KR102024993B1 - Method for analyzing image of eyeball - Google Patents

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Abstract

본 발명은 안구의 이미지 분석 방법에 관한 것으로, 상기 안구의 3D 이미지를 얻는 단계와; 상기 3D 이미지로부터의 상기 안구의 3D 모델을 얻는 단계와; 상기 3D 모델을 이용하여 상기 안구의 회전중심축을 얻는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method for analyzing an image of an eye, comprising: obtaining a 3D image of the eye; Obtaining a 3D model of the eye from the 3D image; Obtaining a center of rotation axis of the eye using the 3D model.

Description

안구의 이미지 분석 방법{Method for analyzing image of eyeball}Method for analyzing image of eyeball}

본 발명은 안구의 이미지 분석 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of image analysis of the eye.

양성자빔을 사용하는 안구종양 치료 시스템을 이용한 안구의 종양 치료 방법이 개발되어 이용되고 있다. 양성자빔을 이용한 치료는 인체를 투과하는 양성자빔의 에너지를 조절하면 인체 내 특정 깊이에 존재하는 암세포만 정확히 조준해 파괴시킬 수 있는 장점이 있다.An ocular tumor treatment method using an ocular tumor treatment system using a proton beam has been developed and used. Treatment with a proton beam has the advantage of precisely aiming and destroying only cancer cells present at a certain depth in the human body by controlling the energy of the proton beam passing through the human body.

양성자빔을 사용하여 안구종양 치료에서 렌즈 및 시신경과 같은 중요한 장기들에 가해지는 방사선량을 최소화하기 위해서는 안구 이미지의 분석을 통한 치료계획 수립이 필요하다.In order to minimize the radiation dose to important organs such as lens and optic nerve in the treatment of ocular tumor using proton beam, it is necessary to establish treatment plan through analysis of eye image.

종래 기술에서는 엑스레이 이미지를 이용하여 안구에 삽입된 클립위치를 확인하였다. 확인된 클립의 위치로부터 실측된 안구사이즈를 이용하여 안구모델을 생성하고 선량 계산을 하여 치료계획을 수립하였다.In the prior art, the position of the clip inserted into the eye using the x-ray image. Using the measured eye size from the identified clip position, an eye model was created and dose calculations were made for treatment planning.

그러나 종래 기술에서는 안구의 3차원적 형상을 충분히 반영하지 않아 정확한 선량계산 및 종양 컨투어링이 어려웠으며, 이에 따라 정확한 치료계획을 수립하기 어려운 문제가 있었다.However, in the prior art, it is difficult to accurately calculate the dose and tumor contouring because it does not sufficiently reflect the three-dimensional shape of the eye, and thus, it is difficult to establish an accurate treatment plan.

한국 특허공개 제2013-0031681호(2013년 3월 29일 공개)Korean Patent Publication No. 2013-0031681 (published March 29, 2013)

따라서 본 발명의 목적은 정확한 치료계획 수립이 가능한 안구의 이미지 분석 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for analyzing an image of an eye that can establish an accurate treatment plan.

상기 본 발명의 목적은 안구의 이미지 분석 방법에 있어서, 상기 안구의 3D 이미지를 얻는 단계와; 상기 3D 이미지로부터의 상기 안구의 3D 모델을 얻는 단계와; 상기 3D 모델을 이용하여 상기 안구의 회전중심축을 얻는 단계를 포함하는 것에 의해 달성된다.The object of the present invention is an eye image analysis method comprising the steps of: obtaining a 3D image of the eye; Obtaining a 3D model of the eye from the 3D image; By using the 3D model to obtain the central axis of rotation of the eye.

상기 3D 모델 및 상기 회전중심축을 이용하여 입자치료빔 치료를 위한 안구 각도를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include determining an eyeball angle for particle treatment beam treatment using the 3D model and the rotational axis.

상기 안구 각도의 결정은 상기 안구의 렌즈 및 시신경에 가해지는 입자치료빔량에 기초하여 이루어질 수 있다.The determination of the eye angle may be made based on the amount of particle treatment beam applied to the lens and optic nerve of the eye.

결정된 상기 안구 각도를 이용하여 상기 3D 이미지 내에서 상기 안구를 회전하여 안구 회전 이미지를 얻는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include obtaining an eyeball rotation image by rotating the eyeball in the 3D image using the determined eyeball angle.

상기 안구 회전 이미지로부터 안구 치료 계획을 수립하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include establishing an eye treatment plan from the eye rotation image.

상기 안구 치료 계획의 수립은 치료 시 안구 시선 방향 결정을 포함할 수 있다.The establishment of the eye treatment plan may include determining the eye gaze direction at the time of treatment.

상기 3D 이미지는 CT 및 MR 중 적어도 어느 하나를 이용하여 얻어질 수 있다.The 3D image may be obtained using at least one of CT and MR.

상기 3D 이미지는, 상기 안구의 복수의 시선 방향에 대해 얻는 것일 수 있다.The 3D image may be obtained for a plurality of eye directions of the eyeball.

상기 복수의 시선 방향은 라이트 게이저의 위치를 변경하여 얻을 수 있다.The plurality of gaze directions can be obtained by changing the position of the light gauge.

본 발명에 따르면 정확한 치료계획 수립이 가능한 안구의 이미지 분석 방법이 제공된다.According to the present invention, there is provided a method for analyzing an image of an eye, which enables accurate treatment planning.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안구의 이미지 분석 방법의 순서도이고,
도 2a, 2b 및 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 안구의 이미지 분석 방법에서 3D 이미지 획득 및 회전중심축 결정을 설명하기 위한 것이고,
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 안구의 이미지 분석 방법에서 안구 각도 결정을 설명하기 위한 것이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안구의 이미지 분석 방법에서 안구회전이미지 생성을 설명하기 위한 것이고,
도 5는 환자의 안구종양 치료를 설명하기 위한 것이다.
1 is a flowchart of a method for analyzing an image of an eye according to an embodiment of the present invention,
2A, 2B and 2C are for explaining 3D image acquisition and determination of the center of rotation in the image analysis method of the eye according to an embodiment of the present invention,
3A and 3B are for explaining eyeball angle determination in the image analysis method of the eye according to an embodiment of the present invention,
4 is for explaining the generation of the eyeball rotation image in the eyeball image analysis method according to an embodiment of the present invention,
5 illustrates the treatment of eye tumors in a patient.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다. The accompanying drawings are only examples as illustrated in order to explain the technical idea of the present invention in more detail, and thus the spirit of the present invention is not limited to the accompanying drawings.

이하의 설명에서는 본 발명에 따라 얻은 안구의 회전중심축을 눈치료 계획 수립에 활용하는 것을 예시로 설명하나, 본 발명에 따라 얻은 안구의 회전중심축은 다른 용도로 사용될 수 있다.In the following description, the rotational axis of the eyeball obtained in accordance with the present invention will be described as an example, but the rotational axis of the eyeball obtained in accordance with the present invention can be used for other purposes.

이하 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 안구의 이미지 분석 방법을 설명한다.Hereinafter, a method of analyzing an image of an eye according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안구의 이미지 분석 방법의 순서도이고, 도 2a, 2b 및 2c는 본 발명의 일 실시예에 따른 안구의 이미지 분석 방법에서 3D 이미지 획득 및 회전중심축 결정을 설명하기 위한 것이고, 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 안구의 이미지 분석 방법에서 안구 각도 결정을 설명하기 위한 것이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 안구의 이미지 분석 방법에서 안구회전이미지 생성을 설명하기 위한 것이고, 도 5는 환자의 안구종양 치료를 설명하기 위한 것이다.1 is a flow chart of a method for analyzing the image of the eye according to an embodiment of the present invention, Figures 2a, 2b and 2c is a 3D image acquisition and determination of the center of rotation in the image analysis method of the eye according to an embodiment of the present invention 3A and 3B are for explaining eyeball angle determination in an image analysis method of an eyeball according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an image analysis method of an eyeball in accordance with an embodiment of the present invention. In order to illustrate the generation of eyeball rotation image, Figure 5 is for explaining the treatment of eye tumors of the patient.

이하의 설명에서는 치료를 위한 입자치료빔으로 양성자빔을 예시하여 설명하나, 본 발명의 입자치료빔은 양성자빔에 한정되지 않고 탄소빔 등이 사용될 수도 있다.In the following description, the proton beam is exemplified as a particle therapy beam for treatment, but the particle therapy beam of the present invention is not limited to a proton beam, and a carbon beam may be used.

먼저 안구에 대한 3D이미지를 획득한다(S100). 3D이미지는 컴퓨터 단층촬영(computed tomography, CT) 및/또는 자기공명촬영(magnetic resonance, MR)을 이용해 얻을 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. 3D이미지는 단층촬영에 의해 슬라이스의 집합으로 이루어진다.First, obtain a 3D image of the eye (S100). The 3D image may be obtained by using computed tomography (CT) and / or magnetic resonance imaging (MR), but is not limited thereto. The 3D image is composed of a set of slices by tomography.

이 때 3D이미지는 도 2a 및 도 2b와 같이 안구의 복수의 시선방향에서 얻을 수 있다. 안구의 시선방향을 변경하고 고정하기 위해 라이트 게이저를 사용할 수 있다. 3D 이미지를 획득할 때 특정 방향으로 시선을 고정한 상태에서 이미지를 획득한다.In this case, the 3D image may be obtained from a plurality of eyeball directions as shown in FIGS. 2A and 2B. A light gauge can be used to change and fix the eye's line of sight. When acquiring a 3D image, the image is acquired with the eyes fixed in a specific direction.

한편, 3D이미지 획득 전에 환자의 망막에 탄탈륨 클립을 삽입하거나 안구 사이즈를 측정한다. 삽입된 클립은 환자 치료 전에 안구의 회전 위치를 치료계획의 안구회전 각도와 일치하는지 X-ray 이미지를 통해 검증하기 위해서 사용된다. 안구 사이즈는 반자동 안구 세그먼테이션에 이용된다.Meanwhile, a tantalum clip is inserted into the patient's retina or the eyeball size is measured before the 3D image is acquired. The inserted clip is used to verify the x-ray image of the eye's rotational position in the treatment plan before the patient's treatment. Eye size is used for semi-automatic eye segmentation.

다음으로 3D이미지를 기초로 안구에 대한 3D모델을 생성한다(S200). 3D모델은 촬영된 복수의 이미지에서 각각 반자동 안구 세그먼테이션(semi-auto ocular segmentation)을 수행하여 얻을 수 있다. 3D모델의 생성방법은 다양한 방법이 사용될 수 있으며, 아래와 같은 방법을 사용할 수 있다.Next, a 3D model for the eye is generated based on the 3D image (S200). The 3D model may be obtained by performing semi-auto ocular segmentation on each of the plurality of photographed images. Various methods can be used to generate the 3D model, and the following method can be used.

안과에서 실측한 안구의 길이, 공막(sclera)의 두께, 림버스 직경 및 수정체 두께와 같은 안구의 사이즈 정보를 이용하여 안구 3D 모델을 만든다. 생성된 모델은 3D이미지에서 안구의 아웃라인과 자동으로 매칭되도록 한다. An ocular 3D model is created using eye size information such as eye length, sclera thickness, rimbus diameter, and lens thickness measured in the ophthalmology. The generated model is automatically matched to the eye outline in the 3D image.

3D이미지에서 안구의 아웃라인은 세그먼테이션 영역(segmentation area)을 수동으로 설정하고 클러스터링 방법, 압축-기반 방법 및 히스토그램-기반 방법 등으로 자동 세그먼테이션을 진행한다. 이 방식들은 세그먼테이션에 사용되는 일반적인 방법이며 3D이미지에서 안구의 아웃라인을 정확하게 추출할 수 있는 방법들이 사용될 수 있다.In the 3D image, the eye outline automatically sets the segmentation area and performs the automatic segmentation by the clustering method, the compression-based method, and the histogram-based method. These methods are common methods used for segmentation, and methods for accurately extracting eye outlines from 3D images can be used.

3D모델을 생성한 후에는 3D모델로부터 안구의 회전중심축을 결정한다(S300). 회전중심축은 도 2c와 같이 서로 다른 시선방향에서의 안구의 렌즈를 통과하는 선의 교차점으로부터 구할 수 있다.After generating the 3D model to determine the center of rotation of the eye from the 3D model (S300). The central axis of rotation can be obtained from the intersection of lines passing through the lens of the eye in different eye directions as shown in FIG. 2C.

서로 다른 시선방향에 대해 각각 3D 모델이 생성될 수 있으며, 회전중심축은 복수의 3D모델을 이용하여 계산될 수 있다. 3개 이상의 3D모델로부터 수정체를 통과하는 선의 교차점이 단일점이 아닐 때는 에러를 최소화하기 위하여 다수의 교차점들까지의 거리의 합이 최소가 되는 지점을 회전 중심축으로 선정할 수 있다.3D models may be generated for different visual directions, respectively, and a rotation center axis may be calculated using a plurality of 3D models. When the intersection point of the line passing through the lens from three or more 3D models is not a single point, the point where the sum of the distances to the multiple intersection points is minimum can be selected as the rotation axis to minimize the error.

이후 3D모델 상에 안구를 회전시키면서 치료시의 안구각도를 결정한다(S400). 치료시의 안구각도, 즉 최적의 안구각도는 안구의 렌즈 및 시신경에 가해지는 방사선량에 기초하여 결정될 수 있다.After that, while rotating the eye on the 3D model to determine the eye angle during treatment (S400). The eye angle at the time of treatment, ie the optimal eye angle, can be determined based on the radiation dose applied to the lens and optic nerve of the eye.

도 3a와 도 3b와 같이 양성자빔에서 조사되는 양성자빔은 안구종양을 치료하기 위해 안구를 통과하게 된다. 안구의 회전각도와 양성자빔 조사장치의 에너지를 조절하면 안구종양을 치료하면서도 렌즈 및 시신경에 가해지는 방사선량은 줄일 수 있다.3A and 3B, the proton beam irradiated from the proton beam passes through the eye to treat the ocular tumor. By adjusting the rotation angle of the eye and the energy of the proton beam irradiation device, the radiation dose to the lens and optic nerve can be reduced while treating the eye tumor.

이와 같은 과정을 통해 치료시의 최적의 안구각도가 결정된다.This process determines the optimal eye angle during treatment.

다음으로 3D이미지에서 안구만 회전시키면서 안구의 회전이미지를 생성한다(S500). 즉, 도 4와 같이 3D이미지에서 회전중심축을 중심으로 안구이미지를 회전시키는 것이다. 3D이미지는 3차원 좌표계를 가지고 있으며 안구 3D 모델 안에 있는 이미지 상의 모든 픽셀값을 안구 회전각도 만큼 옮김으로써 안구의 회전이미지를 획득할 수 있다. 이때 사용하는 방식은 회전중심축을 원점으로 가지는 3차원 구좌표계가 이용된다. 옮기고자 하는 픽셀의 위치는 구좌표계에서 좌표(r,θ,φ)를 직교좌표계 변환으로 계산될 수 있다.Next, while rotating only the eyeball in the 3D image to generate a rotating image of the eyeball (S500). That is, as shown in FIG. 4, the eyeball image is rotated around the rotational center axis in the 3D image. The 3D image has a three-dimensional coordinate system, and the image of the eyeball can be obtained by moving all the pixel values in the image in the eyeball 3D model by the eyeball rotation angle. In this case, a three-dimensional spherical coordinate system having a rotational center as the origin is used. The position of the pixel to be moved may be calculated by transforming a coordinate (r, θ, φ) in a rectangular coordinate system in the spherical coordinate system.

r 은 원점에서의 거리, θ는 z축의 양의 방향으로부터 원점과 픽셀의 위치가 이루는 각도, φ는 x축의 양의 방향으로부터 원점과 픽셀의 위치가 이루는 각도로 구성된다. r is a distance from the origin, θ is an angle between the origin and the position of the pixel from the positive direction of the z-axis, φ is composed of an angle between the origin and the position of the pixel from the positive direction of the x-axis.

다음으로는 안구의 회전이미지를 기초로 눈치료 계획을 수립한다(S600). 눈치료 계획에는 안구의 회전이미지가 이용된다. 안구로 들어오는 양성자빔의 각도, 종양에 가해져야 하는 방사선량, 빔 방향에서 종양을 커버하기 위한 에너지 및 너비를 결정한다. 종양을 커버하는 빔 입사 방향에서의 빔의 폭은 황동 블럭이 이용하여 조절할 수 있다. 황동 블럭은 빔 입사 방향에서 수직인 평면에서 종양의 모양에 맞게 제작되어야 한다. 종양을 커버하는 에너지는 빔 입사 방향에서 종양의 끝에 도달하며 종양의 입사방향 두께만큼을 커버하기 위해서 SOBP(Spread-out Bragg Peak)를 이용할 수 있다.Next, the eye treatment plan is established based on the rotation image of the eye (S600). Rotating images of the eye are used in the eye treatment plan. The angle of the proton beam entering the eye, the amount of radiation to be applied to the tumor, and the energy and width to cover the tumor in the beam direction are determined. The width of the beam in the beam incidence direction covering the tumor can be adjusted by the brass block. Brass blocks should be made to fit the shape of the tumor in a plane perpendicular to the beam incident direction. The energy covering the tumor reaches the end of the tumor in the beam incident direction and may use a Spread-out Bragg Peak (SOBP) to cover the thickness of the tumor in the incident direction.

환자의 치료 고정장치의 부정확도, 황동 블럭에 의해 생기는 양성자 빔의 반영(penumbra)을 고려하여 마진(margin)을 둘 수 있다. Margin can be placed in consideration of the inaccuracy of the treatment fixture of the patient and the penumbra of the proton beam caused by the brass block.

치료 계획은 라이트 게이저의 사용방법이나 치료 셋업을 위한 X-ray이미지를 이용한 탄탈륨 클립 위치 확인 등을 포함할 수 있다. 탄탈륨 클립의 위치 확인을 위해서 빔 방향과 빔 방향에 수직인 방향에서 2개의 X-ray 이미지를 찍어서 생기는 탄탈륨 클립의 위치를 플랜 상에서 생성되는 가상의 DRR (Digitally Reconstructed Radiography) 이미지를 비교하여 환자의 안구각도를 세세하게 조절하여 플랜과 동일하도록 조정한다.Treatment regimens may include the use of light gauges or positioning of tantalum clips using X-ray images for treatment set up. To determine the position of the tantalum clip, the patient's eyeball is compared by comparing the position of the tantalum clip produced by taking two X-ray images in the beam direction and the direction perpendicular to the beam direction. Fine-tune the angle to match the plan.

치료 시 환자는 도 5와 같이 누워있는 상태에서 양성자빔 치료를 받을 수 있다.  During treatment, the patient may receive proton beam treatment in a lying state as shown in FIG. 5.

전술한 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 예시로서, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형하여 본 발명을 실시하는 것이 가능할 것이므로, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.The above-described embodiments are examples for explaining the present invention, but the present invention is not limited thereto. Those skilled in the art to which the present invention pertains will be capable of carrying out the present invention by various modifications therefrom, and the technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

Claims (9)

안구종양 치료 시스템에 의해 수행되는 안구의 이미지 분석 방법에 있어서,
상기 안구의 3D 이미지를 얻는 단계와;
상기 3D 이미지로부터의 상기 안구의 3D 모델을 얻는 단계와;
상기 3D 모델을 이용하여 상기 안구의 회전중심축을 얻는 단계를 포함하며,
상기 3D 모델 및 상기 회전중심축을 이용하여 입자치료빔 치료를 위한 안구 각도를 결정하는 단계를 더 포함하며,
결정된 상기 안구 각도를 이용하여 상기 3D 이미지 내에서 상기 안구를 회전하여 안구 회전 이미지를 얻는 단계를 더 포함하며,
상기 안구 회전 이미지로부터 안구 치료 계획을 수립하는 단계를 더 포함하는 안구의 이미지 분석 방법.
In the eyeball image analysis method performed by the ocular tumor treatment system,
Obtaining a 3D image of the eyeball;
Obtaining a 3D model of the eye from the 3D image;
Obtaining a center of rotation axis of the eye using the 3D model,
Determining an eyeball angle for particle treatment beam therapy using the 3D model and the rotational axis;
Using the determined eyeball angle, rotating the eyeball in the 3D image to obtain an eyeball rotation image,
Eyeball image analysis method further comprising the step of establishing an eye treatment plan from the eyeball rotation image.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 안구 각도의 결정은 상기 안구의 렌즈 및 시신경에 가해지는 입자치료빔량에 기초하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 안구의 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
The ocular angle analysis method is characterized in that based on the amount of particle treatment beam applied to the lens and optic nerve of the eye.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 안구 치료 계획의 수립은 치료 시 안구 시선 방향 결정을 포함하는 것을 특징으로 안구의 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
The establishment of the eye treatment plan comprises eyeball image direction determination during treatment.
제1항에 있어서,
상기 3D 이미지는 CT 및 MR 중 적어도 어느 하나를 이용하여 얻는 것을 특징으로 하는 안구의 이미지 분석 방법.
The method of claim 1,
The 3D image is obtained by using at least one of the CT and MR image analysis method.
제7항에 있어서,
상기 3D 이미지는,
상기 안구의 복수의 시선 방향에 대해 얻는 것을 특징으로 하는 안구의 이미지 분석 방법.
The method of claim 7, wherein
The 3D image,
The eyeball image analysis method, characterized in that obtained for a plurality of eye directions of the eyeball.
제8항에 있어서,
상기 복수의 시선 방향은 라이트 게이저의 위치를 변경하여 얻는 것을 특징으로 하는 안구의 이미지 분석 방법.
The method of claim 8,
The plurality of eye directions are obtained by changing the position of the light gazer.
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