WO2023136460A1 - System and method for glaucoma analysis using archetypal analysis and fcm analysis - Google Patents
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- G16H50/20—ICT specially adapted for medical diagnosis, medical simulation or medical data mining; ICT specially adapted for detecting, monitoring or modelling epidemics or pandemics for computer-aided diagnosis, e.g. based on medical expert systems
Definitions
- the present invention relates to a glaucoma analysis system and method using circular analysis and FCM analysis techniques, and more specifically, to analyze central visual field data of a subject using circular analysis and FCM analysis techniques and diagnose glaucoma. It relates to a glaucoma analysis system and method using prototype analysis and FCM analysis techniques.
- Glaucoma is a disease that can lead to blindness due to damage to retinal ganglion cells (RGCs) and their axons. Because glaucoma is chronic and progresses irreversibly, early detection of glaucoma can be delayed through treatment or surgery. However, due to the nature of the disease, there are many cases where there are no subjective symptoms such as visual field defect or visual impairment that the patient can clearly feel until the terminal stage. In addition, since the treatment prognosis is poor in the case of severely advanced glaucoma, the importance of early detection through examination is very great.
- the present invention is to solve the above problems, and based on the central visual field data that can easily confirm the location and change of ganglion cells (RGC), central visual field data can be determined more objectively and consistently with Fuzzy C-Means.
- After clustering decomposes into at least one of the plurality of archetypes determined through the archetype analysis (AA) technique and uses the archetype analysis and FCM analysis technique to determine whether or not glaucoma is present according to the decomposition result.
- AA archetype analysis
- FCM analysis technique uses the archetype analysis and FCM analysis technique to determine whether or not glaucoma is present according to the decomposition result.
- a glaucoma analysis system using circular analysis and FCM analysis techniques of the present invention includes a data acquisition unit for obtaining central field data of a subject; An archetype determining unit for determining a plurality of archetypes using an archetypal analysis (AA) technique; a decomposition unit for decomposing the central field data into at least one archetype among the plurality of archetypes determined by the archetype determination unit after Fuzzy C-Means clustering (FCM clustering); and a glaucoma determining unit determining whether or not glaucoma is present according to a classification result of the central visual field data.
- AA archetypal analysis
- FCM clustering Fuzzy C-Means clustering
- a glaucoma analysis method using circular analysis and FCM analysis techniques of the present invention includes a data acquisition step of obtaining central field data of a subject by a data acquisition unit; An archetype determination step in which a plurality of archetypes are determined by using an archetypal analysis (AA) technique by the archetype determiner; a decomposition step of decomposing, by a decomposition unit, the central field data into at least one archetype among the plurality of archetypes determined by the archetype determination unit after Fuzzy C-Means clustering (FCM clustering); and a glaucoma determination step of determining, by a glaucoma determination unit, whether or not glaucoma is present according to a decomposition result of the central visual field data.
- AA archetypal analysis
- FCM clustering Fuzzy C-Means clustering
- FIG. 1 is a block diagram of a system for analyzing glaucoma using circular analysis and FCM analysis techniques according to the present invention.
- FIG. 2 is a diagram explaining the difference between Archetypal Analysis (AA) and Fuzzy C-Means clustering (FCM Clustering) according to an embodiment of the present invention.
- FIG. 3 is a diagram showing 10 archetypes according to an embodiment of the present invention.
- VF central field
- FIG. 5 is a flow chart of a glaucoma analysis method using circular analysis and FCM analysis techniques of the present invention.
- Glaucoma analysis system using prototype analysis and FCM analysis techniques using prototype analysis and FCM analysis techniques
- FIG. 1 is a block diagram of a system for analyzing glaucoma using circular analysis and FCM analysis techniques according to the present invention.
- 2 is a diagram explaining the difference between Archetypal Analysis (AA) and Fuzzy C-Means clustering (FCM Clustering) according to an embodiment of the present invention.
- 3 is a diagram showing 10 archetypes according to an embodiment of the present invention.
- 4 is a view showing that central field (VF) data of a subject is decomposed into three archetypes of AT2, AT9, and AT6 according to an embodiment of the present invention.
- VF central field
- the glaucoma analysis system using the prototype analysis and FCM analysis techniques of the present invention includes a data acquisition unit 100, a prototype determination unit 200, a decomposition unit 300, and a glaucoma determination unit 400.
- Glaucoma is a disease that causes visual field defect and visual impairment due to disorders in the optic nerve due to an increase in intraocular pressure or angiopathy.
- Intraocular pressure is generally determined by aqueous humor produced in the eye, and when a large amount of aqueous humor is produced or the discharge is reduced due to flow obstruction, the pressure inside the eye rises, and through this process, the intraocular pressure rises, causing glaucoma.
- Acute glaucoma in which symptoms such as visual acuity decrease, headache, vomiting, and congestion appear as the intraocular pressure rapidly increases, and the optic nerve is slowly destroyed, so you do not feel any special symptoms, but feel stuffy at the end when your vision improves, leading to blindness if further progresses. chronic glaucoma, etc.
- intraocular pressure-lowering drugs may be helpful to prevent further damage to the optic nerve.
- intraocular pressure cannot be controlled by drug or laser treatment, glaucoma surgery can be performed, but the purpose is to control intraocular pressure, not to restore the already damaged optic nerve. Therefore, early detection of glaucoma is very important rather than special prevention, so conventionally, in addition to intraocular pressure measurement, fundus photography is used to confirm the presence or absence of defects in the optic nerve fiber layer.
- ganglion cells (RGC) are located within 4.5 mm of the macula
- glaucoma is diagnosed and progressed by confirming changes in central visual field data that are clearly visible in the viewing direction. to be used for observation.
- the central field of view data is obtained by digitally formatting the central field of view of the subject through a field measurement device.
- the data acquisition unit 100 of the present invention acquires central field data of the subject.
- the central visual field data is not classified by diagnosis, and may be one of central visual field data of a normal person, central visual field data of a glaucoma patient, and other central visual field data of an optic neuropathy patient.
- central field data of patients with retinal diseases or intraocular opacities such as cataracts and corneal opacities may be excluded.
- the data acquisition unit 100 acquires the central visual field data for both eyes, it is characterized in that the central visual field data is converted and matched based on an arbitrary eyeball.
- the data acquisition unit 100 may randomly acquire central-field data for the left and right eyes, or obtain central-field data for both eyes.
- the data acquisition unit 100 may convert the central field of view data of the right eye to match the central field of view data format of the left eye when the left eye is used as a reference, and convert the central field of view data of the left eye to match the data format of the left eye when the right eye is used as a reference. can be matched with the central field data format of
- the archetype determining unit 200 determines a plurality of archetypes using an archetypal analysis (AA) technique.
- the archetype determiner 200 calculates an initial value setter 210 for setting initial values ( ⁇ 0 ) for the plurality of archetypes and a reconstruction error, and then calculates the residual sum of squares (Residual An update unit 220 for updating the initial value ( ⁇ 0 ) until Sum of Squares (RSS) is equal to or less than a preset value or reaches a maximum number of repetitions.
- the archetype determiner 200 may determine an optimal value ⁇ 1 for the plurality of archetypes.
- the central visual field data of the test subject has 68 segmented positions in the shape of the eyeball, and the visual field measurement results for each segmented position may be displayed. That is, the central field of view data may be 68-dimensional data from the point of view of perimeter measurement data analysis. Since it is quite difficult to cluster such high-dimensional data through unsupervised learning, the circularity determination unit 200 attempts to analyze the central field data, which is high-dimensional data, using an circular analysis (AA) technique.
- the circular shape determining unit 200 may extract a plurality of data points from the central field of view data and derive a feature pattern formed by the plurality of data points.
- the circular analysis (AA) technique has an effect of easily finding a characteristic pattern in a high-dimensional space by representing members of a multivariate data set with a convex combination of data poles.
- the archetype analysis (AA) technique projects a plurality of data points into an arbitrary archetype, resulting in projection loss, which can lead to inaccurate results. exist.
- a plurality of archetypes red circles
- a plurality of original data points gray circles
- a number of Projection Data Points green circles
- the circular analysis (AA) technique is used to express the archetype as a convex combination when the optimal value ( ⁇ 1 ) for the archetype is determined.
- a plurality of original data points may be projected onto the convex hull composed of the archetype, and the plurality of projection data points may be generated.
- the convex combination coefficient of the archetype calculated from the projection data point is a decomposition coefficient.
- the convex combination coefficients may be 3.2 and 1.8 as shown in (c) of FIG.
- the decomposition unit 300 performs fuzzy C-means clustering (FCM clustering) on the central field data, and then selects at least one archetype among the plurality of archetypes determined by the archetype determination unit 200. decompose into
- the decomposition unit 300 may include a calculation unit 310 that calculates a membership grade between the optimal value ⁇ 1 and a data point. The decomposition unit 300 may decompose the central field of view data into at least one archetype using the membership grade.
- Hard clustering such as K-means clustering
- Soft or fuzzy clustering is designed to compensate for the disadvantages of hard clustering, and the decomposition unit 300 of the present invention uses fuzzy C-Means clustering (FCM clustering) included in soft clustering to solve the central field of view (VF).
- FCM clustering fuzzy C-Means clustering
- the calculation unit 310 determines the membership grade of the archetype in proportion to the distance from a plurality of original data points to an arbitrary archetype. can be computed.
- Membership Grade 4 may be calculated in proportion to the distance from any original data point to Archetype 1, and from the same original data to Archetype 2.
- Membership Grade 3 may be calculated in proportion to the distance.
- the convex combination coefficients computed can be 3.2 and 1.8. It can be confirmed that the convex combination coefficient does not match the values 4 and 3, which are distances from an arbitrary original data point to an archetype, using Fuzzy C-Means clustering (FCM Clustering).
- the AA technique does not accurately reflect the distance between the original data point and the archetype as the original data point is projected onto the convex hull, resulting in loss. It can be defined as the projection loss.
- the present invention intends to apply Fuzzy C-Means clustering (FCM Clustering) together in order to minimize the projection loss generated in the archetypal analysis (AA) technique and output more accurate decomposition results.
- FCM Clustering Fuzzy C-Means clustering
- the decomposition unit 300 may output a combination of a plurality of archetypes and a ratio for each archetype as the decomposition result for the central field of view data of the subject. As shown in FIG. 4 , the decomposition result may be output as AT2 20.3%, AT9 18.7%, and AT6 16.5% after the central field data of the test subject is decomposed by the decomposition unit 300 .
- the glaucoma determining unit 400 determines whether or not glaucoma is present according to a decomposition result of the central visual field data.
- the plurality of archetypes are hyper parameters and may be preset to 10 as shown in FIG. 3 .
- Each archetype may represent a different ocular loss. For example, Temporal loss (AT 1), Nasal loss (AT 2), Central loss (AT 3), Temporal islands (AT 4), Differential quadrant Superotemporal quadrant sparing (AT 5), Superior loss (AT 6), Superonasal loss (AT 7), Inferior loss (AT 8), High quadrant sparing ( Inferotemporal quadrant sparing (AT 9) and intact field (AT 10) may be included.
- Temporal loss (AT 1), Nasal loss (AT 2), Central loss (AT 3), Temporal islands (AT 4), Differential quadrant Superotemporal quadrant sparing (AT 5), Superior loss (AT 6), Superonasal loss (AT 7), Inferior loss (AT 8),
- the glaucoma determination unit 400 determines that the disassembly result is output as shown in FIG. 4 from the decomposition unit 300, and the nasal loss (AT2) is 20.3%, the upper quadrant preservation (AT9) is 18.7%, and the upper quadrant loss (AT6) is determined. In 16.5%, it can be judged as glaucoma damage.
- Glaucoma analysis method using archetype analysis and FCM analysis technique uses archetype analysis and FCM analysis technique
- FIG. 5 is a flow chart of a glaucoma analysis method using circular analysis and FCM analysis techniques of the present invention.
- the glaucoma analysis method using the prototype analysis and FCM analysis techniques of the present invention includes a data acquisition step (S100), a prototype determination step (S200), a disassembly step (S300), and a glaucoma determination step (S400).
- central visual field data of the subject is acquired by the data acquisition unit 100.
- the central visual field data is not classified by diagnosis, and may be one of central visual field data of a normal person, central visual field data of a glaucoma patient, and other central visual field data of an optic neuropathy patient.
- central field data of patients with retinal diseases or intraocular opacities such as cataracts and corneal opacities may be excluded.
- the central visual field data for both eyes are acquired, the central visual field data are converted and matched based on an arbitrary eyeball.
- central field data for the left and right eyes may be obtained randomly or central field data for both eyes may be acquired.
- the right eye's central field of view (VF) data is converted to match the left eye's central field of view (VF) data format
- the left eye's center field of view (VF) data is converted.
- the visual field data may be converted to match the format of the central visual field data of the right eye.
- a plurality of archetypes are determined by the archetype determiner 200 using an archetypal analysis (AA) technique. Most preferably, an optimal value ( ⁇ 1 ) for a plurality of archetypes is determined.
- AA archetypal analysis
- the archetype determining step (S200) is an initial value setting step (S210) in which the initial values ( ⁇ 0 ) for the plurality of archetypes are set by the initial value setting unit 210 and the update unit
- step 220 after the Reconstruct Error is calculated, the initial value ( ⁇ 0 ) is updated until the residual sum of squares (RSS) is less than or equal to a preset value or the maximum number of iterations is reached. It may include an update step (S220) to be. Therefore, in the archetype determination step (S200), when the update from the update step (S220) is completed, an optimal value ( ⁇ 1 ) for the plurality of archetypes may be determined.
- the central field (VF) data of the test subject has 68 segment positions in the shape of the eyeball, and the visual field measurement results for each segment position may be displayed. That is, the central field of view data may be 68-dimensional data from the point of view of perimeter measurement data analysis. Since it is quite difficult to cluster such high-dimensional data through unsupervised learning, the archetype determination step (S200) attempts to analyze the central field data, which is high-dimensional data, using an AA technique. In the circular shape determination step (S200), a plurality of data points are extracted from the central field of view data, and a feature pattern formed by the plurality of data points may be derived. In general, circular analysis (AA) techniques are very easy to find characteristic patterns in high-dimensional space by representing members of a multivariate data set as a convex combination of data poles.
- AA circular analysis
- the circular analysis (AA) technique has a problem in that a plurality of data points are projected onto an arbitrary archetype, resulting in projection loss, which can lead to inaccurate results. exist.
- the circular analysis (AA) technique is to express as a convex combination of the archetype when the optimal value ( ⁇ 1 ) for the archetype is determined.
- the plurality of original data points may be projected onto the convex hull composed of the archetype, and the plurality of projection data points may be generated.
- the convex combination coefficient of the archetype calculated from the projection data point is a decomposition coefficient.
- the convex combination coefficients may be 3.2 and 1.8 as shown in (c) of FIG.
- the central field of view (VF) data is subjected to Fuzzy C-Means clustering (FCM Clustering) by the decomposition unit 300, and then the plurality of prototypes determined from the prototype determination unit 200.
- FCM Clustering Fuzzy C-Means clustering
- the decomposition step (S300) may include a calculation step (S310) in which a membership grade between the optimal value ( ⁇ 1 ) and a data point is calculated by the calculation unit 310. .
- the central field of view data may be decomposed into at least one archetype by using the membership grade.
- Hard clustering such as K-means clustering
- Soft or fuzzy clustering is designed to compensate for the disadvantages of hard clustering, and the decomposition step (S300) of the present invention uses Fuzzy C-Means clustering (FCM Clustering) included in soft clustering to focus on the central field of view ( VF) data may be clustered into at least one archetype among the plurality of archetypes, rather than clustered only by a specific archetype.
- FCM Clustering Fuzzy C-Means clustering
- the membership grade of the archetype is proportional to the distance from a plurality of original data points to an arbitrary archetype.
- Membership Grade 4 may be calculated in proportion to the distance from any original data point to Archetype 1, and from the same original data to Archetype 2.
- Membership Grade 3 may be calculated in proportion to the distance.
- the convex combination coefficients computed can be 3.2 and 1.8. It can be confirmed that the convex combination coefficient does not match the values 4 and 3, which are distances from an arbitrary original data point to an archetype, using Fuzzy C-Means clustering (FCM Clustering).
- the distance between the original data point and the archetype is not accurately reflected and loss occurs. It can be defined as projection loss.
- the present invention intends to apply Fuzzy C-Means clustering (FCM Clustering) together in order to minimize the projection loss generated in the archetypal analysis (AA) technique and output more accurate decomposition results.
- FCM Clustering Fuzzy C-Means clustering
- a combination of a plurality of archetypes and a ratio of each archetype may be output as the decomposition result for the central field of view data of the subject.
- the decomposition result may be output as AT2 20.3%, AT9 18.7%, AT6 16.5% by disassembling the central field of view (VF) data of the subject from the decomposition step (S300).
- the glaucoma determination unit 400 determines whether or not glaucoma is present according to the decomposition result of the central field (VF) data.
- the plurality of archetypes are hyper parameters and may be preset to 10 as shown in FIG. 3 . Each archetype may represent a different ocular loss.
- Temporal loss (AT 1), Nasal loss (AT 2), Central loss (AT 3), Temporal islands (AT 4), Differential quadrant Superotemporal quadrant sparing (AT 5), Superior loss (AT 6), Superonasal loss (AT 7), Inferior loss (AT 8), Upper quadrant sparing (AT 8) Inferotemporal quadrant sparing (AT 9) and intact field (AT 10) may be included.
- the nasal loss (AT2) is 20.3%
- the upper quadrant preservation (AT9) is 18.7%
- the upper quadrant loss (AT6) is 16.5%. % glaucomatous damage can be judged to be present.
- Embodiments may be implemented by hardware, software, firmware, middleware, microcode, hardware description language, or any combination thereof.
- the program code or code segments that perform necessary tasks may be stored on a computer readable storage medium and executed by one or more processors.
- program modules or components include routines, programs, objects, and data structures that perform particular tasks or implement particular data types.
- aspects of the subject matter described herein may be practiced in distributed computing environments where tasks are performed by remote processing devices that are linked through a communications network.
- program modules may be located in both local and remote computer storage media including memory storage devices.
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Abstract
Description
본 발명은 원형분석과 FCM 분석기법을 이용한 녹내장 분석 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 원형분석과 FCM 분석기법을 이용하여 피검사자의 중심시야(Central Visual Field) 데이터를 분석하고 녹내장 여부를 진단하는 원형분석과 FCM 분석기법을 이용한 녹내장 분석 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a glaucoma analysis system and method using circular analysis and FCM analysis techniques, and more specifically, to analyze central visual field data of a subject using circular analysis and FCM analysis techniques and diagnose glaucoma. It relates to a glaucoma analysis system and method using prototype analysis and FCM analysis techniques.
녹내장(Glaucoma)은 신경절세포(Retinal Ganglion Cell; RGC)와 그 축삭(Axon)이 손상됨으로써 실명에 이를 수 있는 질병이다. 녹내장은 만성적이고, 비가역적으로 진행하는 특성 때문에 조기에 발견한 녹내장은 치료제 또는 수술을 통해 진행을 늦출 수 있다. 그러나 질환의 특성상 말기 단계까지 환자가 뚜렷하게 느낄 수 있는 시야 결손이나 시력 저하와 같은 주관적인 증상이 없는 경우가 많다. 또한, 진행 단계가 심한 녹내장의 경우 치료 예후가 나쁘기 때문에, 검진을 통해 조기 발견의 중요성이 매우 크다. Glaucoma is a disease that can lead to blindness due to damage to retinal ganglion cells (RGCs) and their axons. Because glaucoma is chronic and progresses irreversibly, early detection of glaucoma can be delayed through treatment or surgery. However, due to the nature of the disease, there are many cases where there are no subjective symptoms such as visual field defect or visual impairment that the patient can clearly feel until the terminal stage. In addition, since the treatment prognosis is poor in the case of severely advanced glaucoma, the importance of early detection through examination is very great.
또한, 통상적으로 의료진이 의료영상을 판독하고 녹내장을 진단하는 것은 고도의 숙달된 안과 전문의만이 가능한 난이도가 매우 높은 작업이고, 안과 전문의마다 진단기준이 상이하기 때문에 객관적이고 일관성 있는 진단결과가 도출되는데 어려움이 존재한다.In addition, usually, medical staff reading medical images and diagnosing glaucoma is a very difficult task that only highly skilled ophthalmologists can do, and since each ophthalmologist has different diagnostic criteria, objective and consistent diagnosis results are derived. difficulties exist.
이를 해결하기 위하여 인공지능을 이용한 안저영상 분석방법 및 녹내장 진단 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 관련문헌 1(대한민국 등록특허공보 제10-2295426호)은 인공지능 기반의 안구질병 검출장치 및 방법에 관한 것이고, 관련문헌 2(대한민국 공개특허공보 제10-2021-0124024호)는 인공지능을 이용한 안저 영상 데이터의 품질 점수 산출 방법 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다. 관련문헌 1 내지 2를 통해서 보다 품질이 나은 안저 영상 데이터를 이용하여 인공지능 기반으로 안구질병을 검출할 수 있으나, 신경절세포(RGC)의 위치와 변화를 확인하기 용이한 중심시야(Visual Field; VF) 데이터를 기반으로 보다 객관적이고 일관성 있는 녹내장 진단결과를 제공하기에는 기술적 한계가 존재한다. 따라서 이와 관련한 기술이 필요한 실정이다. To solve this problem, studies on fundus image analysis methods and glaucoma diagnosis methods using artificial intelligence are being actively conducted. Related document 1 (Korean Patent Registration No. 10-2295426) relates to an eye disease detection device and method based on artificial intelligence, and related document 2 (Korean Patent Publication No. 10-2021-0124024) uses artificial intelligence A quality score calculation method and computer program for fundus image data. Through
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 신경절세포(RGC)의 위치와 변화를 확인하기 용이한 중심시야 데이터를 기반으로 보다 객관적이고 일관성 있게 녹내장 판단이 가능하도록 중심시야 데이터를 Fuzzy C-Means 클러스터링한 후 원형분석(AA) 기법을 통해서 결정된 상기 다수 개의 원형(Archetype) 중에서 적어도 하나로 분해하고 분해결과에 따라 녹내장 여부를 판단하는 원형분석과 FCM 분석기법을 이용한 녹내장 분석 시스템 및 방법을 얻고자 하는 것을 목적으로 한다. The present invention is to solve the above problems, and based on the central visual field data that can easily confirm the location and change of ganglion cells (RGC), central visual field data can be determined more objectively and consistently with Fuzzy C-Means. After clustering, decomposes into at least one of the plurality of archetypes determined through the archetype analysis (AA) technique and uses the archetype analysis and FCM analysis technique to determine whether or not glaucoma is present according to the decomposition result. To obtain a system and method for analyzing glaucoma aims to
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있다.The technical problems to be achieved by the present invention are not limited to the above-mentioned technical problems, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description of the present invention.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 원형분석과 FCM 분석기법을 이용한 녹내장 분석 시스템은 피검사자의 중심시야 데이터를 획득하는 데이터 획득부; 원형분석(Archetypal Analysis; AA) 기법을 이용하여 다수 개의 원형(Archetype)을 결정하는 원형 결정부; 상기 중심시야 데이터를 Fuzzy C-Means 클러스터링(FCM Clustering)한 후 상기 원형 결정부로부터 결정된 상기 다수 개의 원형(Archetype) 중에서 적어도 하나의 원형(Archetype)으로 분해하는 분해부; 및 상기 중심시야 데이터의 분류결과에 따라 녹내장 여부를 판단하는 녹내장 판단부;를 제공한다.In order to achieve the above object, a glaucoma analysis system using circular analysis and FCM analysis techniques of the present invention includes a data acquisition unit for obtaining central field data of a subject; An archetype determining unit for determining a plurality of archetypes using an archetypal analysis (AA) technique; a decomposition unit for decomposing the central field data into at least one archetype among the plurality of archetypes determined by the archetype determination unit after Fuzzy C-Means clustering (FCM clustering); and a glaucoma determining unit determining whether or not glaucoma is present according to a classification result of the central visual field data.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 원형분석과 FCM 분석기법을 이용한 녹내장 분석 방법은 데이터 획득부에 의하여, 피검사자의 중심시야 데이터가 획득되는 데이터 획득단계; 원형 결정부에 의하여, 원형분석(Archetypal Analysis; AA) 기법이 이용되어 다수 개의 원형(Archetype)이 결정되는 원형 결정단계; 분해부에 의하여, 상기 중심시야 데이터가 Fuzzy C-Means 클러스터링(FCM Clustering)된 후 상기 원형 결정부로부터 결정된 상기 다수 개의 원형(Archetype) 중에서 적어도 하나의 원형(Archetype)으로 분해되는 분해단계; 및 녹내장 판단부에 의하여, 상기 중심시야 데이터의 분해결과에 따라 녹내장 여부가 판단되는 녹내장 판단단계;를 제공한다. In order to achieve the above object, a glaucoma analysis method using circular analysis and FCM analysis techniques of the present invention includes a data acquisition step of obtaining central field data of a subject by a data acquisition unit; An archetype determination step in which a plurality of archetypes are determined by using an archetypal analysis (AA) technique by the archetype determiner; a decomposition step of decomposing, by a decomposition unit, the central field data into at least one archetype among the plurality of archetypes determined by the archetype determination unit after Fuzzy C-Means clustering (FCM clustering); and a glaucoma determination step of determining, by a glaucoma determination unit, whether or not glaucoma is present according to a decomposition result of the central visual field data.
이상과 같이 본 발명에 의하면 중심시야 데이터를 Fuzzy C-Means 클러스터링한 후 원형분석(AA) 기법을 통해서 결정된 상기 다수 개의 원형(Archetype) 중에서 적어도 하나의 원형(Archetype)으로 분해하고 분해결과에 따라 녹내장 여부를 판단함으로써, 신경절세포(RGC)의 위치와 변화를 확인하기 용이한 중심시야 데이터를 기반으로 보다 객관적이고 일관성 있게 녹내장을 판단할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, after Fuzzy C-Means clustering of central visual field data, decomposition into at least one archetype among the plurality of archetypes determined through the archetype analysis (AA) technique, and glaucoma according to the decomposition result By determining whether or not, there is an effect of determining glaucoma more objectively and consistently based on central field data that facilitates checking the location and change of ganglion cells (RGC).
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 상세한 설명 및 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the detailed description and claims.
도 1은 본 발명의 원형분석과 FCM 분석기법을 이용한 녹내장 분석 시스템 구성도이다.1 is a block diagram of a system for analyzing glaucoma using circular analysis and FCM analysis techniques according to the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원형분석(Archetypal Analysis; AA)과 Fuzzy C-Means 클러스터링(FCM Clustering)의 차이를 설명한 도면이다.2 is a diagram explaining the difference between Archetypal Analysis (AA) and Fuzzy C-Means clustering (FCM Clustering) according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 10가지 원형(Archetype)을 표시한 도면이다. 3 is a diagram showing 10 archetypes according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 피검사자의 중심시야(VF) 데이터가 AT2, AT9, AT6의 3가지 원형(Archetype)으로 분해된 것을 표시한 도면이다.4 is a view showing that central field (VF) data of a subject is decomposed into three archetypes of AT2, AT9, and AT6 according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 원형분석과 FCM 분석기법을 이용한 녹내장 분석 방법 흐름도이다.5 is a flow chart of a glaucoma analysis method using circular analysis and FCM analysis techniques of the present invention.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terms used in this specification have been selected from general terms that are currently widely used as much as possible while considering the functions in the present invention, but these may vary depending on the intention of a person skilled in the art, precedent, or the emergence of new technologies. In addition, in a specific case, there is also a term arbitrarily selected by the applicant, and in this case, the meaning will be described in detail in the description of the invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the overall content of the present invention, not simply the name of the term.
다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and unless explicitly defined in this application, it should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning. don't
원형분석과 FCM 분석기법을 이용한 녹내장 분석 시스템Glaucoma analysis system using prototype analysis and FCM analysis techniques
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 원형분석과 FCM 분석기법을 이용한 녹내장 분석 시스템 구성도이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 원형분석(Archetypal Analysis; AA)과 Fuzzy C-Means 클러스터링(FCM Clustering)의 차이를 설명한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 10가지 원형(Archetype)을 표시한 도면이다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 피검사자의 중심시야(VF) 데이터가 AT2, AT9, AT6의 3가지 원형(Archetype)으로 분해된 것을 표시한 도면이다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 is a block diagram of a system for analyzing glaucoma using circular analysis and FCM analysis techniques according to the present invention. 2 is a diagram explaining the difference between Archetypal Analysis (AA) and Fuzzy C-Means clustering (FCM Clustering) according to an embodiment of the present invention. 3 is a diagram showing 10 archetypes according to an embodiment of the present invention. 4 is a view showing that central field (VF) data of a subject is decomposed into three archetypes of AT2, AT9, and AT6 according to an embodiment of the present invention.
도 1을 보면, 본 발명의 원형분석과 FCM 분석기법을 이용한 녹내장 분석 시스템은 데이터 획득부(100), 원형 결정부(200), 분해부(300) 및 녹내장 판단부(400)를 포함한다.Referring to FIG. 1 , the glaucoma analysis system using the prototype analysis and FCM analysis techniques of the present invention includes a
녹내장은 안압의 상승 혹은 혈관장해로 인해 시신경에 장애가 생겨 시야 결손 및 시력 손상을 일으키는 질환이다. 안압은 일반적으로 눈에서 만들어지는 방수에 의해서 결정되고, 방수가 많이 생성되거나 흐름의 장애가 생겨 배출이 적어지면 눈 내부의 압력이 올라가고, 이러한 과정을 통해 안압이 상승하여 녹내장을 일으킨다. 안압이 급속도로 높아지면서 시력 감소, 두통, 구토, 충혈 등의 증상이 나타나는 급성 녹내장, 시신경이 서서히 파괴되어 평소에 특별한 증상을 느끼지 못하다가 시야가 좋아지는 말기에 이르러 답답하다고 느끼며 더 진행될 경우 실명에 이르는 만성 녹내장 등이 있다. Glaucoma is a disease that causes visual field defect and visual impairment due to disorders in the optic nerve due to an increase in intraocular pressure or angiopathy. Intraocular pressure is generally determined by aqueous humor produced in the eye, and when a large amount of aqueous humor is produced or the discharge is reduced due to flow obstruction, the pressure inside the eye rises, and through this process, the intraocular pressure rises, causing glaucoma. Acute glaucoma, in which symptoms such as visual acuity decrease, headache, vomiting, and congestion appear as the intraocular pressure rapidly increases, and the optic nerve is slowly destroyed, so you do not feel any special symptoms, but feel stuffy at the end when your vision improves, leading to blindness if further progresses. chronic glaucoma, etc.
이러한 녹내장을 치료하는데 있어서, 급성 녹내장인 경우 신속하게 안압을 떨어뜨려 시신경을 보존하는 것이 중요하다. 이를 위해 약물 점안 및 복용으로 안압을 내리고, 안압이 내려간 후에는 홍채에 레이저를 이용하여 작은 구멍을 뚫어 방수의 순환 및 배출에 도움이 될 수 있다. 만성 녹내장인 경우 더 이상의 시신경 손상을 막기 위해 안압 하강제를 점안하는 것이 도움이 될 수 있다. 약물이나 레이저 치료로도 안압 조절이 이루어지지 않을 때에는 녹내장 수술을 시행할 수 있으나, 이미 손상된 시신경을 복구시키는 것이 목적이 아닌 안압을 조절하는 것을 목적으로 한다. 따라서 녹내장은 특별한 예방보다는 조기 발견이 상당히 중요함으로 종래에는 안압 측정 이외에도 안저 촬영을 통해 시신경섬유층의 결손유무를 확인하곤 한다.In treating such glaucoma, in the case of acute glaucoma, it is important to rapidly drop intraocular pressure to preserve the optic nerve. To this end, the intraocular pressure is lowered by instillation and administration of drugs, and after the intraocular pressure is lowered, a small hole is pierced in the iris using a laser to help the circulation and discharge of aqueous humor. In the case of chronic glaucoma, intraocular pressure-lowering drugs may be helpful to prevent further damage to the optic nerve. When intraocular pressure cannot be controlled by drug or laser treatment, glaucoma surgery can be performed, but the purpose is to control intraocular pressure, not to restore the already damaged optic nerve. Therefore, early detection of glaucoma is very important rather than special prevention, so conventionally, in addition to intraocular pressure measurement, fundus photography is used to confirm the presence or absence of defects in the optic nerve fiber layer.
그러나 본 발명에서는 신경절 세포(RGC)의 약 50%가 황반부의 4.5 mm 이내에 위치한다는 점을 착안하여, 시선방향 안에 있어 뚜렷하게 보이는 중심시야(Central Visual Field) 데이터의 변화를 확인하여 녹내장을 진단하고 경과관찰에 이용하고자 한다. 상기 중심시야 데이터는 시야 측정장치를 통해서 피검사자의 중심시야가 디지털 형식의 데이터로 획득된 것이다.However, in the present invention, considering the fact that about 50% of ganglion cells (RGC) are located within 4.5 mm of the macula, glaucoma is diagnosed and progressed by confirming changes in central visual field data that are clearly visible in the viewing direction. to be used for observation. The central field of view data is obtained by digitally formatting the central field of view of the subject through a field measurement device.
보다 구체적으로 본 발명을 설명하면 다음과 같다. 우선 본 발명의 데이터 획득부(100)는 피검사자의 중심시야 데이터를 획득한다. 상기 중심시야 데이터는 진단에 의해 분류되어 있지 않고, 정상인의 중심시야 데이터, 녹내장 환자의 중심시야 데이터 및 기타 시신경병증 환자의 중심시야 데이터 중 하나일 수 있다. 다만, 망막질환이 있거나 백내장, 각막혼탁 등 안구 내 혼탁이 있는 환자의 중심시야 데이터는 제외될 수 있다. More specifically, the present invention is described as follows. First, the
또한, 상기 데이터 획득부(100)는 양안에 대한 상기 중심시야 데이터를 획득하면 임의의 안구를 기준으로 상기 중심시야 데이터를 전환하여 일치시키는 것을 특징으로 한다. 예컨대 상기 데이터 획득부(100)는 좌안, 우안에 대한 중심시야 데이터를 무작위로 획득하거나 양안 모두에 대한 중심시야 데이터를 획득할 수 있다. 그리고 상기 데이터 획득부(100)는 좌안을 기준으로 할 경우 우안의 중심시야 데이터를 전환하여 좌안의 중심시야 데이터 형식과 일치시킬 수 있고, 우안을 기준으로 할 경우 좌안의 중심시야 데이터를 전환하여 우안의 중심시야 데이터 형식과 일치시킬 수 있다.In addition, when the
다음으로, 상기 원형 결정부(200)는 원형분석(Archetypal Analysis; AA) 기법을 이용하여 다수 개의 원형(Archetype)을 결정한다. 그리고 상기 원형 결정부(200)는 상기 다수 개의 원형(Archetype)에 대한 초기값(β0)을 설정하는 초기값 설정부(210) 및 재구성 오류(Reconstruct Error)를 연산한 후 잔차 제곱 합(Residual Sum of Squares; RSS)이 기 설정된 수치 이하이거나 최대반복횟수에 도달할 때까지 상기 초기값(β0)을 업데이트하는 업데이트부(220)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 원형 결정부(200)는 상기 업데이트부(220)로부터 업데이트가 완료되면 상기 다수 개의 원형(Archetype)에 대한 최적값(β1)을 결정할 수 있다.Next, the
다시 말하면, 피검사자의 상기 중심시야 데이터는 안구 형상에서 68개의 구획위치를 갖고, 각 구획위치별 시야측정결과가 표시될 수 있다. 즉, 상기 중심시야 데이터는 시야측정 데이터 분석 관점에서 보면 68차원 데이터일 수 있다. 이러한 고차원 데이터를 비지도 학습을 통해서 클러스터링(Clustering)하는 것은 상당히 어려우므로, 상기 원형 결정부(200)는 원형분석(AA) 기법을 이용하여 고차원 데이터인 상기 중심시야 데이터를 분석하고자 한다. 상기 원형 결정부(200)는 상기 중심시야 데이터로부터 다수 개의 데이터 포인트(Data Point)를 추출하고, 다수 개의 데이터 포인트(Data Point)가 이루는 특징패턴을 도출할 수 있다. 일반적으로, 원형분석(AA) 기법은 데이터의 극점의 볼록 조합(Convex Combination)으로 다변량 데이터 세트의 구성원을 나타냄으로써, 고차원 공간에서 특징적인 패턴을 찾는데 용이한 효과가 있다.In other words, the central visual field data of the test subject has 68 segmented positions in the shape of the eyeball, and the visual field measurement results for each segmented position may be displayed. That is, the central field of view data may be 68-dimensional data from the point of view of perimeter measurement data analysis. Since it is quite difficult to cluster such high-dimensional data through unsupervised learning, the
다만, 원형분석(AA) 기법은 다수 개의 데이터 포인트(Data Point)를 임의의 원형(Archetype)에 투영함으로써, 프로젝션 손실(Projection Loss)이 발생시키고, 이에 따라 부정확한 결과가 도출될 수 있는 문제점이 존재한다.However, the archetype analysis (AA) technique projects a plurality of data points into an arbitrary archetype, resulting in projection loss, which can lead to inaccurate results. exist.
이와 관련하여, 도 2의 (a)를 보면 상기 원형 결정부(200)로부터 최적값(β1)이 결정된 다수 개의 원형(Archetype)(빨간색 원), 다수 개의 원본 데이터 포인트(Original Data Point)(회색 원), 원형분석(AA) 기법에 따라 투영된 다수 개의 프로젝션 데이터 포인트(Projection Data Point)(초록색 원)가 표시되어 있다. 그리고 도 2의 (b)를 보면, 원형분석(AA) 기법은 상기 원형(Archetype)에 대한 최적값(β1)이 결정되면 상기 원형(Archetype)의 볼록 조합(Convex Combination)으로 표현하기 위해서 상기 다수 개의 원본 데이터 포인트(Original Data Point)를 상기 원형(Archetype)으로 구성된 Convex Hull에 투영(Projection)할 수 있고, 상기 다수 개의 프로젝션 데이터 포인트(Projection Data Point)를 생성할 수 있다. 그리고 이때, 프로젝션 데이터 포인트(Projection Data Point)로부터 연산된 상기 원형(Archetype)의 볼록 조합 계수는 분해 계수이다. 여기서, 상기 볼록 조합 계수는 도 2의 (c)와 같이 3.2와 1.8일 수 있다.In this regard, in (a) of FIG. 2 , a plurality of archetypes (red circles ) and a plurality of original data points ( gray circles), and a number of Projection Data Points (green circles) projected according to the circular analysis (AA) technique are shown. And referring to (b) of FIG. 2, the circular analysis (AA) technique is used to express the archetype as a convex combination when the optimal value (β 1 ) for the archetype is determined. A plurality of original data points may be projected onto the convex hull composed of the archetype, and the plurality of projection data points may be generated. At this time, the convex combination coefficient of the archetype calculated from the projection data point is a decomposition coefficient. Here, the convex combination coefficients may be 3.2 and 1.8 as shown in (c) of FIG.
다음으로, 상기 분해부(300)는 상기 중심시야 데이터를 Fuzzy C-Means 클러스터링(FCM Clustering)한 후 상기 원형 결정부(200)로부터 결정된 상기 다수 개의 원형(Archetype) 중에서 적어도 하나의 원형(Archetype)으로 분해한다. 또한, 상기 분해부(300)는 상기 최적값(β1)과 데이터 포인트(Data Point) 간의 멤버십 그레이드(Membership Grade)를 연산하는 연산부(310)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 분해부(300)는 상기 멤버십 그레이드(Membership Grade)를 이용하여 상기 중심시야 데이터를 적어도 하나의 원형(Archetype)으로 분해할 수 있다. Next, the
일반적으로, 클러스터링(Clustering)에는 하드 클러스터링과 소프트 또는 퍼지(Fuzzy) 클러스터링 두 가지 주요 유형이 있다. K-평균 클러스터링(K-means Clustering)과 같은 하드 클러스터링은 하나의 클러스터에만 속할 수 있도록 한다. 즉, 데이터에 따라 하나의 클러스터로 표현하기 어려운 경우에 하드 클러스터링을 사용하게 되면 데이터의 많은 정보들에 손실이 발생할 수 있다. 소프트 또는 퍼지(Fuzzy) 클러스터링은 하드 클러스터링의 단점을 보완하기 위해 고안된 것이고, 본원발명의 분해부(300)는 소프트 클러스터링에 포함되는 Fuzzy C-Means 클러스터링(FCM Clustering)을 사용하여 상기 중심시야(VF) 데이터를 특정 원형(Archetype)만으로 클러스터링하는 것이 아닌, 상기 다수 개의 원형(Archetype) 중에서 적어도 하나의 원형(Archetype)으로 클러스터링 할 수 있다.In general, there are two main types of clustering: hard clustering and soft or fuzzy clustering. Hard clustering, such as K-means clustering, allows an object to belong to only one cluster. That is, when hard clustering is used when it is difficult to express data as one cluster, many pieces of information in the data may be lost. Soft or fuzzy clustering is designed to compensate for the disadvantages of hard clustering, and the
도 2의 (c)를 보면, 상기 연산부(310)는 다수 개의 원본 데이터 포인트(Original Data Point)에서 임의의 원형(Archetype)까지의 거리에 비례하여 상기 원형(Archetype)의 멤버십 그레이드(Membership Grade)를 연산할 수 있다. 예컨대, 임의의 원본 데이터 포인트(Original Data Point)에서 원형 1(Archetype 1)까지의 거리에 비례하여 멤버십 그레이드(Membership Grade) 4가 연산될 수 있고, 동일한 원본 데이터에서 원형 2(Archetype 2)까지의 거리에 비례하여 멤버십 그레이드(Membership Grade) 3이 연산될 수 있다. Referring to (c) of FIG. 2 , the
이때, 앞서 언급한 것과 같이 원형분석(AA) 기법을 이용하여 임의의 원본 데이터 포인트(Original Data Point)가 원형 1(Archetype 1) 및 원형 2(Archetype 2)에 투영되고 프로젝션 데이터 포인트(Projection Data Point)로부터 연산된 볼록 조합 계수는 3.2와 1.8일 수 있다. 상기 볼록 조합 계수는 Fuzzy C-Means 클러스터링(FCM Clustering)을 이용하여 임의의 원본 데이터 포인트(Original Data Point)에서 원형(Archetype)까지의 거리인 4, 3의 수치와 불일치함을 확인할 수 있다. At this time, as mentioned above, using the AA technique, a random original data point is projected onto
따라서 원형분석(AA) 기법은 원본 데이터 포인트(Original Data Point)가 Convex Hull에 투영됨에 따라 원본 데이터 포인트(Original Data Point)와 원형(Archetype) 간의 거리를 정확하게 반영하지 못하고 손실을 발생시키게 되는데, 이를 상기 프로젝션 손실(Projection Loss)로 정의할 수 있다.Therefore, the AA technique does not accurately reflect the distance between the original data point and the archetype as the original data point is projected onto the convex hull, resulting in loss. It can be defined as the projection loss.
즉, 본원발명은 원형분석(Archetypal Analysis; AA) 기법에서 발생하는 프로젝션 손실(Projection Loss)을 최소화하고 보다 정확한 분해결과를 출력하기 위해서 Fuzzy C-Means 클러스터링(FCM Clustering)을 함께 적용하고자 한다.That is, the present invention intends to apply Fuzzy C-Means clustering (FCM Clustering) together in order to minimize the projection loss generated in the archetypal analysis (AA) technique and output more accurate decomposition results.
또한, 상기 분해부(300)는 피검사자의 상기 중심시야 데이터에 대해서 다수 개의 원형(Archetype)의 조합과 각 원형(Archetype)별 비율을 상기 분해결과로 출력할 수 있다. 도 4와 같이 상기 분해결과는 상기 분해부(300)로부터 피검사자의 상기 중심시야 데이터가 분해되어 AT2 20.3%, AT9 18.7%, AT6 16.5%로 분해결과가 출력될 수 있다. Also, the
다음으로, 상기 녹내장 판단부(400)는 상기 중심시야 데이터의 분해결과에 따라 녹내장 여부를 판단한다. 상기 다수 개의 원형(Archetype)은 하이퍼 파라미터로, 도 3과 같이 10개로 기 설정될 수 있다. 각각의 원형(Archetype)은 서로 상이한 안구 손실을 나타낼 수 있다. 예컨대, 이측부 손실(Temporal loss)(AT 1), 비측 손실(Nasal loss)(AT 2), 중심 손실(Central loss)(AT 3), 이측 섬(Temporal islands)(AT 4), 상이측 사분면 보존(Superotemporal quadrant sparing)(AT 5), 상측 손실(Superior loss)(AT 6), 상비측 손실(Superonasal loss)(AT 7), 하측 손실(Inferior loss)(AT 8), 하이측 사분면 보존(Inferotemporal quadrant sparing)(AT 9), 손상되지 않은 정상(Intact field)(AT 10)을 포함할 수 있다.Next, the
이때, 상기 녹내장 판단부(400)는 상기 분해부(300)로부터 도 4와 같이 상기 분해결과가 출력되면 비측 손실(AT2) 20.3%, 하이측 사분면 보존(AT9) 18.7%, 상측 손실(AT6) 16.5%로 녹내장 손상으로 판단할 수 있다. At this time, the
원형분석과 FCM 분석기법을 이용한 녹내장 분석 방법Glaucoma analysis method using archetype analysis and FCM analysis technique
이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 5는 본 발명의 원형분석과 FCM 분석기법을 이용한 녹내장 분석 방법 흐름도이다.Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 5 is a flow chart of a glaucoma analysis method using circular analysis and FCM analysis techniques of the present invention.
도 5를 보면, 본 발명의 원형분석과 FCM 분석기법을 이용한 녹내장 분석 방법은 데이터 획득단계(S100), 원형 결정단계(S200), 분해단계(S300) 및 녹내장 판단단계(S400)를 포함한다. Referring to FIG. 5 , the glaucoma analysis method using the prototype analysis and FCM analysis techniques of the present invention includes a data acquisition step (S100), a prototype determination step (S200), a disassembly step (S300), and a glaucoma determination step (S400).
보다 구체적으로, 상기 데이터 획득단계(S100)는 데이터 획득부(100)에 의하여, 피검사자의 중심시야(Central Visual Field) 데이터가 획득된다. 상기 중심시야 데이터는 진단에 의해 분류되어 있지 않고, 정상인의 중심시야 데이터, 녹내장 환자의 중심시야 데이터 및 기타 시신경병증 환자의 중심시야 데이터 중 하나일 수 있다. 다만, 망막질환이 있거나 백내장, 각막혼탁 등 안구 내 혼탁이 있는 환자의 중심시야 데이터는 제외될 수 있다. More specifically, in the data acquisition step (S100), central visual field data of the subject is acquired by the
한편, 상기 데이터 획득단계(S100)는 양안에 대한 상기 중심시야 데이터가 획득되면 임의의 안구를 기준으로 상기 중심시야 데이터가 전환되어 일치되는 것을 특징으로 한다. 예컨대 상기 데이터 획득단계(S100)는 좌안, 우안에 대한 중심시야 데이터가 무작위로 획득되거나 양안 모두에 대한 중심시야 데이터가 획득될 수 있다. 그리고 상기 데이터 획득단계(S100)는 좌안을 기준으로 할 경우 우안의 중심시야(VF) 데이터가 전환되어 좌안의 중심시야(VF) 데이터 형식과 일치될 수 있고, 우안을 기준으로 할 경우 좌안의 중심시야 데이터가 전환되어 우안의 중심시야 데이터 형식과 일치될 수 있다.Meanwhile, in the data acquisition step (S100), when the central visual field data for both eyes are acquired, the central visual field data are converted and matched based on an arbitrary eyeball. For example, in the data acquisition step ( S100 ), central field data for the left and right eyes may be obtained randomly or central field data for both eyes may be acquired. In the data acquisition step (S100), when the left eye is used as a reference, the right eye's central field of view (VF) data is converted to match the left eye's central field of view (VF) data format, and when the right eye is used as a reference, the left eye's center field of view (VF) data is converted. The visual field data may be converted to match the format of the central visual field data of the right eye.
다음으로, 상기 원형 결정단계(S200)는 원형 결정부(200)에 의하여, 원형분석(Archetypal Analysis; AA) 기법이 이용되어 다수 개의 원형(Archetype)이 결정된다. 가장 바람직하게는, 다수 개의 원형(Archetype)에 대한 최적값(β1)이 결정되는 것이다. Next, in the archetype determination step (S200), a plurality of archetypes are determined by the
이를 위해서 한편, 상기 원형 결정단계(S200)는 초기값 설정부(210)에 의하여, 상기 다수 개의 원형(Archetype)에 대한 초기값(β0)이 설정되는 초기값 설정단계(S210) 및 업데이트부(220)에 의하여, 재구성 오류(Reconstruct Error)가 연산된 후 잔차 제곱 합(Residual Sum of Squares; RSS)이 기 설정된 수치 이하이거나 최대반복횟수에 도달할 때까지 상기 초기값(β0)이 업데이트되는 업데이트단계(S220)를 포함할 수 있다. 따라서 상기 원형 결정단계(S200)는 상기 업데이트단계(S220)로부터 업데이트가 완료되면 상기 다수 개의 원형(Archetype)에 대한 최적값(β1)이 결정될 수 있다. To this end, on the other hand, the archetype determining step (S200) is an initial value setting step (S210) in which the initial values (β 0 ) for the plurality of archetypes are set by the initial
다시 말하면, 피검사자의 상기 중심시야(VF) 데이터는 안구 형상에서 68개의 구획위치를 갖고, 각 구획위치별 시야측정결과가 표시될 수 있다. 즉, 상기 중심시야 데이터는 시야측정 데이터 분석 관점에서 보면 68차원 데이터일 수 있다. 이러한 고차원 데이터를 비지도 학습을 통해서 클러스터링(Clustering)하는 것은 상당히 어려우므로, 상기 원형 결정단계(S200)는 원형분석(AA) 기법을 이용하여 고차원 데이터인 상기 중심시야 데이터를 분석하고자 한다. 상기 원형 결정단계(S200)는 상기 중심시야 데이터로부터 다수 개의 데이터 포인트(Data Point)가 추출되고, 다수 개의 데이터 포인트(Data Point)가 이루는 특징패턴이 도출될 수 있다. 일반적으로, 원형분석(AA) 기법은 데이터의 극점의 볼록 조합(Convex Combination)으로 다변량 데이터 세트의 구성원을 나타냄으로써, 고차원 공간에서 특징적인 패턴을 찾는데 상당히 용이하다.In other words, the central field (VF) data of the test subject has 68 segment positions in the shape of the eyeball, and the visual field measurement results for each segment position may be displayed. That is, the central field of view data may be 68-dimensional data from the point of view of perimeter measurement data analysis. Since it is quite difficult to cluster such high-dimensional data through unsupervised learning, the archetype determination step (S200) attempts to analyze the central field data, which is high-dimensional data, using an AA technique. In the circular shape determination step (S200), a plurality of data points are extracted from the central field of view data, and a feature pattern formed by the plurality of data points may be derived. In general, circular analysis (AA) techniques are very easy to find characteristic patterns in high-dimensional space by representing members of a multivariate data set as a convex combination of data poles.
다만, 원형분석(AA) 기법은 다수 개의 데이터 포인트(Data Point)가 임의의 원형(Archetype)에 투영됨으로써, 프로젝션 손실(Projection Loss)이 발생되고, 이에 따라 부정확한 결과가 도출될 수 있는 문제점이 존재한다. However, the circular analysis (AA) technique has a problem in that a plurality of data points are projected onto an arbitrary archetype, resulting in projection loss, which can lead to inaccurate results. exist.
이와 관련하여 도 2의 (b)를 보면, 원형분석(AA) 기법은 상기 원형(Archetype)에 대한 최적값(β1)이 결정되면 상기 원형(Archetype)의 볼록 조합(Convex Combination)으로 표현하기 위해서 상기 다수 개의 원본 데이터 포인트(Original Data Point)가 상기 원형(Archetype)으로 구성된 Convex Hull에 투영(Projection)될 수 있고, 상기 다수 개의 프로젝션 데이터 포인트(Projection Data Point)가 생성될 수 있다. 이때, 프로젝션 데이터 포인트(Projection Data Point)로부터 연산된 상기 원형(Archetype)의 볼록 조합 계수는 분해 계수이다. 여기서, 상기 볼록 조합 계수는 도 2의 (c)와 같이 3.2와 1.8일 수 있다.In this regard, referring to (b) of FIG. 2, the circular analysis (AA) technique is to express as a convex combination of the archetype when the optimal value (β 1 ) for the archetype is determined. To this end, the plurality of original data points may be projected onto the convex hull composed of the archetype, and the plurality of projection data points may be generated. At this time, the convex combination coefficient of the archetype calculated from the projection data point is a decomposition coefficient. Here, the convex combination coefficients may be 3.2 and 1.8 as shown in (c) of FIG.
다음으로, 상기 분해단계(S300)는 분해부(300)에 의하여, 상기 중심시야(VF) 데이터가 Fuzzy C-Means 클러스터링(FCM Clustering)된 후 상기 원형 결정부(200)로부터 결정된 상기 다수 개의 원형(Archetype) 중에서 적어도 하나의 원형(Archetype)으로 분해된다. Next, in the decomposition step (S300), the central field of view (VF) data is subjected to Fuzzy C-Means clustering (FCM Clustering) by the
한편, 상기 분해단계(S300)는 연산부(310)에 의하여, 상기 최적값(β1)과 데이터 포인트(Data Point) 간의 멤버십 그레이드(Membership Grade)가 연산되는 연산단계(S310)를 포함할 수 있다. 그리고 상기 분해단계(S300)는 상기 멤버십 그레이드(Membership Grade)가 이용되어 상기 중심시야 데이터가 적어도 하나의 원형(Archetype)으로 분해될 수 있다. Meanwhile, the decomposition step (S300) may include a calculation step (S310) in which a membership grade between the optimal value (β 1 ) and a data point is calculated by the
일반적으로, 클러스터링(Clustering)에는 하드 클러스터링과 소프트 또는 퍼지(Fuzzy) 클러스터링 두 가지 주요 유형이 있다. K-평균 클러스터링(K-means Clustering)과 같은 하드 클러스터링은 하나의 클러스터에만 속할 수 있도록 한다. 즉, 데이터에 따라 하나의 클러스터로 표현하기 어려운 경우에 하드 클러스터링을 사용하게 되면 데이터의 많은 정보들에 손실이 발생할 수 있다. 소프트 또는 퍼지(Fuzzy) 클러스터링은 하드 클러스터링의 단점을 보완하기 위해 고안된 것이고, 본원발명의 상기 분해단계(S300)는 소프트 클러스터링에 포함되는 Fuzzy C-Means 클러스터링(FCM Clustering)을 사용하여 상기 중심시야(VF) 데이터가 특정 원형(Archetype)만으로 클러스터링되는 것이 아닌, 상기 다수 개의 원형(Archetype) 중에서 적어도 하나의 원형(Archetype)으로 클러스터링 될 수 있다.In general, there are two main types of clustering: hard clustering and soft or fuzzy clustering. Hard clustering, such as K-means clustering, allows an object to belong to only one cluster. That is, when hard clustering is used when it is difficult to express data as one cluster, many pieces of information in the data may be lost. Soft or fuzzy clustering is designed to compensate for the disadvantages of hard clustering, and the decomposition step (S300) of the present invention uses Fuzzy C-Means clustering (FCM Clustering) included in soft clustering to focus on the central field of view ( VF) data may be clustered into at least one archetype among the plurality of archetypes, rather than clustered only by a specific archetype.
도 2의 (c)를 보면, 상기 연산단계(S310)는 다수 개의 원본 데이터 포인트(Original Data Point)에서 임의의 원형(Archetype)까지의 거리에 비례하여 상기 원형(Archetype)의 멤버십 그레이드(Membership Grade)가 연산될 수 있다. 예컨대, 임의의 원본 데이터 포인트(Original Data Point)에서 원형 1(Archetype 1)까지의 거리에 비례하여 멤버십 그레이드(Membership Grade) 4가 연산될 수 있고, 동일한 원본 데이터에서 원형 2(Archetype 2)까지의 거리에 비례하여 멤버십 그레이드(Membership Grade) 3이 연산될 수 있다. Referring to (c) of FIG. 2, in the calculation step (S310), the membership grade of the archetype is proportional to the distance from a plurality of original data points to an arbitrary archetype. ) can be computed. For example,
이때, 앞서 언급한 것과 같이 원형분석(AA) 기법을 이용하여 임의의 원본 데이터 포인트(Original Data Point)가 원형 1(Archetype 1) 및 원형 2(Archetype 2)에 투영되고 프로젝션 데이터 포인트(Projection Data Point)로부터 연산된 볼록 조합 계수는 3.2와 1.8일 수 있다. 상기 볼록 조합 계수는 Fuzzy C-Means 클러스터링(FCM Clustering)을 이용하여 임의의 원본 데이터 포인트(Original Data Point)에서 원형(Archetype)까지의 거리인 4, 3의 수치와 불일치함을 확인할 수 있다. At this time, as mentioned above, using the AA technique, a random original data point is projected onto
따라서 원형분석(AA) 기법은 원본 데이터 포인트(Original Data Point)가 Convex Hull에 투영됨에 따라 원본 데이터 포인트(Original Data Point)와 원형(Archetype) 간의 거리가 정확하게 반영되지 못하고 손실이 발생되는데, 이를 상기 프로젝션 손실(Projection Loss)로 정의할 수 있다.Therefore, in the AA technique, as the original data point is projected onto the convex hull, the distance between the original data point and the archetype is not accurately reflected and loss occurs. It can be defined as projection loss.
즉, 본원발명은 원형분석(Archetypal Analysis; AA) 기법에서 발생하는 프로젝션 손실(Projection Loss)을 최소화하고 보다 정확한 분해결과를 출력하기 위해서 Fuzzy C-Means 클러스터링(FCM Clustering)을 함께 적용하고자 한다.That is, the present invention intends to apply Fuzzy C-Means clustering (FCM Clustering) together in order to minimize the projection loss generated in the archetypal analysis (AA) technique and output more accurate decomposition results.
또한, 상기 분해단계(S300)는 피검사자의 상기 중심시야 데이터에 대해서 다수 개의 원형(Archetype)의 조합과 각 원형(Archetype)별 비율이 상기 분해결과로 출력될 수 있다. 도 4와 같이 상기 분해결과는 상기 분해단계(S300)로부터 피검사자의 상기 중심시야(VF) 데이터가 분해되어 AT2 20.3%, AT9 18.7%, AT6 16.5%로 분해결과가 출력될 수 있다. In addition, in the decomposition step (S300), a combination of a plurality of archetypes and a ratio of each archetype may be output as the decomposition result for the central field of view data of the subject. As shown in FIG. 4 , the decomposition result may be output as AT2 20.3%, AT9 18.7%, AT6 16.5% by disassembling the central field of view (VF) data of the subject from the decomposition step (S300).
상기 녹내장 판단단계(S400)는 녹내장 판단부(400)에 의하여, 상기 중심시야(VF) 데이터의 분해결과에 따라 녹내장 여부가 판단된다. 상기 다수 개의 원형(Archetype)은 하이퍼 파라미터로, 도 3과 같이 10개로 기 설정될 수 있다. 각각의 원형(Archetype)은 서로 상이한 안구 손실을 나타낼 수 있다. 예컨대, 이측부 손실(Temporal loss)(AT 1), 비측 손실(Nasal loss)(AT 2), 중심 손실(Central loss)(AT 3), 이측 섬(Temporal islands)(AT 4), 상이측 사분면 보존(Superotemporal quadrant sparing)(AT 5), 상측 손실(Superior loss)(AT 6), 상비측 상실(Superonasal loss)(AT 7), 하측 손실(Inferior loss)(AT 8), 하이측 사분면 보존(Inferotemporal quadrant sparing)(AT 9), 손상되지 않은 정상(Intact field)(AT 10)를 포함할 수 있다.In the glaucoma determination step (S400), the
그리고 상기 녹내장 판단단계(S400)는 상기 분해부(300)로부터 도 4와 같이 상기 분해결과가 출력되면 비측 손실(AT2) 20.3%, 하이측 사분면 보존(AT9) 18.7%, 상측 손실(AT6) 16.5%로 녹내장 손상이 존재하는 것으로 판단될 수 있다. In the glaucoma determination step (S400), when the disassembly result is output as shown in FIG. 4 from the
이상과 같이 본 발명에 의하면 중심시야 데이터를 Fuzzy C-Means 클러스터링한 후 원형분석(AA) 기법을 통해서 결정된 상기 다수 개의 원형(Archetype) 중에서 적어도 하나의 원형(Archetype)으로 분해하고 분해결과에 따라 녹내장 여부를 판단함으로써, 신경절세포(RGC)의 위치와 변화를 확인하기 용이한 중심시야 데이터를 기반으로 보다 객관적이고 일관성 있게 녹내장을 판단할 수 있는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, after Fuzzy C-Means clustering of central visual field data, decomposition into at least one archetype among the plurality of archetypes determined through the archetype analysis (AA) technique, and glaucoma according to the decomposition result By determining whether or not, there is an effect of determining glaucoma more objectively and consistently based on central field data that facilitates checking the location and change of ganglion cells (RGC).
실시예들은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어, 마이크로코드, 하드웨어 기술 언어, 또는 이들의 임의의 조합에 의해 구현될 수 있다. 소프트웨어, 펌웨어, 미들웨어 또는 마이크로코드로 구현되는 경우, 필요한 작업을 수행하는 프로그램 코드 또는 코드 세그먼트들은 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장되고 하나 이상의 프로세서에 의해 실행될 수 있다.Embodiments may be implemented by hardware, software, firmware, middleware, microcode, hardware description language, or any combination thereof. When implemented in software, firmware, middleware or microcode, the program code or code segments that perform necessary tasks may be stored on a computer readable storage medium and executed by one or more processors.
그리고 본 명세서에 설명된 주제의 양태들은 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈 또는 컴포넌트와 같은 컴퓨터 실행 가능 명령어들의 일반적인 맥락에서 설명될 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈 또는 컴포넌트들은 특정 작업을 수행하거나 특정 데이터 형식을 구현하는 루틴, 프로그램, 객체, 데이터 구조를 포함한다. 본 명세서에 설명된 주제의 양태들은 통신 네트워크를 통해 링크되는 원격 처리 디바이스들에 의해 작업들이 수행되는 분산 컴퓨팅 환경들에서 실시될 수도 있다. 분산 컴퓨팅 환경에서, 프로그램 모듈들은 메모리 저장 디바이스들을 포함하는 로컬 및 원격 컴퓨터 저장 매체에 둘 다에 위치할 수 있다.And aspects of the subject matter described herein may be described in the general context of computer-executable instructions, such as a program module or component executed by a computer. Generally, program modules or components include routines, programs, objects, and data structures that perform particular tasks or implement particular data types. Aspects of the subject matter described herein may be practiced in distributed computing environments where tasks are performed by remote processing devices that are linked through a communications network. In a distributed computing environment, program modules may be located in both local and remote computer storage media including memory storage devices.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 으로 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with limited examples and drawings, those skilled in the art can make various modifications and variations from the above description. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the components of the system, structure, device, circuit, etc. described in are combined or combined in a different form than the described method, or in a different configuration. Appropriate results can be achieved even when substituted or substituted by elements or equivalents.
그러므로 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents of the claims are within the scope of the following claims.
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