본 논문에서는 흐려지고 노이즈가 부가되어 열화된 아날로그 의학영상을 복원시키기 위하여 복원기법이 적용되었다. 열화함수에 의해 흐려지고 노이즈가 낀 열화영상의 복원을 위해서 역필터링, 위너필터링에 의한 선형복원기법과 Lucy-Richardson 알고리듬에 의한 비선형 반복 복원기법이 사용되었다. 더욱이, 복원영상의 화질을 평가하기 위해서 주관적 평가방식인 ROC 곡선이 사용되었다. 상수비를 사용한 위너필터링은 역필터링에 비하여 좋은 복원영상을 얻었으나, 진단능력을 향상시키지는 못하였다. Lucy-Richardson 알고리듬이 사용된 복원영상은 가장 우수한 성능을 나타냈고, 감도와 특이도가 열화영상보다 15[%] 만큼 개선되었다.
본 논문에서는 흐려지고 노이즈가 부가되어 열화된 아날로그 의학영상을 복원시키기 위하여 복원기법이 적용되었다. 열화함수에 의해 흐려지고 노이즈가 낀 열화영상의 복원을 위해서 역필터링, 위너필터링에 의한 선형복원기법과 Lucy-Richardson 알고리듬에 의한 비선형 반복 복원기법이 사용되었다. 더욱이, 복원영상의 화질을 평가하기 위해서 주관적 평가방식인 ROC 곡선이 사용되었다. 상수비를 사용한 위너필터링은 역필터링에 비하여 좋은 복원영상을 얻었으나, 진단능력을 향상시키지는 못하였다. Lucy-Richardson 알고리듬이 사용된 복원영상은 가장 우수한 성능을 나타냈고, 감도와 특이도가 열화영상보다 15[%] 만큼 개선되었다.
In this paper, restoration methods were applied to restore analog medicine images with an aged image added and then blurred by noises. To restore the aged image blurred by the blurring function and added by noises, it was applied to the restoration methods which are inverse filtering and wiener filt...
In this paper, restoration methods were applied to restore analog medicine images with an aged image added and then blurred by noises. To restore the aged image blurred by the blurring function and added by noises, it was applied to the restoration methods which are inverse filtering and wiener filtering which are linear restoration techniques and Lucy-Richardson's algorithm which is nonlinear restoration technique. Moreover, ROC curve, a subjective evaluation method, was applied to evaluate the image quality of the restoration image. The wiener filtering using the ratio of constants acquired better image than the inverse filtering, but both of them couldn't improve ability to make a diagnosis. The restoration image applied to Lucy-Richardson algorithm was the best performance of the applied techniques and its sensitivity and specitivity were improved by 15[%] as much performance as the original aged image.
In this paper, restoration methods were applied to restore analog medicine images with an aged image added and then blurred by noises. To restore the aged image blurred by the blurring function and added by noises, it was applied to the restoration methods which are inverse filtering and wiener filtering which are linear restoration techniques and Lucy-Richardson's algorithm which is nonlinear restoration technique. Moreover, ROC curve, a subjective evaluation method, was applied to evaluate the image quality of the restoration image. The wiener filtering using the ratio of constants acquired better image than the inverse filtering, but both of them couldn't improve ability to make a diagnosis. The restoration image applied to Lucy-Richardson algorithm was the best performance of the applied techniques and its sensitivity and specitivity were improved by 15[%] as much performance as the original aged image.
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문제 정의
본 논문에서는 질병이 있는 필름과 질병이 없는 필름 영상 중에서 보관 중에 잡음 또는 열화현상 등으로 필름에 잡음이 심하게 생성되어 진단적 가치가 떨어지는 필름영상에 대한 진단적인 가치를 높일 수 있는 연구를 수행하였다. 병소가 포함되는 경우와 병소가 없는 각각의 경우에 대하여 진단적 가치가 떨어지는 아날로그 필름영상을 생성하기 위해서 팬텀을 제작하여 방사선촬영장치로 촬영한 후 자동현상기로 현상하여 아날로그 필름영상을 얻었다.
본 연구에서는 질병이 있는 필름과 질병이 없는 필름 영상 중에서 보관 중에 잡음 또는 열화현상 등으로 필름에 잡음이 심하게 생성되어 진단적 가치가 떨어지는 필름영상에 대한 진단적인 가치를 높일 수 있는 연구를 수행하고자 한다. 연구의 수행을 위해서는 먼저 잡음이 심하게 생성된 필름 중에서 질병이 있는 필름과 질병이 없는 필름을 디지털영상으로 변환한 후 영상복원기법을 가하여 영상을 복원하여 복원 전 후의 영상에 대하여 화질의 주관적 평가기법을 적용하여 진단적 가치를 정량적으로 평가한다.
제안 방법
연구에 사용된 아날로그 필름영상은 그림 2의 (a)와 같은 방사선촬영장치를 사용하여 촬영한 후 자동현상기로 현상하여 아날로그 필름영상을 얻었다. 아날로그필름영상은 디지털카메라로 디지털영상으로 변환한 후 영상복원기법을 적용하였다.
그림 4의 열화영상, 역필터링 영상, 상수비를 사용한 위너필터링 영상 및 Lucy-Richardson 알고리듬을 사용한 복원영상에 대하여 주관적인 화질평가를 수행하였다. 화질평가를 위해서 그림 8과 같이 사진 상에 있는 6개의 병소에 대하여 복원 전 후에 관찰 가능한 정도를 육안으로 판정하였다.
본 논문에서는 질병이 있는 필름과 질병이 없는 필름 영상 중에서 보관 중에 잡음 또는 열화현상 등으로 필름에 잡음이 심하게 생성되어 진단적 가치가 떨어지는 필름영상에 대한 진단적인 가치를 높일 수 있는 연구를 수행하였다. 병소가 포함되는 경우와 병소가 없는 각각의 경우에 대하여 진단적 가치가 떨어지는 아날로그 필름영상을 생성하기 위해서 팬텀을 제작하여 방사선촬영장치로 촬영한 후 자동현상기로 현상하여 아날로그 필름영상을 얻었다. 아날로그필름영상은 디지털카메라로 디지털 영상으로 변환한 후 영상복원기법을 가하여 영상을 복원하여 복원 전 후의 영상에 대하여 화질의 주관적 평가기법을 적용하여 진단적 가치를 정량적으로 평가하였다.
복원영상에 포함되는 정상구조를 잡음, 병소를 신호로 정하여 관찰자의 잡음에 대한 반응과 신호+잡음에 대한 반응을 관찰하여 영상에 병변인 신호를 검출할 수 있는 정도를 그래프 또는 수치로 평가한다. 신호가 포함된 영상에서 “신호 있다(Yes)”로 응답한 경우를 참양성(true positive : TP), “신호 없다(No)”로 응답한 경우를 거짓음성(false negative : FN)이라 한다.
병소가 포함되는 경우와 병소가 없는 각각의 경우에 대하여 진단적 가치가 떨어지는 아날로그 필름영상을 생성하기 위해서 팬텀을 제작하여 방사선촬영장치로 촬영한 후 자동현상기로 현상하여 아날로그 필름영상을 얻었다. 아날로그필름영상은 디지털카메라로 디지털 영상으로 변환한 후 영상복원기법을 가하여 영상을 복원하여 복원 전 후의 영상에 대하여 화질의 주관적 평가기법을 적용하여 진단적 가치를 정량적으로 평가하였다. 열화함수에 의해 흐려지고 노이즈가 낀 열화영상의 복원을 위해서 역필터링, 위너필터링에 의한 선형복원기법과 Lucy-Richardson 알고리듬에 의한 비선형 반복 복원기법을 사용하였다.
본 연구에서는 질병이 있는 필름과 질병이 없는 필름 영상 중에서 보관 중에 잡음 또는 열화현상 등으로 필름에 잡음이 심하게 생성되어 진단적 가치가 떨어지는 필름영상에 대한 진단적인 가치를 높일 수 있는 연구를 수행하고자 한다. 연구의 수행을 위해서는 먼저 잡음이 심하게 생성된 필름 중에서 질병이 있는 필름과 질병이 없는 필름을 디지털영상으로 변환한 후 영상복원기법을 가하여 영상을 복원하여 복원 전 후의 영상에 대하여 화질의 주관적 평가기법을 적용하여 진단적 가치를 정량적으로 평가한다.
평가 방법으로는 두 종류의 자극이 있는 영상을 각기 준비하고, 임의로 1매씩 표시해 두고 그 1매의 영상에 대해 신호가 “절대로 없다, 아마도 없을 것이다, 알 수 없다, 아마 있을 것이다, 반드시 있다”로 단계의 평가를 한다.
그림 4의 열화영상, 역필터링 영상, 상수비를 사용한 위너필터링 영상 및 Lucy-Richardson 알고리듬을 사용한 복원영상에 대하여 주관적인 화질평가를 수행하였다. 화질평가를 위해서 그림 8과 같이 사진 상에 있는 6개의 병소에 대하여 복원 전 후에 관찰 가능한 정도를 육안으로 판정하였다. 지정된 6개의 부위에 대하여 병소가 관찰되는 정도에 따라 표 1에서와 같이 5단계의 판정기준을 적용하였다.
대상 데이터
(b)에서와 같이 두께 1cm, 넓이 10cm×10cm 의 아크릴판 8장을 제작하여 팬텀으로 사용하였고, 가상적인 병소를 형성하기 위해서 직경 1cm, 높이 1cm 크기의 원기둥을 아크릴판 사이에 4개와 넓이 1.8cm×1.5cm, 두께 0.4cm 및 0.7cm의 직사각형 형태의 종이 2개를 삽입하였다.
이론/모형
7. Restoration of the aged image used by Lucy-Richardson algorithm.
연구에 사용된 아날로그 필름영상은 그림 2의 (a)와 같은 방사선촬영장치를 사용하여 촬영한 후 자동현상기로 현상하여 아날로그 필름영상을 얻었다. 아날로그필름영상은 디지털카메라로 디지털영상으로 변환한 후 영상복원기법을 적용하였다. 또한 아날로그 필름영상을 위해서 그림 2의 (b)에서와 같이 두께 1cm, 넓이 10cm×10cm 의 아크릴판 8장을 제작하여 팬텀으로 사용하였고, 가상적인 병소를 형성하기 위해서 직경 1cm, 높이 1cm 크기의 원기둥을 아크릴판 사이에 4개와 넓이 1.
아날로그필름영상은 디지털카메라로 디지털 영상으로 변환한 후 영상복원기법을 가하여 영상을 복원하여 복원 전 후의 영상에 대하여 화질의 주관적 평가기법을 적용하여 진단적 가치를 정량적으로 평가하였다. 열화함수에 의해 흐려지고 노이즈가 낀 열화영상의 복원을 위해서 역필터링, 위너필터링에 의한 선형복원기법과 Lucy-Richardson 알고리듬에 의한 비선형 반복 복원기법을 사용하였다. 복원된 영상에 대하여 주관적 평가기법을 적용한 결과, 역필터링과 위너필터링 복원방식에 의한 복원영상은 진단에 적합하지 않은 결과를 가져왔고, Lucy-Richardson 알고리듬을 사용한 열화영상은 ROC 곡선으로부터 관찰한 결과 병소가 있는 영상에서 병소를 발견할 확률과 병소가 없는 영상에서 병소가 없다라고 올바르게 진단할 확률이 높은 영상을 갖는 다는 것을 형태학적으로 확인할 수 있었다.
성능/효과
Lucy-Richardson 알고리듬을 사용한 복원영상은 개선되었으며, 횟수를 10회와 100회 반복복원 영상은 20회 반복된 경우와 유사한 결과를 얻었다.
그림 8에서 Lucy-Richardson 알고리듬에 의한 복원영상이 가장 좌상단으로 곡선이 위치하고, 그 다음으로 열화영상, 위너필터링영상이 위치하며, 역필터링영상은 곡선이 좌측 상단으로부터 가장 멀리 위치한다. 곡선의 관찰로부터 Lucy-Richardson 알고리듬에 의한 영상은 적절한 복원으로 인하여 올바르게 진단할 확률이 높은 영상이 되었고, 위너필터링영상 및 역필터링영상은 영상의 복원으로 올바르게 진단할 확률이 낮게 됨으로써 진단을 위한 복원으로 적절하지 않은 것으로 나타났다.
복원된 영상에 대하여 주관적 평가기법을 적용한 결과, 역필터링과 위너필터링 복원방식에 의한 복원영상은 진단에 적합하지 않은 결과를 가져왔고, Lucy-Richardson 알고리듬을 사용한 열화영상은 ROC 곡선으로부터 관찰한 결과 병소가 있는 영상에서 병소를 발견할 확률과 병소가 없는 영상에서 병소가 없다라고 올바르게 진단할 확률이 높은 영상을 갖는 다는 것을 형태학적으로 확인할 수 있었다. 또한 감도 및 특이도를 계산한 결과 15[%] 진단능의 향상을 정량적으로 확인하였다. 본 연구를 통해서 의료영상의 복원기법이 다양하게 적용되어야 함을 알 수 있었고, 향 후 병원과의 공동 연구를 통해서 실제 환자의 필름영상을 통하여 의료영상의 개선된 정도를 정량적으로 표시하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
열화함수에 의해 흐려지고 노이즈가 낀 열화영상의 복원을 위해서 역필터링, 위너필터링에 의한 선형복원기법과 Lucy-Richardson 알고리듬에 의한 비선형 반복 복원기법을 사용하였다. 복원된 영상에 대하여 주관적 평가기법을 적용한 결과, 역필터링과 위너필터링 복원방식에 의한 복원영상은 진단에 적합하지 않은 결과를 가져왔고, Lucy-Richardson 알고리듬을 사용한 열화영상은 ROC 곡선으로부터 관찰한 결과 병소가 있는 영상에서 병소를 발견할 확률과 병소가 없는 영상에서 병소가 없다라고 올바르게 진단할 확률이 높은 영상을 갖는 다는 것을 형태학적으로 확인할 수 있었다. 또한 감도 및 특이도를 계산한 결과 15[%] 진단능의 향상을 정량적으로 확인하였다.
표 2, 3, 4 및 5로부터 열화영상, 역필터링영상, 위너필터링영상 및 Lucy-Richardson영상의 감도는 각각 65[%], 50[%], 55[%], 80[%]이고, 특이도는 각각 65[%], 50[%], 55[%], 70[%]로 계산되었다. 역필터링과 위너필터링영상은 열화영상보다 감도 및 특이도가 저하되었고, Lucy-Richardson영상은 열화영상보다 감도가 15[%], 특이도 역시 15[%]가 향상되었다. 즉 복원을 통해서 병소가 있는 사진에서 병소가 있다고 진단할 확률 및 병소가 없는 사진에서 병소가 없다고 진단할 확률이 각각 15[%] 만큼 개선되었다.
역필터링과 위너필터링영상은 열화영상보다 감도 및 특이도가 저하되었고, Lucy-Richardson영상은 열화영상보다 감도가 15[%], 특이도 역시 15[%]가 향상되었다. 즉 복원을 통해서 병소가 있는 사진에서 병소가 있다고 진단할 확률 및 병소가 없는 사진에서 병소가 없다고 진단할 확률이 각각 15[%] 만큼 개선되었다. 또한 간단히 육안으로 진단평가를 위해서 표 2, 3, 4, 및 5로부터 ROC 곡선을 구한 것이 그림 9이다.
표 2, 3, 4 및 5로부터 열화영상, 역필터링영상, 위너필터링영상 및 Lucy-Richardson영상의 감도는 각각 65[%], 50[%], 55[%], 80[%]이고, 특이도는 각각 65[%], 50[%], 55[%], 70[%]로 계산되었다. 역필터링과 위너필터링영상은 열화영상보다 감도 및 특이도가 저하되었고, Lucy-Richardson영상은 열화영상보다 감도가 15[%], 특이도 역시 15[%]가 향상되었다.
후속연구
또한 감도 및 특이도를 계산한 결과 15[%] 진단능의 향상을 정량적으로 확인하였다. 본 연구를 통해서 의료영상의 복원기법이 다양하게 적용되어야 함을 알 수 있었고, 향 후 병원과의 공동 연구를 통해서 실제 환자의 필름영상을 통하여 의료영상의 개선된 정도를 정량적으로 표시하는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
영상복원이란?
영상의 열화현상에 대한 사전정보를 이용해서 열화된 영상을 재구성 또는 복구하는 것을 영상복원이라 한다[8～9]. 복원의 목표는 주어진 영상을 어떤 미리 정의된 방향으로 개선하며, 열화를 모델링하고 그 과정을 역순으로 적용해서 원영상을 복구하는 것이다.
영상복원의 목표는?
영상의 열화현상에 대한 사전정보를 이용해서 열화된 영상을 재구성 또는 복구하는 것을 영상복원이라 한다[8～9]. 복원의 목표는 주어진 영상을 어떤 미리 정의된 방향으로 개선하며, 열화를 모델링하고 그 과정을 역순으로 적용해서 원영상을 복구하는 것이다. 또한 영상복원은 원하는 결과에 대한 최적의 추정을 얻기 위한 기준을 공식화하는 것을 의미한다.
비선형 반복기술에 의한 복원기법이 많이 사용되는 이유는?
비선형 반복기술에 의한 복원기법은 특성이 항상 예측가능하지 않고, 계산량이 많지만 컴퓨터하드웨어의 발전 및 우수한 복원성능으로 인하여 많이 사용되고 있다. 비선형 복원기법으로 Lucy-Richardson 알고리듬은 푸아송(poisson) 통계로 모델링되는 최대가능성공식 (maximum-likelihood formulation)으로부터 추정함으로써 식(9)와 같이 영상을 복원한다[9]
참고문헌 (12)
정환 외 공저, 디지털 의료영상학, 정문각, 2003.
권달관 외 공저, 의료영상정보학, 청구문화사, 2008.
김영일, 오현주, 디지털？PACS 의료영상정보학, 대학서림, 2004.
김정민, 의료용 디지털 화상의 세계, 대학서림, 2006.
김영로, 동성수, 명암도 향상을 위한 가중치 기반 히스토그램 수정, 대한전자공학회논문지, 제47권 IE편 제 3호, 7-13쪽, 2010년.
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