KR20210135682A - Apparatus and Method for Analyzing Image Distinguishing Boundary Portion of Cardiac Chamber Image - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 영상 분석 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인공 신경망을 이용하여 3D MRI 영상에서 심장 챔버의 객체를 인식하고, 좌심방과 좌심실의 경계 영역을 구분하여 3D 모델을 형성하는 심장 챔버 영상의 경계를 구분하는 영상 분석 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an image analysis apparatus, and more particularly, to a cardiac chamber image boundary that recognizes an object of a heart chamber in a 3D MRI image using an artificial neural network, and forms a 3D model by dividing a boundary region between a left atrium and a left ventricle It relates to an image analysis apparatus and method for discriminating.
3D 심장 자기 공명 영상 장치(Cardiac Magnetic Resonance Imaging)는 선천성 심장 결함, 좌심실 비대 및 좌심방 비대 등과 같은 심장 질환 진단에 널리 사용된다. 이것은 심장 해부학을 검사하는 비침습적 기술 중 하나이다.3D Cardiac Magnetic Resonance Imaging is widely used to diagnose heart diseases such as congenital heart defects, left ventricular hypertrophy and left atrial hypertrophy. It is one of the non-invasive techniques for examining cardiac anatomy.
심장 이미징은 심실 빈맥, 심방 세동과 같은 다양한 심혈관 질환 및 이상 진단에 중요한 역할을 한다.Cardiac imaging plays an important role in the diagnosis of various cardiovascular diseases and abnormalities, such as ventricular tachycardia and atrial fibrillation.
이러한 의료 이미징 기술은 혈관 내 초음파, 2D 및 3D 심장 MRI에 있다. 3D 심장 MRI는 의사가 읽거나 해석하기 위해서 영상 분할이 필요하며, 원시 3D MRI를 이해하고 분류하기 위해서 특정 기술 및 의료 교육이 필요하다.These medical imaging technologies include intravascular ultrasound, 2D and 3D cardiac MRI. 3D cardiac MRI requires image segmentation for doctors to read or interpret, and specific technical and medical training is required to understand and classify raw 3D MRI.
즉, 3D MRI에서 영상을 분할하는 작업은 의사의 능력에 따라 좌우되기 때문에 대상 해부학을 식별하고, 검사 및 진단을 수행하는데 시간이 걸리며, 영상 분석에 에러가 발생할 가능성도 존재한다.In other words, since the image segmentation operation in 3D MRI depends on the ability of a doctor, it takes time to identify the target anatomy, perform an examination and diagnosis, and there is a possibility that an error may occur in image analysis.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 인공 신경망을 이용하여 3D MRI 영상에서 심장 챔버의 객체를 인식하고, 좌심방과 좌심실의 경계 영역을 구분하여 3D 모델을 형성하는 심장 챔버 영상의 경계를 구분하는 영상 분석 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve this problem, the present invention recognizes an object of a heart chamber in a 3D MRI image using an artificial neural network, and divides the boundary between the left atrium and the left ventricle to form a 3D model. An object of the present invention is to provide an image analysis apparatus and method.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 심장 챔버 영상의 경계를 구분하는 영상 분석 장치는,According to a feature of the present invention for achieving the above object, there is provided an image analysis apparatus for dividing a boundary of a cardiac chamber image,
3D 심장 자기 공명 영상 장치(Cardiac Magnetic Resonance Imaging)로부터 좌심실과 좌심방의 심장 챔버 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상을 포함하는 심장 MRI 데이터시트를 수신하는 입력부;an input unit for receiving a cardiac MRI data sheet including a plurality of slice images representing images of the heart chambers of the left ventricle and the left atrium from a 3D cardiac magnetic resonance imaging apparatus;
상기 각각의 슬라이스 영상에 대하여 소음을 제거하여 전처리하는 전처리부;a pre-processing unit for pre-processing each slice image by removing noise;
상기 전처리된 슬라이드 영상을 연결 알고리즘을 이용하여 모든 객체를 각각의 슬라이스 영상에서 복수의 특징을 추출하는 특징 추출부;a feature extracting unit for extracting a plurality of features from each slice image of all objects using an algorithm linking the pre-processed slide image;
상기 추출한 복수의 특징을 상기 각각의 슬라이스 영상에 존재하는 객체의 상기 좌심실과 좌심방의 접합 영역이 있는지 판단하는 좌심방과 좌심실의 접합 검출 모델을 생성하는 기계 학습부; 및a machine learning unit generating a left atrium and left ventricle junction detection model that determines whether there is a junction region between the left ventricle and the left atrium of an object existing in each of the slice images by using the plurality of extracted features; and
상기 각각의 슬라이스 영상으로부터 추출한 복수의 특징을 상기 기계 학습부의 입력 데이터로 전송하고, 상기 복수의 특징을 상기 좌심방과 좌심실의 접합 검출 모델에 의해서 상기 좌심실과 좌심방의 접합 영역이 있는지 여부를 출력하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.A plurality of features extracted from each slice image are transmitted as input data of the machine learning unit, and the plurality of features are controlled to output whether there is a junction region between the left atrium and the left atrium by the junction detection model of the left atrium and left ventricle. It is characterized in that it comprises a control unit.
본 발명의 특징에 따른 심장 챔버 영상의 경계를 구분하는 영상 분석 장치는,An image analysis apparatus for dividing a boundary of a cardiac chamber image according to a feature of the present invention,
3D 심장 자기 공명 영상 장치(Cardiac Magnetic Resonance Imaging)로부터 축면 영상의 복수의 슬라이스 영상과, 관상면 영상의 복수의 슬라이스 영상과, 시상면 영상의 복수의 슬라이스 영상을 포함하는 심장 MRI 데이터시트를 수신하는 입력부;Receiving a cardiac MRI data sheet including a plurality of slice images of an axial image, a plurality of slice images of a coronal image, and a plurality of slice images of a sagittal image from a 3D cardiac magnetic resonance imaging apparatus input unit;
최대 밝기 레벨을 85% 한계로 하는 임계값을 이용하여 상기 각각의 슬라이스 영상을 전처리하여 이진 이미지를 생성하는 전처리부;a preprocessor for preprocessing each slice image using a threshold value that sets a maximum brightness level to a limit of 85% to generate a binary image;
상기 전처리된 슬라이드 영상을 연결 알고리즘을 이용하여 모든 객체를 각각의 슬라이스 영상에서 타원과 관련된 파라미터인 편심(Eccentricity), 장축(Major Axis), 객체 영역(픽셀의 양), 단축(Minor Axis), 객체 위치의 특징을 추출하는 특징 추출부; 및By using the preprocessed slide image connection algorithm, all objects in each slice image are elliptic-related parameters Eccentricity, Major Axis, Object Area (Amount of Pixels), Minor Axis, Object a feature extracting unit for extracting a feature of a location; and
상기 추출한 5개의 특징을 상기 각각의 슬라이스 영상에 존재하는 객체의 상기 좌심실과 좌심방의 접합 영역이 있는지 판단하는 좌심방과 좌심실의 접합 검출 모델을 생성하는 기계 학습부를 포함하는 것을 특징으로 한다.and a machine learning unit that generates a junction detection model of the left atrium and the left ventricle that determines whether there is a junction region between the left ventricle and the left atrium of the object present in each of the sliced images by using the five extracted features.
본 발명의 특징에 따른 심장 챔버 영상의 경계를 구분하는 영상 분석 방법은,An image analysis method for classifying a boundary of a cardiac chamber image according to a feature of the present invention,
3D 심장 자기 공명 영상 장치(Cardiac Magnetic Resonance Imaging)로부터 축면 영상의 복수의 슬라이스 영상과, 관상면 영상의 복수의 슬라이스 영상과, 시상면 영상의 복수의 슬라이스 영상을 포함하는 심장 MRI 데이터시트를 수신하는 단계;Receiving a cardiac MRI data sheet including a plurality of slice images of an axial image, a plurality of slice images of a coronal image, and a plurality of slice images of a sagittal image from a 3D cardiac magnetic resonance imaging apparatus step;
최대 밝기 레벨을 85% 한계로 하는 임계값을 이용하여 상기 각각의 슬라이스 영상을 전처리하여 이진 이미지를 생성하는 단계;generating a binary image by pre-processing each slice image using a threshold value that sets a maximum brightness level to a limit of 85%;
상기 전처리된 슬라이드 영상을 연결 알고리즘을 이용하여 모든 객체를 각각의 슬라이스 영상에서 타원과 관련된 파라미터인 편심(Eccentricity), 장축(Major Axis), 객체 영역(픽셀의 양), 단축(Minor Axis), 객체 위치의 특징을 추출하는 단계; 및By using the preprocessed slide image connection algorithm, all objects in each slice image are elliptic-related parameters Eccentricity, Major Axis, Object Area (Amount of Pixels), Minor Axis, Object extracting a feature of the location; and
상기 추출한 5개의 특징을 상기 각각의 슬라이스 영상에 존재하는 객체의 상기 좌심실과 좌심방의 접합 영역이 있는지 판단하는 좌심방과 좌심실의 접합 검출 모델을 생성하고, 상기 5개의 특징을 입력 데이터로 하여 상기 좌심방과 좌심실의 접합 검출 모델에 의해서 상기 좌심실과 좌심방의 접합 영역이 있는지 여부를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A junction detection model of the left atrium and left ventricle that determines whether there is a junction region between the left ventricle and the left atrium of the object present in each slice image is generated using the extracted five features, and the left atrium and the left atrium using the five features as input data and outputting whether there is a junction region between the left ventricle and the left atrium by the junction detection model of the left ventricle.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 3D MRI 영상에서 심장 챔버의 객체를 인식하고, 좌심방과 좌심실의 경계 영역을 구분하는 분할 정확도가 우수한 효과가 있다.According to the above-described configuration, the present invention has an effect of recognizing an object of a cardiac chamber in a 3D MRI image and having excellent segmentation accuracy for dividing a boundary region between the left atrium and the left ventricle.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 심장 챔버 영상의 경계를 구분하는 영상 분석 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 축면 영상, 관상면 영상, 시상면 영상의 일례를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 축면 영상, 관상면 영상, 시상면 영상의 좌심실과 좌심방의 접합 영역을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LV와 LA의 접합 영역을 검출하는 신경망의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 각각의 슬라이스 영상을 로드하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 심장 챔버 영상의 경계를 구분하는 영상 분석 방법을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 축면 슬라이스 영상들의 분할 결과를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 분할된 슬라이스 영상을 재구성하여 3D 모델을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 각각의 분할된 슬라이스에서 챔버 질량 분할을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of an image analysis apparatus for dividing a boundary of a cardiac chamber image according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating an example of an axial image, a coronal image, and a sagittal image according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a junction region between a left ventricle and a left atrium in an axial image, a coronal image, and a sagittal image according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a configuration of a neural network for detecting a junction region between LV and LA according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating loading of each slice image according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating an image analysis method for dividing a boundary of a cardiac chamber image according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating a result of division of axial slice images according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating a 3D model by reconstructing a segmented slice image according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating chamber mass partitioning in each partitioned slice according to an embodiment of the present invention.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 심장 챔버 영상의 경계를 구분하는 영상 분석 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 축면 영상, 관상면 영상, 시상면 영상의 일례를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 축면 영상, 관상면 영상, 시상면 영상의 좌심실과 좌심방의 접합 영역을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LV와 LA의 접합 영역을 검출하는 신경망의 구성을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 각각의 슬라이스 영상을 로드하는 모습을 나타낸 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 심장 챔버 영상의 경계를 구분하는 영상 분석 방법을 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of an image analysis apparatus for classifying boundaries of cardiac chamber images according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an example of an axial image, a coronal image, and a sagittal image according to an embodiment of the present invention 3 is a view showing the junction area between the left ventricle and the left atrium of the axial image, coronal image, and sagittal image according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is LV and LA according to an embodiment of the present invention It is a diagram showing the configuration of a neural network for detecting a junction region of It is a diagram showing an image analysis method for classifying the boundaries of .
본 발명의 실시예에 따른 심장 챔버 영상의 경계를 구분하는 영상 분석 장치(100)는 입력부(110), 전처리부(120), 특징 추출부(130), 제어부(140), 기계 학습부(150), 저장부(160), 메모리부(170) 및 영상 재구성부(180)를 포함한다.The
도 2에 도시된 바와 같이, 입력부(110)는 3D 심장 자기 공명 영상 장치(Cardiac Magnetic Resonance Imaging)로부터 심장 MRI의 축면 영상(Axial Image)(도 2의 (a)), 심장 MRI의 관상면 영상(Sagittal Image)(도 2의 (b)), 심장 MRI의 시상면 영상(Coronal Image)(도 2의 (c))을 포함한 3D 심장 MRI 데이터시트를 수신할 수 있다(S100).As shown in FIG. 2 , the
다시 말해, 입력부(110)는 3D 심장 자기 공명 영상 장치로부터 DICOM 파일을 영상 처리 라이브러리를 사용하여 읽어 들이고, 심장 챔버 영상을 수신한다. 여기서, 심장 챔버 영상은 좌심실 영상과 좌심방 영상을 나타낸다.In other words, the
DICOM(Digital Imaging and Communications in Medicine)은 의료용 스캔을 수신하는 데 가장 일반적으로 사용되는 표준으로, DICOM 파일에는 별개의 스캔 레이어를 나타내는 여러 "분할 영역", 즉, 심장 챔버 영상의 축면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상과, 심장 챔버 영상의 관상면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상과, 심장 챔버 영상의 시상면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상을 포함된다.DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) is the most commonly used standard for receiving medical scans, in which DICOM files contain multiple "segments" representing distinct scan layers, i.e. multiple representations of an axial image of a cardiac chamber image. a slice image of , a plurality of slice images indicating a coronal image of the cardiac chamber image, and a plurality of slice images indicating a sagittal image of the cardiac chamber image.
전처리부(120)는 심장 챔버 영상의 축면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상과, 심장 챔버 영상의 관상면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상과, 심장 챔버 영상의 시상면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상의 각각에 대하여 전처리를 수행한다(S110).The
전처리부(120)는 뼈와 근육 조직의 노이즈를 제거하고, 최대 밝기 레벨을 나타내는 임계값을 이용하여 슬라이스 영상을 전처리하여 이진 이미지를 생성한다. 여기서, 임계값은 최대 밝기 레벨을 85% 한계로 설정한다. 이러한 최대 밝기 레벨 85%은 다양한 데이터 세트에 대하여 실험을 통해 얻어진 수치이다.The
도 3에 도시된 바와 같이, 심장 챔버 영상의 축면 영상, 심장 챔버 영상의 관상면 영상, 심장 챔버 영상의 시상면 영상에서는 심장 영역에서 다른 영역보다 좌심실(Left Ventricle)과 좌심방(Left Atrium)의 크기가 훨씬 크다는 것을 알 수 있다. 좌심실과 좌심방의 모양은 타원 형태로 이루어져 있다.As shown in FIG. 3 , in the axial plane image of the heart chamber image, the coronal plane image of the heart chamber image, and the sagittal plane image of the heart chamber image, the sizes of the left ventricle (Left Ventricle) and the left atrium (Left Atrium) are larger than other regions in the heart region. It can be seen that is much larger. The left ventricle and left atrium are oval in shape.
좌심실과 좌심방의 접합 부위는 빨간색으로 도시되어 있으며, 파란색의 타원은 챔버 모양과 유사함을 나타낸다.The junction of the left ventricle and left atrium is shown in red, and the blue oval indicates that the shape of the chamber is similar.
이러한 점을 종합해 볼 때, 타원과 관련된 파라미터, 예를 들어 편심(Eccentricity), 장축(Major Axis), 객체 영역(픽셀의 양)이다.Taken together, these are parameters related to the ellipse, such as Eccentricity, Major Axis, and Object Area (amount of pixels).
이러한 특징을 사용한 시뮬레이션은 좌심방과 좌심실의 접합 영역이 허용 가능한 정확도로 식별될 수 있음을 보여준다.Simulations using these features show that the junction region of the left atrium and left ventricle can be identified with acceptable accuracy.
그러나 시뮬레이션 결과는 2개의 특징(단축(Minor Axis)과 객체 위치)을 추가하면, 하기의 표 1과 같이, 영상 분할의 정확도가 더욱 향상되는 것을 알 수 있다.However, as shown in Table 1 below, when two features (minor axis and object position) are added to the simulation result, it can be seen that the accuracy of image segmentation is further improved.
이러한 결과는 5개의 특징을 이용하여 알고리즘이 뼈와 작은 혈관으로 인해 발생하는 소음에 대하여 더욱 강력해짐을 보여준다.These results show that using the five features, the algorithm becomes more robust against noise caused by bones and small blood vessels.
전처리부(120)는 입력부(110)로부터 수신한 각각의 슬라이스 영상에서 5개의 특징을 이용하여 뼈, 작은 혈관, 근육 조직 등을 포함한 소음을 제거한 후, 최대 밝기 레벨 85%을 전처리하여 이진 이미지를 생성한다.The
특징 추출부(130)는 연결 알고리즘을 이용하여 모든 객체를 각각의 슬라이스 영상에서 5개의 특징을 추출한다(S120). 여기서, 연결 알고리즘은 이진 이미지에서 연결된 컴포넌트 알고리즘(Component Algorithm)을 기반으로 한다.The
연결 알고리즘은 전처리부(120)로부터 생성된 이진 이미지 상에서 탐지를 수행한다. 연결된 컴포넌트 알고리즘은 슬라이스 영상에서 개별 객체의 픽셀 목록을 제공한다.The concatenation algorithm performs detection on the binary image generated by the
특징 추출부(130)는 픽셀 목록을 사용하면, 모든 슬라이스 영상에서 각 객체에 대해 타원의 5가지 특징(편심, 장축, 객체 영역, 단축, 객체 위치)을 모두 찾는다.When the pixel list is used, the
여기서, 모든 슬라이스 영상은 심장 챔버 영상의 축면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상과, 심장 챔버 영상의 관상면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상과, 심장 챔버 영상의 시상면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상을 포함된다.Here, all slice images include a plurality of slice images representing an axial image of the heart chamber image, a plurality of slice images representing a coronal image of the heart chamber image, and a plurality of slice images representing a sagittal image of the heart chamber image. do.
이러한 5개의 특징들은 신경망에 대한 입력 데이터로 사용된다.These five features are used as input data to the neural network.
예를 들어, 개별 객체 영역에 대해서 객체의 모든 이진 픽셀을 추가한다.For example, for an individual object region, add all binary pixels of an object.
제어부(140)는 5개의 특징을 기계 학습부(150)의 입력 데이터로 전송한다.The
기계 학습부(150)는 입력층으로부터 입력 데이터를 입력받아 예측값을 출력층의 버퍼에 출력하는 예측 심층 신경망을 사용하며, 예측 심층 신경망의 구조나 형태는 제한되지 않고, 대표적인 방법으로 DNN(Deep Neural Network), CNN(Convolutional Neural Network), RNN(Recurrent Neural Network) 등이 있다.The
기계 학습부(150)는 5개의 특징 벡터를 패턴 인식 기법을 이용하여 다양한 좌심방과 좌심실의 접합 영역을 찾아내는 기법으로 재발 신경망(Recurrent Neural Network, RNN) 모델의 LSTM(Long Short-Term Memory)로 구성된다.The
패턴 인식 기법은 인공 신경망을 이용한 예측 방법으로 입력층으로부터 출력층의 결과값을 예측한 경우, 학습 과정에서 결과값들로부터 입력값을 예측할 수 있다. 인공 신경망은 입력값과 출력값이 일대일 대응 관계에 있지 아니하므로, 출력층으로서 입력층을 그대로 복구하는 것은 불가능하나, 예측 알고리즘을 고려하여 역전파(Backpropagation) 알고리즘에 의해 결과값으로부터 산출된 출력 데이터가 최초의 입력 데이터와 상이하다면, 인공 신경망의 예측이 부정확하다고 볼 수 있으므로, 제약 조건 하에서 산출된 출력 데이터가 최초의 입력 데이터와 유사해지도록 예측 계수를 변경하여 학습을 훈련하게 된다.The pattern recognition technique is a prediction method using an artificial neural network, and when the result value of the output layer is predicted from the input layer, the input value can be predicted from the result values in the learning process. Since the artificial neural network does not have a one-to-one correspondence between the input value and the output value, it is impossible to restore the input layer as an output layer as it is. If it is different from the input data of , it can be considered that the prediction of the artificial neural network is inaccurate.
심층 신경망이란 신경망 알고리즘 중에서 여러 개의 층으로 이루어진 신경망을 의미한다. 한 층은 여러 개의 노드로 이루어져 있고, 노드에서 실제 연산이 이루어지는데, 이러한 연산 과정은 인간의 신경망을 구성하는 뉴런에서 일어나는 과정을 모사하도록 설계되어 있다. 통상적인 인공 신경망은 입력층(Input Layer), 은닉층(Hidden Layer), 출력층(Output Layer)으로 나뉘며, 입력 데이터는 입력층의 입력이 되며, 입력층의 출력은 은닉층의 입력이 되고, 은닉층의 출력은 출력층의 입력이 되고, 출력층의 출력이 최종 출력이 된다.A deep neural network refers to a neural network composed of several layers among neural network algorithms. A layer consists of several nodes, and actual calculations are performed at the nodes, and this calculation process is designed to mimic the processes occurring in the neurons constituting the human neural network. A typical artificial neural network is divided into an input layer, a hidden layer, and an output layer. becomes the input of the output layer, and the output of the output layer becomes the final output.
기계 학습부(150)는 입력층으로부터 입력 데이터를 입력받아 예측값을 출력층의 버퍼에 출력하는 예측 심층 신경망을 사용하며, 예측 심층 신경망의 구조나 형태는 제한되지 않고, 대표적인 방법으로 DNN(Deep Neural Network), CNN(Convolutional Neural Network), RNN(Recurrent Neural Network) 등이 있으며, 각각의 신경망의 조합으로 예측 심층 신경망을 구성하여 다양한 구조의 심층 신경망을 구성할 수 있다.The
기계 학습부(150)는 예측 모델을 만들기 위해서 좌심방과 좌심실의 접합 검출 모델을 저장부(160)에 저장하여 기계 학습의 학습 데이터 셋으로 이용할 수 있다.The
기계 학습 과정은 과거에 저장된 많은 데이터로부터 특징 벡터를 추출하고, 추출된 특징 벡터를 토대로 학습 데이터 셋을 만들고, 학습 데이터 셋은 기계 학습 알고리즘에 기반하여 예측 모델을 생성하게 된다. 학습 데이터는 기계 학습에서 원하는 정보를 추출하기 위해서 사용되는 데이터의 집합이다.The machine learning process extracts feature vectors from a lot of data stored in the past, creates a training data set based on the extracted feature vectors, and creates a predictive model based on the machine learning algorithm. Learning data is a set of data used to extract desired information in machine learning.
도 4에 도시된 바와 같이, 기계 학습부(150)는 저장부(160)에 저장된 좌심방과 좌심실의 접합 검출 모델을 메모리부(170)로 불러와서 5개의 특징을 입력 데이터로 하며, 3개의 슬라이스 영상에서 좌심방과 좌심실을 찾아내어 좌심방과 좌심실의 접합 영역을 기계 학습한다(S130).As shown in FIG. 4 , the
좌심방과 좌심실의 접합 영역 검출은 인공 신경망을 기반으로 하며, 훈련 목적으로 역전파 알고리즘을 사용한다.The detection of the junction region between the left atrium and left ventricle is based on an artificial neural network and uses a backpropagation algorithm for training purposes.
영상 분석 장치(100)는 입력부(110)를 통해 3D 데이터인 3개의 슬라이스 영상을 수신하고, 특징 추출부(130)를 통해 각각의 슬라이스 영상에서 5개의 특징이 추출되며, 추출된 5개의 특징이 훈련된 인공 신경망에 공급된다.The
기계 학습부(150)는 심장 챔버 영상의 축면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상과, 심장 챔버 영상의 관상면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상과, 심장 챔버 영상의 시상면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상의 각각에 대하여 좌심방과 좌심실의 접합 영역이 존재하는 슬라이스 영상을 식별하도록 학습한다.The
기계 학습부(150)는 5개의 뉴런을 갖는 각각의 층을 5개의 히든층에 대하여 최대 성능이 달성될 수 있다(하기의 표 2)The
특징 추출부(130)는 입력부(110)를 통해 수신된 심장 챔버 영상의 축면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상과, 심장 챔버 영상의 관상면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상과, 심장 챔버 영상의 시상면 영상을 나타내는 복수의 슬라이스 영상의 각각에 대하여 연결된 컴포넌트 알고리즘을 이용하여 객체에 대한 5개의 특징을 추출한다.The
제어부(140)는 각각의 슬라이스 영상으로부터 추출한 5개의 특징을 기계 학습부(150)의 입력 데이터로 전송한다.The
기계 학습부(150)는 추출한 복수의 특징을 각각의 슬라이스 영상에 존재하는 객체의 좌심실과 좌심방의 접합 영역이 있는지 판단하는 좌심방과 좌심실의 접합 검출 모델을 생성한다.The
제어부(140)는 5개의 특징을 좌심방과 좌심실의 접합 검출 모델에 의해서 1(객체에 좌심방과 좌심실의 접합 영역이 있음) 또는 0(객체에 좌심방과 좌심실의 접합 영역이 없음)을 출력하도록 제어한다.The
도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(140)는 각각의 슬라이스 영상에서 좌심방과 좌심실의 접합 영역을 기준으로 아래쪽으로 후속 슬라이스 영상을 로드하고, 접합 영역을 기준으로 위쪽으로 선행 슬라이스 영상을 로드하여 좌심방과 좌심실을 추출한다(S140).5 , the
제어부(140)는 각각의 슬라이스 영상에서 좌심방과 좌심실의 접합 영역이 있는 경우, 접합 영역의 아래쪽으로 후속 슬라이스 영상을 로드하여 첫 번째 좌심실 슬라이스 영상을 감지한다.When there is a junction region between the left atrium and the left ventricle in each slice image, the
제어부(140)는 슬라이스 영상을 전처리하고, 연결된 컴포넌트 알고리즘을 이용하여 다양한 객체가 감지된다.The
제어부(140)는 감지된 객체에서 최대 크기를 가지는 객체가 심장 챔버 영상이고, 좌심방과 좌심실의 접합 영역의 중심에서 최소 유클리드 거리를 갖는 객체를 좌심실로 추출한다. 이후에 영상 재구성부(180)는 다음 슬라이스 영상을 로딩하고, 이전에 검색된 좌심실로부터 최소 유클리드 거리가 계산된다는 점을 제외하고, 전처리, 객체 감지의 유사한 프로세스가 수행된다.The
이러한 프로세스는 좌심실(LV)의 끝을 감지하기 위해서 최소 임계값을 설정한다.This process establishes a minimum threshold for detecting the end of the left ventricle (LV).
제어부(140)는 슬라이스 영상에서 기설정된 최소 임계값보다 큰 영역을 가진 객체가 없는 경우, 좌심실의 끝으로 판단한다. 이는 심장 챔버의 영상에서 아래로 내려갈수록 좌심실의 크기가 작아지기 때문이다.When there is no object having an area larger than a preset minimum threshold value in the slice image, the
제어부(140)는 접합 영역의 위쪽으로 선행 슬라이스 영상을 로드하여 첫 번째 좌심방 슬라이스 영상을 감지한다.The
제어부(140)는 슬라이스 영상을 전처리하고, 연결된 컴포넌트 알고리즘을 이용하여 다양한 객체가 감지된다.The
제어부(140)는 감지된 객체에서 최대 크기를 가지는 객체가 심장 챔버 영상이고, 좌심방과 좌심실의 접합 영역의 중심에서 최소 유클리드 거리를 갖는 객체를 좌심방으로 추출한다. 이후에 영상 재구성부(180)는 다음 슬라이스 영상을 로딩하고, 이전에 검색된 좌심방으로부터 최소 유클리드 거리가 계산된다는 점을 제외하고, 전처리, 객체 감지의 유사한 프로세스가 수행된다.The
이러한 프로세스는 좌심방(LA)의 끝을 감지하기 위해서 최소 임계값을 설정한다.This process establishes a minimum threshold for detecting the end of the left atrium (LA).
영상 재구성부(180)는 연결 알고리즘(Connectivity Algorithm)을 이용하여 분할된 모든 개별 슬라이스 영상(분할된 좌심실과 좌심방)을 서로 위에 쌓여서 적층하며(S150), 분할된 3D 형상(좌심실과 좌심방)을 생성한다(S160).The
도 8에 도시된 바와 같이, 분할된 모든 슬라이스 영상을 서로 쌓아서 두 챔버(좌심실 영상과 좌심방 영상)의 3D 모델을 생성한다.As shown in FIG. 8 , a 3D model of two chambers (left ventricle image and left atrium image) is generated by stacking all the divided slice images.
실험 셋업은 총 21400개의 3D 심장 MRI 영상을 갖는 데이터 세트로 구성되고, 데이터 세트는 DICOM 형식이며, 심장 MRI의 축면 영상(Axial Image), 심장 MRI의 관상면 영상(Sagittal Image), 심장 MRI의 시상면 영상(Coronal Image)을 모두 포함한다.The experimental setup consists of a data set with a total of 21400 3D cardiac MRI images, the data sets are in DICOM format, the axial image of cardiac MRI, the sagittal image of cardiac MRI, and sagittal of cardiac MRI. Includes all coronal images.
또한, 데이터 세트는 고해상도 슬라이스 영상으로 구성되며, 세부 사항은 하기의 표 3에 나와 있다.In addition, the data set consists of high-resolution sliced images, and the details are shown in Table 3 below.
도 7은 축면 슬라이스 영상들의 분할 결과를 나타낸 도면이다.7 is a diagram illustrating a result of segmentation of axial slice images.
도 7의 (c)는 좌심실과 좌심방의 접합 영역을 분할된 모습이고, 도 7의 (a)는 분할된 좌심방(220번째 슬라이스)이고, 도 7의 (b)는 분할된 좌심방(270번째 슬라이스)이고, 도 7의 (d)는 분할된 좌심실(405번째 슬라이스)이고, 도 7의 (e)는 분할된 좌심실(490번째 슬라이스)이다.Fig. 7 (c) is a view showing the divided junction region between the left ventricle and the left atrium, Fig. 7 (a) is the divided left atrium (the 220th slice), and Fig. 7 (b) is the divided left atrium (the 270th slice) ), and (d) of FIG. 7 is a divided left ventricle (405th slice), and FIG. 7(e) is a divided left ventricle (490th slice).
심장 챔버가 아닌 질량(동맥과 같은 비챔버 조직을 나타냄)은 픽셀로 측정된다.Non-chamber mass (representing non-chamber tissue such as arteries) is measured in pixels.
심장 챔버가 아닌 질량의 백분율은 하기의 수학식 1과 같은 분할 에러류(Segmentation Error, SE)로 간주된다.The percentage of non-cardiac chamber mass is regarded as a segmentation error (SE) as in Equation 1 below.
여기서, Total Mass는 슬라이스 영상에서 픽셀로 측정된 전체 질량을 나타내고, NonChamber Mass는 슬라이스 영상에서 픽셀로 측정된 심장 챔버가 아닌 질량을 나타낸다.Here, Total Mass represents the total mass measured in pixels in the slice image, and NonChamber Mass represents the mass, not the cardiac chamber, measured in pixels in the slice image.
성능 평가 매트릭스로서 하기의 수학식 3의 평균 분할 에러(Mean Segmentation Error, MSE)를 사용한다.As a performance evaluation matrix, the mean segmentation error (MSE) of Equation 3 below is used.
분할 에러의 역퍼센트(The Percent Inverse of Segmentation Error)는 정확도(SA)를 나타낸다. SA는 하기의 수학식 2에 의해 계산된다.The Percent Inverse of Segmentation Error represents the accuracy (SA). SA is calculated by Equation 2 below.
평균 분할 정확도(Mean Segmentation Accuracy, MSA)는 3개의 슬라이스 영상(축면, 관상면, 시상면)의 모든 정확도의 평균을 나타낸다(수학식 3).Mean segmentation accuracy (MSA) represents the average of all accuracies of three slice images (axial, coronal, and sagittal) (Equation 3).
여기서, SAAxial는 축면 영상에서의 정확도, SACoronal는 관상면 영상에서의 정확도, SASagittal는 시상면 영상에서의 정확도를 나타낸다.Here, SA Axial is the accuracy in the axial image, SA Coronal is the accuracy in the coronal image, and SA Sagittal is the accuracy in the sagittal image.
개별 슬라이스 영상에서의 비챔버 질량의 효과는 도 9에 도시되어 있다.The effect of non-chamber mass on individual slice images is shown in FIG. 9 .
도 9는 3개의 슬라이스 영상에서의 분할 정확도를 보여준다. 축면 슬라이스의 달성 정확도는 94.4%이고, 관상면 슬라이스의 달성 정확도는 91.71%이고, 시상면 슬라이스의 달성 정확도는 88.61%이다. 전체 평균 분할 정확도는 91.57%이다.9 shows segmentation accuracy in a three-slice image. The achievement accuracy of the axial slice is 94.4%, the achievement accuracy of the coronal slice is 91.71%, and the achievement accuracy of the sagittal slice is 88.61%. The overall average segmentation accuracy is 91.57%.
이상에서 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.In the above, the embodiment of the present invention is not implemented only through an apparatus and/or method, and may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention, a recording medium in which the program is recorded, etc. And, such an implementation can be easily implemented by an expert in the technical field to which the present invention belongs from the description of the above-described embodiment.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improved forms of the present invention are also provided by those skilled in the art using the basic concept of the present invention as defined in the following claims. is within the scope of the right.
100: 영상 분석 장치
110: 입력부
120: 전처리부
130: 특징 추출부
140: 제어부
150: 기계 학습부
160: 저장부
170: 메모리부
180: 영상 재구성부100: image analysis device
110: input unit
120: preprocessor
130: feature extraction unit
140: control unit
150: machine learning unit
160: storage
170: memory unit
180: image reconstruction unit
Claims (9)
상기 각각의 슬라이스 영상에 대하여 소음을 제거하여 전처리하는 전처리부;
상기 전처리된 슬라이드 영상을 연결 알고리즘을 이용하여 모든 객체를 각각의 슬라이스 영상에서 복수의 특징을 추출하는 특징 추출부;
상기 추출한 복수의 특징을 상기 각각의 슬라이스 영상에 존재하는 객체의 상기 좌심실과 좌심방의 접합 영역이 있는지 판단하는 좌심방과 좌심실의 접합 검출 모델을 생성하는 기계 학습부; 및
상기 각각의 슬라이스 영상으로부터 추출한 복수의 특징을 상기 기계 학습부의 입력 데이터로 전송하고, 상기 복수의 특징을 상기 좌심방과 좌심실의 접합 검출 모델에 의해서 상기 좌심실과 좌심방의 접합 영역이 있는지 여부를 출력하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 분석 장치.an input unit for receiving a cardiac MRI data sheet including a plurality of slice images representing images of the heart chambers of the left ventricle and the left atrium from a 3D cardiac magnetic resonance imaging apparatus;
a pre-processing unit for pre-processing each slice image by removing noise;
a feature extracting unit for extracting a plurality of features from each slice image of all objects using an algorithm linking the pre-processed slide image;
a machine learning unit generating a left atrium and left ventricle junction detection model that determines whether there is a junction region between the left ventricle and the left atrium of an object existing in each of the slice images by using the plurality of extracted features; and
A plurality of features extracted from each slice image are transmitted as input data of the machine learning unit, and the plurality of features are controlled to output whether there is a junction region between the left atrium and the left atrium by the junction detection model of the left atrium and left ventricle. An image analysis apparatus comprising a control unit to.
상기 심장 챔버 영상은 축면 영상의 복수의 슬라이스 영상과, 관상면 영상의 복수의 슬라이스 영상과, 시상면 영상의 복수의 슬라이스 영상을 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 분석 장치.According to claim 1,
The cardiac chamber image is an image analysis apparatus, characterized in that it comprises a plurality of slice images of an axial image, a plurality of slice images of a coronal image, and a plurality of slice images of a sagittal image.
상기 전처리부는 최대 밝기 레벨을 85% 한계로 하는 임계값을 이용하여 상기 각각의 슬라이스 영상을 전처리하여 이진 이미지를 생성하는 것을 특징으로 하는 영상 분석 장치.According to claim 1,
The image analysis apparatus according to claim 1, wherein the pre-processing unit pre-processes each slice image using a threshold value that limits the maximum brightness level to 85% to generate a binary image.
상기 복수의 특징은 타원과 관련된 파라미터인 편심(Eccentricity), 장축(Major Axis), 객체 영역(픽셀의 양), 단축(Minor Axis), 객체 위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 분석 장치.According to claim 1,
The plurality of features is an image analysis apparatus, characterized in that it includes eccentricity, a major axis, an object area (amount of pixels), a minor axis, and an object position, which are parameters related to the ellipse.
상기 특징 추출부는 상기 전처리된 슬라이드 영상을 연결 알고리즘을 이용하여 모든 객체에 대하여 각각의 슬라이스 영상에서 편심(Eccentricity), 장축(Major Axis), 객체 영역(픽셀의 양), 단축(Minor Axis), 객체 위치의 5개의 특징을 추출하는 것을 특징으로 하는 영상 분석 장치.According to claim 1,
The feature extraction unit uses an algorithm to connect the preprocessed slide image to eccentricity, major axis, object area (amount of pixels), minor axis, and object in each slice image for all objects. Image analysis apparatus, characterized in that extracting five features of the location.
상기 제어부는 상기 각각의 슬라이스 영상에서 좌심방과 좌심실의 접합 영역을 검출하고, 상기 접합 영역을 기준으로 아래쪽으로 후속 슬라이스 영상을 로드하고, 상기 접합 영역을 기준으로 위쪽으로 선행 슬라이스 영상을 로드하여 좌심방과 좌심실을 추출하는 것을 특징으로 하는 영상 분석 장치.According to claim 1,
The control unit detects the junction region between the left atrium and the left ventricle in each of the slice images, loads a subsequent slice image downward based on the junction region, and loads a preceding slice image upward based on the junction region, so that the left atrium and the left ventricle An image analysis apparatus for extracting the left ventricle.
최대 밝기 레벨을 85% 한계로 하는 임계값을 이용하여 상기 각각의 슬라이스 영상을 전처리하여 이진 이미지를 생성하는 전처리부;
상기 전처리된 슬라이드 영상을 연결 알고리즘을 이용하여 모든 객체를 각각의 슬라이스 영상에서 타원과 관련된 파라미터인 편심(Eccentricity), 장축(Major Axis), 객체 영역(픽셀의 양), 단축(Minor Axis), 객체 위치의 특징을 추출하는 특징 추출부; 및
상기 추출한 5개의 특징을 상기 각각의 슬라이스 영상에 존재하는 객체의 상기 좌심실과 좌심방의 접합 영역이 있는지 판단하는 좌심방과 좌심실의 접합 검출 모델을 생성하는 기계 학습부를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 분석 장치.Receiving a cardiac MRI data sheet including a plurality of slice images of an axial image, a plurality of slice images of a coronal image, and a plurality of slice images of a sagittal image from a 3D cardiac magnetic resonance imaging apparatus input unit;
a preprocessor for preprocessing each slice image using a threshold value that sets a maximum brightness level to a limit of 85% to generate a binary image;
By using the preprocessed slide image connection algorithm, all objects in each slice image are elliptic-related parameters Eccentricity, Major Axis, Object Area (Amount of Pixels), Minor Axis, Object a feature extracting unit for extracting a feature of a location; and
and a machine learning unit for generating a junction detection model of the left atrium and the left ventricle that determines whether there is a junction region between the left ventricle and the left atrium of the object present in each of the sliced images by using the five extracted features.
최대 밝기 레벨을 85% 한계로 하는 임계값을 이용하여 상기 각각의 슬라이스 영상을 전처리하여 이진 이미지를 생성하는 단계;
상기 전처리된 슬라이드 영상을 연결 알고리즘을 이용하여 모든 객체를 각각의 슬라이스 영상에서 타원과 관련된 파라미터인 편심(Eccentricity), 장축(Major Axis), 객체 영역(픽셀의 양), 단축(Minor Axis), 객체 위치의 특징을 추출하는 단계; 및
상기 추출한 5개의 특징을 상기 각각의 슬라이스 영상에 존재하는 객체의 상기 좌심실과 좌심방의 접합 영역이 있는지 판단하는 좌심방과 좌심실의 접합 검출 모델을 생성하고, 상기 5개의 특징을 입력 데이터로 하여 상기 좌심방과 좌심실의 접합 검출 모델에 의해서 상기 좌심실과 좌심방의 접합 영역이 있는지 여부를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 분석 방법.Receiving a cardiac MRI data sheet including a plurality of slice images of an axial image, a plurality of slice images of a coronal image, and a plurality of slice images of a sagittal image from a 3D cardiac magnetic resonance imaging apparatus step;
generating a binary image by pre-processing each slice image using a threshold value that sets a maximum brightness level to a limit of 85%;
By using the preprocessed slide image connection algorithm, all objects in each slice image are elliptic-related parameters Eccentricity, Major Axis, Object Area (Amount of Pixels), Minor Axis, Object extracting a feature of the location; and
A junction detection model of the left atrium and left ventricle that determines whether there is a junction region between the left ventricle and the left atrium of the object present in each slice image is generated using the extracted five features, and the left atrium and the left atrium using the five features as input data and outputting whether there is a junction region between the left ventricle and the left atrium by the junction detection model of the left ventricle.
상기 각각의 슬라이스 영상에서 좌심방과 좌심실의 접합 영역을 검출하고, 상기 접합 영역을 기준으로 아래쪽으로 후속 슬라이스 영상을 로드하고, 상기 접합 영역을 기준으로 위쪽으로 선행 슬라이스 영상을 로드하여 좌심방과 좌심실을 추출하는 단계; 및
상기 분할된 슬라이스 영상을 서로 쌓아서 좌심실 영상과 좌심방 영상의 3D 모델을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 분석 방법.
9. The method of claim 8,
The left atrium and left ventricle are extracted by detecting the junction region of the left atrium and the left ventricle in each of the slice images, loading the subsequent slice image downward based on the junction region, and loading the preceding slice image upward relative to the junction region. to do; and
and generating a 3D model of a left ventricle image and a left atrium image by stacking the divided slice images on each other.
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KR20070026135A (en) * | 2005-08-30 | 2007-03-08 | 바이오센스 웹스터 인코포레이티드 | Segmentation and registration of multimodal images using physiological data |
KR20100115143A (en) * | 2009-04-17 | 2010-10-27 | 금오공과대학교 산학협력단 | Method for ventricle segmentation using radial threshold determination |
JP2015131023A (en) * | 2014-01-14 | 2015-07-23 | 株式会社東芝 | magnetic resonance imaging apparatus |
KR101579948B1 (en) | 2014-04-04 | 2015-12-23 | 주식회사 인피니트헬스케어 | Method and apparatus for overlaying medical images included the region of the heart |
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