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[국내논문] CT 영상에서 스네이크 알고리즘과 파티클 필터를 이용한 뼈 영역 추출 방법
A Bone Region Extraction Method based on Snake Algorithm and Particle Filter in CT image 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.22 no.2, 2018년, pp.243 - 252  

정성태 (Department of Computer and Software Engineering, Wonkwang University) ,  김영운 (Good Information Technologies Co.,Ltd.) ,  강선경 (Department of Computer and Software Engineering, Wonkwang University)

초록
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본 논문에서는 CT 영상에서 스네이크 알고리즘과 파티클 필터를 이용한 뼈 영역 추출 방법을 제안한다. 스네이크 알고리즘을 이용하여 뼈 외곽선을 추출하고, 이 외곽선을 따라서 파티클 필터를 움직여 가면서 뼈 영역을 추출한다. 뼈 외곽선 주위에 다른 뼈가 근접해 있는 경우에 스네이크 알고리즘이 뼈 외곽선을 완벽하게 추출하지 못할 수 있는데, 이때에 파티클 필터가 이러한 오류를 보완해가면서 뼈 영역을 추출한다. 본 논문에서 제안한 방법을 기존의 형태학적 처리를 이용한 방법과 비교한 결과, 추출하고자 하는 뼈 영역 주위에 다른 뼈가 근접해 있지 않은 경우에는 비슷한 결과를 보였지만, 다른 뼈가 근접해 있는 경우에는 본 논문에서 제안한 방법의 정확도가 높음을 알 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we propose a bone region extraction method using a snake algorithm and a particle filter in CT image. We extract the bone outline using the snake algorithm, and extract the bone area by moving the particle filter along this outline. If other bones are in close proximity to the bone ou...

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이 방법은 추출하고자 하는 뼈 주위에 다른 뼈가 없는 경우에는 잘 동작하지만, 주위에 다른 뼈가 근접해 있는 경우에는 팽창 연산에 의해 주위의 뼈들이 추출하고자 하는 뼈와 병합되어 잘못된 결과를 생성한다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 본 논문에서는 스네이크 알고리즘과 파티클 필터를 이용하는 방법을 제안한다.
  • 위에서 설명한 단순 상태 공간 모델을 뼈 외곽선 추출에 활용하기 위하여, 슬라이스 영상을 따라가면서 뼈의 외곽선의 한 점이 일정 속도로 이동해나가는 것으로 간주하였다. 위에서 설명한 기본적인 파티클 필터는 한점을 추적하는데, 뼈 외곽선은 여러 개의 점으로 구성되어 있으므로, 다수의 별도 파티클 필터가 필요하다.
  • 본 논문에서는 CT 영상에서 스네이크와 파티클 필터를 이용한 뼈 영역 추출 방법을 제안하였다. 이전 슬라이스의 뼈 윤곽선 정보를 활용하여 다음 슬라이스에서의 뼈 윤곽선 추출을 위한 스네이크 알고리즘의 초기 윤곽선을 생성하였다.

가설 설정

  • 1로 설정하였다. Vn은 위치와 속도에 대한 잡음 벡터를 나타내는데 분산값이 위치와 속도 각각 0.5와 0.05인 정규 분포를 가지는 것으로 가정한다. Wn은 위치에 대한 관측 잡음을 나타내는데 자유도가 10인 t-분포를 가지는 것으로 가정한다.
  • 05인 정규 분포를 가지는 것으로 가정한다. Wn은 위치에 대한 관측 잡음을 나타내는데 자유도가 10인 t-분포를 가지는 것으로 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
스네이크 알고리즘은 무엇인가? 스네이크 알고리즘은 객체와 배경 사이의 활성 윤곽선을 추출하여 객체를 추적하는 기법으로 널리 사용되고 있다[7-9]. 파티클 필터는 시뮬레이션에 기반을 둔 예측 기술의 하나로, 객체 추적에 있어서 성능이 우수하여 널리 사용되는데, 추적 분야 이외에도 경제학, 신호처리, 뇌과학 등 다양한 분야에서 사용되고 있다[10-14].
파티클 필터는 어떤 이유로 뼈 영역 추출에 쓰이는가? 파티클 필터는 SMC(Sequential Monte Carlo) 방법이라고도 하며, 비선형 시스템에 적합한 알고리즘이다. 파티클 필터는 오차가 존재하는 관측 값을 사용하여 정보를 예측하는데, 스네이크 알고리즘으로 구한 뼈의 윤곽선이 오차를 포함할 수 있기 때문에 파티클필터를 이용하여 뼈 윤곽선을 예측하는 것이다.
형태학저 처리를 이용한 뼈 영역 추출 방법의 문제점은? 내부 구멍을 채우기 전에 팽창 연산을 적용하는 이유는, 뼈의 외곽 영역의 일부가 약한 경우에 이진화 영상에서 구멍이 난 것처럼 되어 문제가 발생하므로 구멍을 메워주기 위한 것이다. 이 방법은 추출하고자 하는 뼈 주위에 다른 뼈가 없는 경우에는 잘 동작하지만, 주위에 다른 뼈가 근접해 있는 경우에는 팽창 연산에 의해 주위의 뼈들이 추출하고자 하는 뼈와 병합되어 잘못된 결과를 생성한다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로 본 논문에서는 스네이크 알고리즘과 파티클 필터를 이용하는 방법을 제안한다.
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참고문헌 (17)

  1. M.L. Bouxsein, S.K. Boyd, B.A. Christiansen, R.E. Guldberg, K.J Jepsen, and R. Muller, "Guidelines for Assessment of Bone Microstructure in Rodents Using Micro-Computed Tomography," Journal of Bone and Mineral Research, vol. 25, no. 7, pp. 1468-1486, Jul. 2010. 

  2. M. Baiker, T. Snoeks, E.L. Kaijzel, I. Que, J. Dijkstra, B. Lelieveldt, and C. Lowik, "Automated Bone Volume and Thickness Measurements in Small Animal Whole-Body Micro-CT Data," Molecular Imaging and Biology, vol. 14, no. 4, pp. 420-430, Aug. 2012. 

  3. A. Behrooz, P. Kask, J. Meganck, and J. Kempner, "Automated Quantitative Bone Analysis in In Vivo X-ray Micro-Computed Tomography," IEEE Transactions on Medical Imaging, vol. 36, no. 9, pp. 1955-1965, Sep. 2017. 

  4. H.R. Buie, G.M. Campbell, R. Joshua Klinck, J.A. MacNeil, and S.K. Boyd, "Automatic segmentation of cortical and trabecular compartments based on a dual threshold technique for in vivo micro-CT bone analysis," Bone, vol. 41, pp. 505-515, Jul. 2007. 

  5. J. Zhang, C.-H. Yan, C.-K. Chui, and S.-H. Ong, "Fast segmentation of bone in CT images using 3D adaptive thresholding," Computers in Biology and Medicine, vol. 40, no. 2, pp. 231-236, Feb. 2010. 

  6. S.-K. Kang, Y.-U. Kim, and S.-T. Jung, "Automatic Segmentation of Trabecular Bone Based on Sphere Fitting for Micro-CT Bone Analysis," KIPS Transactions on Software and Data Engineering., vol. 3, no. 8, pp. 329-334, Aug. 2014. 

  7. Y.L. Fok, J.C.K. Chan, and R.T. Chin, "Automated analysis of nerve cell images using active contour models," IEEE Transactions on Medical Image, vol. 15, no. 3, pp. 353-368, Jun. 1996. 

  8. C.-S. Kim and S.-Y. Choi, "Image Segmentation of Lung Parenchyma using Improved Deformable Model on Chest Computed Tomography," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 13, no. 10, pp. 2163-2170, Oct. 2009. 

  9. J. Yan, K. Zhang, C. Zhang, S.-C. Chen, and G. Narasimhan, "Automatic Construction of 3-D Building Model From Airborne LIDAR Data Through 2-D Snake Algorithm," IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, vol. 53, no. 1, pp. 3-14, Jan. 2015. 

  10. M.S. Johannes, N.G. Polson, and J.R. Stroud, "Optimal Filtering of Jump Diffusions: Extracting Latent States from Asset Prices," Review of Financial Studies, vol. 22, no. 7, pp. 2759-2799, Jul. 2009. 

  11. S.-M. Shin, S. Uroosa, "Predicting Software Reliability Using Particle SWARM Optimization Technique", Asia-pacific Journal of Convergent Research Interchange, vol.1, no.3, pp. 17-30, Sep. 2015. 

  12. T.-G. Kim, N.-Y. Ko, and S.-W. Noh, "Simultaneous Estimation of Landmark Location and Robot Pose Using Particle Filter Method," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, vol. 22, no. 3, pp. 353-360, Jun. 2012. 

  13. E.-M. Choi, H.-K. Oh, and I.-C. Kim, "Simultaneous Localization and WiFi Fingerprint Mapping Based on Particle Filters," KIISE Transactions on Software and Application, vol. 40, no. 4, pp. 211-219, Apr. 2013. 

  14. S.-G. Sun and B.-L. Cho, "Small Target Detection in Infrared Images Using Particle Filter Track-Before-Detection," Journal of Korean Institute of Information Technology, vol. 14, no. 9, pp. 37-43, Sep. 2016. 

  15. C. Li, C. Xu, C. Gui, and M. D. Fox, "Distance Regularized Level Set Evolution and its Application to Image Segmentation," IEEE Transaction on Image Processing, vol. 19 no. 12, pp. 3243-3254, Dec. 2010. 

  16. A.M. Johansen, "SMCTC: Sequential Monte Carlo in C++," Journal of Statistical Software, vol. 30, no. 6, pp. 1-41, Apr. 2009. 

  17. D. Douglas and T. Peucker, "Algorithms for the Reduction of the Number of Points Required to Represent a Digitized Line or Its Curvature," The International Journal for Geographic and Geovisualization, vol. 10, no. 2, pp. 112-122, Dec. 1973. 

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