KR20200124827A - Alzheimer's disease classification based on multi-feature fusion - Google Patents

Alzheimer's disease classification based on multi-feature fusion Download PDF

Info

Publication number
KR20200124827A
KR20200124827A KR1020190048135A KR20190048135A KR20200124827A KR 20200124827 A KR20200124827 A KR 20200124827A KR 1020190048135 A KR1020190048135 A KR 1020190048135A KR 20190048135 A KR20190048135 A KR 20190048135A KR 20200124827 A KR20200124827 A KR 20200124827A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
image
feature
alzheimer
disease
texture
Prior art date
Application number
KR1020190048135A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102373988B1 (en
Inventor
최흥국
마두산카 누안
소재홍
Original Assignee
인제대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 인제대학교 산학협력단 filed Critical 인제대학교 산학협력단
Priority to KR1020190048135A priority Critical patent/KR102373988B1/en
Publication of KR20200124827A publication Critical patent/KR20200124827A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102373988B1 publication Critical patent/KR102373988B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G16INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR SPECIFIC APPLICATION FIELDS
    • G16HHEALTHCARE INFORMATICS, i.e. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGY [ICT] SPECIALLY ADAPTED FOR THE HANDLING OR PROCESSING OF MEDICAL OR HEALTHCARE DATA
    • G16H20/00ICT specially adapted for therapies or health-improving plans, e.g. for handling prescriptions, for steering therapy or for monitoring patient compliance
    • G16H20/70ICT specially adapted for therapies or health-improving plans, e.g. for handling prescriptions, for steering therapy or for monitoring patient compliance relating to mental therapies, e.g. psychological therapy or autogenous training
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0033Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room
    • A61B5/0037Performing a preliminary scan, e.g. a prescan for identifying a region of interest
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/0033Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room
    • A61B5/004Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room adapted for image acquisition of a particular organ or body part
    • A61B5/0042Features or image-related aspects of imaging apparatus classified in A61B5/00, e.g. for MRI, optical tomography or impedance tomography apparatus; arrangements of imaging apparatus in a room adapted for image acquisition of a particular organ or body part for the brain
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/40Detecting, measuring or recording for evaluating the nervous system
    • A61B5/4076Diagnosing or monitoring particular conditions of the nervous system
    • A61B5/4088Diagnosing of monitoring cognitive diseases, e.g. Alzheimer, prion diseases or dementia

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Neurology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Child & Adolescent Psychology (AREA)
  • Developmental Disabilities (AREA)
  • Hospice & Palliative Care (AREA)
  • Psychiatry (AREA)
  • Psychology (AREA)
  • Social Psychology (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Primary Health Care (AREA)
  • Neurosurgery (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Magnetic Resonance Imaging Apparatus (AREA)

Abstract

Disclosed is a method for classifying Alzheimer′s disease based on multi-feature fusion, which combines morphological and texture features as diagnostic biomarkers of magnetic resonance imaging and using machine learning techniques so as to classify Alzheimer′s disease, mild cognitive impairment, and normal people. This classification method comprises: an MR image acquisition step of acquiring a scanned magnetic resonance (MR) image; an image processing step of performing noise removal, non-homogeneous correction, contrast normalization, and patch-based hippocampal region segmentation for the MR image; a feature extraction step of extracting volume factor-based morphological features and extracting texture features using a gray-level co-occurrence matrix (GLCM) and a gabor filter for the hippocampus image segmented in the image processing step; a feature selection step of selecting and classifying a certain number of feature sets from feature vectors of morphological and texture features extracted from the feature extraction step; and a result analysis step of calculating a difference among Alzheimer′s disease, mild cognitive impairment, and normal group by using machine learning and measuring accuracy of classification.

Description

다중 특성 융합을 기반으로 하는 알츠하이머병 분류 방법{ALZHEIMER'S DISEASE CLASSIFICATION BASED ON MULTI-FEATURE FUSION}Alzheimer's disease classification method based on multiple trait fusion {ALZHEIMER'S DISEASE CLASSIFICATION BASED ON MULTI-FEATURE FUSION}

본 발명은 알츠하이머병 분류 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 MR 영상이 가진 진단 바이오 마커로서의 형태학적 특성과 질감특성을 결합하고 이를 기계 학습 기법을 사용하여 알츠하이머병, 경도인지장애 및 정상인을 분류하기 위해다중 특성 융합을 기반으로 하는 알츠하이머병 분류 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for classifying Alzheimer's disease, and more particularly, combining morphological characteristics and texture characteristics as diagnostic biomarkers of MR images, and classifying Alzheimer's disease, mild cognitive impairment, and normal people using machine learning techniques. The present invention relates to a method for classifying Alzheimer's disease based on risk multi-characteristic fusion.

지난 수십 년 동안, 자기공명이미지(MRI)을 사용하여 질환에 따른 해마의 위축을 정량화하기 위한 많은 방법들이 연구되었다. 특히 알츠하이머성 치매(AD: Alzheimer’s Disease)와 경도 인지장애(MCI: Mild Cognitive Impairment)의 조기 발견 및 예측을 위해서도 많은 노력이 있어왔다. In the past decades, many methods have been studied to quantify disease-dependent hippocampal atrophy using magnetic resonance imaging (MRI). In particular, much effort has been made for early detection and prediction of Alzheimer's Disease (AD) and Mild Cognitive Impairment (MCI).

AD와 MCI는 기억력, 인지 능력 및 일상 업무를 수행하는 능력이 서서히 파괴되는 진행성 신경퇴행 장애이다. AD의 주요 증상으로는 기억상실, 계획 수립 및 문제 해결 장애, 시각적 인지 장애, 부적절한 사회적 행동 및 우울증이 있다. AD와 MCI는 노인들에게 가장 흔하게 발병되는 치매의 형태이며, 사회 보건 측면에서도 많은 문제를 야기하고 있다.AD and MCI are progressive neurodegenerative disorders in which memory, cognitive and ability to perform daily tasks are slowly destroyed. The main symptoms of AD are amnesia, impaired planning and problem solving, visual cognitive impairment, inappropriate social behavior, and depression. AD and MCI are the most common forms of dementia in the elderly and cause many problems in terms of social health.

AD와 MCI의 다른 특징으로는 단백질로 이루어진 베타 아미로이드(β-amyloid), 타우 단백질(τ- protein)이 신경세포의 내/외부에 축적되어 뉴런을 손상시키는 것이다.Another characteristic of AD and MCI is that beta-amyloid and tau protein, which are made up of proteins, accumulate inside/outside of neurons and damage neurons.

이에 뇌 MRI는 AD 및 MCI 환자의 인상 평가에 사용되는 의료 영상 기술로서, 해마 및 속내피질(Entorhinal Cortex)과 같은 영역의 변화를 관찰할 수 있어 평가단계에서 효과적으로 사용될 수 있다.Accordingly, brain MRI is a medical imaging technology used to evaluate the impression of AD and MCI patients, and can be effectively used in the evaluation stage because it can observe changes in areas such as the hippocampus and the Entorhinal Cortex.

이러한 변화는 신경 퇴행성 질환의 조기 발견을 위한 바이오 마커로 사용될 수 있다. 또한, 다량의 의료 이미지를 효율적으로 진단하기 위해서도 우수한 진단 방법이 반드시 필요하다.These changes can be used as biomarkers for early detection of neurodegenerative diseases. Also, in order to efficiently diagnose a large amount of medical images, an excellent diagnosis method is essential.

그러나 이전의 연구에서는 AD 분류과정에서는 시각적 및 형태학적 특징과 결합하여 사용하지는 않았다. However, in previous studies, AD classification was not used in combination with visual and morphological features.

이를 위해 형태학 및 시각적 내용을 기반으로 하여 이미지를 효율적으로 진단하는 기술이 요구된다.For this, a technology for efficiently diagnosing images based on morphology and visual content is required.

이러한 본 발명의 배경기술로서 대한민국 공개특허공보 10-2015-0057045(2015.05.28.)호에서 뇌질환 진단 서비스 장치 및 방법이 공지되어 있다.As the background technology of the present invention, a brain disease diagnosis service apparatus and method are known in Korean Patent Publication No. 10-2015-0057045 (2015.05.28.).

그러나 상기 종래의 기술은 MRI 기기로부터 획득된 영상들을 이용하여 뇌병변이 추출되면 진단대상자의 영상과 표준 영상을 이용하여 추정된 변환행렬을 표준 뇌영역지도에 적용하여 생성된 진단대상자의 개별 뇌영역지도에서 뇌영역별 뇌병변이 차지하는 비율을 연산한 결과에 기반하여 장애 유형을 결정할 수 있도록 한 뇌질환 진단 서비스 장치 및 방법을 제공하는 것으로서, 본 발명에서와 같은 AD 환자의 해마에 대한 질감 특성과 형태학적 특성을 융합하여 사용하여 이를 분류하고 정확도를 측정하여 제공하는 기술과는 차이가 있다.However, the conventional technique is that when a brain lesion is extracted using images acquired from an MRI device, an individual brain region of the subject to be diagnosed is generated by applying the image of the subject to be diagnosed and a transform matrix estimated using the standard image to a standard brain region map. A brain disease diagnosis service apparatus and method capable of determining the type of disorder based on the result of calculating the proportion of brain lesions for each brain region on the map, and the texture characteristics of the hippocampus of the AD patient as in the present invention. It is different from the technology that uses morphological characteristics by fusion, classifies them, and measures accuracy.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은, MRI 영상의 추출한 해마 영역에 대한 형태학적 특성과 2D와 3D에서의 질감특성을 결합하고 이를 기계 학습 기법을 사용하여 알츠하이머병(AD: Alzheimer’s Disease), 경도인지장애(MCI: Mild Cognitive Impairment) 및 정상인(NC: Normal Control)을 분류할 수 있는, 다중 특성 융합 기반 알츠하이머병 분류 방법을 제공하는 데 있다.The present invention was derived to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to combine the morphological characteristics of the extracted hippocampal region of the MRI image and the texture characteristics in 2D and 3D, and use a machine learning technique. Using Alzheimer's Disease (AD), Mild Cognitive Impairment (MCI), and Normal Control (NC), a multi-characteristic fusion-based Alzheimer's disease classification method can be classified.

본 발명의 다른 목적은 영상이 가진 질감분석과 형태학적 특성에 기반하여 AD, MCI 및 NC를 분류하고 정확도를 측정할 수 있는, 다중 특성 융합 기반 알츠하이머병 분류 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a multi-characteristic fusion-based Alzheimer's disease classification method capable of classifying AD, MCI and NC and measuring accuracy based on texture analysis and morphological characteristics of an image.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 알츠하이머병 분류 방법은, 자기공명영상(MRI, Magnetic Resonance Imaging) 스캔 이미지를 획득하는 MR 이미지 획득 단계; 상기 MR 이미지에 대한 잡음 제거, 비균질성 보정과 명암 표준화 및 패치 기반의 해마 영역 세분화를 수행하는 이미지 처리 단계; 분할된 해마 영상에 대하여 체적요소기반 형태학적 특성 추출과 GLCM(Gray-Level Co-occurrence Matrix)과 가버필터(Gabor Filter)를 사용하는 질감특성 추출을 수행하는 특성 추출 단계; 상기 특성 추출 단계에서 추출되어진 형태학적 특성 및 질감 특성 벡터로부터 추출된 특징 벡터로부터 일정 개수의 특징 집합을 선정하고 분류하는 특성 선택 단계; 및 기계학습(Machine Learning)을 이용하여 알츠하이머병(AD), 경도인지장애(MCI) 및 정상인(NC) 그룹간의 차이점을 훈련하고 분류 정확도를 측정하는 결과 분석 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.Alzheimer's disease classification method according to an aspect of the present invention for solving the above technical problem, MR image acquisition step of obtaining a magnetic resonance imaging (MRI, Magnetic Resonance Imaging) scan image; An image processing step of performing noise removal, non-homogeneity correction, contrast normalization, and patch-based hippocampal region segmentation for the MR image; A feature extraction step of performing volume factor-based morphological feature extraction on the divided hippocampal image and texture feature extraction using a gray-level co-occurrence matrix (GLCM) and a Gabor filter; A feature selection step of selecting and classifying a predetermined number of feature sets from feature vectors extracted from morphological features and texture feature vectors extracted in the feature extraction step; And a result analysis step of training differences between Alzheimer's disease (AD), mild cognitive impairment (MCI) and normal people (NC) groups using machine learning and measuring classification accuracy. have.

또한, 본 발명의 상기 이미지 처리 단계는 MR영상의 노이즈 제거 및 쌍입체 스플라인(LEMS: Local Entropy bicubic Spline Models) 기반의 지역엔트로피(Local entropy)를 일정 수준 이하로 보정하는 강도 불균일성 보정 단계, 표준 뇌 템플릿과 정합하는 ICBM152 템플릿에 대한 선형 등록 단계 및 MR 영상의 해마 영역을 패치 기반으로 오른쪽 21개, 왼쪽 21개로 영역 세분화하는 패치 기반의 해마 영역 세분화 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.In addition, the image processing step of the present invention is an intensity non-uniformity correction step of correcting the local entropy (Local Entropy bicubic Spline Models)-based local entropy (LEMS) of the MR image to a certain level or less, and the standard brain It may include a linear registration step for the ICBM152 template matching the template and a patch-based hippocampal region segmentation step of segmenting the hippocampus region of the MR image into 21 right and 21 left regions based on a patch.

또한, 본 발명의 상기 특성 추출 단계는 분할된 해마 영상을 이용한 부피 및 표면에 대한 형태학적 특성 추출 단계와 GLCM(Gray-Level Co-occurrence Matrix) 방법과 가버필터(Gabor Filter) 방법을 사용하는 질감특성 추출 단계를 수행하는 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the feature extraction step of the present invention includes the step of extracting morphological features for the volume and surface using the divided hippocampal image, and the texture using the Gray-Level Co-occurrence Matrix (GLCM) method and the Gabor Filter method. It may be characterized by comprising performing a feature extraction step.

또한, 본 발명의 상기 특성 선택 단계는 용량(Volume), 면적(Area), 합계 평균(Sum Average), 클러스터 셰이드(Cluster Shade), 클러스터 경향(Cluster Tendency) 및 이미지의 지역 에너지(Local Energy)의 6가지 특징을 선정하는 피셔 상관 계수 분석 단계와 상기 6가지 특징에 대하여 가버 질감분석(Gabor texture analysis), 형태학적 해마(hippocampus morphometric), 2D 및 3D 회색수준 동시발생 행렬식(GLCM)의 3 가지 유형을 사용하여 MR 영상으로부터 식별된 특징을 분류하는 특징 집합 분류 단계로 이루어질 수 있다.In addition, the characteristic selection step of the present invention includes the volume, area, sum average, cluster shade, cluster tendency, and local energy of the image. Fisher's correlation coefficient analysis step for selecting six features and three types of Gabor texture analysis, hippocampus morphometric, and 2D and 3D gray level co-occurrence determinants (GLCM) for the six features. It may consist of a feature set classification step of classifying the features identified from the MR image using.

또한, 본 발명의 상기 결과 분석 단계는 기계학습(Machine Learning)의 일종인 지도 학습(Supervised Learning) 기반의 서포트벡터머신(SVM)을 이용하여 그룹 간의 차이점을 훈련하고, 가버 질감분석(Gabor texture analysis), 형태학적 해마(hippocampus morphometric), 2D 및 3D 회색수준 동시발생 행렬식(GLCM)의 3 가지 유형에 대하여 분류 정확도를 측정하는 과정인 것을 특징으로 할 수 있다.In addition, the result analysis step of the present invention trains differences between groups by using a supervised learning-based support vector machine (SVM), a kind of machine learning, and Gabor texture analysis. ), a morphological hippocampus (hippocampus morphometric), and a 2D and 3D gray level co-occurrence determinant (GLCM).

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 MR 영상 기반 알츠하이머병 분류 장치에 있어서, 자기공명영상(MRI, Magnetic Resonance Imaging) 스캔 이미지를 획득하는 MR 이미지 획득부; 상기 MR 이미지에 대한 잡음 제거, 비균질성 보정과 명암 표준화 및 패치 기반의 해마 영역 세분화를 수행하는 이미지 처리부; 분할된 해마 영상에 대하여 체적요소기반 형태학적 특성 추출과 GLCM(Gray-Level Co-occurrence Matrix)과 가버필터(Gabor Filter)를 사용하는 질감특성 추출을 수행하는 특성 추출부; 상기 특성 추출 단계에서 추출되어진 형태학적 특성 및 질감 특성 벡터로부터 추출된 특징 벡터로부터 피셔판별분석(Fisher discriminant analysis)을 통해 일정 개수의 특징 집합을 선정하는 특성 선택부; 및 서포트벡터머신(SVM)을 이용하여 알츠하이머병(AD), 경도인지장애(MCI) 및 정상인(NC) 그룹간의 분류 정확도를 측정하는 결과 분석부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 할 수있다.In an MR image-based Alzheimer's disease classification apparatus according to another aspect of the present invention for solving the above technical problem, an MR image acquisition unit for acquiring a magnetic resonance imaging (MRI) scan image; An image processing unit that performs noise removal, non-homogeneity correction, contrast normalization, and patch-based hippocampal region segmentation for the MR image; A feature extraction unit that extracts morphological features based on volume elements and texture features using a gray-level co-occurrence matrix (GLCM) and a Gabor filter for the divided hippocampal image; A feature selector for selecting a predetermined number of feature sets from feature vectors extracted from morphological features and texture feature vectors extracted in the feature extraction step through Fisher discriminant analysis; And a result analysis unit measuring classification accuracy between Alzheimer's disease (AD), mild cognitive impairment (MCI) and normal people (NC) groups using a support vector machine (SVM).

전술한 다중 특성 융합을 기반으로 하는 알츠하이머병 분류 방법을 사용하면, 3DGLCM에서 질감 특성과 형태학적 특성에서 독립적으로 특징을 추출하고, 이들을 조합하여 특징을 선택함으로써, 개선된 성능을 갖는 알츠하이머병 분류 방법을 제공하는 것이 가능하다.Alzheimer's disease classification method with improved performance by independently extracting features from texture features and morphological features in 3DGLCM and selecting features by combining them with the above-described method of classifying Alzheimer's disease based on multi-property fusion. It is possible to provide.

본 발명에 의하면, 알고리즘에서 전체 뇌 데이터 대신 패치(Patch) 기반 질감분석 시스템을 추가로 사용함으로써, 패치기반 전략에 따른 해마 주변에만 초점을 맞추어 분류를 진행할 수 있고, 그에 의해 해마와 알츠하이머성 치매(AD: Alzheimer’s Disease) 및 경도 인지장애(MCI: Mild Cognitive Impairment) 사이의 그룹간 차이에 따른 서로 다른 특성치를 효과적으로 선택할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, by additionally using a patch-based texture analysis system instead of the whole brain data in the algorithm, classification can be performed by focusing only around the hippocampus according to the patch-based strategy, whereby the hippocampus and Alzheimer's dementia ( AD: Alzheimer's Disease) and Mild Cognitive Impairment (MCI) have the advantage of being able to effectively select different trait values according to the differences between groups.

또한, 본 발명에 의하면, MRI 영상에서 추출한 해마 영역에 대한 형태학적 특성과 2D와 3D에서의 질감특성을 결합하고 이를 기계 학습 기법을 사용하여 AD, MCI 및 정상인(NC)을 분류함에 따라 AD 진단에서 해마 검출 및 분석을 위한 과정에서 높은 정확도를 획득할 수 있는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, AD diagnosis by combining the morphological characteristics of the hippocampal region extracted from the MRI image and the texture characteristics in 2D and 3D, and classifying AD, MCI, and normal person (NC) using a machine learning technique. In the process for hippocampal detection and analysis, it has the effect of obtaining high accuracy.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 특성 융합을 기반으로 하는 알츠하이머병 분류 방법의 흐름도이고.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 LEMS를 사용하여 영상의 불균일 보정을 수행한 보정된 영상을 보여주는 예시도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 MR 이미지에 대한 전처리 단계를 보여주는 예시도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 5-배 교차검증의 AD-NC 분류 성능분류 예시도,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 5-배 교차검증의 MCI-NC 성능분류 예시도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 5-배 교차검증의 AD-MCI 성능분류를 보여주는 예시도이고,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 특성 융합을 기반으로 하는 알츠하이머병 분류 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
1 is a flowchart of a method for classifying Alzheimer's disease based on multi-characteristic fusion according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exemplary view showing a corrected image obtained by performing image non-uniformity correction using LEMS according to an embodiment of the present invention.
3 is an exemplary diagram showing a pre-processing step for an MR image according to an embodiment of the present invention,
4 is an exemplary diagram of AD-NC classification performance classification of 5-fold cross-validation according to an embodiment of the present invention;
5 is an exemplary diagram of MCI-NC performance classification of 5-fold cross-validation according to an embodiment of the present invention;
6 is an exemplary diagram showing the AD-MCI performance classification of 5-fold cross-validation according to an embodiment of the present invention,
7 is a block diagram showing the configuration of an Alzheimer's disease classification apparatus based on multi-characteristic fusion according to an embodiment of the present invention.

본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 용어가 동일하더라도 표시하는 부분이 상이하면 도면 부호가 일치하지 않음을 미리 말해두는 바이다.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. Even if the terms are the same, if the displayed parts are different, the reference numerals do not coincide.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 실험자 및 측정자와 같은 조작자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, terms to be described later are terms set in consideration of functions in the present invention, and since they may vary according to the intention or custom of operators such as experimenters and measurers, their definitions should be made based on the contents throughout the present specification.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.The terms used in the present specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 실질적으로 동일한 의미를 나타내는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having substantially the same meaning as the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in this application, interpreted as an ideal or excessively formal meaning. It doesn't.

또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

이에 본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Accordingly, in the present invention, various transformations may be applied and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it should be understood to include all conversions, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 특성 융합을 기반으로 하는 알츠하이머병 분류 방법의 흐름도이다.1 is a flow chart of a method for classifying Alzheimer's disease based on multi-characteristic fusion according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 알츠하이머병 분류 방법은 MR 이미지 획득 단계(S100), 이미지 처리 단계(S200), 특성 추출 단계(S300), 특성 선택 단계(S400) 및 결과 분석 단계(S500)를 포함하여 이루어질 수 있다.Referring to Figure 1, the Alzheimer's disease classification method of the present invention includes an MR image acquisition step (S100), an image processing step (S200), a feature extraction step (S300), a feature selection step (S400), and a result analysis step (S500). It can be made including.

MR 이미지 단계(S100)에서는, 자기공명영상(MRI, Magnetic Resonance Imaging) 스캔 이미지(이하 'MR 이미지'라고도 한다)를 획득한다. 본 단계(S100)는 별도의 스캔 장치나 데이터베이스로부터 입력되는 MR 이미지를 사용하는 경우에 MR 이미지를 수신하는 단계에 대응하거나, 생략될 수 있다.In the MR imaging step S100, a magnetic resonance imaging (MRI) scan image (hereinafter, also referred to as “MR image”) is acquired. This step S100 corresponds to the step of receiving the MR image or may be omitted when using an MR image input from a separate scanning device or a database.

이미지 처리 단계(S200)는, MR 이미지에 대한 잡음 제거, 비균질성 보정과 명암 표준화, 패치 기반 세분화 및 해마 영역 세분화를 수행한다.In the image processing step S200, noise removal, non-homogeneity correction and contrast normalization, patch-based segmentation, and hippocampal region segmentation are performed on the MR image.

특성 추출 단계(S300)는, 이미지 처리 단계에서 분할된 해마 영상에 대하여 체적요소기반 형태학적 특성 추출 및 GLCM(Gray-Level Co-occurrence Matrix)과 가버필터(Gabor Filter)를 사용하는 질감 특성 추출을 수행한다.In the feature extraction step (S300), volume factor-based morphological features are extracted from the hippocampus image divided in the image processing step, and texture features are extracted using a gray-level co-occurrence matrix (GLCM) and a Gabor filter. Perform.

특성 선택 단계(S400)는, 특성 추출 단계에서 추출되는 형태학적 특성 및 질감 특성의 특징 벡터로부터 일정 개수의 특징 집합을 선정하고 분류한다.In the feature selection step S400, a predetermined number of feature sets are selected and classified from feature vectors of morphological features and texture features extracted in the feature extraction step.

결과 분석 단계(S500)는, 기계학습(Machine Learning)을 이용하여 알츠하이머병(AD), 경도인지장애(MCI) 및 정상인(NC) 그룹간의 차이점을 계산하고 분류 정확도를 측정한다.In the result analysis step (S500), differences between Alzheimer's disease (AD), mild cognitive impairment (MCI) and normal people (NC) groups are calculated using machine learning, and classification accuracy is measured.

전술환 다중 특성 융합을 기반으로 하는 알츠하이머병 분류 방법을 좀더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.A more detailed description of the Alzheimer's disease classification method based on multi-characteristic fusion is as follows.

먼저 본 발명에서 사용된 데이터는 알츠하이머병 신경영상진찰 데이터베이스 (ADNI: Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative Database)를 사용하였다.First, the data used in the present invention was the Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative Database (ADNI).

모든 피험자는 인터뷰와 종합적인 인지 평가로 구성된 프로토콜을 수행하였으며, 평가에는 신체검사, MRI 뇌 스캔 및 혈액 검사가 포함되었다. All subjects performed a protocol consisting of an interview and a comprehensive cognitive evaluation, and the evaluation included a physical examination, an MRI brain scan, and a blood test.

또한, 피험자 데이터베이스에서 무작위로 참가자를 선정하였다. 모든 대상자는 60세 이상이며, 신경 학자, 방사선 의사 및 정신과 의사에 의해 AD, MCI 및 NC 범주로 주관적으로 분류되었다. 최종 피험자는 ADNI-1 데이터베이스에서 150명을 선정했으며, 본 발명에서 사용된 피험자의 세부 사항은 아래의 표 1과 같다. 표 1은 본 발명에서의 피험자에 대한 정보를 나타내는 테이블이다.In addition, participants were randomly selected from the subject database. All subjects were aged 60 or older and were subjectively classified into AD, MCI and NC categories by neurologists, radiologists and psychiatrists. 150 final subjects were selected from the ADNI-1 database, and details of the subjects used in the present invention are shown in Table 1 below. Table 1 is a table showing information on a subject in the present invention.

ADAD MCIMCI NCNC Sample sizeSample size 5050 5050 5050 Age(years, mean ±SD)Age(years, mean ±SD) 71.3 ± 2.971.3 ± 2.9 69.5 ± 3.069.5 ± 3.0 69.5 ± 3.069.5 ± 3.0 Gender(Male: Female)Gender(Male: Female) 25:2525:25 22:2822:28 25/2525/25

본 발명의 상기 MR 이미지 획득 단계(S100)는 자기공명영상(MRI, Magnetic Resonance Imaging) 스캔 이미지를 획득하는 단계이다. 이는 상기 ADNI-1 데이터베이스에서 선정한 피험자 150명에 대한 MR 스캔 이미지로서, TE/TI/TR(2.98/ 900/2300㎳)의 1.5 테슬라(Tesla)이며, T1-스캐너를 사용하여 수행되었고, 슬라이스 두께는 1.2㎜이며, 행, 열 및 슬라이스의 크기는 각각 256 × 256 × 166이다. 복셀 크기는 1.0 × 1.0 × 1.2㎣이다.The MR image acquisition step (S100) of the present invention is a step of acquiring a magnetic resonance imaging (MRI) scan image. This is an MR scan image of 150 subjects selected from the ADNI-1 database, 1.5 Tesla of TE/TI/TR (2.98/900/2300 ms), and was performed using a T1-scanner, and slice thickness Is 1.2 mm, and the size of rows, columns and slices is 256 × 256 × 166, respectively. The voxel size is 1.0 × 1.0 × 1.2 mm 3.

상기 이미지 처리 단계(S200)는 영상의 노이즈 제거 및 강도 불균일성 보정 단계(S210), ICBM152 템플릿 정합 단계, 패치 기반 세분화 단계(S220) 및 해마 영역 세분화 단계(S230)를 포함하여 이루어지는 MR 이미지에 대한 전처리 단계이다.The image processing step (S200) is a pre-processing of the MR image, which includes a noise removal and intensity non-uniformity correction step (S210), an ICBM152 template matching step, a patch-based segmentation step (S220), and a hippocampal region segmentation step (S230). Step.

상기 노이즈 제거 및 강도 불균일성 보정 단계(S210)는 영상의 노이즈 제거 및 비균질성 불균일을 보정하는 단계로서, 모든 MR 이미지에 대하여 ICBM(The International Consortium for Brain Mapping) 152 템플릿(1×1×1 mm³)에 대한 비균질성 및 정합성을 위해 쌍입체 스플라인(Local Entropy bicubic Spline Models, LEMS) 기반의 지역엔트로피(Local entropy)를 최소화하는 전처리 과정일 수 있다.The noise removal and intensity non-uniformity correction step (S210) is a step of removing noise and correcting non-uniformity in an image, and the International Consortium for Brain Mapping (ICBM) 152 template (1×1×1 mm³) for all MR images It may be a pretreatment process that minimizes local entropy based on Local Entropy bicubic Spline Models (LEMS) for inhomogeneity and consistency.

패치 기반 세분화 단계(S220)는 MR 이미지를 기설정 패치에 기반하여 세분화한다. 그리고 해마 영역 세분화 단계(S230)는 MR 이미지 내 해마 영역을 세분화하는 단계로서, 형태학적 분석과 형태학적 특성 추출을 위한 이미지 처리 단계로서 수행될 수 있다.In the patch-based segmentation step (S220), the MR image is segmented based on a preset patch. In addition, the hippocampal region subdividing step S230 is a step of subdividing the hippocampal region in the MR image, and may be performed as an image processing step for morphological analysis and morphological feature extraction.

이후의 단계들의 상세 구성에 대하여는 도 2 내지 도 6을 참조하여 후술하기로 한다.Detailed configuration of the subsequent steps will be described later with reference to FIGS. 2 to 6.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 상기 LEMS를 사용하여 영상의 불균일 보정을 수행한 보정된 영상을 보여주는 예시도로서, (a)는 원영상, (b)는 불균일한 영상, (c)는 불균일 보정된 영상을 보여주고 있다.FIG. 2 is an exemplary view showing a corrected image obtained by performing image non-uniformity correction using the LEMS according to an embodiment of the present invention, where (a) is an original image, (b) is a non-uniform image, and (c) Shows the unevenly corrected image.

이후 MNI-ICBM152 템플릿 정합 단계는 피험자의 영상을 MNI(Montreal Neurological Institute), 국제뇌지도협회(ICBM: The International Consortium for Brain Mapping)의 152명의 표준 뇌 템플릿과 정합하는 단계이다.Subsequently, the MNI-ICBM152 template matching step is a step of matching the subject's image with the standard brain templates of 152 people of the Montreal Neurological Institute (MNI) and The International Consortium for Brain Mapping (ICBM).

추가적으로 상기 MR 영상에서 관심 대상을 분할하기 전에 다른 영상과의 명암을 표준화하는 단계를 수행할 수 있다.Additionally, before dividing the object of interest in the MR image, a step of normalizing the contrast with other images may be performed.

이후 상기 패치 기반의 해마 영역 세분화 단계(S220)는 MR 영상에서 42개(오른쪽: 21개, 왼쪽: 21 개)의 해마 영역을 패치 기반으로 분할하는 단계이다.Thereafter, the patch-based hippocampal region segmentation step (S220) is a step of dividing 42 hippocampal regions (right: 21, left: 21) in the MR image based on a patch.

본 발명에서의 패치 내의 모든 픽셀은 질감분석에 사용되며, 왼쪽 및 오른쪽 해마의 기하학적 영역은 수동으로 설정될 수 있다.All pixels in the patch in the present invention are used for texture analysis, and the geometric regions of the left and right hippocampus can be set manually.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 MR 이미지에 대한 전처리 단계를 보여주는 예시도로서, 해마 패치 분할에 사용되는 전처리 워크 플로우를 나타내고 있다.3 is an exemplary diagram showing a pre-processing step for an MR image according to an embodiment of the present invention, and shows a pre-processing workflow used for segmenting a hippocampal patch.

본 실시예에서 특성 추출 단계(S300)는 분할된 해마 영상을 이용한 부피 및 표면에 대한 형태학적 특성 추출 단계(S310)와 GLCM(Gray-Level Co-occurrence Matrix) 방법과 가버필터(Gabor Filter) 방법을 사용하는 질감특성 추출 단계(S320)를 포함할 수 있다.In the present embodiment, the feature extraction step (S300) includes a volume and surface morphological feature extraction step (S310) using a segmented hippocampal image, a gray-level co-occurrence matrix (GLCM) method, and a Gabor filter method. It may include a texture feature extraction step (S320) using.

형태학적 특성 추출 단계(S310)는 패치 기반의 해마 영역 세분화단계(S230)에서 분할된 해마 영상에서의 부피 및 표면에 대한 특성치를 추출하는 단계이다. 형태학적 특성 추출 단계(S320)에서는 형태학적 분석 단계(S310)를 통해 분할된 해마 영상에 대하여 체적요소기반 형태학적측정(VBM: Voxel-Based Morphometry) 기술을 이용하여 형태학적 특성을 추출한다.The morphological feature extraction step (S310) is a step of extracting characteristic values for the volume and surface of the hippocampal image segmented in the patch-based hippocampal region segmentation step (S230). In the morphological feature extraction step (S320), the morphological features are extracted from the hippocampus image segmented through the morphological analysis step (S310) using a volume factor-based morphological measurement (VBM) technology.

체적요소기반 형태학적측정(VBM)은 국소적인 뇌의 변형을 통계적으로 측정하여 3차원 공간에 투영하는 뇌영상 형태 측정 기술로서, 체적요소 기반의 형태학은 뇌의 의료 영상 분야에서 매우 실용적이며, 본 발명에서도 관심영역에 대한 형태학분석을 실시하여 특성 값을 획득하는데 이용된다.Volume factor-based morphological measurement (VBM) is a brain image morphology measurement technology that statistically measures local brain deformation and projects it into a three-dimensional space, and volume factor-based morphology is very practical in the field of brain medical imaging. In the invention, it is also used to obtain characteristic values by performing morphological analysis on the region of interest.

이러한 관심 영역(ROI) 기반의 해마 데이터 분석을 통해 볼륨, 표면 형태 분석 및 조직 두께와 같은 구조적 특성과 같은 유용한 정보를 획득할 수 있으며, 장점으로는 각 모델에 대한 지점간 분석이 가능하다.Through this ROI-based hippocampal data analysis, useful information such as volume, surface shape analysis, and structural characteristics such as tissue thickness can be obtained, and as an advantage, point-to-point analysis for each model is possible.

GLCM(Gray-Level Co-occurrence Matrix) 질감특성 분석 방법과 가버 질감분석(Gabor texture analysis)을 사용하는 질감특성 추출 단계(S340)는 질감 분석 단계(S330)에서 분석된 패치 내의 모든 픽셀에 대하여 MR 영상의 질감적 특성을 추출할 수 있다.In the GLCM (Gray-Level Co-occurrence Matrix) texture characteristic analysis method and the texture characteristic extraction step (S340) using Gabor texture analysis, MR for all pixels in the patch analyzed in the texture analysis step (S330). You can extract the texture characteristics of the image.

GLCM은 회색수준 동시발생 행렬식 또는 명암도 동시발생 행렬이라고도 하며, 상기 가버필터(Gabor Filter)와 회색수준 동시발생 행렬식은 널리 사용되는 질감특성 추출방법 중의 하나이다.The GLCM is also referred to as a gray level co-occurrence determinant or a contrast co-occurrence matrix, and the Gabor filter and the gray level co-occurrence determinant are one of widely used texture feature extraction methods.

GLCM 질감특성 분석 방법을 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.The GLCM texture characteristic analysis method will be described in more detail as follows.

먼저, GLCM 질감특성 분석 방법은 회색수준의 공간적 의존성을 기반으로 하는 질감 분석 방법으로서, 픽셀 간 거리와 픽셀 간 방향을 매개변수로 사용하여, 영상에 대한 질감행렬식을 생성하는 것이다.First, the GLCM texture characteristic analysis method is a texture analysis method based on the spatial dependence of the gray level, and generates a texture matrix expression for an image by using the distance between pixels and the direction between pixels as parameters.

이때 2D 질감특성은 각 슬라이스의 모든 픽셀을 사용하여 계산된다.At this time, the 2D texture characteristics are calculated using all the pixels of each slice.

한편, 3D 볼륨 데이터를 2D 슬라이스로 처리하면 슬라이스 간 정보가 무시되어 데이터 손실 가능성이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위한 3D 질감분석을 적용하였다. 이는 기존의 행렬식 기반 알고리즘을 3D로 확장하는 단순함에도 불구하고, 이러한 접근 방식은 상당히 개선된 결과를 보일 수 있다. On the other hand, if 3D volume data is processed as a 2D slice, information between slices is ignored and there is a possibility of data loss. 3D texture analysis was applied to solve this problem. Despite the simplicity of extending the existing determinant-based algorithm to 3D, this approach can show significantly improved results.

2DGLCM은 데이터 집합의 각 슬라이스 픽셀의 공간 종속성을 고려하는 반면 3DGLCM은 여러 슬라이스에 걸쳐 존재하는 개체 볼륨에 대한 체적요소 데이터의 3D 공간 종속성을 정량화한다.2DGLCM considers the spatial dependence of each slice pixel in the data set, while 3DGLCM quantifies the 3D spatial dependence of volumetric element data on the volume of entities that exist across multiple slices.

3DGLCM은 n×n×m으로 나타낼 수 있으며, n은 회색수준(그레이 레벨 또는 명암 레벨)이고, m은 슬라이스의 수를 나타낸다.3DGLCM can be expressed as n×n×m, where n is the gray level (gray level or light and dark level), and m is the number of slices.

본 발명의 GLCM 계산에는 픽셀 간의 방향과 거리를 매개변수로 설정할 수 있다.In the GLCM calculation of the present invention, a direction and a distance between pixels may be set as parameters.

또한, 기존의 2DGLCM에서는 총 8개 방향을 사용하였으나, 본 발명에서는 중복을 피하기 위해 0°, 45°, 90°, 135°의 4개 방향으로 GLCM을 적용하여 획득한 질감특성을 계산하고 이를 정규화 하였다. 3DGLCM에서도 총 26개 방향을 계산할 수 있으나, 중복 계산을 방지하기 위해 13개 방향을 사용할 수 있다. In addition, in the existing 2DGLCM, a total of 8 directions were used, but in the present invention, texture characteristics obtained by applying GLCM in 4 directions of 0°, 45°, 90°, and 135° are calculated and normalized to avoid overlapping. I did. A total of 26 directions can be calculated in 3DGLCM, but 13 directions can be used to prevent redundant calculations.

이에 각 데이터 집합에 대해 매트릭스를 계산한 다음 평균을 계산하여 새로운 행렬식을 생성할 수 있다. 이를 기반으로 하여 2DGLCM과 3DGLCM에서 각 19개의 GLCM 질감특성을 추출할 수 있다.Accordingly, a new determinant can be generated by calculating a matrix for each data set and then calculating the average. Based on this, 19 GLCM texture characteristics can be extracted from 2DGLCM and 3DGLCM.

가버 질감분석은 1946년 가버(Gabor)에 의해 개발되었으며 가장 잘 알려진 질감분석 방법 중 하나인 가버필터(Gabor Filter)를 이용하여 질감특성을 분석하는 것을 지칭한다. 가버필터는 기본적으로 복잡한 사인파에 의해 변조된 가우스 함수이며, 이미지의 도메인이 가진 특징을 추출하는 데 사용된다. 또한, 가버필터는 여러 차원의 공간 및 주파수 영역에서 수행될 수 있다. 가버필터는 공간 및 주파수 영역에서 최적의 공동위치를 파악하는데 이용될 수 있다.Gabor texture analysis was developed by Gabor in 1946 and refers to the analysis of texture characteristics using the Gabor Filter, one of the most well-known texture analysis methods. Gabor filter is basically a Gaussian function modulated by a complex sine wave, and is used to extract features of the domain of an image. In addition, the Gabor filter can be performed in the spatial and frequency domains of several dimensions. The Gabor filter can be used to determine the optimal joint position in the spatial and frequency domains.

본 발명에서는 서로 다른 주파수와 방향을 가진 2D 가버 필터를 사용하여 질감특성을 추출할 수 있다. 이때, 가버필터는 이미지를 다른 비율과 방향으로 구성 요소로 분해할 수 있다. 이를 통해 본 실시예의 시스템에서는 공간 위치, 방향 선택, 공간 주파수에 따른 시각적 특징을 포착할 수 있다.In the present invention, texture characteristics may be extracted using 2D Gabor filters having different frequencies and directions. In this case, the Gabor filter may decompose the image into constituent elements in different proportions and directions. Through this, in the system of the present embodiment, visual characteristics according to spatial position, direction selection, and spatial frequency can be captured.

즉, 본 실시예에서 MR 영상은 여러 개의 가버필터로 필터링되며, 특징 벡터는 응답의 절댓값으로 구성될 수 있다.That is, in this embodiment, the MR image is filtered by a plurality of Gabor filters, and the feature vector may be composed of an absolute value of the response.

이를 정리하면 주어진 이미지를 (x, y)라고 하면, 2D 가버필터 뱅크는 다음과 같이 수학식 1로 정의될 수 있다.In summary, if the given image is (x, y), the 2D Gabor filter bank can be defined by Equation 1 as follows.

Figure pat00001
Figure pat00001

수학식 1에서,

Figure pat00002
는 담체(carrier)라고 불리는 복잡한 형태의 사인곡선이고,
Figure pat00003
는 엔베로프로 불리며 2-D 가우시안 형태의 함수이다. 여기서 2D 가버필터는 주파수 및 방향의 복잡한 사인파에 의해 변조된 가우스 함수로 구성되며, 다음과 같이 수학식 2로 계산될 수 있다.In Equation 1,
Figure pat00002
Is a complex sinusoidal curve called a carrier,
Figure pat00003
Is called an envelope and is a 2-D Gaussian form of function. Here, the 2D Gabor filter is composed of a Gaussian function modulated by a complex sine wave of frequency and direction, and can be calculated by Equation 2 as follows.

Figure pat00004
Figure pat00004

수학식 2에서 ωx0, ωy0는 x및 y 방향의 중심 주파수로서, 필터는 이 주파수에서 가장 큰 응답을 생성하는 것(center frequency in the x and y directions. The filter produces the largest response at this frequency)이고, σ2 x 및 σ2 y는 x와 y 방향에서 가우스 함수의 표준 편차(standard deviation of the Gaussian function in the x and y directions)이고. x, y는 영상에서의 화소의 위치(position of a pixel in the image)이다.In Equation 2, ω x0 and ω y0 are center frequencies in the x and y directions, and the filter produces the largest response at this frequency (center frequency in the x and y directions. ), and σ 2 x and σ 2 y are the standard deviation of the Gaussian function in the x and y directions. x and y are the position of a pixel in the image.

본 발명에서는 상기 가버필터에 몇 개의 매개 변수를 정의했다. L=8로 설정하였으며, 여기서 L은 방향의 수를 말한다. 또한 회전 대역폭은

Figure pat00005
과 같이 정의할 수 있으며,
Figure pat00006
이 된다. 실험에서 사용된 θ 값은
Figure pat00007
이며 중심 주파수 i 는 다음과 같이 수학식 3으로 정의될 수 있다.In the present invention, several parameters are defined for the Gabor filter. It was set as L=8, where L is the number of directions. Also, the rotation bandwidth is
Figure pat00005
Can be defined as
Figure pat00006
Becomes. The θ value used in the experiment is
Figure pat00007
And the center frequency i can be defined by Equation 3 as follows.

Figure pat00008
Figure pat00008

이때 입력 영상의 크기는 96×96이며, 각 데이터 집합에는 서로 다른 4개의 방향과 4개의 주파수를 적용하여 총 16개의 가버필터를 적용하였다. 마지막으로 진폭의 지역 에너지, 평균 진폭 및 분산은 각 필터에 의해 추출된 질감특성으로 계산된다. 특성치는 이미지의 지역에너지 스펙트럼의 집중 경향 및 이산적인 분포를 반영하고 있다.At this time, the size of the input image is 96×96, and a total of 16 Gabor filters are applied to each data set by applying four different directions and four frequencies. Finally, the local energy, average amplitude, and variance of the amplitude are calculated as the texture characteristics extracted by each filter. The characteristic values reflect the concentration tendency and discrete distribution of the local energy spectrum of the image.

이러한 상기 가버필터는 다양한 주파수 및 방향을 사용하여 영상이 가진 특징을 추출하는 것이 가능하며, 최적의 공동공간과 주파수 해상도를 사용할 수 있는 장점이 있다.The Gabor filter can extract features of an image using various frequencies and directions, and has an advantage of using an optimal cavity space and frequency resolution.

상기 특성 선택 단계(S400)는 상기 GLCM 질감특성 분석과 상기 가버필터 질감특성 분석에서 추출된 특징 벡터로부터 최적의 특징을 선택하기 위하여 피셔판별분석(Fisher discriminant analysis)을 통해 일정 개수의 특징 집합을 선정하는 단계이다.In the feature selection step (S400), a certain number of feature sets are selected through Fisher discriminant analysis in order to select an optimal feature from feature vectors extracted from the GLCM texture feature analysis and the Gabor filter texture feature analysis. This is the step.

이러한 상기 특성 선택 단계를 취하는 이유는 일반적으로 형태학적 특성과 질감 특성의 선형 조합은 분류에 있어 효과적이지 않을 수 있으며, 관련성, 중복 여부가 검증되지 않을 수 있다. 따라서 모든 특징 벡터로부터 최적의 특징을 선택하기 위한 별도의 기준이 필요하기 때문이다.The reason for taking such a characteristic selection step is that in general, a linear combination of morphological characteristics and texture characteristics may not be effective in classification, and relevance and redundancy may not be verified. Therefore, it is because a separate criterion for selecting an optimal feature from all feature vectors is required.

이때 상기 특성 선택 단계는 피셔 상관 계수 분석 단계(S410)와 특징 집합 분류 단계(S420)로 이루어질 수 있다.In this case, the feature selection step may include a Fisher correlation coefficient analysis step (S410) and a feature set classification step (S420).

먼저 상기 피셔 상관 계수 분석 단계(S410)는 형태학적 특성과 질감 특성의 선형 조합은 분류에 있어 데이터 복잡성을 줄이고, 관련 없는 데이터와 중복되는 데이터를 제거하기 위하여 피셔판별분석(Fisher discriminant analysis) 방법을 통해 적절한 수의 특성을 선정하는 단계이다.First, in the Fisher correlation coefficient analysis step (S410), a Fisher discriminant analysis method is used in order to reduce data complexity in classification, and to remove redundant data with irrelevant data in the linear combination of morphological characteristics and texture characteristics. This is the step of selecting an appropriate number of characteristics.

그러므로 데이터의 중복과 복잡성으로 인해 모든 계산된 특성을 사용하지 않고, 다변량 분석에 널리 사용되는 피셔판별분석(Fisher discriminant analysis)을 통해 적절한 수의 특성을 선정하여 실험을 수행할 수 있는 것이다.Therefore, due to the duplication and complexity of data, it is possible to perform an experiment by selecting an appropriate number of characteristics through Fisher discriminant analysis, which is widely used in multivariate analysis, without using all the calculated characteristics.

하기의 수학식 4는 상기 피셔판별분석(Fisher discriminant analysis) 접근 방법에 따른 피셔 계수(Fisher coefficient)를 계산하는 식으로서, 본 발명에서는 마쯔다(MaZda)의 자동화된 특성선택 방식을 기반으로 하여 피셔 계수(Fisher coefficient) 분석을 하였다.Equation 4 below is an equation for calculating the Fisher coefficient according to the Fisher discriminant analysis approach, and in the present invention, the Fisher coefficient is based on the automated feature selection method of MaZda. (Fisher coefficient) was analyzed.

Figure pat00009
Figure pat00009

수학식 4에서, F는 Fisher 계수, D는 클래스간 분산, V는 클래스 내부의 분산,

Figure pat00010
Figure pat00011
는 클래스 i 의 평균 및 분산,
Figure pat00012
는 클래스 i 의 확률을 뜻한다.In Equation 4, F is the Fisher coefficient, D is the variance between classes, V is the variance inside the class,
Figure pat00010
And
Figure pat00011
Is the mean and variance of class i,
Figure pat00012
Means the probability of class i.

본 실시예에서는 상기의 마쯔다 프로그램을 통해 피셔 계수(Fisher coefficient)에 따른 6 가지 특징을 선택할 수 있다. 6가지 특징(Features)은 용량(Volume), 면적(Area), 합계 평균(Sum Average), 클러스터 셰이드(Cluster Shade), 클러스터 경향(Cluster Tendency) 및 이미지의 지역 에너지(Local Energy)로 분류될 수 있다.In this embodiment, six characteristics according to Fisher coefficient can be selected through the Mazda program. The six features can be classified as Volume, Area, Sum Average, Cluster Shade, Cluster Tendency, and Local Energy of the image. have.

또한, 최적 특징 집합 분류 단계(S420)는 상기 피셔 상관 계수 분석 단계(S410)를 통하여 선택된 6가지 특징에 대하여 가버 질감분석(Gabor texture analysis), 형태학적 해마(hippocampus morphometric), 2D 및 3D 회색수준 동시발생 행렬식(GLCM)의 3 가지 유형을 사용하여 MR 영상으로부터 식별된 특징을 분류하는 단계이다. GM은 가버 질감분석(Gabor texture analysis) + 형태학적 해마(hippocampus morphometric) 분석의 결합을 의미할 수 있다.In addition, the optimal feature set classification step (S420) includes Gabor texture analysis, hippocampus morphometric, and 2D and 3D gray levels for the six features selected through the Fisher correlation coefficient analysis step (S410). This is the step of classifying the features identified from MR images using three types of co-occurrence determinants (GLCM). GM can mean a combination of Gabor texture analysis + hippocampus morphometric analysis.

아래의 표 2는 상기 3 가지 유형의 각 범주에 대하여 상기 6가지 특징에 따른 계산된 해마 특징을 보여주는 예시도이다.Table 2 below is an exemplary diagram showing calculated hippocampal features according to the six features for each of the three types of categories.

3DGLCM + Gabor + Morphometric features (3DGLCM+GM)3DGLCM + Gabor + Morphometric features (3DGLCM+GM) FeaturesFeatures ADAD MCIMCI NCNC Volume (cm3)Volume (cm 3 ) 5.13 ±0.445.13 ±0.44 5.36 ±0.305.36 ±0.30 5.48 ±0.285.48 ±0.28 Area (cm2)Area (cm 2 ) 24.82 ±1.2224.82 ±1.22 26.55 ±1.5426.55 ±1.54 26.85 ±1.5526.85 ±1.55 Sum AverageSum Average 50.35 ±5.5950.35 ±5.59 50.22 ±4.3050.22 ±4.30 49.92 ±4.4949.92 ±4.49 Cluster ShadeCluster Shade 2.76×105±0.53×104 2.76×10 5 ±0.53×10 4 2.63×105±0.47×104 2.63×10 5 ±0.47×10 4 2.59×105±0.43×104 2.59×10 5 ±0.43×10 4 Cluster TendencyCluster Tendency 5.96×108±0.32×108 5.96×10 8 ±0.32×10 8 5.45×108±0.35×108 5.45×10 8 ±0.35×10 8 5.33×108±0.29×108 5.33×10 8 ±0.29×10 8 Local EnergyLocal Energy 5.78×105±0.26×105 5.78×10 5 ±0.26×10 5 6.19×105±0.18×105 6.19×10 5 ±0.18×10 5 6.41×105±0.32×105 6.41×10 5 ±0.32×10 5 2DGLCM + Gabor + Morphometric features (2DGLCM+GM)2DGLCM + Gabor + Morphometric features (2DGLCM+GM) Volume (cm3)Volume (cm 3 ) 5.13 ±0.445.13 ±0.44 5.36 ±0.305.36 ±0.30 5.48 ±0.285.48 ±0.28 Area (cm2)Area (cm 2 ) 24.82 ±1.2224.82 ±1.22 26.55 ±1.5426.55 ±1.54 26.85 ±1.5526.85 ±1.55 Sum AverageSum Average 51.16 ±4.9451.16 ±4.94 49.85 ±4.5549.85 ±4.55 48.32 ±4.6148.32 ±4.61 Cluster ShadeCluster Shade 2.43×105±0.49×105 2.43×10 5 ±0.49×10 5 2.37×105±0.38×105 2.37×10 5 ±0.38×10 5 2.35×105±0.37×105 2.35×10 5 ±0.37×10 5 Cluster TendencyCluster Tendency 5.65×108±0.28×108 5.65×10 8 ±0.28×10 8 5.25×108±0.21×108 5.25×10 8 ±0.21×10 8 5.03×108±0.19×108 5.03×10 8 ±0.19×10 8 Local EnergyLocal Energy 4.98×105±0.26×105 4.98×10 5 ±0.26×10 5 5.55×105±0.18×105 5.55×10 5 ±0.18×10 5 6.13×105±0.32×105 6.13×10 5 ±0.32×10 5

여기서 3DGLCM은 3D 회색수준 동시발생 행렬식(3-Dimensional Gray Level Co-occurrence Matrix)이고, 2DGLCM은 2D 회색수준 동시발생 행렬식(2-Dimensional Gray Level Co-occurrence Matrix)이다.Here, 3DGLCM is a 3-Dimensional Gray Level Co-occurrence Matrix, and 2DGLCM is a 2-Dimensional Gray Level Co-occurrence Matrix.

상기 결과 분석 단계(S500)는 지도학습 기반의 분류 방법 중 하나인 서포트 벡터 머신(Support vector classification, SVM)을 이용하여 분류할 그룹 간의 차이점을 훈련하는 과정을 수행하는 단계이다.The result analysis step (S500) is a step of training differences between groups to be classified using a support vector classification (SVM), which is one of the supervised learning-based classification methods.

본 발명에서는 C-SVM(서포트 벡터 머신(SVM)의 변형인 C-SVM)과 선형 및 비선형 방사형기본커널(radial basis kernel)을 사용했으며, 상기 커널은 매트랩(Matlab) 'libsvm' 툴박스(Toolbox)를 사용하여 구현될 수 있다.In the present invention, C-SVM (a variant of the support vector machine (SVM)) and a linear and non-linear radial basis kernel were used, and the kernel was Matlab's'libsvm' toolbox. It can be implemented using

또한, 본 발명은 알츠하이머병(AD: Alzheimer’s Disease), 경도인지장애(MCI: Mild Cognitive Impairment) 및 정상인(NC: Normal Control)의 피험자 분류를 위해 가버필터를 사용한 2DGLCM 및 3DGLCM을 계산하고, 형태학 특성과 결합하여 질감특성을 구성할 수 있다. 여기서, 150개의 데이터 중 75개의 데이터는 훈련 데이터로 사용되고 75개의 데이터는 검증 데이터로 사용될 수 있다.In addition, the present invention calculates 2DGLCM and 3DGLCM using a Gabor filter for classifying subjects of Alzheimer's Disease (AD), Mild Cognitive Impairment (MCI) and Normal Control (NC), and morphological characteristics It can be combined with to compose texture characteristics. Here, 75 of the 150 data may be used as training data and 75 data may be used as verification data.

아래의 표 3은 2DGLCM 및 GM 특징을 사용하여 AD, MCI 및 NC 그룹의 비선형 SVM 분류 행렬이고, 표 4는 3DGLCM 및 GM 특징을 이용한 AD, MCI 및 NC 그룹의 비선형 SVM 분류행렬을 보여주는 예시도이다.Table 3 below is a nonlinear SVM classification matrix of AD, MCI and NC groups using 2DGLCM and GM features, and Table 4 is an exemplary diagram showing nonlinear SVM classification matrix of AD, MCI and NC groups using 3DGLCM and GM features. .

ADAD MCIMCI NCNC TotalTotal Accuracy (%)Accuracy (%) ADAD 1919 44 22 2525 76.0076.00 MCIMCI 44 1717 44 2525 68.0068.00 NCNC 1One 33 2020 2525 80.0080.00 Total/AverageTotal/Average 2424 2424 2626 7575 74.6774.67

ADAD MCIMCI NCNC TotalTotal Accuracy (%)Accuracy (%) ADAD 2020 33 22 2525 80.0080.00 MCIMCI 33 1919 33 2525 76.0076.00 NCNC 22 33 2020 2525 80.0080.00 Total/AverageTotal/Average 2525 2525 2525 7575 78.6778.67

상기 표 3과 표 4에 따르면 2DGLCM과 3DGLCM의 질감특성을 가버 및 형태학적 특성으로 결합하여 사용하였을 때 74.67 %와 78.67 %의 분류 정확도가 달성됨을 알 수 있다. 결과로는 3DGLCM 방법이 2DGLCM 방법에 비해 더 우수한 분류 정확도를 제공하는 것으로 나타났다.According to Tables 3 and 4, it can be seen that when the texture characteristics of 2DGLCM and 3DGLCM are combined with Gabor and morphological characteristics, classification accuracy of 74.67% and 78.67% is achieved. As a result, it was found that the 3DGLCM method provides better classification accuracy than the 2DGLCM method.

또한, 이진분류를 통하여 진정 긍정(TP: True Positive), 진정 부정(TN: True Negative) 거짓 긍정(FP: False Positive) 및 거짓 부정(FN: False Negative)의 네 가지 항목을 계산할 수 있으며, 이를 통해 다음의 5가지 지표를 계산할 수 있다.In addition, through binary classification, four items can be calculated: True Positive (TP), True Negative (TN), False Positive (FP), and False Negative (FN). Through this, the following five indicators can be calculated.

(I)

Figure pat00013
(I)
Figure pat00013

(Ⅱ)

Figure pat00014
(Ⅱ)
Figure pat00014

(Ⅲ)

Figure pat00015
(Ⅲ)
Figure pat00015

(Ⅳ)

Figure pat00016
(Ⅳ)
Figure pat00016

(Ⅴ)

Figure pat00017
(Ⅴ)
Figure pat00017

위의 5가지 지표는 정확도(Accuracy), 민감도(Sensitivity), 특성치(Specificity), 긍정적인 예측치(Positive predictive value), 부정적인 예측치(Negative predictive value)로 볼 수 있다.The above five indicators can be viewed as accuracy, sensitivity, specificity, positive predictive value, and negative predictive value.

아래의 표 5는 본 발명의 실시예에 따른 2DGLCM과 GM의 결합 방법 및 3DGLCM과 GM의 결합 방법의 분류에 대한 5가지 지표의 성능평가를 보여주는 예시도이다.Table 5 below is an exemplary view showing the performance evaluation of five indicators for the classification of the combining method of 2DGLCM and GM and the combining method of 3DGLCM and GM according to an embodiment of the present invention.

MethodsMethods AD-NC (%)AD-NC (%) ACCACC SENSEN SPECSPEC PPVPPV NPVNPV 2DGLCM+GM2DGLCM+GM 81.05 ± 1.3481.05 ± 1.34 83.33 ± 2.1583.33 ± 2.15 80.95 ± 1.5280.95 ± 1.52 78.95 ± 1.3478.95 ± 1.34 85.00 ± 1.4285.00 ± 1.42 3DGLCM+GM3DGLCM+GM 86.61 ± 1.2586.61 ± 1.25 84.21 ± 1.4284.21 ± 1.42 85.00 ± 1.2485.00 ± 1.24 84.21 ± 2.0884.21 ± 2.08 85.00 ± 1.1485.00 ± 1.14 MCI-NC (%)MCI-NC (%) 2DGLCM+GM2DGLCM+GM 76.92 ± 1.2776.92 ± 1.27 77.78 ± 1.3177.78 ± 1.31 76.19 ± 1.4276.19 ± 1.42 73.68 ± 1.1873.68 ± 1.18 80.00 ± 1.3280.00 ± 1.32 3DGLCM+GM3DGLCM+GM 82.05 ± 1.2682.05 ± 1.26 83.33 ± 1.4283.33 ± 1.42 80.95 ± 1.3680.95 ± 1.36 78.94 ± 1.0478.94 ± 1.04 85.00 ± 1.1685.00 ± 1.16 AD-MCI (%)AD-MCI (%) 2DGLCM+GM2DGLCM+GM 76.31 ± 2.1876.31 ± 2.18 75.00 ± 1.3475.00 ± 1.34 77.78 ± 1.2677.78 ± 1.26 78.95 ± 1.1478.95 ± 1.14 73.68 ± 1.0473.68 ± 1.04 3DGLCM+GM3DGLCM+GM 78.95 ± 2.3678.95 ± 2.36 76.19 ± 1.8476.19 ± 1.84 82.35 ± 1.3482.35 ± 1.34 84.21 ± 1.6284.21 ± 1.62 73.68 ± 1.4873.68 ± 1.48

표 5를 참조하면, 5-배 교차검증을 통해 3DGLCM과 GM 방법을 함께 사용할 경우, 정확도(Accuracy) 측면에서 86.61 %의 분류 정확도를 달성했음을 알 수 있다.Referring to Table 5, it can be seen that when 3DGLCM and GM methods are used together through 5-fold cross-validation, a classification accuracy of 86.61% was achieved in terms of accuracy.

본 실시예에서는 데이터 집합을 다섯 분류로 분할하여 5-배 교차검증(5-fold cross validation)을 실시하였으며, 10회 실행으로 얻은 정확도(accuracies), 민감도(sensitivities), 특수성(specificities), 긍정적인 예측(positive predictive), 부정적인 예측(negative predictive)은 도 4 내지 도 6과 같다.In this example, the data set was divided into five classifications and 5-fold cross validation was performed, and accuracy, sensitivity, specificities, and positive results obtained from 10 runs were performed. Positive predictive and negative predictive are as shown in FIGS. 4 to 6.

도 4는 5-배 교차검증의 AD-NC 분류 성능분류, 도 5는 5-배 교차검증의 MCI-NC 성능분류 및 도 6은 5-배 교차검증의 AD-MCI 성능분류를 보여주는 예시도로서, 상기 도 4 내지 도 6은 2DGLCM+GM과 3DGLCM+GM을 활용하여 AD-NC, MCI-NC, AD-MCI의 분류하였을 때의 성능을 비교하여 보여 주고 있음을 알 수 있다.Figure 4 is a 5-fold cross-validation AD-NC classification performance classification, Figure 5 is a 5-fold cross-validation MCI-NC performance classification and Figure 6 is an exemplary diagram showing the AD-MCI performance classification of 5-fold cross-validation , It can be seen that FIGS. 4 to 6 compare and show the performance when classified AD-NC, MCI-NC, and AD-MCI using 2DGLCM+GM and 3DGLCM+GM.

예를 들어 도 4를 참조하며, 확인된 AD 대비 NC(Confirmed AD versus NC) 그룹은 2DGLCM+GM 교차검증 방법을 사용한 결과 83.00%에서 80.00% 사이의 정확도를 보이는 분류가 수행되었다. 또한, 83.33±2.15%의 민감도 및 80.95±1.52%의 특수성으로 획득하였으며, 81.05±1.34%의 평균 정확도를 달성했다. 3DGLCM+GM 방법에서도 동일한 데이터 집합을 사용하여 분류했다. 그 결과 AD와 NC 그룹은 교차검증 방법을 통해 88.50%에서 84.00% 사이의 범주로 올바르게 분류되었고, 86.61±1.25%의 평균 정확도, 84.21±1.42%의 민감도, 85.00±1.24%의 특수성을 달성했습니다. 3DGLCM+GM 방법은 분류 정확도 측면에서 2-GLCM+GM 방법보다 우수한 것으로 관찰됨을 알 수 있다.For example, referring to FIG. 4, the confirmed AD versus NC (NC) group was classified showing an accuracy between 83.00% and 80.00% as a result of using the 2DGLCM+GM cross-validation method. In addition, it was obtained with a sensitivity of 83.33±2.15% and a specificity of 80.95±1.52%, and an average accuracy of 81.05±1.34% was achieved. The 3DGLCM+GM method was also classified using the same data set. As a result, AD and NC groups were correctly classified into categories between 88.50% and 84.00% by cross-validation method, achieving an average accuracy of 86.61±1.25%, sensitivity of 84.21±1.42%, and specificity of 85.00±1.24%. It can be seen that the 3DGLCM+GM method is observed to be superior to the 2-GLCM+GM method in terms of classification accuracy.

도 5를 참조하면 확인된 MCI 대비 NC(Confirmed MCI versus NC) 그룹의 피험자는 각각 2DGLCM+GM 교차검증 방법으로 78.0%~73.0% 사이의 정확도로 올바르게 분류되었다. 77.78±1.31%의 민감도와 76.19±1.42%의 특수성으로 평균 정확도 76.92±1.27%를 달성했다. 3DGLCM+GM 방법을 사용하여 동일한 데이터 집합을 분류하였다. 그 결과 MCI와 NC 그룹은 교차검증 방법을 사용하여 각각 평균 80.00%와 74.00%의 추정치를 가진 적절한 진단 범주로 올바르게 분류되었다. 82.05±1.26%의 평균 정확도를 달성했고, 그에 상응하는 83.33±1.42%의 민감도와 80.95±1.36%의 특수성을 얻었다. MCI-NC 분류 결과는 3DGLCM+GM이 2DGLCM+GM 방법에 비해 방법이 우수한 것으로 관찰됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 5, the subjects of the confirmed MCI versus NC (Confirmed MCI versus NC) group were correctly classified with an accuracy between 78.0% and 73.0% by the 2DGLCM+GM cross-validation method, respectively. With a sensitivity of 77.78±1.31% and a specificity of 76.19±1.42%, the average accuracy was 76.92±1.27%. The same data set was classified using the 3DGLCM+GM method. As a result, the MCI and NC groups were correctly classified into appropriate diagnostic categories with an average estimate of 80.00% and 74.00%, respectively, using a cross-validation method. An average accuracy of 82.05±1.26% was achieved, with a corresponding sensitivity of 83.33±1.42% and a specificity of 80.95±1.36%. The MCI-NC classification results show that 3DGLCM+GM is superior to the 2DGLCM+GM method.

도 6에 따르면 확인된 AD 대비 MCI(Confirmed AD versus MCI) 그룹의 피험자는 2DGLCM+GM의 교차검증 방법을 사용에서는 76.40%에서 72.00% 사이의 정확도로 올바르게 분류되었다. 75.00±1.34%의 민감도와 77.78±1.26%의 특수성 얻었으며 76.31±2.18%의 평균 정확도를 달성했다. 3DGLCM+GM 방법을 사용하여 동일한 데이터 집합을 분류했다. 그 결과 AD와 MCI 그룹은 교차검증 방법을 통해 78.20%에서 75.60% 사이의 범주로 올바르게 분류되었다. 여기서 민감도는 76.19±1.84%이며, 특수성은 82.35±1.34%으로 나타났다. 평균 정확도는 78.95±2.36%를 달성했다. 3DGLCM+GM 방법은 MCI-AD의 분류에 있어서도2DGLCM+GM 방법이 비해 더 정확도를 획득하여 우수하다는 것이 증명됨을 알 수 있다.According to FIG. 6, subjects in the confirmed AD versus MCI (Confirmed AD versus MCI) group were correctly classified with an accuracy between 76.40% and 72.00% when using the 2DGLCM+GM cross-validation method. A sensitivity of 75.00±1.34% and a specificity of 77.78±1.26% were obtained, and an average accuracy of 76.31±2.18% was achieved. The same data set was classified using the 3DGLCM+GM method. As a result, AD and MCI groups were correctly classified into categories between 78.20% and 75.60% by cross-validation method. Here, the sensitivity was 76.19±1.84%, and the specificity was 82.35±1.34%. The average accuracy achieved 78.95±2.36%. It can be seen that the 3DGLCM+GM method acquires more accuracy than the 2DGLCM+GM method and is proven to be superior in the classification of MCI-AD.

본 발명에서와 같이 가버 질감분석(Gabor texture analysis), 형태학적 해마(hippocampus morphometric), 2D 및 3D 회색수준 동시발생 행렬식(GLCM)의 3 가지 유형을 사용하는 다중특성을 결합하여 사용한 접근법은 정확도면에서 종래의 기술보다 뛰어남을 알 수 있으며, 정확도는 모든 배수행의 평균값으로 계산되었고, 분류 성능은 5 배로 모두 수행되었다.As in the present invention, the approach used by combining multiple characteristics using three types of Gabor texture analysis, hippocampus morphometric, and 2D and 3D gray level co-occurrence determinants (GLCM) It can be seen that it is superior to the conventional technique, and the accuracy was calculated as the average value of all multiple rows, and the classification performance was all performed five times.

결과적으로 종래의 기술에서는 질감특성이나 형태학적 특성만을 사용하도록 제한하였지만, 본 발명에서와 같이 질감특성들과 형태학적 특성들을 결합하여 사용할 경우 더 높은 정확도를 획득할 수 있다는 것을 알 수 있다.As a result, in the prior art, only the texture characteristics or morphological characteristics are limited to use, but it can be seen that higher accuracy can be obtained when the texture characteristics and morphological characteristics are combined and used as in the present invention.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 MR 영상 기반 알츠하이머병 분류 장치를 나타내는 구성도이다.7 is a block diagram illustrating an apparatus for classifying Alzheimer's disease based on an MR image according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면 본 발명의 MR 영상 기반 알츠하이머병 분류 장치(100)는 제어부(110a) 및 저장부(110b)를 포함하고, 제어부(110a)에 탑재되는 MR 이미지 획득부(110), 이미지 처리부(120), 특성 추출부(130, 특성 선택부(140) 및 결과 분석부(150)를 구비할 수 있다. MR 이미지 획득부(110), 이미지 처리부(120), 특성 추출부(130, 특성 선택부(140) 및 결과 분석부(150)는 프로그램 또는 소프트웨어 모듈 형태로 저장부(110b)에 저장되고, 제어부(110a)에 의해 해당 모듈의 기능이 수행될 수 있다.Referring to FIG. 7, the apparatus 100 for classifying Alzheimer's disease based on an MR image of the present invention includes a control unit 110a and a storage unit 110b, and an MR image acquisition unit 110 and an image processing unit mounted on the control unit 110a. 120, a characteristic extraction unit 130, a characteristic selection unit 140, and a result analysis unit 150. MR image acquisition unit 110, image processing unit 120, characteristic extraction unit 130, characteristic The selection unit 140 and the result analysis unit 150 are stored in the storage unit 110b in the form of a program or software module, and functions of the corresponding module may be performed by the control unit 110a.

MR 이미지 획득부(110)는 자기공명영상 스캔 이미지를 획득하는 것으로서, ADNI-1 데이터베이스에서 선정한 피험자에 대한 MR 스캔 이미지를 수신하고 이를 저장할 수 있는 장치이다.The MR image acquisition unit 110 acquires a magnetic resonance image scan image, and is a device capable of receiving and storing an MR scan image of a subject selected from the ADNI-1 database.

이미지 처리부(120)는 MR 이미지에 대한 잡음 제거, 비균질성 보정과 명암 표준화 및 패치 기반의 해마 영역 세분화를 수행하는 장치로서, 영상의 노이즈 제거 및 강도 불균일성 보정 모듈, ICBM152 템플릿 정합 모듈 및 패치 기반의 해마 영역 세분화 모듈을 포함하는 워크 플로우를 실행할 수 있다.The image processing unit 120 is a device that removes noise, corrects inhomogeneity, standardizes contrast, and subdivides a patch-based hippocampus region for an MR image. You can run a workflow that includes a region segmentation module.

특성 추출부(130)는 분할된 해마 영상에 대하여 체적요소기반 형태학적 특성 추출과 GLCM(Gray-Level Co-occurrence Matrix)과 가버필터(Gabor Filter)를 사용하는 질감특성 추출을 수행하는 것으로서, 형태학적 특성 추출 모듈과 질감특성 추출 모듈을 구비할 수 있으며, 이를 상호 연동하여 계산하고 특징을 추출하는 프로그램 환경을 포함할 수 있다.The feature extraction unit 130 performs volume factor-based morphological feature extraction on the divided hippocampal image and texture feature extraction using a gray-level co-occurrence matrix (GLCM) and a Gabor filter. A structural feature extraction module and a texture feature extraction module may be provided, and a program environment for calculating and extracting features may be included in interworking with them.

특성 선택부(140)는 상기 특성 추출부에서 추출된 형태학적 특성 및 질감 특성 벡터로부터 추출된 특징 벡터로부터 피셔 판별분석(Fisher discriminant analysis)을 통해 일정 개수의 특징 집합을 선정하는 기능을 수행한다. The feature selection unit 140 selects a certain number of feature sets through Fisher discriminant analysis from feature vectors extracted from morphological features and texture feature vectors extracted from the feature extraction section.

결과 분석부(150)는 알츠하이머병(AD), 경도인지장애(MCI) 및 정상인(NC) 그룹간의 분류 정확도를 측정하기 위한 기능을 수행한다. 상기 결과 분석부는 지도학습 기반의 분류 방법 중 하나인 서포트벡터머신(SVM)을 이용할 수 있는데, 본 발명에서는 서포트 벡터 머신(SVM)의 변형인 C-SVM과 선형 및 비선형 방사형기본커널(radial basis kernel)을 사용했으며, 상기 커널은 매트랩(Matlab) 'libsvm' Toolbox 프로그램을 사용하여 구현될 수 있다.The result analysis unit 150 performs a function of measuring the classification accuracy between groups of Alzheimer's disease (AD), mild cognitive impairment (MCI), and normal people (NC). The result analysis unit may use a support vector machine (SVM), which is one of the supervised learning-based classification methods.In the present invention, the C-SVM, which is a variant of the support vector machine (SVM), and a linear and nonlinear radial basis kernel ), and the kernel can be implemented by using the Matlab'libsvm' Toolbox program.

또한, 본 실시예의 알츠하이머병 분류 장치(100)는 마이크로 컨트롤러 장치나 중앙처리 장치(CPU)를 갖는 컴퓨터 시스템 환경에서 본 발명을 위하여 처리되는 프로그램 및 메모리와 입출력 수단 및 디스플레이부(160)를 통하여 구현될 수 있다.In addition, the Alzheimer's disease classification apparatus 100 of the present embodiment is implemented through programs and memory, input/output means, and display unit 160 processed for the present invention in a computer system environment having a microcontroller device or a central processing unit (CPU). Can be.

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

이 논문은 2015년도 정보(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (2015-059319)This thesis is a basic research project conducted with the support of the National Research Foundation of Korea as a source of information (Ministry of Education) in 2015 (2015-059319)

Claims (6)

알츠하이머병 분류 방법에 있어서,
자기공명영상(MRI, Magnetic Resonance Imaging) 스캔 이미지를 획득하는 MR 이미지 획득 단계;
상기 MR 이미지에 대한 잡음 제거, 비균질성 보정과 명암 표준화 및 패치 기반의 해마 영역 세분화를 수행하는 이미지 처리 단계;
상기 이미지 처리 단계에서 분할된 해마 영상에 대하여 체적요소기반 형태학적 특성 추출 및 GLCM(Gray-Level Co-occurrence Matrix)과 가버필터(Gabor Filter)를 사용하는 질감 특성 추출을 수행하는 특성 추출 단계;
상기 특성 추출 단계에서 추출되는 형태학적 특성 및 질감 특성의 특징 벡터로부터 일정 개수의 특징 집합을 선정하고 분류하는 특성 선택 단계; 및
기계학습(Machine Learning)을 이용하여 알츠하이머병(AD), 경도인지장애(MCI) 및 정상인(NC) 그룹간의 차이점을 계산하고 분류 정확도를 측정하는 결과 분석 단계;를 포함하는 다중 특성 융합을 기반으로 하는 알츠하이머병 분류 방법.
In the Alzheimer's disease classification method,
MR image acquisition step of obtaining a magnetic resonance imaging (MRI) scan image;
An image processing step of performing noise removal, non-homogeneity correction, contrast normalization, and patch-based hippocampal region segmentation on the MR image;
A feature extraction step of performing volume factor-based morphological feature extraction and texture feature extraction using a gray-level co-occurrence matrix (GLCM) and a Gabor filter on the hippocampal image segmented in the image processing step;
A feature selection step of selecting and classifying a predetermined number of feature sets from feature vectors of morphological and texture features extracted in the feature extraction step; And
Based on multi-feature fusion including a result analysis step of calculating differences between Alzheimer's disease (AD), mild cognitive impairment (MCI) and normal people (NC) groups using machine learning and measuring classification accuracy. How to classify Alzheimer's disease.
청구항 1에 있어서,
상기 이미지 처리 단계는,
MR 이미지의 노이즈 제거 및 쌍입체 스플라인(LEMS: Local Entropy bicubic Spline Models) 기반의 지역엔트로피(Local entropy)를 일정 수준 이하로 보정하는 강도 불균일성 보정 단계와,
표준 뇌 템플릿과 정합하는 ICBM152 템플릿에 대한 선형 등록 단계와,
MR 이미지의 해마 영역을 패치 기반으로 오른쪽 21개, 왼쪽 21개로 영역 세분화하는 패치 기반의 해마 영역 세분화 단계를 포함하는 다중 특성 융합을 기반으로 하는 알츠하이머병 분류 방법.
The method according to claim 1,
The image processing step,
Intensity non-uniformity correction step of removing noise of MR images and correcting local entropy based on LEMS (Local Entropy bicubic Spline Models) below a certain level,
A linear registration step for the ICBM152 template that matches the standard brain template,
Alzheimer's disease classification method based on multi-characteristic fusion including a patch-based hippocampal region segmentation step of segmenting the hippocampus region of the MR image into 21 right and 21 left regions based on a patch.
청구항 1에 있어서,
상기 특성 추출 단계는, 분할된 해마 영상을 이용한 부피 및 표면에 대한 형태학적 특성 추출 단계와, GLCM(Gray-Level Co-occurrence Matrix) 방법과 가버필터를 사용하는 질감 특성 추출 단계를 포함하는 다중 특성 융합을 기반으로 하는 알츠하이머병 분류 방법.
The method according to claim 1,
The feature extraction step includes a step of extracting morphological features for a volume and a surface using a divided hippocampal image, and a step of extracting a texture feature using a Gray-Level Co-occurrence Matrix (GLCM) method and a Gabor filter. Alzheimer's disease classification method based on fusion.
청구항 1에 있어서,
상기 특성 선택 단계는,
용량(Volume), 면적(Area), 합계 평균(Sum Average), 클러스터 셰이드(Cluster Shade), 클러스터 경향(Cluster Tendency) 및 이미지의 지역 에너지(Local Energy)의 6가지 특징을 선정하는 피셔 상관 계수 분석 단계와,
상기 6가지 특징에 대하여 가버 질감분석(Gabor texture analysis), 형태학적 해마(hippocampus morphometric), 2D 및 3D 회색수준 동시발생 행렬식(GLCM)의 3 가지 유형을 사용하여 MR 영상으로부터 식별된 특징을 분류하는 특징 집합 분류 단계를 포함하는 다중 특성 융합을 기반으로 하는 알츠하이머병 분류 방법.
The method according to claim 1,
The characteristic selection step,
Fisher's correlation coefficient analysis to select six characteristics of Volume, Area, Sum Average, Cluster Shade, Cluster Tendency, and Local Energy of the image Step and,
For the above six features, three types of Gabor texture analysis, hippocampus morphometric, and 2D and 3D gray level co-occurrence determinants (GLCM) are used to classify features identified from MR images. Alzheimer's disease classification method based on multiple feature fusion comprising a feature set classification step.
청구항 1에 있어서,
상기 결과 분석 단계는, 기계학습(Machine Learning) 또는 지도 학습(Supervised Learning) 기반의 서포트벡터머신(SVM)을 이용하여 상기 그룹 간의 차이점을 계산하고, 가버 질감분석(Gabor texture analysis), 형태학적 해마(hippocampus morphometric), 2D 및 3D 회색수준 동시발생 행렬식(GLCM)의 3 가지 유형에 대하여 분류 정확도를 측정하는 다중 특성 융합을 기반으로 하는 알츠하이머병 분류 방법.
The method according to claim 1,
In the result analysis step, differences between the groups are calculated using a support vector machine (SVM) based on machine learning or supervised learning, and Gabor texture analysis, morphological hippocampus Alzheimer's disease classification method based on multi-feature fusion that measures classification accuracy for three types of (hippocampus morphometric), 2D and 3D gray level co-occurrence determinants (GLCM).
MR 영상 기반 알츠하이머병 분류 장치에 있어서,
자기공명영상(MRI, Magnetic Resonance Imaging) 스캔 이미지를 획득하는 MR 이미지 획득부;
상기 MR 이미지에 대한 잡음 제거, 비균질성 보정과 명암 표준화 및 패치 기반의 해마 영역 세분화를 수행하는 이미지 처리부;
분할된 해마 영상에 대하여 체적요소기반 형태학적 특성 추출과 GLCM(Gray-Level Co-occurrence Matrix)과 가버필터(Gabor Filter)를 사용하는 질감특성 추출을 수행하는 특성 추출부;
상기 특성 추출 단계에서 추출되는 형태학적 특성 및 질감 특성 벡터로부터 추출된 특징 벡터로부터 피셔판별분석(Fisher discriminant analysis)을 통해 일정 개수의 특징 집합을 선정하는 특성 선택부; 및
서포트벡터머신(SVM)을 이용하여 알츠하이머병(AD), 경도인지장애(MCI) 및 정상인(NC) 그룹간의 분류 정확도를 측정하는 결과 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 특성 융합을 기반으로 하는 알츠하이머병 분류 장치.
In the Alzheimer's disease classification apparatus based on MR image,
An MR image acquisition unit that acquires a magnetic resonance imaging (MRI) scan image;
An image processor for removing noise, correcting non-homogeneity, normalizing contrast, and subdividing a hippocampus region based on a patch on the MR image;
A feature extraction unit that extracts morphological features based on volume elements and texture features using a gray-level co-occurrence matrix (GLCM) and a Gabor filter for the divided hippocampal image;
A feature selector for selecting a certain number of feature sets from feature vectors extracted from morphological features and texture feature vectors extracted in the feature extraction step through Fisher discriminant analysis; And
Alzheimer's based on multi-characteristic fusion, characterized in that it includes a result analyzer that measures the classification accuracy between Alzheimer's disease (AD), mild cognitive impairment (MCI) and normal people (NC) groups using a support vector machine (SVM). Bottle sorting device.
KR1020190048135A 2019-04-25 2019-04-25 Alzheimer's disease classification based on multi-feature fusion KR102373988B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190048135A KR102373988B1 (en) 2019-04-25 2019-04-25 Alzheimer's disease classification based on multi-feature fusion

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190048135A KR102373988B1 (en) 2019-04-25 2019-04-25 Alzheimer's disease classification based on multi-feature fusion

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200124827A true KR20200124827A (en) 2020-11-04
KR102373988B1 KR102373988B1 (en) 2022-03-15

Family

ID=73571224

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190048135A KR102373988B1 (en) 2019-04-25 2019-04-25 Alzheimer's disease classification based on multi-feature fusion

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102373988B1 (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112767471A (en) * 2021-01-04 2021-05-07 湖南大学 Tire ground contact area measuring method and device based on image feature extraction
KR20220069195A (en) * 2020-11-19 2022-05-27 주식회사 테렌즈 3d convolutional neural network for detection of alzheimer's disease
CN115239682A (en) * 2022-08-03 2022-10-25 国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司 Cable line external damage prevention monitoring and alarming method and system
DE112021005006T5 (en) 2020-09-25 2023-07-27 Hl Mando Corporation VEHICLE BRAKE SYSTEM
CN117349714A (en) * 2023-12-06 2024-01-05 中南大学 Classification method, system, equipment and medium for medical image of Alzheimer disease
CN118044785A (en) * 2024-01-10 2024-05-17 山东宝德龙健身器材有限公司 Multi-mode-based Alzheimer's disease feature fusion analysis method and terminal

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102684225B1 (en) 2022-07-28 2024-07-11 조선대학교산학협력단 Providing method of diagnostic information on alzheimer's disease using high order dynamic functional connectivity

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101623431B1 (en) * 2015-08-06 2016-05-23 주식회사 루닛 Pathological diagnosis classifying apparatus for medical image and pathological diagnosis system using the same
KR20160140233A (en) * 2015-05-29 2016-12-07 조선대학교산학협력단 Alzheimer's disease prediction method
KR20180078033A (en) * 2016-12-29 2018-07-09 사회복지법인 삼성생명공익재단 Method and apparatus for deciding Alzheimer's disease based on machine learning
KR20180082817A (en) * 2017-01-11 2018-07-19 서울여자대학교 산학협력단 Automated prostate cancer detection and localization in the peripheral zone of the prostate in multi-parametric mr images

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160140233A (en) * 2015-05-29 2016-12-07 조선대학교산학협력단 Alzheimer's disease prediction method
KR101623431B1 (en) * 2015-08-06 2016-05-23 주식회사 루닛 Pathological diagnosis classifying apparatus for medical image and pathological diagnosis system using the same
KR20180078033A (en) * 2016-12-29 2018-07-09 사회복지법인 삼성생명공익재단 Method and apparatus for deciding Alzheimer's disease based on machine learning
KR20180082817A (en) * 2017-01-11 2018-07-19 서울여자대학교 산학협력단 Automated prostate cancer detection and localization in the peripheral zone of the prostate in multi-parametric mr images

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Hong Xia et al., Int. Conf. Biomedical Eng. Biotech.(2012) 1부.* *

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112021005006T5 (en) 2020-09-25 2023-07-27 Hl Mando Corporation VEHICLE BRAKE SYSTEM
KR20220069195A (en) * 2020-11-19 2022-05-27 주식회사 테렌즈 3d convolutional neural network for detection of alzheimer's disease
CN112767471A (en) * 2021-01-04 2021-05-07 湖南大学 Tire ground contact area measuring method and device based on image feature extraction
CN112767471B (en) * 2021-01-04 2024-03-29 湖南大学 Tire ground contact area measuring method and device based on image feature extraction
CN115239682A (en) * 2022-08-03 2022-10-25 国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司 Cable line external damage prevention monitoring and alarming method and system
CN115239682B (en) * 2022-08-03 2024-01-30 国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司 Cable line external damage prevention monitoring and alarming method and system
CN117349714A (en) * 2023-12-06 2024-01-05 中南大学 Classification method, system, equipment and medium for medical image of Alzheimer disease
CN117349714B (en) * 2023-12-06 2024-02-13 中南大学 Classification method, system, equipment and medium for medical image of Alzheimer disease
CN118044785A (en) * 2024-01-10 2024-05-17 山东宝德龙健身器材有限公司 Multi-mode-based Alzheimer's disease feature fusion analysis method and terminal

Also Published As

Publication number Publication date
KR102373988B1 (en) 2022-03-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102373988B1 (en) Alzheimer's disease classification based on multi-feature fusion
Shoeibi et al. Applications of deep learning techniques for automated multiple sclerosis detection using magnetic resonance imaging: A review
Celebi et al. Dermoscopy image analysis: overview and future directions
Gao et al. A deep learning based approach to classification of CT brain images
Balakrishnan et al. Automatic segmentation of white matter hyperintensities from brain magnetic resonance images in the era of deep learning and big data–a systematic review
Choi et al. Convolutional neural network-based MR image analysis for Alzheimer’s disease classification
Xu et al. Computer-aided classification of interstitial lung diseases via MDCT: 3D adaptive multiple feature method (3D AMFM)
Raja'S et al. Labeling of lumbar discs using both pixel-and object-level features with a two-level probabilistic model
Zhang et al. A three-dimensional fractal analysis method for quantifying white matter structure in human brain
Kar et al. Retinal vessel segmentation using multi-scale residual convolutional neural network (MSR-Net) combined with generative adversarial networks
WO2011040473A1 (en) Method, device and program for medical image processing
Moran et al. Using super-resolution generative adversarial network models and transfer learning to obtain high resolution digital periapical radiographs
Klein et al. Early diagnosis of dementia based on intersubject whole-brain dissimilarities
Madusanka et al. Alzheimer's Disease classification based on multi-feature fusion
Park et al. Dimensionality reduced cortical features and their use in the classification of Alzheimer's disease and mild cognitive impairment
Chyzhyk et al. Feature extraction from structural MRI images based on VBM: data from OASIS database
Im et al. Reliable identification of deep sulcal pits: the effects of scan session, scanner, and surface extraction tool
Kwon et al. PGGAN-based anomaly classification on chest x-ray using weighted multi-scale similarity
Logithasan et al. Using machine learning to automatically measure axial vertebral rotation on radiographs in adolescents with idiopathic scoliosis
Farouk et al. Statistical features and voxel-based morphometry for alzheimer's disease classification
CN113243914A (en) Brain image-based assessment method and neuropsychiatric disease assessment system
EP3624058A1 (en) Method and system of analyzing symmetry from image data
David et al. Towards automated enhancement, segmentation and classification of digital brain images using networks of networks
Xu et al. Systematic differences between perceptually relevant image statistics of brain MRI and natural images
KR102373992B1 (en) Method and apparatut for alzheimer's disease classification using texture features

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant