KR20150020830A - Quantification method of vessel - Google Patents

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Abstract

The present disclosure relates to a method for quantifying a blood vessel which includes the steps of: extracting the blood vessel with a 3D set of voxels based on a medical image of an organ; finding the voxels of the blood vessel included in an interest region of the organ; and quantifying the length information of the blood vessel including a diameter by using the found voxels.

Description

혈관의 정량화 방법{QUANTIFICATION METHOD OF VESSEL}QUANTIFICATION METHOD OF VESSEL [0002]

본 개시(Disclosure)는 전체적으로 혈관의 정량화 방법에 관한 것으로, 특히 혈관의 직경을 정량화하여 장기(organ)에서 혈관의 분포와 규모를 정량화하는 방법에 관한 것이다.Disclosure relates generally to a method for quantifying blood vessels, and more particularly, to a method for quantifying the distribution and size of blood vessels in organs by quantifying the diameter of blood vessels.

여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다(This section provides background information related to the present disclosure which is not necessarily prior art).Herein, the background art relating to the present disclosure is provided, and these are not necessarily meant to be known arts.

혈관의 상태는 장기(organ)의 질환에 대한 지표로 사용될 수 있다. 예를 들어, 폐혈관의 상태는 폐고혈압, 간질성 폐질환 및 만성 폐쇄성 폐질환(CODP)과 같은 여러 폐질환에 대한 의미 있는 지표로 대두하고 있다(M.G. Linguraru et al., "Segmentation and quantification of pulmonary artery for noninvasive CT assessment of sickle cell secondary pulmonary hypertension", Medical Physics, vol. 37(4), pp. 1522-1532, 2010).The condition of the blood vessels can be used as an index for diseases of the organ. For example, the status of the pulmonary vasculature has emerged as a significant index for various pulmonary diseases such as pulmonary hypertension, interstitial lung disease and COPD (MG Linguraru et al., "Segmentation and quantification of pulmonary artery for noninvasive CT assessment of sickle cell secondary pulmonary hypertension ", Medical Physics , vol. 37 (4), pp. 1522-1532, 2010).

폐혈관의 상태, 특히 작은 폐혈관의 분포와 규모에 대한 분석은 폐순환 상태에 대한 의미 있는 평가지표들 중 하나로서 다양한 폐질환 분석에 있어서 필수적이다.Analysis of the pulmonary vascular status, especially the distribution and size of small pulmonary vessels, is one of the significant indexes for the pulmonary circulation status and is essential for the analysis of various pulmonary diseases.

최근 연구는 CT 이미지로부터 평가된 폐혈관의 직경, 영역 퍼센트와 같은 폐혈관의 측정 가능한 형태학적 특성과 다양한 임상적 파라미터들 사이에 상호연관이 있음을 보여준다.Recent studies show that there is a correlation between the measurable morphological characteristics of pulmonary vessels, such as the diameter and area percentage of pulmonary vessels evaluated from CT images, and various clinical parameters.

여러 연구들은 폐기종과 연관이 있다고 주장되는 내피기능장애와 혈관의 변화(vascular alteration)이 밀접한 관련이 있다고 제시해 왔다(Santos et al., "Enhanced expression of vascular endothelial growth factor in pulmonary arteries of smokers and patients with moderate chronic obstructive pulmonary disease", American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine, vol. 167, pp. 1250-1256, 2003).Several studies have suggested that endothelial dysfunction, allegedly associated with emphysema, is closely related to vascular alteration (Santos et al., "Enhanced expression of vascular endothelial growth factor in pulmonary arteries of smokers and patients with moderate chronic obstructive pulmonary disease ", American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine , vol. 167, pp. 1250-1256, 2003).

기술적 관점에서, vascular contrast enhanced images를 사용하여 큰 혈관들에 대해 상기 형태학적 특성을 측정하는 것이 시도되어 왔다(Barrier et al., "Today's and tomorrow's imaging and circulating biomarkers for pulmonary arterial hypertension", Cellular and Molecular Life Sciences, vol. 69, pp. 2805-2831, 2012).From a technical point of view, using the vascular contrast enhanced images has been attempted to measure the morphological characteristics for the large blood vessels (Barrier et al., "Today 's and tomorrow's imaging and circulating biomarkers for pulmonary arterial hypertension", Cellular and Molecular Life Sciences , vol. 69, pp. 2805-2831, 2012).

그러나 작은 혈관들에 대해서는 형태학적 특성을 평가하는 시도는 거의 없었다.However, little attempt has been made to evaluate the morphological characteristics of small vessels.

한편, 작은 폐혈관의 정량화를 위해 2D sectional CT image에서 simple thresholding을 수행한 후에, 5mm2보다 작은 면적의 원형 영역들을 혈관으로 선택한 후, 작은 폐혈관의 면적과 폐기능 검사(PFT) 사이에 연관성을 보여 주려는 시도가 있었다(Matsuoka et al., "Quantitative computed tomographic measurement of a cross-sectional area of a small pulmonary vessel in nonsmokers without airflow limitation", Japanese Journal of Radiology, vol. 29, pp. 251-255, 2011).On the other hand, after performing simple thresholding on 2D sectional CT images to quantify small pulmonary blood vessels, circular areas with areas smaller than 5 mm 2 were selected as blood vessels, and correlation between the area of small pulmonary vessels and the pulmonary function test (PFT) (Matsuoka et al., "Quantitative computed tomographic measurement of a cross-sectional area of a small pulmonary vessel in nonsmokers without airflow limitation", Japanese Journal of Radiology , vol. 29, pp. 251-255, 2011).

그러나, 상기 논문(Matsuoka et al.)은 비록 혈관 분포와 PFT 사이의 강한 임상적 연관성을 보여 주었지만, 폐동맥과 폐정맥을 구분하지 못하며, 2D slice image를 사용했기 때문에 혈관의 축에 수직(orthogonal) 방향으로 직경을 정확히 측정하기 어려우며, 그 연구 결과가 3차원인 전체 폐에 대한 정확한 정량화에 의해 얻어진 것이라고 말하기는 어렵다.However, although Matsuoka et al. Showed a strong clinical association between blood vessel distribution and PFT, it did not distinguish between pulmonary and pulmonary veins, and because of the use of 2D slice images, orthogonal to the axis of blood vessels, It is difficult to accurately measure the diameter in the direction and it is difficult to say that the result is obtained by accurate quantification of the entire lung, which is three-dimensional.

의료 영상 기술, 특히 X-ray CT images의 발전은 생체 내에서 밀리미터 이하의 작은 구조들을 관찰하는 것을 가능하게 한다. 공간적 해상도뿐만 아니라 시간적 해상도에서도 빠른 진보가 있어 왔다. 그러나 혈관의 형태학적인 복잡한 구조, 예를 들어, 밀집된 분포, 근접 교차하는 케이스들, 나란하게 이웃한 다른 혈관들 등 때문에 자동화된 알고리즘을 통해 3차원 CT images를 기초로 작은 혈관들을 정량화하는 것은 어렵다. 특히, 자동화된 알고리즘을 통해 3차원 CT images를 기초로 작은 혈관들을 동맥들과 정맥들로 분리하여 정량화하는 성공적인 시도는 없었다.The development of medical imaging techniques, especially X-ray CT images, makes it possible to observe small structures under the millimeter in vivo. There has been rapid progress in spatial resolution as well as temporal resolution. However, it is difficult to quantify small vessels based on three-dimensional CT images through automated algorithms because of the morphologically complex structure of the vessels, such as dense distribution, close-in crossing cases, and other adjacent vessels in parallel. In particular, there has been no successful attempt to separate and quantify small vessels into arteries and veins based on three-dimensional CT images through automated algorithms.

따라서, 장기(organ)의 혈관의 상태를 자동화된 알고리즘을 통해 동맥과 정맥으로 구분하여 3차원으로 보여주며, 이를 바탕으로 장기 전체적으로 직경을 포함한 혈관의 길이 정보를 정량화하는 방법이 요구된다.Therefore, a method of quantifying the length information of the blood vessel including the diameter of the whole organ is required based on the three-dimensional state of the arterial and vein by the automated algorithm through the state of the blood vessel of the organ.

이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.This will be described later in the Specification for Implementation of the Invention.

여기서는, 본 개시의 전체적인 요약(Summary)이 제공되며, 이것이 본 개시의 외연을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다(This section provides a general summary of the disclosure and is not a comprehensive disclosure of its full scope or all of its features).SUMMARY OF THE INVENTION Herein, a general summary of the present disclosure is provided, which should not be construed as limiting the scope of the present disclosure. of its features).

본 개시에 따른 일 태양에 의하면(According to one aspect of the present disclosure), 장기(organ)의 의료 영상을 기초로 복셀들의 3차원 집합으로서 혈관이 추출되는 단계; 장기의 관심 영역에 포함되는 혈관의 복셀들이 찾아지는 단계; 그리고 찾아진 복셀들을 사용하여 직경을 포함한 혈관의 길이 정보가 정량화되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법이 제공된다.According to one aspect of the present disclosure, there is provided a method comprising: extracting a blood vessel as a three-dimensional collection of voxels based on a medical image of an organ; A step of finding voxels of a blood vessel included in a region of interest of a long term; And quantifying the length information of the blood vessel including the diameter using the found voxels.

이에 대하여 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용'의 후단에 기술한다.This will be described later in the Specification for Implementation of the Invention.

도 1은 본 개시에 따른 혈관의 정량화 방법의 예를 전체적으로 설명하는 도면,
도 2는 구분된 폐혈관 트리를 생성하는 전제적인 과정의 일 예를 설명하는 도면,
도 3은 구분된 폐혈관 트리의 일 예를 설명하는 도면,
도 4는 구분된 폐혈관 트리의 골격을 구하고 노드를 추출하는 알고리즘의 결과의 일 예를 설명하는 도면,
도 5는 일 실시예에 따라 노드를 이용한 혈관의 정량화 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 6은 다른 실시예에 따라 오프셋 표면을 이용한 혈관의 정량화 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 7은 오프셋 표면 형성을 위해 Distance field를 생성하는 방법의 일 예를 설명하는 도면,
도 8은 내측 표면(Inner surface)과 폐혈관의 교차점을 추출하는 과정의 일 예를 설명하는 도면,
도 9는 폐의 분할을 위한 Mono-oriented region을 추출하는 과정의 일 예를 2D schematic diagram으로 설명하는 도면,
도 10은 volumetric CT images에 적용된 뿌리 영역 추출의 일 예를 설명하는 도면,
도 11은 surfels 계산의 일 예를 설명하는 도면,
도 12는 3D rendering에 의해 계산된 surfels의 일 예를 설명하는 도면,
도 13은 virtual vascular phantom models에 대한 반경 평가의 정확성을 설명하는 도면,
도 14는 점진적 벗기기(gradual peeling) 및 가지 레벨(tree branching levels) 방법에 의해 혈관의 개수, 평균 직경 및 혈관이 차지하는 면적비를 보여주는 박스 플롯(box plots).
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a diagram generally illustrating an example of a method for quantifying blood vessels according to the present disclosure,
FIG. 2 is a view for explaining an example of a total process for generating a divided pulmonary vein tree,
3 is a view for explaining an example of a divided pulmonary vein tree,
4 is a view for explaining an example of a result of an algorithm for obtaining a skeleton of a divided pulmonary vein tree and extracting a node,
5 is a view for explaining an example of a method of quantifying a blood vessel using a node according to an embodiment,
6 is a view for explaining an example of a method of quantifying a blood vessel using an offset surface according to another embodiment,
7 is a view for explaining an example of a method of generating a distance field for forming an offset surface,
8 is a view for explaining an example of a process of extracting an intersection point between an inner surface and a pulmonary blood vessel,
9 is a view for explaining an example of a process of extracting a mono-oriented region for dividing a lung by a 2D schematic diagram,
10 is a view for explaining an example of root region extraction applied to volumetric CT images,
11 is a view for explaining an example of surfels calculation,
12 is a view for explaining an example of surfels calculated by 3D rendering,
13 is a diagram illustrating the accuracy of radial evaluation for virtual vascular phantom models,
Figure 14 is box plots showing the number of vessels, mean diameter, and area ratio occupied by the vessels by gradual peeling and tree branching levels methods.

이하, 본 개시를 첨부된 도면을 참고로 하여 자세하게 설명한다(The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawing(s)). The present disclosure will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 개시에 따른 혈관의 정량화 방법의 예를 전체적으로 설명하는 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a view for explaining an example of a method for quantifying a blood vessel according to the present disclosure. FIG.

혈관의 정량화 방법은 장기(organ)에서 임상적으로 의미가 있는 영역(관심 영역)을 관찰하고 혈관들의 직경을 포함한 길이 정보를 정량화하는 방법을 제공한다. The method of quantifying blood vessels provides a method of observing clinically significant regions (regions of interest) in organs and quantifying length information including the diameters of blood vessels.

혈관의 정량화 방법에서, 장기(organ)의 의료 영상을 기초로 복셀들의 3차원 집합으로서 혈관이 추출된다(S10). 장기의 관심 영역에 포함되는 혈관의 복셀들이 찾아진다(S40, S60, S80, S50, S70, S90). 찾아진 복셀들을 사용하여 직경을 포함한 혈관의 길이 정보가 정량화된다(S100).In the method of quantifying a blood vessel, blood vessels are extracted as a three-dimensional set of voxels on the basis of a medical image of an organ (S10). Vessels of the blood vessels contained in the region of interest of the organ are found (S40, S60, S80, S50, S70, S90). The length information of the blood vessel including the diameter is quantified using the found voxels (S100).

혈관이 추출된 후, 혈관을 정맥과 동맥으로 구분하는 과정이 수행될 수 있다(S20). After the blood vessel is extracted, a process of dividing the blood vessel into a vein and an artery may be performed (S20).

직경을 포함한 혈관의 길이 정보가 의료 영상에 시각화될 수 있다(S110).The length information of the blood vessel including the diameter can be visualized in the medical image (S110).

예를 들어, 혈관의 길이 정보의 정량화 과정에서, 찾아진 복셀들을 사용하여 혈관의 반경, 즉 직경이 계산된다. 계산된 혈관의 반경을 사용하여 관심 영역에 대한 혈관의 면적비가 계산된다. For example, in the process of quantifying the length information of a blood vessel, the radius, or diameter, of the blood vessel is calculated using the found voxels. The area ratio of the blood vessel to the region of interest is calculated using the calculated radius of the blood vessel.

혈관의 복셀이 찾아지는 과정에서, 혈관의 형태 또는 장기 내의 위치에 따른 혈관의 레벨(level)이 결정될 수 있다. 관심 영역으로 선택된 레벨에서 혈관의 복셀들이 찾아진다.In the process of finding the voxels of a blood vessel, the level of the blood vessel can be determined according to the shape of the blood vessel or the position in the organ. Voxel voxels are found at the level selected as the region of interest.

예를 들어, 혈관의 복셀들을 찾기 위해, 혈관의 골격(skeleton)이 생성된다(S40). 혈관의 골격을 사용하여 혈관이 분기되는 노드(node)가 추출된다(S60). 추출된 노드 중 관심 영역으로 선택된 노드에서 공간적으로 일정 범위 내의 복셀들이 찾아진다(S80).For example, to find voxels of a blood vessel, a skeleton of a blood vessel is generated (S40). A node where the blood vessel branches off is extracted using the skeleton of the blood vessel (S60). Among the extracted nodes, voxels within a certain range spatially in the node selected as the ROI are searched (S80).

이와 다른 예로, 혈관의 복셀들을 찾기 위해, 장기의 외측 표면으로부터 내측으로 일정한 거리의 복셀들의 집합으로 정의되는 오프셋 표면(offset surface)이 생성된다(S50, S70). 추출된 혈관과 오프셋 표면의 교차점에 해당하는 복셀들이 찾아진다(S90).As another example, an offset surface is created (S50, S70), which is defined as a set of voxels spaced inwardly from the outer surface of the organ in order to locate the voxels of the blood vessel. Voxels corresponding to the intersection of the extracted blood vessel and the offset surface are found (S90).

본 개시에 따른 혈관의 정량화 방법은, 폐, 심장, 신장, 간, 뇌 등의 장기나 기관에 적용될 수 있다.The method for quantifying blood vessels according to the present disclosure can be applied to organs or organs such as lung, heart, kidney, liver, brain, and the like.

본 예에서는 폐혈관의 정량화 방법을 중심으로 설명한다.In this example, the method of quantifying pulmonary blood vessels will be mainly described.

예를 들어, volumetric chest CT images로부터 복셀들의 집합으로서 폐혈관들을 추출하고, construction energy minimization 방법에 의해 초기 폐혈관 트리(tree)가 생성된다. 이후, 초기 폐혈관 트리로부터 뿌리 영역(mediastinal region)이 잘려져서 초기 폐혈관 트리의 가지들(branches)이 서브 트리(sub-trees)로 자동적으로 분할(segmentation)된다. 그 다음, 초기 폐혈관 트리의 가지들로부터 잘려진 뿌리 영역으로 가지들이 연장되어 서브 트리가 재결합된다. 그 후, 재결합된 초기 트리를 기초로 폐혈관이 폐동맥 및 폐정맥으로 구분(classification)되어 구분된(classified) 폐혈관 트리가 생성된다(S20).For example, pulmonary blood vessels are extracted from volumetric chest CT images as a collection of voxels, and an initial pulmonary vascular tree is created by construction energy minimization. The mediastinal region is then cleaved from the initial pulmonary vascular tree and the branches of the initial pulmonary vascular tree are automatically segmented into sub-trees. The branches are then extended from the branches of the early pulmonary vascular tree to the truncated root regions to recombine the subtrees. Thereafter, based on the recombined initial tree, the pulmonary artery is classified into a pulmonary artery and a pulmonary vein to generate a classified pulmonary vein tree (S20).

구분된 폐혈관 트리를 생성하면 폐혈관을 폐동맥과 폐정맥으로 구분하여 시각화할 수 있고, 이후, 폐혈관의 길이 정보를 정량화하는 과정의 기초(30)가 제공된다.The creation of a segmented pulmonary vein tree provides visualization of the pulmonary artery and the pulmonary vein, and then provides a basis 30 for quantifying pulmonary blood vessel length information.

폐의 관심 영역에 해당하는 구분된 폐혈관 트리의 복셀들로부터 폐혈관의 길이 정보, 예를 들어, 작은 폐동맥 및 작은 폐정맥의 직경이 계산된다. 직경을 이용하여 폐의 관심 영역에서 폐의 표면에 대한 작은 폐동맥 및 작은 폐정맥이 차지하는 면적비 등이 애플리케이션을 사용하여 계산될 수 있다. The length of the pulmonary vein, for example, the small pulmonary artery and the diameter of the small pulmonary vein, is calculated from the voxels of the divided pulmonary vascular tree corresponding to the area of interest of the lung. Using the diameter, the area of the small pulmonary artery and the small pulmonary vein occupied by the surface of the lung in the region of interest of the lung, etc., can be calculated using the application.

본 예에서는 관심 영역에 위치한 폐혈관을 추출하기 위해 폐혈관의 레벨을 결정(level determination)하고, 동일하거나 비슷한 레벨의 폐혈관에 대해 길이 정보를 평가한다.In this example, the level of pulmonary blood vessels is determined to extract pulmonary blood vessels located in the region of interest, and the length information is evaluated for pulmonary blood vessels of the same or similar level.

도 1에는 폐혈관의 레벨을 결정하는 과정의 두 가지 예가 도시되어 있다.FIG. 1 shows two examples of the process of determining the level of pulmonary blood vessels.

일 실시예에 따라 폐혈관의 레벨을 결정하는 과정에서, 구분된 폐혈관 트리의 골격을 계산(skeleton)하고(S40), 폐의 외측 말단으로부터 폐혈관 가지들의 노드(branching node extraction)를 추출하여(S60), 동일 유사한 레벨의 폐혈관이모아질 수 있다(S80).In the process of determining the level of pulmonary blood vessels according to one embodiment, the skeleton of the separated pulmonary vein tree is calculated (S40), and a branching node extraction of the pulmonary vein branches is extracted from the outer end of the lung (S60), the same similar level of pulmonary blood vessels can be collected (S80).

다른 실시예에 따른 폐혈관의 레벨을 결정하는 과정에서, 폐의 표면 경계로부터 점차적으로 폐를 peeling하여 오프셋 표면(offset surfaces)을 형성(extract inner surface)하고(S50), 오프셋 표면과 구분된 폐혈관 트리와의 교차점을 추출(check intersection)하여(S70), 동일 유사한 레벨(폐의 외측 말단으로부터의 거리 레벨)의 폐혈관이 추출될 수 있다(S90).In the process of determining the level of pulmonary blood vessels according to another embodiment, the lungs are gradually peeled from the surface boundary of the lungs to form offset surfaces (S50) At step S70, the intersection of the vein tree and the blood vessel at the same level (distance level from the outer end of the lung) can be extracted (S90).

이렇게 추출된 동일 유사한 레벨의 폐혈관은 복셀들의 집합(30)으로 저장되며, 직경이나 면적비 등 정량적 특징 평가(property estimation)의 기초가 된다.The pulmonary blood vessels of the same similar level thus extracted are stored as a set of voxels 30 and serve as a basis for quantitative feature estimation such as diameter and area ratio.

따라서 본 개시에는 적어도 혈관의 정량화 방법의 두 가지 실시예가 개시된다.Thus, in this disclosure, at least two embodiments of a method for quantifying blood vessels are disclosed.

일 실시예에 따른 혈관의 정량화 방법에서, 구분된 폐혈관 트리를 생성하고, 구분된 폐혈관 트리의 골격을 형성한 후, 가지레벨을 결정하여 관심 영역의 폐혈관을 추출하고, 길이 정보를 평가한다.In the method of quantifying blood vessels according to an embodiment, a divided pulmonary vein tree is generated, a skeleton of a divided pulmonary vein tree is formed, and then a branch level is determined to extract pulmonary blood vessels in a region of interest, do.

다른 실시예에 따른 혈관의 정량화 방법에서, 구분된 폐혈관 트리를 생성하고, 폐의 오프셋 표면(offset surfaces)을 형성한 후, 구분된 폐혈관 트리와 오프셋 표면과의 교차점을 추출하여 관심 영역의 폐혈관을 추출하고, 길이 정보를 평가한다.In another method of quantifying blood vessels according to another embodiment, a divided pulmonary vein tree is generated, and offset surfaces of the lung are formed. Then, the intersection points of the separated pulmonary vein tree and the offset surface are extracted, Pulmonary blood vessels are extracted and length information is evaluated.

혈관의 정량화 방법의 두 가지 실시예는 모두 폐혈관의 정량화된 지표를 제공하며, 경우에 따라서는 이 두 가지 방식을 함께 사용하여 폐혈관의 순환 상태를 더욱 효과적이고 정확하게 평가할 수도 있다.Both embodiments of the method for quantifying blood vessels provide quantified indicators of pulmonary blood vessels, and in some cases both of these methods may be used in combination to more effectively and accurately assess the circulatory status of the pulmonary vessels.

이하, 구분된 폐혈관 트리를 생성하는 것을 먼저 설명하고, 폐혈관의 레벨을 결정하여 정량화하는 두 가지 방식을 각각 설명한다.Hereinafter, the generation of the separated pulmonary vein tree will be described first, and the two methods of determining and quantifying the level of the pulmonary blood vessel will be described.

도 2는 구분된 폐혈관 트리를 생성하는 전체적인 과정의 일 예를 설명하는 도면이다. 도 3은 구분된 폐혈관 트리의 일 예를 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a view for explaining an example of an overall process of generating a divided pulmonary vein tree. 3 is a view showing an example of a pulmonary vein tree classified.

도 2에서 좌측에서 우측으로, 각각 volumetric chest CT images로부터 점들의 집합으로서 추출된 폐혈관들(a point set extraction; 좌측에서 첫 번째), construction energy minimization 방법에 의해 생성된 초기 트리(initial tree construction; 좌측에서 두 번째), 초기 트리로부터 뿌리 영역을 잘라내어(cutting the proximal region; 좌측에서 세 번째), 초기 트리의 자 가지들(children branches)이 서브 트리(sub-trees)로 자동적으로 분리(automatically separated branches; 좌측에서 네 번째), 초기 트리의 가지들로부터 잘려진 뿌리 영역으로 가지들을 연장하여 서브 트리를 재결합(tree reconstruction and merging; 좌측에서 다섯 번째), 재결합된 초기 트리를 기초로 폐혈관을 폐동맥 및 폐정맥으로 구분 (artery and vein selection; 좌측에서 여섯 번째)하는 과정을 보여준다.In Fig. 2, from the left to the right, a point set extraction (first from left) extracted as a set of points from volumetric chest CT images, an initial tree construction generated by construction energy minimization method, (Second from left), cutting the proximal region from the initial tree (third from the left), and automatically splitting the children branches of the initial tree into sub-trees branches from left to right), branches from the branches of the initial tree to the truncated root regions, and reconstructs the pulmonary arteries and the pulmonary arteries based on the reassembled initial tree (tree reconstruction and merging (Artery and vein selection; sixth from left).

도 3에서 좌측은 관상(Coronal view) 이고 우측은 시상(sagittal view)이며, 붉은 색은 폐동맥을 파란색은 폐정맥을 나타낸다.In FIG. 3, the left side is a coronal view, the right side is a sagittal view, the red color represents the pulmonary artery, and the blue color represents the pulmonary vein.

이하, 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이 구분된 폐혈관 트리를 생성하는 방법을 수학식을 사용하여 설명한다.Hereinafter, a method of generating a pulmonary vascular tree as shown in Figs. 2 and 3 will be described using mathematical equations.

작은 폐동맥들과 폐정맥들을 각각 정량화하기 위해서 먼저 이들을 분할하고 구분하는 것이 바람직하다. 이하에서 폐혈관 분류방법을 간략히 설명한다.In order to quantify small pulmonary arteries and pulmonary veins, it is desirable to divide them first. Hereinafter, the pulmonary blood vessel classification method will be briefly described.

Figure pat00001
= {c | c= (i, j, k), i=1,···, nx, j=1,···, ny, k=1,···, nz}을 CT scans으로부터 구성된 복셀들의 집합(set)이라 하고, I(c)를 복셀 c의 attenuation 인텐시티라 하자. 먼저 vascular points V={vi}⊂R3 가 추출된다. 여기서 v(c)=(x, y, z)T = ((ci-0.5)×dx,(cj-0.5)×dy,(ck-0.5)×dz)T는 대응하는 복셀 c의 중심 위치이다. 그러면 종류가 다른 복셀들은 초기 tree T=(V, E)을 구성함으로써 구분될 수 있다. 여기서 E는 가장자리의 집합(set of edges)이다. 상기 초기 트리(tree)는 아래의 방정식(1)에 의해 정의되는 minimizing the cost 방식에 의해 구성된다.
Figure pat00001
= {c | c = (i, j, k ), i = 1, ···, nx, j = 1, ···, ny, k = 1, ···, nz} the set of voxel constructed from CT scans (set ), And let I (c) be the attenuation intensities of the voxel c. First, the vascular points V = {vi} ⊂R 3 Is extracted. (X, y, z) T = (ci-0.5) x dx, (cj-0.5) x dy, (ck-0.5) x dz) T is the center position of the corresponding voxel c . Voxels of different kinds can then be distinguished by constructing the initial tree T = (V, E). Where E is the set of edges. The initial tree is constructed by a minimizing the cost method defined by the following equation (1).

Figure pat00002
(1)
Figure pat00002
(One)

여기서 wj는 vertex j의 가중치이고, eij는 edge (i, j)의 방향 가중치이며, α,β,γ ∈ R는 positive user-defined constants이다. wj는 vertex j의 연결특성을 지시하는 값이며, Where w j is the weight of vertex j, e ij is the direction weight of edge (i, j), and α, β, γ ∈ R are positive user-defined constants. w j is a value indicating the connection characteristic of the vertex j,

Figure pat00003
Figure pat00003

로 정의된다. I(vj)는 전체 vascular points에 의해 표준화된 vj의 attenuation 인텐시티이고,Φ(vj)는 혈관 경계들로부터 표준화된 거리이다. eij는 에지의 방향과 vj에서 평가된 vascular orientation 간의 방향 유사성을 나타내는 요소이다. 방정식(1)을 최소화하는 솔루션은 자연스럽게 minimum spanning tree (MST)가 된다.. I (v j ) is the attenuation intensity of v j normalized by the total vascular points, and Φ (v j ) is the normalized distance from the vessel boundaries. e ij is an element representing the directional similarity between the direction of the edge and the vascular orientation evaluated at v j . The solution minimizing equation (1) is naturally the minimum spanning tree (MST).

초기 트리를 구성한 이후, 뿌리 영역(mediastinal region)을 자른다. 연결된 vertices만을 그룹핑함으로써 가지들은 서로 분리되어 자동적으로 서브 트리가 형성된다. After constructing the initial tree, cut the mediastinal region. By grouping only connected vertices, the branches are separated from each other to form a subtree automatically.

Ti=(Vi, Ei)⊂T를 i-th sub-tree of T 라고 하자. 자르기 전에 논문(Livny et al, "Automatic reconstruction of tree skeletal structures from point clouds", ACM Transactions on Graphics, vol. 29(6), Article 151, 2010)로부터 유도된 아래의 방정식(2)를 최소화하는 전체적 최적화를 함으로써 모든 vertices의 방위 벡터들 {oi}이 다시 평가된다. Let T i = (Vi, E i) ⊂ T be the i-th sub-tree of T. Prior to cropping (Livny et al, "Automatic reconstruction of tree skeletal structures from point clouds ", ACM Transactions on Graphics , vol. The orientation vectors {o i } of all the vertices are re-evaluated by an overall optimization that minimizes the following equation (2) derived from Eq. (29 (6), Article 151,

Figure pat00004
Figure pat00004

Figure pat00005
(2)
Figure pat00005
(2)

VP i vi의 parent vertex이다. {oi}를 사용하여 상기 그룹들은 각 뿌리 vertex로부터 끝이 절단된 영역까지 다시 증식되고, 오버랩되는 가지가 없다면 재결합된다. 마지막으로 재결합된 폐혈관 트리를 기초로 혈관의 타입들(동맥 또는 정맥)이 사용자 인터페이스에 의해 결정되어 구분된 폐혈관 트리가 생성된다. 구분된 폐혈관 트리가 다음 단계를 위해 각각 TA, TV,로 저장된다.V P i is The parent vertex of vi. Using {oi}, the groups are propagated again from each root vertex to the truncated region, and recombine if there are no overlapping branches. Finally, based on the recombined pulmonary vascular tree, types of vessels (arteries or veins) are determined by the user interface and a pulmonary vascular tree is created. The separated pulmonary vein tree is stored as T A , T V , respectively, for the next step.

전술한 것과 같이, 구분된 폐혈관 트리를 기초로 폐직경을 포함한 혈관의 길이 정보를 정량화하며, 정량화를 위해 우선 폐혈관의 레벨을 결정한다. 폐혈관의 레벨을 결정하는 방식 중 폐혈관의 가지 레벨(branching level)을 사용하는 방식을 설명한다.As described above, the length information of the blood vessel including the pulmonary diameter is quantified based on the separated pulmonary vein tree, and the level of the pulmonary blood vessel is first determined for quantification. Describe a method of using the branching level of the pulmonary blood vessel among the methods of determining the level of the pulmonary blood vessel.

도 4는 구분된 폐혈관 트리의 골격을 구하고 노드를 추출하는 알고리즘의 결과의 일 예를 설명하는 도면이다. 4 is a view for explaining an example of a result of an algorithm for obtaining a skeleton of a distinguished pulmonary vein tree and extracting a node.

가지 레벨을 결정하기 위해서, 구분된 폐혈관 트리의 골격(skeleton)을 구하고(도 1의 S40), 노드(node)를 추출한다(도 1의 S60).In order to determine the branch level, a skeleton of the separated pulmonary vein tree is obtained (S40 in FIG. 1), and a node is extracted (S60 in FIG. 1).

주어진 기하학적 계산으로 폐혈관의 골격구조를 얻는 것은 방대한 작업이다. outward flux를 계산함으로써 중심선(medial line)을 추출하는 자동화된 방법을 제시한 방법이 개시되어 있다(Bouix et al., "Flux driven automatic centerline extraction", Medical Image Analysis, vol. 9, pp. 209-221, 2005). 또한, gradient vector flow를 사용한 곡선 골격 구성 알고리즘이 개시되어 있다(Hassouna et al., "Variationalcurve skeletons using gradient vector flow", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, vol. 31, no. 12, pp. 2257-2274, 2009). 또한, 의료적 애플리케이션과 무관하게 큰 점들을 포함하는 점 구름으로부터 곡선 골격들을 추출함으로써 표면을 재구성한 방법이 개시되어 있다(Tagliasacchi et al., "Curve skeleton extraction form incomplete point cloud", ACM Transactions on Graphics, vol. 28(4), Article 71, 2009). 또한, arterial snakes concept을 도입함으로써 비조직화된 점구름들과 노이즈로부터 성공적으로 표면들을 재구성한 방법이 개시되어 있다(Li et al., "Analysis, reconstruction and manipulation using arterial snakes", ACM Transactions on Graphics, Vol. 29(6), Article 152, 2010).Obtaining the skeletal structure of the pulmonary vessels with a given geometric calculation is a massive task. a method has been disclosed that provides an automated method of extracting a medial line by calculating an outward flux (Bouix et al., "Flux-driven automatic centerline extraction ", Medical Image Analysis , vol. 9, pp. 209-221, 2005). In addition, a curve skeleton construction algorithm using a gradient vector flow has been disclosed (Hassouna et al., "Variational curves skeletons using gradient vector flow ", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence , vol. 31, no. 12, pp. 2257-2274, 2009). In addition, the method for surface reconstruction by extracting a skeleton curve from a point cloud comprising a large independent dots and medical applications has been disclosed (Tagliasacchi et al., "Curve skeleton form incomplete extraction point cloud", ACM Transactions on Graphics , vol. 28 (4), Article 71, 2009). There is also, it disclosed a method which is successfully reconstruct the surface from the noise with the non-organized point cloud by introducing the concept snakes arterial (Li et al., "Analysis, reconstruction and manipulation using arterial snakes", ACM Transactions on Graphics , Vol. 29 (6), Article 152, 2010).

본 실시예에서는 상기 설명된 골격을 구하는 방식과 다르게 더욱 간단한 방법으로 트리의 골격을 구할 수 있다. 왜냐하면 본 개시에서는 전술된 구분된 폐혈관 트리를 사용하여 골격을 구하므로 점 구름들 또는 복셀들과 같은 raw data로부터 출발하지 않기 때문이다. In this embodiment, the skeleton of the tree can be obtained by a simpler method than the method of obtaining the skeleton described above. Because the present disclosure does not originate from raw data such as point clouds or voxels since the skeleton is derived using the above-described segmented pulmonary vein tree.

구체적으로, 본 실시예에서는 골격을 구하기 위해 완만한(smooth) 곡선 골격들을 계산하는 것이 아니라 가지치기(branching) 위치들을 찾는다. 예를 들어, 전술된 구분된 폐혈관 트리로(도 4의 상측 그림)부터 중앙선(medial line)을 추출하고, 2개 이상의 children edges가 연결되는 노드(node) 점들을 찾는다(도 4의 하측 중앙 그림). 원통 형상과 같은 영역의 중앙선(medial line; 본 개시에서 골격(skeleton)으로 불림)은 parallel thinning algorithms(Bertrand et al., "A parallel thinning algorithm for medial surfaces", Pattern Recognition Letters, vol. 16(9), pp. 979-986, 1995)와 유사한 아래의 방정식(3)을 사용하여 추출될 수 있다.Specifically, in this embodiment, instead of computing smooth curve skeletons to find a skeleton, we look for branching positions. For example, a medial line is extracted from the above-described divided pulmonary vein tree (upper image in FIG. 4), and node points to which two or more child edges are connected are searched (in FIG. 4, Drawing). A medial line (also called skeleton in this disclosure) of a region, such as a cylindrical shape, is defined by parallel thinning algorithms (Bertrand et al., "A parallel thinning algorithm for medial surfaces ", Pattern Recognition Letters , vol. 16 (9), pp. 979-986, 1995). ≪ / RTI >

전술된 구분된 폐혈관 트리를 생성하는 과정에서 proximal region(mediastinal region)을 자르기 전에 하기 방정식(3)에 보인 것과 같이 모든 vertices, v ∈ V, of the MST에 inverse height values를 할당하였다.Before cutting the proximal region (mediastinal region) in the process of generating the separated pulmonary vascular tree described above, all the vertices, v ∈ V, and of the MST were assigned inverse height values as shown in the following equation (3).

Figure pat00006
(3)
Figure pat00006
(3)

여기서, v c 는 v의 자 노드 (child node)이고, 어떤 non-leaf node v ∈ V의 자 노드들 C(v)={vc} 중에서

Figure pat00007
인 것들을 critical node로 둔다. 여기서 critical node의 v에 대한 accumulated inverse height는 최대값이다. V* C을 제외한 다른 children nodes는 non-critical nodes로 둔다. non-critical nodes를 제거함으로써 골격 구조(skeletal structure)가 추출될 수 있다.Here, v c is a child node of v, and the child nodes C (v) = {v c } of some non-leaf node v ∈ V
Figure pat00007
As critical nodes. Where the accumulated inverse height for critical node v is the maximum value. Other children nodes except V * C are left with non-critical nodes. The skeletal structure can be extracted by removing non-critical nodes.

예를 들어, leaf nodes로부터 아래의 조건 중 어느 하나라도 만족하는 non-critical nodes를 제거한다.For example, remove non-critical nodes from leaf nodes that meet any of the following conditions:

a) Leaf node;a) Leaf node;

b) H(vc) ≥ α|Φ(v)| : whose path length is shorter than the scaled radius of the parent node (α|Φ(v)|); orb) H (vc)?? |? (v) | : whose path length is shorter than the scaled radius of the parent node (? |? (v) |); or

c) H(vc) < β : whose path length is shorter than a user-defined threshold (β).c) H (vc) <β: whose path length is shorter than a user-defined threshold (β).

본 실시예에서 α=1.2, β=3.0mm가 사용된다. 노드를 제거할 때 connected child critical nodes and edges 또한 삭제되며, 남아 있는 connected path가 골격이 된다(도 4의 우하측 그림).In this embodiment,? = 1.2 and? = 3.0 mm are used. When the node is removed, the connected child critical nodes and edges are also deleted and the remaining connected path becomes the skeleton (lower right picture in Fig. 4).

도 4는 이와 같이 노드를 제거하며 골격을 구하는 알고리즘의 결과를 보여준다. 상기 알고리즘이 파리미터 α 및 β에 의존하는 non-cylindrical shape을 가지는 mediastinal region에서 single line segments에 연결된 결과를 제공하는 것을 보증하지는 않는다. 그러나 상기 알고리즘은 작은 혈관들의 형태학적 특성을 정량화하려는 본 개시의 목적에는 적합하다.Fig. 4 shows the result of the algorithm of removing the node and obtaining the skeleton in this manner. It does not guarantee that the algorithm provides results linked to single line segments in a mediastinal region with a non-cylindrical shape dependent on parameters a and. However, the algorithm is suitable for the purposes of this disclosure to quantify the morphological characteristics of small blood vessels.

이후의 과정에서 가지의 반경을 평가하기 위해, 하나의 그룹의 동일한 인덱스를 가지는 vascular points을 모으는 것이 필요하다(도 1의 S80). 이를 위해 상기 알고리즘에서는 i 번째 sub-tree의 j 번째 자 가지에 순서쌍 (i, j) 를 부여하고, 골격의 가지가 분기될 때마다 그것의 연결점들에도 순서쌍을 부여한다.In order to evaluate the radius of the branches in the following process, it is necessary to collect vascular points having the same index of one group (S80 in FIG. 1). To this end, the algorithm assigns an ordered pair (i, j) to the j-th branch of the i-th sub-tree and assigns an ordered pair to its connection points whenever branches of the skeleton branch.

도 5는 일 실시예에 따라 노드를 이용한 혈관의 정량화 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.5 is a view for explaining an example of a method of quantifying a blood vessel using a node according to an embodiment.

상기 순서쌍을 활용하여 구분된 폐혈관 트리 T의 각 노드 vi에서 k-nearest boundary points Nb(vi)={qj|j=1,···,k} ⊂ ∂V를 동일 그룹으로 모을 수 있고, 이에 의해 관심 영역에 대응하는 동일 레벨의 작은 폐동맥 및 폐정맥을 복셀들의 점들로 추출할 수 있다.Using the above ordered pairs, the k-nearest boundary points Nb (v i ) = {q j | j = 1, ... , k} ⊂ ∂V are collected in the same group at each node v i of the pulmonary vein tree T Whereby small pulmonary arteries and pulmonary veins of the same level corresponding to the region of interest can be extracted as points of voxels.

여기서 동일 그룹으로 모이는 점들은

Figure pat00008
을 만족하며, δ은 사용자 정의 파라미터이다. 도 5(a)에서 노드 vi(201)에 연결된 회색점들(205)은 Nb(vi)을 보여준다. 본 예의 실험에서는 k=26, δ=π/4를 사용한다.Here, the points gathered in the same group
Figure pat00008
And? Is a user-defined parameter. Gray points 205 connected to node v i 201 in FIG. 5 (a) show N b (v i ). In the experiment of this example, k = 26 and? =? / 4 are used.

복셀 구조에서 공간적으로 근접한 점들을 모으기 위해 구분된 폐혈관 트리 T가 사용된다. N b (v i )를 가지고 도 5(b)에 보여진 것과 같이 simple least-squares method를 사용하여 Cylinder fitting함으로써 각 노드에서 가지의 반경을 얻을 수 있다(D.Eberly, "Fitting 3D data with a cylinder", [Online] Feb. 2003. Available: http://www.geometrictools.com/Documentation/CylinderFitting.pdf (URL).A separate pulmonary vascular tree T is used to collect spatially adjacent points in the voxel structure. We can obtain the radius of the branch at each node by fitting the cylinder with N b (v i ) using the simple least-squares method as shown in Figure 5 (b) (D.Eberly, "Fitting 3D data with a cylinder ", [Online] Feb. 2003. Available: http://www.geometrictools.com/Documentation/CylinderFitting.pdf (URL).

오리지날 혈관이 너무 가늘어서 어떤 노드의 이웃한 점들(neighbor points )이 10보다 작아 충분하지 못한 때에는 아래의 방정식(4)에 나온

Figure pat00009
이 반경으로 사용된다. 이웃한 점들이 없을 때에는 그 노드의 반경을 CT 해상도의 절반 사이즈로 두고 계산한다. 예를 들어, CT 이미지의 해상도가 약 0.545mm 내지 0.693mm이기 때문에 반경 평가 작업에서 사용되는 데이터를 위해 rmin = 0.3mm로 둔다.When the original blood vessel is too thin and the neighbor points of a node are less than 10 and insufficient, the following equation (4)
Figure pat00009
This radius is used. When there are no neighboring points, the radius of the node is calculated to be half the size of the CT resolution. For example, since the resolution of the CT image is about 0.545 mm to 0.693 mm, rmin = 0.3 mm is reserved for the data used in the radial evaluation work.

Figure pat00010
(4)
Figure pat00010
(4)

도 6은 다른 실시예에 따라 오프셋 표면을 이용한 혈관의 정량화 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.6 is a view for explaining an example of a method of quantifying a blood vessel using an offset surface according to another embodiment.

도 6은 이하 도 7 내지 도 12에서 상세히 설명된다.FIG. 6 is described below in detail in FIGS. 7 to 12. FIG.

도 7은 오프셋 표면 형성을 위해 Euclidean Distance field를 생성하는 방법의 일 예를 설명하는 도면이다.7 is a view for explaining an example of a method of generating an Euclidean distance field for forming an offset surface.

폐혈관의 정량화를 위해 작은 폐혈관의 레벨을 결정하는 방식으로서, 전술된 혈관의 가지 레벨을 결정하는 방법(혈관의 형상을 이용하는 방식)과 다르게, 폐의 기하학을 사용하여 동일 레벨의 작은 폐혈관을 모아 길이 정보를 평가하는 방식이 설명된다. As a method for determining the level of small pulmonary blood vessels for quantification of pulmonary blood vessels, different from the method of determining the pulmonary vein level (method using the shape of blood vessels) described above, To evaluate the length information.

몸체의 내부로부터 말단 영역까지 폐혈관이 가지를 뻗는다는 사실에 따르면, 폐의 외측 말단 경계 표면들로부터 동일한 거리에는 비슷한 사이즈의 혈관들이 있다고 가정할 수 있다. 그러므로 뿌리 영역(mediastinal region)을 제외한 혈관과 폐의 외측 말단 경계 표면(boundary surfaces)으로부터 일정 거리에 있는 폐의 내측 표면(inner surface) 사이에 교차점을 찾고, 이러한 교차점들에서 혈관의 직경을 평가한다.According to the fact that the pulmonary vein extends from the interior to the distal end of the body, it can be assumed that there are similar sized blood vessels at the same distance from the outer end boundary surfaces of the lung. Therefore, the intersection between the vessel and the inner surface of the lung, which is a distance from the outer end boundary surfaces of the lung, except for the mediastinal region, is found, and the diameter of the vessel at these intersections is evaluated .

교차점을 구하기 위해 먼저 내측 표면들을 점차적으로 추출할 필요가 있다(도 6(a) 참조). 폐의 외측 말단 경계 표면으로부터 일정한 거리에 있는 내측 표면은 그 거리에서의 오프셋 표면(offset surfaces)이 된다. 오프셋 표면들은 face-based offset 또는 vertex-based offset와 같이, 일반적으로 볼륨 베이스(volume-based) 방식보다 더 시간효율적인 표면 데이터 계산 방식을 사용하여 생성될 수 있다. In order to obtain the intersection points, it is necessary to first gradually extract inner surfaces (see Fig. 6 (a)). The inner surface at a distance from the outer end boundary surface of the lung becomes offset surfaces at that distance. Offset surfaces can be created using a more time-efficient surface data calculation method than volume-based methods, such as face-based offset or vertex-based offset.

그러나, 상기 표면 데이터 계산 방식들은 폐의 표면을 내측으로 오프세팅(offsetting)할 때 자주 발생하는 지역적 및 전체적 간섭에 취약하다. 특히 본 실시예의 경우, 오프셋 거리(offset distances)는 5mm 내지 30mm 인데, 이것은 CT images로부터 marching cubes에 의해 추출된 면의 길이보다 훨씬 더 커서 간섭을 피하기 어렵다. 그러므로 본 실시예에서는 Euclidean distance field를 생성하는 볼륨-베이스 방식으로 오프셋 표면을 생성한다(도 7(a) 참조). However, the surface data calculation schemes are vulnerable to frequent local and global interference when offsetting the surface of the lungs inward. Particularly in the case of this embodiment, the offset distances are 5 mm to 30 mm, which is much larger than the length of the surface extracted by the marching cubes from CT images, and interference is difficult to avoid. Therefore, in this embodiment, an offset surface is created by a volume-based method of generating an Euclidean distance field (see FIG. 7 (a)).

전술된 구분된 폐혈관 트리를 생성하는 과정에서 혈관들이 복셀들로 추출되기 전에 우측 및 좌측 폐가 명확히 LR, LL ⊂Γ로 분할된다(Hu et al., "Automatic lung segmentation for accurate quantitation of volumetric X-ray CT images", IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 20(6), pp. 490-498, 2001).In the process of generating the above-described segmented pulmonary vascular tree, the right and left lungs are clearly divided into LR, LL ⊂Γ before blood vessels are extracted into voxels (Hu et al., "Automatic lung segmentation for accurate quantitation of volumetric X- ray CT images &quot;, IEEE Transactions on Medical Imaging , vol. 20 (6), pp. 490-498, 2001).

상기 LR, LL에 대해 이들의 경계로부터 Euclidean distance field를 생성하고, 요구되는 offset distances do에서 iso-surfaces를 추출한다(도 7(b) 참조). 여기서 밀리미터 단위인 do ∈ {5, 10, 15, 25, 30}가 본 실시예의 실험에 사용되었다(도 6(a) 참조).For the LR and LL, an Euclidean distance field is generated from these boundaries, and iso-surfaces are extracted from the required offset distances do (see FIG. 7 (b)). Here, do ∈ {5, 10, 15, 25, 30} in the millimeter unit was used in the experiment of this embodiment (see FIG. 6 (a)).

계산효율을 위해, 도 7(a)에 보이는 것과 같이 복셀들이 octree의 finest 레벨이 되는 Euclidean distance field를 생성하기 위해 octree structure가 사용된다. 부분적 영역에서만 높은 공간해상도가 요구될 때에는 상기 octree는 좋은 데이터 구조가 된다.For computational efficiency, an octree structure is used to generate the Euclidean distance field where the voxels are at the finest level of the octree, as shown in FIG. 7 (a). When a high spatial resolution is required only in the partial area, the octree becomes a good data structure.

예를 들어, dmin(c, ∂L)<do<dmax(c, ∂L)을 만족하면, 그리고 만족하는 경우에만 상기 octree의 뿌리셀로부터 하나의 셀을 8개의 children으로 refine한다. 여기서, dmin(c, ∂L) 및 dmax(c, ∂L)는 8-corners of c from ∂L, the boundary of L=LR ∪ LL에서 최소 및 최대 거리이다. 그 결과를 좌측 및 우측 폐에 각각 dmin(c, ∂L)<do<dmax(c, ∂L)을 만족하는 복셀들 SR(do)⊂LR, SL(do)⊂LL로 두자. Octree를 사용하여 distance field를 생성하는 상세 실행 방법은 논문(Frisken et al.,"Adaptively sampled distance fields: A general representation of shape for computer graphics", Proceedings of ACM SIGGRAPH, pp. 249, 254, 2000)에서 찾을 수 있다.For example, if dmin (c, ∂L) <do <dmax (c, ∂L) is satisfied, and only if it satisfies, one cell is refined to eight children from the root cell of the octree. Here, dmin (c, ∂L) and dmax (c, ∂L) are the minimum and maximum distances in 8-corners of c from ∂L and the boundary of L = LR ∪ LL. Let the result be voxels S R (do) ⊂LR and S L (do) ⊂LL in the left and right lungs satisfying dmin (c, ∂L) <do <dmax (c, ∂L), respectively. Using Octree Details of implementation for generating a distance field is paper (Frisken et al,. "Adaptively sampled distance fields: A general representation of shape for computer graphics", Proceedings of ACM SIGGRAPH , pp. 249, 254, 2000).

상기 설명된 Euclidean distance field로부터 iso-surface가 triangular mesh 형태로 추출된다(도 7(b) 참조). 상기 triangular mesh는 알려진 marching cubes algorithm을 사용하여 계산되며, 이 계산 과정은 graphic processing units (GPUs)을 사용하는 parallel computing에 의해 시간효율적으로 수행될 수 있다.The iso-surface is extracted from the Euclidean distance field described above in the form of a triangular mesh (see Fig. 7 (b)). The triangular mesh is computed using a known marching cubes algorithm, which can be performed in a time-efficient manner by parallel computing using graphics processing units (GPUs).

도 8은 내측 표면(Inner surface)과 폐혈관의 교차점을 추출하는 과정의 일 예를 설명하는 도면이다.8 is a view for explaining an example of a process of extracting an intersection point between an inner surface (an inner surface) and a pulmonary blood vessel.

전술된 것과 같이 iso-surface가 triangular mesh 형태로 추출되어 특정 거리에서 내측 표면, 즉 오프셋 표면들을 얻은 후에, 오프셋 표면과 작은 폐혈관들 간의 교차점들을 찾는다. 이를 위해 오프셋 표면은 도 8에 보이는 것과 같이 추출된 표면 복셀 S로 계산된다(도 8(a) 참조). 구분된 폐혈관 트리의 골격을 추출하는 방법은 전술되었다. 도 8에서 Γ에 bit-wised된 트리의 골격으로서 폐혈관들의 bit-mask가 나타나 있다(도 6(b), 도 6(c), 도 8(b), 도 8(c), 도 8(d) 참조). 따라서 교차점은 표면 복셀 S와 Γ에 bit-wised 된 트리의 골격간의 교차점을 간단히 체크함으로써 구해진다(도 6(d) 및 도 8(d) 참조).As described above, the iso-surface is extracted as a triangular mesh to obtain the medial surface, or offset surfaces, at specific distances and then find the intersections between the offset surface and the small pulmonary vessels. To this end, the offset surface is calculated as the surface voxel S extracted as shown in FIG. 8 (see FIG. 8 (a)). The method of extracting the skeleton of the separated pulmonary vascular tree has been described above. 8 (b), 6 (c), 8 (b), 8 (c) and 8 (c) show the bit-mask of the pulmonary veins as a skeleton of the tree bit- d)). Thus, the intersection point is obtained by simply checking the intersection between the surface voxel S and the skeleton of the bit-wised tree in Γ (see FIG. 6 (d) and FIG. 8 (d)).

도 9는 폐의 분할을 위한 Mono-oriented region을 추출하는 과정의 일 예를 2D schematic diagram으로 설명하는 도면이다.FIG. 9 is a diagram illustrating an example of a process of extracting a mono-oriented region for segmentation of lungs using a 2D schematic diagram.

본 예는 폐(도 9(a) 참조)의 외즉 말단 영역(distal regions)에 관심이 있기 때문에 뿌리 영영(mediastinal region)에서 폐혈관의 길이 정보(예; 직경)를 측정하는 것은 피하는 것이 필요하다. 길이 정보 측정을 피할 영역을 찾기 위해 mono-oriented region partition을 적용할 수 있다.Since this example is of interest to the distal regions of the lung (see FIG. 9 (a)), it is necessary to avoid measuring the length of the pulmonary blood vessel (eg, diameter) in the mediastinal region . A mono-oriented region partition can be applied to find areas to avoid length measurement.

예를 들어, ∂L로부터 outward distance field(도 9(b) 참조)의 국부적 최대점들로부터 active contours(도 9(c) 참조)가 생성된다. 상기 active contours는 다른 active contours 또는 ∂L와 충돌할 때까지 동일한 거리를 유지하는 방식으로 동일한 속력으로 주변 이웃 셀들로 돌아다닌다. outer regions Γ/L는 동일한 속력 점으로부터 전파된(propagated) 셀들을 모음으로써 동일한 지역적 최대 숫자로 구분(partitioned into the number of local maxima)될 수 있다. 이 알고리즘의 결과는 Voronoi diagram of ∂L이 된다.For example, active contours (see Fig. 9 (c)) are generated from the local maximum points of the outward distance field (see Fig. 9 (b)) from ∂L. The active contours are routed to neighboring neighboring cells at the same speed in a manner that maintains the same distance until collision with other active contours or ∂L. The outer regions Γ / L can be partitioned into the same local maximum number by collecting the cells propagated from the same velocity point. The result of this algorithm is Voronoi diagram of ∂L.

폐의 대부분의 뿌리 영역(mediastinal region)은 흉강 내측을 포함한다(encompass). 그러므로 상기 뿌리 영역이 포함하는 지역은 도 9(b)에서 파란 영역(이것의 seed 점들은 corners of Γ임), 녹색 영역(이 것은 boundary cells of Γ를 포함함) 및 교차 영역(이것은 simple thresholding에 의해 쉽게 분할할 수 있는 갈비뼈나 척추를 포함한 영역)을 제거함으로써 M ⊂ Γ으로 추출될 수 있다(도 9(d), 도 9(e) 참조).Most of the lung's mediastinal region includes the thoracic cavity (encompass). Therefore, the region included in the root region is a blue region (its seed points are corners of Γ), a green region (including boundary cells of Γ) and a crossing region (this is a simple thresholding (See FIG. 9 (d) and FIG. 9 (e)) by removing the region including the ribs or vertebrae which can be easily divided by the region of the bone.

도 10은 volumetric CT images에 적용된 뿌리 영역 추출의 일 예를 설명하는 도면이다.10 is a view for explaining an example of root region extraction applied to volumetric CT images.

계산의 효율과 폐 형상의 작은 특징에도 유효하기 위해 이 예에서도 octree가 또 사용된다. 도 10은 컴퓨터 계산의 효율을 위해 512x512x512 original images로부터 128x128x128로 down-sampled resolution의 결과를 보여준다. 폐의 경계 표면의 mediastinal region은 ∂L∩M로 되며, SR(d0) 및 SL(d0)을 얻었을 때 ∂L/(∂L∩M)로부터 거리(distance)를 계산할 수 있다.The octree is also used in this example to be effective for the computational efficiency and the small feature of the lung shape. Figure 10 shows the result of down-sampled resolution from 512x512x512 original images to 128x128x128 for computer computational efficiency. The boundary surface of the lungs and mediastinal region is a ∂L∩M, S R When the scored (d 0) and S L (d 0) can be calculated distance (distance) from the ∂L / (∂L∩M) .

도 11은 surfels 계산의 일 예를 설명하는 도면이며, 도 12는 3D rendering에 의해 계산된 surfels의 일 예를 설명하는 도면이다.FIG. 11 is a view for explaining an example of surfels calculation, and FIG. 12 is a view for explaining an example of surfels calculated by 3D rendering.

초기 트리 T를 구성하기 전에 전술된 방적식(2)에 의해 전체적 최적화를 하는 것뿐만 아니라, 작은 혈관에 대한 기본 성분 분석을 수행함으로써 방위백터가 평가된다. 상기 방위 백터의 평가 결과가 surfels로 불리는 표면 요소들로 저장된다. 상기 surfels은 오프셋 표면에서 normal vector와 반경을 가지는 원형 디스크로 볼 수 있다. The defense vector is evaluated by performing basic component analysis on small blood vessels, as well as performing overall optimization by the aforementioned equation (2) before constructing the initial tree T. [ The result of the evaluation of the defense vector is stored as surface elements called surfels. The surfels can be viewed as a circular disk with a normal vector and radius at the offset surface.

오프셋 표면과 구분된 폐혈관 트리의 교차점(도 8 설명, 도 11(a) 참조)에서 작은 폐혈관의 길이 정보(예; 직경)를 평가하기 위해 정량화가 불필요한 영역을 제거한다(도 9 및 도 10 설명 참조). The region unnecessary for quantification is removed in order to evaluate the length information (e.g., diameter) of small pulmonary blood vessels at the intersection of the offset surface and the pulmonary vein tree separated (refer to FIG. 8 and FIG. 11 (a) 10 description).

그런데, 구분된 폐혈관 트리의 가지가 오프셋 표면을 항상 수직으로 통과하는 것은 아니므로, 구분된 폐혈관 트리의 가지의 직경 또는 면적을 구하기 위해서는 구분된 폐혈관 트리의 가지를 오프셋 표면에 수직으로 투영하여 오프셋 표면에서 혈관의 단면적인 오프셋 면적을 계산할 수 있다(도 11(b) 참조). However, since the branch of the divided pulmonary vein tree does not always vertically pass through the offset surface, in order to obtain the diameter or area of branches of the pulmonary vein tree, the branch of the divided pulmonary vein tree is projected perpendicular to the offset surface The offset area which is the cross-sectional area of the blood vessel on the offset surface can be calculated (see Fig. 11 (b)).

이때 상기 surfels는 구분된 폐혈관 트리의 가지의 방위를 반영하므로, 상기 오프셋 면적과 surfels의 normal vector를 사용하여 폐혈관 트리의 가지의 방위에 수직한 방향으로 작은 폐혈관의 반경이 평가될 수 있다.Since the surfels reflect the orientation of branches of the divided pulmonary vein tree, the radius of the small pulmonary vein can be evaluated in a direction perpendicular to the orientation of branches of the pulmonary vein tree using the offset area and the normal vector of surfels .

평가된 작은 폐혈관의 반경을 사용하여 작은 폐동맥 및 폐정맥의 평균 면적이 계산될 수 있고, 또한, 오프셋 표면에서 작은 폐혈관과 오프셋 표면 간의 횡단면 면적을 측정할 수 있다(도 12 참조).Using the small radius of the pulmonary vein evaluated, the mean area of the small pulmonary artery and pulmonary vein can be calculated and also the cross-sectional area between the small pulmonary vein and the offset surface at the offset surface can be measured (see FIG. 12).

본 예에 따른 혈관의 정량화 방법의 실험을 위해, COPD 환자 25명의 밀리미터 이하(0.545mm ~ 0.693mm)의 두께를 가지는 non-contrast volumetric chest CT scans이 사용되었다. 실험에 사용된 알고리즘은 호흡기 단계에 의존하는 것이 아니라 일관성 있는 비교를 위해 충분한 이미지를 사용한다.Non-contrast volumetric chest CT scans with a thickness of less than 25 mm (0.545 mm to 0.693 mm) in 25 COPD patients were used for the blood vessel quantification method according to this example. The algorithm used in the experiment does not depend on the respiratory phase but uses enough images for consistent comparison.

폐혈관의 구분에 있어서, 수학적 가상모델과 선행하는 전문가들의 연구에 의하여 본 개시에 따른 혈관의 정량화 방법이 평가되었다(Park et al., "Automatic classification of pulmonary artery and vein by tree reconstruction at volumetric chest CT", Submitted, 2013).In the classification of pulmonary blood vessels, the method of quantifying blood vessels according to the present disclosure was evaluated by a mathematical virtual model and a study of the preceding experts (Park et al., "Automatic classification of pulmonary artery and vein by tree reconstruction at volumetric chest CT ", Submitted , 2013).

각 세그멘트(segment)에 대한 평균 스코어 값이 테이블1에 나타나 있다.The average score values for each segment are shown in Table 1.

상기 실험은 본 예에 따른 혈관의 정량화 방법의 수행을 위해 개발된 소프트웨어 플렛폼에서 수행되었고, GPUs를 사용하는 parallel computing을 위한 device program이 nVidia CUDA 5.0 SDK로 쓰여져 있기 때문에 호스트 프로그램은 Microsoft Visual C++ (10.0)로 쓰여졌다. 상기 실험의 테스트 환경은 parallel computing을 위해 nVidiaQuadro 600 (1GB), 12GB main memory, Intel Core i7 960 (3.2GHz)로 구성된 데스크탑 PC이다.Since the device program for parallel computing using GPUs is written in nVidia CUDA 5.0 SDK, the host program is Microsoft Visual C ++ (10.0.0), since the experiment was performed in a software platform developed for performing the blood vessel quantification method according to the present example. ). The test environment for this experiment is a desktop PC consisting of nVidiaQuadro 600 (1GB), 12GB main memory and Intel Core i7 960 (3.2GHz) for parallel computing.

도 13은 virtual vascular phantom models에 대한 반경 평가의 정확성을 설명하는 도면이다.Figure 13 is a diagram illustrating the accuracy of radius estimation for virtual vascular phantom models.

혈관 반경의 계산의 정확성을 측정하기 위해 가상 모델을 생성한다. 도 13(a)는 global coordinate에 얼라인된 single vascular tree mode을 보여주고, 도 13(b)는 assembled vascular phantom model을 보여준다. 반경 평가의 에러는 0.101 ±0.042mm(mean ± SD) at 70 sampled positions for the single model and 0.137± 0.055mm(mean ± SD) at 140 points of the coupled model이였다(도 13(C) 참조). 이것은 받아들일만한 정확성으로 보인다.A virtual model is created to measure the accuracy of the calculation of the vessel radius. FIG. 13 (a) shows a single vascular tree mode aligned to a global coordinate, and FIG. 13 (b) shows an assembled vascular phantom model. The radial evaluation error was 0.101 ± 0.042 mm (mean ± SD) at 70 sampled positions for the single model and 0.137 ± 0.055 mm (mean ± SD) at 140 points for the coupled model (see FIG. This seems acceptable.

테이블1은 관다발 골격(vascular skeleton)으로부터 가지치기 노드들(branching nodes)에서 평가된 특성들을 보여주고, 테이블2는 점진적인 벗겨내기(gradual peeling)의 결과를 보여준다.Table 1 shows the properties evaluated at the branching nodes from the vascular skeleton, and Table 2 shows the results of gradual peeling.

상기 실험에서는 테이블 1,2에 보인 것과 같이, 폐정맥의 직경은 폐동맥의 직경보다 편차가 더 큰 경향이 있다. 테이블2에서 비록 평균적으로 계산된 정맥 수가 동맥 수보다 작지만, 면적 퍼센트는 서로 거의 비슷하다. 폐 표면에서 폐혈관이 차지하는 면적 퍼센트는 내측으로 30mm 까지는 동맥들 및 정맥들 모두에서 증가하는 경향이 있다.In the above experiment, as shown in Tables 1 and 2, the diameter of the pulmonary vein tends to be larger than the diameter of the pulmonary artery. In Table 2, although the average calculated number of veins is smaller than the number of arteries, the area percentages are nearly equal to each other. Percentage of area occupied by the pulmonary veins at the lung surface tends to increase in both arteries and veins, up to 30 mm medially.

가지 레벨(branching level)에 따른 형태적 특징(Morphological properties)Morphological properties according to branching level Branch levelBranch level ArteryArtery VeinVein NO*NO * MEAN_DMEAN_D STD_DSTD_D NONO MEAN_DMEAN_D STD_DSTD_D 1st 1 st 630.20630.20 1.8951.895 0.1120.112 601.72601.72 1.9121.912 0.2200.220 2nd 2 nd 413.17413.17 1.9561.956 0.1310.131 402.29402.29 2.0142.014 0.3120.312 3rd 3 rd 305.39305.39 2.1352.135 0.1330.133 299.32299.32 2.2512.251 0.2230.223 4th 4 th 242.18242.18 2.4122.412 0.1420.142 220.13220.13 2.4812.481 0.4120.412

여기서, NO는 the total number of vessels이고, MEAN_D은 the mean of diameters이며, STD_D은 the standard deviation of diameters을 나타낸다.Where NO is the total number of vessels, MEAN_D is the mean of diameters, and STD_D is the standard deviation of diameters.

점진적 벗기기 방법(gradual peeling)의 경우 형태적 특징In the case of gradual peeling, PropertiesProperties Offset Leveld o(mm)Offset Level d o (mm) 55 1010 1515 2020 2525 3030 ArteryArtery NO NO 929.06929.06 857.00857.00 735.71735.71 678.70678.70 573.24573.24 454.35454.35 MEAN_D (mm)MEAN_D (mm) 1.5411.541 1.8351.835 1.9211.921 1.9751.975 1.9751.975 2.0732.073 STD_DSTD_D 0.2130.213 0.1130.113 0.1210.121 0.1310.131 0.1250.125 0.1360.136 W_AREA* (mm2)W_AREA * (mm 2 ) 2.2412.241 3.4623.462 3.5073.507 3.7723.772 3.6823.682 4.0504.050 CR_AREA (mm2)CR_AREA (mm 2 ) 2.7802.780 3.7713.771 3.8913.891 4.0134.013 4.1524.152 4.4134.413 %% 1.981.98 2.302.30 3.213.21 3.753.75 4.104.10 4.454.45 VeinVein NO NO 779.47779.47 794.29794.29 650.82650.82 574.29574.29 503.18503.18 422.38422.38 MEAN_D (mm)MEAN_D (mm) 1.7611.761 1.8821.882 1.9751.975 2.0632.063 2.0732.073 2.1322.132 STD_DSTD_D 0.9790.979 0.2010.201 0.2060.206 0.2700.270 0.3060.306 0.8000.800 W_AREA (mm2)W_AREA (mm 2 ) 2.9312.931 3.6153.615 3.6763.676 4.1514.151 4.4294.429 4.4624.462 CR_AREA (mm2)CR_AREA (mm 2 ) 3.3163.316 3.9143.914 4.0144.014 4.4434.443 4.9134.913 4.9024.902 %% 1.981.98 2.662.66 2.932.93 3.283.28 3.833.83 4.524.52

여기서, W_AREA는 weighted average area이고, CR_AREA는 the mean of the cross sectional area between vessels and inner surfaces이며, %는 the occupied area percentage of the vessels(=CR_AREA×NO / area of S(do))를 나타낸다.Where W_AREA is the weighted average area, CR_AREA is the mean of the cross sectional area between vessels and inner surfaces, and% is the occupied area percentage of the vessels (= CR_AREA x NO / area of S (d o )) .

도 14는 점진적 벗기기(gradual peeling) 및 가지 레벨(tree branching levels) 방법에 의해 혈관의 개수, 평균 직경 및 혈관이 차지하는 면적비를 보여주는 박스 플롯(box plots)이다.Figure 14 is box plots showing the number of vessels, mean diameter, and area ratio occupied by the vessels by gradual peeling and tree branching levels.

도 14에서 red box는 a quartile로부터 median 사이에 위치하며, green boxis는 median으로부터 a third quartile 사이에 위치하며, yellow points는 mean values를 나타낸다.14, the red box is located between a quartile and the median, the green boxis is located between the median and a third quartile, and the yellow points are mean values.

도 14에서 통계적 의미는 임상적 파라미터와 비교되어야 하지만, 이 그래프들에서 형태학적 경향을 관찰할 수 있다. 예를 들어, 직경의 증가율은 gradual peeling 방법에 의해 proximal region으로 향함에 따라 급한 경사에서 점차 완만해진다. 한편, 평균 반경의 경사는 4번째 레벨까지 트리의 가지를 따라 거의 선형적으로 변한다.The statistical significance in Figure 14 should be compared with the clinical parameters, but morphological trends can be observed in these graphs. For example, the rate of increase in diameter gradually becomes gradual at a steep slope as it progresses toward the proximal region by the gradual peeling method. On the other hand, the slope of the average radius changes almost linearly along the branches of the tree up to the fourth level.

이하 본 개시의 다양한 실시 형태에 대하여 설명한다.Various embodiments of the present disclosure will be described below.

(1) 혈관의 길이 정보가 정량화되는 단계는: 찾아진 복셀들을 사용하여 혈관의 반경이 계산되는 과정; 그리고 계산된 혈관의 반경을 사용하여 관심 영역에 대한 혈관의 면적비가 계산되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.(1) The step of quantifying the length information of the blood vessel comprises the steps of: calculating the radius of the blood vessel using the found voxels; And calculating the area ratio of the blood vessel to the region of interest using the calculated radius of the blood vessel.

혈관의 길이 정보는 혈관의 반경, 직경뿐만 아니라 직경 또는 반경으로 나타내기 곤란한 혈관의 폭 또는 두께를 의미할 수도 있고, 경우에 따라서는 혈관의 직경방향과 수직한 관길이(vascular length)를 의미할 수도 있다. 혈관의 반경이 결정되면, 혈관의 단면적, 장기의 특정 오프셋 표면에서 혈관의 단면적이 차지하는 비율 등의 정량적 값을 추출할 수 있다.The length information of the blood vessel may mean not only the radius and diameter of the blood vessel but also the width or thickness of the blood vessel which is difficult to be expressed by the diameter or the radius. In some cases, it means a vascular length perpendicular to the diameter direction of the blood vessel It is possible. Once the radius of the blood vessel is determined, quantitative values such as the cross-sectional area of the blood vessel and the ratio of the cross-sectional area of the blood vessel on the specific offset surface of the organ can be extracted.

(2) 혈관의 복셀들이 찾아지는 단계는: 혈관의 형태적 특징 또는 장기 내의 위치에 따른 혈관의 레벨(level)이 결정되는 과정; 그리고 관심 영역으로 선택된 레벨에서 혈관의 복셀들이 찾아지는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.(2) the step of finding the voxels of the blood vessel comprises: determining the level of the blood vessel according to the morphological characteristic of the blood vessel or the position in the organ; And finding voxels of a blood vessel at a level selected as a region of interest.

(3) 혈관의 복셀들이 찾아지는 단계는: 추출된 혈관의 중앙선(medial line)이 추출되는 과정; 관심 영역에 포함되는 중앙선 상의 복셀이 찾아지는 과정; 그리고 중앙선 상의 복셀에서 이웃한 경계 복셀들(neighbor boundary voxels)이 찾아지는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.(3) The steps of finding the voxels of the blood vessel include: a process in which the medial line of the extracted blood vessel is extracted; The process of finding a voxel on the center line included in the region of interest; And a process of finding neighboring boundary voxels in a voxel on the center line.

(4) 혈관의 복셀들이 찾아지는 단계는: 혈관의 중앙선을 추출하여 혈관의 골격(skeleton)이 생성되는 과정; 혈관의 골격을 사용하여 혈관이 분기되는 노드(node)가 추출되는 과정; 그리고 추출된 노드 중 관심 영역으로 선택된 노드에서 공간적으로 일정 범위 내의 복셀들이 찾아지는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.(4) The steps of finding the voxels of the blood vessel include: a process of extracting a center line of a blood vessel and generating a skeleton of the blood vessel; A process in which a node where a blood vessel branches is extracted using a skeleton of an artery; And a process of finding voxels within a spatially spatially spatially selected region of a node selected as a region of interest among the extracted nodes.

(5) 혈관의 복셀들이 찾아지는 단계는: 장기의 외측 표면으로부터 내측으로 일정한 거리의 복셀들의 집합으로 정의되는 오프셋 표면(offset surface)이 생성되는 과정; 그리고 추출된 혈관과 오프셋 표면의 교차점에 해당하는 복셀들이 찾아지는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.(5) The step of finding the voxels of the blood vessel comprises the steps of generating an offset surface defined as a set of voxels at a certain distance inward from the outer surface of the organ; And a process of finding voxels corresponding to an intersection of the extracted blood vessel and the offset surface.

(6) 혈관의 길이 정보가 정량화되는 단계는: 찾아진 복셀들이 실린더 피팅(cylinder fitting)되는 과정; 그리고 실린더 피팅된 복셀들을 사용하여 노드에서 혈관의 반경이 계산되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.(6) The step of quantifying the length information of the blood vessel includes: a process in which the found voxels are cylinder-fitted; And calculating the radius of the blood vessel at the node using the cylinder-fitted voxels.

(7) 혈관의 길이 정보가 정량화되는 단계는: 교차점에 해당하는 복셀들이 오프셋 표면상에서 형성하는 오프셋 면적이 계산되는 과정; 그리고 오프셋 표면의 법선 벡터(surface normal vector), 혈관의 방향 벡터(vascular orientation vector) 및 오프셋 면적을 사용하여 혈관의 방향 벡터에 수직인 방향으로 혈관의 반경이 계산되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.(7) the step of quantifying the length information of the blood vessel comprises the steps of: calculating an offset area formed on the offset surface by the voxels corresponding to the intersection; And calculating a radius of the blood vessel in a direction perpendicular to the direction vector of the blood vessel using a surface normal vector of the offset surface, a vascular orientation vector and an offset area, The method comprising the steps of:

(8) 혈관이 추출되는 단계는: 폐(lung) 영상이 획득되는 과정; 폐 영상에 포함된 폐혈관에 최소 스패닝 트리법(minimum spanning tree method)이 적용되어 초기 폐혈관 트리(tree)가 생성되는 과정; 초기 폐혈관 트리에서 폐혈관이 뭉쳐진 뿌리 영역이 제거되어 초기 폐혈관 트리가 서브 트리들(sub-trees)로 자동적으로 분리(separated)되는 과정; 초기 트리의 폐혈관이 제거된 뿌리 영역으로 연장되어 서브 트리들이 재결합되는(merged) 과정; 그리고 재결합된 초기 트리의 폐혈관이 폐동맥 및 폐정맥으로 구분(classification)되어 구분된 폐혈관 트리가 생성되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.(8) The step of extracting blood vessels includes: a process in which a lung image is acquired; A process in which a minimum spanning tree method is applied to the pulmonary blood vessels included in the lung image to generate an initial pulmonary vein tree; A process in which an initial pulmonary vein tree is removed from the initial pulmonary vein tree and the initial pulmonary vein tree is automatically separated into sub-trees; The process of merging the subtrees is extended to the root region from which the pulmonary veins of the initial tree have been removed; And a process in which a pulmonary vein of the recombined initial tree is classified into a pulmonary artery and a pulmonary vein and a pulmonary vascular tree is generated.

(9) 혈관의 복셀들이 찾아지는 단계는: 구분된 폐혈관 트리를 사용하여 폐동맥 골격(skeleton) 및 폐정맥 골격이 생성되는 과정; 폐동맥 골격 및 폐정맥 골격을 기초로 폐혈관 가지들이 분기되는 노드(node)가 추출되는 과정; 그리고 추출된 노드 중 폐의 관심 영역으로 선택된 노드에서 이웃한 경계 복셀들(neighbor boundary voxels)이 찾아지는 과정;을 포함하며, 혈관의 길이 정보가 정량화되는 단계는: 찾아진 복셀들이 실린더 피팅(cylinder fitting)되는 과정; 그리고 실린더 피팅된 복셀들을 사용하여 노드에서 혈관의 반경이 계산되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.(9) The steps in which voxels are found in the blood vessels include: the process of generating a pulmonary skeleton and a pulmonary vein skeleton using a segmented pulmonary vein tree; A process of extracting a node where the pulmonary branch branches based on the pulmonary artery skeleton and the pulmonary vein skeleton; And neighboring boundary voxels are found at a node selected as a region of interest of the lung among the extracted nodes, wherein the step of quantifying the length information of the blood vessel comprises the steps of: fitting process; And calculating the radius of the blood vessel at the node using the cylinder-fitted voxels.

(10) 혈관의 복셀들이 찾아지는 단계는: 폐의 외측 표면으로부터 내측으로 일정한 거리의 복셀들의 집합으로 정의되는 오프셋 표면(offset surface)이 생성되는 과정; 그리고 구분된 폐혈관 트리와 오프셋 표면의 교차점에 해당하는 복셀들이 찾아지는 과정;을 포함하며, 혈관의 길이 정보가 정량화되는 단계는: 교차점에 해당하는 복셀들이 오프셋 표면상에서 형성하는 오프셋 면적이 계산되는 과정; 그리고 오프셋 표면의 법선 벡터(surface normal vector), 폐혈관의 방향 벡터(vascular orientation vector) 및 오프셋 면적을 사용하여 폐혈관의 방향 벡터에 수직인 방향으로 폐혈관의 반경이 계산되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.(10) The step of finding the voxels of the blood vessel comprises: generating an offset surface defined as a set of voxels at a certain distance inward from the outer surface of the lung; And a step of finding voxels corresponding to the intersection of the separated pulmonary vein tree and the offset surface. The step of quantifying the length information of the blood vessel comprises: calculating an offset area formed by the voxels corresponding to the intersection on the offset surface process; And calculating a radius of the pulmonary blood vessel in a direction perpendicular to the direction vector of the pulmonary blood vessel using a surface normal vector of the offset surface, a vascular orientation vector of the pulmonary vein, and an offset area Wherein the method comprises the steps of:

(11) 노드(node)가 추출되는 과정은: 폐의 외측 말단으로부터 노드에 순서쌍을 부여하는 과정;을 포함하며, 복셀들이 찾아지는 과정은: 순서쌍을 사용하여 관심 영역의 노드가 선택되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.(11) The process of extracting a node includes: a process of assigning an ordered pair to a node from the outer end of the lung; and the process of finding the voxels is: a process of selecting a node of a region of interest using an ordered pair; The method comprising the steps of:

(12) 교차점에 해당하는 복셀들이 찾아지는 과정은: 구분된 폐혈관 트리의 골격으로서, 폐혈관의 중앙선(medial line)이 추출되는 과정; 중앙선과 오프셋 표면 간의 교차점이 추출되는 과정; 그리고 교차점에서 이웃한 경계 복셀들(neighbor boundary voxels)이 찾아지는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.(12) The process of finding the voxels corresponding to the intersection is as follows: the process of extracting the medial line of the pulmonary blood vessel as a skeleton of the separated pulmonary vascular tree; The process of extracting the intersection point between the center line and the offset surface; And neighboring boundary voxels are found at an intersection point of the neighboring voxels.

(13) 오프셋 표면이 생성되는 과정은: 폐 영상으로부터 복셀들의 집합으로서 우측 폐 및 좌측 폐가 분할되는 과정; 분할된 우측 폐 및 좌측 폐의 경계로부터 유클리드 거리 필드(Euclidean distance field)가 생성되는 과정; 그리고 요구되는 오프셋 거리(offset distance)에서 등위면(iso-surface)이 추출되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.(13) The process of creating the offset surface is as follows: the right lung and the left lung are divided as a set of voxels from the lung image; A process in which an Euclidean distance field is generated from the boundaries of the divided right lung and left lung; And extracting an iso-surface at a required offset distance. &Lt; Desc / Clms Page number 19 &gt;

(14) 혈관의 정량화 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.(14) A computer-readable recording medium recording a program for causing a computer to execute a method for quantifying a blood vessel.

본 개시에 따른 혈관의 정량화 방법에 의하면, 폐동맥들 및 폐정맥들의 분포와 규모를 나타내는 다양한 특성들, 예를 들어, 평균반경, inner surface와 교차하는 폐혈관의 단면적, 폐 전체 표면에 대해 차지하는 혈관의 면적 퍼센트와 같은 폐혈관의 형태학적 특성을 분석하는 정량화 방법이 제공된다.According to the method of quantifying blood vessels according to the present disclosure, various characteristics indicating the distribution and size of the pulmonary arteries and pulmonary veins, for example, the mean radius, the cross-sectional area of the pulmonary vein crossing the inner surface, A quantification method for analyzing the morphological characteristics of pulmonary blood vessels such as area percent is provided.

본 개시에 따른 혈관의 정량화 방법에 의하면, 자동분류된 작은 폐동맥 및 폐정맥의 공간적 분포와 규모를 고려한 정량적 접근에 기초하여 폐고혈압, 간질성 폐 및 만성 폐쇄성 폐질환(CODP)와 같은 많은 폐질환을 보다 효과적으로 평가할 수 있다.According to the method of quantifying blood vessels according to the present disclosure, many pulmonary diseases such as pulmonary hypertension, interstitial lung disease and chronic obstructive pulmonary disease (COPD) are classified based on a quantitative approach considering the spatial distribution and size of the automatically classified small pulmonary artery and pulmonary vein It can be evaluated more effectively.

Claims (15)

장기(organ)의 의료 영상을 기초로 복셀들의 3차원 집합으로서 혈관이 추출되는 단계;
장기의 관심 영역에 포함되는 혈관의 복셀들이 찾아지는 단계; 그리고
찾아진 복셀들을 사용하여 직경을 포함한 혈관의 길이 정보가 정량화되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.
Extracting a blood vessel as a three-dimensional set of voxels based on a medical image of an organ;
A step of finding voxels of a blood vessel included in a region of interest of a long term; And
And quantifying the length information of the blood vessel including the diameter using the found voxels.
청구항 1에 있어서,
혈관의 길이 정보가 정량화되는 단계는:
찾아진 복셀들을 사용하여 혈관의 반경이 계산되는 과정; 그리고
계산된 혈관의 반경을 사용하여 관심 영역에 대한 혈관의 면적비가 계산되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.
The method according to claim 1,
The step of quantifying the length information of the blood vessel comprises:
A process in which the radius of the blood vessel is calculated using the detected voxels; And
And calculating the area ratio of the blood vessel to the region of interest using the calculated radius of the blood vessel.
청구항 1에 있어서,
혈관의 복셀들이 찾아지는 단계는:
혈관의 형태적 특징 또는 장기 내의 위치에 따른 혈관의 레벨(level)이 결정되는 과정; 그리고
관심 영역으로 선택된 레벨에서 혈관의 복셀들이 찾아지는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.
The method according to claim 1,
The steps for finding voxels in an artery are:
A process in which the level of a blood vessel is determined according to a morphological characteristic of the blood vessel or a position within the organ; And
And a process of finding voxels of a blood vessel at a level selected as a region of interest.
청구항 1에 있어서,
혈관의 복셀들이 찾아지는 단계는:
추출된 혈관의 중앙선(medial line)이 추출되는 과정;
관심 영역에 포함되는 중앙선 상의 복셀이 찾아지는 과정; 그리고
중앙선 상의 복셀에서 이웃한 경계 복셀들(neighbor boundary voxels)이 찾아지는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.
The method according to claim 1,
The steps for finding voxels in an artery are:
A process in which the medial line of the extracted blood vessel is extracted;
The process of finding a voxel on the center line included in the region of interest; And
And a process of finding neighboring boundary voxels in a voxel on a center line.
청구항 1에 있어서,
혈관의 복셀들이 찾아지는 단계는:
혈관의 중앙선을 추출하여 혈관의 골격(skeleton)이 생성되는 과정;
혈관의 골격을 사용하여 혈관이 분기되는 노드(node)가 추출되는 과정; 그리고
추출된 노드 중 관심 영역으로 선택된 노드에서 공간적으로 일정 범위 내의 복셀들이 찾아지는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.
The method according to claim 1,
The steps for finding voxels in an artery are:
A process of extracting a center line of a blood vessel and generating a skeleton of the blood vessel;
A process in which a node where a blood vessel branches is extracted using a skeleton of an artery; And
And a process of finding voxels within a spatially spatially spatially selected node selected as a region of interest among the extracted nodes.
청구항 1에 있어서,
혈관의 복셀들이 찾아지는 단계는:
장기의 외측 표면으로부터 내측으로 일정한 거리의 복셀들의 집합으로 정의되는 오프셋 표면(offset surface)이 생성되는 과정; 그리고
추출된 혈관과 오프셋 표면의 교차점에 해당하는 복셀들이 찾아지는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.
The method according to claim 1,
The steps for finding voxels in an artery are:
A process in which an offset surface is defined that is defined as a set of voxels at a certain distance inward from the outer surface of the organ; And
And a process of finding voxels corresponding to an intersection of the extracted blood vessel and the offset surface.
청구항 5에 있어서,
혈관의 길이 정보가 정량화되는 단계는:
찾아진 복셀들이 실린더 피팅(cylinder fitting)되는 과정; 그리고
실린더 피팅된 복셀들을 사용하여 노드에서 혈관의 반경이 계산되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.
The method of claim 5,
The step of quantifying the length information of the blood vessel comprises:
A process in which the found voxels are cylinder-fitted; And
And calculating the radius of the blood vessel at the node using the cylinder-fitted voxels.
청구항 6에 있어서,
혈관의 길이 정보가 정량화되는 단계는:
교차점에 해당하는 복셀들이 오프셋 표면상에서 형성하는 오프셋 면적이 계산되는 과정; 그리고
오프셋 표면의 법선 벡터(surface normal vector), 혈관의 방향 벡터(vascular orientation vector) 및 오프셋 면적을 사용하여 혈관의 방향 벡터에 수직인 방향으로 혈관의 반경이 계산되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.
The method of claim 6,
The step of quantifying the length information of the blood vessel comprises:
Calculating an offset area formed on the offset surface by the voxels corresponding to the intersection; And
And calculating a radius of the blood vessel in a direction perpendicular to the direction vector of the blood vessel using a surface normal vector of the offset surface, a vascular orientation vector and an offset area of the blood vessel. A method for quantifying blood vessels.
청구항 1에 있어서,
혈관이 추출되는 단계는:
폐(lung) 영상이 획득되는 과정;
폐 영상에 포함된 폐혈관에 최소 스패닝 트리법(minimum spanning tree method)이 적용되어 초기 폐혈관 트리(tree)가 생성되는 과정;
초기 폐혈관 트리에서 폐혈관이 뭉쳐진 뿌리 영역이 제거되어 초기 폐혈관 트리가 서브 트리들(sub-trees)로 자동적으로 분리(separated)되는 과정;
초기 트리의 폐혈관이 제거된 뿌리 영역으로 연장되어 서브 트리들이 재결합되는(merged) 과정; 그리고
재결합된 초기 트리의 폐혈관이 폐동맥 및 폐정맥으로 구분(classification)되어 구분된 폐혈관 트리가 생성되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.
The method according to claim 1,
The step of extracting blood vessels comprises:
The process of acquiring a lung image;
A process in which a minimum spanning tree method is applied to the pulmonary blood vessels included in the lung image to generate an initial pulmonary vein tree;
A process in which an initial pulmonary vein tree is removed from the initial pulmonary vein tree and the initial pulmonary vein tree is automatically separated into sub-trees;
The process of merging the subtrees is extended to the root region from which the pulmonary veins of the initial tree have been removed; And
Wherein the pulmonary artery and the pulmonary vein are classified into a pulmonary vein and a pulmonary vein tree.
청구항 9에 있어서,
혈관의 복셀들이 찾아지는 단계는:
구분된 폐혈관 트리를 사용하여 폐동맥 골격(skeleton) 및 폐정맥 골격이 생성되는 과정;
폐동맥 골격 및 폐정맥 골격을 기초로 폐혈관 가지들이 분기되는 노드(node)가 추출되는 과정; 그리고
추출된 노드 중 폐의 관심 영역으로 선택된 노드에서 이웃한 경계 복셀들(neighbor boundary voxels)이 찾아지는 과정;을 포함하며,
혈관의 길이 정보가 정량화되는 단계는:
찾아진 복셀들이 실린더 피팅(cylinder fitting)되는 과정; 그리고
실린더 피팅된 복셀들을 사용하여 노드에서 혈관의 반경이 계산되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.
The method of claim 9,
The steps for finding voxels in an artery are:
The process by which the pulmonary artery skeleton and the pulmonary vein skeleton are generated using the separated pulmonary vein tree;
A process of extracting a node where the pulmonary branch branches based on the pulmonary artery skeleton and the pulmonary vein skeleton; And
And a process of finding neighbor boundary voxels in a node selected as a region of interest of the lung among the extracted nodes,
The step of quantifying the length information of the blood vessel comprises:
A process in which the found voxels are cylinder-fitted; And
And calculating the radius of the blood vessel at the node using the cylinder-fitted voxels.
청구항 9에 있어서,
혈관의 복셀들이 찾아지는 단계는:
폐의 외측 표면으로부터 내측으로 일정한 거리의 복셀들의 집합으로 정의되는 오프셋 표면(offset surface)이 생성되는 과정; 그리고
구분된 폐혈관 트리와 오프셋 표면의 교차점에 해당하는 복셀들이 찾아지는 과정;을 포함하며,
혈관의 길이 정보가 정량화되는 단계는:
교차점에 해당하는 복셀들이 오프셋 표면상에서 형성하는 오프셋 면적이 계산되는 과정; 그리고
오프셋 표면의 법선 벡터(surface normal vector), 폐혈관의 방향 벡터(vascular orientation vector) 및 오프셋 면적을 사용하여 폐혈관의 방향 벡터에 수직인 방향으로 폐혈관의 반경이 계산되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.
The method of claim 9,
The steps for finding voxels in an artery are:
An offset surface is defined that is defined as a set of voxels spaced inwardly from the outer surface of the lung; And
And a process of finding voxels corresponding to the intersection of the separated pulmonary vein tree and the offset surface,
The step of quantifying the length information of the blood vessel comprises:
Calculating an offset area formed on the offset surface by the voxels corresponding to the intersection; And
Calculating a radius of the pulmonary blood vessel in a direction perpendicular to the direction vector of the pulmonary blood vessel using a surface normal vector of the offset surface, a vascular orientation vector of the pulmonary vein, and an offset area The method comprising the steps of:
청구항 10에 있어서,
노드(node)가 추출되는 과정은:
폐의 외측 말단으로부터 노드에 순서쌍을 부여하는 과정;을 포함하며,
복셀들이 찾아지는 과정은:
순서쌍을 사용하여 관심 영역의 노드가 선택되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.
The method of claim 10,
The process of extracting a node is as follows:
And assigning an ordered pair to the node from the outer end of the lung,
The process of finding voxels is:
And selecting a node of a region of interest using an ordered pair.
청구항 11에 있어서,
교차점에 해당하는 복셀들이 찾아지는 과정은:
구분된 폐혈관 트리의 골격으로서, 폐혈관의 중앙선(medial line)이 추출되는 과정;
중앙선과 오프셋 표면 간의 교차점이 추출되는 과정; 그리고
교차점에서 이웃한 경계 복셀들(neighbor boundary voxels)이 찾아지는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.
The method of claim 11,
The process of finding the intersection voxels is:
The skeleton of the separated pulmonary vascular tree, in which the medial line of the pulmonary vein is extracted;
The process of extracting the intersection point between the center line and the offset surface; And
And neighboring boundary voxels are found at an intersection point of the neighboring voxels.
청구항 11에 있어서,
오프셋 표면이 생성되는 과정은:
폐 영상으로부터 복셀들의 집합으로서 우측 폐 및 좌측 폐가 분할되는 과정;
분할된 우측 폐 및 좌측 폐의 경계로부터 유클리드 거리 필드(Euclidean distance field)가 생성되는 과정; 그리고
요구되는 오프셋 거리(offset distance)에서 등위면(iso-surface)이 추출되는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 혈관의 정량화 방법.
The method of claim 11,
The process of creating an offset surface is:
A process in which right lung and left lung are divided as a set of voxels from a lung image;
A process in which an Euclidean distance field is generated from the boundaries of the divided right lung and left lung; And
And extracting an iso-surface at a desired offset distance. &Lt; Desc / Clms Page number 20 &gt;
청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 기재된 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.A computer-readable recording medium storing a program for causing a computer to execute the method according to any one of claims 1 to 14.
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