WO2024014724A1 - Method and apparatus for predicting brain sex and brain age from brain image - Google Patents

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윤수정
주윤지
황재욱
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이화여자대학교 산학협력단
순천향대학교 산학협력단
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Abstract

Disclosed are a method and apparatus for predicting brain sex and brain age from a brain image. The method for predicting brain sex and brain age according to one embodiment of the present invention may comprise the steps of: identifying a brain image from a database; preprocessing the brain image so as to be identifiable by a brain sex prediction model and a brain age prediction model; using the brain sex prediction model to predict brain sex characteristics used to determine brain sex from the preprocessed brain image; and using the brain age prediction model to predict brain age based on the brain sex characteristics from the preprocessed brain image and the predicted brain sex characteristics.

Description

뇌영상으로부터 뇌성별 및 뇌연령을 예측하는 방법 및 장치 Method and device for predicting brain gender and brain age from brain imaging
본 발명은 뇌영상으로부터 뇌성별 및 뇌연령을 예측하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 뇌성별 예측 모델 및 뇌연령 예측 모델을 학습하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method and device for predicting brain sex and brain age from brain imaging. The present invention relates to a method of learning a brain sex prediction model and a brain age prediction model.
최근 한 사람의 뇌에서 양쪽 성별의 특징이 동시에 발견된다는 ‘인간 뇌 모자이크’이론이 제시되었다. 따라서 뇌 신경계가 가지고 있는 성별 특징의 정량화의 중요성이 커지고 있다. 특히, 중추신경계에서 성별에 따른 구조적 특징은 그 기능과 직결되어 있을 뿐 아니라, 정신적, 신경적 질환의 발병 가능성, 발병 연령 및 증상 등에서 성별 간 차이를 발생시킬 수 있다. 그러므로, 뇌성별 특징을 파악하는 것이 중요하다.Recently, the ‘human brain mosaic’ theory was proposed, which states that characteristics of both genders are found simultaneously in one person’s brain. Therefore, the importance of quantifying gender characteristics of the brain and nervous system is increasing. In particular, gender-specific structural characteristics in the central nervous system are not only directly related to its function, but can also lead to gender differences in the likelihood of developing mental and neurological diseases, age of onset, and symptoms. Therefore, it is important to identify brain sex characteristics.
또한, 사람들의 뇌 노화는 그 양상을 공유하지만, 세부적인 양상에는 개인적인 차이가 존재한다. 이를 근거로, 뇌 노화 양상이 동일 연령대의 평균적인 뇌 노화 양상에서 벗어난 정도를 정량화하여 개인의 뇌연령을 산출하면 뇌 건강을 판단할 수 있다. 그리고, 개인의 뇌연령은 뇌 노화 및 관련 질병의 잠재적인 위험성을 평가하기 위한 바이오 마커(biomarker)로 활용될 수 있다.Additionally, although people's brain aging shares the same pattern, there are individual differences in the detailed aspects. Based on this, brain health can be determined by calculating an individual's brain age by quantifying the degree to which the brain aging pattern deviates from the average brain aging pattern of the same age group. Additionally, an individual's brain age can be used as a biomarker to evaluate the potential risk of brain aging and related diseases.
더욱이, 뇌 노화를 포함한 생물학적인 노화 양상에 성별 간 차이가 존재하고, 노화와 관련된 정신적, 신경적 질환의 발병에도 성별이 주요한 위험 요인으로 작용하는 것으로 알려졌다. 이와 같이 뇌 노화 양상에는 성별 간 차이가 존재하므로, 뇌성별 특징을 반영한 뇌연령을 예측할 필요가 있다.Moreover, it is known that there are gender differences in biological aging patterns, including brain aging, and that gender is a major risk factor for the development of mental and neurological diseases related to aging. As there are gender differences in brain aging patterns, it is necessary to predict brain age that reflects the characteristics of each brain gender.
본 발명은 합성곱 신경망 모델과 다층 퍼셉트론 모델을 결합한 하이브리드 딥러닝 모델인 뇌연령 예측 모델을 이용하여 최소한의 전처리 과정을 거친 구조적 뇌영상과 뇌성별 특징으로부터 대상자의 뇌연령을 결정하는 방법 및 장치를 제공한다. 또한, 본 발명은 뇌영상을 이용해 대상자의 뇌연령을 결정하는 뇌연령 예측 모델을 학습하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method and device for determining a subject's brain age from structural brain images and brain gender characteristics that have undergone minimal preprocessing using a brain age prediction model, which is a hybrid deep learning model combining a convolutional neural network model and a multilayer perceptron model. to provide. Additionally, the present invention provides a method of learning a brain age prediction model that determines the subject's brain age using brain imaging.
본 발명의 일실시예에 따른 뇌성별 및 뇌연령 예측 방법에 있어서, 데이터베이스로부터 뇌영상을 식별하는 단계; 상기 뇌영상을 뇌성별 예측 모델 및 뇌연령 예측 모델이 식별할 수 있도록 전처리하는 단계; 상기 뇌성별 예측 모델이 전처리된 뇌영상으로부터 뇌성별을 판단하는데 사용되는 뇌성별 특징을 예측하는 단계; 및 상기 뇌연령 예측 모델이 상기 전처리된 뇌영상 및 예측된 뇌성별 특징으로부터 상기 뇌성별 특징에 기초한 뇌연령을 예측하는 단계를 포함할 수 있다.A method for predicting brain sex and brain age according to an embodiment of the present invention, comprising: identifying a brain image from a database; Preprocessing the brain image so that a brain sex prediction model and a brain age prediction model can be identified; Predicting brain sex characteristics used to determine brain sex from a brain image for which the brain sex prediction model has been preprocessed; And the brain age prediction model may include a step of predicting brain age based on the brain gender characteristics from the preprocessed brain image and predicted brain gender characteristics.
상기 전처리하는 단계는, 상기 뇌영상의 복셀 크기 및 복셀 부피를 표준 템플릿에 일치시키는 단계; 및 일치된 뇌영상을 상기 표준 템플릿에 비선형적으로 정합하는 단계를 포함할 수 있다.The preprocessing step includes matching the voxel size and voxel volume of the brain image to a standard template; And it may include non-linearly registering the matched brain image to the standard template.
상기 뇌성별 특징을 예측하는 단계는, 상기 전처리된 뇌영상으로부터 뇌성별과 관련된 특징인 제1 성별 특징을 추출하는 단계; 상기 제1 성별 특징으로부터 뇌성별 예측에 기여하는 특징인 제2 성별 특징을 추출하는 단계; 상기 제2 성별 특징의 가중치를 분석하는 단계; 및 상기 제2 성별 특징 중에서 가중치가 임계값 이상인 특징을 뇌성별 특징으로 예측하는 단계를 포함할 수 있다.Predicting the brain gender feature includes extracting a first gender feature, which is a feature related to brain gender, from the preprocessed brain image; extracting a second gender characteristic, which is a feature contributing to brain gender prediction, from the first gender characteristic; analyzing the weight of the second gender characteristic; And it may include predicting a feature whose weight is greater than or equal to a threshold among the second gender features as a brain gender feature.
상기 뇌성별에 기초한 뇌연령을 예측하는 단계는, 상기 전처리된 뇌영상을 상기 뇌연령 예측 모델의 합성곱 신경망 모델에 입력하여 뇌연령 예측에 기여하는 뇌영상의 특징인 제1 연령 특징을 추출하는 단계; 상기 예측된 뇌성별 특징을 상기 뇌연령 예측 모델의 다층 퍼셉트론 모델에 입력하여 뇌연령 예측에 기여하는 특징인 제2 연령 특징을 추출하는 단계; 및 제1 연령 특징 및 제2 연령 특징에 기초하여 상기 뇌성별에 기초한 뇌연령을 예측하는 단계를 포함할 수 있다.The step of predicting brain age based on brain sex includes inputting the preprocessed brain image into a convolutional neural network model of the brain age prediction model to extract a first age feature, which is a feature of the brain image that contributes to predicting brain age. step; extracting a second age feature, which is a feature contributing to brain age prediction, by inputting the predicted brain sex feature into a multi-layer perceptron model of the brain age prediction model; And it may include predicting brain age based on the brain gender based on the first age characteristic and the second age characteristic.
상기 뇌영상은, 뇌의 방향 정보를 포함하고, 두개골 및 뇌 부위 전체를 포함할 수 있다.The brain image includes brain orientation information and may include the entire skull and brain region.
본 발명의 일실시예에 따른 뇌성별 및 뇌연령 예측 방법을 수행하는 컴퓨팅 장치에 있어서, 상기 컴퓨팅 장치는 프로세서를 포함하고, 상기 프로세서는, 데이터베이스로부터 뇌영상을 식별하고, 상기 뇌영상을 뇌성별 예측 모델 및 뇌연령 예측 모델이 식별할 수 있도록 전처리하고, 상기 뇌성별 예측 모델이 전처리된 뇌영상으로부터 뇌성별을 판단하는데 사용되는 뇌성별 특징을 예측하고, 상기 뇌연령 예측 모델이 상기 전처리된 뇌영상 및 예측된 뇌성별 특징으로부터 상기 뇌성별 특징에 기초한 뇌연령을 예측할 수 있다.In a computing device that performs a method for predicting brain sex and brain age according to an embodiment of the present invention, the computing device includes a processor, the processor identifies a brain image from a database, and determines the brain sex of the brain image. The prediction model and the brain age prediction model are preprocessed so that they can be identified, the brain sex prediction model predicts brain sex characteristics used to determine brain sex from the preprocessed brain image, and the brain age prediction model predicts the brain sex characteristics of the preprocessed brain. Brain age based on the brain sex characteristics can be predicted from the image and predicted brain sex characteristics.
상기 프로세서는, 상기 뇌영상의 복셀 크기 및 복셀 부피를 표준 템플릿에 일치시키고, 일치된 뇌영상을 상기 표준 템플릿에 비선형적으로 정합할 수 있다.The processor may match the voxel size and voxel volume of the brain image to a standard template, and non-linearly register the matched brain image to the standard template.
상기 프로세서는, 상기 전처리된 뇌영상으로부터 뇌성별과 관련된 특징인 제1 성별 특징을 추출하고, 상기 제1 성별 특징으로부터 뇌성별 예측에 기여하는 특징인 제2 성별 특징을 추출하고, 상기 제2 성별 특징의 가중치를 분석하고, 상기 제2 성별 특징 중에서 가중치가 임계값 이상인 특징을 뇌성별 특징으로 예측할 수 있다.The processor extracts a first gender feature that is a feature related to brain sex from the preprocessed brain image, extracts a second gender feature that is a feature that contributes to predicting brain sex from the first gender feature, and extracts the second gender feature from the first gender feature. The weights of the features are analyzed, and among the second gender features, the feature whose weight is greater than the threshold can be predicted as a brain gender feature.
상기 프로세서는, 상기 전처리된 뇌영상을 상기 뇌연령 예측 모델의 합성곱 신경망 모델에 입력하여 뇌연령 예측에 기여하는 뇌영상의 특징인 제1 연령 특징을 추출하고, 상기 예측된 뇌성별 특징을 상기 뇌연령 예측 모델의 다층 퍼셉트론 모델에 입력하여 뇌연령 예측에 기여하는 특징인 제2 연령 특징을 추출하고, 제1 연령 특징 및 제2 연령 특징에 기초하여 상기 뇌성별에 기초한 뇌연령을 예측할 수 있다.The processor inputs the preprocessed brain image into a convolutional neural network model of the brain age prediction model to extract a first age feature, which is a feature of the brain image that contributes to brain age prediction, and applies the predicted brain sex feature to the The second age feature, which is a feature contributing to brain age prediction, is extracted by inputting it into the multi-layer perceptron model of the brain age prediction model, and the brain age based on the brain gender can be predicted based on the first age feature and the second age feature. .
상기 뇌영상은, 뇌의 방향 정보를 포함하고, 두개골 및 뇌 부위 전체를 포함할 수 있다.The brain image includes brain orientation information and may include the entire skull and brain region.
본 발명의 일실시예에 따른 뇌연령 예측 모델 학습 방법에 있어서, 데이터베이스로부터 뇌영상, 성별 및 연령을 포함하는 데이터 세트를 식별하는 단계; 상기 데이터 세트 중에서 뇌연령 예측모델을 학습할 학습 데이터 세트 및 뇌연령 예측 모델을 검증할 테스트 데이터 세트를 결정하는 단계; 상기 학습 데이터 세트를 이용하여 뇌연령 예측 모델이 뇌영상 및 뇌성별 특징을 입력 받으면 뇌연령을 예측하도록 학습하는 단계; 및 상기 테스트 데이터 세트를 이용하여 학습된 뇌연령 예측 모델의 뇌연령을 예측하는 정확도를 검증하는 단계를 포함할 수 있다.A method for learning a brain age prediction model according to an embodiment of the present invention, comprising: identifying a data set including brain images, gender, and age from a database; From among the data sets, determining a learning data set to learn a brain age prediction model and a test data set to verify the brain age prediction model; Using the learning data set, a brain age prediction model is trained to predict brain age when brain images and brain sex characteristics are input; And it may include verifying the accuracy of predicting brain age of the brain age prediction model learned using the test data set.
상기 데이터 세트 중에서 뇌연령 예측모델을 학습할 학습 데이터 세트 및 뇌연령 예측 모델을 검증할 테스트 데이터 세트를 결정하는 단계는, 상기 데이터 세트에 포함되는 연령에 따라서 연령 분포를 나누어 무작위로 상기 학습 데이터 세트 및 상기 테스트 데이터 세트를 결정할 수 있다.The step of determining a learning data set for learning a brain age prediction model and a test data set for verifying the brain age prediction model among the data sets includes dividing the age distribution according to the age included in the data set and randomly selecting the learning data set. And the test data set can be determined.
상기 데이터 세트에 포함된 뇌영상을 학습하는 뇌연령 예측 모델이 식별할 수 있도록 전처리하는 단계를 더 포함하고, 상기 전처리하는 단계는, 상기 뇌영상의 복셀 크기 및 복셀 부피를 표준 템플릿에 일치시키는 단계; 및 일치된 뇌영상을 상기 표준 템플릿에 비선형적으로 정합하는 단계를 포함할 수 있다.It further includes the step of preprocessing the brain images included in the data set so that a learning brain age prediction model can identify them, wherein the preprocessing step includes matching the voxel size and voxel volume of the brain image to a standard template. ; And it may include non-linearly registering the matched brain image to the standard template.
상기 뇌영상은, 뇌의 방향 정보를 포함하고, 두개골 및 뇌 부위 전체를 포함할 수 있다.The brain image includes brain orientation information and may include the entire skull and brain region.
본 발명의 일 실시예에 따르면 합성곱 신경망 모델과 다층 퍼셉트론 모델을 결합한 하이브리드 딥러닝 모델인 뇌연령 예측 모델을 이용하여 대상자의 뇌연령을 결정할 수 있다. 결정된 뇌연령과 실제 연령의 차이(BrainAGE)를 계산하여 개인별 뇌 노화 상태를 파악하고, 변화를 추적 관찰하여 뇌 건강 상태를 모니터링할 수 있다. 그리고, 결정된 뇌연령과 실제 연령의 차이 정보인 BrainAGE 정보를 이용하여 개인별 맞춤 뇌 건강 관리 프로토콜을 제공할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the subject's brain age can be determined using a brain age prediction model, which is a hybrid deep learning model that combines a convolutional neural network model and a multilayer perceptron model. By calculating the difference between the determined brain age and actual age (BrainAGE), you can identify each individual's brain aging state and monitor brain health by tracking changes. Additionally, a personalized brain health management protocol can be provided using BrainAGE information, which is information on the difference between the determined brain age and actual age.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 뇌영상을 이용해 대상자의 뇌연령을 결정하는 뇌연령 예측 모델을 학습할 수 있다.Additionally, according to an embodiment of the present invention, a brain age prediction model that determines the subject's brain age can be learned using brain images.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌연령을 예측할 수 있는 컴퓨팅 장치를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a computing device capable of predicting brain age according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌연령을 예측하는 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.Figure 2 is a flow chart for explaining a method for predicting brain age according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌영상을 전처리하는 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.Figure 3 is a flow chart to explain a method of preprocessing a brain image according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌성별 특징을 예측하는 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.Figure 4 is a flow chart for explaining a method for predicting brain characteristics according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌성별 특징을 예측하는 뇌성별 예측 모델을 설명하기 위한 도면이다.Figure 5 is a diagram for explaining a brain sex prediction model for predicting brain sex characteristics according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌연령을 예측하는 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.Figure 6 is a flow chart to explain a method for predicting brain age according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌연령을 예측하는 뇌연령 예측 모델을 설명하기 위한 도면이다.Figure 7 is a diagram for explaining a brain age prediction model for predicting brain age according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌연령 예측 모델을 학습하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.Figure 8 is a diagram for explaining a method of learning a brain age prediction model according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌연령 예측 모델을 검증하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.Figure 9 is a diagram for explaining a method for verifying a brain age prediction model according to an embodiment of the present invention.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the attached drawings. However, the scope of the patent application is not limited or limited by these examples. The same reference numerals in each drawing indicate the same members.
아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Various changes may be made to the embodiments described below. The embodiments described below are not intended to limit the embodiments, but should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes therefor.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 이해되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.Terms such as first or second may be used to describe various components, but these terms should be understood only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, a first component may be named a second component, and similarly, the second component may also be named a first component.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수 개의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.Terms used in the examples are merely used to describe specific examples and are not intended to limit the examples. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the embodiments belong. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, when describing with reference to the accompanying drawings, identical components will be assigned the same reference numerals regardless of the reference numerals, and overlapping descriptions thereof will be omitted. In describing the embodiments, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may unnecessarily obscure the gist of the embodiments, the detailed descriptions are omitted.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌연령을 예측할 수 있는 컴퓨팅 장치를 도시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a computing device capable of predicting brain age according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 데이터베이스(101) 및 컴퓨팅 장치(102)가 도시된다.Referring to Figure 1, a database 101 and computing device 102 are shown.
데이터베이스(101)는 오픈 소스로부터 사람의 뇌영상을 수집할 수 있다. 데이터베이스(101)는 오픈 소스로부터 수집한 사람의 뇌영상을 저장할 수 있다. 데이터베이스(101)는 사람의 뇌영상 뿐만 아니라 사람의 뇌영상과 매칭되는 해당 뇌영상을 찍은 대상자의 성별 및 실제 연령 정보를 수집하고 저장할 수 있다. 데이터베이스(101)는 사람의 뇌영상 중에서 추후 전처리가 어려운 영상, 뇌의 일부가 잘린 뇌영상 및 두개골이 제거되어 있는 영상을 제거하여 데이터를 정제할 수 있다. 데이터베이스(101)는 저장한 뇌영상을 컴퓨팅 장치로 전송할 수 있다.The database 101 can collect human brain images from open sources. The database 101 may store human brain images collected from open sources. The database 101 can collect and store information on the gender and actual age of the subject who took the brain image that matches the human brain image, as well as the human brain image. The database 101 can purify data by removing images that are difficult to preprocess later, brain images in which part of the brain has been cut, and images in which the skull has been removed from human brain images. The database 101 can transmit the stored brain images to a computing device.
컴퓨팅 장치(102)는 프로세서(103) 및 메모리(104)를 포함할 수 있다. Computing device 102 may include a processor 103 and memory 104.
컴퓨팅 장치(102)는 데이터베이스(101)로부터 뇌영상을 전송받아서 뇌연령을 예측할 수 있다. 구체적으로는 컴퓨팅 장치(102)에 포함되는 프로세서(103)가 뇌영상을 식별하여 대상자의 뇌연령을 예측할 수 있다.The computing device 102 can receive brain images from the database 101 and predict brain age. Specifically, the processor 103 included in the computing device 102 can predict the subject's brain age by identifying brain images.
프로세서(103)는 데이터베이스(101)로부터 전송된 뇌영상을 식별할 수 있다. 프로세서(103)는 전송된 뇌영상을 뇌성별 예측 모델(501) 및 뇌연령 예측 모델(701)에 입력하기 전에 전처리 할 수 있다. 프로세서(103)가 전처리된 뇌영상을 뇌성별 예측 모델(501) 및 뇌연령 예측 모델(701)에 입력하면 뇌연령이 예측될 수 있다. 뇌성별 예측 모델(501)에 대하여는 도 4 내지 도 5에서 설명하도록 하겠다. 뇌연령 예측 모델(701)에 대하여는 도 7 내지 도 8에서 설명하도록 하겠다.The processor 103 can identify the brain image transmitted from the database 101. The processor 103 may preprocess the transmitted brain image before inputting it into the brain sex prediction model 501 and the brain age prediction model 701. Brain age can be predicted when the processor 103 inputs the preprocessed brain image into the brain sex prediction model 501 and the brain age prediction model 701. The brain sex prediction model 501 will be explained in FIGS. 4 and 5. The brain age prediction model 701 will be explained in FIGS. 7 and 8.
메모리(104)는 뇌연령을 예측하는 과정에서 생성된 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(104)는 학습된 뇌성별 예측 모델(501) 및 뇌연령 예측 모델(701)을 저장하고 있다가 프로세서(103)가 뇌연령을 예측할 때 제공할 수 있다.The memory 104 may store data generated in the process of predicting brain age. For example, the memory 104 may store the learned brain sex prediction model 501 and the brain age prediction model 701 and provide them to the processor 103 when predicting brain age.
이하에서는 프로세서(103)가 뇌연령을 예측하는 과정을 설명하겠다.Below, the process by which the processor 103 predicts brain age will be described.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌연령을 예측하는 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.Figure 2 is a flow chart for explaining a method for predicting brain age according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 컴퓨팅 장치(102)는 프로세서(103), 뇌성별 예측 모델(501) 및 뇌연령 예측 모델(701)을 이용하여 뇌연령을 예측할 수 있다. 뇌성별 예측 모델(501)은 도 5에 도시 되어 있다. 뇌연령 예측 모델(701)은 도 7에 도시되어 있다.Referring to FIG. 2, the computing device 102 can predict brain age using the processor 103, the brain sex prediction model 501, and the brain age prediction model 701. The brain sex prediction model 501 is shown in FIG. 5. Brain age prediction model 701 is shown in FIG. 7.
구체적으로, 컴퓨팅 장치(102)에 포함되는 프로세서(103)가 뇌성별 예측 모델(501) 및 뇌연령 예측 모델(701)을 이용하여 뇌연령을 예측할 수 있다. 뇌성별 예측 모델(501) 및 뇌연령 예측 모델(701)은 각각 뇌성별 특징 및 뇌연령을 예측하도록 학습된 모델일 수 있다.Specifically, the processor 103 included in the computing device 102 may predict brain age using the brain sex prediction model 501 and the brain age prediction model 701. The brain sex prediction model 501 and the brain age prediction model 701 may be models learned to predict brain sex characteristics and brain age, respectively.
단계(201)에서, 프로세서(103)는 데이터베이스(101)로부터 뇌영상을 수신할 수 있다.In step 201, the processor 103 may receive a brain image from the database 101.
단계(202)에서, 프로세서(103)는 컴퓨팅 장치(102)가 수신한 뇌영상을 식별할 수 있다.In step 202, the processor 103 may identify the brain image received by the computing device 102.
뇌영상은 데이터베이스(101)가 수집한 영상일 수 있다. 뇌영상은 오픈 소스로부터 수집된 만 18세 이상의 건강한 사람의 뇌영상일 수 있다. 뇌영상은 MRI 영상으로 T1 강조 영상일 수 있다.Brain images may be images collected by the database 101. Brain images may be brain images of healthy people over the age of 18 collected from open sources. Brain images are MRI images, which may be T1-weighted images.
데이터베이스(101)는 뇌영상을 정제할 수 있다. 데이터베이스(101)는 뇌영상의 질이 낮은 경우 및 뇌영상이 방향 정보를 포함하고 있지 않은 경우와 같이 이후에 전처리가 어려운 뇌영상을 데이터베이스(101)로부터 삭제할 수 있다. 뇌영상의 방향 정보는 3차원 x 축, y 축 및 z 축에 대한 정보일 수 있다. 구체적으로, 뇌영상의 방향 정보는 뇌의 좌뇌와 우뇌에 해당하는 좌/우 정보, 뇌의 앞과 뒤에 대한 전/후(anterior-posterior) 정보 및 뇌의 위와 아래에 대한 상/하(superior-interior) 정보를 포함할 수 있다. 또한, 데이터베이스(101)는 두개골이 제거된 뇌영상 및 뇌의 일부가 제거된 뇌영상을 데이터베이스(101)로부터 삭제하여 뇌영상을 정제할 수 있다.The database 101 can purify brain images. The database 101 may delete brain images that are difficult to pre-process later, such as when the quality of the brain images is low or when the brain images do not contain direction information. The direction information of the brain image may be information about the three-dimensional x-axis, y-axis, and z-axis. Specifically, the direction information of brain images includes left/right information corresponding to the left and right brains, anterior-posterior information about the front and back of the brain, and superior/bottom information about the top and bottom of the brain. interior) information may be included. Additionally, the database 101 may purify the brain images by deleting from the database 101 brain images with the skull removed and brain images with part of the brain removed.
따라서, 프로세서(103)가 식별하는 뇌영상은 만 18세 이상의 T1 강조 영상이고, 뇌영상에 포함되는 뇌는 일부가 잘리지 않은 온전한 형태의 뇌이며, 두개골을 포함하는 영상일 수 있다.Accordingly, the brain image identified by the processor 103 is a T1-weighted image of a person over 18 years of age, and the brain included in the brain image is an intact brain with no part of it cut, and may be an image including the skull.
단계(203)에서, 프로세서(103)는 식별한 뇌영상을 전처리할 수 있다.In step 203, the processor 103 may preprocess the identified brain image.
프로세서(103)가 식별한 뇌영상은 데이터베이스(101)에서 정제된 뇌영상이지만, MR 스캐너 및 영상 촬영 기법 등이 다양하므로 뇌영상을 뇌성별 예측 모델(501) 및 뇌연령 예측 모델(701)에 입력하기 전에 전처리할 필요가 있다.The brain image identified by the processor 103 is a brain image refined from the database 101, but since there are various MR scanners and imaging techniques, the brain image is used in the brain sex prediction model 501 and the brain age prediction model 701. It needs to be preprocessed before input.
뇌영상을 전처리하는 방법에 대하여는 도 3에서설명하도록 하겠다.The method for preprocessing brain images will be explained in Figure 3.
단계(204)에서, 프로세서(103)는 뇌영상을 증강하는 단계를 더 포함할 수 있다.In step 204, the processor 103 may further include augmenting the brain image.
신경망 기반의 딥러닝 과정에서 편향 및 분산의 가능성을 낮추고 특정 뇌영상 데이터에 대해서 딥러닝 모델이 과적합(over-fitting)되는 것을 방지하기 위해서 뇌영상의 증강이 필요할 수 있다.Augmentation of brain images may be necessary to reduce the possibility of bias and variance in the neural network-based deep learning process and to prevent over-fitting of deep learning models to specific brain imaging data.
프로세서(103)는 성별 및 연령대에 따른 데이터의 분포 양상을 파악하여 보강이 필요한 대상자군에 대하여 뇌영상 데이터를 증강할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(103)는 성별 및 연령대를 기초로 세부 대상자군별로 뇌영상 템플릿을 구축하고, 데이터 증강 기법인 이동(shifting), 회전(rotation) 및 뒤집기(flipping) 등을 적용하여 성별 및 연령 특성을 잘 반영하도록 뇌영상을 증강할 수 있다.The processor 103 can identify the distribution pattern of data according to gender and age group and augment neuroimaging data for a group of subjects in need of augmentation. Specifically, the processor 103 builds a brain image template for each detailed subject group based on gender and age, and applies data augmentation techniques such as shifting, rotation, and flipping to determine gender and age. Brain images can be augmented to better reflect characteristics.
단계(205)에서, 프로세서(103)는 전처리된 뇌영상을 뇌성별 예측 모델(501) 및 뇌연령 예측 모델(701)에 입력할 수 있다.In step 205, the processor 103 may input the preprocessed brain image into the brain sex prediction model 501 and the brain age prediction model 701.
단계(206)에서, 뇌성별 예측 모델(501)은 전처리된 뇌영상으로부터 뇌성별 특징을 예측할 수 있다.In step 206, the brain gender prediction model 501 may predict brain gender characteristics from the preprocessed brain image.
뇌성별 예측 모델(501)은 전처리된 뇌영상으로부터 뇌성별 특징을 예측하도록 학습된 모델일 수 있다. 구체적으로 뇌성별 예측 모델(501)은 합성곱 신경망(convolution neural network, CNN)일 수 있다.The brain gender prediction model 501 may be a model learned to predict brain gender characteristics from preprocessed brain images. Specifically, the brain gender prediction model 501 may be a convolution neural network (CNN).
뇌성별 예측 모델(501)이 뇌성별 특징을 예측하는 방법에 대해서는 도 4에서 더 설명하겠다.The method by which the brain gender prediction model 501 predicts brain gender characteristics will be further explained in FIG. 4.
단계(207)에서, 뇌성별 예측 모델(501)은 예측한 뇌성별 특징을 뇌연령 예측 모델(701)로 입력할 수 있다.In step 207, the brain sex prediction model 501 may input the predicted brain sex characteristics into the brain age prediction model 701.
단계(208)에서, 뇌연령 예측 모델(701)은 뇌성별 예측 모델(501)로부터 입력 받은 뇌성별 특징 및 프로세서(103)로부터 입력 받은 전처리된 뇌영상으로부터 뇌연령을 예측할 수 있다.In step 208, the brain age prediction model 701 may predict brain age from the brain sex characteristics input from the brain sex prediction model 501 and the preprocessed brain image input from the processor 103.
뇌연령 예측 모델(701)은 전처리된 뇌영상 및 뇌성별 특징을 이용하여 뇌성별 특징에 기초한 뇌연령을 예측하도록 학습된 모델일 수 있다. 구체적으로, 뇌연령 예측 모델(701)은 합성곱 신경망 모델 및 다층 퍼셉트론 모델을 결합한 학습 모델일 수 있다. 즉, 뇌연령 예측 모델(701)은 하이브리드 딥러닝 기반의 모델일 수 있다.The brain age prediction model 701 may be a model learned to predict brain age based on brain sex characteristics using preprocessed brain images and brain sex characteristics. Specifically, the brain age prediction model 701 may be a learning model that combines a convolutional neural network model and a multilayer perceptron model. That is, the brain age prediction model 701 may be a hybrid deep learning-based model.
뇌연령 예측 모델(701)이 뇌연령을 예측하는 방법에 대해서는 도 6에서 더 설명하도록 하겠다.The method by which the brain age prediction model 701 predicts brain age will be further explained in FIG. 6.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌영상을 전처리하는 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.Figure 3 is a flow chart to explain a method of preprocessing a brain image according to an embodiment of the present invention.
단계(301)에서, 프로세서(103)는 뇌영상의 복셀 크기 및 복셀 부피를 표준 템플릿에 일치시킬 수 있다.In step 301, the processor 103 may match the voxel size and voxel volume of the brain image to a standard template.
뇌영상은 데이터베이스가 수집한 뇌영상으로 촬영에 사용한 MR 스캐너 및 촬영 기법이 다양하므로 이를 정규화할 필요가 있다. 따라서, 최소한의 전처리 과정을 거친 뇌영상을 입력 데이터로 활용하기 위해서 프로세서는 MATLAB 기반의 SPM12 프로그램을 이용하여 영상의 복셀 크기 및 복셀 부피를 통일할 수 있다.Neuroimaging is a brain image collected by a database, and since the MR scanners and imaging techniques used for imaging are diverse, it is necessary to normalize them. Therefore, in order to use brain images that have undergone minimal preprocessing as input data, the processor can use the MATLAB-based SPM12 program to unify the voxel size and voxel volume of the image.
단계(302)에서, 프로세서(103)는 일치된 뇌영상을 표준 템플릿에 비선형적으로 정합할 수 있다.At step 302, processor 103 may non-linearly register the matched brain image to a standard template.
즉, 프로세서(103)는 일치된 뇌영상을 회전, 확대 및 축소 등과 같은 영상의 단순 변환만을 수행하는 선형적 정합뿐만 아니라, 추가적으로, 일치된 뇌영상의 국소적인 부분의 변형을 통해 뇌영상의 세부구조를 정확히 일치시킬 수 있는 비선형적 정합을 수행할 수 있다.That is, the processor 103 not only performs linear registration that performs simple transformations of the matched brain images such as rotation, enlargement, and reduction, but also additionally deforms local parts of the matched brain images to provide details of the brain images. Nonlinear matching can be performed to accurately match the structure.
프로세서(103)는 MNI152 표준 템플릿에 비선형적으로 뇌영상을 정합하여 개별 뇌영상 데이터들을 정규화 할 수 있다.The processor 103 can normalize individual brain image data by non-linearly matching the brain image to the MNI152 standard template.
추가적으로, 프로세서(103)는 합성곱 신경망 모델에서 뇌영상을 사용하기 위해 파이썬(python) NiBabel 패키지로 NifTI 형식의 뇌영상 파일들을 로딩한 후 넘파이(numpy) 배열로 배열할 수 있다. 프로세서(103)는 넘파이 배열의 구성값에 대해 개별 값을 최대값으로 나누어 최대-최소 정규화를 수행할 수 있다.Additionally, the processor 103 can load brain image files in NifTI format with the Python NiBabel package and arrange them in a numpy array to use brain images in a convolutional neural network model. The processor 103 may perform maximum-minimum normalization on the constituent values of the NumPy array by dividing individual values by the maximum value.
이하에서는 정규화된 뇌영상을 이용하여 뇌성별 예측 모델(501)이 뇌성별 특징을 예측하는 방법을 설명하겠다.Below, we will explain how the brain sex prediction model 501 predicts brain sex characteristics using normalized brain images.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌성별 특징을 예측하는 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.Figure 4 is a flow chart for explaining a method for predicting brain characteristics according to an embodiment of the present invention.
프로세서(103)는 뇌성별 예측 모델(501)을 이용하여 뇌성별 특징을 예측할 수 있다. 뇌성별 예측 모델은 학습된 CNN 모델일 수 있다.The processor 103 may predict brain gender characteristics using the brain gender prediction model 501. The brain gender prediction model may be a learned CNN model.
단계(401)에서, 뇌성별 예측 모델(501)은 전처리된 뇌영상으로부터 뇌성별과 관련된 특징인 제1 성별 특징을 추출할 수 있다.In step 401, the brain gender prediction model 501 may extract a first gender feature, which is a feature related to brain gender, from the preprocessed brain image.
뇌성별 예측 모델(501)은 전처리된 T1 강조 뇌영상을 입력 데이터로 하여, 3차원 뇌영상이 가진 뇌성별과 관련된 특징을 추출할 수 있다. 그리고, 뇌성별 예측 모델(501)은 뇌성별과 관련된 특징에 대해 가중치를 적용하여 뇌성별 특징 지도를 생성할 수 있다.The brain sex prediction model 501 uses preprocessed T1-weighted brain images as input data and can extract features related to brain sex in 3D brain images. Additionally, the brain sex prediction model 501 can generate a brain sex feature map by applying weights to features related to brain sex.
단계(402)에서, 뇌성별 예측 모델(501)은 제1 성별 특징으로부터 뇌성별 예측에 기여하는 특징인 제2 성별 특징을 추출할 수 있다.In step 402, the brain gender prediction model 501 may extract a second gender characteristic, which is a feature contributing to brain gender prediction, from the first gender characteristic.
뇌성별 예측에 기여하는 특징인 제2 성별 특징은 뇌성별과 관련된 특징인 제1 성별 특징에 포함될 수 있다. 구조적 뇌영상에는 뇌성별과 관련된 특징이 포함될 수 있다. 그러나, 모든 뇌성별과 관련된 특징이 뇌성별을 예측하는데 도움이 되는 것은 아니다. 그러므로, 뇌성별 특징을 예측하기 위해 뇌성별과 관련된 특징 중에서 뇌성별 예측에 기여하는 특징을 추출할 필요가 있다. 따라서, 뇌성별 예측 모델(501)은 뇌성별과 관련된 특징에 대해 가중치를 적용하여 생성된 뇌성별 특징 지도로부터 주요 특징인 제2 성별 특징을 추출할 수 있다.The second gender feature, which is a feature that contributes to brain sex prediction, may be included in the first gender feature, which is a feature related to brain sex. Structural brain imaging may include features related to brain sex. However, not all brain sex-related characteristics are helpful in predicting brain sex. Therefore, in order to predict brain sex characteristics, it is necessary to extract features that contribute to brain sex prediction among features related to brain sex. Accordingly, the brain gender prediction model 501 can extract the second gender feature, which is a main feature, from the brain gender feature map generated by applying weights to features related to brain gender.
단계(403)에서, 뇌성별 예측 모델(501)은 제2 성별 특징의 가중치를 분석할 수 있다.In step 403, the brain gender prediction model 501 may analyze the weight of the second gender characteristic.
뇌성별 예측 모델(501)은 추출된 제2 성별 특징의 가중치를 분석하여 특정 임계값을 기준으로 분류할 수 있다.The brain gender prediction model 501 can analyze the weight of the extracted second gender feature and classify it based on a specific threshold.
단계(404)에서, 뇌성별 예측 모델(501)은 제2 성별 특징을 기초로 시그모이드 활성화 함수(sigmoid activation fuction)를 적용하여 임계값을 기준으로 뇌성별 특징을 예측할 수 있다.In step 404, the brain gender prediction model 501 may predict brain gender characteristics based on a threshold by applying a sigmoid activation function based on the second gender characteristic.
뇌성별 예측 모델(501)은 특정 임계값을 기준으로 분류된 제2 성별 특징에 대하여 특정 임계값 이상은 남성성으로, 특정 임계값 미만은 여성성으로 결정할 수 있다. 따라서, 뇌성별 예측 모델(501)은 특정 임계값을 기준으로 남성성 및 여성성으로 결정된 제2 성별 특징을 기초로 뇌성별 특징을 예측할 수 있다.The brain gender prediction model 501 may determine that a second gender characteristic classified based on a specific threshold is masculine if it is above a certain threshold, and can be determined to be feminine if it is less than a certain threshold. Accordingly, the brain gender prediction model 501 can predict brain gender characteristics based on the second gender characteristics determined as masculine and feminine based on a specific threshold.
뇌성별 특징은 뇌영상에 포함된 뇌의 성별을 남성의 뇌 또는 여성의 뇌 중에서 어디에 가까운지 백분위로 표시한 정보일 수 있다. 예를 들어, 뇌성별 특징은 남성성 60%, 여성성 40%과 같이 표시될 수 있다.Brain gender characteristics may be information that indicates the gender of the brain included in the brain image as a percentile, indicating whether it is a male brain or a female brain. For example, brain gender characteristics may be displayed as 60% masculine and 40% feminine.
이하에서는, 뇌성별 예측 모델(501)의 구조를 설명하겠다.Below, the structure of the brain gender prediction model 501 will be described.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌성별 특징을 예측하는 뇌성별 예측 모델을 설명하기 위한 도면이다.Figure 5 is a diagram for explaining a brain sex prediction model for predicting brain sex characteristics according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 뇌성별 예측 모델(501)은 전처리된 뇌영상으로부터 뇌성별 특징을 예측할 수 있다. 뇌성별 예측 모델(501)은 제1 블록(502), 제2 블록(503), 제3 블록(504), 제4 블록(505), 제5 블록(506), 최대 풀링층(507), 평탄화층(508), 제6 블록(509) 및 로지스틱 회귀분석부(510)을 포함할 수 있다. 이때, 뇌성별 예측 모델(501)은 제1 블록을 2번 반복할 수 있다.Referring to FIG. 5, the brain sex prediction model 501 can predict brain sex characteristics from preprocessed brain images. The brain sex prediction model 501 includes a first block 502, a second block 503, a third block 504, a fourth block 505, a fifth block 506, a maximum pooling layer 507, It may include a planarization layer 508, a sixth block 509, and a logistic regression analysis unit 510. At this time, the brain gender prediction model 501 may repeat the first block twice.
제1 블록(502) 및 제3 블록(504)은 3차원 합성곱층, ReLu 함수층, 최대 풀링층 및 배치정규화층을 포함할 수 있다. 제2 블록(503), 제4 블록(505) 및 제5 블록(506)은 3차원 합성곱층 및 ReLu 함수층을 포함할 수 있다. 제6 블록(509)은 밀집층 및 선형 함수층을 포함할 수 있다.The first block 502 and the third block 504 may include a 3D convolution layer, a ReLu function layer, a maximum pooling layer, and a batch normalization layer. The second block 503, fourth block 505, and fifth block 506 may include a 3D convolution layer and a ReLu function layer. The sixth block 509 may include a dense layer and a linear function layer.
3차원 합성곱층은 전처리된 뇌영상을 입력 데이터로 하여 3차원 뇌영상이 가진 뇌성별과 관련된 특징을 추출할 수 있다. 그리고, 3차원 합성곱층은 뇌성별과 관련된 특징에 가중치를 적용하여 뇌성별 특징 지도를 구성할 수 있다.The 3D convolution layer uses preprocessed brain images as input data and can extract features related to brain gender in the 3D brain images. In addition, the 3D convolution layer can construct a feature map for each brain sex by applying weights to features related to brain sex.
최대 풀링층은 3차원 합성곱층에서 구성된 뇌성별 특징 지도로부터 주요한 특징을 서브 샘플링하여 출력 데이터를 추출할 수 있다.The maximum pooling layer can extract output data by subsampling key features from the brain sex feature map constructed from a 3D convolution layer.
평탄화층(507)은 3차원 뇌영상이 지닌 뇌성별과 관련된 특징을 1차원 배열로 변환할 수 있다.The flattening layer 507 can convert features related to brain gender in a 3D brain image into a 1D array.
제6 블록(509)의 밀집층은 완전히 연결된 형식일 수 있다. 밀집층은 뇌성별과 관련된 특징 중에서 뇌성별 특징의 예측에 기여하는 특징을 추출할 수 있다.The dense layer of the sixth block 509 may be fully connected. The dense layer can extract features that contribute to the prediction of brain sex characteristics among features related to brain sex.
배치정규화층은 배치 단위로 진행되는 학습 과정에서의 출력 데이터를 정규화하여 전체 딥러닝 과정을 안정화할 수 있다.The batch normalization layer can stabilize the entire deep learning process by normalizing the output data in the learning process conducted on a batch basis.
로지스틱 회귀분석부(510)은 밀집층에서 추출된 뇌성별 특징의 예측에 기여하는 특징의 가중치를 분석할 수 있다. 로지스틱 회귀분석부(510)는 시그모이드 활성화 함수(sigmoid activation function)을 적용하여 뇌성별 특징을 예측할 수 있다.The logistic regression analysis unit 510 may analyze the weights of features that contribute to the prediction of brain sex characteristics extracted from the dense layer. The logistic regression analysis unit 510 can predict brain sex characteristics by applying a sigmoid activation function.
이하에서는 뇌성별 특징과 전처리된 뇌영상을 이용해 뇌연령을 예측하는 방법을 설명하겠다.Below, we will explain how to predict brain age using brain sex characteristics and preprocessed brain images.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌연령을 예측하는 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.Figure 6 is a flow chart to explain a method for predicting brain age according to an embodiment of the present invention.
프로세서(103)는 뇌연령 예측 모델(701)을 이용하여 뇌연령을 예측할 수 있다. 뇌연령 예측 모델(701)은 전처리된 뇌영상 및 뇌성별 특징으로부터 뇌연령을 예측할 수 있다. 뇌연령 예측 모델(710)은 합성곱 신경망 모델 및 다층 퍼셉트론 모델이 결합된 모델일 수 있다. 즉, 뇌연령 예측 모델(710)은 하이브리드 딥러닝 모델일 수 있다.The processor 103 can predict brain age using the brain age prediction model 701. The brain age prediction model 701 can predict brain age from preprocessed brain images and brain sex characteristics. The brain age prediction model 710 may be a model that combines a convolutional neural network model and a multilayer perceptron model. That is, the brain age prediction model 710 may be a hybrid deep learning model.
단계(601)에서, 뇌연령 예측 모델(701)은 전처리된 뇌영상을 뇌연령 예측 모델의 합성곱 신경망 모델에 입력하여 뇌연령 예측에 기여하는 뇌영상의 특징인 제1 연령 특징을 추출할 수 있다.In step 601, the brain age prediction model 701 inputs the preprocessed brain image into the convolutional neural network model of the brain age prediction model to extract the first age feature, which is a feature of the brain image that contributes to brain age prediction. there is.
전처리된 뇌영상은 전처리된 T1 강조 영상일 수 있다. 전처리된 뇌영상은 앞서 뇌성별 예측 모델(501)에 입력된 전처리된 뇌영상과 동일한 영상일 수 있다. 제1 연령 특징은 전처리된 뇌영상에서 추출된 뇌연령을 예측하는데 기여하는 특징일 수 있다.The preprocessed brain image may be a preprocessed T1-weighted image. The preprocessed brain image may be the same image as the preprocessed brain image previously input to the brain gender prediction model 501. The first age feature may be a feature that contributes to predicting brain age extracted from the preprocessed brain image.
단계(602)에서, 뇌연령 예측 모델(701)은 예측된 뇌성별 특징을 뇌연령 예측 모델의 다층 퍼셉트론 모델에 입력하여 뇌연령 예측에 기여하는 특징인 제2 연령 특징을 추출할 수 있다.In step 602, the brain age prediction model 701 inputs the predicted brain sex characteristics into the multi-layer perceptron model of the brain age prediction model to extract the second age feature, which is a feature contributing to brain age prediction.
예측된 뇌성별 특징은 뇌성별 예측 모델(501)이 전처리된 뇌영상을 입력으로 받아 출력한 특징일 수 있다. 제2 연령 특징은 뇌성별 특징으로부터 추출된 뇌연령을 예측하는데 기여하는 특징일 수 있다The predicted brain gender features may be features output by the brain gender prediction model 501 after receiving a preprocessed brain image as input. The second age feature may be a feature that contributes to predicting brain age extracted from brain sex characteristics.
단계(603)에서, 뇌연령 예측 모델(701)은 제1 연령 특징 및 제2 연령 특징에 기초하여 뇌성별에 기초한 뇌연령을 예측할 수 있다.In step 603, the brain age prediction model 701 may predict brain age based on brain gender based on the first age characteristic and the second age characteristic.
뇌 발달 및 노화과정에서 성별사이의 뚜렷한 차이가 있으므로, 뇌성별에 기초한 뇌연령을 예측함으로써 범주형 특성(예: 남자 또는 여자)이 아닌 정량화된 뇌성별 특성(예: 남성성 60%, 여성성 40%)을 반영한 뇌연령을 예측할 수 있다.Because there are marked differences between the sexes in brain development and aging processes, predicting brain age based on brain sex allows for quantified brain sex characteristics (e.g., 60% male or 60% female) rather than categorical characteristics (e.g., male or female). 40%) can be predicted to reflect brain age.
이하에서는 뇌연령 예측 모델(701)의 구조를 설명하겠다.Below, the structure of the brain age prediction model 701 will be explained.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌연령을 예측하는 뇌연령 예측 모델을 설명하기 위한 도면이다.Figure 7 is a diagram for explaining a brain age prediction model for predicting brain age according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 뇌연령 예측 모델(701)은 합성곱 신경망 모델(702) 및 다층 퍼셉트론 모델(703)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 합성곱 신경망 모델(702)은 전처리된 뇌영상을 입력 받아 뇌연령을 예측하는데 기여하는 특징을 추출할 수 있다. 다층 퍼셉트론 모델(703)은 뇌성별 예측 모델(501)로부터 예측된 뇌성별 특징을 입력 받아 뇌연령을 예측하는데 기여하는 특징을 추출할 수 있다.Referring to FIG. 7, the brain age prediction model 701 may include a convolutional neural network model 702 and a multilayer perceptron model 703. Specifically, the convolutional neural network model 702 can receive preprocessed brain images and extract features that contribute to predicting brain age. The multi-layer perceptron model 703 can receive brain sex characteristics predicted from the brain sex prediction model 501 and extract features that contribute to predicting brain age.
먼저 제1 연령 특징을 추출하는 합성곱 신경망 모델(702)의 구조에 대해 설명하겠다.First, we will explain the structure of the convolutional neural network model 702 that extracts the first age feature.
합성곱 신경망 모델(702)은 3차원 합성곱층 및 ReLu 함수층을 포함하는 제1 블록, 3차원 합성곱층, 배치정규화층 및 ReLu 함수층을 포함하는 제2 블록 및 최대 풀링층을 포함하는 제3 블록을 포함하는 블록(704)을 포함할 수 있다. 합성곱 신경망 모델(702)은 위 블록(704)을 5회 반복할 수 있다. 블록(704)을 반복하면, 채널은 8, 16, 32, 64, 128로 높아질 수 있다. 채널이 높아지면, 뇌영상이 갖는 복합적인 특성이 구현될 수 있다.The convolutional neural network model 702 includes a first block including a 3D convolutional layer and a ReLu function layer, a second block including a 3D convolutional layer, a batch normalization layer, and a ReLu function layer, and a third block including a max pooling layer. It may include a block 704 containing blocks. The convolutional neural network model 702 can repeat the above block 704 five times. By repeating block 704, the channels can be increased to 8, 16, 32, 64, and 128. As the channel becomes higher, the complex characteristics of brain imaging can be realized.
그 후에, 합성곱 신경망 모델(702)은 블록(704) 다음에 평탄화층(705)을 배치하여 3차원 데이터를 1차원으로 변환할 수 있다. 합성곱 신경망 모델(702)은 평탄화층(705) 다음에 밀집층 및 ReLu 함수층을 포함하는 층(706)을 배치할 수 있다. 밀집층 및 ReLu 함수층을 포함하는 층(706)에서 밀집 층은 64개의 노드를 포함할 수 있다. ReLu 함수층은 활성화 함수를 적용할 수 있다.Afterwards, the convolutional neural network model 702 can transform the three-dimensional data into one dimension by placing a smoothing layer 705 after the block 704. The convolutional neural network model 702 may place a flattening layer 705 followed by a layer 706 including a dense layer and a ReLu function layer. In the layer 706 including the dense layer and the ReLu function layer, the dense layer may include 64 nodes. The ReLu function layer can apply an activation function.
이어서, 합성곱 신경망 모델(702)은 배치정규화층(707)을 배치하여 데이터를 안정화할 수 있다. 그 후에, 합성곱 신경망 모델(702)은 드롭아웃층(drop out layer)(708)을 배치하여 과적합(over-fitting)을 방지할 수 있다.Next, the convolutional neural network model 702 can stabilize the data by placing a batch normalization layer 707. Afterwards, the convolutional neural network model 702 can prevent over-fitting by placing a drop out layer 708.
추가적으로 드롭아웃층(708) 다음에 밀집층 및 ReLu 함수층을 포함하는 층을 다시 배치할 수 있다. 이때, 밀집층은 16개의 노드를 가질 수 있다.Additionally, a layer including a dense layer and a ReLu function layer may be rearranged after the dropout layer 708. At this time, the dense layer may have 16 nodes.
합성곱 신경망 모델의 구조 중에서 복수의 풀링층에서는 생성된 뇌연령 특징 지도로부터 주요 특징을 서브샘플링하여 출력 데이터를 추출할 수 있다.In the structure of the convolutional neural network model, output data can be extracted by subsampling key features from the generated brain age feature map in a plurality of pooling layers.
배치정규화층은 배치 단위로 진행되는 학습 과정에서의 출력 데이터를 정규화여 전체 딥러닝 과정을 안정화할 수 있다.The batch normalization layer can stabilize the entire deep learning process by normalizing the output data during the learning process conducted on a batch basis.
평탄화층은 3차원 뇌영상이 지닌 뇌연령 특징을 1차원 배열로 변환할 수 있다.The flattening layer can convert the brain age characteristics of 3D brain images into a 1D array.
그리고, 밀집층은 뇌연령 예측에 기여하는 특징인 제1 연령 특징을 출력할 수 있다.And, the dense layer can output the first age feature, which is a feature that contributes to brain age prediction.
다음으로 제2 연령 특징을 추출하는 다층 퍼셉트론 모델(703)의 구조에 대해 설명하겠다.Next, we will explain the structure of the multilayer perceptron model 703 that extracts the second age feature.
다층 퍼셉트론 모델(703)은 밀집층 및 ReLu 함수층을 결합한 층을 반복하여 배치할 수 있다.The multi-layer perceptron model 703 can repeatedly arrange layers combining a dense layer and a ReLu function layer.
처음으로 오는 밀집층은 512개의 노드를 포함할 수 있다. 그 다음으로 오는 밀집층은 4개의 노드를 포함할 수 있다. The first dense layer to come can contain 512 nodes. The next dense layer may contain four nodes.
다층 퍼셉트론 모델(703)의 밀집층은 뇌성별 예측 모델(501)에서 예측된 뇌성별 특징을 입력으로 받을 수 있다. 그 후, 밀집층은 뇌성별 특징 중에서 뇌연령 예측에 기여하는 특징인 제2 연령 특징을 출력할 수 있다.The dense layer of the multi-layer perceptron model 703 can receive the brain sex characteristics predicted in the brain sex prediction model 501 as input. Afterwards, the dense layer can output the second age feature, which is a feature that contributes to predicting brain age among brain sex features.
마지막으로 하이브리드 딥러닝 모델을 위한 구조를 설명하겠다.Lastly, we will explain the structure for the hybrid deep learning model.
뇌연령 예측 모델(701)은 합성곱 신경망 모델(702)과 다층 퍼셉트론 모델(703)의 출력 값이 병렬적으로 입력될 수 있도록 결합층을 배치할 수 있다. 결합층은 합성곱 신경망 모델(702)과 다층 퍼셉트로 모델(703)을 거치며 출력된 특징인 제1 연령 특징 및 제2 연령 특징을 결합할 수 있다.The brain age prediction model 701 may arrange a combination layer so that the output values of the convolutional neural network model 702 and the multilayer perceptron model 703 can be input in parallel. The combination layer may combine the first age feature and the second age feature, which are features output through the convolutional neural network model 702 and the multilayer perceptor model 703.
그 다음, 뇌연령 예측 모델(701)은 4개의 노드를 가진 밀집층을 배치할 수 있다. 뇌연령 예측 모델(701)은 밀집층 다음에 ReLu 함수층을 배치하여 ReLu 활성화 함수를 적용할 수 있다.Next, the brain age prediction model 701 can place a dense layer with 4 nodes. The brain age prediction model 701 can apply the ReLu activation function by placing the ReLu function layer after the dense layer.
마지막으로, 뇌연령 예측 모델(701)은 1개의 노드를 지닌 밀집층을 배치한 후 선형 함수층을 배치하여 선형 활성화 함수를 적용해 뇌연령을 예측할 수 있다. 밀집층에서는 뇌연령 예측에 기여하는 특징의 가중치를 분석할 수 있다. 그 다음, 선형함수층에서는 선형 활성화 함수를 적용하여 뇌연령을 예측할 수 있다.Lastly, the brain age prediction model 701 can predict brain age by placing a dense layer with one node and then placing a linear function layer and applying a linear activation function. In dense layers, the weights of features that contribute to brain age prediction can be analyzed. Next, in the linear function layer, brain age can be predicted by applying a linear activation function.
이하에서는 뇌연령 예측 모델(701)을 학습하는 방법에 대해서 설명하겠다.Below, we will explain how to learn the brain age prediction model 701.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌연령 예측 모델을 학습하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.Figure 8 is a diagram for explaining a method of learning a brain age prediction model according to an embodiment of the present invention.
단계(801)에서, 프로세서(103)는 데이터베이스로부터 뇌영상, 성별 및 연령을 포함하는 데이터 세트를 식별할 수 있다.At step 801, processor 103 may identify a data set including brain images, gender, and age from a database.
뇌영상, 성별 및 연령은 데이터베이스가 수집한 데이터일 수 있다. 뇌영상은 뇌영상의 방향 정보를 포함할 수 있다. 뇌영상에 포함되는 뇌는 일부가 잘리지 않은 온전한 뇌이고, 두개골이 포함될 수 있다. 성별 및 연령은 뇌영상을 촬영한 대상자의 실제 성별 및 실제 연령일 수 있다.Neuroimaging, gender, and age may be data collected by the database. The brain image may include direction information of the brain image. The brain included in brain imaging is an intact brain with no part of it cut, and may include the skull. Gender and age may be the actual gender and actual age of the subject who took the brain image.
단계(802)에서, 프로세서(103)는 데이터 세트 중에서 뇌연령 예측 모델을 학습할 학습 데이터 세트 및 뇌연령 예측 모델을 검증할 테스트 데이터 세트를 결정할 수 있다.In step 802, the processor 103 may determine a training data set from among the data sets to learn a brain age prediction model and a test data set to verify the brain age prediction model.
프로세서(103)는 전체 데이터 세트를 일정 비율에 따라 무작위로 학습 데이터 세트와 테스트 데이터 세트로 추출할 수 있다. 예를 들어 전체 데이터 세트 중에서 학습 데이터 세트를 90%, 테스트 데이터 세트를 10%로 무작위로 결정할 수 있다.The processor 103 may randomly extract the entire data set into a training data set and a test data set according to a certain ratio. For example, you can randomly determine that the training data set is 90% and the test data set is 10% of the entire data set.
이때, 프로세서(103)는 무작위로 추출된 각 세트가 전체 데이터 세트의 연령 분포를 반영할 수 있도록 특정 단위로 전체 데이터 세트를 나누고, 특정 단위로 나누어진 데이터 세트에서 무작위로 추출할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(103)는 5세 단위로 전체 데이터 세트를 나누고, 5세 단위로 나눠진 데이터 세트에서 무작위로 추출할 수 있다.At this time, the processor 103 may divide the entire data set into specific units so that each randomly extracted set reflects the age distribution of the entire data set, and randomly extract data from the data set divided into specific units. For example, the processor 103 may divide the entire data set into 5-year age units and randomly extract data from the data set divided into 5-year age units.
단계(803)에서, 프로세서(103)는 학습 데이터 세트를 이용하여 뇌연령 예측 모델이 뇌영상 및 뇌성별 특징을 입력 받으면 뇌연령을 예측하도록 학습시킬 수 있다.In step 803, the processor 103 may train a brain age prediction model to predict brain age when brain images and brain sex characteristics are input using the learning data set.
뇌연령 예측 모델은 입력 받은 뇌영상의 구조적 특성에 따라서 뇌연령을 예측할 수 있다. 따라서, 뇌연령 예측 모델은 입력 받은 뇌영상이 동일한 연령대의 평균적인 수준보다 대뇌 피질의 두께가 크게 감소한 경우에 뇌연령을 더 높게 예측하도록 학습할 수 있다. 또한, 뇌연령 예측 모델은 입력 받은 뇌영상이 뇌실질이 위축된 경우, 뇌실의 확장이 큰 경우, 뇌실 주변 백질의 고강도 신호가 강한 경우 및 해마의 부피가 크게 감소한 경우 등에서 뇌연령을 높게 예측하도록 학습할 수 있다.The brain age prediction model can predict brain age according to the structural characteristics of the input brain image. Therefore, the brain age prediction model can learn to predict brain age higher when the input brain image shows a significant decrease in the thickness of the cerebral cortex compared to the average level for the same age group. In addition, the brain age prediction model is trained to predict brain age highly in cases where the input brain image shows atrophy of the brain parenchyma, large enlargement of the ventricles, strong high-intensity signals in the white matter around the ventricles, and cases where the volume of the hippocampus is greatly reduced. can do.
또한, 뇌연령 예측 모델은 입력 받은 뇌성별 특징에 기초하여 뇌연령을 예측하도록 학습할 수 있다. 따라서, 뇌연령 예측 모델은 실제 남성의 뇌성별이 여성인 경우, 뇌연령 예측 모델은 실제 성별 정보인 남성에 기초한 경우보다 뇌성별 특징인 여성에 기초한 경우에 뇌연령을 더 낮게 예측하도록 학습할 수 있다. 또한, 뇌연령 예측 모델은 실제 여성의 뇌성별이 남성인 경우, 뇌연령 예측 모델은 뇌성별 특징인 여성에 기초한 경우보다 실제 성별 정보인 여성에 기초한 경우 뇌연령을 더 높게 예측하도록 학습할 수 있다.Additionally, the brain age prediction model can be learned to predict brain age based on the input brain sex characteristics. Therefore, the brain age prediction model can learn to predict brain age lower when the brain sex of an actual male is female, and the brain age prediction model is based on female brain sex characteristics than when it is based on male, which is actual gender information. there is. In addition, the brain age prediction model can learn to predict brain age higher when the actual female brain sex is male, and when the brain age prediction model is based on actual gender information, female, than when it is based on female brain sex characteristics. .
즉, 뇌연령 예측 모델은 뇌성별 예측 모델이 예측한 뇌성별에 기초하여 뇌연령을 예측할 수 있고, 뇌성별 예측 모델이 예측한 뇌성별이 실제 뇌성별과 일치하는 경우, 뇌연령 예측 모델은 뇌연령을 더 낮게 예측하도록 학습할 수 있다.In other words, the brain age prediction model can predict brain age based on the brain sex predicted by the brain sex prediction model, and if the brain sex predicted by the brain sex prediction model matches the actual brain sex, the brain age prediction model can predict brain age. It can learn to predict age lower.
학습 데이터 세트는 뇌영상에 실제 성별과 실제 연령이 라벨링되어 있을 수 있다.The training data set may contain brain images labeled with actual gender and actual age.
따라서, 뇌성별 예측 모델(501)은 학습 데이터 세트를 이용하여 뇌성별을 예측하도록 학습할 수 있다. 뇌연령 예측 모델(701)은 학습 데이터 세트를 이용하여 뇌연령을 예측하도록 학습할 수 있다.Accordingly, the brain gender prediction model 501 can be trained to predict brain gender using the learning data set. The brain age prediction model 701 can be trained to predict brain age using a learning data set.
단계(804)에서, 프로세서(103)는 테스트 데이터 세트를 이용하여 학습된 뇌연령 예측 모델의 뇌연령을 예측하는 정확도를 검증할 수 있다.In step 804, the processor 103 may verify the accuracy of predicting brain age of the learned brain age prediction model using a test data set.
뇌연령 예측 모델을 학습하는 방법은 데이터를 전처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of learning a brain age prediction model may further include a step of preprocessing data.
따라서, 프로세서(103)는 데이터 세트에 포함된 뇌영상을 학습하는 뇌연령 예측 모델이 식별할 수 있도록 전처리하는 단계를 더 포함할 수 있다.Accordingly, the processor 103 may further include a step of preprocessing the brain images included in the data set so that the learning brain age prediction model can identify them.
이때, 뇌영상은 사용한 MR 스캐너, 촬영 기법 등이 달라서 다양한 형태일수 있다. 따라서, 프로세서(103)는 뇌영상의 복셀 크기 및 복셀 부피를 표준 템플릿에 일치시키고, 일치된 뇌영상을 표준 템플릿에 비선형적으로 정합할 수 있다. 여기서 표준 템플릿은 MNI152 표준 템플릿일 수 있다.At this time, brain imaging can be in various forms depending on the MR scanner and imaging technique used. Accordingly, the processor 103 can match the voxel size and voxel volume of the brain image to the standard template and non-linearly register the matched brain image to the standard template. Here, the standard template may be the MNI152 standard template.
또한, 프로세서(103)는 합성곱 신경망 모델에서 뇌영상을 사용하기 위해 파이썬(python) NiBabel 패키지로 NifTI 형식의 뇌영상 파일을 로딩한 후 넘파이(numpy) 배열로 변환할 수 있다. 넘파이 배열의 구성 정규화는 개별 값들을 최대 값으로 나눠 최대-최소 정규화를 진행할 수 있다.Additionally, the processor 103 can load a NifTI format brain image file with the Python NiBabel package and convert it into a numpy array in order to use the brain image in a convolutional neural network model. Composition normalization of a NumPy array can be done by dividing individual values by the maximum value and performing max-minimum normalization.
프로세서(103)는 뇌영상뿐만 아니라 성별도 전처리 할 수 있다. 프로세서(103)는 원-핫 인코딩(one-hot encoding)을 통해 0 또는 1로 구성된 벡터 형식으로 변환할 수 있다. 따라서, 프로세서(103)는 성별 정보를 입력 데이터로 활용하기 위해서 남성은 ‘M”으로 여성을 ‘F’로 코딩하여 csv 파일 형식으로 저장할 수 있다. 또한, 프로세서(103)는 다층 퍼셉트론 모델에서 성별 정보를 사용하기 위해 csv 파일을 데이터프레임(dataframe)으로 로딩하고, 넘파이 배열로 변환할 수 있다. 넘파이 배열의 원-핫 인코딩은 사이킷런(scikit-learn) 라이브러리의 LabelBinarizer를 사용하여 벡터 형식으로 데이터를 변환할 수 있다.The processor 103 can preprocess not only brain images but also gender. The processor 103 can convert it into a vector format consisting of 0 or 1 through one-hot encoding. Therefore, in order to use gender information as input data, the processor 103 can code male as ‘M’ and female as ‘F’ and save them in csv file format. Additionally, the processor 103 can load the csv file as a dataframe and convert it into a NumPy array to use gender information in the multi-layer perceptron model. One-hot encoding of NumPy arrays can be done using LabelBinarizer from the scikit-learn library to convert the data to vector format.
또한, 뇌연령 예측 모델을 학습하는 방법은 전처리한 후 데이터를 증강하는 단계를 더 포함할 수 있다.Additionally, the method of learning a brain age prediction model may further include the step of preprocessing and then augmenting the data.
신경망 기반의 딥러닝 과정에서 편향 및 분산의 가능성을 낮추고 특정 뇌영상 데이터에 대해서 딥러닝 모델이 과적합(over-fitting)되는 것을 방지하기 위해서 뇌영상의 증강이 필요할 수 있다.Augmentation of brain images may be necessary to reduce the possibility of bias and variance in the neural network-based deep learning process and to prevent over-fitting of deep learning models to specific brain imaging data.
프로세서(103)는 성별 및 연령대에 따른 데이터의 분포 양상을 파악하여 보강이 필요한 대상자군에 대하여 뇌영상 데이터를 증강할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(103)는 성별 및 연령대를 기초로 세부 대상자군별로 뇌영상 템플릿을 구축하고, 데이터 증강 기법인 이동(shifting), 회전(rotation) 및 뒤집기(flipping) 등을 적용하여 성별 및 연령 특성을 잘 반영하도록 뇌영상을 증강할 수 있다.The processor 103 can identify the distribution pattern of data according to gender and age group and augment neuroimaging data for a group of subjects in need of augmentation. Specifically, the processor 103 builds a brain image template for each detailed subject group based on gender and age, and applies data augmentation techniques such as shifting, rotation, and flipping to determine gender and age. Brain images can be augmented to better reflect characteristics.
뇌연령 예측 모델은 테스트 데이터 세트로 검증하기 전 학습 데이터 세트에 포함되는 검증 데이터 세트로 검증하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이하에서는 검증 데이터 세트로 검증하는 방법에 대해서 설명하겠다.The brain age prediction model may further include verification with a verification data set included in the learning data set before verification with the test data set. Below, we will explain how to verify using the verification data set.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌연령 예측 모델을 검증하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.Figure 9 is a diagram for explaining a method for verifying a brain age prediction model according to an embodiment of the present invention.
전체 데이터 세트(901)는 학습 데이터 세트(902)와 테스트 데이터 세트(903)로 나눠질 수 있다. 학습 데이터 세트(902)는 뇌연령 예측 모델(701)을 학습하는데 이용되고, 테스트 데이터 세트(903)는 학습이 완료된 뇌연령 예측 모델(701)을 검증하는데 이용될 수 있다.The entire data set 901 can be divided into a training data set 902 and a test data set 903. The training data set 902 can be used to learn the brain age prediction model 701, and the test data set 903 can be used to verify the trained brain age prediction model 701.
이하에서는 데이터의 편향 및 분산 가능성을 낮추면서 효율적으로 모델을 검증하기 위한 k 겹 교차 검증(k-fold cross validation)을 설명하겠다.Below, we will explain k-fold cross validation to efficiently verify models while reducing the possibility of data bias and variance.
학습 데이터 세트는 학습 데이터 세트와 검증 데이터 세트로 나누어질 수 있다. 이때, 학습 데이터 세트(902)는 k 개의 폴드(fold)로 나누어질 수 있다. 본 명세서에서 뇌연령 학습 모델은 k가 10이지만, k 겹 교차 검증의 설명을 위해 k는 5로 가정하여 설명하겠다.The training data set can be divided into a training data set and a validation data set. At this time, the learning data set 902 may be divided into k folds. In this specification, the brain age learning model has k of 10, but for the explanation of k-fold cross-validation, k is assumed to be 5.
학습 데이터 세트(902)는 5개의 폴드로 나누어지고, 검증 데이터 세트가 겹치지 않는 총 5개의 스플릿이 결정될 수 있다. 스플릿 1(904) 내지 스플릿 5(908)는 서로 다른 검증 데이터 세트를 갖는 스플릿(split)이다.The training data set 902 is divided into five folds, and a total of five splits in which the validation data sets do not overlap can be determined. Split 1 (904) to Split 5 (908) are splits with different verification data sets.
뇌연령 학습 모델은 각각의 스플릿에 포함되는 학습 데이터 세트를 이용해 학습할 수 있다. 즉, 5개의 스플릿에 의해서 5개의 학습된 뇌연령 학습 모델이 생성될 수 있다. 학습된 뇌연령 학습 모델은 각각의 스플릿에 포함되는 검증 데이터 세트를 이용하여 검증될 수 있다. 이때, 검증 결과인 결과 1 내지 결과 5의 평균이 전체 모델의 성능으로 결정될 수 있다.The brain age learning model can be trained using the training data set included in each split. In other words, five learned brain age learning models can be created by five splits. The learned brain age learning model can be verified using the verification data set included in each split. At this time, the average of Result 1 to Result 5, which are verification results, may be determined as the performance of the entire model.
전체 모델의 성능 중에서 손실 함수 값이 가장 작은 모델이 최적의 성능을 가진 모델로 결정될 수 있다. 따라서, 동일한 학습 데이터 세트를 이용해 학습된 복수의 모델 중에서 손실 함수 값이 가장 작은 모델이 최적의 성능을 지닌 모델로 결정될 수 있다.Among the performances of all models, the model with the smallest loss function value can be determined as the model with optimal performance. Therefore, among multiple models learned using the same training data set, the model with the smallest loss function value can be determined as the model with optimal performance.
그리고, 결정된 모델은 전체 학습 데이터 세트를 이용하여 최종적으로 모델을 학습될 수 있다.And, the determined model can be finally learned using the entire training data set.
최종적으로 학습된 모델은 테스트 데이터 세트(903)를 통해 뇌연령 예측 정확도를 확인함으로써 뇌연령 예측 모델의 성능을 검증할 수 있다.Finally, the performance of the brain age prediction model can be verified by checking the brain age prediction accuracy of the learned model through the test data set 903.
또한, k 겹 교차 검증에 따른 개별 결과들의 평균과 표준편차를 이용하여 최적의 하이퍼파라미터(hyperparameter)를 더 결정할 수 있다.In addition, the optimal hyperparameter can be further determined using the average and standard deviation of individual results from k-fold cross-validation.
이를 위해서, 본 발명에서 k는 10이므로 하이퍼파라미터는 다음과 같이 설정될 수 있다. 데이터 세트의 크기와 학습 속도를 고려하여 에포크(epoch)는 100회로, 배치크기는 16으로 설정될 수 있다. 손실 함수(loss function)은 평균 절대 오차(mean absolute error)로 설정하여 학습 과정을 모니터링할 수 있다. 학습률(learning rate)은 0.01로, 학습 감소 값(learning rate decay)은 0.003으로 설정될 수 있다. 또한, 옵티마이저(optimizer)는 Adam(adaptive moment estimation)으로 결정될 수 있다.For this purpose, in the present invention, k is 10, so the hyperparameter can be set as follows. Considering the size and learning speed of the data set, the epoch can be set to 100 and the batch size can be set to 16. The loss function can be set to mean absolute error to monitor the learning process. The learning rate can be set to 0.01 and the learning rate decay to 0.003. Additionally, the optimizer may be determined by Adam (adaptive moment estimation).
한편, 본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성되어 마그네틱 저장매체, 광학적 판독매체, 디지털 저장매체 등 다양한 기록 매체로도 구현될 수 있다.Meanwhile, the method according to the present invention is written as a program that can be executed on a computer and can be implemented in various recording media such as magnetic storage media, optical read media, and digital storage media.
본 명세서에 설명된 각종 기술들의 구현들은 디지털 전자 회로조직으로, 또는 컴퓨터 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어로, 또는 그들의 조합들로 구현될 수 있다. 구현들은 데이터 처리 장치, 예를 들어 프로그램가능 프로세서, 컴퓨터, 또는 다수의 컴퓨터들의 동작에 의한 처리를 위해, 또는 이 동작을 제어하기 위해, 컴퓨터 프로그램 제품, 즉 정보 캐리어, 예를 들어 기계 판독가능 저장 장치(컴퓨터 판독가능 매체) 또는 전파 신호에서 유형적으로 구체화된 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수 있다. 상술한 컴퓨터 프로그램(들)과 같은 컴퓨터 프로그램은 컴파일된 또는 인터프리트된 언어들을 포함하는 임의의 형태의 프로그래밍 언어로 기록될 수 있고, 독립형 프로그램으로서 또는 모듈, 구성요소, 서브루틴, 또는 컴퓨팅 환경에서의 사용에 적절한 다른 유닛으로서 포함하는 임의의 형태로 전개될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 하나의 사이트에서 하나의 컴퓨터 또는 다수의 컴퓨터들 상에서 처리되도록 또는 다수의 사이트들에 걸쳐 분배되고 통신 네트워크에 의해 상호 연결되도록 전개될 수 있다.Implementations of the various techniques described herein may be implemented in digital electronic circuitry, or in computer hardware, firmware, software, or combinations thereof. Implementations may include a computer program product, i.e., an information carrier, e.g., machine-readable storage, for processing by or controlling the operation of a data processing device, e.g., a programmable processor, a computer, or multiple computers. It may be implemented as a computer program tangibly embodied in a device (computer-readable medium) or a radio signal. Computer programs, such as the computer program(s) described above, may be written in any form of programming language, including compiled or interpreted languages, and may be written as a stand-alone program or as a module, component, subroutine, or part of a computing environment. It can be deployed in any form, including as other units suitable for use. The computer program may be deployed for processing on one computer or multiple computers at one site or distributed across multiple sites and interconnected by a communications network.
컴퓨터 프로그램의 처리에 적절한 프로세서들은 예로서, 범용 및 특수 목적 마이크로프로세서들 둘 다, 및 임의의 종류의 디지털 컴퓨터의 임의의 하나 이상의 프로세서들을 포함한다. 일반적으로, 프로세서는 판독 전용 메모리 또는 랜덤 액세스 메모리 또는 둘 다로부터 명령어들 및 데이터를 수신할 것이다. 컴퓨터의 요소들은 명령어들을 실행하는 적어도 하나의 프로세서 및 명령어들 및 데이터를 저장하는 하나 이상의 메모리 장치들을 포함할 수 있다. 일반적으로, 컴퓨터는 데이터를 저장하는 하나 이상의 대량 저장 장치들, 예를 들어 자기, 자기-광 디스크들, 또는 광 디스크들을 포함할 수 있거나, 이것들로부터 데이터를 수신하거나 이것들에 데이터를 송신하거나 또는 양쪽으로 되도록 결합될 수도 있다. 컴퓨터 프로그램 명령어들 및 데이터를 구체화하는데 적절한 정보 캐리어들은 예로서 반도체 메모리 장치들, 예를 들어, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM(Compact Disk Read Only Memory), DVD(Digital Video Disk)와 같은 광 기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 롬(ROM, Read Only Memory), 램(RAM, Random Access Memory), 플래시 메모리, EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM) 등을 포함한다. 프로세서 및 메모리는 특수 목적 논리 회로조직에 의해 보충되거나, 이에 포함될 수 있다.Processors suitable for processing computer programs include, by way of example, both general-purpose and special-purpose microprocessors, and any one or more processors of any type of digital computer. Typically, a processor will receive instructions and data from read-only memory or random access memory, or both. Elements of a computer may include at least one processor that executes instructions and one or more memory devices that store instructions and data. Generally, a computer may include one or more mass storage devices that store data, such as magnetic, magneto-optical disks, or optical disks, receive data from, transmit data to, or both. It can also be combined to make . Information carriers suitable for embodying computer program instructions and data include, for example, semiconductor memory devices, magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, and Compact Disk Read Only Memory (CD-ROM). ), optical media such as DVD (Digital Video Disk), magneto-optical media such as Floptical Disk, ROM (Read Only Memory), RAM , Random Access Memory), flash memory, EPROM (Erasable Programmable ROM), and EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM). The processor and memory may be supplemented by or included in special purpose logic circuitry.
또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용매체일 수 있고, 컴퓨터 저장매체 및 전송매체를 모두 포함할 수 있다.Additionally, computer-readable media can be any available media that can be accessed by a computer, and can include both computer storage media and transmission media.
본 명세서는 다수의 특정한 구현물의 세부사항들을 포함하지만, 이들은 어떠한 발명이나 청구 가능한 것의 범위에 대해서도 제한적인 것으로서 이해되어서는 안되며, 오히려 특정한 발명의 특정한 실시형태에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로서 이해되어야 한다. 개별적인 실시형태의 문맥에서 본 명세서에 기술된 특정한 특징들은 단일 실시형태에서 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 실시형태의 문맥에서 기술한 다양한 특징들 역시 개별적으로 혹은 어떠한 적절한 하위 조합으로도 복수의 실시형태에서 구현 가능하다. 나아가, 특징들이 특정한 조합으로 동작하고 초기에 그와 같이 청구된 바와 같이 묘사될 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우에 그 조합으로부터 배제될 수 있으며, 그 청구된 조합은 하위 조합이나 하위 조합의 변형물로 변경될 수 있다.Although this specification contains details of numerous specific implementations, these should not be construed as limitations on the scope of any invention or what may be claimed, but rather as descriptions of features that may be unique to particular embodiments of particular inventions. It must be understood. Certain features described herein in the context of individual embodiments may also be implemented in combination in a single embodiment. Conversely, various features described in the context of a single embodiment can also be implemented in multiple embodiments individually or in any suitable sub-combination. Furthermore, although features may be described as operating in a particular combination and initially claimed as such, one or more features from a claimed combination may in some cases be excluded from that combination, and the claimed combination may be a sub-combination. It can be changed to a variant of a sub-combination.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 또한, 상술한 실시형태의 다양한 장치 컴포넌트의 분리는 그러한 분리를 모든 실시형태에서 요구하는 것으로 이해되어서는 안되며, 설명한 프로그램 컴포넌트와 장치들은 일반적으로 단일의 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다중 소프트웨어 제품에 패키징 될 수 있다는 점을 이해하여야 한다.Likewise, although operations are depicted in the drawings in a particular order, this should not be construed as requiring that those operations be performed in the specific order or sequential order shown or that all of the depicted operations must be performed to obtain desirable results. In certain cases, multitasking and parallel processing may be advantageous. Additionally, the separation of various device components in the above-described embodiments should not be construed as requiring such separation in all embodiments, and the described program components and devices may generally be integrated together into a single software product or packaged into multiple software products. You must understand that it is possible.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.Meanwhile, the embodiments of the present invention disclosed in the specification and drawings are merely provided as specific examples to aid understanding, and are not intended to limit the scope of the present invention. It is obvious to those skilled in the art that in addition to the embodiments disclosed herein, other modifications based on the technical idea of the present invention can be implemented.

Claims (14)

  1. 데이터베이스로부터 뇌영상을 식별하는 단계;Identifying brain images from a database;
    상기 뇌영상을 뇌성별 예측 모델 및 뇌연령 예측 모델이 식별할 수 있도록 전처리하는 단계;Preprocessing the brain image so that a brain sex prediction model and a brain age prediction model can be identified;
    상기 뇌성별 예측 모델이 전처리된 뇌영상으로부터 뇌성별을 판단하는데 사용되는 뇌성별 특징을 예측하는 단계; 및Predicting brain sex characteristics used to determine brain sex from a brain image for which the brain sex prediction model has been preprocessed; and
    상기 뇌연령 예측 모델이 상기 전처리된 뇌영상 및 예측된 뇌성별 특징으로부터 상기 뇌성별 특징에 기초한 뇌연령을 예측하는 단계The brain age prediction model predicting brain age based on the brain sex characteristics from the preprocessed brain image and predicted brain sex characteristics.
    를 포함하는 뇌성별 및 뇌연령 예측 방법.Brain gender and brain age prediction method including.
  2. 제1항에 있어서,According to paragraph 1,
    상기 전처리하는 단계는,The preprocessing step is,
    상기 뇌영상의 복셀 크기 및 복셀 부피를 표준 템플릿에 일치시키는 단계; 및Matching the voxel size and voxel volume of the brain image to a standard template; and
    일치된 뇌영상을 상기 표준 템플릿에 비선형적으로 정합하는 단계를 포함하는 뇌성별 및 뇌연령 예측 방법.A method for predicting brain sex and brain age, comprising the step of non-linearly matching the matched brain image to the standard template.
  3. 제1항에 있어서,According to paragraph 1,
    상기 뇌성별 특징을 예측하는 단계는,The step of predicting the brain gender characteristics is,
    상기 전처리된 뇌영상으로부터 뇌성별과 관련된 특징인 제1 성별 특징을 추출하는 단계;Extracting a first gender feature, which is a feature related to brain gender, from the preprocessed brain image;
    상기 제1 성별 특징으로부터 뇌성별 예측에 기여하는 특징인 제2 성별 특징을 추출하는 단계;extracting a second gender characteristic, which is a feature contributing to brain gender prediction, from the first gender characteristic;
    상기 제2 성별 특징의 가중치를 분석하는 단계; 및analyzing the weight of the second gender characteristic; and
    상기 제2 성별 특징 중에서 가중치가 임계값 이상인 특징을 뇌성별 특징으로 예측하는 단계를 포함하는 뇌성별 및 뇌연령 예측 방법.A brain sex and brain age prediction method comprising predicting a feature whose weight is greater than a threshold among the second gender features as a brain sex feature.
  4. 제1항에 있어서,According to paragraph 1,
    상기 뇌성별에 기초한 뇌연령을 예측하는 단계는,The step of predicting brain age based on brain sex is,
    상기 전처리된 뇌영상을 상기 뇌연령 예측 모델의 합성곱 신경망 모델에 입력하여 뇌연령 예측에 기여하는 뇌영상의 특징인 제1 연령 특징을 추출하는 단계;Inputting the preprocessed brain image into a convolutional neural network model of the brain age prediction model to extract a first age feature, which is a feature of the brain image that contributes to brain age prediction;
    상기 예측된 뇌성별 특징을 상기 뇌연령 예측 모델의 다층 퍼셉트론 모델에 입력하여 뇌연령 예측에 기여하는 특징인 제2 연령 특징을 추출하는 단계; 및extracting a second age feature, which is a feature contributing to brain age prediction, by inputting the predicted brain sex feature into a multi-layer perceptron model of the brain age prediction model; and
    제1 연령 특징 및 제2 연령 특징에 기초하여 상기 뇌성별에 기초한 뇌연령을 예측하는 단계를 포함하는 뇌성별 및 뇌연령 예측 방법.A brain sex and brain age prediction method comprising predicting brain age based on the brain sex based on a first age characteristic and a second age characteristic.
  5. 제1항에 있어서,According to paragraph 1,
    상기 뇌영상은,The brain image,
    뇌의 방향 정보를 포함하고, 두개골 및 뇌 부위 전체를 포함하는 뇌영상인 뇌성별 및 뇌연령 예측방법.A brain sex and brain age prediction method that includes brain orientation information and brain imaging that includes the entire skull and brain region.
  6. 뇌성별 및 뇌연령 예측 방법을 수행하는 컴퓨팅 장치에 있어서,In a computing device that performs a brain sex and brain age prediction method,
    상기 컴퓨팅 장치는 프로세서를 포함하고,The computing device includes a processor,
    상기 프로세서는,The processor,
    데이터베이스로부터 뇌영상을 식별하고,Identify brain images from the database,
    상기 뇌영상을 뇌성별 예측 모델 및 뇌연령 예측 모델이 식별할 수 있도록 전처리하고,The brain image is preprocessed so that the brain sex prediction model and brain age prediction model can be identified,
    상기 뇌성별 예측 모델이 전처리된 뇌영상으로부터 뇌성별을 판단하는데 사용되는 뇌성별 특징을 예측하고,The brain sex prediction model predicts brain sex characteristics used to determine brain sex from preprocessed brain images,
    상기 뇌연령 예측 모델이 상기 전처리된 뇌영상 및 예측된 뇌성별 특징으로부터 상기 뇌성별 특징에 기초한 뇌연령을 예측하는 컴퓨팅 장치.A computing device wherein the brain age prediction model predicts brain age based on the brain sex characteristics from the preprocessed brain image and predicted brain sex characteristics.
  7. 제6항에 있어서,According to clause 6,
    상기 프로세서는,The processor,
    상기 뇌영상의 복셀 크기 및 복셀 부피를 표준 템플릿에 일치시키고,Match the voxel size and voxel volume of the brain image to a standard template,
    일치된 뇌영상을 상기 표준 템플릿에 비선형적으로 정합하는 컴퓨팅 장치.A computing device that non-linearly registers matched brain images to the standard template.
  8. 제6항에 있어서,According to clause 6,
    상기 프로세서는,The processor,
    상기 전처리된 뇌영상으로부터 뇌성별과 관련된 특징인 제1 성별 특징을 추출하고,Extracting a first gender feature, which is a feature related to brain gender, from the preprocessed brain image,
    상기 제1 성별 특징으로부터 뇌성별 예측에 기여하는 특징인 제2 성별 특징을 추출하고,Extracting a second gender characteristic, which is a feature contributing to brain gender prediction, from the first gender characteristic,
    상기 제2 성별 특징의 가중치를 분석하고,Analyzing the weight of the second gender characteristic,
    상기 제2 성별 특징 중에서 가중치가 임계값 이상인 특징을 뇌성별 특징으로 예측하는 컴퓨팅 장치.A computing device that predicts a feature whose weight is greater than a threshold among the second gender features as a brain gender feature.
  9. 제6항에 있어서,According to clause 6,
    상기 프로세서는,The processor,
    상기 전처리된 뇌영상을 상기 뇌연령 예측 모델의 합성곱 신경망 모델에 입력하여 뇌연령 예측에 기여하는 뇌영상의 특징인 제1 연령 특징을 추출하고,Input the preprocessed brain image into a convolutional neural network model of the brain age prediction model to extract a first age feature, which is a feature of the brain image that contributes to brain age prediction,
    상기 예측된 뇌성별 특징을 상기 뇌연령 예측 모델의 다층 퍼셉트론 모델에 입력하여 뇌연령 예측에 기여하는 특징인 제2 연령 특징을 추출하고,Input the predicted brain sex characteristics into a multi-layer perceptron model of the brain age prediction model to extract a second age feature, which is a feature contributing to brain age prediction,
    제1 연령 특징 및 제2 연령 특징에 기초하여 상기 뇌성별에 기초한 뇌연령을 예측하는 컴퓨팅 장치.A computing device for predicting brain age based on the brain gender based on a first age characteristic and a second age characteristic.
  10. 제6항에 있어서,According to clause 6,
    상기 뇌영상은,The brain image,
    뇌의 방향 정보를 포함하고, 두개골 및 뇌 부위 전체를 포함하는 컴퓨팅 장치.A computing device that contains brain orientation information and includes the entire skull and brain regions.
  11. 데이터베이스로부터 뇌영상, 성별 및 연령을 포함하는 데이터 세트를 식별하는 단계;identifying a data set containing brain images, gender, and age from a database;
    상기 데이터 세트 중에서 뇌연령 예측 모델을 학습할 학습 데이터 세트 및 뇌연령 예측 모델을 검증할 테스트 데이터 세트를 결정하는 단계;From among the data sets, determining a learning data set to learn a brain age prediction model and a test data set to verify the brain age prediction model;
    상기 학습 데이터 세트를 이용하여 뇌연령 예측 모델이 뇌영상 및 뇌성별 특징을 입력 받으면 뇌연령을 예측하도록 학습하는 단계; 및Using the learning data set, a brain age prediction model is trained to predict brain age when it receives brain images and brain sex characteristics; and
    상기 테스트 데이터 세트를 이용하여 학습된 뇌연령 예측 모델의 뇌연령을 예측하는 정확도를 검증하는 단계Verifying the accuracy of predicting brain age of the brain age prediction model learned using the test data set
    를 포함하는 뇌연령 예측 모델 학습 방법.Brain age prediction model learning method including.
  12. 제11항에 있어서,According to clause 11,
    상기 데이터 세트 중에서 뇌연령 예측모델을 학습할 학습 데이터 세트 및 뇌연령 예측 모델을 검증할 테스트 데이터 세트를 결정하는 단계는,The step of determining a learning data set to learn the brain age prediction model and a test data set to verify the brain age prediction model from among the data sets,
    상기 데이터 세트에 포함되는 연령에 따라서 연령 분포를 나누어 무작위로 상기 학습 데이터 세트 및 상기 테스트 데이터 세트를 결정하는 뇌연령 예측 모델 학습 방법.A brain age prediction model learning method that randomly determines the training data set and the test data set by dividing the age distribution according to the age included in the data set.
  13. 제11항에 있어서,According to clause 11,
    상기 데이터 세트에 포함된 뇌영상을 학습하는 뇌연령 예측 모델이 식별할 수 있도록 전처리하는 단계를 더 포함하고,Further comprising the step of preprocessing the brain images included in the data set so that a learning brain age prediction model can identify them,
    상기 전처리하는 단계는,The preprocessing step is,
    상기 뇌영상의 복셀 크기 및 복셀 부피를 표준 템플릿에 일치시키는 단계; 및Matching the voxel size and voxel volume of the brain image to a standard template; and
    일치된 뇌영상을 상기 표준 템플릿에 비선형적으로 정합하는 단계를 포함하는 뇌연령 예측 모델 학습 방법.A brain age prediction model learning method comprising the step of non-linearly matching the matched brain image to the standard template.
  14. 제11항에 있어서,According to clause 11,
    상기 뇌영상은,The brain image,
    뇌의 방향 정보를 포함하고, 두개골 및 뇌 부위 전체를 포함하는 뇌연령 예측 모델 학습 방법.A brain age prediction model learning method that includes brain orientation information and includes the entire skull and brain region.
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