KR102144721B1 - How to increase the chances of clinical trial success probability by selecting gruops of patients with parkinson's disease - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 파킨슨병이 존재하는 환자군을 선별하여 임상시험 성공 확률을 높이는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기 공명 영상(Magnetic Resonance Imaging, 이하 'MRI'라 함)을 분석하여 파킨슨 병을 진단하고, 파킨슨병이 존재하는 환자군을 선별하여 임상시험 성공 확률을 높이는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of increasing the probability of success of a clinical trial by selecting a patient group with Parkinson's disease, and more particularly, to diagnose Parkinson's disease by analyzing Magnetic Resonance Imaging (hereinafter referred to as'MRI'). , It relates to a method to increase the probability of success in clinical trials by selecting a group of patients with Parkinson's disease.
신경퇴행성 질환은 신경 세포들이 어떤 원인에 의해 소멸함에 따라, 뇌 기능의 이상을 일으키는 질병을 지칭한다. Neurodegenerative disease refers to a disease that causes abnormal brain function as nerve cells are destroyed by some cause.
대표적인 신경퇴행성 질환으로는 흔하게 알쯔하이머병이나 파킨슨 병, 드물게는 루게릭병 등을 예로 들 수 있다.Representative neurodegenerative diseases include Alzheimer's disease, Parkinson's disease, and, rarely, Lou Gehrig's disease.
신경퇴행성 질환 중에서 파킨슨 병은 신경세포가 파괴되는 대표적인 신경퇴행성 질환으로, 몸이 굳어가고, 손발이 떨리며, 잘 걷지 못하는 증상과 함께 우울, 불안감이 함께 동반되어 삶의 질을 크게 떨어뜨린다.Among neurodegenerative diseases, Parkinson's disease is a representative neurodegenerative disease in which nerve cells are destroyed, and symptoms of hardening of the body, trembling hands and feet, difficulty walking, depression, and anxiety are accompanied, which greatly reduces the quality of life.
이러한 신경퇴행성 질환을 진단하는 방법으로는 점막과의 접촉, 또는 피부 파괴, 또는 천연 또는 인공 체구 이외에 내부 체강 없이 진단하는 비침습적 방법으로 진단하고 있다.As a method of diagnosing such a neurodegenerative disease, a non-invasive method of diagnosis without contact with mucous membranes, skin destruction, or internal body cavity other than natural or artificial bodies is diagnosed.
예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는 종래기술에 따른 신경퇴행성 질환을 진단하는 기술이 개시되어 있다.For example, in
현재까지의 파킨슨 병 진단 및 약물유발성 파킨슨증의 감별 진단에는 동위 원소를 이용한 [18F]FP-CIT 양전자 방출 단층촬영(Positron emission tomography, PET)이 가장 객관적인 방법으로 사용되고 있다. [18F]FP-CIT Positron emission tomography (PET) using isotopes has been used as the most objective method for the diagnosis of Parkinson's disease and differential diagnosis of drug-induced Parkinsonism to date.
그러나 상기 [18F]FP-CIT PET는 매우 고가의 검사방법이고, 방사능 노출의 위험이 있다.However, the [18F]FP-CIT PET is a very expensive inspection method, and there is a risk of exposure to radiation.
따라서 MRI를 이용하여 나이그로좀 1 영역을 관찰해서 파킨슨 병을 진단할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다. Therefore, there is a need to develop a technology capable of diagnosing Parkinson's disease by observing the Nigrosome 1 region using MRI.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, MRI를 분석해서 파킨슨 병을 진단할 수 있는 파킨슨 병 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to solve the above problems, and to provide a Parkinson's disease diagnosis apparatus and method capable of diagnosing Parkinson's disease by analyzing MRI.
본 발명의 다른 목적은 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 제시된 나이그로좀(nigrosome) 1 영역을 분석해서 파킨슨 병을 진단할 수 있는 파킨슨 병 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a Parkinson's disease diagnosis apparatus and method capable of diagnosing Parkinson's disease by analyzing the nigrosome 1 region presented as an imaging biomarker of Parkinson's disease.
또한, 본 발명의 목적은, SMWI 영상에 대해 각도 조절, 영상 확대, 재분할(Reslice) 등의 전처리 과정을 추가적으로 수행함으로써, 획득된 영상에서 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 제시된 흑질과 나이그로좀 1 영역만을 관찰 가능하도록 할 수 있는 파킨슨 병 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.In addition, it is an object of the present invention to additionally perform pre-processing processes such as angle adjustment, image enlargement, and reslice for SMWI images, so that the black matter and Nigrosome 1 region presented as image biomarkers of Parkinson's disease in the obtained image It is to provide an apparatus and method for diagnosing Parkinson's disease that can make the gulf observable.
또한, 본 발명의 목적은, 기계학습을 통해 주변에 검출이 더 용이한 red nucleus와 substantia nigra 를 검출하고, red nucleus와 substantia nigra 모두 존재하다가 red nucleu가 없어지는 순간의 영상을 검출함으로써, nigrosome-1 영역을 효과적으로 검출할 수 있는 파킨슨 병 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.In addition, an object of the present invention is to detect red nucleus and substantia nigra that are easier to detect around through machine learning, and detect an image at the moment when red nucleu disappears after both red nucleus and substantia nigra exist, nigrosome- It is to provide an apparatus and method for diagnosing Parkinson's disease that can effectively detect one area.
또한, 본 발명의 목적은, 동일한 데이터 셋(SET)으로 여러 학습모델을 생성하고, 복수의 학습 모델 각각을 적용하였을 때의 예측 진단 결과를 도출하여 복수의 학습 모델 간의 진단 결과가 다를 때, 다수결의 원칙에 따라 정상 또는 파킨슨 병에 해당하는지에 대한 최종 진단을 결정할 수 있는 파킨슨 병 진단 장치 및 방법을 제공하는 것이다.In addition, an object of the present invention is to generate a plurality of learning models with the same data set (SET), and to derive a predictive diagnosis result when each of the plurality of learning models is applied, and when the diagnosis results between the plurality of learning models are different, majority vote It is to provide a Parkinson's disease diagnosis apparatus and method capable of determining the final diagnosis for normal or Parkinson's disease according to the principle of.
또한, 본 발명의 목적은, 인공지능을 이용한 파킨슨병 진단 방법을 통해 환자군 및 정상군 선별에 활용하여 임상시험 성공 확률을 높이는 장치, 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.In addition, it is an object of the present invention to provide an apparatus, system, and method for increasing the probability of success in clinical trials by utilizing the diagnosis method of Parkinson's disease using artificial intelligence to select a patient group and a normal group.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems that are not mentioned are clearly to those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the following description. It will be understandable.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상인 영상 획득부, 영상 처리부, 영상 분석부, 진단부 및 중앙관리부를 포함하는 인공지능 기반 파킨슨 병 진단 장치를 이용하여, 파킨슨병이 존재하는 환자군을 선별함으로써 임상시험 성공 확률을 높이는 방법에 있어서, 약 효능 입증을 위한 임상시험 실험 후보군인 복수의 환자의 뇌를 촬영한 MRI로부터, 상기 영상 획득부가 멀티 에코(multi echo) 크기 및 위상과 관련된 복수의 제 1 영상을 획득하는 제 1 단계; 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 이용되는 흑질과 나이그로좀 1 영역의 관찰이 가능하도록, 상기 영상 처리부가 상기 획득한 복수의 제 1 영상을 후처리하는 제 2 단계; 상기 영상 분석부가 상기 후처리된 복수의 제 1 영상을 분석하여 상기 나이그로좀 1 영역이 포함된 복수의 제 2 영상을 분류하는 제 3 단계; 상기 영상 분석부가 상기 분류된 복수의 제 2 영상으로부터 상기 나이그로좀 1 영역을 검출하는 제 4 단계; 상기 영상 분석부가 상기 환자의 파킨슨 병 유무를 진단하기 위해, 상기 검출된 나이그로좀 1 영역에 대한 정보를 상기 진단부로 제공하는 제 5 단계; 상기 중앙관리부가 상기 복수의 환자 중 파킨슨 병이 존재하는 적어도 하나의 제 1 환자에 대한 정보를 상기 진단부로부터 제공받는 제 6 단계; 및 상기 중앙관리부가 상기 제 1 환자에 대한 임상시험을 기초로 상기 약 효능을 입증하는 제 7 단계; 를 포함하되, 상기 제 2단계에서, 상기 영상 처리부는, 양적 자화율 매핑 알고리즘을 기반으로, 상기 복수의 제 1 영상에 양적 자화율 맵 마스크를 적용하여, 자화율 맵 가중 이미징 영상을 생성함으로써, 상기 후처리를 수행하고, 상기 제 2 단계와 상기 제 3 단계 사이에는, 상기 영상 처리부가 상기 생성된 자화율 맵 가중 이미징 영상에 대해, 각도 조절, 영상 확대 및 재분할(Reslice) 중 적어도 하나의 동작을 더 수행하는 제 2.5 단계;를 더 포함할 수 있다.Patients with Parkinson's disease using an artificial intelligence-based Parkinson's disease diagnosis apparatus including an image acquisition unit, an image processing unit, an image analysis unit, a diagnosis unit, and a central management unit, which are an aspect of the present invention for achieving the above technical problem. In the method of increasing the probability of success of a clinical trial by selecting, from MRI photographing the brains of a plurality of patients who are candidates for a clinical trial experiment for demonstrating drug efficacy, the image acquisition unit may include a plurality of images related to the size and phase of a multi echo. A first step of obtaining a first image of; A second step of post-processing the acquired plurality of first images by the image processing unit to enable observation of the nigrosome 1 region and the black matter used as image biomarkers of Parkinson's disease; A third step of classifying a plurality of second images including the nigrosome 1 region by analyzing the plurality of post-processed first images by the image analysis unit; A fourth step of detecting, by the image analysis unit, the nigrosome 1 region from the classified second images; A fifth step of providing information on the detected Nygrosome 1 region to the diagnosis unit in order to diagnose the presence or absence of Parkinson's disease in the patient; A sixth step of receiving, by the central management unit, information on at least one first patient with Parkinson's disease among the plurality of patients from the diagnosis unit; And a seventh step in which the central management unit proves the efficacy of the drug on the basis of a clinical trial on the first patient. Including, wherein in the second step, the image processing unit applies a quantitative susceptibility map mask to the plurality of first images based on a quantitative susceptibility mapping algorithm to generate a susceptibility map weighted imaging image, and the post-processing And between the second and third steps, the image processing unit further performs at least one of angle adjustment, image enlargement, and reslice on the generated susceptibility map weighted imaging image. Step 2.5; may further include.
한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 양상인 영상 획득부, 영상 처리부, 영상 분석부, 진단부를 포함하는 인공지능 기반 파킨슨 병 진단 장치; 및 상기 인공지능 기반 파킨슨 병 진단 장치와 통신하는 서버;를 이용하여, 파킨슨병이 존재하는 환자군을 선별함으로써 임상시험 성공 확률을 높이는 방법에 있어서, 약 효능 입증을 위한 임상시험 실험 후보군인 복수의 환자의 뇌를 촬영한 MRI로부터, 상기 영상 획득부가 멀티 에코(multi echo) 크기 및 위상과 관련된 복수의 제 1 영상을 획득하는 제 1 단계; 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 이용되는 흑질과 나이그로좀 1 영역의 관찰이 가능하도록, 상기 영상 처리부가 상기 획득한 복수의 제 1 영상을 후처리하는 제 2 단계; 상기 영상 분석부가 상기 후처리된 복수의 제 1 영상을 분석하여 상기 나이그로좀 1 영역이 포함된 복수의 제 2 영상을 분류하는 제 3 단계; 상기 영상 분석부가 상기 분류된 복수의 제 2 영상으로부터 상기 나이그로좀 1 영역을 검출하는 제 4 단계; 상기 영상 분석부가 상기 환자의 파킨슨 병 유무를 진단하기 위해, 상기 검출된 나이그로좀 1 영역에 대한 정보를 상기 진단부로 제공하는 제 5 단계; 상기 서버가 상기 복수의 환자 중 파킨슨 병이 존재하는 적어도 하나의 제 1 환자에 대한 정보를 상기 진단부로부터 제공받는 제 6 단계; 및 상기 서버가 상기 제 1 환자에 대한 임상시험을 기초로 상기 약 효능을 입증하는 제 7 단계; 를 포함하되, 상기 제 2단계에서, 상기 영상 처리부는, 양적 자화율 매핑 알고리즘을 기반으로, 상기 복수의 제 1 영상에 양적 자화율 맵 마스크를 적용하여, 자화율 맵 가중 이미징 영상을 생성함으로써, 상기 후처리를 수행하고, 상기 제 2 단계와 상기 제 3 단계 사이에는, 상기 영상 처리부가 상기 생성된 자화율 맵 가중 이미징 영상에 대해, 각도 조절, 영상 확대 및 재분할(Reslice) 중 적어도 하나의 동작을 더 수행하는 제 2.5 단계;를 더 포함할 수 있다.Meanwhile, an artificial intelligence based Parkinson's disease diagnosis apparatus including an image acquisition unit, an image processing unit, an image analysis unit, and a diagnosis unit, which is another aspect of the present invention for achieving the above technical problem; And a server that communicates with the artificial intelligence-based Parkinson's disease diagnosis apparatus; in a method of increasing the probability of success of a clinical trial by selecting a patient group with Parkinson's disease, a plurality of patients who are candidates for a clinical trial for demonstrating drug efficacy A first step of obtaining, by the image acquisition unit, a plurality of first images related to the magnitude and phase of a multi-echo from the MRI photographed of the brain; A second step of post-processing the acquired plurality of first images by the image processing unit to enable observation of the nigrosome 1 region and the black matter used as image biomarkers of Parkinson's disease; A third step of classifying a plurality of second images including the nigrosome 1 region by analyzing the plurality of post-processed first images by the image analysis unit; A fourth step of detecting, by the image analysis unit, the nigrosome 1 region from the classified second images; A fifth step of providing information on the detected Nygrosome 1 region to the diagnosis unit in order to diagnose the presence or absence of Parkinson's disease in the patient; A sixth step of receiving, by the server, information on at least one first patient with Parkinson's disease among the plurality of patients from the diagnosis unit; And a seventh step of verifying, by the server, the efficacy of the drug based on the clinical trial on the first patient. Including, wherein in the second step, the image processing unit, based on a quantitative susceptibility mapping algorithm, by applying a quantitative susceptibility map mask to the plurality of first images to generate a susceptibility map weighted imaging image, the post-processing And between the second and third steps, the image processing unit further performs at least one of angle adjustment, image enlargement, and reslice on the generated susceptibility map weighted imaging image. Step 2.5; may further include.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 파킨슨병이 존재하는 환자군을 선별하여 임상시험 성공 확률을 높이는 방법에 의하면, MRI에서 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상만을 분류하고, 분류된 영상에서 나이그로좀 1 영역을 분석하여 파킨슨 병 유무를 진단할 수 있다는 효과가 얻어진다. As described above, according to the method for increasing the success probability of a clinical trial by selecting a patient group with Parkinson's disease according to the present invention, only the image containing the nigrosome 1 region in MRI is classified, and the nigrosome in the classified image The effect of being able to diagnose Parkinson's disease is obtained by analyzing the 1 area.
그리고 본 발명에 의하면, 자화율 맵 가중 이미징 프로토콜과 양적 자화율 매핑 알고리즘을 적용해서 나이그로좀 1 영역의 가시성을 향상시키고, 흑질 구조가 시각화된 영상을 이용해서 파킨슨 병을 진단함에 따라, 보편적으로 공급된 MRI 장비를 이용해서 파킨슨 병을 정밀하게 진단할 수 있고, 진단 결과의 정확도를 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.And according to the present invention, by applying a susceptibility map weighted imaging protocol and a quantitative susceptibility mapping algorithm to improve the visibility of the Nigrosome 1 region, and diagnose Parkinson's disease using an image with a visualized black matter structure, the universally supplied Using MRI equipment, Parkinson's disease can be accurately diagnosed, and the accuracy of diagnosis results can be improved.
또한, 본 발명은, SMWI 영상에 대해 각도 조절, 영상 확대, 재분할(Reslice) 등의 전처리 과정을 추가적으로 수행함으로써, 획득된 영상에서 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 제시된 흑질과 나이그로좀 1 영역만을 관찰 가능하도록 할 수 있다.In addition, the present invention further performs pre-processing such as angle adjustment, image magnification, and reslice for the SMWI image, thereby observing only the black matter and the Nigrosome 1 region presented as an image biomarker of Parkinson's disease in the obtained image. You can make it possible.
또한, 본 발명은, 기계학습을 통해 주변에 검출이 더 용이한 red nucleus와 substantia nigra 를 검출하고, red nucleus와 substantia nigra 모두 존재하다가 red nucleu가 없어지는 순간의 영상을 검출함으로써, nigrosome-1 영역을 효과적으로 검출할 수 있다.In addition, the present invention detects red nucleus and substantia nigra that are easier to detect around through machine learning, and detects an image at the moment when red nucleu disappears after both red nucleus and substantia nigra exist, and nigrosome-1 region Can be detected effectively.
또한, 본 발명은, 동일한 데이터 셋(SET)으로 여러 학습모델을 생성하고, 복수의 학습 모델 각각을 적용하였을 때의 예측 진단 결과를 도출하여 복수의 학습 모델 간의 진단 결과가 다를 때, 다수결의 원칙에 따라 정상 또는 파킨슨 병에 해당하는지에 대한 최종 진단을 결정할 수 있다.In addition, the present invention generates a plurality of learning models with the same data set (SET), and derives predictive diagnosis results when each of the plurality of learning models is applied, and when the diagnosis results between the plurality of learning models are different, the principle of majority vote Depending on whether it is normal or Parkinson's disease, the final diagnosis can be determined.
또한, 약 효능 입증을 위한 임상시험은 미리 예측한 기대 효과를 임상시험 참여자들에 대해 달성하는지 통계적 유의성을 보임으로서 결과가 판정되는데, 본 발명에 따른 파킨슨병 진단 방법 및 장치를 적용하는 경우, 정확히 신약이 목표로 하는 파킨슨병 환자만을 임상시험 대상자로 포함시킴으로써, 최대한 임상시험 성공 확률을 높일 수 있다.In addition, in clinical trials for demonstrating drug efficacy, results are determined by showing statistical significance whether or not a predicted expected effect is achieved for clinical trial participants. When applying the Parkinson's disease diagnosis method and apparatus according to the present invention, By including only patients with Parkinson's disease targeted by the new drug as clinical trial subjects, the probability of successful clinical trials can be increased as much as possible.
즉, 본 발명에 따른 인공지능을 이용한 파킨슨병 진단 방법을 통해, 환자군 및 정상군 선별에 활용하여 임상시험 성공 확률을 높이는데 활용할 수 있다.That is, through the Parkinson's disease diagnosis method using artificial intelligence according to the present invention, it can be used to select patient groups and normal groups to increase the probability of success in clinical trials.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Meanwhile, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the following description. I will be able to.
도 1은 본 발명과 관련하여, 흑질과 나이그로좀 1 영역을 포함한 MRI를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파킨슨 병 진단 장치의 블록 구성도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 영상 획득부와 영상 처리부의 동작을 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 영상 처리부가 SMWI 영상에 대해 각도 조절, 영상 확대, 재분할(Reslice) 등의 전처리 과정을 추가적으로 수행하는 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 4와 관련하여, 영상 처리부가 처리부가 SMWI 영상에 대해 각도 조절 및 영상 확대를 수행한 결과의 일례를 도시한 것이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 영상 분석부의 동작을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 영상 분석부가 nigrosome-1 영역을 더 효과적으로 검출할 수 있는 방법을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 진단부의 동작을 설명하는 도면이다.
도 10은 본 발명과 관련하여, 입력 영상에 진단 결과를 적용한 상태를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 진단부가 다중 예측 결과를 결합하여 진단 성능을 개선할 수 있는 방법을 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파킨슨 병 진단 방법을 단계별로 설명하는 공정도의 일례를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 획득된 영상에서 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 제시된 흑질과 나이그로좀 1 영역만을 관찰 가능하도록 후 처리하는 과정을 설명하는 순서도이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 처리된 영상을 분석해서 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상을 분류하고 분류된 영상에서 나이그로좀 1 영역을 검출하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 15는 분류된 각 영상에서 나이그로좀 1 영역에 대한 정상 여부를 판단해서 파킨슨 병을 진단하는 과정을 설명하는 순서도이다.
도 16은 인공지능을 이용한 파킨슨병 진단 방법을 통해 환자군 및 정상군 선별에 활용하여 임상시험 성공 확률을 높이는 방법을 설명하는 도면이다.1 is a diagram illustrating MRI including a region of black matter and
2 is a block diagram of a Parkinson's disease diagnosis apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating an operation of an image acquisition unit and an image processing unit according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating an operation of additionally performing a preprocessing process such as angle adjustment, image enlargement, and reslice for an SMWI image by an image processing unit according to the present invention.
5 illustrates an example of a result of an image processing unit adjusting an angle and expanding an image of an SMWI image in relation to FIG. 4.
6 and 7 are views for explaining the operation of the image analysis unit according to the present invention.
8 is a diagram illustrating a method in which an image analysis unit according to the present invention can more effectively detect a nigrosome-1 region.
9 is a diagram illustrating an operation of a diagnosis unit according to the present invention.
10 is a diagram illustrating a state in which a diagnosis result is applied to an input image according to the present invention.
11 is a diagram illustrating a method in which a diagnosis unit according to the present invention can improve diagnosis performance by combining multiple prediction results.
12 shows an example of a process chart for explaining step-by-step a method for diagnosing Parkinson's disease according to a preferred embodiment of the present invention.
13 is a flowchart illustrating a post-processing process so that only the black matter and the Nigrosome 1 region presented as an image biomarker of Parkinson's disease can be observed in an image obtained according to a preferred embodiment of the present invention.
14 is a flowchart illustrating a method of analyzing an image processed according to a preferred embodiment of the present invention, classifying an image including a Nigrosome 1 region, and detecting a Nygrosome 1 region in the classified image.
FIG. 15 is a flowchart illustrating a process of diagnosing Parkinson's disease by determining whether or not the Nigrosome 1 region is normal in each classified image.
FIG. 16 is a diagram illustrating a method of increasing the probability of success in a clinical trial by using artificial intelligence to select a patient group and a normal group through a Parkinson's disease diagnosis method.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시례에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 실시례는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the examples described below do not unreasonably limit the content of the present invention described in the claims, and the entire configuration described in the present embodiment cannot be said to be essential as a solution to the present invention.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파킨슨 병 진단 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, an apparatus and method for diagnosing Parkinson's disease according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
흑질 내 나이그로좀 1 영역을 관찰해서 파킨슨 병을 진단하는 기준Criteria for diagnosing Parkinson's disease by observing the
먼저, 도 1을 참조하여 흑질 내 나이그로좀 1 영역을 관찰해서 파킨슨 병을 진단하는 기준을 설명한다. First, the criteria for diagnosing Parkinson's disease by observing the
도 1은 흑질과 나이그로좀 1 영역을 포함한 MRI를 예시한 도면이다. 1 is a diagram illustrating an MRI including a black matter and a
도 1의 (a)에는 이미징 슬래브(imaging slab)가 도시되어 있고, 도 1의 (b)에는 정상인의 흑질(substantia nigra)과 나이그로좀 1 영역의 영상이 도시되어 있으며, 도 1의 (c)에는 파킨슨 병 환자의 흑질과 나이그로좀 1 영역의 영상이 도시되어 있다.Fig. 1(a) shows an imaging slab, and Fig. 1(b) shows an image of a normal person's substantia nigra and a
정상인의 흑질 내 나이그로좀 1 영역은 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 검게 표시되고, 파킨슨 병 환자의 나이그로좀 1 영역은 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이 상대적으로 회색에 가깝게 표시된다.The
따라서 본 발명은 MRI에서 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 제시된 나이그로좀 1 영역의 음영을 관찰해서 파킨슨 병 유무를 진단할 수 있다. Accordingly, the present invention can diagnose the presence or absence of Parkinson's disease by observing the shadow of the
예를 들어, 본 발명은 3T MRI에서 자화율 맵 가중 이미징(Susceptibility Map Weighted Imaging, 이하 'SMWI') 프로토콜 및 그 내부의 양적 자화율 매핑(Qluantitative Susceptibility Mapping, 이하 'QSM'이라 함) 알고리즘을 적용해서 나이그로좀 1 영역의 가시성을 향상시켜 나이그로좀 1 영역의 정상 여부를 분석해서 파킨슨 병을 진단한다. For example, the present invention applies the susceptibility map weighted imaging (Susceptibility Map Weighted Imaging, hereinafter'SMWI') protocol and the internal quantitative susceptibility mapping (Qluantitative Susceptibility Mapping, hereinafter'QSM') algorithm in 3T MRI Parkinson's disease is diagnosed by analyzing whether the
흑질 치밀부(substantia nigra pars compacta)는 도파민 성 신경 세포의 고밀도 집단을 포함하는 중뇌 구조이다. 이 뉴런은 특발성 파킨슨 병(idiopathic Parkinson's disease, IPD)에서 점진적으로 소실되어 장애를 초래한다. 이 영역은 건강한 대조군과 비교했을 때 IPD 환자에서 철(iron) 농도가 증가함을 보여준다. The substantia nigra pars compacta is a midbrain structure containing a high-density population of dopaminergic neurons. These neurons are gradually lost in idiopathic Parkinson's disease (IPD), resulting in disability. This area shows an increase in iron concentrations in IPD patients compared to healthy controls.
최근, 건강한 피검자의 고해상도 자화율 대비 이미지에서 니이그로좀 1 로 알려진 흑질 치밀부의 작은 부분을 시각화한 결과, 나이그로좀 1과 그 주변의 흑질 영역(substantia nigra regions) 사이의 대조는 철 농도의 차이에 기인한 것으로, IPD 환자에서 두 부위의 자화율 차이는 현저하게 감소하는 것으로 나타났다. Recently, as a result of visualizing a small part of the dense nigrosome known as
이와 같은 두 부위의 자화율 차이 감소는 IPD의 이미징 바이오 마커로 활용되고 있다. This reduction in the susceptibility difference between the two sites is used as an imaging biomarker for IPD.
따라서 나이그로좀 1 구조는 고해상도(예: 0.3mm 평면 분해능) T2- 가중 이미징 또는 자화율 가중 이미징(SWI)을 사용하여 7T MRI에서 성공적으로 묘사되었다.Therefore, the
그러나 낮은 자계 세기, 예컨대 3T MRI에서는 제한된 공간 해상도와 신호/대조 대 잡음비(SNR/CNR)로 인해, 3D 고해상도 T2- 가중 이미징에서 콘트라스트(contrast), 즉 대비가 현저히 감소된 구조가 관찰된다. However, due to the limited spatial resolution and signal/contrast-to-noise ratio (SNR/CNR) in low magnetic field strength, for example, 3T MRI, a structure with significantly reduced contrast, that is, contrast, is observed in 3D high-resolution T2-weighted imaging.
이러한 한계는 접근법의 유용성을 입증한 몇 가지 성공적인 연구에도 불구하고, 3T MRI에서 나이그로좀 1 이미징의 신뢰성과 적용 가능성을 저해하였다. These limitations hampered the reliability and applicability of
최근, 상기한 문제점을 해소하기 위해, 향상된 자기 자화율 대비를 제공하기 위한 새로운 방법이 제안되고 있다.Recently, in order to solve the above problems, a new method for providing an improved magnetic susceptibility contrast has been proposed.
그 중에서 한 가지 방법은 SNR을 향상시키기 위해 단일 에코 이미지를 사용하는 대신에, 멀티 에코 그레이디언트 리콜 에코(multi-echo gradient recall echo, 이하 '멀티 에코 GRE'라 함) 크기 영상(magnitude images)를 결합하는 것으로, 3T MRI에서 IPD를 진단하는 데 비교적 높은 정확도를 나타낸다.One of them is to use multi-echo gradient recall echo (hereinafter referred to as'multi-echo GRE') instead of using a single echo image to improve SNR. By combining 3T MRI, it shows a relatively high accuracy in diagnosing IPD.
상기 크기 영상의 대안은 자화율 대비를 높이기 위해 가중치 마스크(mask)로 위상(phase) 정보를 사용하는 자화율 가중 이미징(susceptibility-weighted imaging, SWI)이나, 위상 이미징의 블루밍(blooming)으로 인해 아티팩트(artifacts)를 생성할 수 있다.An alternative to the size image is susceptibility-weighted imaging (SWI), which uses phase information as a weight mask to increase susceptibility contrast, or artifacts due to blooming of phase imaging. ) Can be created.
다른 자화율 대비와 관련된 접근법은 GRE 위상(또는 주파수) 이미지와 양적 자화율 매핑(QSM)이며, 둘 다 자화율에 대한 민감도가 우수하고 최근에 널리 적용되고 있다.Other approaches related to susceptibility contrast are GRE phase (or frequency) images and quantitative susceptibility mapping (QSM), both of which are highly sensitive to susceptibility and have been widely applied in recent years.
또한, 크기 영상에 대해 QSM으로부터 유도된 자화율 가중 마스크(susceptibility weighting mask)를 이용하는 새로운 방법이 제안되고 있다. In addition, a new method using a susceptibility weighting mask derived from QSM has been proposed for a sized image.
이 접근법은 SWI와 유사하나, SWI의 블루밍 아티팩트를 해결하고 잠재적으로 자화율 변화의 시각화를 향상시킬 수 있다.This approach is similar to SWI, but it solves SWI's blooming artifacts and can potentially improve the visualization of susceptibility changes.
QSM 마스크 가중 이미징은 나이그로좀 1 구조를 시각화하는데 유용성이 입증되어 있다. QSM mask weighted imaging has proven useful in visualizing the
상기 비특허문헌 1에는 신경 촬영(neroimaging)을 위한 SMWI 기술이 개시되어 있고, 상기 비특허문헌 2에는 3T MRI에서 멀티 에코 SMWI를 이용한 흑질 내 나이그로좀 1의 이미징 기술이 개시되어 있으며, 상기 비특허문헌 3에는 뇌 철분 측정을 위한 QSM 기술이 개시되어 있다.The
따라서 본 발명은 뇌 철분의 농도와 자화율의 상관에 따라 파킨슨 병으로 인한 나이그로좀 1 영역의 변화에 기반해서 파킨슨 병을 진단한다. Accordingly, the present invention diagnoses Parkinson's disease based on the change in the
파킨슨 병 진단 장치Parkinson's disease diagnostic device
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파킨슨 병 진단 장치의 블록 구성도이다.2 is a block diagram of an apparatus for diagnosing Parkinson's disease according to a preferred embodiment of the present invention.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파킨슨 병 진단 장치(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 환자의 뇌를 촬영한 MRI에서 멀티 에코 크기 및 위상 영상을 획득하는 영상 획득부(20), 획득된 영상에서 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 제시된 흑질과 나이그로좀 1 영역만을 관찰 가능하도록 후 처리하는 영상 처리부(30), 처리된 영상을 분석해서 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상을 분류하고 분류된 영상에서 나이그로좀 1 영역을 검출하는 영상 분석부(40) 및 분류된 각 영상에서 나이그로좀 1 영역에 대한 정상 여부를 판단해서 파킨슨 병을 진단하는 진단부(50)를 포함한다. Parkinson's
이하에서는, 각 구성요소의 역할 및 기능에 대해 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the roles and functions of each component will be described in detail with reference to the drawings.
영상획득부 및 영상 처리부의 동작Operation of image acquisition unit and image processing unit
도 3을 참조하여 영상 획특부와 영상 처리부의 구성을 상세하게 설명한다. With reference to FIG. 3, the configuration of the image stroke feature and the image processing unit will be described in detail.
도 3은 영상 획득부와 영상 처리부의 동작을 설명하는 도면이다. 도 3에는 멀티 에코 합성 GRE 이미지로부터 나이그로좀 1 구조에 대한 SMWI 영상을 생성하는 과정이 도시되어 있다. 3 is a diagram illustrating an operation of an image acquisition unit and an image processing unit. FIG. 3 shows a process of generating an SMWI image for a
영상 획득부(20)는 도 3에 도시된 바와 같이, MRI 장비(21) 또는 데이터 베이스에서 촬영된 MRI를 저장하고 관리하는 데이터베이스(도면 미도시)와 통신 가능하게 연결되어 파킨슨 병을 진단하고자 하는 환자의 MRI를 획득한다.As shown in FIG. 3, the
영상 처리부(30)는 도 3에 도시된 바와 같이, 나이그로좀 1 구조의 시각화를 위해, QSM 알고리즘을 이용해서 멀티 에코 크기 영상과 멀티 에코 위상 영상(phase image)가 복합된 멀티 에코 GRE 복합 영상에서 SMWI 영상을 생성한다.As shown in FIG. 3, the
예를 들어, 영상 처리부(30)는 멀티 채널 복합 영상으로부터 멀티 채널 크기 영상 제곱의 합의 제곱근에 의해 채널 결합된 크기 영상을 생성하고, 위상 영상은 개별 채널의 글로벌 위상 오프셋을 보정한 후 복소 평균으로 결합된다(1단계).For example, the
그리고 영상 처리부(30)는 여섯 개 에코의 크기 영상 제곱의 합의 제곱근에 의해 단일 이미지로 결합한다(2단계).Then, the
영상 처리부(30)는 라플라시안 언래핑(Laplacian unwrapping) 알고리즘을 사용하여 서로 다른 TE의 위상 영상을 계산하고, 각 복셀에서 결합된 주파수(w)를 계산한다(3단계).The
영상 처리부(30)는 주파수 영상에서 라플라시안 연산자((Laplacian operator) 방법을 이용한 고조파 배경 위상 제거를 사용하여 배경 영역을 제거한다(4단계). The
여기서, 상기 QSM은 향상된 희박 선형 방정식(sparse linear equation)과 최소 제곱(least-squares, iLSQR) 방법을 사용하여 재구성될 수 있다. Here, the QSM may be reconstructed using an improved sparse linear equation and least-squares (iLSQR) method.
예를 들어, iLSQR의 재구성 파라미터에서 오차 허용=0.01, 불완전한 k- 영역 마스크에 대한 임계 값 D2, thres=0.1 이다.For example, in the reconstruction parameter of iLSQR, error tolerance = 0.01, threshold D 2 for an incomplete k-region mask, and thres = 0.1.
이어서, 영상 처리부(30)는 결과 QSM을 추가로 처리하여 자화율 대비 가중치를 위한 QSM 마스크(Smask)를 생성한다(5단계).Subsequently, the
상기 마스크는 수학식 1을 이용해서 생성될 수 있다.The mask may be generated using
[수학식 1][Equation 1]
여기서, X는 상기 4단계에서 계산된 양적 자화율 값(ppm 단위)이고, Xth는 상자성 임계값이다. 상기 임계값은 나중에 최적의 CNR에 대한 나이그로좀 1 이미징 데이터를 사용하여 결정될 수 있다. Here, X is the quantitative susceptibility value calculated in step 4 (in ppm), and X th is the paramagnetic threshold. The threshold can later be determined using the
마지막으로, 영상 처리부(30)는 아래의 수학식 2를 이용해서 멀티 에코 결합된 크기 영상에 QSM 마스크를 곱하여 SMWI 영상을 생성할 수 있다. Finally, the
[수학식 2][Equation 2]
여기서, m은 자화율 가중치에 대한 곱셈의 수이고, mag는 상기 2단계의 멀티 에코 크기 결합 영상이다.Here, m is the number of multiplications for the susceptibility weight, and mag is the multi-echo size combined image of the second step.
한편, 본 발명에서는 생헝된 SMWI 영상에 대해 각도 조절, 영상 확대, 재분할(Reslice) 등의 전처리 과정을 추가적으로 수행함으로써, 획득된 영상에서 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 제시된 흑질과 나이그로좀 1 영역만을 관찰 가능하도록 할 수 있다.On the other hand, in the present invention, by additionally performing pre-processing processes such as angle adjustment, image enlargement, and reslice on the generated SMWI image, only the black matter and
도 4는 본 발명에 따른 영상 처리부가 SMWI 영상에 대해 각도 조절, 영상 확대, 재분할(Reslice) 등의 전처리 과정을 추가적으로 수행하는 동작을 설명하는 도면이다.4 is a view for explaining an operation of additionally performing a preprocessing process such as angle adjustment, image enlargement, and reslice for an SMWI image by an image processing unit according to the present invention.
도 4의 (a)를 참조하면, 영상 처리부(30)가 상기 수학식 2를 이용해서 멀티 에코 결합된 크기 영상에 QSM 마스크를 곱하여 생성한 SMWI 영상의 일례가 도시된다.Referring to FIG. 4A, an example of an SMWI image generated by multiplying a multi-echo combined size image by a QSM
이후, 도 4의 (b)에 도시된 것과 같이, 영상 처리부(30)는 각도 조절 및 영상 확대의 동작을 수행할 수 있다.Thereafter, as shown in (b) of FIG. 4, the
먼저, 영상 처리부(30)의 각도 조절 동작은, 촬영 시 촬영자의 움직임 등에 의한 영상 틀어짐을 보정하기 위해 수행된다.First, the operation of adjusting the angle of the
또한, 영상 처리부(30)의 영상 확대 동작은, nigrosome-1 영역 확대를 위해 수행된다.In addition, the image enlargement operation of the
구체적으로, 본 발명에 따른 각도 조절은, 의료영상정보(dicom->image orientation patient, image position patient, slice location, slice thickness 등)의 각 필드 값에 대한 정보를 확인하여 nigrosome-1이 잘 보이는 각도로 조절될 수 있다.Specifically, the angle adjustment according to the present invention is the angle in which nigrosome-1 is well seen by checking information on each field value of medical image information (dicom->image orientation patient, image position patient, slice location, slice thickness, etc.) Can be adjusted to
또한, 본 발명에 따른 영상 확대는, 전체 이미지를 정사각형으로 9등분하여 가운데 정사각형 영역을 가로세로 3배씩 확대함으로써, 수행될 수 있다.Further, the image magnification according to the present invention can be performed by dividing the entire image into squares into nine and expanding the center square area by three times the width and length.
도 5는 도 4와 관련하여, 영상 처리부가 처리부가 SMWI 영상에 대해 각도 조절 및 영상 확대를 수행한 결과의 일례를 도시한 것이다.5 illustrates an example of a result of an image processing unit adjusting an angle and expanding an image of an SMWI image in relation to FIG. 4.
도 5의 (a)를 참조하면, 축 영상(axial image)과 빨간색 선(red line)을 코로나 평면(coronal plane)으로 나타낸 것으로, 각도 조절 동작이 수행된 결과가 도 5의 (b)에 도시되어 있다.Referring to (a) of FIG. 5, the axial image and the red line are represented by a coronal plane, and the result of the angle adjustment operation is shown in (b) of FIG. Has been.
도 5의 (b)를 참조하면, 촬영 시 촬영자의 움직임 등에 의한 영상 틀어짐 등이 보정되고, nigrosome-1이 잘 보이는 각도로 조절되며, 이는 확대 동작을 통해 nigrosome-1 영역이 확대되어 제공될 수 있다.Referring to FIG. 5(b), image distortion due to the motion of the photographer during shooting is corrected, and nigrosome-1 is adjusted to a well-visible angle, which can be provided by expanding the nigrosome-1 area through the enlargement operation. have.
다시 도 4로 복귀하여, 도 4의 (b)에서 영상 처리부(30)는 각도 조절 및 영상 확대의 동작을 수행한 후에, 도 4의 (c)에 도시된 것과 같이, MR영상의 thickness 를 더 세밀하게 조절하여 nigrosome-1 영역이 포함된 영상을 더 많게 만들기 위해 재분할(Reslice) 하는 과정이 수행될 수 있다.Returning to FIG. 4 again, after performing the operation of adjusting the angle and expanding the image in FIG. 4(b), the thickness of the MR image is further increased as shown in FIG. 4(c). A process of reslicing may be performed to make more images including the nigrosome-1 region by fine adjustment.
이러한 재분할(Reslice) 과정은 전술한 것과 같이, MR영상의 thickness 를 기존보다 더 세밀하게 조절 및 적용하여 nigrosome-1 영역이 포함된 영상을 더 많게 만드는 것이다.This reslice process is to make more images including nigrosome-1 regions by controlling and applying the thickness of the MR image more precisely than before, as described above.
이러한 본 발명의 재분할(Reslice) 과정을 통해, 추가적으로 영상을 약 2~3장 증가시킬 수 있고, 이는 기존에 생성되는 2~3장에 추가적 영상이 2~3장 더 생성될 수 있어 결과적으로 약 2배 이상 nigrosome-1 영역이 포함된 영상을 더 많이 생성할 수 있게 된다.Through the reslice process of the present invention, it is possible to additionally increase about 2 to 3 images, which can generate 2 to 3 additional images in addition to the existing 2 to 3 images. It is possible to generate more images containing more than twice the nigrosome-1 region.
대표적으로 본 발명에 따른 재분할(Reslice) 과정에서는, 입력된 mr 영상정보의 slice thickness 를 0.5 이하로 조절하여 nigrosome-1이 포함된 영역을 확대할 수 있다.Typically, in the reslice process according to the present invention, a region including nigrosome-1 may be enlarged by adjusting the slice thickness of the input mr image information to 0.5 or less.
영상 분석부의 동작Operation of the image analysis unit
다음, 도 6 및 도 7을 참조하여 영상 분석부의 동작을 상세하게 설명한다. Next, the operation of the image analysis unit will be described in detail with reference to FIGS. 6 and 7.
도 6 및 도 7은 영상 분석부의 동작을 설명하는 도면이다. 도 6에는 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상을 분류하는 과정이 도시되어 있고, 도 7에는 분류된 영상에서 나이그로좀 1 영역을 검출하는 과정이 도시되어 있다. 6 and 7 are diagrams for explaining the operation of the image analysis unit. FIG. 6 illustrates a process of classifying an image including the
영상 처리부(30)의 후 처리 과정을 통해 도 6에 도시된 바와 같이, 다수의 SWMI 영상을 획득할 수 있다.As illustrated in FIG. 6, through a post-processing process of the
일반적으로, 파킨슨 병 진단을 위해 촬영되는 MRI는 환자 1인당 약 40 내지 70여장 정도이고, 이 중에서 파킨슨 병 진단에 사용되는 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상은 약 3 내지 6장 이내이다. In general, about 40 to 70 MRIs are taken per patient to diagnose Parkinson's disease, and among them, about 3 to 6 or less images including the
영상 분석부(40)는 도 6에 도시된 바와 같이, 기계 학습(machine learning)을 통해 전체 MRI 중에서 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상을 분석해서 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상과 미포함된 영상을 분류(classification)할 수 있다. As shown in FIG. 6, the
그리고 영상 분석부(40)는 도 7에 도시된 바와 같이, 기계 학습을 통해 분류된 나이그로좀 1 영역을 포함한 각 영상에서 나이그로좀 1 영역이 존재하는 위치를 지정하고, 지정된 나이그로좀 1 영역을 검출할 수 있다.In addition, as shown in FIG. 7, the
예를 들어, 영상 분석부(40)는 기계 학습의 딥러닝 신경망(deep learnig neural network)을 이용한 방식 중에서 one-stage detector 방식을 이용해서 나이그로좀 1 영역이 포함된 영역을 분류할 수 있다.For example, the
즉, 영상 분석부(40)는 획득된 영상을 콘볼루션 신경망(Convolutional Neural Network, 이하 'CNN'이라 함)을 이용해서 완전 콘볼루션 레이어(Fully convolution layer)의 특징을 갖는 특징 맵(feature map)을 검출하고, 특징 맵에서 특징 피라미드 신경망(feature pyramid network, 이하'FPN'이라 함)를 적용하여 다중 스케일 연결(cross-scale connections)을 구성하고, 분류 결과에 대해 분류 로스(classification loss)와 바운딩 박스 리그레션 로스(bounding-box regression loss)와 불필요한 분류를 최소화하기 위한 초점 로스(Focal Loss)를 최적화하여 최종적으로 다양한 사이즈의 영상에서 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상만으로 최소화할 수 있다.That is, the
도 8은 본 발명에 따른 영상 분석부가 nigrosome-1 영역을 더 효과적으로 검출할 수 있는 방법을 설명하는 도면이다.8 is a diagram illustrating a method in which an image analysis unit according to the present invention can more effectively detect a nigrosome-1 region.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 영상 분석부(40)는, 기계학습을 통해 주변에 검출이 더 용이한 red nucleus와 substantia nigra 를 검출하고, red nucleus와 substantia nigra 모두 존재하다가 red nucleu가 없어지는 순간의 영상을 검출함으로써, nigrosome-1 영역을 효과적으로 검출할 수 있다.Referring to FIG. 8, the
도 8의 (a)를 참조하면, 기계 학습(machine learning)을 통해 전체 MRI 중에서 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상을 분석해서 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상과 미포함된 영상을 분류(classification)할 수 있다. Referring to (a) of FIG. 8, an image containing the
다음으로, 도 8의 (b)를 참조하면, 입력 영상에서 nigrosome-1 이 포함된 영역 지정을 위해, 객체의 바운딩 박스들(Bounding boxes of object)과 등급 예측(class prediction)을 통해, 딥러닝 출력(Deep learning outputs)을 제시할 수 있다.Next, referring to (b) of FIG. 8, in order to designate a region containing nigrosome-1 in an input image, deep learning through bounding boxes of object and class prediction Deep learning outputs can be presented.
본 발명에서는, 입력 영상에서 substantia nigra, nigrosome-1 및 red nucleus의 위치를 검출하고 분석하기 위해, CNN 신경망을 통해 위치정보가 소실되지 않는 특징 맵을 생성하고, 특징 맵에서 FPN방식을 적용하여 분석 시 대상 크기변화에 대응하는 방법이 적용될 수 있다.In the present invention, in order to detect and analyze the location of substantia nigra, nigrosome-1 and red nucleus in the input image, a feature map in which location information is not lost is generated through a CNN neural network, and the feature map is analyzed by applying the FPN method. A method corresponding to the change in the size of the object can be applied.
즉, 도 8의 (c)를 참조하면, nigrosome-1 과 연관된 이미지들(Images with nigrosome 1 regions)을 기초로, 전처리(preprocess)를 거친 영상은 특정 포지션(R0.7 P28.4 F5.2 mm)과 각도(C > T39.6 > S1.4)를 가지고 있다는 것을 이용할 수 있다.That is, referring to (c) of FIG. 8, based on images associated with nigrosome-1 (Images with
즉, 전처리(preprocess)를 거친 영상은 특정 포지션(R0.7 P28.4 F5.2 mm)과 각도(C > T39.6 > S1.4)를 가지고 있다는 것을 이용하여, 파킨슨 진단을 위해 필요한 nigrosome-1 영역을 검출하기 위해 먼저 기계학습을 통해 주변에 조금 더 검출이 용이한 red nucleus와 substantia nigra 를 검출할 수 있다.In other words, the preprocessed image has a specific position (R0.7 P28.4 F5.2 mm) and an angle (C> T39.6> S1.4), and thus the nigrosome required for Parkinson's diagnosis. In order to detect the -1 region, we can first detect red nucleus and substantia nigra, which are more easily detectable, through machine learning.
구체적으로, 도 8의 (c)에서는, Inferior 방향으로 영상을 차례로 확인하고, 적핵(red nucleus)과 흑질(substantia nigra)이 모두 존재하다가 적핵(red nucleus)가 없어지는 순간의 영상을 검출할 수 있다.Specifically, in (c) of FIG. 8, images are sequentially checked in the Inferior direction, and the image at the moment when the red nucleus disappears after both red nucleus and substantia nigra exist can be detected. have.
이후, 검출된 영상으로부터 약 2~3mm slice 내에 nigrosome-1 영역이 존재한다는 것을 전제로, 전체 MR 영상 중 nigrosome-1 영역이 포함된 2~3mm 두께의 영상들을 다수(예를 들면, 5~6장) 검출해낼 수 있게 된다.Thereafter, assuming that the nigrosome-1 region exists in about 2 to 3 mm slice from the detected image, a number of images with a thickness of 2 to 3 mm including the nigrosome-1 region among the entire MR images (e.g., 5 to 6 Chapter) can be detected.
이러한 nigrosome-1 영역이 포함된 2~3mm 두께의 영상들 중 적어도 하나의 이미지를 선택하여, 도 8의 (d) 및 (e)에서는, 분류된 나이그로좀 1 영역을 포함한 각 영상에서 나이그로좀 1 영역이 존재하는 위치를 지정하고, 지정된 나이그로좀 1 영역을 검출할 수 있게 된다.By selecting at least one image among images of 2 to 3 mm thickness including the nigrosome-1 region, in Figs. 8(d) and (e), each image including the classified
진단부의 동작Operation of the diagnostic unit
다음으로, 도 9 및 도 10을 참조하여, 본 발명에 따른 진단부(50)의 동작을 설명한다. Next, an operation of the
도 9는 진단부의 동작을 설명하는 도면이도, 도 10은 입력 영상에 진단 결과를 적용한 상태를 보인 도면이다. 9 is a diagram illustrating an operation of a diagnosis unit, and FIG. 10 is a diagram illustrating a state in which a diagnosis result is applied to an input image.
진단부(50)는 도 9에 도시된 바와 같이, 기계 학습을 통해 영상 분석부(40)에서 검출된 나이그로좀 1 영역에 대한 정상 여부를 분석하여 파킨슨 병 유무를 진단할 수 있다. As illustrated in FIG. 9, the
예를 들어, 도 10의 (a) 내지 (d)의 입력 영상에서 파킨슨 병의 유무 진단 결과에 따라 도 10의 (e) 내지 (h)에 도시된 바와 같이 진단 결과가 적용될 수 있다. For example, the diagnosis results may be applied as shown in FIGS. 10E to 10H according to the diagnosis result of Parkinson's disease in the input images of FIGS. 10A to 10D.
한편, 본 발명에서는 진단 성능을 개선하기 위해, 진단부(50)가 다중 예측 결과를 결합하여 판단을 내리는 방법이 적용될 수 있다.Meanwhile, in the present invention, in order to improve diagnostic performance, a method in which the
도 11은 본 발명에 따른 진단부가 다중 예측 결과를 결합하여 진단 성능을 개선할 수 있는 방법을 설명하는 도면이다.11 is a diagram illustrating a method in which a diagnosis unit according to the present invention can improve diagnosis performance by combining multiple prediction results.
도 11을 참조하면, (a)에 표시된 동일한 데이터 셋(SET)을 기초로, 도 11의 (b)에 도시된 것과 같이, 여러 학습모델을 생성할 수 있다.Referring to FIG. 11, on the basis of the same data set (SET) displayed in (a), as illustrated in (b) of FIG. 11, several learning models may be generated.
또한, 도 11의 (c)에 도시된 것과 같이, 복수의 학습 모델 각각을 적용하였을 때의 예측 진단 결과를 도출하고, (d)에서는 복수의 학습 모델 간의 진단 결과가 다를 때, 다수결의 원칙에 따라 정상 또는 파킨슨 병에 해당하는지에 대한 최종 진단을 결정하게 된다.In addition, as shown in (c) of FIG. 11, predictive diagnosis results when applying each of the plurality of learning models are derived, and in (d), when the diagnosis results between the plurality of learning models are different, the majority vote is applied. This will determine the final diagnosis for normal or Parkinson's disease.
따라서 모델간의 진단 결과가 다를 때 다수결의 원칙에 따라 최종 진단을 결정함으로써, 다수의 딥러닝 모델의 예측 결과를 결합하여 최종적으로 대상자가 정상인지 환자인지 진단할 수 있어, 진단 성능을 개선할 수 있다.Therefore, by determining the final diagnosis according to the principle of majority vote when the diagnosis results between models are different, it is possible to finally diagnose whether the target is normal or a patient by combining the prediction results of multiple deep learning models, thereby improving diagnosis performance. .
파킨슨 병 진단 방법How to diagnose Parkinson's disease
다음으로, 도 12를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파킨슨 병 진단 방법을 상세하게 설명한다. Next, a method for diagnosing Parkinson's disease according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 12.
도 12는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 파킨슨 병 진단 방법을 단계별로 설명하는 공정도이다. 12 is a flowchart illustrating step-by-step a method for diagnosing Parkinson's disease according to a preferred embodiment of the present invention.
도 12의 S10단계에서 영상 획득부(20)는 MRI 장비(21) 또는 데이터베이스와의 통신을 통해 파킨슨 병을 진단하고자 하는 환자의 다수의 MRI를 획득한다. In step S10 of FIG. 12, the
여기서, 영상 획득부(20)는 3T MRI에서 멀티 에코 크기 영상과 멀티 에코 위상 영상(phase image)가 복합된 멀티 에코 GRE 복합 영상을 획득할 수 있다. Here, the
S12단계에서 영상 처리부(30)는 나이그로좀 1 구조의 시각화를 위해, QSM 알고리즘을 이용해서 멀티 에코 크기 영상과 멀티 에코 위상 영상(phase image)가 복합된 멀티 에코 GRE 복합 영상을 후처리하여 SMWI 영상을 생성한다. In step S12, the
S14단계에서 영상 분석부(40)는 기계 학습(machine learning)을 통해 전체 MRI 중에서 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상을 분석해서 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상과 미포함된 영상을 분류(classification)한다. In step S14, the
그리고 영상 분석부(40)는 기계 학습을 통해 분류된 나이그로좀 1 영역을 포함한 각 영상에서 나이그로좀 1 영역이 존재하는 위치를 지정하고, 지정된 나이그로좀 1 영역을 검출한다(S16). In addition, the
마지막으로, 진단부(50)는 영상 분석부(40)에서 나이그로좀 1 영역을 포함한 영상으로 분류된 각 영상에서 검출된 나이그로좀 1 영역에 대한 정상 여부를 판단해서 파킨슨 병 유무 진단한다(S18). Finally, the
이하에서는, S12, S14, S16 및 S18 단계 각각의 구체적인 과정에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, specific processes of steps S12, S14, S16, and S18 will be described in detail with reference to the drawings.
후처리하여 SMWI 영상을 생성하는 과정(S12)Post-processing to generate an SMWI image (S12)
도 13은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 획득된 영상에서 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 제시된 흑질과 나이그로좀 1 영역만을 관찰 가능하도록 후 처리하는 과정을 설명하는 순서도이다.13 is a flowchart illustrating a post-processing process so that only the black matter and the
도 13을 참조하면, 전술한 영상 처리부(30)가 나이그로좀 1 구조의 시각화를 위해, QSM 알고리즘을 이용해서 멀티 에코 크기 영상과 멀티 에코 위상 영상(phase image)가 복합된 멀티 에코 GRE 복합 영상을 후처리하여 SMWI 영상을 생성하는 S12 과정의 구체적인 단계가 도시된다.Referring to FIG. 13, the above-described
가장 먼저, 멀티 채널 복합 영상으로부터 멀티 채널 크기 영상 제곱의 합의 제곱근에 의해 채널 결합된 크기 영상을 생성하고, 위상 영상은 개별 채널의 글로벌 위상 오프셋을 보정한 후 복소 평균으로 결합하는 단계(S20)가 진행된다.First, a channel-combined size image is generated from the multi-channel composite image by the square root of the sum of the squares of the multi-channel size image, and the phase image is combined with a complex average after correcting the global phase offset of individual channels (S20). It goes on.
이후, 여섯 개 에코의 크기 영상 제곱의 합의 제곱근에 의해 단일 이미지로 결합하는 단계(S21)가 진행된다.Thereafter, a step (S21) of combining the six echoes into a single image by the square root of the sum of squares of the size of the image is performed.
S21 단계 이후에는, 라플라시안 언래핑(Laplacian unwrapping) 알고리즘을 사용하여 서로 다른 TE의 위상 영상을 계산하고, 각 복셀에서 결합된 주파수(w)를 계산하는 단계(S22)가 수행된다.After step S21, phase images of different TEs are calculated using a Laplacian unwrapping algorithm, and a combined frequency w is calculated in each voxel (S22).
또한, 주파수 영상에서 라플라시안 연산자((Laplacian operator) 방법을 이용한 고조파 배경 위상 제거를 사용하여 배경 영역을 제거하는 단계(S23)가 진행된다.In addition, a step (S23) of removing a background region from a frequency image using a harmonic background phase removal using a Laplacian operator method proceeds.
이후, QSM을 추가로 처리하여 자화율 대비 가중치를 위한 QSM 마스크(Smask)를 생성하는 단계(S24)를 거쳐, 멀티 에코 결합된 크기 영상에 QSM 마스크를 곱하여 SMWI 영상을 생성하는 단계(S25)가 진행된다.Thereafter, the QSM is further processed to generate a QSM mask (Smask) for the susceptibility versus the weight (S24), and the multi-echo combined size image is multiplied by the QSM mask to generate an SMWI image (S25). do.
또한, 후 처리하여 생성된 SMWI 영상 관련, 영상 각도를 조절하고, 확대하는 단계(S26)가 수행된 이후에, MR영상의 thickness 를 더 세밀하게 조절하여 nigrosome-1 영역이 포함된 영상을 더 많게 만들기 위해 재분할(Reslice) 하는 단계(S27)가 진행됨으로써, 획득된 영상에서 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 제시된 흑질과 나이그로좀 1 영역만을 관찰 가능하도록 후 처리하는 과정이 수행된다.In addition, after the SMWI image generated by post-processing, adjusting the image angle and magnifying (S26) is performed, the thickness of the MR image is further adjusted to increase the number of images including the nigrosome-1 region. By reslicing to make (S27), a post-processing process is performed so that only the
나이그로좀 1 영역이 포함된 영상과 미포함된 영상을 분류(classification)하고(S14), 지정된 나이그로좀 1 영역을 검출(S16)하는 과정The process of classifying the image with and without the
도 14는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 처리된 영상을 분석해서 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상을 분류하고 분류된 영상에서 나이그로좀 1 영역을 검출하는 방법을 설명하는 순서도이다.14 is a flowchart illustrating a method of analyzing an image processed according to a preferred embodiment of the present invention to classify an image including a
도 14를 참조하면, 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상과 미포함된 영상을 분류(classification)하고(S14), 지정된 나이그로좀 1 영역을 검출(S16)하는 과정이 구체적으로 설명되어 있다.Referring to FIG. 14, a detailed description is given of a process of classifying an image including and without a
가장 먼저, 기계학습을 통해 주변에 검출이 더 용이한 red nucleus와 substantia nigra 를 검출하는 단계(S31)가 진행된다.First of all, a step (S31) of detecting red nucleus and substantia nigra, which are easier to detect around, is performed through machine learning.
이후, Inferior 방향으로 영상을 차례로 확인하고, red nucleus와 substantia nigra 모두 존재하다가 red nucleu가 없어지는 순간의 영상을 검출하는 단계(S32)를 수행한다.Thereafter, images are sequentially checked in the inferior direction, and an image at the moment when the red nucleu disappears after both red nucleus and substantia nigra are present (S32) is performed.
또한, 검출한 영상부터 약 2~3mm slice 내에 nigrosome-1 영역이 존재하므로, 전체 MR 영상 중 nigrosome-1 영역이 포함된 2~3mm 두께의 영상들(5~6장)을 검출하는 단계(S33)가 진행된다.In addition, since the nigrosome-1 region exists in about 2 to 3 mm slice from the detected image, the step of detecting 2 to 3 mm thick images (5 to 6 photos) including the nigrosome-1 region of the entire MR image (S33 ) Proceeds.
S33 단계 이후에는, S33 단계를 통해 도출된 영상들 중 적어도 하나를 통해, nigrosome-1 영역을 검출하는 단계(S16)가 수행된다.After step S33, a step (S16) of detecting the nigrosome-1 region through at least one of the images derived through step S33 is performed.
검출된 나이그로좀 1 영역에 대한 정상 여부를 판단해서 파킨슨 병 유무 진단하는 과정(S18)Process of diagnosing the presence of Parkinson's disease by determining whether the detected
도 15는 분류된 각 영상에서 나이그로좀 1 영역에 대한 정상 여부를 판단해서 파킨슨 병을 진단하는 과정을 설명하는 순서도이다.FIG. 15 is a flowchart illustrating a process of diagnosing Parkinson's disease by determining whether or not the
도 15를 참조하면, 가장 먼저, 동일한 데이터 셋(SET)으로 여러 학습모델을 생성하는 단계(S41)를 진행하고, 복수의 학습 모델 각각을 적용하였을 때의 예측 진단 결과를 도출한다(S42).Referring to FIG. 15, first, a step of generating multiple learning models using the same data set (SET) (S41) is performed, and a predictive diagnosis result when each of the plurality of learning models is applied is derived (S42).
이때, 복수의 학습 모델 간의 진단 결과가 다른 경우가 발생될 수 있고, 본 발명에서는, 다수결의 원칙에 따라 정상 또는 파킨슨 병에 해당하는지에 대한 최종 진단을 결정하게 된다(S43).In this case, a case in which the diagnosis results between the plurality of learning models are different may occur, and in the present invention, a final diagnosis of whether it corresponds to normal or Parkinson's disease is determined according to the principle of majority vote (S43).
따라서 모델간의 진단 결과가 다를 때 다수결의 원칙에 따라 최종 진단을 결정함으로써, 다수의 딥러닝 모델의 예측 결과를 결합하여 최종적으로 대상자가 정상인지 환자인지 진단할 수 있어, 진단 성능을 개선할 수 있다.Therefore, by determining the final diagnosis according to the principle of majority vote when the diagnosis results between models are different, it is possible to finally diagnose whether the target is normal or a patient by combining the prediction results of multiple deep learning models, thereby improving diagnosis performance. .
인공지능을 이용한 파킨슨병 진단 방법을 통해 환자군 및 정상군 선별에 활용하여 임상시험 성공 확률을 높이는 방법A method to increase the probability of success in clinical trials by using artificial intelligence to diagnose Parkinson's disease by selecting patients and normal groups
전술한 본 발명에 따른 이용한 파킨슨병 진단 방법 및 장치를, 환자군 및 정상군 선별에 활용하여 임상시험 성공 확률을 높일 수 있다.The method and apparatus for diagnosing Parkinson's disease according to the present invention described above can be used to select a patient group and a normal group to increase the probability of success in a clinical trial.
즉, 본 발명은, 인공지능을 이용한 파킨슨병 진단 방법을 통해 환자군 및 정상군 선별에 활용하여 임상시험 성공 확률을 높이는 장치, 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.That is, the present invention can provide an apparatus, system, and method for increasing the probability of success in a clinical trial by using for selection of a patient group and a normal group through a Parkinson's disease diagnosis method using artificial intelligence.
약 효능 입증을 위한 임상시험은 미리 예측한 기대 효과를 임상시험 참여자들에 대해 달성하는지 통계적 유의성을 보임으로서 결과가 판정되는데, 본 발명에 따른 파킨슨병 진단 방법 및 장치를 적용하는 경우, 정확히 신약이 목표로 하는 파킨슨병 환자만을 임상시험 대상자로 포함시킴으로써, 최대한 임상시험 성공 확률을 높일 수 있다.In clinical trials for demonstrating drug efficacy, results are determined by showing statistical significance whether or not the predicted expected effect is achieved for clinical trial participants. When applying the Parkinson's disease diagnosis method and apparatus according to the present invention, a new drug is exactly By including only target Parkinson's disease patients as clinical trial subjects, the probability of successful clinical trials can be increased as much as possible.
먼저, 기존 신약 임상시험의 문제점에 대해 선결적으로 설명한다.First, the problems of the existing clinical trials for new drugs will be explained in advance.
약 효능 입증을 위한 임상시험은 미리 예측한 기대 효과를 임상시험 참여자들에 대해 달성하는지 통계적 유의성을 보임으로서 결과가 판정된다.In clinical trials for demonstrating drug efficacy, results are judged by showing statistical significance whether or not the expected effect predicted in advance is achieved for clinical trial participants.
한편, 파킨슨병의 경우, 약 효능에 의한 증상의 호전 여부 측정을 UPDRS 평가, 신경학적 검진, Hoehn & Yarr stage 평가(0~5단계) 등에 의존할 수밖에 없으며, 이 방법들은 문진에 의한 방법이며 데이터의 척도가 세밀하지 않다는 문제점이 있다.On the other hand, in the case of Parkinson's disease, there is no choice but to rely on UPDRS evaluation, neurological examination, Hoehn & Yarr stage evaluation (0-5 steps), etc. to measure the improvement of symptoms due to drug efficacy, and these methods are by questionnaire and data There is a problem that the scale of is not detailed.
따라서 통계적 유의성을 입증하려면 투약 전과 후, 또는 가짜약 군과 비교하여 평가 척도의 수치가 통계적으로 유의하게 상승되어야 하며, 예측 상승 수치가 비교적 클수록 목표 대상자수도 적어지고 통계적 유의성 달성 가능성이 상승하게 된다.Therefore, in order to prove statistical significance, the value of the evaluation scale must be increased statistically significantly before and after administration or compared with the sham drug group, and the higher the predicted increase value, the smaller the number of target subjects and the likelihood of achieving statistical significance increases.
이때, 예측 상승 수치가 작다면 그만큼 목표 대상자수도 늘어나며 통계 입증 난이도가 상승하게 된다.At this time, if the predicted increase value is small, the number of target subjects increases and the difficulty of verifying statistics increases.
결국, 파킨슨병의 평가 척도 한단계 상승자체가 매우 어려우므로, 임상시험 통과 가능성이 매우 낮다는 문제점이 발생하게 된다.As a result, it is very difficult to increase the evaluation scale of Parkinson's disease by one level, and thus, the possibility of passing the clinical trial is very low.
본 발명에서는 이러한 문제점을 해소하기 위해, 정확히 신약이 목표로 하는 파킨슨병 환자만을 임상시험 대상자로 포함시킴으로써, 최대한 임상시험 성공 확률을 높이기 위해서는 시키고자 한다.In the present invention, in order to solve this problem, it is intended to increase the probability of success in the clinical trial as much as possible by including only Parkinson's disease patients targeted by the new drug as clinical trial subjects.
중추신경계 약물의 신약 개발과정에서 중요한 실패 요인 중 하나는 정확한 대상자 선별 및 약물 반응군 선별의 난점이다.One of the important factors of failure in the development of new drugs for the central nervous system is the difficulty of accurately selecting subjects and selecting drug responders.
중추신경계 약물의 경우 특히 위약에 대한 반응비율이 높아, 대상자 군의 이질성을 낮추고, 약물 반응성을 예측할 수 있는 바이오마커를 설정하는 것이 성공률을 높이는데 있어 중요한 전략이 된다.In the case of central nervous system drugs, particularly, the response rate to placebo is high, reducing the heterogeneity of the subject group, and setting up a biomarker capable of predicting drug responsiveness is an important strategy in increasing the success rate.
또한, 파킨슨병의 경우 확진에 오랜 기간이 소요되므로(약 3개월) 선별검사가 어려워 신약이 목표로 하는 파킨슨병 환자만을 임상시험 대상자로 포함시키기 매우 어렵다는 문제점이 있다.In addition, in the case of Parkinson's disease, since it takes a long period to be confirmed (about 3 months), there is a problem that it is very difficult to include only Parkinson's disease patients targeted by the new drug as clinical trial subjects because screening is difficult.
따라서 본 발명이 제안하는 인공지능을 이용한 파킨슨병 진단 방법을 통해 환자군 및 정상군 선별에 활용하여 임상시험 성공 확률을 높이는데 활용할 수 있다.Therefore, it can be utilized to increase the probability of success in clinical trials by using the method for diagnosing Parkinson's disease using artificial intelligence proposed by the present invention to select patient groups and normal groups.
도 16은 인공지능을 이용한 파킨슨병 진단 방법을 통해 환자군 및 정상군 선별에 활용하여 임상시험 성공 확률을 높이는 방법을 설명하는 도면이다.FIG. 16 is a diagram illustrating a method of increasing the probability of success in a clinical trial by using artificial intelligence to select a patient group and a normal group through a Parkinson's disease diagnosis method.
도 16을 참조하면, 가장 먼저, 약 효능 입증을 위한 임상시험 실험 후보군을 모집하는 단계(S1)가 진행된다.Referring to FIG. 16, first, a step (S1) of recruiting candidate groups for clinical trials for demonstrating drug efficacy is performed.
이후, 복수의 실험 후보군을 대상으로, 영상을 획득하는 단계(S10), 각각의 영상에 QSM 알고리즘을 적용하여 영상 후처리 하는 단계(S12), 기계 학습을 이용하여 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상을 분류하는 단계(S14), 나이그로좀 1 영역를 검출하는 단계(S16) 및 나이그로좀 1 영역 정상 여부 판단을 기초로 피킨슨 병이 존재하는지 진단하는 단계(S18)가 진행된다.Thereafter, for a plurality of experimental candidate groups, the step of obtaining an image (S10), the step of post-processing the image by applying a QSM algorithm to each image (S12), and the
상기 S10 내지 S18 단계는, 도 12 내지 도 15에서 구체적으로 설명하였는바 명세서의 간명화를 위해, 반복적 설명은 생략한다.Steps S10 to S18 have been described in detail in FIGS. 12 to 15, and repetitive descriptions are omitted for the sake of simplicity of the specification.
이후, S18 단계를 통해 진단 결과가 도출되면, 진단 결과를 기초로, 복수의 실험 후보군을 실제 파킨슨 병 환자군과 정상 환자군으로 구분하는 단계(S50)가 진행될 수 있다.Thereafter, when a diagnosis result is derived through step S18, a step (S50) of dividing a plurality of experimental candidate groups into an actual Parkinson's disease patient group and a normal patient group based on the diagnosis result may proceed.
이때, 실제 파킨슨 환자군으로 분류된 대상만을 기초로, 임상시험을 진행하는 단계(S52) 및 임상 시험 결과를 기초로 약 효능을 입증하는 단계(S54)를 통해, 정확히 신약이 목표로 하는 파킨슨병 환자만을 임상시험 대상자로 포함시킴으로써, 최대한 임상시험 성공 확률을 높일 수 있다.At this time, through the step of conducting a clinical trial (S52) and verifying the drug efficacy based on the clinical test results (S54) based only on the subjects classified as the actual Parkinson patient group, the Parkinson's disease patient that the new drug is exactly the target of By including only as the subject of the clinical trial, the probability of success in the clinical trial can be increased as much as possible.
결국, 본 발명에 따른 인공지능을 이용한 파킨슨병 진단 방법을 통해, 환자군 및 정상군 선별에 활용하여 임상시험 성공 확률을 높이는데 활용할 수 있다.As a result, through the Parkinson's disease diagnosis method using artificial intelligence according to the present invention, it can be used to select patient groups and normal groups to increase the probability of success in clinical trials.
전술한 S1 단계 내지 S54 단계는, 파킨슨 병 진단 장치(10) 독자적으로 수행될 수도 있고, 별도의 서버(미도시)를 두거나 별도의 중앙관리장치(미도시)를 두고, 파킨슨 병 진단 장치(10)와 함께 전체 동작을 수행하도록 적용될 수도 있다.Steps S1 to S54 described above may be performed independently of the Parkinson's
본 발명에 따른 효과Effects according to the invention
본 발명에 따른 파킨슨 병 진단 장치 및 방법에 의하면, MRI에서 나이그로좀 1 영역이 포함된 영상만을 분류하고, 분류된 영상에서 나이그로좀 1 영역을 분석하여 파킨슨 병 유무를 진단할 수 있다는 효과가 얻어진다. According to the apparatus and method for diagnosing Parkinson's disease according to the present invention, there is an effect that it is possible to diagnose the presence or absence of Parkinson's disease by classifying only the image including the
그리고 본 발명에 의하면, 자화율 맵 가중 이미징 프로토콜과 양적 자화율 매핑 알고리즘을 적용해서 나이그로좀 1 영역의 가시성을 향상시키고, 흑질 구조가 시각화된 영상을 이용해서 파킨슨 병을 진단함에 따라, 보편적으로 공급된 MRI 장비를 이용해서 파킨슨 병을 정밀하게 진단할 수 있고, 진단 결과의 정확도를 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.And according to the present invention, by applying a susceptibility map weighted imaging protocol and a quantitative susceptibility mapping algorithm to improve the visibility of the
또한, 본 발명은, SMWI 영상에 대해 각도 조절, 영상 확대, 재분할(Reslice) 등의 전처리 과정을 추가적으로 수행함으로써, 획득된 영상에서 파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 제시된 흑질과 나이그로좀 1 영역만을 관찰 가능하도록 할 수 있다.In addition, the present invention further performs pre-processing such as angle adjustment, image magnification, and reslice for the SMWI image, thereby observing only the black matter and the
또한, 본 발명은, 기계학습을 통해 주변에 검출이 더 용이한 red nucleus와 substantia nigra 를 검출하고, red nucleus와 substantia nigra 모두 존재하다가 red nucleu가 없어지는 순간의 영상을 검출함으로써, nigrosome-1 영역을 효과적으로 검출할 수 있다.In addition, the present invention detects red nucleus and substantia nigra that are easier to detect around through machine learning, and detects an image at the moment when red nucleu disappears after both red nucleus and substantia nigra exist, and nigrosome-1 region Can be detected effectively.
또한, 본 발명은, 동일한 데이터 셋(SET)으로 여러 학습모델을 생성하고, 복수의 학습 모델 각각을 적용하였을 때의 예측 진단 결과를 도출하여 복수의 학습 모델 간의 진단 결과가 다를 때, 다수결의 원칙에 따라 정상 또는 파킨슨 병에 해당하는지에 대한 최종 진단을 결정할 수 있다.In addition, the present invention generates a plurality of learning models with the same data set (SET), and derives predictive diagnosis results when each of the plurality of learning models is applied, and when the diagnosis results between the plurality of learning models are different, the principle of majority vote Depending on whether it is normal or Parkinson's disease, the final diagnosis can be determined.
또한, 약 효능 입증을 위한 임상시험은 미리 예측한 기대 효과를 임상시험 참여자들에 대해 달성하는지 통계적 유의성을 보임으로서 결과가 판정되는데, 본 발명에 따른 파킨슨병 진단 방법 및 장치를 적용하는 경우, 정확히 신약이 목표로 하는 파킨슨병 환자만을 임상시험 대상자로 포함시킴으로써, 최대한 임상시험 성공 확률을 높일 수 있다.In addition, in clinical trials for demonstrating drug efficacy, results are determined by showing statistical significance whether or not a predicted expected effect is achieved for clinical trial participants. When applying the Parkinson's disease diagnosis method and apparatus according to the present invention, By including only patients with Parkinson's disease targeted by the new drug as clinical trial subjects, the probability of successful clinical trials can be increased as much as possible.
즉, 본 발명에 따른 인공지능을 이용한 파킨슨병 진단 방법을 통해, 환자군 및 정상군 선별에 활용하여 임상시험 성공 확률을 높이는데 활용할 수 있다.That is, through the Parkinson's disease diagnosis method using artificial intelligence according to the present invention, it can be used to select patient groups and normal groups to increase the probability of success in clinical trials.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Meanwhile, the effects obtainable in the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the following description. I will be able to.
상술한 본 발명의 실시예들은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. The above-described embodiments of the present invention can be implemented through various means. For example, embodiments of the present invention may be implemented by hardware, firmware, software, or a combination thereof.
하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.In the case of hardware implementation, the method according to embodiments of the present invention includes one or more Application Specific Integrated Circuits (ASICs), Digital Signal Processors (DSPs), Digital Signal Processing Devices (DSPDs), and Programmable Logic Devices (PLDs). , Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), processors, controllers, microcontrollers, microprocessors, and the like.
펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.In the case of implementation by firmware or software, the method according to the embodiments of the present invention may be implemented in the form of a module, procedure, or function that performs the functions or operations described above. The software code may be stored in a memory unit and driven by a processor. The memory unit may be located inside or outside the processor, and may exchange data with the processor through various known means.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.Detailed description of the preferred embodiments of the present invention disclosed as described above has been provided to enable those skilled in the art to implement and implement the present invention. Although the above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art will understand that various modifications and changes can be made to the present invention without departing from the scope of the present invention. For example, those skilled in the art may use the configurations described in the above-described embodiments in a manner that combines with each other. Accordingly, the invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.The present invention may be embodied in other specific forms without departing from the spirit and essential features of the present invention. Therefore, the detailed description above should not be construed as restrictive in all respects and should be considered as illustrative. The scope of the present invention should be determined by reasonable interpretation of the appended claims, and all changes within the equivalent scope of the present invention are included in the scope of the present invention. The invention is not intended to be limited to the embodiments shown herein but is to be accorded the widest scope consistent with the principles and novel features disclosed herein. In addition, the embodiments may be configured by combining claims that do not have an explicit citation relationship in the claims, or may be included as new claims by amendment after filing.
Claims (2)
약 효능 입증을 위한 임상시험 실험 후보군인 복수의 환자의 뇌를 촬영한 MRI로부터, 상기 영상 획득부가 멀티 에코(multi echo) 크기 및 위상과 관련된 복수의 제 1 영상을 획득하는 제 1 단계;
파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 이용되는 흑질과 나이그로좀 1 영역의 관찰이 가능하도록, 상기 영상 처리부가 상기 획득한 복수의 제 1 영상을 후처리하는 제 2 단계;
상기 영상 분석부가 상기 후처리된 복수의 제 1 영상을 분석하여 상기 나이그로좀 1 영역이 포함된 복수의 제 2 영상을 분류하는 제 3 단계;
상기 영상 분석부가 상기 분류된 복수의 제 2 영상으로부터 상기 나이그로좀 1 영역을 검출하는 제 4 단계;
상기 영상 분석부가 상기 환자의 파킨슨 병 유무를 진단하기 위해, 상기 검출된 나이그로좀 1 영역에 대한 정보를 상기 진단부로 제공하는 제 5 단계;
상기 중앙관리부가 상기 복수의 환자 중 파킨슨 병이 존재하는 적어도 하나의 제 1 환자에 대한 정보를 상기 진단부로부터 제공받는 제 6 단계; 및
상기 중앙관리부가 상기 제 1 환자에 대한 임상시험을 기초로 상기 약 효능을 입증하는 제 7 단계; 를 포함하되,
상기 제 2단계에서,
상기 영상 처리부는, 양적 자화율 매핑 알고리즘을 기반으로, 상기 복수의 제 1 영상에 양적 자화율 맵 마스크를 적용하여, 자화율 맵 가중 이미징 영상을 생성함으로써, 상기 후처리를 수행하고,
상기 제 2 단계와 상기 제 3 단계 사이에는,
상기 영상 처리부가 상기 생성된 자화율 맵 가중 이미징 영상에 대해, 각도 조절, 영상 확대 및 재분할(Reslice) 중 적어도 하나의 동작을 더 수행하는 제 2.5 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파킨슨병이 존재하는 환자군을 선별하여 임상시험 성공 확률을 높이는 방법.
In a method of increasing the probability of success in a clinical trial by selecting a patient group with Parkinson's disease using an artificial intelligence-based Parkinson's disease diagnosis apparatus including an image acquisition unit, an image processing unit, an image analysis unit, a diagnosis unit, and a central management unit,
A first step of obtaining, by the image acquisition unit, a plurality of first images related to the magnitude and phase of a multi echo from the MRI of the brains of a plurality of patients who are candidates for a clinical trial for demonstrating drug efficacy;
A second step of post-processing the obtained plurality of first images by the image processing unit to enable observation of the nigrosome 1 region and the black matter used as image biomarkers of Parkinson's disease;
A third step of classifying a plurality of second images including the nigrosome 1 region by analyzing the plurality of post-processed first images by the image analysis unit;
A fourth step of detecting, by the image analysis unit, the nigrosome 1 region from the classified second images;
A fifth step of providing information on the detected Nygrosome 1 region to the diagnosis unit in order to diagnose the presence or absence of Parkinson's disease in the patient;
A sixth step of receiving, by the central management unit, information on at least one first patient with Parkinson's disease among the plurality of patients from the diagnosis unit; And
A seventh step in which the central management unit proves the efficacy of the drug based on the clinical trial on the first patient; Including,
In the second step,
The image processor performs the post-processing by applying a quantitative susceptibility map mask to the plurality of first images based on a quantitative susceptibility mapping algorithm to generate a susceptibility map weighted imaging image, and
Between the second step and the third step,
The presence of Parkinson's disease further comprising: performing at least one of an angle adjustment, an image enlargement, and a reslice on the generated susceptibility map weighted imaging image by the image processing unit. How to increase the probability of success in clinical trials by selecting a group of patients who do.
약 효능 입증을 위한 임상시험 실험 후보군인 복수의 환자의 뇌를 촬영한 MRI로부터, 상기 영상 획득부가 멀티 에코(multi echo) 크기 및 위상과 관련된 복수의 제 1 영상을 획득하는 제 1 단계;
파킨슨 병의 영상 바이오 마커로 이용되는 흑질과 나이그로좀 1 영역의 관찰이 가능하도록, 상기 영상 처리부가 상기 획득한 복수의 제 1 영상을 후처리하는 제 2 단계;
상기 영상 분석부가 상기 후처리된 복수의 제 1 영상을 분석하여 상기 나이그로좀 1 영역이 포함된 복수의 제 2 영상을 분류하는 제 3 단계;
상기 영상 분석부가 상기 분류된 복수의 제 2 영상으로부터 상기 나이그로좀 1 영역을 검출하는 제 4 단계;
상기 영상 분석부가 상기 환자의 파킨슨 병 유무를 진단하기 위해, 상기 검출된 나이그로좀 1 영역에 대한 정보를 상기 진단부로 제공하는 제 5 단계;
상기 서버가 상기 복수의 환자 중 파킨슨 병이 존재하는 적어도 하나의 제 1 환자에 대한 정보를 상기 진단부로부터 제공받는 제 6 단계; 및
상기 서버가 상기 제 1 환자에 대한 임상시험을 기초로 상기 약 효능을 입증하는 제 7 단계; 를 포함하되,
상기 제 2단계에서,
상기 영상 처리부는, 양적 자화율 매핑 알고리즘을 기반으로, 상기 복수의 제 1 영상에 양적 자화율 맵 마스크를 적용하여, 자화율 맵 가중 이미징 영상을 생성함으로써, 상기 후처리를 수행하고,
상기 제 2 단계와 상기 제 3 단계 사이에는,
상기 영상 처리부가 상기 생성된 자화율 맵 가중 이미징 영상에 대해, 각도 조절, 영상 확대 및 재분할(Reslice) 중 적어도 하나의 동작을 더 수행하는 제 2.5 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파킨슨병이 존재하는 환자군을 선별하여 임상시험 성공 확률을 높이는 방법.An artificial intelligence based Parkinson's disease diagnosis apparatus including an image acquisition unit, an image processing unit, an image analysis unit, and a diagnosis unit; And a server communicating with the artificial intelligence-based Parkinson's disease diagnosis apparatus; in a method for increasing a clinical trial success probability by selecting a patient group with Parkinson's disease,
A first step of obtaining, by the image acquisition unit, a plurality of first images related to the magnitude and phase of a multi echo from the MRI of the brains of a plurality of patients who are candidates for a clinical trial for demonstrating drug efficacy;
A second step of post-processing the obtained plurality of first images by the image processing unit to enable observation of the nigrosome 1 region and the black matter used as image biomarkers of Parkinson's disease;
A third step of classifying a plurality of second images including the nigrosome 1 region by analyzing the plurality of post-processed first images by the image analysis unit;
A fourth step of detecting, by the image analysis unit, the nigrosome 1 region from the classified second images;
A fifth step of providing information on the detected Nygrosome 1 region to the diagnosis unit in order to diagnose the presence or absence of Parkinson's disease in the patient;
A sixth step of receiving, by the server, information on at least one first patient with Parkinson's disease among the plurality of patients from the diagnosis unit; And
A seventh step of verifying, by the server, the efficacy of the drug based on the clinical trial on the first patient; Including,
In the second step,
The image processor performs the post-processing by applying a quantitative susceptibility map mask to the plurality of first images based on a quantitative susceptibility mapping algorithm to generate a susceptibility map weighted imaging image, and
Between the second step and the third step,
The presence of Parkinson's disease further comprising: performing at least one of an angle adjustment, an image enlargement, and a reslice on the generated susceptibility map weighted imaging image by the image processing unit. How to increase the probability of success in clinical trials by selecting a group of patients who do.
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KR1020200038858A KR102144721B1 (en) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | How to increase the chances of clinical trial success probability by selecting gruops of patients with parkinson's disease |
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KR (1) | KR102144721B1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2022203333A1 (en) * | 2021-03-26 | 2022-09-29 | 울산과학기술원 | Method and device for diagnosing parkinson's disease on basis of subdivided areas of nigra |
KR102683199B1 (en) | 2023-07-26 | 2024-07-09 | (주) 아이크로진 | Method For Constructing Case-Control Prediction Learning Model By Unbalanced Marker Selection Learning Algorithm Based On Large-Scale Type 2 Diabetes Dataset |
KR102701160B1 (en) | 2023-10-20 | 2024-08-30 | (주) 아이크로진 | Methods For Identifying Genetically High-Risk Groups For Type 2 Diabetes Considering Obesity And Type 2 Diabetes-Related Genetic Variants |
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2020
- 2020-03-31 KR KR1020200038858A patent/KR102144721B1/en active IP Right Grant
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