ICON Technologies - LabVIEW를 이용한 초음파 이미지 자동 분석 시스템 구현

Author(s):
Dr Mark Trotman, Chris Reed 관리책임자 - ICON Technologies Pty Ltd.

Industry:
Medical/ Medical Instrumentation

Products:
PXI/CompactPCI, LabVIEW

The Challenge:
혈관의 직경 변화를 자료화하는 초음파 이미지를 담은 비디오 테이프의 분석 속도, 정확도 및 객관성을 개선해야 한다.

The Solution:
NI LabVIEW 소프트웨어를 사용하여 관심 대상이 되는 비디오 시퀀스에 빠르게 액세스하여 객관적으로 분석할 수 있도록 비디오 프레임의 자동 분석과 비디오 레코더 드라이브의 제어를 결합하는 어플리케이션을 구성

고객 병원의 의과 대학부에서는 초음파 이미징을 사용하여 팔의 혈관 직경에 미치는 다양한 간섭의 영향을 모니터링합니다. 혈관 직경은 일반적으로 30분 동안 2-5분 간격으로 모니터링합니다. 관심 영역의 초음파 이미지를 ECG 트레이스와 결합시킨 다음 오프라인 처리를 위해 S-VHS 테이프에 보관합니다. ICON Technologies에서는 테이프를 프레임 단위로 전진시키면서 초음파 장비에서 전자 캘리퍼스로 직경을 직접 측정하던 기존의 시간 소비적이고 주관적 방법을 대체하여 보관된 데이터를 자동으로 분석하는 어플리케이션 개발을 의뢰 받았습니다. 이 시스템으로 초당 최대 17프레임의 속도로 연속 분석을 수행할 수 있게 되었고 혈관 직경의 측정 변화율도 32.5%에서 6.7%로 감소했습니다.

어플리케이션 배경
고객 병원의 의과 대학부에서는 초음파 이미징을 사용하여 팔의 혈관 직경에 미치는 다양한 간섭의 영향을 모니터링합니다. 이 연구는 혈관 질환이나 아테로마성 동맥 경화증(atherosclerosis)의 전조인 비정상 혈관 기능을 진단하고 치료하는데 의미를 가지고 있습니다. 일반적 실험에서 혈관 직경은 30분 동안 2-5분 간격으로 연속 모니터링합니다. 대상 영역의 초음파 이미지는 고유 상업용 기기에서 ECG 트레이스와 결합되고 사후 처리를 위해 복합 이미지가 S-VHS 테이프로 출력됩니다(그림 1 참조).

그림 1. 혈관 및 ECG 트레이스의 복합 이미지를 보여주는 비디오 프레임

전세계 연구 그룹에서 이러한 테이프를 분석하는 기존의 방법을 보면 테이프를 프레임 단위로 전진시키면서 ECG 트레이스(아래 해결해야 할 문제 참조)의 특정 피크와 일치하는 이미지를 선택하고 전자 캘리퍼스를 사용하여 혈관 직경을 직접 측정하고 있습니다. 이 프로세스는 주관적이고 시간이 매우 오래 걸리며 일반적으로 약 30% 내외의 반복 측정 변화율을 보입니다. 많은 경우에 이 정도의 변화에서는 간섭 효과를 알아내기가 힘들어집니다. ICON Technologies에서는 분석 시간을 단축하고 정밀도를 높이며 측정 변화율을 감소시킬 객관적이고 자동화된 테이프 분석 방법을 개발하도록 의뢰 받았습니다.

해결해야 할 문제
어플리케이션에서 상당히 많은 핵심적 문제를 해결해야 했습니다. 객관성을 유지하기 위해 분석 시퀀스가 시작된 후에 가능한 사용자의 개입을 최소화해야 했습니다. 복합 이미지는 초음파 이미지에 통상적 현상인 이미지 “뭉침”과 심한 배경 노이즈 때문에 대개 품질이 좋지 않았습니다. 고객은 이전에 사용하던 기기로 기록한 오래된 데이터도 보관하고 있었습니다. 이러한 이전 테이프에 담긴 초음파 이미지와 ECG 트레이스의 화질은 약간 낮았으며 복합 이미지에서 완전히 다른 위치에 놓여 있었습니다. 또한 주어진 연속 프레임에서 혈관의 이미지 위치가 일정하지 않았습니다. 환자의 팔이 움직이지 않도록 최대한 신경을 썼지만 프레임 마다 어느 정도 혈관 이미지에 병치 이동이 생겼습니다.
마지막으로, 심장이 뛸 때마다 혈관에 정상적으로 생기는 혈관 직경의 주기적 변화를 없애기 위해 ECG 트레이스에서 혈관의 움직임을 R-웨이브 스파이크와 동기화시켜야 했습니다. 혈류 사이클의 동일 지점에서 측정 결과를 R-웨이브 스파이크와 동기화시켜 사이클 내 변화를 없앨 수 있었습니다.

작업 수행 방법
테이프를 RS-232 직렬 제어를 통해 JVC SR-S388E 타임코드 비디오 리코더로 재생시켰습니다. 이 어플리케이션에는 대부분의 일반적 제어 명령을 수행하는 SR-S388E용 기본 드라이버 라이브러리가 포함됩니다. 이미지는 NI의 PCI-1407 흑백 이미지 수집 카드를 사용하여 테이프로부터 수집했습니다.

환자 파일에는 테이프 색인과 대상 시퀀스에 대한 타임코드 범위가 들어갑니다. 사용자는 환자와 분석할 시퀀스의 타임코드 범위를 지정합니다. 이 어플리케이션은 시작 타임코드로 자동 전진하여 사용자가 시퀀스를 검토할 수 있게 합니다. 사용자는 마우스를 사용하여 화면에서 대상 혈관이 있는 부분을 충분하게 선택하여 시작 및 끝 시간코드를 지정한 다음 분석 절차를 시작합니다. 이 절차가 활성화되면 더 이상 사용자의 입력 작업은 없습니다.

사용자가 정의한 두 타임코드를 범위로 하여 테이프로부터 비디오 프레임을 연속적으로 수집합니다. 어플리케이션은 사전 정의된 마스크를 사용하여 소스 기기에 따라 이미지의 여러 부분에서 ECG 트레이스를 찾습니다. ECG 트레이스는 자동 임계 값 처리되고 피크 탐지 알고리즘이 적용되어 ECG에서 R-웨이브의 지정(사용자 지정 가능) 창 내에 프레임이 생기는지를 결정합니다(그림 2 참조).

그림 2 – 피크 탐지 알고리즘을 적용하여 자동 임계 값 처리한 ECG 트레이스. 가장 오른쪽 피크가 트레이스 레코드 가장자리의 지정된 거리(시간) 내에 있으면 프레임이 유효합니다.

이 기준을 만족하지 않는 프레임은 폐기되고 새 프레임을 잡아 테스트합니다. 이 기준을 만족하는 프레임은 다음 이미지 처리 단계로 넘어갑니다. 두 번째 단계에서 사용자가 정의하는 대상 영역을 임계 값 처리하여 혈관의 경계를 정의합니다. 혈관 벽 사이에 수직선을 그어 대략 200번의 직경을 측정합니다. 실험적 직경에서 중심 값을 취합니다(그림 3 및 4 참조). 이런 식으로 시작과 끝 타임코드 사이에서 일정 간격으로 직경 값을 얻습니다. 시퀀스가 끝나면 일단의 직경 값이 화면에 그려지고 이후 다양한 통계적 루틴을 사용하여 처리할 수 있습니다.

그림 3 – 피팅된 모든 직경을 포개놓은 임계 값 처리한 혈관

그림 4 – 중앙 직경에 그어진 상자를 포개놓은 임계 값 처리한 혈관

화면에 표시되는 모든 입계 값 및 크기 조정 작업으로 사용자가 분석 실행을 선택할 수 있습니다. 시스템은 450 MHz Dual-Pentium 3 PC에서 실시간으로 초당 최대 17프레임의 분석 속도로 연속적 수집을 수행할 수 있습니다. 혈관 직경 측정은 객관적이며 6.7%의 정밀도 재현성을 보입니다.

LabVIEW를 선택한 이유
LabVIEW는 기존의 이미지 분석을 다른 유형의 I/O와 결합시켜야 하는(이 경우에는 비디오 레코더의 직렬 제어) 모든 어플리케이션에 이상적입니다. IMAQ 비전 툴킷은 매우 정교한 이미지 처리 도구를 제공하며 사용이 간편하고 일관된 LabVIEW를 이용할 수 있습니다. ECG R-웨이브와 혈관 직경의 전체 분석은 각 경우에 IMAQ 비전 툴킷의 3가지 순차적 하위 VI(대상 영역 추출, 자동 임계 값 및 이미지를 LabVIEW 배열로 변환)와 하나의 사용자 정의 분석 VI를 함께 이용하여 수행합니다.

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Dr Mark Trotman, Chris Reed 관리책임자
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