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캡슐내시경의 위치추적을 위한 CNN 기반 위장관 랜드마크 분류기 설계
Design of CNN-based Gastrointestinal Landmark Classifier for Tracking the Gastrointestinal Location 원문보기

한국정보처리학회 2019년도 추계학술발표대회, 2019 Oct. 30, 2019년, pp.1019 - 1022  

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 캡슐내시경 영상에 주목하였다. 캡슐내시경은 주로 소장 촬영을 목표로 하며 식도부터 대장까지 약 8~10시간 동안 촬영된다. 이로 인해 CT, MR, X-ray와 같은 다른 의료 영상과 다르게 하나의 데이터 셋이 10~15만 장의 이미지를 갖는다. 일반적으로 캡슐내시경 영상을 판독하는 순서는 위장관 교차점(Z-Line, 유문판, 회맹판)을 기준으로 위장관 랜드마크(식도, 위, 소장, 대장)를 구분한 뒤, 각 랜드마크 별로 병변 정보를 찾아내는 방식이다. 그러나 워낙 방대한 영상 데이터를 가지기 때문에 의사 혹은 의료 전문가가 영상을 판독하는데 많은 시간과 노력이 소모되고 있다. 본 논문의 목적은 캡슐내시경 영상의 판독에서 모든 환자에 대해 공통으로 수행되고, 판독하는 데 많은 시간을 차지하는 위장관 랜드마크를 찾는 것에 있다. 이를 위해, 위장관 랜드마크를 식별할 수 있는 CNN 학습 모델을 설계하였으며, 더욱 효과적인 학습을 위해 전처리 과정으로 학습에 방해가 되는 학습 노이즈 영상들을 제거하고 위장관 랜드마크 별 특징 분석을 진행하였다. 총 8명의 환자 데이터를 가지고 학습된 모델에 대해 평가 및 검증을 진행하였는데, 무작위로 환자 데이터를 샘플링하여 학습한 모델을 평가한 결과, 평균 정확도가 95% 가 확인되었으며 개별 환자별로 교차 검증 방식을 진행한 결과 평균 정확도 67% 가 확인되었다.

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 또한, 영상 데이터 셋을 위장관 교차점의 데이터는 수 만장의 프레임 중 굉장히 작은 비율을 차지하기 때문에, 학습 데이터의 불균형 문제로 인해 학습이 어렵다는 문제점도 있었다. 따라서 본 연구에서는 아주대병원과 함께 연구를 진행하여, 의료 전문가에 의해 레이블링된 위장관 교차점을 기반으로 위장관 랜드마크를 학습하기 위한 네트워크 모델(분류기)을 제안하고자 한다.
  • 이를 해결하기 위해서는 정체되어 있다고 판단될 때 환자의 자세를 바꿔주거나 걷는 등 조금의 움직임이 필요한데, 현재는 캡슐의 위치 추적이 이루어지지 않고 있어 이와 같은 정체 현상을 해결하기 어려운 상황이다. 본 논문에서는 이러한 두 가지 목표를 가지고 현재 캡슐내시경의 랜드마크 위치를 파악할 수 있는 CNN 학습 모델을 설계하였고, 샘플 환자 8명에 대한 성능을 분석하였다. 무작위로 환자 데이터를 샘플링 하여 학습한 모델을 평가한 결과, 평균 정확도가 95% 가 확인되었으며 개별 환자별로 교차 검증 방식을 진행한 결과 평균 정확도 67% 가 확인되었다.
  • 본 논문에서는 캡슐내시경의 위치추적을 위한 위장관 랜드마크 분류기 설계하고, CNN을 이용한 방법을 제안하였다. 모든 환자에 대해 무작위로 선별한 데이터에 대한 학습 정확도는 약 95% 정도로 매우 높았지만, 환자별로 구분하였을 때는 정확도의 차이가 매우 컸다.
  • [7, 8]의 연구에서는 SVM과 K-평균 군집화를 이용하여 판독에 있어서 의미없는 노이즈 영상을 제거하여 판독시간을 단축시키려 한다. 본 연구에서는 3장에서 학습 노이즈 영상이 학습에 어느 정도의 영향을 끼치는지 비교하기 위해, 노이즈가 있는 데이터 셋과 없는 데이터 셋을 이용하여 학습을 수행하였으며 이에 대한 결과를 비교하였다.
  • 본 절에서는 위장관 랜드마크 및 환자 별로 색공간 특징 분석 결과를 소개한다. 총 8명의 환자 데이터를 가지고 수행하였으며, 표 1과 같이 각 환자의 데이터를 위, 소장, 대장 별로 분류한 후에 해당 영역의 이미지의 평균을 R, G, B 별로 구했다.
  • 의료 영상들을 이용하여 진단을 보조할 수 있는 정보를 생성하기 위한 연구들이 활발해지고 있는 추세이며[1], 최근에는 Vuno의 BoneAge[2], Lunit의 Insight[3] 등과 같은 기계학습 기반의 의료 진단 보조 소프트웨어도 많이 개발되고 있는 추세이다. 컴퓨터단(층)촬영영상(CT: Com-puted Tomography), 자기공명영상(MR: Magnetic Reso-nance), X-ray 등 다양한 목적의 의료 영상이 존재하는데, 본 연구에서는 그 중 캡슐내시경 영상에 주목하였다.
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