계층적 Level-of-Detail 표현을 이용한 해마의 국부적인 형상 분석
Local Shape Analysis for the Hippocampus using Hierarchical Level-of-Detail Representations
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초록
뇌의 하부 구조인 해마의 전역적 부피 감소와 국부적 형상 변화는 정신의학적 질환에 깊게 관련되어 있다. 해마 구조에 관한 형상 분석 연구는 크게 해마 형상 표현 모델을 구축하고, 이러한 형상 표현으로부터 형상 유사성을 계산하는 과정으로 구성된다. 본 논문에서는 메쉬, 복셀, 골격 데이터를 포함하는 복합적인 옥트리 기반의 형상 표현을 이용하여 해마의 형상을 분석하기 위한 새로운 방법을 제시한다. 우선 해마에 관한 MRI 데이터를 입력으로 받아, 마칭큐브 알고리즘을 사용하여 다해상도 메쉬 모델을 구축한다. 이렇게 구성된 다각형 모델은 깊이맵 기반의 복셀화 방법을 이용하여 중간 단계의 이진 복셀 데이터로 변환된다. 그리고 변환된 복셀 데이터로부터 슬라이스 기반의 골격화 방법에 의하여 해마의 3차원 골격을 추출한다. 그런 후에 옥트리 기반의 다해상도 형상 표현을 얻기위해 해마의 메쉬, 복셀, 골격 데이터를 계층적으로 공간 분할하여 저장하고, 광선 추적 기반의 메쉬 샘플링 방법을 적용하여 샘플 메쉬 데이터를 추출한다. 최종적으로, 형상간 유사성 측정을 위하여 추출된 골격으로부터 방사되는 광선들과 충돌되는 각 샘플 메쉬 쌍에 대하여 L2 Norm과 하우스도르프 거리를 계산하고 인터랙티브한 국부적 형상 분석을 지원하기 위하여 마우스 피킹 인터페이스를 채택한다. 이것은 형상의 국부적 변화에 대하여 다양한 해상도에 기반한 형상 분석을 가능하게 한다. 본 논문에서는 실험을 통하여, 제시한 형상 분석 방법이 회전과 스케일 등의 변환에 강인하고, 특히 형상의 국부적 변화 정도를 정확도를 유지하면서 빠르게 평가하는데에 효과적임을 확인하였다.
Abstract
Both global volume reduction and local shape changes of hippocampus within the brain indicate their abnormal neurological states. Hippocampal shape analysis consists of two main steps. First, construct a hippocampal shape representation model；second, compute a shape similarity from this representation. This paper proposes a novel method for the analysis of hippocampal shape using integrated Octree-based representation, containing meshes, voxels, and skeletons. First of all, we create multi-level meshes by applying the Marching Cube algorithm to the hippocampal region segmented from MR images. This model is converted to intermediate binary voxel representation. And we extract the 3D skeleton from these voxels using the slice-based skeletonization method. Then, in order to acquire multiresolutional shape representation, we store hierarchically the meshes, voxels, skeletons comprised in nodes of the Octree, and we extract the sample meshes using the ray-tracing based mesh sampling technique. Finally, as a similarity measure between the shapes, we compute L2 Norm and Hausdorff distance for each sampled mesh pair by shooting the rays fired from the extracted skeleton. As we use a mouse picking interface for analyzing a local shape interactively, we provide an interaction and multiresolution based analysis for the local shape changes. In this paper, our experiment shows that our approach is robust to the rotation and the scale, especially effective to discriminate the changes between local shapes of hippocampus and moreover to increase the speed of analysis without degrading accuracy by using a hierarchical level-of-detail approach.
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