KR20230037094A - 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법 및 시스템 - Google Patents

천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

컴퓨터에 의해 수행되는 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법이 제공된다. 상기 방법은 단순골반전후촬영을 시행한 환자군 및 대조군을 임의 배정하여 훈련군, 검증군 및 시험군으로 구성하는 단계; 상기 훈련군, 검증군 및 시험군의 상기 단순골반전후촬영 영상으로부터 양측 천장골관절 부분을 분획한 훈련 이미지 데이터를 생성하는 단계; 상기 훈련군 및 검증군의 훈련 이미지 데이터를 대상으로 천장골관절 부위를 바운딩 박스 처리하는 단계; 상기 훈련군 및 검증군의 훈련 이미지 데이터 및 상기 시험군의 단순골반전후촬영 영상을 대상으로 천장골관절염 여부를 라벨링하는 단계; 및 상기 훈련군의 훈련 이미지 데이터를 기반으로 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델을 학습시키는 단계를 포함한다.

Description

천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법 및 시스템{MTEHOD AND SYSTEM FOR GENERATING DEEP LEARNING NETWORK MODEL FOR SACROILIAC OSTEOARTHRITIS DIAGNOSIS}
본 발명은 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법 및 시스템에 관한 것이다.
척추관절병증(axial spondyloarthritis)은 천장관절(sacroiliac joint)을 침범하는 만성 염증성 종류이다. 이러한 척추관절병증을 진단하기 위해서는 단순촬영(Plain radiography)을 주로 이용한다. 하지만, 천장관절의 복잡한 해부학적 구조로 인해 단순촬영을 이용한 진단은 용이하지 않은 경우가 많으며 또한 임상에서 오진하는 경우가 적지 않다.
최근 딥러닝(deep learning) 모델을 이용한 컴퓨터 보조 진단 기술은 다양한 분야에서 영상의학과 전문의와 비슷하거나 더 우수한 진단능을 보인다는 결과가 보고되고 있으나, 단순촬영을 이용한 척추관절 병증 환자의 천장골관절염 진단에 대한 인공지능 연구는 아직 보고되고 있지 않다.
공개특허공보 제10-2020-0137178호 (2020.12.09)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 축성 척추관절병증 환자의 단순골반전후촬영 영상을 딥러닝 네트워크에 입력하여 천장골관절염 여부를 용이하게 진단할 수 있는, 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기된 바와 같은 과제로 한정되지 않으며, 또다른 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 컴퓨터에 의해 수행되는 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법은 단순골반전후촬영을 시행한 환자군 및 대조군을 임의 배정하여 훈련군, 검증군 및 시험군으로 구성하는 단계; 상기 훈련군, 검증군 및 시험군의 상기 단순골반전후촬영 영상으로부터 양측 천장골관절 부분을 분획한 훈련 이미지 데이터를 생성하는 단계; 상기 훈련군 및 검증군의 훈련 이미지 데이터를 대상으로 천장골관절 부위를 바운딩 박스 처리하는 단계; 상기 훈련군 및 검증군의 훈련 이미지 데이터 및 상기 시험군의 단순골반전후촬영 영상을 대상으로 천장골관절염 여부를 라벨링하는 단계; 및 상기 훈련군의 훈련 이미지 데이터를 기반으로 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델을 학습시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 시험군은 상기 단순골반전후촬영을 시행한 환자 중에서 CT 또는 MRI의 촬영 정보가 존재하는 환자로 구성될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 시험군의 단순골반전후촬영 영상을 대상으로 천장골관절염 여부를 라벨링하는 단계는, 상기 CT 촬영 정보 및 MRI 촬영 정보를 대상으로 천장골관절염 여부를 라벨링하는 하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예는, 상기 검증군을 이용하여 상기 학습된 딥러닝 네트워크 모델의 정확도를 평가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예는, 상기 시험군을 이용하여 상기 학습된 딥러닝 네트워크 모델의 진단능을 평가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 훈련군의 훈련 이미지 데이터를 기반으로 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델을 학습시키는 단계는, 상기 훈련 이미지 데이터 및 상기 환자군과 대조군의 성별과 연령 정보를 훈련 데이터로 구성하여 상기 딥러닝 네트워크 모델을 학습할 수 있다.
본 발명의 일부 실시예는, 임의의 환자에 대한 단순골반전후촬영 영상을 획득하는 단계; 상기 획득한 단순골반전후촬영 영상을 상기 학습된 딥러닝 네트워크 모델에 입력하여 천장골관절염 진단 결과를 획득하는 단계; 및 상기 천장골관절염 진단 결과에 기초하여 이상 징후, 증상 및 조치 정보를 포함하는 포트폴리오 결과를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 제2 측면에 따른 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 시스템은 단순골반전후촬영 영상을 수신하는 통신모듈, 훈련 이미지 데이터를 기반으로 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델을 학습하기 위한 프로그램이 저장된 메모리 및 상기 메모리에 저장된 프로그램을 실행시키는 프로세서를 포함한다. 이때, 상기 프로세서는 상기 메모리에 저장된 프로그램을 실행시킴에 따라, 상기 단순골반전후촬영을 시행한 환자군 및 대조군을 임의 배정하여 훈련군, 검증군 및 시험군으로 구성하고, 상기 훈련군, 검증군 및 시험군의 상기 단순골반전후촬영 영상으로부터 양측 천장골관절 부분을 분획한 훈련 이미지 데이터를 생성하고, 상기 훈련군 및 검증군의 훈련 이미지 데이터를 대상으로 천장골관절 부위를 바운딩 박스 처리하고, 상기 훈련군 및 검증군의 훈련 이미지 데이터 및 상기 시험군의 단순골반전후촬영 영상을 대상으로 천장골관절염 여부를 라벨링한 후, 상기 훈련군의 훈련 이미지 데이터를 기반으로 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델을 학습시킨다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 면에 따른 컴퓨터 프로그램은, 하드웨어인 컴퓨터와 결합되어 상기 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법을 실행하며, 컴퓨터 판독가능 기록매체에 저장된다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상술한 본 발명에 의하면, 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 모델 네트워크를 학습하고, 이를 이용하여 천장골관절염 진단을 용이하게 할 수 있다.
이를 이용하여, 요통 환자의 일차 진료시 상급병원 회송을 위한 임상전문의의 의사 결정 지원 도구로 활용할 수 있으며, 영상의학과 의사의 단순촬영 판독시 이차 판독(secondary reader) 역할로 사용하여, 단순촬영을 이용한 천장골관절염의 진단 정확도를 향상시킬 수 있으며, 오진으로 인해 척추관절염 환자의 치료가 지연되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예를 통해 후속 연구로서 보다 정확한 임상 검증을 위한 전향적 연구를 시행할 수 있으며, 전이학습 등을 통해 타 질환 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델로 활용 가능하다는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법의 순서도이다.
도 2는 CT 영상에서의 바운딩박스를 표시한 일 예시를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 시스템의 블록도이다.
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.
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.
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.
본 발명은 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법 및 시스템(100)에 관한 것이다.
척추관절병증(axial spondyloarthritis)은 천장골관절(sacroiliac joint)을 침범하고 HLA-B27 항원의 발현율이 높으며, 혈액에서 류마티스 인자는 발견되지 않는 공통점을 갖는 만성 염증성 관절염의 한 종류이다. 천장골관절염은 척추관절병증의 중요한 특징으로, 전통적으로 Modified New York Criteria에서는 임상양상과 함께 천장골관절의 침범을 단순촬영으로 평가한다.
하지만, 천장골관절의 복잡한 해부학적 구조로 인해 단순촬영을 이용한 진단은 용이하지 않으며, 이로 인해 척추관절병증에 익숙하지 않은 일차진료의나 경험이 적은 영상의학과 의사는 천장골관절염 환자를 잘 진단하지 못하거나 퇴행성 변화를 천장골관절염으로 오진하는 경우가 적지 않다.
기존 연구에 의하면, 천장골관절염에 대한 단순촬영 진단의 관찰자간 및 관찰자내 일치도(inter- and intraobserver agreement)는 상당히 넓은 범위를 가져 카페 통계량(
Figure pat00001
-statistics)은 0.27에서 0.46 정도로 낮거나 중증도 정도의 일치도를 보인다(Christiansen et al, 2017).
한편, 전산화 단층촬영(Computed tomography)은 단순촬영에 비해 민감도가 높으며, 특히 구조적 변화의 평가에 있어서는 가장 우수한 진단능을 보이지만, 전산화 단층촬영은 환자의 방사선 피폭의 증가라는 문제가 있으며, 단순촬영이 비해 상대적으로 높은 의료비용으로 인해 초기 평가로는 널리 사용되지 않는다.
디지털 토모신테시스(Digital tomosynthesis)는 전산화 단층촬영에 비해 방사선 피폭량이 상대적으로 적으며, 단층촬영과 같이 구조물의 중첩을 일부 해결할 수 있기 때문에, 단순촬영보다 구조적 변화의 진단적 민감도가 높은 장점이 있다. 하지만, 장비의 보급이 제한적이고 임상적으로 충분한 검증이 되지 않는다는 문제가 있다(Lacout et al, 2014).
자기공명영상은 구조적 변화가 상당히 진행하기 이전의 초기 염증성 변화를 민감하게 발견할 수 있다는 장점이 있어, 최근 척추관절병증 환자의 영상의학적 평가에서 역할이 증가하고 있지만, 접근이 제한적이며 가장 높은 의료 비용으로 인해 초기 평가로는 사용되지 않는 경우가 대부분이어서 척추관절병증의 초기 진단에서 단순촬영은 여전히 매우 중요한 역할을 담당한다.
한편, 기존의 컴퓨터 보조 진단(computer-aided diagnosis, CAD)은 영상의학 분야에서 유방영상에서의 종괴와 미세 석회화의 검출, 흉부 단순촬영에서의 결절 검출, 흉부 전산화 단층촬영에서의 폐 결절 검출, CT 대장 조영술(colonography)을 이용한 폴립의 검출 등 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 초기의 낙관적인 기대에 비해 수십년 간의 연구 이후에도 아직 임상적으로 성능의 한계를 보여 많은 연구가 실용화 단계에 이르지 못하고 있다.
이와 관련하여, 기계학습(machine learning)은 과거 데이터로부터 패턴을 인식하여 새로운 지식을 발견해내는 알고리즘을 연구하는 인공지능의 한 분야로, 최근 컴퓨팅 성능과 대용량 스토리지 기술의 발전 덕분에 급격한 발전을 하고 있다. 특히, 딥러닝(deep learning)은 기존 기계학습 알고리즘으로는 성능에 제한이 있던 음성인식(speech recognition)이나 컴퓨터 비전(computer vision) 분야에서 기존의 한계를 넘어서는 우수한 성능을 보이며 각종 대회에서 기존 기록을 경신하며 학계 및 업계에서 큰 각광을 받고 있다(LeCun et al, 2015).
이 중, 합성곱 신경망(convolutional neural network)은 딥러닝의 한 유형으로, 특히 이미지 인식과 같은 컴퓨터 비전 분야에서 독보적인 성능을 보이고 있다. 이를 이용한 의료 영상 분석은 최근 활발한 연구가 진행중이며, 안저 영상을 이용한 당뇨병성 망막증(diabetic retinopathy)의 진단에서 민감도 90.3%, 특이도 98.1%, AUC 0.991의 우수한 진단능을 보인다(Gulshan et al, 2016).
최근 영상의학 분야에서도 질병의 분류(classification), 병변의 검출(detection) 및 분획(segmentation)과 같은 다양한 분야에 인공 지능을 이용한 연구가 매우 활발히 진행 중이며, 흉부 단순촬영에서의 폐 결절 검출을 비롯한 다양한 분야에서 영상의학과 전문의와 비슷하거나 더 우수한 진단능을 보일 수 있다는 연구 결과가 보고되고 있다(Nam et al, 2018).
기존 단순촬영을 이용한 천장골관절염 진단의 한계를 극복하기 위해서는 딥러닝을 이용한 단순촬영 진단 모델을 개발하여 모델의 진단능을 조사하고, 이를 기존의 영상의학과 의사의 진단능과 비교함과 더불어 딥러닝 모델을 이용하였을 때 진단능의 향상이 있는지를 조사하기 위한 연구가 반드시 필요하다.
이를 위해 본 발명은 단순골반전후촬영(Pelvis AP)을 시행한 환자를 후향적으로 수집하여 딥러닝 네트워크 모델 학습을 위한 훈련군(training set) 및 검증군(tuning set)을 구성하였으며, 단순골반전후촬영을 시행한 환자 중 골반 부위의 전산화 단층촬영(CT) 또는 자기공명영상(MRI)이 존재하는 환자를 별도의 시험군(validation set)으로 구성하여, CT 및 MRI를 진단기준(reference standard)으로 사용하였다.
이러한 각 영상에 대해 영상의학과 전문의 또는 소정의 딥러닝 네트워크 모델을 통해 천장골관절 부위에 경계 박스(bounding box)를 위치시키고, 천장골관절염 여부를 표시(labeling)하였다. 그리고 라벨링된 학습 데이터를 이용하여 지도학습(supervised learning) 방법으로 딥러닝 네트워크 모델을 학습시킨 후 천장골관절염 진단능을 평가하였다.
또한, 본 발명의 일 실시예는 영상 데이터만을 이용하였을 때의 진단능과, 부가적으로 환자의 성별, 연령 정보를 포함하는 임상 정보를 추가적으로 반영하여 딥러닝 네트워크 모델을 학습하였을 때의 진단능을 비교하였다.
이를 통해, 본 발명의 일 실시예는 영상의학과 의사의 진단능과 비교하고 최종적으로 딥러닝 네트워크 모델을 영상의학과 의사에게 제시하여 진단능의 향상이 있는지를 확인하였다.
이하에서는 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법의 순서도이다. 도 2는 CT 영상에서의 바운딩박스를 표시한 일 예시를 도시한 도면이다.
한편, 도 1에 도시된 각 단계들은 후술하는 도 3의 딥러닝 네트워크 모델 생성 시스템에 의해 수행되는 것으로 이해될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법은 먼저, 단순골반전후촬영을 시행한 환자군 및 대조군을 임의 배정하여 훈련군, 검증군 및 시험군으로 구성한다(S110).
일 실시예로, 본 발명은 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델을 생성하기 위해 단순촬영, 즉 단순골반전후촬영을 이용하는 것을 특징으로 한다.
근골격계 영상의학 분야에서도 류마티스 관절염과 같은 다양한 질환에서 딥러닝 네트워크 모델을 이용하는 연구가 보고되고 있지만(Kemal et al, 2019), 단순촬영을 이용한 척추관절병증 환자의 천장골관절염 진단을 위하여 딥러닝 네트워크 모델을 이용하는 경우는 아직 보고되고 있지 않다.
딥러닝 네트워크 모델을 구성하는 합성곱 신경망은 영상인식 분야에서 우수한 성능이 입증되었으나 모델의 학습과정에서 발생되는 과적합(overfitting)을 방지하기 위해서는 수천 내지 수만 건의 데이터를 필요로 한다. 따라서, 다량의 검증된 데이터를 구하기 용이하며 임상적으로 선별검사(screening test)로 적용할 가능성이 높은 흉부단순촬영 및 유방단순촬영에서 주로 연구가 활발히 진행되고 있으며, 대량의 영상 학습 데이터를 구하기 어려운 질환에서는 아직 제한적으로만 연구가 시행되고 있다.
이러한 종래 기술과는 달리, 본 발명에서는 천장골관절염 진단을 위해 딥러닝 네트워크 모델을 학습 및 생성하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예로, 본 발명에서는 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 학습을 위해 구성되는 환자군은, 임상적으로 축성 척추관절병증으로 진단받고 단순촬영에서 Grade 1 이상의 천장골관절염 소견이 있는 환자로 구성된다. 이때, 환자군을 구성함에 있어 천장골관절을 포함한 골반골 수술의 기왕력이 있는 환자, 천장골관절 부위에 금속물을 가진 환자, 단순골반전후촬영 영상에서 골절 및 골전이, 골종양 등 동반 병리 소견이 있는 환자, 감염성 천장골관절염(infectious sacroiliitis) 환자는 제외한다.
또한, 대조군은 단순촬영에서 천장골관절염 소견이 없는 환자로 구성된다.
시험군은 단순골반전후촬영을 시행한 환자 중에서 CT 또는 MRI의 촬영 정보가 존재하는 환자로 구성될 수 있다.
일 실시예로, 훈련군, 검증군 및 시험군은 각각 약 11:1:2의 비율로 구성될 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 훈련군, 검증군 및 시험군의 단순골반전후촬영 영상으로부터 양측 천장골관절 부분을 분획한 훈련 이미지 데이터를 생성한 후 이를 저장한다(S120).
다음으로, 도 2와 같이 훈련군 및 검증군의 훈련 이미지 데이터를 대상으로 천장골관절 부위를 바운딩 박스 처리하고(S130), 훈련군 및 검증군의 훈련 이미지 데이터 및 시험군의 단순골반전후촬영 영상을 대상으로 천장골관절염 여부를 라벨링한다(S140). 이때, 라벨링은 소정의 작업자에 의해 수행될 수 있으며, 검수자에 의한 검수가 수행되어 진행될 수 있다.
즉, 질병의 영상 진단을 위해 대부분의 기존 연구가 사용하고 있는 지도학습(supervised learning)을 위해서는 대량의 학습 데이터에 대한 라벨링이 필요하다. 하지만, 단순히 판독 결과지만을 이용할 경우 라벨링의 정확도가 떨어지기 때문에 학습 데이터를 재분석하여 라벨링하는 과정이 필수적이다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예는 1인 이상의 근골격 영상의학 전문의에 의해 라벨링된 6천 케이스 이상의 단순골반전후촬영 영상을 이용하여 딥러닝 네트워크 모델의 성능을 향상시킬 수 있다. 일 예로, 작업자 및 검수자는 근골격계 영상의학과 전문의로 구성될 수 있다. 이때, 시험군은 CT 및 MRI 촬영 정보를 추가적으로 사용하여 천장골관절염 여부를 라벨링한다.
다음으로, 훈련군의 훈련 이미지 데이터를 기반으로 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델을 학습시킨다(S150). 또한, 훈련군과 별도로 구성된 검증군을 통하여 학습된 딥러닝 네트워크 모델의 정확도를 평가하고 과적합이 발생되는 것을 방지한다. 최종적으로는 시험군을 이용하여 학습된 딥러닝 네트워크 모델의 진단능을 평가한다.
한편, 본 발명에 적용되는 딥러닝 네트워크 모델은 open source library인 Tensorflow 및 Pytorch 등을 이용하여, 기존에 영상 진단에서 우수한 성능을 보이는 것으로 알려진 Inception-v3 기반의 딥러닝 네트워크 모델일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에서 딥러닝 네트워크 모델과 임상 검증은 다음과 같이 개선이 가능하다.
일 실시예로, 본 발명은 훈련 이미지 데이터 및 환자군과 대조군의 성별과 연령 정보를 추가적으로 포함하는 임상 정보를 훈련 데이터로 구성하여 딥러닝 네트워크 모델을 학습시킴으로써 진단능을 개선시킬 수 있다.
그밖에, 본 발명의 일 실시예는 연골하 골미란(erosion) 및 골경화(sclerosis)를 더 잘 반영할 수 있도록 하기 위하여 대비 제한 적응 히스토그램 평활화 (contrast-limited adaptive histogram equalization; CLAHE) 등 영상의 대비를 향상시키는 전처리 기법을 적용할 수 있다.
또한, 앙상블 모델(ensemble model)을 적용시키거나, 하이퍼파라미터 튜닝(hyperparameter tuning) 등을 통한 신경망 구조의 개선이 가능하다.
이와 더불어, 본 발명의 일 실시예에서 구성되는 검증군을 보다 정교화하여 훈련군과 다른 기간의 표본으로 구성(temporal validation)하거나, 타 병원의 표본으로 구성(geographic validation)하여 딥러닝 모델의 실제 임상 환경에서의 진단능을 보다 정확하게 평가할 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예에서 진단능에는 sensitivity, specificity, accuracy, positive predictive value (PPV), negative predictive value (NPV), receiver operating characteristics (ROC) analysis, pairwise comparison of ROC curves 등이 포함될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예는 임의의 환자에 대한 단순골반전후촬영 영상을 획득하고, 획득한 단순골반전후촬영 영상을 학습된 딥러닝 네트워크 모델에 입력하여 천장골관절염 진단 결과를 획득할 수 있다. 그리고 천장골관절염 진단 결과에 기초하여 이상 징후, 증상 및 조치 정보를 포함하는 포트폴리오 결과를 제공할 수 있다.
즉, 상기 포트폴리오를 통해 정형외과 계열 질병의 이상징후, 증상, 조치에 대한 상세정보를 제공할 수 있으며, 과거 의료영상 데이터를 제공하여 변화된 포인트를 제공할 수 있다.
한편, 상술한 설명에서, 단계 S110 내지 S115은 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다. 아울러, 기타 생략된 내용이라 하더라도 도 1 내지 도 2의 내용은 도 3의 내용에도 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 시스템(100)의 블록도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 시스템(100)은 통신모듈(110), 메모리(120) 및 프로세서(130)를 포함하여 구성된다.
통신모듈(110)은 단순골반전후촬영 영상을 수신한다. 이와 같은 통신 모듈(110)은 무선 통신 모듈로 구현됨이 바람직하나 반드시 유선 통신 모듈을 배제하는 것은 아니다. 유선 통신 모듈은 전력선 통신 장치, 전화선 통신 장치, 케이블 홈(MoCA), 이더넷(Ethernet), IEEE1294, 통합 유선 홈 네트워크 및 RS-485 제어 장치로 구현될 수 있다. 또한, 무선 통신 모듈은 WLAN(wireless LAN), Bluetooth, HDR WPAN, UWB, ZigBee, Impulse Radio, 60GHz WPAN, Binary-CDMA, 무선 USB 기술 및 무선 HDMI 기술 등으로 구현될 수 있다.
메모리(120)에는 훈련 이미지 데이터를 기반으로 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델을 학습하기 위한 프로그램이 저장되며, 프로세서(130)는 메모리(120)에 저장된 프로그램을 실행시킨다. 여기에서, 메모리(120)는 전원이 공급되지 않아도 저장된 정보를 계속 유지하는 비휘발성 저장장치 및 휘발성 저장장치를 통칭하는 것이다.
예를 들어, 메모리(120)는 콤팩트 플래시(compact flash; CF) 카드, SD(secure digital) 카드, 메모리 스틱(memory stick), 솔리드 스테이트 드라이브(solid-state drive; SSD) 및 마이크로(micro) SD 카드 등과 같은 낸드 플래시 메모리(NAND flash memory), 하드 디스크 드라이브(hard disk drive; HDD) 등과 같은 마그네틱 컴퓨터 기억 장치 및 CD-ROM, DVD-ROM 등과 같은 광학 디스크 드라이브(optical disc drive) 등을 포함할 수 있다.
또한, 메모리(120)에 저장된 프로그램은 소프트웨어 또는 FPGA(Field Programmable Gate Array) 또는 ASIC(Application Specific Integrated Circuit)와 같은 하드웨어 형태로 구현될 수 있으며, 소정의 역할들을 수행할 수 있다.
프로세서(130)는 프로그램을 실행시킴에 따라, 단순골반전후촬영을 시행한 환자군 및 대조군을 임의 배정하여 훈련군, 검증군 및 시험군으로 구성하고, 훈련군, 검증군 및 시험군의 단순골반전후촬영 영상으로부터 양측 천장골관절 부분을 분획한 훈련 이미지 데이터를 생성한다. 그 다음, 프로세서는 훈련군 및 검증군의 훈련 이미지 데이터를 대상으로 천장골관절 부위를 바운딩 박스 처리하고, 훈련군 및 검증군의 훈련 이미지 데이터 및 시험군의 단순골반전후촬영 영상을 대상으로 천장골관절염 여부를 라벨링한 후, 훈련군의 훈련 이미지 데이터를 기반으로 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델을 학습시켜 생성한다.
이상에서 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법은, 하드웨어인 컴퓨터와 결합되어 실행되기 위해 프로그램(또는 어플리케이션)으로 구현되어 매체에 저장될 수 있다.
상기 전술한 프로그램은, 상기 컴퓨터가 프로그램을 읽어 들여 프로그램으로 구현된 상기 방법들을 실행시키기 위하여, 상기 컴퓨터의 프로세서(CPU)가 상기 컴퓨터의 장치 인터페이스를 통해 읽힐 수 있는 C, C++, JAVA, Ruby, 기계어 등의 컴퓨터 언어로 코드화된 코드(Code)를 포함할 수 있다. 이러한 코드는 상기 방법들을 실행하는 필요한 기능들을 정의한 함수 등과 관련된 기능적인 코드(Functional Code)를 포함할 수 있고, 상기 기능들을 상기 컴퓨터의 프로세서가 소정의 절차대로 실행시키는데 필요한 실행 절차 관련 제어 코드를 포함할 수 있다. 또한, 이러한 코드는 상기 기능들을 상기 컴퓨터의 프로세서가 실행시키는데 필요한 추가 정보나 미디어가 상기 컴퓨터의 내부 또는 외부 메모리의 어느 위치(주소 번지)에서 참조되어야 하는지에 대한 메모리 참조관련 코드를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 컴퓨터의 프로세서가 상기 기능들을 실행시키기 위하여 원격(Remote)에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 통신이 필요한 경우, 코드는 상기 컴퓨터의 통신 모듈을 이용하여 원격에 있는 어떠한 다른 컴퓨터나 서버 등과 어떻게 통신해야 하는지, 통신 시 어떠한 정보나 미디어를 송수신해야 하는지 등에 대한 통신 관련 코드를 더 포함할 수 있다.
상기 저장되는 매체는, 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상기 저장되는 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있지만, 이에 제한되지 않는다. 즉, 상기 프로그램은 상기 컴퓨터가 접속할 수 있는 다양한 서버 상의 다양한 기록매체 또는 사용자의 상기 컴퓨터상의 다양한 기록매체에 저장될 수 있다. 또한, 상기 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 시스템
110: 통신모듈
120: 메모리
130: 프로세서

Claims (8)

  1. 컴퓨터에 의해 수행되는 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법에 있어서,
    단순골반전후촬영을 시행한 환자군 및 대조군을 임의 배정하여 훈련군, 검증군 및 시험군으로 구성하는 단계;
    상기 훈련군, 검증군 및 시험군의 상기 단순골반전후촬영 영상으로부터 양측 천장골관절 부분을 분획한 훈련 이미지 데이터를 생성하는 단계;
    상기 훈련군 및 검증군의 훈련 이미지 데이터를 대상으로 천장골관절 부위를 바운딩 박스 처리하는 단계;
    상기 훈련군 및 검증군의 훈련 이미지 데이터 및 상기 시험군의 단순골반전후촬영 영상을 대상으로 천장골관절염 여부를 라벨링하는 단계; 및
    상기 훈련군의 훈련 이미지 데이터를 기반으로 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델을 학습시키는 단계를 포함하는,
    천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시험군은 상기 단순골반전후촬영을 시행한 환자 중에서 CT 또는 MRI의 촬영 정보가 존재하는 환자로 구성되는 것인,
    천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 시험군의 단순골반전후촬영 영상을 대상으로 천장골관절염 여부를 라벨링하는 단계는,
    상기 CT 촬영 정보 및 MRI 촬영 정보를 대상으로 천장골관절염 여부를 라벨링하는 하는 단계를 포함하는,
    천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 검증군을 이용하여 상기 학습된 딥러닝 네트워크 모델의 정확도를 평가하는 단계를 더 포함하는,
    천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 시험군을 이용하여 상기 학습된 딥러닝 네트워크 모델의 진단능을 평가하는 단계를 더 포함하는,
    천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 훈련군의 훈련 이미지 데이터를 기반으로 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델을 학습시키는 단계는,
    상기 훈련 이미지 데이터 및 상기 환자군과 대조군의 성별과 연령 정보를 훈련 데이터로 구성하여 상기 딥러닝 네트워크 모델을 학습하는 것인,
    천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    임의의 환자에 대한 단순골반전후촬영 영상을 획득하는 단계;
    상기 획득한 단순골반전후촬영 영상을 상기 학습된 딥러닝 네트워크 모델에 입력하여 천장골관절염 진단 결과를 획득하는 단계; 및
    상기 천장골관절염 진단 결과에 기초하여 이상 징후, 증상 및 조치 정보를 포함하는 포트폴리오 결과를 제공하는 단계를 더 포함하는,
    천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 방법.
  8. 단순골반전후촬영 영상을 수신하는 통신모듈,
    훈련 이미지 데이터를 기반으로 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델을 학습하기 위한 프로그램이 저장된 메모리 및
    상기 메모리에 저장된 프로그램을 실행시키는 프로세서를 포함하고,
    상기 프로세서는 상기 메모리에 저장된 프로그램을 실행시킴에 따라, 상기 단순골반전후촬영을 시행한 환자군 및 대조군을 임의 배정하여 훈련군, 검증군 및 시험군으로 구성하고, 상기 훈련군, 검증군 및 시험군의 상기 단순골반전후촬영 영상으로부터 양측 천장골관절 부분을 분획한 훈련 이미지 데이터를 생성하고, 상기 훈련군 및 검증군의 훈련 이미지 데이터를 대상으로 천장골관절 부위를 바운딩 박스 처리하고, 상기 훈련군 및 검증군의 훈련 이미지 데이터 및 상기 시험군의 단순골반전후촬영 영상을 대상으로 천장골관절염 여부를 라벨링한 후, 상기 훈련군의 훈련 이미지 데이터를 기반으로 천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델을 학습시키는 것인,
    천장골관절염 진단을 위한 딥러닝 네트워크 모델 생성 시스템.
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