KR19990039172A - Analysis of Cilia Movement of Cells by Image Processing - Google Patents

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Abstract

본 발명은 세포의 섬모운동을 분석하는 방법에 관한 것으로서, 특히 현미경에서 관찰되는 섬모운동에 의해 야기되는 직접적인 아날로그 신호를 이용하는 대신에 디지털화된 섬모 영상을 이용하여 섬모운동을 분석하는 영상처리에 의한 세포의 섬모운동 분석방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for analyzing ciliary movement of a cell, and in particular, a cell by image processing for analyzing ciliary movement using a digitized ciliated image instead of using a direct analog signal caused by the ciliary movement observed under a microscope. Ciliary motion analysis method of the present invention.

본 발명은 A/D 변환된 현미경 영상의 밝기량 신호를 추출하고 FFT를 이용하여 섬모의 운동 주파수를 구한 다음, 지배적인 최고치 주파수들의 공간 분포를 색부호화하여 섬모 운동 주파수의 분포 지도로 나타냄으로써 섬모 세포의 운동 주파수를 쉽게 분석할 수 있고, 사용하기에 간편하며, 종래의 방법과 비교하여 정확하기 때문에 임상과 연구 도구로 효과적일 뿐만 아니라 코의 섬모와 유사한 다른 유기 세포의 섬모 운동 주파수 연구와 같은 분야에 적용할 수 있다The present invention extracts the brightness signal of the A / D converted microscope image, obtains the motion frequency of the cilia using the FFT, and color-codes the spatial distribution of the dominant peak frequencies to represent the distribution map of the cilia motion frequency. It is not only effective as a clinical and research tool because it is easy to analyze the cell's kinetic frequency, it is simple to use, and it is accurate compared to the conventional methods, and it is also possible to study the cilia kinetic frequency of other organic cells similar to the cilia of the nose. Applicable to the field

Description

영상처리에 의한 세포의 섬모운동 분석방법Analysis of Cilia Movement of Cells by Image Processing

본 발명은 세포의 섬모운동을 분석하는 방법에 관한 것으로서, 특히 현미경에서 관찰되는 섬모운동에 의해 야기되는 직접적인 아날로그 신호를 이용하는 대신에 디지털화된 섬모 영상을 이용하여 섬모운동을 분석하는 영상처리에 의한 세포의 섬모운동 분석방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for analyzing ciliary movement of a cell, and in particular, a cell by image processing for analyzing ciliary movement using a digitized ciliated image instead of using a direct analog signal caused by the ciliary movement observed under a microscope. Ciliary motion analysis method of the present invention.

섬모상피세포는 비강을 비롯해 호흡기도 내로 들어오는 이물질을 섬모운동을 통해 제거한다. 이때 섬모운동 주파수(Ciliary Beat Frequency : 이하 CBF라 한다)는 동물의 종 간에 따라 또는 종 내에서도 질병 유무에 따라 다양한 양상 보인다.The ciliated epithelial cells remove the foreign substances that enter the respiratory tract, including the nasal cavity, through ciliary movement. At this time, the ciliary beat frequency (hereinafter referred to as CBF) may vary depending on the species of the animal or within the species.

또한 임상에서 사용되고 있는 자율신경계 약물은 주로 심장과 호흡기 질환에 사용되어지고 있으나 비강점막 섬모운동에 미치는 영향은 아직 잘 알려져 있지 않다. 임상적으로 일부 교감 흥분성 약물이 점막 섬모운동을 감소시킬 수 있고, 따라서 이들 약물의 남용은 상기도 질환의 병인이 될 수 있다. 때문에 점막 섬모운동에 대한 이러한 약물의 효과를 정량적으로 측정하여 약물의 안전한 농도와 적정 노출시간에 대한 객관적인 자료를 제시하는 것은 매우 중요하다.In addition, autonomic drugs used in the clinic are mainly used for heart and respiratory diseases, but the effect on the nasal mucosal cilia is not well known. Clinically some sympathetic excitatory drugs can reduce mucosal ciliary movements, and thus abuse of these drugs can be the pathogenesis of the upper airway disease. Therefore, it is important to quantitatively measure the effects of these drugs on mucosal cilia and to present objective data on safe concentrations of drugs and appropriate exposure times.

이러한 이유로 섬모운동 주파수를 정량적으로 측정하기 위해 지금까지 여러 가지 방법이 시도되어 왔다.For this reason, several methods have been tried so far to quantitatively measure ciliary frequency.

생체 내에서의 섬모운동 측정연구로는 달함(Dalhamn, 1956)이 수술현미경을 사용하여 점액파동으로부터 반사되어 나오는 빛을 이용하여 섬모운동횟수를 구하였고, 해칸슨 및 토레맘(Hakansson & Toremalm, 1972)은 동물에서 섬모운동에 따른 점액 파동횟수를 섬모운동횟수라고 생각하고 이를 측정하였다.In vivo, cilia movement measurement studies were conducted by Dalhamn (1956) using a surgical microscope to determine the number of cilia movements using light reflected from mucus waves. Hakansson & Toremalm (1972) ) Measured the number of mucus waves according to ciliary movement in animals as ciliary frequency.

한편, 정확한 정량적 측정을 위해서 여러 가지 생체 외에서의 실험도 시도되었는데 밸렌거(Ballenger, 1960)는 섬모운동에 의해 세포가 회전하는 것을 이용하여 섬모운동을 측정하였다. 이는 스트로보스코프(stroboscope)를 이용한 측정법으로 스트로보스코프의 주파수가 섬모운동의 주파수와 동기화될 때 섬모가 가장 적은 움직임을 보이는 원리를 이용한 것이다. 그러나 이 방법은 여러 개의 섬모 세포들에 단일한 주파수를 제공하므로 한 개 세포의 시간에 따른 주파수 변화 또는 이웃한 개개의 세포들 간의 주파수 차이를 구별해 낼 수 없고, 섬모운동을 스트로보스코프에 동기 시킬 때 조작자에 따라 서로 다른 결과를 도출할 가능성이 있으며, 회전하는 세포가 기록되어야만 섬모운동횟수를 구할 수 있는 단점이 있다.On the other hand, various in vitro experiments were also attempted for accurate quantitative measurement.Ballenger (1960) measured cilia using cell rotation by cilia. This is a measuring method using a stroboscope, which uses the principle that the cilia show the least movement when the frequency of the stroboscope is synchronized with the frequency of the cilia movement. However, this method provides a single frequency for several ciliated cells, so it is not possible to distinguish the frequency change of one cell over time or the frequency difference between neighboring individual cells, and to synchronize the cilia movement with the stroboscope. There is a possibility that different operators can derive different results, and the number of ciliary movements can be obtained only when the rotating cells are recorded.

최근 20년 동안 섬모의 운동을 측정하기 위해서 광전 신호(photoelectric signal)를 이용하는 방법이 많이 이용되었다. 이 방법은 섬모의 규칙적인 운동에 의해 투과되는 광량의 변동이 발생하면 이러한 빛이 광소자에 감지되어 광학적 신호가 전기적 신호로 변환되는 원리를 이용한 것으로, 이 방법에 의해 분석할 수 있는 공간적 해상도는 약 10개 정도의 세포에 상당한다. 따라서 측정되는 주파수는 세포들의 평균값이 된다. 또한 레이저를 이용하여 산란되는 빛을 측정하여 측정 대상을 1개 내지 2개의 세포로 한정시킬 수 있는 방법도 시도되었다(Lee & Verdugo, 1976).In recent 20 years, many methods using photoelectric signals have been used to measure the movement of the cilia. This method uses the principle that when the amount of light transmitted through regular movement of the cilia occurs, the light is detected by the optical element and the optical signal is converted into an electrical signal. The spatial resolution that can be analyzed by this method is It is equivalent to about 10 cells. Thus the frequency measured is the average of the cells. In addition, a method of measuring scattered light using a laser can be limited to 1 to 2 cells (Lee & Verdugo, 1976).

그리고 케네디 및 듀켓(Kennedy & Duckett, 1981)은 투과된 빛의 양의 변환에 푸리에 변환 분석(fast Fourier transform analysis : 이하 FFT 분석이라 한다) 기법을 도입함으로써 혼재해 있는 여러 주파수 가운데 섬모운동횟수에 해당하는 주파수를 얻을 수 있었다. 그러나 이와 같은 방법도 단일 세포의 섬모운동을 반영하는 것이 아니고 현미경 시야에 보이는 세포 들의 섬모운동을 총체적으로 반영하는 것이므로 섬모운동횟수가 다른 각각의 세포에서 측정한 객관적인 자료라고 생각하기는 어렵다.Kennedy and Duckett (1981) introduced fast Fourier transform analysis (FFT analysis) to transform the amount of transmitted light, corresponding to the number of cilia in the mixed frequencies. To get the frequency. However, this method does not reflect ciliary movements of single cells, but reflects ciliary movements of cells visible in the microscope field. Therefore, it is difficult to think of the objective data as measured in each cell with different ciliary frequency.

이상에서 설명한 방법들은 동시에 많은 세포를 분석할 수 없고, 단일세포에서의 섬모를 측정할 수 없으며, 섬모의 움직임이 얼마나 큰 지를 알 수 없는 단점을 지니고 있었다. 이러한 문제는 비디오 녹화기를 이용하면서 약간은 해결되었는데 비디오는 재생할 수 있기 때문에 많은 세포를 거의 동시에 녹화하여 분석할 수도 있고 카메라를 통해서 확대할 수 있기 때문에 각각의 세포에서 섬모 움직임을 자세히 관찰할 수도 있다. 로우티아이넨(Rautiainen : 1992) 등은 400배와 1000배하에서 섬모운동을 관찰한 후 고속영상촬영술을 이용하여 섬모운동을 녹화하고 이를 느리게 재생하면서 섬모운동횟수를 세어 섬모운동 횟수를 구하였는데 이 방법은 섬모를 직접 관찰하므로 횟수뿐만 아니라 한 번 움직일 때에 얼마나 강하게 움직이는지를 알 수 있었다.The methods described above had the disadvantage of not being able to analyze many cells at the same time, measuring cilia in a single cell, and not knowing how large the cilia's movement was. This problem was slightly solved with a video recorder, which allows video to be played back so that many cells can be recorded and analyzed at the same time, or magnified through a camera, allowing detailed observation of cilia in each cell. Rautiainen et al. (1992) observed cilia at 400 and 1000 times, and then recorded the cilia using high-speed imaging and replayed them slowly to obtain cilia by counting the number of cilia. Observed the cilia directly, not only the number of times, but how strong they move in one move.

그러나 섬모운동을 육안으로 직접 헤아림으로써 움직이는 폭이 적은 섬모운동을 간과할 수 있고, 주변의 섬모와 혼동할 수 있으며 관찰자의 편견이 들어갈 수 있는 단점이 있었다. 따라서 이와 같은 점을 보완하면서 보다 적극적이고 정량적인 분석방법이 필요하였다.However, by measuring the cilia movement with the naked eye directly, the movement of the cilia with a small width can be overlooked, confused with the surrounding cilia, and the bias of the observer can enter. Therefore, a more active and quantitative analysis method was needed to supplement these points.

상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 본 발명은 단일 세포에서의 섬모운동을 관찰, 이를 영상처리하고 컴퓨터를 사용하여 섬모운동횟수를 분석함으로써 다른 섬모운동에 영향을 주는 요인을 배제할 수 있는 객관적이면서도 정량적인 영상처리에 의한 세포의 섬모운동 분석방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention for solving the above problems is objective and quantitative to observe the cilia movement in a single cell, image processing and analyzing the number of cilia movements using a computer to exclude factors affecting other ciliary movements It is an object of the present invention to provide a method for analyzing cilia motility of cells by phosphorus image processing.

도 1은 본 발명에 이용되는 분석 시스템의 구성블록도1 is a block diagram of an analysis system used in the present invention

도 2는 본 발명에 따른 세포의 섬모운동 분석 과정을 보인 흐름도Figure 2 is a flow chart showing a process of analyzing the cilia movement of cells according to the present invention

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비강호흡상피세포의 섬모운동의 특성을 분석한 결과도Figure 3 is a result of analyzing the characteristics of the ciliary movement of nasal respiratory epithelial cells according to an embodiment of the present invention

도 4는 도 1의 분석 시스템을 이용하여 수집한 섬모세포의 영상을 나타낸 도4 is a diagram showing an image of ciliated cells collected using the analysis system of FIG.

도 5 및 도 6은 도 4의 섬모세포의 영상에 대한 CBFDM5 and 6 are CBFDM for the imaging of the ciliated cells of FIG.

도 7a 및 7b는 CBFDM의 특정 영역을 윈도우 처리한 결과도7A and 7B show results of windowing a specific area of CBFDM.

도 8a 및 8b는 도 7a의 특정 영역에 대한 CBF의 지역분포에서 지배적인 최고치 주파수의 크기 및 상을 나타낸 CBFDM8A and 8B show CBFDM showing the magnitude and phase of the peak frequency dominant in the CBF regional distribution for the particular region of FIG. 7A.

도 9는 페닐레프린 농도 및 노출시간에 따른 CBF의 변화를 분석한 도9 is a diagram analyzing the change of CBF according to phenylephrine concentration and exposure time

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

100 : 현미경 200 : CCD 카메라100: microscope 200: CCD camera

300 : VCR 400 : 컴퓨터300: VCR 400: Computer

410 : 영상처리보드 420 : 분석 프로그램410: image processing board 420: analysis program

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 현미경 영상을 컴퓨터에서 분석할 수 있도록 디지털화하여 수집한 다음, 수집된 영상을 구역으로 나누어 데이터를 추출하고, 추출한 데이터로부터 섬모운동 주파수를 분석하여 이를 시각화하여 출력하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention digitizes and collects a microscope image for analysis on a computer, and then divides the collected image into zones, extracts data, analyzes the cilia motion frequency from the extracted data, and visualizes it. It is characterized by outputting.

도 1은 본 발명의 영상처리에 의한 세포의 섬모운동 분석방법에 사용되는 분석 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.1 is a block diagram showing the configuration of an analysis system used in the method for analyzing cilia movement of cells by image processing of the present invention.

도 1의 의학용도로 널리 이용되는 영상처리 기술을 이용한 분석 시스템은 세포의 현미경 영상을 처리하고, 컴퓨터를 이용하여 처리된 영상에서 원하는 정보를 얻기 위한 분석을 행하여 그 결과를 출력하는 것으로, 섬모운동을 관찰하기 위한 현미경(100)과; 상기 현미경(200)에 장착되어 현미경(100)의 광학적 신호를 NTSC(National Television System Committee) 아날로그 영상신호로 전환하는 CCD(Charged Coupled Device) 카메라(200)와; 녹화된 영상을 재생하는 VCR(Video Cassette Recorder : 300)과; 상기 CCD 카메라(200) 및 VCR(300)의 아날로그 영상신호를 컴퓨터(400)에서 분석할 수 있도록 디지털 신호로 변환하는 영상처리보드(410) 및 상기 영상처리보드(410)를 통해 수집한 영상정보로부터 섬모운동횟수 및 섬모운동의 크기 등을 분석하는 분석 프로그램(420)을 구비한 컴퓨터(400)로 구성된다.An analysis system using an image processing technique widely used for medical purposes of FIG. 1 processes a microscope image of a cell, performs an analysis to obtain desired information from the processed image using a computer, and outputs the result. A microscope (100) for observing; A Charged Coupled Device (CCD) camera (200) mounted to the microscope (200) to convert an optical signal of the microscope (100) into an NTSC (National Television System Committee) analog video signal; A VCR (Video Cassette Recorder: 300) for playing back recorded video; Image processing board 410 for converting the analog image signal of the CCD camera 200 and the VCR 300 into a digital signal for analysis by the computer 400 and the image information collected through the image processing board 410 And a computer 400 having an analysis program 420 for analyzing the number of ciliary movements and the size of ciliary movements.

상기 현미경(100)은 보통의 광학현미경을 사용하며 현미경의 배율은 한 개의 섬모 세포가 영상에서 차지하는 가로, 세로의 화소 크기와 한 개의 화소가 나타낼 수 있는 공간적 정보량에 의해 적절하게 결정된다. 즉 섬모운동이 충분한 광량의 차이를 유도할 수 있을 정도의 배율이 되어야 하는데, 보통의 광학 현미경을 이용할 경우 1000배 정도의 배율이면 분석에 충분한 광량의 차이를 보인다. 또한 약물 사용에 따른 반응 등을 보기 위해서는 도립 현미경(inverted microscope)이 적당하며 섬모 세포의 온도를 일정한 수준으로 유지하기 위해서 항온기(heated chamber)가 필요하다.The microscope 100 uses a normal optical microscope, and the magnification of the microscope is appropriately determined by the horizontal and vertical pixel size occupied by one ciliated cell and the amount of spatial information that one pixel can represent. That is, the cilia should be magnified enough to induce a sufficient amount of light. When using an ordinary optical microscope, the magnification of about 1000 times shows a sufficient amount of light for analysis. Inverted microscopes are also suitable for viewing reactions due to drug use, and a heated chamber is required to maintain the temperature of the ciliated cells at a constant level.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 세포의 섬모운동 분석방법을 첨부도면을 참조하여 설명한다.Hereinafter, a method for analyzing cilia movement of cells according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 2는 세포의 섬모운동을 분석하는 과정을 보인 흐름도로서, CCD 카메라(200)가 촬영한 직접 현미경 영상 또는 VCR(300)의 간접 녹화 영상을 컴퓨터(400)가 분석할 수 있는 디지털 신호로 변환하여 수집하는 영상 수집과정과; 한 개의 섬모 세포의 운동 특성을 주위의 영향을 배제하고서 분석하기 위하여 상기 수집된 영상을 소정크기의 직사각형 구역으로 분할하는 구역 분할과정과; 분할된 구역의 밝기의 변화량을 분석하는 데이터 추출과정과; 추출된 데이터를 이용하여 섬모운동 주파수를 검출하는 주파수 검출과정과; 추출된 데이터와 검출된 섬모운동 주파수를 시각화하여 출력하는 결과 출력과정을 포함하여 이루어진다.2 is a flow chart illustrating a process of analyzing ciliary movement of cells, and converts a direct microscope image taken by the CCD camera 200 or an indirectly recorded image of the VCR 300 into a digital signal that can be analyzed by the computer 400. Image collection process for collecting; A segmentation process of dividing the collected image into rectangular regions of a predetermined size to analyze the kinetic characteristics of one ciliated cell without circumferential influences; A data extraction process of analyzing a change amount of brightness of the divided zone; A frequency detection step of detecting the cilia motion frequency using the extracted data; And outputting a result of visualizing and outputting the extracted data and the detected cilia frequency.

이를 좀더 상세하게 설명한다.This is explained in more detail.

먼저 분석에 필요한 영상의 수집은 CCD 카메라(200)를 이용하여 직접 현미경 영상을 수집하거나 미리 녹화해둔 섬모영상을 VCR(300)을 통해 수집한다.First, the collection of images required for analysis is performed by directly collecting the microscope image using the CCD camera 200 or collecting the pre-recorded ciliary image through the VCR 300.

직접 현미경 영상은 CCD 카메라(200)에서 현미경(100)의 광학적 신호를 NTSC 영상 신호로 전환시킨 다음에 수집한다.The direct microscope image is collected after converting the optical signal of the microscope 100 into an NTSC image signal in the CCD camera 200.

NTSC 영상 신호는 1초당 30개의 프레임, 즉 60 필드로 구성된다. 지금까지 알려진 섬모의 운동 주파수는 보통 15Hz 내외이므로 섬모운동 분석시 운동의 왜곡(aliasing)을 막기 위해서는 30Hz(1초당 30상) 이상의 영상 수집 속도가 필요하다. 또한 15Hz 이상의 주파수 증가 등을 분석하기 위해서는 60Hz(1초당 60상)의 영상수집 속도가 필요하다. 따라서 NTSC 신호는 분석에 충분한 정보를 제공한다.NTSC video signals consist of 30 frames per second, or 60 fields. The frequency of cilia known to date is usually around 15 Hz, so in order to prevent aliasing of motion during cilia analysis, an image acquisition speed of 30 Hz or more (30 phases per second) is required. Also, 60Hz (60 phases per second) image acquisition speed is required to analyze frequency increase of more than 15Hz. The NTSC signal thus provides enough information for analysis.

상기와 같은 CCD 카메라(200)의 직접 현미경 영상 또는 VCR(300)의 간접 녹화 영상의 전체 필드는 60Hz(초당 60 필드) 또는 30Hz(초당 30프레임)로 영상처리보드(410)에 의해 A/D 변환되어 약 2초간(64프레임) 컴퓨터(400)의 내부 버스를 통해 주 메모리(main memory)에 저장된다.The entire field of the direct microscope image of the CCD camera 200 or the indirect recording image of the VCR 300 as described above is A / D by the image processing board 410 at 60 Hz (60 fields per second) or 30 Hz (30 frames per second). It is converted and stored in main memory through the internal bus of the computer 400 for about 2 seconds (64 frames).

이때 각 프레임의 공간적 크기는 640*480 화소이며, 각 영상의 화소 하나는 8 비트로 표시되므로 256 가지의 밝기로 표시된다.In this case, the spatial size of each frame is 640 * 480 pixels, and since one pixel of each image is displayed as 8 bits, it is displayed with 256 kinds of brightness.

일단 메모리로 영상 데이터가 전송되면 이후의 모든 정보처리는 분석 프로그램(320)에 의해 이루어진다. 즉, 분석 프로그램(420)은 수집된 영상에서 추출된 데이터로부터 필요한 결과를 계산 분석하며, 획득된 데이터와 분석된 결과를 시각화시켜서 사용자에게 보여준다.Once the image data is transferred to the memory, all subsequent information processing is done by the analysis program 320. That is, the analysis program 420 calculates and analyzes the necessary results from the data extracted from the collected image, and visualizes the obtained data and the analyzed results and shows them to the user.

이를 위해 우선, 수집된 영상을 시간영역 내에서 섬모운동에 기인하는 프레임의 자동적인 밝기 변화를 분석하고, 공간영역 내의 전체 필드 걸친 CBF 분포를 시각화하기 위해 필드를 각각 16(4*4 : 크기 160*120 화소)부터 19200(160*120 : 크기 4*4 화소)까지 보다 작은 직사각형 구역으로 분할한다. 이는 다수의 세포 또는 하나의 세포에 대한 CBF 분포를 식별할 수 있게 한다.To do this, first, the collected images are analyzed for automatic brightness change of the frame due to cilia motion in the time domain, and the fields are each 16 (4 * 4: size 160) to visualize the CBF distribution over the entire field in the spatial domain. 120 pixels) to 19200 (160 * 120 size 4 * 4 pixels). This makes it possible to identify the CBF distribution for multiple cells or for one cell.

이어서, 분석에 필요한 데이터를 추출하는데, 이를 위해서 크게 두 가지 방법이 이용될 수 있다.Then, to extract the data required for analysis, two methods can be used for this purpose.

그 하나는 수집된 영상 화소들의 밝기의 전체적인 총합의 변화량을 이용하는 것이고, 다른 하나는 기준이 되는 초기 영상에 대한 다른 영상의 상대적인 밝기의 변화량을 이용하는 방법이다.One is to use the amount of change in the total sum of the brightness of the collected image pixels, the other is to use the amount of change in the relative brightness of the other image relative to the reference initial image.

전체 밝기의 변화량을 이용하는 방법은 연속적으로 수집된 각 영상의 분리된 구역의 전체 화소의 밝기를 모두 더한 후, 그 변화량을 분석하는 방법이다. 즉 구역 전체의 밝기 변화량을 분석하는 것으로 기본적인 데이터 추출식은 다음의 수학식 1과 같다.The method of using the change amount of the overall brightness is a method of analyzing the change amount after adding up the brightness of all the pixels of the separated regions of each image continuously collected. That is, the amount of brightness variation of the entire area is analyzed, and a basic data extraction equation is shown in Equation 1 below.

여기서 k는 프레임 수이고, gk(x,y)는 화소(x,y)의 밝기이다.Where k is the number of frames and g k (x, y) is the brightness of the pixel (x, y).

이 방법은 광전효과(photoelectric effect) 방법과 연속선상에 있는 방법으로서 광량의 변화량을 나타내는 영역을 분석하고자 하는 세포에 정확하게 한정시킬 수 있는 장점이 있다. 그러나 이 방법은 구역의 크기가 작을 경우에는 추출된 데이터의 변화량이 유의한 차이를 보이지 않을 수 있고, 후술하는 FFT 분석을 해도 지배적인 주파수 성분을 분명하게 나타내지 못할 수 있다.This method has a merit that the photoelectric effect method and the method in a continuous line can be precisely limited to the cell to be analyzed an area representing the amount of change in the amount of light. However, this method may not show a significant difference in the amount of change in the extracted data when the size of the region is small, and may not clearly indicate the dominant frequency component even by the FFT analysis described later.

그러므로 상대적인 밝기를 이용하여 데이터를 추출하는 방법이 보다 바람직하다.Therefore, a method of extracting data using relative brightness is more preferable.

상대적인 밝기 변화량의 도출은 다음 두가지 방법을 이용할 수 있다.The following two methods can be used to derive the relative change in brightness.

그 하나는 첫 번째 영상으로부터 연속적으로 수집된 영상의 화소 대 화소 밝기의 차이를 구한 다음 제곱한 뒤, 모든 값을 더해서 시간에 따른 변화량을 분석할 수 있다. 섬모운동이 주기성을 보인다면 이 데이터 또한 주기성을 갖게 되고, 따라서 후술할 FFT 분석시 특정한 주파수에 해당하는 값에서 최고치를 얻을 수 있다. 이 방법을 이용의 데이터 추출식은 수학식 2와 같이 표현된다.One is to calculate the difference between the pixel-to-pixel brightness of the image continuously collected from the first image and square it, and then add all the values to analyze the change over time. If the cilia show periodicity, this data also has periodicity, and thus the highest value can be obtained from a value corresponding to a specific frequency in the FFT analysis described later. The data extraction equation using this method is expressed as in Equation (2).

여기서 k는 영상 프레임 수이고, gk(x,y)는 화소(x,y)의 밝기이다.Where k is the number of image frames and g k (x, y) is the brightness of the pixel (x, y).

다른 하나는 화소 대 화소의 밝기 차이의 총합을 구한 다음, 그 구역의 밝기 차이의 평균값을 뺀 차이를 구함으로써 이루어진다.The other is accomplished by finding the sum of the brightness differences of the pixels versus the pixels, and then finding the difference by subtracting the average of the brightness differences of the zones.

즉, 데이터를 추출하기 위해 나눠진 구역에 대해서 수집한 첫 번째 프레임(기준 프레임)과 같은 위치의 각 화소에 대한 밝기 차이의 값을 계산한다. 화소 대 화소 차이 값은 m*n 화소로 구성된 나뉘어진 각 구역 내의 모든 화소에 대해 합해지는데, 이것은 첫 번째 프레임(k=0)에서부터 마지막(k=63)까지 처리된다. 이렇게 함으로써 필드들의 나누어진 모든 구역에 대한 연속적인 결과를 산출해낸다. 또한 특정 블록의 결과를 얻는데 편견을 배제하기 위하여 평균값을 계산하여 원래의 값(밝기 차이의 총합)에서 뺀다.That is, the value of the brightness difference for each pixel at the same position as the first frame (reference frame) collected for the divided region for data extraction is calculated. The pixel-to-pixel difference values are summed for all pixels in each divided region of m * n pixels, which are processed from the first frame (k = 0) to the last (k = 63). This yields a continuous result for every divided section of fields. In addition, the average value is calculated and subtracted from the original value (the sum of the brightness differences) in order to exclude bias in obtaining the result of a specific block.

상기의 밝기 차이의 총합 및 상기 총합에서 평균값을 뺀 차이는 수학식 3 및 4를 이용하여 구할 수 있다.The sum of the brightness differences and the difference obtained by subtracting the average value from the sum may be obtained by using Equations 3 and 4.

수학식 3 및 4에서 i는 필드의 블록 번호이고, k 는 연속되는 영상 프레임 번호이며, gk(x,y)는 프레임 k의 화소(x,y)의 밝기이고, g0(x,y)은 기준 프레임의 화소(x,y)의 밝기이다. 또한 ci(k)는 블록 i, 프레임 k의 밝기 차이의 총합이고, di(k)는 블록 i, 프레임 k의 밝기 차이의 총합에 그 평균값을 뺀 차이이다.In Equations 3 and 4, i is a block number of a field, k is a contiguous image frame number, g k (x, y) is a brightness of pixels (x, y) of frame k, and g 0 (x, y Is the brightness of the pixels (x, y) of the reference frame. C i (k) is the sum of the brightness differences of the blocks i and k, and d i (k) is the sum of the brightness differences of the blocks i and k, minus the average value.

상기한 방법들에 의해 추출된 데이터로부터 FFT 분석(fast Fourier transformation analysis)을 통해 파워 스펙트럼을 준비한다. 분석을 위해 수집되는 영상의 수는 64프레임(128필드)이므로, 파워 스펙트럼에서의 최저 주파수 해상도는 약 0.47(60/128)Hz 이다.The power spectrum is prepared through FFT analysis (fast Fourier transformation analysis) from the data extracted by the above methods. Since the number of images collected for analysis is 64 frames (128 fields), the lowest frequency resolution in the power spectrum is about 0.47 (60/128) Hz.

파워 스텍트럼의 결과에 따른 첫 번째 최고치 주파수 또는 첫 번째 고조파는 기본적인 CBF로 규정된다.The first highest frequency, or first harmonic, as a result of the power spectrum is defined as the fundamental CBF.

여기서, FFT 분석은 시간 변화에 따른 데이터 값(시간 신호)을 주파수 변화에 따른 주파수 분포(주파수 신호)로 변환하는 방법이다.Here, the FFT analysis is a method of converting a data value (time signal) according to time change into a frequency distribution (frequency signal) according to frequency change.

시간 신호가 한 개의 주파수(주기)를 가지면서 변한다면 FFT 분석 결과는 해당하는 주파수의 한 개의 값만이 0이 아닌 값을 가지게 된다. 일반적인 생체 신호는 여러 주파수 대에 걸쳐서 다양한 분포를 갖는다. 그러나 섬모 세포의 운동처럼 주기적으로 반복되는 신호에 대해서는 일반적으로 특정한 주파수 값에서 최고치를 나타내는데, 이 주파수 값을 섬모 세포 운동의 특성을 나타내는 CBF로 볼 수 있다.If the time signal changes with one frequency (period), the FFT analysis results that only one value of the corresponding frequency has a nonzero value. Common biosignals have various distributions over several frequency bands. However, for signals that repeat periodically, such as the movement of ciliated cells, they typically exhibit peaks at specific frequency values, which can be viewed as CBFs that characterize ciliated cell movement.

FFT 분석을 위한 식은 다음의 수학식 5와 같다.The equation for FFT analysis is shown in Equation 5 below.

여기서 w는 주파수 차원에서의 주파수이고, N은 시간차원에서의 입력 신호의 수이며, k는 시간차원에서의 시간변수이다.Where w is the frequency in the frequency dimension, N is the number of input signals in the time dimension, and k is a time variable in the time dimension.

FFT 분석의 결과는 N을 주기로 가지는 주기함수가 된다. 실제로 변환 대상이 복소수가 아닌 실수일 경우에는 결과는 주기의 절반을 기준으로 해서 대칭적인 양상을 나타낸다. 따라서 반복되는 한 주기 가운데 절반만이 의미 있는 정보를 제공한다. 즉, 30Hz(30 영상/초)의 속도로 영상을 수집해서 분석했을 때는15Hz(CBF)까지 만이 의미있는 정보를 제공한다.The result of the FFT analysis is a period function with N as the period. In fact, if the conversion target is a real number rather than a complex number, the result is symmetrical with respect to half of the period. Therefore, only half of the repeated cycles provide meaningful information. That is, when images are collected and analyzed at a rate of 30 Hz (30 images / sec), only up to 15 Hz (CBF) provides meaningful information.

구해진 CBF를 이용하여 CBF 분포 지도(CBF Distribution Map : 이하 CBFDM이라 한다)를 구성하는데, 색부호화된 최고치 주파수 값은 주파수 값이 계산된 구역에 오버랩 되어 표시된다.Using the obtained CBF, a CBF Distribution Map (hereinafter referred to as CBFDM) is constructed. The color-coded peak frequency value is displayed overlapping the area where the frequency value is calculated.

CBFDM을 디자인 할 때 두 번째 최고치의 크기가 첫 번째 최고치의 소정값(예: 80%) 보다 작은 조건을 만족하는 구역을 선택하고 나머지는 무시한다.When designing the CBFDM, select an area that satisfies the condition that the size of the second peak is less than the predetermined value of the first peak (eg 80%) and ignore the rest.

즉, 위의 조건을 만족하는 구역에 대해 색부호화된 CBF를 그 구역의 모든 화소에 대해 표시하고, 다른 블록에 대해 그 위치의 원래의 밝기 화소값을 표시한다.That is, a color coded CBF for an area that satisfies the above condition is displayed for all the pixels in that area, and the original brightness pixel value at that position for another block.

CBF의 색부호화에 대해 설명하면, 256 색 팔레트에서 128 RGB 색부호화된 레벨은 0에서 15Hz의 주파수를 나타내기 위해 사용하고, 나머지 128 밝기 레벨은 그레이 스케일(grey scale)의 화소를 표시하기 위하여 사용한다.The color coding of CBF is described in that the 128 RGB color-coded levels in the 256 color palette are used to represent frequencies from 0 to 15 Hz, and the remaining 128 brightness levels are used to display gray scale pixels. do.

주파수 0Hz는 파랑(0,0,255) 팔레트로 나타내고, 7.5Hz는 녹색(0,255,0), 15Hz는 빨강(255,0,0)으로 나타낸다.The frequency 0 Hz is represented by the blue (0,0,255) palette, 7.5 Hz by green (0,255,0), and 15 Hz by red (255,0,0).

0에서 7.5Hz까지의 중간 주파수는 팔레트의 파랑(B값)을 감소시키고 녹색(G값)을 증가시킴으로써 선형적으로 삽입되고, 7.5에서 15Hz까지의 주파수는 녹색(G값)을 감소시키고 빨강(R값)을 증가시킴으로써 선형적으로 삽입된다.Intermediate frequencies from 0 to 7.5 Hz are linearly inserted by decreasing the blue (B value) of the palette and increasing green (G value), and frequencies from 7.5 to 15 Hz reduce the green (G value) and red ( Is inserted linearly by increasing R value).

이렇게 함으로써 다양한 구역 크기의 CBFDM을 통해 다수의 섬모세포 또는 전체 필드에서의 하나의 세포에 대한 CBF의 공간분포를 쉽게 볼 수 있다.This makes it easy to see the spatial distribution of CBF for multiple ciliated cells or for one cell in the whole field through CBFDM of various zone sizes.

또한, 본 발명에서는 추출된 데이터와 검출된 CBF를 시각화하여 출력하는 과정에서 사용자가 지정한 특정 영역에 대한 CBF 특성을 보여 주는 윈도우 기능을 포함하는데, 윈도우 기능은 사용자가 특정 세포 영역의 CBF 특성을 보기 위하여 CBFDM에 직사각형 윈도우를 씌우면, 윈도우 내에 포함된 구역들의 CBF 분포 통계를 첫 번째 최고치 주파수의 히스토그램으로 표시하는 것이다.In addition, the present invention includes a window function that shows the CBF characteristics for a specific region specified by the user in the process of visualizing and outputting the extracted data and the detected CBF, the window function allows the user to view the CBF characteristics of the specific cell region If you put a rectangular window on the CBFDM, the CBF distribution statistics of the regions included in the window are displayed as a histogram of the first highest frequency.

히스토그램 통계에서 가장 높은 모집단을 갖는 지배적인 주파수가 윈도우된 영역의 CBF로 간주된다. 이것의 크기와 상(phase) 분포는 최고치 주파수 분포와 같이 기준값에 비례하여 색부호화할 수 있다.In the histogram statistics, the dominant frequency with the highest population is considered the CBF of the windowed region. Its magnitude and phase distribution can be color coded in proportion to the reference value, such as the peak frequency distribution.

이상에서 설명한 실시예의 분석방법을 이용하여 비강호흡상피세포의 섬모운동을 분석한 결과를 도 3 내지 도 9에 나타내었다.3 to 9 show the results of analyzing the cilia of the nasal respiratory epithelial cells using the analysis method of the above-described embodiment.

여기서의 데이터 추출은 화소 대 화소의 밝기 차이의 총합을 구한 다음, 그 구역의 밝기 차이의 평균값을 뺀 차이를 구함으로써 이루어졌으며, 필드의 한 구역으로부터 추출된 결과의 전형적인 보기는 도 3의 아래 그래프에 나타나 있다. 여기에서 뚜렷하게 인식할 수 있는 사이클을 갖는 규칙적인 패턴을 볼 수 있다. 파워 스펙트럼을 나타낸 아래쪽 그래프 신호는 도 3의 위 왼쪽에 표시한 FFT를 이용하여 얻었고, 그 상(phase)은 위 오른쪽 그래프에 나타내었다.The data extraction here is done by calculating the sum of the pixel-to-pixel brightness differences and then subtracting the average of the brightness differences in the zones. A typical example of the results extracted from one zone of the field is shown in the graph below in FIG. Is shown in. Here we see a regular pattern with distinctly recognizable cycles. The lower graph signal representing the power spectrum was obtained using the FFT shown in the upper left of FIG. 3, and the phase thereof is shown in the upper right graph.

대부분의 구역에 대해 가장 지배적인 최고치 주파수는 쉽게 검출되고, 이것은 그 구역의 CBF로 간주되며, 주요 조건이 만족된다면 색부호화되어 CBFDM을 구성할 수 있다. 이와 같은 FFT 분석을 통해 사용자는 약물의 농도 및 노출시간이 세포의 섬모운동에 미치는 효과를 즉시 그리고 능동적으로 시험하는 동안 검사할 수 있다.The most dominant peak frequency for most zones is easily detected, which is considered the CBF of that zone and can be color coded to form CBFDM if the main conditions are met. This FFT analysis allows the user to examine the effects of drug concentration and exposure time on the cell's ciliary movement immediately and actively during testing.

도 5 및 6의 CBFDM은 도 4의 1000배의 현미경 영상을 디지털화한 섬모세포의 영상(640*480 화소)에 대한 다양한 크기를 갖는 구역의 파워 스펙트럼으로부터 지배적인 최고치 주파수의 공간 분포를 나타낸 것으로, 도 5의 한 구역은 40*40 화소 이고, 도 6의 한 구역은 10*10 화소 이다.The CBFDM of FIGS. 5 and 6 shows the spatial distribution of the dominant peak frequencies from the power spectra of various sized regions for ciliated images (640 * 480 pixels) of digitized 1000-times microscopic images of FIG. One region of FIG. 5 is 40 * 40 pixels, and one region of FIG. 6 is 10 * 10 pixels.

또한 도 7a 및 7b는 세포의 표면과 같이 특정 영역에서의 CBF 분포의 통계치를 보다 상세하게 보기 위해, 사용자가 0에서 15Hz까지 범위의 CBF 발생을 기록한 곳에 대해 윈도우 위치를 정함에 따라, 이 통계치를 히스토그램의 형태로 나타낸 것이다.7A and 7B also show these statistics as the user positions the window relative to where the user recorded CBF occurrences ranging from 0 to 15 Hz to see more detailed statistics of the CBF distribution in a particular area, such as the surface of the cell. It is shown in the form of a histogram.

도 8a 및 8b는 각각 상기 도 7a에서 정한 영역의 CBF의 지역분포에서 지배적인 최고치 주파수의 크기 및 상(phase)을 나타낸 CBFDM이고, 도 9는 본 발명의 분석방법을 이용하여 분석한 페닐레프린(phenylephrine) 농도 및 노출시간에 따른 CBF의 변화를 나타낸 것이다.8A and 8B are CBFDMs showing magnitudes and phases of the dominant peak frequencies in the regional distribution of CBFs in the region shown in FIG. 7A, respectively, and FIG. 9 is phenylephrine analyzed using the analytical method of the present invention. (phenylephrine) shows the change of CBF with concentration and exposure time.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 A/D 변환된 현미경 영상의 밝기량 신호를 추출하고, 이를 FFT 분석하여 파워 스펙트럼에 구한 다음, 지배적인 최고치 주파수들의 공간 분포를 색부호화하여 섬모운동 주파수의 분포 지도로 나타냄으로써 섬모 세포의 운동 주파수를 쉽게 분석할 수 있고, 사용하기에 간편하다.As described above, the present invention extracts the brightness signal of the A / D converted microscope image, obtains it from the power spectrum by FFT analysis, and then color-codes the spatial distribution of the dominant peak frequencies to map the ciliary motion frequency. It can be easily analyzed the frequency of movement of the ciliated cells, and is simple to use.

또한 종래의 방법과 비교하여 정확하기 때문에 임상과 연구 도구로 효과적일 뿐만 아니라 코의 섬모와 유사한 다른 유기 세포의 섬모운동 주파수 연구와 같은 분야에 적용할 수 있다.In addition, it is accurate as compared to the conventional method, and thus is effective as a clinical and research tool, and can be applied to fields such as the study of the cilia locomotor frequency of other organic cells similar to the cilia of the nose.

Claims (8)

세포의 섬모운동을 분석하는 방법에 있어서,In the method of analyzing the ciliary movement of cells, 현미경에서 관찰되는 섬모 영상을 디지털화하여 세포의 섬모운동을 분석하는 것을 특징으로 하는 영상처리에 의한 세포의 섬모운동 분석방법.A method of analyzing cilia of a cell by image processing, characterized in that the cilia of the cell is digitized to analyze the cilia of the cell. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 섬모운동을 관찰하기 위한 현미경(100)과; 상기 현미경(200)에 장착되어 현미경(100)의 광학적 신호를 NTSC 아날로그 영상신호로 전환하는 CCD 카메라(200)와; 녹화된 영상을 재생하는 VCR(300)과; 상기 CCD 카메라(200) 및 VCR(300)의 아날로그 영상신호를 컴퓨터(400)에서 분석할 수 있도록 디지털 신호로 변환하는 영상처리보드(410) 및 상기 영상처리보드(410)를 통해 수집한 영상정보로부터 섬모운동횟수 및 섬모운동의 크기 등을 분석하는 분석 프로그램(420)을 구비한 컴퓨터(400)를 포함하여 구성된 분석 시스템을 이용하여 세포의 섬모운동을 분석하는 것을 특징으로 하는 영상처리에 의한 세포의 섬모운동 분석방법.A microscope (100) for observing cilia movements; A CCD camera 200 mounted on the microscope 200 to convert an optical signal of the microscope 100 into an NTSC analog image signal; A VCR 300 for playing back the recorded video; Image processing board 410 for converting the analog image signal of the CCD camera 200 and the VCR 300 into a digital signal for analysis by the computer 400 and the image information collected through the image processing board 410 Cell by image processing, characterized in that the analysis of the ciliary movement of the cell using an analysis system comprising a computer 400 having an analysis program 420 for analyzing the number of ciliary movement and the size of the ciliary movement from Method of ciliary motion in humans. 제 2항에 있어서,The method of claim 2, CCD 카메라(200)가 촬영한 직접 현미경 영상 또는 VCR(300)의 간접 녹화 영상을 컴퓨터(400)가 분석할 수 있는 디지털 신호로 변환하여 수집하는 영상 수집과정과; 한 개의 섬모 세포의 운동 특성을 주위의 영향을 배제하고서 분석하기 위하여 상기 수집된 영상을 소정크기의 직사각형 구역으로 분할하는 구역 분할과정과; 분할된 구역의 밝기의 변화량을 분석하는 데이터 추출과정과; 추출된 데이터를 이용하여 섬모운동 주파수를 검출하는 주파수 검출과정과; 추출된 데이터와 검출된 섬모운동 주파수를 시각화하여 출력하는 결과 출력과정을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 영상처리에 의한 세포의 섬모운동 분석방법.An image acquisition process of converting and collecting a direct microscope image captured by the CCD camera 200 or an indirectly recorded image of the VCR 300 into a digital signal that can be analyzed by the computer 400; A segmentation process of dividing the collected image into rectangular regions of a predetermined size to analyze the kinetic characteristics of one ciliated cell without circumferential influences; A data extraction process of analyzing a change amount of brightness of the divided zone; A frequency detection step of detecting the cilia motion frequency using the extracted data; A method for analyzing cilia movement of cells by image processing, comprising: outputting a result of visualizing and outputting extracted data and detected cilia movement frequencies. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 데이터 추출과정에서의 데이터 추출은 연속적으로 수집된 각 영상의 분리된 구역의 전체 화소의 밝기를 모두 합하여 전체 밝기의 변화량, 또는 첫 번째 영상으로부터 연속적으로 수집된 영상의 화소 대 화소 밝기의 차이를 구한 다음 제곱한 뒤, 모든 값을 합하여 기준이 되는 초기 영상에 대한 다른 영상의 상대적인 밝기의 변화량, 또는 분할된 구역의 화소 대 화소의 밝기 차이의 총합을 구한 다음, 그 구역의 밝기 차이의 평균값을 뺀 차이를 구함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 영상처리에 의한 세포의 섬모운동 분석방법.The data extraction in the data extraction process sums up the brightness of all the pixels of the separated regions of each image continuously collected and changes the total amount of brightness or the difference in pixel-to-pixel brightness of the images continuously collected from the first image. After finding and squared, sum all the values to find the change in the relative brightness of the other image relative to the reference initial image, or the sum of the pixel-to-pixel brightness differences in the divided zones, and then the average of the brightness differences in the zones. Cilia movement analysis method of the cell by the image processing, characterized in that obtained by subtracting the difference. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 섬모운동 주파수 검출 과정에서의 주파수 검출은 FFT 분석에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 영상처리에 의한 세포의 섬모운동 분석방법.Frequency detection in the ciliary motor frequency detection process is performed by the FFT analysis method of the cell ciliary movement analysis by the image processing. 제 3항에 있어서,The method of claim 3, 상기 결과 출력과정의 결과 출력은 분할된 구역에서 검출된 섬모운동 주파수를 색부호화하여 분포 지도로 표시하는 것을 특징으로 하는 영상처리에 의한 세포의 섬모운동 분석방법.The result output of the result output process is characterized in that the ciliary motion frequency detected in the divided region color-coded to display the distribution map of the cilia movement of the cell, characterized in that the display. 제 6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 분포지도는 분할된 구역의 두 번째 최고치 주파수가 첫 번째 최고치 주파수의 소정치 이하인 구역만을 표시하고, 나머지 구역은 실제의 영상으로 채워지는 것을 특징으로 하는 영상처리에 의한 세포의 섬모운동 분석방법.The distribution map shows only the region where the second highest frequency of the divided region is less than or equal to the predetermined value of the first highest frequency, and the remaining regions are filled with the actual image. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,The method according to claim 6 or 7, 상기 분포지도에서 사용자가 원하는 영역에 직사각형의 윈도우를 씌우면 윈도우 내에 포함된 구역들의 CBF 분포 통계를 첫 번째 최고치 주파수의 히스토그램으로 표시하여 보여주는 윈도우 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 영상처리에 의한 세포의 섬모운동 분석방법.When the user puts a rectangular window on the desired area in the distribution map, the cilia of the cell by the image processing comprising a window function for displaying the CBF distribution statistics of the areas included in the window by displaying a histogram of the first highest frequency. Exercise analysis method.
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