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Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery > Volume 44(11); 2001 > Article
Korean Journal of Otorhinolaryngology-Head and Neck Surgery 2001;44(11): 1140-1144.
Blepharokymography: A New Tool for Dynamic Eyelid Motion Analysis Using Image Processing.
Seung Ho Choi, Kyung Hun Yang, Yong Sig Kwun, Chong Sun Lee, Kwang Hyun Kim, Myung Whun Sung, Kwang Suk Park
1Department of Otorhinolaryngology-Head & Neck Surgery, Hallym University College of Medicine, Seoul, Korea.
2Department of Otolaryngology, Seoul National University College of Medicine, Seoul, Korea.
3Department of Biomedical Engineering, Seoul National University College of Medicine, Seoul, Korea.
안검카이모그래피:영상처리를 이용한 새로운 동적 안검운동 분석도구
최승호1 · 양경헌1 · 권용식1 · 이종선1 · 성명훈2 · 김광현2 · 박광석3
한림대학교 의과대학 이비인후-두경부외과학교실1;서울대학교 의과대학 이비인후과학교실2;의공학교실3;
주제어: 안검안면신경카이모그래피영상처리.
ABSTRACT
BACKGROUND AND OBJECTIVES:
Evaluation of facial movements, especially eyelid movements, per se, depends largely on subjective judgments of trained clinicians. Recently, however, a few objective methods were reported although they required bothersome markers attached on the eyelids and a special-purpose high-speed video camera. This study aimed to develop a new dynamic and quantitative analysis system for eyelid motion using an image processing method without markers or a high-speed camera, and to evaluate parameters that could properly differentiate normal and abnormal states.
MATERIALS AND METHOD:
The system was consisted of a personal computer with a general-purpose frame grabber and a specially developed software which was named, Blepharokymography. Displacement of upper eyelids, duration of closing and opening segments, and closing and opening velocity were measured in 12 normal subjects and 5 facial nerve palsy patients of variable causes. Mean values of each parameter and the ratio of a palsy or slower side to a normal or faster side in normal and facial palsy groups were compared.
RESULTS:
In the normal group, the mean displacement of upper eyelids, mean closing time, mean and peak closing velocity were 8.3mm, 161 msec. 61.6 mm/sec and 146.2 mm/sec respectively. Among parameters, displacement, the closing time, mean closing velocity and peak closing velocity were significantly different between normal and facial palsy groups.
CONCLUSION:
By using blepharokymography system, it was possible to measure the eyelid motion objectively. Displacement, closing time, average and peak closing velocity were useful in differentiating the normal state as well as the facial nerve palsy state.
Keywords: EyelidsFacial nerveKymographyImage processingcomputer-assisted

교신저자:박광석, 110-744 서울 종로구 연건동 28 서울대학교 의과대학 의공학교실
              전화:(02) 760-3135 · 전송:(02) 745-7870 · E-mail:kspark@snuvh.snu.ac.kr

서     론


   안면신경마비 환자에 있어 가장 중요하고 불편한 증상 중 하나는 안검 폐쇄부전이다. 안검 폐쇄부전은 환자에게 외모상의 이상 뿐만 아니라 누액감소와 함께 각막건조를 유발하여 실명에 이를 수도 있는 심각한 증상이다.
   안면신경마비 상태를 평가하는 방법에는 크게 House-Brackmann 등급 체계와 같은 검사자의 주관적 판단에 근거하는 주관적 방법과 신경전도검사(electroneuronography)나 신경자극검사(nerve excitability test), 근전도검사 등의 전기생리학적인 객관적 방법이 있다.1)2) 주관적 검사법은 분류단계가 세밀하지 못하거나 검사자간 오차로 인하여 환자의 상태변화를 민감히 반영하지 못하며 전기생리학적 검사는 어디까지나 신경 변성 상태를 보여줄 뿐 환자의 안면 움직임 자체를 그대로 평가하는 것이라고는 보기 어렵다. 근래에 컴퓨터를 사용하여 안면의 움직임을 객관적으로 계측하려는 노력이 있어 왔으나 정적인 분석에 그쳤거나,3)4)5) 동적이라 하더라도 안검에 표지자를 부착하여야 하는 불편함이 있었다.6)7)
   Sung 등은 후두 스트로보스코피 동영상으로부터 카이모그램을 추출하여 디스플레이하는 후두 스트로보카이모그래피라는 기술을 개발하여 보고한 바 있다.8) 이것을 응용하여 저자들은 가정용 캠코더와 범용 캡춰보드가 내장된 개인용컴퓨터, 새로이 개발하여 안검카이모그래피(Blepharokymography)라 명명한 소프트웨어를 이용하여 안검의 움직임을 시각적이고 객관적으로 보여주는 시스템을 개발하여 정상인과 안면신경마비 환자에 적용, 저자들이 설정한 척도들 중 정상 상태와 마비 상태를 구분하여 줄 수 있는 척도는 무엇인지 알아보고 안검 운동에 관한 정상 및 병적 데이터를 제시하고자 연구를 시행하였다.

재료 및 방법

촬  영
  
피검자를 검사용의자에 앉히고 뒷머리를 머리받침대에 대어 고정한 후 피검자의 미간에 길이 보정용 15 mm 표지자를 부착하였다. 조명은 좌우대칭적으로 비추고 피검자로 하여금 초당 2회 정도로 20회 정도 눈을 깜박이도록 하였고 촬영은 가능한 한 양안이 크게 나오도록 하기 위하여 외안각을 촬영 시야의 좌우 끝에 맞추었다.

동영상 획득 및 처리
  
비디오카메라의 아날로그출력을 받아 초당 60프레임으로 캡춰하여 320×240픽셀 크기의 동영상을 얻었다. 눈썹의 검정색은 후에 카이모그램 이진화 및 상연 추출과정에서 오류를 발생시킬 수 있어 영상에서 눈썹 부위를 배제하고 동영상파일의 크기를 줄이기 위하여 원하는 영역을 검사자가 직사각형 형태로 선택하면 선택된 영역크기의 새로운 동영상이 만들어지도록 하였다. 촬영 중 양안이 수평위치에 놓이지 않은 경우 카이모그램이 상연의 움직임을 그대로 보여주지 못하게 되어 분석 시 오차가 발생하므로 검사자가 각도를 지정하여 주면 각 프레임별로 회전한 후 새로운 동영상으로 합성하여 보정하도록 하였다.

카이모그램 구성
  
안검의 변위가 가장 큰 지점, 즉 안검열의 크기가 가장 큰 지점을 검사자가 선택하면 동영상의 각 프레임으로부터 동일한 위치의 수직라인을 추출하여 병렬배치하여 비트맵 형식의 카이모그램을 얻을 수 있었다(Fig. 1). 양측 눈의 동일한 위치에서 카이모그램을 얻어 영상처리과정을 동일한 조건에서 수행하여 양측을 비교할 수 있도록 하였다.

필터링 및 윤곽선 추출
  
카이모그램을 픽셀 별로 명암정보에 대하여 임계값 처리(threshold filtering)하여 피부는 흰색, 안검열은 검정색으로 보이도록 이진화하였다. 임계값은 피검자의 피부색, 조명의 세기와 각도 등의 조건에 따라 달라져야 하므로 카이모그램의 화상에 따라 자동적으로 연산되도록 하였고 필요하면 검사자가 실시간으로 처리 결과를 보며 수동으로 조정할 수도 있게 하였다. 이진화된 영상으로부터 검정색으로 표시되는 안검열의 상연만을 추출하여 상안검의 시간별 변위를 얻었다(Fig. 2).
   상연 추출과정에서 중앙값 처리(median filtering)를 하여 계단정보는 유지하면서 잡음을 효과적으로 제거하였으며 쌍꺼풀이 있는 피검자의 경우 쌍꺼풀 부위의 명도가 홍채와 비슷할 정도로 낮아 상연 추출과정에서 실제 안검연의 위치가 아닌 쌍꺼풀의 위치가 상안검의 변연으로 선택되는 오류가 발생하는 경우가 있어 이를 제거하는 연산을 추가하였다.

안검운동 지표의 산출
  
변위곡선은 안검이 열리는 구간, 열려있는 구간, 닫히는 구간, 닫혀있는 구간으로 구분할 수 있으며 그 중에서 안검이 이동하는 구간인 개대성 이동구간(opening segment)과 폐쇄성 이동구간(closing segment)를 자동적으로 분리되도록 하였고 변위곡선의 미분연산을 통하여 속도곡선을 얻어 분석에 함께 사용하였다. 각 주기 당 개대성 이동구간과 폐쇄성 이동구간의 변위, 평균속도, 최대속도, 곡선아래면적, 시간을 구하고 평균을 산출하였다(Fig. 3).

정상군과 안면신경마비 환자군
   12명의 정상인과 5명의 안면신경마비 환자에 대하여 검사를 시행하였다. 정상군의 평균연령은 30세였고 남자가 10명, 여자가 2명이었다. 안면신경마비 환자군은 남자가 3명, 여자가 2명이었고 연령은 19세에서 49세까지 평균 35세였다. 안면신경마비의 원인은 벨마비가 2례였고 귀대상포진, 중이염 수술 후 상태, 이하선적출술 후 상태가 각각 1례 씩이었다. 환자군의 House-Brackmann 등급은 등급가 1례, 등급 와 등급 가 각각 2례씩이었다.


임상적으로 의미 있는 지표의 선별
  
지표별로 정상인과 안면신경마비 환자의 평균을 비교, Wilcoxon rank sum test로 검정하고 정상상태와 마비상태를 구분하는데 도움이 되는 지표를 선별한다. 안면신경마비가 회복되는 과정을 추적하며 검사를 반복적으로 시행하여 임상적 회복과 지표 값 변화의 연관성을 규명한다.

결     과

   정상인의 경우 변위와 속도 곡선이 좌우간에 차이가 없이 거의 일치하였지만 안면신경마비 환자의 경우 정상측에 비해 마비측의 변위 곡선은 폐쇄성 이동구간의 기울기가 완만하고 폐쇄 시간이 증가되었다. 또한 속도 곡선에서도 마비측에 비해 정상측의 최대속도가 큰 것을 관찰할 수 있었다(Fig. 4).
   Fig. 4에서 직관적으로 알 수 있는 차이를 계량적으로 평가하고자 분석을 시행한 결과 Table 1에서와 같이 변위, 평균 폐쇄 속도, 최대 폐쇄 속도, 폐쇄 시간에서 통계적으로 유의하게 마비측과 정상인 혹은 마비측과 환자의 정상측 간에 차이가 있음을 알 수 있었다.
   정상인의 경우 상안검의 변위는 평균 8.3 mm였으며 눈을 감는데 소요되는 시간은 평균 161 msec, 눈을 감는 동안의 상안검의 하향속도는 평균 61.6 mm/sec, 최대 146.2 mm/sec였다.
   촬영 시 피검자가 눈을 깜박이는 동작은 검사 때마다 달라지거나 피검자의 의도에 따라 변화될 여지가 있고 실제로 Table 1에서 각 지표값의 표준편차가 비교적 크게 나타났다. 따라서 비교적 일정한 값을 가질 것으로 예상되는 좌우 양안 간의 비를 산출하여 본 결과 Table 1에서와 마찬가지로 정상인군과 환자군에서 유의한 차이를 보인 지표는 변위, 평균 폐쇄 속도, 최대 폐쇄 속도, 폐쇄 시간이었다(Table 2).

고     찰

   임상적으로 안면신경마비의 정도를 평가하는 방법으로는 Fisch 등급 체계와 House-Brackmann 등급 체계가 가장 널리 사용되고 있다.
   Fisch 등급 체계는 환자의 주관적 등급과 휴식상태, 이마에 주름 짓는 상태, 안검 폐쇄 상태, 웃는 상태, 휘파람 부는 상태의 다섯 항목에 대한 의사의 등급을 각각 0, 30, 70, 100%로 채점하고 이를 각 항목에 대한 가중치를 곱하여 합계를 산출하는 방식으로 평가하는 방법이다. 가중치는 휴식상태 2점, 안검 폐쇄 상태 3점, 웃는 상태 3점, 이마에 주름 짓는 상태와 휘파람 부는 상태가 각각 1점 씩으로 안검 폐쇄 상태와 웃는 상태에 높은 비중을 두고 있다.2)
   House-Brackmann 등급 체계는 휴식 시, 안검 폐쇄 시, 웃음 시 등 안면의 움직임, 공동운동(synkinesis) 유무 등을 종합적으로 판단하여 1등급부터 6등급까지 6단계로 평가하는 방법이다.1)
   위 두 가지 방법은 손쉽게 시행이 가능하다는 장점이 있고 서로 간의 연관성이 증명되어 있고,9) 신경생리학적 검사, 예를 들어 신경전도검사와의 연관성이 검증되어 있으나,10) 검사자의 주관적 판단에 의존함으로써 검사자간 혹은 검사자 내 오차를 피할 수 없고 환자의 상태 변화를 민감하게 반영하지는 못하며 결과를 객관적으로 계량화하지 못하는 단점을 가지고 있다.
   주관적 평가방법의 한계를 극복하기 위하여 환자 안면의 휴식상태 및 운동상태 사진 혹은 동영상의 주요 프레임을 가지고 안면의 특정지점의 위치변화를 계측하는 방법으로 계량화하려는 시도가 있어 왔고,11)12) 휴식상태의 영상에서 운동상태의 영상을 감산하여 변화된 픽셀의 수를 세는 방법도 보고된 바 있다.3)4)5) 이들 방법들은 안면신경마비의 정도를 수치화하는 데는 어느 정도 성공하고 있으나 휴식상태와 최대운동상태만을 비교하여 결국 정적인 분석에 그치고 있다. 또한 정지 사진에서 입가 혹은 눈썹의 위치변화를 측정하는 것은 검사방법이 대단히 번거로우며 픽셀 수를 세는 방법의 경우 필연적으로 조명의 영향과 이미지 이진화 과정에서 생기는 왜곡이 매우 클 것으로 판단된다.
   안면의 주요 지점에 다수의 표지자를 부착한 후 표정을 짓게 하여 표정을 지을 때 각각의 표지자가 움직이는 거리를 컴퓨터 프로그램을 이용하여 측정한 후 움직인 거리의 합계를 구하여 마비의 정도를 백분율로 표시하여 분석하는 방법이 보고되었다.13) 그 밖에도 동적-객관적 방법으로 상하 안검에 표지자를 부착하고 초당 60프레임 촬영이 가능한 카메라, 저자에 따라서는 적외선조명 및 적외선카메라를 사용하여 촬영한 후 고가의 동작분석 소프트웨어를 사용하여 분석하는 방법이 보고된 바 있으나 안검에 2.5~5 mm크기의 표지자를 부착함으로써 환자가 불편할 뿐만 아니라 정밀도가 낮아질 우려가 있고 상하 안검의 표지자가 겹쳐지지 않도록 하기 위하여 실제 안검이 접촉하는 두 지점이 아니라 엇갈리도록 표지자를 부착하여 필연적으로 검사결과가 왜곡되는 단점을 가지고 있다.6)7)
   반면 저자들의 안검카이모그래피 시스템은 특수한 고속촬영카메라 또는 적외선카메라가 아닌 일반 가정용 캠코더를 사용하고 환자의 안검에 표지자를 부착하는 불편함이 없이 영상분석 만으로 안검의 움직임을 정량적으로 분석하는 것이 가능하다. 눈을 뜨면서 상안검이 접혀지는 것을 고려할 때 안검에 2.5 mm 크기의 표지자를 부착할 경우 표지자의 움직임은 안검 변연부의 움직임을 정확히 보여준다고 생각하기 어려운데 비하여 본 시스템은 상안검 변연부 자체의 위치를 그대로 반영하므로 정확성에 있어 다른 연구자들에 비해 우월하다고 판단된다.
   촬영 시 저자들은 이비인후과 치료 의자와 조명을 사용하였는데 검사를 시행하는데 무리가 없었으나 다만 초기에 시행한 몇 건의 검사의 경우 조명이 지나치게 한쪽으로 치우쳐 양측 안검의 명도 차이가 많이 날 때는 통상적인 이진화 과정을 거치면 양측이 동일한 조건이 되지 못하여 검사 오류가 발생하는 경우가 있어 영상의 명도 보정이 필요하였다.
   본 연구에서는 정상인에서도 좌우 간에 안검의 변위나 속도에서 차이가 있는 경우가 의외로 많이 있었는데 특히 양 안검열의 크기가 비대칭인 정상인의 경우 각 척도에서 양안간에 차이가 나타났다. 안검 폐쇄속도 및 폐쇄시간은 안검열의 크기 즉 변위를 하나의 인수로 가지는 함수일 것으로 예측되지만 선형적인 관계는 아닌 것으로 판단되며 연구되어야 사항 중의 하나이다. 아울러 예후 예측의 측면에서 안면신경마비의 기타 검사, 예를 들어 House-Brackmann 등급 체계나 신경전도검사와 같은 검사 결과와의 연관성도 연구하여 기존에 알려진 예후 인자와 비교할 필요가 있다.
   본 연구는 안검에 표지자를 부착하는 불편함과 고가의 장비 없이 영상처리 만으로 안검의 움직임을 분석할 수 있는 시스템을 개발하고 정상인과 안면신경마비 환자의 안검 운동에 관하여 객관적 계측 자료를 제시하였다는데 의미가 있으며 향후 지속적 자료 수집을 통하여 각 척도의 정상범위 및 이상 판정기준을 마련해야 할 것으로 사료된다.

결    론

   영상처리 기술을 사용하여 안검 운동을 객관적으로 계측하는 것이 가능하며, 여러 척도들 중에서는 변위, 안검 폐쇄시간 및 폐쇄속도가 정상인과 안면신경마비 상태를 구분하는 데 도움이 될 수 있다.


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