KR20240110306A - Apparatus and method for identifying L5 spine in lumbar radiographic image - Google Patents

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KR20240110306A
KR20240110306A KR1020230002233A KR20230002233A KR20240110306A KR 20240110306 A KR20240110306 A KR 20240110306A KR 1020230002233 A KR1020230002233 A KR 1020230002233A KR 20230002233 A KR20230002233 A KR 20230002233A KR 20240110306 A KR20240110306 A KR 20240110306A
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lumbar
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장민철
이근우
김정군
추유진
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영남대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 요추 방사선 이미지에서 L5 척추를 식별하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 환자의 요추 방사선 이미지에서 L5 척추를 식별하는 장치에 있어서, 복수의 대상자 별로 대상자의 요추 부위를 촬영한 요추 방사선 이미지 내에 L5 척추 영역이 라벨링된 형태의 훈련 이미지를 수집하는 데이터 수집부; 상기 L5 척추 영역이 라벨링된 요추 방사선 이미지를 학습하여 상기 요추 방사선 이미지로부터 L5 척추 영역을 식별하기 위한 인공지능 모델을 구축하는 학습부; 분석 대상 환자의 요추 부위를 촬영한 요추 방사선 이미지를 획득하는 데이터 획득부; 및 상기 분석 대상 환자의 요추 방사선 이미지를 기 학습된 상기 인공지능 모델에 적용하여 요추 방사선 이미지 내에서 식별한 L5 척추 영역을 탐지 결과로 제공하는 영역 탐지부를 포함하는 L5 척추 식별 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 환자의 요추 방사선 이미지를 기 학습된 인공지능 모델에 입력하여 요추 방사선 이미지 내에서 L5 척추 영역을 인식하여 제공할 수 있고, 이를 통해 임상의들이 척추 시술이나 수술에 앞서 환자의 L5 위치를 빠르고 정확하게 파악할 수 있도록 한다.
The present invention relates to a device and method for identifying the L5 vertebra in lumbar radiography images. According to the present invention, in the device for identifying the L5 spine in a patient's lumbar spine radiology image, data collection is performed to collect training images in the form of a labeled L5 spine region in the lumbar spine radiograph image taken of the subject's lumbar spine for each of a plurality of subjects. wealth; A learning unit that learns the lumbar spine radiography image labeled with the L5 spine region and builds an artificial intelligence model to identify the L5 spine region from the lumbar spine radiology image; A data acquisition unit that acquires a lumbar radiography image of the lumbar region of a patient subject to analysis; and an area detection unit that applies the lumbar spine radiology image of the patient to be analyzed to the previously learned artificial intelligence model and provides the L5 spine area identified in the lumbar spine radiology image as a detection result.
According to the present invention, by inputting the patient's lumbar radiology image into a previously learned artificial intelligence model, the L5 spinal region can be recognized and provided within the lumbar radiographic image, and through this, clinicians can use the patient's L5 spinal region prior to spinal procedures or surgery. Allows you to quickly and accurately determine the location.

Description

요추 방사선 이미지에서 L5 척추를 식별하는 장치 및 그 방법{Apparatus and method for identifying L5 spine in lumbar radiographic image}Apparatus and method for identifying L5 spine in lumbar radiographic image}

본 발명은 요추 방사선 이미지에서 L5 척추를 식별하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 환자의 요추 방사선 이미지를 딥러닝 분석하여 L5 척추를 식별할 수 있는 요추 방사선 이미지에서 L5 척추를 식별하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for identifying the L5 vertebra in a lumbar radiology image, and more specifically, to a device for identifying the L5 vertebra in a lumbar radiography image that can identify the L5 vertebra by deep learning analysis of a patient's lumbar radiography image. It relates to devices and methods.

척추 영상에서 척추 번호를 정확하게 매기는 것은 병리 진단, 수술 전 또는 수술 전 계획 수립에 매우 중요하게 여겨진다. 그러나 요천부 전이 척추(lumbosacral transitional vertebrae)가 있거나 전체 척추 영상을 이용할 수 없는 경우에는 척추 번호를 매기는 것이 어려운 문제일 수 있다. Accurate vertebral numbering in spine imaging is considered very important for pathological diagnosis and preoperative or preoperative planning. However, in cases where lumbosacral transitional vertebrae are present or when images of the entire spine are not available, vertebra numbering can be a difficult problem.

요천부 전이 척추에는 요추 5번(이하 L5)의 천골화와 천골 1번(이하 S1)의 요추화가 포함된다. L5의 천골화는 마지막 요추의 긴 가로돌기가 첫 번째 천골 분절에 다양한 정도로 융합되는 선천적 척추 기형이다. S1의 요추화는 천골의 첫 번째 부분과 두 번째 부분이 융합되지 않아 요추에 6개의 척추가 있는 것처럼 보이는 척추 기형이다. The lumbosacral metastatic spine includes the sacralization of lumbar vertebra 5 (hereafter L5) and the lumbosacralization of lumbar vertebra 1 (hereinafter S1). Sacralization of L5 is a congenital spinal deformity in which the long transverse process of the last lumbar vertebra is fused to varying degrees with the first sacral segment. Lumbarization of S1 is a spinal deformity in which the first and second parts of the sacrum are not fused, giving the appearance of six vertebrae in the lumbar spine.

요추는 경추 2번(이하 C2)에서 천골까지 세는(카운트 다운하는) 방법으로 전체 척추 방사선 방사선 사진 또는 전체 척추 MRI 사진에서 정확하게 번호를 매길 수 있다. 전체 척추 영상이 없는 경우에는 번호를 매길 때 혼동할 수 있다. The lumbar spine can be numbered accurately on a whole spine radiograph or whole spine MRI by counting down from the cervical 2 (C2) to the sacrum. If there is no image of the entire spine, numbering can be confusing.

신경외과 의사의 약 30%가 한 번 이상 잘못된 척추 수술을 시행한 적이 있다고 보고된 바 있다. 따라서 임상의들은 척추 시술이나 수술에 앞서 환자의 척추 전체를 촬영하여 요추의 높이를 정확하게 파악해야 할 필요가 있다.It has been reported that approximately 30% of neurosurgeons have performed at least one incorrect spinal surgery. Therefore, clinicians need to photograph the patient's entire spine to accurately determine the height of the lumbar spine before performing spinal procedures or surgery.

머신러닝은 명시적으로 프로그래밍하지 않고도 다양한 시행착오 접근 방식을 통해 결과를 예측하거나 병리 또는 질병을 진단하는 기능을 자동으로 개선하는 인공 지능의 한 분야이다. Machine learning is a branch of artificial intelligence that automatically improves the ability to predict outcomes or diagnose pathology or disease through various trial-and-error approaches without explicit programming.

딥러닝은 여러 계층의 신경망을 사용하여 데이터를 처리 및 분석하고, 주어진 정보로부터 규칙과 패턴을 학습하고 의미있는 정보를 추출하는 기술이다. 딥러닝 기술은 기존의 데이터 분석 기술을 능가할 수 있으며 이미지, 언어와 같은 비정형 및 지각 데이터로부터 학습하고 주요 특징 정보를 추출할 수 있다. Deep learning is a technology that uses multiple layers of neural networks to process and analyze data, learn rules and patterns from given information, and extract meaningful information. Deep learning technology can surpass existing data analysis technologies and can learn from unstructured and perceptual data such as images and language and extract key feature information.

특히, 딥러닝 기술은 객체 감지 능력이 우수하다. 객체 감지는 이미지에 지정된 범주의 객체 인스턴스가 있는지 확인하고, 있다면 객체 인스턴스의 위치와 범위를 경계 상자를 통해 표시한다. 이미지 이해 및 컴퓨터 비전의 기초인 객체 감지는 분할, 물체 추적, 이미지 캡션, 활동 인식 및 이벤트 감지와 같은 복잡하거나 높은 수준의 비전 작업을 해결하기 위한 기초 역할을 한다. 의료 분야에서의 객체 감지는 의료 영상에서 악성, 폐렴, 골절 등의 다양한 병리를 찾아내는 데에 널리 활용되고 있다. In particular, deep learning technology has excellent object detection capabilities. Object detection determines whether there are object instances of a specified category in an image and, if so, displays the location and extent of the object instances through a bounding box. Object detection, the foundation of image understanding and computer vision, serves as a foundation for solving complex or high-level vision tasks such as segmentation, object tracking, image captioning, activity recognition, and event detection. Object detection in the medical field is widely used to detect various pathologies such as malignancy, pneumonia, and fractures in medical images.

따라서 환자로부터 촬영된 요추 방사선 이미지의 딥러닝 분석을 통하여 L5 척추 영역을 빠르고 정확하게 식별할 수 있는 새로운 기법이 요구된다.Therefore, a new technique is required that can quickly and accurately identify the L5 spine region through deep learning analysis of lumbar radiography images taken from patients.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국등록특허 제10-2140393호(2020.07.31 공고)에 개시되어 있다.The technology behind the present invention is disclosed in Korean Patent No. 10-2140393 (announced on July 31, 2020).

본 발명은 환자의 요추 방사선 이미지를 딥러닝 분석하여 요추 방사선 이미지에서 L5 척추 영역을 판별할 수 있는 요추 방사선 이미지에서 L5 척추를 식별하는 장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다. The purpose of the present invention is to provide a device and method for identifying the L5 spine in a lumbar spine radiology image, which can identify the L5 spine region in the lumbar spine radiology image by deep learning analysis of the patient's lumbar spine radiology image.

본 발명은, 환자의 요추 방사선 이미지에서 L5 척추를 식별하는 장치에 있어서, 복수의 대상자 별로 대상자의 요추 부위를 촬영한 요추 방사선 이미지 내에 L5 척추 영역이 라벨링된 형태의 훈련 이미지를 수집하는 데이터 수집부; 상기 L5 척추 영역이 라벨링된 요추 방사선 이미지를 학습하여 상기 요추 방사선 이미지로부터 L5 척추 영역을 식별하기 위한 인공지능 모델을 구축하는 학습부; 분석 대상 환자의 요추 부위를 촬영한 요추 방사선 이미지를 획득하는 데이터 획득부; 및 상기 분석 대상 환자의 요추 방사선 이미지를 기 학습된 상기 인공지능 모델에 적용하여 요추 방사선 이미지 내에서 식별한 L5 척추 영역을 탐지 결과로 제공하는 영역 탐지부를 포함하는 L5 척추 식별 장치를 제공한다.The present invention relates to a device for identifying the L5 spine in a patient's lumbar spine radiography image, wherein the data collection unit collects training images in the form of a labeled L5 spine region in the lumbar spine radiography image taken of the subject's lumbar spine for each of the plurality of subjects. ; A learning unit that learns the lumbar spine radiography image labeled with the L5 spine region and builds an artificial intelligence model to identify the L5 spine region from the lumbar spine radiology image; A data acquisition unit that acquires a lumbar radiography image of the lumbar region of a patient subject to analysis; and an area detection unit that applies the lumbar spine radiology image of the patient subject to analysis to the previously learned artificial intelligence model and provides the L5 spine area identified in the lumbar spine radiology image as a detection result.

또한, 상기 훈련 이미지는 대상자의 요추 방사선 이미지에서 L5 척추 영역이 직사각형 상자 모양으로 라벨링된 형태를 가질 수 있다.Additionally, the training image may have a shape in which the L5 spinal region is labeled in the shape of a rectangular box in a radiographic image of the subject's lumbar spine.

또한, 상기 L5 척추 영역을 식별하기 위한 인공지능 모델은 YOLOv5 제품 군의 YOLOv5x 모델로 구현될 수 있다.Additionally, the artificial intelligence model for identifying the L5 spinal region can be implemented as the YOLOv5x model of the YOLOv5 product family.

또한, 상기 데이터 수집부는, L5 척추에 금속 임플란트가 적용된 환자들과 금속 임플란트가 미적용된 환자들을 포함한 복수의 대상자에 대한 요추 방사선 이미지를 통해 훈련 데이터를 수집할 수 있다. Additionally, the data collection unit may collect training data through lumbar radiography images of a plurality of subjects, including patients with metal implants applied to the L5 spine and patients without metal implants.

또한, 상기 금속 임플란트가 미적용된 환자들에 대한 훈련 데이터는 전체 훈련 데이터의 5% 내지 10%의 비중을 차지할 수 있다.Additionally, training data for patients to whom the metal implant is not applied may account for 5% to 10% of the total training data.

그리고, 본 발명은, 환자의 요추 방사선 이미지에서 L5 척추를 식별하는 장치에 의해 수행되는 L5 척추 식별 방법에 있어서, 복수의 대상자 별로 대상자의 요추 부위를 촬영한 요추 방사선 이미지 내에 L5 척추 영역이 라벨링된 형태의 훈련 이미지를 수집하는 단계; 상기 L5 척추 영역이 라벨링된 요추 방사선 이미지를 학습하여 상기 요추 방사선 이미지로부터 L5 척추 영역을 식별하기 위한 인공지능 모델을 구축하는 단계; 분석 대상 환자의 요추 부위를 촬영한 요추 방사선 이미지를 획득하는 단계; 및 상기 분석 대상 환자의 요추 방사선 이미지를 기 학습된 상기 인공지능 모델에 적용하여 요추 방사선 이미지 내에서 식별한 L5 척추 영역을 탐지 결과로 제공하는 단계를 포함하는 L5 척추 식별 방법을 제공한다. In addition, the present invention relates to a method of identifying the L5 spine performed by a device for identifying the L5 spine in a lumbar spine radiology image of a patient, wherein the L5 spine region is labeled in the lumbar spine radiograph image taken of the subject's lumbar spine for each of the plurality of subjects. collecting training images of shapes; Building an artificial intelligence model to identify the L5 spine region from the lumbar spine radiology image by learning a lumbar spine radiology image in which the L5 spine region is labeled; Obtaining a lumbar radiography image of the lumbar region of a patient to be analyzed; and applying the lumbar spine radiology image of the patient subject to analysis to the previously learned artificial intelligence model to provide the L5 spine region identified in the lumbar spine radiography image as a detection result.

본 발명에 따르면, 환자의 요추 방사선 이미지를 기 학습된 인공지능 모델에 입력하여 요추 방사선 이미지 내에서 L5 척추 영역을 인식하여 제공할 수 있고, 임상의들이 척추 시술이나 수술에 앞서 환자의 L5 위치를 빠르고 정확하게 파악할 수 있도록 한다. According to the present invention, by inputting the patient's lumbar radiology image into a previously learned artificial intelligence model, the L5 spine region within the lumbar radiology image can be recognized and provided, and clinicians can determine the patient's L5 location prior to spinal procedures or surgery. Allows you to understand quickly and accurately.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 요추 방사선 이미지에서 L5 척추를 식별하는 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 각 부의 기능과 데이터 흐름을 간략히 설명한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 수집된 데이터 셋의 상세 내용을 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 요추 방사선 이미지로부터 L5 척추 영역이 올바르게 감지된 사례를 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 요추 방사선 이미지로부터 L5 척추 영역이 잘못 감지된 사례를 예시한 도면이다.
도 6은 도 1의 장치를 이용한 L5 척추 영역 식별 방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에서 사용된 딥러닝 알고리즘의 상세 내용을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 L5 척추 영역 탐지 모델의 성능을 나타낸 도면이다.
Figure 1 is a diagram showing the configuration of a device for identifying the L5 spine in a lumbar spine radiography image according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram briefly explaining the functions and data flow of each part of FIG. 1.
Figure 3 is a diagram illustrating details of a data set collected according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 is a diagram illustrating a case in which the L5 spinal region is correctly detected from a lumbar spine radiography image in an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a diagram illustrating a case in which the L5 spine region is incorrectly detected from a lumbar spine radiography image in an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a method of identifying the L5 spinal region using the device of FIG. 1.
Figure 7 is a diagram showing details of the deep learning algorithm used in an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a diagram showing the performance of the L5 spine region detection model according to an embodiment of the present invention.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Then, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts unrelated to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is said to be “connected” to another part, this includes not only cases where it is “directly connected,” but also cases where it is “electrically connected” with another element in between. . Additionally, when a part "includes" a certain component, this means that it may further include other components rather than excluding other components, unless specifically stated to the contrary.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 요추 방사선 이미지에서 L5 척추를 식별하는 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 각 부의 기능과 데이터 흐름을 간략히 설명한 도면이다.FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a device for identifying the L5 spine in a lumbar radiography image according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram briefly explaining the functions and data flow of each part of FIG. 1.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 요추 방사선 이미지에서 L5 척추를 식별하는 장치(100)(이하, 식별 장치)는 데이터 수집부(110), 학습부(120), 데이터 획득부(130) 및 영역 탐지부(140)를 포함한다. 각 부(110~130)의 동작 및 각 부 간의 데이터 흐름은 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다. Referring to Figures 1 and 2, the device 100 (hereinafter referred to as the identification device) for identifying the L5 spine in a lumbar spine radiography image according to an embodiment of the present invention includes a data collection unit 110, a learning unit 120, and a data collection unit 110. It includes an acquisition unit 130 and an area detection unit 140. The operation of each unit 110 to 130 and data flow between each unit may be controlled by a control unit (not shown).

데이터 수집부(110)는 복수의 대상자 별로 대상자의 요추 부위를 촬영한 요추 방사선 이미지 내에 L5 척추 영역이 라벨링된 형태의 훈련 이미지를 수집한다. 수집한 데이터는 머신 러닝에 사용된다. 여기서, 요추 방사선 이미지는 전후방 척추 방사선 이미지를 의미할 수 있다.The data collection unit 110 collects training images in which the L5 spine region is labeled within lumbar radiography images taken of the subject's lumbar region for each of the plurality of subjects. The collected data is used for machine learning. Here, the lumbar spine radiology image may mean an anteroposterior spine radiology image.

데이터 수집부(110)는 각 대상자들에 대한 전후방 척추 방사선 이미지 내의 L5 척추 영역을 직사각형 상자 모양으로 라벨링한 형태의 훈련 이미지를 수집하고, 이를 학습부(120)로 제공할 수 있다. The data collection unit 110 may collect a training image in the form of a rectangular box labeling the L5 spine region in the anterior and posterior spine radiographic images for each subject, and provide the training image to the learning unit 120 .

데이터 수집부(110)는 대상자 별로 요추 방사선 이미지 내에 L5 척추 영역이 라벨링된 형태를 갖는 훈련 이미지를 수집하여 빅데이터를 구축할 수 있다. 이러한 데이터 수집부(110)는 환자의 의료 정보를 관리 및 저장하는 EMR 또는 이와 연동하는 병원 서버 등을 통해서 훈련에 필요한 기초 데이터를 수집할 수 있다. The data collection unit 110 can build big data by collecting training images in which the L5 spinal region is labeled within the lumbar spine radiography image for each subject. This data collection unit 110 can collect basic data required for training through an EMR that manages and stores the patient's medical information or a hospital server linked thereto.

본 발명의 실시예에서 머신 러닝에 사용되는 데이터는 다음과 같은 기준으로 수집되었다. 우선, 2016년 6월부터 2021년 12월까지 본원에 내원하여 전후방 척추 방사선 사진을 촬영한 20세 이상의 대상자 150명을 후향적으로 모집하였다. 그리고, 방사선 사진 상 L5 척추는 C2에서 천골까지 카운트다운하여 결정되었다. 직사각형의 상자 모형이 L5 척추 영역을 표시하도록 이미지를 제작한 후 모든 주석 파일을 YOLO 형식으로 반출하였다. Data used for machine learning in the embodiment of the present invention was collected based on the following criteria. First, we retrospectively recruited 150 subjects aged 20 or older who visited our hospital from June 2016 to December 2021 and had anteroposterior spine radiographs taken. Then, the L5 vertebra on radiographs was determined by counting down from C2 to the sacrum. After creating images so that a rectangular box model represents the L5 spinal region, all annotation files were exported in YOLO format.

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 수집된 데이터 셋의 상세 내용을 예시한 도면이다. 도 3과 같이, 데이터 수집부(110)는 L5 척추에 수술 등에 의해 금속 임플란트(예: 나사못)가 적용된 환자들과 금속 임플란트가 전혀 미적용된 환자들을 포함한 복수의 대상자에 대한 요추 방사선 이미지를 통해 훈련 데이터를 수집할 수 있다. Figure 3 is a diagram illustrating details of a data set collected according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the data collection unit 110 trains through lumbar radiography images of a plurality of subjects, including patients who had metal implants (e.g., screws) applied to the L5 spine through surgery or the like and patients who did not have metal implants applied at all. Data can be collected.

또한, 금속 임플란트가 미적용된 환자들에 대한 훈련 데이터는 전체 훈련 데이터의 5% 내지 10%의 비중을 차지하도록 설정될 수 있으며, 이는 수술을 안한 사람이 수술을 한 사람보다 많다는 점을 고려한 것이다. 여기서, 수술은 과거 나사못(금속 임플란트)을 박는 경우를 의미할 수 있다. Additionally, training data for patients who did not have metal implants applied can be set to account for 5% to 10% of the total training data, taking into account that there are more people who did not have surgery than people who had surgery. Here, surgery may mean inserting screws (metal implants) in the past.

학습부(120)는 데이터 수집부(110)에서 수집된 훈련 이미지를 이용하여 인공지능 모델을 학습한다. 구체적으로 학습부(120)는 L5 척추 영역이 라벨링된 요추 방사선 이미지를 학습하여 요추 방사선 이미지로부터 L5 척추 영역을 식별하기 위한 인공지능 모델을 구축한다.The learning unit 120 learns an artificial intelligence model using the training images collected by the data collection unit 110. Specifically, the learning unit 120 builds an artificial intelligence model to identify the L5 spine region from the lumbar spine radiology image by learning the lumbar spine radiology image in which the L5 spine region is labeled.

본 발명의 실시예에서 L5 척추 영역을 식별하기 위한 인공지능 모델은 YOLOv5 제품 군의 YOLOv5x 모델로 구현될 수 있다. In an embodiment of the present invention, the artificial intelligence model for identifying the L5 spinal region can be implemented as the YOLOv5x model of the YOLOv5 product family.

학습부(120)는 대상자에 대한 L5 척추 영역이 라벨링된 척추 방사선 방사선 이미지(훈련 이미지)를 YOLOv5x 알고리즘을 통하여 딥러닝 학습하여 척추 방사선 이미지로부터 L5 척추 영역을 식별하는 인공지능 모델을 구현할 수 있다.The learning unit 120 can implement an artificial intelligence model that identifies the L5 spine region from the spine radiology image by deep learning the spinal radiology image (training image) in which the subject's L5 spine region is labeled using the YOLOv5x algorithm.

여기서, 학습부(120)는 도 2와 같이 프로세서(Processor)에 포함 또는 내장될 수 있다. 이러한 프로세서는 인공지능을 이용한 L5 척추 영역 탐지 모델을 탑재하고 최종 탐지 결과를 제공할 수 있으며, 외부 플랫폼, 의료 정보 시스템 등과 연결되어 인공지능 학습 데이터 및 탐지 모델을 업데이트 또는 갱신할 수 있다.Here, the learning unit 120 may be included or built into a processor as shown in FIG. 2. These processors are equipped with an L5 spinal region detection model using artificial intelligence and can provide final detection results. They can also be connected to external platforms, medical information systems, etc. to update or renew artificial intelligence learning data and detection models.

학습을 통하여 인공지능 모델이 학습되면, 임의의 분석 대상 환자로부터 획득된 척추 방사선 이미지를 인공지능 모델에 입력하는 것만으로도 분석 대상 환자의 L5 척추 영역의 탐지 결과를 제공할 수 있다. Once the artificial intelligence model is learned through learning, detection results of the L5 spinal region of the patient subject to analysis can be provided simply by inputting spine radiography images obtained from any patient subject to analysis into the artificial intelligence model.

이를 위해, 데이터 획득부(130)는 분석 대상 환자의 요추 부위를 촬영한 요추 방사선 이미지를 획득한다. 데이터 획득부(130)는 EMR 또는 병원 서버, 시스템, 의료진 측 단말 등과 연동하여 분석 대상 환자의 요추 방사선 촬영 이미지 데이터를 검색, 조회 및 로딩하여 획득할 수도 있고, 현장의 X-ray 장비로부터 실시간 획득할 수도 있다. To this end, the data acquisition unit 130 acquires a lumbar radiography image of the lumbar region of the patient being analyzed. The data acquisition unit 130 may search, query, and load lumbar radiography image data of the patient being analyzed in conjunction with the EMR or hospital server, system, medical staff terminal, etc., and acquire the data in real time from on-site X-ray equipment. You may.

또한, 데이터 획득부(130)는 환자의 요추 방사선 이미지를 사용자 단말이나 각종 입력 수단을 통해서 입력받을 수 있고, 입력된 데이터를 영역 탐지부(140)로 전달할 수 있다. Additionally, the data acquisition unit 130 can receive the patient's lumbar radiation image through a user terminal or various input means, and transmit the input data to the area detection unit 140.

다음, 영역 탐지부(140)는 분석 대상 환자의 요추 방사선 이미지를 기 학습된 상기 인공지능 모델에 적용하여 요추 방사선 이미지 내에서 L5 척추 영역을 식별하고 이미지 내 식별된 L5 척추 영역을 탐지 결과로 제공한다.Next, the region detection unit 140 applies the lumbar spine radiation image of the patient to be analyzed to the previously learned artificial intelligence model to identify the L5 spine region within the lumbar spine radiation image and provides the identified L5 spine region within the image as a detection result. do.

즉, 학습을 통하여 인공지능 모델이 완성되면, 임의의 분석 대상 환자에 대하여 관측된 요추 방사선 이미지를 인공지능 모델에 입력하는 것만으로도 이미지 내 L5 척추 영역을 판별하여 제공할 수 있다. In other words, once the artificial intelligence model is completed through learning, the L5 spine region in the image can be identified and provided simply by inputting the lumbar radiation image observed for any patient subject to analysis into the artificial intelligence model.

영역 탐지부(140)는 인공지능 모델에서 최종 도출된 분석 대상 환자의 요추 방사선 이미지에 대한 L5 척추 영역 탐지 결과를 출력부(미도시)로 제공할 수 있다. 여기서, 출력부(미도시)는 탐지 결과 데이터를 디스플레이 등을 통하여 출력하여 제공할 수 있다.The region detection unit 140 may provide the L5 spine region detection result for the lumbar spine radiation image of the patient to be analyzed, which is finally derived from the artificial intelligence model, to an output unit (not shown). Here, the output unit (not shown) can output and provide detection result data through a display, etc.

도 4는 본 발명의 실시예에서 요추 방사선 이미지로부터 L5 척추 영역이 올바르게 감지된 사례를 예시한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에서 요추 방사선 이미지로부터 L5 척추 영역이 잘못 감지된 사례를 예시한 도면이다.Figure 4 is a diagram illustrating a case in which the L5 spine region was correctly detected from a lumbar spine radiology image in an embodiment of the present invention, and Figure 5 illustrates a case in which the L5 spine region was incorrectly detected from a lumbar spine radiology image in an embodiment of the present invention. It is a drawing.

도 4와 같이, 영역 탐지부(140)는 입력된 요추 방사선 이미지 내에서 식별된 L5 식별 영역을 사각형 박스 형태로 표시 및 위치 지정하여 제공할 수 있다. 본 발명의 실시예의 알고리즘에 따르면 L5 척추 영역의 식별 신뢰도가 90% 이상을 나타내었다. 다만, 도 5의 잘못 식별된 사례들을 보면, 도 5의 A, B와 같이 L5 척추 영역 탐지 자체를 실패한 경우도 있고 C와 같이 부정확한 탐지 결과를 출력하는 경우도 존재한다.As shown in FIG. 4 , the area detection unit 140 may display and position the L5 identification area identified in the input lumbar spine radiography image in the form of a rectangular box. According to the algorithm of the embodiment of the present invention, the identification reliability of the L5 spinal region was more than 90%. However, looking at the incorrectly identified cases in FIG. 5, there are cases where the detection of the L5 spinal region itself fails, as shown in A and B of FIG. 5, and there are cases where inaccurate detection results are output, as shown in C.

이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 L5 척추 영역 식별 장치(100)는 척추 방사선 이미지로부터 L5 척추 영역을 식별하는 서버 그 자체 일수도 있고, 의료진 측의 단말 장치(PC, 데스크탑, 스마트폰, 노트북, 패드 등) 또는 사용자 단말 상에 구현되는 어플리케이션(Application)에 해당할 수도 있다. 따라서 각 단말은 관련 어플리케이션(응용 프로그램)이 실행된 상태에서 식별 장치(100)와 네트워크 접속되어 관련 서비스를 제공받을 수 있다.The L5 spinal region identification device 100 according to an embodiment of the present invention may be a server itself that identifies the L5 spinal region from a spinal radiographic image, or may be a medical staff terminal device (PC, desktop, smartphone, laptop, pad, etc.) or an application implemented on a user terminal. Therefore, each terminal can be connected to the network with the identification device 100 while the related application (application program) is running and receive related services.

도 6은 도 1의 장치를 이용한 L5 척추 영역 식별 방법을 설명하는 도면이다. FIG. 6 is a diagram illustrating a method of identifying the L5 spinal region using the device of FIG. 1.

먼저, 데이터 수집부(110)는 복수의 대상자 별로 대상자의 요추 부위를 촬영한 요추 방사선 이미지 내에 L5 척추 영역이 라벨링된 형태의 훈련 이미지를 수집한다(S610).First, the data collection unit 110 collects training images in which the L5 spine region is labeled within lumbar radiographic images taken of the subject's lumbar region for each of the plurality of subjects (S610).

다음, 학습부(120)는 L5 척추 영역이 라벨링된 요추 방사선 이미지를 학습하여 요추 방사선 이미지로부터 L5 척추 영역을 식별하기 위한 인공지능 모델을 구축한다(S620).Next, the learning unit 120 builds an artificial intelligence model to identify the L5 spine region from the lumbar spine radiology image by learning the lumbar spine radiography image in which the L5 spine region is labeled (S620).

이때 학습부(120)는 YOLOv5 제품군 모델의 YOLOv5x를 이용하여 L5 척추 영역 식별을 위한 인공지능 모델(L5 척추 영역 탐지 모델)을 학습시킬 수 있다. 또한 학습부(120)는 관련 환자들에 대한 빅데이터의 학습을 통하여 모델의 신뢰성을 높일 수 있다. At this time, the learning unit 120 can learn an artificial intelligence model (L5 spine region detection model) for L5 spine region identification using YOLOv5x of the YOLOv5 family model. Additionally, the learning unit 120 can increase the reliability of the model through learning big data about related patients.

본 발명의 실시예의 경우 YOLOv5 제품군 모델의 YOLOv5x가 L5 척추 영역을 감지하는데 사용되였고, YOLOv5는 최첨단 객체 감지 아키텍처 제품군으로 COCO 데이터 세트에 대해 사전 훈련된 모델에 해당한다.In the case of an embodiment of the present invention, YOLOv5x of the YOLOv5 family model was used to detect the L5 spine region, and YOLOv5 is a state-of-the-art object detection architecture family and corresponds to a model pre-trained on the COCO data set.

이때, 본 발명의 실시예에 따른 L5 척추 영역 탐지 모델은 하나의 클래스 객체만 감지하는 것이므로, 물체 감지 속도보다 정확도가 더 중요하기 때문에 정확도가 가장 높은 YOLOv5x 모델을 사용하였다. 또한, 앞서 도 3에서와 같이 대상자 150명의 이미지 중 105명(70%)의 데이터는 training set로, 45명(30%)의 데이터는 validation set에 할당되었다.At this time, since the L5 spine region detection model according to the embodiment of the present invention detects only one class object, accuracy is more important than object detection speed, so the YOLOv5x model with the highest accuracy was used. In addition, as shown in Figure 3, among the images of 150 subjects, data from 105 (70%) were assigned to the training set, and data from 45 (30%) were assigned to the validation set.

다음으로, 데이터 획득부(130)는 분석 대상 환자의 요추 부위를 촬영한 요추 방사선 이미지를 획득한다(S630). 데이터 획득부(130)는 획득된 데이터를 영역 탐지부(140)로 전달할 수 있다. Next, the data acquisition unit 130 acquires a lumbar radiation image of the lumbar region of the patient to be analyzed (S630). The data acquisition unit 130 may transmit the acquired data to the area detection unit 140.

그러면, 영역 탐지부(140)는 분석 대상 환자의 요추 방사선 이미지를 기 학습된 인공지능 모델에 적용하여 요추 방사선 이미지 내에서 L5 척추 영역을 식별하고(S640), 요추 방사선 이미지 내 식별된 L5 척추 영역을 탐지 결과로 제공한다(S650). 여기서 L5 영역 탐지 결과는 도 4와 같은 형태로 제공될 수 있다. Then, the region detection unit 140 applies the lumbar spine radiation image of the patient to be analyzed to the previously learned artificial intelligence model to identify the L5 spine region within the lumbar spine radiation image (S640), and the identified L5 spine region within the lumbar spine radiation image. is provided as a detection result (S650). Here, the L5 area detection result may be provided in the form shown in FIG. 4.

다음은 사용된 머신 러닝 알고리즘과 이에 따른 본 발명의 모델 성능을 설명한다. The following describes the machine learning algorithm used and the performance of the model of the present invention accordingly.

도 7은 본 발명의 실시예에서 사용된 딥러닝 알고리즘의 상세 내용을 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 L5 척추 영역 탐지 모델의 mAP(mean Average Precision) 성능을 나타낸 도면이다. Figure 7 is a diagram showing details of the deep learning algorithm used in an embodiment of the present invention, and Figure 8 is a diagram showing the mAP (mean average precision) performance of the L5 spine region detection model according to an embodiment of the present invention.

사용된 딥러닝 모델은 Python 3.9.2, Pytorch 1.12.0, 그리고 scikit-learn으로 구현되었고, L5 척추에 레이블을 지정하는 데에는 오픈 소스 소프트웨어인 LabelImg (Heartex, San Francisco, USA; https://github.com/heartexlabs/labelImg)가 사용되었다. 알고리즘의 상세 내용(하이퍼파라미터의 세부사항)은 도 7을 참조한다.The deep learning model used was implemented in Python 3.9.2, Pytorch 1.12.0, and scikit-learn, and the open source software LabelImg (Heartex, San Francisco, USA; https://github) was used to label the L5 spine. .com/heartexlabs/labelImg) was used. For details of the algorithm (details of hyperparameters), refer to FIG. 7.

mAP_0.5 및 mAP_0.75를 사용하여 L5 탐지 모델의 성능을 측정한 결과는 도 8과 같다. 여기서, mAP_0.5 및 mAP_0.75 메트릭(metrics)은 각각 Intersection over Union(IoU, 감지된 개체의 영역과 실제 개체의 영역 간 겹치는 정도를 나타내는 지표)가 있을 때 "양호"한 것으로 간주되었다. 구체적으로 mAP_0.5는 IoU가 50%일 때 성능이 양호한 것으로 간주되었고, mAP_0.75는 IoU가 75%일 때 성능이 양호한 것으로 간주되었다. 도 8은 traning epoch에 따른 mAP 변화를 보여주며, 0.9(90%) 이상의 신뢰도를 보여주는 것을 확인할 수 있다. The results of measuring the performance of the L5 detection model using mAP_0.5 and mAP_0.75 are shown in Figure 8. Here, the mAP_0.5 and mAP_0.75 metrics were considered “good” when there was Intersection over Union (IoU, an indicator of the degree of overlap between the area of the detected object and the area of the actual object), respectively. Specifically, mAP_0.5 was considered to have good performance when the IoU was 50%, and mAP_0.75 was considered to have good performance when the IoU was 75%. Figure 8 shows the change in mAP according to training epoch, and it can be seen that it shows a reliability of over 0.9 (90%).

이상과 같이 본 발명에 따르면, 환자의 요추 방사선 이미지를 딥러닝 분석하여 요추 방사선 이미지 내에서 L5 척추 영역을 식별할 수 있다. As described above, according to the present invention, the L5 spine region can be identified within the lumbar spine radiology image by deep learning analysis of the patient's lumbar spine radiology image.

이러한 본 발명은 환자의 요추 방사선 이미지를 기 학습된 인공지능 모델(YOLOv5 모델)에 입력하여 이미지 내에서 L5 척추 영역을 인식하여 제공할 수 있고, 이를 통해 임상의들이 척추 시술이나 수술에 앞서 환자의 L5 위치를 빠르고 정확하게 파악할 수 있도록 한다. The present invention inputs the patient's lumbar spine radiography image into a previously learned artificial intelligence model (YOLOv5 model), recognizes and provides the L5 spine region within the image, and allows clinicians to identify the patient's spine area prior to spinal procedures or surgery. It allows you to quickly and accurately determine the location of L5.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, but these are merely illustrative, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the attached patent claims.

100: L5 척추 식별 장치 110: 데이터 수집부
120: 학습부 130: 데이터 획득부
140: 영역 탐지부
100: L5 spine identification device 110: data collection unit
120: Learning unit 130: Data acquisition unit
140: Area detection unit

Claims (10)

환자의 요추 방사선 이미지에서 L5 척추를 식별하는 장치에 있어서,
복수의 대상자 별로 대상자의 요추 부위를 촬영한 요추 방사선 이미지 내에 L5 척추 영역이 라벨링된 형태의 훈련 이미지를 수집하는 데이터 수집부;
상기 L5 척추 영역이 라벨링된 요추 방사선 이미지를 학습하여 상기 요추 방사선 이미지로부터 L5 척추 영역을 식별하기 위한 인공지능 모델을 구축하는 학습부;
분석 대상 환자의 요추 부위를 촬영한 요추 방사선 이미지를 획득하는 데이터 획득부;
상기 분석 대상 환자의 요추 방사선 이미지를 기 학습된 상기 인공지능 모델에 적용하여 요추 방사선 이미지 내에서 식별한 L5 척추 영역을 탐지 결과로 제공하는 영역 탐지부를 포함하는 L5 척추 식별 장치.
A device for identifying the L5 vertebra in a patient's lumbar spine radiograph, comprising:
A data collection unit that collects training images in the form of a labeled L5 spine region in a lumbar spine radiographic image taken of the subject's lumbar region for each of the plurality of subjects;
A learning unit that learns the lumbar spine radiography image labeled with the L5 spine region and builds an artificial intelligence model to identify the L5 spine region from the lumbar spine radiology image;
A data acquisition unit that acquires a lumbar radiography image of the lumbar region of a patient subject to analysis;
An L5 spine identification device comprising an area detection unit that applies the lumbar spine radiation image of the patient subject to analysis to the previously learned artificial intelligence model and provides the L5 spine region identified in the lumbar spine radiation image as a detection result.
청구항 1에 있어서,
상기 훈련 이미지는 대상자의 요추 방사선 이미지에서 L5 척추 영역이 직사각형 상자 모양으로 라벨링된 형태를 가지는 L5 척추 식별 장치.
In claim 1,
The training image is an L5 spine identification device in which the L5 spine region is labeled in the shape of a rectangular box in a radiographic image of the subject's lumbar spine.
청구항 1에 있어서,
상기 L5 척추 영역을 식별하기 위한 인공지능 모델은 YOLOv5 제품 군의 YOLOv5x 모델로 구현되는 L5 척추 식별 장치.
In claim 1,
The artificial intelligence model for identifying the L5 spine region is an L5 spine identification device implemented as the YOLOv5x model of the YOLOv5 product family.
청구항 1에 있어서,
상기 데이터 수집부는,
L5 척추에 금속 임플란트가 적용된 환자들과 금속 임플란트가 미적용된 환자들을 포함한 복수의 대상자에 대한 요추 방사선 이미지를 통해 훈련 데이터를 수집하는 L5 척추 식별 장치.
In claim 1,
The data collection unit,
An L5 spine identification device that collects training data through lumbar radiography images of multiple subjects, including patients with metal implants applied to the L5 spine and patients without metal implants.
청구항 4에 있어서,
상기 금속 임플란트가 미적용된 환자들에 대한 훈련 데이터는 전체 훈련 데이터의 5% 내지 10%의 비중을 차지하는 L5 척추 식별 장치.
In claim 4,
An L5 spine identification device in which training data for patients to whom the metal implant is not applied accounts for 5% to 10% of the total training data.
환자의 요추 방사선 이미지에서 L5 척추를 식별하는 장치에 의해 수행되는 L5 척추 식별 방법에 있어서,
복수의 대상자 별로 대상자의 요추 부위를 촬영한 요추 방사선 이미지 내에 L5 척추 영역이 라벨링된 형태의 훈련 이미지를 수집하는 단계;
상기 L5 척추 영역이 라벨링된 요추 방사선 이미지를 학습하여 상기 요추 방사선 이미지로부터 L5 척추 영역을 식별하기 위한 인공지능 모델을 구축하는 단계;
분석 대상 환자의 요추 부위를 촬영한 요추 방사선 이미지를 획득하는 단계; 및
상기 분석 대상 환자의 요추 방사선 이미지를 기 학습된 상기 인공지능 모델에 적용하여 요추 방사선 이미지 내에서 식별한 L5 척추 영역을 탐지 결과로 제공하는 단계를 포함하는 L5 척추 식별 방법.
A method of identifying the L5 vertebrae performed by a device for identifying the L5 vertebrae in a radiographic image of the lumbar spine of a patient, comprising:
Collecting training images in which the L5 spine region is labeled in lumbar radiography images taken of the lumbar region of each subject for each of the plurality of subjects;
Building an artificial intelligence model to identify the L5 spine region from the lumbar spine radiology image by learning a lumbar spine radiology image in which the L5 spine region is labeled;
Obtaining a lumbar radiography image of the lumbar region of a patient to be analyzed; and
An L5 spine identification method comprising applying the lumbar spine radiology image of the patient subject to analysis to the previously learned artificial intelligence model and providing the L5 spine region identified within the lumbar spine radiology image as a detection result.
청구항 6에 있어서,
상기 훈련 이미지는 대상자의 요추 방사선 이미지에서 L5 척추 영역이 직사각형 상자 모양으로 라벨링된 형태를 가지는 L5 척추 식별 방법.
In claim 6,
The training image is a method of identifying the L5 spine in which the L5 spine region is labeled in the shape of a rectangular box in a radiographic image of the subject's lumbar spine.
청구항 6에 있어서,
상기 L5 척추 영역을 식별하기 위한 인공지능 모델은 YOLOv5 제품 군의 YOLOv5x 모델로 구현되는 L5 척추 식별 방법.
In claim 6,
The artificial intelligence model for identifying the L5 spine region is an L5 spine identification method implemented as the YOLOv5x model of the YOLOv5 product family.
청구항 6에 있어서,
상기 훈련 데이터를 수집하는 단계는,
L5 척추에 금속 임플란트가 적용된 환자들과 금속 임플란트가 미적용된 환자들을 포함한 복수의 대상자에 대한 요추 방사선 이미지를 통해 훈련 데이터를 수집하는 L5 척추 식별 방법.
In claim 6,
The step of collecting the training data is,
An L5 spine identification method that collects training data through lumbar radiography images of multiple subjects, including patients with metal implants applied to the L5 spine and patients without metal implants.
청구항 9에 있어서,
상기 금속 임플란트가 미적용된 환자들에 대한 훈련 데이터는 전체 훈련 데이터의 5% 내지 10%의 비중을 차지하는 L5 척추 식별 방법.
In claim 9,
An L5 spine identification method in which training data for patients to whom the metal implant is not applied accounts for 5% to 10% of the total training data.
KR1020230002233A 2023-01-06 Apparatus and method for identifying L5 spine in lumbar radiographic image KR20240110306A (en)

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