KR20120050595A - Automatic left ventricle segmentation method - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A method for automatically segmenting a left ventricle is provided to automatically segment the left ventricle by a graph searching and a k-average clustering about an MRI(Magnetic Resonance Imaging). CONSTITUTION: An initial left ventricle region is obtained. Basic left ventricle information is calculated based on the obtained initial left ventricle region. A boundary of a heart is linearized by polar coordinate conversion of a circular heart MRI. A left ventricle region is segmented by applying a k-clustering method based on the brightness of each pixel in a polar coordinate image. A segmentation error is corrected by erasing an excessively segmented region through a graph search based algorithm.

Description

좌심실 자동 분할 방법{Automatic left ventricle segmentation method}Automatic left ventricle segmentation method

본 발명은 좌심실 분할 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 심장 단축 자기 공명 영상에서 좌심실 영역을 분할하는 자동으로 분할하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a left ventricular segmentation method, and more particularly, to a method of automatically segmenting a left ventricular region in a cardiac short magnetic resonance image.

의학과 과학 기술의 발달로 인해 질병과 사고에 의한 사망률은 줄어드는 추세이나, 심장 관련 질환에 의한 사망률은 지속적으로 증가하는 추세를 보이고 있다. 통계청 발표에 따르면 심장 관련 질환에 의한 사망자 수는 도 1과 같이 2003년 16,892명에서 2008년 21,102명으로 5년 사이 20.1%가 증가하였다.Due to the development of medical science and technology, the mortality rate from diseases and accidents is decreasing, but the mortality rate from heart related diseases is continuously increasing. According to the National Statistical Office, the number of deaths from heart-related diseases increased by 20.1% over the five years from 16,892 in 2003 to 21,102 in 2008, as shown in FIG.

심장 질환을 예방하기 위해서는 지속적인 관리와 함께 정기적인 검진을 통해 심장 기능을 분석하고 관찰하는 것이 중요하다. 심장 기능의 분석은 이완기와 수축기 사이의 혈류량(blood volume) 및 심박 구출률(ejection fraction) 계산을 통한 운동 능력 평가에 의해 이루어진다. 심장 기능 분석을 위한 이완기와 수축기 영상은 컴퓨터 단층 촬영(CT), 초음파, 및 X선 등을 사용하여 촬영할 수 있지만, 자기 공명 영상이 인체에 무해한 라디오 주파수와 자기장을 활용하기 때문에 임상 실습에서 많이 사용된다. 그러나 촬영된 영상을 이용하여 심장 기능의 분석은 대부분 수 작업으로 이루어지므로 시간이 많이 소요되고, 관측자에 따른 결과의 변이성이 문제가 된다. 따라서 컴퓨터 알고리즘을 통한 심장 기능 평가 자동화에 대한 연구가 지속적으로 이루어져 왔다.In order to prevent heart disease, it is important to analyze and observe the function of the heart through regular checkups along with ongoing care. Analysis of cardiac function is made by assessing motor performance through calculation of blood volume and ejection fraction between the diastolic and systolic phases. Diastolic and systolic images for cardiac function analysis can be taken using computed tomography (CT), ultrasound, and X-rays, but magnetic resonance imaging is often used in clinical practice because they utilize radio frequencies and magnetic fields that are harmless to the human body. do. However, the analysis of the heart function using the captured images is time consuming because most of the work is performed by hand, and the variability of the result according to the observer becomes a problem. Therefore, research on automation of cardiac function evaluation through computer algorithm has been continuously conducted.

컴퓨터를 이용해 자동으로 좌심실을 분할하는 방법에는 전형적인 영상 분할 기술을 이용하는 방법, 그래프 기반 분할 방법, 동적 윤곽 모델을 이용한 방법, 및 레벨 셋 기반 알고리즘이 있다.The automatic segmentation of the left ventricle using a computer includes a typical image segmentation technique, a graph-based segmentation method, a method using a dynamic contour model, and a level set-based algorithm.

전형적인 영상 분할 기술을 사용한 방법에는 영역 확장 기법, 임계치 결정에 의한 이진화, 영상 분류 기법 등을 사용한 방법이 있다. 전형적인 영상 분할 기술을 이용한 방법은 섬유 지주근육이나 유두형 근육 등을 판별하는데 유용하지만, 임계치를 결정하는데 직관과 경험에 의존하게 된다. 또한 심근과 심실 내부의 경계가 모호한 기저영상이나 정점 영상에서의 좌심실 분할 성능이 좋지 못하다.Typical image segmentation techniques include region expansion, binarization by threshold determination, and image classification. Traditional image segmentation techniques are useful for determining fibrosus muscles and papillary muscles, but rely on intuition and experience to determine thresholds. In addition, left ventricular segmentation performance is poor in basal or apex images with blurred myocardial and intraventricular boundaries.

그래프 기반 분할 알고리즘은 영상의 각 픽셀을 노드로 간주하여 그래프를 생성하고, 각 노드에 대한 방문 비용을 계산하여, 그래프 탐색 알고리즘을 통해 최소 비용 경로를 검출하는 것으로 분할을 수행한다. 그래프 기반 분할 알고리즘은 전반적으로 좋은 성능을 보여주나, 심장 외부구조에 의한 간섭을 받기 쉽고 복잡한 섬유 지주 근육이나 유두형 근육을 반영하지 못하는 등의 문제점이 있다.The graph-based segmentation algorithm generates a graph by considering each pixel of the image as a node, calculates a visit cost for each node, and performs segmentation by detecting a minimum cost path through a graph search algorithm. Graph-based segmentation algorithms show good overall performance, but are susceptible to interference by cardiac external structures and are unable to reflect complex fibrosus muscles or papillary muscles.

동적 윤곽 모델은 대상물의 외부력과 내부력의 에너지 최소화 과정을 통해 경계선을 검출하는것으로 분할을 수행한다. 내부력으로는 강성과 탄성 등을 이용하고. 외부력으로는 밝기값 변화율을 이용한다. 동적 윤곽 모델에서는 대비가 낮은 영상에서 문제가 발생하기 쉽고, 초기 윤곽선의 설정에 따라 알고리즘의 성능차이가 난다.The dynamic contour model performs segmentation by detecting the boundary line by minimizing the energy of the external and internal forces of the object. It uses rigidity and elasticity as internal force. The external force is used to change the brightness value. In the dynamic contour model, problems are likely to occur in low-contrast images, and the performance difference of the algorithm depends on the initial contour setting.

레벨셋 분할 기술을 이용한 알고리즘은 최근 연구되고 있으며 잡음이 많은 영상에서 물체를 분할하는데 효율적으로 이용되고 있다. 레벨셋 분할 기술은 반복적인 계산과정을 통해 영상 분할을 수행하지만, 반복 종료 조건을 결정하기 어렵고, 많은 계산량이 문제가 되며 동적 윤곽 모델과 마찬가지로 분할하고자 하는 대상물과 근접한 초기화를 필요로 한다.Algorithms using the levelset segmentation technique have recently been studied and are effectively used to segment objects in noisy images. The levelset segmentation technique performs image segmentation through an iterative calculation process, but it is difficult to determine the repetition end condition, a large amount of computation is a problem, and like the dynamic contour model, it requires initialization close to the object to be segmented.

이와 같이 국내외에서 의료 분야의 중요성 및 방대한 시장성으로 인하여 컴퓨터를 이용한 심장 기능 분석을 위한 좌심실 분할 알고리즘에 관한 다양한 연구가 진행되고 있다. 그러나 현재까지 연구되는 알고리즘들은 수행 시간의 문제나 관측자 간섭률의 증가 또는 복잡한 심장구조 및 불규칙한 주변 구조에 의한 낮은 정확도 등의 문제점들을 가지고 있고, 이의 해결이 중요하다.As such, due to the importance of the medical field and the enormous marketability, various studies on the left ventricular segmentation algorithm for cardiac function analysis using a computer have been conducted at home and abroad. However, the algorithms studied to date have problems such as execution time, increase of observer interference rate, or low accuracy due to complex heart structure and irregular surrounding structure, and the solution of this problem is important.

본 발명은 이상과 같은 종래의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 심장 자기 공명 영상에 대한 K-평균 클러스터링 및 그래프 탐색을 통하여 좌심실을 자동으로 분할하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to improve the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is to provide a method for automatically segmenting the left ventricle through K-means clustering and graph search for cardiac magnetic resonance images.

본 발명에 따른 좌심실 자동 분할 방법은 (i) 관측자로부터 입력받은 심장에 대한 자기 공명 영상 셋에서 이완기와 수축기 사이의 중간 영상에 대하여 좌심실 내부 영역 좌표를 해당 영상에 대한 좌심실 분할용 알고리즘 초기점으로 사용하여 영역 확장을 통해 초기 좌심실 영역을 획득하는 단계; (ii) 상기 획득된 초기 좌심실 영역을 기초로 하여 기초 좌심실 정보를 계산하는 단계; (iii) 원 형태의 심장 자기 공명 영상에 극좌표 변환을 수행하여 극좌표 영상을 생성하여 심장의 경계를 선형화하는 단계; (iv) 자기 공명 영상에서 심근 영역의 픽셀 밝기는 심실 내부의 픽셀 밝기보다 어둡다는 점을 이용하여 상기 극좌표 영상에서 각 픽셀들을 밝기값을 기준으로 K-클러스터링 기법을 적용하여 좌심실 영역을 분할하는 단계; 및 (v) 상기 K-클러스터링 기법을 적용한 결과 기저 영상에서 과다 분할된 영역을 좌심실의 원형성을 이용하여 그래프 탐색 기반 알고리즘을 통하여 소거하는 방식으로 분할 오류를 수정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The automatic left ventricular segmentation method according to the present invention uses (i) the left ventricular internal region coordinates as an initial point of the left ventricular segmentation algorithm for the corresponding image in the MRI set of the heart received from the observer. Acquiring an initial left ventricular region through region expansion; (ii) calculating basal left ventricular information based on the acquired initial left ventricular region; (iii) performing polar coordinate transformation on a circular magnetic resonance image to generate a polar image to linearize the boundary of the heart; (iv) dividing the left ventricular region by applying a K-clustering technique to each pixel in the polar coordinate image based on the fact that the pixel brightness of the myocardial region is darker than the pixel brightness inside the ventricle in the magnetic resonance image. ; And (v) correcting the segmentation error by erasing the over-divided region from the base image using a graph search based algorithm using the circularity of the left ventricle as a result of applying the K-clustering technique. .

본 발명에서는 심장을 촬영한 단축 자기 공명 영상에서 좌심실 영역을 자동 분할하고, 이를 활용하여 이완기와 수축기 각각의 혈류량 및 심박 구출률을 계산하는 컴퓨터 알고리즘을 제안하였다. 또한 본 발명의 알고리즘을 전문가에 의한 수동 윤곽검출과 GE MASS 상용 소프트웨어와 비교 분석하였다. 그 결과에 따르면 본 발명의 알고리즘은 높은 분할의 정확도를 보였고, 특히 분할의 정확도를 유지하면서 기존 연구들에서 문제가 되었던 사용자 간섭률을 감소시킬 수 있었다. (원문 : 특히 기존 연구들에서 문제가 되었던 사용자 간섭률을 분할의 정확도를 유지하면서 감소시킬 수 있었다.)In the present invention, a computer algorithm for automatically dividing the left ventricular region from a short-term magnetic resonance image of a heart and calculating the blood flow rate and the heart rate rescue rate for each of the diastolic and systolic systems is proposed. In addition, the algorithm of the present invention was compared with manual edge detection by experts and GE MASS commercial software. According to the results, the algorithm of the present invention showed high segmentation accuracy, and in particular, it was possible to reduce user interference, which was a problem in previous studies, while maintaining the segmentation accuracy. (Originally, we could reduce the user interference, which was a problem in previous studies, while maintaining the accuracy of segmentation.)

도 1은 통계청이 발표한 년도별 심장 관련 질환 사망자 수를 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 K-평균 클러스터링 기법과 그래프 탐색을 이용한 좌심실 자동 분할 방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 극좌표 원점 설정에 오류가 발생한 영상을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 오류를 수정하여 생성한 극좌표 영상을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 밝기값 변화량 데이터, 경로 비용 누적 데이터, 및 역 탐색을 통해 계산한 최소 비용 경로를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명 및 MASS 소프트웨어에 따른 이완기 및 수축기의 혈류량과 심박 구출률에 대한 선형 회귀도를 나타낸 그래프들이다.
도 7은 수동 윤곽 검출과 비교한 이완기 및 수축기 혈류량과 심박 구출률에 대한 Bland-Altman 도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 알고리즘을 이용하여 좌심실 내벽을 자동 분할한 영상과 수동 윤곽 검출을 통해 좌심실을 분할한 영상을 비교한 결과를 나타낸 도면들이다.
1 is a graph showing the number of heart-related disease deaths for each year published by the National Statistical Office.
2 is a diagram illustrating an automatic left ventricle segmentation method using a K-means clustering technique and graph search according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an image in which an error occurs in setting a polar coordinate origin according to an exemplary embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a polar coordinate image generated by correcting an error according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating a minimum cost path calculated through brightness value variation data, path cost accumulation data, and reverse search according to an exemplary embodiment of the present invention.
6 are graphs showing linear regression plots for blood flow and heart rate rescue rates in the diastolic and systolic stages of the present invention and MASS software.
7 is a Bland-Altman diagram of diastolic and systolic blood flow and heart rate rescue as compared to manual contour detection.
8 and 9 illustrate a result of comparing the image of the left ventricular segment with the image of the left ventricle through the automatic contour detection using the image of the automatic segmentation of the left ventricle using the algorithm of the present invention.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.The operation principle of the preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the following description of the present invention, detailed descriptions of well-known functions or configurations will be omitted if it is determined that the detailed description of the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention. The following terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and may be changed according to the intentions or customs of the user, the operator, and the like. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 좌심실 자동 분할 방법을 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 K-평균 클러스터링 기법과 그래프 탐색을 이용한 좌심실 자동 분할 방법을 설명하는 도면이다.Hereinafter, a method for automatically dividing left ventricle according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. 2 is a diagram illustrating an automatic left ventricle segmentation method using a K-means clustering technique and graph search according to an embodiment of the present invention.

알고리즘 시작 초기점 취득(제1 단계)Algorithm start initial point acquisition (step 1)

심장에 대한 자기 공명 영상 셋에서 이완기와 수축기 사이의 중간 영상에 대하여 좌심실 내부 영역 좌표를 관측자로부터 입력받고 이를 해당 영상에 대한 좌심실 분할용 알고리즘 초기점(seed point)으로 사용한다.In the MRI set of the heart, the left ventricular coordinates of the left ventricle are input to the intermediate image between the diastolic and the systole and used as the seed point for the left ventricular segmentation algorithm.

사용자 간섭률을 최소화하기 위하여 중간 영상을 제외한 영상에 대한 알고리즘 초기점은 Noel et al.의 초기점 전파 알고리즘을 변형하여 적용하였다. 초기점 전파 알고리즘에서는 이전 영상의 좌심실 영역 무게중심점으로부터 11x11 크기의 윈도우를 설정하고, 윈도우 내의 픽셀들의 밝기, 이전 영상의 밝기값 평균(μ이전)과 표준편차(σ이전), 무게 중심점과의 거리를 고려하여 다음과 같이 각 픽셀의 에너지 E(p)을 수학식 1을 이용하여 계산한다.In order to minimize the user interference rate, the initial point of the algorithm for the non-intermediate image is modified by applying the initial point propagation algorithm of Noel et al. The initial point propagation algorithm sets an 11x11 window from the left ventricular center of gravity of the previous image, and the brightness of the pixels in the window, the average (μ before ) and standard deviation ( before σ) of the previous image, and the distance from the center of gravity. In consideration of the following, the energy E (p) of each pixel is calculated using Equation 1 as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

P는 윈도우 상에 존재하는 각 픽셀의 좌표이고, I다음(p)는 픽셀 P의 밝기값이다. PCoG는 이전 영상에서 분할된 좌심실 영역의 무게 중심점을 의미하고, w는 설정한 윈도우 사이즈로 11이다. μ이전 및 σ이전은 각각 이전 영상에서 좌심실 영역의 밝기값 평균과 표준 편차를 의미한다. 상기 수학 식 1을 따라 모델링된 행렬 E(p)에서 가장 작은 에너지 값을 갖는 좌표를 다음 영상의 초기점으로 설정한다. P is the coordinate of each pixel existing on the window, then I (p) is the brightness value of the pixel P. P CoG means the center of gravity of the left ventricular region divided in the previous image, w is 11 as the set window size. μ and σ old and before means the mean and standard deviation of intensity values of the left ventricular area in each of the previous image. A coordinate having the smallest energy value in the matrix E (p) modeled according to Equation 1 is set as an initial point of the next image.

기초 좌심실 정보 계산(제2 단계)Calculation of basic left ventricle information (second stage)

상기한 방법을 통해 지정된 좌표를 영역 확장 초기점 Prginit으로 사용하여 초기 좌심실 영역 LVrgnl을 획득한다. 초기 좌심실 영역은 영역 확장 기법을 통해 계산이 되며, 초기점에서 시작하여 영역을 확장하는 과정에서 인접 픽셀과의 밝기값 하락율이 5% 이내인 경우 영역에 포함한다. 5% 밝기값 하락율은 강한 제약 조건으로 테스트한 38개 데이터 셋 634장의 영상에 대해 심근 영역을 벗어나지 않았다. The initial left ventricular region LV rgnl is obtained using the coordinates specified through the above method as the region extension initial point P rginit . The initial left ventricular region is calculated by a region expansion technique, and is included in the region when the rate of decrease in brightness with the adjacent pixel is within 5% in the process of expanding the region starting from the initial point. The 5% drop in brightness did not exceed the myocardial region for 634 images of 38 data sets tested under strong constraints.

자기 공명 영상은 코일 위치에 따른 영상 밝기값의 왜곡이 필연적으로 발생한다. 이 왜곡은 심장 분할에 영향을 미치므로, 분할된 초기 좌심실 영역 LVrgnl을 이용하여 Lee et al.과 같이 최소 자승법을 통해 계산한 3차원 평면을 수평화하는 과정을 통하여 코일 위치에 따른 영상 왜곡을 보정하여 왜곡 보정 영상 IMGcorrect을 취득한다.Magnetic resonance images inevitably cause distortion of image brightness values according to coil positions. Since this distortion affects the cardiac segmentation, the image distortion according to the coil position is obtained by leveling the three-dimensional plane calculated by the least-square method using Lee's al. Correct it to obtain the distortion correction image IMG correct .

왜곡 보정 영상에 대해 영역 확장 기법을 재수행하여 초기 좌심실 영역 LVrgnl을 분할하고, 다음과 같은 심실 영역의 정보를 계산한다: (1) 자기 공명 영상에서의 좌심실 위치와 무게 중심점, (2) 좌심실의 대략적인 형상과 반지름, (3) 밝기값 평균과 표준편차 등의 통계량, 및 (4) 기저 영상에서 분할오류 여부를 판별하기 위한 픽셀 볼륨 정보. 이와 같이 계산된 정보는 관심 영역(Region of Interest) 설정, 좌심실 영역의 극좌표 변환, 및 초기점 전파 알고리즘 등에서 이용된다.The region expansion technique is re-executed on the distortion-corrected image to segment the initial left ventricular region LV rgnl and calculate information of the ventricular region as follows: (1) left ventricular position and center of gravity in magnetic resonance imaging, (2) left ventricle Approximate shape and radius, (3) statistics such as brightness mean and standard deviation, and (4) pixel volume information to determine whether there is a segmentation error in the base image. The information calculated in this way is used in a region of interest setting, polar coordinate transformation of a left ventricular region, and an initial point propagation algorithm.

극좌표 영상 변환(제3 단계)Polar coordinate image conversion (3rd step)

심장 자기 공명 영상에서 좌심실 내부 영역 및 심근 영역은 대체로 원의 형태를 나타낸다. 일반적으로 영상처리 알고리즘에서 원 형태의 물체를 인지하는 방법보다 선 형태 또는 방향성의 패턴을 인식하는 방법이 정확도나 복잡도 측면에서 이점이 있다. 따라서, 제안하는 알고리즘에서는 원 형태의 심장 자기 공명 영상에 극좌표 변환을 수행하여 극좌표 영상을 생성하여 심장의 경계를 선형화하고 K-평균 클러스터링을 통하여 좌심실을 분할하고, 그래프 탐색에 기반하여 분할 오류를 수정하였다.In cardiac magnetic resonance imaging, the left ventricular region and the myocardial region are generally circular. In general, a method of recognizing a pattern of linear or directional pattern has an advantage in terms of accuracy or complexity, rather than a method of recognizing a circular object in an image processing algorithm. Therefore, the proposed algorithm generates polar coordinates by performing polar coordinate transformation on a circular cardiac magnetic resonance image to linearize the boundaries of the heart, segment the left ventricle through K-means clustering, and correct segmentation errors based on graph search. It was.

극좌표 영상 변환 과정에서는 초기 좌심실 영역 LVrgnl에 대하여 정상 분할과 분할 오류에 대한 추정이 이루어지고, 분할 오류가 된 경우 극좌표 원점을 수정하여 변환이 이루어진다.In the polar coordinate image conversion process, normal segmentation and segmentation error are estimated for the initial left ventricular region LV rgnl , and when the segmentation error occurs, the transformation is performed by correcting the polar origin.

극좌표 원점 오류 수정Fixed polar origin error

단축 심장 자기 공명 영상의 기저 영상에서는 좌심실이 타 조직과 연결되는 부분이 포함되고, 이로 인하여 심실과 심근 영역의 경계가 모호하거나, 타 조직과 연결되어 심근이 나타나지 않는다. 따라서, 기존 연구들에서는 이를 해결하기 위하여 사용자 간섭이 필연적으로 발생하였다. The basal image of the short-term cardiac MRI includes a portion where the left ventricle is connected to other tissues, and thus, the boundary between the ventricle and the myocardial region is ambiguous or connected to other tissues so that the myocardium does not appear. Therefore, in order to solve this problem, existing studies have inevitably generated user interference.

본 발명의 제1 단계에서 계산한 초기 좌심실 영역도 타 조직을 포함하는 등 실제 좌심실 내부 영역과 차이를 보인다. 이로 인하여 초기 좌심실 영역의 무게 중심점을 극좌표 변환의 원점으로 활용하면 좌심실 영역이 정상적으로 분할되지 않는 경우가 발생한다. 따라서, 이전 영상에서 취득한 기초 좌심실 정보를 이용하여 초기 좌심실 영역의 분할 오류를 판단하여 극좌표 원점 오류를 수정한다. The initial left ventricular region calculated in the first step of the present invention also differs from the actual left ventricular region, including other tissues. For this reason, when the center of gravity of the initial left ventricular region is used as the origin of the polar coordinate transformation, the left ventricular region may not be normally divided. Accordingly, the polarity origin error is corrected by determining the segmentation error of the initial left ventricular region using the basic left ventricle information acquired from the previous image.

극좌표 원점 오류가 나타나는 영상의 초기 좌심실 영역의 크기는 이전 영상의 초기 좌심실 영역의 크기와 비교하여 픽셀 볼륨이 급격히 증가한다. 실험에 따르면 분할 결과가 정상적으로 나타나는 영상의 경우 픽셀 볼륨의 증가율은 평균 1.1 및 표준편차 0.18를 보이는 반면, 분할 오류가 나타나는 영상에서 픽셀 볼륨의 증가율은 평균 1.8에서 4.0 사이의 분포를 보였다. 따라서, 본 발명의 방법에서는 픽셀 볼륨의 증가율이 1.5 이상인 경우 분할 오류가 발생한 영상으로 간주하여 정상 분할된 이전 영상의 좌심실 영역 무게중심점 좌표로 대체하였다.The size of the initial left ventricular region of the image in which the polar coordinate origin error appears is significantly increased compared to the size of the initial left ventricular region of the previous image. Experimental results show that the average increase in pixel volume is 1.1 and the standard deviation is 0.18 in the case of normal segmentation, whereas the average increase in pixel volume is 1.8 to 4.0 in the segmentation error. Therefore, in the method of the present invention, when the increase rate of the pixel volume is 1.5 or more, it is regarded as an image in which segmentation error occurs and is replaced by the left ventricular region center of gravity coordinates of the previous segment.

극좌표 원점 설정에 오류가 발생한 영상과 오류를 수정하여 생성한 극좌표 영상의 예를 도 3 및 도 4에 각각 도시하였다. 분할 오류가 나타난 영상에 대하여 극좌표 원점을 보정하지 않으면 직교 좌표계 상에서 원점의 좌표가 좌심실 내부에 위치하지 않거나 변환된 극좌표계의 직선성이 떨어짐을 확인할 수 있고, 이는 알고리즘의 분할 성능과 관련된다. 3 and 4 show examples of an image in which an error has occurred in the polar origin setting and a polar image generated by correcting the error. If the polar coordinate origin is not corrected for the image showing the segmentation error, it can be confirmed that the coordinate of the origin is not located inside the left ventricle on the Cartesian coordinate system or the linearity of the converted polar coordinate system is inferior, which is related to the segmentation performance of the algorithm.

극좌표 변환을 통한 극좌표 영상 생성Polar coordinate image generation through polar coordinate transformation

극좌표 변환을 수행하기 위해 극좌표계의 원점과 극좌표 변환 범위를 정한다. 제2 단계에서 계산한 기초 좌심실 정보의 무게 중심점 PCoG를 극 좌표계의 원점 위치로 사용하였다. 상기한 바와 같이 분할 오류로 판단되는 경우 수정된 극좌표 원점을 이용한다. 극좌표 변환은 원점을 기준으로 직교좌표계의 좌표 P(x, y)가 극좌표계의 좌표 P(r, θ)로 변환하여 극좌표 영상을 구한다. 직교좌표계가 극좌표계로 변환되는 반경은 기초 좌심실 정보의 반지름 값의 3배를 사용하여 심근과 주변 구조 일부를 포함하게 한다. 직교 좌표계의 좌표와 극 좌표계의 좌표 사이의 관계식은 다음 수학식 2와 같다.In order to perform the polar transformation, the origin of the polar coordinate system and the polar transformation range are determined. The center of gravity P CoG of the basal left ventricle information calculated in the second step was used as the origin position of the polar coordinate system. If it is determined as a division error as described above, the modified polar coordinate origin is used. In polar coordinate transformation, a polar coordinate image is obtained by converting a coordinate P (x, y) of a Cartesian coordinate system into a coordinate P (r, θ) of a polar coordinate system. The radius at which the Cartesian coordinate system is converted to the polar coordinate system uses three times the radius value of the basal left ventricle information to include the myocardium and part of the surrounding structure. The relation between the coordinates of the Cartesian coordinate system and the coordinates of the polar coordinate system is shown in Equation 2 below.

Figure pat00002
Figure pat00002

K-평균 클러스터링 기반 좌심실 분할(제4 단계)Left Ventricular Segmentation Based on K-Means Clustering (Stage 4)

자기 공명 영상에서 심근 영역의 픽셀 밝기는 심실 내부의 픽셀 밝기보다 어둡다는 점을 이용해 극좌표 영상에서 각 픽셀들을 밝기값을 기준으로 K-평균 클러스터링 기법을 적용하여 심실 내부 영역과 외부 영역의 두 그룹으로 분류하였다. K-평균 클러스터링 알고리즘은 데이터 마이닝의 클러스터링 작업에 주로 사용되는 기술로서 구분하려고 하는 각 클래스에 대한 사전 지식이 없는 상태에서 데이터를 분류할 수 있다. N개의 속성으로 구성되는 각각의 레코드를 벡터로 표시하여 N차원의 데이터 공간(space)에 나타내고, 데이터 공간상에서의 직선거리를 계산하여 근접한 거리에 있는 레코드들을 유사한 특성이 있는 것으로 간주하여 분류한다. In magnetic resonance imaging, the pixel brightness of the myocardial region is darker than the pixel brightness inside the ventricles. Classified. The K-means clustering algorithm is a technique mainly used for clustering of data mining and can classify data without prior knowledge of each class to be classified. Each record consisting of N attributes is represented as a vector and displayed in an N-dimensional data space, and the straight distances in the data space are calculated to classify the records at close distances as having similar characteristics.

분류할 데이터의 집합과 군집의 개수인 K를 파라미터로 입력받으면, K-평균 클러스터링 알고리즘 수행의 첫 단계에서는 x개의 레코드들 중에서 K개의 레코드를 랜덤하게 선택하여 각 군집의 중심값으로 지정한다. 그리고 나머지 레코드들이 소속될 군집을 결정하는데, 이때 레코드들이 소속될 군집은 데이터 공간상에서 레코드의 위치와 가장 가까운 중심값이 속하는 군집이 된다. 레코드들의 클러스터링이 이루어지면 각 군집의 중간값을 계산하여 중심값으로 설정하고, 레코드들이 소속될 군집을 다시 결정한다. 이 과정을 분류되는 군집에 변화가 없을 때까지 반복하게 된다.If K, the number of clusters and the number of clusters to be classified, is input as a parameter, in the first step of performing the K-means clustering algorithm, K records are randomly selected from the x records and designated as the center value of each cluster. Then, the cluster to which the remaining records belong is determined, where the cluster to which the records belong is the cluster to which the center value closest to the position of the record in the data space belongs. When clustering records, the median value of each cluster is calculated and set as the center value, and the cluster to which the records belong is determined again. This process is repeated until there are no changes in the clusters being classified.

자기 공명 영상에서는 코일 위치에 따른 왜곡에 의한 음영이 발생하고, 왜곡 보정을 수행하더라도 왜곡 특성이 남아있게 된다. 이런 왜곡의 영향으로 부분적인 오버 세그멘테이션이나 언더 세그멘테이션이 나타난다. 또 라인 단위로 클러스터링을 수행하면 랜덤하게 결정되는 초기 중심값에 의해 빈 군집이나 불균형한 군집이 발생할 수 있고, 클러스터링 알고리즘이 라인 수만큼 수행되어야 하기 때문에 처리에 시간이 많이 걸린다. 이러한 문제점을 줄이기 위해 극좌표 영상을 30도 단위로 그룹을 나누어 클러스터링을 수행하였다.In magnetic resonance images, shadows are generated due to distortion according to coil positions, and distortion characteristics remain even when distortion correction is performed. The effects of this distortion result in partial over-segmentation or under-segmentation. In addition, if clustering is performed on a line basis, an empty cluster or an unbalanced cluster may occur due to a randomly determined initial center value, and the processing takes a long time because the clustering algorithm must be performed by the number of lines. To alleviate this problem, clustering was performed by dividing the polar coordinates into groups of 30 degrees.

그래프 탐색 기반 분할 오류 수정(제5 단계)Fix graph navigation based segmentation errors (step 5)

극좌표 영상에서 K-평균 클러스터링 알고리즘을 수행하여 분할한 좌심실 영역은 심실 외부 영역을 포함할 수 있다. 이와 같은 분할 오류 현상은 기저 영상에서 주로 발생하고, 분할 영역에 포함되는 심실 외부 영역은 주로 좌심실에서 타조직으로 연결되는 부분이다. 따라서, 좌심실의 원형성을 이용하여 그래프 탐색 기반 분할 오류 수정 알고리즘을 통해 기저 영상에서 과다 분할된 영역을 소거하였다. 분할 오류 수정은 다음 방법으로 처리된다.The left ventricular region segmented by performing the K-means clustering algorithm on the polar coordinate image may include an external ventricular region. Such segmentation error occurs mainly in the basal image, and the external ventricular region included in the segmentation region is mainly connected to other tissues in the left ventricle. Therefore, by using the circularity of the left ventricle, an oversegmented region is erased from the base image through a graph search based segmentation error correction algorithm. Segmentation error correction is handled in the following way.

좌심실 영역의 밝기값 변화량 데이터 생성Generation of brightness data change in left ventricle

제4 단계에서 분할된 좌심실 영역에서 가로 방향으로 픽셀 밝기값 변화를 나타내는 영상을 계산한다. 밝기값 변화량 데이터 IMGdiff(x,y)는 다음의 수학식 3을 통해 생성한다. 분할된 좌심실 영상은 이진 영상이기 때문에 변화량 데이터의 픽셀값으로 -1과 0, 1의 세 가지 값이 나타난다.An image representing a change in pixel brightness value in the horizontal direction in the left ventricular region divided in the fourth step is calculated. Brightness value variation data IMG diff (x, y) is generated through the following equation (3). Since the segmented left ventricle image is a binary image, three values of -1, 0, and 1 appear as pixel values of the variation data.

Figure pat00003
Figure pat00003

수직 방향 최소 비용 경로 탐색Vertical least cost route navigation

상기 생성된 밝기값 변화량 데이터에서 수직 방향으로 동적 탐색 기법을 적용하여 밝기값 변화량 데이터 영상의 최상단과 최하단을 연결하는 최소 비용 경로를 산출한다. 영상의 각 픽셀을 노드로, 노드의 변화량 값을 경로 비용으로 정의하고 픽셀간의 거리를 각각의 노드를 잇는 단위 경로의 비용으로 정의한다. 최소비용 경로를 구하기 위해 밝기값 변화량 데이터를 이용하여 아래 수식으로 모델링하는 경로 비용 행렬 Pmap(x,y)을 구한다.The minimum cost path connecting the top and bottom of the brightness change data image is calculated by applying a dynamic search technique in the vertical direction from the generated brightness change data. Each pixel of the image is defined as a node, and the change amount of the node is defined as a path cost, and the distance between pixels is defined as a cost of a unit path connecting each node. In order to find the minimum cost path, the path cost matrix Pmap (x, y), which is modeled by the following equation, is obtained using the brightness value variation data.

Figure pat00004
Figure pat00004

Pmap(x,y)는 각 노드까지 도달하는데 소요된 최소 비용을 나타내는 행렬이고, IMGdiff는 제5 단계에서 생성된 밝기값 변화량 데이터이다. ω는 수직 상단 픽셀에서 연결되는 노드간의 경로에 대해 가중치를 주기 위해 사용했고, 대각선과 수직의 비율에 따라

Figure pat00005
로 결정하였다. Pmap(x,y)의 한 픽셀의 경로 비용 누적치는 IMGdiff에서 동일한 좌표에 위치하는 픽셀의 밝기값과 Pmap(x,y) 상에서 바로 위까지 계산된 3개의 픽셀 중 최소값을 가지는 픽셀을 합한 값이 된다.Pmap (x, y) is a matrix representing the minimum cost to reach each node, and IMG diff is a brightness value variation data generated in the fifth step. ω is used to weight the path between nodes connected at the vertical top pixel, depending on the diagonal to vertical ratio
Figure pat00005
Determined. The path cost cumulative value of one pixel of Pmap (x, y) is the sum of the brightness of the pixels at the same coordinates in IMG diff plus the pixel with the minimum of the three pixels computed just above on Pmap (x, y). Becomes

분할 영상에서 생성한 밝기값 변화량 영상과 해당 픽셀까지의 경로비용을 계산한 영상, 그리고 상기 방법으로 계산한 최소비용 경로의 예를 도 5에 도시하였다.FIG. 5 illustrates an example of a brightness value change amount image generated in a segmented image, an image of calculating a path cost to a corresponding pixel, and a minimum cost path calculated by the above method.

경로 비용 행렬의 최하단에서 최소값을 갖는 좌표로부터 그 좌표까지 도달하기 위해 방문한 노드들을 역 탐색하여 최소 비용을 가지는 경로를 추출하고, 추출된 최소비용 경로를 정상적으로 분할될 경우의 심실 내벽 정보로 추측하였다. 추측된 데이터와 클러스터링 알고리즘을 적용하여 생성한 데이터의 논리곱 연산을 통해 최종적으로 분할 오류가 수정된 영상을 획득하였다. At the bottom of the path cost matrix, the nodes that were visited to reach the coordinates from the minimum value were searched backward to extract the path having the minimum cost, and the extracted minimum cost path was estimated as the ventricular inner wall information in the case of normal division. Finally, the image obtained by correcting the segmentation error is obtained through the AND operation of the data generated by applying the estimated data and the clustering algorithm.

분할 영상 역변환 및 좌심실 볼륨 계산Segmentation Image Inversion and Left Ventricular Volume Computation

극좌표 영상에서 좌심실 분할을 수행한 후 분할 결과를 직교좌표계로 역변환하여 좌심실의 볼륨을 계산하였다. 직교좌표계의 좌표가 극좌표 변환을 통해 극좌표계의 어떤 좌표로 사상되는지 추정하여 극좌표계 좌표상의 픽셀을 직교좌표계로 되돌리는 역변환 과정을 거쳐 원 영상에서 좌심실의 형태를 복원하게 된다. 역변환은 다음 수학식 5와 같다.After performing left ventricular segmentation on polar coordinates, the volume of the left ventricle was calculated by inverting the segmentation result into a Cartesian coordinate system. The coordinates of the Cartesian coordinate system are estimated to be mapped to the coordinate system of the polar coordinates through the polar coordinate transformation, and the left ventricle shape is restored from the original image through the inverse transformation process of returning the pixels in the polar coordinate coordinates to the Cartesian coordinate system. The inverse transform is shown in Equation 5 below.

Figure pat00006
Figure pat00006

역 변환 과정을 통해 극좌표 영상에서의 좌심실의 형태를 직교 좌표계 상으로 복원한 후, 좌심실 영역의 볼륨을 구한다.After reconstructing the shape of the left ventricle on the Cartesian coordinate system through the inverse transformation process, the volume of the left ventricular region is obtained.

실험 데이터Experimental data

제안한 알고리즘을 검증하기 위하여 사용된 심장 자기 공명 영상은 지원자의 동의하에 GE Medical Systems의 SIGNA 1.5T 스캐너를 사용하여 38명의 지원자에 대해 SSFP 스캔을 수행하여 촬영되었다. 자기 공명 영상 촬영에 사용된 파라미터는 TR 3.3-4.5ms, TE 1.1-2.0ms, flip angle 55-60, image size 256ㅧ256, receiver 대역폭 125kHz, FOV 290-400ㅧ240-360, slice 두께 6-8, slice gap 204mm 로 설정하였다. 각 대상자의 좌심실은 20~28 심장 위상에 대해 수축기와 이완기 각각 6~10장의 슬라이스로 촬영되었다. The cardiac magnetic resonance images used to verify the proposed algorithm were taken by SSFP scan of 38 volunteers using GE Medical Systems' SIGNA 1.5T scanner with the consent of the volunteers. The parameters used for magnetic resonance imaging were TR 3.3-4.5ms, TE 1.1-2.0ms, flip angle 55-60, image size 256 ㅧ 256, receiver bandwidth 125kHz, FOV 290-400 ㅧ 240-360, slice thickness 6- 8, the slice gap was set to 204mm. The left ventricle of each subject was photographed with 6 to 10 slices each of systolic and diastolic phases for 20 to 28 heart phases.

38개 데이터 셋(총 634 영상)에 대해 제안한 알고리즘과 General Electronics 사의 MASS 6.0 상용소프트웨어, 그리고 전문가에 의한 수동윤곽검출을 통하여 비교 분석하였다.The proposed algorithm is compared with 38 data sets (total of 634 images), MASS 6.0 commercial software from General Electronics, and manual contour detection by experts.

혈류량 및 심박구출률Blood flow and heart rate

이완기와 수축기의 영상에 대하여 제안하는 알고리즘과 GE MASS 소프트웨어를 통하여 좌심실을 분할하고, 혈류량과 심박구출률을 계산하였다. 계산한 결과를 전문가에 의한 수동 윤곽 검출을 통해 분할한 결과와 비교하였다.The left ventricle was segmented using the proposed algorithm and GE MASS software for diastolic and systolic images, and blood flow and heart rate were calculated. The calculated results were compared with the result of segmentation through manual contour detection by an expert.

수동 윤곽 검출에서 좌심실의 혈류량은 평균적으로 이완기와 수축기에 각각 145.0mLㅁ8.6과 61.9mLㅁ4.4이었고, 평균 심박 구출률은 60.5%ㅁ13.8로 나타났다. 제안하는 알고리즘으로 분할한 좌심실의 혈류량은 평균적으로 이완기와 수축기에 각각 146.7mLㅁ 49.4과 61.8mLㅁ 43.6으로 나타났고, 평균 심박구출률은 60.9%ㅁ 13.4였다. MASS 소프트웨어의 경우 이완기와 수축기에 평균 혈류량은 164.5mLㅁ 55.1와 73.2mLㅁ51.5이고, 심박구출률은 58.8%ㅁ14.3으로 수동분할결과와의 차이가 제안 알고리즘보다 크게 나타났다. MASS 소프트웨어의 경우 알고리즘의 특성상 섬유지주근육 및 유두형근육 등 복잡한 심장 구조를 정밀하게 분할할 수 없기 때문에 오차가 더 크게 나타났다. In the manual contour detection, the left ventricular blood flow was 145.0 mL 8,6 and 61.9 mL 4, respectively, and the mean heart rate was 60.5% 13.8. On the average, the left ventricular blood volume divided by the proposed algorithm was 146.7 mL 49.4 and 61.8 mL 43.6, respectively, in the diastolic and systolic stages, and the average heart rate was 60.9% ㅁ 13.4. In the MASS software, the mean blood flow during the diastolic and systolic periods was 164.5 mL and 55.1 and 73.2 mL and 51.5, and the heart rate was 58.8% and 14.3. In the case of the MASS software, the error is larger because the algorithm cannot precisely divide complex heart structures such as fibrous muscles and papillary muscles.

38명의 데이터에 대하여 수동 윤곽 검출, 제안 알고리즘 및 MASS 소프트웨어를 통해 계산한 혈류량 및 심박 구출률에 대한 비교 결과를 표 1 및 도 6에 정리하였다. 도 6은 본 발명(좌측 도면) 및 MASS 소프트웨어(우측 도면)에 따른 이완기 및 수축기의 혈류량과 심박 구출률에 대한 선형 회귀도를 나타낸 그래프들이다. 본 발명의 방법으로 좌심실의 볼륨을 계산한 결과는 MASS 소프트웨어를 사용하여 좌심실 영역의 볼륨을 계산한 결과보다 수동윤곽검출 결과와 유사한 것을 확인할 수 있다. 본 발명의 방법은 좌심실 영역을 분할할 때 섬유지주근육이나 유두형근육 또는 심장 질환에 의한 심근 형태의 변형을 반영하는데 있어서 MASS 소프트웨어보다 높은 정확도를 보여준다. 이완기와 수축기의 혈류량 및 심박 구출률에서 R2=0.99 및 R2=0.98의 높은 상관계수를 보여주고 있다.Table 1 and FIG. 6 show a comparison of blood flow rate and heart rate rescue rate calculated by manual contour detection, proposed algorithm, and MASS software for 38 data. 6 are graphs showing linear regression plots for blood flow and heart rate rescue of diastolic and systolic according to the present invention (left view) and MASS software (right view). As a result of calculating the volume of the left ventricle by the method of the present invention, it can be confirmed that the result of the manual contour detection is similar to the result of calculating the volume of the left ventricular region using MASS software. The method of the present invention shows higher accuracy than MASS software in segmenting the left ventricular region to reflect myocardial morphology due to fibromyalgia, papillary muscle or heart disease. High correlation coefficients of R 2 = 0.99 and R 2 = 0.98 were found in blood flow and heart rate of diastolic and systolic.

Figure pat00007
Figure pat00007

도 7은 혈류량 및 심박 구출률에 대한 Bland-Altman 도식(좌측 도면: 본 발명, 우측 도면: MASS 소프트웨어)으로 비교하는 두 데이터의 값의 상대적인 오차를 표현한다. 그림에 나타난 것과 같이 제안한 알고리즘이 수동윤곽 검출 데이터와의 유사성이 높게 나타남을 볼 수 있다. 도 8 및 도 9에는 본 발명의 방법을 이용하여 좌심실 내벽(첫 번째 도면)을 자동 분할한 영상(두 번째 도면)과 수동윤곽검출을 통해 좌심실을 분할한 영상(세 번째 도면)을 비교하여 나타내었다. 전체적으로 수동 윤곽 검출 결과와 유사함을 확인할 수 있다.FIG. 7 represents the relative error of the values of the two data compared with the Bland-Altman scheme (left figure: present invention, right figure: MASS software) for blood flow and heart rate. As shown in the figure, the proposed algorithm shows high similarity with the manual contour detection data. 8 and 9 compare and compare the image of the left ventricular inner wall (first drawing) by using the method of the present invention (second drawing) with the image of the left ventricle divided by manual contour detection (third drawing). It was. Overall, the results are similar to the manual contour detection results.

사용자 간섭률User interference rate

심장 자기 공명 영상을 이용하여 혈류량 및 심박 구출률을 계산하기 위하여 분할한 좌심실 영역에 심각한 오류가 없어야 한다. 그러나 기존 연구들 및 MASS 소프트웨어의 경우 심실이 타조직과 연결되는 기저 영상이나 심장의 형태가 이상한 경우 분할의 오류가 발생하여 필연적으로 사용자의 간섭이 필요하다.There should be no significant errors in the segmented left ventricle to calculate blood flow and heart rate using cardiac MRI. However, in the existing studies and MASS software, if the basal image or the heart shape that the ventricles are connected to other tissues is abnormal, segmentation errors occur, which inevitably requires user intervention.

본 실험에서는 38개 데이터 셋의 634장의 영상에 대하여 제안한 알고리즘과 MASS 소프트웨어를 사용하여 분할한 결과에 오류를 보정하기 위한 사용자 간섭률을 측정하였고, 표 2에 정리하여 제시하였다. 표에 나타난 것과 같이 MASS 소프트웨어의 경우 38명의 지원자에 대하여 28명의 데이터에 사용자 간섭이 필요한 것으로 측정되었다. 그러나 본 발명의 소프트웨어의 경우 2명의 데이터에만 사용자 간섭이 필요하여, 높은 분할의 정확도를 유지하며 사용자 간섭률을 최소화한 것을 확인할 수 있다.In this experiment, we measured the user interference rate to correct the errors in the segmented results using the proposed algorithm and MASS software for 634 images of 38 data sets, summarized in Table 2. As shown in the table, the MASS software was measured to require user intervention on 28 data for 38 volunteers. However, in the case of the software of the present invention, only two pieces of data are required for user interference, thereby maintaining high accuracy of segmentation and minimizing user interference rate.

Figure pat00008
Figure pat00008

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.Although the present invention has been described as a specific preferred embodiment, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the present invention is not limited to the above-described embodiments without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Anyone with a variety of variations will be possible.

Claims (10)

(i) 관측자로부터 입력받은 심장에 대한 자기 공명 영상 셋에서 이완기와 수축기 사이의 중간 영상에 대하여 좌심실 내부 영역 좌표를 해당 영상에 대한 좌심실 분할용 알고리즘 초기점으로 사용하여 영역 확장을 통해 초기 좌심실 영역을 획득하는 단계;
(ii) 상기 획득된 초기 좌심실 영역을 기초로 하여 기초 좌심실 정보를 계산하는 단계;
(iii) 원 형태의 심장 자기 공명 영상에 극좌표 변환을 수행하여 극좌표 영상을 생성하여 심장의 경계를 선형화하는 단계;
(iv) 자기 공명 영상에서 심근 영역의 픽셀 밝기는 심실 내부의 픽셀 밝기보다 어둡다는 점을 이용하여 상기 극좌표 영상에서 각 픽셀들을 밝기값을 기준으로 K-클러스터링 기법을 적용하여 좌심실 영역을 분할하는 단계; 및
(v) 상기 K-클러스터링 기법을 적용한 결과 기저 영상에서 과다 분할된 영역을 좌심실의 원형성을 이용하여 그래프 탐색 기반 알고리즘을 통하여 소거하는 방식으로 분할 오류를 수정하는 단계를 포함하는 좌심실 자동 분할 방법.
(i) The initial left ventricular region was obtained by region expansion using the left ventricular internal coordinate as the initial point of the left ventricular segmentation algorithm for the image in the middle image between the diastolic and the systole in the magnetic resonance image set from the observer. Obtaining;
(ii) calculating basal left ventricular information based on the acquired initial left ventricular region;
(iii) performing polar coordinate transformation on a circular magnetic resonance image to generate a polar image to linearize the boundary of the heart;
(iv) dividing the left ventricular region by applying a K-clustering technique to each pixel in the polar coordinate image based on the fact that the pixel brightness of the myocardial region is darker than the pixel brightness inside the ventricle in the magnetic resonance image. ; And
and (v) correcting the segmentation error by erasing the over-divided region in the base image through the graph search based algorithm using the circularity of the left ventricle as a result of applying the K-clustering technique.
청구항 1에 있어서, 단계 (i)는
초기점 전파 알고리즘에 의해 이전 영상의 좌심실 영역 무게 중심점으로부터 11x11 크기의 윈도우를 설정하는 단계;
윈도우 내의 픽셀들의 밝기, 이전 영상의 밝기값 평균(μPrev)과 표준편차(σPrev), 무게 중심점과의 거리를 고려하여 각 픽셀의 에너지 E(p)를 계산하는 단계; 및
모델링된 행렬 E(p)에서 가장 작은 에너지값을 갖는 좌표를 다음 영상의 초기점으로 설정하는 단계를 포함하는 좌심실 자동 분할 방법.
The method according to claim 1, wherein step (i)
Setting a 11 × 11 window from the left ventricle region center of gravity of the previous image by an initial point propagation algorithm;
Calculating the energy E (p) of each pixel in consideration of the brightness of the pixels in the window, the average value of the brightness values of the previous image (μ Prev ) and the standard deviation (σ Prev ), and the distance from the center of gravity; And
And setting the coordinate having the smallest energy value in the modeled matrix E (p) as an initial point of the next image.
청구항 2에 있어서,
상기 각 픽셀의 에너지 E(p)은 수학식:
Figure pat00009
에 의해 계산하며, 상기 수학식에서, P는 윈도우 상에 존재하는 각 픽셀의 좌표이고, I다음(p)는 픽셀 P의 밝기값이다. PCoG는 이전 영상에서 분할된 좌심실 영역의 무게 중심점을 의미하고, w는 설정한 윈도우 사이즈로 11이고, μ이전 및 σ이전는 각각 이전 영상에서 좌심실 영역의 밝기값 평균과 표준 편차를 의미하는 좌심실 자동 분할 방법.
The method according to claim 2,
The energy E (p) of each pixel is
Figure pat00009
Calculated by, and the coordinates of each pixel, and then I (p) to the above equation, P is present in the window is the brightness value of the pixel P. P CoG is the center of gravity of the left ventricular region segmented from the previous image, w is the set window size of 11, μ before and σ before are the left ventricle representing the mean and standard deviation of the brightness values of the left ventricular region in the previous image, respectively. Auto split method.
청구항 3에 있어서, 단계 (ii)에서,
상기 분할된 초기 좌심실 영역 LVrgnl을 이용하여 최소자승법을 통해 계산한 3차원 평면을 수평화하는 과정을 통하여 코일 위치에 따른 영상 왜곡을 보정하여 왜곡 보정 영상 IMGcorrect을 취득하는 단계; 및
상기 왜곡 보정 영상에 대해 영역 확장 기법을 재수행하여 초기 좌심실 영역 LVrgnl을 분할하고, (1) 자기 공명 영상에서의 좌심실 위치와 무게 중심점, (2) 좌심실의 대략적인 형상과 반지름, (3) 밝기값 평균과 표준편차의 통계량, 및 (4) 기저 영상에서 분할오류 여부를 판별하기 위한 픽셀 볼륨 정보를 포함하는 심실 영역의 정보를 계산하는 단계를 포함하는 좌심실 자동 분할 방법.
The process according to claim 3, wherein in step (ii),
Acquiring a distortion correction image IMG correct by correcting an image distortion according to a coil position through a process of leveling a three-dimensional plane calculated by a least square method using the divided initial left ventricular region LV rgnl ; And
The region expansion technique is re-executed on the distortion-corrected image to segment the initial left ventricular region LV rgnl , (1) the left ventricle position and center of gravity in the magnetic resonance image, (2) the approximate shape and radius of the left ventricle, and (3) the brightness. And calculating information of a ventricular region including value averages, statistics of standard deviations, and (4) pixel volume information for determining whether there is a segmentation error in the base image.
청구항 1에 있어서, 단계 (iii)에서,
상기 극좌표 변환은 원점을 기준으로 직교좌표계의 좌표 P(x, y)가 극좌표계의 좌표 P(r, θ)로 변환하여 극좌표 영상을 구하고,
직교 좌표계가 극 좌표계로 변환되는 반경은 기초 좌심실 정보의 반지름 값의 3배를 사용하여 심근과 주변 구조 일부를 포함하며, 상기 직교 좌표계의 좌표와 극좌표계의 좌표 사이의 관계식은 다음 수학식
Figure pat00010
인 좌심실 자동 분할 방법.
The process according to claim 1, wherein in step (iii),
The polar transformation is obtained by converting the coordinate P (x, y) of the Cartesian coordinate system to the coordinate P (r, θ) of the polar coordinate system based on the origin, and obtaining the polar coordinate image.
The radius at which the Cartesian coordinate system is converted to the polar coordinate system includes a part of the myocardium and the surrounding structure using three times the radius value of the basic left ventricle information. The relation between the coordinates of the Cartesian coordinate system and the coordinates of the polar coordinate system is expressed by the following equation.
Figure pat00010
Left ventricular auto-segmentation method.
청구항 1에 있어서, 단계 (iii)는 극좌표 원점 오류가 나타나는 영상의 초기 좌심실 영역의 크기를 이전 영상의 초기 좌심실 영역의 크기와 비교하고, 상기 비교 결과 픽셀 볼륨이 급격히 증가하는 점을 기초로 하여 상기 초기 좌심실 영역에 대한 극좌표 원점 오류의 여부를 판단하는 단계; 및
상기 초기 좌심실 영역에 대한 극좌표 원점 오류가 있는 경우 상기 초기 좌심실 영역에 대한 극좌표 원점 오류를 수정하는 단계를 포함하는 좌심실 자동 분할방법.
The method according to claim 1, wherein step (iii) compares the size of the initial left ventricular region of the image in which the polar origin error appears with the size of the initial left ventricular region of the previous image, and based on the sharp increase in the pixel volume. Determining whether there is a polar coordinate origin error for the initial left ventricular region; And
And correcting the polar coordinate error of the initial left ventricle when there is a polar coordinate error of the initial left ventricle.
청구항 1에 있어서, 단계 (v)는
(v-1) 단계 (iv)에서 분할된 좌심실 영역에서 가로 방향으로 픽셀 밝기값 변화를 나타내는 영상 데이터인 밝기값 변화량 데이터 IMGdiff(x,y)를 다음 수학식:IMGdiff(x,y)=IMG(x,y)-IMG(x-1, y)을 통해 생성하는 단계; 및
(v-2) 상기 생성된 밝기값 변화량 데이터를 수직 방향으로 동적 탐색 기법을 적용하여 밝기값 변화량 데이터 영상의 최상단과 최하단을 연결하는 최소 비용 경로를 산출하는 단계를 포함하는 좌심실 자동 분할 방법.
The method of claim 1, wherein step (v)
(v-1) The brightness value change amount data IMG diff (x, y), which is image data indicating a change in pixel brightness value in the horizontal direction in the left ventricular region divided in step (iv), is obtained by the following equation: IMG diff (x, y) Generating via IMG (x, y) -IMG (x−1, y); And
and (v-2) calculating a minimum cost path that connects the top and bottom of the brightness value variation data image by applying a dynamic search technique to the generated brightness value variation amount data in the vertical direction.
청구항 7에 있어서, 단계 (v-2)는
영상의 각 픽셀을 노드로, 노드의 변화량 값을 경로 비용으로 정의하고 픽셀간의 거리를 각각의 노드를 잇는 단위 경로의 비용으로 정의하는 단계;
상기 최소비용 경로를 구하기 위해 밝기값 변화량 데이터를 이용하여 아래 수식으로 모델링되는 경로 비용 행렬 Pmap(x,y)을 다음 수학식:
Figure pat00011
에 의해 구하고, Pmap(x,y)는 각 노드까지 도달하는데 소요된 최소 비용을 나타내는 행렬이고, IMGdiff는 상기 생성된 밝기값 변화량 데이터이다. ω는 수직 상단 픽셀에서 연결되는 노드 간의 경로에 대한 가중치이고, Pmap(x,y)의 한 픽셀의 경로 비용 누적치는 상기 IMGdiff에서 동일한 좌표에 위치하는 픽셀의 밝기값과 Pmap(x,y) 상에서 바로 위까지 계산된 3개의 픽셀 중 최소값을 가지는 픽셀을 합한 값이 되는 단계; 및
경로 비용 행렬의 최하단에서 최소값을 갖는 좌표로부터 상기 좌표까지 도달하기 위해 방문한 노드들을 역 탐색하여 최소 비용을 가지는 경로를 추출하고, 추출된 최소비용 경로를 정상적으로 분할될 경우의 심실 내벽 정보로 추측하는 단계를 포함하는 좌심실 자동 분할 방법.
The method of claim 7, wherein step (v-2) is
Defining each pixel of the image as a node, a change value of the node as a path cost, and defining a distance between pixels as a cost of a unit path connecting each node;
To calculate the minimum cost path, the path cost matrix Pmap (x, y) modeled by the following equation using the brightness value variation data is expressed as the following equation:
Figure pat00011
Pmap (x, y) is a matrix representing the minimum cost to reach each node, and IMG diff is the generated brightness value variation data. ω is the weight for the path between nodes connected at the vertical top pixel, and the path cost cumulative value of one pixel of Pmap (x, y) is the brightness value and Pmap (x, y) of the pixel located at the same coordinate in the IMG diff . Adding pixels having a minimum value among the three pixels calculated up to just above the image; And
Inversely searching the nodes visited to reach the coordinates from the coordinates having the minimum value at the bottom of the path cost matrix, extracting the path having the minimum cost, and inferring the extracted minimum cost path as the ventricular inner wall information when it is normally divided. Left ventricle automatic segmentation method comprising a.
청구항 1에 있어서, (vi) 분할한 영역을 역변환하여 극좌표 영상에서의 좌심실의 형태를 직교 좌표계 상으로 복원한 후 좌심실의 혈류량을 계산하는 단계를 더 포함하는 좌심실 자동 분할 방법.The method of claim 1, further comprising: (vi) calculating the blood flow rate of the left ventricle after restoring the shape of the left ventricle in the polar coordinate image by inverse transformation of the divided region. 청구항 9에 있어서, 단계 (vi)에서 상기 역변환은 다음 수학식: (x, y) = (rsinθ, rcosθ)에 의해 이루어지고, 여기서, x 및 y는 직교 좌표이고, r 및 θ는 좌심실 정보의 반경 및 각도인 좌심실 자동 분할 방법.10. The method of claim 9, wherein the inverse transformation in step (vi) is made by the following equation: (x, y) = (rsinθ, rcosθ), where x and y are Cartesian coordinates, and r and θ of left ventricular information Automated segmentation of the left ventricle with radius and angle.
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