미만성 간질환의 초음파 영상에서 노이즈 감소를 위한 복합필터의 설계 및 유용성에 관한 연구 A Study on Effectiveness of Designed Composite Filter with Noise Reduction in Ultrasound Image for Diffuse Liver Disease원문보기
본 연구는 영상의 노이즈 감소를 위한 복합필터 제안과 간 초음파영상에서 노이즈 제거를 통한 영상품질의 향상으로 정확한 영상 해석에 도움을 주고자 하였다. 실험은 ATS-539 다목적용 초음파팬텀을 이용하여 Gaussian blurring filter, Sharpening filter, Median filter의 조합으로 상위 7개의 복합필터를 선정하고 이를 간 초음파영상에 적용하였다. 그 결과 상위 7개 복합필터 적용하였을 때 SNR, CNR, MSR 값이 모두 증가하는 것으로 나타났다. 이 중 복합필터 1과 2가 가장 높은 값을 나타내었다. 또한 PSNR 30 dB이상, SSIM 1에 가까운 결과값을 나타내어 영상의 손실률이 적음을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안한 복합필터의 적절한 적용은 정확한 영상의 판독과 해석에 도움을 줄 수 있을 것이다.
본 연구는 영상의 노이즈 감소를 위한 복합필터 제안과 간 초음파영상에서 노이즈 제거를 통한 영상품질의 향상으로 정확한 영상 해석에 도움을 주고자 하였다. 실험은 ATS-539 다목적용 초음파팬텀을 이용하여 Gaussian blurring filter, Sharpening filter, Median filter의 조합으로 상위 7개의 복합필터를 선정하고 이를 간 초음파영상에 적용하였다. 그 결과 상위 7개 복합필터 적용하였을 때 SNR, CNR, MSR 값이 모두 증가하는 것으로 나타났다. 이 중 복합필터 1과 2가 가장 높은 값을 나타내었다. 또한 PSNR 30 dB이상, SSIM 1에 가까운 결과값을 나타내어 영상의 손실률이 적음을 알 수 있었다. 따라서 본 연구에서 제안한 복합필터의 적절한 적용은 정확한 영상의 판독과 해석에 도움을 줄 수 있을 것이다.
This paper proposes a composite filter for noise reduction of image. To improve the image quality by reducing the noise in the liver ultrasound image, we tried to help the accurate image analysis. In the experiment, the top seven composite filters were selected by combining the Gaussian blur filter,...
This paper proposes a composite filter for noise reduction of image. To improve the image quality by reducing the noise in the liver ultrasound image, we tried to help the accurate image analysis. In the experiment, the top seven composite filters were selected by combining the Gaussian blur filter, the sharpening filter, and the median filter using the ATS-539 ultrasonic phantom, and applied to the ultrasound image in which this was done. As a result, it was found that the values of SNR, CNR and MSR all increased when the top seven composite filters were applied. In addition, PSNR of more than 30 dB, close to SSIM 1 showed that the image loss rate is small. Therefore, the appropriate application of the proposed composite filter in this research will be useful for accurate video reading and analysis.
This paper proposes a composite filter for noise reduction of image. To improve the image quality by reducing the noise in the liver ultrasound image, we tried to help the accurate image analysis. In the experiment, the top seven composite filters were selected by combining the Gaussian blur filter, the sharpening filter, and the median filter using the ATS-539 ultrasonic phantom, and applied to the ultrasound image in which this was done. As a result, it was found that the values of SNR, CNR and MSR all increased when the top seven composite filters were applied. In addition, PSNR of more than 30 dB, close to SSIM 1 showed that the image loss rate is small. Therefore, the appropriate application of the proposed composite filter in this research will be useful for accurate video reading and analysis.
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문제 정의
본 연구에서는 노이즈 감소를 위한 복합필터 제안과 간초음파영상에서 노이즈 제거를 통한 영상품질의 향상으로 정확한 영상 해석에 도움을 주고자 연구를 진행하였다. 본 연구에서 제안된 7가지의 복합필터를 실제 임상영상에 적용하였을 때, SNR, CNR, PSNR의 정량적 지표가 높아져 노이즈가 감소하였다.
이에 본 연구에서는 노이즈 감소를 위한 복합필터제안과 간초음파영상에서 노이즈 감소를 통한 영상품질의 향상으로 정확한 영상판독과 해석에 도움을 주고자 한다.
제안 방법
4와 같이 임상 초음파 영상에 적용한 후 원본 영상과 복합필터를 적용한 영상의 SNR, CNR, MSR 수치를 비교하였다. 그리고 실제 임상영상의 적용 타당성을 얻기 위해 팬텀 영상에서 나타난 결과와 동일한지를 비교, 확인하였다.
필터의 선정을 위하여 2003년 대한영상의학회와 대한초음파의학회가 정한 초음파영상의 평가를 위한 ATS-539 다목적 팬텀을 사용하였다. 또한 H 대학병원의 초음파검사실에서 사용 중인 초음파 장비(IU-22, Philips, USA)를 이용하여 조직등가팬텀에서 gray scale과 dynamic range를 평가하는 lower contrast object 6개를 50x50 크기로 영역을 지정한 영상을 바탕으로 필터선정 작업을 시행하였다. 필터링 및 필터선정 작업은 Image J (At the Research Services Branch, National Institute of Mental Health, Bethesda, Maryland, USA.
구조적 유사성 (Structural Similarity; SSIM)이란 두 영상 간의 유사성을 측정하기 위해 사용하며, 식(6)으로 나타낸다. 영상 품질의 손실은 영상신호자체의 구조적 왜곡에 의해 발생한다는 가정에 따라 영상의 구조적 왜곡을 측정하는 SSIM 방식이 제안되었다. SSIM은 1에 가까울수록 noise-free 영상과 높은 유사성을 보인다.
3은 상위 개의 선정 복합필터 적용 영상이다. 전체 450여개의 복합필터 조합을 팬텀영상에 적용하여 정하였다.
저주파 강조의 효과를 가지는 Gaussian filter와 고주파 성분을 강조하는 Sharpening filter, 그리고 고주파 신호를 보존하며 노이즈를 제거하는 smoothing을 통하여 초음파영상에서 미세 노이즈제거를 기대하였고 그 후 sharpening의 일종인 High pass filter를 사용하여 Gaussian filter에서 놓칠 수 있는 경계 강조를 보완할 것이라 예상하였다. 추가적으로 고주파 신호를 살리면서 노이즈를 제거하기 위해 Median filter를 사용하였다. 이러한 복합필터로 변환한 영상을 신뢰성 있는 파라미터로 증명하였을 때 처음 예상과 상응하는 결과가 도출되었다.
팬텀 영상에 적용하였던 상위 7개의 복합필터를 Fig. 4와 같이 임상 초음파 영상에 적용한 후 원본 영상과 복합필터를 적용한 영상의 SNR, CNR, MSR 수치를 비교하였다. 그리고 실제 임상영상의 적용 타당성을 얻기 위해 팬텀 영상에서 나타난 결과와 동일한지를 비교, 확인하였다.
필터 적용 후의 영상 손실이 적고 유사도가 높음을 증명하기 위해서 PSNR, SSIM을 이용하여 손실률과 유사도 평가를 진행하였다. 제시된 모든 경우에서 PSNR값이 30 dB보다 높은 값을 나타내었으며, 나아가 PSNR값의 범위로 정상간과 비정상간 (지방간과 간경변)의 정량적, 객관적 진단에 보조적으로도 활용 될 수 있을 것이라 생각된다.
또한 H 대학병원의 초음파검사실에서 사용 중인 초음파 장비(IU-22, Philips, USA)를 이용하여 조직등가팬텀에서 gray scale과 dynamic range를 평가하는 lower contrast object 6개를 50x50 크기로 영역을 지정한 영상을 바탕으로 필터선정 작업을 시행하였다. 필터링 및 필터선정 작업은 Image J (At the Research Services Branch, National Institute of Mental Health, Bethesda, Maryland, USA. Ver. 1.50i 26 March 2016)를 사용하여 SNR, CNR, MSR을 산출하였고 영상 손실률과 유사도를 알아보기 위해 icy(France-Bioimaging, France. Ver.1.7.3.0) 프로그램을 사용하여 MSE, PSNR SSIM을 산출하였다.
1과 같이 총 6개의 Desired Region of Interest(DROI)로 표시하였으며, 백그라운드는 undesired Region of Interest(UROI)로 표시하였다. 필터종류로는 영상의 거친 부분을 제거하여 부드럽게 하기위해 Smoothing 효과를 가지는 Gaussian blurring filter (5x5 filter mask, 2가지), 영상의 저주파 성분 부분이 유지되면서 고주파 부분이 강조되는 Sharpening filter (3x3 filter mask 1가지, 5x5 filter mask 3가지), 경계선 등의 고주파 신호를 비교적 잘 보존하면서 노이즈를 제거하는 Median filter (3x3 filter mask 1가지)의 조합으로 하였다[9]. Fig.
대상 데이터
ATS-539 다목적 팬텀에 초음파를 이용하여 획득한 영상으로 Image J로 실험을 한 결과 Table 1과 같이 필터를 선정하였다. Table 2는 팬텀 영상에서 ROI 1에서 6까지의 복합필터 적용 평균값 결과로 Composite 1이 SNR 2.
필터의 선정을 위하여 2003년 대한영상의학회와 대한초음파의학회가 정한 초음파영상의 평가를 위한 ATS-539 다목적 팬텀을 사용하였다. 또한 H 대학병원의 초음파검사실에서 사용 중인 초음파 장비(IU-22, Philips, USA)를 이용하여 조직등가팬텀에서 gray scale과 dynamic range를 평가하는 lower contrast object 6개를 50x50 크기로 영역을 지정한 영상을 바탕으로 필터선정 작업을 시행하였다.
데이터처리
임상영상에서 복합필터 적용 전, 후의 영상 손실률과 유사도를 알아보기 위해 icy(France-Bioimaging, France. Ver.1.7.3.0)프로그램을 사용하여 MSE, PSNR SSIM을 산출하였다.
성능/효과
제시된 모든 경우에서 PSNR값이 30 dB보다 높은 값을 나타내었으며, 나아가 PSNR값의 범위로 정상간과 비정상간 (지방간과 간경변)의 정량적, 객관적 진단에 보조적으로도 활용 될 수 있을 것이라 생각된다. SSIM은 정상, 지방간, 간경변의 모든 경우에서 1에 가까운 값을 보여 영상 손실이 적음과 동시에 영상의 구조적 차이가 없음을 알 수 있었다.
ATS-539 다목적 팬텀에 초음파를 이용하여 획득한 영상으로 Image J로 실험을 한 결과 Table 1과 같이 필터를 선정하였다. Table 2는 팬텀 영상에서 ROI 1에서 6까지의 복합필터 적용 평균값 결과로 Composite 1이 SNR 2.753, CNR 2.268, MSR 8.383으로 3가지 모두 가장 높게 나타났고, Composite 7이 SNR 2.682, CNR 2.210, MSR 8.126으로 가장 낮게 나타났다.
Table 7은 지방간 영상에서의 MSE, PSNR, SSIM 결과 값으로서 PSNR 34.97∼36.64 범위를 나타내었고, SSIM 0.88∼0.92의 범위를 나타내어 원본과의 영상 손실이 적고 유사도가 높은 것으로 나타났다.
[1,2] 일반적으로 간질환의 검사 및 진단 방법에는 혈청학적 검사와 영상진단 그리고 조직병리 진단으로 나누어 시행되며, 전산화단층영상(CT), 초음파(US)가 널리 이용되고 있다. [3]전산화단층영상은 간의 해부학적, 구조적 이상과 여러 가지 국소 질환을 객관적으로 보이는 장점이 있지만 방사선피폭 및 조영제 부작용등의 단점이 있다. 하지만 초음파 검사는 탐촉자로 초음파를 실시간으로 간에 전파시켜 반사되어 나온 에코를 영상화하는 검사로 전산화단층촬영이나 자기공명영상과 비교하여 간편하게 시행할 수 있고 환자에게 큰 불편감을 주지 않아 간경변이나 만성 간염 환자의 주기적 검사에 유용하며, 간에 생긴 국소 병변의 내부 특성을 파악하여 병변의 진단에 도움을 줄 수 있다.
이는 초음파 영상이 speckle영상이며, 이러한 파(wave)의 간섭효과에 의해 발생할 수 있는 speckle을 완화시키는 효과 때문에 개선된 영상을 획득할 수 있었던 것으로 보인다. 결과적으로 영상판독과 해석에 장애를 초래하지 않고 임상적으로 유용할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 노이즈 감소를 위한 복합필터 제안과 간초음파영상에서 노이즈 제거를 통한 영상품질의 향상으로 정확한 영상 해석에 도움을 주고자 연구를 진행하였다. 본 연구에서 제안된 7가지의 복합필터를 실제 임상영상에 적용하였을 때, SNR, CNR, PSNR의 정량적 지표가 높아져 노이즈가 감소하였다. 파라미터의 개념을 생각해보았을 때, 값의 상승을 보이므로 복합필터가 영상개선에 도움이 되었다고 생각된다.
제안된 복합필터들을 이용하여 H 병원에서 검사를 시행한 간 초음파영상의 임상 증례에 적용시켜 Table 3∼5의 결과 값을 얻었다. 원본 영상에 비해 SNR, CN R, MSR이 모두 높게 나타났다.
후속연구
또한 본 연구를 근간으로 추가적인 필터적용 연구가 더 많이 진행된다면 더욱 개선된 의료영상의 획득으로 정확한 진단이 가능할 것이며, 객관적이고 정량적인 질환 감별의 보조적인 수단으로 활용 될 것으로 기대된다.
본 연구에서 제안한 복합필터들 중 SNR, CNR, MSR 이 가장 높게 나타난 composite 1과 composite 2의 사용은 영상의 노이즈 감소 효과와 동시에 화질의 개선을 통해 술자의 주관에 의존하고 있는 초음파검사에서 진단적 가치를 향상시키고 의료영상의 판독과 해석에 도움이 될 것이다.
의 연구에서도 제안한 노이즈 제거 필터를 사용하여 영상을 개선시켰으며, 본 연구에서도 복합 필터들을 사용하여 개선된 영상획득 할 수 있었다. 저주파 강조의 효과를 가지는 Gaussian filter와 고주파 성분을 강조하는 Sharpening filter, 그리고 고주파 신호를 보존하며 노이즈를 제거하는 smoothing을 통하여 초음파영상에서 미세 노이즈제거를 기대하였고 그 후 sharpening의 일종인 High pass filter를 사용하여 Gaussian filter에서 놓칠 수 있는 경계 강조를 보완할 것이라 예상하였다. 추가적으로 고주파 신호를 살리면서 노이즈를 제거하기 위해 Median filter를 사용하였다.
필터 적용 후의 영상 손실이 적고 유사도가 높음을 증명하기 위해서 PSNR, SSIM을 이용하여 손실률과 유사도 평가를 진행하였다. 제시된 모든 경우에서 PSNR값이 30 dB보다 높은 값을 나타내었으며, 나아가 PSNR값의 범위로 정상간과 비정상간 (지방간과 간경변)의 정량적, 객관적 진단에 보조적으로도 활용 될 수 있을 것이라 생각된다. SSIM은 정상, 지방간, 간경변의 모든 경우에서 1에 가까운 값을 보여 영상 손실이 적음과 동시에 영상의 구조적 차이가 없음을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
미만성 간질환의 종류에는 무엇이 있는가?
미만성 간질환의 종류로는 지방간(fatty liver), 만성간염(chronic hepatitis), 그리고 간경변(liver cirrhosis) 등이 있으며 초음파 검사에서 미만성 간질환의 유무는 간의 전체적인 형태, 크기 뿐 만 아니라 간 실질의 에코에 대한 평가에 의해 이루어진다. [1,2] 일반적으로 간질환의 검사 및 진단 방법에는 혈청학적 검사와 영상진단 그리고 조직병리 진단으로 나누어 시행되며, 전산화단층영상(CT), 초음파(US)가 널리 이용되고 있다.
미만성 간질환의 유무는 어떻게 이루어지는가?
미만성 간질환의 종류로는 지방간(fatty liver), 만성간염(chronic hepatitis), 그리고 간경변(liver cirrhosis) 등이 있으며 초음파 검사에서 미만성 간질환의 유무는 간의 전체적인 형태, 크기 뿐 만 아니라 간 실질의 에코에 대한 평가에 의해 이루어진다. [1,2] 일반적으로 간질환의 검사 및 진단 방법에는 혈청학적 검사와 영상진단 그리고 조직병리 진단으로 나누어 시행되며, 전산화단층영상(CT), 초음파(US)가 널리 이용되고 있다.
CT의 장점 및 단점은?
[1,2] 일반적으로 간질환의 검사 및 진단 방법에는 혈청학적 검사와 영상진단 그리고 조직병리 진단으로 나누어 시행되며, 전산화단층영상(CT), 초음파(US)가 널리 이용되고 있다. [3]전산화단층영상은 간의 해부학적, 구조적 이상과 여러 가지 국소 질환을 객관적으로 보이는 장점이 있지만 방사선피폭 및 조영제 부작용등의 단점이 있다. 하지만 초음파 검사는 탐촉자로 초음파를 실시간으로 간에 전파시켜 반사되어 나온 에코를 영상화하는 검사로 전산화단층촬영이나 자기공명영상과 비교하여 간편하게 시행할 수 있고 환자에게 큰 불편감을 주지 않아 간경변이나 만성 간염 환자의 주기적 검사에 유용하며, 간에 생긴 국소 병변의 내부 특성을 파악하여 병변의 진단에 도움을 줄 수 있다.
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