임상술기 향상을 위한 딥러닝 기법 연구: 대장내시경 진단 및 로봇수술 술기 평가에 적용

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 협동과정 의용생체공학전공, 2020. 8. 김희찬.This paper presents deep learning-based methods for improving performance of clinicians. Novel methods were applied to the following two clinical cases and the results were evaluated. In the first study, a deep learning-based polyp classification algorithm for improving clinical performance of endoscopist during colonoscopy diagnosis was developed. Colonoscopy is the main method for diagnosing adenomatous polyp, which can multiply into a colorectal cancer and hyperplastic polyps. The classification algorithm was developed using convolutional neural network (CNN), trained with colorectal polyp images taken by a narrow-band imaging colonoscopy. The proposed method is built around an automatic machine learning (AutoML) which searches for the optimal architecture of CNN for colorectal polyp image classification and trains the weights of the architecture. In addition, gradient-weighted class activation mapping technique was used to overlay the probabilistic basis of the prediction result on the polyp location to aid the endoscopists visually. To verify the improvement in diagnostic performance, the efficacy of endoscopists with varying proficiency levels were compared with or without the aid of the proposed polyp classification algorithm. The results confirmed that, on average, diagnostic accuracy was improved and diagnosis time was shortened in all proficiency groups significantly. In the second study, a surgical instruments tracking algorithm for robotic surgery video was developed, and a model for quantitatively evaluating the surgeons surgical skill based on the acquired motion information of the surgical instruments was proposed. The movement of surgical instruments is the main component of evaluation for surgical skill. Therefore, the focus of this study was develop an automatic surgical instruments tracking algorithm, and to overcome the limitations presented by previous methods. The instance segmentation framework was developed to solve the instrument occlusion issue, and a tracking framework composed of a tracker and a re-identification algorithm was developed to maintain the type of surgical instruments being tracked in the video. In addition, algorithms for detecting the tip position of instruments and arm-indicator were developed to acquire the movement of devices specialized for the robotic surgery video. The performance of the proposed method was evaluated by measuring the difference between the predicted tip position and the ground truth position of the instruments using root mean square error, area under the curve, and Pearsons correlation analysis. Furthermore, motion metrics were calculated from the movement of surgical instruments, and a machine learning-based robotic surgical skill evaluation model was developed based on these metrics. These models were used to evaluate clinicians, and results were similar in the developed evaluation models, the Objective Structured Assessment of Technical Skill (OSATS), and the Global Evaluative Assessment of Robotic Surgery (GEARS) evaluation methods. In this study, deep learning technology was applied to colorectal polyp images for a polyp classification, and to robotic surgery videos for surgical instruments tracking. The improvement in clinical performance with the aid of these methods were evaluated and verified.본 논문은 의료진의 임상술기 능력을 향상시키기 위하여 새로운 딥러닝 기법들을 제안하고 다음 두 가지 실례에 대해 적용하여 그 결과를 평가하였다. 첫 번째 연구에서는 대장내시경으로 광학 진단 시, 내시경 전문의의 진단 능력을 향상시키기 위하여 딥러닝 기반의 용종 분류 알고리즘을 개발하고, 내시경 전문의의 진단 능력 향상 여부를 검증하고자 하였다. 대장내시경 검사로 암종으로 증식할 수 있는 선종과 과증식성 용종을 진단하는 것은 중요하다. 본 연구에서는 협대역 영상 내시경으로 촬영한 대장 용종 영상으로 합성곱 신경망을 학습하여 분류 알고리즘을 개발하였다. 제안하는 알고리즘은 자동 기계학습 (AutoML) 방법으로, 대장 용종 영상에 최적화된 합성곱 신경망 구조를 찾고 신경망의 가중치를 학습하였다. 또한 기울기-가중치 클래스 활성화 맵핑 기법을 이용하여 개발한 합성곱 신경망 결과의 확률적 근거를 용종 위치에 시각적으로 나타나도록 함으로 내시경 전문의의 진단을 돕도록 하였다. 마지막으로, 숙련도 그룹별로 내시경 전문의가 용종 분류 알고리즘의 결과를 참고하였을 때 진단 능력이 향상되었는지 비교 실험을 진행하였고, 모든 그룹에서 유의미하게 진단 정확도가 향상되고 진단 시간이 단축되었음을 확인하였다. 두 번째 연구에서는 로봇수술 동영상에서 수술도구 위치 추적 알고리즘을 개발하고, 획득한 수술도구의 움직임 정보를 바탕으로 수술자의 숙련도를 정량적으로 평가하는 모델을 제안하였다. 수술도구의 움직임은 수술자의 로봇수술 숙련도를 평가하기 위한 주요한 정보이다. 따라서 본 연구는 딥러닝 기반의 자동 수술도구 추적 알고리즘을 개발하였으며, 다음 두가지 선행연구의 한계점을 극복하였다. 인스턴스 분할 (Instance Segmentation) 프레임웍을 개발하여 폐색 (Occlusion) 문제를 해결하였고, 추적기 (Tracker)와 재식별화 (Re-Identification) 알고리즘으로 구성된 추적 프레임웍을 개발하여 동영상에서 추적하는 수술도구의 종류가 유지되도록 하였다. 또한 로봇수술 동영상의 특수성을 고려하여 수술도구의 움직임을 획득하기위해 수술도구 끝 위치와 로봇 팔-인디케이터 (Arm-Indicator) 인식 알고리즘을 개발하였다. 제안하는 알고리즘의 성능은 예측한 수술도구 끝 위치와 정답 위치 간의 평균 제곱근 오차, 곡선 아래 면적, 피어슨 상관분석으로 평가하였다. 마지막으로, 수술도구의 움직임으로부터 움직임 지표를 계산하고 이를 바탕으로 기계학습 기반의 로봇수술 숙련도 평가 모델을 개발하였다. 개발한 평가 모델은 기존의 Objective Structured Assessment of Technical Skill (OSATS), Global Evaluative Assessment of Robotic Surgery (GEARS) 평가 방법과 유사한 성능을 보임을 확인하였다. 본 논문은 의료진의 임상술기 능력을 향상시키기 위하여 대장 용종 영상과 로봇수술 동영상에 딥러닝 기술을 적용하고 그 유효성을 확인하였으며, 향후에 제안하는 방법이 임상에서 사용되고 있는 진단 및 평가 방법의 대안이 될 것으로 기대한다.Chapter 1 General Introduction 1 1.1 Deep Learning for Medical Image Analysis 1 1.2 Deep Learning for Colonoscipic Diagnosis 2 1.3 Deep Learning for Robotic Surgical Skill Assessment 3 1.4 Thesis Objectives 5 Chapter 2 Optical Diagnosis of Colorectal Polyps using Deep Learning with Visual Explanations 7 2.1 Introduction 7 2.1.1 Background 7 2.1.2 Needs 8 2.1.3 Related Work 9 2.2 Methods 11 2.2.1 Study Design 11 2.2.2 Dataset 14 2.2.3 Preprocessing 17 2.2.4 Convolutional Neural Networks (CNN) 21 2.2.4.1 Standard CNN 21 2.2.4.2 Search for CNN Architecture 22 2.2.4.3 Searched CNN Training 23 2.2.4.4 Visual Explanation 24 2.2.5 Evaluation of CNN and Endoscopist Performances 25 2.3 Experiments and Results 27 2.3.1 CNN Performance 27 2.3.2 Results of Visual Explanation 31 2.3.3 Endoscopist with CNN Performance 33 2.4 Discussion 45 2.4.1 Research Significance 45 2.4.2 Limitations 47 2.5 Conclusion 49 Chapter 3 Surgical Skill Assessment during Robotic Surgery by Deep Learning-based Surgical Instrument Tracking 50 3.1 Introduction 50 3.1.1 Background 50 3.1.2 Needs 51 3.1.3 Related Work 52 3.2 Methods 56 3.2.1 Study Design 56 3.2.2 Dataset 59 3.2.3 Instance Segmentation Framework 63 3.2.4 Tracking Framework 66 3.2.4.1 Tracker 66 3.2.4.2 Re-identification 68 3.2.5 Surgical Instrument Tip Detection 69 3.2.6 Arm-Indicator Recognition 71 3.2.7 Surgical Skill Prediction Model 71 3.3 Experiments and Results 78 3.3.1 Performance of Instance Segmentation Framework 78 3.3.2 Performance of Tracking Framework 82 3.3.3 Evaluation of Surgical Instruments Trajectory 83 3.3.4 Evaluation of Surgical Skill Prediction Model 86 3.4 Discussion 90 3.4.1 Research Significance 90 3.4.2 Limitations 92 3.5 Conclusion 96 Chapter 4 Summary and Future Works 97 4.1 Thesis Summary 97 4.2 Limitations and Future Works 98 Bibliography 100 Abstract in Korean 116 Acknowledgement 119Docto

건식숙성 우육의 풍미 구명 및 조리조건에 의한 풍미증진 효과

학위논문 (석사) -- 서울대학교 대학원 : 농업생명과학대학 농생명공학부, 2021. 2. 조철훈.Dry-aged beef is well known for its unique flavor compared to unaged or wet-aged beef. However, in spite of the importance, little research has been conducted to identify the origin of the characteristic flavor of dry-aged beef. In order to understand and to even enhance it, the analysis on the formation of aroma volatile compounds in dry-aged beef under various conditions is necessary. Therefore, the objectives of this study were ⅰ) to investigate the change of volatile compounds in dry-aged beef during aging process, and ⅱ) to suggest the optimal cooking conditions for intensifying the flavor of dry-aged beef. For this, two consecutive experiments were conducted as follows: Experiment Ⅰ. Effect of different aging methods on the formation of aroma volatiles in beef strip loins The effects of different aging methods on the changes in the concentrations of aroma volatiles of beef were investigated. Each of fifteen strip loins were dry- and wet-aged for 28 days and their aroma volatiles were analyzed at a 7-day interval (n = 3 for each aging period). As the aging period increased, dry-aged beef showed higher concentrations of volatile compounds than those in wet-aged beef (p < 0.05). Most changes in the concentrations of aroma volatiles of dry-aged beef were associated with propanal, 2-methylbutanal, 2-methylpropanal, 1-butanamine, trimethylamine, 2-methyl-2-propanethiol, and ethyl propanoate, which were mainly produced by lipid oxidation and/or microbial activity (e.g., proteolysis and lipolysis) during the dry aging period. These compounds represent malty, nutty, fruity, ammoniacal and fermented flavors. Therefore, it is suggested that the differences in aroma between dry- and wet-aged beef could result from increased lipid oxidation and microbial activity in dry-aged beef possibly owing to its ambient exposure to oxygen. Experiment Ⅱ. Effects of cooking conditions on the physicochemical and sensory characteristics of dry- and wet-aged beef The effects of cooking conditions on the physicochemical and sensory characteristics of dry- and wet-aged beef strip loins were evaluated. Dry- and wet-aged beef aged for 28 days were cooked at different combinations of cooking method (grilling or oven roasting) × cooking temperatures (150°C or 230°C), and their cooking time, pH, cooking loss, 2-thiobarbituric acid reactive substances (TBARS), volatile compounds, and color were measured. Cooking conditions did not affect pH, however, grilling resulted in lower TBARS but higher cooking doneness at the surface of dry-aged beef compared to oven roasting (p < 0.05). In descriptive sensory analysis, the roasted flavor of dry-aged beef was significantly stronger when grill-cooked compared to oven roasting. Dry-aged beef grill-cooked at 150°C presented a higher intensity of cheesy flavor, and that grilled at 230°C showed a greater intensity of roasted flavor compared to wet-aged beef at the same condition, respectively. Therefore, we suggest that grilling may be effective for enhancing the unique flavor in dry-aged beef.건식숙성 우육은 숙성되지 않은 우육 및 습식숙성 우육과 뚜렷하게 구별되는 독특한 풍미를 가지는 것으로 알려져 있다. 하지만 건식숙성 우육의 풍미가 가지는 중요성에 비해 풍미를 구성하는 중요한 요소인 휘발성 향 화합물에 대한 연구는 미흡한 실정이다. 건식숙성 우육 특유의 풍미가 형성되는 기작을 이해하고 풍미를 증진시켜 건식숙성 우육의 관능적 품질 및 경쟁력을 높이기 위해서는 숙성조건, 조리조건 등 풍미에 영향을 미칠 수 있는 다양한 조건에서의 건식숙성 우육 내 휘발성 향 화합물의 형성에 대한 연구가 진행되어야 한다. 따라서 본 연구는 ⅰ) 건식숙성 과정에서 숙성기간에 따른 휘발성 향 화합물의 변화를 분석하고 ⅱ) 건식숙성 우육의 풍미를 돋보일 수 있는 최적의 조리조건을 찾고자 수행되었다. 실험 Ⅰ에서는 숙성방법에 따른 우육 내 휘발성 향 화합물의 변화를 분석하였다. 우육 채끝을 각각 건식 또는 습식숙성하여 28일 기간 동안 7일 간격으로 휘발성 향 화합물을 분석비교하였다. 숙성기간이 길어질수록 건식숙성 우육 내 휘발성 향 화합물 농도가 습식숙성 우육에 비해 높은 값을 기록하였다(p < 0.05). 건식숙성 과정 중 발생한 휘발성 향 화합물의 변화는 지방 산화 또는 미생물 효소 작용에 의해 생성될 수 있는 propanal, 2-methylbutanal, 2-methylpropanal, 1-butanamine, trimethylamine, 2-methyl-2-propanethiol, ethyl propanoate에서 집중적으로 관찰되었다. 이들 화합물은 malty, nutty, fruity, ammoniacal, fermented한 향을 낼 수 있다. 연구 결과를 종합해볼 때 건식숙성 우육의 휘발성 향 화합물이 습식숙성 우육과 차이를 보이는 이유는 외부에의 노출에 따른 지방 산화 및 미생물 활성의 증가에 의한 것으로 사료된다. 실험 Ⅱ에서는 조리조건이 건식 및 습식숙성 우육 채끝의 물리화학적 품질과 관능적 품질에 미치는 영향을 평가하였다. 각각 28일간 숙성시킨 건식 및 습식숙성 우육을 4종류의 조리조건[2종류의 조리방법(그릴 조리, 오븐 조리) × 2종류의 조리온도(150°C, 230°C)]으로 조리시간, 조리 후 pH, 조리감량, 지질산패도, 휘발성 향 화합물, 육색을 측정하였다. 조리조건은 pH에 영향을 미치지 않았으나, 그릴 조리 시 오븐 조리에 비하여 낮은 지질 산패도와 높은 수준의 겉면 익힘 정도를 보였다(p < 0.05). 묘사분석 결과 그릴조리육이 오븐조리육에 비해 roasted flavor가 강하게 나타났다. 건식숙성 우육을 150°C에서 그릴 조리하였을 경우 같은 조건에서 조리한 습식숙성 우육에 비해 cheesy flavor가 더 강했으며, 건식숙성 우육을 230°C에서 그릴 조리하였을 경우 roasted flavor 강도가 더 높게 나타났다. 따라서 건식숙성 우육을 그릴 조리하는 것이 건식숙성 우육 특유의 풍미를 증진시키는 데 효과적일 것으로 사료된다.Abstract i Contents iv List of Tables vii List of Figures x List of Abbreviations xi Chapter I. General Introduction 1 Chapter II. Effect of different aging methods on the formation of aroma volatiles in beef strip loins 2.1. Introduction 3 2.2. Materials and methods 6 2.2.1. Raw material and aging process 6 2.2.2. Volatile compounds analysis 6 2.2.3. Mold distribution 9 2.2.4. Free fatty acids 9 2.2.5. Statistical analysis 10 2.3. Results and discussion 11 2.3.1. Volatile profiling of aged beef 11 2.3.1.1. Aldehydes, furan and ketone 16 2.3.1.2. N-compounds 22 2.3.1.3. S-compounds 26 2.3.1.4. Alcohols 29 2.3.1.5. Hydrocarbons, esters, and acids 32 2.3.2. Volatile patterns of aged beef 40 2.3.3. Correlation analysis with mold distribution and UFA 45 2.4. Conclusion 53 Chapter III. Effects of cooking conditions on the physicochemical and sensory characteristics of dry- and wet-aged beef 3.1. Introduction 54 3.2. Materials and methods 57 3.2.1. Sample preparation 57 3.2.1.1. Raw material and aging process 57 3.2.1.2. Cooking process 57 3.2.2. pH 58 3.2.3. Cooking loss 59 3.2.4. Lipid oxidation 59 3.2.5. Volatile compound analysis 60 3.2.6. Meat color 61 3.2.7. Descriptive sensory analysis 61 3.2.8. Statistical analysis 64 3.3. Results and discussion 65 3.3.1. Cooking time 65 3.3.2. pH 68 3.3.3. Cooking loss 71 3.3.4. Lipid oxidation 74 3.3.5. Volatile compound analysis 78 3.3.6. Meat color 86 3.3.7. Descriptive sensory analysis 91 3.4. Conclusion 98 References 99 Summary in Korean 113Maste

Investigation of medium-range order in amorphous GeTe and Ge2Sb2Te5 using density functional theory and neural network potential

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 재료공학부, 2020. 8. 한승우.Phase change memory (PCM) is a promising non-volatile memory. Among emerging memories, PCM has been successfully commercialized and mature technology. However, there is still a lack of understanding of the phase transition process at the atomic scale. Since molecular dynamics simulation can provide insight into crystallization kinetics of phase change materials, we perform the crystallization simulations and show that the medium-range orders in amorphous phase change materials are critical in crystallization kinetics. We develop neural network potentials (NNP) for GeTe as a representative phase change material and investigate the crystallization process of amorphous GeTe. With the accuracy of density functional theory (DFT) level and much cheaper computational cost, we achieve the realistic simulations using the NNP. In developing the NNP, we find that overly flattened fourfold rings in the amorphous structure exaggerate the crystallization process, especially for nucleation. By explicitly including relaxation paths from flat to puckered fourfold rings, we obtain a modified NNP, which produces medium-range orders that are more consistent with DFT. This structural change increases interfacial energy between crystalline and amorphous phases and suppresses the nucleation. Using the modified NNP, we perform crystallization simulations at two densities (equilibrium density and crystalline density) and temperatures ranging from 500 to 650 K. We observe finite incubation times at both densities. In particular, the incubation time at the equilibrium density is found to be 7 or 17 ns, which is consistent with experiments. In practice, properties of the phase change materials are tuned by doping and Ge-Sb-Te alloys are mainly used. However, developing NNP for the multi-component systems is challenging at the present, we study the effects of Al and Ga dopants using ab initio calculations. We find that the two dopants behave similarly in amorphous Ge2Sb2Te5 (GST), and they are mostly coordinated by Te atoms in a tetrahedral geometry, which is similar to those in crystalline MxTey (M=Al or Ga). The number of wrong bonds increases as dopant atoms predominantly bond with Te atoms, which affects the medium-range order structures. The number of fourfold ring structures, especially ABAB-type, decreases significantly and the number of odd-numbered rings is increased, explaining the enhanced thermal stability and slow crystallization speed of doped amorphous GST in the experiment.상변화 메모리는 차세대 비휘발성 메모리 기술로 유망한 기술이다. 새로운 메모리 기술들 중에서 상변화 메모리는 이미 성공적으로 상용화될 정도로 성숙한 기술이다. 하지만, 여전히 원자수준의 상전이 거동에 대한 기초적인 이해가 부족하다. 분자동역학을 이용하여 상변화 물질의 상전이 과정을 효과적으로 이해할 수 있기 때문에, 결정화 시뮬레이션을 진행하였고 비정질의 중거리 차수 구조가 결정화 과정에 미치는 영향에 대해 살펴보았다. 먼저, 대표적인 상변화 물질인 GeTe에 대하여 인공신경망 퍼텐셜을 개발하였고, 이를 이용하여 비정질 GeTe의 결정화에 대해 연구하였다. 밀도 범함수 이론의 정확도와 값싼 계산 비용으로 소자에서 일어나는 상전이 조건에 가깝게 모델링할 수가 있었다. 이 퍼텐셜을 개발하는 과정에서 비정질 구조의 사각형 링 구조의 입체적 형태가 결정화의 핵생성 과정에 중대한 영향을 주는 것을 확인하였다. 이차원에 가까운 사각형 링이 비정질 상에서 많이 존재할수록 핵생성 과정이 잘 일어나는 것을 보았다. 구부려진 사각형 링 구조를 포함와 같은 입체적인 링 구조들을 포함한 비정질 구조를 학습 데이터에 추가함으로써 밀도 범함수 이론의 결과에 가까운 비정질 구조를 얻을 수 있었다. 이러한 구조적인 개선이 비정질과 결정질의 계면 에너지를 높여주었다. 개선된 인공신경망 퍼텐셜을 이용하여 결정화 시뮬레이션을 두 가지 밀도와 네 가지 온도 조건에서 수행하였다. 모든 결정화 과정에서 핵생성에 걸리는 유효한 시간이 존재하는 것을 확인하였고, 특히 소자 내부의 평형 밀도를 고려한 경우 실험에서 보고되는 30 ns에 유사한 정도로 7과 17 ns의 시간이 핵생성에 소요되는 것을 확인하였다. 실질적으로 소자에서는 Ge-Sb-Te 화합물에 도핑을 하여 물성을 조절하는 경우가 많다. 그러나 이런 다성분계의 경우까지 인공신경망 퍼텐셜을 개발하는 데는 현재 수준으로는 과도한 계산 비용을 소모하게 된다. 따라서, Al과 Ga 도핑된 GST에 대해서는 제일원리 계산을 통해서 도핑 효과에 대해 연구하였다. Al과 Ga은 비정질 GST에서 네 개의 Te에 사면체 형태로 둘러 쌓인 구조를 많이 갖게 되며 양이온적 성질을 보여주었다. 이는 GST에서 Ge-Ge, Ge-Sb, Sb-Sb와 같은 동종결합 수를 증가시켰고, 홀수 개의 링 구조가 증가하게 되었다. 결정화가 되기 위해서는 짝수 개의 링 구조로 변화해야 하기 때문에 이러한 홀수 링의 증가는 결정화를 어렵게 만들고 비정질 상의 안정성을 높이는 효과를 주는 것을 예상할 수 있다.1 Introduction 1 1.1 Phase change memory 1 1.2 Goal of the dissertation 7 1.3 Organization of the dissertation 8 2 Theoretical background 9 2.1 Molecular dynamics 9 2.1.1 Classical molecular dynamics 9 2.1.2 Ab initio molecular dynamics (AIMD) 12 2.2 Neural network potential 16 2.2.1 Neural network model 16 2.2.2 Atom-centered symmetry function 20 2.2.3 Training method 24 2.3 Classical nucleation theory 32 3 Crystallization of amorphous GeTe 36 3.1 Introduction 36 3.2 Computational details 40 3.2.1 Training set 40 3.2.2 Training method 45 3.3 Validation 48 3.3.1 Bulk properties of crystalline phases 48 3.3.2 Bulk properties of liquid phase 50 3.3.3 Bulk properties of amorphous phase 52 3.4 Crystallization simulation 58 3.4.1 Equilibrium volume condition 60 3.4.2 Crystalline volume condition 62 3.5 Summary 65 4 Al- and Ga-doped Ge2Sb2Te5 (GST) 66 4.1 Introduction 66 4.2 Computational details 69 4.3 Structural properties 71 4.3.1 Local structures of Al- and Ga-doped amorphous GST 71 4.3.2 Ring statistics 77 4.3.3 Dopants in the crystalline phase 81 4.4 Dynamical properties 82 4.4.1 Diffusivity 82 4.4.2 Interface-growth simulation . 84 4.5 Summary 86 5 Conclusion 87 Bibliography 89 Abstract (In Korean) 98Docto

무선통신망에서 처리율 개선을 위한 신호전달 부하의 저감에 관한 연구

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2014. 2. 전화숙.무선통신망(wireless networks)은 무선 채널의 상태 변화에 따른 성능 저하를 줄이기 위해 링크 적응(link adaptation) 기술을 기본적으로 사용한다. 링크 적응 기술을 위해서는 채널 상태 정보를 추정하고 수집해야하기 때문에 이에 따른 신호전달 부하(signaling overhead)가 발생하게 된다. 본 논문에서는 무선통신망에서의 신호전달 부하를 줄이기 위한 두 가지 기법을 제안하였다. 먼저 협력 통신 네트워크(cooperative communication networks)에서의 적응적인 전송 기법을 제안하였다. 제안한 기법을 사용하는 협력 통신 네트워크는 ACK(positive acknowledgement)/NACK(negative ACK)와 같은 제한된 피드백 정보로부터 추정된 채널 상태에 기반을 두어 전송 속도를 조절하면서 릴레이(relay)의 사용여부도 함께 결정한다. 제한된 피드백 정보는 실제 채널 상태에 대한 부분적인 정보만을 제공하기 때문에 제안하는 기법을 불확실성 마코브 의사 결정(partially observable Markov decision process)에 따라 설계하였다. 다음으로, 셀룰러 네트워크에서의 기기 간(D2D, device-to-device) 통신을 위한 자원 관리 기법을 제안하였다. 제안한 기법은 두 단계로 구성되고 준 분산적(semi-distributed)으로 동작한다. 첫 번째 단계에서는 중앙 집중적(centralized)으로 기지국이 자원 블록을 B2D(BS-to-user device) 링크와 D2D 링크에게 할당한다. 두 번째 단계에서는 분산적(distributed)으로 기지국은 B2D 링크에 할당된 자원 블록들을 사용하여 전송 스케줄을 결정(scheduling)하고, 각 D2D 링크의 제 1 사용자 기기(primary user device)는 해당 D2D 링크에 할당된 자원 블록들에서의 링크 적응을 수행한다. 이러한 자원 관리 구조는 중앙 집중적 기법처럼 높은 네트워크 용량을 달성할 뿐 아니라 분산적 기법처럼 낮은 신호전달 및 계산(computational) 부하를 필요로 한다. 본 논문에서는 제안한 자원 관리 구조에서 주파수 자원 효율을 최대화하는 자원 블록 할당 문제들을 두 가지 서로 다른 자원 할당 정책에 대하여 만들고 이 문제들을 풀기 위해 탐욕(greedy) 알고리즘과 열 추가 기반(column generation-based) 알고리즘을 제안하였다. 또한 시뮬레이션을 통해 제안하는 기법들이 설계 목표를 달성하고 기존의 기법보다 높은 성능을 보이면서도 신호전달 부하를 줄일 수 있음을 보였다.Wireless networks usually adopt some link adaptation techniques to mitigate the performance degradation due to the time-varying characteristics of wireless channels. Since the link adaptation techniques require to estimate and collect channel state information, signaling overhead is inevitable in wireless networks. In this thesis, we propose two schemes to reduce the signaling overhead in wireless networks. First, we design an adaptive transmission scheme for cooperative communication networks. The cooperative network with the proposed scheme chooses the transmission rate and decides to involve the relay in transmission, adapting to the channel state estimated from limited feedback information (e.g., ACK/NACK feedback). Considering that the limited feedback information provides only partial knowledge about the actual channel states, we design a decision-making algorithm on cooperative transmission by using a partially observable Markov decision process (POMDP) framework. Next, we also propose a two-stage semi-distributed resource management framework for the device-to-device (D2D) communication in cellular networks. At the first stage of the framework, the base station (BS) allocates resource blocks (RBs) to BS-to-user device (B2D) links and D2D links, in a centralized manner. At the second stage, the BS schedules the transmission using the RBs allocated to B2D links, while the primary user device of each D2D link carries out link adaptation on the RBs allocated to the D2D link, in a distributed fashion. The proposed framework has the advantages of both centralized and distributed design approaches, i.e., high network capacity and low signaling/computational overhead, respectively. We formulate the problems of RB allocation to maximize the radio resources efficiency, taking account of two different policies on the spatial reuse of RBs. To solve these problems, we suggest a greedy algorithm and a column generation-based algorithm. By simulation, it is shown that the proposed schemes achieve their design goal properly and outperform existing schemes while reducing the signaling overhead.1 Introduction 1 1.1 Background and Motivation 1 1.2 Approaches to Reduce Signaling Overhead 5 1.3 Proposed Schemes 7 1.3.1 Adaptive Transmission Scheme for Cooperative Communication 7 1.3.2 Resource Management Scheme for D2D Communication in Cellular Networks 8 1.4 Organization 10 2 Adaptive Transmission Scheme for Cooperative Communication 11 2.1 System Model 11 2.2 Cooperative Networks with Limited Feedback 12 2.2.1 Operation of the Proposed Cooperative Network 12 2.2.2 Finite-State Markov Channel Model 15 2.2.3 Packet Error Probability 16 2.2.4 Channel Feedback Schemes 18 2.3 Adaptive Transmission Scheme for Cooperative Communication 19 2.3.1 POMDP Formulation 19 2.3.2 Solution to POMDP 22 3 Resource Management Scheme for D2D Communication in Cellular Networks 25 3.1 System Model 25 3.1.1 Network Model 25 3.1.2 Radio Resource Model 27 3.2 Proposed Resource Management Framework 28 3.2.1 Framework Overview 28 3.2.2 Two-Stage Resource Management 29 3.2.3 Advantages of the Proposed Framework 31 3.3 Conditions for Simultaneous Transmission of B2D and D2D Links 33 3.3.1 Analysis of Interference on B2D and D2D Links 33 3.3.2 Conditions for Simultaneous Transmission of B2D and D2D Links 36 3.4 Resource Block Allocation 38 3.4.1 Resource Block Allocation with Conservative Reuse Policy 39 3.4.2 Resource Block Allocation with Aggressive Reuse Policy 44 4 Performance Evaluation 52 4.1 Adaptive Transmission Scheme for Cooperative Communication 52 4.1.1 Simulation Model 52 4.1.2 Simulation Results 53 4.2 Resource Management Scheme for D2D Communication in Cellular Networks 62 4.2.1 Simulation Model 62 4.2.2 Simulation Results 64 5 Conclusion 75 Bibliography 77 Abstract 85Docto

Accuracy Enhancement of Vision-based Surgical Instrument Segmentation using Background Simplification in Robot-assisted Laparoscopic Surgery

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 협동과정 바이오엔지니어링전공, 2015. 2. 김희찬.다양한 이점을 가진 복강경 로봇 수술은 복강경을 통한 좁은 시야, 수술도구의 촉각(Haptic) 시스템의 부재 등으로 응급상황 발생 시 수술자의 신속한 상황 판단이 어려운 한계점들이 있다. 따라서 수술 중 위험 상황 감지를 위해 수술 영상에서 자동으로 수술도구를 인지할 수 있는 복강경 로봇 수술 시스템의 구현이 필요하다. 본 연구는 복강경 수술 화면 내에서 수술도구의 위치뿐만 아니라 수술도구 간의 충돌 및 수술도구와 조직의 충돌을 정확히 감지하기 위한 수술도구의 분할(Segmentation) 정확도가 높은 영상처리 기법이다. 제안한 영상처리 기법은, 수술 영상에서 배경을 단순화하여 수술도구 분할 영상처리 과정에서 발생하는 잡음을 효과적으로 제거하였고 K-평균 군집화(K-means Clustering), 주성분 분석(PCA) 등의 기법을 조합한 새로운 복합 영상처리 기법이다. 개발된 방법은 세 가지 방법으로 성능 평가를 하였으며, 7가지의 수술 환경에서 제안한 연구 방법과 두 가지 선행연구 방법을 적용한 영상을 수동으로 수술도구를 분할한 기준 영상과 비교하여 평가하였다. 첫 번째 평가 방법은 수술도구 분할 정확도를 비교하는 방법으로, 연구 방법들을 적용하여 얻은 수술도구 분할 영상과 기준 영상의 화소(pixel)간의 차이를 혼동행렬을 이용하여 민감도와 특이도를 구하였다. 제안한 연구 방법의 평균 민감도와 특이도는 84.81±5.96%, 98.36±0.737%를 보임으로써 선행연구 방법들보다 더 높은 정확도(Accuracy)와 강인함(Robustness)을 보였다. 두 번째 평가 방법은 수술도구 끝(Tip) 좌표의 오차를 비교하는 방법으로, 연구 방법을 적용하여 얻은 수술도구 분할 영상과 기준 영상의 수술도구 끝 좌표의 평균 제곱근 편차(RMSE)를 통해 오차를 구하였다. 제안한 연구 방법의 평균 오차는 수술도구 1~3에서 각각 1.07±0.83mm, 1.34±0.83mm, 0.08±0.63mm를 보임으로써 선행연구 방법들보다 더 낮은 오차율과 높은 강인함을 보였다. 마지막 평가방법으로 수행시간 성능을 비교하였으며 제안한 연구 방법의 수행시간이 0.214초를 보임으로써 선행 연구 방법들과 유사한 성능을 보였다. 이와 같이 제안한 복합 영상처리 기법이 성능 평가를 통해 다양한 수술 환경에서 자동으로 수술도구를 인지하여 위험 상황을 감지할 수 있는 복강경 수술 로봇 시스템 구현의 보편적인 기법으로 유용하게 활용될 것으로 기대한다.초 록……………………………………ⅰ 표 목차…………………………………ⅴ 그림 목차………………………………ⅴ 1. 서 론……………………………………1 1.1. 복강경 로봇 수술………………………………………………1 1.1.1. 배경……………………………………………1 1.1.2. 한계점 및 필요성…………………………5 1.2. 수술도구 분할 기법의 선행 연구………………6 1.2.1. 마커를 이용한 방법………………………7 1.2.2. 영상 기반 방법……………………………8 1.3. 연구의 목표……………………………………10 2. 방 법………………………………………………11 2.1. 개발 환경 및 프로그램 개요…………………11 2.2. 수술도구 분할 기법……………………………13 2.2.1. 배경 분할…………………………………13 2.2.1.1. L*a*b* 색 공간 변환…………… 14 2.2.1.2. 그림자 제거……………………………17 2.2.1.3. 반사광 제거………………………20 2.2.1.4. HSV 색 공간 변환 및 경계화……22 2.2.2. 배경 단순화………………………………27 2.2.2.1. 단일 조직 색상 합성……………27 2.2.2.2. XYZ 색 공간 변환………………28 2.2.2.3. K-평균 군집화………………… 30 2.2.3. 잡음 제거…………………………………33 2.2.3.1. 주성분 분석………………………33 2.3. 성능 평가 방법…………………………………37 2.3.1. 수술도구 분할 정확도……………………… 37 2.3.2. 수술도구 끝 좌표 오차………………………40 2.3.3. 수행시간…………………………………… 42 3. 결 과………………………………………………43 3.1. 수술도구 분할 정확도 비교 결과………………47 3.2. 수술도구 끝 좌표 오차 비교 결과……………62 3.3. 수행시간 비교 결과……………………………79 4. 고 찰………………………………………………80 5. 결 론………………………………………………85 참고 문헌………………………………………………87 Abstract…………………………………………………93 감사의 글………………………………………………97Maste

DBMS개발을 위한 성능 이상 검출 및 분석 프레임워크

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기. 컴퓨터공학부, 2011.8. 차상균.Docto

QoS-guaranteed delivery of biomedical information for telemedicine applications over mobile networks

생체공학 협동과정/석사[한글]이동통신망을 사용한 원격 진료 시스템은 생체 신호, 환자 비디오, 오디오, 의학 스캔 이미지등을 다룬다. 이동통신망은 기존의 유선망과 달리 높은 에러율과 지연의 변화가 심한 특성을 가진다. 따라서 이동통신망의 특성을 고려하여 생체 정보의 QoS를 보장할 수 있는 전송 프로토콜이 필요하다. 하지만 이러한 전송 계층의 QoS 보장 정도는 이동통신망 네트워크, 인터넷과 같은 네트워크 계층에서의 QoS 보장 정도에 크게 영향을 받는다. 따라서 본 논문에서는 이동통신망의 특성을 고려하여 생체 신호의 QoS를 보장 할 수 있는 생체 신호 전송 프로토콜을 설계하였고 이동통신망 패킷 코어 네트워크에서 생체 정보의 QoS 보장 방안을 연구하였다.원격진료시스템의 생체 신호는 환자 비디오 같은 다른 원격진료의 요소들과 비교해서 지연이나 손실에 민감하기 때문에 신뢰적이고 지연을 최소로 하는 전송을 요구한다. 그럼에도 불구하고 최대한 신뢰적으로 지연을 최소화하며 생체 신호를 전송하는 전송 프로토콜에 대한 연구는 희박한 실정이다. 따라서 본 논문에서 한국 전역에 걸쳐 구축된 CDMA 모바일 네트워크에서 신뢰적이고 지연을 최소화하며 생체 신호를 전송할 수 있는 생체신호전송프로토콜(vital sign transmission protocol : VSTP)을 설계하였다. VSTP는 지연 제약 시간 내에서 생체 신호를 최대한 많이 전송하기 위해 하이브리드 에러 보정 기술과 스위칭 버퍼 관리 기술을 사용한다. 시뮬레이션을 통하여 현존하는 전송 프로토콜인 TCP, UDP보다 특히 높은 에러율인 환경에서 우수한 성능을 보임을 증명하였다. 지연 버퍼를 사용한 스위칭 버퍼 관리 기술은 지연 제약이 있는 신뢰적인 전송을 향상시킬 수 있었다. 그뿐만 아니라 신뢰적인 전송과 지연을 최소로 하는 전송 사이에 적절한 균형을 이룰 수 있었다.여러 종류의 사용자 트래픽이 존재하는 이동통신망 내에서 생체 정보 트래픽의 QoS를 보장하기 위해 DiffServ 구조를 따른 이동통신망 패킷 코어 네트워크에서의 생체 정보 QoS 보장 방안을 연구하였다. 3GPP2 QoS 클래스, DiffServ PHB, 생체 정보 트래픽 간의 맵핑 관계를 제안하였고 이동통신망 패킷 코어 네트워크의 생체 정보 QoS 보장 구조를 설계하였다. 이것이 원격 진료 서비스에 주는 이점을 Network Simulator (NS)를 이용한 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 시뮬레이션을 통해 최악의 상황 (높은 우선순위를 가진 트래픽에 의한 혼잡 상황)에서 제안된 맵핑 관계가 우선순위가 높은 생체 신호의 전송을 보장하도록 하여 환자의 지속적인 모니터링을 가능하게 함을 보였다. 이동통신망을 사용한 원격 진료 시스템이 본 논문에서 제안된 이동통신망 패킷 코어 네트워크에서의 생체 정보 QoS 보장 구조를 따른다면 생체 정보간의 우선순위 차별화를 통해 네트워크의 상황에 상관없이 환자의 지속적인 모니터링이 가능할 것이다. [영문]Telemedicine systems over mobile networks use biomedical information such as vital signs, patient video, audio and medical data between a patient and a specialist for rendering a diagnosis and treatment plan. mobile telemedicine systems are prone to be affected by delays and data corruptions due to fading channel characteristics of mobile network. Thus, a transmission protocol, which guarantees a good quality of biomedical information deliveries(QoS-guarantee) as well as considers characteristics of mobile networks, is needed. However, these QoS-guarantee on transport layer is highly affected by QoS-guarantee on network layers such as mobile networks and internet. The paper introduces a QoS-guaranteed vital sign transmission protocol considering the characteristics of mobile networks, and represents how to guarantee QoS of biomedical information deliveries in the mobile packet core network environment.Telemedicine systems require reliable and instant transmission of vital signs, particularly when managing emergency patients. Compared with other telemedicine components such as patient videos and vital signs are sensitive to delays and data corruptions. Delays should be minimized in time-critical patient care. Additionally, the reliable transmission of vital signs is also important for diagnosing a patient remotely, since corrupted vital signs sometimes can cause misdiagnosis. Nonetheless, few studies have been performed regarding vital sign transmission protocol that maximizes the amount of reliable transmission within an acceptable delay bound.In this paper, the VSTP running over a CDMA 1xEVDO mobile network is proposed to comply with both the reliability and instantaneity requirements. The switching buffer management scheme is combined with a hybrid error control scheme, consisting of FEC and ARQ. Throughout the simulation, it is demonstrated that the VSTP performs better than existing network protocols, including TCP and UDP, for a high noise environment.In mobile networks where various kinds of user traffic exist simultaneously, QoS-guaranteed delivery of biomedical information is researched over the mobile packet core network, in an IP-based backbone which employs DiffServ architecture. The class mapping between 3GPP2 QoS classes, DiffServ PHB, and biomedical information traffics is proposed and QoS-guaranteed architecture for biomedical information in the packet core network is designed. The paper also examines advantages of the proposed QoS-guaranteed architecture using Network Simulator. Through the simulation in the worst case of networks conditions, it was possible to have a continuous patient monitoring with guaranteed deliveries of highly prioritized vital signs by the proposed class mapping. Mobile telemedicine systems employing the proposed QoS-guaranteed architecture for biomedical information can successfully operate patient monitoring continuously by different prioritization of biomedical informations, regardless of network conditions.ope

전력산업 소매부문 경쟁도입의 유효성 분석 : 주거용 수용가의 전환비용을 중심으로

학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :협동과정 기술정책전공,2004.Maste

EUVL Flare Modeling with an Improved Accuracy for Feasibility Study of Sub-22nm HP Node

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Winogradskyella pohangensis sp. nov., isolated from seawater

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