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CNN 기반 위장관 랜드마크 분류기를 이용한 위장관 교차점 추정
Estimating Gastrointestinal Transition Location Using CNN-based Gastrointestinal Landmark Classifier 원문보기

정보처리학회논문지. KIPS transactions on software and data engineering. 소프트웨어 및 데이터 공학, v.9 no.3, 2020년, pp.101 - 108  

장현웅 (아주대학교 전자공학과) ,  임창남 (아주대학교 전자공학과) ,  박예슬 (아주대학교 전자공학과) ,  이광재 (아주대학교 의과대학 소화기내과) ,  이정원 (아주대학교 전자공학과)

초록
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최근의 영상 처리 분야는 딥러닝 기법들의 성능이 입증됨에 따라 다양한 분야에서 이와 같은 기법들을 활용해 영상에 대한 분류, 분석, 검출 등을 수행하려는 시도가 활발하다. 그중에서도 의료 진단 보조 역할을 할 수 있는 의료 영상 분석 소프트웨어에 대한 기대가 증가하고 있는데, 본 연구에서는 데이터 셋이 방대하고 판단에 시간이 오래 걸리는 캡슐내시경 영상에 주목하였다. 본 논문의 목적은 캡슐내시경 영상의 판독에서 모든 환자에 대해 공통으로 수행되고, 판독하는 데 많은 시간을 차지하는 위장관 랜드마크를 구별하고 위장관 교차점을 추정하는 것이다. 이를 위해, 위장관 랜드마크를 식별할 수 있는 CNN 학습 모델을 설계하였으며, 이를 이용하여 결괏값을 필터링해 위장관 교차점을 추정하였다. 무작위로 환자 데이터를 샘플링한 모델을 이용해서 나온 결과를 필터링 후에 위장관 교차점을 추정하였을 때, 88% 환자는 위장에서 소장으로 변화하는 위장관 교차점(유문판) 의심 구역 안에 들어왔으며, 소장에서 대장으로 변화하는 위장관 교차점(회맹판)의 경우 100% 환자가 위장관 교차점 의심 구역 안에 들어온 것을 확인할 수 있었다. 100프레임 범위로 위장관 교차점 의심 구역을 찾을 수 있었으며, 판독자가 초당 10프레임의 속도로 판독을 진행한다면 10초안에 위장관 교차점을 찾아낼 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Since the performance of deep learning techniques has recently been proven in the field of image processing, there are many attempts to perform classification, analysis, and detection of images using such techniques in various fields. Among them, the expectation of medical image analysis software, w...

주제어

표/그림 (14)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 위장관 교차점 추정의 경우에는 식도 위 경계에 대해서는 좋은 성능을 보였지만, 회맹판의 경우에는 오차가 큰 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 이를 보완하기 위한 위장관 분류 모델 기반의 교차점 추정 기법을 제안한다.
  • 국내에서는 대표적으로 Vuno의 BoneAge[2], Lunit의 Insight[3] 등과 같은 기계학습 기반의 의료 진단 보조 소프트웨어도 많이 개발되고 있다. 목적에 따라서 컴퓨터단(층)촬영영상(CT:Computed Tomography), 자기공명영상(MR: Magnetic Resonance), X-ray 등 다양한 의료 영상들이 존재하는데, 본 연구에서는 소장 촬영을 목적으로 오랜 시간 동안 방대한 데이터 셋을 가지며, 많은 진단 시간을 필요로 하는 캡슐내시경 영상에 주목하였다.
  • 본 논문에서는 위장관 랜드마크 분류기의 성능을 향상시키기 위해서 노이즈 영상들을 제거하였다. 8명 환자의 데이터를 확인하여 과도하게 거품이 끼거나 잘 보이지 않는 영상들을 제거하여 데이터 셋을 만들었다.
  • 본 연구에서 8명의 데이터를 이용해서 캡슐내시경 영상에서 CNN 랜드마크 분류기를 이용한 위장관 교차점 추정 방법을 제안하였다. 위장관 랜드마크 분류기의 경우 무작위로 샘플링한 후 학습했을 경우에는 95%, 8-fold 방식을 사용해서 학습했을 때에는 평균 71%를 보였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
제안하는 위장관 분류 모델 기반의 두가지 종류는 무엇인가? 제안하는 기법은 크게 두 가지 모델로 구성되어 있다. 첫번째는 위장관 랜드마크 분류기 모델, 두 번째는 분류기의 결과를 이용한 위장관 교차점 추정 모델이다. 위장관 랜드마크 분류기는 이미지의 특성을 학습할 수 있는 CNN 학습모델을 이용하여 캡슐내시경 영상을 위장관 랜드마크 별로 분류한다.
국내의 기계학습을 이용한 의료 진단 보조 소프트웨어에는 어떤 것들이 있는가? 의사의 인력이 점점 부족해지고 기술에 발전에 따라 다양한 의료 영상들이 등장하면서 의료 영상을 진단을 보조할 수 있으면서 진단율을 높여줄 수 있는 연구들이 활발해지고 있다[1]. 국내에서는 대표적으로 Vuno의 BoneAge[2], Lunit의 Insight[3] 등과 같은 기계학습 기반의 의료 진단 보조 소프트웨어도 많이 개발되고 있다. 목적에 따라서 컴퓨터단(층)촬영영상(CT:Computed Tomography), 자기공명영상(MR: Magnetic Resonance), X-ray 등 다양한 의료 영상들이 존재하는데, 본 연구에서는 소장 촬영을 목적으로 오랜 시간 동안 방대한 데이터 셋을 가지며, 많은 진단 시간을 필요로 하는 캡슐내시경 영상에 주목하였다.
캡슐내시경이란? 캡슐내시경은 식도에서 항문까지 긴 위장관을 촬영하기 위한 장비로, 특별한 마취 없이 행해질 수 있고 다른 내시경과는 다르게 이물감이나 거부감이 덜하기 때문에 점차 사용량이 늘어나고 있다. 캡슐내시경의 가장 큰 장점은 대장 내시경으로는 판독이 어려운 소장을 촬영할 수 있다는 것이다.
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참고문헌 (14)

  1. Geet Litjens, Thijs Kooi, Babak Ehteshami Bejnordi, Arnaud Arindra Adiyoso Setio, Francesco Ciompi, Mohsen Ghafoorian, Jeroen A.W.M van der Laak, Bram van Ginneken, and Clara I. Sanchez, "A survey on deep learning in medical image analysis," Medical Image Analysis, Vol.42, pp.60-88, 2017. 

  2. Kim Jeong Rye, Woo Hyun Shim, Hee Mang Yoon, Sang Hyup Hong, Jin Seong Lee, Young Ah Cho, and Sangki Kim, "Computerized bone age estimation using deep learning based program: evaluation of the accuracy and efficiency," American Journal of Roentgenology, Vol.209, No.6, pp.1374-1380, 2017. 

  3. Eui Jin Hwang, Sunggyun Park, Jung Im Kim, So Young Choi, Jong Hyuk Lee, Jin Mo Goo, Jaehong Aum, Jae-Joon Yim, Julien G.Cohen, Gilbert R.Ferretti, and Chang Min Park, "Development and Validation of a Deep Learning-Based Automatic Detection Algorithm for Active Pulmonary Tuberculosis on Chest Radiographs," Clinical Infectious Diseases, Vol.69, No.5, pp.739-747, doi: 10.1093/cid/ciy967, 2018.11. 

  4. Karargyris, Alexandros, and Nikolaos Bourbakis, "Detection of small bowel polyps and ulcers in wireless capsule endoscopy videos," IEEE Transactions on BioMedical Engineering, Vol.58, No.10, pp.2777-2786, 2011. 

  5. Baopu Li and Max Q.-H Meng, "Tumor Recognition in Wireless Capsule Endoscopy Images Using Textural Features and SVM-Based Feature Selection," IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, Vol.16, No.3, pp.323-329, 2012. 

  6. Meryem Souaidi, Said Charfi, Abdelkaher Ait Abdelouahad, and Mohamed El Ansari, "New Features for wireless capsule endoscopy polyp detection," Intelligent Systems and Computer Visions(ISCV), 2018 International Conference on IEEE, 2018. 

  7. H. G Lee, H. K Choi, D. H. Lee, and S. C Lee, "Intelligent Diagnosis Assistant System of Capsule Endoscopy Video Through Analysis of Video Frames," Korea Intelligent Information System Sociery (KIISS), Vol.15, No.2, pp.33-48, 2009. 

  8. D.Y Yoo, Y.S Park, and J.W Lee, "SVM-based Classification of Over-residue Images for Filtering Learning-obstruction Images of Capsule Endoscopy," Korea Computer Congress (KCC), pp.1865-1867, 2018. 

  9. D. Y. Yoo, Y. S. Park, B. J. Lee, and J. W. Lee, "Classification of Noise Interfering with Learning for Medical Image Data-driven Software Development," Korea Conference on Software Engineering(KCSE), pp.317-322, 2019. 

  10. H. Chen, X. Wu, G. Tao, and Q. Peng, "Automatic content understanding with cascaded spatial-temporal deep framework for capsule endoscopy videos," Neurocomputing, 229, pp.77-87, 2017. 

  11. J. P. Silva Cuncha, M. Coimbra, P. Campos, and J. M. Soares, "Automated Topographic Segmentation and Transit Time Estimation in Endoscopic Capsule Exams," IEEE Transaction on Medical Imaging, Vol.27, No.1, pp.19-27, Jan. 2008. 

  12. Horn, Eli, Hagai Krupnik, and Ofra Zinaty, "System and method to detect a transition in an image stream," U.S. Patent No.7, 684,599, filed Sep.27 2005, and issued Mar 23, 2010. 

  13. Michal Mackiewicz, Jeff Barens, Mark Fisher, and Duncan Bell, "Colour and texture based gastrointestinal tissue discrimination," IEEE International Conference on Acoustics Speech and Signal Processing Proceedings. Vol.2, doi: 10.1109/ICASSP.2006.1660413, 2006.7. 

  14. Michal Mackiewicz, Jeff Berens, and Mark Fisher "Wireless capsule endoscopy color video segmentation," IEEE Transactions on Medical Imaging, Vol.27, No.12, pp.1769-1781, 2008. 

저자의 다른 논문 :

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