[논문 리뷰] An Elastic Image Registration Approach for Wireless Capsule Endoscope Localization

Isabel N. Figueiredo, Carlos Leal외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 23.

Gastrointestinal Bleeding Diagnosis and Treatment참고 문헌 26인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 비틀림 변형을 고려한 다중 척도 탄성 이미지 정렬 방법을 제안하여 장내 운동과 장내 폭발성 수축에 의한 비탄성 장의 변형을 모델링함으로써 무선 카메라 내시경(WCE)의 정위치 추정을 향상시킨다. 이 방법은 탄성 변형이 발생할 경우에도 탄성 변형이 없는 아핀 정렬 방법보다 WCE 속도, 위치, 자세 추정에서 뛰어난 성능을 보이며, 시뮬레이션 테스트에서 평균 자세 오차가 10⁻³ 이하, 척도 오차가 10⁻⁵ 이하로 유지되며, 실제 WCE 영상 프레임에서도 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

Wireless Capsule Endoscope (WCE) is an innovative imaging device that permits physicians to examine all the areas of the Gastrointestinal (GI) tract. It is especially important for the small intestine, where traditional invasive endoscopies cannot reach. Although WCE represents an extremely important advance in medical imaging, a major drawback that remains unsolved is the WCE precise location in the human body during its operating time. This is mainly due to the complex physiological environment and the inherent capsule effects during its movement. When an abnormality is detected, in the WCE images, medical doctors do not know precisely where this abnormality is located relative to the intestine and therefore they can not proceed efficiently with the appropriate therapy. The primary objective of the present paper is to give a contribution to WCE localization, using image-based methods. The main focus of this work is on the description of a multiscale elastic image registration approach, its experimental application on WCE videos, and comparison with a multiscale affine registration. The proposed approach includes registrations that capture both rigid-like and non-rigid deformations, due respectively to the rigid-like WCE movement and the elastic deformation of the small intestine originated by the GI peristaltic movement. Under this approach a qualitative information about the WCE speed can be obtained, as well as the WCE location and orientation via projective geometry. The results of the experimental tests with real WCE video frames show the good performance of the proposed approach, when elastic deformations of the small intestine are involved in successive frames, and its superiority with respect to a multiscale affine image registration, which accounts for rigid-like deformations only and discards elastic deformations.

연구 동기 및 목표

• 무선 카메라 내시경 동안 정확한 WCE 정위치 추정의 부족이 정확한 진단과 치료 계획 수립을 방해하므로 이를 해결하고자 한다.
• WCE 영상 시퀀스에서 카메라의 강체 운동과 장내 폭발성 수축으로 인한 비탄성 장의 변형을 모두 모델링하고자 한다.
• 탄성 이미지 정렬을 이용해 이미지 기반으로 WCE 속도, 위치, 자세를 추정하는 방법을 개발하고자 한다.
• 탄성 변형이 존재하는 조건에서 제안된 탄성 정렬 방법과 다중 척도 아핀 정렬 방법의 정확도와 견고성에 대해 비교하고자 한다.
• 이미지 데이터만을 사용하여 신뢰성 있고 계산 효율적이며 임상적으로 유용한 WCE 운동 추적 도구를 제공하고자 한다.

제안 방법

• 이 방법은 연속된 WCE 프레임에서 강체 운동과 비탄성 변형을 모두 포착하는 다중 척도 탄성 이미지 정렬 프레임워크를 활용한다.
• 전체 강체 운동을 처리하기 위해 아핀 사전 정렬을 수행한 후, 다중 해상도 접근 방식을 사용하여 비탄성 보정을 수행한다.
• 유사도 측정으로 정규화된 상관관계(NCC)를 사용하고, 정렬 품질 평가에 정규화된 이질성 측정(NDM)을 사용한다.
• 투영 기하학 모델을 기반으로 핀홀 카메라 모델을 사용하여 변환 매개변수에서 WCE 위치와 자세를 추정한다.
• 시뮬레이션 데이터(회전 및 척도 변형 포함)와 임상 데이터에서 확보한 실제 WCE 영상 프레임을 사용하여 방법을 검증한다.
• 이 방법은 탄성 변형을 무시하고 강체 운동만 모델링하는 다중 척도 파arametric(아핀) 정렬 방법과 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 척도 탄성 이미지 정렬 방법은 실제 WCE 영상 시퀀스에서 강체 운동과 비탄성 변형을 정확히 추정할 수 있는가?
• RQ2 탄성 장의 변형이 존재할 경우, 탄성 정렬의 성능은 아핀 정렬에 비해 WCE 위치, 자세, 속도 추정에서 어떻게 다를까?
• RQ3 정규화된 이질성 측정(NDM)은 정렬 정확도와 WCE 정위치 오차와 얼마나 관련이 깊은가?
• RQ4 이상적인 이미지 회전과 척도 변형이 존재하더라도, 제안된 방법이 이미지 데이터만으로 WCE 속도와 자세를 신뢰성 있게 추정할 수 있는가?
• RQ5 특히 극단적인 척도와 회전 각도에서, 이 방법은 척도 및 자세 추정 오차를 낮게 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 탄성 정렬 방법은 40° 이하의 회전 각도까지 평균 자세 오차가 약 10⁻³ 수준을 유지하였으며, 45°에서만 뚜렷한 증가(10⁻¹)를 보였고, 이는 이전 방법보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 대부분의 척도 요인에서 척도 추정 오차는 10⁻⁵ 이하로 유지되었으며, 극단적인 척도에서만 중간 정도의 증가를 보이며 뛰어난 견고성을 입증하였다.
• 동시에 회전과 척도가 적용된 시뮬레이션 테스트에서, 이 방법은 평균 절대 오차가 각각 1.74 이하(회전), 10⁻⁵ 이하(척도)로 유지되어 높은 정확도를 보였다.
• 실제 WCE 영상 프레임에서는 NDM 측정을 통해 정성적으로 유의미한 WCE 속도 추정이 가능했으며, 이는 정위치 추정 정확도와 강한 상관관계를 보였다.
• 탄성 변형이 존재할 경우, 탄성 정렬 방법은 아핀 정렬 방법보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보였으며, 현실적인 WCE 영상에서의 필요성을 확인하였다.
• 결과적으로 NDM는 MEIR보다 더 신뢰할 수 있는 정렬 품질 지표임을 시사하며, 낮은 NDM 값일수록 더 작은 정위치 오차를 동반하는 것으로 나타났다.