KR20190139579A - A Method For Detecting Blood Vessel In A Computed Tomography Imagy And An Aparatus Thereof - Google Patents

A Method For Detecting Blood Vessel In A Computed Tomography Imagy And An Aparatus Thereof Download PDF

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전병환
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Abstract

According to an aspect of the present invention, to solve a technical problem, a method for detecting a coronary artery from a medical image performed by an image processing apparatus includes: a step of receiving a medical image including a computed tomography (CT) image; a step of extracting an aortic shape based on the CT image; a step of analyzing the shape of a coronary artery using the extracted aortic shape; and a step of detecting the coronary artery using the analyzed result. According to the present invention, a method and apparatus for detecting a coronary artery in a computed tomography image can detect coronary arteries more easily and accurately than conventional methods.

Description

컴퓨터 단층 촬영 영상에서 관상동맥을 검출하는 방법 및 장치{A Method For Detecting Blood Vessel In A Computed Tomography Imagy And An Aparatus Thereof}Method and device for detecting coronary arteries in computed tomography images {A Method For Detecting Blood Vessel In A Computed Tomography Imagy And An Aparatus Thereof}

본 발명은 CTA(Computed Tomography Angiography)영상을 기반으로 한 혈관 검출 방법 및 장치이다. 컴퓨터 단층 촬영에서 얻은 심혈관 영상에서 베이즈 추론(Bayesian Inference)을 활용하여 관상동맥을 용이하게 검출하기 위한 방법 및 그 영상 처리 장치에 관한 것이다.The present invention is a blood vessel detection method and apparatus based on CTA (Computed Tomography Angiography) image. The present invention relates to a method for easily detecting coronary arteries by using Bayesian Inference in a cardiovascular image obtained by computed tomography and an image processing apparatus thereof.

심혈관계질환은 심장질환과 혈관질환을 포함하는 광범위한 질환이다. 심장질환은 심근경색, 고혈압, 심부전, 부정맥, 심근증 및 동맥경화 진행에 의한 허혈성 등이 있다. 혈관질환은 뇌졸중과 말초혈관질환 등이 있다.Cardiovascular diseases are a wide range of diseases including heart disease and vascular disease. Heart diseases include myocardial infarction, hypertension, heart failure, arrhythmia, cardiomyopathy and ischemic due to atherosclerosis progression. Vascular diseases include stroke and peripheral vascular disease.

심혈관계질환은 우리나라를 포함하여 세계적으로 높은 사망률을 가지는 질환이다. 관상동맥질환은 심장질환 가운데 중요한 부분을 차지하며, 심금경색과 협심증이 있다. 심근경색은 동맥경화에 의해 심장에 혈액을 공급하는 관상동맥이 막히는 것이고, 협심증은 관상동맥의 공간이 좁아지는 것이다.Cardiovascular disease is a disease with a high mortality rate worldwide, including Korea. Coronary artery disease is an important part of heart disease, including cardiac infarction and angina. Myocardial infarction is the blockage of coronary arteries that supply blood to the heart by atherosclerosis, and angina is the narrowing of the coronary artery.

심혈관계질환을 예방하기 위해서는 관상동맥을 정확하게 분석하는 것이 필수적이다. 관상동맥은 심장에서 뻣어나와 3차원 볼륨을 가지고 가늘고 길게 분포하는 특징을 가진다. 따라서 그 분석과정에서 필수적으로 관상동맥의 주요 위치들에 대한 지역화가 선행되어야 한다.Accurate analysis of coronary arteries is essential to prevent cardiovascular disease. Coronary arteries stiffen from the heart and are characterized by a thin, long distribution with three-dimensional volume. Therefore, the localization of the major locations of the coronary arteries must be preceded in the analysis.

관상동맥은 정확하게 검출하는 것은 어려운 문제로 여겨져 왔으며, 주로 추적기법과 최적화 기법에 기반 한 기술로 검출하였다. 추적기법은 병변이 관상동맥 중간에 끼어있으면 추적을 멈추거나 엉뚱한 곳을 추적하는 문제가 있다. 또한 가지혈관과 같은 복잡한 구조에는 적용하기가 어렵다.Accurate detection of coronary arteries has been considered to be a difficult problem, mainly based on tracking and optimization techniques. The follow-up technique has the problem of stopping tracking or tracking the wrong place if the lesion is in the middle of the coronary artery. It is also difficult to apply to complex structures such as branch blood vessels.

최적화 기법은 두 점사이의 거리 계산에 기반한 수학적 계산으로 예상되는 관상동맥을 추적하는 방법이다. 이 방법은 관상동맥의 구간을 세밀하게 구분하여 계산하면 높은 정확도로 관상동맥을 추적할 수 있다. 세밀하게 구분할수록 계산 복잡도가 높아 추적에 오랜 시간이 걸리는 문제가 있다.An optimization technique is a method of tracking coronary arteries that is expected by mathematical calculations based on the distance between two points. This method can be used to track coronary arteries with high accuracy by carefully calculating sections of coronary arteries. The finer the classification, the higher the computational complexity and the longer the tracking takes.

추적기법은 정확도가 떨어지고, 최적화 기법은 시간이 많이 걸린다. 실제 임상환경은 짧은 시간에 높은 정확도를 요구한다. 따라서 짧은 시간에도 일정 수준 이상의 정확도를 만족하여 급박한 응급상황에도 용이하게 대응할 수 있는 새로운 관상동맥을 검출 방법 및 장치에 대한 필요성이 증가하고 있다.Tracking techniques are less accurate, and optimization techniques are time consuming. Real clinical environments demand high accuracy in a short time. Therefore, there is a growing need for a new coronary artery detection method and apparatus that can satisfy a certain level of accuracy even in a short time and can easily cope with an urgent emergency.

[특허문헌] 공개특허 제10-2015-0061055호 "관상동맥 CTA 영상으로부터 관상동맥의 병변을 검출하는 방법 및 장치" (공개 2015.06.04.)[Patent Document] Korean Patent Publication No. 10-2015-0061055 "Method and apparatus for detecting lesions of coronary artery from coronary artery CTA image" (Published 2015.06.04.)

본 발명은 상기한 종래의 문제점들을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 기하학모델과 베이즈추론을 이용하여 심장의 관상동맥을 보다 용이하고 정확하게 검출할 수 있는 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a method and apparatus for easily and accurately detecting a coronary artery of a heart using a geometric model and Bayesian reasoning. do.

상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리 장치에 의해 수행되는 의료영상에서 관상동맥을 검출하기 위한 방법은 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상을 포함하는 의료영상을 수신하는 단계; 상기 CT 영상을 기초로 대동맥 형상을 추출하는 단계; 상기 추출된 대동맥 형상을 이용하여 관상동맥의 형태를 분석하는 단계; 및 상기 분석 결과를 이용하여 관상동맥을 검출하는 단계를 포함한다.In order to solve the above technical problem, a method for detecting a coronary artery from a medical image performed by an image processing apparatus according to an embodiment of the present invention comprises the steps of: receiving a medical image including a computed tomography (CT) image ; Extracting an aortic shape based on the CT image; Analyzing the shape of the coronary artery using the extracted aortic shape; And detecting the coronary artery using the analysis result.

상기 대동맥 형상을 추출하는 단계는 상기 CT 영상에서 3차원 이미지로 렌더링하는 단계; 상기 이미지에서 최대 강도 투사법(Maximum intensity projection: MIP)으로 대동맥을 검출하는 단계; 및 상기 검출된 대동맥에서 기준축(reference axes)을 설정하는 단계를 더 포함한다.The extracting of the aorta shape may include rendering the 3D image in the CT image; Detecting the aorta in the image by Maximum intensity projection (MIP); And setting reference axes in the detected aorta.

상기 관상동맥의 형태를 분석하는 단계는 상기 CT 영상에서 혈관확률맵을 획득는 단계; 상기 혈관확률맵을 기반으로 혈관후보물체를 추출하는 단계를 더 포함한다.Analyzing the shape of the coronary artery may include obtaining a blood vessel probability map from the CT image; The method may further include extracting a blood vessel candidate object based on the blood vessel probability map.

상기 관상동맥을 검출하는 단계는 상기 관상동맥의 형태를 분석하는 단계에서 추출한 혈관후보물체와 기하학모델 및 베이즈추론(Bayesian Inference)으로 검출한 물체를 비교하여 관상동맥을 확정하는 단계를 더 포함한다.The detecting of the coronary artery may further include determining the coronary artery by comparing the blood vessel candidate object extracted in the analyzing the shape of the coronary artery with an object detected by a geometric model and Bayesian Inference. .

추가하여, 상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 처리 장치는 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상을 포함하는 의료영상을 수신하는 수신부; 상기 CT 영상을 기초로 대동맥 형상을 추출하는 추출부; 상기 추출된 대동맥 형상을 이용하여 관상동맥의 형태를 분석하는 분석부; 상기 분석 결과를 이용하여 관상동맥을 검출하는 검출부; 및 상기 검출부에서 확정된 관상동맥을 디스플레이하는 디스플레이부를 포함한다.In addition, an image processing apparatus according to an embodiment of the present invention for solving the above technical problem includes a receiving unit for receiving a medical image including a computed tomography (CT) image; An extraction unit for extracting an aortic shape based on the CT image; An analysis unit for analyzing the shape of the coronary artery using the extracted aortic shape; A detection unit detecting a coronary artery using the analysis result; And a display unit displaying the coronary artery determined by the detection unit.

상기 대동맥 형상을 추출하는 추출부는 상기 CT 영상에서 3차원 이미지로 렌더링하는 랜더링부; 상기 이미지에서 최대 강도 투사법(Maximum intensity projection: MIP)으로 대동맥을 검출하는 검출부; 및 상기 검출된 대동맥에서 기준축(reference axes)을 설정하는 설정부를 더 포함한다.The extraction unit for extracting the aorta shape is a rendering unit for rendering a three-dimensional image in the CT image; A detector for detecting an aorta in the image by maximum intensity projection (MIP); And a setting unit for setting reference axes in the detected aorta.

상기 관상동맥의 형태를 분석하는 분석부는 상기 CT 영상에서 혈관확률맵을 획득하는 획득부; 및 상기 혈관확률맵을 기반으로 혈관후보물체를 추출하는 추출부를 더 포함한다.An analysis unit for analyzing the shape of the coronary artery; an acquisition unit for acquiring a blood vessel probability map from the CT image; And an extraction unit for extracting a vascular candidate object based on the vascular probability map.

상기 관상동맥을 검출하는 검출부는 상기 관상동맥의 형태를 분석하는 단계에서 추출한 혈관후보물체와 기하학모델 및 베이즈추론(Bayesian Inference)으로 검출한 물체를 비교하여 관상동맥을 확정하는 확정부를 더 포함한다.The detection unit for detecting the coronary arteries further comprises a confirmation unit for determining the coronary arteries by comparing the object detected by the vascular candidate object extracted in the step of analyzing the shape of the coronary artery with a geometrical model and Bayesian Inference (Bayesian Inference) .

본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영 영상에서 관상동맥을 검출하는 방법 및 장치에 의하면 기존의 방법보다 관상동맥을 용이하고 정확하게 검출할 수 있다.According to the method and apparatus for detecting coronary arteries in a computed tomography image according to an exemplary embodiment of the present invention, coronary arteries can be detected more easily and accurately than conventional methods.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영 영상에서 관상동맥을 검출하는 방법 및 장치에 의하면 관상동맥을 검출함에 있어 실제 임상환경에서 활용될 수 있도록 정확한 결과를 도출하는 것이 가능하다.In addition, according to the method and apparatus for detecting coronary arteries in a computed tomography image according to an embodiment of the present invention, it is possible to derive accurate results for detecting coronary arteries so that they may be utilized in an actual clinical environment.

도 1은 일실시예에 따른 관상동맥을 검출하기 위한 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 일실시예에 따른 대동맥 형상을 추출하는 단계를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 일실시예에 따른 관상동맥을 검출하기 위한 방법 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 일실시예에 따른 정성적 비교 결과이다.
도 5는 일실시예에 따른 관상동맥을 검출장치를 나타낸 순서도이다.
1 is a flowchart illustrating a method for detecting a coronary artery according to one embodiment.
2 is an exemplary view for explaining a step of extracting the aortic shape according to an embodiment.
3 is an exemplary view for explaining a method for detecting a coronary artery according to an embodiment.
4 is a qualitative comparison result according to an exemplary embodiment.
5 is a flowchart illustrating an apparatus for detecting a coronary artery according to an embodiment.

이하 본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 이하의 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.DETAILED DESCRIPTION A detailed description of preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the accompanying drawings. It should be noted that the same components in the figures represent the same numerals wherever possible. Specific details are set forth in the following description, which is provided to help a more general understanding of the present invention. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 본 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terminology used herein is to select general terms that are widely used as possible in consideration of the functions of the present invention, but may vary according to the intention or precedent of the person skilled in the art to which the present invention belongs, the emergence of new technologies, etc. have. In addition, in certain cases, there is a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the corresponding description of the present invention. Therefore, the terms used in the present specification should be defined based on the meanings of the terms and the contents throughout the present specification, rather than simple names of the terms.

본 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.When a part of the present specification is said to "include" any component, this means that it may further include other components, without excluding the other components unless otherwise stated. In addition, the terms "... unit", "module", etc. described in the specification mean a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software or a combination of hardware and software. .

도 1은 일실시예에 따른 관상동맥을 검출하기 위한 방법을 나타낸 순서도이다.1 is a flowchart illustrating a method for detecting a coronary artery according to one embodiment.

도 1을 참조하면, 일실시예에 따른 관상동맥을 검출하기 위한 방법은 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상을 포함하는 의료영상을 수신하는 단계(S110), 상기 CT 영상을 기초로 대동맥 형상을 추출하는 단계(S120), 상기 추출된 대동맥 형상을 이용하여 관상동맥의 형태를 분석하는 단계(S130) 및 상기 분석 결과를 이용하여 관상동맥을 검출하는 단계(S140)를 포함하여 구성할 수 있다.Referring to FIG. 1, a method for detecting a coronary artery according to an embodiment may include receiving a medical image including a computed tomography (CT) image (S110) and extracting an aortic shape based on the CT image. Step S120, analyzing the shape of the coronary artery using the extracted aorta shape (S130) and detecting the coronary artery using the analysis result (S140) may be configured.

상기 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상을 포함하는 의료영상을 수신하는 단계(S110)는 CT 영상 등 관상동맥을 검출하기 위해 심장을 촬영할 수 있는 모든 영상을 포함한다. 일실시예에서는 CT 영상을 기준으로 기술한다.Receiving a medical image including the computed tomography (CT) image (S110) includes all images capable of taking a heart to detect a coronary artery, such as a CT image. In one embodiment, the CT image is described as a reference.

상기 대동맥 형상을 추출하는 단계(S120)는 상기 CT 영상에서 3차원 이미지로 렌더링하는 단계, 상기 이미지에서 최대 강도 투사법(Maximum intensity projection: MIP)으로 대동맥을 검출하는 단계 및 상기 검출된 대동맥에서 기준축(reference axes)을 설정하는 단계를 포함하여 구성할 수 있다.The extracting of the aorta shape (S120) may include rendering a three-dimensional image in the CT image, detecting the aorta with maximum intensity projection (MIP) in the image, and the reference in the detected aorta. This can be done by setting the reference axes.

상기 대동맥 형상을 추출하는 단계(S110)는 관상동맥의 위치를 확정하기에 앞서 기준이 되는 대동맥의 위치를 검출하기 위한 것이다. 대동맥은 크고 두꺼우며 실린더 모양을 하고 있다. 그 단면은 큰 원의 형태를 가지고 있어 관상동맥의 위치를 확정하기 위한 기준으로써 용이하다.Extracting the aortic shape (S110) is for detecting the position of the aorta as a reference before determining the position of the coronary artery. The aorta is large, thick, and shaped like a cylinder. The cross section has the shape of a large circle and is easy as a reference for determining the position of the coronary artery.

도 2는 상기 상기 대동맥 형상을 추출하는 단계(S120)를 설명하기 위한 예시도이다.2 is an exemplary view for explaining the step (S120) of extracting the aortic shape.

도 2의 영상 a는 심장의 CT 영상을 3차원 이미지로 렌더링한 것이다. 상기 영상 a를 바탕으로 CT 로 촬영된 심장 영상을 3차원 이미지로 렌더링하여 대동맥의 위치를 확정한다. 영상 b는 상기 영상 a를 바탕으로 최대 강도 투사법(Maximum intensity projection: MIP)을 사용하여 대동맥을 3차원 영상으로 만든 것이다.Image a of Figure 2 is a CT image of the heart rendered in a three-dimensional image. Based on the image a, the heart image taken by CT is rendered as a 3D image to determine the position of the aorta. Image b is a three-dimensional image of the aorta using the maximum intensity projection (MIP) based on the image a.

영상 c는 관상동맥 위치를 확정하기 위한 기준으로 삼기 위해 대동맥만을 추출한 것이다. AA는 상행 대동맥을 나타내며, DA 하행 대동맥을 나타낸다. 이 두 대동맥에 각각 기준축(r1, r2)을 설정한다.Image c shows only the aorta as a reference for determining coronary artery location. AA represents the ascending aorta and DA represents the descending aorta. Reference axes r1 and r2 are set in these two aorta, respectively.

상기 기준축을 설정하기 위한 방법은 논문 『B. Jeon et al, Maximum a posteriori estimation method for aorta localization and coronary seed identification, Pattern Recognition 68 (2017) 222-232.』을 참조하였다.The method for setting the reference axis is described in the paper 『B. Jeon et al, Maximum a posteriori estimation method for aorta localization and coronary seed identification, Pattern Recognition 68 (2017) 222-232.

이 방법은 원에 가까우면서 두 개의 관계가 특정 각도와 거리를 갖는다는 특징을 활용한 것이다. 두 대동맥은 도 2와 같이 선형적으로 대표되는 r1, r2에 의해 3차원 내 모든 x-y 평면에서 두 개의 기준으로 정의할 수 있다.This method takes advantage of the feature that two relationships are close to a circle and have a certain angle and distance. The two aorta can be defined as two references in all x-y planes in three dimensions by r1 and r2 represented linearly as shown in FIG. 2.

도 3은 일실시예에 따른 관상동맥을 검출하기 위한 방법을 설명하기 위한 예시도이다. 여기서 상기 관상동맥의 형태를 분석하는 단계(S130)를 설명한다.3 is an exemplary view for explaining a method for detecting a coronary artery according to an embodiment. Here, the step of analyzing the shape of the coronary artery (S130) will be described.

관상동맥의 형태를 분석하는 단계는 상기 CT 영상에서 혈관확률맵을 획득는 단계, 상기 혈관확률맵을 기반으로 혈관후보물체를 추출하는 단계를 포함할 수 있다. Analyzing the coronary artery shape may include obtaining a blood vessel probability map from the CT image and extracting a blood vessel candidate object based on the blood vessel probability map.

상기 혈관확률맵은 도 3의 영상 b로 나타날 수 있다. 상기 혈관확률맵은 원본 영상 a에서 Frangi filter(A. F. Frangi, W. J. Niessen, K. L. Vincken, M. A. Viergever, Multiscale vessel enhancement filtering, in: Medical Image Computing and Computer-Assisted Interventation MICCAI98, Springer, 1998, pp. 130-137.)를 사용하여 구할 수 있다.The blood vessel probability map may be represented by image b of FIG. 3. The vascular probabilities map is derived from a Frangi filter (AF Frangi, WJ Niessen, KL Vincken, MA Viergever, Multiscale vessel enhancement filtering, in: Medical Image Computing and Computer-Assisted Interventation MICCAI98, Springer, 1998, pp. 130-137). Can be obtained using.

상기 혈관확률맵 영상으로부터 연결 요소 분석(Connected Component Analysis, CCA)을 수행하여 혈관후보물체를 추출한다. 상기 혈관후보물체는 도 3의 영상 c로 나타날 수 있다.A vascular candidate object is extracted by performing a connected component analysis (CCA) from the vascular probability map image. The blood vessel candidate object may be shown in image c of FIG. 3.

상기 관상동맥을 검출하는 단계는 상기 관상동맥의 형태를 분석하는 단계에서 추출한 혈관후보물체와 기하학모델 및 베이즈추론(Bayesian Inference)으로 검출한 물체를 비교하여 관상동맥을 확정하는 단계를 포함한다.The detecting of the coronary artery may include determining a coronary artery by comparing the blood vessel candidate object extracted in the analyzing the shape of the coronary artery with an object detected by a geometric model and Bayesian Inference.

도 3의 영상 d는 기하학모델 및 베이즈추론을 적용하여 관상동맥이 예상되는 물체를 나타낸다. 도 3의 영상 e 및 f는 영상 c의 혈관후보물체와 영상 d의 관상동맥이 예상되는 물체를 비교하여 확정한 관상동맥 영상을 나타낸다. The image d of FIG. 3 represents an object in which coronary artery is expected by applying a geometric model and Bayesian inference. The images e and f of FIG. 3 show coronary artery images confirmed by comparing the blood vessel candidate object of the image c and the object of which the coronary artery of the image d is expected.

이하에서는 상기 기하학모델 및 베이즈추론을 적용한 분석 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, an analysis method using the geometric model and Bayesian reasoning will be described in detail.

상기에서 적용한 기하학모델은 아래 그림 1과 같다.The geometric model applied above is shown in Figure 1 below.

Figure pat00001
그림 1
Figure pat00001
Pic 1

이것은 기준물체 r 과 목표물체 t 간의 관계를 위한 모델로써 심장의 기하학적인 관계에 기반한다. 심장 내 주요 부위들 간 거리 또는 크기들은 가우시안분포를 따른다는 가정을 바탕으로 베이즈추론을 적용한다.It is based on the geometric relationship of the heart as a model for the relationship between the reference object r and the target object t. Bayesian reasoning is applied based on the assumption that distances or sizes between major parts of the heart follow a Gaussian distribution.

목표후보물체와 기준물체를 집합

Figure pat00002
,
Figure pat00003
로 각각 표현하였다. 목표물체는 관상동맥이며, 기준물체는 대동맥이다. 여기서 ti 와 rj 는 전처리기법에 따라 복셀 또는 관심영역일 수 있다.Aggregate target candidates and reference objects
Figure pat00002
,
Figure pat00003
Represented by respectively. The target object is the coronary artery, and the reference object is the aorta. Here, ti and rj may be voxels or regions of interest according to a preprocessing technique.

원본이미지 I 로부터 혈관확률맵 V 를 구하고, V 를 영역단위로 군집하고 라벨링하기 위하여 연결요소분석(CCA)을 수행하여 혈관후보물체 T를 구하였다. Vascular probability map V was obtained from original image I, and vascular progenitor T was obtained by performing CCA to cluster and label V by region.

Figure pat00004
수식 1
Figure pat00004
Equation 1

여기서 I, R 은 CT영상 또는 혈관확률맵, 그리고 기준 물체들이다. P(I) 와 P(R) 은 상수로써 최적화관련 하여 상수 값을 가지는 파라미터로 계산에서 제외하는 것이 일반적이다.Where I and R are CT images or vascular probability maps and reference objects. P (I) and P (R) are parameters that have a constant value in relation to optimization as constants and are generally excluded from calculation.

3차원 물체 ti 는 다수의 2차원 슬라이스의 합

Figure pat00005
으로 표현할 수 있다. 3차원 CT영상을 z축 슬라이스(x-y)로 참조하는 것은 axial view로써 일반적으로 사용하는 진단 view 이다. 수식 1은 심장 CT 영상에서 대동맥의 절단면이 원형에 가까운 모양을 띄는 중요한 특징을 취한 모델링이다.3D object ti is the sum of a number of 2D slices
Figure pat00005
It can be expressed as Referencing a 3D CT image as a z-axis slice (xy) is a diagnostic view generally used as an axial view. Equation 1 is an important modeling model in which the cut surface of the aorta has a circular shape on the heart CT image.

Figure pat00006
는 순수 영상데이터에 의해 결정되는 확률 값으로, likelihood에 해당한다.
Figure pat00007
는 사전에 측정된 기하학적 관계 또는 사전에 정의된 조영제 농도 밝기 값으로써 prior의 역할을 한다. 베이즈추론에서 사후최대확률추정은 수식 2와 같이 2차원 평면을 따라 기준물체 R과 타겟물체T 사이의 기하학적 관계를 추정하여 최종적으로 3차원 목표물체 ti가 추정된다.
Figure pat00006
Is a probability value determined by pure image data and corresponds to likelihood.
Figure pat00007
Acts as prior as a previously measured geometric relationship or as a predefined contrast concentration brightness value. In Bayesian reasoning, the posterior maximum probability is estimated by estimating the geometric relationship between the reference object R and the target object T along the two-dimensional plane as shown in Equation 2, and finally the three-dimensional target object ti is estimated.

Figure pat00008
수식 2
Figure pat00008
Equation 2

여기서

Figure pat00009
이다. 수식 2는 상기 사후확률이 최대가 될 때 후보물체 ti를 추정한다.here
Figure pat00009
to be. Equation 2 estimates the candidate object ti when the posterior probability becomes maximum.

베이즈추론에 기반한 수식 2는 likelihood와 prior 두 가지로 중요 변수를 가진다. likelihood는 가능한 크기가 큰 물체를 선호하며, prior에 해당하는 기하학적 관계는 기 정의된 특정 확률분포에 가까울수록 관상동맥일 확률이 높다고 판단한다. 상기 확률분포들은 가우시안 분포를 따른다는 가정을 하였다.Equation 2 based on Bayesian reasoning has two important variables: likelihood and prior. Likelihood prefers objects with the largest possible size, and it is determined that the geometric relationship corresponding to prior is more likely to be coronary artery as the specific probability distribution is closer to the predefined. The probability distributions are assumed to follow a Gaussian distribution.

Figure pat00010
수식 3
Figure pat00010
Equation 3

여기서

Figure pat00011
그리고
Figure pat00012
이다. 수식 3의 likelihood는 해당 값이 0에 가까워질수록 높은 값을 갖는다. here
Figure pat00011
And
Figure pat00012
to be. The likelihood of Equation 3 has a higher value as the value approaches zero.

Geometric-prior는 거리기반의 기준물체와 목표물체간의 관계를 확률로 표현된 것으로 다음과 같다.   Geometric-prior expresses the relationship between distance-based reference object and target object as probability.

Figure pat00013
수식 4
Figure pat00013
Equation 4

여기서

Figure pat00014
이며 다양한 심장의 크기를 보정하기 위한 스케일 factor이다. 수식 5는 기준물체와 목표물체간의 모든 거리를 고려한 확률 값이다.here
Figure pat00014
It is a scale factor for correcting various heart sizes. Equation 5 is a probability value considering all distances between the reference object and the target object.

contrast-prior에 해당하는 조영제 밝기 값에 대한 모델링은 아래와 같다.Modeling of contrast brightness corresponding to contrast-prior is as follows.

Figure pat00015
수식 5
Figure pat00015
Equation 5

위 수식 4 및 5에서 필요한 평균 및 표준편차 값들은 실제 CT영상들로부터 사전에 측정된 값으로, 아래 표 1를 참조하여 수식에 대입하여 구할 수 있으며, 아래 수식을 만족하는 i번째 목표물체를 검출하면 그 물체가 관상동맥이 된다.The mean and standard deviation values needed in Equations 4 and 5 are measured in advance from actual CT images, and can be obtained by substituting the equation with reference to Table 1 below, and detecting the i-th target object that satisfies the following equation. The object becomes a coronary artery.

Figure pat00016
수식 6
Figure pat00016
Equation 6

Figure pat00017
표 1
Figure pat00017
Table 1

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영 영상에서 관상동맥을 검출하는 장치(200)의 개략적인 블록도이다.5 is a schematic block diagram of an apparatus 200 for detecting a coronary artery in a computed tomography image according to an exemplary embodiment.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영 영상에서 관상동맥을 검출하기 위한 방법을 실행하도록 구성되는 장치(200)는, 컴퓨터 단층촬영(CT) 영상을 포함하는 의료영상을 수신하는 수신부, 상기 CT 영상을 기초로 대동맥 형상을 추출하는 추출부, 상기 추출된 대동맥 형상을 이용하여 관상동맥의 형태를 분석하는 분석부, 상기 분석 결과를 이용하여 관상동맥을 검출하는 검출부, 상기 검출부에서 확정된 관상동맥을 디스플레이하는 디스플레이부를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 5, an apparatus 200 configured to perform a method for detecting a coronary artery in a computed tomography image in accordance with an embodiment of the present invention may include a medical image including a computed tomography (CT) image. Receiving unit for receiving the image, Extraction unit for extracting the aortic shape based on the CT image, Analysis unit for analyzing the shape of the coronary artery using the extracted aortic shape, Detection unit for detecting the coronary artery using the analysis result The display unit may include a display unit displaying the coronary artery determined by the detection unit.

상기 대동맥 형상을 추출하는 추출부는 상기 CT 영상에서 3차원 이미지로 렌더링하는 랜더링부, 상기 이미지에서 최대 강도 투사법(Maximum intensity projection: MIP)으로 대동맥을 검출하는 검출부 및 상기 검출된 대동맥에서 기준축(reference axes)을 설정하는 설정부를 포함할 수 있다.The extraction unit for extracting the aortic shape is a rendering unit for rendering a 3D image in the CT image, a detection unit for detecting the aorta by Maximum intensity projection (MIP) in the image and a reference axis in the detected aorta ( reference axes) can be set.

상기 관상동맥의 형태를 분석하는 분석부는 상기 CT 영상에서 혈관확률맵을 획득하는 획득부 및 상기 혈관확률맵을 기반으로 혈관후보물체를 추출하는 추출부를 포함할 수 있다.The analysis unit for analyzing the shape of the coronary arteries may include an acquisition unit for obtaining a vessel probability map in the CT image and an extraction unit for extracting a vascular candidate object based on the vessel probability map.

상기 관상동맥을 검출하는 검출부는 상기 관상동맥의 형태를 분석하는 단계에서 추출한 혈관후보물체와 기하학모델 및 베이즈추론(Bayesian Inference)으로 검출한 물체를 비교하여 관상동맥을 확정하는 확정부를 포함할 수 있다.The detection unit for detecting the coronary arteries may include a confirmation unit for determining the coronary artery by comparing the vascular candidate object extracted in the step of analyzing the shape of the coronary artery with an object detected by a geometric model and Bayesian Inference. have.

관상동맥 검출 장치의 개별 구성들의 구체적인 기능 및 동작은 이미 상술하였으므로 본 단락에서는 이를 생략한다.The specific functions and operations of the individual components of the coronary artery detection apparatus have already been described above, and thus are omitted in this paragraph.

상기 장치에는 제어부(미도시)를 추가할 수 있다. 상기 제어부는 수신부(210), 추출부(220) 분석부(230), 검출부(240) 및 디스플레이부(250)를 총괄적으로 제어할 수 있다. 예컨대, 상기 제어부는 단일의 제어기(controller)로 구현하거나, 복수의 마이크로제어기(micro-controller)로서 구현할 수 있다.A control unit (not shown) may be added to the device. The controller may collectively control the receiver 210, the extractor 220, the analyzer 230, the detector 240, and the display 250. For example, the controller may be implemented as a single controller or as a plurality of micro-controllers.

<실험 결과 및 분석>Experimental Results and Analysis

본 발명에 따른 정량적 및 정성적 실험에 따른 비교 결과는 아래와 같다.Comparison results according to the quantitative and qualitative experiments according to the present invention are as follows.

정량적 비교는 총 100개의 CT영상의 검출정확도를 비교하였다. 비교 대상은 상용소프트웨어인 QAngioCT(Medis, https://www.medis.nl/.), Vitrea(Vital, https://www.vitalimages.com/.) 및 본 발명과 관련된 연구에서 주로 사용하는 2D기반의 지역적 특징을 활용한 LGM(local geometric method)기법이다.Quantitative comparisons compared the detection accuracy of a total of 100 CT images. The subjects to be compared are the commercial software QAngioCT (Medis, https://www.medis.nl/.), Vitrea (Vital, https://www.vitalimages.com/.), And 2D mainly used in research related to the present invention. It is a local geometric method (LGM) technique that utilizes the local characteristics of the base.

참고로 LGM 기법은 D. Han et al, A fast seed detection using local geometrical feature for automatic tracking of coronary arteries in cta, Computer methods and programs in biomedicine 117 (2) (2014) 495 179-188.』을 참조하였다.For reference, see LG D. Han et al, A fast seed detection using local geometrical feature for automatic tracking of coronary arteries in cta, Computer methods and programs in biomedicine 117 (2) (2014) 495 179-188. .

검출정확도는 아래 표 2와 같다. 본 발명의 검출정확도가 96% 로 가장높은 것을 확인할 수 있다.Detection accuracy is shown in Table 2 below. It can be seen that the detection accuracy of the present invention is the highest as 96%.

Figure pat00018
표 2
Figure pat00018
TABLE 2

정성적 결과는 도 4에 나타나 있다. GT(Ground Truth) 및 상용소프트웨어(Workstation)의 결과 대비 주 혈관을 포함한 가지혈관을 더 많이 검출하였으며, 더 많은 영역을 가시화하여 검출하였다.Qualitative results are shown in FIG. 4. Compared with the results of GT and workstation, branch blood vessels including main blood vessels were detected more and more regions were visualized.

본 발명과 관련하여 상기한 설명들 및 기술들을 통해 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영 영상에서 관상동맥을 검출하는 방법 및 장치에 의하면 관상동맥의 검출을 보다 용이하고 정확하게 수행할 수 있다. As can be seen through the descriptions and techniques described above in connection with the present invention, the method and apparatus for detecting coronary arteries in a computed tomography image according to an embodiment of the present invention makes it easier to detect coronary arteries. It can be done correctly.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 컴퓨터 단층 촬영 영상에서 관상동맥을 검출하는 방법 및 장치에 의하면 관상동맥을 검출함에 있어 실제 임상환경에서 활용될 수 있도록 정확한 결과를 도출하는 것이 가능하다.In addition, according to the method and apparatus for detecting coronary arteries in a computed tomography image according to an embodiment of the present invention, it is possible to derive accurate results for detecting coronary arteries so as to be utilized in an actual clinical environment.

상술한 본 발명의 일 실시 예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.The above-described embodiments of the present invention can be written as a program that can be executed in a computer, and can be implemented in a general-purpose digital computer that operates the program using a computer-readable recording medium.

컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.Computer readable media can be any available media that can be accessed by a computer and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. In addition, computer readable media may include both computer storage media and communication media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data. Communication media typically includes computer readable instructions, data structures, program modules, or other data in a modulated data signal such as a carrier wave, or other transmission mechanism, and includes any information delivery media.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The foregoing description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The scope of the present invention is shown by the following claims rather than the above description, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents should be construed as being included in the scope of the present invention. something to do.

Claims (9)

영상 처리 장치에 의해 수행되는 의료영상에서 관상동맥을 검출하기 위한 방법으로써,
컴퓨터 단층촬영(CT) 영상을 포함하는 의료영상을 수신하는 단계;
상기 CT 영상을 기초로 대동맥 형상을 추출하는 단계;
상기 추출된 대동맥 형상을 이용하여 관상동맥의 형태를 분석하는 단계; 및
상기 분석 결과를 이용하여 관상동맥을 검출하는 단계
를 포함하는 관상동맥을 검출하는 방법.
As a method for detecting a coronary artery in a medical image performed by an image processing apparatus,
Receiving a medical image including a computed tomography (CT) image;
Extracting an aortic shape based on the CT image;
Analyzing the shape of the coronary artery using the extracted aortic shape; And
Detecting the coronary artery using the analysis result
Method for detecting a coronary artery comprising a.
제 1 항에 있어서,
대동맥 형상을 추출하는 단계는,
상기 CT 영상에서 3차원 이미지로 렌더링하는 단계;
상기 이미지에서 최대 강도 투사법(Maximum intensity projection: MIP)으로 대동맥을 검출하는 단계; 및
상기 검출된 대동맥에서 기준축(reference axes)을 설정하는 단계
를 포함하는 관상동맥을 검출하는 방법.
The method of claim 1,
Extracting the aortic shape,
Rendering the 3D image in the CT image;
Detecting an aorta in the image by Maximum intensity projection (MIP); And
Setting reference axes in the detected aorta
Method for detecting a coronary artery comprising a.
제 1 항에 있어서,
관상동맥의 형태를 분석하는 단계는,
상기 CT 영상에서 혈관확률맵을 획득는 단계; 및
상기 혈관확률맵을 기반으로 혈관후보물체를 추출하는 단계
를 포함하는 관상동맥을 검출하는 방법.
The method of claim 1,
Analyzing the shape of the coronary artery,
Obtaining a blood vessel probability map from the CT image; And
Extracting the blood vessel candidate object based on the blood vessel probability map
Method for detecting a coronary artery comprising a.
제 1 항에 있어서,
관상동맥을 검출하는 단계는,
상기 관상동맥의 형태를 분석하는 단계에서 추출한 혈관후보물체와 기하학모델 및 베이즈추론(Bayesian Inference)으로 검출한 물체를 비교하여 관상동맥을 확정하는 단계
를 포함하는 관상동맥을 검출하는 방법.
The method of claim 1,
Detecting the coronary artery,
Confirming the coronary artery by comparing the blood vessel candidate object extracted in the step of analyzing the coronary artery and the object detected by the geometric model and Bayesian Inference
Method for detecting a coronary artery comprising a.
제 1 항 내지 제 4 항 중에서 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.A computer-readable recording medium having recorded thereon a program for executing the method of any one of claims 1 to 4. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하도록 구성되는 영상 처리 장치로서,
컴퓨터 단층촬영(CT) 영상을 포함하는 의료영상을 수신하는 수신부;
상기 CT 영상을 기초로 대동맥 형상을 추출하는 추출부;
상기 추출된 대동맥 형상을 이용하여 관상동맥의 형태를 분석하는 분석부;
상기 분석 결과를 이용하여 관상동맥을 검출하는 검출부; 및
상기 검출부에서 확정된 관상동맥을 디스플레이하는 디스플레이부
를 포함하는 관상동맥을 검출하는 장치.
An image processing apparatus configured to perform the method according to any one of claims 1 to 4,
A receiver configured to receive a medical image including a computed tomography (CT) image;
An extraction unit for extracting an aortic shape based on the CT image;
An analysis unit for analyzing the shape of the coronary artery using the extracted aortic shape;
A detection unit detecting a coronary artery using the analysis result; And
A display unit for displaying the coronary artery determined by the detection unit
Device for detecting a coronary artery comprising a.
제 6 항에 있어서,
대동맥 형상을 추출하는 추출부는,
상기 CT 영상에서 3차원 이미지로 렌더링하는 랜더링부;
상기 이미지에서 최대 강도 투사법(Maximum intensity projection: MIP)으로 대동맥을 검출하는 검출부; 및
상기 검출된 대동맥에서 기준축(reference axes)을 설정하는 설정부
를 포함하는 관상동맥을 검출하는 장치.
The method of claim 6,
Extraction unit for extracting the aortic shape,
A rendering unit for rendering a 3D image from the CT image;
A detector for detecting an aorta in the image by maximum intensity projection (MIP); And
A setting unit for setting reference axes in the detected aorta
Device for detecting a coronary artery comprising a.
제 6 항에 있어서,
관상동맥의 형태를 분석하는 분석부는,
상기 CT 영상에서 혈관확률맵을 획득하는 획득부; 및
상기 혈관확률맵을 기반으로 혈관후보물체를 추출하는 추출부
를 포함하는 관상동맥을 검출하는 장치.
The method of claim 6,
Analysis unit for analyzing the shape of the coronary artery,
An acquisition unit for acquiring a blood vessel probability map from the CT image; And
Extraction unit for extracting the blood vessel candidate object based on the blood vessel probability map
Device for detecting a coronary artery comprising a.
제 6 항에 있어서,
관상동맥을 검출하는 검출부는,
상기 관상동맥의 형태를 분석하는 단계에서 추출한 혈관후보물체와 기하학모델 및 베이즈추론(Bayesian Inference)으로 검출한 물체를 비교하여 관상동맥을 확정하는 확정부
를 포함하는 관상동맥을 검출하는 장치.
The method of claim 6,
The detection unit for detecting a coronary artery,
Confirmation unit for determining the coronary artery by comparing the blood vessel candidate object extracted in the step of analyzing the coronary artery and the object detected by the geometric model and Bayesian Inference
Device for detecting a coronary artery comprising a.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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