WO2019074152A1 - 안구의 이미지 분석 방법 - Google Patents

안구의 이미지 분석 방법 Download PDF

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WO2019074152A1 PCT/KR2017/013058 KR2017013058W WO2019074152A1 WO 2019074152 A1 WO2019074152 A1 WO 2019074152A1 KR 2017013058 W KR2017013058 W KR 2017013058W WO 2019074152 A1 WO2019074152 A1 WO 2019074152A1
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김학수
신동호
김태현
문성호
이세병
임영경
정종휘
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    • A61B3/10—Objective types, i.e. instruments for examining the eyes independent of the patients' perceptions or reactions
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    • A61B3/145—Arrangements specially adapted for eye photography by video means
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    • G—PHYSICS
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    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
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    • G06T2207/30—Subject of image; Context of image processing
    • G06T2207/30004—Biomedical image processing
    • G06T2207/30041—Eye; Retina; Ophthalmic

Definitions

  • the present invention relates to an image analysis method of an eyeball.
  • Proton beam treatment has the advantage of precisely aiming and destroying only the cancer cells present at a certain depth in the human body by regulating the energy of the proton beam passing through the human body.
  • the position of the clip inserted into the eye was confirmed using an x-ray image.
  • An eye model was created using the eye size measured from the position of the identified clip and the dose was calculated to establish the treatment plan.
  • the prior art does not sufficiently reflect the three-dimensional shape of the eyeball, so that accurate dose calculation and tumor contouring are difficult, and it is difficult to establish an accurate treatment plan.
  • an object of the present invention to provide an image analysis method of an eyeball capable of establishing an accurate treatment plan.
  • a method of analyzing an image of an eyeball comprising: obtaining a 3D image of the eyeball; Obtaining a 3D model of the eyeball from the 3D image; And obtaining the rotational center axis of the eyeball using the 3D model.
  • the determination of the eyeball angle can be made based on the particle treatment beam amount applied to the lens of the eyeball and the optic nerve.
  • the establishment of the eye treatment plan may include the determination of the ocular gaze direction during treatment.
  • the 3D image may be obtained using at least one of CT and MR.
  • the 3D image may be obtained for a plurality of eye directions of the eyeball.
  • the plurality of gaze directions can be obtained by changing the position of the light gauges.
  • an eye image analysis method capable of establishing an accurate treatment plan.
  • FIG. 1 is a flowchart of an image analysis method of an eyeball according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 2A, 2B and 2C illustrate 3D image acquisition and rotation center axis determination in an eye image analysis method according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 3A and 3B illustrate eyeball angle determination in an image analysis method of an eyeball according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a view for explaining generation of an eyeball rotation image in a method of analyzing an image of an eyeball according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is intended to illustrate the treatment of an ocular tumor of a patient.
  • the rotational center axis of the eyeball obtained according to the present invention is utilized for establishing the eye treatment plan, but the rotational center axis of the eyeball obtained according to the present invention can be used for other purposes.
  • FIG. 1 An image analysis method of an eyeball according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
  • FIG. 1 is a diagrammatic representation of an eyeball according to the present invention.
  • FIG. 1 is a flowchart of a method of analyzing an image of an eye according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 2A, 2B, and 2C illustrate a method of analyzing an image of an eye according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 3A and 3B are views for explaining the eyeball angle determination in the eyeball image analysis method according to an embodiment of the present invention, and
  • FIG. 4 are views for explaining an eyeball image analysis method according to an embodiment of the present invention
  • Fig. 5 illustrates the treatment of an ocular tumor of a patient.
  • a proton beam is exemplified as a particle treatment beam for treatment, but the particle treatment beam of the present invention is not limited to a proton beam, and a carbon beam or the like may be used.
  • a 3D image of the eyeball is obtained (S100).
  • the 3D image can be obtained by using computed tomography (CT) and / or magnetic resonance (MR), but is not limited thereto.
  • CT computed tomography
  • MR magnetic resonance
  • the 3D image consists of a set of slices by tomography.
  • the 3D image can be obtained from a plurality of eye directions of the eyeball as shown in FIGS. 2A and 2B.
  • a light gauge can be used to change and fix the direction of eye gaze.
  • the image is acquired while the gaze is fixed in a specific direction.
  • tantalum clips are inserted into the patient's retina or eye size is measured.
  • the inserted clip is used to verify the rotational position of the eyeball with the X-ray image to match the eye rotation angle of the treatment plan prior to patient treatment.
  • Eye size is used for semi-automatic eye segmentation.
  • a 3D model for the eyeball is generated based on the 3D image (S200).
  • the 3D model can be obtained by performing semi-auto ocular segmentation on each of a plurality of photographed images.
  • Various methods can be used for the generation of the 3D model, and the following methods can be used.
  • the 3D model of the eye is made using eye size information such as eyeball length, sclera thickness, rim bus diameter, and lens thickness measured in ophthalmology.
  • the generated model automatically matches the outline of the eyeball in the 3D image.
  • the outline of the eyeball automatically sets the segmentation area and performs automatic segmentation by clustering, compression-based, and histogram-based methods. These methods are common methods used for segmentation and methods that can accurately extract the outline of the eye from a 3D image can be used.
  • the rotation center axis of the eyeball is determined from the 3D model (S300).
  • the rotation center axis can be obtained from the intersection point of the line passing through the lens of the eye in the different viewing direction as shown in Fig. 2C.
  • 3D models can be generated for different viewing directions, and the rotation center axis can be calculated using a plurality of 3D models.
  • the intersection of the lines passing through the lens from three or more 3D models is not a single point, a point at which the sum of the distances to a plurality of intersection points becomes minimum can be selected as the rotation center axis to minimize the error.
  • the eyeball angle at the time of treatment is determined while rotating the eyeball on the 3D model (S400).
  • the eye angle at the time of treatment i.e., the optimal eye angle, can be determined based on the amount of radiation applied to the lens of the eye and the optic nerve.
  • the proton beam emitted from the proton beam passes through the eye to treat an ocular tumor.
  • Adjusting the angle of rotation of the eye and the energy of the proton beam irradiator can reduce the radiation dose to the lens and optic nerve while treating the ocular tumor.
  • This process determines the optimal angle of the eye at the time of treatment.
  • the rotation image of the eyeball is generated while only the eyeball is rotated in the 3D image (S500). That is, as shown in FIG. 4, the eye image is rotated around the rotation center axis in the 3D image.
  • the 3D image has a three-dimensional coordinate system and can acquire a rotated image of the eyeball by moving all the pixel values on the image in the 3D model of the eyeball by the eyeball rotation angle.
  • a three-dimensional spherical coordinate system having a rotation center axis as an origin is used.
  • the position of the pixel to be moved can be calculated from the spherical coordinate system (r, ⁇ , ⁇ ) by the Cartesian coordinate system transformation.
  • r is the distance from the origin
  • ⁇ is the angle between the origin and the pixel position from the positive direction of the z axis
  • ⁇ is the angle between the origin and the pixel position from the positive direction of the x axis.
  • an eye treatment plan is established based on the rotation image of the eyeball (S600).
  • the eye treatment plan uses a rotating image of the eyeball.
  • the width of the beam in the beam incidence direction covering the tumor can be controlled using a brass block.
  • the brass block should be made to conform to the shape of the tumor in a plane perpendicular to the beam incidence direction.
  • the energy covering the tumor reaches the end of the tumor in the direction of beam incidence and can be used as a spread-out Bragg Peak (SOBP) to cover the thickness of the tumor in the direction of incidence.
  • SOBP spread-out Bragg Peak
  • the margin of the patient's treatment fixture can be placed in consideration of the inaccuracy of the fixation device and the penumbra of the proton beam caused by the brass block.
  • the treatment plan may include the use of a light gauze or tantalum clip positioning using an X-ray image for therapeutic setup.
  • a light gauze or tantalum clip positioning using an X-ray image for therapeutic setup.
  • the position of the tantalum clips formed by taking two X-ray images in the direction perpendicular to the beam direction and the beam direction is compared with a virtual DRR (Digitally Reconstructed Radiography) Adjust the angle so that it is the same as the plan.
  • DRR Digitally Reconstructed Radiography
  • the patient may be subjected to proton beam treatment in a lying state as shown in FIG.

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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.

Description

안구의 이미지 분석 방법
본 발명은 안구의 이미지 분석 방법에 관한 것이다.
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.
양성자빔을 사용하여 안구종양 치료에서 렌즈 및 시신경과 같은 중요한 장기들에 가해지는 방사선량을 최소화하기 위해서는 안구 이미지의 분석을 통한 치료계획 수립이 필요하다.
종래 기술에서는 엑스레이 이미지를 이용하여 안구에 삽입된 클립위치를 확인하였다. 확인된 클립의 위치로부터 실측된 안구사이즈를 이용하여 안구모델을 생성하고 선량 계산을 하여 치료계획을 수립하였다.
그러나 종래 기술에서는 안구의 3차원적 형상을 충분히 반영하지 않아 정확한 선량계산 및 종양 컨투어링이 어려웠으며, 이에 따라 정확한 치료계획을 수립하기 어려운 문제가 있었다.
따라서 본 발명의 목적은 정확한 치료계획 수립이 가능한 안구의 이미지 분석 방법을 제공하는 것이다.
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.
상기 3D 모델 및 상기 회전중심축을 이용하여 입자치료빔 치료를 위한 안구 각도를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 안구 각도의 결정은 상기 안구의 렌즈 및 시신경에 가해지는 입자치료빔량에 기초하여 이루어질 수 있다.
결정된 상기 안구 각도를 이용하여 상기 3D 이미지 내에서 상기 안구를 회전하여 안구 회전 이미지를 얻는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 안구 회전 이미지로부터 안구 치료 계획을 수립하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 안구 치료 계획의 수립은 치료 시 안구 시선 방향 결정을 포함할 수 있다.
상기 3D 이미지는 CT 및 MR 중 적어도 어느 하나를 이용하여 얻어질 수 있다.
상기 3D 이미지는, 상기 안구의 복수의 시선 방향에 대해 얻는 것일 수 있다.
상기 복수의 시선 방향은 라이트 게이저의 위치를 변경하여 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면 정확한 치료계획 수립이 가능한 안구의 이미지 분석 방법이 제공된다.
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.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 사상이 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.
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.
이하 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 안구의 이미지 분석 방법을 설명한다.
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.
이하의 설명에서는 치료를 위한 입자치료빔으로 양성자빔을 예시하여 설명하나, 본 발명의 입자치료빔은 양성자빔에 한정되지 않고 탄소빔 등이 사용될 수도 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
3D모델을 생성한 후에는 3D모델로부터 안구의 회전중심축을 결정한다(S300). 회전중심축은 도 2c와 같이 서로 다른 시선방향에서의 안구의 렌즈를 통과하는 선의 교차점으로부터 구할 수 있다.
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.
이후 3D모델 상에 안구를 회전시키면서 치료시의 안구각도를 결정한다(S400). 치료시의 안구각도, 즉 최적의 안구각도는 안구의 렌즈 및 시신경에 가해지는 방사선량에 기초하여 결정될 수 있다.
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.
이와 같은 과정을 통해 치료시의 최적의 안구각도가 결정된다.
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 회전각도만큼 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.
r 은 원점에서의 거리, θ는 z축의 양의 방향으로부터 원점과 픽셀의 위치가 이루는 각도, φ는 x축의 양의 방향으로부터 원점과 픽셀의 위치가 이루는 각도로 구성된다.
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.
환자의 치료 고정장치의 부정확도, 황동 블럭에 의해 생기는 양성자 빔의 반영(penumbra)을 고려하여 마진(margin)을 둘 수 있다.
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.
치료 시 환자는 도 5와 같이 누워있는 상태에서 양성자빔 치료를 받을 수 있다.
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.

Claims (9)

  1. 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 안구의 이미지 분석 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3D 모델 및 상기 회전중심축을 이용하여 입자치료빔 치료를 위한 안구 각도를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안구의 이미지 분석 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 안구 각도의 결정은 상기 안구의 렌즈 및 시신경에 가해지는 입자치료빔량에 기초하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 안구의 이미지 분석 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    결정된 상기 안구 각도를 이용하여 상기 3D 이미지 내에서 상기 안구를 회전하여 안구 회전 이미지를 얻는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안구의 이미지 분석 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 안구 회전 이미지로부터 안구 치료 계획을 수립하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 안구의 이미지 분석 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 안구 치료 계획의 수립은 치료 시 안구 시선 방향 결정을 포함하는 것을 특징으로 안구의 이미지 분석 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 3D 이미지는 CT 및 MR 중 적어도 어느 하나를 이용하여 얻는 것을 특징으로 하는 안구의 이미지 분석 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 3D 이미지는,
    상기 안구의 복수의 시선 방향에 대해 얻는 것을 특징으로 하는 안구의 이미지 분석 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 시선 방향은 라이트 게이저의 위치를 변경하여 얻는 것을 특징으로 하는 안구의 이미지 분석 방법.
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