KR20220063031A - System, method and program for fluid simulation based on 3d image - Google Patents

System, method and program for fluid simulation based on 3d image Download PDF

Info

Publication number
KR20220063031A
KR20220063031A KR1020200148879A KR20200148879A KR20220063031A KR 20220063031 A KR20220063031 A KR 20220063031A KR 1020200148879 A KR1020200148879 A KR 1020200148879A KR 20200148879 A KR20200148879 A KR 20200148879A KR 20220063031 A KR20220063031 A KR 20220063031A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fluid
equation
electronic device
image
region
Prior art date
Application number
KR1020200148879A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102513601B1 (en
Inventor
안형택
고광수
Original Assignee
울산대학교 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 울산대학교 산학협력단 filed Critical 울산대학교 산학협력단
Priority to KR1020200148879A priority Critical patent/KR102513601B1/en
Publication of KR20220063031A publication Critical patent/KR20220063031A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102513601B1 publication Critical patent/KR102513601B1/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T19/00Manipulating 3D models or images for computer graphics
    • G06T19/20Editing of 3D images, e.g. changing shapes or colours, aligning objects or positioning parts
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T3/00Geometric image transformations in the plane of the image
    • G06T3/40Scaling of whole images or parts thereof, e.g. expanding or contracting
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00Image analysis
    • G06T7/10Segmentation; Edge detection
    • G06T7/11Region-based segmentation
    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06TIMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T2207/00Indexing scheme for image analysis or image enhancement
    • G06T2207/30Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30004Biomedical image processing
    • G06T2207/30101Blood vessel; Artery; Vein; Vascular
    • G06T2207/30104Vascular flow; Blood flow; Perfusion

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Image Generation (AREA)

Abstract

A three-dimensional image-based fluid simulation method is provided. The three-dimensional image-based fluid simulation method performed by an electronic device according to one aspect of the present invention includes the steps of: dividing, by the electronic device, a 3D image into a fluid area and a surrounding area using a shading function f having a shading value from 0 to 1; and analyzing, by the electronic device, the fluid flow in the fluid area using the Navier-Stokes equation represented by Equation 1 and Equation 2 below.

Description

3차원 영상 기반 유체 시뮬레이션 방법, 장치 및 프로그램{SYSTEM, METHOD AND PROGRAM FOR FLUID SIMULATION BASED ON 3D IMAGE}3D image-based fluid simulation method, device and program {SYSTEM, METHOD AND PROGRAM FOR FLUID SIMULATION BASED ON 3D IMAGE}

본 발명은 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법, 장치 및 프로그램에 관한 것으로, 보다 자세하게는 3차원 영상에 포함된 유체의 시뮬레이션 결과를 신속하고 손쉽게 획득하는 방법, 장치 및 프로그램에 관한 것이다.The present invention relates to a method, apparatus and program for simulating a fluid in a 3D image, and more particularly, to a method, apparatus and program for quickly and easily obtaining a simulation result of a fluid included in a 3D image.

기존의 유체 시뮬레이션(예: 혈류 시뮬레이션)은 3차원 영상(예: 환자의 3차원 의료영상)으로부터 유체가 흐르는 통로(예: 혈관)을 분할(segmentation)하고 궁극적으로 유체 통로(예: 혈관)을 표현하기 위하여 유한 요소 모델링 등을 통한 유체 통로 표면격자(surface triangulation)를 생성하고 이에 대한 유동 해석을 수행한다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, (a) 의료 영상 촬영, (b) 혈관 분리 및 격자생성, (c) CFD(전산유체역학) 시뮬레이션이 수행될 수 있다.Conventional fluid simulation (eg, blood flow simulation) segments a fluid passage (eg, blood vessel) from a three-dimensional image (eg, a 3D medical image of a patient) and ultimately creates a fluid passage (eg, blood vessel) In order to express it, a fluid passage surface triangulation is created through finite element modeling, etc., and flow analysis is performed on it. For example, as shown in FIG. 1 , (a) medical imaging, (b) blood vessel separation and grid generation, and (c) CFD (Computational Fluid Dynamics) simulation may be performed.

이러한 수행 과정이 자동화되지 못하는 가장 큰 문제는 바로 유체 통로의 분할과 표면 격자 단계이며, 이러한 단계들을 자동화하여 유체 시뮬레이션의 처리 속도를 높이는 기술의 필요성이 증대되고 있다.The biggest problem that this execution process cannot be automated is the division of the fluid passage and the surface grid step, and the need for a technology to increase the processing speed of fluid simulation by automating these steps is increasing.

KR 10-1373563KR 10-1373563 KR 10-1703564KR 10-1703564 US 2013-0243294US 2013-0243294

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 3차원 영상의 픽셀이 유체 통로 내부 인지 아닌지의 여부를 0/1(혹은 음영 값)으로만 표시를 하면, 1 또는 임계 값 이상으로 표시된 픽셀에 대하여, 명시적인 형상 재구성 과정이 필요 없이, 자동적으로 Navier-Stokes 방정식의 해법을 통하여 유체 유동 해석을 수행할 수 있게 하는 방법을 제공하는 것이다.The problem to be solved by the present invention is that when it is displayed only as 0/1 (or shaded value) whether a pixel of a three-dimensional image is inside a fluid passage or not, an explicit shape for a pixel displayed above 1 or a threshold value It is to provide a method to automatically perform fluid flow analysis through the solution of the Navier-Stokes equation without the need for a reconstruction process.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved by the present invention are not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 전자 장치가 수행하는 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법은, 상기 전자 장치가 3차원 영상을 0부터 1까지의 음영 값을 갖는 음영 함수 f를 이용하여 유체 영역 및 주변 영역으로 분할하는 단계; 및 상기 전자 장치가 하기 수학식 1 및 하기 수학식 2로 표현되는 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 이용하여 상기 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 단계를 포함할 수 있다.In a fluid simulation method of a 3D image performed by an electronic device according to an aspect of the present invention for solving the above problems, the electronic device uses a shading function f having a shading value from 0 to 1 for the 3D image. dividing the fluid region into a fluid region and a peripheral region; and analyzing, by the electronic device, the fluid flow in the fluid region using a Navier-Stokes equation expressed by Equations 1 and 2 below.

[수학식 1][Equation  1]

Figure pat00001
Figure pat00001

[수학식 2][Equation  2]

Figure pat00002
Figure pat00002

여기서 ρ는 유체의 밀도, μ는 유체의 점성계수, g는 중력가속도, u는 유체의 속도, p는 유체의 압력이다.where ρ is the density of the fluid, μ is the viscosity coefficient of the fluid, g is the acceleration due to gravity, u is the velocity of the fluid, and p is the pressure of the fluid.

본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.Other specific details of the invention are included in the detailed description and drawings.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 아래와 같은 다양한 효과들을 가진다.According to the present invention as described above, it has various effects as follows.

본 발명에 따르면, 유체 시뮬레이션의 해석 처리 속도를 급격히 높일 수 있다.According to the present invention, the analysis processing speed of fluid simulation can be rapidly increased.

또한, 본 발명에 따르면, 기존의 의료 영상 (CT,MRI) 등을 기반으로 수행 할 수 있는 특정 환자 맞춤형 뇌 및 심혈관 등 다양한 혈류 시뮬레이션을 획기적으로 개선 하여 가속화 할 수 있다.In addition, according to the present invention, various blood flow simulations such as brain and cardiovascular system tailored to a specific patient that can be performed based on existing medical images (CT, MRI), etc. can be dramatically improved and accelerated.

또한, 본 발명에 따르면, MRI 찍자 마자, 별도의 혈관 형상 재구성 단계를 거치치 않고, 자동적인 혈류해석을 통하여 혈관벽에 미치는 혈압과 혈류 속도 등을 정량적으로 확인이 가능할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to quantitatively check blood pressure and blood flow velocity on the blood vessel wall through automatic blood flow analysis immediately after taking an MRI without going through a separate blood vessel shape reconstruction step.

또한, 본 발명에 따르면, 혈관 질환(e.g. 뇌혈관)의 진단에 도움을 줄 수 있는 혈류 역학적 정보 (압력, 마찰력, 유속 등) 제공할 수 있다.In addition, according to the present invention, hemodynamic information (pressure, frictional force, flow velocity, etc.) that can be helpful in the diagnosis of vascular disease (e.g. cerebrovascular disease) can be provided.

또한, 본 발명에 따르면, 혈관 질환의 치료 효과를 (e.g. 코일색전술), 실제 시술전에 Simulation 상으로 예측해 볼 수 있다.In addition, according to the present invention, the therapeutic effect of vascular disease (e.g. coil embolization) can be predicted through simulation before the actual operation.

또한, 본 발명에 따르면, 혈관을 통한 약물전달(Drug Delivery) 과정을 신속히 예측할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to quickly predict the process of drug delivery through blood vessels.

또한, 본 발명에 따르면, 특정 환자의 추적 관찰을 통한 혈류 역학적 변화 양상을 예측할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to predict the pattern of hemodynamic changes through follow-up of a specific patient.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1 은 기존 혈류 시뮬레이션 방법을 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3 내지 도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
1 is an exemplary diagram illustrating a conventional blood flow simulation method.
2 is a flowchart illustrating a fluid simulation method of a 3D image according to an embodiment of the present invention.
3 to 20 are exemplary views for explaining a fluid simulation method of a 3D image according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only the present embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully understand the scope of the present invention to those skilled in the art, and the present invention is only defined by the scope of the claims.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.The terminology used herein is for the purpose of describing the embodiments and is not intended to limit the present invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, “comprises” and/or “comprising” does not exclude the presence or addition of one or more other components in addition to the stated components. Like reference numerals refer to like elements throughout, and "and/or" includes each and every combination of one or more of the recited elements. Although "first", "second", etc. are used to describe various elements, these elements are not limited by these terms, of course. These terms are only used to distinguish one component from another. Accordingly, it goes without saying that the first component mentioned below may be the second component within the spirit of the present invention.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein will have the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In addition, terms defined in a commonly used dictionary are not to be interpreted ideally or excessively unless specifically defined explicitly.

공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성요소와 다른 구성요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.Spatially relative terms "below", "beneath", "lower", "above", "upper", etc. It can be used to easily describe the correlation between a component and other components. Spatially relative terms should be understood as terms including different directions of components during use or operation in addition to the directions shown in the drawings. For example, when a component shown in the drawing is turned over, a component described as “beneath” or “beneath” of another component may be placed “above” of the other component. can Accordingly, the exemplary term “below” may include both directions below and above. Components may also be oriented in other orientations, and thus spatially relative terms may be interpreted according to orientation.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 유체 해석의 내용은 부분적으로 논문 "A geometric multigrid accelerated incompressible ow simulation over complex geometries" Gwangsoo GO and Hyung Taek AHN[COMPUTERS & FLUIDS, Volume 197, 30 January 2020, Article number 104350]에 기재되어 있고, 상기 논문은 본원에 언급된 진술 및 도면 사이에서 상충이 존재하지 않는 범위에서 원용에 의해 본 명세서에 포함될 수 있다.The content of the fluid analysis of the present invention is partially described in the paper "A geometric multigrid accelerated incompressible ow simulation over complex geometries" Gwangsoo GO and Hyung Taek AHN [COMPUTERS & FLUIDS, Volume 197, 30 January 2020, Article number 104350], The above article may be incorporated herein by reference to the extent that there is no conflict between the statements and drawings mentioned herein.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 3 내지 도 20은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법을 설명하기 위한 예시도이다.2 is a flowchart illustrating a fluid simulation method of a 3D image according to an embodiment of the present invention. 3 to 20 are exemplary views for explaining a fluid simulation method of a 3D image according to an embodiment of the present invention.

한편, 본 발명은 3차원 영상에 포함된 유체 영역을 해석하기 위한 방법이며, 3차원 영상 및 유체 영역은 특정 타입으로 한정되지 않는다. 단, 설명의 편의를 위해 하기에서 의료 영상의 혈관을 예로 들어 설명한다.Meanwhile, the present invention is a method for analyzing a fluid region included in a 3D image, and the 3D image and the fluid region are not limited to a specific type. However, for convenience of explanation, a blood vessel of a medical image will be described below as an example.

한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법을 실행하는 전자 장치는 유체 시뮬레이션 관련 동작들을 전반적으로 제어하는 제어부 및 3차원 영상, 유체 해석 결과 데이터 등을 저장하는 데이터베이스를 포함할 수 있다.Meanwhile, although not shown in the drawings, the electronic device for executing the method for simulating the fluid of a 3D image according to an embodiment of the present invention includes a control unit controlling overall fluid simulation-related operations, 3D image, fluid analysis result data, and the like. It may include a database to store it.

일 실시 예에서, 제어부(110)는 학습데이터(예: 불량품 이미지)를 생성하는 각종 동작을 전반적으로 제어할 수 있으며, 데이터베이스(120)는 양품 이미지, 이물 이미지, 불량품 이미지, 이물 이미지 정보 등을 저장할 수 있다.In an embodiment, the control unit 110 may control various operations of generating learning data (eg, a defective product image) in general, and the database 120 may store a good product image, a foreign material image, a defective product image, foreign material image information, and the like. can be saved

도 2 내지 도 20을 참조하면, 일 실시 예에서, 전자 장치는 3차원 영상을 0부터 1까지의 음영 값을 갖는 음영 함수 f를 이용하여 유체 영역 및 주변 영역으로 분할할 수 있다. 즉, 3차원 영상의 픽셀마다 음영 값을 정의하고, 복수의 서브 픽셀로 세분화하고, 함수 f를 보간하여 영역을 분할할 수 있다. 2 to 20 , according to an embodiment, the electronic device may divide a 3D image into a fluid region and a peripheral region using a shading function f having shading values ranging from 0 to 1. That is, a region may be segmented by defining a shade value for each pixel of the 3D image, subdividing it into a plurality of sub-pixels, and interpolating the function f.

더 구체적으로, 동작 S21 내지 도 S24에서, 0과 1사이의 경계 영역을 포함하는 Voxel에 대하여 선택적 격자 영역으로 세분화하고(S21), 세분화된 격자 영역의 음영 함수 값을 보간하고(S22), 설정된 임계 음영 함수값을 기준으로 비혈관과 혈관 영역을 0과 1로 구분하고(S23), 1로 구분된 혈관 영역에 대하여 Navier-Stokes 방정식을 이용하여 해석할 수 있다(S24). 구체적인 내용은 다음과 같다.More specifically, in operations S21 to S24, the Voxel including the boundary region between 0 and 1 is subdivided into a selective lattice region (S21), the shading function value of the subdivided lattice region is interpolated (S22), and the set The non-vascular and vascular regions are divided into 0 and 1 based on the threshold shading function value (S23), and the vascular region divided by 1 can be analyzed using the Navier-Stokes equation (S24). The specific details are as follows.

일 실시 예에서, 도 3에 도시된 바와 같이 전자 장치는 주어진 의료 영상에서 유체 영역의 유무를 파악하기 위해 픽셀마다 음영 값을 정의할 수 있다. 이에 따라 도 4에 도시된 바와 같이, 음영을 나타내는 scalar 함수(0과 1사이의 값을 가지는) f의 값으로 파악할 수 있다. 예컨대, 특정 위치 (x,y,z)에서 f=1이면 perfect black(100% 혈관) 이며, f=0이면 perfect white (0% 혈관)일 수 있다. 이러할 경우, f 함수는 음영을 나타낼 뿐만 아니라, 혈관 영역인지 아닌지의 여부를 확률적으로 나타내는 확률 밀도 함수로 이해할 수 있다.In an embodiment, as shown in FIG. 3 , the electronic device may define a shading value for each pixel to determine the presence or absence of a fluid region in a given medical image. Accordingly, as shown in FIG. 4 , it can be identified as a value of f of a scalar function (having a value between 0 and 1) indicating a shadow. For example, if f=1 at a specific location (x, y, z), it may be perfect black (100% blood vessels), and if f=0, it may be perfect white (0% blood vessels). In this case, the f function can be understood as a probability density function that not only represents a shadow but also probabilistically represents whether or not it is a blood vessel region.

일 실시 예에서, 전자 장치는 3차원 영상의 최초 음영 정보에 기초하여 3차원 영상에 포함된 각각의 픽셀을 복수의 서브 픽셀로 세분화함으로써 고해상도 유동 복셀(volxel)을 생성할 수 있다.In an embodiment, the electronic device may generate a high-resolution floating voxel by subdividing each pixel included in the 3D image into a plurality of sub-pixels based on initial shadow information of the 3D image.

구체적으로, 보통의 의료 영상의 해상도는 유동 해석을 할 만큼의 고해상도를 제공하지 않을 수 있기 때문에, 최초의 음영 정보를 바탕으로 도 5에 도시된 바와 같이 하나의 픽셀 내부를 여러 개의 세부 픽셀로 세분화하여, 충분한 해상도의 혈류 유동 해석을 할 수 있을 만큼의 고해상도 유동 격자를 생성할 필요가 있다. 이때 고해상도 유동 복셀의 조밀 정도는 컴퓨터 성능 및 사용자의 선택에 따라 임의의 해상도로 세분화될 수 있다.(e.g. 1개 이미지 셀, 2 X 2 X 2….Nx X Ny X Nz 등 임의 해상도의 유동 복셀로 세분화될 수 있다. 여기서 Nx, Ny, Nz는 각 방향 별 세분화된 셀의 개수를 나타내며 필요 시 각 방향 별로 다른 개수의 셀을 사용할 수 있다.Specifically, since the resolution of a normal medical image may not provide a high enough resolution for flow analysis, the inside of one pixel is subdivided into several detailed pixels as shown in FIG. 5 based on the initial shading information. Therefore, it is necessary to create a high-resolution flow grid that can perform blood flow analysis with sufficient resolution. In this case, the density of high-resolution floating voxels can be subdivided into arbitrary resolutions according to computer performance and user selection. Where Nx, Ny, and Nz represent the number of subdivided cells in each direction, a different number of cells may be used in each direction if necessary.

일 실시 예에서, 전자 장치는 수치 보간(interpolation) 방법을 이용하여 음영함수 f를 보간할 수 있다. 예를 들어, 세분화된 유동 복셀 각각에 0~1 사이의 음영 값을 정의해 주어야 하는데, 여기서 수치 보간(interpolation) 방법이 사용될 수 있다. 비교적 단순한 linear함수 (2차원에서는 Bi-linear, 3차원에서는 Trilinear) 보간법이나, 보다 정확한 Cubic spline (2차원에서는 Bi-cubic, 3차원에서는 Tri-cubic) 함수로 세분화된 유동 복셀의 음영 함수 f 값을 정의할 수 있다. 예를 들어, Catmull-Rom Cubic Spline을 이용하여 음영함수 f를 보간하며, 이때의 경우 픽셀과 픽셀 사이를 부드러우며 연속적인(C1 continuous) 음영 함수로 표현이 가능한 장점이 있고, 이는 결과적으로 세분화된 유동 복셀을 지나는 혈관이 부드러우면 연속적으로 표현됨을 의미할 수 있다.In an embodiment, the electronic device may interpolate the shadow function f using a numerical interpolation method. For example, a shading value between 0 and 1 should be defined for each of the subdivided flow voxels, where a numerical interpolation method can be used. Shading function f value of flowing voxel subdivided by a relatively simple linear function (Bi-linear in 2D, Trilinear in 3D) interpolation, but more accurate Cubic spline (Bi-cubic in 2D, Tri-cubic in 3D) function can be defined. For example, the shading function f is interpolated using Catmull-Rom Cubic Spline. In this case, it has the advantage of being able to express between pixels with a smooth and continuous (C 1 continuous) shading function, which results in subdivision. If the blood vessel passing through the flow voxel is smooth, it may mean that it is continuously expressed.

일 실시 예에서, 전자 장치는 유체 영역과 주변 영역을 구분할 수 있는 경계를 나타내는 임계 값을 설정할 수 있고, 보간한 음영함수 f 및 임계 값을 이용하여 고해상도 유동 복셀의 음영 값을 정의할 수 있다. 예를 들어, 3차원 영상의 음영 정보로부터 혈관의 경계를 정의하는 것은 음영의 경계 값을 정의함에 따라 자동적으로 정의가 가능할 수 있다. 즉, 여기서 경계 값이 임계 값일 수 있으며, 예를 들어 임계 값을 f=0.5 라고 정의하면 f>0.5 인 영역은 모두 혈관 내부(유체 영역), 나머지는 혈관 외부(혹은 비유체 영역)으로 구분 지을 수 있다.In an embodiment, the electronic device may set a threshold value indicating a boundary that can distinguish the fluid region from the surrounding region, and define the shade value of the high-resolution flow voxel using the interpolated shade function f and the threshold value. For example, defining the boundary of the blood vessel from the shade information of the 3D image may be automatically defined as the boundary value of the shade is defined. That is, the boundary value may be a threshold value. For example, if the threshold value is defined as f=0.5, all regions with f > 0.5 are classified as inside the blood vessel (fluid region) and the rest into the outside of the vessel (or non-fluid region). can

한편, 3차원 영상의 음영 이미지는 필요에 따라서는 필터링 혹은 image processing 작업이 보조적인 형태로 사용될 수 있다.On the other hand, the shadow image of the 3D image may be used as an auxiliary form of filtering or image processing if necessary.

동작 21이 완료되면, 3차원 영상 공간 상의 모든 곳 (Voxcel 의 꼭지점, 면, 요소 중심 등)에서 0~1 값을 갖는 음영 함수가 정의되며, 이를 바탕으로 혈류 유동 해석을 위한 사전 작업(Preprocessing)이 완료될 수 있다.After operation 21 is completed, a shading function having a value of 0 to 1 is defined everywhere in the 3D image space (vertex, plane, element center, etc. of Voxcel), and based on this, preprocessing for blood flow analysis This can be done.

일 실시 예에서, 전자 장치는 동작 S24에서, 전자 장치는 하기 수학식 1 및 하기 수학식 2로 표현되는 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 이용하여 유체 영역의 유체 유동을 해석할 수 있다.In an embodiment, in operation S24, the electronic device may analyze the fluid flow in the fluid region using a Navier-Stokes equation expressed by Equations 1 and 2 below. there is.

구체적으로, 혈류 유동의 해석을 위해서는 기본적으로 점성을 가지는 유체의 거동을 기술하는 지배 방정식 즉 나비에-스토크스 방정식(Navier-Stokes equations)에 대한 수치해석을 수행하여야 한다. 혈류와 같이 밀도가 일정하여 유체의 압축성이 허용되지 않는 유동의 경우 나비에-스토크스 방정식은 하기 수학식 1 및 수학식 2로 표현되며, 여기서 수학식 1은 유체의 운동량 보존법칙으로부터 유도되며, 수학식 2는 유체의 질량보존으로부터 유도되는 두번째 구속조건식으로 표현된다.Specifically, for the analysis of blood flow, numerical analysis of the governing equations describing the behavior of a fluid having a viscosity, that is, the Navier-Stokes equations, should be performed. In the case of a flow with a constant density, such as blood flow, in which compressibility of a fluid is not allowed, the Navier-Stokes equation is expressed by Equations 1 and 2 below, where Equation 1 is derived from the law of conservation of momentum of the fluid, Equation 2 is expressed as a second constraint expression derived from the mass conservation of the fluid.

Figure pat00003
Figure pat00003

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서 ρ는 유체의 밀도, μ는 유체의 점성계수, g는 중력가속도, u는 유체의 속도, p는 유체의 압력이다.where ρ is the density of the fluid, μ is the viscosity coefficient of the fluid, g is the acceleration due to gravity, u is the velocity of the fluid, and p is the pressure of the fluid.

위 수학식 1 및 수학식 2는 일반적인 형상에 대해서 그 해석적 풀이가 불가능하여, 컴퓨터를 이용한 수치 해법이 가능할 뿐이며 본 발명에서는 공간상에서 임의의 0~1로 표현되는 영역에 대한 적용 방법을 기술한다.Equations 1 and 2 above are impossible to solve analytically with respect to a general shape, so only a numerical solution using a computer is possible. .

예를 들어, 방정식의 미지수인 속도와 압력은 모든 유동 복셀에서 도 6과 같이 설정될 수 있다. 수학식 1 및 수학식 2의 수치 해법은 기본적으로 현재의 시점에서 이미 알고 있는 과거의 속도장 및 압력장으로부터, 미래가 되는 다음 시점에서의 속도장과 압력장을 얻어내는 방법에 대한 것이다. For example, the velocity and pressure, which are unknowns in the equation, may be set as shown in FIG. 6 in all flow voxels. Numerical solutions of Equations 1 and 2 are basically about a method of obtaining a speed field and a pressure field at a future time point from the past speed field and pressure field already known at the present time point.

일 실시 예에서, 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 단계에서, 전자 장치는 수학식 1을 현재 시점과 과거 시점의 속도 및 압력으로부터 이산화하여 하기 수학식 3을 산출할 수 있고, 유체 영역과 주변 영역의 경계에서 속도 점착(Non-slip) 조건이 만족되도록 경계에서의 속도 경계조건을 설정할 수 있고, 속도 경계조건을 만족하도록 하기 수학식 3을 해석하여 임시 속도장 u*를 산출할 수 있다.In an embodiment, in the step of analyzing the fluid flow in the fluid region, the electronic device may calculate Equation 3 below by discretizing Equation 1 from the velocity and pressure of the current time and the past time, and the fluid region and the surrounding area The velocity boundary condition at the boundary can be set so that the velocity non-slip condition is satisfied at the boundary of , and the temporary velocity field u* can be calculated by interpreting Equation 3 below to satisfy the velocity boundary condition.

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서

Figure pat00006
는 시간에 대하여 차분된 항이고,
Figure pat00007
은 현재와 과거의 속도장부터 정의되는 비선형 대류항이고,
Figure pat00008
는 현재의 압력장으로부터 정의되는 압력의 공간 변화율이고,
Figure pat00009
은 선형 점성항이다.here
Figure pat00006
is the time-differentiated term,
Figure pat00007
is a nonlinear convection term defined from the present and past velocity fields,
Figure pat00008
is the spatial rate of change of pressure defined from the current pressure field,
Figure pat00009
is a linear viscous term.

구체적으로, 수학식 3과 같이 이산화된 운동량 방정식은 0/1로 표현되는 임의의 3차원 공간상에 대하여 혈관 벽면에서의 속도 점착(Non-slip) 조건을 적용하여 임시 속도장이 산출될 수 있다. 공간 차분에 사용되는 수치 방법은 Finite difference method, finite volume method, 혹은 finite element method 등이 사용될 수 있는데, 예컨대, Finite difference 방법을 사용하였을 경우의 예를 들면, 혈관 벽면에서의 속도 경계조건은 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 Cubic spline 함수로 보간된 음영함수 f의 값이 임계 값을(e.g. f=0.5) 가지는 지점에서 속도 점착조건이 만족되도록 설정할 수 있다.Specifically, in the discrete momentum equation as in Equation 3, a temporary velocity field may be calculated by applying a non-slip condition on the vessel wall to an arbitrary three-dimensional space image expressed as 0/1. The numerical method used for the spatial difference may be a finite difference method, a finite volume method, or a finite element method. For example, when the finite difference method is used, for example, the velocity boundary condition at the vessel wall is And, as shown in FIG. 8, it is possible to set the velocity adhesion condition to be satisfied at a point where the value of the shadow function f interpolated by the cubic spline function has a threshold value (e.g. f=0.5).

일 실시 예에서, 수학식 3의 해석을 통하여 3차원 공간상에서 임시 속도장이 정의되면, 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 단계에서, 전자 장치는 하기 수학식 4로 표현되는 포아송(Poisson) 방정식 및 다중격자(multigrid) 방법을 이용하여 임시 압력장 φ를 산출할 수 있다.In an embodiment, when a temporary velocity field is defined in a three-dimensional space through the analysis of Equation 3, in the step of analyzing the fluid flow in the fluid region, the electronic device performs the Poisson equation and multiple The temporary pressure field ϕ can be calculated using a multigrid method.

Figure pat00010
Figure pat00010

여기서 ρ는 유체의 밀도, f는 음영함수, φ는 임시 압력장이고, u*는 임시 속도장이다.where ρ is the density of the fluid, f is the shadow function, φ is the temporary pressure field, and u* is the temporary velocity field.

구체적으로, 임의의 0/1로 표현되는 공간상에서 임시 압력장을 수학식 4를 통하여 구할 수 있다. 수학식 4는 미지수인 임시 압력장에 대한 Poisson방정식으로서 유체 시뮬레이션에서 99% 이상 대부분의 CPU time이 소요되는 단계이다. 수학식 4의 이산화에는 격자 세분화와 cubic spline으로 보간(interpolation)되어 표현되는 음영 함수인 f가 직접적으로 사용될 수 있다. 수학식 4의 신속한 해법을 위하여 본 발명에서는 0/1로 표현되는 임의의 공간 영역에 적용 가능한 다중격자(Multigrid) 방법을 사용하며, 이에 대해서는 다음과 같이 자세히 후술한다.Specifically, a temporary pressure field in a space expressed by an arbitrary 0/1 can be obtained through Equation (4). Equation 4 is a Poisson equation for an unknown temporary pressure field, which is a step that takes 99% or more of CPU time in fluid simulation. For the discretization of Equation 4, f, which is a shading function expressed by interpolation with lattice subdivision and cubic spline, can be directly used. For a quick solution of Equation 4, the present invention uses a multigrid method applicable to an arbitrary spatial region expressed by 0/1, which will be described in detail later as follows.

0/1로 표시된 영역에 대한 다중격자(Multigrid) 방법을 이용한 최적 수렴 가속화Optimal convergence acceleration using the multigrid method for the region marked 0/1

일 실시 예에서, 유체 유동의 신속한 해법을 위해서는 수학식 4로 표현된 포와송 방정식의 효율적인 해법이 절대적이다. 일반적인 Multigrid 방법은 최상단의 조밀한 격자상의 수치해를 얻기 위하여, 일련의 성긴 격자상에서 오차를 추정하여 구하고(Restriction), 이를 다시 최상단의 조밀한 격자상의 해에 반영해 주는(Prolongation)작업을 반복적으로 수행함으로써 구동되며, 이러한 작업을 Multigrid V-cycle이라고 칭한다. 현재까지 개발한 방법 중에서 일반적인 경계조건을 가지는 문제에서 가장 속도가 빠른 방법은 multigrid 방법으로 알려져 있는데, 정사각형(정육면체)와 이상적인 영역에 대하여서는 그 방법이 정립되어 있지만, 임의의 불규칙한 3차원 영역에 대해서는 그 적용 방법이 알려져 있지 않았다.In one embodiment, an efficient solution of the Poisson equation expressed in Equation 4 is absolutely essential for a quick solution of the fluid flow. In the general multigrid method, in order to obtain a numerical solution on a dense grid at the top, an error is estimated on a series of sparse grids (restriction), and it is repeatedly reflected (prolongation) to the solution on the dense grid at the top. It is driven by doing this, and this operation is called Multigrid V-cycle. Among the methods developed so far, the fastest method for problems with general boundary conditions is known as the multigrid method. The method of its application was not known.

이에 본 발명에서는 3차원 공간을 등간격의 직교격자(Uniform Cartesian Grid)를 바탕으로 0/1로 영역을 표시하면, 임의의 영역을 효율적으로 표시할 수 있으며, Top level의 조밀한 격자 상에서 0/1로 표시된 정보를 bottom level의 성긴 격자 상에서 반영하여(이 과정을 Restriction 이라고 함) 임의의 3차원 영역 대한 최적의 Multigrid 알고리즘을 구현할 수 있음을 발표한 논문 "A geometric multigrid accelerated incompressible ow simulation over complex geometries" Gwangsoo GO and Hyung Taek AHN [COMPUTERS & FLUIDS, Volume 197, 30 January 2020, Article number 104350]에 기재되어 있고, 상기 논문은 본원에 언급된 진술 및 도면 사이에서 상충이 존재하지 않는 범위에서 원용에 의해 본 명세서에 포함될 수 있다.Accordingly, in the present invention, if the 3D space is displayed as 0/1 on the basis of an equally spaced Uniform Cartesian Grid, an arbitrary region can be efficiently displayed, and 0/ on the dense grid of the top level The paper "A geometric multigrid accelerated incompressible ow simulation over complex geometries" published that it is possible to implement the optimal Multigrid algorithm for an arbitrary 3D area by reflecting the information indicated by 1 on the coarse grid at the bottom level (this process is called Restriction) " Gwangsoo GO and Hyung Taek AHN [COMPUTERS & FLUIDS, Volume 197, 30 January 2020, Article number 104350], which is incorporated herein by reference to the extent that there is no conflict between the statements and drawings mentioned herein. may be included herein.

여기서 사용되는 0/1의 영역 표시 값은 앞서 기술한 음영 함수 f로 치환될 수 있으며, 선택적으로 세분화된 격자 상에서 multigrid 기법의 구현을 위해서 필요한 각 단계별 성긴 격자(Coarse grid)상에서 음영 함수 값은 별도로 계산이 필요 없이 이미 보간 되어 표현된 음영 함수 값으로부터 손쉽게 구할 수 있다. The area display value of 0/1 used here can be substituted with the shading function f described above, and the shading function value is separately selected on the coarse grid for each step necessary for the implementation of the multigrid technique on the subdivided grid. It can be easily obtained from the already interpolated and expressed shade function values without calculation.

본 특허에서는 상기 논문에 발표된 개념을 확장시킨 다중격자(Multigrid) 방법으로 3차원 공간상에서 선택적으로 세분화된(selectively refined grid) 격자상에서도 작동하는 임의 형상에 대한 Multigrid 방법이 도 9와 같이 도식적으로 설명될 수 있다.In this patent, as a multigrid method that extends the concept disclosed in the above paper, the multigrid method for arbitrary shapes that operates on a grid selectively refined in a three-dimensional space is schematically described as shown in FIG. can be

본 발명의 다중격자 방법을 사용하면, 3차원 공간상에서 임의의 유체 유동이 필요한 부분을 선택적으로 세분화하고, 이 세분화된 영역의 정보(보간된 0/1 음영함수 f 정보)를 거꾸로 사용함으로써 효율적인 multigrid 해법이 구현될 수 있다. 뿐만 아니라, 추가적인 수렴 가속화가 필요할 경우, Bottom most level 즉 Uniform Cartesian grid 상에서 0과 1로 표현된 임의의 형상에 대한 또 한 번의 Multigrid Restriction이 수행될 수 있는데, 이때는 상기 논문에 발표된 알고리즘을 적용하면 된다.Using the multi-grid method of the present invention, it is possible to selectively subdivide a part requiring arbitrary fluid flow in a three-dimensional space, and to reversely use the information of this subdivided area (interpolated 0/1 shadow function f information), thereby providing an efficient multigrid A solution may be implemented. In addition, if additional convergence acceleration is required, another multigrid restriction can be performed on arbitrary shapes expressed as 0 and 1 on the bottom most level, that is, the Uniform Cartesian grid. do.

이러한 일련의 과정에서, 일체의 명시적(Explicit)인 혈관 형상 표면은 필요하지 않으며, 오로지 0/1로 표현되는 음영함수 f 의 값에 의하여 모든 유체 영역이 표현되고 그 영역에 대하여 유체 유동이 해석되게 된다.In this series of processes, any explicit blood vessel-shaped surface is not required, and all fluid regions are expressed only by the value of the shade function f expressed as 0/1, and the fluid flow is analyzed for that region. will become

이어서, 전자 장치는 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 단계에서, 임시 속도장 u*, 임시 압력장 φ, 하기 수학식 5 및 하기 수학식 6을 이용하여 유체 영역에서의 다음 시점의 속도장 및 압력장을 산출할 수 있다.Then, in the step of analyzing the fluid flow in the fluid region, the electronic device uses the temporary velocity field u*, the temporary pressure field φ, and the following Equations 5 and 6 to the velocity field and pressure of the next time in the fluid region field can be calculated.

Figure pat00011
Figure pat00011

Figure pat00012
Figure pat00012

여기서 un+1은 다음 시점의 속도장이고, un은 현재 시점의 속도장이고,

Figure pat00013
는 임시 압력장으로부터 정의되는 압력의 공간 변화율이고, pn+1은 다음 시점의 압력장이고, pn은 현재 시점의 압력장이다.where u n+1 is the velocity field at the next time, u n is the velocity field at the current time,
Figure pat00013
is the spatial rate of change of pressure defined from the temporary pressure field, p n+1 is the pressure field at the next point in time, and p n is the pressure field at the current point in time.

이에 따라, 본 발명은 3차원 영상에 포함된 유체 영역의 3D 형상을 획득할 필요 없이 이미지를 획득하자마자 음영 정보를 통해 손쉽게 유체 해석을 할 수 있다.Accordingly, according to the present invention, it is possible to easily analyze the fluid through shadow information as soon as the image is acquired without the need to acquire the 3D shape of the fluid region included in the 3D image.

한편, 다중격자 방법에 대해 하기와 같이 간략히 설명한다. 하기 다중격자 방법 내용은 앞서 언급한 바와 같이 상기 논문 내용에 기재된 내용이다.On the other hand, the multi-lattice method will be briefly described as follows. The content of the multi-lattice method is as described above in the content of the paper.

1. 다중격자 방법(Multigrid method)1. Multigrid method

edge/face-wise Heaviside function restriction을 사용하는 기하학적 멀티그리드(MG) 알고리즘은 구현이 간단하고 쉽게 병렬화 할 수 있으며 불규칙한 도메인 문제에 적용 할 수 있다.The geometric multigrid (MG) algorithm using edge/face-wise heaviside function restriction is simple to implement, can be easily parallelized, and can be applied to irregular domain problems.

1.1. Standard multigrid method1.1. Standard multigrid method

멀티그리드(이하 MG) 방법은 도 10에 도시된 바와 같이 반복 제한 연장 루프(V-cycle)를 사용하여 선형 시스템(Ax = b)을 해결할 수 있다.The multi-grid (hereinafter referred to as MG) method can solve a linear system (Ax = b) using an iterative-limited extension loop (V-cycle) as shown in FIG. 10 .

MG 방법의 놀라운 특성은 수렴에 필요한 총 사이클 수가 그리드(grid) 해상도에 관계없이 거의 일정하며 O(N)의 최적 성능을 나타낼 수 있다는 점이다. 여기서 N은 총 셀 수이다.A surprising property of the MG method is that the total number of cycles required for convergence is almost constant regardless of the grid resolution, and can represent an optimal performance of O(N). where N is the total number of cells.

Gauss-Seidel 반복 솔버(solver)는 현재 MG 방법에서 더 매끄럽게 사용될 수 있다. 제한에 대한 pre-smoothing의 수는 10이고, 연장을 위한 post-smoothing의 수는 2이다. 최고의 메쉬 해상도에 관계없이 제한에 대한 coarsest grid는 2×2 2D 사각 도메인(square domain) 및 2×2×2 3D 큐브 도메인(cube domain)에 설정될 수 있다.The Gauss-Seidel iterative solver can be used more smoothly in the current MG method. The number of pre-smoothing for the limit is 10, and the number of post-smoothing for the extension is 2. Regardless of the highest mesh resolution, the coarsest grid for the constraint can be set in a 2×2 2D square domain and a 2×2×2 3D cube domain.

세포 중심 방식은 현재 압력 포아송 방정식에서 사용되며, 여기서 미지수는 세포 중심에서 샘플링될 수 있다. 세포 중심 방식에 대한 2차원 제한 및 연장 절차는 도 11과 같이 간단하게 수행될 수 있다.The cell centroid method is currently used in the pressure Poisson equation, where the unknown can be sampled at the cell centroid. The two-dimensional constraint and extension procedure for the cell-centric manner can be performed simply as shown in FIG. 11 .

제한 프로세스에서 코스 그리드(coarse grid)의 소스 항 (b2h)은 미세 그리드(fine grid)의 레지듀얼스(residuals) (rh)를 평균하여 정의될 수 있다. 연장의 경우, 코스 그리드(coarse grid) (x2h)의 해법이 미세 그리드의 해법 (xh)에 동일하게 적용될 수 있다.In the constraint process, the source term (b2h) of the coarse grid may be defined by averaging residuals (rh) of the fine grid. In the case of extension, the solution of the coarse grid (x2h) may be equally applied to the solution of the fine grid (xh).

도 11에 도시된 바와 같이, 제한 및 연장 절차는 b2h = Rrh 및 xh = xh + Px2h로 표현될 수 있으며, 여기서 R 및 P는 각각 제한 및 연장 연산자를 나타낸다. 이 두 연산자는 변동 속성, 즉 P= cRT를 충족하며, 여기서 c는 상수 실수 값이다. 이것은 연장 연산자와 제한 연산자가 서로를 상수로 전치(transpose)한다는 것을 의미한다.11 , the constraint and extend procedure can be expressed as b2h = Rrh and xh = xh + Px2h, where R and P represent the constraint and extend operators, respectively. These two operators satisfy the variable property, P= cRT, where c is a constant real value. This means that extension and constraint operators transpose each other into constants.

1.2. Multigrid method for an irregular domain1.2. Multigrid method for an irregular domain

불규칙 도메인에 대한 현재 압력 포아송 방정식은 도메인 불규칙성이 자동으로 푸아송 방정식에 포함된 Heaviside 함수로 표현되기 때문에 정규 도메인의 경우와 같이 풀 수 있다. 이 사실을 바탕으로 Heaviside 함수가 연속적으로 코슨드 그리드(coarsened grid)에서 일관되게 정의되면 표준 MG 알고리즘을 현재 Poisson 방정식에 유사하게 적용할 수 있다.Current pressure Poisson equations for irregular domains can be solved as in the case of normal domains because domain irregularities are automatically expressed as Heaviside functions included in Poisson's equations. Based on this fact, the standard MG algorithm can be similarly applied to the present Poisson equation if the Heaviside function is defined consistently on a continuously coarsened grid.

압력 포아송 방정식의 공간적 이산화를 고려할 경우, 푸아송 방정식의 시스템 행렬(A)에는 Heaviside 함수가 포함될 수 있다. 따라서 제한 과정에서 A는 연속적으로 코슨드 그리드(coarsened grid)에서 재구성 되어야 한다. 여기서는 edge/face-wise 제한 알고리즘을 사용한다. 이 알고리즘을 기반으로 코스 그리드(coarse grid)의 모서리/면에 대한 Heaviside 함수는 미세한 그리드 모서리/면에 대한 Heaviside 함수를 평균하여 정의 할 수 있다. 2분할 차원에 대한 절차는 도 12에 도시되어 있다.When the spatial discretization of the pressure Poisson equation is considered, the system matrix (A) of the Poisson equation may include a Heaviside function. Therefore, in the constraint process, A must be continuously reconstructed from a coarsened grid. Here, an edge/face-wise constraint algorithm is used. Based on this algorithm, the Heaviside function for the edge/face of a coarse grid can be defined by averaging the Heaviside function for the fine grid edge/face. The procedure for the two-division dimension is shown in FIG. 12 .

Heaviside 함수 제한 알고리즘은 유사한 방식으로 3D 케이스로 확장 할 수 있다. 2D에서 Heaviside 함수의 에지별 평균화(edgewise averaging) 대신 3D의 Heaviside 함수 제한에 페이스별 평균화(face-wise averaging)가 적용된다. 보다 구체적으로, 코스 그리드(coarse grid)의 셀 표면에 있는 Heaviside 함수는 해당 미세 그리드의 해당 4면에서 Heaviside 함수를 평균화하여 간단히 정의 할 수 있다.The Heaviside function constraint algorithm can be extended to 3D cases in a similar way. Instead of edgewise averaging of the Heaviside function in 2D, face-wise averaging is applied to the limits of the Heaviside function in 3D. More specifically, the Heaviside function on the cell surface of a coarse grid can be simply defined by averaging the Heaviside function on the corresponding four sides of the corresponding fine grid.

Heaviside 함수에 대한 현재 edge/face-wise 제한 알고리즘은 다음과 같은 이유로 강력하게 권장된다. 첫 째로, 미리 계산된 Heaviside 함수를 사용하면 Heaviside 함수의 중복 계산을 제거 할 수 있으므로 계산 시간과 메모리를 절약 할 수 있다. 둘 째로, Heaviside 함수가 각 코스 그리드(coarse grid)에서 다시 계산되면 제한 절차 중에 기하학적 정보가 쉽게 손실 될 수 있다.The current edge/face-wise constraint algorithm for the Heaviside function is strongly recommended for the following reasons: First, using the precomputed Heaviside function can eliminate redundant calculations of the Heaviside function, thereby saving computation time and memory. Second, geometric information can easily be lost during the constraint procedure if the Heaviside function is recalculated on each coarse grid.

Heaviside 함수 제한 알고리즘을 사용할 경우, MG 알고리즘은 도 13에 도시된 Algorithm 1과 같이 재귀적으로 구현될 수 있다.When the Heaviside function constraint algorithm is used, the MG algorithm can be implemented recursively as in Algorithm 1 shown in FIG. 13 .

이 알고리즘에서는 재귀 함수 "multigrid_v_cycle"이 정의된다. "pre_smooth" 및 "post_smooth"로 표시된 하위 함수는 red-black Gauss-Seidel 알고리즘에 의해 구현된다. 하위 함수 "system_matrix"는 압력 포아송 방정식의 이산화를 따른다. 나머지 하위 기능, 즉 "restrict_cell_center", "prolongate" 및 "restrict_cell_edgeface"는 각각 도 11-(a), 도 11-(b) 및 도 12에 해당된다. Heaviside 함수 제한은 유사한 방식으로 3D 케이스로 확장 될 수 있다.In this algorithm, a recursive function "multigrid_v_cycle" is defined. The sub-functions marked "pre_smooth" and "post_smooth" are implemented by the red-black Gauss-Seidel algorithm. The subfunction "system_matrix" follows the discretization of the pressure Poisson equation. The remaining sub-functions, ie, “restrict_cell_center”, “prolongate” and “restrict_cell_edgeface”, correspond to FIGS. 11-(a), 11-(b) and 12, respectively. The Heaviside function constraint can be extended to the 3D case in a similar way.

1.3. Verication study1.3. Verication study

Heaviside 함수 제한을 사용하는 현재 MG 알고리즘의 타당성과 성능을 입증하기 위해, 불규칙 도메인에 대한 분석적으로 정의된 Poisson 문제가 고려된다. 불규칙 도메인(도 13에 도시)은 {(x, y) | sin x sin y ≥ 0.2 및 0 ≤ x, y ≤ π}로 정의되며, 불규칙한 경계를 갖는 포아송 방정식은

Figure pat00014
으로 표현되며,
Figure pat00015
는 알 수 없으며
Figure pat00016
는 하기 수학식 7과 같이 정의된 소스 벡터이다.To demonstrate the validity and performance of the current MG algorithm using Heaviside function constraints, an analytically defined Poisson problem for the irregular domain is considered. The irregular domain (shown in Fig. 13) is {(x, y) | Defined as sin x sin y ≥ 0.2 and 0 ≤ x, y ≤ π}, the Poisson equation with irregular boundaries is
Figure pat00014
is expressed as
Figure pat00015
is unknown
Figure pat00016
is a source vector defined as in Equation 7 below.

Figure pat00017
Figure pat00017

상기 문제에서, 뉴먼 경계 조건(Neumann boundary condition, i.e.

Figure pat00018
)이 불규칙한 경계에 적용될 수 있고, 포아송 방정식의 분석적 해법은
Figure pat00019
로 표현될 수 있다.In the above problem, the Neumann boundary condition (Neumann boundary condition, ie
Figure pat00018
) can be applied to irregular boundaries, and the analytic solution of the Poisson equation is
Figure pat00019
can be expressed as

Heaviside 함수 제한을 사용하는 현재 MG 방법의 결과는 표준 CG(conjugate gradient) 방법의 결과와 함께 제공된다. 첫 째로, 잔여 이력이 고려된다. 도 14는 잔차(residual)의 L2-norm 대 사이클 수 (MG) 또는 반복 (CG)를 도시한다. 현재의 MG 방법에서 각 그리드 시스템의 솔루션은 거의 고정 된 사이클 수 내에서 수렴된다. 반대로 수렴을 위한 CG 방법의 반복 횟수는 문제 크기가 커짐에 따라 증가한다. 이 결과는 현재의 MG 방법이 불규칙한 영역에서 최적으로 수행된다는 것을 의미하며, 이 동작은 MG 방법의 특징이다. 다음으로 실제 계산 시간은 도 16과 같이 선형 및 로그 스케일을 사용하여 표시된다.The results of the current MG method using the Heaviside function constraint are provided along with the results of the standard CG (conjugate gradient) method. First, the residual history is considered. 14 depicts the L2-norm of the residual versus the number of cycles (MG) or repetitions (CG). In the present MG method, the solutions of each grid system converge within an almost fixed number of cycles. Conversely, the number of iterations of the CG method for convergence increases as the problem size increases. This result means that the current MG method performs optimally in an irregular region, and this behavior is characteristic of the MG method. Next, the actual calculation time is displayed using a linear and logarithmic scale as shown in FIG. 16 .

여기서 각 그리드 시스템의 계산 시간은 가장 거친 시스템(coarsest system)(64 × 64)에서 MG 방법의 계산 시간을 나누어 정규화한다. 이 그림에서 MG 방법의 우월성은 명확하게 확인되었으며, 복잡성이 O(N)인 최적의 성능이 확실하게 입증되었다. 마지막으로, 도 17은 로그 스케일을 사용하여 오류의 수렴 이력을 도시한다.Here, the computation time of each grid system is normalized by dividing the computation time of the MG method in the coarsest system (64 × 64). In this figure, the superiority of the MG method is clearly confirmed, and the optimal performance with complexity O(N) is clearly demonstrated. Finally, Fig. 17 shows the convergence history of errors using a logarithmic scale.

푸아송 방정식의 수치 오차는 이산화 체계에 완전히 의존한다. 따라서 두 방법의 결과는 동일하며 원하는 2 차 비율을 동반하는 분석 솔루션으로 수렴된다. 엄격한 검증 연구를 통해 Heaviside 함수 제한 알고리즘을 사용하면 MG 방법이 불규칙 영역에서 푸아송 방정식에 대해 최적으로 올바르게 수행 할 수 있음이 확인되었다.The numerical error of the Poisson equation is completely dependent on the discretization scheme. Therefore, the results of both methods are identical and converge to an analytical solution accompanied by the desired quadratic ratio. A rigorous validation study confirmed that using the Heaviside function constraint algorithm, the MG method can perform optimally and correctly for Poisson's equations in the irregular domain.

1.4. Parallel multigrid method1.4. Parallel multigrid method

실제 계산에 있어서, 프로젝션 방법에서 가장 시간이 많이 걸리는 부분은 압력 푸아송 방정식을 푸는 것이다. 이러한 이유로 플로우(flow) 시뮬레이션의 병렬 확장성은 병렬 계산에서 MG 방법의 성능에 크게 좌우된다. 이 하위 섹션에서는 Heaviside 함수 제한을 사용하는 현재 MG 알고리즘에 대한 병렬화 전략이 제시된다.In actual calculations, the most time-consuming part of the projection method is solving the pressure Poisson equation. For this reason, the parallel scalability of flow simulation greatly depends on the performance of the MG method in parallel computation. In this subsection, a parallelization strategy for the current MG algorithm using the Heaviside function constraint is presented.

현재의 MG 알고리즘에서는 제한 절차의 최종 그리드가 가능한 한 거칠기 때문에 수렴 속도를 향상시킬 수 있습니다. 이러한 이유로 제한에 대한 가장 거친 그리드(coarsest grid)는 2D 정사각형 도메인에서 2x2로 설정하고, 현재 연구에서 가장 정확한 메쉬 해상도에 관계없이 3D 큐브 도메인에서 2x2x2로 설정한다. MPI 병렬화가 적용된 경우를 고려할 경우, 계산 영역이 2D에서 np×np MPI 프로세스로 나뉘면 각 MPI 프로세스에서 2×2 격자가 있을 때까지 제한 절차가 수행되므로 전체 계산 영역의 가장 거친 격자는 2np×2np가 된다. 이러한 이유로 병렬 계산에서 MPI 프로세스 수가 증가하면 수렴 속도가 감소 할 수 있다.In the current MG algorithm, the convergence speed can be improved because the final grid of the constraint procedure is as coarse as possible. For this reason, the coarsest grid for the constraint is set to 2x2 in the 2D square domain, and 2x2x2 in the 3D cube domain, regardless of the mesh resolution, which is the most accurate in the current study. Considering the case where MPI parallelization is applied, if the computational domain is divided into np×np MPI processes in 2D, the constraint procedure is performed until there is a 2×2 grid in each MPI process, so the coarsest grid of the entire computational domain is 2np×2np becomes For this reason, the convergence speed may decrease as the number of MPI processes increases in parallel computation.

병렬 계산에서 이러한 단점을 극복하기 위해 다단계 알고리즘을 적용해야 한다. 다중 레벨 알고리즘의 예가 도 18에 도시되어 있다. 도 18에서 4nx4n 그리드로 구성된 계산 영역은 4x4 MPI 프로세스로 나뉜다. 도 18을 기반으로 단일 V- 사이클에 대한 다중 레벨 알고리즘은 다음과 같이 요약 할 수 있다.In order to overcome these shortcomings in parallel computation, a multi-step algorithm should be applied. An example of a multi-level algorithm is shown in FIG. 18 . In Fig. 18, the computational area composed of the 4nx4n grid is divided into 4x4 MPI processes. Based on Fig. 18, the multi-level algorithm for a single V-cycle can be summarized as follows.

1. 제한 절차 (n×n → 2×2)는 각 MPI 프로세스에서 수행된다1. The limiting procedure (n×n → 2×2) is performed in each MPI process

2. 각 MPI 프로세스에서 가장 거친 그리드의 정보가 단일 프로세스로 수집된다2. In each MPI process, information from the coarsest grid is collected in a single process

3. 직렬 V-사이클 절차(8x8 → 2x2 → 8x8)는 단일 프로세스에서 수행된다3. The series V-cycle procedure (8x8 → 2x2 → 8x8) is performed in a single process

4. 직렬 V-사이클의 결과는 해당 MPI 프로세스에 흩어져 있다4. Results of series V-cycles are scattered across the corresponding MPI process

5. 연장 절차 (2x2 → nxn)는 각 MPI 프로세스에서 수행된다.5. The extension procedure (2x2 → nxn) is performed in each MPI process.

이 과정을 통해 병렬화로 인한 단점없이 병렬 연산에 MG 방식을 적용 할 수 있다. 이 알고리즘은 3D 문제에도 유사하게 적용될 수 있다. 다단계 알고리즘은 현재의 멀티 그리드 알고리즘에 쉽게 적용 할 수 있다. 일반 도메인에서 표준 MG 방법에 다단계 알고리즘을 적용하는 것과 비교할 때 유일한 차이점은 집계 프로세스에서 Heaviside 함수를 수집하는 것이다.Through this process, the MG method can be applied to parallel operation without any disadvantages due to parallelization. This algorithm can be similarly applied to 3D problems. The multi-step algorithm can be easily applied to the current multi-grid algorithm. Compared to applying the multi-step algorithm to the standard MG method in the general domain, the only difference is to collect the Heaviside function in the aggregation process.

한편, 전자 장치는 세분화된 고해상도 유동 복셀의 음영 정보를 처리하는 그래픽 처리 유닛(graphic processing unit) 및 최초 음영 정보를 처리하는 프로세서(CPU)를 포함할 수 있다.Meanwhile, the electronic device may include a graphic processing unit that processes shadow information of subdivided high-resolution floating voxels and a processor (CPU) that processes initial shadow information.

본 발명이 제안하는 방법은 병렬화에 매우 적합하다. 특히, 세분화가 이루어진 격자에 대해서는 그래픽 처리 유닛을 이용한 병렬화가 적합하며, 세분화 전의 최초 Level-0 격자(최초 의료 영상의 해상도와 동일한 조밀도의 격자)에 대해서는 프로세서를 이용한 병렬화를 실행하여 도 19 및 20과 같이 동시에 사용하는 병렬 연산을 효율적으로 구현 가능하다.The method proposed by the present invention is very suitable for parallelization. In particular, parallelization using a graphic processing unit is suitable for a subdivided lattice, and parallelization using a processor is executed for the first Level-0 lattice (a lattice with the same density as the resolution of the first medical image) before subdivision, as shown in Figure 19 and 20, it is possible to efficiently implement parallel operations that are used at the same time.

한편, 본 발명의 다른 실시 예에서, 전자 장치는 3차원 영상의 밝기 값에 기초하여 각각의 픽셀마다 0 또는 1을 정의함에 따라 3차원 영상을 유체 영역 및 주변 영역으로 분할할 수 있다. 즉, 상기 실시 예에서, 다른 방법들은 모두 동일하되 영역을 분할하는 방법만 다르게 적용될 수 있다. 예컨대, 음영 값을 통해 영역을 구분하는 것이 아니라 픽셀 당 밝기 값을 획득하고, 미리 저장된 유체 영역 및 주변 영역의 일반적인 밝기 값과 비교하여 유체 영역에 해당하는 밝기 값을 가진 픽셀에는 1을 부여하고, 주변 영역에 해당하는 밝기 값을 가진 픽셀에는 0을 부여하는 방식으로 영역을 분할할 수 있다.Meanwhile, according to another embodiment of the present disclosure, the electronic device may divide the 3D image into a fluid region and a peripheral region by defining 0 or 1 for each pixel based on the brightness value of the 3D image. That is, in the above embodiment, all other methods are the same, but only a method of dividing a region may be applied differently. For example, the brightness value per pixel is obtained instead of dividing the area through the shading value, and 1 is assigned to a pixel having a brightness value corresponding to the fluid area by comparing it with the general brightness values of the pre-stored fluid area and surrounding area; The region can be divided in such a way that 0 is assigned to pixels having a brightness value corresponding to the surrounding region.

본 발명의 일 면에 따른 전자 장치가 수행하는 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법은, 상기 전자 장치가 3차원 영상을 0부터 1까지의 음영 값을 갖는 음영 함수 f를 이용하여 유체 영역 및 주변 영역으로 분할하는 단계; 및 상기 전자 장치가 상술한 수학식 1 및 하기 수학식 2로 표현되는 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 이용하여 상기 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 단계;를 포함할 수 있다.In the fluid simulation method of a 3D image performed by an electronic device according to an aspect of the present invention, the electronic device converts the 3D image into a fluid region and a peripheral region using a shading function f having shading values ranging from 0 to 1. dividing; and analyzing, by the electronic device, the fluid flow in the fluid region using the Navier-Stokes equation expressed by Equation 1 and Equation 2 below.

다양한 실시 예에 따르면, 상기 유체 영역 및 주변 영역으로 분할하는 단계는, 상기 전자 장치가 상기 3차원 영상의 최초 음영 정보에 기초하여 상기 3차원 영상에 포함된 각각의 픽셀을 복수의 서브 픽셀로 세분화함으로써 고해상도 유동 복셀(volxel)을 생성하는 단계; 상기 전자 장치가 수치 보간(interpolation) 방법을 이용하여 상기 음영함수 f를 보간하는 단계; 상기 전자 장치가 상기 유체 영역과 상기 주변 영역을 구분할 수 있는 경계를 나타내는 임계 값을 설정하는 단계; 및 상기 보간한 음영함수 f 및 상기 임계 값을 이용하여 상기 고해상도 유동 복셀의 음영 값을 정의하는 단계;를 포함할 수 있다.According to various embodiments of the present disclosure, the dividing into the fluid region and the surrounding region may include, by the electronic device, subdividing each pixel included in the 3D image into a plurality of sub-pixels based on initial shadow information of the 3D image. generating a high-resolution flow voxel by doing; interpolating, by the electronic device, the shadow function f using a numerical interpolation method; setting, by the electronic device, a threshold value indicating a boundary by which the fluid region and the peripheral region can be distinguished; and defining a shadow value of the high-resolution floating voxel using the interpolated shadow function f and the threshold value.

다양한 실시 예에 따르면, 상기 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 단계는, 상기 전자 장치가 상기 수학식 1을 현재 시점과 과거 시점의 속도 및 압력으로부터 이산화하여 하기 수학식 3을 산출하는 단계; 상기 전자 장치가 상기 유체 영역과 상기 주변 영역의 경계에서 속도 점착(Non-slip) 조건이 만족되도록 상기 경계에서의 속도 경계조건을 설정하는 단계; 및 상기 전자 장치가 상기 설정한 속도 경계조건을 만족하도록 상술한 수학식 3을 해석하여 임시 속도장 u*를 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.According to various embodiments of the present disclosure, the analyzing of the fluid flow in the fluid region may include: calculating, by the electronic device, Equation (3) by discretizing Equation 1 from the velocity and pressure of a current time and a past time; setting, by the electronic device, a velocity boundary condition at the boundary such that a non-slip condition is satisfied at the boundary between the fluid region and the peripheral region; and calculating, by the electronic device, a temporary velocity field u* by analyzing Equation 3 above to satisfy the set velocity boundary condition.

다양한 실시 예에 따르면, 상기 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 단계는, 상기 전자 장치가 상술한 수학식 4로 표현되는 포아송(Poisson) 방정식 및 다중격자(multigrid) 방법을 이용하여 임시 압력장 φ를 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.According to various embodiments, in the analyzing of the fluid flow in the fluid region, the electronic device calculates the temporary pressure field φ using the Poisson equation and the multigrid method expressed by Equation 4 above. Calculating; may include.

다양한 실시 예에 따르면, 상기 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 단계는, 상기 전자 장치가 상기 임시 속도장 u*, 상기 임시 압력장 φ, 상술한 수학식 5 및 수학식 6을 이용하여 상기 유체 영역에서의 다음 시점의 속도장 및 압력장을 산출하는 단계;를 포함할 수 있다.According to various embodiments, in the analyzing of the fluid flow in the fluid region, the electronic device uses the temporary velocity field u*, the temporary pressure field φ, and the above-described Equations 5 and 6 in the fluid region It may include; calculating the velocity field and the pressure field of the next time in

본 발명의 일면에 따른 전자 장치가 수행하는 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법은, 상기 전자 장치가 3차원 영상의 밝기 값에 기초하여 각각의 픽셀마다 0 또는 1을 정의함에 따라 상기 3차원 영상을 유체 영역 및 주변 영역으로 분할하는 단계; 및 상기 전자 장치가 상술한 수학식 1 및 수학식 2로 표현되는 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 이용하여 상기 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 단계;를 포함할 수 있다.In a fluid simulation method of a 3D image performed by an electronic device according to an aspect of the present invention, the electronic device converts the 3D image into a fluid by defining 0 or 1 for each pixel based on a brightness value of the 3D image. dividing into a region and a peripheral region; and analyzing, by the electronic device, the fluid flow in the fluid region using the Navier-Stokes equation expressed by Equations 1 and 2 described above.

본 발명의 일면에 따른 3차원 영상의 유체 시뮬레이션을 수행하는 전자 장치는, 3차원 영상을 0부터 1까지의 음영 값을 갖는 음영 함수 f를 이용하여 유체 영역 및 주변 영역으로 분할하고, 상술한 수학식 1 및 수학식 2로 표현되는 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 이용하여 상기 유체 영역의 유체 유동을 해석할 수 있다.An electronic device for performing fluid simulation of a 3D image according to an aspect of the present invention divides a 3D image into a fluid region and a peripheral region using a shading function f having shading values ranging from 0 to 1, and performs the above-described math The fluid flow in the fluid region may be analyzed using the Navier-Stokes equation expressed by Equation 1 and Equation 2.

다양한 실시 예에 따르면, 상기 전자 장치는, 상기 3차원 영상의 최초 음영 정보에 기초하여 상기 3차원 영상에 포함된 각각의 픽셀을 복수의 서브 픽셀로 세분화함으로써 고해상도 유동 복셀(volxel)을 생성하고, 수치 보간(interpolation) 방법을 이용하여 상기 음영함수 f를 보간하고, 상기 유체 영역과 상기 주변 영역을 구분할 수 있는 경계를 나타내는 임계 값을 설정하고, 상기 보간한 음영함수 f 및 상기 임계 값을 이용하여 상기 고해상도 유동 복셀의 음영 값을 정의하고, 상기 수학식 1을 현재 시점과 과거 시점의 속도 및 압력으로부터 이산화하여 하기 수학식 3을 산출하고, 상기 유체 영역과 상기 주변 영역의 경계에서 속도 점착(Non-slip) 조건이 만족되도록 상기 경계에서의 속도 경계조건을 설정하고, 상기 설정한 속도 경계조건을 만족하도록 상술한 수학식 3을 해석하여 임시 속도장 u*를 산출할 수 있다.According to various embodiments, the electronic device generates a high-resolution floating voxel (volxel) by subdividing each pixel included in the 3D image into a plurality of sub-pixels based on initial shadow information of the 3D image, Interpolating the shadow function f using a numerical interpolation method, setting a threshold value indicating a boundary that can distinguish the fluid region from the surrounding region, and using the interpolated shadow function f and the threshold value The shadow value of the high-resolution flow voxel is defined, Equation 1 is discretized from the velocity and pressure of the current time and the past time to calculate Equation 3 below, and the velocity adhesion (Non) at the boundary between the fluid region and the peripheral region -slip), a velocity boundary condition at the boundary is set so that the condition is satisfied, and a temporary velocity field u* can be calculated by analyzing Equation 3 above to satisfy the set velocity boundary condition.

다양한 실시 예에 따르면, 상기 전자 장치는 상기 세분화된 고해상도 유동 복셀의 음영 정보를 처리하는 그래픽 처리 유닛(graphic processing unit) 및 상기 최초 음영 정보를 처리하는 프로세서를 포함 할 수 있다.According to various embodiments of the present disclosure, the electronic device may include a graphic processing unit that processes shadow information of the subdivided high-resolution floating voxel and a processor that processes the initial shadow information.

3차원 영상의 유체 시뮬레이션 프로그램은 하드웨어인 컴퓨터와 결합되어, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장될 수 있다.The fluid simulation program of the three-dimensional image may be stored in a medium in order to execute the method of any one of claims 1 to 5 by being combined with a computer which is hardware.

본 발명의 실시예와 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계들은 하드웨어로 직접 구현되거나, 하드웨어에 의해 실행되는 소프트웨어 모듈로 구현되거나, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어 모듈은 RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM), 플래시 메모리(Flash Memory), 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM, 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 잘 알려진 임의의 형태의 컴퓨터 판독가능 기록매체에 상주할 수도 있다.The steps of a method or algorithm described in relation to an embodiment of the present invention may be implemented directly in hardware, as a software module executed by hardware, or by a combination thereof. A software module may contain random access memory (RAM), read only memory (ROM), erasable programmable ROM (EPROM), electrically erasable programmable ROM (EEPROM), flash memory, hard disk, removable disk, CD-ROM, or It may reside in any type of computer-readable recording medium well known in the art to which the present invention pertains.

이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.As mentioned above, although embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains know that the present invention may be embodied in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. you will be able to understand Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

Claims (10)

전자 장치가 수행하는 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법에 있어서,
상기 전자 장치가 3차원 영상을 0부터 1까지의 음영 값을 갖는 음영 함수 f를 이용하여 유체 영역 및 주변 영역으로 분할하는 단계; 및
상기 전자 장치가 하기 수학식 1 및 하기 수학식 2로 표현되는 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 이용하여 상기 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법.
[수학식 1]
Figure pat00020

[수학식 2]
Figure pat00021

여기서 ρ는 유체의 밀도, μ는 유체의 점성계수, g는 중력가속도, u는 유체의 속도, p는 유체의 압력이다.
In the fluid simulation method of a 3D image performed by an electronic device,
dividing, by the electronic device, the 3D image into a fluid region and a peripheral region using a shading function f having shading values ranging from 0 to 1; and
Analyzing, by the electronic device, the fluid flow in the fluid region using the Navier-Stokes equation expressed by Equation 1 and Equation 2 below; A method of fluid simulation of images.
[Equation 1]
Figure pat00020

[Equation 2]
Figure pat00021

where ρ is the density of the fluid, μ is the viscosity coefficient of the fluid, g is the acceleration due to gravity, u is the velocity of the fluid, and p is the pressure of the fluid.
제1 항에 있어서, 상기 유체 영역 및 주변 영역으로 분할하는 단계는,
상기 전자 장치가 상기 3차원 영상의 최초 음영 정보에 기초하여 상기 3차원 영상에 포함된 각각의 픽셀을 복수의 서브 픽셀로 세분화함으로써 고해상도 유동 복셀(volxel)을 생성하는 단계;
상기 전자 장치가 수치 보간(interpolation) 방법을 이용하여 상기 음영함수 f를 보간하는 단계;
상기 전자 장치가 상기 유체 영역과 상기 주변 영역을 구분할 수 있는 경계를 나타내는 임계 값을 설정하는 단계; 및
상기 보간한 음영함수 f 및 상기 임계 값을 이용하여 상기 고해상도 유동 복셀의 음영 값을 정의하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법.
The method of claim 1, wherein the dividing into a fluid region and a peripheral region comprises:
generating, by the electronic device, high-resolution floating voxels (volxels) by subdividing each pixel included in the 3D image into a plurality of sub-pixels based on initial shadow information of the 3D image;
interpolating, by the electronic device, the shadow function f using a numerical interpolation method;
setting, by the electronic device, a threshold value indicating a boundary by which the fluid region and the peripheral region can be distinguished; and
and defining a shadow value of the high-resolution fluid voxel using the interpolated shadow function f and the threshold value.
제1 항에 있어서, 상기 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 단계는,
상기 전자 장치가 상기 수학식 1을 현재 시점과 과거 시점의 속도 및 압력으로부터 이산화하여 하기 수학식 3을 산출하는 단계;
상기 전자 장치가 상기 유체 영역과 상기 주변 영역의 경계에서 속도 점착(Non-slip) 조건이 만족되도록 상기 경계에서의 속도 경계조건을 설정하는 단계; 및
상기 전자 장치가 상기 설정한 속도 경계조건을 만족하도록 하기 수학식 3을 해석하여 임시 속도장 u*를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법.
[수학식 3]
Figure pat00022

여기서
Figure pat00023
는 시간에 대하여 차분된 항이고,
Figure pat00024
은 현재와 과거의 속도장부터 정의되는 비선형 대류항이고,
Figure pat00025
는 현재의 압력장으로부터 정의되는 압력의 공간 변화율이고,
Figure pat00026
은 선형 점성항이다.
The method of claim 1 , wherein analyzing the fluid flow in the fluid domain comprises:
calculating, by the electronic device, Equation 3 below by discretizing Equation 1 from the velocity and pressure of the current time and the past time;
setting, by the electronic device, a velocity boundary condition at the boundary such that a non-slip condition is satisfied at the boundary between the fluid region and the peripheral region; and
and calculating, by the electronic device, a temporary velocity field u* by interpreting Equation 3 below to satisfy the set velocity boundary condition.
[Equation 3]
Figure pat00022

here
Figure pat00023
is the time-differentiated term,
Figure pat00024
is a nonlinear convection term defined from the present and past velocity fields,
Figure pat00025
is the spatial rate of change of pressure defined from the current pressure field,
Figure pat00026
is a linear viscous term.
제3 항에 있어서, 상기 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 단계는,
상기 전자 장치가 하기 수학식 4로 표현되는 포아송(Poisson) 방정식 및 다중격자(multigrid) 방법을 이용하여 임시 압력장 φ를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법.
[수학식 4]
Figure pat00027

여기서 ρ는 유체의 밀도, f는 음영함수, φ는 임시 압력장이고, u*는 임시 속도장이다.
4. The method of claim 3, wherein analyzing the fluid flow in the fluid domain comprises:
and calculating, by the electronic device, a temporary pressure field φ using a Poisson equation and a multigrid method expressed by Equation 4 below.
[Equation 4]
Figure pat00027

where ρ is the density of the fluid, f is the shadow function, φ is the temporary pressure field, and u* is the temporary velocity field.
제4 항에 있어서, 상기 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 단계는,
상기 전자 장치가 상기 임시 속도장 u*, 상기 임시 압력장 φ, 하기 수학식 5 및 하기 수학식 6을 이용하여 상기 유체 영역에서의 다음 시점의 속도장 및 압력장을 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법.
[수학식 5]
Figure pat00028

[수학식 6]
Figure pat00029

여기서 un+1은 다음 시점의 속도장이고, un은 현재 시점의 속도장이고,
Figure pat00030
는 임시 압력장으로부터 정의되는 압력의 공간 변화율이고, pn+1은 다음 시점의 압력장이고, pn은 현재 시점의 압력장이다.
5. The method of claim 4, wherein analyzing the fluid flow in the fluid domain comprises:
calculating, by the electronic device, the velocity field and the pressure field at the next time point in the fluid region using the temporary velocity field u*, the temporary pressure field φ, and Equations 5 and 6 below 3D image fluid simulation method, characterized in that.
[Equation 5]
Figure pat00028

[Equation 6]
Figure pat00029

where u n+1 is the velocity field at the next time, u n is the velocity field at the current time,
Figure pat00030
is the spatial rate of change of pressure defined from the temporary pressure field, p n+1 is the pressure field at the next point in time, and p n is the pressure field at the current point in time.
전자 장치가 수행하는 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법에 있어서,
상기 전자 장치가 3차원 영상의 밝기 값에 기초하여 각각의 픽셀마다 0 또는 1을 정의함에 따라 상기 3차원 영상을 유체 영역 및 주변 영역으로 분할하는 단계; 및
상기 전자 장치가 하기 수학식 1 및 하기 수학식 2로 표현되는 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 이용하여 상기 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 방법.
[수학식 1]
Figure pat00031

[수학식 2]
Figure pat00032

여기서 ρ는 유체의 밀도, μ는 유체의 점성계수, g는 중력가속도, u는 유체의 속도, p는 유체의 압력이다.
In the fluid simulation method of a 3D image performed by an electronic device,
dividing the 3D image into a fluid region and a peripheral region according to the electronic device defining 0 or 1 for each pixel based on a brightness value of the 3D image; and
Analyzing, by the electronic device, the fluid flow in the fluid region using the Navier-Stokes equation expressed by Equation 1 and Equation 2 below; A method of fluid simulation of images.
[Equation 1]
Figure pat00031

[Equation 2]
Figure pat00032

where ρ is the density of the fluid, μ is the viscosity coefficient of the fluid, g is the acceleration due to gravity, u is the velocity of the fluid, and p is the pressure of the fluid.
3차원 영상의 유체 시뮬레이션을 수행하는 전자 장치에 있어서,
상기 전자 장치는,
3차원 영상을 0부터 1까지의 음영 값을 갖는 음영 함수 f를 이용하여 유체 영역 및 주변 영역으로 분할하고,
하기 수학식 1 및 하기 수학식 2로 표현되는 나비에-스토크스(Navier-Stokes) 방정식을 이용하여 상기 유체 영역의 유체 유동을 해석하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 전자 장치.
[수학식 1]
Figure pat00033

[수학식 2]
Figure pat00034

여기서 ρ는 유체의 밀도, μ는 유체의 점성계수, g는 중력가속도, u는 유체의 속도, p는 유체의 압력이다.
An electronic device for performing fluid simulation of a three-dimensional image, the electronic device comprising:
The electronic device is
The 3D image is divided into a fluid region and a surrounding region using a shading function f having shading values from 0 to 1,
A fluid simulation electronic device of a three-dimensional image, characterized in that the fluid flow in the fluid region is analyzed using the Navier-Stokes equation expressed by Equation 1 and Equation 2 below.
[Equation 1]
Figure pat00033

[Equation 2]
Figure pat00034

where ρ is the density of the fluid, μ is the viscosity coefficient of the fluid, g is the acceleration due to gravity, u is the velocity of the fluid, and p is the pressure of the fluid.
제7 항에 있어서, 상기 전자 장치는,
상기 3차원 영상의 최초 음영 정보에 기초하여 상기 3차원 영상에 포함된 각각의 픽셀을 복수의 서브 픽셀로 세분화함으로써 고해상도 유동 복셀(volxel)을 생성하고,
수치 보간(interpolation) 방법을 이용하여 상기 음영함수 f를 보간하고,
상기 유체 영역과 상기 주변 영역을 구분할 수 있는 경계를 나타내는 임계 값을 설정하고,
상기 보간한 음영함수 f 및 상기 임계 값을 이용하여 상기 고해상도 유동 복셀의 음영 값을 정의하고,
상기 수학식 1을 현재 시점과 과거 시점의 속도 및 압력으로부터 이산화하여 하기 수학식 3을 산출하고,
상기 유체 영역과 상기 주변 영역의 경계에서 속도 점착(Non-slip) 조건이 만족되도록 상기 경계에서의 속도 경계조건을 설정하고,
상기 설정한 속도 경계조건을 만족하도록 하기 수학식 3을 해석하여 임시 속도장 u*를 산출하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 전자 장치.
[수학식 3]
Figure pat00035

여기서
Figure pat00036
는 시간에 대하여 차분된 항이고,
Figure pat00037
은 현재와 과거의 속도장부터 정의되는 비선형 대류항이고,
Figure pat00038
는 현재의 압력장으로부터 정의되는 압력의 공간 변화율이고,
Figure pat00039
은 선형 점성항이다.
The method of claim 7, wherein the electronic device comprises:
generating high-resolution floating voxels by subdividing each pixel included in the 3D image into a plurality of sub-pixels based on the initial shading information of the 3D image;
Interpolating the shadow function f using a numerical interpolation method,
setting a threshold value indicating a boundary that can distinguish the fluid region from the surrounding region,
using the interpolated shading function f and the threshold value to define a shading value of the high-resolution floating voxel,
By discretizing Equation 1 from the velocity and pressure of the current time and the past time, the following Equation 3 is calculated,
setting a velocity boundary condition at the boundary such that a non-slip condition is satisfied at the boundary between the fluid region and the peripheral region,
A fluid simulation electronic device for a three-dimensional image, characterized in that the temporary velocity field u* is calculated by interpreting Equation 3 below to satisfy the set velocity boundary condition.
[Equation 3]
Figure pat00035

here
Figure pat00036
is the time-differentiated term,
Figure pat00037
is a nonlinear convection term defined from the present and past velocity fields,
Figure pat00038
is the spatial rate of change of pressure defined from the current pressure field,
Figure pat00039
is a linear viscous term.
제7 항에 있어서,
상기 전자 장치는 상기 세분화된 고해상도 유동 복셀의 음영 정보를 처리하는 그래픽 처리 유닛(graphic processing unit) 및 상기 최초 음영 정보를 처리하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 전자 장치.
8. The method of claim 7,
and the electronic device includes a graphic processing unit that processes shadow information of the subdivided high-resolution fluid voxel and a processor that processes the initial shadow information.
하드웨어인 컴퓨터와 결합되어, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위하여 매체에 저장된, 3차원 영상의 유체 시뮬레이션 프로그램.A fluid simulation program of a three-dimensional image, which is combined with a computer as hardware and stored in a medium to execute the method of any one of claims 1 to 5.
KR1020200148879A 2020-11-09 2020-11-09 System, method and program for fluid simulation based on 3d image KR102513601B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200148879A KR102513601B1 (en) 2020-11-09 2020-11-09 System, method and program for fluid simulation based on 3d image

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200148879A KR102513601B1 (en) 2020-11-09 2020-11-09 System, method and program for fluid simulation based on 3d image

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220063031A true KR20220063031A (en) 2022-05-17
KR102513601B1 KR102513601B1 (en) 2023-03-22

Family

ID=81803628

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200148879A KR102513601B1 (en) 2020-11-09 2020-11-09 System, method and program for fluid simulation based on 3d image

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102513601B1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130078102A (en) * 2011-12-30 2013-07-10 세종대학교산학협력단 Method for simulating fluid
US20130243294A1 (en) 2012-03-15 2013-09-19 Siemens Aktiengesellschaft Method and System for Hemodynamic Assessment of Aortic Coarctation from Medical Image Data
KR101373563B1 (en) 2012-07-25 2014-03-12 전북대학교산학협력단 Method of derivation for hemodynamics and MR-signal intensity gradient(or shear rate) using Time-Of-Flight - Magnetic Resonance Angiography
WO2016056643A1 (en) * 2014-10-08 2016-04-14 イービーエム株式会社 Blood-vessel-shape construction device for blood-flow simulation, method therefor, and computer software program
KR101703564B1 (en) 2015-01-28 2017-02-08 주식회사 인피니트헬스케어 Appratus and method for displaying medical images including information of vascular structure
KR20200023954A (en) * 2018-08-27 2020-03-06 이에이트 주식회사 Particle based fluid simulation method using a plurality of processors and fluid simulation apparatus

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20130078102A (en) * 2011-12-30 2013-07-10 세종대학교산학협력단 Method for simulating fluid
US20130243294A1 (en) 2012-03-15 2013-09-19 Siemens Aktiengesellschaft Method and System for Hemodynamic Assessment of Aortic Coarctation from Medical Image Data
KR101373563B1 (en) 2012-07-25 2014-03-12 전북대학교산학협력단 Method of derivation for hemodynamics and MR-signal intensity gradient(or shear rate) using Time-Of-Flight - Magnetic Resonance Angiography
WO2016056643A1 (en) * 2014-10-08 2016-04-14 イービーエム株式会社 Blood-vessel-shape construction device for blood-flow simulation, method therefor, and computer software program
KR101703564B1 (en) 2015-01-28 2017-02-08 주식회사 인피니트헬스케어 Appratus and method for displaying medical images including information of vascular structure
KR20200023954A (en) * 2018-08-27 2020-03-06 이에이트 주식회사 Particle based fluid simulation method using a plurality of processors and fluid simulation apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
KR102513601B1 (en) 2023-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shojaei et al. An adaptive multi-grid peridynamic method for dynamic fracture analysis
EP3382642B1 (en) Highly integrated annotation and segmentation system for medical imaging
US10002419B2 (en) Direct computation of image-derived biomarkers
Ashburner VBM tutorial
EP3085305B1 (en) Subject-specific assessment of neurological disorders with biochemical propagation mechanisms
Nie et al. A three-dimensional particle roundness evaluation method
Jiménez et al. A Web platform for the interactive visualization and analysis of the 3D fractal dimension of MRI data
CN110648358B (en) Adaptive nonlinear optimization of shape parameters for object localization in 3D medical images
US20210117589A1 (en) Generating a variable stiffness structure based on a personal pressure map
Noè et al. Gaussian process emulation to accelerate parameter estimation in a mechanical model of the left ventricle: a critical step towards clinical end-user relevance
US10083518B2 (en) Determining a biopsy position
EP2796089A1 (en) Image processing device and image processing method, and image processing program
US20190108299A1 (en) Fluid simulation program, fluid simulation method, and fluid simulation device
US10970919B2 (en) Method of determining an illumination effect of a volumetric dataset
EP3373247A1 (en) Image segmentation and prediction of segmentation
CN112711831A (en) Blood vessel simulation analysis method, device, apparatus, computer device and storage medium
Howison Comparing GPU implementations of bilateral and anisotropic diffusion filters for 3D biomedical datasets
KR102513601B1 (en) System, method and program for fluid simulation based on 3d image
US11398072B1 (en) Method of obtaining a set of values for a respective set of parameters for use in a physically based path tracing process and a method of rendering using a physically based path tracing process
Davis et al. Analysis and performance evaluation of adjoint-guided adaptive mesh refinement for linear hyperbolic PDEs using clawpack
US11948683B2 (en) Method for providing a secondary parameter, decision support system, computer-readable medium and computer program product
Mikhal Modeling and simulation of flow in cerebral aneurysms
Keçeli et al. A GPU-Based approach for automatic segmentation of white matter lesions
US9754180B2 (en) Robust automatic computation of ridges and valleys of a height field
Adalsteinsson et al. Accurate and efficient implementation of pore-morphology-based drainage modeling in two-dimensional porous media

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