영상을 이용한 실시간 3차원 안구 운동 측정

Abstract

[한글]

본 연구에서는 전정 안반사의 객관적 평가 방법으로 이용되고 있는 안구 운동 측정 방법 중의 하나인 영상을 이용하여 실시간으로 안구의 수평, 수직, 회전 운동을 측정할 수 있는 3차원 영상 안진기 (VOG, Videooculograph)를 개발하였다. 영상 안진기의 핵심 기술은 눈꺼풀이나 속눈썹, 각막 반사, 그리고 눈 깜박임과 같은 영향에 덜 민감하면서 동공의 중점과 회전 운동을 정확하게 찾는 것이다. 회전 운동의 측정에 있어 부정확한 동공의 중점은 부정확한 회전 운동 측정으로 이어짐으로 3차원 영상 안진기에서는 중점의 정확한 추정이 더욱 중요하다. 이를 위해 잡음에 영향을 적게 받는 동공 중점을 찾는 새로운 알고리즘을 제안하고 알고리즘의 성능에 영향을 주는 인자에 대하여 분석하여 최적의 조건을 찾았다. Polar cross-correlation을 이용하여 회전 안구 운동을 측정할 경우 동공의 크기 변화는 오차의 원인이 된다. 이를 억제하기 위해 pilocarpine을 사용하는 기존의 방

법과는 달리 동공의 크기 변화를 고려하여 회전 안구 운동을 측정하는 방법으로 동공의 크기 변화에 의한 영향을 줄이는 방법도 제안하였다. 제안한 방법의 특성을 분석하고 검증하면서 다음과 같은 결과를 얻었다.

1. 동공의 경계를 이용하여 동공의 크기를 정확하게 평가하기 위해서는 동공의 90% 이상이 보여야 한다. 동공 아래 부분만의 경계를 사용하여 동공 전체의 반경과 위치를 추정하는 것은 동공이 이상적인 원이 아니기 때문에 오차를 유발한다.

2. 부채꼴 모양의 윈도우를 이용하여 정확한 동공의 중점과 크기를 추정하기 위해서는 부채꼴의 펴진 각도가 적어도 320 이상은 되어야 한다.

3. 제안한 방법으로 눈꺼풀, 속눈썹, 각막 반사 (corneal reflection), 그리고 눈 깜박임에 의한 영향을 적게 받으면서 동공의 중심 (안구의 수평, 수직 위치)과 크기를 동시에 측정할 수 있었다.

4. 동공의 반경을 알고 있을 경우에는 동공이 전체의 10%만 보여도 안구의 수직 위치는 3 화소 (pixels) 이내의 오차로 측정이 가능하였다.

5. 수평, 수직, 회전, 그리고 동공의 반경을 추정하는데 걸리는 시간은 12~18 msec로 개발된 영상 안진기로 안구 운동의 실시간 측정이 가능하였다. Frame 영상 대신 field 영상을 이용할 경우 60 fields/sec의 실시간 안구 운동 측정도 가능하였다.

6. 회전 안구 운동 시 홍채 전체의 패턴을 얻는 것보다 각막 반사와 눈꺼풀에 의한 영향을 피하기 위해 홍채의 측면 영역을 얻는 것이 효과적이었다.

7. 수평, 수직, 그리고 회전 안구 운동의 해상도는 각각 0.3, 0.4, 그리고 0.2 였고, 측정 범위는 각각 ±35, ±25, 그리고 ±18 였다.

8. Polar cross-correlation 방법을 이용하여 회전 안구 운동을 측정할 경우, 동공의 크기 변화에 따라 동공의 경계에서 일정 거리만큼 떨어진 부분의 홍채 패턴을 이용하는 것이 고정된 반경의 홍채 패턴을 이용하는 것보다 효과적이었다.

현재 fields를 이용할 경우 시간 해상도는 60Hz까지 가능하나 단속 운동의 경우 200Hz 이상의 샘플링 주파수가 요구되므로 단속 운동의 측정에는 한계점이 있다. 본 연구에서 구현한 시스템을 임상에 효과적으로 활용하기 위해서는 안구 운동 측정 데이터로부터 각속도와 자극에 대한 이득, 자극에 대한 반응 속도 등을 얻어내는 추가적인 데이터 분석 작업이 요구된다.

[영문]

Videooculography is one of the eye-movement analysis methods used for objective evaluation of vestibulo-ocular reflex. In this study, thee-dimensional videooculography (VOG) was developed that can measure horizontal, vertical, torsional eye movements, and the diameter of pupil in real time using video. A key feature of the study is to estimate accurately the center of pupil and ocular torsion with being less influenced by the upper eyelid droop, eyelashes, corneal reflection, and eye blink. Especially, it is important to find the accurate pupil center in 3-D VOG because the inaccurate pupil center causes significant errors on

measuring torsional eye movement./The new algorithm was proposed to find the center of pupil which is a little influenced by the upper eyelid droop, eyelashes, etc. The parameters that influence the performance were analyzed, and optimal conditions were chosen. The change of pupil diameter also can result in error for torsional eye movement. Therefore, a new method was proposed to minimize the error and eliminate the usage of pilocarpine that suppresses the change of pupil size./The following are the results obtained from the analysis and verification of the proposed methods:/1. The pupil should be seen more than 90% to accurately evaluate the diameter of pupil using the boundary between pupil and iris. It can cause error in estimating the diameter and the center of pupil by using only the partial lower

region of pupil because pupil is not an ideal circle./2. To estimate accurately the center and the diameter of pupil using an annulus window, the unfolded angle of the annulus window must be larger than 320 degree./3. The proposed method measured the

center (horizontal or vertical eye movement) and diameter of pupil and torsional eye movement with less influenced by upper eyelid closure, eyelashes, corneal reflection, and eye blink./4. If we know the diameter of pupil, the proposed method could measure the vertical eye position with errors fewer than 3 pixels, even if pupil was shown only 10%./5. The developed VOG system measured the eye movement in real time since it took 12~18 msec to estimate the horizontal, vertical, torsional eye movements, and the diameter of pupil. In the case of using field images instead of frame images, it can also measure eye movement with the sampling rate of 60 fields/sec in real time./6. It was more effective to use the side pattern of iris than its whole pattern for avoiding influences of corneal reflection and eyelid

droop for measurement of torsional eye movement./7. Horizontal and vertical eye positions were measured with a resolution of 0.3 and 0.4 degree, respectively.

Torsional eye position was measured with a resolution of 0.2 degree. The ranges of horizontal, vertical, and torsional eye measurements were respectively ±35, ±25, and ±18 degrees./8. When torsional eye movement was measured by polar cross-correlation method, it was more effective to use iris pattern in constant distance from the edge of pupil depending on the change of pupil size than to use iris pattern of fixed radius.//If field images are used, the analysis with the sampling rate up to 60 fields/sec is possible. However, it has a limitation in measuring saccadic eye movement because it requires more than 200 Hz sampling rate.

It requires additional data processing to obtain objective parameters such as angular velocity, gain, response time of stimulation, etc. to effectively use in clinic the developed system.