KR20230125908A - 2d x-ray generating method from 3d computed tomography data and image processing apparatus - Google Patents
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Abstract
3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 방법은 영상처리장치가 3차원(3D) CT 데이터를 입력받는 단계, 상기 영상처리장치가 특정 방향 및 빔의 세기를 결정하는 제1 상수를 입력받는 단계 및 상기 영상처리장치가 상기 3D CT 데이터에서 상기 특정 방향에 따라 다수의 슬라이스들 각각에서 감쇠되는 빔의 변화량 및 상기 제1 상수로 결정되는 빔의 세기를 기준으로 가상 X-레이 영상을 생성하는 단계를 포함한다.A method of generating a virtual X-ray image from 3D CT data includes receiving three-dimensional (3D) CT data by an image processing device, and receiving a first constant for determining a specific direction and beam intensity by the image processing device. and the image processing device generating a virtual X-ray image based on the amount of change in a beam attenuated in each of a plurality of slices according to the specific direction in the 3D CT data and the intensity of the beam determined by the first constant. Include steps.
Description
이하 설명하는 기술은 3차원 CT 데이터에서 특정 방향의 X-레이 영상을 생성하는 기법에 관한 것이다. 특히, 이하 설명하는 기술은 특정 선량의 X-레이 영상을 생성하는 기법이다.A technique described below relates to a technique of generating an X-ray image in a specific direction from 3D CT data. In particular, the technique described below is a technique for generating an X-ray image of a specific dose.
CT (computed tomography)는 대표적인 의료 영상 중 하나이다. 의료진은 3D CT (computed tomography) 데이터를 이용하여 촬영 부위를 해석하고 진단할 수 있다. 나아가, 의료진은 3D CT에서 특정 방향(시점)의 2D 영상을 확인할 필요가 있다. 종래 기법은 3D 스택(stack) CT 데이터에서 특정 방향으로 투사하면서 해당 방향에 있는 픽셀을 더하거나 평균하는 방식으로 2D 영상을 생성한다.CT (computed tomography) is one of the representative medical images. A medical staff may analyze and diagnose a region to be imaged using 3D CT (computed tomography) data. Furthermore, a medical staff needs to check a 2D image of a specific direction (viewpoint) in a 3D CT. Conventional techniques generate a 2D image by adding or averaging pixels in a specific direction while projecting 3D stack CT data in a specific direction.
X-레이는 고속전자가 원자에 충돌할 때 고속전자의 속도가 떨어지고, 소스 선량의 강도에 따라 실제 투사되는 이미지의 대비(contrast)가 변하는데, 종래 기법은 단순하게 3D 스택 CT 데이터를 이용하여 일정 방향의 픽셀값을 산출하는 방식을 사용하기 때문에 방사선 물리학적으로 X-레이 영상의 특성을 모두 담지 못한다. 또한 종래 기법은 CT 데이터의 값을 단순하게 합산하는 방식을 이용하여 빔의 세기 정보(intensity)를 고려하지 못했다.In X-rays, when high-speed electrons collide with atoms, the speed of high-speed electrons decreases, and the contrast of the actual projected image changes according to the intensity of the source dose. Conventional techniques simply use 3D stack CT data to Since a method of calculating pixel values in a certain direction is used, all characteristics of an X-ray image cannot be contained in terms of radiation physics. In addition, the conventional technique did not consider intensity information of beams by using a method of simply summing CT data values.
이하 설명하는 기술은 방사선이 미세입자에 충돌할 때의 방사선 세기 감소를 수학적으로 반영하여 방사선 물리학적으로 X-레이 특성을 잘 나타내는 가상의 X-레이 영상을 제공하고자 한다. 또한, 이하 설명하는 기술은 사용자의 필요에 따라 원하는 선량에 따른 가상의 X-레이 영상을 제공하고자 한다. The technology to be described below aims to provide a virtual X-ray image that well represents X-ray characteristics in terms of radiation physics by mathematically reflecting the decrease in radiation intensity when radiation collides with fine particles. In addition, the technology to be described below is intended to provide a virtual X-ray image according to a desired dose according to the needs of the user.
3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 방법은 영상처리장치가 3차원(3D) CT 데이터를 입력받는 단계, 상기 영상처리장치가 특정 방향 및 빔의 세기를 결정하는 제1 상수를 입력받는 단계 및 상기 영상처리장치가 상기 3D CT 데이터에서 상기 특정 방향에 따라 다수의 슬라이스들 각각에서 감쇠되는 빔의 변화량 및 상기 제1 상수로 결정되는 빔의 세기를 기준으로 가상 X-레이 영상을 생성하는 단계를 포함한다. A method of generating a virtual X-ray image from 3D CT data includes receiving three-dimensional (3D) CT data by an image processing device, and receiving a first constant for determining a specific direction and beam intensity by the image processing device. and the image processing device generating a virtual X-ray image based on the amount of change in a beam attenuated in each of a plurality of slices according to the specific direction in the 3D CT data and the intensity of the beam determined by the first constant. Include steps.
3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 영상처리장치는 3차원(3D) CT 데이터, 특정 방향 및 빔의 세기를 결정하는 제1 상수를 입력받는 입력장치, 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 프로그램을 저장하는 저장장치 및 상기 3D CT 데이터에서 상기 특정 방향에 따라 다수의 슬라이스들 각각에서 감쇠되는 빔의 변화량 및 상기 제1 상수로 결정되는 빔의 세기를 기준으로 가상 X-레이 영상을 생성하는 연산장치를 포함한다.An image processing device that generates a virtual X-ray image from 3D CT data is an input device that receives three-dimensional (3D) CT data, a specific direction and a first constant that determines the beam intensity, and a virtual X-ray image from 3D CT data A storage device for storing a program for generating an image and a virtual X-ray based on the amount of change in a beam attenuated in each of a plurality of slices according to the specific direction in the 3D CT data and the intensity of the beam determined by the first constant It includes an arithmetic device that generates an image.
다른 측면에서 저선량 X-레이를 고선량 X-레이로 변환하는 학습 모델의 학습 방법은 영상처리장치가 전술한 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 방법을 이용하여 저선량 가상 X-레이 영상 및 고선량 가상 X-레이 영상으로 구성된 학습데이터 세트를 생성하는 단계 및 상기 영상처리장치가 상기 학습데이터 세트를 이용하여 저선량 X-레이 영상을 고선량 X-레이 영상으로 변환하는 학습모델을 학습시키는 단계를 포함한다.In another aspect, a learning method of a learning model that converts low-dose X-rays into high-dose X-rays is a low-dose virtual X-ray image using the method of generating a virtual X-ray image from the 3D CT data described above by an image processing device. and generating a learning data set composed of high-dose virtual X-ray images, and the image processing device learning a learning model for converting a low-dose X-ray image into a high-dose X-ray image using the learning data set. Include steps.
이하 설명하는 기술은 3D 스택 CT 데이터부터 방사선 물리학적으로 X-레이 특성을 잘 나타내는 2D 영상을 생성할 수 있다. 나아가 이하 설명하는 기술은 촬영 빔의 세기 값을 반영하여 원하는 특정 선량을 갖는 가상의 X-레이 영상을 생성할 수 있다. 의료진은 진단 부위 및 질환 특성에 맞는 선량의 영상을 이용하여 정확한 진단 및 치료를 할 수 있다. 나아가, 이하 설명하는 기술로 생성한 저선량 X 레이 영상과 고선량 X 레이 영상을 학습데이터로 이용하여 인공지능모델을 구축할 수도 있다.The technology described below can generate a 2D image that well represents X-ray characteristics in terms of radiation physics from 3D stacked CT data. Furthermore, the technique described below may generate a virtual X-ray image having a desired specific dose by reflecting the intensity value of the imaging beam. Medical staff can perform accurate diagnosis and treatment by using the image of the dose suitable for the diagnosis site and disease characteristics. Furthermore, an artificial intelligence model may be constructed by using low-dose X-ray images and high-dose X-ray images generated by a technique described below as learning data.
도 1은 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 시스템에 대한 예이다.
도 2는 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 과정에 대한 예이다.
도 3은 빔의 세기를 변경하여 가상 X-레이 영상을 생성한 결과이다.
도 4는 가상 X-레이 영상을 이용하여 X-레이 재구성 모델을 학습하는 과정에 대한 예이다.
도 5는 저선량 X-레이 영상을 고선량 X-레이 영상으로 변환하는 재구성 모델의 영상 변환 결과이다.
도 6은 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 영상처리장치에 대한 예이다. 1 is an example of a system for generating a virtual X-ray image from 3D CT data.
2 is an example of a process of generating a virtual X-ray image from 3D CT data.
3 is a result of generating a virtual X-ray image by changing the beam intensity.
4 is an example of a process of learning an X-ray reconstruction model using a virtual X-ray image.
5 is an image conversion result of a reconstruction model for converting a low-dose X-ray image into a high-dose X-ray image.
6 is an example of an image processing device generating a virtual X-ray image from 3D CT data.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the technology to be described below can have various changes and various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the technology described below to specific embodiments, and it should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the technology described below.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, B, etc. may be used to describe various elements, but the elements are not limited by the above terms, and are merely used to distinguish one element from another. used only as For example, without departing from the scope of the technology described below, a first element may be referred to as a second element, and similarly, the second element may be referred to as a first element. The terms and/or include any combination of a plurality of related recited items or any of a plurality of related recited items.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설명된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.In terms used in this specification, singular expressions should be understood to include plural expressions unless clearly interpreted differently in context, and terms such as “comprising” refer to the described features, numbers, steps, operations, and components. , parts or combinations thereof, but it should be understood that it does not exclude the possibility of the presence or addition of one or more other features or numbers, step-action components, parts or combinations thereof.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.Prior to a detailed description of the drawings, it is to be clarified that the classification of components in the present specification is merely a classification for each main function in charge of each component. That is, two or more components to be described below may be combined into one component, or one component may be divided into two or more for each more subdivided function. In addition, each component to be described below may additionally perform some or all of the functions of other components in addition to its main function, and some of the main functions of each component may be performed by other components. Of course, it may be dedicated and performed by .
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.In addition, in performing a method or method of operation, each process constituting the method may occur in a different order from the specified order unless a specific order is clearly described in context. That is, each process may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.
이하 설명하는 기술은 3D 스택 CT 데이터에서 일정한 2D 영상을 생성하는 기법이다.The technique described below is a technique of generating a constant 2D image from 3D stacked CT data.
이하 가상 X-레이 영상 또는 X-레이 영상은 3D 스택 CT 데이터에서 생성한 가상의 2D X-레이 영상을 의미한다.Hereinafter, a virtual X-ray image or X-ray image means a virtual 2D X-ray image generated from 3D stacked CT data.
이하 영상처리장치가 3D 스택 CT 데이터에서 가상의 X-레이 영상을 생성한다고 설명한다. 영상처리장치는 일정한 데이터 처리가 가능한 다양한 장치로 구현될 수 있다. 예컨대, 영상처리장치는 PC, 네트워크상의 서버, 스마트 기기, 전용 프로그램이 임베딩된 칩셋 등으로 구현될 수 있다Hereinafter, it will be described that the image processing device generates a virtual X-ray image from 3D stack CT data. The image processing device may be implemented as a variety of devices capable of constant data processing. For example, the image processing device may be implemented as a PC, a server on a network, a smart device, a chipset in which a dedicated program is embedded, and the like.
도 1은 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 시스템(100)에 대한 예이다. 도 1에서 영상처리장치는 컴퓨터 단말(130) 및 서버(140)인 예를 도시하였다.1 is an example of a
CT 장비(110)는 환자에 대한 CT 영상을 생성한다. CT 장비(110)가 생성한 3D CT 데이터는 EMR(Electronic Medical Record, 120) 또는 별도의 데이터베이스에 저장될 수 있다.The
도 1에서 사용자(A)는 컴퓨터 단말(130)을 이용하여 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성할 수 있다. 컴퓨터 단말(130)은 유선 또는 무선 네트워크를 통해 CT 장비(110) 또는 EMR(120)로부터 3D CT 데이터를 입력받을 수 있다. 경우에 따라 컴퓨터 단말(130)은 CT 장비(110)와 물리적으로 연결된 장치일 수도 있다. 컴퓨터 단말(130)은 3D CT 데이터에서 일정 방향의 평면에 대한 X-레이 영상을 생성한다. 이때 컴퓨터 단말(130)은 다양한 선량의 X-레이 영상을 생성할 수 있다. 즉, 컴퓨터 단말(130)은 저선량 가상 X-레이 영상 및 고선량 X-레이 영상 중 적어도 하나를 생성할 수 있다. 가상 X-레이 영상 생성 과정은 후술한다. 사용자 A는 컴퓨터 단말(130)에서 가상 X-레이 영상을 확인할 수 있다. In FIG. 1 , the user A may generate a virtual X-ray image from 3D CT data using the
서버(140)는 CT 장비(110) 또는 EMR(120)로부터 3D CT 데이터를 수신할 수 있다. 서버(140)는 3D CT 데이터에서 일정 방향의 평면에 대한 X-레이 영상을 생성한다. 서버(140)는 다양한 선량의 X-레이 영상을 생성할 수 있다. 즉, 서버(140)는 저선량 가상 X-레이 영상 및 고선량 X-레이 영상 중 적어도 하나를 생성할 수 있다. 가상 X-레이 영상 생성 과정은 후술한다. 서버(140)는 가상 X-레이 영상을 사용자 A의 단말에 전송할 수 있다. 사용자 A는 가상 X-레이 영상을 확인할 수 있다. The
컴퓨터 단말(130) 및/또는 서버(140)는 가상 X-레이 영상을 EMR(120)에 저장할 수도 있다. The
도 2는 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 과정에 대한 예이다. 도 2는 3차 공간에서 z 축 방향으로 X 레이를 조사한다고 가정하여 3D CT 데이터로부터 특정 방향의 가상 X-레이 영상을 생성하는 과정을 나타낸다.2 is an example of a process of generating a virtual X-ray image from 3D CT data. 2 shows a process of generating a virtual X-ray image in a specific direction from 3D CT data assuming that X-rays are irradiated in a z-axis direction in a 3-dimensional space.
CT 장비는 일정한 빔의 세기로 X 레이를 조사하여 영상을 생성한다. 도 2는 X 레이 빔이 z 축 방향으로 진행된다고 가정한다. I0는 빔의 세기(intensity)를 나타낸다. 3D CT 데이터는 L 개의 2D CT 슬라이스들이 스택된(stacked) 집합이다. Ti는 전체 CT 슬라이드 집합 Tall = {T1,T2,...,TL}에서 i 번째 슬라이드를 의미한다. 한편, 3차원 CT 데이터에서 임의의 좌표값을 (x,y,z) 라고 정의할 수 있다. CT equipment generates images by irradiating X-rays with a constant beam intensity. 2 assumes that the X-ray beam travels in the z-axis direction. I 0 represents the intensity of the beam. 3D CT data is a stacked set of L 2D CT slices. T i means the ith slide in the entire CT slide set T all = {T 1 ,T 2 ,...,T L }. Meanwhile, an arbitrary coordinate value in 3D CT data may be defined as (x, y, z).
가상 X-레이 영상(Image)은 물리적으로 아래 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.A virtual X-ray image may be physically expressed as in Equation 1 below.
여기서 △z는 z 축 CT 슬라이스 간의 실제 거리이다. μz = μz(x,y)는 3차원 CT 상 (x,y,z) 좌표에 해당하는 환자의 체적 위치에서의 X-레이 흡수로 인한 감쇠 계수(attenuation coefficient)이다.where Δz is the actual distance between z-axis CT slices. μ z = μ z (x, y) is an attenuation coefficient due to X-ray absorption at the patient's volume position corresponding to (x, y, z) coordinates on a three-dimensional CT.
수학식 1에서 빔의 세기 I0는 비례상수이기에 이미지 정규화 과정에서 아래 수학식 2와 같이 제거될 수 있다. 따라서, 수학식 1은 아래 수학식 2와 같이 다시 표현될 수 있다.In Equation 1, since the beam intensity I 0 is a proportional constant, it can be removed as shown in
한편, 임의의 z 좌표 값(z=1,2,...,L)에 대해서, X-Ray 질량 감쇠(Mass Attenuation) 이론에 따라 아래 수학식 3과 같이 성립한다.On the other hand, for any z coordinate value (z = 1, 2, ..., L), it is established as in Equation 3 below according to the X-Ray mass attenuation theory.
여기서 log는 자연로그이다. 그리고 I0는 X-레이 촬영 시 투사 원본 빔의 세기이다. △Ti는 투사 빔이 i번째로 만나는 CT 슬라이스 Ti로부터 감쇠되는 빔의 절대적인 변화량을 의미한다. 이는 i번째 CT 슬라이스와 동일한 2차원 규격을 갖는다(△T0는 0으로 가정한다). where log is the natural log. And I 0 is the intensity of the projected original beam when taking X-rays. ΔT i means the absolute change amount of the beam attenuated from the CT slice T i where the projection beam encounters the i-th. It has the same two-dimensional dimension as the ith CT slice (ΔT 0 is assumed to be 0).
수학식 3을 수학식 2에 대입하면 아래 수학식 4를 도출할 수 있다.By substituting Equation 3 into
수학식 4에서 △Ti (for 모든 i ∈{1,2,3,...,L})를 아래 수학식 5와 같이 근사할 수 있다. In Equation 4, ΔT i (for all i ∈ {1,2,3,...,L}) can be approximated as shown in Equation 5 below.
수학식 5 에서 β는 임의의 상수이며, Ti는 i번째 CT 슬라이스의 2차원 픽셀 값을 뜻한다. 빔 감쇠는 3D CT 데이터를 환자의 실제 체적으로 가정하여, 슬라이스들 각각에 대하여 감쇠를 적용한 것이다.In Equation 5, β is an arbitrary constant, and T i means a 2D pixel value of the ith CT slice. Beam attenuation is obtained by applying attenuation to each of the slices by assuming 3D CT data to be the actual volume of the patient.
또한, 수학식 4의 I0는 다음과 같이 임의의 상수 α 값을 사용하여 아래 수학식 6과 같이 근사할 수 있다.In addition, I 0 in Equation 4 can be approximated as in Equation 6 below using an arbitrary constant value of α as follows.
수학식 6에서 Tall = {T1,T2,...,TL}은 환자의 3차원 CT 전체 데이터를 의미한다. 이 3차원 CT의 모든 픽셀 값에 대한 최댓값 및 최솟값을 구해 이 값의 차이에 α를 곱하여 I0를 표현할 수 있다.In Equation 6, T all = {T 1 , T 2 ,..., T L } means the entire 3D CT data of the patient. I 0 can be expressed by obtaining the maximum and minimum values of all pixel values of this 3D CT and multiplying the difference between these values by α.
수학식 5와 수학식 6에서 근사한 값을 수학식 4에 적용하면 최종적으로 가상 X-레이 영상을 아래 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.When values approximated in Equations 5 and 6 are applied to Equation 4, the virtual X-ray image can finally be expressed as Equation 7 below.
수학식 7은 α와 β라는 상수에 영향을 받는다. 결국, α와 β를 이용하여 I0를 조절해 다양한 선량의 가상 X-레이 영상을 생성할 수 있다.Equation 7 is affected by the constants α and β. As a result, virtual X-ray images of various doses can be created by adjusting I 0 using α and β.
연구자는 다양한 빔의 세기에 따라 가상 X-레이 영상을 생성하였다. 실험에서 연구자는 β=1000으로 고정하고, α의 값을 변경하여 선량이 다른 가상 X-레이 영상을 생성하였다. 도 3은 빔의 세기를 변경하여 가상 X-레이 영상을 생성한 결과이다. 도 3(A)에서 도 3(D)는 서로 다른 α값을 적용하여 생성한 가상 X-레이 영상이다. 도 3(A)는 α=110, 도 3(B)는 α=150, 도 3(C)는 α=200, 도 3(D)는 α=1000로 설정한 경우이다. 즉, 도 3(A)가 가장 저선량이고 도 3(D)가 가장 고선량인 영상에 해당한다. 도 3을 살펴보면 선량의 기능을 하는 I0가 커짐에 따라 이미지가 선명해지는 것을 알 수 있다.The researcher created virtual X-ray images according to various beam intensities. In the experiment, the researcher fixed β = 1000 and created virtual X-ray images with different doses by changing the value of α. 3 is a result of generating a virtual X-ray image by changing the beam intensity. 3(A) to 3(D) are virtual X-ray images generated by applying different values of α. Fig. 3(A) is α=110, Fig. 3(B) is α=150, Fig. 3(C) is α=200, Fig. 3(D) is α=1000. That is, FIG. 3(A) corresponds to the lowest dose image and FIG. 3(D) corresponds to the highest dose image. Referring to FIG. 3 , it can be seen that the image becomes clearer as I 0 , which functions as a dose, increases.
도 4는 가상 X-레이 영상을 이용하여 X-레이 재구성 모델을 학습하는 과정(200)에 대한 예이다. 학습 과정도 영상처리장치가 수행한다고 설명한다. 다만, 학습모델의 학습과정은 학습모델을 구축하는 학습 장치, 컴퓨터 장치 또는 모델 생성 장치 등이 수행한다고 설명할 수도 있다. 4 is an example of a
전술한 바와 같이 영상처리장치는 3D CT 데이터로부터 다양한 선량의 X 레이 영상을 생성할 수 있다. 한편, 학습모델을 이용하여 저선량 X-레이 영상을 고선량 X-레이 영상으로 재구성하는 애플리케이션이 연구되고 있다. 이와 같은 영상 재구성 모델은 대부분이 학습데이터를 필요로하고, 대량의 학습데이터로 학습될 수도록 재구성된 영상의 품질이 높아진다. As described above, the image processing device may generate X-ray images of various doses from 3D CT data. Meanwhile, an application for reconstructing a low-dose X-ray image into a high-dose X-ray image using a learning model is being studied. Most of these image reconstruction models require learning data, and the quality of the reconstructed image is increased so that it can be learned with a large amount of learning data.
영상처리장치는 DB(데이터베이스)에 저장된 3D CT 데이터를 이용하여 전술한 방식으로 저선량 X-레이 영상과 고선량 X-레이 영상 쌍을 생성한다(210). 학습데이터는 동일한 3D CT 데이터를 이용하여 생성된 {저선량 X-레이 영상, 고선량 X-레이 영상} 쌍을 포함한다. 영상처리장치는 동일한 3D CT 데이터를 이용하여 대량의 학습데이터 세트를 생성할 수 있다. 학습데이터 세트는 동일한 3D CT 데이터에서 생성한 영상들을 포함할 수 있다. 나아가 학습데이터 세트는 서로 다른 시간 또는 서로 다수의 환자들을 대상으로 생성한 3D CT 데이터를 이용하여 생성된 영상들을 포함할 수도 있다.The image processing device generates a pair of low-dose X-ray images and high-dose X-ray images using the 3D CT data stored in a DB (database) in the above-described manner (210). The training data includes a pair of {low-dose X-ray image, high-dose X-ray image} generated using the same 3D CT data. The image processing device may generate a large amount of learning data set using the same 3D CT data. The training data set may include images generated from the same 3D CT data. Furthermore, the learning data set may include images generated using 3D CT data generated at different times or for a plurality of patients.
영상처리장치는 마련한 학습데이터 세트를 이용하여 X-레이 재구성 모델을 학습시킨다(220). X-레이 재구성 모델은 다양한 학습모델로 구현될 수 있다. 대표적으로 생성 모델(generative model)을 이용하여 선량 재구성 모델을 구축할 수 있다. The image processing device learns the X-ray reconstruction model using the prepared learning data set (220). The X-ray reconstruction model can be implemented with various learning models. Typically, a dose reconstruction model may be constructed using a generative model.
연구자는 전술한 방식을 이용하여 3D CT 데이터에서 저선량 X-레이 영상과 고선량 X-레이 영상을 생성하여 학습데이터를 마련하고, 학습데이터를 이용하여 저선량 X-레이 영상을 고선량 X-레이 영상으로 변환하는 X-레이 재구성 모델을 구축하였다. 연구자는 GAN(Generative Adversarial Network)을 이용하였다. 도 5는 저선량 X-레이 영상을 고선량 X-레이 영상으로 변환하는 재구성 모델의 영상 변환 결과이다. 도 5(A)는 입력 영상(저선량 영상)이고, 도 5(B)는 재구성 모델이 출력한 생성 영상(고선량 영상)이고, 도 5(C)는 실제 고선량 영상이다. 연구자는 모델의 성능을 검증하기 위하여 이미지 품질 측정 PSNR(Peak Signal-to-Noise Ratio)를 구했다. 검증 결과 PSNR이 평균 39.07으로 원본에 가까울 정도로 높은 성능을 보였다.The researcher prepares learning data by generating low-dose X-ray images and high-dose X-ray images from 3D CT data using the method described above, and converts low-dose X-ray images into high-dose X-ray images using the learning data. We built an X-ray reconstruction model that converts to . The researcher used a Generative Adversarial Network (GAN). 5 is an image conversion result of a reconstruction model for converting a low-dose X-ray image into a high-dose X-ray image. 5(A) is an input image (low-dose image), FIG. 5(B) is a generated image (high-dose image) output from a reconstruction model, and FIG. 5(C) is an actual high-dose image. To verify the performance of the model, the researcher obtained the image quality measurement PSNR (Peak Signal-to-Noise Ratio). As a result of verification, the average PSNR was 39.07, showing high performance close to the original.
도 6은 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 영상처리장치(300)에 대한 예이다. 영상처리장치(300)는 전술한 영상처리장치(도 1의 130 및 140)에 해당한다. 영상처리장치(300)는 물리적으로 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예컨대, 영상처리장치(300)는 PC와 같은 컴퓨터 장치, 네트워크의 서버, 데이터 처리 전용 칩셋 등의 형태를 가질 수 있다.6 is an example of the
영상처리장치(300)는 저장장치(310), 메모리(320), 연산장치(330), 인터페이스 장치(340), 통신장치(350) 및 출력장치(360)를 포함할 수 있다.The
저장장치(310)는 CT 장비에서 생성된 3D CT 데이터를 저장할 수 있다. The
저장장치(310)는 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 코드 내지 프로그램을 저장할 수 있다. The
저장장치(310)는 3D CT 데이터에서 생성한 가상 X-레이 영상(들)을 저정할 수 있다.The
또한, 저장장치(310)는 도 4에서 설명한 학습 데이터를 이용하여 학습할 재구성 모델을 저장할 수 있다. 나아가, 저장장치(310)는 학습 데이터를 이용하여 학습된 재구성 모델을 저장할 수 있다.In addition, the
메모리(320)는 영상처리장치(300)가 가상 X-레이 영상을 생성하는 과정 또는/및 재구성 모델을 학습하는 과정에서 생성되는 데이터 및 정보 등을 저장할 수 있다.The memory 320 may store data and information generated during a process of generating a virtual X-ray image by the
인터페이스 장치(340)는 외부로부터 일정한 명령 및 데이터를 입력받는 장치이다. 인터페이스 장치(340)는 물리적으로 연결된 입력 장치 또는 외부 저장장치로부터 3D CT 데이터를 입력받을 수 있다. 인터페이스 장치(340)는 3D CT 데이터를 이용하여 생성을 원하는 특정 방향 정보를 입력받을 수 있다. 인터페이스 장치(340)는 CT 슬라이스의 감쇠 관련 상수 β 및/또는 빔의 세기를 결정하는 상수 α를 입력받을 수 있다. 인터페이스 장치(340)는 생성된 가상 X-레이 영상을 외부 객체에 전달할 수도 있다.The interface device 340 is a device that receives certain commands and data from the outside. The interface device 340 may receive 3D CT data from a physically connected input device or an external storage device. The interface device 340 may receive specific direction information desired to be generated using 3D CT data. The interface device 340 may receive a constant β related to attenuation of the CT slice and/or a constant α determining the beam intensity. The interface device 340 may transmit the generated virtual X-ray image to an external object.
통신장치(350)는 유선 또는 무선 네트워크를 통해 일정한 정보를 수신하고 전송하는 구성을 의미한다. 통신장치(350)는 외부 객체로부터 3D CT 데이터를 수신할 수 있다. 통신장치(350)는 3D CT 데이터를 이용하여 생성을 원하는 특정 방향 정보를 입력받을 수 있다. 통신장치(350)는 CT 슬라이스의 감쇠 관련 상수 β및/또는 빔의 세기를 결정하는 상수 α를 입력받을 수 있다. 또는 통신장치(350)는 생성된 가상 X-레이 영상을 사용자 단말과 같은 외부 객체에 송신할 수도 있다.The communication device 350 refers to a component that receives and transmits certain information through a wired or wireless network. The communication device 350 may receive 3D CT data from an external object. The communication device 350 may receive specific direction information desired to be generated using 3D CT data. The communication device 350 may receive a constant β related to attenuation of the CT slice and/or a constant α determining the beam intensity. Alternatively, the communication device 350 may transmit the generated virtual X-ray image to an external object such as a user terminal.
인터페이스 장치(340) 및 통신장치(350)는 사용자 또는 다른 물리적 객체로부터 일정한 데이터를 주고받는 구성이므로, 포괄적으로 입출력장치라고도 명명할 수 있다. 정보 내지 데이터 입력 기능에 한정하면 인터페이스 장치(340) 및 통신장치(350)는 입력장치라고 할 수도 있다. Since the interface device 340 and the communication device 350 are configured to send and receive certain data from a user or other physical object, they can also be collectively referred to as input/output devices. When limited to information or data input functions, the interface device 340 and the communication device 350 may also be referred to as input devices.
출력장치(360)는 일정한 정보를 출력하는 장치이다. 출력장치(360)는 데이터 처리 과정에 필요한 인터페이스, 가상 X-레이 영상, 재구성한 X-레이 영상 등을 출력할 수 있다. The output device 360 is a device that outputs certain information. The output device 360 may output an interface required for data processing, a virtual X-ray image, a reconstructed X-ray image, and the like.
연산 장치(330)는 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성할 수 있다.The computing device 330 may generate a virtual X-ray image from 3D CT data.
가상 X-레이 영상은 전술한 바와 같이 수학식 4로 표현될 수 있다. 수학식 4와 같이 가상 X-레이 영상은 3D CT 데이터와 함께 CT 슬라이스(들)에서 감쇄되는 빔의 변화량 및 X-레이 빔의 세기로 표현될 수 있다. 한편, CT 슬라이스 Ti에서 감쇄되는 빔의 절대적인 변화량 △Ti은 수학식 5와 같이 β라는 상수로 그 정도가 설정될 수 있고, 빔의 세기 I0는 수학식 6과 같이 α라는 상수로 설정될 수 있다.The virtual X-ray image may be expressed by Equation 4 as described above. As shown in Equation 4, the virtual X-ray image may be expressed as the amount of change of the beam attenuated in the CT slice(s) and the intensity of the X-ray beam together with the 3D CT data. Meanwhile, the absolute amount of change ΔT i of the beam attenuated in the CT slice T i can be set to a constant β as in Equation 5, and the intensity of the beam I 0 is set to a constant α as shown in Equation 6. It can be.
연산 장치(330)는 α를 조절하여 다양한 선량을 갖는 가상 X-레이 영상을 생성할 수 있다. 즉, 연산 장치(330)는 동일한 3D CT 데이터에 서로 다른 α를 적용하여 저선량 X-레이 영상 및 고선량 X-레이 영상을 생성할 수 있다. 연산 장치(330)는 3D CT 데이터의 각 슬라이스에 대하여 β라는 상수로 일정한 감쇠를 설정하여 실제 X-레이 촬영과 같은 환경을 구현한다. 이를 통해 연산 장치(330)는 3D CT 데이터로부터 실제 특정 방향의 X-레이 영상과 같은 가상 X-레이 영상을 생성할 수 있다. 연산 장치(330)는 사용자가 입력한 특정 방향, β 및 α를 기준으로 가상 X-레이 영상을 생성할 수 있다.The arithmetic device 330 may generate virtual X-ray images having various doses by adjusting α. That is, the arithmetic device 330 may generate a low-dose X-ray image and a high-dose X-ray image by applying different values of α to the same 3D CT data. The arithmetic device 330 sets a constant attenuation with a constant β for each slice of 3D CT data to implement an environment like an actual X-ray imaging. Through this, the arithmetic device 330 may generate a virtual X-ray image, such as an X-ray image of a specific direction, from 3D CT data. The arithmetic device 330 may generate a virtual X-ray image based on the specific directions, β and α input by the user.
연산 장치(330)는 α를 변경하면서 가상 X-레이 영상을 생성하는 과정을 반복하여 동일한 3D CT 데이터로부터 저선량 가상 X-레이 영상 및 고선량 가상 X-레이 영상을 생성할 수 있다.The arithmetic device 330 may generate a low-dose virtual X-ray image and a high-dose virtual X-ray image from the same 3D CT data by repeating the process of generating the virtual X-ray image while changing α.
또한, 연산 장치(330)는 도 4에서 설명한 바와 같이 3D CT 데이터를 이용하여 대량의 학습데이터를 생성할 수 있다. 학습데이터는 동일 3D CT 데이터로부터 생성한 저선량 X-레이 영상 및 고선량 X-레이 영상 쌍이 포함된다. 연산 장치(330)는 학습데이터를 이용하여 X-레이 재구성 모델을 학습할 수 있다. 나아가, 연산 장치(330)는 학습된 재구성 모델을 이용하여 입력되는 저선량 X-레이 영상을 고선량 X-레이 영상으로 변환할 수 있다.In addition, the arithmetic device 330 may generate a large amount of learning data using 3D CT data as described in FIG. 4 . The training data includes a pair of low-dose X-ray images and high-dose X-ray images generated from the same 3D CT data. The computing device 330 may learn an X-ray reconstruction model using the learning data. Furthermore, the arithmetic device 330 may convert an input low-dose X-ray image into a high-dose X-ray image by using the learned reconstruction model.
연산 장치(330)는 데이터를 처리하고, 일정한 연산을 처리하는 프로세서, AP, 프로그램이 임베디드된 칩과 같은 장치일 수 있다.The arithmetic device 330 may be a device such as a processor, an AP, or a chip in which a program is embedded that processes data and performs certain arithmetic operations.
또한, 상술한 바와 같은 CT 영상 처리 방법 내지 가상의 X-레이 영상 생성 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 실행가능한 알고리즘을 포함하는 프로그램(또는 어플리케이션)으로 구현될 수 있다. 상기 프로그램은 일시적 또는 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장되어 제공될 수 있다.In addition, the above-described CT image processing method or virtual X-ray image generation method may be implemented as a program (or application) including an executable algorithm that may be executed on a computer. The program may be stored and provided in a temporary or non-transitory computer readable medium.
비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM (read-only memory), PROM (programmable read only memory), EPROM(Erasable PROM, EPROM) 또는 EEPROM(Electrically EPROM) 또는 플래시 메모리 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.A non-transitory readable medium is not a medium that stores data for a short moment, such as a register, cache, or memory, but a medium that stores data semi-permanently and can be read by a device. Specifically, the various applications or programs described above are CD, DVD, hard disk, Blu-ray disk, USB, memory card, ROM (read-only memory), PROM (programmable read only memory), EPROM (Erasable PROM, EPROM) Alternatively, it may be stored and provided in a non-transitory readable medium such as EEPROM (Electrically EPROM) or flash memory.
일시적 판독 가능 매체는 스태틱 램(Static RAM,SRAM), 다이내믹 램(Dynamic RAM,DRAM), 싱크로너스 디램 (Synchronous DRAM,SDRAM), 2배속 SDRAM(Double Data Rate SDRAM,DDR SDRAM), 증강형 SDRAM(Enhanced SDRAM,ESDRAM), 동기화 DRAM(Synclink DRAM,SLDRAM) 및 직접 램버스 램(Direct Rambus RAM,DRRAM) 과 같은 다양한 RAM을 의미한다.Temporary readable media include static RAM (SRAM), dynamic RAM (DRAM), synchronous DRAM (SDRAM), double data rate SDRAM (DDR SDRAM), and enhanced SDRAM (Enhanced SDRAM). SDRAM, ESDRAM), Synchronous DRAM (Synclink DRAM, SLDRAM) and Direct Rambus RAM (DRRAM).
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시례는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.This embodiment and the drawings accompanying this specification clearly represent only a part of the technical idea included in the foregoing technology, and those skilled in the art can easily understand it within the scope of the technical idea included in the specification and drawings of the above technology. It will be obvious that all variations and specific examples that can be inferred are included in the scope of the above-described technology.
Claims (11)
상기 영상처리장치가 특정 방향 및 빔의 세기를 결정하는 제1 상수를 입력받는 단계; 및
상기 영상처리장치가 상기 3D CT 데이터에서 상기 특정 방향에 따라 다수의 슬라이스들 각각에서 감쇠되는 빔의 변화량 및 상기 제1 상수로 결정되는 빔의 세기를 기준으로 가상 X-레이 영상을 생성하는 단계를 포함하는 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 방법.Receiving three-dimensional (3D) CT data by an image processing device;
receiving, by the image processing device, a first constant for determining a specific direction and beam intensity; and
Generating, by the image processing device, a virtual X-ray image based on the amount of change in a beam attenuated in each of a plurality of slices according to the specific direction in the 3D CT data and the intensity of the beam determined by the first constant A method for generating virtual X-ray images from 3D CT data containing
상기 영상처리장치는 슬라이스에서 감쇠되는 빔의 변화량을 결정하는 제2 상수를 적용하여 상기 다수의 슬라이스들 각각에서 감쇠되는 빔의 변화량을 결정하는 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 방법.According to claim 1,
The image processing device determines the amount of change in the beam attenuated in each of the plurality of slices by applying a second constant for determining the amount of change in the beam attenuated in the slice. How to generate a virtual X-ray image from 3D CT data.
상기 영상처리장치는 아래 수식으로 표현되는 상기 가상 X-레이 영상을 생성하는 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 방법.
(Image는 가상 X-레이 영상, △Ti는 투사 빔이 i번째로 만나는 CT 슬라이스 Ti로부터 감쇠되는 빔의 절대적인 변화량, L은 전체 슬라이스의 개수, z는 상기 특정 방향, I0는 X-레이 투사 빔의 세기임)According to claim 1,
The method of generating a virtual X-ray image from 3D CT data in which the image processing device generates the virtual X-ray image expressed by the following formula.
(Image is a virtual X-ray image, ΔT i is the absolute amount of change in the beam attenuated from the CT slice T i where the projected beam encounters the i-th, L is the total number of slices, z is the specific direction, I 0 is the X- is the intensity of the ray projection beam)
상기 I0는 아래 수식으로 표현되는 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 방법.
(여기서, α는 상기 제1 상수, Tall = {T1,T2,...,TL}은 전체 CT 슬라이스 집합임)According to claim 3,
The method of generating a virtual X-ray image from 3D CT data in which I 0 is expressed by the following formula.
(Where α is the first constant, T all = {T 1 , T 2 ,..., T L } is a set of all CT slices)
상기 영상처리장치는 상기 3D CT 데이터를 이용하되, 상기 제1 상수의 값을 변경하면서 가상 X-레이 영상을 생성하는 과정을 반복하여 저선량 가상 X-레이 영상 및 고선량 가상 X-레이 영상을 생성하는 단계를 더 포함하는 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 방법.According to claim 1,
The image processing device generates a low-dose virtual X-ray image and a high-dose virtual X-ray image by repeating a process of generating a virtual X-ray image while changing the value of the first constant while using the 3D CT data A method of generating a virtual X-ray image from 3D CT data further comprising the step of doing.
상기 영상처리장치가 상기 학습데이터 세트를 이용하여 저선량 X-레이 영상을 고선량 X-레이 영상으로 변환하는 학습모델을 학습시키는 단계를 포함하는 저선량 X-레이를 고선량 X-레이로 변환하는 학습 모델의 학습 방법.generating a learning data set composed of a low-dose virtual X-ray image and a high-dose virtual X-ray image by using the method of generating a virtual X-ray image from the 3D CT data according to claim 5 by an image processing device; and
Learning to convert low-dose X-rays into high-dose X-rays comprising the step of the image processing device learning a learning model for converting a low-dose X-ray image into a high-dose X-ray image using the learning data set How the model is trained.
3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 프로그램을 저장하는 저장장치; 및
상기 3D CT 데이터에서 상기 특정 방향에 따라 다수의 슬라이스들 각각에서 감쇠되는 빔의 변화량 및 상기 제1 상수로 결정되는 빔의 세기를 기준으로 가상 X-레이 영상을 생성하는 연산장치를 포함하는 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 영상처리장치.An input device that receives three-dimensional (3D) CT data, a specific direction, and a first constant for determining beam intensity;
a storage device for storing a program for generating a virtual X-ray image from 3D CT data; and
3D CT including an arithmetic device generating a virtual X-ray image based on the beam intensity determined by the amount of change in the beam attenuated in each of the plurality of slices according to the specific direction in the 3D CT data and the first constant An image processing device that creates a virtual X-ray image from data.
상기 연산장치는 슬라이스에서 감쇠되는 빔의 변화량을 결정하는 제2 상수를 적용하여 상기 다수의 슬라이스들 각각에서 감쇠되는 빔의 변화량을 결정하는 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 영상처리장치.According to claim 7,
The processing device generates a virtual X-ray image from 3D CT data that determines the amount of change in the beam attenuated in each of the plurality of slices by applying a second constant for determining the amount of change in the beam attenuated in the slice. .
상기 연산장치는 아래 수식으로 표현되는 상기 가상 X-레이 영상을 생성하는 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 영상처리장치.
(Image는 가상 X-레이 영상, △Ti는 투사 빔이 i번째로 만나는 CT 슬라이스 Ti로부터 감쇠되는 빔의 절대적인 변화량, L은 전체 슬라이스의 개수, z는 상기 특정 방향, I0는 X-레이 투사 빔의 세기임)According to claim 7,
The processing device generates a virtual X-ray image from 3D CT data generating the virtual X-ray image expressed by the following formula.
(Image is a virtual X-ray image, ΔT i is the absolute amount of change in the beam attenuated from the CT slice T i where the projected beam encounters the i-th, L is the total number of slices, z is the specific direction, I 0 is the X- is the intensity of the ray projection beam)
상기 I0는 아래 수식으로 표현되는 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 영상처리장치.
(여기서, α는 상기 제1 상수, Tall = {T1,T2,...,TL}은 전체 CT 슬라이스 집합임)According to claim 9,
The I 0 is an image processing device that generates a virtual X-ray image from 3D CT data expressed by the following formula.
(Where α is the first constant, T all = {T 1 , T 2 ,..., T L } is a set of all CT slices)
상기 연산장치는 상기 3D CT 데이터를 이용하되, 상기 제1 상수의 값을 변경하면서 가상 X-레이 영상을 생성하는 과정을 반복하여 저선량 가상 X-레이 영상 및 고선량 가상 X-레이 영상을 생성하는 3D CT 데이터에서 가상 X-레이 영상을 생성하는 영상처리장치.According to claim 7,
The arithmetic device generates a low-dose virtual X-ray image and a high-dose virtual X-ray image by repeating a process of generating a virtual X-ray image while changing a value of the first constant while using the 3D CT data. An image processing device that generates virtual X-ray images from 3D CT data.
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