KR100260383B1 - 성대 점막 운동 상태의 분석을 위한 비디오스트로보카이모그라피 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미 얻어진 비디오스트로보스코피 후두 영상 데이터를 이용하여 성대 점막의 어느 부위든지 원하는 지역을 선택하여 그 움직임을 정량적으로 측정할 수 있도록 한 성대 점막 운동 상태 분석을 위한 비디오스트로보카이모그라피에 관한 것이다.

이를 위하여, 기녹화된 비디오스트로보스코피 후두 영상을 컴퓨터로 로딩하여 사용자가 원하는 선상의 지역을 선택하여 이를 시간축에 따라 연속적으로 배열한 카이모그램 영상을 재구성하여 디스플레이하고 저장하며, 비디오 스트로보스코피 영상과 카이모그램 영상을 분석하여 정규화된 성문 면적 곡선, 성문 개방율, 비대칭 지수 등의 정량적인 임상 지표들을 산출함으로써, 동시에 여러 영역에서 얻어진 카이모그램을 비교할 수 있고 사용자가 지정한 관심 영역에 대한 위치 정보도 동시에 저장함으로써 차후에 사용자가가 비디오를 통해 영상을 주의 깊게 반복, 관찰하면서 수행할 수 있어 좀더 정확하고 의미있는 분석이 가능하며, 정규화된 성문 면적 곡선, 성무 개방율 및 비대칭 지수등의 지표들은 성대의 진동 상태를 가시화하고 정량화하는데 유용하여 후두 기능의 객관적인 상태 판단이 가능한 것이다.

Description

성대 점막 운동 상태의 분석을 위한 비디오스트로보카이모그라피(analysis method of vibratory patterns of vocal folds using video data recorded by conventional videostroboscopy)

본 발명은 성대 점막 상태의 분석 방법에 관한 것으로서, 특히 이미 얻어진 비디오스트로보스코피 후두 영상 데이터를 이용하여 성대 점막의 어느 부위든지 원하는 지역을 선택하여 그 움직임을 정량적으로 측정할 수 있도록 한 성대 점막 상태의 분석 방법에 관한 것이다.

인체의 성대(vocal fold)는 언어를 통한 의사 전달을 위한 발성 기관으로서 발성시 내쉬는 호흡의 공기 흐름을 따라 후두 점막이 초당 약 100에서 250회의 빠른 진동을 하게 된다. 목소리가 변하는 등의 질병 상태에서는 이러한 점막의 운동이 성대 전체 또는 일부에서 불규칙적이고 비대칭적이 되거나 전혀 진동하지 않게 된다.

부연 설명하면, 발성시에 하기도로 흡입된 공기는 성문하구역(sub-glottal area)에서 닫혀져 있는 성대에 의하여 압력으로 전환되고, 그 압력이 성대의 저항보다 커지게 되면 성태의 하연(inferior margin)에서 상연(superior margin)으로 향하는 점막파가 형성된다. 이 점막파의 속도나 강도 등의 특성이 성대를 통한 공기의 청각적 특성에 영향을 주어 목소리의 질을 결정한다. 즉, 성대는 수십∼수백Hz로 빠르게 대칭적으로 진동하면서 성문하구역에 생성된 유체역학적 에너지, 즉 성문하압력(sub-glottal pressure)을 소리 에너지로 변환시켜주는 역할을 한다. 그러나, 성대 마비나 성대 결절 등이 있는 경우 점막파의 대칭성이 저하되고 이는 효과적인 에너지의 전환을 불가능하게 하여 음성의 이상을 초래한다.

따라서, 목소리의 이상을 진찰할 때 성대 점막의 운동 상태를 파악하는 것은 반드시 팰요하며, 이를 위하여 현재 쓰이고 있는 방법들은 스트로보스코프(stroboscope)를 이용하며, 이러한 스트로보스코프를 이용하여 초당 100에서 250회의 빠른 움직임을 느린 동작으로 관찰할 수 있는 비디오스트로보스코피(videostroboscopy)를 이용하는 방법이 일반적이다.

스트로보스코피(stroboscopy)는 스트로보스코프의 주파수가 점막의 진동 운동의 주파수와 동기화될 때 점막이 가장 적은 움직임을 보이는 원리를 이용한다. 부연 설명하면, 마이크로폰이나 일렉트로글로토그래피(electroglottography) 등으로 성대의 진동 주기를 측정하고 이보다 약간 작은 주기를 갖는 반복적이고 간헐적인 빛을 내는 스트로보스코프 광원을 성대에 비추어서 성대의 진동을 느린 주기로 관찰하게 해주는 방법으로 다양한 주파수 대역에서의 진동 양상 변화나 성대 운동의 전체적인 비대칭성의 시각적 관찰을 가능하게 해준다.

이러한 장점에도 불구하고 비디오스트로보스코피로 관찰할 수 있는 영상은 실제 정확한 성대의 진동을 보여주는 것이 아니라는 근본적인 문제점과 성대 운동의 각 싸이클 간의 변이가 크거나 발성시 성대간의 간격이 크면서 주기적 반복성이 결여된 환자의 경우에는 의미 있는 해석이 불가능하여 전체적인 성대 점막의 움직임을 정성적으로 기술할 수밖에 없으며, 일부나 전부 또는 특정 부위의 세세한 성대 점막의 움직임을 개별적으로 식별할 수는 없다는 등의 해결해야 할 문제점을 가지고 있으며, 또한 스트로보스코피 영상은 다분히 주관적으로 관찰할 수밖에 없기 때문에 정확한 해석을 위해서는 숙련된 경험자의 판단이 필요하며 검사의 결과가 성대 운동의 동영상으로 제공되기 때문에 예후를 추적, 관찰하는데 불편함이 많고 이를 저장하기 위한 매체의 양 또한 문제가 된다.

근래에 들어서는 이러한 단점을 극복하기 위하여 초고속 촬영 방법을 이용한 비디오카이모그래피(videokymography) 기술이 개발되었으며, 또한 비디오로 저장된 스트로보스코피 영상으로부터 정량적인 임상 지표들을 추출하고자 하는 연구들이 시도되고 있다.

히로세 등(Hirose H, Kiritani S, Imagawa H)은 MOS형 고체 소자의 영상 센서를 이용한 고속 디지털 영상법(high speed digital imaging)은 디지털 메모리 및 8비트 A/D 컨버터와 연결된 영상 센서를 100×100 메트릭스 형태로 배열하여 순간적으로 고속의 영상을 얻는 방법으로 약 150㎳ 동안 200∼400 프레임의 영상을 얻을 수 있다.

또한, 스벡 등(Svec JG, Schutte HK)은 CCD 카메라를 이용하여 통상적인 스트로보스코피 시술 도중에 시술자가 임의로 선택한 라인에 대해 초당 약 8000 프레임의 연속된 라인 영상을 얻어 모니터 상의 종축을 따라 순차적으로 주사함으로써 시간에 따른 성대의 운동 양상을 객관적으로 보여주는 초고속 촬영 방법을 이용한 비디오카이모그래피(videokymography) 기술을 시도하고 있다.

한편, 우(Woo P)는 비디오로 녹화된 스트로보스코피 영상에서 추출한 성문 영역(glottal area)의 면적 변화 곡선으로부터 최대 성문 면적(peak glottal area) 개방 및 폐쇄 기간(duration of opening and closing) 등의 정량적인 지표들을 구하였다.

그러나, 현재까지의 이러한 시도들은 실제 임상에 적용하기에는 여러 가지 한계점 예를 들면, 초당 8000 프레임의 라인 영상을 얻기 위해 특별히 고안된 고가의 CCD 카메라 등의 부수적인 장비가 필요하며, 피검자가 한번 발성을 할 때 단지 한 라인에 대한 카이모그램(Kymogram)밖에 얻을 수 없고 이를 얻는 동안 전체 영역의 움직임을 관찰할 수 없으므로 환자의 움직임 등에 의한 왜곡을 제대로 판단할 수 있는 기준이 없다는 등의 문제점들이 있어, 기존에 널리 쓰이고 있는 스트로보스코프 영상의 객관적 분석이 더욱 필요하였다.

따라서, 이미 얻어진 스트로보스코프 비디오 영상을 이용하여 성대 점막의 어느 부위든지 원하는 지역을 선택하여 그 움직임을 정량적으로 측정할 수 있는 방안이 필요하게 되었다.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명은 스트로보스코프를 통해 저장된 영상을 컴퓨터 메모리 상으로 옮긴 후 사용자가 성대의 움직임을 관찰하면서 선택한 관심 영역들에 대해 카이모그램(kymogram)을 구성하고 이로부터 정량적인 지표들을 추출하고 동시에 성대의 다른 여러 부위의 진동 양상을 비교, 관찰할 수 있으며, 성대가 스트로보스코피 영상의 종축에 대해 기울어져서 영상화된 경우에 이를 보정하고자 동영상의 프레임을 자동으로 회전시켜 주고 스트로보스코피 영상과 카이모그램을 분석하여 정량적인 임상 지표들을 추출하여 사용자의 간섭을 최소화하여 정량화 할 수 있도록 한 성대 점막 운동 상태의 분석을 위한 비디오스트로보카이모그라피을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명에 따른 성대 점막 운동 상태의 분석을 위한 비디오스트로보카이모그라피은, 비디오스트로보스코피를 이용하여 저장된 성대 영상으로 성대 점막 운동 상태를 분석하는 방법에 있어서, 저장된 성대 영상의 연속된 소정 개수의 프레임을 컴퓨터 메모리로 로딩시키는 제 1 과정과, 로딩된 소정 개수의 프레임을 프레임별로 정지화면으로 디스플레이하고 사용자가 관찰을 원하는 프레임과 그 프레임의 라인을 선택하는 메뉴 화면을 구성하여 디스플레이하는 제 2 과정과, 사용자가 선택한 라인과 동일한 라인을 연속된 각 프레임들중에서 추출하여 시간축에 따라 연속적으로 배열한 카이모그램을 윈도우 화면에 디스플레이하는 제 3 과정과, 사용자의 선택에 의해 디스플레이된 카이모그램과 라인 위치 정보를 저장하는 제 4 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제 3 과정에서 카이모그램을 배열하는 시간축은 화면 상단에서 하단으로 수직으로 설정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제 3 과정에서 사용자가 연속적으로 다수개의 라인을 선택한 경우 라인의 번호와 위치를 표시하고 선택된 라인의 번호와 동일한 번호의 윈도우 화면에 카이모그램을 디스플레이하는 것을 특징으로 한다.

한편, 제 2 과정에서 로딩된 소정 개수의 프레임을 프레임별로 정지화면으로 디스플레이할 때, 성대가 가장 많이 열려 있는 프레임에서 성문 영역을 추출하는 단계와, 추출한 성문 영역을 타원으로 가정하여 타원의 장축과 화면상의 종축 사이의 회전각을 연산하는 단계와, 각 프레임을 연산된 회전각만큼 성대를 역회전시켜서 디스플레이하는 단계를 포함하여 디스플레이하는 것을 특징으로 한다.

또한, 각 프레임에서 성문 영역을 추출하여 프레임별로 성문 면적을 연산하는 단계와, 각 프레임에서 성대가 가장 많이 열려 있는 프레임의 종축 길이를 추출하여 연산된 각 성문 면적을 추출된 종축 길이로 나누어 성대가 열려 있는 평균 성대폭의 변화를 연산하는 단계와, 평균 성대폭의 변화를 추출된 종축 길이로 나누어 정규화된 성대폭의 변화를 프레임을 시간축으로 하여 그래프화하여 디스플레이하는 단계를 포함하는 제 1 정규화 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 카이모그램을 스므싱(smoothing) 처리하는 단계와, 스므싱 처리된 카이모그램에서 마름모꼴 형태의 성대가 열려 있는 구간을 추출하는 단계와, 추출된 성대가 열려 있는 구간에서 열림과 닫힘이 완결된 구간만을 이용하여 성대의 개방기간과 전체기간의 비율인 성문 개방율을 연산하여 디스플레이하는 단계를 포함하는 제 2 정규화 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 카이모그램을 스므싱 처리하여 마름모꼴 형태의 성대가 열려 있는 구간을 추출하는 단계와, 추출한 각 마름모꼴의 위아래 꼭지점을 연결한 선들이 화면의 종축과 나란하게 각 마름모꼴을 이동시켜서 움직임을 보정하는 단계와, 마름모꼴의 꼭지점을 연결한 선에 대한 양쪽의 성문 영역의 면적을 각각 연산하여 양쪽 성대의 열리는 정도 차이를 나타내는 비대칭 지수를 연산하여 디스플레이하는 단계를 포함하는 제 3 정규화 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따라 채용된 비디오스트로보카이모그래피 시스템의 개략적인 블럭도.

도 2는 본 발명에 따른 성대 점막 운동 상태의 분석 과정을 도시한 흐름도.

도 3은 성대 동영상에서 역치 방법으로 추출한 성문 영역에 대한 화면.

도 4는 본 발명에 따른 회전각 보정과 성문 종축 길이 추출 과정을 설명하기 위한 화면으로서,

도 4a는 성문 면적이 최대인 프레임의 성대 영상과 성문 영역 경계에 대한 화면,

도 4b는 역치 방법으로 추출한 성문 영역에 대한 화면,

도 4c는 회전각 보정 후의 성문 영역에 대한 화면,

도 4d는 성문 종축 길이를 추출한 화면.

도 5는 회전각 보정후의 성대 동영상에 대한 화면.

도 6은 정규화된 성문 면적 곡선.

도 7은 본 발명에 따른 성문 개방율 추출 과정을 설명하기 위한 도면으로서,

도 7a는 원래 비디오스트로보카이모그램,

도 7b는 스므싱(smoothing)된 영상 화면,

도 7c는 추출된 성문 영역에 대한 도면,

도 7d는 프레임에 대한 성문 개폐 여부를 도시한 그래프.

도 8은 비디오스트로보카이모그램에서 움직임 보정 과정을 보여주는 도면으로서,

도 8a는 움직임 경로를 추출한 도면,

도 8b는 움직임 경로를 y축과 나란하게 되도록 횡축 선들을 이동시켜 움직임 보정한 도면,

도 8c는 움직임 보정 전 카이모 그램 영상 화면,

도 8d는 움직임 보정후 카이모 그램 영상 화면.

도 9는 정상인에 대한 비디오스트로보스코프 및 카이모그램에 대한 화면으로서,

도 9a는 정상인에 대한 비디오스트로보스코프 영상 화면,

도 9b, 9c, 9d는 도 9a에서 사용자가 선택한 관심 영역들에 대한 카이모그램 영상 화면.

도 10은 성대 마비 환자에 대한 비디오스트로보스코프 및 카이모 그램에 대한 화면으로서,

도 10a는 성대 마비 환자에 대한 비디오스트로보스코프 영상 화면,

도 10b, 10c, 10d는 도 10a에서 사용자가 선택한 관심 영역들에 대한 카이모그램 영상 화면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 비디오 카세트 레코더 20 : 이미지 그랩 보드

30 : 컴퓨터

본 발명의 상술한 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 후술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 성대 점막 운동 상태의 분석을 위한 비디오스트로보카이모그라피에 사용되는 분석 시스템인 비디오스트로보카이모그래피(videostrobokymography)의 구성을 나타낸 블록도로서, 비디오 카세트 레코더(10), 이미지 그랩 보드(20), 컴퓨터(30)를 포함한다.

이러한 구성에 있어서, 비디오 카세트 레코더(10)는 비디오 카세트 테이프에 저장된 스트로보스코프 영상을 재생하기 위한 장치이며, 이 저장된 스트로보스코프 영상은 스트로보스코피 시행시 스트로보스코피에 부착된 CCD 카메라를 이용하여 정상인 또는 성대 기능에 이상이 있는 환자들을 대상으로 편안한 상태에서 특정음을 발성하게 하면서 성대를 촬영하여 소정 포맷(본 발명의 바람직한 실시예에서는 VHS 방식)으로 녹화한 영상으로 연속된 소정 개수(본 발명의 바람직한 실시예에서는 128) 프레임 동영상을 소정 조작에 의거하여 재생하여 출력한다.

그리고, 이미지 그랩 보드(image grabbing board, 20)는 비디오 카세트 레코더(10)로부터 인가되는 아날로그 비디오 신호를 컴퓨터(30)가 처리할 수 있는 디지털 영상 신호로 변환하고 각종 영상 편집 등이 용이한 범용의 영상 신호 처리 보드(본 발명의 바람직한 실시예에서는 Raptor, Bit flow Inc., USA)로서, 통상적으로 슬롯 형태로 컴퓨터(30)의 본체 기판 확장 버스에 삽입하여 사용할 수 있는 보조 기판(add-in board) 형태로 이루어져 있다.

한편, 컴퓨터(30)는 범용의 개인용 컴퓨터로서, 이미지 그랩 보드(20)로부터 인가된 연속된 128 프레임의 디지털 영상 신호를 메모리로 옮긴 후, 본 발명에 따른 성대 점막 운동 상태의 분석을 위하여 CPU에 로딩된 분석 소프트웨어(윈도우 95 환경)의 제어에 의거하여 메모리에 옮겨진 영상 신호를 분석하여 모니터에 분석 결과 즉, 성대의 진동 상태를 가시화하고 정량화한 임상 지표를 디스플레이하거나 컴퓨터(30)의 하드디스크에 저장한다.

다음에, 상술한 구성을 갖는 비디오스트로보카이모그래피에서 본 발명에 따른 성대 점막 운동 상태의 분석을 위한 비디오스트로보카이모그라피을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 성대 점막 운동 상태의 분석 과정을 도시한 흐름도이다.

먼저, VHS(NTSC 영상 신호로 1초당 30개의 프레임, 즉 60 필드로 구성됨) 형식으로 저장된 비디오 영상의 연속된 128 프레임을 이미지 그랩 보드(20)를 이용하여 컴퓨터(30) 메모리로 옮긴 후 모니터에 디스플레이하였다. 이는 4초동안의 동영상으로써 피검자가 보통 한번의 호흡으로 발성을 지속할 수 있는 시간과 일치하고 스프로보스코피 영상에서 성대의 개폐가 약 1 Hz 의 속도로 관찰되는 점을 고려할 때 약 4 싸이클에 해당되는 것으로 성대의 떨림을 관찰하기에 충분한 시간에 해당된다.

저장된 동영상에서 사용자가 원하는 프레임을 임의로 지정할 수 있도록 메뉴를 구성하였으며 지정된 한 프레임의 영상을 화면에 디스플레이한 뒤 사용자가 마우스를 이용하여 한 라인을 선택하면 연속된 프레임들에서 동일 라인들을 추출한 후 순서대로 위에서 아래로 나열하여 카이모그램을 구성하였다. 이때, 여러 영역을 순차적으로 선택하면 라인의 번호와 위치가 선택된 영상위에 표시되고 이에 대한 카이모그램이 같은 번호의 윈도우위에 디스플레이 되도록 하였다.

전체 비디오 신호는 800×600 모드를 가지므로, 동영상 전체를 분석하고 저장하려면 많은 계산량과 저장 용량이 필요하므로 전체 비디오 신호를 모두 분석, 저장하지 않고 사용자가 관심 영역을 설정하게 하여 그 부분에 대해서만 분석, 저장을 하였다.

이를 동 도면을 참조하여 정리하면, 먼저 비디오 카세트 레코더(10)를 재생 제어하여 비디오 테이프에 저장된 성대 동영상의 연속된 128 프레임을 이미지 그랩 보드(20)를 통하여 컴퓨터(20) 메모리로 로딩(loading)시킨다(과정 210).

다음에, 컴퓨터(20)의 메모리에 로딩된 소정 개수의 프레임을 프레임별로 정지화면으로 구성하여 모니터에 디스플레이하고 사용자가 관찰을 원하는 프레임과 그 프레임의 라인을 마우스나 키보드로 선택할 수 있도록 메뉴 화면을 구성하여 디스플레이한다(과정 220).

이때, 성대가 가장 많이 열려 있는 프레임을 추출하여 추출된 프레임에서 성문 영역을 추출한 후, 추출한 성문 영역을 타원으로 가정하여 타원의 장축과 화면상의 종축 사이의 회전각을 연산하고 각 프레임을 연산된 회전각만큼 성대를 역회전시켜서 디스플레이한다.

다음에, 사용자가 선택한 라인과 동일한 라인을 연속된 각 프레임들중에서 추출하여 시간축에 따라 연속적으로 배열한 카이모그램을 윈도우 화면에 디스플레이한다(과정 230).

이때, 카이모그램을 화면 상단에서 하단으로 화면의 수직 종축을 이용하여 배열하며, 사용자가 연속적으로 다수개의 라인 즉, 다수개의 관심 영역을 동시에 선택한 경우에는 라인의 번호와 위치를 상술한 과정 (220)에서 디스플레이한 프레임별 정지 화면위에 표시하고 선택된 라인의 번호와 동일한 번호의 각 윈도우 화면에 해당 카이모그램을 디스플레이한다.

그런 다음, 사용자가 마우스나 키보드를 이용하여 디스플레이된 카이모그램 영상을 저장하길 원하면 디스플레이된 카이모그램 영상과 라인 위치 정보를 저장한다(과정 240).

다음에, 관찰된 성대에 대한 정규화된 각종 지표, 예를 들면 성문 종축 길이에 대한 평균 성대폭, 성대 개방 기간과 전체 기간의 비율인 성문 개방율, 양쪽 성대의 열리는 정도 차이인 비대칭 지수 등을 비디오스트로보스코피 영상과 카이모 그램 영상을 분석하여 정규화하여 디스플레이한다(과정 250).

다음에, 회전각 보정에 대하여 살펴본다.

도 3에 도시된 바와 같이, 스트로보스코피를 통해 후두 영상을 비디오 테이프에 저장할 때 성대의 종축이 모니터 화면의 종축에 대해 기울어져서 영상화되면 카이모그램의 형태에 왜곡을 가져온다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 성대의 종축과 화면상의 종축이 일치되도록 동영상의 각 프레임들을 회전시켜 주어야 한다. 이를 위해 도 4에 도시한 바와 같이, 성대가 가장 많이 열려 있는 프레임에서 양측 성대의 성대연(vocal fold margin)에 의해 둘러싸인 공간, 즉 성문 영역(glottal area)을 추출한 후 이를 대략적인 타원으로 가정하고 무게 중심 및 타원의 장축과 화면상의 종축 사이의 회전각을 구하여 모든 프레임에 대해 역으로 이 회전각만큼 회전시켜서 영상을 도 4d와 도 5과 같이 재구성하였다. 회전각을 추출하는 과정은 다음과 같다.

성문 영역을 추출하여 다음과 같은 행렬을 정의하였다.

B(x,y)={1 if (x,y) is in the glottal area, 0 if (x,y) is not in the glottal area}

다음에, 무게 중심을 하기의 수학식 1에 의거하여 구하고,

2차 모멘텀들을 하기의 수학식 2와 같이 구한다.

다음에 하기의 수학식 3에 의거하여 회전각 θ를 구할 수 있게 된다.

이러한 회전각 보정은 도 3과 도 5에서 보면 알 수 있듯이 두 영상을 비교해 보면 회전각 보정이 양쪽 성대 운동의 비대칭성을 시각적으로 관찰하는데에도 도움을 줌을 알 수 있다.

다음에, 성문 면적 곡선을 추출하는 과정에 대하여 살펴본다.

성대가 열리고 닫힘에 따른 성문 면적의 전체적인 변화를 보고자 역치 방법을 사용하여 각 프레임에서 성문 영역을 추출한 후에 면적을 구하여 시간에 따른 성문 면적 곡선(waveform of glottal area)을 구하였다. 또한 이를 성대가 가장 많이 열려 있는 프레임에서 종축의 길이를 구하여 이 값으로 성대 면적 곡선을 두 번 나누어서 도 6과 같은 정규화한 그래프를 구하였다.

이때, 성문 종축 길이는 도 4에 도시된 바와 같이 회전각을 보정한 후에 성문 영역의 최대, 최소 y 좌표를 추출하여 계산하였다.

성대 면적 곡선을 성대의 종축길이로 한번 나누어주면 이는 성대가 열려 있는 평균 성대폭(glottal width)의 변화를 의미하고 이를 다시 한번 종축 길이로 나누어주면 정규화된 성대폭의 변화(normalized waveform of the glottal width)를 의미한다. 성대폭의 변화는 성대의 진동 정도와 진동의 규칙성 등을 나타낼 수 있는 지표로 이를 다시 성대 길이로 정규화함으로써 객관화된 지표가 되게 하였다.

즉, 도 6의 정규화된 성문 면적 곡선으로 위에서 언급한 바와 같이 성문 종축 길이에 대한 평균 성대폭을 알 수 있으며, 도 5 영상에 대한 성문 면적 곡선으로 최대값은 0.102로 성대가 종축 길이에 비해서 최대 10% 정도 개방됨을 나타내고 최소값은 0.009로 성대가 완전히 닫히지 않고 있음을 알 수 있게 된다.

다음에, 성문 개방율(open quotient)을 구하는 과정에 대하여 살펴본다.

도 6에 도시한 바와 같이 카이모그램에서 성대가 열려 있는 개방기(open phase)와 전체 기간(total phase)의 비율인 성문 개방율(Qopen=open phase/total phase)을 구하였는데, 이를 위해 도 7에 도시한 바와 같이 카이모그램을 스무싱(smoothing) 처리한 후 마름모꼴 형태의 성대가 열려 있는 구간을 추출한 후 열림과 닫힘이 완결되지 않은 불완전한 구간은 제외시키고 유효한 구간만으로 성문 개방율을 구하였다.

다음에, 움직임 보정 및 비대칭 지수(asymmetry index)를 구하는 과정에 대하여 살펴본다.

양쪽 성대의 열리는 정도 차이를 수치적으로 제시해 줄 수 있다면 성대의 비대칭적인 움직임을 정량화할 수 있다. 이를 위한 비대칭 지수를 구하기 위해서는 양쪽 성문의 면적을 분리해서 구하여야 한다. 그러나 스트로보스코피 촬영시 발생하는 피검자 및 내시경의 움직임 등으로 인해 저장된 동영상에서 성대의 위치가 일정하지 못하다. 이는 결국 카이모그램의 형태에도 왜곡을 가져오게 되어 양쪽 성문 영역을 좌우로 나누는데 있어서 문제가 된다. 이러한 문제점의 해결을 위하여 도 8에 도시한 바와 같이 우선 카이모그램에서 움직임을 보정하였다.

카이모그램에서 성문이 열려 있는 부분만을 추출하면 대략적으로 마름모의 형태를 갖는다. 이러한 점을 고려하여 한 싸이클동안 움직임의 방향이 일정하다고 가정하여 각 싸이클 마름모의 위아래 꼭지점을 연결한 선들이 y축과 나란하게 되도록 횡축 선들을 이동시켜 움직임을 보정하였다.

움직임을 보상한 후 비대칭 지수(asymmetry index)를 하기의 수학식 4에서와 같이 마름모의 꼭지점을 연결한 선에 대한 양쪽 면적을 이용하여 구하였다.

여기서, S_L은 왼쪽 성문 영역의 면적이고, S_R는 오른쪽 성문 영역의 면적을 나타낸다.

도 9와 도 10은 정상인과 성대 마비 환자에 대한 카이모그램을 보여주고 있다. 정상인에서는 양쪽이 대칭적인 형태를 보이는 반면 환자의 영상에서는 성대의 비정상적인 운동을 잘 묘사하였다. 환자는 한쪽 성대에 마비가 있는 환자로써 양쪽 성대의 운동이 대칭적이지 않고 왼쪽(도면에서 보면 오른쪽) 성대가 오른쪽에 비해 비정상적으로 진동함을 알 수 있다.

결론적으로, 본 발명에 따른 비디오스트로보카이모그래피는 성대의 진동 상태를 관찰하기 위한 새로운 분석 기법으로서 종래의 스트로보스코피를 통하여 저장된 비디오 신호를 동일 라인을 따라 재구성하여 성대의 진동 양상을 정적 영상인 카이모그램으로 가시화하고, 또한 성대의 회전과 움직임을 보정하고 비디오 신호와 재구성된 카이모그램을 분석하여 정규화된 성문 면적 곡선, 성문 개방율, 비대칭 지수 등의 정량적인 임상 지표들을 산출하였다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정 실시가 가능함을 알 수 있을 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 이미 저장되어 있는 비디오 영상을 분석하므로써 동시에 여러 영역에서 얻어진 카이모그램을 비교할 수 있고 사용자가 지정한 관심 영역에 대한 위치 정보도 동시에 저장함으로써 차후의 예후 추적에 용이하게 하였다. 이는 또한 분석자가 비디오를 통해 영상을 주의 깊게 반복, 관찰하면서 수행할 수 있어 좀더 정확하고 의미있는 분석이 가능하고 정적(static)인 영상으로 검사 결과를 보존 할 수 있다는 효과를 가지고 있다.

또한, 본 발명에 따른 정규화된 지표들은 성대의 진동 상태를 가시화하고 정량화하는데 유용하여, 후두 기능의 객관적인 진단이 가능한 효과가 있다.

Claims (7)

1. 비디오스트로보스코피를 이용하여 저장된 성대 영상으로 성대 점막 운동 상태를 분석하는 방법에 있어서,

   저장된 성대 영상의 연속된 소정 개수의 프레임을 컴퓨터 메모리로 로딩시키는 제 1 과정과;

   상기 로딩된 소정 개수의 프레임을 프레임별로 정지화면으로 디스플레이하고 사용자가 관찰을 원하는 프레임과 그 프레임의 라인을 선택하는 메뉴 화면을 구성하여 디스플레이하는 제 2 과정과;

   사용자가 선택한 라인과 동일한 라인을 연속된 각 프레임들중에서 추출하여 시간축에 따라 연속적으로 배열한 카이모그램을 윈도우 화면에 디스플레이하는 제 3 과정과;

   사용자가 선택한 디스플레이된 카이모그램과 라인 위치정보를 저장하는 제 4 과정을 포함하는 성대 점막 운동 상태의 분석을 위한 비디오스트로보카이모그라피.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 3 과정에서 카이모그램을 배열하는 시간축은 화면 상단에서 하단으로 수직으로 설정하는 것을 특징으로 하는 성대 점막 운동 상태의 분석을 위한 비디오스트로보카이모그라피.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 3 과정에서 사용자가 연속적으로 다수개의 라인을 선택한 경우 라인의 번호와 위치를 표시하고 선택된 라인의 번호와 동일한 번호의 윈도우 화면에 카이모그램을 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 성대 점막 운동 상태의 분석을 위한 비디오스트로보카이모그라피.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 과정에서 로딩된 소정 개수의 프레임을 프레임별로 정지화면으로 디스플레이할 때,

   성대가 가장 많이 열려 있는 프레임에서 성문 영역을 추출하는 단계와;

   추출한 성문 영역을 타원으로 가정하여 타원의 장축과 화면상의 종축사이의 회전각을 연산하는 단계와;

   각 프레임을 연산된 회전각만큼 성대를 역회전시켜서 디스플레이하는 단계를 포함하여 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 성대 점막 운동 상태의 분석을 위한 비디오스트로보카이모그라피.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있서서, 각 프레임에서 성문 영역을 추출하여 프레임별로 성문 면적을 연산하는 단계와;

   각 프레임에서 성대가 가장 많이 열려 있는 프레임의 종축 길이를 추출하여 연산된 각 성문 면적을 추출된 종축 길이로 나누어 성대가 열려 있는 평균 성대폭의 변화를 연산하는 단계와;

   평균 성대폭의 변화를 추출된 종축 길이로 나누어 정규화된 성대폭의 변화를 프레임을 시간축으로 하여 그래프화하여 디스플레이하는 단계를 포함하는 제 1 정규화 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성대 점막 운동 상태의 분석을 위한 비디오스트로보카이모그라피.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 카이모그램을 스므싱(smoothing) 처리하는 단계와;

   상기 스므싱 처리된 카이모그램에서 마름모꼴 형태의 성대가 열려 있는 구간을 추출하는 단계와;

   상기 추출된 성대가 열려 있는 구간에서 열림과 닫힘이 완결된 구간만을 이용하여 성대의 개방기간과 전체기간의 비율인 성문 개방율을 연산하여 디스플레이하는 단계를 포함하는 제 2 정규화 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성대 점막 운동 상태의 분석을 위한 비디오스트로보카이모그라피.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 카이모그램을 스므싱 처리하여 마름모꼴 형태의 성대가 열려 있는 구간을 추출하는 단계와;

   상기 추출한 각 마름모꼴의 위아래 꼭지점을 연결한 선들이 화면의 종축과 나란하게 각 마름모꼴을 이동시켜서 움직임을 보정하는 단계와;

   상기 위치 보정된 마름모꼴의 꼭지점을 연결한 선에 대한 양쪽의 성문 영역의 면적을 각각 연산하여 양쪽 성대의 열리는 정도 차이를 나타내는 비대칭 지수를 연산하여 디스플레이하는 단계를 포함하는 제 3 정규화 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 성대 점막 운동 상태의 분석을 위한 비디오스트로보카이모그라피.