KR20200086406A - System for detecting bone tumour - Google Patents

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KR20200086406A
KR20200086406A KR1020190002323A KR20190002323A KR20200086406A KR 20200086406 A KR20200086406 A KR 20200086406A KR 1020190002323 A KR1020190002323 A KR 1020190002323A KR 20190002323 A KR20190002323 A KR 20190002323A KR 20200086406 A KR20200086406 A KR 20200086406A
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    • A61B6/50Clinical applications
    • A61B6/505Clinical applications involving diagnosis of bone

Abstract

The present invention relates to a bone tumor detection system comprising: a structure learning unit which similarly reconstructs the shape of a bone included in an input image and learns the structural representation of the bone to generate first learning information; a discrimination learning unit which receives the first learning information and learns a tumor detection discrimination criterion to generate second learning information; and a tumor detection unit which detects the presence a bone tumor and the location of the bone tumor by comparing the first learning information and the second learning information with an inputted X-ray image to generate bone tumor detection information. The structure learning unit comprises: an encoder which extracts and recombines the differential representation of the bone shape included in the input image; a decoder which stores and manages the extracted differential representation, and masks a component with respect to any one of the femur, tibia, and fibula; and a softmax classifier which determines a bone state probability from masked components and generates first learning information in which bone states are classified. According to the present invention, with respect to a photographed image, the bone tumor detection system uses ensemble semi-supervised wnet (ESSW) to segment the skeleton, determines the bone state probability in the segmented image through the softmax classifier and classifies a bone state, thereby detecting a bone tumor in its early stage and being usable as a decision-making aid tool for screening of bone tumor.

Description

골 종양 탐지 시스템{System for detecting bone tumour}System for detecting bone tumour

본 발명은 골 종양 탐지 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 방사선 사진(x-ray) 영상을 이용하여 환자의 뼈가 정상인지 종양인지 여부를 분류하고 탐지하여 자동으로 골 종양을 검출하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a bone tumor detection system, and more particularly, to a technique for automatically detecting a bone tumor by classifying and detecting whether a patient's bone is normal or a tumor using radiographic (x-ray) images will be.

무증상 환자에서 흔히 발견되는 부작용인 뼈 조양의 영상 진단은 전문가의 주의와 평가가 필요하다. 특히 무릎 통증의 경우, 방사선 촬영은 조사에 필수적인 진단 방법이다.Bone-lifting imaging, a side effect commonly found in asymptomatic patients, requires expert attention and evaluation. In the case of knee pain, radiography is an essential diagnostic method for irradiation.

모든 종양 중 골 종양 발생률은 2% 내지 3% 이며 지속적으로 증가하고 있으며, 의사는 정확한 진단을 위해 종종 임상 증상을 관찰하면서 영상과 같은 여러 가지 방법을 사용한다. 전통적인 방사선 촬영을 이용한 뼈 종양의 감별 진단 및 평가의 기본 요소는, 환자의 병력 및 연령, 임상 증상, 병변의 해부학적 위치, 병변과 주관절의 전이 영역의 정의 및 방사선적 특성 병변으로 나뉜다.Among all tumors, the incidence of bone tumors is 2% to 3%, and is constantly increasing, and doctors often use various methods such as imaging while observing clinical symptoms for accurate diagnosis. The basic elements of differential diagnosis and evaluation of bone tumors using traditional radiography are divided into the patient's medical history and age, clinical symptoms, the anatomical location of the lesion, the definition of the lesion and the metastatic region of the elbow, and the radiologic characteristic lesion.

딥러닝(DL: Deep Learning)은 방사선과 의학 영상에서 많은 중요한 작업을 수행하는데 사용되는 보편적인 방법이다. 심층 학습 아키텍처는 일반적으로 이미지 패치 회선 및 최대 응답 샘플링을 포함하여 작업을 수행하는 레이어 일련의 구별된 계층으로 구성된다.Deep Learning (DL) is a universal method used to perform many important tasks in radiology and medical imaging. Deep learning architectures typically consist of a series of distinct layers of layers that perform tasks, including image patch convolution and maximum response sampling.

많은 연구들은 뼈 종양의 확인을 포함하여 의학 이미지 분석 분야에 딥러닝 방법을 도입하는 추세이고, 그중에 심층컨볼루션신경망(CNN: Convolution Neural Network)은 이미지 분류에 큰 이점을 제공한다. Many studies are introducing a deep learning method into the field of medical image analysis, including the identification of bone tumors, and among them, the Convolution Neural Network (CNN) provides a great advantage in image classification.

그러나, 종래에 뼈 종양을 감지하기 위해서는 방사선 촬영, 환자의 병력, 연령, 임상증상, 병변의 해부학적 위치 등의 여러 가지 데이터가 필요하며, 조기에 정확하게 검출하기가 쉽지 않고, 보조 치료와 병행하거나 외과적 절제술을 시행하는 후기 단계에서는 완치되기가 어렵다. 따라서, 뻐 종양의 조기 발견은 치료 과정에서 매우 중요하다.However, conventionally, in order to detect a bone tumor, various data such as radiographing, patient history, age, clinical symptoms, and anatomical location of the lesion are required, and it is not easy to detect accurately at an early stage. It is difficult to cure in the later stages of surgical resection. Therefore, early detection of cuckoo tumors is very important in the treatment process.

이에 본 출원인은 촬영 영상을 복수의 부분으로 분류하고 형태에 따라 분류/학습한 뒤 특징을 추출하고 신경망을 통해 뼈 종양을 분류함으로써, 뼈 종양 여부를 조기에 정확하게 검출하는 기술을 제안하고자 한다.Accordingly, the present applicant intends to propose a technique for accurately detecting the presence or absence of a bone tumor by classifying the photographed image into a plurality of parts, classifying/learning according to the shape, and then extracting features and classifying the bone tumor through a neural network.

미국공개특허 US20160110890(2016.04.21.공개)US Patent Publication US20160110890 (2016.04.21.Public)

본 발명의 목적은, 촬영 영상에 대해 앙상블 반감독학습(ESSW: Ensemble Semi-Supervised Wnet)을 이용하여 골격을 분할하고, 분할된 영상에서 softmax 분류기를 통해 뼈 상태 확률을 결정하여 뼈 상태를 분류함으로써, 골 종양을 조기에 발견하고, 골 종양 검진의 의사결정 보조 도구로 활용하는데 있다.The object of the present invention is to classify a bone state by determining a bone state probability through a softmax classifier in a segmented image by segmenting the skeleton using an ensemble semi-supervised Wnet (ESSW) on the captured image. , It is used to detect bone tumors early and to use them as a decision support tool for bone tumor screening.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 골 종양 탐지 시스템으로서, 입력 이미지에 포함된 뼈의 형상을 유사하게 재구성하여 뼈의 구조적 표현을 학습하여 제1학습정보를 생성하는 구조 학습부; 제1학습정보를 인가받아 종양 검출 판별 기준을 학습하여 제2학습정보를 생성하는 판별 학습부; 및 제1학습정보 및 제2학습정보와 입력받은 X선 영상의 비교를 통해 골 종양 여부와 그 위치를 검출하여 골 종양 검출정보를 생성하는 종양 검출부를 포함하되, 구조 학습부는, 입력받은 이미지에 포함된 뼈 형상의 차별적인 표현을 추출하여 재조합하는 인코더; 추출한 차별적인 표현을 저장 및 관리하고, 대퇴골, 경골 또는 비골 중에 어느 하나에 대한 구성 요소를 마스크하는 디코더; 및 마스크된 구성 요소들로부터 뼈 상태 확률을 결정하여 뼈 상태를 분류한 제1학습정보를 생성하는 SoftMax 분류기를 포함한다.One embodiment of the present invention for achieving such a technical problem is a bone tumor detection system, a structural learning unit that reconstructs the shape of a bone included in an input image similarly to learn the structural representation of the bone to generate first learning information. ; A discrimination learning unit receiving the first learning information and learning the tumor detection discrimination criteria to generate second learning information; And a tumor detection unit generating bone tumor detection information by detecting whether a bone tumor is present and its location through comparison of the first learning information and the second learning information with the received X-ray image. An encoder that extracts and recombines the differential expression of the included bone shape; A decoder for storing and managing the extracted differential expression and masking a component for any one of the femur, tibia or fibula; And a SoftMax classifier that generates first learning information that classifies bone states by determining the probability of bone states from the masked components.

바람직하게는, 구조 학습부는 비감독학습(unsupervised learning) 또는 감독학습(supervised learning)을 통해 제1학습정보를 생성하고, 판별 학습부는 감독학습(supervised learning) 또는 비감독학습(unsupervised learning)을 통해 제2학습정보를 생성하며, 종양 검출부는 앙상블 반감독학습(ESSW)을 통해 골 종양 검출정보를 생성하는 것을 특징으로 한다.Preferably, the structured learning unit generates the first learning information through unsupervised learning or supervised learning, and the discriminant learning unit through supervised learning or unsupervised learning. The second learning information is generated, and the tumor detection unit is characterized by generating bone tumor detection information through ensemble semi-supervised learning (ESSW).

구조 학습부는, 인코더를 통해 대퇴골, 경골 또는 비골 중에 어느 하나의 세그먼트를 포함하는 이미지를 입력받고, 다수의 컨벌루션 레이어 및 풀링 레이어를 통해 입력받은 이미지에 포함된 뼈의 형상을 재구성하여 뼈의 구조적 표현을 학습하는 것을 특징으로 한다.The structural learning unit receives an image including any one of the femur, tibia, or fibula through an encoder, and reconstructs the shape of the bone included in the image received through multiple convolutional layers and pooling layers to express the structural structure of the bone Characterized by learning.

SoftMax 분류기는, 인코더 및 디코더 각각의 마지막 레이어의 출력으로부터 뼈 상태의 확률을 계산하여 뼈 종양을 분류하는 것을 특징으로 한다.The SoftMax classifier is characterized by classifying bone tumors by calculating the probability of a bone condition from the output of the last layer of each of the encoder and decoder.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 촬영 영상에 대해 앙상블 반감독학습(ESSW)을 이용하여 골격을 분할하고, 분할된 영상에서 softmax 분류기를 통해 뼈 상태 확률을 결정하여 뼈 상태를 분류함으로써, 골 종양을 조기에 발견하고, 골 종양 검진의 의사결정 보조 도구로 활용이 가능한 효과가 있다.According to the present invention as described above, by dividing the skeleton using ensemble semi-supervised learning (ESSW) for the captured image, and by classifying the bone state by determining the probability of bone state through the softmax classifier in the segmented image, bone tumors It has an effect that can be found early and used as a decision-supporting tool for bone tumor screening.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 골 종양 탐지 시스템의 뼈 종양 검출을 위한 ESSW의 아키텍처를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 골 종양 탐지 시스템을 도시한 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 골 종양 탐지 시스템에 의해 생성된 골 종양 검출정보의 샘플을 도시한 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 골 종양 탐지 시스템의 인코더 및 디코더를 통해 수행되는 뼈 분할 과정을 도시한 예시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 골 종양 탐지 시스템에 의해 부분적으로 분할된 뼈 형상을 도시한 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 골 종양 탐지 방법을 도시한 순서도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 골 종양 탐지 방법의 제S100단계에 대한 세부과정을 도시한 순서도.
1 is a diagram showing the architecture of ESSW for bone tumor detection in a bone tumor detection system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a block diagram showing a bone tumor detection system according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is an exemplary view showing a sample of the bone tumor detection information generated by the bone tumor detection system according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is an exemplary view showing a bone segmentation process performed through the encoder and decoder of the bone tumor detection system according to an embodiment of the present invention.
5 is an exemplary view showing a bone shape partially divided by a bone tumor detection system according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a flow chart showing a bone tumor detection method according to an embodiment of the present invention.
7 is a flow chart showing a detailed process for step S100 of the bone tumor detection method according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.Specific features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in the specification and claims are based on the principle that the inventor can properly define the concept of terms in order to best describe his or her invention in the technical spirit of the present invention. It should be interpreted as a matching meaning and concept. In addition, it should be noted that when it is determined that the detailed description of the known functions and configurations related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description is omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 골 종양 탐지 시스템(S)의 뼈 종양 검출을 위한 ESSW의 아키텍처를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 골 종양 탐지 시스템(S)을 도시한 구성도이다.1 is a view showing the architecture of the ESSW for bone tumor detection of the bone tumor detection system (S) according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a bone tumor detection system (S) according to an embodiment of the present invention ).

도 1 및 도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 골 종양 탐지 시스템(S)은, 입력 이미지에 포함된 뼈의 형상을 유사하게 재구성하여 뼈의 구조적 표현을 학습하여 제1학습정보를 생성하는 구조 학습부(100)와, 제1학습정보를 인가받아 종양 검출 판별 기준을 학습하여 제2학습정보를 생성하는 판별 학습부(200), 및 제1학습정보 및 제2학습정보와 입력받은 X선 영상의 비교를 통해 골 종양 여부와 그 위치를 검출하여 골 종양 검출정보를 생성하는 종양 검출부(300)를 포함하여 구성된다.1 and 2, the bone tumor detection system S according to an embodiment of the present invention similarly reconstructs the shape of the bone included in the input image to learn the structural representation of the bone to learn the first learning information. Structural learning unit 100 to generate, and discriminative learning unit 200 that receives the first learning information to learn tumor detection discrimination criteria to generate second learning information, and first learning information and second learning information and input It comprises a tumor detection unit 300 that detects whether or not a bone tumor and its location through comparison of the received X-ray image to generate bone tumor detection information.

이때, 골 종양 검출정보는 도 3에 도시된 샘플과 같이 정상 림프종, 양성 종양 또는 악성 종양 중에 어느 하나를 포함할 수 있다.In this case, the bone tumor detection information may include any one of normal lymphoma, benign tumor, or malignant tumor, as shown in the sample shown in FIG. 3.

이하에서는 그 구체적인 언급을 생략하겠으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 골 종양 탐지 시스템(S)에 의해 생성되는 제1학습정보는 비감독학습(unsupervised learning)에 의해 생성되고, 제2학습정보는 감독학습(supervised learning)에 의해 생성된다. 따라서, 골 종양 검출정보는 비감독학습 및 감독학습의 결합에 의한 결과물인바, 결국 서로 다른 학습모델을 결합한 앙상블 반감독학습(ESSW)에 의해 생성되는 것으로 해석하는 것이 바람직하다.Hereinafter, the specific reference will be omitted, but the first learning information generated by the bone tumor detection system (S) according to an embodiment of the present invention is generated by unsupervised learning, and the second learning information It is created by supervised learning. Therefore, bone tumor detection information is a result of a combination of non-supervised learning and supervised learning, and it is desirable to interpret it as being generated by ensemble semi-supervised learning (ESSW) that combines different learning models.

구체적으로, 구조 학습부(100)는 입력받은 이미지에 포함된 뼈 형상의 차별적인 표현을 추출하여 재조합하는 인코더(102a, 102b)와, 추출한 차별적인 표현을 저장 및 관리하고, 대퇴골, 경골 또는 비골 중에 어느 하나에 대한 구성 요소를 마스크하는 디코더(104a, 104b), 및 마스크된 구성 요소들로부터 뼈 상태 확률을 결정하여 뼈 상태를 분류한 제1학습정보를 생성하는 SoftMax 분류기(106)를 포함하여 구성된다.Specifically, the structure learning unit 100 stores and manages the encoders 102a and 102b for extracting and recombining the differential expression of the bone shape included in the input image, and the extracted differential expression, the femur, tibia or fibula The decoder 104a, 104b for masking a component for any one of the components, and the SoftMax classifier 106 for generating first learning information for classifying the bone condition by determining the probability of the bone condition from the masked components It is composed.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 인코더 및 디코더를 통해 수행되는 뼈 분할 과정은 도 4에 도시된 예와 같고, 부분적으로 분할된 뼈 형상은 도 5에 도시된 예와 같다.At this time, the bone splitting process performed through the encoder and decoder according to an embodiment of the present invention is the same as the example shown in FIG. 4, and the partially divided bone shape is the same as the example shown in FIG. 5.

구체적으로, 인코더(102a, 102b)는 다수의 컨벌루션 레이어 및 풀링 레이어를 통해 입력받은 이미지에 포함된 뼈의 형상의 차별적인 표현을 추출한다.Specifically, the encoders 102a and 102b extract differential expressions of the shape of the bones included in the image received through the plurality of convolutional layers and pooling layers.

또한, 인코더(102a, 102b)가 입력받은 이미지는 대퇴골, 경골 또는 비골 중에 어느 하나의 세그먼트를 포함하고, 다수의 컨벌루션 레이어 및 풀링 레이어를 통해 입력받은 이미지에 포함된 뼈의 형상을 유사하게 재구성하여 뼈의 구조적 표현을 학습한다.In addition, the image input by the encoders 102a and 102b includes any one of the femur, tibia or fibula, and similarly reconstructs the shape of the bone included in the image received through multiple convolutional layers and pooling layers. Learn the structural representation of bones.

또한, 추출한 차별적인 표현은 다운 샘플링 또는 업 샘플링 이전에 인코더(102a, 102b) 각각과 연결된 연속 컨볼루션 계층의 합계를 계산하고, 그 계산 결과에 대한 풀링작업을 통해 기능 맵의 크기를 줄이게 된다.In addition, the extracted differential expression calculates the sum of the continuous convolutional layers connected to each of the encoders 102a and 102b before down-sampling or up-sampling, and reduces the size of the functional map by pulling the calculated results.

이때, 최소화할 비용 함수는 평균 제곱 오차(MSE: Mean Squared Error)이고, 아래의 [수학식 1]과 같이 표현된다.At this time, the cost function to be minimized is the mean squared error (MSE), and is expressed as [Equation 1] below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

또한, SoftMax 분류기(106)는 인코더(102a)와 디코더(104a), 및 인코더(102b)와 디코더(104b)의 마지막 레이어의 각 출력으로부터 뼈 상태의 확률을 계산하여 뼈 종양을 분류한다. 이때, 교차 엔트로피는 아래의 [수학식 2]와 같이 계산된 뼈 종양의 분류를 위한 비용 함수로 사용된다.In addition, the SoftMax classifier 106 classifies bone tumors by calculating the probability of bone condition from each output of the encoder 102a and decoder 104a, and the last layers of the encoder 102b and decoder 104b. At this time, the cross-entropy is used as a cost function for classification of the bone tumor calculated as shown in [Equation 2] below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

한편, 판별 학습부(200)는 구조 학습부(100)로부터 인가받은 제1학습정보에 포함된 뼈 상태를 토대로 종양 검출 판별 기준을 학습하여 뼈 상태 확률을 결정하는 제2학습정보를 생성한다.On the other hand, the discrimination learning unit 200 generates second learning information for determining the probability of a bone state by learning a tumor detection discrimination criterion based on the bone state included in the first learning information authorized by the structure learning unit 100.

이때, 본 발명의 일 실시예는 구조 학습부(100)의 비감독학습(unsupervised learning)을 통해 제1학습정보를 생성하고, 판별 학습부(200)의 감독학습(supervised learning)을 통해 제2학습정보를 생성하는 즉, 두개의 출력으로부터 뼈 종양을 분류하기 때문에 전체 손실 함수는 아래의 [수학식 3]과 같이 표현된다.At this time, an embodiment of the present invention generates the first learning information through the unsupervised learning of the structural learning unit 100, and the second through the supervised learning of the discriminant learning unit 200. The total loss function is expressed as [Equation 3] below because it generates the learning information, that is, the bone tumor is classified from the two outputs.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

그리고, 종양 검출부(300)는 앙상블 반감독학습(ESSW)에 의한 제1학습정보 및 제2학습정보의 평균 출력과, 입력받은 X선 영상의 비교를 통해 골 종양 여부와 그 위치를 검출하여 골 종양 검출정보를 생성한다.In addition, the tumor detection unit 300 detects a bone tumor and its location by comparing the average output of the first learning information and the second learning information by the ensemble semi-supervised learning (ESSW) and the received X-ray image. Tumor detection information is generated.

이때, 종양 검출부(300)가 생성하는 골 종양 검출정보는 제1학습정보(비감독학습) 및 제2학습정보(감독학습)의 결합에 의한 결과물인바, 서로 다른 학습모델을 결합한 앙상블 반감독학습(ESSW)에 의해 생성된다.At this time, the bone tumor detection information generated by the tumor detection unit 300 is a result of combining the first learning information (non-supervised learning) and the second learning information (supervised learning), and ensemble semi-supervised learning combining different learning models. (ESSW).

이때, 앙상블 반감독학습(ESSW)에 의한 평균 출력을 통해 아래의 [수학식 4]와 같이 클래스 i에 대한 평균 확률(마스크된 구성 요소들로부터 뼈 상태 확률)을 계산하여 뼈 상태를 분류한다.At this time, the bone state is classified by calculating the average probability (the bone state probability from the masked components) for class i as shown in [Equation 4] below through the average output by the ensemble semi-supervised learning (ESSW).

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 수학식들에 사용된 인자에 대한 설명은 다음과 같다.The description of the factors used in the above equations is as follows.

먼저,

Figure pat00005
는 ground true value(진정한 값)이고,
Figure pat00006
는 prediction value(예측 값)이며, n은 image resolution by(width x height)(이미지 해상도(너비 x 높이))이고, C는 number of classes(그룹 수)이며, M은 number of ensemble models(앙상블 모델 수)이고,
Figure pat00007
는 average probability of class
Figure pat00008
(클래스 I의 평균 확률)이며,
Figure pat00009
는 probability of class
Figure pat00010
using model
Figure pat00011
(j번째 클래스를 사용하는 클래스 I의 확률)이다.first,
Figure pat00005
Is the ground true value,
Figure pat00006
Is the prediction value, n is the image resolution by(width x height), C is the number of classes, and M is the number of ensemble models. Number),
Figure pat00007
Is the average probability of class
Figure pat00008
(Mean probability of class I),
Figure pat00009
Is the probability of class
Figure pat00010
using model
Figure pat00011
(Probability of class I using the jth class).

전술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 골 종양 탐지 시스템(S)은, 입력받는 이미지의 크기를 240x200으로 조정하고, 각 컨벌루션 레이어에 대해 커널 크기는 3x3으로 설정하였으며, 역전파 알고리즘은 매개 변수에 대한 오차 함수의 기울기를 계산하기 위해 적용되며, 학습 속도가 0.0001인 Adam 알고리즘을 사용하여 가중치를 업데이트 할 수 있다.Bone tumor detection system (S) according to an embodiment of the present invention as described above, the size of the input image is adjusted to 240x200, the kernel size for each convolution layer is set to 3x3, the back propagation algorithm is a medium Applied to calculate the slope of the error function for the variable, the weight can be updated using the Adam algorithm with a learning rate of 0.0001.

또한, 미니배치 전략은 완전 배치 훈련보다 더욱 빠르게 수렴하기 위해 사용되며, 숨겨진 레이어의 가중치는 무작위로 초기화되고, SoftMax 레이어의 경우 모든 가중치가 0으로 초기화 된다. 그리고, 모멘텀 방법은 훈련 단계를 가속화하기 위해 0.9의 값으로 사용된다.In addition, the mini-batch strategy is used to converge faster than full batch training, the weight of the hidden layer is randomly initialized, and in the case of the SoftMax layer, all weights are initialized to zero. And, the momentum method is used with a value of 0.9 to accelerate the training phase.

이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 골 종양 탐지 방법에 대해 살피면 아래와 같다.Hereinafter, a method for detecting a bone tumor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6.

먼저, 구조 학습부(100)가 입력 이미지에 포함된 뼈의 형상을 유사하게 재구성하고, 뼈의 구조적 표현을 학습하여 제1학습정보를 생성한다(S100). 이때, 제1학습정보는 비감독학습(unsupervised learning)을 통해 생성된다.First, the structure learning unit 100 similarly reconstructs the shape of the bone included in the input image, and learns the structural representation of the bone to generate first learning information (S100). At this time, the first learning information is generated through unsupervised learning.

이어서, 판별 학습부(200)가 제1학습정보를 인가받아 종양 검출 판별 기준을 학습하여 제2학습정보를 생성한다(S200). 이때, 제2학습정보는 감독학습(supervised learning)을 통해 생성된다.Subsequently, the discrimination learning unit 200 receives the first learning information and learns the tumor detection discrimination criteria to generate the second learning information (S200). At this time, the second learning information is generated through supervised learning.

그리고, 종양 검출부(300)가 제1학습정보 및 제2학습정보와 입력받은 X선 영상의 비교를 통해 골 종양 여부와 그 위치를 검출하여 골 종양 검출정보를 생성한다(S300). 이때, 골 종양 검출정보는 앙상블 반감독학습(ESSW)에 의한 평균 출력을 통해 생성된다.Then, the tumor detection unit 300 detects the presence and location of the bone tumor through comparison of the first learning information and the second learning information and the received X-ray image to generate bone tumor detection information (S300). At this time, bone tumor detection information is generated through an average output by ensemble semi-supervised learning (ESSW).

이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 골 종양 탐지 방법의 제S100단계에 대한 세부과정에 대해 살피면 아래와 같다.Hereinafter, a detailed process of step S100 of the bone tumor detection method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7.

먼저, 구조 학습부(100)가 입력받은 이미지에 포함된 뼈 형상의 차별적인 표현을 추출하여 재조합한다(S102).First, the structural learning unit 100 extracts and recombines the differential expression of the bone shape included in the input image (S102).

이어서, 구조 학습부(100)가 추출한 차별적인 표현을 저장 및 관리하고, 대퇴골, 경골 또는 비골 중에 어느 하나에 대한 구성 요소를 마스크 한다(S104).Subsequently, the differential learning extracted by the structure learning unit 100 is stored and managed, and a component for any one of the femur, tibia, or fibula is masked (S104).

그리고, 구조 학습부(100)가 마스크된 구성 요소들로부터 뼈 상태 확률을 결정하여 뼈 상태를 분류한 제1학습정보를 생성한다(S106).Then, the structure learning unit 100 determines the probability of the bone state from the masked components to generate first learning information that classifies the bone state (S106).

이때, 구조 학습부(100)는 SoftMax 분류기(106)를 통해 인코더(102a)와 디코더(104a), 및 인코더(102b)와 디코더(104b)의 마지막 레이어의 각 출력으로부터 뼈 상태의 확률을 계산하여 뼈 종양을 분류한다.At this time, the structure learning unit 100 calculates the probability of the bone state from each output of the encoder 102a and the decoder 104a, and the final layers of the encoder 102b and the decoder 104b through the SoftMax classifier 106. Classify bone tumors.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.As described above, the present invention has been described and illustrated in connection with a preferred embodiment for illustrating the technical idea of the present invention, but the present invention is not limited to the configuration and operation as illustrated and described, and deviates from the scope of the technical idea. It will be understood by those skilled in the art that many changes and modifications to the present invention are possible without. Accordingly, all such suitable modifications and modifications and equivalents should be considered to be within the scope of the present invention.

S: 골 종양 탐지 시스템
100: 구조 학습부
102a, 102b: 인코더
104a, 104b: 디코더
106: SoftMax 분류기
200: 판별 학습부
300: 종양 검출부
S: bone tumor detection system
100: structural learning department
102a, 102b: encoder
104a, 104b: decoder
106: SoftMax classifier
200: discriminative learning unit
300: tumor detection unit

Claims (4)

입력 이미지에 포함된 뼈의 형상을 유사하게 재구성하여 뼈의 구조적 표현을 학습하여 제1학습정보를 생성하는 구조 학습부;
상기 제1학습정보를 인가받아 종양 검출 판별 기준을 학습하여 제2학습정보를 생성하는 판별 학습부; 및
상기 제1학습정보 및 제2학습정보와 입력받은 X선 영상의 비교를 통해 골 종양 여부와 그 위치를 검출하여 골 종양 검출정보를 생성하는 종양 검출부를 포함하되,
상기 구조 학습부는,
입력받은 이미지에 포함된 뼈 형상의 차별적인 표현을 추출하여 재조합하는 인코더;
추출한 차별적인 표현을 저장 및 관리하고, 대퇴골, 경골 또는 비골 중에 어느 하나에 대한 구성 요소를 마스크하는 디코더; 및
마스크된 구성 요소들로부터 뼈 상태 확률을 결정하여 뼈 상태를 분류한 제1학습정보를 생성하는 SoftMax 분류기를
포함하는 것을 특징으로 하는 골 종양 탐지 시스템.
A structure learning unit configured to similarly reconstruct the shape of the bone included in the input image to learn the structural representation of the bone to generate first learning information;
A discrimination learning unit receiving the first learning information and learning the tumor detection discrimination criteria to generate second learning information; And
The first learning information and the second learning information and a comparison of the received X-ray image to detect the presence and location of the bone tumor includes a tumor detection unit for generating bone tumor detection information,
The structure learning unit,
An encoder that extracts and recombines differential expressions of bone shapes included in the input image;
A decoder for storing and managing the extracted differential expression and masking a component for any one of the femur, tibia or fibula; And
SoftMax classifier that generates first learning information that classifies bone states by determining probability of bone state from masked components
Bone tumor detection system comprising a.
제1항에 있어서,
상기 구조 학습부는 비감독학습(unsupervised learning) 또는 비감독학습(unsupervised learning)을 통해 상기 제1학습정보를 생성하고,
상기 판별 학습부는 감독학습(supervised learning) 또는 비감독학습(unsupervised learning)을 통해 상기 제2학습정보를 생성하며,
상기 종양 검출부는 앙상블 반감독학습(ESSW)을 통해 상기 골 종양 검출정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 골 종양 탐지 시스템.
According to claim 1,
The structure learning unit generates the first learning information through unsupervised learning or unsupervised learning,
The discrimination learning unit generates the second learning information through supervised learning or unsupervised learning,
The tumor detection unit is a bone tumor detection system characterized in that it generates the bone tumor detection information through ensemble semi-supervised learning (ESSW).
제1항에 있어서,
상기 구조 학습부는,
상기 인코더를 통해 대퇴골, 경골 또는 비골 중에 어느 하나의 세그먼트를 포함하는 이미지를 입력받고, 다수의 컨벌루션 레이어 및 풀링 레이어를 통해 입력받은 이미지에 포함된 뼈의 형상을 재구성하여 뼈의 구조적 표현을 학습하는 것을 특징으로 하는 골 종양 탐지 시스템.
According to claim 1,
The structure learning unit,
To receive the image including any one of the femur, tibia or fibula through the encoder, and reconstruct the shape of the bone included in the image received through the multiple convolutional layer and pooling layer to learn the structural representation of the bone Bone tumor detection system characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 SoftMax 분류기는,
인코더 및 디코더 각각의 마지막 레이어의 출력으로부터 뼈 상태의 확률을 계산하여 뼈 종양을 분류하는 것을 특징으로 하는 골 종양 탐지 시스템.
According to claim 1,
The SoftMax classifier,
A bone tumor detection system characterized by classifying bone tumors by calculating the probability of a bone condition from the output of the last layer of each of the encoder and decoder.
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