KR102261475B1 - 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

중증도 표지(라벨)가 부여된 병리 슬라이드 이미지를 이용하여 패치 단위의 중증도 진단을 수행하는 뉴럴 네트워크를 효과적으로 학습할 수 있는 방법 및 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명의 일 측면에 따르면, 병리 슬라이드 이미지를 소정의 단위 크기로 분할한 각각의 패치가 입력되면 입력된 패치에 소정의 질병으로 인한 병변이 존재하는지 여부에 대한 판단 결과를 출력하도록 미리 학습된 뉴럴 네트워크인 병변 판단용 뉴럴 네트워크 및 상기 병리 슬라이드 이미지에 기초하여 상기 질병의 중증도를 판단하기 위한 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 저장하는 저장모듈 소정의 학습용 이미지에 기초하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈 및 상기 질병의 중증도가 각각 라벨링되어 있는 복수의 병리 슬라이드 이미지 각각에 대하여, 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈이 상기 병리 슬라이드 이미지에 기초하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하도록 제어하는 제어모듈을 포함하되, 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈은, 상기 학습용 이미지가 상기 단위 크기로 분할된 복수의 패치 각각에 대하여, 상기 패치를 입력받은 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크가 상기 패치에 대한 판단 결과를 출력하는 과정에서 생성되는 피쳐를 추출하는 피쳐 추출모듈, 상기 학습용 이미지를 구성하는 상기 복수의 패치 각각에 상응하는 피처에 기초하여, 상기 학습용 이미지에 상응하는 피쳐맵을 생성하는 피쳐맵 생성모듈 상기 학습용 이미지에 상응하는 피쳐맵을 상기 학습용 이미지의 중증도 라벨로 라벨링하는 라벨링모듈 및 상기 학습용 이미지에 상응하는 피쳐맵을 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크에 입력하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 학습모듈을 포함하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템이 제공된다.

Description

중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법 및 시스템{Method and system for training artificial neural network for severity decision}
본 발명은 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중증도 표지(라벨)가 부여된 병리 슬라이드 이미지를 이용하여 패치 단위의 중증도 진단을 수행하는 뉴럴 네트워크를 효과적으로 학습할 수 있는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근에는 기계학습의 발달로 인해 이미지를 인식하거나 분류하는 등의 업무를 컴퓨터 시스템에 의해 자동화하고자 하는 시도가 활발히 이루어지고 있다. 특히 기계학습의 일종인 뉴럴 네트워크(예를 들어, 컨벌루션 뉴럴 네트워크(Convolution Neural Network, CNN)를 이용한 딥러닝 방식)를 이용하여 사람이 수행하던 각종 분류나 판단을 자동화하기 위한 시도가 이루어지고 있으며, 뉴럴 네트워크(예를 들어, CNN)를 이용한 딥러닝을 이용하여 생체 이미지(예를 들어, 환자의 생체 조직 슬라이드)를 판독하여 특정 질병에 대한 상태 또는 징후를 판단하는 진단을 수행하는 것을 대표적인 예로 들 수 있다.
생체 조직 이미지 등 병리 홀-슬라이드-이미지(Whole-Slide-Image)의 분석을 토대로 질병의 중증도(예를 들어, 전립선암의 글리슨 스코어(Gleason score), 글리슨 등급 그룹(Gleason grade group), 방광암이나 유방암의 등급(grade) 등)를 자동으로 판단하는 중증도 진단기는 환자의 예후 판단 등 병리 진단 업무의 생산성을 높여준다.
뉴럴 네트워크를 이용한 중증도 진단기는 크게 다음의 두 가지 방식으로 개발할 수 있다. 첫 번째 방식은 End-to-End 슬라이드 단위의 중증도 정보만으로 중증도 진단기를 개발하는 방식(슬라이드 단위의 중증도 진단 방식)이다. 이는 영역 단위의 특징을 추출하여 통합한 정보를 활용하여 슬라이드 단위로 중증도를 진단하는 방식이다. 슬라이드 단위의 중증도 진단 방식은 영역 단위의 중증도 표지 정보 없이 슬라이드 단위의 중증도 정보만으로 뉴럴 네트워크를 학습할 수 있다는 장점이 있으나, 슬라이드 단위의 진단 결과에 대한 설명력이 약하고, 정확도가 떨어진다는 단점이 있다. 두 번째 방식은 패치(슬라이드를 일정 크기로 분할한 영역) 단위의 중증도 진단기 및 슬라이드 단위 중증도 진단기를 각각 개발하는 방식이다. 이는 영역 단위의 중증도 진단 결과를 종합하여 슬라이드 단위의 중증도를 진단하는 방식이다. 이 방식은 슬라이드 단위의 진단 결과에 대한 설명력이 상승하지만, 뉴럴 네트워크를 학습을 위해 패치 단위 중증도 표지 정보가 필수적으로 요구된다는 단점이 있다.
한편, 일반적으로 의사에 의해 진단이 수행된 병리 슬라이드에는 병변의 영역에 관한 정보는 부여되어 있지 않으나, 병변의 유무 정보는 부여되어 있을 수 있다. 병리 슬라이드에 대한 병변의 유무 정보만으로 병변 영역을 검출하는 검출기를 학습하는 방법 중 하나로 다중 인스턴스 학습(Multiple Instance Learning)이라는 학습 기법이 있다.
이하에서는 본 발명의 배경 기술 중 하나인 다중 인스턴스 학습에 관하여 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한다.
인스턴스(instance) 하나를 학습 단위로 사용하는 개별 인스턴스 학습과는 달리 다중 인스턴스 학습에서는 인스턴스의 집합인 백(Bag)을 학습 단위로 간주한다. 따라서 개별 인스턴스 학습에서는 인스턴스에 레이블을 다는 반면, 다중 인스턴스 학습에서는 인스턴스가 아닌 백에 레이블을 달게 된다. 다중 인스턴스 학습은 학습 단위 측면에서 제외하고 개별 인스턴스 학습와 유사하지만 다음 제약사항을 추가로 가진다. 이진 분류를 수행함에 있어 백이 긍정(positive)이면 적어도 백 안에 존재하는 인스턴스 중 하나 이상이 긍정임을, 백이 부정(negative)이면 백 안에 모든 인스턴스들이 부정임을 가정한다.
이러한 특징으로 인하여 다중 인스턴스 학습은, 예를 들어, 뉴럴 네트워크를 이용하여 병리 홀-슬라이드-이미지(Whole Slide Image)로부터 병변을 진단하는 분야에 적용될 수 있다. 병변을 진단하는 뉴럴 네트워크를 학습하기 위해서는 홀-슬라이드-이미지가 아니라 이를 일정한 크기로 분할한 이미지 패치를 학습 데이터로 사용하게 되지만, 병변의 유무에 관한 정보(즉, 레이블)는 패치 단위가 아니라 홀-슬라이드-이미지에 부여되어 있기 때문이다.
도 1a는 다중 인스턴스 학습에 이용되는 학습 데이터의 일 예를 도시한 도면이다. 도 1은 각각 N개의 데이터 인스턴스를 포함하는 M개의 백(B1 내지 BM)을 도시하고 있다. 도 1에서 백 Bi는 Li로 라벨링되어 있으며(여기서, i는 1<=i<=M인 임의의 정수), 데이터 인스턴스 Dij는 백 Bi에 포함되어 있는 j번째 인스턴스를 나타낸다(여기서, j는 1<=j<=N인 임의의 정수).
도 1b는 다중 인스턴스 학습 기법을 통하여 뉴럴 네트워크(NN)를 학습하는 과정의 일 예를 나타내는 의사코드(pseudo code)를 도시한 도면이다. 도 1b는 학습 데이터를 1 에폭(epoch)만큼 학습하는 과정을 나타내고 있으며, 실제 학습 과정에서는 다수의 에폭만큼 학습이 진행될 수 있다. 도 1b에서는 도 1a에 도시된 학습 데이터로 학습이 진행된다고 가정한다.
도 1b를 참조하면, 다중 인스턴스 학습에서는 먼저 각각의 백(B1 내지 BM)으로부터 학습 데이터 인스턴스(T1 내지 TM)를 추출하는 과정(S10)에 수행되며, 이후 추출된 학습 데이터 인스턴스로 뉴럴 네트워크(NN)을 훈련하는 과정(S20)이 수행된다.
S10 단계에 대하여 보다 상세하게 설명하면, 백 Bi에 대하여 다음의 과정이 수행된다(여기서, i는 1<=i<=M인 임의의 정수).
현재 학습이 진행 중인 뉴럴 네트워크(NN) 백 Bi내의 각 데이터 인스턴스를 입력하여 해당 인스턴스가 긍정(positive; 예를 들어, 병변이 존재함)일 가능성을 산출한다(S11, S12).
백 Bi 내의 모든 데이터 인스턴스 중 해당 데이터 인스턴스의 긍정 가능성이 가장 큰 데이터 인스턴스 Dik를 학습 데이터 인스턴스 Ti로 결정하며(S13), 학습 데이터 인스턴스 Ti의 레이블은 백 Bi에 부여된 레이블이 된다(S14).
위에서 설명한 종래의 다중 인스턴스 학습에서는 백 하나당 인스턴스 하나를 추출하여 학습에 이용하기 때문에, 뉴럴 네트워크의 성능을 높이기 위해서는 많은 양의 백이 필요하다는 문제점이 있다. 예를 들어, 병변을 검출하기 위한 뉴럴 네트워크에 기존의 다중 인스턴스 학습을 이용하기 위해서는 병변 유무에 관한 표지가 부여된 많은 수의 홀-슬라이드-이미지가 필요하게 되는 것이다.
또한 앞서 설명한 바와 같이 다중 인스턴스 학습에서는 학습 데이터 인스턴스의 추출 과정에서 학습이 완료되기 전의 뉴럴 네트워크가 이용되기 때문에, 하나의 백으로부터 다수의 데이터 인스턴스를 추출하게 되면 잘못된 인스턴스가 추출될 가능성이 높아지는 문제점이 발생하게 된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 뉴럴 네트워크를 이용한 중증도 진단기를 개발하기 위한 종전의 방식이 가지는 문제점인, i) 슬라이드 단위의 중증도 정보만으로 뉴럴 네트워크를 학습할 경우, 진단의 정확도가 떨어진다는 점, ii) 패치 단위의 중증도 진단을 수행하는 뉴럴 네트워크를 학습을 위해서는 패치 단위의 중증도 표지 정보가 필수적으로 요구된다는 점을 극복하기 위하여, 중증도 표지(라벨)가 부여된 병리 슬라이드 이미지를 이용하여 패치 단위의 중증도 진단을 수행하는 뉴럴 네트워크를 효과적으로 학습할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 병리 슬라이드 이미지를 소정의 단위 크기로 분할한 각각의 패치가 입력되면 입력된 패치에 소정의 질병으로 인한 병변이 존재하는지 여부에 대한 판단 결과를 출력하도록 미리 학습된 뉴럴 네트워크인 병변 판단용 뉴럴 네트워크; 및 상기 병리 슬라이드 이미지에 기초하여 상기 질병의 중증도를 판단하기 위한 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 저장하는 저장모듈; 소정의 학습용 이미지에 기초하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈; 및 상기 질병의 중증도가 각각 라벨링되어 있는 복수의 병리 슬라이드 이미지 각각에 대하여, 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈이 상기 병리 슬라이드 이미지에 기초하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하도록 제어하는 제어모듈을 포함하되, 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈은, 상기 학습용 이미지가 상기 단위 크기로 분할된 복수의 패치 각각에 대하여, 상기 패치를 입력받은 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크가 상기 패치에 대한 판단 결과를 출력하는 과정에서 생성되는 피쳐를 추출하는 피쳐 추출모듈; 상기 학습용 이미지를 구성하는 상기 복수의 패치 각각에 상응하는 피처에 기초하여, 상기 학습용 이미지에 상응하는 피쳐맵을 생성하는 피쳐맵 생성모듈; 상기 학습용 이미지에 상응하는 피쳐맵을 상기 학습용 이미지의 중증도 라벨로 라벨링하는 라벨링모듈; 및 상기 학습용 이미지에 상응하는 피쳐맵을 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크에 입력하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 학습모듈을 포함하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크는, 상기 단위 크기를 가지는 이미지가 입력되면, 입력된 이미지가 상기 질병으로 인한 병변이 존재하지 않는 제1상태인지 혹은 상기 질병으로 인한 병변이 존재하는 제2상태인지를 판단하기 위한 오토 인코더를 포함하는 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템에 의해 수행되는 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법에 의해 미리 학습되어 있으며, 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법은, 상기 제1상태 또는 상기 제2상태 중 어느 하나로 라벨링되어 있는 복수의 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지 각각에 대하여, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 일부인 사전 학습용 패치를 추출하는 단계; 및 상기 복수의 학습용 이미지 각각에 상응하는 사전 학습용 패치에 기초하여 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 단계를 포함하되, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 일부인 사전 학습용 패치를 추출하는 단계는, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 사전 학습용 패치를 학습중인 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크에 입력하여, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성을 산출하는 단계; 및 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성, 및 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 적어도 일부에 대한 상기 오토 인코더의 판단 결과에 기초하여 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 일부를 사전 학습용 패치라고 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오토 인코더는, 상기 단위 크기를 가지며 상기 질병으로 인한 병변을 포함하지 않는 정상 패치만으로 미리 학습되어 있으며, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성, 및 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 적어도 일부에 대한 상기 오토 인코더의 판단 결과에 기초하여 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 일부를 사전 학습용 패치라고 판단하는 단계는, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지가 제1상태로 라벨링된 경우, 제2상태일 가능성이 가장 높은 패치에서부터 제2상태일 가능성이 낮아지는 순서로 상기 오토 인코더에 입력하여, 상기 오토 인코더에 의해 제1상태라고 판단된 상위 일부의 패치를 상기 학습용 이미지에 상응하는 학습용 패치라고 판단하는 단계; 및 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지가 제2상태로 라벨링된 경우, 제2상태일 가능성이 가장 높은 패치에서부터 제2상태일 가능성이 낮아지는 순서로 상기 오토 인코더에 입력하여, 상기 오토 인코더에 의해 제2상태라고 판단된 상위 일부의 패치를 상기 학습용 이미지에 상응하는 학습용 패치라고 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 병리 슬라이드 이미지를 소정의 단위 크기로 분할한 각각의 패치가 입력되면 입력된 패치에 소정의 질병으로 인한 병변이 존재하는지 여부에 대한 판단 결과를 출력하도록 미리 학습된 뉴럴 네트워크인 병변 판단용 뉴럴 네트워크; 및 상기 병리 슬라이드 이미지에 기초하여 상기 질병의 중증도를 판단하기 위한 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 포함하는 컴퓨팅 시스템에서 수행되는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법으로서, 상기 질병의 중증도가 각각 라벨링되어 있는 복수의 병리 슬라이드 이미지를 획득하는 단계; 및 상기 복수의 병리 슬라이드 이미지 각각에 대하여, 상기 병리 슬라이드 이미지에 기초하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 단계를 포함하되, 상기 병리 슬라이드 이미지에 기초하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 단계는, 상기 병리 슬라이드 이미지가 상기 단위 크기로 분할된 복수의 패치 각각에 대하여, 상기 패치를 입력받은 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크가 상기 패치에 대한 판단 결과를 출력하는 과정에서 생성되는 피쳐를 추출하는 단계; 상기 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 상기 복수의 패치 각각에 상응하는 피처에 기초하여, 상기 병리 슬라이드에 상응하는 피쳐맵을 생성하는 단계; 상기 병리 슬라이드에 상응하는 피쳐맵을 상기 병리 슬라이드의 중증도 라벨로 라벨링하는 단계; 및 상기 병리 슬라이드에 상응하는 피쳐맵을 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크에 입력하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 단계를 포함하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크는, 상기 단위 크기를 가지는 이미지가 입력되면, 입력된 이미지가 상기 질병으로 인한 병변이 존재하지 않는 제1상태인지 혹은 상기 질병으로 인한 병변이 존재하는 제2상태인지를 판단하기 위한 오토 인코더를 포함하는 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템에 의해 수행되는 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법에 의해 미리 학습되어 있으며, 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법은, 상기 제1상태 또는 상기 제2상태 중 어느 하나로 라벨링되어 있는 복수의 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지 각각에 대하여, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 일부인 사전 학습용 패치를 추출하는 단계; 및 상기 복수의 학습용 이미지 각각에 상응하는 사전 학습용 패치에 기초하여 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 단계를 포함하되, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 일부인 사전 학습용 패치를 추출하는 단계는, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 사전 학습용 패치를 학습중인 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크에 입력하여, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성을 산출하는 단계; 및 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성, 및 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 적어도 일부에 대한 상기 오토 인코더의 판단 결과에 기초하여 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 일부를 사전 학습용 패치라고 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오토 인코더는, 상기 단위 크기를 가지며 상기 질병으로 인한 병변을 포함하지 않는 정상 패치만으로 미리 학습되어 있으며, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성, 및 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 적어도 일부에 대한 상기 오토 인코더의 판단 결과에 기초하여 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 일부를 사전 학습용 패치라고 판단하는 단계는, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지가 제1상태로 라벨링된 경우, 제2상태일 가능성이 가장 높은 패치에서부터 제2상태일 가능성이 낮아지는 순서로 상기 오토 인코더에 입력하여, 상기 오토 인코더에 의해 제1상태라고 판단된 상위 일부의 패치를 상기 학습용 이미지에 상응하는 학습용 패치라고 판단하는 단계; 및 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지가 제2상태로 라벨링된 경우, 제2상태일 가능성이 가장 높은 패치에서부터 제2상태일 가능성이 낮아지는 순서로 상기 오토 인코더에 입력하여, 상기 오토 인코더에 의해 제2상태라고 판단된 상위 일부의 패치를 상기 학습용 이미지에 상응하는 학습용 패치라고 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 데이터 처리장치에 설치되며 상술한 방법을 수행하기 위한 매체에 기록된 컴퓨터 프로그램이 제공된다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상술한 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독가능한 기록매체가 제공된다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 컴퓨팅 시스템으로서, 프로세서 및 메모리를 포함하되, 상기 메모리는, 상기 프로세서에 의해 수행될 경우, 상기 컴퓨팅 시스템이 상술한 방법을 수행하도록 하는 컴퓨팅 시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상술한 병변 판단용 뉴럴 네트워크; 및 상술한 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법에 의해 학습된 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 저장하는 뉴럴 네트워크 저장모듈; 판단 대상 병리 슬라이드 이미지를 분할한 복수의 진단 패치 각각에 대하여, 상기 진단 패치를 입력받은 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크가 상기 진단 패치에 대한 판단 결과를 출력하는 과정에서 생성되는 피쳐를 추출하는 진단 피쳐 추출모듈; 및 상기 판단 대상 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 상기 복수의 진단 패치 각각에 상응하는 피처에 기초하여 생성되는 피쳐맵을 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크에 입력하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크에 의한 진단 결과를 출력하는 중증도 출력모듈을 포함하는 뉴럴 네트워크를 이용한 중증도 진단 시스템이 제공된다.
일 실시예에서, 상기 복수의 진단 패치를 입력받은 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크에 의해 획득된 상기 복수의 진단 패치 각각의 판단 결과에 기초하여, 상기 판단 대상 이미지의 히트맵을 출력하는 병변영역 출력모듈을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의하면, 중증도 표지(라벨)가 부여된 병리 슬라이드 이미지를 이용하여 패치 단위의 중증도 진단을 수행하는 뉴럴 네트워크를 효과적으로 학습할 수 있는 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
또한 오토인코더 및 다중 인스턴스 학습 기법을 이용하여 적은 수의 학습 데이터로도 뉴럴 네트워크의 성능을 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1a는 다중 인스턴스 학습에 이용되는 학습 데이터의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1b는 다중 인스턴스 학습 기법을 통하여 뉴럴 네트워크를 학습하는 과정의 일 예를 나타내는 의사코드(pseudo code)를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크의 학습 방법의 대략적인 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 기술적 사상에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크의 학습 방법에 의해 학습된 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 포함하는 슬라이드 단위 진단기의 동작 방식의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크의 학습 시스템의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크의 학습 시스템에 포함되는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.
도 7은 학습이 완료된 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 포함하는 판단 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 병변 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 방법을 수행하기 위한 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 9는 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법에서 이용되는 오토인코더의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템이 학습용 데이터 인스턴스를 추출하는 방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 11은 도 10의 단계 S220의 구체적인 과정의 일 예를 도시한 도면이다.
도 12는 도 11의 단계 S221의 구체적인 과정의 일 예를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에 있어서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서는 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터를 '전송'하는 경우에는 상기 구성요소는 상기 다른 구성요소로 직접 상기 데이터를 전송할 수도 있고, 적어도 하나의 또 다른 구성요소를 통하여 상기 데이터를 상기 다른 구성요소로 전송할 수도 있는 것을 의미한다. 반대로 어느 하나의 구성요소가 다른 구성요소로 데이터를 '직접 전송'하는 경우에는 상기 구성요소에서 다른 구성요소를 통하지 않고 상기 다른 구성요소로 상기 데이터가 전송되는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 명세서에서 뉴럴 네트워크는 다층 퍼셉트론 모델을 포함하며, 인공 뉴럴 네트워크를 정의하는 일련의 설계사항들을 표현하는 정보의 집합을 의미할 수 있다.
일 실시예에서, 뉴럴 네트워크는 컨볼루션 뉴렬 네트워크일 수 있다. 컨볼루션 뉴렬 네트워크는 잘 알려진 바와 같이, 입력 레이어, 복수의 히든 레이어들, 및 출력 레이어를 포함할 수 있다. 복수의 히든 레이어들 각각은 컨볼루션 레이어 및 풀링 레이어(또는 서브 샘플링 레이어)를 포함할 수 있다.
컨볼루션 뉴렬 네트워크는 이러한 각각의 레이어들을 정의하기 위한 함수, 필터, 스트라이드(stride), 웨이트 팩터 등에 의해 정의될 수 있다. 또한, 출력 레이어는 풀리 커넥티드(fully connected)된 전방향 레이어(FeedForward layer)로 정의될 수 있다.
컨볼루션 뉴렬 네트워크를 구성하는 각각의 레이어별 설계 사항은 널리 알려져 있다. 예를 들어, 복수의 레이어들에 포함될 레이어의 개수, 상기 복수의 레이어들을 정의하기 위한 컨볼루션 함수, 풀링 함수, 활성화 함수 각각에 대해서는 공지된 함수들이 이용될 수도 있고, 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위해 별도로 정의된 함수들이 이용될 수도 있다.
컨볼루션 함수의 일 예로는 이산 컨볼류션 합 등이 있다. 풀링 함수의 일 예로는 맥스 풀링(max pooling), 에버리지 풀링(average pooling) 등이 이용될 수 있다. 활성화 함수의 일 예로는 시그모이드 (sigmoid), 탄젠트 하이퍼볼릭 (tanh), ReLU (rectified linear unit)등일 수 있다.
이러한 컨볼루션 뉴렬 네트워크의 설계 사항이 정의되면 설계사항이 정의된 컨볼루션 뉴럴 네트워크가 저장장치에 저장될 수 있다. 그리고 상기 컨볼류션 뉴럴 네트워크가 학습되면, 각각의 레이어들에 해당하는 웨이트 팩터가 특정될 수 있다.
즉, 컨볼루션 뉴렬 네트워크의 학습은 각각의 레이어들의 웨이트 팩터들이 결정되는 프로세스를 의미할 수 있다. 그리고 컨볼루션 뉴렬 네트워크가 학습되면, 학습된 컨볼루션 뉴렬 네트워크는 입력 레이어에 입력 데이터를 입력받고 미리 정의된 출력 레이어를 통해 출력 데이터를 출력할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 뉴럴 네트워크는 상기와 같이 널리 알려진 설계 사항들 중 어느 하나 또는 복수 개를 선택하여 정의될 수도 있고, 독자적인 설계 사항이 상기 뉴럴 네트워크를 위해 정의될 수도 있다.
상기 뉴럴 네트워크는 입력된 데이터의 분류(classification)에 이용될 수 있는 클래시피케이션 뉴럴 네트워크일 수 있다. 클래시피케이션 뉴럴 네트워크는 입력된 데이터에 대한 판단 결과를 미리 정의된 n개(n은 2 이상의 정수)의 결과 중 어느 하나로 분류하기 위한 뉴럴 네트워크일 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크의 학습 방법에 의해 학습되는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크는 병리 슬라이드 이미지로부터 소정의 질병의 중증도를 판단하기 위한 뉴럴 네트워크일 수 있다. 중증도는 질병의 정도를 이산적으로 구분한 것으로서, 질병의 종류에 따라 미리 정의되어 있을 수 있으며, 예를 들어, 중증도는 질병의 종류에 따라 전립선암의 글리슨 스코어(Gleason score), 글리슨 등급 그룹(Gleason grade group), 방광암이나 유방암의 등급(grade) 등일 수 있다.
도 2는 본 발명의 기술적 사상에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크의 학습 방법의 대략적인 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 기술적 사상에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)의 학습 방법을 구현하기 위해서는 미리 학습된 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)가 구비되어야 할 수 있다. 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)는 패치(예를 들어 10-1)가 입력되면 소정의 질병으로 인한 병변이 입력된 패치(10-1)에 존재하는지 여부에 대한 판단 결과를 출력하는 뉴럴 네트워크일 수 있으며, 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)에 대한 학습 과정이 수행되기 전에 미리 학습된 뉴럴 네트워크일 수 있다. 여기서 패치(예를 들어, 10-1)는 병리 슬라이드 이미지(예를 들면, 조직 슬라이드 이미지; 10)를 소정의 단위 크기로 분할한 일부의 이미지일 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 학습용 병리 슬라이드 이미지(10)가 패치 단위로 입력되면, 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)는 각 패치별로 병변 유무에 대한 판단 결과를 출력할 수 있다.
한편, 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)가 각 패치 별 병변 유무에 대한 판단 결과를 출력하는 과정에서 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111) 내에는 입력된 패치에 상응하는 피쳐가 생성될 수 있으며, 상기 학습용 병리 슬라이드 이미지(10)를 구성하는 각각의 패치 별 피쳐가 병합되어 학습용 병리 슬라이드 이미지(10)에 상응하는 피쳐맵(20)이 생성될 수 있다. 예를 들어, 학습용 병리 슬라이드(10)가 x행 및 y열로 분할되어 각 패치를 형성하며, 패치 별 피쳐가 z차원인 경우, 상기 피쳐맵(20)은 x*y*z차원의 데이터일 수 있으며, 병합되는 각 피쳐 간의 상대적인 위치는 그에 상응하는 각 패치 간의 상대적 위치와 동일할 수 있다.
이렇게 생성된 학습용 병리 슬라이드 이미지(10)에 상응하는 피쳐맵(20)은 상기 학습용 병리 슬라이드 이미지(10)의 라벨(11)로 라벨링될 수 있다. 즉, 학습용 병리 슬라이드 이미지(10)에 상응하는 피쳐맵(20)의 라벨(21)은 학습용 병리 슬라이드 이미지(10)의 라벨(11)과 동일하게 설정될 수 있다.
이후 라벨(21)이 부여된 피쳐맵(20)은 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)에 입력되어 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)를 학습하는데 이용될 수 있다.
학습된 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)는 슬라이드 단위 중증도 진단기에 적용될 수 있으며, 도 3은 본 발명의 기술적 사상에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크의 학습 방법에 의해 학습된 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 포함하는 슬라이드 단위 진단기의 동작 방식의 일 예를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 진단 대상이 되는 진단 대상 병리 슬라이드 이미지(30)가 패치(예를 들면, 30-1) 단위로 분할되어 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)에 입력되면, 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)는 각 패치 별 피쳐를 생성할 수 있다. 각 패치 별 피쳐가 병합된 피쳐맵(40)은 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)로 입력되며, 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)는 상기 진단 대상 병리 슬라이드 이미지(30)에 상응하는 중증도 판단결과를 출력할 수 있다.
한편, 슬라이드 단위 중증도 진단기는 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)가 출력하는 각 패치 별 병변 유무 판단 결과에 기초하여 진단 대상 병리 슬라이드 이미지 내의 병변 영역(30)을 출력할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크의 학습 방법을 수행하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크의 학습 시스템의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법은 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(100)에 의해 수행될 수 있다.
상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(100)은 컴퓨팅 장치일 수 있다. 본 명세서에서 컴퓨팅 장치라고 함은 연산능력을 가진 데이터 처리장치일 수 있으며, 일반적으로 네트워크를 통해 클라이언트가 접속 가능한 데이터 처리 장치인 서버뿐만 아니라 개인용 컴퓨터나 휴대 단말 등과 같은 컴퓨팅 장치를 포함할 수 있다.
상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(100)은 어느 하나의 물리적 장치로 구현될 수도 있으나, 필요에 따라 복수의 물리적 장치가 유기적으로 결합되어 본 발명의 기술적 사상에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(100)을 구현할 수 있음을 본 발명의 기술분야의 평균적 전문가는 용이하게 추론할 수 있을 것이다.
도 4를 참조하면, 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(100)은 저장모듈(110), 획득모듈(120), 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈(130), 및 제어모듈(140)을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따라서는, 상술한 구성요소들 중 일부 구성요소는 반드시 본 발명의 구현에 필수적으로 필요한 구성요소에 해당하지 않을 수도 있으며, 또한 실시예에 따라 상기 뉴럴 네트워크 학습 시스템(100)은 이보다 더 많은 구성요소를 포함할 수도 있음은 물론이다.
상기 제어모듈(140)은 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(100)의 다른 구성(예를 들면, 저장모듈(110), 획득모듈(120), 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈(130) 등)의 기능 및/또는 리소스를 제어할 수도 있다. 또한 실시예에 따라 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(100)은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는데 필요한 각종 정보 및/또는 데이터를 저장하기 위한 데이터베이스(Database; DB; 150)를 더 포함할 수도 있다.
상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(100)은 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위해 필요한 하드웨어 리소스(resource) 및/또는 소프트웨어를 구비한 논리적인 구성을 의미할 수 있으며, 반드시 하나의 물리적인 구성요소를 의미하거나 하나의 장치를 의미하는 것은 아니다. 즉, 상기 시스템(100)은 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위해 구비되는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 논리적인 결합을 의미할 수 있으며, 필요한 경우에는 서로 이격된 장치에 설치되어 각각의 기능을 수행함으로써 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 논리적인 구성들의 집합으로 구현될 수도 있다. 또한, 상기 시스템(100)은 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 각각의 기능 또는 역할별로 별도로 구현되는 구성들의 집합을 의미할 수도 있다. 예를 들어, 저장모듈(110), 획득모듈(120), 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈(130), 제어모듈(140) 각각은 서로 다른 물리적 장치에 위치할 수도 있고, 동일한 물리적 장치에 위치할 수도 있다. 또한, 구현 예에 따라서는 상기 저장모듈(110), 획득모듈(120), 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈(130), 제어모듈(140) 각각을 구성하는 소프트웨어 및/또는 하드웨어의 결합 역시 서로 다른 물리적 장치에 위치하고, 서로 다른 물리적 장치에 위치한 구성들이 서로 유기적으로 결합되어 각각의 상기 모듈들을 구현할 수도 있다.
또한, 본 명세서에서 모듈이라 함은, 본 발명의 기술적 사상을 수행하기 위한 하드웨어 및 상기 하드웨어를 구동하기 위한 소프트웨어의 기능적, 구조적 결합을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 모듈은 소정의 코드와 상기 소정의 코드가 수행되기 위한 하드웨어 리소스(resource)의 논리적인 단위를 의미할 수 있으며, 반드시 물리적으로 연결된 코드를 의미하거나, 한 종류의 하드웨어를 의미하는 것은 아님은 본 발명의 기술분야의 평균적 전문가에게는 용이하게 추론될 수 있다.
상기 저장모듈(110)은 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111) 및 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)를 저장할 수 있다.
상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)는 병리 슬라이드 이미지가 소정의 단위 크기로 분할된 패치가 입력되면 소정의 질병으로 인한 병변이 입력된 패치에 존재하는지 여부에 대한 판단 결과를 출력하는 뉴럴 네트워크일 수 있다. 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)에 대한 학습 과정이 수행되기 전에 미리 학습된 뉴럴 네트워크일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 인스턴스 학습 및 오토인토더에 기반한 학습 과정에 의해 학습된 뉴럴 네트워크일 수 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 인스턴스 학습 및 오토인토더에 기반한 학습 과정은 후술하기로 한다.
상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)는 병리 슬라이드 이미지로부터 소정의 질병의 중증도를 판단하기 위한 뉴럴 네트워크일 수 있다. 보다 상세하게는, 병리 슬라이드 이미지를 상기 단위 크기로 분할한 각각의 패치를 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)가 판단하는 과정에서 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)가 생성하는 피쳐를 병합한 피쳐맵을 입력받아 입력된 피쳐맵에 대한 중증도를 판단하는 뉴럴 네트워크일 수 있다.
상기 획득모듈(120)은 소정의 질병의 중증도가 각각 라벨링되어 있는 복수의 병리 슬라이드 이미지를 획득할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 획득모듈(120)은 DB(150)에 저장된 복수의 병리 슬라이드 이미지를 획득할 수 있다. 각각의 병리 슬라이드 이미지는 홀-슬라이드-이미지일 수 있다.. 상기 DB(150)에 저장된 학습 데이터는 병변의 유무가 라벨링되어 있을 수 있다.
한편, 실시예에 따라서는 상기 획득모듈(120)이 획득하는 병리 슬라이드 이미지는 상기 DB(150)가 아니라 외부 입력 수단을 통해 사용자로부터 입력될 수도 있으며, HDD나 SDD와 같은 저장장치에 파일의 형태로 저장되어 있을 수도 있다.
상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈(130)은 질병의 중증도로 라벨링되어 있는 하나의 학습용 이미지에 기초하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)가 학습되도록 할 수 있다.
상기 제어모듈(140)은 상기 질병의 중증도가 각각 라벨링되어 있는 복수의 병리 슬라이드 이미지 각각에 대하여, 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈(130)이 상기 병리 슬라이드 이미지에 기초하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하도록 제어할 수 있다.
또한 일 실시예에서, 상기 제어모듈(140)은 상기 복수의 병리 슬라이드 이미지를 학습 데이터로 하는 학습 과정(에폭)이 수 차례 반복 수행되도록 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크의 학습 시스템(100)의 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈(130)의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 5를 참조하면, 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈(130)은 피쳐 추출모듈(131), 피쳐맵 생성모듈(132), 라벨링 모듈(133), 학습모듈(134)를 포함할 수 있다.
상기 피쳐 추출모듈(131)은 학습용 이미지가 상기 단위 크기로 분할된 복수의 패치 각각에 대하여, 상기 패치를 입력받은 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)가 상기 패치에 대한 판단 결과를 출력하는 과정에서 생성되는 피쳐를 추출할 수 있다.
즉, 상기 피쳐 추출모듈(131)은 입력된 학습용 이미지를 상기 단위 크기를 가지는 패치로 분할할 수 있으며, 분할된 각각의 패치를 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)에 입력하여 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)이 입력된 패치에 대한 판단을 수행하도록 할 수 있다. 이때, 상기 피쳐 추출모듈(131)은 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)이 입력된 패치에 대한 판단을 수행하는 과정에서 생성되는 피쳐를 추출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)은 하이레벨 피쳐를 생성하는 하이레벨 피쳐 생성 레이어, 미들레벨 피쳐를 생성하는 미들 피쳐 생성 레이어, 로우레벨 피쳐를 생성하는 로우 피쳐 생성 레이어를 포함하는 다층 컨볼로션 뉴럴 네트워크일 수 있으며, 이 경우 상기 피쳐 추출모듈(131)은 하이레벨 피쳐 생성 레이어, 미들 피쳐 생성 레이어, 로우 피쳐 생성 레이어 중 어느 하나의 레이어에서 생성되는 피쳐를 추출할 수 있다.
상기 피쳐맵 생성모듈(132)은 상기 학습용 이미지를 구성하는 상기 복수의 패치 각각에 상응하는 피쳐를 병합하여 상기 학습용 이미지에 상응하는 피쳐맵을 생성할 수 있다. 예를 들어, 학습용 병리 슬라이드(10)가 x행 및 y열로 분할되어 각 패치를 형성하며, 패치 별 피쳐가 z차원인 경우, 상기 피쳐맵 생성모듈(132)은 x*y*z차원의 피쳐맵을 생성할 수 있으며, 병합되는 각 피쳐 간의 상대적인 위치는 그에 상응하는 각 패치 간의 상대적 위치와 동일할 수 있다.
상기 라벨링모듈(133)은 상기 학습용 이미지에 상응하는 피쳐맵을 상기 학습용 이미지의 중증도 라벨로 라벨링할 수 있다.
상기 학습모듈(134)은 상기 학습용 이미지에 상응하는 피쳐맵을 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)에 입력하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)를 학습할 수 있다. 질병의 중증도가 라벨링되어 있는 하나의 피쳐맵이 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)에 입력되는 경우, 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)는 그에 대한 판단 결과를 생성할 수 있으며, 생성된 판단 결과와 입력된 피쳐의 라벨간 차이가 오류 역전파의 방식에 의해 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)에 적용됨으로써 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)은 학습될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법의 일 예를 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(100)은 중증도가 각각 라벨링된 R개(R은 2 이상의 정수)의 병리 슬라이드 이미지 I1 내지 IR을 획득할 수 있다(S100).
상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(100)은 1부터 R인 각각의 u에 대하여 다음의 과정을 수행할 수 있다.
상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(100)은 u번째 병리 슬라이드 이미지 Iu를 S개(R은 2 이상의 정수)의 패치 Hu1 내지 HuS로 분할할 수 있다(S120). 앞서 설명한 바와 같이, 각각의 패치 Hu1 내지 HuS는 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)가 입력받을 수 있는 이미지의 크기로 분할된 이미지일 수 있다.
상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(100)은 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)에 분할된 각각의 패치(Hu1 내지 HuS)를 입력하여 그에 상응하는 피쳐(Fu1 내지 FuS)를 추출할 수 있다(S130, S140).
이후, 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(100)은 피쳐 Fu1 내지 피쳐 FuS를 병합하여 피쳐맵 Mu을 생성할 수 있으며(S150), 병리 슬라이드 이미지 Iu의 라벨로 라벨링된 피쳐맵 Mu을 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)에 입력하여 학습할 수 있다.
상술한 본 발명의 기술적 사상에 따른 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법에 의하면, 패치가 입력되면 소정의 질병으로 인한 병변이 입력된 패치에 존재하는지 여부에 대한 판단 결과를 출력하도록 미리 학습된 병변 판단용 뉴럴 네트워크로부터 생성되는 피쳐에 기반하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하게 된다. 그런데, 병변 판단용 뉴럴 네트워크가 패치에 대한 판단 결과를 생성하는 과정에서 생성하는 피쳐는 해당 패치가 가지는 추상적인 특성을 잘 반영하고 있으므로, 이에 의해 학습되는 병변 판단용 뉴럴 네트워크의 성능이 개선되는 효과를 기대할 수 있다.
한편, 학습이 완료된 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)는 슬라이드 단위의 중증도 판단 시스템에 적용될 수 있다. 상기 중증도 판단 시스템은 의사가 질병의 중증도를 판단하는데 도움이 되는 예측 결과를 출력하는 진단 보조 장치일 수 있다.
도 7은 학습이 완료된 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)를 포함하는 판단 시스템(200)의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 이용한 판단 시스템(200)은 뉴럴 네트워크 저장모듈(210), 패치단위 판단모듈(220), 진단 피쳐맵 생성모듈(240) 및 중증도 출력모듈(250)을 포함할 수 있다.
상기 뉴럴 네트워크 저장모듈(210)은 상술한 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법에 의하여 학습된 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)를 저장할 수 있다. 또한 상기 뉴럴 네트워크 저장모듈(310)은 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법에서 이용되는 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)를 더 포함할 수 있다. 상기 저장모듈(210)은 뉴럴 네트워크를 비롯하여 각종 정보 및 데이터를 저장할 수 있는 저장 수단일 수 있다.
상기 패치단위 판단모듈(220)은, 소정의 판단 대상 이미지를 분할한 복수의 진단 패치 각각을 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)에 입력하여 상기 복수의 진단 패치 각각에 상응하는 판단 결과를 획득할 수 있다.
상기 진단 피쳐맵 생성모듈(240)은 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)가 상기 복수의 진단 패치 각각에 대한 판단을 수행하는 과정에서 생성되는 각각의 패치에 상응하는 피쳐를 병합하여, 피쳐맵을 생성할 수 있으며, 생성된 피쳐맵은 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)로 입력될 수 있다.
상기 중증도 출력모듈(250)은 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크(112)의 출력에 기초하여 질병에 대한 중증도를 출력할 수 있다.
한편, 상기 판단 시스템(200)은 병리 슬라이드 이미지를 입력받아 병변 영역을 출력하는 시스템으로 이용될 수 있다. 이 경우, 상기 판단 시스템(200)은 병변영역 출력모듈(230)을 더 포함할 수 있다. 상기 병변영역 출력모듈(230)은 상기 패치단위 판단모듈(220)에 의해 획득된 상기 복수의 진단 패치 각각의 판단 결과에 기초하여, 상기 판단 대상 이미지의 격자맵(히트맵)을 출력할 수 있다. 상기 격자맵은 제1상태의 패치 영역과 제2상태의 패치 영역을 시각적으로 구분할 수 있는 맵을 의미할 수 있다.
한편, 앞서 기술한 바와 같이, 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법에서는 미리 학습된 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)가 이용된다. 이하에서는 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)를 학습하는 방법에 관하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 8은 본 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 방법을 수행하기 위한 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(300)의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템(300)은 저장모듈(310), 추출모듈(320) 및 학습모듈(330)을 포함할 수 있다.
상기 저장모듈(310)은 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111) 및 오토인코더(113)를 저장할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)는 입력된 데이터가 소정의 제1상태 또는 제2상태인지 여부에 대한 가능성을 출력함으로써, 상기 입력된 데이터에 대한 이진 분류에 이용되는 뉴럴 네트워크일 수 있다. 예를 들어, 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)는 생체 이미지를 입력받아 해당 이미지에 소정의 질병(예를 들면, 암)에 의해 발생하는 병변이 존재할 가능성을 판단하기 위한 뉴럴 네트워크일 수 있다. 즉, 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)는 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)에 입력되는 값이 소정의 제1상태 또는 제2상태일 가능성을 출력할 수 있다. 제1상태는 병변이 존재하지 않는 정상 상태(negative)이고 제2상태는 병변이 존재하는 비정상 상태(positive)일 수 있다.
상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)가 출력하는 가능성은, 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111) 내의 손실함수(예를 들면, 평균 제곱 오차(mean squared error; MSE), 교차 엔트로피 오차(cross entropy error; CEE) 또는 두 벡터 간의 거리(예를 들면, 유클리드 거리, n-노름 거리, 맨해튼 거리 등)를 나타내는 함수 등)에 의해 산출되는 값일 수 있다.
상기 오토인코더(113)는 비지도 학습 방법론에서 주로 사용되는 뉴럴 네트워크 구조이다. 상기 오토인코더(113)는 입력되는 값의 차원을 축소했다가 다시 복원하는 형태의 비지도 기계학습 모델로서, 학습에 사용되는 값들이 가지는 특징을 학습하는 기능을 가진다. 보다 상세하게는 상기 오토인코더(113)는 출력 값을 입력 값에 근사하도록 하는 함수를 학습하며, 인코더를 통해 입력 값에 대한 피쳐를 추출하고, 디코더를 통해 입력 값를 재구성한다.
도 9는 상기 오토인코더(113)의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 오토인코더(113)는 컨볼루셔널 레이어를 포함하는 인코더 파트(112-1) 및 디컨볼루셔널 레이어를 포함하는 디코더 파트(113-2)를 포함할 수 있다. 인코더(113)로 원본 데이터(x)가 입력되면 인코더 파트(113-1)에서 원본 데이터(x)에 대한 인코딩이 수행되어 원본 데이터(x)의 피쳐(z=E(x))가 생성될 수 있다. 생성된 피쳐(z)는 디코더 파트(113-2)에서 디코딩되어 원본 데이터(x)에 상응하는 복원 데이터(x'=D(z))가 생성될 수 있다.
오토인코더 역시 뉴럴 네트워크의 일종이므로 다수의 훈련 데이터에 의한 학습이 선행되는데, 오토 인코도의 학습 단계에서는 각각의 학습 데이터 d에 대해 아래의 1) 내지 3) 과정이 수행된다.
1) 학습 데이터 d가 오토인코더(113)에 입력되어 인코딩 및 디코딩 과정을 거쳐 학습 데이터 d에 상응하는 복원 데이터 d'이 생성된다.
2) 학습 데이터 d와 복원 데이터 d' 간의 차이인 오차 e=L(d, d')가 산출된다(L은 손실함수).
3) 오차 역전파(error backpropagation) 방법에 따라 오토인코더(113) 내의 가중치가 갱신된다.
한편, 상기 오토인코더(113)는 입력된 값이 제1상태인지 제2상태인지를 판단하는데 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 오토인코더(113)는 제1상태의 학습 데이터만으로 미리 학습될 수 있으며, 소정의 예측 대상 값을 학습된 상기 오토인코더(113)에 입력하여 상기 오토인코더(113)가 복원(즉, 출력)한 결과 값과 상기 예측 대상 값이 소정의 한계 값 이상 차이가 나는 경우, 상기 예측 대상 값은 제2상태라고 판단될 수 있다.
다른 일 실시예예서, 상기 오토인코더(113)는 제2상태의 데이터만으로 미리 학습될 수 있으며, 소정의 예측 대상 값을 학습된 상기 오토인코더(113)에 입력하여 상기 오토인코더(113)가 복원(즉, 출력)한 결과 값과 상기 예측 대상 값이 소정의 한계 값 이상 차이가 나는 경우, 상기 예측 대상 값은 제1상태라고 판단될 수 있다.
한편, 실시예에 따라 상기 오토인코더(113)는 변분 오토인코더(Variational AutoEncoder; VAE)를 포함할 수 있다.
다시 도 9을 참조하면, 상기 DB(340)은 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)의 학습에 이용될 학습 데이터를 저장할 수 있다. 학습 데이터는 도 1a을 참조하여 설명한 바와 같은 다중 인스턴스 학습용 데이터일 수 있다. 즉, 상기 DB(340)에 저장된 학습 데이터 각각은 다수의 데이터 인스턴스를 포함하는 데이터 백일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 복수의 학습 데이터 각각은 병리 홀-슬라이드-이미지일 수 있으며, 각각의 학습 데이터를 구성하는 데이터 인스턴스는 해당 병리 홀-슬라이드-이미지를 소정의 크기로 분할한 각각의 이미지 패치일 수 있다. 이 경우 데이터 백은 하나의 온전한 병리 슬라이드 이미지가 되며, 해당 데이터 백에 포함된 데이터 인스턴스는 해당 병리 슬라이드 이미지를 소정의 크기로 분할한 개별 패치일 수 있다.
한편, 상기 DB(340)에 저장된 학습 데이터는 각각 제1상태 또는 제2상태로 라벨링되어 있을 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 학습 데이터가 병리 슬라이드 이미지일 경우, 각각의 학습 데이터는 병리 슬라이드 이미지에 대한 진단 결과(예를 들어, 병변의 유무 등)가 라벨링되어 있을 수 있다.
한편, 실시예에 따라서는 상기 학습 데이터들은 DB(340)에 저장되어 있는 것이 아니라 외부 입력 수단을 통해 사용자로부터 입력될 수도 있으며, HDD나 SDD와 같은 저장장치에 파일의 형태로 저장되어 있을 수도 있다.
상기 추출모듈(320)은 제1상태 또는 제2상태 중 어느 하나로 라벨링되어 있는 복수의 데이터 백 각각에 대하여, 상기 데이터 백에 포함된 데이터 인스턴스들 중 일부를 학습용 인스턴스로 추출하는 추출단계를 수행할 수 있다. 상기 추출모듈(320)에 의해 추출된 학습용 인스턴스는 후추 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)의 학습에 이용될 수 있다.
도 10은 상기 추출모듈(320)이 학습용 데이터 인스턴스를 추출하는 방법의 일 예를 도시한 도면이다. 도 10은 학습 데이터들이 도 1a에 도시돤 바와 같은 경우를 예로 들고 있다.
도 10을 참조하면, 상기 추출모듈(320)은 먼저 각각의 데이터 백 B1 내지 BM에 대하여 단계 S210 내지 S230을 수행할 수 있다(S200).
한편, 상기 추출모듈(320)은 데이터 백 Bi에 대하여(i는 1<=i<=M인 임의의 정수), 상기 데이터 백 Bi에 포함된 각 데이터 인스턴스 Dij를 뉴럴 네트워크(111)에 입력하여(j는 1<=j<=N인 임의의 정수), 상기 데이터 백 Bi에 포함된 각 데이터 인스턴스 Dij의 가능성 Pij을 산출할 수 있다(S210, S211). 예를 들어, Pij는 제2상태일 가능성일 수 있으며, 데이터 인스턴스 Dij에 대한 Cross-entropy Loss를 가능성 Pij로 산출할 수 있다.
이후 상기 추출모듈(320)은 상기 데이터 백 Bi에 포함된 각 데이터 인스턴스 별 가능성(Pi1 내지 PiN), 및 상기 데이터 백에 포함된 각 데이터 인스턴스(Di1 내지 DiN) 중 적어도 일부에 대한 상기 오토인코더(113)의 판단 결과에 기초하여 상기 데이터 백 Bi에 포함된 각 데이터 인스턴스(Di1 내지 DiN) 중 일부를 학습용 인스턴스라고 판단할 수 있으며(S220), 판단된 학습용 인스턴스를 Bi의 라벨 Li로 라벨링할 수 있다(S230).
도 11은 도 10의 단계 S220의 구체적인 과정의 일 예를 도시한 도면이다. 도 11의 예에서는 상기 오토인코더(113)는, 제1상태(즉, 정상 상태)인 데이터 인스턴스만으로 미리 학습되어 있다고 가정한다.
도 11을 참조하면, 상기 추출모듈(320)은 상기 데이터 백이 제1상태로 라벨링된 경우, 제2상태일 가능성이 가장 높은 데이터 인스턴스에서부터 제2상태일 가능성이 낮아지는 순서로 상기 오토인코더(113)에 입력하여, 상기 오토인코더에 의해 제1상태라고 판단된 상위 일부의 데이터 인스턴스를 상기 데이터 백에 상응하는 학습용 인스턴스라고 판단할 수 있다(S221). 이때, 상기 추출모듈(320)은 오토인코더(113)에 입력된 데이터 인스턴스와 오토인코더(113)가 출력한 출력 데이터 간의 차이가 소정의 한계 값 이상인 경우 오토인코더(113)에 입력된 데이터 인스턴스가 제1상태라고 판단할 수 있다.
한편, 상기 데이터 백이 제2상태로 라벨링된 경우, 상기 추출모듈(320)은 제2상태일 가능성이 가장 높은 데이터 인스턴스에서부터 제2상태일 가능성이 낮아지는 순서로 상기 오토인코더(113)에 입력하여, 상기 오토인코더(113)에 의해 제2상태라고 판단된 상위 일부의 데이터 인스턴스를 상기 데이터 백에 상응하는 학습용 인스턴스라고 판단할 수 있다(S222).
도 12는 도 11의 단계 S221의 구체적인 과정의 일 예를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 상기 추출모듈(320)은 데이터 백 Bi 내의 데이터 인스턴스(Di1 내지 DiN)를 제2상태일 가능성의 순으로 내림차순 정렬을 할 수 있다(S2211).
상기 추출모듈(320)은 단계 S2211를 통해 정렬된 순서대로 Bi 내의 데이터 인스턴스 Ak를 오토인코더(113)에 입력하여(k는 1<=j<=N인 임의의 정수), 입력된 데이터 인스턴스 Ak의 상태를 판단할 수 있으며(S2213), 데이터 인스턴스 Ak가 제1상태라고 판단된 경우 데이터 인스턴스 Ak를 학습용 인스턴스라고 판단할 수 있다(S2215).
상기 추출모듈(320)은 단계 S2213 내지 단계 S2215를 루프가 종료하거나 데이터 백 Bi에 상응하는 학습용 인스턴스가 미리 정해진 개수 Z만큼 발견될 때까지 수행할 수 있다(S2212, S2216, S2217 참조).
본 발명이 속하는 분야의 통상의 기술자라면, 도 11을 참고하여 도 10의 단계 S222의 구체적인 예 역시 손쉽게 도출할 수 있을 것이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다. 한편, 도 10 및 도 11은 도 9의 단계 S220을 구현하는 일 예이며, 도 9의 단계 S220을 구현하는 다양한 방법이 있을 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같은 추출 과정을 통하여, 상기 추출모듈(320)은 하나의 데이터 백에서 여러 개의 데이터 인스턴스를 학습용 인스턴스로 추출할 수 있다. 종래의 다중 인스턴스 학습 방법에서는 하나의 데이터 백에서 여러 개의 학습용 인스턴스를 추출하는 경우 잘못된 학습 데이터 인스턴스가 추출될 가능성이 높아 뉴럴 네트워크의 학습에 부정적인 영향을 미칠 수 있었으나, 본 발명의 기술적 사상에 따른 방법에 의하면, 미리 학습된 오토인코더를 이용하여 학습 데이터를 필터링함으로써, 잘못된 학습 데이터 인스턴스가 추출되는 것을 상당히 줄일 수 있게 되는 효과가 있다.
물론 실시예에 따라서는 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)는 오토 인코더를 이용하지 않는 다중 인스턴스 학습 기법이 적용된 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법을 통하여 미리 학습될 수도 있다.
보다 상세하게는 본 실시예에 따른 오토 인코더를 이용하지 않는 다중 인스턴스 학습 기법이 적용된 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법은, 상기 제1상태 또는 상기 제2상태 중 어느 하나로 라벨링되어 있는 복수의 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지 각각에 대하여, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 일부인 사전 학습용 패치를 추출하는 단계 및 상기 복수의 학습용 이미지 각각에 상응하는 사전 학습용 패치에 기초하여 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 단계를 포함할 수 있다. 이때, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 일부인 사전 학습용 패치를 추출하는 단계는, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 사전 학습용 패치를 학습중인 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크에 입력하여, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성을 산출하는 단계 및 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성에 기초하여 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 일부를 사전 학습용 패치라고 판단하는 단계를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 산출된 가능성이 가장 큰 패치를 사전 학습용 패치라고 판단할 수 있다.
다시 도 8을 참조하면, 상기 학습모듈(330)은 상기 추출모듈(320)에 의해 추출된 학습용 인스턴스에 기초하여 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)를 학습할 수 있다.
상기 학습모듈(330)은 널리 알려진 바와 같이, 병변 판단용 뉴럴 네트워크(111)에 입력된 학습용 인스턴스와 출력 값간의 손실 오차를 상기 뉴럴 네트워크(111)에 역전파하여 상기 뉴럴 네트워크(111)를 학습할 수 있다.
상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법은, 상기 추출모듈(320)에 의해 수행되는 학습 데이터 인스턴스 추출과정 및 상기 학습모듈(330)에 의해 수행되는 학습과정을 하나의 에폭(epoch)으로 취급하고, 복수의 에폭만큼 이를 반복 수행함으로써 뉴럴 네트워크(111)의 성능을 향상시킬 수 있다.
상술한 컴퓨팅 장치는 프로세서 및 저장장치를 포함할 수 있다. 상기 프로세서는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 프로그램을 구동시킬 수 있는 연산장치를 의미할 수 있으며, 상기 프로그램과 본 발명의 기술적 사상에 의해 정의되는 뉴럴 네트워크 학습 방법을 수행할 수 있다. 상기 프로세서는 싱글 코어 CPU 혹은 멀티 코어 CPU를 포함할 수 있다. 상기 저장장치는 본 발명의 기술적 사상을 구현하는데 필요한 프로그램 및 각종 데이터를 저장할 수 있는 데이터 저장수단을 의미할 수 있으며, 구현 예에 따라 복수의 저장수단으로 구현될 수도 있다. 또한 상기 저장장치는 상기 컴퓨팅 장치에 포함된 주 기억장치뿐만 아니라, 상기 프로세서에 포함될 수 있는 임시 저장장치 또는 메모리 등을 포함하는 의미일 수도 있다. 메모리는 고속 랜덤 액세스 메모리를 포함할 수 있고 하나 이상의 자기 디스크 저장 장치, 플래시 메모리 장치, 또는 기타 비휘발성 고체상태 메모리 장치와 같은 비휘발성 메모리를 포함할 수도 있다. 프로세서 및 기타 구성 요소에 의한 메모리로의 액세스는 메모리 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 방법은 컴퓨터가 읽을 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따른 제어 프로그램 및 대상 프로그램도 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 저장될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
기록 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체의 예에는 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 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 전자적으로 정보를 처리하는 장치, 예를 들어, 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.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (13)

  1. 병리 슬라이드 이미지를 소정의 단위 크기로 분할한 각각의 패치가 입력되면 입력된 패치에 소정의 질병으로 인한 병변이 존재하는지 여부에 대한 판단 결과를 출력하도록 미리 지도학습된 컨볼루셔널 뉴럴 네트워크인 병변 판단용 뉴럴 네트워크; 및
    상기 병리 슬라이드 이미지에 기초하여 상기 질병의 중증도를 판단하기 위한 지도학습모델인 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 저장하는 저장모듈;
    소정의 학습용 이미지에 기초하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈; 및
    상기 질병의 중증도가 각각 라벨링되어 있는 복수의 병리 슬라이드 이미지 각각에 대하여, 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈이 상기 병리 슬라이드 이미지에 기초하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하도록 제어하는 제어모듈을 포함하되,
    상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습모듈은,
    상기 학습용 이미지가 상기 단위 크기로 분할된 복수의 패치 각각에 대하여, 상기 패치를 입력받은 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크가 상기 패치에 대한 판단 결과를 출력하는 과정 중에 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크 내에서 생성되는 피쳐를 추출하는 피쳐 추출모듈;
    상기 학습용 이미지를 구성하는 상기 복수의 패치 각각에 상응하는 피처가 격자 형태로 병합된 상기 학습용 이미지에 상응하는 피쳐맵을 생성하는 피쳐맵 생성모듈-여기서, 상기 복수의 패치 각각에 상응하는 피쳐의 상기 피쳐맵 상에서의 상대적인 위치는 해당 피쳐에 상응하는 패치의 상기 학습용 이미지 상에서의 상대적인 위치와 동일함;
    상기 학습용 이미지에 상응하는 피쳐맵을 상기 학습용 이미지의 중증도 라벨로 라벨링하는 라벨링모듈; 및
    상기 학습용 이미지에 상응하는 피쳐맵을 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크에 입력하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 학습모듈을 포함하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크는,
    상기 단위 크기를 가지는 이미지가 입력되면, 입력된 이미지가 상기 질병으로 인한 병변이 존재하지 않는 제1상태인지 혹은 상기 질병으로 인한 병변이 존재하는 제2상태인지를 판단하기 위한 오토 인코더를 포함하는 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템에 의해 수행되는 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법에 의해 미리 학습되어 있으며,
    상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법은,
    상기 제1상태 또는 상기 제2상태 중 어느 하나로 라벨링되어 있는 복수의 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지 각각에 대하여, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 일부인 사전 학습용 패치를 추출하는 단계; 및
    상기 복수의 학습용 이미지 각각에 상응하는 사전 학습용 패치에 기초하여 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 단계를 포함하되,
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 일부인 사전 학습용 패치를 추출하는 단계는,
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 사전 학습용 패치를 학습중인 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크에 입력하여, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성을 산출하는 단계; 및
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성, 및 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 적어도 일부에 대한 상기 오토 인코더의 판단 결과에 기초하여 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 일부를 사전 학습용 패치라고 판단하는 단계를 포함하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 오토 인코더는, 상기 단위 크기를 가지며 상기 질병으로 인한 병변을 포함하지 않는 정상 패치만으로 미리 학습되어 있으며,
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성, 및 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 적어도 일부에 대한 상기 오토 인코더의 판단 결과에 기초하여 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 일부를 사전 학습용 패치라고 판단하는 단계는,
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지가 제1상태로 라벨링된 경우,
    제2상태일 가능성이 가장 높은 패치에서부터 제2상태일 가능성이 낮아지는 순서로 상기 오토 인코더에 입력하여, 상기 오토 인코더에 의해 제1상태라고 판단된 상위 일부의 패치를 상기 학습용 이미지에 상응하는 학습용 패치라고 판단하는 단계; 및
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지가 제2상태로 라벨링된 경우,
    제2상태일 가능성이 가장 높은 패치에서부터 제2상태일 가능성이 낮아지는 순서로 상기 오토 인코더에 입력하여, 상기 오토 인코더에 의해 제2상태라고 판단된 상위 일부의 패치를 상기 학습용 이미지에 상응하는 학습용 패치라고 판단하는 단계를 포함하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크는,
    병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템에 의해 수행되는 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법에 의해 미리 학습되어 있으며,
    상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법은,
    제1상태 또는 제2상태 중 어느 하나로 라벨링되어 있는 복수의 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지 각각에 대하여, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 일부인 사전 학습용 패치를 추출하는 단계; 및
    상기 복수의 학습용 이미지 각각에 상응하는 사전 학습용 패치에 기초하여 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 단계를 포함하되,
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 일부인 사전 학습용 패치를 추출하는 단계는,
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 사전 학습용 패치를 학습중인 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크에 입력하여, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성을 산출하는 단계; 및
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성에 기초하여 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 일부를 사전 학습용 패치라고 판단하는 단계를 포함하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템.
  5. 병리 슬라이드 이미지를 소정의 단위 크기로 분할한 각각의 패치가 입력되면 입력된 패치에 소정의 질병으로 인한 병변이 존재하는지 여부에 대한 판단 결과를 출력하도록 미리 지도학습된 컨볼루셔널 뉴럴 네트워크인 병변 판단용 뉴럴 네트워크; 및 상기 병리 슬라이드 이미지에 기초하여 상기 질병의 중증도를 판단하기 위한 지도학습모델인 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 포함하는 컴퓨팅 시스템에서 수행되는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법으로서,
    상기 질병의 중증도가 각각 라벨링되어 있는 복수의 병리 슬라이드 이미지를 획득하는 단계; 및
    상기 복수의 병리 슬라이드 이미지 각각에 대하여, 상기 병리 슬라이드 이미지에 기초하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 단계를 포함하되,
    상기 병리 슬라이드 이미지에 기초하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 단계는,
    상기 병리 슬라이드 이미지가 상기 단위 크기로 분할된 복수의 패치 각각에 대하여, 상기 패치를 입력받은 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크가 상기 패치에 대한 판단 결과를 출력하는 과정 중에 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크 내에서 생성되는 피쳐를 추출하는 단계;
    상기 학습용 이미지를 구성하는 상기 복수의 패치 각각에 상응하는 피처가 격자 형태로 병합된 상기 학습용 이미지에 상응하는 피쳐맵을 생성하는 단계-여기서, 상기 복수의 패치 각각에 상응하는 피쳐의 상기 피쳐맵 상에서의 상대적인 위치는 해당 피쳐에 상응하는 패치의 상기 학습용 이미지 상에서의 상대적인 위치와 동일함;
    상기 병리 슬라이드에 상응하는 피쳐맵을 상기 병리 슬라이드의 중증도 라벨로 라벨링하는 단계; 및
    상기 병리 슬라이드에 상응하는 피쳐맵을 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크에 입력하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 단계를 포함하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크는,
    상기 단위 크기를 가지는 이미지가 입력되면, 입력된 이미지가 상기 질병으로 인한 병변이 존재하지 않는 제1상태인지 혹은 상기 질병으로 인한 병변이 존재하는 제2상태인지를 판단하기 위한 오토 인코더를 포함하는 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템에 의해 수행되는 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법에 의해 미리 학습되어 있으며,
    상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법은,
    상기 제1상태 또는 상기 제2상태 중 어느 하나로 라벨링되어 있는 복수의 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지 각각에 대하여, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 일부인 사전 학습용 패치를 추출하는 단계; 및
    상기 복수의 학습용 이미지 각각에 상응하는 사전 학습용 패치에 기초하여 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 단계를 포함하되,
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 일부인 사전 학습용 패치를 추출하는 단계는,
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 사전 학습용 패치를 학습중인 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크에 입력하여, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성을 산출하는 단계; 및
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성, 및 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 적어도 일부에 대한 상기 오토 인코더의 판단 결과에 기초하여 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 일부를 사전 학습용 패치라고 판단하는 단계를 포함하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 오토 인코더는, 상기 단위 크기를 가지며 상기 질병으로 인한 병변을 포함하지 않는 정상 패치만으로 미리 학습되어 있으며,
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성, 및 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 적어도 일부에 대한 상기 오토 인코더의 판단 결과에 기초하여 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 일부를 사전 학습용 패치라고 판단하는 단계는,
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지가 제1상태로 라벨링된 경우,
    제2상태일 가능성이 가장 높은 패치에서부터 제2상태일 가능성이 낮아지는 순서로 상기 오토 인코더에 입력하여, 상기 오토 인코더에 의해 제1상태라고 판단된 상위 일부의 패치를 상기 학습용 이미지에 상응하는 학습용 패치라고 판단하는 단계; 및
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지가 제2상태로 라벨링된 경우,
    제2상태일 가능성이 가장 높은 패치에서부터 제2상태일 가능성이 낮아지는 순서로 상기 오토 인코더에 입력하여, 상기 오토 인코더에 의해 제2상태라고 판단된 상위 일부의 패치를 상기 학습용 이미지에 상응하는 학습용 패치라고 판단하는 단계를 포함하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크는,
    병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 시스템에 의해 수행되는 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법에 의해 미리 학습되어 있으며,
    상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법은,
    제1상태 또는 제2상태 중 어느 하나로 라벨링되어 있는 복수의 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지 각각에 대하여, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 일부인 사전 학습용 패치를 추출하는 단계; 및
    상기 복수의 학습용 이미지 각각에 상응하는 사전 학습용 패치에 기초하여 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크를 학습하는 단계를 포함하되,
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 패치 중 일부인 사전 학습용 패치를 추출하는 단계는,
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 사전 학습용 패치를 학습중인 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크에 입력하여, 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성을 산출하는 단계; 및
    상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 별 가능성에 기초하여 상기 사전 학습용 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 각 패치 중 일부를 사전 학습용 패치라고 판단하는 단계를 포함하는 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법.
  9. 데이터 처리장치에 설치되며 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하기 위한 매체에 기록된 컴퓨터 프로그램.
  10. 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독가능한 기록매체.
  11. 컴퓨팅 시스템으로서,
    프로세서 및 메모리를 포함하되,
    상기 메모리는, 상기 프로세서에 의해 수행될 경우, 상기 컴퓨팅 시스템이 제5항 내지 제8항 중 어느 한 항에 기재된 방법을 수행하도록 하는 컴퓨팅 시스템.
  12. 제5항에 기재된 병변 판단용 뉴럴 네트워크; 및
    제5항에 기재된 중증도 판단용 뉴럴 네트워크 학습 방법에 의해 학습된 중증도 판단용 뉴럴 네트워크를 저장하는 뉴럴 네트워크 저장모듈;
    판단 대상 병리 슬라이드 이미지를 분할한 복수의 진단 패치 각각에 대하여, 상기 진단 패치를 입력받은 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크가 상기 진단 패치에 대한 판단 결과를 출력하는 과정에서 생성되는 피쳐를 추출하는 진단 피쳐 추출모듈; 및
    상기 판단 대상 병리 슬라이드 이미지를 구성하는 상기 복수의 진단 패치 각각에 상응하는 피처에 기초하여 생성되는 피쳐맵을 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크에 입력하여 상기 중증도 판단용 뉴럴 네트워크에 의한 진단 결과를 출력하는 중증도 출력모듈을 포함하는 뉴럴 네트워크를 이용한 중증도 진단 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수의 진단 패치를 입력받은 상기 병변 판단용 뉴럴 네트워크에 의해 획득된 상기 복수의 진단 패치 각각의 판단 결과에 기초하여, 상기 판단 대상 이미지의 히트맵을 출력하는 병변영역 출력모듈을 더 포함하는 중증도 진단 시스템.
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