KR102631241B1 - Method for generating a three-dimensional blood vessel model from two dimensional angiographic images using deep learning - Google Patents
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Abstract
본 발명은 기계 학습을 이용하여 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지로부터 3차원 혈관 모델을 생성하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 컴퓨터를 이용하여 환자의 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지로부터 3차원 혈관 모델을 생성하는 방법은, 서로 다른 각도에서 촬영된 한 쌍의 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지를 입력받는 단계와, 기계 학습된 프로그램을 이용하여 상기 서로 다른 각도에서 촬영된 한 쌍의 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지로부터 각각의 이미지에 대하여 주요 혈관의 입구와 출구가 표시된 한 쌍의 이미지를 생성하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 한 쌍의 주요 혈관의 입구와 출구가 표시된 이미지를 처리하면 입구로부터 출구까지의 주요 혈관 영역을 자동으로 세그멘테이션 할 수 있다. 또한, 상기 한 쌍의 세그멘테이션된 주요 혈관 영역의 각각의 중심선을 구하고, 상기 한 쌍의 세그멘테이션된 주요 혈관 영역의 중심선에 대하여 대응점을 구하고, 각각의 대응점에서의 혈관 영역의 직경을 구하고, 백 프로젝션 알고리즘을 이용하여 상기 한 쌍의 세그멘테이션된 주요 혈관 영역의 중심선의 대응점에 대한 3차원 공간상의 좌표와 3차원 공간 상의 직경을 구할 수 있다.The present invention relates to a method for generating a three-dimensional blood vessel model from two-dimensional X-ray angiography images using machine learning.
The method of generating a 3D blood vessel model from a 2D X-ray angiography image of a patient using a computer according to the present invention includes receiving a pair of 2D X-ray angiography images taken at different angles. A step of using a machine learning program to generate a pair of images showing the entrance and exit of major blood vessels for each image from the pair of two-dimensional X-ray angiography images taken at different angles. Includes. Additionally, by processing the image showing the inlet and outlet of the pair of major blood vessels, the major blood vessel area from the inlet to the outlet can be automatically segmented. In addition, each center line of the pair of segmented major blood vessel regions is obtained, corresponding points are obtained for the center lines of the pair of segmented major blood vessel regions, the diameter of the blood vessel region at each corresponding point is obtained, and a back projection algorithm is used. Using , the coordinates in three-dimensional space and the diameter in three-dimensional space for the corresponding point of the center line of the pair of segmented major blood vessel regions can be obtained.
Description
본 발명은 기계 학습을 이용하여 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지로부터 3차원 혈관 모델을 생성하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 기계 학습에 의하여 혈관 조영술 영상으로부터 적어도 2개의 특징점을 자동으로 추출하여 3차원 혈관 모델을 생성하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for generating a three-dimensional blood vessel model from two-dimensional X-ray angiography images using machine learning. More specifically, it relates to a method of generating a three-dimensional blood vessel model by automatically extracting at least two feature points from an angiography image using machine learning.
혈관의 좁아 짐에 의해서 나타나는 관상동맥질환(CAD, Coronary artery diseases)은 주요한 사망 원인 중의 하나이다(비특허문헌 1). 관상 동맥 협착의 심각성은 일차적으로 의료 영상에서 혈관 내부의 단면적을 검사하여 평가된다. 그러나 관상동맥을 흐르는 혈류는 반드시 시각적으로 관찰되는 혈관의 형상과 관련된 것이 아니라고 알려져 있다(비특허 문헌 2, 3).Coronary artery diseases (CAD), which are caused by narrowing of blood vessels, are one of the major causes of death (Non-patent Document 1). The severity of coronary artery stenosis is primarily assessed by examining the cross-sectional area inside the blood vessel on medical imaging. However, it is known that the blood flow flowing through the coronary artery is not necessarily related to the visually observed shape of the blood vessel (Non-patent Documents 2, 3).
관상동맥 혈류를 결정하는 방법 중의 하나는 압력 센서를 관상동맥에 삽입하여 협착부위를 따라서 혈압의 강하를 측정하는 것이다(비특허 문헌 4). 상기 혈압의 강하는 혈류 예비율(FFR, fractional flow reserve)로 표현되며, 관상동맥의 협착부위 전후의 압력의 비율로 정의된다(비특허문헌 4). 협류 예비율은 해석적 방법이나 수치해석적 방법에 의해서 계산될 수 있다(비특허 문헌 5 - 8). FFR 수치 계산에는 혈관 내부 볼륨을 재건한 3차원 모델이 사용되고, 따라서 3차원 모델의 정확도가 FFR의 수치계산에 있어서 중요하다.One of the methods of determining coronary blood flow is to insert a pressure sensor into the coronary artery and measure the drop in blood pressure along the stenosis area (Non-patent Document 4). The drop in blood pressure is expressed as fractional flow reserve (FFR), which is defined as the ratio of pressure before and after the stenosis of the coronary artery (Non-patent Document 4). The narrow flow reserve can be calculated by analytical or numerical methods (Non-patent Documents 5 - 8). A 3D model reconstructing the inner volume of a blood vessel is used to calculate the FFR value, and therefore the accuracy of the 3D model is important in the numerical calculation of the FFR.
X-선 관상동맥 조영술(XCA, X-ray coronary angiography) 이미지는 관상동맥의 3차원 재건에 사용되는 의료 영상 중의 하나이다. X-선 관상동맥 조영술 이미지는 비교적 명료한 관상동맥의 경계를 제공하므로 임상에서 널리 사용된다. 그러나, X-선 관상동맥 조영술 이미지는 2차원 이미지로서, 서로 다른 각도에서 촬영된 2차원 이미지를 가지고 3차원의 형상을 재건하는 것은 쉬운 일이 아니다. 백-프로젝션방법은 2차원 X-선 관상동맥 조영술 이미지를 이용하여 3차원 형상을 재건하는 데 자주 사용되는 방법으로 알려져 있다(비특허 문헌 9). 백 프로젝션 방법에서, 3차원 모델의 임의의 점은 삼각 측량법에 의해서 결정되고(비특허문헌 10), 삼각 측량법은 서로 다른 각도에서 촬영된 2차원 X-선 관상동맥 조영술 이미지의 혈관의 중심선을 연계한다. 그러나, 이러한 방법에 있어서 의한 3차원 혈관 내부의 볼륨을 재건하는 어려움은 서로 다른 각도에서 촬영된 2차원 X-선 관상동맥 조영술 이미지에서 혈관 영역을 세그멘테이션하고, 세그멘테이션된 각각의 2차원 혈관 영역에서 대응관계를 결정하는 것이다. 비록 대응관계의 결정에 에피폴라 제약조건(epipolar constraint)이 보편적으로 이용되나(비특허문헌 11, 12), 에피폴라 제약 조건이 항상 유일한 대응관계를 가져오지는 않는다고 알려져 있다(13, 14). 이는 영상 촬영 장치에 대한 혈관의 상대적인 방향과 위치에 기인하는 2차원 이미지의 중첩과 축소가 발생하기 때문이다.X-ray coronary angiography (XCA) images are one of the medical images used for three-dimensional reconstruction of coronary arteries. X-ray coronary angiography images are widely used in clinical practice because they provide relatively clear boundaries of the coronary arteries. However, X-ray coronary angiography images are two-dimensional images, and it is not easy to reconstruct a three-dimensional shape using two-dimensional images taken at different angles. The back-projection method is known to be a frequently used method for reconstructing a three-dimensional shape using a two-dimensional X-ray coronary angiography image (Non-patent Document 9). In the back projection method, arbitrary points of the three-dimensional model are determined by triangulation (Non-Patent Document 10), and the triangulation method links the center lines of blood vessels in two-dimensional X-ray coronary angiography images taken at different angles. do. However, the difficulty in reconstructing the volume inside a three-dimensional blood vessel in this method is segmenting the blood vessel region in two-dimensional It determines the relationship. Although epipolar constraints are commonly used to determine correspondence relationships (Non-Patent Documents 11, 12), it is known that epipolar constraints do not always result in unique correspondence relationships (13, 14). This is because overlap and reduction of two-dimensional images occur due to the relative direction and position of blood vessels with respect to the imaging device.
본 발명은 서로 다른 각도에서 촬영된 한 쌍의 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지를 가지고 3차원 혈관 모델을 생성하는 새로운 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, 본 발명은 영상 촬영 장치에 대한 혈관의 상대적인 방향과 위치에 기인하는 2차원 이미지의 중첩과 축소가 발생하는 문제점을 해결한다.The purpose of the present invention is to provide a new method for generating a three-dimensional blood vessel model using a pair of two-dimensional X-ray angiography images taken at different angles. In particular, the present invention solves the problem of overlap and reduction of two-dimensional images due to the relative direction and position of blood vessels with respect to the imaging device.
본 발명은 혈관 조영술 이미지에서 혈관의 입구와 출구를 기계학습 방법을 이용하여 정하는 방법을 제공한다. 본 발명은 서로 다른 각도에서 촬영된 2차원 X-선 관상동맥 조영술 이미지에서 혈관 영역을 각각 세그멘테이션하고, 세그멘테이션된 각각의 2차원 혈관 영역의 중심선에 대하여 자동적으로 대응점를 결정하는 새로운 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 템플레이트 모델을 이용하여 세그멘테이션된 각각의 2차원 혈관 영역의 중심선 사이의 대응점들은 결정하는 방법을 제공한다.The present invention provides a method for determining the entrance and exit of blood vessels in an angiography image using a machine learning method. The present invention provides a new method for segmenting blood vessel regions in two-dimensional X-ray coronary angiography images taken at different angles and automatically determining corresponding points with respect to the center line of each segmented two-dimensional blood vessel region. Additionally, the present invention provides a method of determining corresponding points between center lines of each segmented two-dimensional blood vessel region using a template model.
본 발명에 따른 컴퓨터를 이용하여 환자의 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지로부터 3차원 혈관 모델을 생성하는 방법은, 서로 다른 각도에서 촬영된 한 쌍의 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지를 입력받는 단계와, 기계 학습된 프로그램을 이용하여 상기 서로 다른 각도에서 촬영된 한 쌍의 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지로부터 각각의 이미지에 대하여 주요 혈관의 입구와 출구가 표시된 한 쌍의 이미지를 생성하는 단계와, 상기 한 쌍의 주요 혈관의 입구와 출구가 표시된 이미지를 처리하여 입구로부터 출구까지의 주요 혈관 영역을 세그멘테이션하는 단계와, 상기 한 쌍의 세그멘테이션된 주요 혈관 영역의 각각의 중심선을 구하는 단계와, 상기 한 쌍의 세그멘테이션된 주요 혈관 영역의 중심선에 대하여 대응점을 구하고, 각각의 대응점에서의 혈관 영역의 직경을 구하는 단계와, 백 프로젝션 알고리즘을 이용하여 상기 한 쌍의 세그멘테이션된 주요 혈관 영역의 중심선의 대응점에 대한 3차원 공간상의 좌표와 3차원 공간 상의 직경을 구하는 단계를 포함한다.The method of generating a 3D blood vessel model from a 2D X-ray angiography image of a patient using a computer according to the present invention includes receiving a pair of 2D X-ray angiography images taken at different angles. and generating a pair of images showing the entrance and exit of major blood vessels for each image from the pair of two-dimensional X-ray angiography images taken at different angles using a machine learned program; , processing the image showing the inlet and outlet of the pair of major blood vessels to segment the major blood vessel region from the inlet to the outlet, and calculating the center line of each of the pair of segmented major blood vessel regions, Obtaining corresponding points with respect to the center line of a pair of segmented major blood vessel regions, calculating the diameter of the blood vessel region at each corresponding point, and calculating the corresponding points of the center line of the pair of segmented major blood vessel regions using a back projection algorithm. It includes the step of calculating the coordinates in three-dimensional space and the diameter in three-dimensional space.
몇몇 실시예에 있어서, 상기 기계학습된 프로그램은, 주요 혈관과 배경을 포함하는 제1 라벨링 이미지와 주요 혈관의 입구와 출구를 포함하는 제2 라벨링 이미지를 가지고 학습된 딥런닝 네트웍이다.In some embodiments, the machine learned program is a deep learning network learned with a first labeled image including major blood vessels and a background and a second labeled image including the inlet and outlet of the major blood vessels.
또한, 몇몇 실시예에 있어서, 상기 주요 혈관은 좌전하행관상동맥(LAD), 좌회전관상동맥(LCX), 우관상동맥(RCA)을 포함할 수 있다.Additionally, in some embodiments, the major blood vessels may include the left anterior descending coronary artery (LAD), left circumflex coronary artery (LCX), and right coronary artery (RCA).
또한, 몇몇 실시예에 있어서, 상기 한 쌍의 세그멘테이션된 주요 혈관 영역의 중심선에 대하여 대응점을 구하는 단계는, 사전에 3차원 CT 이미지를 이용하여 생성된 주요 혈관에 대한 탬플레이트를 이용하여 주요 혈관 영역의 중심선에 대하여 대응점을 구하는 것이 바람직하다.In addition, in some embodiments, the step of finding a corresponding point with respect to the center line of the pair of segmented major blood vessel regions involves determining the major blood vessel regions using a template for the major blood vessels previously generated using a 3D CT image. It is desirable to find the corresponding point with respect to the center line.
본 발명에 따라서, 서로 다른 각도에서 촬영된 한 쌍의 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지를 가지고 3차원 혈관 모델을 생성하는 새로운 방법이 제공된다.According to the present invention, a new method for generating a three-dimensional blood vessel model from a pair of two-dimensional X-ray angiography images taken at different angles is provided.
특히, 기계 학습된 프로그램을 이용하여 서로 다른 각도에서 촬영된 한 쌍의 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지로부터 각각의 이미지에 대하여 주요 혈관의 입구와 출구가 표시된 한 쌍의 이미지를 생성하는 방법이 제공된다. 따라서, 한 쌍의 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지를 가지고 3차원 혈관 모델을 자동으로 생성할 수 있게 된다.In particular, a method of generating a pair of images showing the entrance and exit of major blood vessels for each image from a pair of two-dimensional X-ray angiography images taken at different angles using a machine learning program is provided. do. Therefore, it is possible to automatically create a 3D blood vessel model using a pair of 2D X-ray angiography images.
본 발명에 따르면, 사전에 생성된 3차원 혈관의 템플레이트를 이용하여 한 쌍의 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지를 가지고 3차원 혈관 모델을 생성하는 새로운 방법이 제공된다. 템플레이트 모델을 사용하면, 근사적으로 서로다른 각도에서 촬영된 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지의 주요혈관의 중심선의 대응점을 자동으로 구할 수 있게 된다.According to the present invention, a new method of generating a three-dimensional blood vessel model from a pair of two-dimensional X-ray angiography images using a pre-generated three-dimensional blood vessel template is provided. Using a template model, it is possible to automatically obtain corresponding points of the center lines of major blood vessels in two-dimensional X-ray angiography images taken at approximately different angles.
도 1은 기계학습 이미지 데이타의 개략도
도 2는 기계학습 네트웍의 개략도
도 3은 기계학습 네트웍에 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지를 입력하여 주요 혈관의 입구와 출구가 출력되는 상태를 나타내는 설명도
도 4는 템플레이트를 생성하는 방법을 설명하는 개략도
도 5는 템플레이트와 혈관 조영술 이미지의 촬영 각도를 매칭하는 설명도
도 6은 서로 다른 각도에서 촬영된 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지에서 중심선의 대응점을 구하는 방법을 설명하는 개략도
도 7은 본 발명에 따른 방법에 의하여 생성된 3차원 혈관 모델을 나타내는 개략도Figure 1 is a schematic diagram of machine learning image data
Figure 2 is a schematic diagram of the machine learning network
Figure 3 is an explanatory diagram showing the state in which the inlet and outlet of major blood vessels are output by inputting a two-dimensional X-ray angiography image into a machine learning network.
Figure 4 is a schematic diagram explaining how to create a template
Figure 5 is an explanatory diagram of matching the template and the shooting angle of the angiography image.
Figure 6 is a schematic diagram illustrating a method of calculating the corresponding point of the center line in two-dimensional X-ray angiography images taken at different angles.
Figure 7 is a schematic diagram showing a three-dimensional blood vessel model generated by the method according to the present invention.
이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
주요 혈관의 내부 영역의 입구 및 출구을 정하는 방법How to determine the entrance and exit of the internal areas of major blood vessels
서로 다른 각도에서 촬영된 2차원 X-선 관상동맥 조영술 이미지에서 주요 혈관의 입구와 출구 위치를 자동적으로 결정하기 위하여 딥 런닝(Deep learning) 방법을 적용한다. 주요 혈관은 좌전하행관상동맥(LAD), 좌회전관상동맥(LCX), 우관상동맥(RCA)이다. 딥런닝 방법을 적용하기 위하여 먼저 딥런닝 네트웍에 사용될 학습 이미지를 생성한다. 학습 이미지는 관상동맥 혈관 조영술 이미지들을 라벨링하여 생성한다. 도 1에는 라벨링된 이미지가 도시되어 있다. 라벨링은 도 1에 도시된 것과 같이, 2차원 X-선 관상동맥 조영술 이미지를 2개 클래스(배경과 주요 혈관)로 구분한 학습이미지(제1 라벨링 이미지)와 7개 클래스(배경, 주요 혈관, 주요 혈관 입구, 주요 혈관 출구, 2차 혈관 출구, 분지, 카테터)로 구분한 학습이미지(제2 라벨링 이미지)를 준비한다. 주요 혈관의 입구는 조영제가 투입되지 전 이미지에서 카테터의 말단을 라벨링하고, 주요 혈관의 출구는 조영제가 투입된 후의 이미지에서 하나의 심장 박동 주기의 마지막에 대응하는 이미지에서 조영제가 진행된 위치를 라벨링하였다.A deep learning method is applied to automatically determine the inlet and outlet positions of major blood vessels in two-dimensional X-ray coronary angiography images taken at different angles. The major blood vessels are the left anterior descending coronary artery (LAD), left circumflex coronary artery (LCX), and right coronary artery (RCA). To apply the deep learning method, first create a learning image to be used in the deep learning network. Learning images are created by labeling coronary angiography images. Figure 1 shows a labeled image. As shown in Figure 1, labeling uses a learning image (first labeling image) that divides a two-dimensional X-ray coronary angiography image into two classes (background and major blood vessels) and seven classes (background, major blood vessels, Prepare learning images (second labeling images) divided into main vessel inlet, main vessel outlet, secondary vessel outlet, branch, and catheter. For the entrance of major blood vessels, the end of the catheter was labeled in the image before the contrast agent was injected, and for the outlet of the major blood vessel, the location where the contrast agent was administered was labeled in the image corresponding to the end of one heartbeat cycle in the image after the contrast agent was injected.
딥 런닝 네트웍으로, 도 2에 도시된 것과 같은 엔코더(Resnet)와 디코더를 구비하는 U-net을 사용하였다. 딥 런닝 네트웍을 학습시키기 위하여 주요 혈관 각각에 대하여, 즉 LAD에 293 학습 이미지를, LCX에 대하여 204 학습 이미지를, RCA에 대하여 206 학습 이미지를 사용하여 학습을 진행하였다. 주요 혈관의 입출구 출력을 위한 딥 런닝 네트웍를 학습시키기 위하여, 주요 혈관과 배경이 라벨링된 2개 클레스 학습이미지를 먼저 학습시키고, 주요 혈관의 입구 및 출구가 라벨링 된 7개 클레스 학습이미지를 추가로 학습시켰다. 이렇게 학습된 딥 런닝 네트웍은 먼저 학습된 주요 혈관 이미지 픽셀에 대하여만 입구와 출구를 예측하여 출력한다.As a deep running network, U-net with an encoder (Resnet) and decoder as shown in Figure 2 was used. To learn the deep learning network, learning was performed using 293 learning images for each major blood vessel, that is, 293 learning images for LAD, 204 learning images for LCX, and 206 learning images for RCA. In order to learn a deep running network for outputting the inlet and outlet of major blood vessels, two class learning images in which major blood vessels and background were labeled were first trained, and seven class learning images in which the inlet and outlet of major blood vessels were labeled were additionally trained. . The deep running network learned in this way predicts and outputs the entrance and exit only for the major blood vessel image pixels that were first learned.
도 3에는 상기와 같이 학습된 딥 런닝 네트웍에 테스트 이미지를 입력한 경우에 주요 혈관의 입구와 출구가 자동으로 출력된 결과를 도시되어 있다. 테스트 이미지에 대하여 입구는 카테터의 단부에 표시되고, 출구는 주요 혈관의 말단에만 표시되어 있는 것을 알 수 있다.Figure 3 shows the results in which the inlet and outlet of major blood vessels are automatically output when a test image is input to the deep running network learned as above. In the test image, it can be seen that the inlet is marked at the end of the catheter, and the outlet is only marked at the end of the major blood vessel.
X-선 관상동맥 조영술 이미지에 대한 2차원 혈관 세그멘테이션 Two-dimensional vessel segmentation for X-ray coronary angiography images.
2차원 X-선 관상동맥 조영술 이미지에 대하여 주요 혈관의 입구와 출구가 정해지면, 주요 혈관 영역의 입구에서부터 출구까지 세그멘테이션을 수행한다. 조영제가 투입된 이미지에서 입구와 출구가 표시된 영역을 세그멘테이션 하는 방법으로 Frangi filter를 적용한다(비특허문헌 15). 세그멘테이션된 2차원 혈관 영역의 중심선을 결정하기 위하여 패스트 마칭 알고리즘(fast-marching algorithm)을 적용하였다(비특허문헌 16). 패스트 마칭 알고리즘은 가장 가까운 벽까지의 거리에 비례하는 속도 웨이트(velocity weight)를 이용하여 입구로부터 출구까지의 최단 경로를 찾는 데 적용된다. 혈관의 직경은 각각의 중심선 상의 점에서 수직인 방향으로 두 경계까지의 거리를 평균하여 구한다. 세그멘테이션된 2차원 이미지에서 구해진 직경은 후에 재건되는 3차원 모델의 직경으로 변환된다.Once the inlet and outlet of the major blood vessel are determined for the two-dimensional X-ray coronary angiography image, segmentation is performed from the inlet to the outlet of the major blood vessel region. A Frangi filter is applied as a method of segmenting the area where the entrance and exit are marked in the image into which the contrast agent is injected (Non-patent Document 15). A fast-marching algorithm was applied to determine the center line of the segmented two-dimensional blood vessel region (Non-patent Document 16). The fast marching algorithm is applied to find the shortest path from the entrance to the exit using a velocity weight proportional to the distance to the nearest wall. The diameter of a blood vessel is obtained by averaging the distance from a point on each center line to two boundaries in the perpendicular direction. The diameter obtained from the segmented two-dimensional image is converted to the diameter of the three-dimensional model that is later reconstructed.
관상동맥 템플릿 모델을 이용한 2차원 이미지 중심선의 정합점 결정Determination of registration point of 2D image centerline using coronary artery template model
서로 다른 각도에서 촬영된 2차원 X-선 관상동맥 조영술 이미지를 이용하여 정합점을 결정할 경우 발생하는 혈관 축소 문제를 극복하기 위하여, 관상 동맥 템플레이트 모델을 사용한다. To overcome the problem of vasoconstriction that occurs when determining the registration point using two-dimensional X-ray coronary angiography images taken at different angles, a coronary artery template model is used.
먼저 LAD, LCX, RCA와 같은 주요 혈관에 대한 템플레이트 모델을 생성한다. 템플레이트 모델은 비특허문헌 17에서 수행된 연구 결과에서 사용된 심장 CT 이미지 볼륨 데이타를 이용하였다. 도 4에는 심장 CT 볼륨 이미지 데이타를 이용하여 생성한 모델들의 예가 도시되어 있다. 도 4에서 템플레이트 모델은 10 개의 CT 이미지 데이타에 대하여 세그멘테이션에 의해서 관상 동맥을 주요 혈관의 3차원 모델을 구하고 이를 평균하여 템플레이트를 생성한다. 구체적으로 템플레이트를 생성하는 과정은 다음과 같다. 먼저, 10개의 3차원 관상동맥 모델들의 길이가 1이 되도록 스케일을 변환한 후, 각각 중심선을 따라 등간격으로 복수의 점(예 100개)들을 생성한다. 다음으로 각각의 주요 혈관에 대하여 시작점의 위치가 일치하도록 평행 이동시켜, 중심선을 따라 생성된 점들의 좌표 평균을 계산하여 템플릿 모델의 중심선을 생성한다.First, create template models for major blood vessels such as LAD, LCX, and RCA. The template model used cardiac CT image volume data used in the research results conducted in Non-Patent Document 17. Figure 4 shows examples of models created using cardiac CT volume image data. In FIG. 4, the template model obtains a three-dimensional model of the coronary artery and major blood vessels by segmenting 10 CT image data and averages them to create a template. Specifically, the process of creating a template is as follows. First, the scale of the 10 3D coronary artery models is converted to have a length of 1, and then a plurality of points (for example, 100) are generated at equal intervals along the center line. Next, the position of the starting point for each major blood vessel is moved in parallel to match, and the average coordinate of the points created along the center line is calculated to create the center line of the template model.
다음으로 템플레이트 모델을 이용하여 서로 다른 각도에서 촬영된 한 쌍의 2차원 X-선 관상동맥 조영술 이미지로부터 세그멘테이션된 한 쌍의 2차원 이미지로 주요 혈관의 3차원 형상을 재건하기 위한 중심선 정합점을 구하는 방법을 설명한다. Next, the template model is used to obtain the center line registration point to reconstruct the three-dimensional shape of the main blood vessel with a pair of two-dimensional images segmented from a pair of two-dimensional X-ray coronary angiography images taken at different angles. Explain how.
먼저, 세그멘테이션된 2차원 이미지에 대하여 혈관 조영술이 시행되었을 때 촬영 각도와 동일한 각도로 템플릿 모델을 회전한다. 도 5에는 템플레이트를 촬영된 각도와 동일하게 회전한 예가 도시되어 있다.First, the template model is rotated to the same angle as the shooting angle when angiography is performed on the segmented two-dimensional image. Figure 5 shows an example in which the template is rotated to the same angle as the photographed angle.
다음으로, 회전된 템플릿 모델의 2차원 좌표(도 5에 예시)를 이용하여 중심선을 따라 생성된 점들 각각에 대해 시작점으로부터의 거리를 계산한 후, 총 길이에 대한 비율로 나타낸다.Next, the distance from the starting point is calculated for each point created along the center line using the two-dimensional coordinates of the rotated template model (example in FIG. 5) and then expressed as a ratio to the total length.
중심선 상의 동일한 점이 2개의 촬영 각도에 대해 2차원 좌표상에서 계산된 총 길이에 대한 비율을 이용하여 혈관조영술 이미지에서의 정합점을 선정한다. 도 6은 이와 같은 선정방법의 예이다. 이때 혈관조영술 이미지에서의 시작점과 끝점은 템플릿 모델을 생성할 때 사용한 식별 가능한 동일 지점으로 한다. 이와 같이 결정된 정합점을 이용하여 3차원 모델을 생성한다. 도 7은 이와 같이 정합점을 정하여 생성된 3차원 모델의 예이다.The matching point in the angiography image is selected using the ratio of the same point on the center line to the total length calculated in two-dimensional coordinates for the two shooting angles. Figure 6 is an example of such a selection method. At this time, the starting and ending points in the angiography image are the same identifiable points used when creating the template model. A three-dimensional model is created using the matching point determined in this way. Figure 7 is an example of a three-dimensional model created by determining the matching point in this way.
주요 혈관의 3차원 모델 생성Creation of 3D models of major blood vessels
위에서 설명한 방법으로 서로 다른 각도에서 촬영된 한 쌍의 2차원 X-선 관상동맥 조영술 이미지를 세그멘테이션하고, 중심선의 정합점이 구해지면, 백 프로젝션 방법을 이용하여 센터 라인의 3차원 좌표를 구할 수 있다(비특허문헌 9).By segmenting a pair of two-dimensional Non-patent document 9).
간략히 설명하면, 3차원 공간에서 각각의 센터 라인 점은 두 각도에서의 X-선 소스의 위치와 두 각도에서의 2차원 이미지의 좌표 사이의 기하학적인 관계와 개 로부터 결정된다. 먼저, 첫번째 촬영 각도에서 X-선 소스와 2차원 이미지 사이에 가상의 선을 형성한다. 다음으로, 다른 각도에서 촬영된 2차원 이미지에 대한 투사가 대응하는 위치에 가장 가까운 점을 상기 가상의 선에서 탐색하여 3차원 좌표를 정한다. 다음으로, 중심선의 정합점들에 대한 3차원 좌표를 정한 후에 중심선의 정합점에 대하여 2차원 이미지 세그멘테이션 단계에서 계산된 혈관의 직경들을 3차원 직경으로 변환한다.Briefly, each center line point in three-dimensional space is determined from the geometric relationship between the position of the X-ray source at two angles and the coordinates of the two-dimensional image at two angles. First, an imaginary line is formed between the X-ray source and the two-dimensional image at the first imaging angle. Next, the closest point to the position corresponding to the projection of the two-dimensional image taken at a different angle is searched on the virtual line to determine three-dimensional coordinates. Next, after determining the 3D coordinates for the matching points of the center line, the diameters of blood vessels calculated in the 2D image segmentation step for the matching points of the center line are converted into 3D diameters.
Claims (4)
서로 다른 각도에서 촬영된 한 쌍의 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지를 입력받는 단계와,
기계 학습된 프로그램을 이용하여 상기 서로 다른 각도에서 촬영된 한 쌍의 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지로부터 각각의 이미지에 대하여 주요 혈관의 입구와 출구가 표시된 한 쌍의 이미지를 생성하는 단계와,
상기 한 쌍의 주요 혈관의 입구와 출구가 표시된 이미지를 처리하여 입구로부터 출구까지의 주요 혈관 영역을 세그멘테이션하는 단계와,
상기 한 쌍의 세그멘테이션된 주요 혈관 영역의 각각의 중심선을 구하는 단계와,
상기 한 쌍의 세그멘테이션된 주요 혈관 영역의 중심선에 대하여 대응점을 구하고, 각각의 대응점에서의 혈관 영역의 직경을 구하는 단계와,
백 프로젝션 알고리즘을 이용하여 상기 한 쌍의 세그멘테이션된 주요 혈관 영역의 중심선의 대응점에 대한 3차원 공간상의 좌표와 3차원 공간 상의 직경을 구하는 단계를 포함하고,
상기 한 쌍의 세그멘테이션된 주요 혈관 영역의 중심선에 대하여 대응점을 구하는 단계는, 사전에 3차원 CT 이미지를 이용하여 생성된 주요 혈관에 대한 탬플레이트를 이용하여 주요 혈관 영역의 중심선에 대하여 대응점을 구하는 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지로부터 3차원 혈관 모델을 생성하는 방법.A method of generating a three-dimensional blood vessel model from a patient's two-dimensional X-ray angiography image using a computer,
receiving a pair of two-dimensional X-ray angiography images taken at different angles;
Generating a pair of images showing the entrance and exit of major blood vessels for each image from the pair of two-dimensional X-ray angiography images taken at different angles using a machine learned program;
Processing the image showing the inlet and outlet of the pair of major blood vessels to segment the major blood vessel area from the inlet to the outlet;
Obtaining the center line of each of the pair of segmented major blood vessel regions;
Obtaining corresponding points with respect to the center line of the pair of segmented major blood vessel regions and calculating the diameter of the blood vessel region at each corresponding point;
Comprising the step of obtaining coordinates and diameters in three-dimensional space for corresponding points of the center lines of the pair of segmented major blood vessel regions using a back projection algorithm,
The step of finding a corresponding point with respect to the center line of the pair of segmented major blood vessel regions includes obtaining a corresponding point with respect to the center line of the major blood vessel region using a template for the major blood vessel previously created using a 3D CT image. Method for generating three-dimensional vascular models from dimensional x-ray angiography images.
상기 기계학습된 프로그램은, 주요 혈관과 배경을 포함하는 제1 라벨링 이미지와 주요 혈관의 입구와 출구를 포함하는 제2 라벨링 이미지를 가지고 학습된 딥런닝 네트웍인 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지로부터 3차원 혈관 모델을 생성하는 방법.According to paragraph 1,
The machine learned program is a deep learning network learned with a first labeling image including major blood vessels and background and a second labeling image including the inlet and outlet of major blood vessels. How to create a dimensional vascular model.
상기 주요 혈관은 좌전하행관상동맥(LAD), 좌회전관상동맥(LCX), 우관상동맥(RCA)을 포함하는 2차원 X-선 혈관 조영술 이미지로부터 3차원 혈관 모델을 생성하는 방법.According to paragraph 1,
A method of generating a 3D blood vessel model from a 2D X-ray angiography image where the major blood vessels include the left anterior descending coronary artery (LAD), left circumflex coronary artery (LCX), and right coronary artery (RCA).
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