Anterior cruciate ligament (ACL) is a soft tissue in knee joint which plays an important role in maintaining knee joint stability and the segmentation of this fibrous tissue is crucial for the diagnosis of ACL tears and surgical guidance in ACL reconstruction surgery. However, an automatic segmentation of ACL from knee magnetic resonance image (MRI) is a challenging task due to 1) similar intensity distribution ACL shares with adjacent soft tissues e.g. PCL and cartilage, which causes leakage of the segmented label into these adjacent soft tissues, and 2) inhomogeneous intensity region inside the ACL in knee MRI. In this thesis, an automatic ACL segmentation from 3D knee MR images using graph cuts is proposed. To overcome the difficulties, we propose two additional constraints for the graph cuts to reflect the 2D and 3D shape information of ACL on its segmentation, and incorporate the superpixels for graph cuts to make the segmentation method robust to intensity inhomogeneity of ACL. As a result, thanks to the proposed shape constraints, the proposed method cuts the leakage of segmented ACL labels and shows robustness to intensity inhomogeneity. Compared to the preceding work on ACL segmentation [1] and the original graph cuts [2,3], the proposed method shows overall improved performances.
전방십자인대(ACL)는 무릎관절연골, 반월상연골 및 후방십자인대 등과 함께 관절 내에 위치한 연부조직 중에 하나로 무릎 관절의 안정성에 중요한 역할을 한다. 최근 전방십자인대 파열의 진단 및 전방십자인대 재건술 등을 위한 무릎 자기공명영상(MRI)에서의 전방십자인대 분할의 연구가 이루어지고 있는데, 무릎 자기공명영상 내에서 전방십자인대의 특성 중에 첫째, 후방십자인대나 무릎관절연골과 같이 인접한 연부조직과 유사한 밝기값 분포를 가져 밝기값 기반의 전방십자인대의 분할 결과가 인접한 연부조직까지 포괄하게 되는 문제가 발생하며 둘째, 촬영 영상 또는 측정 개체에 따라 전방십자인대 내부 밝기값의 비균등성(inhomogeneity)이 발생할 수가 있는데, 특히 경골에 부착된 전방십자인대 성분이 이질적으로 나타나 이 역시 밝기값 기반의 전방십자인대의 분할 결과로 하여금 분할 정보의 손실을 야기하는 어려움이 있다. 이러한 문제들을 해결하고 자동화된 전방십자인대 분할을 위해 본 연구에서는 그래프 컷(graph cuts) 기법을 이용한 무릎 자기공명영상에서의 전방십자인대 분할 기법을 제안하였다. 특히, 전방십자인대 분할 결과가 인접한 연부조직을 포괄하게 되는 것을 방지하기 위해 전방십자인대의 단면 및 입체 형태 정보를 분할에 반영할 수 있도록 그래프 컷 비용(cost) 함수를 개선하였으며 최근 컴퓨터 비전 분야에서 활용되고 있는 수퍼픽셀(superpixel) 기법을 그래프 컷에 도입하여 전방십자인대 내부 밝기값의 비균등성에 강인한 분할 기법을 제안하였다. 실험 결과 제안기법이 전방십자인대 분할 결과로 하여금 인접한 연부조직으로 퍼져나가는 것을 차단하고, 전방십자인대 내부 밝기값의 비균등성으로 인한 분할 정보의 손실을 줄이는 결과를 정성적인 분석을 통해 확인하였으며, 정량적인 분석에서 민감성, 특이성, Dice 유사계수를 측정, 최근의 전방십자인대 분할을 다룬 연구 [1] 및 기존 그래프 컷 [2,3]을 적용한 결과보다 전반적으로 개선되었음을 확인하였다.
