 연산은 필터를 입력데이터 내에서 이동할 때 이동간격을 1(stride=1)로 잡아 출력데이터의 크기를 입력값과 동일한 크기로 맞추는 것을 특징으로 하는 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치.
The method of claim 1, wherein in the convolution operation of the input data and the filter in the convolutional layer generator,
Perform zero padding to solve the problem of disappearing edge information of input data,
Convolution operation is characterized in that when the filter is moved within the input data, the movement interval is set to 1 (stride = 1) and the size of the output data is adjusted to the same size as the input value, and the sensitivity and resolution in a lattice interferometer through machine learning. Device for improvement.
제 1 항에 있어서, 활성화 함수 적용 연산부는,
각 합성곱 계층의 연산으로부터 계산된 출력값에 ReLu 함수를 적용하여 이 후수행되는 반복 기계 학습 시 발생할 수 있는 오차를 줄이는 것을 특징으로 하는 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치.
The method of claim 1, wherein the activation function application operation unit,
An apparatus for improving sensitivity and resolution in a lattice interferometer through machine learning, characterized in that a ReLu function is applied to an output value calculated from an operation of each convolutional layer to reduce an error that may occur during subsequent iterative machine learning.
제 1 항에 있어서, CNN 반복 기계 학습부에서,
forward propagation은 시뮬레이션으로 생성한 입력데이터와 합성곱 연산인자와의 합성곱 연산을 통해 최종적으로 손실함수(cost function)의 손실값을 산출하는 것이고,
back propagation은 손실값을 최소화하기 위해서 forward propagation 연산의 역방향으로 합성곱 연산인자를 편미분 함으로써 weight 및 bias 수정을 하는 것을 특징으로 하는 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치.
The method of claim 1, wherein in the CNN iterative machine learning unit,
Forward propagation is the final calculation of the loss value of the cost function through the convolution operation between the input data generated by simulation and the convolution operation factor.
Back propagation is a device for improving sensitivity and resolution in a lattice interferometer through machine learning, characterized in that weight and bias are corrected by partial differentiation of a convolution operator in the reverse direction of a forward propagation operation to minimize loss.
제 1 항에 있어서, CNN 반복 기계 학습부는,
입력영상으로부터 수행된 합성곱 연산의 결과값과 참값(ground truth)의 차이를 평균 제곱법을 통해 축소시키는 cost function을 생성하고,
생성된 cost function이 줄어드는 방향으로 forward propagation 및 backward propagation 과정을 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 하는 기계 학습을 통한 격자간섭계에서의 민감도 및 해상도 향상을 위한 장치.
The method of claim 1, wherein the CNN repetition machine learning unit,
Create a cost function that reduces the difference between the result of the convolution operation performed from the input image and the ground truth through the mean square method,
An apparatus for improving sensitivity and resolution in a lattice interferometer through machine learning, characterized in that forward propagation and backward propagation processes are repeatedly performed in a direction in which the generated cost function is reduced.
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