KR102373992B1 - Method and apparatut for alzheimer's disease classification using texture features - Google Patents

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Abstract

본 발명은 의료용 영상 데이터에서 질감 특징을 이용하여 알츠하이머 병을 분류하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 알츠하이머 병 분류 방법은, MR 이미지에서 각 해부학적 영역에 그레이 스케일 값을 사용하여 레이블을 지정함으로써 해마를 포함한 관심영역을 식별하고, 식별된 관심영역을 포함하는 데이터 셋의 각 이미지에 필터를 적용하여 미리 설정된 복수의 유형에 따라 각 이미지의 서로 다른 복수의 서브이미지들을 통해 질감 특성을 얻고, 복수의 서브이미지들의 질감 특성을 기반으로 각 이미지의 그레이 레벨을 통해 공간 의존성을 식별하여 질감 특징을 분류하고, 질감 특징에 사용되는 변수들 간의 상관계수를 선택하여 데이터 셋의 각 이미지의 분류를 위한 최적의 질감 특징을 선택하는 일련의 단계들을 포함한다.The present invention relates to a method and apparatus for classifying Alzheimer's disease using texture features in medical image data. Identifies a region of interest including Based on the texture characteristics of the images, the spatial dependence is identified through the gray level of each image to classify the texture characteristics, and the correlation coefficient between the variables used for the texture characteristics is selected and the optimal texture for classification of each image in the data set It involves a series of steps to select a feature.

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Figure 112019131845039-pat00011

Description

질감 특징을 이용한 알츠하이머 병 분류 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUT FOR ALZHEIMER'S DISEASE CLASSIFICATION USING TEXTURE FEATURES}Method and apparatus for classifying Alzheimer's disease using texture features

본 발명은 알츠하이머 병 분류 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 의료용 영상 데이터에서 질감 특징을 이용하여 알츠하이머 병을 분류하는 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to Alzheimer's disease classification technology, and more particularly, to a method and apparatus for classifying Alzheimer's disease using texture features in medical image data.

의료 기술의 발달로 인해 세계 인구는 꾸준히 증가하고 있으며 노인 수는 빠르게 증가하고 있습니다. 이러한 추세는 향후 수십 년 동안 계속 가속화 될 것으로 예상되며 노인병의 발생과 노화의 사회적 비용이 증가할 것으로 예상된다.Due to advances in medical technology, the world's population is steadily increasing, and the number of elderly people is increasing rapidly. This trend is expected to continue to accelerate in the coming decades, increasing the incidence of geriatric diseases and the social costs of aging.

노인성 질환에는 알츠하이머 병(Alzheimer 's Disease, AD), 뇌출혈 및 파킨슨 병이 포함된다. 이 중 AD는 가장 흔한 퇴행성 뇌 질환이다. AD의 증상은 질병을 시작으로 시작되는 기억을 포함한 인지 기능의 점진적인 악화이다.Geriatric diseases include Alzheimer's Disease (AD), cerebral hemorrhage, and Parkinson's disease. Among them, AD is the most common degenerative brain disease. A symptom of AD is the progressive deterioration of cognitive function, including memory, that begins with the onset of the disease.

ADNI(Alzheimer 's Disease Neuroimaging Initiative) 데이터 중 경미한 인지 장애(mild cognitive impairments, MCI)는 치매와 정상 노화 사이의 중간 단계로, 환자는 정상 노화 그룹에서 같은 나이의 사람들보다 인지 기능이 낮지만 일상 활동에는 영향을 미치지 않는다.Among Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative (ADNI) data, mild cognitive impairments (MCI) are an intermediate stage between dementia and normal aging, where patients have lower cognitive function than people of the same age in the normal aging group, but perform daily activities. does not affect

현재 의료 기술의 발전으로 조기 진단이 개발되어 수술이나 약물을 통해 암이나 심장 질환과 같은 일부 질병을 치료할 수 있다. 그러나 AD는 질병의 초기 단계에서 진단되더라도 치료할 수 없다. 질병 진행 속도를 통제하는 것만 가능하다. 따라서 조기 발견 및 진단이 매우 중요하다.Advances in current medical technology have led to the development of early diagnosis, which can treat some diseases, such as cancer or heart disease, through surgery or drugs. However, AD cannot be cured even if diagnosed at an early stage of the disease. It is only possible to control the rate of disease progression. Therefore, early detection and diagnosis are very important.

자기공명영상(magnetic resonance imaging, MRI)는 현대 의학 및 연구에서 신체 내부를 관찰하는 데 사용되는 주요 도구이다. 최근 MRI 기술이 최근에 현저하게 개발되어 정확한 이미지를 얻을 수는 있지만 시각적 데이터만으로 질병을 평가하는 것은 어렵다.Magnetic resonance imaging (MRI) is a major tool used in modern medicine and research to look inside the body. Recently, MRI technology has been remarkably developed in recent years, and although accurate images can be obtained, it is difficult to evaluate diseases with only visual data.

예를 들어, 획득한 자기공명(magnetic resonance, MR) 이미지는 모두 크기가 다른 뇌를 가지고 있기 때문에 환자마다 다르며 의사는 동일한 MR 이미지를 다르게 진단할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 AD 환자의 진단을 위한 객관적인 기준을 설정해야 한다.For example, acquired magnetic resonance (MR) images are different for each patient because they all have brains of different sizes, and doctors can diagnose the same MR image differently. In order to solve these problems, objective criteria for the diagnosis of AD patients should be established.

한편, 종래 기술의 연구는 AD의 발병을 진단하기 위한 다양한 조기 검출 방법과 바이오 마커를 보여주는데 중점을 두고 있어 AD 환자의 진단을 위한 객관적인 기준을 제공하는데는 한계가 있다. On the other hand, prior art studies focus on showing various early detection methods and biomarkers for diagnosing the onset of AD, so there is a limitation in providing objective criteria for diagnosing AD patients.

Muhammad Ovais, Nashmia Zia,rshad Ahmad et al. Phyto-Therapeutic and Nanomedicinal Approaches to Cure Alzheimer's Disease(알츠하이머 병을 위한 식물 치료 및 나노 의학 접근법): Present Status and Future Opportunities. Front Aging Neurosci. 2018;10.Muhammad Ovais, Nashmia Zia, rshad Ahmad et al. Phyto-Therapeutic and Nanomedicinal Approaches to Cure Alzheimer's Disease: Present Status and Future Opportunities. Front Aging Neurosci. 2018;10.

본 발명의 목적은 새로운 것을 배우고 기억하고 인식하는 데 중요한 역할을 하며 알츠하이머 병(Alzheimer's disease, AD)의 발병에 가장 큰 영향을 받는 기관인 해마의 MR 이미지 질감에 기초하여 알츠하이머 병을 분류하는 방법 및 장치를 제공하는데 있다.An object of the present invention is a method and apparatus for classifying Alzheimer's disease based on MR image texture of the hippocampus, which plays an important role in learning, remembering and recognizing new things and is the organ most affected in the pathogenesis of Alzheimer's disease (AD). is to provide

본 발명의 또 다른 목적은 이미지 처리 및 공간 명암도 의존 행렬(gray-level co-occurrence matrix, GLCM) 기술을 적용하는 텍스처 분석을 기반으로 알츠하이머 병을 객관적으로 진단할 수 있는 알츠하이머 병 분류 방법 및 장치를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to provide an Alzheimer's disease classification method and apparatus capable of objectively diagnosing Alzheimer's disease based on image processing and texture analysis applying a gray-level co-occurrence matrix (GLCM) technology. is to provide

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 알츠하이머 병 분류 방법은, MR(magnetic resonance) 이미지에서 각 해부학적 영역에 그레이 스케일 값을 사용하여 레이블을 지정함으로써 해마를 포함한 관심영역(region of interest)을 식별하는 단계; 상기 식별하는 단계에서 획득되고 상기 관심영역을 포함하는 데이터 셋의 각 이미지에 필터를 적용하여 미리 설정된 복수의 유형에 따라 각 이미지의 서로 다른 복수의 서브이미지들을 통해 질감 특성을 얻는 단계; 상기 복수의 서브이미지들의 질감 특성을 기반으로 상기 각 이미지의 그레이 레벨을 통해 공간 의존성을 식별하여 질감 특징을 분류하는 단계; 및 상기 질감 특징에 사용되는 변수들 간의 상관계수를 선택하여 데이터 셋의 각 이미지의 분류를 위한 최적의 질감 특징을 선택하는 단계를 포함한다.In a method for classifying Alzheimer's disease according to an aspect of the present invention for solving the above technical problem, each anatomical region in a magnetic resonance (MR) image is labeled using a gray scale value, thereby providing a region of interest (region of interest) including the hippocampus interest); obtaining texture characteristics through a plurality of different sub-images of each image according to a plurality of preset types by applying a filter to each image of the data set obtained in the identifying and including the region of interest; classifying the texture feature by identifying spatial dependence through the gray level of each image based on the texture feature of the plurality of sub-images; and selecting an optimal texture feature for classification of each image in the data set by selecting a correlation coefficient between the variables used for the texture feature.

일실시예에서, 상기 질감 특성을 얻는 단계는 가우스 함수를 사용하여 공간 및 주파수 영역에서 특성을 추출하는 가버(gabor) 필터를 사용하며, 여기서 상기 가버 필터는 각 이미지에 대한 파장, 가장자리의 방향, 이미지의 중심을 기준으로 주변 픽셀에 적용되는 작업의 반복 기간, 중심으로부터의 거리, 및 필터 너비와 높이의 비율에 대한 시그마, 세타, 람다, 파이(phi) 및 감마의 5가지 파라미터 중 적어도 일부가 조정된다.In one embodiment, the step of obtaining the texture characteristic uses a Gabor filter that extracts the characteristic in the spatial and frequency domain using a Gaussian function, wherein the Gabor filter includes a wavelength for each image, a direction of an edge, At least some of the five parameters: sigma, theta, lambda, phi, and gamma for the iteration duration of an operation applied to surrounding pixels relative to the center of the image, the distance from the center, and the ratio of filter width to height is adjusted

일실시예에서, 상기 분류하는 단계는 상기 복수의 서브이미지들 또는 이에 대응하는 슬라이스들 간의 관계를 미리 설정된 특성 계수를 적용하여 평가할 수 있다.In an embodiment, the classifying may include evaluating a relationship between the plurality of sub-images or slices corresponding thereto by applying a preset characteristic coefficient.

일실시예에서, 상기 분류하는 단계에서는 상기 데이터 셋의 상단 이미지의 원점에서 일정 각도 회전한 복수의 방향에 대하여 대비, 엔트로피, 분산, 상관관계, 합, 평균, 역분산, 군집음영, 군집경향, 동질성, 최대확률, 관성, 에너지 또는 이들 조합을 포함한 변수들을 선택할 수 있다.In an embodiment, in the classifying step, contrast, entropy, variance, correlation, sum, mean, inverse variance, cluster shading, clustering tendency, Variables can be selected including homogeneity, maximum probability, inertia, energy, or a combination thereof.

일실시예에서, 상기 선택하는 단계는, 상기 변수들 간의 상관계수를 선택하기 위해 피셔(fisher) 계수를 사용하여 데이터 셋의 각 이미지 그룹에 대한 최적의 특징을 식별할 수 있다.In an embodiment, the selecting may use a Fisher coefficient to select a correlation coefficient between the variables to identify an optimal feature for each image group in the data set.

일실시예에서, 상기 알츠하이머 병 분류 방법은, 상기 선택하는 단계에서의 질감 특징으로 분류된 각 이미지를 학습하는 단계를 더 포함한다. 상기 학습하는 단계는 케라스(Keras) 딥 러닝 라이브러리를 기반으로 하는 MLP(multi-layer perceptron) 모델을 통해 훈련 데이터 셋 또는 시험 데이터 셋에 대하여 이미지 분류에 대한 학습을 수행할 수 있다. 또한, 상기 학습하는 단계는 S자형 함수 대용으로 사용되고 음의 입력에 대하여 기울기가 영(0)으로 설정되며 0 또는 1의 고정 기울기를 회피하도록 설계된 정류 선형 유닛(ReLu)을 사용할 수 있다.In an embodiment, the Alzheimer's disease classification method further includes learning each image classified as a texture feature in the selecting. In the learning step, image classification may be performed on a training data set or a test data set through a multi-layer perceptron (MLP) model based on a Keras deep learning library. In addition, the learning step may use a rectification linear unit (ReLu) which is used as a substitute for an S-shaped function and has a slope set to zero for a negative input and is designed to avoid a fixed slope of 0 or 1.

일실시예에서, 상기 알츠하이머 병 분류 방법은, 상기 선택하는 단계에서 선택된 질감 특징을 AD-MCI, AD-NC 및 MCI-NC의 세 가지 클래스로 구분하여 데이터 셋에 대한 이미지 분류의 정확도 혹은 신뢰도를 검증하는 단계를 더 포함한다.In one embodiment, the Alzheimer's disease classification method classifies the texture feature selected in the selecting step into three classes: AD-MCI, AD-NC, and MCI-NC to determine the accuracy or reliability of image classification for a data set It further includes the step of verifying.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 알츠하이머 병 분류 장치는, MR(magnetic resonance) 이미지에서 각 해부학적 영역에 그레이 스케일 값을 사용하여 레이블을 지정함으로써 해마를 포함한 관심영역(region of interest)을 식별하는 식별부; 상기 식별부에서 획득되고 상기 관심영역을 포함하는 데이터 셋의 각 이미지에 필터를 적용하여 미리 설정된 복수의 유형에 따라 각 이미지의 서로 다른 복수의 서브이미지들을 통해 질감 특성을 얻는 필터링부; 상기 복수의 서브이미지들의 질감 특성을 기반으로 각 이미지의 그레이 레벨을 통해 공간 의존성을 식별하여 질감 특징을 분류하는 분류부; 및 상기 질감 특징에 사용되는 변수들 간의 상관계수를 선택하여 데이터 셋의 각 이미지의 분류를 위한 최적의 질감 특징을 선택하는 선택부를 포함한다.In an apparatus for classifying Alzheimer's disease according to another aspect of the present invention for solving the above technical problem, each anatomical region in a magnetic resonance (MR) image is labeled using a gray scale value, thereby providing a region of interest including the hippocampus. an identification unit for identifying interest); a filtering unit obtained by the identification unit and applying a filter to each image of the data set including the region of interest to obtain texture characteristics through a plurality of different sub-images of each image according to a plurality of preset types; a classification unit for classifying the texture characteristics by identifying spatial dependence through the gray level of each image based on the texture characteristics of the plurality of sub-images; and a selection unit configured to select an optimal texture feature for classification of each image in the data set by selecting a correlation coefficient between the variables used for the texture feature.

일실시예에서, 상기 알츠하이머 병 분류 장치는, 선택부에서의 질감 특징으로 분류된 각 이미지를 학습하는 학습부를 더 포함한다.In an embodiment, the apparatus for classifying Alzheimer's disease further includes a learning unit for learning each image classified by the texture feature in the selection unit.

일실시예에서, 상기 알츠하이머 병 분류 장치는, 선택부에서 선택된 질감 특징을 AD-MCI, AD-NC 및 MCI-NC의 세 가지 클래스로 구분하여 데이터 셋에 대한 이미지 분류 결과를 검증하는 검증부를 더 포함한다.In an embodiment, the Alzheimer's disease classification apparatus further includes a verification unit that classifies the texture feature selected by the selection unit into three classes, AD-MCI, AD-NC, and MCI-NC, and verifies the image classification result for the data set. include

전술한 질감 특징을 이용한 알츠하이머 병 분류 방법 및 장치를 사용하는 경우에는, 이미지 처리 및 그레이 레벨 동시 발생 매트릭스(gray-level co-occurrence matrix, GLCM) 기술을 적용하는 텍스처 분석을 기반으로 알츠하이머 병을 객관적으로 효과적으로 진단할 수 있다.In the case of using the Alzheimer's disease classification method and apparatus using the texture characteristics described above, Alzheimer's disease is objectively diagnosed based on image processing and texture analysis applying gray-level co-occurrence matrix (GLCM) technology. can be effectively diagnosed.

또한, 본 발명에 의하면, 오차행렬(confusion matrix), 서포트 벡터 머신(support vector machine, SVM) 및 K-최근접 이웃(K-nearest neighbor, KNN) 분류기를 사용하여 얻은 결과와 대비할 때 자기공명영상(MRI)의 영상 데이터에 대한 이미지 처리, 질감 분석 및 딥 러닝을 통해 상대적으로 더 높은 정확도로 알츠하이머 병을 객관적 기준에서 분류할 수 있다.In addition, according to the present invention, when compared with the results obtained using a confusion matrix, a support vector machine (SVM) and a K-nearest neighbor (KNN) classifier, magnetic resonance imaging (MRI) image processing, texture analysis, and deep learning on image data can classify Alzheimer's disease in objective criteria with relatively higher accuracy.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 알츠하이머 병 분류 방법에 대한 흐름도이다.
도 2는 도 1의 알츠하이머 병 분류 방법에 채용할 수 있는 이미지 데이터에 대한 예시도이다.
도 3은 도 1의 알츠하이머 병 분류 방법에 채용할 수 있는 MR(magnetic resonance) 이미지의 재슬라이싱 전처리 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 도 1의 알츠하이머 병 분류 방법에 채용할 수 있는 이미지 전처리 과정에 대한 다른 예시도이다.
도 5는 도 1의 알츠하이머 병 분류 방법에 채용할 수 있는 이미지 등록 과정을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 도 5의 ICBM 템플릿을 토대로 관심영역을 분석하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 1의 알츠하이머 병 분류 방법에 채용할 수 있는 이차원(two-dimensional, 2D) 가버 필터(Gabor filter)의 유형에 대한 예시도이다.
도 8은 도 1의 알츠하이머 병 분류 방법에 채용할 수 있는 딥러닝(deep learning)의 제안 모델의 성능을 나타낸 도면으로서, AD-MCI 데이터를 이용한 경우에 대한 그래프이다.
도 9는 도 1의 알츠하이머 병 분류 방법에 채용할 수 있는 딥러닝(deep learning)의 제안 모델의 성능을 나타낸 도면으로서, AD-NC 데이터를 이용한 경우에 대한 그래프이다.
도 10은 도 1의 알츠하이머 병 분류 방법에 채용할 수 있는 딥러닝(deep learning)의 제안 모델의 성능을 나타낸 도면으로서, MCI-NC 데이터를 이용한 경우에 대한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 알츠하이머 병 분류 장치에 대한 개략적인 블록도이다.
1 is a flowchart of a method for classifying Alzheimer's disease according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exemplary diagram of image data that may be employed in the Alzheimer's disease classification method of FIG. 1 .
FIG. 3 is an exemplary diagram for explaining a pre-processing process for reslicing a magnetic resonance (MR) image that can be employed in the Alzheimer's disease classification method of FIG. 1 .
4 is another exemplary diagram of an image pre-processing process that may be employed in the Alzheimer's disease classification method of FIG. 1 .
FIG. 5 is an exemplary diagram for explaining an image registration process that may be employed in the Alzheimer's disease classification method of FIG. 1 .
FIG. 6 is a diagram for explaining a process of analyzing a region of interest based on the ICBM template of FIG. 5 .
7 is an exemplary diagram of a type of a two-dimensional (2D) Gabor filter that can be employed in the Alzheimer's disease classification method of FIG. 1 .
8 is a diagram showing the performance of a proposed model of deep learning that can be employed in the Alzheimer's disease classification method of FIG. 1 , and is a graph for the case of using AD-MCI data.
9 is a diagram showing the performance of a proposed model of deep learning that can be employed in the Alzheimer's disease classification method of FIG. 1 , and is a graph for the case of using AD-NC data.
10 is a diagram showing the performance of a proposed model of deep learning that can be employed in the Alzheimer's disease classification method of FIG. 1 , and is a graph for the case of using MCI-NC data.
11 is a schematic block diagram of an apparatus for classifying Alzheimer's disease according to another embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 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 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.Since the present invention can have various changes and can have various embodiments, specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals are used for like elements.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 알츠하이머 병 분류 방법에 대한 흐름도이다.1 is a flowchart of a method for classifying Alzheimer's disease according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 알츠하이머 병 분류 방법은, 이미지 전처리(image precessing) 단계(제1 단계, Step 1) 및 질감 분석(textrue analysis) 단계(제2 단계, Step 2)를 포함할 수 있고, 또한 딥러닝(deep learning) 단계(제3 단계, Step 3)를 더 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the Alzheimer's disease classification method according to the present embodiment includes an image preprocessing step (first step, Step 1) and a texture analysis step (second step, Step 2). and may further include a deep learning step (third step, Step 3).

이미지 전처리 단계에서는 MRI(magnetic resonance imaging), 양전자 방출 단층 촬영(positron emission tomography, PET) 등으로부터 얻어지고 ADNI 데이터셋(alzheimer's disease neuroimaging initiative dataset) 등과 같이 저장되어 사용되는 데이터셋의 이미지를 전처리하고(S10a, S11), 전처리된 이미지를 ICBM 템플릿(international consortium for brain mapping template) 등의 템플릿을 통해 매핑한 후 소정의 등록 시스템을 통해 이미지를 등록할 수 있다(S12).In the image preprocessing stage, images of datasets obtained from magnetic resonance imaging (MRI), positron emission tomography (PET), etc. and stored and used such as the ADNI dataset (alzheimer's disease neuroimaging initiative dataset) are preprocessed ( S10a, S11), after mapping the preprocessed image through a template such as an international consortium for brain mapping template (ICBM), the image may be registered through a predetermined registration system (S12).

좀더 구체적으로, 이미지 전처리 단계에서는 MR(magnetic resonance) 이미지에서 각 해부학적 영역에 그레이 스케일 값을 사용하여 레이블을 지정함으로써 해마를 포함한 관심영역(region of interest)을 식별할 수 있다. 관심영역을 가진 등록 이미지는 이미지 크롭핑(image cropping)을 통해 관심영역을 중심으로 이미지의 주변부가 잘려질 수 있다(S13).More specifically, in the image preprocessing step, a region of interest including the hippocampus can be identified by labeling each anatomical region using a gray scale value in a magnetic resonance (MR) image. In the registered image having the region of interest, the periphery of the image may be cut around the region of interest through image cropping (S13).

또한, 이미지 전처리 단계에서는 필터 예컨대 가버 필터를 적용하는 단계(Gabor filter adapt, S14)를 더 포함할 수 있다. 본 단계는 관심영역을 포함하는 데이터 셋의 각 이미지에 필터를 적용하여 미리 설정된 복수의 유형에 따라 각 이미지의 서로 다른 복수의 서브이미지들을 획득하고 복수의 서브이미지들을 통해 질감 특성을 얻도록 이루어질 수 있다.In addition, the image preprocessing step may further include a step of applying a filter, for example, a Gabor filter (Gabor filter adapt, S14). In this step, a filter is applied to each image of the data set including the region of interest to obtain a plurality of different sub-images of each image according to a plurality of preset types, and texture characteristics can be obtained through the plurality of sub-images. there is.

이와 같이 가버 필터를 이용하여 질감 특성을 얻는 단계(S14)에서는 가우스 함수를 사용하여 공간 및 주파수 영역에서 특성을 추출하는 가버 필터(Gabor filter)를 사용한다. 여기서 가버 필터는 각 이미지에 대한 파장, 가장자리의 방향, 이미지의 중심을 기준으로 주변 픽셀에 적용되는 작업의 반복 기간, 중심으로부터의 거리, 및 필터 너비와 높이의 비율 각각에 대하여 기재된 순서대로 대응하는 시그마, 세타, 람다, 파이(phi) 및 감마의 5가지 파라미터 중 적어도 일부를 조정하는 방식으로 사용될 수 있다.As such, in the step S14 of obtaining the texture characteristic using the Gabor filter, a Gabor filter that extracts the characteristic in the spatial and frequency domains using a Gaussian function is used. Here, the Gabor filter corresponds to the wavelength for each image, the direction of the edge, the repetition period of the operation applied to neighboring pixels relative to the center of the image, the distance from the center, and the corresponding in the order described for each of the filter width and height ratios. It can be used in a way that adjusts at least some of the five parameters: sigma, theta, lambda, phi, and gamma.

다음, 질감 분석 단계에서는, 복수의 서브이미지들의 질감 특성을 기반으로 각 이미지의 그레이 레벨을 통해 공간 의존성을 식별하여 질감 특징을 분류할 수 있다(S15). 질감 특징 분류 단계(S15)에서는 공간 명암도 의존 행렬(gray-level co-occurrence matric, GLCM)를 이용하여 각 이미지의 픽셀 간의 공간 관계를 고려한 통계 텍스쳐 분석을 수행할 수 있다.Next, in the texture analysis step, based on the texture characteristics of the plurality of sub-images, spatial dependence may be identified through the gray level of each image to classify the texture characteristics ( S15 ). In the texture feature classification step S15, statistical texture analysis in consideration of spatial relationships between pixels of each image may be performed using a gray-level co-occurrence matrix (GLCM).

또한, 질감 분석 단계에서는 변수들 간의 상관계수를 선택하기 위해 피셔(fisher) 계수를 사용하여 데이터 셋의 각 이미지 그룹에 대한 최적의 특징을 식별할 수 있다(S16).Also, in the texture analysis step, an optimal feature for each image group in the data set may be identified by using a fisher coefficient to select a correlation coefficient between variables (S16).

즉, 질감 분석 단계에서는, 질감 특징에 사용되는 변수들 간의 상관계수를 선택하여 데이터 셋의 각 이미지의 분류를 위한 최적의 질감 특징을 선택할 수 있다. 이를 위해, 질감 분석 단계에서는 복수의 서브이미지들 또는 이에 대응하는 슬라이스들 간의 관계를 미리 설정된 특성 계수를 적용하여 평가할 수 있다. 또한, 질감 분석 단계에서는 데이터 셋의 상단 이미지의 원점에서 일정 각도 회전한 복수의 방향에 대하여 대비, 엔트로피, 분산, 상관관계, 합, 평균, 역분산, 군집음영, 군집경향, 동질성, 최대확률, 관성, 에너지 또는 이들 조합을 포함한 변수들을 선택할 수 있다.That is, in the texture analysis step, it is possible to select an optimal texture feature for classification of each image in the data set by selecting a correlation coefficient between variables used for the texture feature. To this end, in the texture analysis step, a relationship between a plurality of sub-images or corresponding slices may be evaluated by applying a preset characteristic coefficient. In addition, in the texture analysis step, contrast, entropy, variance, correlation, sum, mean, inverse variance, cluster shading, clustering tendency, homogeneity, maximum probability, Variables can be selected including inertia, energy, or a combination thereof.

다음으로, 본 실시예에 따른 알츠하이머 병 분류 방법은, 질감 분석 단계에서 질감 특징으로 분류된 각 이미지를 학습하는 단계를 더 포함할 수 있다.Next, the Alzheimer's disease classification method according to the present embodiment may further include learning each image classified as a texture feature in the texture analysis step.

학습 단계는 케라스(Keras) 딥 러닝 라이브러리를 기반으로 하는 MLP(multi-layer perceptron) 모델을 통해 훈련 데이터 셋 또는 시험 데이터 셋에 대하여 이미지 분류에 대한 학습을 수행할 수 있다. 또한, 학습 단계는 S자형 함수 대용으로 사용되고 음의 입력에 대하여 기울기가 영(0)으로 설정되며 0 또는 1의 고정 기울기를 회피하도록 설계된 정류 선형 유닛(ReLu)을 사용할 수 있다.In the learning step, image classification may be performed on a training data set or a test data set through a multi-layer perceptron (MLP) model based on a Keras deep learning library. In addition, the learning phase may use a commutation linear unit (ReLu) which is used as a substitute for a sigmoid function and is designed to avoid fixed slopes of 0 or 1 with the slope set to zero for negative inputs.

또한, 본 실시예에 따른 알츠하이머 병 분류 방법은, 질감 분석 단계에서 선택된 질감 특징을 AD-MCI, AD-NC 및 MCI-NC의 세 가지 클래스로 구분하여 데이터 셋에 대한 이미지 분류의 정확도 혹은 신뢰도를 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 단계는 학습 단계 이후에 수행될 수 있다.In addition, the Alzheimer's disease classification method according to this embodiment classifies the texture feature selected in the texture analysis step into three classes, AD-MCI, AD-NC, and MCI-NC, to increase the accuracy or reliability of image classification for a data set. It may further include the step of verifying. This step may be performed after the learning step.

이하에서는 전술한 알츠하이머 병 분류 방법의 각 구성요소에 대하여 좀더 상세히 설명한다. Hereinafter, each component of the above-described Alzheimer's disease classification method will be described in more detail.

자료(Materials)Materials

본 실시예에서는 ADNI 데이터 셋의 DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine) 형식을 사용하였다. 데이터는 ADNI 데이터베이스(http://adni.loni.usc.edu)에서 가져왔다. ADNI는 2003년 NIA(National Institute on Aging), NIBIB(National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering Institute), FDA(Food and Drug Administration), 민간 제약 회사 및 비영리 단체에서 2003년에 $60로 5년 공공-민간 파트너쉽으로 시작했다.In this example, the DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) format of the ADNI data set was used. Data were taken from the ADNI database (http://adni.loni.usc.edu). ADNI was established in 2003 by the National Institute on Aging (NIA), the National Institute of Biomedical Imaging and Bioengineering Institute (NIBIB), the Food and Drug Administration (FDA), a private pharmaceutical company, and a non-profit organization for $60 in 2003 in a 5-year public-private partnership started with

ADNI의 주요 목표는 일련의 MRI, 양전자 방출 단층 촬영(PET), 기타 생물학적 마커 및/또는 임상 및 신경 심리학적 평가를 결합하여 MCI 및 조기 AD의 진행을 측정할 수 있는지 여부를 테스트하는 것이다. ADNI는 광범위한 교육 기관 및 민간 기업의 많은 연구자들의 노력의 결과이다.The main goal of ADNI is to test whether a combination of a series of MRIs, positron emission tomography (PET), other biological markers, and/or clinical and neuropsychological assessments can measure the progression of MCI and early AD. ADNI is the result of the efforts of many researchers in a wide range of educational institutions and private companies.

본 실시예에서는 ADNI 데이터 셋에서 세 가지 다른 클래스의 180개의 MR 이미지를 사용했습니다. 각 분류는 AD(alzheimer's disease patients), MCI(mild cognitive impairments) 또는 NC(normal controls)를 가진 각각 60개 대상들(subjects)로 구성되었다. 3개 그룹의 데이터셋의 각 이미지는 256×256×161 픽셀 크기의 회색조로 구성하였다. 등록(registration) 프로세스에 사용되는 ICBM(International Consortium for Brain Mapping) 템플릿은 인간의 뇌를 시각화하기 위한 표준 모델이며 좌우 대칭이다. 또한, 뇌의 각 기관의 식별자는 그레이 스케일 값으로 표시되므로 특정 기관에 대하여 데이터를 얻을 수 있다. 이미지의 크기는 217×181×181 픽셀이며 각 슬라이스 사이의 간격은 1.0㎜로 설정하였다. In this example, 180 MR images of three different classes were used in the ADNI data set. Each classification consisted of 60 subjects each with Alzheimer's disease patients (AD), mild cognitive impairments (MCI), or normal controls (NC). Each image of the three groups of datasets was composed of a gray scale of 256 × 256 × 161 pixels. The International Consortium for Brain Mapping (ICBM) template used in the registration process is a standard model for visualizing the human brain and is symmetrical. In addition, since the identifier of each organ in the brain is displayed as a gray scale value, data can be obtained for a specific organ. The size of the image was 217 × 181 × 181 pixels, and the interval between each slice was set to 1.0 mm.

도 2는 이미지 등록을 위한 뇌 매핑 국제 컨소시엄(international consortium for brain mapping, ICBM)의 템플릿으로서, (a)는 ICBM 템플릿이고 (b)는 해부학적 레이블이 있는 ICBM 템플릿이다.2 is a template of the international consortium for brain mapping (ICBM) for image registration, in which (a) is an ICBM template and (b) is an anatomically labeled ICBM template.

개발 환경(Development Environment)Development Environment

개발 환경으로는 인텔 코어 i5-4690 중앙처리장치(CPU)와 16GB RAM이 장착 된 GeForce 1070 그래픽 카드를 사용하였다. 소프트웨어 개발에는 비주얼 스튜디오 커뮤니티(Visual Studio Community) 2015와 매트랩(Matlab)을 사용하였다. 주요 개발 언어로는 C++, 파이썬(Python) 및 MFC를 사용하였고 VTK(Visualization Toolkit) 7.1, OpenCV 3.2.0, Insight Toolkit(ITK) 4.11 및 케라스(Keras) 라이브러리를 사용하였다.As the development environment, a GeForce 1070 graphics card equipped with an Intel Core i5-4690 central processing unit (CPU) and 16GB RAM was used. Visual Studio Community 2015 and Matlab were used for software development. C++, Python, and MFC were used as major development languages, and Visualization Toolkit (VTK) 7.1, OpenCV 3.2.0, Insight Toolkit (ITK) 4.11 and Keras libraries were used.

제안방법 및 실험(Method and Experimental)Method and Experimental

본 실시예에 따른 알츠하이머 병 분류 방법의 전체 프로세스는 이미지 처리, 텍스처 분석 및 딥 러닝으로 나눌 수 있다(도 1 참조).The entire process of the Alzheimer's disease classification method according to the present embodiment can be divided into image processing, texture analysis, and deep learning (see FIG. 1 ).

제 1 단계의 이미지 프로세싱에서, 이미지는 텍스처 분석에 사용하기 위해 획득되고, 수렴, 관심영역 및 가보 필터가 사전처리된 이미지에 적용된다. 그리고 데이터 처리에는 이미지 처리 라이브러리와 3D 슬라이서 프로그램을 사용하였다.In the first stage of image processing, an image is acquired for use in texture analysis, and convergence, region of interest, and heuristic filters are applied to the preprocessed image. And image processing library and 3D slicer program were used for data processing.

제 2 단계의 질감 분석에서는, 이미지에 3D-GLCM을 적용하여 질감 특징(texture features)을 계산하는 텍스처 분석을 수행한 다음 피셔(Fisher)의 계수를 기반으로 중요한 특징을 추출하였다.In the second stage of texture analysis, 3D-GLCM was applied to the image to perform texture analysis to calculate texture features, and then important features were extracted based on Fisher's coefficients.

제 3 단계의 딥 러닝에서는, 획득한 질감 특징을 AD-MCI, AD-NC 및 MCI-NC의 세 가지 클래스로 나누어 MLP(Multi-Layer Perceptron) 모델에 적용함으로써 본 실시예의 제안 방법의 정확성을 측정하였다.In the third stage of deep learning, the accuracy of the proposed method of this embodiment is measured by dividing the acquired texture features into three classes, AD-MCI, AD-NC, and MCI-NC, and applying them to a Multi-Layer Perceptron (MLP) model. did

제안방법 및 실험의 각 단계를 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Each step of the proposed method and experiment will be described in more detail as follows.

이미지 처리(Image Processing)Image Processing

본 실시예에서는 의료 영상 처리를 위한 오픈 소스 라이브러리인 ITK(insight segmentation and registration toolkit) 및 오프소스 컴퓨터 비전 라이브러리(open CV) 등의 이미지 처리 라이브러리를 사용하여 MR 이미지에서 관심 영역(해마)을 분할하였다.In this embodiment, the region of interest (hippocampus) was segmented in the MR image using image processing libraries such as the insight segmentation and registration toolkit (ITK), an open source library for medical image processing, and the open source computer vision library (open CV). .

이미지 처리는 두 단계로 진행되었다. 먼저, 슬라이싱 및 등록을 사용하여 ADNI 데이터셋과 ICBM 템플릿 사이의 간격을 동일하게 하였다. 그런 다음 ICBM 템플릿 레이블을 사용하여 해마를 포함한 관심 영역을 분할하고 가버(Gabor) 필터를 적용하였다.Image processing proceeded in two steps. First, slicing and registration were used to equalize the spacing between the ADNI dataset and the ICBM template. Then, using the ICBM template label, the region of interest including the hippocampus was segmented and Gabor filters were applied.

구체적으로, 이미지 전처리(image preprocessing) 과정은 다음과 같다.Specifically, the image preprocessing process is as follows.

ADNI 데이터셋과 ICBM 템플릿은 간격이 다르기 때문에 슬라이스 수가 다르다. 이미지 등록을 적절한 전처리 단계없이 적용하면 다음과 같은 문제가 발생할 수 있다. 즉, 배경만을 기준으로 개체가 포함된 이미지를 정렬하면 신뢰할 수 있는 결과가 생성되지 않는다. 이는 대상 간의 비교가 정확하지 않을뿐만 아니라 마스크를 적용할 때 기준점을 추출하는 데 어려움이 있기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 실시예에서는 몇 가지 전처리 단계들을 적용하였다. 먼저, ITK 라이브러리를 사용하여 DICOM 파일에서 소정의 폭(width)과 높이(height)를 가진 뇌 이미지를 획득하였다. 다음으로 방향을 변경하기 위해 결정자를 아핀 변환(affine transform)에 적용하고 ADNI 데이터셋의 간격을 ICBM 템플릿의 간격과 일치시키기 위해 재 슬라이스(re-slice)를 적용하였다. 이러한 프로세스에서는 슬라이싱 프로세스 동안 손실을 최소화하기 위해 스플라인 보간(spline interpolation)을 적용할 수 있다.ADNI dataset and ICBM template have different number of slices due to different spacing. Applying image registration without proper preprocessing steps can lead to the following problems: In other words, sorting images with objects based only on the background will not produce reliable results. This is not only because the comparison between objects is not accurate, but also because it is difficult to extract a reference point when applying a mask. In order to solve this problem, several pre-processing steps were applied in this embodiment. First, a brain image with a predetermined width and height was obtained from a DICOM file using the ITK library. Next, a determinant was applied to an affine transform to change the direction, and re-slice was applied to match the spacing of the ADNI dataset with the spacing of the ICBM template. In this process, spline interpolation can be applied to minimize losses during the slicing process.

도 3은 도 1의 알츠하이머 병 분류 방법에 채용할 수 있는 MR(magnetic resonance) 이미지의 재슬라이싱 전처리 과정을 설명하기 위한 도면으로서, (a)는 간격(spacing) 1.0의 원본 이미지, (b)는 재슬라이스되는 이미지, 그리고 (c)는 간격 1.2의 재슬라이스된 이미지를 각각 보여준다.3 is a diagram for explaining a pre-processing process for reslicing a magnetic resonance (MR) image that can be employed in the Alzheimer's disease classification method of FIG. 1 , wherein (a) is an original image with a spacing of 1.0, (b) is a The resliced image, and (c) shows the resliced image with an interval of 1.2, respectively.

또한, 본 실시예에 따른 이미지 전처리 과정에서 이미지 사이의 강도를 균등하게 하는 프로세스를 적용하였다. 복셀 그레이 값에 의존하는 분석 과정에서는 MR 이미지에서 신호 강도를 보정하는 것이 중요하다. 즉, MR 이미지에서 주요 열화 원인은 특별하게 설계된 표면 코일들의 감도에 대한 공간적 불균일성이다. 따라서, 본 실시예에서는 LEMS(local entropy minimization with a bicubic spline model)에 기반한 국소 엔트로피 최소화를 사용하여 실험에 사용된 모든 이미지에서 강도를 균일하게 만들었다. 이를 나타내면 도 4와 같다.In addition, in the image pre-processing according to the present embodiment, a process for equalizing the intensity between images was applied. In an analysis process that relies on voxel gray values, it is important to correct the signal intensity in the MR image. That is, the main cause of deterioration in the MR image is spatial non-uniformity with respect to the sensitivity of specially designed surface coils. Therefore, in this example, local entropy minimization based on LEMS (local entropy minimization with a bicubic spline model) was used to make the intensity uniform in all images used in the experiment. This is shown in FIG. 4 .

도 4는 도 1의 알츠하이머 병 분류 방법에 채용할 수 있는 이미지 전처리 과정에 대한 다른 예시로서, 국소 엔트로피 최소화 기반 이미지 불균일 보정 과정을 나타내며, (a)는 원본 이미지, (b)는 보정되는 이미지의 바이어스 필드(bias field), 그리고 (c)는 보정된 이미지를 각각 나타낸다.4 is another example of an image preprocessing process that can be employed in the Alzheimer's disease classification method of FIG. 1, and shows an image non-uniformity correction process based on local entropy minimization, (a) is the original image, (b) is the corrected image A bias field, and (c) represent the corrected image, respectively.

등록(Registration)Registration

본 실시예에서는 미국 NIH(National Institutes of Health)에서 개발한 특수 이미징 소프트웨어인 3D 슬라이서 소프트웨어를 사용하여 사전 처리된 ADNI 데이터셋을 ICBM 템플릿에 등록했다. 이를 통해, 뇌 이미징을 위해 설계된 등록 기능을 사용하여 이미지에서 강체의 탄성과 왜곡에 대한 강력한 결과를 얻을 수 있다. 또한 자동화된 기능을 지원하므로 수동 작업과 관련된 오류 및 시간 손실을 최소화할 수 있다. 등록 프로세스는 3D 슬라이서의 변환 및 브레인(BRAINS) 맞춤 모듈을 사용한다. 변환 모듈은 시상면, 관상면 및 축 평면의 입력 이미지에서 수평/수직 이동 또는 회전을 수행한다. 브레인 맞춤 모듈은 자동 마스킹과 다양한 옵션을 사용하여 입력 이미지와 템플릿 간에 대한 일치 작업을 수행한다. 등록 과정을 예시하면 도 5와 같다.In this example, the pre-processed ADNI dataset was registered in the ICBM template using 3D Slicer software, which is a special imaging software developed by the National Institutes of Health (NIH) in the United States. With this, we can obtain robust results for the elasticity and distortion of rigid bodies in images using registration functions designed for brain imaging. It also supports automated functions, minimizing errors and time lost associated with manual tasks. The registration process uses the 3D Slicer's Transform and Brain (BRAINS) Fit module. The transformation module performs horizontal/vertical movement or rotation on the input images in the sagittal, coronal and axial planes. The Brain Fit module performs matching between the input image and the template using automatic masking and various options. The registration process is illustrated in FIG. 5 .

도 5는 도 1의 알츠하이머 병 분류 방법에 채용할 수 있는 이미지 등록 과정을 예시한다. 도 5는 ADNI 이미지와 ICBM 템플릿을 등록하는 과정을 나타내며, (a)는 원본 이미지, (b)는 ICBM 이미지에 등록, 그리고 (c)는 등록된 결과 이미지를 각각 나타낸다.FIG. 5 exemplifies an image registration process that may be employed in the Alzheimer's disease classification method of FIG. 1 . 5 shows a process of registering an ADNI image and an ICBM template, (a) is the original image, (b) is the registration in the ICBM image, and (c) is the registered result image, respectively.

관심 영역 세그멘테이션(Region of Interest Segmentation)Region of Interest Segmentation

본 실시예에서는 MR 이미지에서 해마를 포함한 관심 영역(ROI)을 식별하여 실험에 사용한다. 도 6은 도 5의 ICBM 템플릿을 토대로 관심영역을 분석하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이 ICBM 템플릿은 뇌의 각 해부학 적 영역에 그레이스케일 값을 사용하여 레이블을 지정함으로써 해마와 해마 주변 영역을 구분하여 지정하도록 기능한다. 그리고, 도 6의 (b)에 나타낸 바와 같이 모든 MR 이미지에서 ROI를 분할한다. 여기서, 빨간색과 녹색은 각각 해마와 편도를 나타낸다. 본 실시예에서 ROI를 노란색 사각형으로 묶는 것으로 정의할 수 있다. ROI는 49×33 픽셀일 수 있다. ROI는 왼쪽에서 20개, 오른쪽에서 20개를 포함하여 총 40개의 이미지에서 획득할 수 있다. 도 6의 (c)는 ROI를 ADNI 데이터셋에 적용한 예를 보여주며 해마가 사각형에 포함되어 있음을 확인시켜 준다.In this embodiment, a region of interest (ROI) including the hippocampus is identified from the MR image and used for the experiment. FIG. 6 is a diagram for explaining a process of analyzing a region of interest based on the ICBM template of FIG. 5 . As shown in Fig. 6(a), the ICBM template functions to distinguish and designate the hippocampus and peripheral regions of the hippocampus by labeling each anatomical region of the brain using grayscale values. Then, as shown in FIG. 6(b), ROIs are segmented in all MR images. Here, red and green represent the hippocampus and amygdala, respectively. In this embodiment, it can be defined as bundling the ROI with a yellow rectangle. The ROI may be 49×33 pixels. ROIs can be acquired from a total of 40 images, including 20 from the left and 20 from the right. 6 (c) shows an example of applying the ROI to the ADNI dataset, confirming that the hippocampus is included in the rectangle.

가버 필터(Gabor Filter)Gabor Filter

가버 필터는 가우스 함수를 사용하여 공간 및 주파수 영역에서 다양한 특성을 추출한다. 가버 필터는 질감 분석에 적합하므로 이를 통해 이미지의 질감 특성을 얻을 수 있다.The Gabor filter uses a Gaussian function to extract various features in the spatial and frequency domains. The Gabor filter is suitable for texture analysis, so it is possible to obtain the texture characteristics of the image.

Figure 112019131845039-pat00001
Figure 112019131845039-pat00001

위의 [수학식 1]의 수식은 이차원(2D) 가버 필터를 정의한다. 이 수식에 의하면, 시그마, 세타, 람다(Lambda), 파이(phi) 및 감마의 5가지 파라미터를 조정하여 다양한 유형의 이미지를 얻을 수 있다. 여기서, 시그마는 파장을 나타내고, 시그마가 증가함에 따라 커널이 적용되는 영역이 증가한다. 세타가 조정되면 필터를 통해 감지되는 가장자리의 방향을 설정할 수 있다. 람다는 이미지의 중심을 기준으로 주변 픽셀에 적용되는 작업이 반복되는 기간을 설정하며, 파이(phi)는 중심으로부터의 거리를 나타낸다. 마지막으로 감마는 필터 너비와 높이의 비율이다. 본 실시예에서는 람다와 세타만 조정했으며 다른 모든 매개 변수는 그대로 두었다. 각 매개 변수에 4개의 값 세트를 적용하고 16개의 서로 다른 이미지를 얻었다. 도 7은 이차원(two-dimensional, 2D) 가버 필터(Gabor filter)의 유형으로서 람다(frequency: F1,F2,F3,F4 참조) 및 세타(theta: 0°,45°,90°,135°) 값에 따른 가버 필터의 모양을 보여준다.The formula of [Equation 1] above defines a two-dimensional (2D) Gabor filter. According to this formula, various types of images can be obtained by adjusting five parameters: sigma, theta, lambda, phi, and gamma. Here, sigma represents a wavelength, and as sigma increases, an area to which a kernel is applied increases. When theta is adjusted, you can set the direction of the edges detected by the filter. Lambda sets the period in which the operation applied to the surrounding pixels is repeated based on the center of the image, and phi represents the distance from the center. Finally, gamma is the ratio of filter width to height. In this example, only lambda and theta were adjusted, and all other parameters were left untouched. Four sets of values were applied to each parameter and 16 different images were obtained. 7 is a two-dimensional (2D) type of Gabor filter (see frequency: F1,F2,F3,F4) and theta (0°, 45°, 90°, 135°) as a type of Gabor filter. It shows the shape of the Gabor filter according to the value.

질감 분석(Texture Analyses)Texture Analyzes

본 실시예에 따른 질감 분석 단계에서는, 가버(Gabor) 필터로부터 획득한 16 가지 유형의 이미지에 대하여 질감 특징을 추출하였다. 한편, 이미지에 해마가 연속적으로 나타나기 때문에 본 실시예에서는 3D-GLCM을 사용하여 각 슬라이스 간의 관계를 평가하였다. 3D-GLCM을 사용하여 획득한 12 가지 질감 특징(texture features) 중 가장 중요한 특징을 피셔 계수를 사용하여 선택하였다.In the texture analysis step according to the present embodiment, texture features were extracted for 16 types of images obtained from the Gabor filter. On the other hand, since the hippocampus appears continuously in the image, the relationship between each slice was evaluated using 3D-GLCM in this example. Among the 12 texture features obtained using 3D-GLCM, the most important features were selected using Fisher coefficients.

질감 분석 과정을 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The texture analysis process will be described in more detail as follows.

공간 명암도 의존 행렬(Gray-Level Co-occurrence Matrix, GLCM)Gray-Level Co-occurrence Matrix (GLCM)

GLCM은 픽셀 간의 공간 관계를 고려한 통계 텍스처 분석 방법이다. 이것은 그레이 레벨 공간 의존성 매트릭스라고도 한다. 이미지의 회색 레벨을 기반으로 공간 의존성을 식별하며 작은 항목으로 구성된 텍스처를 분류하는데 적합하다. GLCM의 동시 발생 행렬은 차원 G x G의 2D 히스토그램이며, 여기서 G는 계조 수이다. I가 이산 이미지 배열이고, d가 (dx,dy)가 변위 벡터인 경우, 동시 발생 행렬 Hij CO는 다음의 [수학식 2]로 정의된다.GLCM is a statistical texture analysis method that considers the spatial relationship between pixels. This is also called the gray level spatial dependence matrix. It identifies spatial dependencies based on the gray level of the image and is suitable for classifying textures made up of small items. The co-occurrence matrix of GLCM is a 2D histogram of dimension G x G, where G is the number of grayscales. When I is a discrete image array and d is a displacement vector, the co-occurrence matrix H ij CO is defined by the following [Equation 2].

Figure 112019131845039-pat00002
Figure 112019131845039-pat00002

위의 [수학식 2]에서 행렬의 (i, j)번째 요소는 그레이 레벨 i와 j의 수이며 거리와 방향은 변위 벡터 d로 지정되고 세트의 요소 수와 x=(x, y ) 이미지 배열 I [26, 27]을 통과한다. 3D-GLCM에는 상단 이미지의 원점에서 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270° 및 315°인 13가지 방향이 있다. 본 실시예에서는 질감 분석에 사용되는 12가지 기능을 대비, 엔트로피, 분산, 상관 관계, 합, 평균, 역 분산, 군집 음영, 군집 경향, 동질성, 최대 확률, 관성 및 에너지로 선택했다.In [Equation 2] above, the (i, j)-th element of the matrix is the number of gray levels i and j, and the distance and direction are specified as a displacement vector d, and the number of elements in the set and x=(x, y ) image array It passes through I [26, 27]. 3D-GLCM has 13 orientations: 0°, 45°, 90°, 135°, 180°, 225°, 270° and 315° from the origin of the top image. In this example, 12 functions used for texture analysis were selected as contrast, entropy, variance, correlation, sum, mean, inverse variance, cluster shading, cluster tendency, homogeneity, maximum probability, inertia, and energy.

피셔 계수 선택(Fisher’s Coefficient Selection)Fisher’s Coefficient Selection

상관 계수는 표준화된 변수 간의 관계를 나타내는 통계이다. 변수 간의 상관 관계가 올바르게 적용되면 보다 정확한 분류 결과를 얻을 수 있다. 한편, 일부 또는 특정 기능만 분류하거나 선택하는 기능은 일부 응용 프로그램에서는 효과적일 수 있지만 모든 응용 프로그램에 효과적이라고 보장할 수 없다. 따라서 본 실시예에서는 피셔(Fisher)의 계수를 사용하여 각 그룹에 대한 최적의 특징을 식별한다. A correlation coefficient is a statistic that indicates the relationship between standardized variables. If the correlation between variables is applied correctly, more accurate classification results can be obtained. On the other hand, the ability to classify or select only some or specific functions may be effective in some applications, but cannot be guaranteed to be effective in all applications. Therefore, in this embodiment, an optimal feature for each group is identified using Fisher's coefficient.

피셔 계수는 상관 분포를 정규 분포로 변환하는 과정에 대한 피셔의 분석을 기반으로 한다. 이것은 피어슨(Pearson)의 변수와 함께 통계 분석에 이미 잘 알려져 있는 분포 간의 상관 관계를 구하는데 사용될 수 있다. 변수 간의 상관 관계는 순위로 표시되며 순위가 높을수록 유의성이 높다. 피셔 계수는 하기의 [수학식 3]으로 정의될 수 있다.The Fisher coefficient is based on Fisher's analysis of the process of transforming a correlation distribution into a normal distribution. It can be used to find correlations between distributions that are already well known in statistical analysis with Pearson's variables. The correlation between variables is expressed as a rank, and the higher the rank, the higher the significance. The Fisher coefficient may be defined by the following [Equation 3].

Figure 112019131845039-pat00003
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위의 [수학식 3]에서, D와 V는 클래스 간 분산과 클래스 내 분산을 나타낸다. 특징에 대한 표현 확률은 주어진 클래스의 특징의 편차와 수단이다. 피셔 계수를 통해 12개의 질감 특징을 계산하고, 계산 결과에 따라 등급이 8 이상인 5개가 알츠하이머 환자 분류를 위한 특징 데이터로 선택되었다.In Equation 3 above, D and V represent inter-class variance and intra-class variance. The representation probability for a feature is the deviation and means of the feature of a given class. Twelve texture features were calculated through Fisher's coefficient, and according to the calculation results, five with a grade of 8 or higher were selected as feature data for classifying Alzheimer's patients.

딥러닝(Deep Learning)Deep Learning

다층 퍼셉트론(multilayer perceptron, MLP) 모델은 X 입력 노드가 있는 입력 레이어, H 노드가 있는 숨겨진 레이어, 및 Y 입력 노드가 있는 출력 레이어로 구성된다. MLP 모델은 기존 퍼셉트론 모델에는 존재하지 않는 숨겨진 레이어라는 중간 레이어를 추가하여 보다 복잡한 문제를 해결할 수 있다. 학습 과정 동안 인공 신경망에 의해 생성된 입력 데이터와 출력 값은 활성화 함수와 가중치를 사용하여 조정되므로 정답과 비슷하다. MLP 모델은 다양한 문제에 적용되며 패턴 인식 문제에 효과적이다.A multilayer perceptron (MLP) model consists of an input layer with X input nodes, a hidden layer with H nodes, and an output layer with Y input nodes. The MLP model can solve more complex problems by adding an intermediate layer called a hidden layer that does not exist in the existing perceptron model. The input data and output values generated by the artificial neural network during the learning process are adjusted using activation functions and weights, so they are similar to the correct answer. The MLP model is applied to various problems and is effective for pattern recognition problems.

본 실시예에서 MLP 모델의 구현은 케라스(Keras) 딥 러닝 라이브러리를 기반으로 하였다. 입력 데이터는 AD 환자 180명으로부터 얻은 질감 특징을 포함한다. 훈련 데이터셋 및 시험 데이터셋에 대해 선택된 데이터는 각각 40명 및 20명의 환자로부터 수집하였다.The implementation of the MLP model in this embodiment was based on the Keras deep learning library. The input data included texture features obtained from 180 patients with AD. Data selected for the training dataset and trial dataset were collected from 40 and 20 patients, respectively.

본 실시예에서는 정류 선형 유닛(ReLu) 및 소프트맥스(Softmax) 활성화 기능을 사용했다. ReLu는 S자형 함수 대신 사용될 수 있으며 음의 입력에 대해 기울기가 0으로 설정되어 있으므로 0 또는 1의 고정 기울기를 피할 수 있는 이점이 있다. 입력이 0보다 큰 경우 기울기가 보장된다. Softmax는 n개의 입력에서 k 번째 입력 값의 중요성을 결정하는 데 사용된다. 분류 결과는 0과 1 사이의 값으로 표시됩니다.In this example, the commutation linear unit (ReLu) and Softmax activation functions were used. ReLu can be used instead of a sigmoid function and has the advantage of avoiding a fixed slope of 0 or 1 since the slope is set to 0 for negative inputs. If the input is greater than zero, the slope is guaranteed. Softmax is used to determine the significance of the kth input value in the n inputs. Classification results are displayed as values between 0 and 1.

또한 딥 러닝 모델을 적용할 때 자주 발생하는 오버 피팅은 학습 프로세스가 제대로 조정되지 않거나 과도하게 실행될 때 발생하는 오류로 모델의 정확도에 영향을 준다. 이러한 원하지 않는 영향을 해결하기 위해 케라스(Keras)의 조기 중지 및 드롭 아웃 기능을 적용할 수 있다.In addition, overfitting, which frequently occurs when applying deep learning models, is an error that occurs when the learning process is not properly tuned or executed excessively, which affects the accuracy of the model. To address these unwanted effects, Keras' early stop and dropout features can be applied.

딥러닝 분류(Deep Learning Classification)Deep Learning Classification

아래의 [표 1]은 본 실시예에서 구현된 MLP 모델(Our Method)을 사용한 경우와, 제1 비교예의 서포트 벡터 머신(support vector machine, SVM)을 사용한 경우와, 제2 비교예의 k-최근접 이웃(K-nearest neighbor, KNN) 알고리즘을 사용한 경우 각각에서의 AD 환자의 분류 결과를 보여준다. 본 실시예의 MLP 모델의 AD-MCI, AD-NC 및 MCI-NC의 경우, 그 정확도는 각각 72.5%, 85.0% 및 75.0%이었다. AD-NC에 대한 과적합 평가에서 드롭 아웃 비율이 0.2일 때 가장 높은 정확도를 얻었다. AD-MCI와 MCI-NC의 최적 비율은 0.4와 0.5임을 확인하였다.[Table 1] below shows the case of using the MLP model (Our Method) implemented in this example, the case of using the support vector machine (SVM) of the first comparative example, and the k-recent of the second comparative example. When the K-nearest neighbor (KNN) algorithm is used, the classification results of AD patients in each are shown. In the case of AD-MCI, AD-NC, and MCI-NC of the MLP model of this example, the accuracies were 72.5%, 85.0%, and 75.0%, respectively. The highest accuracy was obtained when the dropout ratio was 0.2 in overfitting evaluation for AD-NC. It was confirmed that the optimal ratios of AD-MCI and MCI-NC were 0.4 and 0.5.

Figure 112019131845039-pat00004
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도 8 내지 도 10은 최적 비율에서의 MLP 모델의 성능 그래프를 보여준다. 그래프는 과적합을 방지하여 최적의 학습이 달성되었음을 보여준다.8 to 10 show graphs of the performance of the MLP model at the optimal ratio. The graph shows that optimal learning was achieved by preventing overfitting.

도 8은 도 1의 알츠하이머 병 분류 방법에 채용할 수 있는 딥러닝(deep learning)의 제안 모델의 성능을 나타낸 도면으로서, AD-MCI 그룹에 대한 MLP 모델의 성능을 나타낸다(표 2 참조). 도 9는 도 1의 알츠하이머 병 분류 방법에 채용할 수 있는 딥러닝(deep learning)의 제안 모델의 성능을 나타낸 도면으로서, AD-NC 그룹에 대한 MLP 모델의 성능을 나타낸다(표 3 참조). 그리고 도 10은 도 1의 알츠하이머 병 분류 방법에 채용할 수 있는 딥러닝(deep learning)의 제안 모델의 성능을 나타낸 도면으로서, MCI-NC 그룹에 대한 MLP 모델의 성능을 나타낸다(표 4 참조).8 is a diagram showing the performance of a proposed model of deep learning that can be employed in the Alzheimer's disease classification method of FIG. 1 , and shows the performance of the MLP model for the AD-MCI group (see Table 2). 9 is a diagram showing the performance of a proposed model of deep learning that can be employed in the Alzheimer's disease classification method of FIG. 1 , and shows the performance of the MLP model for the AD-NC group (see Table 3). And FIG. 10 is a diagram showing the performance of a proposed model of deep learning that can be employed in the Alzheimer's disease classification method of FIG. 1, and shows the performance of the MLP model for the MCI-NC group (see Table 4).

컨퓨전 매트릭스 기반 모델 평가(Evaluation of the model based on a confusion matrix)Evaluation of the model based on a confusion matrix

본 실시예에서는 컨퓨전 매트릭스를 사용하여 MLP 모델의 성능을 검증하였다. 컨퓨전 매트릭스는 기계 학습 알고리즘의 성능을 평가하거나 통계적 분류 문제를 해결하는 데 사용될 수 있다. 아래의 [수학식 E4 내지 E9]을 사용하여 MLP 모델의 성능을 평가한 결과는 [표 2] 내지 [표 4]와 같다.In this embodiment, the performance of the MLP model was verified using the fusion matrix. Confusion matrices can be used to evaluate the performance of machine learning algorithms or to solve statistical classification problems. The results of evaluating the performance of the MLP model using the following [Equations E4 to E9] are shown in [Table 2] to [Table 4].

[수학식 E4 내지 E9][Equations E4 to E9]

Figure 112019131845039-pat00005
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한편, 정확도와 오류율은 기계 학습으로 생성된 모델을 평가하는 데 가장 일반적으로 사용되는 지표이다. 이 지표는 올바르게 예측된 데이터와 잘못 추정된 데이터의 비율을 나타낸다. 민감도는 총 양성 예측 데이터의 양성 예측 변수이며 특이성은 전체적으로 예측된 음성 결과수에서 올바르게 예측된 음성 결과수를 나타낸다. 정밀도는 모델에 의해 출력된 실제 긍정적 예측수이고, 위양성(false-positive) 비율은 긍정적으로 잘못 분류된 부정적인 분류의 수이다. 표 5는 본 실시예에 따른 MLP 모델을 이용한 AD 분류 결과를 보여준다.On the other hand, accuracy and error rate are the most commonly used indicators for evaluating models generated by machine learning. This indicator shows the ratio of correctly predicted data to incorrectly estimated data. Sensitivity is a positive predictor variable of the total positive predictive data, and specificity refers to the number of correctly predicted negative results from the total number of negative results predicted. Precision is the actual number of positive predictors output by the model, and the false-positive rate is the number of negative classifications incorrectly classified as positive. Table 5 shows the AD classification results using the MLP model according to this embodiment.

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전술한 본 실시예의 구성 및 효과를 요약하여 살펴보면, 본 실시예에서는 MR 이미지에서 해마를 포함한 관심영역(ROI)을 추출하고 알츠하이머 병(AD)의 조기 진단을 용이하게 하기 위해 질감 기능을 사용하는 딥 러닝 기반 분류 방법을 제공한다.To summarize the configuration and effects of the present embodiment described above, in this embodiment, a region of interest (ROI) including the hippocampus is extracted from an MR image and a texture function is used to facilitate early diagnosis of Alzheimer's disease (AD). A learning-based classification method is provided.

또한 결과의 정확성을 높이기 위해 다음과 같은 방법을 적용할 수 있다. 먼저 이미지 데이터의 전처리 및 ROI 추출을 위한 자동화된 방법을 포함한 매칭 프로세스를 구현할 수 있다. 환자의 상태, 장비 및 촬영 표준과 같은 다양한 조건에서 표준 MR이 일정하도록 출력 MR 이미지를 제어하는 것은 거의 불가능합니다. 따라서, 본 실시예에서는 모든 이미지를 두뇌의 표준 모델인 ICBM 템플릿에 매칭함으로써 높은 객관성과 정확성을 달성한다. 모든 이미지는 동일한 표준으로 재처리된다.In addition, the following methods can be applied to increase the accuracy of the results. First, it is possible to implement a matching process, including an automated method for preprocessing image data and extracting ROI. It is almost impossible to control the output MR image so that the standard MR is constant under various conditions such as the patient's condition, equipment, and imaging standard. Therefore, in this embodiment, high objectivity and accuracy are achieved by matching all images to the ICBM template, which is a standard model of the brain. All images are reprocessed to the same standard.

또한, 해마는 측두엽 내부에 위치하지만 뇌의 모양은 사람마다 다르다. 이로 인해 MR 이미지에서 해마를 찾는 것이 쉽지 않다. 하지만, 본 실시예에서는 상기의 매칭 과정을 통해 이러한 문제를 해결하고 해마를 포함한 ROI의 자동 분할을 가능하게 한다. 세분화를 용이하게 하기 위해 구현한 자동 처리 단계는 대규모 ADNI 데이터 세트를 사용하는 연구나 실험의 생산성을 크게 향상시킬 수 있다.Also, although the hippocampus is located inside the temporal lobe, the shape of the brain varies from person to person. Because of this, it is not easy to find the hippocampus in the MR image. However, in the present embodiment, this problem is solved through the above matching process and automatic segmentation of the ROI including the hippocampus is possible. The automated processing steps implemented to facilitate segmentation can greatly improve the productivity of studies or experiments using large ADNI data sets.

다음으로, 본 실시예의 두 번째 단계에서는 가버(Gabor) 필터를 사용한다. 해마 기반 질감 특징(texture feature)를 추출하려면 ROI 내에서 해마를 강조해야 한다. 가버 필터는 사용된 매개 변수의 조합에 따라 많은 수의 이미지를 생성할 수 있으며 다양한 기능을 식별할 수 있다. 그러나 가버 필터의 모든 기능을 사용하려면 많은 처리 시간이 필요합니다. 이에 본 실시예에서는 가버 필터의 람다와 세타만 변경하여 사용하고, 그에 의해 처리절차(preocess)가 간단하고 계산에 요구되는 시간을 최소화하였다.Next, in the second step of this embodiment, a Gabor filter is used. To extract hippocampus-based texture features, the hippocampus must be highlighted within the ROI. Gabor filters can generate a large number of images depending on the combination of parameters used and can identify different features. However, it takes a lot of processing time to use all the features of the Gabor filter. Accordingly, in this embodiment, only the lambda and theta of the Gabor filter are changed and used, thereby simplifying the process and minimizing the time required for calculation.

다음으로, 본 실시예의 세 번째 단계에서는 최적의 질감 특징 추출 방법을 개발하여 적용할 수 있다. 질감 특징을 기반으로 객체 분류에 대한 연구를 수행할 때 최적의 특징을 추출하는 것이 매우 중요하다. 일반적인 질감 분석에서 모든 특징 또는 특정 특징을 일괄적으로 사용하는 것은 일부 그룹에만 효과적일 수 있다. 동일한 기능으로 다른 그룹에서 오류가 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 각 그룹의 계산된 특징을 통계적으로 분석하고 분류를 위한 최적의 특징만을 추출할 수 있다. 이러한 방식으로, 본 실시예에서는 처음부터 최적의 데이터 조합을 구성하는 데 필요한 오류와 처리 시간을 최소화할 수 있다.Next, in the third step of this embodiment, an optimal texture feature extraction method may be developed and applied. When conducting a study on object classification based on texture features, it is very important to extract optimal features. In general texture analysis, using all features or specific features collectively may be effective only for some groups. The same function can cause errors in different groups. To solve this problem, it is possible to statistically analyze the calculated features of each group and extract only the optimal features for classification. In this way, in the present embodiment, it is possible to minimize errors and processing time required to construct an optimal data combination from the beginning.

결과적으로 본 실시예에서는 AD-MCI(76/72), AD-NC(90/85) 및 MCI-NC(80/75) 그룹에서 높은 교육/테스트 정확도를 얻었다. 테스트 정확도가 85% 인 AD-NC 그룹을 분석할 때 최고 훈련 정확도인 90 %를 얻었다. 또한 컨퓨전 매트릭스를 사용하여 제안 모델의 분류 결과를 검증함으로써 알츠하이머 병의 분류 결과가 유의미함을 확인하였다. 이러한 비교는 AD-NC 모델이 편견이 없고 균형을 이루었음을 나타냈다. AD-NC 그룹의 분류에서 만족스러운 분류 결과가 얻어졌다. 한편, MCI를 통합한 모델의 분류 성능은 더 낮았습니다. MCI는 치매 사이의 중간 단계이며 여러 증상이 동반되기 때문입니다. MCI는 진단을 위한 별도의 정확한 표준을 가지고 있지 않으며 임상 시험에서 동일한 환자에 대해 진단 결과가 다른 것으로 알려져 있다. 또한 SVM 및 KNN 분류기를 사용하여 얻은 비교예의 결과를 비교 분석하여 본 실시예의 결과를 객관적으로 검증했습니다(표 1 참조).As a result, in this example, high training/test accuracy was obtained in the AD-MCI (76/72), AD-NC (90/85) and MCI-NC (80/75) groups. The highest training accuracy of 90% was obtained when analyzing the AD-NC group with a test accuracy of 85%. Also, by verifying the classification result of the proposed model using the fusion matrix, it was confirmed that the classification result of Alzheimer's disease was significant. These comparisons indicated that the AD-NC model was unbiased and balanced. A satisfactory classification result was obtained in the classification of the AD-NC group. On the other hand, the classification performance of the model incorporating MCI was lower. This is because MCI is an intermediate stage between dementia and is accompanied by multiple symptoms. MCI does not have a separate exact standard for diagnosis, and it is known that different diagnostic results for the same patient in clinical trials are known. In addition, the results of this example were objectively verified by comparative analysis of the results of the comparative examples obtained using the SVM and KNN classifiers (see Table 1).

또한, 본 실시예의 분류 방법(proposed)의 분류 결과는 SVM보다 6.11% 더 정확하고 KNN보다 14.19% 더 정확하였다. 테스트 단계에서 구현된 본 실시예의 딥러닝 모델(MLP 모델)은 SVM보다 3.7% 더 정확하고 KNN보다 9.16% 더 정확했다. 이는 본 실시예의 제안 모델인 MLP가 SVM을 이용하는 모델이나 KNN을 이용하는 모델보다 성능이 우수함을 의미한다. 따라서 MLP를 사용 사례의 분류자로 적절하게 사용할 수 있음을 나타낸다.In addition, the classification result of the classification method proposed in this example was 6.11% more accurate than SVM and 14.19% more accurate than KNN. The deep learning model (MLP model) of this embodiment implemented in the test phase was 3.7% more accurate than SVM and 9.16% more accurate than KNN. This means that the MLP, which is the proposed model of this embodiment, has better performance than a model using SVM or a model using KNN. This indicates that MLP can be appropriately used as a classifier for use cases.

본 실시예에 따른 방법의 우수성은 그 결과를 관련 연구의 결과와 비교함으로써 확인할 수 있다. [표 6]은 본 실시예에서 제시된 결과(proposed)와 비교예들로서 이전에 출판된 논문(Liu et al.; Gray et al.)의 결과를 비교하여 보여준다.The superiority of the method according to this example can be confirmed by comparing the results with the results of related studies. [Table 6] compares the results presented in this example with those of previously published papers (Liu et al.; Gray et al.) as comparative examples.

Figure 112019131845039-pat00010
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위의 [표 6]에서 Liu et al.은 AD의 조기 진단을 위해 양전자 방출 단층 촬영(PET)을 사용했으며, 뇌의 회백질을 ICBM 템플릿을 기반으로 83개의 영역으로 나누었다. 이어서, 회백질의 각 영역에서 포도당 소비에 대한 대뇌 대사 속도(CMRGlc) 패턴을 추출하고 희소한 자동 엔코더 및 소프트 맥스 회귀 층으로 구성된 딥 러닝 모델을 사용하여 알츠하이머 병을 분류하였다. 이 모델은 이진 분류 및 다중 클래스 분류 모두에 유효하였다.In the above [Table 6], Liu et al. used positron emission tomography (PET) for early diagnosis of AD, and divided the gray matter of the brain into 83 regions based on the ICBM template. Then, cerebral metabolic rate (CMRGlc) patterns for glucose consumption were extracted from each region of gray matter and Alzheimer's disease was classified using a deep learning model consisting of sparse automatic encoders and soft max regression layers. This model was valid for both binary classification and multi-class classification.

또한, Gray et al.은 AD 진단을 위해 플루오로데옥시글루코스(fluorodeoxyglucose) PET을 사용하였다. 이 방법은 MNI 템플릿을 사용하여 뇌를 83개의 해부학적 영역으로 나눈다. 각 영역에서 신호 강도를 감지한 다음 SVM을 사용하여 분류한다. 그리고 통계적 방법을 사용하여 중복된 특징을 제거하는 프로세스를 채용하고 AD의 조기 진단에 대한 의미있는 결과를 얻었다.In addition, Gray et al. used fluorodeoxyglucose PET for AD diagnosis. This method uses the MNI template to divide the brain into 83 anatomical regions. It detects the signal strength in each domain and then classifies it using SVM. And we adopted a process to remove duplicate features using a statistical method, and obtained meaningful results for early diagnosis of AD.

위의 실시예와 비교예는 진단에 사용된 방법과 사용된 데이터가 모두 다르다는 점에 유의해야 한다. 그럼에도 불구하고 본 실시예의 방법이 비교예의 방법보다 성능이 우수함을 알 수 있다. 그 결과는 제안된 분류 방법의 효과를 확인하고 AD의 시작이 해마의 변형을 유발한다는 것을 나타낸다.It should be noted that the above Examples and Comparative Examples differ in both the method used for diagnosis and the data used. Nevertheless, it can be seen that the method of this example has better performance than the method of the comparative example. The results confirm the effectiveness of the proposed classification method and indicate that the onset of AD induces deformation of the hippocampus.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 알츠하이머 병 분류 장치에 대한 개략적인 블록도이다.11 is a schematic block diagram of an apparatus for classifying Alzheimer's disease according to another embodiment of the present invention.

도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 알츠하이머 병 분류 장치(100)는, 제어부(110) 및 저장부(120)를 구비하고, 선택적으로 통신부(130)를 더 구비할 수 있다. 또한, 제어부(110)는 데이터베이스를 구비한 데이터베이스 시스템(140)에 연결되고, 입출력장치(150)에 연결될 수 있다. 이러한 장치(100)는 컴퓨팅 장치의 적어도 일부로 지칭될 수 있다.Referring to FIG. 11 , the apparatus 100 for classifying Alzheimer's disease according to the present embodiment includes a control unit 110 and a storage unit 120 , and may optionally further include a communication unit 130 . In addition, the control unit 110 may be connected to the database system 140 having a database, and may be connected to the input/output device 150 . Such a device 100 may be referred to as at least a portion of a computing device.

제어부(110)는 마이크로프로세서를 포함하고, 메모리 등의 저장부(120)에 저장되는 프로그램을 수행할 수 있다. 제어부(110)는 프로그램에 의해 소프트웨어 모듈을 탑재하고 알츠하이머 병 분류를 위한 이미지 처리, 질감 분석 및 딥러닝을 수행할 수 있다.The control unit 110 may include a microprocessor and execute a program stored in the storage unit 120 such as a memory. The controller 110 may load a software module by a program and perform image processing, texture analysis, and deep learning for Alzheimer's disease classification.

소프트웨어 모듈은 MR(magnetic resonance) 이미지에서 각 해부학적 영역에 그레이 스케일 값을 사용하여 레이블을 지정함으로써 해마를 포함한 관심영역(region of interest, ROI)을 식별하는 식별 모듈(111), 식별 모듈에서 획득되고 관심영역을 포함하는 데이터 셋의 각 이미지에 필터를 적용하여 미리 설정된 복수의 유형에 따라 각 이미지의 서로 다른 복수의 서브이미지들을 통해 질감 특성을 얻는 필터링 모듈, 복수의 서브이미지들의 질감 특성을 기반으로 각 이미지의 그레이 레벨을 통해 공간 의존성을 식별하여 질감 특징을 분류하는 분류 모듈(114), 질감 특징에 사용되는 변수들 간의 상관계수를 선택하여 데이터 셋의 각 이미지의 분류를 위한 최적의 질감 특징을 선택하는 선택 모듈(115)을 포함할 수 있다.The software module is acquired from the identification module 111, which identifies a region of interest (ROI) including the hippocampus by labeling each anatomical region in a magnetic resonance (MR) image using a gray scale value. A filtering module that obtains texture characteristics through a plurality of different sub-images of each image according to a plurality of preset types by applying a filter to each image of the data set including the region of interest The classification module 114, which classifies texture features by identifying spatial dependence through the gray level of each image with may include a selection module 115 for selecting

또한, 소프트웨어 모듈은 ROI 식별 후에 템플릿을 이용하여 이미지를 등록하는 등록 모듈(112), 등록된 이미지를 적절한 사이즈로 재단하는 이미지 크롭핑 모듈(113)을 구비할 수 있다.In addition, the software module may include a registration module 112 that registers an image using a template after identification of the ROI, and an image cropping module 113 that cuts the registered image to an appropriate size.

또한, 소프트웨어 모듈은 선택 모듈에서의 질감 특징으로 분류된 각 이미지를 학습하는 학습 모듈(116)을 더 포함하거나, 선택 모듈에서 선택된 질감 특징을 AD-MCI, AD-NC 및 MCI-NC의 세 가지 클래스로 구분하여 데이터셋에 대한 이미지 분류 결과를 검증하는 검증 모듈(117)을 더 포함할 수 있다.In addition, the software module further includes a learning module 116 for learning each image classified as a texture feature in the selection module, or selects the texture feature selected in the selection module in three ways: AD-MCI, AD-NC and MCI-NC. It may further include a verification module 117 for classifying into classes and verifying the image classification result for the dataset.

학습 모듈(116)은 딥러닝(deep learning) 또는 머신러닝(machine learning)의 동작을 수행하기 위한 프로그램을 포함할 수 있다. 학습 모듈(116)은 인공신경망(artifical neural network, ANN)을 이용하여 훈련 데이터를 통해 학습된 속성을 기반으로 입력된 이미지에서 알츠하이머 병을 분류할 수 있고, 이러한 분류를 위해 데이터베이스에 저장되는 빅데이터(big data)를 이용할 수 있다.The learning module 116 may include a program for performing an operation of deep learning or machine learning. The learning module 116 may classify Alzheimer's disease from an input image based on attributes learned through training data using an artificial neural network (ANN), and big data stored in a database for such classification (big data) is available.

전술한 식별 모듈(111), 등록 모듈(112), 이미지 크롭핑 모듈(113), 필터링 모듈, 분류 모듈(114), 선택 모듈(115), 학습 모듈(116) 및 검증 모듈(117) 중 적어도 일부는 저장부(120)에 저장될 수 있으며, 기재된 순서대로 각각 식별부, 등록부, 이미지 크롭핑부, 필터링부, 분류부, 선택부, 학습부 및 검증부로 각각 지칭될 수 있다.At least one of the above-described identification module 111 , registration module 112 , image cropping module 113 , filtering module, classification module 114 , selection module 115 , learning module 116 and verification module 117 . Some may be stored in the storage unit 120, and may be referred to as an identification unit, a registration unit, an image cropping unit, a filtering unit, a classification unit, a selection unit, a learning unit, and a verification unit, respectively, in the order described.

데이터베이스 시스템(140)은 본 실시예의 장치의 동작을 위한 이미지를 저장하거나 동작 중에 생성된 이미지 및 데이터를 저장하거나 학습부의 딥러닝 혹은 머신러닝의 학습이나 분류 동작을 지원하기 위한 데이터를 저장하고 관리할 수 있다. 이러한 데이터베이스 시스템(140)은 MRI 등을 생성하는 영상 의료 장비나 이러한 영상 의료 장비의 데이터를 수집 저장하는 서버 장치에 연결될 수 있다.The database system 140 stores images for operation of the device of this embodiment, stores images and data generated during operation, or stores and manages data to support deep learning or machine learning learning or classification operations of the learning unit. can The database system 140 may be connected to an imaging medical device that generates an MRI or the like, or a server device that collects and stores data of the imaging medical device.

입출력 장치(150)는 제어부(110)에 연결되는 키보드, 터치패널, 마우스, 모니터, 스피커 등을 포함할 수 있다.The input/output device 150 may include a keyboard, a touch panel, a mouse, a monitor, a speaker, etc. connected to the controller 110 .

위에서 살핀 바와 같이, 본 실시예에서는 해마 획득 방법을 사용하여 알츠하이머 환자를 분류하고 MR 이미지에 질감 분석을 적용하기 위한 새로운 딥 러닝 기반 방법을 제공한다. 그리고 본 실시예에 의하면, AD와 NC를 정확하게 분류할 수 있음을 확인하였다. 이와 같이, 본 실시예에서는 알츠하이머 환자의 진단을 위한 객관적인 진단 기준을 제공하며 자동 분류 시스템으로 개발될 수 있는 분류 방법을 제공할 수 있다. 또한, 분류의 정확성을 향상시키기 위해 더 많은 데이터 및 질감 특징(texture feature)을 사용할 수 있고, 그에 의해 해마의 3D 이미지의 특징의 조합에 기초하여 알츠하이머 병 분류를 더욱 효과적으로 수행할 수 있다.As discussed above, this embodiment provides a novel deep learning-based method for classifying Alzheimer's patients using the hippocampal acquisition method and applying texture analysis to MR images. And according to this embodiment, it was confirmed that AD and NC can be accurately classified. As such, in the present embodiment, objective diagnostic criteria for diagnosing Alzheimer's patients may be provided, and a classification method that may be developed as an automatic classification system may be provided. In addition, more data and texture features can be used to improve the accuracy of classification, thereby more effectively performing Alzheimer's disease classification based on the combination of features of the 3D image of the hippocampus.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art can variously modify and change the present invention within the scope without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. You will understand that there is

Claims (12)

식별부가 MR(magnetic resonance) 이미지에서 각 해부학적 영역에 그레이 스케일 값을 사용하여 레이블을 지정함으로써 해마를 포함한 관심영역(region of interest)을 식별하는 단계;
필터링부가 상기 식별하는 단계에서 획득되고 상기 관심영역을 포함하는 데이터 셋의 각 이미지에 필터를 적용하여 미리 설정된 복수의 유형에 따라 각 이미지의 서로 다른 복수의 서브이미지들을 통해 질감 특성을 얻는 단계;
분류부가 상기 복수의 서브이미지들의 질감 특성을 기반으로 상기 각 이미지의 그레이 레벨을 통해 공간 의존성을 식별하여 질감 특징을 분류하는 단계; 및
선택부가 상기 질감 특징에 사용되는 변수들 간의 상관계수를 선택하여 데이터 셋의 각 이미지의 분류를 위한 질감 특징을 선택하는 단계;
를 포함하고,
상기 식별하는 단계는,
상기 식별부가 데이터 셋의 상기 MR 이미지를 슬라이스하여 템플릿의 간격과 일치시키고 스플라인 보간(spline interpolation)을 적용한 후, LEMS(local entropy minimization with a bicubic spline model)를 적용해 강도를 균일하게 전처리하는 단계;
를 더 포함하는 알츠하이머 병 분류 방법.
identifying, by an identification unit, a region of interest including the hippocampus by labeling each anatomical region using a gray scale value in a magnetic resonance (MR) image;
obtaining, by a filtering unit, a texture characteristic through a plurality of different sub-images of each image according to a plurality of preset types by applying a filter to each image of the data set including the region of interest and obtained in the identifying step;
classifying, by a classification unit, a texture characteristic by identifying spatial dependence through a gray level of each image based on the texture characteristic of the plurality of sub-images; and
selecting, by a selection unit, a correlation coefficient between variables used for the texture feature to select a texture feature for classification of each image in a data set;
including,
The identifying step is
The identification unit slices the MR image of the data set to match the interval of the template, applies spline interpolation, and then applies LEMS (local entropy minimization with a bicubic spline model) to uniformly preprocess the intensity;
Alzheimer's disease classification method further comprising.
청구항 1에 있어서,
상기 질감 특성을 얻는 단계는 상기 필터링부가 가우스 함수를 사용하여 공간 및 주파수 영역에서 특성을 추출하는 가버(gabor) 필터를 사용하며, 여기서 상기 가버 필터는 각 이미지에 대한 파장, 가장자리의 방향, 이미지의 중심을 기준으로 주변 픽셀에 적용되는 작업의 반복 기간, 중심으로부터의 거리, 및 필터 너비와 높이의 비율에 대한 시그마, 세타, 람다, 파이(phi) 및 감마의 5가지 파라미터 중 적어도 일부가 조정되는 알츠하이머 병 분류 방법.
The method according to claim 1,
In the step of obtaining the texture characteristic, the filtering unit uses a Gabor filter that extracts the characteristic in the spatial and frequency domain using a Gaussian function, wherein the Gabor filter includes a wavelength for each image, an edge direction, and an image At least some of the five parameters: sigma, theta, lambda, phi, and gamma for the iteration duration of operations applied to surrounding pixels relative to the center, the distance from the center, and the ratio of filter width to height are adjusted. How to classify Alzheimer's disease.
청구항 1에 있어서,
상기 분류하는 단계는 사익 분류부가 상기 복수의 서브이미지들 또는 이에 대응하는 슬라이스들 간의 관계를 미리 설정된 특성 계수를 적용하여 평가하는 알츠하이머 병 분류 방법.
The method according to claim 1,
In the step of classifying, the Alzheimer's disease classification method in which the personal interest classifier evaluates the relationship between the plurality of sub-images or the slices corresponding thereto by applying a preset characteristic coefficient.
청구항 3에 있어서,
상기 분류하는 단계는 상기 분류부가 상기 데이터 셋의 상단 이미지의 원점에서 일정 각도 회전한 복수의 방향에 대하여 대비, 엔트로피, 분산, 상관관계, 합, 평균, 역분산, 군집음영, 군집경향, 동질성, 최대확률, 관성, 에너지 또는 이들 조합을 포함한 변수들을 선택하는 알츠하이머 병 분류 방법.
4. The method according to claim 3,
In the classifying step, contrast, entropy, variance, correlation, sum, mean, inverse variance, cluster shade, clustering tendency, homogeneity, A method of classifying Alzheimer's disease by selecting variables including maximum probability, inertia, energy, or a combination thereof.
청구항 1에 있어서,
상기 선택하는 단계는, 상기 선택부가 상기 변수들 간의 상관계수를 선택하기 위해 피셔(fisher) 계수를 사용하여 데이터 셋의 각 이미지 그룹에 대한 질감 특징을 식별하는 것을 포함하는 알츠하이머 병 분류 방법.
The method according to claim 1,
wherein the selecting comprises identifying a texture feature for each image group in a data set using a fisher coefficient for the selector to select a correlation coefficient between the variables.
청구항 1에 있어서,
학습부가 상기 선택하는 단계에서의 질감 특징으로 분류된 각 이미지를 학습하는 단계를 더 포함하는 알츠하이머 병 분류 방법.
The method according to claim 1,
Alzheimer's disease classification method further comprising the step of learning each image classified by the texture feature in the selecting step by the learning unit.
청구항 6에 있어서,
상기 학습하는 단계는 상기 학습부가 케라스(Keras) 딥 러닝 라이브러리를 기반으로 하는 MLP(multi-layer perceptron) 모델을 통해 훈련 데이터 셋 또는 시험 데이터 셋에 대하여 이미지 분류에 대한 학습을 수행하는 알츠하이머 병 분류 방법.
7. The method of claim 6,
The learning step is Alzheimer's disease classification in which the learning unit performs image classification on a training data set or a test data set through a multi-layer perceptron (MLP) model based on a Keras deep learning library. method.
청구항 7에 있어서,
상기 학습하는 단계는 상기 학습부가 S자형 함수 대용으로 사용되고 음의 입력에 대하여 기울기가 영(0)으로 설정되며 0 또는 1의 고정 기울기를 회피하도록 설계된 정류 선형 유닛(ReLu)을 이용하는 알츠하이머 병 분류 방법.
8. The method of claim 7,
The step of learning is Alzheimer's disease classification method using a rectification linear unit (ReLu), in which the learning unit is used as a substitute for an S-shaped function, a slope is set to zero for a negative input, and a rectification linear unit (ReLu) designed to avoid a fixed slope of 0 or 1 .
청구항 1에 있어서,
상기 선택하는 단계에서 상기 선택부가 선택된 질감 특징을 AD-MCI, AD-NC 및 MCI-NC의 세 가지 클래스로 구분하여 데이터 셋에 대한 이미지 분류의 정확도 혹은 신뢰도를 검증하는 단계를 더 포함하는 알츠하이머 병 분류 방법.
The method according to claim 1,
Alzheimer's disease further comprising the step of classifying the texture feature selected by the selection unit into three classes of AD-MCI, AD-NC, and MCI-NC in the selecting step and verifying the accuracy or reliability of image classification for the data set classification method.
MR(magnetic resonance) 이미지에서 각 해부학적 영역에 그레이 스케일 값을 사용하여 레이블을 지정함으로써 해마를 포함한 관심영역(region of interest)을 식별하는 식별부;
상기 식별부에서 획득되고 상기 관심영역을 포함하는 데이터 셋의 각 이미지에 필터를 적용하여 미리 설정된 복수의 유형에 따라 각 이미지의 서로 다른 복수의 서브이미지들을 통해 질감 특성을 얻는 필터링부;
상기 복수의 서브이미지들의 질감 특성을 기반으로 상기 각 이미지의 그레이 레벨을 통해 공간 의존성을 식별하여 질감 특징을 분류하는 분류부; 및
상기 질감 특징에 사용되는 변수들 간의 상관계수를 선택하여 데이터 셋의 각 이미지의 분류를 위한 최적의 질감 특징을 선택하는 선택부;
를 포함하고,
상기 식별부는, 데이터 셋의 상기 MR 이미지를 슬라이스하여 템플릿의 간격와 일치시키고 스플라인 보간(spline interpolation)을 적용한 후, LEMS(local entropy minimization with a bicubic spline model)를 적용해 강도를 균일하게 전처리하는 알츠하이머 병 분류 장치.
an identification unit for identifying a region of interest including the hippocampus by labeling each anatomical region using a gray scale value in a magnetic resonance (MR) image;
a filtering unit obtained by the identification unit and applying a filter to each image of the data set including the region of interest to obtain texture characteristics through a plurality of different sub-images of each image according to a plurality of preset types;
a classification unit for classifying the texture characteristics by identifying spatial dependence through the gray level of each image based on the texture characteristics of the plurality of sub-images; and
a selection unit for selecting an optimal texture feature for classification of each image in a data set by selecting a correlation coefficient between the variables used for the texture feature;
including,
The identification unit slices the MR image of the data set to match the interval of the template, applies spline interpolation, and then applies LEMS (local entropy minimization with a bicubic spline model) to uniformly preprocess the intensity. sorting device.
청구항 10에 있어서,
상기 선택부에서의 질감 특징으로 분류된 각 이미지를 학습하는 학습부를 더 포함하는 알츠하이머 병 분류 장치.
11. The method of claim 10,
Alzheimer's disease classification apparatus further comprising a learning unit for learning each image classified by the texture feature in the selection unit.
청구항 10에 있어서,
상기 선택부에서 선택된 질감 특징을 AD-MCI, AD-NC 및 MCI-NC의 세 가지 클래스로 구분하여 데이터 셋에 대한 이미지 분류 결과를 검증하는 검증부를 더 포함하는 알츠하이머 병 분류 장치.
11. The method of claim 10,
The apparatus for classifying Alzheimer's disease further comprising a verification unit that classifies the texture feature selected by the selection unit into three classes, AD-MCI, AD-NC, and MCI-NC, and verifies the image classification result for the data set.
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