KR102364309B1 - Method for estimating bone mineral density and bone structure using ultrasonic attenuation coefficient and backscatter coefficient - Google Patents

Method for estimating bone mineral density and bone structure using ultrasonic attenuation coefficient and backscatter coefficient Download PDF

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KR102364309B1 KR1020200004016A KR20200004016A KR102364309B1 KR 102364309 B1 KR102364309 B1 KR 102364309B1 KR 1020200004016 A KR1020200004016 A KR 1020200004016A KR 20200004016 A KR20200004016 A KR 20200004016A KR 102364309 B1 KR102364309 B1 KR 102364309B1
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Abstract

어느 하나의 트랜스듀서가 측정 대상체에 송신초음파를 조사하고, 상기 어느 하나의 트랜스듀서와 마주하는 다른 하나의 트랜스듀서가 상기 측정 대상체를 투과한 제1 수신초음파를 수신하는 제1 측정단계; 어느 하나의 트랜스듀서가 상기 측정 대상체를 향해 송신초음파를 조사하고, 상기 측정 대상체를 반사하여 되돌아온 제2 수신초음파를 수신하는 제2 측정단계; 상기 제1 수신초음파 및 제2 수신초음파의 전기적 신호를 분석하여 주파수 함수에 대한 감쇠계수 및 후방산란계수를 추출하는 추출단계; 및 상기 측정 대상체의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나가 종속변수이고, 적어도 둘 이상의 변수가 독립변수로 이루어진 다중회귀모델에 상기 추출단계에서 추출된 감쇠계수 및 후방산란계수를 독립변수로 적용하여 상기 측정 대상체의 골밀도와 골구조를 예측하는 예측단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법을 제공한다.A first measurement step of irradiating a transmitting ultrasound wave to a measurement target by any one transducer, and receiving a first receiving ultrasound wave transmitted through the measurement target by another transducer facing the one transducer; a second measurement step of irradiating a transmission ultrasound wave toward the measurement object by any one transducer, and receiving a second reception ultrasound wave returned by reflecting the measurement object; an extraction step of extracting an attenuation coefficient and a backscattering coefficient for a frequency function by analyzing the electrical signals of the first ultrasonic wave and the second ultrasonic wave received; and applying the attenuation coefficient and backscattering coefficient extracted in the extraction step as independent variables to a multiple regression model in which any one of bone density and bone structure of the measurement object is a dependent variable, and at least two or more variables are independent variables. A prediction step of predicting the bone density and bone structure of the subject; It provides a method for predicting bone density and bone structure using an ultrasonic damping coefficient and a backscattering coefficient, characterized in that it comprises a.

Description

초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법 {METHOD FOR ESTIMATING BONE MINERAL DENSITY AND BONE STRUCTURE USING ULTRASONIC ATTENUATION COEFFICIENT AND BACKSCATTER COEFFICIENT}Bone density and bone structure prediction method using ultrasound attenuation coefficient and backscatter coefficient {METHOD FOR ESTIMATING BONE MINERAL DENSITY AND BONE STRUCTURE USING ULTRASONIC ATTENUATION COEFFICIENT AND BACKSCATTER COEFFICIENT}

본 발명은 초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for predicting bone density and bone structure using an ultrasonic damping coefficient and a backscattering coefficient.

골다공증은 골량의 감소 및 골구조의 파괴로 인해 작은 충격에도 골절이 쉽게 발생하는 전신적 골질환으로 정의된다. 이때, 골다공증은 발병하고 나면 정상상태로 되돌릴 수 없는 비가역성 질환이라는 점에서 조기 진단 및 예방이 중요하다.Osteoporosis is defined as a systemic bone disease in which fractures easily occur even with a small impact due to a decrease in bone mass and destruction of bone structure. At this time, early diagnosis and prevention are important in that osteoporosis is an irreversible disease that cannot be returned to a normal state once it is onset.

이러한, 골다공증 진단을 위한 여러 가지 진단방법 중 대표적으로 이중 에너지 X-선 흡수계측법(dual energy X-ray absorptiometry; DEXA)을 이용한 골밀도 측정이 있으나, 골다공증의 진단 뿐 아니라 치료반응의 평가를 위하여 반복적인 측정이 이루어져야하기 때문에 방사선을 이용하는 이중 에너지 X-선 흡수계측법은 방사선에 반복적으로 노출되어야 하는 위험성이 존재하였으며, 특히 임산부의 골밀도 측정에는 어려움이 있었다.Among various diagnostic methods for diagnosing osteoporosis, there is a representative method for measuring bone density using dual energy X-ray absorptiometry (DEXA). Because the measurement must be made, the dual energy X-ray absorptiometry using radiation has a risk of repeated exposure to radiation, and in particular, there is a difficulty in measuring the bone density of pregnant women.

이에, 인체에 무해한 방법을 이용하여 골다공증을 진단하는 기술에 대한 연구가 다각도로 이루어지고 있으며, 이러한 기술 일환으로 초음파를 이용하여 골다공증을 진단하는 정량적 초음파(quantitative ultrasound; QUS) 기술이 제시되었다.Accordingly, research on a technique for diagnosing osteoporosis using a method harmless to the human body is being conducted from various angles, and as a part of this technique, a quantitative ultrasound (QUS) technique for diagnosing osteoporosis using ultrasound has been proposed.

여기서, 정량적 초음파 기술은 인체의 발 뒤꿈치 뼈 즉, 종골(calcaneus)에 초음파를 조사한 뒤, 종골의 음속(speed of sound; SOS) 및 광대역 초음파 감쇠(broadband ultrasound attenuation; BUA)와 같은 초음파 특성을 측정하여 전신의 골밀도(bone mineral density; BMD)를 간접적으로 예측하고, 이로부터 골다공증을 진단할 수 있다.Here, the quantitative ultrasound technology irradiates ultrasound to the heel bone of the human body, that is, the calcaneus, and then measures ultrasound characteristics such as the speed of sound (SOS) and broadband ultrasound attenuation (BUA) of the calcaneus. Thus, the bone mineral density (BMD) of the whole body can be predicted indirectly, and osteoporosis can be diagnosed from this.

이러한 정량적 초음파기술은 방사선을 이용한 골다공증 진단 방법에 비해 반복적인 검사에도 방사선 노출의 위험성이 전혀 없고, 진단기기의 가격 및 검진비용이 상대적으로 저렴한 장점이 있다. 이에 관한 기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2005-0038812호(출원일 : 2003. 10. 23, 공개일 : 2005. 04. 29.), 대한민국 공개특허공보 10-2003-0034550호(출원일 : 2001. 10. 26., 공개일 : 2004. 06. 11.) 등에 제시된 바 있다. This quantitative ultrasound technique has the advantage that there is no risk of radiation exposure even for repeated examinations, and the price and examination cost of the diagnostic device are relatively low compared to the osteoporosis diagnosis method using radiation. The technology related to this is disclosed in Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2005-0038812 (application date: October 23, 2003, publication date: April 29, 2005), and Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2003-0034550 (application date: 2001. 10. 26., Published date: 2004. 06. 11.), etc. have been suggested.

한편, 동일한 골밀도를 갖더라도 연령의 차이, 골절 관련 병력, 스테로이드류의 약물치료 여부, 인체의 골구조 차이 등에 따라 골절 발생률이 다르기 때문에 골밀도 뿐 아니라 골구조의 변화를 함께 고려해야할 필요성이 있다.On the other hand, even with the same bone density, there is a need to consider changes in bone structure as well as bone density because the incidence of fractures varies depending on age, fracture-related history, steroid drug treatment, and differences in bone structure of the human body.

그러나, 종래의 정량적 초음파 기술은 골다공증 진단을 위해 골밀도의 변화만을 측정하고 있어 골구조 변화로 인해 발생하는 골다공증의 원인 규명 및 진단에는 어려움이 존재하였다.However, since the conventional quantitative ultrasound technology measures only the change in bone density for the diagnosis of osteoporosis, it is difficult to identify and diagnose the cause of osteoporosis caused by the change in bone structure.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로 초음파 측정을 통해 골밀도 및 골구조를 함께 평가하여 골다공증 진단의 정확도를 향상시킬 수 있는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a technique capable of improving the accuracy of diagnosis of osteoporosis by evaluating bone density and bone structure together through ultrasound measurement to solve the above problems.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법은 어느 하나의 트랜스듀서가 측정 대상체에 송신초음파를 조사하고, 상기 어느 하나의 트랜스듀서와 마주하는 다른 하나의 트랜스듀서가 상기 측정 대상체를 투과한 제1 수신초음파를 수신하는 제1 측정단계; 어느 하나의 트랜스듀서가 상기 측정 대상체를 향해 송신초음파를 조사하고, 상기 측정 대상체를 반사하여 되돌아온 제2 수신초음파를 수신하는 제2 측정단계; 상기 제1 수신초음파 및 제2 수신초음파의 전기적 신호를 분석하여 주파수 함수에 대한 감쇠계수 및 후방산란계수를 추출하는 추출단계; 및 상기 측정 대상체의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나가 종속변수이고, 적어도 둘 이상의 변수가 독립변수로 이루어진 다중회귀모델에 상기 추출단계에서 추출된 감쇠계수 및 후방산란계수를 독립변수로 적용하여 상기 측정 대상체의 골밀도와 골구조를 예측하는 예측단계; 를 포함할 수 있다. In order to achieve this object, in a method for predicting bone density and bone structure using an ultrasonic damping coefficient and a backscattering coefficient according to an embodiment of the present invention, any one transducer irradiates a transmission ultrasound to a measurement object, and the any one of the transducers a first measuring step of receiving a first receiving ultrasonic wave that has passed through the measurement target by another transducer facing the transducer; a second measurement step of irradiating a transmission ultrasound wave toward the measurement object by any one transducer, and receiving a second reception ultrasound wave returned by reflecting the measurement object; an extraction step of extracting an attenuation coefficient and a backscattering coefficient for a frequency function by analyzing the electrical signals of the first ultrasonic wave and the second ultrasonic wave received; and applying the attenuation coefficient and backscattering coefficient extracted in the extraction step as independent variables to a multiple regression model in which any one of bone density and bone structure of the measurement object is a dependent variable, and at least two or more variables are independent variables. A prediction step of predicting the bone density and bone structure of the subject; may include

여기서, 상기 추출단계는, 상기 제1 수신초음파 및 제2 수신초음파의 전기적 신호를 통해 0.2 MHz 내지 0.6 MHz의 주파수 대역(이하, '계산 주파수 대역'이라 칭함)에서 주파수 함수에 대한 감쇠계수 및 후방산란계수를 계산하는 연산단계; 및 상기 계산 주파수 대역에서 중심 대역에 해당하는 감쇠계수 및 후방산란계수를 추출하는 변수 추출단계;를 포함할 수 있다.Here, in the extraction step, an attenuation coefficient for a frequency function in a frequency band of 0.2 MHz to 0.6 MHz (hereinafter referred to as a 'calculation frequency band') through the electrical signals of the first and second reception ultrasound waves and the rear calculating a scattering coefficient; and a variable extraction step of extracting an attenuation coefficient and a backscattering coefficient corresponding to a center band from the calculated frequency band.

이때, 상기 연산단계에서, 상기 감쇠계수는 상기 제1 수신초음파를 분석하여 계산될 수 있으며, 하기 수학식1에 의해 결정될 수 있다.In this case, in the calculation step, the attenuation coefficient may be calculated by analyzing the first received ultrasonic wave, and may be determined by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020003312162-pat00001
Figure 112020003312162-pat00001

(여기서,

Figure 112020003312162-pat00002
[dB/cm]는 초음파 감쇠계수, d는 측정 대상체의 두께,
Figure 112020003312162-pat00003
Figure 112020003312162-pat00004
는 마주하는 한 쌍의 트랜스듀서 사이에 측정 대상체가 없는 경우와 있는 경우에 각각 수신된 신호의 파워스펙트럼레벨)(here,
Figure 112020003312162-pat00002
[dB/cm] is the ultrasonic attenuation coefficient, d is the thickness of the measurement object,
Figure 112020003312162-pat00003
and
Figure 112020003312162-pat00004
is the power spectrum level of the received signal when there is no measurement object between a pair of transducers facing each other)

또한, 상기 연산단계에서, 상기 후방산란계수는 상기 제1 수신초음파 및 제2 수신초음파를 분석하여 계산될 수 있으며, 하기 수학식2에 의해 결정될 수 있다.In addition, in the calculation step, the backscattering coefficient may be calculated by analyzing the first received ultrasound and the second received ultrasound, and may be determined by Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021094106726-pat00058
Figure 112021094106726-pat00058

(여기서,

Figure 112020003312162-pat00006
[cm-1sr-1]는 초음파 후방산란계수, R은 어느 하나의 트랜스듀서의 초음파 송수신면으로부터 측정 대상체의 중앙부까지의 거리,
Figure 112020003312162-pat00007
Figure 112020003312162-pat00008
는 각각 측정 대상체 및 측정 대상체의 중앙부에 대응하는 거리에 위치된 완전 반사체(스테인리스 스틸)로부터 후방 산란된 신호의 파워스펙트럼레벨, W(f)는 초음파 초점에서 -3 dB만큼의 빔폭(반치 빔폭; half-maximum beam width),
Figure 112020003312162-pat00009
는 제2 수신초음파 중 측정 대상체 내부에서 후방 산란된 초음파 신호가 차지하는 시간, l은 측정 대상체의 중앙부로부터 표면까지의 거리,
Figure 112020003312162-pat00010
Figure 112020003312162-pat00011
는 각각 투과법에 의해 측정된 측정 대상체의 위상속도 및 감쇠계수) (here,
Figure 112020003312162-pat00006
[cm -1 sr -1 ] is the ultrasonic backscattering coefficient, R is the distance from the ultrasonic transmission/reception surface of any one transducer to the center of the measurement object,
Figure 112020003312162-pat00007
Wow
Figure 112020003312162-pat00008
is the power spectrum level of the signal backscattered from the perfect reflector (stainless steel) located at a distance corresponding to the measurement object and the center of the measurement object, respectively, W(f) is the beam width by -3 dB at the ultrasonic focus (half full beam width; half-maximum beam width),
Figure 112020003312162-pat00009
is the time occupied by the ultrasonic signal backscattered inside the measurement object among the second reception ultrasound waves , l is the distance from the center of the measurement object to the surface,
Figure 112020003312162-pat00010
and
Figure 112020003312162-pat00011
is the phase velocity and attenuation coefficient of the measurement object measured by the transmission method, respectively)

그리고, 상기 측정 대상체의 골구조는 골용적 비율(BT/TV), 골소주 두께(Tb.Th) 및 골소주 간격(Tb.Sp) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.In addition, the bone structure of the measurement target may include at least one of a bone volume ratio (BT/TV), a trabecular trabecular thickness (Tb.Th), and a trabecular trabecular interval (Tb.Sp).

게다가, 다수개의 측정 대상체 샘플로부터 사전에 측정된 감쇠계수 및 후방산란계수를 독립변수로 하고, 상기 측정 대상체 샘플의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나를 종속변수로 하여, 복수의 독립변수와 각 종속변수의 다중 회귀 분석(multiple regression analysis)을 수행하며, 이로부터 도출된 지표 방정식을 상기 다중회귀모델로 획득하는 다중회귀모델 생성단계; 를 포함할 수 있다.In addition, the attenuation coefficient and the backscattering coefficient measured in advance from a plurality of measurement subject samples are used as independent variables, and any one of bone density and bone structure of the measurement object sample is used as a dependent variable, and a plurality of independent variables and each dependent variable are used. a multiple regression model generation step of performing multiple regression analysis of , and obtaining an index equation derived therefrom as the multiple regression model; may include

이때, 상기 다중회귀모델 생성단계에서, 상기 다중회귀모델은 하기 수학식3으로부터 획득되며, 상기 다중회귀모델의 결정계수(R2, Pearson 상관계수 R의 제곱)는 단일의 독립변수와 종속변수 간의 선형회귀모델의 결정계수 대비 큰 값을 가질 수 있다.At this time, in the multiple regression model generation step, the multiple regression model is obtained from Equation 3 below, and the coefficient of determination (R 2 , square of the Pearson correlation coefficient R) of the multiple regression model is determined between a single independent variable and a dependent variable. It can have a larger value than the coefficient of determination of the linear regression model.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020003312162-pat00012
Figure 112020003312162-pat00012

(여기서, y는 종속변수(골밀도 또는 골구조),

Figure 112020003312162-pat00013
Figure 112020003312162-pat00014
는 독립변수(감쇠계수 및 후방산란계수), a 및 b는 계수, c는 y절편)(where y is the dependent variable (bone density or bone structure),
Figure 112020003312162-pat00013
and
Figure 112020003312162-pat00014
is the independent variable (attenuation coefficient and backscatter coefficient), a and b are coefficients, c is the y-intercept)

그리고, 상기 예측단계에서 예측된 상기 측정 대상체의 골밀도 및 골구조를 출력하는 출력단계; 를 더 포함할 수 있다.And, an output step of outputting the bone density and bone structure of the measurement object predicted in the prediction step; may further include.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.As described above, according to the present invention, there are the following effects.

첫째, 기존의 정량적 초음파 기술에 사용되던 파라미터와 더불어 서로 밀접한 관련이 있는 2개의 초음파 변수(초음파 감쇠계수 및 후방산란계수)를 독립변수로 하는 다중회귀모델을 통해 골밀도 및 골구조를 함께 예측하는 것이 가능하여, 종래의 음속 및 광대역 초음파 감쇠만을 이용해 골밀도를 측정하는 방식에 비해 골다공증 진단의 정확도를 향상시킬 수 있다.First, predicting bone density and bone structure together through a multiple regression model using two ultrasound variables (ultrasonic attenuation coefficient and backscattering coefficient) that are closely related to each other in addition to the parameters used in the existing quantitative ultrasound technology as independent variables Therefore, it is possible to improve the accuracy of diagnosis of osteoporosis compared to the conventional method of measuring bone density using only sound velocity and broadband ultrasound attenuation.

둘째, 본 발명은 골밀도와 골구조를 함께 평가함에 따라 골밀도의 변화뿐 아니라 골구조 변화로 인해 발생하는 골다공증의 원인 규명 및 진단이 가능하다.Second, in the present invention, by evaluating bone density and bone structure together, it is possible to identify and diagnose the cause of osteoporosis caused by changes in bone structure as well as changes in bone density.

셋째, 본 발명은 초음파를 조사하여 골다공증 진단이 이루어지므로 측정자가 방사선에 노출 될 위험이 없기 때문에 측정자에게 안전한 측정 방법을 제공할 수 있다.Third, since the present invention diagnoses osteoporosis by irradiating ultrasound, it is possible to provide a safe measuring method to the measurer because there is no risk of the measurer being exposed to radiation.

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측장치를 도시한 것이다.
도2는 골구조를 예시한 단면도이다.
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법을 도시한 흐름도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 추출단계에서 계산된 주파수 함수에 대한 (a) 감쇠계수 및 (b) 후방산란계수를 도시한 그래프이다.
도5는 측정 대상체의 골밀도 및 골구조를 예측하는데 있어서, 감쇠계수 및 후방계수를 적용한 다중회귀모델로부터 예측된 골밀도 및 골구조의 신뢰성을 설명하기 위하여 예시한 것으로, 선형회귀모델과 다중회귀모델의 결정계수를 비교한 표이다.
1 shows an apparatus for predicting bone density and bone structure using an ultrasonic damping coefficient and a back scattering coefficient according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view illustrating a bone structure.
3 is a flowchart illustrating a method for predicting bone density and bone structure using an ultrasonic damping coefficient and a back scattering coefficient according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram of a frequency function calculated in an extraction step according to an embodiment of the present invention; It is a graph showing (a) attenuation coefficient and (b) backscattering coefficient.
5 is an illustration to explain the reliability of bone density and bone structure predicted from a multiple regression model to which an attenuation coefficient and a posterior coefficient are applied in predicting the bone density and bone structure of a measurement object, and a linear regression model and a multiple regression model This is a table comparing the coefficients of determination.

본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.A preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, but already known technical parts will be omitted or compressed for the sake of brevity of description.

<초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측장치에 관한 간략한 설명><A brief description of the apparatus for predicting bone density and bone structure using ultrasonic damping coefficient and backscattering coefficient>

도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측장치(이하, '골밀도 및 골구조 예측장치'라 칭함)를 도시한 것이고, 도2는 골구조를 예시한 단면도이다.1 shows an apparatus for predicting bone density and bone structure (hereinafter, referred to as 'bone density and bone structure prediction apparatus') using an ultrasonic damping coefficient and a backscattering coefficient according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a bone structure is a cross-sectional view illustrating

도1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 골밀도 및 골구조 예측장치(100)는 트랜스듀서(110), 측정부(120), 추출부(130), 예측부(140) 및 출력부(150)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1 , the apparatus 100 for predicting bone density and bone structure according to an embodiment of the present invention includes a transducer 110 , a measurement unit 120 , an extraction unit 130 , a prediction unit 140 , and an output unit. (150) is included.

트랜스듀서(110)는 인가된 전기적 신호를 초음파로 변환하거나, 수신한 초음파를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 이때, 본 발명의 골밀도 및 골구조 예측장치는 도1(a)에 도시된 투과법(through-transmission method)과 도1(b)에 도시된 펄스-에코법(pulse-echo method)을 이용하여 측정 대상체(M)에 대한 초음파 변수들을 획득할 수 있다. The transducer 110 may convert an applied electric signal into an ultrasonic wave or convert a received ultrasonic wave into an electric signal. At this time, the apparatus for predicting bone density and bone structure of the present invention is the through-transmission method shown in Figure 1 (a) and the pulse-echo method shown in Figure 1 (b) using the pulse-echo method. Ultrasound parameters for the measurement object M may be obtained.

좀 더 구체적으로 설명하면, 투과법을 이용하여 측정 대상체(M)를 측정할 경우, 한 쌍의 트랜스듀서(110) 중 어느 하나의 트랜스듀서는 전기적 신호를 초음파로 변환하여 송신초음파를 송신하는 송신부로 동작하며, 다른 하나의 트랜스듀서는 측정 대상체(M)를 투과한 제1 수신초음파를 수신하여 전기적 신호로 변환하는 수신부로 동작한다. 여기서, 한 쌍의 트랜스듀서(110)는 초음파를 송수신하는 일면이 마주보도록 위치하며, 한 쌍의 트랜스듀서(110) 사이에는 소정 간격 이격되어 있고, 한 쌍의 트랜스듀서(110) 사이에는 측정 대상체(M)가 위치할 수 있다.More specifically, when the measurement object M is measured using the transmission method, any one of the pair of transducers 110 converts an electrical signal into an ultrasonic wave and transmits a transmission ultrasonic wave. , and the other transducer operates as a receiving unit that receives the first receiving ultrasonic wave passing through the measurement object M and converts it into an electrical signal. Here, the pair of transducers 110 are positioned so that one surface for transmitting and receiving ultrasound waves is opposite to each other, spaced apart by a predetermined distance between the pair of transducers 110 , and a measurement object between the pair of transducers 110 . (M) may be located.

펄스-에코법을 이용하여 측정 대상체(M)를 측정할 경우, 하나의 트랜스듀서(110)가 송신부 및 수신부로 동작하여, 트랜스듀서(110)의 일면으로부터 일정거리 이격 배치된 측정 대상체(M)에 송신초음파를 조사하고, 측정 대상체(M)를 반사하여 되돌아온 제2 수신초음파를 수신할 수 있다. When the measurement object M is measured using the pulse-echo method, one transducer 110 operates as a transmitter and a receiver, and the measurement object M is spaced apart from one surface of the transducer 110 by a certain distance. It is possible to irradiate a transmission ultrasound wave to the , and receive a second reception ultrasound wave returned by reflecting the measurement object (M).

참고로, 펄스-에코법을 이용한 측정은 투과법과 별개로 세팅되어 수행될 수 있으나. 경우에 따라 투과법을 수행하기 위해 세팅된 도1(a)에서 하나의 트랜스듀서(110)를 제거한 뒤 측정을 수행하거나, 기존 세팅에서 한 쌍의 트랜스듀서(110) 중 어느 하나의 트랜스듀서(110)만을 구동시켜 측정을 수행할 수도 있다. 후자의 경우, 다른 하나의 트랜스듀서(110)를 반사하여 되돌아온 반사 신호도 함께 제2 수신초음파에 포함될 수 있어, 후방산란계수 계산에 불필요한 신호를 필터링하는 별도의 신호처리가 이루어져야한다.For reference, the measurement using the pulse-echo method may be set and performed separately from the transmission method. In some cases, the measurement is performed after removing one transducer 110 in Fig. 1 (a) set to perform the transmission method, or any one transducer ( 110) may be driven to perform the measurement. In the latter case, the reflected signal returned by reflecting the other transducer 110 may also be included in the second receiving ultrasound, so that a separate signal processing for filtering the unnecessary signal for calculating the backscattering coefficient must be performed.

여기서, 측정 대상체(M)는 골밀도 및 골구조를 판단하고자하는 신체의 일부일 수 있다. 좀 더 구체적으로, 종골 외에도 골다공증성 골절이 흔하게 발생하는 부위인 요추골, 대퇴골 등이 위치한 부위일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 이때, 일 실시예에서 측정 대상체는 뼈일 수 있으며, 좀 더 구체적으로는 해면질골(trabecular bone; T)로 적용될 수 있다. 참고로, 본 발명의 일 실시예에 따른 골밀도 및 골구조 예측장치(100)에서는 골밀도 및 골구조 예측 지표인 다중회귀모델을 생성하고, 생성된 다중회귀모델에 대한 신뢰성을 평가하기 위해 측정 대상체(M)로써 소의 대퇴골 근위부를 이용하여 제작된 해면질골(T) 샘플을 사용하였다.Here, the measurement object M may be a part of the body for which the bone density and bone structure are to be determined. More specifically, in addition to the calcaneus, it may be a region where osteoporotic fractures commonly occur, such as a lumbar vertebra, a femur, etc., but is not limited thereto. In this case, in an embodiment, the measurement target may be a bone, and more specifically, may be applied as a trabecular bone (T). For reference, in the apparatus 100 for predicting bone density and bone structure according to an embodiment of the present invention, a measurement object ( As M), a cancellous bone (T) sample prepared using the proximal portion of a bovine femur was used.

참고로, 해면질골(T)은 도2에 도시된바와 같이 매우 치밀한 구조를 갖는 피질골(cortical bone; C)과 함께 인체의 뼈를 구성하는 골조직으로, 피질골(C)에 비하여 넓은 표면적을 가지고 있어 골조직 물질대사의 대부분이 해면질골(T)에서 발생하기에, 현재 임상에서 골다공증을 진단하기 위한 지표로서 해면질골(T)의 골밀도를 측정하고 있다.For reference, spongy bone (T) is a bone tissue constituting the bones of the human body together with cortical bone (C) having a very dense structure as shown in FIG. 2, and has a larger surface area than cortical bone (C). Since most of the bone tissue metabolism occurs in the cancellous bone (T), the bone density of the cancellous bone (T) is currently measured as an index for diagnosing osteoporosis in clinical practice.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 골밀도 및 골구조 예측장치(100)의 트랜스듀서(110)는 수중에 설치될 수 있다. 이때, 물은 인체의 연부조직과 유사한 음향특성을 가지며, 초음파 전파 매질로서 이용된다. 일예로, 물은 증류수일 수 있다.And, the transducer 110 of the apparatus 100 for predicting bone density and bone structure according to an embodiment of the present invention may be installed in water. In this case, water has acoustic properties similar to those of soft tissues of the human body, and is used as an ultrasonic wave propagation medium. For example, the water may be distilled water.

측정부(120)는 송신초음파에 대한 전기적 신호를 생성하여 트랜스듀서(110)에 제공하는 파형 발생부분(미도시) 및 트랜스듀서(110)가 수신한 수신초음파의 전기적 신호를 수집하는 수집부분(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 파형 발생부분이 생성하는 송신초음파는 펄스 형태 혹은 연속파 형태가 될 수 있으나, 본 발명의 일 실시예에서는 펄스 형태의 송신초음파를 발생시키는 것이 바람직하다. The measuring unit 120 generates an electrical signal for the transmitted ultrasonic wave and provides a waveform generating part (not shown) to the transducer 110 and a collecting part for collecting the electrical signal of the receiving ultrasonic wave received by the transducer 110 ( (not shown) may be included. At this time, the transmission ultrasound generated by the waveform generating part may be in the form of a pulse or continuous wave, but in an embodiment of the present invention, it is preferable to generate the transmission ultrasound in the form of a pulse.

추출부(130)는 측정부(120)가 획득한 제1 수신초음파 및 제2 수신초음파의 전기적 신호를 분석하여 주파수 함수에 대한 감쇠계수 및 후방산란계수를 추출한다. 이때, 추출부(130)는 연산부분(미도시)과 변수 추출부분(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. The extraction unit 130 extracts the attenuation coefficient and the backscattering coefficient for the frequency function by analyzing the electrical signals of the first and second reception ultrasound waves obtained by the measurement unit 120 . In this case, the extraction unit 130 may be configured to include a calculation part (not shown) and a variable extraction part (not shown).

여기서, 연산부분은 제1 수신초음파 및 제2 수신초음파의 전기적 신호를 신호 처리하여 0.2 MHz 내지 0.6 MHz 주파수 대역(이하, '계산 주파수 대역'이라 칭함)의 감쇠계수 및 후방산란계수를 계산할 수 있다. 참고로, 수신초음파의 전기적 신호를 신호 처리하는 과정에서 전기적 신호의 증폭 및 필터링 등이 추가적으로 수행될 수 있다.Here, the calculation part may calculate the attenuation coefficient and backscattering coefficient of the 0.2 MHz to 0.6 MHz frequency band (hereinafter, referred to as 'calculated frequency band') by signal processing the electrical signals of the first and second reception ultrasound waves. . For reference, in the process of signal processing the electrical signal of the received ultrasonic wave, amplification and filtering of the electrical signal may be additionally performed.

그리고, 변수 추출부분은 계산 주파수 대역에서 중심 대역에 해당하는 감쇠계수 및 후방산란계수를 추출할 수 있다. 이때, 중심 대역은 0.4 MHz일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 계산 주파수 대역에 포함된 주파수 대역에 따라 가변될 수 있다. And, the variable extraction part may extract the attenuation coefficient and the backscattering coefficient corresponding to the center band in the calculation frequency band. In this case, the center band may be 0.4 MHz, but is not limited thereto, and may vary according to a frequency band included in the calculation frequency band.

참고로, 본 발명의 일 실시예에 따른 골밀도 및 골구조 예측장치에서 트랜스듀서(110)는 0.5 MHz의 중심주파수를 가지는 비 집속형 트랜스듀서가 이용되었지만, 이에 한정되지 않는다. 이때, 트랜스듀서(110)의 중심주파수 혹은 파형 발생부분에서 발생시키는 초음파의 주파수 대역에 따라 계산 주파수 대역이 가변될 수 있다. For reference, the transducer 110 in the apparatus for predicting bone density and bone structure according to an embodiment of the present invention is a non-focused transducer having a center frequency of 0.5 MHz, but is not limited thereto. In this case, the calculated frequency band may be varied according to the center frequency of the transducer 110 or the frequency band of the ultrasonic wave generated by the waveform generating part.

예측부(140)는 측정 대상체(M)의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나가 종속변수이고, 적어도 둘 이상의 변수가 독립변수로 이루어진 다중회귀모델에 추출부(130)에서 추출된 감쇠계수 및 후방산란계수를 독립변수로 적용하여 측정 대상체(M)의 골밀도와 골구조를 예측한다. The prediction unit 140 is a multiple regression model in which any one of the bone density and bone structure of the measurement object M is a dependent variable, and at least two or more variables are independent variables. By applying the number as an independent variable, the bone density and bone structure of the measurement object (M) are predicted.

이때, 도2를 참조하면, 측정 대상체(M)의 골구조는 조직체적에서 골소주(Tb)가 차지하는 골체적의 비로 나타낸 골용적 비율(bone volume/ tissue volume, BT/TV), 골소주 두께(trabecular thickness; Tb.Th) 및 골소주(Tb) 간의 간격을 의미하는 골소주 간격(trabecular spacing; Tb.Sp) 중 적어도 어느 하나를 포함한다.At this time, referring to FIG. 2 , the bone structure of the measurement target M is a bone volume ratio expressed as a ratio of the bone volume occupied by the bone trabecular Tb to the tissue volume (bone volume/tissue volume, BT/TV), and the trabecular thickness (trabecular) thickness; Tb.Th) and at least one of trabecular spacing (Tb.Sp), which means the interval between trabecular trabeculae (Tb).

이때, 다중회귀모델은 다수개의 측정 대상체(M) 샘플로부터 사전에 측정된 감쇠계수 및 후방산란계수를 독립변수로 하고, 측정 대상체(M) 샘플의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나를 종속변수로 하여, 복수의 독립변수와 각 종속변수의 다중 회귀 분석(multiple regression analysis)을 수행하며, 이로부터 도출된 지표 방정식으로, 예측부(140)에 기 저장되어 있을 수 있다.In this case, the multiple regression model uses the attenuation coefficient and backscatter coefficient measured in advance from a plurality of measurement object (M) samples as independent variables, and uses any one of the bone density and bone structure of the measurement object (M) sample as a dependent variable. , multiple regression analysis of a plurality of independent variables and each dependent variable is performed, and an index equation derived therefrom may be pre-stored in the prediction unit 140 .

즉, 초음파 측정을 통해 추출된 초음파 변수인 감쇠계수 및 후방산란계수는 예측부(140)에 기 저장된 다중회귀모델을 통해 해당 변수 값에 대응되는 골밀도 및 골구조가 예측되며, 이로부터 골다공증 진단 결과가 도출될 수 있다. That is, the attenuation coefficient and backscattering coefficient, which are ultrasound variables extracted through ultrasound measurement, predict bone density and bone structure corresponding to the variable values through the multiple regression model pre-stored in the prediction unit 140, and from this, osteoporosis diagnosis result can be derived.

참고로, 상술한 각 부를 통해 이루어지는 측정 대상체(M)의 골밀도 및 골구조 예측에 관한 자세한 설명은 후술할 초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법에서 언급하고자 한다.For reference, a detailed description of the prediction of bone density and bone structure of the measurement object M made through the above-described parts will be referred to in the method for predicting bone density and bone structure using ultrasound attenuation coefficients and backscattering coefficients to be described later.

출력부(150)는 예측부(140)로부터 예측된 골밀도 및 골구조를 출력한다. 이때, 출력부(150)는 초음파 측정을 통해 예측된 측정 대상체(M)의 골밀도 및 골구조로부터 도출 가능한 골다공증 진단 결과를 함께 출력할 수 있다. 이때, 출력부(150)는 상술한 출력사항을 영상, 소리, 출력물 중 적어도 어느 하나로 제공할 수 있도록 디스플레이 모니터, 음향재생장치, 인쇄 장치 등으로 마련될 수 있다.The output unit 150 outputs the bone density and bone structure predicted from the prediction unit 140 . In this case, the output unit 150 may output the osteoporosis diagnosis result that can be derived from the bone density and bone structure of the measurement object M predicted through ultrasound measurement. In this case, the output unit 150 may be provided as a display monitor, a sound reproducing device, a printing device, etc. to provide the above-described output items as at least one of an image, a sound, and an output.

<초음파 감쇠계수 및 위상속도를 이용한 골밀도 및 골구조 예측 방법에 관한 설명><Description of the method for predicting bone density and bone structure using ultrasonic damping coefficient and phase velocity>

도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법을 도시한 흐름도이고, 도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 추출단계에서 계산된 주파수 함수에 대한 (a) 감쇠계수 및 (b) 후방산란계수를 도시한 그래프이며, 도5는 측정 대상체의 골밀도 및 골구조를 예측하는데 있어서, 감쇠계수 및 후방계수를 적용한 다중회귀모델로부터 예측된 골밀도 및 골구조의 신뢰성을 설명하기 위하여 예시한 것으로, 선형회귀모델과 다중회귀모델의 결정계수를 비교한 표이다.3 is a flowchart illustrating a method for predicting bone density and bone structure using an ultrasonic damping coefficient and a backscattering coefficient according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a frequency function calculated in the extraction step according to an embodiment of the present invention. for (a) is a graph showing the attenuation coefficient and (b) the back scattering coefficient, Figure 5 is the bone density and bone structure predicted from a multiple regression model to which the attenuation coefficient and the posterior coefficient are applied in predicting the bone density and bone structure of the measurement object. As an illustration to explain the reliability of

1. 제1 측정단계<S100>1. First measurement step <S100>

제1 측정단계(S100)는 어느 하나의 트랜스듀서(110)가 한 쌍의 트랜스듀서(110) 사이에 위치한 측정 대상체에 송신초음파를 조사하여, 다른 하나의 트랜스듀서(110)가 측정 대상체(M)를 투과한 제1 수신초음파를 수신하는 단계이다. 즉, 제1 측정단계(S100)는 도1(a)에 도시된 바와 같이, 투과법을 이용하여 측정 대상체(M)를 투과한 제1 수신초음파를 획득하는 단계이다. In the first measurement step (S100), one transducer 110 irradiates a transmission ultrasonic wave to the measurement object located between the pair of transducers 110, and the other transducer 110 is the measurement object M ) is a step of receiving the first receiving ultrasound transmitted through. That is, the first measurement step ( S100 ) is a step of acquiring a first reception ultrasound wave that has passed through the measurement object M using a transmission method, as shown in FIG. 1A .

좀 더 구체적으로 설명하면, 송신초음파는 펄스 형태로 마련될 수 있으며, 측정부(110)의 파형 발생부분(미도시)이 펄스파에 대한 전기적 신호를 어느 하나의 트랜스듀서(110)에 제공하면, 해당 트랜스듀서(110)는 제공받은 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하여 펄스 형태의 송신초음파를 발생시키고, 발생된 펄스 형태의 송신초음파는 측정 대상체(M)를 투과하게 된다. 이후, 측정 대상체(M)를 투과한 초음파는 다른 하나의 트랜스듀서(110)에 수신되고, 해당 트랜스듀서(110)는 수신한 제1 수신초음파를 전기적 신호로 변환한다. More specifically, the transmission ultrasound may be provided in the form of a pulse, and when the waveform generating part (not shown) of the measuring unit 110 provides an electrical signal for the pulse wave to any one of the transducers 110 , , the transducer 110 converts the received electrical signal into an ultrasonic signal to generate a pulse-shaped transmission ultrasound wave, and the generated pulse-shaped transmission ultrasound wave passes through the measurement object (M). Thereafter, the ultrasonic wave passing through the measurement object M is received by another transducer 110 , and the transducer 110 converts the received first ultrasonic wave into an electrical signal.

이때, 한 쌍의 트랜스듀서(110)는 초음파를 송수신하는 일면이 마주보도록 위치하고, 그 사이 거리는 트랜스듀서(110)의 근거리 음장(Near Filed)에 의해 결정될 수 있다. 여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측 방법에서 트랜스듀서(110)는 직경 25.4 mm와 중심주파수 0.5 MHz를 가지는 비 집속형 트랜스듀서가 이용될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다. In this case, the pair of transducers 110 are positioned so that one surface for transmitting and receiving ultrasound waves faces, and a distance therebetween may be determined by a near field of the transducer 110 . Here, in the method for predicting bone density and bone structure using the ultrasonic attenuation coefficient and the backscattering coefficient according to an embodiment of the present invention, the transducer 110 is a non-focused transducer having a diameter of 25.4 mm and a center frequency of 0.5 MHz. However, the present invention is not limited thereto.

참고로, 근거리 음장은 비 집속형 트랜스듀서를 통해 초음파가 발생할 경우 초음파의 빔 폭이 가장 좁아지는 지점을 의미하며, 측정 대상체(M)는 그 중심부가 근거리 음장 길이(NFD)와 일치하는 지점에 위치할 수 있다.For reference, the near field means the point at which the beam width of the ultrasound is the narrowest when ultrasound is generated through a non-focused transducer, and the measurement object M is located at a point whose center coincides with the near field length (NFD). can be located

2. 제2 측정단계<S200>2. Second measurement step <S200>

제2 측정단계(S200)은 어느 하나의 트랜스듀서(100)가 측정 대상체(M)를 향해 송신초음파를 조사하고, 측정 대상체(M)를 반사하여 되돌아온 제2 수신초음파를 수신하는 단계이다. 즉, 제2 측정단계(S200)는 도1(b)에 도시된 바와 같이, 펄스-에코법을 이용하여 측정 대상체(M)를 반사하여 되돌아온 제2 수신초음파를 획득하는 단계이다.The second measurement step (S200) is a step in which any one of the transducers 100 irradiates a transmission ultrasonic wave toward the measurement object M, and receives a second reception ultrasound wave returned by reflecting the measurement object M. That is, the second measurement step (S200) is a step of acquiring a second reception ultrasound wave returned by reflecting the measurement object M using the pulse-echo method, as shown in FIG. 1(b).

좀 더 구체적으로 설명하면, 송신초음파는 펄스 형태로 마련될 수 있으며, 측정부(110)의 파형 발생부분이 펄스파에 대한 전기적 신호를 하나의 트랜스듀서(110)에 제공하면, 해당 트랜스듀서(110)는 제공받은 전기적 신호를 초음파 신호로 변환하여 펄스 형태의 송신초음파를 발생시키고, 발생된 펄스 형태의 송신초음파는 측정 대상체(M)를 향해 투과하거나, 반사하게 된다. 이때, 측정 대상체(M)에서 반사된 초음파는 상기 트랜스듀서(110)에 수신되고, 해당 트랜스듀서(110)는 수신한 제2 수신초음파를 전기적 신호로 변환한다.More specifically, the transmission ultrasound may be provided in the form of a pulse, and when the waveform generating part of the measuring unit 110 provides an electrical signal for the pulse wave to one transducer 110, the transducer ( 110) converts the received electrical signal into an ultrasonic signal to generate a pulse-shaped transmission ultrasound wave, and the generated pulse-shaped transmission ultrasound wave transmits or reflects toward the measurement object M. In this case, the ultrasonic wave reflected from the measurement object M is received by the transducer 110 , and the transducer 110 converts the received second ultrasonic wave into an electrical signal.

이때, 측정 대상체(M)는 그 중심부가 트랜스듀서(110)의 초음파를 송수신하는 일면으로부터 근거리 음장 길이(NFD)만큼 이격되는 지점에 위치될 수 있다. In this case, the measurement object M may be located at a point whose center is spaced apart by a near-field length (NFD) from one surface that transmits and receives ultrasound of the transducer 110 .

참고로, 설명의 편의를 위해 제1 측정단계(S100)와 제2 측정단계(S200)를 순차적으로 기술하였지만, 상술한 설명을 요약하면, 제1 측정단계(S100)는 투과법을 이용하여 제1 수신초음파를 획득하는 단계이고, 제2 측정단계(S200)는 펄스-에코법을 이용하여 제2 수신초음파를 획득하는 단계이므로, 경우에 따라 제2 측정단계(S200)가 제1 측정단계(S100)보다 먼저 수행될 수 있다.For reference, although the first measuring step (S100) and the second measuring step (S200) have been sequentially described for convenience of explanation, to summarize the above description, the first measuring step (S100) is the first measurement step (S100) using the transmission method. 1 is a step of obtaining a receiving ultrasound, and the second measuring step (S200) is a step of obtaining a second receiving ultrasound using a pulse-echo method, so in some cases, the second measuring step (S200) is a first measuring step ( S100) may be performed earlier.

3. 추출단계<S300>3. Extraction step <S300>

추출단계(S300)는 제1 수신초음파 및 제2 수신초음파의 전기적 신호를 분석하여 주파수 함수에 대한 감쇠계수 및 후방산란계수를 추출하는 단계이다.The extraction step (S300) is a step of extracting an attenuation coefficient and a backscattering coefficient for a frequency function by analyzing the electrical signals of the first receiving ultrasound and the second receiving ultrasound.

여기서, 추출단계(S300)는 제1 수신초음파 및 제2 수신초음파의 전기적 신호를 통해 0.2 MHz 내지 0.6 MHz 주파수 대역(이하, '계산 주파수 대역'이라 칭함)에서 주파수 함수에 대한 감쇠계수 및 후방산란계수를 계산하는 단계인 연산단계(S310) 및 계산 주파수 대역에서 중심 대역에 해당하는 감쇠계수 및 후방산란계수를 추출하는 단계인 변수 추출단계(S320)를 포함할 수 있다.Here, the extraction step (S300) is an attenuation coefficient and a backscatter meter for a frequency function in a frequency band of 0.2 MHz to 0.6 MHz (hereinafter referred to as a 'calculation frequency band') through the electrical signals of the first receiving ultrasonic wave and the second receiving ultrasonic wave. It may include a calculation step (S310) of calculating the number, and a variable extraction step (S320) of extracting an attenuation coefficient and a backscattering coefficient corresponding to the center band from the calculated frequency band.

이때, 연산단계(S310)에서 감쇠계수는 제1 수신초음파를 분석하여 계산될 수 있으며, 하기 수학식1에 의해 결정될 수 있다.In this case, the attenuation coefficient in the operation step S310 may be calculated by analyzing the first received ultrasonic wave, and may be determined by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020003312162-pat00015
Figure 112020003312162-pat00015

(여기서,

Figure 112020003312162-pat00016
[dB/cm]는 초음파 감쇠계수, d는 측정 대상체의 두께,
Figure 112020003312162-pat00017
Figure 112020003312162-pat00018
는 마주하는 한 쌍의 트랜스듀서 사이에 측정 대상체가 없는 경우와 있는 경우에 각각 수신된 신호의 파워스펙트럼레벨)(here,
Figure 112020003312162-pat00016
[dB/cm] is the ultrasonic attenuation coefficient, d is the thickness of the measurement object,
Figure 112020003312162-pat00017
and
Figure 112020003312162-pat00018
is the power spectrum level of the received signal when there is no measurement object between a pair of transducers facing each other)

이때,

Figure 112020003312162-pat00019
Figure 112020003312162-pat00020
는 각각의 경우에 수신된 제1 수신초음파를 신호 처리(일 예로, 고속 푸리에 변환(FFT))하여 획득될 수 있다.At this time,
Figure 112020003312162-pat00019
and
Figure 112020003312162-pat00020
may be obtained by signal processing (eg, fast Fourier transform (FFT)) of the received first received ultrasound in each case.

그리고, 연산단계(S310)에서 후방산란계수는 제1 수신초음파 및 제2 초음파를 분석하여 계산될 수 있으며, 하기 수학식2에 의해 결정될 수 있다.And, in the operation step S310, the backscattering coefficient may be calculated by analyzing the first received ultrasound and the second ultrasound, and may be determined by Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112021094106726-pat00059
Figure 112021094106726-pat00059

(여기서,

Figure 112020003312162-pat00022
[cm-1sr-1]는 초음파 후방산란계수, R은 어느 하나의 트랜스듀서의 초음파 송수신면으로부터 측정 대상체의 중앙부까지의 거리,
Figure 112020003312162-pat00023
Figure 112020003312162-pat00024
는 각각 측정 대상체 및 측정 대상체의 중앙부에 대응하는 거리에 위치된 완전 반사체(스테인리스 스틸)로부터 후방 산란된 신호의 파워스펙트럼레벨, W(f)는 초음파 초점에서 -3 dB만큼의 빔폭(반치 빔폭; half-maximum beam width),
Figure 112020003312162-pat00025
는 제2 수신초음파 중 측정 대상체 내부에서 후방 산란된 초음파 신호가 차지하는 시간, l은 측정 대상체의 중앙부로부터 표면까지의 거리,
Figure 112020003312162-pat00026
Figure 112020003312162-pat00027
는 각각 투과법에 의해 측정된 측정 대상체의 위상속도 및 감쇠계수) (here,
Figure 112020003312162-pat00022
[cm -1 sr -1 ] is the ultrasonic backscattering coefficient, R is the distance from the ultrasonic transmission/reception surface of any one transducer to the center of the measurement object,
Figure 112020003312162-pat00023
Wow
Figure 112020003312162-pat00024
is the power spectrum level of the signal backscattered from the perfect reflector (stainless steel) located at a distance corresponding to the measurement object and the center of the measurement object, respectively, W(f) is the beam width by -3 dB at the ultrasonic focus (half full beam width; half-maximum beam width),
Figure 112020003312162-pat00025
is the time occupied by the ultrasonic signal backscattered inside the measurement object among the second reception ultrasound waves , l is the distance from the center of the measurement object to the surface,
Figure 112020003312162-pat00026
and
Figure 112020003312162-pat00027
is the phase velocity and attenuation coefficient of the measurement object measured by the transmission method, respectively)

이때, 수학식 2에서

Figure 112020003312162-pat00028
Figure 112020003312162-pat00029
는 각각의 경우에 수신된 제2 수신초음파를 신호 처리(일예로, 고속 푸리에 변환(FFT))하여 획득할 수 있다. 또한, W(f)는 반치 빔폭(half-maximum beam width)으로, 예를 들어 구체적으로 설명하자면, 시간-진폭 그래프로 표현될 수 있는 제2 수신초음파를 신호 처리(일예로, 고속 푸리에 변환(FFT))하여, 결과의 일부가 포물선 형태의 그래프로 표현될 수 있는 주파수-진폭(log 스케일)로 변환하고, 획득된 신호 처리 결과에서, 최대 피크를 나타내는 주파수로부터 -3 dB되는 두 점으로부터 W(f)가 결정될 수 있다. At this time, in Equation 2
Figure 112020003312162-pat00028
Wow
Figure 112020003312162-pat00029
in each case may be obtained by signal processing (eg, fast Fourier transform (FFT)) of the received second ultrasonic wave. In addition, W (f) is a half-maximum beam width, for example, to describe in detail, the second received ultrasound signal processing (eg, fast Fourier transform ( FFT)), a part of the result is converted into a frequency-amplitude (log scale) that can be expressed as a graph in the form of a parabola, and in the obtained signal processing result, W from two points -3 dB from the frequency representing the maximum peak (f) can be determined.

그리고,

Figure 112020003312162-pat00030
는 제2 수신초음파 중 측정 대상체 내부에서 후방 산란된 초음파 신호가 차지하는 시간으로, 구체적으로 설명하면, 측정 대상체(M)로부터 반사된 초음파 신호 즉, 제2 수신초음파 중 측정 대상체(M)의 표면에서 반사된 초음파 신호를 제외하고, 측정 대상체(M) 내부에서 후방산란된 초음파 신호가 차지하는 시간이다.And,
Figure 112020003312162-pat00030
is the time occupied by the ultrasonic signal backscattered inside the measurement object among the second ultrasonic reception waves. Specifically, the ultrasonic signal reflected from the measurement object M, that is, from the surface of the measurement object M among the second reception ultrasound waves It is the time occupied by the ultrasonic signal backscattered inside the measurement object M, excluding the reflected ultrasonic signal.

또한, 측정 대상체(M)의 감쇠계수는 상술한 수학식1에 의해 계산될 수 있고, 측정 대상체(M)의 위상속도는 하기의 참고식을 통해 계산될 수 있다.In addition, the attenuation coefficient of the measurement object M may be calculated by Equation 1 described above, and the phase velocity of the measurement object M may be calculated through the following reference equation.

[참고식][Reference formula]

Figure 112020003312162-pat00031
Figure 112020003312162-pat00031

(여기서,

Figure 112020003312162-pat00032
[m/s]는 측정 대상체의 위상속도,
Figure 112020003312162-pat00033
는 각진동수,
Figure 112020003312162-pat00034
는 온도에 의존하는 수중에서의 음속(1482m/s, 20℃), d는 측정 대상체의 두께, Δ
Figure 112020003312162-pat00035
는 초음파 전파 경로에 측정 대상체가 없는 경우와 있는 경우에 각각 수신된 신호의 위상차)(here,
Figure 112020003312162-pat00032
[m/s] is the phase velocity of the measurement object,
Figure 112020003312162-pat00033
is the angular frequency,
Figure 112020003312162-pat00034
is the temperature-dependent speed of sound in water (1482 m/s, 20°C), d is the thickness of the object to be measured, Δ
Figure 112020003312162-pat00035
is the phase difference of the received signal when there is no measurement object in the ultrasound propagation path, respectively)

연산단계(S310)에서 제1 수신초음파 및 제2 수신초음파로부터 측정 대상체(M)의 감쇠계수 및 후방산란계수를 계산하면, 변수 추출단계(S320)에서는 연산단계(S310)에서 연산된 계산 주파수 대역에 해당하는 감쇠계수 및 후방산란계수에서 중심 대역에 해당하는 특정 주파수(일예로, 0.4 MHz)에 해당하는 감쇠계수 및 후방산란계수를 추출한다.If the attenuation coefficient and the backscattering coefficient of the measurement object M are calculated from the first receiving ultrasound and the second receiving ultrasound in the calculation step S310, the variable extraction step S320 calculates the frequency band calculated in the calculation step S310. Extract the attenuation coefficient and backscatter coefficient corresponding to a specific frequency (eg, 0.4 MHz) corresponding to the central band from the attenuation coefficient and backscatter coefficient corresponding to .

참고로, 연산단계(S310)에서 계산된 주파수 함수에 대한 초음파 감쇠계수 및 후방산란계수는 도4(a) 및 도4(b)에 각각 예시되어 있으며, 연산단계(S310)에서 계산이 완료된 뒤, 변수 추출단계(S320)에서는 도4에 예시된 결과를 토대로 특정 주파수에 대응되는 감쇠계수 및 후방산란계수를 추출하는 것이다. 그리고, 상술한 추출단계(S300)는 추출부(120)에서 수행될 수 있고, 연산단계(S310) 및 변수 추출단계(S320)는 추출부(120)에 포함된 연산부분 및 변수 추출부분에서 각각 수행될 수 있다.For reference, the ultrasonic attenuation coefficient and the backscattering coefficient for the frequency function calculated in the calculation step S310 are exemplified in FIGS. 4(a) and 4(b), respectively, and after the calculation is completed in the calculation step (S310) , in the variable extraction step ( S320 ), the attenuation coefficient and the backscattering coefficient corresponding to a specific frequency are extracted based on the result illustrated in FIG. 4 . And, the above-described extraction step (S300) may be performed in the extraction unit 120, and the operation step (S310) and the variable extraction step (S320) are performed in the operation part and the variable extraction part included in the extraction part 120, respectively. can be performed.

4. 예측단계<S400>4. Prediction step <S400>

예측단계(S400)는 예측부(140)에서 이루어지며, 측정 대상체(M)의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나가 종속변수이고, 적어도 둘 이상의 독립변수로 이루어진 다중회귀모델에 추출단계(S300)에서 추출된 감쇠계수 및 후방산란계수를 독립변수로 적용하여 측정 대상체(M)의 골밀도와 골구조를 예측하는 단계이다. 여기서, 측정 대상체(M)의 골구조는 골용적 비율(BT/TV), 골소주 두께(Tb.Th) 및 골소주 간격(Tb.Sp) 중 적어도 어느 하나를 포함한다.Prediction step (S400) is made in the prediction unit 140, any one of the bone density and bone structure of the measurement object (M) is a dependent variable, the extraction step (S300) to a multiple regression model consisting of at least two or more independent variables It is a step of predicting the bone density and bone structure of the measurement object (M) by applying the extracted attenuation coefficient and backscattering coefficient as independent variables. Here, the bone structure of the measurement object M includes at least one of a bone volume ratio (BT/TV), a trabecular trabecular thickness (Tb.Th), and a trabecular trabecular interval (Tb.Sp).

이때, 예측단계(S400)에서 측정 대상체(M)의 골밀도 및 골구조를 예측하기 위해 이용되는 다중회귀모델은 제1 측정단계(S100) 및 제2 측정단계(S200) 이전에 수행되는 다중회귀모델 생성단계(미도시)를 통해 획득할 수 있다. At this time, the multiple regression model used to predict the bone density and bone structure of the measurement object M in the prediction step (S400) is a multiple regression model performed before the first measurement step (S100) and the second measurement step (S200) It can be obtained through the creation step (not shown).

여기서, 다중회귀모델 생성단계는 다수개의 측정 대상체 샘플로부터 사전에 측정된 감쇠계수 및 후방산란계수를 독립변수로 하고, 측정 대상체 샘플의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나를 종속변수로 하여, 복수의 독립변수와 각 종속변수의 다중 회귀 분석(multiple regression analysis)을 수행하여, 이로부터 도출된 회귀 방정식을 다중회귀모델로 획득하는 단계이다. Here, in the multiple regression model generation step, the attenuation coefficient and backscattering coefficient measured in advance from a plurality of measurement object samples are used as independent variables, and any one of the bone density and bone structure of the measurement object sample is used as a dependent variable, and a plurality of independent In this step, multiple regression analysis is performed on the variable and each dependent variable, and a regression equation derived therefrom is obtained as a multiple regression model.

이때, 다중회귀모델은 하기 수학식 3으로부터 획득될 수 있다.In this case, the multiple regression model can be obtained from Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020003312162-pat00036
Figure 112020003312162-pat00036

(여기서, y는 종속변수(골밀도 또는 골구조),

Figure 112020003312162-pat00037
Figure 112020003312162-pat00038
는 독립변수(초음파 감쇠계수 및 후방산란계수), a 및 b는 계수, c는 y절편) (where y is the dependent variable (bone density or bone structure),
Figure 112020003312162-pat00037
and
Figure 112020003312162-pat00038
is the independent variable (ultrasonic attenuation coefficient and backscattering coefficient), a and b are coefficients, c is the y-intercept)

다중회귀모델에 대하여 좀 더 자세히 설명하면, 사전에 측정된 다수개의 측정 대상체(M) 샘플에 대한 다중회귀분석을 통해 수학식 3으로 표현된 다중회귀모델을 획득할 수 있다. 이로부터 a, b, c에 해당하는 회귀계수를 도출할 수 있으며, 도출된 회귀계수가 대입된 회귀 방정식으로부터 측정하고자 하는 측정 대상체(M)로부터 추출된 복수의 초음파 변수를 대입하여 골밀도 및 골구조를 예측할 수 있는 것이다. To describe the multiple regression model in more detail, the multiple regression model expressed by Equation 3 may be obtained through multiple regression analysis on a plurality of pre-measured samples of the measurement object (M). Regression coefficients corresponding to a, b, and c can be derived from this, and bone density and bone structure can be predicted.

즉, 예측부(140)에는 사전 측정된 측정 대상체(M) 샘플로부터 도출된 회귀계수가 대입된 회귀 방정식이 다중회귀모델로써 기 저장되어 있을 수 있다. 구체적으로 예시하자면, 예측부(140)에는 골밀도(BMD) 예측을 위한 다중회귀모델, 골용적 비율(BV/TV) 예측을 위한 다중회귀모델, 골소주 두께(Tb.Th) 예측을 위한 다중회귀모델, 골소주 간격(Tb.Sp) 예측을 위한 다중회귀모델이 저장되어 있으며, 이에, 예측단계(S400)는 추출단계(S300)에서 추출된 초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 각각의 다중회귀모델에 적용시켜 골밀도와 골구조를 함께 평가할 수 있는 것이다.That is, the prediction unit 140 may pre-store as a multiple regression model a regression equation to which a regression coefficient derived from a pre-measured measurement object M sample is substituted. Specifically, the prediction unit 140 includes a multiple regression model for predicting bone density (BMD), a multiple regression model for predicting bone volume ratio (BV/TV), and a multiple regression model for predicting trabecular trabecular thickness (Tb.Th). , multiple regression models for trabecular spacing (Tb.Sp) prediction are stored, and thus, the prediction step (S400) applies the ultrasonic attenuation coefficient and the backscattering coefficient extracted in the extraction step (S300) to each multiple regression model. Bone density and bone structure can be evaluated together.

이때, 도5에 도시된 바와 같이, 상기 다중회귀모델의 결정계수(R2, Pearson 상관계수 R의 제곱)는 단일의 독립변수와 종속변수 간의 선형회귀모델의 결정계수 대비 큰 값을 가지기에, 다중회귀모델을 이용할 경우, 측정 대상체(M)의 골밀도 및 골구조를 더욱 정확하게 예측할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하고자 한다. At this time, as shown in FIG. 5, the coefficient of determination of the multiple regression model (R 2 , the square of the Pearson correlation coefficient R) has a larger value than the coefficient of determination of the linear regression model between a single independent variable and a dependent variable, When the multiple regression model is used, the bone density and bone structure of the measurement object M can be more accurately predicted. A detailed description thereof will be provided later.

4. 출력단계<S500>4. Output step <S500>

출력단계(S500)는 예측단계(S400)에서 예측된 측정 대상체(M)의 골밀도 및 골구조를 출력하는 단계이다. 이때, 예측된 골밀도 및 골구조는 출력부(150)에 의해 영상, 소리, 출력물 중 적어도 어느 하나로 제공될 수 있다. 여기서, 출력부(150)를 통해 출력되는 결과는 측정 대상체(M)의 골밀도 및 골구조뿐 아니라 이로부터 도출 가능한 골다공증 진단 결과가 포함될 수 있다. 즉, 골밀도와 골구조를 함께 평가한 골다공증 진단 결과가 출력되는 것이다.The output step (S500) is a step of outputting the bone density and bone structure of the measurement object (M) predicted in the prediction step (S400). In this case, the predicted bone density and bone structure may be provided by the output unit 150 as at least one of an image, a sound, and an output. Here, the result output through the output unit 150 may include not only the bone density and bone structure of the measurement object M, but also osteoporosis diagnosis results that can be derived therefrom. That is, the osteoporosis diagnosis result obtained by evaluating the bone density and the bone structure together is output.

한편, 도5는 측정 대상체의 골밀도 및 골구조를 예측하는데 있어서, 감쇠계수 및 후방계수를 적용한 다중회귀모델로부터 예측된 골밀도 및 골구조의 신뢰성을 설명하기 위하여 예시한 것으로, 선형회귀모델과 다중회귀모델의 결정계수를 비교한 표이다.On the other hand, Figure 5 is an example to explain the reliability of the bone density and bone structure predicted from the multiple regression model to which the damping coefficient and the posterior coefficient are applied in predicting the bone density and bone structure of the measurement object, and the linear regression model and the multiple regression model This is a table comparing the coefficients of determination of the models.

도5의 결과를 제시하기 위하여, 측정 대상체(M) 샘플의 초음파 측정을 수행하고, 측정 대상체(M) 샘플에 대한 초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 추출하였다. 이때, 선형회귀모델은 골밀도 및 골구조 중 어느 하나를 종속변수 하고, 감쇠계수 또는 후방산란계수를 독립변수로 하여, 각 독립변수와 종속변수를 회귀 분석한 것이며, 다중회귀모델은 골밀도 및 골구조 중 어느 하나를 종속변수 하고, 감쇠계수 및 후방산란계수를 독립변수로 하여, 각 종속변수와 독립변수를 회귀 분석한 것이다. In order to present the results of FIG. 5 , ultrasonic measurement was performed on a sample of the measurement object (M), and an ultrasonic attenuation coefficient and a backscattering coefficient for the sample of the measurement object (M) were extracted. At this time, the linear regression model is a regression analysis of each independent variable and the dependent variable by using any one of bone density and bone structure as a dependent variable, and attenuation coefficient or backscattering coefficient as an independent variable. Regression analysis of each dependent variable and independent variable was performed using any one of the dependent variables as the dependent variable and the attenuation coefficient and backscattering coefficient as independent variables.

여기서, 측정 대상체(M) 샘플은 인체의 해면질골(T)과 유사한 구조 및 음향 특성을 가지는 소의 대퇴골 근위부를 이용하여 제작된 직육면체 형태를 갖는 18개의 해면질골 샘플을 대상으로, 0.5 MHz의 중심주파수를 갖는 한 쌍의 초음파 트랜스듀서(110)와 함께 투과법을 이용하여 0.2 MHz 내지 0.6 MHz 주파수영역에 대한 감쇠계수를 계산하고, 0.4 MHz에 대응되는 감쇠계수를 추출하였으며, 0.5 MHz의 중심주파수를 갖는 하나의 초음파 트랜스듀서(110)와 함께 펄스-에코법을 이용하여 0.2 MHz 내지 0.6 MHz 범위의 후방산란계수를 계산하고, 0.4 MHz에 대응되는 후방산란계수를 추출하였다.Here, the sample to be measured (M) is 18 spongy bone samples having a rectangular parallelepiped shape prepared using the proximal part of a cow's femur having a structure and acoustic characteristics similar to those of the cancellous bone (T) of the human body, and a center frequency of 0.5 MHz The attenuation coefficient for the frequency region of 0.2 MHz to 0.6 MHz was calculated using the transmission method together with a pair of ultrasonic transducers 110 having A backscattering coefficient in the range of 0.2 MHz to 0.6 MHz was calculated using the pulse-echo method together with one ultrasonic transducer 110 having, and the backscattering coefficient corresponding to 0.4 MHz was extracted.

이후, 추출된 감쇠계수 및 후방산란계수를 선형회귀모델 및 다중회귀모델에 적용하여, 골밀도 및 골구조(BV/TV, Tb.Th, Tb.Sp) 각각의 종속변수와 독립변수와의 상관관계에 대한 결정계수를 획득하였다. Then, by applying the extracted attenuation coefficient and backscattering coefficient to the linear regression model and the multiple regression model, the correlation between the dependent and independent variables of bone density and bone structure (BV/TV, Tb.Th, Tb.Sp), respectively. The coefficient of determination was obtained for .

도5를 참조하면, 선형회귀모델의 결정계수에 비해 다중회귀모델의 결정계수가 더 큰 값을 가지는 것으로 나타났다. 이와 같이 서로 밀접한 관련이 있는 2개의 초음파 변수인 감쇠계수 및 후방산란계수를 독립변수로 하는 다중회귀모델을 이용하여 해면질골의 골밀도 및 골구조를 더욱 정확하게 예측할 수 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5 , it was found that the coefficient of determination of the multiple regression model had a larger value than that of the linear regression model. As described above, it can be confirmed that the bone density and bone structure of cancellous bone can be more accurately predicted using the multiple regression model using the two closely related ultrasound variables, the attenuation coefficient and the backscattering coefficient, as independent variables.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시 예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시 예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시 예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 균등개념으로 이해되어져야 할 것이다.As described above, the specific description of the present invention has been made by the embodiments with reference to the accompanying drawings, but since the above-described embodiments have only been described with preferred examples of the present invention, the present invention is limited only to the above embodiments It should not be understood as being, and the scope of the present invention should be understood as the following claims and their equivalents.

100 : 초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측장치
110 : 트랜스듀서
120 : 측정부
130 : 추출부
140 : 예측부
150 : 출력부
M : 측정 대상체
C : 피질골
T : 해면질골
Tb : 골소주
Tb.Sp : 골소주 간격
Tb.Th : 골소주 두께
100: Bone density and bone structure prediction device using ultrasonic damping coefficient and back scattering coefficient
110: transducer
120: measurement unit
130: extraction unit
140: prediction unit
150: output unit
M: object to be measured
C: cortical bone
T: spongy bone
Tb: bone shochu
Tb.Sp : Trabecular distance
Tb.Th: bone trabecular thickness

Claims (8)

초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법으로서,
어느 하나의 트랜스듀서가 측정 대상체에 송신초음파를 조사하고, 상기 어느 하나의 트랜스듀서와 마주하는 다른 하나의 트랜스듀서가 상기 측정 대상체를 투과한 제1 수신초음파를 수신하는 제1 측정단계;
어느 하나의 트랜스듀서가 상기 측정 대상체를 향해 송신초음파를 조사하고, 상기 측정 대상체를 반사하여 되돌아온 제2 수신초음파를 수신하는 제2 측정단계;
상기 제1 수신초음파 및 제2 수신초음파의 전기적 신호를 분석하여 주파수 함수에 대한 감쇠계수 및 후방산란계수를 추출하는 추출단계; 및
상기 측정 대상체의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나가 종속변수이고, 적어도 둘 이상의 변수가 독립변수로 이루어진 다중회귀모델에 상기 추출단계에서 추출된 감쇠계수 및 후방산란계수를 독립변수로 적용하여 상기 측정 대상체의 골밀도와 골구조를 예측하는 예측단계; 를 포함하고,
상기 추출단계는,
상기 제1 수신초음파 및 제2 수신초음파의 전기적 신호를 통해 0.2 MHz 내지 0.6 MHz의 주파수 대역(이하, '계산 주파수 대역'이라 칭함)에서 주파수 함수에 대한 감쇠계수 및 후방산란계수를 계산하는 연산단계; 및
상기 계산 주파수 대역에서 중심 대역에 해당하는 감쇠계수 및 후방산란계수를 추출하는 변수 추출단계;를 포함하며,
상기 연산단계에서, 상기 감쇠계수는 상기 제1 수신초음파를 분석하여 계산될 수 있으며, 하기 수학식1에 의해 결정되고,
[수학식 1]
Figure 112021094106726-pat00060

― 여기서,
Figure 112021094106726-pat00061
[dB/cm]는 초음파 감쇠계수, d는 측정 대상체의 두께,
Figure 112021094106726-pat00062
Figure 112021094106726-pat00063
는 마주하는 한 쌍의 트랜스듀서 사이에 측정 대상체가 없는 경우와 있는 경우에 각각 수신된 신호의 파워스펙트럼레벨임 ―
상기 연산단계에서, 상기 후방산란계수는 상기 제1 수신초음파 및 제2 수신초음파를 분석하여 계산될 수 있으며, 하기 수학식2에 의해 결정되는,
[수학식 2]
Figure 112021094106726-pat00064

― 여기서,
Figure 112021094106726-pat00065
[cm-1sr-1]는 초음파 후방산란계수, R은 어느 하나의 트랜스듀서의 초음파 송수신면으로부터 측정 대상체의 중앙부까지의 거리,
Figure 112021094106726-pat00066
Figure 112021094106726-pat00067
는 각각 측정 대상체 및 측정 대상체의 중앙부에 대응하는 거리에 위치된 완전 반사체(스테인리스 스틸)로부터 후방 산란된 신호의 파워스펙트럼레벨, W(f)는 초음파 초점에서 -3 dB만큼의 빔폭(반치 빔폭; half-maximum beam width),
Figure 112021094106726-pat00068
는 제2 수신초음파 중 측정 대상체 내부에서 후방 산란된 초음파 신호가 차지하는 시간, l은 측정 대상체의 중앙부로부터 표면까지의 거리,
Figure 112021094106726-pat00069
Figure 112021094106726-pat00070
는 각각 투과법에 의해 측정된 측정 대상체의 위상속도 및 감쇠계수임 ―
초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법.
As a method for predicting bone density and bone structure using ultrasonic damping coefficient and backscattering coefficient,
A first measurement step of irradiating a transmitting ultrasound wave to a measurement object by any one transducer, and receiving a first receiving ultrasound wave transmitted through the measurement object by another transducer facing the one transducer;
a second measurement step of irradiating a transmission ultrasound wave toward the measurement object by any one transducer, and receiving a second reception ultrasound wave returned by reflecting the measurement object;
an extraction step of extracting an attenuation coefficient and a backscattering coefficient for a frequency function by analyzing the electrical signals of the first ultrasonic wave and the second ultrasonic wave received; and
Any one of the bone density and bone structure of the measurement object is a dependent variable, and the attenuation coefficient and the backscattering coefficient extracted in the extraction step are applied as independent variables to a multiple regression model in which at least two or more variables are independent variables. Predicting the bone density and bone structure of the prediction step; including,
The extraction step is
Calculation step of calculating an attenuation coefficient and a backscattering coefficient for a frequency function in a frequency band of 0.2 MHz to 0.6 MHz (hereinafter referred to as a 'calculation frequency band') through the electrical signals of the first and second reception ultrasound waves ; and
variable extraction step of extracting an attenuation coefficient and a backscattering coefficient corresponding to the center band from the calculated frequency band;
In the calculation step, the attenuation coefficient may be calculated by analyzing the first received ultrasonic wave, and is determined by Equation 1 below,
[Equation 1]
Figure 112021094106726-pat00060

- here,
Figure 112021094106726-pat00061
[dB/cm] is the ultrasonic attenuation coefficient, d is the thickness of the measurement object,
Figure 112021094106726-pat00062
and
Figure 112021094106726-pat00063
is the power spectrum level of the received signal when there is no measurement object between a pair of transducers facing each other ―
In the calculation step, the backscattering coefficient may be calculated by analyzing the first received ultrasound and the second received ultrasound, and is determined by the following Equation 2,
[Equation 2]
Figure 112021094106726-pat00064

- here,
Figure 112021094106726-pat00065
[cm -1 sr -1 ] is the ultrasonic backscattering coefficient, R is the distance from the ultrasonic transmission/reception surface of any one transducer to the center of the measurement object,
Figure 112021094106726-pat00066
Wow
Figure 112021094106726-pat00067
is the power spectrum level of the signal backscattered from the perfect reflector (stainless steel) located at a distance corresponding to the measurement object and the center of the measurement object, respectively, W(f) is the beam width by -3 dB at the ultrasonic focus (half full beam width; half-maximum beam width),
Figure 112021094106726-pat00068
is the time occupied by the ultrasonic signal backscattered inside the measurement object among the second reception ultrasound waves , l is the distance from the center of the measurement object to the surface,
Figure 112021094106726-pat00069
and
Figure 112021094106726-pat00070
are the phase velocity and attenuation coefficient of the measurement object measured by the transmission method, respectively.
Bone density and bone structure prediction method using ultrasonic damping coefficient and backscattering coefficient.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 측정 대상체의 골구조는 골용적 비율(BT/TV), 골소주 두께(Tb.Th) 및 골소주 간격(Tb.Sp) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법.
According to claim 1,
The bone structure of the measurement target is characterized in that it includes at least one of a bone volume ratio (BT/TV), a trabecular trabecular thickness (Tb.Th), and a trabecular trabecular interval (Tb.Sp).
Bone density and bone structure prediction method using ultrasonic damping coefficient and backscattering coefficient.
제5항에 있어서,
다수개의 측정 대상체 샘플로부터 사전에 측정된 감쇠계수 및 후방산란계수를 독립변수로 하고, 상기 측정 대상체 샘플의 골밀도 및 골구조 중 어느 하나를 종속변수로 하여, 복수의 독립변수와 각 종속변수의 다중 회귀 분석(multiple regression analysis)을 수행하며, 이로부터 도출된 지표 방정식을 상기 다중회귀모델로 획득하는 다중회귀모델 생성단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법.
6. The method of claim 5,
The attenuation coefficient and backscattering coefficient measured in advance from a plurality of measurement object samples are used as independent variables, and any one of the bone density and bone structure of the measurement object sample is used as a dependent variable, a multiple regression model generation step of performing multiple regression analysis and obtaining an index equation derived therefrom as the multiple regression model; characterized in that it comprises
Bone density and bone structure prediction method using ultrasonic damping coefficient and backscattering coefficient.
제6항에 있어서,
상기 다중회귀모델 생성단계에서, 상기 다중회귀모델은 하기 수학식3으로부터 획득되며,
[수학식 3]
Figure 112021094106726-pat00071

― 여기서, y는 종속변수(골밀도 또는 골구조),
Figure 112021094106726-pat00072
Figure 112021094106726-pat00073
는 독립변수(감쇠 계수 및 후방산란계수), a 및 b는 계수, c는 y절편임 ―
상기 다중회귀모델의 결정계수(R2, Pearson 상관계수 R의 제곱)는 단일의 독립변수와 종속변수 간의 선형회귀모델의 결정계수 대비 큰 값을 가지는 것을 특징으로 하는
초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법.
7. The method of claim 6,
In the multiple regression model generation step, the multiple regression model is obtained from Equation 3 below,
[Equation 3]
Figure 112021094106726-pat00071

― where y is the dependent variable (bone density or bone structure),
Figure 112021094106726-pat00072
and
Figure 112021094106726-pat00073
is the independent variable (attenuation coefficient and backscatter coefficient), a and b are the coefficients, and c is the y-intercept ―
The coefficient of determination of the multiple regression model (R 2 , the square of the Pearson correlation coefficient R) is characterized in that it has a larger value than the coefficient of determination of the linear regression model between a single independent variable and a dependent variable.
Bone density and bone structure prediction method using ultrasonic damping coefficient and backscattering coefficient.
제1항에 있어서,
상기 예측단계에서 예측된 상기 측정 대상체의 골밀도 및 골구조를 출력하는 출력단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
초음파 감쇠계수 및 후방산란계수를 이용한 골밀도 및 골구조 예측방법.
According to claim 1,
an output step of outputting the bone density and bone structure of the measurement target predicted in the prediction step; characterized in that it further comprises
Bone density and bone structure prediction method using ultrasonic damping coefficient and backscattering coefficient.
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