KR20190128292A - Method and System for Early Diagnosis of Glaucoma and Displaying suspicious Area - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 딥러닝을 이용하여 안구 빛간섭단층촬영 검사의 시신경유두주위 망막신경섬유층 두께로부터 녹내장을 진단하는 방법 및 이를 위한 시스템으로, 특히 상세하게는 합성곱신경망(Convolutional Neural Network, CNN) 방법의 딥러닝을 이용하여 안구 빛간섭단층촬영 검사의 시신경유두주위 망막신경섬유층 두께로부터 녹내장 진행정도를 진단하는 방법 및 그 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a method and system for diagnosing glaucoma from the thickness of the optic nerve papillary retinal nerve fiber layer of the ocular optical coherence tomography using deep learning, and more particularly, to the convolutional neural network (CNN) method. The present invention relates to a method and system for diagnosing the progression of glaucoma from the thickness of the retinal nerve fiber layer around the optic nerve papilla using deep learning.
녹내장은 시신경의 녹내장성 변화 및 이에 따른 시야장애를 유발하는 질환으로, 시간이 지나면서 점점 진행하기 때문에, 적절한 치료가 이루어지지 않으면 실명하게 된다. 백내장과 같은 다른 안과질환과는 달리 한 번 시신경이 손상되면 수술로도 시신경 기능 회복이 불가능하기 때문에 조기에 정확한 녹내장 진단을 하고, 꾸준히 치료와 관리를 해야 시력을 유지할 수 있다. Glaucoma is a disease that causes glaucoma changes in the optic nerve and thus visual field disorders, and progresses gradually over time, and blindness occurs without proper treatment. Unlike other eye diseases such as cataracts, once the optic nerve is damaged, it is impossible to restore the optic nerve even by surgery. Therefore, it is necessary to diagnose the glaucoma early and maintain treatment and management to maintain vision.
녹내장(glaucoma)은 시신경 손상 및 시야장애를 초래하는 진행성 질환으로, 망막신경섬유층(retinal nerve fiber layer: RNFL)에서 어떤 원인으로 점진적인 축삭의 소실이 나타나면서 시야가 좁아지는 등 기능적 변화가 초래된다. 시야검사를 통해서 이러한 기능적 변화를 측정하려면 신경섬유가 30~50% 정도 손상되어야 하며, 이러한 시야 변화 이전에 시신경유두(optic nerve head: ONH)라고 불리는 부위의 변화가 선행된다고 알려져 있다. 따라서 녹내장의 진행 및 경과를 조기에 예측하려면 시신경유두의 형태가 변화하는지 관찰하는 것이 중요하다.Glaucoma (glaucoma) is a progressive disease that causes optic nerve damage and visual field impairment, resulting in functional changes such as narrowing the field of vision with progressive loss of axons for some reason in the retinal nerve fiber layer (RNFL). In order to measure these functional changes through visual field examination, nerve fibers must be damaged by 30 to 50%, and prior to this field change, a change in the area called the optic nerve head (ONH) is known. Therefore, it is important to observe the change of optic nerve papilla in order to predict the progress and progression of glaucoma early.
시신경유두란 망막과 뇌를 연결하는 신경섬유의 다발이 눈 밖을 빠져나오기 직전에 모여서 만들어진 부분으로, 주위의 망막과 구별되는 밝은 보름달 모양의 동그란 부분이다. 시신경유두의 중심부는 정상일 때 웅덩이 모양으로 움푹 들어가 있으며(함몰부), 이 부위는 혈관이 적게 분포하여 밝고 창백한 색조를 띤다. 함몰부 주변은 신경섬유들이 모여서 이루어진 주황색 또는 분홍색 신경조직이 테 모양으로 둘러싸고 있다(신경테). 녹내장이 되면 시신경섬유들이 죽어 없어지므로 신경테는 줄어들고 함몰부는 더 넓고 깊어지게 된다. The optic nerve papilla is a part of the bundle of nerve fibers that connect the retina with the brain just before exiting the eye, and is a bright full moon shaped circle that distinguishes it from the surrounding retina. The central part of the optic nerve papilla is dented in the form of a puddle when it is normal (depressed), and the area is light and pale with less blood vessel distribution. Around the depression, orange or pink nerve tissue, made up of nerve fibers, is surrounded by a rim (neural frame). With glaucoma, the optic nerve fibers die off and the nerves shrink and the depressions become wider and deeper.
시신경은 눈 속의 망막으로부터 뇌를 연결하는 전선에 해당하는 신경섬유의 다발로 가느다란 실처럼 시신경유두에 모인다. 이 섬유의 일부가 손상되면 그 부위의 신경섬유가 관찰되지 않으므로, 시야에 장애가 발생하기 이전에 망막신경섬유층 촬영을 통해 녹내장 조기진단을 할 수 있는 것이다. 레이저를 이용한 빛간섭단층촬영(OCT) 장비를 이용하면 망막신경섬유층의 두께를 측정할 수 있으므로, 시신경유두 주변의 망막신경섬유층(peripapillary retinal nerve fiber layer: p-RNFL)의 영상도 얻을 수 있다. 그러나 종래 기술은 상기 영상정보로 객관적인 조기 녹내장 진단자료를 제공하지 못하는 한계가 있다.The optic nerve gathers in the optic nerve papilla like a thin thread of nerve fibers, the wires that connect the brain from the retina in the eye. If a part of the fiber is damaged, the nerve fiber in the area is not observed, and thus, early diagnosis of glaucoma can be performed through retinal nerve fiber layer imaging before visual field disorder occurs. Laser coherent optical coherence tomography (OCT) equipment can measure the thickness of the retinal nerve fiber layer, thus obtaining an image of the peripapillary retinal nerve fiber layer (p-RNFL) around the optic nerve papilla. However, the prior art has a limitation in that it is impossible to provide an objective early glaucoma diagnostic data with the image information.
미국 등록특허 US9,554,755호는 “조기 발현 녹내장을 예측하기 위한 방법, 시스템 및 컴퓨터 판독가능 매체”에 관한 것으로, 시간 및 스펙트럼 영역 빛간섭단층촬영(SD-OCT)으로 획득한 시신경유두(ONH), 시신경유두 주변의 망막신경섬유층(p-RNFL), 황반절 세포 내배엽층(macular ganglion cell-inner plexiform layer: GCIPL) 변수를 조합한 조기 녹내장 진단기술을 개시한다. 그러나 상기 특허는 영상이 아닌 SD-OCT 장비에서 나온 값을 넣고 특정한 계산식에 따라 녹내장 판별 점수를 추론하므로 복잡하고 직관적이지 않다는 한계가 있다.US Pat. No. 9,554,755 relates to “Methods, Systems and Computer-readable Media for Predicting Early Expression Glaucoma”, which is obtained by Time- and Spectral Domain Optical Coherence Tomography (ON-H). A diagnostic technique for early glaucoma combining the retinal nerve fiber layer (p-RNFL) and macular ganglion cell-inner plexiform layer (GCIPL) parameters around the optic nerve papilla is disclosed. However, the patent puts a value derived from SD-OCT equipment, not an image, and infers a glaucoma discrimination score according to a specific calculation formula, which is complicated and not intuitive.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 빛간섭단층촬영(OCT) 영상 중 시신경유두 주변의 망막신경섬유층(p-RNFL) 영상에 딥 러닝(deep learning)을 적용하여 영상을 분류하고 녹내장 진행 정도를 예측하는 방법 및 시스템을 제공하고자 한다.The present invention was devised to solve the above problems, and classifies an image by applying deep learning to a retinal nerve fiber layer (p-RNFL) image around an optic nerve papilla among optical coherence tomography (OCT) images. To provide a method and system for predicting the progression of glaucoma.
본 발명은, 녹내장 조기진단과 의심영역 표시 방법으로: 상기 방법은, 빛간섭단층촬영(OCT)으로 시신경유두(ONH) 주변의 망막신경섬유층(peripapillary retinal nerve fiber layer: p-RNFL)의 영상을 획득하는 단계; 상기 획득한 시신경유두 주변의 망막신경섬유층 영상을 딥 러닝(deep learning) 중 CNN(Convolutional Neural Network) 구조에 입력해 녹내장, 조기 녹내장, 또는 정상인 등급(class)으로 분류해 표시하고 특징 맵(feature map)과 상기 등급별 분류수치(classification score)를 추출하는 단계; 상기 분류수치의 구배(gradient)와 상기 특징 맵의 행렬곱(matrix multiplication)으로, 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 획득하는 단계; 상기 점진적 등급 활성 맵을 영상으로 표시하는 단계; 및 상기 점진적 등급 활성 맵 중 활성이 높은 곳을 의심영역으로 표시하는 단계를 포함하고, 상기 CNN 구조는 영상의 등급을 추정하도록 가중치(weight)를 조정할 수 있도록 역전파(back-propagation) 방법을 사용하는, 녹내장 조기진단과 의심영역 표시 방법을 제공한다.The present invention provides a method for early diagnosis of glaucoma and displaying a suspected area: the method may include imaging of a peripapillary retinal nerve fiber layer (p-RNFL) around the optic nerve head (ONH) by optical coherence tomography (OCT). Obtaining; The obtained retinal nerve fiber layer image around the optic nerve papilla is input to a convolutional neural network (CNN) structure during deep learning, classified into glaucoma, early glaucoma, or normal class, and then a feature map. ) And extracting a classification score for each grade; Acquiring a gradient class activation map (Grad-CAM) as a gradient of the classification value and matrix multiplication of the feature map; Displaying the progressive grade activity map as an image; And displaying a place of high activity in the progressive grade activity map as a suspicious region, wherein the CNN structure uses a back-propagation method to adjust a weight to estimate a grade of an image. To provide early diagnosis of glaucoma and indication of suspected areas.
본 발명은 또한, 상기 CNN 구조는 합성곱 필터(convolution filter)를 평면상에서 이동시키면서 영상 특징을 추출하고, 상기 추출된 영상을 활성함수 Relu에 통과시킨 뒤, Pooling으로 크기를 축소하는 과정을 반복하여 얻은 특징을 활용하는, 녹내장 조기진단과 의심영역 표시 방법을 제공한다.In another aspect, the CNN structure extracts an image feature while moving a convolution filter on a plane, passes the extracted image through an active function Relu, and repeats the process of reducing the size by pooling. Provide a method for early diagnosis of glaucoma and indication of suspected areas using the characteristics obtained.
본 발명은 또한, 상기 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 획득하는 단계는, 수식을 알고리즘으로 구현하는, 녹내장 조기진단과 의심영역 표시 방법을 제공한다.In another aspect, the present invention, the step of obtaining the Gradient Class Activation Map (Grad-CAM), A method for early diagnosis of glaucoma and the display of suspicious areas.
본 발명은 또한, 녹내장 조기진단과 의심영역 표시 시스템으로: 상기 시스템은, 데이터베이스를 구비한 관리서버 및 상기 관리서버와 유무선 네트워크로 연결되는, 디스플레이를 포함하는 컴퓨터장치를 포함하고, 상기 관리서버는, 상기 컴퓨터장치의 지시를 받아 빛간섭단층촬영(OCT) 장치가 획득한 시신경유두(ONH) 주변의 망막신경섬유층(peripapillary retinal nerve fiber layer: p-RNFL) 영상을 저장하는 영상획득부; 상기 영상획득부에 저장된 시신경유두 주변의 망막신경섬유층 영상을, 상기 컴퓨터장치의 지시를 받아 딥 러닝(deep learning) 중 CNN(Convolutional Neural Network) 구조에 입력해 녹내장, 조기 녹내장, 또는 정상인 등급(class)으로 분류해 상기 데이터베이스에 저장하고 상기 디스플레이에 표시하는 등급분류 및 표시부; 상기 등급분류 및 표시부의 시신경유두 주변의 망막신경섬유층 영상에 합성곱 연산을 하여 특징 맵(feature map)을 추출하고, 상기 등급별 분류수치(classification score)를 추출하는 특징 맵과 등급별 분류수치 추출부; 상기 컴퓨터장치의 지시를 받아, 상기 분류수치의 구배(gradient)와 상기 특징 맵의 행렬곱(matrix multiplication)으로 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 획득하는 등급 활성 맵 획득부; 상기 점진적 등급 활성 맵을, 상기 컴퓨터장치의 지시를 받아 상기 디스플레이에 영상으로 표시하는 활성 맵 영상표시부; 및 상기 점진적 등급 활성 맵 중 활성이 높은 곳을, 상기 컴퓨터장치의 지시를 받아 의심영역으로 표시하는 의심영역 표시부를 포함하고, 상기 CNN 구조는 영상의 등급을 추정하도록 가중치(weight)를 조정할 수 있도록 역전파(back-propagation) 방법을 사용하는, 녹내장 조기진단과 의심영역 표시를 위한 시스템을 제공한다.The present invention also provides a system for early diagnosis of glaucoma and a suspected area display system, the system including a management server having a database and a computer device including a display connected to the management server via a wired or wireless network, wherein the management server includes: And an image acquisition unit configured to store a peripapillary retinal nerve fiber layer (p-RNFL) image around an optic nerve papilla (ONH) obtained by an optical coherence tomography (OCT) device according to the instructions of the computer device. The retinal nerve fiber layer image around the optic nerve papilla stored in the image acquisition unit is input to a convolutional neural network (CNN) structure during deep learning under the instruction of the computer device, and is classified into glaucoma, early glaucoma, or normal person. A classification and display unit for classifying and storing in the database and displaying on the display; A feature map and a classification value extraction unit for extracting a feature map by performing a composite product operation on the retinal nerve fiber layer images around the optic nerve papilla of the classification and display unit, and extracting the classification scores for each grade; A grade activity map acquisition unit for obtaining a gradual class activation map (Grad-CAM) by a gradient of the classification value and a matrix multiplication of the feature map under the instruction of the computer device; ; An active map image display unit for displaying the progressive grade activity map as an image on the display in response to an instruction of the computer device; And a suspicious area display unit which displays a place of high activity among the gradual grading activity maps as a suspicious area under the instruction of the computer device, wherein the CNN structure can adjust a weight to estimate a grading of an image. To provide a system for early diagnosis of glaucoma and indication of suspected areas, using back-propagation methods.
본 발명은 또한, 상기 CNN 구조는 합성곱 필터(convolution filter)를 평면상에서 이동시키면서 영상 특징을 추출하고, 상기 추출된 영상을 활성함수 Relu에 통과시킨 뒤, Pooling으로 크기를 축소하는 과정을 반복하여 얻은 특징을 활용하는, 녹내장 조기진단과 의심영역 표시를 위한 시스템을 제공한다.In another aspect, the CNN structure extracts an image feature while moving a convolution filter on a plane, passes the extracted image through an active function Relu, and repeats the process of reducing the size by pooling. It provides a system for early diagnosis of glaucoma and indication of suspected areas, utilizing the features obtained.
본 발명은 또한, 상기 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 획득하는 단계는, 수식 을 알고리즘으로 구현하는, 녹내장 조기진단과 의심영역 표시를 위한 시스템을 제공한다.In another aspect, the present invention, the step of obtaining the Gradient Class Activation Map (Grad-CAM), A system for early diagnosis of glaucoma and indication of suspicious areas is implemented.
본 발명은 빛간섭단층촬영(OCT)으로 획득한 시신경유두 주변의 망막신경섬유층(p-RNFL) 영상을 딥러닝 중 CNN(Convolutional Neural Network)방법을 적용하여 정상(Normal), 조기 녹내장(early Glaucoma) 및 중-후기 녹내장(Severe Glaucoma)로 진단할 뿐 아니라, 모델상에서 진단을 내리게 된 이유가 되는 영상의 영역표시를 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)으로 하므로, 정확하고 빠른 보조진단의 역할을 할 수 있다. The present invention is applied to the retinal nerve fiber layer (p-RNFL) image around the optic nerve papilla acquired by optical coherence tomography (OCT) by applying the CNN (Convolutional Neural Network) method during deep learning normal (early Glaucoma) In addition to diagnosing with) and Severe Glaucoma, the gradual class activation map (Grad-CAM) is used to display the area of the image that is the reason for diagnosis on the model. Can act as an assistant diagnostic
도 1은 본 발명의 한 구현예에 따른, 딥러닝 중 CNN을 적용한 녹내장 진단 및 Grad-CAM을 이용한 진단의심영역 표시 알고리즘의 순서도이다.
도 2는 시신경유두 주변의 망막신경섬유층에 대한 빛간섭단층촬영(OCT) 영상이다.
도 3은 시신경유두 주변의 망막신경섬유층에 대한 빛간섭단층촬영(OCT)에서 획득한 정상(Normal), 조기 녹내장(early Glaucoma) 및 중-후기 녹내장(Severe Glaucoma) 상태 영상이다.
도 4는 본 발명의 한 구현예에 적용한, 딥러닝 중 CNN(Convolutional Neural Network) 구조이다.
도 5는 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 흰색 펠리칸 영상에 적용한 예시를 나타낸다.
도 6은 시신경유두 주변의 망막신경섬유층에 대한 빛간섭단층촬영(OCT) 영상에 대하여 구현된 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른, 녹내장 조기진단과 의심영역 표시를 위한 시스템의 개념도를 나타낸다.FIG. 1 is a flow chart of a diagnostic interrogation region display algorithm using Grad-CAM and glaucoma diagnosis using CNN during deep learning.
Figure 2 is an optical coherence tomography (OCT) image of the retinal nerve fiber layer around the optic nerve papilla.
FIG. 3 shows normal, early glaucoma and severe glaucoma state images obtained by optical coherence tomography (OCT) of the retinal nerve fiber layer around the optic nerve papilla. FIG.
4 is a convolutional neural network (CNN) structure of deep learning applied to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 shows an example of applying a Gradient Class Activation Map (Grad-CAM) to a white pelican image.
FIG. 6 shows a gradual class activation map (Grad-CAM) implemented for optical coherence tomography (OCT) imaging of the retinal nerve fiber layer around the optic nerve papilla.
7 illustrates a conceptual diagram of a system for early diagnosis of glaucoma and indication of a suspected area according to an embodiment of the present invention.
다양한 구현예가 도면을 참조하여 개시된다. 아래 설명에서는 하나 이상의 구현예에서 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나 각 구현예는 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점이 인식되어야 한다. 이후의 기재 및 첨부된 도면은 하나 이상의 구현예의 특정한 예시를 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 예시는 예시적인 것이고 다양한 구현예의 원리에서 다양한 방법 중 일부가 이용될 수 있으며 기술되는 설명은 그러한 구현예 및 균등물을 모두 포함하고자 하는 의도이다.Various embodiments are disclosed with reference to the drawings. In the following description, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding in one or more embodiments. However, it should be appreciated that each implementation may be practiced without these specific details. The following description and the annexed drawings set forth in detail certain illustrative examples of one or more embodiments. However, these examples are exemplary and some of the various methods may be used in the principles of various embodiments and the description set forth is intended to include both such embodiments and equivalents.
다양한 구현예 및 특징이 다수의 부품 및 구성부를 포함할 수 있는 장치에 의하여 제시될 것이다. 다양한 장치가 추가적인 부품, 구성부를 포함할 수 있고 그리고/또는 도면과 관련하여 논의된 부품, 구성부 모두를 포함할 수 없다는 점 또한 이해되고 인식되어야 한다.Various embodiments and features will be presented by an apparatus that can include a number of parts and components. It should also be understood and appreciated that various devices may include additional components, components, and / or may not include all of the components, components discussed in connection with the drawings.
본 명세서에서 사용되는 "실시예", "구현예", "예시" 등은 기술된 임의의 구현예 또는 설계가 다른 구현예 또는 설계보다 양호하다거나, 이점이 있는 것으로 해석되지 않아야 한다. As used herein, "embodiment", "embodiment", "example" and the like should not be construed as any embodiment or design described above being better or advantageous than other embodiments or designs.
더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는 A 또는 B를 이용한다"가 각 경우 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이 라는 용어는 열거된 관련 항목 중 하나 이상의 항목의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.In addition, the term “or” is intended to mean an inclusive “or” rather than an exclusive “or”. In other words, unless specified otherwise or unambiguously in context, "X uses A or B" is intended to mean one of the natural implicit substitutions. That is, X uses A; X uses B; Or where X uses both A and B, "X uses A or B" can be applied in either case. It is also to be understood that the term "and / or" as used herein refers to and includes all possible combinations of one or more of the listed related items.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징, 단계, 동작, 구성요소 및/또는 구성부가 존재함을 의미하지만, 하나 이상의 다른 특징, 단계, 동작, 구성요소, 구성부 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 달리 특정되지 않거나 단수 형태를 지시하는 것으로 문맥상 명확하지 않은 경우에, 본 명세서와 청구범위에서 단수는 일반적으로 "하나 또는 그 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.Also, the terms "comprises" and / or "comprising" mean that there is a corresponding feature, step, action, component, and / or component, but one or more other features, steps, actions, components, configurations It should be understood that it does not exclude the presence or addition of parts and / or groups thereof. Also, unless otherwise specified or in the context of indicating a singular form, the singular in the specification and claims should generally be interpreted as meaning "one or more."
도 1은 본 발명의 한 구현예에 따른, 딥러닝 중 CNN을 적용한 녹내장 진단 및 Grad-CAM을 이용한 진단의심영역 표시 알고리즘의 순서도이다. 본 발명의 일 구현예에 따른 녹내장 조기진단과 의심영역 표시 방법은, 빛간섭단층촬영(OCT)으로 시신경유두(ONH) 주변의 망막신경섬유층(peripapillary retinal nerve fiber layer: p-RNFL)의 영상을 획득하는 단계에서 출발한다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 획득한 시신경유두 주변의 망막신경섬유층 영상을 딥 러닝(deep learning) 중 CNN(Convolutional Neural Network) 구조에 입력해 녹내장, 조기 녹내장, 또는 정상인 등급(class)으로 분류해 표시하고 특징 맵(feature map)과 상기 등급별 분류수치(classification score)를 추출한다. 이렇게 추출한 상기 분류수치의 구배(gradient)와 상기 특징 맵의 행렬곱(matrix multiplication)으로, 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 획득한다. 본 발명의 일 구현예 에서는, 상기 점진적 등급 활성 맵을 영상으로 표시하며, 상기 점진적 등급 활성 맵 중 활성이 높은 곳을 의심영역으로 표시한다. 또한 상기 CNN 구조는 영상의 등급을 추정하도록 가중치(weight)를 조정할 수 있도록 역전파(back-propagation) 방법을 사용할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 CNN은 학습되며, 상기 학습은 영상을 넣고 그 영상의 정답이 예를 들어 녹내장이라하면, CNN 구조가 영상에서 특징점들을 자동으로 추출하고, 레이블로 주어진 정답을 맞추도록 가중치(weight)를 바꾸면서 진행한다.1 is a flow chart of a diagnostic interrogation region display algorithm using glad-diagnosing glaucoma and Cd-CAM during deep learning according to an embodiment of the present invention. Glaucoma early diagnosis and suspected area display method according to an embodiment of the present invention, by using optical coherence tomography (OCT) image of the retinal nerve fiber layer (peripapillary retinal nerve fiber layer: p-RNFL) around the optic nerve papilla (ONH) Start at the stage of acquisition. In one embodiment of the present invention, the obtained retinal nerve fiber layer image around the optic nerve papilla is input into a convolutional neural network (CNN) structure during deep learning and classified into glaucoma, early glaucoma, or normal class. A feature map and a classification score for each grade are extracted. A gradient class activation map (Grad-CAM) is obtained from the extracted gradient of the classification value and matrix multiplication of the feature map. In one embodiment of the present invention, the progressive grade activity map is displayed as an image, and the place of high activity among the progressive grade activity maps is displayed as a suspect area. In addition, the CNN structure may use a back-propagation method so that a weight may be adjusted to estimate a grade of an image. In one embodiment of the invention, the CNN is trained, the learning is to put the image and if the correct answer of the image is, for example, glaucoma, the CNN structure automatically extracts the feature points in the image, matching the correct answer given by the label Proceed with varying weights.
도 2는 시신경유두 주변의 망막신경섬유층에 대한 빛간섭단층촬영(OCT) 영상이이고, 도 3은 시신경유두 주변의 망막신경섬유층에 대한 빛간섭단층촬영(OCT)에서 획득한 정상(Normal), 조기 녹내장(early Glaucoma) 및 중-후기 녹내장(Severe Glaucoma) 상태 영상이다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 빛간섭단층촬영(OCT)으로 획득한 시신경유두(ONH) 주변의 망막신경섬유층(peripapillary retinal nerve fiber layer: p-RNFL)의 영상은 시신경유두 주변의 망막신경섬유층 두께를 색깔별 지도(color-map)로 표시한다. 본 발명의 일 구현예에서 녹내장 진단의 정답(ground truth)은 서울대학교 병원 안과 녹내장 전문의 3인의 의견을 기준으로 하였다. 2 is an optical coherence tomography (OCT) image of the retinal nerve fiber layer around the optic nerve papilla, and FIG. 3 is a normal (Omal) obtained by optical coherence tomography (OCT) of the retinal nerve fiber layer around the optic nerve papilla. Early Glaucoma and Severe Glaucoma Status Imaging. In one embodiment of the present invention, the image of the peripapillary retinal nerve fiber layer (p-RNFL) around the optic nerve papilla (ONH) obtained by optical coherence tomography (OCT) is the retinal nerve fiber layer around the optic nerve papilla The thickness is displayed as a color-map. In one embodiment of the present invention, the ground truth of glaucoma diagnosis was based on the opinions of three ophthalmologists and glaucoma specialists in Seoul National University Hospital.
도 4는 본 발명의 한 구현예에 적용한, 딥러닝 중 CNN(Convolutional Neural Network) 구조이다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 CNN 구조는 합성곱 필터(convolution filter)를 평면상에서 이동시키면서 영상 특징을 추출하고, 상기 추출된 영상을 활성함수 Relu에 통과시킨 뒤, Pooling으로 크기를 축소하는 과정을 반복하여 얻은 특징을 활용한다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 CNN 구조는 이미지의 분별(Classification), 탐지(Detection), 분할(segmentation) 등에 응용되는 구조이고, 합성곱(Convolution)은 합성곱 필터(filter)를 우측과 아래로 이동시키면서, 이미지와 필터사이의 내적(Inner product)을 이용해 이미지 특징(feature)을 추출한다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 추출된 이미지는 렐루(Relu)라는 활성함수(activation function)를 통과한다. 상기 활성함수를 통과한 특징 맵(feature map)들은 풀링(Pooling)이라는 과정을 통해 절반으로 크기가 줄어들며 합성곱, 활성함수, 풀링(Pooling)과정을 여러 번 거친 후에 얻어진 특징을 한 줄로 펴서, 완전 연결된 층(Fully connected layer)연산을 통해 등급(Class)의 개수만 큼 마디(node)수를 줄여서 분류(Classification)을 진행한다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 학습과정에서는 역전파(back-propagation)라는 방법을 통해, 예측하고자 하는 군집(class)의 이미지를 추정하도록 가중치(weight)값을 조정한다. 발명에서는 Classification용으로 OCT이미지의 p-RNFL이미지를 crop하여 CNN의 input으로 사용하고, CNN 구조를 이용하여 녹내장, 조기 녹내장, 정상 3가지로 분류한다. 4 is a convolutional neural network (CNN) structure of deep learning applied to an embodiment of the present invention. In one embodiment of the present invention, the CNN structure is the process of extracting the image feature while moving the convolution filter (planar convolution filter) on the plane, passing the extracted image through the active function Relu, the process of reducing the size by pooling Use the features obtained by repeating In one embodiment of the present invention, the CNN structure is a structure applied to classification, detection, segmentation, etc. of an image, and a convolution product is a right and a lower convolution filter. While moving, the image feature is extracted using the inner product between the image and the filter. In one embodiment of the present invention, the extracted image passes through an activation function called Relu. The feature maps that pass through the active function are reduced in size through a process called pooling, and are lined up with the features obtained after multiple times of the product, active function, and pooling process. Classification is performed by reducing the number of nodes as large as the number of classes through the operation of a fully connected layer. In one embodiment of the present invention, in the learning process, a weight value is adjusted to estimate an image of a class to be predicted through a method called back-propagation. In the present invention, p-RNFL image of OCT image is cropped for classification and used as input of CNN, and classified into three types of glaucoma, early glaucoma, and normal using CNN structure.
도 5는 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 흰색 펠리칸 영상에 적용한 예시를 나타낸다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 획득하는 단계는, 수식FIG. 5 shows an example of applying a Gradient Class Activation Map (Grad-CAM) to a white pelican image. In one embodiment of the present invention, the step of obtaining the Gradient Class Activation Map (Grad-CAM) is a mathematical formula.
을 알고리즘으로 구현한다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 분류가 완료된 후에, 내부의 가중치(weight)와 특징 맵(feature map)을 이용해 각각의 클래스에 대한 활성도를 이미지로 표시해 주며, 여기서 특징 맵(feature map)은 이미지에 합성곱 연산을 한 뒤 만들어진 특징(feature)들을 의미한다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 점진적 등급 활성 맵(Grad-CAM)을 구하는 방법은 합성곱(convolution)을 통과한 특징 맵(feature map)과 각각의 등급에 대한 특정 클래스로 분류할 점수(logit값)의 구배(gradient)에 합성곱(convolution)을 통과한 특징 맵(feature map)의 곱을 이용해 구한다. 본 발명의 일 구현예에서 상기 점진적 등급 활성 맵(Grad-CAM)은, 기존에 나와 있던 등급 활성 맵(CAM)이라는 구조가 범용적으로 사용될 수 없다는 단점을 극복하고 거의 모든 CNN구조에서 사용 가능하다. 이와 같은 방법으로 뽑은 점진적 등급 활성 맵(Grad-CAM)을 원본이미지 사이즈로 바꿔서 겹치면, 원본 이미지 중에 어떤 부분 때문에 특정 클래스와 분류 되었는지 확인할 수 있다.Is implemented by an algorithm. In one embodiment of the present invention, after the classification is completed, the activity for each class is displayed as an image using an internal weight and a feature map, wherein the feature map is displayed on the image. It means the features created after the multiplication operation. In one embodiment of the present invention, the method for obtaining the progressive grade activity map (Grad-CAM) may include a feature map passed through a convolution and a score to be classified into a specific class for each grade. This is obtained using the product of the gradient of) and the feature map passed through the convolution. In one embodiment of the present invention, the progressive grade activity map (Grad-CAM) can be used in almost all CNN structures, overcoming the disadvantage that the existing structure of the grade activity map (CAM) cannot be used universally. . In this way, if the grading grade activity map (Grad-CAM) drawn in this way is overlapped with the original image size, it can be identified which part of the original image is classified as a specific class.
도 6은 시신경유두 주변의 망막신경섬유층에 대한 빛간섭단층촬영(OCT) 영상에 대하여 구현된 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 나타낸다. 도 6(a)는 원본 영상이고, 6(b)는 활성화가 많이 된 부분을 박스로 표시한 영상이며, 6(c)는 점진적 등급 활성 맵, 6(d)는 점진적 등급 활성 맵을 투명하게 하여 겹친 영상이다. 상기 원본 영상에서 빨간색은 망막신경섬유층의 두께가 두껍고, 파란색은 망막신경섬유층의 두께가 얇은 부분을 의미한다. 망막신경섬유층의 두께가 얇아진, 즉 파란색으로 나타나는 구역의 위치와 범위, 패턴 등을 종합적으로 고려하여 녹내장 여부를 평가한다. 상기 구현된 Grad-CAM의 활성 영역을 보면, 의사들의 관심 영역인 Supero-Temporal(점진적 등급 활성 맵인 도 6(c)의 왼쪽 위)와 Infero-Temporal(점진적 등급 활성 맵인 도6(c)의 왼쪽 아래) 부분에 활성이 많이 일어나는 것을 확인 할 수 있다. 상기 영상자료를 통해, 딥러닝 상의 녹내장 진단 근거와 임상의가 녹내장 진단에 중요하다고 판단하는 영역이 상당히 일치하는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 알지 못하는(unknown) 영상을 모델에 넣어 점진적 등급 활성 맵(Grad-CAM)영역을 뽑아 보면 시신경이 얇아진 부분을 박스 영역으로 표시할 수 있어서, 임상의가 의심 영역을 보고 빠르고 정확하게 녹내장 진단을 내리는데 도움을 줄 수 있게 된다. 본 발명의 일 구현예에서 학습된 CNN 구조에서 시험(test)단계에 특징 맵(feature map), 등급별 분류수치(classification score)를 추출하고, 상기 수식에 나온 수식을 알고리즘상에 구현하여, 점진적 등급 활성 맵(Grad-CAM)을 구현하였다. Figure 6 shows a Gradient Class Activation Map (Grad-CAM) implemented on optical coherence tomography (OCT) images of the retinal nerve fiber layer around the optic nerve papilla. 6 (a) is the original image, 6 (b) is an image showing a box with a lot of activation, 6 (c) is a progressive grade active map, 6 (d) is a progressive grade active map transparent This is an overlapping video. In the original image, red means a thick layer of retinal nerve fiber layer, and blue means a thin portion of retinal nerve fiber layer. Glaucoma is evaluated by comprehensively considering the location, extent, and pattern of the thinner retinal nerve fiber layer, that is, the blue area. Looking at the active region of the implemented Grad-CAM, the left side of Supero-Temporal (the upper left of FIG. 6 (c), the progressive grade activity map) and Infero-Temporal (the progressive grade activity map, FIG. You can see that a lot of activity occurs at the bottom). Through the image data, it is possible to confirm that the evidence for diagnosis of glaucoma on the deep learning and the area that the clinician considers important for the diagnosis of glaucoma are substantially coincident with each other. Pulling out the Grad-CAM area can mark the thinner part of the optic nerve as a box area, which can help the clinician see the suspected area and make a fast and accurate diagnosis of glaucoma. In the CNN structure trained in one embodiment of the present invention, a feature map and a classification score for each grade are extracted in a test step, and the formula shown in the above formula is implemented on an algorithm to incrementally grade. Activity map (Grad-CAM) was implemented.
도 7은 본 발명의 일 구현예에 따른, 녹내장 조기진단과 의심영역 표시를 위한 시스템의 개념도를 나타낸다. 본 발명의 일 구현예에서, 상기 시스템은, 데이터베이스를 구비한 관리서버(1) 및 상기 관리서버와 유무선 네트워크(100)로 연결되는, 디스플레이를 포함하는 컴퓨터장치(300)를 포함하고, 상기 관리서버(1)는, 상기 컴퓨터장치의 지시를 받아 본 발명 구성요소에 속하지 않을 수 있는 빛간섭단층촬영(OCT) 장치(200)가 획득한 시신경유두(ONH) 주변의 망막신경섬유층(peripapillary retinal nerve fiber layer: p-RNFL) 영상을 상기 유무선 네트워크로 전달받아 저장하는 영상획득부(10); 상기 영상획득부에 저장된 시신경유두 주변의 망막신경섬유층 영상을, 상기 컴퓨터장치의 지시를 받아 딥 러닝(deep learning) 중 CNN(Convolutional Neural Network) 구조에 입력해 녹내장, 조기 녹내장, 또는 정상인 등급(class)으로 분류해 상기 데이터베이스에 저장하고 상기 디스플레이에 표시하는 등급분류 및 표시부(20); 상기 등급분류 및 표시부의 시신경유두 주변의 망막신경섬유층 영상에 합성곱 연산을 하여 특징 맵(feature map)을 추출하고, 상기 등급별 분류수치(classification score)를 추출하는 특징 맵과 등급별 분류수치 추출부(30); 상기 컴퓨터장치의 지시를 받아, 상기 분류수치의 구배(gradient)와 상기 특징 맵의 행렬곱(matrix multiplication)으로 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 획득하는 등급 활성 맵 획득부(40); 상기 점진적 등급 활성 맵을, 상기 컴퓨터장치의 지시를 받아 상기 디스플레이에 영상으로 표시하는 활성 맵 영상표시부(50); 및 상기 점진적 등급 활성 맵 중 활성이 높은 곳을, 상기 컴퓨터장치의 지시를 받아 의심영역으로 표시하는 의심영역 표시부(60)를 포함하고, 상기 CNN 구조는 영상의 등급을 추정하도록 가중치(weight)를 조정할 수 있도록 역전파(back-propagation) 방법을 사용하며, 합성곱 필터(convolution filter)를 평면상에서 이동시키면서 영상 특징을 추출하고, 상기 추출된 영상을 활성함수 Relu에 통과시킨 뒤, Pooling으로 크기를 축소하는 과정을 반복하여 얻은 특징을 활용한다. 또한, 상기 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 획득하는 단계는, 수식 7 illustrates a conceptual diagram of a system for early diagnosis of glaucoma and indication of a suspected area according to an embodiment of the present invention. In one embodiment of the invention, the system comprises a
을 알고리즘으로 구현한다. Is implemented by an algorithm.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 일 구현 예를 이용하여 설명한 것으로써, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에서 설명된 구현 예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 구현 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The above description has described the technical idea of the present invention by using one embodiment, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present invention. . Therefore, the embodiments described in the present invention are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
1. 데이터베이스를 구비한 관리서버
10. 영상획득부
20. 등급분류 및 표시부
30. 특징 맵과 등급별 분류수치 추출부
40. 등급 활성 맵 획득부
50. 활성 맵 영상표시부
60. 의심영역 표시부
100. 유무선 네트워크
200. 빛간섭단층촬영(OCT) 장치
300. 디스플레이를 포함하는 컴퓨터장치1. Management server with database
10. Image Acquisition Unit
20. Classification and display
30. Feature Map and Classification Value Extraction Unit by Grade
40. Rank Active Map Acquisition Unit
50. Active Map Image Display
60. Suspect Area Display
100. Wired and wireless network
200. Optical Coherence Tomography (OCT) Device
300. Computer device including display
Claims (6)
상기 방법은, 빛간섭단층촬영(OCT)으로 시신경유두(ONH) 주변의 망막신경섬유층(peripapillary retinal nerve fiber layer: p-RNFL)의 영상을 획득하는 단계;
상기 획득한 시신경유두 주변의 망막신경섬유층 영상을 딥 러닝(deep learning) 중 CNN(Convolutional Neural Network) 구조에 입력해 녹내장, 조기 녹내장, 또는 정상인 등급(class)으로 분류해 표시하고 특징 맵(feature map)과 상기 등급별 분류수치(classification score)를 추출하는 단계;
상기 분류수치의 구배(gradient)와 상기 특징 맵의 행렬곱(matrix multiplication)으로, 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 획득하는 단계;
상기 점진적 등급 활성 맵을 영상으로 표시하는 단계; 및
상기 점진적 등급 활성 맵 중 활성이 높은 곳을 의심영역으로 표시하는 단계를 포함하고,
상기 CNN 구조는 영상의 등급을 추정하도록 가중치(weight)를 조정할 수 있도록 역전파(back-propagation) 방법을 사용하는,
녹내장 조기진단과 의심영역 표시 방법.
Early diagnosis and indication of suspected glaucoma:
The method includes acquiring an image of a peripapillary retinal nerve fiber layer (p-RNFL) around an optic nerve papilla (ONH) by optical coherence tomography (OCT);
The obtained retinal nerve fiber layer image around the optic nerve papilla is input into a convolutional neural network (CNN) structure during deep learning, classified into glaucoma, early glaucoma, or normal class, and then displayed as a feature map. ) And extracting a classification score for each grade;
Acquiring a gradient class activation map (Grad-CAM) as a gradient of the classification value and matrix multiplication of the feature map;
Displaying the progressive grade activity map as an image; And
And displaying a place of high activity in the progressive grade activity map as a suspicious area,
The CNN structure uses a back-propagation method to adjust a weight to estimate a grade of an image.
Early diagnosis of glaucoma and indication of suspected areas.
상기 CNN 구조는 합성곱 필터(convolution filter)를 평면상에서 이동시키면서 영상 특징을 추출하고, 상기 추출된 영상을 활성함수 Relu에 통과시킨 뒤, Pooling으로 크기를 축소하는 과정을 반복하여 얻은 특징을 활용하는,
녹내장 조기진단과 의심영역 표시 방법.
The method of claim 1,
The CNN structure extracts an image feature while moving a convolution filter on a plane, passes the extracted image through an active function Relu, and utilizes the feature obtained by repeatedly reducing the size by pooling. ,
Early diagnosis of glaucoma and indication of suspected areas.
상기 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 획득하는 단계는, 수식
을 알고리즘으로 구현하는,
녹내장 조기진단과 의심영역 표시 방법.
The method of claim 1,
Obtaining the Gradient Class Activation Map (Grad-CAM),
Is implemented by an algorithm,
Early diagnosis of glaucoma and indication of suspected areas.
상기 시스템은, 데이터베이스를 구비한 관리서버 및 상기 관리서버와 유무선 네트워크로 연결되는, 디스플레이를 포함하는 컴퓨터장치를 포함하고,
상기 관리서버는, 상기 컴퓨터장치의 지시를 받아 빛간섭단층촬영(OCT) 장치가 획득한 시신경유두(ONH) 주변의 망막신경섬유층(peripapillary retinal nerve fiber layer: p-RNFL) 영상을 상기 유무선 네트워크로 전달받아 저장하는 영상획득부;
상기 영상획득부에 저장된 시신경유두 주변의 망막신경섬유층 영상을, 상기 컴퓨터장치의 지시를 받아 딥 러닝(deep learning) 중 CNN(Convolutional Neural Network) 구조에 입력해 녹내장, 조기 녹내장, 또는 정상인 등급(class)으로 분류해 상기 데이터베이스에 저장하고 상기 디스플레이에 표시하는 등급분류 및 표시부;
상기 등급분류 및 표시부의 시신경유두 주변의 망막신경섬유층 영상에 합성곱 연산을 하여 특징 맵(feature map)을 추출하고, 상기 등급별 분류수치(classification score)를 추출하는 특징 맵과 등급별 분류수치 추출부;
상기 컴퓨터장치의 지시를 받아, 상기 분류수치의 구배(gradient)와 상기 특징 맵의 행렬곱(matrix multiplication)으로 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 획득하는 등급 활성 맵 획득부;
상기 점진적 등급 활성 맵을, 상기 컴퓨터장치의 지시를 받아 상기 디스플레이에 영상으로 표시하는 활성 맵 영상표시부; 및
상기 점진적 등급 활성 맵 중 활성이 높은 곳을, 상기 컴퓨터장치의 지시를 받아 의심영역으로 표시하는 의심영역 표시부를 포함하고,
상기 CNN 구조는 영상의 등급을 추정하도록 가중치(weigt)를 조정할 수 있도록 역전파(back-propagation) 방법을 사용하는,
녹내장 조기진단과 의심영역 표시를 위한 시스템.
Glaucoma early diagnosis and suspected area indication system:
The system includes a management server having a database and a computer device including a display connected to the management server in a wired or wireless network,
The management server receives a peripapillary retinal nerve fiber layer (p-RNFL) image around the optic nerve papilla (ONH) obtained by an optical coherence tomography (OCT) device under the direction of the computer device. Image acquisition unit for receiving and storing;
The retinal nerve fiber layer image around the optic nerve papilla stored in the image acquisition unit is input to a convolutional neural network (CNN) structure during deep learning under the instruction of the computer device, and is classified into glaucoma, early glaucoma, or normal person. A classification and display unit for classifying and storing in the database and displaying on the display;
A feature map and a classification value extraction unit for extracting a feature map by extracting a feature map by performing a synthetic product operation on the retinal nerve fiber layer images around the optic nerve papilla of the classification and display unit;
A grade activity map acquisition unit for obtaining a gradual class activation map (Grad-CAM) by the gradient of the classification value and matrix multiplication of the feature map under the instruction of the computer device. ;
An active map image display unit for displaying the progressive grade activity map as an image on the display in response to an instruction of the computer device; And
A suspicious area display unit which displays a place of high activity among the progressive grade activity maps as a suspicious area under the instruction of the computer device,
The CNN structure uses a back-propagation method to adjust weights to estimate the grade of an image.
System for early diagnosis of glaucoma and indication of suspected areas.
상기 CNN 구조는 합성곱 필터(convolution filter)를 평면상에서 이동시키면서 영상 특징을 추출하고, 상기 추출된 영상을 활성함수 Relu에 통과시킨 뒤, Pooling으로 크기를 축소하는 과정을 반복하여 얻은 특징을 활용하는,
녹내장 조기진단과 의심영역 표시를 위한 시스템.
The method of claim 4, wherein
The CNN structure extracts an image feature while moving a convolution filter on a plane, passes the extracted image through an active function Relu, and utilizes the feature obtained by repeatedly reducing the size by pooling. ,
System for early diagnosis of glaucoma and indication of suspected areas.
상기 점진적 등급 활성 맵(Gradient Class Activation Map: Grad-CAM)을 획득하는 단계는, 수식
을 알고리즘으로 구현하는,
녹내장 조기진단과 의심영역 표시를 위한 시스템.The method of claim 4, wherein
Obtaining the Gradient Class Activation Map (Grad-CAM),
Is implemented by an algorithm,
System for early diagnosis of glaucoma and indication of suspected areas.
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