KR20230119527A - Device and method for needle injection guide for vocal fold treat - Google Patents

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Abstract

성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치 및 방법에 관한 기술이 개시된다. 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치는 목 CT 이미지로 구성된 3D 볼륨 데이터와, 상기 CT 이미지에서 검출된 성대 위치 정보를 입력받는 성대정보입력부와, 상기 성대 위치를 중심으로 목 외부의 피부를 향하는 방사상의 직선 경로 중에서 최소의 장애물을 통과하는 직선 경로를 결정하는 주사경로결정부를 포함한다. 상기 장치는 환자의 기침 발생을 방지하고, 빠르고 정확하게 성대 위치에 주사 바늘이 투입되는 최적의 경로를 가이드할 수 있다.Disclosed is a technique related to an injection needle insertion guide device and method for treating vocal cord diseases. An injection needle insertion guide device for treating vocal cord disease includes a vocal cord information input unit that receives 3D volume data composed of a neck CT image and vocal cord position information detected in the CT image, and a vocal cord information input unit directed toward the skin outside the neck centered on the vocal cord position. and a scanning path determination unit for determining a straight path passing through the smallest obstacle among radial straight paths. The device can prevent a patient from coughing and guide an optimal path for an injection needle to be inserted into the vocal cords quickly and accurately.

Description

성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치 및 방법{Device and method for needle injection guide for vocal fold treat}Device and method for needle injection guide for vocal fold treat}

데이터 처리 기술, 특히 CT 이미지에서 성대 위치를 향하는 주사 바늘 투입이 가능한 영역에서 최적의 주사바늘 삽입 경로를 가이드하는 장치에 관한 데이터 처리 기술이 개시된다.Data processing technology, in particular, a data processing technology related to a device for guiding an optimal injection needle insertion path in a region in which an injection needle can be inserted toward a vocal cord position in a CT image is disclosed.

성대 마비 등 성대 질환을 치료하기 위해 성대 주름(vocal fold)에 약물을 투입할 필요가 있다. 종래에는 기도를 통해 내시경으로 확인하면서 약물을 투입하였다. 이 경우 성대를 움직여야 하기에 마취를 하지 않고 시술을 하는데, 내시경이 투입된 후에 환자가 기침을 하는 등의 문제가 있었다. It is necessary to inject drugs into the vocal folds to treat vocal cord diseases such as vocal cord paralysis. Conventionally, the drug was injected while checking with an endoscope through the airway. In this case, since the vocal cords have to be moved, the procedure is performed without anesthesia, but there is a problem such as the patient coughing after the endoscope is inserted.

최근 목의 피부를 통해 성대에 직접 주사하는 방법이 개발되어 사용되고 있다. 이러한 경우 주사바늘의 최적 위치와 경로를 결정하는 것이 중요하다. 일반적으로 CT 이미지를 통해 최적 바늘 주사 경로를 의사의 수작업으로 결정하고 있다. 따라서 의사에게 최적의 주사 경로를 제안하고 가이드하는 자동화 장치는 성공적인 수술에 도움이 될 수 있다. Recently, a method of directly injecting into the vocal cords through the skin of the neck has been developed and used. In these cases, it is important to determine the optimal location and path of the needle. In general, the optimal needle injection path is determined manually by the doctor through CT images. Therefore, an automated device that suggests and guides the optimal injection route to the surgeon can help in successful surgery.

2017년 2월 9일에 공고된 등록특허 제10-1,705,199호는 의료 영상을 이용한 전방십자인대 재건 수술의 시뮬레이션 시스템에 관한 것으로, 인대 수술이 시행될 피검자의 무릎 부위의 영상 및 3차원 모델을 획득하고, 무릎 부위 움직임의 기준점의 위치를 3차원 모델 상에서 식별하고, 기준점의 위치 변화를 추적하고, 무릎 부위의 움직임의 변화에 따른 가상 인대의 길이 변화를 시뮬레이션하는 시스템에 대하여 개시하고 있다. Registered Patent No. 10-1,705,199 published on February 9, 2017 relates to a simulation system for anterior cruciate ligament reconstruction surgery using medical images, and acquires images and 3D models of the subject's knee where ligament surgery will be performed A system for identifying the position of the reference point of the motion of the knee on a 3D model, tracking the change in the position of the reference point, and simulating the change in the length of a virtual ligament according to the change in the motion of the knee is disclosed.

2022년 1월 7일에 공개된 공개특허 제10-2022-0,002,877호는 이미지 매칭에 기초하여 수술 경로를 결정하는 방법에 관한 것으로, 의료용 이미지 스캔에 기초하여 3차원 모델을 구축하고, 인공 지능 엔진이 환자에게 최소한의 신체적 손상을 주는 하나 또는 그 이상의 계획된 수술 경로들을 외과의사에게 제안하기 위해, 각각의 뇌 영역을 인공 지능 엔진을 위한 비용 함수로 할당하는 방법에 대하여 개시하고 있다.Publication No. 10-2022-0,002,877 published on January 7, 2022 relates to a method for determining a surgical path based on image matching, building a 3D model based on medical image scans, and artificial intelligence engine It discloses a method for allocating each brain region as a cost function for an artificial intelligence engine to suggest to the surgeon one or more planned surgical routes with minimal physical damage to the patient.

다만, CT 이미지로부터 직접 성대(vocal fold)에 주사하기 위한 최적의 주사 바늘 투입 경로를 간단하고 정확하게 결정해주는 장치에 대해서는 아직 구체적으로 개시되고 있지 않다.However, a device that simply and accurately determines an optimal injection needle injection path for direct injection into vocal folds from a CT image has not yet been specifically disclosed.

제안된 발명은 성대 위치에 주사 바늘이 투입되는 최적의 경로를 결정하는 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. An object of the proposed invention is to provide an injection needle insertion guide device and method for treating vocal cord diseases that determine the optimal route for an injection needle to be inserted into the vocal cord position.

나아가 제안된 발명은 주사 바늘 투입시 환자에게 기침이 발생하는 영역을 통과하지 않는 경로로 투입하도록 가이드 하는 주사 바늘 투입 가이드 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. Furthermore, an object of the proposed invention is to provide an injection needle insertion guide device and method for guiding injection needle insertion through a path that does not pass through an area where a patient coughs when the injection needle is inserted.

나아가 제안된 발명은 주사 바늘 투입 경로를 정확하고 빠르게 탐색할 수 있는 주사 바늘 투입 가이드 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.Furthermore, the proposed invention aims to provide an injection needle insertion guide device and method capable of accurately and quickly searching for an injection needle insertion path.

제안된 발명의 일 양상에 따르면, 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치는, 성대정보입력부와 주사경로결정부를 포함한다. 성대정보입력부는 목 CT 이미지로 구성된 3D 볼륨 데이터와, 상기 CT 이미지에서 검출된 성대 위치 정보를 입력받는다. 주사경로결정부는 상기 성대 위치를 중심으로 목 외부의 피부를 향하는 방사상의 직선 경로 중에서 최소의 장애물을 통과하는 직선 경로를 결정한다. According to one aspect of the proposed invention, an injection needle insertion guide device for treating vocal cord diseases includes a vocal cord information input unit and an injection route determining unit. The vocal cord information input unit receives 3D volume data composed of a neck CT image and vocal cord position information detected from the CT image. The scanning path determination unit determines a straight line path passing through the least obstacle among radial straight paths toward the skin on the outside of the neck with the location of the vocal cords as the center.

추가적인 양상에 따르면, 상기 주사경로결정부는 최대강도산출부와 최소강성경로선택부를 포함한다. 최대강도산출부는 상기 방사상의 직선 경로 상의 각 경로에 대하여 CT 이미지의 강도 값을 구하고, 각 경로의 최대 강도 값을 해당 경로의 강성 값으로 선택한다. 최소강성경로선택부는 상기 방사상의 직선 경로 중에서 강성 값이 최소인 직선 경로를 선택한다. According to a further aspect, the scanning path determining unit includes a maximum strength calculating unit and a minimum stiffness path selecting unit. The maximum intensity calculation unit obtains intensity values of CT images for each path on the radial straight path, and selects the maximum intensity value of each path as the stiffness value of the corresponding path. The minimum stiffness path selector selects a straight path having the minimum stiffness value from among the radial straight paths.

추가적인 양상에 따르면, 상기 주사경로결정부는 주사바늘투입범위설정부를 포함한다. 주사바늘투입범위설정부는 상기 방사상의 직선 경로 중에서 미리 설정된 해부학적으로 가능한 범위를 벗어나는 경로를 제외한다. According to a further aspect, the scan path determining unit includes a needle injection range setting unit. The injection needle insertion range setting unit excludes a path out of a preset anatomically possible range among the radial straight paths.

추가적인 양상에 따르면, 상기 주사경로결정부는 내부공기영역식별부 및 공기통과경로제거부를 포함한다. 내부공기영역식별부는 상기 CT 이미지에서 목 내부의 공기를 포함하는 영역을 식별한다. 공기통과경로제거부는 상기 방사상의 직선 경로 중에서 상기 목 내부의 공기를 포함하는 영역으로 식별된 영역을 통과하는 경로를 제외시킨다. According to a further aspect, the scan path determination unit includes an internal air area identification unit and an air passage path removal unit. The internal air region identifying unit identifies a region including air inside the neck in the CT image. The air passing path removing unit excludes a path passing through a region identified as a region containing air inside the neck from among the radial straight paths.

추가적인 양상에 따르면, 상기 내부공기영역식별부는 공기영역구분부와 GD변환부와 내부공기영역판단부를 포함한다. 공기영역구분부는 상기 CT 이미지에서 HU 임계값을 이용하여 공기 영역을 구분한다. GD변환부는 상기 CT 이미지의 외부 공기영역을 기준으로 상기 CT 이미지에 대해 GD변환을 실시한다. 내부공기영역판단부는 상기 공기 영역 중에서 GD 변환으로 확인된 외부 공기영역과 단절된 부분을 내부 공기영역으로 선택한다. According to a further aspect, the internal air area identification unit includes an air area dividing unit, a GD conversion unit, and an internal air area determining unit. The air area segmentation unit classifies the air area using the HU threshold in the CT image. The GD conversion unit performs GD conversion on the CT image based on the outside air area of the CT image. The inner air area determining unit selects, as the inner air area, a portion of the air area that is disconnected from the outer air area identified through GD conversion.

제안된 발명의 다른 양상에 따르면, 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치에 의해서 수행되는 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법은, 성대정보입력단계와 주사경로결정단계를 포함한다. 성대정보입력단계에서는 목 CT 이미지로 구성된 3D 볼륨 데이터와, 상기 CT 이미지에서 검출된 성대 위치 정보를 입력받는다. 주사경로결정단계에서는 상기 성대 위치를 중심으로 목 외부의 피부를 향하는 방사상의 직선 경로 중에서 최소의 장애물을 통과하는 직선 경로를 결정한다. According to another aspect of the proposed invention, the injection needle insertion guide method for vocal cord disease treatment performed by the injection needle insertion guide device for vocal cord disease treatment includes a vocal cord information input step and an injection route determination step. In the vocal cord information input step, 3D volume data composed of a neck CT image and vocal cord position information detected from the CT image are input. In the scanning path determination step, a straight line path passing through the minimum obstacle is determined among radial straight paths from the vocal cords to the external skin of the neck.

상기 주사경로결정단계는 최대강도산출단계와 최소강성경로선택단계를 포함한다. 최대강도산출단계에서는 상기 방사상의 직선 경로 상의 각 경로에 대하여 CT 이미지의 강도 값을 구하고, 각 경로의 최대 강도 값을 해당 경로의 강성 값으로 선택한다. 최소강성경로선택단계에서는 상기 방사상의 직선 경로 중에서 강성 값이 최소인 직선 경로를 선택한다. The scanning path determination step includes a maximum intensity calculation step and a minimum stiffness path selection step. In the maximum intensity calculation step, intensity values of CT images are obtained for each path on the radial straight path, and the maximum intensity value of each path is selected as the stiffness value of the corresponding path. In the minimum stiffness path selection step, a straight line path having the minimum stiffness value is selected from among the radial straight paths.

상기 주사경로결정단계는 주사바늘투입범위설정단계를 포함한다. 주사바늘투입범위설정단계에서는 상기 방사상의 직선 경로 중에서 미리 설정된 해부학적으로 가능한 범위를 벗어나는 경로를 제외한다. The step of determining the scanning path includes the step of setting the injection range of the injection needle. In the injection needle input range setting step, a path out of a preset anatomically possible range among the radial straight paths is excluded.

상기 주사경로결정단계는 내부공기영역식별단계와 공기통과경로제거단계를 포함한다. 내부공기영역식별단계에서는 상기 CT 이미지에서 목 내부의 공기를 포함하는 영역을 식별한다. 공기통과경로제거단계에서는 상기 방사상의 직선 경로 중에서 상기 목 내부의 공기를 포함하는 영역으로 식별된 영역을 통과하는 경로를 제외시킨다. The scanning path determination step includes an internal air area identification step and an air passage path removal step. In the internal air region identification step, a region including air inside the neck is identified in the CT image. In the air passing path removing step, a path passing through an area identified as an area containing air inside the neck is excluded from the radial straight paths.

상기 내부공기영역식별단계는 공기영역구분단계와 GD변환단계와 내부공기영역판단단계를 포함한다. 공기영역구분단계에서는 상기 CT 이미지에서 HU 임계값을 이용하여 공기 영역을 구분한다. GD변환단계에서는 상기 CT 이미지의 외부 공기영역을 기준으로 상기 CT 이미지에 대해 GD변환을 실시한다. 내부공기영역판단단계에서는 상기 공기 영역 중에서 GD 변환으로 확인된 외부 공기영역과 단절된 부분을 내부 공기영역으로 선택한다. The internal air region identification step includes an air region classification step, a GD conversion step, and an internal air region determination step. In the air area classification step, the air area is classified using the HU threshold in the CT image. In the GD conversion step, GD conversion is performed on the CT image based on the outside air area of the CT image. In the internal air region determination step, a portion of the air region disconnected from the external air region identified through GD conversion is selected as the internal air region.

제안된 발명에 따라, 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치 및 방법은 성대의 CT 이미지의 강도를 이용하여 성대 위치에 주사 바늘이 투입되는 최적의 경로를 가이드할 수 있다.According to the proposed invention, the device and method for guiding injection needle insertion for the treatment of vocal cord diseases can guide an optimal path through which an injection needle is inserted into the vocal cord position using the intensity of a CT image of the vocal cord.

나아가 제안된 발명은 내부 공기 영역을 통과하는 경로를 제외시켜, 주사 바늘 투입시 환자에게 기침이 발생하지 않는 주사 바늘 투입 가이드 장치를 제공할 수 있다.Furthermore, the proposed invention can provide an injection needle insertion guide device that does not cause coughing in the patient when the injection needle is inserted by excluding the path passing through the internal air area.

나아가 제안된 발명은 해부학적으로 가능한 범위에 대해 주사 바늘 투입 경로를 탐색하여 빠르고 정확하게 주사 바늘 투입 경로를 결정할 수 있다.Furthermore, the proposed invention can quickly and accurately determine an injection needle insertion route by searching for an injection needle injection route within an anatomically possible range.

도 1은 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치중 성대위치결정부의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법을 나타내는 순서도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법에서 성대위치재검출단계를 자세히 나타내는 순서도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법에서 주사경로결정단계를 자세히 나타내는 순서도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법을 설명하는 사진이다.
도 7은 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법에서 성대위치강화학습단계를 나타내는 개념도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법에서 성대위치검증단계에 사용되는 좌우 성대간 거리를 나타내는 사진 및 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법에서 주사경로결정단계를 설명하는 사진이다.
도 10은 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법을 이용하여 구한 성대 검출 결과와 주사 바늘 투사 결과의 예를 나타내는 사진이다.
도 11은 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법을 이용하여 구한 성대 검출 결과와 주사 바늘 투사 결과의 정확도를 나타내는 그래프이다.
도 12는 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법에서 성대 위치 검증을 이용한 방법과 검증을 이용하지 않는 강화학습 방법을 비교하는 사진이다.
1 is a configuration diagram showing the configuration of an injection needle insertion guide device for treating vocal cord diseases according to an embodiment.
2 is a configuration diagram showing the configuration of a vocal cord positioning unit in an injection needle insertion guide device for treating vocal cord diseases according to an embodiment.
3 is a flowchart illustrating a method for guiding injection needle insertion for treating vocal cord diseases according to an embodiment.
4 is a flowchart showing in detail the re-detection of the position of the vocal cords in the injection needle insertion guide method for the treatment of vocal cord diseases according to an embodiment.
5 is a flowchart showing in detail the step of determining an injection path in the injection needle insertion guide method for treating vocal cord disease according to an embodiment.
6 is a photograph illustrating a method for guiding injection needle insertion for treating vocal cord disease according to an embodiment.
7 is a conceptual diagram illustrating a vocal cord position reinforcement learning step in a method for guiding injection needle insertion for vocal cord disease treatment according to an embodiment.
8 is a photograph and a graph showing the distance between the left and right vocal cords used in the step of verifying the position of the vocal cords in the injection needle insertion guide method for the treatment of vocal cord diseases according to an embodiment.
9 is a photograph illustrating an injection path determination step in a method for guiding injection needle insertion for treatment of vocal cord diseases according to an embodiment.
10 is a photograph showing examples of vocal cord detection results and injection needle projection results obtained using a needle injection guide method for treating vocal cord diseases according to an embodiment.
11 is a graph showing the accuracy of vocal cord detection results and injection needle projection results obtained using a needle insertion guide method for treating vocal cord diseases according to an embodiment.
12 is a photograph comparing a method using vocal cord position verification and a reinforcement learning method without verification in the injection needle insertion guide method for vocal cord disease treatment according to an embodiment.

전술한, 그리고 추가적인 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명하는 실시예들을 통해 구체화된다. 각 실시예들의 구성 요소들은 다른 언급이나 상호간에 모순이 없는 한 실시예 내에서 또는 타 실시예의 구성 요소들과 다양한 조합이 가능한 것으로 이해된다. 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어는 기재 내용 혹은 제안된 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 본 명세서에서 모듈 또는 부분은, 컴퓨터 또는 프로세서에서 실행가능하도록 메모리에 저장된 프로그램 명령어의 집합이거나, 이러한 명령들을 수행할 수 있도록 ASIC, FPGA 등의 전자 부품 또는 회로의 집합을 이용하여 구현할 수 있다. 또한, 각 모듈 또는 부분의 동작은 하나 또는 복수의 프로세서 또는 장치에 의해 수행될 수 있다. The foregoing and additional aspects are embodied through embodiments described with reference to the accompanying drawings. It is understood that the elements of each embodiment can be combined in various ways within one embodiment or with elements of another embodiment without contradiction with each other or other references. Based on the principle that the inventor can properly define the concept of terms in order to explain his/her invention in the best way, the terms used in this specification and claims have meanings consistent with the description or proposed technical idea. and should be interpreted as a concept. In this specification, a module or part is a set of program instructions stored in a memory to be executable by a computer or processor, or a set of electronic components or circuits such as ASICs and FPGAs to execute these instructions. Can be implemented using. Also, the operation of each module or part may be performed by one or a plurality of processors or devices.

후두(Larynx)는 인체의 목(neck) 부위에서 융기가 있는 부분으로, 식도 앞쪽에 위치하고 기관에 연결된다. 후두강에는 흔히 성대라고 불리는 두 쌍의 주름을 이루는 내벽이 있다. 일반적으로 위쪽에 위치한 한쌍의 주름을 가성대 또는 성대 주름(vocal fold)이라 하고, 아래쪽에 위치한 한쌍의 주름은 진성 성대 또는 성래(vocal cord)라고 하지만, 본 명세서에서는 성대 주름(vocal fold)을 간단히 '성대'로 표현한다. 오른쪽 성대 위치는 한 쌍의 성대 주름에서 오른쪽에 위치한 성대 주름의 주사 위치를 의미하고, 왼쪽 성대 위치는 한 쌍의 성대 주름에서 왼쪽에 위치한 성대 주름의 주사 위치를 의미한다.The larynx is a raised part in the neck of the human body, located in front of the esophagus and connected to the trachea. The laryngeal cavity has two pairs of corrugated inner walls, commonly called vocal folds. In general, a pair of folds located on the upper side are called false folds or vocal folds, and a pair of folds located on the lower side are called true vocal cords or vocal cords. Expressed as 'vocal cord'. The right vocal cord position means the injection position of the vocal cord located on the right side of a pair of vocal folds, and the left vocal cord position means the injection position of the vocal fold located on the left side of the pair of vocal folds.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치의 구성을 나타내는 구성도이다. 1 is a configuration diagram showing the configuration of an injection needle insertion guide device for treating vocal cord diseases according to an embodiment.

제안된 발명의 일 양상에 따르면, 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치는, 성대정보입력부(110)와 주사경로결정부(160)를 포함한다. 성대정보입력부(110)는 목 CT 이미지로 구성된 3D 볼륨 데이터와, 상기 CT 이미지에서 검출된 성대 위치 정보를 입력받는다. 주사경로결정부(160)는 상기 성대 위치를 중심으로 목 외부의 피부를 향하는 방사상의 직선 경로 중에서 최소의 장애물을 통과하는 직선 경로를 결정한다. According to one aspect of the proposed invention, an injection needle insertion guide device for treating vocal cord diseases includes a vocal cord information input unit 110 and an injection route determination unit 160. The vocal cord information input unit 110 receives 3D volume data composed of a neck CT image and vocal cord position information detected from the CT image. The scanning path determining unit 160 determines a straight path passing through the least obstacle among radial straight paths toward the skin outside the neck with the vocal folds as the center.

추가적인 양상에 따르면, 상기 주사경로결정부(160)는 최대강도산출부(195)와 최소강성경로선택부(197)를 포함한다. 최대강도산출부(195)는 상기 방사상의 직선 경로 상의 각 경로에 대하여 CT 이미지의 강도 값을 구하고, 각 경로의 최대 강도 값을 해당 경로의 강성 값으로 선택한다. 최소강성경로선택부(197)는 상기 방사상의 직선 경로 중에서 강성 값이 최소인 직선 경로를 선택한다. According to an additional aspect, the scan path determination unit 160 includes a maximum intensity calculation unit 195 and a minimum stiffness path selection unit 197. The maximum intensity calculation unit 195 obtains the intensity value of the CT image for each path on the radial straight path, and selects the maximum intensity value of each path as the stiffness value of the corresponding path. The minimum stiffness path selection unit 197 selects a straight line path having the minimum stiffness value among the radial straight paths.

추가적인 양상에 따르면, 상기 주사경로결정부(160)는 주사바늘투입범위설정부(180)를 포함한다. 주사바늘투입범위설정부(180)는 상기 방사상의 직선 경로 중에서 미리 설정된 해부학적으로 가능한 범위를 벗어나는 경로를 제외한다. According to an additional aspect, the scan path determining unit 160 includes a needle insertion range setting unit 180 . The injection needle insertion range setting unit 180 excludes a path out of a predetermined anatomically possible range from among the radial straight paths.

추가적인 양상에 따르면, 상기 주사경로결정부(160)는 내부공기영역식별부(170) 및 공기통과경로제거부(193)를 포함한다. 내부공기영역식별부(170)는 상기 CT 이미지에서 목 내부의 공기를 포함하는 영역을 식별한다. 공기통과경로제거부(193)는 상기 방사상의 직선 경로 중에서 상기 목 내부의 공기를 포함하는 영역으로 식별된 영역을 통과하는 경로를 제외시킨다. According to an additional aspect, the scan path determination unit 160 includes an internal air area identification unit 170 and an air passage path removal unit 193 . The internal air region identification unit 170 identifies a region including air inside the neck in the CT image. The air passing path removing unit 193 excludes a path passing through a region identified as a region containing air inside the neck from among the radial straight paths.

추가적인 양상에 따르면, 상기 내부공기영역식별부(170)는 공기영역구분부와 GD변환부와 내부공기영역판단부를 포함한다. 공기영역구분부는 상기 CT 이미지에서 HU 임계값을 이용하여 공기 영역을 구분한다. GD변환부는 상기 CT 이미지의 외부 공기영역을 기준으로 상기 CT 이미지에 대해 GD변환을 실시한다. 내부공기영역판단부는 상기 공기 영역 중에서 GD 변환으로 확인된 외부 공기영역과 단절된 부분을 내부 공기영역으로 선택한다. According to an additional aspect, the internal air area identification unit 170 includes an air area classification unit, a GD conversion unit, and an internal air area determination unit. The air area segmentation unit classifies the air area using the HU threshold in the CT image. The GD conversion unit performs GD conversion on the CT image based on the outside air area of the CT image. The inner air area determining unit selects, as the inner air area, a portion of the air area that is disconnected from the outer air area identified through GD conversion.

도 2는 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치 중 성대위치결정부의 구성을 나타내는 구성도이다. 2 is a configuration diagram showing the configuration of a vocal cord positioning unit in an injection needle insertion guide device for treating vocal cord diseases according to an embodiment.

일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치는, 강화학습(RL)학습부(205), 성대위치결정부(210), 주사경로결정부(160)를 포함한다.An injection needle insertion guide device for vocal cord disease treatment according to an embodiment includes a reinforcement learning (RL) learning unit 205, a vocal cord positioning unit 210, and a scanning path determining unit 160.

성대위치결정부(210)는 성대위치검출부(220), 성대위치검증부(230), 초기위치설정부(245)를 포함한다. 성대위치검출부(220)는 오른쪽 성대 위치를 검출하는 오른쪽성대검출신경망(223)과 왼쪽 성대 위치를 검출하는 왼쪽성대검출신경망(227)을 포함한다. The vocal cord position determining unit 210 includes a vocal cord position detection unit 220, a vocal cord position verification unit 230, and an initial position setting unit 245. The vocal cord position detector 220 includes a right vocal cord detection neural network 223 that detects the right vocal cord position and a left vocal cord detection neural network 227 that detects the left vocal cord position.

강화학습(RL)학습부(205)는 목 CT 이미지의 3D 볼륨을 이용하여 성대위치검출부(220)의 오른쪽성대검출신경망(223)과 왼쪽성대검출신경망(227)을 강화학습 시킨다. 목 CT 이미지의 3D 볼륨 데이터는 전문가가 실제(Ground Truth; GT) 오른쪽 성대 위치와 왼쪽 성대 위치에 주석(annotation)을 표시한 후 강화학습(RL)에 사용한다. 오른쪽성대검출신경망(223)과 왼쪽성대검출신경망(227)은 동일한 구조를 사용한다. 오른쪽 성대의 위치와 왼쪽 성대의 위치가 서로 다르기 때문에, 학습이 완료된 오른쪽성대검출신경망(223)과 왼쪽성대검출신경망(227)은 서로 다른 파라미터를 가질 수 있다. The reinforcement learning (RL) learning unit 205 reinforces the right vocal cord detection neural network 223 and the left vocal cord detection neural network 227 of the vocal cord position detection unit 220 using the 3D volume of the neck CT image. The 3D volume data of the neck CT image is used for reinforcement learning (RL) after an expert marks the location of the right and left vocal cords as ground truth (GT). The right vocal cord detection neural network 223 and the left vocal cord detection neural network 227 use the same structure. Since the positions of the right vocal cord and the left vocal cord are different from each other, the trained right vocal cord detection neural network 223 and the left vocal cord detection neural network 227 may have different parameters.

학습이 완료된 성대위치검출부(220)에 목 CT 이미지의 3D 볼륨 데이터를 입력하면 오른쪽성대검출신경망(223)과 왼쪽성대검출신경망(227)은 각각 오른쪽 성대 위치와 왼쪽 성대 위치를 검출한다. 검출된 성대 위치 데이터는 성대위치검증부(230)로 전달된다.When 3D volume data of the neck CT image is input to the vocal cord position detection unit 220 after learning has been completed, the right vocal cord detection neural network 223 and the left vocal cord detection neural network 227 detect the right vocal cord position and the left vocal cord position, respectively. The detected vocal cord position data is transmitted to the vocal cord position verifying unit 230 .

성대위치검증부(230)는 검출된 성대 위치가 잘못된 성대 위치가 아닌 정상적인 성대 위치에 해당하는지 검증한다. 성대위치검증부(230)는 좌우 성대 위치의 거리를 이용하여 성대 위치에 해당하는지 검증한다. 성대위치검증부(230)는 좌우 성대 위치와 함께 검증 결과를 출력할 수 있다. The vocal cord position verifying unit 230 verifies whether the detected vocal cord position corresponds to a normal vocal cord position rather than an incorrect vocal cord position. The vocal cord position verifying unit 230 verifies whether the position corresponds to the vocal cord position by using the distance between the left and right vocal cord positions. The vocal cord position verifying unit 230 may output a verification result together with the left and right vocal cord positions.

성대위치결정부(210)는 성대위치검증부(230)의 검증 결과를 확인하여 검증에 실패한 경우 초기위치설정부(245)에서 새로운 초기 위치를 설정하여 성대위치검출부(220)에 투입시킨다. 오른쪽성대검출신경망(223)과 왼쪽성대검출신경망(227)은 각각 서로 다른 새로운 초기 위치에서 성대 위치 검출을 시작한다. 각 신경망에서 새로운 좌우 성대 위치를 검출하면, 다시 한번 성대위치검증부(230)로 투입하여 검증을 실시한다. 성대위치결정부(210)는 성대위치검증부(230)의 검증 결과를 확인하여 검증에 성공한 경우, 좌우 성대 위치를 주사경로결정부(160)로 전달한다.The vocal cord position determining unit 210 checks the verification result of the vocal cord position verification unit 230, and if the verification fails, the initial position setting unit 245 sets a new initial position and inputs it to the vocal cord position detection unit 220. The right vocal cord detection neural network 223 and the left vocal cord detection neural network 227 each start to detect the position of the vocal cords at different initial positions. When a new left and right vocal cord position is detected by each neural network, it is once again put into the vocal cord position verifying unit 230 and verified. The vocal cord position determining unit 210 checks the verification result of the vocal cord position verifying unit 230 and transmits the left and right vocal cord positions to the scanning path determining unit 160 when the verification is successful.

주사경로결정부(160)는 내부공기영역식별부(170), 주사바늘투입범위설정부(180), 바늘투입경로결정부(190)를 포함한다. 내부공기영역식별부(170)는 HU(Hounsfield Unit)의 임계값을 이용하여 공기 영역을 식별하고, GD(GD(Gray-Weighted Distance) 변환을 이용하여 외부 공기 영역과 내부 공기 영역을 식별한다. 주사바늘투입범위설정부(180)는 해부학적으로 바늘 투사가 가능한 범위로 바늘 투입 범위를 설정한다. 바늘투입경로결정부(190)는 성대 위치를 지나는 바늘 투입 범위의 직선 경로를 이루는 라인들 중에서 공기 영역을 통과하는 라인을 제외하고, 각 라인의 최대 강도를 구하여, 최대 강도가 가장 낮은 라인을 바늘 투입 직선 경로로 결정한다.The scanning path determination unit 160 includes an internal air area identification unit 170, a needle insertion range setting unit 180, and a needle insertion path determination unit 190. The internal air region identification unit 170 identifies an air region using a Hounsfield Unit (HU) threshold, and identifies an external air region and an internal air region using GD (Gray-Weighted Distance) conversion. The needle input range setting unit 180 sets the needle input range to an anatomically possible needle input range. Excluding the lines passing through the air area, the maximum intensity of each line is obtained, and the line with the lowest maximum intensity is determined as the straight needle insertion path.

도 3은 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법을 나타내는 순서도이다. 3 is a flowchart illustrating a method for guiding injection needle insertion for treating vocal cord diseases according to an embodiment.

제안된 발명의 일 양상에 따르면, 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치가 수행하는 주사 바늘 투입 가이드 방법은, 성대위치결정단계(S310)를 포함한다. 성대위치결정단계(S310)는 성대위치결정부(210)에 의해 수행되며, 성대위치검출단계(S320)와, 성대위치검증단계(S330)와, 성대위치재검출단계(S340)와, 성대위치확정단계(S350)를 포함한다.According to one aspect of the proposed invention, the injection needle insertion guide method performed by the injection needle insertion guide device for treating vocal cord disease includes a vocal cord positioning step (S310). The vocal cord position determination step (S310) is performed by the vocal cord position determining unit 210, comprising a vocal cord position detection step (S320), a vocal cord position verification step (S330), a vocal cord position re-detection step (S340), and a vocal fold position detection step (S340). A confirmation step (S350) is included.

추가적인 양상에 따르면, 상기 주사 바늘 투입 가이드 방법은, 성대위치강화학습단계(S305)를 더 포함한다. 강화학습(RL) 학습부(205)에 의해 수행되는 성대위치강화학습단계(S305)에서는, 오른쪽성대위치검출신경망과 왼쪽성대위치검출신경망을 오른쪽 성대 위치와 왼쪽 성대 위치에 주석을 표시한 목 CT 이미지의 3D 볼륨 데이터를 이용하여 강화학습시킨다. According to an additional aspect, the injection needle insertion guide method further includes a vocal cord position reinforcement learning step (S305). In the vocal cord position reinforcement learning step (S305) performed by the reinforcement learning (RL) learning unit 205, the right vocal cord position detection neural network and the left vocal cord position detection neural network are used in neck CT with annotations displayed at the right and left vocal cord positions. Reinforcement learning is performed using the 3D volume data of the image.

추가적인 양상에 따르면, 상기 주사 바늘 투입 가이드 방법은, 주사경로결정단계(S360)를 더 포함한다. 주사경로결정단계(S360)는 주사경로결정부(160)에 의해서 수행되며, 목 외부의 피부로부터 오른쪽 성대 위치와 왼쪽 성대 위치를 향해 최소의 장애물을 통과하여 주사할 수 있는 바늘의 직선 경로를 결정한다.According to an additional aspect, the injection needle insertion guide method further includes an injection path determining step (S360). The scanning path determining step (S360) is performed by the scanning path determining unit 160, and determines a straight line path of a needle that can be injected from the skin outside the neck toward the right and left vocal cords by passing through the minimum obstacles. do.

성대위치검출단계(S320)에서는, 오른쪽성대위치검출신경망과 왼쪽성대위치검출신경망을 이용하여, 목 CT 이미지 3D 볼륨으로부터 오른쪽 성대 위치와 왼쪽 성대 위치를 각각 검출한다. 성대위치검증단계(S330)에서는, 상기 성대위치검출단계(S320)에서 검출된 오른쪽 성대 위치와 왼쪽 성대 위치가 해부학적으로 타당한 성대 위치에 해당하는지 검증한다. 성대위치재검출단계(S340)에서는, 상기 성대위치검증단계(S330)에서 상기 오른쪽 성대 위치와 왼쪽 성대 위치가 해부학적으로 타당하지 않은 성대 위치라고 판단한 경우, 새로운 초기 위치를 이용하여 오른쪽 성대 위치와 왼쪽 성대 위치를 다시 검출한다.In the vocal cord position detection step (S320), the right vocal cord position and left vocal cord position are detected from the 3D volume of the neck CT image, respectively, using the right vocal cord position detection neural network and the left vocal cord position detection neural network. In the vocal cord position verification step (S330), it is verified whether the right vocal cord positions and the left vocal cord positions detected in the vocal cord position detection step (S320) correspond to the anatomically appropriate vocal cord positions. In the vocal cord position re-detection step (S340), if it is determined that the right vocal cord position and the left vocal cord position are anatomically inappropriate vocal cord positions in the vocal cord position verification step (S330), the right vocal cord position and The position of the left vocal fold is detected again.

추가적인 양상에 따르면, 상기 성대위치검증단계(S330)에서는, 성대위치검증부(230)가 검출한 오른쪽 성대 위치와 왼쪽 성대 위치의 거리가 미리 설정된 임계 범위를 벗어나는 경우 해부학적으로 타당하지 않은 성대 위치로 판단한다.According to an additional aspect, in the vocal cord position verification step (S330), if the distance between the right vocal cord position and the left vocal cord position detected by the vocal cord position verification unit 230 exceeds a preset threshold range, the vocal cord position is anatomically inappropriate. judged by

도 4는 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법에서 성대위치재검출단계를 자세히 나타내는 순서도이다.4 is a flowchart showing in detail the re-detection of the position of the vocal cords in the injection needle insertion guide method for the treatment of vocal cord diseases according to an embodiment.

추가적인 양상에 따르면, 상기 성대위치재검출단계(S340)는 초기위치재설정단계(S445)와 성대위치검출단계(S320)를 포함한다. 초기위치재설정단계(S445)에서 성대위치결정부(210)는 목 CT 이미지의 3D 볼륨에서 중앙부로 축소된 샘플링 공간에서 임의로 선택한 복수의 초기 위치들을 오른쪽성대위치검출신경망과 왼쪽성대위치검출신경망에 각각 전달한다. 성대위치검출단계(S320)는 성대위치검증단계(S330) 이전에 수행한 방법과 동일한 방법으로 수행할 수 있다.According to an additional aspect, the vocal cord position re-detection step (S340) includes an initial position resetting step (S445) and a vocal cord position detection step (S320). In the initial position resetting step (S445), the vocal cord position determining unit 210 assigns a plurality of initial positions randomly selected from the sampling space reduced from the 3D volume of the neck CT image to the center to the right vocal cord position detection neural network and the left vocal cord position detection neural network, respectively. convey The vocal cord position detection step (S320) may be performed in the same manner as the method performed before the vocal cord position verification step (S330).

추가적인 양상에 따르면, 상기 초기위치재설정단계(S445)는, 두 번째 성대 위치 검증에서 실패한 경우, 상기 샘플링 공간에서 선택하는 초기 위치를 첫 번째 검증에서 실패한 경우보다 8배 증가시켜 선택한 초기 위치들을 오른쪽성대위치검출신경망과 왼쪽성대위치검출신경망에 각각 전달한다. According to an additional aspect, in the initial position resetting step (S445), when the second vocal cord position verification fails, the initial position selected in the sampling space is increased by 8 times compared to the case where the first verification fails, and the selected initial positions are set to the right vocal cord. It is transmitted to the position detection neural network and the left vocal cord position detection neural network respectively.

도 5는 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법에서 주사경로결정단계를 자세히 나타내는 순서도이다.5 is a flowchart showing in detail the step of determining an injection path in the injection needle insertion guide method for treating vocal cord disease according to an embodiment.

추가적인 양상에 따르면, 주사경로결정부(160)에 의해 수행되는 상기 주사경로결정단계(S360)는, 내부공기영역식별단계(S570)와, 바늘투입범위설정단계(S580)와 바늘투입경로결정단계(S590)를 포함한다. 내부공기영역식별단계(S570)에서는, 목 피부 바깥쪽의 외부 공기 영역과, 목 내부의 내부 공기 영역을 구분하여 식별한다. 바늘투입범위설정단계(S580)에서는, 검출된 오른쪽 성대 위치와 왼쪽 성대 위치에서 해부학적으로 바늘 투입이 가능한 직선 경로의 범위를 설정한다. 바늘투입경로결정단계(S590)에서는, 상기 가능한 직선 경로의 범위 내의 경로 중 장애물이 가장 작은 경로를 바늘 투입 경로로 선택한다. According to an additional aspect, the scanning path determining step (S360) performed by the scanning path determining unit 160 includes the internal air area identification step (S570), the needle inputting range setting step (S580) and the needle inputting path determining step. (S590). In the internal air region identification step (S570), an external air region outside the neck skin and an internal air region inside the neck are distinguished and identified. In the step of setting the needle insertion range (S580), a range of a straight path in which the needle can be inserted anatomically is set at the detected positions of the right and left vocal cords. In the needle insertion path determination step (S590), a path with the smallest obstacle among paths within the range of the possible straight paths is selected as the needle input path.

추가적인 양상에 따르면, 상기 내부공기영역식별단계(S570)는, 목 CT 이미지에서 HU 임계값을 이용하여 공기 영역을 구분하는 공기영역구분단계(S573)와, 목 CT 이미지의 외부 공기영역을 기준으로 목 CT 이미지에 대해 GD변환을 실시하는 GD변환단계(S575)와, 외부 공기영역과 단절된 부분을 내부 공기영역으로 식별하는 내부공기영역판단단계(S577)를 포함한다. According to an additional aspect, the internal air region identification step (S570) includes the air region classification step (S573) of dividing the air region using the HU threshold in the neck CT image, and the external air region of the neck CT image as a standard. A GD conversion step (S575) of performing GD conversion on the neck CT image, and an internal air region determination step (S577) of identifying a portion disconnected from the external air region as an internal air region are included.

추가적인 양상에 따르면, 상기 바늘투입범위설정단계(S580)에서는, 검출된 오른쪽 성대 위치와 왼쪽 성대 위치에서 해부학적으로 가능한 바늘 투입 경로의 범위를 설정한다.According to an additional aspect, in the step of setting the needle insertion range (S580), the ranges of anatomically possible needle insertion paths are set in the detected positions of the right and left vocal folds.

추가적인 양상에 따르면, 상기 바늘투입경로결정단계(S590)는, 상기 해부학적으로 바늘 투입이 가능한 직선 경로의 범위 중에서 공기를 통과하는 경로를 제외시키는 공기통과경로제거단계(S593)와, 상기 직선 경로들에 대하여 강도를 구하고 최대 강도를 해당 직선 경로의 강성으로 설정하는 최대강도산출단계(S595)와, 상기 가능한 범위의 직선 경로 중 강성이 가장 작은 직선 경로를 바늘 투입 경로로 설정하는 최소강성직선경로결정단계(S597)를 포함한다.According to an additional aspect, the needle insertion path determining step (S590) includes the air passing path removing step (S593) of excluding a path passing through air from the range of straight paths where the needle can be inserted anatomically, and the linear path A maximum strength calculation step (S595) of obtaining the strength of the line and setting the maximum strength as the stiffness of the corresponding straight line path, and a minimum rigid line path of setting the straight line path with the smallest stiffness among the available straight line paths as the needle insertion path A decision step (S597) is included.

최적 주사 바늘 투입 경로(L*)를 구하기 위해, 먼저 해부학적으로 바늘 투입이 가능한 직선 경로(L)의 범위 중에서 각 직선 경로의 강도(I)를 구하고, 각 경로에 대하여 강도의 총합값(fsum), 평균값(fmean), 최대값(fmax)을 다음 수학식 1로 구하여, 각각의 값이 최소가 되는 경로를 제안할 수 있다. In order to obtain the optimal injection needle insertion path (L * ), first, the strength (I) of each straight path among the range of straight paths (L) in which the needle can be injected anatomically is obtained, and the sum of the strength values (f) for each path sum ), the average value (f mean ), and the maximum value (f max ) are obtained by Equation 1 below, and a path in which each value is minimized may be proposed.

[수학식 1][Equation 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

여기에서 I(x)는 경로 L상의 위치 x의 강도(intensity)이다. Here, I(x) is the intensity of position x on path L.

총합값, 평균값, 최대값이 최소가 되는 경로가 서로 다른 경우, 장애물이 최소가 되도록 각 경로의 최대값이 최소가 되는 경로를 최적 경로로 제시하는 것이 바람직하다. 이때, 각 경로의 최대값을 각 경로의 강성으로 설정할 수 있다.If the paths with the minimum total value, average value, and maximum value are different from each other, it is desirable to suggest the path with the minimum maximum value of each path as the optimal path so that the obstacles are minimized. At this time, the maximum value of each path may be set as the stiffness of each path.

도 6은 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법을 설명하는 사진이다. 6 is a photograph illustrating a method for guiding injection needle insertion for treating vocal cord disease according to an embodiment.

도 6(a)는 성대위치결정단계(S310)에서 결정된 좌우 성대 위치를 빨간색으로 표시한 목의 수평 단면 CT 이미지이다. 사진에서 빨간색으로 표시된 검출된 성대 위치는 각각 오른쪽 성대 위치와 왼쪽 성대 위치를 나타낸다. 성대 위치는 강화학습(RL) 에이전트(agent)를 사용하여 검출하였으며, 성대의 앞쪽보다 뒤쪽의 특징이 더 뚜렷하여 성대의 뒤쪽의 랜드마크를 검출한다. 주사 바늘도 마찬가지로 뒤쪽 랜드마크 위치 부근으로 삽입된다.6(a) is a horizontal cross-sectional CT image of the neck in which the positions of the left and right vocal cords determined in the vocal cord positioning step (S310) are marked in red. The detected vocal cord positions marked in red in the picture indicate the right vocal cord position and the left vocal cord position, respectively. The position of the vocal cords was detected using a reinforcement learning (RL) agent, and the landmarks on the back of the vocal cords were detected because the characteristics of the back of the vocal cords were more distinct than the front of the vocal cords. The injection needle is similarly inserted near the posterior landmark location.

도 6(b)는 주사경로결정단계(S360)에서 결정된 주사 바늘의 경로를 노란색으로 표시한 목의 수평 단면 CT 이미지이다. 성대 위치 앞쪽에 빨간색으로 표시된 부분은 외부 공기와 맞닿는 목의 피부 위치로 이 부분으로 주사 바늘이 삽입될 수 있다. 파란색으로 표시된 영역은 좌우 성대 위치를 중심으로 주사 바늘이 삽입 가능한 수평 각도를 의미한다. 도 6(c)는 주사경로결정단계(S360)에서 결정된 주사 바늘의 경로를 노란색으로 표시한 목의 수직 단면 CT 이미지이다. 파란색으로 표시된 영역은 성대 위치를 중심으로 주사 바늘이 삽입 가능한 수직 각도 영역을 나타낸다. 6(b) is a horizontal cross-sectional CT image of the neck in which the route of the injection needle determined in the step of determining the injection route (S360) is indicated in yellow. The area marked in red in front of the location of the vocal cords is a location on the skin of the neck that is in contact with the outside air, and an injection needle can be inserted into this area. The area marked in blue means the horizontal angle at which the injection needle can be inserted centered on the left and right vocal folds. 6(c) is a vertical cross-sectional CT image of the neck in which the path of the injection needle determined in the step of determining the injection path (S360) is marked in yellow. The area marked in blue indicates a vertical angular area where the injection needle can be inserted centered on the position of the vocal cords.

도 7은 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법에서 성대위치강화학습단계를 나타내는 개념도이다. 7 is a conceptual diagram illustrating a vocal cord position reinforcement learning step in a method for guiding injection needle insertion for vocal cord disease treatment according to an embodiment.

도 7(a)는 일 실시예에 따른 성대위치강화학습단계(S305)의 환경(Environment)을 나타낸다. 검출 에이전트(agent)가 상호작용하는 환경(environment)은 목(neck)의 3D CT 이미지로 구성된 3차원 영역(volume)이다. 오른쪽에서 왼쪽, 앞쪽에서 뒤쪽, 아래쪽에서 위쪽 방향을 가리키는 3개의 데카르트 축 X, Y, Z를 사용하여 3D 볼륨을 나타낼 수 있다. pr과 pl는 각각 오른쪽과 왼쪽 성대 목표 위치를 나타내고, pfold는 두 성대 위치 중 어느 하나를 나타낸다. 모든 위치에 대한 CT 볼륨의 HU(Hounsfield Unit)를 이용하여 강도 함수 T를 구할 수 있다.7(a) shows an environment in the vocal cord position reinforcement learning step (S305) according to an embodiment. The environment in which the detection agent interacts is a 3D volume composed of 3D CT images of the neck. A 3D volume can be represented using three Cartesian axes X, Y, and Z, which point in the directions right-to-left, front-to-back, and bottom-to-up. p r and p l represent the target positions of the right and left vocal folds, respectively, and p fold represents one of the two vocal fold positions. The intensity function T can be obtained using the HU (Hounsfield Unit) of the CT volume for all locations.

에이전트(Agent)는 복수개로 구성될 수 있다. 예를 들어, 오른쪽 성대 위치를 검출하는 에이전트와 왼쪽 성대 위치를 검출하는 에이전트를 별도로 구성하여 두개의 에이전트를 사용할 수 있다. 도 7(b)는 일 실시예에 따른 성대위치강화학습단계(S305)의 성대 위치를 검출하는 에이전트(Agent) 중 하나의 구성을 나타낸다. 오른쪽 성대 위치를 검출하는 에이전트와 왼쪽 성대 위치를 검출하는 에이전트는 동일한 형태로 구성할 수 있다. 이들 에이전트는 형태는 동일하지만 서로 목표(target)가 다르므로 독립적으로 대상의 위치를 검출한다. Agent (Agent) can be composed of a plurality. For example, an agent detecting the position of the right vocal cord and an agent detecting the position of the left vocal cord may be configured separately and used as two agents. 7(b) shows a configuration of one of the agents for detecting the position of the vocal cords in the vocal cord position reinforcement learning step (S305) according to an embodiment. An agent detecting the position of the right vocal cord and an agent detecting the position of the left vocal cord may be configured in the same form. These agents have the same form but have different targets, so they independently detect the location of the target.

도 7을 참조하면, 좌 우 성대 위치 중 어느 하나의 목표 성대 위치(pfold)를 검출하기 위해, 에이전트는 3D 볼륨 내부의 임의의 위치에서 시작하여 목표 성대 위치에 점차적으로 도달하기 위한 후속 단계를 수행한다. 모든 단계 t에서 현재 위치(pt)를 중심으로 현재 상태(st)를 관찰하고, 행동(at)을 결정하여 인접한 위치(pt+1)로 이동한다. 이때, 단위 행동(at)으로는 오른쪽, 왼쪽, 앞쪽, 뒤쪽, 아래쪽 및 위쪽 방향으로 6가지 다른 행동을 사용할 수 있다. 정책 함수 π(st, at)는 모든 단계에서 관찰된 상태(st)에 대한 최적의 행동(at) 확률을 생성하는 데 사용된다. 이러한 단계들을 포함하는 에피소드 T 후에 에이전트는 결국 목표 성대 위치(pfold)로 수렴한다. 정책 함수는 심층 신경망(DNN)으로 모델링한다. 도 7(b)와 같이 3D 이미지 입력의 경우, 3D CNN을 사용할 수 있다. Referring to FIG. 7 , in order to detect a target vocal cord position (p fold ) of any one of the left and right vocal cord positions, the agent starts from an arbitrary position inside the 3D volume and performs subsequent steps to gradually reach the target vocal fold position. carry out At every step t, the current state (s t ) is observed with the current location (p t ) as the center, and the action (a t ) is determined to move to the adjacent location (p t+1 ). At this time, as a unit action (a t ), six different actions can be used in the right, left, forward, backward, downward, and upward directions. The policy function π(s t , a t ) is used to generate the probability of an optimal action (a t ) for an observed state (s t ) at every step. After episode T containing these steps, the agent eventually converges to the target vocal cord position p fold . The policy function is modeled with a deep neural network (DNN). In the case of 3D image input as shown in FIG. 7 (b), a 3D CNN can be used.

훈련하는 동안 에이전트가 목표에 더 가깝게 가도록 각 단계마다 보상 신호가 제공된다. 임의의 위치(pt)에서 다음 위치(pt+1)로 전환하기 위해 행동(at)을 취한 것에 대한 보상 rt(pt, at, pt+1)은 다음 수학식 2의 함수를 이용할 수 있다.During training, a reward signal is provided at each step to move the agent closer to the goal. The reward r t (p t , a t , p t+1 ) for taking an action (a t ) to switch from an arbitrary position (p t ) to the next position (p t+1 ) is function can be used.

[수학식 2][Equation 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

여기에서 | |은 벡터 노름(norm) 연산을 나타낸다. from here | | represents the vector norm operation.

에이전트가 목표에 더 가까이 이동하면 긍정적인 보상이 주어지고, 에이전트가 목표에서 멀어지면 부정적인 보상이 주어진다. τ는 에이전트가 지속적으로 긍정적인 보상을 받는 작은 거리를 나타내며 수렴 상태를 나타낸다. Positive rewards are given when the agent moves closer to the goal, and negative rewards are given when the agent moves away from the goal. τ denotes a small distance over which the agent consistently receives a positive reward, indicating a state of convergence.

훈련은 예상 누적 보상을 최대화하기 위해 반복적으로 정책 π를 최적화하는 것을 목표로 한다. 모든 반복에서 에이전트는 먼저 현재 정책을 사용하여 여러 현지화 에피소드(Episode)를 수행하고 전이 경험 (Transition Experience)을 수집한다. 각 경험(s, a, s', r)은 현재 상태 s(=st), 수행된 행동 a(=at), 다음 상태 s'(= st+1) 및 달성된 보상 r(=rt)의 네 가지 정보로 구성된다. 이러한 경험 샘플에서 미니 배치를 샘플링하고, 확률적 기울기 상승을 사용하여 정책이 최적화할 수 있다.Training aims to iteratively optimize policy π to maximize the expected cumulative reward. In every iteration, the agent first performs several localization episodes using the current policy and collects the transition experience. Each experience (s, a, s', r) has the current state s(=s t ), the action taken a(=a t ), the next state s'(= s t+1 ), and the achieved reward r(= r t ) is composed of four pieces of information. A mini-batch is sampled from these experience samples, and the policy can be optimized using stochastic gradient ascent.

경험한 보상의 편차가 크기 때문에 원시 보상을 직접 최적화하는 것은 어렵다. 따라서, 주어진 상태 s에 대한 정책을 평가하는 가치 함수 V(s)를 사용하여, 현재 정책의 비교 이득(advantage)을 최대화한다. 모든 전이(s, a, s', r)에 대해 이득(A)은 다음 수학식 3과 같이 계산할 수 있다.Directly optimizing raw rewards is difficult because of the large variance in experienced rewards. Thus, we use the value function V(s) to evaluate the policy for a given state s, maximizing the comparative advantage of the current policy. For all transitions (s, a, s', r), the gain (A) can be calculated as in Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure pat00003
Figure pat00003

여기서 0 ≤ γ < 1은 할인 계수(discount factor)이다. Here, 0 ≤ γ < 1 is a discount factor.

상기 수학식 3에서 우변의 첫 부분은 현재 정책에 의해 달성된 근사적인 누적 할인 보상( r + γV(sl) )이다. V(s)는 이전 정책에 대한 할인된 보상(discounted return)을 추적한다. 따라서 이득(advantage)을 이용하면 정책 개선을 평가할 수 있다. In Equation 3, the first part of the right side is the approximate cumulative discount reward (r + γV(sl)) achieved by the current policy. V(s) tracks the discounted return on the previous policy. Thus, advantage can be used to evaluate policy improvements.

이러한 이득(advantage)을 최대화하기 위해 근접 정책 최적화(proximanl policy optimization; PPO)를 사용한다. 근접 정책 최적화(PPO)는 새로운 정책과 기존 정책의 비율을 활용하는 다음 수학식 4의 목적(objective)을 사용한다. To maximize this advantage, proximity policy optimization (PPO) is used. Proximity Policy Optimization (PPO) uses the following objective of Equation 4 that utilizes the ratio of the new policy to the old policy.

[수학식 4][Equation 4]

Figure pat00004
Figure pat00004

여기에서 πold는 정책 업데이트에 대한 경험을 수집하는 데 사용되는 정책이고 π는 최적화 중에 업데이트될 정책이다. 정책 비율을 간단히 ρ(π)로 나타낼 수 있다. where π old is the policy used to collect experience for policy update and π is the policy to be updated during optimization. The policy ratio can be simply expressed as ρ(π).

상기 수학식 4의 목적(objective)은 이득(A)이 긍정적이면 행동(a)에 대한 정책이 증가하고, 이득(A)이 부정적이면 행동(a)에 대한 정책이 감소함을 나타낸다. 또한, 위의 정책 비율은 대규모 정책 업데이트를 피하기 위해 클립한다. 따라서 PPO의 최종 목적(objective)은 다음 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. The objective of Equation 4 indicates that the policy for action (a) increases when the gain (A) is positive, and the policy for action (a) decreases when the gain (A) is negative. Also, the above policy ratios clip to avoid large policy updates. Therefore, the final objective of PPO can be expressed as Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure pat00005
Figure pat00005

요약하면 에이전트는 먼저 각 훈련 반복 시작 시 해당 정책을 사용하여 전이 경험 에피소드를 수집한다. 이러한 경험을 사용하여 정책은 여러 에포크를 통한 확률적 기울기 상승에 의해 상기 수학식 5의 목적(objective)을 최대화하도록 업데이트된다.In summary, the agent first collects transitional experience episodes at the start of each training iteration using the corresponding policy. Using this experience, the policy is updated to maximize the objective of Equation 5 above by stochastic gradient ascent over several epochs.

다음 반복을 계속하기 전에, 가치(value) 함수는 현재 정책의 누적 보상(return)을 근사하도록 업데이트된다. 여기서 현재 가치(value)와 현재 정책의 예상 할인 보상 간의 차이를 제곱한 값 E(s, a, s', r) [(r + γ V(s')) - V(s)]2 을 최소화하기 위해 확률적 경사 하강법이 수행된다. 한편, 도 7(b)에 나타낸 것처럼 가치(value) 함수도 심층 신경망(Deep Neural Network; DNN)에 의해 모델링된다. Before continuing with the next iteration, the value function is updated to approximate the cumulative return of the current policy. where E (s, a, s', r) [(r + γ V(s')) - V(s)] 2 is minimized as the square of the difference between the present value and the expected discount reward of the current policy To do this, stochastic gradient descent is performed. Meanwhile, as shown in FIG. 7(b), a value function is also modeled by a deep neural network (DNN).

도 8은 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법에서 성대위치검증단계에 사용되는 좌우 성대간 거리를 나타내는 사진 및 그래프이다. 8 is a photograph and a graph showing the distance between the left and right vocal cords used in the step of verifying the position of the vocal cords in the injection needle insertion guide method for the treatment of vocal cord diseases according to an embodiment.

성대위치강화학습단계(S305) 이후에 성대위치검출단계(S320)를 수행한다. 성대위치검출단계(S320)는 강화학습을 마친 신경망에 3D CT 이미지를 입력하여 성대위치를 검출한다. 검출된 결과는 잘못된 위치에 수렴하는 거짓 양성(false positive)을 포함할 수 있다. 이러한 거짓 양성을 추가로 검출하여 모델 신뢰성을 향상시키기 위해 성대위치검증단계(S330)를 수행한다.After the vocal cord position reinforcement learning step (S305), the vocal cord position detection step (S320) is performed. In the vocal cord position detection step (S320), the vocal cord position is detected by inputting the 3D CT image to the neural network that has undergone reinforcement learning. The detected result may include false positives that converge to the wrong location. In order to further detect such false positives and improve model reliability, a vocal cord location verification step (S330) is performed.

첫번째 모델에서 예측의 거짓 양성(false positive)을 줄이기 위해 두번째 모델을 이용하는 2단계 모델을 사용하는 경우가 있으나, 이러한 2단계 모델은 주로 검출되지 않는 거짓 양성을 줄이기 위한 것이다. 따라서 잘못된 위치에 수렴하는 거짓 양성을 줄이기 위해, 성대위치검증단계(S330)는 두 성대의 상대적 위치를 비교하여 검출된 성대 위치가 해부학적으로 가능한 위치인지 검증한다. 두개의 성대 검출 에이전트는 성대 위치와 함께 검출된 성대의 상대적 위치를 비교하여 결과를 자체 검증한다. 즉, 에이전트는 검출된 성대 위치가 신뢰할 수 없는 경우 실패 신호(failure signal)를 제공할 수 있다.There are cases in which a two-step model using a second model is used to reduce false positives of prediction in the first model, but this two-step model is mainly intended to reduce undetected false positives. Therefore, in order to reduce false positive convergence to the wrong position, the vocal cord position verification step (S330) compares the relative position of the two vocal cords to verify whether the detected vocal cord position is an anatomically possible position. The two vocal cord detection agents self-verify the result by comparing the relative position of the vocal cords with the position of the vocal cords. That is, the agent may provide a failure signal when the detected vocal cord position is unreliable.

도 8(a)에는 빨간색으로 표시된 두 성대 사이의 상대적 위치인 거리벡터(d)가 파란색 화살표로 표시되어 있다. 도 8(b)에는 두 성대 간의 상대적 위치를 좌표로 표시한 것으로, 두 개의 성대는 강한 해부학적 관계를 가지고 있으며 많은 환자에 걸쳐 높은 일관성을 보인다. 따라서, 가우시안 모델을 이용하여 거리벡터 d ~ N(μ, σ2) 로 이러한 상대적 관계를 근사화할 수 있다. 여기서 d (= pl - pr) 는 오른쪽 성대 위치에서 왼쪽 성대 위치로의 거리 벡터를 나타낸다. 평균 μ = (μx, μy, μz) 및 분산 σ2 = (σx 2, σy 2, σz 2)은 훈련 이미지 볼륨에서 전문가가 지정한 성대 위치의 거리를 이용하여 미리 설정할 수 있다.In FIG. 8(a), a distance vector d, which is a relative position between two vocal cords marked in red, is indicated by a blue arrow. 8(b) shows the relative position between the two vocal folds as coordinates. The two vocal cords have a strong anatomical relationship and show high consistency across many patients. Therefore, this relative relationship can be approximated with distance vectors d to N(μ, σ 2 ) using a Gaussian model. Here, d (= p l - p r ) represents the distance vector from the position of the right vocal cord to the position of the left vocal cord. Mean μ = (μ x , μ y , μ z ) and variance σ 2 = (σ x 2 , σ y 2 , σ z 2 ) can be preset using expert-specified distances of vocal cord positions in the training image volume. .

위의 거리 모델을 기반으로, 성대 위치 예측에서 얻은 결과 거리를 경험적으로 얻은 거리 모델과 비교하여 성대 위치 예측을 검증할 수 있다. 오른쪽 성대 및 왼쪽 성대의 예측 위치를 pl 및 pr 로 표시하면, 해당 거리는 d = pl - pr = (dx, dy, dz)로 구할 수 있다. 다음 수학식 6으로 구해지는 실패 신호(failure signal) F는 1인 경우 성대 위치 예측이 실패한 것을 나타내고, 0인 경우 검증이 성공적으로 이루어졌음을 나타낸다.Based on the above distance model, the vocal cord position prediction can be verified by comparing the resultant distance obtained from the vocal fold position prediction with the empirically obtained distance model. If the predicted positions of the right and left vocal folds are denoted by p l and p r , the corresponding distances can be obtained as d = p l - p r = (d x , d y , d z ). If the failure signal F obtained by Equation 6 is 1, it indicates that vocal cord position prediction has failed, and if it is 0, it indicates that verification has been successfully performed.

[수학식 6][Equation 6]

Figure pat00006
Figure pat00006

여기에서 임계상수 α = (αx, αy, αz) 값은 훈련 세트를 교차 검증하여 미리 설정할 수 있다. Here, the value of the critical constant α = (α x , α y , α z ) can be preset by cross-validating the training set.

따라서 성대 위치 검출 결과는 (pr, pl, F), 즉 오른쪽 및 왼쪽 성대 위치와 검출 실패 신호의 세 가지 요소를 갖는다. 이러한 탐색 기반 위치 파악 방식에서 검출 성능은 초기 위치에 크게 의존한다. 따라서 실패 신호 F가 1인 경우, 성공적인 성대 위치 예측을 위해 성대위치재검출단계(S340)를 수행한다. 성대위치재검출단계(S340)는 초기위치재설정단계(S445)와 성대위치검출단계(S320)를 포함하여 테스트 볼륨 전체에 걸쳐 다양한 초기 위치에 대해 다시 성대 위치 검색을 실시한다. 성대위치검출단계(S320)는 성대위치검증단계(S330) 이전의 성대위치검출단계(S320)와 동일한 방법으로 수행할 수 있다.Therefore, the vocal cord position detection result has three components ( pr , p l , F), that is, the right and left vocal cord positions and the detection failure signal. In this search-based positioning method, detection performance is highly dependent on the initial position. Therefore, when the failure signal F is 1, the vocal cord position re-detection step (S340) is performed to successfully predict the vocal fold position. The vocal cord position re-detection step (S340) includes the initial position resetting step (S445) and the vocal cord position detection step (S320), and the vocal cord position is searched again for various initial positions throughout the test volume. The vocal cord position detection step (S320) may be performed in the same manner as the vocal cord position detection step (S320) prior to the vocal cord position verification step (S330).

성대위치검증단계(S330)에서 실패 신호(failure signal)가 출력되면, 초기위치재설정단계(S445)를 수행한다. 초기위치재설정단계(S445)는 초기 위치를 재설정하여 다른 초기 위치에서 동일한 에이전트를 사용하여 위치 검출을 시도한다. 먼저 성대가 있을 것 같지 않은 영역을 제외하여 표본 공간을 줄인다. 성대는 일반적으로 목 CT의 중앙 근처에 나타나기 때문에 대부분의 오른쪽 및 왼쪽, 앞쪽 및 가장 뒤쪽 영역은 제외한다. 예를 들어 축소된 샘플 공간 크기는 200 * 200 * 75 복셀(voxels)로 설정할 수 있다. 이 샘플 공간에서 각 축에서 n개씩의 위치를 1차 샘플링한다. n = 5인 경우, 5 * 5 * 5 = 125개의 초기 위치를 샘플링할 수 있다. 이러한 초기 위치들을 이용하여 성대위치재검출단계(S340)를 수행하고 예측된 결과를 성대위치검증단계(S330)를 수행하여, 초기 위치들 중 어느 하나로부터 얻은 결과가 검증 기준을 충족하면 성대위치확정단계(S350)에서 이 검증된 결과를 확정하고, 메모리와 디스크장치 등의 저장장치 또는 모니터 등의 디스플레이 장치로 출력할 수 있다. When a failure signal is output in the vocal cord position verification step (S330), the initial position resetting step (S445) is performed. In the initial location resetting step (S445), the initial location is reset and location detection is attempted using the same agent at another initial location. First, we reduce the sample space by excluding regions where vocal cords are unlikely to be present. Vocal cords usually appear near the center of a neck CT, excluding most of the right and left, anterior and posterior regions. For example, the size of the reduced sample space can be set to 200 * 200 * 75 voxels. In this sample space, n positions on each axis are first sampled. If n = 5, 5 * 5 * 5 = 125 initial positions can be sampled. The vocal cord position re-detection step (S340) is performed using these initial positions, and the vocal cord position verification step (S330) is performed using the predicted result. In step S350, the verified result may be determined and output to a storage device such as a memory or a disk device or a display device such as a monitor.

1차 샘플링 결과에서 모두 실패 신호가 출력되어 검증에 성공하지 못한 경우, 축 방향 샘플링 빈도를 2배 증가시켜 2차 샘플링을 실시한다. 위의 예에서는 10 * 10 * 10 = 1000 개의 초기 위치를 샘플링하여, 1차 샘플링 보다 8배 많은 초기 위치를 설정한다. 각 초기위치에 대해서 초기위치재설정단계(S445)와 성대위치재검출단계(S340)와 성대위치검증단계(S330)를 반복하여 수행한다.If the verification is not successful because all failure signals are output from the first sampling results, the second sampling is performed by doubling the axial sampling frequency. In the above example, 10 * 10 * 10 = 1000 initial positions are sampled, and 8 times more initial positions are set than the first sampling. For each initial position, the initial position resetting step (S445), vocal cord position redetection step (S340), and vocal fold position verification step (S330) are repeatedly performed.

이러한 초기위치 재설정 및 위치 재탐색 과정은 계산 시간을 기하급수적으로 증가시킨다. 따라서 서로 다른 초기 위치에 대한 위치검출 에피소드의 병렬화가 필요하다. 전이(transition) 중 계산의 주요 병목 현상은 3D CNN을 통해 3D 상태를 탐색하여 정책을 얻을 때 GPU 활용이다. 따라서 초기위치를 재설정하여 재탐색하는 에피소드들을 순차적으로 실행하면 한 번에 단일 상태만 GPU에 전달되기 때문에 GPU 계산이 낭비된다.This process of resetting the initial location and re-locating the location exponentially increases the calculation time. Therefore, parallelization of position detection episodes for different initial positions is required. The main bottleneck in computation during transition is GPU utilization when exploring 3D states via 3D CNNs to obtain policies. Therefore, sequentially executing episodes of rescanning by resetting the initial position wastes GPU calculations because only a single state is passed to the GPU at a time.

GPU의 병렬 계산을 활용하기 위해, 여러 세계들의 상태를 배치(batch)로 묶어 단일 패스로 GPU로 전달한다. 이를 위해, 서로 다른 에피소드에 대해 서로 다른 세계 사본을 유지하면서 서로 다른 세계에서 에이전트 전환을 동시에 수행한다. 각 단계에서 모든 세계에서 현재 상태를 수집하고 GPU에 전달하여 단일 패스(또는 GPU 메모리에 따라 여러 배치)로 정책을 얻는다. 해당 정책을 사용하여 다른 세계의 에이전트-위치를 업데이트한다. 이러한 방법에 따르면 효율성이 몇 배나 향상될 수 있다. To take advantage of the GPU's parallel computation, the states of the worlds are batched and passed to the GPU in a single pass. To do this, we simultaneously perform agent switching in different worlds while maintaining different world copies for different episodes. At each step, we collect the current state from all worlds and pass it to the GPU to get the policy in a single pass (or multiple batches depending on GPU memory). Use that policy to update the other world's agent-location. According to this method, the efficiency can be improved many times.

도 9는 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법에서 주사경로결정단계를 설명하는 사진이다. 9 is a photograph illustrating an injection path determination step in a method for guiding injection needle insertion for treatment of vocal cord diseases according to an embodiment.

성대 검출 결과가 성공적으로 검증되면 성대위치확정단계(S350)에서 성대 위치를 확정한다. 성대위치확정단계(S350)에서 확정된 성대 위치는 메모리 등의 저장장치 또는 디스플레이 등의 출력장치로 전달될 수 있다. 성대위치확정단계(S350)에서 성대 위치가 확정되면 주사경로결정단계(S360)를 수행한다. 주사경로결정단계(S360)에서는 검출된 성대 위치를 이용하여 주사 바늘 삽입을 위한 직선 경로를 예측한다. 주사경로결정단계(S360)는, 내부공기영역식별단계(S570)와, 바늘투입범위설정단계(S580)와 바늘투입경로결정단계(S590)를 포함한다.If the vocal cord detection result is successfully verified, the position of the vocal cords is determined in step S350. The position of the vocal cords determined in the step of determining the position of the vocal cords (S350) may be transmitted to a storage device such as a memory or an output device such as a display. When the location of the vocal cords is determined in the vocal cord position determining step (S350), a scanning path determining step (S360) is performed. In the scanning path determining step (S360), a straight line path for inserting the injection needle is predicted using the detected vocal fold position. The scanning path determining step (S360) includes an internal air area identification step (S570), a needle input range setting step (S580), and a needle input path determining step (S590).

내부공기영역식별단계(S570)의 공기영역구분단계에서는 CT 이미지의 공기 영역을 HU 임계값으로 식별할 수 있다. 내부공기영역식별단계(S570)의 GD변환단계에서 공기 영역 중 외부 공기(Outer air) 영역을 식별하기 위해, 먼저 도 9(a)에서 빨간색으로 표시된 오른쪽 앞쪽 코너의 외부 공기 영역을 시드(seed)로 선택한다. 이 시드를 기준으로 거리가 강도 차이로 가중되는 GD(Gray-Weighted Distance) 변환을 수행하여 도 9(b)의 이미지를 얻는다. 외부 공기 영역은 균일하고 연속적이며 시드가 속하므로 전체 외부 공기 영역은 GD 변환 값이 0이 되므로, 도 9(c)와 같이 외부 공기 영역을 구분할 수 있다. 내부공기영역식별단계(S570)의 내부공기영역판단단계에서는 HU(Hounsfield Unit) 임계값을 이용하여 공기 영역으로 식별된 영역 중에서, 외부 공기 영역과 물리적으로 분리된 영역을 내부 공기 영역으로 식별할 수 있다. In the air area classification step of the internal air area identification step (S570), the air area of the CT image can be identified as the HU threshold. In order to identify the outer air area among the air areas in the GD conversion step of the inner air area identification step (S570), the outer air area of the right front corner indicated in red in FIG. 9 (a) is first seeded. select with Based on this seed, GD (Gray-Weighted Distance) conversion in which the distance is weighted by the intensity difference is performed to obtain the image of FIG. 9(b). Since the external air region is uniform and continuous and includes seeds, the GD conversion value of the entire external air region becomes 0, so that the external air region can be distinguished as shown in FIG. 9(c). In the internal air region determination step of the internal air region identification step (S570), the region physically separated from the external air region among the regions identified as the air region using the Hounsfield Unit (HU) threshold can be identified as the internal air region. there is.

바늘투입범위설정단계(S580)는, 검출된 오른쪽 성대 위치와 왼쪽 성대 위치에서 해부학적으로 바늘 투입이 가능한 직선 경로의 범위를 설정한다. 먼저, 도 9(d)에 빨간선으로 표시한 좌우 성대 위치를 연결한 선에 수직인 중심선이 피부와 교차하는 중점 m을 찾는다. 중점 m은 중심선에서 외부 공기 영역에 도달하기 직전의 가장 외부의 점을 구하여 찾을 수 있다. 주사 바늘 투입은 성대 중앙선을 기준으로 좌우 방면으로 5~10mm 구간에서 실시하는 것이 바람직하다. 따라서, 도 9(d)에서 빨간선인 중앙선을 기준으로 좌우로 20도까지(최대 θ=20도) 벌어진 노란선 사이의 영역에서 바늘 투입 경로를 탐색할 수 있다. 오른쪽 성대의 경우 검색 공간이 중간지점에서 오른쪽으로 펼쳐지고, 왼쪽 성대의 경우 검색공간이 왼쪽으로 펼쳐진다. 갑상선 및 윤상 갑상선의 위치를 고려할 때, 주사 바늘 투입은 성대 위치를 기준으로 수평면으로부터 아래쪽 60도까지의 영역에서 실시하는 것이 바람직하다.In the step of setting a needle insertion range (S580), a range of a linear path in which the needle can be inserted anatomically is set at the detected positions of the right and left vocal folds. First, a midpoint m at which a center line perpendicular to a line connecting the left and right vocal folds indicated by a red line in FIG. 9(d) intersects the skin is found. The midpoint m can be found by finding the outermost point just before reaching the outer air region from the center line. It is preferable to insert the injection needle in the interval of 5 to 10 mm in the left and right directions based on the center line of the vocal cords. Therefore, in FIG. 9 (d), the needle insertion path can be searched in the area between the yellow lines that are spread up to 20 degrees (maximum θ = 20 degrees) from the left and right of the center line, which is the red line. In the case of the right vocal cord, the search space expands from the midpoint to the right, and in the case of the left vocal cord, the search space expands to the left. Considering the location of the thyroid gland and the cricoid thyroid gland, it is preferable to insert the injection needle in an area 60 degrees below the horizontal plane based on the location of the vocal cords.

바늘투입경로결정단계(S590)의 공기통과경로제거단계에서는, 출혈, 기침 등의 증상을 최소화하기 위해, 주사 바늘이 점막을 관통하지 않고 점막하 경로를 따라 이동하는 경윤상 갑상선 접근법을 사용한다. 이를 위해, 내부 공기 영역을 통과하는 점막 통과 경로를 제외하여 점막하 직선 경로 검색을 실시한다. In the air passage route removal step of the needle insertion route determining step (S590), a transcircular thyroid approach is used in which the injection needle moves along the submucosal route without penetrating the mucous membrane to minimize symptoms such as bleeding and coughing. To this end, a submucosal rectilinear path search is performed by excluding the mucosal transmucosal path through the internal air region.

최적의 바늘 삽입 직선 경로인 라인(L*)은 이 라인 세트 중에서 외피에서 성대까지의 경로에서 최소한의 장애물이나 경직에 직면하는 라인으로 결정한다. 바늘투입경로결정단계(S590)의 최대강도산출단계에서는, 각 직선 경로들에 대하여 최대 강도를 구하여 해당 경로의 강성으로 설정한다. 바늘투입경로결정단계(S590)의 최소강성직선경로결정단계에서는, 최적의 바늘 삽입 라인(L*)을 다음 수학식 7과 같이 각 경로에서 최소 강성을 갖는 라인을 찾아서 구한다.The line (L * ), which is the optimal needle insertion straight path, is determined as the line that faces the least obstacle or stiffness in the path from the cortex to the vocal cords among the set of lines. In the maximum strength calculation step of the needle insertion path determining step (S590), the maximum strength is obtained for each straight path and set as the stiffness of the corresponding path. In the minimum stiffness linear path determination step of the needle insertion path determination step (S590), the optimal needle insertion line (L * ) is obtained by finding a line having the minimum stiffness in each path as shown in Equation 7 below.

[수학식 7][Equation 7]

Figure pat00007
Figure pat00007

여기에서, L은 점막하 라인으로 검색된 라인들(Ω)에 속하는 성대 위치(p)를 지나는 라인이고, I(p)는 이러한 라인상의 강도값이다. Here, L is a line passing through the vocal cord position p belonging to lines Ω retrieved as submucosal lines, and I(p) is an intensity value on this line.

주사 바늘 삽입점은 이 최적선(L*)과 피부의 교차점을 구하여 얻을 수 있다. The injection needle insertion point can be obtained by obtaining the intersection point of this optimal line (L * ) and the skin.

도 10은 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법을 이용하여 구한 성대 검출 결과와 주사 바늘 투사 결과의 예를 나타내는 사진이다. 10 is a photograph showing examples of vocal cord detection results and injection needle projection results obtained using a needle injection guide method for treating vocal cord diseases according to an embodiment.

방법을 평가하기 위해 한국 성남에 있는 분당서울대학교병원(SNUBH)에서 목 CT 데이터 세트를 수집하였다. 모든 윤리적, 실험적 절차와 프로토콜에 대한 승인은 SNUH 내부 검토 위원회에서 승인하였다. 2017년 10월 ~ 2021년 8월 기간 동안 119명의 환자로부터 총 119개의 목 CT 3D 볼륨(volume)을 획득하였다. 모든 환자는 성대마비가 의심되었지만 이 중 34명의 환자는 실제로 성대마비 상태로 진단되었다. 이 중 편측성 마비가 27명, 양측성 마비가 7명이었다. 표 1에 실험에 사용된 데이터 세트의 정보를 요약하였다.To evaluate the method, a neck CT data set was collected at Seoul National University Bundang Hospital (SNUBH) in Seongnam, Korea. All ethical and experimental procedures and protocols were approved by the SNUH Internal Review Board. A total of 119 neck CT 3D volumes were obtained from 119 patients between October 2017 and August 2021. Vocal cord paralysis was suspected in all patients, but 34 patients were actually diagnosed with vocal cord paralysis. Among them, 27 patients had unilateral palsy and 7 patients had bilateral palsy. Table 1 summarizes the information of the data set used in the experiment.

데이터data total 남성male 여성female 나이age 정상normal 편측성laterality 양측성bilateral 훈련training 5050 2727 2323 62±1462±14 3636 1111 33 테스트test 6666 3131 3535 61±1661±16 4646 1616 44 total 116116 5858 5858 -- 8282 2727 77

전체 3D 볼륨 중 50개의 볼륨을 검출 에이전트를 훈련하기 위한 훈련 세트로 무작위로 샘플링하였다. 나머지 69개의 볼륨은 평가용 테스트 세트로 사용하였다. 성대 검출 에이전트를 훈련하기 위해 동일한 임상 현장의 전문가가 50개의 훈련 볼륨에서 오른쪽 및 왼쪽 후방 성대의 실제 위치(ground truth; GT)에 주석(annotation)을 달았다. 주석을 달지 않은 테스트 세트에 대한 최종 성대 검출 및 바늘 투사 결과도 동일한 전문가에게 제시되어 전문가가 성공 및 실패 사례를 식별하는 평가를 받았다. 결과는 최대 강도의 번인 주석을 사용하여 의료용 디지털 영상 및 통신 표준인 DICOM에 표시하였다. 도 10(a)는 성대 위치 검출 결과의 예를 나타내고, 도 10(b)는 주사 바늘 투사 결과의 예를 나타낸다. Fifty volumes of the entire 3D volume were randomly sampled as a training set for training the detection agent. The remaining 69 volumes were used as test sets for evaluation. To train the vocal cord detection agent, experts in the same clinical site annotated the ground truth (GT) of the right and left posterior vocal folds in 50 training volumes. The final vocal cord detection and needle injection results for the unannotated test set were also presented to the same expert for evaluation by the expert identifying successes and failures. The results were displayed in DICOM, a medical digital imaging and communication standard, using maximum intensity burn-in annotation. Fig. 10(a) shows an example of vocal cord position detection results, and Fig. 10(b) shows an example of injection needle projection results.

도 11은 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법을 이용하여 구한 성대 검출 결과와 주사 바늘 투사 결과의 정확도를 나타내는 그래프이다. 11 is a graph showing the accuracy of vocal cord detection results and injection needle projection results obtained using a needle insertion guide method for treating vocal cord diseases according to an embodiment.

바늘 투영 계산은 성대 위치에 직접적으로 의존하기 때문에, 성대 위치 검출에서 우수한 정확도를 보장하는 것이 중요하다. 성대에 대한 위치 검출 오류 추정(즉, 감지된 성대에서 전문가 주석까지의 거리)을 얻기 위해 훈련 세트에 대해 5중 교차 검증(five-fold cross validation)을 수행하였다. 표 2는 여러 비교예와 실시예에 대한 위치 검출 오류를 나타낸 표이다. Since the needle projection calculation directly depends on vocal cord position, it is important to ensure good accuracy in vocal cord position detection. Five-fold cross validation was performed on the training set to obtain position detection error estimates for the vocal cords (i.e., the distance from the detected vocal cords to the expert annotation). Table 2 is a table showing position detection errors for various comparative examples and examples.

오른쪽 성대(mm)Right Vocal Cord (mm) 왼쪽 성대(mm)Left Vocal Cord (mm) 비교예 1Comparative Example 1 좌표 회귀coordinate regression 2.92±2.022.92±2.02 3.01±2.163.01±2.16 비교예 2Comparative Example 2 히트맵 회귀heatmap regression 2.70±1.782.70±1.78 2.74±1.692.74±1.69 비교예 3Comparative Example 3 강화학습reinforcement learning 2.29±1.312.29±1.31 2.45±1.382.45±1.38 실시예 1Example 1 강화학습+ 위치 검증Reinforcement Learning + Position Verification 2.15±1.082.15±1.08 2.32±1.172.32±1.17

비교예 1과 비교예 2는 표준 딥러닝 방법인 좌표 회귀(Position regression) 방법과, 히트맵 회귀(Heatmap regression) 방법을 이용하였다. 이때, 모든 하이퍼 파라미터 설정은 기본 모델과 동일하게 유지하였으며, 합성곱 블록의 수는 입력 크기에 따라 조정하였다. 비교예 3은 강화학습(RL) 방법을 사용하였다. 실시예 1은 강화학습 방법에 성대 위치 검증 단계를 추가하였다. Comparative Example 1 and Comparative Example 2 used a coordinate regression method and a heatmap regression method, which are standard deep learning methods. At this time, all hyperparameter settings were kept the same as the basic model, and the number of convolutional blocks was adjusted according to the input size. Comparative Example 3 used a reinforcement learning (RL) method. Example 1 added a vocal cord position verification step to the reinforcement learning method.

도 11(a)에 각 모델의 성대 검출 정확도를 그래프로 나타내었다. 성대 검출 정확도는 전문가가 평가한 성대 검출 성공률이다. 비교예 1은 파란색, 비교예 2는 빨간색, 비교예 3은 초록색, 실시예 1은 주황색으로 표시하였다. 강화학습의 경우(비교예 3) 표준 딥러닝 방법(비교예 1, 비교예 2)보다 향상된 성대 위치 검출 성능을 보였다. 그러나 성대 위치 검증이 포함된 강화학습(실시예 1)은 강화학습만 있는 경우(비교예 3)보다 더 우수한 성능을 보인다. 성대 위치 검증이 포함된 강화학습(실시예 1)은 감지 결과를 자체 검증하여, 실패한 경우에 다른 초기 위치에서 위치 검출을 재시도할 수 있으므로 여러 경로를 통해 성대에 도달할 확률이 높아진다.Fig. 11(a) shows the vocal fold detection accuracy of each model as a graph. Vocal cord detection accuracy is the success rate of vocal cord detection evaluated by experts. Comparative Example 1 is indicated in blue, Comparative Example 2 in red, Comparative Example 3 in green, and Example 1 in orange. In the case of reinforcement learning (Comparative Example 3), vocal cord position detection performance was improved compared to standard deep learning methods (Comparative Example 1 and Comparative Example 2). However, reinforcement learning including vocal cord position verification (Example 1) shows better performance than reinforcement learning alone (Comparative Example 3). Reinforcement learning including vocal cord position verification (Example 1) self-verifies the detection result, and if it fails, position detection can be retried at a different initial position, so the probability of reaching the vocal cords through multiple paths increases.

도 12는 일 실시예에 따른 성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법에서 성대 위치 검증을 이용한 방법과 검증을 이용하지 않는 강화학습 방법을 비교하는 사진이다. 12 is a photograph comparing a method using vocal cord position verification and a reinforcement learning method without verification in the injection needle insertion guide method for vocal cord disease treatment according to an embodiment.

도 12(a)는 표준 강화학습(RL) 에이전트가 성대 위치를 검출하는 과정을 나타낸다. 왼쪽 성대는 빨간색으로 마킹된 성대 위치를 찾았으나, 오른쪽 성대는 잘못된 위치에 수렴하였다.12(a) shows a process in which a standard reinforcement learning (RL) agent detects vocal fold positions. The left vocal cord was found in the position of the vocal cord marked in red, but the right vocal cord converged to the wrong position.

도 12(b)에서는 강화학습에 성대 위치 검증을 포함하는 방법의 개선 예를 나타낸다. 초기 시도에서는 왼쪽 성대만 성공적으로 검출되었다. 성대 위치 검증과정에서 비정상적인 상대적 성대 위치로 인한 검출 실패를 확인할 수 있으며, 이에 따라 서로 다른 초기 위치에서 여러 개의 위치 검출 에피소드를 수행할 수 있다. 이러한 경우에 대한 검출 성능은 서로 다른 초기 위치에 따라 달라지는 것을 관찰할 수 있다. 따라서 표준 RL에서와 같이 단일 초기위치를 이용한 위치 검출 시도는 실패할 확률이 높다. 따라서 일 실시예에서는 성대 위치 검증 이후, 초기 위치 재설정을 통해 여러 경로로 성대 위치 검출을 시도하여 성공적인 성대 위치 검출 결과를 얻을 수 있었다.12(b) shows an improved example of a method of including vocal cord position verification in reinforcement learning. In the initial trial, only the left vocal cord was successfully detected. During the vocal cord position verification process, detection failure due to an abnormal relative vocal cord position may be confirmed, and accordingly, several position detection episodes may be performed at different initial positions. It can be observed that the detection performance for this case varies for different initial positions. Therefore, as in the standard RL, an attempt to detect a position using a single initial position has a high probability of failure. Therefore, in one embodiment, after vocal cord position verification, vocal cord position detection was attempted through various paths through initial position resetting, and a successful vocal cord position detection result could be obtained.

개선을 위한 성대위치재검출단계(S340)는 성대위치검증단계(S330)를 기반으로 수행된다. 따라서 성대위치검증단계(S330)의 고장 탐지 성능도 평가하였다. 일 실시예에 따른 좌우 성대의 상대 위치 비교 방법을 최종 에이전트 위치의 분산(variance)을 이용하는 발산(divergence) 기반 결정 방법과 비교하였다. 두 경우 모두 훈련 사례를 교차 검증한 후 비교를 위한 최적의 임계값을 얻었다. The vocal cord position re-detection step (S340) for improvement is performed based on the vocal cord position verification step (S330). Therefore, the failure detection performance of the vocal cord position verification step (S330) was also evaluated. The relative position comparison method of the left and right vocal folds according to an embodiment was compared with a divergence-based determination method using the variance of the final agent position. In both cases, the optimal threshold for comparison was obtained after cross-validating the training examples.

일 실시예에 따른 성대 위치 검증은 83.33%의 민감도(Sensitivity)에서 실패 사례를 탐지하기 위한 특이도(Specificity)는 100%이었고, 정확도(Accuracy)는 96.97%이었다. 반면에, 발산 기반 결정의 최적 민감도, 특이도, 정확도는 각각 66.67%, 70.37%, 69.70%이었다. 발산 측정은 에이전트가 잘못된 위치로 수렴할 수 있기 때문에 덜 정확한 결정을 제공하였는데, 이는 에이전트의 궤적이 로컬 상태에 따라 결정되기 때문이다. 성대의 국소적인 연조직과 같은 특징을 가진 다른 연조직 구조는 에이전트를 잘못 인도할 수 있다. 이에 반해서, 성대의 상대적 위치는 환자 간에 높은 일관성을 갖기 때문에 상대적으로 더 신뢰할 수 있는 측정값이다. 두 에이전트는 독립적으로 오른쪽 및 왼쪽 성대를 국소화하고, 그러한 두 개의 독립적인 프로세스가 우연히 그 일관성으로 수렴할 확률은 낮다. 따라서 일관성 범위 내에서 탐지 결과가 참 양성일 가능성이 높으며, 성대의 상대적 위치를 이용한 검증은 높은 정확도로 실패 사례를 추출할 수 있다.Vocal cord position verification according to an embodiment had a sensitivity of 83.33%, specificity for detecting a failure case was 100%, and accuracy was 96.97%. On the other hand, the optimal sensitivity, specificity, and accuracy of the divergence-based determination were 66.67%, 70.37%, and 69.70%, respectively. The divergence measure provided a less accurate decision because the agent might converge to the wrong position, since the agent's trajectory is determined by its local state. Other soft tissue structures with the same characteristics as the focal soft tissue of the vocal cords may mislead the agent. In contrast, the relative position of the vocal cords is a relatively more reliable measurement because it has a high degree of consistency from patient to patient. The two agents independently localize the right and left vocal cords, and the probability that such two independent processes converge to that coherence by chance is low. Therefore, the detection result is likely to be true positive within the consistency range, and verification using the relative position of the vocal cords can extract failure cases with high accuracy.

표 3은 실험에 사용된 성대 검출 과정과 바늘 투사 과정의 정확도를 나타내는 표이다. Table 3 is a table showing the accuracy of the vocal cord detection process and the needle projection process used in the experiment.

성대 검출Vocal cord detection 바늘 투사needle projection 오른쪽right 왼쪽left 오른쪽right 왼쪽left 비교예 3Comparative Example 3 RL(강화학습)RL (reinforcement learning) 90.91%90.91% 86.36%86.36% 86.36%86.36% 80.20%80.20% 실시예 1Example 1 RL + 위치 검증RL + position verification 95.45%95.45% 90.91%90.91% 90.91%90.91% 86.36%86.36%

우리는 성대 위치 검증을 사용한 경우(실시예 1)와 성대 위치 검증을 사용하지 않은 경우(비교예 3)에 대해 에이전트가 검출한 성대 위치에서 생성된 최소 강도 선을 이용하여 바늘 투사 정확도를 평가하였다. 바늘 투사 평가는 전문가에 의해서 수행되었다. 일반적인 강화학습의 경우(비교예 3) 평균 바늘 투사 정확도는 84.07%이었으나, 성대 위치 검증을 사용한 경우(실시예 1) 평균 바늘 투사 정확도는 89.39%로 보다 높은 정확도를 얻을 수 있었다. 도 11(b)에 두 경우의 주사 바늘 투사 정확도를 그래프로 나타내었다. 실시예 1은 비교예 1보다 성대 위치 검출 정확도가 높으며, 바늘 투사 경로 결정의 정확도도 높은 것을 알 수 있다. 성대 위치 검증을 통해 성대 위치 검출 실패 사례에 대해 성대 위치 재검출 과정을 수행하여 성대 위치 검출 정확도가 향상되었기 때문에 주사 바늘 투사 경로 결정의 정확도도 향상되었다. 그 결과 성대 질환을 치료하려는 의사들에게 성대에 주사 바늘을 삽입하는 경로에 대한 가이드를 제시할 수 있다. We evaluated the needle projection accuracy using the minimum intensity line generated from the vocal cord position detected by the agent for the case where vocal cord position verification was used (Example 1) and the case where vocal cord position verification was not used (Comparative Example 3). . Needle projection evaluation was performed by an expert. In the case of general reinforcement learning (Comparative Example 3), the average needle projection accuracy was 84.07%, but in the case of vocal cord position verification (Example 1), the average needle projection accuracy was 89.39%, which was higher. Fig. 11(b) shows a graph of injection needle projection accuracy in two cases. It can be seen that Example 1 has higher vocal cord position detection accuracy than Comparative Example 1, and also has higher needle projection path determination accuracy. The vocal cord position detection accuracy was improved by performing the vocal cord position re-detection process for cases where vocal cord position detection failed through vocal cord position verification, so the accuracy of injection needle projection path determination was also improved. As a result, doctors who want to treat vocal cord diseases can be provided with a guide on how to insert a needle into the vocal cords.

표 4는 일 실시예를 수행하는 각 단계에 소요된 계산시간을 나타낸다. Table 4 shows the calculation time required for each step of performing an embodiment.

단계step 시간(초)
재검출 없음
time (seconds)
no re-detection
시간(초)
순차
time (seconds)
sequential
시간(초)
병렬
time (seconds)
parallel
성대 검출Vocal cord detection 0.630.63 1차 위치 재검출1st position re-detection -- 80.5880.58 14.6114.61 바늘 투사 계산needle projection calculation 8.248.24 total 8.878.87

계산 시간은 3.60GHz CPU 및 RTX 3080 GPU를 기반으로 측정하였다. 성대 탐지에 걸리는 평균 시간은 0.63초이었다. 125개 에피소드를 가진 첫 번째 위치 재검출 시도의 평균 시간은 80.58초이었다. 그러나 병렬화를 통해 소요 시간을 14.61초로 단축할 수 있었다. 3개의 경우에는 1000개의 에피소드를 가진 두 번째 위치 재검출 시도가 수행되었다. 바늘 투영 계산 단계는 약 8.24초가 소요되었다. 따라서 위치 재검출 시도가 없는 경우 총 소요 시간은 8.87초이고, 최대 2번의 위치 재검출 시도가 있는 경우 74.59초가 소요되었다. 모든 경우를 평균하면 전체 계산 시간은 18.83초가 소요되었다.Calculation time was measured based on a 3.60 GHz CPU and RTX 3080 GPU. The average time for vocal cord detection was 0.63 seconds. The average time of the first position re-detection attempt with 125 episodes was 80.58 seconds. However, through parallelization, the required time could be reduced to 14.61 seconds. In three cases, a second position re-detection trial with 1000 episodes was performed. The needle projection calculation step took about 8.24 seconds. Therefore, the total required time was 8.87 seconds in the case of no position re-detection attempt, and 74.59 seconds in the case of a maximum of 2 position re-detection attempts. Averaged over all cases, the total calculation time was 18.83 seconds.

이상에서 본 발명을 첨부된 도면을 참조하는 실시예들을 통해 설명하였지만 이에 한정되는 것은 아니며, 이들로부터 당업자라면 자명하게 도출할 수 있는 다양한 변형예들을 포괄하도록 해석되어야 한다. 특허청구범위는 이러한 변형예들을 포괄하도록 의도되었다. In the above, the present invention has been described through embodiments with reference to the accompanying drawings, but is not limited thereto, and should be interpreted to cover various modifications that can be obviously derived by those skilled in the art. The claims are intended to cover these variations.

110 : 성대정보입력부 160 : 주사경로결정부
170 : 내부공기영역식별부 180 : 주사바늘투입범위설정부
190 : 바늘투입라인결정부 193 : 공기통과경로제거부
195 : 최대강도산출부 197 : 최소강성경로선택부
205 : 강화학습(RL)학습부 210 : 성대위치결정부
220 : 성대위치검출부 223 : 오른쪽성대검출신경망
227 : 왼쪽성대검출신경망 230 : 성대위치검증부
245 : 초기위치설정부
110: vocal cord information input unit 160: scanning route determining unit
170: internal air area identification unit 180: injection needle insertion range setting unit
190: needle input line determination unit 193: air passage path removal unit
195: maximum strength calculation unit 197: minimum stiffness path selection unit
205: reinforcement learning (RL) learning unit 210: vocal cord positioning unit
220: vocal cord position detection unit 223: right vocal cord detection neural network
227: left vocal cord detection neural network 230: vocal cord position verification unit
245: initial position setting unit

Claims (10)

성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 장치에 있어서,
목 CT 이미지로 구성된 3D 볼륨 데이터와, 상기 CT 이미지에서 검출된 성대 위치 정보를 입력받는 성대정보입력부; 및
상기 성대 위치를 중심으로 목 외부의 피부를 향하는 방사상의 직선 경로 중에서 최소의 장애물을 통과하는 직선 경로를 결정하는 주사경로결정부;
를 포함하는, 주사 바늘 투입 가이드 장치.
In the injection needle insertion guide device for the treatment of vocal cord diseases,
a vocal cord information input unit that receives 3D volume data composed of a neck CT image and vocal cord position information detected from the CT image; and
a scan path determining unit for determining a straight line path passing through the least obstacle among radial straight paths from the vocal cords to the skin on the outside of the neck;
Including, the injection needle insertion guide device.
청구항 1에 있어서, 상기 주사경로결정부는 :
상기 방사상의 직선 경로 상의 각 경로에 대하여 CT 이미지의 강도 값을 구하고, 각 경로의 최대 강도 값을 해당 경로의 강성 값으로 선택하는 최대강도산출부; 및
상기 방사상의 직선 경로 중에서 강성 값이 최소인 직선 경로를 선택하는 최소강성경로선택부;
를 포함하는, 주사 바늘 투입 가이드 장치.
The method according to claim 1, wherein the scan path determining unit:
a maximum intensity calculation unit for obtaining an intensity value of a CT image for each path on the radial straight path and selecting a maximum intensity value of each path as a stiffness value of the corresponding path; and
a minimum stiffness path selection unit for selecting a straight line path having a minimum stiffness value among the radial straight paths;
Including, the injection needle insertion guide device.
청구항 1에 있어서, 상기 주사경로결정부는 :
상기 방사상의 직선 경로 중에서 미리 설정된 해부학적으로 가능한 범위를 벗어나는 경로를 제외하는 주사바늘투입범위설정부;
를 포함하는, 주사 바늘 투입 가이드 장치.
The method according to claim 1, wherein the scan path determining unit:
a needle injection range setting unit that excludes a path out of a preset anatomically possible range among the radial straight paths;
Including, the injection needle insertion guide device.
청구항 1에 있어서, 상기 주사경로결정부는 :
상기 CT 이미지에서 목 내부의 공기를 포함하는 영역을 식별하는 내부공기영역식별부; 및
상기 방사상의 직선 경로 중에서 상기 목 내부의 공기를 포함하는 영역으로 식별된 영역을 통과하는 경로를 제외시키는 공기통과경로제거부;
를 포함하는, 주사 바늘 투입 가이드 장치.
The method according to claim 1, wherein the scan path determining unit:
an internal air region identification unit identifying a region containing air inside the neck in the CT image; and
an air passage path removing unit for excluding a path passing through an area identified as an area containing air inside the neck from among the radial straight paths;
Including, the injection needle insertion guide device.
청구항 4에 있어서, 상기 내부공기영역식별부는 :
상기 CT 이미지에서 HU 임계값을 이용하여 공기 영역을 구분하는 공기영역구분부;
상기 CT 이미지의 외부 공기영역을 기준으로 상기 CT 이미지에 대해 GD변환을 실시하는 GD변환부; 및
상기 공기 영역 중에서 GD 변환으로 확인된 외부 공기영역과 단절된 부분을 내부 공기영역으로 선택하는 내부공기영역판단부;
를 더 포함하는, 주사 바늘 투입 가이드 장치.
The method according to claim 4, wherein the internal air area identification unit:
an air area dividing unit dividing air areas using a HU threshold in the CT image;
a GD conversion unit that performs GD conversion on the CT image based on the outside air area of the CT image; and
an internal air region determining unit that selects, as an internal air region, a portion of the air region that is disconnected from the external air region identified by GD conversion;
Further comprising a, injection needle insertion guide device.
성대 질환 치료를 위한 주사 바늘 투입 가이드 방법에 있어서,
목 CT 이미지로 구성된 3D 볼륨 데이터와, 상기 CT 이미지에서 검출된 성대 위치 정보를 입력받는 성대정보입력단계; 및
상기 성대 위치를 중심으로 목 외부의 피부를 향하는 방사상의 직선 경로 중에서 최소의 장애물을 통과하는 직선 경로를 결정하는 주사경로결정단계;
를 포함하는, 주사 바늘 투입 가이드 방법.
In the injection needle insertion guide method for the treatment of vocal cord diseases,
a vocal cord information input step of receiving 3D volume data composed of a neck CT image and vocal cord position information detected from the CT image; and
a scanning path determination step of determining a straight line path passing through the minimum obstacle among radial straight paths from the vocal cords to the external skin of the neck;
Including, the injection needle insertion guide method.
청구항 6에 있어서, 상기 주사경로결정단계는 :
상기 방사상의 직선 경로 상의 각 경로에 대하여 CT 이미지의 강도 값을 구하고, 각 경로의 최대 강도 값을 해당 경로의 강성 값으로 선택하는 최대강도산출단계; 및
상기 방사상의 직선 경로 중에서 강성 값이 최소인 직선 경로를 선택하는 최소강성경로선택단계;
를 포함하는, 주사 바늘 투입 가이드 방법.
The method according to claim 6, wherein the scanning path determining step is:
a maximum intensity calculation step of obtaining an intensity value of a CT image for each path on the radial straight path and selecting a maximum intensity value of each path as a stiffness value of the corresponding path; and
a minimum stiffness path selection step of selecting a straight path having a minimum stiffness value among the radial straight paths;
Including, the injection needle insertion guide method.
청구항 6에 있어서, 상기 주사경로결정단계는 :
상기 방사상의 직선 경로 중에서 미리 설정된 해부학적으로 가능한 범위를 벗어나는 경로를 제외하는 주사바늘투입범위설정단계;
를 포함하는, 주사 바늘 투입 가이드 방법.
The method according to claim 6, wherein the scanning path determining step is:
a needle injection range setting step of excluding a path out of a predetermined anatomically possible range among the radial straight paths;
Including, the injection needle insertion guide method.
청구항 6에 있어서, 상기 주사경로결정단계는 :
상기 CT 이미지에서 목 내부의 공기를 포함하는 영역을 식별하는 내부공기영역식별단계; 및
상기 방사상의 직선 경로 중에서 상기 목 내부의 공기를 포함하는 영역으로 식별된 영역을 통과하는 경로를 제외시키는 공기통과경로제거단계;
를 포함하는, 주사 바늘 투입 가이드 방법.
The method according to claim 6, wherein the scanning path determining step is:
an internal air region identification step of identifying a region containing air inside the neck in the CT image; and
an air passage path removal step of excluding a path passing through an area identified as an area containing air inside the neck from among the radial straight paths;
Including, the injection needle insertion guide method.
청구항 9에 있어서, 상기 내부공기영역식별단계는 :
상기 CT 이미지에서 HU 임계값을 이용하여 공기 영역을 구분하는 공기영역구분단계;
상기 CT 이미지의 외부 공기영역을 기준으로 상기 CT 이미지에 대해 GD변환을 실시하는 GD변환단계; 및
상기 공기 영역 중에서 GD 변환으로 확인된 외부 공기영역과 단절된 부분을 내부 공기영역으로 선택하는 내부공기영역판단단계;
를 포함하는, 주사 바늘 투입 가이드 방법.
The method according to claim 9, wherein the internal air area identification step is:
an air area classification step of classifying an air area using a HU threshold in the CT image;
a GD conversion step of performing GD conversion on the CT image based on the outside air area of the CT image; and
an internal air region determination step of selecting, as an internal air region, a portion of the air region disconnected from the external air region identified by GD conversion;
Including, the injection needle insertion guide method.
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